专利名称：具有叠加驱动系统的动态优化机床的制作方法
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：
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 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，S卩加速 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。 根据本发明，机床(例如铣床)设有磁铁支撑的加工主轴。由于旋转主轴杆支撑 在主轴外壳中，借助强大可控的电磁铁悬浮于界定位置，即没有机械接触，磁铁支撑的主轴 突出。在主轴轴承的磁铁与主轴杆之间，在所有轴承位置处设有空隙。在空隙的尺寸内，由 于磁轴承的控制，主轴杆可在主轴外壳内自由摆动，其中，空隙通常保持极窄以便能产生较 大磁力。但是，空隙需要一定尺寸，因为在控制器能够补偿干扰之前，主轴杆会因外部干扰 力而从其位置跳出。在这种情况下，为避免损坏，在磁铁与主轴杆间不发生机械接触非常重 要。轴承位置处的空隙尺寸需要大到在发生任何干扰力的情况下，发生的最大结果偏差有 足够的空间可用，直到控制器补偿该干扰。 主轴的磁支撑能够在磁轴承的空隙尺寸内定位、移动或变位主轴杆。主轴杆的运 动范围由磁轴承的空隙尺寸界定，并由此限制为极小的空间。但是在该运动范围内，由于主 轴杆的小尺寸，主轴杆可以极高动态移动至任何程度。主轴杆磁支撑的动态极高，以便补偿 可能发生的加工力。这些极高的动态用于本发明以在主轴杆的运动范围内高动态移动主轴 杆。 本发明的机床设有磁主轴，其具有可叠加的两种移动或行进可能性，即机床轴具 有相对大的行进路径，但具有较低的动态，而主轴杆具有极大的动态，但在任何方向具有非 常有限的运动范围。 本发明利用具有磁主轴的机床的移动或行进的两种可能性的特性。界定加工工具 与工件之间的相对运动的精确工具路径通常来自编程系统，或直接编程进控制器。
精确编程或其他预定工具路径在机床控制器中分为两个路径，并被平行处理和内 插成-平滑路径，其中，以固定的预定最大公差执行平滑，且平滑的目标是为了在预定 公差范围内尽可能地减少路径中的曲率变化，并且还为了消除或减少尖角和小半径；
-差分路径，当添加至平滑路径时，其重新带来原始的精确路径并产生极小的行进路径。 因为原始路径的平滑以固定的预定最大公差执行，差分路径的行进路径限制为极 小的运动范围，其在各方向的尺寸位于预定用于平滑的最大公差内。 这两个路径，即平滑路径和差分路径，平行内插在控制器中。平滑路径的目标值传 输到机床轴的驱动器，差分路径的目标值传输到磁轴承的驱动器。在磁支撑铣床主轴中，机 床轴的行进移动和主轴杆的相对小、但动态行进移动同步叠加，由此导致工具与工件之间 相对运动的精确工具路径。因此，每个方向上平滑公差小于主轴外壳中主轴杆的可能运动 范围十分重要，使得在主轴杆与磁轴承间不发生接触。 这种程序的优点是可显著减少两个路径的总加工时间。机床轴可以以相当地高于 精确路径的路径速度经过平滑路径，因为平滑路径中曲率变化、小半径和尖角的减少导致 对轴的加速度变化率和加速度的更低需求。 但是，具有加速度变化率需求和高动态的移动须由主轴杆执行。但是由于前述轴 承技术，主轴杆能执行这种移动。高加速度变化率需求也不带来机床结构的不希望的激振， 因为主轴杆的质量相对小。由于差分路径的行进移动限制在极小运动范围内，主轴杆能够 完全执行它们。 本发明借助单独部件的智能控制，能够显著减少机床上的加工时间。由于磁支撑
主轴控制和动态的高质量，本方法也可在最高精度需求和表面质量上实现。 该程序合理的进一步拓展包括为不同轴方向预定各自的公差，如果主轴杆的最大
可能运动范围在单独轴方向上不同的话，所述公差取决于每个轴方向上主轴杆的最大可能
运动范围。 在机床轴(例如在龙门机床情况下的Y和Z轴)使主轴杆变位的情况下，相应机
床轴与主轴杆的移动的叠加可用于动量解耦。如果主轴杆的极端动态移动导致机床结构的
激振并由此导致不精确性或更坏表面，动量解耦是有利的，尽管主轴杆的质量小。在这种情
况下，可划分加工工具与工件之间的相对运动的精确路径，使得相对重的机床轴不仅追踪
平滑路径，而且该机床轴还在路径的相应位置处执行叠加的、极小的但猛地反移动，在该位
置处主轴杆由于快速移动将加速度变化率动量输入该轴。由于主轴杆的快速移动而输入该
轴的加速度变化率动量由等大的反动量补偿，并由此保证避免机架的激振。由于质量上的
较大差异，反移动显著小于主轴杆的移动，使得工具处产生明显摆动。但是，这仅会在主轴
杆和该轴直接相互影响的轴中实现，例如龙门机床的Z轴。在龙门机床的工作台轴情况下，
这几乎不可能，因为整个机架位于工作台轴与主轴之间，会避免该机架的激振。 在特定几何形状的情况下，所述程序的附加进一步拓展是有利的，以便获得控制
轴和磁铁支撑主轴的最大可能利用。这种几何形状包括路径中的尖角，即无切线过渡的方
向反转。在传统机床的情况下，机床以制动斜坡进入拐角，停顿极短时间，并从拐角加速，跟
随进入新方向的路径。如果高精度不重要，机床并不完全停顿，并磨圆拐角。但是正常情况
下这并不需要。 另外在前述程序中，路径分为平滑路径和差分路径，这两个路径被同步经过以实 现工件处的精确路径，机床必须停止。主轴杆的动态非常高。但是，如果追踪路径上包括方 向切换的精确拐角，那么磁铁支撑主轴杆也须用制动斜坡停下，以便能在新方向上再次加 速。但是，如果主轴杆将路径速度减小至零，在机床轴同步内插的情况下，机床轴也须将路径速度减小至零以避免不精确性，尽管机床轴的平滑路径不会需要这样做。在这种情况下， 制动和加速斜坡需要调整至相对惯性的机床轴，且该方法对于这种形状不会有利。但是这 是可以避免的，只要计划主轴杆的差分路径，使得该差分路径并没有被精确同步地追踪，而 是主轴杆另外使用其运动范围以移动快一点或慢一点，其中两个路径(平滑路径和差分路 径)之和仍然总是得到精确路径。在拐角的情况下，这会造成主轴杆在拐角前移动稍快，在 拐角中以精确相反于机床轴的速度短时移动，使得在工具和工件之间发生短时相对停滞， 随后在通过了拐角时稍慢移动。
以下参考附图，基于实施方式来说明本发明，其中
图1显示了根据本发明被使用机床的透视示意图，
图2显示了主轴轴承的部分截面示意图， 图3显示了根据本发明第一实施方式的精确路径和平滑路径示意图，
图4显示了关于图3的创造性的差分路径示意图， 图5类似于图3，显示了根据本发明又一实施方式的精确路径和相关平滑路径，以 及 图6类似于图4，显示了根据本发明的差分路径，与图5所示匹配。
具体实施例方式
作为根据本发明被用机床的示例，图1示意性显示了龙门铣床的机架透视图。该 龙门铣床包括主轴l，其轴承联系图2在下面具体说明。主轴1连接工具8，例如铣刀。就 其而言，特别是工具接收结构以及龙门铣床的单独部件对应于现有技术中的这些部分。图 1中省略了对工件的描绘。 特别地，图1显示了机架9，工作台IO可在其上沿X轴移动。龙门11附接至机架 9，其提供有导轨12，台架13可使用该导轨在Y方向上移动。导轨15形成在台架13上，台 架14沿其可在Z方向上移动。台架14支撑主轴1。 移动方向X-Y-Z形成X轴、Y轴和Z轴，它们是机床控制的基础。作为本发明所指 子组件的部件因此在其它缺席情况下包括用于沿Y轴移动的台架13，用于沿Z轴移动的台 架14以及沿X轴移动的工作台10。 图2示意性显示了主轴1的支撑，该支撑包括集成在台架14中的外壳16。主轴1 关于其中心轴线18而被支撑。支撑由磁轴承获得，即借助上径向磁轴承2，下径向磁轴承3 以及轴向磁轴承4。 由现有技术可知，磁轴承2、3和4分别包括磁轴承工作所需的轴承空隙。上径向 磁轴承2的轴承空隙19以及轴向磁轴承4的空隙20在图中示意性显示。下径向磁轴承3 的空隙用附图标记21标明。 工具8以常用方式由工具架22可拆卸地支撑在主轴1上。
主轴1 (主轴杆)由主轴马达17旋转。
图2所示主轴1的结构对应于现有技术。 图2进一步以图2的前视图显示了根据图1装置的移动轴X、 Y和Z。
根据本发明，重要的是，主轴可借助其磁轴承2、3、4在相应的轴承空隙19、20、 21(以及其他未示出的轴承空隙)内自由摆动。 图3用曲线显示了 X-Y平面中包括点A、B、C、D的精确移动路径5。工具8的参考 点在精确路径5上会相对于工件移动，根据图3，该精确路径5首先经过由A至B的直线。 在点B与C之间有圆形部，其在C点再次并入直线路径。在点C与D之间，路径再次变为直 线。 根据本发明以预定公差使之平滑的路径6在精确路径5下变圆或磨圆，并在精确 路径5的一定距离处延伸，特别是在点B与C之间的变圆部分。图3中，在精确路径5与平 滑路径6之间相应绘出横线，横线示出了精确和平滑路径中相应的同步目标位置。
图4的曲线示出了差分路径7的路线。同样包括图3中点A、B、C和D的位置。此 外，在图4显示了指示路径方向的箭头。 图4显示了通过根据图3的平滑路径6与根据图4的差分路径7的叠加产生的精 确路径5。 另外，从图3和图4可辨别出，差分路径7只限于很小的区域，即图3和图4示意 性显示的X-Y图原点附近。在顶点处，两个路径具有相同的方向(参见图3和图4中的箭 头方向)。 显然，为使绘图清楚，图3和图4只显示了二维视图。根据本发明，还可实现具有 三维路径5、6和7的三维移动。绘图被放大至较大程度以使其更清楚。实际中，平滑路径 6可更接近精确路径5，且差分路径7的区域可更小。
图5和图6所示图形类似于图3和图4。 在图5的图形中，根据精确路径5的由点A至点B再至点C的路线，精确路径5经 过点B处的尖角。图5显示了平滑路径6的相关路线。从该路线和所示连接横线，得出精 确路径5和平滑路径6的同步目标位置。 相比图3的曲线图形，从图5得出，平滑路径6的位置首先落在精确路径5的位置
之后。这在点B处发生变化。从点B开始，平滑路径6跑在精确路径5之前。 在位置B，平滑路径6与差分路径7的速度完全相同(参见图6)，但是还完全相反，
使得这两个速度相互抵消，且精确路径5的路径速度短时间变为零。图5和图6中的箭头
方向显示了路径的相应路线。 由于两个方向相反、大小完全相同的速度的短期叠加，本发明提供了在精确路径5 中产生尖角(点B)。同时，避免了具有相对低动态的机床轴须在平滑路径6中将它们的速 度减小到零。 显然，为了清楚目的，图3至图5的图形被放大至较大程度，并且是非常示意性的。
本发明不限于具有两个或三个轴的机床，也可用于具有多轴的机床，例如具有五 个轴的机床的移动，例如包括三个线性轴和两个旋转轴的机床。原理是相同的。为了比较 简单的阐释，图3至图5的图形仅为二维。该方法可转用至具有任意数量轴和任意装置的 机床。 附图标记列表 1 主轴 2 磁轴承，径向顶部
345678910111213， 141516171819，20，2122
磁轴承，径向底部 磁轴承，轴向 精确路径 平滑路径 差分路径 工具 机架 工作台 龙 导
台
导 外
主轴马达 中心轴线 空隙 工具架
门轨架轨壳
权利要求
一种控制机床至少一个子组件的移动的方法，该子组件包括可旋转的主轴(1)，该主轴由至少一个包括至少一个轴承空隙的磁轴承(2，3，4)支撑在所述子组件处，其特征在于所述子组件沿路径(6)移动，所述路径(6)相对于精确路径(5)被控制器整平滑，在主轴外壳(16)中的主轴(1)借助所述磁轴承(2，3，4)沿差分路径(7)移动，平滑路径(6)和随其产生的差分路径(7)的叠加产生所述精确路径(5)。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述平滑路径(6)和所述差分路径(7)形 成为二维。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述平滑路径(6)和所述差分路径(7)形 成为三维。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述平滑路径(6)和所述差分路径(7)形 成为用于具有多轴的机床的多维。
5. 如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于用固定预设的最大公差来平滑所 述平滑路径(6)。
6. 如权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于所述控制器使所述平滑路径(6)和 所述差分路径(7)相互平行地内插。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于所述平滑路径(6)的目标值传输至所述子 组件的驱动装置，且所述差分路径(7)的目标值传输至所述磁轴承(2， 3， 4)的至少一个驱 动装置。
8. 如权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于所述平滑路径(6)在每个移动方 向上的最大公差小于所述主轴(1)在所述空隙(19，20，21)内的最大可能移动。
9. 如权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于所述主轴杆(1)沿所述差分路径 (7)以高动态和/或大加速度移动。
10. 如权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于为不同移动方向上的所述差分路 径(7)和/或所述平滑路径(6)预设不同的公差。
11. 如权利要求1至10之一所述的方法，其特征在于借助沿所述平滑路径(6)和沿 所述差分路径(7)的移动叠加来发生动量解耦。
12. 如权利要求11所述的方法，其特征在于借助所述平滑路径(6)在所述精确路径 (5)的一位置处执行猛地反移动，在所述位置处借助所述差分路径(7)执行快速移动。
13. 如权利要求1至12之一所述的方法，其特征在于所述差分路径(7)形成使得在 维持由所述差分路径(7)和所述平滑路径(6)产生的精确路径(5)的同时，该差分路径相 对于其移动超前或落后。
14. 如权利要求1至13之一所述的方法，其特征在于该方法用在铣床中。
全文摘要
本发明涉及控制机床至少一个部件组件的移动的方法，其中，该部件组件具有可旋转的主轴(1)，该主轴借助于具有轴承空隙(19、20、21)的至少一个磁轴承(2、3、4)安装在该部件组件上。本发明特征在于该部件组件沿平滑路径(6)移动，该平滑路径在控制侧上被整平滑并且与精确路径(5)相对，主轴(1)借助磁轴承(2、3、4)沿差分路径(7)移动，其中，平滑路径(6)和差分路径(7)之和(叠加)提供了精确路径(5)。
文档编号H02K41/00GK101730611SQ200880023735
公开日2010年6月9日 申请日期2008年5月5日 优先权日2007年5月7日
发明者J·罗德斯 申请人:P+L有限责任两合公司