Referenzpunkt

Referenzpunkt – Festgelegter Bezugspunkt einer CNC-Maschine

Was ist ein Referenzpunkt?

Der Referenzpunkt ist eine vom Maschinenhersteller festgelegte Position innerhalb des Verfahrbereichs einer CNC-Maschine. Er dient dazu, nach dem Einschalten der Maschine eine eindeutige Beziehung zwischen der tatsächlichen Position der Maschinenachsen und dem internen Koordinatensystem der CNC-Steuerung herzustellen.

Die Steuerung muss jederzeit wissen, an welcher Position sich beispielsweise die X-, Y- und Z-Achse befinden. Bei Maschinen mit nicht absoluter Positionserfassung steht diese Information nach dem Ausschalten jedoch nicht mehr vollständig zur Verfügung. Deshalb müssen die Achsen nach dem Einschalten zunächst auf den Referenzpunkt gefahren werden.

Dieser Vorgang wird als Referenzfahrt, Referenzpunktfahrt oder Referenzieren der Achsen bezeichnet.

Nach erfolgreicher Referenzfahrt kennt die CNC-Steuerung die genaue Lage der Maschinenachsen. Erst danach können Werkstücknullpunkte, Werkzeugwechselpositionen, Software-Endschalter und programmierte Maschinenpositionen zuverlässig verwendet werden.

Wozu wird der Referenzpunkt benötigt?

Der Referenzpunkt stellt einen eindeutigen Bezug zwischen der mechanischen Maschine und der Positionsanzeige der CNC-Steuerung her.

Er wird unter anderem benötigt für:

• Bestimmung der aktuellen Achsposition
• Festlegung des Maschinenkoordinatensystems
• Aktivierung der Software-Endschalter
• sichere Werkzeugwechsel
• Verwendung von Werkstücknullpunkten
• Wiederaufnahme des Maschinenbetriebs
• Positionierung von Rund- und Schwenkachsen
• automatische Maschinenabläufe
• Palettenwechsel
• Roboterbeladung
• Stangenlader und Werkstückhandhabung
• Wiederherstellung der Orientierung nach einem Stromausfall

Ohne gültige Referenzposition kann die Steuerung nicht zuverlässig feststellen, wo sich die Achsen innerhalb ihres Verfahrbereichs befinden.

Was geschieht bei der Referenzfahrt?

Während der Referenzfahrt bewegt sich eine Maschinenachse in einer festgelegten Richtung. Dabei sucht die Steuerung einen definierten Schalt- oder Messpunkt.

Eine klassische Referenzfahrt läuft vereinfacht folgendermaßen ab:

1. Die Achse fährt mit einer festgelegten Geschwindigkeit in Referenzrichtung.
2. Ein Referenzschalter oder Näherungsschalter wird betätigt.
3. Die Achse reduziert ihre Geschwindigkeit oder ändert kurzzeitig die Bewegungsrichtung.
4. Das Messsystem sucht eine genaue Referenzmarke.
5. Die Steuerung übernimmt die bekannte Referenzposition.
6. Die Achse wird als referenziert gekennzeichnet.

Der Referenzschalter allein ist häufig nicht genau genug, um die endgültige Position festzulegen. Deshalb wird zusätzlich eine präzise Referenzmarke des Wegmesssystems ausgewertet.

Die genaue Referenzfahrt hängt von Maschinenhersteller, Steuerung und Messsystem ab.

Referenzschalter und Referenzmarke

Referenzschalter

Der Referenzschalter befindet sich an einer festgelegten Stelle innerhalb des Achsverfahrwegs. Er meldet der Steuerung, dass sich die Achse im Bereich des Referenzpunkts befindet.

Als Referenzschalter können beispielsweise verwendet werden:

• mechanische Endschalter
• induktive Näherungsschalter
• magnetische Sensoren
• optische Sensoren

Der Schalter dient hauptsächlich zur groben Erkennung des Referenzbereichs.

Referenzmarke

Die Referenzmarke gehört zum Wegmesssystem. Sie liefert eine wesentlich genauere Position als ein einfacher Schalter.

Bei einem inkrementellen Linearmaßstab kann eine einzelne oder abstandscodierte Referenzmarke vorhanden sein. Die Steuerung erkennt die genaue Achsposition, sobald diese Marke überfahren wird.

Inkrementelle Messsysteme

Ein inkrementelles Messsystem erfasst Positionsänderungen als Folge einzelner Messschritte oder Impulse. Die Steuerung zählt diese Impulse und berechnet daraus die zurückgelegte Strecke.

Nach dem Ausschalten steht der Zählerstand möglicherweise nicht mehr als sichere absolute Achsposition zur Verfügung. Deshalb muss die Achse nach dem Einschalten referenziert werden.

Typische Merkmale:

• Positionsänderungen werden gezählt
• Referenzfahrt nach dem Einschalten erforderlich
• Referenzmarke bestimmt die eindeutige Ausgangsposition
• Verlust der Position bei ausgeschalteter oder gestörter Steuerung möglich

Absolute Messsysteme

Ein absolutes Messsystem liefert für jede Position einen eindeutigen Positionswert. Die Steuerung kann dadurch die Achsposition unmittelbar erkennen.

Bei Maschinen mit absoluten Messsystemen ist nach dem normalen Einschalten häufig keine klassische Referenzfahrt erforderlich.

Absolute Messsysteme werden eingesetzt als:

• absolute Linearmaßstäbe
• absolute Drehgeber
• Multiturn-Drehgeber
• batteriegepufferte Positionsgeber

Auch absolute Systeme müssen bei Inbetriebnahme, Austausch eines Messgeräts, Batterieverlust oder bestimmten Störungen möglicherweise neu abgeglichen oder referenziert werden.

Referenzpunkt und Maschinennullpunkt

Referenzpunkt und Maschinennullpunkt werden häufig miteinander verwechselt. Sie haben jedoch unterschiedliche Aufgaben.

Maschinennullpunkt

Der Maschinennullpunkt ist der Ursprung des Maschinenkoordinatensystems. Er wird vom Maschinenhersteller festgelegt und kann vom Bediener normalerweise nicht verändert werden.

Die Koordinaten des Maschinenkoordinatensystems beziehen sich auf diesen Nullpunkt.

Referenzpunkt

Der Referenzpunkt ist eine reproduzierbar anfahrbare Maschinenposition. Über ihn stellt die Steuerung die Verbindung zwischen der tatsächlichen Achsposition und dem Maschinenkoordinatensystem her.

Referenzpunkt und Maschinennullpunkt können an derselben Stelle liegen, müssen es aber nicht. Häufig liegt zwischen beiden Punkten ein vom Maschinenhersteller festgelegter Abstand.

Vereinfacht ausgedrückt:

• Der Maschinennullpunkt ist der rechnerische Ursprung.
• Der Referenzpunkt ist die Position, an der die Maschine ihre Lage eindeutig erkennt.

Referenzpunkt und Werkstücknullpunkt

Der Werkstücknullpunkt ist der Bezugspunkt für die Programmierung eines Werkstücks. Er wird passend zur Zeichnung und Aufspannung gewählt.

Typische Werkstückkoordinatensysteme sind:

• G54
• G55
• G56
• G57
• G58
• G59

Der Werkstücknullpunkt kann beispielsweise liegen:

• auf einer Werkstückkante
• in der Werkstückmitte
• auf der oberen Werkstückfläche
• in der Mitte einer Bohrung
• auf der Drehachse eines Drehteils

Die Position des Werkstücknullpunkts wird als Abstand zum Maschinenkoordinatensystem gespeichert. Deshalb muss die Maschine ihre eigene Position kennen, bevor der Werkstücknullpunkt zuverlässig verwendet werden kann.

Die Bezugskette lautet vereinfacht:

Referenzpunkt → Maschinenkoordinatensystem → Werkstückkoordinatensystem → programmierte Werkstückposition

Referenzpunkt und Werkzeugnullpunkt

Der Werkzeugnullpunkt beziehungsweise Werkzeugbezugspunkt gehört zur Werkzeugvermessung. Über Werkzeuglängen- und Werkzeugradiuskorrekturen berechnet die Steuerung die tatsächliche Lage der Werkzeugschneide.

Der Referenzpunkt bestimmt dagegen die Position der Maschinenachsen. Beide Informationen werden von der Steuerung miteinander verrechnet.

Für eine korrekte Bearbeitung müssen daher sowohl die Achsreferenz als auch die Werkzeugdaten stimmen.

Referenzpunkt und Werkzeugwechselpunkt

Der Werkzeugwechselpunkt ist eine Position, an der ein Werkzeug sicher gewechselt werden kann. Diese Position kann mit dem Referenzpunkt zusammenfallen, muss es aber nicht.

Bei einer Werkzeugmaschine können unterschiedliche feste Positionen vorhanden sein:

• Maschinenreferenzpunkt
• Werkzeugwechselpunkt
• Palettenwechselpunkt
• Beladeposition
• Messposition
• Parkposition

Der Werkzeugwechselpunkt wird so gewählt, dass ausreichend Abstand zu Werkstück, Spannmitteln und Maschinenteilen vorhanden ist.

Referenzfahrt nach dem Einschalten

Bei vielen CNC-Maschinen müssen die Achsen nach dem Einschalten einzeln oder gemeinsam referenziert werden.

Eine typische Reihenfolge bei einem vertikalen Bearbeitungszentrum ist:

1. Z-Achse referenzieren
2. X-Achse referenzieren
3. Y-Achse referenzieren
4. zusätzliche Rund- oder Schwenkachsen referenzieren

Die Z-Achse wird häufig zuerst gefahren, damit sich das Werkzeug vom Werkstück und von den Spannmitteln entfernt.

Diese Reihenfolge ist jedoch nicht allgemeingültig. Die Vorgaben des Maschinenherstellers müssen beachtet werden.

Referenzfahrt bei Drehmaschinen

Bei einer CNC-Drehmaschine müssen je nach Ausstattung verschiedene Achsen und Baugruppen referenziert werden.

Dazu können gehören:

• X-Achse
• Z-Achse
• Y-Achse
• B-Achse
• C-Achse der Hauptspindel
• Gegenspindel
• Werkzeugrevolver
• Reitstock
• Lünettenachsen
• Werkstückgreifer

Bei Maschinen mit Revolver muss zusätzlich bekannt sein, welches Werkzeug beziehungsweise welche Revolverstation aktiv ist.

Referenzfahrt von Drehachsen

Dreh- und Schwenkachsen benötigen ebenfalls eine eindeutige Winkelposition.

Die Referenzposition kann beispielsweise sein:

• A0°
• B0°
• C0°
• Grundstellung eines Rundtischs
• senkrechte Stellung eines Schwenkkopfs

Eine falsche Referenzierung einer Drehachse kann bei Mehrseiten- und Fünfachsbearbeitungen erhebliche Positionsfehler verursachen.

Bei einer Fünfachsmaschine hängt die Lage des Werkzeugs relativ zum Werkstück unmittelbar von der korrekten Position der Drehachsen ab.

Referenzpunkt im CNC-Programm

Bei vielen Steuerungen können Achsen über bestimmte G-Befehle auf einen Maschinenreferenzpunkt oder eine festgelegte Maschinenposition gefahren werden.

Häufig verwendete Befehle sind:

• G28: Rückkehr zum Referenzpunkt
• G30: Rückkehr zu einem zweiten, dritten oder weiteren Referenzpunkt
• G53: Bewegung im Maschinenkoordinatensystem

Die genaue Bedeutung und Syntax ist steuerungsabhängig.

G28 – Rückkehr zum Referenzpunkt

Bei vielen DIN/ISO-Steuerungen wird G28 verwendet, um eine Achse auf den Referenzpunkt zurückzuführen.

Ein häufig verwendetes Beispiel lautet:

G91 G28 Z0
G90

Die Z-Achse fährt über den mit Z0 angegebenen Zwischenpunkt zum Referenzpunkt. Durch G91 wird der Zwischenpunkt inkremental definiert. Bei Z0 entsteht dadurch keine zusätzliche Zwischenbewegung in Werkstückkoordinaten.

Anschließend wird mit G90 wieder die Absolutprogrammierung aktiviert.

Der Befehl G28 muss mit besonderer Vorsicht verwendet werden. Wird ein falscher Zwischenpunkt oder der falsche Koordinatenmodus programmiert, kann die Achse eine unerwartete Bewegung ausführen.

G30 – Weitere Referenzpositionen

Mit G30 können bei bestimmten Steuerungen zusätzliche Referenzpunkte angefahren werden.

Diese können beispielsweise verwendet werden als:

• Werkzeugwechselposition
• Palettenwechselposition
• Beladeposition
• Messposition
• Parkposition

Die zusätzlichen Referenzpunkte werden normalerweise über Maschinenparameter festgelegt.

G53 – Maschinenkoordinatensystem

Mit G53 kann bei vielen Steuerungen eine Position unmittelbar im Maschinenkoordinatensystem angefahren werden.

Beispiel:

G53 G00 Z0

Die tatsächliche Bedeutung der Position Z0 hängt vom Maschinenkoordinatensystem und der Steuerung ab.

G53 ist üblicherweise nichtmodal und gilt nur für den jeweiligen Programmsatz. Der Befehl ermöglicht oft eine eindeutigere Maschinenpositionierung als eine Rückkehr mit G28, muss aber ebenfalls an der konkreten Maschine geprüft werden.

Referenzpunkt und Software-Endschalter

CNC-Maschinen besitzen normalerweise festgelegte Verfahrbereiche. Die Steuerung überwacht, dass die Achsen diese Bereiche nicht überschreiten.

Dazu werden Software-Endschalter oder Software-Verfahrbegrenzungen verwendet.

Die Steuerung kann diese Grenzen nur zuverlässig überwachen, wenn sie die tatsächliche Achsposition kennt. Bei inkrementellen Messsystemen werden die Software-Endschalter deshalb häufig erst nach erfolgreicher Referenzfahrt vollständig wirksam.

Zusätzlich können mechanische oder elektrische Endschalter vorhanden sein, die als letzte Sicherheitseinrichtung dienen.

Was passiert ohne gültige Referenzfahrt?

Ist die Maschine nicht referenziert, können bestimmte Funktionen gesperrt sein.

Mögliche Folgen sind:

• Automatikbetrieb nicht möglich
• Werkzeugwechsel gesperrt
• Nullpunkte ungültig
• Positionsanzeige nicht zuverlässig
• Software-Endschalter nicht aktiv
• Palettenwechsel nicht möglich
• Achsbewegungen nur eingeschränkt möglich
• Maschinenalarm
• Kollisionsgefahr

Die Maschine darf nicht einfach so behandelt werden, als befänden sich die Achsen an den angezeigten Positionen.

Referenzverlust

Ein Referenzverlust bedeutet, dass die Steuerung die eindeutige Beziehung zwischen Messsystem und Maschinenkoordinatensystem verloren hat.

Mögliche Ursachen sind:

• Stromausfall
• entladene Pufferbatterie
• Austausch eines Motors oder Messsystems
• gelöste Motorkupplung
• Fehler im Wegmesssystem
• beschädigte Referenzmarke
• Achse wurde bei ausgeschalteter Steuerung bewegt
• Parameterverlust
• mechanische Verschiebung
• Kollision

Nach einem Referenzverlust muss die Maschine neu referenziert oder von qualifiziertem Fachpersonal vermessen und abgeglichen werden.

Referenzpunkt nach einer Kollision

Nach einer Maschinenkollision sollte nicht davon ausgegangen werden, dass der Referenzpunkt und die tatsächliche Maschinengeometrie weiterhin übereinstimmen.

Mögliche Schäden sind:

• verschobener Maßstab
• verdrehte Motorkupplung
• beschädigter Referenzschalter
• verstellter Werkzeugwechsler
• verschobene Drehachse
• mechanische Verformung
• veränderte Achsgeometrie

Nach einer schweren Kollision können eine Referenzfahrt, eine geometrische Kontrolle und gegebenenfalls eine Neuvermessung der Maschine erforderlich sein.

Referenzpunkt bei absoluten Messsystemen

Maschinen mit absoluten Messsystemen kennen ihre Position häufig bereits nach dem Einschalten. Eine klassische Referenzfahrt zu einem Schalter ist dann nicht bei jedem Maschinenstart erforderlich.

Trotzdem besitzt auch eine solche Maschine ein definiertes Maschinenkoordinatensystem und eine gespeicherte Zuordnung zwischen Messsystem und mechanischer Achse.

Eine erneute Grundeinstellung kann erforderlich werden nach:

• Austausch des Servomotors
• Austausch des absoluten Gebers
• Verlust der Pufferbatterie
• Austausch von Steuerungskomponenten
• mechanischer Reparatur
• Parameterverlust
• bestimmten Maschinenalarmen

Dieser Abgleich darf nur nach Herstellervorgabe durchgeführt werden.

Referenzpunkt bei Robotern und Automation

Auch Roboter, Portallader und automatische Handhabungssysteme benötigen definierte Referenzpositionen.

In einer automatisierten Fertigungszelle müssen die Bezugssysteme mehrerer Einrichtungen aufeinander abgestimmt sein:

• CNC-Maschine
• Roboter
• Greifer
• Werkstück
• Spannvorrichtung
• Stangenlader
• Palettenwechsler
• Messsystem

Eine falsche Referenzposition kann dazu führen, dass ein Roboter ein Werkstück neben der Spannvorrichtung ablegt oder mit der Maschinentür kollidiert.

Deshalb werden Referenz- und Übergabepositionen bei automatisierten Anlagen besonders sorgfältig eingerichtet und überwacht.

Häufige Fehler bei der Referenzfahrt

Falsche Reihenfolge der Achsen

Wird zuerst eine ungünstige Achse bewegt, kann das Werkzeug mit dem Werkstück oder Spannmittel kollidieren.

Gegenstände im Verfahrbereich

Werkstücke, Messgeräte, Anschläge oder Spannmittel können sich im Fahrweg zum Referenzpunkt befinden.

Ungeeignete manuelle Achsposition

Steht eine Achse vor der Referenzfahrt bereits hinter dem erwarteten Referenzschalter, kann sie in eine unerwartete Richtung fahren.

Referenzschalter wird nicht erkannt

Ein beschädigter, verschmutzter oder falsch eingestellter Sensor kann die Referenzfahrt verhindern.

Falsche Parameter

Ungeeignete Referenzgeschwindigkeit, Suchrichtung oder Positionswerte können Fehlbewegungen verursachen.

Achse mechanisch verstellt

Nach Reparaturen oder Kollisionen kann der gespeicherte Referenzwert nicht mehr zur tatsächlichen Maschinengeometrie passen.

Referenzfahrt mit eingespanntem Werkzeug

Ein lang auskragendes Werkzeug kann während der Referenzfahrt mit Werkstück oder Spannmittel kollidieren.

Sicherheitsmaßnahmen

Vor einer Referenzfahrt sollten folgende Punkte kontrolliert werden:

• Arbeitsraum frei
• Werkzeug ausreichend vom Werkstück entfernt
• Spannmittel außerhalb des Fahrwegs
• Maschinentür geschlossen
• Achsrichtung bekannt
• Referenzreihenfolge bekannt
• Vorschub- oder Eilgangkorrektur reduziert, soweit möglich
• Not-Halt und Vorschubhalt erreichbar
• keine Personen im Gefahrenbereich
• Herstellervorgaben beachtet

Nach Reparaturen, Kollisionen oder Parameteränderungen sollte die Referenzfahrt besonders vorsichtig durchgeführt werden.

Vorteile eines eindeutigen Referenzsystems

Ein korrekt eingerichtetes Referenzsystem ermöglicht:

• reproduzierbare Achspositionen
• genaue Werkstückbearbeitung
• sicheren Werkzeugwechsel
• zuverlässige Nullpunktverwaltung
• funktionierende Software-Endschalter
• wiederholbare Automationsabläufe
• präzise Mehrseitenbearbeitung
• sicheren Neustart der Maschine
• eindeutige Maschinenpositionen
• zuverlässige Mess- und Prüfprozesse

Der Referenzpunkt bildet damit eine zentrale Grundlage für alle weiteren Koordinaten und Bewegungen der CNC-Maschine.

Abgrenzung der wichtigsten Bezugspunkte

Bezugspunkt	Bedeutung
Maschinennullpunkt	Ursprung des Maschinenkoordinatensystems
Referenzpunkt	Reproduzierbar anfahrbare Position zur Bestimmung der Achslage
Werkstücknullpunkt	Bezugspunkt für die Programmierung des Werkstücks
Werkzeugbezugspunkt	Bezugspunkt zur Bestimmung von Werkzeuglänge und Werkzeugradius
Werkzeugwechselpunkt	Sichere Position für den Werkzeugwechsel
Programmnullpunkt	Im CNC-Programm verwendeter geometrischer Ursprung
Palettenwechselpunkt	Festgelegte Position für einen automatischen Palettenwechsel

Die genaue Lage und Bezeichnung dieser Punkte kann je nach Maschinenhersteller und Steuerung unterschiedlich sein.

Bedeutung des Referenzpunkts in der CNC-Fertigung

Der Referenzpunkt stellt sicher, dass die CNC-Steuerung die tatsächliche Position der Maschinenachsen kennt. Er bildet damit die Grundlage für alle folgenden Bewegungen, Nullpunkte und Korrekturen.

Ohne eine eindeutige Referenz können weder Werkstückkoordinaten noch Werkzeugpositionen zuverlässig berechnet werden.

Besonders wichtig ist der Referenzpunkt bei:

• automatischen Werkzeugwechseln
• Mehrfachaufspannungen
• Palettensystemen
• Fünfachsbearbeitung
• Dreh-Fräszentren
• Stangenladern
• Roboterbeladung
• mannloser Fertigung

Je höher der Automatisierungsgrad einer Maschine ist, desto wichtiger sind eindeutig definierte und überwachte Referenzpositionen.

Fazit

Der Referenzpunkt ist eine festgelegte, reproduzierbar anfahrbare Position innerhalb des Verfahrbereichs einer CNC-Maschine. Er ermöglicht der Steuerung, die tatsächliche Lage der Maschinenachsen dem Maschinenkoordinatensystem zuzuordnen.

Bei Maschinen mit inkrementellen Messsystemen wird der Referenzpunkt normalerweise nach dem Einschalten durch eine Referenzfahrt ermittelt. Maschinen mit absoluten Messsystemen können ihre Position häufig unmittelbar erkennen, benötigen jedoch ebenfalls eine korrekt eingerichtete Zuordnung zwischen Messsystem und Maschinengeometrie.

Der Referenzpunkt darf nicht mit dem Maschinen- oder Werkstücknullpunkt verwechselt werden. Er bildet vielmehr die technische Grundlage dafür, dass alle weiteren Koordinaten, Werkzeugkorrekturen und automatischen Bewegungen zuverlässig ausgeführt werden können.