Die CNC-Steuerungsarten – eine Unterscheidung

Bevor wir auf die CNC-Steuerungsarten eingehen, wollen wir kurz erwähnen, dass die computergestützte Steuerung aus der NC - der numerischen Steuerungsform - hervorgegangen ist. Bei der NC mussten die Informationen noch mit Lochstreifen eingelesen werden. Durch die in den 1970er-Jahren eingesetzte Computerized Numerical Control Technologie hatte dies ein Ende und die Ära der computergestützten Arbeitsweise begann. Heute funktioniert die Regulierung einer computergestützten Werkzeugmaschine über einen integrierten Computer. Dieser erfasst den IST-Zustand mit Zustands-, Positions- und Dreh(winkel)-Sensoren. Der SOLL-Zustand aus dem computergestützten Programm wird erreicht, indem das Programm die Interpolation berechnet und die Steuerung der Maschinenelemente (wie den Motor) danach ausrichtet. 

Beachten müssen Sie, dass die Interpolation im Bereich von Millisekunden erfolgt. Damit ist eine sehr hohe Präzision - trotz hoher Bewegungsgeschwindigkeit - gewährleistet und das selbst bei komplizierten Formen. Mehrere gleichzeitig gesteuerte Achsen erlauben eine automatisierte Bearbeitung mit der Computerized Numerical Control Technologie. Diese Steuerungen klassifizieren wir nach der Anzahl der Maschinenachsen, die gleichzeitig interpolieren. Doch zusätzlich unterscheiden wir in diesem Bereich auch zwischen Strecken-, Punkt- und Bahnsteuerung. Im Folgenden führen wir die verschiedenen Steuerungsarten auf, die Sie kennen sollten. Dabei gehen wir detailliert auf die Punkt-, Bahn- und Streckensteuerung ein. 

Die CNC-Steuerung und CNC-Steuerungsarten: Punkt, Bahn und Strecke 

Die CNC-Steuerung setzt sich, wie schon erwähnt, aus drei verschiedenen Steuerungsformen zusammen: 

I - Die Punktsteuerung 

Für die Punktsteuerung - auch Point-to-Point genannte Steuerungsform - ist es wichtig zu wissen, dass Sie nur den Endpunkt der Bewegung festlegen können. Zudem findet während eines Bewegungsablaufes keine abgestufte oder gegliederte Regelung der Verfahrgeschwindigkeit statt. Bei der Point-to-Point laufen die Antriebe in der Regel so zügig wie nur möglich. 

Das Werkzeug kann deshalb nur an den Endpunkten der Bewegungseinheit eingreifen und zum Beispiel ein Loch stanzen oder bohren. Interessant hierbei ist, dass die Point-to-Point heute bei den meisten Werkzeugmaschinen kaum noch Anwendung findet. Bei einfachen Bohr-, Stanz- oder Punktschweißmaschinen und Greifrobotern ist sie jedoch immer noch ausreichend, wenn diese keine übermäßig komplizierten oder definierten Strecken abzufahren haben. Der unbestimmbare Bewegungsablauf bedeutet jedoch eine erhöhte Kollisionsgefahr – gefährlich auch für Menschen. 

II - Die Streckensteuerung 

Die Bewegungsgeschwindigkeit ist bei der Streckensteuerungsform genau steuerbar. Ansonsten könnte man die Streckensteuerungsart in ihrem Wesen als Punktsteuerungsform ansehen. Das Besondere bei der Streckensteuerung ist, dass wir hierbei jeweils eine Achse so steuern, dass die Geschwindigkeit und auch die Position regulierbar sind. 

Damit ist es möglich, eine Bewegung - die achsenparallel ist - mit Arbeitsvorschub zu fahren. Somit können wir zum Beispiel eine gerade Nut fräsen. Jedoch ist diese Art der Steuerung häufig nur noch bei kleineren und spezialisierten Maschinen auffindbar. Dies liegt daran, dass diese Maschinen unflexibel sind und der preisliche Unterschied zur Bahnsteuerungsform sehr gering ist. 

Bei älteren Ausführungen, die noch einen Drehgeber besitzen, können Geometriefehler der Führung oder Steigungsfehler der Gewindespindel während des Bewegungsablaufs teilweise nicht korrigiert werden. 

III - Die Bahnsteuerung

Das Besondere an der Bahnsteuerungsart ist, dass diese beliebige Verfahrbewegungen durchführen kann und dies sogar mit jeweils mindestens zwei Achsen, die gleichzeitig geregelt sind. Das bedeutet, dass sich diese Form der Bedienung in zwei Arten gliedert.

In die Maschinenachsen, die miteinander gleichzeitig geregelt sind und jene, die miteinander interpolieren. Interpolieren bedeutet hierbei, dass wir die - zunächst unabhängig voneinander geregelten - Bewegungsabläufe der einzelnen Maschinenachsen miteinander synchronisieren. Damit erreichen wir, dass die Werkzeugspitze in der programmierten und korrigierten Bahn laufen kann.

Eine Bahnsteuerungsart mit 2-D kann wunschgemäße Konturen mit jeweils zwei festgelegten Achsen abfahren. Oft reicht dies bei Drehmaschinen aus, denn hierbei erstellt das Werkstück durch die Rotationsbewegung eine dritte Dimension.

Wenn man darüber hinaus auch zwischen den zwei miteinander interpolierten Maschinenachsen auswählen kann, sprechen wir von einer 2 ½-D-Bahnsteuerung. Diese ist heutzutage gerade bei Drehmaschinen mit angetriebenem Werkzeug gefordert. Zur 3-D-Bahnsteuerung kommt es, wenn drei geregelte Achsengelenke miteinander interpolieren - dies wiederum ist Standard bei Fräsmaschinen.

Doch viele Maschinen werden neu ausgestattet, indem sie zusätzliche Maschinenachsen für dreh- und schwenkbare Werkstück- oder Werkzeugaufnahmen erhalten. Viele Stellgrößenausgänge und Sensoreingänge sind für die Bahnsteuerungsform notwendig - außerdem eine ausreichend leistungsfähige Software, damit die konstruktionsbedingt vorgegebene Programmierung das Potenzial der Maschine auch wirklich ausreizt.
 

CNC-Fräse Steuerung

Heute verwalten und regeln moderne Steuerungen teilweise über 30 Maschinenachsen. Diese sind dabei in verschiedene voneinander unabhängige und virtuelle Maschinenteile unterteilt. Durch die Verwendung der Koordinatenachsen X, Y und Z können alle Punkte im Bearbeitungsraum der Werkzeugmaschine erreicht werden. Mit dieser Methode sind alle denkbaren Bahnen interpolierbar, jedoch sollten wir beachten, dass es trotzdem eine wichtige Einschränkung gibt. Nämlich: Das rotierende Werkzeug steht bei dieser Methode immer senkrecht zum Kreuztisch. Dies kommt gerade bei der CNC-Fräse-Steuerung besonders deutlich zum Vorschein.

Bearbeitungen - die technologisch höherwertig sind - setzen voraus, dass der Fräser immer senkrecht auf der Kontur, die gefräst wird, stehen muss. Bei einer Bohrung unter einem Winkel von 45° ist es teilweise erforderlich, das Werkzeug, das Werkstück oder gar beides zu drehen. Die meisten modernen Anlagen bieten die Option, den Maschinentisch zu schwenken oder zu drehen, damit weitere Konturbearbeitungen möglich sind. Diese rotierenden Maschinenachsen kennzeichnen wir mit den Buchstaben A, B und C. A rotierend um X, B rotierend um Y und C rotierend um Z. Während bei älteren Modellen und Anlagen mit einfacherer Bauweise diese Maschinenachsen nur gesteuert oder geschaltet werden, können wir heute mit den Steuerungen der Bearbeitungszentren die Maschinenachsen interpolieren und regeln. Damit ist eine hervorragende Oberflächenqualität mit einer 5-Achs-Bearbeitung von Fräsmaschinen zu erreichen. Zudem können Parallelachsen zu X, Y und Z entweder real konfiguriert oder virtuell erzeugt werden. Diese bezeichnen wir dann als U, V, W.

Festzuhalten ist, dass wir die Achsengelenke in mehrere Bearbeitungskanäle gruppieren. Somit arbeitet jeder Computerized Numerical Control Kanal das eigene Programm ab. Mehrkanalfähige CNCs können simultan mehrere Programme abarbeiten. Das heißt, dass sie zum Beispiel mit einer Kanaleinstellung die Vorderseite bearbeiten. Danach geben sie an den zweiten Kanal ab, mit welchem sie die Rückseite bearbeiten, während der erste Kanal weiter die Vorderseite des folgenden Werkstücks bearbeitet.