用于在机器的机器元件与物体发生接触时产生明确反应的方法和控制装置

摘要

一种在一机器的一机器元件(4，6)与一物体(5，7)发生接触时产生明确反应的方法和一种与此相关的控制装置(14)，其中，对所述机器元件(4，6)与所述物体(5，7)之间的接触情况进行识别；其中，在识别出二者间发生接触的情况下，如果发生接触时机轴在一控制装置(14)的控制下自动以快速移动模式进行移动，就通过立即中断对所述机轴(3，41，42，43)的驱动(42，43)来中止所述机轴(3，41，42，43)的进一步移动；在识别出二者间发生接触的情况下，如果发生接触时所述机轴(3，41)在一控制装置(14)的控制下自动以低速移动模式进行移动，就进行碰撞识别，其中，在识别出碰撞的情况下，中止所述机轴(3，41，42，43)的进一步移动。本发明借此达到了尽可能减小机器的机器元件(4，6)与物体(5，7)发生碰撞时所产生的影响的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在机器的机器元件与物体发生接触时产生明确反应(targeted reaction)的方法。

此外，本发明还涉及一种具有一程序存储器的控制装置，所述程序存储器内存储有一含有代码段的计算机程序，所述控制装置在调用所述计算机程序时通过这些代码段可实施上述方法。

背景技术

对于机床、专用机床(production machine)和/或机器人这样的机器而言，除较高的加工速度和加工精度外，还需具有较高的过程精度(processaccuracy)。机器元件(例如刀具或机轴)与物体(例如工件、拖板或夹具)之间的碰撞是一种过程故障。与其他类型的过程故障相比，碰撞所引起的维修费用最高，停车时间最长。

为避免或至少降低因维修和停车而造成的损失，迄今为止已研发出各种不同的系统和策略。市场上可以购得带有传感器的机械式装置或系统，其缺点在于，其只有在发生接触并经过机械结构中形成力所需的额外延时后才发生作用，因而只能起到减少损失的效果。被动式机械系统(例如过载离合器)的原理是，当滑动离合器或制动离合器引起过高的进给力时，出现的力会受到限制。但碰撞这样的结果在移动速度较大的情况下只能得到一定的限制。其缺点在于，通常会由于系统反应过慢而出现严重故障，特别是对制造精度带来不利影响，因为系统只有在组件明显过载(即所出现的力已经很大且往往已引发故障)的情况下才会产生反应。此外，即使在移动速度很小的情况下，发生碰撞后也须对主轴和刀具的平衡进行检验，极端情况下还需对机器重新校准，这意味着极大的投入。

如果像实际操作中普遍所做的那样，对一待移动机轴的驱动装置的驱动转矩进行分析，则反应过慢的情况不仅也会发生，而且会更严重，因为只有在已经形成很大的驱动力的情况下，碰撞现象才会被识别出来。

通过控制技术领域的解决方案可提前识别出一系列碰撞并对其加以预防。控制组件故障所引起的碰撞可借助机器的数字控制装置中的安全功能来排除。数字控制装置可对防护区(例如夹爪和尾座周围或者边界轮廓)进行监测。但从市场上可以购得的解决方案大多有其局限性，举例而言，这些解决方案往往只能对一主动式刀具的顶端进行监测，只能将简单的几何轮廓界定为防护区。这些解决方案的另一个缺点在于一般情况下没有将组件考虑在内。通过NC程序的仿真，可识别出例如组件与刀具之间的碰撞。在这种情况下，仿真时采用的是假设的刀具尺寸和部件尺寸，因而无法识别出所装载的错误工件(错误的目测判断，铸件未移除)和错误刀具。同样，设置程序时所出现的误差也无法识别出来。

发明内容

本发明的目的是尽可能减小机器的机器元件与物体发生碰撞时所产生的影响。

这个目的通过一种在机器的机器元件与物体发生接触时产生明确反应的方法而达成，其中，

-借助机器的一机轴使机器元件和/或物体进行移动，

-机器具有一低速移动模式与一快速移动模式，

-对机器元件与物体之间的接触情况进行识别，

-在识别出二者间发生接触的情况下，如果发生接触时机轴在一控制装置的控制下自动以快速移动模式进行移动，就通过立即中断对机轴的驱动来中止其进一步移动，

-在识别出二者间发生接触的情况下，如果发生接触时机轴在一控制装置的控制下自动以低速移动模式进行移动，就进行碰撞识别，随着碰撞被识别出来，机轴的进一步移动也被阻止。

此外，这个目的还通过一种具有一程序存储器的控制装置而达成，所述程序存储器内存储有一含有代码段的计算机程序，所述控制装置在调用所述计算机程序时通过这些代码段可实施上述方法。

一种有利方案是：在识别出有接触发生的情况下，如果发生接触时机轴由一操作者手动移动且该操作者发出一加工信号，就进行碰撞识别，其中，随着碰撞被识别出来，机轴的进一步移动也被阻止。通过这种方法，即使是由操作者进行手动移动，也能在识别出有接触情况发生时产生明确反应。

另一种有利方案是：在识别出有接触发生的情况下，如果发生接触时机轴由一操作者手动移动且该操作者并未发出加工信号，就中断机轴的进一步移动。通过这种方法，即使是由操作者进行手动移动，也能在识别出有接触情况发生时产生明确反应。

另一种有利方案是：通过将一每刃进给量与一每刃进给量极限值相比较来进行碰撞识别，其中，如果每刃进给量超过每刃进给量极限值，就判定发生了碰撞。借此可实现简单的碰撞识别。

另一种有利方案是：通过将一切削力增长量与一切削力增长极限值相比较来进行碰撞识别，其中，如果切削力增长量超过切削力增长极限值，就判定发生了碰撞。借此可实现一种特别简单的碰撞识别。

另一种有利方案是：对机轴的驱动电流进行高通滤波或带通滤波，将其与一驱动电流极限值相比较，其中，如果驱动电流超过驱动电流极限值，就判定发生了碰撞。借此可实现简单的碰撞识别。

另一种有利方案是：通过将作用在机器元件上的力与一力极限值相比较和/或通过将物体和/或机器元件的加速度与一加速度极限值相比较来进行碰撞识别，其中，如果作用在机器元件上的力超过力极限值F_MG和/或物体和/或机器元件的加速度超过加速度极限值，就判定发生了碰撞。借助这一措施可实现简单的碰撞识别。

另一种有利方案是：为阻止机轴的进一步移动，先检验通过机轴的适当减速是否还可及时中止它的移动；如果可以，就通过适当减速来中止机轴的移动，如果不可以，就立即中断对机轴的驱动。借此可实现与具体情况相匹配的停车反应。

另一种有利方案是：机器元件采取与物体电绝缘的布置方式，在机器元件与物体之间施加一电压，其中，通过检测接触时所产生的检测电流来对机器元件与物体之间的接触情况进行识别。借助这一措施可实现简单而可靠的接触识别。

在此情况下，有利的方案是：如果在检测出有接触发生后，在超过一预定时间段的时间内，检测电流持续超过一检测电流极限值，就判定发生了碰撞。借此可实现简单而可靠的碰撞识别。

另一种识别机器元件与物体间的接触情况的有利方案是：如果机轴的移动速度出现非期望的变化，就判定发生了接触。借助这一措施可实现简单而可靠的接触识别。

此外，事实证明，将机器元件建构为刀具或主轴是有利的。将机器元件建构为刀具或主轴的方案是常见的机器元件建构方案。

事实证明，将物体建构为部件、拖板或夹具是有利的。将物体建构为工件、拖板或夹具的方案是这种物体的常见建构方案。

一种立即中断机轴的驱动的有利方案是：先进行检验，通过对驱动进行制动是否能有效减少损失；如果可以，就通过驱动装置中止机轴的移动，如果不可以，就使用附加制动器来实现中断和/或断开能流。借助这一措施可以最佳方式中止机轴的移动。

此外，已证明将机器建构为机床、专用机床和/或机器人是有利的。将机器建构为机床、专用机床和/或机器人的方案是常见的机器建构方案，当然，本发明也适用于其他类型的机器。

此外，已证明为本发明的控制装置配备一计算机程序产品是有利的，借助于所述计算机程序产品所包含的代码段可实施本发明的方法。

此外，已证明为一机床、专用机床和/或机器人配备本发明的控制装置是有利的。

所述控制装置的有利建构方案与所述方法的有利建构方案相似，反之亦然。

附图说明

下面对附图所示的实施例进行详细说明，其中：

图1为一机床；

图2为本发明的方法的一流程图；

图3为一种通过分析每刃进给量而实现的碰撞识别方法；

图4为一种通过分析切削力而实现的碰撞识别方法；

图5为一种通过分析机器元件上的受力情况而实现的碰撞识别方法；

图6为一种识别机器元件与物体之间的接触情况的方法；

图7为另一种识别机器元件与物体之间的接触情况的方法；

图8为一种通过分析驱动电流而实现的碰撞识别方法；以及

图9为一种通过分析检测电流而实现的碰撞识别方法。

具体实施方式

图1以示意图形式显示一机床的一实施例。所示机床具有一机座2、一拖板(tool carriage)7与一驱动装置4，所述驱动装置通过一主轴8对一刀具6进行驱动。此外，所示机床还具有一用于对其进行控制的控制装置14(例如一数字控制装置)。控制装置14通过一连接16对机床进行控制。附图以实施例形式显示的机床具有两个机轴。因此，拖板7可在水平机轴的一驱动装置43的驱动下在水平方向上朝双向箭头3(水平机轴)所示的方向进行移动，而驱动主轴旋转的驱动装置4可带着主轴8和刀具6一起在垂直机轴的一驱动装置44的驱动下在垂直方向上朝双向箭头41(垂直机轴)所示的方向进行移动。为产生相应的直线运动，驱动装置43和44分别具有驱动轴45和46。拖板7上布置有一需用刀具6进行加工的工件5，其中，工件5通过一绝缘子1而与拖板7电绝缘。也可在其他位置上以这种方式采用绝缘措施。作为备选方案，也可对例如拖板或主轴进行电绝缘。工件5通过拖板7可在水平方向上进行移动。在此需要说明的是，刀具6在本发明范围内被视为所述机床的一机器元件。在这个实施例中，刀具6建构为铣刀。为对工件5进行加工，通过控制装置14使两个机轴以及工件5和刀具6进行相应移动。在此过程中，机器元件(例如刀具6或主轴8)与物体(例如工件5或拖板7)之间有可能发生意外的碰撞。在本发明范围内，碰撞并非指机器元件与物体之间的单纯接触，而是指二者之间所发生的随后会对物体和/或机器元件产生很大作用力的接触。由于常规的碰撞识别是建立在对这种大作用力进行检测的基础上，因此，常规系统并不进行接触识别，而是对发生接触后所产生的较大的力及其后果进行检测。

借助本发明的方法可在识别出机器元件与物体发生接触这一情况时就立即产生明确反应，以便尽可能在产生较大的力(即机轴如果进一步移动则将要承受的力)之前就中断对机轴的驱动。其中，在各种移动速度下，基本上在机器元件与物体之间发生单纯接触时就能产生明确反应。

在本实施例中，工件5借助一绝缘子1采取与拖板7绝缘的布置方式。为检测工件5与刀具6或主轴8之间的接触情况，借助一电压源13在工件5和刀具6之间施加一电压U，其中，刀具6与主轴8导电相连。工件5与刀具6之间一发生接触，即只需工件5与刀具6发生一轻微接触，就会产生一检测电流I_D，这个检测电流由一测量装置15检测到，并作为一输入变量被传输给控制装置14。当识别出工件5与刀具6之间发生接触时，控制装置14会根据机床的状态实施图2所示的产生明确反应的方法。

此处需要说明的是，作为上述通过检测电流I_D而实现的接触识别方案的补充或可选方案，也可通过下述方法来进行接触识别，即借助机床中原本就存在的测量系统计算相关机轴的移动速度，当机轴的移动速度出现非期望的变化时，就识别出了接触。这种非期望的移动速度变化可以设置得非常敏感，从而无需很大的作用力就可使之响应。其原因特别在于，像加速度这样的干扰信号因素，可通过设定相应的额定值来对其加以抑制。

图2以流程图形式显示本发明的方法的流程。在上文所述的接触识别装置42识别出一接触现象后，先由一判定块25检查，发生接触时一机轴是否被控制装置14控制而自动移动，即机轴是在控制装置14的控制下，而不是通过手动操作而发生移动。如果情况的确如此，就由另一判定块26检查，机床是否正处于快速移动模式。常规机床基本上都具有两种基本移动模式，即低速移动模式与快速移动模式。在快速移动模式下，相应的机轴会快速移动，从而(例如)使刀具第一次离开基本位置，进入靠近工件的区域。这种快速移动模式通常又称为“快速送进”。低速移动模式指的是机轴的低速移动，例如进给量为真正意义上的加工过程(例如铣削过程)所用的进给量的移动，且移动速度较小。

如果在判定块26中确定机床正处于快速移动模式，就立即用紧急停止模块40中断对机轴的驱动来中止机轴的进一步移动，即尽可能快地使机床停止工作。这种中断通常又称为“紧急停车”，其中，为尽可能快地中断机轴的移动，必要时也使用附加制动器和/或以机械方式(例如借助主动或被动断开的离合器)断开能流。机床重新运转时，可能会由于机械制动器的使用和能流的断开而需要一定的投入。因此，上述反应应在对损失风险进行评估的基础上被触发。一般情况下，所有其他机轴的移动也会被阻止。

为此，先在紧急停止模块40中检验中断驱动是否能有效减少损失；如果可以，就通过驱动装置42、43中止机轴3、41、42、43的移动，如果不可以，就使用附加制动器来实现中断和/或以机械方式断开能流。

如果在判定块26中确定机轴此时并非以快速移动模式进行移动，就通过碰撞识别模块29、30、31和32进行碰撞识别。各识别模块29、30、31和32并行工作，当然也可用更少数量的模块进行碰撞识别。

在一用于监测每刃进给量的模块29中，通过将刀具的每刃进给量与一预定的每刃进给量极限值相比较来进行碰撞识别，其中，如果刀具的每刃进给量超过每刃进给量极限值，就判定发生了碰撞。图3显示的是与此相应的工作原理图。当每刃进给量当前值V_PS超过预定的每刃进给量极限值时V_PSG，一极限值信号发生器9的输出端上就会产生一指示碰撞发生的相应信号。

此外，在一用于监测切削力的模块30中，通过将切削力F_S的增长量F_SA与一切削力增长极限值F_SG相比较来进行碰撞识别，其中，如果切削力F_S的增长量F_SA超过切削力增长极限值F_SG，就判定发生了碰撞。为此，将控制装置14根据例如机轴的驱动电流而测定的切削力F_S如图4所示传输给一微分器10，由此测定切削力增长量F_SA，其中，借助一极限值信号发生器11将切削力增长量F_SA与切削力增长极限值F_SAG相比较，当切削力增长量F_SA超过切削力增长极限值F_SAG时，通过用极限值信号发生器11产生一相应的输出信号来判定发生了碰撞。必要时可通过一连接在极限值信号发生器11后面的附加连通延时装置(未显示)来达到下述目的，即只有当切削力增长量在超过一预定时间段T₃的范围内持续超过切削力增长极限值时，才判定发生了碰撞。

图8显示的是碰撞识别模块31的工作方式。先用一高通滤波器20对用于驱动机轴的驱动电流I_A进行高通滤波，随后在一极限值信号发生器21中将其与一驱动电流极限值I_AG相比较，其中，如果驱动电流在超过一预定时间段T₁(借助一连通延时装置23而实现)的时间内持续超过驱动电流极限值I_AG，就判定发生了碰撞。作为可选或补充方案，也可根据图8所示的碰撞识别工作原理图，以类似的方式将作用在机器元件上的力F_M或一由驱动电流I_A推导出的变量与一相应的极限值相比较，以对其进行分析。

作为可选或补充方案，也可在模块31中通过监测检测电流I_D来进行碰撞识别。如果在检测出发生接触情况后，检测电流I_D在一预定的时间段T₂内持续超过一检测电流极限值I_DG，就同样判定发生了碰撞。

图9显示的是通过一极限值信号发生器22与一连通延时装置24而实现的相应的工作原理图。其中，当刀具例如建构为一铣刀形式且这一铣刀的全部直径均已进入工件时，必须通过一闭塞信号“闭塞2”来闭塞极限值信号发生器22，以免发生误触发。

此外，在用于对作用在机器元件上的力F_M进行监测的模块32中，通过将作用在机器元件上的力F_M与一力极限值F_MG相比较来进行碰撞识别，其中，如果力F_M超过力极限值F_MG，就判定发生了碰撞。图5显示的是与此相应的工作原理图。其中，例如可从机轴的驱动电流中推导出作用在机器元件上的力F_M，也可在机床上安装可对力F_M进行直接测量的专用作用力传感器。如果极限值信号发生器12在力极限值F_MG被超过时输出一相应信号，就判定发生了碰撞。作为可选或补充方案，也可将物体和/或机器元件的一加速度与一加速度极限值相比较，如果加速度超过加速度极限值，就判定发生了碰撞。为此可用例如加速度传感器测量加速度。

碰撞识别模块29、30、31和32可进行持久监测，也可以仅在识别出接触后的一预定时间段内进行监测。

如果在各个相应的判定块33、34、35和36(即在碰撞识别模块29、30、31和32)中判定发生了碰撞，就在另一判定块37中进行检验，通过对机轴进行与其瞬时状态(例如质量、速度、振动特性)相匹配的减速是否还可及时中止机轴的移动；如果可以，就通过适当减速来中止机轴的移动，以便达到在机轴尽可能不发生振动和不偏离预定移动路径的情况下实现制动过程的目的。通过适当减速而实现的中断由中断模块39完成。如果通过适当减速已无法实现中断，就立即用紧急停止模块40中断对机轴的驱动。

如果判定块25确定不存在自动移动，即发生接触时机轴由一操作者手动移动且该操作者例如通过按键发出一加工信号(这些情况在一判定块27中进行检查)，就进行碰撞识别，其中，当识别出有碰撞情况发生时，就中断机轴的进一步移动。加工信号所指示的信息是，操作者想对(例如)工件进行手动加工。

如果发生接触时机轴由一操作者手动移动且该操作者并未发出加工信号，就在一判定块28中进行测定，通过对机床的适当减速是否还可及时中止机轴的移动。如果可以，就通过中断模块38进行适当减速来中止机轴的移动；如果不可以，就立即用紧急停止模块40中断对机轴的驱动。

操作者通过按键仍可手动干预过程。此外，操作者必要时通过按键还可发送调整信号。借此可使快速送进过程大幅减速，从而通过基于接触识别的监测达到适当减少经济损失的目的。

图7显示的是通过分析检测电流I_D而实现接触识别的方法。借助一极限值信号发生器19将检测电流I_D与一优选为零的电流极限值I_G相比较。当检测电流I_D超过电流极限值I_G时，极限值信号发生器19会产生一相应的输出信号，表示已识别出有接触情况发生。

图6显示的是通过分析移动速度v_V而实现的碰撞识别方法。其中，先借助一微分器17根据时间推导出移动速度v_V，根据微分器17的输出端测定移动加速度a_V，其对应于移动速度v_V的变化。当移动加速度a_V超过一移动加速度极限值a_VG时，极限值信号发生器18会产生一信号，指示有接触情况发生。为能在移动速度v_V发生预期变化(例如在启动或计划内停车过程中)时避免出现误识别，当机轴的移动速度v_V发生预期变化时，控制装置14会通过极限值信号发生器18发出的闭塞信号“闭塞1”来中止机轴。

在此需要说明的是，如果用于识别接触和碰撞的信号上叠加有像摩擦和加速度这样的非期望干扰量，就通过信号校正从信号中除去这些非期望的干扰因素。

此外，在特别临界的阶段(例如安装和运行新的零件程序)中，当操作者例如通过按键产生一调整信号，且机床处于快速移动模式时，将机轴速度减小到能降低经济损失，是有利的。在此需要说明的是，快速移动模式不仅指机轴快速送进时的移动，也指机轴进给速度较大的移动，其中，在出现调整信号的情况下进行检验，是否能在进给速度情况下显著减少损失。如果不能，就适当减小进给速度。