DE102011108282A1

DE102011108282A1 - Numerische Steuerung für eine Mehrachsenmaschine zum Bearbeiten einer geneigten Bearbeitungsebene

Info

Publication number: DE102011108282A1
Application number: DE201110108282
Authority: DE
Inventors: Soichiro Ide; Osamu Hanaoka; Toshiaki Otsuki
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2031-07-22
Also published as: DE102011108282B4; CN102375432A; JP4945664B2; CN102375432B; JP2012032848A

Abstract

Eine Mehrachsenmaschine, die über eine numerische Steuerung gesteuert wird, verwendet zumindest drei Linearachsen zum Steuern der Position eines Werkzeugs relativ zu einem Werkstück, welches an einem Tisch befestigt ist, und drei Rotationsachsen zum Steuern der Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück, um die Bearbeitung an einer geneigten Bearbeitungsebene des Werkstücks durchzuführen. Eine Drei-Rotationsachsen-Berechnungseinheit, die eine Analyseeinheit bildet, berechnet die jeweiligen Positionen der drei Rotationsachsen, sodass ein Werkzeug-Koordinatensystem, das an dem Werkzeug anliegt und sich bewegt, wenn sich das Werkzeug bewegt, parallel zu einem Merkmal-Koordinatensystem ist, welches ein für die geneigte Bearbeitungsebene des Werkstücks repräsentatives Koordinatensystem ist. Die drei Rotationsachsen werden zu den berechneten Positionen verfahren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine numerische Steuerung zum Steuern einer Mehrachsenmaschine mit zumindest drei Linearachsen und zumindest drei Rotationsachsen und insbesondere eine numerische Steuerung, die dazu eingerichtet ist, um ein Merkmal-Koordinatensystem an einer geneigten Bearbeitungsebene eines Werkstücks zu steuern, welches an einem Tisch zu bearbeiten ist, und um die Rotationsachsen zu steuern, sodass ein Werkzeug-Koordinatensystem an einem Werkzeug parallel zu dem Merkmal-Koordinatensystem ist.
Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
Ein Verfahren zum Bearbeiten einer geneigten Bearbeitungsebene eines Werkstücks, welches für die Verwendung in einer Fünfachsenmaschine mit drei Linearachsen und zwei Rotationsachsen bestimmt ist, ist in der japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2005-305579 beschrieben. Fünfachsenmaschinen können grob in drei Bauarten klassifiziert werden: eine Werkzeugkopfrotationsbauart, eine Drehtischbauart und eine gemischte Bauart (in der sowohl ein Werkzeugkopf als auch ein Tisch drehbar sind).
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Mehrachsenmaschine mit zumindest drei Linearachsen und zumindest drei Rotationsachsen anwendbar und nicht auf eine Fünfachsenmaschine. Die 1 bis 4 zeigen Beispiele der Mehrachsenmaschine, die durch eine numerische Steuerung der Erfindung gesteuert wird. Das in 2 gezeigte Beispiel ist eine gemischte Zweiachsentischbauart, in der ein Tisch um zwei Rotationsachsen gedreht wird und ein Werkzeugkopf um eine einzelne Achse gedreht wird. Das in 3 gezeigte Beispiel ist eine gemischte Zweiachsenwerkzeugkopfbauart, in der ein Werkzeugkopf um zwei Rotationsachsen gedreht wird und ein Tisch um eine einzelne Rotationsachse gedreht wird. Das in 4 gezeigte Beispiel zeigt eine Drehtischbauart, bei der ein Tisch um drei Rotationsachsen gedreht wird.
Die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009-301232 , die der DE 10 2009 003 A1 entspricht, offenbart eine numerische Steuerung zur Werkzeugphasensteuerung, die in der Lage ist, eine Koordinatentransformation (Bearbeitungsbefehl der geneigten Bearbeitungsebene) für einen Werkzeugmittelpunkt-Steuerungsbefehl durchzuführen, mitsamt der Steuerung einer Werkzeugphase mit einer dritten Rotationsachse.
Ein Befehl für eine Bearbeitung mit einer geneigten Bearbeitungsebene an einem Werkstück bezeichnet man als einen ”geneigte Bearbeitungsebene-Bearbeitungsbefehl”, und ein Koordinatensystem für eine geneigte Bearbeitungsebene, das durch den geneigten Bearbeitungsebene-Bearbeitungsbefehl angesteuert wird, bezeichnet man als ein ”Merkmal-Koordinatensystem”.
Ein Koordinatensystem, das an einem Werkzeug liegt und sich zusammen mit dem Werkzeug bewegt, bezeichnet man als ”Werkzeug-Koordinatensystem”. Ein Werkzeug-Koordinatensystem ist eigens ein Koordinatensystem, das die Richtungen der Bewegung eines Werkzeugs entlang der X-, Y- und Z-Achsen darstellt, wenn sich die drei Rotationsachsen jeweils in ihrer Referenzposition befinden.
Wenn das Werkzeug entlang der Z-Achse ausgerichtet ist, wenn sich beispielsweise die Rotationsachsen seines Kopfes an den Referenzpositionen A = A₀ und B = B₀ in der Maschine aus 3 befinden, dann kann das Werkzeug-Koordinatensystem durch (Xt, Yt, Zt) aus 5 dargestellt werden, und es ändert sich, wenn sich die X-, Y und Z-Achsen und die A- und B-Achsen bewegen, wie in 6 dargestellt. Ein ”Maschinen-Koordinatensystem” ist ein Koordinatensystem, das zu der Maschine festgelegt ist. In der ohne Werkzeugkopfrotationsachse dargestellten Maschine aus 4, beispielsweise, gilt ferner ein Koordinatensystem, das durch (Xt, Yt, Zt) aus 7 dargestellt wird, als ”Werkzeug-Koordinatensystem”.
In einigen Fällen der Bearbeitung mit einer geneigten Bearbeitungsebene, wie in den folgenden Fällen (1) und (2), ist es wichtig, die Parallelbeziehung zwischen dem Merkmal-Koordinatensystem und dein Werkzeug-Koordinatensystem beizubehalten.
(1) Eine Bearbeitung in einem Fall, in dem es wichtig ist, die Beziehung zwischen dem Merkmal-Koordinatensystem und der Werkzeugphase aufrecht zu erhalten.
Eine Technik für eine Fiber-Placement-Verarbeitung mittels einer Fiber-Placement-Maschine (Faserplatzierungsmaschine) ist in der japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009-301232 beschrieben. Es ist notwendig, die Rollenausrichtung (Werkzeugphase) senkrecht zu der XY-Befehlsrichtung in einem Merkmal-Koordinatensystem an einer geneigten Bearbeitungsebene zu halten, und die Rollenausrichtung wird gesteuert, was durch eine dritte Rotationsachse erreichen wird. Wenn die Werkzeug- und Merkmal-Koordinatensysteme gemäß der vorliegenden Erfindung parallel ausgerichtet werden können, dann ist die spezielle Steuerung mit Hilfe der dritten Rotationsachse überflüssig, wie in der japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009-301232 beschrieben ist.
Jedoch wird mit der vorliegenden Erfindung beabsichtigt, eine Werkzeugmaschine mit drei Rotationsachsen zum Steuern der Ausrichtung eines Werkzeugs relativ zu einem Werkstück bereitzustellen. Andererseits weist die Maschine, die in der japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009-301232 beschrieben ist, zwei Rotationsachsen zum Steuern der Werkzeugausrichtung und die dritte Rotationsachsen zum Steuern der Rollenausrichtung (Werkzeugphase) auf. Somit ist die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009-301232 eine wirkungsvolle Technik für die Maschine dieser Bauart.
(2) Eine Bearbeitung in einem Fall, ind em es vorzuziehen ist, die XY-Richtung des Merkmal-Koordinatensystems parallel zu der XY-Richtung des Werkzeug-Koordinatensystems auszurichten.
Bei der in 7 beispielhaft gezeigten Bearbeitung eines rechteckigen Pfads im Merkmal-Koordinatensystem (Xf, Yf) unter Verwendung einer Mehrachsenmaschine der Drehtischbauart aus 4, können die X- und Y-Achsen des Werkzeug-Koordinatensystems (Xf, Yf) (in diesem Beispiel identisch mit den X- und Y-Achsen des Maschinen-Koordinatensystems) gleichzeitig betrieben werden, um die Bearbeitung ohne die Veränderung der Lagebeziehung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug aus 7 durchzuführen.
Jedoch sollten während der Bearbeitung die (Xf, Yf)-Richtungen des Merkmal-Koordinatensystems vorzugsweise parallel zu den XY-Richtungen des Werkzeug-Koordinatensystems ausgerichtet werden, wie in 8 dargestellt. Wenn die Bearbeitung mit der Lagebeziehung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug ausgeführt wird, wie in 7 dargestellt, dann werden in diesem Fall die X- und Y-Achsen gleichzeitig betrieben, sodass bei beiden ein Spiel auftritt, was eine etwas unstabile Bearbeitung zur Folge hat. Wenn während der Bearbeitung die (Xf, Yf)-Richtungen des Merkmal-Koordinatensystems parallel zu den (Xt, Yt)-Richtungen des Werkzeug-Koordinatensystems ausgerichtet werden, wie in 8 dargestellt, dann erfährt nur die X-Achse ein Spiel und nur eine Achse wird angesteuert, sodass die Bearbeitung etwas stabilisiert ist und hochgenau wird. Obwohl dies ein sehr einfaches Beispiel ist, werden viele Programme für CAM in der Regel unter der Annahme erstellt, dass die (Xf, Yf)-Richtungen des Merkmal-Koordinatensystems parallel zu den (Xt, Yt)-Richtungen des Werkzeug-Koordinatensystems sind. Somit sollten vorzugsweise während der Bearbeitung die (Xf, Yf)-Richtungen des Merkmal-Koordinatensystems parallel zu den (Xt, Yt)-Richtungen des Werkzeug-Koordinatensystems ausgerichtet werden.
In Anbetracht der Maschinenstruktur kann zudem der Hub jeder Achse irgendwann überschritten werden, sofern nicht die (Xf, Yf, Zf)-Richtungen des Merkmal-Koordinatensystems parallel zu den (Xt, Yt, Zt)-Richtungen des Werkzeug-Koordinatensystems ausgerichtet sind. Im Fall einer Fünfachsenmaschine können die (Xf, Yf, Zf)-Richtungen gewöhnlich nicht parallel zu den (Xt, Yt, Zt)-Richtungen ausgerichtet werden aufgrund der Knappheit der Anzahl der Achsen. In diesem Zusammenhang ist die Erzeugung eines ”Drehwinkels um die Z-Achse” in der japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2005-305579 beschrieben. Da sich die (Xf, Yf)-Richtungen des Merkmal-Koordinatensystems relativ zu den (Xt, Yt)-Richtungen des Werkzeug-Koordinatensystems um diesen Winkel drehen, können diese Richtungen (Xf, Yf) und (Xt, Yt) nicht parallel zueinander ausgerichtet werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Wie oben beschrieben besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine numerische Steuerung für eine Werkzeugmaschine bereitzustellen, die zumindest drei Linearachsen und zumindest drei Rotationsachsen zum Steuern der Ausrichtung eines Werkzeugs relativ zu einem Werkstück verwendet, wobei die (Xf, Yf, Zf)-Richtungen eines Merkmal-Koordinatensystems und die (Xt, Yt, Zt)-Richtungen eines Werkzeug-Koordinatensystems parallel ausgerichtet werden können, in Antwort auf jeglichen Merkmal-Koordinatensystembefehl.
Eine numerische Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung steuert eine Mehrachsenmaschine, welche zumindest drei Linearachsen zum Steuern der Position eines Werkzeugs relativ zu einem Werkstück verwendet, welches an dem Tisch angebracht ist, und zumindest drei Rotationsachsen zum Steuern der Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück verwendet, um die Bearbeitung an der geneigten Bearbeitungsebene des Werkstücks durchzuführen. Diese numerische Steuerung umfasst: ein Merkmal-Koordinatensystem-Befehl-Analysemittel zum Analysieren eines Befehls eines Merkmal-Koordinatensystems, welches ein für die geneigte Bearbeitungsebene des Werkstücks repräsentatives Koordinatensystem ist, ein Werkzeug-Koordinatensystem-Steuerungbefehl-Analysemittel zum Analysieren eines Werkzeug-Koordinatensystem-Steuerungsbefehls, der ein Befehl zum Betreiben der drei Rotationsachsen ist, sodass ein Werkzeug-Koordinatensystem, welches an dem Werkzeug liegt und sich bewegt, wenn sich das Werkzeug bewegt, parallel zu dem Merkmal-Koordinatensystem ist, ein Drei-Rotationsachsen-Berechnungsmittel zum Berechnen der jeweiligen Positionen der drei Rotationsachsen, sodass das Werkzeug-Koordinatensystem parallel zu dem Merkmal-Koordinatensystem ist als Antwort auf den Werkzeug-Koordinatensystem-Steuerungsbefehl, und Mittel zum Antreiben der drei Rotationsachsen zu den Positionen, die von dem Drei-Rotationsachsen-Berechnungsmittel erhalten werden.
Die numerische Steuerung kann weiterhin ein Drei-Linearachsen-Berechnungsmittel umfassen zum Berechnen von Korrekturbewegungen der drei Linearachsen für jeden Interpolationszeitraum, derart, dass die Position des Werkzeugmittelpunkts beibehalten wird, auch wenn sich die drei Rotationsachsen zu von dem Drei-Rotationsachsen-Berechnungsmittel erhaltenen Positionen bewegen, in einem Tisch-Koordinatensystem, welches an dem Tisch anliegt und sich bewegt, wenn der Tisch sich bewegt, und Mittel zum Antreiben der drei Linearachsen durch die von dem Drei-Linearachsen-Berechnungsmittel erhaltenen Korrekturbewegungen.
Die Mehrachsenmaschine kann sein: eine Sechsachsenmaschine, die drei Rotationsachsen zum Drehen des Werkzeugkopfes verwendet, eine Sechsachsenmaschine, die zwei der drei Rotationsachsen zum Drehen eines Tisches und die verbleibende Rotationsachse zum Drehen des Werkzeugkopfs verwendet, eine Sechsachsenmaschine, die zwei der drei Rotationsachsen zum Drehen des Werkzeugkopfs und die verbleibende Rotationsachse zum Drehen des Tisches verwendet, oder eine Sechsachsenmaschine, die die drei Rotationsachsen zum Drehen des Tisches verwendet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine numerische Steuerung für eine Werkzeugmaschine bereitgestellt werden, die zumindest drei Linearachsen und zumindest drei Rotationsachsen zum Steuern der Ausrichtung eines Werkzeugs verwendet, wobei die (Xf, Yf, Zf)-Richtungen eines Merkmal-Koordinatensystems und die (Xt, Yt, Zt)-Richtungen eines Werkzeug-Koordinatensystems parallel ausgerichtet werden können in Erwiderung auf jeglichen Merkmal-Koordinatensystembefehl.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Darstellung, in der ein Beispiel für eine Werkzeugkopfrotationsbauart dargestellt ist, in dem ein Werkzeugkopf um drei Rotationsachsen gedreht wird;
2 ist eine Darstellung, in der ein Beispiel für eine gemischte Zweiachsentischbauart veranschaulicht ist, in der ein Tisch durch zwei Rotationsachsen und ein Werkzeugkopf durch eine einzelne Achse gedreht wird;
3 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer gemischten Zweiachsenwerkzeugkopfbauart veranschaulicht, in der ein Werkzeugkopf durch zwei Rotationsachsen und ein Tisch durch eine einzelne Rotationsachse gedreht wird;
4 ist eine Darstellung, in der ein Beispiel für eine Drehtischbauart dargestellt ist, in der ein Tisch durch drei Rotationsachsen gedreht wird;
5 ist eine Darstellung, in der ein Werkzeug-Koordinatensystem in der gemischten Zweiachsenwerkzeugkopfbauart aus 3 veranschaulicht Wird;
6 ist eine Darstellung, die veranschaulicht, wie sich das Werkzeug-Koordinatensystem ändert, wenn sich die X-, Y-, Z-, A- und B-Achsen bewegen;
7 ist eine Darstellung, die einen Fall darstellt, bei dem ein rechteckiger Pfad in einem Merkmal-Koordinatensystem (Xf, Yf) mit einer Mehrachsenmaschine der Drehtischbauart aus 4 bearbeitet wird;
8 ist eine Darstellung, die veranschaulicht, dass es wünschenswert ist, während der Bearbeitung die (Xf, Yf)-Richtungen des Merkmal-Koordinatensystems parallel zu den (Xf, Yf)-Richtungen des Werkzeug-Koordinatensystems auszurichten;
9 ist eine Darstellung, die veranschaulicht, wie ein Maschinen-Koordinatensystem, das Tisch-Koordinatensystem und das Merkmal-Koordinatensystem miteinander zusammenhängen;
10 zeigt ein Beispiel für einen Programmbefehl mit einem Block zum Anweisen eines geneigten Bearbeitungsebene-Bearbeitungsbefehlsmodus;
11 ist eine Darstellung, die Korrekturbewegungen veranschaulicht, welche durch eine Werkzeugkopfrotation erzeugt werden;
12 ist eine Darstellung, die Korrekturbewegungen veranschaulicht, welche durch eine Tischrotation erzeugt werden;
13 ist ein Funktionsblockdiagramm einer numerischen Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung;
14 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf in einer Merkmal-Koordinatensystem-Befehls-Analyseeinheit, Werkzeug-Koordinatensystem-Steuerungbefehl-Analyseeinheit und Drei-Rotationsachsen-Berechnungseiriheit veranschaulicht;
15 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf in einer Drei-Linearachsen-Berechnungseinheit veranschaulicht; und
16 ist ein Blockdiagramm einer numerischen Steuerung für eine Mehrachsenmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die eine geneigte Bearbeitungsebene bearbeitet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
A-, B- und C-Achsen werden als drei Rotationsachsen verwendet und sind in dieser Reihenfolge in der Reihenfolge vom Werkzeug zum Tisch in einer Maschinenkonfiguration angeordnet. Wenn der Tisch eine Mehrzahl von Rotationsachsen aufweist, dann kreuzen sie sich untereinander. Wenn ein Werkzeugkopf eine Mehrzahl von Rotationsachsen aufweist, dann kreuzen sich diese Rotationsachsen untereinander und kreuzen ebenfalls die Mittelachse des Werkzeugs. In diesem Fall befindet sich der Ursprung eines Werkzeug-Koordinatensystems an der Position des Schnittpunkts zwischen diesen Rotationsachsen. Wenn der Werkzeugkopf eine einzelne Rotationsachse aufweist, dann befindet sich der Ursprung des Werkzeug-Koordinatensystems an der Position des Schnittpunkts zwischen der Rotationsachse und der Mittelachse des Werkzeugs. Wenn der Werkzeugkopf keine Rotationsachse aufweist, dann befindet sich der Ursprung des Werkzeug-Koordinatensystems an der Position des Schnittpunkts zwischen der Mittelachse des Werkzeugs und einer Stirnseite des Werkzeugkopfs. Wenn der Tisch eine Vielzahl von Rotationsachsen aufweist, dann befindet sich der Ursprung (P0) des Tisch-Koordinatensystems an der Position des Schnittpunkts zwischen den Tischrotationsachsen. Wenn der Tisch eine einzelne Rotationsachse aufweist, dann befindet sich der Ursprung (P0) an einer geeigneten Position an der Drehachse. Somit bezeichnet man ein Koordinatensystem, das sich bewegt, wenn sich der Tisch bewegt, als ein ”Tisch-Koordinatensystem”. Wenn der Tisch keine Rotationsachsen aufweist (Werkzeugkopfrotationsbauart), dann befindet sich der Ursprung des Tisch-Koordinatensystems an einer Position mit einem Abstand P₀ von dem Ursprung eines Maschinen-Koordinatensystems.
Eine Referenzposition basierend auf den A-, B-, und C-Achsen ist eine Position, an der A = 0, B = 0 und C = 0 (Grad) ist, und in diesem Zustand wird angenommen, dass die Tisch- und Werkzeug-Koordinatensysteme parallel zu dem Maschinen-Koordinatensystem sind. Wenn ferner in dieser Situation ein Merkmal-Koordinatensystem als (Xf, Yf, Zf) definiert ist, wird angenommen, dass ein Xf-Richtungs-Einheitsvektor im Tisch-Koordinatensystem i(ix, iy, iz)^T ist. Ebenfalls wird angenommen, dass ein Zf-Richtungs-Einheitsvektor in dem Tisch-Koordinatensystem k(kx, ky, kz)^T ist (siehe 9). Da ^T eine Transposition darstellt, wird es nicht speziell beschriftet sofern offensichtlich.
Die vorangehend beschriebenen japanischen Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern 2005-305579 und 2009-301232 beschreiben Verfahren zum Anweisen eines Merkmal-Koordinatensystems. Eines dieser Verfahren verwendet einen Tangentialvektor (in Xf-Richtung) und einen Normalenvektor (in Zf-Richtung) zum Anweisen des Systems. Das andere Verfahren verwendet den Euler-Winkel für denselben Zweck. Es gibt verschiedene andere Befehlsverfahren, die Roll-Nick-Gier-Winkel, einen Projektionswinkel, Dreipunktpositionsdaten oder eine Werkzeugausrichtung verwenden. In diesem Fall ist eine Position, in der A = 0, B = 0 und C = 0 (Grad) ist, als Referenzposition eingestellt, jedoch wenn eine andere Position als Referenzposition eingestellt werden soll, dann wird die Lage einer Position, in der ”A = 0, B = 0 und C = 0 (Grad)” ist, durch die vorangehend genannte andere Position ersetzt.
Nachfolgend befindet sich eine Beschreibung eines Befehlsprogramms.
Das Befehlsprogramm ist ein in 10 veranschaulichter Befehl. G 68.2 ist ein G-Code zum Anweisen eines Bearbeitungsbefehlsmodus einer geneigten Bearbeitungsebene. Die Ursprungsposition (Pf aus 9) des Merkmal-Koordinatensystems wird durch X_Y_Z_ eines G 68.2 Blocks auf das Tisch-Koordinatensystem angewiesen und der Neigungswinkel des Merkmal-Koordinatensystems wird durch I_J_K_ angewiesen. Auf diese Weise wird das Merkmal-Koordinatensystem (Xf, Xf, Zf) angewiesen.
Der G 68.2 Block ist ein Merkmal-Koordinatensystembefehl, der durch die Merkmal-Koordinatensystem-Befehl-Analyseeinheit analysiert wird. Der Neigungswinkel kann durch verschiedene Verfahren angewiesen werden, die den Euler-Winkel, die Roll-Nick-Gier-Winkel etc. verwenden. G 53.1 ist ein Werkzeug-Koordinatensystem-Steuerungsbefehl zum Betätigen der Rotationsachsen, sodass die (Xf, Yf, Zf)-Richtungen des Merkmal-Koordinatensystems parallel zu den (Xt, Yt, Zt)-Richtungen des Werkzeug-Koordinatensystems sind. Dieser Block wird von einer Werkzeug-Koordinatensystem-Steuerungbefehl-Analyseeinheit analysiert.
G 69 ist ein Befehl zum Löschen des geneigten Bearbeitungsebene-Befehlsmodus. Während dieses Befehls können normallineare- und kreisbogenförmige Interpolationen auf das Merkmal-Koordinatensystem befehligt werden und der X_Y_Z_Befehl zeigt seine maßgebliche Bearbeitungsbefehlsposition an.
Nachfolgend befindet sich eine Beschreibung von Berechnungsverfahren.
(1) Berechnungsverfahren für Rotationsachsen
Wenn die jeweiligen Positionen der drei Rotationsachsen berechnet werden, sodass das Werkzeug-Koordinatensystem parallel zu dem Merkmal-Koordinatensystem ausgerichtet ist, dann werden At, Bt und Ct erhalten durch Lösen der folgenden Gleichungen (1) in Verbindung mit (ix, iy, iz), (kx, ky, kz), At, Bt und Ct. Dies ist eine Berechnung in einer Dreirotationsachsenberechnungseinheit (siehe 13 und 14).
Wenn Rat, Rbt und Rct miteinander multipliziert werden, dann werden die A-, B- und C-Achsen als Rotationsachsen um jeweils At, Bt und Ct gedreht, sodass eine Rotationstransformation von dem Werkzeug-Koordinatensystem zu dem Tisch-Koordinatensystem durchgeführt wird. Somit ist das Lösen der Gleichungen (1) gleichbedeutend mit dem Erhalt der jeweiligen Positionen At, Bt und Ct der A-, B- und C-Rotationsachsen, derart, dass die X-Richtung (1, 0, 0) und Z-Richtung (0, 0, 1) des Tisch-Koordinatensystems jeweils die Xf-Richtung (ix, iy, iz) und Zf-Richtung (kx, ky, kz) des Merkmal-Koordinatensystems werden, angewiesen auf das Tisch-Koordinatensystem durch die Rotationstransformation vom Werkzeug-Koordinatensystem zum Tisch-Koordinatensystem, was erreicht wird, wenn die A-, B- und C-Rotationsachsen gedreht werden.
Diese kann gemäß der nachfolgenden Gleichungen (2) gelöst werden. Dieses Lösungsverfahren ist lediglich beispielhaft und kann durch ein anderes ersetzt werden. Bt = –arcsin(iz) Ct = arcsin(iy/cosBt) At = arccos(kz/cosBt) (2)
Mehrere Befehle zum Bewegen der A-, B- und C-Rotationsachsen zu den erhaltenen Positionen At, Bt und Ct werden erzeugt und die A-, B- und C-Achsen werden als Antwort auf diese Befehle bewegt, wobei das Werkzeug-Koordinatensystem parallel zu dem Merkmal-Koordinatensystem ausgerichtet werden kann.
(2) Berechnungsverfahren für Linearachsen zum Halten eines Werkzeugmittelpunkts
Wenn die drei Rotationsachsen zu den Positionen bewegt werden, die oben erhalten werden, dann dreht sich der Werkzeugkopf oder der Tisch. Wenn die drei Linearachsen sich nicht bewegen, wenn dies erfolgt, dann bewegt sich der Werkzeugmittelpunkt im Tisch-Koordinatensystem. Wenn der Werkzeugmittelpunkt durch einen Rotationsachsentätigkeit bewegt wird, dann kann er möglicherweise das Werkstück oder Ähnliches berühren, von dem in einigen Fällen nicht erwartet wird, dass es sich bewegt. In diesen Fällen führen auch die drei Linearachsen Korrekturbewegungen aus, derart, dass der Werkzeugmittelpunkt in dem Tisch-Koordinatensystem gehalten wird, wenn die drei Rotationsachsen betätigt werden.
G 53.6 wird als Programmbefehl anstelle des in 10 gezeigten G 53.1 aufgeführt. Der G 53.6 ist auch ein Befehl, der die Rotationsachsen betätigt, sodass die (Xf, Yf, Zf)-Richtungen des Merkmal-Koordinatensystems parallel zu den (Xt, Yt, Zt)-Richtungen des Werkzeug-Koordinatensystems sind und der die drei Linearachsen ebenfalls zum Ausführen von Korrekturbewegungen veranlasst, derart, dass die Werkzeugmittelpunktposition im Tisch-Koordinatensystem beibehalten wird. Dies ist ebenfalls ein Werkzeug-Koordinatensystem-Steuerungsbefehl.
Nachfolgend befindet sich eine Beschreibung eines Verfahrens zum Berechnen von Korrekturbewegungen der drei Linearachsen.
(2-1) Korrekturbewegungen erzeugt durch eine Werkzeugkopfrotation
Korrekturbewegungen Cmh (Cmhx, Cmhy, Cmhz) der drei Linearachsen, welche erzeugt werden, wenn sich der Werkzeugkopf dreht, werden gemäß der folgenden Gleichung (3) berechnet. Diese Berechnung wird für jeden Interpolationszeitraum durchgeführt. In diesem Fall werden die Korrekturbewegungen Cmh der drei Linearachsen berechnet, die in den Interpolationszeiträumen t1 und t2 erzeugt werden. Dies sind Bewegungen, die durch Invertierbewegungen des Werkzeugmittelpunkts erhalten werden, die erzeugt werden, wenn sich der Werkzeugkopf dreht, wie in 11 dargestellt.
T0 ist ein Werkzeuglängenkompensationsvektor (Referenz-Werkzeuglängenkompensationsvektor) an der Referenzposition A = 0, B = 0 und C = 0. TI1 ist ein Werkzeuglängenkompensationsvektor an der Rotationsachsenposition A = A1, B = B1 und C = C1 im Interpolationszeitraum t1 und der durch Rh1 × T0(TI1 = Rh1 × T0) bestimmt ist. TI2 ist ein Werkzeuglängenkompensationsvektor an der Rotationsachsenposition, an der A = A2, B = B2 und C = C2 ist, im Interpolationszeitraum t2 und der durch Rh2 × T0 (Tl2 = Rh2 × T0) bestimmt ist. Rhα ist das Produkt der Matrizen basierend auf den Rotationsachsenpositionen in den Interpolationszeiträumen tα (α = 1, 2) für die Rotationsachsen im Zusammenhang mit der Werkzeugkopfrotation, aus Rcα, Rbα und Raα (α = 1, 2). Somit ist in dem Beispiel der 1 Rhα = Rcα × Rbα × Raα. In dem Beispiel der 2 ist Rhα = Raα. In dem Beispiel der 3 ist Rhα = Rbα × Raα. In dem Beispiel der 4 ist Rhα eine Einheitsmatrix. Rcα, Rbα und Raα (α = 1, 2) werden wie folgt bestimmt:
(2-2) Korrekturbewegungen erzeugt durch die Tischrotation
Korrekturbewegungen Cmt (Cmtx, Cmty, Cmtz) der drei Linearachsen, die erzeugt werden, wenn sich der Tisch dreht, werden gemäß der nachfolgenden Gleichung (5) berechnet. Diese Berechnung wird für jeden Interpolationszeitraum durchgeführt. In diesem Fall werden die Korrekturbewegungen Cmt der drei Linearachsen berechnet, die in den Interpolationszeiträumen t1 und t2 erzeugt werden. Dieses sind Bewegungen, die den Werkzeugmittelpunkt dazu veranlassen, der Tischrotation zu folgen, um die Relativpositionen des Tisches zu dem Werkzeugmittelpunkt beizubehalten, wie in 12 dargestellt.
Rtα ist ein Produkt der Matrizen basierend auf den Rotationsachsenpositionen Aα, Bα und Cα(α = 1, 2) in den Interpolationsreiträumen tα (α = 1, 2) für die Rotationsachsen im Zusammenhang mit der Tischrotation, aus Rcα, Rbα und Raα (α = 1, 2). Somit ist in dem in 1 gezeigten Beispiel Rcα eine Einheitsmatrix. In dem in 2 gezeigten Beispiel ist Rtα = Rcα × Rbα. In dem in 3 gezeigten Beispiel ist Rtα = Rcα. In dem in 4 gezeigten Beispiel ist Rtα = Rcα × Rbα × Raα. Rtα^–1 ist eine invertierte Matrix basierend auf diesen Matrizen. Rcα, Rbα und Raα (α = 1, 2) sind in der Gleichung (4) beschrieben.
Tp ist ein Werkzeugmittelpunkstvektor (Vektor an dem Tisch-Koordinatensystem ausgerichtet von dem Tisch-Koordinatensystem (Ursprung des Tisch-Koordinatensystems) zum Werkzeugmittelpunkt), der auf den G 53.6 Befehl reagiert und der gemäß der Gleichung (6) berechnet wird.
Tl ist ein Werkzeuglängenkompensationsvektor in dem Maschinen-Koordinatensystem reagierend auf den G 53.6 Befehl, Pm ist eine X-, Y- oder Z-Achsenposition in dem Maschinen-Koordinatensystem reagierend auf den G 53.6 Befehl und P0 ist der Ursprung des Tisch-Koordinatensystems in dem Maschinen-Koordinatensystem.
Rhc ist das Produkt der Matrizen basierend auf den Rotationsachsenpositionen im Zusammenhang mit der Werkzeugkopfrotation reagierend auf den G 53.6 Befehl. Wenn die A-, B- und C-Achsenpositionen folglich jeweils Ac, Bc und Cc sind, reagierend auf den G 53.6 Befehl, dann ergibt sich Rhc = Rcc × Rbc × Rac aus dem Beispiel der 1. In dem Beispiel der 2 ist Rhc = Rhc. In dem Beispiel der 3 ist Rhc = Rbc × Rac. In dem Beispiel der 4 ist Rhc eine Einheitsmatrix. Ebenso ist Rtc das Produkt der Matrizen basierend auf den Rotationsachsenpositionen im Zusammenhang mit der Tischrotation reagierend auf den G 53.6 Befehl. Somit ist Rtc aus dem Beispiel der 1 eine Einheitsmatrix. In dem Beispiel der 2 ist Rtc Rcc × Rbc. In dem Beispiel der 3 ist Rtc = Rcc. In dem Beispiel der 4 ist Rtc = Rcc × Rbc × Rac. Tp = Rtc·(Pm – Tl – PO) Tl = Rhc·TO (6)
Rac, Rbc und Rcc, wie jene aus der Gleichung (4), sind wie folgt bestimmt:
12 zeigt ein Diagramm, welches eine Mehrachsenmaschine darstellt, in der ein Werkzeugkopf und ein Tisch ihre entsprechenden Rotationsachsen haben. Der Werkzeugkopf und der Tisch haben jeweils eine einzelne Rotationsachse. Obwohl sich die entsprechenden Mitten dieser zwei Rotationsachsen als parallel zueinander in dieser Diagrammdarstellung zeigen, sind sie so in einer vereinfachten Darstellung gezeigt. Gewöhnlich sind ein Werkzeugkopf und ein Tisch angeordnet, sodass ihre jeweiligen Rotationsmittelachsen nicht parallel zueinander sind und jeder weist zwischen null und drei Rotationsachsen auf, wie in den 1 bis 4 dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind jedoch eine Rotationsachse des Werkzeugkopfs und eine Rotationsachse des Tisches, von denen die Rotationsmittelachsen senkrecht zu der Zeichenebene sind, einheitlich und konzeptionell dargestellt.
(2-3) Ganzheitliche Korrekturbewegungen
Korrekturbewegungen, die durch Werkzeugkopfrotation und Tischrotation erzeugt werden, sind gemäß der Gleichung (8) ganzheitliche Korrekturbewegungen. Sie sind Korrekturbewegungen Cmc (Cmcx, Cmcy, Cmcz) der drei Linearachsen, die die Werkzeugmittelpunktposition aufrechterhalten basierend auf einer Berechnung durch eine Drei-Linearachsen-Berechnungseinheit. Die drei Linearachsen werden durch die Korrekturbewegungen verschoben für jeden Interpolationszeitraum mit t1 für den vorangehenden Interpolationszeitraum und t2 für den gegenwärtigen Interpolationszeitraum. Cmc = Cmh + Cmt (8)
In Allgemeinen ist eine numerische Steuerung zum Steuern einer Werkzeugmaschine eingerichtet, um ein Befehlsprogramm 81 durch eine Analyseeinheit 82 zu analysieren und durch eine Interpolationseinheit 83 zu interpolieren und um die Servos bzw. Servoeinrichtungen 90x, 90y, 90z, 90a, 90b und 90c für die einzelnen Achsen anzutreiben. Gemäß der vorliegenden Erfindung gehören zu der Analyseeinheit 82 die Merkmal-Koordinatensystem-Befehl-Analyseeinheit 84, die Werkzeug-Koordinatensystem-Steuerungbefehl-Analyseeinheit 85 und die Drei-Rotationsachsen-Berechnungseinheit 86. Andererseits gehört die Drei-Linearachsen-Berechnungseinheit 87 zu der Interpolationseinheit 83 (siehe 13).
14 zeigt ein Flussdiagramm, das die Abläufe in der Merkmal-Koordinatensystem-Befehl-Analyseeinheit 84, der Werkzeug-Koordinaten-Steuerungbefehl-Analyseeinheit 85 und der Drei-Rotationsachsen-Berechnungseinheit 86 zeigt. Wie in diesem Flussdiagramm dargestellt, wird der Ablauf der Merkmal-Koordinatensystem-Befehl-Analyseeinheit 84 im Schritt SA 100 durchgeführt und der Ablauf der Werkzeug-Koordinatensystem-Steuerungbefehl-Analyseeinheit 85 und der Drei-Rotationsachsen-Berechnungseinheit 86 wird im Schritt SA 101 durchgeführt. In dem Schritt SA 100 wird der Merkmal-Koordinatensystem-Befehl analysiert, um die Xf-Richtung (ix, iy, iz) und die Zf-Richtung (kx, ky, kz) des Merkmal-Koordinatensystems (Xf, Yf, Zf) zu erhalten. In dem Schritt SA 101 wird der Werkzeug-Koordinatensystem-Steuerungsbefehl analysiert, um die Positionen At, Bt und Ct von den vorangehend beschriebenen Gleichungen (1) und (2) zu erhalten und die Bewegungsbefehle werden zum Verschieben der A-, B- und C-Achsen zu den Positionen At, Bt und Ct erzeugt.
15 zeigt die Drei-Linearachsen-Berechnungseinheit 87. Bei T0 aus Gleichung (3) und Tp und Tl aus Gleichung (6) wird angenommen, dass sie separat erhalten wurden. Bei den A-, B- und C-Achsenpositionen A1, B1 und C1 aus dem vorangehenden Interpolationszeitraum t1 wird angenommen, dass sie separat erhalten wurden durch, zum Beispiel, die Speicherung der Positionen der einzelnen Achsen aus dem vorangehenden Interpolationszeitraum.
Die A-, B- und C-Achsenpositionen A2, B2 und C2 aus dem gegenwärtigen Interpolationszeitraum t2 werden im Schritt SB 100 erhalten. Gemäß der vorangehenden Gleichung (3) werden die Korrekturbewegungen Cmh der drei Linearachsen im Schritt SB 101 berechnet, die durch die Werkzeugkopfrotation erzeugt werden. Gemäß der vorangehenden Gleichung (5) werden die Korrekturbewegungen Cmt der drei Linearachsen im Schritt SB 102 berechnet, die durch die Tischrotation erzeugt werden. Gemäß der vorangehenden Gleichung (8) werden die ganzheitlichen Korrekturbewegungen Cmc der drei Linearachsen im Schritt SB 103 berechnet und als Bewegungen der drei Linearachsen definiert.
16 zeigt ein Blockdiagramm einer numerischen Steuerung für Mehrachsenmaschinen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die eine geneigte Bearbeitungsebene bearbeitet. Diese numerische Steuerung für eine Mehrachsenmaschine 100 kann die Abläufe der Flussdiagramme der 14 und 15 ausführen und damit die Bearbeitung einer geneigten Bearbeitungsebene eines Werkstücks.
Die CPU 11 ist ein Prozessor zum allgemeinen Steuern der numerischen Steuerung. Die CPU 11 liest ein Systemprogramm über einen Bus 20 ein, welches in einem ROM 12 gespeichert ist, und steuert die gesamte numerische Steuerung 100 in Abhängigkeit des gelesenen Systemprogramms. Temporäre Berechnungsdaten und Anzeigedaten und verschiedene Daten, die über eine LCD/MDI Einheit 70 von einem Bediener eingegeben werden, werden in einem RAM 13 gespeichert.
Ein SRAM Speicher 14 ist als ein nichtflüchtiger Speicher ausgebildet, der batteriegestützt (nicht dargestellt) ist und einen Speicherzustand aufrechterhalten kann, auch wenn die numerische Steuerung 100 ausgestaltet ist. Ein über eine Schnittstelle 15 eingelesenes Bearbeitungsprogramm, ein über die LCD/MDI Einheit 70 eingegebenes Bearbeitungsprogramm, etc. sind in dem SRAM Speicher 14 gespeichert. Die Bearbeitungsprogramme, mit denen eine geneigte Bearbeitungsebene durch die numerische Steuerung für eine Mehrachsenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung bearbeitet wird, können durch die Schnittstelle 15 oder die LCD/MDI Einheit 70 eingegeben werden und in den SRAM Speicher 14 geladen werden.
Weiterhin werden unterschiedliche Systemprogramme zum Durchführen einer Bearbeitung im Bearbeitungsmodus, die für die Erstellung und Bearbeitung der Bearbeitungsprogramme notwendig sind, und zum Durchführen einer Bearbeitung für automatische Operationen, in einen ROM 12 vorgeladen. Programme für die Bearbeitung der geneigten Bearbeitungsebene gemäß der vorliegenden Erfindung werden ebenfalls in einen ROM 12 geladen.
Die Schnittstelle 15 ermöglicht die Verbindung zwischen der numerischen Steuerung 100 und einem Peripheriegerät 72, wie zum Beispiel einem Adapter. Die Bearbeitungsprogramme, unterschiedliche Parameter etc. werden von der Seite des Peripheriegeräts 72 eingelesen. Weiterhin können die Bearbeitungsprogramme, die in der numerischen Steuerung 100 editiert werden, in einem externen Speichersystem über das Peripheriegerät 72 gespeichert werden.
Die PMC (programmierbare Maschinensteuerung) 16 gibt über eine Eingangs-Ausgangseinheit 17 Signale an ein Zusatzgerät (zum Beispiel an einen Werkzeugwechsler) der Werkzeugmaschine aus und steuert diese mit einem Sequenzprogramm, das in der numerischen Steuerung 100 gespeichert ist. Bei dem Empfang der Signalen von verschiedenen Schaltern an dem Bedienfeld, das an dem Hauptteil der Werkzeugmaschine vorliegt, führt die PMC 16 zudem eine erforderliche Signalverarbeitung durch und liefert dann die Signale an die CPU 11.
Die LCD/MDI Einheit 70 ist eine manuelle Dateneingabevorrichtung mit einer Anzeige und einer Tastatur. Eine Schnittstelle 18 erhält Befehle und Daten von der Tastatur der LCD/MDI Einheit 70 und übermittelt diese an die CPU 11. Eine Schnittstelle 19 ist mit einem Bedienfeld 71 verbunden, das einen manuellen Taktgeber aufweist.
Servosteuereinheiten 30 bis 35 für die einzelnen Achsen erhalten die Bewegungsbefehle für die einzelnen Achsen von der CPU 11 und geben die Befehle an die jeweiligen Servoverstärker 40 bis 45 aus. Beim Erhalten dieser Befehle betätigen die Servoverstärker 40 bis 45 die Servomotoren 50 bis 55 für jede einzelne Achse. Die Servomotoren 50 bis 55 enthalten einzeln Positionssensoren (nicht dargestellt). Feedbacksignale der Positionssensoren werden an die Servosteuereinheit 30 bis 35 zurückgeleitet. Basierend auf diesen Feedbacksignalen führen die Servosteuereinheiten 30 bis 35 für die einzelnen Achsen eine Rückkopplungsregelung der Position und Geschwindigkeit durch.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005-305579 [0002, 0015, 0039]
JP 2009-301232 [0004, 0010, 0010, 0011, 0011, 0039]
DE 102009003 A1 [0004]

Claims

Numerische Steuerung zum Steuern einer Mehrachsenmaschine, die zumindest drei Linearachsen zum Steuern der Position eines Werkzeugs relativ zu einem Werkstück verwendet, welches an einem Tisch angebracht ist, und zumindest drei Rotationsachsen zum Steuern der Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück verwendet, um eine Bearbeitung an einer geneigten Bearbeitungsebene des Werkstücks auszuführen, wobei die numerische Steuerung umfasst: ein Merkmal-Koordinatensystem-Befehl-Analysemittel zum Analysieren eines Befehls eines Merkmal-Koordinatensystems, das ein für die geneigte Bearbeitungsebene des Werkstücks repräsentatives Koordinatensystem ist; ein Werkzeug-Koordinatensystem-Steuerungbefehl-Analysemittel zum Analysieren eines Werkzeug-Koordinatensystem-Steuerungsbefehls, welcher ein Befehl zum Ansteuern der drei Rotationsachsen ist, sodass ein Werkzeug-Koordinatensystem, welches an dem Werkzeug liegt und sich bewegt, wenn sich das Werkzeug bewegt, parallel zu dem Merkmal-Koordinatensystem ist; ein Drei-Rotationsachsen-Berechnungsmittel zum Berechnen der jeweiligen Positionen der drei Rotationsachsen, sodass das Werkzeug-Koordinatensystem parallel zu dem Merkmal-Koordinatensystem ist als Reaktion auf den Werkzeug-Koordinatensystem-Steuerungsbefehl; und Mittel zum Antreiben der drei Rotationsachsen zu den Positionen, die von dem Drei-Rotationsachsen-Bearbeitungsmittel erhalten wurden.
Numerische Steuerung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: ein Drei-Linearachsen-Berechnungsmittel zum Berechnen von Korrekturbewegungen der drei Linearachsen für jeden Interpolationszeitraum, derart, dass die Position des Mittelpunkts des Werkzeugs selbst dann aufrechterhalten wird, wenn die drei Rotationsachsen zu den Positionen bewegt werden, die von dem Drei-Rotationsachsen-Berechnungsmittel erhalten wurden, in einem Tisch-Koordinatensystem, welches an dem Tisch liegt und sich bewegt, wenn sich der Tisch bewegt, und Mittel zum Antreiben der drei Linearachsen durch die Korrekturbewegungen, die von dem Drei-Linearachsen-Berechnungsmittel erhalten wurden.
Numerische Steuerung nach Anspruch 1, wobei die Mehrachsenmaschine eine Sechsachsenmaschine ist, die die drei Rotationsachsen zum Drehen eines Werkzeugkopfs verwendet, eine Sechsachsenmaschine ist, die zwei der drei Rotationsachsen zum Drehen eines Tisches und die eine verbleibende Rotationsachse zum Drehen des Werkzeugkopfs verwendet, eine Sechsachsenmaschine ist, die zwei der drei Rotationsachsen zum Drehen des Werkzeugkopfs und die eine verbleibende Rotationsachse zum Drehen des Tisches verwendet, oder eine Sechsachsenmaschine ist, die die drei Rotationsachsen zum Drehen des Tisches verwendet.