Computer Numerische Steuerung (CNC) ist die automatisierte Steuerung von Bearbeitungswerkzeugen mithilfe von Software, die in einen an der Werkzeugmaschine angebrachten Mikrocomputer eingebettet ist. G-Code ist die am weitesten verbreitete Programmiersprache in der CNC.
Inhaltsverzeichnis
Definitionen und Konzepte
Komponenten
Eigenschaften
Anwendungen
Trends
Glossar
Definitionen und Konzepte
NC (Numerische Steuerung)
NC ist eine Form programmierbarer Technologie, die digitale Signale zur automatischen Steuerung von Objekten (z. B. Position und Bewegung von Werkzeugmaschinen) verwendet.
NC-Technologie
Unter NC-Technik versteht man die automatisierte Steuerungstechnik, die zur Programmierung bestimmter Arbeitsabläufe Zahlen, Buchstaben und Symbole nutzt.
NC-System
NC-System bezieht sich auf das organische integrierte System von Software- und Hardwaremodulen, die die Funktionen der NC-Technologie realisieren. Es ist Träger der NC-Technologie.
CNC-System (Computer Numerical Control System)
Unter CNC (Computer Numerical Control) versteht man ein numerisches Steuerungssystem, dessen Herzstück ein Computer ist.
CNC Maschine
Eine CNC-Maschine bezieht sich auf eine Maschine, die Computer Numerical Control-Technologie verwendet, um den Bearbeitungsprozess zu steuern, wie z. B. eine Drehmaschine. Router, Schleifmaschine usw. oder eine mit einem CNC-System ausgestattete Werkzeugmaschine.
NC
Numerische Steuerung (NC) ermöglicht es einem Bediener, über Zahlen und Symbole mit Werkzeugmaschinen zu kommunizieren.
CNC
CNC steht für Computer Numerical Control und hat enorme Veränderungen in der Fertigungsindustrie mit sich gebracht. Neue Werkzeugmaschinen mit CNC ermöglichen der Industrie die konsistente Herstellung von Teilen mit Genauigkeiten, von denen man früher nur träumen konnte. Teile können mit der gleichen Genauigkeit beliebig oft identisch reproduziert werden, wenn das Programm richtig geschrieben und der Computer richtig programmiert ist. Die Bedienbefehle zur Steuerung der Werkzeugmaschine werden automatisch mit erstaunlicher Geschwindigkeit, Genauigkeit, Effizienz und Wiederholbarkeit ausgeführt.
Die CNC-Bearbeitung ist ein computergestützter Herstellungsprozess. Die Maschine ist mit einem Computer verbunden, der ihr sagt, wohin und mit welcher Geschwindigkeit sie sich bewegen soll. Zunächst muss der Bediener ein Softwareprogramm verwenden, um die Formen zu zeichnen und den Werkzeugweg zu erstellen, dem die Maschine folgen wird.
Der zunehmende Einsatz in der Industrie hat einen Bedarf an Personal geschaffen, das in der Erstellung der Programme geschult ist, die die Werkzeugmaschinen steuern, um Teile mit der erforderlichen Form und Genauigkeit herzustellen. Die Autoren haben diesen Leitfaden vor diesem Hintergrund erstellt, um CNC durch die Verwendung einer logischen Abfolge und einer einfachen Sprache, die jeder verstehen kann, das Rätsel zu lösen. Die Erstellung eines Programms wird Schritt für Schritt erklärt und der Benutzer anhand praktischer Beispiele angeleitet.
Komponenten
Die CNC-Technik besteht aus drei Hauptelementen, nämlich Maschinenbettrahmen, System und Peripherietechnik.
Der Maschinenrahmensatz umfasst das Bett, die Säule, die Führungsschiene, den Arbeitstisch und andere tragende Teile wie einen Werkzeughalter und ein Werkzeugmagazin.
Das numerische Steuersystem besteht aus Eingabe-/Ausgabegeräten, einem numerischen Computersteuergerät, einer programmierbaren Logiksteuerung (SPS), einem Spindelservoantriebsgerät, einem Vorschubservoantriebsgerät und einem Messgerät. Unter ihnen ist die Maschinensteuereinheit (MCU) der Kern des numerischen Steuerungssystems.
Die Peripherietechnik umfasst Werkzeug (Werkzeugsystem), Programmier- und Verwaltungstechnik.
Eigenschaften
Hohe Genauigkeit
CNC-Maschinen sind hochintegrierte mechatronische Produkte, die aus Präzisionsmaschinen und automatischen Steuerungssystemen bestehen. Sie verfügen über eine hohe Positionierungs- und Wiederholgenauigkeit. Das Übertragungssystem und die Struktur sind äußerst steif und stabil, um Fehler zu reduzieren. Folglich weisen CNC-Maschinen eine höhere Bearbeitungsgenauigkeit auf, insbesondere im Hinblick auf die Konsistenz von Teilen, die in derselben Charge hergestellt werden. Dadurch ist die Produktqualität stabil und die Erfolgsquote hoch, was eine deutliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Werkzeugmaschinen darstellt.
Hohe Effizienz
CNC Maschinen kann große Materialmengen gleichmäßig schneiden, was effektiv Bearbeitungszeit spart. Sie verfügen außerdem über eine automatische Geschwindigkeitsänderung, einen Werkzeugwechsel und mehrere andere automatisierte Betriebsfunktionen, die die Nebenzeit erheblich verkürzen. Sobald sich ein stabiler Verarbeitungsprozess gebildet hat, ist keine prozessübergreifende Inspektion oder Messung mehr erforderlich. Daher ist die Produktivität bei der CNC-Bearbeitung drei- bis viermal so hoch wie bei herkömmlichen Werkzeugmaschinen, manchmal sogar mehr.
Hohe Anpassungsfähigkeit
CNC-Maschinen führen eine automatische Bearbeitung entsprechend dem bearbeiteten Teileprogramm durch. Wenn das Bearbeitungsobjekt geändert wird, ist es nicht erforderlich, spezielle Prozessgeräte wie Master und Schablonen zu verwenden, solange das Programm geändert wurde. Dies trägt dazu bei, den Produktionsvorbereitungszyklus zu verkürzen und den Produktaustausch zu fördern.
Hohe Bearbeitbarkeit
Einige mechanische Teile mit komplexen Kurven und gekrümmten Oberflächen lassen sich mit herkömmlichen manuellen Techniken nur schwer oder gar nicht fertigstellen, aber CNC-Maschinen können solche Aufgaben mithilfe der Mehrkoordinaten-Achsenverknüpfung problemlos erledigen.
Hoher wirtschaftlicher Wert
CNC-Bearbeitungszentren werden in der Regel für die Massenfertigung mit einer Mehrzweckmaschine eingesetzt. Die meisten Teile können mit einem Einspannsystem bearbeitet werden und ersetzen so mehrere herkömmliche Werkzeugmaschinen. Dadurch werden Spannfehler reduziert und Transport-, Mess- und Spannvorgänge zwischen den Prozessen eingespart. Gleichzeitig wird die Anzahl unterschiedlicher Werkzeugmaschinen und der Werkzeugmaschinenbereich reduziert, was allesamt wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt.
Anwendungen
Aus der Perspektive der CNC-Technologie und Geräteanwendungen weltweit sind die Hauptanwendungsbereiche wie folgt:
Fertigungsindustrie
Die Maschinenbauindustrie war die erste, die CNC-Technologie einsetzte und ist für die Bereitstellung fortschrittlicher Ausrüstung für verschiedene nationale Industrien verantwortlich. Es wird hauptsächlich in der Entwicklung und Herstellung von fünfachsigen vertikalen Bearbeitungszentren für moderne Militärausrüstung, anderen fünfachsigen Bearbeitungszentren, großen fünfachsigen Portalfräsmaschinen und CNC-Maschinen für flexible Produktionslinien für Motoren, Getriebe und Kurbelwellen eingesetzt in der Automobilindustrie. CNC-Technologie wird auch in Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungszentren, Schweiß-, Montage- und Lackierrobotern, Blechlaserschweißmaschinen, Laserschneidmaschinen und Hochgeschwindigkeits-Fünf-Koordinaten-Bearbeitungszentren eingesetzt, die Propeller, Motoren, Generatoren und Turbinenschaufelteile bearbeiten Luftfahrt-, Schifffahrts- und Energieerzeugungsindustrie, schwere Dreh- und Fräszentren für komplexe Bearbeitungszentren usw.
Informationsindustrie
In der Informationsindustrie, von Computern bis hin zu Netzwerken, Mobilkommunikation, Telemetrie, Fernbedienungen und anderen Geräten, ist es notwendig, Produktionsanlagen einzuführen, die auf Hochpräzisionstechnologie und Nanotechnologie basieren. Dazu gehören Drahtbondmaschinen für die Chipherstellung und Wafer-Lithographiemaschinen etc. Die Steuerung all dieser Maschinen erfolgt über CNC-Technik.
Industrie für medizinische Geräte
In der Medizinbedarfsbranche nutzen heute mehrere moderne medizinische Diagnose- und Behandlungsgeräte NC-Technologie, beispielsweise CT-Diagnosegeräte, Ganzkörperbehandlungsgeräte und minimalinvasive visuell geführte Operationsroboter. Es wird auch in der Kieferorthopädie und Zahnrestauration eingesetzt.
Militärische Ausrüstung
Ein erheblicher Teil der modernen Militärausrüstung nutzt Servo-Bewegungssteuerungstechnologie, einschließlich automatischer Artilleriezielung, Radarverfolgung und automatischer Raketenverfolgung.
Andere Branchen
In der Beleuchtungsindustrie verwenden Druck-, Textil-, Verpackungs- und Holzbearbeitungsmaschinen eine mehrachsige Servosteuerung. Die Baustoffindustrie nutzt CNC-Wasserstrahlschneidemaschinen für die Steinbearbeitung und CNC-Glasgravurmaschinen für die Glasbearbeitung. Simmons-Matratzen werden mit CNC-Nähmaschinen hergestellt und CNC-Stickmaschinen werden in der Bekleidungsverarbeitung eingesetzt. In der Kunstbranche werden immer mehr Kunsthandwerke und Kunstwerke mit hoher Leistung hergestellt 5-Achsen-CNC Maschinen.
Die Anwendung der NC-Technologie bringt nicht nur revolutionäre Veränderungen in die traditionellen Fertigungsindustrien mit sich und macht sie zu Symbolen der Industrialisierung, sondern hat mit ihrer ständig wachsenden Anwendung auch erhebliche Auswirkungen auf mehrere wichtige nationale Industrien. Dies betrifft sowohl die Wirtschaft als auch die Lebensgrundlagen der Menschen (IT, Automobile etc.). In anderen Branchen spielt es eine immer wichtigere Rolle, da die Digitalisierung der von diesen Branchen benötigten Ausrüstung zu einem wichtigen modernen Entwicklungstrend geworden ist.
Trends
Derzeit weisen CNC-Maschinen folgende Entwicklungstrends auf:
Hohe Geschwindigkeit und hohe Präzision
Hohe Geschwindigkeit und Präzision sind die ewigen Wünsche der Werkzeugmaschinenentwickler. Aufgrund der jüngsten rasanten Fortschritte in Wissenschaft und Technologie werden Ersatzteile für elektromechanische Produkte schnell und in großer Zahl benötigt. Auch die Präzision und Oberflächenqualität der Teilebearbeitung wird immer höher. Um den Anforderungen dieses komplexen und veränderlichen Marktes gerecht zu werden, entwickeln sich aktuelle Werkzeugmaschinen in Richtung Hochgeschwindigkeitsschneiden, Trockenschneiden und Quasi-Trockenschneiden weiter und die Bearbeitungsgenauigkeit wird ständig verbessert. Darüber hinaus werden elektrische Spindeln und Linearmotoren, Keramikkugellager, hochpräzise hohle Innenkühlung mit großer Führung, starke Kugelmutterkühlung, Niedertemperatur-Hochgeschwindigkeits-Kugelumlaufspindelpaare, Linearführungspaare mit Kugelkäfigen usw. verwendet Komponenten für Werkzeugmaschinen wurden sehr erfolgreich eingeführt. Die Einführung der Werkzeugmaschine hat auch die Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Präzisionswerkzeugmaschinen erleichtert.
CNC-Maschinen verwenden eine elektrische Spindel, wodurch herkömmliche manuelle Komponenten wie Riemen, Riemenscheiben und Zahnräder überflüssig werden. Dadurch wird die Rotationsträgheit des Hauptantriebs erheblich reduziert und die dynamische Reaktionsgeschwindigkeit und Arbeitsgenauigkeit der Spindel verbessert. Dadurch entfallen die herkömmlichen Riemen- und Riemenscheibenprobleme, wenn die Spindel mit hoher Geschwindigkeit läuft, wie beispielsweise Vibrations- und Geräuschprobleme. Elektrische Spindeln können Drehzahlen von über 10000 U/min erreichen. Der Linearmotor verfügt über eine hohe Antriebsgeschwindigkeit, gute Beschleunigungs- und Verzögerungseigenschaften sowie eine hervorragende Reaktions- und Folgegenauigkeit.
Durch die Verwendung von Linearmotor-Servoantrieben entfallen die Kugelumlaufspindel-Zwischenübertragungsverbindung und der Übertragungsspalt (einschließlich Spiel), die Bewegungsträgheit ist gering, die Systemsteifigkeit ist gut und es kann bei hoher Geschwindigkeit präzise positioniert werden, was alles sehr wichtig ist Verbessern Sie die Servogenauigkeit. Aufgrund der Spielfreiheit in alle Richtungen und der sehr geringen Rollreibung entsteht beim Linearwälzführungspaar nur eine vernachlässigbare Wärmeentwicklung. Es verfügt außerdem über eine außergewöhnlich gute thermische Stabilität, die die Positionierungsgenauigkeit und Wiederholbarkeit des gesamten Prozesses verbessert. Durch den Einsatz des Linearmotors und des linearen Rollführungspaares kann die schnelle Bewegungsgeschwindigkeit der Maschine von ursprünglich 10–20 m/min auf 60–80 m/min oder manchmal sogar auf bis zu 120 m/min erhöht werden.
Hohe Zuverlässigkeit
Zuverlässigkeit ist ein zentraler Qualitätsindikator von CNC-Maschinen. Ob die Maschine ihre hohe Leistung, Präzision, Effizienz und andere Vorteile beibehalten kann, hängt von ihrer Zuverlässigkeit ab.
CNC-Maschinenkonstruktionen mit CAD und modularem Strukturdesign
Mit der Popularisierung und Entwicklung von Computeranwendungen und Softwaretechnologie hat sich auch die CAD-Technologie weit verbreitet. CAD ersetzt mühsame manuelle Zeichenarbeit und, was am wichtigsten ist, es kann die Auswahl von Entwurfsschemata sowie die Analyse, Berechnung und Vorhersage statischer und dynamischer Eigenschaften durchführen. Es kann auch das Design ganzer Großmaschinen optimieren und dynamische Simulationen jedes Arbeitsteils durchführen. Basierend auf der Modularität sind während der gesamten Entwurfsphase ein geometrisches 3D-Modell und die tatsächliche Farbe des Produkts sichtbar. Der Einsatz von CAD kann auch die Arbeitseffizienz und die Erfolgsquote einmaliger Konstruktionen erheblich verbessern, wodurch der Testproduktionszyklus verkürzt, die Konstruktionskosten gesenkt und die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt verbessert werden. Darüber hinaus reduziert der modulare Aufbau von Werkzeugmaschinenkomponenten die sich wiederholende Arbeit und kann außerdem schnell auf den Markt reagieren und Produktentwicklungs- und Konstruktionszyklen verkürzen.
Funktionelles Compoundieren
Der Zweck des funktionellen Compoundierens besteht darin, die Effizienz der Werkzeugmaschinenproduktion weiter zu verbessern und die Nebenzeiten, die nicht mit der Bearbeitung einhergehen, zu minimieren. Durch die Kombination von Funktionen kann der Einsatzbereich der Werkzeugmaschine erweitert, die Effizienz verbessert und eine Mehrzweck-Multifunktionsmaschine realisiert werden. CNC-Maschinen können Dreh-, Schleif- und Fräsfunktionen ausführen. Die Werkzeugmaschinenfabrik Baoji hat erfolgreich das CNC-Dreh- und Fräszentrum CX25Y entwickelt, das gleichzeitig über X- und Z-Achsen sowie C- und Y-Achsen verfügt. Planfräsen und Bearbeiten von versetzten Löchern und Nuten können über die C- und Y-Achsen durchgeführt werden.
Die Maschine ist außerdem mit einer leistungsstarken Werkzeugauflage und einer Gegenspindel ausgestattet. Die Unterspindel verfügt über eine eingebaute elektrische Spindelstruktur, und die Synchronisierung der Geschwindigkeit von Haupt- und Unterspindel kann direkt über das numerische Steuersystem realisiert werden. Darüber hinaus kann das Werkstück der Werkzeugmaschine die gesamte Bearbeitung in einer Aufspannung abschließen, was die Effizienz erheblich verbessert.
Intelligent, vernetzt, flexibel und integriert
CNC-Geräte verfügen über eine gewisse Intelligenz. Diese Intelligenz umfasst alle Aspekte des numerischen Steuerungssystems. Die Prozessparameter werden automatisch generiert, um Erkenntnisse zur Bearbeitungseffizienz und -qualität zu gewinnen, beispielsweise durch die adaptive Steuerung des Bearbeitungsprozesses. Auch die Fahrleistung und Verbindungen wie Feedforward-Steuerung, selbstadaptiver Betrieb der Motorparameter, automatische Lasterkennung, automatische Modellauswahl und Selbstoptimierung können verbessert werden. Vereinfachte Programmierung und Betriebsintelligenz, wie z. B. intelligente automatische Programmierung, und intelligente Mensch-Maschine-Schnittstellen können erreicht werden. Intelligente Diagnose, Überwachung und andere Aspekte erleichtern die Diagnose und Wartung des Systems.
Vernetzte numerische Steuerungsgeräte sind derzeit ein Hotspot in der Werkzeugmaschinenentwicklung. Die Vernetzung von CNC-Geräten kann den Anforderungen von Produktionslinien, Fertigungssystemen und Fertigungsunternehmen an die Informationsintegration gerecht werden und ist auch die Grundlage für die Entwicklung neuer Fertigungsmodelle wie agile Fertigung, virtuelle Unternehmen und globale Fertigung.
Zu den aktuellen CNC-Maschinen mit flexiblen Automatisierungssystemen, die sich in der Entwicklung befinden, gehören: Punktmaschinen (Einzelmaschinen, Bearbeitungszentren und Verbundbearbeitungsmaschinen), Linienmaschinen (FMC, FMS, FTL, FML), Flächenmaschinen (unabhängige Fertigungsinsel in der Werkstatt, FA) und Körpermaschinen. CIMS, verteiltes netzwerkintegriertes Fertigungssystem).
Der andere Schwerpunkt liegt auf Anwendung und Wirtschaftlichkeit. Flexible Automatisierungstechnik ist für die Fertigungsindustrie das wichtigste Mittel, um sich an dynamische Marktanforderungen anzupassen und ihre Produkte schnell zu aktualisieren. Der Schwerpunkt liegt auf der Verbesserung der Zuverlässigkeit und Praktikabilität des Systems, wobei eine einfache Vernetzung und Integration das Hauptziel ist, sowie auf der Stärkung der Entwicklung und Verbesserung der Gerätetechnologie. CNC-Einzelmaschinen entwickeln sich in Richtung hoher Präzision, hoher Geschwindigkeit und hoher Flexibilität. CNC-Maschinen und ihre flexiblen Fertigungssysteme können problemlos mit CAD, CAM, CAPP und MTS verbunden werden, um eine Informationsintegration zu erreichen. Das Netzwerksystem selbst wird im Hinblick auf Offenheit, Integration und Intelligenz weiterentwickelt.
Glossar
CNC: Numerische Computersteuerung.
G-Code: Die am weitesten verbreitete Programmiersprache für numerische Computersteuerung (NC), die Achspunkte angibt, zu denen sich die Maschine bewegen soll.
CAD: Computergestütztes Design.
CAM: Computergestützte Fertigung.
Gitter: Die minimale Bewegung oder der minimale Vorschub der Spindel. Die Spindel bewegt sich automatisch zur nächsten Rasterposition, wenn die Taste im kontinuierlichen oder schrittweisen Modus umgeschaltet wird.
PLT (HPGL): Standardsprache zum Drucken vektorbasierter Strichzeichnungen, unterstützt von CAD-Dateien.
Werkzeugweg: Benutzerdefinierte, codierte Route, der der Fräser folgt, um ein Werkstück zu bearbeiten. Ein „Taschen“-Werkzeugweg schneidet die Oberfläche des Werkstücks; Ein „Profil“- oder „Kontur“-Werkzeugweg schneidet durch das Werkstück, um unterschiedlich geformte Teile zu trennen.
Schritt runter: Der Abstand in Z-Richtung, um den das Schneidwerkzeug in das Material eingetaucht wird.
Schritt über: Der maximale Abstand in X- oder Y-Richtung, den ein Schneidwerkzeug in ungeschnittenes Material eingreift.
Schrittmotor: Ein Gleichstrommotor, der sich in diskreten Schritten bewegt, indem er Signale oder „Impulse“ in einer bestimmten Reihenfolge empfängt, was zu einer sehr präzisen Positionierung und Geschwindigkeitssteuerung führt.
Spulengeschwindigkeit: Die Drehzahl des Schneidwerkzeugs (U/min).
Konventioneller Schnitt: Der Fräser dreht sich entgegen der Vorschubrichtung, was zu minimalem Rattern führt, bei manchen Hölzern jedoch zum Reißen führen kann.
Subtraktive Methode: Der Bohrer entfernt feste Rohmaterialstücke, um Formen zu erzeugen (das Gegenteil der additiven Methode).
Vorschubgeschwindigkeit: Die Geschwindigkeit, mit der sich das Schneidwerkzeug durch das Werkstück bewegt.
Home-Position (Maschinennullpunkt): Der Standardursprungspunkt auf einer CNC, der beim Starten der Maschine festgelegt und durch physische Endschalter bestimmt wird. Bei der Bearbeitung eines Werkstücks wird der eigentliche Werkstückursprung nicht ermittelt.
Kletterschnitt: Vorschub des Materials in der gleichen Richtung wie die Schneidrotation. Gleichlaufschneiden verhindert ein Ausreißen, kann jedoch bei einem gerade geriffelten Bohrer zu Rattermarken führen. Ein spiralgeriffelter Bohrer verringert das Rattern.
Arbeitsursprung (Arbeitsnull): Der vom Benutzer festgelegte Nullpunkt für das Werkstück, von dem aus der Kopf alle Schnitte durchführt. Die X-, Y- und Z-Achsen werden auf Null gesetzt.
LCD: Flüssigkristallanzeige (wird auf dem Controller verwendet).
U Festplatte: Externe Datenspeicherfestplatte in Form eines USB-Sticks, der in eine USB-Schnittstelle eingesteckt wird.
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