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 folgendem [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

[Abbildung 4] stellt den schematischen Durchlauf eines "CAD2CAM" Prozesses dar.

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 SolidWorksCAM 2019 nützlich zum Einstieg und beherrschen der Software. Der Umgang 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. Eine Onlinehilfe steht auch zur Verfügung

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 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. Nachfolgend die Links zu den Originaldateien aus der Bildergalerie. Datei:G-Code Befehlslisteorg.ppt Datei:G-Codeorg.ppt Datei:Komponentenspezifikationorg.docx

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  Abb.6: Beispielsequenz des G-Codes

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

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

LinuxCNC: Bindeglied zwischen SolidWorksCAM und unserer CNC-Fräse

Die LinuxCNC Plattform verarbeitet den von SolidWorksCAM 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 eingeführt wurden, kommen wir nun zum Programm selber. Nachfolgend werden in den Screenshots alle Funktionen für den erfolgreichen Einstieg in SolidWorksCAM erklärt. So sollte dann die Grundlage für erfolgreiche Bearbeitungen von Werkstücken in SolidWorksCAM gegeben sein. Die Funktionen und Buttons von Bedeutung sind hierbei rot markiert bzw. umrandet.

Die Benutzeroberfläche

Die Menüoberfläche zeigt sich im gewohnten SolidWorkslook. Allerdings erweitert 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 der neuen Menüoptionen unter SolidWorksCAM ist die Automatische-Feature_Erkennung (AFR). Bei dieser greift SolidWorks auf seine Datenbank "Tech-DB" drauf zu (siehe entsprechendem Reiter weiter unten) und durchläuft die entsprechendem CNC Operationen (siehe Abb.13) samt den passenden Werkzeugen dafür. Ausgelöst wird dieses Feature durch den Button "Bearbeitungs-Features extrahieren". SolidWorks führt alle notwendigen Bearbeitungsschritte am eigenen Werkstück dadurch intern vollautomatisch aus, listet diese auf und lässt sie somit durch den Nutzer zur Bearbeitung zur Verfügung stehen.

Abb.13: Alle möglichen Operationen die SolidWorks in 2.5D in CNC beherrscht, sind in dieser Abbildung dargestellt

Individuelle Bearbeitung der durch AFR erzeugten Features

Die erzeugten Operationen lassen sich individuell anpassen. So sind links rot umrandet die einzelnen CNC-Arbeitsschritte wie z.B. "Schruppen T03-12 Schaftfräse", oder "Zentrierbohrer T16-10mm Zentrierbohrer" aufgelistet samt genutzten Werkzeugen. Im Abschnitt "Konfiguration der wichtigsten Parameter zur Erstellung eines Werkstücks" weiter unten wird erklärt, wie man die Arbeitsschritte samt Werkzeuge individuell anpassen kann. Allerdings sind tiefergehende Kentnisse aus dem CNC dafür wichtig und notwendig. Man sollte wissen was man verändert. Für unsere einfache Fräse aus dem Praktikum sind aber alle hier im Wiki aufgeführten Schritte völlig ausreichend. Rechts rot umrandet sind ebenfalls die Operationen, die sich links im Reiter schon einzeln einstellen lassen.

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. In Abb.15 markiert sind die wichtigsten Features, wie der "CN-Editor" und die "TechDB" Onnline-Datenbank (siehe entsprechende Abschnitte weiter unten).

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. In Abb.16 ist rot markiert wie man per rechter Maustaste (RM) und anschliessendem Klick auf "Definition bearbeiten", Parameter verändern kann wie sie in Abb.17 dargestellt sind. Besonders wichtig ist die Definiton des Koordinatensystems, per Zuweisung eines Eckpunktes ("Teil-Eckpunkt"), was in Abb.17 ebenfalls markiert wurde. Genauer erklärt wird das ganze auch im Abschnitt "Wahl und Nutzung des richtigen Koordinatensystems". Abb.18 zeigt wie einzelne CNC-Arbeitsschritte sich per "Definition bearbeiten" individuell bearbeiten lassen. Als Beispiel ist "Schruppen1" ausgewählt. Klickt man doppelt auf "Schruppen1" lassen sich die in Abb.19 dargestelletn Parameter einstellen. So sind Auswahl des Musters ("Tasche nach innen", "Tasche nach außen" ...) unter dem markierten Reiter "Schruppen" als Beispiel ausgewählt aber auch Vorschub, Spindeldrehzahl und viele andere Parameter lassen sich einstellen (Reiter "VD"). Alle Möglichkeiten hier auszuführen würde den Rahmen sprengen. In der oben erwähnten SolidWorks Hilfe lassen sich per Schlagwortsuche allerdings Informationen zu allen Fragen finden.

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

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

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  Abb.18: Die einzelnen Arbeitsschritte lassen sich anpassen. Auch für das komplette Werkstück erstellte Schritte wie "Werkzeugweg erzeugen" lassen sich einzeln anpassen (mit Pfeil markiert).

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  Abb.19: Markiert sind die wichtigsten Parameter, zur Beeinflussung des Fräsvorgangs. Die bereits vorhandenen Standardeinstellungen sind für unser Praktikum in der Regel aber schon völlig ausreichend!

Wahl und Nutzung des richtigen Koordinatensystems

Abb.20: Markiert alle wichtigen Optionen zum Koordinatensystem

Über einen Klick auf den Reiter "Koordinatensystem" (ausgegraut zu sehen in den SolidworksCAM Bearbeitungsfeatures), lässt sich dieses genauer definieren. "Eckpunkt-Teil" lässt einen das Bezugskoordinatensystem zur Bearbeitung per einfachem Klick auf mögliche Ecken auswählen. Dies ist die einfachste Methode zur Zuweisung und konnte von unserem LinuxCNC sicher erkannt werden, nachdem das durch CAD erstellte Koordinatensystem nicht erkannt wurde durch (wie weiter oben erörtert). Per Reiter "Achse" lassen sich die einzelnen Achsen am Bauteil aber auch ganz individuell anhand von Kanten am Bauteil zuweisen. In jedem Fall sollte aber das Koordinatensystem so zugeteilt werden, wie man später das Bauteil an der Fräse einspannen und bearbeiten möchte, da die 3 bzw. 4 Achsen dort fest vorgegeben sind.

Richtige Wahl und Nutzung der Werkzeuge

Sehr wichtig ist die richtige Auswahl des Werkzeugs. Anders als SolidWorksCAM, welches eine breite Palette an verschiedenen Werkzeugen aus seiner "TechDB" automatisch auswählt und anwendet, verfügt unsere Fräse nur über 1 fest montiertes Werkzeug. Ein Wechsel ist aufwendig. Alle dargestellten Werkzeuge müssen manuell durch unser definiertes Werkzeug ersetzt werden. Wie das geht, zeigt Abb.21. Man wählt das rot umrandete "Werkzeugsymbol" aus und sieht dann die eingesetzten Werkzeuge aufgelistet. Der übergeordnete Reiter (hier "PT-Satz1") stellt dabei eine Liste an Werkzeugen dar, die man vorher erstellt hat. Es müssen nun alle unterschiedlichen, von SolidWorksCAM genutzten Werkzeuge, durch das eigene, einzelne, genutzte Werkzeug ersetzt werden (siehe Pfeil). (Bsp.: T09 -> RM ->"Werkzeug ersetzen"-> Werkzeug auswählen). Die verschiedenen Arten wie Kugel, Schaft, Senkfräser etc. 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 vorhandenen Werkzeugen ist unten unter "Anhang" als Exceltabelle angefügt. Abb.21 zeigt auch, die Werkzeugparameter die für jedes Werkzeug individuell eingestellt werden müssen. Dabei sind die einzelnen Parameter wie Gesamtlänge L1 oder Schaftdurchmesser D2 global definiert, so dass man die Werte nur in die Reiter für jedes Werkzeug eintragen muss.

GESCHIEHT DIES NICHT KORREKT, KANN DIE FRÄSE NICHT GENUTZT WERDEN und es besteht ernsthaft die GEFAHR VON  SCHÄDEN!

Nachfolgend die Original Exceldatei der Werkzeuge im Labor Datei:Tabelle Fräßer.xlsx

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  Abb.21: Alle wichtigen Werkzeugoptionen

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  Abb.22: Alle im Labor vorhandenen Werkzeuge samt der notwendigen Parameter aufgelistet

Werkzeugweg simulieren: Ein (vor)letzter Check vor dem G-Code

Eine sehr nützliche Funktion ist ebenfalls das Feature "Werkzeugweg simulieren" (In Abb.22 rot umrandet). Hat man die bisherigen Schritte alle durchlaufen, lässt sich nun der Fräsvorgang virtuell am Bildschirm simulieren. Die Oberfläche zeigt sich dabei wie in Abb.22 und durch drücken des "Play" Symbols läuft der simulierte Fräsvorgang ab. Wichtig hierbei ist, dass man den Reiter "nächstes Werkzeug" als Menüpunkt auswählt (mit Ausrufezeichen markiert), da so die kritischen Werkzeugwechsel, welche man ja vermeiden möchte (siehe Abschnitt oben), sich besser nachvollziehen lassen. Natürlich lassen sich auch andere Parameter auswählen, so lässt "Nächste Z-Ebene", den User den Fräsvorgang "Schicht für Schicht" nachvollziehen. "Nächste Operation" dient dazu, einzelne Fräsabschnitte, wie "Schruppen" oder "Konturfräsen" darzustellen. Alles sehr nützlich zur Optimierung des gesamten Fräsvorgangs. In unserem Praktikum allerdings, war Optimierung nicht oberste Priorität, sondern zunächst einmal der allgemeine Umgang mit Software und Hardware.

Abb.23: Die von SolidWorks definierten Standardeinstellungen zum simulieren, reichen bereits völlig aus. Die markierten Bereiche sollten allerdings genutzt werden zur Visualisierung des späteren Fräsvorgangs im realen.

Vom Postprozessor zm G-Code

Dies ist der letzte Arbeitsschritt der von SolidWorksCAM, durchlaufen wird, bevor man den ausführbaren G-Code als Datei erhält. "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. Der so erhaltene G-Code ist zunächst aber nicht direkt nutzbar über unsere LinuxCNC Plattform, da die G-Code Befehle zum Werkzeugwechsel im Code noch enthalten sind. Diese müssen manuell aus den entsprechenden .txt bzw. .ngc Dateien entfernt werden! Hierbei zeigte sich, dass je komplexer die Werkstücke wurden (insbesondere in 4D), umso mehr für unsere LinuxCNC Plattform unbekannte G-Code Befehle wurden erstellt. Hierbei hat sich als hilfreich erwiesen, eine Referenz .txt/.ngc Datei an G-Code zu verwenden, um nur die dort eingetragenen Befehle, im eigenen Code stehen zu lassen. Wir haben dafür "HSHL-LOGO-Namensschild.ngc" (im Anhang zugefügt), als Referenz G-Code Datei aus dem vorhergehenden Semester verwendet.

Wichtig war auch einen passenden Treiber für den Postprozessor zu besorgen, da SolidWorks von Natur aus keinen passenden Treiber zur Erstellung von G-Code für LinuxCNC enthält! Nach einiger Suche konnte von der hier bereits vorgestellten LinuxCNC.org Seite, ein passender Treiber als lizenzfreie Opensource Software verwendet werden. Im Anhang befindet sich die entsprechende Zip-Datei, in der Version 2.6. Vorrausetzung ist ein LinuxCNC von 2.4 und höher (unsere Plattform nutzt LinuxCNC 2.6).

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  Abb.24: Markiert das Symbol zum erstellen des G-Codes über unseren Postprozessor

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  Abb.25: Nachdem alle Schritte durchlaufen wurde, ein von uns in 2.5D gefertigtes Werkstück (Holz)

Die TechDB Datenbank: Funktion und Nutzung

Die TechDB Datenbank wie in Abb.25 dargestellt, ist ein zentrales Feature der gesamten SolidWorks Plattform. Hier lassen sich sämtliche Parameter zu Werkzeugen, Materialien, Fräsoperationen etc. online und offline speichern und konfigurieren. Die Datenbank wird gepflegt und die Datensätze können getauscht werden (Privat als auch Unternehmen). Wichtig sind hierbei auch die Material Eigenschaften, da diese unmittelbar den Frässprozeß beeinflussen. So haben eher weiche Materialen wie Kunststoff oder Holz einen schnelleren Vorschub als z.B. Stähle oder Aluminium. Darauf ist beim erstellen der CAD Dateien samt durchlaufen des CAM- Prozesses zu achten. In Abb.26 sind die entsprechenden Menüpunkte markiert.

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  Abb.26: Oberfläche wie in SolidWorksCAM verwendet

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  Abb.27: Oberfläche wie in SolidWorksCAM verwendet

Fräsen in 3D und nutzung des SolidWorksCAM NC-Editors

Grundsätzlich stellt Fräsen in 3D die selben Anforderungen wie Fräsen in 2.5D. Es werden die selben Prozesse durchlaufen, wie bereits oben unter "Fräsen in 2.5D" beschrieben. Allerdings sind die von SolidWorksCAM genutzten Features und Operationen komplexer und auch die genutzten Werkzeuge sind vielfältiger, so dass auch grössere Anpassungen des Codes notwendig werden. Hier macht es auch Sinn, den Code im [NC-Editor] sich anzeigen zu lassen samt Werkzeugwegen und ihn direkt im Code-Fenster zu löschen. Nahezu alle Probleme die während der Arbeit mit dem G-Code und LinuxCNC auftauchten, standen im Zusammenhang mit Werkzeugen und dem wechseln dieser und den einhergehenden Prozessparametern. In Abb.28 ist unser gefertigtes "Werkstück" in Styropor dargestellt. In Abb.19 sind die Parameter dargestellt, die für eine feinere Abstufung der einzelnen "Wellenstuffen" wichtig sind. Konkret sind dieses unter dem Reiter "Tiefenparameter" zu finden. Zu beachten ist aber natürlich, dass je feiner man fräst, desto mehr Zeit beansprucht ein Werkstück zur Fertigstellung.

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  Abb.26: Der G-Code (rot markiert) samt simultan durchlaufenen Werkzeugwegen (gelbe Linien links). Der Code lässt sich interaktiv bearbeiten

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  Abb.27: Code der nicht in Steuerungsbefehle umgewandelt werden konnte. Typischerweise aus der Kategorie "T" und "H" für Werkzeugsatzbefehle

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  Abb.28: Ein in 3D gefertigtes Werkstück aus Styropor. Die Abstufungen beruhen zum einen aus der Verwendung eines relativ "groben" Werkzeugs (D=5mm) als auch relativ "grober" Fräsparameter (siehe Abb.19)

Fräsen in 4D

Die Konfiguration zu einem 4 Achsen Setup geht relativ problemlos. Zunächst wird die 4 Achse (+/- 360 Grad Rotation um 4 Achse) wie in Abb.29 dargestellt, manuell montiert. Hier sollte man sich Unterstützung vom Professor holen, war für uns aber auch problemlos so möglich. Das unbearbeitete Werkstück wird dann eingespannt. SolidWorksCAM lässt sich über die markierten Reiter in Abb.30 leicht zu einem 4 Achsen Setup konfigurieren. Über den Reiter "Rotationsachse" lässt sich der Rotationsbereich einstellen (-360° bis +360° d.h. volle Rotation nach links bzw. rechts möglich) auch Nullpunkt und andere Parameter 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 geschildert. Nur sind hier natürlich die eingesetzten Werkzeuge- und Wege komplexer und komplizierter. 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 auch hier wohl noch deutlich Optimierungsbedarf für zukünftige Gruppen besteht.

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  Abb.29: Die 4 Achse samt eingespanntem "Werkstück" aus Styropor

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  Abb.30: Konfigurierbare Parameter zur 4 Achse

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  Abb.31: Nach dem fräsen in 4D sind an den Seiten die Bohrungen zu erkennen