DE4446977A1 - Verfahren zum Vorbereiten von Steuerdaten für ein N/C-Verarbeitungssystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten von Steuer­ daten eines N/C-Verarbeitungssystems (N/C steht für numerische Steuerung bzw. "numerical control"), und zwar zum Steuern eines N/C-Bearbeitungs­ systems zum Bearbeiten von z. B. einer Form mit einer kompliziert gekrümm­ ten Oberfläche.

N/C-Bearbeitungssysteme zur Bearbeitung verschiedenster Werkstücke wie Formen mit komplizierten gekrümmten Flächen haben in jüngster Zeit in starkem Maße Einzug in die Praxis gehalten. Das N/C-Bearbeitungssystem hält automatisch ein Schneidwerkzeug, welches durch N/C-Bearbeitungssystem­ steuerdaten (nachstehend mit N/C-Daten bezeichnet) zugewiesen bzw. bestimmt ist, welche Daten mittels einer Floppy Disk oder dergleichen einge­ geben sind, und bewegt das Schneidwerkzeug automatisch entlang eines Pfades, welcher durch die N/C-Daten bestimmt ist, um Oberflächen eines Werkstückes zu schneiden bzw. zu bearbeiten.

Das Werkzeug zum Schneiden eines Werkstückes wird zuerst entfernt von dem Werkstück positioniert und dann in Richtung auf das Werkstück bewegt, um mit diesem an einem zu schneidenden Teil in Berührung gebracht zu werden. Nach dem Schneiden des Teiles bzw. Abschnittes wird das Werk­ zeug von dem Werkstück entfernt und wird zu einem anderen zu schneidenden Teil bewegt, wenn ein solches vorliegen sollte, und wird schließlich an die ursprüngliche Position zurückgeführt. In dieser Beschreibung wird der Pfad des Werkzeuges, entlang wessen das Werkzeug während des Schneidvorganges an jedem zu schneidenden Teil zu bewegen ist, als "Schnitttrajektorie" bezeichnet und der Pfad des Werkzeuges, entlang wessen das Werkzeug in dem gesamten Schneidvorgang zu bewegen ist, wird mit Werkzeugverfahrpfad bezeichnet, um eine Unterscheidung zwischen diesen zu machen. Der Werkzeugverfahrpfad umfaßt jenen Pfad, entlang wessen das Werkzeug von der Ausgangsposition in Richtung auf das Werkstück zu dem Werkzeugeingangsende der Schnitttrajektorie für das erste zu schneidende Teil bewegt wird, den Pfad, entlang wessen das Werkzeug in die ursprüng­ liche Position von dem Werkzeugausgangsende bzw. -auslaßende der Schnitt­ trajektorie für den letzten zu schneidenden Teil geführt wird, die Pfade, entlang welcher das Werkzeug von Teil zu Teil bewegt wird, als auch die jeweiligen Schnitttrajektorien.

Das zu verwendende Schneidwerkzeug und der Werkzeugverfahrpfad werden gemäß der Form, der Fläche und dergleichen der zu schneidenden Oberfläche und der Anordnung der zu schneidenden Oberflächen an einem Werkstück bestimmt, so daß die für die Bearbeitung erforderliche Zeit minimiert ist.

Wenn das Werkstück z. B. eine horizontale Oberfläche und eine geneigte Oberfläche hat, welche sich von der horizontalen Oberfläche nach oben erstreckt, und wenn die horizontale Oberfläche zu schneiden ist, wird ein Teil der horizontalen Oberfläche nahe der Basis der geneigten Oberfläche unge­ schnitten belassen und, je größer der Durchmesser des Schneidwerkzeuges ist, desto größer ist die Fläche des ungeschnittenen Teiles bzw. Abschnittes. Wenn jedoch ein Schneidwerkzeug mit einem kleineren Durchmesser ver­ wendet wird, um den ungeschnittenen Teil einzuengen bzw. einzugrenzen, muß die Werkzeugzuführgeschwindigkeit reduziert werden und das Schneid­ werkzeug muß häufiger hin und her bzw. vor und zurück bewegt werden, was zu einer längeren Bearbeitungszeit führt. Demgemäß wird generell eine derartige Oberfläche einmal mit einem Schneidwerkzeug mit einem relativ großen Durchmesser geschnitten und dann wird der ungeschnittene Teil mit einem Schneidwerkzeug mit einem kleineren Durchmesser geschnitten, was häufig zu einer kürzeren Bearbeitungszeit führt.

Herkömmlicherweise wird die Schnitttrajektorie für das Schneidwerkzeug mit dem größeren Durchmesser ohne Rücksichtnahme auf den Teil der zu schnei­ denden Oberfläche eingestellt, welcher naturgemäß ungeschnitten bleibt, wenn die Oberfläche durch das Schneidwerkzeug mit dem größeren Durch­ messer geschnitten wird. Demgemäß wird das Schneidwerkzeug mit dem größeren Durchmesser manchmal unnötigerweise bzw. umsonst zu einem Teil geführt, welcher durch das Schneidwerkzeug mit dem größeren Durchmesser nicht geschnitten werden kann, was zu einer unnötig langen Bearbeitungszeit führt.

In Anbetracht der voranstehenden Beobachtungen und Beschreibung ist es die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Vorbereiten von N/C-Daten anzugeben, welches die Bearbeitungszeit verringern kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Vorbereiten bzw. Bereitstellen bzw. Herstellen von N/C-Daten mit den Merkmalen des einzigen Anspruches gelöst.

Die zweite Fläche, bezüglich welcher vorhergesagt bzw. vorausberechnet wird, daß sie ungeschnitten bleibt, wenn die gesamte Fläche der zu schnei­ denden Oberfläche durch das erste Schneidwerkzeug geschnitten wird, kann durch Berechnung auf der Grundlage der Form der zu schneidenden Fläche bestimmt werden, wobei der Durchmesser des ersten Schneidwerkzeuges und dergleichen empirisch bestimmt werden kann, indem die zu schneidende Fläche tatsächlich geschnitten wird.

Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird das erste Schneid­ werkzeug nicht in die zweite Fläche bzw. zu der zweiten Fläche geführt, welche ungeschnitten bleibt, wenn die gesamte Fläche der zu schneidenden Oberfläche durch das erste Schneidwerkzeug geschnitten wird. Demgemäß kann die Schnitttrajektorie für das erste Schneidwerkzeug kürzer sein als in dem Fall, wenn das erste Schneidwerkzeug über die gesamte Fläche der zu schneidenden Oberfläche geführt wird, wodurch die Bearbeitungszeit verkürzt werden kann.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, welches ein System zum Ausfüh­ ren des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 ist ein Flußdiagramm zum Erläutern des Betriebs eines CAD/CAM-Programmsystems;

Fig. 3 ist eine Seitenansicht, welche ein Schneidwerkzeug zeigt, welches in dem in Fig. 1 gezeigten System verwendet wird;

Fig. 4-7 sind schematische Ansichten zum Darstellen des Kon­ zeptes der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 ist ein Flußdiagramm zum Erläutern des Betriebs des CAD/CAM-Programmsystems bei Bestimmung der zu schneidenden Flächen; und

Fig. 9 ist eine schematische Ansicht zum Darstellen des grundle­ genden Betriebes des in Fig. 1 gezeigten Systems.

In Fig. 1 berechnet ein CAD/CAM-Programmsystem 1 N/C-Daten zum Steuern eines N/C-Bearbeitungssystems N/C und speichert die N/C-Daten in einer Floppy Disk 7. Das N/C-Bearbeitungssystem N/C umfaßt ein ROM 8, eine CPU 10, eine RAM 12, ein Bearbeitungszentrum 9 und ein Schneidwerkzeug 11 (Fig. 3). Die CPU 10 steuert das Bearbeitungszentrum 9, wobei das Schneidwerkzeug 11 auf der Grundlage der über die Floppy Disk 7 eingegebe­ nen N/C-Daten und eines in dem ROM 8 gespeicherten Programms angetrie­ ben wird. Das RAM 12 speichert Daten über eingestellte Punkte und der­ gleichen, welche eingegeben werden in der Form von x-Positionsdaten, y- Positionsdaten und z-Positionsdaten, und zwar als Entfernungen von dem Ursprung (0,0,0) der N/C-Steuerung.

Das CAD/CAM-Programmsystem 1 umfaßt einen Formdatenbildungsabschnitt 2, einen Flächenplanbildungsabschnitt 3, einen Flächenextraktionsabschnitt 4, einen Berechnungsabschnitt 5 und einen N/C-Daten-Vorbereitungsabschnitt bzw. -Bereitsstellungsabschnitt 6.

Dem Grunde nach bestimmt der Formdatenbildungsabschnitt 2 die Form eines Werkstückes 20 (Fig. 9), an dem Werkstück zu schneidende Flächen und die Reihenfolge der zu verwendenden Schneidwerkzeuge. Der Flächenplanbil­ dungsabschnitt 3 stellt einen Flächenplan her. D.h., der Flächenplanbildungs­ abschnitt 3 unterteilt die Oberfläche des Werkstückes in eine Vielzahl von Flächen e mit einem gitterartigen Muster, wie es in Fig. 9 gezeigt ist, und speichert die z-Koordinate des höchsten Punktes in jeder Fläche. Die Größe jeder Fläche wird gemäß der Größe des Werkstückes eingestellt. Der Flächen­ plan, welcher durch den Flächenplanbildungsabschnitt 3 hergestellt wird, wird einmal in einem Speicher in dem CAD/CAM-Programmsystem 1 gespeichert. Der Flächenextraktionsabschnitt 4 berechnet ein Werkzeugauslaßende 13e einer Schnitttrajektorie CP1 für eine zu schneidende Fläche 13 und ein Werk­ zeugeinlaßende 14s einer Schnitttrajektorie CP2 für eine zu schneidende Fläche 14, welche nach der Fläche 13 zu schneiden ist, und zwar auf der Grundlage einer vorbestimmten Regel. Z.B. wird die linke untere Ecke von jeder zu schneidenden Fläche als Werkzeugeinlaßende festgesetzt und die rechte obere Ecke von jeder zu schneidenden Fläche wird als Werkzeugausla­ ßende festgesetzt. Dann extrahiert der Flächenextraktionsabschnitt 4 Flächen (z. B. Flächen e1-e6 in Fig. 9), durch welche das Schneidwerkzeug 11 verläuft, wenn es von dem Werkzeugauslaßende 13e der Schnitttrajektorie CP1 der zu schneidenden Fläche 13 zu dem Werkzeugeinlaßende 14s der Schnitttrajektorie CP2 für die zu schneidende Fläche 14 bewegt wird. Der Berechnungsabschnitt 5 berechnet die z-Koordinate des höchsten Punktes in den extrahierten Flächen e1-e6. Der N/C-Daten-Vorbereitungsabschnitt 6 bereitet N/C-Daten zum Steuern des N/C-Bearbeitungssystems N/C vor, d. h. die Durchmesser der Schneidwerkzeuge und die Werkzeugverfahrpfade PF für die jeweiligen Schneidwerkzeuge, und zwar auf der Grundlage der so erhalte­ nen Daten, und dann werden die so vorbereiteten N/C-Daten auf der Floppy Disk 7 gespeichert.

Nachstehend wird der Betrieb des CAD/CAM-Programmsystems 1 in größerer Genauigkeit unter Bezugnahme auf das in Fig. 2 gezeigte Flußdiagramm beschrieben.

Im Schritt S1 werden Daten über die Form des Werkstückes hergestellt und im Schritt S2 wird die Reihenfolge der zu verwendenden Schneidwerkzeuge eingegeben. Dann werden in Schritt S3 die zu schneidenden Flächen be­ stimmt. Wie es nachstehend in größerer Genauigkeit beschrieben ist, liegt ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung in dem Verfahren zum Bestim­ men der zu schneidenden Flächen. Dann wird der Flächenplan im Schritt S4 hergestellt. D.h. die Oberfläche des Werkstückes wird in eine Vielzahl von Flächen e in einem gitterartigen Muster unterteilt und die z-Koordinate des höchsten Punktes von jeder Fläche wird in einem Speicher gespeichert. Dann wird ein Paar von zu schneidenden Flächen, welche nacheinander zu schnei­ den sind, gemäß der im Schritt S2 eingegebenen Reihenfolge der Schneid­ werkzeuge ausgewählt und die Entfernung S zwischen den zu schneidenden Flächen wird berechnet (Schritte S5 und S6). Dann wird im Schritt S7 be­ stimmt, ob die Entfernung S kleiner ist als der Schnittpickel bzw. Schneidwert P (engl. "cutting pick P") (= Radius r des Schneidwerkzeuges + Schneidrand bzw. Schneidfehler a). Wenn festgestellt wird, daß der erstere Wert kleiner ist als der letztere, wird die z-Koordinate des höchsten Punktes des Schneid­ werkzeugverfahrpfades zwischen den zu schneidenden Flächen auf einen Wert festgesetzt, welcher im wesentlichen der Höhe des Schneidwerkzeuges entspricht, bei welcher das Schneidwerkzeug das Schneiden der hiernach zu­ schneidenden Fläche beginnt (Schritt S8). Darauffolgend wird bestimmt, ob es eine weitere zu schneidende Fläche gibt (Schritt S13). Wenn im Schritt S7 festgestellt wird, daß die Entfernung S nicht kleiner ist als der Schneidwert P, werden ein Werkzeugauslaßende einer Schnitttrajektorie für die vorher zu schneidende Fläche und ein Werkzeugeinlaßende der Schnitttrajektorie für eine hinterher zu schneidende Fläche auf der Grundlage einer vorbestimmten Regel sowie eine Interferenzzone berechnet (Schritt S9). Die Interferenzzone ist eine Zone, durch welche sich das Schneidwerkzeug von der vorher zu schneidenden Fläche zu der nachher zu schneidenden Fläche bewegt. Z.B. zeigt end in Fig. 9 einen Punkt auf dem Flächenplan, welcher dem Werkzeug­ auslaßende 13e der Schnitttrajektorie CP1 für die zu schneidende Fläche 13 entspricht, und st zeigt das Werkzeugeinlaßende 14s der Schnitttrajektorie CP2 für die zu schneidende Fläche 14. Das Schneidwerkzeug wird entlang einer geraden Linie 15 von end zu st mit der Mitte o des Schneidwerkzeuges auf der geraden Linie 15 bewegt. Unter Berücksichtigung des Durchmessers des Schneidwerkzeuges ist die Interferenzzone in Fig. 9 durch ein Oval 16 dargestellt. Hiernach werden die Flächen, welche die Interferenzzone beinhal­ ten (z. B. Flächen e1-e6 in Fig. 9) extrahiert (Schritt S10). Dann wird die z- Koordinate des höchsten Punktes in den extrahierten Flächen im Schritt S11 berechnet und die z-Koordinate des höchsten Punktes des Schneidwerkzeug­ verfahrpfades zwischen den zu schneidenden Flächen wird auf der Grundlage der z-Koordinate des höchsten Punktes in den extrahierten Flächen im Schritt S12 festgesetzt. Hiernach wird bestimmt, ob eine weitere zu schneidende Fläche vorliegt (Schritt S13). Auf diese Weise werden die Schritte S5-S8 oder die Schritte S5-S7 und S9-S12 wiederholt, bis alle zu schneidenden Flächen im Schritt S5 ausgewählt sind. Schließlich werden N/C-Daten zum Steuern des N/C-Bearbeitungssystems N/C, d. h. die Durchmesser der Schneidwerkzeuge und die Werkzeugverfahrpfade für die jeweiligen Schneid­ werkzeuge einschließlich der Schnitttrajektorien in den jeweiligen zu schnei­ denden Flächen, auf der Grundlage der so erhaltenen Daten vorbereitet und dann werden die so vorbereiteten N/C-Daten auf der Floppy Disk 7 gespei­ chert (Schritte S14 und S15).

Wenn das Werkstück eine horizontale Fläche HS und eine geneigte Fläche IS hat, welche sich von der horizontalen Fläche HS nach oben erstreckt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, und wenn die horizontale Fläche HS zu schneiden ist, bleibt ein Teil I der Oberfläche nahe der Basis der geneigten Oberfläche IS ungeschnitten. Je größer der Durchmesser des Schneidwerkzeuges ist, desto größer ist die Fläche des ungeschnittenen Teiles, wie es sich aus Fig. 5 ergibt.

Herkömmlicherweise wird die Schnitttrajektorie für das Schneidwerkzeug mit dem größeren Durchmesser ohne Berücksichtigung des Teiles I der zu schnei­ denden Oberfläche festgesetzt, welcher naturgemäß ungeschnitten bleibt, wenn die Oberfläche mit dem Schneidwerkzeug mit dem größeren Durch­ messer geschnitten wird. Demgemäß wird das Schneidwerkzeug mit dem größeren Durchmesser manchmal unnötigerweise zu dem Teil I geführt, was zu einer unnötig langen Bearbeitungszeit führt.

Bei dieser Ausführungsform werden die zu schneidenden Flächen so be­ stimmt, daß jedes Schneidwerkzeug nicht in den bzw. zu dem ungeschnitte­ nen Teil I geführt wird, welcher durch das Schneidwerkzeug nicht geschnitten werden kann. Wenn z. B. die horizontale Oberfläche HS mit einem Schneidwerkzeug mit einem Durchmesser R1 geschnitten wird, kann die rechte Seite vom Punkt L1 (Fig. 5-7) nicht geschnitten werden, selbst wenn das Schneidwerkzeug über den Punkt L1 hinaus geführt wird (wie es an der untersten Spitze des Schneidwerkzeuges zu sehen ist) und der durch I₁ bezeichnete Teil bleibt ungeschnitten. Wenn der ungeschnittene Teil I₁ mit einem Schneidwerkzeug mit einem Durchmesser R2 geschnitten wird, wel­ cher kleiner ist als der Durchmesser R1, kann die rechte Seite von Punkt L2 nicht geschnitten werden, selbst wenn das Schneidwerkzeug über den Punkt L2 hinaus geführt wird (wie es an der untersten Spitze des Schneidwerkzeu­ ges zu sehen ist) und der mit I₂ bezeichnete Teil bleibt ungeschnitten. Wenn der ungeschnittene Teil I₂ mit einem Schneidwerkzeug mit einem Durchmes­ ser von R3 geschnitten wird, welcher kleiner als der Durchmesser R2 ist, kann die rechte Seite von Punkt L3 nicht geschnitten werden, selbst wenn das Schneidwerkzeug über den Punkt L3 hinaus geführt wird (wie es an der untersten Spitze des Schneidwerkzeuges zu sehen ist) und der mit I₃ bezeich­ nete Teil bleibt ungeschnitten. Somit ist es unnötig, das Schneidwerkzeug mit dem größten Durchmesser über den Punkt L1 hinaus zu führen bzw. fördern, das Schneidwerkzeug mit dem mittleren Durchmesser über den Punkt L2 hinaus zu führen und das Schneidwerkzeug mit dem kleinsten Durchmesser über den Punkt L3 hinaus zu führen. Demgemäß wird bei dieser Ausführungs­ form die horizontale Oberfläche HS in eine Vielzahl von zu schneidenden Flächen AC1, AC2, AC3, . . . ACn unterteilt. Wenn die horizontale Oberfläche HS so in n zu schneidende Flächen unterteilt ist, ist die Schnitttrajektorie CT1 für das Schneidwerkzeug mit dem größten Durchmesser innerhalb der zu schneidenden Fläche AC1 gesetzt bzw. eingestellt, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, und die Schnitttrajektorie CT2 für das Schneidwerkzeug mit dem zweit­ größten Durchmesser wird in die zu schneidende Fläche AC2 gelegt, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, usw.

Der Betrieb des CAD/CAM-Programmsystems 1 bei Bestimmung der zu schneidenden Flächen wird nachstehend in größerer Genauigkeit unter Be­ zugnahme auf das in Fig. 8 gezeigte Flußdiagramm beschrieben.

Aus Gründen der Einfachheit wird hier angenommen, daß das Werkstück 20 nur eine zu schneidende Oberfläche hat.

Zuerst wird eine geeignete Zahl n von Schneidwerkzeugdurchmessern einge­ geben und die Daten über die zu schneidende Oberfläche werden eingegeben (Schritte S21 und S22). Dann wird eine Fläche AC1 in der Oberfläche, wel­ che durch das erste Schneidwerkzeug (das erste Schneidwerkzeug hat den größten Durchmesser und das n-te Schneidwerkzeug hat den kleinsten Durch­ messer) geschnitten werden kann, berechnet und die Fläche AC1 wird als eine zu schneidende Fläche bestimmt (Schritte S23 und S24). Hiernach wird der durch das erste Schneidwerkzeug ungeschnitten gelassene Teil I₁ im Schritt S25 berechnet und es wird im Schritt S26 bestimmt, ob ein unge­ schnittener Teil verbleibt oder nicht. Wenn bestimmt wird, daß ein unge­ schnittener Teil verbleibt, werden die Schritte S23-S25 an dem ungeschnit­ tenen Teil ausgeführt, während der Durchmesser des Werkszeuges in Folge reduziert wird, bis kein ungeschnittener Teil mehr verbleibt oder bis die durch das n-te Schneidwerkzeug (mit dem kleinsten Durchmesser) zu schneidende Fläche ACn als eine zu schneidende Fläche bestimmt wird (Schritte S27 und S28).

Somit wird in dieser Ausführungsform die zu schneidende Oberfläche in n zu schneidende Flächen unterteilt, von denen jede vollständig durch das be­ stimmte Schneidwerkzeug geschnitten werden kann. Demgemäß wird nicht jedes Schneidwerkzeug zu einem Teil geführt, welcher durch das Schneid­ werkzeug nicht geführt werden kann, wodurch die Schnitttrajektorie für jedes Schneidwerkzeug verkürzt ist und die Bearbeitungszeit ebenfalls verkürzt ist.

Claims (1)

1. Verfahren zum Vorbereiten von N/C-Daten zum Steuern eines N/C-Bearbei­ tungssystems, um bestimmte Oberflächen an einem Werkstück (20) durch Bewegen eines bestimmten Schneidwerkzeuges (11) entlang eines vorbe­ stimmten Werkzeugverfahrpfades (PF) zu schneiden, wobei die N/C-Daten Information enthalten, welche die zu schneidenden Flächen (AC) und die Schneidwerkzeuge (11) bestimmt, mittels welcher die jeweiligen bestimmten Flächen (AC_i) zu schneiden sind,
   wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

   • - Unterteilen einer zu schneidenden Oberfläche in eine erste Fläche (AC1), welche durch ein erstes Schneidwerkzeug geschnitten werden kann, und eine zweite Fläche (AC2), bezüglich welcher vorhergesagt bzw. vorausberechnet wird, daß sie ungeschnitten bleibt, wenn die gesamte Fläche der zu schneidenden Oberfläche durch das erste Schneidwerkzeug geschnitten wird, und
   • - Bestimmen der ersten Fläche (AC1) als eine durch das erste Schneid­ werkzeug zu schneidende Fläche und der zweiten Fläche (AC2) als eine durch ein zweites Schneidwerkzeug zu schneidenden Fläche, welches einen kleineren Durchmesser als das erste Schneidwerkzeug hat.