aiMOOC

CNC-Grundlagen und Programmaufbau – CNC-Maschinen im Koordinatensystem beschreiben

QR-Code

CNC-Grundlagen und Programmaufbau – CNC-Maschinen im Koordinatensystem beschreiben

Einleitung

Kurzbeschreibung: Achsen, Bezugspunkte und Bewegungsrichtungen sicher erkennen, beschreiben und in einem einfachen CNC-Programm wiederfinden.

Zielgruppe: Ausbildung in der Metalltechnik, insbesondere Zerspanungsmechanikerinnen und Zerspanungsmechaniker, Industriemechanikerinnen und Industriemechaniker sowie verwandte Ausbildungsberufe.

Lernziel: Du kannst eine CNC-Fräs- oder CNC-Drehmaschine im Koordinatensystem beschreiben, wichtige Bezugspunkte unterscheiden, Bewegungsrichtungen begründen und einen einfachen Programmaufbau in einer Simulation prüfen.

Sicherheitsrahmen: Alle Maschinenabläufe in diesem Kurs werden zuerst in einer Grafik-, Trainings- oder Fertigungssimulation geprüft. Das Beispielprogramm ist ausschließlich für Lern- und Simulationszwecke gedacht und darf nicht ungeprüft an eine reale Maschine übertragen werden. Reale Arbeiten erfolgen nur unter geeigneter Fachaufsicht, mit betrieblicher Freigabe, intakten Schutzeinrichtungen und nach den Vorgaben der konkreten Maschine. Schutzeinrichtungen werden nicht umgangen oder manipuliert.

Lerneinheit 1: CNC-Maschine und Koordinatensystem

Eine CNC-Maschine führt programmierte Bewegungen über steuerbare Achsen aus. Für die räumliche Beschreibung wird bei Werkzeugmaschinen ein kartesisches Koordinatensystem verwendet.

Bei einer typischen 3-Achs-Fräsmaschine sind die linearen Hauptachsen:

X-Achse: Bewegung in einer waagerechten Hauptrichtung.
Y-Achse: Bewegung rechtwinklig zur X-Achse in der Bearbeitungsebene.
Z-Achse: Werkzeugachse; positive Z-Richtung zeigt grundsätzlich vom Werkstück in Richtung Werkzeug weg.

Die Richtungsangaben beziehen sich auf die Relativbewegung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück. Bei Maschinen mit bewegtem Tisch kann deshalb die sichtbare Tischbewegung entgegengesetzt zur programmierten Werkzeugbewegung sein.

Merksatz: X, Y und Z bilden ein rechtshändiges Koordinatensystem. Die konkrete Lage der Achsen an der Maschine muss immer mit der Maschinen- und Steuerungsdokumentation abgeglichen werden.

Beobachtungsauftrag zur Animation: Verfolge, wie ein Koordinatensystem relativ zum Werkstück festgelegt wird. Notiere anschließend, warum ein eindeutig definierter Ursprung für Messung und Bearbeitung notwendig ist.

Videoauftrag: Stoppe nach der Einführung der X-, Y- und Z-Achse. Skizziere die drei Achsen und ergänze jeweils Plus- und Minusrichtung. Prüfe danach Deine Skizze mit dem weiteren Videoverlauf.

Lerneinheit 2: Achsen beim Fräsen und Drehen

Fräsen

Bei einer üblichen vertikalen 3-Achs-Fräsmaschine ist Z die Werkzeugachse. X und Y liegen in der Bearbeitungsebene. Zusätzliche Drehachsen werden häufig mit A, B und C bezeichnet; sie drehen um X, Y beziehungsweise Z.

Wichtig: Die tatsächliche Maschinenkinematik kann abweichen. Entscheidend ist die Achsdefinition der jeweiligen Steuerung und Maschine.

Drehen

Bei einer CNC-Drehmaschine liegt die Z-Achse entlang der Hauptspindelachse. Die X-Achse verläuft radial dazu. Bei vielen Drehsteuerungen wird X als Durchmesserwert programmiert; das ist jedoch steuerungs- und maschinenspezifisch.

Datei:CNC lathe.webm

Vergleichsauftrag: Erkläre in zwei Sätzen, warum die Z-Achse beim Fräsen und Drehen unterschiedlich im Maschinenraum erscheint, obwohl beide Beschreibungen dem Grundprinzip eines rechtshändigen Koordinatensystems folgen.

Lerneinheit 3: Bezugspunkte

Mehrere Bezugspunkte helfen, Maschinenraum, Werkstück und Werkzeug eindeutig miteinander zu verknüpfen. Bezeichnungen können je nach Hersteller leicht variieren.

Zeichen	Bezugspunkt	Bedeutung
M	Maschinennullpunkt	Ursprung des Maschinenkoordinatensystems; vom Maschinenhersteller festgelegt.
R	Referenzpunkt	Dient bei entsprechenden Wegmesssystemen zum Herstellen eines definierten Maschinenbezugs.
W	Werkstücknullpunkt	Ursprung des Werkstückkoordinatensystems; wird für die Bearbeitung zweckmäßig festgelegt.
T	Werkzeugträger-Bezugspunkt	Bezug für die Lage des Werkzeugträgers beziehungsweise der Werkzeugaufnahme.

Achtung: Nicht jede moderne Maschine nutzt Referenzfahrten auf dieselbe Weise. Absolute Messsysteme und herstellerspezifische Konzepte können den Ablauf verändern. Deshalb gilt immer die Dokumentation der konkreten Maschine.

Medienauftrag: Achte im Video auf die Trennung zwischen Maschinenkoordinaten und Werkstückkoordinaten. Übertrage das Prinzip anschließend auf eine eigene Werkstückskizze, ohne reale Maschinenbewegungen auszuführen.

Lerneinheit 4: Werkzeuge und Werkzeugbezug

Ein CNC-Programm beschreibt nicht nur Zielpunkte, sondern muss auch berücksichtigen, welches Werkzeug verwendet wird und wie dessen Schneide relativ zur Maschine und zum Werkstück liegt.

Arbeitsauftrag: Markiere auf einer eigenen Skizze bei einem Schaftfräser den Werkzeugbezug und überlege, warum zwei unterschiedlich lange Werkzeuge bei identischer Z-Koordinate nicht automatisch dieselbe Schneidenposition besitzen.

Hinweis: Das Video zeigt ein herstellerspezifisches Verfahren an einer Drehmaschine. Nutze es zum Verständnis des Offset-Prinzips, nicht als allgemeingültige Bedienanweisung.

Lerneinheit 5: Programmaufbau

Ein CNC-Programm wird satzweise abgearbeitet. Typische Bestandteile sind:

Programmname beziehungsweise Programmnummer.
Vorbereitung mit Koordinatensystem, Maßeinheit und Bearbeitungsebene.
Werkzeug und Werkzeugkorrekturen.
Werkstücknullpunkt beziehungsweise Werkstückkoordinatensystem.
Positionierung und Bearbeitungsbewegungen.
Programmende.

G-Befehle beschreiben häufig Bewegungs- oder Zustandsfunktionen. M-Befehle schalten je nach Steuerung Maschinenfunktionen. Bedeutung und Verfügbarkeit sind steuerungsspezifisch.

Beispiel	Grundidee	Lernhinweis
G00	Schnelles Positionieren	Nicht als Bearbeitungsvorschub verstehen.
G01	Lineare Bewegung mit Vorschub	Zielkoordinate und Vorschub müssen plausibel sein.
G90	Absolute Maßangabe	Koordinaten beziehen sich auf den aktiven Ursprung.
G91	Inkrementale Maßangabe	Koordinaten beziehen sich auf die aktuelle Position.
G54	Häufig verwendetes Werkstückkoordinatensystem	Vor Nutzung immer Steuerungsdokumentation prüfen.

Simulationsprogramm: L-förmiger Verfahrweg

Nur für eine freigegebene Lernsimulation. Nicht ungeprüft an eine reale Maschine übertragen.

%
O0100 (NUR SIMULATION)
G90 G17
G54
G00 X0 Y0
G00 Z20
G01 Z5 F200
G01 X40 Y0 F300
G01 X40 Y30
G00 Z20
M30
%

Leseauftrag: Beschreibe, von welchem Bezugssystem die Zielpunkte bei aktivem G54 und G90 interpretiert werden. Bestimme anschließend die Endposition X, Y und Z des simulierten Weges.

Ausbildungsfall: Grundplatte für einen Sensorhalter

Du arbeitest in der Ausbildungswerkstatt. Ein virtuelles Rohteil mit den Abmessungen 80 mm × 50 mm × 12 mm soll in einer CNC-Simulation vorbereitet werden. Als Werkstücknullpunkt W wird für die Übung die linke vordere obere Ecke des virtuellen Werkstücks gewählt.

Auftrag: Beschreibe zuerst das Koordinatensystem und simuliere danach einen sicheren Prüfweg oberhalb des Werkstücks. Es findet keine reale Bearbeitung statt.

Punkt	X	Y	Z	Zweck
P0	0	0	20	Sicherheitsposition über W
P1	10	10	20	Startpunkt über der Fläche
P2	60	10	20	Bewegung in X
P3	60	35	20	Bewegung in Y
P4	10	35	20	Rückweg in X

Arbeitsauftrag 1 – Basis: Zeichne das Werkstück als Rechteck, markiere W und trage X+, Y+ und Z+ ein.

Begründetes Feedback: Richtig ist eine konsistente Achsorientierung mit eindeutigem Ursprung. Ohne festen Ursprung wären die Punktkoordinaten mehrdeutig und das Programm könnte nicht eindeutig auf das Werkstück bezogen werden.

Arbeitsauftrag 2 – Anwendung: Übertrage P0 bis P4 in den freigegebenen Simulator und prüfe ausschließlich den Verfahrweg bei konstantem Z = 20 mm.

Begründetes Feedback: Wenn Z konstant bei 20 mm bleibt, wird in dieser Übung nur ein Weg oberhalb der Werkstückoberfläche geprüft. Das reduziert das Kollisionsrisiko im Lernfall und macht X- und Y-Richtungen sichtbar.

Arbeitsauftrag 3 – Transfer: Lege den Werkstücknullpunkt gedanklich in die Werkstückmitte. Bestimme die neuen X- und Y-Koordinaten von P2.

Begründetes Feedback: Beim Verschieben des Ursprungs ändert sich nicht die reale Punktlage, sondern seine Koordinatenbeschreibung. Genau diese Trennung ist zentral für das Verständnis von Maschinen- und Werkstückkoordinaten.

Gestufte Hilfen

Hilfe 1: Orientierung

Zeichne zuerst nur drei Pfeile für X, Y und Z. Beschrifte die positiven Richtungen. Nutze die Rechtshandregel als Gedächtnisstütze.

Hilfe 2: Bezugspunkt

Kreise den aktiven Ursprung ein. Frage Dich bei jeder Koordinate: Von welchem Nullpunkt aus wird gemessen?

Hilfe 3: Koordinatentabelle

Notiere für jeden Punkt getrennt X, Y und Z. Vergleiche immer nur eine Achse gleichzeitig mit dem vorherigen Punkt.

Hilfe 4: Simulation

Prüfe zuerst die Grafikdarstellung, dann den Satz-für-Satz-Verlauf in der Simulation. Erst wenn Achsen, Nullpunkt, Werkzeugbezug und Sicherheitsabstände plausibel sind, darf unter Fachaufsicht über einen realen Ausbildungsauftrag entschieden werden.

Sichere Fertigungssimulation

Die Simulation dient als Sicherheitsbarriere zwischen Programmidee und realer Maschine.

Prüfreihenfolge:

Koordinatensystem und Nullpunkt kontrollieren.
Werkzeug und Werkzeugbezug kontrollieren.
Verfahrweg grafisch simulieren.
Sicherheitsabstände und mögliche Kollisionen beurteilen.
Satzfolge im Simulator schrittweise prüfen.
Ergebnis dokumentieren und durch die zuständige Fachkraft freigeben lassen.

Nicht Bestandteil dieses Kurses: automatische Live-Ansteuerung einer Maschine, Überbrückung von Türkontakten, Manipulation von Schutzsystemen oder ungeprüfte Übertragung von Programmen in die Fertigung.

Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben

Basis

Achsen erkennen: Ordne X, Y und Z einer skizzierten 3-Achs-Fräsmaschine zu.
Bezugspunkte unterscheiden: Erkläre M, R, W und T mit jeweils einem Satz.
Bewegungsrichtung: Bestimme für den Weg von X10 nach X40 bei unverändertem Y die Bewegungsrichtung.

Feedback: Wenn Du Achsen und Bezugspunkte getrennt beschreibst, vermeidest Du die häufige Verwechslung zwischen Maschinenraum und Werkstückkoordinaten. Bewegungsrichtungen sind erst dann eindeutig, wenn das aktive Koordinatensystem feststeht.

Anwendung

Koordinaten lesen: Beschreibe den simulierten Weg P0 bis P4 vollständig in Worten.
Absolut und inkremental: Formuliere den Weg P1 nach P2 einmal als absolute und einmal als inkrementale Koordinatenangabe.
Programmstruktur prüfen: Markiere im Simulationsprogramm Vorbereitung, Positionierung, Vorschubbewegung und Programmende.

Feedback: Eine korrekte Lösung zeigt nicht nur die Zahlenwerte, sondern auch den Bezug. G90 beschreibt Zielpositionen vom Ursprung aus; G91 beschreibt Wegänderungen von der aktuellen Position aus.

Transfer

Nullpunkt verschieben: Berechne die Koordinaten des Ausbildungsfalls für einen Werkstücknullpunkt in der Bauteilmitte.
Fehleranalyse: Erkläre, welche Folgen ein falsch eingetragener Werkstücknullpunkt in der Simulation haben kann.
Maschinenvergleich: Vergleiche die Achsenbeschreibung einer Fräsmaschine mit der einer Drehmaschine.

Feedback: Transfer gelingt, wenn Du erkennst, dass dieselbe reale Geometrie mit unterschiedlichen Bezugssystemen verschiedene Koordinatenwerte erhält. Ein Nullpunktfehler verschiebt den gesamten programmierten Weg und kann deshalb zu Fehlbearbeitung oder Kollision führen.

Fachquellen und Medienrechte

Fachlich geprüft:

HEIDENHAIN TNC 320 – DIN/ISO Programming: Referenzsysteme und Achsen an Fräsmaschinen.
Wikipedia: Computerized Numerical Control: CNC-Grundlagen und Bezugspunkte M, R, T und W.
Wikipedia: CNC-Drehmaschine: Achsen beim Drehen.
Haas Automation: G-Code List for CNC Milling Machines: Herstellerbeispiel zu G-Befehlen und Werkstückkoordinatensystemen.
Haas Learning Resources: Schulungsmedien zu G-Code, Werkzeug- und Werkstückversätzen sowie Programmprüfung.

Verwendete Wikimedia-Commons-Medien und Lizenzstatus:

CNC milling machine.jpg – CC BY-SA 4.0.
Festlegen des Werkstückkoordinatensystems (Animation).gif – CC BY-SA 3.0.
Lathe coordinates behind center.svg – CC BY-SA.
End Mill - Outline Drawing.png – CC BY-SA 3.0.
Toolchanger 1.jpg – CC BY-SA 4.0.
CNC lathe.webm – CC BY 3.0.

YouTube-Medien: Eingebettet werden verifizierte Videos des offiziellen Kanals Haas Automation. Die Urheberrechte verbleiben beim jeweiligen Rechteinhaber; die Einbettung bedeutet keine Einstufung als frei lizenzierte OER.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Aussage beschreibt die positive Z-Richtung an einer typischen Fräsmaschine am besten? (Sie zeigt entlang der Werkzeugachse vom Werkstück weg) (!Sie zeigt immer nach links) (!Sie zeigt immer in Vorschubrichtung) (!Sie entspricht immer der Tischbewegung)

Wofür steht der Werkstücknullpunkt W? (Für den Ursprung des Werkstückkoordinatensystems) (!Für den festen Ursprung jedes Motors) (!Für die höchste Spindeldrehzahl) (!Für das Ende eines CNC-Programms)

Welche Aufgabe hat ein Referenzpunkt R grundsätzlich? (Er stellt bei entsprechenden Systemen einen definierten Maschinenbezug her) (!Er bestimmt die Werkstückfarbe) (!Er ersetzt jede Werkzeugkorrektur) (!Er legt den Vorschub fest)

Welche Regel hilft bei der Orientierung der Achsen X Y und Z? (Die Rechtshandregel) (!Die Linksschraubenregel) (!Die Dreisatzregel) (!Die Hebelregel)

Was bedeutet G90 in vielen CNC-Steuerungen? (Absolute Maßangabe) (!Inkrementale Maßangabe) (!Programmende) (!Werkzeugwechsel)

Was bedeutet G91 in vielen CNC-Steuerungen? (Inkrementale Maßangabe) (!Absolute Maßangabe) (!Spindelstopp) (!Kreisinterpolation)

Wofür wird G54 häufig verwendet? (Für die Auswahl eines Werkstückkoordinatensystems) (!Für das Öffnen einer Schutztür) (!Für den Werkzeugbruch) (!Für die maximale Drehzahl)

Welche Grundfunktion hat G00 typischerweise? (Schnelles Positionieren) (!Gewindeschneiden) (!Werkzeugvermessung) (!Programmkommentar)

Was ist nach einer Programmänderung im Ausbildungskontext zuerst zu tun? (Den Ablauf in einer geeigneten Simulation prüfen) (!Das Programm sofort in Serie starten) (!Schutzeinrichtungen deaktivieren) (!Die Maschinenparameter ohne Freigabe ändern)

Wie liegt die Z-Achse bei einer typischen CNC-Drehmaschine? (Entlang der Hauptspindelachse) (!Immer senkrecht zur Hauptspindelachse) (!Nur in der Vertikalen) (!Sie existiert beim Drehen nicht)

Memory

Maschinennullpunkt	Ursprung des Maschinenkoordinatensystems
Referenzpunkt	Definierter Maschinenbezug für das Wegmesssystem
Werkstücknullpunkt	Ursprung des Werkstückkoordinatensystems
Werkzeugträgerbezug	Bezug der Werkzeugaufnahme
Absolutmaß	Zielangabe vom aktiven Ursprung
Inkrementalmaß	Wegangabe von der aktuellen Position

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	CNC-Grundlagen
X-Achse	Lineare Hauptachse in der Bearbeitungsebene
Z-Achse	Werkzeugachse beim typischen Fräsen
Werkstücknullpunkt	Ursprung für die programmierte Werkstückgeometrie
G90	Absolute Maßangabe
Simulation	Prüfung des Ablaufs vor einer realen Freigabe

Kreuzworträtsel

Maschinenullpunkt	Wie heißt der vom Hersteller festgelegte Ursprung des Maschinenkoordinatensystems?
Referenzpunkt	Welcher Punkt dient bei entsprechenden Systemen zum Herstellen eines definierten Maschinenbezugs?
Werkstücknullpunkt	Welcher Ursprung wird für die Programmierung am Werkstück festgelegt?
Rechtshandregel	Welche Regel hilft beim Bestimmen der positiven Achsrichtungen?
Absolutmaß	Wie heißt eine Koordinatenangabe bezogen auf den aktiven Ursprung?
Simulation	Wie heißt die sichere virtuelle Prüfung eines CNC-Ablaufs?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Achsen-Skizze: Zeichne eine vereinfachte 3-Achs-Fräsmaschine und kennzeichne X+, Y+ und Z+.
Bezugspunkte-Karte: Gestalte eine Lernkarte mit M, R, W und T und jeweils einer kurzen Erklärung.
Werkzeugbild analysieren: Beschrifte auf einer Skizze eines Schaftfräsers Schaft, Schneide und Werkzeugspitze.
Video-Protokoll: Fasse aus einem eingebetteten Video drei Aussagen zu Achsen oder Bezugspunkten zusammen.

Standard

Koordinatenweg beschreiben: Beschreibe P0 bis P4 aus dem Ausbildungsfall vollständig in Worten.
Simulationsprotokoll: Dokumentiere einen Durchlauf des L-förmigen Programms mit Startpunkt, Endpunkt und Bewegungsrichtungen.
G90 und G91 vergleichen: Stelle denselben kurzen Weg einmal absolut und einmal inkremental dar.
Fehlerbild Nullpunkt: Erstelle zwei Skizzen, die zeigen, wie sich ein korrektes und ein falsch verschobenes Werkstückkoordinatensystem auf den Bahnverlauf auswirkt.

Schwer

Nullpunktstrategie: Vergleiche drei mögliche Werkstücknullpunkte für die virtuelle Grundplatte und begründe, welcher für die Programmierung am übersichtlichsten ist.
Maschinenvergleich: Erstelle eine Gegenüberstellung der Achsen an einer 3-Achs-Fräsmaschine und einer CNC-Drehmaschine.
Programmanalyse: Entwickle ein eigenes kurzes Simulationsprogramm für einen rechteckigen Verfahrweg oberhalb des Werkstücks und kommentiere jeden Satz.
Sicherheitsreview: Entwickle eine Prüfliste, mit der ein Ausbildungsteam vor einer realen Freigabe Koordinatensystem, Werkzeugbezug, Simulation und Schutzmaßnahmen kontrolliert.

Lernkontrolle

Koordinatensystem begründen: Ein Bauteil wird nach dem Umspannen an einer anderen Stelle im Maschinenraum befestigt. Erkläre, welche Koordinaten unverändert bleiben können und welche Bezüge neu geprüft werden müssen.
Nullpunktfehler analysieren: In der Simulation liegt der gesamte Werkzeugweg 20 mm zu weit in positiver X-Richtung. Entwickle zwei mögliche Ursachen und beschreibe, wie Du sie systematisch unterscheidest.
Fräsen und Drehen übertragen: Übertrage das Prinzip der Werkzeug-Z-Richtung beim Fräsen auf die Z-Achse einer Drehmaschine und erkläre Gemeinsamkeiten und Unterschiede.
Absolut oder inkremental entscheiden: Wähle für einen rechteckigen Konturweg G90 oder G91 und begründe Deine Entscheidung im Hinblick auf Übersichtlichkeit und Fehlersuche.
Simulationsfreigabe bewerten: Eine Grafik zeigt einen kollisionsfreien Weg, aber der Werkstücknullpunkt wurde nicht dokumentiert. Begründe, warum dies für eine reale Freigabe nicht ausreicht.
Werkzeugwechsel beurteilen: Zwei Werkzeuge besitzen unterschiedliche Längen. Erkläre, warum identische Z-Werte ohne korrekte Werkzeugbezüge nicht automatisch dieselbe Schneidenposition ergeben.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du:

die Achsen X, Y und Z fachgerecht beschreiben und positive Bewegungsrichtungen begründen können.
Maschinenkoordinatensystem und Werkstückkoordinatensystem unterscheiden können.
die Bezugspunkte M, R, W und T in ihrer Funktion erklären können.
Achsen beim Fräsen und Drehen vergleichen können.
absolute und inkrementale Koordinaten unterscheiden können.
einen einfachen CNC-Programmaufbau lesen und Bewegungsbefehle zuordnen können.
einen simulierten Verfahrweg aus Koordinaten rekonstruieren und erklären können.
mögliche Folgen eines falschen Werkstücknullpunkts analysieren können.
die Rolle von Werkzeugbezügen bei unterschiedlichen Werkzeuglängen erklären können.
eine sichere Prüfreihenfolge von Simulation, Dokumentation und fachlicher Freigabe begründen können.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

CNC-Grundlagen

aiMOOC-Projekte

Inhalte werden geladen ...

Mediathek wird aus dem Wiki geladen ...

Frag mich zum aktuellen Lerninhalt oder wähle eine kurze Hilfe.

Textmodus bereit

Sprache