-
Technisches Anwendungsgebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Bearbeitungsbereichsgrenzen für eine 3 + 2-Achsen-Bearbeitung eines Werkstücks mit einer Mehrachs-Werkzeugmaschine sowie ein für die Durchführung des Verfahrens ausgebildetes Bestimmungsmodul.
-
Stand der Technik
-
Die Bearbeitung von Werkstücken erfordert in der Regel mehrere Bearbeitungsvorgänge, um das jeweilige Bauteil fertig zu stellen. Es sind unterschiedliche Bearbeitungstechniken bekannt, die sich zum Teil in der Anzahl der bewegten bzw. verwendeten Werkzeugachsen unterscheiden. Die sog. 3-Achsen-Bearbeitung basiert auf einer statischen Bearbeitungsrichtung. Der Bearbeitungsbereich ist aus dieser Richtung sichtbar und lässt sich mit dem Werkzeug bei einer Bewegung entlang dieser Richtung erreichen. Allerdings sind in der Regel nicht alle Bereiche des Bauteils aus einer Bearbeitungsrichtung mit dem Werkzeug erreichbar. Dies erfordert weitere Bearbeitungsvorgänge, um auch die verbleibenden Bearbeitungsbereiche und damit das gesamte Bauteil aus dem Werkstück zu erzeugen, beispielsweise zu fräsen. Eine vorteilhafte Technik stellt hierbei die sog. 3 + 2-Achsen-Bearbeitung dar. Hier wird wenigstens eine zusätzliche (statische) Bearbeitungsrichtung relativ zum Bauteil bzw. Werkstück gewählt, unter der dann die verbleibenden Bereiche des Werkstücks bearbeitet werden. Jeder einzelne Bearbeitungsvorgang stellt dabei eine einfache 3-Achsen-Bearbeitung dar.
-
Für eine 3 + 2-Achsen-Bearbeitung ist es erforderlich, die jeweils unter einer Bearbeitungsrichtung zu bearbeitenden Bereiche genau festzulegen, um bei Änderung der Bearbeitungsrichtung eine Doppelbearbeitung gleicher Bereiche auszuschließen. Die Festlegung der jeweils unter einer Bearbeitungsrichtung zu bearbeitenden Bereiche kann über entsprechende Begrenzungslinien erfolgen. Die einzelnen unter den unterschiedlichen Bearbeitungsrichtungen zu bearbeitenden Bereiche können dabei aneinander grenzen oder auch voneinander beabstandet sein. Dies ist abhängig von dem zu erzeugenden Bauteil, den gewählten Bearbeitungsrichtungen und der Geometrie des Werkzeugs. Die Festlegung dieser Bereichsgrenzen erfolgt häufig über einen zeitaufwändigen manuellen Prozess.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie ein Bestimmungsmodul zur Bestimmung von Bearbeitungsbereichsgrenzen für eine 3 + 2-Achsen-Bearbeitung eines Werkstücks mit einer Mehrachs-Werkzeugmaschine anzugeben, die eine schnelle Bestimmung dieser Bearbeitungsbereichsgrenzen ermöglichen.
-
Darstellung der Erfindung
-
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und dem Bestimmungsmodul gemäß den Patentansprüchen 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
-
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein 3D-Computermodell eines aus dem Werkstück zu erzeugenden Bauteils bereitgestellt. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um ein Oberflächenmodell, das als Dreiecksnetz (z.B. im STL-Format) vorliegt oder in ein derartiges Dreiecksnetz umgewandelt wird. Durch eine Recheneinheit wird dann aus dem Dreiecksnetz ein Höhennetz des Bauteils bezogen auf eine vorgegebene Bearbeitungsrichtung generiert. Die Punkte des Höhennetzes werden jeweils daraufhin geprüft und klassifiziert, ob sie mit einem ausgewählten Werkzeug bei einer Bearbeitung aus der vorgegebenen Bearbeitungsrichtung kollisionsfrei erreichbar sind oder nicht. Auf Basis von kollisionsfrei erreichbaren Punkten, die an einen oder mehrere nicht kollisionsfrei erreichbare Punkte grenzen oder eine Begrenzung des Bauteils bezüglich der vorgegebenen Bearbeitungsrichtung bilden, werden eine oder mehrere Begrenzungslinien gebildet, die die mit dem Werkzeug aus der vorgegebenen Bearbeitungsrichtung bearbeitbaren Bereiche des Bauteils als Bearbeitungsbereiche festlegen. Die Begrenzungslinien werden dann zusammen mit der vorgegebenen Bearbeitungsrichtung durch die Recheneinheit abgespeichert und/oder ausgegeben.
-
Die Basisfläche für das Höhennetz kann dabei bspw. an das Bauteil grenzend oder auch an das Werkstück grenzend gewählt werden und liegt senkrecht zur vorgegebenen Bearbeitungsrichtung. Die Dichte der Punkte des Höhennetzes wird entsprechend der geforderten Genauigkeit der Bearbeitung festgelegt. Die Prüfung der Kollisionsfreiheit der einzelnen Punkte dieses Höhennetzes erfolgt auf Basis eines Computer-Modells des Werkzeugs. Unter einem kollisionsfrei erreichbaren Punkt wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren ein Punkt des Bauteils verstanden, der unter der vorgegebenen Bearbeitungsrichtung mit dem Werkzeug bearbeitet werden kann. Ein nicht kollisionsfrei erreichbarer Punkt entspricht einem Punkt des Bauteils, der aus der vorgegebenen Bearbeitungsrichtung mit dem Werkzeug nicht bearbeitet werden kann, da das Werkzeug dabei mit anderen Bauteilbereichen kollidieren würde. Durch die Klassifizierung der einzelnen Punkte des Höhennetzes in kollisionsfrei erreichbare und nicht kollisionsfrei erreichbare Punkte kann zwischen diesen beiden Klassen von Punkten eine Grenzlinie gezogen werden, die einen mit dem gewählten Werkzeug aus der vorgegebenen Bearbeitungsrichtung bearbeitbaren Bereich des Bauteils von einem oder mehreren nicht bearbeitbaren Bereichen abgrenzt. Eine weitere Begrenzung der jeweils bearbeitbaren Bereiche bildet die Begrenzung des Bauteils selbst, bezogen auf die Bearbeitungsrichtung, d.h. die äußere Begrenzung der aus der Bearbeitungsrichtung sichtbaren Fläche des Bauteils. Die entsprechenden Begrenzungspunkte bilden ebenfalls zumindest einen Teil der Begrenzungslinien, so dass bearbeitbare Bereiche durch eine oder mehrere Begrenzungslinien vollständig umschlossen sind. Ein bearbeitbarer Bereich kann dabei bspw. durch eine einzige Begrenzungslinie oder auch durch mehrere Begrenzungslinien definiert werden. Der letztgenannte Fall tritt bspw. dann auf, wenn innerhalb eines größeren bearbeitbaren Bereiches ein oder mehrere kleinere Bereiche nicht aus der Bearbeitungsrichtung bearbeitbar sind. Dann wird der bearbeitbare Bereich durch eine äußere Begrenzungslinie und eine oder mehrere innere Begrenzungslinien festgelegt.
-
Die obigen Schritte der Generierung des Höhennetzes bis zur Abspeicherung und/oder Ausgabe der Begrenzungslinien werden von der Recheneinheit jeweils mit geänderten Bearbeitungsrichtungen für verbleibende Bearbeitungsbereiche des Bauteils rekursiv wiederholt, die mit dem Werkzeug aus der oder den vorangehenden Bearbeitungsrichtungen nicht bearbeitet werden können. Dies erfolgt solange, bis keine nicht bearbeitbaren Bearbeitungsbereiche mehr verbleiben. Bei jedem neuen Durchgang bzw. jeder neuen Iteration werden somit nur die Punkte der jeweils aus dem vorangegangenen Durchgang verbleibenden Bearbeitungsbereiche entsprechend geprüft und klassifiziert, um die Begrenzungslinien zu erhalten.
-
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht damit eine automatisierte Bestimmung der Begrenzungslinien der jeweils aus einer Bearbeitungsrichtung zu bearbeitenden Bereiche für die Bearbeitung, beispielsweise eine Fräsbearbeitung. Die entsprechend ermittelten Bereiche bzw. Begrenzungslinien bezogen auf die Bearbeitungsrichtung können dann für die Steuerung der Bearbeitung genutzt oder visualisiert werden.
-
Das Bestimmungsmodul für die Durchführung des Verfahrens umfasst entsprechend eine Eingangsschnittstelle für den Empfang des 3D-Computermodells, eine Vorverarbeitungseinheit für die Erzeugung des Höhennetzes auf Basis des empfangenen 3D-Computermodells und der vorgegebenen Bearbeitungsrichtung, eine Bestimmungseinheit für die Prüfung und Klassifizierung der Punkte des Höhennetzes und die Bildung der Begrenzungslinien sowie eine Ausgabeschnittstelle für die Ausgabe der Begrenzungslinien zusammen mit der vorgegebenen Bearbeitungsrichtung.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Überprüfung und Klassifizierung der Punkte des Höhennetzes zunächst mit einer statischen Kollisionsprüfung, bei der für jeden Punkt einzeln geprüft wird, ob er sich kollisionsfrei mit dem Werkzeug erreichen lässt. Anschließend wird zusätzlich noch eine dynamische Kollisionsprüfung jeweils zwischen einem kollisionsfrei erreichbaren Punkt und einem angrenzenden nicht kollisionsfrei erreichbaren Punkt für alle derartigen Punktepaarungen durchgeführt. Mit dieser dynamischen Kollisionsprüfung werden Grenzpunkte für die Bildung der Begrenzungslinie ermittelt, die meistens nicht mit den Punkten des Höhennetzes übereinstimmen und die Grenze zwischen bearbeitbaren und nicht bearbeitbaren Bereichen genau markieren. Mit der dynamischen Kollisionsprüfung wird somit unabhängig vom Punkteraster des Höhennetzes die exakte Grenzlinie zwischen bearbeitbaren und nicht bearbeitbaren Bereichen erhalten.
-
Die einzelnen Bearbeitungsrichtungen, mit denen das vorgeschlagene Verfahren durchgeführt wird, können entweder durch einen Benutzer vorgegeben oder auch automatisiert durch die Recheneinheit gewählt werden. Die automatisierte Wahl kann anhand vorgegebener Kriterien, bspw. durch Wahl der ersten geänderten Bearbeitungsrichtung senkrecht zur vorangehend genutzten Bearbeitungsrichtung, oder auch derart erfolgen, dass mit der jeweils geänderten Bearbeitungsrichtung der maximale Anteil der noch verbleibenden Bearbeitungsbereiche durch das Werkzeug erreicht wird.
-
Das vorliegende Verfahren lässt sich für die Steuerung oder Planung der Bearbeitung, insbesondere einer Fräsbearbeitung, in unterschiedlichen Bereichen einsetzen, bspw. im Bereich des Druckgusses, der Dental-Industrie, bei der Produktion von Hörgeräten oder in der Prothetik. Grundsätzlich lässt sich das Verfahren auf allen Gebieten nutzen, auf denen Bauteile mit Hilfe eines von einer Werkzeugmaschine geführten Werkzeugs aus Werkstücken additiv oder subtraktiv oder in anderer Weise erzeugt werden müssen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 ein Beispiel für die Repräsentation eines zu fräsenden Bauteils in Form eines Dreiecks-Netzes;
-
2 eine Repräsentation des Bauteils in Form eines Rasters aus zwei Gruppen paralleler Linienzüge, die senkrecht zueinander verlaufen;
-
3 ein Beispiel für ein aus der Repräsentation der 2 gebildetes Höhennetz des Bauteils;
-
4 ein Beispiel für die Bildung der Begrenzungslinien aus dem Höhennetz;
-
5 ein Beispiel für die kollisionsfrei erreichbaren und nicht kollisionsfrei erreichbaren Bereiche des Bauteils;
-
6 eine Darstellung der verbleibenden Bereiche des Bauteils;
-
7 eine schematische Darstellung der im der nächsten Durchgang unter einer anderen Bearbeitungsrichtung gebildeten Begrenzungslinien; und
-
8 ein Beispiel für die nach Abschluss des Verfahrens zur Verfügung gestellten Begrenzungslinien und zugehörigen Bearbeitungsrichtungen in schematisierter Darstellung.
-
Wege zur Ausführung der Erfindung
-
Das vorgeschlagene Verfahren wird im Folgenden anhand eines Beispiels einer Fräsbearbeitung in schematisierter Darstellung nochmals erläutert. Bei dem Verfahren wird zunächst ein 3D-Computermodell des zu fräsenden Bauteils 1 bereitgestellt, das in der 1 als Dreiecksnetz repräsentiert ist. Ein derartiges Dreiecksnetz kann bspw. von kommerziellen Programmen im STL-Format bereitgestellt werden. Aus diesem Dreiecksnetz wird beim vorgeschlagenen Verfahren ein Höhennetz des Bauteils 1 bezogen auf eine vorgegebene Bearbeitungsrichtung 2 generiert, die für das Höhennetz die der Höhenrichtung entgegengesetzte Richtung repräsentiert. Zur Generierung des Höhennetzes wird das Modell mit zwei Gruppen paralleler Linienzüge überzogen, die senkrecht zueinander verlaufen, wie dies in 2 dargestellt ist. Aus dieser Repräsentation wird ein Punktraster 7 als Höhennetz erzeugt, indem die Kreuzungspunkte der beiden Gruppen von Linienzügen als Punkte des Höhennetzes übernommen werden, denen eine entsprechende Höheninformation zugeordnet ist. 3 zeigt ein derartiges Höhennetz des Bauteils und die zugehörige Bearbeitungsrichtung 2. Die Höheninformation eines derartigen Höhennetzes kann bspw. auch mit der Technik des sog. „tool dropping“ aus der vorgegebenen Bearbeitungsrichtung 2 gewonnen werden.
-
Im nächsten Schritt werden nun die Begrenzungslinien zwischen Bereichen des Bauteils, die mit einem vorgegebenen Fräswerkzeug aus der vorgegebenen Bearbeitungsrichtung kollisionsfrei erreichbar sind und somit bearbeitet werden können, und Bereichen bestimmt, die aus dieser Bearbeitungsrichtung nicht kollisionsfrei erreichbar sind und somit nicht bearbeitet werden können. Dies erfolgt im vorliegenden Beispiel in einem zweistufigen Prozess. In der ersten Stufe wird für jeden der Punkte des Höhennetzes geprüft, ob dieser Punkt mit dem Fräswerkzeug kollisionsfrei erreichbar ist oder nicht. In der zweiten Stufe erfolgt dann eine dynamische Kollisionskontrolle zwischen kollisionsfrei erreichbaren und benachbarten, nicht kollisionsfrei erreichbaren Punkten. Damit wird die Begrenzungslinie zwischen den jeweils kollisionsfrei erreichbaren und nicht kollisionsfrei erreichbaren Bereichen bestimmt. 4 zeigt beispielhaft Abschnitte dieser Begrenzungslinien 4.
-
Es gibt zwei Arten von Begrenzungslinien, die Begrenzungslinien zwischen bearbeitbaren und nicht bearbeitbaren Bereichen und die Begrenzungslinie des Bauteils selbst. Beide Begrenzungslinien werden miteinander verbunden. Auf diese Weise werden in sich geschlossene Begrenzungslinien erhalten, durch die die aus der Bearbeitungsrichtung bearbeitbaren Bereiche 5 und die nicht bearbeitbaren Bereiche 6 umschlossen werden, wie dies beispielhaft in 5 dargestellt ist. Die Begrenzungslinien können dabei jeweils einen bearbeitbaren Bereich 5 oder auch einen nicht bearbeitbaren Bereich 6 einschließen. Weiterhin können auch äußere Begrenzungslinien und innere Begrenzungslinien einen bearbeitbaren oder nicht bearbeitbaren Bereich definieren, falls bspw. innerhalb eines bearbeitbaren Bereiches noch ein nicht bearbeitbarer Bereich liegt.
-
Nach der Bestimmung der Begrenzungslinien und damit der bearbeitbaren Bereiche 5 aus der vorgegebenen Bearbeitungsrichtung 2 werden diese Begrenzungslinien 4 bzw. Bereiche 5 und die zugehörige Bearbeitungsrichtung abgespeichert oder ausgegeben. Anschließend erfolgt eine erneute Durchführung der obigen Schritte mit einer geänderten Bearbeitungsrichtung 3 und den verbleibenden Bereichen 6, die aus der bisherigen Bearbeitungsrichtung 2 nicht bearbeitet werden können. 6 zeigt diese Bereiche 6 nochmals stark schematisiert.
-
Im vorliegenden Beispiel können durch die geänderte Bearbeitungsrichtung 3 die verbleibenden Bereiche 6 vollständig bearbeitet werden, so dass deren Bereichsgrenzlinien 4 zusammen mit der geänderten Bearbeitungsrichtung 3 wiederum abgespeichert oder direkt ausgegeben werden (vgl. 7). Der Benutzer erhält somit im vorliegenden Beispiel für die erste Bearbeitungsrichtung 2 zwei Begrenzungslinien 4 und für die zweite Bearbeitungsrichtung 3 ebenfalls zwei Begrenzungslinien 4, wie dies in der 8 schematisch angedeutet ist.
-
Mit diesen Daten kann dann die Steuerung der Fräsbearbeitung des Werkstücks erfolgen. Bei dieser Fräsbearbeitung erfolgt die Bearbeitung des Werkstücks zunächst aus der vorgegebenen ersten Bearbeitungsrichtung, die auch der Orientierung der Werkzeugachse entspricht, in den durch die Begrenzungslinien zu dieser Bearbeitungsrichtung festgelegten Bearbeitungsbereichen. Ein oder mehrere Bearbeitungsbereiche des aus dem Werkstück zu erzeugenden Bauteils, die in dieser ersten Bearbeitungsphase mit der vorgegebenen Bearbeitungsrichtung nicht bearbeitet werden können, werden dann in einer oder mehreren weiteren Bearbeitungsphasen durch Einstellung der jeweils geänderten Bearbeitungsrichtung bzw. Werkzeugachse innerhalb der jeweils dieser Bearbeitungsrichtung zugeordneten Begrenzungslinien bzw. Bearbeitungsbereiche bearbeitet.
-
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird somit die Bestimmung der Begrenzungslinien mit jeweils geänderten Bearbeitungsrichtungen solange rekursiv wiederholt, bis keine nicht bearbeitbaren Bereiche mehr übrig sind. Die Bearbeitungsrichtungen können dabei entweder durch einen Benutzer variabel vorgegeben werden oder es werden fest vorgegebene bzw. eingespeicherte Bearbeitungsrichtungen der Reihenfolge nach abgearbeitet. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, in Abhängigkeit von den jeweils verbleibenden Bereichen eine geänderte Bearbeitungsrichtung durch eine Algorithmus suchen zu lassen, mit dem jeweils der größte Anteil der verbleibenden Bereiche mit dem Fräswerkzeug bearbeitet werden kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Computer-Modell des Bauteils
- 2
- erste Bearbeitungsrichtung
- 3
- zweite Bearbeitungsrichtung
- 4
- Begrenzungslinien
- 5
- bearbeitbarer Bereich
- 6
- nicht bearbeitbarer Bereich
- 7
- Punktraster des Höhennetzes
