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CNC-Grundlagen und Programmaufbau – Geradenbewegungen im Simulator programmieren

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CNC-Grundlagen und Programmaufbau – Geradenbewegungen im Simulator programmieren

Zielgruppe: Ausbildung in Metalltechnik, Fertigungstechnik und CNC-Grundlagen.

Kurzbeschreibung: Du programmierst geradlinige Bewegungen über Startpunkt, Endpunkt und Vorschub. Alle Maschinenabläufe werden zuerst im Simulator geprüft. Der Kurs enthält kurze Lerneinheiten, Ablaufanimationen, Werkzeugbilder, einen konkreten Ausbildungsfall sowie Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben.

Sicherheitsprinzip: Dieser Kurs steuert keine reale Maschine an. Nutze für die Übungen einen freigegebenen Ausbildungs-Simulator ohne automatische Live-Verbindung zur Maschine. Reale Arbeiten erfolgen ausschließlich unter geeigneter Fachaufsicht, nach betrieblicher Freigabe, Herstellerangaben, Unterweisung und Prüfung der Schutzeinrichtungen. Schutzeinrichtungen dürfen niemals umgangen oder manipuliert werden.

Einleitung

Eine CNC-Steuerung beschreibt Bewegungen eines Werkzeugs oder einer Maschinenachse durch programmierte Koordinaten. Für eine einfache Geradenbewegung brauchst Du zunächst nur drei Fragen:

Startpunkt: Wo befindet sich der programmierte Punkt vor der Bewegung?
Endpunkt: Zu welchen Koordinaten soll gefahren werden?
Vorschub: Mit welcher programmierten Vorschubgeschwindigkeit soll die G1-Bewegung erfolgen?

In diesem Kurs arbeitest Du mit einem DIN/ISO-nahen, didaktischen Beispiel. CNC-Steuerungen besitzen unterschiedliche Dialekte und herstellerspezifische Funktionen. Für reale Maschinen ist deshalb immer die Dokumentation der tatsächlich eingesetzten Steuerung verbindlich.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du Start- und Endpunkte einer Geradenbewegung aus einem Programm ableiten, G0 und G1 unterscheiden, einen Vorschub mit F angeben, einfache Bewegungsfolgen im Simulator prüfen und Fehler anhand der grafischen Bahn erkennen.

Lerneinheit 1: Vom Punkt zur Bewegung

Eine CNC-Bewegung beginnt an der aktuellen Position. Der nächste Satz legt den Zielpunkt fest.

Beispiel im absoluten Maßsystem:

G90
G0 X10 Y10
G1 X50 Y10 F200

Nach dem Satz `G0 X10 Y10` liegt der Startpunkt der nächsten Bewegung bei X10 Y10. Der Satz `G1 X50 Y10 F200` führt geradlinig zum Endpunkt X50 Y10.

Merksatz: Der Startpunkt steht oft nicht im aktuellen Satz. Er ergibt sich aus der vorher erreichten Position.

Ablaufanimation: Werkzeugbahn beobachten

Beobachtungsauftrag: Verfolge in der Animation zuerst nur die Bahn. Suche danach Startbereiche, Richtungswechsel und Endbereiche. Übertrage die Idee auf Deine Simulation: Erst die Bewegung verstehen, dann den Programmsatz bewerten.

Lerneinheit 2: G0 und G1

Funktion	Bedeutung im Kurs	Vorschub	Typischer Einsatz
G0	Positionierbewegung	nicht über F festgelegt	schnell zu einer sicheren Position fahren
G1	lineare Bewegung zum programmierten Ziel	mit aktuellem F-Wert	kontrollierte Geradenbewegung

Bei LinuxCNC wird G0 als Positionierbewegung mit der verfügbaren Eilganggeschwindigkeit beschrieben. G1 erzeugt eine koordinierte lineare Bewegung mit der aktuellen Vorschubgeschwindigkeit. In diesem Kurs wird G0 deshalb nur für sichere Positionierwege im Simulator verwendet.

Medienauftrag: Notiere beim Video nur drei Stichwörter: G0, G1 und F. Vergleiche die Aussagen anschließend mit der Simulation. Übernimm keine Maschinenparameter ungeprüft in reale Fertigungsprogramme.

Lerneinheit 3: Vorschub F verstehen

Wir verwenden für die Übungen:

G21
G94

`G21` steht im verwendeten Beispiel für Millimeter. `G94` legt den Vorschubmodus Länge pro Minute fest. Damit bedeutet beispielsweise:

F200

im Übungsfall 200 mm/min.

Für eine Gerade von X10 nach X50 bei unverändertem Y ist die Strecke 40 mm lang. Bei idealisierter konstanter Bahnbewegung ergibt sich:

Zeit = Weg / Vorschub = 40 mm / 200 mm/min = 0,2 min = 12 s.

Die Rechnung dient zum Verständnis. Reale Maschinen können durch Beschleunigung, Bremsung und Steuerungsparameter davon abweichen.

Werkzeugbild: Was später real bewegt wird

Das Bild zeigt einen Schaftfräser. Im Simulator genügt zunächst eine virtuelle Werkzeugspitze. Werkzeugauswahl, Drehzahl, Zustellung, Werkstoff und reale Schnittwerte gehören nicht zu dieser ersten Lerneinheit und dürfen nicht aus dem Beispiel abgeleitet werden.

Lerneinheit 4: Koordinatensystem und Werkstücknullpunkt

Für die Programmierung brauchst Du ein Bezugssystem. Der Werkstücknullpunkt legt fest, worauf sich Deine programmierten Koordinaten beziehen.

Die Animation stammt aus dem Bereich der Koordinatenmesstechnik, veranschaulicht aber sehr gut das grundlegende Prinzip: Ein Werkstück wird zu einem Koordinatensystem in Beziehung gesetzt.

Im Kurs gilt: Die virtuelle Werkstückoberfläche liegt bei Z0. Die folgende Übungsbahn bleibt bei Z5 und damit bewusst oberhalb der virtuellen Oberfläche.

Ausbildungsfall: Virtuelle Prüfplatte

Du bist in der Ausbildungswerkstatt. Vor einer späteren Bearbeitungsaufgabe sollst Du einen reinen Simulationslauf erstellen. Das virtuelle Werkstück ist eine Prüfplatte. Die Bahn soll ein Rechteck darstellen.

Vorgabe:

Merkmal	Wert
Virtuelle Platte	80 mm × 50 mm
Werkstückoberfläche	Z0
Simulationshöhe der Prüfbahn	Z5
Startpunkt A	X10 Y10
Punkt B	X50 Y10
Punkt C	X50 Y30
Punkt D	X10 Y30
Vorschub der Rechteckbahn	F200 im Modus G94

Die Übung bleibt vollständig im Simulator. Es gibt keinen Spindelstart und keinen realen Materialabtrag.

Simulationsprogramm

%
O1001
G21
G17
G90
G94
G54

G0 Z20
G0 X10 Y10
G1 Z5 F100

G1 X50 Y10 F200
G1 X50 Y30
G1 X10 Y30
G1 X10 Y10

G0 Z20
M30
%

Leserichtung: Zuerst wird eine sichere virtuelle Höhe angefahren. Danach folgt der Startpunkt A. Anschließend wird auf Z5 positioniert und die Rechteckbahn mit G1 abgefahren.

Wichtig: Das Beispiel ist für die Lernsimulation gedacht. Ob Schreibweise, Programmkopf, G54 oder Programmende auf einer konkreten Steuerung identisch verwendet werden, muss anhand der Herstellerdokumentation geprüft werden.

Arbeitsauftrag 1: Simulieren statt ausführen

Programmprüfung: Übertrage das Beispiel in einen von Schule oder Betrieb freigegebenen Simulator.
Einzelsatzprüfung: Lass die Bahn schrittweise darstellen, wenn der Simulator eine Einzelsatz- oder Schrittansicht bietet.
Bahnkontrolle: Prüfe, ob ein Rechteck von A über B, C und D zurück nach A entsteht.
Sicherheitskontrolle: Prüfe, ob die dargestellte Bahn oberhalb der virtuellen Oberfläche bleibt.
Dokumentation: Erstelle einen Screenshot der Simulation und markiere Startpunkt, Endpunkt eines Satzes und Vorschub.

Ablaufbild: Werkzeugbahn als Planungsobjekt

Das Bild zeigt ein Beispiel für eine Werkzeugbahn beim Taschenfräsen. Für Deinen Auftrag ist nicht die Taschenstrategie wichtig, sondern die Grundidee: Eine Bearbeitung lässt sich als Folge geplanter Bahnen darstellen und vor der realen Ausführung prüfen.

Lerneinheit 5: Einen Programmsatz lesen

Betrachte:

G1 X50 Y30 F200

G1 bestimmt die lineare Bewegung. X50 Y30 beschreibt den Zielpunkt im aktiven Koordinaten- und Distanzmodus. F200 setzt den Vorschub für die G1-Bewegung im hier verwendeten G94-Modus.

Wenn vorher bereits `F200` programmiert wurde und der Steuerungsdialekt F modal behandelt, kann der Wert für folgende G1-Sätze wirksam bleiben. Für Lernaufgaben schreiben wir F an wichtigen Stellen trotzdem bewusst hin, damit der Zusammenhang sichtbar bleibt.

Video: CNC-Programmierung im Überblick

Beobachtungsauftrag: Achte auf den Aufbau von Programmsätzen und die Verbindung zwischen Code und Maschinenbewegung. Nutze das Video als Anschauung, nicht als Freigabe für einen realen Maschinenlauf.

Lerneinheit 6: Sicher simulieren

Ein CNC-Programm kann reale Bewegungen auslösen. Deshalb gilt in diesem Kurs eine feste Reihenfolge:

Planen: Startpunkt, Endpunkt und Vorschub bestimmen.
Programmieren: Nur den Lernauftrag umsetzen.
Simulieren: Bahn grafisch kontrollieren.
Prüfen: Koordinatensystem, Richtung, Höhe und Programmende kontrollieren.
Freigeben lassen: Reale Arbeit nur mit geeigneter Fachaufsicht und betrieblicher Freigabe.
Schutzeinrichtungen: Niemals überbrücken, manipulieren oder umgehen.

DGUV-Informationen zu zerspanenden Maschinen betonen trennende Schutzeinrichtungen und sichere Arbeitsräume. Bei CNC-Fräsmaschinen darf der Automatikbetrieb nur unter den vorgesehenen Schutzbedingungen erfolgen. Manipulierte Schutzeinrichtungen erhöhen das Unfallrisiko erheblich.

Das Foto zeigt reale Zerspanung. Im Kurs dient es ausschließlich der Anschauung. Ein realer Versuch ist keine Aufgabe dieses Lernkurses.

Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben

Basisaufgabe: Satz entschlüsseln

Auftrag: Lies den Satz `G1 X60 Y20 F300`. Die aktuelle Position sei X20 Y20. Nenne Startpunkt, Endpunkt und Vorschub.

Gestufte Hilfe 1: Die aktuelle Position ist der Startpunkt.

Gestufte Hilfe 2: X und Y im G1-Satz geben im verwendeten absoluten Modus den Zielpunkt an.

Gestufte Hilfe 3: F gehört zum Vorschub.

Lösung: Start X20 Y20, Ende X60 Y20, Vorschub F300.

Begründetes Feedback: Richtig ist die Lösung, weil die Bewegung an der bereits erreichten Position beginnt. Der G1-Satz beschreibt anschließend den Zielpunkt und die Vorschubangabe.

Anwendungsaufgabe: Gerade ergänzen

Auftrag: Im Simulator steht das Werkzeug bei X15 Y10. Es soll im absoluten Modus geradlinig nach X55 Y10 mit F250 fahren. Ergänze den Satz.

Gestufte Hilfe 1: Für eine kontrollierte Geradenbewegung brauchst Du G1.

Gestufte Hilfe 2: Der Zielpunkt enthält X55 und Y10.

Gestufte Hilfe 3: Der vollständige Satz lautet nach dem Muster `G1 X... Y... F...`.

Lösung:

G1 X55 Y10 F250

Begründetes Feedback: Der Satz ist passend, weil er den gewünschten Zielpunkt und den geforderten Vorschub in einer linearen Bewegung verbindet. Ein G0-Satz wäre hier nicht gleichwertig, weil F dabei nicht den programmierten Bahnvorschub der G1-Bewegung festlegt.

Transferaufgabe: Vorschub begründen

Auftrag: Zwei Simulationen nutzen dieselbe 40-mm-Gerade. Simulation A fährt mit F200, Simulation B mit F400. Vergleiche die idealisierte Fahrzeit und erkläre, warum daraus keine reale Empfehlung für F400 entsteht.

Gestufte Hilfe 1: Nutze Zeit = Weg / Vorschub.

Gestufte Hilfe 2: 40/200 min und 40/400 min vergleichen.

Gestufte Hilfe 3: Denke bei einer realen Maschine zusätzlich an Werkzeug, Werkstoff, Maschine, Spannung und Herstellerangaben.

Lösung: Idealisiert benötigt A 12 s und B 6 s.

Begründetes Feedback: Die Verdopplung des programmierten Vorschubs halbiert im idealisierten Modell die Zeit. Daraus folgt aber keine reale Schnittwertfreigabe. Reale Vorschübe müssen zum Bearbeitungsverfahren, Werkzeug, Werkstoff, zur Maschine und zum freigegebenen Prozess passen.

Fehlersuche im Simulator

Beobachtung	Wahrscheinliche Ursache im Lernfall	Prüfschritt
Bahn startet am falschen Ort	vorherige Position oder Nullpunkt falsch verstanden	Startposition und G54 prüfen
Bahn fährt in falsche Richtung	Zielkoordinate falsch	X- und Y-Werte mit Skizze vergleichen
Bewegung ist zu schnell oder zu langsam	F-Wert oder Vorschubmodus falsch	G94 und F prüfen
Rechteck schließt nicht	letzter Endpunkt entspricht nicht A	letzte X- und Y-Koordinaten vergleichen
Bahn liegt auf falscher Höhe	Z-Wert oder Bezug falsch	virtuelle Oberfläche und Z-Position prüfen

Medien- und Quellenprüfung

Die verwendeten Wikimedia-Commons-Dateien wurden auf ihren Dateiseiten und Lizenzangaben geprüft. Die YouTube-Inhalte werden nur eingebettet; sie werden nicht als OER neu lizenziert. Rechte an den Videos verbleiben bei den jeweiligen Rechteinhabern und der Abruf erfolgt über YouTube.

Medium	Nachgewiesene Lizenz bzw. Status	Lernfunktion
CNC machine.jpg	Public Domain	Überblick CNC-Maschine
CNC panel.jpg	CC BY-SA 2.0	Bedienoberfläche
End Mill - 4 Flutes.png	CC BY-SA 3.0	Werkzeugbild
Festlegen des Werkstückkoordinatensystems	CC BY-SA 3.0	Ablaufanimation Koordinatenbezug
ToolPath.gif	CC BY-SA 3.0 und GFDL	Ablaufanimation Werkzeugbahn
Zig-zag tool path.jpg	CC BY-SA 3.0 oder GFDL	Werkzeugbahnplanung
CNC Hello World.jpg	CC BY-SA 3.0	reale CNC-Anschauung
Roughing Endmill in Use.jpg	CC BY-SA 4.0	reales Werkzeug im Einsatz

Fachliche Quellen

LinuxCNC: G-Codes: Referenz zu G0, G1 und linearen Bewegungen.
LinuxCNC: G-Code-Kurzreferenz: Überblick zu Bewegungs-, Distanz- und Vorschubmodi.
NIST: RS274/NGC Interpreter: technische Referenz, unter anderem zur Bedeutung der Vorschubrate.
DGUV Information 209-066 Maschinen der Zerspanung: Arbeitsschutz an zerspanenden Maschinen.
DGUV Arbeit und Gesundheit: Fräsmaschinen – hohes Tempo, hohes Risiko: Schutzumhausungen und Gefahren durch manipulierte Schutzeinrichtungen.
Computerized Numerical Control: Überblick zu CNC, DIN/ISO-Programmierung und grafischer Simulation.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wodurch wird im Lernbeispiel eine lineare Bewegung mit programmiertem Vorschub ausgelöst? (G1) (!G0) (!M30) (!G54)

Was beschreibt X50 Y10 in einem G1-Satz bei aktivem G90 im Lernbeispiel? (Den Endpunkt der Bewegung) (!Die Spindeldrehzahl) (!Die Werkzeugnummer) (!Das Programmende)

Woher ergibt sich der Startpunkt einer neuen G1-Bewegung? (Aus der zuvor erreichten aktuellen Position) (!Immer aus X0 Y0) (!Immer aus G54 allein) (!Aus dem F-Wert)

Was bedeutet F200 im verwendeten G94-Beispiel mit Millimeter-Einheit? (200 Millimeter pro Minute) (!200 Umdrehungen pro Minute) (!200 Millimeter Schnitttiefe) (!200 Werkzeugwechsel)

Welche Funktion verwenden wir zum schnellen Positionieren im Simulator? (G0) (!G1) (!M30) (!G17)

Warum wird der erste Ausbildungsfall nur simuliert? (Die Bahn soll vor einer möglichen realen Ausführung sicher geprüft werden) (!Weil CNC grundsätzlich nur virtuell funktioniert) (!Weil G1 keine reale Bewegung erzeugen kann) (!Weil Vorschub nur im Simulator existiert)

Welche Koordinate bleibt bei einer Bewegung von X10 Y10 nach X50 Y10 unverändert? (Y) (!X) (!F) (!G)

Was solltest Du tun, wenn die simulierte Bahn am falschen Ort startet? (Startposition und Koordinatenbezug prüfen) (!Sofort den Vorschub verdoppeln) (!Die Schutztürfunktion umgehen) (!Ohne Prüfung real starten)

Welche Aussage zu Schutzeinrichtungen ist richtig? (Sie dürfen nicht manipuliert oder umgangen werden) (!Sie dürfen für den Probelauf überbrückt werden) (!Sie sind bei CNC-Simulationen bedeutungslos für den späteren Realbetrieb) (!Sie dürfen von Auszubildenden selbst deaktiviert werden)

Wie lang ist die Gerade von X10 Y10 nach X50 Y10? (40 Millimeter) (!10 Millimeter) (!50 Millimeter) (!60 Millimeter)

Memory

G1	Lineare Vorschubbewegung
G0	Positionierbewegung
F	Vorschubangabe
G90	Absolutmaß
G94	Vorschub pro Minute
Startpunkt	Aktuelle Position
Endpunkt	Programmierte Zielkoordinate

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Geradenbewegung	G1
Positionieren	G0
Vorschub	F
Absolutmaß	G90
Simulation	Bahnkontrolle

Kreuzworträtsel

Vorschub	Welche Größe wird im Programm mit F angegeben?
Startpunkt	Wie heißt die Position, an der eine Bewegung beginnt?
Endpunkt	Wie heißt die programmierte Zielposition einer Bewegung?
Simulator	Womit wird der Ablauf vor einer realen Maschinenfreigabe geprüft?
Eilgang	Wie heißt die schnelle Positionierbewegung im Deutschen?
Nullpunkt	Welcher Bezugspunkt bildet den Ursprung eines Koordinatensystems?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Koordinatenskizze: Zeichne ein XY-Koordinatensystem und markiere A X10 Y10 sowie B X50 Y10. Verbinde beide Punkte mit einer Geraden.
Programmsatz markieren: Schreibe `G1 X50 Y10 F200` ab und kennzeichne Bewegungsart, Endpunkt und Vorschub.
Simulatorprotokoll: Erstelle einen Screenshot einer sicheren virtuellen Geradenbewegung und beschrifte Start und Ende.
Fehlerkarte: Formuliere einen typischen Koordinatenfehler und schreibe einen passenden Prüfschritt dazu.

Standard

Rechteckbahn: Programmiere die virtuelle Rechteckbahn des Ausbildungsfalls neu, ohne das Musterprogramm zu kopieren, und vergleiche danach.
Vorschubvergleich: Simuliere dieselbe virtuelle Gerade mit zwei unterschiedlichen F-Werten und protokolliere die beobachtete Zeitdifferenz.
Partnerprüfung: Tausche Deinen Simulationscode mit einer anderen Person und prüfe Startpunkt, Endpunkt, Vorschub und sicheren Z-Bereich.
Ablaufvideo: Erstelle ein kurzes Bildschirmvideo der Simulation und sprich zu jedem Satz die erwartete Bewegung ein.

Schwer

Fehlersimulation: Baue absichtlich einen falschen Endpunkt ein, dokumentiere das Bahnproblem und korrigiere den Fehler ausschließlich im Simulator.
Transferauftrag: Entwickle eine neue geschlossene Kontur aus mindestens sechs Geraden und begründe die gewählte Reihenfolge der Punkte.
Steuerungsvergleich: Vergleiche anhand freigegebener Herstellerunterlagen, wie die in diesem Kurs genutzten Grundfunktionen auf einer betrieblichen Steuerung dargestellt werden. Keine reale Ausführung.
Sicherheitsanalyse: Erstelle für den Übergang von Simulation zu realer Fertigung eine Freigabe-Checkliste mit Fachaufsicht, Herstellerunterlagen, Koordinatenprüfung, Werkzeugprüfung und Schutzeinrichtungen.

Lernkontrolle

Bahnrekonstruktion: Du erhältst eine Liste aus vier G1-Sätzen. Zeichne die daraus entstehende Kontur und begründe für jeden Abschnitt Start- und Endpunkt.
Fehlerdiagnose: Eine Simulation zeigt eine spiegelverkehrte Kontur. Entwickle eine Prüfreihenfolge, mit der Du Koordinaten, Nullpunkt und Distanzmodus systematisch untersuchst.
Vorschubtransfer: Zwei Programme besitzen identische Geometrie, aber unterschiedliche F-Werte. Erkläre Auswirkungen auf die idealisierte Bewegungszeit und Grenzen dieser Aussage für die reale Zerspanung.
Programmsicherheit: Begründe, warum ein grafisch plausibler Simulatorlauf allein noch keine Freigabe für eine reale Maschine darstellt.
Ablaufplanung: Entwirf eine Reihenfolge aus Planen, Programmieren, Simulieren, Prüfen und Freigeben und erkläre, welche Fehler jede Stufe verhindern soll.
Steuerungsdialekt: Begründe, warum ein DIN/ISO-nahes Lernbeispiel vor der Übernahme auf eine konkrete CNC-Steuerung mit der Herstellerdokumentation verglichen werden muss.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Kurs solltest Du zeigen, dass Du eine Geradenbewegung aus Startpunkt, Endpunkt und Vorschub sicher beschreiben kannst. Du solltest G0 und G1 fachlich unterscheiden, einen einfachen G1-Satz lesen und schreiben, eine Bahn im Simulator kontrollieren und erkannte Fehler begründet korrigieren können.

Wichtig ist außerdem, dass Du den Unterschied zwischen Simulation und realer Maschinenfreigabe erklärst. Ein vollständiger Lernnachweis enthält deshalb eine dokumentierte Simulation, eine kurze Bahnbegründung, mindestens eine Fehleranalyse und eine Sicherheitsreflexion. Externe Medien, Live-Ansteuerungen oder reale Maschinenläufe sind für den Lernnachweis nicht erforderlich.

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