[发明专利]具有叠加驱动系统的动态优化机床

说明书

技术领域

本发明涉及现代控制机床。现代控制机床如今大多构造有多轴。通过机床的单独轴的相应移动来相对于工件移动加工工具，以便以这种方式执行工件所需的加工。 

背景技术

美国专利5573443A公开了一种控制机床子组件的移动的方法，其中，该子组件包括可旋转的主轴，该主轴由至少一个包括至少一个轴承空隙的磁轴承支撑在该子组件处。 

在复杂轮廓情况下，机床的单独轴需要执行高动态的移动。为了获得较短加工时间，应尽可能快且尽可能动态地执行这些移动。同时，要求工件的高精度和/或高表面质量。 

另外，工具和工件之间的相对移动还存在最大可能的加工相关的路径速度，例如，在铣削加工的情况下每齿最大允许横进给量。 

在生产高精度工件和/或高表面质量时，大多数情况下，最高可能路径速度并不受加工步骤的太大限制，而受机床的动态限制。机床动态越高，路径速度就越高，在该速度下涉及精度和表面质量的质量仍旧能够维持得足够好。 

为了获得尽可能短的加工周期，众所周知的是，控制器借助预测窗口产生路径计划，并根据该路径的几何形状自动适应相对路径速度，例如通过在该路径内具有大曲率的位置处降低速度，并通过在小曲率或没有曲率的位置处使用最大允许路径速度。现代控制器会配置路径计划，使得机床在加工程序中的任意位置处将以最高可能路径速度进行，并同时遵守涉及精度和表面质量的要求。 

机床结构越好越坚固，加工程序中的任意位置处的允许路径速度就越快，在该位置处仍然可遵守质量要求。因此，尽可能坚固、且适于具有高动态的结构是机床构造的目标。 

现代机床动态的主要限制在于，单独移动的机床轴需要一定安装尺寸，以便获得足够刚度和所需行进路径。由于该原因，单独机床轴具有相当限制轴动态的相对大的质量，尤其在轴相互重叠的情况下，例如龙门铣床的Y轴和Z轴。此情况下，Y轴支撑并移动整个Z轴。在轻重量结构的角度尝试不同方法增加动态，但这方面的可能性是有限的。 

特别在生产复杂轮廓时，严格限制的机床动态可导致大多数加工以远低于最大可能的加工相关的限制的路径速度执行，以便获得所需质量，即便使用以样条内插和最优路径计划来控制机床的现代控制概念。 

路径中曲率的变化需要加速度的变化，其由随时间对加速度求导来实现，即加速度变化率(jerk)。曲率变化越大，所需加速度变化和所需加速度变化率就越大，从而以这种方法沿路径移动。然而当超过特定加速度变化率时，这导致机床激振，进而产生振动和不精确性。每台机床都具有为其轴界定的最大可能加速度变化率，其仍然可操作而不获得不希望的激振。为了确保在加工期间不超过特定加速度变化率，现代机床控制器计划路径速度，使得机床轴的加速度变化率一直保持略微低于所述机床的最大允许限制。由此获得工件的最优加工时间，还有足够的质量。另外，路径速度的计划当然须考虑最大加速度，并在路径的小半径情况下须降低速度。 

另外，加工时间的某些减少可通过由控制器执行的平滑来获得。根据用户预定的公差，工具路径相对于工件自动变得平滑，以便使机床移动“柔软”并因此更快。通过尽可能减少路径上的曲率变化和小半径或尖角，控制器的良好平滑减少了机床轴上的加速度变化率需求。但是，执行这种平滑是以牺牲工件精度为代价的，因此在许多情况下不可能或仅在极有限的程度上才可实现这种平滑。 

在高精度需求情况下，须精确生产工件轮廓的所有细节，由此需要精确跟踪相对于工件的工具路径。 

发明内容

本发明的目的是提供一种控制机床的方法，其保证运动路线和可能加工速度的最优，且设计简单，工作可靠。 

根据本发明，该目的由权利要求1的特征组合来解决，从属权利要求显示了本发明进一步的有益实施方式。 

根据本发明，进行不同移动路径的划分，即平滑路径以及差分路径，机床(例如铣床)的子组件沿平滑路径移动，差分路径使主轴杆能够移动，并由此使连接到主轴杆的工具能够移动。