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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flachbettwerkzeugmaschine zum Ausschneiden von Werkstücken aus einer plattenförmigen Materialtafel mit Hilfe eines aus einem Schneidkopf austretenden Schneidstrahls, sowie insbesondere ein Verfahren zum Zusammenstellen eines Schneidplans für die Ansteuerung eines Schneidprozesses zum Ausschneiden von Werkstücken aus einer plattenförmigen Materialtafel und ein Verfahren zum Ausschneiden und Absortieren von entsprechend geschnittenen Werkstücken. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm zum Ausführen eines entsprechenden Verfahrens.
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Flachbettwerkzeugmaschinen, insbesondere Laserschneid- oder Plasma-Flachbettwerkzeugmaschinen, zum Ausschneiden von Werkstücken aus einer Materialtafel mit Hilfe eines Schneidstrahls kommen in der blechverarbeitenden Industrie zum Einsatz und weisen typischerweise einen Maschinenbereich auf, in dem die (z. B. Laser-) Bearbeitung stattfindet. Dem Maschinenbereich sind vor- und optional nachgelagerte Ablagebereiche für das Rohmaterial und/oder das Schnittgut zugeordnet. Bei Flachbettwerkzeugmaschinen können zu bearbeitende Materialtafeln (z. B. Bleche) dem Maschinenbereich auf einer Palette zugeführt werden, insbesondere indem die Palette mit der darauf gelagerten Materialtafel in eine Schneidposition in dem Maschinenbereich bewegt wird.
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Eine Palette umfasst üblicherweise eine Anordnung von Auflagestegen, auf denen die zu bearbeitende Materialtafel (Rohmaterialtafel) in einer Auflageebene gelagert werden kann.
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Die Palette kann z. B. eine Komponente eines Palettenwechslers sein, der einen der Flachbettwerkzeugmaschine vorgelagerten Ablagebereich bereitstellt. Nach der Bearbeitung kann eine große Anzahl von geschnittenen Werkstücken auf der Palette vorliegen. Die Werkstücke können von der Palette manuell von einem Bediener oder (teil-) automatisiert absortiert werden. Hierzu wird die Palette mit der darauf gelagerten Materialtafel typischerweise in eine Absortierposition im Ablagebereich bewegt und befindet sich somit nicht mehr in der Schneidposition bzw. im Bearbeitungsbereich der Maschinen. Sowohl für den Fertigungsvorgang als auch für den Absortiervorgang kann die relative Lage zwischen hergestelltem Werkstück und stützenden Strukturen auf der Palette von Bedeutung sein.
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Die Auflagestege sind üblicherweise plattenförmig ausgeführt und weisen gleichmäßig voneinander beabstandete Auflagestegspitzen auf, die eine Auflageebene für eine Materialtafel und die ausgeschnittenen Werkstücke bilden. Im Bereich der Auflagestegspitzen bilden sich Auflagebereiche aus, in denen die Auflagestege mit einer in der Auflageebene gelagerten Materialtafel in Kontakt stehen können.
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Die Planung von einer Verschachtelung (d. h., einer verschachtelten Anordnung) von auszuschneidenden Werkstücken auf der (plattenförmigen) Materialtafel ist neben dem Ausschneiden und Absortieren Teil des Produktionsprozesses. Dieses Verschachteln führt zu einem spezifischen Layout von Schneidlinien, entlang derer mit Hilfe des Schneidstrahls die Werkstücke aus der Materialtafel ausgeschnitten werden. Schneidlinien umfassen Außen- und optional Innenkonturen von auszuschneidenden Werkstücken. Hierin wird das Ergebnis einer Planung einer Verschachtelung von Werkstücken auch als Schachtelungsplan bezeichnet. Auf der Grundlage eines Schachtelungsplans kann ein Schneidplan erstellt werden, in dem auch eine Reihenfolge des Ausschneidens der einzelnen Werkstücke festgelegt werden kann.
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Derartige Schachtelungsprobleme werden bei Flachbettwerkzeugmaschinen primär hinsichtlich der Minimierung des einzusetzenden Rohmaterials gelöst, da das Rohmaterial in der Regel einen erheblichen Teil der Gesamtkosten ausmacht. Allerdings wirken sich auch weitere Aspekte auf die Gesamtkosten aus, beispielsweise Verzögerungen des Schneidprozesses oder ein längerer Stillstand der Flachbettwerkzeugmaschine aufgrund von Service oder Reparatur. Ein service- oder reparaturbedingter längerer Stilstand kann dabei insbesondere durch eine Kollision des empfindlichen Schneidkopfs der Flachbettwerkzeugmaschine mit einem zuvor ausgeschnittenen und ungewollt „verkippten“ Werkstück verursacht werden, wenn ein Teil des „verkippten“ Werkstücks aus der Ebene der Materialtafel herausragt und mit dem (das „verkippte“ Werkstück überfahrenden) Schneidkopf kollidiert.
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Verschiedene Ansätze zur optimierten Lösung derartiger Schachtelungsprobleme mit besonderem Fokus auf der Kollisionsvermeidung sind aus dem Stand der Technik bekannt. In der
DE 10 2012 212 566 A1 wird vor diesem Hintergrund - beispielsweise - der Einsatz von sogenannten Mikrojoints diskutiert, um mit deren Hilfe ein unbeabsichtigtes Verkippen von Werkstücken zu verhindern. Dabei wird ein Werkstück beim Schneidprozess nicht vollständig von der Rohmaterialtafel getrennt, sondern bleibt mit dieser über schmale Stege, sogenannte Mikrojoints, verbunden und kann somit nicht verkippen. Im Zuge des Absortieren des Werkstücks müssen die Mikrojoints gebrochen werden; erst danach kann das Werkstück von der Rohmaterialtafel entfernt werden.
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Aus der
US 2016 / 0 318 122 A1 ist ein Verfahren zur laserbasierten Materialbearbeitung bekannt.
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Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, den Produktionsprozess hinsichtlich seiner Praxistauglichkeit, insbesondere in Bezug auf die Prozessqualität, die Prozesskosten sowie die Materialausnutzung, zu verbessern. Insbesondere liegt die Aufgabe zugrunde, ein spezifisches Layout von Schneidlinien zu ermöglichen, bei dem die Schneidlinien möglichst nah beieinander liegen können.
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Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Verfahren zum Zusammenstellen eines Schneidplans nach Anspruch 1, ein Verfahren zum Ausschneiden und Absortieren nach Anspruch 6, eine Flachbettwerkzeugmaschine nach Anspruch 8 und Computerprogramme nach Anspruch 9 und 10. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einem Aspekt weist ein Verfahren zum Zusammenstellen eines Schneidplans zum Ausschneiden einer Mehrzahl von Werkstücken aus einer plattenförmigen Materialtafel mit Hilfe eines aus einem Schneidkopf austretenden Schneidstrahls, wobei zum Ausschneiden eines der Mehrzahl von Werkstücken eine Außenkontur und optional eine oder mehrere Innenkonturen mit dem Schneidstrahl abgefahren werden, folgende Schritte auf:
- - Bereitstellen eines Schachtelungsplans, welcher eine Anordnung der Außenkonturen der Mehrzahl von Werkstücken auf einer der Materialtafel zugeordneten Planungstafel umfasst,
- - Zuweisen der Außenkonturen zu jeweils genau einer von mindestens vier Schneidphasen, wobei die Zuweisung derart erfolgt, dass zwei Außenkonturen einer gemeinsamen Schneidphase nicht zueinander benachbart angeordnet sind, wobei zwei Außenkonturen zueinander benachbart angeordnet sind, wenn mindestens zwei Punkte auf einer der zwei Außenkonturen jeweils nicht weiter als einen vorgegebener Nachbarabstand von der anderen der zwei Außenkonturen entfernt sind, und
- - Zusammenstellen des Schneidplans, wobei der Schneidplan für jede Schneidphase die zugeordneten Außenkonturen umfasst.
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In einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zum Ausschneiden und Absortieren einer Mehrzahl von Werkstücken aus einer plattenförmigen Materialtafel mit Hilfe eines aus einem Schneidkopf austretenden Schneidstrahls folgende Schritte auf:
- - Einlesen eines Schneidplans, der für die Mehrzahl von Werkstücken Außenkonturen umfasst und das Ausschneiden der Mehrzahl von Werkstücken in mindestens vier Schneidphasen untergliedert, wobei die Außenkonturen jeweils einer der mindestens vier Schneidphasen zugeordnet sind und zwei Außenkonturen einer gemeinsamen Schneidphase nicht zueinander benachbart angeordnet sind, wobei zwei Außenkonturen zueinander benachbart angeordnet sind, wenn mindestens zwei Punkte auf einer der zwei Außenkonturen jeweils nicht weiter als einen vorgegebenen Nachbarabstand von der anderen der zwei Außenkonturen entfernt sind,
- - Ausschneiden von Werkstücken, deren Außenkonturen einer gemeinsamen der mindestens vier Schneidphasen zugeordnet sind, und
- - Bereitstellen der in der gemeinsamen Schneidphase ausgeschnittenen Werkstücke zum Absortieren.
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In einem weiteren Aspekt umfasst eine Flachbettwerkzeugmaschine zum Ausschneiden von Werkstücken aus einer Materialtafel mit Hilfe eines Schneidstrahls:
- - eine in eine Schneidposition und eine Absortierposition bringbare Palette mit Auflagestegen zur Lagerung der plattenförmigen Materialtafel,
- - einen Schneidkopf aus dem der Schneidstrahl austritt und
- - eine Steuereinheit,
wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist - - einen Schneidplan einzulesen, der für die Mehrzahl von Werkstücken Außenkonturen umfasst und das Ausschneiden der Mehrzahl von Werkstücken in mindestens vier Schneidphasen untergliedert, wobei die Außenkonturen jeweils einer der mindestens vier zugeordnet sind und zwei Außenkonturen einer gemeinsamen Schneidphase nicht zueinander benachbart angeordnet sind, wobei zwei Außenkonturen zueinander benachbart sind, wenn mindestens zwei Punkte auf einer der zwei Außenkonturen jeweils nicht weiter als einen vorgegebenen Nachbarabstand von der anderen der zwei Außenkonturen entfernt sind,
- - ein Positionieren der Palette in der Schneidposition und ein Ausschneiden von Werkstücken, deren Außenkonturen einer gemeinsamen der mindestens vier Schneidphasen zugeordnet sind, durch Verfahren des Schneidkopfs entlang den Außenkonturen zu veranlassen, und
- - nach Beenden des Ausschneidens der Werkstücke der gemeinsamen der mindestens vier Schneidphasen ein Positionieren der Palette in die Absortierposition zum Absortieren der in der gemeinsamen Schneidphase ausgeschnittenen Werkstücke zu veranlassen.
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In einem weiteren Aspekt umfasst ein Computerprogramm Befehle, die bei einer Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren zum Zusammenstellen eines Schneidplans auszuführen.
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In einem weiteren Aspekt umfasst ein Computerprogramm Befehle, die bei einer Ausführung des Computerprogramms durch eine Steuereinheit einer Flachbettwerkzeugmaschine die Steuereinheit dazu veranlasst, das Verfahren zum Ausschneiden und Absortieren einer Mehrzahl von Werkstücken auszuführen.
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In einigen Weiterbildungen kann die Anordnung der Außenkonturen der Mehrzahl von Werkstücken einen Mindestabstand zwischen den Außenkonturen einhalten, wobei der Mindestabstand insbesondere durch einen material- und prozessbedingten Mindestabstand festgelegt wird und der Nachbarabstand größer oder gleich, insbesondere gleich, dem Mindestabstand ist.
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In einigen Weiterbildungen kann das Zuweisen der Außenkonturen zu jeweils genau einer von mindestens vier Schneidphasen umfassen:
- - Ermitteln von zueinander benachbarten Außenkonturen, und
- - Ermitteln eines Bewertungsgraphen, der durch Knoten und Kanten gebildet wird, wobei die Knoten jeweils einer Außenkontur zugeordnet sind und Knoten zueinander benachbarter Außenkonturen durch eine der Kanten miteinander verbunden sind, und
- - wobei das Zuweisen der Außenkonturen zu jeweils genau einer von mindestens vier Schneidphasen auf dem Bewertungsgraphen basiert und insbesondere ein computerimplementierter Algorithmus, der ein Vier-Farben-Theorem implementiert, auf Daten des Bewertungsgraphen zu den Knoten und Kanten angewandt wird.
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In einigen Weiterbildungen kann das Zuweisen der Außenkonturen zu jeweils genau einer von vier Schneidphasen mittels eines Vier-Farben-Theorems unter Berücksichtigung von zueinander benachbarten Außenkonturen erfolgen.
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In einigen Weiterbildungen kann das Zuweisen der Außenkonturen zu jeweils genau einer von fünf oder mehr Schneidphasen erfolgen und umfassen:
- - Zuweisen der Außenkonturen zu jeweils genau einer von vier Schneidphasen insbesondere mittels eines Vier-Farben-Theorems unter Berücksichtigung von zueinander benachbarten Außenkonturen, und daran anschließend
- - Identifizieren von zwei kollisionsgefährdeten Außenkonturen einer gemeinsamen der vier Schneidphasen, wobei zwei Außenkonturen kollisionsgefährdet sind, wenn diese einer gemeinsamen der vier Schneidphasen zugeordnet sind und nicht weiter als einen vorgegebenen Kollisionsabstand voneinander entfernt angeordnet sind, wobei der Kollisionsabstand größer als der Nachbarabstand ist, und
- - Zuweisen einer der zwei kollisionsgefährdeten Außenkonturen zu einer fünften Schneidphase.
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Erfindungsgemäß wird eine Schneidreihenfolge für jede der Schneidphasen des Schneidplans erstellt, die für jede der Schneidphasen eine Abfolge der Außenkonturen und optional eine oder mehrere zu einer Außenkontur gehörende Innenkonturen umfasst.
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Erfindungsgemäß wird ein mäandernder Verfahrweg über die Planungstafel für jede der Schneidreihenfolgen bestimmt, der ein Verfahren eines Schneidkopfs über eine plattenförmige Materialtafel bestimmt, gemäß dem die Werkstücke einer Schneidphase beim Abarbeiten des Schneidplans nacheinander ausgeschnitten werden.
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Erfindungsgemäß ist jede Außenkontur von einem Kollisionsgefahrbereich umgeben und ein Verfahrweg zwischen Außenkonturen einer der Schneidphasen derart bestimmt, dass Kollisionsgefahrbereiche von Außenkonturen, deren zugeordnete Werkstücke bereits in der einen der Schneidphasen ausgeschnitten wurden, umgangen werden.
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In einigen Weiterbildungen kann im Verfahren zum Ausschneiden und Absortieren einer Mehrzahl von Werkstücken der Schneidplan nach dem Verfahren zum Zusammenstellen eines Schneidplans zusammengestellt werden und/oder kann das Verfahren zum Ausschneiden und Absortieren einer Mehrzahl von Werkstücken ferner umfassen:
- - Zusammenstellen eines Schneidplans nach dem zuvor beschriebenen Verfahren zum Zusammenstellen.
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In einigen Weiterbildungen kann das Verfahren zum Ausschneiden und Absortieren einer Mehrzahl von Werkstücken ferner umfassen:
- - Absortieren der Werkstücke, die in der gemeinsamen Schneidphase ausgeschnitten wurden, und
- - optional nach erfolgtem Absortieren, Ausschneiden von Werkstücken, deren Außenkonturen einer weiteren der mindestens vier Schneidphasen zugeordnet sind, und Bereitstellen der in der weiteren Schneidphase ausgeschnittenen Werkstücke zum Absortieren.
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Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit dazu vorgesehen und eingerichtet das Verfahren zum Zusammenstellen eines Schneidplans und/oder das Verfahren zum Ausschneiden und Absortieren einer Mehrzahl von Werkstücken auszuführen.
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Die hierin offenbarten Konzepte basieren auf einer Klassifizierung zweier Werkstücke als benachbarte Werkstücke, wie sie z.B. im Rahmen einer algorithmischen Abfolge vorgenommen werden kann. In einem ersten Schritt der Klassifizierung wird basierend auf einem Nachbarabstandskriterium ein Nachbarschaftsverhältnis der Werkstücke abgeleitet, dass zwei Einschränkungen (1) und (2) aus dem 4-Farben-Theorem genügt. Gemäß dem Vier-Farben-Theorem reichen vier Farben immer aus, eine beliebige Landkarte in der euklidischen Ebene so einzufärben, dass keine zwei angrenzenden Länder mit der gleichen Farbe eingefärbt werden (sogenanntes Vier-Farben-Problem). Das Vier-Farben-Theorem gilt unter den Einschränkungen, dass (Einschränkung 1) isolierte gemeinsame Punkte zweier Länder nicht als gemeinsame „Grenze“ zählen und demnach diese zwei Länder nicht als benachbart gelten und dass (Einschränkung 2) jedes Land aus einer zusammenhängenden Fläche besteht, also keine Exklaven vorhanden sind. Erfindungsgemäß angewandt auf den Ausschneidvorgang von Werkstücken aus einer Materialtafel entsprechen die Länder der Landkarte den Werkstücken und das Einfärben von Ländern zu einer gemeinsamen Farbe der Zuordnung von Werkstücken zu einer gemeinsamen Schneidphase. Aneinander angrenzende Länder entsprechen zueinander benachbart angeordneten Werkstücken.
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Das Nachbarabstandskriterium verlangt, dass zwei Außenkonturen sich bis auf einen vorgegebener Nachbarabstand aneinander herankommen. Die übertragene Einschränkung 1 bedeutet, dass zwei Außenkonturen zueinander benachbart angeordnet sind, wenn das Nachbarabstandskriterium nicht nur an einem Punkt vorliegt, sondern mindestens zwei Punkte auf einer der zwei Außenkonturen jeweils nicht weiter als der Nachbarabstand von der anderen der zwei Außenkonturen entfernt sind. Mit anderen Worten liegt eine Nachbarschaft vor und das Nachbarabstandskriterium wird benutzt, solange es bei mehr als einem Punkt der Außenkontur eingehalten wird. Dies setzt Einschränkung 1 bei einer Anordnung von Werkstücken auf einer Materialtafel durch. Hierbei ist die direkte Nachbarschaft von zwei Teilen wichtig, nicht die geometrische Distanz; d.h. kleine Teile können nicht „übersprungen“ werden, sonst verletzt man u.U. Einschränkung 2.
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Ist das Nachbarschaftsverhältnis bekannt, kann die algorithmische Lösung des 4-Farben-Problems angewandt werden, wie sie z.B. im Paper „Efficiently four-coloring planar graphs“, N. Robertson et al., STOC '96: Proceedings of the twenty-eighth annual ACM symposium on Theory of Computing, Juli 1996, S. 571-575 beschrieben wurde. Das Ergebnis ist eine Kategorisierung der Werkstücke in vier Schneidphasen.
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Liegt die Kategorisierung vor, kann mittels des geometrischen Abstands geprüft werden, ob die Einteilung korrekt ist, weil die Einschränkungen (1) und (2) verletzt sein können. Eventuell vorliegende Konflikte - insbesondere mit Blick auf die Einschränkung 1 - können z.B. durch rekursives Einfügen weiterer „Farben“ aufgelöst werden.
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Die hier beschriebenen Konzepte können vorteilhaft hinsichtlich einer Erhöhung der Materialausnutzung (durch eine Verringerung von Verschnitt) und der Werkstückqualität sein. Ferner kann eine erhöhte Prozesssicherheit erreicht werden, die mit verringerten Produktionsausfällen sowie einem verringerten Service- und Reparaturaufwand einhergeht.
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Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische räumliche Darstellung einer Flachbettwerkzeugmaschine,
- 2 eine schematische Ansicht eines Schachtelungsplans,
- 3 einen vergrößerten Ausschnitt des Schachtelungsplans der 2,
- 4 den vergrößerten Ausschnitt des Schachtelungsplans der 3 mit schematisch eingezeichneten Knoten und Verbindungen,
- 5 eine schematische Darstellung eines Schneidplans,
- 6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Zusammenstellen eines Schneidplans,
- 7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ausschneiden und Absortieren einer Mehrzahl von Werkstücken und
- 8 ein Flussdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Ausschneiden und Absortieren einer Mehrzahl von Werkstücken.
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Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass sich Kollisionen zwischen dem Schneidkopf und bereits ausgeschnittenen Werkstücken - in Abkehr von der gängigen Praxis - dadurch verhindern lassen, dass das Absortieren nicht erst dann erfolgt, wenn alle aus der Materialtafel auszuschneidenden Werkstücke ausgeschnitten sind. Stattdessen werden die Werkstücke verschiedenen Schneidphasen zugeordnet und zunächst die Werkstücke einer Schneidphase ausgeschnitten und absortiert, bevor die Werkstücke einer anderen Schneidphase ausgeschnitten (und anschließend absortiert) werden.
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Die Zuweisung der Werkstücke zu den verschiedenen Schneidphasen erfolgt dabei derart, dass stets ein ausreichender „Sicherheitsabstand“ zwischen zwei Werkstücken derselben Schneidphase gewährleistet ist und somit beim Ausschneiden eines Werkstücks keine Gefahr der Kollision zwischen dem Schneidkopf und einem zuvor (in der gleichen Schneidphase) ausgeschnittenen, verkippten Werkstück besteht. Mit anderen Worten können Kollisionen durch ein Zuordnen der Werkstücke zu mehreren Schneidphasen in Verbindung mit einem sequentiellen Ausschneiden und Absortieren der Werkstücke der einzelnen Schneidphasen verhindert werden. Dabei erfolgt die Schneidphasenzuweisung der Werkstücke derart, dass zwei benachbarte Werkstücke nicht derselben Schneidphase zugeordnet werden und alle Werkstücke einer Schneidphase zunächst ausgeschnitten und absortiert werden, bevor die (darauffolgende) nächste Schneidphase begonnen wird. Dadurch kann erreicht werden, dass beim Ausschneiden eines Werkstücks der Schneidkopf nicht über ein bereits ausgeschnittenes, benachbartes und potentiell verkipptes Werkstück fährt (bzw. dieses überragt) und damit nicht Gefahr läuft mit einem verkippten Werkstück zu kollidieren. Auf diese Weise können Kollisionen zuverlässig verhindert werden, ohne dafür z. B. den Mindestabstand zwischen benachbarten Werkstücken soweit erhöhen zu müssen, dass der Schneidkopf beim Ausschneiden eines Werkstücks keines der benachbarten Werkstücke überfährt/überragt. Letzteres würde mit einer verringerten Materialausnutzung und somit mit mehr Verschnitt und höheren Materialkosten einhergehen. Im Gegensatz dazu erlauben es die hierin offenbarten Konzepte, eine Materialtafel mit weniger Verschnitt zu bearbeiten.
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Ferner haben die Erfinder erkannt, dass sich die Zuweisung der Werkstücke zu verschiedenen Schneidphasen prinzipiell mit Hilfe des sogenannten 4-Farben-Satzes bzw. des 4-Farben-Theorems lösen lässt, wonach - unter gewissen Voraussetzungen - vier Farben ausreichen, eine beliebige Landkarte in der euklidischen Ebene so einzufärben, dass keine zwei aneinander angrenzenden Länder die gleiche Farbe erhalten - wobei die Länder der Landkarte den Werkstücken entsprechen und die Zuordnung von Ländern zu einer gemeinsamen Farbe der Zuordnung von Werkstücken zu einer gemeinsamen Schneidphase entspricht. Angrenzende Länder entsprechen in diesem Zusammenhang zueinander benachbart angeordneten Werkstücken.
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Darüber hinaus basieren hierin beschriebene Aspekte zum Teil auf der Erkenntnis, dass es - insbesondere bei kleinen Werkstücken - aus Gründen der Prozesssicherheit vorteilhaft sein kann, wenn diese nicht nur - den mathematisch notwendigen - vier Schneidphasen, sondern fünf oder mehr Schneidphasen zugeordnet werden. Denn hierdurch kann - auch bei kleinen Werkstücken - ein ausreichend großer, eine Kollision mit dem Schneidkopf sicher verhindernder Abstand zwischen zwei Werkstücken einer gemeinsamen Schneidphase ermöglicht werden.
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Im Folgenden wird zunächst anhand von 1 eine Flachbettwerkzeugmaschine und der Produktionsprozess von Werkstücken mittels dieser erläutert. Anschließend wird in Verbindung mit dem in den 2 bis 5 dargestellten Schachtelungsplan und Schneidplan das Verfahren zum Zusammenstellen des Schneidplans sowie das Verfahren zum Ausschneiden und Absortieren erläutert, welches einen Teil des Produktionsprozesses darstellt. Abschließend werden die diskutierten Verfahren mit Hilfe der Flussdiagramme gemäß der 6 bis 8 zusammengefasst.
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Die in 1 gezeigte schematische Flachbettwerkzeugmaschine 1 umfasst ein Hauptgehäuse 3, in dem der Schneidprozess mit einem aus einem Schneidkopf austretenden Schneidstrahl, hier als Beispiel ein Laserstrahl, durchgeführt wird. Insbesondere wird ein Fokus des Laserstrahls von einer Maschinensteuerung entlang vorgegebener in einem Bearbeitungsbereich angeordneten Schneidlinien über eine Materialtafel (Rohmaterialtafel, Material) geführt, um aus der Materialtafel verschiedenste Werkstücke mit spezifischen Formen zu schneiden. Die Rohmaterialtafel ist z. B. ein sich im Wesentlichen zweidimensional erstreckendes Blech, das in einer ersten Schneidphase bearbeitet wird. In den hierin nachfolgend weiter erläuterten späteren Schneidphase erfolgt eine Bearbeitung der Rohmaterialtafel, aus der die Werkstücke der vorausgehenden Schneidphase(n) bereits ausgeschnitten und absortiert/entfernt wurden.
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Die Werkstücke werden dabei jeweils durch eine Außenkontur und optional eine oder mehrere Innenkonturen begrenzt.
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Ferner umfasst die Flachbettwerkzeugmaschine 1 einen Palettenwechsler 5. Der Palettenwechsler 5 ist dazu ausgebildet, eine oder mehrere Paletten aufzunehmen und während der Fertigung zu positionieren. Auf einer Palette 5A kann eine zu schneidende Materialtafel (als Roh- oder Ausgangsmaterial) gelagert, in eine Schneidposition bewegt und damit in das Hauptgehäuse 3 für den Schneidvorgang eingebracht werden. Nach dem vollendeten Schneidvorgang kann die Palette 5A, wie in 1 gezeigt, mit einer geschnittenen Materialtafel 7 aus dem Hauptgehäuse 3 in eine Absortierposition gefahren werden, sodass die geschnittenen Werkstücke 9 manuell von einem Werker oder (teil-) automatisiert absortiert werden können, wodurch sie von der Palette 5A entfernt werden. Die Form der plattenförmigen Werkstücke 9 wird durch Außenkonturen 27 und Innenkonturen 28 bestimmt (siehe 2).
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Wie man in Zusammenhang mit der 2 erkennen kann, zeigt 1 die Materialtafel 7, wie sie nach Abschluss einer ersten Schneidphase zur Absortierung bereitgestellt wurde. Beim Einsatz eines Palettenwechslers kann sich während des Absortierens der geschnittenen Werkstücke von der einen Palette beispielsweise eine zweite (nicht in den Figuren dargestellte) Palette in der Schneidposition befinden, sodass dort ein weiterer Schneidvorgang zeitgleich ablaufen kann.
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Im Hauptgehäuse 3 kann der Schneidkopf (Laserbearbeitungskopf), aus dem der Schneidstrahl (Laserstrahl) austritt, im Bearbeitungsbereich frei positioniert werden, so dass der Laserstrahl im Wesentlichen entlang beliebiger zweidimensionaler Schneidlinien über die zu schneidende Materialtafel geführt werden kann. Beim Laserschneiden erwärmt der Laserstrahl das Material (Metall) entlang der Schneidlinie, bis es schmilzt. Ein Gasstrahl, meist Stickstoff oder Sauerstoff, tritt üblicherweise im Bereich des Laserstrahls aus dem Laserbearbeitungskopf aus und drückt das geschmolzene Material nach unten und aus dem sich ausbildenden Spalt. Die Materialtafel 7 kann somit beim Schneiden vom Laserstrahl vollständig durchtrennt werden.
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Zum Ausschneiden eines Werkstücks 9 wird der Laserstrahl entlang einer Schneidlinie 10 bewegt. Diese beginnt üblicherweise an einem Einstichpunkt, der außerhalb des Werkstücks 9 liegt, und nähert sich dann der Außenkontur des Werkstücks 9 in einem Bogen (dem sogenannten Anschnitt) an. Der Punkt, an dem die Schneidlinie zuerst die Außenkontur des Werkstücks berührt, ist der Punkt, an dem der Schnitt später abgeschlossen wird (ein kontinuierlicher Schneidvorgang vorausgesetzt). Dieser Punkt wird als Druckpunkt D bezeichnet (siehe 2), da er der Punkt ist, an dem der austretende Gasstrahl einen Druck auf das geschnittene (vom Restmaterial gelöste) Teil (Werkstück) ausübt und zwar eben zu dem Zeitpunkt, an dem es sich erstmals frei bewegen kann. Bei entsprechender Verteilung der Auflagestegspitzen unter dem Werkstück, d. h. den Auflagebereichen, kann insbesondere bei dünnen Materialtafeln der Gasdruck zu einem Verkippen des Werkstücks führen, so dass potentiell ein Teil des Werkstücks aus der Ebene der Metalltafel herausragen. Der Schneidkopf kann während eines nachfolgenden in der Nähe verlaufenden Schneidvorgangs (allgemein Bewegungsvorgang) mit dem hervorstehenden Teil kollidieren.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Palette 5A mehrere quer zur Einschubrichtung verlaufende und parallel zueinander ausgerichtete Auflagestege 11 auf. Beispielhaft haben die Auflagestege 11 einen Abstand von z. B. 60 mm zueinander. Die Auflagestege 11 bilden Auflagebereiche aus, auf denen die Materialtafel 7 abgelegt wird. Die Auflagebereiche bilden üblicherweise Gitterpunkte, die entlang der Auflagestege 11 einen Abstand von z. B. 15 mm aufweisen können, wobei ein Auflagesteg z. B. eine Dicke von 2 mm aufweist. Je nach Größe und Geometrie kann somit eine Kippung erlaubende Lagerung eines Werkstücks vorliegen, die eine Gefahr für den Schneidkopf während des Schneidvorgang bildet. Man erkennt somit leicht, dass aufgrund der Lagerung in lokalisierten Auflagebereichen prozessbedingte Risiken die Prozesssicherheit beeinflussen können und so das Risiko von Ausschuss und Ausfallzeiten erhöhen.
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1 zeigt ferner eine Kamera 13, die z. B. am Hauptgehäuse 3 angeordnet ist, sowie eine die Flachbettwerkzeugmaschine 1 steuernde Steuereinheit 15 (Maschinensteuerung). Die Kamera 13 kann u. a. für eine Bilderfassung der Palette 5A, der Auflagestege 11 und Auflagebereiche 11A sowie der relativen Lage der Materialtafel 7 bezüglich der Palette 5A (und evtl. der Auflagestege 11 und Auflagebereiche) ausgebildet sein und steht in Verbindung mit einer Bildauswerteeinheit der Steuereinheit 15 der Flachbettwerkzeugmaschine 1. Die Bildaufnahmen der Kamera 13 können z. B. zur Unterstützung des Absortiervorgangs genutzt werden.
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Im Rahmen des Produktionsprozesses wird zunächst im Rahmen der Planung einer Verschachtelung ein Schachtelungsplan vorgeschlagen (siehe 2 und zugehörige Beschreibung), der eine prozessoptimierende Anordnung der auszuschneidenden Werkstücke 9 auf der Materialtafel 7 darstellt. Anschließend wird auf Grundlage des Schachtelungsplans 21 ein Schneidplan erstellt (siehe 5 und zugehörige Beschreibung), der u.a. eine Reihenfolge, in der die einzelnen Werkstücke 9 auszuschneiden sind, festlegt, bevor dann das Ausschneiden und Absortieren erfolgt.
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Eine wesentliche Randbedingung bei der Verschachtelung von Werkstücken 9 ist beim Schneiden von Blechen ein Mindestabstand zwischen den durchzuführenden Schneidvorgängen, d. h. den Schneidlinien 10. Der Mindestabstand geht direkt in die Menge des Verlustmaterials (d. h. die Materialausnutzung) und damit in die Materialkosten ein.
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Der material- und prozessbedingte Mindestabstand stellt den Abstand zwischen Außenkonturen von benachbarten Werkstücken dar, der von Außenkonturen bei einer Schachtelung nicht unterschritten werden darf. Er berücksichtigt den thermischen Effekt des Erwärmens des Materials durch Schneiden entlang der Schneidlinie und soll verhindern, dass Schneidlinien zu dicht beisammen liegen und es in Folge dessen zu einem erhöhten/zu hohen Wärmeeintrag in das Material (mit den dies begleitenden Nachteilen wie ein thermischer Verzug, ein Einfluss auf den Wärmeabfluss etc.) kommen kann. Der material- und prozessbedingte Mindestabstand ist somit ein Parameter, der spezifisch für ein zu schneidendes Material (Art des Materials und Geometrie, insbesondere Dicke des Materials) und für einen Schneidvorgang (Laserstrahlungsparameter) zur Berücksichtigung eines z. B. prozessbedingten Ausdehnens oder Verziehens des Materials vorgegeben ist. Abhängig von der Materialart und der Materialdicke kann der material- und prozessbedingte Mindestabstand beispielsweise 3 mm bis 20 mm, insbesondere 5 mm bis 12 mm, betragen.
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Bei der Planung und Erstellung eines Schachtelungsplans darf der Abstand zwischen Außenkonturen von benachbarten Werkstücken den material- und prozessbedingten Mindestabstand nicht unterschreiten, da sonst bei der Anwendung des Schachtelungsplans auf eine Materialtafel eine vorausgesetzte Qualität des Schneidvorgangs nicht mehr gewährleistet werden kann.
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Die Anwendung des hierin vorgeschlagenen Verfahrens kann eine Verringerung des material- und prozessbedingten Mindestabstands ermöglichen, da verfahrensbedingt benachbarte Werkstücke bzw. Außenkonturen nicht in derselben Schneidphase geschnitten werden und somit ein erhöhter Wärmeeintrag durch eng beisammen liegende, unmittelbar nacheinander geschnittene Schneidlinien vermieden werden kann. So kann, nachdem eine erste Außenkontur während einer ersten Schneidphase ausgeschnitten wurde, das zu schneidende Material während der Absortierphase wieder abkühlen, bevor eine zur ersten Außenkontur benachbarte Außenkontur in einer weiteren Schneidphase geschnitten wird. Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Konzepte kann entsprechend dichter geschachtelt werden.
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Es wird angemerkt, dass im Stand der Technik ein kollisionsvermeidungsbedingter Mindestabstand eingesetzt werden kann, der typischerweise größer als der material- und prozessbedingte Mindestabstand ist. Der kollisionsvermeidungsbedingte Mindestabstand soll gewährleisten, dass beim Ausschneiden eines Werkstücks der Schneidkopf nicht mit einem benachbarten Werkstück kollidiert, falls dieses verkippen sollte. Wird der größere kollisionsvermeidungsbedingte Mindestabstand (statt des kleineren material- und prozessbedingten Mindestabstands) der Erstellung eines Schachtelungsplans zugrunde gelegt, führt das zu größeren Abständen zwischen Außenkonturen von benachbarten Werkstücken und somit zu einer ungünstigeren Materialausnutzung und höheren Materialkosten.
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Die hierin vorgeschlagenen Konzepte ermöglichen es, den Abstand zwischen Schneidlinien in Abwägung mit prozessbedingten Kosten gering zu halten und z. B. zu vermeiden, dass dieser Abstand zur Reduktion der Kollisionsgefahr, über den material- und prozessbedingten Mindestabstand hinaus (wesentlich) erhöht werden muss.
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2 zeigt einen Schachtelungsplan 21, wie er im Rahmen einer Planungstafel 25 z. B. mit Hilfe eines evolutionären Algorithmus durch die Steuereinheit 15 der Flachbettwerkzeugmaschine oder eine separate Rechnereinheit unter der Bedingung eines material- und prozessbedingten Mindestabstands Min erzeugt werden kann. Die Planungstafel 25 wird für den Schneidvorgang auf die Materialtafel 7 derart übertragen, dass entsprechende Geometriedaten der Planungstafel 25 dem von der Flachbettwerkzeugmaschine 1 für eine Werkstücktafel 7 bereitgestellten Bearbeitungsbereich entsprechen bzw. in diesem liegen. Im vorliegenden Beispiel kommt eine rechteckige Planungstafel 25 zum Einsatz, die auf eine entsprechend rechteckig geformte Materialtafel angewandt werden soll.
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Der Schachtelungsplan 21 zeigt eine überlappungsfreie Anordnung von Außenkonturen 27 und Innenkonturen 28 einer Mehrzahl von Werkstücken 9 auf der zweidimensionalen Planungstafel 25. Der Schachtelungsplan 21 legt damit die Nachbarschaft der Werkstücke 9 fest. Zwei Außenkonturen 27 sind dabei mindestens den material- und prozessbedingten Mindestabstand Min voneinander beabstandet angeordnet (siehe 3).
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Der Schachtelungsplan 21, also die überlappungsfreie Anordnung der Außen- und Innenkonturen, wird in einer dem Schneidvorgang vorausgehenden Planungsphase erstellt und im Rahmen des offenbarten Verfahrens zum Zusammenstellen eines Schneidplans 23 bereitgestellt. Die Erstellung des Schachtelungsplans 21 kann dabei beispielsweise durch die Steuerungseinheit 15 der Flachbettwerkzeugmaschine 1 erfolgen, z. B. wenn in die Planung z. B. aktuell erfasste Positionsdaten einfließen, oder durch eine eigenständige Planungseinheit (einem eigenständigen Computer) mit entsprechender Rechen- und Speicherkapazität erfolgen.
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Die Steuerungseinheit 15 der Flachbettwerkzeugmaschine 1 ist dazu eingerichtet, ein Verfahren zum Zusammenstellen eines Schneidplans zum Ausschneiden einer Mehrzahl von Werkstücken (9) aus einer plattenförmigen Materialtafel zu ermöglichen. Die dazu notwendigen Berechnungen, beispielsweise zur Erstellung des Bewertungsgraphen und dessen Analyse gemäß einer algorithmischen Lösung des 4-Farben-Problems können beispielsweise mit dem Prozessor der Steuerungseinheit 15 durchgeführt werden. Die Steuerungseinheit 15 kann als PC, Rechenknoten oder ähnliche geeignete Hardware und insbesondere als Teil einer system-übergreifenden Steuerung ausgebildet werden, die zusätzlich die Ansteuerung der Flachbettwerkzeugmaschine 1 für die Bearbeitung von Flachmaterial als auch die Planung von Verschachtelungen von zu erzeugenden Werkstücken durchführt. Die Steuerungseinheit 15 kann somit als Teil eines übergeordneten oder lokalen Steuerungssystems der Flachbettwerkzeugmaschine 1 oder als eigene Einheit ausgebildet sein. Die Steuerungseinheit 15 ist insbesondere dazu eingerichtet, während eines Echtzeit-Betriebs der Flachbettwerkzeugmaschine 1 die hierin offenbarten Verfahren durchzuführen/zu kontrollieren. Hierzu weist das zugrundeliegende Rechensystem der Steuerungseinheit 15 beispielsweise digitale Prozessorsysteme mit Dateneingänge und Steuerungsausgänge aufweisenden Mikroprozessorkreisen sowie Datenbänke auf, die gemäß computerlesbaren, auf einem computerlesbaren Medium gespeicherten, Anweisungen betrieben werden. Die Anweisungen umfassen beispielsweise Computerroutinen einer algorithmischen Lösung des 4-Farben-Problems. Die Steuerungseinheit 15 kann eine hohe Rechenleistung für die Echtzeitunterstützung bereitstellen. Sie kann ferner einen Langzeit- (nicht volatilen) Speicher zum Speichern der Programmanweisungen als auch einen sehr schnellen Kurzzeit- (volatilen) Speicher zum (Zwischen-) Speichern von erfassten Daten und von während der Durchführung des Verfahrens erzeugten Datensätzen aufweisen.
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Das Verfahren zum Zusammenstellen eines Schneidplans 23 beginnt mit dem Bereitstellen des Schachtelungsplans 21. Basierend auf dem bereitgestellten Schachtelungsplan 21 werden alle Außenkonturen 27 und Innenkonturen 28 jeweils genau einer von vier Schneidphasen I, II, III, IV zugeordnet. Die Zuordnung erfolgt dabei derart, dass zwei Außenkonturen 27 einer gemeinsamen Schneidphase I, II, III oder IV nicht zueinander benachbart angeordnet sind. Die Zuordnung der Außenkonturen 27 und Innenkonturen 28 sowie der zugehörigen Werkstücke 9 zu den einzelnen Schneidphasen I, II, III, IV ist in den 2 bis 4 durch die unterschiedlichen Schraffuren der Werkstücke 9 angedeutet: Nicht schraffierte Werkstücke 9 sind dabei der Schneidphase I, von rechts oben nach links unten schraffierte Werkstücke der Schneidphase II, von links oben nach rechts unten schraffierte Werkstücke der Schneidphase III und waagrecht schraffierte Werkstücke der Schneidphase IV zugeordnet/zugewiesen.
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Innenkonturen gehören zu Schnittverläufen, die jeweils einen Innenbereich eines Werkstücks und somit insbesondere einen Bereich der Rohmaterialtafel (Innenkonturverschnitt) abgrenzen. Die Innenkonturen 28 der in den 2 bis 4 dargestellten Werkstücke 9 führen dabei zu Innenkonturverschnitten, die wegen ihres geringen Größenmaßes - im Vergleich zu Abständen der einzelnen Auflagestege/Auflagebereiche einer Palette - direkt aus der Rohmaterialtafel herausfallen können; ein gefährliches Verkippen der Innenkonturverschnitte sowie ein potentielles Kollidieren dieser mit dem Schneidkopf kann somit (weitestgehend) verhindert werden. Die Innenkonturverschnitte können zudem zusätzlich mittels des Schneidstrahls zerschnitten werden, um das Größenmaß weiter zu reduzieren und somit das Herausfallen aus der Rohmaterialtafel noch weiter zu begünstigen. Die Innenkonturen 28 der in den 2 bis 4 dargestellten Werkstücke 9 sind dabei jeweils der Schneidphase zugeordnet, der auch die zugehörige Außenkontur 27 des Werkstücks zugeordnet ist. Üblicherweise werden Innenkonturschnitte und evtl. das Zerschneiden der Innenkonturverschnitte vor der zugehörigen Außenkontur durchgeführt.
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Es wird angemerkt, dass bei einer Innenkontur, die zu einem Innenkonturverschnitt mit einem Größenmaß (z. B. größer als ein DIN A6-Blatt) führen würde, sodass ein Herausfallen aus der Rohmaterialtafel nicht mehr gewährleistet werden kann, es sinnvoll sein kann, die Innenkontur einer Schneidphase zuzuordnen, die vor der Schneidphase der zugehörigen Außenkontur durchgeführt wird.
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Die Tatsache, dass zwei Werkstücke (bzw. die jeweiligen Außenkonturen) zueinander benachbart angeordnet sind oder nicht, geht in die hierin vorgeschlagenen Konzepte ein. Zwei Werkstücke bzw. die jeweiligen Außenkonturen gelten dabei als „zueinander benachbart angeordnet“, wenn mindestens zwei Punkte auf einer der zwei Außenkonturen jeweils nicht weiter als einen vorgegebener Nachbarabstand von der anderen der zwei Außenkonturen entfernt sind.
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Zur Verdeutlichung des Nachbarschaftsverhältnisses wird auf den vergrößerter Ausschnitt A der 3 des Schachtelungsplans 21 gemäß 2 verwiesen. Man erkennt auf der Außenkontur 27.I' zwei Punkte N1 und N2, die jeweils von der Außenkontur 27.III"' im Nachbarabstand D_N entfernt angeordnet sind. Die beiden Außenkonturen 27.I' und 27.III'" sind demnach zueinander benachbart angeordnet und entsprechend unterschiedlichen Schneidphasen zugeordnet. Der Nachbarabstand D_N ist dabei derart gewählt, dass er mit dem Mindestabstand Min übereinstimmt.
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Nicht benachbart angeordnet zur Außenkontur 27.I' ist hingegen die Außenkontur 27.II'. Denn es gibt keine zwei Punkte auf der Außenkontur 27.I', die von der Außenkontur 27.II' jeweils nicht weiter entfernt sind als der Nachbarabstand D_N. Die Punkte N3 und N4, die auf der Außenkontur von 27.I' liegen und der Außenkontur 27.II' am Nächsten kommen, sind jeweils weiter als der Nachbarabstand D_N von der Außenkontur 27.II' entfernt. Ebenfalls nicht benachbart zur Außenkontur 27.I' ist die Außenkontur 27.I''. Entsprechend können die Außenkontur 27.I'' und die Außenkontur 27.II' bzgl. der Schneidphase der Außenkontur 27.I' einer gleichen oder einer anderen Schneidphase zugeordnet werden.
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Ebenfalls nicht benachbart zur Außenkontur 27.I' ist die Außenkontur 27.II''. Zwar gibt es einen (einzigen) Punkt N5 auf der Außenkontur 27.I', der von der Außenkontur 27.II'' im Nachbarabstand D_N entfernt angeordnet ist. Allerdings gibt es - aufgrund des Radius' der Außenkontur 27.11"- keinen weiteren Punkt auf der Außenkontur 27.1', für den dies ebenfalls zutrifft. Demnach sind die beiden Außenkonturen 27.1' und 27.11" im vorliegenden Sinne nicht zueinander benachbart angeordnet und können einer gleichen Schneidphase oder unterschiedlichen Schneidphasen (wie in 3 gezeigt) zugeordnet werden.
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Der Nachbarabstand D_N wird dabei zweckmäßigerweise derart gewählt, dass er mit dem Mindestabstand Min übereinstimmt. Der Nachbarabstand D_N kann aber auch größer als der Mindestabstand Min gewählt werden. Wurde der Nachbarabstand D_N größer als der Mindestabstand Min gewählt, kann sich jedoch in dem Fall, dass zwei Außenkonturen, die nur ein einziges im Mindestabstand voneinander beabstandetes Punktepaar aufweisen, eine Landkarte im Sinne des 4-Farben-Theorems ergeben, die gegen Einschränkung (1) aus dem 4-Farben-Theorem verstößt. Üblicherweise wird somit der Nachbarabstand D_N mit dem Mindestabstand Min übereinstimmen.
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Die Zuweisung der Außenkonturen 27 und der Innenkonturen 28 und somit der zugehörigen Werkstücke 9 zu vier Schneidphasen I, II, III, IV kann dabei unter Anwendung des mathematischen Vier-Farben-Satzes (Vier-Farben-Theorem) erfolgen, welcher besagt, dass - unter gewissen, im vorliegenden Fall erfüllten Voraussetzungen - vier Farben (hier die Schneidphasen) immer ausreichen, eine beliebige Landkarte in der euklidischen Ebene (hier die Planungstafel) so einzufärben, dass keine zwei angrenzenden Länder (hier die Werkstücke) die gleiche Farbe erhalten. Dabei werden die Außenkonturen als „Länder“ aufgefasst und jeweils zwei Außenkonturen als aneinander „angrenzend“ erachtet (berücksichtigt), wenn diese gemäß obigen Ausführungen „benachbart“ sind. Die verschiedenen Farben entsprechen in z. B. 2 den verschiedenen Schneidphasen I, II, III, IV.
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Die numerische Lösung der Zuweisungsaufgabe kann dabei mittels der sogenannten Graphentheorie erfolgen, wie sie von Neil Robertson, Daniel P. Sanders, Paul Seymour und Robin Thomas beispielsweise im Paper „Efficiently four-coloring planar graphs“, STOC '96: Proceedings of the twenty-eighth annual ACM symposium on Theory of Computing, Juli 1996, S. 571-575 beschrieben wurde.
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Nachfolgend wird versucht, den Algorithmus zum 4-Farben-Theorem beispielhaft kursorisch zusammenzufassen, wobei der Algorithmus aus Robertson et al., 1996 in der Veröffentlichung im Detail beschrieben ist und im Zweifel das Vorgehen aus dieser Veröffentlichung gemeint ist. Ein Graph G (hierin auch als Bewertungsgraph bezeichnet) besteht aus Knoten und Kanten (hierin auch als Verbindung bezeichnet) und umschließt mehrere Gebiete („Face“). Der Grad eines Faces bezeichnet dabei die Anzahl der Knoten, die dieses Face umschließen:
- a. Wenn die Anzahl der Knoten n von G kleiner gleich 4 ist, ist das Problem trivial.
- b. Falls G ein Face mit mindestens Grad 4 hat, gibt es zwei nicht-benachbarte Knoten x, y, die mit das Face umschließen. Diese werden als z zusammengefasst, wodurch ein neuer Graph H entsteht. Dieses Vorgehen wird rekursiv aufgerufen, bis die Lösung trivial ist. Die Knoten werden dann in G so eingefärbt, wie es in H gewesen wäre (x, y erhalten die Farbe von z).
- c. Falls G einen Knoten x mit Grad kleiner gleich 4 hat, wird dieser von einem k-ring umschlossen. Dieser Fall wird mit einer k-ring-Analyse behandelt.
- d. Sonst hat G mindestens den Grad 5. Hier lässt sich der Graph entweder so zerlegen, dass ein k-ring auftritt, der wieder in der k-ring Analyse behandelt wird. Sonst lässt sich G so vereinfachen (Knoten zusammenlegen), dass eine Kempe-Kette entsteht, für die eine korrekte Färbung angegeben werden kann. Dies kann wie oben rückgängig gemacht werden, sodass zusammengelegte Knoten dieselbe Farbe haben.
- e. K-ring Analyse: Ein Ring R wird von außen durch einen Sub-Graph E von G und von innen durch den Sub-Graph I von G umschlossen. Ein Graph H1 wird als G ohne E definiert. Es lässt sich in diesem Fall eine Färbung von G finden. Entsprechend kann H2 als G ohne I definiert werden. Diese beiden Färbungen von H1 und H2 können dann so angeordnet werden, dass sie eine korrekte Färbung von R mit einfachen Operationen ermöglichen. (Siehe auch den Beweis aus G.D. Birkhoff, „The reducability of maps“, American Journal of Mathematics 35, 1913, Seiten 114-128.
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Wie in 4 angedeutet wird hierzu der Schachtelungsplan 21 in einen planaren Graphen (Bewertungsgraphen) überführt, indem jeder Außenkontur 27 (und somit jedem Werkstück 9) ein Knoten 29 zugeordnet wird. Ferner werden jeweils zwei Knoten 29, denen zueinander benachbarte Außenkonturen 27 zugeordnet sind (z. B. 27.I' und 27.III'''), durch eine Verbindung (auch Kante genannt) 30 miteinander verbunden. Ferner werden zwei Knoten 29, denen nicht-benachbarte Außenkonturen 27 zugeordnet sind (z. B. 27.I' und 27.II'', sowie 27.I' und 27.II') nicht durch eine Verbindung verbunden, was in 4 exemplarisch für die Außenkonturen 27.I' und 27.II'' sowie 27.I' und 27.II' durch eine gestrichelte und durchgestrichene Linie zwischen diesen beiden Außenkonturen angedeutet ist.
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Gemäß der Graphentheorie sind für die Zuweisung von n Knoten 29 (und somit der zugehörigen Außenkonturen 27 und Werkstücke 9) zu den vier Farben (bzw. den vier Schneidphasen) maximal n2 Elementaroperationen nötig.
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Als Ergebnis sind die Außenkonturen 27 zu jeweils genau einer von vier Schneidphasen I, II, III, IV zugewiesen, wobei die Zuweisung derart erfolgt, dass zwei Außenkonturen 27 einer gemeinsamen Schneidphase I, II, III, IV nicht zueinander benachbart angeordnet sind.
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Aus Gründen der Prozesssicherheit kann es insbesondere bei kleinen Werkstücken sinnvoll sein, diese nicht nur - den mathematisch notwendigen - vier Schneidphasen I, II, III, IV, sondern fünf oder mehr Schneidphasen zuzuordnen. Hintergrund dieser Erkenntnis ist, dass es insbesondere bei kleinen Werkstücken vorkommen kann, dass zwei Werkstücke einer gemeinsamen Schneidphase (obwohl sie nicht zueinander benachbart angeordnet sind) derart nah voneinander beabstandet angeordnet sind, dass der Schneidkopf während des Ausschneidens eines der zwei Werkstücke mit dem zuvor ausgeschnittenen anderen der zwei Werkstücke kollidiert. Die Kollisionsgefahr kann in diesem Zusammenhang verhindert werden, indem die Werkstücke zunächst z. B. gemäß dem obig beschriebenen 4-Farben-Theorem einer von vier (mathematisch notwendigen) Schneidphasen zugewiesen werden. Anschließend werden Werkstücke, die einer gemeinsamen der vier Schneidphasen zugewiesen sind und von denen eine Kollisionsgefahr ausgeht (kollisionsgefährdete Werkstücke) - weil diese nicht weiter als einen vorgegebenen Kollisionsabstand voneinander entfernt angeordnet sind - unterschiedlichen Schneidphasen zugewiesen, indem eines der kollisionsgefährdeten Werkstücke einer weiteren, fünften Schneidphase zugewiesen wird. Hierzu werden zunächst zwei kollisionsgefährdeten Außenkonturen einer gemeinsamen der vier Schneidphasen identifiziert und anschließend eine der zwei kollisionsgefährdeten Außenkonturen zu einer fünften Schneidphase zugewiesen. Insbesondere können alle Paare von Werkstücken einer Schneidphase hinsichtlich der Kollisionsgefahr geprüft werden. Zwei Außenkonturen sind dabei nicht weiter als den vorgegebenen Kollisionsabstand voneinander entfernt angeordnet, wenn ein kleinster Abstand zwischen den zwei Außenkonturen kleiner oder gleich dem Kollisionsabstand ist.
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Sollte anschließend festgestellt werden, dass von zwei Werkstücken, die der fünften Schneidphase zugewiesen wurden, wiederum eine Kollisionsgefahr ausgeht, wird eines der beiden Werkstücke einer sechsten Schneidphase zugewiesen und somit die Kollisionsgefahr ausgeräumt. Dieses Vorgehen kann dabei entsprechend iterativ für die sechste sowie etwaige weitere Schneidphasen fortgesetzt werden.
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Der vorgegebene Kollisionsabstand, innerhalb dessen einer potentielle Kollisionsgefahr besteht, wird dabei unter anderem von Ausmaßen des Schneidkopfes (Schneiddüse), einer möglichen Kipphöhe eines der Werkstücke sowie der Art der Lagerung der Materialtafel auf der Palette bestimmt. Der Kollisionsabstand kann beispielsweise im Bereich von 5 mm bis 50 mm, insbesondere im Bereich von 7 mm bis 35 mm, vorgegeben.
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In 3 ist ein durch den Kollisionsabstand D_K um die Außenkontur 27.I' herum aufgespannter Kollisionsgefahrbereich K exemplarisch gestrichelt eingezeichnet. Angenommen, die Außenkonturen 27.I' und 27.II'' wären einer gemeinsamen Schneidphase zugewiesen worden (was durchaus zulässig gewesen wäre, da diese beiden Außenkonturen gemäß den obigen Ausführungen nicht als zueinander benachbart angeordnet gelten), würden die Außenkonturen 27.I' und 27.II'' als kollisionsgefährdete Außenkonturen gelten, da sie weniger als den vorgegebenen Kollisionsabstand voneinander entfernt angeordnet sind. (Die Außenkontur 27.II' ragt in den Kollisionsgefahrbereich K der Außenkontur 27.I' hinein.) Durch Zuweisen einer der zwei kollisionsgefährdeten Außenkonturen zu einer fünften Schneidphase V (siehe 5), könnte die skizzierte (hypothetische) Kollisionsgefahr gebannt werden.
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Es wird angemerkt, dass für den Fall, dass die Außenkonturen 27.I' und 27.II'' einer gemeinsamen Schneidphase angehören sollen, ein Bediener alternativ den Schneidplan dahingehend hätte ändern können, dass er das Werkstück 27.II'' aus dem Kollisionsgefahrbereich K (in der Zeichenebene nach oben) herausschiebt.
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Basierend auf der erfolgten Zuweisung der Außenkonturen 27 zu den vier Schneidphasen wird anschließend ein - wie in 5 schematisch-strukturell dargestellter - Schneidplan 23 zusammengestellt. Der Schneidplan 23 umfasst für jede der Schneidphasen I, II, III, IV die zugeordneten Außenkonturen 27, eine Reihenfolge 23R, in der die Außenkonturen 27 innerhalb der zugeordneten Schneidphase I, II, III, IV auszuschneiden sind, und darüber hinaus noch den einzelnen Außenkonturen 27 zugeordnete Positionsdaten P1, P2, P3 und Detaildaten D1, D2, D3. Die Positionsdaten P1, P2, P3 können dabei beispielsweise die Position, die Ausrichtung und/oder den Verlauf der zugeordneten Außenkontur 27 definieren. Die Detaildaten D1, D2, D3 können beispielsweise den Anschnitt der zugeordneten Außenkontur 27 näher definieren. In 5 sind für jede Schneidphase aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur die ersten drei Einträge dargestellt; die Punkte deuten an, dass die einzelnen Schneidphasen selbstverständlich auch mehr als drei Außenkonturen umfassen können.
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Die Reihenfolge 23R der Außenkonturen ist dabei derart bestimmt, dass die Werkstücke 9 einer Schneidphase I, II, III, IV beim Abarbeiten des Schneidplans 23 entlang eines mäandernden Verfahrwegs des Schneidkopfs über die Planungstafel 25 nacheinander ausgeschnitten werden. In 2 ist hierzu beispielhaft grob schematisch ein für die Schneidphase I vorgesehener Verfahrweg W.I gestrichelt eingezeichnet.
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Der Verfahrweg einer Schneidphase ist allgemein derart bestimmt, dass innerhalb der Schneidphase eine Kollision des Schneidkopfes mit einem bereits ausgeschnittenen (und noch nicht absortierten) Werkstück vermieden wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass jeder Außenkontur 27 ein diese jeweils umgebender (durch den Kollisionsabstand definierter) Kollisionsgefahrbereich K (vgl. 3) zugeordnet wird und der Verfahrweg zwischen Außenkonturen innerhalb einer Schneidphase derart bestimmt wird, dass die Kollisionsgefahrbereiche K von Außenkonturen 27, deren zugeordnete Werkstücke 9 in der jeweiligen Schneidphase I, II, III, IV bereits ausgeschnitten wurden, vom Verfahrweg W umgangen und nicht gequert werden (siehe 2). Das kann dadurch erreicht werden, dass der Schneidkopf, nachdem der Druckpunkt D erreicht wurde, das Ausschneiden eines Werkstücks also abgeschlossen wurde, auf direktem Wege aus dem Kollisionsgefahrbereich K des betreffenden Werkstücks wegbewegt wird und im weiteren Verlauf der betreffenden Schneidphase den Kollisionsgefahrbereich des Werkstücks nicht erneut überfährt/überragt/quert. Zweckmäßiger Weise wird dabei der Druckpunkt D für den Ausschnitt eines ersten Werkstücks 9 derart gewählt, dass sich dieser so nah als möglich an einem zweiten Werkstück befindet, welches im Anschluss an das erste Werkstück innerhalb derselben Schneidphase auszuschneiden ist. Aus Gründen der Prozesseffizienz kann es zweckmäßig sein, wenn der Schneidkopf auf kürzestem Weg vom Druckpunkt D des ersten Werkstücks (nachdem das erste Werkstück ausgeschnitten wurde) zum Druckpunkt D des zweiten Werkstücks fährt und somit der Verfahrweg als direkte Verbindung zwischen beiden Druckpunkten D ausgestaltet ist. Um allerdings zu verhindern, dass der Schneidkopf den Kollisionsgefahrbereichs K eines bereits ausgeschnittenen Werkstücks überfährt, kann der Verfahrweg um den Kollisionsgefahrbereich K herumgeführt werden und somit ein längerer Weg in Kauf genommen werden - siehe Verfahrweg W.I zwischen den Druckpunkten D' und D'' in 2.
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Es wird angemerkt, dass der Verfahrweg W.I keine Innenkonturen berücksichtigt. Diese können für jedes der Werkstücke vor dem Schneiden der jeweiligen Außenkontur abgearbeitet werden.
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An das bisher beschriebene Verfahren zum Zusammenstellen des Schneidplans 23 kann sich dann unmittelbar das im Folgenden beschriebene Verfahren zum Ausschneiden und Absortieren der Werkstücke anschließen.
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Hierzu wird der Schneidplan 23, der das Ausschneiden der Werkstücke in mehrere Schneidphasen untergliedert, eingelesen. Anschließend wird die Palette 5A mit der darauf gelagerten Materialtafel 7 in die Schneidposition bewegt und es werden die Werkstücke 9, die der ersten Schneidphase I bzw. deren Außenkonturen 27 der ersten Schneidphase I zugeordnet sind, in der vom Schneidplan 23 vorgegebenen Reihenfolge 23R entlang dem Verfahrweg W.I ausgeschnitten.
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Nachdem alle Werkstücke 9 der ersten Schneidphase I ausgeschnitten sind (und somit die erste Schneidphase I abgeschlossen ist), werden diese Werkstücke 9 wie in 1 dargestellt zum Absortieren bereitgestellt, indem die Palette 5A mit der darauf gelagerten Materialtafel 7 in die Absortierposition bewegt wird. Das Absortieren der ausgeschnittenen Werkstücke 9, also das Entfernen der ausgeschnittenen Werkstücke von der Palette 5A, kann dabei manuell durch einen Werker oder (teil-) automatisiert (z. B. mittels eines Roboters) erfolgen.
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Nach dem vollständigen Absortieren aller Werkstücke 9, die der ersten Schneidphase I zugeordnet sind, wird die Palette 5A mit der darauf gelagerten Materialtafel 7 wieder in die Schneidposition bewegt. Es erfolgt nun das Ausschneiden der Werkstücke 9, die der zweiten Schneidphase II zugeordnet sind. Nach Abschluss der zweiten Schneidphase II, werden die in der Schneidphase II ausgeschnittenen Werkstücke zum Absortieren bereitgestellt, indem die Palette 5A mitsamt der Materialtafel 7 erneut in die Absortierposition bewegt wird. Nachdem das Absortieren der Werkstücke 9 der zweiten Schneidphase II erfolgt ist, werden die letztgenannten Schritte anschließend für die dritte sowie die vierte Schneidphase wiederholt bis letztlich alle Werkstücke 9 gemäß dem Schachtelungsplan 21 ausgeschnitten und absortiert sind und der Produktionsprozess damit abgeschlossen ist.
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Demnach kann zusammengefasst werden, dass das Verfahren zum Zusammenstellen des Schneidplans 23, wie im Flussdiagramm gemäß 6 skizziert, folgende, oben erläuterte Schritte umfasst:
- - Bereitstellen 100 des Schachtelungsplans 21, insbesondere Einlesen des Schachtelungsplans 21 in einen Prozessor der Steuerungseinheit 15,
- - Zuweisen 200 der Außenkonturen 27 zu jeweils genau einer von mindestens vier Schneidphasen I, II, III, IV, wobei die Zuweisung derart erfolgt, dass zwei Außenkonturen 27 einer gemeinsamen Schneidphase I, II, III, IV nicht zueinander benachbart angeordnet sind, insbesondere ansteuern des Prozessors zum Durchführen eines Algorithmus' für die Zuweisung der Außenkonturen zu den Schneidphasen, und
- - Zusammenstellen 300 des Schneidplans 23, insbesondere durch Ansteuern des Prozessors zur Zusammenstellung der mit dem Algorithmus gewonnenen Daten.
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Ferner umfasst das oben beschriebene Verfahren zum Ausschneiden und Absortieren von Werkstücken, wie in den Flussdiagrammen gemäß 7 und 8 skizziert, folgende Schritte:
- - Einlesen 400 des Schneidplans 23, insbesondere in die Steuerungseinheit der Werkzeugmaschine,
- - Ausschneiden 500 von Werkstücken 9, deren Außenkonturen 27 einer gemeinsamen der vier Schneidphasen I, II, III, IV zugeordnet sind mit der Werkzeugmaschine, und
- - Bereitstellen 600 der in der gemeinsamen Schneidphase I, II, III, IV ausgeschnittenen Werkstücke zum Absortieren, insbesondere durch Bringen einer Palette in die Absortierposition,
- - Absortieren 700 der Werkstücke 9, die in der gemeinsamen Schneidphase I, II, III, IV ausgeschnitten wurden,
- - Ausschneiden 800 von Werkstücken 9, deren Außenkonturen 27 einer weiteren der vier Schneidphasen I, II, III, IV zugeordnet sind mit der Werkzeugmaschine, und
- - Bereitstellen 900 der in der weiteren Schneidphase I, II, III, IV ausgeschnittenen Werkstücke 9 zum Absortieren, insbesondere durch Bringen der Palette in die Absortierposition.
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Das Verfahren zum Zusammenstellen des Schneidplans 23 kann dabei von der Steuereinheit 15 der Flachbettwerkzeugmaschine 1 oder einer separaten Recheneinheit (Computer) durchgeführt werden. Dabei veranlasst insbesondere ein Befehle umfassendes Computerprogramm eine Ausführung des Verfahrens durch die Steuereinheit 15 oder die separate Recheneinheit.
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Das Verfahren zum Ausschneiden und Absortieren kann - mit Ausnahme von Schritt 700, dem Absortieren, was das manuelle Eingreifen eines Werkers erfordern kann - ebenfalls von der Steuereinheit 15 der Flachbettwerkzeugmaschine 1 durchgeführt werden, wobei auch hier insbesondere ein Befehle umfassendes Computerprogramm eine Ausführung des Verfahrens durch die Steuereinheit 15 veranlasst.
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Die hierin offenbarten Konzepte tragen somit einerseits dazu bei, die Vermeidung von Kollisionen zwischen dem Schneidkopf der Flachbettwerkzeugmaschine 1 und verkippten Werkstücken 9 zu ermöglichen. Andererseits ermöglichen sie einen hohen Ausnutzungsgrad und damit einhergehend wenig Verschnitt durch die Umsetzung von Schachtelungsplänen, bei denen der Mindestabstand zwischen den Werkstücken bevorzugt nur durch den material- und prozessbedingten Mindestabstand bestimmt wird, und nicht aufgrund von Erwägungen zur Reduktion der Kollisionsgefahr darüber hinaus weiter erhöht werden muss.
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Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
