CN101903835B

CN101903835B - 用于控制机床的方法

Info

Publication number: CN101903835B
Application number: CN2008801218694A
Authority: CN
Inventors: A·图里尼
Original assignee: Marposs SpA
Current assignee: Marposs SpA
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-12-16
Also published as: US8620471B2; US20100256799A1; EP2238520A1; EP2238520B1; JP5485168B2; JP2011507119A; ES2463721T3; CN101903835A; ITBO20070836A1; WO2009080606A1

Abstract

一种用于控制具有载有刀具(5)的可移动组件和/或被检查的机械组件的数控机床的系统，包括控制单元(7)和具有相关接口单元(15)的传感器装置(9)。数字信道(20)在不同时刻以及作为测量过程的可替换方式被用于传送作为控制单元发送到接口单元的请求/指令消息的结果的确认脉冲信号(ACK)，通过该数字信道(20)测量信号从接口单元被传送到控制单元。一种用于控制机床的方法包括从控制单元向接口单元发送例如用于检查测量链的效率和操作性的请求/指令消息(M)，以及通过作为测量链的组件的传输信道来接收确认脉冲信号。传感器装置有利地被实现为光电设备，该光电设备检测光束(10)(典型的为激光束)的中断。

Description

用于控制机床的方法

技术领域

本发明涉及用于控制数控机床的系统，该系统包括控制单元；传感器装置，适于与机械部件协作并提供关于传感器装置与机械部件之间的相互位置的测量信号；接口单元，电连接到传感器装置和控制单元；以及用于接口单元和控制单元之间的电连接的数字信道。

本发明还涉及用于控制数控机床的方法，利用传感器装置、控制单元、电连接到传感器装置和控制单元的接口单元以及用于接口单元和控制单元之间的电连接的数字信道，控制单元适于运行对测量指令的执行以及因此适于检测通过用于电连接的数字信道在确定的时间间隔内接收的数字测量信号。

背景技术

已知例如加工中心的数控(“NC”)机床能够通过高精度控制刀具和零件之间的相互位移来执行对机械零件的自动加工操作。该控制在之前获取的数字数据的基础上通过合适的指令来执行。

还知道使用例如检查或测量单元的传感器装置来检测被加工的机械零件的尺寸或位置和/或使用的刀具或机器的其它组件的尺寸或位置，并向数控提供相关信号。数控使用基于所述信号而得到的新数据以增强控制和零件加工。

还有，本发明的传感器装置通过合适的指令由NC以自动或手动的方式来控制。例如，在数控中，可以使用利用外部传感器装置产生的数字信号(触发)的测量指令。该测量指令通常需要机器的组件和传感器之间的位移，并“拍下”在传感器装置控制下的机器轴的位置(由合适的装置检测到)。如果接收到传感器信号或在之后没有接收的情况下，如果可移动组件到达边界线安全位置，则该位移结束。

传感器装置可以例如是接触式探测器或光电设备(“激光探测器”)，其包括光束发送器和光束接收器以及用于用信号发送所述光束的中断的装置。在这两种情况中，都包括用于通过测量信道向NC发送触发信号的接口单元，该测量信道通常由连接电缆限定。

有时，第二电缆将传感器装置或相关接口单元耦合到NC，该NC用于发送指示传感器装置的正确操作的信号。例如，如果使用“激光探测器”，则该信号指示光束正确到达接收器。

已有设备的一个问题是关于以非常可靠的方式检查传感器装置的正常操作从而避免错误信令和机床组件的危险的未控制的位移的可能性。

实际上，用于上述第二连接电缆的NC中的第二物理输入端不是总是可用的。此外，即使当第二连接可用，故障(例如在接口或第二连接中)造成错误的肯定信令的可能性也不能忽视。最后，由于没有考虑可能被中断或与其它导体短路的测量信道的情况，上述检查不论如何也是不完整的。

发明内容

本发明的目的是提供用于控制数控机床的系统和方法，其可以克服已有系统的问题并起动关于连接到NC的传感器装置的执行的简单、可靠以及可适用的检查过程，且更一般地，能够进行从传感器装置到数控的简单适用的信息传输。

该目的以及其它目的可以通过根据权利要求1的控制系统和根据权利要求12的控制方法来实现。

根据本发明的控制系统包括控制单元和传感器装置，该传感器装置用于与机械部件协作，例如刀具或已经加工好的或将要加工的零件。传感器装置 (例如光电设备，用于检测光束(一般是激光束)的中断)向接口单元提供关于传感器装置和机械部件之间的相互位置的测量信号，该接口单元通过用于电连接的数字信道被电连接到控制单元。接口单元包括选择装置，适于通过数字连接信道选择性地起动测量信号和确认信号的传输。接口单元包括例如微处理器的处理单元，用于由起动装置控制不同信号的选择性起动过程，以及用于确认信号的产生和传输。该选择性起动过程由通过通用通信信道从控制单元传送到接口单元的消息来控制，该通用通信信道可以例如是单向串联型。接口单元可以集成到传感器装置中。

在根据本发明的控制方法中，控制单元控制测量指令的执行以及检测由此通过电连接信道在确定时间间隔内接收的数字测量信号，控制单元通过通信信道(例如一串数字信号或单向串行连接)向接口单元传输消息，并控制测量指令。接口单元接收该消息，根据该消息的内容执行操作，例如接口单元可以执行操作性验证和/或准备执行特定测量方案，以及产生数字确认信号并通过电连接信道传输该数字确认信号。控制单元在上述确定的时间间隔内检测数字确认信号的接收。

根据本发明的控制方法可以涉及例如对测量链的正确操作性的检查，该测量链包括传感器装置和用于向控制单元传输相关信号的装置。如果传感器装置是包括光束和相关发射器和接收器的光电设备，则该检查可以通过产生发射器的电源开启和关闭控制的合适序列以及同时观察接收器状态来执行。测量指令的执行可以涉及传感器和机床的组件(例如固定到相关轴(spindle)的刀具)之间的相互位移。

附图说明

现在参考附图描述本发明，该附图以非限定示例的方式给出，其中：

图1是根据本发明的数控机床的控制系统的框图；

图2a和2b是根据本发明的控制方法的流程图；以及

图3a和3b是图2a和2b的方法中一些步骤的图示。

具体实施方式

图1示意性示出了机床1，该机床1包括刀具保持器，例如携带刀具5的轴3。机床的数控(“NC”)7管理(箭头17)轴3的位移，例如轴向转动和平移。

传感器装置9例如是包括“激光探测器”的光电设备，具有光束10(例如激光束)的发射器11和接收器13，以及用于检测光束10的中断的装置。光电设备可以包括框架12，其如图1示意性所示载有发射器11和接收器13，或者根据一个实施方式载有分别包括发射器11和接收器13的不同元件(这本身是已知的，因此没有详细示出)。

接口单元15电连接到传感器装置9，更具体地电连接到接收器13。接口单元15可以物理上被集成到传感器装置9的外壳中，或者是隔开的并例如通过电缆连接。

用于电连接的数字信道20优选地通过电缆来实现，该电缆将接口单元15连接到控制单元7并在光束10中断之后启用向控制单元7的数字测量信号的传输。作为电缆的一个可替换方式，例如数字信道20可以被实施为已知类型的无线传输系统。轴3相对于被加工的机械零件(图1中未显示)或相对于用于检查刀具5的尺寸或完整性的传感器装置9的位移由NC 7来控制并检查。具体地，已知类型的测量指令用于检查刀具5的完整性，或用于测量刀具5的尺寸。测量指令造成轴3向传感器装置9发生位移，并检测光束10的中断然后通过数字信道20将该中断传输到控制单元7。进一步关于测量指令，如果轴3的位移在确定的时间段内持续进行，且没有检测到光束10被中断，则该位移在边界线安全位置处停止。

接口单元15包括处理单元22，包括例如微处理器或微控制器，或包含合适的处理软件的可编程逻辑装置。处理单元22在其它物体中检查选择装置(在图1中由附图标记24示意性示出)，其可替换地启用通过数字信道20的测量脉冲信号的传输(图1中以简化形式示出的情况，其中块26被连接到接收器13)和其它性质的脉冲信号(例如确认信号，这将在下文中示出)的传输(图1中以简化形式示出的情况，其中块26从功能上被连接到处理单元22)。

单向通信信道在图1中以箭头和附图标记30的简化方式表示，并包括例如串行连接或一组0-24V的数字信号，该单向通信信道启用从控制单元7到接口单元15的消息传输，具体地，启用到在功能上连接到处理单元22的门31的消息传输。

现在参考分别关于控制单元7和接口单元15的图2a和图2b的流程图来描述根据本发明的方法。具体地，所述方法关于管理从接口单元15传输到控制单元7的脉冲信号的新方式，且还关于对本身已知的上述测量信号的检测。

图2a和2b的流程图中的框具有以下含义：

框40：控制单元7执行的过程的开始；

框41：通过单向信道30从控制单元7发送消息；

框42：关于设定时间周期的完成的测试；

框43：执行测量指令；

框44：关于脉冲信号的接收的测试；

框45：记录响应信号的接收；

框46：关于达到边界线安全限制的测试；

框47：记录没有接收到响应信号；

框48：控制单元7执行的过程结束；

框51：关于通过单向信道30和门31的有效消息接收的测试；

框52：通过数字信道20的测量脉冲信号的传输被禁用；

框53：对接收的信号所需的可能操作的执行；

框54：通过数字信道20的响应于接收的信号的脉冲信号的传输被启用；

框55：脉冲信号(或“跳跃”)被产生并通过数字信道20被传输；

框56：通过数字信道20的测量脉冲信号的传输再次被启用。

在根据本发明的方法中，消息通过单向信道从控制单元7被发送(框41)。该消息可以包括例如：

(a)用于验证包含传感器装置9的测量链的效率和操作性的请求；

(b)用于启动使用传感器装置9的特定方案的请求(例如，在使用激光探测器的情况下，该方案可以基本包括测量刀具5的长度，或验证刀具5的完整性，或验证异常或“耗尽(run out)”的出现，等)；

(c)辅助测量参数的传输(例如，刀具5的特性，例如旋转速度和刀刃数；激光束10的强度等)；

(d)关于验证结果的请求(例如，刀具5完整/损坏，或刀具正确安装或刀具面临“耗尽”等)。

如果需要，一旦经过了确定的时间段以避免“临界行程(criticalstrokes)”，即该时间段足以保证控制单元7和接口单元15已经到达设定条件(框42)，该控制单元7发送致使轴3产生预定长度路径上的位移的测量指令(框43)。在图1中，字母A和B示意性表示所述路径的界限位置，其中B表示边界线安全位置。如下文中所述的，测量指令将由于接收到确认脉冲信号而结束，或在没有接收到确认脉冲信号的情况下由于在经过确定时间间隔后达到边界线安全位置B而结束。

如果接口单元15接收到有效消息(框51)，且该有效消息通过门31到达处理单元22，则通过数字信道20的测量脉冲信号的传输由选择装置24禁用(框52)。应当指出，在包含激光探测器的图1的示例中，所述测量脉冲信号响应于光束10的中断。接收的消息所需的可能的操作(例如，如上所述的激光探测器9的操作性的验证或特定测量方案的启动)在处理装置22的控制下被执行(框53)。一旦通过数字信道20的传输已经被启用(选择装置24，框54)，响应于该消息的确认脉冲信号仍然在处理装置22的控制下被产生并传输(框55)。通过脉冲信号提供给NC 7的响应的含义视情况而改变。参考上述消息的示例，该含义可以是以下中的一个：

(a)关于测量链的效率和操作性的验证的正面结果；

(b)已经接收到请求；

(c)已经接收到参数；

(d)所需验证的正面结果(例如，刀具5是完整的，或正确安装或没有面临“耗尽”)。

在发送确认脉冲信号之后，处理单元22准备通过选择装置24禁用其它确认信号的传输并再次启用测量脉冲信号的传输，以等待用于NC 7的可能的新消息。

在发送上述的测量指令后，数控7检查是否通过数字信道20接收到确认信号(框44)，或者在没有接收到任何信号的情况下在确定的时间间隔经过后是否到达边界线安全位置B(框46)。在这两种情况中，记录接收到确认信号(框45)或记录没有接收到确认信号(框47)。在后一种情况中，可以再次发送消息(图2a的虚线)。简言之，参考分别涉及NC 7的动作和接口单元15的动作的图3a和3b的图形表示，NC 7在时刻t₀发送包含请求和/或指令的消息M到接口单元15，且在短时间间隔Δt经过后，发送测量指令I。如果接口单元15没有识别该消息而因此将其忽略，则当达到边界线安全位置B时在时间间隔t_F-t_I经过之后该测量指令结束。相反，如果该消息被识别(图3b，附图标记R)，则执行NC 7所需的动作V，且与NC 7一致，合适的“信息”以确认信号ACK的方式通过数字信道20被发送。优选地，确认信号ACK包括具有合适持续时间的脉冲，与包含静态信号电平的可替换方案相比，该合适的持续时间可以保证更好防止由于连接中断或短路造成的错误信令。使用根据本发明的系统和方法可以提供相对于已知系统和方法的多个优点，其中：

由于使用基础资源(例如物理测量信道)的协议的可用性，可以从传感器装置/接口单元组件获得的功能增加；

由于需要在NC和接口单元之间预见的辅助连接信号的数量减少，因此很大程度上简化了应用；

以全面可靠的方式检查整个测量链的操作的可能性。在其它物体中，以这种方式，在测量过程期间在机床中发生的冲突的概率例如通过使用激光探测器而被降低。

具体地，用于检查根据本发明的测量链的效率和操作性的方法可以包括一些可以再涂2a和图2b的流程图中识别的下述特定步骤。

在初始化阶段(框40)，NC控制载有刀具5的轴3移位到位置A，由此在朝向边界线位置B的后续测量运动中，刀具5或机器的其它可移动组件不会以连续方式妨碍光束10。图1中的图参考这种情况。

然后，如果需要NC 7甚至可不止一次传送包含“测量链效率验证”的消息(框41)。当接口单元15接收到有效消息(框51)时，继续检查由处理单元22控制的操作(框53)，且包括例如发射器11的电源打开和关闭控制的合适序列的产生和接收器13状态的同时观察。

如果对应于框53的验证具有正面结果(且只在该情况下)，通过选择装置24启用传输(框54)，且处理单元22产生确认脉冲信号ACK并通过数字信道20传输该确认脉冲信号ACK(框55)。

在消息传输之后，NC 7等待启用接口单元15/传感器装置9组件以执行上述效率验证并发送可能的确认信号ACK所必需的一时间段(框42)，并发送测量指令(框43)。然后，NC 7等待确认信号ACK(框44)或在经过了时间间隔t_F-t_I后等到到达边界线位置B(框46)。

以这种方式，NC 7只在整个测量链(发射器11、接收器13、接口单元15、实现数字信道20的连接电缆、NC 7的组件和软件)正确操作时才接收确认信号ACK。为此，在测量指令的执行中在位置A与B之间移动刀具5的选择不会干扰光束10，这保证了参照框53描述的检查操作是正确的。

关于正确操作的信息通过与传送测量信号相同的信道20被传送。相反，在一些已知系统中，这种信息通过可能遇到故障的另外的通信信道而不是与测量链相关的通信信道来传输，且由于这种故障，该通信信道可能传送错误响应，由此产生负面的结果。

即使图1的示例示出了激光探测器，但是根据本发明的系统和方法可以包括并涉及不同类型的传感器装置，例如接触触发探测器或接触式探测器，其还可以接触要被检查的部件(刀具或已经被加工或待加工的零件)的表面以进一步用于由NC 7控制的机床组件的位移，以及可以传送相关信号以进一步用于可移动臂的偏转(deflection)。

即使在包括激光探测器的情况中执行的验证不是那么完整，但是根据本发明的用于检查包括接触式探测器的测量链的效率和操作性的方法能够获得极好的结果。实际上，在上述附图中所示的情况中，接口单元可以以自主(autonomous)的方式模仿传感器装置和机械部件之间的干扰，即，其可以通过关闭发射器11来中断光束10，因而不太可能以类似的方式模拟机械部件与接触式探测器之间的接触，即以自主方式使可移动臂偏转。

可以有利使用的根据本发明的方法的另一个应用示例涉及控制单元7直接管理关于接口单元15的一些资源而不用利用专用逻辑单元(例如“PLC”) 的可能性。例如，控制单元7可以控制载有激光探测器9的水压导板(hydraulicslide)的反馈位移(feed displacement)或回缩位移(retraction displacement)，并识别该导板何时到达其冲程(stroke)端部的端部停止位置。

为了这样做，应用程序在NC 7中运行。通过单向串行信道30，该程序首先发送需要导板反馈运动的消息，并执行用于接收激光的响应的位移/测量指令。

接口单元15识别该消息，启动例如通过电阀来控制导板反馈位移的其数字输出端中的一个，并通过数字信道20向NC 7传送确认脉冲信号ACK。

NC 7接收该脉冲信号并由此记录包含在所传送消息中的指令的正确执行。然后，NC 7发送包含用于检查对应于特定情况(例如“到达导板的端部停止位置”)的逻辑条件的请求的新消息，并执行用于接收接口单元15的响应的位移/测量指令。

接口单元15识别该消息，并由此在处理单元22中存在执行的逻辑方程直到值“真”(即，导板到达结束端部位置)被产生。这时，确认信号ACK通过数字信道20被发送。

如果NC 7在合适的时间段(等于执行位移/测量指令I所需的所有路径所必需的时间间隔t_F-t_I)内没有接收到确认信号ACK，则其知道所需位移没有被正确执行，从而启动随后的动作，例如重发请求或通过发送警报消息来中断循环。同样，可能继续进行与导板的回缩位移有关的动作。

实际上，在机床中可以使用外部装置(在上述示例中，带有接口单元15的传感器装置9)而不用特别地包括PLC，即不需要实施与后者的物理连接，也不需要向已有程序添加新的方程。在许多情况中以上公开足以通过单向串行连接将NC 7连接到所述外部装置，且消息可以完全由应用程序来管理，该应用程序可以由NC 7来修改。

根据本发明的控制系统和方法可以包括这里所描述以及图中示出的可替换实施方式。

特别地，在图1中以简化形式示出的选择装置(附图标记24所指示)以及用于启用/禁用测量信号和响应信号的相关框26和28可以通过处理单元22和/或电路装置的指令以不同的已知的方法来执行。

如已经陈述的，从NC 7传送到接口单元15的请求/指令消息可以有多种特性，且不限于这里作为示例描述的这种消息。通常，该消息可以具有变化的复杂度，且能够使接口单元15通过经由与用于传输测量信号的信道相同的信道传送简单脉冲信号来与控制单元7交互。

在一些情况中，控制单元能够读取测量输入端的状态而不需要执行测量指令。但是，即便在这些情况中也能较好的使用根据本发明的控制系统，其中测量信号和简单确认信号可以通过相同的数字信道交替地从传感器装置的接口单元传输到控制单元。

Claims

1.一种用于控制数控机床的方法，该方法使用具有传感器装置（9）、控制单元（7）、电连接到所述传感器装置（9）和所述控制单元（7）的接口单元（15）、以及用于所述接口单元（15）与所述控制单元（7）之间的电连接的包括电缆的数字信道（20）的系统，该控制单元（7）适于控制对测量指令（I）的执行以及检测由此在确定的时间间隔（t_F-t_I）内通过包括所述电缆的所述数字信道（20）接收的数字测量信号，所述测量指令（I）的执行包括所述传感器装置（9）与所述机床的组件（3，5）之间的相互位移；

其特征在于以下步骤序列，

所述控制单元（7）

通过与所述数字信道（20）不同的通信信道（30）将消息（M）传送（41）到所述接口单元（15），以及

控制（43）测量指令（I）的执行，所述测量指令（I）的执行包括所述传感器装置（9）与所述机床的至少一个组件（3，5）之间的相互位移；

所述接口单元（15）

接收（51）所述消息（M），

执行（53）所述消息（M）的内容随后的操作（V），以及

产生数字确认信号（ACK）并通过包括所述电缆的所述数字信道（20）传送（55）该数字确认信号（ACK）；以及

所述控制单元（7）

检测（44）所述数字确认信号（ACK）在所述确定的时间间隔内（t_F-t_I）内通过包括所述电缆的所述数字信道（20）而被接收到。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述数字确认信号（ACK）指示所述消息（M）的正确接收。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述操作（V）是在所述消息（M）的内容中所需的验证操作（V），所述数字确认信号（ACK）指示所述验证操作（V）的正面结果。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述数字测量信号和所述数字确认信号（ACK）的产生和传输（55）在所述接口单元（15）中分别被禁用（52）和被启用（54），以进一步用于所述消息（M）的接收。

5.根据权利要求1所述的方法，该方法用于控制数控机床，其中所述系统的所述传感器装置是检测光束（10）的中断的光电设备（9），该光电设备（9）包括所述光束（10）的发射器（11）和接收器（13）。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述消息（M）是用于检查包括所述传感器装置（9）、所述接口单元（15）和所述数字信道（20）的所述电缆的测量链的效率的请求，所述数字确认信号（ACK）指示检查所述测量链的效率的正面结论。

7.根据权利要求6所述的方法，该方法用于控制数控机床，其中所述系统的所述传感器装置是检测光束（10）的中断的光电设备（9）并且该光电设备（9）包括所述光束（10）的发射器（11）和接收器（13），其中所述数字确认信号（ACK）指示在所述消息（M）的内容中所需的验证操作（V）的正面结论，在所述消息（M）的内容中所需的所述验证操作（V）包括（53）对所述发射器（11）的电源打开和关闭控制的序列的生成和对所述接收器（13）的状态的同时观察。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量指令（I）的执行包括所述传感器装置（9）与所述机床的刀具架（3）之间的相互位移。

9.根据权利要求8所述的方法，该方法用于控制机床，其中所述传感器装置是检测光束（10）的中断的光电设备（9）并且该光电设备（9）包括所述光束（10）的发射器（11）和接收器（13），其中所述控制单元（7）在控制（43）所述测量指令（I）的执行之前控制（40）所述刀具架（3）移动到一位置（A），从而在包含在所述测量指令（I）中的所述相互位移的过程中，所述刀具架（3）、连接到该刀具架（3）的刀具（5）或机床的其它可移动组件不会以连续方式干扰所述光束（10）。