Maschinen- und Werkstückkoordinatensysteme: Grundlagen für die CNC-Fertigung

Was wird eigentlich gemessen oder gesteuert?

Um CNC-Maschinen präzise zu steuern, brauchen Sie zwei voneinander getrennte Bezugssysteme: das Maschinenkoordinatensystem und das Werkstückkoordinatensystem. Beide basieren auf dem gleichen Prinzip: Ein Punkt (Nullpunkt) definiert den Ursprung, von dem aus alle Bewegungen entlang der X-, Y- und Z-Achse gemessen werden.

Das Maschinenkoordinatensystem hat einen festen Nullpunkt, der nie verändert wird – er ist fest mit der Maschinenstruktur verbunden. Bei vertikalen Bearbeitungszentren liegt dieser Nullpunkt üblicherweise in der unteren linken Ecke des Maschinentisches, wenn die Spindel sich in ihrer unteren Endposition befindet. Jede CNC-Maschine hat einen festen Maschinennullpunkt, der bei der Herstellung kalibriert wird.

Das Werkstückkoordinatensystem hat einen variablen Nullpunkt, der auf das zu bearbeitende Werkstück abgestimmt ist. Dieser Nullpunkt kann frei auf dem Maschinentisch positioniert werden, um die Bearbeitung so einfach wie möglich zu machen. Zum Beispiel legen Sie den Nullpunkt eines quadratischen Werkstücks oft auf seine obere linke Ecke, sodass alle Maße des Werkstücks direkt von diesem Punkt aus gemessen werden können.

Werkstückversätze sind die Werte, die die Position des Werkstücknullpunkts relativ zum Maschinennullpunkt beschreiben. Wenn der Werkstücknullpunkt 100 mm entlang der X-Achse und 50 mm entlang der Y-Achse vom Maschinennullpunkt entfernt liegt, sind das die entsprechenden Werkstückversätze.

G54 bis G59 sind Standard-CNC-Befehle, die diese Werkstückversätze speichern. Jeder Befehl steht für einen separaten Satz von Versatzwerten, sodass Sie bis zu sechs verschiedene Werkstückpositionen auf einem Maschinentisch speichern können.

Warum ist das wichtig?

Die Genauigkeit der Koordinatensysteme hat direkte Auswirkungen auf die Funktionsfähigkeit, Passgenauigkeit und Kosten Ihrer Bauteile:

1. Passgenauigkeit: Wenn der Werkstücknullpunkt falsch eingestellt ist, können Bohrungen nicht richtig ausgerichtet sein, Passungen werden zu eng oder zu weit, oder Kanten werden nicht richtig abgeschnitten. Zum Beispiel kann eine Abweichung von nur 0,02 mm bei einem Passstift dazu führen, dass zwei Bauteile nicht mehr zusammenpassen.
2. Bauteilfunktion: Bei Präzisionsteilen wie Getriebeteilen oder Halbleiterkomponenten können kleine Abweichungen dazu führen, dass das Bauteil nicht funktioniert. Ein falsch eingestellter Nullpunkt kann dazu führen, dass ein Zahnrad nicht richtig in ein anderes eingreift oder ein Sensor nicht richtig ausgerichtet ist.
3. Kosten: Falsch eingestellte Koordinatensysteme führen zu Ausschuss, Nacharbeit und Produktionsverzögerungen. Wenn Sie ein Bauteil neu einstellen müssen, verlieren Sie Zeit und Material. Bei Serienproduktionen können kleine Fehler sich zu hohen Kosten summieren.
4. Wiederholbarkeit: Wenn Sie den Werkstücknullpunkt richtig speichern, können Sie das gleiche Bauteil jederzeit wieder bearbeiten, ohne es neu einstellen zu müssen. Das ist besonders wichtig bei Serienproduktionen oder bei Nachbestellungen.

Wie wird es gemessen oder erreicht?

Die Einstellung der Koordinatensysteme erfolgt in der Regel in zwei Schritten: Zuerst wird der Maschinennullpunkt kalibriert, dann werden die Werkstückversätze eingestellt.

Kalibrierung des Maschinennullpunkts

Der Maschinennullpunkt wird bei der Herstellung der Maschine kalibriert und sollte normalerweise nicht verändert werden. Wenn die Maschine eingeschaltet wird, fährt sie zuerst zu ihren Referenzpunkten (auch bekannt als Home-Punkte), um den Maschinennullpunkt zu bestätigen. Jede Achse fährt zu einem festen Referenzschalter, der die Position der Achse definiert. Die Genauigkeit dieser Kalibrierung hängt von der Genauigkeit der Maschine ab. Zum Beispiel hat das vertikale Bearbeitungszentrum GA-DV750 eine Positioniergenauigkeit von 0,003 mm und eine Wiederholgenauigkeit von 0,0024 mm. Das bedeutet, dass die Maschine den Maschinennullpunkt bei jedem Einschalten mit einer Abweichung von maximal 0,0024 mm erreichen kann.

Einstellung der Werkstückversätze

Es gibt mehrere Methoden, um die Werkstückversätze zu messen. Die Wahl der Methode hängt von der erforderlichen Genauigkeit, der Komplexität des Werkstücks und der verfügbaren Ausrüstung ab:

1. Manuelle Einstellung mit Messuhren oder Tastern: Bei dieser Methode verwenden Sie eine Messuhr oder einen Taster, um die Position des Werkstücks relativ zum Maschinennullpunkt zu messen. Zum Beispiel können Sie einen Taster an der Spindel befestigen und ihn gegen die Kanten des Werkstücks fahren, um die Position des Werkstücknullpunkts zu bestimmen. Diese Methode hat eine Genauigkeit von etwa 0,01 bis 0,05 mm, abhängig von der Erfahrung des Bedieners.
2. Automatische Einstellung mit Tastersystemen: Moderne CNC-Maschinen haben integrierte Tastersysteme, die die Position des Werkstücks automatisch messen können. Der Taster wird an der Spindel befestigt und fährt automatisch gegen das Werkstück, um die Position des Werkstücknullpunkts zu bestimmen. Diese Methode hat eine Genauigkeit von etwa 0,005 bis 0,01 mm. Zum Beispiel kann das Bearbeitungszentrum GA-UHD500 mit einer Positioniergenauigkeit von 0,006 mm und einer Wiederholgenauigkeit von 0,004 mm diese Messungen sehr präzise durchführen.
3. Einstellung mit Nullpunktspannern: Nullpunktspanner sind spezielle Spannvorrichtungen, die den Werkstücknullpunkt fest definieren. Wenn Sie ein Werkstück in einen Nullpunktspanner einspannen, ist der Werkstücknullpunkt bereits bekannt, sodass Sie keine Messungen mehr durchführen müssen. Diese Methode hat eine Genauigkeit von etwa 0,002 bis 0,005 mm und ist besonders geeignet für Serienproduktionen.

Einstellung der Z-Achse

Die Einstellung der Z-Achse ist besonders wichtig, da sie die Tiefe der Bearbeitung bestimmt. Sie wird in der Regel mit einem Werkstückhöhenmesser durchgeführt, der die Position der Spindel relativ zur Oberfläche des Werkstücks misst. Bei Präzisionsanwendungen kann auch ein Taster verwendet werden, um die Z-Position automatisch zu messen.

Fehlerquellen

Die Genauigkeit der Koordinatensysteme wird durch mehrere Faktoren beeinflusst:

1. Maschinenfehler: Jede CNC-Maschine hat eine bestimmte Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit, die von der Herstellung der Maschine abhängt. Zum Beispiel hat das Bearbeitungszentrum GA-MV856 eine Positioniergenauigkeit von 0,010 mm, während das GA-DV750 eine Positioniergenauigkeit von 0,003 mm hat. Diese Werte geben die maximale Abweichung an, mit der die Maschine eine Position erreichen kann.
2. Messfehler: Bei der Einstellung der Werkstückversätze können Fehler auftreten, zum Beispiel durch ungenaue Messgeräte, falsche Messverfahren oder menschliche Fehler. Ein Bediener kann zum Beispiel die Messuhr falsch ablesen oder den Taster falsch positionieren.
3. Temperaturänderungen: Temperaturänderungen führen dazu, dass sich die Maschinenstruktur und das Werkstück ausdehnen oder zusammenziehen. Bei einer Temperaturänderung von 10 Grad Celsius dehnt sich ein Stahlwerkstück um etwa 0,012 mm pro Meter Länge aus. Das kann bei großen Werkstücken zu erheblichen Abweichungen führen.
4. Spannfehler: Wenn das Werkstück nicht richtig eingespannt ist, kann es sich während der Bearbeitung bewegen. Das führt dazu, dass der Werkstücknullpunkt sich ändert. Spannfehler können durch unzureichende Spannkraft, falsche Spannvorrichtungen oder Verformungen des Werkstücks verursacht werden.
5. Verschleiß: Mit der Zeit verschleißen die Komponenten der Maschine, zum Beispiel die Führungen oder die Spindeln. Das führt dazu, dass die Positioniergenauigkeit der Maschine abnimmt.

Ehrliche Einschränkungen

Die Koordinatensysteme haben mehrere Einschränkungen, die Sie berücksichtigen müssen:

1. Sie messen nur die Position der Spindel, nicht die Form des Werkstücks: Die Koordinatensysteme geben an, wo die Spindel sich befindet, aber sie sagen nichts darüber aus, ob das Werkstück die richtige Form hat. Zum Beispiel kann ein Werkstück, das nicht richtig eingespannt ist, sich während der Bearbeitung verformen, sodass die Form des Werkstücks falsch ist, obwohl die Position der Spindel richtig ist.
2. Sie berücksichtigen keine Werkzeugverschleiß: Die Koordinatensysteme geben die Position der Spindel an, aber sie berücksichtigen nicht, dass das Werkzeug sich während der Bearbeitung abnutzt. Ein abgenutztes Werkzeug kann dazu führen, dass das Bauteil zu groß oder zu klein wird, obwohl der Werkstücknullpunkt richtig eingestellt ist.
3. Sie sind nicht geeignet für komplexe Geometrien: Bei sehr komplexen Geometrien, zum Beispiel bei 5-Achsen-Bearbeitungen, können die Koordinatensysteme nicht alle Aspekte der Bearbeitung berücksichtigen. Zum Beispiel kann die Ausrichtung des Werkzeugs relativ zum Werkstück zusätzliche Abweichungen verursachen, die nicht durch die Koordinatensysteme erfasst werden.
4. Übermäßiges Vertrauen in die Genauigkeit: Viele Bediener vertrauen darauf, dass die Maschine die angegebene Genauigkeit erreicht, ohne die Messungen zu überprüfen. Die angegebene Genauigkeit der Maschine ist ein Wert, der unter idealen Bedingungen erreicht wird. In der Praxis können Abweichungen auftreten, zum Beispiel durch Temperaturänderungen oder Verschleiß. Zum Beispiel hat das Bearbeitungszentrum GA-MVD2560 eine Positioniergenauigkeit von 0,015 mm für die X-Achse und 0,01 mm für die Y- und Z-Achse. Das bedeutet, dass die Maschine unter idealen Bedingungen diese Genauigkeit erreicht, aber in der Praxis können Abweichungen auftreten.

Zusammenfassungstabelle

Praktische Checkliste

Um die Koordinatensysteme richtig einzustellen und zu verwenden, folgen Sie dieser Checkliste:

1. Überprüfen Sie den Maschinennullpunkt: Schalten Sie die Maschine ein und lassen Sie sie zu den Referenzpunkten fahren. Überprüfen Sie, ob die Maschine keine Fehlermeldungen ausgibt.
2. Überprüfen Sie die Spannvorrichtung: Stellen Sie sicher, dass die Spannvorrichtung sauber und in gutem Zustand ist. Überprüfen Sie die Spannkraft, um sicherzustellen, dass das Werkstück richtig eingespannt ist.
3. Messen Sie den Werkstücknullpunkt sorgfältig: Verwenden Sie die passende Methode zur Einstellung der Werkstückversätze. Überprüfen Sie die Messungen mehrmals, um Fehler zu vermeiden.
4. Speichern Sie die Versätze richtig: Speichern Sie die gemessenen Versätze in den entsprechenden G54 bis G59-Befehlen. Überprüfen Sie, ob die Werte richtig gespeichert sind.
5. Überprüfen Sie die Bearbeitung: Führen Sie einen Testlauf der Bearbeitung durch, ohne das Werkzeug zu berühren. Überprüfen Sie, ob die Positionen der Spindel richtig sind.
6. Messen Sie das fertige Bauteil: Messen Sie das fertige Bauteil, um sicherzustellen, dass es die richtigen Maße hat. Überprüfen Sie besonders kritische Maße.
7. Dokumentieren Sie die Einstellungen: Dokumentieren Sie die Einstellungen der Werkstückversätze und die Messergebnisse. Das hilft Ihnen, Fehler zu finden und die Einstellungen bei Nachbestellungen zu wiederholen.

FAQ

1. Kann ich mehr als sechs Werkstückversätze speichern? Ja, viele moderne CNC-Steuerungen erlauben es, mehr als sechs Werkstückversätze zu speichern. Einige Steuerungen haben zusätzliche Befehle wie G54.1 bis G54.9, die weitere Versätze ermöglichen. Die Anzahl der verfügbaren Versätze hängt von der Steuerung der Maschine ab.

2. Was passiert, wenn ich den Maschinennullpunkt verändere? Wenn Sie den Maschinennullpunkt verändern, ändern sich alle Werkstückversätze relativ zu diesem neuen Nullpunkt. Das kann dazu führen, dass die Bearbeitung falsch positioniert wird. Der Maschinennullpunkt sollte nur von qualifiziertem Personal verändert werden, und nur, wenn es unbedingt notwendig ist, zum Beispiel nach einer größeren Reparatur der Maschine.

3. Wie oft sollte ich die Werkstückversätze überprüfen? Die Häufigkeit der Überprüfung hängt von der Anwendung ab. Bei Präzisionsanwendungen sollten Sie die Versätze vor jeder Bearbeitung überprüfen. Bei weniger kritischen Anwendungen können Sie die Versätze nach mehreren Bearbeitungen überprüfen. Sie sollten die Versätze auch überprüfen, wenn sich die Temperatur in der Werkstatt stark ändert oder wenn Sie das Werkstück neu einspannen.

4. Kann ich Werkstückversätze zwischen verschiedenen Maschinen übertragen? Ja, aber nur, wenn die Maschinen die gleiche Steuerung haben und die Spannvorrichtungen kompatibel sind. Sie müssen sicherstellen, dass der Werkstücknullpunkt auf beiden Maschinen relativ zum Maschinennullpunkt die gleiche Position hat. Bei unterschiedlichen Maschinen oder Spannvorrichtungen müssen Sie die Versätze neu einstellen.

5. Wie beeinflusst die Temperatur die Werkstückversätze? Temperaturänderungen führen dazu, dass sich die Maschinenstruktur und das Werkstück ausdehnen oder zusammenziehen. Das ändert die relative Position des Werkstücks relativ zum Maschinennullpunkt. Um diesen Effekt zu minimieren, sollten Sie die Maschine und das Werkstück vor der Bearbeitung auf die gleiche Temperatur bringen. Bei Präzisionsanwendungen können Sie auch Temperaturkompensationssysteme verwenden, die die Versätze automatisch anpassen.

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