Lernfeld 7 · Prüfung Teil 2

Aufbau, Steuerungsarten, Koordinatensysteme und Nullpunkte

CNC-Maschinen im Werkzeugbau: Lageregelkreis, Kugelgewindetrieb, Steuerungsarten bis 5-Achs, Nullpunkte, Nullpunktspannsysteme und Wärmeverhalten.

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Darum geht es

Eine CNC-Werkzeugmaschine besteht aus Maschinenbett, Arbeitsspindel, Vorschubachsen, Werkzeugwechsler und der Steuerung. Jede Vorschubachse hat einen eigenen Lageregelkreis: Die CNC gibt eine Soll-Position vor, das Wegmesssystem meldet die Ist-Position, und der Lageregler steuert den Servomotor nach, bis beide übereinstimmen. Der Motor treibt den Schlitten meist über einen vorgespannten Kugelgewindetrieb an, der spielfrei und reibungsarm läuft. Misst ein Glasmaßstab direkt am Schlitten, gehen Steigungsfehler und Wärmedehnung der Spindel mit in die Messung ein.

Nach der Bahn, die das Werkzeug im Eingriff fahren kann, unterscheidet man Punktsteuerung (nur Positionieren, etwa zum Bohren), Streckensteuerung (achsparallel im Vorschub), 2½D-Bahnsteuerung (Interpolation in einer Ebene, Zustellung in der dritten Achse) und 3D-Bahnsteuerung. Im Formenbau kommen 5-Achs-Maschinen hinzu: Bei der 3+2-Achs-Bearbeitung stellen zwei Rundachsen das Werkzeug fest an, bei der Simultanbearbeitung schwenken sie während des Fräsens. So erreichen kurze, steife Fräser auch tiefe Kavitäten.

Bezugspunkte sind der Maschinennullpunkt M (vom Hersteller festgelegt), der Referenzpunkt R zum Abgleich des Wegmesssystems und der Werkstücknullpunkt W, den man nach der Zeichnung wählt und beim Einrichten mit dem Messtaster als Nullpunktverschiebung speichert. Nullpunktspannsysteme bringen Formeinsätze auf Paletten wiederholgenau von der Fräs- auf die Erodiermaschine. Bei engen Toleranzen zählt das Wärmeverhalten: Warmlaufprogramme, konstante Hallentemperatur und Nachmessen halten die Maße über lange Laufzeiten.

Das solltest du dir merken

Lageregelkreis heißt Soll-Position aus der CNC, Ist-Position vom Wegmesssystem, Ausregeln über den Servomotor.
Punktsteuerung positioniert nur, Bahnsteuerungen interpolieren Geraden, Kreise und Raumbahnen.
Bei 3+2 stehen die Rundachsen während des Fräsens fest, bei 5-Achs-simultan bewegen sie sich mit.
Der Werkstücknullpunkt wird nach der Zeichnung gewählt und als Nullpunktverschiebung gespeichert.
Vor dem Schlichten enger Passungen warmfahren, dann kalibrieren und antasten.

Formeln

Längenänderung durch Erwärmung: $Δ l = l_{0} \cdot α \cdot Δ T$; $Δ l$ Längenänderung in mm, $l_{0}$ Ausgangslänge in mm, $α$ Längenausdehnungskoeffizient in 1/K (Stahl etwa $11, 5 \cdot 1 0^{- 6}$ ), $Δ T$ Temperaturänderung in K
Fahrzeit im Eilgang: $t = \frac{s}{v}$; $t$ Fahrzeit in s, $s$ Weg in mm, $v$ Eilganggeschwindigkeit in mm/s; Beschleunigungszeiten kommen hinzu

Typische Fehler in der Prüfung

Kugelgewindetriebe für selbsthemmend gehalten; senkrechte Achsen brauchen eine Haltebremse.
3+2-Achs-Bearbeitung mit Simultanbearbeitung verwechselt.
Kalte Maschine angetastet und danach stundenlang geschlichtet; die Maße wandern mit der Erwärmung.
Maschinennullpunkt und Werkstücknullpunkt verwechselt.

Tipps aus der Werkstatt

Punktsteuerung positioniert nur, Bahnsteuerung fräst Konturen. Bei 3+2 stehen die Rundachsen beim Fräsen still, bei 5-Achs-simultan bewegen sie sich mit. Vor engen Passungen erst warmfahren, dann Messtaster kalibrieren und antasten.

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

13 Aufgaben zu „Aufbau, Steuerungsarten, Koordinatensysteme und Nullpunkte“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Werkzeugmechaniker/-in (2004 i. d. F. 2018), Lernfeld 7 (Fertigen mit numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen). Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.