TWI402641B - 聯結多系統達成多軸同步插值裝置與方法 - Google Patents

Description

聯結多系統達成多軸同步插值裝置與方法

本發明是有關於一種同步插值裝置與方法，且特別是有關於一種聯結多系統達成多軸同步插值裝置與方法。

台灣在工具機產業的出口值排名世界第五位，僅次於德國、日本、中國、義大利。並且，2009年於台北舉辦的國際工具機展中，台灣及其他各國的業者同時展出約50台五軸加工機，可以說台灣在五軸加工機的製造技術已趨於成熟。但是，來自美國對於武器製造的限制壓力，台灣的工具機製造商在五軸控制器的進口及取得上十分不易。

此外，五軸同動的控制器價格十分昂貴，而進***期也不穩定，造成五軸加工機的出***貨期延宕而影響出口競爭力。一般的三軸CNC加工中心機的使用者如果需要擴充為五軸同步插值加工時，在機械的部分只需購買額外的二軸工作台即可簡便架設於原三軸機台上，但是需要完全更換舊有控制器為五軸同步插值的控制器系統。許多專利中已提出多軸控制之系統，如美國專利US5,218,549，此專利係在控制器中設置二個中央處理器(CPU)，並搭配內部計時器與邏輯電路等元件以控制多軸同步插值。

由於在產業機械中某些特殊應用需要進行多軸同動控制，若在原有的系統下欲加上同動的軸數，勢必得將控制系統整個更新，除了成本高之外且費時。在這種情況之下，使用者大多無法將現有的三軸同動加工機改為五軸甚或更多軸同動加工機以滿足需求。

本發明係有關於一種聯結多系統達成多軸同步插值裝置與方法，具有擴充性佳與置換彈性高等優點。

根據本發明之一方面，提出一種聯結多系統達成多軸同步插值方法，包括步驟：根據多個執行系統的系統數M，將軸數N之一多軸加工程式解析為M個系統加工程式，其中，N≧M≧2；同步標記處理該M個系統加工程式；根據該些執行系統之規格，加入時間補償程式於M個系統加工程式中，以進行各系統間的同步處理；調整這些執行系統之控制器與伺服之特性參數，以一致化各系統特性；以及，對應輸出該M個系統加工程式至該些執行系統。

根據本發明之另一方面，提出一種聯結多系統達成多軸同步插值裝置，其係電性連接至多個執行系統。此聯結多系統達成多軸同步插值裝置包括一程式語法解析單元、一同步標記處理單元、一同步補償處理單元與一加工程式產生輸出單元。程式語法解析單元用以根據執行系統的系統數M，將軸數N之一多軸加工程式解析為M個系統加工程式，其中，N≧M≧2。同步標記處理單元用以同步標記該M個系統加工程式。同步補償處理單元用以根據這些執行系統之規格，加入時間補償程式於M個系統加工程式中，以進行各系統間的同步處理，並用以調整這些執行系統之控制器與伺服之特性參數，以一致化各系統特性。加工程式產生輸出單元用以產生並對應輸出該M個系統加工程式至該些執行系統。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

本實施例係提出一種聯結多系統達成多軸同步插值裝置與方法，由CAD/CAM對單一系統下所產生的多軸加工程式(包括各軸運動加工程式)必須先輸入本實施例之聯結多系統達成多軸同步插值裝置中進行處理，以針對多個執行系統進行分解，分解為各執行系統所使用的系統加工程式檔。在分解的過程中，係視各執行系統同動軸數，將原始的多軸加工程式分離，並且重新計算針對各執行系統之各單節的速度命令，然後加上相關的同步標記、補償之等待指令。如此即可將原單一系統的多軸加工程式分解成多執行系統下各系統所需的加工程式了。之後，各執行系統可依照各自的加工程式進行加減速而驅動馬達組，達成多軸同步插值。

請參照第1、2圖，第1圖係依照本發明較佳實施例的一種聯結多系統達成多軸同步插值裝置之元件方塊圖，第2圖係多個執行系統同步訊號連接之示意圖。如第1圖所示，聯結多系統達成多軸同步插值裝置10電性連接多個執行系統，如執行系統C1至執行系統Cm。執行系統C1至執行系統Cm各自有其同動軸數，如Q1至Qm軸。

聯結多系統達成多軸同步插值裝置10包括程式語法解析單元101、同步標記處理單元103、同步補償處理單元105與加工程式產生輸出單元107。程式語法解析單元101係接收軸數N之一多軸加工程式P0，並根據執行系統之系統數M及其同動軸數Q1至Qm，將多軸加工程式P0解析為M個系統加工程式，如系統加工程式P1至Pm，其中，N≧M≧2，而N=Q1+Q2+...+Qm。

同步標記處理單元103用以同步標記這些系統加工程式P1至Pm。同步補償處理單元105用以根據這些執行系統之規格，去調整系統加工程式P1至Pm，以進行各系統間的同步處理，另外，同步補償處理單元105更用以調整這些系統之控制器與伺服之特性參數，以一致化各系統特性。加工程式產生輸出單元107用以產生並輸出這些系統加工程式P1至Pm至對應的執行系統C1至Cm。執行系統C1至Cm再各自依這些系統加工程式P1至Pm驅動其馬達組E1至Em。

如第2圖所示，多軸同步插值控制時，執行系統C1至Cm之間可利用快速I/O相互連結，以互相通知進行同步插值運動。多個執行系統C1至Cm運作時，其中一執行系統必須為主系統，如執行系統C1，而其他執行系統C2至Cm為次系統。在運作時，次系統必需先進行程式執行，而主系統最後進行程式執行，也就代表整個全部系統開始運作。以下更進一步詳細說明本實施例聯結多系統達成多軸同步插值方法。

接著請參照第3圖，其係依照本發明較佳實施例的一種聯結多系統達成多軸同步插值方法之流程圖，其包括步驟S11至S15。並請參照第4圖，其係二系統五軸於聯結多系統達成多軸同步插值裝置之示意圖。

如第3圖之步驟S11所示，根據多個執行系統的系統數M，將軸數N之一多軸加工程式解析為M個系統加工程式，其中，N≧M≧2。如第4圖所示，聯結多系統達成多軸同步插值裝置10連接執行系統C1、C2。執行系統C1例如是3軸同動的系統，而執行系統C2例如是2軸同動的系統，因此當5軸加工程式P40經聯結多系統達成多軸同步插值裝置10處理後，需對應產生3軸加工程式P41與2軸加工程式P42以輸入執行系統C1、C2。

將單一系統之N軸同動加工程式分解為多個系統加工程式時，決定各系統的運動速度命令是件十分重要且關鍵的事。請參照第5圖，此解析多軸加工程式以產生多個系統加工程式之步驟S11更包括其他步驟S111至S113。如步驟S111所示，將多軸加工程式之一N軸速度命令分解為N個速度向量。接著，如步驟S112所示，依照該些執行系統之系統軸與該N個速度向量，合成M個速度向量合量。然後，如步驟S113所示，將該M個速度向量合量對應加入到該M個系統加工程式中。

請參照第6圖，其係二系統五軸同步插值之速度命令運算之示意圖。如第6圖所示，5軸速度命令(G01 X100 Y200 Z300 A10 C20 F2000)包含X、Y、Z、A、C軸之運動指令。步驟S111是將單一系統下的5軸同步插值運動速度進行各軸分量運算，取得各軸運動速度分量之指令，即(G01 X100 Fx)、(G01 Y200 Fy)、(G01 Z300 Fz)、(G01 A10 Fa)、(G01 C20 Fc)。

於步驟S112中，假定執行系統C1之同動軸為X、Y、Z，而執行系統C2之同動軸為A、C，因此如第6圖所示，前三個速度分量Fx、Fy、Fz係合成為速度向量合量Fxyz，以產生3軸速度命令(G01 X100 Y200 Z300 Fxyz)。另外二軸速度分量Fa、Fc係合成為速度向量合量Fac，以產生2軸速度命令(G01 A10 C20 Fac)。

之後，根據步驟S113，將3軸速度命令(G01 X 100 Y200 Z300 Fxyz)與2軸速度命令(G01 A10 C20 Fac)加到對應之系統加工程式中，如3軸加工程式P41與2軸加工程式P42(見第4圖)。上述係說明二系統五軸同步插值為例之速度命令運算，若擴展至M系統N軸同步插值時的各系統速度命令決定也是相同的方式。

接著回到第3圖之步驟S12，同步標記該M個系統加工程式。如第1圖所示，同步標記處理器103會將同步標記碼加入到系統加工程式P1至Pm中。或如第4圖所示，同步標記碼會加至3軸加工程式P41與2軸加工程式P42。

然後，如第3圖之步驟S13所示，根據該些執行系統之規格，加入時間補償程式於M個系統程式中，以進行各系統間的同步處理。以第1圖為例，執行系統C1至Cm之規格不盡相同，且彼此透過快速I/O連接。若不透過同步補償處理單元105將時間補償程式加入各系統中，可能產生訊號延遲之情形。

接著，如第3圖之步驟S14所示，調整該些執行系統之控制器與伺服之特性參數，以一致化各系統特性。使各個執行系統的特性參數一致化的步驟為S141至S144，請參照第7圖。雖然第7圖中限定步驟S141至S144，然實際上這些步驟的先後順序並不限定。如步驟S141所示，預估這些執行系統C1至Cm之快速I/0同步訊號延遲，再將延遲時間值加入系統加工程式中。此步驟之用意是在避免執行系統C1至Cm無法同步作動，以確保同步機制。

接續，如步驟S142所示，使這些執行系統C1至Cm之加減速曲線型式設定為相同。然後，如步驟S143所示，使這些執行系統C1至Cm之加減速曲線時間設定為相同。接著，如步驟S144所示，使這些執行系統C1至Cm之各軸伺服匹配設定為相同。上述步驟S142至S144中提及之加減速曲線型式、加減速曲線時間與各軸伺服匹配(如系統增益值)之特性參數皆可從所使用之執行系統之控制器規格查得，再透過同步補償處理單元105處理。

並請參照第8圖，其係執行系統之特徵參數於一致化前後之示意圖，圖中之縱軸為速度v，橫軸為時間t。以執行系統C1、C2為例，這兩個系統初始特徵參數的加減速曲線型式與時間皆不相同，其中，執行系統C2具有延遲時間d，而執行系統C1啟動時之曲線並非線性，此將導致二個系統無法同步作動。經同步補償處理單元105調整後，執行系統C1同樣具有延遲時間d，且經步驟S141至S144調整一致化特性參數後，其加減速曲線型式與執行系統C2將一致。

接著，如第3圖之步驟S15所示，對應輸出該M個系統加工程式至該些執行系統。如第1圖所示，最後由加工程式產生輸出單元107產生的系統加工程式P1至Pm係對應輸出至執行系統C1至Cm，較佳地，可經由RS232，Ethernet或Internet等傳輸方式，傳給各執行系統中進行運作。這些執行系統再透過快速I/O以進行多軸同步插值的運算與加工程序。

再以第4圖的系統為例，並請參照第9圖，其係5軸加工程式P40分解為3軸加工程式P41與2軸加工程式P42之示意圖。當二個執行系統運作時，假定執行系統C1為主系統，執行系統C2為次系統。由於執行系統C2為次系統，其必需先進行程式執行，然後執行系統C1(主系統)再進行程式執行。當系統C2執行程式時，會先進入M0程式暫停中，而等待系統C1進行開始執行。當系統C1執行程式時，M1000(程式碼第1行，此M碼可自行設定)會透過快速I/O通知系統C2同步進行程式執行，然後各自進行同步插值。若系統C1遇到M0程式暫停時(程式碼第9行)，系統C2可由M1001(程式碼第10行)透過快速I/O通知系統C1同步進行程式執行，然後各自進行同步插值。

另外，如第10圖所示，5軸加工程式P40亦可分解為二個2軸加工程式P43、P44與一個1軸加工程式P45，其中，2軸加工程式P43對應之執行系統C1係為主系統。2軸加工程式P43係為X、Y軸同動之程式，2軸加工程式P44係為Z、A軸同動之程式，1軸加工程式P45則為C軸之程式。以下進一步說明各執行系統之作動。

當三個執行系統運作時，系統C1(主系統)通知系統C2、C3進行同動(程式碼第1行)。系統C1根據同步時間補償之指令，等待系統C2、C3運動後再作動(程式碼第2行)。接著，三個系統各自同步插值運動以達成5軸同動(程式碼第3行)。然後，系統C3暫停，只需系統C1、C2進行3軸同動(程式碼第4行)。接著，系統C2、C3暫停，只需系統C1之1軸同動(程式碼第5行)。然後，系統C1通知系統C2、C3進行同動(程式碼第6行)，此時，系統C1根據同步時間補償之指令(程式碼第7行)等待系統C2、C3運動後再作動。接著，三個系統再度各自同步插值運動以達成5軸同動(程式碼第8行)。然後，系統C1暫停，由系統C2、C3進行2軸同動(程式碼第9行)。接著，系統C2通知系統C1進行同動(程式碼第10行)，此時，系統C2、C3係根據同步時間補償之指令等待系統C1運動後再作動(程式碼第11行)。之後，三個系統再各自同步插值運動以達成5軸同動(程式碼第12行)。上述運動完成後，程式即結束(程式碼第13行)。

本實施例揭露之聯結多系統達成多軸同步插值裝置與方法，此裝置係可視為一前處理器，其預先將多軸加工程式轉換成不同系統使用的加工程式檔，並搭配各執行系統的控制器之快速I/O進行多系統間的同步溝通訊號，以達成多軸同步插值運算。

然而，傳統的多軸同步插值同動方式是在單一系統下，直接將多軸同步插值的指令一次送入系統的單一控制器中，讓此單一控制器對所有伺服控制軸進行同步插值控制。目前，多軸同動的控制器中，五軸同動CNC加工中心機控制器之價格昂貴且不易取得，對多數廠商而言成本非常高。

由於本實施例之聯結多系統達成多軸同步插值裝置可將多軸同步插值運算於多系統中，其可直接與現有的單軸、二軸與三軸控制器整合，無須置換多軸加工系統之控制器。舉例來說，透過本實施例，可使三軸的主系統直接聯結其他二軸或單軸的次系統，即可增加同動軸數以因應多軸同步加工的情形。因此相較於一般的多軸插值方式，本實施例之裝置擴充性佳、置換彈性高，而整體價格較低，使產品更具有競爭力。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．聯結多系統達成多軸同步插值裝置

101．．．程式語法解析單元

103．．．同步標記處理單元

105．．．同步補償處理單元

107．．．加工程式產生輸出單元

C1至Cm．．．執行系統

E1至Em．．．馬達組

P0．．．多軸加工程式

P1至Pm．．．系統加工程式

Q1至Qm．．．軸數

第1圖係依照本發明較佳實施例的一種聯結多系統達成多軸同步插值裝置之元件方塊圖。

第2圖係多個執行系統同步訊號連接之示意圖。

第3圖係依照本發明較佳實施例的一種聯結多系統達成多軸同步插值方法之流程圖

第4圖係二系統五軸於聯結多系統達成多軸同步插值裝置之示意圖。

第5圖係第4圖解析多軸加工程式之流程圖。

第6圖係二系統五軸同步插值之速度命令運算之示意圖。

第7圖係使各執行系統特性參數一致化之流程圖。

第8圖係執行系統特徵參數於一致化前後之示意圖。

第9圖係5軸加工程式分解為3軸加工程式與2軸加工程式之示意圖。

第10圖係5軸加工程式分解為二個2軸加工程式與一個1軸加工程式之示意圖。

10．．．聯結多系統達成多軸同步插值裝置

101．．．程式語法解析單元

103．．．同步標記處理單元

105．．．同步補償處理單元

107．．．加工程式產生輸出單元

C1至Cm．．．執行系統

E1至Em．．．馬達組

P0．．．多軸加工程式

P1至Pm．．．系統加工程式

Q1至Qm．．．軸數

Claims (14)

1. 一種聯結多系統達成多軸同步插值方法，包括：根據複數個執行系統的系統數M，將軸數N之一多軸加工程式解析為M個系統加工程式，其中，N≧M≧2；同步標記處理該M個系統加工程式；根據該些執行系統之規格，加入時間補償程式於該M個系統加工程式中，以進行各系統間的同步處理；調整該些執行系統之控制器與伺服之特性參數，以一致化各系統特性；以及對應輸出該M個系統加工程式至該些執行系統。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該解析該多軸加工程式之步驟包括：將該多軸加工程式之一N軸速度命令分解為N個速度向量；依照該些執行系統之系統軸與該N個速度向量，合成M個速度向量合量；以及將該M個速度向量合量對應加入到該M個系統加工程式中。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該同步標記該M個系統加工程式之步驟包括：加入同步標記碼至該M個系統加工程式。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該一致化該些執行系統的特性參數之步驟包括：預估該些執行系統之快速I/0同步訊號延遲。
5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該一致化該些執行系統的特性參數之步驟包括：使該些執行系統之加減速曲線型式設定為相同。
6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該一致化該些執行系統的特性參數之步驟包括：使該些執行系統之加減速曲線時間設定為相同。
7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該一致化該些執行系統的特性參數之步驟包括：使該些執行系統之各軸伺服匹配設定為相同。
8. 一種聯結多系統達成多軸同步插值裝置，其係電性連接至複數個執行系統，其中，該聯結多系統達成多軸同步插值裝置包括：一程式語法解析單元，用以根據該些執行系統的系統數M，將軸數N之一多軸加工程式解析為M個系統加工程式，其中，N≧M≧2；一同步標記處理單元，用以同步標記該M個系統加工程式；一同步補償處理單元，用以根據該些執行系統之規格，加入時間補償程式於該M個系統加工程式中，以進行各系統間的同步處理，並用以調整該些執行系統之控制器與伺服之特性參數，以一致化各系統特性；以及一加工程式產生輸出單元，用以產生並對應輸出該M個系統加工程式至該些執行系統。
9. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中，該程式語法解析單元係將該多軸加工程式之一N軸速度命令分解為N個速度向量，並依照該些執行系統之系統軸與該N個速度向量，合成M個速度向量合量，再將該M個速度向量合量對應加入到該M個系統加工程式中。
10. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中，該同步標記處理單元係將同步標記碼加至該M個系統加工程式中。
11. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中，該同步補償處理單元係預估該些執行系統之快速I/0同步訊號延遲。
12. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中，該同步補償處理單元係使該些執行系統之加減速曲線型式設定為相同。
13. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中，該同步補償處理單元係使該些執行系統之加減速曲線時間設定為相同。
14. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中，該同步補償處理單元係使該些執行系統之各軸伺服匹配設定為相同。