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CN1636172B - 轨迹控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及借助数控系统(5)来控制轨迹的方法，该系统能够分头控制一个机床(1)的直线轴(X，Y，Z)的速度和转角轴(A，B)。使转角轴(A，B)的速度曲线比直线轴的速度曲线便得更顺畅圆滑。这样所产生的刀具(2)相对工件(3)的定位误差通过沿直线轴(X，Y，Z)的补偿运动来校正。该任务可以有利地由一个大多在现代的多轴机床中已有的RTCP单元(6)来承担。由于在转角轴上的加速度较小，因此改善了表面质量或可选择地也提高了加工速度。

Description

轨迹控制方法
技术领域
本发明涉及一种轨迹控制方法，其中通过一个数控系统的一零件加工程序来设定刀具相对工件的运动，其中，在数控系统中分别为直线轴和转角轴进行单独的速度控制，因单独速度控制而出现的刀具和工件之间运动的偏差通过直线轴的补偿运动来校正，这样实现用于直线轴和用于转角轴的单独的速度控制，使在转角轴上的速度曲线比在直线轴上的速度曲线变得更顺畅圆滑。
背景技术
在现代机床中都采用了数控系统来控制刀具相对工件的定位和运动。为了根据预定条件加工工件，必须使刀具相对工件按预定轨迹移动。因此，这就是轨迹控制。确定所需要的轨迹是在一个由数控系统编制的零件加工程序里进行的。数控系统将零件加工程序的几何形状语句转变成调节机床各轴位置的语句。
在一个这样的零件加工程序中，例如通过基点来逼近任意的刀具轨迹，在这些基点之间轨迹控制线性插值。在现代机床如五轴铣床中有多个运动轴，所希望的轨迹可以传给这些轴。每个运动轴的预定条件又包括这些基点(轴向位置)，它们必须与每个轴同步地依次起动。这既适于直线轴，也适于转角轴。
由于机床运动轴在最大加速度和最大冲击(加速度变化)方面都有一定限制，因而在零件加工程序里规定的、在刀具轨迹的两个轨迹段之间的拐点不能以一个有限的速度精确经过，因为为此必须有一个无限的加速度。因此，拐点能以之经过的最大速度取决于最大允许公差，实际刀具轨迹应以该允许公差偏离理想刀具轨迹。公差越大，可能的速度越高。在零件加工程序里规定的一个拐点随着速度提高而越来越强烈地顺畅圆滑。
即使在完成单个轨迹段时，也有类似的限制条件，为此，每个轴必须从一个起点(第一基点的投影)运动至一个终点(第二基点的投影)。通常，为这种运动预先规定一个速度。但由于在一个轨迹段起点的速度跃变可能伴随着无限的加速度，因而必须使速度曲线顺畅圆滑。这种顺畅圆滑可通过用FIR滤波器对速度曲线滤波来实现，例如在EP864952A1中描述的那样。由于每条轨迹都由所有轴运动的叠加而成，因而各轨迹段的滤波必须速度中的所有跃变点都以相同方式变平缓。这样，就能保证每个轴有同步的速度控制或加速度控制，这导致遵守规定的刀具轨迹。
所述轨迹控制方法的缺点是，在多轴机床中，这些轴各自按最差的运动学(即最小的最大加速度)规定了速度控制。动态的轴必须等候当时最慢的、参与一轨迹段的轴。通常，这种动态差的轴是机床的转角轴。此外，若是转角轴带来限制，则转角轴本身会有限地运转。这就导致加工工件表面质量受影响，因为转角轴在这种情况下充分利用了它允许的轨迹偏差。
发明内容
因而，本发明的任务是提出一种轨迹控制方法，它可以保证加工工件有更好的表面质量且加工时间缩短.
该任务通过一种轨迹控制方法来完成，在所述方法中通过一个数控系统的一零件加工程序来设定刀具相对工件的运动，其中，在数控系统中分别为直线轴和转角轴进行单独的速度控制，因单独速度控制而出现的刀具和工件之间运动的偏差通过直线轴的补偿运动来校正，这样实现用于直线轴和用于转角轴的单独的速度控制，使在转角轴上的速度曲线比在直线轴上的速度曲线变得更顺畅圆滑。
按照本发明，使用三角形滤波器来使转角轴上的速度曲线变圆滑。
按照本发明，使用低通滤波器来使直线轴上的速度曲线变圆滑。
按照本发明，分头设定用于转角轴速度曲线的和用于直线轴速度曲线的圆滑化程度。
按照本发明，为转角轴和直线轴分别设定用于速度曲线圆滑化的特有公差。
按照本发明，为转角轴和直线轴分别设定用于速度曲线圆滑化的不同滤波参数。
业已知道，如果一个在许多当代机床中都有的刀具位置校正系统已被启动，则一个转角轴对刀具相对一夹紧在机床上的工件的相对位置就不重要了。该刀具位置校正系统通常也被称为RTCP(回转刀具中心点)单元，它用于当在一转角轴上运动时跟踪直线轴，从而保持刀具作用于工件的作用点。
本发明的转角轴和直线轴的速度控制是单独进行的。这例如这样做到，为转角轴速度曲线的顺畅圆滑化采用了比用于直线轴速度曲线的顺畅圆滑化更柔和的滤波器。这样一来，在转角轴上出现更小的加速度(和更高的速度曲线导数)，转角轴调节系统的偏差减小，因而又提高了加工工件表面质量。但为了得到所需的真实轨迹，RTCP(回转刀具中心点)单元必须控制直线轴上的补偿运动，从而使刀具作用于工件的作用点相对同步速度控制来说并不改变。在相应参数化时，改善表面质量的效果可以改变，这完全或部分有利于更高的加工速度。
附图说明
本发明的其它优点和细节见以下结合附图的说明。附图所示为：
图1：具有数控系统的机床；
图2a，b：以两个视图表示刀具轨迹；
图3a，b：两个轴的位置曲线；
图4a，b：两个轴的速度曲线。
具体实施方式
图1表示一台带一刀具2的机床1。一工件3被夹紧在一加工台4上。工件3和刀具2可以沿多个轴相互运动。在图中可以见到在X和Z方向上的直线轴，在Y方向上的第三直线轴垂直于图面。在一个五轴铣床中，尚有二个转角轴，其中在图1中表示出了B轴。刀具可以绕Y轴方向转动。若加工台4可以绕X轴翻转，就出现第二转角轴A。轴X、Y、Z、A、B借助数控系统5来控制，该系统例如可以编制一个零件加工程序或者接受并实施该机床操作者的各项指令。
如在图1中可以方便看到的那样，刀具2绕转角轴B的运动造成刀具2尖端相对工件3移动.为简化在有至少一个转角轴A、B的多轴X、Y、Z、A、B上进行工件加工的编程，编程员必须只设定刀具2尖端的所希望的轨迹和刀具方向，转角轴A、B的理论位置自动算出.数控系统5的一个RTCP单元6确保了当沿转角轴A、B运动时能跟踪直线轴X、Y、Z，从而使刀具2作用于工件3的作用点保持在预定轨迹上，只是刀具2相对工件3的方向改变了.为了在围绕一个转角轴B运动时校正该作用点，至少要有两个直线轴X、Z.因而，本发明明智地只用在有至少一个转角轴A、B和至少两个直线轴X、Y、Z的机床上.
根据图2a、2b，表示一个在数控系统5的零件加工程序里设定的、在刀具2和工件3之间的沿两个轴Y、B的运动的一个很简单的例子。编程员(或一个数控系统5里的内插器，它通过基点来逼近由编程员设定的轨迹)设定一个起点10和一个终点11，在两者之间，刀具2应与Y轴相关地以既定速度走完一个轨迹段12。刀具应从一个起始位置13绕转角轴B转动到一个结束位置14。在时刻T1，起始位置13在起点10处为，而在时刻T2，结束位置14在终点11处。由于刀具2尖端在从位置13向位置14转动时例如沿Z轴运动，因此，加工台4必须在直线轴Z上做相应的补偿运动，同样需要沿直线轴X的补偿运动。这个任务由数控系统5里的RTCP单元来承担。因而，在图2b里示出了刀尖沿转角轴B移动的情况。
图3a表示由编程员在Y轴上设定的直线运动20。在起点10和终点11之间进行线性插补，这首先相当于速度不变的运动，如图4a的虚线所示。类似地，图3b表示由编程员在B轴上设定的转角运动21，在起始位置13和结束位置14之间进行线性内插，这首先相当于速度恒定的转动，如在图4b中用虚线所示的那样。在此应该说明，通常在对一个刀具轨迹编程时要注意克服速度跃变。但结合这个简化的例子，可以简单地介绍本发明。
但由于如图4a或4b所示地速度或角速度的跃变是不可能的(最大加速度对每个轴是有限的)，因而，图4a、4b所示的速度曲线必须被顺畅圆滑化，以便不再出现无法连续微分的区域(跃变点、拐点)。这可以例如借助滤波器来实现，如在开头所述EP 864952 A1中描述的那样。若通过这样的滤波器使每个轴的速度有跃变，则出现用于经过滤波的直线运动30或者经过滤波的转角运动31的预定条件。在现有技术中已经注意到，对所有轴X、Y、Z、A、B的速度曲线都进行同样程度的圆滑顺畅化，以便使所有轴得到同步运动。也可以将此称为所有轴的同步速度控制。结果，总是必须对速度曲线进行顺畅圆滑化，以至具有最小的最大加速度的轴(或者也可以是具有最小的最大冲击的轴)就不会过载。其余轴的运动学特性因此没有被充分利用。
但由于通常恰好是转角轴A、B的动态性比直线轴X、Y、Z差，因而建议，对转角轴A、B和直线轴X、Y、Z采用分开的速度控制，而不是用于所有轴X、Y、Z、A、B的同步速度控制。在转角轴A、B上的速度跃变应比直线轴X、Y、Z上的速度跃变更强烈地被顺畅圆滑化。为此，例如使转角轴A、B的速度曲线通过其它的且最好与直线轴X、Y、Z的速度曲线时相比更柔和的滤波器变平滑。这可以通过一类滤波器(如低通滤波器)的不同参数化或通过不同类型的滤波器(如硬低通滤波器用于直线轴X、Y、Z，软三角形滤波器用于转角轴A、B)来进行。
图4b中的曲线32表示在相应较软的滤波后的转角轴B的速度曲线.如图所示，现在出现了比按照曲线31的同步速度控制更小的加速度.这就改善了工件3表面质量，因为在单独的速度控制时在转角轴A、B上出现的较低加速度导致更高的轨迹精度.即，转角轴B可以比按曲线31的理论轨迹更好地遵守按曲线32的理论轨迹.
但是，如果利用以下事实，即转角轴A、B有一个“加速度余量”，则也可以实现速度提高。若总体提高预定的轨迹速度，则虽然转角轴A、B又接近极限，但所有轴X、Y、Z、A、B都更快地从起点10到达终点11。想优先利用这两种效果中的哪一种对零件加工程序的编程员来说是随意的。在一个方向或另一方向上对单独的速度控制的效果施加影响的措施在于，分头设定直线轴X、Y、Z的速度曲线和转角轴A、B的速度曲线的圆滑度，例如也就是相应地设定滤波器参数。于是，可以分别对直线轴X、Y、Z的滤波器和转角轴A，B的滤波器设定公差，这种公差规定了由编程员设定的直线运动20或转角运动21的最大偏差。该公差越大，各滤波器的特性就越软并且各速度曲线的顺畅圆滑程度越强。
对用单独的速度控制来控制轨迹的本发明方法重要的是，尽管在直线轴X、Y、Z和转角轴A、B之间不再有同步运动，但刀具2在工件3上的作用点保持不变，也就是留在由编程员最初设定的轨迹上。工件的尺寸精度因而没什么变化。在图4b中可以看到的曲线31(同步速度控制)和曲线32(单独速度控制)之间的差别表示与同步速度控制时的转角轴B偏差。即，这种偏差必须通过在直线轴X，Y、Z上的补偿运动来校正，以便得到刀具2尖端相对工件3的一个合成轨迹，该轨迹相当于同步速度控制时的轨迹。该任务由RTCP单元6来承担。
只是必须使直线轴X、Y、Z同步运动，而转角轴A、B可以以单独速度控制来控制。RTCP单元考虑了偏离于同步理论位置的刀具2位置开使刀具2作用于工件3上的作用点保持在理论轨迹上。
以上的研究都是根据在转角轴上的有限加速度进行的。曾提到一种速度控制。当然，也为刀具轨迹的高阶导数规定了极限，例如为加速度的最大变化，也就是冲击。因而，不仅不可能有速度跃变，而且拐点也不可能出现。也就是说，一个速度曲线的拐点也必须被圆滑化。但由于这些参数除常数外都是各自相互确定的，因而这些研究也适用于由最大冲击引起的限制条件。在此意义上，也可以讲是同步的或说单独的加速度控制。
刀具2和工件3之间的运动也可以通过与举例所述的不同的方法来设定。因此，在现代的数控系统5中可以用仿样函数或NURBS对零件加工程序进行编程，通过零件加工程序，可设定在速度曲线或加速度曲线中没有跃变的弯曲轨迹。在这里，最后也设定速度曲线(或加速度曲线)，按照本发明，它们的处理可以用直线轴X、Y、Z和转角轴A、B的单独速度控制来进行。

Claims (8)

1.一种在至少两个直线轴(X、Y、Z)上和至少一个转角轴(A，B)上控制轨迹的方法，其中通过一个数控系统(5)的一零件加工程序来设定刀具(2)相对工件(3)的运动，其中，在数控系统(5)中分别为直线轴(X、Y、Z)和转角轴(A，B)进行单独的速度控制，因单独速度控制而出现的刀具(2)和工件(3)之间运动的偏差通过直线轴(X、Y、Z)的补偿运动来校正，这样实现用于直线轴(X、Y、Z)和用于转角轴(A，B)的单独的速度控制，使在转角轴(A，B)上的速度曲线比在直线轴(X、Y、Z)上的速度曲线变得更顺畅圆滑。
2.按权利要求1所述的方法，其中，直线轴(X、Y、Z)的补偿运动通过一个RTCP(回转刀具中心点)单元来控制，该RTCP单元在转角轴线(A，B)既定地偏离所有轴线(X、Y、Z、A、B)的同步速度控制时保持刀具(2)在工件(3)上的作用点不变。
3.按权利要求1所述的方法，其中，为使转角轴(A，B)上的速度曲线变圆滑，使用了比为使直线轴(X、Y、Z)上的速度曲线变圆滑更软的滤波器。
4.按权利要求3所述的方法，其中，使用三角形滤波器来使转角轴(A，B)上的速度曲线变圆滑。
5.按权利要求3或4所述的方法，其中，使用低通滤波器来使直线轴(X、Y、Z)上的速度曲线变圆滑。
6.按权利要求1所述的方法，其中，分头设定用于转角轴(A，B)速度曲线的和用于直线轴(X、Y、Z)速度曲线的圆滑化程度。
7.按权利要求6所述的方法，其中，为转角轴(A，B)和直线轴(X、Y、Z)分别设定用于速度曲线圆滑化的特有公差。
8.按权利要求6所述的方法，其中，为转角轴(A，B)和直线轴(X、Y、Z)分别设定用于速度曲线圆滑化的不同滤波参数。
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