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DE4291619C2 - Verfahren zum Betreiben einer mehrachsigen computernumerisch gesteuerten Werkzeugmaschine - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer mehrachsigen computernumerisch gesteuerten Werkzeugmaschine

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Publication number
DE4291619C2
DE4291619C2 DE4291619A DE4291619A DE4291619C2 DE 4291619 C2 DE4291619 C2 DE 4291619C2 DE 4291619 A DE4291619 A DE 4291619A DE 4291619 A DE4291619 A DE 4291619A DE 4291619 C2 DE4291619 C2 DE 4291619C2
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DE
Germany
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axes
axis
machine
programmable
joints
Prior art date
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Expired - Lifetime
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DE4291619A
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English (en)
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DE4291619T1 (de
Inventor
Glenn Charles Brien
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Anca Pty Ltd
Original Assignee
Anca Pty Ltd
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Publication date
Application filed by Anca Pty Ltd filed Critical Anca Pty Ltd
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Description

Die Erfindung betrifft mehrachsige, computer­ numerisch gesteuerte (CNC) Werkzeugmaschinen, die über ein Schneidwerkzeug verfügen, das relativ zu einem Werkstück bewegt werden kann, gesteuert von programmierbaren Steuerungseinrichtungen mit Hilfe eines unter dem Begriff "Teileprogramm" bekannten Computerprogramms.
In dieser Beschreibung bezieht sich der Begriff "Schneidwerkzeug" auf das Teil der Werkzeugmaschine, das dazu bestimmt ist, zwecks Ausführung einer gewünschten Arbeit eine Wirkung auf ein Werkstück auszuüben. Dabei ist der Begriff "Schneidwerkzeug" nicht auf Standard- Dreh- oder Fräswerkzeuge beschränkt, sondern schliesst alle mechanischen, elektronischen und/oder elektro-mechanischen Vorrichtungen mit ein, die für die Modifizierung der Form und/oder der Eigenschaften eines Werkstücks eingesetzt werden. Beispiele für Schneidwerkzeuge: Fräser, Drehwerkzeuge, Schleifscheiben, Laserstrahlschneider, Plasmaschneider und Stanzwerkzeuge.
Mehrachsige CNC-Werkzeugmaschinen verfügen herkömmlicherweise über eine Vielzahl bewegbarer Maschinenelemente sowie über eine Vielzahl steuerbarer Gelenke, deren Bewegungsfähigkeit bewirkt, daß das Schneidwerkzeug relativ zu einem festgelegten Bezugsrahmen (z. B. dem Maschinensockel) bewegt wird. Das Werkstück wird in eine Werkstückhalterung eingesetzt, die relativ zum Maschinensockel fixiert ist. Als Alternative kann das Werkstück in eine Werkstückhalterung eingesetzt werden, die durch weitere, bewegliche Maschinenelemente und steuerbare Gelenke mit dem Maschinensockel verbunden ist.
Die Gelenke einer mehrachsigen Maschine können sich aus prismatischen (linearen) Gelenken, die die Bewegung eines Maschinenelements in eine lineare Richtung ermöglichen, und/oder Drehgelenken zusammensetzen, die die Rotation eines Maschinenelements um eine Drehachse ermöglichen. Programmierbare Steuerungseinrichtung einer mehrachsigen CNC- Werkzeugmaschine ist herkömmlicherweise so programmiert, daß sie die Position und Orientierung der Gelenke steuert, sodaß das Schneidwerkzeug eine gewünschte Position und Orientierung relativ zur Werkstückhalterung einnimmt.
Der Begriff Mehr- oder Mehrfach-Achsensteuerung, wenn im Kontext mit CNC-Werkzeugmaschinen verwendet, bezieht sich herkömmlicherweise auf eine Form von CNC-Steuerung, bei der die Maschine so programmiert werden kann, daß ein oder mehrere Gelenke gleichzeitig gesteuert werden. Die Entwicklung von mehrachsigen und Multifunktions-Werkzeugmaschinen in Verbindung mit der Entwicklung von anspruchsvollen, computer-gesteuerten Operationen hat die Entstehung von Hochgeschwindigkeits- Präzisionswerkzeugmaschinen gefördert, die in der Lage sind, komplexe, mehrere Schritte umfassende Operationen auf einer Maschine durchzuführen.
Bei der Programmierung einer CNC-Werkzeugmaschine mit Mehrachsensteuerung wird eine Vielzahl programmierbarer Positionierrichtungen oder "Achsen" gewählt, welche der Mindestanzahl von Achsen entspricht, die erforderlich sind, um das Schneidwerkzeug relativ zum Werkstück zu positionieren. Diese programmierbaren Achsen, hierin als die primären programmierbaren Achsen bezeichnet, können sich aus bis zu drei linearen Orthogonalachsen und einer oder mehreren Drehachsen zusammensetzen.
Herkömmlicherweise verfügt eine CNC-Maschine über eine Reihe von Achsen und wird von einem Teileprogramm gesteuert, das der Maschine in regelmässiger Folge Anweisungen gibt, aufeinanderfolgende Serien von Einzeloperationen in einer vorbestimmten oder programmierten Reihenfolge auszuführen.
Bei einfachen CNC-Werkzeugmaschinen entspricht die Anzahl der Gelenke oftmals der Anzahl der programmierbaren Achsen. So kann zum Beispiel eine vierachsige Werkzeugmaschine über drei orthogonale, lineare oder prismatische Gelenke verfügen, die die Bewegung in drei orthogonalen Richtungen (X, Y und Z) ermöglichen, sowie über eine Drehachse A.
Bei der Programmierung einer solchen vierachsigen Maschine können die Richtungen X, Y und Z praktischerweise als programmierbare lineare Achsen und die Achse A als programmierbare Drehachse gewählt werden. Während solche CNC- Werkzeugmaschinen in der Lage sind, einfache, lineare Bewegungen auszuführen, fehlt es ihnen jedoch an der Kapazität, das Schneidwerkzeug in einer Konturbewegung entlang oder um andere Achsen herum zu führen, außer diese anderen Achsen sind durch das Vorhandensein weiterer Gelenke physisch präsent.
Die EP-A 0 063 606, nach der der Oberbegriff des Anspruchs 1 und der Oberbegriff des Anspruches 6 gebildet sind, beschreibt ein numerisches Steuerungssystem für eine fünfachsige CNC-Werkzeug­ maschine mit drei linearen beziehungsweise prismatischen von Servomotoren gesteuerten Gelenken, die die relative Bewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück in Richtung der X-, Y- und Z-Achsen eines orthogonalen Koordinatensystems ermöglicht, und zwei von Servomotoren gesteuerten Drehachsen, die die Drehbewegung in Richtung der B- und C-Achsen eines sphärischen Koordinatensystems ermöglichen. Diese Achsen werden praktischer­ weise als programmierbare Achsen gewählt. Weiter ist ein manuel­ ler Impulsgenerator vorgesehen, mit dem die Werkzeugmaschine manuell in einer axialen Richtung relativ zum Werkstück bewegt werden kann, um die Schnittiefe zu erhöhen oder zu verringern. Diese Bewegung unter einer Programmsteuerung auszuführen, würde eine komplizierte Programmierung mit einer Kombination der programmierbaren Achsen erfordern.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer mehrachsigen CNC-Werkzeugmaschine zur Verfü­ gung zu stellen, bei der ein Werkzeug entlang einer programmier­ baren Achse bewegt oder in einer Konturbewegung um eine program­ mierbare Achse herum geführt werden kann, ohne daß die physische Präsenz der Achse durch ein prismatisches Gelenk oder ein Drehgelenk erforderlich ist.
Es ist weiter die Aufgabe der Erfindung, eine mehrachsige CNC- Werkzeugmaschine zur Verfügung zu stellen, die über eine bestimmte Anzahl von Gelenken verfügt und die in der Lage ist, die Bewegung eines Werkzeugs relativ zu einem Werkstück in einer Vielzahl von linearen Achsenrichtungen und in einer Drehachsenrichtung zu steuern, ohne daß sie zumindest so viele Gelenke erfordert, wie lineare Achsenrichtungen und Dreh­ achsenrichtungen vorhanden sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Werkzeugmaschine nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Die CNC-Maschine kann so programmiert werden, daß mehr als eine zusätzliche programmierbare Achse synthetisiert wird, was die Steuerung der Bewegung des Werkzeugs oder des Werkstücks in Relation zu jeder der zusätzlichen, programmierbaren Achsen ohne physische Präsenz besagter synthetisierter, zusätzlicher, programmierbarer Achsen ermöglicht. Die synthetisierte, zusätzliche, programmierbare Achse oder jede der synthetisierten, zusätzlichen, programmierbaren Achsen können nachstehend als "Soft-Achsen" und die primären programmierbaren Achsen als "primäre mechanische Achsen" bezeichnet werden.
Vorzugsweise verläuft mindestens eine der besagten synthetisierten, zusätzlichen, programmierbaren Achsen oder "Soft-Achsen" nicht kollinear mit den primären programmierbaren Achsen. Bisher wurden solche nichtkollinearen Achsen beim Programmieren von herkömmlichen, mehrachsigen Werkzeugmaschinen als teilweise redundante Achsen betrachtet, da es möglich ist, jede gewünschte Position oder Orientierung des Schneidwerkzeugs relativ zum Werkstück in Koordinaten der primären oder "mechanischen" Achsen auszudrücken. Eine Soft-Achse, die kollinear mit einer anderen Softachse verläuft, kann als völlig redundant betrachtet werden, obwohl es ersichtlich ist, daß die vorliegende Erfindung in ihrem breitesten Rahmen die Synthese aller Soft-Achsen durch elektronische oder rechnerische Mittel mit einschliesst, gleichgültig, ob diese teilweise oder völlig redundant sind.
Soft-Achsen sind voll programmierbare Achsen, die in der Lage sind normale Achsenoperationen wie Interpolation, Konturbewegung, Versetzung, Jogging, manuelle Positionierung und Live-Offset-Positionierung zu simulieren.
Zweckmäßig wird mindestens eine der besagten synthetisierten zusätzlichen programmierbaren Achsen oder Soft- Achsen so ausgerichtet, daß sie durch einen Teil des Schneidwerkzeugs verlaufen und relativ zum Schneidwerkzeug fixiert verbleiben. Die Synthese einer solchen Soft-Achse ermöglicht das Programmieren der Maschine so, daß sie die lineare Bewegung eines drehbaren Schneidwerkzeugs entweder entlang einer Soft-Achse, die mit der Drehachse des Schneidwerkzeugs zusammenfällt steuert, oder das Schneidwerkzeug in einer Konturbewegung um eine drehende Soft- Achse, zum Beispiel eine Achse, die durch einen Schleifpunkt auf der Kante des Schneidwerkzeugs verläuft, herumführt.
Es ist ersichtlich, daß die Synthese einer Soft-Achse die Anzahl der programmierbaren Achsen erhöht, sodaß die Anzahl der Achsen die Gesamtanzahl der Gelenke einer mehrachsigen CNC- Maschine überschreitet. In diesem Fall ist es zum Beispiel möglich, daß eine vier- oder fünfachsige Maschine mit vier oder fünf Gelenken zur Verfügung steht, die genauso effektiv funktioniert wie eine herkömmliche Werkzeugmaschine mit sechs oder mehr Gelenken.
Einige bevorzugte Anwendungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend ausschliesslich durch Beispiele mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
Abb. 1 eine schematische Darstellung einer einfache CNC-Maschine mit vier "mechanischen" Achsen und vier Gelenken nach bekanntem Stand der Technik zeigt;
Abb. 2 eine schematische Darstellung einer einfachen CNC-Werkzeugmaschine gemäß der Erfindung mit drei primären "mechanischen" Achsen, einer teilweise redundanten "Soft-Achse" und drei Gelenken zeigt;
Abb. 3 ein Blockdiagramm eines Koordinaten- Transformationsmoduls für eine CNC-Werkzeugmaschine gemäß der Erfindung mit fünf primären, "mechanischen" Achsen, zwei "Soft-Achsen" und fünf Gelenken zeigt;
Abb. 4 eine perspektivische Ansicht des Werkstücks und der Schleifscheibe einer CNC-Werkzeugschleifmaschine mit fünf primären, "mechanischen" Achsen, zwei "Soft-Achsen" und fünf Gelenken zeigt;
Abb. 5 eine perspektivische Ansicht des Aufbaus der Gelenke der CNC-Werkzeugschleifmaschine in Abb. 4 zeigt;
Abb. 6 eine perspektivische Ansicht des Werkstücks und der Schleifscheibe einer CNC-Rundschleifmaschine mit vier primären, "mechanischen" Achsen, zwei "Soft-Achsen" und vier Gelenken zeigt;
Abb. 7 eine perspektivische Ansicht eines Laserschneiders einer CNC-Laserschneidmaschine mit fünf primären, "mechanischen" Achsen, drei "Soft-Achsen" und fünf Gelenken zeigt;
Abb. 8 eine perspektivische Ansicht des Werkstücks und des Schneidwerkzeugs einer CNC-Fräsmaschine mit fünf primären, "mechanischen" Achsen, drei "Soft-Achsen" und fünf Gelenken zeigt.
Das Prinzip der Anwendung von synthetisierten, teilweise redundanten Achsen für eine CNC-Werkzeugmaschine zum Zwecke der Reduzierung der Anzahl der Gelenke, die erforderlich sind, um ein Schneidwerkzug zu bewegen, kann mit Bezugnahme auf die beiliegenden Abb. 1 und 2 beschrieben werden.
Die in Abb. 1 schematisch dargestellte CNC- Werkzeugmaschine ist eine einfache, herkömmliche Werkzeugmaschine, die über eine programmierbare Steuerungseinheit oder PCU 1, einen Bahninterpolator 2, einen Positionsregler 4, einen Maschinensockel 5 mit Halterungsmittel 8 zum Einsetzen eines Werkstücks 6, ein drehbares Schneidwerkzeug 7, eine Vielzahl beweglicher Maschinenelemente L1 bis L3, eine Vielzahl von Gelenken J1-J4 sowie über Stellglieder 11 bis 14 für jedes der Gelenke J1-J4 verfügt.
Wie schematisch in Abb. 1 dargestellt, ist das erste Gelenk J1 ein lineares oder prismatisches Gelenk, das eine teleskopartige Verbindung zwischen einem Teil des Maschinensockels 5 und dem ersten Maschinenelement L1 bildet und die Bewegung des Maschinenelements L1 relativ zum Sockel 5 in horizontale X-Richtung ermöglicht, ist das zweite Gelenk J2 ein lineares oder prismatisches Gelenk, das eine teleskopartige Verbindung zwischen dem ersten Maschinenelement L1 und dem zweiten Maschinenelement L2 bildet und relative, lineare Bewegung zwischen dem ersten und zweiten Maschinenelement L1 und L2 in vertikaler Z-Richtung ermöglicht, ist das dritte Gelenk J3 ein Drehgelenk zwischen dem zweiten und dritten Maschinenelement L2 und L3 und ermöglicht Winkelbewegung des dritten Maschinenelements L3 relativ zum zweiten Maschinenelement L2 um eine Drehachse B, und ist das vierte Gelenk J4 ein lineares oder prismatisches Gelenk, das eine teleskopartige Verbindung zwischen dem dritten Maschinenelement L3 und der Oberkante des Schneidwerkzeugs 7 bildet und lineare Bewegung des Schneidwerkzeugs 7 relativ zum dritten Maschinenelement L3 in V-Richtung, die mit der Drehachse des drehbaren Schneidwerkzeugs 7 übereinstimmt, ermöglicht.
Herkömmlicherweise wird eine Werkzeugmaschine wie die in Abb. 1 oftmals als "vierachsige Maschine" bezeichnet, da sie über vier Gelenke J1 bis J4 verfügt. Ausserdem wird die Maschine als Maschine mit vier Maschinen-Freiheitsgraden (Machine Degree of Freedom, MDOF) eingestuft, da sie über vier nichtkollineare Gelenkachsen oder -richtungen verfügt, in denen relative Bewegung zwischen benachbarten Maschinenelementen oder zwischen dem Schneidwerkzeug und dem dritten Maschinenelement stattfinden kann, d. h. lineare Achsen X, Z, und V und Drehachse B. Im Kontext der vorliegenden Erfindung wird die CNC-Werkzeugmaschine in Abb. 1 als Maschine mit drei Primärachsen, d. h. drei primären, "mechanischen" Achsen, betrachtet: den orthogonalen linearen Achsen X und Z und der Drehachse B. Die lineare V-Achse wird als teilweise redundante "mechanische" Achse betrachtet, da jegliche Änderungen der linearen Position des Schneidwerkzeugs 7 in der V-Richtung relativ zum Werkstück 6 als Änderung der Koordinaten in der X- und Z-Achse ausgedrückt werden. Beim Programmieren der CNC-Maschine in Abb. 1 zum Zwecke der Steuerung der Bewegung des Schneidwerkzeugs 7 entlang eines programmierten Verfahrwegs, würde das Programm herkömmlicherweise die relativen Positionen der Gelenke J1 bis J4 und der beweglichen Maschinenelemente M1 bis M3 relativ zu einem Bezugspunkt auf dem fixierten Werkstück, dem sogenannten Werkstückbezugspunkt, in den Koordinaten der X-, Z- und B- Achse, den primären, "mechanischen" Achsen, und der teilweise redundanten "mechanischen" Achse V definieren. Der Programmier- Freiheitsgrad (Programming Degree of Freedom, PDOF) der Maschine in Abb. 1 entspricht somit dem Maschinen- Freiheitsgrad (MDOF), d. h. der Anzahl der Gelenke.
Die in Abb. 2 schematisch dargestellte Werkzeugmaschine ist der in Abb. 1 ähnlich und korrespondierende Teile wurden mit denselben Referenznummern versehen. Die Werkzeugmaschine in Abb. 2 unterscheidet sich jedoch physisch von der in Abb. 1 darin, daß das dritte Maschinenelement L3, das vierte Gelenk J4 und das ihnen zugeordnete Stellglied 14 ausgelassen sind. Im Unterschied zu Abb. 1 hat die Werkzeugmaschine in Abb. 2 ausserdem einen Koordinaten-Transformationsmodul 3, und ist durch geeignete Programmierung der PCU 1 und des Koordinaten- Transformationsmoduls in der Lage, die Bewegung des Schneidwerkzeugs 7 relativ zum Werkstück-Bezugspunkt in den selben linearen Richtungen X, Z, und V und um die Drehachsen B und C zu steuern wie die Werkzeugmaschine der Abb. 1, trotz der Tatsache, daß sie über keine physische Präsenz der Linearachse V in Form eines Gelenks verfügt, da Gelenk J4 ausgelassen wurde.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Drei-Gelenk- Maschine der Abb. 2 in der Lage, das Schneidwerkzeug relativ zum Werkstück genauso effektiv zu steuern wie die Vier- Gelenk-Maschine in Abb. 1, da der Koordinaten- Transformationsmodul 3 so programmiert ist, daß er eine teilweise redundante "Soft-Achse" synthetisiert, die der linearen V-Achse entspricht, die durch das Schneidwerkzeug 7 verläuft. Es ist ersichtlich, daß lineare Bewegung des Schneidwerkzeugs 7 in V-Richtung durch entsprechende Ingangsetzung der prismatischen Gelenke J1 und J2 ohne physische Präsenz der linearen Achse V in Form eines korrespondierenden Gelenks J4 möglich ist. Da die Maschine nur über drei Gelenke, J1, J2, und J3 verfügt, hat sie nur drei Maschinenfreiheitsgrade (MDOF), aber da eine zusätzliche, teilweise redundante "Soft-Achse" synthetisiert wird, hat die Maschine vier Programmier-Freiheitsgrade. Auf diese Weise kann die Drei-Gelenk- oder Drei-Achsen-Maschine der Abb. 2 genauso betrieben werden wie die Vier-Gelenk-Maschine der Abb. 1.
Die Art und Weise, in der eine CNC-Werkzeugmaschine programmiert wird, um eine oder mehrere "Soft-Achsen" zu synthetisieren, wird mit Bezugnahme auf Abb. 3 beschrieben, die einen Koordinaten-Transformationsmodul 3 einer Maschine mit fünf Gelenken J1 bis J5, fünf primären, "mechanischen" Achsen und zwei teilweise redundanten "Soft- Achsen" zeigt. Zunächst jedoch soll hier eine Reihe von Begriffen und Achsen-Klassifizierungsregeln definiert werden:
Definitionen Werkstück
Das Werkstück ist das Teil, an dem von der Werkzeugmaschine nutzbringende Arbeit vorgenommen wird. Die Hauptaufgabe einer Werkzeugmaschine besteht in der Modifizierung der Form und/oder Eigenschaften eines Werkstücks.
Werkstück-Bezugspunkt (Workpiece Reference Point - WRP)
Der Werkstück-Bezugspunkt (WRP) ist ein Bezugspunkt, der logisch an das Werkstück gebunden ist. Es handelt sich um eine zum Werkstück relative Festposition, die jedoch nicht nur mit Achsen, sondern auch anders programmiert werden kann.
Maschinenelement
Ein Maschinenelement ist eine starre mechanische Struktur der Werkzeugmaschine oder eine Kombination mechanischer Strukturen in einer Verbindung zwischen 2 Gelenken Jn und Jn+1 oder zwischen dem Sockel der Maschine und Gelenk J1 oder zwischen Gelenk JN und dem Schneidwerkzeug (wobei N die Anzahl der Gelenke der Werkzeugmaschine ist). In den Bewegungsgleichungen für die Werkzeugmaschine treten sie als Konstanten auf.
Letztes Maschinenelement
Das letzte Maschinenelement ist das Maschinenelement, das Gelenk JN mit dem Schneidwerkzeug verbindet, wobei N die Anzahl der Gelenke der Werkzeugmaschine ist.
Gelenk
Eine mechanische Verbindung zwischen zwei Maschinenelementen. Ein Gelenk wird mittels eines Stellgliedes gesteuert. Die Position eines Gelenks beschreibt die kinematische Beziehung zwischen zwei verschiedenen Maschinenelementen. In den meisten Ausführungen ist jede einzelne Gelenkposition einfach und direkt der Position eines Stellgliedes zugeordnet. In einigen Ausführungen liegt eine einfache Zuordnung von N zu N vor, dies kommt jedoch bei den meisten normalen Werkzeugmaschinen selten vor.
Stellglied
Aktiver Mechanismus zum Ingangsetzen eines Gelenks. Typische Stellglieder sind elektrische Servomotoren, pneumatische und hydraulische Kolben.
Werkzeug-Bezugspunkt (Tool Reference Point - TRP)
Der Werkzeug-Bezugspunkt (TRP) ist ein Bezugspunkt, der logisch an das letzte Maschinenelement der Werkzeugmaschine gebunden ist. Es handelt sich um eine zum letzten Maschinenelement relative Festposition, die jedoch nicht nur mit Achsen sondern auch anders programmiert werden kann.
Räumliche Freiheitsgrade (Spacial Degrees of Freedom - SDOF)
Eine Werkzeugmaschine kann definiert werden als eine Maschine mit SDOF räumlichen Freiheitsgraden und ODOF Orientierungs-Freiheitsgraden. Die räumlichen Freiheitsgrade (SDOF) bestehen aus einer Ganzzahl, die den grundlegenden Raum festlegt, in dem die Maschine operiert. Dieser Raum wird als euklidischer SDOF-Dimensionsraum bezeichnet, der als rechtwinkliges Koordinatensystem mit SDOF euklidischen Dimensionen am Werkstückbezugspunkt in das Werkstück eingebettet ist. Dieser Bezugsrahmen mit seinem korrespondierenden euklidischen Raum wird hierin als der Basisrahmen verwendet, wann immer auf die Position und Orientierung der Werkzeugmaschine Bezug genommen wird.
Die Anzahl der SDOF ist eine der folgenden Zahlen:
  • 1. Für eine ausschliesslich drehende Maschine (z. B.: Karusseldrehbank).
  • 2. Für eine grundsätzlich eindimensionale Maschine (z. B.: Förderband).
  • 3. Für eine grundsätzlich zweidimensionale Maschine (z. B.: herkömmliche Drehbank).
  • 4. Für eine grundsätzlich dreidimensionale Maschine (z. B.: herkömmliche Konsolfräsmaschine).
Der SDOF-Wert muß mit Bezug auf den Orientierungs- Freiheitsgrad (ODOF) betrachtet werden.
SDOF ist als die Mindestanzahl von euklidischen Raumdimensionen definiert, die erforderlich ist, um den Satz fundamentaler Achsenrichtungsvektoren für alle linearen Achsen und den Satz fundamentaler Achsenrichtungsvektoren für alle Drehachsen für alle Achsenvektorwerte innerhalb des Arbeitsraums der Werkzeugmaschine umfassend zu beschreiben.
D. h.: Wenn die Position des Werkzeug-Bezugspunktes relativ zum Werkstück-Bezugspunkt immer auf 1 Dimension beschränkt ist, dann gilt SDOF = 1; in 2 Dimensionen SDOF = 2; in 3 Dimensionen SDOF = 3.
Orientierungs-Freiheitsgrad (Orientation Degree of Freedom - ODOF)
Der Orientierungs-Freiheitsgrad (ODOF) einer Werkzeugmaschine ist eine ganze Zahl, die den Freiheitsgrad der Orientierung zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück festlegt.
Unter der Voraussetzung, daß der Werkzeug- Bezugspunkt im Werkstück-Bezugspunkt liegt, ist ODOF die Anzahl der verschiedenen Richtungsvektoren Dn (höchstens 3) (von denen jeder sich orthogonal zu allen anderen Dm ist), um die die Rotation des Schneidwerkzeuges für alle Achsenvektorwerte innerhalb des Arbeitsraums der Maschine, für die der Werkzeug-Bezugspunkt im Werkstück- Bezugspunkt verbleibt, programmiert werden kann (unter Verwendung der Drehachsen als lineare Achsen).
Aus dieser Definition kann nicht geschlossen werden, daß das Schneidwerkzeug, was den gesamten Arbeitsraum betrifft, nicht um mehr als ODOF Richtungsachsen gedreht werden kann. Sie bezieht sich vielmehr auf die Anzahl von Drehungs- Freiheitsgraden, wenn eine fixierte Position des Werkzeug- Bezugspunktes relativ zum Werkstück-Bezugspunkt gegeben ist. In einer anderen Position (oder in einer unterschiedlich programmierten Konfiguration) kann das Schneidwerkzeug um einen anderen Richtungsvektor gedreht werden.
Die Anzahl von ODOF beträgt:
  • 1. Für Maschinen, deren Schneidwerkzeug relativ zum Werkstück nicht geschwenkt werden kann.
  • 2. Für Maschinen, deren Schneidwerkzeug relativ zum Werkstück nur um einen Richtungsvektor geschwenkt werden kann (z. B.: eine vierachsige Konsolfräsmaschine; mit drehender Werkstückachse).
  • 3. Für Maschinen, deren Schneidwerkzeug relativ zum Werkstück um zwei Richtungsvektoren geschwenkt werden kann (z. B.: eine herkömmliche fünfachsige Fräsmaschine).
  • 4. Für Maschinen, deren Schneidwerkzeug relativ zum Werkstück um drei Richtungsvektoren geschwenkt werden kann (z. B.: ein herkömmlicher sechsachsiger Roboter). Hinweis: eine fünfachsige Fräsmaschine hat ODOF = 2, auch wenn sie mit einer drehenden Werkstückachse ausgestattet ist, da diese Achse nicht orthogonal zu den beiden Achsen verläuft, um die das Werkzeug geschwenkt wird. Um einen ODOF = 3 für eine Fräsmaschine zu erreichen, müsste eine Drehachse parallel zur normalen Werkzeugspindel-Drehrichtung zur Verfügung stehen (die in der Lage ist, nutzbringende Arbeit mit normaler Werkzeugbestückung zu verrichten)
ANMERKUNGEN
  • 1. Eine Drehachse, die dazu bestimmt ist, das Werkstück zu drehen, kann in die Berechnung von ODOF und SDOF nicht mit einbezogen werden. Sie zählt entweder als eine Achse, die eingesetzt wird, um die Hauptpositionierung des Werkzeug- Bezugspunktes relativ zum Werkstück-Bezugspunkt zu bewirken (z. B.: Theta in einem Zylinderkoordinatensystem) oder als eine Achse, die verwendet wird, um die Hauptorientierung des Werkzeug-Bezugspunktes relativ zum Werkstück-Bezugspunkt zu bewirken.
  • 2. Eine Maschine mit einem drehenden Werkzeug kann einen ODOF von höchstens 2 haben, da keine Werkzeug-Orientierung entlang der Drehachse des Werkzeugs ausgemacht werden kann.
Achse
Im vorliegenden Kontext ist eine Achse eine "programmierbare" Positionierrichtung. Das Hauptmittel zum Programmieren einer CNC zum Zwecke der Positionierung einer Werkzeugmaschine in einer bestimmten Position ist die Festlegung des Bestimmungspunktes in Form eines Satzes von Achsenpositionen. Typische Bezeichnungen für Achsen sind: X, Y, Z, A, B, C, U, X1, X2, A3 usw. Achsen sind entweder lineare oder Drehachsen. Zum Zwecke der Beschreibung in diesem Patent werden die Achsen mit An bezeichnet, wobei n die Lage der Achse im Achsenvektor repräsentiert.
Achsenposition
Die Achsenposition einer Achse (z. B. An) ist der Wert, der für eine Achse programmiert wurde und den sie erreichen muss, nachdem alle programmierten Transformationen durchlaufen sind.
Achsenvektor
Ein Achsenvektor (A) ist eine Vektordarstellung der Werkzeugmaschinenposition in Form einer Spaltenmatrix (M + 1 × 1) wo jedes Element des Vektors die Achsenposition einer der M Achsen der Werkzeugmaschine repräsentiert. Das letzte Element des Vektors ist der Wert 1. Dies wird für die Homogenität des Vektors verwendet:
wobei: ai die Position der Achse i repräsentiert.
ANMERKUNG: Obwohl A als Achsenvektor bezeichnet wird, besteht jedoch keine direkte Beziehung zu einem normalen, dreidimensionalen Vektor im euklidischen Raum.
Positionsmatrix
Die Positionsmatrix () ist eine Darstellung, die die Position des Werkzeug-Bezugspunktes (TRP) im SDOF-dimensionalen euklidischen Raum (relativ zum Werkstück-Bezugspunkt (WRP)) mit der Orientierung des Schneidwerkzeugs (relativ zum SDOF- dimensionalen euklidischen Raum) kombiniert. kann folgendermassen dargestellt werden:
wobei: N als normaler Orientierungsvektor bezeichnet wird (siehe unten).
O als orientierender Orientierungsvektor bezeichnet wird (siehe unten).
A als Anfahr-Orientierungsvektor bezeichnet wird (siehe unten).
P als Positionsvektor bezeichnet wird (siehe unten).
Die oben beschriebenen Vektoren N, O und A werden als Orientierungsvektoren beschrieben. Sie bilden eine orthogonale Gruppe von Einheitsvektoren, deren Werte (im SDOF-dimensionalen euklidischen Raum) die Orientierung des Schneidwerkzeugs relativ zum Werkstück repräsentieren. Diese Vektorgruppe kann bis zu 3 Orientierungs-Freiheitsgrade umfassen (was der höchstzulässigen Anzahl entspricht). Diese Vektoren können folgendermaßen definiert werden:
wobei: Nx die i-Achsenposition des Vektors N im SDOF- dimensionalen euklidischen Raum ist.
Ny die j-Achsenposition des Vektors N im SDOF- dimensionalen euklidischen Raum ist.
Nz die k-Achsenposition des Vektors N im SDOF- dimensionalen euklidischen Raum ist.
gleiches gilt für Ox, Oy, Oz, Ax, Ay und Az.
Achsenmatrix
Die Achsenmatrix () ist eine symbolische 4 × 4-Matrix, die die kinematische Beziehung zwischen der Positionsmatrix () und der Achsenposition jeder der Achsen (an), den Elementen des Achsenvektors (A), definiert. Die Elemente von sind symbolisch in Form von an (for n = 1..N) ausgedrückt, wobei N der Anzahl der Achsen der Werkzeugmaschine entspricht. ist definiert als:
wobei: fij(A) eine Funktion der Komponenten von A (a1, a2 . . aN) ist.
Die Gleichung für lautet:
(A) = (A)
für alle Werte von A innerhalb des Arbeitsraums der Werkzeugmaschine.
Lineare Achse
Eine Achse ist dann eine lineare Achse, wenn für alle aktuellen Werte des Achsenvektors (A') innerhalb des Arbeitsraums der Werkzeugmaschine die folgenden Gleichungen gelten:
wobei:
wobei: an die Richtungskomponente des Achsenvektors ist, der mit An korrespondiert.
Δan eine skalare Größe ist, die die Verlagerung von An aus der Achsenposition in A' repräsentiert.
A' der aktuelle Achsenvektor ist.
die Achsenmatrix ist.
die Positionsmatrix ist.
P der Positionsvektor ist (siehe Definition der Positionsmatrix).
N, O und A die Orientierungsvektoren sind (siehe Definition der Positionsmatrix).
K eine skalare Konstante ist.
für alle A' und alle Δan.
Drehachse
Eine Drehachse ist eine Achse, die die Orientierungsänderung des Schneidwerkzeugs (relativ zum SDOF- dimensionalen euklidischen Raum) bewirkt. Eine Drehachse erfüllt mindestens eines der folgenden Kriterien:
entweder
oder
oder
wobei:
wobei: an die Drehkomponente des Achsenvektors ist, der mit An korrespondiert.
A' der aktuelle Achsenvektor ist.
die Achsenmatrix ist.
die Positionsmatrix ist.
P der Positionsvektor ist (siehe Definition der Positionsmatrix).
N, O und A die Orientierungsvektoren sind (siehe Definition der Positionsmatrix).
für alle A' innerhalb des Arbeitsraums der Werkzeugmaschine.
Rollineare Achsen (linear)
Zwei oder mehr lineare Achsen werden als kollinear definiert, wenn sie folgende Kriterien erfüllen:
Die elementaren Achsenrichtungsvektoren (D n a(A')) der Achsen bilden eine kollineare Gruppe von Vektoren für alle Achsenvektorwerte innerhalb des Arbeitsraums der Werkzeugmaschine. D. h.: Eine lineare Achse A (z. B. An) und eine andere Achse (Am) sind kollinear, wenn die Richtung der Bewegung von An immer mit der Richtung der Bewegung von Am übereinstimmt, unabhängig von der Position der Werkzeugmaschine. Dies ist in folgender Gleichung ausgedrückt:
D n a(A') = K . D m a(A')
wobei: K eine skalare Konstante ist.
für alle aktuellen Achsenvektorwerte A' innerhalb des Arbeitsraums der Werkzeugmaschine.
Eine dritte Achse (Ap) und Am sind kollinear, wenn Ap und An kollinear sind.
Anmerkung: Aus dieser Definition kann nicht geschlossen werden, daß die elementaren Achsenrichtungsvektoren einer kollinearen Gruppe konstant sind. Sie bezieht sich nur auf die relative lineare Abhängigkeit der Gruppe.
Aktueller Achsenvektor
Der aktuelle Achsenvektor (A') ist der Wert des Achsenvektors A in der aktuellen Position der Werkzeugmaschine.
Elementarer Achsenrichtungsvektor
Der elementare Achsenrichtungsvektor (D n a(A')) für eine lineare Achse An ist als der Vektor definiert, der die Beziehung zwischen der Änderungsrate der Position des Werkzeug- Bezugspunktes (relativ zum Werkstück-Bezugspunkt) im SDOF- dimensionalen euklidischen Raum und der Änderungsrate der Position von An am aktuellen Achsenvektor herstellt. Er wird durch die Lösung der partiellen Differentialgleichung am aktuellen Achsenvektor repräsentiert:
wobei:
wobei: an die Richtungskomponente des Achsenvektors ist, der mit An korrespondiert ist.
A' der gegenwärtige Achsenvektor ist.
die Achsenmatrix ist.
die Positionsmatrix ist.
P der Positionsvektor ist (siehe Definition der Positionsmatrix)
N, O und A die Orientierungsvektoren sind (siehe Definition der Positionsmatrix).
Kollineare Achsen (drehend)
Zwei oder mehr Drehachsen werden als kollinear definiert, wenn folgende Kriterien erfüllt werden:
Die elementaren Achsendrehvektoren (R n a(A')) der Achsen bilden eine kollineare Gruppe von Vektoren für alle Achsenvektorwerte innerhalb des Arbeitsraums der Werkzeugmaschine und die elementaren Achsen-Drehursprungs- Vektoren (V n a(A') der Achsen sind identisch für alle Achsenvektorwerte innerhalb des Arbeitsraums der Werkzeugmaschine. D. h.: Eine Drehachse (z. B. An) und eine andere Drehachse (Am) sind kollinear, wenn die Drehrichtung von An immer mit der Drehrichtung von Am übereinstimmt und der Ursprungspunkt der Drehung von An immer mit dem Ursprungspunkt der Drehung von Am identisch ist, unabhängig von der Position der Werkzeugmaschine. Dies ist in folgenden Gleichungen ausgedrückt:
R n a(A') = K . R m a(A')
V n a(A') = V m a(A')
wobei: K die skalare Konstante 1 oder -1 ist.
für alle aktuellen Achsenvektorwerte A' innerhalb des Arbeitsraums der Werkzeugmaschine.
Eine dritte Achse (Ap) und Am sind kollinear, wenn Ap und An kollinear sind.
Anmerkung: Aus dieser Definition kann nicht geschlossen werden, daß die elementaren Achsendrehvektoren oder die fundamentalen Achsendrehursprungs-Vektoren einer kollinearen Gruppe konstant sind. Sie bezieht sich nur auf die relative lineare Abhängigheit und Gleichheit der Gruppe.
Elementarer Achsendrehursprungs-Vektor
Der fundamentale Achsendrehursprungs-Vektor (V n a(A')) für die Drehachse An definiert die momentane Position der Drehachse von An im SDOF-dimensionalen euklidischen Raum am aktuellen Achsenvektor (A'). Er wird durch folgende Gleichung definiert:
wobei:
wobei: an die Drehkomponente des Achsenvektors korrespondierend mit An ist.
A' der aktuelle Achsenvektor ist.
die Achsenmatrix ist.
die Positionsmatrix ist.
P der Positionsvektor ist (siehe Definition der Positionsmatrix).
N, O und A die Orientierungsvektoren sind (siehe Definition der Positionsmatrix).
R n a(A') der Achsendrehvektor für An ist.
Elementarer Achsendrehvektor
Der fundamentale Achsendrehvektor (R n a(A')) für die Drehachse An ist als der Einheitsvektor definiert, der die Beziehung zwischen der Änderungsrate in den Orientierungsvektoren (N, O und A) (siehe Definition der Positionsmatrix) und der Änderungsrate der Achsenposition von An am aktuellen Achsenvektor herstellt. Er definiert die momentane Drehrichtung von An, um die die Drehung des Schneidwerkzeugs stattfindet, die durch die Änderung der Achsenposition an bewirkt wird. R n a(A') wird durch folgende Gleichungen definiert:
wobei:
wobei: an die Drehkomponente des Achsenvektors korrespondierend mit An ist.
A' der aktuelle Achsenvektor ist.
die Achsenmatrix ist.
die Positionsmatrix ist.
P der Positionsvektor ist (siehe Definition der Positionsmatrix).
N, O und A die Orientierungsvektoren sind (siehe Definition der Positionsmatrix).
Ki skalare Konstanten sind.
Kollineare Achsengruppe
Eine Gruppe von Achsen, in der jede Achse mit jeder anderen Achse der Gruppe kollinear ist. Eine bestimmte Werkzeugmaschine kann über mehrere kollineare Achsengruppen verfügen.
Nichtkollineare Achsen
Eine nichtkollineare Achse ist eine Achse die nicht Teil einer kollinearen Achsengruppe ist.
Programmier-Freiheitsgrad
Im Kontext dieses Patents handelt es sich bei dem Programmier-Freiheitsgrad (PDOF) einer Werkzeugmaschine um eine ganze Zahl, die die Anzahl von nichtkollinearen Achsen plus der Anzahl der kollinearen Achsengruppen repräsentiert.
Arbeitsraum
Der Arbeitsraum ist definiert als die Gesamtheit der Werte, die die Positionsmatrix () für eine Werkzeugmaschine anzunehmen in der Lage ist. Diese Gesamtheit der Werte hängt von dem räumlichen Freiheitsgrad und dem Orientierungs- Freiheitsgrad und jeglichen Beschränkungen ab, die für Achsen- und Gelenkpositionen gelten.
Gelenkposition
Für prismatische Gelenke wird die Gelenkposition (jn) als lineare Verlagerung in Millimetern ausgedrückt. Für Drehgelenke wird die Gelenkposition (jn) als Winkelposition in Radianten ausgedrückt.
Die oben ausgedrückten Einheiten dienen der Definition und korrespondieren mit den angegebenen Gleichungen. In praktischen Anwendungen kann sich anderer Einheiten bedient werden (z. B.: Encoderzählungen). Die entsprechende Umwandlung der Gleichungen ist dann erforderlich.
Gelenkvektor
Ein Gelenkvektor (J) ist eine Vektorrepräsentation der Position der Werkzeugmaschine, die als Spaltenmatrix (N + 1 × 1) ausgedrückt wird, wobei jedes Element des Vektors die Gelenkposition eines der N Gelenke der Werkzeugmaschine repräsentiert. Das letzte Element des Vektors ist 1:
wobei: ji die Position des Gelenks i repräsentiert.
ANMERKUNG: Während J als Gelenkvektor bezeichnet wird, besteht jedoch keine direkte Beziehung zu einem normalen, dreidimensionalen Vektor im euklidischen Raum.
Aktueller Gelenkvektor
Der aktuelle Gelenkvektor (J') ist der Wert des Gelenkvektors J in der aktuellen Position der Werkzeugmaschine.
Gelenkmatrix
Die Gelenkmatrix () ist eine symbolische 4 × 4 Matrix, die die kinematische Beziehung zwischen der Positionsmatrix () und der Gelenkposition jedes der Gelenke (jn) definiert, welche die Elemente des Gelenkvektors (J) darstellen. Die Elemente von sind symbolisch in Form von jn (for n = 1..N) ausgedrückt, wobei N die Anzahl der Gelenke der Werkzeugmaschine ist. ist definiert als:
wobei: fij(J) eine Funktion der Komponenten von J (j1, j2 . . jN) ist.
folgender Gleichung genügt:
(J) = (J)
für alle Werte von J innerhalb des Arbeitsbereichs der Werkzeugmaschine.
Prismatisches Gelenk
Ein Gelenk ist dann ein prismatisches Gelenk, wenn für alle aktuellen Gelenkvektorwerte (J') innerhalb des Arbeitsbereichs der Werkzeugmaschine folgende Gleichungen gelten:
wobei:
wobei: jn die Richtungskomponente des Gelenkvektors ist, die mit Jn korrespondiert.
Δjn eine skalare Größe ist, die die Verlagerung des Gelenks Jn von der Gelenkposition in J' repräsentiert.
J' der aktuelle Gelenkvektor ist.
die Gelenkmatrix ist.
die Positionsmatrix ist.
P der Positionsvektor ist (siehe Definition der Positionsmatrix).
N, O und A die Orientierungsvektoren sind (siehe Definition der Positionsmatrix).
K eine skalare Konstante ist.
für alle J' und alle Δjn.
Gelenkverlagerungsvektor
Der Gelenkverlagerungsvektor (D n(J')) für das prismatische Gelenk Jn ist definiert als der Vektor, der die Beziehung zwischen der Änderungsrate der Position des Werkzeugbezugspunktes im SDOF-dimensionalen, euklidischen Raum (relativ zum Werkstückbezugspunkt) und der Änderungsrate der Position von Jn am aktuellen Gelenkvektor herstellt. Er wird durch die Lösung der partiellen Differentialgleichung am aktuellen Gelenkvektor repräsentiert:
wobei:
wobei: jn die Richtungskomponente des Gelenkvektors ist, die mit Jn korrespondiert.
J' der aktuelle Gelenkvektor ist.
die Gelenkmatrix ist.
die Positionsmatrix ist.
P der Positionsvektor ist (siehe Definition der Positionsmatrix).
N, O und A die Orientierungsvektoren sind (siehe Definition der Positionsmatrix).
Drehgelenk
Ein Drehgelenk ist ein Gelenk, daß die Änderung der Orientierung eines Schneidwerkzeuges (relativ zum SDOF- dimensionalen euklidischen Raum) bewirkt. Ein Drehgelenk erfüllt mindestens eines der folgenden Kriterien:
entweder
oder
oder
wobei:
wobei: jn die Drehkomponente des Gelenkvektors ist, die mit Jn korrespondiert.
J' der aktuelle Gelenkvektor ist.
die Gelenkmatrix ist.
die Positionsmatrix ist.
P der Positionsvektor ist (siehe Definition der Positionsmatrix).
N, O und A die Orientierungsvektoren sind (siehe Definition der Positionsmatrix).
für alle J' innerhalb des Arbeitsraumes der Werkzeugmaschine.
Gelenkdrehvektor
Der Gelenkdrehvektor (R n(J')) für das Drehgelenk Jn ist definiert als der Einheitsvektor, der die Beziehung zwischen der Änderungsrate der Orientierungsvektoren (N, O und A) (siehe Definition der Positionsmatrix) und der Änderungsrate der Gelenkposition von Jn am aktuellen Gelenkvektor herstellt. Er definiert die momentane Drehrichtung von Jn um die die Drehung des Schneidwerkzeugs stattfindet, die durch eine Änderung der Gelenkposition jn bewirkt wird. R n(J') ist durch folgende Gleichungen definiert:
wobei:
wobei: jn die Drehkomponente des Gelenkvektors ist, die mit Jn korrespondiert.
J' der aktuelle Gelenkvektor ist.
die Gelenkmatrix ist.
die Positionsmatrix ist.
P der Positionsvektor ist (siehe Definition der Positionsmatrix).
N, O und A die Orientierungsvektoren sind (siehe Definition der Positionsmatrix).
Ki skalare Konstanten sind.
Gelenkdrehungs-Ursprungsvektor
Der Gelenkdrehungs-Ursprungsvektor (V n(J')) für das Drehgelenk Jn definiert die Momentanposition der Drehachse von Jn im SDOF-dimensionalen euklidischen Raum am aktuellen Gelenkvektor (J'). Er ist durch folgende Gleichung definiert:
wobei:
wobei: jn die Drehkomponente von J ist, die mit Jn korrespondiert.
J' der aktuelle Gelenkvektor ist.
die Gelenkmatrix ist.
die Positionsmatrix ist.
P der Positionsvektor ist (siehe Definition der Positionsmatrix).
N, O und A die Orientierungsvektoren sind (siehe Definition der Positionsmatrix).
R n(J') der Gelenkdrehvektor für Jn ist.
Kollineare Gelenke (prismatisch)
Zwei oder mehr prismatische Gelenke sind als kollinear definiert, wenn sie folgende Kriterien erfüllen:
Die Gelenkverlagerungsvektoren (D n(J')) der Gelenke bilden eine kollineare Gruppe von Vektoren für alle Gelenkvektorwerte innerhalb des Arbeitsraumes einer Werkzeugmaschine. D. h.: Ein prismatisches Gelenk (Jn) verläuft kollinear mit einem anderen prismatischen Gelenk (Jm), wenn die Bewegungsrichtung von Jn immer mit der Bewegungsrichtung von Jm übereinstimmt, egal in welcher Position sich die Werkzeugmaschine befindet. Dies ist in folgender Gleichung ausgedrückt:
D n(J') = K . D m(J')
wobei: K eine skalare Konstante ist.
für alle aktuellen Vektorwerte J' innerhalb des Arbeitsraumes der Werkzeugmaschine.
Ein drittes Gelenk (Jp) und Jm sind kollinear, wenn Jp und Jn kollinear sind. Anmerkung: Aus dieser Definition kann nicht geschlossen werden, daß die Gelenkverlagerungsvektoren einer kollinearen Gelenkgruppe konstant sind. Sie bezieht sich nur auf die relative lineare Abhängigkeit der Gruppe.
Kollineare Gelenke (drehend)
Zwei oder mehr Drehgelenke sind als kollinear definiert, wenn sie folgende Kriterien erfüllen:
Die Gelenkdrehvektoren (R n(J')) der Gelenke bilden eine kollineare Gruppe von Vektoren für alle Gelenkvektorwerte innerhalb des Arbeitsraums der Werkzeugmaschine und die Gelenkdrehungs-Ursprungsvektoren (V n(J')) der Gelenke sind für alle Gelenkvektorwerte innerhalb des Arbeitsraums der Werkzeugmaschine identisch. D. h.: Ein Drehgelenk (Jn) und ein anderes Drehgelenk (Jm) sind kollinear, wenn die Drehrichtung von Jn immer mit der Drehrichtung von Jm übereinstimmt und der Ursprung der Drehung von Jn immer mit dem Ursprung der Drehung von Jm identisch ist, unabhängig von der Position der Werkzeugmaschine. Dies ist in den folgenden Gleichungen ausgedrückt:
R n(J') = K . R m(J')
V n(J') = V m(J')
wobei: K die skalare Konstante 1 oder -1 ist.
für alle aktuellen Gelenkvektorwerte J' innerhalb des Arbeitsraums der Werkzeugmaschine.
Ein drittes Gelenk (Jp) und Jm sind kollinear, wenn Jp und Jn kollinear sind. Hinweis: Aus dieser Definition kann nicht geschlossen werden, daß die Gelenkdrehvektoren oder die Gelenkdrehungs-Ursprungsvektoren einer kollinearen Gelenkgruppe konstant sind. Sie bezieht nur auf die relative lineare Abhängigkeit und Gleichheit der Gruppe.
Kollineare Gelenkgruppe
Eine Gruppe von Gelenken, in der jedes der Gelenke kollinear mit jedem anderen Gelenk der Gruppe verläuft. Eine bestimmte Werkzeugmaschine kann über mehrere kollineare Gelenkgruppen verfügen.
Nichtkollineares Gelenk
Ein nichtkollineares Gelenk ist ein Gelenk, das nicht Teil einer kollinearen Gelenkgruppe ist.
Völlig redundantes Gelenk
Ein völlig redundantes Gelenk ist ein Gelenk, das in eine kollineare Gruppe von Gelenken eingeordnet werden kann. Die Einbeziehung eines völlig redundanten Gelenks in eine CNC erhöht den Maschinen-Freiheitsgrad (MDOF) nicht.
Maschinen-Freiheitsgrad
Im vorliegenden Kontext ist der Maschinen-Freiheitsgrad als ganze Zahl definiert, die die Anzahl der nichtkollinearen Gelenke plus der Anzahl der kollinearen Gelenkgruppen repräsentiert.
Achsenklassifizierungs-Regeln
Eine CNC-Werkzeugmaschine hat mindestens (SDOF + ODOF) Achsen. Diese Achsen können folgendermaßen klassifiziert werden:
Primäre mechanische Achsen
Die Achsen einer Werkzeugmaschine werden so gewählt, daß diese Gruppe von Achsen der Mindestanzahl von Achsen entspricht, die erforderlich ist, um den Werkzeugbezugspunkt relativ zum Werkstückbezugspunkt in jede im SDOF-dimensionalen euklidischen Raum definierte Position zu bringen und um danach das Schneidwerkzeug um den Werkzeugsbezugspunkt in ODOF orthogonalen Richtungen zu drehen. Die Achsen dieser Gruppe werden als "primäre mechanische Achsen" bezeichnet. Es können mehrere Gruppen von Achsen, die dieses Kriterium erfüllen, vorliegen, es muß jedoch eine dieser Gruppen gewählt werden, damit zwischen mechanischen und Softachsen unterschieden werden kann. Die Wahl dieser Gruppe hat keinen Einfluß auf die Anzahl von Softachsen der Werkzeugmaschine.
Teilweise redundante Achsen
Eine lineare Achse (An) ist dann teilweise redundant, wenn sie eine nichtkollineare Achse ist und alle der folgenden Kriterien erfüllt:
  • 1. An ist unter den Achsenklassifizierungsregeln nicht als primäre mechanische Achse eingestuft.
  • 2. Der elementare Achsenrichtungsvektor von An kann im SDOF- dimensionalen euklidischen Raum für alle Achsenvektorwerte innerhalb des Arbeitsraums der Werkzeugmaschine definiert werden.
Eine Drehachse (An) ist dann teilweise redundant, wenn sie nichtkollinear ist, nicht als primäre mechanische Achse unter den Achsenklassifizierungsregeln eingestuft wird und eins der folgenden Kriterien erfüllt:
  • 1. Der fundamentale Achsendrehvektor von An und der fundamentale Achsendrehvektor einer der Drehachsen Am, als eine primäre mechanische Achse klassifiziert, sind kollinear für alle Achsenvektorwerte innerhalb des Arbeitsraums der Werkzeugmaschine, jedoch die fundamentalen Achsendrehungs-Ursprungsvektoren für An und Am sind nicht für alle Achsenvektorwerte innerhalb des Arbeitsraums der Werkzeugmaschine identisch.
  • 2. Der fundamentale Achsendrehvektor von An und die Drehachse eines drehenden Schneidwerkzeugs sind für alle Achsenvektorwerte innerhalb des Arbeitsraums der Werkzeugmaschine kollinear.
Eine teilweise redundante Achse erhöht den räumlichen Freiheitsgrad oder den Orientierungs-Freiheitsgrad einer Werkzeugmaschine nicht, d. h. die Position des Werkzeugbezugspunkts relativ zum Werkstückbezugspunkt oder die Orientierung des Schneidwerkzeugs können mittels einer teilweise redundanten Achse nicht auf eine andere als die bereits von den anderen Achsen eingesetzte Art modifiziert werden. Anmerkung: Diese Definition hat keinen Einfluß auf den Achsenvektor oder den Gelenkvektor. Sie bezieht sich nur auf die relative Position und Orientierung des Schneidwerkzeugs zum Werkstück.
Völlig redundante Achse
Eine völlig redundante Achse ist eine Achse, die in eine kollineare Achsengruppe eingeordnet werden kann. Der Einschluß einer völlig redundanten Achse in eine CNC erhöht den Programmier-Freiheitsgrad (PDOF) nicht.
Völlig redundante mechanische Achsen
Eine Achse der Werkzeugmaschine, die völlig redundant ist und kollinear mit einer oder mehreren primären mechanischen Achsen verläuft, jedoch selbst keine primäre mechanische Achse ist, wird als "völlig redundante mechanische Achse" bezeichnet.
Teilweise redundante mechanische Achsen
Die Achsen einer Werkzeugmaschine (die sogenannte Gruppe der "teilweise redundanten mechanischen Achsen"), bei denen es sich weder um primäre mechanische Achsen oder um völlig redundante mechanische Achsen handelt, werden so gewählt, daß die Gruppe von mechanischen Achsen (wenn keine anderen Achsen vorliegen) bewirken würden, daß der Programmier-Freiheitsgrad (PDOF) dem Maschinen-Freiheitsgrad entspricht und daß die Anzahl der Achsen in der Gruppe der teilweise redundanten mechanischen Achsen die höchstmögliche Anzahl ist. Hieraus kann gefolgert werden, daß wenn Achse An und Achse Am kollinear sind, und Am Teil der Gruppe ist, dann ist auch An Teil der Gruppe. Mehrere Achsengruppen können diese Kriterien erfüllen, es muß jedoch eine gewählt werden, um zwischen teilweise redundanten mechanischen Achsen und Soft-Achsen zu unterscheiden. Die Wahl dieser Gruppe hat keinen Einfluß auf die Anzahl der Soft-Achsen einer Werkzeugmaschine.
Soft-Achsen
Eine Achse der Werkzeugmaschine, die keine mechanische Achse ist, wird als "Soft-Achse" bezeichnet. Die Soft- Achsengruppe kann teilweise redundante oder völlig redundante Achsen enthalten. Wenn eine Achse An völlig redundant ist und kollinear mit der Achse Am verläuft, und Am eine Soft-Achse ist, dann ist auch An eine Soft-Achse. Soft-Achsen erhöhen den PDOF auf eine Zahl, die höher ist als der MDOF. Wenn bei einer Werkzeugmaschine mit N Achsen die Anzahl der mechanischen Achsen H und die Anzahl der Soft-Achsen S ist (S = N - H), dann ändern sich die Werte von S, N und H nicht, unabhängig davon, wie sie gemäß der obigen Regeln eingestuft wurden, auch wenn es sich bei den Achsen, denen die Einstufung "Soft-Achsen" zugeordnet ist, um unterschiedliche Achsen handelt, je nachdem wie die Klassifizierungsgruppen gewählt werden.
Mechanische Achsen
Mechanische Achsen sind als eine Gruppe von Achsen definiert, die alle die Achsen mit einschließt, die gemäß der Achsenklassifizierungs-Regeln entweder als primäre mechanische Achsen, oder völlig oder teilweise redundante Achsen definiert sind.
ANMERKUNGEN
  • 1. In dieser Beschreibung werden die Werkzeugmaschine, deren Achse, Gelenke, Geometrie und Kinematik als präzise mathematisch modelliert betrachtet. Versetzungen und Nicht-Linearitäten, wie sie bei Implementationen in der Praxis vorkommen, haben keinen Einfluß auf die grundlegenden Definitionen und Patentansprüche.
  • 2. Achsen und Gelenke werden in dieser Beschreibung so behandelt, als hätten sie unbegrenzte Verfahrwege.
  • 3. Definitionen, die sich auf räumliche und Orientierungs- Freiheitsgrade beziehen, müssen für maximale Achsenvektor- und Gelenkvektorwerte angenommen werden. Die Tatsache, daß einige Achsenvektor- und Gelenkvektorwerte eine Reduzierung der räumlichen und Orientierungs- Freiheitsgrade erfahren, die wegen der momentan gleichen Ausrichtung von zwei oder mehreren Achsen (oder Gelenken), die nicht Teil derselben kollinearen Gruppe sind, auftreten, oder weil eine oder mehrere Achsen (oder Gelenke) aus mechanischen, elektrischen oder computerbezogenen Gründen eingeschränkt sind, ist irrelevant.
  • 4. Die Definitionen hierin behandeln Werkzeugmaschinen mit Achsen und Gelenken, die einen Werkstückbezugspunkt und einen Werkzeugbezugspunkt haben. Bei Maschinen, die so gestaltet sind, daß sie über mehrere Werkstückbezugspunkte gleichzeitig und/oder mehrere Werkzeugbezugspunkte verfügen, müssen diese Definitionen für jedes logische Paar Werkstückbezugspunkte und Werkzeugbezugspunkte betrachtet werden.
  • 5. Bei den hierin beschriebenen Achsen- und Gelenkpositionen und Orientierungen sind Sicherheitsabstände oder andere Beschränkungen, die sich bei praktischen Anwendungen einer Werkzeugmaschine für spezielle Aufgaben als erforderlich erweisen können, nicht berücksichtigt.
Die programmierbare Steuereinheit (PCU) 1 in Abb. 2 enthält ein Teileprogramm, das den programmierten Verfahrweg des Schneidwerkzeugs 7 festlegt, den dieses verfolgt, wenn die Maschine sich in automatischem Modus befindet. Die PCU 1 interpretiert das Teileprogramm und sendet Bewegungsbefehlsignale der höheren Programmiersprache an den Bahninterpolator 2. Der Bahninterpolator 2 bearbeitet die Bewegungsbefehlsignale der höheren Programmiersprache, um einen Achsenvektor A zu erzeugen, mit einer Häufigkeit von einem Achsenvektor pro Maschinenaktualisierungs-Periode (im Durchschnitt). Der Bahninterpolator 2 kann ebenfalls auf bekannte Weise Vorschubspezifikations-Signale bearbeiten, die einen automatischen Vorschub für die Geschwindigkeit der Bewegung des Schneidwerkzeugs entlang des programmierten Verfahrwegs darstellen. Eine Ausgestaltung eines Bahninterpolators, der außerdem eine MPG-Vorschubspezifikation von einem manuellen Impulsgenerator (MPG) in automatischem Modus bearbeitet, ist in der WO 92/22023 beschrieben, deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme einbezogen ist.
Die Achsenvektorwerte vom Bahninterpolator 2 werden in Folge in den Koordinaten-Transformationsmodul 3 als die aktuellen Achsenvektorwerte A' eingegeben. Der Koordinaten- Transformationsmodul führt Berechnungen durch, die auf dem aktuellen Achsenvektor, der Achsenmatrix der Maschine und der Gelenkmatrix der Maschine basieren, um einen Gelenkvektor J' zu erzeugen. Dieser Gelenkvektor J' (als aktueller Gelenkvektor bezeichnet) wird dann vom Koordinaten- Transformationsmodul 3 als Signal ausgegeben und in den Positionsregler 4 eingegeben. Der Positionsregler 4 steuert dann die Stellglieder 11, 12 und 13, sodaß diese die Gelenke J1 bis J3 die Maschinenelemente L1 und L2 bewegen und bewirken, daß das Schneidwerkzeug 7 die gewünschte Position auf dem programmierten Verfahrweg einnimmt.
In Abb. 3 der beiliegenden Zeichnungen ist ein Koordinaten-Transformationsmodul 3 für eine CNC- Werkzeugmaschine mit fünf primären mechanischen Achsen, zwei teilweise redundanten "Softachsen" und fünf Gelenken dargestellt.
Der Koordinaten-Transformationsmodul in Abb. 3 enthält einen programmierbaren Modul 3 und einen Vorbereitungsmodul 15, ein kinematisches Steuerungsmodul 16 und einen Datensammelmodul 17. Der Vorbereitungsmodul 15 empfängt in Folge Signale, die den aktuellen Achsenvektor A' repräsentieren und gibt jedes Signal an den kinematischen Steuerungsmodul in Form von Achsenpositionskomponenten a1 bis a7 weiter, wobei a1 bis a5 die Achsenpositionskomponenten der fünf primären mechanischen Achsen repräsentieren, und a6 und a7 die Achsenpositionskomponenten der beiden "Soft-Achsen" repräsentieren. Die "Soft-Achsen", wie oben beschrieben, sind teilweise redundante Achsen oder völlig redundante Achsen, die mit elektronischen oder rechnerischen Mitteln der CPU synthetisiert wurden, wobei der kinematische Steuerungsmodul 16 ebenfalls mit kodierten mathematischen kinematischen Gleichungen der jeweiligen Werkzeugmaschine mit Positionen der "mechanischen" und "Soft-Achsen" programmiert ist. Dieser Modul ist je nach Maschine auswechselbar, sodaß die Kinematik jedem Maschinentyp entsprechend gestaltet werden kann.
Der kinematische Steuerungsmodul 16 kann die Transformation von einem aktuellen Achsenvektorwert A' zu einem Gelenkvektorwert J' in zwei abschnittweisen Vorgängen vornehmen. Im ersten Abschnitt wird ein numerischer Wert für die Positionsmatrix P(A') am aktuellen Achsenvektor errechnet, basierend auf der Achsenmatrix : Im zweiten Abschnitt werden Gleichungen der folgenden Form verwendet:
jn = fn()
wobei: fn() eine Funktion der Komponenten der Positionsmatrix ist,
für jede Komponente jn der Gelenkposition, von folgender Gleichung abgeleitet:
=
wobei: die Gelenkmatrix und die Positionsmatrix ist,
um die Gelenkpositionen jn aus dem numerischen Wert für zu berechnen, der im ersten Abschnitt errechnet wurde. Diese beiden Abschnitte können in eine Phase zusammengefasst werden (in Maschinen mit einfacher Kinematik), wobei die Gleichungen folgendermaßen repräsentiert werden können:
jn = fn(A)
wobei: A der Achsenvektor und fn(A) eine Funktion der Komponenten von A (a1, a2 . . aM) ist; M ist die Anzahl der Achsen der Werkzeugmaschine.
In dem in Abb. 3 abgebildeten Koordinaten- Transformationsmodul, transformiert der kinematische Steuerungsmodul 16 den aktuellen Achsenvektor A' mit seinen sieben Achsenpositionskomponenten a1 bis a7 in einen aktuellen Gelenkvektor J' mit fünf Gelenkpositionskomponenten j1 bis j5, die jeweils mit einem der fünf Gelenke J1 bis J5 der Werkzeugmaschine korrespondieren.
Der aktuelle Gelenkvektor J' geht dann durch den Datensammelmodul 17, bevor er an die Stellglieder für die jeweiligen Gelenke J1 bis J5 der Maschine weitergegeben wird.
Es ist somit ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung ein Koordinaten-Transformationsmodul einführt, welches das vom Programmierer verwendete Koordinatensystem(e) völlig von dem vom Positionsregler verwendeten Gelenk-Koordinatensystem trennt. Dies ermöglicht weit mehr Flexibilität bei den Gleichungen, mit denen die Programmierkoordinaten (Achsen) den Gelenken zugeordnet werden. Insbesondere ermöglicht das kinematische Steuerungsmodul, daß die Werte der Soft-Achsen im Achsenvektorwert, der an das Koordinaten-Transformationsmodul weitergegeben wird, mit enthalten sind. Durch Verwendung der Werte der Achsenmatrix, Gelenkmatrix und Positionsmatrix kann der korrekte Gelenkvektor, der dem Achsenvektor genügt, errechnet werden, obwohl der Achsenvektor redundante Information enthält (die Positionswerte der Soft-Achsen).
Die vorliegende Erfindung bietet außerdem den entscheidenden Vorteil, daß eine CNC-Maschine gemäß der Erfindung weniger Gelenke erfordert, um dieselben Arbeiten auszuführen wie eine herkömmliche Maschine. Während diese Erfindung nicht auf CNC-Maschinen mit einer bestimmten Anzahl von Gelenken und Soft-Achsen beschränkt ist, sind die bevorzugten Anwendungsformen zum Beispiel unter anderem eine siebenachsige CNC-Werkzeugschleifmaschine mit fünf Gelenken; eine sechsachsige CNC-Rundschleifmaschine mit vier Gelenken; eine achtachsige Laserschneidemaschine mit fünf Gelenken und eine achtachsige CNC-Fräsmaschine mit fünf Gelenken. Diese bevorzugten Anwendungsformen werden unter Bezugnahme auf die Abb. 4 bis 8 der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
In Abb. 4 und 5 sind ein Aufspannkopf 18 und ein Schleifspindelstock 19 einer CNC-Werkzeugschleifmaschine mit fünf mechanischen und zwei Soft-Achsen dargestellt, die die Programmierbarkeit und Flexibilität einer siebenachsigen Maschine bieten, mit dem zusätzlichen Vorteil, daß volle Konturiermöglichkeiten für alle Achsen gegeben sind, wobei nur fünf Gelenke erforderlich sind.
In der in Abb. 4 und 5 dargestellten Anwendungsform, wird das Werkstück 6 drehbar vom Aufspannkopf 18 getragen, der selbst mittels der prismatischen Gelenke J1 and J2, die den Aufspannkopf mit dem Maschinensockel (nicht abgebildet) verbinden, linear in den Achsenrichtungen X und Y verfahren werden kann.
Der Schleifspindelstock 19 trägt auf einer Seite ein drehendes Schneidwerkzeug 7 in Form einer Schleifscheibe, und auf der anderen Seite ist der Schleifspindelstock 19 mit einer Säule 20 verbunden, mittels eines prismatischen Gelenks J3, das vertikale Bewegung des Schleifspindelstocks relativ zur Säule 20 in Z-Achsenrichtung zuläßt. Die Maschine verfügt außerdem über zwei Drehgelenke J4 und J5. Drehgelenk J4 ermöglicht die Drehung des Werkstücks um eine horizontale Drehachse A und Gelenk J5 ermöglicht die Drehung der Säule um eine vertikale Drehachse C.
Die Anordnung der Maschinenachsen in Abb. 4 kann entsprechend der Achsenwahlregeln folgendermaßen gewählt werden:
Mechanische Achsen
X Lineare Achse (links/rechts).
Y Lineare Achse (vorn/hinten).
Z Lineare Achsen (oben/unten).
A Drehachse (horizontale Drehung des Aufspannkopfes)
C Drehachse (vertikale Drehung des Schleifspindelstocks)
Soft-Achsen
B Drehachse (Schleifpunktposition auf der Schleifscheibe (Werkzeugbezugspunkt: TRP))
V Lineare Achse (parallel zur Drehachse der Schleifscheibenspindel).
Das Anordnung der Gelenke dieser Maschine ist in Abb. 5 zu sehen:
J1 Prismatisches Gelenk (Linearschlitten links/rechts)
J2 Prismatisches Gelenk (Linearschlitten vorn/hinten)
J3 Prismatisches Gelenk (Linearschlitten oben/unten)
J4 Drehgelenk (horizontale Drehung des Aufspannkopfes)
J5 Drehgelenk (vertikale Drehung der Säule)
Wie in Abb. 3 ersichtlich ist, beträgt der räumliche Freiheitsgrad dieser Maschine SDOF = 3. Der Orientierungs- Freiheitsgrad beträgt ODOF = 2. Da die Maschine ein drehendes Schneidwerkzeug hat, kann der ODOF nicht 3 betragen. Bei den Achsen X, Y und Z handelt es sich um 3 orthogonale, lineare Achsen, die gemäß den Achsenklassifizierungs-Regeln als primäre mechanische Achsen gewählt wurden und die SDOF Positions- Freiheitsgrade darstellen. Keine dieser Achsen sind kollinear, sodaß 2 der 3 Drehachsen als primäre mechanische Achsen gewählt werden können. A und C wurden gemäß der Achsenklassifizierungs- Regeln willkürlich als primäre mechanische Achsen gewählt und stellen die ODOF Orientierungs-Freiheitsgrade dar. Die restlichen 2 Achsen B und V werden als Soft-Achsen klassifiziert. Der Programmierfreiheitsgrad entspricht somit PDOF = SDOF + ODOF + 2 = 7. Der Maschinen-Freiheitsgrad MDOF = Anzahl der nichtkollinearen Gelenke = 5.
Durch entsprechende Wahl und Synthese der Soft-Achsen B und V kann die Werkzeugmaschine daher so programmiert werden, daß die relative Bewegung zwischen dem Werkstück und dem Schneidwerkzeug entweder in Richtung der linearen V-Achse um die Drehachse B gesteuert wird. Diese Bewegung erfordert normalerweise eine siebenachsige Maschine mit spezifischen Gelenken zur Steuerung der Bewegung in Richtung der linearen Achse V oder um die Drehachse B.
In Abb. 6 der beiliegenden Zeichnungen ist eine CNC- Rundschleifmaschine mit 4 mechanischen und 2 Soft-Achsen abgebildet.
In Abb. 6, wird eine Schleifscheibe 27 von einem Aufspannkopf 29 getragen, der linear in Richtung der Achsen X und Z mittels der prismatischen Gelenke J2 und J1 verfahren werden kann. Der Aufspannkopf 29 kann mittels Drehgelenk J3 um die vertikale Drehachse B gedreht werden, und der Aufspannkopf 28 kann mittels Drehgelenk J4 um die horizontale Drehachse C gedreht werden.
Die Achsenanordnung kann gemäß der Achsenwahlregeln folgendermaßen gewählt werden:
Mechanische Achsen
X Lineare Achse (links/rechts).
Z Lineare Achse (vorn/hinten).
B Drehachse (vertikale Drehung des Aufspannkopfes)
C Drehachse (horizontale Drehung des Aufspannkopfes)
Soft-Achsen
V Lineare Achse (senkrecht zur Drehachse der Schleifscheibenspindel).
W Lineare Achse (parallel zur Drehachse der Schleifscheibenspindel).
Durch Wahl und Synthese der Soft-Achsen V und W kann die Werkzeugmaschine in Abb. 6 so programmiert werden, daß die Bewegung der Schleifscheibe in Richtung der linearen Achse V oder der linearen Achse W gesteuert werden kann. Um diese Bewegung mit herkömmlichen Werkzeugmaschinen durchführen zu können, wären spezifische Gelenke erforderlich.
In Abb. 7 ist eine CNC-Laserschneidemaschine mit fünf mechanischen und zwei Soft-Achsen dargestellt.
Die Laserschneidemaschine in Abb. 7 hat ein Laserschneidwerkzeug 37, das von einem Werkzeughalter 38 getragen wird, der mittels der prismatischen Gelenke J1, J2 und J3 in Richtung der drei orthogonalen Achsen X, Y und Z bewegt werden kann. Das Laserschneidwerkzeug 37 ist mittels Drehgelenk J4 um die horizontale Drehachse B drehbar und mittels Drehgelenk J5 um die vertikale Drehachse C drehbar.
Die Achsenanordnung kann gemäß den Achsenwahlregeln folgendermaßen gewählt werden:
Mechanische Achsen
X Lineare Achse (links/rechts).
Y Lineare Achse (vorn/hinten).
Z Lineare Achse (oben/unten).
B Drehachse (horizontale Drehung des Laserstrahls)
C Drehachse (vertikale Drehung des Laserstrahls)
Soft-Achsen
U Lineare Achse (senkrecht zur Richtung des Laserstrahls und der Z-Achse)
V Lineare Achse (senkrecht zur Richtung des Laserstrahls und der U-Achse)
W Lineare Achse (parallel zur Laserstrahlrichtung)
Somit kann durch Wahl und Synthese der Soft-Achsen U, V und W die Laserschneidemaschine so programmiert werden, daß das Laserschneidwerkzeug 37 in Richtung der linearen Achsen U, V und W bewegt werden kann, ohne daß hierfür spezifische Gelenke benötigt werden.
In Abb. 8 ist eine CNC-Fräsmaschine mit 5 mechanischen und 3 Soft-Achsen dargestellt.
Die Fräsmaschine in Abb. 8 hat ein Schneidwerkzeug 47, das von einem Werkzeughalter 49 getragen wird, der in mittels eines prismatischen Gelenks J3 in Richtung der vertikalen Achse Z bewegt werden kann. Das Werkstück 46 ist in eine Werkstückhalterung gespannt, die mittels der prismatischen Gelenke J1 und J2 in Richtung der horizontalen Achsen X und Y bewegt werden kann. Das Schneidwerkzeug 47 ist mittels Drehgelenk J5 um die horizontale Drehachse B drehbar, und mittels Drehgelenk J4 um die vertikale Drehachse C drehbar.
Die Achsenanordnung kann gemäß den Achsenwahlregeln folgendermaßen gewählt werden:
Mechanische Achsen
X Lineare Achse (links/rechts).
Y Lineare Achse (vorn/hinten).
Z Lineare Achse (oben/unten).
B Drehachse (horizontale Drehung des Schneidwerkzeugs)
C Drehachse (vertikale Drehung des Schneidwerkzeugs)
Soft-Achsen
U Lineare Achse (senkrecht zur Drehachse der Schneidwerkzeugspindel und der Richtung Z- Achsenrichtung)
V Lineare Achse (senkrecht zur Drehachse der Schneidwerkzeugspindel und der U-Achsenrichtung)
W Lineare Achse (parallel zur Drehachse der Schneidwerkzeugspindel)
Wiederum kann durch Wahl und Synthese der Soft-Achsen U, V und W die Fräsmaschine so programmiert werden, daß das Schneidwerkzeug 47 in Richtung der linearen Achsen U, V und W bewegt werden, ohne daß hierfür spezifische Gelenke benötigt werden.

Claims (16)

1. Verfahren zum Betreiben einer mehrachsigen computernume­ risch gesteuerten (CNC) Werkzeugmaschine, die eine Werkstück­ halterung zum Einsetzen und Halten eines Werkstücks, ein Werk­ zeug zum Bearbeiten des Werkstücks, eine Vielzahl starrer Maschinenelemente, eine Vielzahl steuerbarer Gelenke, die die Maschinenelemente und das Werkzeug verbinden, und eine pro­ grammierbare Maschinensteuerung zum Steuern der Bewegung der Gelenke, um die relative Bewegung zwischen dem Werkzeug und der Werkstückhalterung zu bewirken, wobei die Maschinensteue­ rung mit einem Teileprogramm arbeitet, das den programmierten Verfahrweg des Werkzeugs festlegt, aufweist, wobei das Verfahren beinhaltet:
  • - die Auswahl von primären, programmierbaren Positionier­ achsen, die die minimale Anzahl von Achsen bilden, die für die relative Positionierung und Ausrichtung des Werkzeuges in be­ zug auf die Werkstückhalterung erforderlich sind,
  • - die Bewegung des Werkzeugs entlang einem programmierten Weg relativ zu der Werkstückhalterung durch programmgesteuerte Ansteuerung der primären, programmierbaren Positionierachsen,
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine virtuelle Achse als eine zusätzliche programmierbare Achse synthetisiert wird,
wobei diese Achse(n) wenigstens teilweise zu den primären, programmierbaren Positionierachsen redundant ist/sind, und daß
die homogene Transformationsmatrix, die die Beziehung zwischen dieser Achse(n) und den physikalischen Freiheitsgraden des Ma­ schinenwerkzeugs im euklidischen Raum beschreibt, derart ist,
daß sie auch im Raum der primären, programmierbaren Positio­ nierachsen allein darstellbar ist, und daß die Teileprogramm- Sequenz in einem Koordinatentransformationsmodul in die Bewe­ gung der Gelenke unter vollständiger Berücksichtigung aller primären und virtuellen Achsen transformiert wird, so daß auch die virtuelle Achse(n) durch die Bewegung der Gelenke gesteu­ ert wird/werden, ohne daß die physikalische Präsenz der vir­ tuellen Achse(n) durch ein zusätzliches Gelenk oder Gelenke erforderlich ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine synthetisierte, programmierbare virtuelle Achse nichtkollinear zu den primären, programmierbaren Achsen verläuft.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine synthetisierte, programmierbare virtuelle Achse so angeordnet ist, daß sie durch einen Teil des Schneid­ werkzeugs verläuft und relativ zu dem Schneidwerkzeug fixiert ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die programmierbaren Achsen eine Vielzahl linearer Achsen und wenigstens eine Drehachse umfassen und die Vielzahl von Gelenken lineare oder prismatische Gelenke und wenigstens ein Drehgelenk umfassen.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Anzahl programmierbarer Achsen größer ist als die Anzahl der Gelenke der Maschine.
6. Mehrachsige, computernumerisch gesteuerte Werkzeugma­ schine, mit einer Werkstückhalterung zum Einsetzen und Halten eines Werkstückes, einem Werkzeug, das relativ zu der Werk­ stückhalterung bewegbar ist, einer Vielzahl von starren Maschinenelemente, einer Vielzahl von Gelenken, die die Maschinenelemente und das Werkzeug verbinden, und einer programmierbaren Steuervorrichtung, die zum Steuern der Position und Ausrichtung der Gelenke programmiert ist, wobei das Maschinenwerkzeug eine Vielzahl primärer programmierbarer Achsen hat, deren Anzahl die minimale Anzahl programmierbarer Achsen darstellt, die erforderlich ist, das Werkzeug relativ zu der Werkstückhalterung zu positionieren, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Maschine wenigstens eine synthetisierte, virtuelle Achse hat, die wenigstens teilweise zu den primären programmierbaren Achsen redundant ist, die der Maschine als eine zusätzliche programmierbare Achse zur Verfügung steht und die wie eine primäre Achse programmierbar ist, daß die programmierbare Steuervorrichtung Achsenpositionssignale erzeugt, wobei jedes Achsenpositionssignal eine gewünschte Position für das Werkzeug relativ zu der Werkstückhalterung in Form von Komponenten-Koordinaten der primären Achsen und der synthetisierten programmierbaren Achsen darstellt, und daß die Maschine ein Transformationsmodul aufweist, das die Achsen­ positionssignale in Gelenkpositionssignale für die Steuerung der Position und Ausrichtung der Vielzahl der Gelenke umwan­ delt, derart, daß die relative Bewegung zwischen dem Werkzeug und der Werkstückhalterung in bezug auf die primären Achsen und die synthetisierte(n) virtuelle(n) Achse(n) gesteuert wird.
7. Mehrachsige CNC-Werkzeugmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine synthetisierte, programmierte virtuelle Achse nichtkollinear zu den primären programmierbaren Achsen verläuft.
8. Mehrachsige Werkzeugmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine synthetisierte, program­ mierbare virtuelle Achse durch einen Teil des Schneidwerkzeugs verläuft und relativ zu dem Schneidwerkzeug fixiert ist.
9. Mehrachsige CNC-Werkzeugmaschine nach einem der Ansprü­ che 6 bis 8, bei der die Gesamtanzahl programmierbarer Achsen größer ist als die Gesamtanzahl der Gelenke der Maschine.
10. Mehrachsige CNC-Werkzeugmaschine nach einem der Ansprü­ che 6 bis 9, bei der die programmierbaren Achsen lineare Achsen und Drehachsen umfassen und die Vielzahl von Gelenken lineare oder prismatische Gelenke und Drehgelenke umfassen.
11. Mehrachsige CNC-Werkzeugmaschine nach Anspruch 10, wobei die Maschine wenigstens zwei prismatische Gelenke, die die Bewegung entlang wenigstens zweier orthogonaler linearer Achsen ermöglichen, und wenigstens ein Drehgelenk, das die Drehung um eine Drehachse ermöglicht, aufweist, wobei die Maschine mit primären programmierbaren Achsen entsprechend den orthogonalen linearen Achsen und der wenigstens einen Dreh­ achse programmiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine wenigstens eine synthetisierte virtuelle Achse als eine zusätzliche programmierbare Achse hat.
12. Mehrachsige CNC-Werkzeugmaschine nach Anspruch 11, wobei die Maschine zwei prismatische Gelenke, die die Bewegung entlang zweier orthogonaler linearer Achsen ermöglichen, und zwei Drehgelenke, die die Drehung um zwei Drehachsen ermögli­ chen, aufweist, wobei die Maschine mit vier primären program­ mierbaren Achsen programmiert ist, die jeweils den orthogona­ len linearen Achsen und den beiden Drehachsen entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine zwei synthetisierte, virtuelle lineare Achsen als zusätzliche programmierbare Achsen hat.
13. Mehrachsige CNC-Werkzeugmaschine nach Anspruch 12, bei der die zwei synthetisierten, virtuellen linearen Achsen in derselben Ebene liegen wie die beiden primären orthogonalen linearen Achsen, wobei die virtuellen linearen Achsen nicht­ kollinear zu den primären linearen Achsen verlaufen.
14. Mehrachsige CNC-Werkzeugmaschine nach Anspruch 11, wobei die Maschine drei prismatische Gelenke, die die Bewegung in drei orthogonalen linearen Achsen ermöglichen, und zwei Dreh­ gelenke, die die Drehung um zwei Drehachsen ermöglichen, aufweist, wobei die Maschine mit fünf primären programmier­ baren Achsen programmiert ist, die jeweils den drei orthogona­ len linearen Achsen und den beiden Drehachsen entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine eine synthetisierte, virtuelle lineare Achse und eine synthetisierte, virtuelle Drehachse als zusätzliche programmierbare Achsen hat.
15. Mehrachsige CNC-Werkzeugmaschine nach Anspruch 11, wobei die Maschine drei prismatische Gelenke, die die Bewegung entlang dreier orthogonaler, linearer Achsen ermöglichen, und zwei Drehgelenke, die die Drehung um zwei Drehachsen ermög­ lichen, aufweist, wobei die Maschine fünf primäre programmier­ bare Achsen hat, die jeweils den orthogonalen linearen Achsen und den beiden Drehachsen entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine drei synthetisierte, virtuelle lineare Achsen als zusätzliche programmierbare Achsen hat.
16. Mehrachsige CNC-Werkzeugmaschine nach Anspruch 15, bei der die drei zusätzlichen programmierbaren linearen Achsen orthogonale Achsen sind, von denen jede nichtkollinear zu den primären orthogonalen linearen programmierbaren Achsen ist.
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