Numerical Control Steuerung - Was ist eigentlich CNC?

Numerische Steuerungen, auch NC-Steuerungen, sind Geräte zur gezielten Steuerung von Maschinen. Sie wandeln die der NC-Steuerung auf einem Datenträger zur Verfügung gestellten, codierten Daten in entsprechende Steuerbefehle und daraus resultierende Arbeits- und Bewegungsabläufe um. Die Einführung des Computers eröffnete neue Möglichkeiten, die NC-Steuerungen zu verbessern und diese durch Einbinden des Computers zu CNC-Steuerungen weiterzuentwickeln. Beide Systeme werden in diesem Artikel näher betrachtet. Außerdem wird auf die SPS-Steuerung eingegangen, die ebenfalls ein Ansatz zur Steuerung von Maschinen und industriellen Anlagen ist und häufig in Kombination mit (C)NC-Steuerungen eingesetzt wird.

Wie funktioniert eine NC-Steuerung?

Die ersten NC-Steuerungen wurden in den 1970ern realisiert durch den Einbau von fest verdrahteten Bauelementen. Pro Anwendung gab es eine zugeschnittene Lösung. Die NC-Steuerung liest die Steuerbefehle aus, die vorher als Code über einen Datenträger eingegeben werden, und die Steuerung wandelt diese Steuerbefehle anschließend in Arbeits- oder Bewegungsabläufe um. Eine Anpassung an verschiedene Produkte ist im Rahmen der Möglichkeiten und zur Verfügung stehenden Parameter der Maschine relativ leicht möglich, weshalb NC-Steuerungen vor allem bei Werkzeugmaschinen zum Einsatz kommen.

Der Nachteil von NC-Steuerungen ist, dass sie hinsichtlich ihrer Speicherkapazität und verwendbaren Steuerbefehle begrenzt sind. Reine NC-Steuerungen werden daher fast nicht mehr verwendet. Vielmehr werden sie zusammen mit Computern in CNC-Steuerungen eingesetzt.

Programmaufbau

Die DIN 66025 definiert den folgenden Programmaufbau für eine NC-Steuerung:

• Die erste Zeile beginnt mit einem %-Zeichen gefolgt vom Programmnamen.
• Die weiteren Zeilen werden durch N und einer fortlaufenden Nummer begonnen, idealerweise in Zehnerschritten.
• Der zweite Parameter ist ein Befehl, der durch den Buchstaben G eingeleitet wird.
• Anschließend werden Weginformationen durch Angabe von Werten für X, Y, Z, U, V und W bereitgestellt. Soll eine Kreisbewegung entstehen, werden Werte für I, J und K ergänzt.
• Weitere Optionen sind: T-Funktionen für die Werkzeugwahl, S- Funktionen für die Spindeldrehzahl und F- oder M-Funktionen für den Vorschub.
• Am Programmende steht immer eine M-Funktion. Diese setzt das Programm zurück.

Beispiel:

%MSM

N10 G00 T32

N20 G01 X-10 Y0 Z-10

N30 M20

Wichtig zu beachten ist, dass die Befehle so lange aktiv sind, bis sie durch neue Anweisungen ersetzt werden:

Gibt man z.B. in Zeile 2 Koordinaten für die X, Y- und Z-Achse ein und soll diese Ausrichtung auch künftig bestehen bleiben, muss diese in den Folgezeilen nicht wiederholt werden. Erst wenn die gespeicherte Ausrichtung geändert werden soll, wird die neue Koordinate eingegeben.

Die Weiterentwicklung zur CNC-Steuerung

Mit der Integration von Computern ist es möglich, Maschinen direkt über diese zu steuern. CNC-Steuerungen ermöglichen eine erheblich höhere Flexibilität als reine NC-Steuerungen. Über CAD- bzw. CAM-Software können Bearbeitungsparameter leicht angepasst werden, ohne dass die Hardware der Steuerungseinheit selbst geändert werden muss.

Grundlagen der CNC-Steuerung

Bei der CNC-Steuerung wird über einen Computer oder Mikrocontroller ein Programm ausgeführt. Die gewünschten Signale werden anschließend über einen elektrischen Schaltkreis zur Maschinensteuerung gesendet und dort umgesetzt. Typischerweise besteht eine CNC-Steuerung aus folgenden Komponenten:

• Antriebssystem: Besteht aus Motoren und der Steuerungselektronik. Das Antriebssystem dient der Bewegung der CNC-Achsen. Schrittmotoren, Servomotoren o.a. Antriebe werden verwendet.
• Speicher: Auf dem Speicher befindet sich der G-Code (Steuerungsprogramm) und andere Informationen zum Betreiben der CNC-Maschine.
• CPU: Die Central Processing Unit verarbeitet Befehle und steuert Bewegungen und Funktionen.
• Ein- und Ausgabeschnittstelle: Die Schnittstellen ermöglichen die Kommunikation zwischen CNC-Steuerung und Sensoren und anderen Geräten bzw. Systemen.
• Bedienfeld: Das Bedienfeld ist die Mensch-Maschine-Schnittstelle. Hierüber kann der Benutzer Parameter einstellen, den Prozess überwachen oder Programme ausführen.

Bei der physischen Umsetzung der Befehle an den Maschinen kommen verschiedene Komponenten wie z.B. Kugelgewindetriebe, Aktuatoren u.a. Linearführungen, Motoren, Encoder und Werkzeugaufnahmen zum Einsatz. Diese finden Sie auch bei MISUMI in vielfacher Ausführung.

Arten der CNC-Steuerung

Steuerungskonzepte lassen sich in punktgesteuert, streckengesteuert und bahnengesteuert unterteilen.

Punktgesteuert bezieht sich auf die Ansteuerung eines bestimmten Punktes bzw. einer einzelnen Maschinenpositionierung z.B. zum Bohren oder Stanzen. Das Werkzeug wird exakt zu einer Werkstückposition bewegt, wo das Werkzeug anschließend die Bearbeitung startet. Die Positionierung erfolgt von Punkt zu Punkt. Ein flexibler Einfluss auf z.B. die Verfahrgeschwindigkeit zur neuen Position selbst ist nicht möglich.

Streckensteuerungen erlauben, im Gegensatz zur Punktsteuerung, die Steuerung von jeweils einer Achse in Geschwindigkeit und Position. So können auch axiale oder achsparallele Strecke abgefahren werden. Die Bewegungen sind dabei beschränkt auf links, rechts, vorn oder hinten.

Bahnengesteuert bedeutet, dass die Maschine gleichzeitig mehrere Achsen bewegt, um so mit dem Werkzeug eine Bahn zu vollziehen. Für die Bahnsteuerung wird in der Regel die Vorschubsteuerung verwendet. Die Bahnen können abhängig vom System beliebig im Raum laufende Geraden oder auch Kurven und Kreise sein.

Eine weitere Unterscheidungsmöglichkeit ist die Anzahl der angesteuerten Achsen. Mögliche Varianten sind hier die 3, 4- bzw. 5-Achsen-Steuerung. Je komplexer das zu bearbeitende Werkstück ist, desto mehr Achsen werden verwendet. Grundlegend wird immer die X-, Y- und Z-Achse angesteuert. Als vierte und fünfte Achse können noch rotatorische Achsen hinzugenommen werden. Fünf Achsen machen die Bearbeitung komplexer räumlicher Formen möglich.

Vorteile und Nachteile der CNC-Steuerung

CNC-Steuerungen sind sehr präzise und ermöglichen die Umsetzung komplexer Fertigungsprozesse. Dadurch wird die Massenproduktion möglich und der menschliche Arbeitsaufwand reduziert sich. Gleichzeitig wird aber auch mehr qualifiziertes Personal benötigt. Durch den hohen Anschaffungsaufwand entstehen außerdem zu Beginn hohe Kosten. Diese sollten sich aber durch langfristige Prozessoptimierung und Erhöhung der Produktionszahlen schnell ausgleichen.

SPS - Die speicherprogrammierbare Steuerung

Die SPS ist ein weiterer Ansatz zur Steuerung von Maschinen und industriellen Anlagen. SPS-Steuerungen dienen aber nicht nur der Steuerung von Bewegungen, sondern werden vorrangig zur Überwachung und Steuerung industrieller Prozesse genutzt. Sie führen komplexe Logikoperationen aus und steuern digitale und analoge Ein- und Ausgänge.

Die minimale Ausführung einer SPS-Steuerung besteht immer aus einer Eingabeeinheit, einer Verarbeitungseinheit und einer Ausgabeeinheit, dem sog. EVA-Prinzip. Hinzu kommen Statusanzeigen, ein Speichermedium sowie eine Spannungsversorgung. Die Komponenten sind also ähnlich der einer CNC-Steuerung. Über eine CPU kommunizieren die Eingänge wie z.B. Sensoren und Taster mit den Ausgängen wie z.B. Motoren und Leuchten. Die Funktionen können über verschiedenste Bausteine realisiert werden. Dafür werden sog. Logikbausteine verwendet.

Arbeitsweise und Logikfunktionen einer SPS

Die SPS führt grundlegend folgende Funktionen aus: Datenerfassung, Datenverarbeitung, Entscheidungsfindung und Aktuatorensteuerung. Bei der Datenerfassung werden z.B. Daten von Sensoren gewonnen, die den Systemzustand überwachen.

Parameter können sein: Temperatur, Positionsangaben, Druck u.a. Diese Daten bilden die Grundlage für die weiteren Schritte: Ist die Umgebungstemperatur zu hoch? Gab es einen Druckabfall?

In der Datenverarbeitung werden daraufhin Werte verglichen oder logische Operationen ausgeführt, um am Ende entscheiden zu können, welche Aktionen ausgeführt werden müssen. Die getroffene Entscheidung, z.B. das Ändern von Maschinenparametern, wird nun durch Ansteuern der Aktuatoren umgesetzt. Die SPS sendet Steuersignale an die Aktuatoren (z.B. Motoren, Ventile usw.), die anschließend die gewünschte Aktion umsetzen.

Logikfunktionen, die dabei zum Einsatz kommen und die Eingänge miteinander verknüpfen, können sein:

• UND-Verknüpfung: Sind beide Eingangswerte wahr, wird „true“ signalisiert und die Funktion ausgeführt. Beispiel: Eine Tür soll nach dem Schließen automatisch mit einem aktivem Sicherheitsalarm gesichert werden. Die Alarmfunktion kann nur dann aktiviert werden, wenn die Tür verschlossen ist und der Sicherheitsalarm aktiviert ist.
• ODER-Verknüpfung: Sie signalisiert „true“, wenn mindestens ein Eingangswert wahr ist. Beispiel: Eine Tür lässt ich über eine Schlüsselkarte oder einen PIN-Code öffnen. Beide Optionen öffnen die Tür.
• XOR-Verknüpfung: Steht für „Exclusive OR“ (ausschließlich ODER). Sie signalisiert „true“, wenn genau ein Eingangswert wahr ist. Es eignet sich zum Vergleichen mehrerer Eingänge. Beispiel: Vorlauf-/ Rücklaufschaltung einer Seilwinde mit zwei Knöpfen. Ist kein Knopf gedrückt, gibt es kein Signal (Motor aus). Ist der Knopf Vorlauf oder Rücklauf gedrückt, wir das Signal für Vor- bzw. Rücklauf weitergeleitet. Werden beide Knöpfe gedrückt, erfolgt kein Signal (Motor aus).
• NICHT-Verknüpfung: Sie kehrt den Eingangswert um. Beispiel: Die Alarmanlage einer Tür soll nur aktiv sein, wenn die Tür geschlossen ist.

Die logische Verknüpfung der Eingangs- und Ausgangsvariablen wird in einem sog. Funktionsplan dargestellt: Hier werden alle Ein- und Ausgänge, Funktionsblöcke sowie die Verbindungen und Richtungsangaben in einer Art Schaltplan visualisiert. Der Funktionsplan unterstützt den Entwurf, die Umsetzung und die Analyse von SPS-Steuerungssystemen.

Vorteile und Einsatzmöglichkeiten einer SPS-Steuerung

Viele industrielle Anwendungen können vom Einsatz einer SPS-Steuerung profitieren. In der Automatisierung werden sie zur Maschinensteuerung, Automatisierung der Produktionslinien und Effizienzsteigerung verwendet. Auch zur Prozesssteuerung sind sie aufgrund der beliebig verknüpfbaren Logikfunktionen ideal geeignet.

Die Vorteile einer SPS-Steuerung sind dabei:

• Änderungen und Korrekturen sind unkompliziert ohne Umbauten machbar
• Fehler können schnell behoben werden, da die Schaltung direkt am Programmiergerät getestet werden kann
• Signalverläufe können beobachtet werden

Zusammenspiel verschiedener Steuerungsarten

Für komplexere Anwendungsbeispiele können SPS-Steuerung und (C)NC-Steuerungen zusammen eingesetzt werden, z.B. um folgende Aufgaben zu realisieren:

• Datenaustausch und Kommunikation
• Übergeordnete Steuerung
• Sicherheit und Überwachung

SPS-Steuerungen sind z.B. sehr flexibel und lassen sich leicht anpassen. CNC-Steuerungen wiederum gewährleisten einen hohen Grad an Präzision und sind auf spezifische Bearbeitungsaufgaben optimiert. Zusammen entsteht ein präzises und gleichzeitig flexibles System für verschiedene industrielle Anwendungen. Durch Kombination der Steuerung von Prozessen (SPS) und Maschinen (CNC) entsteht eine nahtlose Koordination für eine effiziente Fertigung.

Anwendungsbeispiel

NC-Steuerungen und SPS-Steuerungen kann man z.B. zur Regulierung der Temperatur verwenden. Zum Beispiel kann man einen Bi-Metallstreifen mit einer SPS und einem Boiler verbinden. Wenn die richtige Temperatur erreicht ist, schließt sich der Stromkreis und die SPS erhält das Signal, dass der Boiler nun ausgeschaltet werden kann. Kühlt die Temperatur ab, funktioniert das erneute Anschalten des Boilers auf dieselbe Weise.