CNC-Werkzeugmaschinen: Die starken Arbeitstiere

Was haben eine Dampfmaschine und eine CNC-Werkzeugmaschine gemeinsam? Beide sind Revolutionäre. Die Dampfmaschine hat die industrielle Revolution eingeläutet. CNC-Werkzeugmaschinen dagegen sind bei der Geschwindigkeit in neue Dimensionen vorgestoßen und haben Taktzeiten in Fertigungslinien enorm verkürzt.

Während die Bedeutung der Dampfmaschine allgemein bekannt ist, fristen CNC-Werkzeugmaschinen eher ein Schattendasein.

Jeder weiß, dass es sie gibt, aber die Allgemeinheit würdigt ihre enorme Bedeutung in der Regel kaum. Informieren Sie sich hier über die Geschichte und den heutigen Entwicklungsstand von CNC-Werkzeugmaschinen.

Die Geschichte der Werkzeugmaschinen beginnt mit Löchern

Die Geschichte der Werkzeugmaschinen ist fast so alt wie die Menschheit selbst. In der Steinzeit behalfen sich die Menschen mit Schneiden, die sie zurechtgemeißelt hatten. Archäologen fanden sauber gebohrte Löcher in Steinäxten und vermuten deshalb, dass bereits damals Bohrmaschinen bekannt waren.

Aufzüge im alten Rom

Die alten Römer benutzten die Hebelkraft, beispielsweise um wilde Tiere mit einem Aufzug von den Kellergängen des Colosseum auf die Bühne zu hieven. Damals war Handarbeit billig und häufig eine Sache der Sklaven. Deshalb beschränkte sich der Erfindungsreichtum auf einfache Maschinen zum Schleifen oder Bohren, die Tiere oder Wasserkraft antrieben.

Die Buchpresse: Wissen ist Macht

Eine der ersten Werkzeugmaschinen mit weit reichenden Auswirkungen war die Buchpresse, die Johannes Gutenberg 1468 erfand. Statt Bücher – und damit Informationen und Wissen – mühsam per Hand zu kopieren, vervielfältigte die Buchpresse Manuskripte wesentlich schneller. Von nun an konnten sich Ideen rasch verbreiten. Martin Luther war bereits 1517 in der Lage, seine 95 Thesen per Druck zu vervielfältigen. Das Genie Leonardo da Vinci schuf in der Renaissance zahlreiche Werkzeugmaschinen, unter anderem Bohrmaschinen sowie Maschinen zum Zylinderschleifen und Gewindeschneiden.

Wasserdampf verändert die Welt

Erst die Dampfmaschine führte dazu, Werkzeugmaschinen entscheidend weiter zu entwickeln. Nun stand eine Kraftquelle zur Verfügung, die Wasserdampf in mechanische Energie umwandelte. Um diese Energie zu nutzen, brauchten die Menschen Werkzeugmaschinen. Da die Kraft in den Fabriken zentral erzeugt wurde, musste sie übertragen werden. Dazu dienten Wellen aus Stahl mit Riemenscheiben aus Gusseisen. Transmissionsriemen aus Leder, Stahl- oder Textilband verbanden die einzelnen Elemente.

Von entscheidender Bedeutung war die Drehmaschine, die der Engländer Henry Maudslay verbesserte. Er benutzte als erster einen Werkzeughalter, den Kurbeln bewegten. Das führte zu einer höheren Genauigkeit beim Drehen. Es machte es auch möglich, Schrauben so exakt herzustellen, dass man sie austauschen konnte.

Verwirrung über zweite industrielle Revolution

Manche Historiker bezeichnen die Einführung von Elektromotoren in der industriellen Fertigung als zweite industrielle Revolution. Doch herrscht in der Periode zwischen 1880 und 1960 Uneinigkeit bei den Historikern, wie die rasanten Entwicklungen zu benennen sind. Fest steht, dass Massenproduktion und die Mechanisierung der Fabriken enorm voranschritten.

Die Innovationsschübe deutscher Ingenieure in den 20er und 30er Jahren betrachten manche Experten sogar bereits als den Beginn der dritten industriellen Revolution. Es gibt aber auch Historiker, die den Start der zweiten industriellen Revolution in den 50er Jahren sehen. Der Grund: Jetzt beginnt die Automatisierung.

Über Kurvenscheiben und Lochstreifen

Genau genommen zeichnet sich die Automatisierung bereits 1935 ab. Kurvenscheiben und Steuertrommeln sorgen dafür, dass sich manche Abläufe an automatisch vollziehen. Doch der Durchbruch – zunächst für NC (numeric control) – geschieht in den USA. Die US-Air-Force beauftragt 1949 das MIT (Massachusetts Institute of Technologie) damit, ein System für die direkte Steuerung von Werkzeugmaschinen durch eine Rechenmaschine zu entwickeln.

Die US-Air-Force hat die Nase vorn

Drei Jahre später ist es soweit: Die erste numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine läuft an. Binär codierte Lochstreifen übermitteln Daten an die Steuerung, die immerhin eine simultane Bewegung in drei Achsen kontrolliert. Ein Jahr später entsteht die erste NC-Maschine, die industriell gefertigt wurde. Bereits 1957 gibt es in den Werkstätten der US-Air-Force NC-Fräsmaschinen.

1960: Deutschland holt auf

Drei Jahre später holt Deutschland auf. 1960 zeigen deutsche Hersteller auf der Hannover Messe ihre ersten, eigenen NC-Maschinen. Bereits jetzt haben kleine Transistoren die klobigen Elektronenröhren der ersten NC-Steuerungen abgelöst. In der Anfangsphase rüsteten viele Unternehmer vorhandene Werkzeugmaschinen mit numerischen Steuerungen nach.

Doch bald stellt sich heraus, dass dies nicht der richtige Weg war. NC-Steuerung erfordert spezielle Maschinenkonstruktion mit

• Hoher Stabilität
• Stufenlos regelbaren Antrieben
• Wälzführungen oder hydrostatischen Führungen
• Kugelumlaufspindeln

Werkzeugwechsler, Palettenwechsler und Werkzeugschnellspanner erhöhten in den Folgejahren den Automatisierungsgrad der Maschinen weiter.

Entwicklung der CNC-Technik

Die moderne Elektronik macht in den 70er Jahren aus der NC- die CNC-Technologie – Computer Numerical Control. Möglich wird dies durch integrierte Schaltkreise und Mikroprozessoren. Statt elektronische Bauelemente fest miteinander zu verdrahten, werden CNC-Maschinen über Software kontrolliert. Allerdings war das Schreiben dieser Software lange Zeit mit viel Schweiß verbunden. Bis in die Mitte der 90er Jahre schrieben Programmierer die CNC-Programme per Hand. Bereits der kleinste Fehler konnte zu Schäden an Maschinen führen.

CAD/CAM oder CIM?

Um den Jahrtausendwechel herum beginnt man, die nötigen Programme direkt mit einem CAD/CAM-System zu erzeugen. Das ist bis heute der Standard. Die CAD-Software (Computer aided Design) erzeugt dreidimensionale Modelle und Baugruppen in digitaler Form. Die CAM-Software (Computer aided Manufacturing) nutzt die Ergebnisse von CAD, um Werkzeugwege für Werkzeugmaschinen zu berechnen und damit Produktionsabläufe zu gestalten.

Nach Ansicht von Experten liegt die Zukunft der industriellen Fertigung in CIM, Computer integrated Manufacturing. Lange Zeit herrschte Verwirrung darüber, was dieser Begriff tatsächlich bedeutet. Eine Recherche zu dem Thema in den 80er Jahren ergab, dass es für CIM 20 US-amerikanische und 14 deutsche Konzepte gibt. Dennoch scheint das Ziel klar: Statt verschiedene Programme für benötigte Lösungen in einem Betrieb zu haben, erledigt ein großes Programm alle Aufgaben – von der Verwaltung und der Lagerhaltung bis zur Steuerung der Maschinen. Allerdings dürfte noch einige Zeit vergehen, bis die große Lösung in die industrielle Fabrikation Einzug hält.

Geschwindigkeit siegt

Der Siegeszug der CNC-Werkzeugmaschinen hat die industrielle Fertigung bereits enorm beschleunigt. Welche Bedeutung CNC-Werkzeugmaschinen für die gesamte, industrielle Produktion hatten und haben, verdeutlichen die Zahlen für Produktivität, gemessen an der Schnittgeschwindigkeit. Seit 1870 hat sich diese Geschwindigkeit um das 100fache vergrößert. Dank Mehrspindelkonzepten und Mehrfachwerkzeugen wurde die gesamte Produktivität um das 200- bis 300fache vervielfacht. Anders ausgedrückt: Eine moderne CNC-Werkzeugmaschinen leistet so viel wie 200 bis 300 Maschinen während der ersten, industriellen Revolution.

Produktivität explodiert

Ein Ende des Entwicklungssprungs bei der Produktivität ist noch nicht abzusehen. Das zeigen Statistiken. 1987 schufen 100.000 Arbeiter einen Produktionswert von 7 Milliarden DM. 2002 dagegen waren 70.000 Arbeiter für einen Produktionswert von 13,5 Milliarden Euro verantwortlich. Legt man für den Umwechselkurs 2 DM pro Euro fest, ergibt das fast eine Vervierfachung der Produktivität. Leider schlägt sich diese Multiplikation nicht in den Gehältern nieder, da viele Unternehmen ihre Produktion in Billiglohnländer verlagert haben.

Werkzeugmaschinen: Das Rückgrat der deutschen Industrie

Die deutsche Wirtschaft wäre ohne den Werkzeugmaschinenbau undenkbar. Der Maschinen- und Anlagenbau ist mit mehr als einer Million Beschäftigten und einem jährlichen Umsatz von weit über 200 Milliarden Euro eine tragende industrielle Säule der Nation. Die meisten deutschen Firmen hängen vom Export ab. Das trifft auch auf die Teilbranche Werkzeugmaschinenbau zu.

Herzstück weltweiter Innovation

Die meist kleinen und mittelständischen Unternehmen in Deutschland sind Herzstück und Innovationszentrum für die weltweite Industrie. Häufig sind sie auf ihren Spezialgebieten weltweit führend. CNC-Werkzeugmaschinen aus deutscher Produktion sind heute auf dem ganzen Planeten die Grundlage für Produktinnovationen und neue Verfahren. Ob Weltraumteleskop, künstliches Hüftgelenk oder Handy: Sie alle entstehen auf Werkzeugmaschinen, die heute meist CNC gesteuert sind.

Warum sind CNC-Werkzeugmaschinen so wichtig?

Von der Leistungsfähigkeit der Werkzeugmaschinen hängt die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie ab. Der Entwicklungsstand von CNC-Werkzeugmaschinen bestimmt, was technisch möglich ist und welche Produkte den Menschen zur Verfügung stehen. CNC-Werkzeugmaschinen tragen entscheidend dazu bei, Produktionskosten niedrig zu halten.

CNC-Maschinen bieten Ihnen heute folgende Vorteile:

• Genaue Maßeinhaltung bei der Fertigung
• Geringe Zahl von Ausschussteilen
• Werkzeugwechsel entfällt
• Schnelle Werkzeugführung
• Mehrere Arbeitsschritte mit einer Aufspannung
• Einfache Erstellung von Varianten durch Veränderung der Software
• Kurze Hauptzeit durch geregelte Vorschub- und Schnittgeschwindigkeit
• Flexible Fertigung

Diese Vorteile sorgen dafür, dass die hohen Anschaffungskosten einer CNC-Werkzeugmaschine sich rasch bezahlt machen. Auch die höheren Ausgaben für Fachkräfte und die aufwendige Wartung macht die Produktivitätssteigerung in der Regel wett. Unkalkulierbar jedoch ist das Risiko durch Fehlfunktionen. Wenn eine CNC-Werkzeugmaschine ausfällt, muss in der Regel ein Experte anreisen. Das beansprucht viel Zeit und ist teuer.

Arten von CNC-Werkzeugmaschinen

Die Definition einer Werkzeugmaschine zeigt, warum sich diese Maschinen nicht einfach klassifizieren lassen. Im Prinzip ist eine Werkzeugmaschine eine Maschine, die das Werkstück bewegt und durch die eingespannten Werkzeuge eine vorgegebene Form erzielt oder eine vorgegebene Änderung vornimmt.

Es lassen sich jedoch die wichtigsten Vertreter von CNC-Werkzeugmaschinen leicht benennen. Dazu zählen:

• Drehmaschinen
• Fräsmaschinen
• Erodiermaschinen
• Mechanische Pressen
• Maschinenhämmer

Die Klassiker: Drehen und Fräsen

Am weitesten verbreitet ins CNC-Werkzeugmaschinen zum Drehen und Fräsen. Rotationssymmetrische Werkstücke entstehen beim Drehen durch die Rotation des Werkstücks. Beim Fräsen dagegen wird das Werkstück fest eingespannt, während das Werkzeug sich bewegt.

Einteilung nach Anzahl der Achsen

Die Anzahl der Achsen ist eine Möglichkeit, die Arten von CNC-Werkzeugmaschinen zu beschreiben. Die Achsen legen die Bewegungsrichtung des Werkzeugs oder des Werkstücks fest. Lange Zeit waren drei Achsen üblich. Mittlerweile jedoch verfügen die meisten Maschinen über 5 Achsen. Auch Werkzeugmaschinen mit 6 und mehr Achsen breiten sich weiter aus. Je höher die Zahl der Achsen, desto komplizierte kann ein Werkstück geformt werden.

Klassifikation nach verschiedenen Kritierien

Es ist darüber hinaus möglich, die Arten von CNC-Werkzeugmaschinen nach verschiedenen Kriterien zu unterteilen.

• Fertigungsverfahren: Urformen, Umformen, Trennen (Zerteilen, Spanen, Abtragen), Fügen, Beschichten, Stoffeigenschaften ändern
• Bauart: Schrägbett, Gantry oder Flachbett beispielsweise
• Lage der Hauptspindel: vertikal oder horizontal
• Einsatzbreite: Universal-, Spezial- oder Sondermaschine

Bei CNC-Werkzeugmaschinen geht der Trend zur Multitasking-Bearbeitung. Es entstehen ständig neue Konzepte für Werkzeugmaschinen, die verschiedene Technologien in einer Maschine ausführen. Ein CNC-Bearbeitungszentrum vereint beispielsweise die Funktionen von Dreh-, Fräs- und Bohrmaschine.

Aufbau von CNC-Werkzeugmaschinen

So vielfältig wie ihre Funktionen, so verschieden können CNC-Werkzeugmaschinen aussehen. Doch jede CNC-Maschine muss über bestimmte Elemente verfügen, um ihre Arbeit auszuführen. Das Bedienfeld für die CNC-Steuerung befindet sich direkt an der Werkzeugmaschine, während das Programmierfeld räumlich entfernt sein kann.

Weil die Arbeitsabläufe automatisch ablaufen, entfallen Handräder oder andere Vorrichtungen für den Eingriff des Maschinenbedieners komplett. Vorschubmotore und Kugelgewindetriebe treiben Maschinenschlitten an. Wegmess-Systeme ermitteln die bereits erfolgten Verfahrwege und vergleichen sie in der Steuerung mit den festgelegten Sollwerten. Stufenlos regelbare Gleichstrommotore liefern die Energie für den Hauptspindelantrieb.

Aufbau der CNC-Steuerung

Die CNC-Steuerung besteht aus dem Programmierfeld und Bedienfeld und dem dazu gehörenden Rechner sowie dem Schaltschrank. Weil die Programmierung wenig mit der Maschinenbedienung zu tun hat, trennt man diese Elemente. Das Programmierfeld dient dazu, das CNC-Programm einzugeben sowie Werkzeugkorrekturen und Verschiebungen des Bezugspunkts zu erlauben. Der Rechner speichert die Einstellungen und übermittelt sie an die Steuerung der Maschine im Schaltschrank. Über die Tasten des Bedienfelds an der CNC-Maschine gibt der Maschinenbediener seine Befehle ein.

Während der Produktion berechnet der Rechner im Schaltschrank die Werkzeugbahnen und sendet die Steuersignale an die einzelnen Achsen der CNC-Maschine. Dafür werden die Signale des Wegmess-Systems verarbeitet. Die speicherprogrammierte Steuerung im Schaltschrank regelt alle Funktionen der Maschine, darunter wichtige Verriegelungsfunktionen, als Anpass-Steuerung. Wenn beispielsweise der Maschinenschlitten an einem Endschalter ansteht, wird der Vorschub blockiert.

Die Lageregelung

Um ihre Arbeit auszuführen, muss eine CNC-Werkzeugmaschine jederzeit genau wissen, wo sich ein Werkstück befindet. Ein unterlagerter Geschwindigkeitsregelkreis ermöglicht es, die Istwerte der Lage rasch mit den Lage-Sollwerten abzugleichen. Den Vorschub des Werkstücks erledigen meist AC-Motoren. Für schnelles und genaues Arbeiten setzt man auch Hydraulikantriebe ein. Für die Wegmessung gibt es direkte und indirekte Verfahren. Das direkte Verfahren nützt ein Längenmessgerät, während die indirekte Wegmessung den Verfahrweg über Spindel und Drehgeber bestimmt.

Der Transport

Wälzkörpergelagerte Schlittenführungen transportieren das Werkstück in der CNC-Werkzeugmaschine. Diese Schlittenführungen erlauben präzise Bewegungen, haben aber geringe Schwingungsdämpfung. Mit Kunststoff beschichtete Gleitbahnen helfen in dieser Beziehung. Auch Rollenumlaufschuhe dienen dazu, die Schwingungsdämpfung der Schlittenführung zu verbessern. Kugelgewindetriebe sorgen dafür, Rotationen in lineare Bewegungen umzuwandeln.

Die Werkzeuge

Die verschiedenen Werkzeuge einer CNC-Werkzeugmaschine müssen so aufbewahrt werden, dass während der Bearbeitung ein Zugriff möglich ist. Dafür gibt es

• Werkzeugrevolver und
• Werkzeugmagazine.

In Werkzeugrevolvern sind die Werkzeuge fest eingespannt. Bei den Werkzeugmagazinen dagegen entnimmt die Maschine das Werkzeug und legt es wieder zurück.

Darüber hinaus gibt es noch angetriebene Werkzeuge, die eine komplette Bearbeitung eines Werkstücks ermöglichen.

Die Zukunft wird spannend!

In einer Fertigungsanlage steht eine CNC-Werkzeugmaschine in der Regel nicht allein. Meist bilden einzelne Maschinen Teil von Transferstraßen und Transferinseln. Sie stellen nicht nur einzelne Werkstücke her, sondern fertigen ein komplettes Produkt an, inklusive Montage, Qualitätssicherung und Verpackung. Während Fabrikarbeiter früher meist monotone, kräftezehrende Aufgaben verrichteten, versehen sie heute in der Regel Kontrollaufgaben. Wann öffnet die erste, menschenfreie Fabrik ihre Tore? Die Antwort auf diese Frage ist Spekulation. Betrachten wir uns die bisherige Entwicklung, so wird klar: Es ist nur eine Frage der Zeit.