MAX

Formenvielfalt, die mit 5-Achsen erreicht wird
• Freiformflächen, z.B. Karosserieflächen wie Kotflügel
• Regelflächen, z.B. Propeller, Impeller, Turbinenschaufeln
• Formkanäle, tiefe Taschen. Kollisionsvermeidung zwischen Werkzeug und Werkstück durch ein dynamisch angestelltes Werkzeug
• Nuten auf rotationssymmetrischen Körpern, die nicht durch Drehen hergestellt werden können
• Formelemente, die senkrecht in eine freigeformte Oberfläche eingebracht werden

•vom Designer oder Flächenmodellierer frei entworfene Oberflächen
•nach Ästhetik, z.B. formschön (d.h. freier Entwurf) oder nach Funktion z.B. strömungsgünstig (d.h. nach Berechnungsvorschriften) ausgelegt
•mathematischer Beschreibung: analytisch nicht einfach beschreibbar, d.h. in Parameterdarstellung
•auch als skulpturartigeoder doppelt gekrümmte Flächen bezeichnet
•praktisch häufig in Kombination mit einfach beschreibbaren Flächen
•zur Flächenbeschreibung werden spezielle Polynome genutzt
•Gesamtfläche nicht in einer Darstellung beschreibbar muss deshalb in Flächensegmente (engl.: patches) zerlegt werden
•Flächensegmente haben ihr eigenes lokales Koordinatensystem

•  Generelle Polynome

•  Spezielle Polynome

Design-Prozess –moderne Vorgehensweisen: Konzept, erste Skizzen -3D-Visualisierungen -erstes Modell zum Anfassen -Test
– Gestaltung: Oberflächenmodellierung (CAS, CAD) mit Methoden wie Freiformflächenmodellierung
– technische Berechnungen: Engineering (CAE) mit Methoden wie Finite Elemente Methode (FEM), Mehrkörpersimulation (MKS), …
      •verfahrens-, beanspruchungsgemäße Berechnungen (Festigkeit, Strömung, Kinematik, Temperatur, ...)
      •Nachrechnung, Auslegungs-, Optimierungs-, Simulationsberechnungen
– Funktions-und Montageüberprüfung: mit Methoden wie Packaging/ Digital Mock-up(DMU), Virtual Reality, ...
– Modellbau mit Fertigungsverfahren wie Rapid Prototyping, Fräsen, …
Beispiel:Einsatz von Fertigungstechnik im Entwurfsprozess von Objekten mit Freiformflächen (II)
– Problem:Aus Freiformflächen lassen sich nicht trivial Fräsbahnen generieren
– Kenntnisse zur NC-Planung/-Programmierung sind beim Designer nicht vorhanden
– Ziel: Fräsen eines physischen Modells so leicht wie Drucken (‚Printerfeeling‘)
– einfaches Vorgehen
    •kein zusätzlicher Arbeitsplaner
    •kein Abstimmungsaufwand, kein Infoverlust, Zeitgewinn,
    •keine Spezialkenntnisse notwendig
    •einfache Auswahl vorkonfigurierter Fräsarbeitsgänge durch Designer

Anforderungen an die mehrachsige Bearbeitung
• Wechsel zwischen konvexen und konkaven Flächen
• Hinterschnitte, Hohlräume wie tiefe Kavitäten
• dünne, teilweise hohen Wände, kleinen Radien in Ecken
• lange und stark verwundenen Blätter

-  Achsverteilung bei 5-Achs-Maschinen, in der Regel
• drei Achsen translatorisch mit rechtsdrehendem Koordinatensystem XYZ
• zwei Achsen rotatorisch, Rotation um die translatorischen Achsen
• rotatorische Achsen drehen / kippen entweder das Werkzeug oder das Werkstück
             • Grenzfälle der Verteilung der 5 Achsen:
                 • Werkstück steht still, alle Achsen bewegen das Werkzeug
                 • alle Achsen bewegen das Werkstück, das Werkzeug führt nur die Schnittbewegung aus
                 • ansonsten gemischte Verteilung der Achsen
- weitere Spezialformen
• Rotationsachsen liegen schräg

• Werkzeugachse relativ zum Werkstück in eine bestimmte Lage bringen z.B. normal zur Fläche
• Werkzeugachse wird gegen das Werkstück angekippt
-Formelemente zu erzeugen, deren Achse eine beliebige Lage im Raum hat
-Nachschneiden der Werkzeugrückseite im Werkstück vermeiden
-Hinterschneidungen an Werkstücken fertigen
-bessere Schnittbedingungen erreichen
-effektiv wirkende Werkzeuge einsetzen

• Fräserrichtung wird dynamisch an die Richtung der Flächennormale angepasst
• Fräserachse verändert sich entsprechend Bearbeitungsaufgabe
- Neigung der Werkzeugachse
a) um Voreilwinkel (Sturz) in Ebene, aufgespannt durch Flächennormale und Vorschubrichtung; Kollisionsgefahr beachten
b) um Kippwinkel in Ebene, senkrecht stehend auf Ebene nach a)
- Fräserachsrichtung = Flächennormale + Voreilwinkel + Kippwinkel

- Mehrachsteuerung
• einkanalig (alle Achsen mit einer Gruppe von Adressen
bezeichnet)
 -- Unterscheidung z.B. in 3-Achs- und 5-Achsteuerungen
• mehrkanalig (mehrere Gruppen von Achsen an einem Vorgang beteiligt, eine Gruppe je ein Kanal)
 -- Unterscheidung durch Achsindizierung (z.B. X1, Y1, Z1, X2
usw.)
 -- parallel (simultan) oder seriell arbeitende Kanäle

Bearbeitung
• 3-Achsbearbeitung
 -- Bearbeitung regelgeometrischer Flächen, z.B. Ebenen
 -- Bearbeitung von Freiformflächen mit gleichmäßigen, möglichst flachen Krümmungen
• 5-Achsbearbeitung
 -- translatorische und rotatorische Achsen beteiligt
 -- funktional - d.h. alle Achsen funktional bewegt … z.B.
       • funktionale 5-Achsbearbeitung von Freiformflächen
 -- anstellend – einige Achsen werden angestellt, andere arbeiten funktional … z.B.
       • 3 funktional bewegte, 2 angestellte Achsen (3+2) zur Bearbeitung von einfachen Formelementen

• Schruppen    
     - hebt mit großen Spanungsvolumen das Material ab
     - nähert innerhalb möglichst kurzer Bearbeitungszeit das Werkstück der Endkontur so weit wie möglich an
     - durch robuste Werkzeuge und eine große Schnitttiefe, so dass Späne mit einem relativ großen Volumen entstehen
     - hinterlässt meist raue Oberflächen mit geringer Maßgenauigkeit.
• Vorschlichten
     - trägt meist geringe Materialmengen oder Restmaterial zur Feinbearbeitung ab
     - erzeugt eine Offsetfläche, unter der ein konstantes Aufmaß bleibt
• Schlichten
    - dient der End- oder Fertigbearbeitung
    - erzielt die geforderte Oberflächengüte sowie Maß- und Formgenauigkeit
• Fein-, Feinstschlichten
    - im Zusammenhang mit Genauigkeitsanforderungen an das Werkstück
    - erfolgt durch Herabsetzen der Zerspanungskräfte sowie mit Maschinen für hohe Genauigkeiten
    - ersetzt einen drauf folgenden Fertigungsschritt wie z.B. das Polieren

- Fräslinie (Sollkontur) ist
• die mathematisch festgelegte Linie auf der Fläche
- Fräsbahn (Istkontur) ist
• eine durch Interpolationsmethoden angenäherte Form der Fräslinie (in der NC-Technik als Grobinterpolation bezeichnet)
• die Summe aller Fräsbahnstücke und Stützpunkte

• ideal verlaufende Folge von Punkten, Berührpunkte des WZes mit der modellierten Fläche = freigeformte Kurve (FL) innerhalb der Fläche (Flächenkurve)
• Fräser kontaktiert modellierte Fläche nur an einzelnen Punkten, den Stützpunkten (Elemente der FL)

- Erzeugung von Fräslinien (Arten) durch
• Vorgabe einer Fläche, an der entlang das Fräswerkzeug geführt wird („APT-Fräslinie“)
• Angabe einer Parameterlinie (u-Linie, v-Linie = konst.)
• beliebige Kurve im u-v-Koordinatensystem
• Schnitt einer Ebene mit einer Freiformfläche („Höhenlinie“)
• Schnitt eines allgemeinen Zylinders mit einer Freiformfläche
• Spirallinie ... siehe auch Strategien
• usw.

V3 F16 17 20

Rauheit der Oberfläche - HSC
• Einpass-/Tuschierarbeiten, Verscheifen/Glätten der Fräsrillen > 1/3 der Bearbeitungskosten bei der Formenherstellung (Automobilbau)
• HSC-Bearbeitung geeignet
  - endkonturnahe bzw. Endbearbeitung; Ersatz für zusätzlichen
Arbeitsgang Polieren
   -Vorschlichten, Schlichten bzw. Fein- oder Superschlichten
   - Grund: hohe Schnitt- bzw. Vorschubgeschwindigkeiten
   -zwei Zielrichtungen HSC, d.h. vf  und ...
        • tc konst. -> Anzahl FL   und a_FL ↓ -> Rz th ↓ (Erhöhung Qualität)
        oder
        • Anzahl FL und a_FL konst. -> tc ↓ -> th ↓ (Erhöhung Produktivität)zwei Zielrichtungen HSC, d.h. vf und ...
        

V3 F19

V3 F29

Steuerung braucht Informationen zum operativen Führpunkt
• WZ-Korrekturwertspeicher-Nummer (aus NC-Programm)
• Länge und Radius des Werkzeuges (im WZ-Korrekturwertspeicher der Steuerung)
• Lage des WZes zur Bahn/Kontur (aus NC-Programm)

V4 F24
geometrische (9):
Punkt
Punktfolge
Punkt-Vektorfolge
Kreisbogen
Kurven(segment)
Kurve auf Fläche
Flächenstück
begrenzte Fläche
Flächenverband

nicht berücksichtigt: Bemaßung, Texte, Volumenelemente

V5 F5

- Interpolation
• vorgegebene Punkte (Stützpunkte einer Sollkontur)
... geeignet verbinden
- Approximation
• vorgegebene Punkte (Kontrollpunkte einer Sollkontur)
... möglichst gut annähern, wobei diese Punkte nicht genau getroffen werden müssen

Interpolation: i.d.R. 2-stufig
• Grobinterpolation (sichert Konturtreue des Werkzeuges)
    - Angabe der Wegbedingung im NC-Programm durch Interpolationsart
    - Berechnung von Stützpunkten
    - es entstehen Wegstücke bzw. Bahnabschnitte
• Feininterpolation (Führungsgröße für die Lageregelung)
    - grobinterpolierte Wegstücke zu groß für Anforderungen der Antriebsregelung
    - weitere Werte zwischen den Stützpunkten notwendig
    - Algorithmus berechnet Weginkremente bzw. Bahn aus Tastzeit der Steuerung und Vorschubgeschwindigkeit

Zweck der Interpolation
1. Führungsgrößen und Bahn(Kontur)treue
• NC-Satz enthält nur Zielkoordinaten -> CNC benötigt Führungsgrößen zwischen Start- und Zielkoordinate
• Zwischenwerte müssen interpoliert werden -> stufenweise
• Vorgabe aller Zwischenwerte im NC-Programm würde Umfang vervielfachen
     aber: je dichter die Zwischenpunkte liegen ...
     - hohe Bahn(Kontur)treue der Werkzeuge
     - hohe Genauigkeit der Werkstücke
     - viele NC-Sätze mit kurzen Wegen
     - zu verarbeitende Datenmenge pro Zeit hoch (Decodierungsaufwand, Rechengeschwindigkeit)
2. Bahnsteuerungen: Interpolator (Softwareprogramm)
notwendig
• berechnet von Start- und Zielposition Zwischenpunkte, die
     - in einer Ebene oder im Raum (Aspekt 1)
     - auf einer Gerade oder beliebigen Kurve (Aspekt 2)
liegen
• Führung der einzelnen Achsen so, dass das Werkzeug auf dieser Bahnkurve entlang läuft
• außerdem Führung des Werkzeuges im richtigen Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverhältnis
• Führungsgrößen zeitgerecht an Achsen ausgeben