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Geschichte der CNC-Fräsmaschinen

Geschichte und Evolution, vom Industrieschneider zum Hobbymodell

Die mechanische Bearbeitung von  Mahlen  ist bekannt und gilt als ganz normaler industrieller Vorgang, d. h. eine mechanische Kaltbearbeitung, die wie Drehen und Bohren durch Spanabnahme funktioniert und die durch die Einwirkung eines rotierenden Werkzeugs auf seine Achse, dem Fräser, durchgeführt wird. auf einem Stück im Voraus Bewegung, das in die gewünschte Form „gemodelliert“ wird.

Schwieriger zu begründen ist die bewegte Geschichte der Fräsmaschine, die in den ersten Jahrzehnten des 19. Jahrhunderts wahrscheinlich auf dunkle Weise in einer Handwerkswerkstatt geboren wurde und sich schnell zu der heute gebräuchlichen Praxis entwickelt hat.

Wir sind um 1750, und am Ursprung der Fräsmaschine steht die Drehmaschine, um die Teile oft schneller zu feilen, als es von Hand möglich wäre, wurden rotierende Feilen darauf montiert.

Wir sprechen jedoch von einer sehr einfachen und groben Verarbeitung.
Gegen 1760 finden wir die ersten echten Fräsmaschinen, das heißt, man kommt nicht mit einem Spezialwerkzeug zurück, sondern Maschinen mit genau diesem Zweck.
In
  1814  in den USA wurde in den beiden Bundesarsenalen ein viel fortschrittlicheres Modell entwickelt, für das Fräsen von Sechskantschrauben jedenfalls wurde das Fräsen noch in diesen Jahrzehnten als Zeitersparnis beim Schruppen und anschließenden Fertigstellen von Hand gesehen Arbeit beenden.

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Sie sind  spätere Erfindungen, wie das von Brown und Sharpe in ihr Ausnahmemodell von 1861 integrierte Drei-Achsen-Uhrwerk, um eine fertige Arbeit zu ermöglichen und den Weg für weitere Innovationen zu ebnen, die in den Jahren vor der  Weltkrieg.

Eines der ersten Cutter-Patente stammt aus dem Jahr 1885,
Gegen Ende des Ersten Weltkriegs erreichte die ständige Suche nach Genauigkeit in der Verarbeitung eine Blütezeit,
  Tatsächlich wurde in diesen Jahren das Konzept der relativen Dimensionierung, also der Messung, vertieft  alle von einem einzigen Referenzpunkt ausgehend am Werkstück durchgeführt werden und dass die normale Präzision der Maschinen erreicht wird i  Hundertstel Millimeter,  sie waren der Beginn der numerischen Steuerung von Maschinen, die heute selbstverständlich sind.

Mit Stromabnehmern ermöglichten sie es, die Bewegungen der Maschine zu formen, indem sie die Linien eines Modells nachzeichneten. Bereits in den 1930er Jahren war es möglich, riesige Fräsmaschinen wie die Cincinnati . zu bauen  Hydro-Tel, an dieser Stelle fast identisch mit denen von heute, wenn wir die computergesteuerte Steuerung weglassen.

Technologie  nach dem Krieg war es geprägt vom Höhepunkt der Entwicklung von Servomechanismen und der Geburt von Technologien
Digital. Entstanden durch
  Investitionen  Militärforschung,
 

Gerade im industriellen und mechanischen Bereich verbreitete sich die Technologie schneller, hier wie in vielen anderen für die 40er und 50er Jahre des letzten Jahrhunderts typischen Fällen.

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In den folgenden Jahrzehnten entwickelte sich die numerische Steuerung zur computergestützten Steuerung von Maschinen, bis die technologische Explosion in den 1980er Jahren mit dem Personal Computer digital gesteuerte Maschinen selbst in die kleinsten Geschäfte brachte.

Im zwanzigsten Jahrhundert hat die technologische Beschleunigung durch die Verbreitung von Informationstechnologie und Mikroelektronik ermöglicht  Unternehmen über neue Technologien verfügen, die es ihnen bei entsprechender Anwendung ermöglichen, die Marktbedürfnisse zu erfüllen und die Qualität bei gleichzeitiger Kostenminimierung zu optimieren.
Die numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine (MU / CN) ist die Basis des Computerisierungsprozesses des Produktionszyklus, für die Produktion in kleinen und mittleren Serien zu minimalen Kosten.


Dank dessen ist es möglich, die Vorbereitungszeit der Maschine für die Bearbeitung verschiedener Teile durch den einfachen Austausch eines präzisen Programms, das von einem CAM-Programm erstellt und über einen magnetischen Träger (USB-Stick) übertragen wurde, erheblich zu reduzieren.  oder direkt per Netzwerkkabel an die Bedienmaschine und ersetzt damit die prähistorischen Lochbänder der ersten CNC-Maschinen.

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Die Programmiersprache und das CAM

Der ISO-Code

Jede numerisch gesteuerte Maschine, sei es eine Fräsmaschine, eine Drehmaschine oder eine Schleifmaschine, muss "Anweisungen" für die Bewegung ihrer Achsen oder Mechanismen erhalten. Diese Anweisungen werden in einem speziellen Format geschrieben, das auch als ISO-Code oder Maschinencode bezeichnet wird.

Der ISO-Code ist eine spezielle und relativ einfache Maschinensprache, die die CNC verstehen und ausführen kann.

Diese Sprache wurde ursprünglich verwendet, um die Bearbeitung direkt an der Maschine mit einer alphanumerischen Tastatur ohne Verwendung von CAM-Software zu programmieren.

Es handelt sich um eine Abfolge einfacher Befehle, die die Maschine der Reihe nach ausführt, sowie einige andere Standardbefehle, wie die Anzahl der Spindelumdrehungen und die Bewegungsgeschwindigkeiten in verschiedenen Situationen (Arbeit, Heben, Senken, Eilgang usw.).

Die gebräuchlichste Sprache ist der G-Code oder ISO-Code, eine einfache Sprache, die in den 1970er Jahren für die ersten CNC-Maschinen entwickelt wurde.

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Die Kamera

Die Definition von CAM ist: Computer Aided Manufacturing,  bezieht sich auf die Verwendung verschiedener Softwarepakete zur Erstellung von ISO-Code und zum Betrieb einer CNC, basierend auf einem 3D-Modell (CAD) von Daten.

In der Vergangenheit, als die Verarbeitung komplex war, wurde erkannt, dass die manuelle Programmierung mit den ISO-Codes direkt an der Maschine sehr komplex, langwierig und schwer zu ändern war.
Dank der CAM-Programme ist es möglich, die Zeichnung der durchzuführenden Bearbeitung (2D oder 3D) direkt in ISO-Code umzuwandeln, mit der Möglichkeit, die Bearbeitung zu simulieren und die Genauigkeit der Werkzeugbahn zu überprüfen. Es ist wichtig zu beachten, dass es in Wirklichkeit nicht das CAM ist, das die Maschine direkt steuert, sondern nur den Code des zu befolgenden Pfads erstellt.
Die CAM-Programmierung erfordert wie die 3D-Modellierung Kenntnisse und Erfahrung im Programmmanagement, der Entwicklung von Bearbeitungsstrategien,
  Wenn wir die in jeder Situation zu verwendenden Funktionen und Werkzeuge genau kennen, können wir die besten Ergebnisse erzielen.
Es gibt hunderte Arten von CAM-Programmen, die bekanntesten sind Mastercam, GibsCam, RhinoCam, einige sind bearbeitungsspezifisch, siehe ArtCam im Objektbereich oder CopperCam zum Fräsen von gedruckten Schaltungen.

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Der Postprozessor

Obwohl der ISO-Code tatsächlich eine "Standardsprache" ist, steht es den Maschinenherstellern frei, ihn anzupassen, um zusätzliche maschinenspezifische Funktionen zu integrieren: Aus diesem Grund ist der für eine Maschine erstellte G-Code möglicherweise nicht für eine andere geeignet.
Einige Hersteller haben sogar eigene Programmiersprachen entwickelt, wie zB Heidenhain, Mazak / Mazatrol.
Um die von der CAM-Software berechneten Werkzeugwege in eine spezifische Sprache für die einzelne Maschine zu übersetzen, ist daher eine zusätzliche „Brücken“-Software namens Postprozessor erforderlich, die nach korrekter Konfiguration für die Übersetzung des generischen Codes in eine spezifische Sprache verantwortlich ist zu der Maschine, für die es kompiliert wurde. 
Auf diese Weise kann jedes CAM Routen für jede Maschine berechnen.

Durchflusszyklus

Das Folgende ist die Zusammenfassung, wie ein CAD-entworfenes Teil in ein fertiges Teil umgewandelt wird.

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Physisch  das CAM-Programm kann in einem Computer in der Nähe der CNC-Fräsmaschine vorhanden sein, es ist der Bediener, der den Fräser verwendet, der das CAM verwendet, da er alle Eigenschaften des zu bearbeitenden Materials und der verschiedenen vorhandenen Fräswerkzeuge kennt in der Maschine.
In anderen Fällen befinden sich die CAD- und CAM-Stationen in einem technischen Büro, von wo aus die Werkzeugbahn über eine Netzwerkverbindung oder Speichermedien wie USB-Sticks an die Maschine gesendet wird.
Bei CNC-Fräsmaschinen der neuesten Generation ist es dank immer ausgefeilter Maschinenkonsolen möglich, CAM-Bearbeitungen direkt an der Maschine zu konstruieren und durchzuführen, dies erfordert eine hohe Spezialisierung des Bedieners.

"Physische" Evolution des Cutters

Die Transformation der Mechanik der Maschine war außergewöhnlich.
Die ersten manuellen Cutter waren ein Stolz der mechanischen Technologie, im Inneren befanden sich Dutzende von mechanischen Teilen, aus denen sie bestand; Zahnräder, Wellen, Getriebe, Führungen, Kinematiken, Nocken usw. usw.

Jede Bewegung war mechanisch und nur dank der Kinematik war es möglich, bestimmte Bewegungen sowohl der Achsen als auch der automatischen Vorschübe auszuführen.

Die gleiche Drehzahlvariation der Spindel war dank eines Riemensystems oder eines Getriebes mit Zahnrädern möglich.
Alle diese mechanischen Teile hatten verschiedene negative Seiten: Sie mussten geschmiert werden, waren Verschleiß und Laufspiel, Brüche und regelmäßige Wartung sowie hohe Kosten für die Maschine selbst ausgesetzt.

Mit der technologischen Entwicklung von Elektronik und Servomechanismen wurden viele dieser mechanischen Teile vollständig und mit mehr Funktionalität ersetzt.

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Jetzt ermöglicht ein einfacher, von einem Inverter gesteuerter Drehstrom-Elektromotor einen unbegrenzten Spindeldrehzahlbereich.

Von speziellen Treibern gesteuerte Servomotoren ermöglichen interpolierte Bewegungen mit millesimaler Präzision.

Die Maschine wird dadurch mechanisch viel einfacher, aber elektronisch hochkomplexer.
Wir haben uns daher von mechanischen Problemen aufgrund von Vibrationen beweglicher Teile oder Spiel der kinematischen Mechanismen zu Problemen aufgrund von elektronischen Störungen, Programm-„Bugs“ oder dem Bruch von elektronischen Platinen entwickelt.

Hatte ein manueller mechanischer Fräser früher praktisch eine unbegrenzte Laufzeit, die nur an den Austausch leicht rekonstruierbarer mechanischer Teile gebunden war, ist heute der Lebenszyklus moderner CNC-Fräsmaschinen an die Beschaffung der elektronischen Platinen gebunden, aus denen sie bestehen, und diese bleiben nicht in Produktion für langes Wetter.
Tatsächlich erlauben die heutigen CNC-Fräser jedoch eine viel komplexere und schnellere Bearbeitung als die alten manuellen mechanischen Fräser.

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Komponenten einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine

 Die Hauptbestandteile einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine sind: Lenkeinheiten, Führungen, Servomechanismen und Wandler.

Die Einheit der Regierung

Die Einheit der Regierung  Es ist das System, das die Werkzeugwege empfängt und / oder erstellt und sie dann in Signale verarbeitet, die die Servomechanismen steuern, die die Maschinenachsen physisch bewegen.
Die Entwicklung dieser Einheit war in den letzten Jahren bemerkenswert und ermöglicht die Steuerung von bis zu 7 interpolierten Achsen mit der Verwaltung komplexer Prozesse.
Die Anzahl der Achsen in einer CNC-Fräsmaschine variiert normalerweise von 3 bis 7 Achsen, die Verwaltung einer 3-Achsen-Fräsmaschine ist relativ einfach in Bezug auf die Programmierung der Werkzeugwege, ab 4 Achsen ist es erforderlich, ein mehr CAM zu verwenden .komplex und spezialisiert, was die Kontrolle von Kollisionen zwischen Achsen und Werkstück ermöglicht.
Eine falsche Routenplanung kann schwere und kostspielige Schäden an der Maschine verursachen.
Die gängigsten Steuerungen auf dem Markt sind heute: Fanuc, Siemens, Selca  Und  Heidenhain, auch in  Hobbywelt wurden einfache Bedienelemente geboren, die jedoch eine respektable Funktionalität aufweisen.
Eine industrielle Steuerung besteht im Wesentlichen aus einer Konsole, die aus einem LCD-Monitor besteht, auf dem der ISO-Code, die Bearbeitung, die Position der Achsen, die Bearbeitungsgeschwindigkeit und alle aktiven Steuerungen der Maschine angezeigt werden können.

Die Konsole ist dann mit dem elektronischen Bedienfeld des Controllers verbunden, in dem sich die Leistungstreiber für jede einzelne Achse befinden.
Der Treiber ist eine elektronische Platine, die einen Servomotor elektrisch steuert.
Zusätzlich zu den Treibern gibt es einen Inverter, der die Drehzahl der Elektrospindel anpasst,  eine ganze Reihe von Steuerrelais für die Nebenaggregate der Maschine wie Magnetventile, Werkzeugwechseleinheit, Kühlmittel- und Sicherheitssysteme.
Das gesamte Bedienfeld wird von einer oder mehreren SPS verwaltet, die mit der Steuerkonsole kommunizieren.
Das elektronische Bedienfeld befindet sich normalerweise im hinteren Teil der Maschine, geschützt vor Staub und Öl, und wird oft von einer kleinen Klimaanlage gekühlt, die Feuchtigkeit und Temperatur im Inneren reguliert.

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Die Führer

Die Führungen sind die Teile, auf denen die Schlitten gleiten, sie sind der wichtigste Teil, der die Präzision der Werkzeugmaschine bestimmt.
Die am häufigsten verwendeten Arten von Führungen sind:
Vom Typ Gusseisen auf Gusseisen (oder Schwalbenschwanz) ist es eines der ersten Systeme, das sowohl in mechanischen Fräsmaschinen als auch in Drehmaschinen verwendet wird.
Einfach herzustellen, kostengünstig und mit der Möglichkeit der Anpassung.
Es ist ein System, das immer noch auf kostengünstigen manuellen Maschinen verwendet wird
Sie können mit Verbundmaterial beschichtet werden, um die Reibung zu reduzieren.
Prismenführungen mit Kugelumlauf sind dank der Reduzierung der Herstellungskosten das am häufigsten verwendete System in den heutigen Werkzeugmaschinen.
Sie haben eine Genauigkeit von weniger als einem Hundertstel Millimeter, einen niedrigen Reibungskoeffizienten, die Möglichkeit, das Spiel einzustellen, eine lange Lebensdauer durch den ständigen Umlauf der Kugeln während der Bewegung.

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Die Servomechanismen

Der Servomechanismus ist das Gerät, das es ermöglicht, ein elektrisches Signal in eine mechanische Bewegung umzuwandeln, es ist das Organ, das die meisten Bewegungen der Maschine ermöglicht, wie z prüfen.

Aufbau eines Servomechanismus

Ein Verstärker ist eine elektronische Platine, die Signale von einer Steuereinheit empfängt, diese verstärkt und in bestimmte Wellenformen umwandelt. Es überprüft auch, ob alle Bewegungssignale von der Steuereinheit ausgeführt werden (geschlossenes Regelkreissystem). 
Als Leistungsteil empfängt diese Einheit die zuvor verstärkten und modulierten Signale und gibt den Strom und die Spannung aus, die zum Betrieb der Steuereinheit erforderlich sind. Verstärker und Leistungsteil sind normalerweise in einer einzigen Platine integriert, auch "Servomotor Control Driver" genannt
Die Steuereinheit ist der letzte Teil, der elektrische Energie in mechanische Bewegung umwandelt. Es handelt sich im Allgemeinen um einen Elektromotor in Kombination mit einem Wandler (Encoder).  allgemein als "Servomotor" bezeichnet.
Normalerweise sind Servomotoren  sie arbeiten nach dem Rückkopplungsprinzip, bei dem die Regelgröße am Eingang mit der Größe am Ausgang verglichen wird, die mit einer Art Messumformer gemessen wird. Jeder Unterschied zwischen dem Istwert und dem Sollwert wird verstärkt und verwendet, um das System in die Richtung zu betreiben, die zur Reduzierung oder Beseitigung des Fehlers erforderlich ist.

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Bewegungsübertragung

Zur Bewegungsübertragung werden in Werkzeugmaschinen Kugelgewindetriebe eingesetzt, da sie mit höchster Effizienz eine Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung umwandeln.
Die Kugeln zirkulieren in der Laufbahn und werden über interne oder externe Rücklaufrohre (Kanäle) an ihren Ausgangspunkt zurückgeführt.
Im Vergleich zur Trapezgewindespindel wird die Reibung erheblich reduziert und die Antriebsenergie der Schraube (bzw. Mutter) entsprechend reduziert.
Aufgrund der sehr geringen Reibung ist es möglich, einen mechanischen Wirkungsgrad von 90 % mit folglich weniger Verschleiß, langer Lebensdauer und ausgezeichneter Zuverlässigkeit in der Positioniergenauigkeit zu erreichen.

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Kontroll systeme

Bei NC-Werkzeugmaschinen gibt es zwei grundlegende Systeme:

  • OPEN LOOP (offene Schleife)

  • CLOSED LOOP (geschlossener Kreislauf)

Open-Loop-Steuerung

Es ist eine Steuerungstechnik im Gegensatz zur Rückkopplungssteuerung. Es unterscheidet sich davon durch das Fehlen einer direkten Messung der zu regelnden Größe, da der Eingang des zu regelnden Systems auf der Grundlage der bekannten Eigenschaften dieses Systems und der möglichen Messung der einwirkenden Störgrößen berechnet wird es. Die Signale der Steuereinheit werden direkt in Bewegungen und damit Positionen umgesetzt, ohne Kontrolle bezüglich der zu erreichenden Position.

Leistungen

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  • Das Fehlen einer direkten Messung der zu regelnden Größe wirkt sich positiv auf den Aufwand und die Implementierungszeit der Steuerung sowie auf das Gewicht aus.

  • Die Fähigkeit zu beseitigen  Sensoren  für die Messung der zu regelnden Größe bringt es auch einen Vorteil in Bezug auf  Zuverlässigkeit, da die korrekte Funktion des Kontrollsystems nicht von der Funktion des Sensors oder dem vom Sensor gelesenen Datenerfassungssystem abhängt.

  • Das Fehlen von Verzögerungen beim Ablesen des gemessenen Ausgangs (aufgrund der Dynamik des Systems oder der Sensoren) garantiert eine bessere Reaktionszeit.

Nachteile

  • Die Notwendigkeit, ein genaues mathematisches Modell zu entwickeln, führt zu experimentellen Tests des Systems mit einem daraus resultierenden Anstieg der Entwicklungskosten.

  • Schlechte Robustheit gegenüber parametrischen Variationen im Modell aufgrund von Komponentenalterung.

  • Schlechte Robustheit bei Störungen, die auf das System einwirken.

Dieses System wird aufgrund der geringen Kosten und der leichten Verfügbarkeit der Steuerungstreiber normalerweise auf CNC-Schneidern für den Hobbybereich verwendet.
Die verwendeten Servomotoren sind Schrittmotoren, ihre Genauigkeit ist immer noch hervorragend, wenn man bedenkt, dass sie derzeit auf allen Druckern verwendet werden.

Closed-Loop-Steuerung

In einem geschlossenen Regelkreis wird die Eingangsfunktion auf der Grundlage des Verhaltens des Systems bestimmt, das durch den Trend seiner Ausgänge ausgedrückt wird. Diese Art der Steuerung wird als Rückkopplungssteuerung bezeichnet, da die Ausgänge an den Eingang zurückgegeben werden. Bei dieser Art von System gibt es eine oder zwei Rückkopplungsschleifen, die sowohl bei Verschiebungen als auch bei Geschwindigkeiten ständig die Differenz zwischen der momentanen Position und der zu erreichenden ermitteln.

Leistungen

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  • Genauigkeit der Bewegungen mit der Möglichkeit, die Fehlerquote einzustellen.

  • Sofortiges Abschalten der Anlage im Fehlerfall aufgrund mechanischer oder elektrischer Probleme

  • Hohe Einstellmöglichkeiten der Beschleunigungs-/Verzögerungsgeschwindigkeiten der Bewegungseinheiten

Nachteile

  • Hohe Systemkosten.

  • Größere Aufmerksamkeit bei der Verdrahtung der Servomotoren, um elektrische Störungen zu vermeiden.

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