Erstellung eines 3D-Simulationssystems zur Reduzierung von Rüstzeiten bei der NC-Bearbeitung

172 Pages·1992·5.297 MB·German

by  Dr.-Ing. Norbert Schrüfer (auth.)

Forschungsberichte . Band 48
Berichte aus dem
Institut fur Werkzeugmaschinen
und Betriebswissenschaften
der Technischen Universitat Munchen
Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. J. Milberg
Norbert Schrüfer
Erstellung
eines 3D-Simulationssystems
zur Reduzierung von Rüstzeiten
bei der NC-Bearbeitung
Mit 103 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
1992
Dipl.-Ing. Norbert SchrOfer
Institut fOr Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb), MOnchen
Dr.-Ing. J. Milberg
o. Professor an der Technischen Universitat MOnchen
Institut fOr Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb), MOnchen
D 91
ISBN 978-3-540-55431-8 ISBN 978-3-662-07123-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-07123-6
Das Werk ist urheberrechtlich geschOtzt. Die dadurch begrOndeten Rechte, insbeson
dere die der Obersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funk
sendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ahnlichem Wege und der
Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Ver
wendung, vorbehalten. Die VergOtungsansprOche des § 54, Abs. 2 UrhG werden durch
die "Verwertungsgesellschaft Wort", MOnchen, wahrgenommen.
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1992
Urspriinglich erschienen bei Springer-Vedag Berlin Heidelberg New York 1992.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in
diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme,
daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-oder Markenschutz-Gesetzgebung als
frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dOrften.
Gesamtherstellung: Hieronymus Buchreproduktions GmbH, MOnchen
2362/3020-543210
Geleitwort des Herausgebers
Die Verbesserung der Fertigungsmaschinen, der Fertigungsverfahren und der Ferti
gungsorganisation zur Steigerung der Produktivitiit und Verringerung der Fertigungs
kosten ist eine stiindige Aufgabe der Produktionstechnik. Die Situation in der Produk
tionstechnik ist durch abnehmende FertigungslosgroBen und zunehmende Personalko
sten sowie durch eine unzureichende Nutzung der Produktionsanlagen gepriigt. Neben
der Forderungen nach einer Verbesserung der Mengenleistung und der Arbeitsgenau
igkeit gewinnt die Steigerung der Flexibilitiit von Fertigungsmaschinen und Ferti
gungsabliiufen imrner mehr an Bedeutung. In zunehmendem MaB werden Program
me, Einrichtungen und Anlagen fiir rechnergestiitzte und flexibel automatisierte Pro
duktionsabliiufe entwickelt.
Ziel der Forschungsarbeiten am Institut fiir Werkzeugmaschinen und Betriebswissen
schaften der Technischen Universitiit Miinchen (iwb) ist die weitere Verbesserung der
Fertigungsrnittel und Fertigungsverfahren im Hinblick auf eine Optirnierung der Ar
beitsgenauigkeit und Mengenleistung der Fertigungssysteme. Dabei stehen Fragen der
anforderungsgerechten Maschinenauslegung sowie der optimalen ProzeBfiihrung im
Vordergrund. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung fortgeschrittener Produk
tionsstrukturen und die Erarbeitung von Konzepten fiir die Automatisierung des Auf
tragsdurchlaufs. Das Ziel ist eine Integration der technischen Auftragsabwicklung von
der Konstruktion bis zur Montage.
Die im Rahmen dieser Buchreihe erscheinenden Biinde stammen thematisch aus den
Forschungsbereichen des iwb: Fertigungsverfahren, Werkzeugmaschinen, Fertigungs
automatisierung und Montageautomatisierung. In ihnen werden neue Ergebnisse und
Erkenntnisse aus der praxisnahen Forschung des iwb veroffentlicht. Diese Buchreihe
soll dazu beitragen, den Wissenstransfer zwischen dem Hochschulbereich und dem
Anwender in der Praxis zu verbessern.
Joachim Milberg
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand neben meiner Tatigkeit als Mitarbeiter am Institut fiir
Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universitat
Munchen und des Instituts fiir Montageautomatisierung GmbH (ifm).
Herrn Prof. Dr.-Ing. J. Milberg, dem Leiter der Institute, gilt mein besonderer Dank
fiir die tatkraftige und wohlwollende Untersrutzung sowie fiir die wertvollen Hinwei
se zu dieser Arbeit.
Herrn Prof. Dr.-Ing. K. Ehrlenspiel, dem Inhaber des Lehrstuhls fiir Konstruktion im
Maschinenbau, danke ich fiir die kritische Durchsicht der Arbeit und die Ubernahme
des Koreferats.
Mein Dank gilt dariiber hinaus den Mitarbeitern der Gildemeister Automatische Dreh
maschinen GmbH, Bielefeld, die rnir wertvolle Hinweise fiir eine praxisrelevante
Konzeption der im Rahmen der vorliegenden Arbeit entstandenen Softwareprodukte
gaben.
SchlieBlich mochte ich mich bei allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des iwb und
des ifm sowie bei alIen Studenten, die mich bei der Erstellung dieser Arbeit unter
stutzt haben, recht herzlich bedanken.
Munchen, im Februar 1991 Norbert Schriifer
O. Inhaltsverzeichnis I
Inhaltsverzeichnis
o.
Liste der verwendeten Formelzeichen VI
1. Einleitung 1
1.1 Wettbewerbsvorteile durch Zeitsparen
1.2 Zeitsparen durch F1exibilitat 2
1.3 Simulation a1s Werkzeug zum Zeitsparen 5
2. Stand der Technik 7
2.1 Methoden der NC-Programmerstellung 7
2.1.1 Definition der NC-Geometrie 8
2.1.2 Definition von Arbeitsfolge und Werkzeugbewegungen 10
2.2 Werkstatt-und AV-orientierte NC-Programmerstellung 12
2.2.l Werkstattorientierte Programmerstellung 13
2.2.2 Programmierung in der Arbeitsvorbereitung 14
2.3 Programmtests in der Arbeitsvorbereitung 15
2.3.l Sichtkontrolle des erzeugten Maschinenprogramms 17
2.3.2 Zweidimensionale Verfahrwegdarstellung 17
2.3.3 Dreidimenionale Bewegungssimulation 19
2.3.4 Rechnerische Kollisionserkennung 20
2.3.5 Darstellung des Materialabtrags 22
2.4 Programmtests auf der realen Maschine 22
2.4.1 "Trockenlauf' 23
2.4.2 "Leerfahrt" 24
2.4.3 "Luftschnitte" 24
2.4.4 Abfahren des NC-Programms im Einzelsatzbetrieb 24
o.
Inhaltsverzeichnis II
2.4.5 Testbearbeitung mit Substitutionswerkstoffen 26
2.4.6 Grafische Simulation der NC-Bearbeitung auf der Ma-
schinensteuerung 27
3. Anforderungen an ein NC.Simulationssystem 28
3.1 Anforderungen an die Modellbildung 28
3.1.1 Geometrie 30
3.1.2 Kinematik 32
3.1.3 Steuerung 32
3.2 Anforderungen an die Grafik 33
3.2.1 Schnelle Blickwinkeliinderungen 33
3.2.2 Drahtmodelle und schattierte Darstellungen 33
3.2.3 Anzeige des NC-Prograrnms 35
3.2.4 Zeitraffer 36
3.3 Kollisionskontrolle und Batch-lob 37
3.3.1 Kollisionskontrolle 37
3.3.2 Batch-lob 38
3.4 Bedienoberflache 39
4. Konzeption und Realisierung 40
4.1 Einleitung 40
4.2 Geometrie-Handhabung 40
4.2.1 3D-Datenstruktur 40
4.2.2 Grafische Darstellung 44
4.2.3 Geometrieerzeugung 44
4.3 Objekt- Handhabung 45
4.3.1 Objekt-Definition 45
o. Inhaltsverzeichnis III
4.3.2 Positionsbeschreibung durch homo gene Transfonnation 46
4.3.3 Objekt-Verbindungen 48
4.3.4 Layout- Datei 50
4.3.5 Funktionen zur Anderung des Layouts 51
4.4 Kinematik- Handhabung 54
4.4.1 Definition 54
4.4.2 Bewegungssimulation 55
4.5 Geratetechnik und zugrunde Iiegende Grafikprinzipien 58
4.5.1 Trennung von Host-CPU und Grafik-Rechner 59
4.5.2 Grafik- Datenstruktur 59
4.5.3 Beriicksichtigung von Blickwinkellinderungen 62
4.5 Steuerungsnachbildung 63
4.5.1 Ubersicht 63
4.5.2 Programm, Werkzeug und Korrekturwertespeicher 65
4.5.3 Schnittstelle zwischen Steuerungsnachbildung und Si-
mUlationsprogramm 66
4.5.4 Steuerungsspezifische Datenstrukturen 69
4.5.5 Abarbeiten eines NC-Satzes (ijbersicht) 72
4.5.6 Lesen eines NC-Satzes 74
4.5.7 FestIegen von Bewegungsparametem 76
4.5.8 Planen der Maschinenbewegung 77
4.5.9 Ausfiihren der Maschinenbewegung 83
4.5.10 Werkzeugbahnkorrektur 84
4.5.11 Unterprogramme 89
4.5.12 Spriinge und Verzweigungen 89
4.5.13 Werkzeugwechsel als Beispiel fiir Sonderfunktionen 90
O. Inhaltsverzeichnis IV
4.6 Kollisionserkennung 93
4.6.1 Statische und dynamische Kollisionserkennung 93
4.6.2 Kollisionserkennung mit Hilfe diskreter Objekunodelle 95
4.6.3 Spezielle Datenstrukturen zur Kollisionserkennung 97
4.6.4 Eingangsdaten des implementierten Algorithmus' 97
4.6.5 Facettentest 98
4.6.6 "Bounding-Boxen" 101
4.6.7 Ktirpertest 102
4.6.8 Flachentest 104
4.6.9 AusschluB ungefahrdeter Flachen 105
4.6.10 Sortierung der Flachen 106
4.6.11 Teilung der Ktirper in Unterbereiche 107
4.6.12 Zusammenfassung des Kollisionstests 109
S. Integration der NC·Simuiation in die Arbeitsvorbereitung 111
5.1 Bentitigte Eingangsdaten 111
5.2 Stellung der NC-Simulation 113
5.3 Geometrieschnittstellen 116
5.3.1 Technische Realisierung 116
5.3.2 Organisatorische Aspekte 120
5.3.3 "Pseudo" 3D-Modelle 122
5.4 Anbindung an Betriebsmitteldatenbanken 123
5.4.1 Anforderungen an eine zentrale Werkzeugverwaltung 123
5.4.2 Konzeption einer realisierten Kopplung 126
5.4.3 Bildschirmmasken fiir die Eingabe der Werkzeugdaten 127
5.4.4 Unterstiitzung der Werkzeugvoreinstellung 129