用于带有冗余的、平移作用的轴的测量机或机床的优化的运动协调的方法

专利名称：用于带有冗余的、平移作用的轴的测量机或机床的优化的运动协调的方法
技术领域：
在测量机和机床的开发中，越来越多地使用冗余的、平移作用的轴，即这样一些
轴，其相互叠加构造地或相互作用地、可在空间中平行地相对运动，其中，在具有相对长的 运动范围的基轴上或者相对于所述基轴设置有一个或多个具有相对短的运动范围的附加 轴。
背景技术：
这样的可冗余地在相同方向上叠加地运动的轴提供了以下可能性在测量装置或 刀具相对于测量物或加工物的连续运动过程中结合了基轴的较大的运动范围与短程的并 因此较轻地构造的附加轴的较高加速能力。 这类设计的一个例子是专利EP 594 699B1 (Ehlerding)。在所述的专利中已经提 出使用平行定向的、叠加作用的轴装置，以便能够在这样的机床中在可较小加速的、长程的 轴的整个工作区域内实现轻的、短程的轴的高加速度，所述机床优选设计用于在两个或三 个相互正交定向的轴上加工扁的或平的工件。 由该公开文献已知，在此称为附加轴的较短的分轴可以由一个可在材料上方运动 的龙门架支撑，该龙门架带有支撑附加轴的运动单元，所述运动单元又能沿着龙门架运动， 或者也可以借助于基轴使材料运动，其中，刀具又可以借助于附加轴与由基轴引起的运动 无关地相对于材料运动。同样，也可想到一个或多个支撑刀具的附加轴，所述附加轴在材料 上方沿着作为基轴的固定龙门架运动，而材料借助于另一个与龙门架正交地定向的基轴在 龙门架下面顺着运动。 通常公知的是，替代龙门架，也可以将带有运动的或静止的支撑件的横梁或可运 动或静止的臂或悬臂用作附加轴的载体，并且，所有提及的轴配置也与通常的情况不同，其 中，基轴优选可以使重的机器部分或重的测量物或加工物在水平面上运动，也可以具有空 间上的其它定向。替代测量装置或刀具，轻的或小的测量物或加工物也可以通过附加轴支 撑并通过基轴和附加轴的总运动沿测量装置或刀具导向，而为此无需根本不同的协调。
此外，例如由W0 2006/75209A2(Gattiglio等人)已知，附加轴尽管在物理上相互 正交地定向并且共同在一个借助两个基轴定向的平面上运动，然而，物理的附加轴在该运 动面中并不平行于所述基轴定向，例如，如在WO 2006/75209A2中一样在公共的运动平面 中相对于基轴转过45。。 轴的冗余的、平行定向的作用在此基本上也易于实施，因为即便是普通技术人员 也能借助于最简单的、恒定作用的模拟的、数字的或在计算机技术上考虑的乘法元件毫无 问题地设置为此必需的在两个借助物理轴向定向的笛卡儿坐标系的定向之间的固定变换。
此外，由现有技术已知，也可以使用能以通常很小的角度值旋转地运动的装置来 替代线性运动的附加轴，使得借助于旋转点和测量点或加工点之间足够的间距形成测量装 置或刀具的与测量或加工相关的元件的足够近似线性的运动。如果集束的辐射能(大多是激光束)借助于可摆动的镜或其它偏转元件偏引到加工位置，则为此使用一种变型。这种 意义上的附加轴例如在文献WO 96/29634A1 (Cutler等人)中详细说明，为此特别示意性地 参见该文献的图2和图4。对于其它的刀具(例如可旋转的铣削头)或相应的测量装置，也 可考虑与附加轴相关的类似运动学关系，其中，常常可以附加地沿刀具轴或例如测量探头 轴运动，也用于补偿与相应的基轴正好平行的运动的偏差。 在专利文献EP 1 294 544B1 (Sartorio)中示出了另一种配置，作为相对之前的 现有技术的改进，该专利文献教导可高加速的附加轴的、可两轴式线性运动的并联运动学 概述，这尤其产生这样的优点在如此设计的机器的两个水平的主运动方向上存在就此而 言类似的运动学关系，这能够提高二维的刀具运动的效率。 然而，关于同步运行的轴的实际协调公开甚少。仅仅提及一些在分轴的协调过程 中应遵循的基本的框架性条件。在专利EP 1 294 544B1中从说明书的第[24]段至第[39] 段以及在独立权利要求中对此略有说明。由说明书的上述部分得到的唯一一些信息给出了 以下教导基轴的最大速度必须显著地高于刀具速度，并且，可以由所述条件和已知机器数 据的假设建立必须的公式，以便求出尚未已知的机器数据。 显然基于该尚不完整的教导，在EP 1 758 003Al(Cardinale等人)中首先提出了 轴的一种协调，其应当按照反向运动学原理通过利用所谓的雅各布矩阵(Jacobi-Matrix) 的专门形式以优化的方式使用运动机构的冗余自由度。所有与此有关的论述都是一般性 的，使得其甚至都不足够清楚具体的限制条件在这样的方法中有多重要，更不用说哪些条 件对于完全明确的和可实际使用的、用于轴的协调的解决方案是重要的。在其它的说明、例 子和权利要求中也没有给出于此有关的任何具体参考，尽管例如原则上在所有足够具体的 实施例中、尤其是在有关的激光切割机的情况下，相应的解释(即使不是必须的)是可能 的。如果该方法也应该用于由此表明要求保护的发明也能应用于复杂地构造的系统、例如 用于旋转轴或者甚至冗余作用的旋转轴，则该方法不能以一种在没有其它发明步骤的情况 下完全允许该应用的方式进行。与已知的现有技术相比，实际上也没有公开技术人员尚未 已知的东西。首先，通过筛选(Filterimg)将运动分配给冗余作用的轴完全不具有新颖性， 并且实际上并不让人惊奇的是附加轴在此(应当)将总运动和基轴的运动之间的差作为运 动执行。另外，重复了在EP 1 294544Bl中基本上可读到的内容基轴的最大速度应选择得 明显比附加轴的最大速度更高(见EP 1 758 003Al，说明书，第32段和权利要求9)。
到目前为止可完全地、具体地理解的是因为仍然不清楚如何对运动的加速度分 量或幅值分量以及同样地对整个轮廓或单独的区段进行"筛选"，所以该方法最后也仅仅相 当于例如来自EP 594 699B1的现有技术，即便权利要求实际上扩展到所有类型的可调节 的物理变量，然而该扩展在此却不再有意义。 然而，该方法在此被列为现有技术，因为对于待解决的问题之一其举例性地正好
证明了这一点作为本发明在此也应描述的一个方面，如何在更复杂的总加工内部针对多
个较小的轮廓特别有效地对附加轴的有效运动的实施进行协调。EP 1 758 003Al在此提出
对此进行"筛选"，然而这对于各自封闭的轮廓没有给出可实施的技术教导，但是与用途相
关，同步地、冗余地作用的轴非常清楚地显示了对相应的解决方案的需要，所述解决方案应
当如用语"筛选"听起来那样是普遍适用的，并且在此提供了对运动轴的有效协调。 就此可以想到一种相对简单的变型，该变型不太适合利用同步地、冗余地作用的轴，因为在EP 1 366 846Bl(Leibinger等人)中关于基轴和附加轴的替代使用进行了明确 描述。具体见那里的图9。 相应地，根据现有技术假设本领域技术人员知道如何在总加工内部区分、求出以 及在尺寸上确定单独的轮廓。 在实际中，大量与此有关的变型为本领域技术人员所熟知或容易想到，这些变型 大多数最终导致至少简化地对加工进行预先模拟，该预先模拟通过所有相关的机器轴中的 最小值增量和最大值增量确定各封闭的运动轨迹的位置和尺寸并将这样获得的数据例如 通过专门的代码或作为注释分配给确定区段的所生成的CNC程序。同样也可以想到在预 处理范围中这样的步骤首先在控制装置中进行，其中，获得的值大多仅暂时地在控制装置 的存储器中存储和使用。根据现有技术也允许做以下假设可以存在关于可分开的轮廓的 相应数据。 因此，虽然容易理解在EP 1 366 846B1中如何预想基轴和附加轴的协调，但这在 EP 1 578 003A1中关于各个轮廓是完全不清楚的，除非假设其是一种与EP 1 366 846B1 中的方法相似的方法，也就是说1.识别合适的部分轮廓；2.必要时将基轴定位在合适的 起始位置上；3.通过附加轴执行识别出的部分轮廓。此外，如果人们这样地计划到这些识 别的部分轮廓和从这些识别的部分轮廓出发的、由于效率原因而叠加地协调的运动，使得 甚至在基轴运动期间通过或借助附加轴针对附加轴各自的起始位置或者例如加工的开始 或其余部分对附加轴进行适配，则这通过术语"筛选"和模糊的暗示(即在遇到问题时可以 使用雅各比矩阵)对于本领域技术人员而言当然不能被解释为可实施的，与新颖性的问题 完全没有关系。 在本发明的申请人最近提交的一份专利申请中，描述了冗余地、平移地作用的轴 装置的一种变型，该变型基本上不需要这样的有待通过附加轴处理的部分轮廓，因为通过 那里所提出的机器设计或相应的方法，任意一个轮廓都能够以附加轴的最大可能的加速度 在不需要任何差分的情况下被处理(以下称为方法1)。 本发明申请人的另一份先前提交的专利申请描述了一种方法，用于即便对于不太 适配地设计的机器也能够以尽可能高的加速度至少实现附加轴的显著改善的可应用性。在 不将整个测量或整个加工细分为单独的部分轮廓的情况下，该用于轴协调的优化的方法也 是适用的(以下称为方法2)。 但是，与方法1 (该方法不适用于所有机器或者并不总是能以必须的速度应用)相 比，通过方法2实际上不能同样地、有效地实现对每个任意的轮廓的轴协调。尤其是当很多 较小的部分轮廓分布在较大的面上时，通过方法2基本上无法保证轴的自动地高优化的协 调，以至于即使来自EP 1 366846B1的更简单的方法在这样的特殊情况下也可以具有至少 相似的效率。然而，在许多单独的待处理的轮廓紧密地分布时，这两种方法(方法2和EP 1 366 846B1)是特别不好的；因为方法2不能以差分方式识别和处理这些轮廓，而EP 1 366 846Bl不能及时地使基轴的频繁的位置变换与部分处理的运动学上完全可能的开始或结尾 相叠加。 即使由现有技术确定地已知了两个基本运动的叠加，例如在同步的、均匀的运输 期间轮廓的连续应用，这也只有当通过附加轴的、例如通过用于打标的激光扫描仪的单独 轮廓处理的时间与通过附加轴的运动范围的相应区域相比非常短时才可相对没有问题地应用。叠加的快速运动然后可以与恒定的主运动毫无问题地同步——一种完全常见的方
法，但是该方法在其应用方面几乎不能应付没有专门的预先计划的情况。 然而，在本问题的情况下需要的是以不同的标签、不同的时间需求和不同的大小
几乎无中断地经过一些部分，其中，传递运动又必须与此相适配，直到暂时的运动反转——
并且所有这些通常都在两个维度上——也就是说即使是有经验的专家也不能从现代控制
装置的目前可得到的自动化模块中有计划地组合出来。迄今为止尚未公开相应的、在多方
面可用的解决方案。 除了针对大量紧密相邻的小的部分轮廓的优化运动协调的限制之外，对于很多具 有冗余的、平移作用的轴的测量机或加工机还存在一个另外的问题如果要解决根本问题， 迄今为止的现有技术假定在每次高加速的运动之后，相应地超前的附加轴最后又被基轴赶 上，使得该附加轴重新位于其起始位置中，通常位于其当前运动范围的中心。尤其是对于这 样的机械配置，在该机械配置中一个或多个附加轴借助一个或多个基轴、例如借助龙门架 在测量面或加工面上运动，由此在总运动区域的边缘产生一个具有附加轴的运动范围的一 半宽度的区域，该区域通常是不能到达的，使得例如龙门架或者其运动区域必须相应地变 宽，以便基本上能够使用与在没有附加轴的情况相同的工作空间。 在此尚未考虑到在根据迄今为止的现有技术的协调运动中，也就是附加轴摆动 超出待经过的位置，使得以这种方式协调的机器的完全可靠的功能仅在一个区域中是可能 的，该区域总体上对应于基轴的运动范围减去相应的附加轴的运动范围的两倍。这可由以 下事实解释在向运动区域的边缘运动的过程中，附加轴在相反方向上的运动范围分别对 于制动变化过程的补偿是必需的，使得例如刀具短暂地处于附加轴的边缘上，该边缘与外 部边界相对。在运动结束时，基轴和附加轴相互补偿，也就是说，基轴从边缘返回，由此可以 使附加轴重新运动到其起始位置中，而该轴上的整个位置保持不变。因此，在基准和附加轴 的总运动区域的每一侧考虑附加轴的运动范围的近似的"出局区"，该"出局区"不能被用作 测量和加工空间。因为根据旧的现有技术用于同步的、冗余地作用的运行的大多数附加轴 仅需要相对短的运动范围，所以这在最理想的情况下是相当微小的问题。然而，因为根据近 几年的发展，越来越被认可的是相对大的最小运动范围对于有效的、冗余作用的运行是必 需的，总协调的该次要问题的解决方案现在也已变得更加重要。

发明内容
因此，本发明的目的是避免用于测量机或机床的冗余的、平移作用的轴的已知的 运动协调方法的缺点并且公开了一种协调方法，该协调方法提供了如下可能性即便在冗 余轴的连续地叠加的运动下仍能完全利用基轴和附加轴的运动范围，并且在相应的扩展方 案中也进一步改进了其它的运动协调，尤其是在处理大量的、相互紧密衔接的、相对小的、 单独的部分轮廓时。 令人感兴趣的是，通过分别仅稍作适配，就可以借助同一方法解决第一眼看上去 完全不同的这两个问题。为了即便在基轴和附加轴连续叠加地运动的情况下仍能尽可能完 全地利用冗余地、平移地作用的轴的总运动范围，按照本发明的独立权利要求规定，在基轴 接近其运动区域的边界且由此需要将基轴的运动制动直至静止状态的情况下，相对于基轴 冗余地作用的附加轴的、用于继续的加速运动的中性起始点相应地向所述基轴的运动范围的、由该总运动接近的边缘移动。所述中性起始点也可以称为或解释为各个附加轴的内部 零点或局部零点，相对于相应的基轴冗余地作用的且通常较高地加速的运动分量被加到该 内部零点或局部零点上。与总运动叠加的所述移动总是关于测量装置或刀具与测量物或加 工物之间的相对运动中性地(neutral)进行，所述移动是所述附加轴向其所述边缘的相应 运动分量，作为对相应基轴的直到静止状态的运动减速的补偿，同样地，基轴和各个适配的 附加轴接近其运动范围的边缘。相反，在所述总运动越来越远离总运动范围的边缘时，所述 附加轴的局部零点重新向着其中间位置的方向移动，使得基轴最终再次参与到该运动中， 同样地，附加轴的内部零点的设定值越接近地相当于附加轴的中性起始值，则基轴越多地 参与到运动中。 通过表达式D > Vb72Bb可以根据基轴的实时速度(Vb)及其最大加速度(Bb)计 算基轴到其运动范围的边缘的可能的最小距离(D)。变换后得到在给定距离(D)下最大许 可速度为VB《SQRT (2D Bb) 。 (SQRT =平方根) 该条件应基本上被遵守，以便即使使用边缘区域作为机器的常见工作空间的部 分，也能避免在总运动期间破坏基轴的运动范围的边界。另一方面为了能够即便在高的测 量速度或加工速度下仍尽可能完全地利用工作空间的边缘区域，基轴也必须相应地与速度 有关地接近其运动范围的边界。 基本上正确的是如果Pbl是根据现有技术的基轴的预定位置，而PB2是由根 据本发明的制动得到的位置，则相对于基轴冗余地作用的附加轴的内部零点的位置根据 Nz2+Pb2 = Nzl+Pbl计算出Nz2 = Nzl+Pbl-Pb2。因此，冗余作用的轴的协调可以基本上根 据之前的现有技术进行，但是附加地要求在基轴接近其运动范围的边界时以上述尺度限制 基轴的速度，并且因此缺失的运动分量被加到冗余作用的附加轴上。 因此，在单独控制的情况下可由基轴和附加轴共同地到达的整个工作空间也可以 供具有持续的、与加速度相关的运动分配的共同运行来使用。 以一个单个总轴为简单例子进行说明在开始考虑之前，假设基轴和附加轴定位 在它们的分别为1000mm和100mm的运动范围的中点上并且是静止的。这也是工作空间的 零点。对于以恒定的应有速度向右(+)的总运动，现在两个轴类型同时加速，直到达到所述 速度。到这一时刻为止，基轴仅达到应有速度的一个很小部分。而基轴现在继续加速，附加 轴的速度相应地减小。当基轴的速度达到应有速度时，附加轴静止地且从该中心向右相对 远地位于其运动范围内。按照通常有效的现有技术，在该例子中，附加轴现在再次朝着中间 位置运动——对于在两个方向中的一个上的其它的加速区段。为此基轴必须继续加速，以 便能够以总运动为参照实现附加轴回到中心的中性运动(也参见与此有关的迄今为止的 现有技术，例如EP1 294 544Bl)。进一步假设该运动应当停止在可到达的最右侧的边缘之 前10mm处，也就是在+490mm的位置上。如果假定范围为100mm的附加轴现在保持在其中 性起始位置中，则该位置在通常可到达的范围之外40mm处。因此，该运动通常也是不可行 的。但是按本发明，控制系统现在使附加轴的中性起始点总是继续向其右边缘移动，正好抵 消从基轴的运动减去的分量，以避免对基轴自身的区域边界产生损害，这在此起到对基轴 的制动作用。在总运动即将到达计划的停止点之前，附加轴已经以应有速度向其右边缘运 动，该应有速度现在由附加轴单独承受，其中，基轴在此期间已经处在其端点位置。最后使 附加轴针对该点适当地减速。因为与在没有按本发明的制动的情况下基轴向右运动的距离(如果这在物理上可行的话)，所以附加轴的中性起 始点现在相应地向右移动40mm，也就是离实际的右边缘10mm。相应地，现在也用不着根据 早先的现有技术的补偿运动。 优选地，基本上正好在总运动已经到达该相应的总轴的工作空间的相应边缘时， 中性起始点的所述移动相应地到达附加轴的运动范围的所述边缘。因此，该移动在不损害 其它有待执行的运动的情况下是可行的，因为超过工作空间的边界的另外的高加速的运动 既是不可行的也是不必要的，因而无需为附加轴的高加速的超前运动提供另外的空间。应 当注意，与已知的、用于冗余的、平移作用的轴的运动协调的方法相似，在可与该方法使用 的最大运动速度(Vbmax)、基轴的加速能力(Bb)和附加轴的运动范围的长度(Sz)之间存在 相互关系。然而，对该相互关系的详细检查发现，在可按本发明补充的几乎所有方法中，完 全无限制地得出Vbmax的最大值以及Sz和Bb的最小值(它们通过假设附加轴以其相应 的加速度连续可行地被使用而得出)包括按照本发明的直到这些边界的应用可能性。另一 方面，在更高的运动速度下，同样也在已知的方法中，为了避免无法再精确地控制的、间断 的运动过程，需要一些预防措施，这些预防措施通常允许同样透明地、即无需特别考虑地与 按照本发明的方法相结合。下面本文将再次回到与此不同的例外情况。
在通过冗余地、平移地作用的轴装置工作的所有机器中，在任何一个控制点或调 节点给冗余作用的分轴分配应有设定值。这例如可以在分成不同的、高加速的运动分量 (Bkb， Bkz)之后从控制装置开始进行，如优选在本发明申请人的背景技术中描述的例子中 说明的那样。为了按照本发明改变基轴的运动以及相应地移动冗余作用的附加轴的中性起 始位置，在这样的配置中优选在该位置处将所述改变和移动所需的定位数据加入的相应运 动分量(Bkb， Bkz)上，其中，这些附加地加入的、用于这两个运动分量的数据彼此精确地补 偿，使得测量装置或刀具相对于测量物或加工物的合成运动不受其影响。视各个用于实际 的测量轨迹或加工轨迹的协调方法的细节而定，必要时除了位置数据以外还要适配速度数 据和加速度数据。 如果存在以下可能性的话，按照本发明的方法基本上也可以通过连接到实际控制
装置下游的调节回路实现根据已经描述过的位置条件将适合用于移动附加轴的零点的信
号馈送到相应的调节回路中。为此例如见EP 1688 807Al(Scholich-Tessmann)的图6及
61，说明书91040段，权利要求4和11。尽管在该文献中想到了所谓的后续偏移量
(Nachlaufoffset)的其它用途，但这仍是按照本发明借助调节回路改变基轴的运动和相应
地、补偿地使冗余作用的附加轴的内部零点移动的一个示例性的可能方式。 因为在测量机或机床中通常在基本上与位置相关地激活或执行由方法引起的功
能过程时以现有的定位系统的数据作为出发点，所以对于相应的总协调方法在工作空间的
极限值的情况下该数据通常是适当地输入到数据处理装置、优选CNC控制装置中的预设定
的值。这样的值原则上可任意设定，从而也可以将物理工作空间的所有其它的任意n维片
段限定为边界，其中，(n)表示冗余地、平移地作用的轴组合的数量。 这提供了如下可能性该方法的相应的按本发明的特性对于工作空间的任意的所 述片段都是有效的，使得例如这样的片段也可被设置成与特定的单独的运动轨迹或部分轮 廓相适配。这将相应地限制所有参与的轴的运动，就好像该片段呈现了运动可能性的物理 边界。这类方法最重要的优点在于以下事实只要待处理的运动轨迹保持在这些边界内，则
9大多数相对负重的相关基轴的运动分量由此被限制到最小必须的尺度，而不会限制运动的 动态性。 如果在一个轴向上这样定义的临时的工作空间如此小，以至于需要根据之前假定 的规则使内部零点在两个方向上移动，那么到更靠近当前的应有位置的边缘的距离优选是 决定因素。如果该距离相同或至少基本相同，则优选地判定所述附加轴的当前运动方向或 使内部零点向中间位置移动。 当所述临时工作空间在相应的轴向上位于相应的附加轴的运动区域内部时，附加 轴的内部零点也可优选地向中间位置移动。 尤其是这在以下情况下都是具有优点的所述片段包括一组较小的、可单独执行 的轨迹区段，使得基轴在定位运动中的路程分量以及与此有关的各区段之间的时间分量和 速度被最小化。 当如从现有技术中已知的那样所有可分开的轨迹部分的边界被确定并被存储在 相应的数据结构中时，用最小的计算耗费和时间耗费可以求出任意组的公共边界，并被设 定为用于限制各个适配的临时的工作空间的所述值。如果该组和所产生的边界以这种方式 不断更新，即提前一定的时间间隔将即将被处理的区段接收到该组中并且将已经被处理 的区段排除，结果是对临时的工作范围的不断更新地适配，因而基轴得到相对低加速的且 最小化的适配运动，其中，总是将用于尽可能大的且高加速的运动分量的最优起始位置给 附加轴。 与现有技术相比较，该方法也可有利地用于以下情况在基轴和附加轴之间不对 用于执行测量或加工的运动轨迹进行同步的、冗余作用的分配，而是仅仅根据临时的工作 空间的不断更新的边界值按照发明对基轴位置进行适配以及与此相关地进行附加轴的相 应补偿，这得到以下结果可以处理由紧密相邻的相对小的部分轮廓组成的通常较大的区 域，而不会因为基轴的在时间上分开的重新定位而中断。已被现有技术提及的机器和本发 明申请人的方法1和2也还可通过与本方法的结合而再次优化一种在之前针对方法1被 优化的、具有特别高速度的附加轴的机器能够将所述附加轴优化地用于快速的位置变换， 因为单独的轨迹区段和部分轮廓经常处在附加轴的可达到的范围内。方法2也能够从同样 的优点中获益，其中，出于同样的原因，附加轴不必那么频繁地被限制，因为与没有本方法 的情况相比，基轴和附加轴的不必要的叠加运动被更好地避免。 在任何情况下都有利的是检查以及必要时使用已经公开的且常见的方法的附加
的可用性，所述方法还可以用于优化没有附加轴的传统机器的效率，例如用于确定单独的
轨迹区段或部分轮廓的顺序，在此必要时考虑待处理的部分轮廓横向于最短的附加轴定
向，因为这总体上是能够创造对按本发明的方法的效率附加地有利的条件的另外的措施。 在同时地使用用于在具有冗余地平移地作用的轴的机器中改善运动协调的方法
时，为了能够达到特别高的总效率以及避免不利的效果，应当注意一些原则 如果要将已提及的方法1与本发明一起使用，那么原则上满足以下条件就足够
了 与位置并行地分别提供用于冗余作用的分轴的内部位置的数据和用于下一个控制阶
段和/或调节阶段的相应的零点移动的数据供使用，因为按照本发明的内部零点移动仅针
对附加轴的各个临时可用的运动范围根据需要进行优化，并且相对于相应的测量或加工
的实际应有位置数据是透明的。然而，这对于速度和加速度而言并不是完全毫无问题地适用，因为每个分轴的、为零点移动所需的内部运动(所述分轴同时也已经相应地被使用 (beansprucht))并且与用于测量装置或刀具与测量物或加工物之间的实际运动的应有数 据一起应避免超过边界值。然而，因为基轴的按本发明引起的最高使用一再与由应有路程 引起的使用相冲突_也参见说明书开头的例子_即在趋势上起到释放或者甚至时间上预测 的作用-这是可忽略的。然而，相应地，附加轴在一些情况下必需完成附加的运动分量，然 而在不超过目前为止有效的、需要的最大速度的情况下附加轴的加速度潜力被临时地、相 应地减少。在此"最坏的情况"是这样的情况，其中，以位置为条件，一方面附加轴按照本发 明接近工作空间的边缘刚好开始起作用，与之并行地，短的应有轨迹区段一再重复地指向 相同的方向又立即指向相反方向。有待以最简单的情况考虑的是与由相应的基轴支撑的 附加轴的情况类似，通过一般性地从附加轴的加速度可能性中减去基轴补偿所需的加速度 分量，并且在控制装置和/或调节装置的相应机器数据中或者在执行模拟等等之前或过程 中考虑该情况。但是该规则在此与关于应有位置的运动相冲突受支撑的附加轴在此不需 要附加的绝对加速度，附加轴当然与基轴相对置。但是这由于相对加速度而要进一步差分， 所述相对加速度在任何情况下并且在细节上根据附加轴的相应的驱动系统加以考虑。例 如，在被支撑的附加轴中，插棒式线圈驱动装置(Tauchspulenantrieb)仅仅必须补偿由摩 擦引起的力分量，以补偿基轴的按照本发明的运动(除了应有运动的分量以外)，而在滚珠 丝杠的情况下所有的旋转质量甚至在"内部"运动过程中的必须被相应地加速。
因为附加轴的相应的加速度可能性大多高出相配的基轴一个数量级，所以这通常 在对总效率没有明显缺点的情况下是可执行的。 另一方面，从附加轴的精确不变的加速度值出发也不是绝对需要的，因此在所述 的所有步骤中也可以使用各个与位置相关的最大可能的值，只要这类控制或预处理允许分 别更新地调节或考虑加速度。当根据所述方法1的一种扩展方式也已经考虑附加轴内部零 点的与速度相关的移动时，会出现另一个问题。在这种情况下，需要做出两个相冲突的调 节，这些调节不能容易地同时变得有效。 如果现在对在说明书中处理的第一个例子进行这样的改变，即从速度也已经得到
零点移动，那么附加轴现在通过基轴的运动可能已经在向着边缘的方向的一个位置中，该
位置完全不允许再作另外的适配，结果是基轴的在超过按本发明的边界的过程中向着边
缘的制动不能再通过附加轴进行补偿，从而基轴的加速度可能性决定了该区域内的另外的
运动或者产生正常的"碰撞"。这意味着早在附加轴进入需要借助附加轴的补偿的边缘区
之前，必须存在用于该补偿的运动范围。然而，这与以下目的相违背借助附加轴的内部零
点的与速度相关的移动实现基轴在相反方向上的尽可能长的"追赶路程"。
基本上，该冲突的两种相对简单的解决方案是可能的在涉及的机器的上方应有
速度区域内，从一速度开始，在该速度下基轴的所述延长的"追赶路程"(比附加轴的运动范
围的一半还长)是必须的，相应地减小从边缘开始的工作空间，并且机器按照改进的方法1
运行。在低于该速度时，机器附加地或单独地按照本发明运行。可选地，也可以限定速度区，
在这些速度区中在这些运行方式之间发生流畅的过渡。 然而重要的是要考虑该问题仅发生在机器的工作空间的物理边界上，因此改进 的按本发明的方法例如可毫无问题地应用在上述的"高速区"内，例如其方式是将附加轴的 由两个部分方法产生的内部零点的移动相加并且减少到允许的最大值。基轴的"过冲"在此是无害的，该"过冲"如描述的那样在边缘区域中是不允许的，因此两种方法的按本发明 的优点可以起作用。 与所述方法2的结合就机器的物理工作空间的尽可能完全的利用而言是有利的， 并且也作为与方法2的扩展方式结合的可能的参考方法，其中，使用了方法的模拟比较，以 便判定用那些方法变型来处理轨迹变化曲线的哪些区段。 按照本发明运行的机器的基轴和附加轴的类型在机械上可以非常多样地实现。对 于基轴使用常见的线性驱动装置、空心轴电机、齿条传动装置或滚珠丝杆，而对于附加轴， 根据所需要的运动范围和应用的规模尺寸，除了线性驱动装置和尽可能直接驱动的滚珠丝 杆之外，也可以使用压电作用的、动电作用的("voice coils")、液压作用的或气动作用的 驱动装置。 同样，也可在合适的角度范围内使用可绕一轴旋转或可并联运动式运动的机械部
件作为相应线性作用的附加轴，例如可摆动的激光切割头或可并联运动式运动的铣削头。 按照本发明，测量机或机床可以例如有利地设计用于船舶制造或飞机制造，以便
以极高细节复杂度测量和加工极大部件，或测量机或机床用于更日常的尺寸，例如车身、洗
衣机或用于电子电路的印刷电路板的大小，一直小到厘米或几分之一毫米级的尺寸，以便
以显微镜系统技术、电子显微镜或纳米技术测量待测量的或待加工的工件。 基本问题——一方面，尽可能不细分的工作空间相对于要考虑的细节的大小，另
一方面，相对于起支撑作用的基轴冗余地作用的、敏捷的附加轴的运动范围仅可有限地增
大的情况下，测量速度或加工速度不断提高——有不断增加的趋势，同时在测量和加工速
度沿着复杂轮廓和结构并因此沿着相应复杂的轨迹曲线尽可能连续的情况下，对最大可能
的恒定可用的加速度的要求也在增加。在此，本发明允许改善工作空间的可应用性和/或
允许更有效地处理测量轨迹或加工轨迹，所述测量轨迹或加工轨迹含有大量相对小的、紧
密相邻的且可分开执行的轨迹区段。 特别适合于本发明方法的加工方法是在平的材料(如薄板、塑料、玻璃、陶瓷、木 料和织物)上焊接、切害U、铣削、雕亥lJ、标记、敷设复杂的轮廓和结构。同样，快速原型法是一 种适当的应用，尤其是这样的方法，在这些方法中切割层、小空间地涂敷材料或者必须通过 尽可能垂直于材料定向的能量束加工，例如为了获得尽可能均匀的且可准确重现的能量加 入。此外，本发明同样可以应用于以高速度精确加工极小的结构或以高速度精确地涂敷和 去除极精细的细节，本发明也能用于所述领域中的测量和控制，其中，这些仅理解为示例， 而不应以任何方式表示本发明的应用可能性的穷尽列举。


本发明的优选实施例在附图中示意性示出并且接下来借助附图中的图详细说明。 附图中 图1示出带有可在两个轴向上运动的刀具和附加轴的机床， 图2示出带有五个轴向的机床， 图3示出基轴和附加轴的非常示意性的视图。
1具体实施例方式
图1示出了一种机床IO，在该机床10中位置固定地设置有一工件11。机架12可 沿轴向13运动。在该机架12上设置有装置14，在该装置14上又设置有刀夹14'，该刀夹 14'能够保持刀具。该装置14(和由此刀夹14'连同刀具)可在轴向15上运动。刀夹14' 可相对该装置14同样在轴向13上运动。由图1可见，(带有刀具的)刀夹14'具有比装 置14更小的质量，该装置14可以称作滑座。带有所属驱动器的机架12是在方向13上作 用的第一分轴并且被称作基轴，而带有所属驱动器的刀夹14'是在轴向13上作用的第二分 轴，即附加轴。该基轴具有比附加轴更大的运动区域和更小的加速度。沿轴向13、15的运 动通过控制器16控制。 在图2中示出了机床20，在该机床20中，臂21可沿轴向22运动。装置23可沿 臂21在轴向24上运动。装置23附加地可在轴向25上运动。通过轴向22、24、25确定笛 卡尔坐标系的X方向、Y方向、Z方向。悬臂26可在轴向27上旋转。在悬臂26上设置有作 为刀具的激光切割头28，该激光切割头又可沿轴向29旋转。 在小的运动片段中，激光切割头28的运动基本上平行于轴向22，使得切割头28在 一个区域内的运动可以导致与臂21在轴向22上的运动平行的平移运动，因此可以将激光 切割头28连同其驱动器看作是(平移的)附加轴。 在图3中再次非常示意性地示出了滑座30，该滑座30可相对于导向件33运动并 且构成基轴或基轴的组成部分。在该导向件33上设置有装置31，该装置31构成附加轴或 附加轴的组成部分。滑座30和装置31都可以在双箭头方向32上加速。在此，滑座30可 以相对导向件33以加速度Bb(基轴的加速度)加速，而装置31可以相对滑座30以加速度 Bz(附加轴的加速度)加速。固定在装置31上的刀具或测量装置可以相对于工件至少以加 速度Bz加速。虚线BG表示附加轴的运动范围Sz的区域极限。
权利要求
用于带有冗余的、平移作用的轴的测量机或机床的优化的运动协调的方法，其中，冗余的、平移作用的轴形成总运动装置的可线性运动的部分，用于测量装置或刀具相对于待以任意方法探测或加工的测量物或加工物的至少二维的总运动，其中，如果旋转地或并联运动地作用的分运动装置除了其典型的运动能力之外还能够用于测量装置或刀具的冗余平移运动，或者能够仅仅在与用途相关地足够小的运动区域内用于测量装置或刀具的冗余平移运动，则也可以视为冗余平移运动可能性，其中，每个可运动经过较长路程的分轴，在此称为基轴，允许基本上在整个测量空间或加工空间上实现相对低加速的分运动，并且，每个可运动经过较短路程的分轴，在此称为附加轴，基本上执行总运动的一些运动分量，这些运动分量要求超出为基轴确定或设定的最大值的加速度，其中，所有轴的总协调能够直接发生在测量过程或加工过程期间，或者发生在测量过程或加工过程期间的一个流畅的、分区段的预处理中，或者作为总测量过程或总加工过程的一个完整预处理的部分，并且，附加轴在静止状态下或者在相应的总轴无加速地运动期间基本上占据中性起始点的位置，通常在该附加轴的运动范围的中点上，其中，所述中性起始点也可以称为或解释为相应的附加轴的内部零点或局部零点，在所述内部零点或局部零点上加上总运动的相对于相应的基轴冗余地作用的、较高地加速的运动分量，该运动分量给出了附加轴在其运动范围内的位置，其特征在于，在驶向在测量轨迹或加工轨迹范围内的、在中性起始位置总是固定的情况下无法到达的位置的过程中，基轴能够被相应地、适当地制动并且也能够完全进入静止状态，以避免破坏该基轴的运动范围的边界，其中，通过相应地、同时地移动附加轴的中性起始点来补偿基轴的各个相对于总运动所缺少的运动分量，因此基轴的运动范围和各个冗余地作用的附加轴的运动范围基本上相加，得到了在相应的总轴中未细分地可用的工作空间。
2. 如权利要求1的方法，其特征在于，最晚在基轴到其运动范围的边缘的距离几乎接 近或到达Vb72Bb时采取对所述基轴的所述制动，其中，VB表示各个基轴的速度，而Bb表示 各个基轴的加速度。
3. 如前述权利要求之一的方法，其特征在于，当总运动到达相应的总轴的工作空间的 相应边缘时，中性起始点的所述移动基本上到达附加轴的运动范围的所述边缘。
4. 如前述权利要求之一的方法，其特征在于，在控制或预处理中相互补偿的运动分量 可以包括位置数据或信号、速度数据或信号以及加速度数据或信号。
5. 如权利要求4的方法，其特征在于，所述运动分量被加到相应的控制起始数据或信 号上，因此没有为这些运动分量设置至受控制的运动装置的单独输出。
6. 如权利要求4的方法，其特征在于，所述运动分量通过单独的数据输出或信号输送 给受控制的运动装置，使得通过该运动装置的专门为此设置的设备对这些运动分量进行考 虑。
7. 如前述权利要求之一的方法，其特征在于，可以在每个总轴中在总运动装置的相加 的物理运动范围内任意地调节所述总运动装置的工作空间的边界，也可以调节每个基轴的 运动范围的边界，这些边界在测量或加工期间是可改变的。
8. 如权利要求7的方法，其特征在于，随着对工作空间的所述边界的调节，基轴的运动范围的可调节的边界自动地被调节，使得该基轴的运动范围的可调节的边界，以工作空间的宽度减去相应的冗余作用的附加轴的运动范围，基本上设置在工作空间的调节出的所述边界之间的中心。
9. 如权利要求7或8的方法，其特征在于，在数据技术上求得可单独执行的运动区段的几何边界并且就总测量或总加工而言以它们的顺序存储在一表单中，以及由任意的表单区段形成共同的几何边界值并且临时地作为工作空间的所述边界进行调节。
10. 如权利要求9的方法，其特征在于，所述表单区段开始于表单记录，所述表单记录的相应的轨迹区段当前被执行并且包括一个或多个直接相接的表单记录，其中，在每次完成单独的轨迹区段之后该表单区段相应地在表单中移动，以及由该表单区段形成共同的几何边界值并且临时地作为工作空间的所述边界进行调节。
全文摘要
本发明涉及一种用于带有冗余的、平移作用的轴的测量机或机床的优化的运动协调的方法，其中，各个较长的分轴在相对大的测量空间或加工空间中能够实现相对低加速度的分运动，并且，各个较短的分轴基本上执行具有基本上总体恒定的测量速度或加工速度的总运动的一些运动分量，这些运动分量要求超出为相应的较长的分轴确定或设定的最大值的加速度，其特点在于，在驶向在未细分的运动中无法到达的位置的过程中，基轴能够被相应地制动并且也能够完全进入静止状态，其中，通过同时地移动附加轴的中性起始点来补偿基轴的各个相对于总运动所缺少的运动分量。
文档编号G05B19/402GK101784969SQ200880021313
公开日2010年7月21日 申请日期2008年6月20日 优先权日2007年6月22日
发明者A·埃勒丁 申请人:通快机床两合公司