Numerische Steuerungen

Numerische Steuerungen (NC)

Aus vielen Gründen (z. B. Entwicklung der Elektronik, Elementeminiaturisierung, Verbesserung des Leistungs - Kostenverhältnisses, Bedienungsvereinfachung) haben die Programmsteuerungen in den letzten Jahren stark zugenommen. Dabei wird das für das Werkstück erforderliche Fertigungsprogramm erarbeitet, diese Informationen werden in die Steuerung eingegeben, dort oder vorher in einen Code umgesetzt, in Daten umgewandelt, in den Datenspeicher geschrieben und von der Steuerung zu Befehlen an die Werkzeugmaschine verarbeitet.
NC - Steuerungen werden vor allem bei der Einzelfertigung komplizierter Werkstücke, bei hoher Wiederholsicherheit und zur Fertigung kleiner Stückzahlen eingesetzt.

1. NC - Steuerung

Die wesentlichen Aufgaben einer NC - Steuerung liegen in der Lage - Sollwertbildung bei den gesteuerten Achsen und der Verarbeitung des Programmes.
Konventionelle NC - Steuerungen sind nur in der Lage, die Informationen des Datenträgers satzweise einzulesen und zu verarbeiten, und sind daher weitgehend durch CNC - Steuerungen abgelöst, die einen Mikrocomputer zur Durchführung der Steuerfunktionen besitzen.

Vorteile von NC - Maschinen	Nachteile von NC - Maschinen
wirtschaftliche Fertigung kleiner Stückzahlen	hohe Platzkosten durch hohe Anschaffungskosten
einfache Optimierung des Spannvorgangs	höherer Maschinenstundensatz
kurze Rüstzeit durch rasche Programmeingabe, vermessene Werkzeuge	höhere Lohnkosten durch bessere Qualifikation der Mitarbeiter
gute Verknüpfbarkeit mit anderen Maschinen, Werkstück - und Werkzeugtransportsystemen, z. B. bei der flexiblen Fertigung	Zeitbedarf für die Programmierung
kurze Werkzeugwechselzeiten, geringere Zahl von Maßkontrollen, hohe Arbeitsgenauigkeit bei kurzen Fertigungszeiten	rascher technischer Fortschritt erfordert Kosten zur Anpassung oder für Neubeschaffung

2. CNC - Steuerungen

Kennzeichen von CNC - Steuerungen ist, dass die Informationen (vom externen Datenträgern oder einzeln von Hand) zunächst in einen internen Speicher gegeben werden. Dort kann man sie dann verändern, verarbeiten, optimieren.... .
CNC - Steuerungen besitzen als zentrale Datenverarbeitungseinheit eine Mikrocomputer mit meist mehreren Mikroprozessoren (Mehrprozessorsteuerung).

Wesentlich für die Funktionsmöglichkeiten einer CNC - Steuerung ist der Umfang des Rechnerprogrammes (Software), das vom Hersteller erstellt und fest eingegeben wurde.
Die CNC - Steuerung verfügt über eine großen Arbeitsspeicher (RAM) zur Speicherung mehrerer Teilprogramme, Unterprogramme, Zyklen, Makros, Werkzeugkorrekturen, usw. Im Festwertspeicher (EPROM) sind die Steuerungssoftware und unveränderbare, steuerungsbezogene Daten abgelegt.

Anforderungen an eine CNC - Steuerung:

Bedienung	Programmierung	Automatisierungsgrad
Handeingabe	grafische Unterstützung	Einbindung in flexible Fertigungssystem
Direkteingabe	Geometrieberechnung	leistungsfähige Schnittstellen
Dialogeingabe	Rotation, Translation, Spiegeln von Programmen	Meßzyklen mit Meßdatenverarbeitung
Bedienerführung	Bearbeitungszyklen	Werkzeugverwaltungsprogramm
Übersichtliche Anzeige	Maßstabveränderungen	Werkstückerkennung
Diagnosehilfen	Unterprogramme	automatische Fehleraufzeichnung und Speicherung
Parallelprogrammierung und laden neuer Programme während der Hauptzeit	Programmteilwiederholung Simulation der Programme	erweiterungsfähig

Als Verbindungsglied zwischen Steuerung und Maschine dient eine Anpaßsteuerung (SPS). Diese hat die Aufgabe, die ankommenden Signale und die von Signalglieder (Schalter, Tasten) kommenden Meldungen zu speichern, umzuformen, zu verknüpfen und als einfache Befehle (z. B. Spindel - Rechtslauf, - Linkslauf, ...) an die Werkzeugmaschine auszugeben, oder Rückmeldungen für die NC - Steuerung zu erzeugen. Heutige Anpaßsteuerungen sind in die NC - Steuerung integriert.

3. Koordinatenachsen und Bezugspunkte

Die Steuerung einer Werkzeugmaschine erhält die Weginformationen durch Koordinatenwerte. Um Werkstücke unabhängig von der Maschine programmieren zu können, sollten alle Maschinen ein gleich angeordnetes Koordinatensystem haben.

Die Koordinatenachsen werden mit X, Y und Z bezeichnet, und sind orthogonal angeordnet. Die X - Achse ist die Hauptachse des Systems, die Z - Achse liegt in Richtung der Hauptspindel der Werkzeugmaschine.

Zur eindeutigen Festlegung der Bearbeitungspositionen, sind der Arbeitsbereich und die Koordinatenachsen der Maschine, sowie die Bezugspunkte zwischen Maschine, Werkstück und Werkzeug erforderlich.

Koordinatenachsen, Arbeitsraum und Bezugspunkte am Beispiel einer Drehmaschine:

M Maschinen - Nullpunkt WR Werkzeug - Referenzpunkt
A Anschlagpunkt im Futter F Schlitten - Bezugspunkt
W Werkstück - Nullpunkt T Werkzeugträger - Bezugspunkt
C Programm - Nullpunkt P Werkzeug - Einstellpunkt
MR Referenzpunkt

ZMA Maß zwischen Maschinen - Nullpunkt und Anschlagpunkt Z - Achse
ZMW Nullpunkt in der Z - Achse
ZMWR, XMWR Maße zwischen Werkstück - Nullpunkt und Werkzeug - Referenzpunkt
ZMF, XMF Istposition des Werkzeugträgers (Schlittens)
ZMMR, XMMR Referenzpunktkoordinaten
ZFP, XFP Einstellmaße des Werkzeuges bezogen auf F


M: Maschinen - Nullpunkt, er vom Werkzeugmaschinenhersteller für jede Achse festgelegt wird. Er ist durch das Meßsystem fixiert und kann nicht geändert werden.
W: Werkstück - Nullpunkt, der vom Programmierer frei gewählt werden kann (meist durch die Art der Bemaßung vorbestimmt). Er ist der Ursprung des Werkstückkoordinatensystems.
MR: Referenzpunkt, der vom Werkzeugmaschinenhersteller für jede Achse festgelegt wird und durch Endschalter und durch ein Signal des Meßkreises bestimmt ist.
Er muss nach dem Einschalten der Maschine zur "Eichung" des Wegmeßsystems angefahren werden. Erst dann kann der Automatikbetrieb beginnen.
WR: Werkzeug - Referenzpunkt, den der Programmierer festlegt. Auf diesem Punkt fährt das Werkzeug für den Wechsel.

In der Regel kommt man beim Programmieren mit den Bezugspunkten M, W und R aus. Der Maschinen - Nullpunkt ist für die Programmierung meist ungeeignet, da die Lage des Werkstückes auf der Maschine, bedingt durch die Spannvorrichtung, nicht berücksichtigt wird. Man wählt deshalb einen Werkstück - Nullpunkt, dessen Koordinaten in beliebiger Entfernung zum Maschinen - Nullpunkt liegen können.

4. Steuerungsarten

4.1 Punktsteuerung

Bei der Punktsteuerung ist die Werkstückbearbeitung nur an den Zielpunkten möglich. Das Werkzeug ist während der Schlittenbewegung nicht im Eingriff. Zwischen den einzelnen Schlittenantrieben besteht kein Funktionszusammenhang.
z. B.: Koordinatenbohrwerk

4.2 Streckensteuerung

Das Werkzeug ist zwischen zwei Punkten entlang einer Geraden im Eingriff. Diese Steuerungsart wurde für einfache Dreh - und Fräsmaschinen eingesetzt. Neuere Maschinen sind jedoch bereits mit Bahnsteuerungen ausgestattet.

4.3 Bahnsteuerung

Bei der Bahnsteuerung wird das Werkstück während der Bewegung zwischen zwei Punkten entlang einer beliebigen Bahn bearbeitet. Die Vorschubantriebe arbeiten dabei gleichzeitig in einem bestimmten Funktionszusammenhang.

Je nachdem wieviele Achsen die Steuerung gleichzeitig interpolieren kann, spricht man von einer:

Bezeichnung	Bahnsteuerung	Gesteuerte Achsen
2D - Steuerung	zweiachsig	XY oder XZ
2½D - Steuerung	zweiachsig	wahlweise schaltbar auf XY, XZ, YZ
3D - Steuerung	dreiachsig	gleichzeitig XYZ
	vierachsig	gleichzeitig XYZB
	fünfachsig, vielachsig	gleichzeitig XZYAB....

5. Bedienfelder von CNC - Maschinen

Die unterschiedlichen Funktionen einer CNC - Maschine werden durch einen Betriebsartenschalter oder durch eine Betriebsartentastatur angewählt. Solange eine Betriebsart angewählt ist, sind die anderen außer Funktion. Damit werden auch nur die Tasten aktiviert, die für diese Betriebsart benötigt werden, d. h. die Betätigung anderer Tasten hat keine Folgen.

Mit Drehpotentiometer können die Vorschubgeschwindigkeiten oder die Drehzahl den Erfordernissen angepaßt werden. Weitere Schalter oder Tasten, z. B. für Achsenwahl, Richtungssinn, NOT - AUS, ... sind ebenfalls auf dem Bedienfeld angeordnet.

Die Alpha - Numerik - Tastatur dient der Eingabe eines Programmes und/oder der Eingriffsmöglichkeit in ein vorhandenes Programm. Bildzeichen auf den Tasten und spezielle Funktionstasten (sogenannte Softkeys) erleichtern die Arbeit.
Bei der Verwendung von Makrotasten wird die Werkstückform in einfache Formelemente, z. B. Einstich, Fase, Rundung, Kegel, Zylinder, Planfläche, ... zerlegt. Durch drücken erscheinen am Bildschirm jeweils Fragen nach den Abmessungen des Formelementes, deren Antwort dann im Dialog eingegeben wird. Vorschub - und Schnittgeschwindigkeit, Werkzeug mit Korrektur, Eilgang usw. werden mit den üblichen Tasten eingegeben.

6. Programmierung

6.1 Programmaufbau

Das Steuerprogramm besteht aus:
• dem Bearbeitungsprogramm, das alle geometrischen technologischen, und programmtechnischen Daten enthält,
• den Unterprogrammen (das sind Programme die sich wiederholen)
• den Arbeitszyklen, z. B. Bohren, Drehen, Fräsen
• den Programm - und Werkzeugkorrekturen
• und den Nullpunktverschiebungen.

Das Programm besteht aus einer Folge von Sätzen und kann in Abschnitte unterteilt werden, deren erster Satz jeweils "Hauptsatz" heißt. Ein Hauptsatz muss alle notwendigen steuerungstechnischen Informationen, wie z. B. Nullpunktverschiebung, Vorschub, Drehzahl, Rechtslauf, Werkzeug, usw., für den beginnenden Arbeitsablauf enthalten.

In den dem Hauptsatz folgenden Nebensätzen sind nur Daten enthalten, die für den weiteren Programmablauf notwendig sind, z. B. Änderung von Koordinatenwerten, Umschalten von Vorschub auf Eilgang, Spindel - Stop, ..... .

Ein Satz beginnt immer mit der Satznummer und besteht aus mehreren Wörter. Die Reihenfolge der Wörter ist in der Norm vorgeschrieben. Die meisten Steuerungen verarbeiten auch in beliebiger Folge eingegebene Wörter. Da nicht in jedem Satz jede Adresse angesprochen werden muss, ergeben sich unterschiedliche Satzlängen.

Ein Wort besteht aus einem Adreßbuchstaben und einer Ziffernfolge. Die Ziffernfolge wird mit (explizit) oder ohne Dezimalpunkt (implizit) geschrieben. Bei impliziter Schreibweise müssen wegen des fehlenden Punktes alle erforderlichen Nullen als Platzhalter mitgeschrieben werde.

6.2 Programmierverfahren

Bei der manuellen Programmierung wird der Arbeitsplan entsprechend der Werkstückbezeichnung erstellt. Dabei wird die Werkstückkontur in Konturelemente zerlegt, die zugehörigen Bahnpunkte werden errechnet, die Schnittwerte bestimmt und Werkzeugkorrekturen ermittelt. Daraus entsteht auf einem Programmblatt das Programmmanuskript. Das Programm wird entweder unmittelbar an der Maschine eingegeben (Werkstattprogrammierung) oder an einem Programmierplatz (AV - Programmierung) erstellt.

Bei der rechnerunterstützten Programmierung werden in der Arbeitsvorbereitung einem PC die Weg - und Schaltinformationen über die Tastatur im Dialog mit Menütechnik eingegeben. Zur einfacheren Programmierung stehen üblicherweise anwenderneutrale Zyklen für Bohren, Drehen, Fräsen, ... zur Verfügung.
Umfangreiche Berechnungen entfallen, wenn ein Goemetrieprozessor zur Verfügung steht, der zunächst unvollständige Angaben akzeptiert und aus neu hinzukommenden Informationen die fehlenden Punkte der Werkstückkontur berechnet. Die eingegebenen Sätze werden durch den Geometrieprozessor verarbeitet und so die Kontur schrittweise aufgebaut.

Bei der manuellen Programmierung muss sich der Programmierer immer den vorhandenen CNC - Steuerungen mit ihren unterschiedlichen Bedienfeldern und Bildschirmanzeigen anpassen. Um dem abzuhelfen, haben mehrere Steuerungshersteller ein Werkstatt - orientiertes - Programmierverfahren (WOP) entwickelt. Grundlage ist ein Software - Paket mit firmenübergreifender einheitlicher Programmierung innerhalb eines Fertigungsverfahrens. Für unterschiedliche Fertigungsverfahren sind Ansätze zur einheitlichen Programmierung erkennbar.

Wesentliche Vorteile von WOP sind:
• Programmierung einfach und mit einheitlichen Dialogen
• Menütechnik
• einheitliche Syntax
• grafisch - interaktive Eingabe
• für Werkstatt und AV einheitliche Systeme
• nach Angabe des Werkstoffes, des Werkzeuges und des Schneidstoffes werde die Spanungswerte vorgeschlagen.

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