TECHNIK

Kolumne: CAD/CAM im Modellbau

Was gehört denn alles zu einer CNC-Maschine? Teil 2


Eine weitere Komponente aller CNC-Maschinen ist natürlich die Steuerung. Sie ist letztlich dafür verantwortlich, dass die in Teil 1 beschriebene Maschine ihren Zusatz CNC bekommt.

Die Steuerung kann in einem separaten Schaltschrank oder direkt im Maschinengehäuse untergebracht sein und besteht aus folgenden Teilen:

Diese Beitragsreihe widmet sich den wichtigsten Fragen um das Thema CAD, CAM und CNC – die sogenannten C-Techniken. Zur Beantwortung konnten wir Dipl.-Ing. Jochen Zimmermann, Geschäftsführer der Firma 4CAM aus Reimlingen gewinnen. Die Firma betreut Interessenten und Kunden rund um das Thema C-Techniken und bietet hierzu auch Einsteiger- und Fortgeschrittenen-Schulungen an. 4CAM-Chef Jochen Zimmermann ist selbst begeisterter Modellflieger.

Weitere Informationen: www.4cam.de

Leistungsteile

Die Leistungsteile, die letztlich die Motoren mit Stromimpulsen versorgen, können Schrittmotor-Endstufen oder auch – im höheren Preissegment – Frequenzumrichter für Servoantriebe sein. Sie geben in den meisten Fällen der Anwendung im Hobbysegment Takt- und Richtungssignale aus. Diese bestimmen die Bewegungsrichtung und über die Taktfrequenz die Geschwindigkeit.

Demgegenüber kommen in höherwertigen Anlagen Servoregler zum Einsatz, die dann in der Regel ein Analogsignal zwischen -10 V und +10 V an die Motoren abgeben.

Positionsrückmeldung

Servoantriebe nutzen einen angeflanschten Encoder, der eine hochauflösende Rückmeldung über die Absolutlage der Motorwelle ausgibt. Damit wird ein Regelkreis aufgebaut, der es ermöglicht, die korrekte Lage der einzelnen Achsen durch die Software überwachen bzw. korrigieren zu lassen.

NCdrive XT – Beispiel für eine professionelle CNC-Steuerung zur Integration im Schaltschrank.

Achscontroller

Die Befehle, wer wohin zu fahren hat, kommen von der Software und werden von dem Achscontroller für die Leistungsteile übersetzt. Nachdem die aktuell eingesetzten Betriebs-Hardwarekomponente zwischen PC und Endsysteme nicht echtzeitfähig sind, wird diese stufen geschaltet. Abhängig vom Fabrikat übernimmt diese Baugruppe die Kommunikation mit dem Rechner und die Konvertierung der Steuerbefehle für bis zu neun Achsen. Am Beispiel unserer eigenen Entwicklung kann die mögliche Bauform aufgezeigt werden. NCdrive XT basic ist ein Achscontroller für bis zu fünf Achsen als externes Gerät, während der große Bruder NCdrive XT ein modulares System für die Integration in einen Schaltschrank darstellt.

NCdrive XT basic – Beispiel eines externen CNC-Controllers für maximal fünf Achsen.

Netzteile und Relais

Um dem ganzen System noch Leben einzuhauchen, sind natürlich weitere elektrische Komponenten notwendig. Netzteile zur Versorgung von Controller und Leistungsteilen, aber auch Relais zur Ansteuerung von Verbrauchern (Spindel, Schaltsteckdose, Absaugung, Kühlwasser, ect.), Sicherheitsbaugruppen und Bremswiderstände für den Frequenzumrichter der Spindel finden Einzug im Schaltschrank.

Pneumatik

Wenn die Anforderungen noch ein bisschen höher sind, können sich auch noch pneumatische Baugruppen dazu gesellen. Ein Ventil für die Sperrluft der Hochfrequenzspindel, das natürlich auch über einen Ausgang des Controllers angesteuert wird, ist noch die kleinste Anforderung. Der evtl. vorhandene pneumatische Werkzeugwechsler oder die Betätigung einer Staubabdeckung der Wechslermechanik und die Luftregelung bei der Mindermengendosierung kommen schnell hinzu. Mit den logischen Zusammenhängen dieser Komponenten im Ablauf des Arbeitsprozesses ist dann jedoch der Schritt vom Thema CNC zur SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) vollzogen. Dies sei hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt und ist für die meisten Hobby-Anwendungen nicht von erster Priorität.

Mit diesem Handrad kann eine Maschine manuell gesteuert werden. Potis ermöglichen eine stufenlose Einstellung des Vorschubs und der Drehzahl, Wahlschalter die Achszuweisung.

Werkzeugwechsler

Werden an die Maschine höhere Anforderungen in Bezug auf Produktivität und Flexibilität gestellt, dann kommt schnell der Wunsch auf, dass für eine Fräsaufgabe mehrere unterschiedliche Werkzeuge zum Einsatz kommen. Ein automatischer Werkzeugwechsler ermöglicht dies, ohne dass während des Ablaufs von Hand eingegriffen wird. Voraussetzung dafür ist natürlich die Eignung der Frässpindel, die mit einer pneumatischen Spannzange ausgerüstet sein muss. Hier unterscheidet man zwischen sogenannten Direktspannern, die den Fräser am zylindrischen Schaft greifen und den sichereren und präziseren Bauarten von Konusspannern. Die zur Spindel passenden Werkzeugaufnahmen (Steilkegel SK, HSK-E, ect.) sind in einem Magazin untergebracht, das im einfachsten Fall offen im Arbeitsraum der Maschine angebracht ist. Besser beraten ist man allerdings, wenn die Werkzeugaufnahmen zumindest mit einem angesteuerten Deckel geschützt sind oder das ganze Magazin für den Wechselvorgang extra in den Spindelbereich geklappt oder gefahren wird.

Beim Direktspanner wird das Werkzeug direkt auf dem Fräserschaft gespannt. Die Spannzange öffnet pneumatisch, eine einstellbare Federkraft zieht die Spannzange an.

Beim Einsatz von konischen Aufnahmen ist die Gesamtlänge des Werkzeuges fest einstellbar und wird in der Software hinterlegt, wie dies bei professionellen Bearbeitungszentren gemacht wird. Das Aufnehmen des Werkzeugs am Schaft bringt jedoch Risiken der exakten Ausspannlänge der Werkzeuge mit sich, wodurch die Verwendung eines Werkzeuglängensensors zwingend wird. Auch bei Maschinen, bei denen das Werkzeug manuell gewechselt wird, ist dieser eine hilfreiche Einrichtung und führt zu exakteren Ergebnissen.

Hier ein Kettenwechsler, der eines von zehn Werkzeugen durch einen eigenen Antrieb an der Wechselposition bereitstellt.

Handrad

Eine gebräuchliche und betriebssichere Methode für den Werkzeugwechsel ist das Aufnehmen der Werkzeuge mittels Konus. Im Bild ein Wechslermagazin mit sechs Plätzen in linearer Anordnung.

Wenn wir schon von Luxus sprechen, dann sollten wir natürlich auch noch das elektronische Handrad erwähnen, dass die Bedienung der CNC-Maschine angenehmer und sicherer macht. Die Handbedienung der angeschlossenen Achsen über ein Drehrad, das sich in seiner Auflösung einstellen lässt, ist nur ein Vorteil des Zusatzgeräts. Über ein Kabel mit der Steuerung und dem PC verbunden, kann man sich ganz der Maschine nähern und die gewünschte Bewegung sehr feinfühlig ausführen, um beispielsweise einen Nullpunkt anzukratzen. Je nach Bauart des Handrades kann man zusätzlich den Vorschub und die Spindeldrehzahl über Potis während der Bearbeitung beeinflussen. Wenn dies auch den Eilgang (G0) einbezieht, dann verliert der erste Start eines neuen Programmes unmittelbar den „Feuchte-Hände-Effekt“, weil man die ungestüme erste Anfahrt zum Bauteil durch die Potistellung 0% bequem zügeln kann.

Um nach dem Werkzeugwechsel die korrekte Länge des Fräsers zu ermitteln, ist im Werkzeugmagazin ein hochpräziser Messtaster integriert.

Damit haben wir unsere CNC-Maschine sauber zerpflückt und können uns mit diesem Wissen über die einzelnen Baugruppen die eigene Wunschanlage mit allen notwendigen Komponenten und zusätzlich mit mehr oder weniger Extras zusammenstellen.

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2014-01-05

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