专利名称：交互式机器控制系统和方法
技术领域：
本发明相关于计算机可控机器的交互式操作，更详细地说，相关于一种方法和系统，通过该方法和系统，机器使用者在预先设立的几何或其他约束的限制下与一个可编程系统交互联系，对机器进行操作。本发明应用广泛，在计算机操作的机床领域特别有用。因此，本发明将主要描述机工根据数字模型与一个可编程系统交互作用来制造零件的方法和系统。
背景技术：
计算机技术的进步为许多工业领域带来了革命性变化，最突出的领域就是采用机床对复杂零件的设计与制造。以前由设计人员和绘图人员在绘图板上作出设计，然后由机工来执行，现在代之以由熟悉计算机的工程师设计零件和为数控机床编制控制程序。
总的来说，该方法的主要特征是具有批处理功能，也就是说，首先“脱机”编写零件制造程序，然后在机床系统上以提示方式顺序执行，由于能够重复执行零件制造程序，因此在效率、经济和质量各方面都能取得显著的进步。
根据该批处理原理，工业界一直致力于对计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)、产生零件制造程序的脱机系统以及用于机床运动控制的日益复杂的计算机数字控制(CNC)系统的研制与改进。所有这些系统都集中于标准零件制造程序格式的有效产生与执行，并且将对机床的控制从熟练机工转交到CAD/CAM编程人员手中。
面向批处理的CNC现在是工业标准，然而在不久的将来制造将不再围绕这样一种长期生产策略的趋势已经呈现，制造者已经发现了及时与灵活的制造过程相比于批处理所具有的优点，并且已经认识到将少量生产工作以合同方式转交给小工厂能够节省开支。许多这种小工厂在这种需求下应运而生。
对于少量生产工作，批处理效率不高，而且也不经济。在一台CNC控制机床上设计并且编制零件生产程序所花费的时间比少量生产所花费的时间要长，此外，机床的磨损、偏差、零件移位和固定所造成的影响都不可能在程序执行之前准确地预计，另外，用CNC进行批处理所得出的精确度，因无足够的准备时间，对少量生产工作而言是无法得到的。因此，小工厂仍然在人工操作的机床上做很多工作，从工业界得到的信息表明，过去几年中在国际市场所售出的人工操作的机床是CNC机床的6倍。发明的揭示本发明试图将CNC的经济与质量改进的优点，应用到小批量制造上来。一般来说，根据本发明的机床控制方法和系统为零件制造提供了一种交互式计算机辅助手段，在这种情况下，一个熟练的或半熟练的机工为切割工具提供实时操作命令，控制系统相关于零件模型解释操作者的命令来产生实际的切割指令。我们称之为自由路径控制的方法与现有的计算机化的机床技术的不同出在于，它融合了人、机器和计算机的最佳能力。通过使操作者和计算机之间的关系达到最优化，二者都能有效地发挥其专长。
交互式自由路径控制向熟练机工返回部分机床控制情况，它使得机床上扩充了机工的手，而CNC扩充了机工的知识。采用自由路径控制，机工做出真实的或与生产步骤相关的(高水平)决定，指导机床达到切割出精密零件的总体目的。系统的CNC部分象一个专家系统一样进行操作，使得计算机进行高速计算、反馈监控以及控制低水平的机床操作。这种劳动上的分工，使得机工能将精力集中于切割过程，而由控制器处理零件的几何和机器约束，因此路径计划时间被缩短，并且传统的受控CNC机床的精确度也可以在小工厂里获得。
采用自由路径控制系统，机工将零件几何尺寸输入计算机并立即开始切割零件，零件几何尺寸只定义了完工的产品，而没有告诉生产该零件的机床的路径和其它命令。在切割过程中，机工就机床路径和切割工具的模式、切割次序、紧固策略、进料速度、切割深度，甚至是零件完成与否做出决定。机工可以实时地对切割程序的完整性和其它操作条件做出估计，并且可以相应地修改加工条件。机工采用与机床的控制软件相连接的操纵杆一类的控制设备与机器交互式通讯。
根据本发明的自由路径控制设备与现成的CNC系统相比要经济的多。采用这种设备，小规模生产者可以在现存的人工操作机床甚至在具有现存的专有CNC的机床上加上新的控制系统。
根据本发明的控制系统，也包括记录机工指示的机床路径和其它操作命令的能力，因此，切割程序可以在加工样品的过程中产生。
交互式系统也具有为高熟练机工提供更多工作机会的优点，该部分人员目前日益减少，但仍然具有至关重要的作用。采用这种系统的机工将开发和使用传统的技艺来控制零件质量、生产效率，甚至帮助设计零件。
此外，该系统对操作者将更安全，通过保持操作者直接控制机床但实际上远离切割面，这样，由不希望的程序动作对操作者的伤害机会就会变小，这程序动作可以是由自主系统产生的。
因此，本发明的目的是提供一种制造方法，该方法根据要被加工的零件的几何模型使得熟练或半熟练机工与数字控制系统产生交互联系。
本发明的一个相关目的是提供一种制造方法和机床控制系统，其中几何模型定义了完工后的产品的结构，而不是生产该零件的机床路径。
本发明的另一个目的是提供一种机床控制系统，该系统根据零件设计，采用几何模型、输入命令和机床位置反馈来产生精确加工的机床端部轨迹。
本发明的另一个目的是提供这样一种系统，在该系统中由机工执行的操作步骤可以完全自动地记录下来，以备将来再次使用。
上面所述的目的可以采用由特殊设计的部件，或者最好是根据本发明的原理编程的基于微机的一个系统和其它标准部件组成的系统来实现。从功能上来说，该系统包括自由路径控制器本身、多轴电机接口子系统、机床位置反馈系统和接口单元，该接口单元包括数据输入装置，通过该装置零件的数字模型可以被输入系统，系统还包括用于指示机床运动和定位的操作者输入控制单元，以及提供零件的几何形状、切割工具与零件的关系、加工过程的进展和其它操作参数的图形显示的显示子系统。
自由路径控制原理的重要特征是在交互式控制过程中实时地避免碰撞，这是因为采用了能够迅速确定车刀相关于相邻的零件表面的位置的相对简单的算法。
如果加工的零件结构复杂，那么确定车刀端部相对于一个或多个零件表面的位置就可能很花费时间。本发明研制了一种几何编译器，它能显著地缩短计算时间。该几何编译器根据预先确定的分区机制将零件模型划分为多个单元或区域，每个单元包括多至预定最大个数的零件边界，为每个单元所存储的数据代表了这些边界的空间坐标。
单元分区在系统启动时进行。在实际加工操作过程中，单元识别器采用单元边界坐标来识别已经确定了车刀端部位置的单元。一旦识别出车刀端部单元，那么位置计算只需相应于与该特定单元相关的零件边界进行。
自由路径控制器产生避免碰撞规程，由该规程来计算加工过程的车刀端部路线。该控制机制所允许的车刀端部路线或操作模式，是由瞬时车刀端部位置、周围的几何形状以及由操作员的输入命令所反应的意图来确定的。操作模式可以被认为是已知车刀端部位置和周围集合形状的情况下对所有允许路线的概念化。
控制规程数据和操作人员的命令被命令执行子系统处理，该子系统为一个常规的多轴伺服系统产生方向和大小信号。车刀端部位置反馈环可以由旋转轴设置线性编码或任何其它常规方式来闭合。
如果需要提供记录机工所执行的步骤次序，以备将来以完全自动运行的方式来使用的能力，那么系统还要包括一个数据获取和管理模块以及一个反馈单元。构成操作者的刀具路线的实际命令序列，以及相关的位置和速度信息被记录下来，并且可以用于直接反馈。
另一方面，被记录的数据可做进一步处理，从中抽取一批数据，这批数据通常被提供来作为标准CAM系统的输入，处理之后即可用于产生新的最佳零件程序，而不是实际被记录的刀具路径。这程序又被用作命令执行子系统的输入，或者也可以传送到标准CNC系统予以执行。以这种方式操作人员在切割零件时的实时经验可以得到应用，并且产生的零件程序更好地考虑到了与该零件的设计和制造相关的特有的实际情况。图的简要说明下面结合附图对本发明的特征和目的作详细的描述。
图1是一个简化的方框图，它示出了现有技术的CNC系统的一般特征；图2是一个简化的方框图，它示出了本发明处理过程的主要特征；
图3的方框图示出了根据本发明的交互式机床控制系统的功能和结构特征；图4是一个零件特征图，它示出了根据本发明进行的单元分区；图5是在本发明最佳实施例中由几何编译器采用的递归分区算法的流程图；图6是根据本发明的最佳实施例，由控制器所采用的单元识别算法的流程图；图7的树图示出了图5的零件特征的分区，用来示意单元定位算法的执行；图8A～8N示出了根据本发明的最佳实施例可以获得的各种操作模式；图9A～9C按照图9D所示安排，是演示控制规程选择器的执行情况的转换图；图10是沿图4的10--10线的横断面图，它示出了根据本发明的碰撞避免过程；图11的矢量图示出了根据本发明的命令执行功能的一种操作模式；图12的流程图示出了本发明提供记录和反馈功能的一个实施例；图13的方框图示出了图12的实施例的功能和结构特征。实施发明的较佳方式下面参考附图。图1以流程图的形式示出了在现有技术中采用计算机控制机床的计算机辅助设计和制造过程从构思到实际部件生产的主要特征。
第一步是零件设计定义(步骤S1A)，这里部件是根据设计标准来构思的，该标准可能包括形状、结构和功能。
接着，这个构思被转变为几何模型，并且以机器可读形式予以记录(步骤S1B)，这通常是采用几何造型软件来完成的，这种几何造型软件可以是市场上可以购买的计算机辅助设计(CAD)软件包。这个步骤通常是由设计工程师来进行的。
下一个步骤是根据几何模型研制零件的制造策略(步骤S1C)。通常这包括改进几何模型以考虑到切割工具的几何形状及其对机床动作的限制、固定策略、公差要求和机床的技术规格、以及影响加工过程的各种变化。包括加工策略的对部件的扩充说明随后被用于产生车刀路径程序(步骤S1D)，通常这是由制造工程师采用市场上可以购买的计算机辅助设计软件来完成的。所得到的CNC车刀路径程序常常被后处理，来将CNC程序翻译为指定加工部件需要的车刀的位置序列的一系列点到点的运动。
然后，机床操作人员准备好机床，通过装上和固定台架、启动机床和装入CNC车刀路径程序来加工部件(步骤S1E)。接着，车刀路径程序在控制器上被执行，该控制器将程序中点到点的移动转换为伺服控制环所用的一系列轨迹(步骤S1F)。
图2的流程图示出了采用本发明的交互式程序的设计和制造过程的主要特征。其中，最初的两个步骤，即定义零件设计(步骤S2A)和定义要被加工的部件的几何模型(步骤S2B)，可以根据常规的技术来执行，并不构成本发明的一部分。
与现有技术相反，根据本发明几何模型随后被用作交互式控制过程的输入。采用适当的输入设备，机工通过将实时处理任务传送给机床控制器来指示切割过程，包括车刀运动命令(步骤S2C)。根据机工的输入、几何模型以及机床的车刀位置反馈(步骤S2D)，产生交互式控制/碰撞避免信号(步骤S2E)，这些信号被用来指示切削刀具的运动实时地对部件进行加工(步骤S2F)。
根据本发明的交互式控制过程，允许操作人员对加工过程进行全面控制，与此同时，保证生产高精度公差的零件。实际上，三种输入(几何模型、操作员命令和车刀位置反馈)被合在一起来避免切削刀具和部件之间的碰撞，既允许机工将切削刀具放到零件表面，又不损害零件的最终要求的形状。
下面结合图3～11对本发明的一个实施例的交互式控制系统和方法作详细的说明。在考虑下面的描述时，须理解控制硬件的设计强调低成本，以方便小工厂购买完整的车床系统，并且鼓励对现存的人工操作机床和常规的CNC机器进行改型。另外，在最佳实施例中，只要可能，就采用常规的微机系统结构和市场上可购得的部件。基于上述原因并且为了简便起见，省略了对系统实际设备的详细描述，然而，能够执行所描述的功能的必要的硬件和软件的装配，根据所提供的信息对本领域的技术人员来说是清楚的。
现在参看图3，该图以方框图的形式示出了本发明最佳实施例的重要功能特征。如图所示的系统，用标号10表示，它包括适当的系统控制与协调单元12、存储单元14、硬盘驱动器22及其相关的控制器24、软盘驱动器26及其相关的控制器28、用标号30表示的操作员接口界面子系统、几何编译器32、用标号34表示的自由路径控制子系统、电机接口子系统36和车刀位置反馈子系统38。
硬盘22存储将要加工的部件的几何模型，这可以是包含了部件的尺寸和其它物理特征的数据库形式，也可以是任何其它适当的形式。硬盘22也存储运行系统所需要的其它数据和应用软件。软盘驱动器26用于以常规的方式装入几何模型和操作软件。
用户界面30为机工与自由路径控制子系统34交互作用提供手段，该界面提供了用于选择下面所述的控制器操作模式、用于输入车刀准备命令和环境参数、以及用于编辑零件几何尺寸的能力。数据输入是由诸如键盘48、鼠标50之类的输入设备或其它适当的设备提供的，并且由适当的数据输入软件来完成。显示器52如CRT监控器及其相关的显示发生器54为用户提供了系统操作状况的直观显示、对用户输入的提示以及如下所述的零件的图形表示和加工过程的进展情况。
操作人员根据适当的屏幕提示，采用键盘48和鼠标50向自由路径控制器34提供关于切削刀具和定位器的几何参数、在机床工作空间里的台架位置、最大允许进料速度等等信息。另外的加工信息，如零件的哪些细节需要在特定的时间做加工、切削刀具运动的预定方向、台架相应于机床的起始位的位置、当前装在主轴上的切削刀具的尺寸，等等，也可以用这些装置提供给控制器34。
编写数据输入软件用来提供我们称之为灵活定位的功能，该功能由定位数据处理器56实现。这个特征为操作员在不考虑夹具或工件在工作台上的位置的情况下提供了夹住和再夹住工件的自由。一旦工件被夹住，机工就可以通过将机床切削工具轻摇到夹具的相对角度，并且采用键盘48或鼠标50记录这些位置，来标出包含夹具的区域。然后更新几何模型，使其包括一个夹具的简化模型，例如矩形框的形式。这被用于如下所述由自由路径控制器34执行的避免碰撞的计算中。
如果在加工过程进行了几个阶段之后，零件在一个新的位置被重新夹住，那么操作员调用灵活定位软件，并且再采用键盘48和/或鼠标50将先前的夹具位置从零件模型中去除，并记录新的位置。采用这样一种方式，机工可以降低准备时间和努力，并同时保证高度的精确度和操作员安全性。
定位数据处理器56及其相关软件获得所描述功能的具体操作方式取决于用于产生几何模型的数据格式，为了简化起见，这些细节被省略，但本领域的技术人员根据所提供的说明应该是清楚的。
用户界面30还包括操作员输入切削工具移动命令的装置，该功能由操纵杆一类的设备58提供。在一个三维实施例中，由SpaceballTechnologies，Inc，Lowell，Massachusetts制造的产品Spaceball是最佳的，但其它二维或三维输入设备也可以被采用。对二维系统可以采用鼠标50甚至是键盘48。
为了便于讨论起见，假定输入设备58是一个力测量设备，并且提供操作员以多大的力推动控制装置的输出。提供一个或多个输出，代表用户的输入力矢量沿垂直坐标的分解力。
为了使这个信息得到利用，我们喜欢对这些矢量元素的连续采样值做加权平均。在采用上面所描述的Spaceball的一个实施例中，每秒钟大约采样20次，采样间隔被作为对输入力的持续时间的测量，每个矢量元素被乘以该时间值，来产生由下面描述的自由路径控制子系统采用的一条速度命令。
如果输入设备58和操作软件允许平滑和稳定的机床运动以及对切削过程的便利控制，就能取得最好的结果。为了保证这一点，设计自由路径控制系统34以某个速度移动切削工具，该速度在功能上与操作员的动作强度相关，换句话说，如果操作员推力大(或推得远，这取决于采用的输入设备)，那么车刀就移动快。在接触表面时，与速度成正比的摩擦力以及对操作员的反馈也可以通过软件实施来提供，这从所提供的描述可以显然得知。
如前面所述，监控功能是由显示发生器54和显示装置52提供的。为了保证部件被全面加工，显示发生器50以图形图像的形式产生零件状态显示，示出希望的零件结构和在给定时间还没被加工的部分。显示采用颜色或其它提醒人注意的手段，如闪烁显示以强化尚未完成的零件部分。
用于产生零件状态显示的信息是从几何模型和车刀位置数据得出的。车刀位置数据是由车刀位置反馈子系统38在零件正在加工时收集的，该数据被用于识别切削刀具已经接触的零件周界的所有点，由此而识别任何未经加工的区域。用于控制显示器的任何适当软件都可以用于此目的。
另外，当前的加工模式、车刀位置、进料、速度等等可以显示给机工。显示发生器54也可以包括某个装置，该装置将机工的切削命令和车刀选择与几何模型进行比较，并识别机工的动作没有满足(或不能满足)零件几何要求(如因为选择了大小不适当的车刀)的任何区域。
几何编译器32将零件的几何文件数据转换为由若干区域或单元表示的分段模型，该分段模型非常适合于下面描述的实时碰撞免除计算。通过采用该分段模型，当进行碰撞免除计算时，自由路径控制器34只需要检查车刀附近的表面，这大大地缩短了计算时间。
自由路径控制器34包括单元识别器60，该识别器处理由几何编译器32产生的分段模型，以识别刀具端部在给定时间所处的单元。控制器34还包括碰撞免除控制规程/命令选择器62和车刀移动命令执行处理器64。
实现几何编译器32的策略可以参考图4和图5来理解。例如假定如图4所示，标号为78的将要加工的零件包括一个外壳80，它的壁由直线段W1～W5、圆弧段A1和A2以及由外壳80中的圆弧段A3和A4定义的圆柱形支柱82所限定。为了简化起见，假定外壳80的边界已经被缩小了等于车刀半径的一个距离(而支柱82的边界被扩展了)，因此可以认为车刀的直径为零。
我们发现有几种不同的划分规则可以被采用，但最佳的划分规则如下
(a)假定包含将要划分的零件部位的区域是矩形，并且通过定义将其最长的一侧垂直二等分的一条界线来将其一分为二；(b)在界线左右(或上下)两侧的区域被分开处理。在每一个区域计算壁段(不管是圆弧还是直线)的数目。如果该数目小于或等于预定的最大数目n，那么该区域被定义为一个单元；(c)如果壁段数目大于预定的最大数目n，那么重复进行划分过程直到没有一个区域的壁段数目大于n为止。
如果需要考虑零件壁段靠近一个单元边界的可能性的话，那么上述步骤(b)可以稍做修改。这包括在这个零件的壁段被计算之前为了扩展区域对划分线的一个预定小的平行位移(例如0.32毫米左右)。两个区域均以这种方式被扩展以使得靠近划分线的一个零件壁段在两个区域同时被计算。结果将是一个稍许重叠的单元结构，在该结构中靠近单元界线的的壁段在两个相邻单元中都被计算。这会避免车刀在进入一个新单元时，立刻遭遇一个不希望的零件边界。
可以看到，定义一个单元所需要的零件壁段的数量越小，划分几何模型所需要的单元数目就越大。对于一个小的n值来说，识别车刀端部所在的单元所花费的检索时间就可能较长，但实际的车刀端部到零件边界的计算会需要较短的时间。由于这些计算频繁进行，因此较小的n值更可取。一般来说，如果n被选定为3或4会取得很好的结果。
用于进行上面描述的划分过程的一个递归算法的流程图示于图5。为了便于解释起见，假定(如在最佳实施例中那样)几何模型的尺寸由每个零件的x、y、z坐标表示，在这种情况下，指的是限定外壳80和支柱82的壁段的端点(见图4)。
程序在步骤S5A启动，调入要分段的零件的壁段的坐标，然后对壁段计数(步骤S5B)，这可以采用例如常规的裁剪算法来进行，该算法可以由本领域技术人员很容易地改变为计数而不是裁剪。适合这种目的的算法包括Cohen-Sutherland算法或Liang-Barsky Line算法(参考《Computer Graphics》by Donald Heam and M.Pauline Baker，published1986 by Prentice-Hall，Inc.，Englewood Cliffs，NY，1986)。
如果数目小于等于预先选定的可以接受的最大值n，那么就确定了一个单元，并将其坐标记录下来(步骤S5C)。
如果总段数大于n，那么程序继续进行。在步骤S5D定义一个矩形，该矩形中包括了零件(或部件)，并且求出其最长尺寸。如果长度大于高度，那么程序转移到步骤S5E。如果长度不大于高度，那么程序转移到步骤S5F。
在步骤S5E定义一条界线，该界线将矩形的最长壁一分为二，产生代表界线右边区域的一个矩形(AREA_RIGHT，步骤S5E-1)和代表界线左边区域的一个矩形(AREA_LEFT，步骤S5E-2)。将AREA_LEFT留待将来审查，程序返回到步骤S5A，现在对AREA_RIGHT进行审查，以确定其壁段数。(如上所述，如果需要的话，在开始计数之前，界线可以往左边移动)。如果数目小于等于n，那么被审查的区域是一个单元，它的坐标被记录下来(步骤S5C)。如果数目大于n，程序继续到步骤S5D，重复进行长度-高度审查。
如果长度仍然大于高度，程序返回到步骤S5E。否则，进行到步骤S5F。在任何一种情况下，产生的两个区域中的其中一个被放在一边留待将来处理，程序返回到步骤S5A。程序重复进行(如果需要的话，将单元边界予以移位)，直到所有区域都被确定为单元为止。
再参考图4，假定n＝3来说明零件78的划分过程。由于包括外壳80的矩形的长度大于它的宽度，步骤S5D(图5)指示外壳首先被垂直划分。因此定义一条直线L1，它将矩形划分为左右区域。如果车刀碰巧在直线L1的右边，或者如果喜欢的话，在扩充界线L1′的右边，图4示出我们仅需考虑它与三条直线段w1、w2、w3的距离。这满足我们对单元限定的标准(图5，步骤S5B)。因此，矩形的右半边构成了一个单元，表示为80a。
然而，如果车刀在直线L1的左边(或者如果喜欢的话，在扩展边界线L1′的左边)，那么，步骤S5B显示我们必须考虑它相对于8个壁段(即除w2外的所有壁段)的位置。因此，在L1的左侧的几何形状必须进一步划分。由于在直线L1的左侧区域的高度大于宽度，步骤S5D指示我们将它水平一分为二，从而定义出一条直线L2将矩形分为上下区域。再计算出处于每个区域的段数，并且继续进行划分直到每个区域包括的壁段数不大于3为止。该过程的结果是定义出了一系列单元80a-80g，如图4所示。
如果需要根据零件的外边界产生一个单元结构，那么可以通过将零件本身处理为在尺寸比零件自身大的一个外壳内的支柱来进行上面描述的过程。
再参考图3，由几何编译器32产生的数据被单元识别器60用来迅速确定在特定的计算周期刀具端部所在的单元。这个过程是采用与前面描述的划分算法相似的递归检索算法来进行的。
参考图6，假定刀具端部位于坐标为Xt、Yt的某个点。为了便于单元识别器60的使用，几何编译器32产生的数据以树的结构存储。与图4所示的构造相应的树结构示于图7。如图所示，该树包括一系列分支点84以及第二系列单元节点86。分支节点包括受审查的区域的划分规则信息，而单元节点包括单元中壁段的坐标。如果单元边界被扩大定义重叠的单元的话，那么一个特定壁段的坐标可能会包括在两个以上的单元内。
图6所示算法的目的是识别包括点Xt、Yt的单元。
在步骤S6A从原始矩形80和P(Xt，Yt)开始检索，在步骤S6B审查与节点84a相关的数据。由于矩形80不是一个单元，节点84a包括一个划分规则，并且程序执行到步骤S6D。由于在我们这种情况下，原始矩形的长度大于高度，因此程序执行到步骤S6H。为了测试P是否在划分线L1的右边，算法只需将Xt与L1的x坐标X1进行比较，如果相应于图7中的节点86A，Xt＞X1，那么程序执行到步骤S6I，这时AREA_RIGHT相应于矩形80a。
由于算法是递归的，我们返回步骤S6A(这时区域是矩形80a)。然后步骤S6B指示节点86a包括坐标而不是一个划分规则。这表明刀具在单元中，并且程序转移到结束状态，步骤S6C。
如果Xt≤X1，程序进行到步骤S6D，在该步骤审查存储在节点84b中的数据，看它是否包括一个水平或垂直划分规则。此时系统发现一个水平划分规则，因此程序转移到步骤S6E。
这时将Yt与划分线L2的y坐标Y2进行比较。如果Yt＜Y2，那么程序转移到步骤S6F并审查区域的下部(相应于图7中的节点84c)，或者如果Yt≥Y2，那么程序转移到步骤S6G并审查区域的上部(相应于图7中的节点84d)。程序从步骤S6F或S6G返回到步骤S6A，并且重复该程序。可以看到，图7中的节点84c和84d都不对应一个单元，因此在两种情况下都必须再次审查划分规则(图6，步骤S6D)。在这两种情况下都遇到垂直划分，并且程序从步骤S6D进行到S6H。以节点84c为例，如果Xt小于等于划分线L3的x坐标X3，那么步骤S6B指示刀具端部在单元80e之内(图7，节点86e)，并且程序结束(步骤S6C)。如果Xt＞X3，相应于节点84f程序又进行到S6D，这时遇到一个水平划分规则。此时，将坐标Yt与直线L4的坐标Y4进行比较。如果Yt≥Y4，那么步骤S6B指示刀具端部位于单元80f内(相应于图7中的节点86f)。反之，如果Yt＜Y4，那么步骤S6B指示刀具端部在单元80g之内(图7，节点86g)。
如果在节点84b实际上发现Yt大于Y2，算法会进行到估算从节点84d开始的子树。在完成图6所示的递归过程时，坐标Xt、Yt将唯一地对应图7中单元节点86a～86g中的一个。在执行碰撞免除计算时，控制规则选择器只需要确定刀具端部到相关于那个单元的边界的距离。
再参考图3，自由路径控制器子系统34中的控制规则/命令选择器62采用由单元识别器60、刀具位置反馈子系统38和输入设备58提供的数据，从几种可能的操作模式和/或移动控制规则中选择一个，用于指示机器切削头的移动。控制规则选择器62主要根据零件的几何形状来解释机工的输入命令，从而选择一个适当的操作模式和在工件和切削工具之间执行碰撞免除计算。
在解释如何选择控制规则和如何实现碰撞免除之前，有必要先了解在计算机控制机床中有许多操作模式，即允许多种刀具轨迹。参考图8A～8N，在自由路径加工中具有优势的模式包括1、轻推模式(图8A)此时，根据输入命令矢量90的最大分量，切削器在x、y或z坐标方向移动。如图所示，x分量最大，因此刀具轨迹88在x方向。刀具速度被固定为一个预定的值，并且不考虑零件边界条件。这在启动机床、用于记录固定位置等等时有用。
2、自由模式(图8B和8C)此时允许切削轨迹92具有全部三维的自由度。切削器方向和速度由输入设备58(图3)产生的输入命令矢量96来确定。这用于快速移动切削刀具。
3、严格的网格模式(图8D)此时允许切削器在XY平面沿用户限定的网格作单一轴移动，并且只在格线之间最近的交点停住----假定刀具没有接触零件表面。格线之间的距离dx和dy作为初始运行条件由操作员来定义(例如相应于屏幕提示)。输入命令矢量98被投影在格子上，并且移动方向100沿与幅值最大的分量相应的格线。这最常用于刮削操作的时候。
4、网格模式(图8E)这与严格的网格模式类似，但也允许沿45度角移动到格点。这也用于刮削操作的时候，但由于它允许点到点的较快速移动，因此它对粗加工也很有用。
5、角模式(图8F)此时，一旦切削工具102被带到与角106具有预定距离dc的区域104中时，它就自动围绕角移动。这被用于保证对所有角落的全面加工。
6、角站模式(图8G)此时切削工具108在一个角110附近作短暂停留，让操作员确定是加工该角还是继续前行通过该角。这也用于保证对所有角的全面加工。然而是由操作员来作加工角的决定。当准备机器时，机工将根据他的喜好预先选择这种模式或角模式。
7、定位模式(图8H和图8I)这用于帮助刀具112定位于一个作用点114上，如最靠近刀具的一个洞的中心。这在当刀具到达某些预定的作用平面115，如某个零件边界的一个预定距离时发生。这时，会使得刀具112通过平面的一条输入命令信号116被转变为在平面115朝向点114的一条移动命令118。刀具速度在功能上与正交于平面115的输入命令分量的幅值120相关。这被用于准确地确定洞的位置以及槽的起点和终点。
8、仅Z模式(图8J)此时用户输入命令122被分解为沿X、Y和Z轴的分量。刀具在Z方向以与输入命令的Z分量的幅值相关的一个速度移动。刀具不允许损坏任何零件边界。这被用于钻洞，并且便利切削深的部件。
9、曼哈顿模式(图8K和8L)此时切削运动一次沿一个加工轴进行，只要不损坏零件边界就行。输入命令向量124被沿加工轴分解，并且刀具在相关于最大分量的方向移动。这被用于粗加工和定位时。
10、滑动模式(图8M)此时，通过将输入命令向量128沿向量130和132分解来使得刀具符合表面126的轮廓，向量130和132分别在边界与刀具的交点134与边界正交和正切。只要输入命令不位于法线的预定角α范围内并且背离零件边界，那么移动沿轮廓进行并且系统保持滑动模式。这被用于加工复杂的弯曲表面，并且是在结束加工时用。
11、槽模式(图8N)此时刀具136沿一条预定的轨迹138移动，移动速度相关于输入命令沿该轨迹的分量的幅值。这被用于在刀具端部直径等于槽宽时加工槽。
下面参考图9～11来描述本发明的控制规则/命令选择器62的操作。按图9D所示安排的图9A～9C示出了过渡图，其中，允许的状态用圆圈表示，状态之间的过渡用过渡向量表示。启动从一个状态向另一个状态移动的条件表示在过渡向量附近的方括号中(即[ ])。与每个过渡条件相关的控制规则被没加括号示出。操作模式(见图8A～8N)被示于圆括号中。
系统在START状态被启动(图9B步骤S9A)。假定操作人员需要加工一个外壳，那么根据屏幕提示发出一条[Do Pocket]命令，从而过渡到POCKET CLEARANCE状态(图9C步骤S9B)。
从这里可以作各种过渡。例如，当操作完成时，或者如果用户选择在操作完成之前结束操作，那么发出一个[End Cycle]信号，系统返回到START状态(图9C步骤S9B-1)。
而在POCKET CLEARANCE状态下(图9C)，如果用户操作输入设备58(图3)水平移动刀具，即在X-Y平面上，那么系统接收一条水平移动命令[HM]。这使得控制规则/命令选择器62选择自由操作模式(没有Z轴移动)(见图8B)。产生的控制规则允许切削头不受限制地水平移动(图9C步骤S9B-2)。
当刀具在外壳边界之外，即刀具不在外壳里面时，如果从操作人员输入设备58接收到沿Z轴向上移动[VM-U]或沿Z轴向下移动[VM-D]的命令，那么选择仅Z轴操作模式(图9C步骤S9B-3)。产生的控制规则允许切削头在计算的“间隙面”(即没有诸如刀具夹钳或支架材料本身之类的任何障碍物的刀具可能移动的平面)的上面垂直移动。(图10示出了在外壳上方距离为d的一个间隙面的例子，标号为140)。
在POCKET CLEARANCE状态，如果当刀具端部142位于外壳边界之内时(图10)，接收到一条垂直移动命令[VM-D或VM-U]，那么系统进入VERTICAL状态(图9C步骤S9B-4)。在该VERTICAL状态，刀具向上移动命令[VM-U]和向下移动命令[VM-D]导致仅Z模式的选定，这允许了在外壳内的垂直移动，但受外壳底部的限制。因此车刀能够自由地挖去坯料，或通过坯料被挖去后所留下的空间(图9C，步骤S9B-6)。
如果当刀具端部142在间隙平面140之上时检测到[VM-U]命令(见图10)，那么系统返回到POCKET CLEARANCE状态(图9C步骤S9B-5)。
当仍然在VERTICAL状态时，如果[HM]命令被接收到，那么系统进入曼哈顿状态(图9C步骤S9B-7)，并且允许与曼哈顿模式一致的刀具移动。一条向上或向下移动命令([VM-U]或[VM-D])将系统返回到垂直状态(图9C步骤S9B-8)。如果接收到一条水平移动命令[HM]，那么只要刀具端部离外壳边界的距离大于一个小值f(见图8)，曼哈顿模式移动(图10)始终被允许(图9C步骤S9B-9)。当刀具离外壳边界的距离小于f时，如果检测到一条水平移动命令，则使系统过渡至SLIDING状态(图9C，步骤S9B-10)。
这时选择滑动模式(图8M)，刀具端部跟随外壳边界(图9C步骤S9B-11)。边界跟随动作持续到检测到一个输入命令向量为止，该向量的一个分量背离零件边界，并且几乎与其正交，即在计算时间在与法向成预定角α的范围内。在这种情况下，系统返回到曼哈顿状态(图9C步骤S9B-12)。
参看图9A和9B，如果操作员示意他要打个孔，那么发出一条[DoHole]指令，然后系统从START状态进入HOLE CLEARANCE状态(图9A步骤S9C)。同样，一个[End Cycle]信号将系统返回到START状态(图9A和9B，步骤S9C-1)。一条水平移动命令[HM]将系统置于自由模式，移动方式与前面描述的一样(图9A步骤S9C-2)。从这个状态，当刀具端部位于间隙平面140上方时，如果接收到一条垂直移动命令[VM-U或VM-D]，那么选择仅Z模式(图9A，S9C-3)，但是当刀具端部到达间隙平面140时，选择定位模式(见图8H和8I)，并且刀具端部按几何模型所示移向最近的孔中心(图9A步骤S9C-4)。
如果当刀具端部112到达离洞中心一个预定的小距离g(例如0.0025mm)时，仍然接收到向下移动命令，那么系统进入DRILLING状态(图9A步骤S9C-5)。在该DRILLING状态选择仅Z操作模式。此时允许执行向上移动命令[VM-U]，如果当刀具到达间隙平面时仍然调用向上移动，那么系统返回HOLE CLEARANCE状态(图9A步骤S9C-6)。向下垂直移动是允许的，但是受到孔底的限制(图9A步骤S9C-7)。
再参看图9B，如果用户需要加工一个槽，那么发出一条[Do Slot]命令，这样系统进入SLOT CLEARANCE状态(步骤S9D)。一个[EndCycle]信号将系统返回到START状态(步骤S9D-1)。一条水平移动命令[HM]将系统置于自由模式，并允许不受限制的水平移动，如前面所描述的那样(步骤S9D-2)。当刀具端部位于间隙平面140上方时，如果接收到一条垂直移动命令[VM-U或VM-D]，那么选择仅Z模式(S9D-3)。这允许在间隙平面上方的垂直运动。然而，当刀具端部到达间隙平面140时，选择定位模式(图8H或8I)，这时刀具端部移向槽的起点(步骤S9D-4)。
当刀具端部112到达离槽的起点一个预定的小距离g(例如0.0025mm)时，如果仍然能接收到一条向下移动命令，那么系统进入IN SLOT状态(步骤S9D-5)。如果遇到向上移动命令[VM-U]或向下移动命令[VM-D]，那么选择仅Z模式。只要没有超出槽的底部深度，就允许向上或向下移动(步骤S9D-6)。然而，如果当刀具端部到达间隙平面时，向上移动被调入，那么系统返回到HOLE CLEARANCE状态(步骤S9D-7)。
如果当处于IN SLOT状态时遇到水平移动命令[HM]，那么选择槽模式(步骤S9D-8)。这时允许根据结合图8N描述的移动方式，对槽进行加工。水平移动的范围根据几何模型，由槽的形状和方向确定。
为了便于理解本发明，这里只对控制规则/命令选择器62的三种加工操作做了描述，然而其它操作方式也可以进行同样的描述，每种方式具有其自身的控制算法。
系统从输入命令分析操作员意图的能力，补偿了人所固有的不准确性以及实时、手工操作输入设备分辨率的局限性。通过在可能的操作状态之间进行过渡，所需要的零件公差在交互式条件下能够象在常规的CNC机床条件下一样便利地获得。然而应该理解的是，上面描述的操作模式并非穷尽的，在本发明范围内还可以有其它的模式。
对于本领域的技术人员来说，很显然还有许多方式可用来实施就图9所描述的功能。另外为了简化起见，没有对程序编制作描述。当然，应该认识到在描述允许的刀具端部轨迹时，提到的边界限制和状态转换是通过将刀具端部瞬时坐标与相应的模型边界坐标进行比较来确定的。
刀具移动命令执行处理器64(见图3)采用由控制规则/命令选择器62传送给它的控制规则命令，沿相应于选定操作模式的轨迹移动刀具端部，并同时保证零件边界不受损坏。
图11示出了命令执行处理器64是如何响应控制规则选择器命令的。此时，假设控制规则/命令选择器62已经传送了一条指令到命令执行处理器64，允许刀具148沿在点152(可以代表一个零件边界)处结束的一条直线路径150移动，并且假定在某个特定时间，当刀具端部位于如图所示的位置156时，用户操作输入设备58产生一个输入命令矢量154。命令执行处理器64的输出是一个控制向量V2，这是由如下所述的5步计算循环产生的a)确定当前车刀端部位置156的坐标，这个信息是由车刀位置反馈子系统38提供的(见图3)。
b)计算从车刀端部位置156到结束点152的距离dis以及从车刀端部位置156到要求路径150的距离d。
c)计算向量U及控制输入命令向量154沿车刀路径150的投影。
d)根据下面的关系式计算向量V1V1＝f(dis)*U(1)e)根据下面的描述，修正V1产生最终的控制矢量V2对于滑动模式，如图8M所示，输入控制信号128被分解为分别与零件边界126正切和正交的两个分Ft和Fn，为了保持与一条直线段所限定的边界的接触，命令执行处理器64产生一个如下输出信号V2V2＝V1-f(d)*N (2)其中N是指向外壳内部与边界正交的单位向量，d是沿N方向车刀到边界的距离(在图8M中，距离d为0)。
如果边界由半径为r的圆弧段限定，那么修正方程(2)使得控制矢量V2为V2=V1-[f1(d)+K3*t*|Ut|*|Ut|I]*N---(3)]]>其中|Ut|是的绝对值，Ut是从最后一次计算以来经过的时间，d仍然是刀具到要求的轨迹的距离。
通过用路径150替代边界126(见图8M)，这些计算式适用于如图11所示通常的(即非滑动)模式情况。
f(dis)和f(d)的各种各样的函数关系是可能的，但实际上简单的线性关系就相当令人满意，因此，关系式f(dis)＝k1dis(4)和f1(d)＝k2d (5)是最佳的。
仍然参看图11，当距离dis减小时，矢量V1的大小也减小，这反过来又在车刀端部148接近要加工的边界点152时减小了矢量V2的大小(如果刀具能越过边界，dis将变为负值，产生一个控制信号推动车刀离开这个边界)。另外，可以回想起来，滑动模式的定义使得如果当N和U之间的角度小于某个预定值，如20度时，控制规则/命令选择器62将取出一条新的控制规则，并且命令执行处理器64的操作会由此受到其它约束。
在打孔例子中，(参考图8H、8I和9)，在车刀位于间隙平面上面或上方时产生的一个向下的力导致机床端部112移动到最近的孔径中心的上方，如在点114处。
命令发生器64产生的速度命令向量V的X和Y分量与输入命令的垂直分量Uv成正比，并且与从机床端部112到位于孔中心之上的点114的向量118的X和Y分Cx和Cy成函数关系。因此VX＝f2(CX)*|UV| (6)VY＝f2(CY)*|UV| (7)移动路径是平面的，并且如前面所述，最佳的函数关系是线性的，即f2(C)＝K5C (8)
通过使得向量V的幅值与Uv成正比，机床移向孔的速度被操作员作用于输入设备的力所校正。
可以理解，命令执行处理器64提供用于控制机床驱动电机(没有示出)的信号，这可以以任何一种常规方式通过电机接口子系统36来实现，对此，本领域的技术人员根据上面的描述应该清楚。
图12示出了不同于前面描述的本发明的一个扩展实施例的流程图，其中包括记录刀具运动命令的程序，以便随后用于自动切削操作。如图所示，该过程还包括产生几何模型(步骤S12A)、操作员输入实时处理信息(步骤S12B)、交互式产生机床移动命令(步骤S12C)来控制切削操作(步骤S12D)，以及机床位置反馈(步骤S12E)将控制环关闭。此外，该过程还包括处理机床移动命令来产生切削程序(步骤S12F)、记录处理过的命令信息(步骤S12G)，以及读出被记录的切削程序(步骤S12H)。
图12的功能实施过程示于图13。可以采用两种不同的方法来处理移动命令，即直接读出记录和摘要性地读出记录，两种方法均示于图13中。如图所示，该扩展系统包括前面所描述的控制规则/命令选择器62和命令执行处理器64，还包括过程记录器170，过程存储装置171和时钟175。
根据本发明，对机床轨迹方向150(见图11)或端点152的变化被认为是“显著事件”，过程记录器170监测这些改变，这可以用任何一种适当的方式来实现，例如过程记录器170监控从控制规则命令选择器62传送到命令执行处理器64的命令。被传送到命令执行处理器64的每条命令与先前传送的命令进行比较，如果它们相同，那么过程记录器170不动作，如果它们不同，那么过程记录器记录当前位置和时钟175的时间。
此时，如果操作的端点已改变，那么新的位置被存储在过程存储装置171中，并且车床端部自先前的“显著事件”发生以来所经过的距离被除以记录的时间间隔，以产生刀具端部平均速度的当前值，这也被存储在过程存储装置171中。
过程存储装置171中的数据可以用作自由路径控制器34的输入，在不需要操作员输入命令的情况下，加工另外的零件。在这种情况下，从记录中读出的数据是一系列存储在过程存储装置171中的记录的命令，这些存储的命令随后被命令执行处理器64执行。在到达某条给定的命令的端点时，记录序列中的下一条命令被执行。对每条命令都采用与其相关的平均速度。
记录的命令序列也可以载录到软盘中，并且用常规的编程手段进行编辑和修改，以产生操作常规CNC车床的零件程序。
记录操作员的交互式加工过程以备将来使用有许多好处。例如，采用根据本发明的自由路径技术使得机工能以恒定的精确度切削零件，并且回放记录，能使另外的零件能以类似于第一个零件的方式加工。以直接回放模式采用该系统，机工可以迅速并准确地产生小批量的部件。工业应用性虽然本发明是相关于机床来描述的，但是也能用于需要由人工控制、并且受预定的与目的相关的约束限制的其它设备中，这可以包括过程控制、模拟器、机器人，甚至是半自动车辆控制。
与此类似，除上面特别描述的车床应用之外的其它应用也在本发明范围之内。
此外，尽管本发明为了示出显著的特征和最佳实施情况，采用了过程和功能描述方式，但应该理解，该描述仅仅是为了使本领域的技术人员能够实际执行本发明，其它的实施例也是可能的。
权利要求
1.采用计算机数字控制机床和能够提供代表由操作员输入的所需要的实时切削运动指令的信号的人工操作输入设备，以实时交互式操作方式加工零件的方法，该方法包括以下步骤装入代表要被加工的零件的几何模型的一组数字数据；操作输入设备产生用于指示切削器实时移动的输入命令；获得代表切削器在连续的测量时间的实时位置的切削器位置信号；处理零件几何形状、输入设备信号和连续的切削器位置信号，来产生一系列实时控制命令，用于控制切削器相对于由零件模型限定的边界约束的实际移动；响应实时控制命令序列移动切削器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括以下步骤在开始加工零件之前，建立若干代表所允许的切削器轨迹的操作模式；并且其中产生移动命令的步骤包括在给定的时间，根据零件几何数据、输入设备信号和切削器位置信号选择一个操作模式作为现行模式；从现行操作模式代表的切削器轨迹中选择在给定时间操作车床的一条切削器轨迹；产生相应于选定轨迹的控制命令。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于控制命令包括关于切削器打算到达的目标点以及到达目标点所打算采用的轨迹的信息，并且其中响应控制命令移动切削器的步骤包括确定切削器位置和到达目标点所打算采用的轨迹的差别；产生校正信号分量，以迫使切削器到达预期的轨迹。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于零件几何数据包括零件边界段的空间坐标，在开始加工零件之前，该方法进一步包括以下步骤根据预定的划分规则将零件模型划分为一组单元，并使得每个单元包括一个或多个边段；相应于每个单元记录一组零件边界限定信息；并且其中获得切削器位置信号的步骤包括识别在每个测量时间与切削器的位置相关的单元；并且相应于该单元确定切削器相对于零件边界的位置。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于划分步骤进一步包括建立一个包括要被划分的零件几何部分的平行六面体区域；计算在该平行六面体区域内的零件壁段数；如果该平行六面体区域包括的零件边界数小于或等于预定的最大数，那么将该平行六面体区域作为一个单元；如果壁段数大于预定最大值，那么通过在平行六面体区域内建立一个划分边界将该平行六面体区域划分为子区域；重复计数、单元建立和划分步骤，直到任何一个子区域都不包括大于预定最大值的壁段数为止。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于进一步包括以下步骤在零件边界被计数之前，对每个划分边界产生一个小的平行位移，使得子区域被扩大，从而产生少许重叠的单元结构，其中靠近划分边界的壁段被包括在相邻的单元中。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于预先建立了若干代表允许的切削轨迹的操作模式，并且相应于实时控制命令移动切削器的步骤包括在给定的时间，根据零件几何数据、输入设备信号和切削器位置信号选择一种操作模式作为现行模式；并且从由现行操作模式代表的切削器轨迹中选择在给定时间操作车床的一条切削器轨迹。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于零件几何数据包括零件边界段的空间坐标，该方法进一步包括以下步骤在开始加工零件之前，通过以下方式启动车床根据预定的划分规则将零件几何模型划分为一组单元，并使得每个单元包括一个或多个边界段；相应于每个单元记录一组零件边界限定信息。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于划分步骤进一步包括建立一个包括要被划分的零件几何部分的平行六面体区域；计算在该平行六面体区域内的零件壁段数；如果该平行六面体区域包括的零件边界数小于或等于预定的最大数，那么将该平行六面体区域作为一个单元；如果壁段数大于预定最大值，那么通过在平行六面体区域内建立一个划分边界将该平行六面体区域划分为子区域；重复计数、单元建立和划分步骤，直到任何一个子区域都不包括大于预定最大值的壁段数为止。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于进一步包括以下步骤在零件边界被计数之前，对每个划分边界产生一个小的平行位移，使得子区域被扩大，从而产生少许重叠的单元结构，其中靠近划分边界的壁段被包括在相邻的单元中。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于平行六面体区域和子区域是矩形的；所有划分边界将区域或子区域的最长边垂直平分。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于零件几何数据包括限定零件边界的信息；并且其中处理零件几何数据的步骤包括根据预定的选择规则选择所有零件边界的一个子集；处理切削器位置信号的步骤包括确定切削器相对于选定子集中的零件边界的位置。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在零件加工之前和之中的任何时间包括以下步骤为工件产生固定设备的位置和外形的数据表示；修正零件几何数据，以使得固定设备的位置和外形被反映为零件几何数据的一部分。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于固定设备位置和外形数据是采用车床端部识别固定设备的边界来产生的。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于实时控制命令是通过重复一系列步骤来实现的，每次重复包括以下步骤根据输入设备信号、零件几何尺寸和车床位置信号的瞬时值确定最佳的切削运动路径和切削目的点；产生一个表示切削器瞬时位置和目的点之间差别的第一信号；产生一个表示瞬时切削器位置和由控制命令表示的最佳路径之间差别的第二信号；产生一个与第一和第二差别信号函数相关的校正信号，用于操作切削器以减小差别信号值。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于输入信号和最佳路径被表示为向量；并且其中输入信号对实时控制命令的作用是通过将输入信号向量投影到最佳路径向量上来确定的。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于校正信号的函数关系导线性的。
18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括以下步骤相应于零件加工时产生的一系列实时控制命令，记录切削器控制程序；响应被记录的控制程序操作机床，再来产生一个或多个零件。
19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括以下步骤在开始加工零件之前产生零件几何形状的图像显示；在零件加工过程中产生加工过程进展情况的图像显示。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于车床响应控制程序的操作是一系列重复的过程，其中每个重复包括响应一系列被记录的控制命令的第一条移动切削器；确定切削器何时到达了相应于从第一控制命令到第二控制命令的变化的位置；此后，响应一系列被记录的控制命令的下一条移动切削器。
21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于控制程序由以下步骤产生检测目继的控制命令之间的变化；根据在相继的控制命令变化之间的切削器位置变化和变化之间所经过的时间来计算一系列平均速度；记录控制命令序列、与每个控制命令变化相关的切削器位置和在控制命令变化之间的间隔计算的平均速度。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于产生进展情况显示的步骤包括记录在加工过程中切削器已经接触的零件表面上的点；产生包括切削器已经接触的那些点的零件几何形状的部分表示。
23.根据权利要求3所述的方法，其特征在于划分步骤进一步包括建立一个包括该模型要被划分的部分的平行六面体区域，长度沿第一方向扩展，宽度沿垂直的第二方向扩展；计算该平行六面体区域内的零件壁段数如果它包含的零件壁段数少于或等于预先确定的最大数目，就把这个平行六面体区域建立为一个单元；如果壁段数超过预先确定的最大数，那么就通过在该平行六面体区域内建立一个第一划分界限把这个平行六面体划分为子区域，这个界限按照预先确定的划分规则沿第一或第二方向扩展；如果平行六面体区域不是一个单元，就产生一个带有一个第一级节点、两个第二级节点和把第一级节点分别连接到第二级节点的分支的逻辑树状结构；按照预先确定的规则，把第一级节点连接到作为第一划分界限的方向的第一方向或者第二方向；将第二级节点与每个子区域相连；如果计算的零件边界数目少于或等于预先确定的最大数，就将一个子区域作为一个单元；如果计算的壁段数超过预先确定的最大数，就根据预先确定的划分规则，通过确定一个第二划分边界进一步对该子区域进行划分；如果该子区域是一个单元或如果它不是一个单元而是第二划分界限的方向，那么连接每个第二级节点和在相应的子区域内的零件边界的空间坐标；重复这种计算、单元建立和节点连接步骤，直到没有一个子区域包含超过预定的壁段数目。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于确定刀具单元位置的步骤包括确定刀具在第一划分边界的那一边；根据刀具相对第一划分边界的位置选择第二级节点；如果相关于所选择的第二节点的数据表示一个或多个零件边界的空间坐标，那么报告车刀存在于一个单元中；如果选定的第二节点不是一个单元，那么确定刀具在第二划分边界的那一边；继续进行检测相关于选定节点的数据的过程，直到被检测的数据被确定为一个或多个零件边界的空间坐标为止。
25.用于计算机数控机床的一个交互式控制系统，该系统能够对操作员发出的实时运行指令产生交互响应，从而允许操作员参与零件加工，该控制系统包括用于产生输入信号的手动操作输入装置；用于存储表示要被加工零件的几何尺寸数字数据的装置；产生表示零件几何数据信号的装置；用于产生表示车刀实际位置信号的装置；用于处理操作员输入信号、车刀位置信号和零件几何数据信号，以产生控制指令的装置；用于处理输入装置信号和控制命令以对机床产生一个实时运动控制信号的命令执行装置；
26.根据权利要求25所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于进一步包括记录限定若干操作模式的数据的装置，这些模式表示多组允许的控制命令；其中的控制命令产生装置进一步包括在给定时间选定这些操作模式中的一个作为现行模式的装置；响应输入信号、车刀位置信号和零件几何数据信号，从现行操作模式所允许的命令中选择一个用于在给定时间操作车床的控制命令的装置。
27.根据权利要求25所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于零件的几何数据包括限定该零件的边界段的空间坐标；其中用于产生零件几何数据的信号表示的装置包括划分装置，用于根据预定的划分规则限定一个单元结构，以将零件边界与单元相连；用于记录相应于各个单元的零件边界限定数据的装置。
28.根据权利要求26所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于单元的确定使得预先确定的零件边界的最大数与每个单元相关。
29.根据权利要求26所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于划分装置进一步包括用于产生一个围绕要被划分的零件几何形状的平行六面体区域的装置；用于在每个平行六面体区域内计算零件边界数的装置；用于在计算的零件边界数少于或者等于预先确定的最大数时将平行六面体作为一个单元的装置；用于在计算的壁段数超过预先确定的最大数时按照预先确定的划分规则确定划分平行六面体区域的边界把平行六面体区域划分为子区域的装置；用于响应子区域的产生控制划分装置继续进行计算、建立单元和进一步产生子区域，直到没有一个子区域包含超过预定的壁段数的装置。
30.根据权利要求29所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于预定的最大数从包含3和4的组中选取。
31.根据权利要求29所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于进一步包括用于在零件边界数被计算之前使每个划分边界产生一个小平行位移来扩大子区域，从而产生一个带有包含在邻近单元中的靠近划分边界的壁段的稍微重叠的单元结构的装置。
32.根据权利要求29所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于其中的平行六面体是矩形的，其中的划分边界把矩形最长的边二等分。
33.根据权利要求25所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于零件几何数据包括零件边界段的空间坐标，进一步包括用于按照预先确定的规则选择由零件几何数据确定的零件边界的一个子集的装置，其中用于产生实时运动控制信号的装置包括仅用于在选定的子集中确定刀具相对于零件边界的几何关系的装置。
34.根据权利要求25所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于进一步包括用于人工输入用于工件的固定装置的位置数据表示的装置；用于修正零件几何数据来反映固定位置数据的装置。
35.根据权利要求25所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于其中的控制命令提供诸如预期的切削目的点和到该目的点的规定轨迹的信息，其中命令执行装置包括响应控制命令用于产生表示预期切削目的点的信号的装置；响应控制命令用于产生表示规定轨迹的信号的另一装置；用于产生一个表示车刀瞬时位置和预期目的点之间的差异的信号的装置。
36.根据权利要求35所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于输入信号是矢量形式，其中用于产生实时运动控制信号的装置包括用于确定输入信号矢量在规定轨迹上的投影值的装置。
37.根据权利要求36所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于运动控制信号的大小与输入信号矢量在规定轨迹上的投影值线性相关。
38.根据权利要求25所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于进一步包括用于产生一系列控制命令的程序信息表示的装置；用于记录程序信息的装置；用于重放作为切削程序的被记录的程序信息的信号表示，以便再生产一个或多个零件的装置。
39.根据权利要求38所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于产生程序信息的装置包括用于检测控制命令变化的装置。
40.根据权利要求38所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于重放程序信息信号的装置包括用于对每个被记录的控制命令以它们被记录的顺序产生程序信号表示的装置；用于把程序信号藕合到命令执行装置的装置；用于检测每个程序信号完成情况的装置。
41.根据权利要求38所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于产生程序信息的装置包括用于检测相继控制命令之间的变化的装置；用于根据相继控制命令变化之间的切削器位置变化和这些变化之间所花费的时间计算一系列平均速度的装置；用于记录一系列控制命令、与每个控制命令变化相关的切削器位置和相对于控制命令变化间隔计算的平均速度的装置。
42.根据权利要求25所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于进一步包括用于显示零件几何数据的图形表示的第一装置；用于显示表示零件加工进展情况的图形表示的第二装置。
43.根据权利要求42所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于第二显示装置包括用于记录由零件几何数据表示的在加工过程中车刀与之接触的零件表面上的点的装置；用于产生包括车刀与之接触的点的零件几何外形的部分表示的装置。
44.根据权利要求27所述的交互式数字机床控制系统，其特征在于产生切削器定位指令信号的装置进一步包括用于确定在一个特定时间刀具的单元位置的装置；用于确定车刀相对于其所在单元的零件边界的位置的装置。
45.一种交互式控制可以通过编程来完成与物理环境有关的预定功能的机床的方法，与此有关的机床至少带有一个人工操作输入装置，通过该装置用户可以向机床提出实时操作请求，并至少带有一个对机床和环境之间的物理关系具有反应能力的传感器，该方法包括以下步骤产生表示该程序功能的第一数据体；产生表示允许的机床操作模式组的第二数据体；产生表示来自用户的操作请求输入的第一信号；产生表示在相继的测量时间与环境相关的机床运行实际状态的第二信号；在一个特定的测量时间处理第一和第二信号，与第一数据体一起为直到下一测量时间为止的时间间隔选择一组允许的机床操作模式。
46.根据权利要求45所述的方法，其特征在于进一步包括下述步骤根据由第一信号表示的来自用户的特定操作请求和由第二信号表示的车床和环境之间的物理关系从可用的组里选择一种操作模式来产生一个机床操作控制信号。
47.根据权利要求45所述的方法，其特征在于进一步包括下述步骤按照预先确定的逻辑规则划分第一数据体；根据该逻辑划分规则记录该数据，并且其中产生第二信号的步骤包括以下步骤把一个特定测量时间的传感器的输出信号与定义划分规则的数据进行比较，以确定使车床运行状态在那时与之具有最大相似性的划分；将特定时间的机床实际操作状态与所确定的划分中包含的数据进行比较。
48.根据权利要求45所述的方法，其特征在于进一步包括下述步骤产生在交互式车床运行期间产生的一系列车床操作控制信号的程序信息表示；记录该程序信息；为随后使用车床将表示所记录的程序信息的信号作为操作程序来重放。
49.用于可以通过编程来完成一个与实际环境有关的预定操作功能的车床的一个实时交互式控制系统，包括用于产生表示由用户发出的一个实时操作请求的第一信号的人工输入装置；与车床和环境之间的实际关系相关的测量装置；响应该测量装置来产生一个表示在特定时间车床运行实际状态的第二信号的装置；存储表示编程操作功能的第一数据体的第一存储装置；存储表示允许的车床操作模式组的第二数据体的第二存储装置；相应于在特定测量时间的第一、第二信号的值和第一数据体，在下一个测量时间之前，选择允许的车床操作模式组中的一个作为可用模式的装置；相应于来自用户的由第一信号表示的特定操作请求和由从可用组中选择的第二信号表示的车床与环境之间的实际关系，在下一个测量时间到来之前，从可用组中选择一个操作模式作为当前模式的装置。
50.根据权利要求49所述的交互式车床控制系统，其特征在于进一步包括响应所选择的操作模式和第一、第二信号来产生车床操作控制信号的装置。
51.根据权利要求49所述的交互式车床控制系统，其特征在于进一步包括用于按照一个预定的逻辑规则划分第一数据体的装置；用于按照逻辑划分规则记录第一存储装置中的第一数据体的装置，其中响应测量装置的装置包括用于将在一个特定时间测量装置的输出与定义划分规则的数据进行比较，以确定在这个时间车床操作状态与之具有最好的相似性的划分的装置；用于根据在特定时间车床运行实际状态和以包含在确定划分中的数据反映的车床操作目标之间的差异产生第二信号的装置。
52.根据权利要求49所述的交互式车床控制系统，其特征在于进一步包括用于产生一系列车床操作控制信号的程序信息表示的装置；用于记录程序信息的装置；为随后使用车床将所记录的程序信息的信号表示作为操作程序来重放的装置。
全文摘要
一种计算机可控机器(例如车床)的交互式操作方法和系统。该方法包括处理实时的操作员输入命令、机床操作状态数据和机床操作目标数据，以选择一系列预定的操作模式。这能允许操作员对如何得到操作目标进行实际控制。该系统在适当编程的微机上运行，并包括用于实时操作命令的人工输入装置、用于存储表示机床操作目标的数据的装置、对机床运行的实际状态提供反馈的装置和根据可用操作模式组产生控制命令的装置。为确保快速的系统反应，操作目标数据按照逻辑规则进行划分，该数据的一个子集被用来根据与操作状态反馈数据的相似性来确定操作约束。在车床的应用中，要创建一个要被加工的零件的几何模型，该模型根据零件的若干边界来限定该零件。划分过程包括一组单元，每个单元至多包括预先最大数目的零件边界。车刀的位置通过识别与给定时间车刀位置相对应的单元来确定，与指定单元相关的零件边界被用于计算碰撞免除命令，以确保对零件进行适当的加工。也可以提供与操作目标相比较的机床操作的图形显示，同时还有装置用于记录和处理一系列机床操作指令，以便随后重放来控制重复的机床运行。
文档编号G05B19/4097GK1137829SQ95191091
公开日1996年12月11日 申请日期1995年9月1日 优先权日1994年9月2日
发明者洪家威, E·帕夫拉柯斯, 谭小南 申请人:西姆普拉斯有限公司