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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des
Hauptanspruchs.
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Im
Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bearbeitung
eines Werkstücks
mittels spanabhebenden Werkzeugs auf einer NC-gesteuerten Maschine,
bei welchem das Werkzeug längs
einzelner Bearbeitungszeilen relativ zu dem Werkstück bewegt
wird.
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Bei
der spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken auf NC-gesteuerten Maschinen wird der Materialabtrag
dadurch realisiert, dass die Maschine das Bearbeitungswerkzeug relativ
zum Werkstück
bewegt. Die Bewegung folgt dabei einem Bearbeitungsprogramm, das
in einer Folge von NC-Befehlen den Bewegungsablauf zwischen Werkstück und Werkzeug
definiert.
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Bei
der Herstellung von komplexen Oberflächen durch Fräs- oder
Schleifbearbeitung wird häufig eine
zeilenförmige
Bearbeitungsstrategie gewählt. Die
Zeilen des Bearbeitungsprogramms werden dabei durch eine Folge von
Stützpunkten
im Raum beschrieben, denen das Bearbeitungswerkzeug relativ zum
Werkstück
folgt. Die Zeilen der Bahn des Werkzeuges haben dabei häufig in
einer Ebene den gleichen Abstand. Sie werden vom Programmiersystem so
auf die Sollgeometrie des Werkstückes
projiziert, dass das Werkzeug bei der Bearbeitung stets die Solloberfläche des
Werkstückes
in einem oder mehreren Punkten berührt, diese aber nicht verletzt.
Dieses Verfahren führt
dazu, dass in Abhängigkeit
von der Neigung der Werkstücksolloberfläche zur
Projektionsrichtung der Abstand der einzelnen Zeilen der Werkzeugbahn
unterschiedlich groß ist.
Dort, wo die Werkstücksolloberfläche senkrecht
zur Projektionsrichtung steht, bleibt der Abstand gleich dem der noch
nicht projizierten Zeilen. Je mehr jedoch die Werkstücksolloberfläche sich der
Projektionsrichtung annähert,
desto größer wird
der Abstand der auf die Werkstücksolloberfläche projizierten
Zeilen.
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Diesen
Effekt gibt es auch bei Bearbeitungsstrategien, bei denen keine
Projektion durch das Programmiersystem erfolgt. Abhängig von
der Neigung der Werkstücksolloberfläche verändert sich
der Abstand der benachbarten Werkzeugzeilen zueinander, eventuell
auch nur in Teilbereichen.
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Dieser
Effekt ist sehr unerwünscht,
da er zu erhöhten
Maßungenauigkeiten
und schlechteren Oberflächen
am Werkstück
führt.
Beispielsweise wird bei der Fräsbearbeitung
mit kugelförmigen
Werkzeugen die Restrauhigkeit größer. In
der Folge muss ein weiteres Hilfsprogramm ausgeführt werden, das diese Stellen
nachbearbeitet oder ein erhöhter
manueller Aufwand zum Versäubern
und Polieren des Werkstückes
getrieben werden.
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Bei
der spanenden Bearbeitung von Werkstücken mittels NC-gesteuerten Maschinen
werden die Bearbeitungsbahnen bei im Wesentlichen ebenen Flächen orthogonal
projiziert. Durch diese orthogonale Projektion kann ein Abstand
der einzelnen Bearbeitungsbahnen oder Zeilen bestimmt werden, bei
welchen sich eine den jeweiligen Anforderungen entsprechende Oberflächengüte ergibt.
Es wird somit eine optimale Bearbeitung ermöglicht, die zum einen den Zerspanungsaufwand
optimal gestaltet und zum anderen eine noch ausreichende Oberflächengüte gewährleistet.
Bei zu vielen Zeilen und damit zu geringem Zeilenabstand würde der
Bearbeitungsaufwand überproportional
ansteigen, so dass sich die hierdurch ergebende verbesserte Oberflächengüte nicht rechnet.
Insofern stellen derartige Bearbeitungsvorgänge stets einen Kompromiss
dar.
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Es
ergibt sich, dass bei Flächen,
die in einem größeren Winkel
zur orthogonalen Projektion ausgerichtet sind (dies können sowohl
konkave als auch konvexe Bereiche sein) der Zeilenabstand, bezogen auf
die Oberfläche
selbst, nicht deren Projektion, zu groß wäre. Für diese Bereiche ergibt sich
somit unter Voraussetzung der vorher festgelegten Zeilenabstände ein
zu großer
Zeilenabstand, der in einer verschlechterten Qualität der Oberfläche resultiert.
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Betrachtet
man die
DE 198 05
735 C2 , so ergibt sich, dass dort nicht auf unterschiedliche,
beispielsweise konvex gekrümmte
Oberflächen
Bezug genommen wird. Vielmehr wird in der Druckschrift auf die Form
der Oberfläche
des Werkstückes
nicht eingegangen. Es wird lediglich diskutiert, wie die üblichen
Zeilenabstände
so gewählt
werden können, dass
sich ein guter Kompromiss zwischen Bearbeitungszeit, Bearbeitungsaufwand
und Oberflächenqualität ergibt.
Hierzu werden die Parameter, wie beispielsweise die Vorschub-Geschwindigkeit,
die Bahn-Geschwindigkeit
und die Bahn-Beschleunigung zugrunde gelegt. Das Dokument bezieht
sich somit lediglich auf die Optimierung der Grundeinstellung der
Zerspanungsparameter.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,
welches bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger
Anwendbarkeit auch bei jenen Oberflächenbereichen, die mit dem
Standard-Zeilenabstand nicht ausreichend präzise bearbeitbar sind, eine
optimierte Bearbeitung ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die
Unteransprüche
zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist somit
vorgesehen, dass mittels der Steuerung der Abstand der Zeilen ermittelt
und mit einem vorgegebenen Soll-Abstand verglichen wird und dass
zumindest die Bereiche, bei denen der Abstand der Zeilen den Soll-Abstand überschreitet,
automatisch zumindest eine Hilfszeile eingefügt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus.
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Erfindungsgemäß werden
somit zusätzliche Zeilen
für das
Bearbeitungswerkzeug an den Stellen eingefügt, an denen die ursprünglich programmierten Zeilen
für das
Bearbeitungswerkzeug einen sehr großen Abstand zueinander haben.
Die Steuerung analysiert dazu in einer Art Look-Ahead-Funktion,
wie diese von modernen Steuerungen auch für die Vorschubsteuerung bekannt
ist, den Verlauf der Werkzeugbahn relativ zum Werkstück.
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Dabei
ist es erforderlich, dass die Steuerung eigenständig benachbarte Werkzeugzeilen
bei der Bearbeitung erkennt. Bei einer mäanderförmigen Bahn ist dies sehr einfach
möglich,
da am Ende einer Zeile eine seitliche Übersetzbewegung erfolgt und anschließend die
Bearbeitung in der entgegengesetzten Richtung in einer neuen Zeile
weitergeht. Mit einfachen mathematischen Funktionen können die Stellen
der Übersetzbewegung
und damit des Wechsels von einer Zeile in die nächste erkannt werden.
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Gleiches
gilt für
Bearbeitungen, die beispielsweise nur in einer Richtung erfolgen,
z.B. im Gleichlauf. Hier findet nach Abarbeitung einer Zeile des
Bearbeitungsprogramms eine Übersetzbewegung
an den Anfang der nächsten
Bearbeitungszeile statt. Dies kann auch mit relativ einfachen Mitteln
erkannt werden.
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Wenn
der Steuerung durch die Analyse der Werkzeugbahn die einzelnen Bearbeitungszeilen
in einem Look-Ahead bekannt sind, dann kann diese für zwei benachbarte
Zeilen für
die einzelnen Stützpunkte
des Bearbeitungsprogramms in diesen Zeilen den Abstand dieser zur
Nachbarzeile feststellen. Überschreitet
dieser Abstand einen vom Bediener vorgegebenen Grenzwert, dann kann
die Steuerung durch einfache Interpolation Stützpunkte zur Beschreibung einer
oder mehrerer Hilfszeilen einfügen.
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Die
zusätzlichen
Stützpunkte
werden ab der Stelle, ab der der vom Bediener vorgegebene Abstand
erstmalig überschritten
wird, eingefügt,
so lange, wie der vorgegebene Abstand der ursprüng lichen Programmzeilen überschritten
ist. Wird der vorgegebene Abstand wieder unterschritten, dann fügt die Steuerung
weitere Stützpunkte
für eine
Rückwärtsfahrt
bis an die Stelle ein, an der das Einfügen der zusätzlichen Stützpunkte begonnen hat. Die
Rückwärtsfahrt
findet dabei auch zwischen den ursprünglich programmierten Zeilen
statt. Nach Erreichen dieser Stelle wird die Bearbeitung mit der
ursprünglich programmierten
Zeile fortgesetzt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht eines zeilenmäßigen Bearbeitungsvorgangs
einer Werkstückoberfläche,
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2 eine
Darstellung, analog 1, einer geneigten Werkstückoberfläche,
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3 eine
Darstellung der Bearbeitungsabfolge zur Erzeugung eines dreidimensionalen
Werkstücks
mit einer hin- und hergehenden Bewegung des Werkzeugs,
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4 eine
schematische Darstellung der Bearbeitungsabfolge bei einer mäandernden
Bewegung des Werkzeugs,
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5 eine
vergrößerte Teil-Ansicht
eines Bearbeitungsbeispiels mit mäandernder Werkzeugführung,
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6 eine
Darstellung, analog 5, unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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7 eine
Darstellung, analog 4, unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bei
den Ausführungsbeispielen
sind gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Die 1 zeigt
in schematischer Seitenansicht eine Bearbeitungssituation, bei welcher
die Oberfläche
eines Werkstücks 1 in
zeilenmäßiger Abfolge
mittels eines nur in der Hüllkurve
dargestellten Werkzeugs 2 bearbeitet wird. Dabei ist ersichtlich, dass
zwischen den einzelnen Bearbeitungsbahnen jeweils ein Restbereich 5 an
der Oberfläche
des Werkstücks 1 verbleibt,
der in nachfolgenden Bearbeitungsschritten entfernt oder geglättet werden muss.
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Bei
der in 2 gezeigten analogen Darstellung ist die Oberfläche des
Werkstücks 1 zur
Drehachse des Werkzeugs 2 geneigt. Wie ersichtlich, ergibt
sich hierbei eine erhebliche Vergrößerung der Restbereiche 5,
die bei der zeilenmäßigen Bearbeitung
stehen bleiben. Daraus resultiert eine Verschlechterung der Oberflächenqualität bzw. eine
erhebliche zusätzliche
Nacharbeit.
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In 3 ist
ein Beispiel einer Bearbeitungsabfolge dargestellt, bei welcher
das Werkzeug längs paralleler
Zeilen oder Bahnen 3 so bewegt wird, dass sich die gewünschte Kontur
des Werkstücks 1 ergibt. Das
Werkzeug wird dabei am Ende jeder Zeile angehoben, rückgeführt und
wieder zugestellt.
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Die 4 zeigt
ein analoges Bearbeitungsmodell, bei welchem das Werkzeug mäandernd
bewegt wird.
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Die 5 zeigt
eine vergrößerte Darstellung eines
Bearbeitungsvorganges. Dabei ist ersichtlich, dass die auf der ebenen
Fläche
des Werkstücks 1 verlaufenden
Zeilen 3 einen relativ geringen Abstand D1 haben, während, bedingt
durch die Projektion, der Abstand der Zeilen auf den geneigten oder
gewölbten
Bereiches des Werkstücks,
wie durch den Pfeil D2 gezeigt, erheblich größer ist. Hierdurch ergibt sich die
schlechtere Bearbeitungsqualität
gemäß der Darstellung
der 2.
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In 6 ist
nunmehr ein Bearbeitungsbeispiel gezeigt, bei welchem, ausgehend
von der ursprünglichen
Zeilenanordnung gemäß 5,
mehrere Hilfszeilen 4 eingefügt sind, entlang de rer das Werkzeug
geführt
wird. Dabei ist insbesondere ersichtlich, dass der Abstand der Hilfszeilen 4 zu
der jeweils benachbarten ursprünglichen
Zeile 3 sowie der Abstand der Hilfszeilen 4 untereinander
stets kleiner oder gleich ist zu dem Abstand D1 (siehe 5)
der Zeilen auf der horizontalen Fläche des Werkstücks, welche
senkrecht zur Projektionsrichtung ausgerichtet ist.
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Die
Pfeile längs
der Zeilen in 6 zeigen die Bewegungsrichtung
des Werkzeugs.
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Die 7 zeigt
ein ähnliches
Beispiel wie die Darstellung der 6, wobei
sich insbesondere die Übergangsbereiche
der Hilfszeilen 4 zu den ursprünglichen Zeilen 3 noch
klarer ergeben.
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Anhand
eines mäanderförmigen Programms wird
das Verfahren in der Steuerung somit beispielhaft in den 6 und 7 detaillierter
beschrieben.
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Die
Steuerung führt
zunächst
die erste Zeile des Bearbeitungsprogramms aus, speichert aber gleichzeitig
die einzelnen Stützpunkte
dieser Zeile in einem Hilfsspeicher. Am Ende der ersten Zeile erkennt
die Steuerung das Übersetzen
in die nächste Zeile
und den Beginn der nächsten
Zeile. Vor Ausführung
im NC-Teil berechnet die Steuerung nun für jeden Stützpunkt der neuen Zeile den
Abstand zur vorherigen Zeile, deren Stützpunkte noch im Hilfsspeicher
zwischengespeichert sind. Wird der vom Bediener vorgegebene maximale
Abstand überschritten, beginnt
das Einfügen
von Hilfsstützpunkten
und die Ausführung
der ursprünglich
programmierten Zeile wird unterbrochen, bis das Einfügen der
Hilfsstützpunkte
abgeschlossen ist. Die Hilfsstützpunkte
können
durch einfache Interpolation berechnet werden, beispielsweise indem
die ursprünglich
programmierten Stützpunkte
der neuen Zeile auf einer geraden Verbindungslinie, die den kürzesten
Abstand des jeweiligen Stützpunktes
zur vorherigen Zeile beschreibt, in Richtung der vorherigen Zeile
verschoben werden. Da mit Hilfe der Hilfsstützpunkte eine zusätzliche
Hin- und eine zusätzliche
Rückzeile
beschrieben werden, ist es sinnvoll, den ursprünglichen Abstand der Stützpunkte
von der vorherigen Programmzeile zu dritteln, sodass ein ungefähr gleicher Abstand
der Zeilen zueinander entsteht.
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Wenn
das Einfügen
der Hilfsstützpunkte
beginnt, werden diese zunächst
von der Steuerung ausgeführt,
nach eventuell weiteren für
die Programmabarbeitung sinnvollen und notwendigen Berechnungen.
Wenn sämtliche
zusätzlich
eingefügten
Hilfsstützpunkte
ausgeführt
wurden, wird die Abarbeitung mit der ursprünglich programmierten Zeile
fortgesetzt. In extremen Fällen
kann es auch sinnvoll sein, dass jeweils zwei Hin- und Rückzeilen
oder sogar noch mehr eingefügt
werden, um einen sinnvollen maximalen Abstand einzuhalten.
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Durch
das Einfügen
einer zusätzlichen
Hin- und Rückzeile
entstehen zwei zusätzliche
Umkehrpunkte, am Ende der zusätzlichen
Hinzeile und am Ende der zusätzlichen
Rückzeile.
Hier kommt es aus dynamischen Gründen
zu einem kurzen Anhalten der Maschine mit rotierendem Werkzeug,
was in der Regel zu einer Markierung auf dem Werkstück führt. Um dies
zu vermeiden ist es vorteilhaft, an den beschriebenen Umkehrpunkten
eine zusätzliche
leichte Abhebebewegung des Werkzeuges zu überlagern, durch die das Bearbeitungswerkzeug
ganz wenig von der Werkstückoberfläche wegbewegt
wird.
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Wenn
der Abstand des ersten Stützpunktes oder
des letzten Stützpunktes
einer Bearbeitungszeile zu der vorherigen Zeile sich nicht berechnen
lässt, weil
die neue Zeile über
die vorherige Zeile hinausgeht, dann kann hilfsweise auch der Abstand
des ersten bzw. des letzten Stützpunktes
der vorherigen Zeile zu der neuen Zeile berechnet werden. Wird am
Anfang der neuen Zeile der vorgegebene Abstand überschritten, dann wird die Übersetzbewegung
nicht vollständig
ausgeführt
und die neue Zeile nicht begonnen, sondern es werden sofort Hilfsstützpunkte eingefügt, bis
der vorgegebene Abstand wieder unterschritten wird. Analog wird
am Ende der neuen Zeile vorgegangen.
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Natürlich kann
es auch vorkommen, dass eine neue Zeile insgesamt den vorgegebenen
Abstand für
alle Stützpunkte
von der vorherigen Zeile überschreitet.
Dann haben die Hilfshin- und Hilfsrückzeile in etwa die gleiche
Länge wie
die neue Zeile.
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- 1
- Werkstück
- 2
- Werkzeug
- 3
- Zeile
- 4
- Hilfszeile
- 5
- Restbereich
- D
- Abstand