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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum rechnergestützten Optimieren eines numerisch gesteuerten Bearbeitungsprozesses eines Werkstücks mit einem Bearbeitungsmodul, das mindestens eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine umfasst, die über eine Sequenz von Steuerbefehlen gesteuert wird.
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Für eine Fertigung von Werkstücken auf Werkzeugmaschinen, die über eine Sequenz von Steuerbefehlen einer numerischen Steuerung betrieben werden, muss anhand einer Soll-Geometrie des gewünschten Werkstücks eine Sequenz von Steuerbefehlen, die auch als Numerical Control Code oder NC-Code bezeichnet wird, erstellt werden. Dieser NC-Code ist für die Steuerung der Werkzeugmaschine verantwortlich und enthält Informationen über die zu verwendenden Werkzeuge, einen Werkzeugpfad und Prozessparameter. Die Auswahl einer Fertigungsstrategie, die detaillierte Umsetzung von Werkzeugbahnen, eine Auswahl der Werkzeuge und eine Festlegung der Prozessparameter obliegen dabei einem NC-Programmierer. Damit sind alle Fertigungsschritte und die damit verbundene Qualität des Bearbeitungsprozesses und des zu fertigenden Werkstücks abhängig vom Kenntnisstand und der Erfahrung des NC-Programmierers.
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Der NC-Code kann herkömmlicherweise entweder von Hand geschrieben oder mit Hilfe eines computergestützten Herstellungsprogramms, auch als Computer-Aided-Manufacturing CAM-Software bezeichnet, erstellt werden. Für die Auswahl der Werkzeuge, die Erstellung der Prozessparameter und die Festlegung der Fertigungsstrategie ist dabei viel manueller Aufwand und Wissen auf Anwenderseite notwendig. Das Ergebnis der CAM-Planung hängt dabei in großem Maße von der Erfahrung und dem Wissen des Anwenders ab. So ist dieser beispielsweise für die Auswahl der grundsätzlichen Fertigungsstrategie, der Spindeldrehzahl, den Vorschubparametern, der Rückzughöhen, der Werkzeuge, der Zustellung, der Aufteilung in Schrupp- und Schlichtoperationen und der Kühlmitteloptionen verantwortlich. Für deren Einstellung müssen Maschinen-, Werkzeug- und Prozess-spezifische Randbedingungen eingehalten werden. Die Einhaltung dieser Randbedingungen muss händisch auf Grundlage der Erfahrung des Anwenders, der Angaben der Maschinen- oder Werkzeughersteller, der Werkzeugspezifikationen und der Anforderungen an den Fertigungsprozess eingehalten werden. Die hohe Anzahl der Freiheitsgrade, die hohe Anzahl der Randbedingungen und oft nur qualitativ vorliegende Optimierungsziele erschweren dabei die Erzeugung des NC-Codes. Die Auswirkungen der Fertigungsschritte auf die Standzeit der Werkzeuge und die Lebensdauer von Maschinenkomponenten wird nach dem Stand der Technik nicht in einer CAM-Softwareumgebung berücksichtigt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie ein System zu schaffen, welches die Erzeugung eines optimierten NC-Programms ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dargestellt.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum rechnergestützten Optimieren eines numerisch gesteuerten Bearbeitungsprozesses eines Werkstücks mit einem Bearbeitungsmodul, das sich dadurch auszeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt der Bearbeitungsprozess anhand einer vorgegebenen Werkstückgeometrie und einer Sequenz von Steuerbefehlen zur Steuerung des Bearbeitungsmoduls simuliert wird. Nachfolgend wird anhand des resultierenden Simulationsergebnisses mindestens eine Kenngröße des Bearbeitungsprozesses ermittelt. Die mindestens eine Kenngröße wird gegenüber mindestens einer vorgegebener Optimierungsgröße für einen Bearbeitungsprozess des Werkstücks mit dem Bearbeitungsmodul überprüft. Falls bei der Überprüfung eine Abweichung von mindestens einer Optimierungsgröße festgestellt wird, wird die Sequenz von Steuerbefehlen unter Verwendung einer ermittelten Abweichung zwischen der mindestens einen Kenngröße und der mindestens einen Optimierungsgröße angepasst und die Verfahrensschritte der Simulation, des Ermittelns und des Überprüfens mit der abgepassten Sequenz von Steuerbefehlen erneut durchgeführt. Falls alle Optimierungskriterien erfüllt sind, wird die resultierende Sequenz von Steuerbefehlen zur Herstellung des Werkstücks durch das Bearbeitungsmodul bereitgestellt.
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Durch das beschriebene Verfahren wird eine digitale Werkzeugkette zur Fertigung von Werkstücken auf Werkzeugmaschinen, die über eine Sequenz von Steuerbefehlen numerisch gesteuert sind, erweitert. Dies vereinfacht und verbessert die Erzeugung von einer Sequenz von Steuerbefehlen, d.h. NC-Code.
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Unter einer „resultierenden Sequenz“ ist einerseits die bei der ersten Simulation verwendete Sequenz von Steuerbefehlen zu verstehen, falls das Verfahren keine Abweichung von mindestens einer der Optimierungsgrößen feststellt. Andererseits ist als resultierende Sequenz von Steuerbefehlen die Sequenz zu verstehen, die in einem Iterationsschritt angepasst wurde und im direkt darauffolgenden Iterationsschritt keine Abweichung von mindestens einer Optimierungsgröße ergibt.
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Ist eine vorgegebene maximale Anzahl von Iterationsschritten erreicht, wird keine weitere Simulation durchgeführt. Das Erreichen der Anzahl von maximalen Iterationen kann beispielsweise ausgegeben werden. Die resultierende Sequenz von Steuerbefehlen kann entweder wie im Verfahrensschritt e) zur Herstellung des Werkstücks bereitgestellt oder aber ein Hinweis auf das Abbruchkriterium bereitgestellt werden.
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Unter einer „Sequenz von Steuerbefehlen“ werden im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise Steuerbefehle zur Steuerung einer Numerischen Steuerung von Maschinen, insbesondere Werkzeugmaschinen verstanden, die beispielsweise als Programmcode vorliegen und in Arbeits- bzw. Bewegungsabläufe umgesetzt werden. Im Weiteren wird gleichbedeutend der Ausdruck NC-Code verwendet.
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Unter „rechnergestützt“ kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise eine Implementierung des Verfahrens verstanden werden, bei dem insbesondere ein Mikroprozessor mindestens einen Verfahrensschritt des Verfahrens ausführt.
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Unter einem „Bearbeitungsmodul“ ist eine Anordnung von mindestens einer Werkzeugmaschine zu verstehen, die durch mindestens eine Numerische Steuerung gesteuert wird.
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Unter einer „Kenngröße des Bearbeitungsprozesses“ ist beispielsweise eine Bearbeitungszeit des Werkstücks, eine Oberflächenqualität oder eine Maßhaltigkeit der Geometrie des Werkstücks oder auch ein Grad an Belastung der im Bearbeitungsmodul enthaltenen Werkzeugmaschinen und Werkzeuge zu verstehen.
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Soweit es in der nachfolgenden Beschreibung nicht anders angegeben ist, beziehen sich die Begriffe „Durchführen“, „Berechnen“, „rechnergestützt“, „Rechnen“, „Feststellen“, „Generieren“, „Konfigurieren“, „Rekonstruieren“, „Simulieren“ und dergl., vorzugsweise auf Handlungen und/oder Prozesse und/oder Verarbeitungsschritte, die Daten verändern und/oder erzeugen und/oder die Daten in andere Daten überführen, wobei die Daten insbesondere als physikalische Größen dargestellt werden oder vorliegen können, beispielsweise als elektrische Impulse. Insbesondere sollte der Ausdruck „Computer“ möglichst weit ausgelegt werden, um insbesondere alle elektronischen Geräten mit Datenverarbeitungseigenschaften abzudecken. Computer können insbesondere somit beispielsweise Personal Computer, Server, Handheld-Computer-Systeme, Pocket-PC-Geräte, Mobilfunkgeräte und andere Kommunikationsgeräte, die rechnergestützt Daten verarbeiten können, Prozessoren und andere elektronische Geräte zur Datenverarbeitung sein.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die mindestens eine Optimierungsgröße und/oder mindestens eine Randbedingung des Bearbeitungsprozesses, beispielsweise vor Simulationsbeginn oder nach dem Überprüfen der Kenngröße in einem Simulationsdurchgang, eingegeben.
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„Optimierungskriterien“ können sich beispielsweise auf die Maßhaltigkeit und/oder Oberflächenqualität des Werkstücks oder beispielsweise eine Fertigungszeit des Werkstücks oder eine Standzeit der Werkzeuge beziehen. Eine Optimierungsgröße ist ein Wert, insbesondere ein numerischer Wert, bezogen auf ein Optimierungskriterium.
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Dies ermöglicht eine flexible Optimierung des Bearbeitungsprozesses auf unterschiedliche Optimierungsgrößen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Anpassung der Sequenz von Steuerbefehlen unter Einhaltung der vorgegebenen Randbedingungen.
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Optimierungskriterien, die nicht als Optimierungsgröße ausgewählt werden, können in Form von Randbedingungen eingeschränkt werden. Ein Anwender könnte beispielsweise als Optimierungsgröße einen numerischen Wert für die Standzeit des Bearbeitungsmoduls oder eines der enthaltenen Werkzeuge oder mindestens einer Werkzeugmaschinen als Optimierungskriterium vorgeben und als Randbedingung eine maximalen Bearbeitungszeit vorgeben.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Simulation unter Verwendung von Wirkzusammenhängen für die im Bearbeitungsmodul enthaltenen Werkzeugmaschinen, Wirkzusammenhänge für die verwendeten Werkzeuge und Wirkzusammenhänge für den Bearbeitungsprozess durchgeführt.
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Ein solcher Wirkzusammenhang einer Werkzeugmaschine kann beispielsweise der Einfluss sein, den eine bestimmte Ausführung einer Werkzeugmaschine auf die Führung eines Werkzeugs bei der Bearbeitung eines bestimmten Werkstückrohlings hat. Der Wirkzusammenhang zwischen einem Roboterarm als Führung eines Fräswerkzeugs und einem Halbzeugmaterial unterscheidet sich beispielsweise vom Wirkzusammenhang einer konventionellen Fräsmaschine und dem gleichen Halbzeugmaterial im Werkzeugpfad des Fräswerkzeugs. Wirkzusammenhänge werden auch als Modelle, beispielsweise als Werkzeugmaschinenmodell oder Werkzeugmodell oder Prozessmodell bezeichnet.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Wirkzusammenhänge von einer zentralen Datenbank bereitgestellt.
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Dies ermöglicht es, Wirkzusammenhänge aus vorangegangenen Bearbeitungsprozessen für eine spätere Optimierung des gleichen Bearbeitungsprozesses wiederzuverwenden. Des Weiteren können Wirkzusammenhänge, die an einer Werkzeugmaschine ermittelt wurden von anderen Werkzeugmaschinen des gleichen Typs verwendet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Wirkzusammenhänge von Lieferanten der Werkzeugmaschinen und Werkzeuge bereitgestellt.
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Dies hat den Vorteil, dass Lieferanten wie beispielsweise Maschinenherstellern Maschinenmodelle experimentell oder simulativ ermitteln und somit in den meisten Fällen verfügbar sind. Solche Werkzeugmaschinenmodelle bzw. Wirkzusammenhänge beschreiben beispielsweise das dynamische Nachgiebigkeitsverhalten einer Werkzeugmaschine.
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Unter einer „Werkzeugmaschine“ ist insbesondere eine Maschine zur Fertigung von Werkstücken mit Werkzeugen zu verstehen. Darunter ist auch ein Roboter, insbesondere ein Industrieroboter zu verstehen, der ein Werkzeug zur Bearbeitung eines Werkstücks führt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform werden Wirkzusammenhänge anhand von Messwerte aus vorherigen Bearbeitungsprozessen ermittelt.
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Dies ermöglicht es, im vorherigen Bearbeitungsprozess stattgefundene Wirkzusammenhänge zu erfassen und im nächsten Simulationsdurchgang zu berücksichtigen. Es können aber auch Wirkzusammenhänge nach Abschluss des gesamten Bearbeitungsvorgangs ermittelt und für spätere Bearbeitungsprozesse verwendet werden. Wirkzusammenhänge können beispielsweise durch Vermessung des Werkstücks ermittelt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden Wirkzusammenhänge anhand von Information über den Zustand des Bearbeitungsmoduls, die während der Bearbeitung des Werkstücks erfasst wird, ermittelt.
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Dies erlaubt eine direkte Rückkopplung von erfassten Wirkzusammenhängen auf den Bearbeitungsprozess. Dadurch kann der Zeitaufwand für die Optimierung reduziert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Messwerte durch zusätzliche Sensoren im Bearbeitungsmodul ermittelt.
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Durch zusätzliche Sensoren können insbesondere kritische Parameter oder Parameter mit großem Einfluss auf den Bearbeitungsprozess erfasst werden. Solche zusätzlichen Sensoren können insbesondere auch räumlich an besonders relevanten Positionen des Bearbeitungsmoduls angebracht werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform werden vorhandene Wirkzusammenhänge mit den ermittelten Wirkzusammenhängen abgeglichen und aktualisiert.
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Damit kann eine kontinuierliche Optimierung der Wirkzusammenhänge zwischen aufeinanderfolgenden Bearbeitungsprozessen oder auch innerhalb eines betrachteten Bearbeitungsprozesses erreicht werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die ermittelten Wirkzusammenhänge zur Entscheidungsfindung über den Optimierungsprozess, insbesondere bei der Überprüfung der Optimierungsgrößen, eingesetzt.
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Eine weitere Variante der vorliegenden Erfindung betrifft ein System zum rechnergestützten Optimieren eines numerisch gesteuerten Bearbeitungsprozesses eines Werkstücks mit einer numerischen Steuerungseinheit, einer Optimierungseinheit und einem Bearbeitungsmodul. Die numerische Steuereinheit ist derart ausgebildet, anhand einer Sequenz von Steuerbefehlen einen Bearbeitungsprozess eines Bearbeitungsmoduls zu steuern. Die Optimierungseinheit ist derart ausgebildet, eine
- a) Simulation des Bearbeitungsprozesses anhand einer vorgegebenen Werkstückgeometrie und einer Sequenz von Steuerbefehlen durchzuführen,
- b) mindestens eine Kenngröße des Bearbeitungsprozesses anhand eines Simulationsergebnisses zu ermitteln,
- c) die mindestens eine Kenngröße gegenüber mindestens einer vorgegebenen Optimierungsgröße für den Bearbeitungsprozess zu überprüfen,
- d) falls bei der Überprüfung eine Abweichung zwischen der mindestens einen Kenngröße und der mindestens einen Optimierungsgröße festgestellt wird, die Sequenz von Steuerbefehlen unter Verwendung einer ermittelten Abweichung anzupassen, und die Verfahrensschritte a) bis c) mit der angepassten Sequenz von Steuerbefehlen durchzuführen
- e) falls alle Optimierungskriterien erfüllt sind, die Sequenz von Steuerbefehlen zur Herstellung des Werkstücks durch das Bearbeitungssystem bereitzustellen, durchzuführen. Das Bearbeitungsmodul umfasst mindestens eine Werkzeugmaschine, die anhand der resultierenden Sequenz von Steuerbefehlen die Bearbeitung des Werkstücks durchführt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das System mit einer zentralen Datenbank verbunden und das System ist derart ausgebildet, Wirkzusammenhänge für die im Bearbeitungsmodul enthaltenen Werkzeugmaschinen, Wirkzusammenhänge für die verwendeten Werkzeuge und Wirkzusammenhänge des Bearbeitungsprozesses von der Datenbank zu empfangen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Bearbeitungsmodul Sensoren auf, die Messwerte des Bearbeitungsprozesses ermitteln und der Optimierungseinheit und/oder der Datenbank bereitstellen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die numerische Steuereinheit eine Maschinen-Schnittstelle zum Bearbeitungsmodul, insbesondere zu den enthaltenen Werkzeugmaschinen, auf und liest darüber Information über den Zustand des Bearbeitungsmoduls während der Bearbeitung des Werkstücks aus.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher eines digitalen Prozessors ladbar ist und Programmcodeteile umfasst, die dazu geeignet sind, das beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Systems sind in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens als Flussdiagramm;
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2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems in schematischer Darstellung; und
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3 einen beispielhaften Informationsfluss des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 stellt nun einen beispielhaften Ablauf des Verfahrens dar. Im Ausgangszustand 10 liegt eine erste Version einer Sequenz von Steuerbefehlen sowie Angaben zur Geometrie des zu fertigenden Werkstücks vor. Der Werkzeugpfad, d.h. der Pfad mit dem das Werkzeug bei der Bearbeitung geführt wird, ist durch die Sequenz der Steuerbefehle vorgegeben. Als erste Version der Sequenz von Steuerbefehlen können allgemein Informationen über einen Werkzeugpfad, über Prozessparameter und zur Spannposition vorgegeben sein. Diese werden nun als Eingabeparameter in ein Software-basiertes Tool zur Unterstützung des Herstellungsprozesses, beispielsweise einem Computer Aided Manufacuring CAM Tool, eingegeben.
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Im Verfahrensschritt 11 wird nun eine Simulation des Bearbeitungsprozesses, insbesondere ein Werkzeugmaschinen- und Prozessverhalten, anhand der vorgegebenen Sequenz von Steuerbefehlen und der Werkstückgeometrie simuliert. Aus dem Simulationsergebnis wird im Verfahrensschritt 12 mindestens eine Kenngröße des Bearbeitungsprozesses ermittelt. Eine solche Kenngröße bezieht sich beispielsweise auf eine zur Bearbeitung benötigten Arbeitszeit, eine Oberflächenqualität des Werkstücks, eine resultierende Werkstückgeometrie oder auch eine Belastung der im Bearbeitungsmodul enthaltenen Werkzeugmaschinen und eingesetzten Werkzeuge.
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Anschließend wird im Verfahrensschritt 13 die mindestens eine Kenngröße gegenüber mindestens einer vorgegebenen Optimierungsgröße für den Bearbeitungsprozess überprüft. Beispielsweise können als Optimierungskriterien die Maßhaltigkeit des Werkstücks, die Oberflächenqualität, die Fertigungszeit oder die Standzeit von Werkzeugen umfassen. Die Optimierungsgrößen sind dabei ein oder mehrere Werte, die für mindestens eines der Optimierungskriterien vorgegeben sind. Es kann aber auch ein Anwender ein oder mehrere Optimierungskriterien bzw. Optimierungsgrößen beispielsweise vor der gesamten Optimierungsprozedur oder auch zwischen einzelnen Optimierungsschritten festlegen bzw. ändern. Optimierungskriterien, für die keine Optimierungsgröße ausgewählt wurde, können als Randbedingungen ausgewählt und eingeschränkt werden.
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Wird nun eine Abweichung der ermittelten Kenngrößen von mindestens einer Optimierungsgröße festgestellt, so wird im Verfahrensschritt 14 die Sequenz von Steuerbefehlen unter Verwendung der ermittelten Abweichung angepasst. Mit diesen angepassten Steuerbefehlssequenzen bzw. diesem angepassten NC-Code wird erneut das Werkzeugmaschinen- und Prozessverhalten simuliert. Die Kennzahlen werden für den nächsten Iterationsschritt des Optimierungsverfahrens genutzt, indem der Werkzeugpfad anhand empirischer Wirkzusammenhänge angepasst wird.
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Die Optimierung ist beendet, sobald alle Optimierungsgrößen unter Einhaltung der Randbedingungen erreicht sind oder sobald eine vorgegebene Anzahl von Iterationsschritten überschritten wurde. Die resultierende Sequenz von Steuerbefehlen wird dann im Verfahrensschritt 15 zur Herstellung des Werkstücks durch das Bearbeitungsmodul bereitgestellt.
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Es können mindestens eine Optimierungsgröße aber auch mehrere Optimierungsgrößen vorgegeben werden. Des Weiteren können eine oder mehrere Randbedingungen ebenfalls im Optimierungsprozess fest vorgegeben sein oder je nach Anforderung vorgegeben werden.
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In 2 zeigt beispielhaft ein System 50 zur Optimierung eines numerisch gesteuerten Bearbeitungsprozesses. Das System umfasst eine numerische Steuereinheit 51, ein Optimierungsmodul 52 sowie ein Bearbeitungsmodul 53. Die numerische Steuereinheit 51, die anhand des NC-Codes, d.h. der Sequenz von Steuerbefehlen einen Bearbeitungsprozess des Bearbeitungsmoduls 53 steuert. Diese numerische Steuereinheit kann Teil einer bzw. mehrerer Werkzeugmaschinen sein oder eine zentrale Steuerung für alle im Bearbeitungsmodul verwendeten Werkzeugmaschinen.
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Eine Ein- und Ausgabeeinheit 59 ist mit der Optimierungseinheit 53 verbunden. Über diese Ein-/Ausgabeeinheit 59 kann beispielsweise eine erste Version des NC-Codes eingegeben oder eingelesen werden. Es kann aber auch lediglich eine Konstruktionszeichnung, die mittels computerunterstützter Konstruktionstools erstellt wurde, als Eingangsparameter übergeben werden. Des Weiteren werden über die Ein-/Ausgabeeinheit 59 mindestens eine Optimierungsgröße und/oder eine oder mehrere Randbedingungen, die beim Bearbeitungsprozess eingehalten werden sollen, eingegeben. Des Weiteren können an der Ein-/Ausgabeeinheit 59 Meldungen aus der Optimierungseinheit 52 ausgegeben werden. Beispielsweise kann eine Meldung darauf hinweisen, dass die maximale Anzahl von Iterationsschritten erreicht wurde und weiterhin eine Abweichung zwischen den ermittelten Kenngrößen und den vorgegebenen Optimierungsgrößen bzw. Randbedingungen vorliegt.
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Die Optimierungseinheit 52 weist eine Simulationseinheit 60, eine Vergleichseinheit 61 sowie eine Anpassungseinheit 62 auf. Die Simulationseinheit ist dabei derart ausgebildet, die Simulation des Bearbeitungsprozesses anhand der gewünschten Werkstückgeometrie, der Sequenz von Steuerbefehlen und unter Verwendung von Wirkzusammenhängen durchzuführen. Dort wird ebenfalls die mindestens eine Kenngröße durch eine Auswertung des Simulationsergebnisses ermittelt und diese Kenngröße oder Kenngrößen gegenüber den vorgegebenen oder eingestellten Optimierungsgrößen überprüft. Die Wirkzusammenhänge, die häufig auch als Modelle bezeichnet werden, und die es für eine Werkzeugmaschine, ein Werkzeug und das Prozessverhalten selbst gibt, sind für die Simulation notwendig. Diese Information kann beispielsweise aus einer zentralen Datenbank 54 ausgelesen werden. Für die Simulation des Maschinenverhaltens stellt beispielsweise der Maschinenhersteller experimentell oder simulativ ermittelte Maschinenmodelle bereit, die beispielsweise das dynamische Nachgiebigkeitsverhalten beschreiben. Darüber hinaus sind in diesen Modellen Leistungsdaten sowie ein kinematisches Modell der Werkzeugmaschine hinterlegt.
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Neben den Informationen der Hersteller oder Lieferanten werden in der Datenbank 54 Informationen auf der Basis von Messwerten aus vorherigen Bearbeitungsprozessen gespeichert und für die Simulation bereitgestellt.
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Des Weiteren können auch Informationen über den Zustand des Bearbeitungsmoduls während der Bearbeitung des Werkstücks durch das Bearbeitungsmodul 53 ermittelt werden. Im dargestellten Beispiel umfasst das Bearbeitungsmodul 53 zwei Werkzeugmaschinen 70, 71, die jeweils durch Steuerbefehle von eine numerische Steuerung geführt sind. Diese Werkzeugmaschine 70 weist Sensoren 56, 57, die Werkzeugmaschine 71 einen Sensor 58 auf, die speziell für den Fertigungsprozess relevante Parameter des Bearbeitungsmoduls 53 detektieren und beispielsweise über eine Maschinenschnittstelle 55 an die Optimierungseinheit 52 bereitstellen. Hierbei sind insbesondere Sensor zur Messung der Prozesskräfte, der Beschleunigung an ausgewählten Punkten der Werkzeugmaschinenstruktur und der relativen Lage zwischen Werkstück und Werkzeug von Interesse.
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Neben Wirkzusammenhängen, die aus vergangenen Bearbeitungsprozessen ermittelt wurden, kann auch während der Bearbeitung eines Werkstücks der Zustand des Bearbeitungsmoduls über eine Maschinenschnittstelle 55 der CNC-Steuerung ausgelesen werden. Die aus dem laufenden Bearbeitungsprozess ermittelten Informationen können über das Maschinenschnittstelle 55 der Optimierungseinheit 52 und insbesondere der Simulationseinheit 60 bereitgestellt werden, die die vorhandenen Modelle bzw. Wirkzusammenhänge mit den aktuellen Daten aus der Fertigung abgleicht bzw. aktualisiert und beispielsweise eine Änderung des NC-Codes ermittelt und beispielsweise über eine Schnittstelle 63 dem Bearbeitungsmodul 53 bereitstellt. Diese Rückkopplung kann zu einer Kalibrierung des NC-Codes während der regulären Fertigung verwendet werden. Durch diese optimierte Erstellung vom NC-Code kann die Dauer zur Erstellung des Codes verkürzt werden und beispielsweise für die Herstellung kleiner Stückzahlen verschiedener Produkte angepasst werden.
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Das Bearbeitungsmodul 53, die Optimierungseinheit 52, das Bearbeitungsmodul 53, sowie die Numerische Steuerung 51 und die Ein-/Ausgabeeinheit 59 können in verschiedener Weise als separate physische Einheiten ausgebildet sein.
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In 3 ist nun ein beispielhafter Informationsfluss während des Verfahrens aufgezeigt. Das Verfahren erweitert die digitale Werkzeugkette zur Fertigung von Werkstücken beispielsweise auf NC-gesteuerten Werkzeugmaschinen. Die Werkstückgeometrie eines in einem computergeschützten Konstruktionsprozess 101 entworfenen Werkstücks wird an ein computerunterstütztes Herstellungstool 102 übergeben. Erfindungsgemäß wird das computerunterstützte Herstellungssystem 102 durch eine Simulation 119 der Werkzeugmaschinen und der Prozessparameter ergänzt. Der resultierende optimierte NC-Code wird dem Bearbeitungsmodul 104 bereitgestellt.
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Als Eingangsparameter für die Optimierung durch das computerunterstützte Herstellungstool 102 werden entweder vorgegebene oder benutzerdefinierte Optimierungsgrößen 103 für Optimierungskriterien sowie Randbedingungen, die bei der Optimierung eingehalten werden, eingegeben. Neben dem optimierten NC-Code werden zusätzliche Angaben 125 wie beispielsweise geschätzte Maschinen- oder werkzeugstandzeiten ausgegeben.
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Zur Optimierung der Werkzeugpfade sind als Eingabeparameter für die Simulation Informationen 118 Prozessparameter, Werkzeug- und Spannposition sowie eine erste Version des Werkzeugpfads 117 bereitzustellen. Die Simulation 119 liefert als Ergebnis 124 die bereits Kennzahlen, beispielsweise Bearbeitungszeit 121, Oberflächenqualität 122, Werkstückgeometrie 123 und beispielsweise die Belastung von Maschinen und Werkzeugen 120.
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Für die Simulation 119 des Maschinen- und Prozessverhaltens sind Informationen über die Werkzeuge, die Werkzeugmaschinen und im Prozess in Form von Wirkzusammenhängen 112 oder Modellen notwendig. Diese sind in der zentralen Datenbank enthalten und werden der Simulation 119 bereitgestellt. Die zentrale Datenbank kann als Cloud Dienst ausgebildet sein. Die Wirkzusammenhänge der eingesetzten Werkzeugmaschinen 113 sind beim Hersteller bzw. Lieferanten meist experimentell oder simulativ ermittelt worden und können in der Datenbank 112 bereitgestellt werden. Darüber hinaus sind in diesen Modellen Leistungsdaten sowie ein kinematisches Modell der Werkzeugmaschine hinterlegt. Der Werkzeughersteller und der Halbzeughersteller stellen prozessrelevante Datensätze, wie etwa die Werkzeuggeometrie 114 und spezifische Schnittparameter 115 zur Verfügung. Unter Halbzeug ist dabei das Rohmaterial zu verstehen, aus dem das Werkstück gefertigt werden soll. Die Wirkzusammenhänge können des Weiteren über Werkstückmessungen 109, die am gefertigten Werkstück nach dessen Herstellung ermittelt werden oder über Online-Messungen durch zusätzliche Sensorik in den Werkzeugmaschinen ermittelt und verfeinert werden. Insbesondere ist eine Messung der Prozesskräfte 108, der Beschleunigung 106 an ausgewählten Punkten der Maschinenstruktur und der relativen Lage zwischen Werkstück und Werkzeug 107 von Interesse.
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Darüber hinaus wird während der Bearbeitung der Zustand des Bearbeitungsmoduls über eine Maschinenschnittstelle 105 der NC-Steuerung ausgelesen. Zu diesem Zustand des Bearbeitungsmoduls zählen beispielsweise die Position und die Geschwindigkeitssignale der kinematischen Achsen, die Spindeldrehzahl, die Temperatur einzelner Komponenten und Informationen über den Einsatz von Kühlschmierstoffen.
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Im Anschluss an den Bearbeitungsprozess werden anhand einer Werkstückvermessung 109 weitere Informationen über die erzielte Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit des Werkstücks erfasst. Die beschriebenen Informationen 111 werden zum Abgleich der Modellparameter bzw. der Wirkzusammenhänge 112 und als Datenbasis zur Entscheidungsfindung für den Optimierungsprozess eingesetzt. Die Kenntnis des Maschinen-, Werkzeug- und Prozessverhaltens legt darüber hinaus die Grundlage für die Abschätzung der Standzeit von Werkzeugen und der Lebenszeit von Maschinenkomponenten 125, die als Ausgabeparameter dem Anwender bereitgestellt werden kann.
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Das Verfahren und System ermöglicht es automatisiert optimierten NC-Code für die Steuerung von Werkzeugmaschinen und die Fertigung von Werkstücken auf Basis der Werkstückgeometrie zu erzeugen. Das notwendige Wissen auf Seiten des Anwenders entfällt für die Erzeugung des NC-Codes. Durch die Vorgabe von Randbedingungen und Optimierungskriterien kann die Erzeugung des NC-Codes aktiv beeinflusst und den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Durch die automatisierte Optimierung kann der notwendige Zeitaufwand für die CAM-Planung gesenkt werden. Durch die Optimierung des NC-Codes hinsichtlich kritischer fertigungsspezifischer Größen können die Kosten während der Herstellung der Werkstücke gesenkt werden. Neben der Senkung der Kosten kann die Lebensdauer von Komponenten und Standzeit von Werkzeugen mittels einer durchgängigen Planung des Maschinen- und Werkzeugeinsatzes abgeschätzt werden.
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Diese Vorteile ergeben sich durch die iterative Optimierung des NC-Codes 117, 118, 119, 124 während der computergestützten Fertigungsplanung 102 auf Basis von Optimierungskriterien 103 und die Rückkopplung von Messgrößen aus dem Fertigungsprozess 111. Durch die zentrale Speicherung 112 des fertigungsrelevanten Wissens in einer Datenbank können alle Anwender der Software auf das verfügbare Expertenwissen zugreifen.
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Alle beschriebenen und/oder gezeichneten Merkmale können im Rahmen der Erfindung vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
