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CNC-Grundlagen und Programmaufbau – Kreisbewegungen im Simulator programmieren

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CNC-Grundlagen und Programmaufbau – Kreisbewegungen im Simulator programmieren

Einleitung

Dieser aiMOOC richtet sich an Lernende in der Ausbildung, besonders in Zerspanungsmechanik, Industriemechanik und Fertigungstechnik. Du lernst Kreisbewegungen im CNC-Programm zu lesen, zu planen und zuerst ausschließlich im Simulator zu prüfen.

Kurzbeschreibung: Im Mittelpunkt stehen Drehsinn, Mittelpunkt und Endpunkt. Du arbeitest mit kurzen Lerneinheiten, freien Werkzeugbildern, Ablaufanimationen, einem konkreten Ausbildungsfall und sicheren Simulationsaufträgen.

Sicherheitsregel: Alle CNC-Beispiele dieses Kurses sind Lern- und Simulationsprogramme. Sie dürfen nicht automatisch an eine reale Maschine übertragen oder zur Live-Ansteuerung verwendet werden. Schutzeinrichtungen werden niemals umgangen. Reale Arbeiten erfolgen nur nach betrieblicher Freigabe, mit passender Maschineneinweisung und unter geeigneter Fachaufsicht.

Lernziele

Du kannst ...	Nachweis
G02 und G03 unterscheiden	Drehsinn im Simulator begründen
Startpunkt, Mittelpunkt und Endpunkt zuordnen	Geometrie in einer Skizze markieren
I- und J-Werte für einen Kreisbogen bestimmen	Mittelpunktversatz berechnen
einen kurzen CNC-Programmabschnitt strukturieren	Programmzeilen erklären
einen Werkzeugweg sicher simulieren	Backplot prüfen und Fehler begründen

Medienstart: Maschine, Bedienfeld und Werkzeug

Beobachtungsauftrag: Benenne am Bild nur die Bereiche, die Du für Eingabe, Anzeige und Kontrolle eines Programms erwartest. Eine reale Bedienhandlung ist hier nicht vorgesehen.

Werkzeugfokus: Beim Programmieren beschreibst Du zunächst den geplanten Werkzeugweg. Ob dieser Weg später real gefertigt werden darf, hängt zusätzlich von Werkzeug, Werkstück, Spannung, Maschine, Korrekturen und betrieblichen Vorgaben ab.

Ausbildungsfall: Viertelkreis auf einer Übungsplatte

Du erhältst im Ausbildungsbetrieb eine einfache 2D-Kontur als reinen Simulationsauftrag. Ein Viertelkreis soll in der XY-Ebene visualisiert werden.

Merkmal	Vorgabe
Startpunkt S	X10 Y20
Mittelpunkt M	X20 Y20
Endpunkt E	X20 Y30
Ebene	XY-Ebene
Betrachtungsrichtung	von der positiven Z-Achse auf die XY-Ebene

Arbeitsziel: Bestimme Drehsinn, Mittelpunktversatz und Endpunkt. Erzeuge anschließend einen Backplot im Simulator.

Ablauf in sieben kurzen Schritten

Startpunkt: Lies zuerst die aktuelle Werkzeugposition als Start des Kreisbogens.
Arbeitsebene: Für die XY-Ebene wird in vielen DIN/ISO-orientierten Steuerungen G17 verwendet.
Drehsinn: G02 beschreibt üblicherweise den Uhrzeigersinn, G03 den Gegenuhrzeigersinn.
Mittelpunkt: Bestimme die Lage des Kreismittelpunkts relativ zum Startpunkt.
Endpunkt: X und Y beschreiben im Lernfall die Zielkoordinaten des Bogens.
Simulation: Prüfe den Werkzeugweg zunächst nur im Backplot.
Plausibilitätsprüfung: Vergleiche Start- und Endradius zum Mittelpunkt.

Ablaufanimation: Die Animation zeigt einen CNC-Werkzeugweg. Beobachte, wie eine programmierte Bahn Schritt für Schritt abgefahren wird.

Lerneinheit 1: Drehsinn verstehen

Für die hier verwendete G17-XY-Ebene gilt die Blickrichtung von der positiven Z-Achse auf die Ebene.

Code	Bedeutung im Lernfall
G02	Kreisbewegung im Uhrzeigersinn
G03	Kreisbewegung gegen den Uhrzeigersinn

Im Ausbildungsfall liegt S links vom Mittelpunkt und E oberhalb des Mittelpunkts. Der kurze Weg von S nach E läuft im Uhrzeigersinn. Deshalb ist G02 passend.

Medienauftrag: Notiere aus dem Video nur die Aussagen zu G00, G01, G02 und G03. Übertrage keine gezeigten Fertigungsparameter auf eine reale Maschine.

Mini-Check 1

Frage: Du schaust in G17 von +Z auf die XY-Ebene. Welcher Code kennzeichnet im üblichen G-Code eine Kreisbewegung im Uhrzeigersinn?

Lösungskontrolle: G02.

Begründetes Feedback: Wenn Du G02 gewählt hast, hast Du Drehsinn und Blickrichtung gemeinsam betrachtet. Wenn Du G03 gewählt hast, prüfe zuerst die Blickrichtung; genau hier entsteht ein häufiger Denkfehler.

Lerneinheit 2: Mittelpunkt mit I und J beschreiben

Für diesen Lernfall werden I und J als relative Abstände vom Startpunkt zum Mittelpunkt verwendet. Diese Konvention ist verbreitet, muss aber bei jeder konkreten Steuerung oder jedem Simulator im Handbuch geprüft werden.

Merksatz:

I = X des Mittelpunkts − X des Startpunkts

J = Y des Mittelpunkts − Y des Startpunkts

Für den Ausbildungsfall:

I = 20 − 10 = 10

J = 20 − 20 = 0

Damit liegt der Mittelpunkt vom Startpunkt aus 10 mm in positiver X-Richtung und ohne Y-Versatz.

Animationsauftrag: Beobachte, warum Koordinatensystem und Bezugspunkte vor jeder geometrischen Interpretation eindeutig sein müssen.

Gestufte Hilfen zum Mittelpunkt

Hilfe 1 – Orientierung: Zeichne S und M in ein XY-Koordinatensystem und ziehe einen Pfeil von S nach M.

Hilfe 2 – Rechenweg: Berechne zuerst nur die X-Differenz für I, danach die Y-Differenz für J.

Hilfe 3 – Kontrolle: Für S X10 Y20 und M X20 Y20 muss der Mittelpunkt rechts vom Startpunkt liegen. Ein negatives I wäre deshalb unplausibel.

Feedback: Die Hilfen werden schrittweise konkreter. Nutze möglichst zuerst nur Hilfe 1. So trainierst Du die räumliche Vorstellung statt nur eine fertige Lösung zu übernehmen.

Lerneinheit 3: Endpunkt und Radius prüfen

Der Endpunkt steht im Kreissatz mit X und Y. Im Ausbildungsfall ist er:

E = X20 Y30

Der Start- und Endradius müssen zum selben Mittelpunkt passen.

Start-Radius: Abstand von S X10 Y20 zu M X20 Y20 = 10 mm

End-Radius: Abstand von E X20 Y30 zu M X20 Y20 = 10 mm

Plausibilitätsregel: Sind beide Radien nicht gleich, ist die Kreisgeometrie fehlerhaft oder die Eingabe wird anders interpretiert als erwartet.

Transferblick: Ein real gefertigtes Teil entsteht nicht allein aus geometrischem G-Code. Werkzeug, Aufspannung, Korrekturen, Prozessdaten und Freigaben gehören ebenfalls zum Fertigungsprozess.

Lerneinheit 4: Programmaufbau für die Simulation

Ein reduzierter Lerncode für den Backplot kann so aussehen:

G21
G17
G90
G00 X10 Y20
G02 X20 Y30 I10 J0 F200
M30

Zeile	Lernbedeutung
G21	Maßeinheit Millimeter
G17	XY-Ebene
G90	Endpunktkoordinaten absolut interpretieren
G00 X10 Y20	Startpunkt der Übung anfahren
G02 X20 Y30 I10 J0 F200	Kreisbogen bis zum Endpunkt mit Mittelpunktversatz
M30	Programmende in vielen Steuerungen und Simulatoren

Wichtig: Der Wert F200 dient hier nur der Lernvisualisierung im Simulator und ist keine Fertigungsempfehlung. Auch G90 legt nicht bei jeder Steuerung automatisch fest, wie I und J interpretiert werden. Die Zielsteuerung und der verwendete Simulator sind deshalb immer anhand der jeweiligen Dokumentation zu prüfen.

Gegenprobe mit G03

Starte am oberen Punkt X20 Y30 und fahre zum linken Punkt X10 Y20. Der Mittelpunkt bleibt X20 Y20.

G21
G17
G90
G00 X20 Y30
G03 X10 Y20 I0 J-10 F200
M30

Kontrolle: Vom oberen Punkt zum linken Punkt läuft der kurze Bogen gegen den Uhrzeigersinn. Der Mittelpunkt liegt vom Startpunkt aus 10 mm in negativer Y-Richtung.

Lerneinheit 5: Sicher simulieren und prüfen

Für die Ausbildung eignet sich ein Backplotter oder CNC-Simulator, weil Du Werkzeugwege sichtbar machen kannst, ohne eine reale Maschine zu bewegen.

Mögliche Lernwerkzeuge: NC Viewer oder ein im Ausbildungsbetrieb freigegebener CNC-Simulator.

Arbeitsauftrag Simulation:

Vorhersage: Skizziere zuerst den erwarteten Viertelkreis auf Papier.
Codeprüfung: Kontrolliere G17, G02 oder G03, Endpunkt sowie I und J.
Backplot: Führe den Lerncode ausschließlich im Simulator aus.
Vergleich: Prüfe, ob Startpunkt, Endpunkt, Mittelpunkt und Drehsinn mit Deiner Skizze übereinstimmen.
Dokumentation: Speichere einen Screenshot und markiere S, M und E.
Freigabegrenze: Übertrage den Code nicht automatisch auf eine reale Maschine.

Sicherheitsfeedback: Ein plausibler Backplot ist ein Lernnachweis, aber keine Maschinenfreigabe. Ein Simulator kann steuerungsspezifische Besonderheiten, reale Spannmittel, Werkzeugdaten oder alle möglichen Kollisions- und Eingabefehler nicht automatisch abdecken.

Typische Fehlerbilder

Fehler	Warum problematisch?	Korrektur
G02 und G03 verwechselt	Der Bogen läuft auf der falschen Seite	Blickrichtung und Drehsinn erneut prüfen
I und J als absolute Mittelpunktkoordinaten eingegeben	Der Mittelpunkt liegt an einer anderen Stelle	Interpretationsmodus des Simulators prüfen
Mittelpunkt mit Endpunkt verwechselt	Kreisgeometrie wird unplausibel	S, M und E getrennt markieren
G17 vergessen oder falsche Ebene aktiv	Kreis wird in einer anderen Ebene interpretiert	aktive Ebene vor dem Kreissatz prüfen
Nur dem Bild vertraut	Ein schöner Backplot kann trotzdem fachlich falsch sein	Radius und Koordinaten zusätzlich rechnerisch prüfen

Lernpfad mit Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben

Basisaufgabe

Arbeitsauftrag: Erkläre in der Zeile G02 X20 Y30 I10 J0 die Bedeutung von G02, X20 Y30, I10 und J0.

Erwartung: G02 = Uhrzeigersinn, X20 Y30 = Endpunkt, I10 J0 = Mittelpunkt liegt relativ zum Startpunkt 10 mm in +X und 0 mm in Y.

Begründetes Feedback: Richtig ist Deine Lösung erst dann, wenn Du Endpunkt und Mittelpunkt klar trennst. Genau diese Trennung ist die Grundlage für sichere Kreisprogrammierung.

Anwendungsaufgabe

Arbeitsauftrag: Nutze den Ausbildungsfall S X10 Y20, M X20 Y20, E X20 Y30. Erstelle den passenden Kreissatz und prüfe ihn im Simulator.

Gestufte Hilfe 1: Der Bogen liegt in G17.

Gestufte Hilfe 2: Der kurze Weg von links nach oben ist im Uhrzeigersinn.

Gestufte Hilfe 3: I = 10 und J = 0.

Musterlösung: G02 X20 Y30 I10 J0

Begründetes Feedback: Wenn Dein Backplot denselben Endpunkt erreicht, aber auf der falschen Kreisseite verläuft, ist meist nicht der Endpunkt falsch, sondern der Drehsinn.

Transferaufgabe

Arbeitsauftrag: Neuer Bogen: S X30 Y10, M X30 Y20, E X20 Y20. Bestimme Code, I und J und begründe den Drehsinn. Simuliere erst danach.

Hilfe 1: Der Mittelpunkt liegt direkt oberhalb des Startpunkts.

Hilfe 2: Daraus folgt I = 0 und J = 10.

Hilfe 3: Vom unteren Punkt zum linken Punkt verläuft der kurze Weg im Uhrzeigersinn.

Musterlösung: G02 X20 Y20 I0 J10

Begründetes Feedback: Eine übertragbare Lösung erkennst Du daran, dass Du nicht nur den Code nennst, sondern Drehsinn und Mittelpunktversatz aus der Geometrie herleitest.

Fachliche Quellen und Medienrechte

Die fachlichen Kernaussagen wurden mit mehreren Quellen gegengeprüft.

G-Code: Die LinuxCNC-Dokumentation beschreibt G2 als Uhrzeigersinn und G3 als Gegenuhrzeigersinn und ordnet G17 der XY-Ebene zu: LinuxCNC G-Codes.
Kreisinterpolation: Das Haas-Handbuch beschreibt G02/G03 sowie Endpunktangaben und I/J/K-Abstände zum Kreismittelpunkt: Haas Fräs-G-Codes.
CNC-Simulation: CNC Simulator Pro dokumentiert G02 als kreisförmige Bewegung im Uhrzeigersinn und G03 als Gegenrichtung: CNC Simulator Pro G-Codes.
Backplot: NC Viewer ist ein browserbasierter G-Code-Viewer und Simulator: NC Viewer.

Geprüfte Wikimedia-Commons-Medien im Kurs:

: vom Urheber als gemeinfrei veröffentlicht.
: Creative Commons BY-SA 2.0.
: Creative Commons BY 4.0.
: Creative Commons BY-SA 3.0.
: Creative Commons BY-SA 3.0 beziehungsweise GFDL laut Dateiseite.
: Creative Commons BY-SA 3.0.
: vom Urheber als gemeinfrei veröffentlicht.

Hinweis zu YouTube: Die eingebetteten Videos werden als ergänzende Lernmedien über die YouTube-Einbettung genutzt. Es wird keine freie OER-Lizenz dieser Videos behauptet; Rechte und Verfügbarkeit bleiben bei den jeweiligen Rechteinhabern und der Plattform. Sofatutor wird nicht verwendet.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welcher Code steht im üblichen DIN-ISO-orientierten G-Code für eine Kreisbewegung im Uhrzeigersinn? (G02) (!G01) (!G03) (!G17)

Welcher Code steht für eine Kreisbewegung gegen den Uhrzeigersinn? (G03) (!G00) (!G02) (!G21)

Welche Ebene wird mit G17 ausgewählt? (XY-Ebene) (!XZ-Ebene) (!YZ-Ebene) (!Werkzeugebene)

Wofür steht I im Mittelpunktformat des Ausbildungsfalls? (X-Abstand vom Startpunkt zum Mittelpunkt) (!X-Koordinate des Endpunkts) (!Y-Abstand vom Startpunkt zum Mittelpunkt) (!Werkzeugdurchmesser)

Wofür steht J im Mittelpunktformat des Ausbildungsfalls? (Y-Abstand vom Startpunkt zum Mittelpunkt) (!Y-Koordinate des Startpunkts) (!X-Abstand vom Startpunkt zum Mittelpunkt) (!Programmlänge)

Welche Angaben beschreiben im Kreissatz den Endpunkt in der XY-Ebene? (X und Y) (!I und J) (!G und F) (!M und T)

Was sollte bei einer Plausibilitätsprüfung eines Kreisbogens übereinstimmen? (Start- und Endradius zum Mittelpunkt) (!Start- und Endpunkt) (!I- und X-Wert) (!J- und Y-Wert)

Was ist vor einer realen Maschinenbewegung in diesem Kurs vorgesehen? (Simulation und fachliche Prüfung) (!Automatische Live-Übertragung) (!Umgehung der Schutztür) (!Direkter Produktionsstart)

Was muss bei einer anderen CNC-Steuerung zusätzlich geprüft werden? (Steuerungsspezifische Interpretation und Herstellerdokumentation) (!Nur die Bildschirmfarbe) (!Nur der Programmname) (!Nur die Dateiendung)

Welche Mittelpunktwerte passen zu S X10 Y20 und M X20 Y20? (I10 J0) (!I20 J20) (!I0 J10) (!I10 J20)

Memory

G02	Uhrzeigersinn
G03	Gegenuhrzeigersinn
G17	XY-Ebene
I	X-Mittelpunktversatz
J	Y-Mittelpunktversatz
X und Y	Endpunkt

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
G02	Uhrzeigersinn
G03	Gegenuhrzeigersinn
I	X-Richtung zum Mittelpunkt
J	Y-Richtung zum Mittelpunkt
X und Y	Endpunkt

Kreuzworträtsel

Drehsinn	Welche Eigenschaft unterscheidet G02 und G03 besonders?
Mittelpunkt	Welcher Punkt bestimmt zusammen mit dem Radius die Lage des Kreisbogens?
Endpunkt	Welcher Punkt wird im Kreissatz mit Zielkoordinaten beschrieben?
Vorschub	Welche Bewegungsgröße wird häufig mit F adressiert?
Simulator	Wo soll der Lerncode zuerst ausgeführt werden?
Koordinate	Wie nennt man einen Zahlenwert zur Lage eines Punktes im Achsensystem?

LearningApps

Lückentext

In der XY-Ebene wird häufig der Ebenencode

verwendet. Eine Kreisbewegung im Uhrzeigersinn wird mit

programmiert. Eine Kreisbewegung gegen den Uhrzeigersinn wird mit

programmiert. Der X-Abstand vom Startpunkt zum Mittelpunkt wird im Lernfall mit

beschrieben. Der Y-Abstand vom Startpunkt zum Mittelpunkt wird mit

beschrieben. Die Zielkoordinaten des Kreisbogens bilden den

. Vor einer realen Maschinenbewegung wird der Lerncode zuerst im

geprüft. Ein plausibler Backplot ersetzt keine betriebliche

.

Offene Aufgaben

Leicht

Drehsinn erkennen: Zeichne vier Viertelkreise und markiere jeweils, welcher kurze Weg G02 und welcher G03 entspricht.
Punkte markieren: Markiere in einer eigenen Skizze Startpunkt, Mittelpunkt und Endpunkt mit drei unterschiedlichen Symbolen.
Werkzeugbild analysieren: Beschreibe anhand der freien Werkzeugbilder drei sichtbare Merkmale eines Schaftfräsers, ohne daraus Fertigungsparameter abzuleiten.
Programmzeile erklären: Erstelle eine Karteikarte zur Zeile G02 X20 Y30 I10 J0 und erkläre jedes Adresselement in einem kurzen Satz.

Standard

Simulatorvergleich: Simuliere denselben Viertelkreis einmal als G02- und einmal als G03-Variante und dokumentiere den Unterschied mit zwei Screenshots.
Mittelpunkt berechnen: Erfinde drei Start- und Mittelpunktpaare und berechne jeweils I und J. Lass die Ergebnisse von einer anderen Person prüfen.
Fehlerdiagnose: Verändere in einer Kopie des Lerncodes genau einen Wert und beschreibe vor dem Backplot, welchen Fehler Du erwartest.
Erklärvideo planen: Erstelle ein 60-sekündiges Storyboard, das Drehsinn, Mittelpunkt und Endpunkt ohne reale Maschinenbewegung erklärt.

Schwer

Transferkontur: Entwirf eine 2D-Kontur aus zwei Geraden und zwei Kreisbögen und schreibe dafür einen simulatorgeeigneten Lerncode.
Plausibilitätsprüfung entwickeln: Formuliere eine Prüfroutine, mit der eine zweite Person Startpunkt, Endpunkt, Mittelpunkt und Radien kontrollieren kann.
Steuerungsvergleich: Vergleiche die Dokumentation zweier CNC-Steuerungen oder Simulatoren hinsichtlich G02, G03 und I/J-Interpretation und dokumentiere Unterschiede.
Ausbildungsauftrag gestalten: Entwickle selbst einen sicheren Simulationsauftrag mit Ausgangslage, Zeichnung, gestuften Hilfen, Lösung und begründetem Feedback.

Lernkontrolle

Geometrie begründen: Ein Kreisbogen sieht im Backplot richtig aus. Erkläre, welche zusätzlichen geometrischen Prüfungen Du trotzdem durchführen musst und warum.
Fehler übertragen: Ein Lernender verwendet die absoluten Mittelpunktkoordinaten als I- und J-Werte. Erkläre, wie sich dieser Fehler auf die Kreisbahn auswirken kann.
Drehsinn übertragen: Beschreibe, warum G02 und G03 nur zusammen mit der gewählten Ebene und Blickrichtung sicher interpretiert werden können.
Simulator bewerten: Begründe, welche Aussagen ein Backplot zuverlässig unterstützen kann und welche Aussagen über eine reale Fertigung er nicht allein liefern kann.
Programmstruktur erklären: Ordne G17, G90, Startposition, Kreissatz und Programmende zu einem sinnvollen Lernablauf und begründe Deine Reihenfolge.
Freigabeprozess: Entwirf für einen Ausbildungsbetrieb einen kurzen Prüfschritt vom eigenen Simulationscode bis zu einer möglichen realen Erprobung unter Fachaufsicht, ohne eine automatische Live-Ansteuerung vorzusehen.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du zeigen, dass Du:

Drehsinn fachlich richtig mit G02 und G03 zuordnen und begründen kannst.
Kreismittelpunkt aus Startpunkt und I/J-Versatz bestimmen kannst.
Endpunkt und Mittelpunkt eindeutig auseinanderhältst.
Kreisradius von Start- und Endpunkt zum Mittelpunkt plausibilisieren kannst.
Programmaufbau eines kurzen Simulationsprogramms erklären kannst.
Simulation mit einer vorherigen Skizze vergleichen und Abweichungen begründen kannst.
Steuerungsvarianten erkennst und bei Unsicherheit die passende Dokumentation heranziehst.
Arbeitssicherheit einhältst: Simulation zuerst, keine automatische Live-Ansteuerung, keine Umgehung von Schutzeinrichtungen und reale Arbeit nur mit Freigabe und Fachaufsicht.

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