CN113365784A - 工件的数控加工的计算机辅助优化 - Google Patents
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Abstract
为了能够更灵活地考虑加工配置，用于优化工件(WS)的数控加工的方法包括得出几何交互数据(ID)。基于交互数据(ID)确定预期的力与加工的配置参数之间的关系。在加工期间基于该关系和至少一个配置参数的当前值计算力。根据计算出的力调整加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于通过刀具对工件进行数控加工的计算机辅助优化的方法，其中，得出交互数据，该交互数据描述刀具与工件在刀具轨道的部段中的几何交互，以及一种用于执行这种方法的计算机程序。此外，本发明涉及一种用于通过刀具对工件进行数控加工和用于加工的计算机辅助优化的控制系统，该控制系统具有用于得出交互数据的电子计算装置和另外的电子计算装置，以及一种具有这种控制器的机床。
背景技术
文献WO2018/019550A1描述了一种用于机床的终端元件的计算机辅助控制的方法。在此，在机床的工作环境中检测多个光学标记，并得出终端元件与工件之间的相对姿势。该方法根据相对姿势与参考姿势的比较来得出校正值。因此，在考虑第一校正值的情况下控制用于加工工件的终端元件。
文献WO2018/041476A1描述了一种用于优化工件的加工过程的方法。在此，根据预设的工件几何形状和控制命令的序列来模拟加工过程。根据模拟结果，得出和检查加工过程的特征变量。如果确定特征变量与优化变量的偏差，则以调整的方式重新执行模拟或者重复执行模拟，否则提供用于制造工件的控制命令的序列。
已知的优化方法有时需要非常高的计算耗费，使得能够仅在工件真正的加工之前、即离线地执行相应的计算或模拟。此外，这导致了，必须事先限定准确的配置、例如机器选择、刀具选择、工件的夹紧条件或材料参数。因此，相应的加工程序仅对于恰好一种配置进行优化，这导致加工过程的灵活性受到显著的限制。另一方面，由于高的计算耗费而不可行的是，完全在线地、即在工件的加工期间执行模拟。
发明内容
在此背景下，本发明的目的是，提出一种用于通过刀具对工件进行数控加工的计算机辅助优化的改进设计，该设计在加工中实现了对不同配置的灵活的考虑。
根据本发明，该目的通过根据独立权利要求的方法、计算机程序、控制系统以及机床来实现。有利的实施方式和改进方案是从属权利要求的内容。
改进的设计基于的思想为，部分离线地、即在通过机床对工件真正的加工之前计算在工件加工期间出现的力，并且部分在线地、即在通过刀具对工件加工期间或者并行于工件加工进行该计算，能够参考该计算用于加工的调整。在此，离线地执行和为工件的在线加工提供刀具与工件之间的纯几何交互，该纯几何交互与加工的配置参数(例如进给速度)无关或脱耦。随后，几何交互与预期的力之间的关系能够在线地、离线地或部分在线且部分离线地执行。在线进行基于关系和配置参数的力的实际计算以及加工的调整。
根据改进设计的独立方面，提出一种用于通过刀具对工件进行数控加工的计算机辅助的优化的方法。该方法包括在加工开始前得出交互数据，该交互数据描述刀具与工件在刀具轨道的部段中的几何交互。基于交互数据确定在加工期间预期的力、尤其在提及的刀具轨道的提及的部段期间预期的力与加工的至少一个配置参数之间的关系。基于关系和在加工期间的至少一个配置参数的当前值计算在加工期间的力。根据计算的力调整加工。
交互数据特别是纯几何交互数据。
交互数据尤其与至少一个配置参数无关或脱耦。
在此和在下文中，能够将“计算机辅助”理解为，该方法的实施被设计为，使得借助于电子计算单元、尤其借助于微处理器或集成的计算机系统实施至少一个方法步骤。
刀具轨道、也简称为轨迹、路径或刀具路径描述了在加工期间、尤其是在工件的定位和/或定向期间的刀具的空间走向、特别是期望的走向或目标走向。特别地，刀具轨道以离散的形式存在。例如，刀具轨道的部段例如对应于围绕刀具轨道的离散点的区域。替代地，该部段能够对应于刀具轨道的两个相邻的或不相邻的离散点之间的区域或围绕刀具轨道的多个离散点的区域。特别地，部段为空间部段、不是时间部段，使得部段是与配置参数(例如在实际加工期间的进给速度、或者刀具转速)无关的刀具与工件的几何交互。
刀具与工件的几何交互特别是刀具的一个或多个刀刃与工件的几何交互。
几何交互包括的信息涉及，在工件的部段中刀具的一个或多个刀刃是否接触，如果接触，则哪个刀刃接触并且在刀刃的哪个点接触。在此，刀刃的点例如能够表征为沿工件的纵轴线的纵坐标或纵向参数和沿着工件环周的方位角或角坐标或方位参数或角参数，尤其在垂直于工件纵轴线的平面中。尤其当刀具在加工期间围绕旋转轴线旋转时、例如在铣削刀具中，刀具的纵轴线例如对应于刀具的旋转轴线。
工件的加工尤其切削加工、例如为具有旋转刀具和/或旋转工件的切削加工。例如，其能够是铣削加工、车削加工、钻孔加工或磨削加工。
预期的力例如是在加工期间作用于刀具上并且因此作用于机床上的力，该力从刀具与工件的交互中产生，或者等义于在加工期间作用于工件上的力。
预期的力和加工的至少一个配置参数之间的关系尤其是数学关系，例如是显式数学关系，使得给出力作为至少一个配置参数的函数，或者是隐式关系，使得力的函数等于至少一个配置参数的函数。预期的力与至少一个配置参数之间的关系能够完全离线地或部分离线地和部分在线地进行。
在此和在下文中，“离线”表示相应的步骤不在通过刀具实际加工工件的期间进行，而是尤其在实际加工之前进行。相应地，在此和在下文中，“在线”表示相应的步骤在工件的实际加工期间或并行于工件的实际加工进行。
因为基于确定的关系和至少一个配置参数的当前值在加工期间进行力的计算，所以“在线”发生该计算，以及根据计算的力调整加工。
至少一个配置参数的当前值是至少一个配置参数在某一时间点的值，在该时间点刀具在实际加工期间处于提及的部段中。根据至少一个配置参数包括哪些参数，在工件的部分或整个加工期间或在刀具轨道的驶过期间，至少一个配置参数的一个或多个参数能够在工件的部分或整体加工期间或者在刀具轨道行进期间是恒定的或者参数能够在加工期间变化，例如动态地变化。
通过根据计算的力的加工的调整来优化工件的加工。由此，能够有利地实现工件制造时的质量改进，因为通过加工的调整事后在线地考虑在出现的力的加工期间的影响，力在工件轨迹的规划期间不能够被考虑或者由于高的数值计算耗费而不被考虑。这能够特别有利的是，当在加工时出现高的力、例如在很难能机加工的材料中，这能够引起机床的弹性变形并且例如引起实际的刀具轨道与规划的刀具轨道的重大偏差。然而，期望的刀具轨道的偏差能够再次引起最终工件尺寸与目标尺寸的偏差，例如引起违反形状公差、尺寸公差和/或位置公差，这随之带来降低的生产质量。
根据按照改进设计的方法特别有利的是，在加工期间在线地进行调整，并且因此不仅能够改进在迭代过程的范围中后续要加工的工件的质量，还能够改进当前加工的工件的质量。因此能够减少工件废料。
从中得到另一优点，基于该关系和至少一个配置参数的当前值同样在线地在加工期间进行力的计算。这引起了，还能够在加工前直接确定配置参数的具体值，尤其在已经确定了几何交互数据的时间点。同样地，能够在线地在加工期间改变配置参数。这引起加工的灵活性的明显的提高。
根据该方法的至少一个设计方案，在加工之前确定至少一个配置参数的当前值。
根据该方法的至少一个设计方案，在加工期间改变配置参数。
根据该方法的至少一个设计方案，在加工期间确定、尤其测量或从存储器中读取用于计算在加工期间的力的配置参数。
通过将交互数据与部段相关联，能够在加工期间在线地改变配置参数例如进给速度、刀具转速或工件转速，其中，该部段是空间的、不是时间的部段。
通过基本部分的优化、尤其在线进行力的计算，有利地不需要保留非常大的数据量，例如在完全离线地进行优化时就是这种情况。
此外，根据改进设计，尽管在加工期间通过传感器监控对加工或优化的支持是可行的，然而加工或优化的支持不需要像例如在完全在线进行的优化方法中那样以耗费且详细的形式进行。
根据该方法的至少一个设计方案，得出交互数据并且随后存储该交互数据，以便在加工期间提供该交互数据。
根据至少一个设计方案，对于刀具轨道的另外部段，例如对于所有部段即对于整个刀具轨道，执行得出交互数据、确定关系、计算力以及调整加工的方法步骤。
根据至少一个设计方案，该方法包括用于轨迹规划的步骤，在该步骤期间得出刀具轨道。例如，在轨迹规划期间得出交互数据。
根据该方法的至少一个设计方案，至少一个配置参数包括工件或刀具的进给速度、刀具的转速、刀具或工件的定位，其中，定位尤其能够包括一个或多个笛卡尔定位和/或一个或多个定向或角定位。
根据至少一个设计方案，至少一个配置参数包括工件或刀具的一个或多个材料特性。
根据至少一个设计方案，加工的调整包括刀具轨道的校正或部分校正和/或至少一个配置参数中的一个或多个参数的调整。
根据至少一个实施方式，为了确定交互数据，分别通过合适的数学模型表示刀具以及工件。
根据至少一个实施方式，为了确定交互数据，通过点云代表刀具，即通过单独的、离散的点来表示一个或多个刀刃的几何形状。
根据至少一个实施方式，为了确定交互数据，借助于体像素模型代表工件，即借助于均匀的和规则的或匹配于变化的工件几何形状的具有由六面体或长方体或立方体的网格构成的覆盖件来代表工件。
根据至少一个实施方式，为了确定交互数据，通过Dexel模型(英文：(深度像素)depth pixel)代表工件。
在Dexel模型和体像素模型或其他合适的模型中，为了确定交互数据，通过大量几何元素表示和近似为工件。
根据至少一个实施方式，交互数据的得出包括利用模拟的刀具切削模拟的工件。该切削包括例如布尔(Boolesch)运算。在此，例如识别工件的元素，该元素在刀具轨道的部段期间由建模的或模拟的刀具的点接触或切削。
在此，例如模拟的刀具对应于刀具的模拟并且模拟的工件对应于工件的模拟。
根据该方法的至少一个设计方案，得出在加工期间预期的切削厚度并且基于得出的切削厚度确定预期的力和至少一个配置参数之间的关系。特别地，切削厚度是在部段期间的切削厚度。
切削厚度是变量，该变量能够在加工期间对切削力产生大的影响。因此，考虑切削厚度引起关系的确定或力的计算的提高的准确度。
特别地，能够完全离线地得出交互数据。例如能够借助于用于计算机辅助制造的系统(英文：计算机辅助制造(computer aided manufacturing)，简称CAM)来进行交互数据的得出。
由此，能够有利地将计算耗费与在实际加工期间的工件的加工和力的计算脱耦，该计算耗费不能在线完成或者仅在提高的耗费下才能完成。
根据至少一个设计方案，交互数据的得出至少部分地利用图形处理器(英文：图像处理单元(graphic processing unit)，简称GPU)、特别是CAM系统的GPU来进行。特别地，为了得出交互数据，借助于GPU执行计算步骤。
对于技术模拟的GPU的应用也称为GPGPU(英文：图形处理单元上的通用计算(general purpose computation on graphics processing unit))。对于确定的或者所有的用于得出交互数据的计算步骤，应用GPU的优点在于，高性能的GPU由于其构造在确定计算运算中特别有效地工作。尤其对于相同任务的并列执行，如在得出交互数据时，GPU是特别有利的，该GPU相对于CPU能够具有与之相关的更高的计算性能和存储带宽。特别地，典型的CAM系统总归具有高性能GPU，在此，有利地也能够至少部分地引用该系统用于得出交互数据。
由此，能够进行交互数据的特别有效的、并且并行的计算方式。对此，例如能够使用已知的软件库。
根据至少一个设计方案，至少部分地在加工开始之前、即至少部分离线地进行在预期的力与至少一个配置参数之间的关系的确定。
离线执行的计算运算的份额越大，在线的计算耗费就有利地越少。另一方面，在线执行的运算的份额越大，在加工时关于具体配置的灵活性就越大。根据改进设计的方法有利地允许优点的权衡。
根据至少一个设计方案，加工的调整包括刀具轨道或刀具轨迹或进给速率或刀具转速或工件转速的校正。
由此，还能够通过刀具轨道的最终偏差的在线补偿有利地实现当前加工的工件的质量改进。
根据该方法的至少一个设计方案，此外该方法包括在加工期间检测传感器数据和根据检测到的传感器数据进行用于力的计算的关系或模型的调整。
传感器数据例如能够是传感器的输出数据，该传感器安置在机床处、尤其安置在机床的外部处或该传感器用于检测机床的内部电变量、例如机床的驱动器的内部电变量。传感器数据能够例如对应于机床驱动器的马达电流或主轴电流、工件或刀具的材料参数、刀具的定位或定向、工件定位或定向或用于评估刀具磨损的变量。
因此，能够进一步提高力的确定、特别是关系的确定或力的计算的准确度并且因此实现加工的进一步的质量改进。
根据至少一个设计方案，根据传感器数据确定在加工期间根据校正过的刀具轨道的刀具的实际位置与目标位置的偏差。根据实际位置与目标位置的偏差来执行关系或模型的调整。
在此，要注意的是，例如如果计算出的力没有得出用于调整刀具轨道的必要性时，在这种情况下校正过的刀具轨道能够与原始的刀具轨道相同。
根据至少一个设计方案，根据用于执行加工的机床的一个或多个刚度值来进行刀具轨道的校正。
机床的静态或频率相关的刚度和阻尼越高，在加工期间出现的力的影响就能够越小并且与期望的刀具轨道的预期的偏差就能够越小。能够例如固定存储和调用或测量刚度值。通过考虑刚度值，能够更准确地调整加工或校正刀具轨道。此外，通过考虑刚度值还能够使用具有更小刚度的机床。
在此和在下文中，将“机床”理解为用于利用刀具制造工件的机器。属于此的特别是传统的NC控制的、特别是CNC控制的机器，同样如机器人、特别是工业机器人以及CNC控制的工业机器人，工业机器人能够引导用于加工工件的刀具。
根据改进的设计方案的另一独立的方面，提出一种计算机程序，该计算机程序包括命令，命令在通过计算机系统执行程序时促使该计算机系统执行根据该改进设计的方法，计算机系统例如包括一个或多个计算机或电子计算装置。
计算机系统或电子计算装置能够例如包括NC控制器或CNC控制器。由NC控制器或CNC控制器处理的命令根据计算出的力，基于至少一个配置参数以及加工的调整的当前值和关系，尤其引起力的计算的至少一个方法步骤的执行。
计算机系统或电子计算装置能够包括例如CAM系统的计算装置。由CAM系统的计算装置处理的命令尤其引起得出交互数据的至少一个方法步骤的执行。
根据改进设计的另一独立方面，提出一种计算机可读存储系统，特别地，该系统包括一个或多个计算机可读介质。计算机可读介质包括命令，该命令在通过计算机系统执行时，促使该计算机系统执行根据改进设计的方法。
根据改进设计的另一独立方面，提出一种用于通过刀具对工件进行数控加工和用于加工的计算机辅助优化的控制系统。控制系统包括电子计算装置，该电子计算装置被设置用于得出交互数据，交互数据描述刀具与工件在刀具轨道的部段中的几何交互。此外，控制系统包括另外的电子计算装置。电子计算装置和/或另外的计算装置被设置用于，基于交互数据确定在加工期间预期的力和加工的至少一个配置参数之间的关系。另外的电子计算装置被设置用于，在加工期间基于关系和至少一个配置参数的当前值计算力并且根据计算出的力调整加工。
通过另外的电子计算装置加工的调整例如能够包括用于控制刀具的控制命令的生成或由控制命令构成。
根据控制系统的至少一个实施方式，另外的计算装置被设置用于，在加工、特别是用于工件的加工期间，在没有计算装置的情况下控制刀具，即独立地控制刀具。特别地，对此，另外的计算装置能够执行力的计算以及加工的调整。
根据控制系统的至少一个实施方式，电子计算装置为了得出交互数据具有图形处理器、GPU。电子计算装置被设置用于，借助于图形处理器得出交互数据。
根据控制系统的至少一个实施方式，在加工期间基于在线测量的传感器数据来调整用于计算过程力的至少一个配置参数。
根据改进设计的另一独立方面，提出一种用于通过刀具对工件进行数控加工的机床。在此，机床具有根据改进设计的控制系统。
根据机床的至少一个实施方式，机床具有用于计算机辅助制造的系统、CAM系统，该系统包括电子计算装置。此外，机床具有数控装置、NC控制器，该数控装置包括另外的电子计算装置。
控制系统的另外的实施方式直接从根据改进设计的方法的不同的设计方案中得出并且反之亦然。机床的另外的实施方式直接从根据改进设计的方法的不同设计方案中得出并且反之亦然。
附图说明
下面，根据具体的实施例和所属的示意图更详细地阐述本发明。在附图中相同或功能相同的元件设有相同的附图标记。相同或功能相同的元件的描述在适当情况下不必在不同的附图中重复。
在此示出：
图1示出根据改进设计的控制系统和机床的示例性的实施方式的不同部件以及根据改进设计的方法的示例性的设计方案的步骤的示意图；
图2示出根据改进设计的方法的示例性的实施方式的不同方面的示意图；
图3示出工件的示意图，部分地按照根据改进设计的方法的示例性实施方式来加工该工件；
图4示出在按照根据改进设计的方法的示例性实施方式加工工件时的误差参数的示意图。
具体实施方式
在图1中，在根据改进设计的方法的不同的步骤的上下文中，示意性地示出根据改进设计的控制系统或机床的不同的部件。在图2中示出方法的不同方面。
控制系统具有电子计算装置CS，例如CAM系统，以及另外的电子计算装置NS，例如NC控制器、CNC控制器或机器人控制器。机床具有控制系统和机器M，机器例如被设计作为工业机器人或狭义的经典机床。
借助于计算装置CS，能够根据工件WS的目标规格(特别是几何目标规格)以及刀具WZ的几何尺寸和特性来规划用于利用机器M加工工件WS的刀具轨道WP。在此，刀具轨道WP包括关于如何通过机器M引导刀具WZ和/或工件WS的空间信息，以便实现对于工件WS的目标规格。刀具轨道或刀具轨迹WP尤其能够通过分别具有所属的进给速度和机器参数的离散点、圆弧和/或样条曲线来表示，其中，能够分别将部段A1、A2、……、AN与离散点中的一个或多个相关系。
通过计算装置CS执行的计算运算离线地、即在通过机器M加工工件之前执行。通过另外的计算装置NS执行的计算运算在线地、即在通过机器M加工工件WS期间或并行执行。
按照根据改进设计的方法，例如借助于计算装置CS在步骤100中离线地得出交互数据ID。交互数据ID描述在一个或多个部段A1至AN期间，刀具WZ与工件WS的几何、特别是纯几何交互。步骤100例如能够是通过CAM系统CS进行的轨道规划的一部分。为了得出刀具WZ与工件WS的几何交互、即对于部段A1至AN之一的交互数据ID，以适当的数学方式、例如借助于点云示出刀具WZ、特别是刀具WZ的刀刃S1，如在图2的左部中所示。这就是说，通过各个点描绘刀刃S1的几何形状。相同的内容适用于可选的另外的刀刃S2、S3、S4(在图2左侧未示出)。
也通过合适的数学表示法来表示工件WS。特别地，工件WS被分配成多个几何子单元或元素并且被近似地表示。工件的元素能够例如是六面体、立方体、长方体或不同的、也不规则的几何体。
例如，工件WS能够通过体素模型表示，其中，通过具有由六面体、长方体或立方体构成的网格的均匀的、规则的或匹配于工件几何形状的覆盖件来代表体素模型。在替代的实施方式中，工件WS例如能够表示为Dexel模型。现有技术的其他模型也是可选的。尤其在应用提及的数学模型时能够有利的是，借助于图形处理器、GPU、例如CAM站CS得出交互数据。由于数据结构和执行的计算运算，图形处理器能够是特别合适的和有效的。
为了确定交互数据ID，刀具WZ与工件WS相交。这表示，用于刀具WZ和工件WS的模型经受布尔(Boolesch)运算。例如，识别并且一定程度上移除工件WS的这些几何子元素，刀具WZ的点接触或切削该几何子元素。
然后能够例如以接合直方图的形式，如在图2的中部中所示，表示和存储交互数据ID。在图2的示例性的接合直方图中，刀具WZ的方位角、即描述在刀具WZ的环周上的位置的角度、特别是0至360度的角度被绘制在水平轴线上。在垂直轴线上，例如沿刀具WZ的适当参数化的纵向路径L绘制纵向位置，如在图2的左部中所示。通过方位角和纵向位置的说明，明确地确定在刀具WZ的表面上的点、特别是刀刃S1、S2、S3、S4的点。接合直方图例如从0至360度并且关于刀刃S1、S2、S3、S4的纵向位置为切削深度或接触面积。在接合直方图中，刀刃S1至S4的如此限定的坐标通过利用刀刃S1至S4的附图标记来表示的线表示。在刀具WZ的刀刃S1上的示例的点P在图2的左部中示出，并且点P的如描述限定的坐标在接合直方图中示出。
接合区域E在图2的左部中以阴影线示出。接合区域E对应于在刀具WZ的表面上、特别是刀具WZ的虚拟表面上的区域，如果刀具WZ的整个表面表示刀刃(侧表面)，则在该区域处在刀具轨道的部段期间理论上刀具WZ接触工件WS。实际上，仅在区域E出现在刀刃S1或另外的刀刃S2、S3、S4上的位置处才发生接合。接合区域E也在接合直方图中在图2的中部示出，在此简化地作为矩形区域示出。
如在接合直方图中能够已知，在刀具轨道WP的相关考虑的部段中区域E与刀刃S1以及与刀刃S4叠加。以这种形式，能够在刀具轨道WP的部段期间表示并且存储刀具WZ与工件WS的几何交互。在进行该方法的步骤100期间，对于刀具轨道WP的多个、特别是所有部段A1、A2、……、AN生成和存储相应的接合图表，如在图2的右部中所示。因此，例如根据接合直方图沿着刀具轨道WP提供交互数据ID。
通过将交互数据ID分配给刀具WZ的空间的、并且非时间的位置，该交互数据不与配置参数例如在工件WS的实际加工中的进给速度相关。因此，随时能够改变进给速度。
在不同的实施方式中，在步骤100期间，不仅能够对于由刀具WZ和工件WS构成的组合产生交互数据ID，而且能够对于不同的刀具和工件的多个不同组合产生相应的交互数据。
此外，例如同样在步骤100期间,应用确定的且存储的交互数据ID，以便确定在加工期间预期的、尤其作用于刀具WZ上的力和加工的至少一个配置参数之间的关系。对此，尤其能够对于相应的部段得出离散化的切削厚度。
配置参数例如能够是进给速度。在一个实施方式中，预期的力和进给速度之间的关系确定为，使得获得表达式，在该表达式中，力参数化地与进给速度、例如仅与进给速度有关。在替代的实施方式中，除了进给速度或替代进给速度，关系能够与其他或者另外的配置参数在参数上相关，例如与刀具转速相关。
除了确定切削厚度之外，关系的确定还能够包括另外的过程力参数的确定，该过程力参数包括进给速度和/或刀具转速和/或仍以参数形式的另外的配置参数。
为了确定关系，能够使用已知的数学计算方法，该方法例如在公开文献“AltintasY.：制造自动化：金属切削力学、机床振动和CNC设计(Manufacturing Automation:MetalCutting Mechanics,Machine Tool Vibrations and CNC Design.Cambridge UniversityPress 2000)”(以下简称“Altintas 2000”)或公开文献“Engin S.,Altintas Y.：铣削力学和动力学的广义建模：第一部分-螺旋立铣刀(Generalized modeling of millingmechanics and dynamics:Part I-Helical end mills.)CIRP Annals-ManufacturingTech nology(2001)50,S.25 30”(以下简称“Engin 2001”)中描述。
确定的关系和/或交互数据ID在方法的步骤200中尤其对于机器代码(如G代码)以标准化的格式的形式传输给另外的计算装置NS。
另外的电子计算装置、特别是NC控制器、NS，在方法的步骤300中例如产生一个或多个控制命令并且将该控制命令例如在方法的步骤400中传输给用于加工工件WZ的机器M。根据改进的设计，另外的计算装置NS在步骤200中基于预期的力与配置参数、例如进给速度的预先确定的关系在工件WS的加工期间在线地计算力。根据计算的结果，另外的计算装置NS调整加工、特别是控制命令，以便优化工件WS的加工。例如，加工的调整能够包括刀具轨道WP的调整，以便补偿工件WS的期望的目标尺寸的偏差，尽管在适当情况下出现尽可能高的力。特别地，另外的计算装置NS对于补偿能够考虑机器M的一个或多个刚度值。机器M的刚度越低，这种偏差的可能性通常越大并且这种补偿就越重要，以便能够实现足够高的工件质量。
该方法的不同的实施方式具有可选的步骤500，在步骤中由例如安置在机器M处的传感器(未示出)检测传感器数据并且传输给另外的计算装置NS。根据检测到的传感器数据，另外的计算装置NS例如能够更准确地调整加工和/或修改预期的力与至少一个配置参数之间的关系，使得实现更高的准确度。特别地，传感器能够包括位置传感器或定向传感器，位置传感器或定向传感器检测刀具WZ的实际刀具轨道与期望的刀具轨道的偏差，期望的刀具轨道例如考虑根据关系计算的力。替代地或附加地，传感器能够检测机器M的驱动器的电变量(例如电流)、特别是机器M的驱动器的马达电流和/或主轴电流并且基于该电变量调整加工或者调整预期的力与配置参数之间的关系。
用于计算力的数学方法在不同的实施方案中能够至少部分地基于经验公式和过程力参数，例如在Altintas 2000或Engin 2001中描述了该经验公式和过程力参数。
在上述示例中，只要借助于计算装置CS离线地得出交互数据ID和在预期的力与至少一个配置参数之间的关系，就在关系中仅保留至少一个配置参数、特别是作为参数的进给速度。相反地，基于关系和配置参数的当前值借助于另外的计算装置NS在线地进行力的计算。与已知的方案相比，这种分配提供了提高的灵活性，因为能够在加工前不久或在加工期间确定或改变至少一个配置参数，并且交互数据ID或力和配置参数之间的关系如之前恰当地对出现的力建模。此外，由此在加工期间最小化计算耗费，因为在加工期间已经给定在力与进给速度或其他配置参数之间的关系，并且仅还必须考虑参数或因数的具体值。
在替代的实施方式中，同样在线地借助于另一计算装置NS执行可预期的力与配置参数之间的关系的确定的至少一部分。在一种情况下，仅离线地进行交互数据ID的确定并且在线地进行全部其他的方法步骤。该分配在加工时提供最大的灵活性，因为仅在加工前确定关于刀具WZ和工件WS的纯几何信息。另一方面，由此提高了加工期间的计算耗费。
因此，在另外的实施方式中，能够离线地执行关系的确定的中间步骤，尤其对于部段A1至AN中每一个，并且沿着刀具轨道WP存储该中间步骤或者将该中间步骤传输到另外的计算装置NS处。以这种方式可行的是，根据制造中可用的资源、优先级或其他条件相对于在加工中必需的灵活性权衡必需的在线计算耗费。
对于该方法，例如能够以加密的形式提供用于确定交互数据ID的刀具WZ的精确几何形状，例如以便防止向第三方的不允许的信息泄露。这同样适用于其他敏感数据。
在图3中，示意地且示例性地示出工件WS，该工件利用常规的CNC铣削方法以及利用根据按照改进设计的方法优化的方法。
工件WS被设计作为阶梯式工件，该工件因此具有多个区域B1、B2、B3、B4、B5，该区域具有不同的、但分别恒定的高度。此外，工件WS具有例如矩形的基本形状。工件WS的具体形状仅用于说明并且仅可理解为不以任何方式限制的示例。
当前示例中的加工的目的是，通过工件WS的直线切削，其中，切削不同的区域B1至B5。根据方法执行第一切削SN1，借助于根据改进的设计的方法优化该第一切削SN1。特别地，与之相关的参考图1和2的实施。在加工期间，以描述的方式重复计算作用于刀具WZ上的力并且调整加工，使得调整刀具轨道以便补偿期望的刀具轨道、即直线切削的偏差。得到的实际刀具轨道WP1极其良好近似地对应于直线。
在图4中绘制实际刀具轨道WP1与直线切削的所属的偏差E1。在此，在水平轴线上例如以mm为单位绘制沿着工件WS的切削轴线的位置并且在垂直轴线上同样例如以mm为单位绘制实际的刀具轨道与直线切削的偏差。在所示的示例中，误差E1的大小在明显小于0.2mm的范围中在整个第一切削SN1上移动。
在图3中示出另外的切削SN2，借助于传统的铣削方法执行该切削。由于区域B1至B5不同的高度，作用于刀具WZ上的力沿切削SN2、即沿相应的刀具轨道WP2变化。这引起，例如垂直于切削轴线出现了直线切削的偏差，例如相应的区域B1至B5的高度越大，则该偏差就越大。由于机床总是具有有限大的刚度且缺乏相应的补偿，这引起第二刀具轨道WP2的偏差，例如，相应的区域B1至B5的高度越大，则该偏差就越大。
与第一切削SN1相比，产生的切削SN2与期望的刀具轨道明显更强地偏差。这同样在图4中说明，在图中绘制第二误差E2，第二误差类似于误差E1表示例如以mm为单位的实际刀具轨道WP2与沿着切削轴线的直线切削的偏差。可见的是，误差E2沿着刀具轨道WP2连续地增加并达到约1.2mm的最大值。
如所描述的，根据改进设计，能够改进工件的数控加工的制造质量，其中，给出加工的更高的灵活性。
因为能够明确地考虑和补偿机床的刚度，能够在机床的购置、安装或面积要求方面实现成本节约。此外，实现关于例如工作空间或移动性的更高的灵活性，尤其在工业机器人的使用中，能够补偿该工业机器人的低刚度。在不同的实施方式中，所描述的优化表示闭合的调节回路，该调节回路能够包括借助于模型对刀具或工件或机床的物理行为的预测并且因此能够预测可能的偏差。通过将计算分配为在线和离线部分，以高的准确度调整加工是可行的，而无需在加工工件期间的非常高的计算要求。能够放弃手动校正、例如通过在构件制造之后调整机器代码。
通过在过程期间进行计算，能够在加工过程之前不久确定不同的参数，例如工件的位置或机器的选择或进给速度。通过与相应的传感装置的可选的组合，甚至能够在过程期间确定参数，例如，特定的材料相关的过程力参数，使得能够取消具有相应的样品切削的耗费的校准过程。
不同的实施方式使用在加工之前模拟的过程力、马达力矩和主轴力矩与在工件加工期间测量的马达力矩和主轴力矩相比较。
通过考虑多个工件刀具组合可行的是，在多台机器上处理相同的程序代码，并且实现机床的灵活选择。
如所描述的，能够在CAM系统上执行所描述的离线计算。替代地，能够考虑借助于云平台、在NC/RC控制器附近的硬件上或直接在NC/RC控制器上进行离线计算。
借助于所描述的基于模拟的控制器，通过补偿通过机床有限刚度引起的机械推挤，一方面能够应用成本低的机器，另一方面实现(例如工业机器人的)复杂运动链的动力学，并且因此实现更复杂的刀具路线或更大的工作空间。
机械系统、例如机器人的这种灵活使用暗含的优点为，如通过更大的运动自由度的产品的更大的复杂度，例如更复杂的底切或更大的工作空间。
Claims (22)
1.一种用于通过刀具(WZ)对工件(WS)进行数控加工的计算机辅助的优化的方法，所述方法包括
-在加工开始前得出交互数据(ID)，所述交互数据描述所述刀具(WZ)与所述工件(WS)在刀具轨道(WP)的部段(A1、A2、...、AN)中的几何交互；
-基于所述交互数据(ID)确定在所述加工期间预期的力与所述加工的至少一个配置参数之间的关系；
-基于在所述加工期间的所述关系和所述至少一个配置参数的当前值计算所述加工期间的力；和
-根据计算出的力调整所述加工。
2.根据权利要求1所述的方法，其中
-得出在加工期间预期的切削厚度；和
-基于得出的切削厚度确定所述关系。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，应用图形处理器得出所述交互数据(ID)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，至少部分地在所述加工开始之前确定所述关系。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，对所述加工的调整包括校正所述刀具轨道(WP)。
6.根据权利要求5所述的方法，此外还包括：
-在加工期间检测传感器数据；和
-根据传感器数据调整用于力的计算的关系或模型。
7.根据权利要求6所述的方法，其中
-根据所述传感器数据确定根据校正过的所述刀具轨道的所述刀具(WZ)的实际位置与目标位置的偏差；和
-根据所述偏差调整所述关系或所述模型。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，根据用于执行所述加工的机床的一个或多个刚度值来校正所述刀具轨道(WP)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，机床构造为机器人，所述机器人能够引导用于加工所述工件的所述刀具。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述交互数据与所述至少一个配置参数无关。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述交互数据的得出包括利用模拟的刀具切削模拟的工件。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述切削包括布尔运算。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的方法，其中，为了得出交互数据而识别模拟的工件的元素，在所述刀具轨道的部段期间由模拟的刀具的点接触或切削所述元素。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，在所述加工之前确定所述至少一个配置参数的所述当前值。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，在所述加工期间改变所述至少一个配置参数。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中，在所述加工期间确定、尤其测量或从存储器中读取所述至少一个配置参数，以便在所述加工期间计算所述力。
17.一种用于通过刀具(WZ)对工件(WS)进行数控加工和用于所述加工的计算机辅助优化的控制系统，
-所述控制系统包括电子计算装置(CS)和另外的电子计算装置(NS)，所述电子计算装置被设置用于得出交互数据(ID)，所述交互数据描述所述刀具(WZ)与所述工件(WS)在刀具轨道(WP)的部段(A1、A2、...、AN)中的几何交互；
其中
-所述计算装置(CS)和/或另外的计算装置(NS)被设置用于，基于所述交互数据(ID)确定在所述加工期间预期的力与所述加工的至少一个配置参数之间的关系；并且
-所述另外的计算装置(NS)被设置用于
-在所述加工期间，基于所述关系和所述至少一个配置参数的当前值计算在所述加工期间的力并且根据计算出的力来调整所述加工。
18.根据权利要求17所述的控制系统，其中，另外的计算装置(NS)被设置用于，在所述加工期间独立地、尤其在不用计算装置(CS)的情况下控制所述刀具(WZ)。
19.根据权利要求17或18中任一项所述的控制系统，其中，用于得出所述交互数据(ID)的电子计算装置(CS)具有图形处理器。
20.一种用于通过刀具(WZ)对工件(WS)进行数控加工的机床，其中，所述机床具有根据权利要求17至19中任一项所述的控制系统。
21.根据权利要求20所述的机床，具有
-用于计算机辅助制造的系统，所述系统包括电子计算装置(CS)；和
-数字控制器，所述数字控制器包括另外的电子计算装置(NS)。
22.一种包括命令的计算机程序，所述命令在通过计算机系统、尤其根据权利要求17至19中任一项所述的控制系统执行所述程序时，促使所述计算机系统执行权利要求1至16中任一项所述的方法。
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