CN108027605B - 用于工具移动的控制方法和控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于利用机床移动工具的控制方法，该移动用于通过加工来制造任意的设定面，机床包括数控机床，其中，由控制装置生成用于控制机床的数字路径程序，其以加工点描述了利用工具对工件的加工，并且其中，路径由多个支撑点和多个单路径组成，并且每个单路径将一对支撑点相互连接，并且其中，按照生成的路径对机床进行控制，根据几何质量标准评估并选择用于控制机床的路径程序，并且其中，几何质量标准至少包括连续性作为一个标准，从而路径程序依据待加工工件的表面的几何属性来生成路径。此外，本发明涉及一种控制装置。

Description

用于工具移动的控制方法和控制装置
技术领域
本发明涉及一种控制方法，所述控制方法用于利用机床移动工具以通过加工生成任意的设定面，其中，由控制装置生成用于控制机床的数字路径程序，其描述了在加工点中利用工具对工件的加工，并且其中，路径由多个支撑点和多个单路径组成，并且每个单路径将一对支撑点相互连接，并且其中，根据所生成的路径对机床进行控制。此外，本发明还涉及一种控制装置。
背景技术
在大部分情况下，要在CNC机器处生产的工件以计算机辅助设计(CAD)来构建。任意的构件经常由大量的几何元素组成。过渡部按照要求来构造并且或者是几何平滑的或者是明显不平滑的(棱边、拐角、分阶等等)。恰恰在第一类中、即几何平滑的过渡部中，存在较大的质量差异，其部分归因为软件自身的原理弱点，部分归因为错误操作、例如工件构建。
对于机械制造，在计算机辅助制造(CAM)和后处理(PP)的步骤中将几何描述转换成CNC路径程序。在工件的路径编程中，CNC路径程序除了必要的控制信息作为主要信息以外还包含用于机床上的生产过程的位置指令。
在CAM中确定了用于加工的基本策略，也就是以何种形式和顺序引导工具(例如铣刀)经过材料。这例如可以是曲折形式或者是螺旋形式等等。通过观察瞬时的切屑形成，进一步的研发提升了机器生产力。通过特殊生成的工具路径，实现了更高的产量“每次进给的切屑量”，即工具路径单位长度上的切除体积。
在DE 601 23 379 T2中公开了一种用于弯曲表面的数控加工单元，其配备有三个线性轴以及至少一个旋转轴并且包括多轴同时控制NC机器，其由数控单元利用数控NURBD(非均匀有理B样条曲线)插值函数进行数字化控制。
JP 2007 200037 A涉及一种数控装置，其控制物体根据机器程序沿着移动路线移动。如果依次跟随的命令块指向相同的方向，则将它们设置为单个的向量。
DE 10 2013 112 232 B3涉及一种借助用于制造成品的工具来加工坯件的方法。在借助用于制造成品的工具来加工坯件时，在预定义的引导路径或者路径上引导工具，能够由计算机辅助地计算出该引导路径或者路径。单个引导路径或者路径由任意多个相互跟随的路径区段或者路径部段组成。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种在表面品质和加工结果方面改进的、用于机床的、尤其是铣床的方法。另一个目的在于提供这种装置。
与该方法有关的目的通过提供一种控制方法得以实现，所述控制方法用于利用机床移动工具以通过加工来生成任意的设定面，其中，由控制装置生成用于控制机床的数字路径程序，其描述了在加工点中利用工具对工件的加工，并且其中，路径由多个支撑点和多个单路径组成，并且每个单路径将一对支撑点相互连接，并且其中，按照生成的路径对机床进行控制，其中，借助几何质量标准评估并选择用于控制机床的路径程序，并且其中，几何质量标准至少包括通过路径程序生成的路径的连续性作为一个标准，从而路径程序依据待加工工件的表面的几何属性来生成路径。在此，几何质量标准不仅包括曲率连续性标准和切线连续性标准还包括机床特性标准，其中，组合工具根据由这些标准组成的合适的组合计算、评估并且选择用于控制机床的路径程序，其中，路径包括不同的单路径，并且根据所述几何质量标准对每个单路径进行评估，根据几何质量标准所选择的单路径具有优先方向，并且根据单路径的优先方向选择路径。
与该装置有关的目的通过提供一种控制装置得以实现，所述控制装置用于利用机床移动工具以通过加工来生成任意的设定面，其中，由控制装置可以生成用于控制机床的数字路径程序，其描述了在加工点中利用工具对工件的加工，并且其中，路径由多个支撑点和多个单路径组成，并且每个单路径将一对支撑点相互连接，按照生成的路径对机床进行控制，其中，根据几何质量标准可以评估并选择用于控制机床的路径程序，并且其中，几何质量标准至少包括通过路径程序生成的路径的连续性作为一个标准，从而路径程序可以依据待加工工件的表面的几何属性生成路径。在此，几何质量标准不仅包括曲率连续性标准和切线连续性标准还包括特性标准，其中，通过组合工具根据由这些标准组成的合适的组合能够计算、评估并且选择出用于控制机床的路径程序，并且其中，路径包括不同的单路径，并且每个单路径都能够根据几何质量标准被评估和选择，并且根据几何质量标准所选择的单路径具有优先方向。
在此，路径程序涉及广泛的应用领域。一种可行性方案是，通过路径程序借助工具可以产生物体的自由形状面。在此，物体本身也是可移动的，从而工具的路径走向不同于工件的自由形状面或者不同于工件的轮廓。在车床中存在工件也随之运动的实例。至少也铣削或磨削的加工机床也可以实施为具有旋转轴的，其中，这里也可以使用根据本发明的优点。本发明也可以用于激光加工/激光切割和涂覆方法等等。
CNC控制必须驶过机床的所生成的路径。然而这些路径经常具有以下特征，即由于实际局限性而不能无误地实现。
在切除时实际留下的断面的质量在很大程度上取决于路径几何形状的质量和其他属性。如何从一个单路径过渡下一个单路径的方式决定了机器能否很好地跟随过渡部。在数学上重要的特征主要是单路径部段的连续性或可微分性(Differenzierbarkeit)。随着连续性的阶数，用于驶过CNC控制的机床的路径的“宽容性(Gutmuetigkeit)”也提升。
CNC控制的机床基本上可以(无论如何都)驶到所有的过渡部。但是此时，根据所期望的策略却导致对几何形状的损害，例如打圆或磨损，导致动态发生变化，例如制动或加速或者两者的组合。第一种情况意味着表面精准度的下降，第二种情况意味着在机器运动中的不平稳进而意味着机器动态在工件上的映射。在这里例如是振动。根据本发明，现在，生成的路径以几何质量为导向，尤其是以表面的几何质量为导向。为此需要如下的质量标准，其能够可靠地、数值上稳定地并且良好地得出表面或者路径的属性。为了得出评估标准，至少引用连续性标准。
也就是说，生成用于控制机床的路径程序，并且至少根据通过路径程序生成的路径的连续性对路径程序进行评估和选择。一个且同一个几何性质在此可以是在一个方向上全程连续的，并且在另一个方向上不连续。对于相应的单路径产生优先方向。加工的单路径现在如下地选择，即，尽可能使用所得出的优先方向以便制造工件。
因此，根据本发明，将工件表面的几何微分属性引入到加工策略中，尤其是在这里引入到铣削策略中。这使得铣削策略能够尽可能最优地由机器驶过。产生了对于CNC机床中的处理特别有利的路径，并且这些路径对于机器动态意味着最小的激励。在表面品质和精度方面，加工结果是最优的。
有利地，对于一个预设的设定面生成多个路径程序，并且鉴于几何质量标准评估和选择这些路径程序。几何质量标准还可以包括切线连续性(G1-连续性)作为附加标准。附加地，几何质量标准还可以包括曲率连续性(G2-连续性)作为附加标准。
优选地，几何质量标准不仅包括曲率连续性标准还包括切线连续性标准，其中，组合工具根据由这些标准组成的合适的组合计算、评估并选择出用于控制机床的路径程序。这尤其是如下的情况，即，路径是逐段地曲率连续并且切线连续的。
也就是说，实现了在任意路径上的工件的路径编程。然后，对两个(或者更多)变体在其几何属性方面进行分析和评估。相应更合适的一个获得优先并且用来进行生产。为了得出评估值，在此可以计算出不同的标准、即连续性、G1-连续性和G2-连续性，并且以合适的方式例如将平均值、最大值等等组合。
在一个优选的设计方案中，几何质量标准附加地还包括机床的特性作为标准。也就是说在评估中还要研究具体机床的特性，例如研究各个机器轴的不同的动态性能。对一个路径程序的评估可以为不同的机器提供不同的结果。于是可以找到工件和机器的最优组合。另外的特性例如是：在执行路径程序期间出现的最小进给速度、平均进给速度和最大进给速度、在执行路径程序期间出现的最小机器轴速度、平均机器轴速度和最大机器轴速度、在执行路径程序期间出现的机器轴的最小轴加速度、平均轴加速度和最大轴加速度、在执行路径程序期间出现的最小电流消耗、平均电流消耗和最大电流消耗(从而还有力消耗或力矩消耗)、相应机器轴的马达的电流消耗的最大变化速度(对时间的导数)、在执行路径程序期间出现的平均主轴转数(额定预设值和实际值)、主轴的最小力矩、平均力矩和最大力矩、主轴力矩的最大变化速度(对时间的导数)以及例如加工时长。
当然，几何质量标准不仅可以包括曲率连续性标准和切线连续性标准还可以包括特性标准，其中，组合工具根据由这些标准组成的合适的组合计算、评估并且然后选择用于控制机床的路径程序。由此，例如可以实现对路径程序的更好完成，和/或可期待的更好的表面品质、和/或更短的工作时间等等。对于路径特别重要的是，路径是逐段地曲率连续的或者切线连续的。
优选地，路径包括不同的单路径。根据几何质量标准对每个单路径进行评估。
在此，对不同单路径的评估例如也可以被加权，以便创建合适的路径程序。
在一个优选的设计方案中，几何质量标准是曲率连续性(G2-连续性)，其中，根据几何质量标准所选择的单路径具有优先方向。现在，在优选的设计方案中，根据单路径的优先方向选择路径。
根据本发明，在第一步骤中，对工件几何形状在其微分几何属性方面进行分析和评估。一个且同一个几何性质在此可以在一个方向上全程G2连续的，并且在另一个方向上是不连续的。对于对应的单路径获得优先方向。在第二步骤中，现在如下地选择加工的单路径，即，尽可能地使用得出的优先方向以便制造工件。
附图说明
本发明的其他特征、属性和优点从下面参考附图进行的说明中得出。
图中示意性地示出：
图1：根据现有技术生成的铣削路径的实例，
图2：经技术优化的铣削路径的实例，
图3：经过构造的面过渡部的两个路径的实例，
图4：在一个点上对G2连续性的评估，
图5：工件本身的曲率变化，
图6：三维的实际工件，
图7：根据现有技术的用于实际工件的、曲折形的铣削路径12，
图8：具有根据本发明的优先单路径13的、根据本发明的铣削路径。
具体实施方式
尽管在细节上通过优选的实施例详尽地阐述和说明了本发明，但是本发明不局限于公开的实例。本领域技术人员可以由此推导出变体，而不离开本发明的保护范围。
在CAM中确定了进行加工的原则性策略，也就是以何种方式和顺序引导工具(例如铣刀)经过材料。典型的实例是图1中左侧的曲折形1(“z字形”，“之字形(zig zag)”)或者图1右侧的螺旋形2。在机床处的CNC控制器必须驶过生成的路径3。这些路径3通常具有如下特征，其由于实际局限性而无法顺利地实现。
通过观察瞬间的切屑形成，进一步的研发提升了机器生产率。更高的产量“每次进给的切屑量”(也就是工具路径单位长度上的切除体积)通过特殊生成的工具路径来实现。图2示出了借助标准软件生成的、经技术优化的铣削路径4的实例。
本发明描述了一种用于选择铣削路径的新方案。其以几何形状为动机并且使得NC控制的机床能够最优行驶。
已知，在切除时实际留下的断面的质量在很大程度上取决于路径几何形状的质量。如何从一个单路径过渡到下一个单路径的方式决定了，机器能否很好地跟随过渡部。在数学上重要的特征是单路径的或者路径部段的连续性或可微分性。在此，连续性阶数在逻辑上基于彼此建立。一个等级以相应更低的等级为前提，也就是说G1-连续性强制性要求G0连续性。通过CNC控制的机床行驶的路径的“友善度”随着连续性的阶数而上升：
-G0-连续：单路径在几何形状上相互连接，即在前一单路径的末端与后一单路径的开端之间不存在错位。但是当然，过渡部允许具有弯折(方向变化)。
-G1-连续：单路径“在切线方向”相互连接，即前一部段的方向与后续部段的方向相符。可以在速度不变的情况下驶过这种过渡部。
-G2-连续：单路径“曲率正确地”相互连接，即前一部段的曲率与后续部段的曲率相符。可以在加速度不改变的情况下驶过这种路径。
根据本发明，现在根据表面的几何质量评估和挑选路径。为此，可靠地、数值稳定地并且良好地得出表面的关于路径的属性。
为此生成如下的路径程序，其在待加工工件的表面的几何属性方面描述了路径，并且紧接着根据几何质量标准对其进行评估和选择，其中，几何质量标准至少包括连续性作为一个标准。
根据本发明，以任意途径对工件进行路径编程。之后鉴于其几何属性对两个或者多个变体进行分析和评估。相应更合适的变体获得优先并且用来进行生产。为了得出评估尺度，连续性、切线连续性、曲率连续性的标准可以被组合、计算并且以合适的方式(例如平均值、最大值)进行组合。
在几何质量标准中还可以研究具体机床的特性，例如单个机器轴的不同的动态性能。对一个路径程序的评估因此可以为不同的机器提供不同的结果。于是可以找到工件和机器的最优组合。
例如也可以仅仅将G2-连续性考虑作为几何质量标准。在此，在第一步骤中，对工件几何形状在其微分几何属性方面进行分析和评估。一个且同一个几何性质可以在一个方向上全程G2连续，并且在另一个方向上是不连续的。因此对于对应的单路径获得优先方向。在第二步骤中，现在如下地选择加工的单路径，即，尽可能地使用得出的优先方向以便制造工件。
路径程序总是由一系列单路径组成。这些单路径的总和产生了整体的制造任务，即待制造的几何形状。现有技术公开了各种策略，如利用单路径生产在CAD中构建的几何形状。目前尚未公开的是，将工件表面的微分几何属性引入到铣削策略中。这实现了能够尽可能最优地由机器驶过的铣削策略。产生了对于在NC中的处理特别有利的路径，并且这些路径对于机器动态意味着最小激励。加工结果在表面品质和精度方面是最优的。
接下来要示例性地详尽描述用于确定面的微分几何属性的算法，根据算法可以创建这样的路径程序。
为此，面过渡部(未示出)通过在第一面F上的“最后的”点p1，和在第二面G上的“第一个”点p2来标注。为了在微分几何上对面过渡部进行分类，需要观察两个面F、G的对应的点p1、p2。这例如通过利用辅助面剖开这两个面F、G来获得，辅助面由当前的铣削方向和面法线来获得。
G0-连续性：为了检查G0-连续性，观察两个点的差的范数，即R_3中的向量。适用：
│P1-P2│＜ε
如果两个点P1、P2的间距低于阈值ε，那么过渡部可以视为是G0连续的。
G1连续性检查以G0连续性为前提，因此下面可以在不受普遍性限制的情况下从下式出发
P1＝P2＝P。
为了使在点P中的面过渡部是G1连续的，面F和G的对应的切线平面必须是相同的。两个面F、G中的每一个在点P分别具有两个导数向量，即分别具有在参数方向上的一阶导数，这些导数向量展开了切线平面并且它们基于面F和G的不同参数化而在长度和方向上可能发生极大变化。这两个导数向量形成所谓的雅可比矩阵J。于是需要检查，是否存在如下的可能性，即，第一面的向量对JF转换为第二面的向量对JG。这种转换X也称为局部再参数化。如果存在这种局部再参数化X，那么切线平面自动是相同的。这种情况是：
│JF-JGX│＜ε。
如果在线性的数据拟合(Ausgleichungsrechnung)之前将这两个雅可比矩阵的列归一化，那么可以根据误差的2-范数(最大奇异值)由矩阵X中如下地确定两个面法线之间的角度α：
(α＝arcsin│JF-JGX│)。
G2连续性检查以G1连续性为前提。方向术语结合G1连续性时不具有任何重要意义(或者在面过渡部处存在弯折，但此时在经过这个点的每个方向上，或者存在平滑性)，但方向术语在观察G2连续性时起核心作用。如果将在面过渡部上具有共同的点的两个潜在路径进行比较，那么在图3中示出了方向-G2-连续性的概念。
在图3中，将工件7上的两个潜在路径进行比较，即作为曲线5的第一路径和作为曲线6的第二路径，它们在面过渡部8上有一个共同的点9。图3中的曲线5上的曲率的符号在面过渡部8处变换进而曲率具有较大的突变，而曲线6的二阶导数变化非常小并且几乎不可见。从G1连续性中计算出的再参数化也再次出现在对二阶导数进行比较时。当下式适用时，存在G2连续性，
│yT(HF-XTHGX+JFλ)y│＜ε，其中λ为实际输入参数并且其中，y∈R2是切线平面上的方向并且H是所谓的黑塞矩阵(＝二阶导数)。所有介绍的方法都基于对摩尔(Moore)-彭若斯(Penrose)-逆的计算，对于该计算已知许多数值稳定的方法。作为结果，对于每个方向获得一个对于曲率突变的值。这在图4中示出。
图4示出了在点9中从F过渡到G时的曲率变化的尺度(X轴)。在将曲线6与曲线5进行比较时看到，曲线(路径)6包含明显更小的曲率突变。此外，在图4中还可以看到在90°时的最大值，该最大值此外表明，在这个方向(90°)上，曲率突变将表现为最强的。这在图5中会再次说明。因此选择鉴于曲线6进行加工。
从图4和图5中还可以看出，根据路径程序和已驶过的路径或单路径，在0°与180°之间的每个任意角度都是可行的。
图6-8在另一个实例中示出了本发明。在这里选择G2连续性作为几何质量标准。
图6示例性地示出了具有棱边11的三维的实际工件10。根据现有技术的加工策略将生成在图7中所示的、曲折形的铣削路径12。
图8示出了根据本发明得出的用于加工的单路径优先方向，在下面也称为优先单路径13。在此，优先方向总是垂直于实际工件10的棱边11的。连接单路径14以合适的方式和方法连接相应的优先单路径13。然而不避免在加工这个实际工件10时的曲率突变。通过根据本发明得出优先单路径13，连接单路径14/优先单路径13具有至少一个相同的曲率特性。
由此产生类似的铣削图。

Claims (8)

1.一种控制方法，所述控制方法用于利用机床移动工具以通过加工生成任意的设定面，其中，由控制装置生成用于控制所述机床的数字的路径程序，所述路径程序描述了在加工点中利用所述工具对工件的加工，并且其中，路径由多个支撑点和多个单路径组成，并且每个单路径将一对所述支撑点相互连接，并且其中，按照生成的路径对所述机床进行控制，其中，根据几何质量标准评估并选择用于控制所述机床的所述路径程序，其中，所述几何质量标准至少包括通过所述路径程序生成的路径的连续性来作为一个标准，从而所述路径程序依据待加工工件的表面的几何属性来生成所述路径，
其特征在于，
-所述几何质量标准不仅包括曲率连续性标准和切线连续性标准还包括机床特性标准，其中，组合工具根据由这些标准组成的合适的组合计算、评估并且选择用于控制所述机床的所述路径程序，
-其中，所述路径包括不同的单路径，并且根据所述几何质量标准对每个所述单路径进行评估，
-根据所述几何质量标准所选择的单路径具有优先方向，并且
-根据所述单路径的所述优先方向选择所述路径。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，对于一个预设的设定面生成多个路径程序，并且鉴于所述几何形状质量标准对所述多个路径程序进行评估和选择。
3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述机床是切削机床。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述机床是铣床。
5.一种控制装置，所述控制装置用于利用机床移动工具以通过加工生成任意的设定面，其中，由所述控制装置能够生成用于控制所述机床的数字的路径程序，所述路径程序描述了在加工点中利用所述工具对工件的加工，并且其中，路径由多个支撑点和多个单路径组成，并且每个单路径将一对所述支撑点相互连接，并且，按照生成的路径对所述机床进行控制，其中，根据几何质量标准能够评估并选择用于控制所述机床的所述路径程序，并且其中，所述几何质量标准至少包括通过所述路径程序生成的路径的连续性来作为一个标准，从而通过所述路径程序能够依据待加工工件的表面的几何属性来生成所述路径，
其特征在于，
-所述几何质量标准不仅包括曲率连续性标准和切线连续性标准还包括特性标准，其中，通过组合工具根据由这些标准组成的合适的组合能够计算、评估并且选择出用于控制所述机床的所述路径程序，并且
-其中，所述路径包括不同的单路径，并且每个单路径都能够根据所述几何质量标准被评估和选择，并且根据几何质量标准所选择的单路径具有优先方向。
6.根据权利要求5所述的控制装置，其特征在于，对于一个预设的设定面能够生成多个路径程序，并且鉴于所述几何质量标准能够对所述多个路径程序进行评估和选择。
7.根据权利要求5或6所述的控制装置，其特征在于，所述机床是切削机床。
8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述机床是铣床。
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