专利名称：轨迹控制方法
技术领域：
本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的用于轨迹控制的方法。
在现代的机床中采用数控器(NC)，以便检查工具相对于工件的定位和运动。为了按照规定来加工工件，需要在事先确定的轨迹上相对于工件来移动工具。所以人们也称之为轨迹控制。在由数控器执行的子程序中进行所希望轨迹的确定。此时，数控器将子程序的几何指令转换成给机床的不同轴位置调节的指令。
当今CAD/CAM系统常常用来生成子程序，这些系统通过考虑譬如工具半径从要制造物体的给定的几何形状中计算出工具轨迹。由工具轨迹中的弯曲的、连续微分的曲线来形成要制造物体的弯曲的、连续微分的面。通过其线段包罗了非连续微分的角的折线来趋近 这些曲线。编程员当然也可以直接制定这些子程序，但是这常常是很费事的。
因此在子程序中由工具轨迹的给定来确定工件的加工。如果详细观察该工具轨迹，则可将由折线的线段所包罗的角划分为两个范畴。首先存在着其尺寸精度对于工件以后的功能是特别重要的角，因为由这些角规定了工件的棱边。但是也存在着仅仅用于趋近那些弯曲的、连续微分的曲线的角。在处理这些角时的尺寸精度在这里大多不是那么重要的。这些角的倒圆甚至避免了本来光滑面的、通过由折线的趋近所形成的磨平面。
由于机床在它的运动轴上在最大加速度和甚至最大冲击(加速度的变化)方面受到某些限制，所以不能以有限的速度准确地驶过在工具轨迹的两个线段之间的、在子程序中所规定的角，因为一种无限的加速度为此似乎是必要的。用其可以通过一个角的最大速度因此与最大的允许容差有关，实际的工具轨迹允许以该允许容差偏离理想的工具轨迹。该容差越大，可能的速度则越高。在子程序中所规定的角此时随着增高的速度越来越强烈地被倒圆。与此相反，可以以仅与所调节驱动系统的质量有关的精度来处理线段。
在常规方式的轨迹控制中可以规定对工具轨迹的所有的角起作用的全局的角容差，该角容差与所提及的参数-最大加速度和最大冲击-，以及与从工具轨迹的一个线段向下一个线段进行方向变化的角度一起，规定了在所述角的范围内的最大允许速度。
EP 0864952 A1说明了一种用于以最大加工速度来加工工件的方法，在该加工速度的情况下考虑了最大允许的容差。此时可以对于工具轨迹的不同区域给定不同的容差。但是在工具轨迹的编程时，面对每个导至工件轮廓中的棱边的角而给出较小的容差(棱边容差)，而对于跟随其后的区域，如果通过所编程的角仅仅用折线来趋近连续微分的曲线，则又给定较大的容差(曲线容差)，这则是很费事的。所以对于折线的处理通常仅调定一种容差，也就是所述两种容差中的较小者。
这导至总是以棱边容差来处理具有非连续微分的角的轨迹，因此在本身似乎允许较大曲线容差的区域中以太小的速度来处理角。工件的加工时间因此是不必要地长的。
因此本发明的任务在于说明一种用于轨迹控制的方法，该方法允许以微小的花费计算出工具轨迹的最佳加工速度。
通过按权利要求1所述的方法解决该任务。权利要求1的从属权利要求中给出了所述方法的有利的细节。
现在，建议给数控器规定所编程工具轨迹的角用的、至少两种全局性起作用的容差。在此，在所有导至工件轮廓中的棱边的角上应该适用较小的棱边容差，而在所有通过将工具轨迹如上所述地趋近连续微分的弯曲曲线所产生的角上，应该适用较大的棱边容差，例如在借助CAD/CAM系统的编程情况下那样。对于不在工件之内的角可以规定较粗略的定位容差。
通过容差分配单元来分析所编程的工具轨迹。该容差分配单元对于每一个在工具轨迹内规定的角进行判断，通过该角是否在工件的轮廓中形成一个棱边，或该角是否仅仅是通过借助折线来趋近弯曲的连续微分的轨迹所形成的。于是在第一种情况下，对于角的加工和因而对于所允许的轨迹速度的计算而引用所述的棱边容差，在第二种情况下对此则考虑所述的曲线容差。
在该判断之后数控器可以通过容差分配单元来决定驶过每个角的各自的最大速度。此时，例如在子程序开始时或作为轨迹控制中的配置参数，只须一次性地规定所述的棱边容差和曲线容差。为此应该在数控器中安排相应的输入可能性。也可以规定所述两种容差之一，以及一个必须施加在该容差上的系数，以便获得各自另一种容差。
从借助附图的以下说明中得出本发明的其它优点以及细节。
图1展示了所给定工具轨迹的实例，图2展示了用于处理该工具轨迹的方法，图3展示了所给定工具轨迹的部分视图。
附图1展示了由支点P1-P11所给定的工具轨迹1。通过该工具轨迹1，工件2在断面图中具有矩形P1-P9-P10-P11的形状，该矩形的边P1-P9具有半圆形的缺口P2-P8。在此，半圆P2-P8是通过在P2，P3，P4，P5，P6，P7和P8处具有角的折线来趋近的。在保持较大的曲线容差的情况下可以处理在P3，P4，P5，P6和P7处的角，而在P2，P8，P9，P10和P11处的角则导至工件2中的棱边，并因此必须用棱边容差来处理。在P1中给定容差是不必要的，因为由工具3可以水平地靠近和垂直地离开P1处的棱边，并因此在P1中没有角必须被处理。
现在应在附图2中说明用于控制工具轨迹1的方法。
在步骤A中通过相应的输入可能性给数控器彼此独立地给定棱边容差和曲线容差。这只是一次性地必要的，而且这可以要么在子程序中，要么直接在数控器本身中来进行。譬如在数控器5的存储器7中存放了所述的容差，并且全局性地有效。将棱边容差选择得小于曲线容差。棱边容差的典型值可以是10μm，合理的曲线容差可以例如是其两倍，于是譬如是20μm。
在步骤B中通常以同样存放在数控器5的存储器7中的子程序形式，给数控器5给定应由工具3处理的工具轨迹1。附图1实例中的子程序借助譬如由线性线段彼此连接的，并因此形成折线的支点P1-P11来描述工具轨迹1。在支点P2-P11中形成了非连续微分的角。
在步骤C中容差分配单元6借助后面将说明的判据来分析在支点P2-P11处的角。此时必须判断各自的角是否导至工件中的棱边，或所述的角是否仅仅用于趋近一个弯曲的连续微分的曲线。容差分配单元6给工具轨迹1的支点P2-P11处的每一个角在第一情况下分配棱边容差，在第二情况下分配曲线容差。
在步骤D中数控器5命令机床4处理给定的工具轨迹1，并在此对于P2-P11处的每一个角计算出能够遵守适用于这些角的容差的各自最大可能的速度。
所述步骤的顺序当然不是固定在它们的说明顺序上的。重要的仅仅在于，在P2-P11处的角的加工时刻已由容差分配单元6作出了关于应采用容差的判断，并因此可以确定加工用的最佳速度。这必须通过考虑以下的事实来实现，在以有限的速度驶过非连续微分的角时，由于有最大可能的加速度和最大可能的冲击的限制而必然出现偏离给定轨迹的误差，所以这些误差按数值不允许大于各自给定的容差。
使用实际子程序的试验已证明，通过在角上的较高加工速度，与棱边容差对工具轨迹1的所有角起作用的加工循环相比，使用适用的曲线容差可以实现将所参与机床4的产量提高10％左右。
现在应借助附图3说明，容差分配单元6借助哪些判据可以给每个要加工的角来判断各自容差的分配。通过支点Pn-1，Pn，Pn+1给定了所述的工具轨迹1。对于Pn处的角应进行判断，是否存在着形成棱边的角，或是否存在着一个通过趋近连续微分的弯曲曲线所形成的角。
首先可以观察两个线段的方向变化的角α，这两个线段毗连在支点Pn处的角上。如果该角α小于或等于某个极限角，则分配曲线容差，如果大于该极限角，则分配棱边容差。30度的角α已证明是合理的极限值。此时出发点在于，在趋近连续微分的曲线时如此短地选择所述的线段，使得在它们之间不形成大于极限角的角。在附图1的实例中在角P2中的方向变化为90度，在这里因此必须分配棱边容差，而在P3-P7处的角中方向变化小于30度，并因此可以应用曲线容差。
另一个判据可以是，总是当在支点Pn处的角上的两个线段Pn-1-Pn和Pn-Pn+1中的较长者长于某个极限长度时，才从一个形成棱边的角出发，并因此分配棱边容差。该判据的出发点在于，较长的线段不是安排用于趋近弯曲的连续微分的曲线的，而毗连的角因此形成工件中的棱边。
作为附加的判据还要提及的是，可以确定由Pn-1，Pn和Pn+1所规定的圆弧8的半径。如果该半径位于极限半径(在实践中500mm已证明是合适的)之上，则同样从支点Pn处的形成棱边的角出发。
基于几何的考虑可以找到容差分配单元6可用其工作的许多其它的判据。它们首先基于关于通过折线来趋近弯曲的连续微分曲线的假设上。因此可以产生较强的(象首先所述的那样)和较弱的(象两个另外所述的)判据，这些判据或多或少明确地允许评判Pn处的各自的角。
在容差分配单元6中采用多个判据时，当只有所述判据之一要求这一点时，就给一个角分配棱边容差，则是合理的。但是在采用较弱的判据时，当这些判据中的多个对此作出肯定时，才分配棱边容差，也是合理的。应该考虑到，用棱边容差来加工一个仅仅趋近一个弯曲的连续微分曲线的角，要比用曲线容差加工形成棱边的角是更好的，因为在第一情况下仅仅采用较小的轨迹速度，而在第二情况下可能破坏容差规定。
对于专门的用途，使用多于只有两种的容差来工作也可能是有益的。于是通过相应的几何考虑，也可以从三或多种容差的选择中进行容差的分配，例如通过对于在角Pn上的工具轨迹1的方向变化α来确定多个极限角。
在允许直接在子程序中对于象圆弧、花键或其它弯曲工具轨迹1那样的工具轨迹区段进行编程的数控器5中，也可以使用上述方法。于是可以将已经存在的曲率信息直接用于确定在这些工具轨迹区段之内各自应采用的容差。上述判据可用于向各自下一个工具轨迹区段的过渡。
如果规定只有两种容差的可能性还不够用，当然也可以考虑在工件加工期间改变一种或两种容差。这例如可以通过子程序中的相应指令来实现。
用于轨迹控制的所述方法的附加选项是数控器5的一种功能，该功能监控所编程的轨迹速度，并在超出极限速度(例如每分钟15-20米)时识别工具3的运动只能是定位运动，而工具3因此不与工件2接触。于是可以给工具轨迹1的该段的角分配另一种容差，即定位容差，该定位容差可附加于棱边容差和角容差而全局性地给定。在该意义上，所编程的轨迹速度的监控也可以理解为容差分配单元6的其它判据。定位容差的合理值可以位于0.1-1mm的范围内。
权利要求
1.用于轨迹控制的方法，其中，在步骤(A)中给数控器(5)给定至少两种全局的容差，在步骤(B)中给所述的数控器(5)给定一种具有支点(Pn)的工具轨迹(1)，所述工具轨迹(1)的非连续微分的角分别位于这些支点上，以及在步骤(C)中由一个容差分配单元(6)给支点(Pn)处的所述角中的每一个分配在步骤(A)中所确定的容差中的一种。
2.按权利要求1的方法，其中，在步骤(A)中给定一种棱边容差和一种曲线容差。
3.按权利要求2的方法，其中，在步骤(A)中给定所述的棱边容差小于所述的曲线容差。
4.按权利要求1，2或3的方法，其中，在步骤(C)中如果所述的容差分配单元(6)识别出在支点(Pn)处的所述的角导至所述工件(2)中的一个棱边，则分配所述的棱边容差。
5.按权利要求1，2或3的方法，其中，在步骤(C)中如果所述的容差分配单元(6)识别出在支点(Pn)处的所述的角仅仅用于趋近弯曲的连续微分的曲线，则分配所述的曲线容差。
6.按权利要求1，2或3的方法，其中，在步骤A中附加地给定一个全局的定位容差，如果在支点(Pn)处的所述角的范围中所编程的轨迹速度大于一个极限速度，则在步骤C中分配所述的定位容差。
7.按权利要求4的方法，其中，如果支点(Pn)处的所述角上的方向变化的角(α)大于一个极限角，则分配所述的棱边容差。
8.按权利要求4的方法，其中，如果形成支点(Pn)处的所述角的两个线段(Pn-1-Pn)和(Pn-Pn+1)中的较长者长于一个极限长度，则分配所述的棱边容差。
9.按权利要求4的方法，其中，如果通过所述支点(Pn-1)，(Pn)和(Pn+1)的圆弧8的半径大于一个极限半径，则分配所述的棱边容差。
10.按以上权利要求之一的方法，其中，在步骤(D)中所述的数控器(5)命令机床(4)通过考虑对于每个角所确定的容差来处理所述的工具轨迹(1)。
11.用于实施按以上权利要求之一所述的方法而设置的数控器。
全文摘要
本发明涉及一种用于在数控器(5)中轨迹控制的方法。在此，对于工具轨迹(1)的角给定棱边容差和较大的曲线容差。借助容差分配单元(6)给工具轨迹(1)的在子程序中给定的角分别分配容差要么当这些角导至工件(2)中的棱边时，则分配所述的棱边容差，要么当这些角仅仅用于趋近弯曲的连续微分的曲线时，则分配所述的曲线容差。在机床(4)上可以如此快速地实现子程序的执行，而不至于在子程序中对于每个角必须设置一个自己的容差。
文档编号G05B19/4093GK1554041SQ02817675
公开日2004年12月8日 申请日期2002年8月31日 优先权日2001年9月10日
发明者M·福泽, S·卡伦博恩, M 福泽, 撞┒ 申请人:约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司