CNC und SPS: Steuerung von Maschinen
CNC - Computer Numerical Controlled
Mit computergesteuerten Werkzeugmaschinen (CNC-Werkzeugmaschinen, englisch computerized numerical control) lassen sich komplizierte Dreh- oder Frästeile schnell und mit hoher Wiederholungsgenauigkeit herstellen. Auch in anderen Bereichen werden CNC-Steuerungen eingesetzt.
Maschinentechnische Voraussetzungen
CNC-Maschinen besitzen einen Computer f ür die Steuerung und Programmierung der geometrischen Informationen (Kontur des Werkstücks), der technologischen Informationen (z. B. Drehzahl, Vorschub) und der Werkzeuginformationen (z. B. Geometrie, Position).
CNC-Drehmaschinen lassen sich in zwei Achsen frei programmieren: eine Achse für die Längenmaße (Koordinatenachse Z) und eine Achse für die Durchmessermaße (Koordinatenachse X). Dafür sind zwei Schlitten mit Kugelumlaufspindeln an den drehzahlgesteuerten Vorschubmotoren gekoppelt. Über ein optoelektronisches Messgerät kann die Position der Schlitten für die Steuerung genau erkannt werden. Die Hauptspindel wird ebenfalls über einen drehzahlgesteuerten Antriebsmotor angetrieben, sodass für jeden Drehdurchmesser die optimale Schnittgeschwindigkeit am Drehmeißel vom CNC-Rechner eingeregelt werden kann.
Programmtechnik
Die Kontur des Werkstücks wird in Koordinatentechnik programmiert.Jeder Punkt (P) der Werkstückkontur des Drehteils wird im Koordinatensystem durch zwei Zahlen genau festgelegt: die X-Koordinate (Durchmesser) und die Z-Koordinate (Länge). Mit den G-Befehlen (G = go) wird die Art, wie das Werkzeug bewegt wird, festgesetzt:
∙ G0 - Werkzeugposition im Eilgang verändern
∙ G1 - Geradenverbindung
∙ G2 - Kreisverbindung im Uhrzeigersinn
∙ G3 - Kreisverbindung gegen den Uhrzeigersinn
Jede Programmzeile beginnt mit einer Nummerierung. Für ein bestimmtes Drehteil ergibt sich für die Herstellung der Fertigkontur aus dem vorbearbeiteten Werkstück (durch Doppelpunkt-Strich-Linie gekennzeichnet) beispielsweise folgendes Programm:
∙ N1 G0 X0 Z4 S280 F0.15 T2 M4
Alle wichtigen Informationen werden mit Buchstaben gekennzeichnet, ihre Spezifikation mit nachgestellten Ziffern (Satznummer 1, GO: Eilgang auf den Startpunkt, S: Schnittgeschwindigkeit 280 m/min, F: Vorschub 0,15 mm pro Umdrehung, TZ: Werkzeugaufruf auf Revolverposition 2, M4: Hauptspindel Linkslauf):
∙ N2 G1 X0 Z0 (Punkt P1 mit Vorschub anfahren)
∙ N3 G3 X20 Z10 I0 K10 (Kreisprogrammierung auf P2, I und K: Mittelpunktskoordinaten)
∙ N4 G1 X20 Z45 (Gerade bis Kegelansatz P3)
∙ N5 G1 X50 Z80 (Kegel bis Punkt P4)
∙ N6 G2 X60 Z85 I5 K0 (Kreisprogrammierung bis P5)
∙ N7 G1 X65 Z85 (Aus dem Werkstück herausfahren P6)
∙ N8 Go X150 Z150 (Eilgang zum Werkzeugwechselpunkt
∙ N9 M30 (Programmende)
SPS - Speicherprogrammierbare Steuerung
Mithilfe von speicherprogrammierbarer Steuerung (SPS) können Produktionsmaschinen, Montagebänder, automatisch arbeitende Sortiereinrichtungen usw. schnell und ohne großen Verkabelungsaufwand programmiert werden. Im Gegensatz zu einer verbindungsprogrammierten Steuerung, bei der der Steuerablauf durch die Bauteile und die Leistungsverbindungen hergestellt wird, werden bei SPS die Leitungen der Schalter, Messsensoren usw. an die Eingänge einer Zentralsteuereinheit, der SPS, und die Ventilmagnete, Motoren usw. an die Ausgänge angeschlossen.
Die Zentralbaugruppe einer SPS besteht aus einem Mikroprozessor, dem Programmspeicher, Zeitgebern und Merkern (RAM). Das Programm besteht aus einer Folge von Steueranweisungen. Jeder Anweisung wird eine Adresse im Programmspeicher zugewiesen. Die Programmanweisung besteht aus einem Befehlsteil (Operationsteil) und einem Zuordnungsteil (Operandenteil). Im Befehlsteil stehen logische Verknüpfungen (UND, ODER, NICHT und andere organisatorische Anweisungen, z. B. Zuweisung »=«), im Zuordnungsteil wird angegeben, mit welchen Eingängen, Ausgängen, Zählern oder Merkern die Operation durchgeführt werden soll. Mehrere SPS-Zentraleinheiten können über BUS-Systeme (spezielle Leitungssysteme) miteinander verknüpft werden, sodass sie auf alle angeschlossenen Ein- und Ausgänge zugreifen können.
So ist die vollautomatische Steuerung einer Brauerei möglich. Alle Prozesse, ob sie nun zeitabhängig (z. B. Rührdauer) oder stoffabhängig (z. B. nächster Verfahrensschritt beim Erreichen eines bestimmten Alkoholgehaltes) sind, werden von einer SPS gesteuert. Der Vorteil besteht in der flexiblen Programmierbarkeit und der einfachen Erweiterbarkeit der Anlage.