Analyse der Verwendbarkeit von NC-Fräswerkzeugen für Freiformflächen

Diplomarbeit von Christian Kopka

Einleitung:

Diese Arbeit behandelt ein Teilgebiet des geometrischen Modellierens. Und zwar soll unter anderem das Qualitätsmerkmal (Krümmung) von sogenannten Freiformflächen in parametrischer Darstellung bezüglich der Fräsfähigkeit bestimmter Fräswerkzeuge beim NC-Fräsen untersucht werden. D.h. dass unter anderem das Qualitätsmerkmal Krümmung analysiert um aus einer entsprechenden Auswahl von möglichen Fräswerkzeugen eine passende Untermenge benutzbarer Fräsköpfe zu ermitteln ein bestimmtes Fräswerkzeug in Bezug auf seine Fräsfähigkeit zu untersuchen Im Rahmen der Analyse gegebener Flächen finden Verfahren Anwendung die mit entsprechender Effizienz Krümmungswerte der Hauptrichtungen auf einem diskreten Netz berechnen können, welches über die Fläche gelegt wird. Außerdem wird ein Verfahren zur Verrasterung der betrachteten 3D-Welt angewendet um eine Kollisionsprüfung von Fläche und Werkzeug realisieren zu können. Analyseergebnisse sind Fräsbarkeit an einer Position auf der Fläche, die Darstellung von farbcodierten Krümmungswerten und/oder eine additiv überlagerte Fräsbarkeitscodierung

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 6, DAS ZIELSYSTEM Anforderung:

Das Zielsystem sollte in der Lage sein eine auf einem Kontrollpunktnetz basierende Freiformfläche zu untersuchen Und zwar sollte dies in Rahmen einer Voranalyse als auch im Rahmen einer Untersuchung bezüglich der Fräsbarkeit (bei Verwendung eines speziellen Fräswerkzeugs) möglich sein. Bei einer Fräsbarkeitsuntersuchung sollte unter anderem eine Verwendung der verasterten Entitäten Werkzeug und Fläche stattfinden, welche auf eine Interferenz hin untersucht werden sollen.

Eine Voranalyse soll eine Durchführung einer parametrisierbaren Untersuchung, d.h. die Realisierung einer Untersuchung der später bezüglich der Fräsbarkeit zu untersuchenden Fläche in Bezug auf die verschiedenen Krümmungscharakteristika realisieren:

-Gaußsche Krümmung -Krümmungen längs der Hauptrichtungen der Flächenkrümmung Auf obigen Flächenqualitätsmerkmalschararistika basierende Analysewerte sollen außerdem jeweils Vorzeichenmäßig variierbar sein.

Spezifikation:

Die softwaretechnische Konstruktion des Systems wird so ausgelegt, dass die die Fläche beschreibenden Daten in Form eines homogenen Verbunds (statische Datenstruktur) einer festgelegten Maximalgröße im Rahmen des objektorientierten Programmiermodells innerhalb einer Klasse Flächendaten zusammen mit der für die Visualisierung notwendige Krümmungscodierungsregenbogenfarbpalette gekapselt sind. Ein Array eignet sich besonders gut für die Aufnahme und insbesondere für die Referenzierung von Kontrollpunktvektoren, weil die Zugriffszeit von der Ordnung O(k) und damit unabhängig von der Menge der vorhandenen Kontrollpunkte ist. Selbiges gilt für die Auslegung der Datenstruktur auf welcher die Regenbogenfarbpalette mit ihren RGB-Farbkomponentenvektoren basiert.

Zur Realisierung von Vektoren (3D-Vektoren) wird eine Klasse Vektoren eingerichtet, die die Komponenten eines Vektors (Farbe, Kontrollpunkt) kapselt. Außer der Datenhaltung bietet diese Klasse auch Methoden für diverse Operationen auf entsprechenden Vektoren.

Des weiteren werden diskrete Daten für die Repräsentierung des Fräswerkzeugs als auch für das zu fräsende Material in einer Instanz der Klasse Hashtable abgelegt. Zwecks einer Interferenzprüfung während der Fräsbarkeitsanalyse beinhaltet die Klasse Hashtable eine Funktion die eine Überschneidung eines Bereichs des diskreten gerasterten Fräswerkzeugs mit dem unter der Fläche liegenden gerasterten Material berechnen kann. D.h. die Implementierung der Klasse Hashtable ermöglicht sowohl eine effiziente Verwaltung der Objekte der Fräswelt als auch die zentrale Fräsbarkeitsanalyse. Für eine Berechnung der Haut- bzw. Innenvektoren eines Fräswerkzeugs existiert eine Klasse Cutter, die für drei Fräswerkzeugtypen entsprechende Vektoren berechnet. Diese Klasse Cutter ist in der Klassenhierarchie in die Klasse Hashtable vererbt. Die Klasse Hashtable wiederum wird von der Klasse AnalyseDialog verwendet.

In die Klasse ALGORITHMEN ist die Klasse Flächendaten hinvererbt. ALGORTHMEN realisiert diverse Berechnungen über Funktionalitäten wie z.b. Differenzierungen der Freiformfläche längs bestimmter Richtungen (für die diversen Verfahren und weitere von den Verfahren benötigte Funktionen. Das System umfasst drei grundlegende Verfahren (siehe Seite 14 , 4) zur Berechnung von Krümmungswerten (innerhalb von ALGORTIHMEN). Diese Verfahren haben unterschiedliche Performanceleistungen, die im Rahmen einer Untersuchung derselben Klassifiziert werden. Die entstandene Klasse Algorithmen ist in eine die Benutzeroberfläche modellierende Klasse als Referenz auf eine Instanz integriert.

Die Benutzeroberfläche ist zerstückelt in diverse nachfolgend beschriebene Klassen.

-ExportDialog -InfoDialog -AnalyseDialog -ParameterDialog -QGLKrümmung -QGLParameter -QGLUV Die Graphische Benutzeroberfläche (GUI):

Die Oberfläche stellt notwendige Benutzerfunktionen zur Steuerung der Oberflächenanalyse im Rahmen einer Voranalyse in Form eines Krümmungsverlaufs und im Rahmen der zentralen Fräsbarkeitsanalyse bereit.

Auf der GUI werden diverse Dialoge bzw. Steuerelemente angeboten, die mit entsprechenden Funktionalitäten zur Benutzerinteraktion für 1. eine allgemeine Parametrisierung der Verfahren 2. die Berechnung einer Voranalyse 3. die Berechnung einer Fräsbarkeitsanalyse (engl. : Millabilityanalysis) 4. eine Modifikation einer Flächenansicht versehen sind.

Das Applikationsmenü bietet zwei Menüspalten die Standardfunktionalitäten, welche Import und Export von Kontrollpunktnetzen sowie die Veränderung von analyseprägenden Parametern und den Aufruf von ergebnisvisualisierenden Dialogen durch Benutzerinteraktion verwirklichen können.

In der ersten Memüspalte ist ein Menüpunkt für den Aufruf eines Kontrollnetzladedialogs innerhalb dessen eine Flächenbeschreibung (Menge von Kontrollpunkten) ausgewählt und geladen werden kann. Desweiteren existiert ein Menüpunkt über den es möglich ist einen Dialog aufzurufen, welcher ein Rechenergebnis (Vor bzw. Fräsbarkeitsanalyse) in einem entsprechenden Format exportieren kann.

Über den ersten Menüpunkt der zweiten Spalte wird ein Dialog ParamterDialog aufgerufen, indem es vier Reiter gibt.

Der erste Reiter hat Knöpfe zur Auswahl eines von 3 Verfahren zur Krümmungswertberechnung. Im zweiten Reiter kann die Anzahl der zu applizierenden Parameterlinien für das teilnumerische Verfahren, im Dritten die Diskretisierungsdichte für die beiden Parameterrichtungen U und V (Anzahl diskreter Unterteilungen) eingegeben werden. Innerhalb des vierten Reiters ist es möglich achsenspezisch die Dichte der Unterteilung (Anzahl Stücke) für die Verasterung der Fräswelt einzugeben.

Ein weiterer Menüpunkt öffnet einen Dialog Info-Dialog zur textuellen Visualisierung von Analyseergebnissen. Dabei wird die Anzahl der Kontrollpunkte für die U- und V- Paramterrichtung sowie ein maximaler bzw. minimaler Krümmungswert ausgegeben. Der letzte Menüpunkt dient dem Anzeigen eines Dialogs AnalyseDialog der eine Modellierung der beiden Analyseformen Vor- und Fräsbarkeitsanalyse realisiert. Zur Erzeugung einer Voranalyse sind Controls im Dialog AnalyseDialog vorhanden, die eine Modellierung der Voranalyse durch Wahl der Krümmungsart (Krümmung in einer der Hauptrichtungen, bzw. Gausskrümmung ), Wahl einer der Hauptkrümmungsrichtungen im Falle der Wahl Hauptkrümmungsrichtung als Krümmungsart und Wahl des Krümmungswertvorzeichen ermöglichen.

Im Bereich zur Bereitstellung einer Fräsbarkeitsanalyse innerhalb des AnalyseDialog wird dem Benutzer die Wahl zwischen den beiden relevanten Fräsformen 5-Achsfräsen bzw. 3-Achsfräsen, die Wahl eines 2-dimensionalen Voreilwinkelns im Falle der Wahl 3-Achsfräsen als Fräsform, die Wahl des zu verwendenden Werkzeugtyps (Kugelkopffräser, Torusfräser, Zylinderfräser), die Wahl des Radius des Fräswerkzeugs (Zylindermantel) und des Radius des BAFL-Fräskopfes (im Falle der Selektion desselben) als auch der Start einer Fräsbarkeitsanalyse für ein spezielles Werkzeug angeboten