用于运行数控制造机器的方法和相应的数控装置
阅读说明：本技术 用于运行数控制造机器的方法和相应的数控装置 (Method for operating a numerically controlled manufacturing machine and corresponding numerically controlled device ) 是由 托马斯·皮茨 拉尔夫·施皮尔曼 于 2020-02-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于运行具有至少一个部件(12A、12B)的数控制造机器(2、4)的方法,部件在制造工件(5)时承受机械和/或电负荷。负荷由至少一个部件(12A、12B)的加速度和/或冲击的值描述,其中值在正常运行中能在允许值范围(LIMIT1)内变化。允许值范围(LIMIT1)由制造机器的构造和结构确定。为了制造工件(5),通过由至少一个控制信号(30、32、34、36)触发的方式来激活用于减小机械和/或电负荷的保护运行。在保护运行中,至少一个部件(12A、12B)的加速度和/或冲击的值能在部分值范围(LIMIT2)内变化,其中部分值范围(LIMIT2)与允许值范围(LIMIT1)相比是受限的。(The invention relates to a method for operating a numerically controlled manufacturing machine (2, 4) having at least one component (12A, 12B) which is subjected to mechanical and/or electrical loads during the manufacture of a workpiece (5). The load is described by the value of the acceleration and/or the impact of at least one component (12A, 12B), wherein the value can be varied within a permissible value range (LIMIT1) during normal operation. The allowable value range (LIMIT1) is determined by the configuration and structure of the manufacturing machine. In order to produce the workpiece (5), a protective operation for reducing the mechanical and/or electrical load is activated in a manner triggered by at least one control signal (30, 32, 34, 36). In protective operation, the value of the acceleration and/or jerk of the at least one component (12A, 12B) can vary within a partial value range (LIMIT2), wherein the partial value range (LIMIT2) is limited in comparison with the permissible value range (LIMIT 1).)
技术领域
本发明涉及一种用于运行具有至少一个部件的数控制造机器的方法，部件在制造工件时承受机械和/或电负荷，负荷由至少一个部件的加速度和/或冲击的值描述，其中值在正常运行中能在允许值范围内变化，其中，允许值范围由制造机器的构造和结构确定，其中，为了制造工件，通过由至少一个控制信号触发的方式来激活用于减小机械和/或电负荷的保护运行。
本发明还涉及一种用于制造机器的数控装置，该数控装置适合执行用于这种运行的方法。
背景技术
数控制造机器、例如机床或工业机器人用于生产工件。在使用制造机器时，还重要的是以什么时间生产工件。用于加工工件的时间越短，生产或制造过程就越高效。为了缩短加工时间提供有优化方法。
机床或工业机器人的制造商以诸如“生产中的精度和速度”、“谁提供最快或最精密的机器”等口号相互竞争。机床或工业机器人能越精密和/或越快生产工件，则该制造机器就对用户越有吸引力。与之相应地，制造机器的运动部件(术语“机器轴”常用于标识机器构件在空间中的运动)针对大的机械载荷、尤其大的动态载荷来构建和设计。在此，挑战材料载荷的极限，这实质性地影响使用寿命或至少维护间隔的频率。载荷极限从机器元件的不同的载荷类型中得出。在由钢构成的轴机构中、即例如在滚珠丝杠中，引导件或滚柱座或滑座在快速和频繁的运动过程中快速磨损，并且由此而必须频繁维护或更换。针对越来越快和越来越频繁的运动过程(制动和加速过程)设计的且还总是设计得尽可能小(由于采购成本、废热和空间要求等)的电气部件达到其热学极限。例如，馈电部件和马达模块属于电气部件，其中经由馈入部件将制造机器的驱动器的联合体与供电网络连接，其中借助马达模块可以控制制造机器的驱动马达。电气部件甚至较长时间都在其极限运行。
原则上，很多生产过程可以在任意时间点停止和启动。然而也存在如下生产过程，其中如果生产过程被任意停止或启动，则工件质量和/或加工过程等会受到影响。这主要与制造机器或工件的温度特性有关。一个具体的实例是，例如当不再有冷却水流过全自动铣床的工作空间时，当轴的电气部件断电并且由于缺乏运动而不再存在摩擦时，由于温度引起材料变形。尽管金属仅会轻微变形或弯曲，例如仅以几毫米，但借此破坏或实质性改变轴的几何形状或精度。加工精度由于该弯曲可能不再符合工件要求。制造机器通常仅当其处于热运行状态时、即当其总是运动时、当总是有冷却水流过工作空间时等才能遵守规定的加工精度。这种机床在生产启动时高速运转几分钟或必要时直至几小时，以使其达到其工作温度进而达到其加工精度。随后才加工或制造工件。或者还更耗费的是以降低的精度生产工件，直至达到期望的工件质量和工件精度。以降低的精度生产的工件随后被处理掉。
即使在特定的生产技术或加工类型中，任意的生产开始、任意的生产结束或生产中断是无法容忍的。对此的一个实例是齿轮的铣削，其中多重相互耦联的机器轴将工件和工具彼此接合，从而无法停止该生产。工具和工件会被破坏。与中断不兼容的生产技术的另一实例是激光加工，其中工具是激光束，必须首先在较长时间段内将激光束置于特定的运行状态，以使激光束可以进行加工。借助铺带机或纤维铺放机用温度处理的材料(胶带等)和温度处理的工件或工件模具来制造例如大型飞机构件同样不允许对生产过程进行任何任意的更改。
在制造机器中当前存在运行状态的开启或关闭。在开启状态下，制造机器运行直至机械和/或电气的允许的负载极限。如果制造过程或生产允许，则将它们切换到关闭状态，以不再执行轴运动。然而，通过停止来保护机器会需要较长的开始运行阶段，如上所述。由于在典型的运动指令(NC子程序等)中预设运动的位置和速度，所以通常在特定的过程或技术中排除“缓慢行进”。例如，通过倍率开关或通过对NC(数控)子程序的改变降低速度通常不是目标导向的，因为机床上的特定过程与加工速度关联。例如，为了要实现的材料匹配(工件材料和切削材料)存在特定的切割速度。如果不遵守切割速度，则导致变差的表面质量或提高的工具磨损形式的生产问题。
从EP 3 015 929 A1中已知一种用于机床的运行方法，其中根据外部控制信号可以根据需要激活和停用机床的部件。将用户输入和定时器的信号称为外部信号。EP 3 015929 A1的目标是将机床的部件保持在特定的温度范围内。
从GB 2 532 096 A中已知一种用于机床的运行方法，其中根据预期的运行参数求出机床的期望的能量需求。如果期望的能量需求超过预设的上限，则由上级的控制装置改变机床的运行参数，以将期望的能量需求降低到预设的上限以下。
从FR 2 978 932 A中已知一种用于钻孔机的运行方法，其中检测钻头中出现的温度和/或对于钻孔所需的钻孔力，并根据此设置钻头的转速和钻头的进给速度。FR 2 978932 A的处理方式的目标是降低磨损。
发明内容
本发明所基于的目的是：提供一种用于运行数控制造机器的方法，借助该方法，在保持制造质量的情况下延长用于维护和/或更换机器部件的间隔。本发明同样基于如下目的：提供一种设计用于执行该方法的数控装置。
首先提到的目的通过具有权利要求1的特征的方法来实现。据此，开头部分提出的、用于运行数控生产设施的方法的特征在于，在保护运行中，至少一个部件的加速度和/或冲击的值能够在部分值范围内变化，其中，部分值范围与允许值范围相比是受限的。
最大允许负荷由至少一个部件的设计和构造、允许的磨损极限和/或其热载荷决定。因此，在保护运行中减少该最大允许的负荷意味着：减少机械和/或热载荷，进而减少磨损。保护运行根据制造机器的利用率在特定的制造过程中被激活。制造机器在保护运行中继续运行。因此不出现由于停止和重新开始运转所引起的问题。特别地，工作空间的温度控制很大程度上保持恒定进而保持制造精度。不需要预热阶段。根据场景，表征负荷物理变量的与允许值范围相比受限的部分值范围的需求导向的预设可以解决在机器磨损范围中的客户和应用特定的问题。机器的使用寿命可以通过使机器在“舒适区域中”永久或仅暂时运行来延长。
该方法的有利的设计方案通过权利要求2至11的特征给出。
根据权利要求2的方法的一个有利的设计方案的特征在于，至少一个部件的运动至少沿着轴进行，并且运动变量包括轴加速度。由于在保护运行中仅还可以在受限制的部分值范围内改变轴加速度，因此相对于允许的指定的轴加速度降低沿着轴的加速度的最大值。加速度已经被减小的轴更缓慢地执行速度变化，由此在电气和机械装置中产生更小的机械载荷，进而产生更小的磨损。借此，通过加速和制动过程减小轴机械装置和电气装置的大的载荷，从而实现保护运行。
根据权利要求3的根据本发明的方法的一个特别有利的设计方案的特征在于，工件的制造包括至少一个第一制造步骤，在第一制造步骤中部件作用于工件，工件的制造包括至少一个第二个制造步骤，在第二制造步骤中部件不作用于工件，在保护运行中在至少一个第一制造步骤中，至少一个部件的加速度和/或冲击的值能够在允许的范围内变化，并且在保护运行中在至少一个第二制造步骤中，至少一个部件的加速度和/或冲击的值仅能够在受限的部分值范围内变化。
借此，对技术或实际的加工或制造过程不做出变化，因为所有要实现的加工变量、例如切削速度保持不变。工件的制造质量不以这种方式受到损害，仅各个加工或制造步骤之间的时间、即对于至少一个第二制造步骤所需的时间被延长。在机床的情况下，因此例如当加工部件不作用于工件时，于是才降低加速度和/或冲击的最大值。
该方法的另一个有利的设计方案通过权利要求4的特征给出。据此，由在数控制造机器的用户界面处的手动输入来预设至少一个控制信号。例如，机器操作员通知控制装置：在夜间在所有轴上仅以50％的最大轴加速度运行。
该方法的一个有利的设计方案通过权利要求6的特征给出。据此，在超过制造机器的至少一个部件的极限温度的情况下，触发至少一个控制信号。对于保护运行，因此例如可以将轴的温度、马达模块或对马达模块的馈电用作为减小相应轴的加速度的最大值的标准。
第二个提到的目的通过具有权利要求12的特征的数控装置来实现。据此，制造机器设计用于执行要求保护的方法。
附图说明
本发明的上述特征、特性和优点以及实现方式和方法在实施例的以下描述中变得更清楚和易懂，实施例结合附图详细阐述。在此以示意图示出：
图1示出具有机床控制装置的机床的基本结构，并且
图2示出用于激活保护运行的控制装置的功能图。
具体实施方式
本发明的下面描述的实施例涉及一种数控制造机器，该数控制造机器设计为数控机床。借助相应通过制造技术确定的、然而不触及原理工作方式的适配，该描述也适用于制造机器作为生产机器人的设计方案。制造机器的这两个实施方式的共同之处是：在制造或加工工件时在制造机器的加工部件与工件之间发生数控的相对运动。
图1中的示意图示出数字式机床控制装置2，其与用于制造或加工工件5的机床4共同作用。机床4与连接的和适配的机床控制装置2一起形成数控的制造机器。用户或操作员经由输入/输出单元6访问机床控制装置2，输入/输出单元也被称为NC控制面板。附加地还设有通信接口8，该通信接口实现将数控机床4嵌入到计算机网络9中，这种运行方式被称为分布式数控(Distributed Numerical Control，DNC)。
机床控制装置2被划分为三个主功能区域。第一主功能区域、即COM(通信)部分10执行与连接的外围设备(例如通信接口8和其他的输入和输出模块、传感器、限位开关等)的通信任务，。此外，COM部分10用于与输入/输出单元6通信。COM部分还提供一种编程环境，该编程环境包括至少一个程序编辑器，但通常还包括模拟和测试装置。
机床4的主要任务是工件5的制造或生产和加工，其中机床4的加工部件12和工件5之间发生相对运动。加工部件12通常包括多个部件12A、12B等，部件彼此独立地工作或还协同工作。可运动的部件也属于部件12A、12B。对于可运动的部件，机床控制装置2生成要沿一个或多个轴或运动轴14实施的运动的目标值，目标值在考虑机床4中的驱动器部件的情况下实现符合生产预设的表面造型或表面形状。机床控制装置2的第二主要功能、即路线控制和插补进而为机床4的各个运动轴14生成运动目标值在NC核心16中实现。
最后，机床控制装置2的第三主功能通过适配控制装置18实现，适配控制装置用于将出自NC核心16的与工件5相关的一般运动控制适配于具体机床4。属于此的是经由机床4的输入/输出端20进行的执行器的操控、传感器信号的检测、监控功能的实现、安全功能的确保等。适配控制装置18借助于PLC(programmable logic controller)、也就是可编程逻辑控制器来实施。
机床控制装置2与机床4之间的数据或信号连接针对机床4的轴14的运动目标值经由第一控制线路22实现，并且针对机床4中的执行器和传感器经由第二控制线路24实现。
机床4针对其具体的使用目的并且针对不同的运行状态来指定并且相应地构造和设计。机床4的部件的设计和构造尤其通过运行的机械负载并且尤其通过允许的动态负载来确定。属于此的是主轴的最大速度、沿轴14的线性进给的最大轴速度、沿轴14的最大加速度和对轴14的最大冲击。这也适用于冲击。运动变量的最大值适用于机床4的正常运行、即符合规格的机床4的使用和运行。在正常运行中，运动变量的值始终处于允许值范围LIMIT1内，该值范围通过负和正的允许最大值限制。值对于所有轴14可以是相同大小，但是其也可以不同。值附加地可以由机床4之内和/或之外的特定状态来确定，例如由环境温度确定。
允许值范围LIMIT1属于机器规格。将该值范围在数控装置2与机床4一起开始运转时告知控制装置2，例如经由机床制造商的设置文件和/或经由第二控制线路24告知。附加地，也可以经由输入掩码和输入对话来提供用以预设允许值范围LIMIT1的其他可能性。借此，数控装置2针对连接的机床4可以通过设置关于机床4的为此所设的系统变量来参数化。
除了上述的正常运行外，机床4能够以允许值范围LIMIT1在保护运行中工作。在保护运行中，部分值范围LIMIT2被激活，部分值范围与允许值范围LIMIT1相比是受限的。限制可以借助于缩减因子实现，但是也可以使用考虑物理变量的相互关联的更复杂的缩减算法或缩减表或缩减特征曲线。保护运行原则上能对机床4的每个运动轴14单独地预设。
图2示出保护运行的激活。例如，示出用于预设保护运行的不同的可能性。首先，机床操作员可以借助于经由输入/输出单元6手动输入30来预设：机床4应该在保护运行中工作。可选地可以借助于时间控制32进行保护运行的预设。例如，机床4在白天可以在正常运行中运行，并且在夜间在保护运行中工作。同样可行的是：保护运行经由远程控制34来预设。例如，在对于特定时间段制造订单减小的情况下，制造经理可以在保护运行中制造减少数量的工件5，并且将其经由计算机网络9告知机床4。同样可行的是：经由机床4中的部件的状态激活保护运行。经由相应的极限值消息36、例如超过允许的马达或电力电子装置温度，将控制装置2切换到保护运行中。
机床4是否应在正常运行中或在保护运行中工作取决于可能的输入点30、32、34、36之一处的相应的控制信号。这借助程序分支38来说明。如果不存在机床4在保护运行中运行的需求，即在图2中程序分支38的输出“N”，则对于所有物理负荷变量采用允许值范围LIMIT1。物理变量的值可以采用允许值范围LIMIT1内的任何值。值通过机床4的规格来确定。正常运行应通过第一分支40来说明。
如果存在对保护运行的需求，即在图2中程序分支38的输出“Y”，则至少对于一个制造步骤采用部分值范围LIMIT2。借此，与正常运行相比，减小了在制造步骤中的机械和/或电负荷。
在第一次执行保护运行时，部分值范围LIMIT2既用于在其中加工部件12或其部件12A、12B之一等作用于工件5的第一制造步骤46，也用于在其中加工部件12或其部件之一不作用于工件5的第二制造步骤48。工具切换和不连续地彼此相随的不同加工之间的运动也属于第二制造步骤，例如依次钻多个相同的孔。保护运行的该第一实施方式通过第二分支42说明。
根据制造技术和制造质量要求，还可以仅对机床4的第二制造步骤48激活保护运行，其中机床4的加工部件12不作用于工件5；保护运行的该第三实施方式通过第三分支44说明。
运动的部件的机械负荷的大部分由加速和制动过程引起。在保护运行的简单的且尽管如此非常有效的实施方式中，对于所有运动轴14减小加速度和/或冲击的最大值，即减小部分值范围LIMIT2的极限，例如减少到正常运行中最大值的一半、即允许值范围LIMIT1的极限的一半。
可以借助于控制程序中的命令来实现预设第二最大值的可能性，借助命令要求机器控制员进行输入。借助输入请求，给予机器控制员如下可能性：激活受限制的部分值范围LIMIT2。借此，给予用户访问变量、参数和允许值范围的权限，变量、参数和允许值范围在控制装置连同制造机器初始化时由制造机器预设为允许值范围LIMIT1。
与在机床控制装置2开始运转时的参数化中类似，保护运行的一种或多种实施方式可以作为保护运行模块存储在机床控制装置2中。保护运行模块可以设计成能够由机器控制员交互地在输入/输出单元6处预设或改变部分值范围LIMIT2。