mini|CNC-Bedienfeld aus den 2000er Jahren mini|CNC-Bedienfeld von Siemens aus den 1990er Jahren mini|CNC-Bedienfeld Siemens Sinumerik aus den 1980er Jahren

Computerized Numerical Control (dt. rechnergestützte numerische Steuerung), kurz CNC, bezeichnet ein elektronisches Verfahren zur Steuerung von Werkzeugmaschinen (CNC-Maschinen).

Herkunft Hervorgegangen ist die CNC aus der Numerischen Steuerung (englisch Numerical Control, NC), bei der die Informationen nicht als Komplettprogramm in der Steuerung einer Maschine gehalten, sondern satzweise von einem Lochstreifen eingelesen wurde. Die ersten CNC-Steuerungen wurden Mitte der 1960er Jahre auf den Markt gebracht.

Das Zeitalter der CNC-Technologie setzte ungefähr Mitte der 1970er Jahre ein. Sie ermöglichte eine Rationalisierung in der Serien- und Einzelfertigung durch die erheblich schnellere und dabei weiterhin sehr genaue Bewegung der Achsen und Werkzeuge. Heute sind nahezu alle neu entwickelten Werkzeugmaschinen mit einer CNC-Steuerung ausgerüstet. Es gibt weltweit aber noch immer einen beachtlichen Altbestand an konventionellen Werkzeugmaschinen, auch für die Ausbildung von neuen Fachkräften werden noch konventionelle Werkzeugmaschinen hergestellt.

Marktentwicklung Bereits zu Beginn der 1980er Jahre gab es Ansätze, die Programmierung der CNC zu vereinfachen und die DIN/ISO-Programmierung zu verlassen. Das führte zur Entwicklung der sogenannten werkstattorientierten Programmierung (WOP), die über eine benutzerführende, vereinfacht CAD-ähnliche Programmieroberfläche verfügt. Sie hat sich besonders in der Holz- und Kunststoffbearbeitung auf CNC-Bearbeitungszentren und der Fertigung von Einzelteilen etabliert.

Daneben ist mit DNC (Distributed Numerical Control) die vernetzte Arbeitsteilung, Programmerstellung im Büro / Programm am Arbeitsplatz simulieren zur Kollisionsüberprüfung und optimieren / Programm zur CNC übertragen, in Gebrauch. Diese Form der Programmierung gewinnt immer mehr an Bedeutung, vor allem in der Einzelteil- und Kleinserienfertigung, weil besonders hier die Stillstandszeiten zur Programmierung an der Maschine selbst sehr reduziert werden können, so dass die Maschinen insgesamt produktiver genutzt werden können. Moderne CAD/CAM Programme bieten noch weitere Vorteile, wie beispielsweise ein zentrales Werkzeugmanagement und Möglichkeiten zur Qualitätskontrolle.

Inzwischen ist die sogenannte Soft-CNC als Software verbreitet, weil diese preiswerter umzusetzen und leichter anzupassen ist. Diese läuft im Gegensatz zu speicherprogrammierbaren Steuerungen auf einem handelsüblichen PC, häufig in Verbindung mit einem Echtzeit-Betriebssystem.

Die Antriebskopplung erfolgt dabei entweder über den PCI-Slot des PCs oder über die Ethernet-Schnittstelle. Eine Verbindung über USB ist aufgrund der mangelnden Echtzeitfähigkeit unüblich.

Hardware

Die CNC läuft auf einem herstellerspezifischen Computer oder einer SPS, die im Schaltschrank oder direkt hinter dem Bildschirm angebracht ist. 32-Bit-Prozessoren mit Taktfrequenzen im GHz-Bereich ermöglichen Block-Zykluszeiten unter 1 ms (Aufbereitungszeit eines unkorrigierten 3D-Linearsatzes). Das bedeutet, dass bei der Ausführung eines Programms, bei dem die Positionen in 0,1 mm Abstand aufeinander folgen, ein Fräsvorschub von 6 m/min ohne Stockungen eingehalten werden kann.

Moderne Motortreiber können direkt über ein Bussystem, bspw. EtherCat angesteuert werden. Ältere Treiber benötigen meistens Analog- bzw. Step/Direction Signale, die entweder von der Steuerung direkt generiert werden oder mithilfe einer Schnittstellenkarte, welche die Bussignale des PCs in Signale für die Motortreiber umwandeln. Da diese Umwandlung sehr schnell geschehen muss, kommt häufig ein integrierter FPGA zum Einsatz.

Nichtflüchtiger Datenspeicher für Maschinendaten und Programme wurde früher im SDRAM mit einer Batterie oder Akku bei ausgeschalteter Maschine erhalten. Später wurden Festplatten verbaut, die speziell erschütterungsdämpfend aufgehängt waren. Zunehmend kommen Flash-Speicher zum Einsatz.

Um Programme vom Programmierplatz zur CNC und zurück zu übertragen, steht meist zumindest eine der folgenden Schnittstellen zur Verfügung: serielle Schnittstelle RS-232 bis 20 m, oder RS-422 bis 1200 m Ethernet-Schnittstelle (LAN, IP-Netzwerk) bis 100 m, schnellste Verbindung oder Stecker für transportable Speichermedien: PCMCIA-Karte, CompactFlash, USB-Stick

Außerdem bieten heutzutage viele Hersteller die Einbindung eines Netzlaufwerkes an, wodurch die Distanz zwischen Programmierplatz und Maschine keine Rolle mehr spielt.

Steuern und Regeln In Computersteuerungen zur automatischen Positionierung von Geräten, Werkstücken oder Werkzeugen werden unterschiedlich präzise Methoden angewandt: Eine geschaltete Maschinenachse bewegt sich ohne Positionserfassung selbsttätig nach dem Einschalten zu einer Zielposition, die einen Endschalter für die Bewegung trägt, der die Achse beim Ankommen dort abschaltet. Eine Maschinenachse heißt gesteuert, wenn ihre Bewegung von der Ist- zur Sollposition zwar vorgegeben, aber nicht permanent überprüft und korrigiert wird. Eine geregelte Maschinenachse wird von mehreren ineinander geschachtelten und jeweils für sich geschlossenen Regelkreisen in allen für die Bewegung relevanten, zeitlichen Ableitungen des Ortes vollständig durch einen entsprechenden Rechner kontrolliert. Miteinander interpolierte Maschinenachsen sind geregelt, wobei ihre Sollpositionen jeweils gegeneinander verrechnet werden, wodurch sich ihre Stellgrößen gegenseitig beeinflussen.

Die gewünschte Form des herzustellenden Werkstücks und die anzuwendende Technologie werden im NC-Programm beschrieben. Im Hintergrund der Steuerung und für den Bediener der Maschine zunächst unsichtbar berechnen ein Geometrieprogramm und ein Interpolationsprogramm daraus Stützpunkte im Raster der Zykluszeit der Lageregler. Die Koordinaten der Stützpunkte stellen die Sollpositionen der an der interpolierten Bewegung beteiligten Achsen dar. Der Vorschub ergibt sich aus den Stützpunktabständen und dem Lageregelzyklus, dem zeitlichen Raster der Positionierung. Neben den Vorgaben aus dem NC-Programm verwenden der Interpolator und die meist dreistufig ausgeführten Reglerkaskaden ein Maschinenabbild, das die dynamischen und kinematischen Eigenschaften aller geregelten Achsen beschreibt. Vorschub, Beschleunigung und Ruck (erste, zweite und dritte Ableitung der Position nach der Zeit) werden dem Vermögen der Achsen entsprechend begrenzt und aufeinander abgestimmt. Encoder zur Positionserfassung liefern die Istwerte der Positionskoordinaten zur Berechnung der Stellgrößen der Lage. Diese Sollgeschwindigkeiten ergeben in jeweiliger Differenz zu den von Drehgebern gemessenen Achsanteilen des Vorschubs die Stellgrößen der Geschwindigkeitsregler. Diese Sollbeschleunigungen bilden in jeweiliger Differenz zu Messergebnissen der Motorströme Stellgrößen der Achsbeschleunigungen in den Stromreglern. Durch geregelte Motorströme wird die Präzision der Bearbeitung in weiten Grenzen nahezu unabhängig von Lastwechseln, wie sie typisch etwa beim plötzlichen Materialeingriff auftreten. Zudem kann damit der Ruck kompensiert werden, der zum Beispiel bei tangentialen Bahnübergängen mit unstetiger Geschwindigkeitsänderung (etwa beim tangentialen Übergang einer Geraden in eine Kreisbahn) entsteht und bei fehlender Kompensation die Kontur verletzt. Der geschleppte Betrieb wurde inzwischen weitgehend von der Geschwindigkeitsvorsteuerung abgelöst, mit der vorgegebene Konturen deutlich präziser reproduziert werden.

Steuerungsarten Die Steuerung einer CNC-Werkzeugmaschine erfolgt über einen direkt in die Steuerung integrierten Computer, der mit Positions-, Dreh(winkel)- und Zustands-Sensoren den IST-Zustand erfasst und nach Berechnung der Interpolation zum SOLL-Zustand aus dem CNC-Programm die Steuerung der Motoren und andere gesteuerte Maschinenelemente entsprechend regelt. Die Interpolation erfolgt dabei im Bereich von Millisekunden, so dass eine hohe Präzision auch bei hoher Geschwindigkeit selbst bei komplizierten Formen gewährleistet ist.

Die CNC-Technik erlaubt eine automatisierte Bearbeitung mit mehreren gleichzeitig gesteuerten Achsen. Man klassifiziert CNC-Steuerungen nach der Anzahl der gleichzeitig interpolierbaren Achsen, wobei noch zwischen Punkt-, Strecken- und Bahnsteuerung unterschieden wird.

Punktsteuerung

Bei der Point-to-Point oder Punktsteuerung kann nur der Endpunkt einer Bewegung festgelegt werden, den die Maschine dann auf ihrem schnellsten Weg anfährt. Im Besonderen findet während der Bewegung keine abgestufte Regelung der Verfahrgeschwindigkeit statt, sondern die Antriebe laufen in der Regel so schnell wie möglich. Deswegen kann nur an den Endpunkten der Bewegung das Werkzeug eingreifen und ein Loch bohren oder stanzen. Die Punktsteuerung findet heute bei Werkzeugmaschinen kaum noch Verwendung, doch für einfache Stanzmaschinen, Punktschweißmaschinen, Bohrmaschinen oder Greifroboter ist sie immer noch ausreichend, wenn diese keine definierte Strecke abfahren müssen. Aus dem unbestimmten Bewegungsablauf entsteht allerdings auch eine erhöhte Kollisionsgefahr, besonders für Menschen.

Streckensteuerung

Die Streckensteuerung ist im Wesentlichen eine Punktsteuerung, bei der zusätzlich die Bewegungsgeschwindigkeit genau steuerbar ist. Mit der Streckensteuerung wird bei jeweils einer Achse die Geschwindigkeit und Position gesteuert. So ist es möglich, eine achsparallele Bewegung mit Arbeitsvorschub zu verfahren und damit beispielsweise eine gerade Nut zu fräsen. Eine Streckensteuerung wird auch verwendet, um Bearbeitungsaggregate einer Durchlaufmaschine in dem Moment einsetzen zu lassen, in dem das Werkstück das Aggregat passiert. Dabei handelt es sich um eine Kombination von Strecken- und PTP-Steuerung, da nicht die Vorschubbewegung der Achse selbst gesteuert wird, sondern anhand der vorberechneten Bahn die Einsatzpunkte von Point-to-Point-gesteuerten Werkzeugen an der streckengesteuerten Achse bestimmt werden.

Diese Art der Steuerung ist nur noch bei kleinen und spezialisierten Maschinen anzutreffen, also Maschinen für den Ausbildungsbetrieb, den Vorrichtungsbau und Nutenfräsmaschinen, da sie unflexibel ist und nur ein kleiner preislicher Unterschied zu einer Bahnsteuerung besteht. Bei alten Ausführungen mit Drehgebern können Steigungsfehler der Gewindespindel oder Geometriefehler der Führung während des Bewegungsablaufs nicht korrigiert werden.

Bahnsteuerung

Bei der Bahnsteuerung können beliebige Verfahrbewegungen mit mindestens zwei gleichzeitig geregelten Achsen realisiert werden. Die Bahnsteuerung unterteilt sich in die miteinander interpolierten und „gleichzeitig“ geregelten Achsen. Interpolieren von Achsen bedeutet, dass die jeweils zunächst unabhängigen Bewegungsabläufe der einzelnen Achsen so miteinander synchronisiert werden, dass die Werkzeugspitze möglichst genau der programmierten und korrigierten Bahn folgt. Die 2 D-Bahnsteuerung kann beliebige Konturen mit zwei festgelegten Achsen abfahren. Bei Drehmaschinen ist das oft ausreichend, da das Werkstück durch seine Rotationsbewegung die dritte Dimension erstellt. Kann der Bediener zwischen den miteinander interpolierten, geregelten Achsen auswählen, spricht man von einer 2½ D-Bahnsteuerung, die heute bei Drehmaschinen mit angetriebenen Werkzeugen Standard ist. Können drei geregelte Achsen miteinander interpoliert werden, nennt man sie 3 D-Bahnsteuerung. Sie ist Standard bei den Fräsmaschinen. Bei vielen Maschinen werden inzwischen zusätzliche Achsen für schwenk- und drehbare Werkstück- oder Werkzeugaufnahmen angeboten. Bahnsteuerungen müssen mit entsprechend vielen Sensoreingängen und Stellgrößenausgängen ausgestattet sein, sowie eine ausreichend leistungsfähige Software besitzen, um das jeweils vom Maschinenkonstrukteur vorgegebene Potenzial der Maschine auszunutzen.

Maschinenachsen