CN109074047B - 用于控制工业操作的方法和机器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法。所述方法包括以下步骤：开发将操作的过程参数与所述操作的性能变量相关联的过程模型，其中，过程参数和性能变量能够经由集成的多个数据源来检索到；以及选择至少一种优化技术以限定函数，所述函数包括过程参数。另外，通过使用待被机械加工的产品的可接受容差作为限定性能变量的范围和过程参数的范围的基础生成用于优化的该函数，以及将所述至少一种优化技术应用于所述函数，由此，针对包括过程参数和性能变量的过程模型计算最佳操作性能标准，以获得要用于控制金属加工过程的要求集。

Description

用于控制工业操作的方法和机器系统
技术领域
本发明涉及用于选择用于控制工业机械加工操作例如金属板材加工过程的最佳操作性能标准(optimum operation performance criteria)的方法、工业机器系统、计算机程序产品和非暂态计算机可读介质。
背景技术
当今的工业机器系统通常由具有用于提供机器部件或操作装置与工件之间的相对运动的致动器系统的机器构成。现有技术的工业机器系统被高度专业化以执行诸如射束切割、铣削、车削、钻削、镗削、冲压(punching)、凸模压制(punch pressing)、压断(press-breaking)、弯曲(bending)、焊接和装配操作的操作。对于大多数潜在顾客特别是对于较小的或中等大小的车间而言机器系统是实质性投资，这是机器系统为业务贡献的多功能性和生产率是进行投资决定时的关键因素的原因。
通过一起用于向致动器系统提供指令来执行所需要的移动以执行预期工业操作的CNC(计算机化数控)单元、NC(数控)单元、PLC(可编程逻辑控制)单元和/或相关的感测和处理设备来控制工业机器系统。机器系统还包括机器控制器，该机器控制器本质上是被配置成基于机器控制器指令例如G代码或XML向CNC/NC/PLC单元给出指令的具有处理器和常规操作系统例如Windows或Linux的计算机。机器控制器包括或连接至HMI(人机接口)，并且被配置成读取程序和收集过程参数以向CNC/NC/PLC单元产生由包含在机器中的致动器系统执行的完整指令。通常，CNC/NC/PLC单元和机器控制器二者均被物理地包括在工业机器中，并且工业机器形成独立且自包含的工业机器系统，其中机器控制器形成机器的基本的且物理连接的部件。
可以定义CNC系统以包括在本文中被称为机器的机床(machine tool)、部件程序以及机器控制器(或机器控制单元)，部件程序是机器所遵循的详细的命令集，机器控制器(或机器控制单元)是存储程序并且将其命令执行为机床的动作的计算机。
对通过工业机器执行的操作的管理、控制和监测需要来自机器操作员的专业知识和经验以及基于软件的支持系统来实现。为了生成用于例如制造特定金属产品的操作的程序，程序需要基于预定原理集例如基于优化技术或最短路径原理的操作顺序的计算，而且还需要基于操作员的专有知识即从更实际的角度看什么将是最好的顺序。要考虑和控制的变量可能与材料特性、物流有关，并且当然也与实际几何结构、形状、尺寸以及要生产产品的次序有关。
现有技术公开了基于单个部件作为单独单元来生产的原理的机械加工或切割程序的建立。出于该目的，使用各种常规生产方法，例如切割、冲压和/或压制。此处，预先限定要应用于切割、冲压和/或压制操作的生产标准。对每个部件进行单独的限定，并且针对每个单独部件限定相邻部件之间的适用安全距离。
最近，所谓的普通切割技术已经演化为对更常规的切割技术的改进。用于普通切割技术的基础技术是基于通过切割两个相邻部件来分割工件，部件被分开与切割射束的切割宽度对应的距离。因此，考虑到特定切割操作的先决条件，在定位要被彼此分割的形状时，必须仔细考虑切割射束的切割宽度。
切割操作的先决条件要结合对要沿着切割路径分开的形状的初始准备和定位被早先确定。特别是对于部分自动化或全自动化的过程，对普通切割机械加工过程的仔细规划至关重要。在已经定位用于切割的工件之后开始认识到不能使用普通切割太迟了，因为不能再重新布置工件。甚至更晚即在切割操作已经发生之后认识到不能使用普通切割，必然导致生产的部件的变形和损坏，并且因此导致生产的物品的废弃。
上述普通切割技术也可以适用于例如冲压或压制操作，假设普通切割技术允许部件彼此分开而不造成损坏或变形，并且不会使生产的物品的尺寸和质量超过根据规格的可接受容差。
国际专利公布WO 2011/042058公开了用于使用射束切割技术从一块材料中机器切出若干部件的方法和系统。控制规则集和变量被用于形成具有自由形状的部件群，部件被定位成彼此如此靠近使得每当部件的形状允许切割时在相邻部件之间仅发现切割射束的一个切割厚度。
由于在切割操作中引入自由形状，因此市场很快认识到该技术有显著提高金属板材加工过程的生产率的潜能。从自由形态切割注意到的首要优点之一是在切割操作期间节省宝贵的过程时间，这对于生产行业竞争力而言是最优先事项之一。自由形状切割提供的另一优点是其使得经受切割的形状能够以更紧密的图案进行布置，从而显著地减少材料浪费，这从工业和环境角度看均是有益的。
然而，普通切割技术在以允许自由形状的高效生产的方式使用的情况下也可能不可避免地在操作时对工件造成轻微缺陷。那些缺陷难以完全避免并且需要考虑那些缺陷，特别是对于涉及普通切割技术的机械加工操作。在工业机械加工操作的初始规划期间已经考虑到由于机械加工操作而最终将出现的标记段和/或缺陷，以不妨碍操作的整体生产率。
如今的机械加工操作基于本地地存储在数据库中并且在操作之前计算的默认数据和理论参数。因此，按顺序单独调整典型机械加工操作中的各个步骤。鉴于此，在设置和执行工业机械操作时需要至少考虑的相关问题是可能对操作有影响的大量动态变量。否则，无论变量是与物流、材料特性、生产质量、目前使用的加工工具、或可用加工工具有关还是与操作员的需求有关，那些变量中的一些可能会对工业机械操作的效率、精度、质量和生产率产生不利影响。
发明内容
因此，本发明的目的是通过提供用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法、工业机器系统、计算机程序产品和非暂态计算机可读介质来减轻所提及的与现有技术相关联的问题，所述方法包括以下步骤：
提供将操作的过程参数与所述操作的性能变量相关联的过程模型，其中，过程参数和性能变量能够经由集成的多个数据源来检索到，
选择至少一种优化技术以限定函数，所述函数包括过程参数，
通过使用待被机械加工的产品的可接受容差作为限定性能变量的范围与过程参数的范围的基础来生成用于优化的所述函数，以及
将所述至少一种优化技术应用于所述函数，由此针对包括过程参数和性能变量的过程模型确定最佳操作性能标准，以获得要用于控制金属加工过程的要求集。
根据上述针对过程模型计算的最佳性能标准产生被转换成用于控制工业机器的操作指令的要求集。通常通过包括指示致动器系统执行机械加工操作的操作指令集的工业机器程序来执行所述控制。
更详细地，将本发明与现有技术中已经描述的传统解决方案区分开的先决条件中的一些是系统、机器、与第四次工业革命等有关的信息(IoT)以及服务提供者和顾客的完全集成。各种相关数据的源的完全集成使得能够甚至实时检索与金属加工过程有关的信息，并且根据本发明，可以分析和利用该信息。过程参数(process parameter)和性能变量(performance variable)的灵活性质以及在优化金属加工过程时对该信息的动态利用可能产生使用顺序分析或优化作为生产规划的基础永远不能获得的生产结果。过程参数的灵活性(由于较少的工具更换等)可以致使废料和/或生产时间的显著减少，并且性能变量的灵活性可以致使较低的总生产成本，这对制造商和顾客均是有益的。
通过本发明，相对于现有技术可以实现显著的优点和益处，所述优点和益处中的一些将在下面提到。可以将可能具有影响并且影响工业机械加工操作的效率和生产率的变量的动态性质考虑在内，无论变量是与物流、材料特性、加工工具可用性还是操作员的需求有关。
本发明使用从多个源检索的信息，并且以使其能够与后续机械加工操作结合使用的方式存储这样的信息。通过检索到的信息，本发明使得可以依照由要执行的特定机械加工操作所要求的来设计新的或另外的工具或者工具几何结构并使新的或另外的工具或者工具几何结构可用。
根据本发明的一个替选实施方式，用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法包括被动态地监测和控制的过程模型。
该动态监测和控制使得可以响应金属加工过程的基础条件随时间的变化。基础条件可以基于可能随时间变化的技术特性例如金属板材的材料特性、几何考虑因素和/或生产过程相关特性例如调换工具的需求。与生产规划有关的其他特性也可能随时间变化，例如生产经济、订单库存信息、定价、盈利能力、可用性和相关优先事项。作为第三类别，可以将与操作员的工作环境有关的特性考虑在内，例如操作员可用性、操作员的空缺和重件货、夜班期间对操作员要求较少的人工任务例如机器重新配置，这些都是与工作环境有关的可能随时间变化的特性。
根据本发明的替选实施方式，用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法包括被实时监测和控制以允许过程中的动态调整的过程模型。
与现有技术相比这具有基本的优点，特别是对于需要频繁调整并重新配置过程参数的相对小批量的生产。根据本发明，可以立即对外部变化做出反应，而不必等待生产率评估。这些评估通常是要作为来自已完成的生产过程的输出的后续被执行的反复调度的人工计算。当今现有技术中的信息的可用性不足以能够基于当前需求来优化生产过程。因此，通常使生产过程的可能优化太晚以致于无法从其获益。
根据本发明，可以将用于控制金属加工过程的要求集作为推荐提供给操作员，操作员继而可以应用该要求集。作为替选，可以在操作员部分参与或无操作员参与的情况下应用所述要求。
根据本发明的又一实施方式，根据权利要求的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法还包括以下步骤：
从与金属加工过程有关的多个源检索过程参数，例如生产订单、产品几何结构和预定义容差、所需要的金属加工操作、所需要的加工工具配置、生产的物品的堆叠模式和/或来自先前操作的过程参数数据，
从与金属加工过程有关的不同源检索性能变量，例如确定的生产的物品的容差、过程时间、加工工具可用性、机器可用性、材料可用性、加工工具寿命、材料移除率、操作员工作环境、订单库存、交付时间、所需要的压制位置和/或来自先前操作的性能变量数据和/或用于后续操作的性能变量数据，
将过程参数和性能变量存储在与计算机系统例如企业资源规划(ERP)系统相关联的统一存储器(consolidated memory)中，以及
使过程参数和或性能变量可用于机器控制器或计算系统以应用优化技术来选择最佳操作性能标准。
通常从不同的信息源检索多个过程参数，并且中央计算机(可替选地，机器控制器或计算系统)可以被配置成使得其连接至或至少可连接至这些信息源。信息源可能非常不同，并且可以被认为是机械加工系统中的端点(end-points)。
过程参数(process parameter)是通常涉及要生产什么、订单大小是什么、哪些是要执行的以实现预定义的产品几何结构的最佳机械加工操作的预定义参数。用于机械加工的最佳加工工具利用和生产的物品的预定义容差也是过程参数。
另一方面，性能变量(performance variable)是与除了最佳机械加工操作或最佳加工工具配置之外应该使用的其他假设结果有关的数据。性能变量还是来自先前和/或当前和/或后续执行的操作的测量数据，在要平衡许多不同的变量并且要优化机械加工过程时，所述测量数据可以用作进行决策的基础。可以基于任何变量例如生产成本、生产时间、质量和产品精度、操作员工作状况、材料浪费或其任何组合来进行优化。
本发明的优点的一个示例是可以最少化在后续操作之间要调换的加工工具配置。来自先前操作的经验可以用于确定当前加工工具配置是否足以实现特定几何结构以及所生产的几何结构是否在可接受容差内。另一示例是：可以通过避免加工工具与生产的物品上的可能包含缺陷的某些区域接触来提高精度。
根据本发明的替选实施方式，工具和/或生产的物品嵌有电子设备、软件、传感器和/或网络连接。这种通常被称为物联网(IoT)的连接使得对象能够与计算机系统和/或计算系统交换数据例如过程参数和/或性能变量。在为某个机械加工操作制作当前可用工具的存货清单时，计算机系统则可以即时访问关于哪些工具可以使用以及哪些工具例如由于被用于更高优先级的其他机械加工操作而不能使用的更新信息。
根据本发明，提供监视单元例如摄像机或其他图像捕获装置以检测由弯曲操作产生的各种缺陷和/或视觉属性、隆起和/或其他不对称属性的存在和性质，以在堆叠部件时避免它们的干扰或源于对称缺陷的任何影响。在确定要应用在用于后续金属加工过程的过程模型中的要求集时，检索、存储并提供关于那些缺陷或视觉属性的详细信息。
可以使施加在金属板材产品上的压制位置或压制压力适合于相同规格的金属板材之间的各个批次的特性差异。压制位置或所需要的压制坐标用于精确地确定所施加的压制压力是否足以到达预期工具将要到达的预定义位置即空间中的预定义坐标。检索和使用过程参数还使得能够通过避免加工工具、夹持件和抓握件与生产的物品上的较少限定的区域接触来提高精度。
本发明最有价值的优点是，已经存在于可用在几乎任何工业公司、车间或企业中的所谓的资源规划系统、业务管理系统中的信息被用于管理和控制工业机械加工系统。将该管理系统用于物流、生产、存货清单、维护、销售等即所有信息均可用并且反映进行的业务操作的动态的一个或更多个系统，可以将影响生产率和与所考虑的顾客有关的所有方面考虑在内。除了与材料特性、批号、所要求的尺寸、形状、容差、位置和各种机械加工参数有关的所有信息之外，这样的信息甚至可以包括订单可用性、顾客优先级和定价信息。
因此，本发明将被包含或可能被包含在企业资源规划系统中的信息与所有要求和现代机械加工系统的巨大潜在效率增强集合在一起，以显著提高生产工业的某些部分中的生产率。动态监测和控制使得生产者在生产期间降低批大小，并且在不久的将来使得生产者立即响应需求的短期变化。本发明至少提供朝向唯一物品和按需生产的工业愿景的第一步。
附图说明
现在将参照附图描述与本发明有关的各种实施方式和示例，在附图中：
图1是描绘通过监测、控制和调整操作顺序来优化工业机器系统的操作顺序的流程图。
图2图示了根据一个实施方式的工业机器系统。
图3显示了根据本发明的工业机器系统的另一实施方式。
具体实施方式
本发明涉及部件几何结构的识别、用于控制工业机器系统的程序的生成。它还涉及工业机器系统的配置特别是用于金属加工的工业机器系统例如凸模压制、压断或弯曲机器的配置。也可以设想使用凸模压制机和射束切割机器的组合，因为除了切割之外，这样的组合还适于铣削和车削操作。另外，本发明涉及自动化设备和对在先前机械加工操作期间获得的过程数据的利用，该数据在规划、配置、执行和管理后续机械加工操作时用作输入。
详细描述和其参照的附图仅作为示例给出。来自不同附图的相同的附图标记指代相同的元件。
金属板材加工是一般可用于机械加工操作的通用术语。在该上下文中，作为所包括的操作类型的一种的切割被解释为通过任何各种工业适用技术执行的机械加工操作，包括通过诸如激光、火焰、等离子体、水射流、离子、空气的技术进行切割，以及通过压制、凸模压制和压断进行切割。只要铣削、钻削和车削操作与金属板材的机械加工有关，则铣削、钻削和车削操作也属于金属板材加工。
金属板材材料的若干特性、先前的物流操作和机械加工操作影响材料在加工期间的行为。因此，通过机器使用相同操作程序制造的产品受到被加工材料先前被处理的方式的影响。材料的这些物理特性中的大多数可以在加工之前确定，并且之后由企业资源规划系统检索和存储。此处，与待加工材料的物理特性有关的数据可以在规划和优化机械加工操作时使用。
在后续操作之间变化的面向材料的特性是材料质量、材料组成、大小、形状和生产批次，材料质量、材料组成、大小、形状和生产批次每个均明显地影响在机械加工操作期间实现的结果和精度，无论机械加工操作是弯曲、冲压、切割、铣削、钻削、车削等。
所提及的影响特性之一是板材轧制方向，板材轧制方向是依赖于材料的先前物流操作的变量。板材轧制方向可能对弯曲操作的结果有显著影响。另一特性是部件的旋转和金属板材的镜像，由此相同部件在不同方向上的旋转和镜像可能对相同部件(其否则会是相同的)的弯曲角度有影响。弯曲角度在两个后续弯曲操作之间可以变化多达若干度。这同样适用于其他机械加工操作例如射束切割和冲压，由此轧制方向、部件旋转和镜像可能造成材料的张力或膨胀。所有以上变量均依赖于材料的先前物流。
加工还影响工件。在通过凸模压制进行的机械加工期间，压制操作生成在随后工具的冲头的冲程之间变化的标记。另一缺点是当冲压或压制时使用所谓的微型接合件来将部件与周围骨架固定或者将若干部件彼此固定。
在应用射束切割的情况下，可能需要限定起点即所谓的引入点。通过闭合围绕部件的几何结构的切割路径来生成微型接合件。如前所述，普通切割技术和自由形状的聚类可以从切点(tangential point)、不同类型的引入点以及在部件与周围骨架之间或在相邻部件之间出现的不同类型的微型接合件生成不同类型的标记。所有提及的标记、引入点、微型接合件均可以被看作部件缺陷或视觉属性。它们全部均偏离原始图纸，并且假设在机械加工过程之前已知它们的存在和位置，本发明提供了完全避免它们和或至少减轻来自它们的任何负面影响的方式。第一机器操作可能留下缺陷和/或视觉属性例如硬化的或不规则的表面等，这使得对于后续机器操作而言甚至更重要的是避开它们以保护可用加工工具不被损坏并且因此增加其寿命。
可以标记不允许包括任何部件缺陷或视觉属性的部分。这种毁坏、管理和避免缺点的方式称为标注(tagging)。由于标记要避免的部分，工业机械加工系统将不会在这些部分上放置任何引入点、微型接合件、切点或者其他部件缺陷或视觉属性。这使得能够在整个价值链中提高部件质量和加工可靠性，但也会导致废料即材料浪费量增加。废料是不希望的，并且将限制如普通切割或自由形状的聚类的技术的可用性，否则其将会是提高工业过程的生产率的手段。
可以人工或自动选择加工工具即用于执行弯曲程序或其他机械加工程序的合适的工具集。用于在执行例如弯曲操作之前将工件放置在精确位置的常用方法是根据需要定位致动器的轴。在执行弯曲操作之前，使用背缘尺(back gauge)、夹持机构或固定装置来更准确地定位和支撑工件。所有以上机器配置和支撑布置均生成被收集的数据。与机械加工操作有关的切割头、喷嘴、透镜和相关光学设备也生成数据，所述数据可以被收集、作为反馈被提供，并因此参与机械加工操作的优化。
可以通过例如激光、光学、力学来人工地以及自动地测量弯曲角度和/或后弹性。自动化单元被配置成支持操作员移动工件使得可以执行排序和弯曲操作。在已经执行机械加工操作之后人工地和/或自动地堆叠加工的部件。在顾客交付之前根据大量的指导原则进行堆叠，指导原则中的一些与操作效率有关，一些与物流有关并且一些与顾客需求有关。
本发明涉及机械加工过程的生成例如用于冲压以及冲压激光、铣削、钻削、车削和/或弯曲的组合的程序的生成，并且将来自金属板材加工中的先前操作的信息考虑在内。程序通过使所需要的与先前操作的工具调换最少化、使所需要的工具的数量和工具的移动最少化来优化加工工具配置。程序还使所需要的运动最少化以减少可用于操作员和/或自动化过程的周期。也考虑了操作员移动工件所需要的精力，这意味着最短路径并不总是需要最少的精力。参照图2和图3，可以依赖于机器的配置使机械加工程序直接位于机器上或与机器断开连接。
也考虑了工件与应用的机器和加工工具之间的碰撞，可以想到的是使得在机器上执行程序之前能够人工地或自动地模拟碰撞。
图1是描绘在工业机器系统或制造支持系统中的、或可能远程的在连接至或至少可连接至多个数据源的中央计算机中的操作顺序的优化的流程图。系统可以被配置成通过输入期望的参数并之后进行修改并呈现最佳性能标准来为与设计和构造过程(包括参数设计的选项)、材料的选择、购买、物流等有关的业务操作提供支持。
序列开始(S10)于操作员或客户人工地或自动地输入(S20)与待机械加工或评估的产品有关的期望参数。可以在任何位置处进行期望产品参数的这种输入。一个示例是使用针对移动终端例如所谓的智能电话开发的应用(app)来作为用于实现期望参数的输入的工具。然后可以沿价值链将该应用提供给所有利益相关者例如设计者、购买者、物流专业人员、制造专家等。在下一步骤中，根据本发明的计算系统基于期望的过程参数生成(S30)所产生的操作数据。
在第一步骤(S10)中，向过程模型提供(预加载)(S20)与先前的金属板材加工操作有关的过程参数。
在第二步骤中，对锁定的夹持机构、抓握配置和加工工具即机器中当前应用的设置、配置和工具进行识别(S30)。
在下一步骤中，分析当前加工工具配置是否可以用于实现下一批生产的完整机械加工操作(S40)例如用于后续生产的部件的弯曲操作。还评估在给定用于生产的可用工件及其过程参数的情况下是否可以改进当前的加工工具配置。
基于预加载的信息，还分析产品几何结构，以确定在给定当前加工工具集的情况下是否可以产生在可接受容差范围内的对几何结构的调整。另外，分析可用于调换的加工工具，以确定在给定可用加工工具的情况下，是否可以产生如所提及的仍然在可接受容差内的原始或替选的产品几何结构。基于上述信息和过程优化，因此确定是否保持当前的加工工具配置、在容差边界内调整产品几何结构或调换至少一个工具以执行当前适用的机械加工操作(S50、S60、S65)。还基于加工工具可用性计算最佳加工工具配置。
基于预加载的信息，还确定是否人工地或自动地调换和/或调整背缘尺、夹持机构或固定装置(S70)。
基于预加载的信息，计算是否调换和/或调整抓握工具，该抓握工具定位部件以用于机械加工(S90)以及适于生产的部件的后续堆叠。最佳抓握工具的计算被用作被呈现给操作员的人工调整和/或调换的推荐的基础。可替选地，可以在操作员很少或没有主动参与的情况下通过机器执行部分自动化或全自动化的调节和/或调换。
除了加工工具配置之外，确定当前机器配置根据其过程参数是否能够实现物品的生产(S40)还包括确定其他实现要求。要求的示例可以是待制造部件的缺少的备件、缺少的加工工具、维护需求、材料质量、形状、尺寸和/或材料。与要求有关的过程参数和性能变量存储在连接至或至少可连接至多个数据源并且与机器连接的计算机系统、计算系统和/或中央计算机中。通过发布购买订单或操作员推荐来响应与要执行的过程有关的要求。这样的购买订单可以被自动发布即没有操作员的直接参与，或者作为被呈现给将要相应地执行订单的操作员的推荐。在生产过程导致产品超出容差限制的情况下，可以在没有操作员直接参与的情况下下补充生产订单以满足顾客对交付质量和精度的要求。
通过使用任何已知的识别方法例如计算机视觉或其他图像捕获技术来在机械加工操作之前识别部件，以识别待机械加工的部件的几何结构、缺陷和/或雕刻的、标记的或其他视觉属性。
背缘尺、夹持机构和/或固定装置被配置成避免来自先前操作的缺陷和/或视觉标记与背缘尺直接接触。这使得在执行弯曲操作时工件被正确定位并且与其支撑件直接接触。另外，通过使用被设置有来自先前操作的反馈的弯曲角度测量系统来基于来自先前操作的数据改变弯曲压力以产生正确的弯曲角度，由此产生的每个弯曲具有在可接受容差内的角度。
持续监测上述所需要的属性即组成、批次、板材轧制方向-旋转、部件旋转、部件镜像、聚类、普通切割、引入点、微型接合件等。在结果检测到任何属性的变化时，相应地调整过程参数即弯曲位置、弯曲压力、凸面加工数据、角度测量数据、后弹性测量数据、背缘尺、夹持机构和固定装置的位置、工具半径补偿、加工工具状况等以确保工件的正确位置和产生具有可接受容差的部件的机械加工。此处，凸面加工(crowning)意指用于补偿沿弯曲线的偏差的技术。
在弯曲操作之后可以视觉地检查部件以结合缺陷、视觉属性例如由弯曲操作产生的弯曲线、隆起和/或不对称来识别几何结构。在结果识别出缺陷或视觉属性时，可以进行部件的堆叠以避免将缺陷放置在部件之间从而影响堆叠的对称性。
与操作数据的生成并行地，连接至或至少可连接至多个数据源的计算系统(或中央计算机)选择(S40)至少一种优化技术以限定包括期望的过程参数的函数。接下来是通过使用期望过程参数作为限定性能变量的范围以及过程参数的范围的基础来生成(S50)用于优化的函数。
应用(S60)所生成的用于优化的函数，由此可以为包括过程参数和性能变量的过程模型确定最佳操作性能标准以获得要用于控制金属加工过程的要求集。
一旦确定了最佳性能标准，就将得到的操作数据与最佳操作性能标准进行比较(S70)，并且在存在差异并且最佳性能标准似乎为操作员或客户提供执行优势的情况下，将结果呈现(S80)给决策实体。无论该决策实体是否是人类操作员、计算机化的、完全自动化或半自动化的服务层，均允许该决策实体基于所呈现的金属加工过程的最佳操作性能标准来修改(S90)期望的过程参数。还可以以用于智能电话的应用(app)优选的是以与结合输入期望参数的步骤提及的app相同或类似的app的形式实现决策实体。
如果决策实体决定修改所呈现的信息中包括的过程参数(是)，则所提出的操作顺序被工业机器系统所采用。在决策系统决定不接受该提议(否)的情况下，序列继续，其中应用(S100)最初生成的操作数据。无论做出哪种决定，序列均继续至起点(S10)或终点(S110)。修改的数据还可以被用在不同的应用例如CAD、CAM、ERP、MES、CRM、采购管理等中。本发明还在例如购买和优化机器性能标准的领域内适用，该机器性能标准可以被定义为用于控制工业机器例如CNC机床的指令和/或指令程序。
图2图示了本发明的第一实施方式。系统包括机器1，机器1可以是用于射束切割(2维或3维的)、冲压、凸模压制、压断、弯曲、胶合、缝纫、带和纤维放置、铣削、钻削、车削、路由、拾取和放置的机器以及这样的机器的组合。射束切割包括诸如激光、焊接、摩擦搅拌焊接、超声焊接、火焰和等离子切割、钉扎和锯切的技术。
机器包括用于执行工业操作的致动器系统2。致动器系统包括至少一个致动器即用于线性或旋转移动的马达。通常，致动器系统被配置成用于执行机器的操作部件的和工件的相对于彼此的二维或三维移动。
致动器系统由以CNC/NC/PLC单元和/或相关感测和处理设备形式的致动器控制器3控制。致动器控制器在低水平上控制致动器，即通过发送用于致动器系统的致动的低水平控制命令来控制致动器。致动器系统经由例如包括通信总线的机器内部通信网络4连接至致动器控制器。
机器可选地包括其他系统，例如用于感测机器的各种过程参数的传感器系统10以及用于传输数据并做出决策的处理器、网络、通信链路或其他计算装置的其他控制器11。这些系统也可以连接至机器公共内部通信网络4并且连接至与机器连接的计算系统，使得机器控制器连接至传感器系统以接收传感器数据。机器控制器还可以被配置成响应于传感器数据远程地控制机器的致动器系统。
作为替选配置，CNC/NC/PLC单元和/或相关的感测和处理设备以及所提及的机器控制器可以物理地附接至工业机器或以其他方式被包括在工业机器中。然后，工业机器形成独立且自包含的工业机器系统，其中机器控制器形成机器的基本且物理连接的部分。工业机器系统的两个替选实施方式都具有它们各自的优点，并且出于本发明的目的，传感器系统和致动器控制器的集成或远程配置都同样适用。
机器在根据远程替选方案进行配置时还可以包括连接至致动器控制器3的用于与和机器连接的计算系统6建立通信的通信客户端5。通信客户端则是使机器或机器的任何子组件能够与机器控制器进行通信的功能单元。与机器连接的计算系统可以是连接至因特网的基于云的计算系统。与多个数据源连接或可连接至多个数据源的布置在中央的计算机是替选实施方式。通信客户端5和与机器连接的计算系统可以被配置成例如通过初始化HTTPS/TSL的加密通信或通过建立VPN(虚拟专用网络)来通过因特网建立与彼此的安全通信7。可替选地，可以通过防火墙或代理服务器8建立通信。作为另一替选方案，机器的任何子组件例如致动器控制器3可以被配置成自身连接至计算系统6或者可替选地连接至所提及的访问多个数据源的中央计算机，但是如所提及的，远程和集成配置二者均同样适用于该目的。
所提及的与机器连接的计算系统6包括机器控制器9，其中机器控制器可以远程连接至机器，并且其中机器控制器可以被配置成通过修改致动器控制器的操作参数经由致动器控制器来远程控制机器的致动器系统。
机器控制器9寄宿在远程计算系统6中的虚拟机器中。以此方式，能够以有效的方式利用机器控制器资源。机器控制器可以例如被配置成读取和执行机器程序代码、控制机器参数、允许对机器参数的人工控制或调整，并且用作相关系统的接口。机器控制器连接至HMI(人机接口)单元12，HMI单元12可以经由因特网连接13远程连接至机器控制器，并且在另一实施方式中与机器集成。无论哪种方式，机器的操作员都可以从例如连接至因特网的远程位置监督和控制机器的操作。HMI单元12和/或远程计算系统6可以被配置成例如通过要求密码或其他识别手段来要求对操作员的用户识别。
如图2所示的本发明的一个替选实施方式，本地地在机器1上包括致动器系统2，致动器系统2包括用于执行机械加工操作的致动器。致动器控制器3是致动器系统2的一部分或连接至致动器系统2。致动器控制器被配置成从远程机器控制器接收指令并且在闭环系统中逐块地执行指令。因此监测由致动器执行的每个任务，并且在完成的子操作之后，致动器将执行下一子操作直到整个操作完成。这意味着机器的致动器的操作由致动器控制器在低水平上控制。致动器控制器通常包括存储器和处理器以保存和执行指令并记录数据。致动器系统不包含常规的机器控制器或HMI。因此，机器的致动器系统依赖于从远程机器控制器接收指令。一旦已经接收并验证了完整的工作指令集或其定义的子集，无论怎样就可以在没有来自机器控制器的其他指令的情况下执行它。工作指令的子集可以是完整的机器操作的一部分，但是至少包含用于致动器系统执行完整操作的一部分的足够信息。优选地在机器内的闭环系统中逐步执行操作。机器仅被提供有简单的功能例如紧急停止按钮和开/关按钮。除此之外，机器依赖于来自远程机器控制器的命令来进行操作。
机器控制器物理上被定位成远离机器，通常位于云中。可以仅在远程机器控制器处进行对正在进行的过程的监测、指令的加载、指令的修改以及创建新指令。因此，本发明的机器控制器对应于常规的机器控制器，只是它不是机器的物理部分而是远程连接至机器。由机器控制器和互连的HMI监测和控制的指令包括操作参数例如切割速度、切割深度、压力等。
机器控制器不是致动器控制器的闭环系统的一部分。因此，除非从机器控制器发送新指令，否则机器处的致动器系统将结束完全接收的操作指令而不等待进一步的指令，除非从机器控制器接收到结束或改变操作的特定指令。但通常，仅针对完整操作提供指令，并且因此新指令将仅对后续操作有价值而不是对正在进行的操作有价值。这可以被设置为安全布置，但是由操作员决定应该实施哪种类型的操作安全。
机器控制器被配置成发送指令、每条指令或分批系统中的若干指令。可以利用任何常规的发送信息的方式。机器控制器还被配置成接收信息并且基于所述信息做出决定。例如，机器控制器可以对反馈数据动作并且基于所述反馈做出决定和/或发送新指令。
本发明的系统提供了工业机器的远程控制的可能性，没有因为由于例如因特网连接中的延迟而产生的不良通信而丢失命令的风险。这得以确保，例如因为在致动器控制器处完全接收并确认操作。
为了便于监视，机器包括用于监测机器的操作的监视单元14例如摄像机、摄影机或其他图像捕获装置。监视单元经由通信客户端5连接至远程计算系统6，并且被配置成向远程计算系统提供操作信息。操作信息被处理并且被传输至HMI 12。
机器控制器被配置成从CAD/CAM系统接收机器程序或者通过操作员例如经由HMI单元12的人工输入来接收机器程序。
在一个实施方式中，远程计算系统被配置成监测机器的操作参数，并且当操作参数超过阈值时，禁用通过机器控制器对机器的致动器系统的远程控制。这样的操作参数可以是操作时间、由机器执行的操作循环的数量等。因此，可以通过限制对机器控制器的访问来控制并限制操作成本和机器的使用。
远程计算系统被配置成收集机器和/或生产数据并且将数据传输至用于数据分析和/或优化的其他系统(未示出)。机器数据可以被用于例如优化供应链(购买、制造、配送)、需求链(上市、销售、服务)、机器维护或用于其他大数据应用。
监视单元还可以被配置成用于监测生产的物品及它们的各种特性，包括它们的容差。计算机视觉是行业中用于这种对与几何结构有关的特性的识别的另一术语。通过容差意指材料特性例如硬度、韧性、大小、形状、产品几何结构例如半径、角度和尺寸以及产品缺陷例如隆起、弯曲线、压力变形和/或其他视觉属性。监视单元还可以经由通信客户端5连接至与机器连接的计算系统6，并且被配置成向计算系统提供操作信息。
在一个实施方式中，与机器连接的计算系统被配置成监测机器的操作参数，并且当操作参数超过阈值时，禁用通过机器控制器对机器的致动器系统的远程控制。这样的操作参数可以是操作时间、由机器执行的操作循环的数量等。
计算系统被配置成收集机器和/或产品数据并且将数据传输至其他系统以用于数据分析和/或优化。该系统可以是任何类型的制造执行系统(MES)的企业资源规划系统(ERP)。机器数据可以被用于例如优化：供应链即购买、制造和配送；需求链即上市、销售和服务；以及机器或其集成部件或远程部件的维护。还可以使机器数据可用于其他系统，例如被设计成合并数据并且基于非常大量的信息得出结论的大数据应用。
图3示出了根据本发明的工业机器系统的替选实施方式。该工业机器系统与关于图1描述的工业机器系统的不同之处在于机器不包括致动器控制器。致动器控制器3'在物理上与机器断开连接并且被包括在与机器连接的计算系统6中。计算系统经由一条或多条数据线7例如通过可以被加密的因特网连接至机器。机器1包括用于在机器与和机器连接的计算系统6之间建立通信的至少一个通信客户端15。该通信客户端15连接至机器的致动器系统2，并且因此被称为致动器客户端。客户端被配置成将来自致动器控制器的低水平通信发送至致动器系统并且接收来自致动器控制器的低水平通信。类似地，机器可以可选地包括用于传送来自传感器系统10的任何传感器数据的传感器通信客户端16以及用于与机器中的其他控制器11通信的任何其他控制器客户端17。与关于图2示出的类似，可以通过防火墙或代理服务器来建立机器与和机器连接的计算系统之间的通信。
下面将遵循本发明的示例，旨在进一步阐明功能和工作原理。如结合本发明的背景所说明的，根据现有技术的传统的生产规划过程是按其性质排序的。这意味着从本地数据库收集要控制顺序的信息，并且响应于源于本地存储的信息的指令来进行生产规划。其一个示例可以是：1)检索订单，2)选择或创建至少一个控制算法，3)生产某种原料质量的部件，以及4)通过弯曲、铣削、车削等形成某一组件，5)根据订单规格将组件递送给顾客。如所提及的，该过程是顺序的，并且从本地数据库收集要控制过程的数据。
如先前已经描述的，本发明利用各种源通过所提及的中央计算机收集信息例如包括几何图纸的一批订单、一批材料、一批工具以及机器的现有配置。
与根据该规格的生产过程有关的信息通常来自不同的源例如ERP/MES、机器、IoT信息、CAD/CAM以及一个或更多个监视单元。通过被配置为中间装置的中央计算机收集信息，该中央计算机位于各个端点之间。端点通常是可能影响或可能不影响生产过程的信息源，并且包括例如先前提及的ERP/MES、机器、IoT信息、CAD/CAM和监视单元。
中央计算机可以是通用计算机或被配置成用作机器控制的计算机。中央计算机将始终连接至或可连接至包括数据的至少两个端点，以获得经受优化的信息。这被认为是最低要求以对多个变量执行并完全实现非顺序优化处理。可以基于组合学、动态变化、多变量分析等使用若干优化方法。任何方法都允许非顺序和非线性优化，并且非常适合用在具有大量动态变量的复杂系统中。
本发明利用非顺序优化，与传统处理相比，非顺序优化是既不是顺序的也不是线性的数值处理或方法。生产过程中的若干步骤可能经受优化。一个示例是待生产部件的几何结构，该几何结构可以被修改以减少工具变化，另一示例是假设从例如机器、监视单元和/或从IoT信息源检索信息，可以被改变以减少设置时间的调度工作，第三和第四示例是假设从至少两个端点收集信息并且能够从先前的过程步骤读取和重新使用信息例如经由监视单元的视觉属性或工具组合的修改或部件在其表面上的旋转，可以被调整以减少材料变化的调度工作。
其他可想到的示例是重新配置机器工具例如背缘尺定位、压力、压制位置等或者订购工具、材料、维护、备件以减少生产中断。
进行这种类型的优化的先决条件之一是使得能够从各种且多个源例如ERP/MES、机器及其配置、IoT信息、CAD/CAM、监视单元检索数据。然后信息被收集在中央计算机中并且使得信息从中央计算机可用，以允许与其当前状态有关的若干单独过程步骤的优化，包括由于依赖于不可及的情况例如管理系统中的更新而因此不可控制的动态影响。
本发明还可以在各种端点(数据源)例如ERP/MES、机器及其配置、IoT信息、CAD/CAM(二者均关于设计和配置)以及至少一个监视单元中引入所谓的可修改性和可定制性的控制。例如，通过本发明，可以改变材料规格作为潜在地减少材料和工具更换、强制容差间隔以及强度和坚固性的相关范围的措施。根据本发明的另一实施方式，还可以改变产品几何结构/形状以最少化工具更换但是仍然保持根据图纸的容差或者作为替选方案，其上存在坐标视觉标记的可以是背缘尺定位的以进行完全规避。还可以调度工作以减少材料/工具替换同时保持交付时间。这允许与顾客进行通信以可能使得交付时间是影响生产的物品的价格的变量。为了实现这些选项和新机会，两个或更多个端点必须能够以非顺序的方式例如经由机器工具、经由IoT信息和ERP/MES中的数据库进行控制以调度订单、工具、材料变化、改变产品几何结构。例如，可以根据图纸中的任何形式的容差间隔来检查可能致使工具更换的减少或最少化的对几何结构的修正，容差间隔可以在ERP/MES中获得或者甚至在客户或设计者处获得作为影响生产成本与市场价格之间的比率的变量。
基于以上已经变得明显的是，本发明不同于传统的现有技术的通过生产调度的MES系统进行的过程规划，该MES系统被配置成从本地数据库检索信息。这些系统甚至可以基于操作员在订单和递送中键入数据的功能，所述键入数据之后是顺序调度。本发明基于完全不同水平的优化，该优化基于实际、甚至实时数据、进行检索的中央计算机、在某些情况下还可以共享信息的计算机。中央计算机连接至或可连接至两个或更多个端点例如ERP、MES、CAD、CAM、机器、IoT信息源、至少一个CRM管理系统和/或监视单元。除此之外，中央计算机还可以连接至或可连接至提供与影响生产的多个变量例如材料、加工工具、备件、维护、设计、部件的规格或顾客、构造和/或产品有关的信息的其他提供者。

Claims (28)

1.一种用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的计算机控制的方法，所述方法包括以下步骤：
从与所述金属加工过程有关的多个源检索过程参数，其中，所述过程参数包括所需要的加工工具配置，
从与所述金属加工过程有关的不同源检索性能变量，所述性能变量包括来自先前操作的性能变量数据和/或用于后续操作的性能变量数据，
将所述过程参数和所述性能变量存储在与计算系统相关联的统一存储器中，
使所述过程参数和/或所述性能变量可用于机器控制器或所述计算系统以应用至少一种优化技术来选择所述最佳操作性能标准，
提供将操作的过程参数与所述操作的性能变量相关联的过程模型，
选择所述至少一种优化技术并且限定函数，所述函数包括过程参数，
通过使用待被机械加工的产品的可接受容差作为限定性能变量的范围与过程参数的范围的基础来生成用于针对生产率进行优化的所述函数，
将所述至少一种优化技术应用于所述函数，由此针对包括过程参数和性能变量的所述过程模型确定所述最佳操作性能标准，以获得要用于控制所述金属加工过程的命令集，
将从先前操作检索的与所述金属加工过程有关的过程参数(S20)和包括与加工工具有关的参数的当前机器配置(S30)进行比较，
确定所述当前机器配置是否能够根据其过程参数实现物品的生产(S40)，
评估所述加工工具配置的可用性(S50)，其在需要的情况下，在第一可选步骤中产生在可接受容差内的对所述产品几何结构的调整(S60)，以及在第二步骤中产生对所述加工工具配置的调整(S65)，以及
由此，进行的任何调整均会产生新的当前机器配置(S30)以与来自先前操作的参数进行比较。
2.根据权利要求1所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，其中，所述过程参数还包括生产订单、产品几何结构和预定义容差、所需要的金属加工操作、生产的物品的堆叠模式和/或来自先前操作的过程参数数据。
3.根据权利要求1或2所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，其中，所述性能变量还包括确定的生产的物品的容差、过程时间、加工工具可用性、加工工具寿命、材料移除率、操作员工作环境、订单库存、交付时间和/或所需要的压制位置。
4.根据权利要求1或2所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，其中，所述计算系统包括企业资源规划ERP系统。
5.根据权利要求1所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，所述金属加工过程是基于激光、火焰、等离子体、水射流、离子、空气、弯曲、压制、凸模压制、压断、铣削、钻削和车削的任何工业适用切割技术。
6.根据权利要求1所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，其中，所述金属加工过程与金属板材的机械加工有关。
7.根据权利要求1所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，其中，实时地对所述过程模型进行动态地监测和控制。
8.根据权利要求1所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，其中，要用于控制所述金属加工过程的所述命令集能够作为推荐被提供给操作员，或者替选地能够在操作员部分地参与或无操作员参与的情况下被应用。
9.根据权利要求1或2所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，还包括以下步骤：
将从先前操作检索的与所述金属加工过程有关的过程参数(S20)和包括与夹持机构和/或抓握配置有关的参数的当前机器配置(S30)进行比较，
确定所述当前机器配置是否能够根据其过程参数实现物品的生产(S40)，
评估所述夹持机构的可用性(S70)，其在需要的情况下产生对所述夹持机构的调整(S80)，和/或
评估所述抓握配置的可用性(S90)，其在需要的情况下产生对所述抓握配置的调整(S100)，以及
由此，进行的任何调整均会产生新的当前机器配置(S30)以与来自先前操作的参数进行比较。
10.根据权利要求1或2所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，其中，工具和/或生产的物品嵌有电子设备、软件、传感器和/或网络连接，所述网络连接使得这些对象能够与所述计算系统交换数据。
11.根据权利要求10所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，其中，所交换的数据包括过程参数和/或性能变量。
12.根据权利要求1或2所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，其中，生产的物品的预定义的和/或确定的容差包括以下性能变量中的任何性能变量：
材料特性，
产品几何结构，以及
生产缺陷。
13.根据权利要求12所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，其中，所述材料特性包括硬度、韧性、大小和厚度。
14.根据权利要求12所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，其中，所述产品几何结构包括半径、角度和尺寸。
15.根据权利要求12所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，其中，所述生产缺陷包括隆起、弯曲线、压力变形和其他视觉属性。
16.根据权利要求2所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，其中，所述产品几何结构包括关于弯曲曲线、补偿因子和加工工具偏好的数据。
17.根据权利要求1或2所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，其中，在机械加工操作之后堆叠工件时，考虑对生产的物品上的缺陷或视觉属性的识别。
18.根据权利要求2所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，其中，除了所述加工工具配置之外，确定所述当前机器配置是否能够根据其过程参数实现物品的生产(S40)还包括：确定其他实现要求，由此存储相应过程参数和/或性能变量。
19.根据权利要求18所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，其中，所述其他实现要求包括备件、工具、维护、材料、形状和/或尺寸。
20.根据权利要求18或19所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，其中，通过发布购买订单或操作员推荐来响应所存储的过程参数和/或性能变量。
21.根据权利要求1或2所述的用于为金属加工过程选择最佳操作性能标准的方法，其中，所述方法适于被用在计算机数控CNC/NC或可编程逻辑控制器PLC系统中。
22.一种工业机器系统，包括：
机器(1)，所述机器(1)包括用于执行工业操作的致动器系统(2)，以及
计算系统(6)，所述计算系统(6)与所述机器相连并且包括机器控制器(9)，并且所述机器控制器适于执行根据权利要求1至21中任一项所述的方法。
23.根据权利要求22所述的工业机器系统，其中，所述机器系统还包括监视单元(14)，所述监视单元(14)与所述计算系统相连，并且用于捕获与所述工业操作的过程参数和性能变量有关的图像信息。
24.根据权利要求23所述的工业机器系统，其中，所述监视单元包括图像、图像序列或视频捕获装置以结合由机械加工操作产生的任何视觉属性来识别部件几何结构。
25.根据权利要求24所述的工业机器系统，其中，所述任何视觉属性包括雕刻属性和/或标记属性、部件缺陷、弯曲线、隆起和/或其他不对称属性。
26.根据权利要求22所述的工业机器系统，其中，所述计算系统(6)被配置成收集数据并且将所述数据用于数据分析和/或优化以及/或者将所述数据传输至其他系统以用于数据分析和/或优化。
27.根据权利要求22所述的工业机器系统，其中，所述机器系统是压断用或弯曲用机器。
28.一种包括表示编码指令集的数据的非暂态计算机可读介质或媒介，所述编码指令集被配置成用于由计算机中的处理器执行，所述指令包括根据权利要求1至21中任一项所述的方法。
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