用于帶有冗余的、平移作用的軸的測量機或機床的優化的運動協調的方法

專利名稱：用于帶有冗余的、平移作用的軸的測量機或機床的優化的運動協調的方法
技術領域：
在測量機和機床的開發中，越來越多地使用冗余的、平移作用的軸，即這樣一些
軸，其相互疊加構造地或相互作用地、可在空間中平行地相對運動，其中，在具有相對長的 運動范圍的基軸上或者相對于所述基軸設置有一個或多個具有相對短的運動范圍的附加 軸。
背景技術：
這樣的可冗余地在相同方向上疊加地運動的軸提供了以下可能性在測量裝置或 刀具相對于測量物或加工物的連續運動過程中結合了基軸的較大的運動范圍與短程的并 因此較輕地構造的附加軸的較高加速能力。 這類設計的一個例子是專利EP 594 699B1 (Ehlerding)。在所述的專利中已經提 出使用平行定向的、疊加作用的軸裝置，以便能夠在這樣的機床中在可較小加速的、長程的 軸的整個工作區域內實現輕的、短程的軸的高加速度，所述機床優選設計用于在兩個或三 個相互正交定向的軸上加工扁的或平的工件。 由該公開文獻已知，在此稱為附加軸的較短的分軸可以由一個可在材料上方運動 的龍門架支撐，該龍門架帶有支撐附加軸的運動單元，所述運動單元又能沿著龍門架運動， 或者也可以借助于基軸使材料運動，其中，刀具又可以借助于附加軸與由基軸引起的運動 無關地相對于材料運動。同樣，也可想到一個或多個支撐刀具的附加軸，所述附加軸在材料 上方沿著作為基軸的固定龍門架運動，而材料借助于另一個與龍門架正交地定向的基軸在 龍門架下面順著運動。 通常公知的是，替代龍門架，也可以將帶有運動的或靜止的支撐件的橫梁或可運 動或靜止的臂或懸臂用作附加軸的載體，并且，所有提及的軸配置也與通常的情況不同，其 中，基軸優選可以使重的機器部分或重的測量物或加工物在水平面上運動，也可以具有空 間上的其它定向。替代測量裝置或刀具，輕的或小的測量物或加工物也可以通過附加軸支 撐并通過基軸和附加軸的總運動沿測量裝置或刀具導向，而為此無需根本不同的協調。
此外，例如由W0 2006/75209A2(Gattiglio等人)已知，附加軸盡管在物理上相互 正交地定向并且共同在一個借助兩個基軸定向的平面上運動，然而，物理的附加軸在該運 動面中并不平行于所述基軸定向，例如，如在WO 2006/75209A2中一樣在公共的運動平面 中相對于基軸轉過45。。 軸的冗余的、平行定向的作用在此基本上也易于實施，因為即便是普通技術人員 也能借助于最簡單的、恒定作用的模擬的、數字的或在計算機技術上考慮的乘法元件毫無 問題地設置為此必需的在兩個借助物理軸向定向的笛卡兒坐標系的定向之間的固定變換。
此外，由現有技術已知，也可以使用能以通常很小的角度值旋轉地運動的裝置來 替代線性運動的附加軸，使得借助于旋轉點和測量點或加工點之間足夠的間距形成測量裝 置或刀具的與測量或加工相關的元件的足夠近似線性的運動。如果集束的輻射能(大多是激光束)借助于可擺動的鏡或其它偏轉元件偏引到加工位置，則為此使用一種變型。這種 意義上的附加軸例如在文獻WO 96/29634A1 (Cutler等人)中詳細說明，為此特別示意性地 參見該文獻的圖2和圖4。對于其它的刀具(例如可旋轉的銑削頭)或相應的測量裝置，也 可考慮與附加軸相關的類似運動學關系，其中，常常可以附加地沿刀具軸或例如測量探頭 軸運動，也用于補償與相應的基軸正好平行的運動的偏差。 在專利文獻EP 1 294 544B1 (Sartorio)中示出了另一種配置，作為相對之前的 現有技術的改進，該專利文獻教導可高加速的附加軸的、可兩軸式線性運動的并聯運動學 概述，這尤其產生這樣的優點在如此設計的機器的兩個水平的主運動方向上存在就此而 言類似的運動學關系，這能夠提高二維的刀具運動的效率。 然而，關于同步運行的軸的實際協調公開甚少。僅僅提及一些在分軸的協調過程 中應遵循的基本的框架性條件。在專利EP 1 294 544B1中從說明書的第[24]段至第[39] 段以及在獨立權利要求中對此略有說明。由說明書的上述部分得到的唯一一些信息給出了 以下教導基軸的最大速度必須顯著地高于刀具速度，并且，可以由所述條件和已知機器數 據的假設建立必須的公式，以便求出尚未已知的機器數據。 顯然基于該尚不完整的教導，在EP 1 758 003Al(Cardinale等人)中首先提出了 軸的一種協調，其應當按照反向運動學原理通過利用所謂的雅各布矩陣(Jacobi-Matrix) 的專門形式以優化的方式使用運動機構的冗余自由度。所有與此有關的論述都是一般性 的，使得其甚至都不足夠清楚具體的限制條件在這樣的方法中有多重要，更不用說哪些條 件對于完全明確的和可實際使用的、用于軸的協調的解決方案是重要的。在其它的說明、例 子和權利要求中也沒有給出于此有關的任何具體參考，盡管例如原則上在所有足夠具體的 實施例中、尤其是在有關的激光切割機的情況下，相應的解釋(即使不是必須的)是可能 的。如果該方法也應該用于由此表明要求保護的發明也能應用于復雜地構造的系統、例如 用于旋轉軸或者甚至冗余作用的旋轉軸，則該方法不能以一種在沒有其它發明步驟的情況 下完全允許該應用的方式進行。與已知的現有技術相比，實際上也沒有公開技術人員尚未 已知的東西。首先，通過篩選(Filterimg)將運動分配給冗余作用的軸完全不具有新穎性， 并且實際上并不讓人驚奇的是附加軸在此(應當)將總運動和基軸的運動之間的差作為運 動執行。另外，重復了在EP 1 294544Bl中基本上可讀到的內容基軸的最大速度應選擇得 明顯比附加軸的最大速度更高(見EP 1 758 003Al，說明書，第32段和權利要求9)。
到目前為止可完全地、具體地理解的是因為仍然不清楚如何對運動的加速度分 量或幅值分量以及同樣地對整個輪廓或單獨的區段進行"篩選"，所以該方法最后也僅僅相 當于例如來自EP 594 699B1的現有技術，即便權利要求實際上擴展到所有類型的可調節 的物理變量，然而該擴展在此卻不再有意義。 然而，該方法在此被列為現有技術，因為對于待解決的問題之一其舉例性地正好
證明了這一點作為本發明在此也應描述的一個方面，如何在更復雜的總加工內部針對多
個較小的輪廓特別有效地對附加軸的有效運動的實施進行協調。EP 1 758 003Al在此提出
對此進行"篩選"，然而這對于各自封閉的輪廓沒有給出可實施的技術教導，但是與用途相
關，同步地、冗余地作用的軸非常清楚地顯示了對相應的解決方案的需要，所述解決方案應
當如用語"篩選"聽起來那樣是普遍適用的，并且在此提供了對運動軸的有效協調。 就此可以想到一種相對簡單的變型，該變型不太適合利用同步地、冗余地作用的軸，因為在EP 1 366 846Bl(Leibinger等人)中關于基軸和附加軸的替代使用進行了明確 描述。具體見那里的圖9。 相應地，根據現有技術假設本領域技術人員知道如何在總加工內部區分、求出以 及在尺寸上確定單獨的輪廓。 在實際中，大量與此有關的變型為本領域技術人員所熟知或容易想到，這些變型 大多數最終導致至少簡化地對加工進行預先模擬，該預先模擬通過所有相關的機器軸中的 最小值增量和最大值增量確定各封閉的運動軌跡的位置和尺寸并將這樣獲得的數據例如 通過專門的代碼或作為注釋分配給確定區段的所生成的CNC程序。同樣也可以想到在預 處理范圍中這樣的步驟首先在控制裝置中進行，其中，獲得的值大多僅暫時地在控制裝置 的存儲器中存儲和使用。根據現有技術也允許做以下假設可以存在關于可分開的輪廓的 相應數據。 因此，雖然容易理解在EP 1 366 846B1中如何預想基軸和附加軸的協調，但這在 EP 1 578 003A1中關于各個輪廓是完全不清楚的，除非假設其是一種與EP 1 366 846B1 中的方法相似的方法，也就是說1.識別合適的部分輪廓；2.必要時將基軸定位在合適的 起始位置上；3.通過附加軸執行識別出的部分輪廓。此外，如果人們這樣地計劃到這些識 別的部分輪廓和從這些識別的部分輪廓出發的、由于效率原因而疊加地協調的運動，使得 甚至在基軸運動期間通過或借助附加軸針對附加軸各自的起始位置或者例如加工的開始 或其余部分對附加軸進行適配，則這通過術語"篩選"和模糊的暗示(即在遇到問題時可以 使用雅各比矩陣)對于本領域技術人員而言當然不能被解釋為可實施的，與新穎性的問題 完全沒有關系。 在本發明的申請人最近提交的一份專利申請中，描述了冗余地、平移地作用的軸 裝置的一種變型，該變型基本上不需要這樣的有待通過附加軸處理的部分輪廓，因為通過 那里所提出的機器設計或相應的方法，任意一個輪廓都能夠以附加軸的最大可能的加速度 在不需要任何差分的情況下被處理(以下稱為方法1)。 本發明申請人的另一份先前提交的專利申請描述了一種方法，用于即便對于不太 適配地設計的機器也能夠以盡可能高的加速度至少實現附加軸的顯著改善的可應用性。在 不將整個測量或整個加工細分為單獨的部分輪廓的情況下，該用于軸協調的優化的方法也 是適用的(以下稱為方法2)。 但是，與方法1 (該方法不適用于所有機器或者并不總是能以必須的速度應用)相 比，通過方法2實際上不能同樣地、有效地實現對每個任意的輪廓的軸協調。尤其是當很多 較小的部分輪廓分布在較大的面上時，通過方法2基本上無法保證軸的自動地高優化的協 調，以至于即使來自EP 1 366846B1的更簡單的方法在這樣的特殊情況下也可以具有至少 相似的效率。然而，在許多單獨的待處理的輪廓緊密地分布時，這兩種方法(方法2和EP 1 366 846B1)是特別不好的；因為方法2不能以差分方式識別和處理這些輪廓，而EP 1 366 846Bl不能及時地使基軸的頻繁的位置變換與部分處理的運動學上完全可能的開始或結尾 相疊加。 即使由現有技術確定地已知了兩個基本運動的疊加，例如在同步的、均勻的運輸 期間輪廓的連續應用，這也只有當通過附加軸的、例如通過用于打標的激光掃描儀的單獨 輪廓處理的時間與通過附加軸的運動范圍的相應區域相比非常短時才可相對沒有問題地應用。疊加的快速運動然后可以與恒定的主運動毫無問題地同步——一種完全常見的方
法，但是該方法在其應用方面幾乎不能應付沒有專門的預先計劃的情況。 然而，在本問題的情況下需要的是以不同的標簽、不同的時間需求和不同的大小
幾乎無中斷地經過一些部分，其中，傳遞運動又必須與此相適配，直到暫時的運動反轉——
并且所有這些通常都在兩個維度上——也就是說即使是有經驗的專家也不能從現代控制
裝置的目前可得到的自動化模塊中有計劃地組合出來。迄今為止尚未公開相應的、在多方
面可用的解決方案。 除了針對大量緊密相鄰的小的部分輪廓的優化運動協調的限制之外，對于很多具 有冗余的、平移作用的軸的測量機或加工機還存在一個另外的問題如果要解決根本問題， 迄今為止的現有技術假定在每次高加速的運動之后，相應地超前的附加軸最后又被基軸趕 上，使得該附加軸重新位于其起始位置中，通常位于其當前運動范圍的中心。尤其是對于這 樣的機械配置，在該機械配置中一個或多個附加軸借助一個或多個基軸、例如借助龍門架 在測量面或加工面上運動，由此在總運動區域的邊緣產生一個具有附加軸的運動范圍的一 半寬度的區域，該區域通常是不能到達的，使得例如龍門架或者其運動區域必須相應地變 寬，以便基本上能夠使用與在沒有附加軸的情況相同的工作空間。 在此尚未考慮到在根據迄今為止的現有技術的協調運動中，也就是附加軸擺動 超出待經過的位置，使得以這種方式協調的機器的完全可靠的功能僅在一個區域中是可能 的，該區域總體上對應于基軸的運動范圍減去相應的附加軸的運動范圍的兩倍。這可由以 下事實解釋在向運動區域的邊緣運動的過程中，附加軸在相反方向上的運動范圍分別對 于制動變化過程的補償是必需的，使得例如刀具短暫地處于附加軸的邊緣上，該邊緣與外 部邊界相對。在運動結束時，基軸和附加軸相互補償，也就是說，基軸從邊緣返回，由此可以 使附加軸重新運動到其起始位置中，而該軸上的整個位置保持不變。因此，在基準和附加軸 的總運動區域的每一側考慮附加軸的運動范圍的近似的"出局區"，該"出局區"不能被用作 測量和加工空間。因為根據舊的現有技術用于同步的、冗余地作用的運行的大多數附加軸 僅需要相對短的運動范圍，所以這在最理想的情況下是相當微小的問題。然而，因為根據近 幾年的發展，越來越被認可的是相對大的最小運動范圍對于有效的、冗余作用的運行是必 需的，總協調的該次要問題的解決方案現在也已變得更加重要。

發明內容
因此，本發明的目的是避免用于測量機或機床的冗余的、平移作用的軸的已知的 運動協調方法的缺點并且公開了一種協調方法，該協調方法提供了如下可能性即便在冗 余軸的連續地疊加的運動下仍能完全利用基軸和附加軸的運動范圍，并且在相應的擴展方 案中也進一步改進了其它的運動協調，尤其是在處理大量的、相互緊密銜接的、相對小的、 單獨的部分輪廓時。 令人感興趣的是，通過分別僅稍作適配，就可以借助同一方法解決第一眼看上去 完全不同的這兩個問題。為了即便在基軸和附加軸連續疊加地運動的情況下仍能盡可能完 全地利用冗余地、平移地作用的軸的總運動范圍，按照本發明的獨立權利要求規定，在基軸 接近其運動區域的邊界且由此需要將基軸的運動制動直至靜止狀態的情況下，相對于基軸 冗余地作用的附加軸的、用于繼續的加速運動的中性起始點相應地向所述基軸的運動范圍的、由該總運動接近的邊緣移動。所述中性起始點也可以稱為或解釋為各個附加軸的內部 零點或局部零點，相對于相應的基軸冗余地作用的且通常較高地加速的運動分量被加到該 內部零點或局部零點上。與總運動疊加的所述移動總是關于測量裝置或刀具與測量物或加 工物之間的相對運動中性地(neutral)進行，所述移動是所述附加軸向其所述邊緣的相應 運動分量，作為對相應基軸的直到靜止狀態的運動減速的補償，同樣地，基軸和各個適配的 附加軸接近其運動范圍的邊緣。相反，在所述總運動越來越遠離總運動范圍的邊緣時，所述 附加軸的局部零點重新向著其中間位置的方向移動，使得基軸最終再次參與到該運動中， 同樣地，附加軸的內部零點的設定值越接近地相當于附加軸的中性起始值，則基軸越多地 參與到運動中。 通過表達式D > Vb72Bb可以根據基軸的實時速度(Vb)及其最大加速度(Bb)計 算基軸到其運動范圍的邊緣的可能的最小距離(D)。變換后得到在給定距離(D)下最大許 可速度為VB《SQRT (2D Bb) 。 (SQRT =平方根) 該條件應基本上被遵守，以便即使使用邊緣區域作為機器的常見工作空間的部 分，也能避免在總運動期間破壞基軸的運動范圍的邊界。另一方面為了能夠即便在高的測 量速度或加工速度下仍盡可能完全地利用工作空間的邊緣區域，基軸也必須相應地與速度 有關地接近其運動范圍的邊界。 基本上正確的是如果Pbl是根據現有技術的基軸的預定位置，而PB2是由根 據本發明的制動得到的位置，則相對于基軸冗余地作用的附加軸的內部零點的位置根據 Nz2+Pb2 = Nzl+Pbl計算出Nz2 = Nzl+Pbl-Pb2。因此，冗余作用的軸的協調可以基本上根 據之前的現有技術進行，但是附加地要求在基軸接近其運動范圍的邊界時以上述尺度限制 基軸的速度，并且因此缺失的運動分量被加到冗余作用的附加軸上。 因此，在單獨控制的情況下可由基軸和附加軸共同地到達的整個工作空間也可以 供具有持續的、與加速度相關的運動分配的共同運行來使用。 以一個單個總軸為簡單例子進行說明在開始考慮之前，假設基軸和附加軸定位 在它們的分別為1000mm和100mm的運動范圍的中點上并且是靜止的。這也是工作空間的 零點。對于以恒定的應有速度向右(+)的總運動，現在兩個軸類型同時加速，直到達到所述 速度。到這一時刻為止，基軸僅達到應有速度的一個很小部分。而基軸現在繼續加速，附加 軸的速度相應地減小。當基軸的速度達到應有速度時，附加軸靜止地且從該中心向右相對 遠地位于其運動范圍內。按照通常有效的現有技術，在該例子中，附加軸現在再次朝著中間 位置運動——對于在兩個方向中的一個上的其它的加速區段。為此基軸必須繼續加速，以 便能夠以總運動為參照實現附加軸回到中心的中性運動(也參見與此有關的迄今為止的 現有技術，例如EP1 294 544Bl)。進一步假設該運動應當停止在可到達的最右側的邊緣之 前10mm處，也就是在+490mm的位置上。如果假定范圍為100mm的附加軸現在保持在其中 性起始位置中，則該位置在通常可到達的范圍之外40mm處。因此，該運動通常也是不可行 的。但是按本發明，控制系統現在使附加軸的中性起始點總是繼續向其右邊緣移動，正好抵 消從基軸的運動減去的分量，以避免對基軸自身的區域邊界產生損害，這在此起到對基軸 的制動作用。在總運動即將到達計劃的停止點之前，附加軸已經以應有速度向其右邊緣運 動，該應有速度現在由附加軸單獨承受，其中，基軸在此期間已經處在其端點位置。最后使 附加軸針對該點適當地減速。因為與在沒有按本發明的制動的情況下基軸向右運動的距離(如果這在物理上可行的話)，所以附加軸的中性起 始點現在相應地向右移動40mm，也就是離實際的右邊緣10mm。相應地，現在也用不著根據 早先的現有技術的補償運動。 優選地，基本上正好在總運動已經到達該相應的總軸的工作空間的相應邊緣時， 中性起始點的所述移動相應地到達附加軸的運動范圍的所述邊緣。因此，該移動在不損害 其它有待執行的運動的情況下是可行的，因為超過工作空間的邊界的另外的高加速的運動 既是不可行的也是不必要的，因而無需為附加軸的高加速的超前運動提供另外的空間。應 當注意，與已知的、用于冗余的、平移作用的軸的運動協調的方法相似，在可與該方法使用 的最大運動速度(Vbmax)、基軸的加速能力(Bb)和附加軸的運動范圍的長度(Sz)之間存在 相互關系。然而，對該相互關系的詳細檢查發現，在可按本發明補充的幾乎所有方法中，完 全無限制地得出Vbmax的最大值以及Sz和Bb的最小值(它們通過假設附加軸以其相應 的加速度連續可行地被使用而得出)包括按照本發明的直到這些邊界的應用可能性。另一 方面，在更高的運動速度下，同樣也在已知的方法中，為了避免無法再精確地控制的、間斷 的運動過程，需要一些預防措施，這些預防措施通常允許同樣透明地、即無需特別考慮地與 按照本發明的方法相結合。下面本文將再次回到與此不同的例外情況。
在通過冗余地、平移地作用的軸裝置工作的所有機器中，在任何一個控制點或調 節點給冗余作用的分軸分配應有設定值。這例如可以在分成不同的、高加速的運動分量 (Bkb， Bkz)之后從控制裝置開始進行，如優選在本發明申請人的背景技術中描述的例子中 說明的那樣。為了按照本發明改變基軸的運動以及相應地移動冗余作用的附加軸的中性起 始位置，在這樣的配置中優選在該位置處將所述改變和移動所需的定位數據加入的相應運 動分量(Bkb， Bkz)上，其中，這些附加地加入的、用于這兩個運動分量的數據彼此精確地補 償，使得測量裝置或刀具相對于測量物或加工物的合成運動不受其影響。視各個用于實際 的測量軌跡或加工軌跡的協調方法的細節而定，必要時除了位置數據以外還要適配速度數 據和加速度數據。 如果存在以下可能性的話，按照本發明的方法基本上也可以通過連接到實際控制
裝置下游的調節回路實現根據已經描述過的位置條件將適合用于移動附加軸的零點的信
號饋送到相應的調節回路中。為此例如見EP 1688 807Al(Scholich-Tessmann)的圖6及
61，說明書91040段，權利要求4和11。盡管在該文獻中想到了所謂的后續偏移量
(Nachlaufoffset)的其它用途，但這仍是按照本發明借助調節回路改變基軸的運動和相應
地、補償地使冗余作用的附加軸的內部零點移動的一個示例性的可能方式。 因為在測量機或機床中通常在基本上與位置相關地激活或執行由方法引起的功
能過程時以現有的定位系統的數據作為出發點，所以對于相應的總協調方法在工作空間的
極限值的情況下該數據通常是適當地輸入到數據處理裝置、優選CNC控制裝置中的預設定
的值。這樣的值原則上可任意設定，從而也可以將物理工作空間的所有其它的任意n維片
段限定為邊界，其中，(n)表示冗余地、平移地作用的軸組合的數量。 這提供了如下可能性該方法的相應的按本發明的特性對于工作空間的任意的所 述片段都是有效的，使得例如這樣的片段也可被設置成與特定的單獨的運動軌跡或部分輪 廓相適配。這將相應地限制所有參與的軸的運動，就好像該片段呈現了運動可能性的物理 邊界。這類方法最重要的優點在于以下事實只要待處理的運動軌跡保持在這些邊界內，則
9大多數相對負重的相關基軸的運動分量由此被限制到最小必須的尺度，而不會限制運動的 動態性。 如果在一個軸向上這樣定義的臨時的工作空間如此小，以至于需要根據之前假定 的規則使內部零點在兩個方向上移動，那么到更靠近當前的應有位置的邊緣的距離優選是 決定因素。如果該距離相同或至少基本相同，則優選地判定所述附加軸的當前運動方向或 使內部零點向中間位置移動。 當所述臨時工作空間在相應的軸向上位于相應的附加軸的運動區域內部時，附加 軸的內部零點也可優選地向中間位置移動。 尤其是這在以下情況下都是具有優點的所述片段包括一組較小的、可單獨執行 的軌跡區段，使得基軸在定位運動中的路程分量以及與此有關的各區段之間的時間分量和 速度被最小化。 當如從現有技術中已知的那樣所有可分開的軌跡部分的邊界被確定并被存儲在 相應的數據結構中時，用最小的計算耗費和時間耗費可以求出任意組的公共邊界，并被設 定為用于限制各個適配的臨時的工作空間的所述值。如果該組和所產生的邊界以這種方式 不斷更新，即提前一定的時間間隔將即將被處理的區段接收到該組中并且將已經被處理 的區段排除，結果是對臨時的工作范圍的不斷更新地適配，因而基軸得到相對低加速的且 最小化的適配運動，其中，總是將用于盡可能大的且高加速的運動分量的最優起始位置給 附加軸。 與現有技術相比較，該方法也可有利地用于以下情況在基軸和附加軸之間不對 用于執行測量或加工的運動軌跡進行同步的、冗余作用的分配，而是僅僅根據臨時的工作 空間的不斷更新的邊界值按照發明對基軸位置進行適配以及與此相關地進行附加軸的相 應補償，這得到以下結果可以處理由緊密相鄰的相對小的部分輪廓組成的通常較大的區 域，而不會因為基軸的在時間上分開的重新定位而中斷。已被現有技術提及的機器和本發 明申請人的方法1和2也還可通過與本方法的結合而再次優化一種在之前針對方法1被 優化的、具有特別高速度的附加軸的機器能夠將所述附加軸優化地用于快速的位置變換， 因為單獨的軌跡區段和部分輪廓經常處在附加軸的可達到的范圍內。方法2也能夠從同樣 的優點中獲益，其中，出于同樣的原因，附加軸不必那么頻繁地被限制，因為與沒有本方法 的情況相比，基軸和附加軸的不必要的疊加運動被更好地避免。 在任何情況下都有利的是檢查以及必要時使用已經公開的且常見的方法的附加
的可用性，所述方法還可以用于優化沒有附加軸的傳統機器的效率，例如用于確定單獨的
軌跡區段或部分輪廓的順序，在此必要時考慮待處理的部分輪廓橫向于最短的附加軸定
向，因為這總體上是能夠創造對按本發明的方法的效率附加地有利的條件的另外的措施。 在同時地使用用于在具有冗余地平移地作用的軸的機器中改善運動協調的方法
時，為了能夠達到特別高的總效率以及避免不利的效果，應當注意一些原則 如果要將已提及的方法1與本發明一起使用，那么原則上滿足以下條件就足夠
了 與位置并行地分別提供用于冗余作用的分軸的內部位置的數據和用于下一個控制階
段和/或調節階段的相應的零點移動的數據供使用，因為按照本發明的內部零點移動僅針
對附加軸的各個臨時可用的運動范圍根據需要進行優化，并且相對于相應的測量或加工
的實際應有位置數據是透明的。然而，這對于速度和加速度而言并不是完全毫無問題地適用，因為每個分軸的、為零點移動所需的內部運動(所述分軸同時也已經相應地被使用 (beansprucht))并且與用于測量裝置或刀具與測量物或加工物之間的實際運動的應有數 據一起應避免超過邊界值。然而，因為基軸的按本發明引起的最高使用一再與由應有路程 引起的使用相沖突_也參見說明書開頭的例子_即在趨勢上起到釋放或者甚至時間上預測 的作用-這是可忽略的。然而，相應地，附加軸在一些情況下必需完成附加的運動分量，然 而在不超過目前為止有效的、需要的最大速度的情況下附加軸的加速度潛力被臨時地、相 應地減少。在此"最壞的情況"是這樣的情況，其中，以位置為條件，一方面附加軸按照本發 明接近工作空間的邊緣剛好開始起作用，與之并行地，短的應有軌跡區段一再重復地指向 相同的方向又立即指向相反方向。有待以最簡單的情況考慮的是與由相應的基軸支撐的 附加軸的情況類似，通過一般性地從附加軸的加速度可能性中減去基軸補償所需的加速度 分量，并且在控制裝置和/或調節裝置的相應機器數據中或者在執行模擬等等之前或過程 中考慮該情況。但是該規則在此與關于應有位置的運動相沖突受支撐的附加軸在此不需 要附加的絕對加速度，附加軸當然與基軸相對置。但是這由于相對加速度而要進一步差分， 所述相對加速度在任何情況下并且在細節上根據附加軸的相應的驅動系統加以考慮。例 如，在被支撐的附加軸中，插棒式線圈驅動裝置(Tauchspulenantrieb)僅僅必須補償由摩 擦引起的力分量，以補償基軸的按照本發明的運動(除了應有運動的分量以外)，而在滾珠 絲杠的情況下所有的旋轉質量甚至在"內部"運動過程中的必須被相應地加速。
因為附加軸的相應的加速度可能性大多高出相配的基軸一個數量級，所以這通常 在對總效率沒有明顯缺點的情況下是可執行的。 另一方面，從附加軸的精確不變的加速度值出發也不是絕對需要的，因此在所述 的所有步驟中也可以使用各個與位置相關的最大可能的值，只要這類控制或預處理允許分 別更新地調節或考慮加速度。當根據所述方法1的一種擴展方式也已經考慮附加軸內部零 點的與速度相關的移動時，會出現另一個問題。在這種情況下，需要做出兩個相沖突的調 節，這些調節不能容易地同時變得有效。 如果現在對在說明書中處理的第一個例子進行這樣的改變，即從速度也已經得到
零點移動，那么附加軸現在通過基軸的運動可能已經在向著邊緣的方向的一個位置中，該
位置完全不允許再作另外的適配，結果是基軸的在超過按本發明的邊界的過程中向著邊
緣的制動不能再通過附加軸進行補償，從而基軸的加速度可能性決定了該區域內的另外的
運動或者產生正常的"碰撞"。這意味著早在附加軸進入需要借助附加軸的補償的邊緣區
之前，必須存在用于該補償的運動范圍。然而，這與以下目的相違背借助附加軸的內部零
點的與速度相關的移動實現基軸在相反方向上的盡可能長的"追趕路程"。
基本上，該沖突的兩種相對簡單的解決方案是可能的在涉及的機器的上方應有
速度區域內，從一速度開始，在該速度下基軸的所述延長的"追趕路程"(比附加軸的運動范
圍的一半還長)是必須的，相應地減小從邊緣開始的工作空間，并且機器按照改進的方法1
運行。在低于該速度時，機器附加地或單獨地按照本發明運行。可選地，也可以限定速度區，
在這些速度區中在這些運行方式之間發生流暢的過渡。 然而重要的是要考慮該問題僅發生在機器的工作空間的物理邊界上，因此改進 的按本發明的方法例如可毫無問題地應用在上述的"高速區"內，例如其方式是將附加軸的 由兩個部分方法產生的內部零點的移動相加并且減少到允許的最大值。基軸的"過沖"在此是無害的，該"過沖"如描述的那樣在邊緣區域中是不允許的，因此兩種方法的按本發明 的優點可以起作用。 與所述方法2的結合就機器的物理工作空間的盡可能完全的利用而言是有利的， 并且也作為與方法2的擴展方式結合的可能的參考方法，其中，使用了方法的模擬比較，以 便判定用那些方法變型來處理軌跡變化曲線的哪些區段。 按照本發明運行的機器的基軸和附加軸的類型在機械上可以非常多樣地實現。對 于基軸使用常見的線性驅動裝置、空心軸電機、齒條傳動裝置或滾珠絲桿，而對于附加軸， 根據所需要的運動范圍和應用的規模尺寸，除了線性驅動裝置和盡可能直接驅動的滾珠絲 桿之外，也可以使用壓電作用的、動電作用的("voice coils")、液壓作用的或氣動作用的 驅動裝置。 同樣，也可在合適的角度范圍內使用可繞一軸旋轉或可并聯運動式運動的機械部
件作為相應線性作用的附加軸，例如可擺動的激光切割頭或可并聯運動式運動的銑削頭。 按照本發明，測量機或機床可以例如有利地設計用于船舶制造或飛機制造，以便
以極高細節復雜度測量和加工極大部件，或測量機或機床用于更日常的尺寸，例如車身、洗
衣機或用于電子電路的印刷電路板的大小，一直小到厘米或幾分之一毫米級的尺寸，以便
以顯微鏡系統技術、電子顯微鏡或納米技術測量待測量的或待加工的工件。 基本問題——一方面，盡可能不細分的工作空間相對于要考慮的細節的大小，另
一方面，相對于起支撐作用的基軸冗余地作用的、敏捷的附加軸的運動范圍僅可有限地增
大的情況下，測量速度或加工速度不斷提高——有不斷增加的趨勢，同時在測量和加工速
度沿著復雜輪廓和結構并因此沿著相應復雜的軌跡曲線盡可能連續的情況下，對最大可能
的恒定可用的加速度的要求也在增加。在此，本發明允許改善工作空間的可應用性和/或
允許更有效地處理測量軌跡或加工軌跡，所述測量軌跡或加工軌跡含有大量相對小的、緊
密相鄰的且可分開執行的軌跡區段。 特別適合于本發明方法的加工方法是在平的材料(如薄板、塑料、玻璃、陶瓷、木 料和織物)上焊接、切害U、銑削、雕亥lJ、標記、敷設復雜的輪廓和結構。同樣，快速原型法是一 種適當的應用，尤其是這樣的方法，在這些方法中切割層、小空間地涂敷材料或者必須通過 盡可能垂直于材料定向的能量束加工，例如為了獲得盡可能均勻的且可準確重現的能量加 入。此外，本發明同樣可以應用于以高速度精確加工極小的結構或以高速度精確地涂敷和 去除極精細的細節，本發明也能用于所述領域中的測量和控制，其中，這些僅理解為示例， 而不應以任何方式表示本發明的應用可能性的窮盡列舉。


本發明的優選實施例在附圖中示意性示出并且接下來借助附圖中的圖詳細說明。 附圖中 圖1示出帶有可在兩個軸向上運動的刀具和附加軸的機床， 圖2示出帶有五個軸向的機床， 圖3示出基軸和附加軸的非常示意性的視圖。
1具體實施例方式
圖1示出了一種機床IO，在該機床10中位置固定地設置有一工件11。機架12可 沿軸向13運動。在該機架12上設置有裝置14，在該裝置14上又設置有刀夾14'，該刀夾 14'能夠保持刀具。該裝置14(和由此刀夾14'連同刀具)可在軸向15上運動。刀夾14' 可相對該裝置14同樣在軸向13上運動。由圖1可見，(帶有刀具的)刀夾14'具有比裝 置14更小的質量，該裝置14可以稱作滑座。帶有所屬驅動器的機架12是在方向13上作 用的第一分軸并且被稱作基軸，而帶有所屬驅動器的刀夾14'是在軸向13上作用的第二分 軸，即附加軸。該基軸具有比附加軸更大的運動區域和更小的加速度。沿軸向13、15的運 動通過控制器16控制。 在圖2中示出了機床20，在該機床20中，臂21可沿軸向22運動。裝置23可沿 臂21在軸向24上運動。裝置23附加地可在軸向25上運動。通過軸向22、24、25確定笛 卡爾坐標系的X方向、Y方向、Z方向。懸臂26可在軸向27上旋轉。在懸臂26上設置有作 為刀具的激光切割頭28，該激光切割頭又可沿軸向29旋轉。 在小的運動片段中，激光切割頭28的運動基本上平行于軸向22，使得切割頭28在 一個區域內的運動可以導致與臂21在軸向22上的運動平行的平移運動，因此可以將激光 切割頭28連同其驅動器看作是(平移的)附加軸。 在圖3中再次非常示意性地示出了滑座30，該滑座30可相對于導向件33運動并 且構成基軸或基軸的組成部分。在該導向件33上設置有裝置31，該裝置31構成附加軸或 附加軸的組成部分。滑座30和裝置31都可以在雙箭頭方向32上加速。在此，滑座30可 以相對導向件33以加速度Bb(基軸的加速度)加速，而裝置31可以相對滑座30以加速度 Bz(附加軸的加速度)加速。固定在裝置31上的刀具或測量裝置可以相對于工件至少以加 速度Bz加速。虛線BG表示附加軸的運動范圍Sz的區域極限。
權利要求
用于帶有冗余的、平移作用的軸的測量機或機床的優化的運動協調的方法，其中，冗余的、平移作用的軸形成總運動裝置的可線性運動的部分，用于測量裝置或刀具相對于待以任意方法探測或加工的測量物或加工物的至少二維的總運動，其中，如果旋轉地或并聯運動地作用的分運動裝置除了其典型的運動能力之外還能夠用于測量裝置或刀具的冗余平移運動，或者能夠僅僅在與用途相關地足夠小的運動區域內用于測量裝置或刀具的冗余平移運動，則也可以視為冗余平移運動可能性，其中，每個可運動經過較長路程的分軸，在此稱為基軸，允許基本上在整個測量空間或加工空間上實現相對低加速的分運動，并且，每個可運動經過較短路程的分軸，在此稱為附加軸，基本上執行總運動的一些運動分量，這些運動分量要求超出為基軸確定或設定的最大值的加速度，其中，所有軸的總協調能夠直接發生在測量過程或加工過程期間，或者發生在測量過程或加工過程期間的一個流暢的、分區段的預處理中，或者作為總測量過程或總加工過程的一個完整預處理的部分，并且，附加軸在靜止狀態下或者在相應的總軸無加速地運動期間基本上占據中性起始點的位置，通常在該附加軸的運動范圍的中點上，其中，所述中性起始點也可以稱為或解釋為相應的附加軸的內部零點或局部零點，在所述內部零點或局部零點上加上總運動的相對于相應的基軸冗余地作用的、較高地加速的運動分量，該運動分量給出了附加軸在其運動范圍內的位置，其特征在于，在駛向在測量軌跡或加工軌跡范圍內的、在中性起始位置總是固定的情況下無法到達的位置的過程中，基軸能夠被相應地、適當地制動并且也能夠完全進入靜止狀態，以避免破壞該基軸的運動范圍的邊界，其中，通過相應地、同時地移動附加軸的中性起始點來補償基軸的各個相對于總運動所缺少的運動分量，因此基軸的運動范圍和各個冗余地作用的附加軸的運動范圍基本上相加，得到了在相應的總軸中未細分地可用的工作空間。
2. 如權利要求1的方法，其特征在于，最晚在基軸到其運動范圍的邊緣的距離幾乎接 近或到達Vb72Bb時采取對所述基軸的所述制動，其中，VB表示各個基軸的速度，而Bb表示 各個基軸的加速度。
3. 如前述權利要求之一的方法，其特征在于，當總運動到達相應的總軸的工作空間的 相應邊緣時，中性起始點的所述移動基本上到達附加軸的運動范圍的所述邊緣。
4. 如前述權利要求之一的方法，其特征在于，在控制或預處理中相互補償的運動分量 可以包括位置數據或信號、速度數據或信號以及加速度數據或信號。
5. 如權利要求4的方法，其特征在于，所述運動分量被加到相應的控制起始數據或信 號上，因此沒有為這些運動分量設置至受控制的運動裝置的單獨輸出。
6. 如權利要求4的方法，其特征在于，所述運動分量通過單獨的數據輸出或信號輸送 給受控制的運動裝置，使得通過該運動裝置的專門為此設置的設備對這些運動分量進行考 慮。
7. 如前述權利要求之一的方法，其特征在于，可以在每個總軸中在總運動裝置的相加 的物理運動范圍內任意地調節所述總運動裝置的工作空間的邊界，也可以調節每個基軸的 運動范圍的邊界，這些邊界在測量或加工期間是可改變的。
8. 如權利要求7的方法，其特征在于，隨著對工作空間的所述邊界的調節，基軸的運動范圍的可調節的邊界自動地被調節，使得該基軸的運動范圍的可調節的邊界，以工作空間的寬度減去相應的冗余作用的附加軸的運動范圍，基本上設置在工作空間的調節出的所述邊界之間的中心。
9. 如權利要求7或8的方法，其特征在于，在數據技術上求得可單獨執行的運動區段的幾何邊界并且就總測量或總加工而言以它們的順序存儲在一表單中，以及由任意的表單區段形成共同的幾何邊界值并且臨時地作為工作空間的所述邊界進行調節。
10. 如權利要求9的方法，其特征在于，所述表單區段開始于表單記錄，所述表單記錄的相應的軌跡區段當前被執行并且包括一個或多個直接相接的表單記錄，其中，在每次完成單獨的軌跡區段之后該表單區段相應地在表單中移動，以及由該表單區段形成共同的幾何邊界值并且臨時地作為工作空間的所述邊界進行調節。
全文摘要
本發明涉及一種用于帶有冗余的、平移作用的軸的測量機或機床的優化的運動協調的方法，其中，各個較長的分軸在相對大的測量空間或加工空間中能夠實現相對低加速度的分運動，并且，各個較短的分軸基本上執行具有基本上總體恒定的測量速度或加工速度的總運動的一些運動分量，這些運動分量要求超出為相應的較長的分軸確定或設定的最大值的加速度，其特點在于，在駛向在未細分的運動中無法到達的位置的過程中，基軸能夠被相應地制動并且也能夠完全進入靜止狀態，其中，通過同時地移動附加軸的中性起始點來補償基軸的各個相對于總運動所缺少的運動分量。
文檔編號G05B19/402GK101784969SQ200880021313
公開日2010年7月21日 申請日期2008年6月20日 優先權日2007年6月22日
發明者A·埃勒丁 申請人:通快機床兩合公司