Arbeitsebene

Arbeitsebene – Koordinatenebenen bei CNC-Maschinen

Die Arbeitsebene bezeichnet in der CNC-Technik die Ebene, in der eine Bearbeitung beziehungsweise eine programmierte Werkzeugbewegung ausgeführt wird. Sie wird durch zwei Maschinen- oder Koordinatenachsen aufgespannt und legt fest, wie bestimmte CNC-Funktionen von der Steuerung interpretiert werden.

Besonders wichtig ist die Arbeitsebene bei der Kreisinterpolation, Werkzeugradiuskorrektur, Bohrzyklen und bei der Bearbeitung komplexer Werkstücke.

Bei einer klassischen 3-Achs-CNC-Fräsmaschine mit den Linearachsen X, Y und Z stehen drei grundlegende Arbeitsebenen zur Verfügung:

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

Welche Ebene verwendet wird, hängt von der Lage der zu bearbeitenden Kontur und der jeweiligen CNC-Steuerung ab.

Was ist eine Arbeitsebene?

Eine Ebene wird geometrisch durch zwei Achsen definiert.

Bei einer CNC-Fräsmaschine sind dies beispielsweise die X- und Y-Achse. Gemeinsam bilden sie die XY-Ebene. Die dritte Achse – in diesem Fall Z – steht senkrecht zu dieser Ebene.

Bei der klassischen Bearbeitung einer Werkstückoberseite bewegt sich das Werkzeug häufig innerhalb der XY-Ebene, während die Z-Achse für Zustellung und Bearbeitungstiefe verwendet wird.

Ein einfaches Beispiel ist das Fräsen einer rechteckigen Tasche:

• X bestimmt die Bewegung in einer Richtung,
• Y bestimmt die Bewegung in der zweiten Richtung,
• Z bestimmt die Bearbeitungstiefe.

Die eigentliche Kontur der Tasche liegt damit in der XY-Arbeitsebene.

G17 – XY-Ebene

Mit G17 wird bei vielen CNC-Steuerungen die XY-Ebene als aktive Arbeitsebene ausgewählt.

G17

Die X- und Y-Achse bilden dabei die Ebene, während die Z-Achse senkrecht auf dieser Ebene steht.

G17 ist bei klassischen vertikalen CNC-Fräsmaschinen eine besonders häufig verwendete Arbeitsebene.

Typische Anwendungen sind:

• Konturfräsen
• Taschenfräsen
• Kreistaschen
• Bohrbilder auf der Werkstückoberseite
• Kreisinterpolation in XY
• Planbearbeitungen

Soll beispielsweise ein Kreis auf der Oberseite eines Werkstücks gefräst werden, erfolgt die Kreisbewegung normalerweise in der XY-Ebene.

G18 – XZ-Ebene

Mit G18 wird die XZ-Ebene ausgewählt.

G18

Die X- und Z-Achse bilden nun die aktive Ebene. Die Y-Achse steht senkrecht dazu.

Diese Ebene spielt unter anderem bei CNC-Drehmaschinen eine wichtige Rolle, da die klassische Drehbearbeitung in der Regel über die X- und Z-Achse erfolgt.

Auch auf Fräsmaschinen kann G18 verwendet werden, wenn beispielsweise eine Kontur oder ein Kreisbogen in der XZ-Ebene bearbeitet werden soll.

G19 – YZ-Ebene

Mit G19 wird die YZ-Ebene aktiviert.

G19

In diesem Fall bilden Y und Z die Arbeitsebene. Die X-Achse steht senkrecht dazu.

Diese Einstellung kann beispielsweise erforderlich sein, wenn eine seitliche Kontur eines Werkstücks bearbeitet wird und die entsprechende Werkzeugbewegung innerhalb der YZ-Ebene erfolgt.

Arbeitsebene und Kreisinterpolation

Besonders wichtig ist die Wahl der Arbeitsebene bei G02 und G03.

Diese Befehle werden bei vielen CNC-Steuerungen für Kreisinterpolationen verwendet:

G02 – Kreisbewegung im Uhrzeigersinn
G03 – Kreisbewegung gegen den Uhrzeigersinn

Die Steuerung muss dabei wissen, in welcher Ebene der Kreis beziehungsweise Kreisbogen liegen soll.

Beispielsweise:

G17
G02 X50 Y50 I25 J0

Durch G17 weiß die Steuerung, dass die Kreisbewegung in der XY-Ebene ausgeführt werden soll.

Bei G18 würde eine entsprechende Kreisinterpolation dagegen in der XZ-Ebene und bei G19 in der YZ-Ebene stattfinden.

Warum ist die Arbeitsebene so wichtig?

Ohne eine eindeutig definierte Arbeitsebene könnte die CNC-Steuerung bestimmte Befehle nicht korrekt interpretieren.

Ein Kreis benötigt beispielsweise eine eindeutige geometrische Ebene.

Die Arbeitsebenenauswahl beeinflusst je nach Steuerung unter anderem:

• Kreisinterpolation
• Werkzeugradiuskorrektur
• Bearbeitungszyklen
• Bohrzyklen
• Werkzeugorientierung
• Interpretation bestimmter Koordinaten
• Drehrichtung von Kreisbewegungen

Welche Funktionen konkret von G17, G18 und G19 beeinflusst werden, ist allerdings steuerungsabhängig.

Arbeitsebene und Werkzeugachse

Bei einer klassischen 3-Achs-Fräsmaschine steht die Werkzeugachse häufig senkrecht zur gewählten Bearbeitungsebene.

Bei G17:

Arbeitsebene: X/Y
senkrechte Achse: Z

Bei G18:

Arbeitsebene: X/Z
senkrechte Achse: Y

Bei G19:

Arbeitsebene: Y/Z
senkrechte Achse: X

Dieses Prinzip ist insbesondere für das Verständnis von Bearbeitungszyklen und Kreisbewegungen wichtig.

Arbeitsebene bei CNC-Drehmaschinen

Bei einer klassischen CNC-Drehmaschine erfolgt die Hauptbearbeitung normalerweise in der XZ-Ebene.

Die Z-Achse verläuft entlang der Drehachse des Werkstücks, während die X-Achse die Bewegung in Richtung des Werkstückdurchmessers beschreibt.

Daher spielt G18 bei vielen Drehmaschinen eine zentrale Rolle.

Bei modernen Dreh-Fräszentren mit angetriebenen Werkzeugen, C-Achse und Y-Achse können jedoch wesentlich komplexere Arbeitsebenen und Bearbeitungsstrategien verwendet werden.

Arbeitsebene und Werkzeugradiuskorrektur

Auch bei der Werkzeugradiuskorrektur ist die aktive Arbeitsebene von Bedeutung.

Beim Konturfräsen muss die CNC-Steuerung wissen, auf welcher Seite der programmierten Kontur sich der Mittelpunkt des Fräsers befinden soll.

Bei vielen Steuerungen werden hierfür verwendet:

• G40 – Werkzeugradiuskorrektur abwählen
• G41 – Werkzeugradiuskorrektur links
• G42 – Werkzeugradiuskorrektur rechts

Die Begriffe „links“ und „rechts“ ergeben sich dabei aus der Bewegungsrichtung des Werkzeugs innerhalb der aktiven Arbeitsebene.

Eine falsch gewählte Ebene kann deshalb zu einer falschen Interpretation der Werkzeugkorrektur führen.

Arbeitsebene und Bohrzyklen

Auch bei Bearbeitungszyklen muss feststehen, welche Achse die Zustellbewegung ausführt.

Bei einer typischen vertikalen Fräsbearbeitung mit aktiver XY-Ebene werden die Bohrungspositionen über X und Y angefahren.

Die eigentliche Bohrbewegung erfolgt anschließend in Z-Richtung.

Beispielsweise können mehrere Bohrungspositionen in der XY-Ebene definiert werden, während ein zuvor aufgerufener Bohrzyklus an jeder Position die entsprechende Bewegung in Z ausführt.

Die genaue Programmierung hängt vom verwendeten CNC-System ab.

Geschwenkte Arbeitsebene

Bei modernen 5-Achs-Bearbeitungszentren reicht die Betrachtung der drei klassischen Hauptebenen häufig nicht mehr aus.

Durch zusätzliche Dreh- und Schwenkachsen kann das Werkstück oder Werkzeug räumlich orientiert werden.

Die Steuerung kann dann eine geschwenkte Arbeitsebene definieren.

Dadurch kann der Programmierer eine schräg im Raum liegende Fläche so behandeln, als würde sie in einem normalen zweidimensionalen Koordinatensystem liegen.

Dies erleichtert beispielsweise:

• Bohren auf schrägen Flächen
• Taschen auf geneigten Flächen
• Konturbearbeitung
• Fräsen komplexer Geometrien
• Mehrseitenbearbeitung

Die genaue Umsetzung unterscheidet sich erheblich zwischen den verschiedenen CNC-Steuerungen.

Transformation des Koordinatensystems

Bei einer geschwenkten Arbeitsebene kann die CNC-Steuerung eine Koordinatentransformation durchführen.

Der Programmierer arbeitet dadurch mit einem transformierten Koordinatensystem, während die Steuerung die notwendigen Bewegungen der tatsächlichen Maschinenachsen berechnet.

Dies ist insbesondere bei Maschinen mit A-, B- oder C-Achsen von Bedeutung.

Die Steuerung berücksichtigt dabei die jeweilige Maschinenkinematik.

Arbeitsebene bei der 3+2-Bearbeitung

Eine typische Anwendung geschwenkter Arbeitsebenen ist die 3+2-Achs-Bearbeitung.

Dabei werden zwei Rotationsachsen zunächst verwendet, um das Werkzeug oder Werkstück in eine bestimmte räumliche Orientierung zu bringen.

Anschließend werden die Rotationsachsen normalerweise nicht simultan zur eigentlichen Fräsbewegung verwendet. Die Bearbeitung erfolgt mit den drei Linearachsen innerhalb der neu ausgerichteten Arbeitsebene.

Damit können beispielsweise mehrere Seiten eines komplexen Werkstücks in einer Aufspannung bearbeitet werden.

Arbeitsebene und 5-Achs-Simultanbearbeitung

Die 5-Achs-Simultanbearbeitung geht noch einen Schritt weiter.

Hier können drei Linearachsen und zwei Rotationsachsen gleichzeitig bewegt werden. Werkzeugposition und Werkzeugorientierung verändern sich während der Bearbeitung kontinuierlich.

Die klassische Vorstellung einer statischen Arbeitsebene reicht für solche Werkzeugbahnen daher nicht immer aus.

CNC-Steuerung und CAM-System müssen die räumliche Werkzeugbewegung unter Berücksichtigung der gesamten Maschinenkinematik berechnen.

Arbeitsebene und Werkstücknullpunkt

Die Arbeitsebene darf nicht mit dem Werkstücknullpunkt verwechselt werden.

Der Werkstücknullpunkt legt den Bezugspunkt des Werkstückkoordinatensystems fest.

Die Arbeitsebene bestimmt dagegen, in welcher Ebene bestimmte Bearbeitungsbewegungen und CNC-Funktionen interpretiert werden.

Beide Konzepte arbeiten jedoch eng zusammen.

Beispielsweise kann über G54 ein Werkstückkoordinatensystem aktiviert und anschließend mit G17 die XY-Ebene ausgewählt werden.

Arbeitsebene und Absolutmaß

Auch die Arbeitsebene und das Absolutmaß beschreiben unterschiedliche Dinge.

Mit G90 wird bei vielen CNC-Steuerungen die Absolutmaßprogrammierung aktiviert. Die programmierten Positionen beziehen sich damit auf einen definierten Nullpunkt.

Mit G17, G18 oder G19 wird dagegen die Arbeitsebene bestimmt.

Beispielsweise:

G90 G17
G0 X0 Y0
G1 X50 Y30

bedeutet vereinfacht:

G90: absolute Koordinaten verwenden
G17: XY-Ebene auswählen

Die beiden Funktionen ergänzen sich, ersetzen einander jedoch nicht.

Häufige Fehler bei der Wahl der Arbeitsebene

Eine falsch eingestellte Arbeitsebene kann zu unerwarteten Maschinenbewegungen oder Fehlermeldungen führen.

Besonders zu beachten sind:

• aktive Ebene vor Kreisbewegungen
• korrekte Ebene für Werkzeugradiuskorrekturen
• richtige Zustellachse bei Bearbeitungszyklen
• vorherige Schwenk- oder Transformationsbefehle
• Unterschiede zwischen verschiedenen CNC-Steuerungen

Vor allem bei Programmen, die zwischen verschiedenen Bearbeitungsseiten wechseln, sollte die gewünschte Arbeitsebene eindeutig programmiert werden.

Fazit

Die Arbeitsebene definiert bei einer CNC-Maschine die Ebene, in der bestimmte Bearbeitungsbewegungen und Steuerungsfunktionen ausgeführt beziehungsweise interpretiert werden.

Bei klassischen 3-Achs-Maschinen werden üblicherweise drei Hauptebenen unterschieden:

G17 – XY-Ebene
G18 – XZ-Ebene
G19 – YZ-Ebene

Besonders wichtig ist die Arbeitsebene bei Kreisinterpolationen, Werkzeugkorrekturen und Bearbeitungszyklen.

Bei modernen Mehrachsmaschinen können darüber hinaus geschwenkte und transformierte Arbeitsebenen verwendet werden. Dadurch lassen sich auch schräg im Raum liegende Flächen komfortabel programmieren und komplexe Werkstücke in möglichst wenigen Aufspannungen bearbeiten.