CN101715572A - 用于带有冗余的、平动作用的轴的测量机或机床的优化的运动协调的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于带有冗余的、平动作用的轴的测量机或机床的优化的运动协调的方法，其中，每个较长的分轴在相对大的测量空间或加工空间中实现相对低加速度的分运动，并且，每个较短的分轴基本上执行具有基本上恒定的测量速度或加工速度的总运动的一些运动分量，这些运动分量要求超出为相应的较长的分轴确定或设定的最大值的加速度，其特征在于，一旦存在能够在追求的恒定速度下导致附加轴与其运动范围的边界碰撞的参数和条件，则减小用于所述的较短的附加轴的加速度给定值。

Description

用于带有冗余的、平动作用的轴的测量机或机床的优化的运动协调的方法

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，其相互叠置构造地或相互作用地、可在空间中平行地相对运动，其中，在具有相对长的运动范围的基轴上或者相对于所述基轴设置有一个或多个具有相对短的运动范围的附加轴。

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了以下可能性：在测量装置或刀具相对于测量物或加工物的连续运动过程中结合了基轴的较大的运动范围与短程的并因此较轻地构造的附加轴的较高加速能力。

这类设计的一个例子是专利EP 594 699B1(Ehlerding)。在所述的专利中已经提出使用平行定向的、重叠作用的轴装置，以便能够在这样的机床中在可较小加速的、长程的轴的整个工作区域内实现轻的、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个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，所述运动单元又沿着机架上运动，或者也可以借助于基轴使材料运动，其中，刀具又可以借助于附加轴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支撑刀具的附加轴，所述附加轴在材料上方在作为基轴的固定机架上顺着运动，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撑，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器部分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定向。

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，而为此无需根本不同的协调。

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施，因为即便是普通技术人员也能借助于最简单的、恒定作用的模拟的、数字的或在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定向之间的固定变换。

此外，由现有技术已知，也可以使用能以通常很小的角度值旋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足够的间距形成测量装置或刀具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)借助于可摆动的镜或其它偏转元件偏引到加工位置，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，为此特别示意性地参见该文献的图2和图4。

对于其它的刀具(例如可旋转的铣削头)或相应的测量装置，也可考虑与附加轴相关的类似运动学关系，其中，常常可以附加地沿刀具轴或例如测量探头轴运动，也用于补偿与对应基轴正好平行的运动的偏差。

同样由美国专利5 910 260(Gerber)公开了一种类似的轴配置，带有称作“束移位器(beam shifter)”的、用于激光束的偏转单元。关于协调，在那里给出了如下教导：起支撑作用的基轴驶出额定轮廓的详细程度较小的版本，而附加轴按照基轴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：如何产生这些单独的运动分量和如何才能在技术上实现两个轴类型的足够同步的和有效的协调。在其说明书和权利要求书中提及的为此的所有解决方案都不能保证在刀具相对于材料的运动速度在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所述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)。

在那里，如其说明书第4栏第43至54行所述，细节(“特征”)既可以是与额定轮廓分开的、相对于基轴运动的差值，也可以是固有轮廓，该固有轮廓应当与基轴的运动同步地在一定位置处单独地执行。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”应当以比其余加工更高的速度执行，这与以最高可能的速度有效地、均匀地加工的常见目的完全背道而驰，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：当使用附加轴执行所述“特征”时，为实现均匀的加工速度，应减小基轴的速度。一方面，这是完全非技术人员根据最简单的求和就已经能想到的。另一方面，从中无法得出关于用于轴的相应协调的功能化设计的最少信息。

由专利文献US 5 910 260不可能得出那怕是以下粗略规则：应当如何与附加轴的运动相适应地减慢基轴的运动，以便获得在很大程度上恒定的加工速度。

但是没有这种规则，就不可能实现相应的轴协调，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。

其没有描述两个仅仅几何定义的分轮廓如何在分系统的同步运动中被再次组合成额定轮廓。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、对于技术人员来说可显而易见地用于该复杂过程的现有技术。

在专利文献EP 1 294 544B1(Sartorio)中示出了另一种配置，作为相对之前的现有技术的改进，该专利文献教导可高加速的附加轴的、可两轴式线性运动的并联运动学概述，这尤其产生这样的优点：在如此设计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，这能够提高二维的刀具运动的效率。

然而，关于同步运行的轴的实际协调同样公开甚少。仅仅提及一些在分轴的协调过程中应遵循的基本的框架性条件。在专利EP 1 294 544B1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(从说明书第[36]段起)：基轴可以比最高加工速度明显更快地运动。这应导致在同步的总运动的过程中，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，因此附加轴不会在下一次运动之前就已经处于其最大运动区域的边缘，以至于不能再或不足以继续高加速地、协调同步地运动，并且因此可能出现不希望的不连续性，特别是在刀具作多维运动的过程中。

但是关于应当如何实际地协调分轴的叠加运动，在EP 1 294 544B1中没有其它的信息。因此，该文献在相应机器的实际实施中也少有帮助，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相应数据。

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取决于这些参数的运动范围之间的关系。

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，可由所述条件和假设已知的机器数据建立起必须的公式，以便获得还未已知的机器数据。

显然基于该尚不完整的教导，在EP 1 758 003A1(Cardinale等人)中提出了轴的协调，其一方面按照反向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，但另一方面并没有提供相对于已知的现有技术真正新的东西。首先，通过滤波(Filterung)将运动分配给冗余作用的轴完全不具有新颖性，此外，对于适合这种方法的机器的一种可能设计方案，在一个例子和一个本发明权利要求中重复了在EP 1 294 544B1中可读到的实质内容：基轴的最大速度选择得明显比附加轴的最大速度更大(见EP 1758 003A1，说明书，第32段和权利要求9)。

与之相比，除了用于为从一开始就被协调地分配给各个不同加速度区域的分轴运动产生单独控制信号的频率分配方法之外，由EP 594 699B1中较早的现有技术还公开了一个在设计这类机器时的重要的框架性条件，对于基轴的整个运动区域，该框架性条件应当能够对每个以最大工作速度驶过的轨迹轮廓无限制地实现附加轴的完全的加速可能性。

因此，在EP 594 699B1中指出了附加轴的与刀具速度和基轴的加速能力相关的最低需要的运动自由度。为此参见说明书第4栏，第27行至第51行。

此外，本发明的申请人在稍早之前通过一项专利申请对在此待论述的现有技术做了补充，接下来以简短形式论述该现有技术的与本发明有关的部分，以便能够更好地理解和定位本发明的功能和意图。

对于以冗余的轴部分的同时运动来工作的冗余平动地作用的轴装置的所有变型，当连续的运动过程超过较短的可高加速的轴部分(附加轴)的区域边界时，对最大可能的加速度和恒定的工作速度产生限制。

该速度极限主要取决于附加轴的所述区域极限之间的距离和可较慢地加速的基轴的最大可能的加速度。对此，在EP 594 699B1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。没有考虑到明显直接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内经过几乎同样的路程(Sz)。然而，如果从这种运动出发进行方向逆转并且再次超过附加轴的运动区域的相反极限的运动，则基轴在加速度相同的情况下也需要两倍的时间来重新在另一方向上达到所追求的速度，因为相对于额定运动的相对速度现在是两倍大。

结果是，附加轴现在必须经过四倍的路程，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：作为能够在没有其它专门方法步骤的情况下在任意复杂的轨迹曲线上执行运动的可能方案，使用这样一种机器或方法是有利的：附加轴的运动范围为4Vbmax²/2Bb，即化简为2Vbmax²/Bb，并且，附加轴可以短时间地至少近似地以两倍的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也稍小地下降无关，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，因此人们仍需要对到运动区域的边界的距离做一次加倍，由此当按照迄今为止的现有技术在测量速度或加工速度Vbmax下对于每种可能性都应保证附加轴的完全的加速度潜力的利用时，可以得到附加轴的最大所需的运动范围总共为4Vbmax²/Bb。

但是，一般适用的形式见表达式Sz≥2Vbmax²/Bb，因为在此也考虑到了用于控制附加轴的优选初始位置的改进变型。

反之，可以在附加轴的运动范围给定且基轴的加速度已知的情况下相应容易地粗略确定测量运动或加工运动的不严格的最大速度，因为对上述公式的变换得出：Vbmax＝SQRT(Sz×Bb/2)。(SQRT＝平方根)

该说法仅近似地正确，因为在此为清楚起见，没有额外地考虑附加轴的加速能力有限。

更准确的是Sz＝2Vbmax²×(1/Bb-1/(Bb+Bz))

即对应于Vbmax＝SQRT(Sz/(2×(1/Bb-1/(Bb+Bz))))

因此，可以按照现有技术，根据可高加速的较短的分轴的运动范围的路程长度和可较慢加速的较长的分轴的最大速度得到最大的、连续的测量速度或加工速度，该测量速度或加工速度显然在基于单个的机器轴的、在结构上实际可能的最高值之下，其中，为了在更高的速度范围内也能通用地利用较短的分轴的高动态性，出于不同原因的考虑，不论是显著地扩大较短的分轴的运动范围，还是相应地提高较长的分轴的加速度都是不可行的或者在经济性上没有意义，尤其是随着最求的测量速度和加工速度的增加，对较短的分轴的运动区域的大小的要求不成比例地增加。

另一方面，减少附加轴的必要的运动区域能够实现较小的结构形式、提高该附件轴的加速能力以及视总结构形式而定也增加基轴的加速能力。

例如，在一些应用范围中，在加工中仅仅相对很少地要求维持基轴的按现有技术必须的加速度或者附加轴的相应大的范围，对于这些与总加工相比相对小的部分，具有相应能力的机器设计方案显得不经济并且相应的部分也仅仅被以较小的速度加工。

然而，存在一系列的应用场合，在这些应用场合中，只有以在很大程度上恒定的加工速度才能获得质量恒定的结果，大多是因为一系列的通常费时地测得的参数只有在运动速度恒定的情况下才能在工件上如希望的那样共同作用。

在那里，一定要在过程中避免加工速度的每个较大的波动，从而对于总加工相应地以最高可能的、在很大程度上恒定的速度行进，所述总加工必须相应地在最不利的轨迹区段上定向。

如果至少一个总轴上的最大速度与加速度和可供使用的加速路程相比高于根据对应的测量机或加工机在所有相关的可想到的轨迹情况下可控制的最大速度，则用于使轴协调的装置，即通常是相应的CNC控制装置根据现有技术不能优化地对此进行考虑，从而会导致突然的速度扰动，因为例如刀具过于靠近附加轴的运动区域的边缘。也就是说，要么必须减小运动速度，要么可能由于产生的不连续的运动而导致测量误差或加工误差，直至导致功能故障和运行干扰。

按照现有技术，在这类重要的应用中，在这样的连续行进的轨迹上使用附加轴的情况下，必须这样地限制：其要么不会导致超过由现有技术描述的极限值，要么完全处在附加轴的运动范围内部，从而所述极限值不会起负面作用。

发明内容

因此，本发明的目的是，即便对于测量装置或刀具相对于测量物或加工物的复杂轨迹曲线，对于这样的速度也可利用作为使用冗余的、平动作用的轴的优点的、高的且在很大程度上恒定的加速度以及精确的轨迹控制，所述速度按照迄今为止的现有技术，在可较高地加速的附加轴的运动范围的路程长度给定并且较长的基轴的最大加速度给定的情况下，对于这类轴配置不能实现。

为了能够以有效的方式利用带有冗余的、平动作用的轴的测量机或加工机的速度潜力，按照本发明的独立权利要求建议：一旦测量装置或刀具在至少一个总轴上相对于测量物或加工物所追求的恒定运动速度(Vbmax)如此高，或者对应附加轴的可用运动范围(Sz)如此短，或者对应基轴的最大加速度(Bb)如此低，使得附加轴的可用运动范围(Sz)作为路程不足以用于在追求的所述恒定速度(Vbmax)下以基轴的所述最大加速度(Bb)对运动速度(Vbmax)进行一次完全的符号变换(也就是基本上满足Vbmax＞SQRT(Sz×Bb/2))，则至少对于各个所述的较短的附加轴减小所述的较短的附加轴的加速度给定值，所述附加轴相对于总轴或机器轴(在其中出现所述条件)冗余地作用，并且，加速度给定值的所述减小至少这样地进行，使得待执行的运动不会导致涉及的附加轴与其运动范围的边界碰撞。

因此，与单独通过基轴实现的加速和运动相比，在增大的速度范围中实现了更均匀的加速和更连续的运动，因为附加轴的优点在很大程度上保持可用。

在现有技术中已经说明了如何获得最大速度(Vbmax)。在那里也已经探讨并相应地关注了如何考虑相应的控制类型以便利用附加轴的可用运动范围。

本发明的最简单的实施变型是将较短的分轴的加速度给定值减小到零，使得在按所述的现有技术确定的最大速度以上，需要的总额定运动仍仅借助于测量机或加工机的较长的分轴(基轴)进行，其中，虽然不再进行重要的运动分量在基轴和附加轴之间分配这一意义上的叠加运行，但是可以继续利用附加轴，以便通过预补偿和/或通过负反馈修正基轴的轨迹误差。

在此，优选的是：对于每个闭合的轨迹区段单独地事先自动化地确定是将测量速度或加工速度减小到一个按照迄今为止的现有技术借助于同步地、叠加地运行的轴保证无故障的功能的值更有效率，还是仅借助于基轴的运行更有效率；和使用相应的更合适的运行方式。该子方法原则上也可以补充地用于本发明的所有其它设计变型。在此，效率既可以表示对应的轨迹区段的执行时间更短，也可以通过其它标准定义，例如区段执行期间的过程安全性或能量消耗。

一种用于按照本发明减小加速度给定值的更有效率的变型同样可靠地避免所有的极限情况，所述极限情况由于附加轴过窄地或过快地接近其运动区域的边界而产生，该更有效率的变型是将各个附加轴的加速度给定值这样地减小，使得在相应基轴同时具有最大加速度的条件下从附加轴的初始位置出发在附加轴到达其运动区域的边缘之前达到所追求的最大速度。

为了将其示例性地表示在数学公式中，应当适用以下缩写：

Vbmax＝相对于测量物/加工物所追求的最大速度

Vz＝附加轴的最大运动速度

Sz＝供附加轴的运动使用的路程

Bz＝附加轴的待计算的加速度给定值

Bb＝基轴的加速度

例如从已知的现有技术中引用的公式Sz＝2Vbmax²×(1/Bb-1/(Bb+Bz))被如此变形，从而得到一个值Bz＝2Vbmax²/(2Vbmax²/Bb-Sz)-Bb，较短的轴在其加速度上按照本发明减小到的该值，并且该较短的轴在测量速度或加工速度Vbmax预给定的情况下与测量轨迹或加工轨迹的几何形状无关地始终至少保持可用。

这是本发明的一种最简单的实施变型，该变型利用较短的分轴的运动，但是在不预处理轨迹数据的情况下仍能应付。

在上面仅应作为例子的公式中，负的Bz值或比对应附加轴的最大加速度更大的Bz值可以忽略，并且表明减小加速度是不必要的。所述的计算仅作为例子考虑。同样，按照本发明也可以以其它方式计算这些值，根据经验得出并从预先建立的表格中读出或在这些值之间插值。

同样不重要的是，这些值是否实际上直接表示获得的减小的加速度给定值、是否给出用于减小加速度给定值的系数(优选≤1)或者是否例如在控制程序中给出一时间常数，其最终同样会影响加速度值并因此可以起到按本发明地减小加速度给定值的作用。

同样不重要的是，这些加速度给定值是否仅涉及相应的附加轴，或是涉及总轴，因为在需要时可轻易地获得相应的替换值。

按照最后描述的实施形式，与现有技术不同，加速度可能性仅在相应的最大速度以上才是有利的，所述最大速度是按照所述的现有技术对于这类冗余平动作用的轴配置得到的。此外，继续执行按公知方法的运行直至该最大速度，使得类似于就第一种变型所述的那样，按本发明的控制装置应当根据为相应过程预选定的最大速度或由在过程期间对最大速度的调节引发地使用相应适合的运行方式。

然而，仅当当前活动的轴的总状态处于一个可在待选择的运行方式中考虑的状态中时，才应当发生运行方式之间的变换。如果不存在该状态，则预选的变换应当优选延迟至这样的时间点，在该时间点存在相应状态，即通常在两个相互分开的待执行的分轨迹之间。

替代明确分开的运行方式，按照本发明也可以规定在与之相适应的最大速度的范围内在所述运行方式之间的流畅过渡。

对于控制装置的或用于预处理的外部计算机上的软件的具体设计，一个问题是：是否可以为每种运行类型使用完全不同的控制程序来协调轴，或者是使用一个统一的控制程序，使得优选连续变化的部分根据选择的最大速度这样地连接对运动过程不同地表征的给定值，从而获得连续变化的运行。

例如，可以通过在此描述的方法轻易地对同一申请人之前申请的、已经引用过的发明的方法如此地进行补充，使得附加地仅仅必须使附加轴的最大加速度的按本发明的与速度有关的减小起作用。

所有按本发明的变型的基础是：较短的轴的加速度与其在技术上的潜力相比有针对性地被减小，使得即便在最大速度的情况下也能实现在很大程度上连续的运动，这在类似的轴配置中按照现有技术不能以这样小的速度偏差实现。

然而，由于需要协调所有参与总运动的机器轴而出现了如下缺点：即便小的运动也关系到加速度给定值的相应减小，因此可能在加速小的主运动方向上导致速度的减小，尽管这种小的、尤其是横向于主运动方向定向的运动并不意味着对用于实现按本发明的运动连续性的运动范围的重大损害。

因此，建立调节规则(Regelwerk)是有利的，并优选在控制软件中实施，除了追求的最大速度之外，该调节规则使得加速度的减小也与各个单独的分轴的运动状态和固定的通道(Korridor)或可连续地受其它运动参数影响的通道有关，在所述通道内部允许具有最大加速度的较小运动或至少一个较小的减小，以便显著地减小由不同机器轴相互间的相关性引起的、但此外不必要的运动制动的概率。这尤其使得即便在多个机器轴参与到运动中时，较小的、不规则的、横向于主运动的运动段不立即导致总运动的制动，因为小的运行现在可保持不制动地执行。

所述的通道优选由第二通道包围，在该第二通道中发生从内部通道的、用于最小分运动的加速度给定值直至按照已经说明的子方法(例如按照上述公式)的加速度减小之间的优选连续的过渡，所述加速度减小用于在剩下的运动范围中取适宜数量级的运动。例如，内部通道占附加轴的运动范围的5％，包围的通道占附加轴的运动范围的40％，并且可以实现所述通道的延展的减小，相应的附加轴离其静止位置越远，相应的冗余作用的附加轴和基轴共同运动得越快。

为此，设置固定的给定值没有意义，因为根据所述的方法细节和无数可考虑的应用情况，本领域技术人员为了应用本发明可以开发大量的专门条件和调节规则，这比迄今为止的现有技术实现的更有效率，但要就非常专门的要求附加地进行优化。

通过在任意的计算机或使用的CNC控制装置中预处理轨迹数据，可以再次更好地利用带有冗余的、平动作用的轴的轴配置的加速潜力，其中，控制装置内部的预处理，例如作为所谓的“前瞻(look ahead)”方法，也可以在时间上与测量或加工重叠地发生。

用于协调多个轴的运动的预处理方法，以及这些按照“前瞻”方法的预处理方法，对于本领域技术人员很早就是已知的，并因此原则上在此不再赘述。

按本发明对轨迹数据的预处理的特征在于，为轴驱动器产生控制数据通过有针对性地减小相应轴配置的附加轴的加速度给定值，能够在高速度下实现几乎无中断地、连续地加速的和运动的测量和加工，尤其在测量速度或加工速度比在附加轴的运动范围给定且基轴的加速度给定的情况下按迄今的现有技术可以实现的速度更高时。

按本发明的预处理可以这样地实现，即，首先，根据上述减小附加轴的加速度的规则模拟预给定的测量程序和加工程序的运行，并且，以尽可能精细的位置扫描(Positionsrasterung)存储产生的、与轨迹数据并行的控制数据。这样首先获得了基本上可行的轨迹数据，其中，分系统的分量以最小的轨迹步长连续地考虑。

然后，可以接着检查这些数据，尤其是相应的较短的分轴是否从其中心位置发生小的偏移，所有参与的分轴的运动速度是否相对小或仅存在相对小的实际待执行的运动，这是优化附加轴的加速度给定值的可能性的标志。确定适合于与此连贯的轨迹数据范围，并且所述轨迹数据范围根据之前发现的数据材料借助以适当柔和地减小的加速度的再次模拟来更新。按照相同的模式，处理剩余的轨迹数据并将结果用于控制所述轴。

另一种按本发明的实施变型是，首先根据已经说明的模式产生这样的基本上允许正确运动的轨迹数据，并且，附加地在额定位置曲线上例如通过轴配置的模拟可平行比较地产生关于参考轨迹曲线的数据，所述数据在模拟中就像可以实现没有加速度减小的运行那样规定附加轴的相应运动范围。现在，如果平行于额定位置比较这些数据，则可以程序控制地获得这样的区域，在这些区域中可以且同时更方便地使用附加通道的轨迹数据，并且例如通过或大或小长度的过渡区插入到合成的轨迹数据中，在过渡区中，加速度给定值连续地被适配。

在这种方法中也可行的是：轨迹数据不是顺序地为每一个完整的测量程序或加工程序产生，而是在时间上与测量或加工并行地、并且在轴的移动过程中一直足够远地领先当前的轨迹区域地产生在为此临时使用的存储区域中，当之前的轨迹区段已经执行完时，所述存储区域被连续更新地覆写。

然而这视这种“前瞻”区域的大小而定发现了如下风险：要么优化的加速度可能性不能一直使用，要么在临界的轨迹曲线中会碰到这样的点，该点可能需要分轴的不连续的修正。因此这是需要注意的。但是，由于现在计算机的以及基于计算机的控制装置的处理效率和存储能力大，可以用足够的开销使上述风险保持小到可忽略。

此外，按照本发明可以规定，即便在相对高的总速度下，也可以与加速度给定值的所述减小无关地以附加轴的全加速度执行相对小的运动，尤其是那些用于借助预补偿和/或负反馈来修正总运动的运动。

这例如可以通过附加轴的一个根据最大预期的修正运动减小地假定的运动范围在用于加速度给定值的减小的计算中加以考虑，使得之后在所有情况下这样地保留的区域都可以供高加速的运动使用。

必要时，这些区域可以作为已经说明的内通道的最小不可变的部分考虑，所述部分用于具有柔和地减小的加速度给定值的或没有任何减小的加速度给定值的小运动。

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地、平动地运动。

按本发明运行的机器的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，根据所需要的运动范围和应用的规模尺寸，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(“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式运动的机械部件作为相应线性作用的附加轴，例如可摆动的激光切割头或可并联运动式运动的铣削头。

按照本发明，测量机或机床可以例如有利地设计用于船舶制造或飞机制造，以便测量和加工具有极高细节复杂度的极大部件，或测量机或机床用于更日常的尺寸，例如车身、洗衣机或电子电路的印刷电路板的尺寸，一直小到厘米或几分之一毫米级的尺寸，以便在显微镜系统技术、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——一方面，尽可能不分割的工作空间相对于要考虑的细节的大小，另一方面，相对于起支撑作用的基轴冗余地作用的、敏捷的附加轴的运动范围仅可有限地增大——有不断增加的趋势，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，对最大可能的恒定可用的加速度的要求也在增加。在此，本发明实现了机器的显著改进的可应用性，该机器，由于其运动学配置并且在按迄今为止的现有技术的轴运动的协调中，仅适用于明显更低的在很大程度上恒定的测量速度和加工速度。

特别适合于本发明方法的加工方法是焊接、切割、铣削、雕刻、标记、在平的材料(如薄板、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者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的且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3示出基轴和附加轴的非常示意性的视图。

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在一个区域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3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表示附加轴的运动范围Sz的区域极限。

Claims (17)

1.一种用于带有冗余的、平动作用的轴的测量机或机床的优化的运动协调的方法，

其中，冗余的、平动作用的轴形成总运动装置的相对于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的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，允许基本上在整个测量空间或加工空间上实现相对低加速度的分运动，并且，每个可运动经过较短路程的分轴，在此称为附加轴，基本上仅执行总运动的一些运动分量，这些运动分量要求超出为基轴确定或设定的最大值的加速度，

其中，所有轴的总协调能够直接发生在测量过程或加工过程期间，或者发生在测量过程或加工过程期间的流畅的、分区段的预处理中，或者作为总测量过程或总加工过程的一个完整预处理的部分，

其特征在于，如果测量装置或刀具在所述总轴中的至少一个上相对于测量物或加工物所追求的恒定运动速度(Vbmax)是如此高，或者对应附加轴的运动范围(Sz)是如此短，或者对应基轴的加速度(Bb)是如此低，以至于该附加轴的运动范围(Sz)作为路程不足以在所述的追求的恒定速度(Vbmax)下以所述的基轴的最大加速度(Bb)对运动速度(Vbmax)执行一次完全的符号变换(即基本满足Vbmax＞SQRT(Sz×Bb/2))，则至少对于各个所述较短的附加轴减小所述较短的附加轴的加速度给定值，所述较短的附加轴相对于总轴或机器轴冗余地作用，在所述总轴或机器轴中出现所述条件，并且，加速度给定值的所述减小至少这样地进行：使得待执行的运动不会导致涉及的附加轴碰到其运动范围的边界。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进行加速度给定值的所述减小，其方式是将至少各个涉及到所述减小的、较短的分轴的加速度设置为零，即，基本上没有运动在相应的较短的分轴上执行。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进行加速度给定值的所述减小，其方式是在测量过程或加工过程之前或期间，对追求的恒定运动速度的调节能够导致相应涉及的较短的分轴的加速度分别相应地减小，与这样的调节是否由机器配置的预调节、用户输入还是测量程序或加工程序中的相应指令引起无关。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，直接通过相应的计算、预先准备的表格值或者对这类值的插值来确定所述减小的加速度给定值。

5.如权利要求3和4所述的方法，其特征在于，加速度给定值的所述减小仅仅作为参考值处理，其中，加速度给定值能够根据参与总运动的所有分轴的或者一部分分轴的运动状态在所述参考值至完全消除对加速度给定值的减小之间变化，并且，通过各个可实时测量的或作用的参数中的一个或多个来确定所述运动状态。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，以下参数中的一个或者多个可以在所述运动状态中考虑并且能够导致加速度给定值的增加，这些参数越小，趋势越强烈：

a.对应附加轴从其中心位置的实际偏移

b.所有考虑的分轴的实际运动速度

c.紧接着的、待执行的运动。

7.如权利要求5和6所述的方法，其特征在于，对于每个附加轴，其运动范围的一部分作为带有所述加速度给定值的柔和减小的或者没有所述加速度给定值的任何减小的通道保持可用。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，带有加速度给定值的柔和减小的或者没有加速度给定值的减小的所述通道在其延展上与所述运动状态有关。

9.如权利要求7和8所述的方法，其特征在于，对于每个附加轴相对于所述通道设置一个延展的第二通道，在该第二通道中，加速度减小的作用从内部通道的值逐步地过渡到来自在方法上预给定的子方法的所述减小的加速度给定值。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二通道在其延展上与所述运动状态有关。

11.如权利要求5至10所述的方法，其特征在于，在数据技术上对相应测量过程或加工过程的所有或者足够长的当前即将到来的轨迹曲线进行预处理，并且，将轨迹曲线中即将到来的区段引入到对所述加速度给定值的计算中。

12.如权利要求3至11所述的方法，其特征在于，加速度给定值的所述减小仅仅作为参考值处理，并且，在数据技术上对相应测量过程或加工过程的轨迹曲线进行预处理，其中，

a.基于预给定的参考值或最大值确定所有分轴的预期的运动曲线，

b.基于以下假设确定所有分轴的预期的运动曲线：不存在导致加速度的所述减小的所述条件，

c.通过位置平行地比较来自a)和b)的运动曲线确定是否所有轴在来自a)的运动曲线内部都基本上处于这样一种状态，该状态允许借助高加速度按照来自b)的运动曲线执行运动曲线，

和，将来自a)和b)的运动曲线的数据相应地组合成合成的运动曲线，其中，在存在所述条件时使用来自b)的数据，并且，在所述运动曲线之间设置有过渡区域，所述过渡区域用于与当前作用的加速度给定值匹配。

13.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，具有附加轴的最大加速度的运动对于起修正作用的预补偿或负反馈的信号保持能与加速度的所述减小无关地执行。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，从附加轴的总运动范围中减去所述具有附加轴的最大加速度的相对小的运动所需要的运动范围，并且，这在其它的方法步骤中考虑。

15.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，对于待执行的轨迹曲线，自动地进行比较模拟，用于在按本发明地减小附加轴的加速度给定值和将所述追求的恒定速度减小到一个在不减小所述加速度给定值的情况下也可用的值之间进行比较，并且，执行相应的更有效率的方法。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，将整个待执行的轨迹曲线分成单个的可执行的区段，并且，对于每一个区段执行所述比较并且执行相应的更有效率的方法。

17.如权利要求15和16所述的方法，其特征在于，所述效率借助于以下标准中的至少一个进行衡量：

a.执行时间

b.过程安全性(例如：速度扰动的数量、份额、强度)

c.能量利用。

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