多轴工具机的制作方法

本发明的实施例大体而言是关于用于实现自动运动控制的系统及方法，其中使用一或多个致动器来控制多轴工具机中的工具的位置或移动。

相关申请案的交互参照

本申请案主张2015年6月22日申请的美国临时申请案第62/183,009号及2016年1月22日申请的美国临时申请案第62/281,967号的权益，该等申请案均以全文引用方式并入本文中。本申请案的母案的专利号为201680002861.0，名称为多轴工具机及其控制方法。

背景技术：

运动控制在机器人系统(例如，涉及多关节型机器人组态、笛卡尔坐标型机器人组态、圆柱坐标型机器人组态、极坐标型机器人组态、三角型机器人组态等等或其组合)、数值控制(NC)机器、计算机化NC(CNC)机器等等(本文中一般统称为“工具机”，该等工具机可适于处理工件)中是重要的形式。此等工具机通常包括一或多个控制器、一或多个致动器、一或多个传感器(各自提供为离散装置，或嵌入致动器中)、工具架或工具头，以及各种数据通信子系统、操作员接口等等。取决于所包括致动器的类型及数目，可将工具机提供为具有多个可独立控制的运动轴的“多轴”工具机。

机械加工及其他自动化应用中对较高生产率的持续的市场需要已导致越来越多地使用具有各种类型的致动器、传感器及相关控制器的工具机。在一些情况下，多轴工具机(本文中亦称为“混合多轴工具机”)可具备能够沿着相同方向，但在不同带宽下赋予移动的多个致动器。通常，若第一致动器可响应于具有给定频谱或频率内容命令信号而赋予移动比第二致动器可响应于相同命令信号而赋予移动更准确，则一个致动器(例如，第一致动器)可表征为具有比另一致动器(例如，第二致动器)更高的带宽。然而，第一致动器可赋予移动的运动范围通常将小于第二致动器可赋予移动的运动范围。

决定应在混合多轴工具机的相对高带宽致动器与相对低带宽致动器之间分配哪些运动分量并非容易的任务。常见策略涉及操作一或多个相对低带宽致动器来使将要处理的工件移动且/或将使一或多个相对高带宽致动器移动至将要在其中处理工件的所要位置或“区”，并且然后当在处理工件期间操作(数个)相对高带宽致动器时，保持(数个)相对低带宽致动器的位置恒定。此后，操作(数个)相对低带宽致动器来使工件及/或(数个)相对高带宽致动器移动至将要在其中处理工件的另一“区”。运动控制的此种“逐个区”方法(亦称为“分步重复”方法)是不合需要的，因为其显著限制混合多轴工具机的产出量及灵活性。亦可能难以适当地或有利地定义可在其中操作(数个)相对高带宽致动器的各种工件“区”。

以全文引用方式并入本文中的美国公布号第8,392,002号专利被理解为藉由处理零件描述程序以将零件描述程序中所定义的工具尖轨迹(基于频率)分解成适合于混合多轴工具机的相对低带宽致动器及相对高带宽致动器的多组不同的位置控制数据，来解决与实施“逐个区”方法相关联的上述问题。然而，并且如美国公布号第8,392,002号专利中所确认，当混合多轴工具机经组配来使用具有骑在3轴笛卡尔级上的两个旋转轴的5轴CNC机械手来固持工件，并且包括相对高带宽致动器来使工具尖在3个笛卡尔轴中移动时，使用基于频率的分解方法可导致与旋转轴相关联的角度的误差。

技术实现要素：

本发明的一个实施例可表征为用于控制多轴工具机的方法，该多轴工具机经组配来使用工具处理工件。该多轴工具机可包括：旋转致动器，其经组配来绕第一轴赋予工具与工件之间的相对移动；第一线性致动器，其经组配来沿着第一轴赋予工具与工件之间的相对移动；以及第二线性致动器，其经组配来沿着第二轴赋予工具与工件之间的相对移动。该方法可包括：获得初步旋转致动器命令(其中该旋转致动器命令具有超出旋转致动器的带宽的频率内容)；至少部分地基于初步旋转致动器命令来产生经处理的旋转致动器命令，该经处理的旋转致动器命令具有在旋转致动器的带宽内的频率内容；以及至少部分地基于经处理的旋转致动器命令来产生第一线性致动器命令及第二线性致动器命令。可将经处理的旋转致动器命令输出至旋转致动器，可将第一线性致动器命令输出至第一线性致动器，且可将第二线性致动器命令输出至第二线性致动器。

本发明的另一实施例可表征为用于控制多轴工具机(例如，提供为如以上示例性地描述的多轴工具机)的控制器。该控制器可包括至少一个处理器及可供该至少一个处理器存取的计算机内存。计算机内存可具有储存于其上的指令，该等指令在由至少一个处理器执行时使控制器：至少部分地基于初步旋转致动器命令来产生经处理的旋转致动器命令，该初步旋转致动器命令具有超出旋转致动器的带宽的频率内容(其中经处理的旋转致动器命令具有在旋转致动器的带宽内的频率内容)；至少部分地基于经处理的旋转致动器命令来产生第一线性致动器命令及第二线性致动器命令；以及输出经处理的旋转致动器命令、第一线性致动器命令及第二线性致动器命令。

本发明的另一实施例可表征为多轴工具机，该多轴工具机包括：工具，其经组配来处理工件；第一旋转致动器，其经组配来绕第一轴赋予工具与工件之间的相对移动；第一线性致动器，其经组配来沿着第一轴赋予工具与工件之间的相对移动；第二线性致动器，其经组配来沿着第二轴赋予工具与工件之间的相对移动；以及控制器，其操作性地耦接至旋转致动器、第一线性致动器及第二线性致动器。控制器可经组配来：至少部分地基于初步旋转致动器命令来产生经处理的旋转致动器命令，该初步旋转致动器命令具有超出旋转致动器的带宽的频率内容(其中经处理的旋转致动器命令具有在旋转致动器的带宽内的频率内容)；至少部分地基于经处理的旋转致动器命令来产生第一线性致动器命令及第二线性致动器命令；将经处理的旋转致动器命令输出至旋转致动器；将第一线性致动器命令输出至第一线性致动器；以及将第二线性致动器命令输出至第二线性致动器。

附图说明

图1示意性地例示根据一个实施例的用于控制多轴工具机的控制系统的方块图。

图2示意性地例示根据本发明的一个实施例的工件定位总成。

图3示意性地例示根据本发明的一个实施例的工具尖定位总成。

图4示意性地例示根据另一实施例的用于控制多轴工具机的控制系统的方块图。

图5示意性地例示根据本发明的一个实施例的工具尖定位总成的一部分。

具体实施方式

本文参考随附图式描述示例性实施例。除非另外明确地说明，否则在图式中，组件、特征、组件等的尺寸、位置等，以及其间的任何距离不一定按比例，而是为清晰起见加以夸示。

本文所使用的术语仅出于描述特定示例性实施例的目的且不意欲限制本发明。如本文所使用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一”及“该”意欲亦包括复数形式。应意识到，本说明书使用术语“包含”来指定所述特征、整数、步骤、操作、组件及/或组件的存在，而并不排除一或多个其他特征、整数、步骤、操作、组件、组件及/或其群组的存在或添加。除非另外指出，否则值的范围在被陈述时包括该范围的上限及下限以及上限与下限之间的任何子范围。除非另外指示，否则诸如“第一”、“第二”等仅用来区分一个组件与另一个组件。例如，一个致动器可被称为“第一致动器”，并且类似地，另一节点可被称为“第二致动器”，或反之亦然。本文所使用的章节标题仅出于组织目的且不应解释为限制所描述的目标物。

除非另外指示，否则术语“约”、“大约”等意谓量、尺寸、配方、参数及其他数量及特性并非且不需要是确切的，而是可按需要为近似的及/或较大或较小的，从而反映容限、转换因子、舍位、量测误差等等，及本领域的技术人员已知的其他因子。

为便于描述，本文可使用诸如“下方”、“之下”、“下部”、“上方”及“上部”等等空间相对术语来描述一个组件或特征与另一组件或特征的关系，如图中所例示。应意识到，空间相对术语意欲涵盖除图中所描绘的定向之外的不同定向。例如，若翻转图中的对象，则被描述为“在其他组件下方”或“在其他组件之下”的组件或特征随后将被定向为“在其他组件或特征上方”。因此，示例性术语“下方”可涵盖上方及下方两种定向。对象可以其他方式定向(例如，旋转90度或在其他定向上)，且可相应地解释本文所使用的空间相对描述符。

相同数字在全篇中指代相同组件。因此，可参考其他图式来描述相同或相似数字，即使在对应图式中既没有提及也没有描述该等数字。此外，甚至可参考其他图式来描述并未由参考数字表示的组件。

应了解，诸多不同形式及实施例在不背离本揭示案的精神及教示的情况下是可能的，且因此本揭示案不应被视为限于本文所阐明的示例性实施例。实情为，提供此等实例及实施例以使得本揭示案是全面及完整的，并且将揭示内容的范畴传达给本领域的技术人员。

I.概述

本文所描述的实施例通常可表征为关于用于控制多轴工具机的方法，该多轴工具机经组配来处理工件。可根据本文所描述的实施例来控制的多轴工具机的实例包括刳刨机、铣床、电浆切割机、放电加工(EDM)系统、镭射切割机、镭射刻线机、镭射钻孔机、镭射雕刻机、远程镭射焊接机器人、3D打印机、喷水切割机、研磨喷射切割机等等。因此，多轴工具机可表征为经组配来使工件与诸如刳刨机刀头、钻头、工具刀头、磨碎刀头、刀片等的机械结构接触，以对形成工件之一或多种材料进行移除、切割、抛光、粗糙化等。另外或替代地，多轴工具机可表征为经组配来引导能量(例如，呈如下形式：由镭射源产生的镭射光、由火炬产生的热量、由离子源或电子源产生的离子束或电子束等等，或其任何组合)，引导物质(例如，水、空气、砂或其他研磨颗粒、油漆、金属粉末等等或其任何组合)的串流或射流等等或其任何组合，以对形成工件之一或多种材料进行移除、切割、钻孔、抛光、粗糙化、加热、熔化、汽化、削磨、碎裂、变色、发泡，或以其他方式修改或改变该或该等材料的一或多个性质或特性(例如，化学组成、晶体结构、电子结构、微结构、奈米结构、密度、黏度、折射率、磁导率、相对电容率等)。此类材料可在工件处理之前或工件处理期间存在于工件的外表面处，或可在工件处理之前或工件处理期间位于工件内(即，不存在于工件的外表面处)。

无论如何处理工件，用来实现对工件的处理的任何机构(例如，任何前述机械结构、任何所引导能量、所引导物质的串流或射流等等，或其任何组合)在本文中均被称为“工具”。工具的实体地接触工件或以其他方式与工件互动(例如，经由吸收工件内的热量或电磁辐射、藉由将入射电子或离子的动能转换成工件内的热量、藉由工件腐蚀等)的部分或数个部分在本文中单独且统称为“工具尖”，并且工件的最终由工具处理(例如，在工具尖处)的任何区域在本文中被称为“加工区域”。在工具为可绕与工件相交的轴旋转的机械结构(例如，如同刳刨机刀头、钻头等的情况)或工具为沿着与工件相交的轴被引导至工件上的能量或物质的串流或射流的实施例中，此种轴相对于工件表面的部分(该轴与该部分相交)的角度在本文中被称为“加工角度”。

多轴工具机包括一或多个致动器，用来定位工具尖、定位工件、使工具尖相对于工件移动、使工件相对于工具尖移动，或其任何组合。因此，在赋予工具尖与工件之间的相对移动后，可改变加工区域在工件上或工件内的定位。每一致动器可经布置或以其他方式组配来沿着至少一个线性轴、沿着至少一个旋转轴定位加工区域或以其他方式赋予加工区域与工件之间的相对移动，或其任何组合。如此项技术中已知的，线性轴的实例包括X轴、Y轴(与X轴正交)及Z轴(与X轴及Y轴正交)，且旋转轴的实例包括A轴(亦即，定义绕平行于X轴的轴的旋转)、B轴(亦即，定义绕平行于Y轴的轴的旋转)及C轴(亦即，定义绕平行于Z轴的轴的旋转)。

经布置或组配来沿着线性轴定位加工区域或以其他方式赋予加工区域与工件之间的相对移动的致动器通常可称为“线性致动器”。经布置或组配来沿着旋转轴定位加工区域或以其他方式赋予加工区域与工件之间的相对移动的致动器通常可称为“旋转致动器”。多轴工具机内可包括的线性致动器的实例包括一或多个X轴致动器(亦即，经布置或组配来赋予沿着X轴的运动的致动器)、一或多个Y轴致动器(亦即，经布置或组配来赋予沿着Y轴的运动的致动器)及一或多个Z轴致动器(亦即，经布置或组配来赋予沿着Z轴的运动的致动器)，或其任何组合。多轴工具机内可包括的旋转致动器的实例包括一或多个A轴致动器(亦即，经布置或组配来赋予沿着A轴的运动的致动器)、一或多个B轴致动器(亦即，经布置或组配来赋予沿着B轴的运动的致动器)及一或多个C轴致动器(亦即，经布置或组配来赋予沿着C轴的运动的致动器)，或其任何组合。

多轴机可表征为“频谱互补”多轴工具机，或“非频谱互补”多轴工具机。频谱互补多轴工具机包括能够沿着相同轴，但在不同带宽下赋予移动的一或多组冗余致动器。非频谱互补多轴工具机不包括任何一组冗余致动器。

多轴工具机可表征为“轴向互补”多轴工具机，或“非轴向互补”多轴工具机。轴向互补多轴工具机具有一组轴向互补致动器，该等轴向互补致动器包括：至少一个旋转致动器，其经组配来沿着至少一个旋转轴定位工具尖及/或工件或向工具尖及/或工件赋予移动；以及至少一个线性致动器，其经组配来沿着至少一个线性轴定位工具尖及/或工件或向工具尖及/或工件赋予移动。在轴向互补多轴工具机中，工具及/或工件可绕其旋转的至少一个旋转轴不平行于工具及/或工件可沿着其平移的至少一个线性轴。例如，一组轴向互补致动器可包括：旋转致动器，其经组配来赋予沿着B轴的运动；以及至少一个线性致动器，其经组配来赋予沿着X轴、沿着Z轴或沿着X轴及Z轴的运动。在另一实例中，一组轴向互补致动器可包括：旋转致动器，其经组配来赋予沿着B轴的运动；以及至少一个旋转致动器，其经组配来赋予沿着C轴的运动；以及至少一个线性致动器，其经组配来赋予沿着X轴、沿着Z轴或沿着X轴及Z轴的运动。然而，一般而言，一组轴向互补致动器可表征为彼此非冗余的。非轴向互补多轴工具机不包括一组轴向互补致动器。应意识到，频谱互补多轴工具机或非频谱互补多轴工具机可经组配成轴向互补多轴工具机或非轴向互补多轴工具机。

通常，响应于自计算机档案或计算机程序获得或以其他方式导出的致动器命令来驱动多轴工具机的致动器。在自计算机档案或计算机程序导出致动器命令的实施例中，此种致动器命令可由在计算机档案中定义或由计算机程序定义的轨迹(或轨迹的分量)内插。轨迹可定义一连串工具尖及/或工件位置及/或移动(例如，沿着一或多个空间轴)，该等位置及/或移动描述在由多轴工具机处理工件期间，将如何对加工区域进行定位、定向、移动等。

通常，不同致动器命令可对应于不同轴向位置或移动，因此，“线性致动器命令”为对应于位置或移动的线性分量的致动器命令，并且“旋转致动器命令”为对应于位置或移动的旋转分量的致动器命令。详言之，“X轴致动器命令”可对应于沿着X轴的位置或移动的线性分量，“Y轴致动器命令”可对应于沿着Y轴(其中Y轴与X轴正交)的位置或移动的线性分量，“Z轴致动器命令”可对应于沿着Z轴(其中Z轴与Y轴正交)的位置或移动的线性分量，“A轴致动器命令”可对应于沿着“A轴”(A轴旋转运动表征绕平行于X轴之轴的旋转)的位置或移动的旋转分量，“B轴致动器命令”可对应于沿着“B轴”(B轴旋转运动表征绕平行于Y轴之轴的旋转)的位置或移动的旋转分量，并且“C轴致动器命令”可对应于沿着“C轴”(C轴旋转运动表征绕平行于Z轴之轴的旋转)的位置或移动的旋转分量。

如本文所使用，术语“致动器命令”指代由振幅所表征的电信号，该振幅随时间而改变并且因此可按此项技术中已知的方式表征为“频率内容”。通常，多轴工具机的致动器将由限制致动器的带宽的一或多个约束(例如，速度约束、加速度约束、急冲度约束等)来表征。如本文所使用，致动器的“带宽”指代致动器准确地或可靠地对具有超出与致动器相关联的临限频率的频率内容的致动器命令(或致动器命令的一部分)作出反应或响应的能力。应意识到，取决于特定致动器的类型、特定致动器的具体构造、特定致动器的质量、附接至特定致动器或可由特定致动器移动的任何对象的质量等等，可改变用于任何特定致动器的临限频率。例如，用于诸如伺服马达、步进马达、液压缸等致动器类型的临限频率可彼此相同或不同(如此项技术中已知的)，但通常小于用于诸如电流计、语音线圈马达、压电致动器、电子束磁性偏转器、磁致伸缩致动器等(如此项技术中已知，该等致动器可彼此相同或不同)致动器类型的临限频率。取决于组配转致动器的方式，旋转致动器可具有小于线性致动器的临限频率的临限频率。

最终，致动器命令被输出至多轴工具机的对应致动器，其中每一致动器可操作来沿着对应于与所接收致动器命令相关联的位置或移动的分量的轴定位或移动工具尖及/或工件。例如，X轴致动器命令最终将被输出至经布置或组配来沿着X轴定位或移动工具尖及/或工件的线性致动器，B轴致动器命令最终将被输出至经布置或组配来沿着B轴定位或移动工具尖及/或工件(亦即，使工具尖及/或工件绕Y轴旋转)的旋转致动器等。若轨迹描述可被分解成两个或两个以上移动分量(例如，在X轴、Y轴、Z轴、A轴、B轴或C轴中的两者或两者以上中的并行运动)的移动，则此类运动分量可表征为彼此“相关联”。对应于由轨迹所描述的相关运动分量的致动器命令同样可表征为彼此“相关联”。当致动器命令以同步化方式或以其他方式协调的方式输出至致动器时，致动器基本上藉由以沿着匹配或以其他方式对应于所要轨迹的路径来移动加工区域的方式赋予工具尖与工件之间的相对移动来作出反应或响应。

在以下章节中论述关于某些组致动器命令(亦即，“频谱互补致动器命令”及“轴向互补致动器命令”)的产生及使用的一些一般实施例。虽然两组致动器命令通常经描述为单独地产生及使用，但应意识到，两组致动器命令可以组合方式一起产生及使用。将关于图1至图4更详细地描述两组致动器命令的组合式产生及使用的一些实例。

A.关于通常用于频谱互补多轴工具机的致动器命令的实施例

在多轴工具机为混合多轴工具机的实施例中，可将一组频谱互补致动器命令输出至对应的一组冗余致动器。在一组频谱互补致动器命令内，致动器命令中的一者(例如，第一致动器命令)的频率内容将比致动器命令中的另一者(例如，第二致动器命令)的频率内容更高，并且第一致动器命令最终将被输出至该组冗余致动器中的相对高带宽致动器(例如，能够准确地或可靠地对第一频谱互补致动器命令作出反应或响应)，而第二致动器命令最终将被输出至该组冗余致动器中的相对低带宽致动器(例如，能够比对第一频率命令作出反应或响应更准确地或可靠地对第二频率命令作出反应或响应)。

可以任何适合的方式产生该组频谱互补致动器命令。例如，可藉由处理自计算机档案或计算机程序获得或以其他方式导出的致动器命令(例如，描述沿着诸如X轴、Y轴，Z轴、A轴，B轴或C轴等等的单个轴的位置或移动)来产生该组频谱互补致动器命令，如以上所论述。在此情况下，此种致动器命令亦被称为“初步致动器命令”，并且具有跨过初步频率范围的频率内容。初步频率范围可包括在一或多个频率下的不可忽略频率内容，该频率内容超出该组冗余致动器中的至少一个致动器的临限频率。初步致动器命令可经处理来产生一组频谱互补致动器命令。

通常，每一频谱互补致动器命令具有跨过小于初步范围且处于初步范围内的频率子范围的频率内容。具体而言，该组频谱互补致动器命令中的每一致动器命令的频率内容包括在一或多个频率下的不可忽略频率内容，该频率内容不超出该组冗余致动器中的对应致动器的临限频率。例如，在一组频谱互补致动器命令内，频谱互补致动器命令中的一者(例如，最终将被输出至该组冗余致动器中的第一致动器的第一频谱互补致动器命令)的频率内容将跨过第一频率子范围，并且频谱互补致动器命令中的另一者(例如，最终将被输出至该组冗余致动器中的第二致动器的第二频谱互补致动器命令)的频率内容将跨过第二频率子范围。在一个实施例中，第一子范围的平均频率可小于、大于或等于第二子范围的平均频率。第一子范围的限度可大于、小于或等于第二子范围的限度。第一子范围可与第二子范围重迭、毗连或隔开。

在一些实施例中，对初步致动器命令的处理可包括：藉由根据一或多个适合的算法修改初步致动器命令(或自初步致动器命令导出的另一命令)，将一或多个适合的滤波器应用于初步致动器命令(或自初步致动器命令导出的另一命令)；藉由整数倍降低取样初步致动器命令(或自初步致动器命令导出的另一命令)，将一或多个低阶内插应用于初步致动器命令(或自初步致动器命令导出的另一命令)等等或其任何组合。适合的滤波器的实例包括数字滤波器、低通滤波器、巴特沃斯滤波器等等或其任何组合。适合的算法的实例包括自动回归移动平均算法等等。在一些实施例中，可如美国公布号第5,751,585号、第6,706,999号及第8,392,002号专利中之一或多者中所描述来产生该组频谱互补致动器命令，该等专利案中的每一者以全文引用方式并入本文中。然而，应意识到，可根据美国公布号第5,638,267号、第5,988,411号、第9,261,872号专利中之一或多者中或美国专利公布号第2014/0330424号、第2015/0158121号、第2015/0241865号申请中之一或多者中所描述的技术来产生该组频谱互补致动器命令，该专利中的每一者以全文引用方式并入本文中。

虽然该组频谱互补的经处理的致动器命令已被描述为仅包括两个频谱互补致动器命令，但应意识到，该组频谱互补致动器命令可包括任何数目个频谱互补致动器命令(例如，3、4、5、6、7、8等)。一组频谱互补致动器命令中对应于公共轴的频谱互补致动器命令的数目可等于该组冗余致动器中能够沿着该公共轴进行定位或赋予移动的冗余致动器的数目。

B.关于通常用于轴向互补多轴工具机的致动器命令的实施例

有时，将要发布至旋转致动器(例如，B轴致动器)的旋转致动器命令(例如，B轴致动器命令)含有超出旋转致动器的临限频率的不可忽略频率内容。相应地，并且在多轴工具机为轴向互补多轴工具机的实施例中，可将一组轴向互补致动器命令输出至包括旋转致动器的一组轴向互补致动器，以补偿旋转致动器的有限带宽能力。例如，一组轴向互补致动器命令可包括：轴向互补旋转致动器命令，其具有不超出旋转致动器的临限频率的频率内容；以及至少一个轴向互补线性致动器命令。轴向互补旋转致动器命令可被输出至旋转致动器，并且至少一个轴向互补线性致动器命令可被输出至一或多个对应的线性致动器(亦即，与旋转致动器处于同一组轴向互补致动器中)。

可以任何适合的方式产生该组轴向互补致动器命令。例如，可藉由处理自计算机档案或计算机程序获得或以其他方式导出的旋转致动器命令(例如，描述沿着诸如B轴的单个旋转轴的位置或移动)来产生该组轴向互补致动器命令，如以上所论述。在此情况下，此种旋转致动器命令亦被称为“旋转致动器命令”，并且具有跨过初步频率范围的频率内容。初步频率范围可包括在一或多个频率下的不可忽略频率内容，该频率内容超出旋转致动器的临限频率。初步旋转致动器命令可经处理来产生一组轴向互补致动器命令，该组轴向互补致动器命令包括至少一个轴向互补旋转致动器命令及至少一个轴向互补线性致动器命令。

在一些实施例中，对初步旋转致动器命令的处理可包括：藉由根据一或多个适合的算法修改初步旋转致动器命令(或自初步旋转致动器命令导出的另一命令)，将一或多个适合的滤波器应用于初步旋转致动器命令(或自初步旋转致动器命令导出的另一命令)；藉由整数倍降低取样初步旋转致动器命令(或自初步旋转致动器命令导出的另一命令)，将一或多个低阶内插应用于初步旋转致动器命令(或自初步旋转致动器命令导出的另一命令)等等或其任何组合。适合的滤波器的实例包括数字滤波器、低通滤波器、巴特沃斯滤波器等等或其任何组合。适合的算法的实例包括自动回归移动平均算法等等。

II.控制具有轴向互补致动器及冗余线性致动器的多轴工具机

图1为示意性地例示用于控制多轴工具机的控制系统100的方块图，根据一个实施例，该多轴工具机包括相对低带宽X轴致动器102、相对低带宽Y轴致动器104、相对低带宽Z轴致动器106、相对高带宽X轴致动器108、相对高带宽Y轴致动器110、相对高带宽Z轴致动器112、B轴致动器114及C轴致动器116。在118处例示了例示本文所论述的轴之间的空间关系的图例。

相对低带宽X轴致动器102及相对高带宽X轴致动器108分别构成一组冗余致动器(亦即，一组冗余X轴致动器)。同样，分别由每一对相对低带宽Y轴致动器104及相对高带宽Y轴致动器110构成一组冗余致动器(亦即，一组冗余Y轴致动器)，并且分别由相对低带宽Z轴致动器106及相对高带宽Z轴致动器112构成一组冗余致动器(亦即，一组冗余Z轴致动器)。虽然所例示实施例描述具有由仅两个线性致动器构成之一组冗余线性致动器的多轴工具机，但应了解，多轴工具机可进一步配备有一或多个额外的线性致动器，该或该等线性致动器经布置或组配来赋予沿着X轴、Y轴及Z轴中的任一者的移动，以使得任何一组冗余致动器可包括三个或三个以上线性致动器。

在一个实施例中，任何组冗余致动器内的致动器均不附接至同一组冗余致动器中的另一致动器，或藉由同一组冗余致动器中的另一致动器使其移动。例如，相对高带宽X轴致动器108既不附接至相对低带宽X轴致动器102，也不藉由相对低带宽X轴致动器102使其移动。然而，在另一实施例中，一组冗余致动器内的至少一个致动器可附接至同一组冗余致动器中的另一致动器，且藉由同一组冗余致动器中的另一致动器使其移动。在此种实施例中，一组冗余致动器中的相对低带宽致动器可移动该组冗余致动器中的相对高带宽致动器，或可藉由该组冗余致动器中的相对高带宽致动器使其移动。

在一个实施例中，与该组冗余X轴致动器内的一或多个致动器及/或该组冗余Z轴致动器内的一或多个一起考虑，B轴致动器114构成一组轴向互补致动器。在另一实施例中，与该组冗余X轴致动器内的一或多个致动器及/或该组冗余Y轴致动器内的一或多个一起考虑，C轴致动器116构成一组轴向互补致动器。在又一个实施例中，与该组冗余X轴致动器内的一或多个致动器、该组冗余Y轴致动器内的一或多个致动器及/或该组冗余Z轴致动器内的一或多个一起考虑，B轴致动器114及C轴致动器116构成一组轴向互补致动器。

在所例示的实施例中，多轴工具机不包括任何A轴致动器。然而，应意识到，多轴工具机可包括A轴致动器，并且本文所论述的实施例可适于控制如本文所论述的A轴致动器。

A.关于工件定位总成之实施例

在一个实施例中，可将相对低带宽X轴致动器102、相对低带宽Y轴致动器104、相对低带宽Z轴致动器106、B轴致动器114及C轴致动器116并入为“工件定位总成”的部分，该工件定位总成经组配来同时或不同时沿着X轴、Y轴、Z轴、B轴、C轴或其任何组合定位或以其他方式移动工件。例如，相对低带宽X轴致动器102、相对低带宽Y轴致动器104、相对低带宽Z轴致动器106、B轴致动器114及C轴致动器116中的每一者可包括一或多个组件(例如，级、夹具、卡盘、轨道、轴承、托架、夹钳、系带、螺栓、螺杆、销、挡圈、系结件等，未展示)以准许此类致动器中之一或多者安装至彼此或以其他方式彼此机械耦接。在此情况下，相对低带宽Z轴致动器106可安装于相对低带宽X轴致动器102上(例如，以便可由相对低带宽X轴致动器102移动)，相对低带宽Y轴致动器104可安装于相对低带宽Z轴致动器106上(例如，以便可由相对低带宽Z轴致动器106、相对低带宽X轴致动器102或其任何组合移动)，B轴致动器114可安装于相对低带宽Y轴致动器104上(例如，以便可由相对低带宽Y轴致动器104、相对低带宽Z轴致动器106、相对低带宽X轴致动器102或其任何组合移动)，并且C轴致动器116可安装于B轴致动器114上(例如，以便可由B轴致动器114、相对低带宽Y轴致动器104、相对低带宽Z轴致动器106、相对低带宽X轴致动器102或其任何组合移动)。图2示意性地例示工件定位总成(例如，工件定位总成200)中的致动器的示例性布置，如以上所论述。然而，在其他实施例中，可以任何其他适合的或合乎需要的方式不同地布置工件定位总成内的致动器中之一或多者。亦应意识到，若适合或另外需要，可自工件定位总成省略相对低带宽X轴致动器102、相对低带宽Y轴致动器104、相对低带宽Z轴致动器106、B轴致动器114及C轴致动器116中之一或多者。

鉴于以上情况，应意识到，可将相对低带宽X轴致动器102、相对低带宽Y轴致动器104、相对低带宽Z轴致动器106、B轴致动器114及C轴致动器116中的每一者提供为一或多个级(例如，直接驱动级、导螺杆级、滚珠螺杆级、皮带驱动级等)，该或该等级各自藉由一或多个液压缸、一或多个气压缸、一或多个伺服马达、一或多个语音线圈致动器、一或多个压电致动器、一或多个电致伸缩组件等等或其任何组合来驱动。此外，相对低带宽X轴致动器102、相对低带宽Y轴致动器104、相对低带宽Z轴致动器106、B轴致动器114及C轴致动器116中的任一者可经组配来提供连续或步进(递增)运动。

工件夹具(未展示)可机械耦接至工件定位总成(例如，在相对低带宽C轴致动器116处)，以便以任何适合或所要方式对工件进行固持、保持、携带等。相应地，工件可经由夹具耦接至工件定位总成。可将工件夹具提供为一或多个卡盘或其他夹钳、夹子或其他紧固装置(例如，螺栓、螺杆、销、挡圈、系带、系结件等)，工件可夹紧、固定、固持、紧固或以其他方式支撑至该或该等卡盘或其他夹钳、夹子或其他紧固装置。

B.关于工具尖定位总成的实施例

在一个实施例中，相对高带宽X轴致动器108、相对高带宽Y轴致动器110及相对高带宽Z轴致动器112可并入“工具尖定位总成”内，该工具尖定位总成经组配来同时或不同时沿着X轴、Y轴、Z轴或其任何组合定位或以其他方式移动与多轴工具机相关联的工具尖。然而，应意识到，若适合或另外需要，可自工具尖定位总成省略相对高带宽X轴致动器108、相对高带宽Y轴致动器110及相对高带宽Z轴致动器112中之一或多者。一般而言，且取决于用来实现对工件处理的机构(亦即，将要使用的“工具”)，工具尖定位总成可表征为“串联工具尖定位总成”、“并联工具尖定位总成”或“混合工具尖定位总成”(例如，组合了串联工具尖定位总成及并联工具尖定位总成所特有的特性)。

i.关于串联工具尖定位总成的实施例

在一个实施例中，当将要使用的工具为机械结构(例如，刳刨机刀头、钻头、工具刀头、磨碎刀头、刀片等)时，可采用串联工具尖定位总成。在串联工具尖定位总成内，相对高带宽X轴致动器108、相对高带宽Y轴致动器110及相对高带宽Z轴致动器112中的每一者可包括一或多个组件(例如，级、夹具、卡盘、轨道、轴承、托架、夹钳、系带、螺栓、螺杆、销、挡圈、系结件等，未展示)以准许此类致动器中之一或多者安装至彼此或以其他方式彼此机械耦接。在此情况下，相对高带宽Y轴致动器110可安装于相对高带宽X轴致动器108上(例如，以便可由相对高带宽X轴致动器108移动)，并且相对高带宽Z轴致动器112可安装于相对高带宽Y轴致动器110上(例如，以便可由相对高带宽Y轴致动器110、相对高带宽X轴致动器108或其任何组合移动)。然而，在其他实施例中，可以任何其他适合的或合乎需要的方式不同地布置串联工具尖定位总成内之致动器中的一或多者。当将要使用的工具包括机械结构(例如，刳刨机刀头、钻头、工具刀头、磨碎刀头、刀片等)时，通常采用串联工具尖定位总成。当将要使用的工具包括自例如喷嘴、喷头等喷出的物质(例如，水、空气、砂或其他研磨颗粒、油漆、金属粉末等等或其任何组合)的串流或射流时，亦可采用串联工具尖定位总成。

鉴于以上情况，应意识到，可将串联工具尖定位总成中的相对高带宽X轴致动器108、相对高带宽Y轴致动器110及相对高带宽Z轴致动器112中的每一者提供为一或多个线性级(例如，直接驱动级、导螺杆级、滚珠螺杆级、皮带驱动级等)，该或该等级各自藉由一或多个液压缸、一或多个气压缸、一或多个伺服马达、一或多个语音线圈致动器、一或多个压电致动器、一或多个电致伸缩组件等等或其任何组合来驱动。此外，串联工具尖定位总成中的相对高带宽X轴致动器108、相对高带宽Y轴致动器110及相对高带宽Z轴致动器112中的任一者可经组配来提供连续或步进(递增)运动。

工具夹具(未展示)可机械耦接至串联工具尖定位总成(例如，在相对高带宽Z轴致动器112处)，以便以任何适合或所要方式对机械结构(例如，刳刨机刀头、钻头、工具刀头、磨碎刀头、刀片等)进行固持、保持、携带等。相应地，机械结构可经由工具夹具耦接至串联工具尖定位总成，该工具夹具可提供为一或多个卡盘或其他夹钳、夹持件或其他紧固装置(例如，螺栓、螺杆、销、挡圈、系带、系结件等)。若将要使用的工具包括物质(例如，如此项技术中已知的，由水源、空气源、砂源、颗粒源、油漆源、粉末源等等或其任何组合所提供的水、空气、砂或其他研磨颗粒、油漆、金属粉末等等或其任何组合)的串流或射流，则喷出串流或射流的喷嘴、喷头等可表征为工具夹具。

ii.关于并联工具尖定位总成的实施例

在一个实施例中，当将要使用的工具为所引导能量束等时，可采用并联工具尖定位总成。在并联工具尖定位总成内，相对高带宽X轴致动器108、相对高带宽Y轴致动器110及相对高带宽Z轴致动器112中之一或多者的本质及组态将取决于将要使用的工具。

例如，若将要使用的工具为电子束或离子束(例如，如此项技术中已知的，由电子源或离子源产生，未展示)，则可将相对高带宽X轴致动器108、相对高带宽Y轴致动器110及相对高带宽Z轴致动器112提供为再一个磁透镜、圆柱透镜、单透镜、四极透镜、多极透镜等等或其任何组合。

在另一实例中，若将要使用的工具为镭射光(例如，如此项技术中已知的，表现为由一或多个镭射源所产生的一系列脉冲、连续或拟连续激光束或其任何组合)，则可将相对高带宽X轴致动器108及相对高带宽Y轴致动器110中的每一者提供为电流计驱动镜系统、快速转向镜系统(例如，由语音线圈马达、压电致动器、电致伸缩致动器、磁致伸缩致动器等致动的镜)、微机电系统(MEMS)镜系统、自适应光学(AO)系统、电光偏转器(EOD)系统、声光偏转器(AOD)系统(例如，经布置及组配来响应于所施加RF信号而沿着诸如X轴或Y轴的轴绕射镭射光)等等或其任何组合。若将工具提供为聚焦激光束(在此情况下，“工具尖”为聚焦光束具有足够高通量来处理工件的区域)，则可将相对高带宽Z轴致动器112提供为：一或多个AOD系统(例如，经布置及组配来响应于一或多个所施加啾频RF信号而沿着诸如X轴及Y轴的两个轴绕射镭射光)；固定焦距透镜，其设置于镭射光传播的路径(亦即，“传播路径”)中，该固定焦距透镜耦接至致动器(例如，语音线圈)，该致动器经组配来使透镜沿着传播路径移动；可变焦距透镜(例如，变焦透镜，或并入当前由COGNEX、VARIOPTIC等提供的技术的所谓“液体透镜”)，其设置于传播路径中；等等或其任何组合。

图3示意性地例示并联工具尖定位总成的一个实施例，该并联工具尖定位总成经组配来定位或以其他方式移动与聚焦激光束相关联之工具尖。参考图3，并联工具尖定位总成300视需要包括扫描透镜302(例如，f-θ透镜、远心透镜、锥透镜等)，该扫描透镜经组配来聚焦沿着传播路径304传播的激光束，该激光束已藉由第一电流计驱动镜系统(此处提供为相对高带宽X轴致动器108)及第二电流计驱动镜系统(此处提供为相对高带宽Y轴致动器110)偏转。如所例示，第一电流计驱动镜系统包括耦接至马达308a(例如，经由轴杆)的镜306a，该马达经组配来使镜306a绕Y轴旋转(例如，以便准许激光束沿着X轴偏转)。类似地，第二电流计驱动镜系统包括耦接至马达308b(例如，经由轴杆)的镜306b，该马达经组配来使镜306b绕X轴旋转(例如，以便准许激光束沿着Y轴偏转)。并联工具尖定位总成300亦可包括耦接至致动器(例如，语音线圈，未展示)的透镜来作为相对高带宽Z轴致动器112，该致动器经组配来使透镜在由310处的双箭头所指示的方向上沿着传播路径304移动。

在一些情况下，由相对高带宽X轴致动器108、相对高带宽Y轴致动器110及相对高带宽Z轴致动器112中的两者或两者以上所提供的功能可由相同系统提供。例如，诸如快速转向镜系统、MEMS镜系统、AO系统等的系统可经驱动来沿着X轴及Y轴偏转镭射光。诸如MEMS镜系统、AO系统及一对AOD系统(例如，一个AOD系统经布置及组配来沿着X轴绕射镭射光，且另一AOD系统经布置及组配来沿着Y轴绕射镭射光)的系统可经驱动来沿着X轴及Y轴偏转镭射光，并且改变在加工区域处由镭射光照射的光点的尺寸(因此有效地改变在处理期间递送至工件的聚焦激光束腰沿着Z轴的位置)。因此，取决于提供及驱动此类系统的方式，可将此类系统表征为相对高带宽X轴致动器108、相对高带宽Y轴致动器110、相对高带宽Z轴致动器112或其任何组合。

iii.关于混合工具尖定位总成的实施例

在一个实施例中，当将要使用的工具为所引导能量束等时，可采用混合工具尖定位总成。例如，当提供为诸如电流计驱动镜系统、快速转向镜系统(例如，由语音线圈马达、压电致动器、电致伸缩致动器、磁致伸缩致动器等致动之镜)、MEMS镜系统、AO系统、EOD系统、AOD系统等系统时，相对高带宽X轴致动器108及/或相对高带宽Y轴致动器110可安装至或以其他方式机械耦接至相对高带宽Z轴致动器112(例如，以便可由相对高带宽Z轴致动器112移动)。在此实例中，可将相对高带宽Z轴致动器112提供为一或多个级(例如，直接驱动级、导螺杆级、滚珠螺杆级、皮带驱动级等)，该或该等级各自藉由一或多个液压缸、一或多个气压缸、一或多个伺服马达、一或多个语音线圈致动器、一或多个压电致动器、一或多个电致伸缩组件等等或其任何组合来驱动。

在另一实例中，当提供为诸如MEMS镜系统、AO系统、一对AOD系统等系统时，相对高带宽Z轴致动器112可安装至或以其他方式机械耦接至相对高带宽X轴致动器108及相对高带宽Y轴致动器110中的一者，该一者又可安装至或以其他方式机械耦接至相对高带宽X轴致动器108及相对高带宽Y轴致动器110中的另一者。在此实例中，可将相对高带宽X轴致动器108及相对高带宽Y轴致动器110中的每一者提供为一或多个级(例如，直接驱动级、导螺杆级、滚珠螺杆级、皮带驱动级等)，该或该等级各自藉由一或多个液压缸、一或多个气压缸、一或多个伺服马达、一或多个语音线圈致动器、一或多个压电致动器、一或多个电致伸缩组件等等或其任何组合来驱动。

C.关于工件及工具尖定位总成的额外注解

尽管为以上情况，应意识到，以上描述为并入于工件定位总成内(例如，以定位及/或移动工件)的相对低带宽致动器中的任一者可另外或替代地并入为工具尖定位总成的部分(例如，以定位及/或移动工具尖)。此外，并且尽管为以上情况，应意识到，在一些实施例中，工件定位总成可提供为业内当前可用之任何5轴工件定位/移动总成，诸如在由GF MACHINING SOLUTIONS MANAGEMENT SA所提供的AGIECHARMILLES镭射产品线、由MICROLUTION INC.所提供的MICROLUTION ML-D、由DMG MORI AKIENGESELLSHAFT/DMG MORICOMPANY LIMITED所提供的LASERTEC产品线中找到的5轴工件定位/移动总成。在一个实施例中，可如前述美国公布号第8,392,002号的图4A至图4C中所描述来提供工件定位总成。同样，并且尽管为以上情况，应意识到，在一些实施例中，工具尖定位总成可提供为业内当前可用的任何镭射扫描或聚焦总成，诸如在由CAMBRIDGE TECHNOLOGY所提供的3轴扫描系统、由RAYLASE所提供的MINISCAN、SUPERSCAN、AXIALSCAN及FOCUSSHIFER产品线、由KEYENCE CORP.所提供的MD系列3轴混合镭射标记器产品线、由ARGES GmbH所提供的WOMBAT、ANTEATER、ELEPHANT、PRECESSION ELEPHANT及PRECESSION ELEPHANT 2系列扫描头、由DMG MORI AKIENGESELLSHAFT/DMG MORI COMPANY LIMITED所提供的LASERTEC产品线中找到之镭射扫描或聚焦总成。此外，并且尽管为以上情况，应意识到，在一些实施例中，可如美国公布号第8,121,717号或国际公开号第WO 2014/009150 A1号专利(该等专利案中的每一者以全文引用方式并入本文中)中的任一者中所描述，或如前述美国公布号第8,392,002号专利的之5A至图5C中所描述来提供工具尖定位总成。

以上已示例性地描述了多轴工具机的一个实施例的某些组件，现在参考图1更详细地论述由控制系统100实施的用于处理及产生致动器命令来控制多轴工具机的算法。

D.关于致动器命令的处理的实施例

参考图1，控制系统100接收初步致动器命令(例如，自计算机文件或计算机程序获得或以其他方式导出，如以上所论述)。如所示，初步致动器命令包括初步线性致动器命令：初步X轴致动器命令(亦即，X_prelim.)、初步Y轴致动器命令(亦即，Y_prelim.)及初步Z轴致动器命令(亦即，Z_prelim.)；以及初步旋转致动器命令：初步B轴致动器命令(亦即，B_prelim.)及初步C轴致动器命令(亦即，C_prelim.)。在一个实施例中，初步致动器命令中的至少一者将具有超出对应相对低带宽致动器的临限频率的不可忽略频率内容。例如，初步X轴致动器命令(亦即，X_prelim.)可具有超出对应相对低带宽X轴致动器102的临限频率的不可忽略频率内容，初步Y轴致动器命令(亦即，Y_prelim.)可具有超出对应相对低带宽Y轴致动器104的临限频率的不可忽略频率内容，初步Z轴致动器命令(亦即，Z_prelim.)可具有超出对应相对低带宽Z轴致动器106的临限频率的不可忽略频率内容，初步B轴致动器命令(亦即，B_prelim.)可具有超出对应相对低带宽B轴致动器114的临限频率的不可忽略频率内容，初步C轴致动器命令(亦即，C_prelim.)可具有超出对应相对低带宽C轴致动器116的临限频率的不可忽略频率内容，或其任何组合。然而，应意识到，任何或所有前述初步致动器命令可具有处于或低于对应相对低带宽致动器的临限频率的不可忽略频率内容。

可处理初步致动器命令来产生第一组中间线性致动器命令。例如，将反向运动变换118应用于初步X轴致动器命令(亦即，X_prelim.)、初步Y轴致动器命令(亦即，Y_prelim.)、初步Z轴致动器命令(亦即，Z_prelim.)、初步B轴致动器命令(亦即，B_prelim.)及初步C轴致动器命令(亦即，C_prelim.)来产生第一组中间线性致动器命令。第一组中间线性致动器命令包括第一中间X轴致动器命令(亦即，X0)、第一中间Y轴致动器命令(亦即，Y0)及第一中间Z轴致动器命令(亦即，Z0)。可根据以下方程序应用反向运动变换：

如以上方程序中所示，反向运动变换计算在固定参考旋转位置处的第一组中间线性致动器命令。在以上给出之实例中，固定参考旋转位置为0度。

初步旋转致动器命令(例如，初步B轴致动器命令B_prelim.及初步C轴致动器命令C_prelim.)经受处理级120来产生一或多个经处理的旋转致动器命令。在所例示的实施例中，B_low表示经处理的B轴致动器命令，且C_low表示经处理的C轴致动器命令，两者均在处理级120处产生。在处理级120处，初步旋转致动器命令可经受一或多个过程，该或该等过程例如包括：将一或多个适合的滤波器应用于初步旋转致动器命令，根据一或多个适合的算法修改初步旋转致动器命令，整数倍降低取样初步旋转致动器命令，将一或多个低阶内插应用于初步旋转致动器命令等等或其任何组合。适合的滤波器的实例包括数字滤波器、低通滤波器、巴特沃斯滤波器等等或其任何组合。适合的算法之实例包括自动回归移动平均算法等等。经处理之旋转致动器命令对应于初步旋转致动器命令，但不具有任何(或仅具有可忽略量的)超出对应旋转致动器的临限频率的频率内容。因此，经处理的B轴致动器命令(亦即，B_low)不具有任何(或仅具有可忽略量的)超出相对低带宽B轴致动器114的临限频率的频率内容，经处理的C轴致动器命令(亦即，C_low)不具有任何(或仅具有可忽略量的)超出相对低带宽C轴致动器116的临限频率的频率内容等。如本文所使用，上述经处理的旋转致动器命令中的每一者在本文中亦称为“低频率内容旋转致动器命令”，或更一般而言，称为“低频率内容致动器命令”。

处理第一组中间线性致动器命令及经处理的旋转命令来产生第二组中间线性致动器命令。例如，将正向运动变换122应用于第一中间X轴致动器命令(亦即，X0)、第一中间Y轴致动器命令(亦即，Y0)、第一中间Z轴致动器命令(亦即，Z0)、经处理的B轴致动器命令(亦即，B_low)及经处理的C轴致动器命令(亦即，C_low)，以产生第二组中间线性致动器命令。第二组中间线性致动器命令包括第二中间X轴致动器命令(亦即，X1)、第二中间Y轴致动器命令(亦即，Y1)及第二中间Z轴致动器命令(亦即，Z1)。可根据以下方程序应用正向运动变换：

第二组中间线性致动器命令(例如，第二中间X轴致动器命令X1、第二中间Y轴致动器命令Y1及第二中间Z轴致动器命令Z1)经受处理级124来产生第一组经处理的线性致动器命令。第一组经处理的线性致动器命令可包括低频率内容X轴致动器命令(亦即，X_low)、低频率内容Y轴致动器命令(亦即，Y_low)及低频率内容Z轴致动器命令(亦即，Z_low)。在处理级124处，第二中间线性致动器命令可经受一或多个过程，该或该等过程例如包括：将一或多个适合的滤波器应用于第二中间线性致动器命令，根据一或多个适合的算法修改第二中间线性致动器命令，整数倍降低取样第二中间线性致动器命令，将一或多个低阶内插应用于第二中间线性致动器命令等等或其任何组合。适合的滤波器的实例包括数字滤波器、低通滤波器、巴特沃斯滤波器等等或其任何组合。适合的算法的实例包括自动回归移动平均算法等等。经处理的线性致动器命令对应于初步线性致动器命令，但不具有(或仅具有可忽略量的)超出对应线性致动器的临限频率的任何频率内容。因此，低频率内容X轴致动器命令(亦即，X_low)不具有任何(或仅具有可忽略量的)超出相对低带宽X轴致动器102的临限频率的频率内容，低频率内容Y轴致动器命令(亦即，Y_low)不具有任何(或仅具有可忽略量的)超出相对低带宽Y轴致动器104的临限频率的频率内容，并且低频率内容Z轴致动器命令(亦即，Z_low)不具有任何(或仅具有可忽略量的)超出相对低带宽Z轴致动器106的临限频率的频率内容。

自第二组中间线性致动器命令中的对应致动器命令减去低频率内容线性致动器命令(例如，X_low、Y_low及Z_low)来产生第二组经处理的线性致动器命令。第二组经处理的线性致动器命令可包括高频率内容X轴致动器命令(亦即，X_high)、高频率内容Y轴致动器命令(亦即，Y_high)及高频率内容Z轴致动器命令(亦即，Z_high)。例如，可自第二中间X轴致动器命令(亦即，X1)减去低频率内容X轴致动器命令(亦即，X_low)来产生高频率内容X轴致动器命令(亦即X_high)，可自第二中间Y轴致动器命令(亦即，Y1)减去低频率内容Y轴致动器命令(亦即，Y_low)来产生高频率内容Y轴致动器命令(亦即Y_high)，并且可自第二中间Z轴致动器命令(亦即，Z1)减去低频率内容Z轴致动器命令(亦即，Z_low)来产生高频率内容Z轴致动器命令(亦即Z_high)。以上所论述的减法可在求和器126处实施，该求和器可以此技术中已知的任何适合或所要方式实施。通常，高频率内容X轴致动器命令(亦即，X_high)的频率内容超出相对低带宽X轴致动器102的临限频率，但处于或低于相对高带宽X轴致动器108的临限频率。同样，高频率内容Y轴致动器命令(亦即，Y_high)的频率内容超出相对低带宽Y轴致动器104的临限频率，但处于或低于相对高带宽Y轴致动器110的临限频率；并且高频率内容Z轴致动器命令(亦即，Z_high)的频率内容超出相对低带宽Z轴致动器106的临限频率，但处于或低于相对高带宽Z轴致动器112的临限频率。

最终，并且如所示，将低频率内容X轴致动器命令(亦即，X_low)、低频率内容Y轴致动器命令(亦即，Y_low)、低频率内容Z轴致动器命令(亦即，Z_low)、高频率内容X轴致动器命令(亦即，X_high)、高频率内容Y轴致动器命令(亦即，Y_high)、高频率内容Z轴致动器命令(亦即，Z_high)、低频率内容B轴致动器命令(亦即，B_low)及低频率内容C轴致动器命令(亦即，C_low)分别输出至相对低带宽X轴致动器102、相对低带宽Y轴致动器104、相对低带宽Z轴致动器106、相对高带宽X轴致动器108、相对高带宽Y轴致动器110、相对高带宽Z轴致动器112、B轴致动器114及C轴致动器116。

虽然未例示，但控制系统100可包括一或多个延迟缓冲器，用来补偿由低频率内容X轴致动器命令(亦即，X_low)、低频率内容Y轴致动器命令(亦即，Y_low)、低频率内容Z轴致动器命令(亦即，Z_low)、高频率内容X轴致动器命令(亦即，X_high)、高频率内容Y轴致动器命令(亦即，Y_high)、高频率内容Z轴致动器命令(亦即，Z_high)、低频率内容B轴致动器命令(亦即，B_low)及低频率内容C轴致动器命令(亦即，C_low)的产生及/或此等致动器命令中的任一者至其相应致动器的输出所引起的任何处理或传输延迟，以使得可以同步化方式或以其他方式协调的方式输出该等致动器命令。在以同步化方式或以其他方式协调的方式输出致动器命令后，致动器基本上以类似同步化方式或以其他方式协调的方式作出反应或响应，以便以沿着匹配或以其他方式对应于所要轨迹的路径来移动加工区域的方式赋予工具尖与工件之间的相对移动。

一般而言，控制系统100可由一或多个控制器实施，该或该等控制器可通信地耦接(例如，经由一或多个有线或无线通信链路，诸如USB、以太网络、Firewire、Wi-Fi、RFID、NFC、蓝芽、Li-Fi等等或其任何组合)至多轴工具机的一或多个组件(例如，前述致动器中之一或多者、控制或以其他方式影响工具的操作的一或多个组件等等或其任何组合)。一般而言，控制器可表征为包括一或多个处理器，该或该等处理器经组配来在执行指令后处理及产生前述致动器命令。处理器可提供为经组配来执行指令的可程序化处理器(例如，包括一或多个通用计算机处理器、微处理器、数字信号处理器等等或其任何组合)。可由(数个)处理器执行的指令可实施于软件、韧体等中，或实施于任何适合形式的电路中，该电路包括可程序化逻辑设备(PLD)、现场可程序化门阵列(FPGA)、现场可程序化对象数组(FPOA)、特殊应用集成电路(ASIC)(包括数字电路、模拟电路及混合模拟/数字电路)等等或其任何组合。指令的执行可在一个处理器上进行，分散在处理器之间，跨装置内的处理器或跨装置的网络并行地进行等等或其任何组合。在一个实施例中，控制器包括诸如计算机内存的有形媒体，该计算机内存可由处理器存取(例如，经由一或多个有线或无线通信链路)。如本文所使用，“计算机内存”包括磁性媒体(例如，磁带、硬盘机等)、光盘、依电性或非依电性半导体内存(例如，RAM、ROM、NAND型闪存、NOR型闪存、SONOS内存等)等，且可在本地存取、在远程访问(例如，跨网络)或其组合。一般而言，指令可储存为计算机软件(例如，可执行程序代码、档案、指令等，链接库档案等)，该等计算机软件可由技术人员根据本文所提供之描述容易地编写，例如，用C、C++、Visual Basic，Java、Python、Tel、Perl，Scheme、Ruby等撰写。计算机软件通常储存于由计算机内存传达的一或多个数据结构中。

虽然未展示，但一或多个驱动器(例如，RF驱动器、伺服驱动器、线驱动器、电源等)可通信地耦接至前述致动器中之一或多者、控制或以其他方式影响工具的操作的一或多个组件等等或其任何组合的输入端。每一驱动器通常包括输入端，控制器可通信地耦接至该输入端。因此，控制器可操作来产生一或多个控制信号(例如，致动器命令、工具控制命令等)，该等控制信号可传输至与多轴工具机的一或多个组件相关联的一或多个驱动器的(数个)输入端。接收控制信号后，驱动器通常使电流供应至其所耦接至的组件(例如、致动器、工具等)，以便操作该组件且产生对应于命令信号的效果。因此，诸如前述致动器、工具等的组件响应于由控制器产生及输出的命令信号(例如，致动器命令、工具控制命令等)。

鉴于以上情况，应了解，控制系统100可用来连续地提供多轴工具机的相对低带宽致动器(例如，具有相对大的运动范围)及相对高带宽致动器(例如，具有相对小的运动范围)的同步化且协调的操作，来相对于工件定位或以其他方式移动加工区域(例如以准确且可靠地对应于所要轨迹的方式)。虽然控制系统100可相对于工件准确地定位加工区域(例如，根据所要轨迹)，但在工件处理期间的任何点处最终表现出的加工角度有可能偏离参考加工角度(例如，由轨迹明确地或隐含地指定)。一般而言，若高频率内容线性致动器命令具有超出旋转致动器的临限频率的频率内容，该旋转致动器并非一组冗余旋转致动器的部分，则加工角度的偏差出现。然而，可在工件处理期间预先计算(例如，基于多轴工具机中的致动器的特性、基于所要轨迹等)并且补偿(完全地或部分地)此类加工角度偏差(例如，藉由调整加工区域相对于工件移动的速度、藉由调整处理级120及124中之一或多者处的处理)。

III.控制具有轴向互补致动器及冗余旋转致动器的多轴工具机

图4为示意性地例示用于控制多轴工具机的控制系统400的方块图，根据一个实施例，该多轴工具机包括致动器，诸如以上关于图1至图3示例性地论述的致动器。然而，在当前实施例中，多轴工具机可另外包括B轴致动器402、C轴致动器404或B轴致动器402及C轴致动器404。B轴致动器402的临限频率高于B轴致动器114的临限频率。相应地，B轴致动器114在本文中亦可称为“相对低带宽B轴致动器”，且B轴致动器402在本文中亦可称为“相对高带宽B轴致动器”。同样，C轴致动器404的临限频率高于C轴致动器116的临限频率。相应地，C轴致动器116在本文中亦可称为“相对低带宽C轴致动器”，且C轴致动器404在本文中亦可称为“相对高带宽B轴致动器”。

相对低带宽B轴致动器114及相对高带宽B轴致动器402分别构成一组冗余致动器(亦即，一组冗余B轴致动器)。同样，分别由每一对相对低带宽C轴致动器116及相对高带宽C轴致动器404构成一组冗余致动器(亦即，一组冗余C轴致动器)。虽然所例示实施例描述具有由仅两个旋转致动器构成的一组冗余致动器的多轴工具机，但应了解，多轴工具机可进一步配备有一或多个额外的旋转致动器，该或该等旋转致动器经布置或组配来赋予沿着B轴或C轴中的任一者的移动，以使得任何一组冗余致动器可包括三个或三个以上旋转致动器。

在一个实施例中，与该组冗余X轴致动器内的一或多个致动器及/或该组冗余Z轴致动器内的一或多个一起考虑，相对高带宽B轴致动器402构成一组轴向互补致动器。在另一实施例中，与该组冗余X轴致动器内的一或多个致动器及/或该组冗余Y轴致动器内的一或多个一起考虑，相对高带宽C轴致动器404构成一组轴向互补致动器。在又一个实施例中，与该组冗余X轴致动器内的一或多个致动器、该组冗余Y轴致动器内的一或多个致动器及/或该组冗余Z轴致动器内的一或多个一起考虑，相对高带宽B轴致动器402及相对高带宽C轴致动器404分别构成一组轴向互补致动器。

A.关于工具尖定位总成的实施例

在一个实施例中，相对高带宽B轴致动器402及相对高带宽C轴致动器404中的一或两者可并入于工具尖定位总成内，如以上示例性地描述，以使得所得工具尖定位总成可经组配来同时或不同时沿着除X轴、Y轴，Z轴或其任何组合之外的B轴及/或C轴定位或以其他方式移动与多轴工具机相关联的工具尖。然而，应意识到，若适合或另外需要，可自工具尖定位总成省略相对高带宽X轴致动器108、相对高带宽Y轴致动器110、相对高带宽Z轴致动器112、相对高带宽B轴致动器402及相对高带宽C轴致动器404中的一或多者。如以上所提及，包括相对高带宽B轴致动器402及相对高带宽C轴致动器404中的一或两者的工具尖定位总成可表征为“串联工具尖定位总成”、“并联工具尖定位总成”或“混合工具尖定位总成”(例如，组合了串联工具尖定位总成及并联工具尖定位总成所特有的特性)。

i.关于串联工具尖定位总成的实施例

在串联工具尖定位总成(例如，如以上所描述)内，相对高带宽B轴致动器402及相对高带宽C轴致动器404中的任一者可包括一或多个组件(例如，级、夹具、卡盘、轨道、轴承、托架、夹钳、系带、螺栓、螺杆、销、挡圈、系结件等，未展示)，以准许相对高带宽B轴致动器402及相对高带宽C轴致动器404安装至彼此或以其他方式机械耦接，或者安装或以其他方式机械耦接至串联工具尖内所包括的前述致动器中之任一者。

串联工具尖定位总成中的相对高带宽B轴致动器402及相对高带宽C轴致动器404中的每一者可提供为一或多个旋转级(例如，直接驱动级、导螺杆级、滚珠螺杆级、皮带驱动级等)，该或该等旋转级各自藉由一或多个液压缸、一或多个气压缸、一或多个伺服马达、一或多个语音线圈致动器、一或多个压电致动器、一或多个电致伸缩组件等等或其任何组合来驱动。此外，串联工具尖定位总成中的相对高带宽B轴致动器402及相对高带宽C轴致动器404中的任一者可经组配来提供连续或步进(递增)运动。

工具夹具(未展示)可在相对高带宽Z轴致动器112(如以上所论述)处、相对高带宽B轴致动器402处或相对高带宽C轴致动器404处机械耦接至串联工具尖定位总成，以便以任何适合或所要方式对机械结构(例如，刳刨机刀头、钻头、工具刀头、磨碎刀头、刀片等)或喷出物质的串流或射流的其他结构(例如，喷嘴、喷头等)进行固持、保持、携带等。

ii.关于并联工具尖定位总成的实施例

在一个实施例中，除如以上示例性地描述的相对高带宽X轴致动器108、相对高带宽Y轴致动器110及相对高带宽Z轴致动器112中的一或多者之外，并联工具尖定位总成包括相对高带宽C轴致动器404。在此情况下，相对高带宽C轴致动器404的组态将取决于将要使用的工具。以下所论述的示例性实施例是关于将要使用的工具包括镭射光(例如，表现为由如此项技术中已知的一或多个镭射源所产生的一系列脉冲、连续或拟连续激光束或其任何组合)的实例。

当将要使用的工具为镭射光时，可引导镭射光(例如，沿着前述传播路径)来在加工区域处或加工区域附近照射工件的一部分。当在工件的表面上观察时，或当在与传播路径的在加工区域处与工件相交的部分正交的平面中观察时，所照射部分(亦称为“光点”)处的镭射光的空间强度分布可表征为具有圆形形状或非圆形形状。非圆形形状的实例包括椭圆形形状、三角形形状、正方形形状、矩形形状、不规则形状等。圆形或非圆形光点形状可以此技术中已知的任何适合方式使用一或多个光束修剪孔、绕射光学组件、AOD系统、棱镜、透镜等(其可包括为多轴工具机的一部分且设置于传播路径内)来产生，或可由于激光束在加工区域处照射工件的表面而产生，该表面为非平面的或不与传播路径的在加工区域处与工件相交的部分正交，或其任何组合。

鉴于以上情况，相对高带宽C轴致动器404可在任何适合或所要位置处设置于传播路径中，该位置为并联工具尖定位总成(例如，并联工具尖定位总成300)中的相对高带宽X轴致动器108或相对高带宽Y轴致动器110中的任一者的光学“上游”或光学“下游”。在一个实施例中，相对高带宽C轴致动器404可提供为微机电系统(MEMS)镜系统、自适应光学(AO)系统或其任何组合，且经组配来以有效地改变入射激光束的空间强度分布的定向的方式来改变空间强度分布相对于传播路径的形状。在另一实施例中，相对高带宽C轴致动器404可提供为一或多个棱镜，该或该等棱镜可由致动器旋转(例如，绕传播路径延伸所沿着的轴)或以其他方式移动，以改变空间能量分布相对于传播路径的定向。在一个实施例中，可如美国公布号第6,362,454号专利中所描述来提供相对高带宽C轴致动器404，该专利案以引用方式并入本文中。在又一实施例中，相对高带宽C轴致动器404可提供为一或多个AOD系统(例如，经布置及组配来响应于一或多个所施加啾频RF信号沿着诸如X轴及Y轴的两个轴绕射镭射光)。

在一些情况下，由相对高带宽C轴致动器404及相对高带宽X轴致动器108、相对高带宽Y轴致动器110及相对高带宽Z轴致动器112中的一或多者所提供的功能可由相同系统提供。例如，诸如MEMS镜系统、AO系统及一对AOD系统(例如，一个AOD系统经布置及组配来沿着X轴绕射镭射光，且另一AOD系统经布置及组配来沿着Y轴绕射镭射光)的系统可经驱动来沿着X轴及Y轴偏转镭射光，改变在加工区域处由镭射光照射的光点的尺寸(因此有效地改变在处理期间沿着Z轴递送至工件的聚焦激光束腰的定位)，并且改变在处理期间递送至工件的聚焦激光束腰沿着Z轴的位置)。因此，取决于提供及驱动此类系统的方式，可将此类系统表征为相对高带宽X轴致动器108、相对高带宽Y轴致动器110、相对高带宽Z轴致动器112、相对高带宽C轴致动器404或其任何组合。

iii.关于混合工具尖定位总成的实施例

在一个实施例中，除如以上结合串联工具尖定位总成示例性地描述的相对高带宽X轴致动器108、相对高带宽Y轴致动器110、相对高带宽Z轴致动器112及相对高带宽C轴致动器404中的一或多者之外，混合工具尖定位总成包括相对高带宽B轴致动器402。在此情况下，相对高带宽B轴致动器402附接至前述致动器中的一或多者且可由前述致动器中的一或多者移动，以便可同时或不同时沿着X轴、Y轴、Z轴、C轴或其任何组合移动。应了解，相对高带宽B轴致动器402的组态将取决于将要使用的工具。以下所论述的示例性实施例系关于将要使用的工具包括镭射光(例如，表现为由如此项技术中已知的一或多个镭射源所产生的一系列脉冲、连续或拟连续激光束或其任何组合)的实例。当将要使用的工具为镭射光时，可引导镭射光(例如，沿着前述传播路径)来在加工区域处或加工区域附近照射工件的一部分。

现参考图5，相对高带宽B轴致动器402可包括：第一AOD系统500，其经布置及组配来响应于所施加RF信号沿着一个轴(例如，沿着X轴)绕射镭射光；以及第二AOD系统502，其经布置及设置在第一AOD系统500的光学“下游”，且经组配来回应于所施加RF信号沿着另一轴(例如，沿着Y轴)绕射镭射光。相对高带宽B轴致动器402可包括额外的组件，诸如半波板501及503，以及极化光束分离器505。当受到驱动时，第一AOD系统500及第二AOD系统502可将入射激光束510偏转位置或以其他方式移动至在与第一AOD系统500及第二AOD系统502相关联的扫描范围内的任何数目个位置(例如，如由偏转光束512及514所指示)。诸如偏转光束512及514的偏转光束可由相对于入射激光束510所量测的偏转角度来表征。

相对高带宽B轴致动器402亦可包括设置在第二AOD系统502的光学下游的一组透镜(例如，中继透镜504及扫描透镜506)。中继透镜504用来将任何偏转光束(例如，偏转光束512及514)的偏转角度变换至扫描透镜506上的横向位移光束(例如，横向位移光束512’及514’)。然后，扫描透镜506将任何横向位移光束(例如，横向位移光束512’及514’)变换至递送至工件(本文在508处例示)的入射光束(例如，入射光束512”及514”)。如所例示，入射光束512”及514”在相同(或至少大体上相同的)光点或加工区域处，但以不同加工角度照射工件。

基于上述相对高带宽B轴致动器402的构造，应意识到，入射激光束的加工角度可被改变的速度对应于第一AOD系统500及第二AOD系统502的再新率。最大加工角度与AOD偏转范围及中继透镜504的焦距成正比，且与扫描透镜506的焦距成反比。可调整中继透镜504与扫描透镜506之间的距离来确保不同入射光束可递送至工件508上的相同加工区域。

B.关于工具尖定位总成的额外注解

尽管为以上情况，应意识到，以上描述为并入于工件定位总成内(例如，以定位及/或移动工件)的相对低带宽致动器中的任一者可另外或替代地并入为工具尖定位总成的部分(例如，以定位及/或移动工具尖)，该工具尖定位总成包括相对高带宽B轴致动器402或相对高带宽C轴致动器404。此外，并且尽管为以上情况，应意识到，在一些实施例中，工具尖定位总成可提供为业内当前可用的任何镭射扫描或聚焦总成，诸如在由ARGES GmbH所提供的PRECESSION ELEPHANT及PRECESSION ELEPHANT 2系列扫描头中找到的镭射扫描或聚焦总成。此外，并且尽管为以上情况，应意识到，在一些实施例中，可如国际公开号第WO 2014/009150 A1号专利中所描述来工具尖定位总成，该专利案以全文引用方式并入本文中。

C.关于致动器命令的处理的实施例

一般而言，控制系统400可藉由如关于控制系统100示例性地描述的一或多个控制器来实施，并且除经引入来考虑相对高带宽B轴致动器402、相对高带宽C轴致动器404或其组合存在的一些额外过程之外，控制系统400的操作与以上关于图1所论述的控制系统100的操作相同。现将在以下描述此等额外的过程及操作。

自初步旋转致动器命令(例如，初步B轴致动器命令B_prelim.及初步C轴致动器命令C_prelim.)中的对应致动器命令减去低频率内容旋转致动器命令(例如，B_low及C_low)来产生一或多个经进一步处理的旋转致动器命令。例如，可自初步B轴致动器命令(亦即，B_prelim.)减去低频率内容B轴致动器命令(亦即，B_low)来产生作为经进一步处理的旋转致动器命令的高频率内容B轴致动器命令(亦即，B_high)。类似地，可自初步C轴致动器命令(亦即，C_prelim.)减去低频率内容C轴致动器命令(亦即，C_low)来产生作为经进一步处理的旋转致动器命令的高频率内容C轴致动器命令(亦即，C_high)。以上所论述的减法可在求和器406处实施，该求和器可以此技术中已知的任何适合或所要方式实施。通常，高频率内容B轴致动器命令(亦即，B_high)的频率内容超出相对低带宽B轴致动器114的临限频率，但处于或低于相对高带宽B轴致动器402的临限频率。同样，高频率内容C轴致动器命令(亦即，C_high)的频率内容超出相对低带宽C轴致动器116的临限频率，但处于或低于相对高带宽C轴致动器404的临限频率。

最终，并且如所示，高频率内容B轴致动器命令(亦即，B_high)、高频率内容C轴致动器命令(亦即，C_high)或其任何组合被输出至相对高带宽B轴致动器402及相对高带宽C轴致动器404中的相应一者。虽然未例示，但控制系统400可包括一或多个延迟缓冲器，用来补偿由高频率内容B轴致动器命令(亦即，B_high)、高频率内容C轴致动器命令(亦即，C_high)的产生及/或此等致动器命令中的任一者至其相应致动器的输出所引起的任何处理或传输延迟，以使得可以同步化方式或以其他方式协调的方式输出所例示致动器命令。在以同步化方式或以其他方式协调的方式输出致动器命令后，致动器基本上以类似同步化方式或以其他方式协调的方式作出反应或响应，以便以沿着匹配或以其他方式对应于所要轨迹的路径来移动加工区域的方式赋予工具尖与工件之间的相对移动。

前文是对本发明的实施例及实例的说明且不应被理解为对本发明的限制。虽然已参考图式描述数个特定实施例及实例，但本领域的技术人员将容易了解，在不实质上脱离本发明之新颖性教示及优点的情况下，对所揭示的实施例及实例以及其他实施例的诸多修改是可能的。因此，所有此类修改意欲包括在如权利要求书中所界定的本发明的范畴内。例如本领域的技术人员将了解，任何句子、段落、实例或实施例的目标可与一些或所有其他句子、段落、实例或实施例的目标组合，除此类组合互斥的情况外。因此，本发明的范畴应由以下权利要求书以及包括在其中的权利要求的等效物来判定。