Erprobung der 3-Achs-Fräsbearbeitung mit dem CAM-System Licom AlphaCAM

Erprobung der 3-Achs-Fräsbearbeitung mit dem CAM-System Licom AlphaCAM

STUDIENARBEIT

an der Fachhochschule Ulm

Fachbereich Maschinenbau

vorgelegt von

Simon Hohmann (M7)

Bearbeitungszeitraum 25.März. 2004 - 25. Juli 2004

Geislingen im Juli 2004

INHALTSVERZEICHNIS

  DANKSAGUNG  

1.  EINLEITUNG  2

2.  AUFGABENSTELLUNG  3

3.  VORBEREITUNGEN  4

3.1  REFERENZTEIL  4

3.2  ROHMATERIAL  6

3.3  BEARBEITUNGSMASCHINE  6

3.4  ARBEITSSCHRITTE  7

4.  ÜBERPRÜFUNG DER STANDARDISIERTEN SCHNITTSTELLEN  9

4.1  ERSTELLEN DER CAD-DATEIEN  9

4.1.1  Pro/E-Wildfire  9

4.1.2  CATIA  10

4.1.3  SolidWorks  10

4.1.4  SolidEdge  10

4.2  IMPORT IN LICOM ALPHACAM, 1. VERSUCH  11

4.2.1  IGES  11

4.2.2  STEP  12

4.2.3  VDA-FS  12

4.2.4  Parasolid  12

4.3  EINSTELLUNGEN DER CONFIG PRO  13

4.4  NEUES ERSTELLEN DER CAD-DATEIEN  14

4.5  IMPORT IN LICOM ALPHACAM, 2. VERSUCH  14

4.5.1  IGES  14

4.5.2  STEP  14

4.5.3  VDA-FS  15

4.5.4  Parasolid  15

4.6  ÜBERBLICK ÜBER DIE VERSUCHSERGEBNISSE  15

5.  ERZEUGEN DES NC-PROGRAMMS  17

6.  ZUSAMMENFASSUNG UND ERGEBNIS  18

ANHANGVERZEICHNIS 19   

ANHANG 20   

  LITERATURANGABEN  73

Danksagung

1. Einleitung

An der Fachhochschule Ulm werden vier CAD-Systeme eingesetzt. In den CAD-Vorlesungen soll auch das erstellen von NC-Programmen mittels CAD/CAM erlernt werden.

Im 5. Semester Maschinenbau z.B. werden in der Vorlesung CAD/CAM mittels des Pro/E-Wildfire Tools Pro/Manufacturing NC-Programme erstellt. Dafür ist ein vorheriges Modellieren der Geometrie in Pro/E-Wildfire erforderlich. Da in den anderen Fachbereichen andere CAD-Systeme verwendet werden und im Fachbereich Maschinenbau in Zukunft das CAD-System SolidWorks zum Einsatz kommt, wurde die Überlegung angestellt NC-Programme mit Hilfe einer Software zu erstellen, die unabhängig von einem CAD-System ist. Im Rahmen dieser Studienarbeit soll festgestellt werden, inwieweit dies mit der CAM-Software Licom AlphaCAM möglich und sinnvoll ist.

Simon Hohmann Juli 2004

2. Aufgabenstellung

Das CAM-System Licom AlphaCAM ermöglicht für verschiedene Fertigungstechnologien die Erzeugung von Programmen für die Ansteuerung von CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen. Die CAD-Geometrie kann entweder im System selbst erzeugt werden oder es können Dateien von einem beliebigen CAD-System eingelesen werden. Die letztgenannte Möglichkeit soll in dieser Studienarbeit für die am Institut für CAD-Technologien der FH-Ulm eingesetzten CAD-Systeme untersucht werden.

Für ein Referenzteil, das in den CAD-Systemen

CATIA, Pro/E-Wildfire, SolidWorks und SolidEdge

erzeugt wurde, ist die Datenübertragung über die standardisierten Schnittstellen

IGES, VDA-FS, STEP und Parasolid

zu erproben.

Dazu ist zunächst ein Referenzteil zu definieren, das charakteristische 3-Achs-Operationen erfordert (z. B. Taschenfräsen, Nutenfräsen, Bohren, Senken, Anfasen etc.).

Für die Fertigung des Referenzteils ist eine geeignete Bearbeitungsmaschine (auch unter Berücksichtigung der Kapazitäten) zu definieren und der Postprozessor entsprechend anzupassen. Ziel ist das gefertigte Referenzteil.

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3. Vorbereitungen

3.1 Referenzteil

Um charakteristische Bohr- und Fräsarbeiten einer 3-Achs-Bearbeitung zu erproben wurde folgendes Referenzteil erstellt.

Es zeichnet sich durch fünf Merkmale aus. Um eine komplizierte Oberflächenbearbeitung zu testen besitzt das Referenzteil eine rechteckige, ballige Fläche (Pos. A). Die Oberfläche ist um den Radius 300 mm gebogen. Die

Übergänge zur geraden Werkstückoberfläche werden durch einen konkaven 4 mm-Radius realisiert. In dieser balligen Fläche befindet sich eine trapezförmige Tasche (Pos. B) der Tiefe 20 mm. Die Eckenradien dieser Tasche betragen 8 mm. Außerdem hat die sphärische Fläche (Pos. A) sieben Bohrungen (Pos. C). Hierbei ist eine Bohrung des Durchmessers 9,5 mm und der Tiefe 28 mm (Bohrerspitze) Ausgangsbohrung. Um diese Bohrung sind jeweils drei Bohrungen auf den Teilkreisdurchmessern 40 und 80 mm gemustert (Abb. 2). Zur weiteren Erprobung des Taschenfräsens sind drei Taschen im Winkel von 120° zueinander

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gemustert (Pos. D). Die Tiefe dieser Taschen beträgt 25 mm und die Eckenradien sind 10 mm. Das fünfte Geometriemerkmal sind zwei geschwungene Nuten der Tiefe 20 mm und der breite 8 mm (Pos. E).

Tabelle 1: Referenzteil

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3.2 Rohmaterial

Das Rohmaterial hat die Maße 200 mm x 135 mm x 30 mm.

Da dies den Außenmaßen des Referenzteiles entspricht beschränkt sich die Bearbeitung auf die fünf Positionen A bis E, die im vorigen Punkt erläutert wurden.

Als Werkstoff wird auf die im Fertigungslabor verwendeten Aluminium-Knetlegierungen AlCuMgPb und AlMgSi0,5 zurückgegriffen.

3.3 Bearbeitungsmaschine

Nach Absprache mit dem Fertigungslabor der FH-Ulm wird das Referenzteil auf der MAHO MH600E des Fertigungslabors gefertigt.

Die MH600E ist eine Universalfräsmaschine mit einer 3D-Bahnsteuerung (Philips CNC432). Sie besitzt drei lineare Bewegungsachsen (X, Y, Z-Achse), einen Dreh- (B-Achse) und einen Teiltisch (A-Achse, optional).

Im 4-Achs-Modus (ohne Teiltisch) erfolgt die Bearbeitung über einen Vertikalfräskopf, der mit einem automatischen Werkzeugwechsler (Tellermagazin, 20 Plätze) bestückt werden kann.

Ansonsten erfolgt die Bearbeitung über die horizontale Frässpindel.

Tabelle 2: Daten der MAHO MH600E

Jede Bewegungsachse hat einen stufenlos regelbaren Achsantrieb, bestehend aus einem Antriebsmotor und einem spielfreien Kugelgewindetrieb. Die Achspositionen werden durch inkrementale Messsysteme erfasst.

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Abbildung 3: Die MAHO MH600E im Fertigungslabor

Im Rahmen dieser Studienarbeit wird die Werkzeugmaschine als 3-Achsen Maschine eingesetzt. Dies bedeutet, dass eine Bearbeitung nur durch das Verfahren der X-, Y- und Z-Achse erfolgt. Ein geeigneter Postprozessor für Licom AlphaCAM ist im Fertigungslabor bereits vorhanden.

3.4 Arbeitsschritte

Um eine Bearbeitung mit einem CAM-System zu definieren, werden die Arbeitsschritte und die dazu benötigten Werkzeuge schon vorher festgelegt.

Zuerst werden die Bohrungen Ø 9,5 mm mit einem Spiralbohrer gebohrt. Nach diesem Arbeitsschritt werden die drei um 120° verdrehten Taschen mit einem Schaftfräser des Durchmessers 10 mm gefräst. Da nur ein Referenzteil aus dem Material Aluminium gefertigt werden soll ist ein zweischneidiger Fräser hierfür ausreichend. Der höhere Verschleiß eines Zweischneiders gegenüber einem Fräser mit mehr Schneiden ist beim Fertigen des Referenzteils unerheblich. Ein weiterer Vorteil vor allem beim Taschenfräsen ist die gute Spanabfuhr bei einem zweischneidigen Fräser. Gleiches gilt für die trapezförmi-Simon Hohmann Juli 2004

ge Tasche. Sie wird mit demselben Werkzeug gefräst. Im vierten Bearbeitungsschritt werden die beiden geschwungenen Nuten der Breite 8 mm ausgearbeitet. Hierfür wird auch ein zweischneidiger Fräser verwendet, allerdings mit dem der Nutbreite angepassten Durchmesser von 8 mm. Zuletzt wird die sphärische Fläche gefräst. Dafür wird ein Kugelfräser mit dem Durchmesser 8 mm benutzt. Vor allem ist zu beachten, dass die Löcher Ø 9,5 mm vor dem Fräsen der balligen Flächen gebohrt werden, da sonst der Bohrer zu verlaufen droht.

Tabelle 3: Arbeitsschritte und Werkzeuge

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4. Überprüfung der standardisierten Schnittstellen

In die CAM-Software Licom AlphaCAM können über standardisierte Schnittstellen CAD-Dateien eingefügt werden.

Standard Module können DXF, DWG (AutoCAD Zeichnungen) und IGES-Dateien einlesen. Fast alle Advanced Module können DXF, DWG, IGES; CADL, ANVIL, VDA-FS, STEP, Rhino, Parasolid und STL Dateien von einem beliebigem CAD System einlesen. (Licom AlphaCAM Handbuch; 10. Auflage)

Es wird das Advanced Fräsen 3D - Modul eingesetzt. In diesem Modul gibt es keine Einschränkungen und alle oben aufgeführten Dateiformate können eingelesen werden. Jedoch beschränken wir uns im Rahmen dieser Studienarbeit auf die Formate IGES, STEP, VDA-FS und Parasolid.

4.1 Erstellen der CAD-Dateien

Das Referenzteil wird in Pro/E-Wildfire erstellt. Mit Pro/E-Wildfire wird anschließend eine IGES-Datei des Referenzteiles erzeugt, die in jedes andere CAD-System eingelesen werden kann. Die IGES-Datei wird mit den Standardeinstellungen von Wildfire für den Export von IGES-Dateien erzeugt und in allen CAD-Systemen die Referenzdateien der unterschiedlichen CAD-Systeme erstellt.

In den folgenden Unterpunkten wird zusammengefasst, welche Dateien mit den vorhandenen CAD-Systemen erzeugt wurden.

4.1.1 Pro/E-Wildfire

Da das Referenzteil mit Pro/E-Wildfire erzeugt wird liegt es bereits im Pro/E eigenen Dateiformat als referenzteil_proe_wildfire.prt vor. Aus diesem Teil werden die folgenden standardisierten CAD-Dateien erzeugt:

(IGES) referenzteil_proe_wildfire.igs (STEP) referenzteil_proe_wildfire.stp (VDA-FS) referenzteil_proe_wildfire.vda

Das Erzeugen von Parasolid-Dateien ist mit Pro/E-Wildfire nicht möglich.

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4.1.2 CATIA

Das Referenzteil wird als IGES-Datei importiert. Diese Datei ist zuvor mit Pro/E-Wildfire erzeugt worden. Der Import dieser Datei stellt keine Probleme dar und es wird ein Referenzteil des CATIA-typischen Dateiformats erstellt: (CATIA-Teil) referenzteil_catia.CATPart

Aus dieser Datei werden nun folgende standardisierte CAD-Dateien erzeugt: (IGES) referenzteil_catia.igs (STEP) referenzteil_catia.stp (Parasolid) refernzteil_catia.x_t

Das Erzeugen von VDA-FS-Dateien ist mit CATIA nicht möglich.

4.1.3 SolidWorks

Die mit Pro/E-Wildfire erzeugte IGES-Datei wird nun in SolidWorks importiert und das Referenzteil im SolidWorks-Format abgespeichert: (SolidWorks-Teil) referenzteil_solidworks.SLDPRT

Aus dieser Datei werden die folgenden Dateiformate exportiert: (IGES) referenzteil_solidworks.igs (VDA-FS) referenzteil_solidworks.vda referenzteil_solidworks.step

referenzteil_solidworks.step (Parasolid) referenzteil_solidworks.x_t

Hierbei fällt auf, dass in SolidWorks zwei Optionen für die Erzeugung von STEP-Dateien zur Verfügung stehen, STEP-AP214 und STEP-AP203.

4.1.4 SolidEdge

Das Referenzteil referenzteil_proe_wildfire.igs wird in SolidEdge importiert und die Datei (SolidEdge-Teil) referenzteil_solidedge.par abgespeichert.

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Aus dieser Datei werden nun folgende standardisierte CAD-Dateien gewonnen:

(IGES) referenzteil_solidedge.igs (STEP) referenzteil_solidedge.stp (Parasolid) referenzteil_solidedge.x_t

Mit SolidEdge ist das Erzeugen von VDA-FS-Modellen nicht möglich.

4.2 Import in Licom AlphaCAM, 1. Versuch

Nachdem alle CAD-Dateien erzeugt wurden, wird nun anhand der Darstellung der Geometrie überprüft, welche Formate sich zum Einlesen in Licom AlphaCAM am besten eignen. Ist die Geometrie in Ordnung wird versucht mit dieser Datei ein NC-Programm für das Referenzteil zu erstellen. Erst nachdem dieser Schritt gelungen ist wird die Datei als fehlerlos angesehen. Die Abbildungen hierzu befinden sich im Anhang.

4.2.1 IGES

Beim Import von IGES-Dateien in das CAM-System kommt es zu unterschiedlichen Darstellungsfehlern.

Beim Einlesen der Wildfire-IGES-Datei erschien parallel zur Werkstückunterseite eine Linie.

Auch beim Importieren der mit CATIA erzeugten IGES-Datei treten Fehler auf. Das Referenzteil ist hierbei überhaupt nicht dargestellt. Die Bohrungen Ø 9,5 mm sind sichtbar, aber sonst ist nur ein Gewirr aus Kreisen zu sehen

Das SolidEdge-IGES-File wird auf den ersten Blick fehlerlos dargestellt und scheint für eine weitere Bearbeitung mit Licom AlphaCAM geeignet. Bei genauerer Betrachtung fällt jedoch auf, dass das Teil statt einer Länge von 200 mm eine Länge von ca. 8 Teilstrichen auf der Skala hat. Ein Teilstrich würde dementsprechend 25,4 mm betragen. Dies entspricht 10 Zoll. Ein Umstellen der Skalenteilung auf das metrische System ist nicht möglich, sodass auch diese Datei unbrauchbar ist.

Beim Import von der mit SolidWorks erzeugten IGES Datei treten auch Fehler auf. Das Referenzteil wird zwar klein dargestellt, jedoch tauchen um es herum undefinierbare Linien und Bögen auf, wodurch es für eine Bearbeitung in AlphaCAM unbrauchbar wird.

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4.2.2 STEP

Auch beim Einlesen der STEP-Dateien treten unterschiedliche Fehler auf. Jedoch kann hier eine STEP-Datei fehlerlos eingelesen werden. Es eine Datei, die mit SolidWorks erzeugt wurde.

Bei der STEP-Datei, die mit Pro/E-Wildfire erzeugt wurde sitzt in der Ecke der Sphärischen Fläche eine kleine Kugel.

Die Darstellung des mit CATIA erzeugten Referenzteiles wird von einem großen Kreis durchzogen.

Das mit SolidEdge erzeugte STEP-Referenzteil weist den gleichen Darstellungsfehler auf, wie das mit CATIA erzeugte Referenzteil.

SolidWorks ermöglicht beim Erstellen die Wahl zwischen zwei STEP-Dateiformaten. Es kann zwischen STEP-AP214 und STEP-AP203 gewählt werden. Beide Formate sind erzeugt worden. Jedoch beim Einlesen in Licom Alpha CAM eignet sich nur das Format STEP-AP203. Das Einlesen der STEP-AP214-Datei erzeugt einen Programmfehler und Licom AlphaCAM wird beendet.

4.2.3 VDA-FS

VDA-FS-Dateien können nur mit den CAD-Systemen Pro/E-Wildfire und SolidWorks erstellt werden. Beide können jedoch nicht sauber eingelesen werden.

Beim Wildfire-VDA sind sämtliche Taschen und Bohrungen von einer Fläche überzogen.

Bei der mit SolidWorks erzeugten VDA-FS-Datei fehlen einige Flächen und Geometrieelemente.

4.2.4 Parasolid

Parasolid kann nur aus den beiden Systemen SolidWorks und SolidEdge importiert werden. Beim Einlesen kommt es zu keinen Problemen. Die Darstellung der beiden erzeugten Dateien ist einwandfrei.

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4.3 Einstellungen der config.pro

Der Import der CAD-Dateien, unter Kapitel 4.2 beschrieben, liefert größtenteils keine befriedigenden Ergebnisse. Aus diesem Grund wurde bei der Herstellerfirma Licom zu diesem Thema um Rat gefragt.

Die Antwort enthielt eine Tabelle mit Einstellungen für den Export von IGES-Dateien aus Pro/E, die für den Import in AlphaCAM vorgenommen werden müssen. Die Einstellungen werden in der config.pro des CAD-Systems vorgenommen.

Da alle benötigten CAD-Dateien aus der mit Wildfire erzeugten IGES-Datei erzeugt werden, kann es sein, dass die Standardeinstellungen der config.pro dafür verantwortlich sind, dass es zu den Darstellungsfehlern beim Importieren in AlphaCAM kommt. Die Fehler der zuerst erzeugten Datei haben sich in diesem Falle auf die aus ihr erzeugten Dateien ausgewirkt.

In Pro/E-Wildfire wird über TOOLS | Optionen die config.pro geöffnet. Über die Schaltfläche öffnet sich ein Menü, in dem die Optionen gezielt gesucht werden kann.

Folgende Einstellungen werden vorgenommen:

Tabelle 4: Änderungen der config.pro

Die anderen Optionen stimmen standardmäßig mit den für AlphaCAM benötigten Einstellungen überein und werden nicht geändert:

Tabelle 5: Standardmäßig korrekte Einstellungen

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