Werkzeugmaschinen: Fräsmaschine 15.07.2017, 06:14

Am Beispiel einer vereinfachten NC-Fräsmaschine wird die Werkzeug- und Werkstücksteuerung nach Koordinatenachsen dargestellt.

Fräsmaschinen

Um 1970 kamen die ersten numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen auf den Markt. Ihre Steuerungsbefehle erhielten sie über Lochstreifen oder Magnetkassetten.  
20 Jahre später hatte sich in der Massenfertigung die Einzelmaschine zum Bearbeitungszentrum gewandelt: Sein äußeres Merkmal ist die völlige Kapselung. Mit Hilfe von Werkzeugspeichern und eines automatischen Werkzeugwechsels konnte man jetzt aufwendige Werkstücke komplett bearbeiten. Die Basis der NC-Steuerung sind Mikroprozessoren. Bei den Maschinen wird großer Wert auf eine gute Bedienbarkeit gelegt. Dies ist möglich durch graphische Bedienoberflächen, durch Fehlerdiagnose- und Überwachungssysteme und Ähnliches. 

Ein großer Teil moderner Maschinen wird heute CNC-gesteuert.
(Als Numerische Steuerung (NC, engl.: Numerical Control) bezeichnet man ein Gerät zur Steuerung von Maschinen, welches Steuerbefehle liest, die als Code auf einem Datenträger vorliegen. Diese Daten werden von der Maschine in Arbeits- bzw. Bewegungsabläufe umsetzt.
CNC: Computerized Numerical Control, übersetzt „computerisierte numerische Steuerung“, steuert und regelt Werkzeugmaschinen elektronisch bzw. ihre Controller und Computer.) 

Der Bediener einer CNC-Maschine wird nicht mehr mit herkömmlichen Zeichnungen beliefert. Das NC-Programm für das zu produzierende Teil wird direkt auf Basis der am Computer verwendeten CAD-Daten geschrieben. So müssen die notwendigen Instruktionen für die CNC-Maschine und die Anweisungen für den Bediener auch nicht mehr ausgedruckt werden; sie werden in elektronischer Form an die CNC-Maschine übermittelt.

Je nach dem Bearbeitungskonzept unterscheidet man

1. Bearbeitungszentren (BZ).
2. Flexible Fertigungszellen (FFZ)
3. Flexible Fertigungssysteme (FFS)

Das BZ bearbeitet jeweils ein Werkstück selbsttätig.
Die FFZ bearbeitet jeweils mehrere Werkstücke selbsttätig.  
Das FFS ist ein Mehrmaschinensystem: Das durch mehrere Maschinen verkettete System bearbeitet jeweils mehrere Werkstücke selbsttätig. 

Koordinatensystem
Die Norm DIN 66 217 legt die Achsbezeichnungen und ihre Zuordnung zu einem Koordinatensystem für NC-Maschinen fest. In diesem stimmen die Achsen X, Y, und Z mit den Hauptführungsbahnen der NC-Maschine überein. Das Koordinatensystem bezieht sich grundsätzlich auf das aufgespannte Werkstück. 

Bei Fräsmaschinen ist die Arbeitsspindel der Träger des rotierenden Werkzeugs.

Z-Achse
Der Bediener blickt in Richtung der Hauptspindel auf das Werkstück, also in Z-Richtung.
Entfernt sich das Werkzeug vom Werkstück, entsteht eine Bewegung in positiver Richtung. Bewegt sich das Werkzeug in der Z-Achse auf das Werkstück zu, entsteht eine Z-Bewegung in negativer Richtung.

X-Achse
Die X-Achse ist die Hauptachse in der Positionierebene. Sie liegt parallel zur Aufspannfläche des Werkstücks.

Y-Achse
Durch die Lage und Richtung der X- und Z- Achse ergibt sich automatisch die Lage und Richtung der Y-Achse.

Fräsmaschinen mit Schwenkkopf
Der schwenkbare Werkzeugkopf ermöglicht es, die senkrechte Arbeitsspindel aus der Z-Richtung in eine waagrechte Position zu schwenken.

Zeichnung für Arbeitsblatt 

Gleichstrommotore bewegen den Frästisch und den Fräskopf. Worin liegt der Unterschied zwischen Gleichstrommotoren und Drehstrommotoren? 

Elektromotoren können mit Gleichstrom, Wechselstrom oder Drehstrom arbeiten. 
Gleichstrommotoren werden allgemein in der Industrie und im Automobil sowie im Haushalt eingesetzt. Im Haushalt ist fast jedes Küchengerät und jedes elektrische Werkzeug damit ausgestattet. Auch bei industriellen Anwendungen hat der Gleichstrommotor seine Vorteile; er gilt als robuster und günstiger Antrieb.
In jedem Auto ist eine Reihe von Gleichstrommotoren verbaut, z. B im Lüfter, Wischer, Gebläse.

Sie sind flexibel und vielseitig einsetzbar. Auch in Fertigungsmaschinen werden sie vorzugsweise verwendet. Ihre typischen Anwendungsbereiche liegen dort, wo es nicht auf eine zu große Leistung und eine kompakte Bauform ankommt. Vorteile bieten u. A. auch ihre Regelbarkeit und das Anlaufverhalten. 
Gleichstrommotoren werden mit Gleichstrom gespeist. Sie haben feste Erregerwicklungen und einen beweglichen Anker; der Läufer trägt die Ankerwicklung, während ein Kommutator (oder Stromwender) für die regelmäßige Umpolung der Stromrichtung sorgt, um eine kontinuierliche Drehung aufrecht zu erhalten.

Drehstrommotor 
Ein Drehstrommotor benötigt für seine Ansteuerelektronik ausreichend Platz, der beispielsweise in Haushaltsgeräten zumeist nicht vorhanden ist. Der Drehstrommotor wird mit einem so genanntem Dreiphasenwechselstrom betrieben. Bei diesem handelt es sich um drei einzelne Wechselspannungen, die  zeitlich versetzt über drei einzelne Leitungen abgegeben werden.
Die drei Wechselspannungen werden an drei verschiedene Spulen angelegt, die um 120 Grad versetzt kreisförmig im Motor eingebaut sind. Daraus ergibt sich ein zeitlicher Versatz der sinusförmigen Wechselspannungen. So bauen sich in den drei Spulen im Motor drei Magnetfelder auf, die ebenfalls zeitlich versetzt sind. In der Summe entsteht ein magnetisches Drehfeld innerhalb des Motors.
Im Zentrum der drei Spulen befindet sich der so genannte Rotor, der aus einem magnetischen Material besteht. Das magnetische Drehfeld versetzt den Rotor in eine Drehbewegung, die genau dem zeitlichen Ablauf der sich wechselnden drei Magnetfelder entspricht.
Die Netzfrequenz von 50 Hertz bewirkt, dass sich das Magnetfeld 50 Mal in der Sekunde dreht, was einer Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute entspricht.

Vorteile und Einsatzgebiete des Drehstrommotors
Wegen der robusten Bauart von sind Drehstrommotoren in den meisten Maschinenarten einsetzbar. Auch der Einsatz in Fertigungsmaschinen wie etwa Werkzeugmaschinen ist eine sehr häufige Art der Verwendung dieser Motoren.

Der Hauptvorteil dieser Motorenart ist der günstige Wirkungsgrad, der mit bis zu 80 Prozent wesentlich höher ist als bei Gleichstrommotoren.