DE4029607C2 - Steuerungsverfahren für die Bewegung eines Fräswerkzeugs zum Fräsen beliebiger zweieinhalbdimensionaler Flächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Ein auf einer äquidistanten Strategie zur Flächenbearbeitung beruhendes Fräsverfahren ist in nahezu allen numerischen Steuerungen sowie CAD-Postprozessoren enthalten. Für das Fräsen zweieinhalbdimensionaler Flächen kommen unterschiedliche Gestaltungen der Fräserverfahrbahnen zur Anwendung. Unter zweieinhalbdimensionalen Flächen werden solche Ausnehmungen verstanden, die ein Fräswerkzeug erzeugt, welches in einem kartesischen Koordinatensystem bezüglich zwei Richtungen frei beweglich, bezüglich der dritten Richtung schrittweise verstellbar ist, siehe zum Beispiel im Zeitschriftenbeitrag von Ridder, D.; Brandmayr, H.: "EDV-technische Konzepte für die Fräsbearbeitung freier Oberflächen" in: ZWF, 1983, Heft 9, S. 421-427. Bei einem auf einer äquidistanten Strategie beruhenden Fräsverfahren wird das Fräswerkzeug auf Verfahrbahnen geführt, die, soweit möglich, parallel zum Konturrand verlaufen.

Ein Beispiel für eine Verfahrbahn-Gestaltung mit äquidistanten Verfahrbahnen für die Bewegung eines Fräswerkzeuges zum Fräsen von Rechtecktaschen ist den Schulungsunterlagen von 1986 zur Steuerung CNC 432 der Firma MAHO entnehmbar.

Diese bekannten, auf einer äquidistanten Strategie beruhenden Gestaltungen der Verfahrbahnen für das Fräsen beliebiger zweieinhalbdimensionaler Flächen arbeiten unbefriedigend bei Konturen, deren geometrische Form spritzwinklige Verfahrbahnen bedingt. Für das Fräsen von Winkeln, welche kleiner sind als ein Grenzwinkel, der von der Überlappung abhängt und bis zu 180° beträgt, ist eine ausreichende Überlappung der einzelnen Verfahrbahnen erforderlich.

Die Wahl einer zu kleinen Überlappung bei Fräsbahnen mit spitzen Winkeln hat zur Folge, daß im Bereich der Abbiegepunkte zwischen den Verfahrbahnen Materialreste stehenbleiben. Um dies zu vermeiden, muß entweder ein größerer Bahnüberlappungsgrad, mit dem Nachteil, daß sich dadurch der für das Fräsen der Kontur erforderliche Zeitaufwand verlängert, oder eine andere Bahngestaltungsstrategie gewählt werden.

Ein gattungsgemäßes Steuerungsverfahren ist aus der US 4 764 878 bekannt. Dies stellt ein Beispiel für eine alternative, Materialreste vermeidende Bahngestaltungsstrategie dar. Bei dem dort betriebenen Vorwärts-Rückwärtsfräsverfahren bilden die Fräsbahnen im wesentlichen eine Schar paralleler Geraden, deren Anfangs- und Endpunkt durch die zu fräsende Kontur bestimmt werden. Der Endpunkt einer Fräsbahn-Geraden wird jeweils mit dem Anfangspunkt der nachfolgenden Fräsbahn- Geraden verbunden, so daß sich ein mäanderndes Verfahrbahnmuster ergibt. Um zu vermeiden, daß am Konturrand Materialrestflächen entstehen, wird bei jedem Übergang vom Endpunkt einer Verfahrbahngeraden zum Anfangspunkt der nachfolgenden geprüft, ob die zu erzeugende Randkontur in dem zwischen diesen beiden Punkten liegenden Abschnitt einen Punkt aufweist, der außerhalb des von der geplanten Verfahrbahn überstrichenen Bereiches liegt. Ist dies der Fall, wird die Verfahrbahn um einen Betrag verlängert, der dem größten Abstand eines Materialrestflächenpunktes von der geplanten Verfahrbahn entspricht. Weil das Werkzeug bei einer solchen Verfahrbahnverlängerung auch Flächenteile überstreichen kann, die außerhalb der zu erzeugenden Kontur liegen, ist das Verfahren zur Bearbeitung von Innenkonturen ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Steuerungsverfahren für die Bewegung eines Fräswerkzeuges so weiterzuentwickeln, daß auch bei der Bearbeitung komplexer Randkonturen die Einstellung kleiner Überlappungsgrade ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Steuerungsverfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Erfindungsgemäß werden, wenn eine Verfahrbahnschar bedingt durch die Geometrie des verwendeten Werkzeuges zu einer Materialrestfläche führen würde, in eine Verfahrbahn zusätzliche Bahnelemente aufgenommen. Sie gewährleisten, daß auch in spitzen Winkeln kein Restmaterial stehenbleibt. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, mit minimalen Überlappungen zu arbeiten, im Extremfall mit praktisch ohne Überlappung aneinandergrenzenden Fräsverfahrbahnen. Dadurch ist eine optimale Verfahrbahngestaltung möglich, was insbesondere bei komplexen Randstrukturen zu einer erheblichen Verkürzung der Bearbeitungszeit führt.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß ein Anwender jeden beliebigen Überlappungsgrad wählen kann. Im Extremfall ist auch die Überlappung 0 wählbar, mit anderen Worten ohne Überlappung aneinandergrenzende Fräsbahnen. Durch die eingefügten zusätzlichen Bahnelemente ist gewährleistet, daß auch in spit­ zen Winkeln kein Restmaterial stehenbleibt. Dadurch ist eine optimale Verfahrbahngestaltung möglich, was eine unter Umständen erhebliche Verkürzung der Bearbeitungszeit gestattet.

Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine freie Fräskontur,

Fig. 2a einen Ausschnitt aus der Fräskontur der Fig. 1 in Form eines 90° Winkels, mit zwei äquidistanten, ohne Überlappung aneinandergrenzenden Fräsbahnen,

Fig. 2b denselben Ausschnitt mit zwei sich minimal überlappenden äquidistanten Fräsbahnen,

Fig. 3 denselben Ausschnitt mit zwei äquidistanten, ohne Überlappung aneinandergrenzenden Fräsbahnen, welche in den Umkehrpunkten zusätzliche Bahnelemente aufweisen.

Die Strategie äquidistanter Verfahrbahnen 11 für die Fräsbearbeitung beliebiger zweieinhalbdimensionaler Flächen geht aus von der Form der zu fräsenden Randkontur (Kontur, Fräskontur) 10. Diese kann beliebig komplex sein und insbesondere auch Inseln aufweisen. Ein entlang von Verfahrbahnen 11 geführtes Fräswerkzeug 15 erzeugt die Fräsbahnen 19. Die Verfahrbahnen 11 werden mittels iterativer Versatzberechnung so bestimmt, daß sie im wesentlichen parallel zur Kontur des Flächenrandes verlaufen.

Der Versatz ergibt sich aus der Differenz zwischen dem Durchmesser des Fräswerkzeuges 15 und der Überlappungsbreite (Breite) D. Eine beliebige Fräskontur 10 mit darin eingetragenen möglichen Verfahrbahnen 11 zeigt Fig. 1. Die Fräskontur 10 weist Winkel mit einem Öffnungswin­ kel von 90° auf. Um zu vermeiden, daß beim Fräsen dieser Öffnungswinkel zwi­ schen den Fräsbahnen 19 unerwünschte Materialrestflächen 12 stehenbleiben, werden nach dem Stand der Technik die Verfahrbahnen 11 so bestimmt, daß sich die Fräsbahnen 19 überlappen. Die Notwendigkeit, die Fräs­ bahnen 19 überlappend zu gestalten, ergibt sich generell, wenn eine Verfahrbahn 11 oder die Tangenten an eine Verfahrbahn 11 Win­ kel < 180° einschließen, welche kleiner sind, als ein vom Durchmes­ ser des Fräswerkzeuges 15 und der Überlappungsbreite D abhängi­ ger Grenzwinkel. Zu betrachten ist hier, wie im folgenden, immer der Betrag des von der Verfahrbahn 11 am Abbiegepunkt 16 eingeschlosse­ nen Innenwinkels, unabhängig von dessen mathematischer Drehrichtung.

Für jeden von den Verfahrbahnen 11 eingeschlossenen Winkel < 180° ergibt sich ein Mindestwert für den Überlappungsgrad, welcher umge­ kehrt proportional vom Winkel abhängt. Fig. 2b zeigt anhand eines Ausschnitts 20 aus der Fräskontur 10 gemäß Fig. 1 eine mögliche überlappende Gestaltung der Verfahrbahnen 11 zur restfreien Erzeu­ gung eines 90° Winkels. Die Verfahrbahnen 11 in Fig. 2b weisen genau die dem Mindestwert entsprechenden Überlappungsbreite D auf, so daß kein Restmaterial stehenbleibt. Anhand Fig. 2a ist gezeigt, wie es in der Situation gemäß Fig. 2b bei Wahl sich nicht überlap­ pender Verfahrbahnen 11 zur Bildung von Materialrestflächen 12 im Bereich der Abbiegepunkte 16 kommt.

Die zwischen der Geometrie der Verfahrbahnen 11 beziehungsweise der Fräskontur 10 und dem Durchmesser des Fräswerkzeuges 15 gegebene Abhängigkeit wird erfindungsgemäß durch die Einfügung zusätzlicher Bahnelemente 13 aufgehoben. Die zusätzlichen Bahnelemente 13 werden im Bereich der Abbiegepunkte 16 zwischen den Verfahrbahnen 11 einge­ fügt. Zweckmäßig werden sie entlang der Winkelhalbierenden (Halbierende) 14 ange­ ordnet, welche den zwischen den Verfahrrichtungen liegenden spitzen Winkel ϕ halbiert. Im einfachsten Fall sind die zusätzlichen Bahnele­ mente 13 eine "Vorwärts-Rückwärts"-Bewegung des Fräswerkzeuges 15 auf der Winkelhalbierenden 14. Dieser Fall ist in Fig. 3 gezeigt. Die zusätzlichen Bahnelemente 13 entsprechen den Strecken A/B und B/A. Die Länge der zusätzlichen Bahnelemente 13 hängt zweckmäßig linear ab von dem Grad der Unterschreitung des Grenzwinkels α, welcher sich aus sin α/2=1-D/r ergibt, wobei r der Radius des Fräs­ werkzeuges, D die Überlappungsbreite zweier benachbarter Fräs­ bahnen 19 ist. Um Beschädigungen der Randkontur 10 durch Kolli­ sionen auszuschließen, ist die größtmögliche Länge der zusätzlichen Bahnelemente 13 auf den Abstand 17 zwischen zwei äquidistanten Ver­ fahrbahnen 11 beschränkt. In die jeweils unmittelbar an der Randkon­ tur 10 angeordneten Verfahrbahnen (Randverfahrbahn) 18 werden zusätzliche Bahnelemente 13 nicht eingefügt, da eine Einfügung zusätzlicher Bahnelemente 13 in die Randverfahrbahn 18 die vorgegebene Randkontur 10 beschädigen könnte. Eine Einfügung zusätzlicher Bahnelemente 13 in die die Randkon­ tur 10 erzeugenden Verfahrbahnen 18 erfolgt auch dann nicht, wenn die Randkontur 10 Winkel ϕ aufweist, welche den Grenzwinkel α unter­ schreiten.

Neben auf der Winkelhalbierenden 14 liegenden Bahnstücken können auch andere Geometrien für die zusätzlichen Bahnelemente 13 gewählt werden. Dies kann notwendig sein, wenn unstetige Bewegungen des Fräswerkzeuges 15 vermieden werden sollen. Eine geeignete Geometrie ist beispielsweise die Form eines Tropfens, wobei das Fräswerkzeug 15 eine enge Schleife entlang der Winkelhalbierenden 14 fährt. Derarti­ ge aufwendige Verfahrbahngeometrien erfordern allerdings eine aus­ reichend große Rechnerleistung.

Weist die zu fräsende Kontur 10 keine klaren geometrischen Winkel auf und/oder wird ein Winkel ϕ von gekrümmt zusammenlaufenden Verfahr­ bahnen 11 eingeschlossen, wie etwa bei einer Schiffsbug-Form, ist das Verfahren sinngemäß anzuwenden. Es bietet sich in einem solchen Fall beispielsweise an, eine den von den Tangenten der Verfahrbahnen 11 eingeschlossenen Winkel ϕ Halbierende 14 durch den Punkt der größten Krümmung der Verfahrbahn 11 zu legen.

Claims (4)

1. Steuerungsverfahren für die Bewegung eines Fräswerkzeugs zum Fräsen beliebiger zweieinhalbdimensionaler Flächen mittels einer numerisch gesteuerten Fräsmaschine, wobei

• - die bearbeiteten Flächen jeweils eine Randkontur aufweisen,
• - ein Fräswerkzeug, das einen Radius r hat, entlang einer Schar im wesentlichen äquidistanter Verfahrbahnen geführt wird, und
• - die Verfahrbahnen mittels eines Mikrorechners in der Weise bestimmt werden, daß
• - die durch die Bewegung des Fräswerkzeuges längs der Verfahrbahnen gebildeten Fräsbahnen sich auf einer Breite D mit 0 D r überlappen,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Fräsbahnen (19) im wesentlichen parallel zu der zu fräsenden Randkontur (10) verlaufen, wobei die Breite D der Überlappung unabhängig von der Geometrie der zu fräsenden Randkontur (10) frei wählbar ist, und
• - in die Verfahrbahnen (11), außer in die die Randkontur (10) erzeugende Verfahrbahn (18), dann zusätzliche Bahnelemente (13) eingefügt werden, wenn
  • - an einem Abbiegepunkt (16) der jeweiligen Verfahrbahnen (11) eine Richtungsänderung um einen Winkel (ϕ) vorliegt und
  • - der Winkel (ϕ) die Beziehung sin ϕ/2 < (1 - D/r) erfüllt, und
  • - das Fräswerkzeug (15) entlang der zusätzlichen Bahnelemente (13) bewegt wird, wobei es die zwischen den Fräsbahnen (19) liegenden Materialrestflächen (12) entfernt, welche aufgrund der Bearbeitung entlang der abgewinkelten Verfahrbahnen (11) verbleiben.

2. Steuerungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die zusätzlichen Bahnelemente (13) auf einer Winkelhalbierenden (14) liegen, welche den Winkel (ϕ), den die Verfahrbahnen (11) am Abbiegepunkt (16) einschließen, halbiert.

3. Steuerungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Länge der zusätzlichen Bahnelemente (13) linear abhängt von einer Differenz zwischen
  • - dem von den Verfahrbahnen (11) eingeschlossenen Winkel (ϕ) und
  • - einem durch die Beziehung sin α/2 = 1 - D/r gegebenen Grenzwinkel (α).

4. Steuerungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die größte mögliche Länge der zusätzlichen Bahnelemente (13) der Abstand (17) zwischen zwei benachbarten äquidistanten Verfahrbahnen (11) ist.