專利名稱：具有疊加驅動系統的動態優化機床的制作方法
技術領域：
本發明涉及現代控制機床。現代控制機床如今大多構造有多軸。通過機床的單獨
軸的相應移動來相對于工件移動加工工具，以便以這種方式執行工件所需的加工。
背景技術：
在復雜輪廓情況下，機床的單獨軸需要執行高動態的移動。為了獲得較短加工時 間，應盡可能快且盡可能動態地執行這些移動。同時，要求工件的高精度和/或高表面質 另外，工具和工件之間的相對移動還存在最大可能的加工相關的路徑速度，例如， 在銑削加工的情況下每齒最大允許橫進給量。 在生產高精度工件和/或高表面質量時，大多數情況下，最高可能路徑速度并不 受加工步驟的太大限制，而受機床的動態限制。機床動態越高，路徑速度就越高，在該速度 下涉及精度和表面質量的質量仍舊能夠維持得足夠好。 為了獲得盡可能短的加工周期，眾所周知的是，控制器借助預測窗口產生路徑計 劃，并根據該路徑的幾何形狀自動適應相對路徑速度，例如通過在該路徑內具有大曲率的 位置處降低速度，并通過在小曲率或沒有曲率的位置處使用最大允許路徑速度。現代控制 器會配置路徑計劃，使得機床在加工程序中的任意位置處將以最高可能路徑速度進行，并 同時遵守涉及精度和表面質量的要求。 機床結構越好越堅固，加工程序中的任意位置處的允許路徑速度就越快，在該位 置處仍然可遵守質量要求。因此，盡可能堅固、且適于具有高動態的結構是機床構造的目 標。 現代機床動態的主要限制在于，單獨移動的機床軸需要一定安裝尺寸，以便獲得
足夠剛度和所需行進路徑。由于該原因，單獨機床軸具有相當限制軸動態的相對大的質量，
尤其在軸相互重疊的情況下，例如龍門銑床的Y軸和Z軸。此情況下，Y軸支撐并移動整個
Z軸。在輕重量結構的角度嘗試不同方法增加動態，但這方面的可能性是有限的。 特別在生產復雜輪廓時，嚴格限制的機床動態可導致大多數加工以遠低于最大可
能的加工相關的限制的路徑速度執行，以便獲得所需質量，即便使用以樣條內插和最優路
徑計劃來控制機床的現代控制概念。 路徑中曲率的變化需要加速度的變化，其由隨時間對加速度求導來實現，S卩加速 度變化率(jerk)。曲率變化越大，所需加速度變化和所需加速度變化率就越大，從而以這種 方法沿路徑移動。然而當超過特定加速度變化率時，這導致機床激振，進而產生振動和不精 確性。每臺機床都具有為其軸界定的最大可能加速度變化率，其仍然可操作而不獲得不希 望的激振。為了確保在加工期間不超過特定加速度變化率，現代機床控制器計劃路徑速度， 使得機床軸的加速度變化率一直保持略微低于所述機床的最大允許限制。由此獲得工件的 最優加工時間，還有足夠的質量。另外，路徑速度的計劃當然須考慮最大加速度，并在路徑 的小半徑情況下須降低速度。
另外，加工時間的某些減少可通過由控制器執行的平滑來獲得。根據用戶預定的 公差，工具路徑相對于工件自動變得平滑，以便使機床移動"柔軟"并因此更快。通過盡可 能減少路徑上的曲率變化和小半徑或尖角，控制器的良好平滑減少了機床軸上的加速度變 化率需求。但是，執行這種平滑是以犧牲工件精度為代價的，因此在許多情況下不可能或僅 在極有限的程度上才可實現這種平滑。 在高精度需求情況下，須精確生產工件輪廓的所有細節，由此需要精確跟蹤相對 于工件的工具路徑。
發明內容
本發明的目的是提供一種控制機床的方法，其保證運動路線和可能加工速度的最 優，且設計簡單，工作可靠。 根據本發明，該目的由權利要求1的特征組合來解決，從屬權利要求顯示了本發 明進一步的有益實施方式。 根據本發明，進行不同移動路徑的劃分，即平滑路徑以及差分路徑，機床(例如銑 床)的子組件沿平滑路徑移動，差分路徑使主軸桿能夠移動，并由此使連接到主軸桿的工 具能夠移動。 根據本發明，機床(例如銑床)設有磁鐵支撐的加工主軸。由于旋轉主軸桿支撐 在主軸外殼中，借助強大可控的電磁鐵懸浮于界定位置，即沒有機械接觸，磁鐵支撐的主軸 突出。在主軸軸承的磁鐵與主軸桿之間，在所有軸承位置處設有空隙。在空隙的尺寸內，由 于磁軸承的控制，主軸桿可在主軸外殼內自由擺動，其中，空隙通常保持極窄以便能產生較 大磁力。但是，空隙需要一定尺寸，因為在控制器能夠補償干擾之前，主軸桿會因外部干擾 力而從其位置跳出。在這種情況下，為避免損壞，在磁鐵與主軸桿間不發生機械接觸非常重 要。軸承位置處的空隙尺寸需要大到在發生任何干擾力的情況下，發生的最大結果偏差有 足夠的空間可用，直到控制器補償該干擾。 主軸的磁支撐能夠在磁軸承的空隙尺寸內定位、移動或變位主軸桿。主軸桿的運 動范圍由磁軸承的空隙尺寸界定，并由此限制為極小的空間。但是在該運動范圍內，由于主 軸桿的小尺寸，主軸桿可以極高動態移動至任何程度。主軸桿磁支撐的動態極高，以便補償 可能發生的加工力。這些極高的動態用于本發明以在主軸桿的運動范圍內高動態移動主軸 桿。 本發明的機床設有磁主軸，其具有可疊加的兩種移動或行進可能性，即機床軸具 有相對大的行進路徑，但具有較低的動態，而主軸桿具有極大的動態，但在任何方向具有非 常有限的運動范圍。 本發明利用具有磁主軸的機床的移動或行進的兩種可能性的特性。界定加工工具 與工件之間的相對運動的精確工具路徑通常來自編程系統，或直接編程進控制器。
精確編程或其他預定工具路徑在機床控制器中分為兩個路徑，并被平行處理和內 插成-平滑路徑，其中，以固定的預定最大公差執行平滑，且平滑的目標是為了在預定 公差范圍內盡可能地減少路徑中的曲率變化，并且還為了消除或減少尖角和小半徑；
-差分路徑，當添加至平滑路徑時，其重新帶來原始的精確路徑并產生極小的行進路徑。 因為原始路徑的平滑以固定的預定最大公差執行，差分路徑的行進路徑限制為極 小的運動范圍，其在各方向的尺寸位于預定用于平滑的最大公差內。 這兩個路徑，即平滑路徑和差分路徑，平行內插在控制器中。平滑路徑的目標值傳 輸到機床軸的驅動器，差分路徑的目標值傳輸到磁軸承的驅動器。在磁支撐銑床主軸中，機 床軸的行進移動和主軸桿的相對小、但動態行進移動同步疊加，由此導致工具與工件之間 相對運動的精確工具路徑。因此，每個方向上平滑公差小于主軸外殼中主軸桿的可能運動 范圍十分重要，使得在主軸桿與磁軸承間不發生接觸。 這種程序的優點是可顯著減少兩個路徑的總加工時間。機床軸可以以相當地高于 精確路徑的路徑速度經過平滑路徑，因為平滑路徑中曲率變化、小半徑和尖角的減少導致 對軸的加速度變化率和加速度的更低需求。 但是，具有加速度變化率需求和高動態的移動須由主軸桿執行。但是由于前述軸 承技術，主軸桿能執行這種移動。高加速度變化率需求也不帶來機床結構的不希望的激振， 因為主軸桿的質量相對小。由于差分路徑的行進移動限制在極小運動范圍內，主軸桿能夠 完全執行它們。 本發明借助單獨部件的智能控制，能夠顯著減少機床上的加工時間。由于磁支撐
主軸控制和動態的高質量，本方法也可在最高精度需求和表面質量上實現。 該程序合理的進一步拓展包括為不同軸方向預定各自的公差，如果主軸桿的最大
可能運動范圍在單獨軸方向上不同的話，所述公差取決于每個軸方向上主軸桿的最大可能
運動范圍。 在機床軸(例如在龍門機床情況下的Y和Z軸)使主軸桿變位的情況下，相應機
床軸與主軸桿的移動的疊加可用于動量解耦。如果主軸桿的極端動態移動導致機床結構的
激振并由此導致不精確性或更壞表面，動量解耦是有利的，盡管主軸桿的質量小。在這種情
況下，可劃分加工工具與工件之間的相對運動的精確路徑，使得相對重的機床軸不僅追蹤
平滑路徑，而且該機床軸還在路徑的相應位置處執行疊加的、極小的但猛地反移動，在該位
置處主軸桿由于快速移動將加速度變化率動量輸入該軸。由于主軸桿的快速移動而輸入該
軸的加速度變化率動量由等大的反動量補償，并由此保證避免機架的激振。由于質量上的
較大差異，反移動顯著小于主軸桿的移動，使得工具處產生明顯擺動。但是，這僅會在主軸
桿和該軸直接相互影響的軸中實現，例如龍門機床的Z軸。在龍門機床的工作臺軸情況下，
這幾乎不可能，因為整個機架位于工作臺軸與主軸之間，會避免該機架的激振。 在特定幾何形狀的情況下，所述程序的附加進一步拓展是有利的，以便獲得控制
軸和磁鐵支撐主軸的最大可能利用。這種幾何形狀包括路徑中的尖角，即無切線過渡的方
向反轉。在傳統機床的情況下，機床以制動斜坡進入拐角，停頓極短時間，并從拐角加速，跟
隨進入新方向的路徑。如果高精度不重要，機床并不完全停頓，并磨圓拐角。但是正常情況
下這并不需要。 另外在前述程序中，路徑分為平滑路徑和差分路徑，這兩個路徑被同步經過以實 現工件處的精確路徑，機床必須停止。主軸桿的動態非常高。但是，如果追蹤路徑上包括方 向切換的精確拐角，那么磁鐵支撐主軸桿也須用制動斜坡停下，以便能在新方向上再次加 速。但是，如果主軸桿將路徑速度減小至零，在機床軸同步內插的情況下，機床軸也須將路徑速度減小至零以避免不精確性，盡管機床軸的平滑路徑不會需要這樣做。在這種情況下， 制動和加速斜坡需要調整至相對慣性的機床軸，且該方法對于這種形狀不會有利。但是這 是可以避免的，只要計劃主軸桿的差分路徑，使得該差分路徑并沒有被精確同步地追蹤，而 是主軸桿另外使用其運動范圍以移動快一點或慢一點，其中兩個路徑(平滑路徑和差分路 徑)之和仍然總是得到精確路徑。在拐角的情況下，這會造成主軸桿在拐角前移動稍快，在 拐角中以精確相反于機床軸的速度短時移動，使得在工具和工件之間發生短時相對停滯， 隨后在通過了拐角時稍慢移動。
以下參考附圖，基于實施方式來說明本發明，其中
圖1顯示了根據本發明被使用機床的透視示意圖，
圖2顯示了主軸軸承的部分截面示意圖， 圖3顯示了根據本發明第一實施方式的精確路徑和平滑路徑示意圖，
圖4顯示了關于圖3的創造性的差分路徑示意圖， 圖5類似于圖3，顯示了根據本發明又一實施方式的精確路徑和相關平滑路徑，以 及 圖6類似于圖4，顯示了根據本發明的差分路徑，與圖5所示匹配。
具體實施例方式
作為根據本發明被用機床的示例，圖1示意性顯示了龍門銑床的機架透視圖。該 龍門銑床包括主軸l，其軸承聯系圖2在下面具體說明。主軸1連接工具8，例如銑刀。就 其而言，特別是工具接收結構以及龍門銑床的單獨部件對應于現有技術中的這些部分。圖 1中省略了對工件的描繪。 特別地，圖1顯示了機架9，工作臺IO可在其上沿X軸移動。龍門11附接至機架 9，其提供有導軌12，臺架13可使用該導軌在Y方向上移動。導軌15形成在臺架13上，臺 架14沿其可在Z方向上移動。臺架14支撐主軸1。 移動方向X-Y-Z形成X軸、Y軸和Z軸，它們是機床控制的基礎。作為本發明所指 子組件的部件因此在其它缺席情況下包括用于沿Y軸移動的臺架13，用于沿Z軸移動的臺 架14以及沿X軸移動的工作臺10。 圖2示意性顯示了主軸1的支撐，該支撐包括集成在臺架14中的外殼16。主軸1 關于其中心軸線18而被支撐。支撐由磁軸承獲得，即借助上徑向磁軸承2，下徑向磁軸承3 以及軸向磁軸承4。 由現有技術可知，磁軸承2、3和4分別包括磁軸承工作所需的軸承空隙。上徑向 磁軸承2的軸承空隙19以及軸向磁軸承4的空隙20在圖中示意性顯示。下徑向磁軸承3 的空隙用附圖標記21標明。 工具8以常用方式由工具架22可拆卸地支撐在主軸1上。
主軸1 (主軸桿)由主軸馬達17旋轉。
圖2所示主軸1的結構對應于現有技術。 圖2進一步以圖2的前視圖顯示了根據圖1裝置的移動軸X、 Y和Z。
根據本發明，重要的是，主軸可借助其磁軸承2、3、4在相應的軸承空隙19、20、 21(以及其他未示出的軸承空隙)內自由擺動。 圖3用曲線顯示了 X-Y平面中包括點A、B、C、D的精確移動路徑5。工具8的參考 點在精確路徑5上會相對于工件移動，根據圖3，該精確路徑5首先經過由A至B的直線。 在點B與C之間有圓形部，其在C點再次并入直線路徑。在點C與D之間，路徑再次變為直 線。 根據本發明以預定公差使之平滑的路徑6在精確路徑5下變圓或磨圓，并在精確 路徑5的一定距離處延伸，特別是在點B與C之間的變圓部分。圖3中，在精確路徑5與平 滑路徑6之間相應繪出橫線，橫線示出了精確和平滑路徑中相應的同步目標位置。
圖4的曲線示出了差分路徑7的路線。同樣包括圖3中點A、B、C和D的位置。此 外，在圖4顯示了指示路徑方向的箭頭。 圖4顯示了通過根據圖3的平滑路徑6與根據圖4的差分路徑7的疊加產生的精 確路徑5。 另外，從圖3和圖4可辨別出，差分路徑7只限于很小的區域，即圖3和圖4示意 性顯示的X-Y圖原點附近。在頂點處，兩個路徑具有相同的方向(參見圖3和圖4中的箭 頭方向)。 顯然，為使繪圖清楚，圖3和圖4只顯示了二維視圖。根據本發明，還可實現具有 三維路徑5、6和7的三維移動。繪圖被放大至較大程度以使其更清楚。實際中，平滑路徑 6可更接近精確路徑5，且差分路徑7的區域可更小。
圖5和圖6所示圖形類似于圖3和圖4。 在圖5的圖形中，根據精確路徑5的由點A至點B再至點C的路線，精確路徑5經 過點B處的尖角。圖5顯示了平滑路徑6的相關路線。從該路線和所示連接橫線，得出精 確路徑5和平滑路徑6的同步目標位置。 相比圖3的曲線圖形，從圖5得出，平滑路徑6的位置首先落在精確路徑5的位置
之后。這在點B處發生變化。從點B開始，平滑路徑6跑在精確路徑5之前。 在位置B，平滑路徑6與差分路徑7的速度完全相同(參見圖6)，但是還完全相反，
使得這兩個速度相互抵消，且精確路徑5的路徑速度短時間變為零。圖5和圖6中的箭頭
方向顯示了路徑的相應路線。 由于兩個方向相反、大小完全相同的速度的短期疊加，本發明提供了在精確路徑5 中產生尖角(點B)。同時，避免了具有相對低動態的機床軸須在平滑路徑6中將它們的速 度減小到零。 顯然，為了清楚目的，圖3至圖5的圖形被放大至較大程度，并且是非常示意性的。
本發明不限于具有兩個或三個軸的機床，也可用于具有多軸的機床，例如具有五 個軸的機床的移動，例如包括三個線性軸和兩個旋轉軸的機床。原理是相同的。為了比較 簡單的闡釋，圖3至圖5的圖形僅為二維。該方法可轉用至具有任意數量軸和任意裝置的 機床。 附圖標記列表 1 主軸 2 磁軸承，徑向頂部
345678910111213， 141516171819，20，2122
磁軸承，徑向底部 磁軸承，軸向 精確路徑 平滑路徑 差分路徑 工具 機架 工作臺 龍 導
臺
導 外
主軸馬達 中心軸線 空隙 工具架
門軌架軌殼
權利要求
一種控制機床至少一個子組件的移動的方法，該子組件包括可旋轉的主軸(1)，該主軸由至少一個包括至少一個軸承空隙的磁軸承(2，3，4)支撐在所述子組件處，其特征在于所述子組件沿路徑(6)移動，所述路徑(6)相對于精確路徑(5)被控制器整平滑，在主軸外殼(16)中的主軸(1)借助所述磁軸承(2，3，4)沿差分路徑(7)移動，平滑路徑(6)和隨其產生的差分路徑(7)的疊加產生所述精確路徑(5)。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于所述平滑路徑(6)和所述差分路徑(7)形 成為二維。
3. 如權利要求1所述的方法，其特征在于所述平滑路徑(6)和所述差分路徑(7)形 成為三維。
4. 如權利要求1所述的方法，其特征在于所述平滑路徑(6)和所述差分路徑(7)形 成為用于具有多軸的機床的多維。
5. 如權利要求1至4之一所述的方法，其特征在于用固定預設的最大公差來平滑所 述平滑路徑(6)。
6. 如權利要求1至5之一所述的方法，其特征在于所述控制器使所述平滑路徑(6)和 所述差分路徑(7)相互平行地內插。
7. 如權利要求6所述的方法，其特征在于所述平滑路徑(6)的目標值傳輸至所述子 組件的驅動裝置，且所述差分路徑(7)的目標值傳輸至所述磁軸承(2， 3， 4)的至少一個驅 動裝置。
8. 如權利要求1至7之一所述的方法，其特征在于所述平滑路徑(6)在每個移動方 向上的最大公差小于所述主軸(1)在所述空隙(19，20，21)內的最大可能移動。
9. 如權利要求1至8之一所述的方法，其特征在于所述主軸桿(1)沿所述差分路徑 (7)以高動態和/或大加速度移動。
10. 如權利要求1至9之一所述的方法，其特征在于為不同移動方向上的所述差分路 徑(7)和/或所述平滑路徑(6)預設不同的公差。
11. 如權利要求1至10之一所述的方法，其特征在于借助沿所述平滑路徑(6)和沿 所述差分路徑(7)的移動疊加來發生動量解耦。
12. 如權利要求11所述的方法，其特征在于借助所述平滑路徑(6)在所述精確路徑 (5)的一位置處執行猛地反移動，在所述位置處借助所述差分路徑(7)執行快速移動。
13. 如權利要求1至12之一所述的方法，其特征在于所述差分路徑(7)形成使得在 維持由所述差分路徑(7)和所述平滑路徑(6)產生的精確路徑(5)的同時，該差分路徑相 對于其移動超前或落后。
14. 如權利要求1至13之一所述的方法，其特征在于該方法用在銑床中。
全文摘要
本發明涉及控制機床至少一個部件組件的移動的方法，其中，該部件組件具有可旋轉的主軸(1)，該主軸借助于具有軸承空隙(19、20、21)的至少一個磁軸承(2、3、4)安裝在該部件組件上。本發明特征在于該部件組件沿平滑路徑(6)移動，該平滑路徑在控制側上被整平滑并且與精確路徑(5)相對，主軸(1)借助磁軸承(2、3、4)沿差分路徑(7)移動，其中，平滑路徑(6)和差分路徑(7)之和(疊加)提供了精確路徑(5)。
文檔編號H02K41/00GK101730611SQ200880023735
公開日2010年6月9日 申請日期2008年5月5日 優先權日2007年5月7日
發明者J·羅德斯 申請人:P+L有限責任兩合公司