Maschinennullpunkt

Maschinennullpunkt – Ursprung des Maschinenkoordinatensystems

Was ist der Maschinennullpunkt?

Der Maschinennullpunkt ist der festgelegte Ursprung des Maschinenkoordinatensystems einer CNC-Maschine. Er wird vom Maschinenhersteller bestimmt und kann vom Maschinenbediener normalerweise nicht verändert werden.

Am Maschinennullpunkt besitzen die zugehörigen Maschinenachsen den Koordinatenwert null. Bei einer dreiachsigen Werkzeugmaschine kann dieser Punkt vereinfacht mit folgenden Koordinaten dargestellt werden:

X0 Y0 Z0

Alle Positionen innerhalb des Maschinenarbeitsraums lassen sich auf diesen Ursprung zurückführen. Dazu gehören unter anderem:

• Achspositionen
• Verfahrgrenzen
• Referenzpunkte
• Werkzeugwechselpositionen
• Palettenwechselpositionen
• Messpositionen
• Belade- und Entladepositionen
• Werkstücknullpunkte
• Parkpositionen

Der Maschinennullpunkt wird häufig mit dem Buchstaben M gekennzeichnet.

Wer legt den Maschinennullpunkt fest?

Die Lage des Maschinennullpunkts wird bereits bei der Konstruktion und Inbetriebnahme der Werkzeugmaschine durch den Maschinenhersteller festgelegt.

Dabei werden unter anderem berücksichtigt:

• Aufbau der Maschine
• Lage der Achsantriebe
• Position der Messsysteme
• Verfahrwege
• Referenzmarken
• Werkzeugwechsel
• Schwenk- und Rundachsen
• Maschinenkinematik
• Software-Endschalter
• Sicherheitsbereiche

Der Bediener kann den Maschinennullpunkt normalerweise nicht neu setzen oder verschieben. Änderungen an dieser grundlegenden Maschinengeometrie dürfen nur nach Vorgabe des Herstellers und durch entsprechend qualifiziertes Fachpersonal vorgenommen werden.

Das Maschinenkoordinatensystem

Das Maschinenkoordinatensystem ist fest mit der Werkzeugmaschine verbunden. Es bildet die Grundlage für alle weiteren Koordinatensysteme.

Bei einer klassischen Fräsmaschine werden folgende Linearachsen verwendet:

• X-Achse
• Y-Achse
• Z-Achse

Bei Maschinen mit zusätzlichen Drehachsen können außerdem vorhanden sein:

• A-Achse
• B-Achse
• C-Achse

Die Achsrichtungen werden nach festgelegten Regeln bestimmt. Dabei wird grundsätzlich die Relativbewegung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück betrachtet.

Zusätzlich können weitere Achsen vorhanden sein, beispielsweise:

• U-, V- und W-Achsen
• Gegenspindelachsen
• Reitstockachsen
• Lünettenachsen
• Werkzeugrevolverachsen
• Roboter- und Ladeachsen

Nicht jede dieser Achsen muss denselben räumlichen Maschinennullpunkt besitzen. Die CNC-Steuerung verwaltet die Achsen jedoch innerhalb eines eindeutig definierten Maschinenbezugssystems.

Wo befindet sich der Maschinennullpunkt?

Die tatsächliche Lage des Maschinennullpunkts hängt von Maschinentyp, Hersteller und Maschinenkinematik ab.

Bei einem vertikalen Bearbeitungszentrum kann der Maschinennullpunkt beispielsweise in der Nähe einer Endlage des Maschinentischs und der höchsten Z-Achsposition liegen.

Bei einer Drehmaschine kann sich der Ursprung des Maschinenkoordinatensystems beispielsweise im Bereich der Spindelnase, der Drehachse oder einer konstruktiv festgelegten Position befinden.

Bei einer Portalmaschine, Fünfachsmaschine oder einem Dreh-Fräszentrum können die geometrischen Zusammenhänge deutlich komplexer sein.

Der Maschinennullpunkt muss nicht physisch sichtbar oder unmittelbar anfahrbar sein. Er kann auch ein rechnerisch definierter Punkt außerhalb des praktisch nutzbaren Arbeitsraums sein.

Maschinennullpunkt und Referenzpunkt

Maschinennullpunkt und Referenzpunkt werden häufig verwechselt. Sie erfüllen jedoch unterschiedliche Aufgaben.

Maschinennullpunkt

Der Maschinennullpunkt ist der feste Ursprung des Maschinenkoordinatensystems.

Referenzpunkt

Der Referenzpunkt ist eine reproduzierbar anfahrbare Position, an der die CNC-Steuerung die tatsächliche Lage einer Maschinenachse erkennt.

Nach einer Referenzfahrt kennt die Steuerung den Abstand zwischen Referenzpunkt und Maschinennullpunkt. Dadurch kann sie alle Maschinenpositionen eindeutig berechnen.

Referenzpunkt und Maschinennullpunkt können an derselben Position liegen, müssen es aber nicht.

Vereinfacht ausgedrückt:

• Der Maschinennullpunkt ist der rechnerische Ursprung.
• Der Referenzpunkt dient zur Bestimmung der tatsächlichen Achslage.

Warum ist eine Referenzfahrt erforderlich?

Bei Maschinen mit inkrementellen Messsystemen kennt die CNC-Steuerung nach dem Einschalten die genaue Achsposition nicht automatisch.

Die Achsen müssen deshalb eine Referenzmarke anfahren. Dieser Vorgang wird als Referenzfahrt bezeichnet.

Nach erfolgreicher Referenzfahrt kennt die Steuerung:

• die tatsächliche Achsposition
• die Lage des Referenzpunkts
• den Abstand zum Maschinennullpunkt
• die Verfahrgrenzen
• die gültigen Maschinenkoordinaten

Erst danach können Maschinenpositionen und Werkstücknullpunkte zuverlässig verwendet werden.

Bei absoluten Messsystemen ist eine klassische Referenzfahrt nach dem normalen Einschalten häufig nicht erforderlich. Die Zuordnung zwischen Messsystem und Maschinennullpunkt muss dennoch korrekt eingerichtet sein.

Maschinennullpunkt und Werkstücknullpunkt

Der Werkstücknullpunkt ist der Bezugspunkt für die Programmierung des eingespannten Werkstücks. Im Gegensatz zum Maschinennullpunkt kann er vom Bediener passend zur Aufspannung und technischen Zeichnung gewählt werden.

Typische Werkstückkoordinatensysteme sind:

• G54
• G55
• G56
• G57
• G58
• G59

Die Position eines Werkstücknullpunkts wird als Verschiebung gegenüber dem Maschinenkoordinatensystem gespeichert.

Vereinfacht kann die Beziehung folgendermaßen dargestellt werden:

Maschinennullpunkt + Nullpunktverschiebung = Werkstücknullpunkt

Ein Werkstücknullpunkt könnte im Maschinenkoordinatensystem beispielsweise an folgender Position liegen:

X = -500 mm
Y = -300 mm
Z = -400 mm

Diese Werte werden beispielsweise in G54 eingetragen. Das CNC-Programm kann anschließend mit übersichtlichen Werkstückkoordinaten arbeiten.

Beispiel für Maschinen- und Werkstückkoordinaten

Angenommen, der Werkstücknullpunkt befindet sich gegenüber dem Maschinennullpunkt an folgender Position:

X = -500
Y = -250
Z = -400

Wird im CNC-Programm G54 aktiviert und anschließend folgende Position programmiert:

G90 G00 X100 Y50 Z20

bezieht sich diese Position auf den Werkstücknullpunkt.

Die Steuerung verrechnet intern:

• Maschinenkoordinaten
• Werkstücknullpunktverschiebung
• programmierte Koordinaten
• Werkzeugkorrekturen

Der Bediener muss die Position des Maschinennullpunkts dabei nicht für jeden Programmsatz manuell berücksichtigen.

Maschinennullpunkt und Programmnullpunkt

Der Programmnullpunkt ist der Ursprung, auf den sich die Koordinaten eines CNC-Programms beziehen.

In vielen Fällen sind Programmnullpunkt und Werkstücknullpunkt identisch. Durch lokale Nullpunktverschiebungen können jedoch weitere Programmnullpunkte entstehen.

Der Maschinennullpunkt bleibt davon unverändert. Er ist der übergeordnete feste Bezug der Maschine.

Die Bezugskette lautet vereinfacht:

Maschinennullpunkt → Werkstücknullpunkt → Programmnullpunkt → programmierte Position

Maschinennullpunkt und Werkzeugbezugspunkt

Werkzeuge besitzen unterschiedliche Längen, Durchmesser und Schneidenpositionen. Diese Unterschiede werden über Werkzeugkorrekturen berücksichtigt.

Die CNC-Steuerung verrechnet:

• aktuelle Maschinenposition
• aktiven Werkstücknullpunkt
• Werkzeuglängenkorrektur
• Werkzeugradiuskorrektur
• programmierte Koordinate

Dadurch kann ein CNC-Programm unabhängig von der tatsächlichen Werkzeuglänge erstellt werden.

Ein korrekter Maschinennullpunkt ist die Grundlage dieser gesamten Berechnung.

Maschinenkoordinaten anzeigen

Viele CNC-Steuerungen können gleichzeitig verschiedene Positionswerte anzeigen.

Dazu gehören beispielsweise:

• Maschinenposition
• Werkstückposition
• Restweg
• relative Position
• Sollposition
• Istposition

Die Maschinenposition bezieht sich unmittelbar auf das Maschinenkoordinatensystem.

Die Werkstückposition bezieht sich dagegen auf das aktuell aktive Werkstückkoordinatensystem, beispielsweise G54.

Beide Anzeigen können deshalb für dieselbe physische Achsposition unterschiedliche Werte zeigen.

Bewegung im Maschinenkoordinatensystem mit G53

Bei vielen DIN/ISO-Steuerungen wird G53 verwendet, um eine Position direkt im Maschinenkoordinatensystem anzufahren.

Beispiel:

G53 G00 Z0

Die Z-Achse fährt auf die Position Z0 des Maschinenkoordinatensystems.

Der Befehl berücksichtigt normalerweise keine aktive Werkstücknullpunktverschiebung. Die genaue Wirkung hängt jedoch von der CNC-Steuerung und Maschinenkonfiguration ab.

G53 ist bei vielen Steuerungen nichtmodal. Das bedeutet, dass der Befehl nur für den jeweiligen Programmsatz gilt.

Typische Verwendung von G53

G53 kann verwendet werden für:

• sichere Rückzugspositionen
• Werkzeugwechselpositionen
• Parkpositionen
• Beladepositionen
• Messpositionen
• Positionen außerhalb des Werkstückkoordinatensystems
• Rückzug vor einer Schwenkbewegung

Ein mögliches Beispiel lautet:

G53 G00 Z0
G53 G00 X-500 Y-200

Zuerst wird die Z-Achse in eine sichere Maschinenposition gefahren. Anschließend werden X und Y positioniert.

Die angegebenen Werte dürfen niemals ungeprüft von einer anderen Maschine übernommen werden. Maschinenkoordinaten sind unmittelbar von der tatsächlichen Konstruktion und Einrichtung der Maschine abhängig.

Rückkehr zum Referenzpunkt mit G28

Bei vielen Steuerungen wird G28 verwendet, um eine Achse zum Referenzpunkt zurückzuführen.

Ein häufig verwendeter Programmabschnitt lautet:

G91 G28 Z0
G90

Dabei wird die Z-Achse über einen Zwischenpunkt zum Referenzpunkt bewegt.

G28 und G53 haben nicht dieselbe Bedeutung:

• G53 programmiert eine Position im Maschinenkoordinatensystem.
• G28 veranlasst eine Rückkehr zum Referenzpunkt.

Die genaue Syntax muss anhand der verwendeten Steuerung geprüft werden.

Software-Endschalter

Die CNC-Steuerung überwacht den zulässigen Verfahrbereich der Maschinenachsen. Dazu werden Software-Endschalter oder Software-Verfahrbegrenzungen verwendet.

Diese Grenzen werden im Maschinenkoordinatensystem festgelegt.

Die Steuerung verhindert damit, dass eine Achse über den vorgesehenen Arbeitsbereich hinausfährt.

Mögliche Begrenzungen sind:

• positive X-Grenze
• negative X-Grenze
• positive Y-Grenze
• negative Y-Grenze
• positive Z-Grenze
• negative Z-Grenze
• Winkelgrenzen von Schwenkachsen
• Kollisions- und Schutzbereiche

Damit die Software-Endschalter korrekt funktionieren, muss die Steuerung die tatsächliche Achsposition kennen.

Mechanische und elektrische Endschalter

Zusätzlich zu den Software-Verfahrgrenzen können mechanische oder elektrische Endschalter vorhanden sein.

Diese dienen als zusätzliche Sicherheitseinrichtung, wenn eine Achse den zulässigen Bereich verlässt.

Ein Endschalter ist jedoch nicht mit dem Maschinennullpunkt gleichzusetzen. Er begrenzt den Verfahrweg, während der Maschinennullpunkt den Ursprung des Koordinatensystems bildet.

Maschinennullpunkt bei Fräsmaschinen

Bei einer Fräsmaschine bildet der Maschinennullpunkt den Ausgangspunkt für die Koordinaten der Linear- und gegebenenfalls Drehachsen.

Auf ihn beziehen sich unter anderem:

• Maschinentischposition
• Spindelposition
• Werkzeugwechsel
• Rundtischposition
• Schwenkachsen
• Werkstücknullpunkte
• Messsysteme

Die Maschinenkoordinaten können abhängig von der Lage des Nullpunkts über einen großen Teil des Arbeitsraums negativ sein. Dies ist kein Fehler, sondern ergibt sich aus der festgelegten Lage des Ursprungs.

Maschinennullpunkt bei Drehmaschinen

Bei einer Drehmaschine wird das Maschinenkoordinatensystem durch den Hersteller festgelegt.

Die wichtigsten Achsen sind gewöhnlich:

• X-Achse in Durchmesser- oder Radiusrichtung
• Z-Achse entlang der Hauptspindel
• C-Achse für die Spindelwinkelposition
• Y-Achse bei Maschinen mit Fräsfunktion

Weitere Maschinenachsen können sein:

• Gegenspindel
• Reitstock
• unterer Revolver
• B-Achse
• Lünetten
• Werkstückgreifer

Der Werkstücknullpunkt liegt häufig auf der Spindelachse und an der Stirnfläche des Werkstücks. Dieser Werkstücknullpunkt ist nicht mit dem festgelegten Maschinennullpunkt zu verwechseln.

Maschinennullpunkt bei Fünfachsmaschinen

Bei Fünfachsmaschinen ist die genaue Maschinengeometrie besonders wichtig. Neben den Linearachsen müssen die Drehzentren und Orientierungen der Rund- und Schwenkachsen bekannt sein.

Die Steuerung benötigt unter anderem:

• Lage der X-, Y- und Z-Achsen
• Zentrum der A-, B- oder C-Achse
• Abstand zwischen Drehachsen
• Spindelposition
• Werkzeuglänge
• Werkstücknullpunkt
• Maschinenkinematik

Die Fünfachstransformation berechnet daraus die erforderlichen Achsbewegungen.

Schon kleine Fehler in der Maschinengeometrie können bei geschwenkten Bearbeitungen deutliche Positionsabweichungen verursachen.

Maschinennullpunkt nach einer Kollision

Nach einer Maschinenkollision kann die gespeicherte Beziehung zwischen mechanischer Achse, Messsystem und Maschinenkoordinatensystem beeinträchtigt sein.

Mögliche Ursachen sind:

• verschobener Linearmaßstab
• verdrehte Motorkupplung
• beschädigter Referenzschalter
• verstellte Drehachse
• mechanische Verformung
• verschobene Spindel
• beschädigtes Lager
• veränderter Werkzeugwechselpunkt

Nach einer schweren Kollision sollte geprüft werden, ob die Maschine weiterhin korrekt referenziert und geometrisch vermessen ist.

Eine einfache Referenzfahrt kann mechanische Geometriefehler nicht automatisch ausgleichen.

Maschinennullpunkt nach Reparaturen

Nach bestimmten Reparaturen kann eine Neueinstellung oder Kontrolle der Maschinenbezüge erforderlich sein.

Dazu gehören:

• Austausch eines Servomotors
• Austausch eines Messsystems
• Erneuerung einer Kugelgewindespindel
• Reparatur einer Rundachse
• Austausch eines Drehgebers
• Parameterverlust
• Verlust der Absolutposition
• mechanische Demontage einer Achse

Solche Arbeiten dürfen nur nach den Vorgaben des Maschinenherstellers durchgeführt werden.

Maschinennullpunkt und Automation

Automatische Fertigungssysteme benötigen eindeutige Maschinenpositionen.

Maschinenkoordinaten werden beispielsweise verwendet für:

• Roboterübergabepositionen
• Palettenwechsel
• automatische Türen
• Werkstückgreifer
• Teilefänger
• Stangenlader
• Messstationen
• Werkzeugbruchkontrolle
• Reinigungspositionen

Ein Automationssystem muss sich darauf verlassen können, dass die CNC-Maschine eine definierte Position reproduzierbar erreicht.

Eine fehlerhafte Maschinenreferenz kann dazu führen, dass Übergabepositionen nicht mehr übereinstimmen.

Maschinennullpunkt und Nullpunktspannsystem

Ein Nullpunktspannsystem wird an einer bekannten Position im Maschinenkoordinatensystem montiert. Dadurch können Paletten und Vorrichtungen wiederholgenau eingesetzt werden.

Die Position des Spannsystems kann vermessen und als fester Bezug gespeichert werden.

Darauf aufbauend lassen sich Werkstücknullpunkte für unterschiedliche Vorrichtungen festlegen.

Der Maschinennullpunkt selbst wird dadurch nicht verändert. Das Nullpunktspannsystem schafft lediglich eine wiederholgenaue mechanische Verbindung zum Maschinenkoordinatensystem.

Kann der Maschinennullpunkt verändert werden?

Im normalen Maschinenbetrieb wird der Maschinennullpunkt nicht verändert.

Eine Änderung kann erhebliche Auswirkungen haben auf:

• alle Werkstücknullpunkte
• Werkzeugwechselposition
• Verfahrgrenzen
• Messsysteme
• Automationspositionen
• Schwenkachsen
• Palettenwechsel
• Kollisionsüberwachung
• Maschinengeometrie

Deshalb sind Maschinenparameter, die den Maschinennullpunkt oder die Achsreferenz betreffen, häufig geschützt.

Eine unkontrollierte Änderung kann die Maschine unbrauchbar machen oder gefährliche Bewegungen verursachen.

Häufige Fehler und Missverständnisse

Maschinennullpunkt mit Werkstücknullpunkt verwechselt

Der Maschinennullpunkt wird vom Hersteller festgelegt. Der Werkstücknullpunkt wird vom Bediener passend zur Aufspannung bestimmt.

G53 mit G54 verwechselt

G53 bezieht sich bei vielen Steuerungen auf das Maschinenkoordinatensystem. G54 aktiviert dagegen einen Werkstücknullpunkt.

Maschinenkoordinaten von einer anderen Maschine übernommen

Auch baugleiche Maschinen können unterschiedliche Einstellungen und Zusatzoptionen besitzen. Maschinenpositionen müssen an der realen Maschine geprüft werden.

Referenzpunkt mit Maschinennullpunkt gleichgesetzt

Der Referenzpunkt dient zur Bestimmung der Achslage. Er muss nicht am Ursprung des Maschinenkoordinatensystems liegen.

Werkzeugkorrektur nicht berücksichtigt

Die Maschinenposition beschreibt zunächst die Achslage. Die tatsächliche Schneidenposition ergibt sich erst unter Berücksichtigung der Werkzeugdaten.

Maschinenposition als sichere Position angenommen

Eine bestimmte Maschinenkoordinate ist nicht automatisch kollisionsfrei. Werkzeug, Werkstück, Spannmittel und Maschinenzustand müssen berücksichtigt werden.

Sicherheit bei Maschinenkoordinaten

Bewegungen im Maschinenkoordinatensystem können große und unmittelbare Achsbewegungen auslösen. Sie sollten deshalb besonders sorgfältig geprüft werden.

Vor der ersten Ausführung müssen kontrolliert werden:

• tatsächliche Maschinenkoordinaten
• Bewegungsrichtung
• Werkzeuglänge
• Werkzeugauskragung
• Werkstückposition
• Spannmittel
• Schwenkachsen
• Verfahrgrenzen
• mögliche Zwischenbewegungen
• Maschinenzustand

Ein neuer Bewegungsbefehl sollte zunächst im Einzelsatzbetrieb und mit reduziertem Eilgang getestet werden.

Abgrenzung der wichtigsten Bezugspunkte

Bezugspunkt	Bedeutung
Maschinennullpunkt	Fester Ursprung des Maschinenkoordinatensystems
Referenzpunkt	Reproduzierbare Position zur Bestimmung der Achslage
Werkstücknullpunkt	Vom Bediener festgelegter Bezugspunkt des Werkstücks
Programmnullpunkt	Ursprung der programmierten Bauteilkoordinaten
Werkzeugbezugspunkt	Bezug für Werkzeuglänge und Werkzeugradius
Werkzeugwechselpunkt	Sichere Maschinenposition für den Werkzeugwechsel
Lokaler Nullpunkt	Vorübergehend verschobener Ursprung innerhalb eines Werkstückkoordinatensystems

Bedeutung des Maschinennullpunkts

Der Maschinennullpunkt ist der übergeordnete geometrische Bezug einer CNC-Maschine. Alle weiteren Positionen und Nullpunkte lassen sich letztlich auf ihn zurückführen.

Er bildet die Grundlage für:

• eindeutige Maschinenpositionen
• Werkstückkoordinatensysteme
• Verfahrwegüberwachung
• Werkzeugwechsel
• Maschinenkinematik
• Messsysteme
• Automationsabläufe
• Wiederholgenauigkeit
• sichere Achsbewegungen

Ohne ein korrekt eingerichtetes Maschinenkoordinatensystem könnten Werkstücknullpunkte, Werkzeugkorrekturen und automatische Maschinenfunktionen nicht zuverlässig verwendet werden.

Fazit

Der Maschinennullpunkt ist der vom Maschinenhersteller festgelegte Ursprung des Maschinenkoordinatensystems. Er bildet den festen geometrischen Bezug für alle Achspositionen, Verfahrgrenzen und weiteren Koordinatensysteme einer CNC-Maschine.

Der Maschinennullpunkt darf nicht mit dem Referenzpunkt oder Werkstücknullpunkt verwechselt werden. Der Referenzpunkt dient zur Bestimmung der tatsächlichen Achslage, während der Werkstücknullpunkt passend zur Aufspannung und technischen Zeichnung gewählt wird.

Über Nullpunktverschiebungen werden die Werkstückkoordinatensysteme mit dem Maschinenkoordinatensystem verbunden. Dadurch kann das CNC-Programm mit übersichtlichen Bauteilkoordinaten arbeiten, während die Steuerung intern alle Positionen auf den festen Maschinennullpunkt zurückführt.