CN112513752B - 铣削方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用铣削工具对工件进行加工的方法，铣削工具布置在能够旋转的主轴上，主轴相对于工件沿着加工路径运动或工件相对于主轴沿着加工路径运动并且同时主轴围绕主轴轴线旋转。在所述方法中，通过对主轴沿着加工路径的旋转速度和/或旋转的相位位置进行控制来实现表面质量的改善，加工路径包括线性的平行轨迹，并且主轴的沿着加工路径相位位置在相邻轨迹中基本相同，通过改变主轴的旋转速度和/或主轴沿着加工路径相对于工件的进给速率来控制相位位置。

Description

铣削方法

技术领域

本发明涉及一种利用铣削工具对工件进行加工的方法，铣削工具布置在可旋转主轴上，其中主轴相对于工件沿着加工路径运动或工件相对于主轴沿着加工路径运动，并且主轴围绕主轴轴线旋转，其中对主轴沿着加工路径的旋转速度和/或旋转的相位位置进行控制，并且本发明涉及一种设备和用于执行该方法的计算机程序，以及用于对该计算机程序进行编码的数据结构。

背景技术

在现代机床中，数控用于控制工具相对于工件的定位和运动。为了根据规格对工件进行加工，有必要使得工具在预定路径上相对于工件运动。因此，这也被称为路径控制。在由数控程序处理的零件程序中定义所需的路径。数控将零件程序的几何指令转换为对机床的各种进给轴的位置控制的指令。在铣削过程期间，驱动工具的铣削主轴通常以技术上恒定的速度运行，该速度在零件程序中指定。(根据DIN 66025的S字(S-word))。同样，在零件程序中为工具编程了路径速度(根据DIN 66025的F字(F word))，该路径速度通常指代TCP(工具中心点)或指代在工具上的工具接合点。

例如从DE102015112577A1，DE102010060220A1，WO 2017/056025 A1或JP 2017-001153 A1中已知普通的铣削过程。

如果通过铣削产生的表面是通过“修整(trimming)”产生的，则有几个原因导致在工件上的相邻铣削路径中工具的切削刃相互作用在它们相对于彼此的相位位置中发生任意偏移。例如，主轴位置未精确地耦合到路径进给(例如，使用速度控制的主轴)，或者相邻铣削路径中的路径长度积分不是齿进给的倍数(即使在进给轴和主轴之间存在给定的位置耦合情况下的偏离)。

此外，进给速率(feed rate)会发生变化，例如在快速移动中用于定位或在反转期间降低进给速率。在主轴速度恒定时，这意味着丧失路径参数和主轴位置之间的同步性。当再次达到编程的进给速率时，主轴的角位置实际上是随机的。

结果，根据现有技术制造的铣削工件通常显示出不规则的线性表面结构，如图8中所示。在图8中，工具路径从左向右延伸。您可以看到相邻工具路径中工具边缘的接触点是如何随机同步的。但是，有时会发生偏移，这会导致表面出现光学不均匀的外观(较宽的条纹)。在用于注射成型等的工具的情况下，该结构可以被转移到最终产品上

发明内容

技术问题

本发明的目的是提供一种方法，该方法能够在相邻的工具路径中以针对性的方式产生工具切削刃相互作用的相位(phasing)。特别地，目的是改善表面质量。

技术方案

该问题通过根据权利要求1的程序来解决。该问题特别是通过一种利用布置在能够旋转的主轴上的铣削工具对工件进行加工的方法来解决，其中主轴相对于工件沿着加工路径运动，或工件相对于主轴沿着加工路径运动，并且在此过程中主轴围绕主轴轴线旋转，其中对主轴沿着加工路径的旋转速度和/或旋转的相位位置进行控制，并且其中加工路径包括线性的平行路径(linear parallel paths)。加工路径包括并排布置的线形平行路径(line-shaped parallel paths)，并且主轴沿着加工路径的相位位置在相邻路径中相同或基本相同。由于相同的相位位置，通过铣削过程引入到表面中的图案在相邻路径中是相同的，因此会产生均匀加工的表面的视觉印象。因此，表面纹理使得可以在不对表面进行抛光的情况下进行。

通过改变主轴的旋转速度和/或主轴沿着加工路径相对于工件的进给速率来控制相位位置。

在本发明的实施例中，沿着处理路径在至少一个同步点处将速度和/或相位位置控制到预定的期望值。

在本发明的实施例中，能够沿着处理路径在多个同步点处将速度和/或相位位置控制为相应的预定设定值。

在本发明的实施例中，在达到同步点之前，能够在触发点处开始对速度和相位位置到设定点的控制。

在本发明的实施例中，能够通过减小或增加主轴速度来控制相位位置。因此，在不改变进给速率的情况下，可以仅通过调节主轴速度来控制主轴的相位位置。

在本发明的实施例中，能够通过降低或增加主轴相对于工件沿着加工路径的进给速率来控制相位位置。在该变型中，进给中的干预用于使相位位置同步。

在本发明的实施例中，能够将相位位置以铣削工具的切削刃的节距(pitch)的倍数偏移，铣削工具具有多个切削刃。将相位同步到各个切削刃，而不是专注于主轴的完整旋转，即角度在0°到360°(或角度模数360°)的范围内。例如，如果铣削头具有10个切削刃，则可以每36°(360°/10)执行一次同步。

上面提到的问题也通过一种用于执行根据本发明的方法的设备来解决，该设备包括用于相对于布置在主轴上的铣削工具使工件位移的装置和用于控制主轴的旋转速度和相位的装置。

在本发明的实施例中，主轴能够由位置控制的电动马达驱动。在本发明的实施例中，该设备能够包括用于确定主轴的角位置的装置。

上面提到的问题还通过用于执行根据本发明的过程的计算机程序和用于对用于执行根据本发明的过程的计算机程序进行编码的数据结构来解决。

附图说明

下面利用附图更详细地解释说明如何实施本发明的示例。由此示出：

图1示出了根据路径规划得出的速度限制曲线(profile)的示意图；

图2示出了速度限制曲线的示意图，是从下方近似限制曲线的示意图，

图3示出了插值周期中路径速度曲线的采样示意图；

图4示出了插值周期中的路径速度曲线和主轴速度曲线的联合采样示意图；

图5示出了朝着块极限的主轴相位补偿的示意图；

图6示出了通过朝向块极限暂时降低进给水平来进行相位补偿的示意图；

图7示出了在动态不可能的轨迹规划到已编程的块边界的情况下的下游相位补偿的示意图；

图8示出了使用现有技术铣削过程产生的铣削工件表面的示意图。

具体实施方式

NC(数控)程序以一系列简单的几何元素描述铣削路径。支持点或路径支持点是两个子序列几何元素之间的相应边界。这些坐标从每行的NC程序中获取为NC区块。路径参数(也称为路径长度积分)在零件程序中描述的路径上恰好描述了一个点，该点可刚好位于NC区块的支持点之间。

在下文中，同步点应理解为同时应用的路径(＝路径参数)的任何点：

nSpdl＝nprog(主轴速度为程序中指定的值)

vb＝vprog(进给速率为程序中指定的值)

(主轴的角位置(相位)为程序中指定的值)

aSpdl＝0(主轴速度恒定)

ab＝0(主轴未在x，y，z方向上加速)

触发点是用于规划朝向同步点的运动曲线的起点(以时间和/或路径参数)。

通过在CNC控制的NC程序中编程进给速率和主轴速度，能够确定技术上有条件的齿的进给速率。每个CNC的任务是在不超过该最大值的情况下，尽可能准确地保持此编程的(期望的或最大的)进给速率，同时保持所涉及轴的动态限制值。在路径曲率的区域中，必须降低进给水平，以免使轴进给驱动器动态过载，或以便满足路径精度的某些要求。这是通过在所谓的路径规划中预先计算出所谓的速度限制曲线来实现的，如图1中所示。

在图1中和在以下文本中，根据DIN/ISO或G代码，每个程序行都标定为N10，N20，以及以此类推，直到高达N100。对于每个程序行，现有技术的CNC控制系统都将最大进给速度确定为用于路径规划的速度限制值曲线。速度限制值曲线包含在NC程序中编程的进给速率或进给速度vlim_,prog，和作为路径分析结果的用于区块中的路径速度的动态条件最大值vlim_,dyn，以及每区块过渡的最大过渡速度v_lim。

下游所谓的速度曲线生成器的任务是计算路径参数(或时间，取决于实施方式)上的速度曲线，该速度曲线从下方(即从较低的值)跟随限制曲线的最小值，因为不得超过最大值。如果选择了随时间的表示形式，则速度曲线导致二阶多项式分段，在最一般的情况下，二阶多项式分段的分段边界既不恰好位于句子边界上也不位于时间点上，该分段边界稍后由插值器采样，如图2中所示。速度vB在任何点处低于在上面图1中示出的值v_lim,prog,v_lim,dyn和v_lim,über。

最后，通过所谓的采样插值器以所谓的插值周期时间作为IPO采样点对这样预先计算出的速度曲线进行采样，并计算出运动中涉及的所有进给轴的位置设定点。这也意味着并非每个NC支持点都作为精确的位置设定点输出到轴线控制器，因为确切的NC区块极限通常位于两个IPO扫描点之间。在图3中示意性地示出了扫描。在时间间隔Ta下，位置值sb由所有轴的相应位置传感器确定，并且被传送至控制器。

从现有技术中已知上面所示的速度曲线的确定以及所有轴的进给速率的最终控制。

位置控制主轴的速度曲线由主轴路径确定和控制。另外，主轴的角度(相位)在某些点处被控制为预定值。图形表示基于路径速度曲线的图形表示。

位置控制主轴的速度能够巧妙地表示为路径速度曲线，如图4中所示，它是路径参数(或时间)上速度曲线的相同表示。然后能够从这两个曲线中同时采样周期性的位置设定点。

通过这样的过程，每个内插的路径点被精确地分配一个主轴取向(即主轴相对于零点的角度；主轴旋转的一个相位)。特别地，在恒定路径进给和恒定主轴速度的区域中，主轴速度和路径速度之间存在“准齿轮同步”。但是，在主轴与主轴路径之间精确的速度耦合状态下，仍然存在主轴取向相对于路径长度积分的自由度，这在数学上能够理解为积分常数。根据本发明，该自由度设置有目标参数(＝编程的)，并且以时间优化的方式产生，同时保持动态极限。

为了提供目标参数，在路径上的至少一个点处分配精确的主轴取向。根据本发明，该分配特别有利地在NC程序中进行。对这种同步条件进行编程会使得每个相邻铣削路径至少产生一次固定的主轴取向(图5)。利用给定的同步命令，根据本发明的过程的任务首先是在保持动态限制值的同时确定轨迹规划是否可能。如果轨迹规划是可能的，下面将介绍两种建立同步的可能方法。此外，给出如何处理不可能进行轨迹规划的情况的程序。

对于以下解释说明，假定已给出(或将首先产生)CNC控制系统的系统属性：

根据本发明，为路径上的特定几何定位(geometric location)分配在该点处所需的主轴角位置。在本发明的执行示例中，这是通过在CNC程序中的零件程序中添加一个额外的NC区块库实现的(可能对纯路径描述而言是冗余的)。这是一个符合DIN/ISO的NC程序的(很多可设想到的)语法扩展的示例，将其以“G119 S77”插入N40行中，并在其中进行作为下述注释进行解释说明：

N10 M03 S1000

N20 G00 X-110 Y0 Z10

N30 G01 Z-1 F2000

N40 G01 X-100 G119 S77；在X-100位置，主轴应处于77°。

N50 G01 X+100

语法扩展提供了G119命令，该命令期望参数S具有主轴相对于零点(相位位置)的角位置的规格。

在恒定的进给速率和恒定的主轴速度下，这导致了路径长度积分与铣削主轴的角位置之间的“准齿轮同步”。在实践中，能够通过铣削主轴的位置控制操作来最好地满足这一要求。

在边界条件下，对于所有进给轴和铣削主轴，要保持路径随时间的三个导数(vmax，amax，jmax)的限制，这是路径轴和铣削主轴的每个运动状态都需要达到同步点所需的最短的时间(并且因此也是铣削路径上的最小路径)。相反，这意味着在物理上不可能在任何短时间内或短距离内建立任何所需的同步。因此，要描述的程序还必须解释说明在这种情况下会发生什么。

与线性进给轴相比，铣削主轴自其运动开始以来的累计位置对于当前任务不重要。仅关注模数范围为0……360°的角位置。这意味着铣削主轴达到同步目标所需的最大相位补偿为：

具有设定点规格在模数范围内的主轴的位置控制操作的另一个特殊功能是，能够通过两种方式(向前或向后旋转)到达每个设定点位置。如果获知了关于旋转方向的信息，则该位置规格可达到360°/TA。换言之，插值周期为1ms，主轴速度高达60,000rpm。

如果能够进行轨迹规划，则能够使用两种方法。

在第一个过程中，主轴执行相位补偿。同步点的定义表明，同步点只能位于路径上这样的几何定位(路径参数)处，在这些几何位置中才能获得恒定的进给速率。根据上述对嵌套问题的定义，如果路径上的制动或加速距离除vb＝vprog之外足以满足区块进入时的条件ab＝0，则这些同步点能够恰好位于区块边界上，并且如果该制动或加速距离或其持续时间也足以建立主轴的必要相位补偿。

下图中显示了这种情况：

……N10 M03 S1000

：

N30 G00 X5 Y0 Z-5 F2000

N40 G00 X10 Y10 Z-1

N50 G00 X15 Y5

N60 G01 X85

N70 G01 X100 Y90 Z-2 F1500 G119 S77；同步主轴至77

N80 G01 X150

单独的程序行用N10，N20等标记。程序行N70除了在深度位置Z＝-2处到达X＝100，Y＝90且进给速率为2000的路径外，还包含主轴在此处应取77°角的信息。

图5中创建的区域是速度-时间积分，对应于所需的主轴位置相位校正。速度曲线的各段边界被包围。在这种情况下，在不影响进给速率规划且对零件程序的总加工时间没有任何负面影响的情况下优化运动时间。为了计算同步过程，按以下步骤进行操作：在前瞻缓冲区中找到具有用于主轴的取向条件的(新)NC区块后，除了路径速度曲线外，还重新计算主轴速度曲线，这与输入一个“正常”的新NC程序段的方法类似。

由于前瞻过程通过插值器中的速度曲线生成实时运行，因此获知最后一个周期中输出到主轴的位置设定点，以及确切的路径参数以及因此还有持续时间(在路径行程和时间上)，直到达到同步点为止。如果机器在不校正主轴速度的情况下继续运行，则能够计算出主轴在同步点处的角位置。这样，所需的相位补偿量就是模圆(modulo circle)中这两个角位置之间的差。对于多刃工具而言，所需的相位补偿当然也能够缩短到360°/角位置。如果在主轴相位校正期间路径进给(如在我们的示例中所示)不是恒定的，在获知了主轴的动态限制值之后，则能够计算出主轴速度曲线，从而这将同步点恰好建立在区块限制处，重要的是主轴的同步过程必须精确地在区块限制处结束。

在根据本发明的方法的第二执行示例中，通过在有限的时间内降低进给水平来实现相位补偿，参见图6。

用于限时降低速度曲线的进给水平的方法对于高速主轴特别有效。所需的高度和进给速率降低的持续时间是短的，因为主轴几乎能够在毫秒内占据任何角位置，而不会改变主轴速度。为了计算同步过程，如下列步骤进行操作：首先如上述程序中确定所需的相位校正量。在计算出直至同步点的所需相位校正之后，以这样一种方式计算朝向同步点的一条修正的速度曲线，即运动部分所需的额外时间(与原始规划相比)与主轴需要通过所需的相位校正恰好一样多。

如果没有足够的时间或距离找到轨迹，则轨迹规划总是不可能的。根据本发明的程序提供了这样一种情况，即确定下游同步点，该下游同步点距已编程的同步点(下游)有一定距离...d。所选距离...d是从S和F字获知的规划进给速率的整数倍。S字控制主轴速度，F字控制进给速率。因此，工具切削刃接合的同步性以到NC程序中编程的几何定位的延迟(但仍然定义)来实现。对于一个填充良好的前瞻缓冲区和同步条件彼此之间不太紧密跟随的NC区块而言，这种情况在实践上将可能很少发生或根本不发生。“激发”的最简单方法是使用NC区块，这些NC区块的同步条件彼此之间过于紧密跟随。下图示出了这种情况的示例：通过编程的进给水平，在保持动态限制值的情况下，不可能在X 0.1mm的距离内将主轴的取向改变64°，参见图7；

........N10 M03 S1000

：

N30 G00 X5 Y0 Z-5 F2000

N40 G00 X10 Y10 Z-1

N50 G00 X15 Y5

N60 G01 X85

N70 G01 X100 Y90 Z-2 F1500 G119 S77；同步主轴至77

N80 G01 X100,1 Y90 Z-2 G119 S13；同步主轴至13

N90 G01 X150

公式符号：

s定位(Location)，位置，路径

v速度

a加速

j急动度(Jerk)

角位置

n速度

TA插值周期时间(IPO时钟)。

索引：

b路径，参考NC路径的值(values that refer to the NC path)

Spdl主轴，参考路径的值(values that refer to the path)

prog(在NC程序中)编程值。

Claims (12)

1.一种利用铣削工具对工件进行加工的方法，铣削工具布置在能够旋转的主轴上，其中主轴相对于工件沿着加工路径运动，或工件相对于主轴沿着加工路径运动，并且主轴围绕主轴轴线旋转，其中对主轴沿着加工路径的旋转的相位位置和/或旋转速度进行控制，其特征在于，加工路径包括并排布置的多个线性的平行路径，并且主轴沿着加工路径的相位位置在相邻的平行路径中基本相同，通过改变主轴的旋转速度和/或主轴沿着加工路径相对于工件的进给速率来控制相位位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沿着处理路径在至少一个同步点处将旋转速度和/或相位位置控制到预定的期望值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，沿着处理路径在多个同步点处将旋转速度和/或相位位置控制为相应的预定设定值。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在达到同步点之前，在触发点处开始将速度和相位位置控制到设定点。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，通过减小或增加主轴速度来控制相位位置。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，通过降低或增加主轴相对于工件沿着加工路径的进给速率来控制相位位置。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，将具有多个切削刃的铣削工具的相位位置以切削刃的节距的倍数偏移。

8.一种用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的设备，其特征在于，该设备包括用于使工件相对于布置在主轴上的铣削工具进行位移的装置，和用于控制主轴旋转的速度和相位的装置。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，主轴由位置控制的电动马达驱动。

10.根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于，该设备包括用于确定主轴的角位置的装置。

11.一种计算机可读介质，其包括用于执行根据权利要求1至7中任一项所述方法的计算机程序。

12.一种计算机可读介质，其包括用于对计算机程序进行编码的数据结构，该计算机程序用于执行根据权利要求1至7中任一项所述方法。

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