Ein Beispiel für ein über CAM gefrästes Bauteil

Einleitung

Projekt aus Produktionstechnik Praktikumim Modul Global Production Engineering 3.

Projektmitglieder:
Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel
Autor: Andreas Wiens
Autor: Steffen Schulze Middendorf

Motivation & Aufgabenstellung

Ziel des Praktikums ist in gemeinschaftlicher Arbeit eine Werkzeugmaschine zu entwicklen. Einzelne Funktionsbereiche werden von Kleingruppen bearbeitet. Das Funktionsschema ist rechts dargestellt. Wir haben uns besonders mit den Bereichen "CAM" sowie "Steuerungsprogramm" beschäftigt.

Komplexe mechanische Bauteile können heute leicht in CAD-Programmen erstellt werden. Die Hochschule Hamm-Lippstadt stellt eigens dazu die Studentenversion von SolidWorks2016 zur Verfügung. Bisher konnten genannte Bauteile nur innerhalb der CAD-Software konstruiert werden. Um die Produktion dieses Bauteils auf einer Werkzeugmaschine möglich zu machen, wird jedoch zusätzlich Maschinencode, ein sogeannter G-Code, benötigt. Ziel des Praktikums war daher, geeignete CAM-Software auszuwählen, zu beschaffen und zu testen. Zusätzlich soll die bereits vorhandene Steuerungssoftware der im MPS-Labor vorhandenen Eigenbaufräse evaluiert und eventuelle Alternativen zur derzeitigen Software LinuxCNC aufgezeigt werden. Siehe dazu auch die aktuelle Aufgabenliste im SVN.

Vergleich CAM-Software

Eigenschaft	VisualCam	HSMExpress2016	HSMWorks2016	SolidCam
Funktionen & Dimensionsrahmen	2,5D Werkzeugweg Strategien (Bohren, Planen, Fräsen, etc.)	2,5D Werkzeugweg Strategien (Bohren, Planen, Fräsen, etc.)	2,5D Werkzeugweg Strategien (Bohren, Planen, Fräsen, etc.)	2,5D Werkzeugweg Strategien (Bohren, Planen, Fräsen, etc.)
	3D Werkzeugweg Strategien (Bohren, Planen, Fräsen, etc.)		3D Werkzeugweg Strategien (Parallel, Radial, 3D Planen, etc.)	3D Fräsen/ iMachining
	4D/5D Fräsen		Multi-Achsen-Fräsen	Multiachsenbearbeitung
Preise	1695,- €/Lizenz (beinhaltet 2;2,5 und 3-Achsen-Fräsen Plugin für SolidWorks); 395,-€/Jahr Softwarewartung Jahrespauschale	Kostenlos	630,70€/Monat; 5033,70€/Jahr	5000,-€/Jahr (beinhaltet2,5 Achsen Fräsen); 750,-€/Jahr Softwarewartung Jahrespauschale

Unter Berücksichtigung der Vor- und Nachteile der obrigen Tabelle, haben wir uns für HSMExpress2016 entschieden, weil die Software eine smarte Lösung bezüglich Budget und Anforderungen der Maschine darstellt. Aufgrund der Tatsache, dass unsere Maschine den Dimensionsrahmen von 2.5D nicht überschreitet, erfüllt die Software alle Erwartungen und lässt uns freien Spielraum. Möchte man allerdings einen 3D Fräsvorgang absolvieren, muss man auf Alternativprogramme umsteigen.

HSMExpress2016

Als CAM-Software wurde HSMExpress2016 ausgewählt. Das Programm zeichnet sich durch seine tiefe Integration in die Benutzeroberfläche von SolidWorks2016 aus. Der Arbeitsprozess ist wie folgt:

Erstellen des 3D-Modells
Vorgabe des Rohteils in der CAM-Software
Setzen des Nullpunkes im Modell
Vorgabe und parametresierung der Fertigungsschritte in der CAM-Software
Simulation der Fertigungsschritte
Umwandlung der Fertigungsschitte in G-Code (Postprozess)

Für die Produktion eines Bauteils wird immer ein Rohteil benötigt. Dieses kann in der CAM-Software hinterlegt werden. Wichtig ist hierbei die richtige Lage des Nullpunktes, welche identisch zwischen der der realen Maschine und des Modells sein muss, da es sonst zu einer Kollision kommt. Durch das das abtragende Herstellverfahren Fräsen können nun fast beliebige Geometrien aus dem Rohteil entstehen. Dazu werden verschiedene Frässtrategien verwendet, um ein Fertigteil realisieren zu können. Dazu wird zunächst der passende Fräser aus einer Bibleothek gewählt. Hier gilt wie beim Nullpunkt: Die Realität muss zum CAM passen. Abweichungen führen zu unerwünschten Ergebnissen und im schlimmsten Fall zu Beschädigung an Werkstück, Werkzeug und Maschine. Nach Festlegung der Fertigungschritte kann der Gesamtprozess in der Simulation evaluiert werden und über den Postprozess maschinelesbar gemacht werden.
Wir haben dazu ein Lehrvideo erstellt. Es zeigt an einem einfachen Beispiel den kompletten Fertigungsprozess:
Lehrvideo

CAD-Modelle

2,5D	3D
3 lineare Achsen X,Y und Z	Zustellachse (Z) ändert sich ständig
Flächen sind Parallel oder Senkrecht zur Aufstellfläche

Es ist zu beachten, dass es mit einem 2,5D Fräser auch möglich ist 3 Dimensionale Teile zu fräsen. Man muss lediglich mehr als einen Fräsvorgang absolvieren und das Werkstück zwischen den Vorgängen in die gewünschte Lage einspannen.

Parameter

Wie bereits erwähnt, ist es von äußerster Wichtigkeit, dass im CAM die Realität genau abgebildet wird. Ein Beispiel: Ist der Fräserdurchmesser in CAM mit 4mm angegeben, während in der realen Maschine ein 8mm eingespannt ist, führt dies zur entsprechenden Berechnung aller Werkzeugwege eines 4mm Fräsers. Das hat zur Folge, dass in Realität alle Taschenförmigen Aussparungen 2mm größer werden als geplant. Das Werkstück ist damit wahrscheinlich nicht mehr zu gebrauchen. Auch Abseits falscher Vorgaben, ist auf gute Parametriesierung zu achten.

Fräser

Der Fräser hat einen enormen Einfluss auf das Fräsergebnis. Nicht nur der Durchmesser, sondern auch die Anzahl der Schneiden sowie die Schärfe haben einen großen Einfluss auf das Ergebnis. Zunächst wurde Dremel-Werkzeuge zur Zerspanung des Holzes eingesetzt. Diese führte häufig zu hoher Temperaturentwicklung, da die Späne nicht richtig abgeführt werden konnten. Folglich erkennt man die hohe Temperatur sowohl am fertigen Werkstück, anhand von schwarzen und verbrannten Bereichen, als auch an unangenehm entwickelnden Gerüchen während des Fräsvorgangs. Die zu verwendenden Fräsparameter werden zwar von der CAM-Software vorgegeben, doch hat die Fräse beispielsweise keine Drehzahlregelung, dessen Größe händisch ermittelt werden muss.

Fräservergleich
Versuch 1
Versuch 2
Versuch 3

Frässtrategie

Die Frässtrategie beeinflusst nicht nur das Ergebnis, sondern auch die benötigte Bearbeitungszeit. Alle auswählbaren Frässtrategien werden in CAD SolidWorks ausführlich und verständlich erklärt, sobald man mit dem Cursor über die jeweilige Namen geht. Unten ist beipsielhaft gezeigt, wie die Wahl der falschen Frässtrategien das Ergebnis negativ beeinflussen kann. Bei Auswahl von "2D-Adaptive-Clearing" wird man keine glatten Kanten erhalten. Das mehrfache Ansetzen des Fräsers wird deutlich zu erkennen sein. Die Auswahl der richtigen Strategie erfordert etwas Übung. Eine gute Erklärung zu allen verfügbaren Strategien findet sich hier. Achtet bei der Auswahl der Sicherheitshöhen auf intelligente Parametrisierung, damit diese auch erreicht werden können! Die Maschine verfügt derzeit über keine Endschalter in der z-Achse(Höhe), was zur Kollison mit Befestigungselementen der Spindel führen kann.

Spannsituation

Wichtig für einen Erfolgreichen Fräsprozess ist die richtige Aufspannung des Werkstückes. Immer auf eine Stabile und feste Einspannung des Werkstücks achten. Wenn sich das Bauteil währned der Bearbeitung verschiebt, führt dies zu unerwünschten Ergebnissen. Der von uns befestigte Schraubstock ist dazu ein gutes Mittel. Größere Bauteile können dirket auf dem Maschinentisch, beispielsweise mit Schraubzwingen, befestigt werden. Gerade in der ersten Phase der Einarbeitung bietet es sich an, den Notauschalter nicht aus der Hand zu legen.

Postprozess

Im Postprozess werden die Verfahrwege maschinenlesbar umgewandelt. Unterschiedliche Steuerungssoftware auf verschiedenen Maschinen führen jedoch dazu, dass jede Maschine ihren eigenen Postprozessor benötigt. Im Falle von HSMExpress2016 sind bereits 70 verschiedene Postprozessoren integriert. Diese können vor der Umwandlung entsprechend ausgewählt werden. Auch ein Postprozessor für das verwendete LinuxCNC ist standardmäßig vorhanden. Unsere interne Stuerungssoftware über Matlab kann den gleichen Code verarbeiten. Sollte die Syntax von G-Code noch nicht bekannt sein, empfehlen wir diese Seite. Hier wird der Aufbau von G-Code anhand von Norm-G-Code erklärt. Der integrierte Postprozessor von HSMExpress2016 nutzt nur 3 Arten von Positionsbefehlen: G01,G02 und G03. Translatorische Bewegungen und Rotationen mit und gegen den Uhrzeigersinn. Durch das nicht Verwenden von Spezialbefehlen wird der Code zwar sehr lang, kann aber leicht Verstanden werden. In den Downloads findet sich ein Übungsblatt für G-Code.

Oberfläche & Bedienung von LinuxCNC

Die Fräse wird über LinuxCNC direkt bedient. Als Einstieg empfiehlt sich [linuxcnc.org/docs/html/gui/axis.html die Dokumentation zur Benutzeroberfläche] zu lesen.

Unter A) lässt sich im Dateimenü die Datei mit dem zu fräsenden G-Code vom Typ .ngc auswählen. Die Übersicht der Verfahrwege wird daraufhin im Vorschaufenster E) angezeigt. Wichtig ist an dieser Stelle zu verstehen, dass hier nicht mehr das gesamte CAD-Modell angezeigt wird, sondern auschließlich die Fahrwege des Fräsers. Wird die Maschine nicht vorher über das Panel B) gestartet, lässt sich der Fräserweg über das Panel C) zunächst simulieren. Das Panel B) startet die Maschine. An dieser Stelle muss das Werkstück ausgerichtet werden. Wie im Video gezeigt, bietet es sich an, die linke untere Ecke des Werkstückes als Nullpunkt zu definieren und diesen nun über das manuelle Steuerpanel D) in allen 3 Achsen anzufahren. Der manuelle Vorschub lässt sich sehr genau auf bis zu 0.01mm einstellen. Im MDI-Reiter I) lässt sich direkt G-Code eingeben und ausführen. Diese Funktion ist nur nach mehrfachen prüfen der Eingabe zu verwenden. Der Button H) startet im Anschluss die Spindel. Das geladene Programm lässt sich nun über das Steuerpanel C) abfahren. Änderungen an den Schnittdaten sind jederzeit über das Panel G) möglich. F) dient als Anzeige für mögliche Fehlermeldungen und Statusreports.

Referenzfahrt: Um den Nullpunkt für die Fräsmaschine so exakt wie möglich zu bestimmen, muss man den Fräser über alle drei Achsen manuell auf denselben Punkt fahren, wie man den Nullpunkt bei CAD SolidWorks gewählt hat. Über "Antasten" wird hier der Abstand des Werkstückkoordinatensystems G54 zum Werkzeugkoordinatensystem gesetzt.

Fräser und ihre Parameter zum Fräsen von unterschiedlichen Materialien

Für die Fräser der Fa. GIS zeigt diese Tabelle eine sehr gute Übersicht.

Vergleich Ansteuerungssoftware

Eigenschaft	LinuxCNC	Eigene Matlab Lösung	MACH3 OEM	UCCNC	SerialComCNC	USBCNC
Kosten	umsonst	umsonst	149,-€	55,-€	umsonst	umsonst(219,-€ -> Controller Hardware)
Beschreibung	Vorinstalliert auf dem HSHL-PC. Ließt den zuvor generierten G-Code in CAD SolidCAM und lässt die Maschine die Verfahrwege problemlos abfahren, sobald die Referenzpunkte gesetzt worden sind.	Bearbeitet von Gruppe "Zentraler Steuerungsalgorythmus (Matlab)"	Mach3 ist eine leistungsstarke CNC-Steuerungssoftware. Es erzeugt Bewegungen von Standard-G-Code und hat viele Möglichkeiten. Es ist auch mit diversen MACH3 Servoantrieben kompatibel. Mach läuft unter Windows Betrieb System.Es ist keine externe Hardware erforderlich.	UCCNC-Steuerungssoftware, arbeitet mit den Ethernet-Bewegungssteuerungen UC100, UC300, UC300ETH und UC400ETH.	Lauffähig mit Windows XP, Vista,7 ,8, 10. Betrieb bis zu 3 Schritt/Stepper-Motoren. Verbindung vom Arduino zum PC mittels USB-Kabel (virtueller serieller Port). Es lassen sich beliebige G-Code Files im Text-Modus einlesen, ausführen und editieren.	Siehe nächster Abschnitt: "Alternative Steuerungssoftware für Windows"

Da LinuxCNC bereits vorinstalliert war und die Software uns in keiner Weise beschräkt hat, haben wir uns haupsächlich mit dieser Software beschäftigt. Interressanter als eine weitere Zukaufvariante wäre es, die Software aus der Gruppe "Zentraler Steueralgorythmus in Matlab" auf der Maschine zum laufen zu bringen.

Alternative Steuerungssoftware für Windows

Eding bzw. USBCNC bietet in einer höheren Ausbaustufe die Möglichkeit, auch die konstruierte 4. Achse anzusteuern[1]

Um eine Alternative für den 2. Rechner und das Betriebssystem Windows aufzuzeigen, wurden oben Steuerungsprogramme für CNC Maschinen verglichen. Ausgewählt wurde "Eding CNC v4.01.56". Das Programm arbeitet mit einem externen Prozessor um Echtzeitproblemen unter Windows aus dem Weg zu gehen. Der einfachste externe Controller kostet 219€. Die Software lässt sich bereits ohne physikalischen Controller installieren und ausprobieren. Zunächst muss dazu in SolidWorks/HSMExpress der Postprozessor "Generic Eding CNC" ausgewählt werden. Der Code wird damit auf die neue Software angepasst. Ein Beispiel haben wir links erstellt. Im Simulationsmodus wird das Programm unter Windows 7 64Bit problemlos abgefahren. Die Bedienung gleicht der von LinuxCNC. Zunächst muss das Programm geladen werden, nach einen Druck auf den grünen Start Button beginnt die Ausführung. Vorschub usw. können während des Pragrammablaufs überschrieben werden. Eine weiterführende Aufgabe könnte sein, die vom Programm erzeugten Signale aufzunehmen und zu verarbeiten, um wieder unsere Gecko Motortreiber anschließen zu können. Das links dargestellte Beispiel findet sich auch unten in den Downloads.

Lessons learned und Fazit

Das Praktikum hat uns einen tiefen Einblick in den Bereich "Computer Aided Manufacturing" gebracht. Neben der Auswahl der Software und deren Bedienung, waren besonders die Testläufe intressant, da die durchgeführten Änderungen in der Realität schnell sichbar wurden. Auch die Sicherheitstechnischen Aspekte bzgl. Kollision konnten erprobt werden. Es ist klar geworden, welche Parameter zu beachten sind, um weder Mensch noch Material zu beschädigen. Ein Vorteil, der im fertigungstechnischen Alltag hilfreich sein kann. Das Projekt ist sicherlich noch nicht abgeschlossen. Wir haben uns in diesem Semster auf 2,5D-Bearbeitung konzentriert. In der nächsten Ausbaustufe könnte die CAM Bearbeitung auf 3D-Flächenbearbeitung erweitert werden. Auch Könnte die jetzt neu implementiere 4-Achse mit in den CAM-Prozess mit einbezogen werden. Für den aktuellen Stand der Aufgabenliste siehe SVN.

Ausblick und weitere Bearbeitungsmöglichkeiten

1. "Formel", die die Genauigkeit beim fräsen erhöht und Fehlertoleranzen entgegenwirkt.
2. Mithilfe der 4ten Achse: Fräsen von komplexen, 3-Dimensionalen Bauteilen/Figuren (PS4/Xbox Controller).
3. Schnelle fräsvorgänge: Kurze und einfache Fräsvorgänge mit höchster Geschwindigkeit fräsen lassen um das Maximum der Maschine zu demonstrieren.

Computer Aided Manufacturing (CAM)

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