Arbeitsraum

Arbeitsraum – verfügbarer Bewegungs- und Bearbeitungsbereich einer CNC-Maschine

Der Arbeitsraum einer CNC-Maschine bezeichnet den räumlichen Bereich, innerhalb dessen sich Werkzeug und Werkstück relativ zueinander bewegen und Bearbeitungen durchgeführt werden können. Er wird im Wesentlichen durch die Verfahrwege der Maschinenachsen, die Maschinenkinematik sowie durch konstruktive Begrenzungen bestimmt.

Bei einer klassischen 3-Achs-CNC-Fräsmaschine wird der Arbeitsraum hauptsächlich durch die maximal möglichen Bewegungen der X-, Y- und Z-Achse definiert.

Der Arbeitsraum gehört zu den wichtigsten technischen Kenngrößen einer Werkzeugmaschine, da er bestimmt, welche Werkstückgrößen und Bearbeitungspositionen grundsätzlich realisierbar sind.

Arbeitsraum und Verfahrwege

Die Größe des Arbeitsraums wird zunächst durch die Verfahrwege der einzelnen Maschinenachsen bestimmt.

Eine CNC-Fräsmaschine könnte beispielsweise folgende Verfahrwege besitzen:

• X-Achse: 1.000 mm
• Y-Achse: 600 mm
• Z-Achse: 500 mm

Daraus ergibt sich zunächst ein theoretisch verfügbarer dreidimensionaler Bewegungsbereich.

Dieser theoretische Bereich darf jedoch nicht automatisch mit dem tatsächlich nutzbaren Bearbeitungsraum gleichgesetzt werden.

Werkzeuglänge, Werkzeugaufnahme, Maschinentisch, Spannmittel und Werkstückabmessungen können den praktisch nutzbaren Bereich erheblich einschränken.

Unterschied zwischen Arbeitsraum und Arbeitsbereich

Die Begriffe Arbeitsraum und Arbeitsbereich werden in der Praxis teilweise ähnlich verwendet.

Unter dem Arbeitsraum versteht man häufig den gesamten räumlichen Bereich, in dem Bewegungen und Bearbeitungen grundsätzlich möglich sind.

Der tatsächlich nutzbare Arbeitsbereich kann dagegen durch die aktuelle Maschinenkonfiguration eingeschränkt sein.

Ein großer Schraubstock auf dem Maschinentisch kann beispielsweise einen Teil des vorhandenen Raums beanspruchen. Die Maschinenachsen besitzen zwar weiterhin ihre vollständigen Verfahrwege, für das Werkstück steht jedoch weniger nutzbarer Raum zur Verfügung.

Arbeitsraum einer 3-Achs-Fräsmaschine

Bei einer klassischen vertikalen CNC-Fräsmaschine bilden die drei Linearachsen den Arbeitsraum:

X-Achse: Bewegung in Längsrichtung
Y-Achse: Bewegung in Querrichtung
Z-Achse: Bewegung in vertikaler Richtung

Abhängig von der Maschinenkonstruktion bewegt sich dabei entweder das Werkzeug, das Werkstück oder eine Kombination aus beiden.

Für die Bearbeitung ist letztlich die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück entscheidend.

Verfahrweg ist nicht gleich Werkstückgröße

Ein häufiger Irrtum besteht darin, den Verfahrweg einer Maschine unmittelbar mit der maximal möglichen Werkstückgröße gleichzusetzen.

Besitzt eine Maschine beispielsweise einen X-Verfahrweg von 800 mm, bedeutet dies nicht zwangsläufig, dass ausschließlich Werkstücke mit maximal 800 mm Länge bearbeitet werden können.

Ein Werkstück kann durchaus länger als der Verfahrweg sein, sofern:

• es mechanisch aufgespannt werden kann,
• die benötigten Bearbeitungsstellen erreichbar sind,
• keine Kollision mit Maschinenkomponenten entsteht.

Umgekehrt kann ein Werkstück trotz ausreichend großer Verfahrwege nicht bearbeitbar sein, wenn seine Abmessungen oder die Spannvorrichtung mit der Maschinengeometrie kollidieren.

Maschinentisch und Arbeitsraum

Die Größe des Maschinentisches beeinflusst die Möglichkeiten zur Werkstückspannung erheblich.

Ein großer Tisch ermöglicht beispielsweise die Aufnahme:

• größerer Werkstücke
• mehrerer Schraubstöcke
• Spannvorrichtungen
• Nullpunktspannsysteme
• Vorrichtungsplatten
• mehrerer Werkstücke für Serienbearbeitung

Die Tischgröße ist jedoch ebenfalls nicht mit dem Verfahrweg gleichzusetzen.

Eine Maschine kann beispielsweise einen 1.200 mm langen Maschinentisch besitzen, obwohl der X-Verfahrweg nur 800 mm beträgt.

Z-Arbeitsraum

Besondere Aufmerksamkeit verdient der verfügbare Raum in Z-Richtung.

Entscheidend ist hier nicht nur der reine Z-Verfahrweg, sondern unter anderem der Abstand zwischen:

• Spindelnase
• Werkzeugaufnahme
• Werkzeug
• Werkstückoberkante
• Maschinentisch

Ein hohes Werkstück kann dazu führen, dass für lange Werkzeuge nicht mehr ausreichend Platz vorhanden ist.

Umgekehrt können bei sehr niedrigen Werkstücken besonders kurze Werkzeuge oder Werkzeugaufnahmen erforderlich sein, damit die Maschine die Werkstückoberfläche überhaupt erreicht.

Werkzeuglänge und Arbeitsraum

Jedes eingesetzte Werkzeug verändert den praktisch verfügbaren Arbeitsraum.

Ein langer Bohrer benötigt beispielsweise deutlich mehr Platz in Z-Richtung als ein kurzer Schaftfräser.

Zu berücksichtigen sind:

• Länge der Werkzeugaufnahme
• Werkzeuglänge
• Auskraglänge
• Spannfutter
• Spindelnase
• Werkstückhöhe

Besonders beim Werkzeugwechsel muss ausreichend Freiraum vorhanden sein.

Ein Werkzeug kann geometrisch für die Bearbeitung geeignet sein, aber aufgrund seiner Gesamtlänge innerhalb des verfügbaren Maschinenraums zu Kollisionsproblemen führen.

Spannmittel im Arbeitsraum

Auch Spannmittel beanspruchen einen Teil des Arbeitsraums.

Typische Beispiele sind:

• Maschinenschraubstöcke
• Spannpratzen
• Dreibackenfutter
• Nullpunktspannsysteme
• Magnetspannplatten
• Vakuumspannplatten
• Aufspannwinkel
• Sondervorrichtungen

Bei der Arbeitsvorbereitung muss deshalb nicht nur das Werkstück, sondern die gesamte Aufspannsituation betrachtet werden.

Sicherheitsabstände

Der theoretisch mögliche Bewegungsbereich sollte in der Praxis nicht vollständig ausgereizt werden.

Zwischen Werkzeug, Werkzeugaufnahme, Werkstück, Spannmitteln und Maschinenkomponenten müssen ausreichende Sicherheitsabstände berücksichtigt werden.

Besonders kritisch sind:

• Werkzeugaufnahme gegen Werkstück
• Spindel gegen Spannmittel
• Werkzeug gegen Schraubstock
• Maschinentisch gegen Maschinenverkleidung
• Rundachsen gegen Maschinenstruktur

Die Kollisionsbetrachtung gehört deshalb zu einer sicheren CNC-Programmierung.

Arbeitsraum und Maschinenkoordinatensystem

Der Arbeitsraum steht in engem Zusammenhang mit dem Maschinenkoordinatensystem.

Nach der Herstellung eines eindeutigen Maschinenbezugs kennt die CNC-Steuerung die Position der Maschinenachsen innerhalb ihrer zulässigen Bewegungsbereiche.

Über Software-Endschalter beziehungsweise Verfahrbereichsbegrenzungen kann verhindert werden, dass programmierte Bewegungen außerhalb des vorgesehenen Achsbereichs ausgeführt werden.

Der Werkstücknullpunkt stellt dagegen einen zusätzlichen Bezug innerhalb dieses Maschinenraums dar.

Software-Endschalter

Moderne CNC-Steuerungen verwenden häufig Software-Endschalter, um den zulässigen Bewegungsbereich einer Achse zu begrenzen.

Versucht ein CNC-Programm eine Position außerhalb dieses Bereichs anzufahren, kann die Steuerung die Bewegung verhindern und eine Fehlermeldung ausgeben.

Zusätzlich können mechanische beziehungsweise elektrische Endschalter als weitere Begrenzung vorhanden sein.

Diese Schutzmaßnahmen reduzieren das Risiko, dass eine Achse über ihren konstruktiv vorgesehenen Bereich hinaus bewegt wird.

Arbeitsraum bei Drehmaschinen

Auch eine CNC-Drehmaschine besitzt einen definierten Arbeitsraum.

Hier spielen unter anderem folgende Größen eine Rolle:

• maximaler Drehdurchmesser
• maximaler Umlaufdurchmesser
• Spitzenweite
• X-Verfahrweg
• Z-Verfahrweg
• Futtergröße
• Revolvergeometrie
• Reitstockposition

Ein Werkstück kann beispielsweise theoretisch in das Spannfutter passen, aber aufgrund seines Durchmessers mit dem Werkzeugrevolver oder anderen Maschinenkomponenten kollidieren.

Daher muss auch bei Drehmaschinen zwischen der theoretisch möglichen Werkstückgröße und dem tatsächlich bearbeitbaren Werkstück unterschieden werden.

Arbeitsraum bei 5-Achs-Maschinen

Bei einer 5-Achs-CNC-Maschine ist die Betrachtung des Arbeitsraums wesentlich komplexer.

Zusätzlich zu den Linearachsen stehen Dreh- beziehungsweise Schwenkachsen zur Verfügung.

Je nach Maschinenkinematik können beispielsweise vorhanden sein:

• X-Achse
• Y-Achse
• Z-Achse
• A-Achse
• C-Achse

Beim Schwenken eines Werkstücks verändert sich dessen räumliche Ausdehnung innerhalb der Maschine.

Ein Werkstück, das bei A0° problemlos in den Maschinenraum passt, kann bei einer Schwenkbewegung mit:

• Maschinentisch
• Spindel
• Maschinenverkleidung
• Werkzeugwechsler
• anderen Maschinenkomponenten

kollidieren.

Störkonturen

Bei der CNC-Programmierung werden Maschinen- und Spannkomponenten, die mögliche Werkzeugbewegungen begrenzen, häufig als Störkonturen berücksichtigt.

Dazu können gehören:

• Schraubstockbacken
• Spannpratzen
• Spannfutter
• Aufspannwinkel
• Maschinentisch
• Werkstückhalter
• Maschinenkomponenten

Moderne CAM-Systeme können solche Geometrien in die Kollisionsberechnung einbeziehen.

Dadurch lassen sich problematische Werkzeugwege bereits vor der tatsächlichen Bearbeitung erkennen.

Arbeitsraumsimulation

Besonders bei komplexen Bearbeitungen ist eine Maschinensimulation sinnvoll.

Dabei wird nicht nur die Werkzeugbahn dargestellt, sondern möglichst die komplette Maschinenkinematik simuliert.

Eine solche Simulation kann beispielsweise überprüfen:

• Werkzeugbewegungen
• Achsbewegungen
• Werkzeughalter
• Spannmittel
• Werkstück
• Schwenkbewegungen
• mögliche Kollisionen
• Überschreitung von Achsgrenzen

Insbesondere bei 5-Achs-Bearbeitungen ist eine realistische Arbeitsraumsimulation ein wichtiges Hilfsmittel zur Prozessabsicherung.

Arbeitsraum und Werkzeugwechsel

Auch der automatische Werkzeugwechsel stellt Anforderungen an den verfügbaren Arbeitsraum.

Je nach Maschinenkonstruktion muss die Spindel hierfür eine definierte Werkzeugwechselposition anfahren.

Dabei muss sichergestellt sein, dass:

• Werkstück
• Spannvorrichtung
• eingesetztes Werkzeug
• Werkzeugwechsler

nicht miteinander kollidieren.

Sehr hohe Werkstücke oder Vorrichtungen können deshalb auch dann problematisch sein, wenn die eigentliche Bearbeitungsposition erreichbar wäre.

Arbeitsraum optimal nutzen

Bei großen Werkstücken kann eine geschickte Aufspannung dazu beitragen, den verfügbaren Arbeitsraum besser auszunutzen.

Möglichkeiten sind beispielsweise:

• geeignete Positionierung des Werkstücks
• Verwendung kompakter Spannmittel
• kurze Werkzeugaufnahmen
• angepasste Werkzeuglängen
• Mehrfachaufspannungen
• Umsetzen des Werkstücks
• Einsatz von Nullpunktspannsystemen

Die optimale Nutzung des Arbeitsraums gehört damit auch zur Arbeitsvorbereitung und Fertigungsplanung.

Arbeitsraum und Eilgang

Auch Bewegungen im Eilgang finden innerhalb des Arbeitsraums statt.

Dabei ist besondere Vorsicht erforderlich, da die Maschine mit hoher Geschwindigkeit verfährt.

Eine programmierte Position kann zwar innerhalb der zulässigen Achsgrenzen liegen, der Weg zu dieser Position kann aber trotzdem durch ein Werkstück oder Spannmittel führen.

Ein zulässiger Koordinatenwert bedeutet deshalb nicht automatisch, dass der Verfahrweg kollisionsfrei ist.

Sichere Rückzugsebenen und sinnvoll geplante Anfahrbewegungen sind daher entscheidend.

Typische Kenngrößen des Arbeitsraums

Bei der Auswahl einer CNC-Maschine sollten unter anderem folgende Angaben betrachtet werden:

• Verfahrweg X
• Verfahrweg Y
• Verfahrweg Z
• Tischgröße
• Abstand Spindelnase zum Tisch
• maximale Werkstückhöhe
• maximale Werkstückmasse
• Störkreis beziehungsweise Schwenkbereich
• Werkzeugabmessungen
• Verfahrbereiche zusätzlicher Rundachsen

Erst die gemeinsame Betrachtung dieser Werte erlaubt eine realistische Einschätzung, ob bestimmte Werkstücke auf einer Maschine gefertigt werden können.

Fazit

Der Arbeitsraum einer CNC-Maschine beschreibt den räumlichen Bereich, innerhalb dessen Werkzeug und Werkstück relativ zueinander bewegt und Bearbeitungen durchgeführt werden können.

Die Verfahrwege von X-, Y- und Z-Achse bilden bei einer klassischen Fräsmaschine die grundlegenden Grenzen. Der tatsächlich nutzbare Arbeitsraum wird jedoch zusätzlich durch Werkzeuglänge, Werkstückgröße, Spannmittel, Maschinentisch und Maschinenkonstruktion beeinflusst.

Bei Mehrachsmaschinen wird die Betrachtung noch wichtiger, da Schwenk- und Drehbewegungen den benötigten Raum während der Bearbeitung verändern.

Für eine sichere Fertigung reicht es daher nicht aus, ausschließlich die angegebenen Verfahrwege einer Maschine zu betrachten. Entscheidend ist, ob Werkstück, Werkzeug, Werkzeugaufnahme und Spannmittel während des gesamten Bearbeitungsablaufs kollisionsfrei innerhalb des verfügbaren Arbeitsraums bewegt werden können.