Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kollisionsüberwachung einer Werkzeugmaschine. Solche Vorrichtungen und Verfahren werden eingesetzt, um drohende Kollisionen im Bearbeitungsraum einer Werkzeugmaschine rechtzeitig zu erkennen und zu vermeiden.

Die Überwachung einer Werkzeugmaschine auf Kollisionen zwischen gegeneinander bewegten Maschinenteilen ist grundsätzlich bekannt. Besonders nützlich sind hierbei vorausschauende Kollisionsüberwachungen, die während eines laufenden Bearbeitungsvorgangs eine drohende Kollision erkennen können, so dass die Werkzeugmaschine noch rechtzeitig gestoppt werden kann.

Die DE 102004019285 A1 beschreibt ein Verfahren zur Kollisionsprüfung. Die Bestandteile einer Sonderdrehmaschine werden hier mit vereinfachten Hüllkörpern beschrieben, deren Stellung zueinander mittels einer geometrischen und kinematischen Beschreibung der Werkzeugmaschine festgelegt ist. Die geometrische und kinematische Beschreibung einer Werkzeugmaschine wird dabei vom Hersteller der Werkzeugmaschine erstellt und in einer Numerischen Steuerung der Werkzeugmaschine hinterlegt. Es ist in diesem Dokument nicht näher beschrieben, wie mit dem Problem der unterschiedlichen Spannmittel zum Befestigen eines Werkstücks umgegangen werden kann. Solche Spannmittel sind hinsichtlich Form und Lage für jeden Bearbeitungsvorgang unterschiedlich, eine Berücksichtigung in der Kollisionsüberwachung ist deshalb aufwändig. Die Spannmittel können nämlich nicht wie die sonstigen Bestandteile einer Werkzeugmaschine vorab vom Hersteller der Werkzeugmaschine in der Geometrie- und Kinematikbeschrei- bung hinterlegt werden, sondern sie müssen unmittelbar vor dem Beginn einer Bearbeitung erfasst und für die Kollisionsüberwachung berücksichtigt werden. So erwähnt beispielsweise die DE 19960834 A1 die Erfassung der Spannmittel zum Zwecke einer Kollisionsüberwachung mittels einer Kamera. Die Auswertung der Kamerabilder ist aber aufwändig und von vielen Randbedingungen abhängig, so dass eine einfache und zuverlässige Spannmittel- erfassung derzeit noch nicht möglich ist.

Die US 5208763 beschreibt ein Verfahren zum Vermessen von Lage und Orientierung von einem Werkstück und dessen Spannmitteln, deren Geometrie grundsätzlich bekannt ist. Die Spannmittel werden hierzu mit einem Taster angetastet, aus geeignet gewählten Antastpunkten lässt sich die ge- suchte Information berechnen.

Die JP 11 165239 A schlägt die Verwendung einer Spannmittelbibliothek vor, in der die Geometrie verschiedener Spannmittel abgelegt ist. Vor Beginn eines Bearbeitungsvorganges werden die Spannmittel erfasst, um dann Korrekturen an einem NC-Programm vorzunehmen, so dass Kollisionen mit Spannmitteln nicht auftreten können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kollisionsüberwachung anzugeben, die es auf weiter vereinfachte Weise erlauben, Spannmittel in die Kollisionsüberwachung einzubeziehen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Vorteilhafte Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweils abhängigen Ansprüchen.

Eine Numerische Steuerung für eine Werkzeugmaschine ist zur vorausschauenden Überwachung von zueinander beweglichen Teilen der Werkzeugmaschine auf drohende Kollisionen eingerichtet. Die Überwachung be- ruht dabei auf einer geometrischen und kinematischen Beschreibung der Werkzeugmaschine. In die Überwachung sind auch Spannmittel zum Befestigen eines Werkstücks auf einem Werkstücktisch einbezogen, indem in der Numerischen Steuerung Spannmittelbeschreibungen hinterlegt sind, die die tatsächlich in einem Bearbeitungsraum der Werkzeugmaschine vorhande- nen Spannmittel so beschreiben, dass sie ein Bestandteil der geometrischen und kinematischen Beschreibung der Werkzeugmaschine sind. Die geometrische und kinematische Beschreibung enthält die einzelnen starren Elemente der Werkzeugmaschine und beschreibt deren Geometrie und Ausrichtung zueinander, und berücksichtigt die verschiedenen Bewegungsmöglichkeiten der Maschinenachsen. Es wird in diesem Zusammenhang auch von der kinematischen Kette einer Werkzeugmaschine gesprochen.

Unterschiedliche, Spannmittel beschreibende Datensätze ermöglichen es dem Bediener der Werkzeugmaschine auf einfache Weise die aktuell verwendeten Spannmittel vollständig zu erfassen und als Bestandteil der geometrischen und kinematischen Beschreibung der Werkzeugmaschine in der Kollisionsüberwachung zu berücksichtigen.

Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Figuren. Dabei zeigt

Figur 1 einen Schraubstock,

Figur 2 ein Backenfutter mit drei Spannbacken,

Figur 3 den Arbeitsraum einer Werkzeugmaschine mit verschiedenen Spannmitteln,

Figur 4 eine schematische Darstellung von Spannmittel beschreibenden Datensätzen,

Figur 5 eine schematische Darstellung eines Verfahrensablaufs.

Figur 1 zeigt einen Schraubstock 1. Der Schraubstock 1 weist eine feste Spannbacke 1.1 und eine bewegliche Spannbacke 1.2 auf. Diese Spannbacken sind auf einem Grundkörper 1.3 angeordnet. Zusätzlich weist der Schraubstock 1 auch noch einen Antrieb 1.4 zum Verstellen der beweglichen Spannbacke 1.2 auf.

Solche Schraubstöcke, die auch als Hochdruckspanner bezeichnet werden, sind in unterschiedlichen Größen erhältlich. Allen Schraubstöcken dieses - A -

Typs ist die grundsätzliche Form gemeinsam, die sich mit Hüllkörpern etwa in Form von Quadern oder Zylindern annähern lässt. Die genauen Abmessungen dieser Formen, wie etwa die Länge L und die Breite b des Grundkörpers, können für verschiedene Schraubstöcke dieses Typs unterschied- lieh sein.

Der Backenabstand d variiert natürlich je nach konkretem Anwendungsfall. Ein und derselbe Schraubstock 1 kann verschiedene, vom eingespannten Werkstück abhängige und für eine Kollisionsüberwachung durchaus relevante Backenabstände d aufweisen.

Figur 2 zeigt ein Backenfutter 2 mit drei Spannbacken 2.1. Auch solche Backenfutter 2 bilden einen eigenen Spannmitteltyp, der sich durch eine bestimmte Form beschreiben lässt, die sich aus Quadern und Zylindern zusammensetzt. Ein konkretes Backenfutter 2 lässt sich beispielsweise anhand fester Maße h1 und h2 beschrieben, die der Höhe zweier Zylinder entspre- chen. Auch hier variiert der Backenabstand d zur Mittelachse des Backenfutters 2 für ein bestimmtes Backenfutter 2 je nach Anwendungsfall.

Diese beiden Beispiele zeigen, dass sich Spannmittel 1 , 2 in bestimmte Spannmitteltypen jeweils gleicher Form einteilen lassen. Durch festlegen gewisser Maße L, b, h1 , h2 lässt sich ein reales Spannmittel definieren. Ein reales Spannmittel kann aber durchaus noch Maße d aufweisen, die erst in der konkreten Einbausituation festgelegt werden. Hierzu zählt beispielsweise die Stellung von beweglichen Spannbacken. Für eine Kollisionsüberwachung ist aber natürlich auch die räumliche Lage des Spannmittels im Arbeitsraum einer Werkzeugmaschine von Bedeutung.

Die Spannmittel 1 , 2 müssen für eine Kollisionsüberwachung letztlich so exakt beschrieben werden, dass sie als Bestandteil der geometrischen und kinematischen Beschreibung der Werkzeugmaschine in die Kollisionsüberwachung integriert werden können.

Aufgrund des großen Aufwands, solche Spannmittel 1 , 2 genau genug zu Beschreiben, und aufgrund der Tatsache, dass diese Beschreibung erst mit dem Einbau des Spannmittels 1 , 2 in den Arbeitsraum der Werkzeugma- schine vollständig sein kann und damit erst vom Bediener der Werkzeugmaschine vorgenommen werden kann, wurden Spannmittel bisher nicht oder nicht auf einfache Weise in die vorausschauende Kollisionsüberwachung mit einbezogen.

Die vorliegende Erfindung soll es möglichst einfach machen, Spannmittel 1 , 2 in ihrer konkreten Einbausituation zu berücksichtigen. Hierzu muss der Bediener einer Werkzeugmaschine in die Lage versetzt werden, die Spannmittel 1 , 2 in die geometrische und kinematische Beschreibung der Werkzeugmaschine aufzunehmen.

Eine konkrete Einbausituation ohne Werkstück zeigt die Figur 3. Ein Tisch 4 und ein darauf angeordneter Rundtisch 5 sind Bestandteile der Werkzeugmaschine 10. In der mit der Werkzeugmaschine 10 verbundenen Numerischen Steuerung 1 1 ist eine geometrische und kinematische Beschreibung der Werkzeugmaschine 10 hinterlegt, anhand der in bekannter Weise eine vorausschauende Kollisionsüberwachung durchgeführt werden kann. Bestandteil dieser Beschreibung sind auch sogenannte Ankerpunkte auf dem Tisch 4 und dem Rundtisch 5, über welche weitere Elemente wie z.B. Spannmittel 1 , 2 der geometrischen und kinematischen Beschreibung der Werkzeugmaschine 10 hinzugefügt werden können, um diese in der Kollisi- onsüberwachung zu berücksichtigen.

Gemäß der Figur 3 ist auf dem Rundtisch 5 das Backenfutter 2 der Figur 2 angebracht. Auf dem Tisch 4 sitzt außerdem ein Spannmittelträger 3, auf dem der Schraubstock 1 der Figur 1 befestigt ist. Der Spannmittelträger soll hier ebenfalls als Spannmittel 3 bezeichnet werden.

In der Numerischen Steuerung 11 , die ganz allgemein der Ansteuerung der Werkzeugmaschine 10 dient, und die auch die Kollisionsüberwachung übernimmt, werden hierzu verschiedene, Spannmittel 1 , 2, 3 beschreibende Datensätze bereitgestellt. Die Datensätze beschreiben entweder lediglich einen bestimmten Typ von Spannmittel, oder ein konkretes Spannmittel, das nicht in einer bestimmten Einbausituation vorliegt, oder eben ein Spannmittel in der endgültigen Aufspannung. Diese Datensätze seien anhand der Figur 4 näher erläutert. Sie werden zur besseren Unterscheidbarkeit im Folgenden mit den Begriffen Spannmittelvorlage 6, Spannmitteldefinition 7 und Spannmittelbeschreibung 8 bezeichnet.

Zusammen mit diesen Datensätzen 6, 7, 8 soll auch das in der Figur 5 schematisch angedeutete Verfahren erläutert werden.

In einem ersten Schritt A werden auf der Numerischen Steuerung 11 Spannmittelvorlagen 6 zur Verfügung gestellt. Solche Spannmittelvorlagen 6 können vom Steuerungshersteller, vom Hersteller der Werkzeugmaschine oder auch vom Spannmittelhersteller geliefert werden. Natürlich sollte die Steuerung 1 1 dem Bediener auch eine Möglichkeit anbieten, Spannmittelvorlagen selbst zu erstellen, falls für ein konkretes Spannmittel keine Spannmittelvorlage 6 existiert.

Eine Spannmittelvorlage 6 enthält einen Datenbereich 6.1 , in dem die äußere Form eines Spannmittels 1 , 2, 3 beschrieben ist, vorzugsweise an- hand einer Annäherung mit einfachen, für eine Kollisionsüberwachung geeigneten Hüllkörpern. Diese Daten beschreiben also Beispielsweise einfache Quader und Zylinder, sowie die gegenseitige Ausrichtung dieser Elemente.

Im Datenbereich 6.2 sind die festen Maße L, b, h1 , h2 abgelegt, die ein sol- ches Spannmittel 1 , 2 beschreiben. Im Datenbereich 6.3 sind die variablen Maße d abgelegt. Die beiden Datenbereiche 6.2 und 6.3 enthalten lediglich Standardwerte, die eine graphische Darstellung des Spannmitteltyps ermöglichen, und die keine Entsprechung mit einem real existierenden Spannmittel aufweisen müssen.

Im Datenbereich 6.4 kann ein Antastzyklus hinterlegt sein, mit dessen Hilfe eine reale Aufspannsituation mittels eines Messtasters erfasst werden kann. Solche Antastzyklen sind nicht einfach zu erstellen, es lohnt sich also, solche Zyklen bereits in der Spannmittelvorlage bereit zu halten, um dem Bediener einer Werkzeugmaschine die Arbeit zu erleichtern. Im Datenbereich 6.5 können Ankerpunkte des jeweiligen Spannmitteltyps abgelegt sein. Solche Ankerpunkte sind dann nötig, wenn auf dem jeweiligen Spannmitteltyp weitere Spannmittel aufgesetzt werden können. Ein Beispiel für ein Spannmittel mit Ankerpunkt wurde oben anhand des Spannmit- telträgers 3 bereits beschrieben.

Ein Ankerpunkt besteht immer aus einer Information über seine Lage, sowie über die räumliche Transformation, die ein aufgesetztes Spannmittel 1 , 2, 3 erfährt. So liegt der Schraubstock 1 um die Höhe h3 höher als der Tisch 4, auf dem der Spannmittelträger 3 platziert ist. Ankerpunkte erlauben es also, die kinematische Beschreibung der Werkzeugmaschine 10 um die Spannmittel 1 , 2, 3 zu ergänzen. Hierzu müssen in der Steuerung 1 1 auch die Ankerpunkte hinterlegt sein, an denen Spannmittel 1 , 2, 3 in die geometrische und kinematische Beschreibung der Werkzeugmaschine 10 eingehängt werden können. Solche Ankerpunkte befinden sich beispielsweise auf dem Tisch 4 oder auf dem Rundtisch 5.

Im Datenbereich 6.6 ist schließlich die Information über die räumliche Ausrichtung des Spannmittels abgelegt.

Auch die Datenbereiche 6.4 - 6.6 können in einer Spannmittelvorlage 6 lediglich Standardwerte oder schlicht keine Information enthalten, da reale Abmessungen für eine Spannmittelvorlage nicht existieren. Standardwerte können aber auch hier für eine graphische Darstellung des Spannmittels nützlich sein.

In einem Schritt B werden von einer Spannmittelvorlage 6 abgeleitete Spannmitteldefinitionen 7 in einer Spannmittelbibliothek 12 zur Verfügung gestellt. In der Figur 4 ist mit Pfeilen angedeutet, welche Spannmitteldefinitionen 7 von welchen Spannmittelvorlagen 6 abgeleitet sind.

Eine Spannmitteldefinition 7 hat einen der jeweiligen Spannmittelvorlage 6 entsprechenden Aufbau. Eine Spannmitteldefinition 7 beschreibt oder definiert aber nun ein reales Spannmittel 1 , 2, 3, das dem Maschinenbediener tatsächlich zur Verfügung steht. Bei der Ableitung einer Spannmitteldefinition 7 von einer Spannmittelvorlage 6 werden also diejenigen Datenbereiche 7.2, 7.4, 7.5 mit realen Werten belegt, die für das nicht in den Arbeitsraum der Werkzeugmaschine 10 eingebaute Spannmittel 1 , 2, 3 endgültig festgelegt werden können. Es sind dies z.B. die festen Maße L, b, h1 , h2, h3 des Spannmittels (Datenbereich 7.2), ggf. der Antastzyklus zum Bestimmen der räumlichen Lage (Datenbereich 7.4) und die Ankerpunkte für weitere Spannmittel (Datenbereich 7.5).

Die Spannmitteldefinition 7 enthält weiterhin keine realen Daten für die variablen Maße wie den Backenabstand d (Datenbereich 7.3) oder die räumli- che Lage (Datenbereich 7.6).

Bei der Eingabe der realen Daten eines Spannmittels 1 , 2, 3 zum Erzeugen einer Spannmitteldefinition 7 für die Spannmittelbibliothek 12 wird ein Anwender durch die Steuerung 11 vorteilhaft mit Abfragemasken, graphischer Darstellung der abgefragten Werte und / oder Antastzyklen zum Ausmessen dieser Werte unterstützt.

Im Schritt C wählt ein Bediener der Werkzeugmaschine 10 ein Spannmittel 1 , 2, 3 aus und platziert es sowohl real im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine 10, als auch virtuell in der geometrischen und kinematischen Beschreibung der Werkzeugmaschine 10. Hierzu wählt er ein Spannmittel 1 , 2, 3 aus der Spannmittelbibliothek 12 aus und verknüpft es mit einem Ankerpunkt. Dieser kann auf dem Tisch 4 oder auf dem Rundtisch 5 liegen, oder auf einem bereits platzierten Spannmittel 3, das über einen zusätzlichen Ankerpunkt verfügt. Sodann muss der Anwender die variablen Maße des Spannmittels 1 , 2, 3 erfassen und eingeben. Den Backenabstand d eines Schraubstocks 1 kann man beispielsweise mit einer Schublehre ausmessen und eingeben, oder mittels eines Tastvorgangs ermitteln. Mit dieser Information legt die Steuerung 11 eine Spannmittelbeschreibung 8 an, in der nun endgültig alle für eine Kollisionsüberwachung notwendigen Informationen bereit gehalten werden. Die räumliche Lage des Spannmittels wird, falls vor- handen, mit dem Antastzyklus aus dem Datenbereich 8.4 der Spannmittelbeschreibung 8 ermittelt und in den Datenbereich 8.6 eingetragen. Die er- mittelten, bis zuletzt variablen Maße d werden entsprechend in den Datenbereich 8.3 eingetragen.

Eine korrekt in die geometrische und kinematische Beschreibung der Werkzeugmaschine 10 eingebundene Spannmittelbeschreibung 8 beschreibt also ein Spannmittel 1 , 2, 3 so vollständig, dass eine Kollisionsüberwachung unter Einbeziehung dieses Spannmittels möglich ist.

Der konkrete Aufbau von Spannmittelvorlagen 6, Spannmitteldefinitionen 7 und Spannmittelbeschreibungen 8 kann natürlich variiert werden: So können die jeweiligen Informationen in den einzelnen Datenbereichen selbst stehen, oder diese Datenbereiche können Verweise auf den Speicherort dieser Informationen enthalten. Bestimmte Informationen, die für eine Spannmittelvorlage 6 oder eine Spannmitteldefinition 7 nicht notwendig sind, brauchen dort auch nicht mit Standartwerten vorbelegt werden. Solche Datenbereiche werden dann erst Bestandteil der Spannmittelbeschreibung 8.

Ein Beispiel für eine solche Information wäre etwa eine Tabelle mit weiteren Spannmitteln 1 , 2, 3, die mit einem Ankerpunkt der betrachteten Spannmittelbeschreibung 8 verbunden sind. Die Information über das Vorhandensein eines solchen Ankerpunkts ist natürlich schon in der Spannmittelvorlage 6 wichtig, damit eine Spannmitteldefinition 7 und eine Spannmittelbeschrei- bung 8 auf einfache Weise erstellt werden können. Die an einem solchen Ankerpunkt eingehängten weiteren Spannmittel 1 , 2, 3 werden jedoch erst in der konkreten Einbausituation wichtig.

Figur 5 deutet im Schritt D noch die Abfrage an, ob weitere Spannmittel 1 , 2, 3 erfasst und damit weitere Spannmittelbeschreibungen 8 aus Spannmittel- definitionen 7 der Spannmittelbibliothek 12 erzeugt werden müssen. Wenn alle Spannmittel 1 , 2, 3 erfasst sind, so verfügt die Steuerung 1 1 über alle Informationen, um die Spannmittel 1 , 2, 3 in die Kollisionsüberwachung aufzunehmen.

Im einfachsten Fall muss also ein Bediener einer Werkzeugmaschine 10 lediglich eine bereits existierende Spannmitteldefinition 7 auswählen und nur noch die nötigsten Daten zu diesem Spannmittel 1 , 2, 3 aktualisieren, um eine Spannmittelbeschreibung 8 anzulegen. Gibt es noch keine Spannmitteldefinition 7, so kann eine solche evtl. aus den zur Verfügung gestellten Spannmittelvorlagen 6 erstellt werden. Falls dies nicht der Fall ist, so kann auch eine Spannmittelvorlage 6 erstellt werden. Dies sollte aber dann von einem erfahrenen Bediener durchgeführt werden, bzw. es sollte eine Spannmittelvorlage 6 aus einer anderen Quelle besorgt werden.

Um die Gefahr einer mangelnden Übereinstimmung zwischen der realen Aufspannung im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine 10 und der geometrischen und kinematischen Beschreibung der Spannmittel 1 , 2, 3 zu reduzie- ren, kann es vorteilhaft sein, aus den zur Verfügung stehenden Daten ein Kontrollprogramm für die Steuerung 11 zu erzeugen, das automatisiert die Spannmittel antastet und deren Form, Maße und räumliche Lage kontrolliert. Hierzu können in weiteren Datenbereichen der Spannmittelvorlagen 6 und / oder der Spannmitteldefinitionen 7 und / oder der Spannmittelbeschreibun- gen 8 Antastpunkte definiert sein, die diesem Kontrollzweck dienen. Ein aus diesen Antastpunkten automatisch generiertes NC-Programm kann dann alle Antastpunkte aller Spannmittel 1 , 2, 3 abarbeiten und deren Lage mit einer erwarteten Lage abgleichen. Auch ein Abgleich mit einem Kamerabild, evtl. aus verschiedenen Perspektiven, kann zu Kontrollzwecken nützlich sein.

Sehr vorteilhaft ist es außerdem, wenn Spannmittelbeschreibungen 8 gespeichert werden können, wahlweise mit oder ohne Information über die räumliche Lage im Datenbereich 8.6. So können nämlich Spannmittel 1 , 2, 3, die immer wieder in der gleichen Weise und an derselben Stelle im Ar- beitsraum der Werkzeugmaschine 10 eingesetzt werden, schneller eingegeben werden.

Es ist besonders nützlich, wenn es möglich ist, mehrere über Ankerpunkte verbundene Spannmittel 1 , 2, 3 in einer einzigen Datei zu speichern. Solche Dateien mit vollständigen oder nahezu vollständigen Beschreibungen (letzte- res wenn die räumliche Lage nicht gespeichert wird) seien Aufspannbeschreibung 13 genannt. So kann etwa der Spannmittelträger 3 mit aufgesetztem Schraubstock 1 aus Figur 3 in einer einzigen, wieder verwendbaren Aufspannbeschreibung 13 abgelegt werden, wenn z.B. durch Zentrierbohrungen sichergestellt ist, dass die Lage der Spannmittel 1 , 3 reproduzierbar ist. Gilt dies nur für die Relativlage vom Spannmittelträger 3 und Schraubstock 1 , so genügt es, den Spannmittelträger 3 erneut einzumessen. Die Lage des Schraubstocks 1 ist dann ebenfalls bekannt. Somit kann eine Bibliothek von Aufspannbeschreibungen 13 die Kollisionsüberwachung von Spannmitteln 1 , 2, 3 weiter erleichtern.

Es sei noch erwähnt, dass wie in Figur 4 angedeutet von einer Spannmittelvorlage 6 mehrere Spannmitteldefinitionen 7 abgeleitet werden können, wenn mehrere Spannmittel 1 , 2, 3 eines Spannmitteltyps mit unterschiedlichen Abmessungen vorhanden sind. Ebenso können von einer Spannmitteldefinition 7 aus der Spannmittelbibliothek 12 mehrere Spannmittelbeschreibungen 8 abgeleitet werden, wenn identische Spannmittel 1 , 2, 3 mehrmals eingesetzt werden. Schließlich können wie oben erklärt mehrere Spannmit- telbeschreibungen 8 in einer einzigen Aufspannbeschreibung 13 zusam- mengefasst und gespeichert werden, wenn identische Aufspannungen immer wieder verwendet werden sollen.