專利名稱：用于在機床中避免工具和工件之間不期望的碰撞的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在機床中避免工具和工件之間不期望的碰撞的方法。此外本發(fā)明還設(shè)計一種用于控制機床的裝置。
背景技術(shù)：
在借助于機床加工工件時必須避免在工具和工件之間不期望的碰撞，該碰撞能導(dǎo)致工具和/或工件損壞。此外在程序中、特別是其間中斷執(zhí)行控制機床運動的子程序，并且在手動操作中將工具從工件處移開，并且接著在手動操作中的初始位置上再次移回用于延 續(xù)程序時，經(jīng)常出現(xiàn)在工具和工件之間不期望的碰撞，這是因為為了實現(xiàn)操作者手動預(yù)定的運動，機床軸以所謂的插值聯(lián)合方法(Interpolationsverbund)工作，并且因此使多個的用于使工件和/或工具運動的機床軸同時運動，從而經(jīng)常會使操作者難于評估，機床的手動輸入的運動默認值怎樣轉(zhuǎn)變。由于工件在碰撞后不再能用，則因此使經(jīng)常在機床上持續(xù)多個小時或甚至整天的進行加工變得徒勞無功。由公開文獻“Gegen den Kollisionskurs”,驅(qū)動試驗02/2007已知了一種避免碰撞系統(tǒng)，其中借助于模擬在加工工件時計算工件模型并且根據(jù)該工件模型實現(xiàn)避免碰撞。但是計算工件模型需要非常多的計算時間，因此一方面需要較高的計算功率用于運行這種避免碰撞系統(tǒng)，并且另一方面可以在工件的實際加工之前開始，在實際的工件加工開始之前必須運行具有在時間上有優(yōu)勢的模擬，這是因為通常盡管計算功率較高，但是對工件模型的測定并不和實際加工工件同時進行。在實際中這導(dǎo)致的是，當(dāng)操作者按壓開始鍵進行加工時，初次在機床上沒有動作，這是因為機床首先經(jīng)過一定的時間段必須事先計算在通過工具加工工件時產(chǎn)生的實際的幾何上的工件形狀，即工件模型。由此增加了對于工件的加工時間。此外特別在手動操作時需要在工件和工具之間相對較大的安全間隔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種方法，用于在機床中避免工具和工件之間不期望的碰撞，以及提出一種用于控制機床的裝置，其可以縮短對工件的加工時間。該目的通過一種用于在機床中避免工具和工件之間不期望的碰撞的方法來實現(xiàn)，其中在開始執(zhí)行子程序時，開始得出運動目標值，用于根據(jù)子程序控制在工具和工件之間的相對運動，并且根據(jù)得出的運動目標值開始得出通過工具在工件處的材料損耗，其中在結(jié)束或中斷執(zhí)行子程序后使相對運動進入靜止?fàn)顟B(tài)，根據(jù)得出的材料損耗得出工件模型，其中根據(jù)手動操作輸入得出運動目標值，其中根據(jù)運動目標值得出所期待的將來運動目標值，其中根據(jù)所期待的將來運動目標值得出工具的制動結(jié)束布置，其中根據(jù)所述工具的制動結(jié)束布置和描述所述工具的幾何形狀的工具形狀模型得出工具模型，其中檢測工具模型是否和工件模型相交，其中在確定相交的情況下對工具和工件之間的相對運動進行制動，直至相對運動進入停止?fàn)顟B(tài)(Stillstand)。此外，該目的通過一種用于控制機床的裝置來實現(xiàn)，其中該裝置具有
-控制單元，該控制單元設(shè)計用于在開始執(zhí)行子程序時，得出運動目標值，用于根據(jù)子程序控制在工具和工件之間的相對運動，并且根據(jù)得出的運動目標值開始得出通過工具在工件處的材料損耗，其中控制單元還設(shè)計用于根據(jù)手動操作輸入得出運動目標值，用于控制在工件和工具之間的相對運動，-材料損耗測定單元，該材料損耗測定單元設(shè)計用于根據(jù)得出的運動目標值得出通過工具在工件處的材料損耗；-工件模型測定單元，該工件模型測定單元設(shè)計用于在結(jié)束或中斷執(zhí)行子程序后 使相對運動進入靜止?fàn)顟B(tài)時，根據(jù)得出的運動目標值得出工件模型，-制動結(jié)束布置測定單元，該制動結(jié)束布置測定單元設(shè)計用于根據(jù)運動目標值得出所期待的將來運動目標值，其中制動結(jié)束布置測定單元設(shè)計用于根據(jù)所期待的將來運動目標值得出工具的制動結(jié)束布置，-工具模型測定單元，該工具模型測定單元設(shè)計用于根據(jù)制動結(jié)束布置和描述所述工具的幾何形狀的工具形狀模型得出工具模型，和-檢測單元，該檢測單元設(shè)計用于檢測工具模型是否和工件模型相交，其中檢測單元設(shè)計用于在確定相交的情況下對工具和工件之間的相對運動進行制動，直至相對運動進入停止?fàn)顟B(tài)。本發(fā)明無需在工件和工件之間的安全距離，從而使根據(jù)本發(fā)明的方法也在工件非常精細、并且特別小時執(zhí)行。本發(fā)明有利的設(shè)計方案由從屬權(quán)利要求得出。方法的有利的設(shè)計方案類似于裝置的有利的設(shè)計方案得出，并且反之亦然。用于控制機床的裝置在此可以例如以CNC控制器的形式存在，其中CNC控制器例如可以以單個的或多個計算單元的形式存在，在其上運行有一個或多個具有程序編碼的計算機程序，用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。這個或這些計算單元因此可以分別具有一個或多個處理器，在其上運行有這個或者這些計算機程序。


在附圖中示出了本發(fā)明的一個實施例，并且在以下將詳細說明。其中示出圖I是機床，圖2是根據(jù)本發(fā)明的用于控制機床的裝置，圖3是運動軌跡S，用于加工工件的銑刀沿著該運動軌跡運動。
具體實施例方式在圖I中示意性地示出了機床11。機床11在本實施例的范疇中具有五個機床軸，通過它們可以執(zhí)行在本實施例的范疇中以銑刀形式存在的工具18和工件21之間的相對運動。工具18在此被壓入被電機15旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的工具容納部17中。電機15和進而工具18可以出于簡明的原因未在圖I中示出的驅(qū)動裝置一起在X-，Y-和Z方向上平移運動，并且在a方向上轉(zhuǎn)動。此外工件21可以借助于被驅(qū)動的圓工作臺25在P方向上轉(zhuǎn)動。圓工作臺25在此能轉(zhuǎn)動地支撐在靜止的機架19上。工件21通過夾緊裝置20固定在圓工作臺25上。
機床11因此具有五個機床軸，也就是說其是所謂的5軸機床。在此需要注意的是，根據(jù)本發(fā)明的機床顯然也可以具有多余或少于五個的機床軸。在圖2中以框圖的形式示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置10，其用于控制機床。也就是說在機床11的實施例的范疇中控制機床，以及用于使工具和工件運動的驅(qū)動裝置。裝置10具有控制單元2，其根據(jù)子程序3和/或手動輸入得出運動目標值x，y，z和ov，用于控制在工具18和工件21之間進行的相對運動?？刂茊卧?根據(jù)子程序3得出工件運動目標值，其中由工具參照工件執(zhí)行的運動以命令的形式被定義。附加地，也可以 借助于經(jīng)過操作裝置I輸入的手動輸入由操作者立即在機床處預(yù)定出工具和/或工件的運動。操作裝置I例如可以是手輪和/或鍵盤。在此通常由CAM/CAD系統(tǒng)和由可能后接于CAM/CAD系統(tǒng)的所謂的后處理程序產(chǎn)生子程序3。在子程序中參照靜止的工件21定義工具18的運動(參見圖3)。工具18因此沿著運動軌跡S運動。由控制單元2得出的運動目標值在本實施例的范疇中以位置目標值X, y和z的形式存在,其說明了工具18的所謂的Toolcenter Points (工具中心點)TP在X-，Y-和Z方向上、即在3維空間中的運動。工具中心點TP在此是優(yōu)選地限定在工具18的轉(zhuǎn)軸上的點。此外也由控制單元2得出方向矢量值作為運動目標值，其中所述方向矢量值說明了工具的方向矢量值OV的方向以及工具在3維空間中的取向，當(dāng)工具18在運動軌跡S上運動時。通過運動目標值，參照在運動軌跡S上的工件對于運動軌跡S的每個點定義工具的位置和方向。根據(jù)子程序在開始運行子程序時進行運動目標值的測定，用于控制在工具和工件之間進行的相對運動。與此并行地，根據(jù)得出的運動目標值開始得出在工件處的材料損耗M。為了得出材料損耗M，運動目標值x，y，z和ov直接在以插值聯(lián)合方法(Interpolationsverbund)對其測定之后(例如每4ms)被傳輸給材料損耗測定單元30,材料損耗測定單元3根據(jù)運動目標值計算出通過利用工具加工工件在工件處產(chǎn)生的材料損耗M。此外為了得出材料損耗M，將描述工具的毛坯的幾何形狀(工件在通過工具加工之前的幾何形狀)并存儲在裝置10的存儲器中的工件毛坯數(shù)據(jù)R由控制單元2傳遞給材料損耗測定單元30。此外也將存儲在裝置10的存儲器中的、描述工具的幾何形狀的工具形狀模型WFM由控制單元2傳遞給材料損耗損耗測定單元30。材料損耗測定單元30然后根據(jù)工具形狀模型WFM、運動目標值以及工件毛坯數(shù)據(jù)R得出通過工具在工件上的加工產(chǎn)生的材料損耗M。在本實施例的范疇中優(yōu)選地和測定運動目標值實時的進行材料損耗的測定?？刂茊卧?在此通常優(yōu)選地以固定的時間節(jié)拍產(chǎn)生運動目標值，該時間節(jié)拍是所謂的插值節(jié)拍(Interpolationstakt)。如果例如在本實施例的范疇中通過控制單元2每四毫秒就產(chǎn)生運動目標值，則優(yōu)選地相應(yīng)于每四毫秒重新計算并更新材料損耗M。但顯然也可以非實時地進行對材料損耗M的測定。如果在結(jié)束、即在完全執(zhí)行了子程序或子程序被中斷后，工件和工具之間的相對運動進入靜止?fàn)顟B(tài)(Stillstand)，則由工件模型測定單元31根據(jù)得出的材料損耗M和工件毛坯數(shù)據(jù)R得出描述工件的幾何形狀的工件模型WSM。工件毛坯數(shù)據(jù)R由控制單元2被傳遞給工件模型測定單元31。例如可以通過操作者實現(xiàn)中斷子程序的運行，例如通過從自動運行轉(zhuǎn)換到手動運行。為了得出工件模型WSM，在本實施例的范疇中由工件模型測定單元31計算坐標網(wǎng)格，即 將位于工件表面上彼此相鄰的點相互連接，從而工件模型WSM在本實施例的范疇中以所謂的體積模型的形式存在，所述體積模型通過坐標網(wǎng)格構(gòu)成。根據(jù)材料損耗M和工件毛坯數(shù)據(jù)R得出工件模型WSM是很耗費計算量的，因此這不能實時地、即在時間上和實際進行的在機床上的真實加工并行地執(zhí)行。如果在子程序結(jié)束或被中斷后工件和工具之間的相對運動進入靜止?fàn)顟B(tài)，則由控制單元2將一個開始信號S傳遞給工件模型測定單元31。一旦工件模型測定單元31接收開始信號S，工件模型測定單元31就由然后不再改變的材料損耗M得出工件模型WSM。通過工件模型測定單元31進行對工件模型WSM的測定，工件模型測定單元31將用于手動輸入的封鎖信號(Blockiersignal)BL發(fā)送給控制單元2,直至工件模型被計算完。在封鎖信號BL存在期間，由機床的操作者在操作裝置I處輸入的手動輸入指令被鎖定，該手動輸入指令用于控制工具和工件之間的相對運動。由于工件模型測定單元31使材料損耗M完全作為輸入?yún)?shù)存在，并且根據(jù)材料損耗M可以由工件模型測定單元31相對迅速地計算工件模型WSM，對手動操作輸入指令的鎖定僅僅持續(xù)短暫的時間。操作者隨后、即在結(jié)束對工件模型WSM的測定后可以通過手動操作輸入指令在操作裝置I上預(yù)定工具和工件之間的相對運動，以便例如借助于機床軸使工具從工件處運動走?？刂茊卧?根據(jù)手動操作輸入指令以類似于前述通過子程序控制進行的過程得出運動目標值x，1，z和ov。工件模型WSM被傳遞給檢測單元7。此外將運動目標值從控制單元2輸送給制動結(jié)束布置測定單元27并且在其內(nèi)部作為輸入變量被輸送給第一計算單元4。制動結(jié)束布置測定單元27的第一計算單元4由當(dāng)前運動目標值x，y，z和ov分別得出將來所期待的運動目標值X'，y'，z'和ov'。所期待的運動目標值在此在本實施例的范疇中通過外推法由當(dāng)前由控制單元2產(chǎn)生的運動目標值和由進一步在以前存在的運動目標值得出。因此例如可以由當(dāng)前運動目標值和在以前存在的運動目標值計算出工具在每個方向上的速度，并且根據(jù)該速度得出工具的所期待的位置。以類似的方式，也可以外推出工具的方向矢量值在將來的方向。此外優(yōu)選地，現(xiàn)在僅僅以控制單元的所謂的插值節(jié)拍或者說插值周期(Interpolationstakt)、即通常僅僅是將來的幾毫秒在先地計算出運動目標值。所期待的將來運動目標值因此非常準確地和實際上將來的運動目標值對應(yīng)一致，由控制單元2在下一個插值節(jié)拍中產(chǎn)生所述將來的運動目標值。但顯然也可以所期待的將來運動目標值進一步在將來不是處于僅僅幾毫秒。所期待的將來運動目標值X' , y/，z'和ov'接著被傳遞給制動結(jié)束布置測定單元27的第二計算單元5。第二計算單元5根據(jù)所期待的將來運動目標值X' ,y' ,z'和ov'得出工具18的制動結(jié)束布置BA(Bremsendanordnung)。此外，當(dāng)根據(jù)所期待的將來運動目標值可能執(zhí)行對在工具和工件之間的相對運動進行制動直至相對運動靜止時，制動結(jié)束布置BA給出了在工具和工件之間的相對運動處于靜止時工具的位置和方向。制動結(jié)束布置BA接著被傳遞給工具模型測定單元6，該工具模型測定單元根據(jù)制動結(jié)束布置BA和描述工具的幾何形狀的工具形狀模型WMF得出工具模型WM。工具模型WM因此在本實施例的范疇中描述了工具的幾何形狀、工具的位置以及工具的方向。控制單元2在此將工具的工具形狀模型WFM傳遞給工具模型測定單元6。工具形狀模型存儲在裝置10的存儲器中。工具模型WM接著被傳遞給檢測單元7，其中檢測工具模型WM是否和工件模型WSM相交(Uberschneidet)。如果檢測單元7確定工具模型WM和工件模型WSM相交，則由檢測單元7引起對工具和工件之間的相對運動的制動直至相對運動靜止。如果檢測單元7在此在工具模型和工件模型相交的情況下產(chǎn)生制動信號BS，并且將其傳遞給控制單元2，控制單元經(jīng)過相應(yīng)地產(chǎn)生運動目標值引起對相對運動的制動直至相對運動靜止。在時間上看與將運動目標值由控制單元2傳遞給制動結(jié)束布置測定單元27并行地，將運動目標值傳遞給坐標轉(zhuǎn)換單元28，坐標轉(zhuǎn)換單元相應(yīng)于工具的運動特性(Kinematik)、即實際提供使工具和/或工件運動的機床的機床軸，產(chǎn)生位置目標值xS()11，Ysoll^ Zsoll, 03()11和P S()11，作為調(diào)節(jié)目標值用于控制驅(qū)動裝置的運動，以使機床軸運動。根據(jù)運動特性被如何設(shè)計，工件和/或工具進行運動，用于實現(xiàn)在工件和工具之間的相對運動。因此例如當(dāng)機床具有運動學(xué)狀態(tài)時，其中利用機床僅僅工件可以運動而工具靜止地布置，則工件運動用于實現(xiàn)工件和工具之間的相對運動。 用于控制驅(qū)動裝置的位置目標值被傳遞給各個所屬的調(diào)節(jié)器8a，8b，8c，8d和Se，它們相應(yīng)地控制對應(yīng)的整流器22a，22b，22c，22d和22e。整流器為分別對應(yīng)的電動機23a，23b，23c，23d和23e供電，這些電動機驅(qū)動各一個機床軸。由鑒于簡明的原因未在圖2中示出的位置傳感器將位置實際值xist，yist，zist，aist和Pist作為用于調(diào)節(jié)驅(qū)動裝置的調(diào)節(jié)實際值傳遞給調(diào)節(jié)器8a，8b，8c，8d和8e。因此與工具和/或工件實際上在機器上執(zhí)行的運動并行地進行根據(jù)本發(fā)明的、用于避免不期望的碰撞的方法。因此在開始運行子程序后也不再需要一個時間段，在所述該時間段中在可以開始工具的實際加工之前事先對模擬進行計算。因此通過本發(fā)明減少了工件加工的加工時間。由于本方法優(yōu)選地只經(jīng)過一個相對較短的時間間隔得出將來的所期待的運動目標值，因此其高精度地進行，因此無需在工件和工具之間的安全間隔，并且因此該方法也可以用于制造非常小并且特別纖細的工件。在此需要注意的是，在本實施例的范疇中，控制單元2、制動結(jié)束布置測定單元27、工具模型測定單元6、檢測單元7、材料損耗測定單元30、工件模型測定單元31，以及坐標轉(zhuǎn)換單元28以程序代碼片段的形式存在，它們可以在一個或多個處理器上運行。單個的單元在此可以在單個的、可以具有單個的或多個處理器計算單元上運行，但也可以在多個彼此分離的處理器上運行。因此例如控制單元2、制動結(jié)束布置測定單元27、工具模型測定單元6、檢測單元7以及坐標轉(zhuǎn)換單元28可以在第一計算單元上運行，并且材料損耗測定單元30和工件模型測定單元31可以在例如個人計算機的第二計算單元上運行。但顯然也可以使所有單元在一個唯一的計算單元上運行。
權(quán)利要求
1.一種用于在機床(11)中避免工具(18)和工件(21)之間不期望的碰撞的方法，其中在開始執(zhí)行子程序⑶時，開始得出運動目標值(x，1，z, ov)，用于根據(jù)所述子程序(3)控制在所述工具(18)和所述工件(21)之間的相對運動，并且根據(jù)得出的所述運動目標值(X，y,z,ov)開始得出通過所述工具(18)在所述工件(21)處的材料損耗(M)，其中在結(jié)束或中斷執(zhí)行所述子程序(3)后使所述相對運動進入靜止?fàn)顟B(tài)，根據(jù)所述得出的材料損耗(M)得出工件模型(WSM)，其中根據(jù)手動操作輸入得出所述運動目標值(x，y，z, ov)，其中根據(jù)所述運動目標值(X, y, z, ov)得出所期待的將來運動目標值(X' ,y' ,z' , ov'),其中根據(jù)所述所期待的將來運動目標值(X' ,1' ,z' ,oy')得出所述工具(18)的制動結(jié)束布置(BA)，其中根據(jù)所述工具(18)的所述制動結(jié)束布置(BA)和描述所述工具(18)的幾何形狀的工具形狀模型(WFM)得出工具模型(WM)，其中檢測所述工具模型(WM)是否和所述工件模型(WSM)相交，其中在確定相交的情況下對所述工具(18)和工件(21)之間的所述相對運動進行制動，直至所述相對運動進入停止?fàn)顟B(tài)。
2.一種計算機程序或具有程序代碼的計算機程序，用于在至少一個計算單元上運行所述計算機程序或具有程序代碼的計算機程序時執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法。
3.一種用于控制機床(11)的裝置，其中所述裝置具有 -控制單元(2)，所述控制單元設(shè)計用于在開始執(zhí)行子程序(3)時，得出運動目標值(X，1，z, ov)，用于根據(jù)所述子程序(3)控制在所述工具(18)和所述工件(21)之間的相對運動，并且根據(jù)得出的所述運動目標值(x，y，z，0V)開始得出通過所述工具(18)在所述工件(21)處的材料損耗(M)，其中所述控制單元(2)還設(shè)計用于根據(jù)手動操作輸入得出所述運動目標值(x，y，z，ov)，用于控制在所述工件(21)和所述工具(18)之間的相對運動， -材料損耗測定單元(30)，所述材料損耗測定單元設(shè)計用于根據(jù)得出的所述運動目標值(x，y，z, ov)得出通過所述工具(18)在所述工件(21)處的材料損耗(M)， -工件模型測定單元(31)，所述工件模型測定單元設(shè)計用于在結(jié)束或中斷執(zhí)行所述子程序(3)后使所述相對運動進入靜止?fàn)顟B(tài)時，根據(jù)得出的所述運動目標值(x，y，z, ov)得出工件模型(WSM)， -制動結(jié)束布置測定單元(27)，所述制動結(jié)束布置測定單元設(shè)計用于根據(jù)所述運動目標值(X, y, z, ov)得出所期待的將來運動目標值(X' ,y' ,z' , ov'),其中所述制動結(jié)束布置測定單元設(shè)計用于根據(jù)所述所期待的將來運動目標值(X' ,1' ,z' ,oy')得出所述工具(18)的制動結(jié)束布置(BA)， -工具模型測定單元，所述工具模型測定單元設(shè)計用于根據(jù)所述制動結(jié)束布置(BA)和描述所述工具(18)的幾何形狀的工具形狀模型(WFM)得出工具模型(WM)，和 -檢測單元(17)，所述檢測單元設(shè)計用于檢測所述工具模型(WM)是否和所述工件模型(WSM)相交，其中所述檢測單元(17)設(shè)計用于在確定相交的情況下對所述工具(18)和工件(21)之間的所述相對運動進行制動，直至所述相對運動進入停止?fàn)顟B(tài)。
4.一種機床(11)，其中所述機床(11)具有根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在機床(11)中避免工具(18)和工件(21)之間不期望的碰撞的方法，其中在開始執(zhí)行子程序(3)時，開始得出運動目標值(x，y，z，ov)，用于根據(jù)子程序(3)控制在工具(18)和工件(21)之間的相對運動，并且根據(jù)得出的運動目標值(x，y，z，ov)開始得出通過工具在工件處的材料損耗(M)，其中得出工具模型(WM)，其中檢測工具模型(WM)是否和工件模型(WSM)相交，其中在確定相交的情況下對工具和工件之間的相對運動進行制動，直至相對運動進入停止?fàn)顟B(tài)。此外本發(fā)明涉及一種與此相關(guān)的裝置，其用于控制機床。本發(fā)明能夠在機床(11)中避免工具和工件之間不期望的碰撞，其中達到了工件的短暫加工時間。
文檔編號G05B19/4061GK102749886SQ201210115500
公開日2012年10月24日 申請日期2012年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月18日
發(fā)明者湯姆·托爾克米特 申請人:西門子公司