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    Kollisionen erkennen und vermeiden: Je früher desto besser

    Worst-Case-Szenario Maschinenschaden: Wenn Maschinenkopf und Werkstück, Werkzeug und Spannmittel oder Spindel und Maschinentisch zusammenstoßen, wird es teuer. Es gibt verschiedene Methoden, Kollisionen rechtzeitig zu erkennen und zu vermeiden. Mit der passenden Methode lassen sich ungewollte Ausfallzeiten nahezu vollständig vermeiden.

    Bei eher einfachen Maschinen gelingt es dem aufmerksamen Maschinenbediener in der Regel, mögliche Kollisionen visuell zu erkennen und rechtzeitig den Notaus-Knopf zu drücken. Bei modernen Hochleistungsmaschinen wie Dreh-Fräs-Zentren oder simultanen 5-Achs-Maschinen aber machen es schnelle und komplexe Bewegungen unmöglich, die Bearbeitung manuell zu unterbrechen. Deshalb wird die Maschine bei Kollisionsgefahr durch integrierte Schutzmechanismen automatisch angehalten. Doch gleich, ob die Maschine manuell oder automatisiert gestoppt wird – das Ergebnis ist dasselbe: Die Maschine steht still. Um Maschinenstillstandszeiten und Crashes zu verhindern, sollten Kollisionen deshalb noch vor der realen Bearbeitung erkannt und vermieden werden. In diesem Zusammenhang konkurrieren bei Anbietern von CAD/CAM- und Simulationssoftware zwei unterschiedliche Lösungsansätze. Beide Methoden nutzen digitale Zwillinge der realen Fertigungsumgebung.

    Kollisionen vor der Bearbeitung auf der Maschine erkennen und vermeiden: Methoden im Vergleich

    Die Hauptunterschiede: Bei der einen Methode erfolgt die NC-Programmierung im CAM-System zunächst unabhängig von den Komponenten, die bei der Bearbeitung tatsächlich verwendet werden – wie Maschine, Bearbeitungswerkzeuge und Spannmittel. Die Werkzeugwege werden anschließend mit einer zusätzlichen Simulationssoftware verifiziert. Die andere Methode integriert die digitalen Zwillinge dieser Komponenten bereits in die CAM-Programmierung. Die Werkzeugwege werden ohne zusätzliche Simulationssoftware direkt im CAM-System verifiziert.

    Methode 1: NC-Programmierung im CAM-System und Verifikation der Werkzeugwege mit einer zusätzlichen Simulationssoftware.

    Methode 2: NC-Programmierung mit integrierter Verifikation der Werkzeugwege im CAD/CAM-System.

    Die Methoden im Prozessablauf

    Methode 1: Maschinenunabhängige NC-Programmierung im CAM-System und Verifikation des
    NC-Codes mit einer zusätzlichen Simulationssoftware.

    Bei diesem Lösungsansatz wird das NC-Programm zunächst in der CAM-Umgebung erzeugt – unabhängig von exakten Maschinen-, Werkzeug- und Spannmittelmodellen (digitale Zwillinge) (1). Erst danach werden die Daten um die Maschinen-, Werkzeug- und Spannmittelinformationen ergänzt – abhängig vom System entweder vor oder nach der NC-Ausgabe (2). Anschließend verifizieren der CAM-Programmierer oder der Maschinenbediener den NC-Code mit einer eigenen Simulations-Software.
    Wenn keine Kollisionen mehr festgestellt werden, wird das NC-Programm an die Fertigung übergeben (5).
    Bei Kollisionen oder weiteren Problemen gibt es zwei Möglichkeiten: Der NC-Code wird manuell korrigiert und danach erneut simuliert (falls das NC-Programm später, zum Beispiel aufgrund von Bauteiländerungen, neu erstellt wird, muss es ein weiteres Mal korrigiert und simuliert werden) (4a). Bei größeren Korrekturen wird der Fehler in der CAM-Umgebung behoben (4b). Auch dieses NC-Programm muss nochmals zusätzlich mit der Simulations-Software verifiziert werden, um sicherzustellen, dass die Korrektur erfolgreich war (4c).

    Methode 2: Maschinenabhängige NC-Programmierung mit integrierter Verifikation der
    Werkzeugwege im CAD/CAM-System.


    Beim zweiten Lösungsansatz wird direkt in der CAM-Umgebung mit digitalen Zwillingen der realen Fertigungsumgebung geplant, programmiert und verifiziert: Der CAM-Programmierer nutzt alle fertigungsrelevanten Daten der verwendeten Maschinen und Werkzeuge, prüft die Bearbeitung direkt im System auf Kollision und korrigiert mögliche Fehler (1). Die Programme, die ausgegeben werden, sind daher vollständig kollisionsgeprüft (2). Der NC-Code wird ohne Umwege an die Fertigung zur Bearbeitung des Bauteils übergeben (3).
    Die Gegenüberstellung der zwei Varianten zeigt, dass der zweite Lösungsansatz – die integrierte Simulation
    und Kollisionsprüfung – zahlreiche Vorteile hat:
    • Schnittstellenläufe und Korrekturschleifen werden reduziert.
    • Es lässt sich leichter planen, da der CAM-Programmierer Zugriff auf alle virtuellen Fertigungskomponenten hat, die in virtuellen Prozessbibliotheken abgebildet sind.
    • Sie ist einfacher, da der CAM-Programmierer keine speziellen Kenntnisse zum Maschinencode oder zu einer zusätzlichen Simulations-Software benötigt.
    • Manuelle Korrekturen am NC-Code, welche die Prozesssicherheit gefährden, entfallen.
    • Sämtliche Korrekturen fließen automatisch zurück in die CAD/CAM-Umgebung, so dass ein Fehler niemals wiederholt wird.
    • Die digitalen Zwillinge werden nur einmal – nämlich in der der CAD/CAM-Umgebung – verwaltet, anstatt “doppelt” in CAM-Umgebung und SImulations-Software.

    Digitaler Zwilling ist nicht gleich digitaler Zwilling

    Damit die zweite Methode – also die vollintegrierte Lösung – jedoch sicher und zuverlässig funktionieren kann, müssen zwei Grundvoraussetzungen erfüllt sein: Erstens müssen möglichst alle Komponenten – inklusive Maschinen, Komplettwerkzeugen, Spannmitteln und Endschaltern – als digitale Zwillinge präzise in der virtuellen Welt abgebildet sein. Vereinfachte geometrische Abbildungen bergen das Risiko fehlerhafter Verifikationsergebnisse. Zweitens ist zwingend erforderlich, dass sämtliche
    kinematischen Informationen – also Bezugspunkte, Werkzeugwechselpositionen und Verfahrbewegungen – bei der Prüfung berücksichtigt werden. Beide Anforderungen muss der CAD/CAM-Anbieter ohne Abstriche erfüllen können. 

    Deshalb sollten vor allem komplexe Maschinen und Maschinen mit speziellen Zusatzeinrichtungen mit allen Eigenschaften präzise vermessen und in das CAD/CAM-System transferiert werden. Auf diese Weise ist die reale Bearbeitungssituation virtuell exakt reproduzierbar.
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    In der virtuellen Umgebung Aufspannungen planen

    Ein weiterer Vorteil der vollintegrierten Lösung: Da der CAM-Programmierer direkt an seinem Arbeitsplatz auf alle virtuellen Komponenten zugreift, die auch bei der realen Fertigung zum Einsatz kommen, hat er bereits in der Bearbeitungsplanung – also noch vor der CAM-Programmierung und der Verifikation der Werkzeugwege – umfassende Möglichkeiten, mögliche Kollisionen und Endschalterprobleme zu identifizieren und ihnen entgegenzuwirken. Vieles wird behoben, bevor es überhaupt zum Problem werden kann. Er verfährt die virtuelle Maschine manuell mit eingespanntem Werkzeug an die Positionen,
    die kritisch werden könnten. Er legt so grafisch-interaktiv Werkzeuglängen und die Spannposition fest. Stellt er fest, dass die Spannsituation aufgrund der Kopfgeometrie unpraktisch ist, dreht er den Tisch oder das Bauteil um 180 Grad.
    Die Spannsituation lässt sich bereits bei der Arbeitsvorbereitung optimieren. Hier wird das Bauteil um 180 Grad rotiert.

    CAM-Programmierung mit intelligenten Kollisionsvermeidungsstrategien

    Kollisionen, die das CAM-Programm erkennt, lassen sich mit automatisierten und in NC-Schablonen integrierbaren Kollisionsvermeidungsstrategien vermeiden. Welche Strategie sich am besten eignet, hängt maßgeblich von der speziellen Bauteilgeometrie, der Bearbeitungsaufgabe und vor allem von der verfügbaren Maschine ab. Dieses Wissen sollte in NC-Schablonen hinterlegt sein: So muss der CAM-Programmierer nur Maschine und Bearbeitungselemente auswählen. Die passende Kollisionsvermeidungsstrategie – mit Bereichsverkleinerung, simultanem 5-achsigen Ausweisfräsen oder indexierter Bearbeitung – wird automatisch zugewiesen.

    Die automatische Bereichsverkleinerung kommt in der Regel beim 3-achsigen Schruppen zum Einsatz: Fräsbereiche, die sich mit dem verwendeten Werkzeug – zum Beispiel aufgrund von Kollision mit dem Maschinenkopf – nicht bearbeiten lassen, werden automatisch abgeschaltet.
    Beim 3-achsigen Schruppen lassen sich kurze Werkzeuge mit hohen Schnittwerten optimal nutzen. Nur kollisionsgefährdete Bereiche werden anschließend mit einem längeren Werkzeug gefertigt.
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    Beim Schlichten bietet es sich an, das kurze Werkzeug für beste Oberflächenqualitäten möglichst
    durchgängig einzusetzen. Wenn es die Kinematik der Maschine zulässt, ist das 5-achsige
    simultane Ausweichfräsen
    eine geeignete Kollisionsvermeidungsstrategie.

    Beim 5-achsigen simultanen Ausweichfräsen entstehen aus 3+2-achsigen NC-Programmen mit festen Stellachsen vollautomatisch Programme für simultanes 5-Achs-Fräsen.
    Restmaterialbereiche werden häufig indexiert bearbeitet. Die indexierte Kollisionsvermeidung empfiehlt sich zum Beispiel für Mehrachsenmaschinen, die sich aufgrund ihrer Dynamik nicht für eine 5-achsige Simultanbearbeitung eignen. Teilweise ist die Bearbeitung sogar performanter und die Oberflächenqualität besser als beim 5-achsigen Ausweichfräsen.


    Bei der indexierten Bearbeitung werden Fräsbereiche, die sich mit derselben Anstellung kollisionsfrei fertigen lassen, automatisch erkannt und miteinander verbunden. Die entsprechende Anstellung wird ebenfalls automatisch berechnet.

    Simulation mit dem gesamten Bearbeitungsraum

    Nachdem alle Strategien berechnet wurden, sollte die gesamte Fertigung mit dem gesamten Bearbeitungsraum als zusätzliche Option im Batch-Betrieb vollständig prüfbar sein. Rückzugsbewegungen sollten sich individuell anpassen lassen.


    Bei der integrierten Simulation werden alle Anstellungen, alle Werkzeugkomponenten und die komplette Maschine mit sämtlichen Bewegungen und Werkzeugwechseln berücksichtigt. So ist sichergestellt, dass die Bearbeitung auf der Maschine mit dieser Spannsituation kollisionsfrei durchläuft. 

    Fazit

    Je früher Kollisionen entlang der Prozesskette vermieden werden, desto besser. Dazu müssen alle virtuellen Komponenten exakte Abbilder ihrer realen Zwillinge sein. So lassen sich – von der Planung, über die CAM-Programmierung bis hin zur Simulation – alle Möglichkeiten zur Kollisionsvermeidung direkt in der CAD/CAM-Umgebung optimal ausnutzen.

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