CNC-Tuning on Schallberts Blog

CNC Tuning #3

Schallbert — Sat, 04 May 2024

Dies ist der letzte Teil meiner Reihe über die Optimierung der Fertigungszeit auf CNC-Fräsmaschinen. Er konzentriert sich auf den Pfadinterpreter der CNC-Steuersoftware.

Der Pfadinterpreter der Steuersoftware ist dafür zuständig, die Anweisungen aus dem G-Code zu lesen und in Maschinenbewegungen zu übersetzen. Soll beispielsweise G01 X100 Y200 Z-2.0 F2000 S18000 ausgeführt werden, so muss der Pfadinterpreter die akuelle Position der Maschine kennen und einen Fräsvektor erzeugen, der zur gewünschten Position mit den vorgegebenen Parametern zeigt.

Hierbei muss der Interpreter die kinematischen Parameter der Maschine berücksichtigen: Mit welcher Rampe auf Zielgeschwindigkeit F1000 beschleunigt wird ob der gewünschte Vorschub überhaupt zulässig ist, und ab welchem Punkt wieder gebremst werden muss um den Zielpunkt exakt zu erreichen. Die so gewonnenen Daten werden schließlich in eine Schrittfolge für die drei Schrittmotoren übersetzt, in einen Pufferspeicher geladen und schließlich in Echtzeit an die Motorendstufen ausgegeben.

Schritt 3: Optimierung des Pfadinterpreters

Viele Steuersoftware-Anbieter haben integrierte Fräspfadfilter programmiert, welche mittels Kommando G64 oder per Menü zu konfigurieren sind. Ich verlinke hier mal ein paar Beispiele verschiedener Hersteller, wo für spezifische Details nachgelesen werden kann:

Die Kunst ist nun, eine Konfiguration passend zum Fräsjob und der Maschinenkinematik zu finden. Es geht hier immer um einen Kompromiss zwischen Fertigungsgeschwindigkeit und Bahntoleranz. Soll also mit hohem Vorschub gefahren werden, werden eigentlich spitze Kanten verrundet, verbundene Liniensegmente in einem Toleranzband angefahren oder Pfade so vereinfacht, dass außerhalb der von der Maschine erreichbaren Beschleunigung befindliche Pfadpunkte nicht angefahren werden.

Grundlagen: Was ist “Look Ahead Feed”?

Hiermit ist gemeint, dass der Pfadinterpreter der Steuersoftware sich während des Ausführens einer Fräsoperation - z.B. G01 X* Y* (lineare Bewegung Punkt zu Punkt) - bereits die nächste(n) Operation(en) anschaut und herausfindet, ob und wie stark zwischen den Operationen abgebremst und wieder beschleunigt werden muss bzw. direkt durchgefahren werden kann. Die Physik dahinter erkläre ich im Artikel zum CNC-Setup.

Hierdurch kann teils massiv Zeit gespart werden, der Fräsvorgang wird flüssiger und die Maschine erfährt geringere Belastungen. Zusätzlich zur Vermeidung von Beschleunigungs- und Bremsvorgängen kann mittels Parameter G64 eingestellt werden, ob und wie Fräspfadfilter die geplante Trajektorie verändern dürfen, um weiter auf höhere Bahngeschwindigkeiten zu optimieren.

Ideal im Gravurbetrieb

Im Gravurbetrieb kann man sich solche Optionen hervorragend zu Nutze machen: Höhere Toleranzen sind hier meist OK, und leicht verrundete Kanten oft akzeptabel. Bei 3D-Gravuren dauert das Fräsen durch die vielen Pfade lang, und hier ist besonders viel Zeit herauszuholen.

Da ich Eding CNC benutze, kann ich nur für Parameter dieser Steuerung Tipps geben. Nun aber ab ins Detail zur Erklärung der Einstellungen!

Fräspfadtoleranz `G64 P*`

Dieser Parameter gibt der Steuersoftware die allgemeine Toleranz der Pfadgenauigkeit vor.

Ich habe meine Maschine so eingestellt, dass sie im Gravurbetrieb Abweichungen vom vorgegebenen Fräspfad von bis zu LAF blending tolerance = 0.3mm zulässt. Alternativ kann die Konfiguration per Kommando G64 P0.3 erfolgen. Im Bild habe ich skizziert, wie sich eine solche Einstellung in der Praxis auswirken kann: Der Fräspfad (weiß) besteht aus G01-Liniensegmenten. Die Toleranz ist mit Hilfe von Kreisen eingezeichnet. Der Pfadinterpreter der Steuersoftware kann nun eigenständig Kreissegmente so definieren, dass innerhalb der Toleranz eine möglichst hohe Bahngeschwindigkeit erreicht wird.

Die so ermittelte Bahn (türkis) ähnelt einer Spline-Kurve. Zu beachten ist hier, dass sämtliche Linien von dieser Einstellung betroffen sein können - auch solche, die strenge Toleranzanforderungen haben. Ist dies nicht gewünscht, so sollte hier ein kleinerer Wert verwendet werden.

Pfadverrundung `G64 R*`

Treffen zwei Liniensegmente im Winkel von bis zu LAF full speed blending angle threshold = 12° aufeinander, wird die Maschine ohne abzubremsen versuchen, dem Winkel genau zu folgen. Bei größeren Winkeln wird mit reduzierter Geschwindigkeit mit per G64 P* definierter Toleranz gefahren. Diese Konfiguration wird mit G64 R12 programmiert.

Die Werte hier sind mit großer Vorsicht einzustellen, weil sie zu Beschleunigungsspitzen auf der Maschine führen. Große Werte können Schrittverluste und höheren Verschleiß der CNC-Fräse verursachen. Dafür werden Bahngeschwindigkeit und Genauigkeit optimal gehalten.

Pfadverrundung bei reduziertem Vorschub `G64 S* D*`

Diese Konfiguration gibt der Steuersoftware die Möglichkeit, Kanten bis zum eingestellten Toleranzwert zu verrunden: LAF reduced speed path smoothing delta = 0.001mm. In Kombination mit der Verrundung muss der Winkel eingestellt werden, bis zu dem diese Verrundung durchgeführt werden soll: LAF reduced speed path smoothing angle threshold = 0°.

Programmiert wird diese Funktion am Besten in Kombination mit der Pfadverrundung bei vollem Vorschub als G64 R* S* D*. Der Vorteil hierbei ist, dass Liniensegmenten wie im Bild gezeigt sehr genau gefolgt wird, und die Kanten gleichzeitig aber fein justierbar abgerundet werden. Bis zum über R definierten Winkel wird sogar mit vollem Vorschub dem Pfad exakt gefolgt.

Werden bei S sehr große Winkel eingestellt, so findet entsprechend D auch eine stärkere Verrundung statt. Überschreitet der im Fräsprogramm vorgegebene Winkel jedoch den konfigurierten Wert, so fällt der Algorithmus auf die für P hinterlegten Werte bzw. in den exakten Pfadfolgemodus zurück.

Pfadvereinfachung `G64 Q*`

Enthält die G-Code Datei zahlreiche, sehr kurze Liniensegmente (wie sie oft bei der Erstellung von Pfaden aus Bilddateien entstehen), kann diese Funktion durch Vereinfachen der Fräspfade Abhilfe schaffen. Dabei gibt die Zahl hinter dem Parameter die Toleranz an, bis zu der Liniensegmente zu einer Linie verschmolzen werden.

Diese Einstellung entlastet den Pufferspeicher der Maschine und erhöht gleichzeitig die mittlere Bahngeschwindigkeit. Für den Gravurbetrieb halte ich diese Einstellung insbesondere für interessant, wenn mit “verrauschten” Daten gearbeitet wird und im CAD nicht die Möglichkeit bestand, die Anzahl der Pfade zu reduzieren.

Beschleunigungsfilter `G64 F*`

Mittels diesen Parameters können die durch Look Ahead Feed möglicherweise erzeugten Beschleunigungsspitzen abgemildert werden. Der minimal einzustellende Wert ergibt sich durch den Quotienten aus gewähltem Vorschub für die Operation und maximaler Geschwindigkeit der Maschine.

Beispiel: Fmin = Foperate / Fg00, bei Fg00 = 12000mm/min und Foperate = 5000mmm/min ist Fmin = 0.42

Also wird bei Vorschub von 5000mm/min die maximal mögliche Beschleunigung der Maschine abgerufen und Kurvenradien so eingestellt, dass sie bei konstanter Bahngeschwindigkeit gefahren werden. Alle Werte größer gleich Fmin = 1 sind inherent sicher, unabhängig vom gewählten Vorschub.

Dieser Parameter wurde entwickelt für die Bearbeitung von elastischen Materialien wie Gummi oder Kork, wo eine konstante Vorschubgeschwindigkeit extrem wichtig und die Bahntreue eher zweitrangig ist. Der Parameter wird in Kombination mit G64 R* verwendet. Die folgende Programmierung für das obige Beispiel würde die volle Kapazität der Maschine abrufen: G64 R120 F0.42, wobei mit F5000 gefahren wird, F12000 der Maximalvorschub der Maschine ist und spitze Winkel bis 120° ohne abzubremsen gefahren werden sollen.

Wende ich diese Werte auf meine Maschine an, entsteht das nebenstehende Bild. Hier soll ein Rechteck mit 25 x 100mm Kantenlänge gefertigt werden. Weiß ist wieder die Zieltrajektorie dargestellt. Die türkise Kurve zeigt die durch die Programmierung des Beschleunigungsfilters gefahrene Kurve mit konstanter Bahngeschwindigkeit. Je geringer der Vorschub im Verhältnis zum Maximalvorschub und je höher die Beschleunigung der Maschine eingestellt ist, desto kleiner wird der notwendige Radius.

Für den Gravurbetrieb und das Fräsen fester Materialien wird dieser Parameter meiner Erfahrung nach jedoch nicht verwendet.

Meine Konfiguration für die Hobbyline 4530

Ich habe im Gravurbetrieb viel mit den verschiedenen LAF-Parametern herumgespielt und eine Menge Rohlinge als Lehrgeld “verbraucht”. Die kürzesten Fertigunszeiten erhielt ich bei vorheriger Optimierung der kinematischen Parameter mit folgender Konfiguration:

G64 Q0.3 R12 D0.3 S120

Damit sage ich der Maschine folgendes:

“Verwende den Pfadvorschau-Algorithmus und versuche, kurze Liniensegmente unter 0.3mm Länge zu verschmelzen. Versuche, den Vorschub bei einem Winkel zweier Streckenabschnitte von bis zu 12° nicht herunterzuregeln. Bei größeren Winkeln bis 120° kann statt einem exakten Nachfahren mit bis zu r=0.3mm verrundet werden. Bei noch größeren Winkeln ist dem vorgegebenen Pfad zu folgen und, falls erforderlich, bis zum Stillstand abzubremsen.”

Fazit

Da mich die Parameteroptimierung für den Gravurbetrieb ziemlich weit vom Parametersatz für den normalen Fräsbetrieb weggebracht haben, habe ich mein Steuerprogramm einfach ein zweites Mal installiert.

Dort konnte ich dann Geschwindigkeit, Achsbeschleunigung und Pfadparametrierung getrennt festlegen. Nun habe ich das Beste beider Welten auf einer Maschine zur Verfügung:

Einen sehr genauen, weich operierenden Fräsbetrieb mit folgenden Parametern:

Fmax XY 12000mm/min
Fmax Z 4800mm/min
Amax X 1000mm/s²
Amax Y 1000mm/s²
Amax Z 1000mm/s²
G64 P0.1 R6

Und über die andere Verknüpfung einen überaus flinken Gravurbetrieb:

Fmax XY 12000mm/min
Fmax Z 4800mm/min
Amax X 4000mm/s²
Amax Y 3200mm/s²
Amax Z 1600mm/s²
G64 Q0.3 R12 D0.3 S120

Und wo ist der Beweis?

Das eingebettete Video zeigt dasselbe Gravurprojekt mit vier verschiedenen Optimierungsstufen:

oben links: Herstellerkonfiguration der Maschine, Standard-Fräspfade aus CAD/CAM
oben rechts: Geschwindigkeit und Beschleunigung auf Fräsbetrieb erhöht
unten links: Look Ahead feed eingeschaltet G64 P0.3, Fräspfade im CAM optimiert
unten rechts: Optimiert für Gravurbetrieb wie oben beschrieben, CAM Flyover auf 2mm reduziert und Leerfahrten minimiert

CNC-Tuning für den Gravurbetrieb↗

CNC Tuning #2

Schallbert — Sat, 27 Apr 2024

Dies ist der zweite Teil meiner Reihe über die Optimierung der Fertigungszeit auf CNC-Fräsmaschinen. Er konzentriert sich auf die kinematischen Maschinenparameter für den Gravurbetrieb.

Schritt 2: Tuning der kinematischen Parameter der CNC

Die theoretischen Grundlagen habe ich im Artikel zur CNC-Steuerungskonfiguration ausführlich erläutert. Meine Probleme damit und zugehörige Lösungen habe ich nach vielen Tests und Rücksprache mit dem Hersteller im Fazit zu einem Jahr CNC-Betrieb festgehalten. Die folgenden Abschnitte wenden die obigen Erkenntnisse auf eine Demonstrationsmaschine an, die ich mir habe leihen können.

Verfahrgeschwindigkeit im Eilgang

Für die Demomaschine konnte ich die Geschwindigkeit im Eilgang von den vorgeschlagenen Fxy = 4m/min und Fz = 2.4m/min auf Fxy = 12m/min und Fz = 4.8m/min erhöhen. Setze ich alle drei Achsen gleichzeitig in Bewegung, erhalte ich durch Steigung der Kugelgewindespindeln und Mikroschrittkonfiguration (8 pro Vollschritt) der Motoren eine kombinierte Schrittfrequenz von 96kHz, was unter der maximalen Schrittfrequenz von 125kHz der Steuerung liegt.

Beschleunigung im Eilgang

Die Herstellerangaben empfehlen hier aXY = 300mm/s² und aZ = 200mm/s².

Ich habe die Beschleunigung in mehreren Schritten hochgesetzt und bin in einer ersten Runde bei aXY = 1000mm/s² und aZ = 400mm/s² gelandet. Diese Werte sind für diese kleine und leichte Maschine mit nur 30x45x14cm Verfahrweg nach meiner Erfahrung für den Normalbetrieb ohne Weiteres möglich. Sie erhöhen die Fertigungsgeschwindigkeit stark, denn jeder Richtungswechsel, auch die im Materialeingriff bei G01, G02, G03, werden nun um Faktor 3 bzw. 2.5 schneller ausgeführt.

So habe ich die Maschine oft betrieben und auch auf der Messe bin ich mit diesen Werten stabil und sicher gefahren. Das folgende Video zeigt die Fräse im Gravurbetrieb mit den angegebenen Werten.

CNC-Tuning: Vorschau↗

Danach jedoch wollte ich wissen, wie weit ich es treiben kann. Getreu dem vorher beschriebenen Motto

“Wer die Grenze nicht überschreitet, weiß nicht, wo sie liegt”

habe ich erst einmal geprüft, wie sich massive Schrittverluste bei dieser Maschine anhören. Also habe ich eine Achse mit einem Holzbalken blockiert und bin vorsichtig dagegen gefahren:

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Massive step loss soundcheck

Das deutlich vernehmbare Rattern entsteht wenn der Motorhochlauf zwar klappt, in Richtung Zielgeschwindigkeit aber diverse Vollschritte verloren gehen. Wird der Rotor bereits bei Anlauf des Motors “verloren”, so fiept der Motor nur noch, ohne die Achse überhaupt in Bewegung zu setzen. Verliert der Motor nur wenige Schritte, befindet sich aber auf Zielgeschwindigkeit, so gibt es einen rauen und unter Umständen kratzenden Ton.

Ich habe für das Experiment die X-Achse gewählt, weil sie sich am einfachsten blockieren lässt. Des Weiteren habe ich sie in X+-Richtung blockiert. Begründung: diese Maschine besitzt kein professionelles Festlager zur Aufnahme von Druck- und Zugkräften der Kugelumlaufspindel. Stattdessen werden Druckkräfte in Richtung Schrittmotor sicher von einem auf der Spindel montierten Flansch abgefangen, der gegen in der Portalwange befindliche Kugellager drückt.

Zugkräfte hingegen werden hauptsächlich von den Motorlagern aufgenommen - da wollte ich kein Risiko eingehen. Nun ist also das Geräusch bei plötzlichem und ruckartigen Schrittverlust bekannt - das Übertakten kann beginnen!

Meine Vorgehensweise:

Die Beschleunigung einer Achse der Maschine verdoppeln
Die betreffende Achse umher joggen, dabei auf merkwürdige Geräusche achten und die Achsbewegung beobachten
Vorige Schritte wiederholen, bis massive Schrittverluste auftreten
Beschleunigung auf den Mittelwert zwischen “klappt” und “klappt nicht” zurückfahren
Den vorigen Schritt solange wiederholen, bis die Maschine sauber fährt
Alle Schritte auch für die anderen Achsen durchführen

So bin ich schließlich bei für eine solche Hobbymaschine unglaublichen aXY = 4000mm/s², aZ = 1600mm/s² gelandet. Dies liegt nun eine Größenordnung über den empfohlenen Werten.

Die kleine Fräse scheint auch hier stabil zu laufen und die gefertigten Gravuren sehen gut aus. Allerdings konnte ich mir nicht vorstellen, dass ich Schrittmotoren, Treiberstufen und Netzteil noch innerhalb ihrer Spezifikation betreibe. Daher habe ich gemessen.

Elektrische Messwerte

Das Netzteil ist mit 3.7A bei 36V angegeben. Ich darf diesen Wert also in der Summe weder im Eilgang G00 noch im Materialeingriff dauerhaft überschreiten. Wie oben erklärt, ist der Eilgang im Gravurbetrieb durch die geringeren Fräskräfte maßgeblich, sodass ich besonderes Augenmerk auf das Verfahren mehrerer Achsen gleichzeitig legen muss.

Die Motoren können je einen Dauerstrom von 3.0A verkraften, limitieren mir hier also nichts. In den elektrischen Tests schaue ich lediglich, ob ich mit der Energieaufnahme des Systems im Rahmen bleibe.

Messaufbau

Ich schließe das aus diesem Artikel bekannte Multimeter direkt am Ausgang des Netzteils an und nehme Spannung und Strom auf. Für das Experiment simuliere ich die Fertigung der oben im Video verlinkten Gravur und führe in zwei Durchläufen zuerst eine zeitlich grob aufgelöste Leistungsfaktoranalyse (2Hz) durch, gefolgt von einer fein aufgelösten Stromermittlung mit 20kHz.

Ergebnisse

Im obigen Bild sind Spannung, Strom, Wirk- und Blindleistung aufgetragen. Zu erkennen ist, dass die Blindleistung (grün) immer dann kurze Spitzen zeigt, wenn mehrere Achsen gleichzeitig in den Eilgang beschleunigen. Die Leistungsaufnahme einer Achse im Eingriff G01/G02/G03, blau beträgt im Schnitt etwa 45W und ist ähnlich hoch wie bei der Konstantfahrt im Eilgang.

Das Netzteil ist in der Lage, die Spannung (orange) ziemlich konstant zu halten und knickt selbst unter Volllast nur um knapp 0.2V ein. Einzig der Stromwert sah mir etwas zu glatt aus. Ich vermutete an dieser Stelle, dass die zeitliche Auflösung zu gering ist und beschloss, das Experiment mit Konzentration auf den Strom zu wiederholen.

Und tatsächlich. Die höhere zeitliche Auflösung zeigt, dass die Stromaufnahme bei Beschleunigung mehrerer Achsen Spitzen zeigt, die über den bereits bekannten Werten liegt.

Hier stechen Bewegungen auf der Y-Achse, welche das gesamte Portal in Bewegung setzen muss, besonders heraus. Und zwar genau dann, wenn die anderen Achsen noch in Bewegung sind oder gerade gehalten haben. Dies hängt mit den Schrittmotortreibern zusammen. Sie betreiben die Motoren nämlich noch etwa 0.5s nach Anhalten bei vollem Strom weiter. Die dadurch entstehende Überlagerung lässt die Spitzen noch dramatischer aussehen.

Benchmark Spitzenlast

Na dann treiben wir es mal auf die Spitze mit einem Beschleunigungs-Benchmark. Wird das Netzteil auch bei voller Last unter Beschleunigung aller Motoren gleichzeitig die Ausgangsspannung halten können?

Um dies zu testen, habe ich einen G-Code geschrieben, der alle Achsen gleichzeitig auf Höchstgeschwindigkeit beschleunigen und dann wieder abbremsen lässt. Anschließend wird unter gleichen Bedingungen zum Ausgangspunkt zurückgefahren und das Ganze wiederholt.

Auf diese Weise kann ich herausfinden, ob das Netzteil genügend Reserven hat, um Lastspitzen abzufangen und gleichzeitig schauen, ob die Motoren bereits im größeren Maße Schritte verlieren. Im Mittel liegt hier die aufgebrachte Leistung bei 95W und die Versorgungsspannung sinkt um 0.28V auf 35.72V ab. Dabei muss das Netzteil in der Spitze 5.14A abgeben, was knapp 40% über Nennstrom liegt.

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Benchmark

Hört man ganz genau hin, so klingt die Maschine direkt zu Beginn des Benchmarks etwas rau, fängt sich dann aber. So können auch Schrittverluste klingen. Es ist daher sehr wichtig, die Maschine mit allen Sinnen zu überwachen.

Mechanische Prüfung

Nun zur letzten Prüfung: Ich gebe beim Eilgang-Benchmark zusätzlich Last auf die Achsen, indem ich während des Programmablaufes mit meinem Arm an der jeweiligen Achse ziehe. Die Achsen Z und X laufen stabil weiter. Bei der Portalachse Y merke ich jedoch, dass die Maschine nun anders klingt. Irgendwie rau, als würde man mit mit einer Raspel leicht über eine Holzplatte ziehen.

Lege ich eine große Last an, so fährt der Schrittmotor auf dieser Achse nicht mal mehr an, sondern fiept nur noch. Er kann den Pulsen der Endstufe nicht mehr folgen. Ich reduziere nun also die Beschleunigung schrittweise, bis der Motor die Portalachse auch unter mittlerer Last wiederholbar und ohne hörbare Schrittverluste beschleunigen kann. Hier lande ich am Ende bei immer noch flinken [aX = 4000mm/s² aY = 3200mm/s² aZ = 1600mm/s²].

In einem letzten Schritt führe ich nach fünfmaliger Wiederholung des Benchmarks eine weitere Referenzfahrt durch und schaue mir die Logs der Steuersoftware an. Alle Achsen sind nun unauffällig hinsichtlich Schrittverlusten.

Appelle zum CNC-Tuning

Bitte geht beim Tuning eurer Maschine behutsam vor. Lernt sie richtig kennen, bevor ihr damit beginnt. Hört genau hin und optimiert Achse für Achse nacheinander. Nehmt euch Zeit für Tests, Prüfungen und Experimente.

Selbst wenn ihr eine sehr ähnliche Maschine wie meine besitzt, machen andere Abmessungen bereits einen riesigen Unterschied hinsichtlich Steifigkeit und damit auch möglicher Verfahrgeschwindigkeit bzw. Beschleunigung. Sogar Wartungszustand, leichtgängigere Wellen, andere Führungen o.Ä. können dazu führen, dass ihr am Ende mit anderen Werten fahrt als ich.

Es wird kein Profi-Equipment benötigt, um die Grenzen der Maschine auszuloten. Nicht einmal eine Messuhr, da Schrittverluste auch mit Hilfe der Referenzschalter hinreichend genau bestimmt werden können.

Alles was ich durch die elektrischen Messungen oben festgestellt habe, ist, dass der Hersteller bei der Auslegung der Maschine sauber gearbeitet hat und keine Komponente unterdimensioniert ist. Im Gegenteil, diese Maschine ist für die Übertaktung bestens geeignet.

Und nun weiter zum letzten Teil 3: Pfadinterpreter optimieren.

CNC Tuning #1

Schallbert — Sat, 20 Apr 2024

Dies ist der erste Teil meiner Reihe über die Optimierung der Fertigungszeit auf CNC-Fräsmaschinen. Er konzentriert sich auf den Einsatz von CAD- und CAM-Werkzeugen zur Erzeugung effizienteren G-Codes.

Es gibt diverse Maßnahmen zur Reduktion der Fertigungszeit mit einer CNC-Maschine. Erstmal jedoch sollte beleuchtet werden, warum so etwas gewünscht ist und welche möglichen Nachteile sich hierdurch ergeben.

Warum überhaupt?

Aus kaufmännischer Sicht sorgen geringere Fertigungszeiten für einen höheren Teiledurchsatz und ermöglichen damit einen höheren Umsatz in einer gegebenen Zeitspanne. Zudem ist die Investition der Maschine schneller amortisiert.

Als Hobbyist sind kürzere Fertigungszeiten vor allem dann interessant, wenn das Ziel die Herstellung sehr komplexer Geometrien oder die 3D-Fertigung ist. Hier können Fräszeiten durchaus mehrere Stunden betragen und die möglichen Einsparungen sind folglich besonders groß.

Bei mir steht wie auch in der Lehre der wissenschaftliche Gedanke im Vordergrund: Ich will herauszufinden, wo die Grenze der Maschine liegt. Ich möchte wissen, warum sie dort liegt. Ich werde versuchen, sie stabil innerhalb ihrer Grenzen zu betreiben. Dabei ist der Verschleiß unter Kontrolle zu halten.

Um diese Grenze jedoch genau zu kennen, muss sie zuerst übertreten werden. Woher sonst soll ich wissen, wo sie sich befindet?

Was sind mögliche Nachteile?

Bestimmte Komponenten einer “übertakteten” Maschine könnten schneller als üblich verschleißen. Dazu zählen etwa Netzteile und Motor-Endstufen, die höhere transiente Ströme verkraften müssen. Lager und Führungen werden durch höhere Beschleunigungen stärker beansprucht. Umlaufspindeln und Maschinenrahmen müssen die dadurch resultierenden, stärkeren und schneller wechselnden Kräfte und Vibrationen aufnehmen und können früher Ermüdungserscheinungen oder sich lösende Verbindungen aufweisen.

Bei der Ermittlung der Grenzen kann die Maschine im Extremfall sogar beschädigt werden: Mit hoher Wahrscheinlichkeit treten jenseits der Grenze Schrittverluste¹ auf. Das ist zwar im Testbetrieb nicht weiter problematisch. Doch stimmt die angenommene Position dann nicht mehr mit der tatsächlichen Position überein und es besteht das Risiko des “Crashes” - wenn nicht mit Bedacht vorgegangen wird. Hier noch ein ziemlich gutes Youtube-Video von gammaflow zum Thema Schrittverluste vermeiden.

Werden die Fräsbahnen im CAD oder CAM zugunsten kürzerer Fertigungszeiten verändert, so kann dies außerdem negative Auswirkungen auf Schnitt-, Kanten- und Oberflächenqualität haben.

Bei der Optimierung des Pfadinterpreters der Steuersoftware ist ebenfalls ein Kompromiss einzugehen: Höhere Fertigungsgeschwindigkeit wird hier mit geringerer Genauigkeit und/oder höherem Maschinenverschleiß eingekauft.

Welche Maßnahmen werden nicht diskutiert?

Nicht betrachten werde ich hier die Optimierung von Vorschub F und Drehzahl S des gewählten Fräsers im Eingriff. Diese Parameter hängen vom zu bearbeitendem Material, der Fräsergeometrie, den Fähigkeiten der Maschine und dem Mut des Bedienpersonals ab, sodass ich keine allgemein gültigen Tunings vorschlagen kann.

Einen anderen, großen Einflussfaktor muss ich hier ebenfalls ausklammern: Die Bearbeitungsstrategie des CAM-Programms bezogen auf Eilgänge. Mein CAM-Programm lässt mich da nicht besonders tief eingreifen, sodass ich für die Optimierung der letzten paar Prozent Fertigungszeit stets von Hand im G-Code arbeiten muss, was entsprechend fehleranfällig ist.

Tuning in drei Schritten

Bei meiner Optimierung bin ich in drei Schritten vorgegangen, die allerdings unabhängig voneinander umgesetzt werden können. Jeder Schritt hat mir hierbei deutlich spürbare Verbesserungen gebracht. Dieser Artikel konzentriert sich aus mehreren Gründen auf den Gravurbetrieb:

Gravuren erlauben meist größere Toleranzen als andere Betriebsarten. Dadurch kann stärker verrundet werden, was zu geringeren Beschleunigungen führt. Dies ermöglicht im Mittel größere Vorschübe
Die zu erwartenden Fräskräfte sind geringer: Keine Durchfräsungen, kaum Energieeinsatz bei der Spanverdrängung, kleineres Spanvolumen als bei Schaftfräsern
Dadurch kann die Maschine näher an ihren mechanischen und elektrischen Grenzen betrieben werden
Durch im Schnitt größere G-Code Dateien mehr Optimierungspotential

Schritt 1: Besserer G-Code

Dieser Abschnitt folgt dem Credo Garbage in, Garbage out. Will heißen: Wenn mein G-Code schon schlecht ist, kann die Maschine niemals optimale Fertigungszeiten erreichen. Was zeichnet also “schlechten” G-Code in Bezug auf Fertigungszeit aus?

übermäßig komplex und lang, möglicherweise Dateigröße im Megabyte-Bereich
extrem viele Stützpunkte und eine Menge kurzer Liniensegmente
Einen Haufen “Leerfahrten” im Eilgang auf XY mit hochgezogener Z-Achse
Viele Rückzüge der Z-Achse auf Sicherheitshöhe
Häufige Wartezeiten der Maschine (Spindelhochlauf, Kühlmittelpumpe, Controller-Puffer voll)
Übermäßiges Feinstschlichten auch bei B-Oberflächen

Aber wie soll ich meinen G-Code vereinfachen?

Kurze Frage, lange Antwort: Es fängt im CAD an und hört möglicherweise im CAM nicht auf.

Beispiel CAD

Nehmen wir an, wir möchten eine Schrift fräsen. Unser CAD-Programm hat auch einen Haufen toller Schriftarten dazu. Wir erzeugen nun eine DXF-Datei für’s CAM. Im CAM dann sehen wir plötzlich beim Hineinzoomen, dass alle Buchstaben aus sehr kurzen Liniensegmenten bestehen statt aus Kreissegmenten oder Splines. Die Folge: Das CAM wird G01-Bewegungen, also “Linear Moves” bzw. eine Aneinanderreihung von Strecken erzeugen.

Die verbundenen Strecken machen sehr viele Richtungswechsel der Maschine erforderlich. Folglich muss sie vor dem Verbindungspunkt ständig abbremsen und danach wieder beschleunigen. Die Maschine kann also nicht mit konstanter Geschwindigkeit fahren, denn das würde eine unendliche Beschleunigung am Knickpunkt erfordern.

Für dieses Problem gibt es Lösungen, die im Idealfall gemeinsam angewendet werden:

Im CAD-Programm einstellen, dass wann immer möglich Splines oder Kurven statt Liniensegmenten erstellt werden sollen
Vereinfachung der Zeichnung durch Reduktion der Stützstellen
Vermehrte Nutzung von Radien und Splines an Kanten, Vermeidung von Winkeln

In meinem Falle war die erste Option nicht verfügbar, sodass ich nun ein anderes Programm für die Gravur von Schriften verwende als für meine üblichen Zeichnungen. Dadurch kann ich Schrift jetzt in Linien- und Bogensegmenten ausdrücken. Die dafür erforderliche Fräszeit halbiert sich und gleichzeitig kommt der G-Code mit weniger Zeilen aus. Außerdem wird die Schrift runder und hält sich sogar noch genauer an die anfangs gewählte Schriftart.

Gute Beispiele für die Vereinfachung von Pfaden durch Reduktion von Stützpunkten liefern Gimp und Inkscape - für Inkscape habe ich das sogar bereits meinem Artikel zum Thema Bild-zu-Pfad-Konversion gezeigt. Mit ein paar wenigen Klicks erhält man auf Kosten der Genauigkeit Zeichnungsdaten, die teils deutlich schneller zu fertigen sind.

Da ein Schaftfräser sowieso keine Tasche mit r=0 in den Ecken fertigen kann, habe ich mir angewöhnt, sämtliche Ecken und Kanten im CAD abzurunden. Nicht nur liegen so hergestellte Teile besser in der Hand, sie sind außerdem schneller zu fertigen - die Zeitersparnis summiert sich, besonders auf langsamen und trägen Maschinen.

Beispiel CAM

Im CAM kann ich durch vermehrte Verwendung von Anfahrpunkten und Rampen ein wenig Zeit sparen. Ich lege sie zumeist an das kürzeste Liniensegment und spare so einen Brems/Beschleunigungsvorgang. Bei der Eintauchart ist der Vorteil von “Rampe” gegenüber “Helix”, dass sämtliche Wege des Fräsers Nutzwege sind und ich ohne zusätzliche Achsbeschleunigungen durchfahren kann. Je nach Rampensteigung allerdings verlängert sich der Fräspfad, da Überlappungen entstehen.

Einen viel größeren Effekt auf die Fertigungszeit hat die kluge Auswahl von Räumzustellungen und -strategien für Taschen passend zu Material, Fräser und gewünschter Oberflächengüte. So erzeugt Wirbelfräsen (Trochoidalfräsen²) in vielen Fällen längere Dateien und kostet auf der Maschine mehr Zeit als der klassische “Rasenmäher”, welcher die Tasche bloß abzeilt. Für die Räumzustellung wähle ich bei Materialien wie Holz und Acrylglas gern große Werte über 60% - es sei denn, der Boden der Tasche muss besonders hohen Qualitätsansprüchen genügen.

Für Gravuren ist es meiner Meinung nach oft am Schnellsten, auf einen Räumgang mit einem zweiten Fräser zu verzichten und wenn möglich einen Gravurfräser mit abgeflachter Spitze - ähnlich derer für meine Tests mit Dibond - zu verwenden. Dieser benötigt zum Räumen zwar länger; das kann ich durch gesteigerte Gravurtiefe und eine recht breite Abflachung von 1.5mm aber kompensieren. Ich verwende bei einem solchen Fräser eine Räumzustellung in XY von 1mm. Übrig bleibt schließlich der Zeitvorteil durch weniger Werkzeugwechsel.

Aber wie soll ich die Leerfahrten reduzieren?

Endlich mal ein paar knackig-kurze Antworten:

Geringere Rückzugshöhe in Z (ich verwende 5mm aber 2mm würde bei mir wahrscheinlich auch funktionieren)
Optimierung der Frässtrategie im CAM auf “minimale Wege”
Bei Nesting: Darauf achten, dass die Geometrie möglichst nicht Zeile für Zeile, sondern Teil für Teil gefertigt wird.
Im Zweifel Optimierung der Strategie im G-Code von Hand. Lohnt sich dann, wenn das CAM-Programm nicht gut genug arbeiten kann und viele Gleichteile zu fertigen sind

Und wo ist das Problem mit Rückzügen der Z-Achse?

Rückzüge finden vor allem im Gravurbetrieb sehr häufig statt
der Zeitverlust summiert sich
Beim Wiedereingriff wird meist nicht im Eilgang sondern mit für den Fräser vorgesehener Geschwindigkeit mit G01 auf das Material gefahren

Eine Verbesserung kann hier eine gute Planung der Fräsreihenfolge im CAM bringen. Möglichst viele Sektionen sollten verbunden und ohne Absetzen des Fräsers gefertigt werden. Im CAM sollte für Rückzug und Wiedereinfahrt in Z der Eilgang verwendet werden.

Wie reduziere ich Wartezeiten?

Mit Kühlschmierstoffschaltvorgängen, Wechsel der Spindeldrehzahl oder des Werkzeugs sind Wartezeiten verbunden, die meist leicht zu reduzieren sind:

Kühlschmierstoffförderung durchlaufen lassen während des Programmablaufes
die Verwendung möglichst weniger Werkzeuge bei gleichbleibender Drehzahl für ein Produkt
Anschläge verwenden, um die Maschinenbeschickung zu vereinfachen und Nullpunkte nicht immer wieder neu setzen zu müssen
Wird die Maschine mit komplett verschiedenen parametern für Gravur- und Fräsbetrieb gefahren, empfiehlt sich die doppelte Installation der Steuersoftware mit jeweils passenden Parametersätzen. Dadurch entfällt das ständige Ändern der Konfiguration.

Weiter geht es in Teil 2: Kinematische Parameter hochdrehen.

Schrittverluste treten dann auf, wenn die Achse eines Schrittmotors nicht mehr synchron mit der durch die Steuerung vorgegebenen Schrittfolge dreht, sondern weniger bzw. mehr Schritte zurücklegt als vorgegeben. Fast immer ist die Ursache eines Schrittverlustes in einer unzureichenden Auslegung des Systems (z.B. zu geringe oder instabile Versorgungsspannung, zu schwache oder nicht an den Motor angepasste Endstufen) oder einer Überlastung des Schrittmotors zu finden. Selten jedoch können Schrittverluste Symptome von Defekten sein wie Lagerfraß, Windungsschluss oder durchschlagene Pufferkondensatoren. ↩︎
Das Trochoidalfräsen ist keine schlechte Praxis. Es hat andere Stärken, ist im Gravurrbetrieb aber nur selten von Nutzen. ↩︎

CNC: Überlastung Fräsmotor

Schallbert — Sat, 18 Jun 2022

Was ich eigentlich wollte

Ich hatte eine Anfrage zum Schneiden und Gravieren von Hochdrucklaminaten. Dabei handelt es sich um eine Lasagne aus gepresstem Papier und Phenolharz, überzogen mit einer dünnen Schicht (farbigen) Melaminharzes. HPL ist so widerstandsfähig, dass es für Fassadenbeplankungen verwendet wird. Es ist spülmaschinenfest und einige Varianten können auf bis zu 200°C erhitzt werden, ohne Schaden zu nehmen. HPL findet man als Platten auf Spielplätzen, Gartentischen, als Paneele in der Straßenbahn und an vielen anderen Stellen im Alltag. Also dachte ich mir: “Cooles Zeug, Probieren geht über Studieren!”

Schnittdaten in Hochdrucklaminaten (HPL, “Resopal”)

Ich habe die von einigen Websites empfohlenen Schnittdaten mit Werten für “Hartholz” verwendet. 2-Schneider.Holz-Hartmetallschaftfräser, Schnittgeschwindigkeit 450m/min, d6mm, Z+6,5mm, S24000rpm, F3500mm/min, Vollnut, Gleichlauffräsen.

Schnittergebnisse

Und ich war erschrocken, wie der Schnitt aussah, als ich fertig war. Hier sind die Symptome:

Während des Schneidens fiel die Spindeldrehzahl wiederholt ab, stieg aber schnell wieder auf die gewünschte Drehzahl an.
hohe Spanlast am Fräser, große Späne, sah alles gut aus
der Fräser folgte keiner geraden Linie: schien dem Material irgendwie ausweichen zu wollen.
bei der Herstellung von Anbindungen, um das Werkstück an Ort und Stelle zu halten, bewegt sich der Fräser ein wenig quer zur Fräsbahn, obwohl er das nicht sollte

Suche nach dem Übeltäter

Zuerst habe ich die Spindel überprüft. Keine Überhitzung, immer noch fest an der Portalfräse eingespannt, kein Lagerspiel, Schaftfräser sicher befestigt. Dann dachte ich: “Vielleicht stimmt etwas mit dem Portal nicht? Kann ich es merklich verwinden?” Nein, das konnte ich nicht. Dann sah ich mir den Schaftfräser an.

Es sah überhaupt nicht gut aus. Die Schnittkanten waren an den Stellen, an denen sie das Material berührt hatten, praktisch weg. Seltsam. Es war nagelneu als ich den Auftrag begann, und der lief nicht einmal 20 Minuten lang.

Analyseergebnisse

Ich habe viel zu aggressive Schnittdaten verwendet.
Dadurch wurde der Motor der Oberfräse weit über seine Möglichkeiten hinaus betrieben.
Dies führte zu einem plötzlichen Abfall der Motordrehzahl.
Dies wiederum führte zu einer erhöhten Spanbelastung meines Fräsers
Da die Lager und die Befestigung des Fräsmotors am Portal “weich” sind, versuchte der Fräser, seiner Fräsbahn auszuweichen
Dies hat mich wahrscheinlich vor dem Bruch des Fräsers bewahrt.

Verbesserungen

Neubewertung der Schnittparameter für Hochdrucklaminat

Ich habe nochmal online recherchiert. HPL ist unglaublich hart und steif. Hier mal ein paar Werte zum Vergleich (Brinellhärte):

Buche: ~3.7N/mm² (Source)
HPL: ~185N/mm² (Source)
Baustahl ST70: 215N/mm² (Source)

Des Weiteren fand ich einige Empfehlungen zur spanabhebenden Verarbeitung von HPL, z.B.: “Vollhartmetallfräser sollten eine Schnittgeschwindigkeit von bis zu 150m/min” und “Diamantbeschichtungen aufweisen oder als Einschneider zur Bearbeitung von Aluminium ausgeführt sein”.

Zwischenlösung

Um die Dinge zu korrigieren, habe ich alle Ausschnitte mit den Schlicht-Einstellungen in CAM erneut durchgeführt. Mit einem neuen Schaftfräser und weniger aggressiven Vorschubgeschwindigkeiten von F2500mm/min und einer aktualisierten Tiefe pro Durchgang von Z+1,5mm. Das Ergebnis sieht jetzt viel besser aus.

Optimierung der Schnittdaten

Dann berechnen wir schnell mal neue Schnittdaten aufgrund der oben gewonnenen Erkenntnisse. Ich wähle einen 4mm Einschneider (z=1) mit Beschichtung zur besseren Wärmeabfuhr für Aluminium und lege die oben genannte Schnittgeschwindigkeit von vc=150m/min für HPL zugrunde. Weiterhin wähle ich einen Zahnvorschub von fTooth = 0,025mm, ähnlich wie beim Fräsen von Stahl.

Zieldrehzahl:

$$n=\frac{v_c}{\pi d}=\frac{150000\frac{mm}{min}}{\pi \cdot 4mm}=12000\frac{1}{min}$$

Zielvorschub:

$$F=n \cdot f_{Tooth} \cdot z = 12000\frac{1}{min} \cdot 0,025mm \cdot min \cdot 1= 300\frac{mm}{min}$$

Ich habe einen 4mm-Schaftfräser gewählt, weil das Drehmoment meines Fräsmotors bei sinkender Drehzahl überproportional abnimmt. Bei größerem Fräserdurchmesser würde dieser Effekt wahrscheinlich zu einer unzureichenden Schnittleistung führen. Spindeln mit einer Asynchronmaschine sind hier durch ihr konstant hohes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich (bei Vektorsteuerung kann es sogar deutlich über dem Nennmoment des Motors liegen) ganz klar im Vorteil.

Der berechnete Vorschub kommt mir so langsam vor. Ich hoffe, dass sich das Material dadurch nicht so stark erhitzt, dass es delaminiert (laut Wikipedia schmilzt es nicht…)

Zur Information: Hier ist der zugehörige Thread in dem Forum, das ich regelmäßig besuche.

Weitere Tests

Ich habe einige Teile mit oben angesprochenem Fräser und Einstellungen gefertigt. Um die Fertigungszeiten etwas im Zaum zu halten, habe ich die Werte leicht angepasst: ftooth = 0.04mm und vc = 130m/min. Für den 4mm Fräser ergibt sich

S = 10300U/min
F = 410mm/min
Z+ = 3mm
vc = 1%

Dieser Schaftfräser lebte etwa 1 Stunde lang. Nicht lange genug. Das Schneiden mit einem solchen Fräser könnte nie wirtschaftlich werden. Das HPL, das ich verwende, hat zwei Materialeigenschaften, die Hartmetallfräser schnell zerstören: Erstens ist es abrasiv, sodass die dünne Schneide des Fräsers abgetragen und zerstört wird. Meines ist ganz besonders abrasiv, da es einen unheimlich hohen Faseranteil besitzt. Zweitens leiten die Späne die entstehende Wärme nicht gut von der Schneide ab, so dass ihre Schärfe noch schneller nachlässt. Hitze scheint das Kryptonit für Hartmetallfräser zu sein.

Endgültige Lösung

Eine wirtschaftlichere Lösung mit 40-facher (Herstellerangabe) Lebensdauer wäre ein Hartmetallfräser mit Diamantschneiden (z. B. wie dieser hier). Der Nachteil ist, dass sie fast zehnmal so teuer sind. Wenn ich dieses Material in Zukunft öfter schneiden muss, kaufe ich vielleicht einen und teile meine Erfahrungen - in der Zwischenzeit lasse ich die Fräser lieber schärfen, um Geld zu sparen.

CNC Teil4 - Setup

Schallbert — Thu, 03 Mar 2022

Dies ist der vierte Teil meiner Reihe über Portalfräsmaschinen. Er konzentriert sich auf das Zusammenspiel von Hardware und Software, sodass mein fertig aufgebauter “Zerspanobert” bald im Produktivbetrieb arbeiten kann.

Kinematik

Bevor die CNC-Software auf meiner BasicLine 0607 arbeiten kann, muss sie korrekt eingerichtet werden. Sie muss die Verfahrbereiche der Maschinenachsen kennen und wissen, wo sich die Referenzschalter befinden. Außerdem ist relevant, in welche Richtung die Schrittmotoren gedreht werden müssen, um eine “positive/negative” Achsenbewegung zu erreichen.

In einem ersten Schritt muss entschieden werden, wie die Achsen der Maschine benannt werden (X, Y, Z), wo alle Achsen tatsächlich 0 sein sollen, und in welche Richtung die Bewegung gehen soll (positiv, negativ). Alle diese Koordinatenpunkte sind relativ und können willkürlich gewählt werden, aber es gibt einige Konventionen in der CNC-Welt:

Achsen:

Die X-Achse liegt auf dem Portalbett und bewegt die Y-Achse des Portals.
Die Y-Achse befindet sich oben auf dem Portal und bewegt die Z-Achsen-Baugruppe.
Die Z-Achse befindet sich an der Spindel und bewegt diese auf- und abwärts.

Maschinen-Nullpunkt

Maschinen- Nullpunkt und -Bewegungsrichtung:

X-0 befindet sich auf der “hinteren” Seite der Achse. Die Bewegungsrichtung ist negativ.
Y-0 befindet sich auf der “linken” Seite der Achse. Die Bewegungsrichtung ist positiv.
Z-0 befindet sich auf der “oberen” Seite der Achse. Die Bewegungsrichtung ist negativ.

Für meine Maschine (sie ist breiter als lang), ihre Zugänglichkeit und den Raum, den ich zur Verfügung habe, habe ich die Achsen umgelegt. Bei mir ist die X-Achse die lange Achse des Portals und die Y-Achse befindet sich parallel zur Linearschine, die das Portal hält. Vom Arbeitstisch aus betrachtet ist der Maschinen-Nullpunkt bei mir also “hinten links oben”. Also bewegt sich Z in negative Richtung, Y ebenfalls, nur X geht zu positiven Werten.

Verwirrend, nicht wahr? Ist aber kein Problem, denn später arbeitet man kaum mehr mit Maschinenkoordinaten ;)

Bewegungsrichtungen

Für die Konfiguration habe ich meine CNC-Software Link zu EdingCNC mit der Maschine verbunden. An ihr erkläre ich das Vorgehen, was bei anderen Steuerungsprogrammen im Kern aber ähnlich funktioniert. In de Setup-Ansicht gebe ich die Anzahl Schritte ein, die vom Motor zu gehen sind, bis sich die Achse um einen Millimeter bewegt: 16 Mikroschritte/Schritt multipliziert mit 200 Schritten/Motorumdrehung geteilt durch 10mm/spindelumdrehung = 320 Mikroschritte/mm. Für die Z-Achse wird der Wert durch die bei mir engere Gewindespindel verdoppelt.

Die 16 Mikroschritte/Schritt ist der Standardwert, welcher von meinem Maschinenhersteller vorgeschlagen wurde. Es gibt ein paar gute Argumente und eine tiefgehende Analyse hier darüber, dass man Microstepping so wenig wie möglich verwenden sollte. Da ich weder eine Genauigkeit von 1µm erreichen muss, noch die Schrittmotoren bei meiner Anwendung sehr hohe Drehmomente bewältigen müssen, sollte das aber kein Thema sein.

Ohne vorher eine Referenzfahrt durchzuführen (die sowieso nicht funktionieren würde), habe ich die Maschine per Pfeiltasten vorsichtig verfahren, um zu sehen, welche Taste welche Achse in welche Richtung bewegt. Da mein Setup vom “Normal” abweicht, können die von mir gewählten Werte individuell ausfallen. Wenn eine Achse nicht mit der Pfeiltaste übereinstimmt (wenn ich z.B. “rechts” drücke und erwarte, dass sich meine X-Achse nach rechts bewegt, aber die Z-Achse tatsächlich nach unten geht), so konnte ich die Motoranschlüsse am Schaltkasten vertauschen, bis die Tasten mit den erwarteten Achsen übereinstimmten.

Wenn die Tasten die Maschine nun in die falsche Richtung bewegen - ich drücke z.B: “Bild abwärts) aber die Z-Achse bewegt sich nach oben, würde ich das Vorzeichen der Motorschrittauflösung ändern - Nicht besonders intuitiv, was? Ich habe auch ein paar Foreneinträge durchsuchen müssen, bevor ich das raus hatte.

Dies kam nun dabei heraus:

X-axis -320.000
Y-axis 320.000
Z-axis -640.000

Grenzen der Maschinenbewegung

Meine Maschine hat einen nutzbaren mechanischen Verfahrweg von 0 / 732mm in X-Richtung, -654mm / 0 in Y-Richtung, und -134mm / 0 in Z-Richtung. Diese Werte habe ich in die Maske für negative limit / positive limit eingegeben und die Vorzeichen auf Basis der Bewegungsrichtung relativ zum Maschinennullpunkt eingestellt.

Referenzschalter: Triggerpegel

Die Achsen der meisten Maschinen haben einen Referenzschalter. Diese Schalter werden verwendet, um die Maschine zu “referenzieren”. Die Referenzfahrt ist bei jedem Start der Maschine erforderlich, da die Software intern nur die XYZ-Position durch Akkumulation der Motorschritte ermittelt. Sobald das System neu gestartet wird, gehen alle diese Werte auf 0 zurück, so dass die Maschine ihre Position vergisst.

Ich habe meine Schalter so angeschlossen, dass sie “normalerweise geschlossen” sind: Ihre Kontakte sind stromführend, wenn sie nicht ausgelöst werden. Auf diese Weise kann eine fehlerhafte, offene Verbindung sofort erkannt werden, da die Maschine in diesem Fall (erfolglos) mit einer ungewöhnlich niedrigen Geschwindigkeit anfahren würde: homeVelocitySlow ist in meiner Konfiguration nur 1/10 der normalen Fahrgeschwindigkeit für das Anfahren der Nullpunkte. Trotzdem müssen wir sicherstellen, dass der Referenzfahrt-Kontakt richtig interpretiert wird. Dies kann im Abschnitt “Homing and E-Stop” des “Setup”-Bildschirms eingestellt werden. Ich gebe also eine “1” für “Normalerweise geschlossen” ein.

Referenzschalter: Position

Einige CNC-Maschinen bieten eine Positioniersteuerung mit geschlossenem Regelkreis - sie benötigen keine Referenzschalter, da ihre Motoren mit Positionsgebern ausgestattet sind, die die absolute Position jeder Achse zurückmelden. Diese Maschinen verlieren keine Schritte und sind in der Lage, Positionierungsfehler zu erkennen, die z. B. durch mechanische Überlastung verursacht werden. Man nennt solche Motoren meist Servos.

Mit Hilfe des Referenzschalters kann eine Maschine ohne geregelte Positionierung - wie meine - ihre Schrittzahl an einer bekannten Position zurücksetzen, so dass die Achsbewegung wiederholbar wird. Allerdings muss die Position des Referenzschalters bekannt sein, um die Schrittzählung korrekt den Achsenpositionen zuzuordnen, und deshalb müssen wir die Positionen der Referenzschalter an den Achsen eingeben. Ich habe mit Vorsicht beobachtet, wie weit ich die Maschine nach dem Auslösen des Referenzschalters weiter verfahren kann, bevor ich an das mechanische Ende einer Achse stoße (Menü “Jog”). Dies sind die Werte, die ich schließlich für meine Maschine eingegeben habe:

Steps/AppUnit

X-axis: 10mm
Y-axis: -4mm
Z-axis: -16mm

Not-Aus

Der Not-Aus ist ein weiterer Eingang für die CNC-Software und -Hardware. Durch Drücken dieses Schalters wird die Achsenbewegung gestoppt und im Zuge dessen sowohl Spindel, Kühlschmierstoffzufuhr als auch Hilfsstromkreise deaktiviert. Er ist auch “normal geschlossen” verdrahtet, um Verbindungsprobleme zu erkennen, und kann wie ein Referenzschalter konfiguriert werden.

Wenn der Not-Aus-Schalter aktiviert wurde, müssen die Treiber der Maschine zurückgesetzt und die Maschine erneut referenziert werden, bevor sie nach dem Loslassen der Taste wieder normal arbeiten kann.

Das Not-Aus Signal wird nicht nur an die Software gemeldet, sondern sorgt auf der Steuerplatine selbst für das Abfallen der entsprechenden Relais, sodass die Maschine in den sicheren Zustand gebracht werden kann.

Bewegungsparameter der Achsen

Die CNC-Software muss wissen, wie sie die Bewegung der Maschinenachsen richtig handhaben muss: Eine schwerere und steifere Maschine mit starken Schrittmotoren wird natürlich schneller verfahren und starke Beschleunigungen sowie ruckartige Bewegungen besser bewältigen können als weichere, leichtere Maschinen. Aus diesem Grund sollten die Bewegungsparameter Ihrer Maschine sorgfältig ermittelt und in der Software hinterlegt werden.

Achsgeschwindigkeit

“Warum sollte Zerspanobert schnell sein?” habe ich mich gefragt. Mir fielen nicht allzu viele gute Antworten ein, da die normalen Vorschubgeschwindigkeiten mit den geplanten Schaftfräsern weit unter den Möglichkeiten der Maschine liegen werden. Aber egal, hier sind einige Argumente, eine Maschine schnell verfahren zu lassen:

die Arbeitszeiten sollten nicht zu lang werden
lange Verfahrwege, die mit einer großen Maschine zurückzulegen sind
beim Schneiden weicher Materialien mit geringer Dichte können die Vorschübe viel höher sein

Wollen Sie noch immer eine schnelle Maschine? Einige Berechnungen helfen uns hier weiter.

Bestimmung der Fähigkeiten der Bewegungselektronik

Die maximale Geschwindigkeit wird durch mehrere Faktoren begrenzt:

Parameter	Symbol	Wert	Einheit
maximale Antriebsfrequenz	fD	125	kHz
Mikroschritt-Einstellung des Antriebs	N	16
max. Software-Frequenz	fS	125	kHz
Schrittzahl/Umdrehung	nS	200
Schrittmotor max. Drehzahl	nSm	3300	1/min
Kugelgewindebreite	P	0,01	m
Kugelumlaufspindel max. Drehzahl	nLm	1700	1/min

Nehmen wir ein Beispiel für einen 125-kHz-Treiber und nehmen wir an, dass die Software diese Schrittfrequenz unterstützt. Nehmen wir weiter an, dass die Motoren 200 Schritte/Umdrehung haben und der Treiber auf 16 Mikroschritte/Schritt konfiguriert ist.

Damit erreicht man eine Maximaldrehzahl der Kugelumlaufspindel von $\frac{125000}{3200} = 39$ Umdrehungen pro Sekunde oder 2340 U/min, was für einen Schrittmotor echt zügig ist. Auf einer Kugelumlaufspindel mit 10mm Gewindeweite führt das zu einer theoretischen Verfahrgeschwindigkeit von 23.4m/min, was auf einer kleinen Maschine wie meiner unglaublich schnell aussieht.

Grenzen der Mechanik

Gut, dann schauen wir mal, ob die Kugelumlaufspindeln dieses Tempo mitgehen. Die auf meiner Maschine verbaute Serie KGS16 hat eine ungestützte Strecke von ~850mm zwischen den Lagern auf der langen Achse. Aus der Online-Dokumenation des Herstellers entnehme ich hierbei eine maximale Drehzahl von 1700U/min.

Damit bleiben 70% von der anfänglichen Maximalgeschwindigkeit übrig: 17m/min. Immer noch echt flink.

Nun wissen wir aber, dass das Moment der Schrittmotore bei steigender Geschwindigkeit abnimmt. Wenden wir unseren Blick mal dorthin:

Genügend Motormoment?

Datasheet: Der Drehmomentverlauf meines Schrittmotors (Bild bereitgestellt durch Sorotec GmbH) ^[1]

Der blaue Pfeil markiert meinen Zielvorschub zum Schruppen in Holz. Hier habe ich ordentlich Drehmoment zur Verfügung um auch tiefe Nuten in einem Durchgang fertigen zu können. Selbst bei schnellen Schlichtdurchläufen oder sehr weichen Materialien (grüner Pfeil) habe ich noch fast 50% des maximalen Drehmoments zur Verfügung. Um noch genügend Luft bis zur kritischen Drehzahl der Kugelumlaufspindel zu haben, wähle ich eine maximale Geschwindigkeit für den Eilgang (G0) von 12m/min = 200mm/sek. An diesem Punkt sind von den ursprünglich 3Nm nur noch 0.7Nm verfügbar.

Mit dieser Konfiguration habe ich eine recht schnelle Maschine bei genügend Luft zu kritischen Werten.

Beschleunigungen

Stellen Sie sich vor, Sie möchten in einem Ihrer Programme einen 90°-Winkel bei einem Vorschub von 12m/min fahren. Ähnlich wie bei dem Versuch, eine sehr enge Kurve auf dem Fahrrad zu nehmen, ist dies nicht bei hoher Geschwindigkeit möglich. Man muss erst auf eine Geschwindigkeit herunterbremsen, bei der die Kurve gefahrlos genommen werden kann und danach wieder hochbeschleunigen.

Wenn wir bei der Maschine nicht bereit sind zu warten, bis eine Achse quasi zum Stillstand gekommen ist bevor die andere losfährt, schneiden wir die Ecke rund. Wenn wir jedoch bremsen, ist unsere Bahngeschwindigkeit nicht mehr konstant - ein Dilemma. Um hier einen möglichst guten Kompromiss zu erreichen, ist die Ermittlung einer passenden Maschinenbeschleunigung wichtig.

Auf dem Fahrrad vermeidet man beim Bremsen bewusst das Blockieren eines Rades, um die Stabilität nicht zu gefährden. Auf der CNC gilt wieder um Ähnliches: Hinreichend hohe Beschleunigungen erreichen, ohne Schrittverlust, unnötige Schwingungen, Verklemmung / Blockade einer Achse, starke Rucke oder Torsion zu riskieren. Zudem möchten wir Maschinenverschleiß minimieren.

Klingt schwierig? Ist machbar, benötigt aber etwas Mathematik und Gefühl.

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Kurven zeichnen: `vmax = 200mm/s`, `a=400mm/s^2`

Das Video oben illustriert den Sachverhalt: Bei Kanten und engen Kurven bremst die Maschine merklich ab um den Richtungswechsel hinzubekommen.

Motivation

Warum möchte ich, dass Zerspanobert hohe Beschleunigungswerte unterstützt? Ein paar meiner Antworten: Meine Projekte haben oft eine Menge kurzer Liniensegmente und 2.5D-Arbeiten. Die Formen sind komplex und die G-Code Dateien zumeist recht lang. Daher verwende ich auch den Look-Ahead Feed G64 mit 0.1mm erlaubter Abweichung vom Pfad.

Außerdem möchte ich möglichst lange mit konstanter Geschwindigkeit durch das Material fahren. So vermeide ich Stellen, an denen das Material heißer wird als nötig. Nicht zuletzt will ich natürlich nicht unnötig viel Zeit an der Maschine verbringen - Die Maschine arbeitet mit höheren Beschleunigungswerten einfach deutlich schneller; dies wirkt sich bei meinen Projekten sogar stärker aus als ein noch flinkerer Eilgang.

Bestimmung der maximalen Achsbeschleunigung

Dann ermitteln wir mal den maximal möglichen Wert für die Maschinenbeschleunigung.

Newtons zweites Gesetz (axiale Bewegung): $F_{ax} = m_pa$
Drehmoment an der Achse: $M_a = \frac{a J}{P}$
Trägheitsmoment der Achse (Zylinder): $J = m \frac{a}{2}r^2$
Benötigtes Motormoment für die Linearbewegung: $M_d =\frac{F_{ax} P}{2 \pi \eta} + M_a$

Wenn ich diese Formeln kombiniere, erhalte ich für die Beschleunigung:

$$a = \frac{M_d}{\frac{m_p P}{2 \pi \eta} + \frac{J}{P}}$$

In Worten: Die höchste Beschleunigung, die die Maschine theoretisch erreichen kann, ist das verfügbare Motormoment $M_d$ geteilt durch die Masse des Portals $m_p$, gewichtet mit spezifischen Parametern der Kugelumlaufspindel wie Gewindespreizung $P$ und Wirkungsgrad des bewegten Systems $\eta$ zuzüglich des Trägheitsmoment $J$ der rotierenden Komponenten, wiederung gewichtet durch die Gewindespreizung.

Konkrete Richtwerte

Setzen wir mal ein paar Werte ein - meine BasicLine 0607:

Parameter	Symbol	Wert	Einheit
Stepper torque @ vmax	Md	0.5	Nm
Portalmasse	mp	40	kg
Spreizung Gewindespindel	P	0.01	m
Radius Gewindespindel	r	0.008	m
Rotierende Masse	ma	4	kg
Wirkungsgrad der Bewegung	n	75	%

Wo ich keine exakten Werte zur Verfügung hatte, habe ich worst-case Annahmen getroffen. Beim Schrittmotor z.B. meine Maximalgeschwindigkeit bei geringster Versorgungsspannung. Auch das Gewicht der rotierenden Masse (Spindel, Kupplung, Rotor und Achse des Motors) habe ich geschätzt sowie den Wirkungsgrad von Kugelumlaufspindel, Lagern und Linearführungen.

Dies ist mein Ergebnis (Trommelwirbel):

$$a = 5.0m/s^2$$

Was dieser Wert bedeutet

Wie lange benötigt die Maschine, um auf Höchstgeschwindigkeit zu beschleunigen? Nehmen wir unser Physikwissen aus der Sekundarstufe: gleichmäßig beschleunigte Bewegung

$$v(t) = at \Rightarrow t = \frac{v_{max}}{a} = 40ms$$

Wie groß ist der Weg, den wir dabei zurücklegen (

$$s_0 = 0, v_0 = 0$$

$$s(t) = \frac{a}{2}t^2 + v_0t + s0 \Rightarrow s(t=40ms) = 4mm$$

Welche Axialkräfte wirken dabei auf das Portal ein?

$$F_{ax} = m_pa = 200N$$

Die von mir hier errechnete Beschleunigung ist mehr als eine Größenordnung über der Empfehlung des Herstellers von 300mm/s^2. Ich habe mich da deutlich verschätzt.

🤔 Ich muss etwas übersehen haben.

Zusammenfassung: Erfahrung zählt!

Die Formeln oben berücksichtigen weder die Steifheit der Maschine noch Ruck, Torsion oder auftretende Schwingungen unter dynamischer Last. Was ein “Ruck” im CNC-Kontext darstellt? Dieses kurze Youtube-Video klärt auf. Meine Steuersoftware jedoch verfügt nicht über eine Ruckbegrenzung.

Obwohl ich viel darüber gelernt habe, wie man sich mit Hilfe der Mathematik eine Einordnung der Parameter ermöglicht, läuft alles wieder auf die Erfahrung hinaus:

Wie schwer und stabil ist die Maschine?
Mit welcher Art von Material arbeite ich: Ist es nachgiebig oder steif?
Habe ich komplexe oder möglicherweise langwierige Fräsaufgaben zu erledigen?
Arbeitet meine CNC in einer Produktionsumgebung, in der die Maschinenzeit wichtig ist?
Wie klingt und fühlt sich die CNC bei hohen Beschleunigungswerten an?

Ich habe einen Wert von 800 mm/s^2 als Beschleunigung für die X- und Y-Achse eingegeben. Das schien ohne Probleme zu funktionieren. Immerhin bleibt er um den Faktor 6 unter der berechneten Fähigkeit des Bewegungssystems.

Ausprobieren

Ich weiß, das war eine lange Lektüre und viel mehr eine fundierte Vermutung als eine strenge Berechnung 😅. Trotzdem sind wir jetzt bereit, die Maschine das erste Mal in Betrieb zu nehmen. Probieren Sie es aus. Gehen Sie danach im manuellen Betrieb auf allen Achsen auf auf den Maschinennullpunkt. Hält sie an, bevor sie den mechanischen Endstopp erreicht?

Verwenden Sie dann den kontinuierlichen Tippbetrieb, um sich dem anderen Ende aller Achsen anzunähern. Bewegen Sie vorsichtig die letzten Millimeter. Sind alle Messungen und Einstellungen korrekt? Wenn ja, versuchen Sie es mit der 100%-Geschwindigkeitstaste (Shift - auf meiner Tastatur). Bewegt sich die CNC schnell und stoppt automatisch am Achsenende ohne Kollision?

Herzlichen Glückwunsch!

Rechner für maximale Kinematikparameter

Dies war ein richtig langer Artikel. Zur Belohnung habe ich ein kleines Excel-Tool vorbereitet: Den CNC kinematics helper. Er basiert auf den oben angegebenen Formeln und erlaubt es, Schätzungen für mögliche Maximalwerte der Parameter zu erstellen. Natürlich kann ich keine Verantwortung für die Ergebnisse übernehmen, die bei der Verwendung dieses Tools herauskommen. Selbiges gilt für Schäden, die unpassende Werte verursachen können.

Update: Grenzwerte korrekt berücksichtigen 03. Apr. 2022

Die obige Berechnung ist zwar mathematisch nicht falsch, aber sie ist irreführend. Sie suggeriert, dass jede Achse mit dieser Geschwindigkeit laufen könnte, was schlicht nicht der Fall ist. Ich habe mir vom Anbieter der Steuerungssoftware für meine Maschine bestätigen lassen, dass die 125kHz die maximale Befehlsfrequenz des Systems sind. Wenn ich versuche, höhere Geschwindigkeiten zu fahren, erhalte ich die Fehlermeldung ‘Velocity was higher than max!’. Deshalb sollte ein so hoher Geschwindigkeitswert nicht verwendet werden, wenn die Maschine mit mehreren Achsen gleichzeitig im Eilgang läuft. Ich habe einen Folgeartikel verfasst und hier zur Information verlinkt. Dort verwende ich Werte, die stabil in jeder Situation funktionieren, auch wenn alle Achsen mit voller Geschwindigkeit gleichzeitig betrieben werden.

Weiterlesen?

Einrichtung der Maschinensoftware

CNC-Tuning on Schallberts Blog

CNC Tuning #3

Schritt 3: Optimierung des Pfadinterpreters

Grundlagen: Was ist “Look Ahead Feed”?

Ideal im Gravurbetrieb

Fräspfadtoleranz G64 P*

Pfadverrundung G64 R*

Pfadverrundung bei reduziertem Vorschub G64 S* D*

Pfadvereinfachung G64 Q*

Beschleunigungsfilter G64 F*

Meine Konfiguration für die Hobbyline 4530

Fazit

Und wo ist der Beweis?

CNC Tuning #2

Schritt 2: Tuning der kinematischen Parameter der CNC

Verfahrgeschwindigkeit im Eilgang

Beschleunigung im Eilgang

Elektrische Messwerte

Messaufbau

Ergebnisse

Benchmark Spitzenlast

Mechanische Prüfung

Appelle zum CNC-Tuning

CNC Tuning #1

Warum überhaupt?

Was sind mögliche Nachteile?

Welche Maßnahmen werden nicht diskutiert?

Tuning in drei Schritten

Schritt 1: Besserer G-Code

Aber wie soll ich meinen G-Code vereinfachen?

Beispiel CAD

Beispiel CAM

Aber wie soll ich die Leerfahrten reduzieren?

Und wo ist das Problem mit Rückzügen der Z-Achse?

Wie reduziere ich Wartezeiten?

CNC: Überlastung Fräsmotor

Was ich eigentlich wollte

Schnittdaten in Hochdrucklaminaten (HPL, “Resopal”)

Schnittergebnisse

Suche nach dem Übeltäter

Analyseergebnisse

Verbesserungen

Neubewertung der Schnittparameter für Hochdrucklaminat

Zwischenlösung

Optimierung der Schnittdaten

Weitere Tests

Endgültige Lösung

CNC Teil4 - Setup

Kinematik

Maschinen-Nullpunkt

Bewegungsrichtungen

Grenzen der Maschinenbewegung

Referenzschalter: Triggerpegel

Referenzschalter: Position

Not-Aus

Bewegungsparameter der Achsen

Achsgeschwindigkeit

Bestimmung der Fähigkeiten der Bewegungselektronik

Grenzen der Mechanik

Genügend Motormoment?

Beschleunigungen

Motivation

Bestimmung der maximalen Achsbeschleunigung

Konkrete Richtwerte

Was dieser Wert bedeutet

Zusammenfassung: Erfahrung zählt!

Ausprobieren

Rechner für maximale Kinematikparameter

Weiterlesen?

Fräspfadtoleranz `G64 P*`

Pfadverrundung `G64 R*`

Pfadverrundung bei reduziertem Vorschub `G64 S* D*`

Pfadvereinfachung `G64 Q*`

Beschleunigungsfilter `G64 F*`