Die CNC-Steuerung und das CNC-Koordinatensystem für neue Zerspanungsmechaniker leicht gemacht

Marti Deans April 6, 2021

Sie werden als Zerspanungsmechaniker Ihre Koordinatensystem-Grundlagen für jede CNC-Steuerung benutzen können, nicht nur für eine spezielle CNC-Fräsmaschine. Sogar die neuesten Maschinen sind im Grunde genommen die gleichen: Sie nutzen eine X, Y und Z-Achse, um einen Koordinaten-Raum innerhalb der Maschine zu definieren und ein Tool (manchmal eine CNC-Fräse, manchmal ein Extruder, manchmal ein Laserstrahl) bewegt sich um diesen Raum herum. Die Technologie mag sich ändern, aber die Grundlagen bleiben grundsätzlich die gleichen. In diesem Artikel werden wir die Grundlagen des CNC-Koordinatensystems behandeln, inklusive der kartesischen Koordinaten, des Arbeitskoordinatenystems (WCS) und Offsets.

Welche Bedeutung haben Koordinaten für die CNC-Steuerung?

Additive CNC-Fräsmaschinen bauen ein Teil von unten ausgehend auf. Die Frage, wo das Teil auf der Bauplatte startet, stellt sich nicht. Wie dem auch sei, so etwas wie eine Fräsmaschine muss Material von einem externen Objekt wegnehmen. Um dies zu tun, muss die Maschine verstehen, wo die Position des Materials im physischen Raum ist. Wenn es doch nur so einfach wäre, wie das Schieben eines Stahlblocks in seine CNC-Fräsmaschine und auf Start zu drücken.

Die Dinge werden kompliziert, wenn Sie eine verschiedener Fräswerkzeuge hinzufügen. Jedes Teil hat eine unterschiedliche Länge, die den Abstand zwischen dem Spindel-Nullpunkt und dem Werkstück verändert. Der Originalpunkt, den Sie für einen 1” langen Schaftfräser setzen, wird für ein 3” Loch nicht funktionieren.

Sie können sich ein CNC-Koordinatensystem so vorstellen, wie eine CNC-Maschine den 3D-Raum versteht. Ohne ein Koordinatensystem hätte Ihr CNC absolut keine Möglichkeit, zu wissen:

Das Koordinatensystem mag auf den ersten Blick kompliziert erscheinen, aber es kann in einfache Bestandteile zerlegt werden. Lassen Sie uns als Erstes mit dem kartesischen Koordinatensystem beginnen.

Kartesische Grundlagen

Fast alle CNC-Maschinen nutzen ein kartesisches Koordinatensystem, das auf einer X, Y und einer Z-Achse basiert. Dieses System erlaubt es einer Maschine, sich in einer bestimmten Richtung entlang einer bestimmten Ebene zu bewegen.

Wenn Sie ein kartesisches Koordinatensystem auf seine Grundlagen reduzieren, erhalten Sie eine bekannte Zahlenlinie. Ein Punkt auf der Linie wird als Ursprung gesetzt. Alle Zahlen links vom Ursprung sind negativ, Zahlen auf der rechten Seite sind positiv.

Kombinieren Sie die X, Y und Z-Achsen gemeinsam bei 90° Winkeln und Sie erstellen einen dreidimensionalen Raum für Ihre CNC-Maschine, in dem sie sich bewegen kann. Jede Achse trifft den Ursprung.

Wenn 2 Achsen sich zusammen verbinden, dann formen sie eine Fläche. Beispielsweise wenn die X-Achse die Y-Achse trifft, dann erhalten Sie eine XY-Fläche, welches der Bereich ist, wo der größte Teil der Arbeit bei 2.5D Teilen passiert. Diese Flächen werden in 4 Quadranten eingeteilt, die von 1-4 nummeriert sind und welche ihre eigenen positiven und negativen Werte besitzen.

Eine einfache Möglichkeit, das kartesische Koordinatensystem in Relation zu Ihrer CNC-Maschine zu verstehen, ist, die Rechte Hand Regel zu nutzen. Halten Sie Ihre Handfläche hoch, mit dem Daumen und dem Zeigefinger nach außen gerichtet und Ihrem Mittelfinger nach oben gerichtet. Platzieren SIe Ihre Hand vor Ihrer CNC-Maschine, ausgerichtet nach der Spindel der Maschine und Sie werden sehen, wie sich die Achsen perfekt ausrichten.

Wie eine CNC-Maschine Koordinaten benutzt

Indem sie das kartesische Koordinatensystem benutzt, kann eine CNC-Maschine so entlang jeder Achse gesteuert werden, dass sie ein Werkstück bei der CNC-Fertigung in ein fertiges Endteil transformieren kann. Auch wenn es etwas schwierig zu beschreiben ist, wie Achsen relative Begriffe nutzen, basierend auf jeder Achse, so erhalten Sie typischerweise die folgenden Bewegungen aus der Perspektive eines CNC-Maschinenbedieners, der vor der Maschine steht:

Nehmen Sie alles zusammen und Sie erhalten eine Maschine, die nicht nur verschiedene Seiten eines Werkstücks schneiden kann, sondern auch verschiedene Tiefen entlang der Z-Achse. Ob es sich dabei um eine Fräsmaschine, einen Router oder einen Laser handelt, sie alle nutzen dieses fundamentale Bewegungssystem bei der CNC-Programmierung.

Die Bewegung Ihrer CNC-Maschine entlang des Koordinatensystems basiert immer darauf, wie sich Ihre Maschine bewegt, nicht der Tisch. Zum Beispiel führt das Erhöhen des X-Koordinatenwertes dazu, dass sich der Tisch nach links bewegt, aber wenn man sich dies aus der Perspektive der Maschine ansieht, dann bewegt sie sich genau entlang des Werkstückes.

Die Änderung der CNC-Programmierung wie eine Erhöhung des Koordinatenwertes der Z-Achse würde die Spindel nach oben bewegen, eine Verringerung würde sie nach unten in das Werkstück hinein bewegen. Sie schneiden in das Werkstück, was mit einer negativen Z-Achse korreliert.

Wenn das Lesen über die ganze CNC-Technik Sie verwirrter als vorher gemacht hat, dann keine Sorge. Den Unterschied zwischen der Bewegung Ihres Tools und des Tisches ist einfacher zu zeigen, als dies mit Worten zu erklären. Schauen Sie sich das Video von Robert Cowan an, um die CNC-Bearbeitung in Aktion zu sehen:

Der Ursprungspunkt Ihrer CNC-Maschine

Jede CNC-Maschine hat ihren eigenen internen Ursprungspunkt, der Machine Home genannt wird. Wenn Ihr CNC das erste Mal bootet, hat es keine Idee, wo es sich im physischen Raum befindet und benötigt eine Kalibrierung, um seine Bezugspunkte zu erhalten.

Wenn dieser Prozess stattfindet, bewegen sich alle 3 Achsen in die Richtung Ihres maximalen mechanischen Limits. Sobald dieses Limit erreicht wurde, wird ein Signal an den Controller gesendet, der die Home Position für diese spezielle Achse aufzeichnet. Wenn dies für alle 3 Achsen gemacht wurde, ist die Maschine in “Grundstellung” (homed).

Unter der Haube kann dieser Prozess der CNC-Programmierung von Maschine zu Maschine variieren. Für einige Maschinen gibt es einen Schalter für das physische Limit der Achse und dann wird dem Controller signalisiert, dass die CNC-Fräse das Ende einer Achse erreicht hat. Bei manchen Maschinen gibt es ein komplettes Servosystem, das diesen Prozess unglaublich flüssig und präzise macht. Ein Maschinen-Controller sendet ein Signal über ein Schaltbrett an einen Servomotor, der mit jeder Maschinenachse verbunden ist. Der Servomotor rotiert eine Kugelrollspindel, die mit dem Tisch Ihrer CNC-Maschine verbunden ist und wodurch sich dieser bewegt.

Die vor- und zurück Bewegungen des Tisches übermitteln sofort Änderungen der Koordinaten, mit Genauigkeiten bis zu .0002 Zoll.

Wie CNC-Maschinenbediener Koordinaten benutzen

Bis jetzt haben wir darüber gesprochen, wie eine CNC-Maschine ihr internes Koordinatensystem benutzt. Das Problem ist, dass dieses Koordinatensystem durch uns Menschen nicht sehr einfach zu referenzieren ist. Beispielsweise, wenn Ihr CNC seine Grundstellung findet, seine Home Position, dann hat es in der Regel extreme mechanische Limitationen entlang der X, Y und Z-Achsen. Stellen Sie sich vor, Sie müssten diese extremen Koordinatenwerte als Startpunkt für Ihr CNC-Programm nehmen. Was für ein Albtraum.

Um das Schreiben von CNC-Programmen einfacher zu machen, benutzen wir ein anderes Koordinatensystem, das für die menschliche Manipulation gedacht ist und sich Arbeitskoordinatensystem oder WCS nennt. Das WCS definiert einen speziellen Ursprungspunkt auf einem Werkstück, meistens in einer CAD Software wie Fusion 360.

Sie können jeden Punkt auf einem Werkstück als Ursprungspunkt für ein WCS definieren. Ist erst einmal ein Ursprungspunkt etabliert, dann müssen Sie ihn innerhalb Ihrer CNC-Maschine lokalisieren, indem Sie einen Kantensucher, eine Messuhr, einen Taster oder eine andere Lokalisierungsmethode nutzen.

Die Wahl des Ursprungspunktes für Ihr WCS bedarf sorgfältiger Planung. Rufen Sie sich die folgenden Punkte ins Gedächtnis, wenn Sie diesen Prozess durchgehen:

Man könnte einen ganzen Blog nur damit füllen, wie man den optimalen Ursprungspunkt für die CNC-Programmierung auswählt, insbesondere für jedes weitere Setup, da der Toleranzwert anzuwachsen beginnt. Achten Sie darauf, dass Sie die Toleranzen der zuvor bearbeiteten Elemente, Ihres Fixiermechanismus und Ihrer Maschine berücksichtigen, um sicherzustellen, dass Ihr endgültiges Teil den Spezifikationen entspricht.

Wie CNC und menschliche Koordinaten interagieren

Wie wir oben bereits erwähnt haben, benutzen menschliche Bediener ein WCS, welches einen einfachen Satz an Koordinaten für das Schreiben eines CNC-Programmes bietet. Allerdings sind diese Koordinaten immer anders als die Koordinaten der Maschine, also wie passt Ihre CNC-Maschine die zwei an? Mit Versatz oder Offset.

Eine CNC-Maschine benutzt einen sogenannten Arbeitsversatz, um die Differenz bei der Distanz zwischen Ihrem WCS und seiner eigenen Home Position zu bestimmen. Dieser Versatz wird im Controller der Maschine gespeichert und kann in der Regel über eine Offset-Tabelle zugänglich gemacht werden.

Hier können wir einige Versätze sehen, die bereits programmiert wurden, G54, G55 und G59. Was ist der Vorteil davon, mehrere Versätze zu haben? Wenn Sie verschiedene Teile in einem Job bearbeiten, kann jedem Teil sein eigener Versatz zugeordnet werden. Dies erlaubt es der CNC-Maschine, ihr Koordinatensystem an mehrere Teile an verschiedenen Orten zuzuordnen und mehrere Setups auf einmal zu komplettieren.

Werkzeug-Offsets

Es ist ziemlich normal, mehrere CNC-Werkzeuge für den gleichen Job zu nutzen, aber Sie benötigen eine Möglichkeit, verschiedene Tool-Längen mit einzubeziehen. Ein Werkzeug-Offset ist in Ihre CNC-Maschine einprogrammiert, damit die Arbeit vereinfacht wird. Mit einem programmierten Werkzeug-Offset weiß Ihre CNC-Maschine genau wie weit jedes Tool von der Spindel weg ist. Es gibt mehrere Möglichkeiten, ein Werkzeug-Offset aufzuzeichnen:

Das Bild wurde bereitgestellt von Practical Machinist.

Alles zusammengenommen

Jetzt, wo wir die ganzen Grundlagen für die CNC-Steuerung mit Hilfe von Koordinaten zusammen haben, lassen Sie uns eine Reihe von Beispiel-Aufträgen durchgehen. Wir benutzen ein Werkstück, das schon bearbeitet wurde, um eine Außenform zu definieren. Wir benötigen eine CNC-Maschine, um einige Löcher, Taschen und einen Einschnitt zu bohren. 

Auftrag 1

Wir müssen zuerst unsere Achsen sichern und etablieren sowie einen Ursprungspunkt:

Mit unserem WCS an Ort und Stelle, versteht unsere Maschine jetzt die Position des Werkstücks in Relation zu den eigenen, internen Koordinaten. Der Bearbeitungsprozess beginnt mit dem Fräsen der Tasche und dem Bohren der Löcher auf der ersten Seite des Teils.

Auftrag 2

Jetzt muss das Werkstück gedreht werden, damit wir auf der anderen Seite arbeiten können. Nachdem wir das Teil um 180 Grad gedreht haben, war die äußere Form symmetrisch und die vorhergehenden X und Y-Versätze waren wiederholbar, das WCS ändert sich nicht. Wir benutzen auch das gleiche Tool, so dass der gleiche Z-Versatz benutzt werden kann.

Hier gibt es eine wichtige Variable zu beachten und dies ist der Spanndruck Ihres Schraubstockes. Falls Sie diese noch nicht in Ihrer Werkstatt gesehen haben: Die Maschinenführer markieren normalerweise die geschlossene Position eines Schraubstocks mit einem schwarzen Marker oder verwenden einen Drehmomentschlüssel. Warum tun sie das? Sie tun das, um beim Bewegen oder Drehen von Teilen einen konstanten Spanndruck zu erzeugen. Änderungen des Spanndrucks können je nach Teilegeometrie zu Unterschieden in der Positionierung eines Teils oder zu anderen Fehlern wie eine Verformung der Teile oder eine Durchbiegung führen. Unter der Annahme, dass unser Spanndruck mehr oder weniger gleich ist, kann Auftrag 2 nun maschinell bearbeitet werden.

Auftrag 3

Jetzt müssen wir einige Löcher bohren, wozu wir das Teil auf sein Ende stellen müssen. Diese Drehung ändert nichts am XY-Ursprung der WCS. Allerdings haben wir jetzt einen kürzeren Verfahrweg zwischen unserem Werkzeug und dem Werkstück.

Dazu muss ein neuer Offset verwendet werden, der den Ursprungspunkt in die obere Ecke des Werkstücks verschiebt. Wir haben auch die Parallelen entfernt, um die Greiffläche zu vergrößern, und den Schraubstock-Anschlag abgesenkt, so dass er mit der Stirnseite des Werkstücks statt mit der unteren Tasche verbunden ist.

Wir können hier immer noch zwei unserer ursprünglichen Referenzebenen verwenden, um Job 3 abzuschließen.

Es ist ein wirklich simples Beispiel; das Teil ist quadratisch, der XY-Ursprung war für alle drei Aufspannungen wiederholbar, und selbst der Z-Ursprung wurde nur einmal geändert. Aber der Denkprozess der Ausrichtung der Aufspannung, Wiederholbarkeit und Genauigkeit der vorherigen Merkmale ist wichtig. Und Sie werden feststellen, dass Sie diese grundlegenden Schritte bei der CNC-Bearbeitung immer wieder durchlaufen.

Gesichert und geladen

Sie haben jetzt das Wissen über die CNC-Koordinatensysteme in Ihrem Erfahrungsschatz als Zerspanungsmechaniker – nutzen Sie es, wohin auch immer Ihre Karriere Sie führt! Arbeitskoordinatensysteme (WCS) überbrücken die Lücke zwischen den internen Maschinenkoordinaten und Ihrem CNC-Programm. Diese drei Systeme arbeiten zusammen, um Teile immer wieder mit gleichbleibender Qualität präzise zu lokalisieren und zu bearbeiten. Egal, ob Sie eine Bridgeport, Tormach oder Haas CNC verwenden, das Koordinatensystem bleibt immer gleich. 

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