DE102008035710B4 - Verfahren zum selbsttätigen Zurückführen eines Werkzeugs einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine - Google Patents

Verfahren zum selbsttätigen Zurückführen eines Werkzeugs einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine Download PDF

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Abstract

Verfahren zum selbsttätigen Zurückführen eines Werkzeugs einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine nach einer Unterbrechung des Programmablaufs von einer Unterbrechungsposition (26) zu einer Rückführposition längs einer Werkzeugrückführbahn (88), dadurch gekennzeichnet, dass • eine Werkzeugrückführbahn (88) von einer Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit (500) automatisch so bestimmt wird, dass das in der Unterbrechungsposition (26) befindliche Werkzeug längs der Werkzeugrückführbahn (88) innerhalb eines ersten Freiraums (20) und/oder innerhalb eines zweiten Freiraums (21) zu einer Neutralposition (28) zurückgeführt wird, • wobei der erste und der zweite Freiraum (20, 21) geometrisch dreidimensional bestimmter Freiraum ist, • und der erste Freiraum (20) ein werkzeugbasierter Freiraum ist, • und der werkzeugbasierte Freiraum modelliert wird, indem dasjenige Volumen zu Freiraum wird, das während der Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug längs einer programmierten Bahn von einer Werkzeugform durchdrungen wird, • und wobei zur Modellierung des ersten Freiraums (20) ein erster Freiraummodellierungsmodus (M1) oder ein zweiter Freiraummodellierungsmodus (M2) verwendet wird,...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Analyseeinheit und eine Werkzeugmaschine zur automatischen Ermittlung einer Werkzeugrückführbahn zum selbsttätigen Zurückführen eines Werkzeuges einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine nach einer Unterbrechung des Programmablaufes längs der Werkzeugrückführbahn von einer Unterbrechungsposition zu einer Rückführposition.
  • Das Zurückführen von Werkzeugen bei programmgesteuerten Werkzeugmaschinen nach einer Unterbrechung des Programmablaufes ist bekannt. Besonders bei Werkzeugmaschinen für spanende Formgebung, wie zum Beispiel Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Bearbeitungszentren, Transferstraßen und dergleichen, mit denen Werkstücke in hohen Stückzahlen automatisiert gefertigt werden, besteht die Notwendigkeit für eine rasche und selbsttätige Werkzeugrückführung nach einer Unterbrechung des Programmablaufes, um lange produktivitätsmindernde Unterbrechungen der Produktion zu vermeiden. Bei Transferstraßen und bei flexiblen Fertigungssystemen, welche in der Automobilindustrie häufig zur Bearbeitung von Werkstücken wie Zylinderkurbelgehäusen, Achsteilen, Getriebegehäusen, Kurbelwellen und dergleichen verwendet werden, werden für jeden einzelnen Bearbeitungsprozess vom NC-Programmierer detaillierte Programmanweisungen für Werkzeugrückführbahnen programmiert. Im Falle einer Unterbrechung des Programmablaufes, welcher beispielsweise durch einen Stromausfall hervorgerufen werden kann, werden die betreffenden Werkzeugrückführbahnen durch eine einfache Befehlseingabe an der Maschinensteuerungen durch den Maschinenbediener aktiviert, wodurch die Werkzeuge automatisch von einer Unterbrechungsposition in eine Rückführposition zurückgeführt werden. Meist ist die Rückführbahn so programmiert, dass weder das Werkstück noch das Werkzeug beschädigt wird. Von der Rückführposition wird dann situationsabhängig entweder der Programmablauf fortgesetzt oder ein Werkzeugwechsel vorgenommen, welcher insbesondere dann erfolgt, wenn das Werkzeug beschädigt worden ist. Die manuelle Festlegung von Programmanweisungen für Werkzeugrückführbahnen ist sehr zeitaufwendig und erfordert ein hohes Maß an Spezialkenntnissen. Der Programmieraufwand ist dabei abhängig vom jeweiligen Bearbeitungsprozess. Für eine einfache Bohroperation, bei welcher die Vorschubbewegung immer längs der Z-Achse erfolgt, kann das Werkzeug im Falle einer Unterbrechung auf einfache Weise durch Zurückführen längs der programmierten Bahn erfolgen. Erfolgt die Unterbrechung des Programmablaufes bei einem Feinbohrprozess mit einem einschneidigen Werkzeug, muss zur Vermeidung einer Beschädigung der bereits bearbeiteten Bohrungsoberfläche zunächst die Werkzeugschneide von der Bohrungsoberfläche entfernt werden, bevor ein Zurückführen längs der Z-Achse in eine Neutralposition erfolgen kann. Hierzu muss der NC-Programmierer Informationen über die Beschaffenheit des Werkzeugs hinterlegen, welche beispielsweise die radiale Lage der Werkzeugschneide in Bezug auf die Bearbeitungsspindel definieren, was bereits einen beträchtlichen Programmieraufwand darstellt. Werden für die Durchführung von Bearbeitungsprozessen zusätzlich zu den in der Werkzeugmaschine vorhandenen NC-Achsen weitere periphere Einrichtungen wie beispielsweise Transporteinrichtungen oder Werkzeugzuführeinheiten benötigt, müssen für die Programmierung der Werkzeugrückführbahnen Informationen aus der PLC-Steuerung mit dem NC-Programm verknüpft werden, wodurch sich besonders komplexe Befehlsanweisungen ergeben. Die manuelle Programmierung von Werkzeugrückführbahnen wird aufgrund des hohen Programmieraufwandes deshalb meist nur in der Großserienproduktion eingesetzt.
  • Die DE 29 04 080 C2 offenbart eine Steueranordnung für eine Werkzeugmaschine, die einen ersten Speicherbereich aufweist, der die Bearbeitung eines Werkstückes und die Auswahl geeigneter Schneidwerkzeuge für die Bearbeitung betreffen. Sie weist darüber hinaus einen zweiten Speicherbereich auf, der eine zweite Gruppe von Programmen speichert, die bei Unterbrechungen der regulären Werkstückbearbeitung zur Ausführung gelangen. Bei einer Unterbrechung der regulären Werkstückbearbeitung, beispielsweise aufgrund eines detektierten Werkzeugbruches, bezeichnet ein Maschinensteuereinheit-Steuergerät ein Programm, das einen Rückholzyklus betrifft. Die Nummer des gerade ausgeführten Blocks des Werkstück-Programms wird in einem Register gespeichert. Die Werkzeugmaschine führt dann den Rückholzyklus aus, bei dem das Schneidwerkzeug solange zurückgeführt wird, bis es um eine vorbestimmte Strecke von dem Werkstück entfernt ist. Bei dieser Lösung werden demnach Programme vorgehalten, die eine Werkzeugrückzugbahn definieren, wodurch ein automatischer Werkzeugrückzug ohne einen erfahrenen Maschinenbediener ausgeführt werden kann.
  • Die DE 40 10 364 C2 offenbart ein Verfahren zum selbsttätigen Zurückführen des Werkzeuges einer Werkzeugmaschine nach einer Unterbrechung des Arbeitsablaufes, der durch eine Abfolge von bis zur Unterbrechung abgegebenen Befehlsblöcken gesteuert wurde, längs eines, durch Rückführpositionen definierten Rückführweges bis zu einer Ausgangslage, wobei jeder Befehlsblock neben Bearbeitungsdaten Koordinaten der Rückführpositionen umfasst, und bei der Abarbeitung der Befehlsblöcke die Rückführpositionskoordinaten gespeichert werden. Im Fall einer Unterbrechung wird das Werkzeug aus seiner gegenwärtigen Position in die zuletzt gespeicherte Rückführposition zurückgeführt und von dort vorzugsweise direkt in die Ausgangslage zurückbewegt. Die Rückführpositionen werden demnach bei der Erstellung des NC-Programmes werkstückspezifisch festgelegt, so dass im Falle einer Unterbrechung der Werkzeugrückzug automatisch erfolgen kann.
  • Die EP 1 522 004 B1 (nächstliegender Stand der Technik) offenbart ein Verfahren, bei dem die Werkzeuge durch automatischen Werkzeugrückzug längs zweiter relativer Bewegungsbahnen bewegt werden. Die Schrift sieht dazu vor, in einer Startlogik verschiedene Steuersätze für vorbereitete zweite Bewegungsbahnen zu hinterlegen. Die Auswahl eines geeigneten Steuersatzes erfolgt in Abhängigkeit von einem Werkzeugtyp bzw. Szenario, zu dem die ungeplante Unterbrechung auftrat, wobei eine Gruppierung gleicher Werkzeugtypen mittels einer Werkzeugverwaltungs-Klassifizierung vorgenommen wird. Die Schrift schlägt darüber hinaus vor, bei Fräswerkzeugen für die Innen- und Außenbearbeitung vor dem Zurückziehen in Z-Richtung eine Freifahrposition anzufahren, um die Werkstückoberfläche und das Werkzeug nicht zu beschädigen. Die manuell definierten Freifahrpositionen werden im NC-Programm hinterlegt.
  • In der Fachzeitschrift „Werkstatt und Betrieb”, Ausgabe 6/2008, Seite 84, wird unter dem Titel „Mit dem richtigen Dreh zum 3D-Modell” ein optisches Verfahren zur Ermittlung der kompletten 3-D-Form von Werkzeugen vorgestellt. Das Verfahren nutzt dazu die sogenannte Fokus-Variation, wodurch selbst bei komplexen Werkzeuggeometrien extrem hohe Messgenauigkeiten von bis zu 10 Nanometern erreicht werden können. Mit dem Verfahren lassen sich selbst Details wie Schneidkantenverrundungen und Hinterschliffe sicher und schnell erfassen.
  • Die US 4 442 493 A befasst sich mit der Erkennung einer während eines Zerspanungsvorgangs auftretenden Abnormalität, wobei im Ereignisfall ein Werkzeugrückzug eingeleitet wird. Die Werkzeugrückzugbewegung basiert auf Informationen, die im Bearbeitungsprogramm hinterlegt sind. Dort wird angegeben, welche Bearbeitungsoperation zum Zeitpunkt der Abnormalität ausgeführt wurde („external or internal diameter machining” etc.). Aus dieser Information und aus Informationen über die Position beim Auftreten der Abnormalität in Verbindung mit einem programmierten Parameter über die Abmessungen des Werkstücks wird die entsprechende Werkzeugrückzugbewegung errechnet. Die Werkstückabmessungen werden vorab von einem Programmierer in dem Programm hinterlegt. Im Weiteren sind für die verschiedenen Bearbeitungsoperationen Anweisungen hinterlegt, in welcher Weise und zu welchen Positionen der Werkzeugrückzug erfolgen soll.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, ein Verfahren und eine Analyseeinheit anzugeben, womit eine automatische, sichere und rasche Werkzeugrückführung eines Werkzeugs einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine nach einer Unterbrechung des Programmablaufs längs einer Werkzeugrückführbahn von einer Unterbrechungsposition zu einer Rückführposition ermöglicht wird und wobei keine vorab hinterlegten NC-Programmanweisungen für die Bestimmung von Werkzeugrückführbahnen benötigt werden. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs 1 sowie des nebengeordneten Anspruchs 24 vollständig gelöst.
  • Erfindungsgemäß ist zur Durchführung des Verfahrens zur automatischen Bestimmung von Werkzeugrückführbahnen ein Analysemodul vorgesehen, welches im Wesentlichen die drei Module
    • • Bearbeitungsprozessanalysemodul PRAM (Process Analysis Module),
    • • Werkzeugformanalysemodul TSAM (Tool Shape Analysis Module),
    • • und Werkstückformanalysemodul WSAM (Workpiece Shape Analysis Module) aufweist,
    sowie eine Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit (RPCU, Retraction Path Calculation Unit) umfasst, in welcher die Analyseergebnisse der zuvor genannten Module einer Gesamtauswertung zur Berechnung der Werkzeugrückführbahnen zugeführt werden.
  • Die Ermittlung der Werkzeugrückführbahnen basiert auf der Kenntnis von geometrisch dreidimensional bestimmtem Freiraum sowie von geometrisch dreidimensional bestimmten Werkzeug- und Werkstückformen einschließlich Peripherie. Die Rückführung der Werkzeuge erfolgt wenigstens längs eines Teilabschnitts der Werkzeugrückführbahn innerhalb dieses Freiraums. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht in der korrekten Modellierung von werkzeugbasiertem Freiraum. Dazu wird jedem Bearbeitungsprozesstyp jeweils ein bestimmter Freiraummodellierungsmodus zugeordnet. Besondere Bedeutung kommt hierbei der korrekten Identifikation des jeweiligen Bearbeitungsprozesstyps zu. Im Rahmen dieser Erfindung wird festgelegt, dass sich in einem geometrisch dreidimensional bestimmten Freiraum kein Körper befindet. Im Freiraum befinden sich lediglich gasförmige Stoffe (Luft, Schutzgas etc.) oder Flüssigkeiten (Kühlschmierstoffe etc.), welche beim Werkzeugrückzug kein Kollisionsproblem darstellen.
  • Die Ausgangsbasis zur Bestimmung von Werkzeugrückführbahnen bildet das Bearbeitungsprozessanalysemodul PRAM, dessen wesentliche Aufgabe in der Analyse der charakteristischen Merkmale der angewendeten Bearbeitungsprozesse besteht. Als Analyseergebnis liegen eindeutig identifizierte Bearbeitungsprozesstypen vor, denen dann jeweils der korrekte Freiraummodellierungsmodus zugeordnet wird.
  • Es hat sich nämlich gezeigt, dass zur erfindungsgemäßen Bestimmung von sicheren Werkzeugrückführbahnen, also von solchen, bei denen weder Werkstück noch Werkzeug noch Werkzeugmaschine beschädigt werden, die bis zu einer Programmunterbrechung angewendeten Bearbeitungsprozesstypen identifiziert werden müssen. Der Vorteil der automatischen eindeutigen Identifikation des Bearbeitungsprozesses durch das Bearbeitungsprozessanalysemodul PRAM liegt darin, dass der tatsächlich vorliegende Bearbeitungsprozess eines Werkzeugs berücksichtigt wird. Hierdurch wird dem Umstand Rechnung getragen, dass mit ein und demselben Werkzeugtyp unterschiedliche Bearbeitungsprozesse durchgeführt werden können, die sich in der Zuordnung des Freiraummodellierungsmodus und in ihrer Werkzeugrückführbahn unterscheiden können. Beispielsweise kann mit dem Werkzeugtyp „Bohrstange” der Bearbeitungsprozess „Ausdrehen von Bohrungen”, aber auch ein Bearbeitungsprozess „Drehen eines Gewindes” durchgeführt werden. Sowohl der Modus für die Modellierung des Freiraums als auch die Werkzeugrückführbahn unterscheidet sich bei den beiden Bearbeitungsprozessen erheblich. Ein einfacher Werkzeugrückzug in Z-Richtung ist bei der zum Ausdrehen von Bohrungen verwendeten Bohrstange problemlos möglich, weshalb bei diesem Prozess die nachfolgend im Detail erläuterte Werkzeughüllform zur Modellierung des Freiraums verwendet wird. Beim Bearbeitungsprozess „Drehen eines Gewindes” führt ein Werkzeugrückzug in Z-Richtung zumindest zur Zerstörung der Werkstückoberfläche und unter Umständen zur Beschädigung der Werkzeugschneidkante. Bei großen Bohrstangen und entsprechend großen Gewindeabmessungen können darüber hinaus Maschinenkomponenten wie etwa die Maschinenspindel und/oder Vorschubantriebe beschädigt werden. Daher wird bei diesem Bearbeitungsprozess die nachfolgend im Detail erläuterte Werkzeugrealform zur Modellierung des Freiraums verwendet. Nach einer Programmunterbrechung wird das betreffende Werkzeug innerhalb des korrekt modellierten Freiraums von der Unterbrechungsposition wenigsten längs eines Teilabschnitts der Werkzeugrückführbahn zu einer Neutralposition bewegt.
  • Die Klassifizierung der einzelnen Bearbeitungsprozesstypen basiert auf den Bewegungsachsen der Werkzeugmaschine, welche zur Durchführung des Bearbeitungsprozesses bewegt werden müssen, also zum Beispiel die Linearachsen X, Y und Z oder die Rotationsachsen A, B und C. Prozesse, bei denen die Vorschubbewegung ausschließlich in Z-Richtung erfolgt, wie Bohren oder Reiben, werden als Z-Prozesse bezeichnet. Prozesse, bei denen eine kinematische Kopplung zwischen Z-Vorschub und Spindelrotation vorliegt, werden als ZC-Prozess bezeichnet (z. B. Gewindebohren). Prozesse, bei denen eine kinematische Kopplung zwischen einer Vorschubbewegung in der X-Y-Ebene und der Spindelrotation vorliegt, werden als XYC-Prozesse bezeichnet. Ein Beispiel für einen solchen Prozess stellt das Verfahren „Tangentialdrehen” dar (siehe DE 34 37 411 A1 oder DE 100 55 800 A1 ). Für die korrekte Modellierung des Freiraums ist die kinematische Kopplung zu berücksichtigen. Prozesse, bei denen die Bearbeitung in der X-Y-Ebene erfolgt, z. B. Planfräsen, werden als XY-Prozesse bezeichnet.
  • Sofern technisch möglich, wird eine Werkzeugrückführbahn so bestimmt, dass eine sofortige Schneidenabhebung von der Werkstückoberfläche erfolgt.
  • Der durch das Werkzeugformanalysemodul TSAM und das Werkstückformanalysemodul WSAM modellierte Freiraum ist geometrisch bestimmter Freiraum, das heißt, seine Größe und räumliche Position ist bekannt und wird in Form von 3-D-Daten in einem Speicherbereich eines Computers hinterlegt. Per Definition wird der durch das Werkzeugformanalysemodul TSAM modellierte Freiraum als werkzeugbasierter Freiraum und der durch das Werkstückformanalysemodul WSAM modellierte Freiraum als werkstückbasierter Freiraum bezeichnet.
  • Zur Bestimmung von Werkzeugrückführbahnen reicht bei vielen Bearbeitungsprozessen alleine die Modellierung von werkzeugbasiertem Freiraum mit dem Werkzeugformanalysemodul TSAM aus. Werkzeugbasierter Freiraum wird insbesondere für die Werkzeugrückführbahn eines Werkzeugs aus einer Unterbrechungsposition zu einer Neutralposition verwendet. In der Unterbrechungsposition befindet sich das Werkzeug meist in unmittelbarem Eingriff im Werkstück, weshalb die Werkzeugrückführung aus dieser Position bis zu einer Neutralposition den kompliziertesten Abschnitt einer Werkzeugrückführbahn darstellt. Die Neutralposition ist bevorzugt eine Position, in der das zurückzuführende Werkzeug weit genug von einer unmittelbaren Eingriffsituation entfernt ist. Besonders günstig ist es, wenn die Neutralposition in einer Position endet, in welcher werkstückbasierter Freiraum bekannt ist. Dann ist es relativ einfach, das Werkzeug vollends von der Neutralposition zu einer Werkzeugwechselposition zu bewegen. Liegt die Neutralposition ausreichend weit vom Werkstück entfernt, lässt sich werkzeugbasierter Freiraum schnell und genau mittels optischer Bilderkennungsverfahren ermitteln. Die Genauigkeit des auf diese Weise ermittelten Freiraums kann dann relativ gering sein, weil das Werkzeug nicht mehr unmittelbar im Werkstück im Eingriff ist.
  • Mit Hilfe des Werkstückformanalysemoduls WSAM lassen sich Werkzeugrückführbahnen außerdem weiter optimieren. Dies betrifft insbesondere die Schneidenabhebung bei Fräsprozessen. Der durch das Werkstückformanalysemodul WSAM modellierte Freiraum kann in Form von 3-D-CAD-Daten bereitgestellt und/oder durch optische Bilderkennungsverfahren ermittelt werden.
  • Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass keine individuellen Werkzeugrückführbahnen vorab hinterlegt werden müssen. Gegebenenfalls werden für die verschiedenen Bearbeitungsprozesse Grundregeln für die Ausführung der Werkzeugrückführbahn definiert und in einem Speicherbereich hinterlegt. Hierzu zählt zum Beispiel die Zuordnung der geeigneten Werkzeugform zur Berechnung der Werkzeugrückführbahn, d. h. die Zuordnung der Werkzeugrealform oder der Werkzeughüllform (siehe Tabelle 1).
  • Die Kenntnis von geometrisch bestimmtem 3-D-Freiraum (nachfolgend: Freiraum) ermöglicht bei verschiedenen Bearbeitungsprozessen die Schneidenabhebung von der Werkstückoberfläche, wodurch sich Beschädigungen an Werkzeugschneidkanten und/oder am Werkstück vermeiden lassen. Solche Beschädigungen können beispielsweise in Form von Rückzugsriefen auftreten, die bei geschlichteten Oberflächen die vorgesehene Funktion des Bauteils negativ beeinflussen oder sogar dessen Weiterverwendbarkeit ausschließen.
  • Die Ermittlung von werkzeugbasiertem Freiraum mittels Werkzeugformanalysemodul TSAM erfolgt auf der Grundlage der Werkzeugrealform und ggfs. peripheren Bauteilen wie beispielsweise der Hauptspindel. Die Werkzeugrealform entspricht der wahren räumlichen Form des gesamten Werkzeugs, welches zumeist aus wenigstens einer Schneide und einem Werkzeugkörper besteht. Bei der Relativbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück längs der programmierten Bahn (Programmablauf) durchdringt die Werkzeugrealform Volumenbereiche, die anschließend Freiraum darstellen. Das von der Werkzeugrealform durchdrungene Volumen erzeugt bei einigen Bearbeitungsprozessen eine komplexe räumliche Struktur, deren mathematische Beschreibung (3-D-Modellierung) insbesondere bei mit hoher Frequenz rotierenden Werkzeugen (z. B. n = 15000/min) einen von der Maschinensteuerung kaum zu bewältigenden Rechenaufwand darstellt. Die mit einem Eckenradius versehenen äußeren Schneidkantenecken erzeugen bei einer rotierenden Bohrstange beim Ausdrehen einer Bohrung während der Vorschubbewegung in Z-Richtung auf der Oberfläche von derart gefertigten Bohrungen gewindeartige Strukturen. Im Hinblick auf die Ermittlung kollisionsfreier Werkzeugrückführbahnen ist es bei verschiedenen Bearbeitungsprozessen trotz des hohen Rechenaufwands erforderlich, das von der Werkzeugrealform tatsächlich durchdrungene Volumen zu modellieren. Hingegen kann bei vielen Bearbeitungsprozessen auf die mathematisch exakte Ermittlung des tatsächlich von der Werkzeugrealform durchdrungenen Volumens verzichtet und statt dessen ein vereinfachtes Freiraummodellierungsverfahren durch Verwendung der Werkzeughüllform angewendet werden. Die Werkzeughüllform stellt das von einer Werkzeugrealform während einer vollen Umdrehung um die Spindelachse durchdrungene Volumen dar, wobei die Spindel während der Rotation ortsfest ist. Die Werkzeughüllform ist somit eine zur Spindelachse rotationssymmetrische Volumenstruktur, mit der sich aufgrund ihres einfachen räumlichen Aufbaus mit geringem Rechenaufwand Freiraum modellieren lässt. Die Modellierung von werkzeugbasiertem Freiraum erfolgt somit mit einem Freiraummodellierungsmodus, welcher vom Bearbeitungsprozesstyp abhängt. Ein erster Freiraummodellierungsmodus M1 verwendet die Werkzeugrealform, während ein zweiter Freiraummodellierungsmodus M2 die Werkzeughüllform verwendet.
  • Die räumliche Abweichung bezüglich Maß und/oder Form zwischen einem mit der Werkzeughüllform und einem mit der Werkzeugrealform modellierten Freiraum ist bei vielen Bearbeitungsprozessen gering und liegt beispielsweise nur in Form der geometrischen Rauheit vor (siehe hierzu 3). Bei einigen Bearbeitungsprozessen wie zum Beispiel beim Wendelbohren oder beim Umfangsfräsen ist der mittels der Werkzeughüllform oder mittels der Werkzeugrealform modellierte Freiraum sogar identisch. Große Abweichungen ergeben sich bei den Bearbeitungsprozessen Gewindebohren mit einem Gewindebohrer oder dem Gewindedrehen mittels einer Bohrstange. Besonders groß ist die Abweichung bei dem oben genannten Tangentialdrehverfahren. Die Modellierung des Freiraums mittels der Werkzeughüllform ergibt bei diesem Verfahren gegenüber dem tatsächlich entstandenen Freiraum so große Abweichungen, dass eine kollisionsfreie Werkzeugrückführung nicht gewährleistet ist. Das Werkzeug wird beim Rückzug unter Umständen in vermeintlichen Freiraum bewegt und kann dadurch große Schäden verursachen. Aus diesem Grund wird bei den genannten Bearbeitungsprozessen die Werkzeugrealform zur Modellierung des werkzeugbasierten Freiraums herangezogen. Bei diesen Bearbeitungsprozessen sind die Spindeldrehfrequenzen meist relativ gering, weshalb der Rechenaufwand für die Modellierung des Freiraums ebenfalls gering ist.
  • Die Ermittlung des Freiraums wird als Modellierung von Freiraum bezeichnet, weil der Freiraum aus den Formdaten des Werkzeuges und aus den relativen Bewegungsbahndaten zwischen Werkzeug und Werkstück berechnet und in Form von Datenmodellen gespeichert wird.
  • Die Rückführung des bei einer Programmunterbrechung im Einsatz befindlichen Werkzeugs verläuft innerhalb des modellierten Freiraums. Eine Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit berechnet die Werkzeugrückführbahn auf der Basis des modellierten Freiraums und auf Basis der Werkzeugform so, dass die Werkzeugform innerhalb des Freiraums verbleibt. Zur Berechnung einer optimalen Werkzeugrückführbahn wird bei vielen Bearbeitungsprozesstypen vorteilhaft die Werkzeugrealkontur verwendet. Erfolgt bereits die Modellierung des Freiraums mittels der Werkzeugrealform, ist es vorteilhaft oder sogar zwingend, diese bei der Berechnung der Werkzeugrückführbahn wiederum zu verwenden. In vielen Fällen ist es hingegen ausreichend, zur Berechnung der Werkzeugrückführbahn die Werkzeughüllkontur zu verwenden. Die verschiedenen Bearbeitungsprozesse unterscheiden sich hinsichtlich der Möglichkeit der Schneidenabhebung von der Werkstückoberfläche. Je nachdem, wie die Schneidenabhebung erfolgen kann, werden Freiheitsgrade bzw. Dimensionalitäten definiert. Die Freiheitsgrade oder Dimensionalitäten der Werkzeugrückführbahnen werden im folgenden mit 1D, 2D und 3D bezeichnet. Im Eingriff befindliche Wendelbohrer oder Gewindebohrer können nur längs ihrer Vorschubbahn rückwärts gerichtet, also mit Freiheitsgrad 1D oder anders ausgedrückt eindimensional von einer Unterbrechungsposition zu einer Neutralposition bewegt werden. Befinden sich solche Werkzeuge bei der Unterbrechung nicht im Eingriff, also zum Beispiel noch auf der Strecke von einer Werkzeugwechselposition zu einer Bearbeitungsstartposition, so ist dieses Kriterium nicht relevant. Beim Fräsen kann der Freiheitsgrad 1D, 2D oder sogar 3D auftreten. Bei einem einschneidigen Ausdrehwerkzeug kann die Schneidkante meist in drei Raumrichtungen in einen Freiraum bewegt werden. Der Freiheitsgrad für diesen Bearbeitungsprozess hinsichtlich der Werkzeugrückführbahn ist damit definitionsgemäß 3D. Wenn grundsätzlich ein mehrdimensionaler Werkzeugrückzug möglich ist, kann es dennoch sein, dass dieser nur durchgeführt werden kann, wenn zusätzlich zum werkzeugbasierten Freiraum werkstückbasierter Freiraum bekannt ist. Dies ist zum Beispiel beim Fräsen einer Nut der Fall, was im Detail weiter hinten ausführlich erläutert wird.
  • Zur Berechnung von Werkzeugrückführbahnen für konventionelle einschneidige Ausdrehwerkzeuge ohne Stützleisten ist vorzugsweise die Werkzeugrealform zu verwenden, weil die Hüllform den modellierten Freiraum ausfüllt und somit keinen Freiraum des Werkzeugs zur Schneidenabhebung erkennen lassen würde. Bei Verwendung der Werkzeugrealform lässt sich erkennen, dass das Werkzeug innerhalb des erzeugten Freiraums von der Werkstückoberfläche, hier also von der Bohrungsoberfläche, wegbewegt werden kann. Zusätzlich ist die Kenntnis über die Lage der Schneidkanten am Werkzeug erforderlich, wobei dies im Besonderen die radiale Lage von Schneidkanten in Bezug auf die Radiallage in der Bearbeitungsspindel betrifft. Wenn die Bearbeitungsspindel über ein Wegmesssystem zur Bestimmung der jeweiligen Winkel- bzw. Radiallage verfügt, ist zu jedem Zeitpunkt auch die radiale Lage der Schneidkanten in Bezug auf das Werkstück bekannt. Bei Kenntnis der radialen Lage der Schneidkante kann ein beispielsweise einschneidiges Werkzeug, welches für einen Feinbohrprozess eingesetzt wird, bei einer Unterbrechung des Programmablaufes längs einer Werkzeugrückführbahn in vielen Fällen unmittelbar von der Bearbeitungsoberfläche in einen Freiraum bewegt werden, bevor anschließend ein weiterer Rückzug in eine Neutralposition erfolgt. Es ist vorteilhaft, die Schneiden in Bezug auf die radiale Aufnahme der Spindel immer in der gleichen Position anzubringen, z. B. in einer 0°-Position. Bei einschneidigen Ausdrehwerkzeugen mit Stützleisten ist naturgemäß keine Schneidenabhebung möglich, weil die Stützleisten auf dem Schnittkreis liegen. Die Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit erkennt selbständig, dass lediglich der Freiheitsgrad 1D für eine Schneidenabhebung vorhanden ist, weil die zugehörige Werkzeugrealform den umgebenden Freiraum wegen der Stützleisten vollständig ausfüllt. Somit werden auch derartige Werkzeuge sicher aus einer Unterbrechungsposition zurückgeführt.
  • Bei Durchdringung der Werkzeugform mit dem Werkstück erfolgt am Werkstück ein Materialabtrag. An den Stellen, an welchen Material abgetragen wird, entsteht selbstverständlich auch Freiraum. Die Durchdringung mit dem Werkstück kann natürlich nur errechnet werden, wenn die Werkstückform bekannt ist, was allerdings bei Anwendung des Werkzeugformanalysemoduls TSAM definitionsgemäß noch nicht der Fall ist. Mit diesem Modul wird ausschließlich werkzeugbasierter Freiraum ermittelt, welcher durch die relative Bewegungsbahn des Werkzeugs zum Werkstück entsteht. Unabhängig von der Kenntnis der Werkstückform werden somit sämtliche von der Werkzeughüllform bzw. der Werkzeugrealform überstrichenen und durchdrungenen Volumina als Freiräume modelliert.
  • Die Ermittlung von Werkzeugrealformen und von Werkzeughüllformen kann mittels eines Verfahrens gemäß DE 102 03 018 A1 auf einfache Weise automatisiert erfolgen. Die Werkzeugrealformen sind darüber hinaus häufig in Datenbanken der Werkzeughersteller in Form von 3-D-Daten verfügbar. Die Werkzeughüllform lässt sich aus diesen 3-D-Daten dann in einfacher Weise berechnen, sofern die Werkzeugrotationsachse bekannt ist. Es ist aber auch möglich, die Ermittlung der Werkzeugrealformen und der Werkzeughüllformen in der Werkzeugmaschine automatisiert durchzuführen. Hierzu können in der Werkzeugmaschine geeignete Einrichtungen wie etwa Scanner oder Kameras installiert werden, mit denen bei Bedarf eine Ermittlung vorgenommen werden kann.
  • Vorteilhaft ist es, wenn zusätzlich zu den Werkzeugrealformen die Form der das Werkzeug aufnehmenden Bearbeitungsspindel und ggfs. weiterer peripherer Bauteile berücksichtigt werden, insbesondere deren Hüllformen. Weil sich diese Bauteile körperlich gewöhnlich nicht verändern, werden deren Formdaten vorzugsweise in einem Speicherbereich einer Maschinensteuerung dauerhaft hinterlegt.
  • Werkzeugbasierter Freiraum wird nach seinem Entstehen zu dem bereits am selben Werkstück bei vorherigen Bearbeitungsprozessen modellierten Freiraum addiert. Vorteilhaft ist es, den Freiraum an einen Koordinatenpunkt zu fixieren, welcher vorteilhaft ein fixer Werkstückbezugspunkt ist. Hierdurch stehen die Freiraumdaten bei einem Weitertransport des Werkstücks in eine weitere Bearbeitungsstation den dortigen Bearbeitungsprozessen zur Verfügung. Auch der in der weiteren Bearbeitungsstation erzeugte Freiraum wird zum bestehenden Freiraum addiert.
  • In einer besonders vorteilhaften Variante wird bei der Modellierung von werkzeugbasiertem Freiraum weiter unterschieden, ob die einzelnen Werkzeuge gerade im Eingriff sind oder nicht. Dies lässt sich zum Beispiel aus den G-Funktionen des NC-Programmcodes ermitteln, wo zum Beispiel zwischen Eilgang und Vorschub unterschieden wird. Bei der Addition von Freiraum zur Übertragung an nachfolgende Bearbeitungsstationen wird dann nur derjenige Freiraum übermittelt, welcher bei Vorschubbewegungen erzeugt wurde, bei dem die Werkzeuge also im Eingriff waren. Dadurch wird vermieden, dass bei nicht identischem Aufbau der nachfolgenden Werkzeugmaschinen nicht vorhandene Freiräume fälschlicherweise als solche deklariert werden. Zudem kann durch diese Unterscheidung des Freiraums ermittelt werden, wann ausgehend von der Unterbrechungsposition eine Neutralposition erreicht worden ist. Dies ist dann der Fall, wenn Freiraum erreicht wird, der während einer Eilgangbewegung erzeugt wurde.
  • Eine weitere Optimierung bei der Berechnung einer Werkzeugrückführbahn ergibt sich durch die Berücksichtigung von dreidimensionalen Werkstückformdaten. Vor allem bei besonders komplizierten Bearbeitungsprozessen, wie etwa dem Bearbeiten von PKW-Ausgleichsgehäusen (Differential Case) oder bei der Bearbeitung von kompliziert geformten Freiformflächen wie zum Beispiel Turbinenschaufeln, sind ergänzend zu der Auswertung des Bearbeitungsprozessanalysemoduls PRAM oder ergänzend zu der Auswertung mittels Werkzeugformanalysemodul TSAM oder ergänzend zu beiden vorgenannten Verfahren die Auswertungen des Werkstückformanalysemoduls WSAM zur Bestimmung der Werkzeugrückführbahn heranzuziehen. Bei der Modellierung von Freiraum durch das Werkstückformanalysemodul WSAM werden insbesondere die Werkstückform, aber auch periphere Formen wie etwa die Form der Werkstückspannvorrichtung, die Form des Maschinentisches oder sogar der gesamte Arbeitsraum zur Bestimmung der Werkzeugrückführbahn verwendet.
  • Zur Vereinfachung wird im folgenden von Werkstückform gesprochen, wobei die zuvor genannten peripheren Formen (z. B. Werkstückspannvorrichtung, Werkstücktisch, Arbeitsraum) hierin enthalten sein können. Durch die Kenntnis der Werkstückform wird weiterer Freiraum bekannt, in welchem Werkzeuge nach einer Unterbrechung längs Werkzeugrückführbahnen kollisionsfrei bewegt werden können. Die Werkstückform wird vorteilhaft in Form von 3-D-Daten bereitgestellt, welche beispielsweise mittels eines CAD-Systems generiert werden. Alternativ hierzu kann die Werkstückform durch optische Analyseverfahren ermittelt werden. Hierzu zählen beispielsweise die Ermittlung einer 3-D-Form mit Hilfe zweier Kameras durch Triangulation oder die Verwendung eines Laserscanners. Besonders vorteilhaft ist es, die CAD-Daten und die optischen Analyseverfahren ergänzend zu verwenden. Der Vorteil der optischen Analyseverfahren gegenüber den CAD-Verfahren liegt darin, dass die Form des real vorliegenden Werkstücks ermittelt wird.
  • Die optisch ermittelte Werkstückform kann dann hinsichtlich Korrektheit mit einem gespeicherten Datensatz verglichen werden. Auf diese Weise kann gleichzeitig eine Werkstücktypenkontrolle durchgeführt werden, wodurch Abweichungen der Werkstück-Sollform von der Werkstück-Istform festgestellt werden können. Solche Abweichungen können durch eine fehlerhafte Bestückung oder durch eine fehlerhafte Herstellung der Werkstücke bedingt sein.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ermittlung der Werkstückform in der Werkzeugmaschine selbst durchgeführt wird. Hierzu können in der Werkzeugmaschine geeignete Messeinrichtungen wie etwa Scanner installiert werden, mit denen bei Bedarf die Werkstückform aufgenommen wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Scanner oder eine Kamera aus einem Werkzeugmagazin automatisch in die Bearbeitungsspindel eingewechselt wird. Diese Anordnung ermöglicht das Anfahren verschiedener Raumpositionen relativ zum Werkstück, wodurch die Form des Werkstückes allseitig bestimmt werden kann. Selbst Innenformen des Werkstückes lassen sich bei entsprechender Formgestaltung der Aufnahmeeinrichtung mit ausreichender Genauigkeit ermitteln. Die Aufnahmeeinrichtung kann die Signale per Funk oder über in der Bearbeitungsspindel vorgesehene elektrische Kontakte an einen Computer übertragen, welcher aus den Messdaten die dreidimensionale Werkstückform errechnet. Die Messung innerhalb der Maschine, insbesondere innerhalb des Arbeitsraumes der Maschine ist auch deshalb günstig, weil bereits Wegmesssysteme mit hoher Genauigkeit vorhanden sind, wodurch die genaue relative Lage zwischen Werkstück und Messeinrichtung bekannt ist, was wiederum bei der Anwendung verschiedener Messpositionen vorteilhaft ist. Präzise Wegmessung ist somit eine wesentliche Voraussetzung zur Ermittlung genauer Werkstückformdaten. In einer weiteren Variante kann die Ermittlung der Werkstückform innerhalb der Maschine an einem Werkstückbereitstellungsplatz erfolgen, zum Beispiel auf der Beladeposition eines Palettenwechslers. Die Vermessung des Werkstücks kann dann parallel zur Bearbeitung eines Werkstücks erfolgen, also hauptzeitparallel, wodurch eine besonders hohe Maschinenproduktivität erzielt wird. Bedarfsweise kann am Bereitstellungsplatz für die Messeinrichtung ein Verschiebeschlitten vorgesehen werden, der Aufnahmen in verschiedenen Messpositionen ermöglicht. Vorteilhaft ist es zudem, das Werkstück drehbar anzuordnen. Es ist auch möglich, Werkstückformen sowohl auf dem Werkstückbereitstellungsplatz als auch im Arbeitsraum zu vermessen. Die Außenformen lassen sich beispielsweise hauptzeitparallel auf dem Werkstückbereitstellungsplatz ermitteln, wohingegen kompliziertere Innenformen mit einer in die Bearbeitungsspindel einwechselbaren speziellen Messeinrichtung aufgenommen werden. Es ist auch möglich, mehrere Messeinrichtungen zur Messung von jeweils speziellen Werkstückformen in einem Werkzeugmagazin vorzuhalten. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Werkstückform außerhalb der Maschine zu vermessen.
  • Eine weitere Variante zur Nutzung des Werkstückformanalysemoduls WSAM besteht auch darin, nur Teilbereiche des Werkstückes zu erfassen, zum Beispiel nur die Außenform. Wenn ein Werkzeug mit Hilfe einer durch die Module Bearbeitungsprozessanalysemodul PRAM und Werkzeugformanalysemodul TSAM bestimmten Werkzeugrückführbahn aus der Werkstückform ausgetreten ist, sich also in einer Neutralposition befindet, kann das Werkzeug dann vollends aufgrund der bekannten Werkstückformdaten innerhalb des nun bekannten Freiraums in eine Werkzeugwechselposition zurückgeführt werden. Die von der Neutralposition zur Werkzeugwechselposition zu durchlaufende Werkzeugrückführbahn kann auf kürzestem Wege kollisionsfrei erfolgen. Mit dieser Vorgehensweise wird verhindert, dass ein Werkzeug nach Austritt aus der Werkstückform wieder in diese eintritt. Dieser Fall könnte eintreten, wenn ein Bearbeitungswerkzeug mehrere gleichartige Bearbeitungsprozesse durchgeführt hat, zum Beispiel mehrere gleichartige Bohrbearbeitungen (Bohrbild). Ware dann nur der werkzeugbasierte Freiraum bekannt, würde der Bohrer unter Umständen nochmals in bereits bearbeitete Bohrungen eintauchen, was Beschädigungen verursachen könnte und zudem zeitaufwendig wäre. Primäres Ziel ist es, ein Werkstück von einer Unterbrechungsposition in eine Neutralposition herauszuführen, weitere Eintritte in das Werkstück zu vermeiden und das Werkstück von einer Neutralposition schnell und sicher in eine bevorzugte Position zu bewegen, welche meistens die Werkzeugwechselposition darstellt.
  • Aus dem mit dem Werkstückformanalysemodul WSAM modellierten werkstückbasierten Freiraum lassen sich insbesondere für Fräsprozesse Werkzeugrückführbahnen bestimmen, die eine Schneidenabhebung ermöglichen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, das Werkstückformanalysemodul WSAM in Kombination mit dem Bearbeitungsprozessanalysemodul PRAM und/oder dem Werkzeugformanalysemodul TSAM einzusetzen. Besonders leistungsfähig ist die Kombinationen von allen drei Analysemodulen. Dann können selbst für komplizierte Bearbeitungsprozesse Werkzeugrückführbahnen automatisch bestimmt werden, weil vorhandene Freiräume dann vollständig oder zumindest in hohem Maße bekannt sind. Das Werkzeugformanalysemodul TSAM und das Werkstückformanalysemodul WSAM können sich auch dann vorteilhaft ergänzen, wenn eines der beiden Module oder aber auch beide Analysemodule nicht über die vollständigen 3-D-Daten verfügen. So ist es möglich, dass von einem Werkstück nur die Außenform bekannt ist, weil das zur Ermittlung der Form verwendete optische Verfahren aus technischen Gründen keine Innenformen ermitteln kann. Für die Bestimmung der Werkzeugrückführbahnen im Innenformbereich des Werkstückes können dann die Auswertungen aus dem Werkzeugformanalysemodul TSAM verwendet werden, welche in vielen Fällen eine sichere und schnelle Bestimmung der Werkzeugrückführbahnen bis zu einer Neutralposition ermöglichen.
  • Nur in wenigen Fallen ist die Bestimmung von Werkzeugrückführbahnen selbst bei Kombination von allen drei Verfahren schwierig. Einen solchen Fall stellt die Bearbeitung mit so genannten Aussteuerwerkzeugen dar. Die Werkzeugrealform sowie die sich daraus ergebende Werkzeughüllform ist bei solchen Werkzeugen nicht konstant, sondern sie ändert sich bei einer Aussteuerung der aussteuerbaren Schneidplatten. Solche Werkzeuge sind zum Beispiel Plandrehköpfe, bei welchen die Schneidenaussteuerung über einen in der Hauptspindel befindlichen Aktuator (z. B. U-Achse) gesteuert angetrieben wird. Bei Nichtberücksichtigung der Schneidenaussteuerung könnte die Auswertung zur Bestimmung der Werkzeugrückführbahn dazu führen, dass ein Werkzeugrückzug in Z-Richtung als zulässig ermittelt wird, obwohl die ausgesteuerten Schneiden dies nicht zulassen. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zur Behandlung derartiger Werkzeuge die Lösungsmöglichkeit vor, die Werkzeugrealform und damit einhergehend die Werkzeughüllform in Abhängigkeit von der Schneidenaussteuerung dynamisch zu verändern und somit den entstehenden Freiraum entsprechend zu modellieren. Auf diese Weise kann bei entsprechender Auswertung durch die Analysemodule eine sichere Werkzeugrückführbahn bestimmt werden. Die drei Module Bearbeitungsprozessanalysemodul PRAM, Werkzeugformanalysemodul TSAM und Werkstückformanalysemodul WSAM kommunizieren untereinander über Schnittstellenverbindungen. Die Analyseergebnisse der drei Module werden über weitere Schnittstellenverbindungen an die Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit RPCU weitergeleitet, in welcher eine Gesamtauswertung zur Bestimmung der optimalen Werkzeugrückführbahnen erfolgt. Hierbei erfolgt eine Ermittlung des größtmöglichen Freiheitsgrads der Werkzeugrückführbahn. Die in Form von NC-Programmdaten vorliegende Werkzeugrückführbahn wird an eine NC-Achsen-Ansteuereinheit zur Ansteuerung der jeweiligen NC-Achsen weitergeleitet. Diese Einheit verfügt über eine Überlastsensorik, mit der durch fehlerhafte Werkzeugrückführbahnen verursachte Kollisionen identifiziert werden können und in einem solchen Fall die Werkzeugrückführung gestoppt wird.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine in vereinfachter Darstellung zur 5-achsigen Bearbeitung von Werkstücken
  • 2 in Diagrammform eine Analyseeinheit zur Berechnung von Werkzeugrückführbahnen, mit verschiedenen Modulen und Einheiten (PRAM, TSAM, WSAM, RPCU usw.) und Schnittstellenverbindungen
  • 3a bis 3e am Beispiel einer Bohrstange die Auswahl des Freiraummodellierungsmodus in Abhängigkeit vom Bearbeitungsprozess
  • 4a bis 4l verschiedene Bearbeitungsprozesse mit werkzeugbasierter Modellierung des Freiraums
  • 5a bis 5o verschiedene Bearbeitungsprozesse mit werkzeugbasierter Modellierung des Freiraums
  • 6a bis 6r verschiedene Bearbeitungsprozesse mit werkzeug- und werkstückbasierter Modellierung des Freiraums
  • 7a bis 7r verschiedene Bearbeitungsprozesse mit werkzeug- und werkstückbasierter Modellierung des Freiraums
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine in Form eines Bearbeitungszentrums 1 zur 5-achsigen Bearbeitung von Werkstücken 2 durch wenigstens ein Werkzeug 3. Auf einem Maschinengestell 4 sind dazu eine Werkzeugbewegungseinheit 5, eine Werkstückbewegungseinheit 6 sowie eine Werkstückbeladeeinheit 7 angeordnet. Die Werkzeugbewegungseinheit 5 besteht aus dem längs der Achse X beweglichen Ständer 8, einem darauf längs der Achse Y beweglich angebrachten Schlitten 9, welcher eine Spindel 10 trägt. Die Spindel 10 ist um die Achse C rotierend antreibbar und zur Aufnahme eines Werkzeugs 3 vorgesehen. Die Spindel 10 ist zudem um eine Achse S schwenkbar gelagert, bei deren Drehung die Spindelachse C eine Bewegung auf einem Kegelmantel beschreibt. Der Winkel E zwischen der Spindelachse C und der Schwenkachse S beträgt 45°, woraus sich ein Kegelwinkel von 90° ergibt. Durch diese Anordnung kann die Spindel 10 zwischen einer horizontalen und einer vertikalen Extremstellung beliebige Neigungswinkel D einnehmen. Die Werkstückbewegungseinheit 6 besteht aus einem längs der Achse Z beweglichen Schlitten 11, der einen um die Achse B rotierend antreibbaren Werkstücktisch 12 trägt und zur Aufnahme eines Werkstücks 2 mit entsprechenden Befestigungs- und Spannmitteln versehen ist. Das Bearbeitungszentrum 1 ermöglicht die Durchführung von Bearbeitungsprozessen durch spanende Formgebung mit geometrisch bestimmter Schneide wie zum Beispiel Fräsen, Drehen, Bohren, Gewindeschneiden, Drehfräsen usw., aber auch Bearbeitungsprozesse mit geometrisch unbestimmter Schneide wie zum Beispiel Schleifen, Honen usw. Ferner können spanlose Fertigungsverfahren wie etwa Rollieren oder Gewindeformen durchgeführt werden. Die Erzeugung einer gewünschten Werkstückform erfolgt innerhalb des Arbeitsraums 13 durch eine Abfolge verschiedener Bearbeitungsprozesse, zu welcher Werkzeuge 3 mit dem Werkstück 2 relativ zueinander längs programmierter Bahnen bewegt und miteinander in Eingriff gebracht werden. Die zur Ausführung der Bearbeitungsprozesse benötigten Werkzeuge 3 werden in einem nicht dargestellten Werkzeugmagazin vorgehalten und entsprechend der Bearbeitungsabfolge nacheinander mittels einer Werkzeugwechseleinrichtung in die Spindel 10 eingewechselt. Mit dem dargestellten Bearbeitungszentrum 1 lassen sich 5-Achs-Bearbeitungen durchführen, die beispielsweise beim Fräsen von Freiformflächen erforderlich sind. Hierzu zählt das Fräsen von Turbinenschaufeln. Zur optischen Bilderkennung sind in dem durch die Einhausung 14 abgegrenzten Arbeitsraum 13 zwei Kameras 15, 16 angebracht. Die Kamera 15 dient insbesondere zur Ermittlung der Werkstückform. Die Kamera 16 dient insbesondere zur Ermittlung der Werkzeugform und ist horizontal parallel zur Spindelachse C verschiebbar. Damit lassen sich Werkzeugformen unterschiedlicher Länge aufnehmen. Außerhalb des Arbeitsraums 13, nämlich oberhalb der Werkstückbeladeeinheit 7, ist eine weitere Kamera 17 angebracht, mit welcher sich hauptzeitparallel die Form des als nächstem zur Bearbeitung vorgesehenen Werkstücks ermitteln lässt. Bei einer unvorhergesehenen Unterbrechung des Programmablaufs wird das Werkzeug 3 längs einer Werkzeugrückführbahn in eine Neutralposition 28 bewegt. Diese Position ist dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugschneiden außer Eingriff gebracht sind und das Werkzeug vorzugsweise außerhalb der Werkstückform positioniert wird. Von der Neutralposition 28 wird das Werkzeug bevorzugt zu einer Werkzeugwechselposition TP bewegt.
  • 2 zeigt schematisch in Diagrammform den inneren Aufbau der Analyseeinheit 700 zur Bestimmung von Werkzeugrückführbahnen. Die Analyseeinheit 700 besteht aus den Modulen Bearbeitungsprozessanalysemodul 200 (im folgenden auch: PRAM), Werkzeugformanalysemodul 300 (im folgenden auch: TSAM) und Werkstückformanalysemodul 400 (im folgenden auch: WSAM) sowie den Verbindungen der Module untereinander. Die Analyseergebnisse der drei Module werden zu der Werkzeugrückführbahnberechnungseinheit 500 weitergeleitet, wo dann optimale Werkzeugrückführbahnen (im folgenden auch: RPCU) berechnet werden. Eine nachgelagerte NC-Achsen-Ansteuereinheit 600 setzt die berechnete Werkzeugrückführbahn in entsprechende NC-Achsen-Ansteuerungsbefehle um.
  • Das Bearbeitungsprozessanalysemodul 200 dient zur Identifikation der zur Bearbeitung von Werkstücken eingesetzten Bearbeitungsprozesstypen. Die Identifikation der Bearbeitungsprozesse bildet die Grundlage für die korrekte Zuordnung der 3-D-Freiraum-Modellierungsverfahren zum jeweiligen Bearbeitungsprozess. Das Bearbeitungsprozessanalysemodul 200 verfügt über verschiedene Elemente, die über nicht dargestellte Verbindungen miteinander kommunizieren können. Zu diesen Elementen gehört eine Bearbeitungsprozess-Charakteristik-Datenbank 210, in welcher die Charakteristika einer Vielzahl von Bearbeitungsprozessen gespeichert sind. In erster Linie sind hier jedoch ISO-Programmcodes (G-Funktionen) hinterlegt, durch deren Analyse der vorliegende Bearbeitungsprozesstyp schnell und sicher identifiziert werden kann. Hierzu besteht eine Verbindung zu dem in der Maschinensteuerung hinterlegten NC-Programm. Zusätzlich sind eine Vielzahl herstellerspezifischer Steuerungsanweisungen hinterlegt, so dass das Modul PRAM auf unterschiedlichen Steuerungstypen verwendet werden kann. Alternativ oder aber auch redundant zur Analyse der ISO-Programmcodes kann ein Bearbeitungsprozesstyp durch die Analyse charakteristischer Merkmale erfolgen. Diese Vorgehensweise empfiehlt sich besonders dann, wenn keine ISO-Programmcode-Informationen hinterlegt sind. Beispielsweise ist von dem Bearbeitungsprozess Vollbohren nicht nur ein einziger Datensatz gespeichert, sondern Datensätze von einer Vielzahl unterschiedlichster Bohroperationen mit den unterschiedlichsten Bohrertypen, Bohrergrößen und Werkstoffen der Werkstücke. Der Vergleich der gespeicherten Daten mit den aktuellen Daten ermöglicht zusammen mit der Auswertung der der Bearbeitung zugrunde liegenden Achsbewegungen die Identifikation des Bearbeitungstyps. Die Datenbank kann in bestimmten Abständen aktualisiert werden, um die durch technischen Fortschritt bedingten aktuellsten Prozesscharakteristika zur Verfügung zu haben. Eine ausführliche Beschreibung dieser Analysemethode findet sich weiter hinten im Text. Die Bearbeitungsprozess-Charakteristik-Datenbank 210 enthält darüber hinaus eine Zuordnungstabelle, in welcher jedem Bearbeitungsprozesstyp zur Berechnung optimaler Werkzeugrückführbahnen durch die Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit 500 die Verwendung der Werkzeugrealform oder der Werkzeughüllform zugeordnet ist. In Fallen, in denen sowohl die Werkzeugrealform als auch die Werkzeughüllform verwendet werden kann, wird eine Präferenz angegeben. Durch die Zuordnungstabelle wird in vielen Fällen erreicht, dass die Schneidenabhebung mit dem größtmöglichen Freiheitsgrad durchgeführt werden kann. Andererseits wird unnötiger Rechenaufwand vermieden, wenn von vornherein aus technischen Gründen auf die Verwendung der Werkzeugrealform verzichtet werden kann, wobei selbst dann noch bei vielen Prozessen, insbesondere bei Fräsprozessen, eine optimale Schneidenabhebung erzielt werden kann. Die Zuordnungen sind in Tabelle 1 aufgeführt.
  • Im Weiteren enthält das PRAM 200 eine Achskinematik-Datenbank 220, in welcher die Achskinematikdaten einer Vielzahl von Werkzeugmaschinen gespeichert sind. Diese Daten ermöglichen die korrekte Bestimmung der Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug, was zur eindeutigen Identifikation eines Bearbeitungsprozesses erforderlich ist.
  • Das PRAM 200 verfügt ferner über eine Datenaufzeichnungseinheit 230 zum Speichern der Bewegungsbahnen der verschiedenen NC-Achsen, Spindelleistungen und Vorschubkräfte.
  • Zum Aufzeichnen der Bewegungsbahnen ist eine Schnittstelle zu den Wegmesssystemen der NC-Achsen einer Werkzeugmaschine vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die von den Wegmesssystemen ausgegeben Daten direkt zur Datenaufzeichnungseinheit transportiert werden, weil dann die CPU der Maschinensteuerung nicht belastet wird. Gleiches gilt für die Erfassung der Spindelleistung und der Vorschubkraft.
  • Das PRAM 200 verfügt im Weiteren über eine Freiraummodellierungsmodus-Zuordnungseinheit 240, welche zur Zuordnung eines Freiraummodellierungsmodus M1 oder M2 zu einem Bearbeitungsprozesstyp vorgesehen ist. Der Freiraummodellierungsmodus M1 sieht die Verwendung der Werkzeugrealform zur Modellierung von Freiraum vor. Der Freiraummodellierungsmodus M2 sieht die Verwendung der Werkzeughüllform zur Modellierung von Freiraum vor. Die Zuordnung des entsprechenden Freiraummodellierungsmodus M1, M2 zu einem Bearbeitungsprozess, welche nach einer Identifikation des vorliegenden Bearbeitungsprozesstyps erfolgt, sind in Tabelle 1 aufgeführt.
  • Außerdem ist eine Bearbeitungstopologie-Prüfungseinheit 250 vorgesehen, welche in bestimmten Fallen die Richtigkeit der berechneten Werkzeugrückführbahn verifizieren soll. Näheres hierzu findet sich in der Beschreibung zu 3.
  • Das Werkzeugformanalysemodul 300 verfügt über eine Werkzeugrealform-Datenbank 310 und eine Werkzeughüllform-Datenbank 320, in welcher die Daten der Werkzeugrealformen und der Werkzeughüllformen einer Vielzahl von Werkzeugen in Form von 3-D-Daten hinterlegt sind. Es ist alternativ möglich, die Werkzeughüllformen aus den Werkzeugrealformen zu errechnen, sofern die Rotationsachse des Werkzeugs bekannt ist. Alternativ lassen sich die Werkzeugformen durch optische Messeinrichtungen innerhalb oder außerhalb einer Werkzeugmaschine ermitteln und wiederum in Form von 3-D-Daten in den Datenbanken 310 bzw. 320 speichern.
  • Ferner weist das TSAM 300 eine Freiraum-Modellierungseinheit 330 zur 3-D-Modellierung der werkzeugbasierten Freiräume 20 (siehe 4 bis 7) auf.
  • Ferner weist das TSAM 300 eine Freiraum-Additionseinheit 340 auf, in welchem die durch die verschiedenen Bearbeitungsprozesse erzeugten werkzeugbasierten Freiräume addiert werden und so immer der aktuelle werkzeugbasierte Gesamtfreiraum bekannt ist.
  • Weiter verfügt das TSAM 300 über eine Bilderkennungseinheit 350, welche 3-D-Daten von der Werkzeugform ermitteln kann. Dies kann mittels eines Scanners oder einer oder mehrerer Kameras (z. B. durch Triangulation oder Fokusvariation) erfolgen.
  • Das TSAM 300 hat eine Verbindung 390 zum PRAM 200, welche erforderlich ist, weil zur Bestimmung des werkzeugbasierten Freiraumes Achskinematikdaten sowie die ausgeführten relativen Bewegungsbahnen zwischen Werkzeug und Werkstück benötigt werden.
  • Das Werkstückformanalysemodul 400 umfasst eine Werkstückform-Datenbank 410 und eine Peripherie-Datenbank 420, in welcher die Formen von Werkstücken, Arbeitsraum, Spannvorrichtung usw. in Form von 3-D-Daten hinterlegt sind. In manchen Fällen sind die Daten dieser Maschinenkomponenten nur teilweise bekannt, z. B. nur die Außenform eines Werkstücks. Sind die Daten des Werkstückinneren nicht bekannt, so wird zur Sicherheit die Innenform des Werkstückes als Körper, und somit nicht als Freiraum, modelliert, selbst wenn am realen Werkstück tatsächlich ein Freiraum vorhanden ist.
  • Im weiteren ist eine Freiraum-Modellierungseinheit 430 vorgesehen, in der werkstückbasierter Freiraum modelliert wird (einschließlich Peripherie).
  • Ferner weist das WSAM 400 eine Freiraum-Additionseinheit 440 auf, in welchem die ggfs. Durch verschiedene Verfahren ermittelten und/oder verschiedene Datenquellen erhaltenen Freiraumdaten zu einem Gesamtfreiraum addiert werden und so immer der aktuelle werkzeugbasierte Gesamtfreiraum bekannt ist.
  • Weiter verfügt das WSAM 400 über eine Bilderkennungseinheit 450, welche 3-D-Daten von Werkstücken einschließlich Peripherie ermitteln kann. Dies kann in Form eines Scanners oder durch eine oder mehrere Kameras (z. B. durch Triangulation) erfolgen.
  • Das WSAM 400 hat eine Verbindung 490 zum TSAM 300, die es beispielsweise ermöglicht, den werkzeugbasierten Freiraum mit einem definierten Werkstückbezugspunkt zu verknüpfen, wodurch der modellierte Freiraum, insbesondere der werkzeugbasierte Freiraum, mitsamt dem Werkstück in eine neue Bearbeitungsstation zur dortigen Nutzung weitergegeben werden kann. Das WSAM 400 kommuniziert mit dem PRAM 200 über die Verbindung 290.
  • Die Daten, Informationen und Auswertungen aus den Modulen PRAM 200, TSAM 300 und WSAM 400 werden über die Verbindungen 280, 380 und 480 in der Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit 500 zusammengeführt, wo mit Hilfe entsprechender Rechenalgorithmen die Werkzeugrückführbahn in der Weise bestimmt wird, dass die Werkzeuge zumindest längs eines Teilabschnitts ihrer Werkzeugrückführbahn innerhalb des modellierten Freiraums zurückgeführt werden. Zur Erzielung optimaler Werkzeugrückführbahnen verfügt die RPCU 500 über eine Freiheitsgrad-Analyseeinheit 510. Durch die Ermittlung von Freiheitsgraden wird angestrebt, dass die Werkzeuge längs Werkzeugrückführbahnen zurückgeführt werden, bei denen die im Eingriff befindlichen Schneidkanten mit dem höchstmöglichen Freiheitsgrad von der Werkstückoberfläche entfernt werden. Die Freiheitsgrad-Analyseeinheit 510 vergleicht dazu die Form des Werkzeugs mit dem vorliegenden Freiraum (werkzeug- und werkstückbasiert). Die Bearbeitungsprozess-Charakteristik-Datenbank 210 enthält eine Zuordnungstabelle, in welcher dem identifizierten Bearbeitungsprozesstyp zur Berechnung optimaler Werkzeugrückführbahnen die Verwendung entweder der Werkzeugrealform oder der Werkzeughüllform zugeordnet ist. Diese Zuordnung ist insbesondere für die Ermittlung des Freiheitsgrades von hoher Bedeutung. Die Werkzeugrückführbahn wird nach Vorliegen aller Daten so berechnet, dass das Werkzeug möglichst rasch mit allen Schneiden von der Werkstückoberfläche entfernt werden. Die RPCU 500 verfügt ferner über einen NC-Datengenerator zur Generierung der NC-Datensätze der berechneten Werkzeugrückführbahn, welche über die Verbindung 590 an die NC-Achsen-Ansteuereinheit 600 übertragen werden.
  • Die NC-Achsen-Ansteuereinheit 600 generiert aus den NC-Datensätzen NC-Achsen-Ansteuerungsbefehle. Zudem ist eine NC-Achsenbelastungs-Sensorik-Einheit 610 vorgesehen, die während der Rückführung eines Werkzeugs längs einer Werkzeugrückführbahn aktiv geschaltet wird. Treten während der Werkzeugrückführung hohe Belastungen an einer oder an mehreren NC-Achsen auf, wird beim Erreichen eines zuvor definierten Schwellwerts ein Abschaltsignal an die NC-Achsenabschaltungseinheit 620 gesendet. Die automatische Werkzeugrückführung wird dann abgebrochen.
  • Die in 2 gezeigte Konfiguration der Analyseeinheit 700 stellt die maximale Ausbaustufe dar. Die Ermittlung von Werkzeugrückführbahnen ist, wie zuvor erläutert, in vielen Fällen selbst dann noch möglich, wenn das Werkstückformanalysemodul 400 nicht vorgesehen ist.
  • Nachfolgend wird anhand der 3a bis 3e aufgezeigt, worin die Unterschiede verschiedener Modi zur Modellierung von werkzeugbasiertem 3-D-Freiraum liegen und bei welchen Bearbeitungsprozessen der jeweilige Modus anzuwenden ist. Zudem wird anschaulich dargelegt, dass bei ein und demselben Werkzeug verschiedene Modi zur Modellierung des Freiraums zur Anwendung kommen können. Dabei wird deutlich, dass die Anwendung eines bestimmten Modellierungsmodus vom Bearbeitungsprozesstyp abhängt und nicht vom Werkzeugtyp. Es wird die Festlegung getroffen, dass unter der Bezeichnung „Freiraum” immer geometrisch bestimmter dreidimensionaler Freiraum zu verstehen ist. Die geometrischen Abmessungen des Freiraums sind dabei mit hoher Genauigkeit, zum Beispiel mikrometergenau, bekannt. Die 3a zeigt in Seiten- und Vorderansicht eine Bohrstange 30 mit zwei an einem Schaft 33 befestigten Schneidplatten 31, 32. Die beiden Schneidplatten 31, 32 weisen eine dreieckige Grundform auf, sind zumindest am Außendurchmesser D mit Eckenradien Re versehen und von der Bundfläche 36 im Abstand L angeordnet. Die Bohrstange 30 wird mit ihrem Konus 35 in einer korrespondierenden Spindelaufnahme in der Spindel 38 aufgenommen und rotiert zur Bearbeitung eines Werkstücks um die Achse 37 bzw. um die Spindelachse C. Der Bund 34 ist mit einer umlaufenden Rille 39 versehen, in welche ein Werkzeugwechselgreifer beim Auswechseln des Werkzeugs eingreift. Die 3a zeigt somit die reale räumliche Form der Bohrstange 30, die als Werkzeugrealform bezeichnet wird. 3b hingegen zeigt in Seiten- und Vorderansicht die Werkzeughüllform 44 der Bohrstange 30. Die Werkzeughüllform stellt das von der Werkzeugrealform der Bohrstange 30 während einer vollen Umdrehung um die Achse 37 durchdrungene Volumen dar. Während dieser Umdrehung finden definitionsgemäß keine weiteren Bewegungen statt, das heißt, die Bohrstange 30 ist während dessen ortsfest. Die Werkzeughüllform 44 ist somit ein zur Spindelachse C rotationssymmetrischer Körper.
  • Für die Modellierung von werkzeugbasiertem Freiraum gilt somit:
    • 1. Bei der Modellierung von Freiraum mittels der Werkzeugrealform wird dasjenige Volumen zu Freiraum, das während der Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug längs der programmierten Bahn von der Werkzeugrealform durchdrungen wird. Der modellierte Freiraum entspricht exakt dem tatsächlich entstandenen Freiraum (Freiraummodellierungsmodus M1).
    • 2. Bei der Modellierung von Freiraum mittels der Werkzeughüllform wird dasjenige Volumen zu Freiraum, das während der Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug längs der programmierten Bahn von der Werkzeughüllform durchdrungen wird. Der modellierte Freiraum weicht von dem tatsächlich entstandenen Freiraum ab, wobei die Abweichungen von gering bis teilweise erheblich sein können (Freiraummodellierungsmodus M2).
  • 3c zeigt in Schnittdarstellung die Bearbeitung eines Werkstücks 40 durch die Bohrstange 30. Diese taucht zentrisch zur Werkstückachse 42 mit der Vorschubgeschwindigkeit fv und mit der Drehfrequenz n in die Bohrung 41 ein. Aus diesen Daten resultiert der Vorschub pro Umdrehung f bzw. die Gewindesteigung p. Dabei trägt die Bohrstange 30 den Werkstoff vom Vorbearbeitungsdurchmesser d bis zum Fertigdurchmesser D ab. Die Eckenradien Re der Schneidplatten 31, 32 erzeugen auf der Werkstückoberfläche zwangsläufig eine zweigängige gewindeartige Struktur, welche im Querschnitt eine gleichmäßige Wellenform aufweist, was besonders deutlich in der Ausschnittvergrößerung zu Detail „Y” zu erkennen ist. Zwischen den Wellentälern 46 und den Wellenbergen 47 ergibt sich das Maß dR. Die Größe von Maß dR wird auch als geometrische Rauheit bezeichnet und lässt sich anhand bekannter Formeln auf einfache Weise errechnen. Bei üblichen Bearbeitungsverfahren liegt das Maß dR im Bereich von einigen hundertstel Millimetern bis zu einigen zehntel Millimetern. Bei einer Werkzeugrückführung der Bohrstange 30 in Z-Richtung mit stillstehender Spindel werden die Wellenberge 47 von den beiden Schneidkanten 31, 32 niedergedrückt, wodurch zwei Rückzugsriefen entstehen. Wie leicht erkennbar ist, ist eine Schneidenabhebung bei der zweischneidigen Bohrstange 30 nicht möglich, weshalb die Bildung der Rückzugsriefen in Kauf genommen werden muss. Wenn der durch diese Bearbeitung entstehende Freiraum exakt modelliert wird – also auf der Basis der Werkzeugrealkontur – würde eine Werkzeugrückführung mit stillstehender Spindel mathematisch exakt betrachtet eine nicht zulässige Kollision zwischen den Schneidplatten 31, 32 und den Wellenbergen 47 darstellen. Somit bestünde die einzige Möglichkeit für eine kollisionsfreie Werkzeugrückführung darin, die Bohrstange 30 rückwärts gerichtet gleich einem Gewindebohrer aus der Bohrung heraus zu bewegen. Die Schneidplattenecken 31, 32 müssten also durch entsprechende Spindelrotation und entsprechenden Vorschub exakt in den Wellentälern 46 zurückgeführt werden. Der zur Modellierung des Freiraums erforderliche steuerungstechnische Aufwand wäre immens hoch und damit unwirtschaftlich. Bei vielen Bearbeitungsprozessen können bei der Werkzeugrückführung geringfügige Kollisionen zwischen den Werkzeugschneiden und der Werkstückoberfläche toleriert werden. Für diese Bearbeitungsprozesse wird deshalb zur Modellierung des Freiraums die Werkzeughüllform verwendet. Der steuerungstechnische Aufwand ist hierbei aufgrund der meist recht einfachen geometrischen Form der Werkzeughüllform sehr gering und mit heutigen Computern wirtschaftlich zu berechnen. Dies rührt auch daher, dass die Werkzeugrotation des Bearbeitungswerkzeugs während seiner Bewegung längs der programmierten Bahn bei der Modellierung mittels der Werkzeughüllform nicht mehr berücksichtigt werden muss. Die Rotationsbewegung ist in der Werkzeughüllform gewissermaßen eingefroren. Die 3d zeigt im Vergleich zur 3c anschaulich auf, dass bei der Freiraummodellierung mittels der Werkzeughüllform an der Werkstückoberfläche keine Wellenform mehr erzeugt wird, sondern eine Bohrung mit einer exakt zylindrischen Form. Das Maß dr weist im Freiraummodell den Wert Null auf. Bei einem Werkzeugrückzug in Z-Richtung entsteht im Datenmodell somit keine Kollision, weshalb von der Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit 500 die Freigabe für die Werkzeugrückführung mit vorzugsweise stillstehender Spindel erteilt wird. Der hier aufgezeigte Bearbeitungsprozess Ausdrehen fällt in die Kategorie Z-Prozess, dem zur Modellierung des Freiraums generell die Werkzeughüllform zugeordnet wird.
  • 3e zeigt die Herstellung einer zweigängigen gewindeartig verlaufenden Schmiernut 51 in einem Werkstück 50, wobei wiederum die Bohrstange 30 eingesetzt wird, welche schon zur Herstellung der Bohrung 41 des Werkstücks 40 verwendet wurde. Durch den hohen Vorschub f ergibt sich eine große Steigung p der Schmiernut 51, wodurch zwischen den Schmiernuten 51 Erhöhungen 52 verbleiben, welche aus den Resten des Vorbearbeitungsdurchmessers d bestehen. Die Nuttiefe dR errechnet sich somit zu (D – d)/2. Im Gegensatz zum Ausdrehprozess bei der Bohrung 41 ist eine Werkzeugrückführung bei stillstehender Spindel bei der Fertigung der Schmiernut nicht möglich. Zum Ersten ist die Nuttiefe dR so groß, dass zumindest die Werkzeugschneiden 31, 32 beschädigt würden, zum Zweiten wäre die beabsichtigte Schmierfunktion der Schmiernut 51 beim Auftreten einer Rückzugsriefe nicht mehr gewährleistet. Die Verwendung der Werkzeughüllform zur Modellierung des Freiraums hätte bei diesem Bearbeitungsprozess fatale Folgen, weil die Erhöhungen 52 datentechnisch nicht mehr vorhanden wären. Zur Modellierung des Freiraums muss deshalb bei dem Prozess zur Herstellung der Schmiernut 51 zwingend die Werkzeugrealform verwendet werden. Es handelt sich gewöhnlich um einen ZC-Prozess, dessen Merkmal in der kinematischen Kopplung zwischen der Spindelrotation um die C-Achse und der Vorschubbewegung in Z-Richtung liegt. Durch die kinematische Kopplung wird eine exakte Steigung der Schmiernut 51 erzielt.
  • Aus den Bearbeitungsbeispielen von Werkstück 40 und Werkstück 50 ist zu erkennen, dass mit ein und demselben Werkzeug 30 unterschiedliche Bearbeitungsprozesse durchgeführt werden können, zu deren Freiraummodellierung allerdings unterschiedliche Modellierungsmodi angewendet werden müssen. Die entsprechenden Modi werden den jeweiligen Bearbeitungsprozessen zugeordnet, die wiederum zuvor vom Bearbeitungsprozessanalysemodul 200 identifiziert werden. Um neben der festen Zuordnung der Modellierungsmodi zu den Bearbeitungsprozessen zusätzliche Sicherheit zu erhalten, ist die Prüfung der durch die Bearbeitung erzeugten Werkstücktopologie durch eine Bearbeitungstopologie-Prüfungseinheit 250 vorgesehen (s. 2). Diese Einheit prüft, ob Zustände vorliegen, bei denen durch die Anwendung der Werkzeughüllform ggfs. Beschädigungen an Werkstück und/oder Werkzeug durch eine Werkzeugrückführung zu erwarten sind. Wenn beispielsweise zur Fertigung der Schmiernut 51 ein Z-Prozess anstatt eines ZC-Prozesses programmiert worden ist, weil etwa die Genauigkeit der Gewindesteigung zweitrangig ist, würde gemäß der festen Zuordnung zum Z-Prozess die Werkzeughüllform Anwendung finden. Die Bearbeitungstopologie-Prüfungseinheit 250 würde jedoch anhand der Werkzeugrealform in Verbindung mit dem hohen Vorschubwert erkennen, dass das Maß dR groß sein kann und die Anwendung der Werkzeugrealform zur Freiraummodellierung festlegen. Die Bearbeitungstopologie-Prüfungseinheit 250 kann hierzu auf alle erforderlichen Daten der Module PRAM 200, TSAM 300 und WSAM 400 zugreifen, also etwa auf Daten aus der Bearbeitungsprozess-Charakteristik-Datenbank 210, auf die Freiraum-Additionseinheit 340 oder sogar auf die Werkstückform-Datenbank 410. Alternativ kann zur Sicherheit eine Abfrage im Steuerungsmenü der Maschinensteuerung vor der Ausführung der Werkzeugrückführung an den Maschinenbediener oder Programmierer gerichtet werden, welcher Modellierungsmodus verwendet werden muss.
  • Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt verschiedene Bearbeitungsprozesstypen mit der Angabe der beteiligten Achsen. Die Auflistung zeigt, mit welchem Freiheitsgrad die Werkzeugrückführung durchgeführt werden kann (1D, 2D, 3D). Ein „x” stellt die Standardauswahl dar. Die Kennzeichnung „(x)” stellt eine prinzipiell mögliche, jedoch eine weniger bevorzugte Auswahl dar, die auch gewählt werden kann, falls die Standardauswahl nicht verfügbar ist. Die Kennzeichnungen „xx” bzw. „xxx” stellen eine bevorzugte Auswahl dar, deren Anwendbarkeit jedoch vom speziellen Einsatzfall abhängt. Das bedeutet, dass die bevorzugte Auswahl der Standardauswahl vorgezogen wird, falls dies technisch möglich ist. Die Kennzeichnung „-” bedeutet „Auswahl nicht möglich”. Die Auflistung zeigt ferner, welcher Modus zur Modellierung des Freiraums beim jeweiligen Bearbeitungsprozesstyp angewendet wird. Außerdem ist noch angegeben, welche Werkzeugform zur Ermittlung der Werkzeugrückführbahn verwendet wird. Hierbei sei nochmals erwähnt, dass prinzipiell für jeden Prozess die Werkzeugrealform zur Ermittlung der Werkzeugrückführbahn verwendet werden kann, dieses aber aus Komplexitätsgründen nicht zwingend gemacht werden muss und statt dessen in den meisten Fällen auf die Werkzeughüllform zurückgegriffen wird. Die in der Tabelle dargestellten Auswahl- bzw. Nichtauswahlmöglichkeiten erfolgen unter der Prämisse, dass für jeden erdenklichen Fall ein kollisionsfreier Werkzeugrückzug sichergestellt werden soll. Aus diesem Grund werden verschiedene Felder mit „Auswahl nicht möglich” belegt, obwohl die Auswahl in vereinzelten Ausnahmefällen nicht zu einer Kollision führen würde.
    Freiheitsgrad für Werkzeugrückzug Freiraummodellierungsmodus Berechnung Werkzeugrückführbahn durch
    Beteiligte Achsen Bearbeitungsprozesstyp 1D 2D 3D Werkzeugrealform Werkzeughüllform Werkzeugrealform Werkzeughüllform
    Z Vollbohren x (x) x (x) x
    Z Reiben x (x) x (x) x
    Z Aufbohren x (x) x (x) x
    Z Feindrehen 1-schneidig (x) x x (x) x x (x)
    ZC Gewindebohren x x x
    XY Fräsen Planfläche x x x (x) x (x) x
    XY Fräsen T-Nut x (x) x (x) x
    XYZ Fräsen Gewinde x x (x) x (x) x
    XYZAB Fräsen Freiform x x x (x) x (x) x
    U Ausdrehen Ringnut durch Aussteuern einer Schneide x (x) x (x) x
    ZU Ausdrehen Innenkegelfläche durch Aussteuern einer Schneide x xx xxx (x) x (x) x
    XYC Tangentialdrehen x xx xxx x x
    XYZC Tangentialdrehen x xx xxx x x
    XYZABC Tangentialdrehen x xx xxx x x
    Tabelle 1
  • Aus der Tabelle wird ersichtlich, dass die Werkzeuge bei allen Prozessen eindimensional zurückgezogen werden können, bei verschiedenen Verfahren hingegen auch mehrdimensional. Die Analyseeinheit 700 (siehe 2) ermittelt die für eine optimale Werkzeugrückführbahn erforderliche Auswahl automatisch auf der Basis der Analyseergebnisse der verschiedenen Analysemodule. Wesentlich für die korrekte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Rückführung eines Werkzeugs aus einer Unterbrechungsposition ist die korrekte Zuordnung des Freiraummodellierungsmodus zum jeweiligen Bearbeitungsprozess und die korrekte Identifikation des Bearbeitungsprozesstyps. Von Vorteil ist, dass die Zuordnungen grundsätzlich gelten und somit wesentliche Anpassungen an bestimmte Maschinen- oder Steuerungstypen nicht erforderlich sind.
  • Mit den nachfolgenden 4 bis 7 werden typische Bearbeitungsprozesse, die Modellierung von Freiraum 20, 21 und die Bestimmung von Werkzeugrückführbahnen 88 aufgezeigt. Es wird festgelegt, dass werkzeugbasierter Freiraum mit dem Bezugszeichen 20 und werkstückbasierter Freiraum mit dem Bezugszeichen 21 belegt wird. In den 4 und 5 wird eine Programmunterbrechung zumeist beim Erreichen des Werkzeugs in der im NC-Programm vorgesehenen Bearbeitungsendposition dargestellt. In den 6 und 7 erfolgt die Programmunterbrechung mitten im Bearbeitungsprozess, also noch vor dem Erreichen der jeweiligen Bearbeitungsendposition. In den 4 und 5 wird die Berechnung von Werkzeugrückführbahnen 88 ausschließlich anhand von werkzeugbasiertem Freiraum ermittelt. Die 6 und 7 zeigen die Berechnung von Werkzeugrückführbahnen auf, bei denen zusätzlich werkstückbasierter Freiraum berücksichtigt wird. In dieser Schrift wird der bei jeder Bearbeitung entstandene Freiraum in jeweils mindestens einer Schnittansicht dargestellt. Die Konturen von Werkstück, Werkzeug und von Freiraum werden in diesen Schnittansichten strichpunktiert dargestellt. Zur besseren Unterscheidung wird der durch die jeweils zuletzt erfolgte Bearbeitung neu entstandene Freiraum in horizontal-vertikaler Kreuzschraffur dargestellt, während jeder zuvor erzeugte Freiraum in Form einer diagonal gemusterten Schraffur dargestellt wird. Hierdurch wird besonders deutlich erkennbar, welcher Freiraum neu und welcher Freiraum zuvor erzeugt worden ist. Die Darstellung des Freiraums in Z-Richtung ist zur besseren Übersichtlichkeit nur bis zu einer bestimmten Entfernung vom Werkstück dargestellt. In Wirklichkeit erstreckt sich der Freiraum meist darüber hinaus. Werkzeugschneidkanten werden in dieser Schrift mit einer Schraffur im 75°-Winkel, Schnitte durch das Werkstück mit einer Schraffur im 45°-Winkel gekennzeichnet.
  • Die 4a zeigt einen Querschnitt durch ein quaderförmiges Werkstück 60, das verschiedene zu einer Achse 61 koaxiale Bohrungen und Gewinde aufweist. Das zugeordnete Koordinatensystem weist die beiden in der Zeichenebene liegenden Achsen X und Z sowie die senkrecht zur Zeichenebene liegende Achse Y aus. Am unteren Ende befindet sich ein Gewinde 75 der Größe M12 mit einem Kernlochdurchmesser D1. Daran schließt sich eine Zentrierbohrung 76 mit einem Durchmesser D2 und eine Ringnut 77 mit einem Durchmesser D4a an. Hierauf folgt eine Passbohrung 78 mit dem Vorbearbeitungsdurchmesser D3 (strichpunktiert eingezeichnet) und dem Fertigdurchmesser D5 sowie am oberen Ende eine Plansenkung 79 mit dem Durchmesser D4b. Die Maße L1 bis L6 definieren die Längen der zuvor aufgezählten Werkstückmerkmale. Das Detail „Z” zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Ringnut 77, die aus der Umfangsfläche 77a und den oberen und unteren Planflächen 77b gebildet wird. Die nachfolgenden Figuren zeigen die Bearbeitungsprozesse zur Herstellung der jeweiligen Werkstückmerkmale.
  • 4b zeigt den mit dem Werkstück 60 im Eingriff befindlichen Bohrer 62 in der Unterbrechungsposition 26a, wobei eine ungewollte Unterbrechung des Programmablaufs genau beim Erreichen der vorgesehenen Bohrtiefe L1 aufgetreten ist. Der Vorschub des Bohrwerkzeugs 62 erfolgt in Z-Richtung. Zur Berechnung der Werkzeugrückführbahn 88a durch die Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit 500 wird zuerst der vorliegende Bearbeitungsprozesstyp mittels des Bearbeitungsprozessanalysemoduls 200 als ein Z-Prozess identifiziert. Dem Z-Prozess ist zur Modellierung eines Freiraums 20 (werkzeugbasiert) die Verwendung der Werkzeughüllform (M2) zugeordnet, hier also die Hüllform des Bohrwerkzeugs 62. Die Zuordnung erfolgt mittels der Freiraummodellierungsmodus-Zuordnungseinheit 240. Die 4c zeigt die Kontur des Werkstücks 60 sowie den Freiraum 20a in horizontal-vertikaler Schraffur. Die Modellierung des Freiraums 20a erfolgt durch die Freiraum-Modellierungseinheit 330 auf der Grundlage der Werkzeughüllform und den Bewegungsdaten des Bohrwerkzeugs 62 bis zu der Unterbrechungsposition 26a. Somit ist die Lage und Größe des Freiraums 20a exakt modelliert und kann zur Berechnung der Werkzeugrückführbahn 88a herangezogen werden. Als nächstes erfolgt die Ermittlung des Freiheitsgrads der Werkzeugrückführbahn durch die Werkzeugrückführbahnberechnungseinheit 500. Weil die Werkzeughüllkontur des Bohrers 62 den Freiraum 20a vollständig ausfüllt, kann der Bohrer 62 nur längs einer eindimensionalen Werkzeugrückführbahn zurückgeführt werden. Der Bohrer 62 wird somit von der Unterbrechungsposition 26a längs der Werkzeugrückführbahn 88a bis zur Neutralposition 28a innerhalb des Freiraums 20a zurückgeführt. Die Berechnung der Werkzeugrückführbahn 88a erfolgt somit automatisch auf der oben beschriebenen Grundlage. Der Vorteil gegenüber den Verfahren im Stand der Technik liegt darin, dass keinerlei NC-Programmanweisungen für die Werkzeugrückführbahn hinterlegt werden müssen. Wie der 4b zu entnehmen ist, liegt die Neutralposition 28a weiter vom Werkstück entfernt als die Bearbeitungsstartposition 24a. Die Neutralposition 28a könnte ebenso mit der Bearbeitungsstartposition 24a übereinstimmen. Die entsprechende Präferenz kann vom Maschinenbediener oder vom Programmierer in der Steuerung hinterlegt werden. Eine bevorzugte Neutralposition wird so festgelegt, dass die Schneidkanten eines Werkzeugs ausreichend weit von einer Werkstückform entfernt sind, also nicht mehr im „Gefahrenbereich” liegen. Zumindest sind bei einer Neutralposition die Schneidkanten eines Werkzeugs außer Eingriff gebracht worden. Von der Neutralposition 28a wird das Werkzeug anschließend vorzugsweise in eine Werkzeugwechselposition TP bewegt. In Abhängigkeit von der Kenntnis über weiteren Freiraum kann dies auf verschiedene Arten erfolgen. Ist kein Freiraum bekannt, kann dies vom Maschinenbediener manuell durchgeführt werden. Bei Vorliegen von werkstückbasiertem Freiraum 20 kann das Bohrwerkzeug 62 hingegen längs einer automatisch berechneten erweiterten Werkzeugrückführbahn 88a mehrdimensional dorthin bewegt werden. In bestimmten Fällen kann die Neutralposition mit der Werkzeugwechselposition identisch sein. Der werkzeugbasierte Freiraum entsteht auch außerhalb des Werkstücks, weil das Werkzeug sich auch außerhalb des Werkstücks bewegt, zum Beispiel von einer Werkzeugwechselposition zu einer Bearbeitungsstartposition. Vereinfachend wird angenommen, dass das Werkzeug sich zentrisch zur Mittelachse dem Werkstück nähert. Aus Vereinfachungsgründen wird der Freiraum nur bis zu einer Entfernung von max. ca. 60 mm vom Werkstückrand dargestellt.
  • 4d zeigt die Herstellung der Bohrungen 76 und 78 durch Aufbohren der Bohrung 75 (D1). Der hierzu eingesetzte Stufenbohrer 63 verfügt über die Schneidplatten 64a, 64b, 65a, 65b zur Erzeugung der Durchmesser D2 bzw. D3. Auch hier erfolgt eine ungewollte Unterbrechung des Bearbeitungsablaufs in der Position 26b beim Erreichen der vorgesehenen Bohrtiefe L2. Auch dieser Prozesstyp wird mittels des Bearbeitungsprozessanalysemoduls 200 als ein Z-Prozess identifiziert, welchem zur Modellierung eines Freiraums 20 wiederum die Verwendung der Werkzeughüllform (M2) zugeordnet ist. Die Zuordnung erfolgt mittels der Freiraummodellierungsmodus-Zuordnungseinheit 240. Der mit der Freiraum-Modellierungseinheit 330 modellierte Freiraum 20b ist in 4e in horizontal-vertikaler Schraffur eingezeichnet. Der zuvor erzeugte Freiraum 20a ist nun in diagonal gemusterter Schraffur dargestellt. Der Freiraum 20b wird mit der Freiraum-Additionseinheit 340 zu dem Freiraum 20a hinzuaddiert. Somit ist die Lage und Größe des Freiraums 20a, 20b exakt modelliert und kann zur Berechnung der Werkzeugrückführbahn 88b herangezogen werden. Bei der Ermittlung des Freiheitsgrads der Werkzeugrückführbahn durch die Freiheitsgrad-Analyseeinheit 510 der Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit 500 ergibt sich auch hier eine eindimensionale Werkzeugrückführbahn 88b, weil die Schneidkanten 64a, 64b, 65a und 65b den Freiraum in radialer Richtung voll ausfüllen. Der Stufenbohrer 63 wird somit von der Unterbrechungsposition 26b längs der Werkzeugrückführbahn 88b bis zur Neutralposition 28b innerhalb des Freiraums 20a, 20b zurückgeführt. Die Neutralposition 28b ist in diesem Beispiel identisch mit der Bearbeitungsstartposition 24b. Zur Berechnung des Freiheitsgrads der Werkzeugrückführbahnen 88a und 88b verwendet die Freiheitsgrad-Analyseeinheit 510 jeweils die Werkzeughüllformen der Werkzeuge. Diese Zuordnung ist in der Bearbeitungsprozess-Charakteristik-Datenbank 210 zu den jeweiligen Bearbeitungsprozesstypen hinterlegt. Es wäre allerdings auch möglich, hierfür auf die Werkzeugrealform zuzugreifen, was am Ergebnis betreffend den größtmöglichen Freiheitsgrad der Werkzeugrückführbahnen 88a und 88b nichts ändern würde, weil auch die Werkzeugrealformen der Werkzeuge 62 bzw. 63 den Freiraum 20a bzw. 20a, 20b vollständig ausfüllen würden.
  • Die 4f zeigt die Herstellung der Gewindebohrung 75 mit dem Gewindebohrer 66 ausgehend von der Bearbeitungsstartposition 24c. Auch hier erfolgt eine ungewollte Unterbrechung des Bearbeitungsablaufs in der Position 26c beim Erreichen der vorgesehenen Gewindetiefe L1. Das Bearbeitungsprozessanalysemodul 200 identifiziert die Bearbeitung als einen ZC-Prozess. Im Gegensatz zu den zuvor durchgeführten Bearbeitungsprozessen ist einem ZC-Prozess zur Modellierung eines Freiraums 20 die Verwendung der Werkzeugrealform (M1) zugeordnet. Die Zuordnung erfolgt mittels der Freiraummodellierungsmodus-Zuordnungseinheit 240. Der mit der Freiraum-Modellierungseinheit 330 modellierte Freiraum 20c ist in 4g in horizontal-vertikaler Schraffur eingezeichnet und im Detail „W” vergrößert dargestellt. Ebenso ist der bisher erzeugte Freiraum 20a, 20b eingezeichnet. Aus Detail „W” wird erkennbar, dass der Freiraum 20c tatsächlich nur dort modelliert wird, wo tatsächlich Material abgetragen worden ist. Der Freiraum 20c ist somit nur in den Gewinderillen der Gewindebohrung 75 entstanden. Die korrekte Modellierung des Freiraums 20c wirkt sich einerseits auf die Berechnung der Werkzeugrückführbahn aus, andererseits auf die Vermeidung von Kollisionen durch nachfolgende Werkzeuge. Der Gewindekerndurchmesser D1 des Gewindes M12 stellt somit weiterhin eine Kollisionskontur dar. Hingegen läge die Kollisionskontur bei Verwendung der Werkzeughüllkontur zur Modellierung des Freiraums 20c fälschlicherweise beim Außendurchmesser M12. Nachdem Lage und Größe des Freiraums 20a, 20b, 20c exakt modelliert worden ist, erfolgt die Berechnung der Werkzeugrückführbahn 88c. Bei der Ermittlung des Freiheitsgrads der Werkzeugrückführbahn durch die Werkzeugrückführbahnberechnungseinheit 500 ordnet die Freiheitsgrad-Analyseeinheit 510 dem Bearbeitungsprozess die Werkzeugrealform zu. Die Zuordnung ist in der Bearbeitungsprozess-Charakteristik-Datenbank 210 hinterlegt. Als Ergebnis ergibt sich auch hier eine eindimensionale Werkzeugrückführbahn 88b, allerdings muss der Bewegung in Z-Richtung eine Drehbewegung überlagert werden, die so gesteuert werden muss, dass die Werkzeugrealkontur fortwährend innerhalb der Grenzen des Freiraums 20c verbleibt. Der Gewindebohrer 66 wird somit von der Unterbrechungsposition 26c längs der Werkzeugrückführbahn 88c bis zur Neutralposition 28c innerhalb des Freiraums 20a, 20b, 20c zurückgeführt. Die Neutralposition 28c liegt in diesem Beispiel wieder weit außerhalb des Werkstücks 60.
  • Die Bearbeitungsstartposition 24c kommt als Neutralposition nicht in Frage, weil sie innerhalb des Werkstücks liegt.
  • Die 4h zeigt die Fertigung der kreisförmigen Ringnut 77 mit einem Scheibenfräser 67 durch Zirkularfräsen. Ausgehend von der vorgesehenen Solltiefe und einer zentrischen Bearbeitungsstartposition 24d taucht der Fräser bis zum Erreichen des Durchmessers D4a in das Werkstück 60 ein. Daran anschließend erfolgt das Zirkularfräsen. In der gezeigten Unterbrechungsposition 26d hat der Fräser gerade die Kreisbahn vollständig durchlaufen und den Durchmesser D4a somit vollständig erzeugt. Es ist erkennbar, dass der Fräser 67 in der gezeigten Eingriffsituation in Z-Richtung nicht zurückgezogen werden kann. Mit Hilfe des Bearbeitungsprozessanalysemoduls 200 wird der vorliegende Bearbeitungsprozess anhand von ISO-Codes oder aufgrund der Vorschubbewegung innerhalb der XY-Ebene als Fräsprozess identifiziert, weshalb diesem Bearbeitungsprozess zur Modellierung des Freiraums die hierfür vorgesehene Werkzeughüllform zugeordnet wird (Übersicht siehe Tabelle 1). In der Schnittdarstellung in 4h ist der beim Zirkularfräsen entstandene Freiraum 20d dargestellt. Nachdem Lage und Größe des Freiraums 20a, 20b, 20d exakt modelliert worden ist, erfolgt die Berechnung der Werkzeugrückführbahn 88d. Bei der Ermittlung des Freiheitsgrads der Werkzeugrückführbahn durch die Werkzeugrückführbahnberechnungseinheit 500 ordnet die Freiheitsgrad-Analyseeinheit 510 dem Bearbeitungsprozess die in der BearbeitungsprozessCharakteristik-Datenbank 210 hinterlegte Werkzeugrealform zu. Als Ergebnis ergibt sich hier eine zweidimensionale Werkzeugrückführbahn 88d, weil das Werkzeug innerhalb der X-Y-Ebene von der Unterbrechungsposition 26d zurückgeführt werden kann. Im vorliegenden Fall können bei der Werkzeugrückführung naturgemäß nur die Umfangsschneiden des Fräsers 67 sofort von der Nutmantelfläche 77a entfernt werden. Die oberen und unteren Stirnschneiden des Fräsers 67 berühren die beiden Nutplanflächen 77b noch längs eines Teilstückes der Werkzeugrückführbahn. Obwohl der Fräser 67 innerhalb des Freiraums 20d mit dem Freiheitsgrad 2D bewegt werden kann, erfolgt der Werkzeugrückzug des Fräsers 67 von der Unterbrechungsposition vorzugsweise zunächst auf dem kürzesten Weg bis zur Werkstückachse 61 zu der Zwischenposition 27d. Von hier wird der Fräser 67 innerhalb des Freiraums 20a, 20b in die Neutralposition 28d bewegt, wobei auch hier eine geradlinige Bewegung längs der Werkstückachse 61 bevorzugt wird.
  • 4k zeigt das einschneidige Feinbohren der Bohrung 78 mit Durchmesser D5 durch die Bohrstange 70. In 4l ist der neu entstandene Freiraum 20e dargestellt. Ausgehend von der Bearbeitungsstartposition 24e erfolgt der Bearbeitungsvorschub in Z-Richtung zentrisch zur Werkstückachse 61. Die Bearbeitung wird in der Unterbrechungsposition 26e ungeplant bei vollem Schneideneingriff unterbrochen. Das Bearbeitungsprozessanalysemodul 200 identifiziert die Bearbeitung als einen Z-Prozess, dem zur Modellierung eines Freiraums 20 die Verwendung der Werkzeughüllform (M2) zugeordnet ist. Die Zuordnung erfolgt mittels der Freiraummodellierungsmodus-Zuordnungseinheit 240. Der mit der Freiraum-Modellierungseinheit 330 modellierte Freiraum 20e ist in 4l in horizontalvertikaler Schraffur dargestellt. Ebenso ist der bisher erzeugte Freiraum 20a, 20b, 20d eingezeichnet. Der Freiraum 20c ist für diesen Prozess nicht von Bedeutung und wird deshalb nicht dargestellt. Nachdem Lage und Größe des Freiraums 20a, 20b, 20c, 20e exakt modelliert worden ist, erfolgt die Berechnung der Werkzeugrückführbahn 88e. Bei der Ermittlung des Freiheitsgrads der Werkzeugrückführbahn durch die Werkzeugrückführbahnberechnungseinheit 500 ordnet die Freiheitsgrad-Analyseeinheit 510 dem Bearbeitungsprozesstyp die Werkzeugrealform zu. Die Zuordnung ist in der Bearbeitungsprozess Charakteristik-Datenbank 210 hinterlegt. Als Ergebnis ergibt sich hier die Möglichkeit für eine dreidimensionale Werkzeugrückführbahn 88e, wobei bei der einschneidigen Bohrstange 70 die radiale Winkelposition der Schneide 72 in der Unterbrechungsposition 26e berücksichtigt werden muss. Die Freiheitsgrad-Analyseeinheit 510 hat nämlich erkannt, dass die Werkzeugrealform des Werkzeugs 70 den Freiraum 20a, 20b, 20d, 20e nicht vollständig ausfüllt. Somit erfolgt eine Schneidenabhebung, die dadurch erreicht wird, dass das Werkzeug 60 längs der Werkzeugrückführbahn 88e zunächst von der Unterbrechungsposition 26e in X-Z-Richtung nach schräg oben bis zur exzentrischen Zwischenposition 27e zurückgeführt wird. In der Zwischenposition 27e weist die Werkzeugmittelachse 71 des Werkzeugs 70 zur Werkstückmittelachse 61 eine Exzentrizität e auf, die so gewählt ist, dass die Werkzeugform allseitig einen ausreichenden Abstand zur Werkstückform aufweist. Von der Zwischenposition 27e erfolgt die weitere Rückführung bis zur Neutralposition 28e unter Beibehaltung der Exzentrizität e. Durch die gewählte Werkzeugrückführbahn wird die Schneide 72 sofort vollständig von der Werkstückoberfläche entfernt. Hierdurch wird die Bildung von Rückzugsriefen an der Werkstückoberfläche vermieden.
  • Wenn bei diesem Bearbeitungsprozess die Werkzeugrealform des Werkzeugs 60 nicht bekannt ist, erfolgt zur Berechnung der Werkzeugrückführbahn ersatzweise die Verwendung der Werkzeughüllform (vgl. Tabelle 1). Dann ist eine Schneidenabhebung bei der Werkzeugrückführung nicht möglich, weil die Werkzeughüllform den Freiraum 20a, 20b, 20d, 20e komplett ausfüllt. Bei dieser Variante müsste das Werkzeug 60 eindimensional von der Unterbrechungsposition 26e zu einer zentrischen Neutralposition 28e' (nicht dargestellt) zurückgeführt werden.
  • Die am Beispiel des Werkstücks 60 gezeigten Bearbeitungsprozesse ermöglichen eine Werkzeugrückführung von einer Unterbrechungsposition zu einer Neutralposition, der alleine auf der Modellierung von werkzeugbasiertem Freiraum beruht. Die Werkzeuge können damit sicher aus unmittelbaren Eingriffssituationen zurückgezogen werden. Am nachfolgenden Werkstück 90 wird wiederum dargelegt, wie leistungsfähig das erfindungsgemäße Verfahren zum Werkzeugrückzug bei alleiniger Anwendung von werkzeugbasiertem Freiraum ist. Darüber hinaus zeigt das nachfolgende Beispiel anhand verschiedener Bearbeitungen an einem Werkstück 90 anschaulich auf, wie wichtig die korrekte Zuordnung des Freiraummodellierungsmodus zu einem bestimmten Bearbeitungsprozess ist.
  • Vorteilhaft ist es, zumindest bei geschlossenen Formen wie etwa bei Bohrungen, eine Werkzeugrückführbahn zu wählen, die einen gleichmäßigen Abstand des Werkzeugs zu der umgebenden Form einhält. Einflüsse wie Maßfehler bei der Bearbeitung, Maßfehler bei der Rückführbahn (Regelgüte) werden somit umgangen.
  • 5a zeigt in einer Draufsicht und in zwei Schnittdarstellungen ein Werkstück 90. Koaxial zu dessen Achse 91 erstreckt sich eine taschenartige Ausnehmung 92, die durch eine zylinderförmige Umfangsfläche 92a und eine untere Planfläche 92b gebildet wird und einen Durchmesser D10 und eine Tiefe L10 aufweist. Auf der unteren Planfläche 92b und symmetrisch zur Achse 91 ist eine ellipsenförmige Erhöhung 93 mit einer Umfangsfläche 93a angeordnet, die einen großen Durchmesser D11a, einen kleinen Durchmesser D11b und eine die Fläche 93b begrenzende Höhe L11 aufweist. In der Umfangsfläche 92a befindet sich eine zur Achse 91 koaxiale kreisförmige Ringnut 94. Diese besteht aus einer Nutmantelfläche 94a sowie oberen und unteren, die Nutenbreite L12 definierenden Nutplanflächen 94b, 94c. Die Ringnut 94 ist von der Planfläche 92b um das Maß L13 beabstandet und weist einen Durchmesser D12 auf.
  • Gemäß 5b wird in einem ersten Bearbeitungsschritt die Ausnehmung 92 mit einem um die Achse 96 rotierenden Fräser 95 hergestellt. Hierzu kann der Fräser 95 beispielsweise von einer Startposition 24f bis auf die Solltiefe L11 der Erhöhung 93 eintauchen und dann den gesamten Werkstoff bis zum Durchmesser D10 zerspanen. Anschließend erfolgt das Eintauchen bis zur Solltiefe L10 und die Zerspanung des noch verbliebenen Werkstoffs der Ausnehmung 92. Der Fräser 95 ist dazu an seinem Schaft 97 in eine nicht dargestellte Werkzeugaufnahme einer rotierend antreibbaren Spindel eingespannt und zerspant den Werkstoff mit seinem Schneidenteil 98. Dabei entsteht der in den 5c und 5d in geschnittener Seiten- bzw. Draufsicht gezeigte werkzeugbasierte Freiraum 20f. Die Schnittebene der Draufsicht in 5d verläuft knapp unterhalb der Fläche 93. Für die Modellierung des Freiraums 20f kommt die Werkzeughüllkontur des Fräsers 95 zur Anwendung. Die 5b zeigt den Fräser 95 nach einer ungeplanten Programmunterbrechung in der Unterbrechungsposition 26f, aus welcher er längs der Werkzeugrückführbahn 88f mehrdimensional zu einer Neutralposition 28f bewegt wird. Zur Berechnung der Werkzeugrückführbahn 88f innerhalb des Freiraums 20f ist es ausreichend, die Werkzeughüllform heranzuziehen (vgl. Tabelle 1). Es ist ersichtlich, dass das Werkzeug aus der Unterbrechungsposition 26f dreidimensional von der Werkstückoberfläche zurückgeführt werden kann. Erfolgte die Unterbrechung beispielsweise während des Eintauchens des Fräsers 95 auf die Tiefe L10, müsste der Fräser 95 zunächst eindimensional von der Unterbrechungsposition zu einer Neutralposition bewegt werden. Aufgrund der korrekten Modellierung des Freiraums würde eine entsprechende Werkzeugrückführbahn berechnet werden.
  • Als nächster Prozessschritt folgt die Bearbeitung der Ringnut 94 mit der Einstechbohrstange 100 durch den Bearbeitungsprozess Tangentialdrehen gemäß den 5e und 5f. Die zugehörige Darstellung des Freiraums erfolgt in den 5g und 5h. Die Nut 94 wird mit dem Verfahren Tangentialdrehen hergestellt. Bei diesem Verfahren können mit einem einschneidigen Werkzeug, wie zum Beispiel einer Bohrstange, prinzipiell beliebige Werkstückformen erzeugt werden, indem die Spindelachse C der zu erzeugenden Werkstückkontur folgt und gleichzeitig die Werkzeugschneide durch entsprechende Drehwinkelpositionierung der Spindelachse C einen konstanten Winkel zu der Werkstückkontur einnimmt. Zur Erzeugung einer kreisrunden Bohrung mit einer Bohrstange, deren Nennradius geringer als der Bohrungsradius ist, wird die Spindelachse C kreisförmig um die Werkstückachse 91 bewegt (Kreisinterpolation in X-Y-Ebene) und die Spindelachse C gleichzeitig so drehpositioniert, dass die Schneidplatte zu der zu bearbeitenden Mantelfläche stets eine konstante Winkelposition und somit einen konstanten Spanwinkel einnimmt. Während die Spindelachse also auf einer Kreisbahn bewegt wird, führt die Spindelachse C eine Rotation um genau 360° aus. Die Bohrung wird erzeugt, wenn diesen Bewegungen eine Vorschubbewegung in Z-Richtung hinzugefügt wird. Zur Erzeugung der Ringnut 94 erfolgt während der Bearbeitung kein Vorschub in Z-Richtung. Vielmehr muss die Schneide in radialer Richtung „ausgesteuert” werden. Hierzu wird der Radius der Kreisbewegung ständig vergrößert, wodurch die Spindelachse auf einer spiralförmigen Bahn bewegt wird.
  • Die hierfür vorgesehene Bohrstange 100 (5e, 5f, 5n) weist einen Spannschaft 102 mit einem Durchmesser Ds bzw. einem Radius Rs auf. Der Spannschaft 102 erstreckt sich längs der Mittelachse 101 und dient zur Aufnahme in ein Spannfutter einer Bearbeitungsspindel (nicht dargestellt). Die Mittelachse 101 liegt somit auf der Spindelachse C der Bearbeitungsspindel. Die Bohrstange 100 weist eine einzige Schneidplatte 103 auf, deren äußere Schneidkante im Abstand Rc von der Mittelachse 101 angeordnet ist. Die Breite der Schneidplatte 103 entspricht der Nutbreite L12. Die Ringnut 94 wird mittels des Verfahrens „Tangentialdrehen” wie folgt hergestellt: zunächst wird die Bohrstange 100 oberhalb des Werkstücks 90 in die XY-Position 104 bewegt. In dieser Position 104 weist die Achse 101 der Bohrstange 100 einen Abstand Rmin von der Werkstückachse 91 auf. Die Schneidkante 108 der Schneidplatte 103 wird von der Achse 91 aus gesehen durch die Einstellung des entsprechenden Drehwinkels der Spindelachse C radial nach außen ausgerichtet, also in Richtung auf die zu bearbeitende Mantelfläche 94a der Ringnut 94. Dann wird die Bohrstange 97 in Z-Richtung nach unten in die Startposition 24g bewegt. Zu Beginn der Bearbeitung der Mantelfläche 94a wird die Spindelachse C ausgehend von dem Ausgangsradius Rmin auf einer vorzugsweise archimedischen Spiralbahn 107 um die Werkstückachse 91 bewegt (unter stetiger Nachführung der Schneidkantendrehposition), und zwar bis zum Erreichen des Radialabstands Rmax. In 5f ist die Bohrstange 100 in insgesamt 8 Stellungen während der ersten Umdrehung gezeigt. Es ist zu erkennen, dass sich durch die Bewegung der Bohrstange 100 längs der Spiralbahn 107 der Radialabstand R fortwährend vergrößert, so dass die Schneidkante 108 ungefähr in der Position 109 in die Werkstückoberfläche 92a eindringt. Beim Erreichen von Maß Rmax muss die Spindel dann noch mindestens eine volle Umdrehung auf diesem Durchmesser rotieren, damit die gesamte Mantelfläche 94a die geforderte Kreisform mit dem Maß D12 aufweist. Die Bewegungskinematik dieses Bearbeitungsprozesses entspricht im Grunde einer Ausdrehoperation eines mit einer Bohrstange 100 versehenen Plandrehkopfs.
  • Für die Modellierung des Freiraums ist bei dem hier verwendeten Bearbeitungsprozess „Tangentialdrehen” die Werkzeugrealform zur verwenden. Die 5g und 5h zeigen den in der Ringnut entstandenen zusätzlichen Freiraum 20g. Der Freiraum 20g erstreckt sich in radialer Richtung in der gewählten Schnittebene vom Radius R10 bis zum Radius R12 (entsprechend den Werkstückmaßen D10 und D12). Der Radius R12 wird erzeugt durch den Abstand Rmax und dem Schnittradius Rc der Bohrstange 100: – R12 = Rmax + Rc.
  • Das vom Bohrstangenschaft 102 durchdrungene Volumen weist einen geringsten Abstand R11 zur Werkstückachse 91 auf. Dieser ergibt sich aus dem Abstand Rmin (Startposition 24g) abzüglich dem Halbmesser Rs des Schafts 102: – R11 = Rmin – Rs.
  • Der Radius R11 liegt vollständig innerhalb des Freiraums 20f. Somit wird die ellipsenförmige Erhöhung 93 an keiner Stelle von der Bohrstange berührt. Die Bohrstange kann somit aus jeder Unterbrechungsposition kollisionsfrei in den Freiraum 99 bewegt werden. Im Falle einer Programmunterbrechung in der Unterbrechungsposition 26g, also beim Erreichen des vorgesehenen Durchmessers D12, wird das das Werkzeug 100 zunächst zweidimensional in der X-Y-Ebene längs der Werkzeugrückführbahn 88g in die Zwischenposition 27g im Freiraum 20f bewegt. Vorzugsweise erfolgt diese Bewegung auf dem direkten Weg in Richtung der Mittelachse 91. Von der Zwischenposition wird die Bohrstange 100 anschließend zu der Neutralposition 28g bewegt. Für die Berechnung der Werkzeugrückführbahn 88g wird die Werkzeugrealkontur herangezogen (vgl. Tabelle 1 und 5n). Von der Neutralposition 28g kann das Werkzeug 100 zu einer Werkzeugwechselposition zurückgeführt werden. Für diese Rückführbewegung ist es möglich und vorteilhaft, alleine auf werkstückbasierten Freiraum 21 zurückzugreifen. Dies ist möglich, weil das Werkzeug 100 in der Neutralposition 28g bereits außer Eingriff und zudem weit genug vom Werkstück entfernt ist. Diese Vorgehensweise hat zudem den Vorteil, dass die Werkzeugrückführbahn zur der Werkzeugwechselposition TP kurz ist. Außerdem können an die Genauigkeit der Freiraummodellierung für diese Werkzeugrückführbahn geringere Anforderungen gestellt werden, weil das Werkzeug außer Eingriff ist.
  • Wenn die Modellierung des Freiraums hingegen mit der Werkzeughüllform 100a der Bohrstange 100 erfolgt, werden Volumenbereiche fälschlicherweise als Freiraum modelliert, die in Wirklichkeit Teil der Werkstückform sind. Die Werkzeughüllform 100a zeigt die 5o. Der mit der Werkzeughüllform 100a fehlerhaft modellierte Freiraum weist ein solch großes Volumen auf, welches hinsichtlich der Berechnung einer kollisionsfreien Werkzeugrückführbahn nicht mehr toleriert werden kann. Eine auf dieser Basis berechnete Werkzeugrückführbahn kann bei einer Kollision schwere Schäden an Werkzeug und/oder Werkstück sowie an Maschinenkomponenten verursachen. Den fehlerhaft modellierten Freiraum zeigen die 5j, 5k, 5l, 5m und das Detail „X” . Die 5j und 5k zeigen die Werkzeughüllform 100a, die im Bereich der Schneidkante einen Schnittdurchmesser Dc (= 2 × Rc) aufweist.
  • Das von der Werkzeughüllform 100a durchdrungene Volumen weist nun einen geringsten Abstand R16 zur Werkstückachse 91 auf. Dieser ergibt sich aus dem Abstand Rmin (Startposition 24g) abzüglich dem halben Schnittdurchmesser Dc (= Schnittradius Rc): – R16 = Rmin – Dc/2 oder – R16 = Rmin – Rc,
  • Wie der 5k zu entnehmen ist, liegt der Radius R16 bereits innerhalb der Werkstückform, nämlich teilweise innerhalb der Erhöhung 93. Gemäß Freiraummodellierung mit der Werkzeughüllform 100a wäre an der Erhöhung 93 eine Zerspanung erfolgt, was in Wirklichkeit jedoch nicht geschehen ist. Der falsch modellierte Freiraum 111a, 111b, dargestellt in horizontal-vertikalem Karomuster, erstreckt sich von den beiden langgestreckten Enden D11a der ellipsenförmigen Erhöhung 93 jeweils zur Achse 91 hin. Die den vermeintlichen Freiraum 111a, 111b zur Achse 91 hin begrenzenden Konturen 112a, 112b weisen aufgrund der Bewegung der Bohrstange 100 längs der Spiralbahn 107 einen etwas größeren Wert auf als der Anfangsradius R16.
  • Im Falle einer Programmunterbrechung während der Bearbeitung der Nut 94 kann das Werkzeug 100 zwar zunächst wiederum zweidimensional in der X-Y-Ebene in den Freiraum 99 bewegt werden. Es besteht aber die Gefahr, dass die Werkzeugrückführbahnberechnungseinheit 500 eine Werkzeugrückführbahn 88 berechnet, welche die Bohrstange 100 in den vermeintlichen Freiraum 111a, 111b bewegt, was zu einer unvermeidbaren Kollision führt. Auch nachfolgend verwendete Werkzeuge können bei einer Werkzeugrückführung in den vermeintlichen Freiraum 111a, 111b bewegt werden.
  • Das Beispiel zeigt anschaulich auf, dass einem bestimmten Bearbeitungsprozesstyp der korrekte Freiraummodellierungsmodus zugeordnet werden muss. Dem Verfahren Tangentialdrehen wird zur Modellierung des Freiraums die Verwendung der Werkzeugrealform zugeordnet. Die Identifikation des Tangentialdrehprozesses mittels des Bearbeitungsprozessanalysemoduls 200 erfolgt durch Auslesen eines diesem Verfahren zugeteilten Steuerungscodes oder aber durch die Auswertung der Achsbewegungen. Charakteristisches Merkmal hierbei ist die kinematische Kopplung zwischen der Spindelbewegung in zumindest der X-Y-Ebene und der Spindelachse C.
  • Anhand der 6 und 7 werden zwei verschiedene Fräsprozesse dargestellt, die jeweils an zwei verschiedenen Werkstücken 120, 140 zur Anwendungen kommen. Die programmierten Fräsbahnen sind in Bezug auf die Bewegung in der X-Y-Ebene bei beiden Werkstücken 120, 140 im Wesentlichen identisch. An den Bearbeitungsbeispielen wird aufgezeigt, wie mit Hilfe des werkstückbasierten Freiraums Werkzeuge bei bestimmten Bearbeitungssituationen von einer Unterbrechungsposition längs vorteilhafter Werkzeugrückführbahnen zu Neutralpositionen bewegt werden können.
  • Die 6a und 6b zeigen das Werkstück 120 in Seitenansicht und Draufsicht. Es weist eine prismatische Grundform auf und ist zu der mittig verlaufenden Ebene 121 spiegelsymmetrisch aufgebaut. Die obere Fläche 130 wird durch eine mittig angeordnete T-Nut 122 unterbrochen. Die T-Nut wird gebildet durch untere rechte und linke Nutflächen 123a, 123b, durch obere rechte und linke Nutflächen 124a, 124b sowie durch rechte und linke seitliche Nutflächen 125a, 125b, 126a, 126b.
  • Die 7a und 7b zeigen ebenfalls in Seitenansicht und Draufsicht das Werkstück 140, das dem Werkstück 120 sehr ähnlich ist. Die Form des Werkstücks 140 entspricht einem an der Ebene 121 mittig abgeschnittenen Werkstück 120. Von der oberen Fläche 150 des Werkstücks 140 erstreckt sich eine hälftige T-Nut 142. Diese wird gebildet durch eine untere Nutfläche 143a, eine obere Nutfläche 144a sowie seitlichen Nutflächen 145a und 146a. Durch die linke Außenfläche 151 verläuft die Ebene 141. Bei den beiden Werkstücken 120 und 140 verlaufen bei allen nachfolgend gezeigten Fräsprozessen die Mittelachsen der Fräswerkzeuge in der Ebene 121 bzw. 141.
  • Die 6c und 6e zeigen die Herstellung der Nutflächen 123a, 123b, 126a und 126b des Werkstücks 120 durch einen Fräser 160. Der Fräser 160 rotiert um die Achse 161 und weist ein Schneidenteil 162 und einen Schaft 163 auf. Das Schneidenteil 162 besteht aus den Umfangsschneiden 164 und den Stirnschneiden 165. Der Fräser 160 wird zu Beginn der Bearbeitung mit seiner Achse 161 in der Startposition 24h in der Ebene 121 positioniert, von wo er längs seiner programmierten Bahn mit definierter Vorschubgeschwindigkeit in die Bearbeitungsendposition 130 bewegt werden soll. Die 6c (im Schnitt) und 6e zeigen den Fräser 160 in der unvorhergesehenen Unterbrechungsposition 26h. Mittels Bearbeitungsprozessanalysemodul 200 wird der Bearbeitungsprozess als der Bearbeitungsprozesstyp Fräsen identifiziert. Diesem Prozess ist zur Freiraummodellierung die Werkzeughüllform zugeordnet. In den 6d und 6f wird der bis zur Unterbrechungsposition 26h erzeugte werkzeugbasierte Freiraum 20h und die Konturen des Werkstücks 120 und des Fräsers 160 dargestellt. Die Rückführung des Werkzeugs 160 von der Unterbrechungsposition 26h zu der Neutralposition 28h kann nur innerhalb des Freiraums 20h erfolgen. Somit erfolgt die Werkzeugrückführung längs einer eindimensionalen Werkzeugrückführbahn 88h zu einer Neutralposition 28h, die vorzugsweise identisch ist mit der Startposition 24h. Die prinzipielle Möglichkeit, den Fräser 160 in Z-Richtung zurückzuziehen, ist nicht ausführbar, weil der dazu erforderliche werkstückbasierte Freiraum nicht bekannt ist. Die 6g und 6i zeigen die gleiche Bearbeitung wie zuvor in den 6c und 6e. Neu an diesem Beispiel ist die Berücksichtigung von werkstückbasiertem Freiraum 21a, welcher in Form von kleinen Dreiecken dargestellt wird (6h und 6j). Der Freiraum 21a erstreckt sich in den Richtungen X, Y und Z und ragt über das Werkstück 120 und den Freiraum 20h hinaus. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der werkstückbasierte Freiraum 21a innerhalb des gesamtem Arbeitsraums einer Werkzeugmaschine bekannt ist. Der Fräser 160 kann innerhalb des Freiraums 21a von der Unterbrechungsposition 26h längs einer Werkzeugrückführbahn 88j in Z-Richtung zu einer Neutralposition 28j zurückgeführt werden. Die Neutralposition 28j ist vorteilhaft dann erreicht, wenn der Fräser 160 vollständig aus der Kontur des Werkstücks 120 herausgeführt worden ist. Durch den Werkzeugrückzug in Z-Richtung wird erreicht, dass die Stirnschneiden 165 sofort von den Nutflächen 123a, 123b abgehoben werden. Zudem wird vermieden, dass die Umfangsschneiden 164 des Fräsers 160 nochmals mit den bereits bearbeiteten Nutflächen 126a, 126b in Kontakt kommen. Dies ist besonders vorteilhaft, weil dadurch Beschädigungen an den Werkstückoberflächen vermieden werden und das Werkstück nach der Fortsetzung der Bearbeitung noch verwendbar ist.
  • Nachdem die Bearbeitung mit dem Fräser 160 nach der Unterbrechung fortgesetzt und vollständig durchgeführt worden ist, folgt als nächster Bearbeitungsprozess das Fräsen der T-Nut (6k und 6m). Dabei werden die vorbearbeiteten Nutflächen 123a, 123b vervollständigt und die Nutflächen 124a, 124b, 125a und 125b durch einen Fräser 170 hergestellt. Der Fräser 170 rotiert um die Achse 171 und weist ein Schneidenteil 172 und einen Schaft 173 auf. Das Schneidenteil 172 besteht aus den Umfangsschneiden 174 und aus den unteren und oberen Stirnschneiden 175, 176. Der Fräser 170 wird zu Beginn der Bearbeitung in der Startposition 24i mit seiner Achse 171 in der Ebene 141 positioniert, von wo er längs seiner programmierten Bahn mit definierter Vorschubgeschwindigkeit in die Bearbeitungsendposition 150 bewegt werden soll. Die 6k (im Schnitt) und 6m zeigen den Fräser 170 in der Unterbrechungsposition 26i mit der bis hierher bearbeiteten T-Nut. Mittels Bearbeitungsprozessanalysemodul 200 wird der Bearbeitungsprozess als der Bearbeitungsprozesstyp Fräsen identifiziert. Diesem Prozess ist zur Freiraummodellierung wiederum die Werkzeughüllform zugeordnet. In den 6l und 6n wird der bis zur Unterbrechungsposition 26i erzeugte werkzeugbasierte Freiraum 20h, 20i und die Konturen des Werkstücks und des Fräsers dargestellt. Die Rückführung des Werkzeugs 170 von der Unterbrechungsposition 26i zu der Neutralposition 28i kann wiederum nur innerhalb des Freiraums 20h, 20i erfolgen und somit eindimensional. Somit erfolgt die Werkzeugrückführung längs einer eindimensionalen Werkzeugrückführbahn 88i zu einer Neutralposition 28i, die vorzugsweise identisch ist mit der Startposition 24i. Im Gegensatz zu der Bearbeitung mit dem Fräswerkzeug 160 besteht beim Fräser 170 bedingt durch die Werkstückform keine Möglichkeit, den Fräser 160 in Z-Richtung zurückzuziehen. Dass dies selbst bei Berücksichtigung von werkstückbasiertem Freiraum nicht möglich ist, zeigen die 6o bis 6r anschaulich auf. Diese Fig. zeigen wiederum die gleiche Bearbeitung wie zuvor in den 6k und 6m. In den 6p und 6r ist der werkstückbasierte Freiraum 21b eingezeichnet und es ist zu erkennen, dass sich in Z-Richtung zwischen dem Freiraum 21b und dem Freiraum 20i Werkstoff des Werkstücks 120 befindet und dort somit kein Freiraum ist. Somit erfolgt auch hier die Werkzeugrückführung längs einer eindimensionalen Werkzeugrückführbahn 88i zu einer Neutralposition 28i. Bei einem Werkzeugrückzug in Z-Richtung ergäbe sich eine Kollision zwischen den oberen Stirnschneidkanten 176 und den Werkstückflächen 124a, 124b.
  • Die 7c und 7e zeigen die Herstellung der Nutflächen 143a und 146a des Werkstücks 140 durch den Fräser 160. Der Bearbeitungsablauf entspricht demjenigen beim Werkstück 120, weshalb hierzu auf die Beschreibung der 6 verwiesen wird. Die 7c (im Schnitt) und 7e zeigen den Fräser 160 in der Unterbrechungsposition 26h, bis zu der die Nutflächen bearbeitet sind. In den 7d und 7f wird der bis zur Unterbrechungsposition 26h erzeugte werkzeugbasierte Freiraum 20h und die Konturen des Werkstücks 140 und des Fräsers 160 dargestellt. Die Rückführung des Werkzeugs 160 von der Unterbrechungsposition 26h zu einer Neutralposition kann wiederum nur innerhalb des Freiraums 20h erfolgen. Somit erfolgt die Werkzeugrückführung längs einer eindimensionalen Werkzeugrückführbahn 88h zu einer Neutralposition 28h, die vorzugsweise identisch ist mit der Startposition 24h. Die prinzipielle Möglichkeit, den Fräser 160 in Z-Richtung zurückzuziehen, oder ihn in X-Z-Richtung oder sogar in X-Y-Z-Richtung von der Werkstückoberfläche abzuheben, ist nicht ausführbar, weil der dazu erforderliche werkstückbasierte Freiraum nicht bekannt ist.
  • Die 7g und 7i zeigen die gleiche Bearbeitung wie zuvor in den 7c und 7e. Hier wird nun der werkstückbasierte Freiraum 21a berücksichtigt (7h und 7j). Der Fräser 160 kann nun wie zuvor innerhalb des Freiraums 21a von der Unterbrechungsposition 26h längs einer Werkzeugrückführbahn 88j in Z-Richtung zu einer Neutralposition 28j zurückgeführt werden. Die Werkstückform erlaubt es darüber hinaus, eine Werkzeugrückführbahn zu bestimmen, bei der der Fräser 160 sofort vollständig von den Nutflächen 143a und 146a entfernt wird. Der Freiheitsgrad der Werkzeugrückführbahn ist somit dreidimensional. Hierzu verläuft die Werkzeugrückführbahn 88k in X-Z-Richtung bis zur Neutralposition 28k oder sogar längs der Werkzeugrückführbahn 88l bis zur Neutralposition 28l in X-Y-Z-Richtung. Durch den Werkzeugrückzug in X-Z- bzw. X-Y-Z-Richtung wird vermieden, dass die Schneiden des Fräsers 160 nochmals mit den bereits bearbeiteten Nutflächen in Kontakt kommen. Dies ist besonders vorteilhaft, weil dadurch Beschädigungen an der Werkstückoberfläche vermieden werden und das Werkstück nach der Fortsetzung der Bearbeitung noch verwendbar ist. Von der Neutralposition 28k, 28l kann der Fräser 160 wiederum bevorzugt im werkstückbasierten Freiraum 21 zu einer Werkzeugwechselposition bewegt werden.
  • Nachdem die Bearbeitung mit dem Fräser 160 fortgesetzt und vollständig durchgeführt worden ist, folgt als nächster Bearbeitungsprozess wiederum das Fräsen der T-Nut (7k und 7m). Dabei werden die vorbearbeiteten Nutflächen 143a vervollständigt und die Nutflächen 124a und 125a durch den Fräser 170 hergestellt. Der Bearbeitungslauf entspricht demjenigen beim Werkstück 120, weshalb hierzu auf die Beschreibung der 6 verwiesen wird. Die 7k (im Schnitt) und 7m zeigen den Fräser 170 in der Unterbrechungsposition 26i, bis zu der die T-Nut 142 fertigbearbeitet ist. In den 7l und 7n wird der bis zur Unterbrechungsposition 26i erzeugte werkzeugbasierte Freiraum 20h, 20i und die Konturen des Werkstücks und des Fräsers dargestellt. Die Rückführung des Werkzeugs 170 von der Unterbrechungsposition 26i zu der Neutralposition 28i kann wiederum nur innerhalb des Freiraums 20h, 20i erfolgen und somit eindimensional. Somit erfolgt die Werkzeugrückführung längs einer eindimensionalen Werkzeugrückführbahn 88i zu einer Neutralposition 28i.
  • Alternative Werkzeugrückführbahnen werden bei Berücksichtigung von werkstückbasiertem Freiraum möglich, wie die 7o und 7q anschaulich aufzeigen. Diese Fig. zeigen wiederum die gleiche Bearbeitung wie zuvor in den 7k und 7m. In den 7p und 7r ist der werkstückbasierte Freiraum 21b eingezeichnet und es ist zu erkennen, dass sich der Fräser 170 in X-Richtung aus der Unterbrechungsposition 26i längs der Werkzeugrückführbahn 88m bis zur Neutralposition 28m zurückführen lässt. Die Umfangsschneiden 174 werden dabei sofort von der Werkstückfläche 145a entfernt. Eine weiter verbesserte Werkzeugrückführung ist erzielbar, wenn der Fräser 170 beim Erreichen der Zwischenposition 27n, also nach dem Austritt der Stirnschneiden 176 aus der Nutfläche 144a, zusätzlich in Z-Richtung nach oben bewegt wird. Die zugehörige Werkzeugrückführbahn 88n endet dann in der Neutralposition 28n. Bei dieser Variante werden auch die Stirnschneiden 175 in der Zwischenposition 27n von der Werkstückfläche 143a abgehoben. Durch diese optimierte Werkzeugrückführbahn wird die Oberfläche des Werkstücks 140 vor Beschädigungen geschützt. Die Bearbeitung kann nach der Klärung der Ursache für die Unterbrechung fortgesetzt werden und das Werkstück ist somit weiterverwendbar.
  • Die Beispiele aus den 6 und 7 zeigen anschaulich die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens in Bezug auf die Ermittlung optimaler Werkzeugrückführbahnen auf. Die Beispiele zeigen zudem auf, dass mit einem Werkzeugtyp „Fräser” Bearbeitungsfälle auftreten, die einen Werkzeugrückzug in Z nicht zulassen.
  • Im folgenden wird die Funktion zur Identifikation eines Bearbeitungsprozesstyps mittels des Bearbeitungsprozessanalysemoduls 200 ausführlich erläutert (2). Bei dem in NC-Programmen häufig verwendeten ISO-Code werden definierten Bearbeitungsprozessen bestimmte Programmcodierungen zugeordnet, z. B. G81 für Bohren oder G03 für Gewindebohren. Diese Programmcodierungen können demnach eindeutig einem Z-Prozess (G81) bzw. ZC-Prozess (G03) zugeordnet werden und sind in der Bearbeitungsprozess-Charakteristik-Datenbank 210 hinterlegt. Bei Vorliegen dieser Daten ist diese Auswertemethode bevorzugt zu verwenden, weil sie mit geringem Aufwand durchgeführt werden kann und sehr sichere Ergebnisse liefert.
  • Am Beispiel Vollbohren und Gewindebohren wird nachfolgend erläutert, wie die Identifikation mittels des Bearbeitungsprozessanalysemoduls 200 auch ohne die Auswertung von G-Funktionen funktioniert anhand der Daten von Achsbewegungen, Spindelleistungen und Vorschubkräften, die während des Programmablaufs mit der Datenaufzeichnungseinheit 230 aufgezeichnet worden sind. Bei einer 5-achsigen Werkzeugmaschine gemäß 1 sind dies beispielsweise die Daten von X-, Y-, Z-, A-, B- und C-Achse. Durch Aufzeichnung in kurzen Zeitintervallen und Einfügen von Zeitdaten in den jeweiligen Datensatz können auf einfache Weise die vor der Unterbrechung ausgeführten Bewegungen rekonstruiert werden. Aus den inkrementell vorliegenden Weginformationen lassen sich mit bekannten mathematischen Algorithmen Vektordaten errechnen. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Erfolgt zudem die Aufzeichnung der Spindelleistung, kann ein Z-Prozess dadurch identifiziert werden, dass während der Z-Bewegung eine durch die Bearbeitung verursachte Erhöhung der Spindelleistung erfolgt ist. Einzig bei Z-Prozessen mit geringer Schnittleistung kann es sein, dass eine Erhöhung der Spindelleistung nicht detektiert werden kann. Dies trifft insbesondere auf Bohrer mit geringen Durchmessern zu. Die Auswertung wird gerade durch die bei Werkzeugen mit kleinen Durchmessern erforderliche hohe Spindeldrehfrequenz erschwert, die eine hohe Spindelleerlaufleistung bewirkt. Die Leistungsaufnahme erhöht sich durch die Bearbeitung allenfalls noch um wenige Prozent oder um Bruchteile eines Prozentes, so dass die Bearbeitung kaum mehr detektierbar ist. Ein weiteres charakteristisches Merkmal für Z-Prozesse ist die Rückwärtsbewegung nach der Zerspanung, welche in exakt der selben Bewegungsbahn verläuft wie der Vorwärtsvorschub. In den meisten Fallen ist die Vorwärtsbewegung, bei der die Bearbeitung erfolgt, langsamer ist als die Rückwärtsbewegung (Eilgang). Falls also keine Spindelleistung detektierbar ist, kann dieses charakteristische Merkmal herangezogen werden. Es ist aber auch vorteilhaft, einen Prozess generell auf das Vorliegen dieses Merkmals zu untersuchen, weil dadurch die Analysesicherheit erhöht wird.
  • Das Bearbeitungsprozessanalysemodul 200 ist durch die aufgezeichneten Daten außerdem in der Lage, Z-Prozesse von ZC-Prozessen zu unterscheiden. Bei einem ZC-Prozess liegt eine kinematische Kopplung zwischen der Z-Achsbewegung und der Spindelrotation vor (C-Achse). Die Unterscheidung ist wichtig, weil bei ZC-Prozessen zur Modellierung des Freiraums die Werkzeugrealform verwendet werden muss. Bei bestimmten Bearbeitungen können Z- und ZC-Prozesse ähnliche Werte für. Vorschub pro Umdrehung und Drehfrequenz aufweisen, weshalb für eine Unterscheidung vorteilhaft zusätzlich die Spindelleistung herangezogen wird. Beispielsweise bedingt die Herstellung eines Gewindes mit einer Gewindesteigung von 0,8 mm (entspricht Gewindegröße M5) einen Vorschub pro Umdrehung von 0,8 mm. Solche Vorschubwerte treten durchaus auch bei Z-Prozessen auf, zum Beispiel beim Vollbohren von mittleren bis großen Durchmessern. Bei beiden Bearbeitungen kann außerdem die Spindeldrehfrequenz identisch sein, zum Beispiel 200/min. Die Auswertung der Spindelleistung ergibt, dass diese beim Vollbohren aufgrund des hohen Zeitspanvolumens sehr groß und beim Gewindebohren sehr klein ist. Durch diese Unterscheidung kann dann der jeweilige Prozess identifiziert werden. Übliche Vorschubwerte für Z-Prozesse liegen im Bereich von 0,05 bis 0,4 mm pro Umdrehung, also deutlich unterhalb der Werte von ZC-Prozessen, die kaum kleiner als 0,8 mm sind. Dann ist die Identifikation eines Z-Prozesses auch ohne Auswertung der Spindelleistung möglich, es ist allerdings vorteilhaft, sie zur Sicherheit dennoch heranzuziehen. Zur Auswertung vergleicht das Bearbeitungsprozessanalysemodul 200 die aufgezeichneten Daten mit Daten aus der Bearbeitungsprozess-Charakteristik-Datenbank 210, in welcher eine Vielzahl von Prozessparametern von Z- und ZC-Prozessen gespeichert sind. Besonders einfach können die beiden Prozesstypen unterschieden werden, wenn die Unterbrechung während des Rückwärtsvorschubs stattfindet. Beim ZC-Gewindebohrprozess muss nämlich beim Rückwärtsvorschub eine Drehrichtungsumkehr der Spindel erfolgen, wodurch dieser Prozess zweifelsfrei identifiziert werden kann.
  • Besonders vorteilhaft ist es, die Daten von einem gesamten Prozessablauf aufzuzeichnen, der korrekt ausgeführt wurde und bei dem keine Prozessunterbrechung aufgetreten ist. Nach vollständiger Aufzeichnung wird dieser Referenzzyklus komplett ausgewertet, so dass bei einer Unterbrechung eines nachfolgenden Prozessablaufes bereits auf die Auswertung zurückgegriffen werden kann. Es ist aber auch möglich, den Referenzzyklus erst bei Bedarf, also zum Beispiel bei einer Unterbrechung eines Bearbeitungsablaufes, auszuwerten. Es ist besonders vorteilhaft, trotz des vorhandenen Referenzzyklus bei allen weiteren Prozessabläufen die Daten aufzuzeichnen. Bei einer Unterbrechung kann dann zusätzlich zu der aktuellen Aufzeichnung die Referenzaufzeichnung zu Auswertungen herangezogen werden. Wegen der in den einzelnen Datensätzen aufgezeichneten Zeitinformation kann der Referenzzyklus auf einfache Weise mit der aktuellen Aufzeichnung synchronisiert werden. Die Hinzuziehung des Referenzzyklus ist zum Beispiel dann von Vorteil, wenn beim Gewindebohren (ZC-Prozess) eine Unterbrechung während des Vorwärtsvorschubs auftritt, bei dem, wie oben dargestellt, ohne weitere Auswertungen noch nicht mit absoluter Sicherheit ermittelt werden kann, welcher Bearbeitungsprozesstyp vorliegt. Durch die Auswertung des Referenzzyklus wurde wegen der vorhandenen Daten die Drehrichtungsumkehr im Rückwärtsvorschub bereits erkannt, dass ein ZC-Prozess vorliegt. Nach Beendigung eines Prozessablaufes können die dabei aufgezeichneten Daten gelöscht werden, weil sie nicht mehr benötigt werden. Beim Start des nächsten Programmablaufes erfolgt die Datenaufzeichnung erneut. Die Referenzaufzeichnung hingegen bleibt dauerhaft gespeichert. Erst nach einer Änderung des Programmablaufes, z. B. bei einer Änderung der Bearbeitungsabfolge, muss eine neue Referenzaufzeichnung erstellt werden. Hierzu sind keine besonderen Maßnahmen durchzuführen, denn der erste unterbrechungsfreie und korrekte Programmablauf ist als Referenzaufzeichnung verwendbar.
  • Ein Vorteil dieser Variante des Bearbeitungsprozessanalysemoduls 200 ist es, dass die Auswertungen universell und unabhängig von Programmcodierungen, welche in Abhängigkeit vom verwendeten Steuerungstyp unterschiedlich sein können, durchführbar sind.
  • Die Erfindung sieht auch vor, bei dem Auftreten einer Unterbrechung durch Auslesen der Maschinenachsen-Wegmesssysteme zu prüfen, ob die Ist-Positionen identisch sind zu Soll-Positionen des regulären Programmablaufes. Stimmen Soll- und Ist-Positionen nicht überein, so kann die Unterbrechung durch einen Crash verursacht worden sein, bei dem Maschinenaufbauten in irregulärer Weise aus ihrer Soll-Position verschoben wurden. In diesem Fall entscheidet die Analyseeinheit 700 meist, keine automatische Werkzeugrückführung zu erlauben, um weitere Schäden zu vermeiden. Allerdings ist die Analyseeinheit 700 in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform in der Lage, selbst bei Auftreten eines Stillstandes nach einem Crash-Ereignis einen Werkzeugrückzug einzuleiten, wobei während der Rückführbewegung die Vorschubkräfte an den Vorschubantrieben überwacht werden. Bei Überschreitung eines definierten Vorschubkraft-Schwellenwertes wird die Rückzugsbewegung dann sofort gestoppt. Die Maschinensteuerung weist den Maschinenbediener dann auf den aktuellen Status hin.
  • Diese Vorschubkraftüberwachung kann generell bei jeder Werkzeugrückführung aktiviert werden, wodurch eine zusätzliche Sicherheit erzielt wird. Bei Überschreitung von definierten Schwellwerten erfolgt dann ebenfalls eine Unterbrechung.

Claims (42)

  1. Verfahren zum selbsttätigen Zurückführen eines Werkzeugs einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine nach einer Unterbrechung des Programmablaufs von einer Unterbrechungsposition (26) zu einer Rückführposition längs einer Werkzeugrückführbahn (88), dadurch gekennzeichnet, dass • eine Werkzeugrückführbahn (88) von einer Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit (500) automatisch so bestimmt wird, dass das in der Unterbrechungsposition (26) befindliche Werkzeug längs der Werkzeugrückführbahn (88) innerhalb eines ersten Freiraums (20) und/oder innerhalb eines zweiten Freiraums (21) zu einer Neutralposition (28) zurückgeführt wird, • wobei der erste und der zweite Freiraum (20, 21) geometrisch dreidimensional bestimmter Freiraum ist, • und der erste Freiraum (20) ein werkzeugbasierter Freiraum ist, • und der werkzeugbasierte Freiraum modelliert wird, indem dasjenige Volumen zu Freiraum wird, das während der Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug längs einer programmierten Bahn von einer Werkzeugform durchdrungen wird, • und wobei zur Modellierung des ersten Freiraums (20) ein erster Freiraummodellierungsmodus (M1) oder ein zweiter Freiraummodellierungsmodus (M2) verwendet wird, • wobei dem ersten Freiraummodellierungsmodus (M1) eine Werkzeugrealform zur Modellierung des ersten Freiraums (20) zugrunde liegt, • und wobei dem zweiten Freiraummodellierungsmodus (M2) eine Werkzeughüllform zur Modellierung des ersten Freiraums (20) zugrunde liegt, • und das Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung vorgesehen ist und und wenigstens eine Schneidkante aufweist, • wobei die Verwendung des ersten oder zweiten Freiraummodellierungsmodus (M1, M2) zur Modellierung des ersten Freiraums (20) in Abhängigkeit von dem mit einem Bearbeitungswerkzeug angewendeten Bearbeitungsprozesstyp erfolgt, • und wobei einem Bearbeitungsprozesstyp entweder der erste oder der zweite Freiraummodellierungsmodus (M1, M2) zugeordnet ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Größe und Form des mit der Werkzeugrealform erzeugten ersten Freiraums (20) dem real von dem Werkzeug durchdrungenen Volumen entsprechen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Größe und Form des mit der Werkzeughüllform erzeugten ersten Freiraums (20) von dem real von dem Werkzeug durchdrungenen Volumen abweicht.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der einem Bearbeitungsprozesstyp zugeordnete erste oder zweite Freiraummodellierungsmodus (M1, M2) in der Freiraummodellierungsmodus-Zuordnungseinheit (240) des Bearbeitungsprozessanalysemoduls (200) gespeichert ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des mindestens einen Werkzeugs geometrisch bestimmt dreidimensional modelliert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Neutralposition (28) die wenigstens eine Schneidkante außer Eingriff ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Neutralposition (28) außerhalb des Werkstücks liegt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Neutralposition (28) die Werkzeugwechselposition (TP) ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Freiraum (21) werkstückbasierter Freiraum ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Freiraum (21) eine Werkstückform berücksichtigt.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Freiraum (21) eine Maschinenperipherie berücksichtigt.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Freiraum (21) auf CAD-Daten basiert.
  13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Freiraum (21) durch optische Bilderkennungsverfahren ermittelt wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit (500) zur Bestimmung einer Werkzeugrückführbahn (88) den geometrisch bestimmten ersten und/oder zweiten Freiraum (20, 21) mit der geometrisch bestimmten Werkzeugform vergleicht.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung einer Werkzeugrückführbahn (88) die Werkzeugrealform herangezogen wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung einer Werkzeugrückführbahn (88) die Werkzeughüllform herangezogen wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit (500) zur Bestimmung einer Werkzeugrückführbahn (88) den geometrisch bestimmten ersten und/oder zweiten Freiraum (20, 21) mit der geometrisch bestimmten Werkzeugform vergleicht und mittels einer Freiheitsgrad-Analyseeinheit (510) mögliche Freiheitsgrade zur Rückführung des Werkzeugs längs einer Werkzeugrückführbahn (88) ermittelt.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug in Abhängigkeit vom ermittelten Freiheitsgrad längs einer eindimensionalen (1D), zweidimensionalen (2D) oder dreidimensionalen (3D) Werkzeugrückführbahn (88) zurückgeführt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug längs einer Werkzeugrückführbahn (88) mit einem maximal möglichen Freiheitsgrad zurückgeführt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Freiraum (20, 21) nach einer Unterbrechung des Programmablaufs modelliert wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Freiraum (20, 21) während des Programmablaufs modelliert wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass neu entstandener erster und/oder zweiter Freiraum (20, 21) zu bereits modelliertem erstem und/oder zweitem Freiraum (20, 21) hinzuaddiert wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die berechnete Werkzeugrückführbahn (88) durch Analyseergebnisse einer Bearbeitungstopologie-Prüfungseinheit (250) verifiziert wird.
  24. Analyseeinheit zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 23 , dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit (700) zur Ermittlung der Werkzeugrückführbahn (88) wenigstens eine Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit (500) aufweist, welche wenigstens eine Werkzeugrückführbahn (88) automatisch so bestimmt, dass das in der Unterbrechungsposition (26) befindliche Werkzeug längs der Werkzeugrückführbahn (88) innerhalb des ersten Freiraums (20) und/oder innerhalb des zweiten Freiraums (21) zu der Neutralposition (28) zurückgeführt wird, wobei in der Analyseeinheit (700) ein Bearbeitungsprozessanalysemodul (200) zur Identifikation von wenigstens einem Bearbeitungsprozesstyp vorgesehen ist und in dem Bearbeitungsprozessanalysemodul (200) die Zuordnung eines ersten oder zweiten Freiraummodellierungsmodus (M1, M2) zu einem Bearbeitungsprozesstyp in einer Freiraummodellierungsmodus-Zuordnungseinheit (240) hinterlegt ist.
  25. Analyseeinheit nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungsprozessanalysemodul (200) eine Bearbeitungsprozess-Charakteristik-Datenbank (210), eine Achskinematik-Datenbank (220) sowie eine Datenaufzeichnungseinheit (230) aufweist.
  26. Analyseeinheit nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass im Bearbeitungsprozessanalysemodul (200) zur Verifizierung eines ersten oder zweiten Freiraummodellierungsmodus (M1, M2) eine Bearbeitungstopologie-Prüfungseinheit (250) vorgesehen ist.
  27. Analyseeinheit nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungsprozessanalysemodul (200) auf Wegmesssysteme, Spindelleistungserfassungseinheiten, Vorschubkrafterfassungseinheiten und auf NC-Programmdaten Zugriff hat.
  28. Analyseeinheit nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in der Analyseeinheit (700) ein Werkzeugformanalysemodul (300) zur Modellierung des ersten Freiraums (20) vorgesehen ist.
  29. Analyseeinheit nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeugformanalysemodul (300) eine Werkzeugrealform-Datenbank (310), eine Werkzeughüllform-Datenbank (320), eine Freiraum-Modellierungseinheit (330) und eine Freiraumadditionseinheit (340) aufweist.
  30. Analyseeinheit nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass im Werkzeugformanalysemodul (300) zur Ermittlung einer dreidimensionalen Form eines Bearbeitungswerkzeugs eine optische Bilderkennungseinheit (350) vorgesehen ist.
  31. Analyseeinheit nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in der Analyseeinheit (700) ein Werkstückformanalysemodul (400) zur Modellierung des zweiten Freiraums (21) vorgesehen ist.
  32. Analyseeinheit nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstückformanalysemodul (400) eine Werkstückform-Datenbank (410), eine Peripherie-Datenbank (420), eine Freiraum-Modellierungseinheit (430) und eine Freiraumadditionseinheit (440) aufweist.
  33. Analyseeinheit nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass im Werkstückformanalysemodul (400) zur Ermittlung der dreidimensionalen Form eines Werkstücks und/oder einer Peripherie eine optische Bilderkennungseinheit (450) vorgesehen ist.
  34. Analyseeinheit nach einem der Ansprüche 24 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungsprozessanalysemodul (200), das Werkzeugformanalysemodul (300) und das Werkstückformanalysemodul (400) über Schnittstellen (290, 390, 490) miteinander kommunizieren.
  35. Analyseeinheit nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass, in der Analyseeinheit (700) die Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit (500) vorgesehen ist, welche anhand der Daten von wenigstens einem der Module Bearbeitungsprozessanalysemodul (200), Werkzeugformanalysemodul (300) oder Werkstückformanalysemodul (400) die Werkzeugrückführbahn (88) berechnet.
  36. Analyseeinheit nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit (500) über eine Freiheitsgrad-Analyseeinheit (510) verfügt, mittels derer der Freiheitsgrad hinsichtlich einer Schneidenabhebung von der Werkstückoberfläche ermittelt wird.
  37. Analyseeinheit nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit (500) über einen NC-Programmdatengenerator (520) zur Erzeugung der NC-Programmbefehle der berechneten Werkzeugrückführbahn (88) verfügt.
  38. Analyseeinheit nach einem der Ansprüche 24 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit (500) Daten von wenigstens einem der Module Bearbeitungsprozessanalysemodul (200), Werkzeugformanalysemodul (300) oder Werkstückformanalysemodul (400) über Schnittstellen (280, 380 oder 480) erhält.
  39. Analyseeinheit nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in der Analyseeinheit (700) eine NCAchsen-Ansteuereinheit (600) vorgesehen ist.
  40. Analyseeinheit nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass die NC-Achsen-Ansteuereinheit (600) über eine Schnittstelle (590) NC-Programmdaten von der Werkzeugrückführbahn-Berechnungseinheit (500) erhält und daraus die Befehle zur Ansteuerung der jeweiligen NC-Achsen erzeugt.
  41. Analyseeinheit nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass die NC-Achsen-Ansteuereinheit (600) über eine NC-Achsenbelastungs-Sensorik-Einheit (610) verfügt, mittels der die Belastung der jeweiligen NC-Achsen während der Rückführung des Werkzeugs längs der Werkzeugrückführbahn (88) ermittelt wird.
  42. Analyseeinheit nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass die NC-Achsen-Ansteuereinheit (600) über eine NC-Achsen-Abschaltungseinheit (620) verfügt, die bei der Ermittlung einer Überschreitung einer definierten NC-Achsenbelastung durch die NC-Achsenbelastungs-Sensorik-Einheit (610) die Rückführung des Werkzeugs längs der Werkzeugrückführbahn (88) stoppt.
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