DE102015000291A1 - Method for controlling a processing machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Bearbeitungsmaschine, bei dem zumindest ein beweglich an der Bearbeitungsmaschine angeordnetes Werkzeug (1) von einem vorgegebenen Startpunkt (SP) zu mindestens einem vorgegebenen Endpunkt (EP) innerhalb eines Arbeitsraumes (R) automatisiert bewegt wird. Erfindungsgemäß wird innerhalb des Arbeitsraumes (R) eine Werkzeugbahn (B) ermittelt, entlang welcher das Werkzeug (1) kollisionsfrei in einer minimalen Zeit vom Startpunkt (SP) zum Endpunkt (EP) bewegt wird, wobei die Werkzeugbahn (B) mittels eines evolutionären Algorithmus ermittelt wird.The invention relates to a method for controlling a processing machine, in which at least one tool (1) arranged movably on the processing machine is automatically moved from a predetermined starting point (SP) to at least one predetermined end point (EP) within a working space (R). According to the invention, a tool path (B) is determined within the working space (R) along which the tool (1) is moved without collision in a minimum time from the starting point (SP) to the end point (EP), the tool path (B) being determined by means of an evolutionary algorithm is determined.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Bearbeitungsmaschine, bei dem zumindest ein beweglich an der Bearbeitungsmaschine angeordnetes Werkzeug von einem vorgegebenen Startpunkt zu mindestens einen vorgegebenen Endpunkt innerhalb eines Arbeitsraumes automatisiert bewegt wird.The invention relates to a method for controlling a processing machine, in which at least one tool movably arranged on the processing machine is automatically moved from a predetermined starting point to at least one predetermined end point within a working space.
Eine Effizienz von Fertigungsprozessen steht im Fokus einer heutigen Produktion. Um eine Fertigungszeit für ein Bauteil weiter zu reduzieren, ist es notwendig, nicht-wertschöpfende Tätigkeiten einer Bearbeitungsmaschine, insbesondere einer Werkzeugmaschine, zu minimieren. Ein Ansatzpunkt zur Reduktion der nicht wertschöpfenden Aktionen in einer Werkzeugmaschine ist eine Minimierung von technischen Nebenzeiten. Dabei spielt eine Bahnkurve oder Werkzeugbahn eines Werkzeugs und einer Spindel der Bearbeitungsmaschine eine sehr große Rolle.Efficiency of manufacturing processes is the focus of today's production. In order to further reduce a production time for a component, it is necessary to minimize non-value-adding activities of a processing machine, in particular of a machine tool. A starting point for the reduction of non-value-adding actions in a machine tool is a minimization of technical non-productive times. In this case, a trajectory or tool path of a tool and a spindle of the processing machine plays a very large role.
Zu diesem Zweck sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren bekannt. Ein solches Verfahren zur Steuerung einer Bearbeitungsmaschine beschreibt die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Steuerung einer Bearbeitungsmaschine anzugeben.The invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved method for controlling a processing machine.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved by a method having the features specified in claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
In einem Verfahren zur Steuerung einer Bearbeitungsmaschine wird zumindest ein beweglich an der Bearbeitungsmaschine angeordnetes Werkzeug von einem vorgegebenen Startpunkt zu mindestens einem vorgegebenen Endpunkt innerhalb eines Arbeitsraumes automatisiert bewegt.In a method for controlling a processing machine, at least one tool movably arranged on the processing machine is automatically moved from a predetermined starting point to at least one predetermined end point within a working space.
Erfindungsgemäß wird innerhalb des Arbeitsraumes eine Werkzeugbahn ermittelt, entlang welcher das Werkzeug kollisionsfrei in einer minimalen Zeit vom Startpunkt zum Endpunkt bewegt wird, wobei die Werkzeugbahn mittels eines evolutionären Algorithmus ermittelt wird.According to the invention, a tool path is determined within the working space, along which the tool is moved without collision in a minimum time from the starting point to the end point, the tool path being determined by means of an evolutionary algorithm.
Ein solcher evolutionärer Algorithmus oder genetischer Algorithmus bildet eine Klasse von stochastischen, metaheuristischen Optimierungsverfahren, deren Funktionsweise von der Evolution natürlicher Lebewesen inspiriert ist. In Anlehnung an die Natur werden Lösungskandidaten für ein bestimmtes Problem künstlich evolviert.Such an evolutionary algorithm or genetic algorithm forms a class of stochastic, metaheuristic optimization methods whose operation is inspired by the evolution of natural living beings. Based on nature, solution candidates for a specific problem are artificially evolved.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es aufgrund der Ermittlung der Werkzeugbahn, entlang welcher das Werkzeug kollisionsfrei in einer minimalen Zeit vom Startpunkt zum Endpunkt bewegbar ist, möglich, nicht-wertschöpfende Tätigkeiten der Bearbeitungsmaschine zu minimieren und somit Taktzeiten bei der Bearbeitung von Werkstücken zu minimieren. Daraus folgend wird eine Fertigungszeit für ein Bauteil reduziert, so dass eine Effizienz von Fertigungsprozessen gesteigert wird. Aufgrund der Verwendung des evolutionären Algorithmus zur Ermittlung der Werkzeugbahn ist keine komplexe und kostenintensive Simulationssoftware zur Bewegungsoptimierung der Bearbeitungsmaschine erforderlich, da die mittels des evolutionären Algorithmus durchgeführte Optimierung der Werkzeugbahn unmittelbar in einer Steuerung der Bearbeitungsmaschine während einer Inbetriebnahme oder eines Betriebes der Bearbeitungsmaschine vollautomatisch ausführbar ist. Weiterhin wird ein Optimierungspotenzial der Werkzeugbahn mittels des evolutionären Algorithmus im Vergleich zum Stand der Technik in höherem Maße ausgeschöpft.By means of the method according to the invention, due to the determination of the tool path along which the tool is movable collision-free in a minimum time from the starting point to the end point, it is possible to minimize non-value-adding activities of the processing machine and thus to minimize cycle times during the machining of workpieces. As a result, a manufacturing time for a component is reduced, so that an efficiency of manufacturing processes is increased. Due to the use of the evolutionary algorithm for determining the tool path, no complex and costly simulation software for motion optimization of the processing machine is required, since the performed by the evolutionary algorithm optimization of the tool path directly in a control of the machine during commissioning or operation of the machine fully automatic executable. Furthermore, an optimization potential of the tool path is exhausted by the evolutionary algorithm in comparison to the prior art to a greater extent.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:Showing:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
In
Das Werkzeug
Um eine Fertigungszeit für ein Bauteil zu minimieren, ist es notwendig, nicht-wertschöpfende Tätigkeiten der Bearbeitungsmaschine zu minimieren. Um hierbei nicht wertschöpfende Aktionen der Bearbeitungsmaschine, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein kollisionsfreies Vorbeiführen des Werkzeugs
Hierzu ist vorgesehen, dass innerhalb des Arbeitsraumes R eine Werkzeugbahn B ermittelt wird, entlang welcher das Werkzeug
Der evolutionäre Algorithmus ist ein so genannter genetischer Algorithmus, welcher an einen so genannten Bergsteigeralgorithmus angelehnt ist. Unter einem solchen Bergsteigeralgorithmus wird ein einfaches, heuristisches Optimierungsverfahren verstanden, bei welchem eine potenzielle Lösung für ein gegebenes Problem schrittweise verbessert wird.The evolutionary algorithm is a so-called genetic algorithm, which is based on a so-called mountaineering algorithm. Such a mountaineering algorithm is understood to be a simple, heuristic optimization method in which a potential solution to a given problem is progressively improved.
Hierbei ist der Algorithmus in drei Phasen unterteilt. In einer ersten Phase werden in einem ersten Schritt S1 des Algorithmus Randbedingungen vorgegeben. Hierbei ist es möglich, dass ein Anwender vorgegebene Randbedingungen variiert oder unverändert übernimmt. Insbesondere hat der Anwender die Möglichkeit, Grenzwerte der Stützpunkte P1, P2 festzulegen. Hieraus ergibt sich, wie weit ein jeweiliger Stützpunkt P1, P2 dreidimensional im Raum verschoben werden darf. Maßgeblich für die Wahl der Grenzwerte ist eine Geometrie und Anordnung der Störgeometrie
Weiterhin ist dabei eine Berücksichtigung einer Geometrie des Werkzeugs
Zusätzlich ist es dem Anwender möglich, eine so genannte Startpopulation des Algorithmus zu beeinflussen oder festzulegen. Mittels der Startpopulation wird festgelegt, wie viele Paare von Stützpunkten P1, P2 zu Anfang zufällig innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte erzeugt werden.In addition, it is possible for the user to influence or define a so-called starting population of the algorithm. By means of the starting population, it is determined how many pairs of bases P1, P2 are randomly generated at the beginning within the prescribed limits.
Ferner wird automatisch und/oder durch den Anwender eine anfängliche Schrittweite bei Verwendung einer Abstandsfunktion auf einer Definitionsmenge einer Wertelandschaft zur Erzeugung der Werkzeugbahn B durch zumindest einen Parameter festgelegt. Auch wird automatisch und/oder durch den Anwender ein Reduktionsfaktor festgelegt, um welchen die Schrittweite jeweils nach einem Durchlauf einer Optimierung reduziert wird.Furthermore, an initial step size is automatically and / or by the user when using a distance function on a definition set of a value landscape for generating the tool path B determined by at least one parameter. Also, a reduction factor is set automatically and / or by the user by which the step size is reduced after each pass of an optimization.
Zusätzlich wird weiterhin automatisch und/oder durch den Anwender eine minimale Schrittweite angegeben, deren Erreichen ein Abbruchkriterium darstellt.In addition, a minimum increment is automatically and / or specified by the user, the achievement of which represents a termination criterion.
Nach der Vorgabe der Randbedingungen im ersten Schritt S1 werden in einer zweiten Phase des Algorithmus in einem zweiten Schritt S2 zufällige Startwerte für jeweils zwei Stützpunkte P1, P2 für mehrere Polynomzüge im Arbeitsraum R erzeugt, entlang welcher das Werkzeug
In einem dritten Schritt S3 werden anschließend im Rahmen einer Optimierung alle zufälligen Polynomzüge abgefahren und es wird der Polynomzug mit dem zugehörigen Paar von Stützpunkten P1, P2 aus der Mehrzahl von Polynomzügen ermittelt und ausgewählt, welcher die kürzeste Zeitdauer zur kollisionsfreien Bewegung des Werkzeugs
Anschließend wird in einem fünften Schritt S5 einer der Stützpunkte P1, P2 zu einer abwechselnden Variation von Koordinaten der beiden Stützpunkte P1, P2 im Arbeitsraum R ausgewählt.Subsequently, in a fifth step S5, one of the interpolation points P1, P2 is selected for an alternating variation of coordinates of the two interpolation points P1, P2 in the working space R.
In einem darauffolgenden sechsten Schritt S6 wird eine erste Achse gewählt, auf welcher der gewählte Stützpunkt P1, P2 zur Optimierung des Polynomzuges verschoben wird, bevor in einem siebten Schritt S7 geprüft wird, ob die im ersten Schritt S1 vorgegebenen Randbedingungen durch eine solche Verschiebung des Stützpunktes P1, P2 verletzt werden.In a subsequent sixth step S6, a first axis is selected, on which the selected interpolation point P1, P2 for optimizing the Polynomial train is moved before it is checked in a seventh step S7, whether the given in the first step S1 boundary conditions are violated by such a shift of the support point P1, P2.
Werden die Randbedingungen nicht verletzt (dargestellt durch einen Pfad N1), wird der gewählte Stützpunkt P1, P2 in einem achten Verfahrensschritt S8 um die gewählte Schrittweite entlang der gewählten Achse im Arbeitsraum R verschoben, bevor in einem neunten Schritt S9 geprüft wird, ob aufgrund der durchgeführten Verschiebung eine zeitliche Optimierung des Polynomzuges erfolgt.If the boundary conditions are not violated (represented by a path N1), the selected interpolation point P1, P2 is shifted in an eighth method step S8 by the selected step along the selected axis in the working space R, before it is checked in a ninth step S9 whether carried out a shift optimization of the polynomial train.
Liegt keine zeitliche Optimierung durch die Verschiebung vor (dargestellt durch einen Pfad N2), wird in einem zehnten Schritt S10 eine Verschiebungsrichtung auf der gewählten Achse geändert. Die Änderung der Verschiebungsrichtung im Schritt S10 erfolgt auch dann, wenn im siebten Schritt S7 die Randbedingungen verletzt werden (dargestellt durch einen Pfad J1).If there is no temporal optimization by the displacement (represented by a path N2), a displacement direction on the selected axis is changed in a tenth step S10. The change in the direction of displacement in step S10 also takes place if the boundary conditions are violated in the seventh step S7 (represented by a path J1).
Auch nach dem Wechsel der Verschiebungsrichtung im zehnten Schritt S10 wird in einem elften Schritt S11 überprüft, ob die im ersten Schritt S1 vorgegebenen Randbedingungen verletzt sind. Ist dies der Fall (dargestellt durch einen Pfad J2), erfolgt in einem zwölften Schritt S12 eine Wahl einer anderen Achse, entlang welcher der gewählte Stützpunkt P1, P2 innerhalb des Arbeitsraumes R verschoben wird.Even after the change of the shift direction in the tenth step S10, it is checked in an eleventh step S11 whether the boundary conditions specified in the first step S1 are violated. If this is the case (represented by a path J2), in a twelfth step S12 a selection of another axis takes place, along which the selected interpolation point P1, P2 is displaced within the working space R.
Werden die Randbedingungen dagegen nicht verletzt, wird in einem dreizehnten Schritt S13 eine Verschiebung des gewählten Stützpunktes P1, P2 um die gewählte Schrittweite durchgeführt und der Polynomzug wird ausgeführt bzw. abgefahren.On the other hand, if the boundary conditions are not violated, a shift of the selected interpolation point P1, P2 by the selected increment is performed in a thirteenth step S13 and the polynomial train is executed or traversed.
Der dreizehnte Schritt S13 wird auch dann ohne Ausführung der Schritte S10 und S11 unmittelbar im Anschluss an den neunten Schritt S9 ausgeführt (dargestellt durch einen Pfad J3), wenn durch die im achten Schritt S8 durchgeführte Verschiebung eine zeitliche Optimierung des Polynomzuges erfolgte.The thirteenth step S13 is also executed without executing steps S10 and S11 immediately following the ninth step S9 (represented by a path J3) when the polynomial train has been temporally optimized by the shift performed in the eighth step S8.
Im Anschluss an den dreizehnten Schritt S13 wird in einem vierzehnten Schritt S14 überprüft, ob aufgrund der durchgeführten Verschiebung eine zeitliche Optimierung des Polynomzuges erfolgt. Ist dies der Fall (dargestellt durch einen Pfad J4), werden die Schritte S13 und S14 solange wiederholt, bis im vierzehnten Schritt S14 festgestellt wird, dass keine Optimierung des Polynomzuges durch die Verschiebung entlang der gewählten Achse mehr möglich ist (dargestellt durch einen Pfad N3).Subsequent to the thirteenth step S13, it is checked in a fourteenth step S14 whether a temporal optimization of the polynomial train takes place due to the displacement carried out. If this is the case (represented by a path J4), the steps S13 and S14 are repeated until it is determined in the fourteenth step S14 that it is no longer possible to optimize the polynomial drag by shifting along the selected axis (represented by a path N3) ).
In diesem Fall wird in einem fünfzehnten Schritt S15 überprüft, ob eine zeitliche Optimierung durch Wahl einer anderen Achse, entlang welcher der gewählte Stützpunkt P1, P2 innerhalb des Arbeitsraumes R verschoben wird, realisierbar ist. Ist dies der Fall (dargestellt durch einen Pfad J5), wird erneut der sechste Schritt S6 durchgeführt.In this case, it is checked in a fifteenth step S15 whether a temporal optimization by selection of another axis, along which the selected support point P1, P2 is moved within the working space R, is feasible. If this is the case (represented by a path J5), the sixth step S6 is performed again.
Ist dies nicht der Fall (dargestellt durch einen Pfad N4) wird in einem sechszehnten Schritt S16 überprüft, ob bereits andere Achse betrachtet wurden. Wurden andere Achsen noch nicht betrachtet (dargestellt durch einen Pfad N5), wird erneut der zwölfte Schritt S12 ausgeführt.If this is not the case (represented by a path N4), it is checked in a sixteenth step S16 whether other axes have already been considered. If other axes have not yet been viewed (represented by a path N5), the twelfth step S12 is executed again.
Wurden dagegen bereits alle andere Achsen betrachtet (dargestellt durch einen Pfad J6), wird in einem siebzehnten Schritt S17 ermittelt, ob durch Wahl des jeweils noch nicht betrachteten Stützpunktes P1, P2 und dessen Verschiebung entlang von Achsen in Arbeitsraum R eine zeitliche Optimierung des Polynomzuges realisierbar ist. Ist dies der Fall (dargestellt durch einen Pfad J7), wird der fünfte Schritt S5 für den jeweils verbleibenden Stützpunkt P1, P2 ausgeführt.On the other hand, if all the other axes have already been considered (represented by a path J6), a seventeenth step S17 determines whether a temporal optimization of the polynomial pull can be achieved by selecting the respective not yet considered support point P1, P2 and its displacement along axes in working space R. is. If this is the case (represented by a path J7), the fifth step S5 is carried out for the respectively remaining support point P1, P2.
Ist das Ergebnis des siebzehnten Schritts S17 negativ (dargestellt durch einen Pfad N6), wird in einem achtzehnten Schritt S18 überprüft, ob bereits alle Stützpunkte P1, P2 betrachtet wurden. Ist dies nicht der Fall (dargestellt durch einen Pfad N7) erfolgt in einem neunzehnten Schritt S19 die Wahl eines verbleibenden Stützpunktes P1, P2 und anschließend die Durchführung des sechsten Schritts S6.If the result of the seventeenth step S17 is negative (represented by a path N6), it is checked in an eighteenth step S18 whether all the interpolation points P1, P2 have already been considered. If this is not the case (represented by a path N7), the selection of a remaining support point P1, P2 takes place in a nineteenth step S19 and then the execution of the sixth step S6.
Wurden dagegen bereits alle Stützpunkte P1, P2 betrachtet, wird in einem zwanzigsten Schritt S20 die Schrittweite um den Reduktionsfaktor verringert.On the other hand, if all interpolation points P1, P2 have already been considered, the increment is reduced by the reduction factor in a twentieth step S20.
In einem 21. Schritt S21 wird überprüft, ob das Abbruchkriterium, d. h. ein Erreichen der vorgegebenen minimalen Schrittweite, vorliegt. Ist dies nicht der Fall (dargestellt durch einen Pfad N8), wird der fünfte Schritt S5 erneut mit verringerter Schrittweite durchgeführt. Ist das Abbruchkriterium dagegen erreicht (dargestellt durch einen Pfad J8), wird die zeitliche Optimierung des Polynomzuges in einem 22. Schritt S22 beendet.In a 21st step S21, it is checked whether the termination criterion, i. H. reaching the predetermined minimum increment, is present. If this is not the case (represented by a path N8), the fifth step S5 is performed again with a reduced step size. On the other hand, if the abort criterion is reached (represented by a path J8), the temporal optimization of the polynomial train is ended in a 22nd step S22.
Der Algorithmus wird somit in der Art ausgeführt, dass beginnend mit einer Achse eine Koordinate des gewählten Stützpunktes P1, P2 um die anfängliche Schrittweite verschoben wird. Kann eine zeitliche Verbesserung durch Abfahren des Polynomzuges erzielt werden, so wird im nachfolgenden Schritt die Koordinate wieder um einen Abschnitt verschoben. Dies passiert solange bis die erzielte Zeit wieder steigt oder eine Randbedingung verletzt wird. Wurde schon im ersten Schritt eine Verschlechterung erzielt, so wird die Verschiebung der Koordinate des Stützpunktes P1, P2 in die andere Richtung auf derselben Achse durchgeführt. Dieses Verschieben der Koordinate entlang einer Achse wird anschließend für die verbleibenden anderen beiden Achsen des Arbeitsraumes R auch durchgeführt. Konnte keine zeitliche Optimierung des Polynomzuges erreicht werden, so wird der verbleibende Stützpunkt P1, P2 variiert. Wurde aber für eine der Achsen eine zeitliche Verbesserung erreicht, so erfolgt eine erneute Variation der beiden anderen Achsen.The algorithm is thus executed in such a way that, beginning with an axis, a coordinate of the selected interpolation point P1, P2 is shifted by the initial increment. If a temporal improvement can be achieved by traversing the polynomial train, then the coordinate is shifted again by one section in the following step. This happens until the achieved time increases again or a boundary condition is violated. If a deterioration has already been achieved in the first step, the displacement of the coordinate of the point P1, P2 in the other direction is carried out on the same axis. This move the Coordinate along one axis is then also performed for the remaining other two axes of the working space R. If no temporal optimization of the polynomial train could be achieved, the remaining interpolation point P1, P2 is varied. But if a temporal improvement was achieved for one of the axles, a further variation of the other two axles takes place.
Sollte durch die Variation des weiteren Stützpunktes P1, P2 eine Verbesserung erreicht werden, so muss auch wieder der zuerst geprüfte Stützpunkt P1, P2 variiert werden. Konnte aber für alle drei Achsen im Arbeitsraum R der beiden Stützpunkte P1, P2 keine zeitliche Verbesserung mehr erzielt werden, folgt die Verringerung der Schrittweite um den zuvor definierten Reduktionsfaktor und die Verschiebung der Koordinaten der Stützpunkte P1, P2 beginnt erneut. Erreicht die Schrittweite das Abbruchkriterium, so wird die Optimierung letztmalig durchlaufen und endet, sobald eine weitere Verkleinerung erfolgen müsste.Should an improvement be achieved by the variation of the further interpolation point P1, P2, the interpolation point P1, P2 tested first must also be varied again. However, if no time improvement could be achieved for all three axes in the working space R of the two interpolation points P1, P2, the reduction of the step size follows the previously defined reduction factor and the shifting of the coordinates of the interpolation points P1, P2 starts again. If the step size reaches the abort criterion, the optimization is run through for the last time and ends as soon as a further reduction would have to take place.
Nach der während eines Betriebs der Bearbeitungsmaschine oder bei deren Inbetriebnahme automatisch durchgeführten Optimierung werden in einer dritten Phase des Algorithmus die Stützpunkte P1, P2 des Polynomzuges mit der minimalen Zeit an eine nicht gezeigte Steuereinheit zur Steuerung der Bearbeitungsmaschine übertragen. Die Steuereinheit, welche insbesondere Bestandteil der Bearbeitungsmaschine ist, steuert diese anhand der Stützpunkte P1, P2 derart an, dass das Werkzeug
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R230 | Request for early publication | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |