DE4038026A1 - Verfahren zur ermittlung von werkzeugbahn-konturen bei numerisch gesteuerten maschinen - Google Patents
Verfahren zur ermittlung von werkzeugbahn-konturen bei numerisch gesteuerten maschinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung
von Werkzeugbahn-Konturen bei numerisch gesteuerten
Maschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen ist es
bekannt, die Daten für die Herstellung eines Werk
stückes aus einem Werkstücksrohling in Form von
Werkzeugbahn-Daten durch ein NC-Programm zu be
stimmen. Dazu ist erforderlich, die Kontur des
herzustellenden Werkstückes mit dem Werkzeugradius
zu korrigieren, da für die Maschine nicht die
Werkstückkontur, sondern die Werkzeugmittelpunkt-
Bahn relevant ist.
Für NC-Steuerungen ist das Berechnen der korri
gierten Schnittkontur eines beliebigen Körpers eine
komplexe und rechenintensive Aufgabe.
Die Schwierigkeiten liegen hier schon in der Defi
nition eines komplexen Körpers und seiner Oberflä
che und dann in der Berechnung einer Äquidistanten
für die Fräserradiuskorrektur unter Berücksichti
gung möglicher Kollisionen bei vorgegebener Genau
igkeit. Entsprechend hoch ist der erforderliche
Einsatz an Rechenkapazität und Speicherkapazität.
Um solche Berechnungen durchzuführen, ist auf dem
Rechner der NC-Steuerung zusätzliche Hard- und
Software notwendig. Dazu gehören beispielsweise
spezielle Arithmetikprozessoren, aber auch geome
trische Verfahren und Darstellungsmethoden zur Be
schreibung von Freiformflächen.
Relativ komplexe Körperkonturen lassen sich aus
einfachen Konturstücken wie Kreisen und Geraden
zusammenstellen. Die Werkzeugradiuskorrekturen
lassen sich an diesen einfachen Konturen leicht
durchführen, jedoch ist es problematisch, aus den
einzelnen korrigierten Konturen die resultierende
Werkzeugbahn zu ermitteln, da es bei den einzeln
korrigierten Konturen durch deren Zusammenfassung
zu Überschneidungen kommt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer
beliebig zusammengesetzten Kontur die zulässigen
Randpunkte zu ermitteln, deren Abfolge der Werk
zeugbahn entspricht, die die Kontur des Werkstückes
erzeugt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Vorteile dieses Verfahrens liegen darin, daß
auf einfache Weise bei einer komplexen Kontur die
erforderlichen Fräserbahn-Daten durch die
ermittelten zulässigen Randpunkte gewonnen werden
können.
Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen wird die Er
findung anhand der Zeichnungen noch näher erläu
tert.
Es zeigt
Fig. 1 eine Schnittlinie zwischen der
Oberfläche eines Werkstückes
und der Bearbeitungsebene und
Fig. 2 eine tiefengestaffelte Dar
stellung einer Schnittbearbei
tung.
Für die in Fig. 1 dargestellte Schnittlinie er
folgt die Ermittlung der gültigen (zulässigen)
Randpunkte durch mengentheoretische (Bool′sche)
Operationen.
In Fig. 1 ist die Draufsicht auf ein Werkstück 8
und seinen korrigierten Körper 8′ gezeigt, das aus
drei Grundkörpern in Form von Zylindern gebildet
ist. Die Draufsicht stellt eine Schnittlinie zwi
schen der Oberfläche des Werkstückes 8 und der je
weiligen Bearbeitungsebene dar. Die Zylinder tragen
die Bezeichnungen 9, 10 und 11, wobei 9 und 10 po
sitive Zylinder darstellen und 11 als negativer
Zylinder bei der Zusammensetzung des Werkstückes 8
subtrahiert werden muß.
Um ein solches Werkstück 8 herstellen zu können,
werden zu den Elementar-Zylindern 9, 10 und 11 um
den Fräserradius korrigierte Zylinder erzeugt und
mengenalgebraisch verknüpft. Daraus werden die
korrigierten Fräserbahn-Daten ermittelt. Bei der
Erzeugung der korrigierten Grundkörper wird bereits
festgestellt, ob der jeweilige Grundkörper ein Po
sitiv-Körper oder ein Negativ-Körper ist. Mit men
genalgebraischen Operationen werden nachstehend
anhand einer Tabelle die gültigen Randpunkte für
die Fräserbahn ermittelt.
Um die gültigen Randpunkte zu ermitteln, werden
über den dargestellten korrigierten Körper 8′ in
einem bestimmten Raster Hilfslinien gelegt. Die
Folge der gültigen Randpunkte entspricht der Frä
serbahn, die die Kontur des Werkstückes 8 erzeugt.
Zur Verdeutlichung sind lediglich vier Hilfslinien
a, b, c, d dargestellt, die aber das Prinzip ver
ständlich machen.
Die Grundbedingung der hier vorliegenden Mengen
operation lautet für die drei Zylinder: 9 und 10
bilden eine Vereinigungsmenge, von der die Menge 11
subtrahiert wird:
(9⟩10)/11
Die folgenden Randpunktbetrachtungen werden immer
an den Konturen der korrigierten Körper 9, 10 und
11 durchgeführt.
Die Hilfslinie a schneidet sich am Punkt a1 mit dem
Zylinder 9 (bzw. mit dessen korrigierter Kontur).
a1 ist Randpunkt (R) von Zylinder 9 und liegt au
ßerhalb (A) von Zylinder 10, also ist a1 bei der
Vereinigungsmenge (9⟩10) ein gültiger Randpunkt.
Zur Vereinigungsmenge (9⟩10) bildet 11 die Differenzmenge. Dafür gilt: a1 ist Randpunkt (R) von
der Vereinigungsmenge (9⟩10) und liegt außerhalb
(A) von Zylinder 11; a1 ist also auch für die Differenzmenge
(9⟩10)/11 ein gültiger Randpunkt.
Tabellarisch ausgedrückt:
Beide Schnittpunkte a1 und a2 sind demgemäß gültige
Randpunkte, die der Fräser anfahren darf. Gültige
Randpunkte werden in den Tabellen und in Fig. 1
mit einem konzentrischen Kreis um den jeweiligen
Punkt kenntlich gemacht, der einen Kugelfräser
symbolisieren soll.
Für die Hilfslinie b ergibt sich analog:
Da Punkt b3 nicht für alle Bedingungen gültig ist,
stellt er keinen gültigen Randpunkt für die Bear
beitung dar.
b4 = A₉; A₁₀ - <A(9⟩10)
b4 = R₁₁; A(9 ⟩ 10); - <A((9⟩10)11)
Bei der Hilfslinie b sind also nur die Randpunkte
b1 und b2 gültige Fräserbahn-Punkte.
Für die Hilfslinie C gilt:
Bei der Hilfslinie c sind demgemäß die Randpunkte
c1 und c3 gültige Fräserbahn-Punkte.
Für die Hilfslinie d gilt die Betrachtung:
Bei der Betrachtung der stärker ausgezogenen Be
grenzungslinie des Werkstückes 8 zeigt sich, daß
alle als gültige Punkte erkannten Randpunkte a1,
a2; b1, b2; c1, c3; d1, d2 auf der korrigierten
Kontur, also auf einer Aquidistanten zur
Werkstückkontur liegen, deren Abstand dem Radius
eines Kugelfräsers entspricht.
Die Lage der hier betrachteten Hilfslinien ist
willkürlich. Bei der Realisierung der Erfindung
liegen die Hilfslinien so eng beieinander, daß sich
beim Fräsen eine kontinuierlich verlaufende Fräser
bahn ergibt.
Gleiches gilt auch für das Ausführungsbeispiel aus
Fig. 2. Hier ist ein Schnitt durch ein Werkstück
dargestellt, das eine sogenannte Tiefenstaffelung
hat. Der große Kreisring 12 soll einen in die Tiefe
der Zeichenebene sich erstreckenden Torus mit halb
kreisförmigem Querschnitt begrenzen. Im oberen Teil
der Fig. 2 wird dieser Torus von einem Kegel ge
schnitten, der sich aus der Zeichnungsebene heraus
erstreckt und dessen Spitze symbolisch durch einen
Punkt 13 markiert ist.
Prinzipiell erfolgt bei diesem Beispiel die Ermitt
lung der zulässigen (gültigen) Randpunkte nach dem
gleichen mengentheoretischen Prinzip wie beim Bei
spiel aus Fig. 1. Eine Besonderheit - nicht im
Prinzip, sondern bedingt durch die Tiefenstaffelung
- liegt darin, daß für die schichtweise Bearbeitung
immer die Kontur 12 der jeweils oberen Schicht maß
geblich dafür ist, ob ein Randpunkt einer unteren,
gerade aktuell bearbeiteten Schicht 14 zulässig
ist, oder nicht.
Dieser Sachverhalt wird verständlich durch die
Überlegung, daß ein realer Bearbeitungsvorgang in
die Tiefe eines Werkstückrohlings immer mit der Be
arbeitung der obersten Schicht beginnt und sich
schichtweise nach unten fortsetzt.
Eine Kontur die für die oberste Schicht als zu
lässig ermittelt wurde, darf aber nicht durch eine
tiefer liegende Kontur verletzt werden.
Aus diesem Grund bildet in derartigen Fällen zumin
dest die oberste Schicht eine Art Maske, die bei
allen anschließenden Randpunktbetrachtungen mit
einbezogen werden muß.
Bei jeder Folgeschicht sind also nur Punkte er
laubt, die innerhalb oder auf dem Rand der momen
tanen Fläche und innerhalb oder auf dem Rand der
darüberliegenden Fläche (Maske) liegen, da sonst
die darüberliegende Schicht verletzt würde.
Für die Ermittlung der gültigen Randpunkte wird
über die Schnittfläche wieder ein hinreichend enges
Raster von Hilfslinien e, f, g, h gelegt. Mit Hilfe
der Mengenoperationen werden von den Schnittpunkten
mit den Hilfslinien e, f, g, h die gültigen Rand
punkte e2, e3; f2, f3; g2, g3; h2, h3 ermittelt.
Alle gültigen Randpunkte e2, e3; f2, f3; g2, g3;
h2, h3 werden in einer Liste mit einer durch die
Hilfslinien e, f, g, h gegebenen Ordnungsrelation
(aufsteigende Reihenfolge) abgespeichert.
Für jede Hilfslinie e, f, g, h sind neben den nach
dem Vereinigungsalgorithmus gültigen Punkten der
aktuellen Schicht 14 auch die Randpunkte der dar
überliegenden Maske 12 bekannt.
Um die erlaubten Punkte herauszufinden müssen die
Punkte von Hilfslinien die übereinander liegen in
Relation gebracht werden.
Da die Punkte einer Hilfslinie in eine aufsteigende
Reihenfolge gebracht sind, durchkreuzen die Ver
bindungen von zwei aufeinanderfolgenden Punkten
abwechselnd innere und äußere Bereiche der aktu
ellen Schicht 14.
Gültige Randpunkte sind entweder Punkte der aktu
ellen Schicht 14, die in inneren Bereichen der
Maske 12 liegen, oder Randpunkte der Maske 12, die
in inneren Bereichen der aktuellen Schicht 14
liegen.
Für die Schnittlinien der Konturen 12 und 14 wird
gemäß der Mengentheorie die "Schnittmenge" gebil
det.
Analog zu den Erläuterungen des Beispiels 1 gilt in
verkürzter Form:
Die Hilfslinie e schneidet sich am Punkt e1 mit der Kontur 14 (aktuelle Schicht).
Die Hilfslinie e schneidet sich am Punkt e1 mit der Kontur 14 (aktuelle Schicht).
e1 ist zwar Randpunkt (R) von 14, liegt aber außer
halb (A) der Maske 12, also ist e1 kein gültiger
Randpunkt.
e2 ist Randpunkt (R) der Maske 12 und liegt inner
halb (I) der aktuellen Schicht 14, also ist e2 gül
tig.
e3 liegt innerhalb (I) der Maske 12 und innerhalb
(I) der aktuellen Schicht 14, also ist e3 ebenfalls
gültig.
e4 ist Randpunkt (R) der Maske 12, liegt aber au
ßerhalb (A) der aktuellen Schicht 14, also ist er
nicht gültig,
f2 und f3 sind als gültige Randpunkte .
g2 und g3 sind demnach gültige Randpunkte .
h2 und h3 sind also gültige Randpunkte .
Claims (4)
1. Verfahren mit einer numerischen Steuerung zur
Bearbeitung von Werkstücken, bei dem durch Ver
knüpfung von Werkstück-Rohlingsdaten mit Werk
zeugbahn-Daten Schnittlinien von mathematisch
definierbaren Konturen gebildet werden, dadurch
gekennzeichnet, daß anhand von Daten der Kon
turen (8′, 12, 14) zeilen- und/oder spaltenweise
Schnittpunktbetrachtungen zwischen einem Raster
von Hilfslinien (a, b, c, d; e, f, g, h) und
den Konturen (8′,12,14) mit Hilfe von mengen
theoretischen Operationen durchgeführt werden,
um zulässige Berandungspunkte (a1, a2; b1, b2,;
c1, c3; d1, d2; e2, e3; f2, f3; g2, g3; h2, h3)
für eine Bearbeitungs-Bahn zu gewinnen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Konturen (8′,12,14) Umrandun
gen von einfachen Elementarkörpern sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Konturen (8′, 12, 14) Umrandun
gen von zusammengesetzten einfachen Elementar
körpern sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Konturen (8′, 12, 14)
Umrandungen von zusammengesetzten, um einen
Werkzeugradius korrigierten, einfachen Elemen
tarkörpern sind.
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