CN102749886B - 用于在机床中避免工具和工件之间不期望的碰撞的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在机床(11)中避免工具(18)和工件(21)之间不期望的碰撞的方法，其中在开始执行子程序(3)时，开始得出运动目标值(x，y，z，ov)，用于根据子程序(3)控制在工具(18)和工件(21)之间的相对运动，并且根据得出的运动目标值(x，y，z，ov)开始得出通过工具在工件处的材料损耗(M)，其中得出工具模型(WM)，其中检测工具模型(WM)是否和工件模型(WSM)相交，其中在确定相交的情况下对工具和工件之间的相对运动进行制动，直至相对运动进入停止状态。此外本发明涉及一种与此相关的装置，其用于控制机床。本发明能够在机床(11)中避免工具和工件之间不期望的碰撞，其中达到了工件的短暂加工时间。

Description

用于在机床中避免工具和工件之间不期望的碰撞的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在机床中避免工具和工件之间不期望的碰撞的方法。此外本发明还设计一种用于控制机床的装置。

背景技术

在借助于机床加工工件时必须避免在工具和工件之间不期望的碰撞，该碰撞能导致工具和/或工件损坏。此外在程序中、特别是其间中断执行控制机床运动的子程序，并且在手动操作中将工具从工件处移开，并且接着在手动操作中的初始位置上再次移回用于延续程序时，经常出现在工具和工件之间不期望的碰撞，这是因为为了实现操作者手动预定的运动，机床轴以所谓的插值联合方法(Interpolationsverbund)工作，并且因此使多个的用于使工件和/或工具运动的机床轴同时运动，从而经常会使操作者难于评估，机床的手动输入的运动默认值怎样转变。由于工件在碰撞后不再能用，则因此使经常在机床上持续多个小时或甚至整天的进行加工变得徒劳无功。

由公开文献“Gegen den Kollisionskurs”，驱动试验02/2007已知了一种避免碰撞系统，其中借助于模拟在加工工件时计算工件模型并且根据该工件模型实现避免碰撞。

但是计算工件模型需要非常多的计算时间，因此一方面需要较高的计算功率用于运行这种避免碰撞系统，并且另一方面可以在工件的实际加工之前开始，在实际的工件加工开始之前必须运行具有在时间上有优势的模拟，这是因为通常尽管计算功率较高，但是对工件模型的测定并不和实际加工工件同时进行。在实际中这导致的是，当操作者按压开始键进行加工时，初次在机床上没有动作，这是因为机床首先经过一定的时间段必须事先计算在通过工具加工工件时产生的实际的几何上的工件形状，即工件模型。由此增加了对于工件的加工时间。此外特别在手动操作时需要在工件和工具之间相对较大的安全间隔。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种方法，用于在机床中避免工具和工件之间不期望的碰撞，以及提出一种用于控制机床的装置，其可以缩短对工件的加工时间。

该目的通过一种用于在机床中避免工具和工件之间不期望的碰撞的方法来实现，其中在开始执行子程序时，开始得出运动目标值，用于根据子程序控制在工具和工件之间的相对运动，并且根据得出的运动目标值开始得出通过工具在工件处的材料损耗，其中在结束或中断执行子程序后使相对运动进入静止状态，根据得出的材料损耗得出工件模型，其中根据手动操作输入得出运动目标值，其中根据运动目标值得出所期待的将来运动目标值，其中根据所期待的将来运动目标值得出工具的制动结束布置，其中根据所述工具的制动结束布置和描述所述工具的几何形状的工具形状模型得出工具模型，其中检测工具模型是否和工件模型相交，其中在确定相交的情况下对工具和工件之间的相对运动进行制动，直至相对运动进入停止状态(Stillstand)。

此外，该目的通过一种用于控制机床的装置来实现，其中该装置具有：

-控制单元，该控制单元设计用于在开始执行子程序时，得出运动目标值，用于根据子程序控制在工具和工件之间的相对运动，并且根据得出的运动目标值开始得出通过工具在工件处的材料损耗，其中控制单元还设计用于根据手动操作输入得出运动目标值，用于控制在工件和工具之间的相对运动，

-材料损耗测定单元，该材料损耗测定单元设计用于根据得出的运动目标值得出通过工具在工件处的材料损耗；

-工件模型测定单元，该工件模型测定单元设计用于在结束或中断执行子程序后使相对运动进入静止状态时，根据得出的运动目标值得出工件模型，

-制动结束布置测定单元，该制动结束布置测定单元设计用于根据运动目标值得出所期待的将来运动目标值，其中制动结束布置测定单元设计用于根据所期待的将来运动目标值得出工具的制动结束布置，

-工具模型测定单元，该工具模型测定单元设计用于根据制动结束布置和描述所述工具的几何形状的工具形状模型得出工具模型，和

-检测单元，该检测单元设计用于检测工具模型是否和工件模型相交，其中检测单元设计用于在确定相交的情况下对工具和工件之间的相对运动进行制动，直至相对运动进入停止状态。

本发明无需在工件和工件之间的安全距离，从而使根据本发明的方法也在工件非常精细、并且特别小时执行。

本发明有利的设计方案由从属权利要求得出。方法的有利的设计方案类似于装置的有利的设计方案得出，并且反之亦然。

用于控制机床的装置在此可以例如以CNC控制器的形式存在，其中CNC控制器例如可以以单个的或多个计算单元的形式存在，在其上运行有一个或多个具有程序编码的计算机程序，用于执行根据本发明的方法。这个或这些计算单元因此可以分别具有一个或多个处理器，在其上运行有这个或者这些计算机程序。

附图说明

在附图中示出了本发明的一个实施例，并且在以下将详细说明。其中示出：

图1是机床，

图2是根据本发明的用于控制机床的装置，

图3是运动轨迹S，用于加工工件的铣刀沿着该运动轨迹运动。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了机床11。机床11在本实施例的范畴中具有五个机床轴，通过它们可以执行在本实施例的范畴中以铣刀形式存在的工具18和工件21之间的相对运动。工具18在此被压入被电机15旋转驱动的工具容纳部17中。电机15和进而工具18可以出于简明的原因未在图1中示出的驱动装置一起在X-，Y-和Z方向上平移运动，并且在α方向上转动。此外工件21可以借助于被驱动的圆工作台25在β方向上转动。圆工作台25在此能转动地支撑在静止的机架19上。

工件21通过夹紧装置20固定在圆工作台25上。

机床11因此具有五个机床轴，也就是说其是所谓的5轴机床。

在此需要注意的是，根据本发明的机床显然也可以具有多余或少于五个的机床轴。

在图2中以框图的形式示出了根据本发明的装置10，其用于控制机床。也就是说在机床11的实施例的范畴中控制机床，以及用于使工具和工件运动的驱动装置。

装置10具有控制单元2，其根据子程序3和/或手动输入得出运动目标值x，y，z和ov，用于控制在工具18和工件21之间进行的相对运动。控制单元2根据子程序3得出工件运动目标值，其中由工具参照工件执行的运动以命令的形式被定义。附加地，也可以借助于经过操作装置1输入的手动输入由操作者立即在机床处预定出工具和/或工件的运动。操作装置1例如可以是手轮和/或键盘。

在此通常由CAM/CAD系统和由可能后接于CAM/CAD系统的所谓的后处理程序产生子程序3。在子程序中参照静止的工件21定义工具18的运动(参见图3)。工具18因此沿着运动轨迹S运动。由控制单元2得出的运动目标值在本实施例的范畴中以位置目标值x，y和z的形式存在，其说明了工具18的所谓的Toolcenter Points(工具中心点)TP在X-，Y-和Z方向上、即在3维空间中的运动。工具中心点TP在此是优选地限定在工具18的转轴上的点。此外也由控制单元2得出方向矢量值作为运动目标值，其中所述方向矢量值说明了工具的方向矢量值OV的方向以及工具在3维空间中的取向，当工具18在运动轨迹S上运动时。

通过运动目标值，参照在运动轨迹S上的工件对于运动轨迹S的每个点定义工具的位置和方向。

根据子程序在开始运行子程序时进行运动目标值的测定，用于控制在工具和工件之间进行的相对运动。与此并行地，根据得出的运动目标值开始得出在工件处的材料损耗M。为了得出材料损耗M，运动目标值x，y，z和ov直接在以插值联合方法(Interpolationsverbund)对其测定之后(例如每4ms)被传输给材料损耗测定单元30，材料损耗测定单元3根据运动目标值计算出通过利用工具加工工件在工件处产生的材料损耗M。此外为了得出材料损耗M，将描述工具的毛坯的几何形状(工件在通过工具加工之前的几何形状)并存储在装置10的存储器中的工件毛坯数据R由控制单元2传递给材料损耗测定单元30。此外也将存储在装置10的存储器中的、描述工具的几何形状的工具形状模型WFM由控制单元2传递给材料损耗损耗测定单元30。材料损耗测定单元30然后根据工具形状模型WFM、运动目标值以及工件毛坯数据R得出通过工具在工件上的加工产生的材料损耗M。

在本实施例的范畴中优选地和测定运动目标值实时的进行材料损耗的测定。控制单元2在此通常优选地以固定的时间节拍产生运动目标值，该时间节拍是所谓的插值节拍(Interpolationstakt)。如果例如在本实施例的范畴中通过控制单元2每四毫秒就产生运动目标值，则优选地相应于每四毫秒重新计算并更新材料损耗M。但显然也可以非实时地进行对材料损耗M的测定。

如果在结束、即在完全执行了子程序或子程序被中断后，工件和工具之间的相对运动进入静止状态(Stillstand)，则由工件模型测定单元31根据得出的材料损耗M和工件毛坯数据R得出描述工件的几何形状的工件模型WSM。工件毛坯数据R由控制单元2被传递给工件模型测定单元31。例如可以通过操作者实现中断子程序的运行，例如通过从自动运行转换到手动运行。为了得出工件模型WSM，在本实施例的范畴中由工件模型测定单元31计算坐标网格，即将位于工件表面上彼此相邻的点相互连接，从而工件模型WSM在本实施例的范畴中以所谓的体积模型的形式存在，所述体积模型通过坐标网格构成。根据材料损耗M和工件毛坯数据R得出工件模型WSM是很耗费计算量的，因此这不能实时地、即在时间上和实际进行的在机床上的真实加工并行地执行。

如果在子程序结束或被中断后工件和工具之间的相对运动进入静止状态，则由控制单元2将一个开始信号S传递给工件模型测定单元31。一旦工件模型测定单元31接收开始信号S，工件模型测定单元31就由然后不再改变的材料损耗M得出工件模型WSM。通过工件模型测定单元31进行对工件模型WSM的测定，工件模型测定单元31将用于手动输入的封锁信号(Blockiersignal)BL发送给控制单元2，直至工件模型被计算完。在封锁信号BL存在期间，由机床的操作者在操作装置1处输入的手动输入指令被锁定，该手动输入指令用于控制工具和工件之间的相对运动。由于工件模型测定单元31使材料损耗M完全作为输入参数存在，并且根据材料损耗M可以由工件模型测定单元31相对迅速地计算工件模型WSM，对手动操作输入指令的锁定仅仅持续短暂的时间。操作者随后、即在结束对工件模型WSM的测定后可以通过手动操作输入指令在操作装置1上预定工具和工件之间的相对运动，以便例如借助于机床轴使工具从工件处运动走。控制单元2根据手动操作输入指令以类似于前述通过子程序控制进行的过程得出运动目标值x，y，z和ov。工件模型WSM被传递给检测单元7。

此外将运动目标值从控制单元2输送给制动结束布置测定单元27并且在其内部作为输入变量被输送给第一计算单元4。制动结束布置测定单元27的第一计算单元4由当前运动目标值x，y，z和ov分别得出将来所期待的运动目标值x′，y′，z′和ov′。所期待的运动目标值在此在本实施例的范畴中通过外推法由当前由控制单元2产生的运动目标值和由进一步在以前存在的运动目标值得出。因此例如可以由当前运动目标值和在以前存在的运动目标值计算出工具在每个方向上的速度，并且根据该速度得出工具的所期待的位置。以类似的方式，也可以外推出工具的方向矢量值在将来的方向。此外优选地，现在仅仅以控制单元的所谓的插值节拍或者说插值周期(Interpolationstakt)、即通常仅仅是将来的几毫秒在先地计算出运动目标值。所期待的将来运动目标值因此非常准确地和实际上将来的运动目标值对应一致，由控制单元2在下一个插值节拍中产生所述将来的运动目标值。但显然也可以所期待的将来运动目标值进一步在将来不是处于仅仅几毫秒。

所期待的将来运动目标值x′，y′，z′和ov′接着被传递给制动结束布置测定单元27的第二计算单元5。第二计算单元5根据所期待的将来运动目标值x′，y′，z′和ov′得出工具18的制动结束布置BA(Bremsendanordnung)。此外，当根据所期待的将来运动目标值可能执行对在工具和工件之间的相对运动进行制动直至相对运动静止时，制动结束布置BA给出了在工具和工件之间的相对运动处于静止时工具的位置和方向。制动结束布置BA接着被传递给工具模型测定单元6，该工具模型测定单元根据制动结束布置BA和描述工具的几何形状的工具形状模型WMF得出工具模型WM。工具模型WM因此在本实施例的范畴中描述了工具的几何形状、工具的位置以及工具的方向。

控制单元2在此将工具的工具形状模型WFM传递给工具模型测定单元6。工具形状模型存储在装置10的存储器中。工具模型WM接着被传递给检测单元7，其中检测工具模型WM是否和工件模型WSM相交(überschneidet)。

如果检测单元7确定工具模型WM和工件模型WSM相交，则由检测单元7引起对工具和工件之间的相对运动的制动直至相对运动静止。如果检测单元7在此在工具模型和工件模型相交的情况下产生制动信号BS，并且将其传递给控制单元2，控制单元经过相应地产生运动目标值引起对相对运动的制动直至相对运动静止。

在时间上看与将运动目标值由控制单元2传递给制动结束布置测定单元27并行地，将运动目标值传递给坐标转换单元28，坐标转换单元相应于工具的运动特性(Kinematik)、即实际提供使工具和/或工件运动的机床的机床轴，产生位置目标值x_soll，y_soll，z_soll，α_soll和β_soll，作为调节目标值用于控制驱动装置的运动，以使机床轴运动。根据运动特性被如何设计，工件和/或工具进行运动，用于实现在工件和工具之间的相对运动。因此例如当机床具有运动学状态时，其中利用机床仅仅工件可以运动而工具静止地布置，则工件运动用于实现工件和工具之间的相对运动。

用于控制驱动装置的位置目标值被传递给各个所属的调节器8a，8b，8c，8d和8e，它们相应地控制对应的整流器22a，22b，22c，22d和22e。整流器为分别对应的电动机23a，23b，23c，23d和23e供电，这些电动机驱动各一个机床轴。由鉴于简明的原因未在图2中示出的位置传感器将位置实际值x_ist，y_ist，z_ist，α_ist和β_ist作为用于调节驱动装置的调节实际值传递给调节器8a，8b，8c，8d和8e。

因此与工具和/或工件实际上在机器上执行的运动并行地进行根据本发明的、用于避免不期望的碰撞的方法。因此在开始运行子程序后也不再需要一个时间段，在所述该时间段中在可以开始工具的实际加工之前事先对模拟进行计算。因此通过本发明减少了工件加工的加工时间。

由于本方法优选地只经过一个相对较短的时间间隔得出将来的所期待的运动目标值，因此其高精度地进行，因此无需在工件和工具之间的安全间隔，并且因此该方法也可以用于制造非常小并且特别纤细的工件。

在此需要注意的是，在本实施例的范畴中，控制单元2、制动结束布置测定单元27、工具模型测定单元6、检测单元7、材料损耗测定单元30、工件模型测定单元31，以及坐标转换单元28以程序代码片段的形式存在，它们可以在一个或多个处理器上运行。

单个的单元在此可以在单个的、可以具有单个的或多个处理器计算单元上运行，但也可以在多个彼此分离的处理器上运行。因此例如控制单元2、制动结束布置测定单元27、工具模型测定单元6、检测单元7以及坐标转换单元28可以在第一计算单元上运行，并且材料损耗测定单元30和工件模型测定单元31可以在例如个人计算机的第二计算单元上运行。但显然也可以使所有单元在一个唯一的计算单元上运行。

Claims (3)

1.一种用于在机床（11）中避免工具（18）和工件（21）之间不期望的碰撞的方法，包括：1）得出运动目标值（x，y，z，ov）的方法，即在开始执行子程序（3）时，根据所述子程序（3）和/或手动输入得出运动目标值（x，y，z和ov），用于根据所述子程序（3）控制在所述工具（18）和所述工件（21）之间的相对运动；2）根据得出的所述运动目标值（x，y，z，ov）得出通过所述工具（18）在所述工件（21）处的材料损耗（M）的方法，即所述运动目标值（x，y，z和ov）直接在以插值联合方法对所述运动目标值测定之后被传输给材料损耗测定单元，所述材料损耗测定单元根据所述运动目标值计算出通过利用所述工具加工所述工件在所述工件处产生的材料损耗；3）在结束或中断执行所述子程序（3）后使所述相对运动进入静止状态，根据得出的所述材料损耗（M）得出工件模型（WSM）的方法，即由工件模型测定单元根据得出的所述材料损耗和工件毛坯数据得出描述所述工件的几何形状的所述工件模型；4）根据所述运动目标值（x，y，z，ov）得出所期待的将来运动目标值（x′，y′，z′，ov′）的方法，即通过制动结束布置测定单元的第一计算单元由当前的所述运动目标值（x，y，z和ov）分别得出所述所期待的将来运动目标值（x'，y'，z'和ov'）；5）根据所述所期待的将来运动目标值（x′，y′，z′，ov′）得出所述工具（18）的制动结束布置（BA）的方法，即第二计算单元根据所述所期待的将来运动目标值（x'，y'，z'和ov'）得出所述工具的所述制动结束布置；6）根据所述工具（18）的所述制动结束布置（BA）和描述所述工具（18）的几何形状的工具形状模型（WFM）得出工具模型（WM）的方法，即所述制动结束布置接着被传递给所述工具模型测定单元，所述工具模型测定单元根据所述制动结束布置和描述所述工具的所述几何形状的所述工具形状模型得出所述工具模型，其中检测所述工具模型（WM）是否和所述工件模型（WSM）相交，其中在确定相交的情况下对所述工具（18）和工件（21）之间的所述相对运动进行制动，直至所述相对运动进入停止状态。

2.一种用于控制机床（11）的装置，其中所述装置具有：

-控制单元（2），所述控制单元设计用于在开始执行子程序（3）时，得出运动目标值（x，y，z，ov），用于根据所述子程序（3）控制在工具（18）和工件（21）之间的相对运动，并且根据得出的所述运动目标值（x，y，z，ov）开始得出通过所述工具（18）在所述工件（21）处的材料损耗（M），其中所述控制单元（2）还设计用于根据手动操作输入得出所述运动目标值（x，y，z，ov），用于控制在所述工件（21）和所述工具（18）之间的相对运动，

-材料损耗测定单元（30），所述材料损耗测定单元设计用于根据得出的所述运动目标值（x，y，z，ov）得出通过所述工具（18）在所述工件（21）处的材料损耗（M），

-工件模型测定单元（31），所述工件模型测定单元设计用于在结束或中断执行所述子程序（3）后使所述相对运动进入静止状态时，根据得出的所述运动目标值（x，y，z，ov）得出工件模型（WSM），

-制动结束布置测定单元（27），所述制动结束布置测定单元设计用于根据所述运动目标值（x，y，z，ov）得出所期待的将来运动目标值（x′，y′，z′，ov′），其中所述制动结束布置测定单元设计用于根据所述所期待的将来运动目标值（x′，y′，z′，ov′）得出所述工具（18）的制动结束布置（BA），

-工具模型测定单元，所述工具模型测定单元设计用于根据所述制动结束布置（BA）和描述所述工具（18）的几何形状的工具形状模型（WFM）得出工具模型（WM），和

-检测单元（17），所述检测单元设计用于检测所述工具模型（WM）是否和所述工件模型（WSM）相交，其中所述检测单元（17）设计用于在确定相交的情况下对所述工具（18）和工件（21）之间的所述相对运动进行制动，直至所述相对运动进入停止状态。

3.一种机床（11），其中所述机床（11）具有根据权利要求2所述的装置。