Achsinterpolation

Achsinterpolation – koordinierte Bewegung mehrerer CNC-Achsen

Die Achsinterpolation bezeichnet die von der CNC-Steuerung berechnete und koordinierte Bewegung von zwei oder mehreren Maschinenachsen. Sie sorgt dafür, dass sich die einzelnen Achsen nicht unabhängig voneinander bewegen, sondern ihre Geschwindigkeiten und Positionen so aufeinander abgestimmt werden, dass das Werkzeug einer vorgegebenen Bahn folgt.

Die Achsinterpolation gehört damit zu den grundlegenden Funktionen moderner CNC-Steuerungen. Erst durch sie können Geraden, Kreisbögen, Konturen und komplexe dreidimensionale Werkzeugbahnen präzise abgefahren werden.

Was bedeutet Interpolation bei CNC-Maschinen?

Ein CNC-Programm beschreibt normalerweise nicht jede einzelne Zwischenposition des Werkzeugs. Stattdessen werden beispielsweise ein Startpunkt, ein Zielpunkt und die gewünschte Bewegungsart programmiert.

Die CNC-Steuerung berechnet daraus automatisch die notwendigen Zwischenpositionen der beteiligten Achsen.

Soll ein Werkzeug beispielsweise von

X0 Y0

nach

X100 Y50

fahren, müssen sich X- und Y-Achse gleichzeitig und in einem genau definierten Verhältnis bewegen.

Die Steuerung berechnet die Bewegungen so, dass das Werkzeug eine gerade Linie zwischen beiden Punkten beschreibt.

Genau dieser Vorgang wird als Interpolation bezeichnet.

Warum ist die Achsinterpolation notwendig?

Würden die Maschinenachsen lediglich nacheinander bewegt, könnte eine gewünschte Kontur nicht direkt hergestellt werden.

Bei einer Bewegung von X0/Y0 nach X100/Y50 könnte beispielsweise zunächst die X-Achse auf X100 fahren und anschließend die Y-Achse auf Y50.

Das Werkzeug würde dadurch einen rechtwinkligen Weg zurücklegen.

Durch die Achsinterpolation bewegen sich dagegen beide Achsen gleichzeitig. Dadurch entsteht die gewünschte diagonale Werkzeugbahn.

Die Interpolation ermöglicht somit:

• gerade Werkzeugbewegungen
• Kreisbewegungen
• Konturbearbeitungen
• 3D-Oberflächen
• simultane Mehrachsbearbeitung
• kontinuierliche Werkzeugbahnen

Linearinterpolation

Die Linearinterpolation gehört zu den wichtigsten Interpolationsarten einer CNC-Steuerung.

Dabei wird das Werkzeug auf einer geraden Linie zwischen zwei programmierten Punkten bewegt.

Typischerweise wird hierfür der Befehl G01 beziehungsweise G1 verwendet.

Ein einfaches Beispiel:

G01 X100 Y50 F500

Die CNC-Steuerung koordiniert die X- und Y-Achse so, dass der programmierte Endpunkt auf einer geraden Bahn erreicht wird.

F500 definiert dabei den programmierten Vorschub.

Interpolation mehrerer Linearachsen

Die Linearinterpolation ist nicht auf zwei Achsen beschränkt.

Beispielsweise:

G01 X100 Y50 Z-20 F500

Hier müssen sich X-, Y- und Z-Achse gleichzeitig bewegen.

Die Steuerung berechnet für jede Achse die erforderliche Geschwindigkeit so, dass das Werkzeug eine räumliche Gerade zwischen Start- und Zielpunkt beschreibt.

Dies bildet eine wichtige Grundlage für die Bearbeitung dreidimensionaler Werkstücke.

Kreisinterpolation

Neben geraden Bewegungen können CNC-Steuerungen auch Kreisbahnen interpolieren.

Hierfür werden üblicherweise verwendet:

G02 – Kreisbewegung im Uhrzeigersinn

G03 – Kreisbewegung gegen den Uhrzeigersinn

Beispielsweise können X- und Y-Achse so miteinander koordiniert werden, dass das Werkzeug einen Kreisbogen fährt.

Je nach Steuerung wird der Kreismittelpunkt beispielsweise über I-, J- und K-Werte oder der Radius über einen entsprechenden Radiusparameter angegeben.

Interpolationsebenen

Für die Kreisinterpolation muss die CNC-Steuerung wissen, in welcher Ebene der Kreis liegt.

Bei vielen Steuerungen werden dafür folgende Befehle verwendet:

• G17: XY-Ebene
• G18: XZ-Ebene
• G19: YZ-Ebene

Bei einer klassischen Konturbearbeitung auf einer CNC-Fräsmaschine wird häufig in der XY-Ebene gearbeitet.

Interpolation und Vorschub

Bei einer interpolierten Bewegung muss die Steuerung die Geschwindigkeiten der einzelnen Achsen aufeinander abstimmen.

Angenommen, eine Bewegung führt von:

X0 Y0

nach:

X100 Y50

Die X-Achse muss dabei einen doppelt so großen Weg zurücklegen wie die Y-Achse.

Beide Achsen müssen ihren jeweiligen Endpunkt jedoch zum gleichen Zeitpunkt erreichen.

Die Steuerung berechnet deshalb für jede Achse die erforderliche Geschwindigkeit.

Der programmierte Vorschub beschreibt dabei grundsätzlich die Geschwindigkeit entlang der resultierenden Werkzeugbahn und nicht einfach die Geschwindigkeit einer einzelnen Achse.

Bahnsteuerung

Die Achsinterpolation ist eng mit der Bahnsteuerung einer CNC-Maschine verbunden.

Die Steuerung berechnet kontinuierlich Sollpositionen für die beteiligten Achsen. Die Antriebsregelungen versuchen anschließend, diese Positionen möglichst genau einzuhalten.

Dazu arbeiten mehrere Komponenten zusammen:

• CNC-Steuerung
• Bahnplanung
• Interpolator
• Antriebsregler
• Servomotoren
• Positionsmesssysteme
• Maschinenmechanik

Die erreichbare Konturgenauigkeit hängt deshalb nicht nur von der mathematischen Berechnung der Werkzeugbahn ab.

Interpolationstakt

Die Berechnung der Zwischenpositionen erfolgt in sehr kurzen Zeitabständen.

Innerhalb dieser Interpolationstakte berechnet die Steuerung fortlaufend neue Sollwerte für die Maschinenachsen.

Je komplexer und dynamischer eine Werkzeugbahn ist, desto höhere Anforderungen entstehen an:

• Rechenleistung der CNC-Steuerung
• Regelungstechnik
• Datenverarbeitung
• Servoantriebe
• mechanische Dynamik der Maschine

Dies ist insbesondere bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten und komplexen 3D-Konturen relevant.

2-Achs-Interpolation

Bei einer 2-Achs-Interpolation werden zwei Achsen gleichzeitig koordiniert.

Ein typisches Beispiel ist die Konturbearbeitung in der XY-Ebene einer CNC-Fräsmaschine.

Dabei können beispielsweise:

• Geraden
• Kreisbögen
• Taschen
• Konturen

hergestellt werden.

3-Achs-Interpolation

Bei einer 3-Achs-Interpolation werden X-, Y- und Z-Achse gleichzeitig bewegt.

Dadurch können räumliche Werkzeugbahnen erzeugt werden.

Typische Anwendungen sind:

• Formenbau
• Freiformflächen
• 3D-Konturen
• Gesenkbau
• Modellbau
• komplexe Oberflächen

Bei der 3D-Bearbeitung erzeugt eine CAM-Software häufig eine große Anzahl aufeinanderfolgender Werkzeugpositionen, die von der CNC-Steuerung abgearbeitet werden.

4-Achs-Interpolation

Besitzt eine CNC-Fräsmaschine beispielsweise zusätzlich eine A-Achse, kann diese ebenfalls in die interpolierte Bewegung eingebunden werden.

Dann bewegen sich beispielsweise:

X + Y + Z + A

gleichzeitig.

Das Werkstück dreht sich während der Fräsbewegung kontinuierlich.

Typische Anwendungen sind:

• spiralförmige Konturen
• Bearbeitung von Wellen
• Gravuren auf Zylinderflächen
• Schnecken
• komplexe rotationsbezogene Geometrien

Dies unterscheidet sich von einer 3+1-Bearbeitung, bei der die vierte Achse lediglich positioniert und während der eigentlichen Fräsbearbeitung nicht simultan bewegt wird.

5-Achs-Simultanbearbeitung

Eine besonders anspruchsvolle Form der Achsinterpolation ist die 5-Achs-Simultanbearbeitung.

Dabei werden beispielsweise drei Linearachsen und zwei Rotationsachsen gleichzeitig gesteuert:

X + Y + Z + A + C

oder abhängig von der Maschinenkinematik eine andere Achskombination.

Dadurch können Werkzeugposition und Werkzeugorientierung während der Bearbeitung kontinuierlich verändert werden.

Dies ermöglicht die Herstellung hochkomplexer Bauteile wie:

• Turbinenschaufeln
• Impeller
• komplexe Formen
• Luftfahrtbauteile
• medizinische Komponenten
• anspruchsvolle Werkzeugformen

Achsinterpolation und CAM-System

Bei einfachen Geraden oder Kreisbewegungen können Werkzeugbahnen direkt im CNC-Programm definiert werden.

Bei komplexen 3D-, 4-Achs- oder 5-Achs-Bearbeitungen wird dagegen üblicherweise ein CAM-System eingesetzt.

Das CAM-System berechnet die Werkzeugbahn anhand des CAD-Modells.

Ein Postprozessor übersetzt diese Werkzeugbahn anschließend in ein für die jeweilige CNC-Steuerung und Maschinenkinematik geeignetes NC-Programm.

Die eigentliche koordinierte Ausführung der programmierten Bewegungen übernimmt anschließend die CNC-Steuerung.

Look-Ahead-Funktion

Moderne CNC-Steuerungen können zukünftige Programmsätze bereits vor ihrer tatsächlichen Ausführung analysieren. Dieses Verfahren wird häufig als Look Ahead bezeichnet.

Die Steuerung erkennt dadurch beispielsweise frühzeitig:

• enge Radien
• starke Richtungsänderungen
• kurze Bahnsegmente
• erforderliche Beschleunigungs- und Bremsvorgänge

Die Achsgeschwindigkeiten können entsprechend angepasst werden.

Das ist besonders bei der HSC-Bearbeitung und komplexen 3D-Konturen wichtig.

Beschleunigung und Achsdynamik

Eine theoretisch berechnete Werkzeugbahn kann nur so genau ausgeführt werden, wie es die Maschine mechanisch und regelungstechnisch ermöglicht.

Bei einem abrupten Richtungswechsel können die Maschinenachsen nicht augenblicklich ihre Geschwindigkeit ändern.

Die Steuerung muss deshalb:

• beschleunigen
• verzögern
• Achsgeschwindigkeiten koordinieren
• zulässige Beschleunigungen berücksichtigen

Bei hohen Vorschüben kann es deshalb erforderlich sein, die Geschwindigkeit vor engen Konturen zu reduzieren.

Schleppfehler

Bei einer interpolierten Bewegung sollen alle beteiligten Achsen ihren berechneten Sollpositionen möglichst genau folgen.

Die Differenz zwischen Soll- und tatsächlicher Position wird im Zusammenhang mit geregelten Achsen häufig als Schleppabweichung beziehungsweise Schleppfehler bezeichnet.

Zu große Abweichungen können sich unmittelbar auf die gefertigte Kontur auswirken.

Besonders bei Kreisbewegungen kann eine unterschiedliche Dynamik der beteiligten Achsen zu Konturabweichungen führen.

Kreisformtest

Die Qualität der Achsinterpolation einer Werkzeugmaschine kann unter anderem durch einen Kreisformtest beurteilt werden.

Dabei fahren zwei Achsen gemeinsam eine Kreisbahn.

Abweichungen von der idealen Kreisform können Hinweise auf unterschiedliche Fehler liefern, beispielsweise:

• Umkehrspiel
• Regelungsprobleme
• geometrische Fehler
• unterschiedliche Achsdynamik
• Reibungseinflüsse

Damit lässt sich das Zusammenspiel zweier Maschinenachsen untersuchen.

Achsinterpolation und Maschinenmechanik

Eine leistungsfähige CNC-Steuerung allein garantiert noch keine hohe Konturgenauigkeit.

Auch die Mechanik muss die berechneten Bewegungen präzise umsetzen können.

Wichtige Faktoren sind:

• steife Maschinenkonstruktion
• hochwertige Linearführungen
• präzise Kugelgewindetriebe oder Linearantriebe
• geringes Umkehrspiel
• leistungsfähige Servomotoren
• präzise Messsysteme
• korrekt eingestellte Antriebsregelung

Je höher Geschwindigkeit und Beschleunigung werden, desto wichtiger wird das Zusammenspiel dieser Komponenten.

Achsinterpolation und Werkstückqualität

Die Qualität der Interpolation beeinflusst unmittelbar die gefertigte Oberfläche.

Eine ungleichmäßige Achsbewegung kann beispielsweise zu:

• sichtbaren Übergängen
• Konturabweichungen
• Rattererscheinungen
• Maßabweichungen
• schlechter Oberflächenqualität

führen.

Besonders im Formenbau und bei Freiformflächen ist eine gleichmäßige Werkzeugbewegung entscheidend für eine hochwertige Oberfläche.

Fazit

Die Achsinterpolation ermöglicht die koordinierte Bewegung mehrerer CNC-Achsen und bildet damit eine wesentliche Grundlage der modernen CNC-Bearbeitung.

Bei der Linearinterpolation werden die Achsen so gesteuert, dass eine gerade Werkzeugbahn entsteht. Bei der Kreisinterpolation erzeugt die koordinierte Bewegung eine Kreis- oder Kreisbogenbahn.

Moderne CNC-Maschinen können darüber hinaus drei, vier oder fünf Achsen gleichzeitig interpolieren und damit komplexe räumliche Werkzeugbahnen erzeugen.

Für eine hohe Konturgenauigkeit müssen CNC-Steuerung, Servoantriebe, Messsysteme und Maschinenmechanik präzise zusammenarbeiten. Je komplexer die Werkzeugbahn und je höher die Bearbeitungsgeschwindigkeit, desto größer sind die Anforderungen an die Achsinterpolation.