DE102014005844B4

DE102014005844B4 - Numerische Steuerung mit Anzeige und Eingabe einer Werkzeugrichtung in Bezug auf ein Werkstück

Info

Publication number: DE102014005844B4
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: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2034-04-23
Also published as: US20140316553A1; CN104122838B; CN104122838A; DE102014005844A1; JP5734336B2; JP2014215675A; US9513618B2

Abstract

Numerische Steuerung für eine Werkzeugmaschine mit fünf Achsen (X, Y, Z; B, C; A, C), die eingerichtet ist, ein auf einem Tisch montiertes Werkstück (3) auf Basis von zumindest drei Linearachsen (X, Y, Z) und zwei Drehachsen (B, C; A, C) zu bearbeiten, wobei die numerische Steuerung Folgendes aufweist:eine Werkzeugrichtungsberechnungseinheit (23), die eingerichtet ist zum Berechnen einer Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück (3), und zwar je nach Anordnung des Werkstücks (3) und nach Maschinenkonfiguration in Form eines Werkzeug-Richtungsvektors, von Roll-Nick-Gier-Winkeln, oder von Euler-Winkeln, und auf Basis jeweiliger Stellungen der zwei Drehachsen (B,C; A,C); undeine Werkzeugrichtungsanzeigeeinheit (24), die eingerichtet ist, die Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück (3) auf einer Anzeigeeinheit anzuzeigen, und zwar je nach Anordnung des Werkstücks (3) und nach Maschinenkonfiguration auf Basis des Werkzeug-Richtungsvektors, der Roll-Nick-Gier-Winkel, oder der Euler-Winkel, der/die durch die Werkzeugrichtungsberechnungseinheit (23) berechnet wurde/wurden, wobeidie Werkzeugrichtungsberechnungseinheit (23) dazu eingerichtet ist, wenn der Werkzeug-Richtungsvektor angezeigt werden soll, die Werkzeugrichtung relativ zum Werkstück (3) als Werkzeug-Richtungsvektor zu berechnen und die Werkzeugrichtungsanzeigeeinheit dazu eingerichtet ist, den Werkzeug-Richtungsvektor relativ zu dem Werkstück (3) anzuzeigen, und wobeidie Werkzeugrichtungsberechnungseinheit (23) dazu eingerichtet ist, wenn der Werkzeug-Richtungsvektor nicht angezeigt werden soll und der Roll-Nick-Gier-Winkel angezeigt werden soll, die Werkzeugrichtung relativ zum Werkstück (3) mit Roll-Nick-Gier-Winkeln zu berechnen und die Werkzeugrichtungsanzeigeeinheit (24) dazu eingerichtet ist, die Werkzeugrichtung mit Roll-Nick-Gier-Winkeln relativ zu dem Werkstück (3) anzuzeigen, und wobeidie Werkzeugrichtungsberechnungseinheit (23) dazu eingerichtet ist, wenn der Werkzeug-Richtungsvektor nicht angezeigt werden soll und der Roll-Nick-Gier-Winkel nicht angezeigt werden soll, die Werkzeugrichtung relativ zum Werkstück (3) mit Euler-Winkeln zu berechnen und die Werkzeugrichtungsanzeigeeinheit dazu eingerichtet ist, die Werkzeugrichtung mit Euler-Winkeln relativ zu dem Werkstück (3) anzuzeigen.

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
Das Dokument JP 2003 - 195 917 A 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 das Dokument JP S57 - 75 309 A 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 Dokumenten JP 2003 - 195 917 A und JP S57 - 75 309 A 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 dem Dokument JP S57 - 75 309 A , 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.
DE 10 2011 108 282 A1 betrifft eine numerische Steuerung zum Steuern einer Mehrachsenmaschine, die zumindest drei Linearachsen zum Steuern der Position eines Werkzeugs relativ zu einem Werkstück verwendet, das an einem Tisch angebracht ist, und zumindest drei Rotationsachsen zum Steuern der Ausrichtung des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück verwendet, um eine Bearbeitung an einer geneigten Bearbeitungsebene des Werkstücks auszuführen. Ein Merkmal-Koordinatensystem-Befehl-Analysemittel dient zum Analysieren eines Befehls eines Merkmal-Koordinatensystems, das ein für die geneigte Bearbeitungsebene des Werkstücks repräsentatives Koordinatensystem ist. Ein Werkzeug-Koordinatensystem-Steuerungsbefehl-Analysemittel dient zum Analysieren eines Werkzeug-Koordinatensystem-Steuerungsbefehls, welcher ein Befehl zum Ansteuern der drei Rotationsachsen ist, sodass die drei orthogonalen Achsen eines Werkzeug-Koordinatensystems, welches an dem Werkzeug liegt und sich bewegt, wenn sich das Werkzeug bewegt, parallel zu den drei orthogonalen Achsen des Merkmal-Koordinatensystems sind. Ein Drei-Rotationsachsen-Berechnungsmittel dient zum Berechnen der jeweiligen Positionen der drei Rotationsachsen, sodass die drei orthogonalen Achsen des Werkzeug-Koordinatensystems parallel zu den drei orthogonalen Achsen des Merkmal-Koordinatensystems als Reaktion auf den Werkzeug-Koordinatensystem-Steuerungsbefehl sind. Antriebsmittel dienen zum Antreiben der drei Rotationsachsen zu den Positionen, die von dem Drei-Rotationsachsen-Berechnungsmittel erhalten wurden.
DE 10 2010 036 499 A1 betrifft eine Werkzeugvektor-Anzeigevorrichtung für eine Werkzeugmaschine zur Bearbeitung unter Verwendung mehrerer Antriebsachsen, zu denen mindestens eine Drehachse gehört, um Positionen und Ausrichtungen eines Werkzeugs und eines Werkstücks zu kontrollieren. Eine Datenerfassungseinheit erfasst gleichzeitig tatsächliche Positionsinformationen über die Antriebsachsen zu verschiedenen Zeitpunkten. Eine Werkzeugpfad-Anzeigevorrichtung stellt die dreidimensionalen Koordinaten dar, und zwar gesehen aus einem mit dem Werkstück fest verbundenes Koordinatensystem, berechnet einen Werkzeug-Mittelpunkt des Werkzeugs aus der tatsächlichen Positionsinformation und aus Information über eine mechanische Struktur der Werkzeugmaschine, und stellt einen dreidimensionalen Pfad des Werkzeug-Mittelpunkts mit Hilfe der dreidimensionalen Koordinaten dar. Eine Werkzeugvektor-Anzeigeeinheit berechnet für voreingestellte Zeitintervalle die dreidimensionalen Koordinaten eines Werkzeugvektor-Anfangspunkts, bei dem es sich um einen Punkt handelt, der vom Werkzeug-Mittelpunkt zu einem Fuß des Werkzeugs hin eine vorbestimmte Entfernung hat, und zwar betrachtet in dem Koordinatensystem, das mit dem Werkstück verbunden ist. Die Berechnung erfolgt aus der tatsächlichen Positionsinformation und der Information über die mechanische Struktur der Werkzeugmaschine. Die Werkzeugvektor-Anzeigeeinheit stellt die Werkzeugvektoren als Liniensegmente dar, die jeweils den Werkzeugvektor-Anfangspunkt und den Werkzeug-Mittelpunkt in den voreingestellten Zeitintervallen auf dem dreidimensionalen Pfad des Werkzeug-Mittelpunkts verbinden.
Die EP 2 098 931 B1 betrifft eine numerische Steuerung zum Steuern einer fünfachsigen Bearbeitungsmaschine mit drei linearen Achsen und zwei Rotationsachsen zum Bearbeiten eines an einem Tisch befestigten Werkstücks. Befehlslesemittel dienen zum Lesen eines Befehls für einen Bewegungspfad von jeder der linearen Achsen, eines Befehls für relative Bewegungsgeschwindigkeit eines Werkzeugs gegenüber dem Werkstück und eines Befehls für eine Werkzeugrichtung gegenüber dem Tisch. Befehlsausdünnungsmittel dienen zum Ausführen einer Ausdünnungsbearbeitung an einem Befehl eines Bewegungspfads von einer der linearen Achsen und einem Befehl für eine Werkzeugrichtung Interpolationsmittel dienen zum Berechnen von Positionen der jeweiligen Achsen für jeden Interpolationszyklus, so dass ein Werkzeugmittelpunkt sich auf dem angewiesenen Bewegungspfad mit der angewiesenen relativen Bewegungsgeschwindigkeit bewegt, auf der Basis des Befehls für den Bewegungspfad und des verbleibenden Befehls für die Werkzeugrichtung, ohne dass er vom Befehlsausdünnungsmittel ausgedünnt wird, sowie des Befehls für die relativen Bewegungsgeschwindigkeiten. Antriebsmittel dienen zum Antrieb von Motoren der jeweiligen Achsen, so dass die Motoren in die vom Interpolationsmittel berechneten Positionen der entsprechenden Achsen bewegt werden Das Befehlsausdünnungsmittel dünnt den Befehl eines Bewegungspfads von irgendeiner der linearen Achsen und den Befehl einer Werkzeugrichtung aus, wenn die Veränderungsmenge der Werkzeugrichtung und die Veränderungsmenge von irgendeiner der linearen Achsen im Befehl des Bewegungspfads jeweils kleiner sind als vorbestimmte Werte. Der Befehl einer Werkzeugrichtung kann in der Form von Winkeln der beiden Rotationsachsen oder einem Werkzeugrichtungsvektor ausgegeben werden. Wird ein Ausdünnungsmodus-Einschaltbefehl ausgegeben, liest das Befehlslesemittel eine vorbestimmte Anzahl Blöcke im Voraus als Ausdünnungszielprogramm, bis ein Ausdünnungsmodus-Abschaltbefehl ausgegeben wird, und das Befehlsausdünnungsmittel die Ausdünnungsbearbeitung ausführt auf den Befehl eines Bewegungspfads einer linearen Achse und den Befehl einer Werkzeugrichtung im Ausdünnungszielprogrammbefehl. Die EP 2 065 771 B1 betrifft eine numerische Steuerung zum Steuern einer fünfachsigen Bearbeitungsvorrichtung mit drei linearen Achsen und zwei Drehachsen zum Bewegen eines Werkzeugs gegenüber einem auf einem Tisch angebrachten Werkstück, gemäß Befehlen eines Bearbeitungsprogramms. Die Steuerung hat ein achsenabhängiges Ausgleichsmengenberechnungsmittel, das für die drei linearen und die zwei Drehachsen, eine achs-abhängige translatorische Ausgleichsmenge und eine achsenabhängige rotationale Ausgleichsmenge für eine Befehlsachsenposition berechnet, und ein translatorisches/rotationales Ausgleichsmengenberechnungsmittel, das eine translatorische/rotationale Ausgleichsmenge auf der Basis der achsenabhängigen translatorischen Ausgleichsmenge und der achsenabhängigen rotationalen Ausgleichsmenge berechnet, welche für die drei linearen Achsen und/oder für die zwei Drehachsen durch das achsenabhängige Ausgleichsmengenberechnungsmittel berechnet worden sind. Ein Ausgleichsmengenadditionsmittel addiert die berechnete translatorische/rotationale Ausgleichsmenge zu einer Befehlslinearachsenposition, um eine angepasste Linearachsenposition zu erhalten. Ein Mittel bewegt die drei linearen Achsen zu der angepassten Linearachsenposition und die zwei Drehachsen zu Befehlspositionen.
DE 10 2011 110 111 A1 betrifft eine numerische Steuerung für eine mehrachsige Werkzeugmaschine mit wenigstens drei Linear- und eine erste, eine zweite und eine dritte Rotationsachse, im Bereich von einem Werkzeug zu einem Tisch, zum Ausführen einer mechanischen Bearbeitung während die Position und die Richtung des Werkzeugs bezüglich eines Werkstücks durch eine automatische Betätigung gesteuert werden. Die Steuerung umfasst eine Bewegungsbefehlsanalyseeinrichtung zum Analysieren eines Linearachsenbewegungsbefehls für eine der drei Linearachsen, eines Rotationsachsenbewegungsbefehls für eine der drei Rotationsachsen, und eines Werkzeuglängen-Kompensationsbefehls und zum Erzeugen eines Werkzeuglängen-Kompensationsvektors aus dem Werkzeuglängen-Kompensationsbefehl. Eine Linearachsen-Interpolationseinrichtung dient zum Erhalten einer Werkzeugmittelpunkt-Position durch Interpolieren des Linearachsenbewegungsbefehls in einem auf dem Tisch definierten Tischkoordinatensystem in jedem Interpolationszyklus. Eine Rotationsachsen-Interpolationseinrichtung dient zum Erhalten einer ersten Rotationsachsen-Position der ersten Rotationsachse, einer zweiten Rotationsachsen-Position der zweiten Rotationsachse und einer dritten Rotationsachsen-Position der dritten Rotationsachse durch Interpolieren des Rotationsachsenbewegungsbefehls in jedem Interpolationszyklus. Eine automatische Steuerungspunktpositions-Recheneinrichtung dient zum Erhalten einer Steuerungspunktposition, in der die Steuerungspunktposition des Werkzeugs zur Werkzeugmittelpunkt-Position wird. Eine Antriebseinrichtung zum Antreiben der drei Linearachsen zur Steuerungspunktposition und zum Antreiben der drei Rotationsachsen zur Position der ersten Rotationsachse, zur Position der zweiten Rotationsachse beziehungsweise zur Position der dritten Rotationsachse. Die Steuerungspunktpositions-Recheneinrichtung berechnet eine Steuerungspunktposition zu jedem Interpolationszyklus mit einer Rotationskonvertierungsmatrix, die die Konvertierung von einem Tischkoordinatensystem zu dem Maschinenkoordinatensystem vornimmt, der Werkzeugmittelpunkt-Position, einer erste Rotationsachsenmatrix basierend auf der ersten Rotationsachsenposition, einer zweiten Rotationsachsenmatrix basierend auf der zweiten Rotationsachsenposition und einer dritten Rotationsachsenmatrix basierend auf der dritten Rotationsachsenposition und einem Werkzeuglängen-Kompensationsvektor und dem Koordinatenursprung des Tischkoordinatensystems.
DE 102 52 086 B4 betrifft eine Werkzeugmaschine mit einer motorisch angetriebenen Arbeitsspindel, die zur Aufnahme von Werkzeugen ausgebildet ist. Die Arbeitsspindel ist wahlweise durch wenigstens zwei in ihren Kennwerten unterschiedlich ausgelegte, vorzugsweise elektrische Motoren antreibbar. Die Werkzeugmaschine ist als Fräsmaschine ausgebildet. Der erste der wenigstens zwei Motoren ist vorwiegend zur Bereitstellung eines hohen Drehmoments und der zweite Motor vorwiegend zur Bereitstellung hoher Drehzahlen ausgelegt. Der erste Motor treibt die Arbeitsspindel über eine lösbare Kupplung an. Der zweite Motor treibt die Arbeitsspindel direkt an und ist mit der Arbeitsspindel fest verbunden.
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.
Vorgenannte Aufgaben werden durch eine Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 oder 2 gelöst.
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.
Figurenliste
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 WerkzeugrichtungsBerechnungseinheit 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 WerkzeugrichtungsBerechnungseinheit gemäß Ausführungsbeispiel Nr. 3; und
15 ist ein Flussdiagramm des Ablaufs in einer WerkzeugrichtungsBerechnungseinheit 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)^τ) (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)^τ) durch die Gleichung (1) wie folgt erhalten werden: $\begin{array}{l} [\begin{matrix} X t \\ Y t \\ Z t \end{matrix}] = R c * R a (- 45 °) * R b * R a (45 °) * [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}] \\ R b = [\begin{matrix} cos B & 0 & sin B \\ 0 & 1 & 0 \\ - sin B & 0 & cos B \end{matrix}], R c = [\begin{matrix} cos C & - sin C & 0 \\ sin C & cos C & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}], R a (\pm 45 °) = [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & cos (\pm 45 °) & - sin (\pm 45 °) \\ 0 & sin (\pm 45 °) & cos (\pm 45 °) \end{matrix}] \end{array}$
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)^τ) auf Basis der Roll-Nick-Gier-Winkel ist gemäß Gleichung (2) wie folgt gegeben: $\begin{array}{l} [\begin{matrix} X t \\ Y t \\ Z t \end{matrix}] = R k * R j * R i * [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}] \\ R i = [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & cos I & - sin I \\ 0 & sin I & cos I \end{matrix}] R j = [\begin{matrix} cos J & 0 & sin J \\ 0 & 1 & 0 \\ - sin J & 0 & cos J \end{matrix}] R k = [\begin{matrix} cos K & - sin K & 0 \\ sin K & cos K & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \end{array}$
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)^τ) auf Basis des Euler-Winkels ist durch Gleichung (3) wie folgt gegegen:

\begin{array}{l} [\begin{matrix} X t \\ Y t \\ Z t \end{matrix}] = R p * R q * R r * [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}] \\ R p = [\begin{matrix} cos P & - sin P & 0 \\ sin P & cos P & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] R q = [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & cos Q & - sin Q \\ 0 & sin Q & cos Q \end{matrix}] R r = [\begin{matrix} cos R & - sin R & 0 \\ sin R & cos R & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \end{array}

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 8 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)^τ). 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, Zt)^τ), 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): $[\begin{matrix} X' t \\ Y' t \\ Z' t \end{matrix}] = [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & cos Δ I & - sin Δ I \\ 0 & sin Δ I & cos Δ I \end{matrix}] [\begin{matrix} X t \\ Y t \\ Z t \end{matrix}]$
$[\begin{matrix} X' t \\ Y' t \\ Z' t \end{matrix}] = [\begin{matrix} cos Δ J & 0 & sin Δ J \\ 0 & 1 & 0 \\ - sin Δ J & 0 & cos Δ J \end{matrix}] [\begin{matrix} X t \\ Y t \\ Z t \end{matrix}]$
$[\begin{matrix} X' t \\ Y' t \\ Z' t \end{matrix}] = [\begin{matrix} cos Δ K & - sin Δ K & 0 \\ sin Δ K & cos Δ K & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} X t \\ Y t \\ Z t \end{matrix}]$
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: $\begin{array}{l} [\begin{matrix} X t \\ Y t \\ Z t \end{matrix}] = R c * R a (- 45 °) * R b * R a (45 °) * [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}] \\ R b = [\begin{matrix} cos B & 0 & sin B \\ 0 & 1 & 0 \\ - sin B & 0 & cos B \end{matrix}], R c = [\begin{matrix} cos C & - sin C & 0 \\ sin C & cos C & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}], R a (\pm 45 °) = [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & cos (\pm 45 °) & - sin (\pm 45 °) \\ 0 & sin (\pm 45 °) & cos (\pm 45 °) \end{matrix}] \end{array}$
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: $\begin{array}{l} [\begin{matrix} X t \\ Y t \\ Z t \end{matrix}] = R c * R a * [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}] \\ R a = [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & cos A & - sin A \\ 0 & sin A & cos A \end{matrix}], R c = [\begin{matrix} cos C & - sin C & 0 \\ sin C & cos C & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \end{array}$
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: $\begin{array}{l} [\begin{matrix} X t \\ Y t \\ Z t \end{matrix}] = R k * R j * R i * [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}] \\ R i = [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & cos I & - sin I \\ 0 & sin I & cos I \end{matrix}] R j = [\begin{matrix} cos J & 0 & sin J \\ 0 & 1 & 0 \\ - sin J & 0 & cos J \end{matrix}] R k = [\begin{matrix} cos K & - sin K & 0 \\ sin K & cos K & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \end{array}$
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: $\begin{array}{l} [\begin{matrix} X t \\ Y t \\ Z t \end{matrix}] = R p * R q * R r * [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}] \\ R p = [\begin{matrix} cos P & - sin P & 0 \\ sin P & cos P & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] R q = [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & cos Q & - sin Q \\ 0 & sin Q & cos Q \end{matrix}] R r = [\begin{matrix} cos R & - sin R & 0 \\ sin R & cos R & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \end{array}$
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: $\begin{array}{l} [\begin{matrix} X t \\ Y t \\ Z t \end{matrix}] = R c * R b * [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}] \\ R b = [\begin{matrix} cos B & 0 & sin B \\ 0 & 1 & 0 \\ - sin B & 0 & cos B \end{matrix}], R c = [\begin{matrix} cos C & - sin C & 0 \\ sin C & cos C & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \end{array}$
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: $\begin{array}{l} [\begin{matrix} X t \\ Y t \\ Z t \end{matrix}] = R k * R j * R i * [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}] \\ R i = [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & cos I & - sin I \\ 0 & sin I & cos I \end{matrix}] R j = [\begin{matrix} cos J & 0 & sin J \\ 0 & 1 & 0 \\ - sin J & 0 & cos J \end{matrix}] R k = [\begin{matrix} cos K & - sin K & 0 \\ sin K & cos K & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \end{array}$
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)^τ) auf Basis des Euler-Winkels ist dann durch Gleichung (13) gegeben: $\begin{array}{l} [\begin{matrix} X t \\ Y t \\ Z t \end{matrix}] = R p * R q * R r * [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}] \\ R p = [\begin{matrix} cos P & - sin P & 0 \\ sin P & cos P & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] R q = [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & cos Q & - sin Q \\ 0 & sin Q & cos Q \end{matrix}] R r = [\begin{matrix} cos R & - sin R & 0 \\ sin R & cos R & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \end{array}$
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.

Claims

Numerische Steuerung für eine Werkzeugmaschine mit fünf Achsen (X, Y, Z; B, C; A, C), die eingerichtet ist, ein auf einem Tisch montiertes Werkstück (3) auf Basis von zumindest drei Linearachsen (X, Y, Z) und zwei Drehachsen (B, C; A, C) zu bearbeiten, wobei die numerische Steuerung Folgendes aufweist: eine Werkzeugrichtungsberechnungseinheit (23), die eingerichtet ist zum Berechnen einer Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück (3), und zwar je nach Anordnung des Werkstücks (3) und nach Maschinenkonfiguration in Form eines Werkzeug-Richtungsvektors, von Roll-Nick-Gier-Winkeln, oder von Euler-Winkeln, und auf Basis jeweiliger Stellungen der zwei Drehachsen (B,C; A,C); und eine Werkzeugrichtungsanzeigeeinheit (24), die eingerichtet ist, die Werkzeugrichtung in Bezug auf das Werkstück (3) auf einer Anzeigeeinheit anzuzeigen, und zwar je nach Anordnung des Werkstücks (3) und nach Maschinenkonfiguration auf Basis des Werkzeug-Richtungsvektors, der Roll-Nick-Gier-Winkel, oder der Euler-Winkel, der/die durch die Werkzeugrichtungsberechnungseinheit (23) berechnet wurde/wurden, wobei die Werkzeugrichtungsberechnungseinheit (23) dazu eingerichtet ist, wenn der Werkzeug-Richtungsvektor angezeigt werden soll, die Werkzeugrichtung relativ zum Werkstück (3) als Werkzeug-Richtungsvektor zu berechnen und die Werkzeugrichtungsanzeigeeinheit dazu eingerichtet ist, den Werkzeug-Richtungsvektor relativ zu dem Werkstück (3) anzuzeigen, und wobei die Werkzeugrichtungsberechnungseinheit (23) dazu eingerichtet ist, wenn der Werkzeug-Richtungsvektor nicht angezeigt werden soll und der Roll-Nick-Gier-Winkel angezeigt werden soll, die Werkzeugrichtung relativ zum Werkstück (3) mit Roll-Nick-Gier-Winkeln zu berechnen und die Werkzeugrichtungsanzeigeeinheit (24) dazu eingerichtet ist, die Werkzeugrichtung mit Roll-Nick-Gier-Winkeln relativ zu dem Werkstück (3) anzuzeigen, und wobei die Werkzeugrichtungsberechnungseinheit (23) dazu eingerichtet ist, wenn der Werkzeug-Richtungsvektor nicht angezeigt werden soll und der Roll-Nick-Gier-Winkel nicht angezeigt werden soll, die Werkzeugrichtung relativ zum Werkstück (3) mit Euler-Winkeln zu berechnen und die Werkzeugrichtungsanzeigeeinheit dazu eingerichtet ist, die Werkzeugrichtung mit Euler-Winkeln relativ zu dem Werkstück (3) anzuzeigen.
Numerische Steuerung für eine Werkzeugmaschine mit fünf Achsen (X, Y, Z; B, C; A, C), die eingerichtet ist, ein auf einem Tisch montiertes Werkstück (3) auf Basis von zumindest drei Linearachsen (X, Y, Z) und zwei Drehachsen (B, C; A,C) zu bearbeiten, wobei die numerische Steuerung Folgendes aufweist: eine Eingabeeinheit (26) für den Betrag einer manuellen Werkzeugrichtungsbewegung, die eingerichtet ist, für die Eingabe eines Betrages einer manuellen Werkzeugrichtungsbewegung in Bezug auf das Werkstück (3) in Form eines Betrages der Roll-Nick-Gier-Winkelbewegung; und eine Konversionseinheit (28) für den Betrag einer Rotationsachsenbewegung, die eingerichtet ist, den durch die Eingabeeinheit (26) für den Betrag der manuellen Werkzeugrichtungsbewegung eingegebenen Betrag einer Roll-Nick-Gier-Winkelbewegung in einen jeweiligen Werkzeugrichtungsvektor bezüglich der zwei Drehachsen (B, C; A, C) zu konvertieren, wobei die Konversionseinheit (28) für den Betrag der Rotationsachsenbewegung dazu eingerichtet ist, wenn die manuelle Werkzeugrichtungsbewegung um eine Rollachse erfolgt, einen Werkzeugrichtungsvektor durch Konvertierung der Bewegung um die Rollachse zu berechnen, und wobei die Konversionseinheit (28) für den Betrag der Rotationsachsenbewegung dazu eingerichtet ist, wenn die manuelle Werkzeugrichtungsbewegung um eine Nickachse erfolgt, einen Werkzeugrichtungsvektor durch Konvertierung der Bewegung um die Nickachse zu berechnen, die Konversionseinheit (28) für den Betrag der Rotationsachsenbewegung dazu eingerichtet ist, wenn die manuelle Werkzeugrichtungsbewegung um eine Gierachse erfolgt, einen Werkzeugrichtungsvektor durch Konvertierung der Bewegung um die Gierachse zu berechnen, wobei die zwei Drehachsen (B, C; A, C) auf Basis der Werkzeugrichtungsvektoren angetrieben werden, welche mittels der Konversionseinheit (28) bezüglich des Betrages der Rotationsachsenbewegung konvertiert sind.
Numerische Steuerung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die zwei Drehachsen (B, C) 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 (A, C) 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 (B, C) einer individuellen Tischdrehung und individuellen Werkzeugkopfdrehung dienen und wobei die 5-achsige Werkzeugmaschine eine Hybrid-Maschine ist mit einer Drehachse (C) für eine Tischdrehung und einer anderen Achse (B) für eine Werkzeugkopfdrehung.
Numerische Steuerung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei eine der zwei Drehachsen (B, C) eine geneigte Drehachse ist.