Die Geschichte der CNC-Maschinen
John T. Parsons (1913-2007) von der Parsons Corporation in Traverse City, MI gilt als der Pionier der numerischen Steuerung, dem Vorläufer der modernen CNC-Maschine. Für seine Arbeit wurde John Parsons als Vater der 2. industriellen Revolution bezeichnet. Er musste komplexe Hubschrauberblätter herstellen und erkannte schnell, dass die Zukunft der Fertigung in der Verbindung von Maschinen und Computern lag. Heute sind CNC-gefertigte Teile in fast jeder Branche zu finden. Dank CNC-Maschinen haben wir günstigere Waren, eine stärkere Landesverteidigung und einen höheren Lebensstandard als in einer nicht-industrialisierten Welt möglich ist. In diesem Artikel werden wir die Ursprünge der CNC-Maschine, verschiedene Arten von CNC-Maschinen, CNC-Maschinenprogramme und gängige Praktiken von CNC-Maschinenwerkstätten untersuchen.
Maschinen treffen Computer
Im Jahr 1946 bedeutete das Wort „Computer“ eine lochkartenbetriebene Rechenmaschine. Obwohl die Parsons Corporation bis dahin nur einen einzigen Propeller hergestellt hatte, überzeugte John Parsons Sikorsky Helicopter davon, dass er extrem präzise Schablonen für die Montage und Fertigung von Propellern herstellen konnte. Er erfand schließlich eine Lochkarten-Computermethode, um Punkte auf einem Hubschrauber-Rotorblatt zu berechnen. Dann ließ er Bediener die Räder auf einer Cincinnati-Fräsmaschine zu diesen Punkten drehen. Er veranstaltete einen Wettbewerb für den Namen dieses neuen Verfahrens und gab 50 Dollar an die Person, die „Numerical Control“ oder NC prägte.
Im Jahr 1958 meldete er ein Patent an, um den Computer mit der Maschine zu verbinden. Seine Patentanmeldung kam drei Monate vor dem MIT an, das an dem von ihm begonnenen Konzept arbeitete. Das MIT nutzte seine Konzepte, um die Originalgeräte herzustellen, und Mr. Parsons‘ Lizenznehmer (Bendix) vergab Unterlizenzen an IBM, Fujitusu und GE, unter anderem. Das NC-Konzept konnte sich nur langsam durchsetzen. Laut Mr. Parsons waren die Leute, die die Idee verkauften, Computerfachleute und keine Fertigungsfachleute. In den frühen 1970er Jahren machte jedoch die US-Armee selbst den Einsatz von NC-Computern populär, indem sie sie baute und an zahlreiche Hersteller vermietete. Die CNC-Steuerung entwickelte sich parallel zum Computer und brachte immer mehr Produktivität und Automatisierung in die Fertigungsprozesse, insbesondere in die spanende Bearbeitung.
Was ist CNC-Bearbeitung?
CNC-Maschinen fertigen auf der ganzen Welt Teile für fast jede Branche. Sie schaffen Dinge aus Kunststoffen, Metallen, Aluminium, Holz und vielen anderen harten Materialien. Das Wort „CNC“ steht für Computer Numerical Control, wird aber heute von allen als CNC bezeichnet. Wie definiert man also eine CNC-Maschine? Alle automatisierten Maschinen mit Bewegungssteuerung haben drei Hauptkomponenten – eine Befehlsfunktion, ein Antriebs-/Bewegungssystem und ein Rückmeldungssystem. CNC-Bearbeitung ist der Prozess, bei dem eine computergesteuerte Werkzeugmaschine verwendet wird, um ein Teil aus festem Material in einer anderen Form herzustellen
Die CNC hängt von digitalen Anweisungen ab, die in der Regel mit Computer Aided Manufacturing (CAM) oder Computer Aided Design (CAD) Software wie SolidWorks oder MasterCAM erstellt werden. Die Software schreibt G-Code, den die Steuerung der CNC-Maschine lesen kann. Das Computerprogramm auf der Steuerung interpretiert den Entwurf und bewegt die Schneidwerkzeuge und/oder das Werkstück auf mehreren Achsen, um die gewünschte Form aus dem Werkstück zu schneiden. Der automatisierte Schneidprozess ist viel schneller und genauer als eine manuelle Bewegung von Werkzeugen und Werkstücken, die bei älteren Geräten mit Hebeln und Zahnrädern erfolgt. Moderne CNC-Maschinen halten mehrere Werkzeuge und führen viele Arten von Schnitten aus. Die Anzahl der Bewegungsebenen (Achsen) und die Anzahl und Arten von Werkzeugen, auf die die Maschine während des Bearbeitungsprozesses automatisch zugreifen kann, bestimmen, wie komplex ein Werkstück mit einer CNC-Maschine gefertigt werden kann.
Wie man eine CNC-Maschine bedient
CNC-Bearbeiter müssen sich sowohl Kenntnisse in der Programmierung als auch in der Metallbearbeitung aneignen, um die Leistung einer CNC-Maschine voll nutzen zu können. Technische Berufsschulen und Lehrlingsausbildungsprogramme beginnen oft mit manuellen Drehbänken, um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie man Metall schneidet. Der Zerspanungsmechaniker sollte in der Lage sein, sich alle drei Dimensionen vorzustellen. Heutzutage macht es Software einfacher als je zuvor, komplexe Teile zu fertigen, weil die Form des Teils virtuell gezeichnet werden kann und dann Werkzeugwege von der Software vorgeschlagen werden können, um diese Teile zu fertigen.
Art der Software, die üblicherweise im CNC-Bearbeitungsprozess verwendet wird
Computer Aided Drawing (CAD)
CAD-Software ist der Ausgangspunkt für die meisten CNC-Projekte. Es gibt viele verschiedene CAD-Softwarepakete, aber alle werden für die Erstellung von Konstruktionen verwendet. Beliebte CAD-Programme sind AutoCAD, SolidWorks und Rhino3D. Es gibt auch Cloud-basierte CAD-Lösungen, und einige bieten CAM-Fähigkeiten oder lassen sich besser in CAM-Software integrieren als andere.
Computer Aided Manufacturing (CAM)
CNC-Maschinen verwenden oft Programme, die von CAM-Software erstellt werden. CAM ermöglicht es dem Anwender, einen „Jobbaum“ einzurichten, um den Arbeitsablauf zu organisieren, Werkzeugwege festzulegen und Schnittsimulationen durchzuführen, bevor die Maschine tatsächlich schneidet. Oft arbeiten CAM-Programme als Add-Ons zur CAD-Software und generieren G-Code, der den CNC-Werkzeugen und den beweglichen Teilen des Werkstücks mitteilt, wo sie hin sollen. Assistenten in der CAM-Software machen es einfacher denn je, eine CNC-Maschine zu programmieren. Zu den gängigen CAM-Programmen gehören Mastercam, Edgecam, OneCNC, HSMWorks und Solidcam. Mastercam und Edgecam machen laut einem Bericht aus dem Jahr 2015 fast 50 % des High-End-CAM-Marktanteils aus.
Was ist eine verteilte numerische Steuerung?
Direkte numerische Steuerung, die zur verteilten numerischen Steuerung (DNC)
Direkte numerische Steuerungen wurden verwendet, um NC-Programme und Maschinenparameter zu verwalten. Sie ermöglichten die Übertragung von Programmen über ein Netzwerk von einem zentralen Computer zu den Bordcomputern, den sogenannten Maschinensteuerungseinheiten (MCU). Ursprünglich „Direct Numeric Control“ genannt, umging es die Notwendigkeit von Papierstreifen, aber wenn der Computer ausfiel, fielen alle Maschinen aus.
Distributed Numerical Control verwendet ein Netzwerk von Computern, um den Betrieb mehrerer Maschinen zu koordinieren, indem ein Programm in die CNC eingespeist wird. Der CNC-Speicher enthält das Programm und der Bediener kann das Programm abrufen, bearbeiten und zurückgeben.
Moderne DNC-Programme können Folgendes leisten:
- Bearbeiten – Kann ein NC-Programm ablaufen lassen, während andere bearbeitet werden
- Vergleichen – Vergleichen Sie Original- und bearbeitetes NC-Programm nebeneinander und sehen Sie die Bearbeitungen
- Neustart – Wenn ein Werkzeug abbricht, kann das Programm gestoppt und an der Stelle neu gestartet werden, an der es aufgehört hat
- Job-Tracking – Bediener können sich in Jobs eintakten und z. B. Rüst- und Laufzeiten verfolgen
- Zeichnungen anzeigen – Zeigen Sie Fotos, CAD-Zeichnungen von Werkzeugen, Vorrichtungen und Fertigteilen
- Erweiterte Bildschirmoberflächen – One-Touch-Bearbeitung
- Erweiterte Datenbankverwaltung – Organisiert und verwaltet Daten, wo sie leicht abgerufen werden können
Fertigungsdatenerfassung (MDE)
MDE-Software kann alle Funktionen der DNC-Software enthalten und zusätzlich Daten sammeln und für die Gesamtanlageneffektivität (OEE) analysieren. Die Gesamtanlageneffektivität hängt von Folgendem ab: Qualität – die Anzahl der Produkte, die den Qualitätsstandards entsprechen, von allen produzierten Produkten Verfügbarkeit – Prozent der geplanten Zeit, in der die spezifizierte Anlage arbeitet oder Teile produziert Leistung – tatsächliche Laufgeschwindigkeit im Vergleich zur geplanten oder idealen Laufgeschwindigkeit der Anlage.
OEE = Qualität x Verfügbarkeit x Leistung
OEE ist eine wichtige Leistungskennzahl (KPI) für viele Maschinenhallen.
Maschinenüberwachungslösungen
Maschinenüberwachungssoftware kann in DNC- oder MDC-Software integriert sein oder separat erworben werden. Mit Maschinenüberwachungslösungen werden Maschinendaten wie Rüst-, Lauf- und Ausfallzeiten automatisch erfasst und mit menschlichen Daten wie z.B. Fehlercodes kombiniert, um sowohl historische als auch Echtzeitinformationen über den Ablauf von Aufträgen zu erhalten. Moderne CNC-Maschinen sammeln bis zu 200 Arten von Daten, und eine Maschinenüberwachungssoftware kann diese Daten für jeden von der Werkstatt bis zur Chefetage nutzbar machen. Unternehmen wie Memex bieten Software (Tempus) an, die Daten von jeder Art von CNC-Maschine in ein standardisiertes Datenbankformat bringt, das in aussagekräftigen Diagrammen und Grafiken angezeigt werden kann. Ein Datenstandard, der von den meisten Maschinenüberwachungslösungen verwendet wird und sich in den USA durchgesetzt hat, heißt MTConnect. Viele neue CNC-Werkzeugmaschinen sind heute so ausgestattet, dass sie Daten in diesem Format liefern. Ältere Maschinen können mit Adaptern noch wertvolle Informationen liefern. Die Maschinenüberwachung für CNC-Maschinen hat sich erst in den letzten Jahren durchgesetzt, und es werden ständig neue Softwarelösungen entwickelt.
Was sind die verschiedenen Arten von CNC-Maschinen?
Es gibt heute unzählige verschiedene Arten von CNC-Maschinen. CNC-Maschinen sind Werkzeugmaschinen, die Material schneiden oder bewegen, so wie es auf der Steuerung programmiert ist, wie oben beschrieben. Die Art des Schneidens kann vom Plasmaschneiden über Laserschneiden, Fräsen, Fräsen und Drehen variieren. CNC-Maschinen können sogar Teile auf einem Fließband aufnehmen und bewegen.
Nachfolgend sind die grundlegenden Arten von CNC-Maschinen aufgeführt:
Drehmaschinen: Diese Art von CNC dreht das Werkstück und bewegt das Schneidwerkzeug zum Werkstück. Eine grundlegende Drehmaschine hat 2 Achsen, aber es können viele weitere Achsen hinzugefügt werden, um die Komplexität des möglichen Schnitts zu erhöhen. Das Material dreht sich auf einer Spindel und wird gegen ein Schleif- oder Schnitzwerkzeug gedrückt, das die gewünschte Form erzeugt. Drehmaschinen werden zur Herstellung von symmetrischen Objekten wie Kugeln, Kegeln oder Zylindern verwendet. Viele CNC-Maschinen sind multifunktional und kombinieren alle Arten des Schneidens.
Router: CNC-Oberfräsen werden in der Regel zum Schneiden großer Dimensionen in Holz, Metall, Blechen und Kunststoffen eingesetzt. Standard-Oberfräsen arbeiten auf 3-Achsen-Koordinaten, können also in drei Dimensionen schneiden. Sie können jedoch auch 4,5- und 6-achsige Maschinen für Prototypenmodelle und komplexe Formen kaufen.
Fräsen: Manuelle Fräsmaschinen verwenden Handräder und Leitspindeln, um ein Schneidwerkzeug auf einem Werkstück zu artikulieren. Bei einer CNC-Fräse werden stattdessen hochpräzise Kugelumlaufspindeln zu den exakt programmierten Koordinaten bewegt. CNC-Fräsmaschinen gibt es in einer Vielzahl von Größen und Typen und können auf mehreren Achsen laufen.
Plasmaschneider: Der CNC-Plasmaschneider nutzt einen leistungsstarken Laser zum Schneiden. Die meisten Plasmaschneider schneiden programmierte Formen aus Blechen oder Platten.
3D-Drucker: Ein 3D-Drucker verwendet das Programm, um ihm zu sagen, wo er kleine Materialstücke ablegen soll, um die gewünschte Form zu bauen. 3D-Teile werden Schicht für Schicht mit einem Laser aufgebaut, um die Flüssigkeit oder Energie zu verfestigen, während die Schichten wachsen.
Pick and Place Machine: Eine CNC-„Pick and Place“-Maschine funktioniert ähnlich wie ein CNC-Router, aber statt Material zu schneiden, hat die Maschine viele kleine Düsen, die Bauteile mit Hilfe eines Vakuums aufnehmen, an die gewünschte Stelle bewegen und ablegen. Damit werden u.a. Tische, Computer-Motherboards und andere elektrische Baugruppen hergestellt.
CNC-Maschinen können viele Dinge tun. Heutzutage kann die Computertechnologie auf so ziemlich jede erdenkliche Maschine aufgesetzt werden. Die CNC ersetzt die menschliche Schnittstelle, die benötigt wird, um Maschinenteile zu bewegen, um das gewünschte Ergebnis zu erhalten. Heutige CNC-Maschinen sind in der Lage, aus einem Rohmaterial, wie z.B. einem Stahlblock, ein sehr komplexes Teil mit präzisen Toleranzen und erstaunlicher Wiederholgenauigkeit zu fertigen.
Putting it All Together: Wie CNC-Werkstätten Teile herstellen
Zum Betrieb einer CNC gehören sowohl der Computer (Controller) als auch eine physische Einrichtung. Ein typischer Prozess in einer Maschinenwerkstatt sieht so aus:
Ein Konstrukteur erstellt den Entwurf im CAD-Programm und sendet ihn an einen CNC-Programmierer. Der Programmierer öffnet die Datei im CAM-Programm, um über die benötigten Werkzeuge zu entscheiden und das NC-Programm für die CNC zu erstellen. Er oder sie sendet das NC-Programm an die CNC-Maschine und stellt einem Bediener eine Liste mit der richtigen Werkzeugbestückung zur Verfügung. Ein Einrichter bestückt die Werkzeuge wie vorgegeben und lädt das Rohmaterial (oder Werkstück). Er oder sie führt dann Probestücke aus und misst sie mit Qualitätssicherungswerkzeugen, um zu überprüfen, ob die CNC-Maschine Teile entsprechend der Spezifikation herstellt. Normalerweise übergibt der Einrichter ein erstes Artikelstück an die Qualitätsabteilung, die alle Maße überprüft und die Einrichtung abzeichnet. Die CNC-Maschine oder die zugehörigen Maschinen werden mit genügend Rohmaterial beladen, um die gewünschte Stückzahl zu fertigen, und ein Maschinenbediener steht bereit, um sicherzustellen, dass die Maschine weiterläuft, Teile nach Spezifikation fertigt und über Rohmaterial verfügt. Abhängig von der Aufgabe ist es oft möglich, CNC-Maschinen ohne Bediener „im Dunkeln“ laufen zu lassen. Die fertigen Teile werden automatisch in einen bestimmten Bereich transportiert.