Computerized Numerical Control
CNC ist die Abkürzung für Computerized Numerical Control, oder übersetzt computerunterstützte numerische Maschinensteuerung.
Die Steuerung der Werkzeugmaschine erfolgt mit Hilfe eines Computers, der direkt in die Steuerung der Werkzeugmaschine integriert ist.
Hervorgegangen ist die CNC aus der NC, Numerical Control, bei der die Informationen nicht als Komplettprogramm in der Steuerung einer Maschine gehalten, sondern satzweise von einem Lochstreifen eingespeist werden.
Das Zeitalter der CNC-Technologie setzte ungefähr Mitte der 1970er Jahre ein. Sie ermöglichte eine Rationalisierung in der Serienfertigung (z. B. in mechanischen Fertigungsbetrieben), aber auch in der Einzelfertigung (z. B. im Werkzeugbau).
Heute ist die Mehrzahl der neu entwickelten Werkzeugmaschinen mit einer CNC-Steuerung ausgerüstet. Es gibt aber noch immer weltweit einen beachtlichen Altbestand an konventionellen Werkzeugmaschinen.
Die CNC-Technik erlaubt eine teilautomatisierte Bearbeitung mit 2, 2 1/2 und 3 Achsen. Auch Werkzeugmaschinen mit mehr als 3 numerisch gesteuerten Bearbeitungs-Achsen sind heute keine Seltenheit mehr.
Dies mag verwunderlich klingen, ist es doch möglich, durch Verwendung der drei Achsen X, Y und Z jeden Punkt im Bearbeitungsraum einer Werkzeugmaschine zu erreichen. Aber es sind eben nur achsparallele Bewegungen möglich. Um beispielsweise eine Bohrung unter einem Winkel von 45° anzubringen, ist es erforderlich, das Werkstück oder das Werkzeug (oder beides) zu drehen. Moderne Maschinen bieten die Möglichkeit, den Maschinentisch im oder gegen den Uhrzeigersinn zu drehen, um weitere Konturbearbeitungen zu ermöglichen. Diese Rotationsachsen werden je nach Anordnung auf der Maschine mit den Buchstaben A, B und C bezeichnet: A rotierend um die X-Achse, B um die Y-Achse und C um die Z-Achse. Des Weiteren können noch sogenannte Hilfsachsen jeweils parallel zu X, Y, Z existieren, die dann U, V, W genannt werden. Alle Achs-Richtungen können mehrfach an einer Werkzeugmaschine vorkommen und erhalten dann einen Index. Zum Beispiel existiert bei einer Portalmaschine mit einem Gantry-Antrieb in X eine X-Achse und eine X1-Achse. CNC-Drehmaschinen besitzen als Hauptachsen nur die X und Z- Achse. Ist die Antriebsspindel auch als Rotationsachse programmierbar, wird sie zu einer C- Achse. Auch selbst angetriebene Werkzeuge sind denkbar, die dann eigene Achsenbezeichnungen erhalten, z.B. w-Achse.
Die Vorteile einer CNC-Steuerung liegen einerseits in der Möglichkeit zur einfachen Bearbeitung von komplexen Geometrien (3D), andererseits in der Bearbeitungs-/Wiederholgenauigkeit und hohen Geschwindigkeit der Bearbeitungsschritte. Durch die Möglichkeit, Programme zu speichern, können viele gleiche Teile ohne das Zutun eines Menschen in Serie produziert werden. Zudem ermöglicht die CNC-Technik neue Maschinenkonzepte, da keine mechanische Verbindung zwischen Hauptantrieb und Vorschubantrieben nötig ist.
Es existieren eine Vielzahl von Herstellern von CNC-Steuerungen. Die Bekanntesten sind Siemens, Heidenhain, Fidia, Mitsubishi, Fanuc, Fagor sowie NUM Güttinger.
Zur Zeit erschließt eine neue Variante der CNC-Steuerung den Markt, die so genannte Soft-CNC. Dabei laufen sämtliche Steuerungsfunktionen nicht in Hardware abgebildet als elektronisch realisierte Regelkreise, sondern als Programm in einem handelüblichen Industrierechner ab. Die Antriebskopplung erfolgt über eine PC-Steckkarte durch ein Bus-System. Recht hohe Marktverbreitung hat damit die Firma Beckhoff erzielt, aber auch Siemens und andere Hersteller bieten entsprechende Lösungen an.
Die numerisch zu übermittelnden Steuerungs-Informationen sind in der Norm DIN 66025/ISO 6983, meist kurz DIN/ISO-Programmierung genannt, beschrieben. Darin ist ein Adress-Satzaufbau benannt, hier ein einfaches Beispiel für das CNC-Fräsen mit anschließender Erläuterung:
- N0080 ...
- N0090 G00 X100 Y200
- N0100 G00 Z0
- N0110 G01 X110 F20
- N0120 Y100 F15
- N0130 G00 Z10
- N0140 ...
Hierin ist beschrieben, dass ein Fräswerkzeug in dem Satz N90 in einem Arbeitsraum im Eilgang (G00) eine Position anfährt, beschrieben mit den Koordinaten X100 und Y200. Im nächsten Satz N100 verfährt das Werkzeug (weiterhin im Eilgang) auf die Tiefenposition Z0. (Dies könnte die neu herzustellende Oberfläche sein.) Im nächsten Satz 110 verfährt das Werkzeug (nun im Vorschub mit einer Geschwindigkeit von 20 mm pro Minute) hinein in das Werkstück auf die Position X110. Im Schritt N120 verfährt das Werkzeug mit leicht verringertem Vorschub quer zur letzten Bewegung auf die Y-Koordinate 200 (zuvor 100, also um 100 mm). Im letzten Satz zieht sich das Werkzeug um 10 mm in der Höhe per Eilgang (G00) zurück.
Hier ein Beispiel für CNC-Drehen mit Werkzeugbahnkorrektur(hier nur Schlichten einer Kontur):
- N0080 ...
- N0090 G00 X-1,6 Z2
- N0100 G42
- N0110 G01 Z0
- N0120 G01 X0
- N0130 G03 X20 Z-10 I0 K-10
- N0140 G01 Z-50
- N0150 G01 X50
- N0160 G40
- N0170 ...
Voraussetzung: die Kontur wurde vorher vorgeschruppt, d.h. vorbearbeitet. In Satz 90 fährt das Werkzeug unter Mitte (X-1,6mm) und bleibt 2mm vor der Kontur stehen. Dann wird mit G42 die Werkzeugbahnkorrektur eingeschaltet und in Satz 110 an den Nullpunkt in Z-Richtung herangefahren. In Satz 120 wird noch auf die Werkzeugmitte gefahren (damit verhindert man die Entstehung eines "Butzens" an der vorderen Fläche) und fährt schließlich in Satz 130 einen Halbkreis mit einem Radius von 10mm. Letztlich wird in Satz 140 und 150 in Längs- bzw. Querrichtung noch auf Durchmesser 50mm und Länge 50mm verfahren. Mit G40 im Satz 160 wird schließlich die Werkzeugbahnkorrektur wieder aufgehoben.
Die Werkzeugbahnkorrektur ist wichtig zur Vermeidung von Konturfehlern, die bei Kreisbahnen oder kegeligen Formen entstehen würden, da das Werkzeug selbst an der Schneide einen Radius besitzt.
Aus dem NC-Programm werden in der Maschine die Stützpunkte in kurzen Zeitabschnitten interpoliert. Diese dienen als Führungsgröße der einzelnen Achsen unter Beachtung von max. Geschwindigkeiten. Es wird also beachtet, daß die Maschine nur in bestimmten Grenzen den Beschleunigungsvorgaben folgen kann und auch die zeitlichen Änderungen der Beschleunigungen (Ruck) zu begrenzen sind.
Für die Numerische "Steuerung" der Motoren kommt dann häufig eine dreifache Reglerkaskade zum Einsatz: aus dem Vergleich von Soll- und Istlage wird die Sollgeschwindigkeit des Antriebes ermittelt. Aus dem Vergleich mit der Istgeschwindigkeit wird die Sollbeschleunigung und damit die Stromstärke im Antriebsmotor bestimmt. Um nun auf Störungen wie den plötzlichen Materialeingriff schnell reagieren zu können wird wiederum die Stromstärke geregelt.
Bereits zu Beginn der 1980er Jahre gab es Ansätze, die Programmierung der CNC zu vereinfachen und die DIN/ISO-Programmierung zu verlassen. Das führte zur Entwicklung der so genannten Dialogsteuerungen, die über eine CAD-ähnliche Programmieroberfläche verfügen. Hier erstellt der Maschinenbediener das Bearbeitungsprogramm mittels einer grafischen Oberfläche am Bildschirm der CNC. Daneben ist die klassische Arbeitsteilung, Programmerstellung im Büro - Programm zur CNC übertragen - Programm einfahren und eventuell optimieren, insbesondere in der Großserienfertigung nach wie vor in Gebrauch.
Siehe auch: Bearbeitungszentrum.