Was sind CNC-Maschinen?

Die Geschichte der CNC-Maschinen
John T. Parsons (1913–2007) von der Parsons Corporation in Traverse City, MI gilt als 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 darin bestand, Maschinen mit Computern zu verbinden.CNC-gefertigte Teile sind heute in nahezu jeder Branche zu finden.Dank CNC-Maschinen verfügen wir über günstigere Waren, eine stärkere Landesverteidigung und einen höheren Lebensstandard, als dies in einer nicht industrialisierten Welt möglich ist.In diesem Artikel untersuchen wir die Ursprünge der CNC-Maschine, verschiedene Arten von CNC-Maschinen, CNC-Maschinenprogramme und gängige Praktiken in CNC-Maschinenwerkstätten.

Maschinen treffen Computer
Im Jahr 1946 bedeutete das Wort „Computer“ eine lochkartengesteuerte Rechenmaschine.Obwohl die Parsons Corporation zuvor nur einen Propeller hergestellt hatte, überzeugte John Parsons Sikorsky Helicopter davon, dass sie äußerst präzise Schablonen für die Propellermontage und -herstellung erstellen konnten.Am Ende erfand er eine Lochkarten-Computermethode zur Berechnung von Punkten auf einem Hubschrauberrotorblatt.Dann ließ er Bediener die Räder einer Cincinnati-Fräsmaschine zu diesen Punkten drehen.Er veranstaltete einen Wettbewerb um den Namen dieses neuen Verfahrens und spendete 50 US-Dollar an die Person, die „Numerical Control“ oder NC erfunden hat.

1958 meldete er ein Patent an, um den Computer mit der Maschine zu verbinden.Seine Patentanmeldung ging drei Monate vor dem MIT ein, das an dem von ihm begonnenen Konzept arbeitete.Das MIT nutzte seine Konzepte, um die Originalausrüstung herzustellen, und der Lizenznehmer von Herrn Parsons (Bendix) vergab unter anderem Unterlizenzen an IBM, Fujitusu und GE.Das NC-Konzept setzte sich nur langsam durch.Laut Parsons handelte es sich bei den Leuten, die die Idee verkauften, um Computerleute und nicht um Produktionsleute.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 führte zu immer mehr Produktivität und Automatisierung in Herstellungsprozessen, insbesondere in der Bearbeitung.

Was ist CNC-Bearbeitung?
CNC-Maschinen fertigen weltweit Teile für nahezu jede Branche.Sie stellen Dinge aus Kunststoff, Metall, Aluminium, Holz und vielen anderen harten Materialien her.Das Wort „CNC“ steht für Computer Numerical Control, aber heute nennt es jeder CNC.Wie definiert man also eine CNC-Maschine?Alle automatisierten Bewegungssteuerungsmaschinen bestehen aus drei Hauptkomponenten: einer Befehlsfunktion, einem Antriebs-/Bewegungssystem und einem Feedbacksystem.Bei der CNC-Bearbeitung wird mithilfe einer computergesteuerten Werkzeugmaschine ein Teil aus Vollmaterial in einer anderen Form hergestellt.

Die CNC ist auf digitale Anweisungen angewiesen, die normalerweise 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 das Design und bewegt 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 die manuelle Bewegung von Werkzeugen und Werkstücken, die bei älteren Geräten mit Hebeln und Zahnrädern erfolgt.Moderne CNC-Maschinen verfügen über mehrere Werkzeuge und führen viele Arten von Schnitten durch.Die Anzahl der Bewegungsebenen (Achsen) sowie die Anzahl und Art der Werkzeuge, auf die die Maschine während des Bearbeitungsprozesses automatisch zugreifen kann, bestimmen, wie komplex ein Werkstück mit einer CNC gefertigt werden kann.

Wie benutzt man eine CNC-Maschine?
Um die Leistungsfähigkeit einer CNC-Maschine voll ausnutzen zu können, müssen CNC-Maschinisten Kenntnisse sowohl im Programmieren als auch in der Metallbearbeitung erwerben.Technische Berufsschulen und Lehrlingsausbildungsprogramme beginnen die Schüler oft mit manuellen Drehmaschinen, um ein Gefühl für das Schneiden von Metall zu bekommen.Der Maschinist sollte sich alle drei Dimensionen vorstellen können.Heutzutage ist es mit Software einfacher denn je, komplexe Teile herzustellen, da die Form des Teils virtuell gezeichnet werden kann und dann von der Software Werkzeugwege für die Herstellung dieser Teile vorgeschlagen werden können.

Art der Software, die üblicherweise im CNC-Bearbeitungsprozess verwendet wird
Computergestütztes Zeichnen (CAD)
CAD-Software ist der Ausgangspunkt für die meisten CNC-Projekte.Es gibt viele verschiedene CAD-Softwarepakete, aber alle werden zum Erstellen von Designs verwendet.Beliebte CAD-Programme sind AutoCAD, SolidWorks und Rhino3D.Es gibt auch cloudbasierte CAD-Lösungen, und einige bieten CAM-Funktionen oder lassen sich besser in CAM-Software integrieren als andere.

Computergestützte Fertigung (CAM)
CNC-Maschinen verwenden häufig Programme, die mit CAM-Software erstellt wurden.Mit CAM können Benutzer einen „Auftragsbaum“ einrichten, um den Arbeitsablauf zu organisieren, Werkzeugpfade festzulegen und Schnittsimulationen auszuführen, bevor die Maschine tatsächlich schneidet.CAM-Programme funktionieren oft als Add-ons zu CAD-Software und generieren G-Code, der den CNC-Werkzeugen und den beweglichen Teilen des Werkstücks sagt, wohin sie gehen sollen.Assistenten in der CAM-Software machen die Programmierung einer CNC-Maschine einfacher denn je.Zu den beliebten CAM-Programmen gehören Mastercam, Edgecam, OneCNC, HSMWorks und Solidcam.Laut einem Bericht aus dem Jahr 2015 machen Mastercam und Edgecam fast 50 % des High-End-CAM-Marktanteils aus.

Was ist eine verteilte numerische Steuerung?
Direkte numerische Steuerung, die zu verteilter numerischer Steuerung (DNC) wurde
Zur Verwaltung von NC-Programmen und Maschinenparametern wurden direkte numerische Steuerungen verwendet.Es ermöglichte die Übertragung von Programmen über ein Netzwerk von einem zentralen Computer zu Bordcomputern, die als Maschinensteuereinheiten (MCU) bezeichnet werden.Ursprünglich als „Direct Numeric Control“ bezeichnet, war kein Papierband erforderlich, aber als der Computer ausfiel, fielen alle seine Maschinen aus.

Bei der verteilten numerischen Steuerung wird ein Computernetzwerk verwendet, um den Betrieb mehrerer Maschinen zu koordinieren, indem der CNC ein Programm zugeführt wird.Der CNC-Speicher speichert das Programm und der Bediener kann das Programm sammeln, bearbeiten und zurückgeben.

Moderne DNC-Programme können Folgendes:
● Bearbeiten – Kann ein NC-Programm ausführen, während andere bearbeitet werden.
● Vergleichen – Vergleichen Sie Original- und bearbeitete NC-Programme nebeneinander und sehen Sie sich die Änderungen an.
● Neustart – Wenn ein Werkzeug kaputt geht, kann das Programm gestoppt und an der Stelle neu gestartet werden, an der es aufgehört hat.
● Auftragsverfolgung – Bediener können Aufträge stempeln und beispielsweise die Einrichtungs- und Laufzeit verfolgen.
● Anzeigen von Zeichnungen – Zeigen Sie Fotos, CAD-Zeichnungen von Werkzeugen, Vorrichtungen und Endbearbeitungsteilen an.
● Erweiterte Bildschirmschnittstellen – One-Touch-Bearbeitung.
● Erweiterte Datenbankverwaltung – Organisiert und verwaltet Daten dort, wo sie leicht abgerufen werden können.

Fertigungsdatenerfassung (MDC)
Die MDC-Software kann alle Funktionen der DNC-Software umfassen und darüber hinaus zusätzliche Daten sammeln und diese im Hinblick auf die Gesamtanlageneffektivität (OEE) analysieren.Die Gesamtanlageneffektivität hängt von Folgendem ab: Qualität – die Anzahl der Produkte, die Qualitätsstandards erfüllen, von allen produzierten Produkten. Verfügbarkeit – Prozentsatz der geplanten Zeit, in der die angegebene Anlage arbeitet oder Teile produziert. Leistung – tatsächliche Laufgeschwindigkeit im Vergleich zur geplanten oder idealen Laufgeschwindigkeit Rate der Ausrüstung.

OEE = Qualität x Verfügbarkeit x Leistung
OEE ist für viele Maschinenwerkstätten eine wichtige Leistungskennzahl (KPI).

Maschinenüberwachungslösungen
Maschinenüberwachungssoftware kann in die DNC- oder MDC-Software integriert oder separat erworben werden.Mit Maschinenüberwachungslösungen werden Maschinendaten wie Einrichtung, Laufzeit und Ausfallzeit automatisch erfasst und mit menschlichen Daten wie Ursachencodes kombiniert, um sowohl historische als auch Echtzeit-Informationen über die Ausführung von Jobs zu erhalten.Moderne CNC-Maschinen sammeln bis zu 200 Arten von Daten, und Maschinenüberwachungssoftware kann diese Daten für jeden von der Werkstatt bis zur obersten Etage nutzbar machen.Unternehmen wie Memex bieten Software (Tempus) an, die Daten von jeder Art von CNC-Maschine übernimmt und in ein standardisiertes Datenbankformat einfügt, das in aussagekräftigen Diagrammen und Grafiken dargestellt werden kann.Ein Datenstandard, der von den meisten Maschinenüberwachungslösungen verwendet wird und sich in den USA durchgesetzt hat, heißt MTConnect.Heutzutage sind viele neue CNC-Werkzeugmaschinen für die Bereitstellung von Daten in diesem Format ausgestattet.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?
Heutzutage gibt es unzählige verschiedene Arten von CNC-Maschinen.CNC-Maschinen sind Werkzeugmaschinen, die wie oben beschrieben Material gemäß der Programmierung auf der Steuerung schneiden oder bewegen.Die Art des Schneidens kann vom Plasmaschneiden bis zum Laserschneiden, Fräsen, Fräsen und Drehen reichen.CNC-Maschinen können sogar Gegenstände am Fließband aufnehmen und bewegen.

Nachfolgend sind grundlegende Arten von CNC-Maschinen aufgeführt:
Drehmaschinen:Dieser CNC-Typ dreht das Werkstück und bewegt das Schneidwerkzeug zum Werkstück.Eine einfache Drehmaschine verfügt über zwei Achsen, es können jedoch viele weitere Achsen hinzugefügt werden, um die Komplexität der möglichen Schnitte zu erhöhen.Das Material dreht sich auf einer Spindel und wird gegen ein Schleif- oder Schnitzwerkzeug gedrückt, das die gewünschte Form erzeugt.Auf Drehmaschinen werden symmetrische Objekte wie Kugeln, Kegel oder Zylinder hergestellt.Viele CNC-Maschinen sind multifunktional und kombinieren alle Schnittarten.

Router:CNC-Fräsmaschinen werden normalerweise zum Schneiden großer Abmessungen in Holz, Metall, Blech und Kunststoff verwendet.Standardfräser arbeiten mit 3-Achsen-Koordinaten, sodass sie in drei Dimensionen schneiden können.Für Prototypenmodelle und komplexe Formen können Sie jedoch auch 4-, 5- und 6-Achsen-Maschinen kaufen.

Mahlen:Manuelle Fräsmaschinen verwenden Handräder und Leitspindeln, um ein Schneidwerkzeug an einem Werkstück anzulenken.In einer CNC-Fräse bewegt die CNC stattdessen hochpräzise Kugelumlaufspindeln zu den exakten programmierten Koordinaten.Fräs-CNC-Maschinen gibt es in einer Vielzahl von Größen und Typen und können auf mehreren Achsen laufen.

Plasmaschneider:Der CNC-Plasmaschneider verwendet zum Schneiden einen leistungsstarken Laser.Die meisten Plasmaschneider schneiden programmierte Formen aus Blechen oder Platten.

3D Drucker:Ein 3D-Drucker nutzt das Programm, um ihm mitzuteilen, wo er kleine Materialstücke ablegen muss, um die gewünschte Form zu erhalten.3D-Teile werden Schicht für Schicht mit einem Laser aufgebaut, um die Flüssigkeit oder den Strom beim Wachsen der Schichten zu verfestigen.

Bestückungsautomat:Eine CNC-„Pick-and-Place“-Maschine funktioniert ähnlich wie eine CNC-Fräse, doch anstatt Material zu schneiden, verfügt die Maschine über viele kleine Düsen, die Bauteile mittels Vakuum aufnehmen, an die gewünschte Stelle bewegen und ablegen.Diese werden unter anderem zur Herstellung von Tischen, Computer-Motherboards und anderen elektrischen Baugruppen verwendet.

CNC-Maschinen können viele Dinge tun.Heutzutage kann Computertechnologie nahezu auf einer Maschine eingesetzt werden, die man sich vorstellen kann.Die CNC ersetzt die menschliche Schnittstelle, die zum Bewegen von Maschinenteilen erforderlich ist, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.Heutige CNC-Maschinen sind in der Lage, aus einem Rohmaterial wie einem Stahlblock ein sehr komplexes Teil mit präzisen Toleranzen und erstaunlicher Wiederholgenauigkeit herzustellen.

Alles zusammen: Wie CNC-Maschinenwerkstätten Teile herstellen
Der Betrieb einer CNC erfordert sowohl den Computer (Steuerung) als auch eine physische Einrichtung.Ein typischer Werkstattprozess 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 der korrekten Werkzeugeinstellungen zur Verfügung.Ein Rüstarbeiter belädt die Werkzeuge wie angewiesen und lädt das Rohmaterial (oder Werkstück).Anschließend prüft er oder sie Musterstücke und misst sie mit Qualitätssicherungswerkzeugen, um sicherzustellen, dass die CNC-Maschine die Teile gemäß den Spezifikationen herstellt.Typischerweise stellt der Rüstarbeiter ein erstes Artikelstück der Qualitätsabteilung zur Verfügung, die alle Abmessungen überprüft und den Rüstvorgang abzeichnet.Die CNC-Maschine oder die zugehörigen Maschinen werden mit genügend Rohmaterial beladen, um die gewünschte Stückzahl herzustellen, und ein Maschinenbediener steht bereit, um sicherzustellen, dass die Maschine weiter läuft und Teile nach Spezifikation herstellt.und hat Rohmaterial.Abhängig von der Aufgabe ist es oft möglich, CNC-Maschinen im Leerlauf zu betreiben, ohne dass ein Bediener anwesend ist.Die fertigen Teile werden automatisch in einen vorgesehenen Bereich verbracht.

Heutige Hersteller können fast jeden Prozess automatisieren, wenn sie genügend Zeit, Ressourcen und Vorstellungskraft haben.Rohmaterial kann in eine Maschine gelangen und fertige Teile können gebrauchsfertig verpackt wieder herauskommen.Hersteller sind auf eine breite Palette von CNC-Maschinen angewiesen, um ihre Produkte schnell, präzise und kostengünstig herzustellen.