专利名称：轴控制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于调节工件与机械工具的工具在轴方向上的相对位 置和/或相对运动的方法，其中，在基本轴控制系统的第一控制器中产生关 于包括一个或多个驱动器的基本轴的致动变量，在辅助轴控制系统的第二 控制器中产生关于至少一个包括驱动器的、动态性更高的辅助轴的致动变
量；还涉及一种机械工具，具体用于执行该方法。
背景技术：
例如， 一种上述装置从US 5,801,939中可知。
在机械工具中，例如，借助于驱动器和机械部件将用以加持工具或激 光处理头的工具加持器作为工具在特定的轴方向上移动，所述机械部件可 以结合到该工具加持器与驱动器之间，例如为能够固定该加持工具或激光 处理头的齿轮或门架。该轴经常能够被縮写为工具轴，或简单地縮写为轴。 作为替代或者附加地，可以借助于驱动器在特定轴方向上移动工件。该轴 经常被縮写为工件轴，或简单地縮写为轴。如果有两个驱动器在同一轴方 向上动作，则一个驱动器经常具有较低的动态性，其通常被称为主轴或者 基轴(fimdamentalaxis)，第二个驱动器经常具有较高的动态性，其通常被称 为辅助轴。更为常用的术语是"基本轴(basic axis)"。 一个基本轴能够包含 一个或多个基轴，即，具有相对较低的动态性，并且在总合成方向上动作。 由于处理结果是与工具和工件之间的相对移动相对应的，因而工具或工件 是否被移动并不重要。
机械工具上的基轴经常较大，因为它们必须移动其他轴和构建在其上 的附件。这就导致较大的移动质量和较低的机械特征频率。因此，相对于 所能实现的速度和加速度，以及相对于控制电路的动态性和由此得到的动 态轴精度而言，这些基轴的动态性是非常有限的。进而，基轴实现较大的 行程路径(traverse path)。如果使用这些基轴来使处理头与工件之间的距离保
持恒定，则该距离控制表现出非常有限的控制电路的动态性。
如果短冲程(stroke)辅助轴安装的非常靠近所谓的工具中心点(TCP)以 便控制与工件之间的距离，则该轴必须仅移动相对较小的质量，并且因此 能够进行快速移动且实现较高的控制电路的动态性。在具有例如5个自由 度的机械上，改变了TCP与工件之间距离的辅助轴的位置变化，产生类似 可变工具长度的效果。这对于机械的路径精度有不利影响。
从US 5，801，939中可知一种设备，其具有用于粗定位的装置(基轴)和用 于细定位的装置(辅助轴)。求和元件将这两个装置造成的移动相加。检测元 件产生描述总体移动的信号。将该信号与一个设定值相比较，并且将偏差(轴 装配的控制误差)作为输入信号馈送至这两个装置。在用于粗定位的装置中 模拟该用于细定位的装置。轴的计算机模拟造成了控制装置中的相应计算 开支，并总是展现相对于实际轴的偏差。未测量辅助轴的实际值。取而代 之的是，将轴装配的控制误差与所模拟的附加轴位置的比例相加的结果馈 送至基轴。
US 5,109,148描述了一种定位装置，其包括两个用于调节工具与工件之 间相对位置的独立装置。为此，该装置包括两个彼此独立的位置控制电路。 用于较低动态性驱动器(基轴)的第一控制电路经由过滤器接收带宽有限的 位置设定值，并使用这些值"粗略地"调节所希望的位置(相对位置)，艮P， 在其有限的动态性范围之内进行调节。将基本轴不能动态执行的分量发送 至第二控制电路(辅助轴)。辅助轴由此获得位置受控的基轴所不能执行的任 务将在此过程中的所有这些分量变换为所希望的相对位置上。因此，借 助于确定实际位置与所希望的相对位置之间的偏差这一事实，使用基轴的 实际位置计算出辅助轴的设定值。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法和装置，采用该方法和装置，使用辅助 轴的高动态性和基轴的较大行程路径，来产生所希望的TCP移动，并同时 实现机械的较高路径精度。
该问题是通过在开头处所提及的该类型方法来解决的，其中，在第三 控制器中产生第三致动变量，其被馈送至辅助轴控制系统和基本轴控制系
统。因此，能够断开整个系统的控制和两个轴的共同操作之间的关系。此 外，将第一和第二控制器的控制带宽加在一起。基本轴和辅助轴在它们的 动作中，以机械方式彼此前后配置，基本轴的移动能够得自于多个基轴的 同时移动。基本轴控制系统的控制器确保了在需要时，基本轴在其动态界 限范围之内实现较大的行程路径。辅助轴控制系统的控制器产生了较高的 动态性和控制带宽，由此产生了高精度。根据本发明的方法能够用于例如 距离控制。然而，在各种情况中，该方法也能够用于多个轴对，用以进行 路径操作，所述轴对包括基本轴和辅助轴。对此需要彼此咬合的共同操作 的轴对的动态性。
在本方法的优选变化例中，能够规定，采用以下方式来在第三控制器 中确定致动变量设置在辅助轴上的工件或工件处于相对于其在辅助轴上 的行程路径的一个预设位置，优选的是中心位置。因此，辅助轴，更确切 地说是辅助轴所移动的工件或工件，在稳定状态中尽可能微小地偏离一个 预设位置。作为该测量的结果，提高了实现根据本发明的方法的机械的路 径精度。
特别优选的是，确定辅助轴的实际值，并将其馈送至第三控制器。由 于在第三控制器中仅使用所测量的实际值来控制基本轴速度，因此能够将 辅助轴的偏差，更确切地说是辅助轴所移动的工件或工件的偏差，调节到 一个固定值，例如，辅助轴的中心位置。
在本发明的一个变化例中，能够规定，将第三控制器的致动变量按照 彼此相反的方式分别馈送至基本轴控制系统和辅助轴控制系统。由此，第 三控制器能够改变辅助轴的位置，例如设置在其上的工具，同时不会影响 与工件之间的距离。这就允许第三控制器调节辅助轴(可由辅助轴移动的工 具或工件)在静态情况下的恒定位置。换而言之，可以调节辅助轴的次级条 件(例如，辅助轴在稳定状态中应该在中心位置)，而不会明显影响高级控制。
具体而言，由于以下原因使得这种情况可行在基本轴控制系统中将 第一控制器和第三控制器的致动变量相加并将相加之和作为结果致动变量 馈送至基本轴，并且在辅助轴控制系统中用第二控制器的第一致动变量减 去第三控制器的致动变量并将差值作为结果致动变量馈送至辅助轴。
在本方法的一个有利的变化例中，能够规定，对所述相对位置和/或者
相对移动给出设定值，检测或确定所述相对位置和域者相对移动的实际值， 并且将差值作为输入变量馈送至所述第一和第二控制器。其他变量也能够 输入所测量的实际值，例如，基本轴和辅助轴的位置，部件几何结构与映
射该部件几何结构的NC程序之间的偏差。
特别优选的是，第一和第二控制器执行位置控制，并且第三控制器执 行随动控制。采用该随动控制器，可以将稳定状态中的辅助轴调节到一个 预设位置。通过这三个控制器的协作，可以实现较大的行程路径，同时具 有较高的动态性和精度。辅助轴在稳定状态中具有较小的行程路径和恒定 位置。
如果第一控制器被参数化为比基本轴所允许的弱，则使用基本轴的位 置控制来过滤其不能实现的设定值分量。被调节的"弱"的位置控制表示 低通。在任何情况下都存在位置控制。因此无需单独的低通，这种单独的 低通例如在现有技术中提供。除此之外，这样还省却了其参数化操作。
在本发明的一个变化例中，能够规定，基于用于基本轴的所述结果致 动信号，执行用于将所述基本轴移动分配给多个基轴的变换。例如，可以 借助于NC控制，通过适当的变换将要由基本轴执行的移动分配给多个基 轴，并采用能够实现所希望的基本轴的移动的方式，来控制这些基轴的驱 动器。
同样在本发明范围之内的是一种机械工具，其具有基本轴控制系统和 辅助轴控制系统，其中，所述基本轴控制系统包括第一控制器，所述第一 控制器用于确定关于基本轴的致动变量，所述基本轴包括用于在轴方向上 移动工具或工件的一个或多个驱动器，所述辅助轴控制系统包括第二控制 器，所述第二控制器用于确定关于辅助轴的致动变量，所述辅助轴包括用 于在同一轴方向上移动工具或工件的至少一个驱动器，其中，提供了用于 产生第三致动变量的第三控制器，所述第三致动变量被馈送至所述基本轴 控制系统和所述辅助轴控制系统。辅助轴例如用于控制处理头与工件之间 的距离，辅助轴安装在该机械的轴的TCP附近，并且在与由该机械的一个 或多个基轴的移动所合成的移动相同方向上进行动作。(各个基轴不必在同 一方向上动作)。该辅助轴具有相对较小的行程路径，但另一方面具有较高 的动态性。通过具有较大冲程但具有较低动态性和精度的基本轴的移动，
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来改变工具(处理头)与工件之间的距离。作为替代或者附加地，可以通过仅 具有较小行程但具有较高动态性的辅助轴的移动，来改变该距离。对于基 本轴和辅助轴的整体控制就好像形成了用于致动变量的高通/低通过滤器。 因此，基本轴和辅助轴的动态性彼此互补。基本轴被大大削弱。对于时间 最优的处理而言，可以在以下不同操作模式之间进行临时切换仅使用基 本轴、仅使用辅助轴、或者协同操作。
在一个优选实施例中，能够提供用于测量辅助轴的实际值的装置，该 装置将辅助轴控制系统的实际量馈送至第三控制器。因此，可以将辅助轴， 更准确地说是辅助轴所移动的工具或工件，调节到沿着其行程路径的一个 预设位置上。
优选地，第一和第二控制器设计为位置控制器，第三控制器设计为随 动控制器。在可能的动态范围之内，可以借助于基本轴控制系统的位置控 制器，直接对工件与工具之间的距离偏差作出反应。由于基本轴控制系统 的带宽非常有限，因此基本轴移动的精度持续较低，但其实现了较大冲程 的移动分量。
还将该距离或整体位置偏移馈送至辅助轴控制系统的位置控制器。辅 助轴的移动是在与基本轴的移动相同方向上动作的。由此，将基本轴和辅 助轴采用机械方式彼此前后连接。在TCP处将它们的移动分量加在一起。 辅助轴控制系统的位置控制器实现了整体控制的较高带宽。
该随动控制器按照彼此相反的方式分别在基本轴控制系统和辅助轴控 制系统上动作。因此，能够改变例如辅助轴的位置，更精确地说是设置在 辅助轴上的工件的位置，而不会影响与工件之间的距离。因此，这就允许 随动器调节在稳定状态中的辅助轴的恒定位置。此外，随动控制器采用有 限方式，在辅助轴必须执行的冲程上进行动作。
为此，优选地，基本轴控制系统包括第一组合元件，在该第一组合元 件中，根据第一控制器和第三控制器的致动变量来确定关于基本轴的致动 变量，并且辅助轴控制系统包括第二组合元件，在该第二组合元件中，根 据第二和第三控制器的致动变量来确定关于辅助轴的致动变量。
在一个优选实施例中，提供了比较装置，其根据设定值和实际值而产 生偏差，并将该偏差馈送至基本轴控制系统和辅助轴控制系统。由此将该
控制误差馈送至这两个控制系统，并且这两个控制系统努力减小该误差。
在本发明的一个有利实施例中，提供了用于测量基本轴的实际值的装 置，其连接到用于确定所述实际值的元件，所述元件还连接到所述的用于 测量辅助轴的实际值的装置，所述的用于测量基本轴的实际值的装置确定 被馈送至所述比较装置中的所述实际值。由此，考虑到基本轴和辅助轴的
位置以及任何其他作用变量，例如，实际工件的高度轮廓和存储在NC程序 中的高度轮廓之间的偏差，来确保最佳反馈。
本发明的其他特征和优点来自于以下在参考附图对本发明各个实施例 描述以及权利要求，其中附图示出了对于本发明而言重要的细节。各个特 征能够分别单独实现，或者可以在本发明的变化例中以任意组合实现为一 组特征。
在附图中示意性地示出了本发明的优选实施例，以下将参考附图对器 进行更为详细的描述。在附图中
图l示出了第一机械工具，以及可以沿着两个轴方向移动的工件； 图2示出了一种机械工具，其带有可以沿着两个轴方向移动的工具； 图3示出了一种具有5个轴方向的机械工具； 图4示出了一种具有6个轴方向的机械工具；
图5示出了一种具有4个轴方向的机械工具以及一个可移动工件；
图6示出了图示说明在不考虑其他作用变量的情况下，基本轴和辅助
轴的控制概念的方框图7示出了图示说明在考虑其他作用变量的情况下，基本轴和辅助轴
的控制概念的方框具体实施例方式
图l示出了机械工具l，其中，工件2可以沿轴方向3、 4移动。工具 加持器5能够容纳工具(未示出)，并且也能在轴方向4上移动。用于在轴3、 4上动作的工件的驱动器以及可以与其协作的机械部件能够被称为工件轴。 在轴方向4上动作的工具加持器5的驱动器能够被称为机械轴。
图2示出了另一机械工具10，其中，工件ll的位置固定。门架12可 以沿着轴方向13移动。装置14置于门架12上，在装置14上进而设置了 工具加持器14，，其能够加持一工具。可以在轴方向15上移动装置14(并且 由此移动该工具)。工具加持器14'可以在轴方向13上相对于装置14移动。 从图2中可以看到，装置14的质量比门架12小。因此，与门架在轴方向 13上的移动相比，能够更快地进行在轴方向15上的移动。然而，能够利用 工具加持器14，进行在轴方向13上的高动态性移动。
图3示出了机械工具20，其中，臂21可以沿着轴方向24移动。装置 23可以在轴方向24上沿着臂21移动。装置23还可以在轴方向25上移动。 直角坐标系中的X、 Y和Z方向分别由轴方向22、 24和25定义。伸长臂 26可以在轴方向27上旋转。伸长臂26上设置了激光切割头28，其进而可 以在轴方向29上旋转。迄今为止通过参考图l一3所描述的各个轴都代表 基轴。
在图1一5的所有机械中，考虑辅助轴是具有以下功能的所有轴其允 许TCP和工件之间在基轴方向上的相对移动，由此呈现出比基轴更高的动 态性。优选地，这些轴都是在较小重量的TCP或工件轴附近的较小重量的 工具轴。
一个示例性实施例可以通过伸长臂27的长度变化或者头28围绕29的 方向改变来实现，伸长臂27的长度变化或者头28围绕29的方向改变造成 了TCP的变换。在小角度的情况下，可以忽略工件上的定向误差。在距离 控制的情况下，辅助轴将必须在光束发出的方向25a上动作。
图4的图示与图3类似，提供了相同的轴方向22、 24、 25、 27、 29。 另外，提供了轴方向30，工件能够围绕该轴方向30转动。
在图5中示出了机械工具的另一实施例。装置42可以在门架41上沿 轴方向43移动。还可以在轴方向44上对装置42进行高度调节。伸长臂45 可以在轴方向46上旋转，并且激光切割头47可以在轴方向48上旋转。在 轴方向43、 44、 46、 48上动作的驱动器可以被称为机械轴，而在轴方向49 上动作的驱动器可以被称为工件轴，这是因为工件50可以沿该轴移动。由 此，例如产生了基轴。在采用本发明的方式的机械工具的情况下，对于轴 方向(该轴方向可以是几个基轴方向的合成方向)必须至少存在第二调节机
构。在图5中，这可以通过门架41也可以在轴方向49上移动这一事实来 实现。
应该强调的是，根据本发明的技术方案并非绑定于工具或工件轴的任 何特定配置。
图6示出了控制器结构的简化示意性实施例，该控制器能够实现根据 本发明的方法的基本思想。将设定值h^输入到比较装置60。在比较装置 60中，将该设定值与实际值hist进行比较。将偏差馈送至基本轴控制系统 61以及辅助轴控制系统62。基本轴控制系统61包括第一控制器63，其根 据该偏差产生基本轴64的致动变量，基本轴64包括至少一个驱动器64a。
辅助轴控制系统62包括第二控制器65，其根据该偏差产生辅助轴66 的第二致动变量，该辅助轴66包括至少一个驱动器66a。第一和第二控制 器63， 65被设计为位置控制器。
在用于测量辅助轴的实际值的装置67中，测量辅助轴66的实际值， 例如，工具的沿着其在辅助轴66内的行程路径的位置。将该实际值馈送至 第三控制器68，第三控制器68被设计为随动控制器(follow-up-controller)。 第三控制器68采用以下方式来确定一个致动变量辅助轴66在静态情况 下处于一个预设位置。这想要表达的意思是例如，可以借助于辅助轴66 移动的工具在静态情况下处于沿着其在辅助轴66内的行程路径的一个预设 位置。将由此确定的致动变量按照彼此相反的方式分别馈送至基本轴控制 系统61和辅助轴控制系统62。这意思是在基本轴控制单元61的组合元 件69中，将第三控制器68所确定的致动变量与第一控制器63所确定的致 动变量相加，并将结果致动变量馈送至基本轴64。与此相反，在组合元件 70中，用第二控制器所确定的致动变量减去第三控制器68所确定的致动变 量，并将结果致动变量馈送至附加轴66。
所述结果致动变量能够直接馈送至辅助轴66或者基本轴64的一个或 多个驱动器64a、 66a。然而，可以设想的是，将这些致动变量馈送至用于 实现由这些致动变量所描述的移动的相应装置中。例如，在基本轴64中可 以提供NC控制器，作为一个这种装置，所述NC控制器采用适当的变换将 基本轴64的移动分配到多个基轴上，并采用产生所希望的基本轴64的移 动的方式，来控制这些基轴的驱动器。
在用于测量基本轴的实际值的装置71中，测量基本轴的位置，例如， 固定辅助轴处的点。将该测量值如同用于测量辅助轴的实际值的装置67的 测量值一样，馈送至用于确定实际值的元件72。由此得到轴装配的整体位 置，该位置被馈送至比较装置60。
在距离控制的情况下(图7)，所测量的值hist由轴装配的整体位置和辅 助作用变量(用箭头73指示)组成，辅助作用变量即在工件的实际高度轮廓 与NC程序中所存储的工件的高度轮廓之间的偏差。
权利要求
1、一种方法，用于调节工件(2，11，50)与机械工具(1，10，20)的工具(28)之间在轴方向上的相对位置和/或者相对移动，其中，在基本轴控制系统(61)的第一控制器(63)中，产生关于包括一个或多个驱动器(64a)的基本轴(64)的致动变量，在辅助轴控制系统(62)的第二控制器(65)中，产生关于包括至少一个驱动器(66a)的具有较高动态性的辅助轴(66)的致动变量，其特征在于，在第三控制器(68)中产生第三致动变量，其被馈送至所述辅助轴控制系统(62)和所述基本轴控制系统(61)。
2、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第三控制器(68)中 确定所述致动变量，该确定的方式使得设置在所述辅助轴(66)上的所述工 具(28)或工件(2， 11， 50)处于相对于其在所述辅助轴(66)上的行程路径的一 预设位置，优选地是中心位置。
3、 如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，检测所述辅助轴(66) 的实际值，并将其馈送至所述第三控制器(68)。
4、 如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，将所述第三控制器 (68)的致动变量按照彼此相反的方式分别馈送至所述基本轴控制系统(61)和 所述辅助轴控制系统(62)。
5、 如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述基本轴控制 系统(61)中，将所述第一控制器(63)的致动变量和所述第三控制器(68)的致 动变量相加，并将该相加之和作为结果致动变量馈送至所述基本轴(64)，并 且，用所述第二控制器(65)的致动变量减去所述第三控制器(68)的致动变量， 并将该差值作为结果致动变量馈送至所述辅助轴(66)。
6、 如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，对所述相对位置和 /或者所述相对移动给出设定值(hsou)，检测或确定所述相对位置和/或者所述相对移动的实际值(hisO，并且将该差值作为输入变量馈送至所述第一和第二控制器(63， 65)。
7、 如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一和第二控 制器(63， 65)执行位置控制，并且所述第三控制器(68)执行随动控制。
8、 如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一控制器(63) 被参数化为比所述基本轴(64)所允许的弱。
9、 如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，基于用于所述基本 轴(64)的结果致动信号，执行用于将所述基本轴移动分配给多个基轴的变 换。
10、 一种机械工具(l， 10， 20)，具体用于执行如权利要求1到9中任 一项所述的方法，其具有基本轴控制系统(61)和辅助轴控制系统(62)，其中， 所述基本轴控制系统(61)包括第一控制器(63)，所述第一控制器(63)用于确 定基本轴(64)的致动变量，所述基本轴(64)包括用于在轴方向上移动工具(28) 或工件(2, 11， 50)的一个或多个驱动器(64a)，所述辅助轴控制系统(62)包 括第二控制器(55)，所述第二控制器(55)用于确定辅助轴(66)的致动变量， 所述辅助轴(66)包括用于在同一轴方向上移动工具(28)或工件(2， 11， 50)的 一个或多个驱动器(66a)，其特征在于，提供了用于产生第三致动变量的第 三控制器(68)，所述第三致动变量被馈送至所述基本轴控制系统(61)和所述 辅助轴控制系统(62)。
11、 如权利要求10所述的机械工具，其特征在于，提供了用于测量所 述辅助轴的实际值的装置(67)，其将所述辅助轴控制系统(62)的实际量馈送 至所述第三控制器(68)。
12、 如权利要求10或11所述的机械工具，其特征在于，所述第一和 第二控制器(63， 65)被设计为位置控制器，所述第三控制器(68)被设计为随 动控制器。
13、 如权利要求10到12中任一项所述的机械工具，其特征在于，所 述基本轴控制系统(61)包括第一组合元件(69)，在所述第一组合元件(69)中， 根据所述第一控制器(63)和所述第三控制器(68)的致动变量确定关于所述基 本轴的致动变量，并且所述辅助轴控制系统(62)包括第二组合元件(70)，在 所述第二组合元件(70)中，根据所述第二和第三控制器(65， 68)的致动变量 确定关于所述辅助轴(66)的致动变量。
14、 如权利要求10到13中任一项所述的机械工具，其特征在于，提 供了比较装置(60)，其根据设定值(hs。u)和实际值(hist)而产生偏差，并将该偏 差馈送至所述基本轴控制系统(61)和所述辅助轴控制系统(62)。
15、 如前述任一权利要求所述的机械工具，其特征在于，提供了用于 测量所述基本轴的实际值的装置(71)，其连接到用于确定所述实际值的元件 (72)，所述元件还连接到所述的用于测量所述辅助轴的实际值的装置(67)， 所述装置(71)确定馈送至所述比较装置(60)中的所述实际值。
全文摘要
本发明涉及一种方法，用于调节工件与机械工具的工具之间在轴方向上的相对位置和/或者相对移动，其中，在基本轴控制系统(61)的第一控制器(63)中产生包括一个或多个驱动器(64a)的基本轴(64)的致动变量，在辅助轴控制系统(62)的第二控制器(65)中产生包括至少一个驱动器(66a)的、具有较高动态性的辅助轴(66)的致动变量，在第三控制器(68)中产生第三致动变量，其被馈送至辅助轴控制系统(62)和基本轴控制系统(61)。
文档编号G05B19/404GK101361030SQ200680051066
公开日2009年2月4日 申请日期2006年1月14日 优先权日2006年1月14日
发明者T·舍尔利希 申请人:通快机床两合公司