专利名称：模拟机床或专用机床的控制特性和/或机器特性的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于模拟机床或专用机床的控制特性和/或机器特性的 方法和装置。
背景技术：
随着在机床或专用机床(也包括机器人)的应用领域中对质量和经济性 方面的要求不断提高，这些机器的复杂性也不断增长。新型的机械动力学和 复杂的机电一体化功能在功能性能方面对机械系统、驱动系统和控制系统的 要求越来越高。但这些系统的设计和开发工作并不简单。因此，制造商越发 急需在产品开发阶段就通过模拟对机器的生产率，对控制信号、传感器信号 和单个轴运动的精确特性乃至碰撞控制进行评估和优化。其中，不仅可对机器的机械特性、驱动装置的特性进行模拟，还可模拟控制系统的功能。只有 这样才能精确模拟机械系统、驱动装置和数控系统的时间特性，例如对数控 加工或换刀进行模拟。目前使用各种细节层次的模型来模拟机床的机械特性，例如 —几何运动模型(只对机器元件的几何构型加以考虑，而不考虑其质 量和弹性)，—用于流程模拟的代用模型，例如佩特里网、网络化功能模块，一用于多刚体系统(尤其是与柔性连接元件相连的多刚体系统)的模型，一多质量模型(对传动系中的质量和弹性一并加以考虑)， 一多柔体系统，以及—有限元模型(通过有限元可实现机械系统的彻底离散化)。可通过软件模拟将控制系统整合在模型中，或者使用包含有原始软件的 原始控制硬件。其中，数控系统主要由例如数控核(NCK)和可编程逻辑控制器(PLC)构成，数控核用于在复合内插系统(Interpolationsverbund) (例如沿圓形路径移动)中对数控轴进行控制，可编程逻辑控制器通常用于 为例如换刀装置控制非受控轴。但在某些情况下，PLC也用于控制受控轴。 因此控制系统中就集成了复合内插系统中(例如曲线描图)的受控轴和进行 受控和非受控移动的副轴/进给轴。如果机床或专用机床(例如塑料注射成型机、印刷机、自动包装机等) 是由制造商提供及装配，这种机床或专用机床最初就会处于一种已知的确定 状态。在生产过程中，机器的状态和配置数据会由于新的生产流程、维护、 修理、磨损等等而发生变化。准确获知机器状态通常是必要的，例如 可重新^f吏4几组加速， 可制订下一次的维护计划， 进行生产规划， 可实现当前机器模型的模拟，以及/或者 可在当前机器状态的基础上进行新子程序的优化。 对必要的机床状态参数的持续检测和记录比较复杂，因而通常并不实施 这项工作。为能在机床上实现工件的建构，需要确定例如几何、工艺、经济和质量 参数。这些参数会对加工机床的选择问题相应构成限制。因此，为能在机床 上以最佳方式制造工件，有必要准确获知这个机器的效率和技术性能。工艺 参数的范围 一方面会加大最适用机床的选择难度，另 一方面也会加大数控程 序员设计数控程序的难度。完成这两项任务须以广泛的专业知识和准确获知 机器参数及机器技术为前提。只有在最大限度地达到各种制造标准(例如制 造成本、表面质量、产量、尺寸、工艺等)的情况下才能实现最适用机床。 例如最佳工件质量与最短生产时间相结合方能产生最佳数控程序。迄今为止，操作人员 一直把在哪台机器上制造工件这一决定建立在他们的经验和对 有关机器的知识的基础上。操作人员也可依靠模拟来决定机床的选用问题。如果进行工件加工模 拟，就须单独为每台机器进行模拟运行。当然，这种处理方式也可应用于专 用机床。为能进行机床模拟，必须了解数控子程序。迄今为止，这种程序不是借助CAM系统在生产规划阶段进行编制，就是直接在机床上进行现场编制。传统技术中的一种更可靠但成本也更高的机床选择及数控程序优化方 案是分别在各机器上制造样品。随后对这个工件进行肉眼鉴定。对样品进行 精确测量不仅成本很高，而且还很费时。选择制造出最满足所需标准的样品 的机床来完成制造任务。数控程序的设计也同样如此。如果样品的质量达到 了最佳程度，就可在子程序上完成数控编程。.在这两种应用情况下，程序员 或生产规划员必须在机器现场进行工作。发明内容本发明的目的是对模拟机床或专用机床的控制性能和/或机器性能的方 法进行改进，以及更好地利用模拟结果。这个目的通过一种具有权利要求1所述特征的方法和一种具有权利要求7所述特征的装置而达成。从属权利要求2至6涉及的是本发明的有利改进 方案。实施本发明的模拟机床或专用机床的控制性能和/或机器性能的方法 时，通过企业内部网和/或互联网将有关机床或专用机床的数据从机床或专 用机床传输到模拟设备上。这些数据涉及的主要是在机器的运行和/或优化 过程中有可能发生变化的状态数据和/或参数数据，例如放大参数、停滞时 间、延迟元件、调节设备积分元件的参数等诸如此类的参数。此外，这些数 据还可以是例如有关性能、控制质量、机器配置水平的信息。这些数据涉及 的是有关专用机床或机床的数据，其中，这些数据也可以是用于调节和/或 控制专用机床或机床的设备的数据。这些数据主要是参数数据和/或配置数据和/或硬件数据和/或程序数据(例如子程序)和/或性能数据。机床或专用机床的数据由机床或专用机床通过网络传输给模拟设备。也 就是说，例如用于调节和/或控制机床或专用机床的调节设备和/或控制设备 将数据传输到服务器上。这个服务器通过互联网与其他服务器相连，由其他 服务器接收数据。在此情况下，这个其他服务器自身就是模拟设备，或者用 于将数据传输到与其之间存在数据链路的模拟设备上。根据一种有利建构方案，如果机床或专用机床具有调节和/或控制设备， 就可在分立的计算机或连接在这个调节和/或控制设备下游的计算机上对这 个调节和/或控制设备进行模拟或仿真。这个计算机就是模拟设备，其中， 计算机和机器在一个分布在世界范围内的局域网内以可以传输数据的方式彼此相连。举例而言，通过计算机与真实机器之间的这种连接可上传机器的 当前配置数据(机器数据)。也可进行下载。尽管机器的控制硬件彼此间往往存在一定差别，且与具体机器有关，但 如果模拟设备使用的并非是原始的调节和/或控制设备，就可用统一 的硬件来建构本发明的装置。采用本发明的方法时，在模拟设备上使用虛拟NCK是有利的。.另 一建构方案是在模拟设备上进行实时模拟。借此可以简单的方式为使 用者提供时间上准确的制造过程模型。本发明的另一建构方案是将专用机床或机床的配置数据和/或状态数据 传输给与专用机床或机床同步的模拟模型。在模拟设备上计算这个模拟模 型。其中的同步主要是指使用相同的数据库和/或时间同步模拟。在传统技术中，生产和/或制造设备的规划和监测系统所基于的生产和/ 或制造设备状态有别于生产和/或制造设备的真实状态，其原因在于未对变 化情况加以考虑。这一点例如涉及刀具配置、机器元件的磨损等。其后果是， 往往会在即将开始制造时或甚至在制造过程中才发现操作器具或刀具不适 用，或者缺少操作器具或刀具，从而必须付出高昂的成本对制造任务重新进行规划。通过采用本发明的向模拟设备传输数据的方法，可改善模拟效果， 进而使与模拟相关的规划方法也得到改善。此处起主要作用的是向模拟设备 传输磨损数据。向模拟设备传输数据例如由机床或专用机床的操作人员触发，或者根据本发明的另一建构方案，也可自动进行这种数据传输。举例而言，至少在数据中的一个数据发生变化后向模拟设备自动传输数据，其中，至少将这个数 ^"^d:建:to ;5"夂A补S i'《 晚"5T/4 4^厶4K粉i&A "5T古Al A 9 /4 白畜近一次数据传输以来发生过变化的数据。本发明的方法也可进行以下改进 如果涉及的是机床，就通过模拟设备并借助一个机床或不同机床的 基于数据的模型以及借助工件的基于数据的模型在一个或多个机床上模拟 制造工件的样品，以及-如果涉及的是专用机床，就通过模拟设备并借助一个专用机床或不 同专用机床的基于数据的模型以及借助工业产品的可传输数据的模型在一 个或多个专用机床上模拟制造工业产品的样品。由于这种方法所用的系统具有用作模拟设备的计算机，其中，这个计算 机通过企业内部网和/或互联网与用于控制和/或调节机床和/或专用机床的 设备彼此相连来交换数据，因而可将模拟设备用于多个处于世界范围内不同 位置上的机器。这不仅可提高模拟设备的利用率，还可实现全球性的机器比 较。为此，模拟设备或与模拟设备相连的、因而成为模拟设备一部分的设备 中必须存储有多个机床或专用机床的数据，其中，对至少两个机床或专用机 床的模拟结果进行自动比较，以及/或者，可通过人机界面(丽I)对至少两 个机床或专用机床的模拟结果进行比较。用于模拟的计算机上存在有例如用于机床的模拟系统，这个模拟系统由 用于控制系统(用于控制系统的仿真)的模型、运动模型和加工过程模型构 成，并可扩充其他模型。通过模拟结果的自动比较，可测定哪台专用机床或机床最大程度地满足质量、数量和/或经济性方面的单项或多项要求。因此， 本发明所提供的方法和系统可借助模拟设备和/或辅助设备对模拟结果进行提出具有实际利用价值的机床或专用机床。本发明的方法的另 一建构方案是在模拟设备上修改用于模拟的有关机 床或专用机床的数据。这些数据涉及的例如是调节设备的参数或可用来对机 器配置水平进行模拟的数据。至少一个数据或多个数据被修改后，在模拟设 备上以被修改的数据进行模拟。修改后，也可以在不进行进一步模拟的情况 下将被修改的数据传输给机床或专用机床。有利的做法是对以各种数据集为 基础的模拟结果进行存储，这样就可对这些模拟结果进行相互比较。对模拟 结果进行比较后，特别是对模拟结果进行质量上的自动评估后，选出质量上 较佳的数据集和机器，随后至少将选定数据集的数据传输到机床或专用机床 上，这部分数据不同于机床或专用机床中所存储的数据。也可以将整个数据 集传输到机床或专用机床上。传输的数据特别用于控制系统或调节设备重新 进行参数设定。述状态 控制系统和/或调节装置仿真的状态， -运动模拟的状态， 驱动技术模拟的状态和/或加工过程模拟的状态 有利地在每个时间点上均与真实机床的状态相符。其中，所述时间点至 少涉及进行模拟的时间点。借助于这种在每个时间点上均与真实机床或真实专用机床相符的模拟 模型可对整个制造系统上所发生的变化的影响进行研究。根据模型测定的数 据可应用于短期及长期生产规划，以及用来对机床上的制造过程或制造系统 中的总制造过程进行优化。根据另一方案，机床或专用机床的模拟结果和/或存储数据用于使专用 机床或机床可靠地再启动和/或停车。也可在CAM系统中用机床或专用机床的模拟结果和/或存储数据来进行 生产规划。此处主要涉及有关一个或多个刀具的数据。本发明的另一优点在于，通过对机器状态的持续记录，可实现更为精确 的维护工作规划。这一规划可自动化，其中，例如借助于对现有数据进行趋 势分析可使规划得到优化。此外，本发明还涉及一种用于实施上文所述的一个或多个处理步骤的装 置。为此，这个装置具有模拟设备，这个模拟设备不仅用于实施模拟步骤， 还特别用于实施模拟结果的比较步骤。通过网络(例如互联网)使模拟设备与机器相连，可至少实现下文中的 一点 利用机器的当前配置数据在计算机上进行控制系统仿真； 在使用机器配置数据的情况下利用控制系统仿真进行加工任务的模拟；-将控制系统仿真与用于模拟驱动、机械系统(例如运动学)和/或力口' 工过程(例如材料去除)的模型耦合； 选择机器时对模拟结果进行评估，例如在涉及机床的情况下，通过 在模拟设备上进行加工任务模拟来确定加工时间、表面质量、全部测量点的 柔度(einhaltung )、加工成本和/或加工质量； 进行数控程序优化时将模拟结果与待制造工件的模型数据相比较。 除精确的3D模型外，模型数据还包含例如所有可用于比较的相关制造数据； 针对一个或多个机器的不同配置自动地多次重复模拟(例如通过成 批处理); 其他模拟设备通过门户网站或客户端应用程序以及借助企业内部网 和/或互联网对模拟设备的功能和数据进行访问。
下面借助附图对本发明的实施例和/或其他建构方案进行详细说明，其中图1为本发明的第一图示；以及 图2为本发明的第二图示。
具体实施方式
图1象征性地对机器1进行了图示。机器1例如是具有CNC ( Co即uter Numerical Control,计算机数控器)的机床或专用机床。机器1内存储有 数据5。数据5可通过互联网2以数据传输4的方式被传输到模拟设备3上， 其中，这些数据涉及的是例如配置数据、磨损数据和/或追踪数据。模拟设 备3同时还是例如制造监测或生产规划系统。模拟设备3主要用作控制系统 仿真设备和/或用于执行其他模拟模型的设备(例如带有CNC仿真软件的模 拟设备)，其中，在模拟设备3内还可对模型过程数据进行持久存储。模拟设备3上存储有一个或多个此处未显示的机器的多种不同的数据 5。数据5在模拟设备3上用于进行模拟7,其中，完成模拟7后可获得模拟 结果8。模拟结果8显示的是机器的机器特性在不同数据情况下的变化情况 以及多个机器之间的特性区别。借助模拟结果8还可有利地在模拟与现实之 间进行额定值-实际值比较。在比较步骤9中对模拟结果8进行比较和/或通过互联网2对模拟结果8 进行传输。通过比较产生比较结果，借此可将某些数据6确定为优选数据。 随后将优选数据6重新传输给机器1。这些数据6涉及的特别是用于实施改 善机器特性措施的校正数据。这种校正例如在对模拟结果进行过比较后自动 进行，其中，也可借助已校数据进行新的模拟。为完成本发明的方法，使机 器1用优选数据6进行工作。借助模拟结果8还可进行例如趋势分析，从这 种趋势分析中也可推导出数据修改措施。借助本发明的系统可进行机床模拟模型的自动适应。本发明的系统具有模拟设备3，模拟设备3例如是计算机，这个计算机通过企业内部网或互联 网与机床的控制系统相连，以便进行信息交换。这个计算机上存在一个用于机床的模拟系统。真实机床1的数据5被持续传输到模拟系统的模型(例如用于控制系统、驱动技术、工件、刀具和机床)中，并被记录下来。这个系 统可根据具体要求扩充其他的机床状态数据和机床模型。这个系统和基于这个系统的方法具有至少一个下文所列的特征 模拟设备3与真实机器1之间建立有连接，以便传输当前配置数据(机器数据)和状态数据； 当前配置数据和状态数据用于使模拟模型与现实保持一致； 配置数据是数控系统的机器数据(包括驱动数据和刀具数据在内)； 状态数据是过程数据(例如轴位置)和受磨损、使用寿命或耐用度影响的机器特性或刀具特性； 模拟模型包括控制系统仿真、运动模拟、驱动技术模拟和/或加工过程模拟； 模拟设备上的接口使得其他模拟设备(附图未作图示)可以通过企 业内部网或互联网2对模拟设备3的数据进行访问。图2显示的是服务器11。编程站12以可以传输数据的方式与服务器相 连。服务器11实施为模拟设备，其中，模拟结果通过例如互联网2被传输 到编程站12上。根据一种附图未作图示的实施方案，编程站12整合在机器 l中。这种整合涉及的是位置整合或功能整合。即使在功能整合的情况下， 也可将编程站12视为机器1的组成部分。通过互联网2可以数据传输4的 方式将子程序、工件模型(CAD、 3D等)、生产要求和/或质量标准从编程站 12传输到模拟设备11上。机器1的机器数据可被传输给模拟设备11。模拟 设备11可通过互联网1将新的子程序传输到机器1上。通过使用本发明的系统，机器的选择可得到可验证评估的支持，而不再 仅依赖于并不精确的经验值。借此可避免成本高昂的误判。这不仅与现有机器的使用有关，也涉及到新机器的购置。这个系统和基于这个系统的方法具有至少 一个下文所列的特征及相应的优点■这个系统可使工件制造商在做比较时将其(尚)未拥有的机器考虑 在内，因为机器制造商通过这个系统可以实现机器的全球供应； 模拟工作可由预备制造工件的一方自己实施，这样就无需公开工件 模型，从而使其技术诀药得到保护； 可将模拟工作转移到可靠实体上进行，在此情况下，机器制造商和 工件制造商的技术诀窍均能得到保护； 这个系统可在预备阶段中在机器选择方面为生产规划员服务，或者 辅助数控程序员为当前机器配置编制子程序； 数控程序员通过软件系统可以位置不受限制地进行工作，而无需再 在现场编制和测试IM空程序； 数控程序员可在其PC上对数控程序进行本地模拟，或者以模拟委托 的形式将模拟工作转移到可靠实体(计算机)上进行；-数控程序员通过这个系统不仅可为其所在企业的机器设计程序，也 可为与计算机相连的外部机器编制程序。这一点使得可以在世界范围内委托； 数控程序员可借助这个系统调试子程序使之与当前机器配置相匹配， 从而确保子程序的有效性。
权利要求
1.一种模拟机床或专用机床(1)的控制特性和/或机器特性的方法，其特征在于，通过企业内部网(2)和/或互联网(2)将有关所述机床或专用机床(1)的数据(5)从所述机床或专用机床传输到模拟设备(3)上。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据(5)被自动传输给所述模拟设备(3),其中，特定而言至少 在所述数据(5)中的一个数据发生变化后，至少将这个数据传输给所述模 拟设备(3 )。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所传输的数据(5 )是参数数据和/或配置数据和/或硬件数据和/或程序 数据和/或性能数据。
4. 根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的方法，其特征在于， 所述模拟设备(3 )中存储有多个机床或专用机床(1)的数据(5 ),其中，特定而言对至少两个机床或专用机床(1)的模拟结果(8)进行自动比 较。
5. 根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的方法，其特征在于， 所述模拟设备(3 )和/或辅助设备对模拟结果(8 )进行进一步处理，有利用价值的机床或专用机床(1 )。
6. 根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的方法，其特征在于， 在所述模拟设备(3 )上修改用于模拟的有关所述机床或专用机床(1 )的数据(5),在此之后，以已修改数据(5)进行模拟，以及/或者至少将已修改数据(5)传输给所述机床或专用机床，其中，特别对不同数据集(5)的模拟结果进行存储，并将其相互比较,随后选择数据集，并至少将选定数据集的数据(6)传输到所述机床或专用 机床(1 )上，这部分数据不同于所述机床或专用机床(1 )中所存储的数据。
7. —种装置，所述装置用于实施根据权利要求1至6中任一项权利要 求所述的方法的至少 一 部分， 其特征在于，所述装置具有模拟设备(3 )，所述模拟设备特定而言不仅用于实施模拟 步骤，还用于实施模拟结果的比较步骤。
全文摘要
本发明涉及一种用于模拟机床或专用机床(1)的控制特性和/或机器特性的方法和装置，其中，通过企业内部网(2)和/或互联网(2)将有关所述机床或专用机床(1)的数据(5)从所述机床或专用机床传输到模拟设备(3)上。可将所述数据(5)自动传输到所述模拟设备(3)上，其中，特定而言至少在所述数据(5)中的一个数据发生变化后，至少将这个数据传输给所述模拟设备(3)。
文档编号G05B19/4069GK101278243SQ200680036365
公开日2008年10月1日 申请日期2006年9月20日 优先权日2005年9月30日
发明者托马斯·门泽尔, 马克·霍尔兹, 马赛厄斯·迪泽尔 申请人:西门子公司