專利名稱：交互式機(jī)器控制系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明相關(guān)于計(jì)算機(jī)可控機(jī)器的交互式操作，更詳細(xì)地說，相關(guān)于一種方法和系統(tǒng)，通過該方法和系統(tǒng)，機(jī)器使用者在預(yù)先設(shè)立的幾何或其他約束的限制下與一個可編程系統(tǒng)交互聯(lián)系，對機(jī)器進(jìn)行操作。本發(fā)明應(yīng)用廣泛，在計(jì)算機(jī)操作的機(jī)床領(lǐng)域特別有用。因此，本發(fā)明將主要描述機(jī)工根據(jù)數(shù)字模型與一個可編程系統(tǒng)交互作用來制造零件的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步為許多工業(yè)領(lǐng)域帶來了革命性變化，最突出的領(lǐng)域就是采用機(jī)床對復(fù)雜零件的設(shè)計(jì)與制造。以前由設(shè)計(jì)人員和繪圖人員在繪圖板上作出設(shè)計(jì)，然后由機(jī)工來執(zhí)行，現(xiàn)在代之以由熟悉計(jì)算機(jī)的工程師設(shè)計(jì)零件和為數(shù)控機(jī)床編制控制程序。
總的來說，該方法的主要特征是具有批處理功能，也就是說，首先“脫機(jī)”編寫零件制造程序，然后在機(jī)床系統(tǒng)上以提示方式順序執(zhí)行，由于能夠重復(fù)執(zhí)行零件制造程序，因此在效率、經(jīng)濟(jì)和質(zhì)量各方面都能取得顯著的進(jìn)步。
根據(jù)該批處理原理，工業(yè)界一直致力于對計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)、產(chǎn)生零件制造程序的脫機(jī)系統(tǒng)以及用于機(jī)床運(yùn)動控制的日益復(fù)雜的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)系統(tǒng)的研制與改進(jìn)。所有這些系統(tǒng)都集中于標(biāo)準(zhǔn)零件制造程序格式的有效產(chǎn)生與執(zhí)行，并且將對機(jī)床的控制從熟練機(jī)工轉(zhuǎn)交到CAD/CAM編程人員手中。
面向批處理的CNC現(xiàn)在是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，然而在不久的將來制造將不再圍繞這樣一種長期生產(chǎn)策略的趨勢已經(jīng)呈現(xiàn)，制造者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了及時與靈活的制造過程相比于批處理所具有的優(yōu)點(diǎn)，并且已經(jīng)認(rèn)識到將少量生產(chǎn)工作以合同方式轉(zhuǎn)交給小工廠能夠節(jié)省開支。許多這種小工廠在這種需求下應(yīng)運(yùn)而生。
對于少量生產(chǎn)工作，批處理效率不高，而且也不經(jīng)濟(jì)。在一臺CNC控制機(jī)床上設(shè)計(jì)并且編制零件生產(chǎn)程序所花費(fèi)的時間比少量生產(chǎn)所花費(fèi)的時間要長，此外，機(jī)床的磨損、偏差、零件移位和固定所造成的影響都不可能在程序執(zhí)行之前準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)，另外，用CNC進(jìn)行批處理所得出的精確度，因無足夠的準(zhǔn)備時間，對少量生產(chǎn)工作而言是無法得到的。因此，小工廠仍然在人工操作的機(jī)床上做很多工作，從工業(yè)界得到的信息表明，過去幾年中在國際市場所售出的人工操作的機(jī)床是CNC機(jī)床的6倍。發(fā)明的揭示本發(fā)明試圖將CNC的經(jīng)濟(jì)與質(zhì)量改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用到小批量制造上來。一般來說，根據(jù)本發(fā)明的機(jī)床控制方法和系統(tǒng)為零件制造提供了一種交互式計(jì)算機(jī)輔助手段，在這種情況下，一個熟練的或半熟練的機(jī)工為切割工具提供實(shí)時操作命令，控制系統(tǒng)相關(guān)于零件模型解釋操作者的命令來產(chǎn)生實(shí)際的切割指令。我們稱之為自由路徑控制的方法與現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)化的機(jī)床技術(shù)的不同出在于，它融合了人、機(jī)器和計(jì)算機(jī)的最佳能力。通過使操作者和計(jì)算機(jī)之間的關(guān)系達(dá)到最優(yōu)化，二者都能有效地發(fā)揮其專長。
交互式自由路徑控制向熟練機(jī)工返回部分機(jī)床控制情況，它使得機(jī)床上擴(kuò)充了機(jī)工的手，而CNC擴(kuò)充了機(jī)工的知識。采用自由路徑控制，機(jī)工做出真實(shí)的或與生產(chǎn)步驟相關(guān)的(高水平)決定，指導(dǎo)機(jī)床達(dá)到切割出精密零件的總體目的。系統(tǒng)的CNC部分象一個專家系統(tǒng)一樣進(jìn)行操作，使得計(jì)算機(jī)進(jìn)行高速計(jì)算、反饋監(jiān)控以及控制低水平的機(jī)床操作。這種勞動上的分工，使得機(jī)工能將精力集中于切割過程，而由控制器處理零件的幾何和機(jī)器約束，因此路徑計(jì)劃時間被縮短，并且傳統(tǒng)的受控CNC機(jī)床的精確度也可以在小工廠里獲得。
采用自由路徑控制系統(tǒng)，機(jī)工將零件幾何尺寸輸入計(jì)算機(jī)并立即開始切割零件，零件幾何尺寸只定義了完工的產(chǎn)品，而沒有告訴生產(chǎn)該零件的機(jī)床的路徑和其它命令。在切割過程中，機(jī)工就機(jī)床路徑和切割工具的模式、切割次序、緊固策略、進(jìn)料速度、切割深度，甚至是零件完成與否做出決定。機(jī)工可以實(shí)時地對切割程序的完整性和其它操作條件做出估計(jì)，并且可以相應(yīng)地修改加工條件。機(jī)工采用與機(jī)床的控制軟件相連接的操縱桿一類的控制設(shè)備與機(jī)器交互式通訊。
根據(jù)本發(fā)明的自由路徑控制設(shè)備與現(xiàn)成的CNC系統(tǒng)相比要經(jīng)濟(jì)的多。采用這種設(shè)備，小規(guī)模生產(chǎn)者可以在現(xiàn)存的人工操作機(jī)床甚至在具有現(xiàn)存的專有CNC的機(jī)床上加上新的控制系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)，也包括記錄機(jī)工指示的機(jī)床路徑和其它操作命令的能力，因此，切割程序可以在加工樣品的過程中產(chǎn)生。
交互式系統(tǒng)也具有為高熟練機(jī)工提供更多工作機(jī)會的優(yōu)點(diǎn)，該部分人員目前日益減少，但仍然具有至關(guān)重要的作用。采用這種系統(tǒng)的機(jī)工將開發(fā)和使用傳統(tǒng)的技藝來控制零件質(zhì)量、生產(chǎn)效率，甚至幫助設(shè)計(jì)零件。
此外，該系統(tǒng)對操作者將更安全，通過保持操作者直接控制機(jī)床但實(shí)際上遠(yuǎn)離切割面，這樣，由不希望的程序動作對操作者的傷害機(jī)會就會變小，這程序動作可以是由自主系統(tǒng)產(chǎn)生的。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種制造方法，該方法根據(jù)要被加工的零件的幾何模型使得熟練或半熟練機(jī)工與數(shù)字控制系統(tǒng)產(chǎn)生交互聯(lián)系。
本發(fā)明的一個相關(guān)目的是提供一種制造方法和機(jī)床控制系統(tǒng)，其中幾何模型定義了完工后的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，而不是生產(chǎn)該零件的機(jī)床路徑。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種機(jī)床控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)零件設(shè)計(jì)，采用幾何模型、輸入命令和機(jī)床位置反饋來產(chǎn)生精確加工的機(jī)床端部軌跡。
本發(fā)明的另一個目的是提供這樣一種系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中由機(jī)工執(zhí)行的操作步驟可以完全自動地記錄下來，以備將來再次使用。
上面所述的目的可以采用由特殊設(shè)計(jì)的部件，或者最好是根據(jù)本發(fā)明的原理編程的基于微機(jī)的一個系統(tǒng)和其它標(biāo)準(zhǔn)部件組成的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。從功能上來說，該系統(tǒng)包括自由路徑控制器本身、多軸電機(jī)接口子系統(tǒng)、機(jī)床位置反饋系統(tǒng)和接口單元，該接口單元包括數(shù)據(jù)輸入裝置，通過該裝置零件的數(shù)字模型可以被輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)還包括用于指示機(jī)床運(yùn)動和定位的操作者輸入控制單元，以及提供零件的幾何形狀、切割工具與零件的關(guān)系、加工過程的進(jìn)展和其它操作參數(shù)的圖形顯示的顯示子系統(tǒng)。
自由路徑控制原理的重要特征是在交互式控制過程中實(shí)時地避免碰撞，這是因?yàn)椴捎昧四軌蜓杆俅_定車刀相關(guān)于相鄰的零件表面的位置的相對簡單的算法。
如果加工的零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，那么確定車刀端部相對于一個或多個零件表面的位置就可能很花費(fèi)時間。本發(fā)明研制了一種幾何編譯器，它能顯著地縮短計(jì)算時間。該幾何編譯器根據(jù)預(yù)先確定的分區(qū)機(jī)制將零件模型劃分為多個單元或區(qū)域，每個單元包括多至預(yù)定最大個數(shù)的零件邊界，為每個單元所存儲的數(shù)據(jù)代表了這些邊界的空間坐標(biāo)。
單元分區(qū)在系統(tǒng)啟動時進(jìn)行。在實(shí)際加工操作過程中，單元識別器采用單元邊界坐標(biāo)來識別已經(jīng)確定了車刀端部位置的單元。一旦識別出車刀端部單元，那么位置計(jì)算只需相應(yīng)于與該特定單元相關(guān)的零件邊界進(jìn)行。
自由路徑控制器產(chǎn)生避免碰撞規(guī)程，由該規(guī)程來計(jì)算加工過程的車刀端部路線。該控制機(jī)制所允許的車刀端部路線或操作模式，是由瞬時車刀端部位置、周圍的幾何形狀以及由操作員的輸入命令所反應(yīng)的意圖來確定的。操作模式可以被認(rèn)為是已知車刀端部位置和周圍集合形狀的情況下對所有允許路線的概念化。
控制規(guī)程數(shù)據(jù)和操作人員的命令被命令執(zhí)行子系統(tǒng)處理，該子系統(tǒng)為一個常規(guī)的多軸伺服系統(tǒng)產(chǎn)生方向和大小信號。車刀端部位置反饋環(huán)可以由旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置線性編碼或任何其它常規(guī)方式來閉合。
如果需要提供記錄機(jī)工所執(zhí)行的步驟次序，以備將來以完全自動運(yùn)行的方式來使用的能力，那么系統(tǒng)還要包括一個數(shù)據(jù)獲取和管理模塊以及一個反饋單元。構(gòu)成操作者的刀具路線的實(shí)際命令序列，以及相關(guān)的位置和速度信息被記錄下來，并且可以用于直接反饋。
另一方面，被記錄的數(shù)據(jù)可做進(jìn)一步處理，從中抽取一批數(shù)據(jù)，這批數(shù)據(jù)通常被提供來作為標(biāo)準(zhǔn)CAM系統(tǒng)的輸入，處理之后即可用于產(chǎn)生新的最佳零件程序，而不是實(shí)際被記錄的刀具路徑。這程序又被用作命令執(zhí)行子系統(tǒng)的輸入，或者也可以傳送到標(biāo)準(zhǔn)CNC系統(tǒng)予以執(zhí)行。以這種方式操作人員在切割零件時的實(shí)時經(jīng)驗(yàn)可以得到應(yīng)用，并且產(chǎn)生的零件程序更好地考慮到了與該零件的設(shè)計(jì)和制造相關(guān)的特有的實(shí)際情況。圖的簡要說明下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的特征和目的作詳細(xì)的描述。


圖1是一個簡化的方框圖，它示出了現(xiàn)有技術(shù)的CNC系統(tǒng)的一般特征；圖2是一個簡化的方框圖，它示出了本發(fā)明處理過程的主要特征；
圖3的方框圖示出了根據(jù)本發(fā)明的交互式機(jī)床控制系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)特征；圖4是一個零件特征圖，它示出了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行的單元分區(qū)；圖5是在本發(fā)明最佳實(shí)施例中由幾何編譯器采用的遞歸分區(qū)算法的流程圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，由控制器所采用的單元識別算法的流程圖；圖7的樹圖示出了圖5的零件特征的分區(qū)，用來示意單元定位算法的執(zhí)行；圖8A～8N示出了根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例可以獲得的各種操作模式；圖9A～9C按照圖9D所示安排，是演示控制規(guī)程選擇器的執(zhí)行情況的轉(zhuǎn)換圖；圖10是沿圖4的10--10線的橫斷面圖，它示出了根據(jù)本發(fā)明的碰撞避免過程；圖11的矢量圖示出了根據(jù)本發(fā)明的命令執(zhí)行功能的一種操作模式；圖12的流程圖示出了本發(fā)明提供記錄和反饋功能的一個實(shí)施例；圖13的方框圖示出了圖12的實(shí)施例的功能和結(jié)構(gòu)特征。實(shí)施發(fā)明的較佳方式下面參考附圖。圖1以流程圖的形式示出了在現(xiàn)有技術(shù)中采用計(jì)算機(jī)控制機(jī)床的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造過程從構(gòu)思到實(shí)際部件生產(chǎn)的主要特征。
第一步是零件設(shè)計(jì)定義(步驟S1A)，這里部件是根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來構(gòu)思的，該標(biāo)準(zhǔn)可能包括形狀、結(jié)構(gòu)和功能。
接著，這個構(gòu)思被轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀文Ｐ?，并且以機(jī)器可讀形式予以記錄(步驟S1B)，這通常是采用幾何造型軟件來完成的，這種幾何造型軟件可以是市場上可以購買的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件包。這個步驟通常是由設(shè)計(jì)工程師來進(jìn)行的。
下一個步驟是根據(jù)幾何模型研制零件的制造策略(步驟S1C)。通常這包括改進(jìn)幾何模型以考慮到切割工具的幾何形狀及其對機(jī)床動作的限制、固定策略、公差要求和機(jī)床的技術(shù)規(guī)格、以及影響加工過程的各種變化。包括加工策略的對部件的擴(kuò)充說明隨后被用于產(chǎn)生車刀路徑程序(步驟S1D)，通常這是由制造工程師采用市場上可以購買的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來完成的。所得到的CNC車刀路徑程序常常被后處理，來將CNC程序翻譯為指定加工部件需要的車刀的位置序列的一系列點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動。
然后，機(jī)床操作人員準(zhǔn)備好機(jī)床，通過裝上和固定臺架、啟動機(jī)床和裝入CNC車刀路徑程序來加工部件(步驟S1E)。接著，車刀路徑程序在控制器上被執(zhí)行，該控制器將程序中點(diǎn)到點(diǎn)的移動轉(zhuǎn)換為伺服控制環(huán)所用的一系列軌跡(步驟S1F)。
圖2的流程圖示出了采用本發(fā)明的交互式程序的設(shè)計(jì)和制造過程的主要特征。其中，最初的兩個步驟，即定義零件設(shè)計(jì)(步驟S2A)和定義要被加工的部件的幾何模型(步驟S2B)，可以根據(jù)常規(guī)的技術(shù)來執(zhí)行，并不構(gòu)成本發(fā)明的一部分。
與現(xiàn)有技術(shù)相反，根據(jù)本發(fā)明幾何模型隨后被用作交互式控制過程的輸入。采用適當(dāng)?shù)妮斎朐O(shè)備，機(jī)工通過將實(shí)時處理任務(wù)傳送給機(jī)床控制器來指示切割過程，包括車刀運(yùn)動命令(步驟S2C)。根據(jù)機(jī)工的輸入、幾何模型以及機(jī)床的車刀位置反饋(步驟S2D)，產(chǎn)生交互式控制/碰撞避免信號(步驟S2E)，這些信號被用來指示切削刀具的運(yùn)動實(shí)時地對部件進(jìn)行加工(步驟S2F)。
根據(jù)本發(fā)明的交互式控制過程，允許操作人員對加工過程進(jìn)行全面控制，與此同時，保證生產(chǎn)高精度公差的零件。實(shí)際上，三種輸入(幾何模型、操作員命令和車刀位置反饋)被合在一起來避免切削刀具和部件之間的碰撞，既允許機(jī)工將切削刀具放到零件表面，又不損害零件的最終要求的形狀。
下面結(jié)合圖3～11對本發(fā)明的一個實(shí)施例的交互式控制系統(tǒng)和方法作詳細(xì)的說明。在考慮下面的描述時，須理解控制硬件的設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)低成本，以方便小工廠購買完整的車床系統(tǒng)，并且鼓勵對現(xiàn)存的人工操作機(jī)床和常規(guī)的CNC機(jī)器進(jìn)行改型。另外，在最佳實(shí)施例中，只要可能，就采用常規(guī)的微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和市場上可購得的部件?；谏鲜鲈虿⑶覟榱撕啽闫鹨姡÷粤藢ο到y(tǒng)實(shí)際設(shè)備的詳細(xì)描述，然而，能夠執(zhí)行所描述的功能的必要的硬件和軟件的裝配，根據(jù)所提供的信息對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是清楚的。
現(xiàn)在參看圖3，該圖以方框圖的形式示出了本發(fā)明最佳實(shí)施例的重要功能特征。如圖所示的系統(tǒng)，用標(biāo)號10表示，它包括適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)控制與協(xié)調(diào)單元12、存儲單元14、硬盤驅(qū)動器22及其相關(guān)的控制器24、軟盤驅(qū)動器26及其相關(guān)的控制器28、用標(biāo)號30表示的操作員接口界面子系統(tǒng)、幾何編譯器32、用標(biāo)號34表示的自由路徑控制子系統(tǒng)、電機(jī)接口子系統(tǒng)36和車刀位置反饋?zhàn)酉到y(tǒng)38。
硬盤22存儲將要加工的部件的幾何模型，這可以是包含了部件的尺寸和其它物理特征的數(shù)據(jù)庫形式，也可以是任何其它適當(dāng)?shù)男问健Ｓ脖P22也存儲運(yùn)行系統(tǒng)所需要的其它數(shù)據(jù)和應(yīng)用軟件。軟盤驅(qū)動器26用于以常規(guī)的方式裝入幾何模型和操作軟件。
用戶界面30為機(jī)工與自由路徑控制子系統(tǒng)34交互作用提供手段，該界面提供了用于選擇下面所述的控制器操作模式、用于輸入車刀準(zhǔn)備命令和環(huán)境參數(shù)、以及用于編輯零件幾何尺寸的能力。數(shù)據(jù)輸入是由諸如鍵盤48、鼠標(biāo)50之類的輸入設(shè)備或其它適當(dāng)?shù)脑O(shè)備提供的，并且由適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)輸入軟件來完成。顯示器52如CRT監(jiān)控器及其相關(guān)的顯示發(fā)生器54為用戶提供了系統(tǒng)操作狀況的直觀顯示、對用戶輸入的提示以及如下所述的零件的圖形表示和加工過程的進(jìn)展情況。
操作人員根據(jù)適當(dāng)?shù)钠聊惶崾?，采用鍵盤48和鼠標(biāo)50向自由路徑控制器34提供關(guān)于切削刀具和定位器的幾何參數(shù)、在機(jī)床工作空間里的臺架位置、最大允許進(jìn)料速度等等信息。另外的加工信息，如零件的哪些細(xì)節(jié)需要在特定的時間做加工、切削刀具運(yùn)動的預(yù)定方向、臺架相應(yīng)于機(jī)床的起始位的位置、當(dāng)前裝在主軸上的切削刀具的尺寸，等等，也可以用這些裝置提供給控制器34。
編寫數(shù)據(jù)輸入軟件用來提供我們稱之為靈活定位的功能，該功能由定位數(shù)據(jù)處理器56實(shí)現(xiàn)。這個特征為操作員在不考慮夾具或工件在工作臺上的位置的情況下提供了夾住和再夾住工件的自由。一旦工件被夾住，機(jī)工就可以通過將機(jī)床切削工具輕搖到夾具的相對角度，并且采用鍵盤48或鼠標(biāo)50記錄這些位置，來標(biāo)出包含夾具的區(qū)域。然后更新幾何模型，使其包括一個夾具的簡化模型，例如矩形框的形式。這被用于如下所述由自由路徑控制器34執(zhí)行的避免碰撞的計(jì)算中。
如果在加工過程進(jìn)行了幾個階段之后，零件在一個新的位置被重新夾住，那么操作員調(diào)用靈活定位軟件，并且再采用鍵盤48和/或鼠標(biāo)50將先前的夾具位置從零件模型中去除，并記錄新的位置。采用這樣一種方式，機(jī)工可以降低準(zhǔn)備時間和努力，并同時保證高度的精確度和操作員安全性。
定位數(shù)據(jù)處理器56及其相關(guān)軟件獲得所描述功能的具體操作方式取決于用于產(chǎn)生幾何模型的數(shù)據(jù)格式，為了簡化起見，這些細(xì)節(jié)被省略，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)所提供的說明應(yīng)該是清楚的。
用戶界面30還包括操作員輸入切削工具移動命令的裝置，該功能由操縱桿一類的設(shè)備58提供。在一個三維實(shí)施例中，由SpaceballTechnologies，Inc，Lowell，Massachusetts制造的產(chǎn)品Spaceball是最佳的，但其它二維或三維輸入設(shè)備也可以被采用。對二維系統(tǒng)可以采用鼠標(biāo)50甚至是鍵盤48。
為了便于討論起見，假定輸入設(shè)備58是一個力測量設(shè)備，并且提供操作員以多大的力推動控制裝置的輸出。提供一個或多個輸出，代表用戶的輸入力矢量沿垂直坐標(biāo)的分解力。
為了使這個信息得到利用，我們喜歡對這些矢量元素的連續(xù)采樣值做加權(quán)平均。在采用上面所描述的Spaceball的一個實(shí)施例中，每秒鐘大約采樣20次，采樣間隔被作為對輸入力的持續(xù)時間的測量，每個矢量元素被乘以該時間值，來產(chǎn)生由下面描述的自由路徑控制子系統(tǒng)采用的一條速度命令。
如果輸入設(shè)備58和操作軟件允許平滑和穩(wěn)定的機(jī)床運(yùn)動以及對切削過程的便利控制，就能取得最好的結(jié)果。為了保證這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)自由路徑控制系統(tǒng)34以某個速度移動切削工具，該速度在功能上與操作員的動作強(qiáng)度相關(guān)，換句話說，如果操作員推力大(或推得遠(yuǎn)，這取決于采用的輸入設(shè)備)，那么車刀就移動快。在接觸表面時，與速度成正比的摩擦力以及對操作員的反饋也可以通過軟件實(shí)施來提供，這從所提供的描述可以顯然得知。
如前面所述，監(jiān)控功能是由顯示發(fā)生器54和顯示裝置52提供的。為了保證部件被全面加工，顯示發(fā)生器50以圖形圖像的形式產(chǎn)生零件狀態(tài)顯示，示出希望的零件結(jié)構(gòu)和在給定時間還沒被加工的部分。顯示采用顏色或其它提醒人注意的手段，如閃爍顯示以強(qiáng)化尚未完成的零件部分。
用于產(chǎn)生零件狀態(tài)顯示的信息是從幾何模型和車刀位置數(shù)據(jù)得出的。車刀位置數(shù)據(jù)是由車刀位置反饋?zhàn)酉到y(tǒng)38在零件正在加工時收集的，該數(shù)據(jù)被用于識別切削刀具已經(jīng)接觸的零件周界的所有點(diǎn)，由此而識別任何未經(jīng)加工的區(qū)域。用于控制顯示器的任何適當(dāng)軟件都可以用于此目的。
另外，當(dāng)前的加工模式、車刀位置、進(jìn)料、速度等等可以顯示給機(jī)工。顯示發(fā)生器54也可以包括某個裝置，該裝置將機(jī)工的切削命令和車刀選擇與幾何模型進(jìn)行比較，并識別機(jī)工的動作沒有滿足(或不能滿足)零件幾何要求(如因?yàn)檫x擇了大小不適當(dāng)?shù)能嚨?的任何區(qū)域。
幾何編譯器32將零件的幾何文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為由若干區(qū)域或單元表示的分段模型，該分段模型非常適合于下面描述的實(shí)時碰撞免除計(jì)算。通過采用該分段模型，當(dāng)進(jìn)行碰撞免除計(jì)算時，自由路徑控制器34只需要檢查車刀附近的表面，這大大地縮短了計(jì)算時間。
自由路徑控制器34包括單元識別器60，該識別器處理由幾何編譯器32產(chǎn)生的分段模型，以識別刀具端部在給定時間所處的單元。控制器34還包括碰撞免除控制規(guī)程/命令選擇器62和車刀移動命令執(zhí)行處理器64。
實(shí)現(xiàn)幾何編譯器32的策略可以參考圖4和圖5來理解。例如假定如圖4所示，標(biāo)號為78的將要加工的零件包括一個外殼80，它的壁由直線段W1～W5、圓弧段A1和A2以及由外殼80中的圓弧段A3和A4定義的圓柱形支柱82所限定。為了簡化起見，假定外殼80的邊界已經(jīng)被縮小了等于車刀半徑的一個距離(而支柱82的邊界被擴(kuò)展了)，因此可以認(rèn)為車刀的直徑為零。
我們發(fā)現(xiàn)有幾種不同的劃分規(guī)則可以被采用，但最佳的劃分規(guī)則如下
(a)假定包含將要劃分的零件部位的區(qū)域是矩形，并且通過定義將其最長的一側(cè)垂直二等分的一條界線來將其一分為二；(b)在界線左右(或上下)兩側(cè)的區(qū)域被分開處理。在每一個區(qū)域計(jì)算壁段(不管是圓弧還是直線)的數(shù)目。如果該數(shù)目小于或等于預(yù)定的最大數(shù)目n，那么該區(qū)域被定義為一個單元；(c)如果壁段數(shù)目大于預(yù)定的最大數(shù)目n，那么重復(fù)進(jìn)行劃分過程直到?jīng)]有一個區(qū)域的壁段數(shù)目大于n為止。
如果需要考慮零件壁段靠近一個單元邊界的可能性的話，那么上述步驟(b)可以稍做修改。這包括在這個零件的壁段被計(jì)算之前為了擴(kuò)展區(qū)域?qū)澐志€的一個預(yù)定小的平行位移(例如0.32毫米左右)。兩個區(qū)域均以這種方式被擴(kuò)展以使得靠近劃分線的一個零件壁段在兩個區(qū)域同時被計(jì)算。結(jié)果將是一個稍許重疊的單元結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中靠近單元界線的的壁段在兩個相鄰單元中都被計(jì)算。這會避免車刀在進(jìn)入一個新單元時，立刻遭遇一個不希望的零件邊界。
可以看到，定義一個單元所需要的零件壁段的數(shù)量越小，劃分幾何模型所需要的單元數(shù)目就越大。對于一個小的n值來說，識別車刀端部所在的單元所花費(fèi)的檢索時間就可能較長，但實(shí)際的車刀端部到零件邊界的計(jì)算會需要較短的時間。由于這些計(jì)算頻繁進(jìn)行，因此較小的n值更可取。一般來說，如果n被選定為3或4會取得很好的結(jié)果。
用于進(jìn)行上面描述的劃分過程的一個遞歸算法的流程圖示于圖5。為了便于解釋起見，假定(如在最佳實(shí)施例中那樣)幾何模型的尺寸由每個零件的x、y、z坐標(biāo)表示，在這種情況下，指的是限定外殼80和支柱82的壁段的端點(diǎn)(見圖4)。
程序在步驟S5A啟動，調(diào)入要分段的零件的壁段的坐標(biāo)，然后對壁段計(jì)數(shù)(步驟S5B)，這可以采用例如常規(guī)的裁剪算法來進(jìn)行，該算法可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易地改變?yōu)橛?jì)數(shù)而不是裁剪。適合這種目的的算法包括Cohen-Sutherland算法或Liang-Barsky Line算法(參考《Computer Graphics》by Donald Heam and M.Pauline Baker，published1986 by Prentice-Hall，Inc.，Englewood Cliffs，NY，1986)。
如果數(shù)目小于等于預(yù)先選定的可以接受的最大值n，那么就確定了一個單元，并將其坐標(biāo)記錄下來(步驟S5C)。
如果總段數(shù)大于n，那么程序繼續(xù)進(jìn)行。在步驟S5D定義一個矩形，該矩形中包括了零件(或部件)，并且求出其最長尺寸。如果長度大于高度，那么程序轉(zhuǎn)移到步驟S5E。如果長度不大于高度，那么程序轉(zhuǎn)移到步驟S5F。
在步驟S5E定義一條界線，該界線將矩形的最長壁一分為二，產(chǎn)生代表界線右邊區(qū)域的一個矩形(AREA_RIGHT，步驟S5E-1)和代表界線左邊區(qū)域的一個矩形(AREA_LEFT，步驟S5E-2)。將AREA_LEFT留待將來審查，程序返回到步驟S5A，現(xiàn)在對AREA_RIGHT進(jìn)行審查，以確定其壁段數(shù)。(如上所述，如果需要的話，在開始計(jì)數(shù)之前，界線可以往左邊移動)。如果數(shù)目小于等于n，那么被審查的區(qū)域是一個單元，它的坐標(biāo)被記錄下來(步驟S5C)。如果數(shù)目大于n，程序繼續(xù)到步驟S5D，重復(fù)進(jìn)行長度-高度審查。
如果長度仍然大于高度，程序返回到步驟S5E。否則，進(jìn)行到步驟S5F。在任何一種情況下，產(chǎn)生的兩個區(qū)域中的其中一個被放在一邊留待將來處理，程序返回到步驟S5A。程序重復(fù)進(jìn)行(如果需要的話，將單元邊界予以移位)，直到所有區(qū)域都被確定為單元為止。
再參考圖4，假定n＝3來說明零件78的劃分過程。由于包括外殼80的矩形的長度大于它的寬度，步驟S5D(圖5)指示外殼首先被垂直劃分。因此定義一條直線L1，它將矩形劃分為左右區(qū)域。如果車刀碰巧在直線L1的右邊，或者如果喜歡的話，在擴(kuò)充界線L1′的右邊，圖4示出我們僅需考慮它與三條直線段w1、w2、w3的距離。這滿足我們對單元限定的標(biāo)準(zhǔn)(圖5，步驟S5B)。因此，矩形的右半邊構(gòu)成了一個單元，表示為80a。
然而，如果車刀在直線L1的左邊(或者如果喜歡的話，在擴(kuò)展邊界線L1′的左邊)，那么，步驟S5B顯示我們必須考慮它相對于8個壁段(即除w2外的所有壁段)的位置。因此，在L1的左側(cè)的幾何形狀必須進(jìn)一步劃分。由于在直線L1的左側(cè)區(qū)域的高度大于寬度，步驟S5D指示我們將它水平一分為二，從而定義出一條直線L2將矩形分為上下區(qū)域。再計(jì)算出處于每個區(qū)域的段數(shù)，并且繼續(xù)進(jìn)行劃分直到每個區(qū)域包括的壁段數(shù)不大于3為止。該過程的結(jié)果是定義出了一系列單元80a-80g，如圖4所示。
如果需要根據(jù)零件的外邊界產(chǎn)生一個單元結(jié)構(gòu)，那么可以通過將零件本身處理為在尺寸比零件自身大的一個外殼內(nèi)的支柱來進(jìn)行上面描述的過程。
再參考圖3，由幾何編譯器32產(chǎn)生的數(shù)據(jù)被單元識別器60用來迅速確定在特定的計(jì)算周期刀具端部所在的單元。這個過程是采用與前面描述的劃分算法相似的遞歸檢索算法來進(jìn)行的。
參考圖6，假定刀具端部位于坐標(biāo)為Xt、Yt的某個點(diǎn)。為了便于單元識別器60的使用，幾何編譯器32產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以樹的結(jié)構(gòu)存儲。與圖4所示的構(gòu)造相應(yīng)的樹結(jié)構(gòu)示于圖7。如圖所示，該樹包括一系列分支點(diǎn)84以及第二系列單元節(jié)點(diǎn)86。分支節(jié)點(diǎn)包括受審查的區(qū)域的劃分規(guī)則信息，而單元節(jié)點(diǎn)包括單元中壁段的坐標(biāo)。如果單元邊界被擴(kuò)大定義重疊的單元的話，那么一個特定壁段的坐標(biāo)可能會包括在兩個以上的單元內(nèi)。
圖6所示算法的目的是識別包括點(diǎn)Xt、Yt的單元。
在步驟S6A從原始矩形80和P(Xt，Yt)開始檢索，在步驟S6B審查與節(jié)點(diǎn)84a相關(guān)的數(shù)據(jù)。由于矩形80不是一個單元，節(jié)點(diǎn)84a包括一個劃分規(guī)則，并且程序執(zhí)行到步驟S6D。由于在我們這種情況下，原始矩形的長度大于高度，因此程序執(zhí)行到步驟S6H。為了測試P是否在劃分線L1的右邊，算法只需將Xt與L1的x坐標(biāo)X1進(jìn)行比較，如果相應(yīng)于圖7中的節(jié)點(diǎn)86A，Xt＞X1，那么程序執(zhí)行到步驟S6I，這時AREA_RIGHT相應(yīng)于矩形80a。
由于算法是遞歸的，我們返回步驟S6A(這時區(qū)域是矩形80a)。然后步驟S6B指示節(jié)點(diǎn)86a包括坐標(biāo)而不是一個劃分規(guī)則。這表明刀具在單元中，并且程序轉(zhuǎn)移到結(jié)束狀態(tài)，步驟S6C。
如果Xt≤X1，程序進(jìn)行到步驟S6D，在該步驟審查存儲在節(jié)點(diǎn)84b中的數(shù)據(jù)，看它是否包括一個水平或垂直劃分規(guī)則。此時系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)一個水平劃分規(guī)則，因此程序轉(zhuǎn)移到步驟S6E。
這時將Yt與劃分線L2的y坐標(biāo)Y2進(jìn)行比較。如果Yt＜Y2，那么程序轉(zhuǎn)移到步驟S6F并審查區(qū)域的下部(相應(yīng)于圖7中的節(jié)點(diǎn)84c)，或者如果Yt≥Y2，那么程序轉(zhuǎn)移到步驟S6G并審查區(qū)域的上部(相應(yīng)于圖7中的節(jié)點(diǎn)84d)。程序從步驟S6F或S6G返回到步驟S6A，并且重復(fù)該程序?？梢钥吹剑瑘D7中的節(jié)點(diǎn)84c和84d都不對應(yīng)一個單元，因此在兩種情況下都必須再次審查劃分規(guī)則(圖6，步驟S6D)。在這兩種情況下都遇到垂直劃分，并且程序從步驟S6D進(jìn)行到S6H。以節(jié)點(diǎn)84c為例，如果Xt小于等于劃分線L3的x坐標(biāo)X3，那么步驟S6B指示刀具端部在單元80e之內(nèi)(圖7，節(jié)點(diǎn)86e)，并且程序結(jié)束(步驟S6C)。如果Xt＞X3，相應(yīng)于節(jié)點(diǎn)84f程序又進(jìn)行到S6D，這時遇到一個水平劃分規(guī)則。此時，將坐標(biāo)Yt與直線L4的坐標(biāo)Y4進(jìn)行比較。如果Yt≥Y4，那么步驟S6B指示刀具端部位于單元80f內(nèi)(相應(yīng)于圖7中的節(jié)點(diǎn)86f)。反之，如果Yt＜Y4，那么步驟S6B指示刀具端部在單元80g之內(nèi)(圖7，節(jié)點(diǎn)86g)。
如果在節(jié)點(diǎn)84b實(shí)際上發(fā)現(xiàn)Yt大于Y2，算法會進(jìn)行到估算從節(jié)點(diǎn)84d開始的子樹。在完成圖6所示的遞歸過程時，坐標(biāo)Xt、Yt將唯一地對應(yīng)圖7中單元節(jié)點(diǎn)86a～86g中的一個。在執(zhí)行碰撞免除計(jì)算時，控制規(guī)則選擇器只需要確定刀具端部到相關(guān)于那個單元的邊界的距離。
再參考圖3，自由路徑控制器子系統(tǒng)34中的控制規(guī)則/命令選擇器62采用由單元識別器60、刀具位置反饋?zhàn)酉到y(tǒng)38和輸入設(shè)備58提供的數(shù)據(jù)，從幾種可能的操作模式和/或移動控制規(guī)則中選擇一個，用于指示機(jī)器切削頭的移動。控制規(guī)則選擇器62主要根據(jù)零件的幾何形狀來解釋機(jī)工的輸入命令，從而選擇一個適當(dāng)?shù)牟僮髂Ｊ胶驮诠ぜ颓邢鞴ぞ咧g執(zhí)行碰撞免除計(jì)算。
在解釋如何選擇控制規(guī)則和如何實(shí)現(xiàn)碰撞免除之前，有必要先了解在計(jì)算機(jī)控制機(jī)床中有許多操作模式，即允許多種刀具軌跡。參考圖8A～8N，在自由路徑加工中具有優(yōu)勢的模式包括1、輕推模式(圖8A)此時，根據(jù)輸入命令矢量90的最大分量，切削器在x、y或z坐標(biāo)方向移動。如圖所示，x分量最大，因此刀具軌跡88在x方向。刀具速度被固定為一個預(yù)定的值，并且不考慮零件邊界條件。這在啟動機(jī)床、用于記錄固定位置等等時有用。
2、自由模式(圖8B和8C)此時允許切削軌跡92具有全部三維的自由度。切削器方向和速度由輸入設(shè)備58(圖3)產(chǎn)生的輸入命令矢量96來確定。這用于快速移動切削刀具。
3、嚴(yán)格的網(wǎng)格模式(圖8D)此時允許切削器在XY平面沿用戶限定的網(wǎng)格作單一軸移動，并且只在格線之間最近的交點(diǎn)停住----假定刀具沒有接觸零件表面。格線之間的距離dx和dy作為初始運(yùn)行條件由操作員來定義(例如相應(yīng)于屏幕提示)。輸入命令矢量98被投影在格子上，并且移動方向100沿與幅值最大的分量相應(yīng)的格線。這最常用于刮削操作的時候。
4、網(wǎng)格模式(圖8E)這與嚴(yán)格的網(wǎng)格模式類似，但也允許沿45度角移動到格點(diǎn)。這也用于刮削操作的時候，但由于它允許點(diǎn)到點(diǎn)的較快速移動，因此它對粗加工也很有用。
5、角模式(圖8F)此時，一旦切削工具102被帶到與角106具有預(yù)定距離dc的區(qū)域104中時，它就自動圍繞角移動。這被用于保證對所有角落的全面加工。
6、角站模式(圖8G)此時切削工具108在一個角110附近作短暫停留，讓操作員確定是加工該角還是繼續(xù)前行通過該角。這也用于保證對所有角的全面加工。然而是由操作員來作加工角的決定。當(dāng)準(zhǔn)備機(jī)器時，機(jī)工將根據(jù)他的喜好預(yù)先選擇這種模式或角模式。
7、定位模式(圖8H和圖8I)這用于幫助刀具112定位于一個作用點(diǎn)114上，如最靠近刀具的一個洞的中心。這在當(dāng)?shù)毒叩竭_(dá)某些預(yù)定的作用平面115，如某個零件邊界的一個預(yù)定距離時發(fā)生。這時，會使得刀具112通過平面的一條輸入命令信號116被轉(zhuǎn)變?yōu)樵谄矫?15朝向點(diǎn)114的一條移動命令118。刀具速度在功能上與正交于平面115的輸入命令分量的幅值120相關(guān)。這被用于準(zhǔn)確地確定洞的位置以及槽的起點(diǎn)和終點(diǎn)。
8、僅Z模式(圖8J)此時用戶輸入命令122被分解為沿X、Y和Z軸的分量。刀具在Z方向以與輸入命令的Z分量的幅值相關(guān)的一個速度移動。刀具不允許損壞任何零件邊界。這被用于鉆洞，并且便利切削深的部件。
9、曼哈頓模式(圖8K和8L)此時切削運(yùn)動一次沿一個加工軸進(jìn)行，只要不損壞零件邊界就行。輸入命令向量124被沿加工軸分解，并且刀具在相關(guān)于最大分量的方向移動。這被用于粗加工和定位時。
10、滑動模式(圖8M)此時，通過將輸入命令向量128沿向量130和132分解來使得刀具符合表面126的輪廓，向量130和132分別在邊界與刀具的交點(diǎn)134與邊界正交和正切。只要輸入命令不位于法線的預(yù)定角α范圍內(nèi)并且背離零件邊界，那么移動沿輪廓進(jìn)行并且系統(tǒng)保持滑動模式。這被用于加工復(fù)雜的彎曲表面，并且是在結(jié)束加工時用。
11、槽模式(圖8N)此時刀具136沿一條預(yù)定的軌跡138移動，移動速度相關(guān)于輸入命令沿該軌跡的分量的幅值。這被用于在刀具端部直徑等于槽寬時加工槽。
下面參考圖9～11來描述本發(fā)明的控制規(guī)則/命令選擇器62的操作。按圖9D所示安排的圖9A～9C示出了過渡圖，其中，允許的狀態(tài)用圓圈表示，狀態(tài)之間的過渡用過渡向量表示。啟動從一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)移動的條件表示在過渡向量附近的方括號中(即[ ])。與每個過渡條件相關(guān)的控制規(guī)則被沒加括號示出。操作模式(見圖8A～8N)被示于圓括號中。
系統(tǒng)在START狀態(tài)被啟動(圖9B步驟S9A)。假定操作人員需要加工一個外殼，那么根據(jù)屏幕提示發(fā)出一條[Do Pocket]命令，從而過渡到POCKET CLEARANCE狀態(tài)(圖9C步驟S9B)。
從這里可以作各種過渡。例如，當(dāng)操作完成時，或者如果用戶選擇在操作完成之前結(jié)束操作，那么發(fā)出一個[End Cycle]信號，系統(tǒng)返回到START狀態(tài)(圖9C步驟S9B-1)。
而在POCKET CLEARANCE狀態(tài)下(圖9C)，如果用戶操作輸入設(shè)備58(圖3)水平移動刀具，即在X-Y平面上，那么系統(tǒng)接收一條水平移動命令[HM]。這使得控制規(guī)則/命令選擇器62選擇自由操作模式(沒有Z軸移動)(見圖8B)。產(chǎn)生的控制規(guī)則允許切削頭不受限制地水平移動(圖9C步驟S9B-2)。
當(dāng)?shù)毒咴谕鈿み吔缰?，即刀具不在外殼里面時，如果從操作人員輸入設(shè)備58接收到沿Z軸向上移動[VM-U]或沿Z軸向下移動[VM-D]的命令，那么選擇僅Z軸操作模式(圖9C步驟S9B-3)。產(chǎn)生的控制規(guī)則允許切削頭在計(jì)算的“間隙面”(即沒有諸如刀具夾鉗或支架材料本身之類的任何障礙物的刀具可能移動的平面)的上面垂直移動。(圖10示出了在外殼上方距離為d的一個間隙面的例子，標(biāo)號為140)。
在POCKET CLEARANCE狀態(tài)，如果當(dāng)?shù)毒叨瞬?42位于外殼邊界之內(nèi)時(圖10)，接收到一條垂直移動命令[VM-D或VM-U]，那么系統(tǒng)進(jìn)入VERTICAL狀態(tài)(圖9C步驟S9B-4)。在該VERTICAL狀態(tài)，刀具向上移動命令[VM-U]和向下移動命令[VM-D]導(dǎo)致僅Z模式的選定，這允許了在外殼內(nèi)的垂直移動，但受外殼底部的限制。因此車刀能夠自由地挖去坯料，或通過坯料被挖去后所留下的空間(圖9C，步驟S9B-6)。
如果當(dāng)?shù)毒叨瞬?42在間隙平面140之上時檢測到[VM-U]命令(見圖10)，那么系統(tǒng)返回到POCKET CLEARANCE狀態(tài)(圖9C步驟S9B-5)。
當(dāng)仍然在VERTICAL狀態(tài)時，如果[HM]命令被接收到，那么系統(tǒng)進(jìn)入曼哈頓狀態(tài)(圖9C步驟S9B-7)，并且允許與曼哈頓模式一致的刀具移動。一條向上或向下移動命令([VM-U]或[VM-D])將系統(tǒng)返回到垂直狀態(tài)(圖9C步驟S9B-8)。如果接收到一條水平移動命令[HM]，那么只要刀具端部離外殼邊界的距離大于一個小值f(見圖8)，曼哈頓模式移動(圖10)始終被允許(圖9C步驟S9B-9)。當(dāng)?shù)毒唠x外殼邊界的距離小于f時，如果檢測到一條水平移動命令，則使系統(tǒng)過渡至SLIDING狀態(tài)(圖9C，步驟S9B-10)。
這時選擇滑動模式(圖8M)，刀具端部跟隨外殼邊界(圖9C步驟S9B-11)。邊界跟隨動作持續(xù)到檢測到一個輸入命令向量為止，該向量的一個分量背離零件邊界，并且?guī)缀跖c其正交，即在計(jì)算時間在與法向成預(yù)定角α的范圍內(nèi)。在這種情況下，系統(tǒng)返回到曼哈頓狀態(tài)(圖9C步驟S9B-12)。
參看圖9A和9B，如果操作員示意他要打個孔，那么發(fā)出一條[DoHole]指令，然后系統(tǒng)從START狀態(tài)進(jìn)入HOLE CLEARANCE狀態(tài)(圖9A步驟S9C)。同樣，一個[End Cycle]信號將系統(tǒng)返回到START狀態(tài)(圖9A和9B，步驟S9C-1)。一條水平移動命令[HM]將系統(tǒng)置于自由模式，移動方式與前面描述的一樣(圖9A步驟S9C-2)。從這個狀態(tài)，當(dāng)?shù)毒叨瞬课挥陂g隙平面140上方時，如果接收到一條垂直移動命令[VM-U或VM-D]，那么選擇僅Z模式(圖9A，S9C-3)，但是當(dāng)?shù)毒叨瞬康竭_(dá)間隙平面140時，選擇定位模式(見圖8H和8I)，并且刀具端部按幾何模型所示移向最近的孔中心(圖9A步驟S9C-4)。
如果當(dāng)?shù)毒叨瞬?12到達(dá)離洞中心一個預(yù)定的小距離g(例如0.0025mm)時，仍然接收到向下移動命令，那么系統(tǒng)進(jìn)入DRILLING狀態(tài)(圖9A步驟S9C-5)。在該DRILLING狀態(tài)選擇僅Z操作模式。此時允許執(zhí)行向上移動命令[VM-U]，如果當(dāng)?shù)毒叩竭_(dá)間隙平面時仍然調(diào)用向上移動，那么系統(tǒng)返回HOLE CLEARANCE狀態(tài)(圖9A步驟S9C-6)。向下垂直移動是允許的，但是受到孔底的限制(圖9A步驟S9C-7)。
再參看圖9B，如果用戶需要加工一個槽，那么發(fā)出一條[Do Slot]命令，這樣系統(tǒng)進(jìn)入SLOT CLEARANCE狀態(tài)(步驟S9D)。一個[EndCycle]信號將系統(tǒng)返回到START狀態(tài)(步驟S9D-1)。一條水平移動命令[HM]將系統(tǒng)置于自由模式，并允許不受限制的水平移動，如前面所描述的那樣(步驟S9D-2)。當(dāng)?shù)毒叨瞬课挥陂g隙平面140上方時，如果接收到一條垂直移動命令[VM-U或VM-D]，那么選擇僅Z模式(S9D-3)。這允許在間隙平面上方的垂直運(yùn)動。然而，當(dāng)?shù)毒叨瞬康竭_(dá)間隙平面140時，選擇定位模式(圖8H或8I)，這時刀具端部移向槽的起點(diǎn)(步驟S9D-4)。
當(dāng)?shù)毒叨瞬?12到達(dá)離槽的起點(diǎn)一個預(yù)定的小距離g(例如0.0025mm)時，如果仍然能接收到一條向下移動命令，那么系統(tǒng)進(jìn)入IN SLOT狀態(tài)(步驟S9D-5)。如果遇到向上移動命令[VM-U]或向下移動命令[VM-D]，那么選擇僅Z模式。只要沒有超出槽的底部深度，就允許向上或向下移動(步驟S9D-6)。然而，如果當(dāng)?shù)毒叨瞬康竭_(dá)間隙平面時，向上移動被調(diào)入，那么系統(tǒng)返回到HOLE CLEARANCE狀態(tài)(步驟S9D-7)。
如果當(dāng)處于IN SLOT狀態(tài)時遇到水平移動命令[HM]，那么選擇槽模式(步驟S9D-8)。這時允許根據(jù)結(jié)合圖8N描述的移動方式，對槽進(jìn)行加工。水平移動的范圍根據(jù)幾何模型，由槽的形狀和方向確定。
為了便于理解本發(fā)明，這里只對控制規(guī)則/命令選擇器62的三種加工操作做了描述，然而其它操作方式也可以進(jìn)行同樣的描述，每種方式具有其自身的控制算法。
系統(tǒng)從輸入命令分析操作員意圖的能力，補(bǔ)償了人所固有的不準(zhǔn)確性以及實(shí)時、手工操作輸入設(shè)備分辨率的局限性。通過在可能的操作狀態(tài)之間進(jìn)行過渡，所需要的零件公差在交互式條件下能夠象在常規(guī)的CNC機(jī)床條件下一樣便利地獲得。然而應(yīng)該理解的是，上面描述的操作模式并非窮盡的，在本發(fā)明范圍內(nèi)還可以有其它的模式。
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，很顯然還有許多方式可用來實(shí)施就圖9所描述的功能。另外為了簡化起見，沒有對程序編制作描述。當(dāng)然，應(yīng)該認(rèn)識到在描述允許的刀具端部軌跡時，提到的邊界限制和狀態(tài)轉(zhuǎn)換是通過將刀具端部瞬時坐標(biāo)與相應(yīng)的模型邊界坐標(biāo)進(jìn)行比較來確定的。
刀具移動命令執(zhí)行處理器64(見圖3)采用由控制規(guī)則/命令選擇器62傳送給它的控制規(guī)則命令，沿相應(yīng)于選定操作模式的軌跡移動刀具端部，并同時保證零件邊界不受損壞。
圖11示出了命令執(zhí)行處理器64是如何響應(yīng)控制規(guī)則選擇器命令的。此時，假設(shè)控制規(guī)則/命令選擇器62已經(jīng)傳送了一條指令到命令執(zhí)行處理器64，允許刀具148沿在點(diǎn)152(可以代表一個零件邊界)處結(jié)束的一條直線路徑150移動，并且假定在某個特定時間，當(dāng)?shù)毒叨瞬课挥谌鐖D所示的位置156時，用戶操作輸入設(shè)備58產(chǎn)生一個輸入命令矢量154。命令執(zhí)行處理器64的輸出是一個控制向量V2，這是由如下所述的5步計(jì)算循環(huán)產(chǎn)生的a)確定當(dāng)前車刀端部位置156的坐標(biāo)，這個信息是由車刀位置反饋?zhàn)酉到y(tǒng)38提供的(見圖3)。
b)計(jì)算從車刀端部位置156到結(jié)束點(diǎn)152的距離dis以及從車刀端部位置156到要求路徑150的距離d。
c)計(jì)算向量U及控制輸入命令向量154沿車刀路徑150的投影。
d)根據(jù)下面的關(guān)系式計(jì)算向量V1V1＝f(dis)*U(1)e)根據(jù)下面的描述，修正V1產(chǎn)生最終的控制矢量V2對于滑動模式，如圖8M所示，輸入控制信號128被分解為分別與零件邊界126正切和正交的兩個分Ft和Fn，為了保持與一條直線段所限定的邊界的接觸，命令執(zhí)行處理器64產(chǎn)生一個如下輸出信號V2V2＝V1-f(d)*N (2)其中N是指向外殼內(nèi)部與邊界正交的單位向量，d是沿N方向車刀到邊界的距離(在圖8M中，距離d為0)。
如果邊界由半徑為r的圓弧段限定，那么修正方程(2)使得控制矢量V2為V2=V1-[f1(d)+K3*t*|Ut|*|Ut|I]*N---(3)]]>其中|Ut|是的絕對值，Ut是從最后一次計(jì)算以來經(jīng)過的時間，d仍然是刀具到要求的軌跡的距離。
通過用路徑150替代邊界126(見圖8M)，這些計(jì)算式適用于如圖11所示通常的(即非滑動)模式情況。
f(dis)和f(d)的各種各樣的函數(shù)關(guān)系是可能的，但實(shí)際上簡單的線性關(guān)系就相當(dāng)令人滿意，因此，關(guān)系式f(dis)＝k1dis(4)和f1(d)＝k2d (5)是最佳的。
仍然參看圖11，當(dāng)距離dis減小時，矢量V1的大小也減小，這反過來又在車刀端部148接近要加工的邊界點(diǎn)152時減小了矢量V2的大小(如果刀具能越過邊界，dis將變?yōu)樨?fù)值，產(chǎn)生一個控制信號推動車刀離開這個邊界)。另外，可以回想起來，滑動模式的定義使得如果當(dāng)N和U之間的角度小于某個預(yù)定值，如20度時，控制規(guī)則/命令選擇器62將取出一條新的控制規(guī)則，并且命令執(zhí)行處理器64的操作會由此受到其它約束。
在打孔例子中，(參考圖8H、8I和9)，在車刀位于間隙平面上面或上方時產(chǎn)生的一個向下的力導(dǎo)致機(jī)床端部112移動到最近的孔徑中心的上方，如在點(diǎn)114處。
命令發(fā)生器64產(chǎn)生的速度命令向量V的X和Y分量與輸入命令的垂直分量Uv成正比，并且與從機(jī)床端部112到位于孔中心之上的點(diǎn)114的向量118的X和Y分Cx和Cy成函數(shù)關(guān)系。因此VX＝f2(CX)*|UV| (6)VY＝f2(CY)*|UV| (7)移動路徑是平面的，并且如前面所述，最佳的函數(shù)關(guān)系是線性的，即f2(C)＝K5C (8)
通過使得向量V的幅值與Uv成正比，機(jī)床移向孔的速度被操作員作用于輸入設(shè)備的力所校正。
可以理解，命令執(zhí)行處理器64提供用于控制機(jī)床驅(qū)動電機(jī)(沒有示出)的信號，這可以以任何一種常規(guī)方式通過電機(jī)接口子系統(tǒng)36來實(shí)現(xiàn)，對此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上面的描述應(yīng)該清楚。
圖12示出了不同于前面描述的本發(fā)明的一個擴(kuò)展實(shí)施例的流程圖，其中包括記錄刀具運(yùn)動命令的程序，以便隨后用于自動切削操作。如圖所示，該過程還包括產(chǎn)生幾何模型(步驟S12A)、操作員輸入實(shí)時處理信息(步驟S12B)、交互式產(chǎn)生機(jī)床移動命令(步驟S12C)來控制切削操作(步驟S12D)，以及機(jī)床位置反饋(步驟S12E)將控制環(huán)關(guān)閉。此外，該過程還包括處理機(jī)床移動命令來產(chǎn)生切削程序(步驟S12F)、記錄處理過的命令信息(步驟S12G)，以及讀出被記錄的切削程序(步驟S12H)。
圖12的功能實(shí)施過程示于圖13?？梢圆捎脙煞N不同的方法來處理移動命令，即直接讀出記錄和摘要性地讀出記錄，兩種方法均示于圖13中。如圖所示，該擴(kuò)展系統(tǒng)包括前面所描述的控制規(guī)則/命令選擇器62和命令執(zhí)行處理器64，還包括過程記錄器170，過程存儲裝置171和時鐘175。
根據(jù)本發(fā)明，對機(jī)床軌跡方向150(見圖11)或端點(diǎn)152的變化被認(rèn)為是“顯著事件”，過程記錄器170監(jiān)測這些改變，這可以用任何一種適當(dāng)?shù)姆绞絹韺?shí)現(xiàn)，例如過程記錄器170監(jiān)控從控制規(guī)則命令選擇器62傳送到命令執(zhí)行處理器64的命令。被傳送到命令執(zhí)行處理器64的每條命令與先前傳送的命令進(jìn)行比較，如果它們相同，那么過程記錄器170不動作，如果它們不同，那么過程記錄器記錄當(dāng)前位置和時鐘175的時間。
此時，如果操作的端點(diǎn)已改變，那么新的位置被存儲在過程存儲裝置171中，并且車床端部自先前的“顯著事件”發(fā)生以來所經(jīng)過的距離被除以記錄的時間間隔，以產(chǎn)生刀具端部平均速度的當(dāng)前值，這也被存儲在過程存儲裝置171中。
過程存儲裝置171中的數(shù)據(jù)可以用作自由路徑控制器34的輸入，在不需要操作員輸入命令的情況下，加工另外的零件。在這種情況下，從記錄中讀出的數(shù)據(jù)是一系列存儲在過程存儲裝置171中的記錄的命令，這些存儲的命令隨后被命令執(zhí)行處理器64執(zhí)行。在到達(dá)某條給定的命令的端點(diǎn)時，記錄序列中的下一條命令被執(zhí)行。對每條命令都采用與其相關(guān)的平均速度。
記錄的命令序列也可以載錄到軟盤中，并且用常規(guī)的編程手段進(jìn)行編輯和修改，以產(chǎn)生操作常規(guī)CNC車床的零件程序。
記錄操作員的交互式加工過程以備將來使用有許多好處。例如，采用根據(jù)本發(fā)明的自由路徑技術(shù)使得機(jī)工能以恒定的精確度切削零件，并且回放記錄，能使另外的零件能以類似于第一個零件的方式加工。以直接回放模式采用該系統(tǒng)，機(jī)工可以迅速并準(zhǔn)確地產(chǎn)生小批量的部件。工業(yè)應(yīng)用性雖然本發(fā)明是相關(guān)于機(jī)床來描述的，但是也能用于需要由人工控制、并且受預(yù)定的與目的相關(guān)的約束限制的其它設(shè)備中，這可以包括過程控制、模擬器、機(jī)器人，甚至是半自動車輛控制。
與此類似，除上面特別描述的車床應(yīng)用之外的其它應(yīng)用也在本發(fā)明范圍之內(nèi)。
此外，盡管本發(fā)明為了示出顯著的特征和最佳實(shí)施情況，采用了過程和功能描述方式，但應(yīng)該理解，該描述僅僅是為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嶋H執(zhí)行本發(fā)明，其它的實(shí)施例也是可能的。
權(quán)利要求
1.采用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床和能夠提供代表由操作員輸入的所需要的實(shí)時切削運(yùn)動指令的信號的人工操作輸入設(shè)備，以實(shí)時交互式操作方式加工零件的方法，該方法包括以下步驟裝入代表要被加工的零件的幾何模型的一組數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)；操作輸入設(shè)備產(chǎn)生用于指示切削器實(shí)時移動的輸入命令；獲得代表切削器在連續(xù)的測量時間的實(shí)時位置的切削器位置信號；處理零件幾何形狀、輸入設(shè)備信號和連續(xù)的切削器位置信號，來產(chǎn)生一系列實(shí)時控制命令，用于控制切削器相對于由零件模型限定的邊界約束的實(shí)際移動；響應(yīng)實(shí)時控制命令序列移動切削器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括以下步驟在開始加工零件之前，建立若干代表所允許的切削器軌跡的操作模式；并且其中產(chǎn)生移動命令的步驟包括在給定的時間，根據(jù)零件幾何數(shù)據(jù)、輸入設(shè)備信號和切削器位置信號選擇一個操作模式作為現(xiàn)行模式；從現(xiàn)行操作模式代表的切削器軌跡中選擇在給定時間操作車床的一條切削器軌跡；產(chǎn)生相應(yīng)于選定軌跡的控制命令。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于控制命令包括關(guān)于切削器打算到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)以及到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)所打算采用的軌跡的信息，并且其中響應(yīng)控制命令移動切削器的步驟包括確定切削器位置和到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)所打算采用的軌跡的差別；產(chǎn)生校正信號分量，以迫使切削器到達(dá)預(yù)期的軌跡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于零件幾何數(shù)據(jù)包括零件邊界段的空間坐標(biāo)，在開始加工零件之前，該方法進(jìn)一步包括以下步驟根據(jù)預(yù)定的劃分規(guī)則將零件模型劃分為一組單元，并使得每個單元包括一個或多個邊段；相應(yīng)于每個單元記錄一組零件邊界限定信息；并且其中獲得切削器位置信號的步驟包括識別在每個測量時間與切削器的位置相關(guān)的單元；并且相應(yīng)于該單元確定切削器相對于零件邊界的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于劃分步驟進(jìn)一步包括建立一個包括要被劃分的零件幾何部分的平行六面體區(qū)域；計(jì)算在該平行六面體區(qū)域內(nèi)的零件壁段數(shù)；如果該平行六面體區(qū)域包括的零件邊界數(shù)小于或等于預(yù)定的最大數(shù)，那么將該平行六面體區(qū)域作為一個單元；如果壁段數(shù)大于預(yù)定最大值，那么通過在平行六面體區(qū)域內(nèi)建立一個劃分邊界將該平行六面體區(qū)域劃分為子區(qū)域；重復(fù)計(jì)數(shù)、單元建立和劃分步驟，直到任何一個子區(qū)域都不包括大于預(yù)定最大值的壁段數(shù)為止。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括以下步驟在零件邊界被計(jì)數(shù)之前，對每個劃分邊界產(chǎn)生一個小的平行位移，使得子區(qū)域被擴(kuò)大，從而產(chǎn)生少許重疊的單元結(jié)構(gòu)，其中靠近劃分邊界的壁段被包括在相鄰的單元中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于預(yù)先建立了若干代表允許的切削軌跡的操作模式，并且相應(yīng)于實(shí)時控制命令移動切削器的步驟包括在給定的時間，根據(jù)零件幾何數(shù)據(jù)、輸入設(shè)備信號和切削器位置信號選擇一種操作模式作為現(xiàn)行模式；并且從由現(xiàn)行操作模式代表的切削器軌跡中選擇在給定時間操作車床的一條切削器軌跡。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于零件幾何數(shù)據(jù)包括零件邊界段的空間坐標(biāo)，該方法進(jìn)一步包括以下步驟在開始加工零件之前，通過以下方式啟動車床根據(jù)預(yù)定的劃分規(guī)則將零件幾何模型劃分為一組單元，并使得每個單元包括一個或多個邊界段；相應(yīng)于每個單元記錄一組零件邊界限定信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于劃分步驟進(jìn)一步包括建立一個包括要被劃分的零件幾何部分的平行六面體區(qū)域；計(jì)算在該平行六面體區(qū)域內(nèi)的零件壁段數(shù)；如果該平行六面體區(qū)域包括的零件邊界數(shù)小于或等于預(yù)定的最大數(shù)，那么將該平行六面體區(qū)域作為一個單元；如果壁段數(shù)大于預(yù)定最大值，那么通過在平行六面體區(qū)域內(nèi)建立一個劃分邊界將該平行六面體區(qū)域劃分為子區(qū)域；重復(fù)計(jì)數(shù)、單元建立和劃分步驟，直到任何一個子區(qū)域都不包括大于預(yù)定最大值的壁段數(shù)為止。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括以下步驟在零件邊界被計(jì)數(shù)之前，對每個劃分邊界產(chǎn)生一個小的平行位移，使得子區(qū)域被擴(kuò)大，從而產(chǎn)生少許重疊的單元結(jié)構(gòu)，其中靠近劃分邊界的壁段被包括在相鄰的單元中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于平行六面體區(qū)域和子區(qū)域是矩形的；所有劃分邊界將區(qū)域或子區(qū)域的最長邊垂直平分。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于零件幾何數(shù)據(jù)包括限定零件邊界的信息；并且其中處理零件幾何數(shù)據(jù)的步驟包括根據(jù)預(yù)定的選擇規(guī)則選擇所有零件邊界的一個子集；處理切削器位置信號的步驟包括確定切削器相對于選定子集中的零件邊界的位置。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在零件加工之前和之中的任何時間包括以下步驟為工件產(chǎn)生固定設(shè)備的位置和外形的數(shù)據(jù)表示；修正零件幾何數(shù)據(jù)，以使得固定設(shè)備的位置和外形被反映為零件幾何數(shù)據(jù)的一部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于固定設(shè)備位置和外形數(shù)據(jù)是采用車床端部識別固定設(shè)備的邊界來產(chǎn)生的。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于實(shí)時控制命令是通過重復(fù)一系列步驟來實(shí)現(xiàn)的，每次重復(fù)包括以下步驟根據(jù)輸入設(shè)備信號、零件幾何尺寸和車床位置信號的瞬時值確定最佳的切削運(yùn)動路徑和切削目的點(diǎn)；產(chǎn)生一個表示切削器瞬時位置和目的點(diǎn)之間差別的第一信號；產(chǎn)生一個表示瞬時切削器位置和由控制命令表示的最佳路徑之間差別的第二信號；產(chǎn)生一個與第一和第二差別信號函數(shù)相關(guān)的校正信號，用于操作切削器以減小差別信號值。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于輸入信號和最佳路徑被表示為向量；并且其中輸入信號對實(shí)時控制命令的作用是通過將輸入信號向量投影到最佳路徑向量上來確定的。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于校正信號的函數(shù)關(guān)系導(dǎo)線性的。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括以下步驟相應(yīng)于零件加工時產(chǎn)生的一系列實(shí)時控制命令，記錄切削器控制程序；響應(yīng)被記錄的控制程序操作機(jī)床，再來產(chǎn)生一個或多個零件。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括以下步驟在開始加工零件之前產(chǎn)生零件幾何形狀的圖像顯示；在零件加工過程中產(chǎn)生加工過程進(jìn)展情況的圖像顯示。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于車床響應(yīng)控制程序的操作是一系列重復(fù)的過程，其中每個重復(fù)包括響應(yīng)一系列被記錄的控制命令的第一條移動切削器；確定切削器何時到達(dá)了相應(yīng)于從第一控制命令到第二控制命令的變化的位置；此后，響應(yīng)一系列被記錄的控制命令的下一條移動切削器。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于控制程序由以下步驟產(chǎn)生檢測目繼的控制命令之間的變化；根據(jù)在相繼的控制命令變化之間的切削器位置變化和變化之間所經(jīng)過的時間來計(jì)算一系列平均速度；記錄控制命令序列、與每個控制命令變化相關(guān)的切削器位置和在控制命令變化之間的間隔計(jì)算的平均速度。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于產(chǎn)生進(jìn)展情況顯示的步驟包括記錄在加工過程中切削器已經(jīng)接觸的零件表面上的點(diǎn)；產(chǎn)生包括切削器已經(jīng)接觸的那些點(diǎn)的零件幾何形狀的部分表示。
23.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于劃分步驟進(jìn)一步包括建立一個包括該模型要被劃分的部分的平行六面體區(qū)域，長度沿第一方向擴(kuò)展，寬度沿垂直的第二方向擴(kuò)展；計(jì)算該平行六面體區(qū)域內(nèi)的零件壁段數(shù)如果它包含的零件壁段數(shù)少于或等于預(yù)先確定的最大數(shù)目，就把這個平行六面體區(qū)域建立為一個單元；如果壁段數(shù)超過預(yù)先確定的最大數(shù)，那么就通過在該平行六面體區(qū)域內(nèi)建立一個第一劃分界限把這個平行六面體劃分為子區(qū)域，這個界限按照預(yù)先確定的劃分規(guī)則沿第一或第二方向擴(kuò)展；如果平行六面體區(qū)域不是一個單元，就產(chǎn)生一個帶有一個第一級節(jié)點(diǎn)、兩個第二級節(jié)點(diǎn)和把第一級節(jié)點(diǎn)分別連接到第二級節(jié)點(diǎn)的分支的邏輯樹狀結(jié)構(gòu)；按照預(yù)先確定的規(guī)則，把第一級節(jié)點(diǎn)連接到作為第一劃分界限的方向的第一方向或者第二方向；將第二級節(jié)點(diǎn)與每個子區(qū)域相連；如果計(jì)算的零件邊界數(shù)目少于或等于預(yù)先確定的最大數(shù)，就將一個子區(qū)域作為一個單元；如果計(jì)算的壁段數(shù)超過預(yù)先確定的最大數(shù)，就根據(jù)預(yù)先確定的劃分規(guī)則，通過確定一個第二劃分邊界進(jìn)一步對該子區(qū)域進(jìn)行劃分；如果該子區(qū)域是一個單元或如果它不是一個單元而是第二劃分界限的方向，那么連接每個第二級節(jié)點(diǎn)和在相應(yīng)的子區(qū)域內(nèi)的零件邊界的空間坐標(biāo)；重復(fù)這種計(jì)算、單元建立和節(jié)點(diǎn)連接步驟，直到?jīng)]有一個子區(qū)域包含超過預(yù)定的壁段數(shù)目。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于確定刀具單元位置的步驟包括確定刀具在第一劃分邊界的那一邊；根據(jù)刀具相對第一劃分邊界的位置選擇第二級節(jié)點(diǎn)；如果相關(guān)于所選擇的第二節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)表示一個或多個零件邊界的空間坐標(biāo)，那么報告車刀存在于一個單元中；如果選定的第二節(jié)點(diǎn)不是一個單元，那么確定刀具在第二劃分邊界的那一邊；繼續(xù)進(jìn)行檢測相關(guān)于選定節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)的過程，直到被檢測的數(shù)據(jù)被確定為一個或多個零件邊界的空間坐標(biāo)為止。
25.用于計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床的一個交互式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)Σ僮鲉T發(fā)出的實(shí)時運(yùn)行指令產(chǎn)生交互響應(yīng)，從而允許操作員參與零件加工，該控制系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生輸入信號的手動操作輸入裝置；用于存儲表示要被加工零件的幾何尺寸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的裝置；產(chǎn)生表示零件幾何數(shù)據(jù)信號的裝置；用于產(chǎn)生表示車刀實(shí)際位置信號的裝置；用于處理操作員輸入信號、車刀位置信號和零件幾何數(shù)據(jù)信號，以產(chǎn)生控制指令的裝置；用于處理輸入裝置信號和控制命令以對機(jī)床產(chǎn)生一個實(shí)時運(yùn)動控制信號的命令執(zhí)行裝置；
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括記錄限定若干操作模式的數(shù)據(jù)的裝置，這些模式表示多組允許的控制命令；其中的控制命令產(chǎn)生裝置進(jìn)一步包括在給定時間選定這些操作模式中的一個作為現(xiàn)行模式的裝置；響應(yīng)輸入信號、車刀位置信號和零件幾何數(shù)據(jù)信號，從現(xiàn)行操作模式所允許的命令中選擇一個用于在給定時間操作車床的控制命令的裝置。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于零件的幾何數(shù)據(jù)包括限定該零件的邊界段的空間坐標(biāo)；其中用于產(chǎn)生零件幾何數(shù)據(jù)的信號表示的裝置包括劃分裝置，用于根據(jù)預(yù)定的劃分規(guī)則限定一個單元結(jié)構(gòu)，以將零件邊界與單元相連；用于記錄相應(yīng)于各個單元的零件邊界限定數(shù)據(jù)的裝置。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于單元的確定使得預(yù)先確定的零件邊界的最大數(shù)與每個單元相關(guān)。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于劃分裝置進(jìn)一步包括用于產(chǎn)生一個圍繞要被劃分的零件幾何形狀的平行六面體區(qū)域的裝置；用于在每個平行六面體區(qū)域內(nèi)計(jì)算零件邊界數(shù)的裝置；用于在計(jì)算的零件邊界數(shù)少于或者等于預(yù)先確定的最大數(shù)時將平行六面體作為一個單元的裝置；用于在計(jì)算的壁段數(shù)超過預(yù)先確定的最大數(shù)時按照預(yù)先確定的劃分規(guī)則確定劃分平行六面體區(qū)域的邊界把平行六面體區(qū)域劃分為子區(qū)域的裝置；用于響應(yīng)子區(qū)域的產(chǎn)生控制劃分裝置繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算、建立單元和進(jìn)一步產(chǎn)生子區(qū)域，直到?jīng)]有一個子區(qū)域包含超過預(yù)定的壁段數(shù)的裝置。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于預(yù)定的最大數(shù)從包含3和4的組中選取。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括用于在零件邊界數(shù)被計(jì)算之前使每個劃分邊界產(chǎn)生一個小平行位移來擴(kuò)大子區(qū)域，從而產(chǎn)生一個帶有包含在鄰近單元中的靠近劃分邊界的壁段的稍微重疊的單元結(jié)構(gòu)的裝置。
32.根據(jù)權(quán)利要求29所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于其中的平行六面體是矩形的，其中的劃分邊界把矩形最長的邊二等分。
33.根據(jù)權(quán)利要求25所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于零件幾何數(shù)據(jù)包括零件邊界段的空間坐標(biāo)，進(jìn)一步包括用于按照預(yù)先確定的規(guī)則選擇由零件幾何數(shù)據(jù)確定的零件邊界的一個子集的裝置，其中用于產(chǎn)生實(shí)時運(yùn)動控制信號的裝置包括僅用于在選定的子集中確定刀具相對于零件邊界的幾何關(guān)系的裝置。
34.根據(jù)權(quán)利要求25所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括用于人工輸入用于工件的固定裝置的位置數(shù)據(jù)表示的裝置；用于修正零件幾何數(shù)據(jù)來反映固定位置數(shù)據(jù)的裝置。
35.根據(jù)權(quán)利要求25所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于其中的控制命令提供諸如預(yù)期的切削目的點(diǎn)和到該目的點(diǎn)的規(guī)定軌跡的信息，其中命令執(zhí)行裝置包括響應(yīng)控制命令用于產(chǎn)生表示預(yù)期切削目的點(diǎn)的信號的裝置；響應(yīng)控制命令用于產(chǎn)生表示規(guī)定軌跡的信號的另一裝置；用于產(chǎn)生一個表示車刀瞬時位置和預(yù)期目的點(diǎn)之間的差異的信號的裝置。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于輸入信號是矢量形式，其中用于產(chǎn)生實(shí)時運(yùn)動控制信號的裝置包括用于確定輸入信號矢量在規(guī)定軌跡上的投影值的裝置。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于運(yùn)動控制信號的大小與輸入信號矢量在規(guī)定軌跡上的投影值線性相關(guān)。
38.根據(jù)權(quán)利要求25所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括用于產(chǎn)生一系列控制命令的程序信息表示的裝置；用于記錄程序信息的裝置；用于重放作為切削程序的被記錄的程序信息的信號表示，以便再生產(chǎn)一個或多個零件的裝置。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于產(chǎn)生程序信息的裝置包括用于檢測控制命令變化的裝置。
40.根據(jù)權(quán)利要求38所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于重放程序信息信號的裝置包括用于對每個被記錄的控制命令以它們被記錄的順序產(chǎn)生程序信號表示的裝置；用于把程序信號藕合到命令執(zhí)行裝置的裝置；用于檢測每個程序信號完成情況的裝置。
41.根據(jù)權(quán)利要求38所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于產(chǎn)生程序信息的裝置包括用于檢測相繼控制命令之間的變化的裝置；用于根據(jù)相繼控制命令變化之間的切削器位置變化和這些變化之間所花費(fèi)的時間計(jì)算一系列平均速度的裝置；用于記錄一系列控制命令、與每個控制命令變化相關(guān)的切削器位置和相對于控制命令變化間隔計(jì)算的平均速度的裝置。
42.根據(jù)權(quán)利要求25所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括用于顯示零件幾何數(shù)據(jù)的圖形表示的第一裝置；用于顯示表示零件加工進(jìn)展情況的圖形表示的第二裝置。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于第二顯示裝置包括用于記錄由零件幾何數(shù)據(jù)表示的在加工過程中車刀與之接觸的零件表面上的點(diǎn)的裝置；用于產(chǎn)生包括車刀與之接觸的點(diǎn)的零件幾何外形的部分表示的裝置。
44.根據(jù)權(quán)利要求27所述的交互式數(shù)字機(jī)床控制系統(tǒng)，其特征在于產(chǎn)生切削器定位指令信號的裝置進(jìn)一步包括用于確定在一個特定時間刀具的單元位置的裝置；用于確定車刀相對于其所在單元的零件邊界的位置的裝置。
45.一種交互式控制可以通過編程來完成與物理環(huán)境有關(guān)的預(yù)定功能的機(jī)床的方法，與此有關(guān)的機(jī)床至少帶有一個人工操作輸入裝置，通過該裝置用戶可以向機(jī)床提出實(shí)時操作請求，并至少帶有一個對機(jī)床和環(huán)境之間的物理關(guān)系具有反應(yīng)能力的傳感器，該方法包括以下步驟產(chǎn)生表示該程序功能的第一數(shù)據(jù)體；產(chǎn)生表示允許的機(jī)床操作模式組的第二數(shù)據(jù)體；產(chǎn)生表示來自用戶的操作請求輸入的第一信號；產(chǎn)生表示在相繼的測量時間與環(huán)境相關(guān)的機(jī)床運(yùn)行實(shí)際狀態(tài)的第二信號；在一個特定的測量時間處理第一和第二信號，與第一數(shù)據(jù)體一起為直到下一測量時間為止的時間間隔選擇一組允許的機(jī)床操作模式。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括下述步驟根據(jù)由第一信號表示的來自用戶的特定操作請求和由第二信號表示的車床和環(huán)境之間的物理關(guān)系從可用的組里選擇一種操作模式來產(chǎn)生一個機(jī)床操作控制信號。
47.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括下述步驟按照預(yù)先確定的邏輯規(guī)則劃分第一數(shù)據(jù)體；根據(jù)該邏輯劃分規(guī)則記錄該數(shù)據(jù)，并且其中產(chǎn)生第二信號的步驟包括以下步驟把一個特定測量時間的傳感器的輸出信號與定義劃分規(guī)則的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以確定使車床運(yùn)行狀態(tài)在那時與之具有最大相似性的劃分；將特定時間的機(jī)床實(shí)際操作狀態(tài)與所確定的劃分中包含的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
48.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括下述步驟產(chǎn)生在交互式車床運(yùn)行期間產(chǎn)生的一系列車床操作控制信號的程序信息表示；記錄該程序信息；為隨后使用車床將表示所記錄的程序信息的信號作為操作程序來重放。
49.用于可以通過編程來完成一個與實(shí)際環(huán)境有關(guān)的預(yù)定操作功能的車床的一個實(shí)時交互式控制系統(tǒng)，包括用于產(chǎn)生表示由用戶發(fā)出的一個實(shí)時操作請求的第一信號的人工輸入裝置；與車床和環(huán)境之間的實(shí)際關(guān)系相關(guān)的測量裝置；響應(yīng)該測量裝置來產(chǎn)生一個表示在特定時間車床運(yùn)行實(shí)際狀態(tài)的第二信號的裝置；存儲表示編程操作功能的第一數(shù)據(jù)體的第一存儲裝置；存儲表示允許的車床操作模式組的第二數(shù)據(jù)體的第二存儲裝置；相應(yīng)于在特定測量時間的第一、第二信號的值和第一數(shù)據(jù)體，在下一個測量時間之前，選擇允許的車床操作模式組中的一個作為可用模式的裝置；相應(yīng)于來自用戶的由第一信號表示的特定操作請求和由從可用組中選擇的第二信號表示的車床與環(huán)境之間的實(shí)際關(guān)系，在下一個測量時間到來之前，從可用組中選擇一個操作模式作為當(dāng)前模式的裝置。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的交互式車床控制系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括響應(yīng)所選擇的操作模式和第一、第二信號來產(chǎn)生車床操作控制信號的裝置。
51.根據(jù)權(quán)利要求49所述的交互式車床控制系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括用于按照一個預(yù)定的邏輯規(guī)則劃分第一數(shù)據(jù)體的裝置；用于按照邏輯劃分規(guī)則記錄第一存儲裝置中的第一數(shù)據(jù)體的裝置，其中響應(yīng)測量裝置的裝置包括用于將在一個特定時間測量裝置的輸出與定義劃分規(guī)則的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以確定在這個時間車床操作狀態(tài)與之具有最好的相似性的劃分的裝置；用于根據(jù)在特定時間車床運(yùn)行實(shí)際狀態(tài)和以包含在確定劃分中的數(shù)據(jù)反映的車床操作目標(biāo)之間的差異產(chǎn)生第二信號的裝置。
52.根據(jù)權(quán)利要求49所述的交互式車床控制系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括用于產(chǎn)生一系列車床操作控制信號的程序信息表示的裝置；用于記錄程序信息的裝置；為隨后使用車床將所記錄的程序信息的信號表示作為操作程序來重放的裝置。
全文摘要
一種計(jì)算機(jī)可控機(jī)器(例如車床)的交互式操作方法和系統(tǒng)。該方法包括處理實(shí)時的操作員輸入命令、機(jī)床操作狀態(tài)數(shù)據(jù)和機(jī)床操作目標(biāo)數(shù)據(jù)，以選擇一系列預(yù)定的操作模式。這能允許操作員對如何得到操作目標(biāo)進(jìn)行實(shí)際控制。該系統(tǒng)在適當(dāng)編程的微機(jī)上運(yùn)行，并包括用于實(shí)時操作命令的人工輸入裝置、用于存儲表示機(jī)床操作目標(biāo)的數(shù)據(jù)的裝置、對機(jī)床運(yùn)行的實(shí)際狀態(tài)提供反饋的裝置和根據(jù)可用操作模式組產(chǎn)生控制命令的裝置。為確?？焖俚南到y(tǒng)反應(yīng)，操作目標(biāo)數(shù)據(jù)按照邏輯規(guī)則進(jìn)行劃分，該數(shù)據(jù)的一個子集被用來根據(jù)與操作狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)的相似性來確定操作約束。在車床的應(yīng)用中，要創(chuàng)建一個要被加工的零件的幾何模型，該模型根據(jù)零件的若干邊界來限定該零件。劃分過程包括一組單元，每個單元至多包括預(yù)先最大數(shù)目的零件邊界。車刀的位置通過識別與給定時間車刀位置相對應(yīng)的單元來確定，與指定單元相關(guān)的零件邊界被用于計(jì)算碰撞免除命令，以確保對零件進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸ぁＲ部梢蕴峁┡c操作目標(biāo)相比較的機(jī)床操作的圖形顯示，同時還有裝置用于記錄和處理一系列機(jī)床操作指令，以便隨后重放來控制重復(fù)的機(jī)床運(yùn)行。
文檔編號G05B19/4097GK1137829SQ95191091
公開日1996年12月11日 申請日期1995年9月1日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月2日
發(fā)明者洪家威, E·帕夫拉柯斯, 譚小南 申請人:西姆普拉斯有限公司