专利名称：Cam系统和程序以及控制cam系统的方法
技术领域：
本发明涉及一种计算机辅助制造(CAM)技术，更确切地说，涉及数控(NC)机床的控制技术。
背景技术：
有一个时期，在专业金属模具制造者中，技工们熟知其自始至终的金属模具加工技术秘诀，并且设计出符合要加工之部件的装置，以便制造低成本、高质量的金属模具。
不过，引入了NC机床和CAM技术之后，工作过程就划分为NC数据生成、NC加工和精加工。目前的CAM程序假设一种统一的工作方法，旨在通过工作条件的标准化、工作模式的数据化以及使用高速机床，使任何人都能以简单的操作加工金属模具。
所以，假设要加工的工件具有特定的形状，并且刀具都是新的。
在这样一种环境下，NC数据生成部件和加工部件之间的信息通信，是使用通信文档表格和反馈文档表格等进行的，前者比如指令单或加工图，或者兼而有之，后者用于发生加工失败之时。顺便说一句，这些文档形式是纸面单或电子数据。
未注意到这种分工和部分优化之进展的后果，是在NC数据生成的承担人员和加工操作者之间的通信空白，形成了阻挡技术和技能改善的障碍。
JP-A-08-257674公开了一种技术，由一种长度测量设备来测量工件的外形尺寸，如果外形尺寸小于上述NC加工程序描述的加工尺寸，那么就按照尺寸的差异校正加工起始位置，以便邻近工件的一侧。
发明内容
所以本发明的一个目的是提供一种新的CAM系统，它能够实现高效率和高质量，同时使技工能够在符合车间实际情况的前提下，加工实际的工件，以制造金属模具。
本发明的另一个目的是为CAM系统提供新的金属模具加工工艺，使加工技术和技能能够实现螺旋形上升。
为了实现前述目的，本发明的CAM系统包括两种装置。一种装置是使用一种计算机辅助设计(CAD)模型和一种工件几何测量模型，产生切削余量(也称为切削加工余量)模型，它是工件几何测量模型和CAD模型之间的差异。CAD模型是将要制造之金属模具的立体模型数据，而工件几何测量模型是工件的几何模型数据，是通过对要加工的工件进行测量而获得。另一种装置根据产生的切削余量模型，产生数控(NC)数据。
另外，控制CAM系统的一种方法包括获得一个CAD模型和一个工件几何测量模型，前者是将要制造之金属模具的立体模型数据，后者是对待加工的工件进行测量而获取的该工件的几何模型数据；产生切削余量模型，它是工件几何测量模型和CAD模型之间的差异；以及根据产生的切削余量模型，产生NC数据。
顺便说一句，也可能产生一个程序，用于使一台计算机用作本发明的前述CAM系统，或者说产生一个程序，用于使一台计算机执行前述的方法，该程序存放在一种存储介质或者说一种存储设备中，例如一片软盘、一片CD-ROM、一片磁光盘、一个半导体存储器或者一台硬盘。此外，在有些情况下，该程序作为数字信号通过网络传送。顺便说一句，正在处理的数据暂时存放在计算机的内存中。
附图简要说明
图1是一幅框图，显示了本发明一个实施例的系统配置；图2是一幅框图，显示了一个CAM核心程序实现的若干功能与多种数据之间的关系，以及CAM核心的处理流程；图3是一幅流程图，显示了一个NC数据生成功能的处理流程；以及图4是一幅流程图，显示了一个实时监控功能的处理流程。
具体实施例方式
图1显示了依据本发明一个实施例的CAM系统配置实例。
这个实施例的CAM系统包括一个CAM核心11和一个NC装置12。
CAM核心11通过向NC装置12发送控制数据，控制着NC装置12的运行。CAM核心11还根据从NC装置12收到的信息，进行多种处理。它类似于标准的个人计算机，也是由一台通用计算机组成的，包括一个中央处理器(CPU)111、主存112、辅助存储器113、显示设备114、输入设备115、多种接口116等等，以及该计算机上执行的若干程序。下面将要详细讲解CAM核心11上运行之程序的功能。
NC装置12具有工件外形测量单元121、加工单元122、刀具外形测量单元123、计算机数控(CNC)单元124以及接口125。工件外形测量单元121测量将要加工之工件的外形。加工单元122具有一个AC伺服机构，安装着一种旋转刀具，比如立铣刀，用于加工工件。刀具外形测量单元123测量刀具安装在AC伺服机构状态下的外形。CNC单元124用于按照来自CAM核心11的控制数据，控制工件外形测量单元121、加工单元122和刀具外形测量单元123，而且用于向CAM核心11通报有关AC伺服机构的信息。接口125用于控制与CAM核心11的通信。
在这个实施例中，工件外形测量单元121包括一个电荷耦合器件(CCD)摄像头和一个正弦光栅投影器，后者以一个角度向工件投射一种条纹图案，该角度与CCD摄像头的摄取方向有一个预定的夹角。至于细节，请参看H.Lu et al.，“Automatic Measurement of 3-DObject Shapes Based on Computer-generated Reference Surface”，Bull.Japan Soc.Of Prec.Eng.V0l.21，No.4，p251(1987)。
加工单元122和CNC单元124是普通的单元。刀具外形测量单元123测量在旋转状态下刀具的轮廓外形，比如安装在AC伺服机构上的立铣刀。
此外，在NC加工期间，NC装置12向CAM核心11实时发送以下信息-位置偏差(指令值和真实值之间的差异)-伺服电流-伺服电功率(负载)-切削功率-温度-振动-其它下一步将要讲解CAM核心11的功能和CAM核心11中使用的数据。
首先，CAM核心11具有以下功能-CAD数据读取功能201-工件外形测量功能202-切削余量模型生成功能203-切削余量(也称为切削加工余量)模型彩色显示功能204-刀具外形测量功能205-NC数据生成功能206-刀具轨迹显示功能207-实时监控功能208-监控数据存储功能209-切削负载图生成功能210在CAM核心11的存储设备(主存和辅助存储器)中，存放着以下数据
-CAD模型211-工件测量模型212-切削余量模型213-刀具模型214-监控数据215图2显示了前述若干功能与数据之间的关系，以及CAM核心11的处理流程。参考图2，讲解每项功能和与数据的关系。
(a)CAD数据读取功能201CAD数据读取功能201通过通信接口，与其它CAD系统通信，并且把将要加工之金属模具立体模型的CAD数据读取到存储设备中。
(b)工件外形测量功能202工件外形测量功能202根据从NC装置12中工件外形测量单元121收到的影像数据，计算工件的外形，单元121响应外形测量指令，产生工件测量模型212，并且将它存放在存储设备中。
(c)切削余量模型生成功能203切削余量模型生成功能203包括计算存储设备中存放的CAD模型数据211和工件测量模型212之间的差异；产生切削余量模型213，它表示对工件的每个部位应当进行多厚的切削；以及把它存放在存储设备中。这个功能中算出的差异，表示工件的每个部位应当切削的厚度。
(d)切削余量模型彩色显示功能204切削余量模型彩色显示功能204根据切削余量模型213，利用随切削余量的厚度而变化的颜色，显示工件测量模型212的表面。确定了颜色之后，就可以引用一个涂色表来确定显示的颜色，这个涂色表对应地控制切削余量的厚度和颜色信息。加工操作者参考切削余量模型彩色显示功能204显示的模型，以确定切削方法、要使用的刀具、切削条件等等。
(e)刀具测量功能205
即使刀具的种类相同，其外形也不一定相同。因为刀具在使用时会磨损，所以外形会改变。
以球形立铣刀为例，新的球形立铣刀的轮廓外形在旋转状态下是半球形的。不过，它磨损之后，其外形可能变为锥形。
按照惯例，因为仅仅具有崭新刀具的模型数据，而且使用它计算进刀路径，所以需要使用崭新的刀具来进行高精度的加工。因而使加工的成本升高。
刀具外形测量功能205解决了这样一个问题。它指示NC装置12的刀具外形测量单元123，在刀具的旋转状态下测量刀具的轮廓外形；根据NC装置12的刀具外形测量单元123响应该指令而发送的数据，模拟刀具轮廓外形数据；并且将它作为刀具模型214存放在存储设备中。
(f)NC数据生成功能206NC数据生成功能206根据切削余量模型213，产生进刀路径数据，使刀具以一种状态移动，以保持一种预定的切削量(或宽度)，以便从工件的表面对材料进行切削。顺便说一句，对于没有切削余量的部位，如果刀具上没有施加任何负载，会使刀具高速移动。在这项处理中，使用了刀具测量功能205获得的刀具模型214。在切削余量较大的部位，要重复切削。
图3显示了一个NC数据生成功能206的处理流程。在步骤301，判断在刀具的移动方向上是否有切削余量。如果在刀具的移动方向上有切削余量，处理就转向步骤302；如果没有切削余量，处理就转向步骤303。
如果在刀具的移动方向上有切削余量，那么在步骤302，NC数据使刀具移动，同时产生按照固定切削深度的切削。
如果在刀具的移动方向上没有切削余量，那么在步骤303，NC数据使刀具移动而不产生切削。在这种情况下，因为与移动时切削相比，在刀具上几乎没有施加负载，就有可能高速移动。
在步骤302或303产生了NC数据之后，在步骤304判断刀具是否有进一步的移动。如果没有进一步的移动，处理就终止。如果有进一步的移动，处理就重复步骤301和随后的步骤。
在前述的处理中，仅仅产生了切削预定切削深度的NC数据。如果切削余量大于预定的切削量，就重复图3所示的处理，直到切削余量被切削掉。
通过使用如上所产生的NC数据，使NC装置12进行自动加工。
(g)刀具轨迹显示功能207刀具轨迹显示功能207通过使用NC数据生成功能206产生的NC数据，显示刀具的轨迹。因此，不进行真正的加工而确认刀具如何移动，变为可能实现。
刀具轨迹显示功能207也能够以不同的颜色，同时显示多个刀具模型的轨迹。因此，操作者就有可能轻而易举地掌握磨损等造成的刀具外形差异如何影响加工。
(h)实时监控功能208实时监控功能208实时地监控加工过程，该过程是NC装置12根据NC数据生成功能206产生的NC数据进行的；探测到高负载状态时，它向NC装置12输出一个中断命令，以便降低负载。
图4显示了实时监控功能208的处理流程。在这个实施例中，伺服电功率用作负载信息。不过，任何信息都可以使用。
每次从NC装置12通报伺服电功率时，实时监控功能208都执行图4所示的处理流程。
在步骤401，判断负载值是否大于事先设定的自适应控制起始参考值。
如果负载值大于事先设定的自适应控制起始参考值，处理就转向步骤402。然后，使用手控脉冲发生器发出的中断命令，通知NC装置12手控脉冲发生器的中断开始了，它中断一个控制轴信号，比如X、Y或Z。
通知信息包括两条命令，一条命令改变刀具的走刀速度，另一条命令在刀具轴向或者Z轴方向上移动刀具。在刀具轴向或者Z轴方向上移动刀具的命令，包括一个移动量有关的信息。这个移动量是NC加工开始之前确定的一个值，可以是操作者输入的一个值，或者是CAM核心11按照刀具外形算出的一个值。
如果负载值不大于事先设定的自适应控制起始参考值，处理就转向步骤403。然后，判断是否处于由手控脉冲发生器中断的期间。
如果不是处于由手控脉冲发生器中断的期间，处理就终止而不进行任何处理。如果处于手控脉冲发生器的中断的期间，处理就转向步骤404。
在步骤404，判断负载值是否小于事先设定的自适应控制结束参考值。如果负载值不小于事先设定的自适应控制结束参考值，处理就终止而不进行任何处理。相反，如果它小于参考值，处理就转向步骤405。
在步骤405，通知NC装置12由手控脉冲发生器中断已取消。
(i)监控数据存储功能209监控数据存储功能209实时地管理和存储NC装置12在NC加工期间发送的多种信息，把它们作为监控数据215，与CAD数据、切削余量模型、刀具轨迹、加工方法等一起存储在存储设备中。这多种信息用于改善金属模具加工技术。
(j)切削负载图生成功能210切削负载图生成功能210显示存储设备中存放的工件测量模型212的表面，其颜色是按照存储设备中存放的多种监控信息的数值。例如，按照AC伺服电功率的数值涂色。
顺便说一句，在以上的说明中，尽管在讲解中没有考虑加工过程之间的差异，比如粗加工、再加工、精加工等，但是不言自明，在每个加工过程中，都是在该过程中以必要的精度进行测量和计算，以便实现高精度加工。
如上所述，这个实施例使NC数据生成和加工能够整合，并且使技工们在工位上就能够处理CAD立体数据和测量工件外形数据。
此外，还能够改善、提高和传递技能，并且期望效率改善。
另外，因为一个人既进行NC数据生成，又进行加工，所以能够取消通信文档表格，比如加工指令单、加工图等，以及发生加工失败时所用的反馈文档表格。
加工期间刀具损坏的频率变低了，并且能够降低加工成本。
因为刀具的移动路径是在测量了工件外形之后确定的，所以在没有工件部位之处，就有可能高速移动刀具，从而能够缩短加工时间。
尽管已经对于一个特定的优选实施例，介绍了本发明，但是对于本领域的技术人员，可以建议多种改变和修改，本发明意在包括此类改变和修改，只要它们落入附带的权利要求书的范围之内。
权利要求
1.一种CAM系统，包括一个NC装置，用于按照NC数据加工一个工件；切削余量模型生成装置，用于获得一个CAD模型和一个工件几何测量模型，前者是将要制造之金属模具的立体模型数据，后者是对要加工的所述工件进行测量而获取的所述工件的几何模型数据；以及产生切削余量模型，它是所述工件几何测量模型和所述CAD模型之间的差异；以及NC数据生成装置，用于根据产生的切削余量模型，产生NC数据。
2.权利要求1所述的CAM系统，其特征在于，所述NC数据生成装置产生在所述切削余量存在的部位按照预定切削深度加工所述工件的NC数据，和在所述切削余量不存在的部位使刀具移动而不加工的NC数据。
3.权利要求1所述的CAM系统，进一步包括在一件刀具安装在所述NC装置上的状态下，测量所述刀具外形以及产生一个刀具模型的装置，以及其特征在于，所述NC数据生成装置根据所述切削余量模型和所述刀具模型二者，产生所述NC数据。
4.权利要求1所述的CAM系统，进一步包括按照从所述NC装置通告的刀具负载状态，向所述NC装置输出指令的装置，使刀具在刀具轴向和Z轴方向中的任一方向上移动。
5.权利要求1所述的CAM系统，进一步包括存储装置，用于存放所述NC装置通告的数据，作为监控数据；以及显示所述工件测量模型的装置，所述工件测量模型根据所述存储装置存放的所述监控数据中的负载数据涂色。
6.一种记录在介质上的CAM程序，用于使一台连接到一个NC装置的计算机按照NC数据加工一个工件，所述程序包括获得一个CAD模型和一个工件几何测量模型，前者是将要制造之金属模具的立体模型数据，后者是对要加工的所述工件进行测量而获取的所述工件的几何模型数据；产生切削余量模型，它是所述工件几何测量模型和所述CAD模型之间的差异；以及根据产生的切削余量模型，产生NC数据。
7.权利要求6所述的CAM程序，其特征在于，所述产生NC数据包括产生在所述切削余量存在的部位按照预定切削深度加工所述工件的NC数据；以及产生在所述切削余量不存在的部位使刀具移动而不加工的NC数据。
8.权利要求6所述的CAM程序，进一步包括在一件刀具安装在所述NC装置上的状态下测量所述刀具外形以及产生一个刀具模型，以及其特征在于，所述产生NC数据包括根据所述切削余量模型和所述刀具模型二者，产生所述NC数据。
9.权利要求6所述的CAM程序，进一步包括按照从所述NC装置通告的刀具负载状态，向所述NC装置输出指令，使刀具在刀具轴向和Z轴方向中的任一方向上移动。
10.权利要求6所述的CAM程序，进一步包括存放所述NC装置通报的数据，作为监控数据；以及显示所述工件测量模型，所述工件测量模型根据存放的监控数据中的负载数据涂色。
11.一种控制CAM系统的方法，包括获得一个CAD模型和一个工件几何测量模型，前者是将要制造之金属模具的立体模型数据，后者是对要加工的所述工件进行测量而获取的工件几何模型数据；产生切削余量模型，它是所述工件几何测量模型和所述CAD模型之间的差异；以及根据产生的切削余量模型，产生NC数据。
12.权利要求11所述的方法，其特征在于，所述产生NC数据包括产生在所述切削余量存在的部位按照预定切削深度加工所述工件的NC数据；以及产生在所述切削余量不存在的部位使刀具移动而不加工的NC数据。
13.权利要求11所述的方法，进一步包括在一件刀具安装在一个NC装置上的状态下，测量所述刀具外形以及产生一个刀具模型，并且其特征在于，所述产生NC数据包括根据所述切削余量模型和所述刀具模型二者，产生所述NC数据。
14.权利要求11所述的方法，进一步包括按照从所述NC装置通告的刀具负载状态，向所述NC装置输出指令，使刀具在刀具轴向和Z轴方向中的任一方向上移动。
15.权利要求11所述的方法，进一步包括存放所述NC装置通告的数据，作为监控数据；以及显示所述工件测量模型，所述工件测量模型根据存放的监控数据中的负载数据涂色。
全文摘要
本发明是为了实现一种新的计算机辅助制造(CAM)系统，它能够实现高效率和高质量。本发明的CAM系统包括两种装置。一种装置使用一种计算机辅助设计(CAD)模型和一种工件几何测量模型，产生代表工件几何测量模型和CAD模型之间的差异的切削余量模型。CAD模型是将要制造之金属模具的立体模型数据，而工件几何测量模型是工件的几何模型数据，是通过对要加工的工件进行测量而获得。另一种装置根据产生的切削余量模型，产生数控(NC)数据。按照本发明，熟知加工技术秘诀的技工能够在符合实际车间中实际情况的前提下，轻而易举地加工实际的工件，以制造金属模具。从而使技术和技能能够实现螺旋形上升。
文档编号G05B15/00GK1501201SQ20031011492
公开日2004年6月2日 申请日期2003年11月13日 优先权日2002年11月13日
发明者池田满, 人, 本多正人, 柴田房雄, 雄 申请人:富士通株式会社