Grundlagen der Mehrachsenbearbeitung: Steuerung von Drehachsen mit G-Code

Mit der zunehmenden Verbreitung von Fünf- und Mehrachsenbearbeitung ist die Drehachsensteuerung nicht mehr nur eine optionale Funktion, sondern ein Schlüsselfaktor für höhere Bearbeitungseffizienz, Genauigkeit und Prozessstabilität. Für Fertigungsingenieure hängt die Bearbeitungsqualität nicht nur von der Werkzeugmaschine selbst ab, sondern auch vom korrekten Verständnis von Koordinatensystemen, präziser G-Code-Programmierung und zuverlässiger Werkzeugwegsteuerung mittels CAM-Software.

Wenn das Programm fehlerhaft ist, kann dies zu Bearbeitungsabweichungen, Werkzeugkollisionen oder sogar zu einer schweren Maschinenkollision führen – was sich direkt auf Ausbeute, Produktivität und Produktionskosten auswirkt.

Mehrachsige Koordinatensysteme verstehen: Von der 3-Achs- zur 5-Achs-Bearbeitung

Bei der konventionellen 3-Achs-Bearbeitung ist das Konzept relativ einfach. Die Maschine bewegt sich entlang dreier linearer Achsen: X, Y und Z. Jede Achse führt eine lineare Bewegung in ihrer jeweiligen Richtung aus.

Mit der Einführung von Drehachsen wird der Bearbeitungsraum dreidimensional und weitaus flexibler.

In einem Standard-Fünf-Achs-Bearbeitungssystem umfasst die Maschine drei Linearachsen – X, Y und Z – sowie die Drehachsen A, B und C:

Die A-Achse rotiert um die X-Achse.
Die B-Achse rotiert um die Y-Achse.
Die C-Achse rotiert um die Z-Achse.

(KI-generiertes Bild)

Je nach Maschinenkonfiguration, beispielsweise einer Zapfen- oder Drehtischkonstruktion wie bei der detron GFA-Serie, kann die Kombination aus Linear- und Drehachsen variieren. Das Grundprinzip bleibt jedoch gleich: Die CNC-Steuerung koordiniert die Linear- und Drehbewegung, um die korrekte Werkzeugposition und den korrekten Schnittwinkel beizubehalten.

Der Schlüssel zum Verständnis der Mehrachsenbearbeitung liegt in der Festlegung des korrekten Referenzkoordinatensystems. Stimmt das in der CAM-Software definierte Koordinatensystem nicht mit dem tatsächlichen Maschinenkoordinatensystem überein, kann selbst ein perfekt generiertes G-Code-Programm völlig falsche Bearbeitungsergebnisse liefern.

Wie die Mehrachseninterpolation funktioniert: Wie G-Code die Drehachsenbewegung steuert

A. Der Mechanismus der mehrachsigen synchronen Bewegung

Die Mehrachsenbearbeitung ist im Wesentlichen die synchronisierte Interpolation der Linearachsen X/Y/Z und der Drehachsen A/B/C. Die CNC-Steuerung führt diese Bewegung in vier Hauptschritten aus:

1. G-Code-Interpretation

Das CAM-System gibt ein NC-Programm aus, das Befehle für den Drehachsenwinkel enthält.
Die CNC-Steuerung liest und interpretiert die folgenden Informationen:

• Koordinaten der Drehachsen A/B/C
• Vorschub F-Befehle
• Interpolationsmodus
• Absolute oder inkrementelle Positionierung
• Befehle für lineare oder kreisförmige Bewegungen

Dies ist der erste Schritt bei der Umwandlung programmierter Werkzeugwege in tatsächliche Maschinenbewegungen.

2. Echtzeit-Mehrachseninterpolation

Bei der Mehrachsenbearbeitung berechnet die Steuerung die gleichzeitige Bewegung der einzelnen Linear- und Drehachsen. Dies basiert auf dem Zusammenhang zwischen Linear- und Winkelgeschwindigkeit.
V=ω×R
Das CNC-System gleicht die Verschiebung der Linearachse automatisch an die Winkelgeschwindigkeit der Drehachse an. Dies gewährleistet einen gleichmäßigen Schnitt und beugt Überbearbeitung, Vibrationen und Oberflächenfehlern bei der Bearbeitung komplexer Oberflächen vor.

3. Servosignalübertragung

Nach der Interpolation wandelt die Steuerung die Achsenbefehle in Impulssignale oder Buskommunikationssignale um und sendet diese an die Servomotoren des Drehtisches.

Bei hochpräzisen Drehtischen wie detron 4. und 5. Achsen sind eine schnelle Servo-Ansprechzeit und eine stabile Signalübertragung entscheidend für eine genaue Mehrachsen-Synchronisation.

4. Geschlossene Rückkopplung und Fehlerkompensation

Ein im Drehtisch integrierter hochpräziser Encoder übermittelt kontinuierlich die aktuelle Winkelposition an das CNC-System. Die Steuerung kompensiert daraufhin in Echtzeit Spiel, Positionierfehler und Bewegungsabweichungen.

Diese Regelung im geschlossenen Regelkreis ermöglicht eine gleichmäßige, kontinuierliche und präzise Bewegung der Drehachse, was für die hochpräzise Mehrachsenbearbeitung unerlässlich ist.

B. Zwei Hauptbearbeitungsmodi mit Drehachse

Drehachsen werden typischerweise in zwei verschiedenen Bearbeitungsmodi eingesetzt, die jeweils eine andere G-Code-Programmierstrategie erfordern.

1. Indexierungsmodus

Im Indexiermodus bewegt sich die Drehachse intermittierend. Der typische Ablauf ist:
Schnelle Positionierung mit G00
Drehtischklemmung
Bearbeitungsvorgang
Indexierung zum nächsten Winkel

Dieser Modus ist ideal für:
Mehrseitiges Bohren
Seitliches Fräsen
Gewindeschneiden auf verschiedenen Werkstückflächen
Positionsbearbeitung
Reduzierung der Vorrichtungen in mehrseitigen Teilen

Die Indexierung findet breite Anwendung in der 3+1- oder 3+2-Bearbeitung, bei der die Drehachse das Werkstück positioniert und der Schneidvorgang hauptsächlich durch die Linearachsen durchgeführt wird.

2. Gleichzeitiger Mehrachsen-Bearbeitungsmodus

Im Modus der simultanen Bearbeitung bewegen sich die Linearachsen und die Drehachsen gleichzeitig. Dies wird typischerweise mithilfe der Interpolationsbefehle G01, G02 oder G03 realisiert.
Dieser Modus eignet sich für:

• Spiralfräsen
• Zylindrische Gravur
• Bearbeitung von Turbinenschaufeln
• Laufradbearbeitung
• Bearbeitung komplexer gekrümmter Oberflächen
• Herstellung von Komponenten für die Luft- und Raumfahrt sowie die Medizintechnik

In diesem Modus ändert sich die Werkzeugausrichtung während des Schneidens kontinuierlich, was einen besseren Werkzeugeingriff, eine verbesserte Oberflächengüte und weniger Bearbeitungsschritte ermöglicht.

Verdoppeln Sie Ihre Bearbeitungseffizienz

Die Beherrschung des G-Codes ist nur der erste Schritt – ein hochpräziser Drehtisch mit stabiler Genauigkeit ist die unverzichtbare Hardware-Grundlage für den Erfolg. Die 4- und 5-Achs-Drehtische von detron bieten außergewöhnliche Steifigkeit und extrem geringes Spiel und ermöglichen so die einwandfreie Ausführung komplexer, simultaner Bewegungsbefehle.

Um sich schnell in die Mehrachsen-Simultanprogrammierung einzuarbeiten, empfehlen wir, mit einfacher B-Achsen-Neigung in Kombination mit 3-Achsen-Interpolation zu beginnen und anschließend schrittweise die C-Achsen-Synchronisierung zu integrieren. Die 5-Achs-Rundtische der Serien GFA und RCF von detron wurden umfassend getestet und für die Kompatibilität mit gängigen CNC-Steuerungen optimiert. In Verbindung mit präziser G-Code-Programmierung ermöglichen sie Ihnen, die Genauigkeit und Effizienz Ihrer Anlagen voll auszuschöpfen.