Konstruktiver Aufbau von CNC-Maschinen

Lernziele

Nach dem Durcharbeiten dieses Kapitels kennen Sie,

  • welche besonderen Anforderungen an eine CNC-Maschine gegenüber einer konventionellen Maschine gestellt werden und kennen die daraus folgenden konstruktiven Unterschiede bei Führungen und Antrieben.
  • wie eine CNC-Maschine grundsätzlich aufgebaut ist,
  • wie eine CNC-Drehmaschine prinzipiell aufgebaut ist,
  • wie eine CNC-Fräsmaschine prinzipiell aufgebaut ist,
  • wie ein Werkzeugsystem für eine Dreh- und Fräsmaschine aufgebaut ist,
  • welche Spannmöglichkeiten es für Werkstücke beim Drehen und Fräse gibt.

Abb. 3.1: Palettenwechseleinrichtung (DMG)

An CNC-Maschinen werden grundsätzlich höhere Anforderungen gestellt als an herkömmliche Bearbeitungsmaschinen, d. h. CNC-Maschinen müssen höhere Technologiewerte, wie Schnittgeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit sowie eine höhere Verfügbarkeit, höchste Wiederholgenauigkeiten und eine höhere Verfügbarkeit bei höherer Belastung (3-Schicht-Betrieb) prozesssicher gewährleisten können. Diese Anforderungen bedingen auch besondere konstruktive Merkmale, die wir in diesem Kapitel näher beleuchten werden.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, zeigen die meisten modernen CNC-Maschinen einen ähnlichen Aufbau. Moderne CNC-Maschinen verfügen über einen gekapselten Arbeitsraum und über ein stabiles Maschinengestell. Der Hauptantrieb ist stufenlos regelbar und es existiert für jede Achse ein Vorschubantrieb. Weiterhin erfolgt der Werkzeugwechsel und der Palettenwechsel zum Einwechseln vormontierter bzw. vor aufgespannten Werkstücken, automatisch. Lassen Sie uns die einzelnen Komponenten genauer betrachten.

Gekapselter Arbeitsraum

Abb. 3.2: CNC-Fräsmaschine der Firma Optimum mit gekapseltem Arbeitsraum

Zur Vermeidung von Unfällen wird der Arbeitsraum vollkommen gekapselt. Automatisierter Bewegungsablauf von Werkstück und Werkzeug, umherfliegende Späne sowie das eingesetzte Kühlschmiermittel machen dies notwendig. Die Steuerung überwacht diese Absicherung und setzt die Maschine sofort still, wenn während der Bearbeitung der Arbeitsraum geöffnet wird. Durch bruchsichere Scheiben kann der Bearbeitungsprozess beobachtet werden.

 Maschinenbett

Maschinenbetten müssen höchsten Ansprüchen genügen. Stabile Maschinenbetten zu bauen, ist unter anderem das Ziel der Werkzeugmaschinenhersteller. Eigensteife, thermisch stabile und schwingungsdämpfende Konstruktionen erlauben den Einsatz modernster Schneidstoffe mit den damit verbundenen extremen Anforderungen an die Maschine.

Es gibt verschiedene Materialien, aus denen Maschinenbetten hergestellt werden. Die gebräuchlichsten Materialen sind Grauguss, Stahlkonstruktionen und Kunstharzbeton (Polymerbeton).

Vergleichen wir nun die einzelnen Materialien des Maschinenbetts miteinander:

Maschinenbett aus Stahl

Folgende Eigenschaften weist ein Maschinenbett aus Stahl auf:

  • hohe Festigkeit
  • kleine Querschnitte möglich
  • gut zerspanbar
  • hohe Dehnungsfähigkeit
  • schlechte Dämpfungseigenschaften
  • aufwendige Maßnahmen zur Steifigkeit notwendig (z. B. Rippen)
  • Bei Schweißkonstruktionen sind zusätzliche Arbeitsgänge notwendig (z. B. Spannungsarmglühen zur Verringerung von Eigenspannugen, die durch thermische Einflüsse beim Schweißen entstanden sind).
  • Preise vom Rohstoffmarkt abhängig

Maschinenbett aus Grauguss

Folgende Eigenschaften weist ein Maschinenbett aus Grauguss auf:

  • kostengünstig
  • gut zerspanbar
  • gute Dämpfungseigenschaften
  • wiederverwendbare Modellformen
  • geringe Dehnungsfähigkeit
  • ungünstiges Verschleißverhalten
  • Preise vom Rohstoffmarkt abhängig

Maschinenbett aus Kunstharzbeton (Polymerbeton)

Folgende Eigenschaften weist ein Maschinenbett aus Polymerbeton auf:

  • hohe statische und dynamische Steifigkeit
  • gute Dämpfungseigenschaften
  • unempfindlich gegen Temperaturschwankungen
  • Aushärtezeit nur 24 h
  • kein Schwinden
  • keine Aufnahme von Kühlschmiermittel
  • hohe Oberflächengüte
  • kostengünstig (weniger Arbeitsgänge bei der Herstellung)
  • Polymerbeton ist sehr bruchanfällig

Über 80% der Maschinenbetten bei CNC-Maschinen bestehen noch heute aus Grauguss. Stahl spielt bei der Herstellung in der heutigen Zeit eine eher untergeordnete Rolle. Somit haben die Maschinenbetten aus Polymerbeton einen Marktanteil von ca. 20%.

Antriebe

Bei Dreh- und Fräsmaschinen wird zwischen Hauptantrieb und Vorschubantrieb unterschieden:

An den Hauptantrieb bei CNC-Maschinen werden wichtige Anforderungen gestellt. Die wichtigsten sind kurze Anlauf- und Stillsetzungszeiten, geringer Drehzahl- und Drehmomentabfall bei zunehmender Belastung. Weiterhin muss der Hauptantrieb einen großen Drehzahlbereich abdecken können. Somit ist gewährleistet, dass zum Beispiel CNC-Drehmaschinen mit konstanter Schnittgeschwindigkeit programmiert werden können. Weiterhin muss an den Hauptantrieben eine Drehrichtungsänderung möglich sein.

Der Hauptantrieb erfolgt bei herkömmlichen CNC-Dreh- und Fräsmaschinen über einen frequenzgeregelten Drehstrommotor (AC-Motor). Die Drehzahl ist, wie bereits angesprochen, stufenlos regelbar. Somit ist z. B. beim Drehen das Arbeiten mit konstanter Schnittgeschwindigkeit auf Drehmaschinen möglich. Dies bedeutet, dass die Steuerung dabei fortwährend, bezogen auf die Durchmesserposition der Werkzeugschneide, die notwendige Drehzahl der Hauptspindel errechnet und diese entsprechend automatisch einstellt.

Die Arbeitsspindel wird über wenige oder sogar ohne vorgeschaltete Getriebestufen angetrieben. Übliche Antriebsleistungen liegen zwischen 5 kW und 40 kW, können aber auch Größen zwischen 50 und 100 kW annehmen, bei Schwerbearbeitungszentren sogar 150 kW.

Höchstdrehzahlen beim Drehen und Fräsen liegen normalerweise bei 8 000 1/min bis 12 000 1/min. Optional sind aber noch wesentlich höhere Drehzahlen möglich. So kommen z. B. beim sogenannten Hochgeschwindigkeitsfräsen Arbeitsspindeln mit bis zu 100 000 1/min zum Einsatz.

Die Verbindung zwischen den Vorschubmotoren und den Maschinenschlitten in Werkzeugmaschinen stellen Kugelgewindetriebe her (außer bei Linearantrieben). Der Kugelgewindetrieb hat bis heute einen der höchsten Stellenwerte in der Achspositionierung. Mit dieser nahezu spielfreien und reibungsarmen Antriebseinheit kann sehr schnell und äußerst genau positioniert werden. Minimalste Vorschübe sowie Eilganggeschwindigkeiten bis zu 80 m/min und mehr kennzeichnen diese Antriebe.

Ein Motor treibt die Kugelgewindespindel entweder direkt oder über Getriebe und Riementriebe an. Zwischen Kugelgewindespindel und Kugelgewindemutter bewegen (abwälzen/abrollen) sich in Laufrillen Kugeln, die beim Drehen der Spindel axial wandern. Der Rückführkanal in der Kugelgewindemutter befördert die Kugeln wieder zurück und schließt damit den Kreislauf, in dem die Kugeln zirkulieren.

Abb. 3.6: Schematischer Aufbau Kugelgewindetrieb

Abb. 3.7: Kugelgewindetrieb (eingesetzt in Werkzeugmaschinen der Fa. Optimum)

Natürlich werden auch an die Vorschubantriebe bei CNC-Maschinen besondere Anforderungen gestellt. So ist ein konstanter Geschwindigkeitsverlauf von großer Bedeutung. Um die Vorschübe genau einhalten zu können, muss die Drehzahl über den gesamten Bereich von der kleinsten Vorschubgeschwindigkeit bis zum Eilgang regelbar sein, wobei auch bei kleinen Drehzahlen ein ruckfreier, gleichmäßiger Lauf gewährleistet sein muss. Auch spielt die hohe Dynamik eine große Rolle. Hier ist zu beachten, dass das Trägheitsmoment des Motors klein sein muss, damit der Motor schnell beschleunigen und in kurzer Zeit verzögern kann. Bei CNC-Maschinen ist zu 80% die Dynamik entscheidend für die Geschwindigkeit. Moderne CNC-Maschinen sind in der Lage mit bis zu 3 g (3-fache Erdbeschleunigung) zu beschleunigen. Der Eilgang spielt bei kleineren Maschinen eine geringe Rolle, er wird nur bei großen Verfahrwegen wichtig. Weiterhin sollte auf ein konstantes Drehmoment geachtet werden. Das Drehmoment des Motors überwindet die Beschleunigungskraft, die Reibung in den Führungen sowie die Vorschubkraft für die Zerspanung und besitzt eine hohe Steifigkeit, um Drehzahleinbrüche zu vermeiden. Kleine Abmessungen wären ebenfalls von Vorteil. Durch kompakte Bauweise können die Vorschubmotoren dort angebracht werden, wo die Antriebsleistungen benötigt werden, also direkt an den Achsen.

Die verschiedenen Vorschubantriebe

Als mögliche Vorschubantriebe kommen Gleichstrommotoren, Drehstrommotoren und Linearantriebe in Frage. Vergleichen wir nun die unterschiedlichen Antriebe.

Der Einsatz von Gleichstrommotoren als Vorschubantriebe bietet einige Vorteile. Gleichstrommotoren besitzen beispielweise ein hohes Anzugsmoment. Oft sind am Vorschubmotor auch Messsysteme für die Drehzahl und die Position eingebaut. Ein Lage-Regel-Kreis (Soll-/Istwert-Vergleicher) bewirkt bei Abweichungen von der Soll-Position das entsprechende Einschalten des Vorschubmotors. Der Lage-Regel-Kreis wird aber später in diesem Lehrbrief noch genauer behandelt.

Aber es gibt auch Nachteile zu beobachten. Der Hauptnachteil von Gleichstrommotoren ist die begrenzte Belastbarkeit des Kollektors. Drehstrommotoren haben beispielsweise keinen Kollektor. Auch sind Gleichstrommotoren sehr wartungsintensiv.

Abb. 3.3: Schematischer Aufbau Gleichstrommotor

Drehstrommotoren werden unterschieden in Drehstromasynchron- und Drehstromsynchronmotoren. Auch hier gibt es natürlich Vor- und Nachteile, die bei der Auswahl der Motorenart berücksichtigt werden müssen. Als Vorteil ist sicherlich zu erwähnen, dass Drehstrommotoren keine Kollektoren und Schleifringe besitzen. Die Abmessungen bei dieser Motorenart sind kompakter (bei gleicher Leistung) als bei Gleichstrommotoren. Drehstrommotoren haben günstigere Beschleunigungs- und Verzögerungseigenschaften, da hier kleinere Schwungmomente vorliegen.

Drehstrommotoren bieten auch höhere Leistungen und einen höheren Drehzahlbereich. Drehstrommotoren bieten eine hohe Zuverlässigkeit und sind als besonders robust und wartungsarm bekannt.

Abb. 3.4: Schematischer Aufbau Drehstromasynchronmotor

Einen immer höheren Stellenwert in der Technik erhalten die Linearantriebe. Linearantriebe folgen demselben Funktionsprinzip wie ein Drehstrommotor, wobei die ursprünglich kreisförmig angeordneten elektrischen Erregerwicklungen (Stator) auf einer ebenen Strecke angeordnet sind. Der „Läufer”, der im Drehstrommotor rotiert, wird beim Linearmotor von dem längs bewegten Magnetfeld über die Fahrstrecke gezogen. Eine Möglichkeit, sich das Konstruktionsprinzip eines Linearmotors bildhaft zu veranschaulichen, ist die „Abwicklung” eines rotierenden Drehstrommotors auf eine Ebene.

Ein wesentlicher Vorteil eines Linearantriebes ist, dass um ein vielfaches höhere Verfahrgeschwindigkeiten realisiert werden können als bei herkömmlichen Antrieben. Auch sind Achsbeschleunigungen von derzeit mehr als 3 g nicht selten. Linearantriebe gelten als praktisch ausfallsicher und wartungsfrei. Linearantriebe sind auch bei extremen Achsgeschwindigkeiten genauer. Linearantriebe bieten eine ca. 10fach höhere Genauigkeit. Ein weiterer zu berücksichtigender Vorteil eines Linearantriebes ist die Tatsache, dass weniger Bauteile in der Baugruppe montiert sind.

Bei Experten bleibt die Technik der Linearantriebe aber weiterhin umstritten. Der wesentliche Nachteil von Linearantrieben ist die wesentlich kostenintensivere Anschaffung. Linearantriebe sind nur sinnvoll bei großen Arbeitsräumen und Verfahrbewegungen. Beim Einsatz dieser Antriebsart besteht ein höherer Energiebedarf. Die herkömmliche Technik mit Kugelgewindetrieben ist ausgereifter und wesentlich günstiger. Die großen Magnetfelder sind ebenfalls ein Nachteil. Es werden z. B. Späne angezogen. Dies lässt sich nur durch einen hohen Kostenaufwand beseitigen, z. B. durch Abdeckungen.

Daraus lässt sich erkennen, dass von Fall zu Fall entschieden werden muss, welche Technik in einer Werkzeugmaschine unter Berücksichtigung von Kosten und Nutzen sinnvoll eingesetzt wird.

Abb. 3.5: Linearantrieb (eingesetzt in Werkzeugmaschinen; Siemens)

Führungen

Führungen an Werkzeugmaschinen dienen zur exakten Begrenzung der Bewegungen auf einen oder mehrere Freiheitsgrade. An Führungen werden folgende Anforderungen gestellt:

  • hohe Führungsgenauigkeit durch geringes Spiel und hohe Steifigkeit
  • Nachstellmöglichkeit des Führungsspiels
  • geringe Reibung
  • geringer Verschleiß
  • gute Dämpfungseigenschaften
  • einfache Wartungs- und Schmiermöglichkeiten
  • Schutz gegen Schmutz und Späne

Es gibt verschiedene Arten von Führungen. Ursprünglich wurden überwiegend hydrodynamische Gleitführungen eingesetzt. Wegen ihrer dynamischen Eigenschaften, z. B. des Stick-Slip-Effekts (Ruckgleiten = Riss des Ölfilms zwischen Führungsbahn und Schlitten), hohe Bewegungsgeschwindigkeiten usw., setzen sich in letzter Zeit immer mehr die Wälzführungen bzw. Linearführungen durch.

Nachdem wir nun exemplarisch eine komplette Vorschubeinheit mit Kugelgewindetrieb durchgearbeitet haben, skizzieren wir nun zum besseren Verständnis die einzelnen Elemente in ihrem Funktionszusammenhang auf:

Abb. 3.8: Schematischer Aufbau

Genereller Aufbau einer CNC-Drehmaschine

Drehmaschinen lassen sich nach ihrer Grundkonstruktion in Schrägbett- und Flachbettmaschinen unterteilen. Der wesentliche Unterschied dabei ist die jeweilige Lage des Werkzeugträgers. Bei der Schrägbettmaschine sitzt er hinter der Drehmitte. Bei der Flachbettmaschine befindet er sich vor der Drehmitte. Bei den bisher betrachteten Maschinen liegt die Hauptarbeitsspindel horizontal. Eine Karusselldrehmaschine dagegen verfügt über eine vertikale Lage der Arbeitsspindel.

Abb. 3.9: CNC-Drehmaschine der Firma Optimum mit gekapseltem Arbeitsraum

Bei Drehmaschinen besitzt die Hauptarbeitsspindel ein Messsystem. Es wird als Winkelschrittgeber bezeichnet. Dieser ist für das Gewindeschneiden notwendig. Wird die Hauptarbeitsspindel auch als Vorschubachse verwendet (Fräsen auf der Drehmaschine), so ist der Geber das Messsystem für diese zusätzliche Achse.

Die Werkzeuge einer CNC-Maschine sind in einem Magazin gespeichert und werden automatisch gewechselt. Automatische Werkzeugwechseleinrichtungen bestehen aus Werkzeugrevolvern und Werkzeugmagazinen sowie Kombinationen dieser beiden Einheiten. Enorm kurze Wechselzeiten bzw. Span-zu-Span-Zeiten reduzieren die Nebenzeiten. Werkzeugrevolver sind Werkzeugspeicher, in welchen die Werkzeuge fest eingespannt sind. Im Wesentlichen gibt es hier nach der Anordnung der Werkzeuge Scheiben- und Trommelrevolver. Aus dem Werkzeugmagazin werden die Werkzeuge entnommen und nach dem Gebrauch wieder abgelegt. Kettenspeicher, Tellermagazine, Längsspeicher oder Ringmagazine sind verschiedene Bauarten von Werkzeugmagazinen.

In den Wechseleinrichtungen kommen komplette Werkzeugsysteme zum Einsatz. Ein Werkzeugsystem besteht in der Regel aus einem Werkzeughalter, einem Schneidenträger sowie einer oder mehreren Schneiden.

Abb. 3.10: Werkzeugrevolver

Abb. 3.11: Verschiedene Werkzeugsysteme für Drehwerkzeuge

Die Hauptelemente eines modernen Drehwerkzeugs sind der Schneidstoff, die Schneidengeometrie und das Spannsystem für die Werkzeugschneide.

Die Zerspanung wird vorwiegend von der Schneidengeometrie bestimmt. Als Werkzeugschneide werden Wendeschneidplatten mit unterschiedlichen Abmessungen und Formen für die verschiedenen Fertigungsaufgaben eingesetzt.

Die Schneidstoffe bestimmen die Schnittgeschwindigkeit und damit die Wirtschaftlichkeit des Zerspanungsprozesses.

Abb. 3.12: Schematischer Aufbau Werkzeugsystem für Drehwerkzeuge

Abb. 3.13: Schematischer Aufbau moderner Drehwerkzeuge

Durch das Spannsystem sind die Wendeschneidplatten auf dem Werkzeugträger befestigt. Es erlaubt den schnellen Schneidenwechsel sowie das einfache Auswechseln der Schneidplatten.

Für das Spannen der Werkstücke gibt es je nach Bearbeitungsverfahren und Werkstückform verschiedene Spannmittel.

Abb. 3.14: Kraftspannfutter

Die Auswahl der Spannmittel sollte nach folgenden Kriterien erfolgen:

  • ausreichend feste Werkstückspannung
  • hohe Wiederholgenauigkeit beim Werkstückwechsel
  • gute Erreichbarkeit durch den Bediener
  • geringe Werkstückwechselzeiten

Die bei CNC-Drehmaschinen am häufigsten verwendeten Spannmittel sind kraftbetätigte Spannfutter.Eine Hydraulikanlage erzeugt den notwendigen Druck für das Futter oder den eventuell vorhandenen Reitstock. Bei hohen Drehzahlen wirken auf die Backen Fliehkräfte ein, die schlimmstenfalls stärker sind als die Spannkraft. Dies kann zum Loslösen des Werkstückes führen. Die gleichzeitig verstellbaren, zentrisch spannenden Backen übertragen die Drehbewegung der Arbeitsspindel auf das Werkstück. Wegen der auftretenden Fliehkräfte bei den hohen Drehzahlen verwendet man Spannfutter mit Fliehkraftausgleich. Zusätzlich ist es möglich, über eine programmierbare Drehzahlbegrenzung, die auftretenden Fliehkräfte zu vermindern. Pneumatisch gespannte Futter, Spannzangeneinrichtungen und Stangenlademagazine ergänzen die Spannmöglichkeiten.