Endschalter: Schaltpunkt, Bremsweg und Verdrahtung an CNC-Achsen

Thema: CNC-Steuerung & Achsen

Ein verbreitetes Missverständnis lautet, ein Endschalter halte die Achse genau dort an, wo er schaltet. Tatsächlich beginnt dort erst der Stopp. Ob der Schlitten vor dem Anschlag steht, entscheiden Geschwindigkeit, Verzögerung und der Weg, den der Einbau dafür lässt.

Was ein Endschalter an der CNC-Achse leistet

Endschalter sitzen meist an beiden Enden einer Linearachse und bilden die Hardware-Begrenzung (Hard-Limit). Daneben prüft die Steuerung Software-Grenzen (Soft-Limits) in Maschinenkoordinaten. Oft dient derselbe Schalter auch als Referenzschalter. Referenzfahrt sowie Maschinen- und Werkstücknullpunkt erklärt ein eigener Beitrag.

Laut LinuxCNC-Dokumentation liegen die Soft-Limits innerhalb des Endschalterbereichs; die Achsen bremsen ab, bevor sie die Schalter erreichen. Der Endschalter greift also erst, wenn etwas anderes versagt hat, etwa ein falscher Bezug oder verlorene Schritte. In GRBL setzen Soft-Limits ($20) eine aktive Referenzfahrt und passende Verfahrwege ($130 bis $132) voraus. Die Einrichtung an einer PC-Steuerung zeigt der Beitrag zu Mach3 und seinen Achseinstellungen.

Mechanisch oder induktiv: Schaltpunkt, Wege und Werkstoff

Omron beschreibt mechanische Positionsschalter mit festen Begriffen. Der Vorlaufweg (PT) reicht von der Ruhelage des Betätigers bis zum Schaltpunkt (OP), der Nachlaufweg (OT) vom Schaltpunkt bis zum inneren Anschlag. Zurück schaltet der Kontakt erst am Rückschaltpunkt (RP), um die Schaltwegdifferenz (MD) versetzt. Nach dem Schalten muss der Betätiger also den restlichen Weg mitgehen können, und beim Freifahren gibt er erst nach dieser Differenz frei.

Ein federnder Betätiger nimmt laut Omron den Nachlaufweg auf und gleicht Toleranzen der Nockenlage aus. Die Betätigungsgeschwindigkeit muss dabei im zulässigen Bereich bleiben.

Induktive Näherungsschalter arbeiten berührungslos ohne bewegliche Teile und sind laut DGUV wenig anfällig gegen Staub und Flüssigkeiten. Der Nennschaltabstand im Datenblatt bezieht sich auf Stahl. Für Standardsensoren nennt ifm Korrekturfaktoren von 0,7 für Edelstahl, 0,5 für Messing, 0,4 für Aluminium und 0,3 für Kupfer.

Öffner oder Schließer: Verdrahtung und Störungen

Die GRBL-Dokumentation beschreibt für Hard-Limits ($21) Schließer zwischen Eingang und Masse, je Achse beide Schalter parallel. Ein interner Pull-up hält den Eingang hoch, ein niedriger Pegel gilt als ausgelöst; $5 kehrt die Logik um. Der Nachteil des Schließers: Bricht die Leitung, fällt der Schalter unbemerkt aus. Öffner in Reihe melden einen Drahtbruch dagegen wie ein Auslösen; bei GRBL passt dazu $5=1.

Schalterleitungen neben Motorleitungen fangen Störimpulse ein. GRBL rät deshalb ausdrücklich zu Störschutz und empfiehlt ein RC-Filter; die Entprellzeit $26 wirkt nur bei der Referenzfahrt. Bei Fehlalarmen im laufenden Programm ist deshalb zuerst die Leitungsführung zu prüfen.

Für Positionsschalter mit Sicherheitsfunktion verlangt die DGUV Information 203-079 mindestens einen zwangsöffnenden Kontakt nach DIN EN 60947-5-1, Anhang K. Die Kraft wirkt über nicht federnde Teile bis zu den Öffnerkontakten, die so auch bei verschweißten Kontakten oder Federbruch öffnen. Ein einfacher Mikroschalter am Achsende erfüllt das nicht automatisch. Das Zusammenspiel in einer Schutzfunktion erklärt der Beitrag zur Türverriegelung an CNC-Maschinen.

Eigenes Rechenbeispiel: Platz hinter dem Schaltpunkt

Wir nehmen eine Achse an, deren Endschalter 8 mm vor dem mechanischen Anschlag schaltet; das Soft-Limit liegt 2 mm davor. Der Eilgang beträgt 3.000 mm/min, also 50 mm/s, gebremst wird mit 500 mm/s², die Reaktionszeit setzen wir mit 10 ms an. Alle Werte sind Lehrwerte.

Während der Reaktionszeit fährt der Schlitten 50 mm/s × 0,01 s = 0,5 mm weiter. Der Bremsweg beträgt v² / (2a) = 50² / (2 × 500) mm = 2,5 mm. Zusammen ergeben sich 3,0 mm Stoppweg und 5 mm Reserve. Die Formel leitet der Beitrag zum Look-Ahead mit Vorschau- und Bremsweg her.

Bei 6.000 mm/min steigt der Reaktionsweg auf 1,0 mm, der Bremsweg aber auf 10 mm, weil die Geschwindigkeit quadratisch eingeht. 11 mm passen nicht in 8 mm; der Schlitten erreicht den Anschlag. Bricht eine Schrittmotorsteuerung bei einem Hard-Limit die Impulse sofort ab, fehlt zudem eine geplante Bremsrampe, und laut GRBL gehen wahrscheinlich Schritte verloren.

Für einen induktiven Schalter nehmen wir 4 mm Nennschaltabstand an. Mit dem Faktor 0,4 für Aluminium bleiben 4 mm × 0,4 = 1,6 mm; eine Aluminiumfahne in 2 mm Abstand würde nicht sicher erkannt, eine Stahlfahne schon. Für die selbst auf CNC umgerüstete Optimum BF 20 dieser Website werden damit keine Schalter oder Abstände behauptet.

Typische Fehler und Grenzen

Teilen sich Referenz- und Endschalter einen Eingang, ignoriert LinuxCNC mit HOME_IGNORE_LIMITS=YES während der Referenzfahrt den Endschalter der eigenen Achse. Bei getrenntem Referenzschalter kann die Suche auf der falschen Seite beginnen; mit dieser Einstellung droht laut Dokumentation ein harter Aufprall. Eine zu hohe Suchgeschwindigkeit kann die Achse bis zum Endschalter oder Wegende überschwingen lassen.

Ist der Freifahrweg ($27 bei GRBL) kleiner als die Schaltwegdifferenz, bleibt der Schalter betätigt, und GRBL meldet einen Alarm. Nach einem Hard-Limit stellt erst eine neue Referenzfahrt den Bezug wieder her. Gegen Späne, Schlamm und Öl nennt Omron tropfwassergeschützte Bauformen, Schutzabdeckungen und ölbeständige Faltenbälge; heiße Späne können Gummikappen beschädigen. Ein Endschalter begrenzt den Verfahrweg, ersetzt aber weder den Not-Halt noch eine Schutzeinrichtung.

Prüfliste für Einbau und Inbetriebnahme

• Schaltpunkt, Soft-Limit und Anschlag je Achsende messen und notieren.
• Stoppweg für die höchste Geschwindigkeit berechnen und mit Reserve prüfen.
• Nocke so gestalten, dass der Betätiger nicht bis zum inneren Anschlag gedrückt wird.
• Bei induktiven Sensoren den Werkstoff der Schaltfahne berücksichtigen.
• Jeden Schalter von Hand betätigen und im Statusbericht kontrollieren.
• Bei Öffnern und stehender Achse einen Stecker abziehen: Die Steuerung muss auslösen.
• Schalterleitungen getrennt von Motorleitungen führen.
• Den Endschalter zuerst langsam anfahren und den Überlauf messen.

Beim CNC-Retrofit einer konventionellen Maschine gehört diese Prüfung zur Abnahme jeder Achse.