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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet eines digitalen Verbindens
eines Roboters, eines Maschinenwerkzeugs oder einer weiteren Maschine
mit Stellantrieb mit einem System zum Bereitstellen der Daten zum
Steuern dieser Maschine mit Stellantrieb. Die vorliegende Erfindung
betriff auch das Gebiet einer maschinellen Herstellung von Vorrichtungsteilen aus
einem geeigneten Material mit einem numerische gesteuerten oder
computergesteuerten Maschinenwerkzeug, welches ein Ausgangsteil
eines Materials gemäß den Spezifikationen,
welche das anzufertigende Teil definieren, vorbearbeitet und/oder endbearbeitet.
Genauer gesagt betriff die vorliegende Erfindung ein neues Paradigma
zum Steuern des Betriebs derartiger Maschinenwerkzeuge, indem die Bearbeitungsdaten,
welche das herzustellende Teil definieren, direkt von einer CAD/CAM
Anwendung zu der Maschinensteuerung übertragen werden.
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Hintergrund der Erfindung
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In
modernen Industriezweigen gibt es viele Maschinen mit beweglichen
Teilen, welche von Stellantrieben angetrieben werden. Diese Maschinen weisen
Industrieroboter, Koordinatenmessgeräte, Maschinenwerkzeuge und
dergleichen auf. Diese Gruppe von Maschinen wird hierin im Allgemeinen als "Maschinen mit Stellantrieb" bezeichnet.
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Typischerweise
stellt ein Hauptsystem Daten für
eine Stellantriebsteuerung bereit, welche wiederum die Stellantriebmotoren
steuert, um die Komponenten der Maschine mit Stellantrieb geeignet
zu betätigen
und zu bewegen. Maschinenwerkzeuge sind hervorragende Beispiele
derartiger mit Stellantrieb betätig ten
Maschinen, welche die vorliegende Erfindung besonders betrifft.
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Wenn
Maschinen erstmalig entwickelt werden oder auf einer begrenzten
Basis hergestellt werden, müssen
für diese
Maschinen spezielle Teile kundenspezifisch aus einem geeigneten
Material hergestellt werden. Dies wird im Allgemeinen durch „maschinelles
Bearbeiten" bewerkstelligt,
einem Verfahren, bei welchem ein Teil oder ein Ausgangsmaterial, wie
benötigt,
maschinell geschnitten, geschliffen, gebohrt und endbearbeitet wird,
um das gewünschte Teil
zu erzeugen. Die Maschinen, welche verwendet werden, um Rohmaterialien
in spezifizierte Teile umzuwandeln, werden nachstehend als „Maschinenwerkzeuge" bezeichnet. Moderne
Maschinenwerkzeuge sind hochkompliziert und genau gesteuert, um Teile
gemäß genauen
Spezifikationen zu erzeugen. Die meisten derartiger moderner Maschinenwerkzeuge
werden von Computern gesteuert, welche genaue numerische Befehle
verarbeiten, welche das herzustellende Teil definieren.
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Das
erste numerisch gesteuerte Maschinenwerkzeug war eine Dreiachsenfräsmaschine,
welche 1952 gebaut wurde. Zahlen wurden verwendet, um eine Bewegung
des Fräskopfes
in einem Dreiachsensystem zu spezifizieren, um ein gewünschtes
Teil zu bearbeiten. Das Maschinenwerkzeug wurde jedoch mechanisch
von Hand gemäß der Spezifikationszahlen
eingestellt, während
die maschinelle Bearbeitung voranschritt. Als eine elektronische
Technologie nachfolgend Fortschritte machte, wurden in "numerisch gesteuerten" Maschinenwerkzeugen
zunehmend komplizierte Elektroniken eingebaut, um das maschinelle
Bearbeitungsverfahren zu automatisieren. Heute weisen numerisch
gesteuerte Maschinenwerkzeuge Computerprozessoren und elektronische
Speichereinheiten (RAM und ROM) auf. Somit sind heutige Ma schinenwerkzeuge
computergesteuert und werden als „numerische computergesteuerte Maschinen" bezeichnet.
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Frühe computergesteuerte
Maschinen empfingen eine Eingabe von einem Lochstreifen. Die auf diesem
Streifen aufgezeichneten Befehle waren sowohl Eingabe-/Ausgabe-(„I/O")Befehle (z.B. Ein-/Ausschalten
einer Spindel oder einer Kühlflüssigkeit,
Einstellen einer vorgegebenen Zuführungsrate und – geschwindigkeit
usw.) als auch Bewegungsbefehle (z.B. Bewegen zu einer x y z Position
in einer linearen oder kreisförmigen
Art und Weise). Die Sprache, in welcher diese Befehle geschrieben
wurden, wurde M&G-Code
genannt. M&G-Code
kann als analog einer Assemblersprache für Personalcomputer betrachtet
werden; es ist der niedrigste Level einer Programmierung für Maschinenwerkzeuge
und wird im Allgemeinen von allen Maschinenwerkzeugen ungeachtet
ihres Fabrikats oder Modells akzeptiert. Obwohl die ersten numerisch
gesteuerten Maschinen sogar näherungsweise
vor 50 Jahren gebaut wurden, programmieren wir Maschinenwerkzeuge immer
noch unter Verwendung dieser gleichen M&G-Codesprache mit nur geringfügigen Veränderungen.
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In
den letzten 50 Jahren haben Dutzende von Firmen versucht, die ideale
Maschinenwerkzeugsteuerung zu bauen. Diese Steuerungen bestanden
aus kundenspezifischen Anlagenkomponenten und hochspezialisierten
einzigartigen Betriebssystemen. Viele von diesen waren eigene geschlossene
Systeme. Obwohl sich eine offene Architektur der Hardware dieser
Steuerungssysteme abzuzeichnen scheint, verwenden heutige Maschinenwerkzeuge
zum größten Teil
eine Technologie, welche Jahrzehnte alt ist. Wo eine eigene Steuerung über Maschinenwerkzeughardwaresteuertechnologien beibehalten
wird, kann eine Programmierung der Maschine nur durch die M&G-Codeumgebung
durchgeführt
werden.
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M&G-Code verwendet
Worte oder einzelne Befehle und Blöcke oder Reihen in einer einzelnen Datei
oder einem Programm. Alle Befehle in einer Reihe werden gelesen
und gleichzeitig ausgeführt. Um
ein M&G-Programm
zu erzeugen, ist es notwendig, die gesamte Geometrie für alle Werkzeugbahnen zu
berechnen, z.B. die Liniensegmente und Bögen, welche die Werkzeugspitze
des Maschinenwerkzeugs durchläuft,
während
das gewdnschte Teil bearbeitet wird. Aus dieser Geometrie werden
Bewegungs- und I/O-Befehle berechnet. Diese Befehle müssen dann
in M&G-Code geschrieben
werden und der Code muss in die Steuerung eingegeben werden. Ursprünglich musste
der M&G-Code
manuell in die Steuerung eingegeben werden oder in einen Mylar- oder
Papierstreifen gestanzt werden, welcher dann in einen Leser an der
Steuerung eingegeben wurde. Sogar heute ist es eine langwierige
und ermüdende Aufgabe,
ein M&G-Programm
zu schreiben, um ein kompliziertes Teil maschinell zu bearbeiten.
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In
den späten
50ern und frühen
60ern entstanden viele neue und flexiblere Programmiersprachen.
Automatisch programmierte Werkzeuge (Automatically Programmed Tools, „APT") war eine der ersten
dieser neuen Sprachen. Bei einer Verwendung von APT definiert ein
Techniker die Geometrie des Maschinenwerkzeugs, die Geometrie der
Werkzeugspitze und die Bearbeitungsparameter, welche die I/O des
Maschinenwerkzeugs steuern. Aufgrund der eigenen und uneinheitlichen
Natur der verfdgbaren Maschinensysteme mussten jedoch die unter Verwendung
von APT erzeugten Befehle letztendlich in den allgemeineren M&G-Code elbersetzt werden. APT-Anwendungen
fuhren Berechnungen durch, um eine Schneideinrichtungspositionsdatei
(Cutter Location, „CL") basierend auf den
Befehlen in dem APT-Programm zu erzeugen. Die CL-Datei ist eine ASCII
Datei, welche die Geometrie der Bahnen enthält, welche die Werkzeugspitze
des Maschinenwerkzeugs während
des Bearbeitungsverfahrens durch laufen muss. Diese CL-Datei wird
dann unter Verwendung eines Programms, welches Postprozessor genannt
wird, in M&G-Code übersetzt.
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Als
in dem 60ern und 70ern Computer weniger teuer und leistungsfähiger wurden,
wurden mehr mechanische Konstruktionen unter Verwendung von computergestützten Konstruktionsprogrammen (Computer-Aided
Design, „CAD") durchgeführt. Computergestützte Fertigungsprogramme
(Computer-Aided Manufacturing, „CAM") ermöglichen es Benutzern, die in
CAD-Programmen definierte Geometrie zu verwenden, um die Werkzeugbahnen
zur Programmierung eines Maschinenwerkzeugs zu planen. CAD, CAM
und CAD/CAM-Programme werden hierin als zu einer allgemeinen Klasse
von Softwarepaketen gehörend
betrachtet, welche im Allgemeinen als „Konstruktionsanwendungen" bezeichnet werden. Die
Werkzeugbahnen, welche von einer CAM-Anwendung definiert werden,
werden in der Ausgestaltung von CL oder APT-Dateien exportiert,
welche immer noch in M&G-Code übersetzt
werden müssen, bevor
sie zu der Maschinensteuerung übertragen werden.
Diese Arbeitsweise ist heutzutage immer noch eine übliche Verwendung.
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Ein
typisches Verfahren einer Verwendung einer CAD/CAM-Anwendung, um ein
Maschinenwerkzeug zu programmieren, ist in 1 dargestellt. Wie
in 1 gezeigt, wird die CAD/CAM-Anwendung auf einer Workstation (100)
ausgeführt.
Unter Verwendung der CAD/CAM-Anwendung wird eine CAD/CAM-Datei (101)
erzeugt, welche die Geometrie für
sowohl das Maschinenwerkzeug als auch das herzustellende Teil spezifiziert.
Dateien, wie z.B. Datei (101), welche Konstruktionsinformationen
enthalten, die von einem CAD/CAM oder ähnlichen Softwarepaket erzeugt
wurden, werden hierin im Allgemeinen als "Konstruktionsdateien" bezeichnet.
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Die
CAD/CAM-Anwendung oder vielleicht eine getrennte Anwendung verwendet
dann die CAD/CAM-Datei, um die Schneideinrichtungspositionsdaten
für die
Maschinenwerkzeugspitze für
das gesamte Bearbeitungsverfahren zu berechnen, und erzeugt eine
CL-Datei (102). Die CL-Datei (102) ist eine ASCII-Datei.
Die CL-Datei (102) kann dann in einen M&G-Code (103) übersetzt
werden, welcher auch eine ASCII-Datei ist. Die Übersetzung von einer CL-Datei
(102) in einen M&G-Code
(103) wird typischerweise von einem Postprozessor durchgeführt. Der
M&G-Code (103)
wird dann zu der Maschinenwerkzeugsteuerung (104) erbertragen,
welche den Code verwendet, um das (nicht gezeigte) Maschinenwerkzeug über das
gesamte Verfahren einer Bearbeitung des spezifizierten Teils hinweg
zu steuern.
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Beginnend
bei dem Export der CL-Datei (102) aus der CAD/CAM-Software ist jede
CL-Datei unidirektional der Vorgänger
CAD/CAM-Datei (101) zugeordnet. Somit wird eine beliebige
Veränderung an
der Vorgänger-CAD/CAM-Datei
(101) nicht in einer exportierten CL-Datei (102)
widergespiegelt und würde
eine Erzeugung einer neuen „Nachfolge"-ASCII-CL-Datei (102)
erfordern, wobei Veränderungen immer
von dem Vorgänger
zu dem Nachfolger fließen.
Ebenso würde
einer Veränderung
einer Nachfolgerdatei (102), vielleicht durch einen Maschinisten, welcher
die M&G-Codedatei
vorbereitet, keine Veränderung
oder Korrektur der Vorgängerkonstruktionsdatei
(101) bewirken.
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Wie
eine Konstruktion zeigt, gestaltet dieser unidirektionale Fluss
von Daten die Aufgabe eines Beibehaltens aller derzeit relevanten
Dateien und eines Löschens
veralteter Dateien sehr problematisch. Dementsprechend gibt es in
dem Stand der Technik einen Bedarf nach einem Verfahren und einem
System einer besseren Steuerung eines Maschinenwerkzeugs, welches
die Ver änderung,
Aktualisierung und Verwaltung von Steuerdateien, welche einer Maschinenwerkzeugsteuerung
bereitgestellt werden, unterstützt.
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Ein
weiteres Problem entsteht sogar durch die Abweichungen von „Standard"-M&G-Codes zwischen
Maschinenwerkzeugsteuerungen. In Wirklichkeit sind M&G-Codes von Maschinenwerkzeug
zu Maschinenwerkzeug nicht einheitlich. Es wurden Bemühungen unternommen,
um M&G-Codes
zu standardisieren, aber diese waren bislang nicht erfolgreich.
Dieses Problem entsteht prinzipiell aus der Tatsache, dass die M&G-Standards nicht
die Flexibilität aufweisen,
viele von den Funktionen zu realisieren, welche einige hochentwickelte
Bearbeitungsmaschinenwerkzeuge ermöglichen. Die Hersteller von
diesen hochentwickelten Maschinenwerkzeugen haben aus einer Notwendigkeit
heraus bestehende Standards unter Verwendung eindeutiger neuer Befehle erweitert,
um neue Herstellungstechnologien auf eine Codearchitektur zu zwängen, welche
anderenfalls nicht geeignet ist, diese Technologien zu unterstützen.
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Z.B.
sind viele moderne Maschinenwerkzeugsteuerungen in der Lage, das
Maschinenwerkzeug anzusteuern, um eine echte nicht einheitliche rationale
B-Spline-Kurve (Non-Uniform Rational B-Spline Curve, „NURBS") maschinell zu bearbeiten. Obwohl
es kein Teil des M&G-Codestandards
ist, erkennen diese Steuerungen nichtstandard M&G-Codes, wie z.B. Codes für NURBS.
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Die
Konsequenz ist, dass Programmierschnittstellen und Sprachen jetzt über Maschinenhersteller
und Modelle variieren, sogar wenn sie behaupten, auch Standard-M&G-Code basierend
zu sein. Dementsprechend gibt es in dem Stand der Technik einen
Bedarf nach einem Verfahren und einem System, welches die Probleme
von uneinheitlichen M&G-Codeversionen
zwischen Ma schinenwerkzeugen unterschiedlicher Marken und Modelle
vermeidet.
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In
CL-Dateien und M&G-Code
wird eine Geometrie als eine Reihe von Punkten dargestellt, welche
die Spitze des Schneidwerkzeugs durchläuft, um die Geometrie herzustellen.
Diese Punkte definieren die Bahn des Schneidwerkzeugs. Diese Bahn
umfasst geradlinige Abschnitte und kreisförmige oder spiralförmige Bögen. Bahnen,
welche weder geradlinig noch kreisförmig sind, werden durch einzelne Punkte
oder kleine Linienabschnitte angenähert. Geformte und frei ausgebildete
Flächen
werden in zunehmendem Maße
in Konsumgütern
verwendet. CAD-Hersteller haben große Fortschritte in ihrer Software
durchgeführt,
um komplexe Kurven, Flächen und
Volumenmodelle zu modellieren, aber die Werkzeuge und Techniken,
welche verwendet werden, um diese herzustellen, sind die gleichen,
welche für
Jahrzehnte verwendet wurden.
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Eine
komplexe Fläche
kann innerhalb des CAD-Programms mit einer einzelnen Gleichung dargestellt
werden, aber kann erfordern, als tausende von Liniensegmenten in
den Befehlen, welche der Maschinenwerkzeugsteuerung bereitgestellt
werden, dargestellt zu werden, um die benötigte Genauigkeit zu erreichen.
Es gibt keine Möglichkeit,
diesen Verlust an Genauigkeit zu vermeiden, wenn der herkömmliche
in 1 dargestellte Datenfluss verwendet wird.
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Wie
zuvor erwähnt,
gibt es einige sehr teure Maschinenwerkzeugsteuerungen, welche die
Fähigkeit
aufweisen, komplexe Bahnen, wie z.B. NURBS handzuhaben. Dies ermöglicht derartigen
Maschinenwerkzeugen komplexe Flächen
schneller und glatter als mit einer linearen Interpolation herzustellen.
Das Problem besteht in einer Übertragung
der Spezifikation für die
gewünschte
NURBS zu der Maschinenwerkzeugsteuerung. Um mit der Maschinenwerkzeugsteuerung
zu kommunizieren, muss die NURBS, welche in der CAD/CAM-Konstruktionsdatei (vielleicht
unter Verwendung einer einzelnen Gleichung für jede Kurve) spezifiziert
ist, in die Liniensegmentgeometrie, welche von dem M&G-Code verwendet
wird, übersetzt
werden. Die Maschinenwerkzeugsteuerung kann dann die Liniensegmentbefehle
des M&G-Code in den NURBS-Befehl,
welcher von dem Maschinenwerkzeug verwendet wird, übersetzen (welcher
vielleicht durch Interpolieren einer NURBS-Kurve durch eine Reihe
von Punkten spezifiziert ist). Diese Umwandlung einer NURBS in Liniensegmente
und dann zurück
in einen echten NURBS-Ausdruck führt
zu einem unnötigen
Verlust einer Genauigkeit einer Definition der NURBS.
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Demzufolge
gibt es in dem Stand der Technik ferner einen Bedarf für ein System
und ein Verfahren, welches den unnötigen Genauigkeitsverlust in
Verbindung mit einer Übertragung
einer NURBS-Darstellung, welche von einer CAD/CAM-Anwendung erzeugt
wurde, zu einer möglicherweise
unterschiedlichen NURBS-Darstellung,
welche von einer hochentwickelten Maschinenwerkzeugsteuerung verwendet wird,
durch die Vermittlung des liniensegmentbasierten M&G-Codes vermeiden.
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Die
US-A-5506787 offenbart
ein numerisches Steuersystem für
Maschinenwerkzeuge oder Roboter, welches in dem Bereich einer Mensch-Maschine
Kommunikation (Man-Machine Communication, MMC) anfänglich eine
allgemeine Ausgestaltung aufweist, welche auf beliebige Anwendungen
angepasst werden kann. Eine Informationshandhabung stellt Steuerdaten
bereit, welche in einer allgemeinen Art und Weise von einem integrierten
Steuerkern (Control Kernel, CK) verarbeitet werden können, und stellt
somit eine Steuerung der Maschine und der Roboterantriebe (ANT)
einschließlich
Peripheriegeräten (PER)
sicher.
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Die
EP-A-0706103 offenbart
ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine numerische Steuerung der
Bewegungsbahn für
Maschinenwerkzeuge oder Roboter. Eine relative Bewegung wird zwischen
einem Maschinenwerkzeug und einem Werkstück in einer oder mehreren Achsen
ermöglicht,
wobei die Bahn durch Interpolation zwischen vorbestimmten Bahnpunkten
definiert wird. Eine Information über die zu erzeugende Bahnform
wird von einer Quelle (CAD/CAM) relativ zu einem Werkstückkoordinatensystem
in der Ausgestaltung von nicht rationalen Basissplines oder NURBS
oder als rationale Polgnome erhalten. Die NURBS werden in der numerischen Steuerung
(Numerical Controller, NC) in rationale Polgnome umgewandelt oder
die bestehenden rationalen Polgnome werden von dieser entgegengenommen.
Die rationalen Polgnome werden analytisch in ein Basiskoordinatensystem,
falls erforderlich unter Berücksichtigung
von Korrekturparametern, transformiert. Die transformierten Polgnome
werden interpoliert und das sich ergebende Signal in das Maschinenkoordinatensystem
transformiert, unter den Maschinenachsen verteilt und zu den entsprechenden Antrieben
geführt.
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Die
US-A-5703782 offenbart
eine Integration einer computergestützten Konstruktion, einer computergestützten Herstellung
und eine numerische Computersteuerungstechnologie, welche ein computergestütztes Konstruktions-
und Herstellungsverfahren bereitstellt. Das Verfahren umfasst eine
Konstruktion eines dreidimensionalen graphischen Modells (d.h. eine
Darstellung) eines Beschilderungserzeugnisses mit dreidimensionalen
Flächen,
die in ein Schild zu schneiden sind, auf einem CAD-System. Auf dem CAD-System
wird eine gewünschte
mathematische (z.B. numerische) Darstellung des Beschilderungserzeugnisses bestimmt.
Danach wird die gewünschte
mathematische Darstellung, welche in einem von vielen möglichen
und gewünschten
Formaten vorliegen kann, einem computerunterstützten Bearbeitungssystem (CAM),
welches ein CNC-Maschinenwerkzeug mit einem Schneidewerkzeug aufweist, bereitgestellt.
Die von dem obigen Verfahren erzeugte Werkzeugbahndatendatei wird
einer Nachverarbeitung unterzogen, einem Vorgang, welcher eine Verarbeitung
der Werkzeugbahndatendatei umfasst, um vollständige maschinengebrauchsfertige
Dateien zu erzeugen, welche in Maschinen- oder binärlogischen
Sprachen ausgedrückt
sind. In dem Post-Prozessor werden die Werkzeugbahndaten an eine
spezielle Kombination eines CNC-Maschinenwerkzeugs und einer Maschinensteuereinheit
(Machine Control Unit, MCU) angepasst (d.h. angekoppelt).
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die zuvor beschriebenen
Bedürfnisse
und weitere zu erfüllen.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
verbessertes System und ein verbessertes Verfahren einer Programmierung
einer Maschinenwerkzeugsteuerung bereitzustellen, um ein spezifiziertes
Teil basierend auf Daten, welche mit einer CAD/CAM oder einer weiteren Konstruktionsanwendung
erzeugt wurden, zu bearbeiten. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein System und ein Verfahren einer Programmierung einer Maschinenwerkzeugsteuerung bereitzustellen,
welche die Probleme im Zusammenhang mit einem Verwalten einer Reihe
von Nachfolgerdateien vermeidet, welche die Entwicklung der Teilkonstruktion
in einer Vorgängerkonstruktionsdatei widerspiegeln.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System
und ein Verfahren einer Programmierung einer Maschinenwerkzeugsteuerung
bereitzustellen, welches die Probleme aufgrund der Abweichung bei
hochentwickelten Befehlen zwischen den verschiedenen Versionen von
in unterschiedlichen Marken und Modellen von Maschinenwerkzeugen
verwendeten M&G-Codes vermeidet.
Und es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System
und ein Verfahren einer Programmierung einer Maschinenwerkzeugsteuerung bereitzustellen,
welches einen unnötigen
Genauigkeitsverlust beim Spezifizieren von Kurven, wie z.B. NURBS,
vermeidet, welcher im Zusammenhang mit einem Übersetzen einer Darstellung
dieser Kurven durch Liniensegmentannäherungen, welche z.B. bei einem
M&G-Code verwendet werden,
steht.
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Zusätzliche
Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden in der
Beschreibung, welche folgt, dargelegt werden oder können von
Fachleuten durch Lesen dieser Materialien oder Ausführen der
Erfindung in Erfahrung gebracht werden. Diese Aufgaben und Vorteile
der Erfindung können
durch die in den beigefügten
Ansprüchen
angegebenen Mittel gelöst
werden.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Verbinden
eines Steuersystems mit einer Maschine mit Stellantrieb bereitgestellt,
wobei das System umfasst:
einen ersten Prozessor, welcher ausgestaltet
ist, eine Konstruktionsanwendung auszuführen, welche aus einem computergestützten Konstruktions-/computergestützten Fertigungsprogrammpaket
besteht, welches ausgestaltet ist, Bewegungsbahndaten zu erzeugen;
und
einen zweiten Prozessor, welcher ausgestaltet ist, mit
dem ersten Prozessor in Verbindung zu stehen und ein Bewegungssteuerungsprogramm
auszuführen,
welches ausgestaltet ist, auf die Bewegungsbahndaten in dem gleichen
Format, wie sie von der Konstruktionsanwendung auf dem ersten Prozessor ausgegeben
werden, zuzugreifen;
dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungssteuerungsprogramm
ausgestaltet ist, die Maschine mit Stellantrieb anzusteuern, um
einen Werkzeugkopf entlang von Bewegungsbahnen, welche in den ursprünglichen
Bewegungsbahndaten definiert sind, zu bewegen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Verbinden eines Steuersystems mit einer Maschine mit Stellantrieb
bereitgestellt, welches umfasst:
Ausführen einer Konstruktionsanwendung,
welche aus einem computergestützten
Konstruktions-/computergestützten
Fertigungsprogrammpaket besteht, welches Bewegungsbahndaten für die Maschine
mit Stellantrieb erzeugt;
Ausführen eines Bewegungssteuerungsprogramms, welches
die Bewegungsbahndaten in dem gleichen Format wie eine Ausgabe von
der Konstruktionsanwendung empfängt;
und
gekennzeichnet durch Steuern der Maschine mit Stellantrieb
mit dem Bewegungssteuerungsprogramm, um einen Werkzeugkopf entlang
Bewegungsbahnen, welche in dem ursprünglichen Bewegungsbahndatenformat
von der Konstruktionsanwendung definiert sind, zu bewegen.
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Zusammengefasst
wird eine konzeptionelle Integration der herkömmlichen CAD-Workstation und einer
Maschinenwerkzeugsteuerung bereitgestellt. Die Maschinenwerkzeugsteuerung
weist zwei Prozessoren oder zwei Computer, welche jeweils einen Prozessor
bereitstellen, auf. Der erste Prozessor führt eine Konstruktionsanwendung
aus, zum Beispiel ein CAD, CAD/CAM oder ähnliches Programmpaket, welches
verwendet werden kann, um eine Konstruktionsdatei zu erzeugen, zu überprüfen oder zu
bearbeiten. Der zweite Prozessor führt das Programm aus, welches
zum Steuern des Maschinenwerkzeugs benötigt wird.
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Die
Steuerung des Maschinenwerkzeugs kann insgesamt durch das Programm
ausgeführt werden,
welches auf dem zweiten Prozessor läuft. Dieses Programm, welches
mehrere Anwendungen oder Objekte aufweisen kann, wird im Allgemeinen als „Bewegungssteuerungsprogramm" bezeichnet. Keine
zusätzliche
Hardwarearchitektur ist als Teil der Maschinenwerkzeugsteuerung
notwendig.
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Bewegungsbahndaten
spezifizieren die Bahn oder die Bahnen entlang welchen der Werkzeugkopf
oder die Köpfe
des Maschinenwerkzeugs bewegt werden müssen, um das gewünschte Produkt
herzustellen. Bewegungsbahndaten können direkt aus der Konstruktionsdatei
gewonnen werden, wenn die Anwendungsprogrammschnittstelle (Application
Program Interface, API) der Konstruktionsanwendung, z.B. ein CAD/CAM-Paket,
offen und verfügbar
ist. Das Bewegungssteuerungsprogramm kann dann diese Werkzeugbahndaten
verwenden, um das Maschinenwerkzeug anzusteuern und das spezifizierte
Produkt zu erzeugen.
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Wenn
das API der Konstruktionsanwendung nicht verfügbar ist, kann die Konstruktionsanwendung,
z.B. ein CAD/CAM-Paket, Bewegungsbahndaten zu dem Bewegungssteuerungsprogramm
unter Verwendung einer API-Gruppe des Bewegungssteuerungsprogramms für eine direkte
Bearbeitung übergeben.
Das Bewegungssteuerungsprogramm kann dann die Werkzeugbahndaten
verwenden, um das Maschinenwerkzeug anzusteuern und das spezifizierte
Produkt herzustellen.
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Vorzugsweise
werden die Bewegungsbahndaten in der Form eines C++ Bewegungsobjekts übergeben,
welches die Position und Ausrichtung des Werkzeugkopfes oder der
Köpfe des
Maschinenwerkzeugs und einen jeden Punkt in einer jeden Werkzeugbahn
spezifiziert. Vorzugsweise weist das Bewegungsobjekt drei weitere
Objekte auf: ein Ratenobjekt, welches Zuführungsraten und Geschwindigkeitsraten
zur Steuerung der Elemente der Maschine mit Stellantrieb bestimmt;
ein Beschleunigungsprofilerzeugungsobjekt zum Steuern von Beschleunigungsübergängen in
diesen Bewegungsbahnen; und ein Bahnobjekt, welches Informationen enthält, die
jede Bewegungsbahn definieren.
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Die
Bewegungsbahndaten, welche von dem CAD-System gewonnen werden, sind
typischerweise in einem kartesischen Koordinatensystem. Dementsprechend übersetzt
das Bewegungssteuerungsprogramm die kartesischen Werkzeugbahndaten
in einen geeigneten Referenzrahmen, aus welchem Stellantriebsteuersignale
zum Steuern von Stellantriebmotoren des Maschinenwerkzeugs von einer
Stellantriebsteueranwendung erzeugt werden können.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
beigefügten
Zeichnungen stellen die vorliegende Erfindung dar und bilden einen
Teil der Beschreibung. Zusammen mit der nachfolgenden Beschreibung
zeigen und erklären
die Zeichnungen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
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1 ist
ein Blockdiagramm, welches die herkömmlichen Systeme und Datenstrukturen,
welche beim Programmieren einer Maschinenwerkzeugsteuerung verwendet
werden, darstellt.
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2 ist
ein Blockdiagramm, welches ein Maschinenwerkzeugsteuerungssystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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3 ist
ein detaillierteres Blockdiagramm der in 2 gezeigten
Verarbeitungseinheit.
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4 ist
ein detaillierteres Blockdiagramm des Stellantriebsteuerungsobjekts
und einer in 2 gezeigten Systemschnittstelle
gemäß einer
ersten Ausführungsform.
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5 ist
ein detaillierteres Blockdiagramm des Stellantriebsteuerungsobjekts
und einer in 2 gezeigten Systemschnittstelle
gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
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6 ist
ein Blockdiagramm des Bewegungsobjekts, welches von dem CAD-Interpreter
der 3 erzeugt wurde.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine neue, offene Programmarchitektur
für digitale
Steuerschnittstellen bereit. Wie für den Fachmann klar sein wird,
kann diese neue Schnittstellenarchitektur in einem beliebigen System
verwendet werden, in welchem Steuerdaten zu einer stellantriebgesteuerten Maschine,
welche mit einem Steuersystem verbunden ist, gesendet werden.
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Eine
bevorzugte Anwendung der digitalen Steuerschnittstelle und damit
einhergehende Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist für die Maschinenwerkzeugsteuerung
eines Maschinenwerkzeugs zum Herstellen von Maschinenteilen gemäß vorbestimmter
Spezifikationen. Die vorliegende Erfindung stellt z.B. ein neues
Paradigma bereit, bei welchem es möglich ist, die Fähigkeiten
von bestehenden Konstruktionsanwendungen, wie z.B. CAD/CAM-Paketen,
und Maschinenwerkzeugsteuerungen zu nutzen, um direkter und effizienter
eine CAD-erzeugte Konstruktion eines Teils in die Befehle, welche
notwendig sind, um das Maschinenwerkzeug geeignet zu steuern, umzusetzen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird als „direkte
Bearbeitung" bezeichnet werden.
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Eine
direkte Bearbeitung vermeidet den Bedarf an ASCII-Dateien, wie z.B.
CL-Dateien und M&G-Codedateien,
welche außerhalb
der CAD-Konstruktionsdatei bestehen. Vielmehr wird die Maschinenwerkzeugsteuerung
in die Lage versetzt, die ursprüngliche
CAD-Konstruktionsdatei zu lesen und daraus alle relevanten Herstellungsdaten
zu gewinnen, welche benötigt
werden, um das Maschinenwerkzeug zu steuern, um das spezifizierte
Produkt herzustellen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
dieser besonderen Anwendung der vorliegenden Erfindung wird nun
unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben werden. Wie in 2 gezeigt,
kann eine Maschinenwerkzeugsteuerung (200) gemäß der vorliegenden
Erfindung einige der prinzipiellen Merkmale einer herkömmlichen
CAD-Workstation (100) umfassen. Speziell kann die Steuerung
(200) einen ersten Prozessor (203), auf welchem
ein CAD-Programmpaket
ausgeführt
wird, aufweisen. Dieser Prozessor (205) ist mir sowohl
einer Anzeigevorrichtung (201), z.B. einer Kathodenstrahlröhrenanzeige,
einer Flüssigkristallanzeige oder
dergleichen, als auch einer Benutzereingabevorrichtung (202),
z.B. einer Tastatur und Maus, Trackball, Joystick oder dergleichen,
verbunden. Dementsprechend kann eine computergestützte Konstruktion
vielmehr auf der Hardware der Maschinenwerkzeugsteuerung (200)
als auf einer getrennten Workstation erzeugt oder verändert werden.
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Natürlich kann
eine Konstruktionsdatei, welche auf einer getrennten CAD-Workstation
erzeugt wurde, auch zu dem Prozessor (203) zum Anzeigen, Überprüfen und/oder
Verändern
auf der Hardware (201, 202) der Maschinenwerkzeugsteuerung
(200) übertragen
werden. Die CAD-Datei kann zu der Maschinenwerkzeugsteuerung (200)
z.B. auf einer Floppy Disk oder durch beliebige weitere Mittel einer
Dateiübertragung,
welche eine drahtgebundene oder drahtlose Netzwerkverbindung zwischen
der Workstation und der Steuerung (200) einschließt, übertragen
werden.
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In
dem Beispiel der 2 ist der erste Prozessor (203)
ein Teil einer Verarbeitungseinheit (205), welche auch
einen zweiten Prozessor (204) enthält. Allgemein ausgedrückt führt der
erste Prozessor (203) das CAD oder CAD/CAM-Programmpaket
oder eine weitere Konstruktionsanwendung aus, während der zweite Prozessor
(204) das Programm ausführt,
welches notwendig ist, um die von dem CAD-Programm erzeugten Daten
zu verwenden, um das Maschinenwerkzeug entsprechend zu steuern.
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Die
Programmausführung
auf dem zweiten Prozessor (204) wird im Allgemeinen als „Bewegungssteuerprogramm" bezeichnet und ist
ein vollständiges
System zum Steuern des Maschinenwerkzeugs. Keine zusätzliche
Steuerungshardware wird benötigt.
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Eine
Systemschnittstelle (206) wird zwischen der Maschinenwerkzeugsteuerung
(200) und dem Maschinenwerkzeug (welches nicht in 2 gezeigt
ist) derart bereitgestellt, dass das Programm des zweiten Prozessors
(204) in Verbindung mit dem Maschinenwerkzeug stehen kann
und dieses steuern kann. Eine Verbindung (207) ist zwischen
dem zweiten Prozessor (204) und der Systemschnittstelle (206)
bereitgestellt. Die Systemschnittstelle (206) wird nachfolgend
detaillierter beschrieben werden.
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Obwohl
die in 2 dargestellte Doppelprozessor Einheit (200)
bevorzugt wird, kann die vorliegende Erfindung auch mit zwei getrennten
Computereinheiten, z.B. zwei PCs, welche jeweils einen entsprechenden
ersten oder zweiten Prozessor wie hierin beschrieben bereitstellen,
ausgeführt
werden. Bei einer Realisierung der vorliegenden Erfindung können Windows® NT-Typ
Prozessoren verwendet werden.
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Um
eine direkte Bearbeitung am besten durchzuführen, ist es notwendig, sowohl
ein CAD/CAM-System als auch eine Maschinensteuerung mit bekannten
Architekturen zu haben, um einen Zugriff auf ihre internen Funktionen
zu ermöglichen.
Um das spezifizierte Teil zu bearbeiten muss z.B. eine mathematische
Darstellung von jeder Maschinenwerkzeugbahn, d.h. Bewegungsbahndaten, aus
der Konstruktion des herzustellenden Teils erzeugt werden.
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CAD
oder CAD/CAM-Pakete weisen eine Anwendungsprogrammschnittstelle
(Application Programm Interface, API) auf. Das API ist eine Schnittstelle
zwischen dem Betriebssystem und der Konstruktionsanwendung. Das
API definiert die Art und Weise, auf welche die Konstruktionsanwendung
mit dem Betriebssystem in Verbindung steht, und die Dienste, welche
das Betriebssystem der Konstruktionsanwendung zur Verfügung stellt.
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Eine
direkte Bearbeitung arbeitet am besten, wenn das Bewegungssteuerungsprogramm,
welches das Maschinenwerkzeug steuert, auf die Konstruktionsanwendung über ihr
API zugreifen kann und die Werkzeugbahnen für das Maschinenwerkzeug aus der
Konstruktionsdatei, welche von der Konstruktionsanwendung geöffnet wurde,
direkt entnehmen kann. Unglücklicherweise
scheinen herkömmliche CAD/CAM-Pakete öffentlich
zugängliche
APIs mit der notwendigen Funktionalität, um diese Entnahme zu bewerkstelligen,
nicht aufzuweisen. Wenn jedoch das API der Konstruktionsanwendung
verfügbar
wäre, wäre die beste
Ausführung
der vorliegenden Erfindung, die Maschinenwerkzeugbahnen einfach
direkt von den Konstruktionsdateidaten durch das API der Konstruktionsanwendung
zu entnehmen. Diese Entnahme würde
vorzugsweise von dem Programm, welches auf dem zweiten Prozessor
(204) läuft, durchgeführt werden.
Diese Maschinenwerkzeugbahnen können
dann von dem Maschinensteuerungsprogramm des zweiten Prozessors
(204) verwendet werden, um das Maschinenwerkzeug zu steuern,
um das spezifizierte Teil anzufertigen.
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Wenn,
wie es im Allgemeinen der Fall ist, das API für ein CAD/CAM-Paket nicht verfügbar ist,
können
die Prinzipien der vorliegenden Erfindung immer noch eine direkte
Bearbeitung bereitstellen. In diesem Fall stellt das Bewegungssteuerungsprogramm eine
API-Gruppe bereit, welche das CAD/CAM-Paket aufrufen kann, um Werkzeugbahninformation
zu dem Direktbearbeitungsprogramm zu übergeben.
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Um
zu verstehen, wie Werkzeugbahnen in der vorliegenden Erfindung der
Steuerung übergeben
werden, ist es notwendig, et was über
die Architektur des Programms, welches auf dem ersten (203) und
zweiten (204) Prozessor ausgeführt wird, zu verstehen. Wie
in 3 gezeigt, gibt es prinzipiell zwei Anwendungen,
welche auf dem Doppelprozessorsystem der vorliegenden Erfindung
laufen: der CAD-Interpreter (301) und die Bewegungssteuerung (305). Übereinstimmend
mit der obigen Erklärung und
wie in 3 gezeigt, wird der CAD-Interpreter (301)
vorzugsweise auf dem ersten Prozessor (203) ausgeführt. Die
Bewegungssteuerung (305) wird dagegen vorzugsweise auf
dem zweiten Prozessor (204) ausgeführt.
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Der
CAD-Interpreter (301) wird als eine Konstruktionsanwendung
betrachtet und ist geeignet die Konstruktionsdatei (309),
welche mit einem CAD-Paket erzeugt wurde, zu verarbeiten und die
relevanten Bearbeitungsinformationen, d.h. die Maschinenwerkzeugbahnen,
welche von den Daten in der Konstruktionsdatei (309) dargestellt
werden, daraus zu gewinnen. Der CAD-Interpreter (301) benötigt fast
keine Information über
die Steuerung oder das Maschinenwerkzeug, welches gesteuert werden
wird, um das spezifizierte Teil anzufertigen. Es ist jedoch der CAD-Interpreter
(301), der die Bewegungsbahndaten bereitstellt, welche
die Bewegungssteuerung (350) verwenden wird, um die Werkzeugköpfe des
Maschinenwerkzeugs zu führen.
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Wie
nachfolgend detaillierter beschrieben werden wird, ist die Bewegungssteuerung
(305) eine Anwendung, welche auf dem zweiten Prozessor (204)
läuft,
ist Teil des Bewegungssteuerungsprogramms der vorliegenden Erfindung
und empfängt die
Werkzeugbahndaten (310) von dem CAD-Interpreter (301)
auf dem ersten Prozessor (203). Die Bewegungssteuerung
(305) ist zuständig
für ein Übersetzen
der Werkzeugbahndaten (310) von dem CAD-Interpreter (301)
in Daten, welche verwendet werden können, um das Maschinenwerkzeug
geeignet zu steuern, um das spezifizierte Produkt herzustellen.
Die Bewegungssteuerung (305) bestimmt ferner eine Bewegungsberührung. Die
Bewegungssteuerung (305) enthält zwei Teilsysteme, welche diese
Aufgaben ausführen.
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Die
Bewegungsbahndaten (310), welche von dem CAD-Interpreter
(301) bereitgestellt werden, spezifizieren typischerweise
Werkzeugbahnen in einem kartesischen Koordinatensystem. Die Bewegungssteuerung
(305) fährt
zuerst einen Bewegungsplaner (307) aus, um die Werkzeugbahndaten von
einem kartesischen Raum in einen Gelenkraum abzubilden. Ein Gelenkraum
ist ein Koordinationssystem, welches die möglichen Bahnen des Werkzeugkopfes
oder der Köpfe
des Maschinenwerkzeugs definiert. Von den Gelenkraumdaten berechnet
ein Trajektorieplaner (308) die Aktuatorwerte, welche benötigt werden,
um den Werkzeugkopf oder die Köpfe
des Maschinenwerkzeugs entlang der spezifizierten Bahnen zu bewegen.
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Wie
in 3 gezeigt, werden die Aktuatorwerte dann zu einer
Stellantriebsteuerungsanwendung (306) übertragen, welche auch ein
Teil des Bewegungssteuerungsprogramms der vorliegenden Erfindung
ist. Die Stellantriebssteuerung (306) ist zuständig für ein Ausführen der
Stellantriebsteuerungsschleifen, um den Werkzeugkopf oder die Köpfe des Maschinenwerkzeugs
entlang der spezifizierten Werkzeugbahnen zu bewegen, was zu einer
Herstellung des gewünschten
Teils aus dem Rohmaterial an dem Maschinenwerkzeug führt.
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Vorzugweise
verwendet das System der vorliegenden Erfindung Objekte, welche
unter Verwendung der C++-Computersprache geschrieben sind. C++-Objekte
sind Datenstrukturen, welche sowohl Elemente (Unterdatenstrukturen
oder Variablen) als auch mit ihnen in Verbindung gebrachte Methoden (Funktionen,
welche an den Objekten aufgerufen werden können) aufweisen. Funktionen
können
ein Objekt auf eine Frage "fragen", indem eine geeignete Funktion
an diesem Objekt aufgerufen wird. Die „Antwort" wird durch den Rückgabewert der Funktion gewonnen.
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C++-Objekte
weisen ferner die Eigenschaften von Vererbung und Polymorphismus
auf. Vererbung beschreibt die Fähigkeit
einer Objektklasse, Eigenschaften von einer Elternklasse zu erben.
Z.B. werden alle speziellen Elemente oder Methoden, welche für die Kindklasse
(oder abgeleitete Klasse) definiert sind, auch alle Elemente, Methoden
und Eigenschaften der Elternklasse aufweisen. Dementsprechend kann
ein Objekt der abgeleiteten Klasse als entweder ein Element der
Kindklasse oder als ein Element der Elternklasse behandelt werden.
Polymorphismus ermöglicht,
dass alle Klassen, welche von der gleichen Elternklasse abgeleitet
sind, die gleiche Schnittstelle aufweisen können, so dass Objekte sie äußerlich
wie die Elternklasse behandeln können.
Wenn jedoch die Funktionen in dieser Schnittstelle aufgerufen werden,
kann das Verhalten des Objekts in Abhängigkeit von der abgeleiteten Klasse
des Objekts sehr unterschiedlich sein.
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Die
Bewegungssteuerung (305) enthält die Elementobjekte (307 und 308),
welche die speziellen zuvor erwähnten
Funktionen ausführen.
Das Kinematikobjekt (307) transformiert kartesische Werte
in Gelenkwerte und das Gelenklistenobjekt (308) transformiert
dann Gelenkwerte in Aktuatorwerte. Das Gelenklistenobjekt (308)
enthält
vorzugsweise für
jedes Gelenk des Maschinenwerkzeugs, welches gesteuert wird, ein
spezielles Gelenkaktuatorobjekt. Somit wird die Gelenk-zu-Aktuator-Transformation von
einem getrennten Gelenkt-Aktuatorobjekt für jedes Gelenkt durchgeführt. Die
Aktuatorpositionen und Raten werden dann zu dem Stellantriebsteuerungsprogramm
(306) übergeben.
Das Kinematikobjekt und die Gelenk-Aktuatorobjekte, welche die Bewegungssteuerung
(305) verwendet, werden in Wirklichkeit von Basisklassen
abgeleitet und werden basierend auf der Art der Transformation,
welche sie darstellen (z.B. ein Drei- oder Fünfachsenmaschinenwerkzeug für die Kinematik
und ein Zahnrad- oder Kugelgewindetrieb für den Gelenkaktuator), unterschiedlich
sein.
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Die
Stellantriebsteuerungsanwendung (306) enthält Zeiger
zu Objekten, welche Aufgaben, wie Schließen der Stellantriebsteuerschleifen
und in Verbindungtreten mit den Motoren, ausführen. (Siehe 4 und 5).
Wie bei der Bewegungssteuerung (305) enthält die Stellantriebsteuerungsanwendung (306)
Objekte, welche auch von Basisklassen abgeleitet sind. Z.B. enthält die Stellantriebsteuerung
Objekte, welche die Stellantriebsteuerschleife ausführen, aber
das Objekt wird eines von verschiedenen abgeleiteten Klassen basierend
auf der Steuerregel, welches sie realisiert (z.B. PID usw.), sein.
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Eine
Herstellungsinformation wird vorzugsweise von dem CAD-Interpreter (301)
zu der Bewegungssteuerung (305) über ein C++-Objekt, welches Bewegungsobjekt
(302) genannt wird, geschickt. Nachdem die Bewegungssteuerung
(305) das Bewegungsobjekt (302) von dem CAD-Interpreter
(301) empfangen hat, erhält sie alle notwendigen Werkzeugbahninformationen
durch Abfragen des Bewegungsobjekts (302). Das Bewegungsobjekt
(302) wird von dem CAD-Interpreter (301) erzeugt
und teilt der Bewegungssteuerung (305) die Position und Ausrichtung
mit, an welcher das Werkzeug zu einer beliebigen Zeit während einer
Bewegung des Werkzeugkopfes entlang der Werkzeugbahn sein soll.
Der Bewegungsprozessor (305) verwendet dann die C++-Objekte, welche er
enthält,
wie zuvor beschrieben, um die Werkzeugposition, Ausrichtung usw.
in die Aktuatorwerte, welche die Stellantriebsteuerung (306)
verwenden wird, zu transformieren. Die Stellantriebsteuerung (306)
wird dann Steuerregeln verwenden, welche in dem System gespeichert
wurden und speziell für
das gesteuerte Maschinenwerkzeug sind, um die Drehmomente zu berechnen,
welche auf die Motoren des Maschinenwerkzeugs anzuwenden sind, um
diese Werte zu erreichen.
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4 stellt
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar, in welcher Analogmotoren verwendet
werden, um die Teile des Maschinenwerkzeugs anzutreiben, um den
Maschinenkopf über
die gewünschte
Werkzeugbahn zu bewegen. In einer derartigen Ausführungsform
weist die Stellantriebsteuerung (306) Digita1/Analog-Ansteuerungen (402)
auf, welche digitale Steuersignale für die Motoren (406)
zu einer Digital/Analog-Umwandlungsbaugruppe
(404) in der Systemschnittstelle (206) übertragen.
Die analogen Steuersignale von der Umwandlungsbaugruppe (404)
werden dann verstärkt (407)
und zu den Motoren (406) geliefert. Ein Sensor (405),
welcher jedem Motor (406) zugeordnet ist, erfasst z.B.
das tatsächliche
Drehmoment, die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung des
Motors (406) und stellt ein Analogsignal einer Analog/Digital-Umwandlungsbaugruppe
(403) in der Systemschnittstelle (206) bereit.
Die digitalisierten Sensorsignale werden dann den Analog/Digital-Ansteuerungen
(401) der Stellantriebsteuerung (306) bereitgestellt,
um die Rückkopplungsschleife
zu vervollständigen,
welche der Stellantriebssteuerung (306) ermöglicht,
die Motoren (406) wie gewünscht gemäß den spezifizierten Werkzeugbahnen
anzusteuern.
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Dieses
Verfahren kann und wird vorzugsweise insgesamt als Programm realisiert,
wobei keine zusätzliche
Hardware benö tigt
wird. Somit können geschlossene
Hardwarearchitekturen vermieden werden.
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5 stellt
eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar, in welcher Digitalmotoren verwendet
werden, um die Teile des Maschinenwerkzeugs anzusteuern, um den
Maschinenkopf über
die gewünschte
Werkzeugbahn zu bewegen. Bei dieser Ausführungsform weist die Systemschnittstelle
(206) eine serielle Kommunikationsvorrichtung (502)
auf, welche über
ein Hochgeschwindigkeitsdatennetzwerk (506) mit der digitalen
Motorschnittstelle (503) einer jeden Motoreinheit in Verbindung
steht. Steuersignale, welche Drehmomenteinstellpunkte festlegen,
werden von der digitalen Motorschnittstelle (503) empfangen
und in ein analoges Signal umgewandelt, welches dann mit einem Motorverstärker (504)
verstärkt
wird und verwendet wird, um die entsprechenden Motoren (505)
wie benötigt
anzusteuern, um das Maschinenwerkzeug über die spezifizierten Werkzeugbahnen
zu bewegen. Wie zuvor, vervollständigen
Sensoren die Stellantriebschleife, welche vollständig programmgesteuert sein
kann.
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Wie
hierin beschrieben, stellen das direkte Bearbeitungsverfahren und
das System der vorliegenden Erfindung eine Fülle von Vorteilen gegenüber herkömmlichen
Bearbeitungstechniken bereit. Eine direkte Bearbeitung vermeidet,
aufgrund der Verwendung der tatsächlichen
Konstruktionsgeometrie anstatt nur der in CL-Dateien und M&G-Code verwendeten
diskreten Punktdaten, viele der Probleme, welche in Verbindung mit
den herkömmlichen
Verfahren von der Konstruktion bis zu einem Hersteller entstehen.
Da eine Bearbeitung auf der ursprünglichen Konstruktionsgeometrie
basiert, gibt es keinen geometrischen Informationsverlust oder eine
Schätzung.
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Da
keine neue Dateien erzeugt werden, gibt es zusätzlich kein Problem mit veralteten
CL- und M&G-Dateien,
welche sich auf dem System befinden und welche unabsichtlich verwendet
werden können, um
ein Teil fehlerhaft zu bearbeiten. Änderungen an der Konstruktionsdatei
werden direkt in dem Betrieb des gesteuerten Maschinenwerkzeugs
widergespiegelt. Es gibt ferner indirekte Vorteile, welche in Verbindung
mit einer direkten Bearbeitung stehen, und welche einen Produktionsstättenzugriff
auf das ursprüngliche
Modell aufweisen. Obwohl viele Bearbeitungszentren geeignet sind,
prozessinterne Kontrollen durchzuführen, kann diese Kontrolle
mit dem in der Steuerung (200) vorhandenen CAD-Modell unter Verwendung
eines Berührungsfühlers durchgeführt werden
und gegen das Modell selbst im Gegensatz zu einer Extrapolation
von Schneidpositionpunkten in der M&G-Datei überprüft werden. Zusätzlich kann gefordert
sein, dass die Steuerung (200) die Konstruktionsdatei aus
einem Produktdatenverwaltungssystem (Product Data Management System,
PDM) entnimmt, mit welchem die Steuerung (200) über ein Netzwerk
verbunden ist, was ferner die Möglichkeit einer
Bearbeitung veralteter Teile vermeidet.
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Ein
Beispiel des Verfahrens eines Erzeugens von Werkzeugbahnen von der
CAD-Datei (309) und eines Erzeugens des Bewegungsobjekts,
um diese Werkzeugbahndaten einzubeziehen, wird nun detaillierter
beschrieben werden. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten einer Bearbeitung:
eine Vorbearbeitung und eine Endbearbeitung. Eine Vorbearbeitung
entfernt den Großteil
des Materials von dem Rohmaterial, während eine Endbearbeitung versucht,
die Fläche
des Rohmaterials an eine genaue Fläche, welche für das Teil
spezifiziert ist, anzupassen. Bei diesem Beispiel werden wir uns
nur mit den Endbearbeitungswerkzeugbahnen bei Fräsvorgängen interessieren.
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Werkzeugbahnen
stellen die Bahn dar, welcher die Mitte der Spitze des Werkzeugkopfes
des Maschinenwerkzeugs folgt, und nicht die Bahn des Punktes einer
Berührung
zwischen der Fläche
des Teils und des Werkzeugs. Bei einigen einfachen Vorgängen, wie
Flächenfräsen, ist
die Werkzeugspitze der Berührpunkt,
so dass die Werkzeugbahnen direkt auf der bearbeiteten Fläche liegen.
Bei etwas komplizierteren Bearbeitungen, wie z.B. einer Herstellung von
Taschen, führt
die Seite des Schaftfräsers
das Schneiden aus. In diesem Fall liegen die Werkzeugbahnen auf
einer Fläche,
welche um einen Abstand des Radius des Werkzeugs versetzt zu der
bearbeiteten Fläche
ist.
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Die
Sache ist ein wenig komplizierter, wenn Freiformflächen hergestellt
werden, da derartige Flächen
häufigen
unter Verwendung von Kugelschaftfräsern hergestellt werden, welche
eine kugelförmige Spitze
mit dem gleichen Radius wie das Werkzeug aufweisen. Werkzeugspitzenpositionen
werden für Kugelschaftfräser unter
Verwendung der folgenden Gleichung berechnet: P(s,t)
= Q(s,t) + RN(s,t) – [0,0,R]wobei
R der Radius des Kugelschaftfräsers
ist, Q(s,t) die Berührpunkte
sind und N(s,t) die Flächennormalen
an jedem Berührpunkt
Q(s,t) sind. Wenn die kugelförmige
Spitze des Werkzeugs die Teilfläche
berührt,
liegt die Mitte der Werkzeugspitze an einer Fläche, welcher von der Teilfläche um den
Radius des Werkzeugs versetzt ist. Wenn das Werkzeug vertikal ausgerichtet
ist, wie es bei einer Drei-Achsen-Bearbeitung ist, dann ist die
Werkzeugspitze in der Z-Richtung genau einen Radius niedriger als
die Mitte des kugelförmigen
Abschnitts des Werkzeugs. Um die Fläche, welcher die Werkzeugspitze
folgt, zu erzeugen, wird eine Fläche
von der bearbei teten Fläche
versetzt und dann entlang der Z-Achse um den Radius des Kugelschaftfräsers abgesenkt.
Diese Fläche
wird dann mit vertikalen Ebenen geschnitten, um tatsächliche
Werkzeugbahnen zu definieren.
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In
der zuvor beschriebenen C++-Umgebung sind alle Bewegungsobjekte,
welche zu der Bewegungssteuerung (305) geführt werden,
tatsächlich Elemente
von Klassen, welche von dem Bewegungsobjekt (302) abgeleitet
sind. Für
spezielle Steuerungszwecke können
viele unterschiedliche abgeleitete Klassen des Bewegungsobjekts
(302) vorhanden sein. Die Eleganz dieser Anordnung ist,
dass die Bewegungssteuerung (305) niemals weiß, welche Art
eines Bewegungsobjekts ihr übergeben
wird. Solange das übergebene
Objekt eine Schnittstelle des Bewegungsobjekts (302) aufweist,
braucht die Bewegungssteuerung (305) keine weiteren Informationen. Dies
bedeutet, dass neue Bewegungsobjekte entwickelt und in den CAD-Interpreter
(301) integriert werden können, und dass die Bewegungssteuerung (305)
diese verstehen kann, ohne selbst aktualisiert zu werden.
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Wie
zuvor angemerkt, spezifiziert das der Bewegungssteuerung (305) übergebene
Bewegungsobjekt typischerweise Werkzeugbahnen in kartesischen Koordinaten.
Dies ist eine geeignete Art, um eine Bewegung zu spezifizieren,
welcher auf einer vorgeschriebenen Bahn, wie der bei Bearbeitungsvorgängen, zu
folgen ist. Dementsprechend kann eine spezielle Kindklasse des Bewegungsobjekts
(302) die grundlegende kartesische Bewegungsobjektklasse
genannt werden. Der Einfachheit halber werden nachfolgend alle Bezüge auf ein
Bewegungsobjekt als ein Bezug auf ein grundlegendes kartesisches
Bewegungsobjekt verstanden werden.
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Wie
in 6 dargestellt, enthalten diese abgeleiteten Bewegungsobjekte
(600) vorzugsweise drei Elemente von speziellen Klassen:
ein Ratenobjekt (601), ein Beschleunigungsprofilerzeugungsobjekt
(602) (Velocity Profile Generator, „VPG") und ein Bahnobjekt (603).
Das Ratenobjekt (601) bestimmt die zu verwendenden Zuführungen
und Geschwindigkeiten, das VPG-Objekt
(602) steuert die Beschleunigungsübergänge und das Bahnobjekt (603) enthält alle
Informationen über
die Geometrie der Bahn.
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Genau
wie das Bewegungsobjekt (600) ist auch das Bahnobjekt (603)
eine Basisklasse, von welcher spezielle Bahnen abgeleitet werden.
Bahnobjekte (603) speichern die Geometrie als eine parametrische
Gleichung. Mit diesen parametrischen Gleichungen kann das Bahnobjekt
(603) dem Bewegungsobjekt (600) die gewünschte Position
und Ausrichtung des Werkzeugs an jedem Punkt entlang der Kurve mitteilen.
Das Bewegungsobjekt (600) kombiniert dies Geometrie mit
der Information, welche in dem Ratenobjekt (601) und dem
VPG-Objekt (602) enthalten ist, und berechnet für jede Zeit
eine Position und Ausrichtung. Da die Bahnobjekte (603)
immer Elemente von abgeleiteten Klassen sind, benötigt das
Bewegungsobjekt keine Beschreibung der Art des Bahnobjekts, mit
welchem es arbeitet.
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Diese
Art eines Übertragens
einer Geometrie zu der Steuerung ist sehr unterschiedlich zu dem, was
derzeit mit einem M&G-Code gemacht wird,
und weist einige erhebliche Folgen auf. In dem System gemäß dem Stand
der Technik von 1 wird der Maschinenwerkzeugsteuerung
(104) die minimale Menge von geometrischer Information
gegeben, welche gebraucht wird, um die Werkzeugbahn zu definieren.
Die Steuerung (104) verwendet dann diese Geometrie, um
eine durchgängige
Bewegungsbahn zu interpolieren. Zum Beispiel definieren zwei Endpunkte
ein Li niensegment und zwei Endpunkte, ein Mittelpunkt und eine Drehrichtung
definieren eine Schraublinie oder einen Bogen.
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Eine
Verwendung der polymorphen C++-Objekte der vorliegenden Erfindung,
um geometrische Information weiterzuleiten, erfordert nicht, dass
die Bewegungssteuerung (305) weiß, welche Art von Bahn sie
empfangen hat. Ferner ist die Bahn nur als eine allgemeine Kurve
bekannt, welche der Bewegungssteuerung (305) ihre Geometrie
bis zu einem beliebigen notwendigen Detaillierungsgrad mitteilen kann.
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Die
Verwendung von polymorphen C++-Objekten, wie hierin beschrieben,
bedingt eine viel größere Menge
an Datenverarbeitung und Speicherung als dies in vorhergehenden
Systemen, wie zum Beispiel in 1 dargestellt,
benötigt
wurde. Dies ist jedoch kein erhebliches Problem, da moderne Steuerungen
schnell genug sind und genügend
Speicher aufweisen, um einen derartigen Anstieg im Datenfluss handzuhaben.
Ein erheblicher Vorteil der direkten Bearbeitung ist, dass die Steuerung
genau die Menge von Information empfängt, welche sie braucht. Schließlich müssen alle
Kurven in kleine diskrete Segmente aufgebrochen werden, wenn die I/O-Befehle
zu den Antriebsmotoren geschickt werden. Herkömmlicherweise wird die Kurve
von dem CAM-Programm diskretisiert, wenn eine APT-Datei exportiert
wird. Bei einer direkten Bearbeitung diskretisiert die Bewegungssteuerung
die Kurve. Dies ermöglicht
der Steuerung, ständig
mit ihrer besten Toleranz zu arbeiten.