Uniforme Bahnplanung

Die uniforme Bahnplanung erzeugt Werkzeugbahnen mit einer für das gesamte Zielobjekt einheitlichen Strategie. Insbesondere bleibt die Bedeutung von überdeckten Oberflächenregionen unberücksichtigt, die Ausbreitung von Werkzeugbahnen erfolgt über die gesamte Oberfläche hinweg einheitlich. Der Vorteil uniformer Bahnplanung ist ihre Robustheit und Effizienz, der Nachteil ihre mangelnde Flexibilität bei komplexeren Zielobjekten. So können bspw. Zapfen oder Löcher zum Material- oder Fräserbruch führen, wenn diese nicht spezifisch bearbeitet werden. Die uniforme Bahnplanung ist der Ausgangspunkt der adaptiven Bahnplanung, welche die Strategie automatisch an das überdeckte Oberflächenstück anpasst.

Isoplanare/-parametrische Bahnplanung

Ein verbreiteter Ansatz zur Bahnplanung besteht aus der Erzeugung von Schnittkonturen zwischen der Oberfläche des Zielobjekts und einer vorgegeben objektunabhängigen parametrisierbaren Schnittfunktion, bspw. eine Ebene oder Kugel. Da auf diese Weise im Allgemeinen jedoch keine homogene Abdeckung der Zieloberfläche erreicht werden kann, eignet sich die isoparametrische Bahnplanung lediglich für einfache Zielobjekt-Geometrien, oder für Arbeitsschritte mit geringerem Qualitätsanspruch oder reduzierten Freiheitsgraden, wie bspw. dem Schruppen oder Schleifen.

Isogeodätische Bahnplanung

Iso-geodätische Werkzeugbahnen besitzen die Eigenschaft, dass benachbarte Bahnabschnitte stets einen konstanten geodätischen Abstand zueinander haben. Dadurch wird eine sehr homogene Abdeckung der Zieloberfläche mit Werkzeugbahnen erreicht, und somit eine konstante Oberflächenqualität.
Die iso-geodätischen Werkzeugbahnen werden implizit repräsentiert als Iso-Konturen eines geeignet konstruierten Distanzfeldes, welches auf den Offset-Flächen der Zieloberfläche definiert ist. Die Überdeckung der Zieloberfläche mit Werkzeugbahnen gleicht somit der Ausbreitung von Konturen entlang der Offset-Flächen gemäß der sogenannten Eikonal-Gleichung.
Je nach Initialisierung des Distanzfelds ergeben sich diverse Strategien zur Auslegung der Bahnen, wie bspw. kantensensitive Bahnen, die parallel zu den Kammlinien der Zieloberfläche verlaufen und somit die Kanten/Ränder des Zielobjekts erhalten.

Adaptive Bahnplanung

Die adaptive Bahnplanung erzeugt Werkzeugbahnen mit einer von der überdeckten Oberflächenregion abhängigen Strategie. Die Bedeutung der Region beeinflusst somit die Ausbreitung von Werkzeugbahnen. Die adaptive Bahnplanung beruht konzeptionell auf zwei Komponenten, nämlich erstens der Unterteilung der Oberfläche in Segmente, und zweitens der Abbildung von Segmenten bzw. Segmenttypen auf Planungsstrategien und -parameter. Beide Komponenten können sowohl manuell durch den Anwender, als auch automatisch mittels Heuristiken, Optimierungs- oder maschineller Lernverfahren generiert werden.

Der Vorteil adaptiver gegenüber uniformer Bahnplanung liegt in der deutlich höheren Flexibilität bei komplexeren Zielobjekten, welche zur Verbesserung der Oberflächenqualität, Verringerung der Bearbeitungsdauer oder Erhöhung der Standzeit (Verringerung des Risikos eines Material-/Werkzeugbruchs) führen kann. Der Nachteil liegt in der höheren methodischen Komplexität zur Generierung einer Oberflächensegmentierung und Abbildung dieser auf Bahnplanungsstrategien. Diese beiden Komponenten sind sowohl objekt- als auch anwendungsfall-spezifisch, und eine manuelle Spezifikation für jedes einzelne zu fertigende Objekt zeitaufwendig und von Expertenwissen abhängig.

Zur vollautomatischen adaptiven Bahnplanung in vordefinierten Anwendungsfeldern haben sich jedoch Heuristiken und Lernverfahren etabliert, welche selbstständig eine geeignete Oberflächensegmentierung und Abbildung auf Planungsstrategien erstellen und somit die Fertigung ohne notwendige manuelle Interaktion ermöglichen.

Je nachdem, an welchen Eigenschaften des Zielobjektes sich die Methodenadaptierung orientiert, lassen sich konkrete Implementierungen unterscheiden, von denen im Folgenden die Restmaterial- sowie die krümmungssensitive Bahnplanung vorgestellt werden.

Restmaterialbearbeitung

Die Restmaterialbearbeitung erlaubt die Einschränkung der Bahnplanung auf Oberflächenregionen, die in früheren Arbeitsschritten ungenügend oder gar nicht überdeckt werden konnten. Solche Regionen resultieren z.B. aus der Verwendung eines Werkzeugs, dessen Radius den Krümmungskreisradius der Oberfläche lokal übersteigt, oder welches keinen kollisionsfreien Zugriff auf die Oberfläche erhielt. Der Vorteil liegt in der deutlichen Reduktion der Bearbeitungszeit, indem Arbeitsschritte automatisch auf die für sie relevanten Regionen beschränkt werden.

Die Identifikation von Restmaterialregionen erfolgt entweder durch eine simulative oder eine approximative Analyse des bisherigen Bearbeitungsprozesses.

Krümmungssensitive Bahnplanung

Oberflächensensitive Bahnplanungsstrategien ermöglichen allgemein die automatische Adaption der Planungsstrategie und -parameter an geometrische und topologische Eigenschaften oder eine manuelle Annotation der Oberfläche. Auf diese Weise erfolgt z.B. der automatische Wechsel zwischen Stirn- und Schaftfräsen an Löchern und Zapfen, die Anpassung des Bahnabstandes entsprechend der erforderlichen Oberflächenglattheit, oder die Verwendung kammlinienparaller Bahnen zur Erhaltung von Objektkanten bei hartem oder porösem Rohmaterial.

Im dentalen Anwendungsgebiet z.B. führt dabei die Anpassung des Bahnabstandes zur Reduktion der Bearbeitungszeit, indem Regionen, die anschließend weiterführend bearbeitet (z.B. verblendet oder poliert) werden müssen, durch Reduktion der Oberflächenglattheit in kürzerer Zeit bearbeitet werden können. Am Beispiel von Zahnkronen, deren Oberseite aufgrund der nachfolgenden Verblendung eine geringere Glattheit aufweisen muss als die Unterseite, lässt sich die Bearbeitungsdauer der betroffenen Regionen halbieren.

Glättung von Werkzeugtrajektorien und Kammlinien

Die Glättung von Kurven auf beliebigen Oberflächen stellt in mehrerlei Hinsicht einen wesentlichen Bestandteil der Bahnplanung dar.

Ausgangspunkt für eine kantensensitive Bahnplanung ist die Extraktion von Kammlinien, welche die wesentlichen Kanten des Zielobjekts ausweisen. Diese unterliegen jedoch gewissem Rauschen, da die zweite Fundamentalform, welche zur Berechnung von Hauptkrümmungen und Kammlinien benötigt wird, aufgrund der nicht stetig differenzierbaren Oberflächen nicht analytisch berechnet werden kann, sondern numerisch geschätzt werden muss. Dies führt zu geringfügigen Variationen innerhalb des Hauptkrümmungsfeldes, welche sich auf die extrahierten Kammlinien in Form von geringfügigem Zappeln fortpflanzen. Wenn die Objektkanten jedoch nicht hinreichend glatt durch Kammlinien ausgewiesen werden, können je nach Rohmaterial Beschädigungen der Kanten des gefertigten Objekts resultieren.

Die Werkzeugpositions-Trajektorien ergeben sich als Isokonturen eines auf Offset-Flächen definierten Distanzfeldes. Da sowohl die Offset-Flächen, als auch darauf definierte Distanzfelder aufgrund der Natur der Eingabedaten nicht stetig differenzierbar (d.h. nicht hinreichend glatt) sind, können auch dessen Isokonturen ein gewisses "Zappeln" aufweisen, welches sich negativ auf die resultierende Oberflächenqualität und Bearbeitungsgeschwindigkeit auswirkt.

Ebenso unterliegen Werkzeugschaft-Trajektorien einem gewissen Rauschen aufgrund der variierenden Erreichbarkeit der Werkzeugpositionen entlang eines Pfades, insbesondere dann, wenn Werkzeugorientierungen nur punktuell, d.h. ohne Berücksichtigung von Nachbarschaften berechnet werden.

In diesen und vergleichbaren Szenarien rauschbehafteter Trajektorien dienen Aktive Konturen, welche auf beliebige Oberflächen einschränkbar sind (sogenannte R-Snakes) als Basis zur Glättung von Raum- und Flächenkurven.