專利名稱：一個用于數(shù)控機(jī)床的預(yù)測控制和虛擬顯示系統(tǒng)的制作方法
一個用于數(shù)控機(jī)床的預(yù)測控制和虛擬顯示系統(tǒng) 本發(fā)明通常涉及數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明的主題是ー種用于機(jī)床的控制系統(tǒng)，在已知的方式中所述機(jī)床包含ー個用于刀具的支架；，一個用于將采用所述刀具加工的エ件的托架，以及多個致動設(shè)備，所述多個致動設(shè)備可以被相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動裝置控制以便得到所述刀具和所述エ件之間沿各個軸線的受控相對位移；所述控制系統(tǒng)包括 數(shù)字控制器(NC)，所述數(shù)字控制器被連接到所述驅(qū)動裝置并且適合實施加工程序，所述加工程序根據(jù)待生產(chǎn)エ件的特點以及所使用刀具的特點被預(yù)先設(shè)定；基于所述加工程序，所述數(shù)字控制器適合用于計算定義刀具沿軸線位置的目標(biāo)坐標(biāo)值，所述的位置通過相關(guān)致動設(shè)備的激活可以達(dá)到。存在ー些已知的機(jī)床控制系統(tǒng)，所述機(jī)床控制系統(tǒng)也有圖像顯示設(shè)備并且允許實時顯示真實或虛擬的圖像，所述圖像示出了エ件和刀具的瞬時位置。例如，在美國專利6546127B1中就描述了此類控制系統(tǒng)。美國專利申請2010/00063616A1也公開了ー種用于數(shù)控機(jī)床的控制和顯示系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中選擇性地顯示了通過ー個或多個攝像機(jī)獲取的真實圖像或通過計算裝置獲取的虛擬圖像。在冷卻液沒被供給到機(jī)器的工作區(qū)域時顯示真實圖像，而冷卻液被供給時顯示虛擬圖像。在任何情況下，已知的控制和顯示系統(tǒng)僅允許在上述討論的時刻(at the time inquestion)顯示在工作區(qū)域中正在發(fā)生的事情的真實或虛擬圖像。本發(fā)明的ー個目的是提供ー種改進(jìn)的控制和顯示系統(tǒng)，它允許ー個初歩的移動圖形檢查。一旦操作員發(fā)出啟動加工程序的命令，所述的移動將被所述機(jī)床執(zhí)行。加工程序仿真系統(tǒng)也是已知的，這些系統(tǒng)在刀具路徑被發(fā)送至機(jī)床之前先對刀具路徑進(jìn)行驗證。在許多領(lǐng)域，例如在模具加工領(lǐng)域，機(jī)床操作員經(jīng)常把將被應(yīng)用于加工程序的變換(transformations)(例如，平移，旋轉(zhuǎn)，比例系數(shù)，刀具半徑的修正，等等)引入數(shù)字控制器，仿真系統(tǒng)自然無法檢查到這些變換。因此，本發(fā)明的ー個目的是顯示操作員設(shè)置的所有變換的機(jī)床“下游”的軸運(yùn)動，以及使得所述變換在被機(jī)床中被執(zhí)行之前能夠以圖形方式被檢查到，以允許檢測到任何潛在的錯誤，從而避免對于刀具，エ件，或者機(jī)床的損害。根據(jù)本發(fā)明，由上文定義類型的控制系統(tǒng)所實現(xiàn)的這些及其他目的，進(jìn)ー步包括圖像顯示裝置，以及處理系統(tǒng)，其被內(nèi)置于和/或被連接到數(shù)字控制器以便接收目標(biāo)坐標(biāo)計算值，并且其被安排基于目標(biāo)坐標(biāo)，并且基于エ件、刀具、夾具布置、以及機(jī)床本身的存儲的數(shù)學(xué)模型來生成圖像數(shù)據(jù)，所述圖像數(shù)據(jù)適于在所述圖像顯示裝置上生成ー個可預(yù)測的，虛擬的，ニ維的位置表示，所述位置將在預(yù)先選擇的未來時刻被所述エ件和所述刀具采用。通過對系統(tǒng)必須提前顯示和檢查的“執(zhí)行塊”的編號或空間量(移動距離)進(jìn)行設(shè)置，機(jī)床操作員可以這樣定義ー個用于檢查和顯示將在后續(xù)時間被執(zhí)行的移動的“窗ロ”。這ー概念下稱術(shù)語“預(yù)測窗ロ ”?！皥?zhí)行塊”指加工程序的基本執(zhí)行單元。加工程序本質(zhì)上是ー個主要由針對軸的移動的一系列指令構(gòu)成的文件，每個指令轉(zhuǎn)化為機(jī)床(或執(zhí)行塊)的一系列基本移動。借助于這些特性，根據(jù)本發(fā)明的所述控制和虛擬顯示系統(tǒng)使得一些問題或危險情況能夠被提前可視化地被檢查到。例如，所述的ー些問題或危險情況可以是諸如所述刀具與機(jī)床部件、或者所述機(jī)床部件與所述エ件之間的未來可能發(fā)生的碰撞，以及エ件的材料的過度移除。當(dāng)該系統(tǒng)能夠提前檢測到上述危險情況時，它還還能夠停止執(zhí)行機(jī)床上加エ的執(zhí)行。通過參考附圖
，下面僅僅通過非限制例子的方式給出的詳細(xì)描述將使得本發(fā)明的進(jìn)ー步的優(yōu)點和特性變得清楚，其中圖I和圖2是根據(jù)本發(fā)明的用于機(jī)床的控制和虛擬顯示系統(tǒng)的兩個實施例的框圖；圖3是說明了根據(jù)本發(fā)明的控制和虛擬顯示系統(tǒng)的操作方法的流程圖；圖4示出了在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中形成的一個虛擬圖像的示例。圖I部分地并示意性地示出了一個機(jī)床M，所述機(jī)床被關(guān)聯(lián)到根據(jù)本發(fā)明的ー個預(yù)測控制和虛擬顯示系統(tǒng)，所述系統(tǒng)一般表示為PS。在已知的方式中，機(jī)床M包括ー個刀具夾2，在一個例子中，其攜帯一個銑刀具T。在已知的方式中，所述機(jī)床M包含外殼、支撐結(jié)構(gòu)以及工作臺。這臺機(jī)床M進(jìn)ー步包含エ件托架3，所述エ件托架3攜帯待加工的エ件W，并且在加工期間エ件W通常能被動態(tài)“更新”。多個致動設(shè)備Al，......，AN，例如，電動馬達(dá)，被提供給這臺機(jī)床M，并且所述多
個致動設(shè)備可以通過相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動器D1，……，DN被控制以得到刀具(T)和エ件(W)之間在各個軸向上的受控制的相對位移。適合提供各自的電子信號或位置數(shù)據(jù)的各個探測設(shè)備SI，…SN與致動設(shè)備Al，……，AN相關(guān)聯(lián)。ー個數(shù)字控制器NC與機(jī)床M相關(guān)聯(lián)。所述數(shù)字控制器NC被連接至驅(qū)動器D1，…，DN,并且被安排用于實施加工程序，所述加工程序依據(jù)待生產(chǎn)エ件的特點、機(jī)床M以及所用刀具T的特點被預(yù)先設(shè)定。特別的，所述數(shù)字控制器NC可以基于所述加工程序來計算定義刀具T沿機(jī)床M各個軸的位置的目標(biāo)坐標(biāo)值，所述的位置通過相關(guān)致動設(shè)備Al,……，AN的激活可以達(dá)到。機(jī)床M的操作員可以通過控制面板CP與所述數(shù)字控制器NC進(jìn)行交互。在圖I所示的實施例中，預(yù)測控制系統(tǒng)PS與數(shù)字控制器NC共享圖像顯示設(shè)備ID和使用所述目標(biāo)坐標(biāo)計算值的所述數(shù)字控制器NC中的模塊P。基于這些值，以及エ件W、機(jī)床M以及刀具T的存儲數(shù)學(xué)模型，所述模塊P生成用以提供給顯示設(shè)備ID的圖像數(shù)據(jù)信號?？刂葡到y(tǒng)PS被特別地安排用于生成圖像信號，所述圖像信號使得機(jī)床M以及和、エ件W所采用的相對位置的一個ニ維的虛擬表示能夠在顯示設(shè)備ID上產(chǎn)生。特別地，該控制系統(tǒng)PS被安排用于生成圖像，所述圖像可以有選擇地允許以下表示的產(chǎn)生—實時產(chǎn)生エ件W和刀具T的當(dāng)前位置的一個即時的、虛擬的、ニ維表示；所述表示實際上取代了可以例如通過攝像機(jī)獲得的圖像以在上述討論的時刻向操作員顯示在機(jī)床工作區(qū)正在發(fā)生的事情；或—從加工開始一直到操作員設(shè)置的“預(yù)測窗ロ”結(jié)束，產(chǎn)生被エ件W，刀具T和機(jī)床M采用的位置的ー個可預(yù)測的，虛擬的，ニ維的表示；作為示例，所述設(shè)置是通過控制面板CP來進(jìn)行的。基于由數(shù)字控制器計算的目標(biāo)坐標(biāo)值，并且基于機(jī)床M、刀具夾、刀具T、夾緊裝置、動態(tài)未完成的エ件的數(shù)學(xué)模型、以及將在加工完成時得到的エ件的理論模型，上述表示 被有利地產(chǎn)生。圖2顯示了本發(fā)明另一個實施例。在此附圖中，已經(jīng)被描述的零件和組件再次被標(biāo)上上面用過的參考字母。在圖2的實施例中，預(yù)測控制與顯示系統(tǒng)PS包括其自己的控制面板(鍵盤和/或鼠標(biāo)，等)，自己的處理器P，和自己的顯示設(shè)備IDl這些組件，所述組件獨立干與數(shù)字控制器NC關(guān)聯(lián)的那些組件(CP和ID)。另外，圖2系統(tǒng)的特征和操作方法對應(yīng)于參照圖I系統(tǒng)的那些已有描述。圖4通過例子顯示了一個虛擬的ニ維圖像，所述圖像可以相應(yīng)地被顯示于顯示設(shè)備ID;在這個圖像中，上面用于區(qū)分各部件的字母符號已經(jīng)被添加以方便讀者識別。當(dāng)所述系統(tǒng)處于使用過程中，下面的步驟序列可以發(fā)生a)機(jī)床操作員選擇所述加工程序；b)操作員定義所述“預(yù)測窗ロ ” ；c)操作員可以通過顯示“預(yù)測窗ロ”中刀具的前向以及后向位置來顯示機(jī)器和刀具的虛擬運(yùn)動以檢查加工程序的正確性；d)操作員按下啟動鍵并設(shè)置前進(jìn)速度；數(shù)字控制器按照選擇的加工程序控制機(jī)床軸的運(yùn)動；e)機(jī)床操作員可以提前并且根據(jù)“預(yù)測窗ロ”所定義的范圍來顯示刀具和機(jī)床軸相對于エ件的位置；以及f)如果操作員希望進(jìn)行其他檢查，他將前進(jìn)速度歸零或者停止機(jī)床，所述系統(tǒng)返回到步驟C)。附圖的圖3顯示了ー種可能的步驟簡化流程圖，所述流程可以用以上描述的預(yù)測控制和虛擬顯示系統(tǒng)執(zhí)行。在圖3中，啟動操作步驟標(biāo)注為10，其后是步驟11，步驟11具體為由數(shù)字控制器NC讀取之前存儲的加工程序，或獲取機(jī)床操作員通過控制面板CP發(fā)布的人工命令。接下來是步驟12 :檢查加工程序是否完成；如果是，流程將進(jìn)入結(jié)束步驟13 ;相反，如果沒有，就轉(zhuǎn)到步驟25:檢查啟動命令和前進(jìn)速度是否非零，或者操作員是否已經(jīng)改變了“預(yù)測窗ロ”的幅度。如果沒有，系統(tǒng)返回步驟12;如果是這樣，流程轉(zhuǎn)到步驟14，其中，數(shù)字控制器NC提供針對機(jī)床M的各軸在操作員設(shè)置的“預(yù)測窗ロ ”中的目標(biāo)坐標(biāo)計算。步驟14后面是步驟26 :檢查啟動命令和前進(jìn)速度；如果檢測結(jié)果為零，系統(tǒng)返回步驟12，否則進(jìn)入步驟15 :操作與軸關(guān)聯(lián)的致動設(shè)備Al，……，AN以便達(dá)到目標(biāo)坐標(biāo)所指示的位置。隨后是步驟16 :獲取與軸相關(guān)的探測器SI，…SN提供的位置信號，以及步驟17 將探測器SI，…SN指示的實際位置與相應(yīng)的目標(biāo)坐標(biāo)值進(jìn)行比較。實際位置與目標(biāo)坐標(biāo)之間的差異或位置誤差被用干與機(jī)床M的軸關(guān)聯(lián)的致動設(shè)備Al，……，AN的反饋“調(diào)節(jié)”。作為上述過程啟動的結(jié)果，在圖3的表示中指出的步驟18中，檢查用戶是否已請求產(chǎn)生機(jī)床M中正在進(jìn)行的加工的虛擬顯示。如果是，系統(tǒng)進(jìn)入步驟19 :由數(shù)字控制器NC逐步計算的目標(biāo)坐標(biāo)被處理系統(tǒng)PS獲得。在后續(xù)步驟20中，檢查用戶是否已請求生成一個關(guān)于目前機(jī)床M工作區(qū)中正發(fā) 生的事情的實時虛擬顯示。如果是，處理系統(tǒng)PS在下ー步驟21中處理虛擬的ニ維圖像并且在步驟22中把這些處理后的圖像在顯示設(shè)備ID上展示給用戶。另ー方面，如果在步驟20中用戶還沒有請求瞬時工作情況的實時虛擬顯示，系統(tǒng)就會進(jìn)入步驟23 :在步驟23中，從工作開始直至操作員設(shè)置的“預(yù)測窗ロ”的結(jié)束，被機(jī)床M，エ件W和刀具T采用的位置的ー個可預(yù)測的，虛擬的，ニ維的表示被生成。如步驟24所指出，“預(yù)測窗ロ”的結(jié)束可以由操作員通過對應(yīng)于未來的興趣時間窗ロ的程序“塊”的相應(yīng)編號的指示或者通過的刀具T將要移動的距離的指示來設(shè)置。處理器然后根據(jù)上述的步驟或階段循環(huán)進(jìn)行。所述系統(tǒng)PS可以這樣被安排在加工程序的正常執(zhí)行中，相應(yīng)于被設(shè)置的“預(yù)測窗ロ”結(jié)束的虛擬圖像逐漸地被展示在顯示設(shè)備ID上。所述處理系統(tǒng)PS可以有利地被安排去檢查計算的刀具T的將來位置是否易于導(dǎo)致任何與機(jī)床M的部件或エ件W碰撞的危險，然后可能地帯來警報信號釋放和/或加工的停止。所述處理系統(tǒng)PS也可以有利地被安排去計算以下數(shù)量被加工エ件W要被移除的材料的總量；仍要從エ件W移去的材料的總剩余量，以及エ件W的任何材料過度移除，以及基于從エ件W移除的材料量，材料材質(zhì)，所用刀具T的類型，以及機(jī)床M的特征這些參數(shù)來計算和調(diào)整刀具T的前進(jìn)速度，并且基于這些參數(shù)評估刀具T的剰余有效壽命。自然地，本發(fā)明原則保持不變，相對于僅僅是通過非限制性例子被描述和解釋的內(nèi)容，實施例的形式和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)可以被廣泛地改變，而不會因此背離本發(fā)明在權(quán)利要求書中定義的范圍。
權(quán)利要求
1.一種在機(jī)床(M)加工處理過程中使用的控制和虛擬顯示系統(tǒng)(PS)，所述機(jī)床包括 用于刀具(T)的刀具夾(2)， 用于借助所述刀具(T)進(jìn)行加工的エ件(W)的托架(3)，以及 多個致動設(shè)備(Al，……，AN)，所述多個致動設(shè)備能夠由相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動器(D1，……，DN)控制以便得到所述刀具(T)和所述エ件(W)之間在各個軸上的受控相對位移； 與所述機(jī)床(M)相關(guān)聯(lián)的以下部件 數(shù)字控制器(NC)，所述數(shù)字控制器被連接到驅(qū)動器(D1，……，DN)并且適合實施加工程序，所述加工程序依據(jù)待生產(chǎn)エ件(W)的特點以及刀具(T)的特點被預(yù)先設(shè)定；基于所述加工程序，所述數(shù)字控制器(NC)適合計算定義刀具(T)沿所述軸的位置的目標(biāo)坐標(biāo)，所述位置通過所述關(guān)聯(lián)的致動設(shè)備(Al，……，AN)的激活可以達(dá)到；以及 圖像顯示裝置(ID)； 所述系統(tǒng)(PS)的特征在于所述系統(tǒng)包含被內(nèi)置的和/或被連接到數(shù)字控制器(NC)的處理系統(tǒng)(P)以便接收目標(biāo)坐標(biāo)計算值，并且所述處理系統(tǒng)被安排在加工進(jìn)程中基于目標(biāo)坐標(biāo)，存儲的機(jī)床(M)、エ件(W)和刀具(T)的數(shù)學(xué)模型來生成圖像數(shù)據(jù)，所述圖像數(shù)據(jù)適于在一個預(yù)設(shè)置的“預(yù)測時間窗ロ”中在圖像顯示裝置(ID)上生成被エ件(W)和機(jī)床(M)采用的一個虛擬的ニ維位置表示。
2.如權(quán)利要求I所述的控制和虛擬顯示系統(tǒng)，其中所述處理系統(tǒng)(P)被安排用于有選擇地生成圖像數(shù)據(jù)，所述圖像數(shù)據(jù)適于實時地在所述圖像顯示裝置(ID)上產(chǎn)生所述エ件(W)和所述刀具(T)當(dāng)前位置的即時的、虛擬的ニ維表示。
3.如權(quán)利要求I或2所述的系統(tǒng)，包括設(shè)置裝置(CP)，所述設(shè)置裝置允許選擇所期望的“預(yù)測窗ロ”的范圍。
4.如權(quán)利要求1-3之一所述的系統(tǒng)，其中，所述處理系統(tǒng)(P)被安排用于檢查是否計算出的刀具(T)的未來位置容易造成可能的碰撞。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述處理系統(tǒng)(P)被安排用于在計算出的刀具(T)的未來位置容易導(dǎo)致可能的碰撞時引發(fā)警報信號的釋放和/或引發(fā)加工的停止。
6.如權(quán)利要求1-5之一所述的系統(tǒng)，其中，該處理系統(tǒng)(P)被安排來計算在設(shè)置的顯示“預(yù)測窗ロ”中的エ件(W)要被移除的材料的總量，和/或到所述設(shè)置的“預(yù)測窗ロ”內(nèi)加工完成為止仍要從所述エ件(W)移除的材料的總剩余量。
7.如權(quán)利要求1-6之一的系統(tǒng)，其中該處理系統(tǒng)(P)被安排來預(yù)測性地計算未來可能對エ件(W)過度材料移除。
8.如權(quán)利要求1-7之一的系統(tǒng)，其中該處理系統(tǒng)(P)被安排基于以下基礎(chǔ)計算和調(diào)整刀具(T)的前進(jìn)速度 從エ件(W)移除的材料量，材料材質(zhì)，所使用刀具的類型，以及機(jī)床(M)的特性。
9.如權(quán)利要求1-8之一的系統(tǒng)，其中該處理系統(tǒng)(P)被安排在加工程序被執(zhí)行的同時在圖像顯示裝置(ID)上逐漸地展示一個對應(yīng)于設(shè)置的“預(yù)測窗ロ”結(jié)束的虛擬圖像。
10.如權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中該處理系統(tǒng)(P)被安排估計刀具(T)的剰余有效壽命。
全文摘要
該系統(tǒng)執(zhí)行對于一臺機(jī)床(M)的控制和虛擬顯示(1),所述機(jī)床包括一個用于刀具(T)的刀具夾(2),通過該刀具對于一個工件(W)進(jìn)行加工的一個托架(3),以及多個致動設(shè)備(A1,……,AN)，所述的多個致動設(shè)備可以通過相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動器(D1,……,DN)控制以得到刀具(T)和工件(W)之間沿各個軸線的受控相對位移?？刂葡到y(tǒng)(1)包括:數(shù)字控制器(NC)，所述數(shù)字控制器被連接到驅(qū)動器(D1,……,DN)并且適合實施加工程序,所述加工程序根據(jù)待生產(chǎn)工件(W)的特點以及刀具(T)的特點被預(yù)先設(shè)定；所述數(shù)字控制器(NC)適合基于加工程序計算定義刀具(T)沿軸線位置的目標(biāo)坐標(biāo),所述的位置通過相關(guān)聯(lián)的致動設(shè)備(A1,……,AN)的激活可以達(dá)到；圖像顯示裝置(ID)；以及一個處理系統(tǒng)(P),所述處理系統(tǒng)被內(nèi)置于和/或被連接到數(shù)字控制器(NC)以便接收計算出的目標(biāo)坐標(biāo)值,并且所述處理系統(tǒng)被安排基于目標(biāo)坐標(biāo)，機(jī)床、工件和刀具的存儲的數(shù)學(xué)模型(M)來生成圖像數(shù)據(jù),所述圖像數(shù)據(jù)適于在圖像顯示裝置(ID)上生成在一個預(yù)定的未來時刻被工件(W)和刀具(T)采用的一個可預(yù)測的,虛擬的,二維位置表示。
文檔編號G05B19/4069GK102754039SQ201180008385
公開日2012年10月24日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月6日
發(fā)明者C·法朗西斯, E·奇斯, G·莫爾芬諾, M·韋斯科 申請人:菲迪亞股份公司