EP3221758A1 - Verfahren zur bearbeitung eines werkstücks mittels eines spanabhebenden werkzeugs auf einer nc-gesteuerten werkzeugmaschine - Google Patents

Verfahren zur bearbeitung eines werkstücks mittels eines spanabhebenden werkzeugs auf einer nc-gesteuerten werkzeugmaschine

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EP3221758A1
EP3221758A1 EP15738861.2A EP15738861A EP3221758A1 EP 3221758 A1 EP3221758 A1 EP 3221758A1 EP 15738861 A EP15738861 A EP 15738861A EP 3221758 A1 EP3221758 A1 EP 3221758A1
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EP
European Patent Office
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tool
workpiece
data
point
machining
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15738861.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Röders
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P&L GmbH and Co KG
Original Assignee
P&L GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by P&L GmbH and Co KG filed Critical P&L GmbH and Co KG
Publication of EP3221758A1 publication Critical patent/EP3221758A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G05B2219/50—Machine tool, machine tool null till machine tool work handling
    • G05B2219/50334—Tool offset, diameter correction

Definitions

  • the invention relates to a method for machining a workpiece according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a method of machining a workpiece by means of a cutting tool on an NC-controlled machine tool, in which the tool is arranged along tool paths, e.g. Lines, which are formed by a sequence of support points, is moved relative to the workpiece, wherein the enveloping body resulting from the rotation of the tool in the machining of the workpiece with the surface of the workpiece has substantially a point contact in a contact point.
  • tool paths e.g. Lines, which are formed by a sequence of support points
  • a milling method with spherical machining tools is often used.
  • the tool is usually moved in a cell shape with a small distance from individual lines or tool paths on the workpiece to be produced, always a point contact is maintained.
  • the tool paths are described in a milling program by a sequence of support points, which moves the machine from base to base point.
  • CNC controls for controlling a processing machine have as information only the bases in the milling program to interpolate the course of the tool path. If the number of vertices in a region is very different or not precisely calculated, deviations may occur in the interpolation, depending on the algorithms used, which in turn adversely affect surface quality and dimensional accuracy.
  • the invention has for its object to provide a method of the type mentioned, which ensures a high surface quality with a simple design and simple, cost-effective applicability with short processing times.
  • the data of the interpolation points predetermined for the movement of the tool along the tool paths are compared with surface data of the workpiece to be produced and, if necessary, the position of the workpiece Base point and thus the trajectory of the tool along the tool path is corrected. There is thus an adjustment of the constructed surface of the workpiece to be produced (the surface data) with the bases in the machining program.
  • the individual interpolation points of the machining program are fine-corrected so that a mathematically exact point of contact between the tool and the workpiece results and inaccuracies of the CAM systems that calculate the tool paths are eliminated.
  • the trajectory of the tool which is parallel to the sol surface of the workpiece to be produced in the case of spherical tools, is then checked to determine whether the distance of the trajectory defined by the individual interpolation points coincides exactly with the surface geometry of the workpiece to be produced.
  • the rotating tool forms by means of its cutting edges an enveloping body whose point of contact is related to the target surface of the workpiece to be produced. It is thus checked according to the invention, whether the calculated by a machining program, such as a milling program, in a CAM system trajectory over its entire course the correct distance to the generated surface of the workpiece.
  • a machining program such as a milling program
  • the data of the interpolation point it is particularly favorable if, for the data of the interpolation point, the data of the respective contact point of the enveloping body are determined and a correction of the data of the interpolation point takes place along or parallel to a surface normal in the contact point.
  • the displacement of the support point or the correction of its distance from the surface of the workpiece to be generated along a surface normal ensures the exact distance of the movement path and thus the exact positioning of the tool, resulting in an exact point of contact.
  • the correction is made along the surface normal when the fulcrums describe the midpoint path (center of the tool ball) of the tool.
  • the support points describe the path of the tool tip or non-spherical tools, such as parabolic or toric tools, in which the correction of the support point does not take place along the surface normal, this is usually parallel to the surface normal, since the surface normal of the contact point not at the same time passes through the base. Furthermore, it may be advantageous according to the invention if at least one additional interpolation point is inserted along the line or the trajectory whose data are initially predetermined on a connecting line of two interpolation points and subsequently corrected on the basis of the surface data in the procedure according to the invention.
  • the data of the original interpolation points of a milling program is generated by a CAM system, while the correction of the data of the interpolation points is carried out by a CNC control of the machine tool.
  • the tool according to the invention may have different shapes, for example may be a cutter with a hemispherical end portion, or have parabolic, toric or other tool geometries.
  • the CNC control of the processing machine not only receives the milling program calculated by the CAM system as input information, but also the surface data, ie geometry information, of the workpiece to be produced (three-dimensional surface data of the workpiece) whose help the programming system has calculated the milling program.
  • the surface data ie geometry information
  • the controller can check during processing for each support point whether its position has been calculated with sufficient accuracy.
  • the radius of curvature of the tool path for a support point for convex surfaces results by adding the radius of the sol surface of the workpiece in the tool path direction and the radius of the tool.
  • the machining program of a CAM system first calculates a sequence of interpolation points which result in a polygonal line and thus a polygonal tool path.
  • the direction of the tool path has to be tangential to the sol surface of the workpiece in each contact point or in each support point in order to generate the sol surface of the workpiece correctly.
  • the course of the tool path which runs through the support points corrected according to the invention thus forms in spherical tools each an equidistant center point of the tool, so this generates the determined by the contact points sol surface of the workpiece, provided that issued from the CAM system points the center point of the tool describe.
  • the Describe tool path of the tool tip ie the lowest point of the tool.
  • the fulcrums only have an offset to the midpoint path, with the offset corresponding to the tool radius.
  • the distance between the tool center point and the touch point changes depending on where the touch point is on the tool.
  • a circular contact between the tool and the workpiece instead of a point of contact can occur.
  • the method is analogously applicable, except that for the individual base not the touch point, but a touch surface, in this case a circle is calculated.
  • the necessary corrections of the position of the interpolation points by the CNC control are small and it can be with appropriate algorithms sure the correct point of contact of the tool on the surface of the workpiece to be produced for determine each base.
  • the distance of the tool to the sol surface of the workpiece is determined when the tool does not touch the workpiece. From the calculation of the distance, the distance standard to the sol surface results, which describes the shortest distance between tool and sol surface. Subsequently, the support point for the tool along the distance normal is shifted so that there is a mathematically exact point of contact of the tool, if that is necessary.
  • annular cutting line which describes the intersection of the tool and the surface of the workpiece. Since the bases in the milling program are only slightly wrong, the diameter of the annular cutting line is very small. It can be found the distance normal in the center of the annular cutting line on the sol surface of the workpiece and the support point of the tool path in the direction of the distance normal, or parallel to this so far moved that the tool touches the sol surface of the workpiece only in a touch point.
  • This method is not only suitable for the bases of a milling program to fine-tune their position, as described.
  • the distance of the vertices in Areas or in the entire milling program is relatively large, so additional bases between the already existing in the milling program can be calculated.
  • one or more auxiliary points are first determined on the direct connecting line between two interpolation points of the milling program. These auxiliary points are then fine-corrected according to the method described above based on the surface data in their position and so to additional highly accurate support points in the milling program.
  • the CNC control constantly knows the position of the tool relative to the surface of the surface during machining, it can be used in special places, e.g. Singularities such as edges or, since the geometry of forms is usually described by many adjacent individual faces, insert additional vertices at the transition from one face to the next face. It is thus possible, depending on the local geometry of the sol surface of the workpiece, to insert support points if this improves the course of the tool path in the milling program, i. makes it more precise. This can not only be about the position of an additional support point, but also the determination of the tangent direction or the curvature at the transitions from one partial surface to the next can improve the processing result.
  • the method thus makes it possible to calculate milling programs in the CAM system with relatively coarse tolerances and then use them nevertheless for highly accurate machining operations. There is thus a changed division of tasks between CAM system and CNC control.
  • the CAM system roughly defines the toolpaths for machining based on a given strategy, ensuring that there is no collision in the machine during machining according to the given program.
  • the CNC control uses the original surface data (geometry data) of the mold to be produced for high-precision machining.
  • the invention is not limited to spherical milling tools. It is also possible to use parabolic, toric or other tool geometries.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a workpiece to be machined with
  • FIG. 2 a representation, analogous to FIG. 2, for illustrating the insertion of additional points.
  • Fig. 1 is a schematic view of a workpiece being machined with a spherical tool.
  • the center point path of the tool center point M is described in a machining program, which, as shown in FIG. 1, ensures a cell-shaped lowering of the surface of the workpiece.
  • the sol surface of the workpiece is included as free-form surface data.
  • This geometry information may be in a standard format, e.g. STEP to be transferred to the controller as a file.
  • an NC program is transmitted to the controller describing the cellular tool path of the spherical tool relative to the mold through a series of fulcrums.
  • FIG. 2 shows a section of the tool path relative to the workpiece surface to be produced with the intersections of the center point path N-1, N, N + 1 and N + 2 as a 2D view.
  • the spherical tool is shown as an enveloping body. It can be seen that the base is too close to the produced Sollober Chemistry the workpiece was calculated and when approaching the base N, the tool would violate the workpiece, ie would remove too much material.
  • the shortest distance of the support point N to the surface of the workpiece can be calculated.
  • the point of the sol surface to which the tool point N of the tool path has the shortest distance is at the same time the base point for the surface normal, which describes the shortest distance between the surface of the workpiece and the point N.
  • the support point N can be displaced along this surface normal, in the illustrated case away from the sol surface of the workpiece, until a tool approaching the shifted new support point N k touches the sol surface of the workpiece only in the base of the surface normal.
  • the position of the tool for the shifted, new base N k is shown in dashed lines.
  • the base N + 1 is the other way round.
  • the interpolation point is too far away from the sol surface of the workpiece to be produced and has to be brought closer to it by the method according to the invention so that the new corrected interpolation point N + 1k for the dashed tool is produced.
  • FIG. 3 likewise shows a 2D view of the tool path for the support points N-1, N, N + 1 and N + 2.
  • the interpolation points N and N + 1 are already calculated exactly, so that the tool approaching these interpolation points contacts the sol surface of the workpiece only at one point in each case. Since the nodes N and N + 1 are relatively far apart, the auxiliary points H1 and H2 are inserted on the connecting line of the tool path between N and N + 1. It can be easily recognized that due to the convex sol surface of the workpiece, the tool in the auxiliary points H1 and H2 would be too close to the sol surface of the workpiece and would thus be damaged.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (1) mittels eines spanabhebenden Werkzeugs (2) auf einer NC-gesteuerten Werkzeugmaschine, bei welchem das Werkzeug (2) längs Werkzeugbahnen (3), welche durch eine Folge von Stützpunkten N gebildet werden, relativ zu dem Werkstück (1) bewegt wird, wobei der bei der Rotation des Werkzeugs (1) entstehende Hüllkörper (4) bei der Bearbeitung des Werkstücks (1) mit der Solloberfläche (5) des Werkstücks (1) im Wesentlichen einen Punktkontakt in einem Berührpunkt (6) hat, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Daten des Stützpunkts N die Daten des jeweiligen Berührpunkts (6) des Hüllkörpers (4) mit der Solloberfläche (5) des Werkstücks (1) bestimmt werden und dass auf der Basis der Daten des Berührpunkts (6) die Werkzeugbahn (3) optimiert wird.

Description

Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines spanabhebenden
Werkzeugs auf einer NC-gesteuerten Werkzeugmaschine
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines spanabhebenden Werkzeugs auf einer NC-gesteuerten Werkzeugmaschine, bei welchem das Werkzeug längs Werkzeugbahnen, z.B. Zeilen, welche durch eine Folge von Stützpunkten gebildet werden, relativ zu dem Werkstück bewegt wird, wobei der bei der Rotation des Werkzeugs entstehende Hüllkörper bei der Bearbeitung des Werkstücks mit der Oberfläche des Werkstücks im Wesentlichen einen Punktkontakt in einem Berührpunkt hat.
Zur Herstellung von Freiformflächen, z.B. in Formen für die Herstellung von Kunststoffteiien, wird häufig ein Fräsverfahren mit kugelförmigen Bearbeitungswerkzeugen eingesetzt. Dabei besteht zwischen dem durch die Rotation des Werkzeugs entstehenden Hüllkörper und der Oberfläche des Werkstücks nur ein Punktkontakt. Um die Oberfläche des Werkstücks in eine bestimmte Maß- und Oberflächenqualität zu bringen, wird das Werkzeug meist zellenförmig mit geringem Abstand von einzelnen Zeilen oder Werkzeugbahnen über das herzustellende Werkstück verfahren, wobei stets ein Punktkontakt eingehalten wird. Die Werkzeugbahnen werden in einem Fräsprogramm durch eine Folge von Stützpunkten beschrieben, die die Bearbeitungsmaschine von Stützpunkt zu Stützpunkt abfährt. Je enger die Werkzeugbahnen programmiert sind und je mehr Stützpunkte innerhalb der Werkzeugbahnen zur Beschreibung der Werkzeugbahn angegeben sind, desto genauer wird die Bearbeitung und desto besser wird die Oberflächenqualität. Leider stimmt die Lage der einzelnen Stützpunkte auch bei modernen CAM-Systemen (Programmiersystemen) nicht immer exakt. Innerhalb vorgegebener Toleranzen liegen diese mal zu dicht oder zu weit weg von der herzustellenden Solloberfläche des Werkstücks. Das führt zu Ungenauigkeiten und einer Verringerung der Oberflächenqualität des herzustellenden Werkstücks. Außerdem ist häufig die Verteilung der Stützpunkte innerhalb der einzelnen Werkzeugbahnen ungünstig. Insbesondere kommt es vor, dass bei benachbarten Werkzeugbahnen die Anzahl der Stützpunkte sehr unterschiedlich sein kann.
CNC-Steuerungen zur Steuerung einer Bearbeitungsmaschine haben als Information nur die Stützpunkte im Fräsprogramm, um den Verlauf der Werkzeugbahn zu interpolieren. Wenn die Anzahl der Stützpunkte in einem Bereich sehr unterschiedlich ist oder diese nicht exakt berechnet sind, kommt es, abhängig von den verwendeten Algorithmen, für die Interpolation zu Abweichungen, die sich wiederum nachteilig auf die Oberflächenqualität und die Maßgenauigkeit auswirken.
Um hochgenaue Fräsprogramme mit vielen und sehr exakten Punkten zu berechnen, ist in den Programmiersystemen ein entsprechend hoher Aufwand für die Berechnung zu betreiben. Die Berechnung der NC-Programme dauert lange. Das ist unerwünscht und daher wird häufig in Kauf genommen, dass die Programme mit gröberen Toleranzen berechnet werden, mit entsprechenden Qualitätseinbußen an den Werkstücken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Anwendbarkeit bei kurzen Bearbeitungszeiten eine hohe Oberflächengüte gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die für die Bewegung des Werkzeugs längs der Werkzeugbahnen vorgegebenen Daten der Stützpunkte mit Oberflächendaten des zu fertigenden Werkstücks verglichen werden und dass erforderlichenfalls die Lage des Stützpunkts und damit der Bewegungsbahn des Werkzeugs längs der Werkzeugbahn korrigiert wird. Es erfolgt somit ein Abgleich der konstruierten Oberfläche des herzustellenden Werkstückes (den Flächendaten) mit den Stützpunkten im Bearbeitungsprogramm. Die einzelnen Stützpunkte des Bearbeitungsprogramms werden feinkorrigiert, damit sich ein mathematisch exakter Berührpunkt zwischen Werkzeug und Werkstück ergibt und Ungenauigkeiten der CAM-Systeme, die die Werkzeugbahnen berechnen, eliminiert werden.
Erfindungsgemäß wird somit die Bewegungsbahn des Werkzeugs, welche sich bei kugelförmigen Werkzeugen parallel zu der zu erzeugenden Solloberfläche des Werkstücks befindet, daraufhin überprüft, ob der Abstand der Bewegungsbahn, die durch die einzelnen Stützpunkte definiert ist, exakt mit der zu erzeugenden Oberflächengeometrie des Werkstücks übereinstimmt. Dabei wird berücksichtigt, dass das rotierende Werkzeug mittels seiner Schneiden einen Hüllkörper bildet, dessen Berührpunkt mit der zu erzeugenden Solloberfläche des Werkstücks in Beziehung gesetzt wird. Es wird somit erfindungsgemäß überprüft, ob die durch ein Bearbeitungsprogramm, beispielsweise ein Fräsprogramm, in einem CAM-System berechnete Bewegungsbahn über ihren gesamten Verlauf den korrekten Abstand zu der zu erzeugenden Solloberfläche des Werkstücks aufweist. Mittels der Erfindung kann dann durch die CNC-Steuerung der Werkzeugmaschine eine Korrektur der Lage der Bewegungsbahn vorgenommen werden.
Besonders günstig ist es dabei, wenn zu den Daten des Stützpunkts die Daten des jeweiligen Berührpunkts des Hüllkörpers bestimmt werden und eine Korrektur der Daten des Stützpunktes längs oder parallel einer Oberflächennormalen im Berührpunkt erfolgt. Durch die Verschiebung des Stützpunktes bzw. die Korrektur seines Abstandes zu der zu erzeugenden Solloberfläche des Werkstücks längs einer Oberflächennormalen wird der exakte Abstand der Bewegungsbahn und damit die exakte Positionierung des Werkzeugs sichergestellt, so dass sich ein exakter Berührpunkt ergibt. Bei kugelförmigen oder halbkugelförmigen Werkzeugen erfolgt die Korrektur längs der Flächennormalen, wenn die Stützpunkte die Mittelpunktsbahn (Mittelpunkt der Werkzeugkugel) des Werkzeugs beschreiben. Wenn die Stützpunkte die Bahn der Werkzeugspitze beschreiben oder bei nicht kugelförmigen Werkzeugen, also z.B. parabolischen oder torischen Werkzeugen, bei welchen die Korrektur des Stützpunktes nicht längs der Flächennormalen erfolgt, erfolgt diese in der Regel parallel zu der Flächennormalen, da die Flächennormale des Berührpunktes nicht gleichzeitig durch den Stützpunkt verläuft. Weiterhin kann es erfindungsgemäß günstig sein, wenn zumindest ein zusätzlicher Stützpunkt längs der Zeile bzw. der Bewegungsbahn eingefügt wird, dessen Daten zunächst auf einer Verbindungslinie zweier Stützpunkte vorbestimmt und nachfolgend anhand der Oberflächendaten in der erfindungsgemäßen Vorgehensweise korrigiert werden.
In gleicher Weise ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, zusätzliche Werkzeugbahnen einzufügen, welche zunächst anhand von Stützpunkten benachbarter Werkzeugbahnen vorbestimmt und dann mittels der Oberflächendaten korrigiert werden.
Wie erwähnt, ist es erfindungsgemäß besonders vorteilhaft, wenn die Erstellung der Daten der ursprünglichen Stützpunkte eines Fräsprogramms durch ein CAM-System erfolgt, während die Korrektur der Daten der Stützpunkte durch eine CNC-Steuerung der Werkzeugmaschine vorgenommen wird. Hierdurch ergeben sich optimierte Rechenzeiten im Programmiersystem, die zu einer schnellen Arbeitsvorbereitung der Bearbeitung des Werkstücks führen.
Das erfindungsgemäße Werkzeug kann unterschiedliche Formen aufweisen, kann beispielsweise ein Fräser mit einem halbkugelförmigen Endbereich sein, oder parabolische, torische oder andere Werkzeuggeometrien haben.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die CNC-Steuerung der Bearbeitungsmaschine im Unterschied zum Stand der Technik nicht nur das vom CAM-System berechnete Fräsprogramm als Eingangsinformation bekommt, sondern auch die Oberflächendaten, d.h. Geometrieinformationen, des herzustellenden Werkstücks (dreidimensionale Oberflächendaten des Werkstücks), mit deren Hilfe das Programmiersystem das Fräsprogramm berechnet hat. Für die Übernahme derartiger Oberflächendaten gibt es zahlreiche standardisierte Formate, z.B. das STEP-Format. Mit Hilfe der zusätzlichen Information aus den Oberflächendaten des herzustellenden Werkstücks kann die Steuerung während der Bearbeitung für jeden Stützpunkt überprüfen, ob dessen Lage ausreichend exakt berechnet wurde. Dazu wird für jeden Stützpunkt des Fräsprogrammes berechnet, ob dieser relativ zu der herzustellenden Solloberfläche des Werkstücks exakt liegt, d.h. ob sich wirklich ein mathematisch exakter Berührpunkt des Werkzeuges mit der herzustellenden Solloberfläche des Werkstücks für die im Fräsprogramm vorgegebene Lage des Stützpunktes ergibt, oder ob der Stützpunkt korrigiert werden muss, indem er längs oder parallel einer Flächennormalen etwas verschoben wird, von der Oberfläche weg oder auf diese zu.
Ergänzend zu der oben beschriebenen Korrektur längs oder parallel zu den Flächennormalen kann es erfindungsgemäß auch besonders vorteilhaft sein, zusätzlich zu der Berechnung der Berührpunkte zu den einzelnen Stützpunkten auch weitere, sich aus den Flächendaten des zu erzeugenden Werkstücks ergebende Informationen zu bestimmen. Diese sind beispielsweise die Tangentenrichtung der Solloberfläche des Werkstücks im Berührpunkt und die sich daraus ergebende Tangentenrichtung der Werkzeugbahn und/oder die Krümmung der Solloberfläche des Werkstücks in dem jeweiligen Berührpunkt. Daraus können Tangentenrichtung und Krümmung der Werkzeugbahn für den einzelnen Stützpunkt berechnet werden. Bei kugelförmigen Werkzeugen ergibt sich beispielsweise der Krümmungsradius der Werkzeugbahn für einen Stützpunkt bei konvexen Flächen durch Addition des Radius der Solloberfläche des Werkstücks in Werkzeugbahnrichtung und des Radius des Werkzeuges. Das Bearbeitungsprogramm eines CAM-Systems berechnet zunächst eine Folge von Stützpunkten, welche eine polygonale Linie und damit eine polygonale Werkzeugbahn ergeben. Durch die erfindungsgemäße Korrektur auf der Basis der mathematisch exakt bestimmten Berührpunkte ist es erfindungsgemäß möglich, diese polygonale Bahn der Solloberfläche des Werkstücks anzupassen. Dies erfolgt durch die erfindungsgemäße Feinkorrektur der Position der Stützpunkte. Gleichzeitig ist es erfindungsgemäß möglich, die sich ergebenden Daten über die Solloberfläche des Werkstücks in dem jeweiligen Berührpunkt zu ermitteln. Dies betrifft insbesondere die Tangentenrichtung der Bahn und die Krümmung der Bahn. Die Richtung der Werkzeugbahn muss dabei in jedem Berührpunkt bzw. in jedem Stützpunkt tangential zu der Solloberfläche des Werkstücks verlaufen, um die Solloberfläche des Werkstücks korrekt zu erzeugen. Zusätzlich zu der Richtung der Bahn ist es auch möglich, die Krümmung der Werkzeugbahn in dem jeweiligen Stützpunkt bzw. in dem Stützpunkt zugeordneten Berührpunkt zu berechnen. Diese zusätzlichen Werte dienen dazu, den durch das CAD-/CAM-Programm zunächst errechneten Polygonzug der Werkzeugbahn so zu korrigieren, dass die gewünschte Solloberfläche des Werkstücks möglichst exakt hergestellt wird. Der Verlauf der Werkzeugbahn, welcher durch die erfindungsgemäß korrigierten Stützpunkte verläuft, bildet somit bei kugelförmigen Werkzeugen jeweils eine äquidistante Mittelpunktsbahn des Werkzeugs, damit dieses die durch die Berührpunkte bestimmte Solloberfläche des Werkstücks erzeugt, sofern die aus dem CAM-System ausgegebenen Stützpunkte die Mittelpunktsbahn des Werkzeuges beschreiben. Häufig werden für die Werkzeugbahn eines kugelförmigen Werkzeuges auch Stützpunkte durch das CAM-System ausgegeben, die die Werkzeugbahn der Werkzeugspitze, also des untersten Punktes des Werkzeuges beschreiben. In diesem Fall haben die Stützpunkte aber nur einen Offset zu der Mittelpunktsbahn, wobei der Offset dem Werkzeugradius entspricht.
Bei anderen Werkzeuggeometrien, beispielsweise torischen Werkzeugen, ändert sich der Abstand zwischen Werkzeugmittelpunkt und Berührpunkt, je nachdem wo sich der Berührpunkt auf dem Werkzeug befindet. Außerdem kann es bei Bearbeitung einer ebenen Fläche als Sonderfall zu einem kreisförmigen Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück statt einem Berührpunkt kommen. Aber auch in diesem Fall ist das Verfahren analog anwendbar, nur dass für den einzelnen Stützpunkt nicht der Berührpunkt, sondern eine Berührfläche, in diesem Fall ein Kreis, berechnet wird.
Da die ungefähre Lage der Stützpunkte im Fräsprogramm vom CAM-System richtig berechnet wurde, sind die notwendigen Korrekturen der Lage der Stützpunkte durch die CNC-Steuerung klein und es lässt sich mit geeigneten Algorithmen sicher der richtige Berührpunkt des Werkzeuges an der Solloberfläche des herzustellenden Werkstücks für jeden Stützpunkt ermitteln. Dazu wird der Abstand des Werkzeuges zur Solloberfläche des Werkstücks ermittelt, wenn das Werkzeug das Werkstück nicht berührt. Aus der Berechnung des Abstandes ergibt sich die Abstandsnormale zur Solloberfläche, die die kürzeste Entfernung zwischen Werkzeug und Solloberfläche beschreibt. Anschließend wird der Stützpunkt für das Werkzeug längs der Abstandsnormalen so verschoben, dass sich ein mathematisch exakter Berührpunkt des Werkzeuges ergibt, sofern das erforderlich ist. Befindet sich das Werkzeug zu nahe an der Solloberfläche des Werkstücks, so durchdringen sich Werkzeug und Solloberfläche des Werkstücks. Es ergibt sich eine ringförmige Schnittlinie, die die Verschneidung von Werkzeug und Solloberfläche des Werkstücks beschreibt. Da die Stützpunkte im Fräsprogramm nur geringfügig falsch liegen, ist der Durchmesser der ringförmigen Schnittlinie sehr klein. Es kann die Abstandsnormale im Zentrum der ringförmigen Schnittlinie auf der Solloberfläche des Werkstücks gefunden werden und der Stützpunkt der Werkzeugbahn in Richtung der Abstandsnormalen, bzw. parallel zu dieser so weit verschoben werden, dass das Werkzeug die Solloberfläche des Werkstücks nur noch in einem Berührpunkt berührt.
Dieses Verfahren eignet sich nicht nur dazu, für die Stützpunkte eines Fräsprogrammes deren Lage fein zu korrigieren, wie beschrieben. Wenn der Abstand der Stützpunkte in Bereichen oder im ganzen Fräsprogramm relativ groß ist, können so auch zusätzliche Stützpunkte zwischen den bereits im Fräsprogramm vorhandenen berechnet werden. Dazu werden zunächst auf der direkten Verbindungslinie zwischen zwei Stützpunkten des Fräsprogrammes ein oder mehrere Hilfspunkte bestimmt. Diese Hilfspunkte werden sodann nach dem oben beschriebenen Verfahren anhand der Oberflächendaten in ihrer Lage feinkorrigiert und so zu zusätzlichen hochgenauen Stützpunkten im Fräsprogramm.
Nach dem gleichen Prinzip können ganze Werkzeugbahnen in das Fräsprogramm eingefügt werden. Das Einfügen von Werkzeugbahnen in Fräsprogramme ist bereits grundsätzlich aus der DE 103 43 785 bekannt. Im Unterschied dazu ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, die Stützpunkte der eingefügten Werkzeugbahnen nicht nur anhand der bereits vorhandenen Nachbarzeilen des Fräsprogramms zu interpolieren, sondern anhand der vorhandenen Flächendaten deren Abstand zur herzustellenden Solloberfläche des Werkstücks exakt zu berechnen.
Da die CNC-Steuerung während der Bearbeitung ständig die Position des Werkzeuges relativ zu den Solloberflächendaten kennt, kann diese außerdem an besonderen Stellen, z.B. Singularitäten wie Kanten oder, da die Geometrie von Formen meist durch viele an einander angrenzende einzelne Teilflächen beschrieben wird, am Übergang von einer Teilfläche zur nächsten Teilfläche, zusätzliche Stützpunkte einfügen. Es ist somit möglich, abhängig von der lokalen Geometrie der Solloberfläche des Werkstücks, Stützpunkte einzufügen, wenn das den Verlauf der Werkzeugbahn im Fräsprogramm verbessert, d.h. präziser macht. Dabei kann es nicht nur um die Position eines zusätzlichen Stützpunktes gehen, auch die Ermittlung der Tangentenrichtung oder der Krümmung an den Übergängen von einer Teilfläche zur nächsten kann das Bearbeitungsergebnis verbessern.
Das Verfahren erlaubt es somit, Fräsprogramme im CAM-System mit relativ groben Toleranzen zu berechnen und diese dann trotzdem für hochgenaue Bearbeitungen zu verwenden. Es findet somit eine veränderte Aufgabenteilung zwischen CAM-System und CNC-Steuerung statt. Das CAM-System legt die Werkzeugwege für eine Bearbeitung an Hand einer vorgegebenen Strategie grob fest und sorgt dabei dafür, dass keine Kollision in der Maschine bei der Bearbeitung nach dem vorgegebenen Programm vorkommt. Die CNC- Steuerung sorgt anhand der originalen Oberflächendaten (Geometriedaten) der herzustellenden Form für eine hochgenaue Bearbeitung. Die Erfindung ist nicht auf kugelförmige Fräswerkzeuge beschränkt. Es können auch parabolische, torische oder andere Werkzeuggeometrien eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines zu bearbeitenden Werkstücks mit
Werkzeugbahnen, längs derer ein Werkzeug bewegt wird,
eine schematische Ansicht der Zuordnung der Bewegungsbahn Werkzeuge zur Solloberfläche des Werkstücks mit Korrekturen, und
eine Darstellung, analog Fig. 2, zur Darstellung der Einfügung zusätzlicher Stützpunkte.
Die Fig. 1 ist die schematische Ansicht eines Werkstücks, das mit einem kugelförmigen Werkzeug bearbeitet wird. Für die Bearbeitung ist in einem Bearbeitungsprogramm die Mittelpunktsbahn dies Werkzeugmittelpunkts M beschrieben, das, wie in der Fig. 1 dargestellt, für ein zellenförmiges Abfahren der Oberfläche des Werkstücks sorgt. In den Geometriedaten des Werkstücks (der Form) ist die Solloberfläche des Werkstücks als Freiformflächendaten enthalten. Diese Geometrieinformation kann in einem Standardformat, z.B. STEP, an die Steuerung als Datei übertragen werden. Außerdem wird für die Bearbeitung ein NC-Programm an die Steuerung übertragen, das den zellenförmigen Werkzeugweg des kugelförmigen Werkzeuges relativ zur Form durch eine Folge von Stützpunkten beschreibt.
In Fig. 2 ist als 2D-Ansicht ein Ausschnitt der Werkzeugbahn relativ zur herzustellenden Solloberfläche des Werkstücks mit den Stützpunkten der Mittelpunktsbahn N-1 , N, N+1 und N+2 dargestellt. Für den Stützpunkt N ist das kugelförmige Werkzeug als Hüllkörper eingezeichnet. Man erkennt, dass der Stützpunkt zu dicht an der herzustellenden Solloberfläche des Werkstücks berechnet wurde und bei Anfahren des Stützpunktes N das Werkzeug das Werkstück verletzen würde, d.h. zu viel Material abtragen würde. Mit Hilfe der Geometriedaten des herzustellenden Werkstücks kann der kürzeste Abstand des Stützpunktes N zur Solloberfläche des Werkstücks berechnet werden. Der Punkt der Solloberfläche, zu dem der Stützpunkt N der Werkzeugbahn den kürzesten Abstand hat, ist gleichzeitig der Fußpunkt für die Flächennormale, die den kürzesten Abstand zwischen Solloberfläche des Werkstücks und Stützpunkt N beschreibt. Nach Berechnung der Flächennormale kann der Stützpunkt N entlang dieser Flächennormale so verschoben werden, im dargestellten Fall von der Solloberfläche des Werkstücks weg, bis ein den verschobenen, neuen Stützpunkt Nk anfahrendes Werkzeug die Solloberfläche des Werkstücks nur noch in dem Fußpunkt der Flächennormale berührt. Die Lage des Werkzeugs für den verschobenen, neuen Stützpunkt Nk, ist gestrichelt dargestellt. Für den Stützpunkt N+1 verhält es sich umgekehrt. Der Stützpunkt liegt zu weit von der Solloberfläche des herzustellenden Werkstücks entfernt und muss durch das erfindungsgemäße Verfahren näher an diese herangerückt werden, so dass der neue korrigierte Stützpunkt N+1k für das gestrichelte Werkzeug entsteht.
In Fig. 3 ist ebenfalls eine 2D-Ansicht der Werkzeugbahn für die Stützpunkte N-1 , N, N+1 und N+2 dargestellt. Die Stützpunkte N und N+1 sind bereits exakt berechnet, so dass das diese Stützpunkte anfahrende Werkzeug die Solloberfläche des Werkstückes jeweils nur in einem Punkt berührt. Da die Stützpunkte N und N+1 relativ weit auseinander liegen, werden auf der Verbindungslinie der Werkzeugbahn zwischen N und N+1 die Hilfspunkte H1 und H2 eingefügt. Man erkennt unschwer, dass auf Grund der konvexen Solloberfläche des Werkstücks das Werkzeug in den Hilfspunkten H1 und H2 zu dicht an der Solloberfläche des Werkstücks stehen würde und diese somit verletzen würden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann daher die Lage der Hilfspunkte H1 und H2 korrigiert werden, so dass diese zu exakten Stützpunkten in der Werkzeugbahn werden. Dazu werden diese leicht in Richtung des eingezeichneten Normalenvektors verschoben. Die Bearbeitung des Werkstücks wird dadurch erheblich exakter. Bezugszeichenliste:
1 Werkstück
2 Werkzeug
3 Werkzeugbahn
4 Hüllkörper
5 Oberfläche
6 Berührpunkt
7 Oberflächennormale 8 Verbindungslinie
M Mittelpunkt
N Stützpunkt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (1) mittels eines spanabhebenden Werkzeugs (2) auf einer NC-gesteuerten Werkzeugmaschine, bei welchem das Werkzeug (2) längs Werkzeugbahnen (3), welche durch eine Folge von Stützpunkten (N) gebildet werden, relativ zu dem Werkstück (1) bewegt wird, wobei der bei der Rotation des Werkzeugs (1) entstehende Hüllkörper (4) bei der Bearbeitung des Werkstücks (1) mit der Solloberfläche (5) des Werkstücks (1) im Wesentlichen einen Punktkontakt in einem Berührpunkt (6) hat, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Daten des Stützpunkts (N) die Daten des jeweiligen Berührpunkts (6) des Hüllkörpers (4) mit der Solloberfläche (5) des Werkstücks (1) bestimmt werden und dass auf der Basis der Daten des Berührpunkts (6) die Werkzeugbahn (3) optimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrektur der Daten des Stützpunkts (N) längs oder parallel einer Oberflächennormalen (7) im Berührpunkt (6) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Berührpunkt (6) weitere Daten über die Solloberfläche (5) des Werkstücks (1) bestimmt werden und damit der Verlauf der Werkzeugbahn (3) für den jeweiligen Stützpunkt (N) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Daten die Krümmung der Solloberfläche (5) des Werkstücks (1) und/oder der Werkzeugbahn (3) und/oder die Tangentenrichtung der Solloberfläche (5) des Werkstücks (1) und der Werkzeugbahn (3) umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Korrektur des Stützpunktes (N) neben dem Bearbeitungsprogramm mit den Stützpunkten auch die Geometriedaten der herzustellenden Werkstückgeometrie aus einem CAD-System von der CNC-Steuerung eingelesen und für die Korrekturberechnung verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zusätzlicher Stützpunkt (N) längs der Werkzeugbahn (3) eingefügt wird, dessen Daten zunächst auf einer Verbindungslinie (8) zweier Stützpunkte (N) vorbestimmt und nachfolgend anhand der Oberflächendaten korrigiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Werkzeugbahnen (3) eingefügt werden, welche zunächst anhand von Stützpunkten (N) benachbarter Werkzeugbahnen (3) vorbestimmt und dann mittels der Oberflächendaten korrigiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur der Daten der Stützpunkte (N) durch eine CNC-Steuerung der Werkzeugmaschine erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Daten der ursprünglichen Stützpunkte durch ein CAM-System erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung mittels eines kugelförmigen, eines parabolischen oder eines torischen Werkzeugs erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächendaten des Werkstücks (1) in Form von Freiformflächendaten vorliegen.
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