Haben Sie sich jemals gefragt, was passiert, nachdem Sie die Taste „Zyklusstart“ gedrückt haben? Wenn Sie die grüne Taste „CYCLE START“ auf dem Bedienfeld drücken, beginnt die Werkzeugmaschine, sich entsprechend dem Programm zu bewegen. Der gesamte Prozess scheint „magisch“ zu sein – aber dahinter steckt ein sehr strenges System, das zusammenarbeitet: Eine Komponente liest das Programm, eine andere wandelt Anweisungen in elektrische Signale um, eine andere treibt den Motor in Drehung, eine andere erkennt kontinuierlich Positionsrückmeldungen und eine andere steuert das Kühlmittel und den Werkzeugwechsel …
Diese „bestimmten Komponenten“ sind die fünf Kernsysteme von CNC-Werkzeugmaschinen. Das Verständnis dieser fünf Systeme dient nicht nur der Befriedigung der Neugier – wenn die Werkzeugmaschine ausfällt, können Sie grob beurteilen, in welcher Verbindung das Problem liegt; Wenn Sie sich tieferes Wissen aneignen, verfügen Sie über einen klaren Rahmen, um neue Inhalte zu verstehen.
System 1: CNC-Gerät (CNC-Steuerung) – Das „Gehirn“ der Werkzeugmaschine
(Bildquelle: Siemens) Das CNC-Gerät ist das Herzstück der gesamten Werkzeugmaschine, das wir oft als „CNC-System“ oder CNC-Steuerung bezeichnen. Sein Arbeitsablauf ist wie folgt:
Programm lesen: NC-Programm aus Speicher, CF-Karte oder Netzwerkschnittstelle lesen
Dekodierung: „Übersetzen“ Sie Anweisungen wie G-Code und M-Code in Daten, die das System intern verarbeiten kann
Interpolationsberechnung: Berechnen Sie gemäß den Bewegungsanweisungen, wie viel sich jede Achse in jeder Zeiteinheit bewegen muss (dies ist die grundlegendste Berechnung – Zerlegung „von Punkt A nach Punkt B“ in unzählige kleine Schritte).
Erteilen von Steueranweisungen: Senden Sie den Bewegungsbetrag jeder Achse in Form von elektrischen Signalen an das Servosystem
Koordinierung von Hilfsfunktionen: Steuern Sie M-Code-Funktionen wie Spindeldrehzahl, Werkzeugwechsel und Kühlmittel
Das CNC-Gerät führt das Programm nicht nur passiv aus, sondern erhält auch Echtzeit-Positionsrückmeldungen von jeder Achse und korrigiert Bewegungsabweichungen jederzeit. Das Bedienfeld und der Bildschirm, die Sie normalerweise an der Werkzeugmaschine sehen, sind die Mensch-Computer-Interaktionsschnittstelle des CNC-Geräts. Über diese Schnittstelle geben Sie Programme ein, ändern Parameter und überprüfen Koordinaten, um mit dem CNC-Gerät zu kommunizieren.
System 2: Servosystem – Die „Muskeln“ der Werkzeugmaschine
Das CNC-Gerät gibt den Befehl „X-Achse bewegt sich um 0,001 mm“ aus, dieser Befehl muss jedoch vom Servosystem in eine echte mechanische Bewegung umgewandelt werden. (Bildquelle: FANUC)
Das Servosystem besteht aus zwei Teilen:
Servoantrieb: Empfängt das vom CNC-Gerät gesendete Steuersignal, verstärkt es und wandelt es in elektrische Energie um, um den Motor anzutreiben. Es entspricht einem Präzisions-„Leistungsverstärker“.
Servomotor: Wandelt elektrische Energie in mechanische Drehbewegung um. Der Unterschied zwischen einem Servomotor und einem gewöhnlichen Motor besteht darin, dass der Servomotor über einen eingebauten Positionsencoder verfügt, der den Drehwinkel präzise steuern kann, und dass seine Reaktionsgeschwindigkeit extrem schnell ist – er kann in Millisekunden starten, stoppen oder die Geschwindigkeit ändern.
CNC-Werkzeugmaschinen verfügen normalerweise über mehrere Sätze von Servosystemen:
Je ein Vorschubservo für die X-Achse, Y-Achse und Z-Achse: Steuert die Bewegung des Werkzeugs und des Arbeitstisches
Spindelservo: Steuert die Drehzahl der Spindel (Werkzeug)
Der Fokus des Spindelservos und des Vorschubservos ist etwas unterschiedlich: Der Vorschubservo strebt nach Positionsgenauigkeit (der Bewegungsbetrag muss präzise sein), und der Spindelservo strebt nach Geschwindigkeitsstabilität (die Geschwindigkeit muss während des Schneidens konstant sein und darf nicht aufgrund von Änderungen der Schnittkraft schwanken). Bei fünfachsigen Werkzeugmaschinen gibt es zwei zusätzliche Sätze Servosysteme zur Steuerung der Drehachsen (A/B/C-Achsen), und es können 5 bis 6 Sätze Servos gleichzeitig arbeiten.
System 3: Mechanischer Werkzeugmaschinenkörper – Skelett und Gelenke
Der Servomotor erzeugt eine Drehbewegung, die Werkzeugmaschine übernimmt jedoch die lineare Bewegung und Drehpositionierung des Werkzeugs. Es ist notwendig, die Motordrehung in eine präzise Bewegung verschiedener Teile der Werkzeugmaschine umzuwandeln, die auf dem mechanischen Körper beruht. Die Kernkomponenten des mechanischen Körpers:
Bett/Rahmen: Die Grundstruktur der Werkzeugmaschine, normalerweise aus Gusseisen oder geschweißtem Stahlblech. Ein gutes Bett verfügt über eine hohe Steifigkeit und gute Vibrationsfestigkeit, was die Voraussetzung für die Gewährleistung der Bearbeitungsgenauigkeit ist. (Zweizeilige und einsträngige dreiachsige optische Maschine)
Linearführung/Weg: Die „Schiene“, die den Arbeitstisch und den Spindelkopf so führt, dass sie sich in eine bestimmte Richtung bewegen. Moderne Bearbeitungszentren verwenden im Allgemeinen lineare Rollführungen, die geringe Reibung, hohe Präzision und schnelle Reaktion aufweisen. Hochpräzise Werkzeugmaschinen werden hydrostatische Führungen mit nahezu keiner Reibung verwenden.
Kugelumlaufspindel: Das Kernteil, das die Drehbewegung des Servomotors in die lineare Bewegung des Arbeitstisches umwandelt. Die Kugelumlaufspindel überträgt die Kraft durch das Rollen interner Stahlkugeln mit extrem geringer Reibung und kann eine Positionierungsgenauigkeit im Mikrometerbereich erreichen.
Spindel: Die Kernkomponente, die das Werkzeug spannt und mit hoher Geschwindigkeit rotiert. Die Genauigkeit (Rundlauf) der Spindel hat direkten Einfluss auf die Bearbeitungsgenauigkeit und die maximale Drehzahl der Spindel bestimmt die Geschwindigkeit, mit der Sie bearbeiten können. Hochgeschwindigkeitsspindeln können 40.000 U/min oder sogar mehr erreichen. (Bildquelle: Luoyi)
System 4: Erkennungs- und Rückmeldungssystem – Die Augen der Regelung
Dies ist ein sehr kritisches System, über das viele Anfänger nicht viel wissen. Das CNC-System weist den Servomotor an, „10 Umdrehungen zu drehen“, aber woher weiß es, dass der Motor tatsächlich genau 10 Umdrehungen gedreht hat? Hat sich das Werkzeug tatsächlich um die von Ihnen gewünschte Strecke bewegt? Es basiert auf dem Erkennungs- und Rückmeldungssystem, dessen Funktion darin besteht, die tatsächliche Position in Echtzeit zu messen und an das CNC-Gerät zurückzugeben, sodass das System die Abweichung entsprechend dem Fehler automatisch korrigieren kann.
Dieser Zyklus aus „Anweisungen erteilen → ausführen → tatsächliche Werte ermitteln → Abweichungen vergleichen → Anweisungen korrigieren“ wird als Regelung bezeichnet und ist der Kernmechanismus zur Gewährleistung der CNC-Genauigkeit.
Es gibt zwei Arten häufig verwendeter Erkennungskomponenten:
Drehgeber: Auf der Welle des Servomotors installiert, um den Drehwinkel des Motors zu erfassen. Da das Motorende und nicht das Arbeitstischende erkannt wird, treten immer noch Fehler wie die elastische Verformung der Schraube auf, die zur halbgeschlossenen Regelung gehört. Die meisten Bearbeitungszentren verwenden dieses Schema und die Positionierungsgenauigkeit beträgt normalerweise ±0,005 bis 0,01 mm.
Lineare Skala: Direkt neben der Führungsschiene der Werkzeugmaschine installiert, um die tatsächliche lineare Verschiebung des Arbeitstisches zu messen. Da es die Position des Arbeitstisches direkt misst, werden Fehler in Übertragungsgliedern wie der Kugelumlaufspindel eliminiert, was zu einer vollständig geschlossenen Regelung mit höherer Genauigkeit (bis zu ±0,001 mm) gehört. Hochpräzise Werkzeugmaschinen und Präzisions-Fünf-Achsen-Werkzeugmaschinen sind im Allgemeinen mit linearen Maßstäben ausgestattet. (RENISHAW lineare Skala)
System 5: Hilfsfunktionssystem – Damit die Werkzeugmaschine „arbeiten“ kann
Die ersten vier Systeme sorgen zusammen dafür, dass sich das Werkzeug präzise bewegen kann. Um die Verarbeitung jedoch wirklich abzuschließen, sind eine Reihe von Hilfsfunktionen erforderlich:
Automatischer Werkzeugwechsler (ATC): Eines der wichtigsten Merkmale von Bearbeitungszentren. Das Werkzeugmagazin speichert mehrere Werkzeuge und der Manipulator führt den gesamten Vorgang beim Werkzeugwechsel automatisch durch, was in der Regel nur wenige Sekunden dauert. Die Kapazität des Werkzeugmagazins reicht von 8 bis über 100 Werkzeugen.
Kühlsystem: Während der Bearbeitung entsteht zwischen Werkzeug und Werkstück viel Wärme. Das Kühlmittel ist für die Kühlung, Schmierung und Spanabfuhr zuständig. Zu den gängigen Methoden gehören externe Sprühkühlung, interne Kühlung (direktes Sprühen auf den Schneidbereich durch die Spindel und das Mittelloch des Werkzeugs) usw.
Pneumatik-/Hydrauliksystem: Wird für Vorgänge verwendet, die große Kraft erfordern, wie z. B. das Spannen von Werkstücken, Werkzeugwechselvorgänge und das Lösen von Spindelwerkzeugen.
SPS (Programmable Logic Controller): Das CNC-Gerät verwaltet nur die Bewegungssteuerung, während eine Vielzahl von Schaltermengensteuerungen an der Werkzeugmaschine (Werkzeugwechsel, Kühlmittelschalter, Schutztürverriegelung usw.) von der eingebauten SPS übernommen werden. Die SPS und das CNC-Gerät bilden zusammen ein komplettes Werkzeugmaschinensteuerungssystem.
Signalfluss der fünf Kernsysteme (Auf einen Blick verstehen)
Mit einer Signalkette lässt sich der Arbeitsablauf des Gesamtsystems nachvollziehen: Das ist alles, was nach dem „Drücken des Zyklusstarts“ passiert, ein präziser Regelprozess, der sich tausende Male pro Sekunde wiederholt.
Einführung in gängige CNC-Systemmarken
Nachdem wir die Rolle des CNC-Geräts verstanden haben, lernen wir die wichtigsten Marken auf dem Markt kennen:
FANUC: Eine japanische Marke mit dem größten Weltmarktanteil und einer extrem hohen Auslastung in inländischen Fabriken. Das System ist stabil und zuverlässig und verfügt über ein vollständiges technisches Ökosystem, was es zur ersten Wahl für das Einsteigerlernen macht (die folgenden Betriebsbeispiele in dieser Serie konzentrieren sich hauptsächlich auf FANUC).
Siemens SINUMERIK: Eine deutsche Marke, die Mainstream-Konfiguration europäischer Werkzeugmaschinen. SINUMERIK ONE ist ein High-End-Werkzeugmaschineninstallationssystem mit leistungsstarken Funktionen und perfekter Fünf-Achsen-Unterstützung, aber die Lernkurve ist steil. Es wird häufig in der heimischen Automobil- und Luft- und Raumfahrtbranche eingesetzt.
Heidenhain TNC: Eine deutsche Marke mit Schwerpunkt auf Fräsbearbeitungszentren mit ausgefeilter Fünf-Achsen-Funktionsunterstützung und einem hohen Ruf in den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Präzisionsformen.
Inländische Marken haben sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Die Hauptvertreter sind folgende:
| Marke | Verbundenes Unternehmen | Hauptvorteile | Marktpositionierung | Fünf-Achsen-Unterstützung |
| Huazhong Typ 9 | Huazhong CNC | Inländische CPU, unabhängig und steuerbar | Haushaltsersatz im mittleren bis unteren Preissegment | Allgemein |
| GSK | Guangzhou CNC | Preisvorteil, komplette unterstützende Ausstattung | Wirtschaftliche Werkzeugmaschinen | Allgemein |
| Kede GNC62 | Kede CNC | Fünf-Achsen-Verbindung und Dreh-Fräs-Verbundbearbeitung | Mittlerer bis gehobener Markt | Gut |
| Syntec | Syntec-Technologie | Starke CAM-Kompatibilität, benutzerfreundliche Oberfläche | Mittelklasse, am schnellsten wachsend im Fünf-Achsen-Bereich | Gut |
Besonderer Fokus: Syntec-System – die Hauptkraft der inländischen Fünf-Achsen-Systeme
Unter vielen inländischen CNC-Systemen hat sich Syntec in den letzten Jahren besonders im Bereich der Fünf-Achsen-Bearbeitung hervorgetan und ist zu einem der Systeme mit der höchsten Installationsrate inländischer Fünf-Achsen-Werkzeugmaschinen geworden.
Die Hauptvorteile von Syntec sind: extrem starke CAM-Software-Kompatibilität, die die Nachbearbeitungsausgabe fast aller gängigen CAM-Software unterstützt; G-Code ist grundsätzlich mit FANUC-CNC-Systemen kompatibel, die Bedienoberfläche ist für Anfänger benutzerfreundlich und die Lernkosten sind niedriger als bei herkömmlichen europäischen und amerikanischen Systemen; Gleichzeitig bietet es eine stabile Leistung bei Schlüsselfunktionen wie Fünf-Achsen-RTCP und Werkzeugachsensteuerung, was ein wichtiger Grund dafür ist, dass viele Hersteller von Fünf-Achsen-Werkzeugmaschinen Syntec als Standardkonfigurationssystem wählen.
Wenn Sie oder Ihr Unternehmen den Kauf einer inländischen Fünf-Achsen-Werkzeugmaschine planen oder den Entwicklungsstand inländischer Systeme verstehen möchten, können Sie auf das Syntec-System achten, das auch über zahlreiche Online-Lernressourcen verfügt. In den anschließenden praktischen Betriebsdemonstrationen dieser Reihe werden wir auch darüber nachdenken, Betriebsbeispiele des Syntec-Systems hinzuzufügen.
Zusammenfassung dieses Artikels
· CNC-Gerät: Das Gehirn, das Programme liest, Interpolationsberechnungen durchführt und Bewegungsanweisungen ausgibt
· Servosystem: Die Muskeln, die die präzise Bewegung jedes Achsenmotors antreiben
· Mechanischer Körper: Das Skelett, einschließlich Bett, Führungsschiene, Kugelumlaufspindel und Spindel
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