专利名称：控制一刀具进给的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种方法和一种装置，该方法和装置用于控制一数控机床、一机器人或类似装置的刀具进给，其中通过各控制语句来预定刀具进给。
在已有的数控技术中，例如在机床所使用的数控技术中，对于每个子程序语句来说，对在该语句上恒定的刀具进给值作编程。这样一种恒定的刀具进给然而却仅仅当它反映加工条件特征以及当加工条件在该语句之上是恒定时才是有意义的。
而当子程序直接地预先规定一非笛卡尔坐标机的机器轴转动时，一恒定的刀具进给则是无意义的。刀具进给在这样一种场合则不代表刀具上的切削条件。若要将这些切削条件保持为恒定(这一点是比较有利的)，则该预定的刀具进给必须改变。
当刀具上的切削条件由于一变化的轮廓曲率以及与此相关联的比如一铣刀的一变化的啮合区域而改变时(比如通过圆渐开线形成的螺旋线)，一个恒定的刀具进给预定量更加不利。
按普通方式将由此来产生刀具进给轮廓线将一子程序划分为许多短的语句，且对每一个这样的控制语句分别预定一独自的且恒定的进给值。由此所产生的刀具进给轮廓线则以普通的方式表现为阶梯形进给轮廓线，就象图2的图例所表示的那样。在横坐标上表示出走刀路程B，该路程B被划分成多个控制语句(图中以垂直走向的虚线表示)。在纵坐标上标出刀具进给F。
为将这样一种刚性的阶梯形进给轮廓线设计得更柔性，则推荐预先规定一种可编程的进给超限轮廓线(Vorschub-Overrideprofile)(此处请尤其参照FANUC公司的名称为FS15/MA渐开线内插法的实施方式)。一种通过进给超限轮廓线来影响速度的已知可能性在于通过一进给超限轮廓可在0到例如200％的范围内成比例地改变被编程的绝对进给量，以便能适应比如在加工一工件时已改变了的技术情况。在熟知的方法中则在进给整个长度上预定超限支点且在支点间进行对超限值的线性内插。
在第一种已知的预定一阶梯形进给轮廓线的场合，该轮廓根据速度控制的参数化以及根据所采用的伺服器和驱动器的动态特征来加以修磨。除了需要大量子程序语句以及由此产生的不实用的大的子程序这一缺点外，人们还得到这样的奇怪结论现代化的动力驱动设备却降低了加工质量。
通过经一超限值来适配刀具进给量，则因对速度控制的平滑处理使得这种适配过程始终在时间上而且因此也在空间上被延迟。由此使得对预定值的满足性(比如最精确的轮廓准确性)明显地受到损坏。
因此，本发明的目的是提供一种用于控制刀具进给的方法及装置，该方法在有关刀具进给的速度控制方面提供最大可能的柔性并确保使速度的极限保持为不依赖于机器的动态特性，这种柔性能克服需要许多的子程序语句的缺点并尽可能地保证最好的进给准确度。
本发明的目的是通过创造一种用于控制一数控机床、一机器人或类似机器的刀具进给的方法来实现的。在该方法中，在每一控制语句上均预定了刀具的进给，并且可直接地对刀具进给的进给速度轮廓线进行编程，其中在超出一允许的轴动力学特性的情况下，通过预定的进给速度轮廓线在刀具进给过程中控制语句搭接地且预报性地起动最小值。
在本发明方法的第一项有利的改进设计中，刀具进给的进给速度轮廓线被预定为在一控制语句上的线性进给轮廓线。
在本发明方法的另一具有优点的改进设计中，刀具进给的进给速度轮廓线被预定为在一控制语句上的或一系列的控制语句上的多项式进给轮廓线。
在本发明方法的又一具有优点的改进设计中，刀具进给的进给速度轮廓线被预定为在一系列控制语句上的进给仿样函数。
通过上述对本发明方法进一步有利的改进设计，可柔性地预定刀具进给曲线，其中这种预定可扩展出线性的和三次的过程曲线。三次曲线可直接地或作为内插的或逼近的仿样函数加以编程。由此根据待加工工件的曲率可以连续地编制刀具进给的平滑速度曲线程序。这样的速度曲线能得到一无冲击的加速度改变且由此也比如可得到对工件表面均匀的加工。
在具有将进给速度轮廓线预定为进给仿样函数或多项式的本发明方法的另一具有优点的改进设计中，则采用一预报器算法分别在控制语句过渡处预定进给额定值作为进给仿样函数和进给多项式的支点，这些刀具进给额定值经一内插仿样函数或一内插多项式被相互连接在一起。
在本发明的又一具有优点的改进设计中，刀具进给速度轮廓线的预定是经一系列的控制语句作为多项式进给轮廓线或者是经一系列的控制语句作为进给仿样函数通过如下措施来进一步形成的采用一预报器算法分别在控制语句过渡处预定刀具进给额定值作为支点，在这些值之间经一逼近的仿样函数或一近似多项式来预定刀具进给。
在本发明方法的另一具有优点的改进设计中，实现了即便在起动进给速度轮廓线时，也能确保将速度限制保持成不依赖于机器的动态特性。这一点是这样来达到的在通过对进给速度控制进行平滑处理来保持可允许的轴动态特性的条件下，实施起动刀具进给的进给速度轮廓线。
在本发明方法的再一具有优点的改进设计中进一步可以避免在进给轮廓线上的一个停止或一个跳跃之后的轴向超载。这一点是通过如下措施来实现的当刀具进给的进给速度曲线上出现一个跳跃和/或在一刀具进给超限值改变时，激活对进给速度控制的平滑处理。
在本发明方法的又一具有优点的改进设计中，可在实施进给轮廓线的方法时达到尽可能小的误差，其中通过对速度轮廓线的补偿性的或断开的平滑来处理刀具进给的进给速度轮廓线。
为能以特别有效的方式方法来实现本发明的技术解决方案以及由此带来的优点，进一步建议一种用于控制一数控机床、一机器人或类似机器的刀具进给的装置，其中刀具进给在每一控制语句上可预给定，该装置的特征在于可直接对刀具进给的进给速度轮廓线进行编程，其中在超出一允许的动态特性的情况下通过预定的进给速度轮廓线可在刀具进给过程中控制语句搭接地、预报性地起动最小值。
下面借助附图所示优选实施例来进一步解释本发明的其它细节和优点，附图中
图1示出用于对本发明的不同刀具进给轮廓线进行编程的一图表例，图2示出根据已有技术所得的阶梯形进给轮廓线，图3示出一线性进给速度轮廓线的编程例，图4示出在一控制语句上的一多项式进给速度轮廓线例，图5示出在多个控制语句上的通过仿样内插所得的三次进给速度轮廓线例，
图6示出用于对进给编程和实际走过的进给轮廓线例。
为便于更好理解，以下根据图2～5的图例来描述不同的已编程的进给速度轮廓线。
图2示出一根据现有技术所得的阶梯形进给轮廓线，在上文业已加以描述。在图3示例中，与图2示例业已描述的一样是用横坐标表示走刀路程B而用纵坐标表示刀具进给F。走刀路程B被分配在多个控制语句中，这是用垂直走向的虚线表示出的。所示刀具进给曲线各自在走刀路程B上从控制语句开始到其结束由实际值所线性连接成且之后用作为最可见值(modaler wert)。这样一种线性进给曲线在以下用FLIN表示，而根据图2的一条恒定的刀具进给值曲线则用FNORM表示。
在图4的示例中，该示例具有如图2和图3示例相同的原理结构，其中的进给曲线则经一多项式直接加以编程。在此示出了在一单个控制语句上的一多项式刀具进给，其中通过一多项式从当前值一直至控制语句结束来控制进给曲线。该末端值其后作为最可见值。这样一种多项式进给曲线在以下用FPO表示。当然也可以有另外一种进给多项式，它展开在一系列多个控制语句上。这样一种多项式进给轮廓FPO可设计成内插多项式或近似多项式。
在实施内插时，所寻求的进给轮廓线经过预定的支点位置，这样所找到的函数便允许控制支点间的刀具进给。在作近似的场合，所寻求的刀具进给在一预定的策略之后穿过支点之间，而无需在被近似值的支点上与支点的进给额定值相重叠。
在图5示例中，该示例具有同上述示例相同的原理结构，示出了借助一进给仿样函数对三次进给速度轮廓线作编程的例子。该进给仿样函数通过一系列控制数据语句来给定，这些控制数据语句又通过在整个走刀路程B上的垂直走向的虚线表示出。一个仿样函数是一种由多项式逐段组成的函数。为此比如要用到三次抛物线，它们分别精确地穿过两支点。对n个支点来说，仿样函数由n-1个多项式共同组成。用这种方式可获得一个仿样内插函数(为执行-仿样内插运算请参阅Schrüfer所著信号处理-数字信号的数字处理，慕尼黑；维也纳，Hanser出版社，1990，第77页起)。
在实际情况下，强制仿样函数精确通过所有的支点不太有利。更有意义的做法是采取补偿方法并代替内插而使用一逼近仿样函数。与之相关的着眼点在于使具有一开始尚未知的纵坐标值的三次多项式穿过支点位置，使得它们之间的差值正比于仿样函数的三阶导数的阶跃值(详细请参考前述Schrüfer的著作第81页)。
在一个仿样内插的情况下，刀具进给从实际的进给值到被编程的进给值直至控制语句结束被连接成三次曲线。以逐句方式编程的刀具进给值(相对于句末端点)由一仿样函数相互连接在一起。该仿样函数开始和结束均与前面的或后继的进给数据相切。进给值在此处用作为计算仿样内插的支点。一条采取这种方式的三次进给轮廓线在以下用FCUB表示。与之类似地可根据前面的实施形式进行仿样逼近。
用于确定一进给仿样函数FCUB或一进给多项式FPO的支点例如可以借助一预报器算法分别在控制语句过渡处预定出。
由此可例如采取如下的方式来看出如何借助一预报器算法来对一控制语句的进给轮廓线作内插计算起始点当前走刀位置S0和进给速度V01、在考虑一超限值的情况下，由线性外插估算将来的走刀位置S11＝S0+V0*Ti以及所属进给V11＝进给轮廓线(S11)其中Ti＝内插周期 S0，V0，S11，V112.用V11根据下列公式S12＝S0+(V0+V11)/2*Ti以及V12＝进给轮廓线(S12)来改善估计值并且也可根据a12＝v12*d(进给轮廓线)/dt及S＝S12在考虑一等待着的超限值情况下来改善加速度S0，V0，V12，a123.在保存所设置的加速度和冲击限制的情况下，以及在考虑进给最小值和动态限制的情况下，从V12和a12出发新的走刀位置S1和进给速度V1→回跳至步骤1。
下面借助示例性子程序对前面所示出的本发明不同的可编程进给轮廓线的使用加以详细说明。对于该示例性子程序，按照标准DIN 66025对进给量的编程被扩展出与上述各名称FLIN、FPO和FCUB相对应的线性和三次曲线。这些三次曲线可直接或作为内插/逼近的仿样函数或多项式加以编程。该示例性子程序由N1～N15共15个控制语句组成并由下述指令所组成N1 F1000 FNORM G1 X8 G91 G64N2 F2000 X7N3F＝FPO(4000，600，-4000)X16N4X6N5 F3000 FLIN X5N6 F2000 X8N7 X 5N8 F1000 FNORM X5N9 F1400 FCUB X8N10 F2200 X6N11 F3900 X7N12 F4600 X7N13 F4900 X5N14 FNORM X5N15 X20在图1的示例中示出根据该示例性子程序所产生的额定进给轮廓线。横坐标仍表示走刀路程B，纵坐标表示进给量F。由图中垂直走向的虚线所表示的走刀路程B被划分在示例性子程序的各程序块N1～N15中。在它们之间则标上各个通过相应控制语句的进给编程所产生的刀具进给。控制语句N1具有一恒定的进给轮廓线。在控制语句N2中进行一有阶跃的加速度变化，根据该变化在控制语句N3中通过一具有进给4000的多项式将进给轮廓线引导至控制语句末端。控制语句N4描述一恒定的进给轮廓线(多项式进给量作为最可见值)。控制语句N5和N6具有一线性下降的进给轮廓线，控制语句N7则又描述一恒定的进给轮廓线(线性进给量作为最可见值)。控制语句N8具有一带阶跃式加速度变化的恒定进给轮廓线。在控制语句N9～N15中则将逐句编程的进给值与仿样函数相连接。在控制语句N13中则布置有仿样轮廓线且在其后重又跟随有一恒定的进给轮廓线。
为了保证把速度限制保持为不依赖于机器的动态特性，对于预定刀具进给轮廓线超过允许的轴动态特性的场合，则实施一控制语句搭接的、预报的从刀具进给曲线的最小值开始的起动。该关系可用图6示例来看清。在横坐标上标有走刀路程B，纵坐标则同样又标以进给量F。图中示出了三个控制语句N100、N110和N120。N100和N120这两个语句都具有一恒定的进给轮廓线FNORM，而控制语句N110具有一线性进给轮廓线FLIN。与图1示例类似地用实线示出额定进给轮廓线。而实际走过的进给轮廓线则根据一虚线表示的曲线来示出。在控制语句N100开始或控制语句120的结尾可根据实际走过的刀具进给轮廓线来看出，如何根据伺服器和驱动器的动态特性对额定进给轮廓线进行修磨。在具有线性进给轮廓线FLIN的控制语句N110中可看出，在控制语句N120的语句开始处的局部最小值在进给过程中被预报性地起动，因为否则的话预定的刀具进给轮廓线会超出允许的轴动态特性。
同样在刀具进给轮廓线上的一个停止或一个阶跃之后对刀具进给轮廓线的起动场合以及在改变一进给超限值时，可在保持允许的轴动态特性之下对刀具进给的速度控制进行主动的平滑处理，这样可保持机器动态特性的速度限制。一已经被起动的刀具进给轮廓线却可紧接着用补偿的或断开的对速度控制的平滑来处理。由此且经过已提及的预报器算法(该算法几乎能精确地将刀具进给额定值提供给待定内插点)，则可以可忽略的误差来走过刀具进给轮廓曲线。在弯曲的路段，可通过以下措施来优化刀具进给仅仅以恒定的切削速度来开始一可能提供的刀具进给多项式FPO或一进给仿样函数FCUB。由此可产生一加速度恒定的额定进给轮廓线。此外还可实施一种监视，它确保在一可能的轴过载情况下可再次无冲击地启动速度控制的平滑。
所有在前面描述中所提到的和在附图中所示出的特征，只要为已有的技术所允许，均应单独或相互组合地被视为在本发明的范畴内。
前述本发明的优选实施形式是为了进一步说明本发明而给出的。但本发明的优选实施形式并未被穷举。本发明也没有被局限于详细说明的实施形式，相反在前面给出的技术解决方案范围内还可有许多的修改。前面已选择并描述了一优选实施形式，以说明本发明的原理细节和实际应用，并使专业人员能够实现本发明。在专门应用领域还可考虑许多的优选实施形式以及其它修改。
权利要求
1.一种用来控制一数控机床、一机器人或其它类似机器的刀具进给(F)的方法，其中在每个控制语句(N1...Nx)上预定有刀具进给(F)，其特征在于直接对刀具进给(F)的进给速度轮廓线编程，其中在超出一允许的轴动态特性的场合，通过预定的进给速度轮廓线在刀具进给(F)的曲线上控制语句搭接地、预报性地起动最小值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述刀具进给的进给速度轮廓线在一控制语句(N1...Nx)上被预定为线性进给轮廓线(FLIN)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述刀具进给的进给速度轮廓线在一控制语句或一系列控制语句(N1...Nx)上被预定为多项式进给轮廓线(FPO)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于所述刀具进给的进给速度轮廓线在一系列控制语句(N1...Nx)上被预定为进给仿样函数(PCUB)。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于分别在控制语句过渡处借助一预报器算法来预定刀具进给额定值(FSoll)作为进给仿样函数(FCUB)或进给多项式(FPO)的支点，这些刀具进给额定值经一内插仿样函数或一内插多项式被相互连接。
6.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于分别在控制语句过渡处用一预报器算法来预定刀具进给额定值(FSoll)作为进给仿样函数(FCUB)或进给多项式(FPO)的支点，在这些额定值之间经一逼近仿样函数或一近似多项式来预定刀具进给。
7.如上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于对刀具进给(F)的进给速度轮廓线的起动是在保持允许的轴动态特性之下利用对进给速度控制的平滑处理来进行的。
8.如上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于在刀具进给(F)的进给速度轮廓线上有一阶跃时和/或在改变一刀具进给超限值时，启动对进给速度控制的平滑。
9.如上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于一起动的刀具进给(F)的进给速度轮廓线利用对速度轮廓线的补偿性平滑或断开性平滑来处理。
10.一种用于控制一数控机床、一机器人或其它类似机器的刀具进给(F)的装置，其中在各控制语句(N1...Nx)上可预定刀具进给(F)，其特征在于直接对刀具进给(F)的进给速度轮廓线编程，其中在超出一允许的轴动态特性的场合，通过预定的进给速度轮廓线在刀具进给(F)的曲线上控制语句搭接地、预报性地起动最小值。
全文摘要
一种控制刀具进给的方法和装置,其中刀具进给(F)的进给速度轮廓线可直接被编程,在超出一允许的轴动态特性的场合,通过该预定的进给速度轮廓线在刀具进给曲线上控制语句搭接地、预报性地起动最小值。进给速度轮廓线可尤其被编程为线性的、多项式的和三次的进给轮廓线,其中后者经一系列的控制语句通过内插或近似被预定为进给多项式或进给仿样函数。
文档编号G05B19/4103GK1261447SQ98806545
公开日2000年7月26日 申请日期1998年5月29日 优先权日1997年6月12日
发明者威廉·韦斯特迈耶, 沃尔夫冈·斯佩思 申请人:西门子公司