-
Technisches Anwendungsgebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schruppbearbeitung eines Werkstücks mit einer Mehrachs-Werkzeugmaschine, bei dem zunächst erste Bereiche des Werkstücks mittels 3 + 2-Achsen-Schruppbearbeitung mit einem Schruppwerkzeug aus einer ersten Bearbeitungsrichtung entfernt und anschließend für eine Annäherung an eine Zieloberfläche verbleibende Bereiche, die aus der ersten Bearbeitungsrichtung über der Zieloberfläche nicht entfernt werden konnten, durch Einstellung wenigstens einer zweiten Bearbeitungsrichtung mittels der 3 + 2-Achsen-Bearbeitung zumindest teilweise entfernt werden.
-
Die Fräsbearbeitung von Werkstücken erfordert in der Regel mehrere Bearbeitungsvorgänge, um das jeweilige Bauteil fertigzustellen. Bei Nutzung einer geeigneten Mehrachs-Werkzeugmaschine kann eine volle 5- oder 6-Achsen-Bearbeitung des gesamten Werkstücks oder auch eine reine 3-Achsen-Bearbeitung erfolgen. Die 3-Achsen-Bearbeitung basiert auf einer statischen Bearbeitungsrichtung. Der Bearbeitungsbereich ist aus dieser Richtung sichtbar und lässt sich mit dem eingesetzten Werkzeug bei einer Bewegung entlang dieser Richtung kollisionsfrei erreichen. Können damit nicht alle Bereiche bearbeitet werden, so kann die sog. 3 + 2-Achsen-Bearbeitung eingesetzt werden, bei der nach einer ersten 3-Achsen-Bearbeitung die Bearbeitungsrichtung ein- oder mehrmals geändert und jeweils verbleibende Bereiche aus der geänderten Bearbeitungsrichtung bearbeitet werden.
-
Für die Fräsbearbeitung eines Werkstücks wird häufig ein zweistufiger Bearbeitungsprozess eingesetzt. Zunächst wird in der als Schruppen bezeichneten ersten Bearbeitungsstufe innerhalb einer möglichst kurzen Bearbeitungszeit möglichst viel des abzutragenden Werkstückmaterials mit einem Schruppwerkzeug entfernt. Das Werkstück wird dabei der beabsichtigten Endkontur lediglich angenähert. Erst danach erfolgt in einer zweiten Bearbeitungsstufe die Endbearbeitung mit entsprechend feineren Werkzeugen. Da bei der Schruppbearbeitung möglichst viel Material in kürzester Zeit abgetragen werden soll, bietet die Nutzung der 3 + 2-Achsen-Bearbeitung für den Schruppvorgang erhebliche Vorteile gegenüber einer 3- aber auch einer 5- oder 6-Achsen-Bearbeitung. Der Hauptvorteil der 3 + 2-Achsen-Bearbeitung besteht darin, dass damit kürzere und kräftigere Schruppwerkzeuge eingesetzt werden können. Dies ermöglicht hohe Vorschubgeschwindigkeiten bei der Bearbeitung. Weiterhin bietet die 3 + 2-Achsen-Bearbeitung auch eine geringere Komplexität und damit einfachere Steuerung als eine 5- oder 6-Achsen-Bearbeitung. Allerdings erfordert die Auswahl geeigneter Bearbeitungsachsen für eine 3 + 2-Achsen-Bearbeitung auch Zeitaufwand für den Anwender, falls dieser die Bearbeitungsrichtungen selbst vorgeben muss.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Schruppbearbeitung eines Werkstücks mit einer Mehrachs-Werkzeugmaschine anzugeben, welches eine schnelle 3 + 2-Achsen-Schruppbearbeitung bei automatisierter Ermittlung der Bearbeitungsrichtungen ermöglicht.
-
Darstellung der Erfindung
-
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
-
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden zunächst in einer ersten Bearbeitungsphase erste Bereiche des Werkstücks mittels einer 3 + 2-Achsen-Bearbeitung mit einem Schruppwerkzeug aus einer ersten statischen Bearbeitungsrichtung entfernt und anschließend für eine Annäherung an eine Zieloberfläche verbleibende Bereiche, die in der ersten Bearbeitungsphase aus der ersten Bearbeitungsrichtung über der Zieloberfläche nicht entfernt werden konnten, durch Einstellung wenigstens einer weiteren Bearbeitungsrichtung mittels 3 + 2-Achsen-Bearbeitung in einer oder mehreren weiteren Bearbeitungsphasen zumindest teilweise entfernt. Bei der 3 + 2-Achsen-Bearbeitung erfolgt die Bearbeitung mit einer statischen Werkzeugorientierung, die in der Regel parallel zur jeweils gewählten (statischen) Bearbeitungsrichtung liegt. Die Zieloberfläche entspricht der innerhalb des Werkstücks liegenden Oberfläche des zu erzeugenden Bauteils. Für die Ermittlung der wenigstens einen weiteren Bearbeitungsrichtung wird ein Dreiecksnetz der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks sowie ein Dreiecksnetz der innerhalb des Werkstücks verlaufenden Zieloberfläche bereitgestellt oder erzeugt. Dies kann bspw. im sog. STL-Format erfolgen.
-
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird nun die jeweils weitere Bearbeitungsrichtung mit den nachfolgenden Schritten durch eine Recheneinheit automatisiert ermittelt. Zunächst werden die Dreiecksnetze derart verfeinert, dass die Ausdehnung der Dreiecke der Dreiecksnetze geringer als ein vorgebbarer Wert D = f·r ist, falls die bereitgestellten Dreiecksnetze diese Bedingung noch nicht erfüllen. Hierbei repräsentiert f einen Faktor ≤ 1, vorzugsweise ≤ 0,5, und r den Radius des Schruppwerkzeuges. Anschließend wird auf Basis der vorangehenden Bearbeitungsrichtung ein Bearbeitungspfad erzeugt, entlang dem das Schruppwerkzeug für die Schruppbearbeitung aus der vorangehenden Bearbeitungsrichtung geführt werden soll. Die vorangehende Bearbeitungsrichtung entspricht dabei beim ersten Durchlauf der angegebenen Schritte der ersten Bearbeitungsrichtung. Auf Basis dieses Bearbeitungspfades und des eingesetzten Schruppwerkzeugs wird dann eine Schruppsimulation durchgeführt, durch die eine aus der Schruppbearbeitung aus der vorangehenden Bearbeitungsrichtung resultierende Kontur des Werkstücks ermittelt und ein aktualisiertes Dreiecksnetz der Oberfläche des Werkstücks generiert wird. Durch Vergleich des aktualisierten Dreiecksnetzes mit dem Dreiecksnetz der Zieloberfläche werden Gebiete der Zieloberfläche ermittelt, die innerhalb einer vorgebbaren Toleranz noch vom Werkstückmaterial bedeckt sind, und innerhalb der ermittelten Gebiete liegende Dreiecke der Zieloberfläche gekennzeichnet. Durch die vorgebbare Toleranz wird berücksichtigt, dass bei der Schruppbearbeitung nur eine Annäherung an die Zieloberfläche erfolgt, so dass in der Regel Restmaterial über der Zieloberfläche verbleibt, das erst durch die anschließende Feinbearbeitung entfernt werden kann. Für jedes gekennzeichnete Dreieck wird dann durch Variation die Bearbeitungsrichtung relativ zum Dreiecksnetz des Werkstücks durch eine Kollisionsprüfung ermittelt, aus welchen Bearbeitungsrichtungen das verbleibende Material über dem gekennzeichneten Dreieck mit dem Schruppwerkzeug kollisionsfrei entfernt werden kann. Die Variation der Bearbeitungsrichtung erfolgt vorzugsweise innerhalb eines vorgebbaren Variationsbereiches, bspw. durch Vorgabe des Öffnungswinkels eines Konus erfolgen, innerhalb dessen die Bearbeitungsrichtungen variiert werden. Ebenso kann die Schrittweite der Änderung der Bearbeitungsrichtung vorgegeben werden. Bei der Kollisionsprüfung wird ermittelt, ob das entsprechende Dreieck mit dem eingesetzten Schruppwerkzeug bei der Schruppbearbeitung ohne Kollision mit anderen Teilen des Werkstücks, die nicht entfernt werden sollen, erreicht werden kann. Bei der Kollisionsprüfung wird auch die Halterung des Schruppwerkzeugs mit einbezogen. Anschließend wird aus den auf diese Weise geprüften Bearbeitungsrichtungen eine Bearbeitungsrichtung ermittelt, aus der eine maximale Anzahl an gekennzeichneten Dreiecken erreichbar ist, so dass das über diesen Dreiecken verbleibende Restmaterial innerhalb der obigen Toleranzen entfernt werden kann.
-
Die ermittelte Bearbeitungsrichtung wird dann als die weitere bzw. nächste Bearbeitungsrichtung gewählt. Die letztgenannten Schritte der Erzeugung eines Bearbeitungspfades bis zur Ermittlung der nächsten Bearbeitungsrichtung werden vorzugsweise wiederholt, bis innerhalb der vorgegebenen Toleranzen kein Material über der Zieloberfläche mehr verbleibt, das mit dem Schruppwerkzeug entfernt werden kann. Die Schruppbearbeitung selbst wird entweder erst nach Ermittlung aller Bearbeitungsrichtungen durchgeführt oder kann auch bereits während dieser Ermittlung auf Basis der bereits bekannten Bearbeitungsrichtungen erfolgen. Für die Schruppbearbeitung wird dabei vorzugsweise eine 5-Achsen-Werkzeugmaschine in einem 3 + 2-Bearbeitungsmodus eingesetzt, bei dem zwei Rotationsachsen der Maschine das Werkzeug in der jeweils festen Orientierung halten. Damit kann dann nach Durchführung des Schruppprozesses die Feinbearbeitung auch durch eine 5-Achsen-Bearbeitung erfolgen.
-
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann eine schnelle Schruppbearbeitung eines Werkstücks ohne zeitaufwändige Bestimmung der Bearbeitungsrichtungen durch den Anwender durchgeführt werden. Das Verfahren ermittelt auf Basis der vorgegebenen Dreiecksnetze und der Dimensionen des eingesetzten Schruppwerkzeugs automatisch die optimalen Bearbeitungsrichtungen, um eine möglichst schnelle Schruppbearbeitung zu ermöglichen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung der Schritte bei der Ermittlung der erforderlichen Bearbeitungsrichtungen beim vorgeschlagenen Verfahren;
-
2 eine schematische Darstellung der Verhältnisse beim Start einer beispielhaften Schruppbearbeitung;
-
3 eine schematische Darstellung der Schruppbearbeitung aus der ersten Bearbeitungsrichtung zu einem ersten Zeitpunkt;
-
4 eine schematische Darstellung der Schruppbearbeitung aus der ersten Bearbeitungsrichtung zu einem zweiten Zeitpunkt;
-
5 eine schematische Darstellung der Schruppbearbeitung aus der ersten Bearbeitungsrichtung am Ende der ersten Bearbeitungsphase;
-
6 eine schematische Darstellung der Schruppbearbeitung verbleibenden Materials aus einer zweiten Bearbeitungsrichtung; und
-
7 eine schematische Darstellung der Schruppbearbeitung verbleibenden Materials aus einer dritten Bearbeitungsrichtung.
-
Wege zur Ausführung der Erfindung
-
1 zeigt ein Ablaufschema des vorgeschlagenen Verfahrens zur Ermittlung der für die Schruppbearbeitung geeigneten Bearbeitungsrichtungen. Hierzu werden zunächst Dreiecksnetze des zu bearbeitenden Werkstücks und des zu erzeugenden Bauteils bereitgestellt und ggf. so verfeinert, dass die Ausdehnung der Dreiecknetze geringer als ein vorgegebener Wert, beispielsweise der Durchmesser des eingesetzten Schruppwerkzeuges, ist. Ausgehend von einer ersten Bearbeitungsrichtung, die in der Regel vorgegeben wird, wird ein Bearbeitungspfad für das Schruppwerkzeug generiert, mit dem die Schruppbearbeitung aus der ersten Bearbeitungsrichtung erfolgen kann. Anschließend wird auf Basis dieses Bearbeitungspfades die durch diese Schruppbearbeitung aus der ersten Bearbeitungsrichtung geänderte Oberfläche des Werkstücks berechnet und das Dreiecksnetz des Werkstücks entsprechend aktualisiert. Durch Vergleich des aktualisierten Dreiecksnetzes mit dem Dreiecksnetz der Zieloberfläche wird ermittelt, ob noch Restmaterial über Gebieten der Zieloberfläche vorliegt, das mit der Schruppbearbeitung entfernt werden kann. Falls derartige Gebiete ermittelt werden, wird für jedes Dreieck der Zieloberfläche innerhalb dieser Gebiete geprüft, unter welchen Bearbeitungsrichtungen sich das Material über diesen Dreiecken mit dem eingesetzten Schruppwerkzeug kollisionsfrei entfernen lässt. Hierzu werden die Bearbeitungsrichtungen jeweils innerhalb vorgegebener Grenzen schrittweise variiert. Anschließend wird die Bearbeitungsrichtung gewählt, unter der die meisten der gekennzeichneten Dreiecke mit dem Schruppwerkzeug erreichbar sind. Auf Basis dieser gewählten Bearbeitungsrichtung wird wiederum ein Bearbeitungspfad für das Schruppwerkzeug generiert, mit dem die Schruppbearbeitung unter dieser Bearbeitungsrichtung erfolgt. Anschließend wird auf Basis des Bearbeitungspfades und der gewählten Bearbeitungsrichtung wiederum die Änderung der Werkstückoberfläche ermittelt und das Dreiecksnetz der Werkstückoberfläche entsprechend aktualisiert. Diese Schritte werden wiederholt, bis keine mit dem gewählten Schruppwerkzeug entfernbaren Materialbereiche über der Zieloberfläche mehr vorliegen. Die jeweils ermittelten Bearbeitungsrichtungen und zugehörigen Bearbeitungspfade werden schließlich miteinander verknüpft und für die Steuerung der Schruppbearbeitung verwendet. Diese Vorgehensweise ist in der 1 schematisch dargestellt.
-
Die Ermittlung der noch nicht bearbeiteten bzw. noch von Material bedeckten Dreiecke der Zieloberfläche kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden nach der Generierung des Bearbeitungspfades der jeweiligen Bearbeitungsrichtung die Dreiecke der Zieloberfläche als bearbeitet markiert, die innerhalb eines gewissen Abstandsbereiches vom jeweiligen Bearbeitungspfad liegen. Dieser Abstandsbereich entspricht dem Radius des Schruppwerkzeuges und kann auch größer gewählt werden. Die auf diese Weise nicht markierten Dreiecke entsprechen den unbearbeiteten Bereichen, die dann wiederum entsprechend als unbearbeitet gekennzeichnet werden. Ein geeigneter Algorithmus berechnet dann für jeden unbearbeiteten Bereich bestehend aus den entsprechenden unbearbeiteten Dreiecken eine bevorzugte Bearbeitungsrichtung, durch die der größte Teil des Bereiches erreicht bzw. bearbeitet werden kann. Hierfür ermittelt der Algorithmus für jedes einzelne als unbearbeitet gekennzeichnete Dreieck durch Variation der Bearbeitungsrichtungen alle Bearbeitungsrichtungen, aus denen das entsprechende Dreieck kollisionsfrei mit dem Schruppwerkzeug erreicht werden kann. Hierzu kann bspw. eine Tabelle erstellt werden, bei der zu jeder Bearbeitungsrichtung die bisher unbearbeiteten Dreiecke als bearbeitbar oder nicht bearbeitbar bzw. erreichbar oder nicht erreichbar gekennzeichnet werden können. Anschließend wird auf Basis dieser Informationen für jedes unbearbeitete Gebiet die Bearbeitungsrichtung ermittelt, unter der die meisten Dreiecke dieses Gebietes als bearbeitbar bzw. erreichbar markiert wurden. Zur Ermittlung dieser optimalen Bearbeitungsrichtung wird somit vorzugsweise ein sog. Greedy-Algorithmus eingesetzt.
-
Die Variation der Bearbeitungsrichtungen erfolgt dabei innerhalb eines vorgebbaren Parameterbereiches. Die Parameter für die Bearbeitungsrichtung bzw. die Orientierung der Werkzeugachse sind der Kippwinkel sowie der Rotationswinkel der Werkzeugachse. Unter dem Kippwinkel wird der Winkel gegenüber einer Anfangsorientierung wie bspw. der ersten Bearbeitungsrichtung oder der Flächennormalen auf die Werkstückoberfläche verstanden. Der Rotationswinkel entspricht dem Winkel der Ebene dieser Verkippung gegenüber einer Startebene. Für die Variation der Orientierung der Werkzeugachse und damit der Bearbeitungsrichtung wird vorzugsweise ein Kippwinkel von 0° bis 50° und ein Rotationswinkel von 0° bis 360° gewählt. Die Variation kann bspw. jeweils in 5°-Schritten oder auch in größeren oder kleineren Schrittweiten erfolgen. Die Schrittweiten für den Kippwinkel und den Rotationswinkel müssen nicht identisch sein.
-
2 zeigt stark schematisiert ein erstes Beispiel für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens. In der Figur ist das ursprüngliche Werkstück 1 sowie die im Werkstück verlaufende Zieloberfläche 2 zu erkennen. Bei der Schruppbearbeitung soll das Material 3 über der Zieloberfläche 2 möglichst schnell weitgehend entfernt werden. Hierzu wird ein Schruppwerkzeug 4 eingesetzt, das in einer Halterung 5, bspw. einer Spindel, gehaltert ist. Die erste Bearbeitungsrichtung 6 wird bspw. durch den Benutzer vorgegeben. Die Zieloberfläche 2 wird durch Ermittlung des Abstandes des Oberflächennetzes des Werkstücks vom Oberflächennetz des zu erzeugenden Bauteils erhalten. Aufgrund dieser distanzbasierten Detektion wird somit nur der Bereich als Zieloberfläche 2 ermittelt, der von der Kontur des Werkstücks 1 abweicht.
-
Anschließend wird ein Bearbeitungspfad aus der gegebenen Bearbeitungsrichtung 6 generiert, mit dem ein großer Teil des Materials 3 über der Zieloberfläche 2 abgetragen werden kann. 3 zeigt hierzu beispielhaft einen derartigen Abtrag mit dem Schruppwerkzeug 4 zu einem ersten Zeitpunkt, 4 zu einem zweiten Zeitpunkt und 5 nach Abschluss der Bearbeitung aus der erstem Bearbeitungsrichtung 6. Aus den 3–5 ist sehr gut zu erkennen, dass bei der Generierung des Bearbeitungspfades die Geometrie des Schruppwerkzeugs 4 sowie der Halterung 5 des Schruppwerkzeugs berücksichtigt werden muss, um eine kollisionsfreie Bearbeitung zu ermöglichen, bei der Schruppwerkzeug 4 und Halterung 5 nicht mit anderen Bereichen des Werkstücks kollidieren.
-
Beim vorgeschlagenen Verfahren wird anschließend auf Basis des vorher ermittelten Bearbeitungspfades sowie der Bearbeitungsrichtung die Änderung der Werkstückgeometrie aufgrund einer derartigen Bearbeitung ermittelt. Das Dreiecksnetz der Oberfläche des Werkstücks wird dadurch aktualisiert und durch Ermittlung der Distanz zwischen dem aktualisierten Dreiecksnetz des Werkstücks 1 und dem zu erzeugenden Bauteil wiederum die noch unbearbeitete Zieloberfläche 2 ermittelt. Für jedes Dreieck der unbearbeiteten Zieloberfläche 2 wird dann durch Variation der Bearbeitungsrichtung ermittelt, unter welcher Bearbeitungsrichtung der größte Teil der noch unbearbeiteten Bereiche der Zieloberfläche bearbeitet werden kann, d. h. durch Entfernung von Material des Werkstücks angenähert werden kann.
-
Im vorliegenden Beispiel wurde hier eine zweite Bearbeitungsrichtung 7 ermittelt, für die dann wiederum ein entsprechender Bearbeitungspfad generiert wird. Auch hier wird die Bearbeitung wieder simuliert, um die Änderung der Werkstückoberfläche nach dieser Bearbeitung zu erhalten. Die Situation nach einer derartigen Bearbeitung unter der Bearbeitungsrichtung 7 ist in 6 schematisch dargestellt.
-
Mit diesen Informationen wird dann das Dreiecksnetz des Werkstücks 1 erneut aktualisiert und die noch unbearbeitete Zieloberfläche 2 durch Abstandsdetektion zwischen aktualisierter Oberfläche des Werkstücks 1 und Oberfläche des zu erzeugenden Bauteils ermittelt. Anschließend erfolgt in gleicher Weise wie bei Ermittlung der Bearbeitungsrichtung 7 die Ermittlung einer neuen Bearbeitungsrichtung 8, mit der das noch verbleibende Material über der Zieloberfläche 2 optimal entfernt werden kann. 7 zeigt hierzu ein Beispiel für eine derartige weitere Bearbeitungsrichtung 8 und das Bearbeitungsresultat nach dieser Bearbeitung. Auch hier erfolgt wiederum die entsprechende Aktualisierung des Dreiecksnetzes des Werkstücks 1. Durch Vergleich mit dem Dreiecksnetz des zu erzeugenden Bauteils wird dabei im vorliegenden Beispiel nur noch ein geringer Materialanteil oberhalb der Zieloberfläche 2 ermittelt, der jedoch mit dem eingesetzten Werkzeug nicht mehr kollisionsfrei entfernt werden kann. Der Ermittlungszyklus wird damit beendet und die ermittelten Bearbeitungsrichtungen und Bearbeitungspfade an die Steuerung der Mehrachs-Werkzeugmaschine übergeben, damit die Bearbeitung in der angegebenen Reihenfolge mit den ermittelten Parametern durchgeführt werden kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Werkstück
- 2
- Zieloberfläche
- 3
- abzutragendes Material
- 4
- Schruppwerkzeug
- 5
- Halterung des Schruppwerkzeugs
- 6
- erste Bearbeitungsrichtung
- 7
- zweite Bearbeitungsrichtung
- 8
- dritte Bearbeitungsrichtung
