CN1112618C - 用于机床、机器人等设备的数字化控制方法 - Google Patents

用于机床、机器人等设备的数字化控制方法 Download PDF

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Abstract

一种用于机床、机器人等设备的数字化控制方法。对每一加工任务，通过在数字化控制方法中执行一种过程控制，所属的与刀具有关的工序(T0)和位置元(G0)就根据它们在加工程序中与技术相关的顺序而进行处理，使得一个工序(T0)的所有循环被依次选作模态循环，而一个位置元(G0)的所有循环被依次选作一个工序(T0)的每一循环；在一个工序(T0)的下一个循环被选作模态循环之前，相应的工序(T0)就在对应位置元(G0)的位置处进行。这样就避免了不必要的刀具更换，这一点缩短了一个加工程序的延续时间，并因而提高了加工效率。

Description

用于机床、机器人等设备 的数字化控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于机床、机器人等设备的数字化控制方法，它可以通过由一个考虑与刀具有关的工序和位置元的加工程序进行控制。
背景技术
在采用数控机床或机器人单件制造或小批量制造工件时，数字化控制方法的编程过程是影响成本的主要因数，因为即便在今天，首先在小型制作企业，在针对车间进行编程的技术领域内占主导地位的仍是针对机床进行编程。在此，编程时间和机床停车时间叠加，在所加工工件的单价中占到一个可观的比例。
现有数字化控制方法及其编程语言的一个主要缺点是由DIN66025对语句结构的限制。一方面，该标准以有关G函数和M函数方面的基础知识为前提条件；然而另一方面，它还要求掌握相应的控制语言。这样，研制新一代数控机床或机器人不仅会在培训工作人员方面产生高昂费用，而且每次还需培养出一位新的专家，在发生故障时他的作用仅仅有限地或根本不可能由其同事所承担，因为现行的做法是：由程序设计员在编制程序时就确定一个加工过程的过程控制。
下面借助一个例子对这种常规编程方法作进一步详细说明。
图1示出一个工件W，在其上面要加工出不同的内螺纹。以下将加工步骤表示成工序或加工目标，位置表示成位置元。相应地，所述内螺纹表示为位置元G01至G04以及G05至G08，它们分别描述一条由四个线性排列的孔组成的孔列。
工序和位置的一个闭环顺序即为一个加工任务。如果至少一个位置元紧随至少一个工序，那么这个顺序视作闭环的。
为了用一台机床攻出一个图1所示的螺纹，原则上必须完成下列加工步骤：
1.用一个中心钻头定中心
·在孔列1的位置
·在孔列2的位置
2.用泥芯孔钻钻孔
·在孔列1的位置
·在孔列2的位置
3.用丝锥攻丝
·在孔列1的位置
·在孔列2的位置
在此，用1.、2.、3.表示的加工步骤是指在位置元上完成的各工序。
通常情况下，这种与刀具有关的加工通过制作一个CNC程序来解决。在一个CNC加工程序中，按照模式发挥作用的循环(模态循环(modalerZyklus))作为工序被调用，随后输入代表位置的位置元(请比较前述例子)。因为循环按照模式发挥作用，所以它们由机床在加工程序运行时在各个相随的位置上完成。一个CNC加工程序的制作可以由工人在机床上通过直接编制程序来实现，或通过一个来自一个CAD/CAM程序的后处理程序(Postprozessorlauf)来实现。因此，过程的控制就由程序设计员或由CAD/CAM系统在编制程序时所确定。
出于这一原因，过程的控制和与此相关的加工过程的延续时间在很大程度上就取决于在机床上进行编程的工人的能力和经验。与此相关，还可能出现各刀具的多次更换-这视加工过程在加工程序方面的优化程度而定。
发明内容
因此本发明的目的是控制一个加工任务的过程，使得所给定的工序在所有的位置元上仅需要换一次刀具就得以完成。采用这种方式就确保了工件加工时间的优化和生产率的提高与编程工人的能力无关。
为实现这一目的，对前述数字化控制方法作改进设计，它包括：一个加工程序，该加工程序由与刀具有关的工序(T01...T0n)和位置元(G01...G0m)构成，所述工序和位置元与加工任务相关联；以及一个以循环方式工作的过程控制(MZ)，根据这一过程控制，与每一加工任务相关联的工序(T01...T0n)和位置元(G01...G0m)可根据它们在加工程序中与技术相关的顺序来进行处理，各个工序(T01...T0n)的循环被分别选作模态循环，其中，对加工目标依次选择一个位置元(G01...G0m)的所有循环，在一个工序(T01...T0n)的下一个循环被选作模态循环之前，相应的工序(T01...T0n)就在对应位置元(G01...G0m)的位置处进行。
在本发明数字化控制方法的一个有利设计中，设置一个加工缓冲器来特别有效地实现所述过程控制。对每一加工任务，所属加工目标和位置元的数据可写入该缓冲器。这一点尤其可在加工程序运行时实现。
在本发明数字化控制方法的另一有利设计中，本发明的过程控制可在程序处理时进行。这一点是这么实现的，即，所述过程控制在加工程序运行时实时运行。这一点又通过加工缓冲器的判读和所描述过程之后的控制来实现。
此外，按照另一有利设计可减轻描述几何结构的工作量，其中，位置元也可以描述位置模式(Positionsmuster)，尤其是位置列、位置点阵或位置圆以及障碍。
此外在本发明的数字化控制方法的另一有利设计中实现了一种在刀具轴线内的工艺路径优化。这一点是这么实现的，即，通过对各循环中处于不同高度位置元的过程控制，可避免在一个总体退刀平面上的退刀运动，因为反向定位只进行到处于较高位置的位置元的一个局部安全平面。
此外在本发明的数字化控制方法的另一有利设计中有效地执行加工程序。这一点是这么实现的，即，位置元可多次应用于不同的工序。
附图说明
下面借助附图所示实施例对本发明的其他细节和优点作进一步说明。在此，具有同一功能的元件在各附图中用相同的附图标记表示。附图中：
图1示出在一个工件中加工内螺纹的技术任务；
图2示出用一个粗加工和精加工刀具铣削四个同样的凹槽的技术任务；
图3以一块带有不同高度的位置元的工件为例，示出在刀具轴内的工艺路径优化。
具体实施方式
前面已借助对现有加工程序的阐述，说明了图1的内容。这种在现有技术中的NC加工程序给出其原理性过程，其中，并不用一个具体的句法进行处理，因为不同的控制制作者所作句法是不同的。图1所示技术加工任务是在一个工件W内加工内螺纹，它们的第一孔列包括位置1至位置4，表示为位置G01至G04；第二孔列包括位置1至位置4，表示为位置G05至G08。对这样的加工任务，由原理性过程给定的现有技术中的NC加工程序如下：
N30   换刀具-中心钻
N40   用于定中心的循环(模态)
N50   1.位置1.孔列
N60   2.位置1.孔列
N70   3.位置1.孔列
N80   4.位置1.孔列
N90   1.位置2.孔列
N100  2.位置2.孔列
N110  3.位置2.孔列
N120  4.位置2.孔列
N130  换刀具-泥芯孔钻
N140  用于钻孔的循环(模态)
N150  1.位置1.孔列
N160  2.位置1.孔列
N170  3.位置1.孔列
N180  4.位置1.孔列
N190  1.位置2.孔列
N200  2.位置2.孔列
N210  3.位置2.孔列
N220  4.位置2.孔列
N230  换刀具-丝锥
N240  用于攻丝的循环(模态)
N250  1.位置1.孔列
N260  2.位置1.孔列
N270  3.位置1.孔列
N280  4.位置1.孔列
N290  1.位置2.孔列
N300  2.位置2.孔列
N310  3.位置2.孔列
N320  4.位置2.孔列
N330  模态循环结束
为了避免必须多次写入位置，位置也可写入子程序中，随后再调用它们：
N30  换刀具-中心钻
N40  用于定中心的循环(模态)
N50  调用UP 4711
N60  换刀具-泥芯孔钻
N70  用于钻孔的循环(模态)
N80  调用UP 4711
N90  换刀具-丝锥
N100 用于攻丝的循环(模态)
N110 调用UP 4711
N120 模态循环结束
…
UP 4711
N10  1.位置1.孔列
N20  2.位置1.孔列
N30  3.位置1.孔列
N40  4.位置1.孔列
N50  1.位置2.孔列
N60  2.位置2.孔列
N70  3.位置2.孔列
N80  4.位置2.孔列
此外在这种现有方法中，还有这种扩展改进可能性，即将一个子程序的序列写在主程序中的两个符号之间并通过这两个符号调用它们。
然而采用本发明可以做到通过正确调用一个循环就显示各工序(在所述例子中指钻中心孔、钻芯孔、攻丝)和各位置元。在此，过程控制不是在编制程序时而是在程序处理时实时运行。为此，在数字化控制方法的循环中执行一个相应的过程控制逻辑，它在程序处理期间根据一定的规则控制程序过程。下面描述适用于图1所示精加工任务的规则：
N20  用于定中心的循环
N30  用于钻孔的循环
N40  用于攻丝的循环
N50  用于1.位置1.孔列的循环
N60  用于2.位置1.孔列的循环
N70  用于3.位置1.孔列的循环
N80  用于4.位置1.孔列的循环
N90  用于1.位置2.孔列的循环
N100 用于2.位置2.孔列的循环
N110 用于3.位置2.孔列的循环
N120 用于4.位置2.孔列的循环
通过在数字化控制方法的循环中执行用于一个例如钻孔加工任务或铣削加工任务的过程控制，使得程序设计员在很大程度上从过程的管理工作中解脱出来。因为已由所述数字化控制方法的逻辑功能执行管理工作，所以通过所述过程控制也产生了其他的自动优化的可能性。下面还将对这种数字化控制方法进一步详细说明。
所述过程控制的逻辑功能按下述方式执行本发明的加工程序。在数据语句N20至N120中，相应的数据都写入一个加工缓冲器B。随后起动一个用于过程控制的管理循环MZ，它在加工缓冲器B中寻找针对一个工序T01的第一循环，并将其选择作为模态循环。之后，该管理循环MZ在加工缓冲器B中寻找针对一个位置元G01的第一循环，并将该循环调出。接着，第一工序T01的加工就在工件W上的第一位置元G01的几何位置上进行。随后，该管理循环MZ在加工缓冲器B中寻找针对一个位置元G02的下一个循环，并将该循环调出。随后，第一技术目标的加工就在工件W上的几何位置G02上进行。照此原理继续进行针对所述加工任务的所有其他位置元G03至G0m(在本例中为G08)的加工。在一个位置元C0m的最后循环结束后，所述管理循环MZ寻找一个工序T02的下一个循环，并按上述方式进行加工。
如果已不再存在工序T01...T0n或位置元G01...G0m，该管理循环MZ就结束最后的模态循环，腾空加工缓冲器B以待下一个加工任务。
在图2中，借助在一个工件W上铣削四个同样的凹槽这一技术任务来说明本发明的另一实施例。所述凹槽表示成位置元G01至G04。加工时采用一个粗加工刀具和一个精加工刀具，它们表示成工序T01和T02。为此所要求的本发明的CNC加工程序如下：
N30  用于粗加工凹槽的循环
N40  用于精加工凹槽的循环
N50  用于1.位置的循环
N60  用于2.位置的循环
N70  用于3.位置的循环
N80  用于4.位置的循环
此外，采用在本发明的数字化控制方法范围内的过程控制还可获得其他优化效果，一方面用于位置模式的循环可以被定义为位置元。另一方面与之相对应地，位置元G01至G0m也可以是位置模式，如位置行(参见第一实施例)、位置点阵、位置圆或位置顺序。这样，图1所示实施例可简化成：
N20  用于定中心的循环
N30  用于钻孔的循环
N40  用于攻丝的循环
N50  用于1.孔列的循环
N60  用于2.孔列的循环
此外还可在刀具轴内获得一种工艺路径优化。如果位置元G01至G0m处于不同的高度，那么循环中的过程控制MZ考虑到位置元的这种情况，会自动抑制通常的退刀运动。
图3为一个工件W的一个剖视图，该工件具有位置元G01至G03，它们分别代表孔列，并处于不同的高度上。这一点由图3清楚地示出。
从原理上讲，设置一个总体退刀平面(globale Rueckzugsebene)RZE，它在一个到下一个位置元的进刀运动完成之前通常通过过程控制由退刀运动确定，或由程序设计员输入到该过程。然而现在采用本发明的新型循环，可消除多余的进刀运动和退刀运动，从而可进一步提高生产率。
通常情况下，多个有相同孔径的钻孔模式处于不同的高度，如图3所示。钻孔刀具通常(如果程序设计员没有给出特定的指令)从所述退刀平面RZE起快速运动到距工件表面一个安全间距。从该处起加工所述钻孔模式。接着钻孔刀具快速返回到退刀平面RZE，再运行到新钻孔模式(位置元)的上方并快速进刀至所述新安全间距。这一精密行驶过程耗时费事。根据本发明，刀具仅需一次快速运动即可运行到相应于各位置元处的安全平面SE的安全间距。该安全平面在图3中用虚线画在工件轮廓的上方。在加工完第一钻孔模式之后，刀具快速运行到相应于第二个钻孔模式或位置元的安全平面SE的安全间距，依次类推。这样，所述过程控制仅仅定位到更高位置元的安全平面。
此外在工序之内的进刀也被优化。在一个位置模式或位置元之内的工艺运动中，仅仅退刀至安全间距。然而在某种情况下，在刀具换到另一个位置模式或位置元之前，刀具要退至该位置模式的安全间距。在一个工序结束时，再次退刀至退刀平面RZE。
在此，一种与上述情形相关而可行的本发明的CNC加工程序可能如下：
CNC程序(原理)
…
N20  用于定中心的循环
N30  用于钻孔的循环
N40  用于攻丝的循环
N50  用于1.孔列-高度5mm的循环
N60  用于2.孔列-高度5mm的循环
N70  用于孔点阵-高度10mm的循环
…
此外，本发明的过程控制还可用于其他技术状况的优化，例如用于绕开障碍。
常常采用夹紧虎钳将工件夹紧在工作台上，因为可能出现这一情况：在一个加工任务之内，一个夹紧虎钳代表一种必须绕开的障碍。出于这一原因，障碍视作位置元被插入在一个加工任务的各位置元之间。一个障碍由其高度(在刀具轴内的伸展量)确定。在加工完成时，该障碍由所述过程控制所确认，并在刀具轴内在保持(如图3所示实施例中的)安全间距的条件下被绕开。
一种针对此情形而优化的本发明的CNC加工程序例如可能如下：
CNC程序(原理)
…
N20  用于定中心的循环
N30  用于钻孔的循环
N50  用于1.位置的循环
N60  用于障碍H＝50mm的循环
N70  用于2.位置的循环
N80  用于3.位置的循环
N90  用于障碍H＝50mm的循环
N100 用于4.位置的循环
…
此外可以多次应用位置元。一种刀具经常会用于多个加工任务(例如同一个中心钻用于对不同钻孔定中心)。也就是说，工序也可能属于来自其他加工任务的位置元。出于这一原因，对几何尺寸元件例如自动地编号，并在需要其编号时从另一加工任务中调出。如果一个已经定义的位置元通过其编号而被置入某加工目标，和它被直接置入该加工目标没有什么两样。
一种针对此情况而优化的本发明的CNC加工程序例如可能为如下结构：
CNC程序(原理)
…
N20   用于定中心的循环
N30   001：用于1.孔列-高度5mm的循环
N40   002：用于2.孔列-高度5mm的循环
N50   003：用于孔点阵-高度10mm的循环
N60   用于钻孔5.5mm的循环
N70  “重复”几何尺寸003
N80   用于钻芯孔M5的循环
N90   用于攻丝的循环
N100 “重复”几何尺寸001
N110 “重复”几何尺寸002
…

Claims (6)

1.一种用于机床、机器人的数字化控制方法，它包括：一个加工程序，该加工程序由与刀具有关的工序(T01...T0n)和位置元(G01...G0m)构成，所述工序和位置元与加工任务相关联；以及一个以循环方式工作的过程控制(MZ)，与每一加工任务相关联的工序(T01...T0n)和位置元(G01...G0m)可以根据这一过程控制，依据加工程序中与技术相关的顺序来进行处理，各个工序(T01...T0n)的循环被分别选作模态循环，其中，对加工目标依次选择一个位置元(G01...G0m)的所有循环，在一个工序(T01...T0n)的下一个循环被选作模态循环之前，相应的工序(T01...T0n)就在对应位置元(G01...G0m)的位置处进行。
2.根据权利要求1所述的数字化控制方法，其中，对每一加工任务，可将所属工序(T01...T0n)和位置元(G01...G0m)的数据写入一个加工缓冲器(B)。
3.根据权利要求1所述的数字化控制方法，其中，所述过程控制(MZ)操作在加工程序运行时实时进行。
4.根据权利要求1所述的数字化控制方法，其中，所述位置元(G01...G0m)描述位置模式(PM)，所述位置模式包括位置行、位置点阵或位置圆以及障碍。
5.根据权利要求1所述的数字化控制方法，其中，通过对各循环中处于不同高度的位置元(G01...G0m)的过程控制(MZ)，可避免在一个总体退刀平面(RZE)上的退刀运动，此时返回定位只进行到处于较高位置的位置元的一个局部安全平面(SE)。
6.根据权利要求1所述的数字化控制方法，其中，所述位置元(G01...G0m)可多次应用于不同的工序(T01...T0n)。
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