069-CNC
Die Episode
Transkript
Es ist Zeit für ein wenig Regelungstechnik bzw. Steuerungstechnik in einem Fertigungstechnik-Podcast.
Diesmal soll es um die drei Buchstaben CNC gehen. Sie sind auch schon in einigen früheren Episoden aufgetaucht: Bei CAD/CAM, beim Bohren, beim Biegen, beim Postprozessor und natürlich bei den Werkzeugmaschinen.
Erwähne ich das Wort CNC-Maschine, stellen sich die meisten Personen direkt eine Dreh-, Fräs- oder Bohrmaschine vor, bei der die Maschinenachsen nicht von einem Menschen per Hand sondern von einem Computer per Motor bewegt werden. So weit so richtig, aber inzwischen gibt es auch CNC-Stanzautomaten, CNC-Pressen (auch wenn niemand sie so nennen würde) oder 7-achsige CNC-Rohrbiegemaschinen.
CNC steht für Computerized Numerical Control und wird üblicherweise mit „computernumerische Steuerung“ übersetzt.
Ich versuche den Begriff mal aufzudröseln:
Computerized – Da steckt also irgendein Computerprozessor drin. Das kann ein normaler PC sein (z. B. bei einer Nachrüstung), das ist aber sehr, sehr selten. Meistens ist es etwas komplizierter, da bei Werkzeugmaschinen viel Wert auf Sicherheit und Zuverlässigkeit gelegt wird. Eine fest verdrahtete Steuerung durch Taster und Relais, eine Kurvenscheibe oder Nocken wie auf einer Spieluhr gelten hier nicht. Eine SPS oder im Englischen PLC (Programmable Logic Controller) sollte es schon sein.
Numerical – Es geht um Zahlen. In einer CNC-Steuerung (Ist das eine Tautologie?) werden also diskrete Werte verarbeitet, keine analogen Daten. Alle Sensoren (Inputs) und Aktoren (Outputs) liefern Zahlen einer bestimmten Genauigkeit oder werden mit solchen gefüttert.
Control – Hier sollte man etwas aufpassen, da das englische Wort Control sowohl als Steuerung aber auch als Regelung übersetzt werden kann.
Ich zitiere eine kurze Textstelle aus der Wikipedia, weil sie so schön griffig ist (Zitat): „Steuerungen bewirken bestimmte Abläufe in den Steuerungsobjekten (den gesteuerten Prozessen), Regelungen dagegen sorgen für die Prozess-Stabilisierung bei Vorliegen von Störgrößen.“
Ersteres ist (zumindest vordergründig) der Bärenanteil der Arbeit einer CNC. Die Fertigungsprozesse in der Werkzeugmaschine sollen schön automatisiert ablaufen. Das kann die Maschinenachse sein, die das Werkzeug im Bauraum bewegt. Es können aber auch der Späneförderer, der Werkzeugwechsler, die Klemmung am Dreibackenfutter oder die Pumpe für das Kühlschmiermittel sein.
Ein und Aus reichen schon. Nehmen wir doch gleich das Kühlschmiermittel oder besser die Minimalmengenschmierung. Die Steuerung sollte die Pumpe ein- und ausschalten können. Dies könnte entweder zeitabhängig geschehen (Pumpe ein für 45 Sekunden), wegabhängig (Pumpe ein bis das Werkzeug am Ende angekommen ist) oder programmabhängig (Pumpe läuft, bis zum nächsten Werkzeugwechsel). Die Entscheidung treffen dann entweder die Programmiererin der Steuerung oder der Bediener bzw. CNC-Programmierer an der Maschine.
Nun möchte ich eine Maschinenachse (zu ihnen könnte man eine eigene Episode machen) davon überzeugen, von Position A zu Position B zu fahren. Das könnte ich auch mit einer Steuerung realisieren. Eine zeitabhängige Anweisung wäre dann „Motor ein für 45 Sekunden“. Aber was passiert, wenn zwischendrin Späne abgenommen werden? Dann steigt der Widerstand durch die Vorschubkraft und der Motor wird langsamer. Ist das Rohteil nicht immer gleich zugesägt, dann ist der Widerstand bei unterschiedlichen Werkstücken verschieden und die Endposition wird unterschiedlich sein. Naja, wenn ich ganz durch das Werkstück durchfahre ist das vielleicht nicht so wichtig, aber wenn ich an Position B abbiegen will?
Ok, ich stelle die Steuerung auf „wegabhängig“. Ich stelle einen Schalter an Position B auf der Achse, wenn das Werkzeug dort ankommt, geht der Motor aus. Zum einen wird die Achse durch die Massenträgheiten im Antrieb der Achse und die Achse selbst noch einen kurzen Moment weiterfahren, zum anderen wird für den Prozess eine möglichst konstante Vorschubgeschwindigkeit benötigt, damit die Spanbildung optimal funktioniert und/oder die Oberflächenrauigkeit am Ende stimmt.
Hier kommt nun der zweite Halbsatz aus dem Wikipediazitat ins Spiel: „Regelungen dagegen sorgen für die Prozessstabilisierung bei Vorliegen von Störgrößen.“
Die Störgröße in diesem Beispiel wäre die Kraft, die der Vorschubbewegung entgegenwirkt und ohne Regelungsmechanismen zu einer Vorschubreduktion führen würde ... und das wäre natürlich sub-optimal. Wenn ich nun mit einer definierten Vorschubgeschwindigkeit von Punkt A zu Punkt B fahren möchte, benötige ich eine Regelung für die Geschwindigkeit. Dies erledige ich mit einem Regelkreis.
Ich beginne mit einer Führungsgröße, das wäre in diesem Fall die Soll-Vorschubgeschwindigkeit, diese vergleiche ich mit der Ist-Geschwindigkeit. Diese Differenz wird über ein Stellglied in eine Regelstrecke eingespeist. Diese umfasst alle Elemente, die an der Beeinflussung der Geschwindigkeit beteiligt sind, z. B. Motor, Spindel, Führungen usw. Am Ende messe ich die neue Ist-Geschwindigkeit und der Regelkreis ist geschlossen, alles geht von vorne los.
Wird die Achse nun gebremst, dann könnte vielleicht die Spannung oder Frequenz angepasst werden und die Geschwindigkeit steigt wieder.
Das gleiche kann ich natürlich auch mit der Position oder dem Drehmoment machen. So erhalte ich gegebenenfalls mit mehreren ineinander geschachtelten Regelkreisen eine sogenannte Reglerkaskade.
Das soll für heute an Regelungstechnik reichen.
Eine übliche Unterteilung von Steuerungsprinzipien möchte ich heute noch erwähnen:
Zunächst wäre da die Punktsteuerung. Bei ihr liegt der Fokus auf dem schnellstmöglichen Erreichen des vorgegebenen Zielpunkts. Meistens wird dies realisiert, indem alle beteiligten Antriebe in höchstmöglicher Geschwindigkeit angesteuert werden. Ist eine Achse auf ihrer Zielkoordinate angekommen, bleibt sie stehen. Eine Geschwindigkeitsregelung findet nicht statt. Diese Art der Steuerung wird noch bei Stanzautomaten oder Bohrwerken verwendet, um von einer Arbeitsposition zur nächsten zu kommen.
Dann wäre da die Streckensteuerung. Bei ihr kann eine Achse mit konstanter Arbeitsgeschwindigkeit verfahren werden. Dies ist für den Vorschub bei einem Bohrwerk oder einer Hobel- oder Stoßmaschine praktisch.
Last but not least gibt es noch die Bahnsteuerungen. Hier können mehrere Achsen synchron zueinander so verfahren werden, dass ein definierter Bewegungsvektor im Raum erreicht werden kann. Hier gibt es diverse Varianten, die eine eigene Episode verdienen.
Abschließend fasse ich kurz zusammen: Eine CNC-Maschine wird von einem Computer gesteuert und von Regelkreisen geregelt. Dazu benötigen wir z. B. eine SPS, Sensoren, Verstärker, Regler und die Antriebssysteme. Schon spannend (und nicht nur spanend), was hinter drei Buchstaben so stecken kann.
Ach und übrigens: Die Hamburger Schaltung ist eine inzwischen verbotene, weil gefährliche, Form der Verdrahtung, um mit wenigen elektrischen Leitern eine Wechselschaltung (und damit die Steuerung) einer Leuchte umzusetzen.
geschrieben von Benjamin Remmers
eingesprochen von Benjamin Remmers
