CN107003657A - 用于在数控机床上通过去屑工具对工件进行加工的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在数控机床上通过去屑工具2对工件1进行加工的方法，其中，工具2沿着通过一系列支撑点N而形成的工具路径3相对于工件1移动，其中在工具1的转动期间产生的包围体4基本上包括在对工件1进行加工时与工件1的期望表面5在接触点6处的点接触，其特征在于：除了与支撑点N有关的数据之外，还确定与包围体4的同工件1的期望表面5的相应接触点6有关的数据；以及基于与接触点6有关的数据来优化工具路径3。

Description

用于在数控机床上通过去屑工具对工件进行加工的方法
本发明涉及一种用于根据权利要求1的前序部分来对工件进行加工的方法。
具体地，本发明涉及一种用于在数控机床上通过去屑工具对工件进行加工的方法，其中，工具沿着工具路径(例如通过一系列支撑点而形成的线)相对于工件移动，其中在工具的转动期间产生的包围体基本上包括对工件进行加工时与工件的表面在接触点处的点接触。
使用球面加工工具的铣削方法通常用于产生例如用于产生合成材料部件的模具中的自由形状表面。在工件的表面与通过工具转动的方式产生的包围体之间只有一个点接触。为了提供具有特定测量值和表面质量的工件表面，通常使工具在要产生的工件上沿线移动，所述线在各个线或工具路径之间具有小的间隔，其中始终保持点接触。在使加工机床从一支撑点移动至另一支撑点的铣削程序中，通过一系列支撑点来描述工具路径。工具路径被编程为越靠近并且在工具路径内提供的用以描述该工具路径的支撑点越多，则加工就越精确，因此，表面质量将越好。
不幸的是，即使在现代CAM系统(编程系统)的情况下，各个支撑点的位置也不总是精确的。在预定的公差范围内，支撑点有时太靠近或远离工件的所要产生的期望表面。这导致了要产生的工件的不准确性和表面质量的降低。而且，各个工具路径内的支撑点的分布通常是不利的。特别地，相邻工具路径中的支撑点的数量的变化可以相当大。
用于控制加工机床的CNC控制器在铣削程序中仅具有支撑点作为信息，以便对工具路径的路线进行插补。如果区域中的支撑点的数量明显不同或者如果所述支撑点不是根据所使用的算法精确计算得到的，则插补的偏差是有可能的，并且所述偏差转而对表面质量和测量准确度具有负面影响。
为了计算具有许多且特别精确的点的高度准确的铣削程序，编程系统中的计算需要相应高的支出。数控程序的计算需要很长时间。这是不期望的，并且通常认为，程序是以更近似的公差计算得到的，并且相应地降低了工件的质量。
本发明的目的是提供一种介绍中提到的类型的方法，所述方法在简单的结构和简单的成本有效的可用性以及短加工时间的情况下确保高水平的表面质量。
根据本发明，通过结合主权利要求的特征来实现该目的，从属权利要求进一步示出本发明的有利实施例。
根据本发明，因此提出，将与支撑点有关的数据(所述数据被提供用于使工具沿着工具路径移动)和与要产生的工件有关的表面数据进行比较，并且在适当情况下，校正支撑点的位置，从而校正工具沿着工具路径的移动路径。因此在工件的构造表面(表面数据)与加工程序中的支撑点之间进行比较。精细地校正加工程序的各个支撑点从而在工具与工件之间产生数学上精确的接触点，并且消除计算工具路径的CAM系统的不准确性。
根据本发明，随后关于通过各个支撑点限定的移动路径的距离是否与要产生的工件的表面几何形状精确匹配来检查在球面工具与要产生的工件的期望表面平行的情况下定位的工具的移动路径。考虑到的是，转动工具通过其切削程序来形成包围体，并且所述包围体的接触点是相对于要产生的工件的期望表面而设定的。根据本发明，因此关于在CAM系统中通过加工程序(例如，铣削程序)而计算出的移动路径在其相对于要产生的工件的期望表面的整个长度上是否包括正确的距离来执行检查。通过本发明，然后可以通过机床的CNC控制器来校正移动路径的位置。
如果除了与支撑点有关的数据之外还确定了与包围体的相应接触点有关的数据，并且沿着或平行于接触点中的表面法线校正了与支撑点有关的数据，则是特别有利的。通过使支撑点移位或者通过沿着表面法线校正所述支撑点相对于要产生的工件的期望表面的距离来确保移动路径的确切距离，从而确保工具的确切定位，以便产生精确的接触点。在球面或半球面工具的情况下，如果支撑点描述了工具的中心点路径(工具球面的中心点)，则沿着表面法线进行校正。如果支撑点描述了工具尖端的路径，或者在非球面工具(换句话说，例如抛物面或复曲面(toric)工具)的情况下(其中未沿着表面法线校正支撑点)，由于接触点的表面法线未同时延伸通过支撑点，因此通常平行于表面法线来进行所述校正。
此外，根据本发明，如果沿着线或移动路径添加至少一个附加支撑点，并且首先在两个支撑点的连线上预先确定与所述支撑点有关的数据，随后参考根据本发明的方法中的表面数据校正该数据，则可以是有利的。
以类似的方式，可以使用根据本发明的方法来添加首先参考与支撑点相邻的工具路径进行预先确定、然后使用表面数据进行校正的附加工具路径。
如上所述，根据本发明，如果通过CAM系统来设定与铣削程序的原始支撑点有关的数据，同时通过机床的CNC控制器来校正与支撑点有关的数据，则是特别有利的。因此，优化了编程系统中的计算时间，从而加快了对工件进行加工的工作准备。
根据本发明的工具可以包括不同的形状：其可以是例如具有半球面端部区域的铣床，或者其可以包括抛物面、复曲面或另一种工具几何形状。
根据本发明，因此提出，与现有技术相比，加工机床的CNC控制器不仅接收CAM系统所计算的铣削程序作为输入信息，而且还接收表面数据，即与要产生的工件相关的几何信息(与工件有关的三维表面数据)，借助于该几何信息，编程系统计算出铣削程序。这种类型的表面数据能够以例如STEP格式的许多标准化格式发送。借助于来自与要产生的工件有关的表面数据的附加信息，控制器可以在每个支撑点的加工程序期间关于是否在足够精确的程度上计算出所述点的位置来执行检查。为此，对于铣削程序的每个支撑点，关于所述支撑点是否相对于要产生的工件的期望表面精确定位而进行计算，换句话说，关于工具与要产生的工件的期望表面的数学上精确的接触点实际上是否发生在铣削程序中所提供的支撑点的位置处或者是否有必要校正支撑点(因为所述支撑点在纵向上或平行于表面法线远离或朝向表面略微移位)而进行计算。
除了沿着或平行于表面法线的上述校正，除计算与各个支撑点有关的接触点之外还确定由与要产生的工件有关的表面数据产生的其它信息也可以是特别有利的。该信息例如为工件在接触点处的期望表面的切线方向以及所产生的工具路径的切线方向和/或工件在相应接触点中的期望表面的曲率。可以从中确定针对各个支撑点的工具路径的切线方向和曲率。在球面工具的情况下，例如通过使工件在工具路径方向上的期望表面的半径与工具的半径相加来产生针对凸面情况下的支撑点的工具路径的曲率半径。CAM系统的加工程序首先计算提供多边形线从而提供多边形工具路径的一系列支撑点。通过基于以数学上精确的方试确定的接触点来执行根据本发明的校正，可以调整工件的期望表面的这种多边形路径。这通过根据本发明来精细地校正支撑点的位置来执行。同时，可以根据本发明来确定所产生的、与工件在相应接触点中的期望表面有关的数据。这特别地涉及路径的切线方向和路径的曲率。工具路径的方向必须在每个接触点中或者在每个支撑点中相对于工件的期望表面而沿切线方向延伸，以便正确地产生工件的期望表面。除了路径的方向之外，还可以计算相应支撑点中或者分配给支撑点的接触点中的工具路径的曲率。这些附加值用于以尽可能精确地产生工件的期望表面的方式来校正通过CAD/CAM程序原始计算出的工具路径的多边形。因此，在每种情况下，延伸通过根据本发明校正的支撑点的工具路径的路线在球面工具的情况下形成工具的等距中心点路径，使得所述中心点产生了如接触点所指定的工件的期望表面，在这个范围内，CAM系统所输出的支撑点描述了工具的中心点路径。通常还通过CAM系统输出球面工具的工具路径的支撑点，所述支撑点描述了工具尖端的工具路径，换句话说，工具的最低点。然而，在这种情况下，支撑点仅具有相对于中心点路径的一个偏移，其中该偏移与工具半径相对应。
在其它工具几何形状(例如复曲面工具)的情况下，工具中心点与接触点之间的距离根据接触点在工具上的位置而改变。而且，在加工平面作为特例的情况下，工具与工件之间可能发生圆形接触区来代替接触点。然而，在这种情况下，也可以类似地使用该方法，只是针对各个支撑点，不是计算接触点，而是计算接触面(在这种情况下为圆)。
由于CAM系统在铣削程序中正确地计算了支撑点的近似位置，所以通过CNC控制器对支撑点的位置进行的必要校正很小，并且可以使用合适的算法来可靠地确定工具在针对每个支撑点所产生的工件的期望表面上的正确接触点。为此，如果工具不与工件接触，则确定工具到工件的期望表面的距离。通过距离的计算产生相对于期望表面的距离法线，该距离法线描述了工具与期望表面之间的最短距离。随后，工具的支撑点以在所需要的范围内产生工具的数学上精确的接触点的方式沿着距离法线移位。如果工具的位置太靠近工件的期望表面，则工具和工件的期望表面彼此穿透。产生描述工具和工件的期望表面的相交的环形相交线。由于支撑点在铣削程序中仅略微错误，所以环形相交线的直径特别小。距离法线可以在工件的期望表面上的环形切削线的中心找到，并且工具路径的支撑点在距离法线的方向上移位，或者与该方向平行地移位很远，以至于工具仍在一个接触点处与工件的期望表面接触。
该方法不仅适用于精细地校正所述铣削程序的支撑点的位置的目的。如果区域或整个铣削程序中的支撑点的距离相对较大，则还可以在已经存在于铣削程序中的支撑点之间计算附加支撑点。为此，首先在铣削程序的两个支撑点之间的直接连线上确定一个或多个辅助点。然后根据上述方法，参考表面数据并因此参考铣削程序中的高准确度的附加支撑点来精细地校正这些辅助点的位置。
根据相同的原理，整个工具路径可被添加到铣削程序中。根据DE 103 43785，将工具路径添加到铣削程序中基本上是已知的。相比之下，可以使用根据本发明的方法，不仅参考铣削程序中已经存在的相邻线还参考被呈现用于计算其相对于要产生的工件的期望表面的距离的表面数据来为所添加的工具路径插补支撑点。
由于CNC控制器在加工程序期间总是知道工具相对于期望表面数据的位置，因此所述CNC控制器还可以在特定部位(例如，诸如边缘的奇点)处添加附加的支撑点，或者由于外形的几何形状同时是通过许多单独的彼此相邻的部分表面来描述的，所述CNC控制器可以在一个部分表面到下一个部分表面的过渡处添加附加的支撑点。因此，如果改进了铣削程序中的工具路径的路线，换句话说，使得所述路线更精确，则可以根据工件的期望表面的局部几何形状来添加支撑点。可以不仅对于附加支撑点的位置而且还对于确定一个部分表面到下一个部分表面的过渡处的切线方向或曲率来改进加工结果。
因此，该方法使得CAM系统中的铣削程序能够以相对近似的公差进行计算，然后使用所述公差进行高准确度的加工。因此，在CAM系统与CNC控制器之间产生更改后的任务分配。CAM系统参考预定策略近似地设定加工程序的工具路径，并确保在根据预定程序进行加工时机床中不会发生碰撞。CNC控制器参考原始表面数据(几何形状)提供了针对高准确度的加工程序所要产生的形状。
本发明不限于球面铣削工具。还可以使用抛物面、复曲面或其它工具几何形状。
下文参考与附图有关的典型实施例来描述本发明。在附图中：
图1图示了要加工的工件的示意图，该示意图示出工具移动所沿的工具路径，
图2图示了通过校正将工具的移动路径分配到工件的期望表面的示意图，以及
图3图示了与图2类似的视图，以便示出添加附加的支撑点。
图1图示了使用球面工具进行加工的工件的示意图。该工具中心点M的中心点路径被描述用于加工程序中的加工过程，并且如图1中所示，所述工具中心点M确保工具在工件的表面上沿线形路径移动。在与工件有关的几何数据(形状)中，包含工件的期望表面，作为自由形状表面数据。该几何信息可以作为文件以例如STEP的标准格式发送至控制器。而且，对于加工过程，数控程序被发送至控制器，并且所述数控程序通过一系列支撑点来描述球面工具相对于形状的线形工具路径。
图2被图示为工具路径相对于要产生的工件的期望表面的截面的2D视图，该2D视图示出中心点路径的支撑点N-1、N、N+1和N+2。球面工具被称为支撑点N的包围体。很明显，支撑点已被计算为非常靠近要产生的工件的期望表面，并且当接近支撑点N时，工具会损坏工件，换句话说，会去除太多的材料。借助于与要产生的工件有关的几何数据，可以计算支撑点N到工件的期望表面的最短距离。工具路径的支撑点N包括最短距离处的期望表面的点同时是描述工件的期望表面和支撑点N之间的最短距离的法线的基点。在计算表面法线之后，表面点N能够在图示的情况下以远离工件的期望表面这样一种方式沿着该表面法线移位，直到正接近移位的新支撑点Nk的工具仅在表面法线的基点处与工件的期望表面接触。工具针对移位的新支撑点Nk的位置由虚线所示。针对支撑点N+1，位置反向。支撑点距要产生的工件的期望表面太远并且必须通过根据本发明的方法而移动到更靠近所述期望表面，以便针对虚线所表示的工具而产生新的校正后的支撑点N+1k。
图3同样图示了针对支撑点N-1、N、N+1和N+2的工具路径的2D视图。已经精确地计算了支撑点N和N+1，使得在每种情况下正接近这些支撑点的工具仅在一个点处与工件的期望表面接触。由于支撑点N和N+1相对远离彼此，所以在N和N+1之间的工具路径的连线上添加辅助点H1和H2。显然，由于工件的凸形期望表面，工具在辅助点H1和H2处会过于靠近工件的期望表面，并因此会损坏所述工件。因此，利用根据本发明的方法，可以以如下的这样一种方式来校正辅助点H1和H2的位置：所述辅助点变为工具路径中的精确支撑点。为此，所述支撑点在绘制的法线矢量的方向上略微移位。工件的加工过程因此更加精确。
参考标记的列表：
1 工件
2 工具
3 工具路径
4 包围体
5 表面
6 接触点
7 表面法线
8 连线
M 中心点
N 支撑点

Claims (11)

1.一种用于在数控机床上通过去屑工具(2)对工件(1)进行加工的方法，其中，工具(2)沿着通过一系列支撑点(N)而形成的工具路径(3)相对于工件(1)移动，在工具(1)的转动期间产生的包围体(4)基本上包括对工件(1)进行加工时与工件(1)的期望表面(5)在接触点(6)处的点接触，其特征在于：除了与支撑点(N)有关的数据之外，还确定与包围体(4)的同工件(1)的期望表面(5)的相应接触点(6)有关的数据，并且基于与接触点(6)有关的数据来优化工具路径(3)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：沿着或平行于接触点(6)的表面法线(7)来校正与支撑点(N)有关的数据。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在接触点(6)确定与工件(1)的期望表面(5)有关的其它数据，从而针对相应的支撑点(N)来计算工具路径(3)的路线。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述其它数据包括工件(1)的期望表面(5)的曲率和/或工具路径(3)的曲率以及/或者工件(1)的期望表面(5)的切线方向和工具路径(3)的切线方向。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：为了计算支撑点(N)的校正量，除了具有支撑点的加工程序之外，与要产生的工件几何形状有关的几何数据也由CNC控制器从CAD系统中读入并用于计算所述校正量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于：沿着工具路径(3)添加至少一个附加支撑点(N)，并且首先在两个支撑点(N)的连线(8)上预先确定与所述支撑点有关的数据，随后参考表面数据来校正该数据。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于：添加首先参考相邻工具路径(3)的支撑点(N)进行预先确定、然后通过所述表面数据进行校正的附加工具路径(3)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于：通过机床的CNC控制器来校正与支撑点(N)有关的数据。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于：通过CAM系统来计算与原始支撑点有关的数据。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于：通过球面、抛物面或复曲面工具来执行加工过程。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于：与工件(1)有关的表面数据以自由形状表面数据的形式存在。
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