Computer Numerische Steuerung
CNC oder Computer Numerical Control, ist das Herzstück der modernen Fertigung. Es handelt sich um eine Reihe von Codes, die auf einem Computer gespeichert sind. Angeschlossen an eine Maschine, steuern diese Codes präzise jede Bewegung zum Schneiden, Bohren und Formen von Teilen.
Dies hat die Arbeitsweise in der Industrie verändert. Anstatt die harte, mühsame Arbeit zu erledigen, konzentrieren sich die Mitarbeiter nun auf Design, Einrichtung und Qualitätskontrolle, während CNC-Maschinen die schweren Aufgaben übernehmen. Dies ermöglicht eine schnellere Produktion und zuverlässige Ergebnisse.
In diesem Leitfaden erfahren Sie, was CNC-Fertigung ist, wie sie funktioniert, welche Anwendungen sie bietet und warum sie wichtig ist. Wir behandeln außerdem CNC-Programmierung, Software, Vorteile und die Herausforderungen, denen Sie sich stellen müssen.
Was ist ein CNC-System?
CNC-Maschinenpanel
CNC (Computer Numerical Control) ist eine Methode zur Steuerung von Werkzeugmaschinen mit codierten Anweisungen. Die eigentliche Sprache ist G-Code (und M-Code). Ein Computer liefert den Code, der die Pfad, Position und Muster der Werkzeuge in x-, y- und z-Richtung. Ein Code (im Allgemeinen ein G-Code) führt die Maschine durch eine Reihe von Schritten zum Schneiden oder Konstruieren eines Teils.
Frühere numerische Steuerungssysteme erforderten einen manuell programmierten Werkzeugweg. CNC macht diesen Prozess überflüssig. Es automatisiert die Abläufe, arbeitet schnell, ist hochpräzise und liefert wiederholbare Ergebnisse.
Bedenken Sie, dass CNC nicht die eigentliche Bearbeitung ist. Die Vorgänge umfassen Fräsen, Drehen, Bohren oder Fräsen. CNC ist die Steuerung, die diese Vorgänge ausführt. CNC wird vor allem bei der subtraktiven Bearbeitung eingesetzt, bei der Material entfernt wird, kann aber auch bei additiven Verfahren wie dem 3D-Druck eingesetzt werden.
Wie sich die Computer Numerical Control (CNC) von der manuellen Steuerung unterscheidet
Metallarbeiter steuert CNC-Maschine
Automatisierung ist ein wesentlicher Unterschied zwischen CNC Maschinen und manuelle Steuerung. Anders als bei CNC muss der Prozess nur einmal programmiert werden. Sobald dieses Programm entwickelt ist, ist die anschließende Produktion beliebiger Mengen identischer Teile mit gleichbleibender Genauigkeit möglich.
Bei der manuellen Bearbeitung werden alle Arbeitsschritte manuell gesteuert und durchgeführt. Dies ist nicht nur zeit- und arbeitsaufwändiger, sondern erhöht auch die Wahrscheinlichkeit von Abweichungen zwischen den einzelnen Teilen. CNC-Bearbeitung eliminiert diese Belastung und ermöglicht eine schnellere, repetitivere und zuverlässigere Produktion.
Hauptteile eines CNC-Systems
Obwohl CNC-Maschinen unterschiedliche Designs haben, sind die zentralen Teile ähnlich. Jede Komponente erfüllt einen einzigartigen Satz von Funktionen, die einen reibungslosen Betrieb des Systems gewährleisten.
MCU (CNC-Controller)
Der MCU-Controller wird auch als Gehirn der Maschine bezeichnet, da er das Programm liest, die Anweisungen übersetzt und die Signale an die beweglichen Teile der Maschine sendet.
Eingabegeräte
Sie dienen dazu, Programme in die Maschine zu laden und bestimmte Grundeinstellungen vorzunehmen. Typische Beispiele sind eine Tastatur, eine Maus oder eine USB-Schnittstelle.
Ausgabegeräte
Diese geben dem Bediener Rückmeldung über den Maschinenstatus, sei es in Form von Alarmen oder Fehlern. Das gängigste Ausgabegerät ist ein Bildschirm.
Software
CNC erfordert spezielle Software zur Erstellung und Bearbeitung von Anweisungen. Die Teilekonstruktion erfolgt mithilfe von CAD-Programmen und wird anschließend mithilfe von CAM-Programmen in Maschinencode übersetzt.
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Wie CNC die Bewegungen von Werkzeugmaschinen steuert
Horizontales CNC-Fräsen
Um CNC zu verstehen, müssen Sie wissen, wie Werkzeugwege verwaltet werden. Alle CNC-Systeme basieren auf drei grundlegenden Bewegungstypen.
Schnelle Bewegung
Bei der Eilgangbewegung wird das Werkzeug so schnell wie möglich zwischen den Punkten bewegt. Das Werkzeug nutzt dabei den kürzesten Weg. Dies spart Zeit, erfordert aber eine sorgfältige Programmierung, da selbst kleine Fehler zu Unfällen führen können.
Lineare Bewegung
Lineare Interpolation in CNC kann entlang jeder Achse (X, Y oder Z) und diagonal durch Kombination von Achsen. Es ist nicht so schnell wie die Eilgangbewegung, aber einfacher zu installieren und sicherer im Betrieb.
Kreisbewegung
Kreisbewegung ist die Bewegung eines Werkzeugs entlang einer festen Achse auf einem gekrümmten Pfad. Sie wird beim Erstellen von Löchern, Schlitzen oder zylindrischen Produkten angewendet.
CNC-Steuerung über Maschinensteuergerät
Die Maschinensteuereinheit ist das Herzstück des CNC-Systems. Sie ist das Gehirn der Maschine. Sie liest das Programm, dekodiert Befehle und stellt sicher, dass sich das Werkzeug wie vorgesehen bewegt.
Die Einheit besteht aus zwei Teilen. Der erste Teil enthält zwei weitere Teile: Code, Berechnung und Werkzeugpfade, die von der Datenverarbeitungseinheit ausgeführt werden. Die Steuerkreiseinheit empfängt Feedback von den Sensoren und stimmt die Bewegung so ab, dass sie präzise bleibt.
Wie funktioniert CNC
CNC verfügt über eine programmierte Abfolge bestimmter Schritte, die das Design in ein fertiges Stück umwandelt.
Programmschreiben
Die erste Phase ist die Konstruktion des Teils. Ingenieure erstellen vorläufige Skizzen oder Entwürfe, die in CAD-Dateien umgewandelt werden. Diese CAD-Dateien werden von der CNC-Maschine mithilfe von CAM-Software in einen lesbaren Code umgewandelt. Vor der Bearbeitung sollte eine Simulation durchgeführt werden, um Fehler frühzeitig zu erkennen.
Programm laden
Sobald das Programm fertig ist, wird es per Standarddatentransfer an die CNC-Maschine übertragen. Der Bediener legt das Werkstück ein, programmiert die Maschinenparameter für den Fräsvorgang und prüft, ob ein korrekter Frässchnitt erfolgt.
Umsetzung des Programms
Der Bediener startet das CNC-System, sobald das Programm installiert und die Einstellungen überprüft sind. Präzise und ohne menschliches Zutun folgt die Maschine den programmierten Bahnen und passt die Bewegungen automatisch an die Rückmeldungen der Maschinensensoren an. Dies wird wiederholt, bis das Teil fertig ist, ein Fehler auftritt oder der Bediener die Stopp-Taste drückt.
CNC-Programmcodes
Die Programmierung der numerischen Computersteuerung erfolgt hauptsächlich mit zwei Programmiercodes: G-Code und M-Code. Jeder von ihnen hat eine bestimmte Rolle bei der Verwaltung der Maschine.
G-Code
G-Code
G-Code wird zum Bewegen der Maschine und der Schneidwerkzeuge verwendet. Die Geometrie ist G. Sie gibt der Maschine an, wohin sie fahren soll, wann sie beginnen und wann sie anhalten soll. Die Bildung der G-Codes der meisten CNC-Systeme unterscheidet sich kaum, mit leichten Abweichungen.
Wesentliche G-Code-Elemente sind:
- X UND Z: Koordinaten für Bewegungen in 3 Dimensionen und Definition von Drehachsenbewegungen.
- S: Drehzahl einer Spindel.
- Anweisungen zum Starten oder Stoppen bestimmter Maschinenaktionen.
M-Code
Der M-Code steuert Maschinenfunktionen, die nicht mit Bewegungen verbunden sind. Das M kann für „Maschine“ oder „Sonstiges“ stehen. Diese Codes steuern Vorgänge wie das Starten oder Stoppen der Kühlmittelzufuhr, den Werkzeugwechsel, das Anhalten des Programms oder das Unterbrechen von Vorgängen.
G-Code und M-Code können verwendet werden, um eine präzise automatisierte Teileproduktion zu erstellen.
Gängige CNC-Operationen und ihre Funktionsweise
CNC-Maschinen steuern ihre Werkzeuge mithilfe programmierter Anweisungen und fertigen Teile. Der Code identifiziert die Bewegung, die Art der Operation bestimmt jedoch, wie Material hinzugefügt oder entfernt wird. Operationen sind nicht dasselbe wie CNC-Anwendungen. Operationen sind Prozesse wie Fräsen oder Drehen, während Anwendungen die Durchführung solcher Prozesse beschreiben.
CNC Fräsen
CNC Fräsen
Die beliebteste CNC-Bearbeitung ist das Fräsen. Dabei wird mit einem rotierenden Sägeblatt Material von einem unbeweglichen Werkstück abgesägt. Die Maschine bewegt sich entlang eines Werkzeugpfads, der von einem CAD-Computermodell erstellt wurde, und weiß, wo geschnitten werden soll und wo nicht. Der G-Code weist die Maschine an, sich entlang der X-, Y- und Z-Achse zu bewegen. Fräsen kann je nach Funktionen und Einstellungen zeitaufwändig sein.
Moderne 5-Achsen-CNC-Fräsen können sich entlang dreier neuer Achsen drehen und sind dadurch flexibler als herkömmliche 3-Achsen-Fräsen. Dadurch können Teile mit komplexen Geometrien in einer einzigen Aufspannung bearbeitet werden, was Zeit spart und die Genauigkeit erhöht. Fräsen eignet sich am besten für glatte Oberflächen, Schlitze oder Sacklöcher. (Lesen Sie auch: CNC-Fräsen)
CNC-Drehen
CNC-Drehen
Drehen bezieht sich auf zylindrische Werkstücke und wird in X- und Z-Richtung ausgeführt. Das Werkstück rotiert auf einem Spannfutter und wird von einem stationären Werkzeug abgesägt. Dies garantiert Konzentrizität, ideal für Wellen, Rollen oder Stangen. Der G-Code steuert die seitliche Bewegung des Werkzeugs sowie die Tiefe und Geschwindigkeit der Spindel.
Bei Drehmustern wie Außengewinden ist Genauigkeit von entscheidender Bedeutung, da Ungenauigkeiten bei der Zeiteinteilung oder Tiefe verheerende Auswirkungen auf die Gewährleistung gleichmäßiger Ergebnisse haben können.
Laserschneiden und Wasserstrahlschneiden
Metallschneiden mit Wasserstrahlschneider
CNC-Laserschneiden Wasserstrahlschneider werden vor allem bei zweidimensionalen Geometrien eingesetzt, z. B. bei flachen Blechen oder Durchgangslochmustern. Laserschneider sind zwar schnell, große Teile können sich jedoch aufgrund der Hitze verziehen. Wasserstrahlschneiden erzeugt keine Wärmeeinflusszone (keine Hitzeprobleme) und glatte Kanten mit schmaler Schnittfuge.
Der Schneidweg, die Kopfbewegung und die Leistung werden mithilfe des CNC-Programms geregelt. Laser- und Wasserstrahltechniken sind bei einfachen Formen oder bei der schnellen Prototypenherstellung produktiv, bei der Präzision kein kritischer Faktor ist.
EDM (elektrische Entladungsbearbeitung)
EDM-Teileschneiden
EDM ist ein Präzisionsverfahren, das eingesetzt wird, wenn Schneiden oder Fräsen nicht präzise genug ist, um die erforderlichen Details zu erzielen. Dabei wird das Material mithilfe einer geformten Elektrode entfernt, wobei pro Schuss Mikrometer Material abgetragen werden. Elektroden können je nach Anforderungen und Budget des Teils aus Kupfer, Messing, Wolframlegierung oder Graphit bestehen.
DM erfordert eine präzise Steuerung der Bewegungen und Kraftschritte in den Ebenen X, Y und Z. Dies ist zwar langsamer, aber perfekt geeignet, um bestimmte Formen und feine Details zu erreichen, die mit anderen Verfahren nicht möglich sind. (Lesen Sie mehr über: CNC-Schleifen)
Additive CNC (3D-Druck)
3D-Drucker für den Industriebau
Die CNC-Technologie wurde auch in den 3D-Druck, meist Fused Deposition Modeling (FDM), integriert. Im Gegensatz zu den konventionelleren subtraktiven Techniken (CNC Dienstleister), beim 3D-Druck wird Material schichtweise aufgetragen.
Die Software ermöglicht es der Maschine, einem G-Code zu folgen, der die Position und Bewegung der Düse steuert, während andere Befehle den Materialfluss steuern. Dies minimiert den Abfall und eignet sich ideal für die Prototypenentwicklung oder die Herstellung komplexer geometrischer Formen, die mit herkömmlichen Bearbeitungsmethoden nur schwer zu realisieren sind.
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Umgang mit CNC-Softwaretools und deren Einsatz
Die CNC-Bearbeitung basiert auf spezieller computergestützter numerischer Steuerungssoftware zur Programmierung, Ausführung und Optimierung der Teilefertigung. Alle Werkzeuge spielen eine spezifische Rolle im Arbeitsablauf, angefangen beim Design bis hin zur Bearbeitung.
Computergestütztes Design (CAD)
CAD-Design
CAD-Software erstellt präzise 2D- oder 3D-Zeichnungen von Teilen. Es ermöglicht Ihnen, Abmessungen und Merkmale vor der Bearbeitung des Entwurfs zu visualisieren und so einen praktischen und fehlerfreien Entwurf zu erhalten.
Computer Aided Manufacturing (CAM)
Prozessdesign mit CAM
CAD-Modelle werden mithilfe der CAM-Software in Maschinenanweisungen umgewandelt. Sie erstellt G-Code und Werkzeugpfade und optimiert Schnittfolgen, um Zeit zu sparen und die Effizienz zu steigern. (Lesen Sie auch: CAD und CAM)
Computergestütztes Engineering (CAE)
CAE-Software analysiert die Leistung des Teils unter realen Bedingungen. Sie prüft außerdem strukturelle Schwächen, Wandstärken und Spannungsbeständigkeit, um Ausfälle während des Gebrauchs zu verhindern.
G-Code-Editoren
Mit diesen G-Code-Editoren können Sie die CNC-Anweisungszeilen anpassen. Dies sorgt für präzise Bewegungen, eliminiert kleinere Fehler und gewährleistet einen effizienten Bearbeitungsprozess für jedes Teil.
Simulations-Software
Computersimulationsprogramme ermöglichen es, Programme vor der Bearbeitung virtuell zu testen. Sie ermitteln mögliche Kollisionen, berechnen die Bearbeitungszeit und minimieren Materialverschwendung oder Schäden an der Bearbeitungsmaschine.
Schachtelungssoftware
Mithilfe einer Nesting-Software lassen sich Platten oder Rollen mit Flachteilen optimal verpacken. Sie nutzt das Material optimal aus und reduziert den Ausschuss auf ein Minimum, insbesondere bei Metall-, Verbund- oder Kunststoffplatten.
Nachbearbeitungssoftware
Konstruktionsanweisungen werden von der Nachbearbeitungssoftware in maschinenspezifischen Code übersetzt. Außerdem werden Werkzeugpfade optimiert, um eine reibungslose, präzise und zuverlässige Funktionalität zu gewährleisten.
Herausforderungen bei der computergestützten numerischen Bearbeitung
CNC-Bearbeitung ist in vielen Branchen weit verbreitet, bringt aber auch Probleme mit sich. Sie müssen diese kennen, um bessere Pläne zu erstellen und Risiken zu minimieren.
Programmierkomplexität
Die CNC-Programmierung erfordert professionelle Programmierer. Bei komplizierten Komponenten kann das Schreiben des korrekten Codes zeitaufwändig sein und die Produktionskosten steigen. Programmierfehler können zu Materialverschwendung oder Maschinenfehlern führen.
Qualifizierte Betriebsanforderungen
CNC-Maschinen sollten über geschulte Bediener verfügen. Diese sollten wissen, wie Programme geladen, Maschinenparameter manipuliert und der Bearbeitungsprozess überwacht wird, um Qualität und Sicherheit zu gewährleisten.
Sicherheitsrisiken
CNC-Maschinen sind schneller und können komplizierte Materialstücke schneiden. Die Bediener müssen eine angemessene Sicherheitsschulung erhalten, und die Maschinen sollten über Sicherheitsvorrichtungen wie Schutzvorrichtungen und eine Not-Aus-Funktion verfügen.
Begrenzte Anpassungsmöglichkeiten
Um ein Teil zu ändern, muss das Programm neu geschrieben werden. Änderungen lassen sich nur schwer spontan umsetzen, daher ist die Flexibilität der kundenspezifischen Produktion gering.
Kompatibilitätsprobleme
Die CNC-Maschinen benötigen außerdem Werkzeuge und Systeme, die mit dem Maschinendesign identisch sind. Außerdem kann es kostspielig sein, bestehende Konfigurationen um neue CNC-Funktionen zu erweitern.
Fazit
CNC steuert Werkzeugmaschinen, indem sie diese entlang präziser Bahnen führt, um Teile gemäß ihren Konstruktionsvorgaben zu formen. Es eignet sich für einfache Designs bis hin zu hochkomplexen Formteilen und Komponenten. Es ermöglicht fortschrittliche Anwendungen in der Robotik, im Bauwesen und in der Automatisierung.
Bei Boda, unsere kundenspezifischer CNC-Service produziert hochwertige Teile mit Präzision und Genauigkeit. Unser Team unterstützt Sie bei der Auswahl des geeigneten Bearbeitungsverfahrens, vom Fräsen und Drehen bis hin zur additiven Fertigung, und sorgt dafür, dass Sie für jedes Projekt zuverlässige und präzise Teile erhalten.