CN111033404B - 用于运行数控机床的方法以及相关的机床 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种数控机床(4)，具有至少一个运动轴(16)并且与数控系统(2)连接。每个运动轴(16)的运动都受到最大允许轴动力的限制。在数控系统(2)中存在子程序(34)。子程序(34)包括NC语句形式的指令序列以用于加工工件(62)，其中，指令序列包括在NC语句中的F值形式的、对用于加工工件(62)的随时间跳跃式改变的不同的最大额定速度的预设。数控系统(2)跨语句地通过随时间连续的额定速度廓线对随时间跳跃式改变的不同的最大额定速度进行近似，其中，额定速度廓线具有最大额定速度的随时间连续的变化曲线。数控系统在考虑到最大允许轴动力的情况下使用连续的额定速度廓线为每个运动轴计算运动的实际运动廓线的额定值。

Description

用于运行数控机床的方法以及相关的机床
技术领域
本发明涉及一种用于运行数控机床的方法，其具有至少一个运动轴并且与数控系统连接。
本发明还涉及一种具有数控系统的机床。
背景技术
机床的基本任务是通过刀具与工件之间的相对运动来生产工件。对此，与机床连接的数控系统(NC控制系统)必须为轴运动生成额定值，其在工件上实现符合生产图纸或CAD结构的轮廓。为了能够得到数控系统关于待生产工件的轮廓信息，必须将轮廓信息传递到对于各种控制系统和各种机器类型来说统一的控制程序中。用于制造工件的这种控制程序通常被称为子程序或NC程序。子程序成语句地建立，其中，子程序包括以下语句，其代表包含有相应边界条件的朝向目标点的运动。用于语句的相应的源文件(也被称为G代码)对于所有的控制系统制造商来说是必须遵守的，然而其能够通过制造商专有的循环或功能进行补充或扩展。
在EP 0 530 790 A2中描述了子程序，其中对各个区块或语句进行扩展，使得其对于线性轴和旋转轴的自动控制具体说明了在开始区域和结束区域中刀具与工件相互间的相对运动。因此，能够在预先设置的规则的基础上控制一个区块中的进给速度，而不必将加工轨迹划分为用于控制进给速度的多个区块。在另一个设计方案中，规则包括：在工件加工的开始和结束时自动降低进给速度，并且当刀具在无工件接触的情况下行进时自动提高进给速度。因此，取决于刀具相对于工件的位置来修正走刀速度。预先设置的规则能通过操作者改变。
在借助于机床的现代生产中，在从计算机辅助设计(CAD或Computer AidedDesign)经由生产准备(CAM或Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)直到控制系统制造商相关的生产数据准备(机床中的PP或Post Processing，后加工)的整个过程中，通常由数字模型生成用于刀具运动的轨迹。特别在模具制造环境中，因为自由形状的频繁应用而已经广泛应用CAD-CAM-PP过程。自由形状在CAD系统中生成为工件的数字模型。在CAM系统中，利用所基于的CAD模型以常规语言(例如作为G代码)生成加工必需的刀具轨迹作为输出。该输出被转换为数控系统的相应语言。
为了由毛坯件生产出工件，在机床中按轨迹行进刀具。由于历史决定了，这种轨迹预设在NC程序中首先是小的线性运动，其在NC程序中是G1语句，该语句描述了机床的刀具相对于工件的运动。因为该线性段仅近似描述了原始的数字模型并且在从一个到下一个线性段的每个过渡(小拐角)处强制机床进行减速和重新加速运动，所以由各种控制系统制造商开发出以下算法，其将这些轨迹段在公差之内转换为多项式、样条线或类似的连续并大部分能连续微分的曲线，以便因此生成机床的尽可能均匀的运动。
因此，Jun-Bin Wang和Hong-Tzong Yau在Int J Adv Manuf Technol(2019)41卷1169至1185页的论文“Real-time NURBS interpolator:application to short linearSegments”中描述了实时的非均匀有理B样条(NURBS)插值器，其实时地通过NURBS曲线对多个短线性区段进行近似。在近似曲线的几何特性和伺服马达控制系统的动力学的基础上，在该文中推导出最大走刀速度的修正方程。
在Xianbing Liu、Fahad Amad、Kazuo Yamazahki和Masahiko Mori发表在International Journal of Machine Tools&Manufacture(2005)第45卷第433至444页的论文“Adaptive interpolation scheme for NURBS curves with the integration ofmachining dynamics”中，也描述了非均匀有理B样条(NURBS)曲线的应用，其同时考虑了对恒定走刀速度和廓线弦精度的要求并且还实时地将机器动力集成在插值过程中。机器动力在此在三个方面加以考虑：拐角的形状或者对于走刀速度来说困难的拐角、具有高频率或者具有与机器的固有频率接近频率的部分、和强烈的晃动。
Beudaert、Lavernhe、Tounier发表在International Journal of MachineTools&Manufacture(2012)第57卷第73至82页的论文“Feedrate Interpolation withaxis jerk constraints on 5-axis NURBS and Gl tool path”描述了用于由NC程序的预设来确定最优走刀速度廓线的算法。在此尽可能充分利用机器的运动学特性。此外，不仅考虑切向晃动，还考虑了轴晃动。
如果所考虑的是在模具制造中的决定性工艺参数，例如进给值和主轴转速，那么它们例如在最终加工中-在铣削时其例如是平滑过程-对于完成整个工件的刀具来说大多保持恒定。这意味着，对于整个平滑加工过程来说为刀具仅预设一个进给值和一个主轴转速。
通过工艺参数的恒定使得齿啮合保持均匀稳定并且刀具刀口上的力保持相似。二者至少在广泛的表面区域中形成非常协调且均匀的表面结构。然而，也存在以下表面区域，在该表面区域中这种措施(即决定性工艺参数保持恒定)起不到最优的作用。这样的表面区域例如是铣削半径近似轮廓半径的区域。在这些表面区域处产生经过轮廓的高刀具包角。由此在工件加工时会产生不期望的波动。
在更新的更加面向工艺的CAM算法中，主要关注的是另外的工艺参数，例如走刀深度、走刀宽度、切削体积、包角等，它们代替或降低经典参数(轨迹进给和主轴转速)的重要性。此外，在计算刀具轨迹时，在这些CAM算法中考虑刀具数据、加工几何形状、使用的材料以及CNC机器的功率数据。这些面向工艺的新CAM算法的优点在于更短的加工时间和更好的工件表面。这些面向工艺的CAM算法的缺点在于更专业的加工刀具，因为确切来说是在刀具的负载界限处工作，并且缺点还在于明显更复杂的NC子程序，其由于保持刀具的负载界限而产生。
因此，通过更加面向工艺的CAM算法已经如下地扩展了NC子程序，即现在多次改变进给速度，以便恒定地保持时间-切削体积，并且不使铣削刀具过载。这引起以下问题或要求：这些经常改变的进给预设在机器上不是迅即地或立刻实现的，而是在各进给说明之间尽可能均匀且连续地改变并且应当以合乎逻辑的方式和方法由控制系统处理并且由机器实现。当加工情形需要改变进给速度时，在其它CAM算法中也增加使用该可行性方案以改变进给速度。
出于生产工艺和经济原因，例如在特意研发的机床上或者在对此优化的机床上生产涡轮叶片。因此，在机床上“设置”或规划主要仅一个或仅几个极相似的生产。因此，这种定制化并且优化的机床能够实施高精度蜗轮叶片的生产。在设置或优化机床时要注意，工作点，即铣削尖端理想地处于两个旋转轴的轴心点上。这具有以下优点：由旋转轴引起的必要运动必须通过线性轴的最小补偿运动来补偿。这意味着，机器轴能够在一定程度上相互独立地设置和优化。现在，通过机器轴的相互独立的可能设置而例如为涡轮叶片加工的上述关键区域实现：旋转轴能够根据相应的关键区域被优化或限制，其中，旋转轴在廓线上侧和下侧(不太关键区域)上必须略慢地行进并且在廓线凸起和廓线后边沿(关键区域)处由于必要的重定向而必须更快速地行进。这种限制通过减小相应的旋转轴动力来实现。因此，铣削加工受到以下影响：精度要求和经济需求仅经由被改变的轴动力预设来实现。机床在廓线凸起和廓线后边沿处由于强烈的重定向而缓慢且准确地加工涡轮叶片并且在廓线的上侧和下侧处由于减弱的重定向而快速地加工涡轮叶片。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于运行前文所述的数控机床的方法，其能够实现，将在子程序中预设的不同进给值与机床类型和/或机床的轴动力独立地转换成机床中的刀具与工件之间的尽可能均匀的相对运功。
本发明的目的同样在于，提供一种机床，其设计用于实施该运行方法。
第一目的通过根据本发明的用于运行数控机床的方法来实现。由此，用于运行具有至少一个运动轴并且与数控系统连接的机床的方法包括以下特征：每个运动轴的运动都受到最大允许轴动力的限制；在数控系统中存在子程序；子程序包括NC语句形式的指令序列，以用于加工工件；指令序列包括在NC语句中的F值形式的、对用于加工工件的随时间跳跃式改变的最大额定速度的不同预设；数控系统跨语句地通过随时间连续的额定速度廓线对随时间跳跃式改变的不同的最大额定速度进行近似，其中，额定速度廓线具有最大额定速度随时间连续的变化曲线；并且数控系统在考虑到最大允许轴动力的情况下使用连续的额定速度廓线为每个运动轴计算运动的实际运动廓线的额定值。
因此，在NC子程序中编程的额定进给值以类似于编程的轴位置值的方式被处理。因此，在子程序中预设的，编程的、跳跃式改变的最大额定速度或额定进给值借助算法在公差内被转换为连续曲线。该连续曲线随后应用为用于预设轨迹速度的连续额定速度廓线或连续最大额定进给廓线。因此，接连语句的通过子程序预设的进给值，在考虑到预设公差的情况下被平整。进给因而变得整体更均匀。因而，在NC程序的语句中也能够毫无问题地实现多个接连的阶梯状进给改变。在数控系统中，这些接连的“用于额定速度的线性语句”与用于轮廓的接连的线性语句被类似地处理。NC程序因此能够被如下地设计和建立：非专用机床也能够灵活、高效并且以均匀的高加工质量生产复杂表面。为了为每个运动轴计算运动，数控系统使用机床的最大允许轴动力。在为每个运动轴计算运动时能够通过机床的最大允许轴动力限制在连续额定速度轮廓中的速度值。
该方法的有利的设计方案通过下文给出。
在一个实施方式中，数控系统由指令序列处理成与工件加工相关的关于路径廓线的几何指令，并且数控系统在为每个运动轴计算运动时使用该路径廓线。数控系统在公差内改变通过几何指令在子程序中预设的几何形状。该几何廓线在计算运动轴的运动时同样被使用。
在一个实施方式中，运动轴的运动包括刀具相对于工件的进给，并且在大曲率的位置处或者在工件的拐角处减少所参与的运动轴的进给，并在这些位置之外再次提高进给。在工件中的弯曲处和拐角处或者在刀具的大幅重定向的位置处，为了提高加工精度而限制进给。相反地，在具有仅很低曲率的区域中，能够在不损害加工精度的情况下提高进给。
在一个实施方式中，在子程序中预设的最大额定速度通过关于连续额定速度廓线的一个或多个多项式来近似。进给变化曲线的平整和稳定，此时在引用子程序的一个或多个相邻语句的进给值的情况下实现。在编程的进给值的基础上，通过例如具有多项式发生器的压缩器自动生成多项式进给廓线。
在一个实施方式中，在子程序中预设的最大额定速度通过关于连续额定速度廓线的一个或多个样条函数来近似。这能够通过样条发生器形式的压缩器来实现。
在一个实施方式中，在连续额定速度廓线的近似时考虑工件的加工类型。引起不同近似的加工类型的实例在铣削加工时是粗加工和精加工。
在一个实施方式中，在连续额定速度廓线的近似时，考虑工件加工的至少一个工艺参数。除了轨迹进给和主轴转速之外，重要的工艺参数例如是所用刀具的数据、加工几何形状、使用的材料以及机床的功率数据。
所述第二目的通过根据本发明的具有数控系统的机床来实现。由此数控系统设计为，其在运行时按照根据本发明的方法来控制机床。
附图说明
结合下面联系附图详细阐述的对实施例的说明，本发明的上述特性、特征和优点以及实现它们的方式和方法更清楚易懂。在此示意性地示出：
图1是机床的原理结构框图，其中，将子程序中的不同进给值与机床类型和/或轴动力独立地转换成机床中的刀具与工件之间的尽可能均匀的相对运动，
图2是机床控制系统的功能框图和用于存储附加信息的流程框图的一部分，其中，将子程序中的不同进给值与机床类型和/或轴动力独立地转换成机床中的刀具与工件之间的尽可能均匀的相对运动，以及
图3是工件的轮廓，其能利用根据本发明的方法制造，
图4是随时间的进给图表，其中，没有使用用于制造优化表面的根据本发明的方法，
图5是随时间的进给图表，其中，在没有使用根据本发明的方法的情况下具有降低的表面质量，且
图6是随时间的进给图表，其中，使用了用于制造优化表面的根据本发明的方法。
具体实施方式
图1中的框图示出了数字机床控制系统2，其与用于加工工件的机床4共同作用。使用者或操作者经由也被称为NC控制面板或人机界面的输入/输出单元6来访问机床控制系统2。额外地还能够设置通信接口8，其能够将数控机床4嵌入到计算机网络中，该运行类型在英文中被称为Distributed Numerical Control(分布式数字控制)(DNC)。
机床控制系统2分为三个主功能区域。第一主功能区域，COM部分10，实现与相连的外围设备(如输入和输出组件、传感器、终端开关等等)的通信任务。COM部分10还用于与输入/输出单元6通信。此外，其提供编程环境，该编程环境包括至少一个程序编辑器，通常还额外包括模拟和测试装置。
机床控制系统2的主功能，即路径控制和插值以及进而为机床4生成运动额定值，在NC核心12中实现。特别地，NC核心12在此被扩展，使得其由预设为线性语句的进给值生成连续进给廓线，如下面根据图2描述的那样，其中，进给值直观地随时间具有阶梯状变化曲线，并且NC核心在计算刀具相对于工件的运动时使用该进给廓线来替代线性语句中的进给值。术语“连续性”在此应当理解为，进给廓线除了由于数字化而强制决定的进给值阶梯状改变之外都是连续的。
最后，机床控制系统4的第三主功能用于匹配控制14，其用于将涉及工件的来自NC核心12的一般性运动控制匹配于具体机床4。这包括：驱控执行器、检测传感器信号、实现监视功能、保障安全功能等等。匹配控制14借助于PLC(programmable logic controller，可编程逻辑控制器)，即利用可编程逻辑控制器，来实施。
机床4在加工工件时利用所属的机器元件实现空间运动。机器元件的运动方向通过机床轴或运动轴16来限定。机床控制系统2与机床4的数据连接或信号技术连接在用于运动轴16的运动额定值方面经由第一控制线路18实现，并且关于机床4中的执行器和传感器20方面通过二进制输入/输出端经由第二控制线路22实现。
图2示出了用于机床控制系统2的根据本发明的运行方法的实施例的基本功能块的框图。在CAD系统30中以电子模型的形式建立工件的结构性描述。由CAM系统32从CAD系统30接收用于毛坯件、预制件和夹装装置的几何数据。有时需要：必须改变或者改善几何形状，或者必须建立新的几何形状。从表格中选择物料和机床4，使得CAM系统32识别边界条件并且能够提出合适的行进运动和切割值。作为结果，从毛坯件到成品工件的各个加工步骤以一个或多个NC程序34的形式存在。
NC程序34包含程序语句，其例如对于加工步骤来说包括目标位置、刀具轨迹修正、轨迹进给或轴进给、主轴转速等等，以及用于程序和主轴控制的附加功能。例如，“F40000”在NC语句中意味着，所提到的运动轴16应当以40,000mm/min或40m/min的最大进给在机床4中行进。
在接连语句中预设的目标位置或几何数据在第一近似模型36中借助第一压缩发生器38通过多项式功能被近似。因此，对于各个运动轴16，由NC程序预设的接连的线性的路径-时间-数据被“平整”。近似得到的路径-时间-曲线又或者几何廓线40具有-除了数字化噪声以外-随时间连续的变化曲线。
与几何数据类似地，在接连语句中预设的进给数据借助第二压缩发生器44在第二近似模型42中也被近似。因为子程序中的进给说明根据G代码被限定为F值，所以“平整”或“近似”也能够称为F值平整。近似得到的进给数据或速度廓线因此具有-除了数字化噪声之外-随时间连续的变化曲线。
第二压缩发生器44例如能够对来自NC程序34的各个语句的、非连续的、接连的不同进给说明，实现多项式近似或样条近似。在此，不允许超过预设的进给数据的预设公差和偏差。公差基本上由工件的加工类型(通过箭头46标示)以及由工艺参数(通过箭头48标示)在加工时预设。然而，其也能够通过机器操作者确定，这通过箭头49标示。因此，结果生成具有最大要行进的进给值的连续进给廓线50。进给廓线50结果是随时间连续的额定速度廓线，其具有最大额定速度的随时间连续的变化曲线。该进给廓线50-代替常规的来自NC语句的非连续进给数据-用作为用于计算路径控制52的输入参量。在考虑几何廓线40的情况下，示出进给的最大额定速度的连续变化曲线的进给廓线50的值被用于建立工件加工的实际运动廓线54。该运动廓线54预设了运动轴16的额定值。在建立运动廓线54时也还考虑加工所使用的机床4的最大轴动力，其通过箭头56标示。
图3示例性示出了涡轮叶片62的轮廓60，涡轮叶片作为利用机床4由毛坯件铣削出的工件。点序列64用来描述具有拐角倒圆的立铣刀的中心点轨迹，其由所属的NC程序34的接连的线性语句所预设。因为铣刀中心点轨迹是已编程的，所以图3中在涡轮叶片62的右边缘或后端部处在中心点轨迹中出现凸起，因为铣刀不垂直于工件表面，而是以例如10°的倾角加工。线性语句适用于不同长度的轨迹，其长度通过轮廓的曲率和允许的表面公差来预设。在加工涡轮叶片62的廓线后边沿66时，在刀具(在此为铣刀)的大幅重定向的位置66处产生加工的关键部分。在中心点轨迹中的曲率68处应当有更小的进给，以便提高加工精度并进而提高表面质量。因此，在这些位置处减小与NC程序的相应语句中的F词语对应的进给。
图4至图6对于各种NC程序语句示例性地示出，在加工涡轮叶片62的廓线后边沿66时随时间的进给，其中，图4和图5描述了利用常规控制系统的可能的变化曲线，相反，图6示出了在应用根据本发明的用于机床控制系统2的运行方法时得到的变化曲线。图表中的进给值的数值单位是m/min或(mm/min*103)，横坐标上的时间t以记时单位给出。
图4示出了实际要行进的进给廓线的部段作为实际运动廓线54的一部分，该实际运动廓线在NC程序34的常规路径控制中被设置出。属于进给变化曲线的线性语句包括下述极其简化描述的指令：
N100(以最大进给40,000mm/min线性行进)
[…]
N1033(以最大进给40,000mm/min行进到位置1)
N1034(以最大进给40,000mm/min行进到位置2)
N1035(以最大进给40,000mm/min行进到位置3)
N1036(以最大进给100mm/min行进到位置4)
N1037(以最大进给40,000mm/min行进到位置5)
[…]
在该程序变体中，在线性语句N1036中对于进给在100mm/min的限制，因此在整个线性语句N1036上起作用。由此，在位置3与位置4之间的速度被恒定设置为被减小的最大进给。该行为是不利的，因为不仅在廓线后边沿66处，而且还在从位置3到位置4的整个区域中降低了进给速度。
图5示出了控制系统的进给预设变化曲线，其中在语句N1036中没有限制进给，即在语句N100中限定的最大进给值适用于程序中的所有语句，特别是语句N1036。子程序中的相应语句随后如下地作用：
N100(以最大进给40,000mm/min线性行进)
[…]
N1033(以最大进给40,000mm/min行进到位置1)
N1034(以最大进给40,000mm/min行进到位置2)
N1035(以最大进给40,000mm/min行进到位置3)
N1036(以最大进给40.,000mm/min行进到位置4)
N1037(以最大进给40,000mm/min行进到位置5)
[…]
由此，在廓线后边沿66处，进给受到轴动力的限制作用而被减速到仅大约200mm/min，这在该实例中导致了所生产工件的表面质量问题。
最后，图6示出了：在执行与图4相同的NC程序34时的实际行进的进给廓线54，然而其中，由NC程序34预设的最大进给值通过相邻语句被平整并且近似成连续的进给廓线50。在此，进给速度仅正好在廓线后边沿66处减小到100mm/min。在此，还考虑到廓线后边沿66在工件上加工出的实际几何形状，因为控制系统2为了计算刀具路径而借助压缩器在确定的公差带的界限内自主地在位置和形状方面修正由子程序34预设的几何形状。
因为通过根据本发明的成为连续进给廓线50的近似仅在大曲率，如廓线后边沿66的区域中减小进给速度，所以在例如是涡轮叶片62的工件保持均一的高表面质量时也得到整体较低的生产时间并进而获得生产过程的较高经济性，特别是在应用非专用机床4时获得较高的经济性。

Claims (14)

1.一种用于运行数控机床(4)的方法，所述数控机床具有至少一个运动轴(16)并且所述数控机床与数控系统(2)连接，其特征在于：
-每个所述运动轴(16)的运动都受到最大允许轴动力的限制，
-在所述数控系统(2)中存在子程序(34)，
-所述子程序(34)包括NC语句形式的指令序列，以用于加工工件(62)，
-所述指令序列包括在NC语句中的F值形式的、对用于加工所述工件(62)的随时间跳跃式改变的不同的最大额定速度的预设，
-所述数控系统(2)跨语句地通过随时间连续的额定速度廓线(50)对随时间跳跃式改变的不同的所述最大额定速度进行近似，所述额定速度廓线具有所述最大额定速度的随时间连续的变化曲线，其中，预设有近似的连续的所述额定速度廓线(50)与由所述子程序预设的所述最大额定速度的允许偏差，并且
-所述数控系统(2)在考虑到最大允许轴动力的情况下使用连续的所述额定速度廓线(50)，以用于为每个所述运动轴(16)计算运动的实际运动廓线的额定值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数控系统(2)由所述指令序列处理成与所述工件(62)的加工相关的关于路径廓线的几何指令，并且所述数控系统(2)在为每个所述运动轴(16)计算运动时使用所述路径廓线。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，每个所述运动轴(16)的运动包括速度。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述数控机床(4)具有多个所述运动轴(16)。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述数控机床(4)具有至少一个线性轴和至少一个旋转轴。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述运动轴(16)的运动包括刀具相对于所述工件(62)的进给，并且在大曲率(66)的位置处或者在所述工件(62)的拐角(68)处减少所参与的所述运动轴(16)的进给并在所述位置之外再次提高进给。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述子程序(34)中预设的所述最大额定速度通过关于连续的所述额定速度廓线(50)的一个或多个多项式来近似。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述子程序(34)中预设的所述最大额定速度通过关于连续的所述额定速度廓线(50)的一个或多个样条函数来近似。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在连续的所述额定速度廓线的近似时，考虑所述工件(62)的加工类型。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在连续的所述额定速度廓线的近似时，考虑所述工件(62)的加工的至少一个工艺参数。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在连续的所述额定速度廓线的近似时，考虑所述工件(62)的加工的至少一个工艺参数。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，速度的最大允许改变取决于所述机床(4)的加工类型。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，速度的最大允许改变取决于所述机床(4)的加工类型和/或工艺类型。
14.一种具有数控系统(2)的机床，其中，所述数控系统(2)设计用于，所述数控系统在运行中根据权利要求1至13中任一项所述的方法控制所述机床。
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