專利名稱：用于帶有冗余的、平移作用的軸的測(cè)量機(jī)或機(jī)床的優(yōu)化的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在測(cè)量機(jī)和機(jī)床的開發(fā)中，越來(lái)越多地使用冗余的、平移作用的軸，即這樣一些
軸，其相互疊置構(gòu)造地或相互作用地、可在空間中平行地相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其中，在具有相對(duì)長(zhǎng)的 運(yùn)動(dòng)范圍的基軸上或者相對(duì)于所述基軸設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)具有相對(duì)短的運(yùn)動(dòng)范圍的附加 軸。
背景技術(shù)：
這樣的可冗余地在相同方向上疊加地運(yùn)動(dòng)的軸提供了以下可能性在測(cè)量裝置或 刀具相對(duì)于測(cè)量物或加工物的連續(xù)運(yùn)動(dòng)過程中結(jié)合了基軸的較大的運(yùn)動(dòng)范圍與短程的并 因此較輕地構(gòu)造的附加軸的較高加速能力。 這類設(shè)計(jì)的一個(gè)例子是專利EP 594699Bl(Ehlerding)。在所述的專利中已經(jīng)提出 使用平行定向的、重疊作用的軸裝置，以便能夠在這樣的機(jī)床中在可較小加速的、長(zhǎng)程的軸 的整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)輕的、短程的軸的高加速度，所述機(jī)床優(yōu)選設(shè)計(jì)用于在兩個(gè)或三個(gè) 相互正交定向的軸上加工扁的或平的工件。 由該公開文獻(xiàn)已知，在此稱為附加軸的較短的分軸可以由一個(gè)可在材料上方運(yùn)動(dòng) 的龍門架支撐，該機(jī)架帶有支撐附加軸的運(yùn)動(dòng)單元，所述運(yùn)動(dòng)單元又能沿著龍門架運(yùn)動(dòng)，或 者也可以借助于基軸使材料運(yùn)動(dòng)，其中，刀具又可以借助于附加軸與由基軸引起的運(yùn)動(dòng)無(wú) 關(guān)地相對(duì)于材料運(yùn)動(dòng)。同樣，也可想到一個(gè)或多個(gè)支撐刀具的附加軸，所述附加軸在材料上 方沿著作為基軸的固定龍門架運(yùn)動(dòng)，而材料借助于另一個(gè)與龍門架正交地定向的基軸在龍 門架下面順著運(yùn)動(dòng)。 通常公知的是，替代龍門架，也可以將帶有運(yùn)動(dòng)的或靜止的支撐件的橫梁或可運(yùn) 動(dòng)或靜止的臂或懸臂用作附加軸的支撐，并且，所有提及的軸配置也與通常的情況不同，其 中，基軸優(yōu)選可以使重的機(jī)器部分或重的測(cè)量物或加工物在水平面上運(yùn)動(dòng)，也可以具有空 間上的其它定向。替代測(cè)量裝置或刀具，輕的或小的測(cè)量物或加工物也可以通過附加軸支 撐并通過基軸和附加軸的總運(yùn)動(dòng)沿測(cè)量裝置或刀具導(dǎo)向，而為此無(wú)需根本不同的協(xié)調(diào)。
此外，例如由W0 2006/75209A2(Gattiglio等人)已知，附加軸盡管在物理上相互 正交地定向并且共同在一個(gè)借助兩個(gè)基軸定向的平面上運(yùn)動(dòng)，然而，物理的附加軸在該運(yùn) 動(dòng)面中并不平行于所述基軸定向，例如，如在WO 2006/75209A2中一樣在公共的運(yùn)動(dòng)平面 中相對(duì)于基軸轉(zhuǎn)過45。。 軸的冗余的、平行定向的作用在此基本上也易于實(shí)施，因?yàn)榧幢闶瞧胀夹g(shù)人員 也能借助于最簡(jiǎn)單的、恒定作用的模擬的、數(shù)字的或在計(jì)算機(jī)技術(shù)上考慮的乘法元件毫無(wú) 問題地設(shè)置為此必需的在兩個(gè)借助物理軸向定向的笛卡兒坐標(biāo)系的定向之間的固定變換。
此外，由現(xiàn)有技術(shù)已知，也可以使用能以通常很小的角度值旋轉(zhuǎn)地運(yùn)動(dòng)的裝置來(lái) 替代線性運(yùn)動(dòng)的附加軸，使得借助于旋轉(zhuǎn)點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)或加工點(diǎn)之間足夠的間距形成測(cè)量裝 置或刀具的與測(cè)量或加工相關(guān)的元件的足夠近似線性的運(yùn)動(dòng)。如果集束的輻射能(大多是激光束)借助于可擺動(dòng)的鏡或其它偏轉(zhuǎn)元件偏引到加工位置，則為此使用一種變型。這種 意義上的附加軸例如在文獻(xiàn)WO 96/29634A1 (Cutler等人)中詳細(xì)說明，為此特別示意性地 參見該文獻(xiàn)的圖2和圖4。對(duì)于其它的刀具(例如可旋轉(zhuǎn)的銑削頭)或相應(yīng)的測(cè)量裝置，也 可考慮與附加軸相關(guān)的類似運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，其中，常?？梢愿郊拥匮氐毒咻S或例如測(cè)量探頭 軸運(yùn)動(dòng)，也用于補(bǔ)償與相應(yīng)的基軸正好平行的運(yùn)動(dòng)的偏差。 在專利文獻(xiàn)EP 1294544B1 (Sartorio)中示出了另一種配置，作為相對(duì)之前的現(xiàn) 有技術(shù)的改進(jìn)，該專利文獻(xiàn)教導(dǎo)可高加速的附加軸的、可兩軸式線性運(yùn)動(dòng)的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)概 述，這尤其產(chǎn)生這樣的優(yōu)點(diǎn)在如此設(shè)計(jì)的機(jī)器的兩個(gè)水平的主運(yùn)動(dòng)方向上存在就此而言 類似的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，這能夠提高二維的刀具運(yùn)動(dòng)的效率。 然而，關(guān)于同步運(yùn)行的軸的實(shí)際協(xié)調(diào)公開甚少。僅僅提及一些在分軸的協(xié)調(diào)過程 中應(yīng)遵循的基本的框架性條件。在專利EP 1294544B1中從說明書的第[24]段至第[39] 段以及在獨(dú)立權(quán)利要求中對(duì)此略有說明。尤其認(rèn)為重要的是(從說明書第[36]段起)基 軸可以比最高加工速度明顯更快地運(yùn)動(dòng)。這應(yīng)導(dǎo)致在同步的總運(yùn)動(dòng)的過程中，在附加軸高 加速地超前之后并且在重新高加速之前，基軸能夠再次趕上，因此附加軸不會(huì)在下一次運(yùn) 動(dòng)之前就已經(jīng)處于其最大運(yùn)動(dòng)區(qū)域的邊緣，以至于不能再或不足以繼續(xù)高加速地、協(xié)調(diào)同 步地運(yùn)動(dòng)，并且因此可能出現(xiàn)不希望的不連續(xù)性，特別是在刀具作多維運(yùn)動(dòng)的過程中。
但是現(xiàn)在關(guān)于應(yīng)當(dāng)如何實(shí)際地協(xié)調(diào)分軸的疊加運(yùn)動(dòng)，在EP 1294544B1中沒有其 它的信息。 顯然基于該尚不完整的教導(dǎo)，在EP 1758003Al(Cardinale等人)中首先提出了 軸的協(xié)調(diào)，其應(yīng)當(dāng)按照反向運(yùn)動(dòng)學(xué)原理通過利用所謂的雅各布矩陣(Jacobi-Matrix)的專 門形式以優(yōu)化的方式使用運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的冗余自由度。所有與此有關(guān)的論述都是一般性的，使 得不清楚限制條件在此能夠以何種方式產(chǎn)生具體可用的方法，該方法用于在平移地、冗 余地作用的軸構(gòu)造中針對(duì)保持恒定的高速度來(lái)優(yōu)化運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。在其它的說明、例子和權(quán)利 要求中也沒有給出與此有關(guān)的任何具體參考。因此，如果這應(yīng)該用于表明要求保護(hù)的發(fā) 明也能應(yīng)用于更復(fù)雜地構(gòu)造的系統(tǒng)，例如也用于旋轉(zhuǎn)軸或者甚至冗余作用的旋轉(zhuǎn)軸，則這 不能以一種在沒有其它的廣泛研究或發(fā)明步驟的情況下就能完全實(shí)現(xiàn)可應(yīng)用性的方式進(jìn) 行。與已知的現(xiàn)有技術(shù)相比，在權(quán)利要求書中實(shí)際上也沒有公開技術(shù)人員尚未已知的東西， 例如通過濾波(Filterung)將運(yùn)動(dòng)分配給冗余作用的軸。另外，重復(fù)了在EP 1294544B1 中基本上可讀到的內(nèi)容基軸的最大速度應(yīng)選擇得明顯比附加軸的最大速度更大(見EP 1758003Al，說明書，第32段和權(quán)利要求9)。 就可完全地、具體地理解而言，因?yàn)槿匀徊磺宄氖牵瑧?yīng)當(dāng)如何對(duì)運(yùn)動(dòng)的加速度分 量或幅值分量以及同樣地對(duì)整個(gè)輪廓或單獨(dú)的區(qū)段進(jìn)行"濾波"，所以這最終也僅僅相當(dāng)于 例如來(lái)自EP 594699B1的現(xiàn)有技術(shù)。 德語(yǔ)公布文獻(xiàn)DE 102005061570A1 (Hoffmann等人)也正是從該現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)， 該德語(yǔ)公布文獻(xiàn)首次根據(jù)EP 594699B1同時(shí)詳細(xì)地考慮了運(yùn)動(dòng)的分配以及附加軸的運(yùn)動(dòng) 范圍。與在EP 594699B1中在很大程度上與加速度相關(guān)的運(yùn)動(dòng)分配的基本方式不同，DE 102005061570A1追求一種分配策略，該分配策略與時(shí)間過程無(wú)關(guān)地規(guī)定了運(yùn)動(dòng)分量的在很 大程度上保持不變的分配，其方式是基軸的運(yùn)動(dòng)應(yīng)當(dāng)作為所謂的"粗軌跡"沿著一個(gè)與時(shí)間 不同的、但同時(shí)在運(yùn)動(dòng)軌跡上標(biāo)量地定向的量通過具有低通特性的濾波裝置來(lái)產(chǎn)生，其中，
5從稱為"初始軌跡"的總運(yùn)動(dòng)軌跡的偏差在任何情況下都不應(yīng)超出附加軸的運(yùn)動(dòng)范圍。
盡管相應(yīng)的說明書首先表面上給出解決協(xié)調(diào)問題的啟示，然而這樣的方式被發(fā)現(xiàn) 是極其有問題的。遺憾的是，作為對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的必要改進(jìn)的基礎(chǔ)的假設(shè)并不總是正確的。
在說明書中闡明了待改進(jìn)的迄今為止的現(xiàn)有技術(shù)的問題，該說明書含有這樣的元 素，這些元素實(shí)際上首先通過在那里所述的發(fā)明引入。見那里的第
和
段，除 了引入"一個(gè)與時(shí)間不同的標(biāo)量參數(shù)"之外，此外的過程被作為缺點(diǎn)來(lái)批判，這些缺點(diǎn)同樣 適用于該發(fā)明，因?yàn)槔缫粋€(gè)(不是基于所引用的現(xiàn)有技術(shù)而是僅僅基于假設(shè)的)對(duì)于用 于分配求取的迭代措施的必要性在超出極限值的情況下被稱為現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，盡管這正 好在那里所述的發(fā)明的"特別優(yōu)選的實(shí)施方式"中被廣泛地使用。見例如第
段。在 第
段中提出了經(jīng)不起仔細(xì)推敲的斷言聲稱對(duì)于EP 0594699B1中的措施，運(yùn)動(dòng)分量的分割需要"非常密集的計(jì)算"，"因?yàn)楸仨氠槍?duì)整 個(gè)初始軌跡求出加速度變化曲線"。然而，加速度變化曲線在任何情況下總歸要或早或晚地 在相應(yīng)的控制方法中求出并且絕對(duì)不是計(jì)算特別密集的運(yùn)算，而是借助沒有各種迭代的基 本計(jì)算就能執(zhí)行。但是以下說明是正確的必須使"高動(dòng)態(tài)性的驅(qū)動(dòng)裝置的可能的行駛路 程、低動(dòng)態(tài)性的驅(qū)動(dòng)裝置的可能的加速度和最大軌跡速度……相互協(xié)調(diào)"，以避免對(duì)運(yùn)動(dòng)分 配的更多的計(jì)算求取。這也僅僅在理論上是正確的。如果不滿足這樣的條件(這些條件 在本發(fā)明的申請(qǐng)人的尚未公布的專利申請(qǐng)DE 102007026356. 4中再次著重地、精辟地列舉 出)，則始終必須考慮極限值的超出。為此， 一種方法(其在不對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行細(xì)節(jié)研究的 情況下允許極限值在任何一個(gè)方面延長(zhǎng))在不對(duì)一個(gè)其它參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)限制的情況下是 不行的。也就是說，如果一種方法指出，通過整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡在一個(gè)過程(Durchgang)中的分 配，借助對(duì)一個(gè)一致的修正因數(shù)的計(jì)算使所有數(shù)據(jù)"相匹配"，則不存在是否要進(jìn)行相應(yīng)的 限制問題，而是僅僅在什么方面進(jìn)行相應(yīng)的限制。 與Hoffmann等人的假設(shè)完全不同，借助加速度分量的運(yùn)動(dòng)分配不僅在計(jì)算上容 易解決，而且具有另一優(yōu)勢(shì)嚴(yán)格地僅給附加軸分配這樣的運(yùn)動(dòng)分量，所述運(yùn)動(dòng)分量是基軸 在物理上不能勝任的。換句話說，在力求恒定的最大速度的情況下在物理上完全不會(huì)想到 附加軸的較小的、實(shí)際上發(fā)生的運(yùn)動(dòng)。不管以什么方式，通過簡(jiǎn)單地忽略該確定的事實(shí)并產(chǎn) 生一個(gè)軌跡(該軌跡作為第一標(biāo)準(zhǔn)滿足附加軸的運(yùn)動(dòng)范圍)，這迫使一旦此外完全發(fā)生超 過所述運(yùn)動(dòng)范圍，基軸的加速度至少在相關(guān)的軌跡區(qū)段中過高。超過附加軸的范圍或者超 過基軸的最大加速度在物理上都是不可執(zhí)行的并且老的方法在這種情況下具有以下優(yōu)點(diǎn) 正好僅在那里才出現(xiàn)"不可執(zhí)行"的情況，這在那里在給定的速度下實(shí)際上是不可避免的。
在根據(jù)Hoffmann等人的方法中，該情況也會(huì)出現(xiàn)在這樣的位置處和這樣的速度 下，其中不存在任何物理上的強(qiáng)迫，因?yàn)槟抢锼玫木哂?低通特性"的方法產(chǎn)生一個(gè)軌跡， 該軌跡能夠首先在不利的附加運(yùn)算中完全逐步地逼近具有最小附加軸使用性的軌跡，由此
最后斷言的相對(duì)于老的現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)也是站不住腳的。在此，也通過隱秘途徑再次考慮 作為"標(biāo)量參數(shù)"的時(shí)間，這是人們真正想摒棄的。 也就是說，如果附加軸根據(jù)更老的方法達(dá)到其極限值，則附加軸至少在每個(gè)其它
的、用于使基軸的運(yùn)動(dòng)和假設(shè)的總速度"變粗化(Vergr6berung)"的方法中也會(huì)達(dá)到其極 限值。如果替代所述更老的方法通過一個(gè)如Hoffmann等人描述的用于求出"粗軌跡"的方 法來(lái)工作，則這首先主要表明從此往后不用再澄清，附加軸是否完全執(zhí)行需要的運(yùn)動(dòng)，或者更重要的是基軸是否以過高的加速度執(zhí)行不需要的運(yùn)動(dòng)。視對(duì)按本發(fā)明提到的參數(shù)、區(qū) 間、權(quán)重或分方法的選擇而定，能夠產(chǎn)生完全不同的"粗軌跡"，而沒有明確地公開這些大 量變量中的哪些能夠通過可清楚限制的耗費(fèi)出于哪些理由導(dǎo)致特別有利的軌跡變化曲線。 最后沒有公開的是如何才能產(chǎn)生至少逼近地優(yōu)化的軌跡變化曲線，而是僅僅產(chǎn)生一條或 多或少偶然地"磨平的"軌跡變化曲線，該軌跡變化曲線的唯一的清楚的標(biāo)準(zhǔn)是不違反附加 軸的運(yùn)動(dòng)范圍。 在此，在對(duì)總軌跡的研究結(jié)束時(shí)以特別簡(jiǎn)單的方式求出一個(gè)因數(shù)(總速度以該因 數(shù)降低)，這也僅僅是于事無(wú)補(bǔ)的安慰，因?yàn)樵撘驍?shù)雖說應(yīng)當(dāng)允許正常的加工，但是無(wú)疑僅 僅極少逼近地導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的可想到的優(yōu)化。但是人們按照Hoffma皿等人對(duì)此也做出妥 協(xié)，其方式是人們也將運(yùn)動(dòng)軌跡細(xì)分成可單獨(dú)處理的區(qū)段。然而沒有關(guān)于以下方面的任何 啟示應(yīng)當(dāng)按照何種標(biāo)準(zhǔn)和多精確地自動(dòng)匹配地求出這樣的區(qū)段并且應(yīng)當(dāng)橋接各個(gè)區(qū)段中 的合成的速度差。此外，當(dāng)人們已經(jīng)確定了一定的、在很大程度上保持恒定的軌跡速度時(shí)， 這也是沒有幫助的。 為了求出粗軌跡，特別有利的是，在那里推薦使用樣條曲線，然而這會(huì)導(dǎo)致以下缺
點(diǎn)初始變化曲線的按本發(fā)明的變粗化根本不能再通過所述方法沿著各式各樣的輪廓變化
曲線進(jìn)行，因?yàn)榻柚嗤瑪?shù)目的支撐點(diǎn)簡(jiǎn)化的間距比較至少在所述的方法中不能在作為樣
條曲線端點(diǎn)的拐角上實(shí)現(xiàn)，因此這樣的方法不適合大多數(shù)可想到的應(yīng)用場(chǎng)合。 由此外本發(fā)明的申請(qǐng)人的尚未公布的專利申請(qǐng)DE 102007027503. 0已知了一種
方法，該方法在優(yōu)化的意義上(僅僅需要它的地方)更可靠地并且計(jì)算強(qiáng)度小得多地做到這點(diǎn)。 在那里所述的方法的一種優(yōu)選的設(shè)計(jì)方式中，這樣的軌跡區(qū)段(在這些軌跡區(qū)段 中在給定的速度下導(dǎo)致超過附加軸的運(yùn)動(dòng)范圍)通過軌跡分配來(lái)改變，該軌跡分配通過附 加軸的較小加速度導(dǎo)致對(duì)基軸有利的、更強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)分配，因此在具有高的加速度要求的 位置也導(dǎo)致相應(yīng)的速度回落，其中，無(wú)需分配可能性的任何迭代的或其它的逐步逼近，就已 經(jīng)能達(dá)到高的優(yōu)化度，尤其是在對(duì)具有減小的且波動(dòng)的速度的區(qū)段最小化的意義上。
雖然就此而言Hoffmamm等人的發(fā)明比所述的比較方法無(wú)效率得多，特別是因?yàn)?需要大量的試探步驟來(lái)逼近可使用的粗軌跡；和盡管如此不存在任何中斷標(biāo)準(zhǔn)(所述中斷 標(biāo)準(zhǔn)指出了一個(gè)至少逼近地、優(yōu)化地適用的軌跡)，但是這并不必然表明該基本構(gòu)思已經(jīng)是 錯(cuò)誤的，具體地說產(chǎn)生用于基軸的軌跡變化曲線，該軌跡變化曲線可與速度無(wú)關(guān)地特別有 效地使用，即基軸的針對(duì)當(dāng)前應(yīng)有輪廓的"理想線"類型。 然而，提出了這樣一個(gè)問題這樣的、與速度無(wú)關(guān)的并且因而也與時(shí)間無(wú)關(guān)的、優(yōu) 化的軌跡變化曲線是否完全可能存在。 在與加速度有關(guān)的運(yùn)動(dòng)分配中，附加軸的運(yùn)動(dòng)分量會(huì)被減小。這例如意味著，如 果在運(yùn)動(dòng)變化曲線的范圍中所有必須的加速度都在分配閾值以下，則附加軸根本就不會(huì)運(yùn) 動(dòng)，即便附加軸因其運(yùn)動(dòng)范圍而能夠執(zhí)行整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程。 不言自明，運(yùn)動(dòng)分配(其在低的速度下能夠適應(yīng)附加軸的小運(yùn)動(dòng)分量)在較高的 速度下可能無(wú)法再使用。 相反，人們可能想到這樣的運(yùn)動(dòng)分配，該運(yùn)動(dòng)分配在高的速度下是合適的，并且因 而也必然在較低的執(zhí)行速度下起作用。
然而，在此同樣要注意的是，如已經(jīng)由現(xiàn)有技術(shù)已知的那樣，應(yīng)當(dāng)使"高動(dòng)態(tài)的驅(qū) 動(dòng)裝置的可能的行進(jìn)路程、低動(dòng)態(tài)性的驅(qū)動(dòng)裝置的可能的加速度和最大的軌跡速度……相 互協(xié)調(diào)"。還應(yīng)在那里加入"至少"，因?yàn)楦邉?dòng)態(tài)的驅(qū)動(dòng)裝置的最大運(yùn)動(dòng)速度、嚴(yán)格來(lái)說還有 該高動(dòng)態(tài)的驅(qū)動(dòng)裝置的加速能力在此也都起作用，如同樣已經(jīng)在現(xiàn)有技術(shù)中和關(guān)于現(xiàn)有技 術(shù)描述的那樣。 因此，由現(xiàn)有技術(shù)也已知，對(duì)于每一個(gè)這樣的機(jī)器都存在一個(gè)最大速度，該機(jī)器能 夠以該最大速度安全地駛過任何一個(gè)幾何形狀，該幾何形狀使附加軸具有最大加速度。
在已經(jīng)提到的文件號(hào)DE 102007026356. 4中第13頁(yè)自第9行起，該事實(shí)被用于通 過與相應(yīng)地計(jì)劃的測(cè)量速度或加工速度相匹配地降低基軸的加速度來(lái)相應(yīng)地限制該基軸 的必須的運(yùn)動(dòng)分量。 然而，該方法具有以下缺點(diǎn)，S卩，該方法盡管可用于所有幾何形狀，但是在當(dāng)前待 駛過的幾何形狀完全不需要這樣重要的運(yùn)動(dòng)過程時(shí)也會(huì)導(dǎo)致最大速度的降低，如其在已知 的方程式中對(duì)此所規(guī)定的那樣。 此外，在同樣已經(jīng)提到的文件號(hào)DE 102007027503. 1中如已經(jīng)提及的那樣提出了 一種方法，該方法在運(yùn)動(dòng)分配中相應(yīng)地僅僅改變這樣的軌跡區(qū)段(那里的權(quán)利要求12)，在 這些軌跡區(qū)段中在給定的速度下會(huì)導(dǎo)致超過附加軸的運(yùn)動(dòng)范圍，或者，至少對(duì)于單獨(dú)的區(qū) 段使速度降低，從而此外不會(huì)導(dǎo)致超過附加軸的運(yùn)動(dòng)范圍(那里的權(quán)利要求15)。然而，在 那里通過上面已經(jīng)提及的來(lái)自現(xiàn)有技術(shù)的規(guī)則考慮到了速度的總計(jì)減小。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是公開一種方法，該方法針對(duì)具有冗余的、平移作用的軸的機(jī)
器以盡可能有效的方式求出用于每個(gè)專門的測(cè)量軌跡或加工軌跡或者所述軌跡的區(qū)段的、
在很大程度上保持恒定的最大速度，而不會(huì)限制可較高加速的附加軸的加速度。 此外在本發(fā)明的擴(kuò)展方案中，可較小加速的基軸的運(yùn)動(dòng)分量(其針對(duì)該最大速度
得到)應(yīng)當(dāng)在較低速度的情況下與時(shí)間歷程無(wú)關(guān)地作為基軸的軌跡變化曲線使用，或者，
可以相應(yīng)地分別針對(duì)較小的速度適當(dāng)?shù)叵拗苹S的加速度，使得在所有情況下基軸和附加
軸之間的運(yùn)動(dòng)分配都導(dǎo)致基軸的運(yùn)動(dòng)分量特別小。 為了針對(duì)具有冗余的、平移作用的軸的機(jī)器以特別有效的方式求出用于每個(gè)專門 的測(cè)量軌跡或加工軌跡或者所述軌跡的區(qū)段的、在很大程度上保持恒定的最大速度，而不 會(huì)限制可較高加速的附加軸的加速度，按照本發(fā)明首先以第一參考速度對(duì)加工軌跡或一個(gè) 區(qū)段進(jìn)行模擬，該參考速度優(yōu)選地、但不是強(qiáng)制性地相當(dāng)于這樣的最大速度，該最大速度能 夠由此外在現(xiàn)有技術(shù)中已知的方程式得出，例如Vref = SQRT(SzXBb/4)，其中，Vref代表 盡可能高的、在很大程度上恒定的測(cè)量速度或加工速度，即所述的參考速度，Sz代表相應(yīng)的 附加軸的運(yùn)動(dòng)范圍，Bb代表基軸的最大加速度，而SQRT代表平方根。在此，所述模擬優(yōu)選 這樣地進(jìn)行，即，基軸和附加軸的運(yùn)動(dòng)分量的分割借助當(dāng)前在本地取得的加速度進(jìn)行，其方 式是附加軸僅執(zhí)行這樣的運(yùn)動(dòng)分量，該運(yùn)動(dòng)分量是基軸由于其最大加速度而沒有能力執(zhí)行 的。在這種模擬中，首先完全與選擇的所述參考速度無(wú)關(guān)地不考慮附加軸的運(yùn)動(dòng)范圍的極 限，而是僅僅針對(duì)所述值的正的和負(fù)的最大值來(lái)分析所述值，其中，最高的絕對(duì)最大值說明 相應(yīng)的附加軸的最大偏移。該最大偏移與附加軸的實(shí)際的可偏移性之比現(xiàn)在可被利用，以求出能夠?yàn)閷ｉT的測(cè)量軌跡或加工軌跡或者當(dāng)前研究的區(qū)段選擇多高的在很大程度上恒 定的最大速度。在此處感興趣的速度范圍附近，需要的偏移Sz以很好的平方逼近的方式取 決于所選的速度，即例如類似于上述的公式Sz = SfaktX4Vmax7Bb，其中，Sfakt代表求出 的偏移和期待的最大偏移之間的比，即Sfakt = Sz_ref_max/(4Vref7Bb)。這給出了可用 的速度Vmax = Vref X SQRT (Sz/Sz_ref_max)。不言自明，由每個(gè)所有相關(guān)的運(yùn)動(dòng)軸的這樣 地求出的值中的最低值決定了總運(yùn)動(dòng)。 然后能夠通過這樣地求出的最大速度直接以盡可能高的速度執(zhí)行測(cè)量或加工，而 不必限制附加軸的加速度，或者，在執(zhí)行測(cè)量或加工之前以該最大速度再次對(duì)軌跡進(jìn)行模 擬，其中，同時(shí)可以對(duì)附加軸的極限值的違反或者不必要地降到極限值以下進(jìn)行監(jiān)控，以及 在需要時(shí)可以對(duì)模擬進(jìn)行相應(yīng)的修正和重復(fù)，或者，由此得到的所有軸的運(yùn)動(dòng)以其相應(yīng)的 變化曲線例如這樣地存儲(chǔ)在足夠細(xì)密的柵格結(jié)構(gòu)(Rasterung)中，使得可相應(yīng)地調(diào)取基軸 或附加軸的或總運(yùn)動(dòng)的三個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的至少兩個(gè)的、求出的運(yùn)動(dòng)分量，從而由此與當(dāng)前 選取用于執(zhí)行的速度無(wú)關(guān)地得到基軸和附加軸之間的運(yùn)動(dòng)分配，其中，附加軸的運(yùn)動(dòng)分量 盡可能高。 然而，上一措施正好具有如現(xiàn)有技術(shù)涉及的、Hoffmann等人的方法那樣的缺點(diǎn)， 即，由于附加軸加速度雖然很高但卻受到限制，在運(yùn)動(dòng)過程的向下的時(shí)間尺度上，附加軸的 受限的加速度同樣被相應(yīng)地減小，使得附加軸在很大程度上喪失了起決定意義的優(yōu)點(diǎn)，即 附加軸的非常短的加速路程，特別是在應(yīng)有速度不太高的情況下。 因此，以下可能性顯得更加適合，即，通過計(jì)劃的應(yīng)有速度與以上求出的最大速度 之比和基軸的針對(duì)最大速度使用的加速度，求出基軸的最小必須的最大加速度，在使用該 最小必須的最大加速度時(shí)，同樣得到一運(yùn)動(dòng)分配，其中，基軸具有相似地減小的分量，但是 沒有以下缺點(diǎn)附加軸的加速度相應(yīng)地被減小?；S的合適的最大加速度能夠例如通過推 導(dǎo)Bbsoll = BbmaxXVsoll7Vmax2由上面的方程式簡(jiǎn)單地求出，其中，上面的Bb在此出于 更好理解的考慮表示為Bbmax。 在所有此處列舉的方程式中應(yīng)考慮到，這些方程式分別僅僅是用于求出相應(yīng)值的 最簡(jiǎn)單途徑，這些值必須完全視附加地使用的、用于優(yōu)化運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的方法的細(xì)節(jié)而定相應(yīng) 地匹配。這些值也可以通過多次模擬在逐步逼近優(yōu)化值的過程中求出，然而這不會(huì)使基本 方法發(fā)生變化。在此也可以將由公式求出的值用作初始值，由此能夠縮短逐步的逼近。但 是，因?yàn)楸景l(fā)明的目標(biāo)在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合中都不是在千分率范圍內(nèi)的優(yōu)化，而是從根本上 改變運(yùn)動(dòng)分配，所以在所述的參考速度下進(jìn)行單次模擬和使用通過公式求出的Vmax和Bb 的值通常就完全能夠?qū)崿F(xiàn)完全可能的改進(jìn)的大部分。作為總歸很少需要的逼近方法的替 代，也可以對(duì)這樣獲得的值使用安全系數(shù)或依經(jīng)驗(yàn)求出的修正表并且通常完全足以在高的 應(yīng)用安全性的情況下實(shí)現(xiàn)非常高的優(yōu)化度。 如果該方法不能一致性地對(duì)用于完整的測(cè)量或加工的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程起作用，而是 對(duì)單獨(dú)的區(qū)段起作用，例如為了在各種不同的區(qū)段中使用不同的速度潛力，則首先要區(qū)分 這些區(qū)段分別是整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的可孤立執(zhí)行的部分，還是也應(yīng)當(dāng)考慮相互過渡的區(qū)段。
在第一種情況下，可以針對(duì)每個(gè)可孤立的區(qū)段使用已經(jīng)描述的方法中的一種，其 中得到各個(gè)區(qū)段各自的Vmax或Bb的結(jié)果。 在考慮多個(gè)區(qū)段(這些區(qū)段一起形成一可孤立的運(yùn)動(dòng)過程)時(shí)，最明顯的是這些
9區(qū)段通過運(yùn)動(dòng)過程中的拐角來(lái)相互劃界，因?yàn)樵谝粋€(gè)拐角中甚至應(yīng)當(dāng)在所有軸中存在速度 零點(diǎn)，并且因而在執(zhí)行分割時(shí)不會(huì)存在任何特別的困難。然而相反的是以下事實(shí)對(duì)于冗余 地、平移作用的軸，剛好在拐角稍前或稍后可以產(chǎn)生附加軸的特別劇烈地運(yùn)動(dòng)并且基軸不 可能正好在那里保持靜止。因此，更確切地說特別低加速的區(qū)特別適合用于區(qū)段到區(qū)段的 過渡，類似于已經(jīng)由樣條曲線公開的那樣。 這樣的低加速的區(qū)、尤其是這些區(qū)的最小值可以容易地借助預(yù)先模擬來(lái)確定，并
且當(dāng)這些區(qū)到前一區(qū)段或后一區(qū)段保持最小間距時(shí)，這些區(qū)可看作這些區(qū)段的極限。隨后
確定的、"更重要的"區(qū)段(即這樣的區(qū)段，這些區(qū)段要求基軸具有更低的最大速度或者更高
的加速度)的值分別對(duì)于足夠的過渡區(qū)段有效，也在不太重要的相鄰區(qū)段內(nèi)部有效。 總體上，相對(duì)于用于適宜地優(yōu)化帶有冗余的、平移作用的軸的測(cè)量機(jī)或加工機(jī)的
運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的、尤其是也用于減小基軸在較小應(yīng)有速度下的負(fù)載的迄今為止的現(xiàn)有技術(shù)，得
到了與一些在優(yōu)化運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)中追求其它的目標(biāo)方向的方法的可結(jié)合性，該可結(jié)合性使運(yùn)動(dòng)
效率顯著提高、同時(shí)使計(jì)算耗費(fèi)特別小并且在很大程度上是沒有問題的。
當(dāng)本發(fā)明用作比較方法時(shí)，該方法特別適合用于將根據(jù)文件號(hào)DE
102007026356. 4的該方法的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到視軌跡而定的最大可能的測(cè)量速度或加工速
度，由此也允許根據(jù)文件號(hào)DE 102007027503. 1、特別是其中的權(quán)利要求12和15及以下權(quán)
利要求使附加軸的加速度減小的視軌跡而定的應(yīng)用點(diǎn)向最大速度移動(dòng)。 由于在技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)且效率高，該方法也能夠與幾乎所有其它的、用于優(yōu)化冗
余的、平移作用的軸的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的方法有利地結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)盡可能高的、在很大程度上恒定
的軌跡速度。 待控制的機(jī)器的基軸以及附加軸的類型可以在機(jī)械上非常多樣地實(shí)現(xiàn)。對(duì)于基軸
使用常見的線性驅(qū)動(dòng)器、空心軸電機(jī)、齒條傳動(dòng)裝置或滾珠絲桿，而對(duì)于附加軸，根據(jù)所需
要的運(yùn)動(dòng)范圍和應(yīng)用的規(guī)模尺寸，除了線性驅(qū)動(dòng)器和盡可能直接驅(qū)動(dòng)的滾珠絲桿之外，也
可以使用壓電作用的、動(dòng)電作用的("voice coils")、液壓作用的或氣動(dòng)作用的驅(qū)動(dòng)器。 同樣，也可在窄的角區(qū)域內(nèi)使用可繞一軸旋轉(zhuǎn)或可并聯(lián)運(yùn)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件作
為相應(yīng)線性作用的附加軸，例如可擺動(dòng)的激光切割頭或可并聯(lián)運(yùn)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)的銑削頭。 按照本發(fā)明，測(cè)量機(jī)和機(jī)床可以例如有利地設(shè)計(jì)用于船舶制造或飛機(jī)制造，以便
測(cè)量和加工具有極高細(xì)節(jié)復(fù)雜度的極大部件，或測(cè)量機(jī)或機(jī)床用于更日常的尺寸，例如車
身、洗衣機(jī)或電子電路的印刷電路板的尺寸，一直小到厘米或幾分之一毫米級(jí)的尺寸，以便
在顯微鏡系統(tǒng)技術(shù)、電子顯微鏡或納米技術(shù)中測(cè)量待測(cè)量的或待加工的工件。 本發(fā)明裝置或方法特別適合的加工方法是焊接、切割、銑削、雕刻、標(biāo)記、在平的材
料(如薄板、塑料、玻璃、陶瓷、木料和織物)上敷設(shè)復(fù)雜的輪廓和結(jié)構(gòu)。同樣，快速原型法
是一種恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用，尤其是這樣的方法，在這些方法中切割層、小空間地涂敷材料或者必須
通過盡可能垂直于材料定向的能量束加工，例如為了獲得盡可能均勻的且可準(zhǔn)確重現(xiàn)的能
量加入。 此外，本發(fā)明同樣可以應(yīng)用于以高速度精確加工極小的結(jié)構(gòu)或以高速度精確地涂 敷和去除極精細(xì)的細(xì)節(jié)，本發(fā)明也能用于所述領(lǐng)域中的測(cè)量和控制，其中，這些僅理解為示 例，而不應(yīng)以任何方式表示本發(fā)明的應(yīng)用可能性的窮盡列舉。


本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在附圖中示意性示出并且接下來(lái)借助附圖中的圖詳細(xì)說明。 附圖中 圖1示出帶有可在兩個(gè)軸向上運(yùn)動(dòng)的刀具和附加軸的機(jī)床， 圖2示出帶有五個(gè)軸向的機(jī)床， 圖3示出基軸和附加軸的非常示意性的視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了一種機(jī)床IO，在該機(jī)床10中位置固定地設(shè)置有一工件11。龍門架12 可沿軸向13運(yùn)動(dòng)。在該龍門架12上設(shè)置有裝置14，在該裝置14上又設(shè)置有刀夾14'，該 刀夾14'能夠保持刀具。該裝置14(和由此刀夾14'連同刀具)可在軸向15上運(yùn)動(dòng)。刀 夾14'可相對(duì)該裝置14同樣在軸向13上運(yùn)動(dòng)。由圖1可見，(帶有刀具的)刀夾14'具 有比裝置14更小的質(zhì)量，該裝置14可以稱作滑座。帶有所屬驅(qū)動(dòng)器的龍門架12是在方向 13上作用的第一分軸并且被稱作基軸，而帶有所屬驅(qū)動(dòng)器的刀夾14'是在軸向13上作用的 第二分軸，即附加軸。該基軸具有比附加軸更大的運(yùn)動(dòng)區(qū)域和更小的加速度。沿軸向13、15 的運(yùn)動(dòng)通過控制器16控制。 在圖2中示出了機(jī)床20，在該機(jī)床20中，臂21可沿軸向22運(yùn)動(dòng)。裝置23可沿 臂21在軸向24上運(yùn)動(dòng)。裝置23附加地可在軸向25上運(yùn)動(dòng)。通過軸向22、24、25確定笛 卡爾坐標(biāo)系的X方向、Y方向、Z方向。懸臂26可在軸向27上旋轉(zhuǎn)。在懸臂26上設(shè)置有作 為刀具的激光切割頭28，該激光切割頭又可沿軸向29旋轉(zhuǎn)。 在小的運(yùn)動(dòng)片段中，激光切割頭28的運(yùn)動(dòng)基本上平行于軸向22，使得切割頭28在 一個(gè)區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可以導(dǎo)致與臂21在軸向22上的運(yùn)動(dòng)平行的平移運(yùn)動(dòng)，因此可以將激光 切割頭28連同其驅(qū)動(dòng)器看作是(平移的)附加軸。 在圖3中再次非常示意性地示出了滑座30，該滑座30可相對(duì)于導(dǎo)向件33運(yùn)動(dòng)并 且構(gòu)成基軸或基軸的組成部分。在該導(dǎo)向件33上設(shè)置有裝置31，該裝置31構(gòu)成附加軸或 附加軸的組成部分?；?0和裝置31都可以在雙箭頭方向32上加速。在此，滑座30可 以相對(duì)導(dǎo)向件33以加速度Bb(基軸的加速度)加速，而裝置31可以相對(duì)滑座30以加速度 Bz (附加軸的加速度)加速。虛線BG表示附加軸的運(yùn)動(dòng)范圍Sz的區(qū)域極限。
權(quán)利要求
一種用于帶有冗余的、平移作用的軸的測(cè)量機(jī)或機(jī)床的優(yōu)化的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的方法，其中，冗余的、平移作用的軸形成總運(yùn)動(dòng)裝置的相對(duì)于待以任意方法探測(cè)或加工的測(cè)量物或加工物可線性運(yùn)動(dòng)的部分，總運(yùn)動(dòng)裝置用于測(cè)量裝置的或刀具的至少二維的總運(yùn)動(dòng)，其中，如果旋轉(zhuǎn)地或并聯(lián)運(yùn)動(dòng)地作用的分運(yùn)動(dòng)裝置除了其典型的運(yùn)動(dòng)能力之外還能夠用于測(cè)量裝置或刀具的冗余平移運(yùn)動(dòng)，或者能夠僅僅在與用途相關(guān)地足夠小的運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)用于測(cè)量裝置或刀具的冗余平移運(yùn)動(dòng)，則也可以視為冗余平移運(yùn)動(dòng)能力，其中，每個(gè)可運(yùn)動(dòng)經(jīng)過較長(zhǎng)路程的分軸，在此稱為基軸，允許基本上在整個(gè)測(cè)量空間或加工空間上實(shí)現(xiàn)相對(duì)低加速的分運(yùn)動(dòng)，并且，每個(gè)可運(yùn)動(dòng)經(jīng)過較短路程的分軸，在此稱為附加軸，基本上僅執(zhí)行總運(yùn)動(dòng)的一些運(yùn)動(dòng)分量，這些運(yùn)動(dòng)分量要求超出為基軸確定或設(shè)定的最大值的加速度，其中，所有軸的總協(xié)調(diào)能夠直接發(fā)生在測(cè)量過程或加工過程期間，或者發(fā)生在測(cè)量過程或加工過程期間的流暢的、分區(qū)段的預(yù)處理中，或者作為總測(cè)量過程或總加工過程的一個(gè)完整預(yù)處理的一部分，其特征在于，在不限制附加軸的加速度并且不違反附加軸的運(yùn)動(dòng)范圍的情況下求出測(cè)量裝置或刀具相對(duì)于測(cè)量物或加工物的盡可能高的且應(yīng)保持恒定的運(yùn)動(dòng)速度(Vmax)，其方式是首先以參考速度(Vref)對(duì)加工軌跡或者對(duì)所述加工軌跡的待單獨(dú)考慮的區(qū)段進(jìn)行模擬，并且，將通過所述模擬求出的、最大偏移(Sz_ref_max)與最大可偏移性(Sz)之比與Vref一起使用，以求出Vmax。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述參考速度(Vref)在量級(jí)上相當(dāng)于盡可 能高的且應(yīng)保持恒定的運(yùn)動(dòng)速度(Vmax)。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在SQRT(SzXBb/4)和SQRT (Sz XBb/2)之間 選擇所述參考速度(Vref)，其中，Bb代表基軸的最大加速度，而SQRT代表平方根。
4. 如權(quán)利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，由Vref XSQRT(Sz/Sz_ref_max)計(jì) 算出所述盡可能高的且應(yīng)保持恒定的運(yùn)動(dòng)速度(Vmax)。
5. 如權(quán)利要求1之4之一所述的方法，其特征在于，首先以Vref = Vmax進(jìn)行一次另 外的模擬，并且，當(dāng)Sz_ref_max超出可定義的公差地大于或小于Sz時(shí)，相應(yīng)地修正Vmax的 值。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在改變Vmax時(shí)進(jìn)行一次另外的監(jiān)控模擬來(lái) 比較Sz_ref_max和Sz。
7. 如上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，優(yōu)選這樣地進(jìn)行模擬和執(zhí)行，即，基 軸和附加軸的運(yùn)動(dòng)分量的分割借助當(dāng)前在本地取得的加速度進(jìn)行，其方式是附加軸僅執(zhí)行 這樣的運(yùn)動(dòng)分量，所述運(yùn)動(dòng)分量是基軸因其最大加速度而沒有能力執(zhí)行的。
8. 如上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，參與的軸的、分別由最后的模擬取得 的運(yùn)動(dòng)以其相應(yīng)的變化曲線被這樣地存儲(chǔ)，即，保持能夠調(diào)用基軸或附加軸的或總運(yùn)動(dòng)的 三個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的至少兩個(gè)的、求出的運(yùn)動(dòng)分量，使得由此與當(dāng)前選擇用于執(zhí)行的速度無(wú) 關(guān)地在基軸和附加軸之間得出這樣地產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)分配。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，將變化曲線存儲(chǔ)在時(shí)間上的柵格結(jié)構(gòu)中或 者存儲(chǔ)在沿著運(yùn)動(dòng)軌跡的柵格中。
10. 如權(quán)利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，通過計(jì)劃的應(yīng)有速度(Vsoll)與 求出的最大速度(Vmax)之比和基軸的為最大速度使用的加速度(Bbmax)，求出基軸的最小 必須的最大加速度(Bbsoll)。
11. 如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，由BbmaxXVsoll7Vmax2計(jì)算出Bbsoll。
12. 如權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，在執(zhí)行之前以Vsoll和Bb = Bbsoll 進(jìn)行一次另外的模擬，并且，當(dāng)Sz_ref_max超出可定義的公差地大于或小于Sz時(shí)，相應(yīng)地 修正Bbsoll的值。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，在改變Bbsoll時(shí)進(jìn)行一次另外的監(jiān)控模 擬來(lái)比較Sz_ref_max和Sz。
14. 如上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，該方法作為比較方法、補(bǔ)充方法或 替代方法與用于在平移作用的軸的情況下優(yōu)化運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的另一種方法一起使用或者在該 另一種方法的范圍內(nèi)使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于帶有冗余的、平移作用的軸的測(cè)量機(jī)或機(jī)床的優(yōu)化的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的方法，其中，每個(gè)較長(zhǎng)的分軸在相對(duì)大的測(cè)量空間或加工空間中實(shí)現(xiàn)相對(duì)低加速的分運(yùn)動(dòng)，并且，每個(gè)較短的分軸基本上執(zhí)行具有基本上總體恒定的測(cè)量速度或加工速度的總運(yùn)動(dòng)的一些運(yùn)動(dòng)分量，其特征在于，求出測(cè)量裝置或刀具相對(duì)于測(cè)量物或加工物的盡可能高的且應(yīng)保持恒定的運(yùn)動(dòng)速度(Vmax)，其方式是首先以參考速度(Vref)對(duì)加工軌跡進(jìn)行模擬，并且，將通過所述模擬求出的、最大偏移(Sz_ref_max)與最大可偏移性(Sz)之比與Vref一起使用，以求出Vmax。
文檔編號(hào)G05B19/4069GK101765816SQ200880100858
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2008年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月24日
發(fā)明者A·埃勒丁 申請(qǐng)人:通快機(jī)床兩合公司