CN101689049B - 带有用于在复杂轨迹上连续运动的、冗余的、平动作用的轴的测量机或机床 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量机或机床，或一种用于运行这种带有用于在任意复杂的轨迹上几乎连续运动的、冗余的、平动作用的轴的机器的方法，其中，各个较长的分轴能够在相对大的测量或加工空间上实现相对低加速度的分运动，而各个较短的分轴基本上仅执行具有基本上恒定的总测量速度或加工速度的总运动的这样的运动分量，该运动分量要求加速度超过为基轴确定或设定的最大值，其特征在于，在每个通过冗余作用的分轴工作的机器轴中，附加轴的加速度确定总运动期间中的加速度可能性，即便在沿着任意复杂的轨迹、很大程度上恒定的测量或加工速度时，其中，各附加轴的运动空间，测量装置或工具相对测量物或加工物所追求的恒定运动速度和基轴的所述最大的加速度这样地相互协调，使得所述附加轴的运动空间基本上足够作为路程，以便在所述的追求的恒定速度时以基轴的所述最大加速度实现运动速度的至少一次完全符号变化，并且，所述附加轴的最大运动速度至少接近所追求的恒定速度的两倍大。

Description

带有用于在复杂轨迹上连续运动的、冗余的、平动作用的轴的测量机或机床
技术领域
在测量机和机床的开发中，越来越多地使用冗余的、平动作用的轴，即这样一些轴，其相叠置地构造或相互作用、可在空间中并联地相对运动，其中，在具有相对长的运动间隙的基轴上或者在相对于所述基轴设置一个或多个具有相对短的运动间隙的附加轴。
背景技术
这样的可冗余地在相同方向上叠加地运动的轴提供以下可能性：在测量机或机床相对于测量物或加工物的连续运动曲线中使基轴的较大运动间隙与短程的并因此较轻地构造的附加轴的较高加速能力相结合。
这种设计的一个例子是专利EP 594699B1(Ehlerding)。在所述的专利中提出使用平行定向的、重叠作用的轴装置，以便能够在这种机床中在可较小加速的、长程的轴的整个工作区域中实现轻的、短程的轴的高加速度，所述机床优选设计用于在两个或三个相互正交定向的轴上加工扁的或平的工件。
由该公开文献已知，在此称为附加轴的较短的分轴可以由一可在材料上方运动的机架支撑，该机架带有支撑附加轴的运动单元，所述运动单元又在机架上顺着运动，或者也可以借助于基轴使材料运动，其中，一刀具借助于附加轴又可以与由基轴引起的运动无关地相对于材料运动。同样，也可想到一个或多个附加轴，其支撑刀具，在作为基轴的固定机架上在材料上方顺着运动，而材料借助于另一个与机架正交地定向的基轴在机架下面顺着运动。
公知的是，替代机架，也可以将带有运动的或静止的支撑件的横梁或可运动或静止的臂或悬臂用作附加轴的支架，并且，所有提及的轴配置也与通常的情况不同，其中，基轴优选可以使重的机械部件或重的测量物或加工物在水平面上运动，也可以具有空间上的其它方向。
替代测量装置或刀具，轻的或小的测量物或加工物也可以通过附加轴支撑并通过基轴和附加轴的总运动沿测量装置或刀具导向，而为此无需基本的其它坐标系。
此外，例如由WO 2006/75209A2(Gattiglio等人)已知，附加轴尽管在物理上相互正交地定向，并且共同在一个借助两个基轴定向的平面上运动，然而，物理的附加轴在该运动面中并不平行于所述基轴定向，例如，如在WO 2006/75209A2中一样在公共的运动平面中相对于基轴转过45°。
轴的冗余的、平行定向的作用在此基本上也易于实现，因为即便是普通的技术人员也能借助于最简单的恒定作用的模拟的、数字或计算机技术上考虑的乘法元件毫无问题地设置为此必需的、在两个借助物理轴向定向的笛卡儿坐标系的方向之间的固定变换。
此外，由现有技术已知，也可以使用能以通常很小的角度值回转地运动的装置来替代线性运动的附加轴，使得借助于旋转点和测量点或加工点之间的足够间距形成测量装置或机床的与测量或加工相关的元件的足够近似线性的运动。
如果集束的辐射能(大多是激光束)借助于可摆动的发射镜或其它偏移元件偏移到加工位置，则为此使用一种变型。
这种意义上的附加轴例如在文献WO 96/29634A1(Cutler等人)中详细说明，为此尤其示意性地参见其图2和图4。
关于附加轴的类似机械关系也可考虑用于其它的刀具(例如可旋转的铣削头)或相应的测量装置，其中，常常可以附加地沿刀具轴或例如测量探头轴运动，也为了补偿与对应基轴的精确平行的运动的偏差。
同样由美国专利5910260(Gerber)公开了一种类似的轴配置，带有称作“束变换器(beam shifter)”的用于激光束的偏移单元。在那里给出了关于协调的教导，即，起支撑作用的基轴驶出额定轮廓的详细程度较小的版本，而附加轴根据基轴的轨迹中缺少的细节补充地运动。
然而，这实际上是任务描述，而不是问题的技术解决方案，因为在此完全不清楚，如何产生单独的运动分量和如何能够在技术上实现两个轴类型的足够的同步和有效的协调。
在该专利中，所有在说明书和权利要求书中提及的为此的解决方案不能保证在刀具相对于材料的运动速度很大程度上恒定的同时有效地利用附加轴。
要么规定减缓基轴的运动速度，以便附加轴能够以额定速度驶出细节，并实现恒定的加工参数(其权利要求15，最后一个分段)，要么在使用附加轴期间使加工速度加速(其权利要求16，最后一个分段)。
在该专利中，如其说明书第4栏，第43至54行所述，细节(“特征”)既可以是用于基轴的运动的、与额定轮廓分开的差值，也可以是固有轮廓，该固有轮廓与基轴的运动同步地在一定位置处单独地设计。
然而，所有这些都未形成在技术上可行的有效解决方案。所述“特征”应设计成具有比其余加工更高的速度，这与以尽可能高的速度有效地、均匀地加工的常见目的完全相反，因而没有意义在此继续深入讨论这种可能性。然而，仅仅指出以下情况同样也是不够的：在使用附加轴实现“特征”时，为实现均匀的加工速度，基轴的速度应减小。
一方面，这是完全非技术人员根据最简单的加就已经能想到的。另一方面，从中连用于轴的相应协调的功能设计的最少信息都得不到。
由专利文献US 5910260不可能得出即便粗略的规则：如何与附加轴的运动相适应地减慢基轴的运动，以便获得很大程度上恒定的加工速度。
对于相应分轮廓的由于基轴和附加轴而从一开始就分开的加工，现有技术也没有公开这种规则，但是没有这种规则，就不可能实现相应的轴协调。
没有说明两个仅仅几何定义的分轮廓如何在分系统的同步运动中再次组合成额定轮廓中。这是一个在时间进程中的复杂过程，迄今为此没有适合于该复杂过程的现有技术，该现有技术可使技术人员显而易见地用于该复杂过程。
在专利文献EP 1 294 544 B1(Sartorio)中示出了另一种配置，并且相对之前的现有技术的新颖之处在于教导可高加速的附加轴的可两轴地线性运动的、并联运动的结合，这尤其导致这样的优点，即，在如此实现的机器的两个水平的主运动方向上存在就此而言类似的运动学关系，这能够提高二维刀具运动的效率。
然而，关于同时运行的轴的实际协调同样公开甚少。仅仅提及一些在分轴协调时应遵循的基本边界条件。在专利EP 1294544B1中从说明书的第[24]段至第[39]段以及在独立权利要求中对此略有说明。
尤其认为重要的是(说明书第[36]段)，基轴可以比最高加工速度明显更快地运动。
这应导致在同时的总运动的过程中，在附加轴高加速地超前之后并且在重新高加速之前，基轴可以再次赶上，并因此附加轴不在下一次运动之前就已经处于其最大运动区域的边缘，因此不能再或不足以继续高加速协调地同时运动，并且因此可能出现不希望的不连续性，尤其是在刀具作多维运动时。
但是关于应如何实际地协调分轴的叠加运动，在EP 1294544B1中没有其它的信息。
因此，该文献在相应机器的实际设计中也少有帮助，因为完全不清楚应如何以及从那些条件得到用于设计各个部件的各个数据。
没有一个地方建立了刀具相对于材料的运动速度、基轴和附加轴的最大速度、加速度和附加轴所需要的运动间隙之间的取决于这些参数的关系。
由说明书的上述部分得出的唯一信息是以下教导：基轴的最大速度必须明显高于刀具速度，并且可由所述条件和公知的机器数据的前提建立起必须的方程式，以便确定还未公知的机器数据。
显然基于该尚不完整的教导，在EP 1 758 003 A1(Cardinale等人)中提出了轴的协调，其一方面按照相反的运动学原理以高度抽象的数学方法使用运动机构的冗余自由度，但另一方面在实际可行地阐述的实施例和权利要求中并没有提供相对现有技术真正新的东西。
但尤其对于适合这种方法的机器的可能设计方案而言示例性地重复了在EP 1 294 544 B1中可读到的内容：基轴的最大速度选择地明显比附加轴的最大速度更高(见EP 1 758 003 A1，说明书，第32段和权利要求9)。
与之相比，除了用于为分轴的从一开始就协调地划分成各个加速区域的运动产生分开的控制信号的频率划分方法之外，来自EP 594 699 B1的较早现有技术还公开了在设计这种机器时的重要的边界条件，这些边界条件对每个以最大工作速度移动的轨迹轮廓也没有限制，应对于基轴的总运动区域实现附加轴的完全的加速能力。
因此，在EP 594 699 B1中指出了附加轴取决于刀具速度和基轴的加速能力的最少需要的运动自由度。为此参见说明书第4栏，第27行至第51行。
并且，作为该方法的重要补充，轴的总运动可关于加速度分成各种分量，在EP 594 699中附加地表明，在这种配置中，替代对应分轴的单独反馈，也可以为由叠加的部分组成的轴使用关于位置和速度的和信号来进行反馈。
这尤其提供了这样的优点：由此也自动地获得了对应总轴的负反馈动态性，该负反馈动态性相应于可高加速的附加轴的动态性，因此，较小加速的基轴的运动偏差也由具有高动态性的总额定轨迹修正。
但是，该说明书在一些方面不完整并且存在一系列的问题，其对叠加的轴的协调的细节未作回答。
在一个与迄今所述的现有技术相近的主题领域，具体是在机床或其它运动装置中通过常见的非常短程的运动元件主动补偿运动中的额定偏差，已经存在多种现有技术，其中，所述的短程运动元件大多可以看作是平行于机器轴定向的附加轴。但这在此基本上限于对误差的主动修正，该误差由质量大的运动元件在高加速度情况下常见的结构弹性变形、振动和调节问题产生。
很一般地考虑，美国专利5 801 939(Okazaki)在其说明书中通过分布广泛的事例(从EDV中的读取头的调节一直到机械制造)从根本上论证了这一问题。
因此，在该专利中提及一更早的、1991年10月1日的现有技术，其在此参照图9，从第3栏第5行至第18行和从第4栏第35行至第46行关于短程运动元件的一直尽力追求的中心位置公开了一种可通用的解决方案，其中，短程的运动元件的位置初始信号在经过积分元件之后被加入到相应的机器轴的输入信号中。因此，根据由积分元件确定的时间，在总运动的非加速阶段期间，实现短程的元件平稳到其零位，由此以可常用的方式解决了重叠运行的轴的协调的常见边缘问题。
美国专利5109148(Fujita & Bamba)同样属于所述的相近技术领域。其中同样公开了一些关于轴的叠加运行的、与现有技术相关的内容。其复杂性和功率逐步上升，描述了一种原理上常见的适用于控制叠加的轴的调节模块。
参考附图中图3(b)至图6，以及图8和9，在实施形式部分首先为优选实现的发明变型说明了一种相对简单的与位置有关的调节模型，然后，该模型在图4中被扩展，以考虑小加速度的分轴的速度分量，这在图5中进一步细化为速度误差信号，并最后在图6中相应地也包含了加速度分量。
然后，参考图8和9说明对可两轴叠加地运动的机器的调节，其中，附加地考虑：在一轴上，附加轴由基轴支撑，因此，根据支撑的基轴的加速度对受支撑的附加轴的加速度分量施加附加的信号。
现有技术中的这些例子表明：平行定向的轴的叠加运动基本上可按照现有技术协调地经过给定的额定路径，并且如调节分支一样，叠加作用的驱动器相互之间可以通过调节量的关联影响，以便改进整体调节性能的质量，从而实现总运动系统的轨迹精确性和加速能力的改善。
专利DE 101 567 81 C1(Heinermann等人)公开了相同发展方向上的另一细化的变型。相对迄今为止所述的现有技术，该专利中权利要求6至10和12尤其有意义，因为在前述文献中还没有公开：直接由附加轴驱动的刀具的TCP(刀具中心点)的位置确定也可仅仅通过对加速度测量的分析评估推导出，在此优选设置一高通滤波器，以抑制引起干扰的连续信号，例如在不完美的水平定向时由重力影响产生。
三个最近述及的文件是现有技术，与开始所述的例子有明显的区别，然而共同点在于，它们明确地涉及非常短的附加轴，其用于通过常见的机器轴或共同的机器结构对运动误差进行补偿：
美国专利5 801 939说明书第7栏，第32行至第35行，“The finepositioner...”
美国专利5 109 148说明书第5栏，第29行至第30行，“By the way...”
DE 101 567 81 C1说明书第[24]段，第三点“-der Zusatzantrieb...”
在这些文献中公开的现有技术同样是相同的，即，附加轴运动的目的都是用于补偿待修正的具有较小加速度的或具有较粗略的可定位性的基轴的运动偏差。
在美国专利5 109 148中仅描述了：可以通过“平滑滤波器”为基轴卸载大的加速力，这些加速力然后通过附加轴的补偿运动吸收，但没有深入到具体细节。为此参见其权利要求5和说明书第5栏第16行至第34行。
其中在一段中自第31行起也提及了组合两个叠加的轴部分的运动到总运动。
尽管抽象地看，在两个平行定向的轴同时运行时显然总是这种情况，但在此启示结合“平滑滤波器”，因此除了借助于EP 594 699 B1中的滤波器对分运动进行所述的频率划分，还公开了一种类似的器件，该器件基本上同样适用于分轴的前面设计的、分布在对应不同加速度区域上的运动，与通过更高加速度的附加轴简单地修正或补偿小加速度的基轴的额定偏差不同。
因为在US 5 109 148中没有详细深入说明这种基本的可能性，其也就缺少如下启示：在哪些其它条件下可运行，该运行对于每个以工作速度经过的轨迹曲线没有明显的限制，附加轴的整个加速可能性对于基轴的整个运动区域都能实现。
在那里，基本构思在于通过附加轴补偿或修正主轴的偏差，因此对于主轴和附加轴的基本上均匀的运行以及对于优化地共同利用两种轴类型的特性没有给出解决问题的技术教导。
对于已经提及的文献WO 96/29634A1，尽管说是不仅通过附加轴进行误差补偿(例如见第1页，第18至22行)，然而实际上没有提供关于多级的定位装置的通用教导，其超出了由美国专利5 109 148已经公开的范围。
在说明的过程中更准确地获知协调应如何发生：当相对加工物后退的轨迹段，该轨迹段由所谓的“Delta Process”(其图2、70)借助后续的处理阶段给出，比高加速度的附加轴的运动间隙的25％更短，因此，加速度和速度的极限值针对附加轴的极限值适配，此外与基轴相适配。(见其第10页，第16行至第31行)
然而，这种相当粗略的方法仅适于在此探讨的、在加工点的序列上的逐步定位，而不能用于测量装置或刀具在复杂轨迹曲线上的连续运动。这也适用于其中所描述的其它例子。
如已经述及的那样，其它述及的文献也没有公开可用于此的知识，因此，迄今仅在EP 594 699 B1中完全提及第一条件，该文献公开了关于基轴和附加轴的必要的设计的现有技术，其超出了实际很少利用的抽象或试验说明，或者需要通过附加轴纯粹地补偿基轴的额定偏差。
在此尤其涉及根据追求的工作速度和小加速度的基轴的最大加速度确定附加轴所需的运动间隙。
附加轴的速度与追求的测量速度或加工速度成比例是有意义的，关于此在现有技术中同样没有系统的说明。
在原始的针对纯补偿的文献中，由于短的运动，间接的启示总归仅允许小的速度，与该轴物理上是否能够有更高的速度无关，而在EP 1 204 544B1中尽管存在必须相对加工速度增大基轴的速度的启示，但没有关于附加轴必须的速度的启示。即便是其中所述的“最苛刻的情况”([33]段，图4)附加轴最多要求预计的加工速度，但这也没有详细说明。后一点也适用于EP 594 699 B1。EP 1 758 003 A1在上面已经相应地述及。
如本发明的发明人现在重新检索表明：在现有技术中没有这样地考虑苛刻的运行状况，即，其中给出的设计足以在追求的恒定测量速度或加工速度很高时对于总轴的每个可考虑的运动有效地发挥附加轴的加速潜力。
发明内容
因此，本发明的目的是：从在测量机和加工机中应用冗余的、平动作用的分轴的现有技术出发，公开一种这样的机器的构思或一种方法，其适合于：就测量或加工而言，对于总轴的每个基本可能的运动在低加速的分轴(在此称为基轴)的运动区域内不受限制地有效发挥高加速的分轴(在此称为附加轴)的加速潜力直至最大适合的测量速度或加工速度。
该发明目的通过具有权利要求1的特征的测量机或机床实现。具有权利要求17的特征的测量机或机床、具有权利要求9的特征的方法和具有权利要求18的特征的方法也落在本发明的范围内。
对于以叠加的轴部分的同时运动来工作的冗余的、平动作用的轴装置的变型，当连续的运动曲线超过区域边界，即较短的高加速度的轴部分(附加轴)的区域边界时，得到最大可能的加速度的边界和恒定的工作速度的边界。
该速度边界主要取决于附加轴的所述区域边界之间的距离和加速度较小的基轴的最大可能的加速度。对此，在EP 594699B1中已经给出一个近似公式。然而，该公式仅对于这样的运动是正确的，所述运动在待协调的平行指向的轴组合内部沿一个方向运动。不考虑明显前后相随的反向运动时的关系。
对于以最大的测量速度或加工速度运动的情况，从该现有技术已知，基轴需要的路程S为Vbmax2/2Bb，其中，S为加速路程，Vbmax是最高的测量速度或加工速度，而Bb是基轴的加速度。最迟在这些路程过后，基轴能够承担完整的运动，使得在该加速过程中承担偏差速度的附加轴必须在其运动区域(Sz)内几乎原路返回。
然而，如果从该运动出发发生方向逆转并且发生将再次超过附加轴的运动区域的相对边界的运动时，则基轴在相同的加速度下需要两倍的时间来重新在另一方向上到达所追求的速度，因为现在相对于额定运动的相对速度是两倍大。
结果是，附加轴现在必须回退四倍的路程，因为附加轴(略为简化地)必须以双倍的速度启动，以便在相反方向上补偿基轴的超额的运动，直至基轴再次达到额定速度。
因此得出：首先，附加轴的最小所需的运动自由度(Sz)必须为几乎4×Vbmax2/2Bb，即化简为2×Vbmax2/Bb，以便能够在每个位置中运动适宜地补偿支撑的基轴；其次，附加轴必须短时间地以至少接近于两倍测量速度或加工速度运动。
与这些值是否可以视应用情况而定在细节上稍小地下降无关，按照所列举的现有技术大多附加地考虑：附加轴的初始位置优选位于其运动区域的中心，因此人们只需要对到运动区域的边界的距离做一次加倍，由此当基于迄今为止的现有技术在测量速度或加工速度Vbmax下对于每种可能性应保证对附加轴的完整加速度潜力的利用，得到附加轴的最大所需的运动间隙总共为4×Vbmax2/Bb。
(按本发明的不同于此的例外将在下面探讨)
反之，可以在附加轴的运动间隙给定且基轴的加速度已知的情况下相应容易地粗略地确定测量运动或加工运动的不严格的最大速度，因为上述公式的转换得出：Vbmax＝SQRT(Sz×Bb/4)。(SQRT＝平方根)
该说明仅近似地正确，因为在此为清楚起见，不额外地考虑附加轴有限的加速能力。
在附加轴的加速度值相对高时，以足够好的近似获得了附加轴所需的运动间隙的和非严格的最大测量速度或加工速度的、按上面的公式确定的值。
当要考虑两种轴类型的加速度时，相应的公式应为：
Sz＝4×Vbmax2×(1/Bb-1/(Bb+Bz))，
Vbmax＝SQRT(Sz/4×(1/Bb-1/(Bb+Bz)))
附加轴所需的最高速度相应计算为：
Vzmax＝2×Vbmax/(1+Bb/Bz)
在此要考虑的是：Bz表示附加轴的加速度数值，该加速度数值通过对应的附加轴实际上增加了刀具和加工物或测量装置和测量物之间的相对运动。
这尤其在相互支撑的相同指向的轴时可注意到，因为在这种情况下，基轴的加速度数值所需的力，即便并联地作用在附加轴上，也不产生附加的运动分量，而是仅在超过用于均衡基轴的加速度的力时才导致相应的相对运动分量。
这一点在平行定向的叠加运行的轴中被考虑，这相应有现有技术，如上面已经在美国专利5109148的例子中参照其附图9提及。
上述公式由此出发，即，相应于绝大多数公开的现有技术，测量装置或刀具在较短的分轴的运动间隙内部的中心位置被认为是在无加速度的总运动中追求的静止位置，并且，从中心位置出发的运动间隙(即Sz/2)应始终足以能够执行速度的完整的符号变换(从+Vbmax到-Vbmax或相反)，而不超出运动间隙(Sz)的边界。
然而，这种状况在从属权利要求中探讨，因为独立权利要求中的撰写实际上是普遍适用的，因为其在每种情形下都适用，即便根据附加的按本发明改进的用于轴运动的协调方法规定：在无加速度的总运动中，测量装置或刀具在较短的分轴的运动间隙内部追求的静止位置在对应的轴上朝总运动的方向移动到中心位置之外，具体是优选使得：在所述总运动相应于对应轴上最大可用的速度时，与中心位置的所述偏差基本上正好相应于最大可能的偏移。
这种与常见的轴协调附加叠加的影响导致：较短的分轴的运动间隙始终刚好在这样一个方向上可用，该方向是较短的分轴之前的加速度相应相对需要的，也就是与当前的总运动相反，此外，与一定要追求中心位置相比，这也不要求明显附加的耗费，而实际上是一种与此相同耗费的替代方案，但是具有大的优点，即，根据选择仅需要用于附加轴的运动间隙的一半，或者可以有相应更高的恒定加工速度，通常附加轴也相应地可双倍快地运动。
这种发明变型获得了其它优点，因为基轴的速度不再必须暂时性地比所追求的测量速度或加工速度更高。
优选应考虑的是：附加轴的用于使轴协调的运动间隙取比相应于物理的可偏移性的运动间隙更小的数值，具体而言优选至少在每个方向上减少这样一个数值，该数值相应于由加到额定信号上的修正信号引起的对应轴的最大偏移，例如由预补偿或负反馈得出。
本发明是可以实现的，其方式是将机器直接设计或优化为第一权利要求中所列的特征，或者借助方法权利要求使得具有相应的冗余可用的轴的任意机器协调，例如在CNC控制装置的相应运行模式中，该运动模式提供了按本发明的运行，在该运行中，恒定的加工速度被设置为较小的值，要么约为附加轴的最大速度的一半，要么与附加轴的运动间隙成比例地与基轴的加速度相适应。
如果例如带有可叠加运行的平行定向的轴的机器设计成在一种运行中基轴具有等于或甚至大于附加轴的最高速度，则当在按本发明的运行过程中保证附加轴按照上述公式相对于实际使用的测量速度或加工速度足够快时，该机器仍能按本发明地运行。
通常这意味着：在同时保证附加轴的相应足够的运动间隙时，按本发明的运行可以具有直至附加轴的最大速度的约一半的测量速度和加工速度。
与迄今为止的现有技术的决定性的区别在于：第一次公开了机器的特性或相应的运动能力，使得：就测量或加工而言，对于总运动的所有可想到的运动走向在小加速度的分轴的运动区域内有效发挥高加速度的分轴的加速潜力直到最大适合的测量速度或加工速度，从而无限制地通过附加轴的加速度在基轴的整个运动区域上实现连续运动。
按照迄今公开的现有技术，可设计的有效运行仅这样才可能，即，高加速度的分轴可以用于修正或补偿小加速度的分轴的运动，这甚至也可能意味着加工速度和/或精度的增加，但是其几乎不成比例并且不具有通过按本发明设计和运行的附加轴获得的重要的附加优点。
例如在按现有技术的补偿期间，始终仅能针对基轴的基本加速能力实现渐进的加速度，而之前作为叠加运动设计的按本发明的运行允许尤其在复杂的待经过的轨迹上实现测量过程和加工过程等同数量级的加速度。
尽管这也基本上根据来自迄今为止的现有技术的其它一些文献考虑过。然而，其中没有充分或完全没有公开相应机器的按本发明的特征，因此迄今为止不可能基于公开的现有技术得到用于这种机器的完整技术方案和相应的运行。
在协调这种机器的轴时，可以部分地追溯到公知的、用于带有针对补偿的协调策略的机器的现有技术，这就是为何在此这么详细的讲述现有技术并因此阐明：本发明的应用也可以在没有大的开发耗费的情况下基于现有的机器实现，即便专门针对第一独立权利要求设计和优化的机器也能够完全包括本发明的可能情况。
从为此的最接近的现有技术出发，该现有技术在美国专利5109148中非常详细地、尤其是参照图3(b)至6以及8和9、从说明书第4栏开始探讨，对于轴的按本发明的协调，附加地需要：在那里称作为“平滑滤波器”的、关于速度低通型作用的元件不是设计成使得其仅仅用于其中仅模糊定义的基轴的动力总成的卸载，而按照本发明恰恰这样地设计，即，在给定对应附加轴的运动间隙和给定测量速度或加工速度时，相应地获得基轴必需的加速能力，使得附加轴在测量或加工的任何阶段都不会导致触控(Ansteuerung)，其在连续测量或加工时将超越附加轴的运动间隙的边界。
当然，这直到各基轴在物理学上实际可实现的加速度都是可行的和有意义的。
如果该低通作用的元件或其它限制件可调节地设置在基轴的加速度控制器内部或者以数据技术实现，则其可以附加地与分别对于测量或加工希望的速度相适应，使得加速度和运动的尽可能大的分量由附加轴承担，这总是同时也意味着基轴尽可能安静和低负荷的运动，因此相应减小了动态问题，如扭曲和振动。
为计算相应的值可以再次相应地变换前述的公式。
在化简的形式中，其为B＝4×Vbmax2/S，其中，B是用于基轴的加速度的所述限制元件的设定值，Vbmax是希望的测量速度或加工速度，而S是相应的附加轴的、由对应机构给定的运动间隙。
然后，附加轴具有相对工作速度至少几乎两倍的速度的按本发明的设计显然是其能够完全以至少几乎优化的方式实现的前提。
也始终优选这样的配置，其使相移元件的影响减小到一负反馈上，并且首先例如根据模型计算对已经预见的误差进行预补偿，以便总体得到尽可能小的负反馈，从而使不可避免的相移对振动贡献较小。理想的是完全预补偿所有出现的额定偏差/实际偏差，然而这大多不能以希望的精度实现。
当要求高精度时，通常强制需要至少附加的反馈调节。
此外，与通过本发明介绍的新颖性无关，与现有技术一样，预补偿的数据可以与实际确定额定偏差/实际偏差连续地适应，这可以进一步减小调节运行的轴配置由较小的必需的负反馈引起的振动倾向。
同样，造成振动的相移影响既通过相应的预补偿，也通过在负反馈路径中取决于频率的“逆转的”补偿来减小。
如果旋转地或并联运动地作用的分运动装置除了其典型的运动能力之外能够用于测量装置或刀具的冗余平动运动，或者能够仅仅在与用途相关地足够小的运动区域内用于测量装置或刀具的冗余平动运动，则也可以认为能够冗余平动运动。
最后说明控制的设计方案，其尤其适用于按本发明协调基轴和附加轴。
为此，首先在考虑附加轴的最大加速能力的情况下，在外部计算机或CNC控制装置中建立连续经过的轨迹的总运动轮廓。这种轮廓由尽可能短的轨迹区段组成，对于这些轨迹区段，在待考虑的轴上分别设定端点位置、速度和必要的加速度。
这在数据技术上可以以列表的形式、所谓数组的形式实现。在各区段的端点处所需的加速度由相对下一区段的方向偏差和追求的额定速度确定。如果在至少一个轴中获得了比各附加轴能承受的加速度更高的加速度，则将该加速度设置为最大值，并且使速度相应地适配。这例如也可以在轮廓角处设为值0。如果在这个步骤中到达这样一个点，在该点上速度值再次上升，也就是明显超过最小值，则标记该位置并且由此出发将列表中的数据反转地与计算的速度相适应，因为要考虑的是：在向前通过时计算出的速度在段与段之间要求的变化可能比实际通过各加速度可达到变化更大，因此这种反转处理
Figure G2008800190530D00131
可以延伸直至本身已要求假定没有速度减小的区段。这类似于汽车驾驶员以高速度在途中的情况，并且必要时在急转弯的远处就已经需要刹车。
其也涉及所谓的“前瞻”方法。从所述的标示的点出发，首先再次以减小的速度分别加上可实现的加速度值运行，直至到达这样一个点，在该点处又检测到了一个新的最小值，之后重复上述过程。这一直继续到待经过的轨迹的结束，直至建立好整个轮廓。
在测量或加工过程中，也可以事先对于足够长的对应实际区段进行所述的轮廓计算，作为集成在连续运动执行中的“前瞻(look-ahead)”，使得该方法既不会对于加工准备也不会被机器操纵者所察觉。
本领域技术人员一定惊奇的是，即便单独用于没有冗余作用的附加轴的机器，该方法步骤直至该点都同样良好。
然而，仅在按本发明设计的机器或在使用按本发明的方法时，即便在可叠加运行的轴配置中也能够没有问题地在此使用附加轴的相应极限值。
现在，这样建立的轮廓可以直接用于控制按本发明构造或加工的机器，该机器在其调节上例如相应于由美国专利5109148公开的现有技术那样，然而其中，在此优选并行于对调节性能的改善，附加地使用计算出的加速度值，以便通过直接与加速度传感器比较在附加轴上实现尤其没有延迟的负反馈。
但作为替代，轮廓数据可以在直接控制之前再次划分，即确定用于控制附加轴的数据和用于对应基轴的数据。在此，加速度数据优选作为划分标准使用，其方式是将具有比基轴的最大加速度更高的加速度的运动区段分配给附加轴，然而其中始终要注意的是：基轴已经分别包含有确定的位置、速度和加速度，将这些从总值中减去，从而使附加轴获得差值。然后，由此得到两个轮廓，其准确描述同步列表点，又得出希望的总运动。
如由EP 594699B1公开的那样，这在其功能上几乎相应于模拟的分频器，因此，在轮廓数据产生中已经结合了现有技术中其它可考虑的调节装置的细节。
由以下事实得到相对于简单模拟的或实际的分频器和类似的装置的一个优点是：为控制和调节目的确定额定运动的所有三个属性，替代仅一个属性，例如仅位置或仅速度，这也在现有技术的这一部分的扩展中实现了更精确以及更快的控制和调节。
然而，已证实的本发明的一个决定性的优点是：在附加轴的按本发明的设计中或者甚至在按其它标准设计的轴配置的、但按本发明的方法的运行中，既不需要人工方式也不需要其它自动的方法步骤来专门考虑特殊的轨迹几何形状，并且，轨迹几何形状的每个部分还能够以附加轴的全加速度通过。
基轴和附加轴的类型在机械上可以非常多样地实现。
对于基轴使用常见的线性驱动器、空心轴电机、齿条传动装置或滚珠丝杆，而对于附加轴，根据所需要的运动间隙和应用的规模尺寸，除了线性驱动器和尽可能直接驱动的滚珠丝杆之外，也可以使用压电作用的、动电作用的(音圈“voice coils”)、液压作用的或气动作用的驱动器。
同样，也可在窄的角区域内使用可绕一轴旋转或可并联运动地运动的机械部件作为相应直线作用的附加轴，例如可摆动的激光切割头或可并联运动运动的铣削头。
按照本发明，测量机和机床例如设计用于船舶制造或飞机制造，以便有利地测量和加工最高细节复杂度的最大部件，或这设计用于常见的尺寸，例如车身、洗衣机或电子电路的印刷电路板的尺寸，直至厘米或几分之一毫米级的尺寸，用于在显微镜系统技术、电子显微镜或纳米技术中测量待测量的或待加工的工件。
基本问题(尽可能不分割的工作空间与要考虑的细节的比例的大小)随着发展趋势一直在增加，同时在测量和加工速度在复杂轮廓和结构并因此相应复杂的轨迹上尽可能连续的情况下对最高加速度的要求也在增加。
尤其适用于按本发明的机器的加工方法是：焊接、切割、铣削、雕刻、标记、在平的材料(如钢板、塑料、玻璃、陶瓷、木料和织物)上敷设复杂的轮廓和结构。
同样，快速原型法是一种恰当的应用，尤其是这样的方法，在这些方法中切割层、小空间地涂敷材料，或必须通过尽可能垂直于材料定向的能量束加工，例如为了获得尽可能均匀和可准确重现的能量加入。
此外，本发明同样可以应用于以高速度精确加工极小的结构或以高速度精确地涂敷和去除极精细的细节，本发明也能用于所述领域中的测量和控制，其中，这些仅理解为示例，而不应以任何方式表示本发明的应用可能性的穷尽列举。
附图说明
本发明的优选实施例在附图中示意性示出并且接下来借助附图中的图详细说明。附图中：
图1示出带有可在两个轴向上运动的刀具和附加轴的机床，
图2示出带有五个轴向的机床，
图3a示出基轴和附加轴的非常示意性的视图，
图3b示出附加轴的运动间隙的视图，
图4a-c示出用于说明附加轴的按本发明的尺寸的图表，
图5示出用于说明附加轴所需的运动间隙的图表，
图6a-c示出用于说明附加轴在机器的另一种运行方式中的按本发明的尺寸的图表，
图7示出用于说明附加轴所需的运动间隙的图表。
具体实施方式
图1示出了一种机床10，在该机床10中位置固定地设置有一工件11。机架12可沿轴向13运动。在该机架12上设置有装置14，在该装置14上又设置有刀夹14’，该刀夹14’能够保持刀具。该装置14(和由此刀夹14’连同刀具)可在轴向15上运动。刀夹14’可相对该装置14同样在轴向13上运动。
由图1可见，(带有刀具的)刀夹14’具有比装置14更小的质量，该装置14可以称作滑座。带有所属驱动器的机架12是在方向13上作用的第一分轴并且被称作基轴，而带有所属驱动器的刀夹14’是在轴向13上作用的第二分轴，即附加轴。该基轴具有比附加轴更大的运动区域和更小的加速度。沿轴向13、15的运动通过控制器16控制。
在图2中示出了机床20，在该机床20中，臂21可沿轴向22运动。装置23可沿臂21在轴向24上运动。装置23附加地可在轴向25上运动。通过轴向22、24、25确定笛卡尔坐标系的X方向、Y方向、Z方向。悬臂26可在轴向27上旋转。在悬臂26上设置有作为刀具的激光切割头28，该激光切割头又可沿轴向29旋转。
在小的运动片段中，激光切割头28的运动基本上平行于轴向22，使得切割头28在一个范围内的运动可以导致与臂21在轴向22上的运动平行的平动运动，因此可以将激光切割头28连同其驱动器看作是(平动的)附加轴。
在图3a中再次非常示意性地示出了滑座30，该滑座30可相对于导向件33运动并且构成基轴或基轴的组成部分。在该导向件33上设置有装置31，该装置31构成附加轴或附加轴的组成部分。滑座30和装置31都可以在双箭头方向32上加速。在此，滑座30可以相对导向件33以加速度Bb(基轴的加速度)加速，而装置31可以相对滑座30以加速度Bz(附加轴的加速度)加速。基轴或滑座30的最大额定速度为Vbmax，而附加轴或装置31的最大额定速度是2×Vbmax。固定在装置31上的刀具或测量装置可以相对于工件至少以加速度Bz加速。虚线BG表示附加轴的运动间隙Sz的区域边界。
由图3b可见，对于设置在装置31中心的刀具，运动间隙Sz这样地构成，使得该运动间隙Sz并不相应于滑座30的宽度。在所示的情况中，运动间隙Sz相应于物理的运动间隙。然而，对于本发明的一些设计有利的是：选择较小的运动间隙Sz，其小于物理的运动间隙Sz。
在图4a-4c中示出的图表用于说明基本上按本发明的方法或用于确定按本发明的装置的尺寸。在理想情况下，刀具以恒定的速度相对工件运动。如图4a所示，这通过刀具相对于工件的恒定速度Vbmax表示。在运动方向变换时(从t3开始)应当理想地跳跃到数值相同的速度-Vbmax，该速度-Vbmax也应当是恒定的。
在图4b中示出了基轴的真实的速度曲线。在时间间隔t1中，基轴加速到其额定速度Vbmax。面积S相应于直到基轴达到其额定速度Vbmax时基轴所经过的路程。如图4a所示，为了使刀具获得相对于工件的恒定速度，附加轴必须在基轴的该加速阶段期间补偿基轴的加速度。这在图4c中示出。因为附加轴非常轻并且是动态的，所以可以近似地认为：该附加轴能够以跳跃的方式，也就是几乎以无限大的加速度跳跃到速度Vbmax。附加轴的速度减小的尺度必须与基轴的速度增大的尺度一样，直至间隔t1的结束。因此，附加轴的速度曲线下方的面积同样是S。
通常尝试在运动开始时将附加轴保持在作为其运动区域Sz的零点的中心位置上。如图5所示，附加轴在时间间隔t1期间从其中心位置偏移出来。时间间隔t1期间的偏移路径相应于Vbmax2/2Bb。
在基轴的速度几乎恒定的运动阶段期间，可以通过比最大额定速度Vbmax更高的速度(该速度的超高同时由附加轴补偿)使附加轴回到中心位置。该过程发生在时间间隔t2中。
在该例子中，在以恒定速度运动结束时接着一个完全的运动反向，使得附加轴必须首先相对基轴以2Vbmax沿相反方向运动，以便补偿基轴以Vbmax沿旧方向的初始运动。而在基轴被连续制动并继续沿负的运动方向加速期间，附加轴的速度相应地下降。因此，图表所示的、附加轴在时间间隔t3期间的面积(其相应于附加轴的偏移)的数值现在是在从静止状态运动的情况下的四倍，因此对于这种不利的情况得到4Vbmax2/2Bb的偏移，化简为2Vbmax2/Bb，该偏移必须在两个运动方向上可供使用，从而作为最小的运动间隙得出：Sz＝4Vbmax2/Bb。
类似于间隔t2，在t4期间也追求使附加轴回到其中心位置。
按照从属权利要求3至5，通过本发明的扩展方式获得附加轴的可用供使用的运动间隙Sz的有效利用。与之前描述的本发明变型不同，在这里在没有加速度或加速度很小的区段期间，不是追求在附加轴的中心位置中的零位，而是使所追求的零位根据对应的运动速度在该运动的方向上移动。这与前面的例子类似地在图6a-6c和7中示出，其中，图6a示出了额定速度曲线，图6b示出了基轴的分速度曲线，而图6c示出了附加轴的分速度曲线。图7示出了附加轴在其运动边界BG内部的运动。
在图5中，附加轴的每个高加速度的运动总是从0出发，与图5不同，图7中的起始点总是在已经存在的运动的方向上移动，在此通过点P01和P03示出，这些点在时间间隔t1和t3之后作为附加轴的高加速度运动的起始点。
显然，这样能够改善对运动间隙Sz的利用，这能够缩短Sz或者也能够实现更高的可用速度。
同时，附加轴到这样确定的静止点的回程运动也被最小化(见图6c与4c的对比)，并且，如图6b所示，也不必再为基轴设置超过Vbmax的速度余量。

Claims (17)

1.一种测量机或机床，带有用于在复杂轨迹上连续运动的、冗余的、平动作用的轴，
其中，冗余的、平动作用的轴形成总运动装置的相对于有待以任意方法探测或加工的测量物或加工物可线性运动的部分，总运动装置用于测量装置或刀具的至少二维的总运动，
其中，如果旋转地或并联运动地作用的分运动装置除了其典型的运动能力之外还能够用于测量装置或刀具的冗余平动运动，或者能够仅仅在与用途相关地足够小的运动区域内用于测量装置或刀具的冗余平动运动，则也可以视为冗余平动运动能力，
其中，每个可运动经过较长路程的分轴，在此称为基轴，允许在整个测量空间或加工空间上实现低加速度的分运动，并且，每个可运动经过较短路程的分轴，在此称为附加轴，仅执行总运动的一些运动分量，所述运动分量要求超过为基轴确定或设定的最大值的加速度，
其中，在每个以冗余作用的分轴工作的机器轴中，附加轴的加速度确定在沿着任意复杂的轨迹的总运动期间的加速能力，即使在测量速度或加工速度恒定的情况下，其特征在于，对应附加轴的运动间隙(Sz)、测量装置或刀具相对于测量物或加工物所追求的恒定的运动速度(Vbmax)和所述的基轴的最大加速度(Bb)被这样地相互协调，使得：
该附加轴的运动间隙(Sz)作为路程足以在所追求的恒定的运动速度(Vbmax)下以所述的基轴的最大加速度(Bb)执行所追求的恒定的运动速度(Vbmax)的至少一次完全的符号变换，
并且，附加轴的最大运动速度至少是所追求的恒定的运动速度(Vbmax)的两倍高，其中，测量装置或刀具在一个附加轴的运动间隙内追求的静止位置在对应总轴的总运动无加速度的情况下从中心位置出发朝总运动的方向附加地移动。
2.如权利要求1所述的测量机或机床，其特征在于，与所述中心位置的偏差的数值与所述总运动在对应轴上的速度相关。
3.如权利要求2所述的测量机或机床，其特征在于，当总运动的所述速度相当于在对应轴上的所追求的恒定的运动速度(Vbmax)时，与中心位置的所述偏差相当于最大可能的偏移。
4.如前列权利要求之一所述的测量机或机床，其特征在于，附加轴的用于使轴协调的运动间隙(Sz)取比相应于物理可偏移性的运动间隙更小的数值。
5.如权利要求4所述的测量机或机床，其特征在于，所述的运动间隙在每个方向上的缩小相应于由加到额定信号上的修正信号引起的对应轴的最大偏移。
6.如权利要求5所述的测量机或机床，其特征在于，所述的加到额定信号上的修正信号通过预补偿或负反馈产生。
7.一种用于测量机或机床的方法，该测量机或机床带有用于在复杂轨迹上连续运动的冗余的、平动作用的分轴，
其中，冗余的、平动作用的分轴形成总运动装置的相对于有待以任意方法探测或加工的测量物或加工物可线性运动的部分，总运动装置用于测量装置或刀具的至少二维的总运动，
其中，如果旋转地或并联运动地作用的分运动装置除了其典型的运动能力之外还能够用于测量装置或刀具的冗余平动运动，或者能够在与用途相关地足够小的运动区域内仅仅用于测量装置或刀具的冗余平动运动，则也可以视为冗余平动运动能力，
其中，每个可运动经过较长路程的分轴，在此称为基轴，允许在整个测量空间或加工空间上实现低加速度的分运动，
而每个可运动经过较短路程的分轴，在此称为附加轴，仅执行总运动的一些运动分量，所述运动分量要求超过为基轴确定或设定的最大值的加速度，
其中，在每个以冗余作用的分轴工作的机器轴中，附加轴的加速度确定在沿着任意复杂的轨迹的总运动期间的加速能力，即使在测量速度或加工速度恒定的情况下，其特征在于，在确定尚未定的通常为所追求的恒定的运动速度(Vbmax)的值时，对应附加轴的运动间隙(Sz)、测量装置或刀具相对于测量物或加工物所追求的恒定的运动速度(Vbmax)和所述的基轴的最大加速度(Bb)被这样地使用，使得：
该附加轴的运动间隙(Sz)作为路程足以在所追求的恒定的运动速度(Vbmax)下以所述的基轴的最大加速度(Bb)执行所追求的恒定的运动速度(Vbmax)的至少一次完全的符号变换，
并且，所追求的恒定的运动速度(Vbmax)并不比对应的附加轴的最大运动速度的一半更高，其中测量装置或刀具在一个附加轴的运动间隙内追求的静止位置在对应轴的总运动无加速度的情况下朝总运动的方向移动到中心位置以外。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，与所述中心位置的偏差的数值与所述总运动在对应轴上的速度相关。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，当总运动的所述速度相当于在对应轴上所追求的恒定的运动速度(Vbmax)时，与中心位置的所述偏差相当于最大可能的偏移。
10.如权利要求7至9之一所述的方法，其特征在于，附加轴的用于使轴协调的运动间隙(Sz)取比相应于物理可偏移性的运动间隙更小的数值。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的运动间隙至少在每个方向上的缩小相应于由加到额定信号上的修正信号引起的对应轴的最大偏移。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述的加到额定信号上的修正信号通过预补偿或负反馈产生。
13.一种按前列权利要求1至6之一所述的测量机或机床，带有至少一个基轴和一个相对于所述至少一个基轴至少部分地冗余的、平动作用的附加轴，以便测量装置或刀具相对测量物或工件连续运动，其中，测量装置或刀具能够通过基轴以比通过附加轴更小的加速度运动更大的路程，
其特征在于，
对于测量装置或刀具相对于测量物或加工物的所追求的恒定的运动速度Vbmax，机器被这样地设计，使得：
a)附加轴的运动间隙Sz为：Sz≥2Vbmax2/Bb，其中，Bb是基轴的加速度，
和/或
b)Vzmax≥2Vbmax，其中，Vzmax是附加轴的最大速度，和
c)测量装置或刀具在附加轴的运动间隙内追求的静止位置在对应总轴的总运动无加速度的情况下从中心位置出发朝总运动的方向附加地移动。
14.一种用于运行按前列权利要求7至12之一所述的测量装置或机床的方法，在所述测量机或机床中，测量装置或刀具通过至少一个基轴和一个相对于所述至少一个基轴至少部分地冗余的、平动作用的附加轴相对于测量物或工件连续运动，其中，测量装置或刀具能够通过基轴以比通过附加轴更小的加速度运动更大的路程，
其特征在于，
在附加轴的运动间隙Sz预给定时，测量装置或刀具相对于测量物或加工物的所追求的恒定的运动速度受Vbmax≤SQRT(Sz×Bb/2)和/或Vbmax≤Vzmax调节，其中，Vzmax是附加轴的最大速度，SQRT＝平方根，Bb是基轴的加速度，和
测量装置或刀具在附加轴的运动间隙内追求的静止位置在对应总轴的总运动无加速度的情况下从中心位置出发朝总运动的方向附加地移动。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在考虑附加轴的最大加速度的情况下要建立连续经过的轨迹的总运动轮廓。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，总运动轮廓由一些轨迹区段组成，对于所述轨迹区段，在待考虑的轴上确定端点位置、速度和必要的加速度。
17.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，总运动轮廓以预测的方法建立。
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