DE102014005844A1

DE102014005844A1 - Numerische Steuerung mit Anzeige und Eingabe einer Werkzeugrichtung in Bezug auf ein Werkstück

Info

Publication number: DE102014005844A1
Application number: DE102014005844.1A
Authority: DE
Inventors: c/o FANUC CORPORATION Abe Kimio
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2014-04-22
Publication date: 2014-10-23
Anticipated expiration: 2034-04-23
Also published as: US20140316553A1; CN104122838B; CN104122838A; DE102014005844B4; JP5734336B2; JP2014215675A; US9513618B2

Abstract

Eine numerische Steuerung steuert eine 5-achsige Werkzeugmaschine, die ein auf einem Tisch montiertes Werkstück mit zumindest drei Linearachsen und zwei Drehachsen bearbeitet. Die numerische Steuerung berechnet eine Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück in Form eines Werkzeug-Richtungsvektors, Roll-Nick-Gier-Winkeln, oder Euler-Winkeln auf Basis jeweiliger Positionen der zwei Drehachsen und zeigt die Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück auf Basis der Berechnungen in einem Display an.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine numerische Steuerung zum Steuern einer Werkzeugmaschine mit zumindest drei linearen Achsen und zwei Drehachsen und insbesondere eine numerische Steuerung, mit der es möglich ist, eine Werkzeugrichtung in Bezug auf ein Werkstück anzuzeigen und einzugeben. Insbesondere bestimmt die numerische Steuerung eine Werkzeug-Zentrierpunktposition auf Basis von Linearachsen-Positionsbefehlen in einem gegebenen Programm-Koordinatensystem und gibt einen Werkzeug-Richtungsbefehl aus, wodurch die Maschine für die Bearbeitung gesteuert wird. Weiterhin kann die numerische Steuerung einen Betrag hinsichtlich einer Linear- oder Drehachsenbewegung auf Basis einer manuellen Eingabe (Handeingabe; JOG-Steuerung, d. h. kontinuierliche Bewegung des Werkzeuges in Richtung einer ausgewählten Achse; etc.), einer interpolierten Werkzeug-Zentrierpunktstellung, eines Werkzeuglängenkompensationsvektors, oder Drehachsenstellungen hinzufügen.
Zum Stand der Technik
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 2003-195917 zeigt eine Technik mit einer ersten Interpolationseinheit zum Interpolieren linearer Achsen in einem Koordinatensystem gemäß einer Tabelle und eine zweite Interpolationseinheit zum Interpolieren bezüglich der Drehachsen. Gemäß dieser Technik werden Interpolationspositionen bezüglich der Linearachsen auf Basis von Interpolationsposition bezüglich der Drehachsen kompensiert. Bei Werkzeugmaschinen wird diese Technik allgemein als Werkzeug-Zentrierpunktsteuerung bezeichnet. Beim Bearbeiten mit fünf Achsen unter Verwendung der Werkzeug-Zentrierpunktsteuerung oder dergleichen wird die Werkzeugrichtung bestimmt durch einen Drehachsenbefehl oder Vektorbefehl und die japanische Patentveröffentlichung Nr. 57-75309 zeigt eine Technik, bei der die X-, Y-, und Z-Achsen so betrieben werden, dass die Positionsbeziehung zwischen einem Werkzeug-Zentrierpunkt bzw. -spitze und einem Werkstück erhalten bleibt, wobei zwei Drehachsen entsprechend einer manuellen Eingabe betrieben werden. Bei fünf-achsigen Werkzeugmaschinen wird diese Technik im Allgemeinen als 3-dimensionale Handeingabe bezeichnet. Bei der 3-dimensionalen manuellen Eingabe werden aktuelle Positionen der Drehachse manuell eingegeben und eine Werkzeugrichtung wird durch die Endpositionen der Drehachsen repräsentiert.
Bei den in den japanischen Patentveröffentlichungen JP 2003-195917 und 57-75309 beschriebenen Techniken ist es erforderlich, die Werkzeugrichtung (Drehachse und Endposition) in Bezug auf das Werkstück zu berechnen (oder in einer Tabelle abzulegen), basierend auf den Drehachsenstellungen und den Drehachsen-Konfigurationen jeder Maschine. Deshalb kann die Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück nicht alleine aus einer Informationen bezüglich der Drehachsenstellungen gewonnen werden.
Im Folgenden sei eine 5-achsige Maschine mit Drehtisch angenommen (mit den A- und C-Achsen als Haupt- bzw. Nebenachsen), wie es in 1 dargestellt ist. Der C-Achsen-Tisch 5 ist auf einem A-Achsen-Tisch 4 montiert und ein Werkstück 3 ist auf dem C-Achsen-Tisch 5 angeordnet. Ein XYZ-Koordinatensystem ist dem Werkstück 3 zugeordnet. Sind die Winkel der beiden Drehachsen (A- und C-Achsen) jeweils 0°, dann ist der Werkzeug-Richtungsvektor aus Sicht des Tisches (0, 0, 1).
Sind aber die jeweiligen Winkel bezüglich der A- und C-Achsen –30° bzw. 20°, wie in 2 gezeigt, dann ist der Werkzeug-Richtungsvektor aus Sicht des C-Achsen-Tisches 5 (–0,171, 0,470, 0,866), was nicht leicht intuitiv zu verstehen ist aufgrund der Winkelinformation bezüglich der Drehachsen (A- und C-Achsen). Um den Werkzeug-Richtungsvektor aus Sicht des C-Achsen-Tisches 5 zu lokalisieren ist es deshalb erforderlich, den Werkzeug-Richtungsvektor auf Basis der Drehachsenpositionen und der Maschinenkonfiguration zu berechnen. Beim Berechnen der Werkzeugrichtung (Drehachsen-Endpositionen) in einer Maschine mit geneigter Drehachse, wie in den 4A und 4B gezeigt, muss die Neigung der geneigten Drehachse berücksichtigt werden.
Bei der 3-dimensionalen manuellen Eingabe gemäß der japanischen Patentveröffentlichung 57-75309 , wie oben erwähnt, können die Drehachsen so bewegt werden, dass die räumliche Beziehung zwischen dem Werkstück (oder Tisch) und dem Werkzeug-Zentrierpunkt erhalten bleibt. Wenn aber nur eine der Drehachsen per Befehl bewegt werden kann, ist es aber erforderlich, die einzusetzenden Drehachsen zu wechseln. Bei einer Maschine mit geneigter Drehachse, wie in den 4A und 4B gezeigt, ist aber das Verhalten des Werkstückes (oder Tisches) aufgrund der Rotation nicht exakt vorhersehbar.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgrund der oben beschriebenen Probleme beim Stand der Technik ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine numerische Steuerung für eine 5-achsige Werkzeugmaschine, die eingerichtet ist, ein auf einem Tisch montiertes Werkstück mittels eines Mechanismus, bei dem der Tisch oder der Werkzeugkopf um zumindest drei lineare Achsen und zwei Drehachsen gedreht werden, bereitzustellen, mit der Werkzeugrichtungen in Bezug auf das Werkstück angezeigt werden unter Verwendung von Vektoren, Roll-Nick-Gier-Winkeln, oder Euler-Winkeln.
Mit Blick auf die oben erläuterten Probleme des Standes der Technik ist es ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine numerische Steuerung für eine 5-achsige Werkzeugmaschine bereitzustellen, die eingerichtet ist, ein Werkstück auf einem Tisch mittels eines Mechanismus zu bearbeiten, bei dem der Tisch oder der Werkzeugkopf um zumindest drei Linearachsen oder zwei Drehachsen drehbar sind, wobei eine manuelle Bewegungseingabe zur Drehachsenbewegung unter Verwendung von Roll-Nick-Gier-Winkeln möglich ist.
Eine numerisches Steuerung gemäß der Erfindung steuert eine 5-achsige Maschine, die eingerichtet ist, ein auf einem Tisch montiertes Werkstück mittels zumindest dreier Linearachsen und zweier Drehachsen zu bearbeiten.
Gemäß einem ersten Merkmal weist die numerische Steuerung eine Werkzeugrichtungberechnungseinheit auf, die eingerichtet ist, eine Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück als Werkzeugrichtungsvektor, Roll-Nick-Gier-Winkel, oder Euler-Winkel zu berechnen, und zwar auf Basis jeweiliger Positionen der zwei Drehachsen, und eine Werkzeugrichtungsanzeigeeinheit, die eingerichtet ist, eine Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück auf einer Anzeigeeinrichtung anzuzeigen, und zwar auf Basis des Werkzeugrichtungsvektors, der Roll-Nick-Gier-Winkel (Roll-Pitch-Yaw-Angle), oder der Euler-Winkel (auch Eulersche Winkel genannt).
Gemäß einem zweiten Merkmal weist die numerische Steuerung eine Eingabeeinheit auf für die manuelle Eingabe des Betrages bezüglich der manuellen Werkzeugrichtungsbewegung relativ zu dem Werkstück in Form eines Betrages bezüglich der Bewegung des Roll-Nick-Gier-Winkels, und eine Umwandeleinheit bezüglich des Betrages der Bewegung der Drehachse, die eingerichtet ist, den Betrag der Bewegung der Roll-Nick-Gier-Winkels in entsprechende Bewegungsbeträge der zwei Drehachsen umzuwandeln. Die zwei Drehachsen werden auf Basis der Bewegungsbeträge, wie sie durch die Umwandeleinheit bezüglich der Drehachsenbewegung umgewandelt worden sind, angetrieben.
Beide Drehachsen können eingerichtet werden, für die Tischdrehung und die 5-achsige Maschine kann eine Drehtisch-5-Achsen-Maschine sein.
Beide Drehachsen können eingerichtet sein, für die Werkzeugkopfdrehung und die 5-achsige Maschine kann eine Maschine mit drehendem Werkzeugkopf sein.
Die beiden Drehachsen können eingerichtet sein, für eine Tischdrehung und eine Werkzeugkopfdrehung, jeweils individuell, und bei der 5-achsigen Maschine kann es sich um eine Hybrid-Maschine handeln, mit einer Drehachse zur Tischdrehung und den anderen Achsen zur Werkzeugkopfdrehung.
Eine der beiden Drehachsen kann eine Drehachse mit Neigung sein, nicht parallel zu den drei Linearachsen.
Gemäß der Erfindung kann eine numerische Steuerung für eine 5-achsige Werkzeugmaschine bereitgestellt werden, die eingerichtet ist, ein auf einem Tisch montiertes Werkstück mittels eines Mechanismus zu bearbeiten, der den Tisch oder einen Werkzeugkopf um zumindest drei Linearachsen und zwei Drehachsen dreht, wobei Werkzeugrichtungen in Bezug auf das Werkstück angezeigt werden unter Verwendung eines Vektors, von Roll-Nick-Gier-Winkeln, oder von Eulerschen Winkeln.
Gemäß der Erfindung ist es weiter möglich, einen numerische Steuerung für eine 5-achsige Werkzeugmaschine bereitzustellen, die eingerichtet ist, ein auf einem Tisch montiertes Werkstück mittels eines Mechanismus zu bearbeiten, der den Tisch oder den Werkzeugkopf um zumindest drei Linearachsen und zwei Drehachsen dreht, wobei ein manueller Bewegungsbefehl bezüglich einer Drehachsenbewegung erzeugt werden kann unter Verwendung von Roll-Nick-Gier-Winkeln.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden noch deutlicher aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen auf die Figuren.
1 ist eine Darstellung von Anordnungen einzelner Achsen einer 5-achsigen Maschine mit Drehtischen;
2 ist eine Darstellung der Drehung von A- und C-Achsen einer 5-achsigen Maschine mit Drehtischen;
3 ist eine Darstellung von Daten bezüglich einzelner Achsen der 5-achsigen Maschine mit Drehtischen;
4A und 4B erläutern eine Maschine mit geneigter Drehachse, wobei ein C-Achsen-Tisch auf einem B-Achsen-Tisch montiert ist und ein Werkstück auf dem C-Achsen-Tisch angeordnet ist;
5A und 5B zeigen einen Werkzeug-Richtungsvektor aus Sicht von oben in einem Koordinatensystem für jeden Tisch, welches zusammen mit dem Tisch bewegbar ist;
6 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispieles eines Werkzeug-Richtungsvektors für ein Werkstück;
7 ist eine Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles eines Werkzeug-Richtungsvektors für ein Werkstück;
8 ist eine Darstellung eines dritten Ausführungsbeispieles für einen Werkzeug-Richtungsvektors für ein Werkstück;
9 zeigt einen Werkzeug-Richtungsvektor aus Sicht von oben in einem Koordinatensystem auf jedem Tisch, welches mit dem Tisch bewegbar ist;
10 ist ein Blockdiagramm einer numerischen Steuerung zum Steuern einer Werkzeugmaschine;
11 ist ein Blockdiagramm einer numerischen Steuerung zur Steuerung der Maschine;
12 ist ein Flussdiagramm des Ablaufs in einer Werkzeugrichtungs-Berechnungseinheit gemäß Ausführungsbeispiel Nr. 1;
13 ist ein Flussdiagramm der Vorgänge in einer Umwandeleinheit bezüglich eines Drehachsen-Bewegungsbetrages gemäß Ausführungsbeispiel Nr. 2;
14 ist ein Flussdiagramm des Ablaufs in einer Werkzeugrichtungs-Berechnungseinheit gemäß Ausführungsbeispiel Nr. 3; und
15 ist ein Flussdiagramm des Ablaufs in einer Werkzeugrichtungs-Berechnungseinheit gemäß Ausführungsbeispiel Nr. 4.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN IM EINZELNEN
(Erstes Ausführungsbeispiel)
A: Verfahren zum Berechnen des Werkzeug-Richtungsvektors, der Roll-Nick-Gier-Winkel, und der Euler-Winkel einer 5-achsigen Maschine mit Drehtisch und geneigter Drehachse
Die 4A und 4B zeigen eine 5-achsige Drehtischmaschine mit geneigter Drehachse, wobei ein C-Achsen-Tisch 7 auf einem B-Achsen-Tisch 6 montiert ist und ein Werkstück 3 auf dem C-Achsen-Tisch 7 angeordnet ist. Das Werkstück 3 wird durch ein Werkzeug 2 bearbeitet. Für die 5-achsige Drehtisch-Werkzeugmaschine mit geneigter Drehachse gemäß den 4A und 4B werden ein Werkzeug-Richtungsvektor, Roll-Nick-Gier-Winkel und Euler-Winkel berechnet.
Zunächst wird angenommen, dass eine B-Achse als erste Drehachse drehbar ist um die Richtung einer Y-Achse, die um minus 45° um eine X-Achse gedreht ist, während eine C-Achse als zweite Drehachse um eine Z-Achse drehbar sei, wobei die B-Achse bei 0° steht. Der Werkzeug-Richtungsvektor aus Sicht von oben in einem Koordinatensystem bezüglich jedes Tisches, welches mit dem Tisch bewegbar ist, ist dann gegeben durch Tv ((Xt, Yt, Zt)^T) (siehe 5A und 5B). Ein Werkzeug-Richtungsvektor, Roll-Nick-Gier-Winkel, oder Euler-Winkel, jeweils separat gesetzt, werden ausgewählt und die nachfolgenden Verarbeitungsschritte A-1, A-2 und A-3 werden ausgeführt:
A-1: Verfahren zum Berechnen des Werkzeug-Richtungsvektors.
Wenn die B- und C-Achsen, Drehachsen, sich in den Positionen B bzw. C befinden, kann in dieser Maschinenkonfiguration der Werkzeug-Richtungsvektor Tv ((Xt, Yt, Zt)^T) durch die Gleichung (1) wie folgt erhalten werden:
Die Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück lässt sich intuitiv leichter verstehen durch Anzeige der X, Y und Z-Komponenten des Werkzeug-Richtungsvektors, wie sie so berechnet werden, mit dem Werkzeug-Richtungsvektor in einem Koordinatensystem, das mit jedem Tisch bewegbar ist. 6 zeigt, dass der Werkzeug-Richtungsvektor für ein Werkstück mit B = 20,0 und C = –30,0 ist Tv (0,194, –0,147, 0,970).
A-2: Verfahren zum Berechnen der Roll-Nick-Gier-Winkel.
Ein Roll-Winkel I, ein Nick-Winkel J, und ein Gier-Winkel K repräsentieren jeweils Drehungen um die X-, Y-, bzw. Z-Achsen des mit jedem Tisch bewegbaren Koordinatensystems. Nachfolgend sein angenommen, dass die Drehungen um die X-, Y-, und Z-Achsen in dieser Reihenfolge durchgeführt werden. Der Werkzeug-Richtungsvektor Tv ((Xt, Yt, Zt)^T) auf Basis der Roll-Nick-Gier-Winkel ist gemäß Gleichung (2) wie folgt gegeben:
Die Roll-, Nick-, und Gier-Winkel werden individuell durch Vergleich und Lösung der Komponenten der obigen Gleichungen (1) und (2) gewonnen. Da es eine Vielzahl von Roll-Nick-Gier-Winkeln gibt, die den Werkzeug-Richtungsvektor Tv implementieren, sei der Roll-Winkel für die Berechnung auf 0° festgelegt.
Die Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück lässt sich intuitiv leichter erkennen durch Anzeige der so berechneten Roll-Nick-Gier-Winkel des Werkzeug-Richtungsvektors und des Werkzeug-Richtungsvektors im mit jedem Tisch bewegbaren Koordinatensystem.
7 zeigt einen Werkzeug-Richtungsvektor für das Werkstück mit B = 20,0 und C = –30,0, wie im Falle der Berechnung des Werkzeug-Richtungsvektors, und zeigt weiterhin Roll-, Nick-, und Gier-Winkel bei 0°, –37,107°, bzw. 14,106°. 7 zeigt auch das Ausmaß der Drehung des Werkzeug-Richtungsvektors auf Basis der Nick-, und Gier-Winkel.
A-3: Verfahren zum Berechnen der Euler-Winkel.
Die Umwandlung der Euler-Winkel (P, Q, R) wird wie nachfolgend bestimmt:
Ein Koordinatensystem 2 sei erhalten durch Drehung eines bestimmten Koordinatensystems 1 um (den Winkel) P um die Z-Achse. Ein Koordinatensystem 3 sei erhalten durch Drehung des Koordinatensystems 2 um (den Winkel) Q um die X-Achse. Ein Koordinatensystem 4 sei erhalten durch Drehung des Koordinatensystems 3 um (den Winkel) R um die Z-Achse. Die Umwandlung des bestimmten Koordinatensystem 1 in das Koordinatensystem 4 gemäß dieser Definition wird als Eulersche-Winkelumwandlung bezeichnet. Der Werkzeug-Richtungsvektor Tv (Xt, Yt, Zt)^T) auf Basis des Euler-Winkels ist durch Gleichung (3) wie folgt gegegen:
Die Euler-Winkel (P, Q, R) werden einzeln gewonnen durch Vergleich und Lösung der Komponenten der obigen Gleichungen (1) und (3). Da der Euler-Winkel R keinen Einfluss hat auf den Werkzeug-Richtungsvektor kann er gleich 0° gesetzt werden.
Die Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück 3 kann intuitiv leichter verständlich dargestellt werden durch Anzeige der Euler-Winkel (P, Q, R) des Werkzeug-Richtungsvektors, wie er auf diese Weise berechnet worden ist, und des Werkzeug-Richtungsvektors in einem mit jedem Tisch beweglichen Koordinatensystem. 8 zeigt den Werkzeug-Richtungsvektor für ein Werkstück mit B = 20,0 und C = –30,0, wie bei Berechnung des Werkzeug-Richtungsvektors vorausgesetzt, und die FIG. zeigt, dass die Euler-Winkel P, Q, R gegeben sind durch 52,893°, 14,106° bzw. 0°. 8 zeigt auch das Ausmaß der Drehung des Werkzeug-Richtungsvektors auf Basis der Euler-Winkel P und Q.
Im Falle einer Maschinenkonfiguration ohne geneigte Drehachse, wie in 1 gezeigt, ist es nur erforderlich, eine Matrix Ra (±45°) gemäß Gleichung (1) wegzulassen.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
B: Roll-Nick-Gier-Winkelbefehle für manuelle Betätigung der 5-achsigen Drehtisch-Maschine mit geneigter Drehachse.
B-1: Maschinenkonfiguration und Verfahren zum Berechnen der Drehachsenstellung.
Eine Berechnung wird durchgeführt für eine 5-achsige Drehtisch-Maschine mit geneigter Drehachse, wie in den 4A und 4B gezeigt ist. Zunächst sei eine B-Achse als erste Drehachse drehbar um die Richtung einer Y-Achse, die um –45° um eine X-Achse gedreht ist, während eine C-Achse als zweite Drehachse um eine Z-Achse drehbar sei, wobei die B-Achse bei 0° stehe. Ein Werkzeug-Richtungsvektor aus Sicht von oben in einem Koordinatensystem bezüglich jedes Tisches, welches mit dem Tisch jeweils bewegbar ist, ergibt sich als Tv ((Xt, Yt, Zt)^T). Tv wird unter Verwendung der Gleichung (1) berechnet, siehe 5A und 5B.
Das Werkzeug wird manuell in einer ausgewählten Richtung um die X-Achse (Roll-), Y-Achse (Nick) oder Z-Achse (Gier) des Maschinen-Koordinatensystems gedreht. Ist der Werkzeug-Richtungsvektor nach der Drehung gegeben durch T'v ((X't, Y't, Z't)^T), sind die Werkzeug-Richtungsvektoren T'v gemäß den Drehungen um ΔI, ΔJ oder ΔK um die X-, Y- und Z-Achsen individuell jeweils gegeben durch die nachfolgenden Gleichungen (4), (5) und (6):
Zur Implementierung des auf diese Weise berechneten Werkzeug-Richtungsvektors T'v werden die jeweiligen Positionen der B- und C-Drehachsen durch Lösung der Gleichung (7) wie folgt gewonnen:
Somit kann die Einstellung für ΔI, ΔJ oder ΔK erreicht werden durch Bewegung der B- und C-Achsen in die entsprechend gewonnenen Stellungen.
Gleichung (1) wird wie beim ersten Ausführungsbeispiel gelöst und die Gleichungen (1) und (7) haben auf der rechten Seite das Gleiche stehen. Somit sind die ersten und zweiten Ausführungsbeispiele zusammengehörige Techniken mit vielen gemeinsamen Komponenten.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
C: Verfahren zum Berechnen des Werkzeug-Richtungsvektors, der Roll-Nick-Gier-Winkel und der Euler-Winkel bei einer 5-achsigen Werkzeugmaschine mit drehendem Werkzeugkopf.
Die Berechnung bezieht sich auf eine 5-achsige Werkzeugmaschine mit Werkzeug-Drehkopf. Eine C-Achse sei als erste Drehachse drehbar um eine Z-Achse, während eine A-Achse als zweite Drehachse drehbar um eine X-Achse sei, wobei die C-Achse bei 0° steht. Ein Werkzeug-Richtungsvektor eines Werkzeuges 8 aus Sicht von oben in einem jedem Tisch zugeordneten Koordinatensystem, das mit dem Tisch bewegbar ist, ist gegeben durch Tv ((Xt, Yt, Zt)^T) (9). Ein Werkzeug-Richtungsvektor, Roll-Nick-Gier-Winkel, oder Euler-Winkel werden getrennt gesetzt und ausgewählt und die nachfolgenden Prozessschritte C-1, C-2 und C-3 werden ausgeführt:
C-1: Verfahren zum Berechnen des Werkzeug-Richtungsvektors.
Wenn die C- und A-Drehachsen sich in den Positionen C bzw. A befinden, kann in dieser Konfiguration der Werkzeug-Richtungsvektor Tv (Xt, Yt, Zt)^T) mittels der Gleichung (8) gewonnen werden:
Die Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück kann leichter intuitiv erfasst werden durch Anzeige der X-, Y-, und Z-Komponenten des Werkzeug-Richtungsvektors, der auf diese Weise berechnet wurde, und des Werkzeug-Richtungsvektors im mit jedem Tisch jeweils bewegbaren Koordinatensystem (siehe 6).
C-2: Verfahren zum Berechnen der Roll-Nick-Gier-Winkel.
Ein Rollwinkel I, ein Nick-Winkel J, und ein Gier-Winkel K repräsentieren Drehungen um die X-, Y-, bzw. Z-Achsen des Maschinen-Koordinatensystems, wobei die Drehungen in dieser Reihenfolgen erfolgen. Der Werkzeug-Richtungsvektor Tv ((Xt, Yt, Zt)^T) auf Basis dieser Roll-Nick-Gier-Winkel ist durch Gleichung (9) gegeben:
Die Roll-, Nick-, und Gier-Winkel werden einzeln gewonnen durch Vergleich und Lösung der Komponenten der Gleichungen (8) und (9). Da es eine Vielzahl von Kombinationen der Roll-Nick-Gier-Winkel gibt, die den Werkzeug-Richtungsvektor Tv implementieren, sei der Roll-Winkel für die Berechnung auf 0° festgelegt.
Die Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück 3 kann leichter intuitiv erfasst werden durch Anzeige der Roll-Nick-Gier-Winkel des Werkzeug-Richtungsvektors, der so berechnet worden ist, und mit dem Werkzeug-Richtungsvektor im mit jedem Tisch bewegbaren Koordinatensystem (siehe 7).
C-3: Verfahren zum Berechnen der Euler-Winkel.
Die Umwandlung der Euler-Winkel (P, Q, R) wird auf die folgende Weise bestimmt.
Ein Koordinatensystem 2 sei erhalten durch Drehung eines bestimmten Koordinatensystems 1 um (den Winkel) P um die Z-Achse. Ein Koordinatensystem 3 sei erhalten durch Drehung des Koordinatensystems 2 um (den Winkel) Q um die X-Achse. Ein Koordinatensystem 4 sei erhalten durch Drehung des Koordinatensystems 3 um (den Winkel) R um die Z-Achse. Die Umwandlung des bestimmten Koordinatensystems 1 in das Koordinatensystem 4 aufgrund dieser Bestimmungen wird als Eulersche Winkelkonversion bezeichnet. Der Werkzeug-Richtungsvektor Tv ((Xt, Yt, Zt)^T) auf Basis des Eulerschen Winkels ist durch Gleichung (10) gegeben:
Die Euler-Winkel (P, Q, R) werden einzeln gewonnen durch Vergleich und Lösung der Komponenten der Gleichungen (8) und (10). Da der Euler-Winkel R keinen Einfluss hat auf den Werkzeug-Richtungsvektor, kann er auf 0° gesetzt werden.
Die Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück 3 kann so leichter intuitiv erfasst werden durch Anzeige der Euler-Winkel (P, Q, R) des Werkzeug-Richtungsvektors, der auf diese Weise berechnet worden ist, und des Werkzeug-Richtungsvektors in einem Koordinatensystem, das zusammen mit jedem Tisch bewegbar ist (siehe 8).
(Viertes Ausführungsbeispiel)
D: Verfahren zum Berechnen des Werkzeug-Richtungsvektors, der Roll-Nick-Gier-Winkel, und der Euler-Winkel bei einer 5-achsigen Hybrid-Werkzeugmaschine.
Eine Berechnung wird ausgeführt für eine 5-achsige Hybrid-Maschine. Eine B-Achse sei als Werkzeug-Drehachse drehbar um eine Y-Achse, während eine C-Achse als Tisch-Drehachse um eine Z-Achse drehbar sei. Ein Werkzeug-Richtungsvektor, gesehen von oben in einem jedem Tisch zugeordneten Koordinatensystem, das zusammen mit dem Tisch bewegbar ist, ist gegeben durch Tv ((Xt, Yt, Zt)^T) (10).
Ein C-Achsen-Tisch 10 ist auf einem Tisch 9 montiert und ein Werkstück (nicht gezeigt) ist am C-Achsen-Tisch 10 befestigt. Ein Z-Achsen-Kopf 11 ist an einer Säule 13 befestigt und eine mit einem Werkzeug 8 verbundene B-Achse 12 ist am Z-Achsen-Kopf 11 befestigt. Ein Werkzeug-Richtungsvektor, Roll-Nick-Gier-Winkel, oder Euler-Winkel, die getrennt gesetzt sind, werden ausgewählt und die nachfolgenden Verfahrensschritte D-1, D-2 und D-3 werden ausgeführt.
D-1: Verfahren zum Berechnen eines Werkzeug-Richtungsvektors.
Wenn die B- und C-Drehachsen sich in den Positionen B bzw. C befinden kann in dieser Maschinenkonfiguration der Werkzeug-Richtungsvektor Tv ((Xt, Yt, Zt)^T) mit Gleichung (11) gewonnen werden:
Die Werkzeug-Richtung in Bezug auf das Werkstück kann leichter intuitiv erfasst werden durch Anzeige der X-, Y-, und Z-Komponenten des Werkzeug-Richtungsvektors, der auf diese Weise berechnet wurde, und des Werkzeug-Richtungsvektors in dem mit jedem Tisch bewegbaren Koordinatensystem (6).
D-2: Verfahren zum Berechnen der Roll-Nick-Gier-Winkel.
Ein Roll-Winkel I, ein Nick-Winkel J, und ein Gier-Winkel K repräsentieren Drehungen um X-, Y-, bzw. Z-Achsen des Maschinen-Koordinatensystems, wobei die Drehungen in dieser Reihenfolge erfolgen.
Ein Werkzeug-Richtungsvektor Tv ((Xt, Yt, Zt)^T) auf Basis der Roll-Nick-Gier-Winkel ist durch Gleichung (12) zu erhalten:
Die Roll-, Nick- und Gier-Winkel werden einzeln gewonnen durch Vergleich und Lösung der Komponenten der Gleichungen (11) und (12). Da eine Vielzahl von Kombinationen der Roll-Nick-Gier-Winkel den Werkzeug-Richtungsvektor Tv implementieren, wird der Roll-Winkel für die Berechnung auf 0° festgelegt.
Ein Werkzeug-Richtungsvektor in Bezug auf das Werkstück 3 kann leichter intuitiv erfasst werden durch Anzeige (Darstellung) der Roll-Nick-Gier-Winkel des auf diese Weise berechneten Werkzeug-Richtungsvektors und des Werkzeug-Richtungsvektors im mit jedem Tisch bewegbaren Koordinatensystem (siehe 7).
D-3: Verfahren zum Berechnen der Euler-Winkel.
Eine Umwandlung der Euler-Winkel (P, Q, R) ist wie folgt definiert.
Ein Koordinatensystem 2 sei erhalten durch Drehung eines bestimmten Koordinatensystems 1 um (den Winkel) P um die Z-Achse. Ein Koordinatensystem 3 sei erhalten durch Drehung des Koordinatensystems 2 um (den Winkel) Q um die X-Achse. Ein Koordinatensystem 4 sei erhalten durch Drehung des Koordinatensystems 3 um (den Winkel) R um die Z-Achse. Eine Wandlung des bestimmten Koordinatensystems 1 in das Koordinatensystem 4 aufgrund dieser Definition wird als Eulersche Winkelkonversion bezeichnet. Der Werkzeug-Richtungsvektor Tv ((Xt, Yt, Zt)^T) auf Basis des Euler-Winkels ist dann durch Gleichung (13) gegeben:
Die Euler-Winkel (P, Q, R) werden einzeln gewonnen durch Vergleich und Lösung der Komponenten der Gleichungen (11) und (13). Da der Euler-Winkel R keinen Einfluss hat auf den Werkzeug-Richtungsvektor, kann er gleich 0° gesetzt werden.
Die Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück 3 kann leichter intuitiv erfasst werden durch Anzeige der Euler-Winkel (P, Q, R) des auf diese Weise berechneten Werkzeug-Richtungsvektors und des Werkzeug-Richtungsvektors im mit jedem Tisch bewegbaren Koordinatensystem (8).
Eine numerische Steuerung gemäß der Erfindung soll nun mit Blick auf 11 näher beschrieben werden.
Eine numerische Steuerung 30 analysiert und interpoliert gemäß einem Befehlsprogramm 20 in einer Analyseeinheit 21 bzw. einer Interpolationseinheit 22 und treibt Servomotoren bezüglich der einzelnen Achsen (X-Achsen-Servomotor 29X, Y-Achsen-Servomotor 29Y, Z-Achsen-Servomotor 29Z, B-Achsen-Servomotor 29B, und C-Achsen-Servomotor 29C). Diese Konfiguration ist als solche herkömmlich für eine numerische Steuerung.
Bei der erfindungsgemäßen numerischen Steuerung 30 sind eine Werkzeugrichtungsberechnungseinheit 23 und eine Werkzeugrichtungsanzeigeeinheit 24 mit der Interpolationseinheit 22 verbunden. Im Allgemeinen empfängt im Falle eines Handbetriebs eine Handbetriebs-Interpolationseinheit 27 einen Befehl bezüglich Handradvorschub oder Jog-Vorschub (kontinuierliche Bewegung eines Werkzeugs in einer Richtung einer ausgewählten Achse) und aktiviert die Servomotoren 29X, 29Y, 29Z, 29B und 29C für jeden Interpolationszyklus. Eine Eingabeeinheit 26 bezüglich des Betrags der manuellen Werkzeug-Richtungsbewegung und eine Konversionseinheit 28 bezüglich des Betrags einer Drehachsenbewegung sind mit der manuellen Betriebseingabeeinheit 25 bzw. der manuellen Operationsinterpolationseinheit 27 verbunden. Wie oben erwähnt, sind die Einheit 23 für die Werkzeugrichtungsberechnung und die Einheit 28 für den Betrag der Rotationsachsenbewegung untrennbar und haben Komponenten gemeinsam.
Die Prozesse bei den einzelnen Ausführungsbeispielen werden nun mit Blick auf die Flussdiagramme erläutert. 12 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Prozesses in einer Werkzeugrichtungsberechnungseinheit 23 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Das Verfahren wird mit Blick auf die einzelnen Schritte erläutert.
[Schritt SA01] Die Positionen (Drehachsenpositionen) B und C der B- und C-Drehachsen werden gewonnen.
[Schritt SA02] Der Werkzeug-Richtungsvektor gemäß Blick vom Werkstück wird auf Basis der Drehachsenpositionen B und C und mit Gleichung (1) berechnet.
[Schritt SA03] Es wird ermittelt, ob die Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück in Vektor-Darstellung auf der Anzeigeeinheit anzuzeigen ist. Ist die Werkzeugrichtung in Vektor-Darstellung anzuzeigen (JA), ist das Verfahren zu Ende. Falls nicht (NEIN), geht das Programm zu Schritt SA04.
[Schritt SA04] Es wird ermittelt, ob die Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück in Roll-Nick-Gier-Winkel-Darstellung auf der Anzeigeeinheit darzustellen ist oder nicht. Wird die Werkzeugrichtung in der Roll-Nick-Gier-Winkel-Darstellung angezeigt (JA), geht das Programm zu Schritt SA05. Wenn nicht (NEIN) geht das Programm zu Schritt SA06.
[Schritt SA05] Ein Verfahren zum Anzeigen der Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück in Roll-Nick-Gier-Winkel-Darstellung wird mit Gleichung (2) berechnet, wonach diese Verarbeitung endet.
[Schritt SA06] Ein Verfahren zum Anzeigen der Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück in Euler-Winkel-Darstellung wird mit Gleichung (3) berechnet, wonach dieses Verfahren endet.
13 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der Umwandlungseinheit 28 bezüglich des Betrags der Drehachsenbewegung beim zweiten Ausführungsbeispiel.
Das Verfahren wird mit Bezug auf die einzelnen Schritte erläutert.
[Schritt SB01] Der Werkzeug-Richtungsvektor aus Sicht des Werkstückes wird auf Basis der Positionen (Drehachsenpositionen) B bzw. C der B- und C-Drehachsen gemäß Gleichung (1) berechnet.
[Schritt SB02] Es wird bestimmt, ob die Drehrichtung um die X-Achse, die Y-Achse oder die Z-Achse geht. Ist die Drehrichtung um die X-Achse, geht das Programm zu Schritt SB03. Ist die Drehrichtung um die Y-Achse, geht das Programm zu Schritt SB04. Ist die Drehrichtung um die Z-Achse, geht das Programm zu Schritt SB05.
[Schritt SB03] Das Werkzeug wird manuell um ΔI um die X-Achse („Roll”) gemäß Gleichung (4) gedreht, woraufhin das Programm zu Schritt SB06 geht.
[Schritt SB04] Das Werkzeug wird manuell um ΔJ um die Y-Achse („Nick”) gemäß Gleichung (5) gedreht, woraufhin das Programm zu Schritt SB06 geht.
[Schritt SB05] Das Werkzeug wird manuell um ΔK um die Z-Achse („Gier”) gemäß Gleichung (6) gedreht, woraufhin das Programm zu Schritt SB06 geht.
[Schritt SB06] Mit Gleichung (7) werden die Drehachsenpositionen B und C berechnet, woraufhin das Verfahren endet.
14 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Verfahrens in einer Werkzeugrichtungsberechnungseinheit 23 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Die Erläuterung erfolgt anhand der einzelnen Schritte.
[Schritt SC01] Die Positionen (Drehachsenpositionen) A und C der A- bzw. C-Drehachsen werden gewonnen.
[Schritt SC02] Der Werkzeug-Richtungsvektor aus Sicht des Werkstückes wird auf Basis der Drehachsenpositionen A und C mit Gleichung (8) berechnet.
[Schritt SC03] Es wird festgestellt, ob die Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkzeug in Vektor-Darstellung auf der Anzeigeeinheit darzustellen ist oder nicht. Ist die Werkzeugrichtung in Vektor-Darstellung darzustellen (JA), endet dieses Verfahren. Wenn nicht (NEIN), geht das Programm zu Schritt SC04.
[Schritt SC04] Es wird ermittelt, ob die Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück in Roll-Nick-Gier-Winkel-Darstellung auf der Anzeigeeinrichtung darzustellen ist oder nicht. Wird die Werkzeugrichtung in Roll-Nick-Gier-Winkel-Darstellung (JA) dargestellt, geht das Programm zu Schritt SC05. Wenn nicht (NEIN), geht das Programm zu Schritt SC06.
[Schritt SC05] Das Verfahren zum Anzeigen der Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück in Roll-Nick-Gier-Winkel-Darstellung wird mit Gleichung (9) berechnet, woraufhin dieser Vorgang beendet ist.
[Schritt SC06] Das Verfahren zum Anzeigen der Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück in Euler-Winkel-Darstellung wird mit Gleichung (10) berechnet, woraufhin dieses Verfahren endet.
15 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Verfahrens in einer Werkzeugrichtungsberechnungseinheit 23 gemäß Ausführungsbeispiel 4. Das Verfahren wird wieder mit Blick auf die einzelnen Schritte erläutert.
[Schritt SD01] Die Positionen (Drehachsenpositionen) B und C der B- bzw. C-Drehachsen werden gewonnen.
[Schritt SD02] Der Werkzeug-Richtungsvektor aus Sicht des Werkstückes wird auf Basis der Drehachsenpositionen B und C und der Gleichung (11) berechnet.
[Schritt SD03] Es wird festgestellt, ob die Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück in Vektor-Darstellung auf der Anzeigeeinrichtung darzustellen ist oder nicht. Wir die Werkzeugrichtung in Vektor-Darstellung angezeigt (JA), endet dieses Verfahren. Wenn nicht (NEIN), geht das Programm zu Schritt SD04.
[Schritt SD04] Es wird ermittelt, ob die Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück in Roll-Nick-Gier-Winkel-Darstellung auf der Anzeigeeinheit darzustellen ist oder nicht. Wird die Werkzeugrichtung in Roll-Nick-Gier-Winkel-Darstellung (JA) dargestellt, geht das Programm zu Schritt SD05. Wenn nicht (NEIN) geht das Programm zu Schritt SD06.
[Schritt SD05] Das Verfahren zum Anzeigen der Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück in Roll-Nick-Gier-Winkel-Darstellung wird mit Gleichung (12) berechnet, woraufhin dieses Verfahren endet.
[Schritt SD06] Ein Verfahren zum Anzeigen der Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück in Euler-Winkel-Darstellung wird mit Gleichung (13) berechnet, woraufhin das Verfahren endet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2003-195917 [0002, 0003]
JP 57-75309 [0002, 0003, 0006]

Claims

Numerische Steuerung für eine Werkzeugmaschine mit fünf Achsen, die eingerichtet ist, ein auf einem Tisch montiertes Werkstück auf Basis von zumindest drei Linearachsen und zwei Drehachsen zu bearbeiten, wobei die numerische Steuerung folgendes aufweist: eine Werkzeugrichtungsberechnungseinheit, die eingerichtet ist zum Berechnen einer Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück in Form eines Werkzeug-Richtungsvektors, von Roll-Nick-Gier-Winkeln, oder von Euler-Winkeln, und zwar auf Basis jeweiliger Stellungen der zwei Drehachsen; und eine Werkzeugrichtungsanzeigeeinheit, die eingerichtet ist, die Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück auf einer Anzeigeeinheit anzuzeigen, und zwar auf Basis des Werkzeug-Richtungsvektors, der Roll-Nick-Gier-Winkel, oder der Euler-Winkel.
Numerische Steuerung für eine Werkzeugmaschine mit fünf Achsen, die eingerichtet ist, ein auf einem Tisch montiertes Werkstück auf Basis von zumindest drei Linearachsen und zwei Drehachsen zu bearbeiten, wobei die numerische Steuerung folgendes aufweist: eine Eingabeeinheit für den Betrag der manuellen Werkzeugrichtungsbewegung, die eingerichtet ist, für die Eingabe eines Betrages einer manuellen Werkzeugrichtungsbewegung in Bezug auf das Werkstück in Form eines Betrages der Roll-Nick-Gier-Winkelbewegung; und eine Konversionseinheit für den Betrag der Rotationsachsenbewegung, die eingerichtet ist, den Betrag einer Roll-Nick-Gier-Winkelbewegung in jeweilige Bewegungsbeträge bezüglich der zwei Drehachsen zu konvertieren, wobei die zwei Drehachsen auf Basis der Bewegungsbeträge angetrieben werden, welche mittels der Konversionseinheit bezüglich des Betrages der Rotationsachsenbewegung konvertiert sind.
Numerische Steuerung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die zwei Drehachsen der Tischdrehung dienen und wobei die 5-achsige Werkzeugmaschine eine solche vom Drehtisch-Typ ist.
Numerische Steuerung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die zwei Drehachsen der Drehung eines Werkzeugkopfes dienen und die 5-achsige Werkzeugmaschine eine Werkzeugmaschine vom Typ mit drehendem Werkzeugkopf ist.
Numerische Steuerung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die zwei Drehachsen einer individuellen Tischdrehung und individuellen Werkzeugkopfdrehung dienen und wobei die 5-achsige Werkzeugmaschine eine Hybrid-Maschine ist mit einer Drehachse für eine Tischdrehung und einer anderen Achse für eine Werkzeugkopfdrehung.
Numerische Steuerung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei eine der zwei Drehachsen eine geneigte Drehachse ist.