产生用于控制机床上刀具的变换控制数据的方法和装置的制作方法

专利名称：产生用于控制机床上刀具的变换控制数据的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及产生变换控制数据的方法和装置，该变换控制数据用于控制机床上的 刀具对夹持在该机床的夹持装置中的工件进行加工。本发明特别是涉及产生变换控制数据的装置和方法，其中该变换控制数据用于控 制CNC控制机床，特别是控制CNC控制铣床、车床、铣/车床或车/铣床或CNC控制加工中 心上的预定铣刀，以对夹持在该机床或加工中心上的工件进行加工，特别是将该工件从胚 料加工成具有预定成品件尺寸的成品。
背景技术：
现有技术公开了多种CNC控制机床。CNC(计算机数字控制)表示该机床是数字控制的，例如，使用产生的NC程序或 CNC程序来控制。这种机床上适合于装配以机加工方式从工件上去除材料的刀具。在这个 过程中，该刀具是通过控制装置使用控制数据来控制的，该控制数据例如是使用CNC程序 预定的。因此，通过使用产生的控制数据对夹持在该机床上的工件进行精密加工成为可能。在现有技术中，CNC程序是通过CAM(计算机辅助制造)和CAD/CAM系统以软件支 持的方式被写入的。产生的CNC程序包括移动指令，这些移动指令控制嵌在该机床的铣头 的接收装置中的刀具相对于夹持在该机床上的工件沿着产生的路径移动以在所述路径上 移动时沿着所述路径去除该工件的材料。在这种情形下，路径计算是基于几何尺寸且为适应该工件的预期成品尺寸而作调 整，该工件的材料基本上随着刀具走过计算的多段刀具路径而一段一段地被去除，直到成 品轮廓形成。为此，控制数据可另外包括在对机床上的工件进行加工过程中以程序控制方 式自动命令更换刀具的指令和/或以程序控制方式自动命令更换工件的指令，使得这些刀 具和/或工件的更换通过该机床上的程序控制使用这些控制数据自动地执行。具有至少5轴的CNC控制的机床尤其有用，其能够在空间的5个自由度上自由移 动刀具，以从工件上去除材料。这5个移动自由度包括3个空间方向自由度(大多数情况 下是正交的，例如，称为χ轴、y轴和ζ轴)和2个角度或转动自由度以实现任意的刀具方 向和刀具方向控制。当今的具有5轴的CNC控制机床能够通过程序控制同时驱动这5轴上 的5个所谓的自动度，现有技术还公开了包括6个轴(具体而言3个平移轴和3个转动轴) 的CNC机床，，以通过6轴利用程序控制来同时驱动刀具的5个自由度。原则上，具有超过 6轴的机床也是可能的。然而，现有技术中的CNC机床存在问题，因为控制数据是在某些前提条件、预定条 件和/或假设，特别是在工件的实际夹持情形的假设情况下分别计算和产生的。因此，例如 为了产生控制数据，有必要知道工件在机床夹持装置中的位置和姿势，以让尽可能精确的 路径可以被计算，以产生能够精确给出刀具相对于夹持情形目标状态或相对于夹持装置的 刀具位置和/或刀具方向的控制数据。因此，在计算路径时，根据现有技术的产生控制数据的方法特别预先假定或假设待加工的工件是精确地夹持在机床的夹持装置中的，其符合理想的夹持情形目标状态。因 此，当沿使用产生的控制数据计算的路径前进而被刀具加工时，为了能够根据计算结果精 确地加工工件，还有必要让夹持装置中的工件的位置和姿态或方向与作为路径数据计算的 基础的夹持情形目标状态完全对应。在这个过程中，当机床使用产生的控制数据对工件进行加工，如果工件的夹持与 作为路径计算的基础的夹持情形有偏差或者偏离工件的夹持情形目标状态，则会出现问 题，工件会被错误或不精确地加工。DE 102007016056A1公开了在激光烧蚀机上的工件加工中，被夹持的工件的转动 或平移偏差量被光学测量。基于侦测到的偏差量，初始制造数据，即CAD/CAM数据，被修改。 并且，控制数据(即例如NC程序)从CAD/CAM制造数据中依据侦测到的工件的实际夹持情 形而产生。这个程序然后被送往激光烧蚀机。然而，这是有问题的，因为在相同工件的连续 加工，例如大批量生产的情况下，CAD/CAM制造数据必须针对每个工件做修改，控制数据必 须根据该制造数据重新产生，每个工件的控制数据必须再次传递至激光烧蚀机，即使待执 行的实际工件加工是一样的。因此，DE 102007016056A1公开的方法仅适合于个别工件的 单一加工，并不适合在机床上的大批量生产和机床上的工件加工等大量工件被同样加工的 情形。
DE 19631620A1公开的方法中，确定工件轴线相对于夹持该工件的转动台的轴线 的倾斜是针对被研磨机上的砂轮加工的旋转对称工件。砂轮的进给运动将会根据前述确定 的倾斜作调整。然而，在这种情形下，在加工时，仅确定和考虑了旋转对称工件的倾斜误差。 被夹持的工件的平移没有被考虑。如果是使用砂轮对齿轮的简单加工，仅需要平行于工件 的轴线移动砂轮。工件在实际夹紧情形下的在工件轴线方向上的位移不要求精确确定，因 此DE 19631620A1也没有提供。因此，DE 19631620A1公开的方法特别不适合于在机床上 加工非旋转对称工件。而且，该方法也不适合较复杂的加工，例如在包括至少5轴的机床上 的加工，在这样的机床上，不仅执行砂轮平行于旋转对称工件的轴线的简单研磨运动，还必 须控制刀具在5个自由度上相对于工件的复杂运动，并视情况更换铣刀或钻具，例如，端铣 刀、环铣刀、樱桃或甚至鼓形铣刀或其他铣刀或钻具。

发明内容
本发明的目的是提供一种方法、装置和计算机程序产品，用于产生变换控制数据， 以控制机床的刀具对被夹持在机床的夹持装置中的工件进行加工，其能够避免上述现有技 术方法中的问题。特别是，本发明的目的是提供一种方法、装置和计算机程序产品，用于产生变换控 制数据，以控制机床的刀具对被夹持在机床的夹持装置中的工件进行加工，其中即使工件 被不精确地夹持，偏离了夹持情形目标状态，错误或不精确的加工也可以被避免。另外，根据本发明，提供了一种控制机床上的刀具以对夹持在所述机床的夹持装 置中的工件进行加工的方法和装置。包括如下方法步骤-根据夹持情形目标状态确定控制数据，所述控制数据用于控制所述机床的刀具 以被确定的第一刀具方向沿第一刀具路径对所述被夹持的工件进行加工，所述夹持情形目 标状态表示所述工件被夹持于所述夹持装置中的夹持情形的目标状态；
-侦测夹持情形当前状态，所述夹持情形当前状态表示所述工件被夹持于所述夹 持装置中的夹持情形的实际当前状态；-侦测所述夹持情形当前状态与所述夹持情形目标状态之间的夹持情形偏差，所 述夹持情形偏差表示所述夹持情形当前状态与所述夹持情形目标状态之间的偏差；以及-依据所述被确定的夹持情形偏差来控制刀具，使得所述机床的刀具以被确定的 第二刀具方向沿第二刀具路径移动以对所述被夹持的工件进行加工。根据本发明，上述目的是靠根据权利要求1所述的产生变换控制数据的方法和根 据权利要求9所述的对应的产生变换控制数据的装置来实现的，上述变换控制数据用于控 制机床的刀具对被夹持在机床的夹持装置中的工件进行加工。而且，本发明提供了根据权利要求13所述的具有至少5轴的机床，通过使用变换 控制数据利用刀具对工件进行加工。该机床包括如上所述的创新装置而且，本发明还提供了根据权利要求16所述的计算机程序产品和根据权利要求 17所述的存储所述计算机程序产品的数据载体。本发明的优选实施例描述于附属权利要求中。在用于产生控制数据的创新方法中，所述控制数据用于控制机床上的刀具对夹持 在所述机床的夹持装置中的工件进行加工，该方法包括用于确定如果所述工件被夹持在所 述夹持装置中其夹持情形与夹持情形目标状态相符时的控制数据的步骤，所述夹持情形目 标状态表示所述工件被夹持于所述夹持装置中的夹持情形的目标状态，所述控制数据表示 刀具应以哪个第一刀具方向沿哪一条第一刀具路径对所述被夹持的工件进行加工。特别是，本发明的方法的特征在于还包括下列步骤-侦测夹持情形当前状态，所述夹持情形当前状态表示所述工件被夹持于所述夹 持装置中的夹持情形的实际当前状态；-侦测所述夹持情形当前状态与所述夹持情形目标状态之间的夹持情形偏差，所 述夹持情形偏差表示所述夹持情形当前状态与所述夹持情形目标状态之间的偏差；以及-通过依据所述侦测到的夹持情形偏差对至少一部分所述确定的控制数据进行变 换来产生变换控制数据；在这里，术语夹持情形当前状态是指被夹持的工件的实际夹持情形，这样本发明 意义上的夹持情形偏差包括偏离夹持情形目标状态的转动和平移偏差。本发明的方法的好处是，该产生控制数据的方法的执行不仅使用预定和/或作为 基础的夹持情形目标状态，还至少使用了侦测到的实际夹持情形当前状态。根据本发明，该 实际夹持情形当前状态被侦测。因此，如果工件夹持有偏差，即，既有关于倾斜或转动位移又有关于平移的偏差， 确定和考虑这些因素是尤其有好处的。在本创新方法中，侦测夹持情形偏差是有利的，且变 换控制数据可有益地依据该侦测到的夹持情形偏差而产生。为了产生适应实际夹持情形当前状态并实现工件准确加工的变换控制数据，被确 定的控制数据或至少一部分控制数据通过变换而加以变化或被变换，且有益地用于产生变 换控制数据。详细而言，这样做具有这样的好处，当相同工件被加工时，例如，大批量生产， 仅一个控制数据组需要根据特定加工和利用夹持情形目标状态产生，其然后根据实际夹持 情形针对每个工件被个别变换。尤其是，对于所有的工件，初始产生的控制数据，即，例如作为基础的NC程序，只需要产生并传递给机床一次。针对每个工件的个别变换可以被执行， 而无需产生和传递适应夹持情形的新控制数据。为此，根据本发明，优选的是，如果该工件的夹持有偏差，机床的刀具依据侦测到的夹持情形偏差通过使用变换控制数据以第二刀具方向沿第二刀具路径移动来加工工件。因此，这提供这样的好处，变换控制数据被产生，通过在产生变换控制数据时考虑 工件的实际夹持情形，利用该变换控制数据，机床的刀具可被控制以适应实际夹持情形。这样，在产生控制数据时，如果实际夹持情形当前值有偏差，就能够考虑或改正偏 差。因此，工件通过使用变换控制数据可以被精确加工，尽管存在错误的夹持情形或夹持情 形偏离目标状态，即，尽管存在平移和/或转动偏差。该变换控制数据以一种有利的方式产 生，使得夹持情形相对于的夹持情形目标值的偏差利用将控制数据变换成变换控制数据而 得以修正。尤其，在本创新方法中，相对于目标夹持情形的平移和转动移位同时被考虑，因此 该方法特别适合于复杂加工，例如在包括至少5轴的机床上的加工，在这样的机床上，不仅 执行砂轮平行于旋转对称工件的轴线的简单研磨运动，还必须控制刀具在5个自由度上相 对于工件的复杂运动，并视情况更换铣刀或钻具，例如，端铣刀、环铣刀、樱桃或甚至鼓形铣 刀或其他铣刀或钻具。而且，除了使用于加工旋转对称工件，例如齿轮，本创新方法也特别适合于加工非 旋转对称产品。这里，可以以非常有益的方式选择工件的任何夹持，其中初始控制数据可以 是已经出现在机床中，没有新控制数据，即，例如新产生的CNC程序，可被产生和传递。根据 本发明，相对于目标夹持情形的包括平移和转动移位在内的实际夹持情形被侦测，作为初 始产生的控制数据的基础。于是，变换控制数据，即，例如指示行程指令可被产生，以使刀具 执行相对于工件的被确定的加工运动。在这种情形下，出人意料地，本方法与运动的复杂度 无关，即，无论是否所有5轴都同时移动或控制。根据本创新方法，5轴或更多轴驱动可被 同时执行。本方法具有特别的优点，是使用刀具沿任何复杂的加工路径对对称或非对称工 件的特别复杂的加工，视情形甚至同时同步驱动包括至少5轴的所有轴。尤其凭借以下事 实，这能够被实现实际夹持情形或夹持情形偏差被确定，使得相对于目标夹持情形的实际 夹持情形的转动和平移移位在所有空间方向上都被侦测。优选的是，上述控制数据分别利用一个提供或产生的CNC程序进行侦测和确定。 为了控制刀具和/或工件的行程，上述控制数据优选的是对应适合于驱动机床的一个或多 个轴以控制刀具和/或工件的行程指令或移动指令。为此，优选的是，在上述方法中，不仅 修改作为控制基础的CNC程序，而且优选地依据工件夹持情形变换机器行程指令，或优选 地根据未变化的CNC程序产生直接变换的机器行程指令，S卩，产生变换控制数据，尤其是， 例如，利用可选的该轴控制的零点移位(zero point shift)。优选的是，在机床上直接实时 地进行，即，在工件加工过程中，直接在机床的数字控制中进行。优选的是，所述工件被夹持在所述机床的夹持装置中，处于所述夹持情形目标状 态，以致所述工件的中心轴与所述机床的夹持装置的转动轴重合。这样做的优点在于，夹持装置的转动轴与处于夹持情形目标状态的工件的中心轴 重合，被夹持的工件可被绕夹持装置的转动轴转动。视情形和优选地，这种转动是通过使用 控制数据的指令。
因此，夹持情形的当前状态和目标状态之间的偏差或夹持情形偏差可简单地利用 参数来参数化，这些参数例如包括工件的中心轴相对于机床的夹持装置的转动轴的角度和 /或工件中心轴与夹持装置转动轴之间的距离的距离参数，例如，中心轴和转动轴与垂直于 机床夹持装置的转动轴的平面的交点之间的距离，例如表示夹持装置的转动轴和工件的中 心轴与在机床夹持装置的特定预定高度位置正交于夹持装置的转动轴的平面的交点之间 的距离和/或矢量方向的距离参数。优选的是，在产生变换数据的步骤中，所述变换这样执行，使得通过所述变换控制 数据对符合所述夹持情形当前状态的工件所进行的加工与通过所述确定的控制数据对符 合所述夹持情形目标状态的工件所进行的加工相符合。这样做的优点在于，变换控制数据完全匹配对工件夹持情形的偏差的修正，使得 夹持偏移目标位置的工件通过变换控制数据准确加工，就好象处于夹持情形目标状态的工 件使用确定的控制数据加工一样。
优选的是，侦测工件被夹持于所述机床的夹持装置的夹持情形当前状态的步骤包 括对所述工件的外表面的光学扫描、感应扫描和/或机械扫描或者使用另外一种方法的扫 描。这提供了以下优点。通过在工件的不同侧或从工件的不同角度扫描工件的外侧或 外表面，工件的外侧或外表面上的多个点可被测量，使得实际夹持情形(即，夹紧情形当前 状态)可利用光学、感应和/或机械扫描来侦测。在这个过程中，可以例如从多个方向不同角度光学扫描工件，尤其是利用光或其 他类型的可见光波长范围内的电磁辐射来扫描。除了或不同于光学扫描，可以使用感测元件从不同角度沿不同方向机械扫描工件 的外侧或外表面，以侦测实际夹持情形。为此，优选的是，通过侦测工件外侧的不同点的各自位置，夹持在机床夹持装置中 的工件优选的是被感应、光学和/或机械扫描，以确定符合夹持情形当前状态的实际夹持 情形。而且，上述光学、感应和/或机械扫描优选的是利用机床的扫描装置自动进行。优选的是，在产生控制数据的步骤中，所述机床上的被确定的控制数据被实时地 转换成对应的机器行程指令。这意味着，优选的是，原始CNC程序没有变化，但机床上的行程指令通过使用确定 的夹持情形偏差并依据该夹持情形被实时变换，即，在工件的加工过程中变换。视情形，为 了实时考虑侦测到的夹持情形偏差和执行对应的变换，对于执行这些行程指令，在这个过 程中执行依靠夹持情形偏差的零点移位。优选地，被确定的控制数据包括刀具位置数据和优选的包括刀具方向数据，所述 刀具位置数据优选地表示刀具在第一时刻的第一刀具位置，所述刀具方向数据优选地表示 第一时刻刀具的第一刀具方向，在产生变换控制数据的步骤中的变换优选地包括将该刀具 位置数据变换成变换刀具位置数据和/或优选地将该刀具方向数据转动变换为变换刀具 方向数据，该变换刀具位置数据优选地表示第一时刻刀具的第二刀具位置，该变换刀具方 向数据优选地表示第一时刻刀具的第二刀具方向，该变换和/或转动变换优选地是这样 的其使得相对于第一时刻处于夹持情形目标状态的工件的第一刀具位置和第一刀具方向与相对于第一时刻处于夹持情形当前状态的工件的第二刀具位置和第二刀具方向优选地 是相符合的。优点在于，通过准确变换和/或转动变换，在确定的时刻，例如第一时刻，或多个 确定的时刻处于夹持情形当前状态的工件的夹持情形相对于对应时刻的夹持情形目标状 态的偏差可被执行，如此刀具位置可被通过使用这种变换最优地修正，刀具方向可通过这 种转动变换进行修正。优选的是，该方法还包括根据使用该变换控制数据让刀具沿第二加工路径移动， 其中所述变换控制数据优选地是实时产生，以使第一时刻的所述变换刀具位置数据和变换 刀具方向数据实质上是在第一时刻产生，在沿第二加工路径移动的步骤中的刀具实质上在 第一时刻采用第二刀具位置和第二刀具方向。这样做的优点在于，首先独立于工件的加工或在根据现有技术(例如，通过使用 传统CAD/CAM系统)加工工件之前，控制数据可基于夹持情形目标状态，视情形，在计算机 上产生。如此，如果夹持情形出现偏差，对工件的加工可被最优化，因为控制数据可被实时 变换，即，在工件加工过程中直接变换成与实际夹持情形相符的变换控制数据。这可以优选地在机床上自动执行，使得夹持情形的偏差可独立进行。
而且，本发明提供了产生变换控制数据的装置，变换控制数据用于控制刀具根据 上述方法之一加工工件，即，具有可选的一个或多个上述优选特征。本创新装置包括控制数据确定装置，用于确定如果所述工件被夹持在所述夹持装 置中其夹持情形与夹持情形目标状态相符时的控制数据，所述夹持情形目标状态表示所述 工件被夹持于所述夹持装置中的夹持情形的目标状态，所述控制数据表示刀具应以哪个第 一刀具方向沿哪一条第一刀具路径对所述被夹持的工件进行加工。而且，该装置特征在于其包括夹持情形当前状态侦测装置，用于侦测夹持情形当 前状态，所述夹持情形当前状态表示所述工件被夹持于所述夹持装置中的夹持情形的实际 当前状态；夹持情形偏差侦测装置，用于侦测所述夹持情形当前状态与所述夹持情形目标 状态之间的夹持情形偏差，所述夹持情形偏差表示所述夹持情形当前状态与所述夹持情形 目标状态之间的偏差；以及控制数据产生装置，用于通过依据所述侦测到的夹持情形偏差 对至少一部分所述确定的控制数据进行变换来产生变换控制数据；机床的刀具通过所述变 换控制数据来控制，使得所述机床的刀具依据所述侦测到的夹持情形偏差以被确定的第二 刀具方向沿第二刀具路径移动以对所述被夹持的工件进行加工。这样做的优点在于，提供了一个能够执行上述有益的方法的装置，尤其是对于产 生变换控制数据，其考虑了工件的夹持情形的偏差，因此修正了产生的控制数据。优选的是，上述装置还适合于安装于机床内，该机床包括用于夹持工件的夹持装置。这样做的优点在于，该装置被直接以整合的方式安装在机床中，这样便可以通过 变换以产生变换控制数据在加工工件时实时执行控制数据的修正。优选的是，所述机床包括至少5轴，所述5轴可通过CNC控制数据同时驱动。在此， 所述机床优选地是包括至少5轴的铣/车床、车/铣床，铣/钻床，或包括至少5轴的加工 中心。这样做的优点是，刀具可在5个移动自由度上沿计算的路径移动，这5个自由度包括3个平移自由度和2个转动自由度。通过这5个自由度的弹性和自由移动还保证用于修 正控制数据以产生变换控制数据的必要变换可实际上通过刀具指引在运动中执行。而且，优选的是，所述机床包括扫描装置，所述侦测夹持在机床夹持装置中的工件的夹持情形当前状态的步骤包括利用所述扫描装置的感测元件对所述工件的外表面进行 的光学扫描、感应扫描和/或机械扫描，而且所述光学、感应和/或机械扫描优选地是利用 所述机床的扫描装置自动执行的。这样做的优点在于，机床自身包括扫描装置，利用该扫描装置，就可以侦测工件的 夹持情形当前状态。而且，本发明提供具有至少5轴的机床，用于使用刀具利用控制数据对工件进行 加工，所述控制数据表示所述刀具具有哪个方向并沿着哪条刀具路径移动以对所述被夹持 的工件进行加工，其中所述机床还包括用于夹持所述工件的夹持装置，且特别配备有上述 装置之一或包括这种装置。优选的是，所述机床还包括扫描装置，所述侦测夹持在机床夹持装置中的工件的 夹持情形当前状态的步骤包括，优选地，对所述工件的外表面进行的光学扫描、感应扫描和 /或机械扫描，所述光学、感应和/或机械扫描优选地是利用所述机床的扫描装置自动执行 的。最后，所述机床优选地是包括分度头和/或完全整合的转动轴，所述分度头和转 动轴，尤其优选地分别为NC分度头和完全整合NC转动轴，被提供有用于夹持工件的夹持装 置，而且，所述分度头和/或转动轴优选地是适合于绕所述夹持装置的转动轴转动被夹持 的刀具。这样做的优点是，本创新方法和创新装置还可以被这样的机床采用，在这样的机 床中，工件不仅可以夹持在机床的夹持装置，例如在工作台上，而且，工件也可以夹持在分 度头的夹持装置上，而分度头可再视情形夹持在机床的夹持装置中，例如在工作台上。这样做的优点是，本创新方法和创新装置可以被传统机床和具有分度头，尤其是 具有NC分度头的传统机床采用。最后，本发明提供了一种计算机程序产品，其特征在于，计算机适合与该计算机程 序产品共同或者与产生控制数据的程序，尤其是例如CAD/CAM程序，以及该计算机程序产 品共同在技术上执行上述产生控制数据的方法至少其中之一以及视情形通过计算机的界 面传递该产生的变换数据至机床。因此，本发明还提供了一种数据载体，其特征在于上述计 算机程序产品是存储在该数据载体上。


图1是机床范例的示意图，该机床对夹持在该机床的夹持装置中的工件进行加工。图2是工件的夹持情形目标状态的示意图，该夹持情形目标状态作为产生用于控 制该机床的刀具的控制数据的基础。图3A是图1的夹持情形目标状态的横截面示意图。图3B是工件处于第一时刻的夹持情形当前状态的横截面示意图，该状态相对于 图3A的夹持情形目标状态具有夹持情形偏差。
图3C是图3A的工件处于夹持情形目标状态时的横截面以及在第一时刻刀具的对 应第一刀具位置和第一刀具方向的示意图。图3D是图3B的工件在第一时刻处于夹持情形当前状态的横截面和依据使用本发 明创新方法的实施例产生的变换控制数据所得到的在该第一时刻刀具的对应第二刀具位 置和第二刀具方向的示意图。图4A是根据产生变换数据的方法的一个实施例的工件位置的变换的示意图。图4B是根据产生变换数据的方法的一个实施例的刀具方向的变换的示意图。图5是产生变换控制数据的装置的一个实施例的示意图。
具体实施例方式下面将结合例示性图式通过用于产生变换控制数据的实施例来描述和阐述本发 明。图1例示性地描绘了机床100，其中机床100适合于通过使用产生的控制数据来 控制加工工件200的刀具130。在下面描述的本实施例中，机床100是包括5轴的铣或钻 床，其适合于通过程序控制使用根据预定的计算的刀具路径产生的CNC控制数据沿所述刀 具路径移动嵌在接收装置中的刀具130以从工件200上去除材料，该工件200固定在机床 100的夹持机构和夹持装置120中。为此，机床100包括夹持装置120，用于夹持工件200。在该机床100的本实施例 中，夹持装置120安装在机床100的工作台上，用于夹持工件200，使得利用转动该工作台， 该工件200可通过夹持装置120的转动被沿该夹持装置120的中心轴M转动。然而，本发明并不限定于产生用于加工夹持在工作台的夹持装置中的工件的控制 数据，其也可用于不同夹持装置夹持工件的情形中的加工，例如，将工件夹持在分度头，尤 其是NC分度头的夹持装置中的情形。而且，在图1描述的实施例中，机床100包括控制装置110，适合于通过使用产生的 CNC控制数据来控制刀具130。为此，包括5轴的机床100的控制装置110适合于在3个直 线轴方向以平移方式移动该刀具。在下面的描述中，这些直线轴被称为χ轴、y轴和ζ轴。而且，控制装置110适合绕转动轴导引刀具130以实现刀具的转向。因此，结合夹 持装置120和工作台分别的转动轴，总共提供5轴，这使得可以相对于夹持于夹持装置120 中的工件200沿5个自由度自由移动刀具130，具体而言是沿3个平移和2个转动自由度。然而，本发明并不限于包括5轴的机床，其也可以适用于包括多于5轴的机床，例 如，6轴，具体而言是3个平移轴和3个转动轴。本发明还可以使用于少于5轴的机床。图1的控制装置110包括主轴111，适合于驱动刀具130，具体而言是驱动刀具130 绕刀具轴130的转动，以实现通过机加工，尤其是铣和/或钻加工从工件200上去除材料。而且，图1中的机床100包括扫描装置140。扫描装置140包括感测元件141，适合 于扫描工件200，特别是从围绕夹持装置120的转动轴M的不同的角度多次扫描工件200， 以能够侦测工件200在夹持装置120中的夹持情形。然而，本发明并不限于使用于包括这种具有感测元件141的扫描装置140的机床 100。不同于机床的上述实施例，也可以使用感测元件141通过机械扫描方式侦测工件200 在夹持装置120中的夹持情形，具体而言是从围绕夹持装置120的转动轴的不同角度进行扫描，而感测元件141根据刀具130在控制装置110中互换或被替换。而且，机床100的上述实施例描述了使用感测元件141通过机械扫描方式来侦测 工件200在夹持装置120中的夹持情形。然而，本发明并不限于这种利用机械扫描来侦测 工件200的夹持情形的机床100，其也可以被包括适合于利用光学扫描(例如激光扫描)来 侦测工件在夹持装置120中的夹持情形的扫描装置140的机床所采用。除了依靠激光束进行光学扫描外，还可以利用在光波长范围之外的电磁辐射来侦 测工件。特别是，本发明可被用于包括扫描装置140的机床100，其中，该扫描装置140综合 利用使用感测元件141的机械扫描和光学和/或电磁扫描。图2例示性地描绘了工件200的夹持情形目标状态。由于在5轴CNC机床中，刀 具130通过产生的CNC控制数据来控制，因此须要通过控制数据预先定义刀具路径，依靠该 刀具路径，该机床100和控制装置110分别相对于夹持在夹持装置120中的工件移动刀具 130 (作为举例，刀具130为铣刀)。在现有技术中，用于控制刀具130的控制数据是根据对 应于该夹持情形目标状态的夹持情形而产生的。在图2中，描绘了一个例示性的柱状工件200的这种夹持情形目标状态并例示性 地描绘了 X轴、y轴和Z轴。为了简化说明，夹持装置120并未在图2中示出。然而，在图 2的夹持情形目标状态，与ζ轴对应的工件200的中心轴M与夹持装置120的转动轴R重 合，而该转动轴R对应于夹持装置120可绕其转动夹持在夹持装置120中的工件200的那 个轴。由于在图2示出的夹持情形目标状态下，被夹持的工件200的中心轴M与夹持装 置120的转动轴R是重合的，当被夹持的工件200绕夹持装置120的转动轴R转动时，其同 样绕其自身中心轴M转动。详细而言，由于这种重合，当工件200绕夹持装置120的转动轴 R转动时，工件200的中心轴M不会产生任何绕夹持装置120的转动轴R的翻滚运动。使用这种控制数据，刀具130将会沿该控制数据预定义的刀具路径去除被夹持的 工件200的材料。然而，如果工件200的实际夹持情形与图2所示的夹持情形目标状态有 偏差，基于该控制数据，工件200会被错误地加工，因为该控制数据是根据对应于该夹持情 形目标状态的夹持情形所产生的。如果，例如，工件200的夹持情形有偏差，使得工件200的中心轴M相对于夹持装 置120的转动轴R倾斜或具有一个角度，这将导致当工件200绕夹持装置120的转动轴R 转动时，工件200会产生翻滚运动或中心轴M会产生翻滚运动，因为工件200的中心轴M与 夹持装置120的转动轴R不重合。图3A示出了图1的工件200在第一时刻tl的处于图2的夹持情形目标状态(即， 工件200的中心轴M与夹持装置120 (图未示)的转动轴R重合)的横截面示意图。图3B示出了一个例示性的在第一时刻tl的夹持情形当前状态的横截面示意图。与图3A不同的是，被夹持的工件200的中心轴M相对于夹持装置120的转动轴R偏差一个 角度θ s。除了实际夹持情形当前状态相对于该夹持情形目标状态具有角度偏差之外，图3B 示出的在第一时刻tl的夹持情形当前状态还存在偏差使得工件200的位置除了具有角度 θ s的倾斜之外，还具有所示的矢量ν的平移。因此，在该第一时刻tl，夹持情形目标状态和夹持情形当前状态之间的偏差或夹 持情形偏差可利用工件200的中心轴M与夹持装置120的转动轴R之间的角度偏差Θ s和由矢量V给出的位置偏移来描述。与图3A—样，图3C示出了在第一时刻tl的处于夹持情形当前状态的工件200的 横截面图，其中在第一时刻tl的刀具130的刀具定位也在图3C中额外的示出，如同其定位 是利用产生的控制数据在进行控制。这意味着控制数据被产生，以让机床100利用控制装 置110来控制刀具130沿着计算得到的刀具路径移动，使得刀具在第一时刻tl具有如图3C 所示的刀具位置和刀具方向。在此，对应于第一刀具位置W1的刀具位置以矢量方式(由χ轴、y轴和Z轴的三个坐标得出)示出。第一时刻tl的刀具130的方向由使用角度Θ 描述的第一刀具方向 WO1得给出。在这种情况下，控制数据包括指示第一时刻tl的刀具定位的数据，具体而言是 指示第一时刻tl的矢量W1的三个坐标的刀具位置数据，以及指示第一时刻tl的刀具130 的利用角度θ 描述的第一刀具方向WO1的刀具方向数据。图3C是一个简化例示图，其中tl时刻被选作一个范例，在该tl时刻，刀具方向当 前是位于x-z平面。然而，刀具方向基本上不会如图3C那样仅仅由角度给出，而是由 至少两个角度(对应于两个转动自由度)给出。然而，通过指示3个坐标值(位置数据) 和2个角度值(方向数据)，刀具定位可分别被准确参数化，因为可被CNC机床的5个轴同 时驱动的所有5个自由度在一个特定时刻，例如在第一时刻tl，可利用这3个坐标和2个角 度参数进行确定。图3C所示的刀具定位是通过使用第一时刻tl的刀具位置数据和刀具方向数据的 这种利用控制数据的方式预定义的，在产生该控制数据时，是假设工件200的夹持情形对 应于轴M和R重合的夹持情形目标状态。如果工件200的实际夹持情形当前状态现在相对 于夹持情形目标状态存在偏差，则在该第一时刻tl通过使用上述控制数据控制刀具130达 到的刀具方向和刀具位置与相对于工件的期望刀具定位不会相符。图3D示出了工件200的横截面视图，其对应图3B的在该第一时刻tl的夹持情形 当前状态，其中还示出了该刀具的刀具定位，该刀具定位是利用根据本发明产生的变换控 制数据所预先定义的，使得图3D中的相对于工件200的刀具定位与图3C所示的刀具130 相对于工件200的刀具定位准确对应。为此，该刀具被控制使得在第一时刻tl的刀具位置对应于图3D中以矢量W2表示 的第二刀具位置W2，而且刀具130在第一时刻tl的刀具方向对应于第二刀具方向W02。图4A和4B描绘了将第一时刻tl的控制数据中的刀具位置数据变换成变换控制 数据中的变换刀具位置控制数据的变换过程和将第一时刻tl的控制数据中的刀具方向数 据变换成变换控制数据中的变换刀具方向数据的变换过程。图4A示出了图3C中表示第一时刻tl的第一刀具位置的矢量Wp因此，对指示第 一时刻tl的矢量W1坐标的控制数据的变换是通过添加对应于工件的位置偏移(夹持情形 当前状态与夹持情形目标状态之间的平移偏差)的矢量V (如图3B所示)来实现的，以得 到另一第一矢量W1+^然而，得到的矢量仍然未与变换刀具位置数据对应，为此，其必须再 被变换以将矢量巧+￥旋转角度θ S，该角度θ S对应于图3Β所示的夹持情形当前状态与夹 持情形目标状态之间的转动偏差。因此，利用矢量W2坐标描述的该第一时刻tl的第二刀 具位置通过针对矢量ν所作的变换以及针对角度θ s所作的另一个转动变换得到，或者换 句话说，通过根据变换矩阵T的单一变换得到，从刀具位置数据至变换刀具位置数据的公式如下W2 = T · W1.类似地，图4B描绘了从刀具方向数据变换成变换刀具方向数据的变换(转动变换)示意图。图4B描述该刀具方向，其使用法矢量η(WO1)和n(W02)描述第一刀具方向WO1 和第二刀具方向WO2的方向，其偏差角度es，如图3C和图3D所示。因此，从刀具方向数据 到变换刀具方向数据的变换和从第一刀具方向WO1和第二刀具方向102丨变换都是针对角 度θ 3的纯转动变换。基本上，在特定时刻，这种转动变换被参数化，但不是仅利用一个角度θ s，如图3A 和3B，而是利用两个角度，使得任意刀具方向可被参数化成相对其偏移的任意刀具方向，即 使他们不在Z-X平面，如图4B所示。如上所述，根据本发明，变换控制数据因此是通过使用该控制数据来产生的，其中 根据本发明的变换是根据侦测到夹持情形目标状态与夹持情形当前状态之间的偏差而进 行的，使得机床100和控制装置110分别通过使用该变换控制数据来控制刀具130对工件 200进行机加工，使得尽管该夹持情形相对于该夹持情形目标状态存在偏差，该工件仍可被 正确地加工，使得该加工准确对应当该工件200通过使用控制数据被夹持在对应该夹持情 形目标状态的夹持情形时对该工件200所作的加工。图5描绘了用于产生变换控制数据用以控制机床上的刀具130的创造性装置300 的一个实施例。该装置300包括控制数据确定装置310、夹持情形当前状态侦测装置320、 夹持情形偏差侦测装置330和控制数据产生装置340。控制数据确定装置310适合于确定控制数据，该控制数据指示，如果该工件是按 照夹持情形目标状态被夹持的，机床100的刀具130要沿哪条第一刀具路径移动以及刀具 130以哪个刀具方向来加工该被夹持的工件200。为此目的，根据本实施例的该装置300包括一个界面350a，适合于与一个用于产 生控制数据的装置通信以使控制数据确定装置310能够通过该界面350a确定另一个系统 产生的控制数据。为此，控制数据确定装置310还须要确定作为控制数据的基础的夹持情 形目标状态。然而，本发明并不限于控制数据确定装置310能够通过界面350a确定外部源产生 的控制数据的实施例。根据本发明另一实施例的该装置300可作为该系统的一个构件，特 别是作为已经产生了控制数据的与CAD/CAM系统结合的电脑系统的一个构件。夹持情形当前状态侦测装置320适合于侦测工件200的实际夹持情形，其中在本 实施例中，该夹持情形当前状态侦测装置320通过界面350b(或者也通过界面350a)连接 至机床100的扫描装置140，该扫描装置通过从不同的角位置以机械和/或光学方式扫描该 工件200来执行该工件200的夹持情形或夹持情形当前状态的侦测。而且，装置300包括夹持情形偏差侦测装置330，适合于通过比较夹持情形当前状 态侦测装置320侦测到的工件200的夹持情形与夹持情形目标状态来侦测夹持情形，其也 视情形侦测被夹持的工件200的中心轴M相对于夹持装置120的转动轴R的转动偏差以及 根据例如图3B中的矢量ν来侦测平移偏差。而且，装置300包括控制数据产生装置340，适合于根据本发明的方法的上述实施 例至少其中之一产生变换控制数据。根据本实施例，控制数据产生装置340适合于通过界面350a与机床100的控制装置通信，使得机床100可以通过使用控制数据产生装置340产 生的控制数据来控制刀具130。为此，在一个实施例中，该装置300可被安装至该机床100， 或者该装置300也可整合在机床中使得该变换控制数据可视情形被实时产生，控制数据产 生装置340产生该变换控制数据，使得该控制数据由该控制数据产生装置在这种特定时刻以实质上同时的方式产生以及该刀具通过使用产生的控制数据利用程序控制来控制。
然而，本发明并不限于这种实时产生变换控制数据。变换控制数据也可以首先通 过使用控制数据和侦测到的夹持情形当前状态与夹持情形目标状态之间的偏差来产生，使 得产生的变换控制数据仅在下一步被传输至机床100以让刀具可利用该控制数据进行控 制。
权利要求
一种产生控制数据的方法，所述控制数据用于控制机床(100)上的刀具(130)以对夹持在所述机床(100)的夹持装置(120)中的工件(200)进行加工，所述方法包括-根据夹持情形目标状态确定控制数据，所述控制数据用于控制所述机床(100)的刀具(130)以被确定的第一刀具方向(WO1)沿第一刀具路径对所述被夹持的工件(200)进行加工，所述夹持情形目标状态表示所述工件(200)被夹持于所述夹持装置(120)中的夹持情形的目标状态；其特征在于所述方法还包括以下步骤-侦测夹持情形当前状态，所述夹持情形当前状态表示所述工件(200)被夹持于所述夹持装置(120)中的夹持情形的实际当前状态；-侦测所述夹持情形当前状态与所述夹持情形目标状态之间的夹持情形偏差，所述夹持情形偏差表示所述夹持情形当前状态与所述夹持情形目标状态之间的偏差；以及-通过依据所述侦测到的夹持情形偏差对至少一部分所述确定的控制数据进行变换来产生变换控制数据；所述刀具通过所述变换控制数据来控制，使得所述机床(100)的刀具(130)依据所述侦测到的夹持情形偏差以被确定的第二刀具方向(WO2)沿第二刀具路径移动以对所述被夹持的工件(200)进行加工。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工件(200)被夹持在所述机床(100) 的夹持装置(120)中，处于所述夹持情形目标状态，以致所述工件的中心轴(M)与所述机床 (100)的夹持装置(120)的转动轴(R)重合。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在产生变换数据的步骤中，所述变换 这样执行，使得通过所述变换控制数据对符合所述夹持情形当前状态的工件(200)所进行 的加工与通过所述确定的控制数据对符合所述夹持情形目标状态的工件(200)所进行的 加工相符合。
4.根据权利要求1至3中至少一项所述的方法，其特征在于，所述侦测工件(200)被夹 持于所述机床(100)的夹持装置(120)的夹持情形当前状态的步骤包括对所述工件(200) 的外表面的光学扫描、感应扫描和/或机械扫描。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，被所述机床的夹持装置夹持的所述工件 被光学、感应和/或机械扫描以通过侦测所述工件(200)的外表面上不同点的各自位置来 确定与所述夹持情形当前状态相符的实际夹持情形。
6.根据权利要求4或5的方法，其特征在于，所述光学扫描、感应扫描和/或机械扫描 是通过所述机床(100)的扫描装置(140)自动进行的。
7.根据权利要求1至6中至少一项所述的方法，其特征在于，在产生控制数据的步骤 中，所述机床上的所述被确定的控制数据被实时地转换成对应的机器移动指令。
8.根据权利要求1至7中至少一项所述的方法，其特征在于所述刀具(130)依据所述 变换控制数据沿所述第二加工路径移动的步骤，所述变换控制数据被实时产生。
9.一种产生控制数据的装置，所述控制数据用于控制机床(100)上的刀具(130)以根 据权利要求1至8中至少一项所述的方法对夹持在所述机床(100)的夹持装置(120)中的 工件(200)进行加工，所述装置包括-控制数据确定装置(310)，用于确定如果所述工件(200)被夹持在所述夹持装置(120)中其夹持情形与夹持情形目标状态相符时的控制数据，所述夹持情形目标状态表示 所述工件(200)被夹持于所述夹持装置(120)中的夹持情形的目标状态，所述控制数据用 于控制所述机床(100)的刀具(130)以被确定的第一刀具方向(WO1)沿第一刀具路径对所 述被夹持的工件(200)进行加工；其特征在于所述装置包括_夹持情形当前状态侦测装置(320)，用于侦测夹持情形当前状态，所述夹持情形当前 状态表示所述工件(200)被夹持于所述夹持装置(120)中的夹持情形的实际当前状态；-夹持情形偏差侦测装置(330)，用于侦测所述夹持情形当前状态与所述夹持情形目 标状态之间的夹持情形偏差，所述夹持情形偏差表示所述夹持情形当前状态与所述夹持情 形目标状态之间的偏差；以及-控制数据产生装置(340)，用于通过依据所述侦测到的夹持情形偏差对至少一部分 所述确定的控制数据进行变换来产生变换控制数据；所述刀具通过所述变换控制数据来控制，使得所述机床(100)的刀具(130)依据所述 侦测到的夹持情形偏差以被确定的第二刀具方向(WO2)沿第二刀具路径移动以对所述被夹 持的工件(200)进行加工。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置适合于安装在机床(100)上，所 述机床(100)包括用于夹持所述工件(200)的夹持装置(120)。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述机床(100)包括至少5轴，所述5 轴可通过CNC控制数据同时驱动。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述机床(100)包括扫描装置 (140)，所述侦测夹持在机床(100)夹持装置(120)中的工件的夹持情形当前状态的步骤包 括利用所述扫描装置(140)的感测元件(141)对所述工件(200)的外表面进行的光学扫 描、感应扫描和/或机械扫描，所述光学、感应和/或机械扫描是利用所述机床(100)的扫 描装置(140)自动执行的。
13.—种包括至少5轴的机床，用于利用刀具(130)对工件(200)进行加工，所述机床 包括用于夹持所述工件(200)的夹持装置(120)以及利用控制数据控制所述刀具(130)的 控制装置(110)，所述控制数据表示所述刀具(120)具有哪个方向并沿着哪条刀具路径移 动以对所述被夹持的工件(200)进行加工，其特征在于所述机床(100)包括根据权利要求 9至12所述的装置(300).
14.根据权利要求13所述的机床，其特征在于，所述机床(100)还包括扫描装置 (140)，所述侦测夹持在机床(100)夹持装置(120)中的工件(200)的夹持情形当前状态的 步骤包括对所述工件(200)的外表面进行的光学扫描、感应扫描和/或机械扫描，所述光 学、感应和/或机械扫描是利用所述扫描装置(140)自动执行的，尤其是所述机械扫描是利 用所述扫描装置(140)的感测元件(141)自动执行的。
15.根据权利要求13或14所述的机床，其特征在于，所述机床(100)包括分度头，所 述分度头具有用于夹持所述工件(200)的所述夹持装置(120)且适合于绕所述夹持装置 (120)的转动轴(R)转动所述被夹持的工件(200)
16.一种计算机程序产品，包括计算机可读介质以及存储于其中的计算机程序，所述计 算机程序以一系列状态的形式存储，所述一系列状态对应于制定的欲被数据处理设备的数据处理装置处理的指令，使得所述数据处理设备适合于与所述计算机程序产品共同或与产生控制数据的程序和所述计算机程序产品共同执行根据权利要求1至8中至少一项所述的 方法。
全文摘要
本发明是关于产生变换控制数据的方法和装置，以控制刀具加工工件，包括确定如果工件的夹持情形与夹持情形目标状态相符时的控制数据的步骤，夹持情形目标状态表示工件夹持情形的目标状态，控制数据表示刀具应以哪个第一刀具方向沿哪一条第一刀具路径来加工工件。特征在于还包括如下步骤侦测夹持情形当前状态，其表示工件夹持情形的实际当前状态；侦测夹持情形当前状态与夹持情形目标状态之间的夹持情形偏差，其表示夹持情形当前状夹持情形目标状态之间的偏差；依据被确定的夹持情形偏差来控制刀具，使得刀具以被确定的第二刀具方向沿第二刀具路径移动来加工工件工。变换控制数据表示刀具应以哪个第二刀具方向沿哪一条第二刀具路径来加工工件。
文档编号G05B19/401GK101813931SQ20101012822
公开日2010年8月25日 申请日期2010年2月9日 优先权日2009年2月9日
发明者尤文卡斯滕·汉森, 托马斯·劳切比勒, 约瑟夫·纽麦尔 申请人:德克尔马霍普夫龙滕有限公司