SolidWorksCAM

Einleitung

Projekt aus dem PT-Praktikum im WS 19/20im Modul GPE 3.

Projektmitglieder:
Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel
Autor: Ramo Agic
Autor: Jose de Jesus Barranco Cuevas

Motivation und Aufgabenstellung

Abb. 1: Screenshot aus dem Praktikumsskript

Im Zuge des Produktionstechnik Praktikums im WS 19/20 sollten verschiedene Kleingruppen sich mit dem Thema CNC beschäftigen (siehe "Fachthemen für die Kleingruppen"). Die Aufgabenstellung unserer Gruppe 1 war die Einarbeitung in SolidworksCAM 2019 samt Erstellung von Anwendungsbeispielen und ausführlicher Schritt für Schritt Anleitung.

Der funktionale- und technische Systementwurf

Der grundsätzliche Ablauf der einzelnen Programmschritte wird im folgenden funktionalen- und technischen Systementwurf dargestellt.

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  Abb.2: Der funktionale Systementwurf

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  Abb.3: Der technische Systementwurf

Schematische Darstellung von CAD/CAM Systemen

Abb.4: Notwendige Stationen von der techn. Zeichnung bis zum fertigen CNC Werkstück

Komponenten von SolidworksCAM 2019 und LinuxCNC

Nachfolgend sind die wichtigsten Komponenten und Funktionen erklärt und anhand von Screenshots und beschreibendem Text erklärt.

Die SolidworksCAM 2019 Hilfe

Abb.5: Über diese Reiter gelangt man zu der Hilfe Rubrik

Grundsätzlich ist die in der Software implementierte Hilfe für SwCAM 2019 nützlich zum beherrschen der Features, ist aber auch sehr unübersichtlich und schwierig im Handling. Darüber hinaus gibt es im Internet einige Optionen, wie auch z.B. Videos auf Youtube zum Thema

Der G-Code

Der G-Code stellt den Programmablaufplan für die CNC-Fräse dar und ist zentral für die Güte des Fräsvorgangs. In ihm sind alle Steuer- und Kontrollbefehle zur Erstellung des Werkstücks enthalten. SolidworksCAM 2019 hat von sich aus keinen Treiber zur Erstellung von G-Code für unsere LinuxCNC Plattform. Dieser musste erst von uns auf linuxcnc.org besorgt und in SW eingepflegt werden. Es handelte sich dabei um V2.7.15 welche mit LinuxCNC ab der V2.4 läuft. Da auf unserer Konfiguration LinuxCNC 2.6 installiert war, konnte SW nun den passenden Code erstellen. Im Anhang sind die entsprechenden, frei zugänglichen Treiberpakete angefügt. Es ist auch möglich selber G-Code Sequenzen oder ganze Programme zu schreiben, um so den Ablauf den individuellen Bedürfnissen anzupassen. Später mehr dazu.

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  Abb.6: Beispielsequenz des G-Codes

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  Abb.7: Zusammenfassung der von SWCAM 2019 generierten G-Code Befehle

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  Abb.8: Beispiel G-Code samt Erläuterungen zum Feature "schruppen"

LinuxCNC: Bindeglied zwischen CAM 2019 und CNC-Fräse

Die LinuxCNC Plattform verarbeitet den von CAM generierten G-Code und wandelt ihn in Steuersignale für die Schrittmotoren und Spindel um (siehe Abbildung). Nach kurzer Einweisung lässt sich die die Software über die abgebildete Oberfläche sicher und einfach bedienen. In der Abbildung sind die 3 Achsen X-Y und Z abgebildet welche sich direkt ansteuern lassen per "+" und "-" Button. Wichtig ist die Funktion der "Referenzfahrt" zum kalibrieren der jeweiligen Achsen und die Funktion "Antasten", welche den Koordinaten einen Nullpunkt zuweist, von dem an die Bearbeitung des Werkstücks beginnen kann. Typischerweise ist dies ein Werkstück Eckpunkt. Es gab zunächst Schwierigkeiten die jeweiligen Koordinatensysteme von Solidworks, CAM und LinuxCNC in Einklang zu bringen die aber gelöst wurden. Darüberhinaus mussten noch weitere Anpassungen vorgenommen werden, so dass der von SW CAM 2019 generierte Code auch wirklich auf der CNC-Fräse lief. Dazu aber mehr unter der Rubrik "Fräsen in 2.5D". Weitere Infos zu LinuxCNC sind in einem [seperatem Artikel in diesem Wiki enthalten.]

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  Abb.9: Schematische Darstellung der Funktionsweise von LinuxCNC mit unserer CNC-Fräse

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  Abb.10: Screenshot der Benutzeroberfläche (englisch). Befehle und Funktion sind aber identisch im deutschen.

Fräsen in 2.5D: Was ist was?

Nachdem nun alle wichtigen Komponenten zum Betrieb rund um SolidworksCAM 2019 eingeführt wurden, kommen wir nun zum Programm selber. Nachfolgend werden in den Screenshots alle Funktionen zum Einstieg in SWCAM erklärt und so zu erfolgreichen ersten Bearbeitungen von Werkstücken mit unserem CNC System. Die Funktionen und Buttons sind hierbei rot umrandet.

Die Benutzeroberfläche

Die Menüoberfläche zeigt sich im gewohnten Solidworkslook. Allerdings erweiter um den Reiter "CAM".

Abb.11: Rot umrandet die einzelnen Arbeitsschritte die nötig sind zur Erstellung eines Werkstücks

Abb.12: Erläuterungen zu den einzelnen Arbeitsschritten

Kernfeature: Die automatische Feature Erkennung (AFR)

Wichtigstes Element ist die Automatische-Feature_Erkennung (AFR). Bei dieser greift SW auf seine Datenbank zu mit fest definierten CNC Operationen und den passenden Werkzeugen dafür.

Abb.13: Alle möglichen Operationen in einer Abbildung

Individuelle Bearbeitung der durch AFR erzeugten Features

Die erzeugten Operationen lassen sich individuell anpassen. Allerdings sind tiefergehende Kentnisse aus dem CNC dafür wichtig. Man sollte wissen was man tut.

Abb.14: Rot umrandet lassen sich die automatisch erzeugten Features jeweils individuell in 2.5D,3D oder auch die Bohroperationen anpassen

Weitere Programm-Features

Es bieten sich weiter Möglichkeiten der Kontrolle und Anpassung. Im folgenden sind die wichtigsten CAM Features der "CN-Editor" und die TechDB online Datenbank.

Abb.15: Leicht zu übersehen ist der markierte Reiter, der einem weitere wichtige Operationen zur Verfügung stellt

Konfiguration der wichtigsten Parameter zur Erstellung eines Werkstücks

Markiert sind die wichtigsten Reiter zum anpassen des Prozesses.

Abb.16: Per RM auf "Definition bearbeiten". So lassen sich wichtige Parameter einstellen

Abb.17: Dies sind die möglichen Reiter von "Definition bearbeiten". In der Hilfe sind die Funktionen erklärt

Wahl und Nutzung des richtigen Koordinatensystems

Abb.18: Markiert alle wichtigen Optionen zum Koordinatensystem

Über den Reiter "Koordinatensystem" lässt sich dieses genauer definieren. "Eckpunkt-Teil" lässt einen das Bezugskoordinatensystem zur Bearbeitung per einfachem Klick auf mögliche Stellen auswählen. Dies ist die einfachste Methode zur Zuweisung und konnte von unserem LinuxCNC sicher erkannt werden, nachdem die Zuweisung über SwCAD 2019 scheiterte.

Richtige Wahl und Nutzung der Werkzeuge

Abb.19: Alle wichtigen Werkzeugoptionen

Sehr wichtig ist die richtige Auswahl des Werkzeugs. Anders als SwCAM 2019 welches eine breite Palette an verschiedenen Werkzeugen aus seiner TechDB anwendet, verfügt unsere Fräse nur über 1 festes Werkzeug. Ein Wechsel ist aufwendig. Alle dargestellten Werkzeuge müssen manuell durch unser definiertes Werkzeug ersetzt werden (Bsp.: T09 ->RM->"Werkzeug ersetzen"->Werkzeug auswählen). Die verschiedenen Arten wie Kugel, Schaft, Senkfräser können in Werkzeugsätzen gespeichert werden (hier "PT_Satz_1"). Diese Werkzeugsätze sollten von Beginn an zur Nutzung eingestellt sein. Auch ist hier das konfigurieren der Werkzeuge dargestellt. Eine Excel-Tabelle mit den im Labor genutzten W. haben wir angelegt.

Postprozessor

Dies ist der letzte Arbeitsschritt im CAM, der zum ausführbaren G-Code führt.

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  Abb.20: "Postprozessor" erstellt nach durchlaufen den eigentlichen G-Code, der als .ngc bzw. .txt Datei gespeichert werden kann. Darin sind alle erstellten G-Code Operationen enthalten

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  Abb.21: Nachdem alle Schritte durchlaufen wurde, ein in 2.5D gefertigtes Werkstück (Holz)

Die TechDB Datenbank: Funktion und Nutzung

[[Datei:Techdb.jpg|mini|left]Abb.22:] Die TechDB Datenbank stellt ein zentrales Feature dar. Hier lassen sich sämtliche Parameter zu Werkzeugen, Materialien, Fräsoperationen etc. online speicher und konfigurieren. Die Datenbank wird gepflegt und die Datensätze können getauscht werden.

Fräsen in 3D, der CAM NC-Editor und Anpassung des G-Codes

Grundsätzlich stellt Fräsen in 3D die selben Anforderungen wie Fräsen in 2.5D. Allerdings sind die von SwCAM 2019 genutzten Features und Operationen komplexer und auch die genutzten Werkzeuge sind vielfältiger, so dass auch grössere Anpassungen notwendig werden. Operationen und Anweisungen die von LinuxCNC nicht erkannt werden, müssen aus dem G-Code gelöscht werden. Hier macht es Sinn den Code im NC-Editor sich anzeigen zu lassen samt Werkzeugwegen und ihn direkt im Code-Fenster zu löschen. Als Referenz hierfür haben wir bereits erstellten und gefrästen Code aus dem vorherigen Semester genutzt (siehe Anhang "HSHL-LOGO-Namensschild.ngc").Nahezu alle Probleme die während der Arbeit mit dem G-Code und LinuxCNC auftauchten, waren im Zusammenhang mit Werkzeugen und dem wechseln dieser und den einhergehenden Prozessparametern.

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  Abb.23: Der G-Code samt simultan durchlaufenen Werkzeugwegen. Der Code lässt sich interaktiv bearbeiten

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  Abb.24: Code der nicht in Steuerungsbefehle umgewandelt werden konnte. Typischerweise aus der Kategorie "T" und "H" für Werkzeugsatzbefehle

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  Abb.25: Ein in 3D gefertigtes Werkstück aus Styropor. Eigentlich eine "3D Welle" aber aufgrund der Beschränkungen (Werkzeuge) sind Abstufungen zu erkennen

Fräsen in 4D

Die Konfiguration zu einem 4 Achsen Setup läuft relativ problemlos ab. Zunächst wird die 4 Achse (360Grad Rotation um Achse) im CNC-Fräsen Setup technisch installiert. SwCAM 2019 lässt sich über die markierten Reiter leicht zu einem 4 Achsen Setup konfigurieren. Über den Reiter "rotationsachse" lässt sich der Rotationsbereich einstellen (-360° bis +360°) auch Totpunkt und andere Paramter sind dort zu finden. Unter dem Reiter "Schwenkachse". ist sogar eine 5 Achse konfigurierbar. Auch im 4 Achsenbetrieb ist der Ablauf der selbe wie bisher. Nur sind hier natürlich die eingesetzten Werkzeuge und Werkzeugwege ungleich komplexer und schwieriger. Je nach Werkstück wird somit auch der G-Code länger und komplexer und somit auch umständlicher, nicht umsetzbare Maschinenbefehle auszumerzen. trotzdem ist dies grundsätzlich möglich, wenn hier wohl noch deutlich Optimierungsbedarf für zukünftige Gruppen besteht.

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  Abb.26: Die 4 Achse samt eingespanntem "Werkstück" aus Styropor

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  Abb.27: Konfigurierbare Parameter zur 4 Achse