Kinematikmodell für Komponenten mehrachsiger Maschinen

Transkript

1 Knematkmodell für Komponenten mehrachsger Maschnen Dpl-Ing Lee, Seok Won; Dpl-Ing Nguyen, Vet Duc 1 Enletung und Zelstellung Knematkmodell für Komponenten mehrachsger Maschnen st en Bestandtel der Maschnensmulaton Zur Zet gbt es verschedene Softwarelösungen, de ene 5- Achsen-Werkzeugmaschnen gut smuleren kann Bespele snd de Software Vercut oder GIBCam Vrtro usw Trotzdem besteht der Bedarf zur Weterentwcklung der Software oder als Alternatve de komplette Neuentwcklung Es gbt mehre Gründe dafür Außer der Weterentwcklung snd lzenzrechtlche Fragen, Kosten für den Kauf der Software sowe en hoher Kommunkatonsaufwand mt dem Hersteller zu beachten Dagegen st de komplette Egenentwcklung mt Vortelen we free Gestattung der Schnttstellen und problemlose Integraton verbunden Mt Hlfe dredmensonaler Smulaton wurden de knematschen Ketten von belebgen Maschnen bzw Maschnenelementen untersucht Dazu wurde en Programm erstellt, welches es ermöglcht, ausgehend von technschen Zechnungen oder vorhandenen CAD-Daten, en funktonales Abbld der Maschne zu erstellen und dessen enzelne Maschnenelemente entsprechend hrer knematschen Egenschaften (Rotaton, Translaton etc) zu verknüpfen Außerdem kann man Werkzeuge flexbel auswählen Der Bewegungsablauf der Maschne soll n zwe Arten gesteuert werden Erstens durch Joggng, das heßt, dass man de Bewegung der Maschne durch en Dalogfenster enstellen kann Und zwetens de Steuerung der Maschnenbewegungen durch en NC-Programm Parallel dazu soll jederzet ene detallerte Kollsonskontrolle erfolgen, um so berets n der Smulatonsphase eventuelle Konstruktonsmängel der Maschnenelemente und Fehler n den Anlagen-Programmen aufdecken zu können 2 Knematsche Kette In desem Telabschntt sollen das modulare Maschnenmodell mt den knematschen Egenschaften betrachten werden De Maschnenelemente können n unterschedlchen CAD-Formaten vorlegen In deser Arbet wrd zunächst auf das STL-Datenformat engegangen Der Grund dafür st de Enfachung und Schnellgket bem Lesen und Interpreteren Jede Maschne hat ene egene knematsche Kette Deshalb soll her en allgemener Algorthmus gefunden werden, damt man de knematschen Ketten für belebge Fälle beschreben bzw erzeugen kann Um dese Aufgabe zu lösen, muss man zunächst de mathematsche Bezehung zwschen den Maschnenelementen fnden Zwschen zwe Maschnenelementen gbt als Bewegungsbezehung dre verschedene Fälle En Element kann translatorsch, rotatorsch oder fest mt enem anderen Element verbunden sen Und für jeden Fall muss ene mathematsche Bezehung erzeugt werden Nachdem de mathematsche TU Dresden, IFF, Arbetsgruppe PAZAT Sete 1

2 Bezehung zwschen den Maschnenelementen erzeugt wurde, muss de Transformatonsmatrx von -Maschnenelement-Koordnatensystem auf das Basskoordnatensystem berechnet werden 21 Mathematsche Bezehung zwschen zwe Elementen Es wrd angenommen, dass es zwe Elemente we n der Abbldung 1a gbt De Koordnaten aller Vektoren und Punkte n der Abbldung snd bekannt Das Zel st de Transformatonsmatrx zwschen zwe Elementen zu berechen, damt de zwe Kontaktflächen, Vektor pn und Vektor pv 1 ; Vektor pnt und Vektor pvt 1 dentsch snd (Abbldung 1b) z O V pvt x pv y -Element N pnt pn pn 1 z O +1 Kontaktfläche N +1 pnt 1 a-gegebene Elementen pv 1 x V +1 y (+1)-Element pvt 1 O z N V +1 x z O +1 b- Gewünschte Verbndung Abbldung 1: zwe enfache Elemente der Maschne [NGU-06] Zuerst wrd de Transformatonsmatrx berechnet, damt de Intalserungsfgur der Verbndung entsteht Und zwar we folgt: Zu erst bewegt sch der Uhrsprung des (+1)-Koordnatensystems zu Punkt N Dann dreht sch das (+1)-Koordnatensystem um enen - Wnkel, damt Vektor pn und Vektor pv 1 dentsch snd Danach dreht sch das (+1)-Koordnatensystem um enen - Wnkel, damt Vektor pnt und Vektor pvt 1 dentsch snd Am Ende bewegt sch das (+1)-Koordnatensystem zu Punkt N, damt Punkt N und Punkt V +1 dentsch snd Für ene Maschne könnte es sen, dass sch das (+1)-Element gegenüber -Element dreht oder verschebt oder ncht bewegt De Berechung der Transformatonsmatrx für jeden Fall st ncht glech Be Drehung bewegt sch zunächst de Uhrsprung des (+1)-Koordnatensystems zu Punkt N Dann dreht sch en -Wnkel um den pv 1 - Vektor Schleßlch bewegt sch das (+1)-Koordnatensystem, damt der Punkt V +1 und der Punkt N dentsch snd Be Verschebung bewegt sch (+1)- Koordnatensystem entlang des pnt -Vektors 22 Transformatonsmatrx auf Basskoordnatensystem De Knematkkette nach Abbldung 2 wrd betrachtet De Transformatonsmatrx des -Koordnatensystem wrd auf das Basskoordnatensystem bezogen Dese Transformatonsmatrx berechet sch folgendermaßen: T a = T a1 T a2 T a(-1) T a (21) Dabe st T a de Transformatonsmatrx zwschen (-1)-Koordnatensystem und - Koordnatensystem TU Dresden, IFF, Arbetsgruppe PAZAT Sete 2

3 T a1 Bass T b1 1a-Ele 1b-Ele T a2 T b2 2a-Ele (-1)a-Ele a-ele (n)a-ele T a T b3 2b-El 3b-Ele (m)b-ele Abbldung 2: Berechnung der gesamten Transformatonsmatrx [NGU-06] 3 Smulaton durch NC-Programm Für Smulaton durch NC-Programm wrd zuerst en NC-Programm engelesen Dann werden de Zwschenpunkte berechnet Abhängg von Rückwärtssmulaton oder Vorwärtssmulaton wrd der Smulatonsvorgang rückwärts oder vorwärts durchgeführt (Abbldung 3) NC-Dateen enlesen Interpolaton Vorwärtssmulaton Up = true Play? Up = false Daten n de Smulatonsumgebung engeben und smuleren Rückwärts - smulaton Stop? false true Ende Abbldung 3: Prozessablauf für Smulaton durch NC-Programm [NGU-06] 4 Kollsonserkennung Be Kollsonserkennung wrd zuerst ene Herarche von Hüllkörpern erzeugt, dh es gbt en Boundng Volume (BV) für das gesamte Objekt, en BV für jede Hälfte des Objekts, für jedes Vertel, usw Anschleßend wrd be Erkennen ener Kollson de Berechnung zwschen den Hüllkörpern durchgeführt Wenn kene Kollson auftrtt, TU Dresden, IFF, Arbetsgruppe PAZAT Sete 3

4 wrd der Prozess beendet Im anderem Fall geht man ene Stufe tefer n der Herarche und führt den Test nochmals durch (Abbldung 4) Erstellung der Orentertes Boundng Box (OBB) Herarche erstellen Koordnatentransformaton Kollsonsprüfung zwschen Hüllkörpern nen Knderknoten = Prmtv? Herarche tefer gehen Kollson? nen Koordnatentransformaton Kollsonsprüfung zwschen Prmtven Kollson? nen Nächste Prmtve nen Ende Abbldung 4: Prozessablauf für Kollsonserkennung [NGU-06] Her wrd ene so genannte Orented Boundng Box als Hüllkörper angewendet Und für de Kollsonserkennung zwschen Hüllkörpern wrd der sogenannten Separatng Axs Theorem [GOT-96] benutzt Dafür werden de Objekte auf ene separerenden Achse projzert und dann wrd de Projekton ausgewertet Der Algorthmus von O Devllers und P Gugue [DEV-02] wrd für Kollsonserkennung zwschen zwe Dreecken angewendet De Hauptdee st de Auswertung der spezellen Determnante 5 Ergebnsse De Abbldung 5 zegt zwe knematsche Ketten Auf der lnken Sete st de knematsche Kette der Maschne MAHO800C De rechte Sete zegt ene Kombnaton, de B-Tel auf dem Kopf und A-Tel auf dem Tsch haben a-schwenkkopf-drehtsch b-tsch A Kopf B Abbldung 5: Bespel für knematsche Kette [NGU-06] TU Dresden, IFF, Arbetsgruppe PAZAT Sete 4

5 Abbldung 6 zegt de Kollsonserkennung be manuellen Handhabung Her gbt es ene Kollson zwschen Werkzeug und Drehtsch, dann wrd de Farbe des Werkzeuges und Drehtsches rot geändert a- Vor der Kollson b- Kollsonserkennung Abbldung 6: Kollsonserkennung be manueller Handhabung [NGU-06] De Kollsonserkennung be der durch en NC-Programm gesteuerten Handhabung wrd durch Abbldung 6 dargestellt Gbt es ene Kollson, dann kommt en Informaton über den NC-Satz, n dem ene Kollson auftrtt Abbldung 7: Kollsonserkennung be der durch en NC-Programm gesteuerten Handhabung [NGU-06] 6 Zusammenfassung und Ausblck Mt der Arbet wurde ene Software entwckelt, de folgende Fähgketen hat: Smulaton von belebgen Knematkketten für 5-Achsen-Werkzeugmaschnen mt belebgem Werkzeug (Kugelfräser, Schaftfräser und Torusfräser) Steuerung der Werkzeugmaschnenbewegungen mttels NC-Programm TU Dresden, IFF, Arbetsgruppe PAZAT Sete 5

6 Kollsonserkennung zwschen je zwe Maschnenelementen und Erzeugung ener Meldung, wenn ene Kollson auftrtt Das erzeugte Programm geht von nachfolgenden Bedngungen aus: CAD-Daten für Maschnenkomponenten müssen m Format von STL-Dateen vorlegen De INI-Dateen müssen vorher erzeugt worden sen Das NC-Fle muss nach DIN66025 geegnet sen Mt den vorlegenden Bedngungen deckt das Programm nur enen klenen Berech n der Fertgung ab Jedoch, deses Programm kann erwetert werden: De Erweterung kann für andere NC-Steuerungen (Fanuc, Hedenha, usw) vorgenommen werden De Erweterung kann für de Kollson zwschen anderen Maschnenkomponenten (zb: Spannmttel und Werkzeug, Werkzeug- Werkstück, usw) erfolgen Außerdem kann de Erweterung auch für andere Smulatonen (zb: Abtragsmulaton, Thermsche Prozesse, usw) erfolgen De Erweterung kann für andere Datenformate (z B STEP-NC usw) vorgenommen werden Lteratur [GOT-96] [DEV-02] [NGU-06] Gottschalk S, Ln M C, Manocha D: OBBTree: A Herarchcal Structure for Rapd Interference Detecton ; Computer Graphcs Proc ACM SIGGRAPH, 30:171180, 1996 Devllers, O; Guge, P :Faster Trangle-Trangle Intersecton Tests Insttut Natonal de Recherche en Informatque en Automatque Jun 2002 Nguyen, V D: Knematkmodell für Komponenten mehrachsger Maschnen; Insttut für Produktonstechnk Arbetsgruppe Produktonsautomatserung, Zerspanungs- und Abtragtechnk Masterarbet TU Dresden 2006 TU Dresden, IFF, Arbetsgruppe PAZAT Sete 6