CNC zur Steuerung von Werkzeugmaschinen

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Definition des Begriffs „Werkzeugmaschine“

3. Historische Entwicklung

4. Aufbau einer CNC-Werkzeugmaschine
4.1 Allgemeiner Aufbau bezogen auf die Maschinenkomponenten und –Achsen
4.2 Veranschaulichung anhand eines Beispiels in der Blechbearbeitung

5. Erläuterung der Begriffe „NC“ und „CNC“

6. Arbeitsweise einer modernen CNC-Steuerung
6.1 Der Interpolator
6.2 Die Steuerungsarten
6.3 Aufgaben der CNC-Steuerung
6.4 Bedienung und Programmierung einer CNC-Maschine
6.4.1 Grundlegender Aufbau eines NC-Programms
6.4.2 Manuelle Programmierung
6.4.3 Offene Steuerung
6.4.4 Computergestützte Programmierung
6.5 Beispielhafte Erläuterung der CNC anhand der Flachbett-Laserschneideanlage

7. Fazit

Verzeichnis der Abbildungen

Verzeichnis der Tabellen

Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Diese Arbeit beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Werkzeugmaschine und deren Entstehungsgeschichte einerseits, sowie mit der modernen (rechnergestützten) Steuerung dieser Maschine und deren Programmierung andererseits. Die Zielsetzung besteht in der Schaffung eines Überblicks über das Thema. Zur Verdeutlichung des Aufbaus und der Steuerung wird ein aktuelles, praktisches Beispiel aus dem Bereich der flexiblen Blechbearbeitung angeführt.

Der Fokus richtet sich auf die technischen Gesichtspunkte und zu einem gewissen Teil auf die historische Entwicklung, wirtschaftliche Aspekte werden nicht berücksichtigt.

Interessant ist die zunehmende Integration der vergleichsweise alten mit der neuen Technik, sodass der Mensch sich Techniken zunutze machen kann, die ohne diese „Symbiose“ nicht möglich wären.

2. Definition des Begriffs „Werkzeugmaschine“

Hierbei ist es zuerst einmal sinnvoll, den Begriff in seine Bestandteile – Werkzeug und Maschine – zu zerlegen. Werkzeuge sind „Arbeitsbehelfe zur Handhabung, Herstellung oder Bearbeitung von Gegenständen (Werkstücken)“ [1]. Unter einer Maschine versteht man „in der Technik ein Gerät zur Änderung der Stärke oder Richtung einer angewandten Kraft“ [1]. So können Kräfte entwickelt werden, die über die Muskelkraft des Menschen hinausgehen und darüber hinaus können diese effizienter genutzt werden [1].

Allgemein gesagt dienen Werkzeugmaschinen „der maschinellen Bearbeitung von Werkstoffen durch formverändernde Verfahren“ [2, S. 2]. Eine noch treffsicherere Definition von O. Kienzle ist diese hier: „Eine Werkzeugmaschine ist eine Arbeitsmaschine, die ein Werkzeug an einem Werkstück unter gegenseitiger bestimmter Führung zur Wirkung bringt“ [2, S. 152]. Wichtig hierbei ist die sich daraus ableitende Abgrenzung zu Fertigungsmitteln, welche für die Veränderung des Zustandes eines Werkstücks einsetzbar sind, jedoch einem anderen Bereich zugeordnet werden, z.B. Härteanlagen oder Handhabungsgeräte. Darüber hinaus wird der Anwendungsbereich auf mechanische Teile konkretisiert und es werden die wesentlichen und qualitätsbestimmenden Funktionsgruppen der Werkzeugmaschine herausgestellt [2, S. 152].

Vor Mitte des 19. Jahrhunderts wurden alle formverändernden Maschinen als Werkzeugmaschine bezeichnet, Textilmaschinen mit eingeschlossen. Seit 1860 etwas bezeichnete man noch spanende Holz- und Metallbearbeitungsmaschinen so. In den Jahren nach 1900 wurden umformende Maschinen hinzugezogen. Heute versteht man unter dem Begriff der Werkzeugmaschine laut DIN 69651^[1] eine Arbeitsmaschine zur Formveränderung von metallischen Werkstoffen [2, S. 2].

Die Werkzeugmaschinen können auch als technische Systeme angesehen werden, welche dazu benötigt werden, aus Rohteilen durch Anwendung von Fertigungsverfahren^[2] Fertigteile herzustellen. Solche Systeme wandeln die drei Grundgrößen Energie, Material und Information [3, S. 26]. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wird hier besonders auf den Aspekt der Information, d.h. der Steuerung eingegangen.

3. Historische Entwicklung

Im 14. Jahrhundert wurden bereits Senkrecht- und Waagerechtbohrmaschinen (zum Ausbohren von Geschützen) gebaut, die schon über die wesentlichen Merkmale der modernen Werkzeugmaschinen verfügten. So erfuhr auch die Drehbank eine entscheidende Neuerung – der sonst benötigte Gehilfe wurde durch den nun vorhandenen Wippenantrieb ersetzt, wodurch der Drechsler das Zusammenspiel zwischen Antrieb mit dem Fuß und der Werkstückbearbeitung mit der Hand selbst bestimmen konnte. In den letzten Jahrzehnten vor 1800 begann nun die gezielte Entwicklung von leistungsfähigen Werkzeugmaschinen aufgrund der hohen Nachfrage an Maschinenteilen (etwa für Textilmaschinen oder Dampfmaschinen). Die „Industrielle Revolution“ hatte begonnen [2].

Mit der massenhaften Konstruktion und Nutzung von Werkzeugmaschinen wurde der Übergang von der „Hand-Werkzeug-Technik“ zur „Maschinen-Werkzeug-Technik“ vollzogen. Bei der Drehbank musste der Dreher ursprünglich das Werkstück mit einem auf einer Stütze liegenden Drehmeißel, den er mit den Händen führte, bearbeiten. Im Zuge der Innovation wurde das Halten und Führen des Meißels an einen Mechanismus übertragen - die Drehbank wurde vollends zur Drehmaschine [2].

Mit diesen technischen Weiterentwicklungen geht seit der Mitte des 19. Jahrhunderts auch die Automatisierung in der Produktion einher. Der Arbeiter wird schrittweise aus der Steuerung des Bearbeitungsprozesses herausgelöst. Die Maschine wird dann zum Automaten, wenn der Arbeiter nicht mehr an den Rhythmus der Maschine gebunden ist und deshalb nicht mehr in den Bearbeitungsprozess unmittelbar eingreifen muss. Das Programm hierzu wird vom Menschen erstellt. Zu beachten ist allerdings, dass es sich nur um Teilautomaten handelt, wenn etwa das Werkstück beispielsweise noch von Hand be- sowie entladen werden muss. Ersatzweise verwendet man dazu heutzutage auch fest installierte oder fahrbare (Industrie-) Roboter^[3]. Der Trend geht dahin, in nur einer Maschine unterschiedliche Fertigungsverfahren zu integrieren. So verlagert sich die menschliche Arbeit auf Bereiche wie die Maschineneinrichtung, Materialversorgung, Wartung, Pflege, Reparatur und Programmierung [2] [4, S. 449] [6] [7].

4. Aufbau einer CNC -Werkzeugmaschine

4.1 Allgemeiner Aufbau bezogen auf die Maschinenkomponenten und -Achsen

Der Grundaufbau jeder Werkzeugmaschine lässt sich in fünf Einzelkomponenten aufteilen: Das Maschinengestell, das Werkzeugträger-, das Werkstückträger-, das Antriebs- und das Steuersystem. Diese Grundsysteme sind für die Funktionen notwendig und können zusätzlich von Hilfssystemen unterstützt werden [2, S. 7].[4]

Abbildung 1 – Aufbau einer Flachbett-Lasermaschine [in Anlehnung an 8, S. 71 und S. 74]

[...]

^[1] „DIN - Abkürzung des Deutschen Instituts für Normung e.V., das als gemeinnütziger Zweckverband mit Sitz in Berlin Normen verschiedenster Art erstellt und im Deutschen Normenwerk registriert“ [1]. Sinn und Zweck von Normungsarbeiten ist etwa Rationalisierung und Qualitätssicherung [1].

^[2] „Fertigen ist das Herstellen von Werkstücken geometrisch bestimmter Gestalt“ ([3], S. 25). Dazu sind bestimmte Fertigungsverfahren (z.B. Umformen, Trennen) erforderlich ([3], S. 25).

^[3] Universell einsetzbare Automaten zum Bewegen, Positionieren und Orientieren von Werkstücken oder Werkzeugen in mehreren Achsen, deren Bewegungsablauf programmierbar ist. Sie sind mit Endeffektoren (Greifern, Werkzeugen etc.) ausrüstbar und können unterschiedliche Aufgaben ausführen. Gerade deswegen gehören sie nicht zur Gruppe der CNC-Maschinen, obwohl durchaus technische Gemeinsamkeiten bestehen, sondern zu den Handhabungsgeräten [4, S. 449] [5, S.569].

^[4] CNC - „Computerized Numerical Control“, d.h. numerische Steuerung mittels Mikroprozessor (siehe Abschnitt 5.) [4, S. 56]

^[5] Ein Binärsystem ist eine Basis zur Datenverarbeitung. Binäre Zeichen bestehen aus Signalen mit nur zwei Zuständen. In diesem Fall erhält die NC-Maschine ihre Arbeitsanweisung beim Lochstreifen in der Form Loch oder kein Loch [4].

^[6] Sie werden auch geometrische Informationen genannt und dienen zur Positionierung des Werkstücks bzw. Werkzeugs

[8, S. 134].

^[7] Sie sind Grundlage für die Steuerung der Stellglieder der Maschine. Die technologische Informationen (z.B. Vorschubgeschwindigkeit) und Hilfsfunktionen (z.B. automatischer Werkzeugwechsel oder Werkstückwechsel) werden auch als Schaltinformationen bezeichnet [8, S. 134] [9, S. 31].