CN111316178A - 用于运行数控生产系统的方法及其生产系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数控生产系统、特别是机床(2)，其与数字控制器(4)连接。在数字控制器(4)中设有具有连续程序集的控制程序。数字控制器(4)包括前瞻模块(24)，其为至少一个运动轴(16)在运动之前由多个连续控制程序集(31)确定运动轮廓(50)，该运动轮廓包括对于连续的时钟时间点的、用于针对至少一个运动轴(16)的路程时间运动的引导参量。控制程序包括至少一个由条件控制的程序分支(32、40)，该程序分支具有多个后续的待选控制程序段(34、36、38)，该程序分支确定：根据条件进一步执行待选控制程序段(34、36、38)中的哪一个。在进一步的运动之前，前瞻模块(24)为每个待选控制程序段(34、36、38)计算待选运动轮廓(52、54、56)、将其存储、并且将其在由条件限定的程序分支(32、40)处准备好，以便执行进一步的运动。

Description

用于运行数控生产系统的方法及其生产系统

技术领域

本发明涉及一种用于运行数控生产系统、特别是机床的方法，生产系统与数字控制器连接。

-其中，在数字控制器中设有具有连续控制程序集的控制程序，

-其中，数字控制器包括前瞻模块，

-其中，前瞻模块自身为至少一个运动轴在运动之前由多个连续控制程序集确定运动轮廓，该运动轮廓包括对于连续的时钟时间点的、用于针对至少一个运动轴的路程时间运动的引导参量，并且

-其中，该控制程序包括至少一个由条件控制的程序分支，该程序分支具有多个后续的待选控制程序段，该程序分支确定：根据条件进一步执行待选控制程序段中的哪一个。

本发明还涉及一种具有数字控制器的生产系统。

背景技术

为了限定数控生产系统(例如香烟填充系统或移动单个精细产品的系统)、特别是机床的运动，存在限定控制可行方案范围的编程语言，参见用于CNC(计算机数控)控制器的标准DIN(ISO)66025。用这种编程语言创建的控制程序包括：连续的程序集，其表示到包括相应的边界条件的目标点的运动；以及不限定运动的程序集，其例如是进给预设、使用的坐标系的说明、规模类型的说明等。这些集的相应源文本(也称为G代码)对于所有控制器制造商都是有约束力的，但是可以通过制造商特定的周期或功能补充或扩展源文本。

目前，这些编程语言以及它们的控制专用的扩展也提供对控制指令进行编程的、仅在特定条件下执行的可行方案，控制指令呈由条件限定的程序分支的形式，例如是“switch/case”，“if/then”等。分支根据一个或多个条件来确定：执行两个或多个后续的待选控制程序段中的哪一个。

对生产系统、特别是机床的控制通常设计为实时控制，以便能够对相关参数变化做出快速反应。与机床有关的相关参数变化的实例是工具的磨损程度、在加工之前确定的工件质量、机床对环境(例如温度)的适应、对机床机构的机械组件的垂度的补偿、缺失的钻孔等。

实时控制的典型实现方案是在控制器中计算一种未来情况。术语“前瞻”(Look-Ahead)也用于此目的。在此，在实际动作(例如工件加工的轴运动)之前或预备阶段(preparation)，动作所需的所有信息被完全确定。然后可以实时地或在处理时间立即并且直接使用该信息。例如，在机床中，通过子程序的多个指令确定：机床执行的运动应到哪里，以及能够以什么动力执行该运动。控制器对未来计算的实现程度取决于控制器本身，例如取决于提供的内存的大小、可用性能、以及最终是否需要在实时与未来之间进行强制同步。

当进一步的动作取决于生产系统或待生产的产品的一个或多个当前状态时，必须进行强制同步。

由条件限定的程序分支在非实时软件技术中在程序运行或程序执行时不造成问题，但由条件限定的程序分支在实时的情况中产生问题，即根据程序分支的条件可能出现未来动作的多种、但至少两种可能的变化。

在当今具有实时影响力的控制器中，仅计算直到由条件限定的程序分支的下一个后续条件的决定时间点的未来。在条件出现的时间点并因此在确定了另外的控制程序分支之后，在实时与未来之间进行强制同步。这种强制同步的缺点是，只有在决定要执行哪个分支或哪个程序段以进行进一步的处理或采取进一步的行动时，才计算多个可能的待选分支或程序段之一的未来。对用于处理的确定的程序段的未来的计算导致处理的延迟。尤其当在程序中要处理多个程序分支时，每个程序分支的程序处理时间都会增加，最终这通常会造成不容忽视的延迟。

发明内容

本发明的目的在于，即使在用于运行生产系统的控制程序包括至少一个由条件限定的程序分支时，也给出一种用于时间优化地运行前述类型的数控生产系统的方法。

本发明的目的还在于，给出一种具有数字控制器的生产系统，其设计用于执行这种运行方法。

首先阐述的目的通过具有权利要求1的特征的方法来实现。然后，开头部分提到的、用于运行数控生产系统的方法的特征在于，在进一步的运动之前，前瞻模块为每个待选控制程序段计算待选运动轮廓、将该待选运动轮廓存储、并且将该待选运动轮廓在由条件限定的程序分支处准备好，以便执行进一步的运动。

因此，本发明在于“并行”地预先计算在程序运行的“不久的未来”中所有可能的运动轮廓。换句话说，本发明涉及引入“多程序运行技术”，即一种对在由条件限定的程序分支之后可能的运动轮廓的并行计算。这些运动轮廓在查询或条件出现的时间点被提供用于进一步的运动。但是，根据条件，只有符合条件的运动轮廓才会被最终激活，以用于生产系统的进一步的动作。其余的运动轮廓被舍弃。

通过预先计算所有可能的程序分支的运动轮廓或者在由条件限定的程序分支之后源自所有可能的待选控制程序段的运动轮廓，在程序运行中不需要进行强制同步。因此，消除了在控制程序的进一步处理中由强制同步引起的延迟。

该方法的有利设计方案由权利要求2至6的特征给出。

根据权利要求2，待选控制程序段中的至少一个包括另外的由条件限定的程序分支，前瞻模块为一个待选部分程序段预先计算直至另外的由条件限定的程序分支为止的待选运动轮廓、将该待选运动轮廓存储、并且将该待选运动轮廓在由条件限定的分支处准备好，以便执行进一步的运动。

由于在多个由条件限定的程序分支的情况中在控制程序中可行的运动轮廓在未来会极大地倍增，因此根据本发明的权利要求2的设计方案在相应的控制程序段中仅计算直至下一个由条件限定的程序分支为止的运动轮廓。一旦该控制程序段由于当前的条件刚好被实际处理，则由跟随另外的由条件限定的分支的待选控制程序段确定、存储并提供运动轮廓。

根据权利要求3，能够预设控制程序集的最大数量，由前瞻模块考虑该最大数量，以便确定运动轮廓。通常，不必预先确定整个运动轮廓。控制器具有足够的自由计算能力，以在处理控制程序期间逐步地在未来进一步确定运动轮廓。

通常由变量的值控制条件。根据权利要求5，变量考虑到生产系统中的工作设备的质量标准。尤其当工作设备因其使用而磨损时，通常记录磨损程度。如果达到磨损极限，则借助程序控制进行更换。这例如适用于机床中的铣削或钻孔工具。

根据权利要求6，变量考虑到生产系统中的状态。对此，一个实例是对马达温度的监控。

第二个所述目的通过权利要求7的特征实现。然后提出，生产系统配备有数字控制器，该生产系统设计用于执行上述方法。

附图说明

结合实施例的以下描述，本发明的上述特性、特征和优点及其实现方式和方法变得更明白易懂，实施例结合附图详细阐述。在此以示意图示出：

图1以框图示出了具有机床控制器的机床的基本结构，

图2示出了具有由条件限定的程序分支的控制程序的程序流程图的局部，

图3示出了具有由条件限定的程序分支和后续的待选控制程序段的控制程序的局部，并且

图4示出了在由条件限定的程序分支之后的由前瞻模块并行计算的多个待选运动轮廓。

具体实施方式

作为生产机器的实例，图1中的框图示出了机床2，该机床与数字机床控制器4相互作用，以将工件5从坯件5A加工为成品5B。用户或操作员通过输入/输出单元6访问机床控制器4，该输入/输出单元也被称为NC(数控)操作面板或人机界面。此外设有通信接口8，其将数控机床2置入计算机网络中。该运行模式被称为分布式数控(DNC)。

机床控制器4被分为三个主要功能区域或主要功能。

第一主要功能区域(即所谓的COM(通信)部分10)满足与相连的外围设备(例如输入和输出组件、传感器、限位开关等)的通信任务。此外，COM部分10用于与输入/输出单元6通信。第一主要功能区域还提供一种编程环境，该编程环境包括至少一个程序编辑器，但通常还包括仿真和测试装置。

机床控制器4的第二主要功能是路径控制和内插，并且因此在NC核心12中产生机床2的运动额定值。

最后，机床控制器4的第三主要功能用于适配控制14，该适配控制用于适配与工件5有关的、从NC核心12到具体机床2的一般运动控制。适配控制14包括对执行器的驱控、对传感器信号的检测、监视功能的实现、安全功能的保证等。借助PLC(可编程逻辑控制器)、即存储器可编程的控制器(SPS)执行适配控制14。

当用相关的机械部件加工工件5时，机床2实现在空间中的运动。机床部件的运动方向由机床轴或运动轴16限定。机床控制器4与机床2的数据或信号连接在运动轴16的运动额定值方面通过第一控制线路18实现，并且在机床2中的执行器和传感器20方面经由二进制输入/输出接口通过第二控制线路22实现。

NC核心12还包括前瞻模块24。前瞻模块24实现运动轴16的预测速度引导。利用前瞻功能优化机床2中的路径控制运行。为了在工件上获得高的表面质量，必须进行均匀的加工。因此，在加工期间轨道速度应该尽量不波动。在没有前瞻功能的情况下，机床控制器4仅考虑直接在当前运行组或控制程序集之后跟随的运行组，以确定可行的轨道速度。如果后续的运行组仅包含短的运行路径，则机床控制器4必须降低轨道速度(在当前的运行组中制动)，以便能够及时在跟随组的组末尾停止。通过“前瞻”跟随当前运行组的、可参数化或可调整的多个运行组，由于机床控制器4现在具有用于计算的明显更多的运行组，因此利用前瞻功能可能实现显著更高的轨道速度。由于避免了制动和加速过程，由此获得的优点是以平均更高的轨道速度进行加工并且提高了表面质量。

上面以示例的方式针对机床控制器4描述的这种预测速度控制还有利地用于控制具有大运动动力的其他生产系统。例如，前瞻功能也广泛用于机器人技术中。

在将工件5从坯件5A加工为成品5B时，必须经常考虑加工的工件5的当前状态或机床2的运行状态。该考虑如下地实现，即控制程序为了进一步的加工而查询工件5的或机床2的相关状态。该查询的结果控制进一步的工件加工。因此，在程序技术方面，控制程序包括由条件限定的程序分支，该程序分支具有多个可能的后续处理步骤。

现在，图2以程序流程图示出了控制程序30的局部。控制程序30包括直至由条件限定的程序分支32为止的连续控制程序集31。在由条件限定的程序分支32中查询变量VAR的值。变量VAR的值代表特定的工件或机床状态。

如果变量VAR具有值VAR1，则在另外的过程中处理第一待选控制程序段34。如果变量VAR的值不等于VAR1，则查询变量VAR是否具有值VAR2。如果变量VAR具有值VAR2，则在另外的过程中处理第二待选控制程序段36。如果变量VAR的值也不等于VAR2，则处理第三待选控制程序段38。当然，相应的过程还能扩展到变量VAR的三个以上可能的值。

除了连续控制程序集34A和34B之外，第一待选控制程序段34还包括另外的由条件限定的程序分支40，其包含另外的待选控制程序段42和44。与由条件限定的程序分支32的情况一样，在另外的由条件限定的程序分支40的情况中，(另外的)变量的值也控制另外的程序运行。

在计算一个或多个运动轴16的引导参量时，在前瞻模块24中考虑待选控制程序段34、36和38中的所有连续程序集，直到控制程序集的预设最大数量为止。在前瞻模块24中，仅在第一待选控制程序段34中评估直至另外的由条件限定的程序分支40为止的连续控制程序集34A，以便计算和提供运动轴16的引导参量。如果由于变量VAR的值VAR1根据待选控制程序段34中的控制程序集对工件5进一步加工，则在前瞻模块24中根据另外的待选控制程序段42和44还计算、存储并在另外的由条件限定的程序分支40处提供运动轮廓，以用于进一步的处理。

图3示出了程序集中的由条件限定的分支的可能语法的实例，在此将其称为CASE功能。其提供了检查变量或计算功能(表示为<Ausdruck>)的当前值(类型：INT)的可能性，并根据结果(表示为<Konstant_1>、<Konstant_2>等)跳转至控制程序中的不同的位置(位置也表示为<Sprungziel_l>、<Sprungziel_2>、.……<Sprungziel_n>)。

图3中的由条件限定的程序分支(CASE...OF...DEFAULT)具体具有以下含义：

CASE：开始跳转指令。

<Ausdruck>：代表变量或计算功能，

OF：变量或计算功能的第一规定值。

<Konstant_l>：变量或计算功能的第一规定值。

<Konstant 2>：变量或计算功能的第二规定常数值。

DEFAULT：在变量或计算功能不具有任何规定的常数值的情况下，能够使用DEFAULT指令确定跳转目标。在未编程DEFAULT指令的情况下，则在该情况下将CASE指令之后的指令变成跳转目标。

GOTOF：跳转指令，其具有朝向程序末尾的跳转目标。

<Sprungziel_1>：如果变量或计算功能的值对应于第一规定常数，则分支来到该跳转目标。

<Sprungziel_2>：如果变量或计算功能的值对应于第二规定常数，则分支来到该跳转目标。

<Sprungziel_n>：如果变量或计算功能的值不具有任何规定的常数值，则分支来到该跳转目标。

下面要描述由条件限定的分支的与批量生产相关的实际应用。

为了在工件中设置具有螺纹的孔，必须对工件进行预加工/预钻孔。用特定的钻头钻出所谓的核心孔。然后用丝锥将螺纹切入/钻入核心孔。如果核心孔不存在或不被充分构造，则会损坏丝锥。

在将丝锥引入期望的核心孔中时，实时检查所涉及的运动轴16(例如钻床上的Z轴)的进给电流。如果该值太高，则表示核心孔不存在或不被充分穿孔。在这种情况下，丝锥会被损坏。

在控制程序30的用于测量和决策的位置，有必要对用于以下状态的由条件限定的程序分支进行编程：

状态A：电流在正常范围内，不高。这表明存在核心孔。工件的加工继续正常进行。

状态B：电流高。这表明核心孔缺失。工件的加工在错误分支中运行。

在错误分支中，同样可以想到与加工工具有关的两个状态。

状态C：核心孔钻头的长度仍在允许的磨损范围内。为了进一步加工，将工件停放以进行再加工。

条件D：达到或超过核心孔钻头的磨损极限。丢弃用其加工的工件。

图4示出了多个运动轮廓，借助于前瞻模块24在自身运动之前由待选程序段的连续程序集计算和存储运动轮廓。在此参考图2中的流程图。

如开头部分所述，连续时钟时间点的运动轮廓包括用于机床2的一个或多个运动轴16的路程时间运动的引导参量。

利用前瞻模块24，由要在由条件限定的程序分支32之前处理的连续控制程序集31计算第一运动轮廓50。在到达由条件限定的程序分支32之前，即在要在那里查询工具和/或机床状态之前，同样由前瞻模块24从待选控制程序段34、36和38计算待选运动轮廓52和54和56。如上所述，对于运动轮廓52，仅考虑控制程序段34的连续控制程序集34A。

未来加工工件所需的运动轮廓50与未来可能要使用的运动轮廓52、54、56一起存储在前瞻模块24的程序存储器(在此未示出)中。如果尚未达到由前瞻模块24评估的控制程序集的最大数量，则还从要根据待选控制程序段34、36、38处理的控制程序集计算运动轮廓58，并将其存储在程序存储器中。因此，运动轮廓50、52、54、56以及可能的58可用于控制机床2。由此，能够在由条件限定的程序分支32处无延迟地继续对工件5的加工。如果例如通过变量VAR的不等于VAR1或不等于VAR2的值规定用第三待选控制程序段38进行处理，则在运动轮廓50之后无等待时间地处理运动轮廓56。在这种情况下，运动轮廓52和54被丢弃，也就是从程序存储器移除。在运动轮廓56之后，然后由运动轮廓58规定运动轴16的其他引导参量。

总之，本发明因此涉及以下内容：

数控生产系统、特别是机床2与数字控制器4连接。在数字控制器4中设有具有连续程序集的控制程序。数字控制器4包括前瞻模块24，其为至少一个运动轴16在运动之前由多个连续控制程序集31确定运动轮廓50，该运动轮廓包括对于连续的时钟时间点的、用于针对至少一个运动轴16的路程时间运动的引导参量。该控制程序包括至少一个由条件控制的程序分支32、40，该程序分支具有多个后续的待选控制程序段34、36、38，该程序分支确定：根据条件进一步执行待选控制程序段34、36、38中的哪一个。在进一步的运动之前，前瞻模块24为每个待选控制程序段34、36、38计算待选运动轮廓52、54、56、将其存储、并且将其在由条件限定的程序分支32、40处准备好，以便执行进一步的运动。

本发明具有许多优点。特别地，即使在由条件限定的程序指令的情况下也可以确保控制程序30的连续执行。

尽管已经通过优选的实施例在细节上详细说明和阐述了本发明，但是本发明不受公开的实例限制，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明保护范围的情况下从其中得出其他变体方案。

Claims (7)

1.一种用于运行数控生产系统、特别是机床(2)的方法，所述生产系统与数字控制器(4)连接，

-其中，在所述数字控制器(4)中设有具有连续控制程序集的控制程序，

-其中，所述数字控制器(4)包括前瞻模块(24)，

-其中，所述前瞻模块(24)自身为至少一个运动轴(16)在运动之前由多个连续控制程序集(31)确定运动轮廓(50)，所述运动轮廓包括对于连续的时钟时间点的、用于针对所述至少一个运动轴(16)的路程时间运动的引导参量，并且

-其中，所述控制程序包括至少一个由条件控制的程序分支(32、40)，所述程序分支具有多个后续的待选控制程序段(34、36、38)，所述程序分支确定：根据所述条件进一步执行所述待选控制程序段(34、36、38)中的哪一个，

其特征在于，

在进一步的运动之前，所述前瞻模块(24)为每个所述待选控制程序段(34、36、38)计算待选运动轮廓(52、54、56)、将所述待选运动轮廓存储、并且将所述待选运动轮廓在由条件限定的所述程序分支(32、40)处准备好，以便执行所述进一步的运动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待选控制程序段(34)中的至少一个包括另外的由条件限定的程序分支(40)，并且所述前瞻模块(24)为一个待选部分程序段(34)预先计算直至所述另外的由条件限定的程序分支(40)为止的所述待选运动轮廓(52)、将该待选运动轮廓存储、并且将该待选运动轮廓在由条件限定的分支(40)处准备好，以便执行所述进一步的运动。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，能够预设所述控制程序集的最大数量，由所述前瞻模块(24)考虑所述最大数量以便确定所述运动轮廓(50、52、54、56、58)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由变量(VAR)的值(VAR1、VAR2)控制所述条件。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述变量(VAR)考虑到所述生产系统(2)中的工作设备的质量标准。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述变量(VAR)考虑到所述生产系统(2)中的状态。

7.一种生产系统，特别是机床，具有数字控制器(4)，所述生产系统设计用于执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法。

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