CNC-Steuerungen
Machining Transformation (MX) markiert den Übergang zu einer vernetzten, digitalisierten und nachhaltigen CNC-Fertigung. Im Zentrum dieser Revolution stehen die vier Kernbereiche Prozessintegration, Automation, Digitale Transformation (DX) und Grüne Transformation (GX). In diesem ganzheitlichen Kontext fungiert die CNC-Steuerung als Quelle der digitalen Fertigungsintelligenz und hat diesbezüglich eine existenzielle Bedeutung für die Weiterentwicklung der Fertigungstechnik im Zeitalter der industriellen Digitalisierung.
Das Zeitalter der Moderne beginnt für den globalen Werkzeugmaschinenbau am MIT (Massachusetts Institute of Technology) der Universität in Cambridge in Boston. In den späten 1940er- und frühen 1950er-Jahren war dort bei der Suche nach einer effizienteren Methode die erste NC-Maschine entwickelt worden. Auslöser war die Suche nach einer effizienteren Lösung, komplexe Werkstücke für die Luft- und Raumfahrtindustrie herzustellen. Das Kürzel „NC“ steht für Numerical Control, also die numerische Steuerung von Maschinen. Deren Entwicklung markierte einen signifikanten Wendepunkt in der Geschichte des Werkzeugmaschinenbaus. Bis zur Evolution von der NC- zur CNC-Steuerung und dem damit einhergehenden Durchbruch des Computereinsatzes war es aber noch ein weiter Weg.
Die Evolution von der NC zur CNC
In den Jahren nach ihrer Weltpremiere trafen die NC-Systeme auf mehrere Herausforderungen und Einschränkungen. Eine der größten Hürden war ihre Limitierung auf einzelne Aufgaben und statische Operationen. Da sie programmiert waren, um eine spezifische Aktion auszuführen, war es schwierig und zeitaufwändig, Anpassungen vorzunehmen oder Variationen in der Teilefertigung zu realisieren. Eine andere Herausforderung war die Komplexität der Programmierung. Die ersten Programmiersprachen steckten noch in den Kinderschuhen und die Erstellung von NC-Programmen erforderte spezielle Fachkenntnisse. Zudem beschränkte die Verarbeitungsgeschwindigkeit der NC-Systeme ihre Wirksamkeit und Effizienz.
So wurde schnell klar, dass eine evolutionäre Entwicklung hin zu etwas Dynamischerem und Anpassungsfähigerem notwendig war. Vor diesem Hintergrund spielte dann die Erfindung der Transistoren und die anschließende Entwicklung von Mikroprozessoren in den 1960er- und 1970er-Jahren eine revolutionäre Rolle. Durch die Integration eines Computers in die Steuerungseinheit zur CNC-Steuerung (Computerized Numerical Control) eröffnete sich dem Werkzeugmaschinenbau ein völlig neues Spektrum an Möglichkeiten. Die Maschinen wurden flexibler und konnten komplexe Befehlssequenzen verarbeiten. Programme konnten gespeichert und beliebig wiederverwendet werden. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit und Effizienz stiegen ebenso wie die Genauigkeit, Qualität und Reproduzierbarkeit.
Mit der dynamischen Weiterentwicklung der Computertechnologie hat auch die CNC-Technik die Fertigungslandschaft zunehmend verändert. In erster Linie hat sie die Fertigungsgeschwindigkeit, die Flexibilität und den Anteil der Automation erheblich gesteigert. So können CNC-gesteuerte Maschinen seitdem partiell ohne Aufsicht betrieben werden. Des Weiteren verbesserten sich die Präzision und Wiederholbarkeit. Ein einmal programmiertes und getestetes CNC-Programm war ohne Genauigkeits- und Qualitätsverluste wiederzuverwenden. Außerdem ermöglichte die CNC-Steuerung die Fertigung von komplizierten, benutzerdefinierten Geometrien.
Was sind die Aufgaben einer CNC-Steuerung?
Die CNC-Steuerung ist verantwortlich für die Verarbeitung, Programmierung und Koordination der Bewegungen einer Maschine. Währenddessen ermöglicht die Antriebstechnik in Form von Schrittmotoren, Servo- oder Direktantrieben die physische Bewegung der Linear- und Rundachsen einer Maschine. Die Wahl des Motors und der Antriebsart einer CNC-Maschine hängt von verschiedenen Faktoren ab, dazu zählen die spezifischen Anforderungen der Anwendung, die Kosten und die Komplexität der Steuerung.
Zu den primären Funktionen einer CNC-Steuerung gehört die automatisierte Bearbeitung von Bauteilen nahezu beliebiger Komplexität. Die CNC ermöglicht eine präzise Steuerung der Bewegungen von Motoren, Spindeln und Antriebseinheiten entlang der Linear- und Rundachsen. Damit übernimmt die Steuerung einer CNC-Drehmaschine oder CNC-Fräsmaschine viele Aufgaben, die bei konventionellen Werkzeugmaschinen hauptsächlich vom Maschinenbediener wahrgenommen werden. Dazu gehören das Steuern der Fertigungsschritte, die Kontrolle der Fertigungsabläufe, das Speichern von Maschinen- und Werkzeugdaten, das Speichern und Ausführen von Fertigungsprogrammen und die grafische Simulation von Fertigungsabläufen. Außerdem zeichnen sich moderne CNC-Systeme durch umfassende Funktionen für die Unterstützung bei der Programmierung aus.
Die Programmiersprache
Die Struktur einer Programmiersprache besteht hauptsächlich aus sogenannten G-Codes, M-Codes und Technologiezyklen. Der G-Code wird verwendet, um die Bewegungen und Operationen einer CNC-Maschine zu steuern. Das „G“ leitet sich also aus der späteren Geometrie des Werkstücks ab. Der G-Code gibt an, in welcher Richtung, mit welcher Geschwindigkeit und auf welchem Pfad ein Werkzeug bewegt wird. Einige grundlegende G-Codes sind G00 für schnelle Positionierung, G01 für lineare Bewegungen, G02 und G03 für kreisförmige Bewegungen. Jeder dieser Codes hat zudem spezifische Parameter, die die Bewegung des Werkzeugs präzisieren.
Im Vergleich dazu sind M-Codes Befehle, die spezifische Funktionen und Operationen der Maschine steuern, die also nicht direkt mit den Bewegungen des Werkzeugs verbunden sind. Dazu zählen beispielsweise das Ein- und Ausschalten der Kühlmittelzufuhr, das Öffnen und Schließen der Spannvorrichtung oder das Starten und Stoppen des Spindelmotors.
Technologiezyklen unterstützen die CNC-Programmierung
Technologiezyklen vereinfachen die Programmierung von CNC-Maschinen, indem sie komplexe NC-Programmabläufe in eine einfache, bedienerfreundliche Eingabeform umwandeln. Jeder Technologiezyklus ist auf eine bestimmte Aufgabe zugeschnitten. Es gibt unter anderem Zyklen für Bohren, Gewindeschneiden, Fräsen, Drehen, Messen oder für die Zahnradfertigung.
Der Bediener muss in diesen Fällen lediglich den gewünschten Technologiezyklus aus dem Steuerungsmenü der Maschine auswählen und die notwendigen Parameter in die Eingabemaske eintragen. Danach erzeugt die CNC-Steuerung einen kompletten Satz von NC-Befehlen basierend auf den gegebenen Informationen. Die Maschine führt die entsprechenden Operationen gemäß den Befehlen aus, was den Zeitaufwand für die CNC-Programmierung reduziert und gleichzeitig die Qualität und Genauigkeit der Werkstücke verbessert. Technologiezyklen tragen dazu bei, menschliche Fehler zu minimieren, was eine höhere Betriebseffizienz und Produktqualität zur Folge hat.
In einem typischen CNC-Programm werden dann G-Codes und M-Codes mit Technologiezyklen kombiniert, um die gewünschte Bearbeitung durchzuführen. Das Programm beginnt in der Regel mit einer Reihe von M-Codes, um die Maschine einzurichten, gefolgt von G-Codes und Technologiezyklen, die die eigentliche Bearbeitung steuern.
Welche CNC-Steuerungsarten gibt es?
CNC-Steuerungen können nach ihrer Funktionsweise in Punktsteuerungen, Streckensteuerungen und Bahnsteuerungen eingeteilt werden. Eine Punktsteuerung positioniert das Werkzeug an vordefinierten Punkten und wird hauptsächlich für Bohr- oder Stanzoperationen verwendet. Mit Streckensteuerungen wird das Werkzeug entlang einer vorgegebenen Strecke geführt, jedoch ohne eine kontinuierliche Kontrolle über die Bahn zwischen den Punkten. Bei einer Bahnsteuerung wird das Werkzeug durch Interpolation der Achsen entlang einer kontinuierlichen Bahn bewegt, wobei sich diese Steuerungsart nochmals differenziert in 2D, 2½D- und 3D-Bahnsteuerungen.
Die moderne Fertigung
Heutige CNC-Systeme sind mit hocheffizienten Mikroprozessoren und Speichersystemen ausgestattet. Das ermöglicht die Verarbeitung von hochkomplexen und damit rechenintensiven Befehlssequenzen für mehrere interpolierende Linear- und Rundachsen. Selbst komplexe Bearbeitungsaufgaben lassen sich so mit höchster Präzision erledigen und bleiben dabei reproduzierbar. Damit ist und bleibt die CNC-Steuerung das Herzstück jeder modernen Werkzeugmaschine. Im Kontext der industriellen Digitalisierung wird sie sich allerdings über die traditionelle Prozesssteuerung hinaus weiterentwickeln. Relevante Themenfelder in diesem Kontext sind:
- Integration von KI und maschinellem Lernen: Moderne CNC-Systeme sind zunehmend in der Lage, Daten aus dem Bearbeitungsprozess zu sammeln und zu analysieren. Durch die Integration von KI und maschinellem Lernen können diese Systeme Bearbeitungsprozesse selbstständig lernen und optimieren. Dies führt zu einer erhöhten Effizienz, Präzision und geringeren Fehlerquote.
- Fehlerkompensation und Qualitätskontrolle: Intelligente CNC-Systeme können Abweichungen im Bearbeitungsprozess erkennen und automatisch korrigieren. Dies trägt wesentlich zur Qualitätssteigerung und Konsistenz der gefertigten Produkte bei.
- Energieeffizienz und Nachhaltigkeit: Intelligente CNC-Steuerungen können den Energieverbrauch optimieren, indem sie den Betrieb der Maschine an die aktuellen Anforderungen anpassen. Dies reduziert nicht nur die Betriebskosten, sondern fördert auch eine nachhaltige Produktion.
- Vernetzung und Kommunikation: In der Industrie 4.0 ist die Vernetzung essenziell. CNC-Systeme werden mit anderen Maschinen, Systemen und übergeordneten Management-Tools gekoppelt, um einen reibungslosen und effizienten Produktionsfluss zu gewährleisten. Dies ermöglicht eine umfassende Kontrolle und Überwachung der Produktionsprozesse in Echtzeit.
- Anpassungsfähigkeit und Flexibilität: Die Fähigkeit, schnell auf Änderungen in der Teilefertigung reagieren zu können, ist in der modernen Fertigung unerlässlich. CNC-Steuerungen ermöglichen durch ihre Programmierbarkeit und Flexibilität, Produkte in kleinen Losgrößen oder sogar individuell nach Kundenwunsch herzustellen, ohne die Effizienz zu beeinträchtigen.
Wie wird sich die Rolle der CNC-Steuerung in der Bauteilfertigung entwickeln?
CNC-Steuerungen sind heute weitaus mehr als ein Instrument zur Steuerung von Maschinen. Sie sind zu einem integralen und interaktiven Bestandteil intelligenter Fertigungsstrukturen geworden, der weit über die mechanische Werkstatt hinausreicht. CNC fungiert als Schnittstelle zwischen digitaler Planung und physischer Ausführung. Durch die Integration von KI und fortschrittlicher Analytik werden CNC-Steuerungen immer mehr zu einem aktiven Entscheidungsträger im Prozess der CNC-Teilefertigung. Sie fügen sich nahtlos in das Ökosystem einer intelligenten Produktentstehung ein und schaffen einen qualifizierten Mehrwert. Somit werden CNC-Steuerungen in Zukunft nicht nur die Effizienz und Qualität der CNC-Fertigung erhöhen, sondern auch zu einer flexibleren, anpassungsfähigeren und ökologisch nachhaltigeren Industrie beitragen.
Die Rolle von CNC-Steuerungen auf dem Shopfloor
Bahnsteuerung in allen Dimensionen
NC-Steuerungen haben sich von einfachen Punktsteuerungen zu hochkomplexen Bahnsteuerungen entwickelt, die in der Lage sind, anspruchsvollste Bearbeitungsaufgaben auszuführen. Dabei differenziert sich diese Art der CNC-Steuerung in drei Unterkategorien:
- 2D-Bahnsteuerung: Die 2D-Bahnsteuerung ist die grundlegendste Form der Bahnsteuerungen. Sie wird in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Bearbeitung entlang zweier Achsen erfolgt – typischerweise X und Y. Diese Art der Steuerung ist ideal für Aufgaben wie das Schneiden und Gravieren oder einfache Fräsarbeiten, bei denen die Vertikalachse (Z-Achse) keine kontinuierliche Bewegung ausführt.
- 2½D-Bahnsteuerung: Die 2½D-Bahnsteuerung ist eine Erweiterung der 2D-Steuerung. Während sie primär auf der X- und Y-Achse operiert, ermöglicht sie auch das Anheben oder Absenken des Werkzeugs entlang der Z-Achse, jedoch ohne simultane Bewegung in X und Y. Dies erlaubt komplexere Bearbeitungen als bei reiner 2D-Steuerung.
- 3D-Bahnsteuerung: Die 3D-Bahnsteuerung repräsentiert die höchste Entwicklungsstufe der CNC-Steuerungstechnologien. Sie ermöglicht die gleichzeitige (interpolierende) Bewegung und Koordination aller linearen Achsen (X, Y und Z) und rotierenden Achsen (A-, B- und C-Achse), um komplexe dreidimensionale Konturen bearbeiten zu können.
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