TWI641931B - 工具機控制指令與參數的自動生成裝置及其方法 - Google Patents

工具機控制指令與參數的自動生成裝置及其方法 Download PDF

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Abstract

本發明指令與參數的生成裝置包含：解譯模組、規劃模組、模擬分析模組及最佳化演算模組，而本發明指令與參數生成方法是由解譯模組將工件程式解譯產生出加工件的軌跡座標；再以規劃模組對軌跡座標進行插值演算，產生刀具加工的路徑訊息與速度訊息；隨後模擬分析模組由路徑訊息與速度訊息分析出刀具的運動軌跡特性，並同時進行切削模擬訊息；最後，最佳化演算模組依據加工件不同區塊的運動軌跡特性與切削模擬訊息，生成對應區塊的最佳化控制參數。本發明乃可建置在工具機控制系統之外獨立運行的輔助裝置，或是可當作工具機控制系統的子單元，運作於工具機控制系統中。

Description

工具機控制指令與參數的自動生成裝置及其方法
本發明有關於一種工具機中控制指令與參數的自動生成裝置以及自動生成方法，特別是指將加工件通過事先的模擬分析演算，針對各區塊不同的運動軌跡特性與模擬切削品質來產生最佳化控制參數的生成裝置及生成方法。
請參閱圖1A所示習知工具機的數值控制，主要是在實際進行加工時，對於刀具的軌跡規劃與運動控制乃是在調機階段便以調整決定一加工參數，因此，在面對多樣性的加工工件內含各種不同特性的刀具軌跡時，僅能將加工品質與效率妥協於一組固定參數。
請參閱圖1B所示習知另一種工具機的數值控制，可依據特定的刀具路徑條件，或是以事先設定工件加工的類型條件，切換所使用的參數來解決固定參數所造成加工品質與效率的限制。然而，此種切換使用加工參數條件的方式，亦不過只是另一個在調機時期便已決定或甚至是內部不可變動的固定參數。
為解決單一參數或固定條件下所決定選用的參數條件，造成加工品質與效率有所限制，請參閱圖1C所示習知再一種工具機的數值控制，此種方式乃是提供一組高速高精控制指令讓使用者可視需求改變預設的加工參數，竟自行將加工參數插入於工件程式中，讓使用者實際在加工過程中，依據習知的經驗或經過反復測試修改，以求最佳化的加工結果。
然而前述三種習知工具機的數值控制方法，就算能部份解決固定參數與實際加工品質與效率之間的妥協，但仍無法避免經過反復實際測試加工修改所帶來時間與資源上的浪費。
本發明的主要目的在於提供一種採用新型演算技術的控制指令與參數生裝置及方法，協助使用者快速地依據不同工件程式或是工件中不同區塊的加工軌跡特性與加工幾何精度、表面精度的要求，在相對應不同區塊的工件程式中，最佳化對應區塊中的相關加工參數。讓傳統工具機數值控制中能夠對加工參數進行調整，同時具備彈性、最佳化與效率。
本發明的次要目的在於讓使用者快速完成調整之後，提供精確的即時刀具加工路徑與切削模擬，並以立即預覽方式驗證高速高精控制指令所進行加工參數最佳化的結果。
為達前述目的，本發明工具機控制指令與參數的自動生成裝置包含：一解譯模組、一規劃模組、一參數模組、一模擬分析模組以及一最佳化演算模組。上述解譯模組讀入一工件程式，並解譯上述工件程式產生一加工件的軌跡座標。上述規劃模組電性連接於上述解譯模組，用以取得上述軌跡座標，並依據上述軌跡座標插值演算產生刀具加工的一路徑訊息與一速度訊息。上述參數模組內建有複數個加工參數的設定值；上述模擬分析模組電性連接於上述規劃模組以及參數模組，用以取得上述路徑訊息、速度訊息以及加工參數，並依據上述路徑訊息與速度訊息分析出刀具的運動軌跡特性，並產生切削模擬訊息。上述最佳化演算模組電性連接於上述模擬分析模組以及解譯模組，用以取 得上述運動軌跡特性以及切削模擬訊息，並依上述加工件不同區塊所採用的運動軌跡特性與切削模擬訊息，生成對應區塊的最佳化控制參數。
其中，上述最佳化控制參數是由一內建於上述最佳化演算模組中的資料庫自動擷取或是由一使用者手動微調所生成。
此外，上述最佳化控制參數後續將傳送至上述解譯模組，由上述解譯模組將上述工件程式與最佳控制參數共解譯出上述加工件的最佳化軌跡座標。後續，上述解譯模組可進一步將上述最佳化軌跡座標傳輸給上述規劃模組進行第二次插值演算與速度規劃。亦或是將上述最佳化軌跡座標傳輸給一伺服執行單元進行實際產品加工。
於一可行實施例中，上述最佳化演算模組可在加工件的每一區塊生成對應的最佳化控制參數。於另一可行實施例中，上述最佳化演算模組亦可在加工件的局部區塊生成對應的最佳化控制參數。
再者，上述運動軌跡特性包含：加工軌跡之角度、加工軌跡之角度變化程度、加工軌跡之曲率、加工軌跡之曲率變化、小線段近似為曲線之擬和弦誤差(Chord Error)、在轉角與曲線軌跡在急衝度(Jerk)與精度要求下之運動速度、加速度上限，相鄰軌跡之曲率、角度變化一致性的其中至少一種資料。
上述最佳化控制參數包含：加減速時間、最短加減速時間、切線與向心加速度上限、曲線與單軸急衝度上限、小線段近似為曲線之擬和弦誤差上限、直線轉角所允許之誤差上限與誤差控制下之曲線擬和功能開關、連續小線段近似為圓弧功能開關、進階伺服控制補償機制之調整與開關、伺服前饋控制之調整與開關的其中至少一種。
上述模擬分析模組用以產生模擬加工工件之表面精度或表面光潔度評估、模擬加工工件之過切與欠切預測、模擬加工工件之振紋或異常紋路預測的其中至少一種工件加工表面特性的分析資料。
上述自動生成裝置進一步包含有一預覽模組，上述預覽模組電性連接於上述模擬分析模組取得上述切削模擬訊息，用以顯示預覽的切削加工模擬路徑。
另外，本發明工具機控制指令與參數的自動生成方法包含：一解譯步驟，解譯一工件程式產生出一加工件的軌跡座標；一規劃步驟，對上述軌跡座標進行插值演算，並產生刀具加工的一路徑訊息與一速度訊息；一模擬分析步驟，由上述路徑訊息與速度訊息分析出刀具的運動軌跡特性，並同時產生切削模擬訊息；一最佳化演算步驟，依上述加工件不同區塊所採用的運動軌跡特性與切削模擬訊息，生成對應區塊的最佳化控制參數。
於一較佳實施例中，上述最佳化演算步驟之前進一步包含一預覽步驟，顯示預覽的切削加工模擬路徑。且上述最佳化演算步驟之後進一步包含一二次解譯步驟，對上述工件程式與最佳化控制參數進行插值演算，產生出上述加工件的最佳化軌跡座標。
其中，上述最佳化演算步驟是由一資料庫自動擷取、一使用者手動微調或是同時經由資料庫自動擷取與使用者手動微調的其中一種方式生成上述最佳化控制參數。
上述模擬分析步驟判定上述運動軌跡特性的加工軌跡之角度、加工軌跡之角度變化程度、加工軌跡之曲率、加工軌跡之曲率變化、小線段近似為曲線之擬和弦誤差(Chord Error)、在轉角與曲線軌跡在急衝度(Jerk)與精度要求 下之運動速度、加速度上限，相鄰軌跡之曲率、角度變化一致性的其中至少一種資料。
上述模擬分析步驟經由上述軌跡座標的插值演算後，估算與分析加工路徑軌跡、加工路徑軌跡曲率、加工路徑軌跡曲率變化率、加工路徑軌跡角度、加工路徑軌跡角度變化率、加工路徑軌跡與原工件程式之誤差、相鄰加工路徑軌跡之相似性含梯度變化率、距離變化率的其中至少一種幾何資料。
上述模擬分析步驟經由上述最佳化軌跡座標的插值演算後，估算與分析經由上述規劃模組規劃出實際運動速度後之進給速度、進給加速度、進給急衝度、相鄰加工路徑進給速度一致性、實際加工之輪廓誤差、實際加工之加工時間的其中至少一種運動資料。
本發明特點在於依據刀具加工路徑之幾何分析與內建刀路特性資料庫等輔助功能與單元，能自動判別出不同工件刀具路徑之特性，並同時參酌使用者指定之加工幾何精度、表面精度之要求與設定之相關加工參數，即時模擬計算出實際加工之刀具軌跡與精確之切削擬，以協助使用者快速地依據不同工件程式或工件中不同區塊之加工軌跡特性與加工幾何精度、表面精度之要求在相對應不同區塊之工件程式中彈性地最佳化該區塊相關之加工參數。
本發明採事前模擬並自動生成最佳化之高速高精控制指令與參數，將可大幅降低或免除往復加工測試與調整所造成之時間與資源之浪費。且本發明自動依據各工件區塊不同刀具路徑與加工品質分別以高速高精控制指令與參數加以調整，進一步免除了工件整體加工品質對於固定控制參數的妥協。
1‧‧‧自動生成裝置
10‧‧‧解譯模組
11‧‧‧規劃模組
12‧‧‧參數模組
13‧‧‧模擬分析模組
14‧‧‧預覽模組
15‧‧‧最佳化演算模組
16‧‧‧工件程式
17‧‧‧伺服執行單元
18‧‧‧最佳化控制參數
P1‧‧‧解譯步驟
P2‧‧‧規劃步驟
P3‧‧‧模擬分析步驟
P4‧‧‧預覽步驟
P5‧‧‧最佳化演算步驟
P6‧‧‧二次解譯步驟
圖1A至圖1C為習知三種不同工具機內建數值控制模組的方塊圖；圖2為本發明工具機控制指令與參數自動生成裝置的方塊圖；圖3為本發明工具機控制指令與參數自動生成方法的流程圖；圖4為本發明模擬分析模組產生刀具加工路徑模擬的示意圖；圖5為本發明模擬分析模組產生加工切削模擬的示意圖；圖6為本發明最佳化演算模組對刀具加工路徑特性判別的示意圖；圖7為本發明最佳化演算模組自動生成最佳化控制參數的示意圖。
茲為便於更進一步對本發明之構造、使用及其特徵有更深一層明確、詳實的認識與瞭解，爰舉出較佳實施例，配合圖式詳細說明如下：
請參閱圖2所示一較佳實施例，本發明自動生成裝置1乃可建置在工具機控制系統之外獨立運行的輔助裝置，或是可當作工具機控制系統的子單元，運作於工具機控制系統中。上述自動生成裝置1包含：一解譯模組10、一規劃模組11、一參數模組12、一模擬分析模組13、一預覽模組14以及一最佳化演算模組15等五部分。
其中，上述規劃模組11電性連接於上述解譯模組10，上述參數模組12電性連接於上述規劃模組11，上述模擬分析模組13電性連接於上述規劃模組11，上述預覽模組14電性連接於上述模擬分析模組13，而上述最佳化演算模組15分別上述模擬分析模組13以及解譯模組10電性連接。
當一工件程式16傳輸至上述解譯模組10，上述解譯模組10將解譯上述工件程式16，並產生一加工件的軌跡座標，再將上述軌跡座標傳輸至上述規劃模組11。
上述規劃模組11於取得上述軌跡座標的資料後，將對上述軌跡座標進行插值演算，並產生刀具加工的一路徑訊息與一速度訊息，再將上述路徑訊息與速度訊息傳輸至上述模擬分析模組13。
上述參數模組12內建有複數個不同加工件的加工參數的設定值，並將上述加工參數傳輸至上述模擬分析模組13。
上述模擬分析模組13於取得上述路徑訊息、速度訊息以及加工參數後，將依據上述路徑訊息與速度訊息分析出刀具的運動軌跡特性，並同時進行切削模擬訊息，後續再把上述運動軌跡特性以及切削模擬訊息傳輸至上述最佳化演算模組15。
上述預覽模組14於取得上述切削模擬訊息後，即可顯示預覽的切削加工模擬路徑。
上述最佳化演算模組15於取得上述運動軌跡特性以及切削模擬訊息後，針對上述加工件不同區塊所採用的運動軌跡特性與切削模擬訊息，生成對應區塊的最佳化控制參數18。
其中，上述最佳化控制參數18是由一內建於上述最佳化演算模組15中的資料庫自動擷取或是由一使用者手動微調所生成。且上述最佳化演算模組15可在加工件的每一區塊生成對應的最佳化控制參數18，或者是上述最佳化演算模組15亦可在加工件的局部區塊生成對應的最佳化控制參數18。
此外，上述最佳化控制參數18後續將傳送至上述解譯模組10，由上述解譯模組10將上述工件程式16與最佳控制參數共解譯出上述加工件的最佳化軌跡座標。後續，上述解譯模組10可進一步將上述最佳化軌跡座標傳輸給上 述規劃模組11進行第二次插值演算，亦或是將上述最佳化軌跡座標傳輸給一伺服執行單元17進行實際產品加工。
於一可行實施例中，上述運動軌跡特性包含：加工軌跡之角度、加工軌跡之角度變化程度、加工軌跡之曲率、加工軌跡之曲率變化、小線段近似為曲線之擬和弦誤差(Chord Error)、在轉角與曲線軌跡在急衝度(Jerk)與精度要求下之運動速度、加速度上限，相鄰軌跡之曲率、角度變化一致性的其中至少一種資料。
上述最佳化控制參數18包含：加減速時間、最短加減速時間、切線與向心加速度上限、曲線與單軸急衝度上限、小線段近似為曲線之擬和弦誤差上限、直線轉角所允許之誤差上限與誤差控制下之曲線擬和功能開關、連續小線段近似為圓弧功能開關、進階伺服控制補償機制之調整與開關、伺服前饋控制之調整與開關。
上述模擬分析模組13用以產生模擬加工工件之表面精度或表面光潔度評估、模擬加工工件之過切與欠切預測、模擬加工工件之振紋或異常紋路預測的其中至少一種工件加工表面特性的分析資料。
請參閱圖3所示，於一較佳實施例中，本發明方法包含：一解譯步驟P1；一規劃步驟P2；一模擬分析步驟P3、一預覽步驟P4、一最佳化演算步驟P5以及一二次解譯步驟P6等六部分。
其中，上述解譯步驟P1解譯一工件程式16產生出一加工件的軌跡座標；上述規劃步驟P2對上述軌跡座標進行插值演算，並產生刀具加工的一路徑訊息與一速度訊息。
請參閱圖4及圖5所示，上述模擬分析步驟P3於讀取上述路徑訊息與速度訊息後，分析規劃出加工刀具的實際運動軌跡特性，並同時進行切削模擬訊息，隨後再由上述預覽步驟P4即時顯示預覽的切削加工模擬路徑。
其中，上述模擬分析步驟P3判定上述運動軌跡特性的加工軌跡之角度、加工軌跡之角度變化程度、加工軌跡之曲率、加工軌跡之曲率變化、小線段近似為曲線之擬和弦誤差(Chord Error)、在轉角與曲線軌跡在急衝度(Jerk)與精度要求下之運動速度、加速度上限，相鄰軌跡之曲率、角度變化一致性的其中至少一種資料。
請參閱圖6及圖7所示，上述最佳化演算步驟P5依上述加工件不同區塊所採用的運動軌跡特性與切削模擬訊息，選出上述加工件加工路徑不同的特性，自動生成對應區塊(前部曲塊或部分區塊)的最佳化控制參數18。
如圖所示，上述最佳化演算步驟P5是由一資料庫自動擷取生成上述最佳化控制參數18。然而此僅用為方便舉例說明之用，亦即上述最佳化演算步驟P5亦可由一使用者手動微調生成上述最佳化控制參數18，或者是同時經由上述資料庫的自動擷取與使用者的手動微調來生成上述最佳化控制參數18。
最後，上述二次解譯步驟P6對上述工件程式16與最佳化控制參數18進行插值演算，產生出上述加工件的最佳化軌跡座標。
其中，上述模擬分析步驟P3經由上述軌跡座標的插值演算後，估算與分析加工路徑軌跡、加工路徑軌跡曲率、加工路徑軌跡曲率變化率、加工路徑軌跡角度、加工路徑軌跡角度變化率、加工路徑軌跡與原工件程式之誤差、相鄰加工路徑軌跡之相似性含梯度變化率、距離變化率的其中至少一種幾何資料。
另外，若上述模擬分析步驟P3經由上述最佳化軌跡座標的插值演算後，估算與分析經由上述規劃模組11規劃出實際運動速度後之進給速度、進給加速度、進給急衝度、相鄰加工路徑進給速度一致性、實際加工之輪廓誤差、實際加工之加工時間的其中至少一種運動資料。
以上所舉實施例，僅用為方便說明本發明並非加以限制，在不偏離本發明精神範疇，熟悉此一行業技藝人士依本發明申請專利範圍及發明說明所作之各種簡易變形與修飾，均仍應含括於以下申請專利範圍中。

Claims (19)

  1. 一種工具機控制指令與參數的自動生成裝置，包含：一解譯模組，讀入一工件程式，並解譯上述工件程式產生一加工件的軌跡座標；一規劃模組，電性連接於上述解譯模組，用以取得上述軌跡座標，並依據上述軌跡座標插值演算產生刀具加工的一路徑訊息與一速度訊息；一參數模組，內建有複數個不同加工件的加工參數；一模擬分析模組，電性連接於上述規劃模組與參數模組，用以取得上述路徑訊息、速度訊息以及加工參數，並依據上述路徑訊息與速度訊息分析出刀具的運動軌跡特性，並產生切削模擬訊息；一最佳化演算模組，電性連接於上述模擬分析模組以及解譯模組，用以取得上述運動軌跡特性以及切削模擬訊息，並依上述加工件不同區塊所採用的運動軌跡特性與切削模擬訊息，生成對應區塊的最佳化控制參數；以及其中，上述最佳化控制參數將傳送至上述解譯模組，由上述解譯模組將上述工件程式與最佳控制參數共解譯出上述加工件的最佳化軌跡座標。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述工具機控制指令與參數的自動生成裝置，其中，上述解譯模組進一步將上述最佳化軌跡座標傳輸給上述規劃模組進行第二次插值演算。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述工具機控制指令與參數的自動生成裝置，其中，上述解譯模組進一步將上述最佳化軌跡座標傳輸給一伺服執行單元進行實際產品加工。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述工具機控制指令與參數的自動生成裝置，其中，上述自動生成裝置進一步包含一預覽模組，電性連接於上述模擬分析模組取得上述切削模擬訊息，用以顯示預覽的切削加工模擬路徑。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述工具機控制指令與參數的自動生成裝置，其中，上述最佳化演算模組在加工件的每一區塊生成對應的最佳化控制參數。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述工具機控制指令與參數的自動生成裝置，其中，上述最佳化演算模組在加工件的局部區塊生成對應的最佳化控制參數。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述工具機控制指令與參數的自動生成裝置，其中，上述最佳化控制參數是由一內建於上述最佳化演算模組中的資料庫自動擷取或是由一使用者手動微調所生成。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述工具機控制指令與參數的自動生成裝置，其中，上述運動軌跡特性包含：加工軌跡之角度、加工軌跡之角度變化程度、加工軌跡之曲率、加工軌跡之曲率變化、小線段近似為曲線之擬和弦誤差(Chord Error)、在轉角與曲線軌跡在急衝度(Jerk)與精度要求下之運動速度、加速度上限，相鄰軌跡之曲率、角度變化一致性的其中至少一種資料。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述工具機控制指令與參數的自動生成裝置，其中，上述最佳化控制參數包含：加減速時間、最短加減速時間、切線與向心加速度上限、曲線與單軸急衝度上限、小線段近似為曲線之擬和弦誤差上限、直線轉角所允許之誤差上限與誤差控制下之曲線擬和功能開關、連續小線段近似為圓弧功能開關、進階伺服控制補償機制之調整與開關、伺服前饋控制之調整與開關的其中至少一種。
  10. 根據申請專利範圍第1項所述工具機控制指令與參數的自動生成裝置，其中，上述模擬分析模組用以產生模擬加工工件之表面精度或表面光潔度評估、模擬加工工件之過切與欠切預測、模擬加工工件之振紋或異常紋路預測的其中至少一種工件加工表面特性的分析資料。
  11. 一種工具機控制指令與參數的自動生成方法，包含：一解譯步驟，解譯一工件程式產生出一加工件的軌跡座標；一規劃步驟，對上述軌跡座標進行插值演算，並產生刀具加工的一路徑訊息與一速度訊息；一模擬分析步驟，由上述路徑訊息、上述速度訊息以及內建於一參數模組的加工參數來分析出刀具的運動軌跡特性，並同時產生切削模擬訊息；一最佳化演算步驟，依上述加工件不同區塊所採用的運動軌跡特性與切削模擬訊息，生成對應區塊的最佳化控制參數。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述工具機控制指令與參數的自動生成方法，其中，上述最佳化演算步驟之前進一步包含一預覽步驟，顯示預覽的切削加工模擬路徑。
  13. 根據申請專利範圍第11項所述工具機控制指令與參數的自動生成方法，其中，上述最佳化演算步驟之後進一步包含一二次解譯步驟，對上述工件程式與最佳化控制參數進行插值演算，產生出上述加工件的最佳化軌跡座標。
  14. 根據申請專利範圍第11項所述工具機控制指令與參數的自動生成方法，其中，上述最佳化演算步驟是由一資料庫自動擷取生成上述最佳化控制參數。
  15. 根據申請專利範圍第11項所述工具機控制指令與參數的自動生成方法，其中，上述最佳化演算步驟是由一使用者手動微調生成上述最佳化控制參數。
  16. 根據申請專利範圍第11項所述工具機控制指令與參數的自動生成方法，其中，上述最佳化演算步驟是同時經由一資料庫自動擷取與一使用者手動微調來生成上述最佳化控制參數。
  17. 根據申請專利範圍第11項所述工具機控制指令與參數的自動生成方法，其中，上述模擬分析步驟判定上述運動軌跡特性的加工軌跡之角度、加工軌跡之角度變化程度、加工軌跡之曲率、加工軌跡之曲率變化、小線段近似為曲線之擬和弦誤差(Chord Error)、在轉角與曲線軌跡在急衝度(Jerk)與精度要求下之運動速度、加速度上限，相鄰軌跡之曲率、角度變化一致性的其中至少一種資料。
  18. 根據申請專利範圍第11項所述工具機控制指令與參數的自動生成方法，其中，上述模擬分析步驟經由上述軌跡座標的插值演算後，估算與分析加工路徑軌跡、加工路徑軌跡曲率、加工路徑軌跡曲率變化率、加工路徑軌跡角度、加工路徑軌跡角度變化率、加工路徑軌跡與原工件程式之誤差、相鄰加工路徑軌跡之相似性含梯度變化率、距離變化率的其中至少一種幾何資料。
  19. 根據申請專利範圍第11項所述工具機控制指令與參數的自動生成方法，其中，上述模擬分析步驟經由上述最佳化軌跡座標的插值演算後，估算與分析經由上述規劃模組規劃出實際運動速度後之進給速度、進給加速度、進給急衝度、相鄰加工路徑進給速度一致性、實際加工之輪廓誤差、實際加工之加工時間的其中至少一種運動資料。
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