Computerized Numerical Control
Die Abkürzung CNC steht für den englischsprachigen Begriff »Computerized Numerical Control«. Diese in der Metall verarbeitenden Industrie weitverbreitete Methode ist wiederum die Steuerung der Maschinen durch Computer, anstatt durch manuelle und menschliche Arbeit.
Die CNC-Fertigungsweise ist eine Weiterentwicklung der vorherigen, als »NC« bezeichneten Technologie, bei der die einzelnen Arbeitsbefehle mittels Lochstreifen an die Maschine gegeben wurden. Entwickelt wurde die CNC-Technik in den 70er Jahren, Einzug in die industrielle Fertigung fand sie in der Mitte der 1970er Jahre. Das Ziel dieser damals revolutionären Technologie war die Rationalisierung in der Bedienung der Maschinen bei gleichzeitiger hoher Präzision in der Ausführung der einzelnen Arbeitsschritte. In der heutigen industriellen Fertigung von Einzel- und Serienteilen ist CNC das Standardverfahren.
Die Vorteile der CNC-Steuerung von Maschinen
Neben den wirtschaftlichen Vorteilen in der Einzel- oder Serienfertigung durch die CNC-Steuerung liegen weitere Vorteile in der hohen Präzision und Wiederholungsmöglichkeit sowie bei der Umsetzung neuer Fertigungskonzepte, da der Hauptantrieb und die Vorschubantriebe mechanisch unabhängig voneinander arbeiten. Vor allem in der Serienfertigung können so zahlreiche identische Teile ohne menschliche Intervention gefertigt werden.
Neben den direkten Kostenvorteilen durch den Entfall oder die Reduktion der Lohnstückkosten profitiert die CNC-Fertigung von der konstanten Qualität der einzelnen Teile.
CNC-Steuerung der Maschinen
In der Steuerung der CNC Maschinen ist ein Computer integriert, welcher den Istzustand der Werkzeuge in ihrer Position, Winkel und Zustand misst. Diese Daten werden mit dem Sollzustand abgeglichen und demzufolge die Motoren für den Vorschub der Achsen geregelt. Die CNC-Steuerung ermöglicht dabei die gleichzeitige Steuerung mehrerer Achsen.
Neben der Anzahl gleichzeitig gesteuerter Achsen werden drei verschiedene Steuerungsarten unterschieden:
1. Punktsteuerung / Point-to-Point (PTP) Steuerung
Bei der PTP-Steuerung wird der Endpunkt definiert, den das Werkzeug auf schnellstem Weg erreichen muss. Da hierbei die Geschwindigkeit konstant und möglichst hoch ist und zugleich keine Kollisionswarnung erfolgt, ist diese Art der CNC-Steuerung nur selten in Verwendung.
2. Streckensteuerung
Die Streckensteuerung ermöglicht im Gegensatz zur Punktsteuerung die Wahl der Vorschubgeschwindigkeit der einzelnen Achsen. Diese Steuerungsart ist in der Praxis vor allem bei CNC gesteuerten Nutenfräsgeräten sowie für den Ausbildungsbetrieb relevant, da sie keine wesentlichen wirtschaftlichen Vorteile zur Bahnsteuerung bietet und zudem relativ unflexibel ist.
3. Bahnsteuerung
Die Bahnsteuerung der CNC-Maschinen ist das in der Praxis am häufigsten eingesetzte Verfahren. Hierbei werden die Bewegungen der einzelnen Achsen synchronisiert und deren nächsten Bewegungen interpoliert. Dies vermeidet Kollisionen bei gleichzeitig hohen Arbeitsgeschwindigkeiten, setzt jedoch zahlreiche Sensoren in der Maschine voraus. Drehmaschinen verfügen über eine 2D-Bahnsteuerung, da das drehende Werkstück die dritte Dimension abbildet. Bei Fräsmaschinen ist eine 3D-Bahnsteuerung Standard.
Bedienung der CNC-Maschinen
Die Bedienung der CNC-Maschinen erfolgt durch Industriecomputer und Programme, die in sogenanntem G-Code verfasst werden. Im Gegensatz zu privat oder in Büros genutzten Computern sind die Industriecomputer in der Lage, besonders kurze Blockzykluszeiten zu leisten. Diese sind notwendig, damit die CNC gesteuerte Maschine die Arbeiten in hoher Geschwindigkeit ausführen können, ohne wegen dem Ausbleiben der nächsten Befehle ins Stocken zu geraten.
Die physische Verbindung zwischen CNC-Maschine und Computer erfolgt über die serielle RS-232-Schnittstelle oder über Ethernet. Auch die Steuerung über G-Code Programme auf mobilen Speichermedien wie PCMCIA-, CompactFlash-Karten und USB-Sticks ist bei zahlreichen CNC-Maschinen möglich.
G-Code Programmierung
Die Normen DIN 66025 und ISO 6983 beschreiben den Aufbau der Steuerungsmaschinen. Die G-Code-Programmierung ist in ihrem Kern herstellerunabhängig, sodass Programme auf mehreren Geräten verschiedener Hersteller lauffähig sind. Zusätzlich zu diesen Funktionen hat und nutzt der Gerätehersteller die Möglichkeit, eigene spezielle Befehle in den Quellcode zu schreiben, die nur von den eigenen Maschinen interpretiert und ausgeführt werden.
In den Anfangstagen der CNC-Steuerung von Maschinen wurde der Programmcode von Hand direkt in einem Editor erstellt. Heute bieten die Programme zudem die grafische Simulation, anhand derer die einzelnen Arbeitsschritte auf dem Computerbildschirm des Programmierers dargestellt werden, bevor sie zur Ausführung an die Maschine gesendet werden. Zugleich ist die automatische Generierung von G-Code aus CAD/CAM-Programmen heraus möglich.
Arten von CNC-Maschinen
Die ersten CNC gesteuerten Maschinen waren Maschinen in der Metallverarbeitung für das Drehen und Fräsen. Durch andere Werkzeuge sind CNC-Maschinen heute nicht nur in der Metall verarbeitenden Industrie vertreten, sondern, mit angepassten Werkzeugen, auch für die Bearbeitung anderer Werkstoffe und Materialien im Einsatz. Das Grundprinzip der computergesteuerten Maschine ist dabei unverändert.
Auch in der Metallverarbeitung hat die CNC-Fertigung in weiteren Arbeitsbereichen Einzug gehalten. So werden Rohre mithilfe des CNC Rohrbiegen in hoher Effizienz und konstanter Qualität bearbeitet. Das CNC-Stanzen ermöglicht die computergesteuerte Fertigung von Stanzteilen in Einzel- und Serienproduktion.