DE102014223434A1

DE102014223434A1 - Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines spanabhebenden Werkzeugs auf einer NC-gesteuerten Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102014223434A1
Application number: DE102014223434.4A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Röders
Original assignee: P&L GmbH and Co KG
Current assignee: P&L GmbH and Co KG
Priority date: 2014-11-17
Filing date: 2014-11-17
Publication date: 2016-05-19
Also published as: US20170343982A1; WO2016078781A1; KR20170070209A; CA2968011A1; EP3221758A1; CN107003657A; JP2017538239A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks 1 mittels eines spanabhebenden Werkzeugs 2 auf einer NC-gesteuerten Werkzeugmaschine, bei welchem das Werkzeug 2 längs Werkzeugbahnen 3, welche durch eine Folge von Stützpunkten N gebildet werden, relativ zu dem Werkstück 1 bewegt wird, wobei der bei der Rotation des Werkzeugs 1 entstehende Hüllkörper 4 bei der Bearbeitung des Werkstücks 1 mit der Oberfläche 5 des Werkstücks 1 im Wesentlichen einen Punktkontakt in einem Berührpunkt 6 hat, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Daten des Stützpunkts N die Daten des jeweiligen Berührpunkts 6 des Hüllkörpers 4 bestimmt werden und dass eine Korrektur der Daten des Stützpunkts N längs einer Oberflächennormalen 7 im Berührpunkt 6 erfolgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines spanabhebenden Werkzeugs auf einer NC-gesteuerten Werkzeugmaschine, bei welchem das Werkzeug längs Werkzeugbahnen, z. B. Zeilen, welche durch eine Folge von Stützpunkten gebildet werden, relativ zu dem Werkstück bewegt wird, wobei der bei der Rotation des Werkzeugs entstehende Hüllkörper bei der Bearbeitung des Werkstücks mit der Oberfläche des Werkstücks im Wesentlichen einen Punktkontakt in einem Berührpunkt hat.
Zur Herstellung von Freiformflächen, z. B. in Formen für die Herstellung von Kunststoffteilen, wird häufig ein Fräsverfahren mit kugelförmigen Bearbeitungswerkzeugen eingesetzt. Dabei besteht zwischen dem durch die Rotation des Werkzeugs entstehenden Hüllkörper und der Oberfläche der herzustellenden Form nur ein Punktkontakt. Um die Oberfläche in eine bestimmte Maß- und Oberflächenqualität zu bringen, wird das Werkzeug meist zeilenförmig mit geringem Abstand von einzelnen Zeilen oder Werkzeugbahnen über die herzustellende Form verfahren, wobei stets ein Punktkontakt eingehalten wird. Die Werkzeugbahnen werden in einem Fräsprogramm durch eine Folge von Stützpunkten beschrieben, die die Bearbeitungsmaschine von Stützpunkt zu Stützpunkt abfährt. Je enger die Werkzeugbahnen programmiert sind und je mehr Stützpunkte innerhalb der Werkzeugbahnen zur Beschreibung der Werkzeugbahn angegeben sind, desto genauer wird die Bearbeitung und desto besser wird die Oberflächenqualität.
Leider stimmt die Lage der einzelnen Stützpunkte auch bei modernen CAM-Systemen (Programmiersystemen) nicht immer exakt. Innerhalb vorgegebener Toleranzen liegen diese mal zu dicht oder zu weit weg von der herzustellenden Oberfläche der Form. Das führt zu Ungenauigkeiten und einer Verringerung der Oberflächenqualität der herzustellenden Form. Außerdem ist häufig die Verteilung der Stützpunkte innerhalb der einzelnen Werkzeugbahnen ungünstig. Insbesondere kommt es vor, dass bei benachbarten Werkzeugbahnen die Anzahl der Stützpunkte sehr unterschiedlich sein kann.
CNC-Steuerungen zur Steuerung einer Bearbeitungsmaschine haben als Information nur die Stützpunkte im Fräsprogramm, um den Verlauf der Werkzeugbahn zu interpolieren. Wenn die Anzahl der Stützpunkte in einem Bereich sehr unterschiedlich ist oder diese nicht exakt berechnet sind, kommt es, abhängig von den verwendeten Algorithmen, für die Interpolation zu Abweichungen, die sich wiederum nachteilig auf die Oberflächenqualität und die Maßgenauigkeit auswirken.
Um hochgenaue Fräsprogramme mit vielen und sehr exakten Punkten zu berechnen, ist in den Programmiersystemen ein entsprechend hoher Aufwand für die Berechnung zu betreiben. Die Berechnung der NC-Programme dauert lange. Das ist unerwünscht und daher wird häufig in Kauf genommen, dass die Programme mit gröberen Toleranzen berechnet werden, mit entsprechenden Qualitätseinbußen an den Werkstücken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Anwendbarkeit bei kurzen Bearbeitungszeiten eine hohe Oberflächengüte gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die für die Bewegung des Werkzeugs längs der Werkzeugbahnen vorgegebenen Daten der Stützpunkte mit Oberflächendaten des zu fertigenden Werkstücks verglichen werden und dass erforderlichenfalls die Lage des Stützpunkts und damit der Bewegungsbahn des Werkzeugs längs der Werkzeugbahn korrigiert wird.
Erfindungsgemäß wird somit die Bewegungsbahn des Werkzeugs, welche sich bei kugelförmigen Werkzeugen parallel zu der zu erzeugenden Oberfläche des Werkstücks befindet, daraufhin überprüft, ob der Abstand der Bewegungsbahn, die durch die einzelnen Stützpunkte definiert ist, exakt mit der zu erzeugenden Oberflächengeometrie des Werkstücks übereinstimmt. Dabei wird berücksichtigt, dass das rotierende Werkzeug mittels seiner Schneiden einen Hüllkörper bildet, dessen Berührpunkt mit der zu erzeugenden Oberfläche des Werkstücks in Beziehung gesetzt wird. Es wird somit erfindungsgemäß überprüft, ob die durch ein Bearbeitungsprogramm, beispielsweise ein Fräsprogramm, in einem CAM-System berechnete Bewegungsbahn über ihren gesamten Verlauf den korrekten Abstand zu der zu erzeugenden Oberfläche des Werkstücks aufweist. Mittels der Erfindung kann dann durch die CNC-Steuerung der Werkzeugmaschine eine Korrektur der Lage der Bewegungsbahn vorgenommen werden.
Besonders günstig ist es dabei, wenn zu den Daten des Stützpunkts die Daten des jeweiligen Berührpunkts des Hüllkörpers bestimmt werden und eine Korrektur der Daten des Stützpunktes längs einer Oberflächennormalen im Berührpunkt erfolgt. Durch die Verschiebung des Stützpunktes bzw. die Korrektur seines Abstandes zu der zu erzeugenden Oberfläche längs einer Oberflächennormalen wird der exakte Abstand der Bewegungsbahn und damit die exakte Positionierung des Werkzeugs sichergestellt, so dass sich ein exakter Berührpunkt ergibt.
Weiterhin kann es erfindungsgemäß günstig sein, wenn zumindest ein zusätzlicher Stützpunkt längs der Zeile bzw. der Bewegungsbahn eingefügt wird, dessen Daten zunächst auf einer Verbindungslinie zweier Stützpunkte vorbestimmt und nachfolgend anhand der Oberflächendaten in der erfindungsgemäßen Vorgehensweise korrigiert werden.
In gleicher Weise ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, zusätzliche Werkzeugbahnen einzufügen, welche zunächst anhand von Stützpunkten benachbarter Werkzeugbahnen vorbestimmt und dann mittels der Oberflächendaten korrigiert werden.
Wie erwähnt, ist es erfindungsgemäß besonders vorteilhaft, wenn die Erstellung der Daten der ursprünglichen Stützpunkte durch ein Fräsprogramm, beispielsweise ein CAM-System erfolgt, während die Korrektur der Daten der Stützpunkte durch eine CNC-Steuerung der Werkzeugmaschine vorgenommen wird. Hierdurch ergeben sich optimierte Rechenzeiten im Programmiersystem, die zu einer schnellen Arbeitsvorbereitung der Bearbeitung des Werkstücks führen.
Das erfindungsgemäße Werkzeug kann unterschiedliche Formen aufweisen, kann beispielsweise ein Fräser mit einem halbkugelförmigen Endbereich sein, oder parabolische, torische oder andere Werkzeuggeometrien haben.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die CNC-Steuerung der Bearbeitungsmaschine im Unterschied zum Stand der Technik nicht nur das vom CAM-System berechnete Fräsprogramm als Eingangsinformation bekommt, sondern auch die Oberflächendaten, d. h. Geometrieinformationen, der herzustellenden Form (dreidimensionale Oberflächenform des Werkstücks), mit deren Hilfe das Programmiersystem das Fräsprogramm berechnet hat. Für die Übernahme derartiger Oberflächendaten gibt es zahlreiche standardisierte Formate, z. B. das STEP-Format. Mit Hilfe der zusätzlichen Information aus den Oberflächendaten der herzustellenden Form kann die Steuerung während der Bearbeitung für jeden Stützpunkt überprüfen, ob dessen Lage ausreichend exakt berechnet wurde. Dazu wird für jeden Stützpunkt des Fräsprogrammes berechnet, ob dieser relativ zu der herzustellenden Oberfläche der Form exakt liegt, d. h. ob sich wirklich ein mathematisch exakter Berührpunkt des Werkzeuges mit der herzustellenden Oberfläche der Form für die im Fräsprogramm vorgegebene Lage des Stützpunktes ergibt, oder ob der Stützpunkt korrigiert werden muss, indem er längs einer Flächennormale etwas verschoben wird, von der Oberfläche weg oder auf diese zu.
Da die ungefähre Lage der Stützpunkte im Fräsprogramm vom CAM-System richtig berechnet wurde, sind die notwendigen Korrekturen der Lage der Stützpunkte durch die CNC-Steuerung klein und es lässt sich mit geeigneten Algorithmen sicher der richtige Berührpunkt des Werkzeuges an der Oberfläche der herzustellenden Form für jeden Stützpunkt ermitteln. Dazu wird der Abstand des Werkzeuges zur Oberfläche der Form ermittelt. Aus der Berechnung des Abstandes ergibt sich die Abstandsnormale zur Oberfläche, die die kürzeste Entfernung zwischen Werkzeug und Oberfläche beschreibt. Anschließend wird der Stützpunkt für das Werkzeug längs der Abstandsnormalen so verschoben, dass sich ein mathematisch exakter Berührpunkt des Werkzeuges ergibt, sofern das erforderlich ist.
Dieses Verfahren eignet sich nicht nur dazu, für die Stützpunkte eines Fräsprogrammes deren Lage fein zu korrigieren, wie beschrieben. Wenn der Abstand der Stützpunkte in Bereichen oder im ganzen Fräsprogramm relativ groß ist, können so auch zusätzliche Stützpunkte zwischen den bereits im Fräsprogramm vorhandenen berechnet werden. Dazu werden zunächst auf der direkten Verbindungslinie zwischen zwei Stützpunkten des Fräsprogrammes ein oder mehrere Hilfspunkte bestimmt. Diese Hilfspunkte werden sodann nach dem oben beschriebenen Verfahren anhand der Oberflächendaten in ihrer Lage feinkorrigiert und so zu zusätzlichen hochgenauen Stützpunkten im Fräsprogramm.
Nach dem gleichen Prinzip können ganze Werkzeugbahnen in das Fräsprogramm eingefügt werden. Das Einfügen von Werkzeugbahnen in Fräsprogramme ist bereits grundsätzlich aus der DE 103 43 785 bekannt. Im Unterschied dazu ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, die Stützpunkte der eingefügten Werkzeugbahnen nicht nur anhand der bereits vorhandenen Nachbarzeilen des Fräsprogramms zu interpolieren, sondern anhand der vorhandenen Flächendaten deren Abstand zur herzustellenden Werkstückgeometrie exakt zu berechnen.
Da die CNC-Steuerung während der Bearbeitung ständig die Position des Werkzeuges relativ zu den Oberflächendaten kennt, kann diese außerdem an besonderen Stellen, z. B. Singularitäten wie Kanten oder, da die Geometrie von Formen meist durch viele an einander angrenzende Teilflächen beschrieben wird, am Übergang von einer Teilfläche zur nächsten Teilfläche, zusätzliche Stützpunkte einfügen. Es ist somit möglich, abhängig von der lokalen Geometrie der Oberfläche der Form, Stützpunkte einzufügen, wenn das den Verlauf der Werkzeugbahn im Fräsprogramm verbessert, d. h. präziser macht.
Das Verfahren erlaubt es somit, Fräsprogramme im CAM-System mit relativ groben Toleranzen zu berechnen und diese dann trotzdem für hochgenaue Bearbeitungen zu verwenden. Es findet somit eine veränderte Aufgabenteilung zwischen CAM-System und CNC-Steuerung statt. Das CAM-System legt die Werkzeugwege für eine Bearbeitung an Hand einer vorgegebenen Strategie grob fest und sorgt dabei dafür, dass keine Kollision in der Maschine bei der Bearbeitung nach dem vorgegebenen Programm vorkommt. Die CNC-Steuerung sorgt anhand der originalen Oberflächendaten (Geometriedaten) der herzustellenden Form für eine hochgenaue Bearbeitung.
Die Erfindung ist nicht auf kugelförmige Fräswerkzeuge beschränkt. Es können auch parabolische, torische oder andere Werkzeuggeometrien eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines zu bearbeitenden Werkstücks mit Werkzeugbahnen, längs derer ein Werkzeug bewegt wird,
2 eine schematische Ansicht der Zuordnung der Bewegungsbahn der Werkzeuge zur Oberfläche des Werkstücks mit Korrekturen, und
3 eine Darstellung, analog 2, zur Darstellung der Einfügung zusätzlicher Stützpunkte.
Die 1 ist die schematische Ansicht einer Form, die mit einem kugelförmigen Werkzeug bearbeitet wird. Für die Bearbeitung ist in einem Bearbeitungsprogramm die Mittelpunktsbahn dies Werkzeugmittelpunkts M beschrieben, das, wie in der 1 dargestellt, für ein zeilenförmiges Abfahren der Werkstückoberfläche sorgt. In den Geometriedaten des Werkstücks (der Form) ist die Oberfläche der Form als Freiformflächendaten enthalten. Diese Geometrieinformation kann in einem Standardformat, z. B. STEP, an die Steuerung als Datei übertragen werden. Außerdem wird für die Bearbeitung ein NC-Programm an die Steuerung übertragen, das den zeilenförmigen Werkzeugweg des kugelförmigen Werkzeuges relativ zur Form durch eine Folge von Stützpunkten beschreibt.
In 2 ist als 2D-Ansicht ein Ausschnitt der Werkzeugbahn relativ zur herzustellenden Form mit den Stützpunkten der Mittelpunktsbahn N – 1, N, N + 1 und N + 2 dargestellt. Für den Stützpunkt N ist das kugelförmige Werkzeug als Hüllkörper eingezeichnet. Man erkennt, dass der Stützpunkt zu dicht an der herzustellenden Werkstückoberfläche berechnet wurde und bei Anfahren des Stützpunktes N das Werkzeug die Form verletzen würde, d. h. zu viel Material abtragen würde. Mit Hilfe der Geometriedaten der herzustellenden Form kann der kürzeste Abstand des Stützpunktes N zur Oberfläche der Form berechnet werden. Der Punkt der Oberfläche, zu dem der Stützpunkt N der Werkzeugbahn den kürzesten Abstand hat, ist gleichzeitig der Fußpunkt für die Flächennormale, die den kürzesten Abstand zwischen Oberfläche der Form und Stützpunkt N beschreibt. Nach Berechnung der Flächennormale kann der Stützpunkt N entlang dieser Flächennormale so verschoben werden, im dargestellten Fall von der Oberfläche der Form weg, bis ein den verschobenen, neuen Stützpunkt N_k anfahrendes Werkzeug die Oberfläche der Form nur noch in dem Fußpunkt der Flächennormale berührt. Die Lage des Werkzeugs für den verschobenen, neuen Stützpunkt N_k, ist gestrichelt dargestellt. Für den Stützpunkt N + 1 verhält es sich umgekehrt. Der Stützpunkt liegt zu weit von der Oberfläche der herzustellenden Form entfernt und muss durch das erfindungsgemäße Verfahren näher an diese herangerückt werden, so dass der neue korrigierte Stützpunkt N + 1k für das gestrichelte Werkzeug entsteht.
In 3 ist ebenfalls eine 2D-Ansicht der Werkzeugbahn für die Stützpunkte N – 1, N, N + 1 und N + 2 dargestellt. Die Stützpunkte N und N + 1 sind bereits exakt berechnet, so dass das diese Stützpunkte anfahrende Werkzeug die Oberfläche des Werkstückes nur in einem Punkt berührt. Da die Stützpunkte N und N + 1 relativ weit auseinander liegen, werden auf der Verbindungslinie der Werkzeugbahn zwischen N und N + 1 die Hilfspunkte H1 und H2 eingefügt. Man erkennt unschwer, dass auf Grund der konvexen Formoberfläche das Werkzeug in den Hilfspunkten H1 und H2 zu dicht an der Oberfläche der Form stehen würde und diese somit verletzen würden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann daher die Lage der Hilfspunkte H1 und H2 korrigiert werden, so dass diese zu exakten Stützpunkten in der Werkzeugbahn werden. Dazu werden diese leicht in Richtung des eingezeichneten Normalenvektors verschoben. Die Bearbeitung der Form wird dadurch erheblich exakter.
Bezugszeichenliste

1: Werkstück
2: Werkzeug
3: Werkzeugbahn
4: Hüllkörper
5: Oberfläche
6: Berührpunkt
7: Oberflächennormale
8: Verbindungslinie
M: Mittelpunkt
N: Stützpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10343785 [0019]

Claims

Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (1) mittels eines spanabhebenden Werkzeugs (2) auf einer NC-gesteuerten Werkzeugmaschine, bei welchem das Werkzeug (2) längs Werkzeugbahnen (3), welche durch eine Folge von Stützpunkten (N) gebildet werden, relativ zu dem Werkstück (1) bewegt wird, wobei der bei der Rotation des Werkzeugs (1) entstehende Hüllkörper (4) bei der Bearbeitung des Werkstücks (1) mit der Oberfläche (5) des Werkstücks (1) im Wesentlichen einen Punktkontakt in einem Berührpunkt (6) hat, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Daten des Stützpunkts (N) die Daten des jeweiligen Berührpunkts (6) des Hüllkörpers (4) bestimmt werden und dass eine Korrektur der Daten des Stützpunkts (N) längs einer Oberflächennormalen (7) im Berührpunkt (6) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Korrektur des Stützpunktes N neben dem Bearbeitungsprogramm mit den Stützpunkten auch die Geometriedaten der herzustellenden Werkstückgeometrie aus einem CAD-System von der CNC-Steuerung eingelesen und für die Korrekturberechnung verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zusätzlicher Stützpunkt (N) längs der Zeile (3) eingefügt wird, dessen Daten zunächst auf einer Verbindungslinie (8) zweier Stützpunkte (N) vorbestimmt und nachfolgend anhand der Oberflächendaten korrigiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Werkzeugbahnen (3) eingefügt werden, welche zunächst anhand von Stützpunkten (N) benachbarter Werkzeugbahnen (3) vorbestimmt und dann mittels der Oberflächendaten korrigiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur der Daten der Stützpunkte (N) durch eine CNC-Steuerung der Werkzeugmaschine erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Daten der ursprünglichen Stützpunkte durch ein CAM-System erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung mittels eines kugelförmigen, eines parabolischen oder eines torischen Werkzeugs erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächendaten des Werkstücks (1) in Form von Freiformflächendaten vorliegen.