CN101154102A - 机床的加工控制方法及加工信息制作方法 - Google Patents

机床的加工控制方法及加工信息制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种机床的加工控制方法及加工信息制作方法。可不使加工精度和加工效率降低地进行凹凸加工等复杂的表面加工。在具有可相对于工件在三个轴方向上移动的主轴头、和在该主轴头上设置并可在Z轴方向上移动的附加主轴的机床中，使主轴头沿平滑化曲面(R)相对移动，并同时使附加主轴移动加工面(S)和平滑化曲面(R)的差的量，利用工具(T)进行加工面(S)的加工，其中，上述平滑化曲面被平滑化成相对于工件的加工面(S)在附加主轴的移动方向上收纳在附加主轴的移动量以内。

Description

机床的加工控制方法及加工信息制作方法
技术领域
本发明涉及用于通过加工中心等机床来对工件进行复杂的表面加工的加工控制方法、以及用于制作为了实施该加工控制方法而提供给机床的加工信息的加工信息制作方法。
背景技术
在对工件的表面进行凹凸加工等赋予复杂的凹凸形状的情况下，可考虑使用例如专利文献1所示的NC(Numerical Control：数控)控制装置的加工控制方法。该NC控制装置具有：输入表面装饰前的形状数据的第一输入部；输入花纹数据的第二输入部；数据融合部，其根据形状数据和花纹数据，来生成规定机床的工件进给量的进给量指令、和规定工具的切入量的切入量指令；以及将进给量指令和切入量指令输出向机床的输出部，在机床中，根据进给量指令将工件在例如X-Y方向上进给，另一方面，根据切入量指令将工具在Z方向上进给，并进行将基于形状数据的形状加工和基于花纹数据的表面装饰加工组合而成的一体加工。
但是，在向安装在主轴头上的主轴安装工具来进行加工的情况下，移动体的质量大，在形状骤变部可能产生由伺服延迟所致的误差，从而导致形状精度降低。因此，在形状骤变部需要降低进给速度来进行加工，从而导致加工效率的下降。
于是，在专利文献2中，提供了这样的对策：在制作用于加工制品形状的工具路径时，在凸型形状的立起部分等弯折部，使工具路径形成为在该弯折部具有圆弧的平滑形状，以减小工具的进给速度的降低。
专利文献1：日本特开2004-252880号公报
专利文献2：日本特开2000-259218号公报
但是，在对比文件2的路径制作方法中，在弯折部产生切削剩余部，其之后需要精加工，结果导致加工效率下降。此外，由于控制质量大的主轴来进行加工的方面没有变化，所以在形状骤变部依然需要降低进给速度，因而加工效率的提高受限。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种可不降低加工精度和加工效率地进行凹凸加工等复杂的表面加工的加工控制方法、和用于实施该加工控制方法的加工信息制作方法。
为实现上述目的，方案1记载的本发明是一种机床的加工控制方法，该机床具有：可相对于工件向正交的三个轴方向相对移动的主轴头；和在该主轴头上设置、并可向预定方向移动的附加主轴，该机床利用在上述附加主轴上设置的工具来进行工件加工，其特征在于，使上述主轴头沿近似面相对移动，并同时使上述附加主轴移动上述加工面和近似面的差的量，利用上述工具进行工件的加工，上述近似面是平滑化成相对于上述工件的加工面在上述附加主轴的移动方向上收纳在上述附加主轴的移动量以内的面。
同样地实现上述目的的方案2公开的发明是一种机床的加工控制方法，该机床具有：可相对于工件向正交的三个轴方向相对移动的主轴头；和在该主轴头上设置、并可向预定方向移动的附加主轴，该机床利用在上述附加主轴上设置的工具来进行工件加工，其特征在于，使上述主轴头沿上述工件的加工面的基础形状面相对移动，并同时使上述附加主轴移动上述加工面和基础形状面的差的量，利用上述工具进行工件的加工。
为实现上述目的，方案3公开的本发明是一种制作用于实施方案1所述的加工控制方法的加工信息的方法，其特征在于，根据表示上述工件的形状的加工面数据，来求出近似面的数据，该近似面是平滑化成将上述加工面在上述附加主轴的移动方向上收纳在上述附加主轴的移动量以内的面，根据该近似面的数据制作出上述主轴头的移动信息，根据上述加工面的数据和近似面的数据在上述附加主轴的移动方向上的差，制作出上述附加主轴的移动信息。
同样地实现上述目的的方案4公开的本发明是一种制作用于实施方案2所述的加工控制方法的加工信息的方法，其特征在于，根据表示上述工件的形状的加工面的数据，来指定上述加工面的基础形状面，根据该基础形状面的数据制作出上述主轴头的移动信息，根据上述加工面的数据和基础形状面的数据在上述附加主轴的移动方向上的差，制作出上述附加主轴的移动信息。
再有，本发明的“相对于工件可向正交的三个轴方向相对移动的主轴头”，当然包括主轴头自身向三个轴方向移动的主轴头，还包括通过使载置工件的工作台在例如X-Y方向上移动、主轴头在Z方向上移动，来使主轴头相对地向三个轴方向移动的主轴头。
根据方案1及2公开的发明，通过将所需的移动量分配到主轴头和附加主轴，即使在形状骤变部也可不使进给速度减小，可进行高速加工。因此，可不降低加工精度和加工效率地进行凹凸加工等复杂的表面加工。
根据方案3及4公开的发明，可根据加工面的数据来简单且正确地制作主轴头及附加主轴的移动信息。特别是在方案4的发明中，通过利用加工面的基础形状面，不需要求出平滑化的近似面的数据，所以加工信息的制作比方案3的方法更简单。
附图说明
图1是机床的说明图。
图2是加工控制方法的说明图。
图3是表示平滑化曲面的生成顺序的说明图。
图4是加工信息制作方法的流程图。
图5是表示加工信息制作方法的变形例的说明图。
图6是加工信息制作方法的变形例的流程图。
图7是表示加工信息制作方法的变形例的说明图。
图8是加工信息制作方法的变形例的流程图。
标号说明
1：机床；2：床身；3：支柱；4：主轴头；5：工作台；6：横导轨；10：附加主轴；T：工具。
具体实施方式
下面根据附图来说明本发明的实施方式。
图1是表示机床1的一个示例的说明图，机床1构成为具有：床身2；在该床身2上固定的一对支柱3、3；以及主轴头4，其通过架设在该支柱3、3之间的横导轨6而形成具有刚性的门形结构，该主轴头4在横导轨6的前表面上，可在Y轴方向(左右方向)滑动，并可以沿Z轴方向(上下方向)上下移动。在主轴头4上，可在与Z轴平行的W轴方向(在这里，为上下方向)滑动地设有安装了对工件表面进行加工的工具T的附加主轴10。此外，在床身2上，可沿X轴方向(前后方向)滑动地设置有可载置工件的工作台5。再有，附加主轴10比主轴头4质量小。
在这样的机床1中，将工作台5在X轴方向上进给，并将主轴头4在Y轴和Z轴方向上进给，并且，在将附加主轴10在W轴方向上进给的同时，对工件进行加工。另外，主轴头4、工作台5以及附加主轴10在各方向上的进给动作由在机床1上具有的NC装置控制。
这里，针对对工件实施复杂的表面加工时的主轴头4、工作台5及附加主轴10的进给控制(加工控制方法)，以如图2所示那样在工件上形成具有凸部的加工面S的情况为例进行说明。
在形成加工面S时，使用与加工面S比较在Z轴方向上为平滑的近似面的平滑化曲面R。平滑化曲面R为这样的曲面：各加工点P1、P2…、Pn…处与加工面S在附加主轴10的移动方向(该情况下为Z轴方向)上的差w1…、wn…中的最大值wmax在附加主轴10的移动量以内。而且，NC装置根据以平滑化曲面R为基础制作而成的加工信息，以使安装在附加主轴10上的工具T的前端沿平滑化曲面R上的加工点P1、P2…、Pn…进给的方式，将主轴头4和工作台5在X、Y及Z轴方向上进给，另一方面，在各加工点P1、P2…、Pn…处，通过将附加主轴10在W轴方向上进给上述差w1…、wn…，来进行加工面S的加工。
接下来，根据图3及图4来对向用于加工加工面S的主轴头4及工作台5和附加主轴10提供移动指令的加工信息制作方法进行说明。
首先，平滑化曲面R基于加工面S的形状数据生成成为基础的曲面R1(图3(A)及图4中的S1)。并且，加工面S的形状数据经键盘或鼠标、书写板等输入单元，保存在作为存储单元的例如加工信息制作装置的数据存储部中，并可向CRT或打印机等输出单元任意输出。
在本实施方式中，虽然配合加工面S的平缓形状而形成为基础曲面R1，但也可以是平面(例如，包括加工形状在XY平面上的投影形状的平面)。以哪一加工形状要素为基础曲面可由操作者指定(通过点击所显示的加工形状的面、输入面的名称等进行指定)，也可通过由操作者指定任意多个点，将通过该多个点的曲面作为基础曲面。
并且，将基础曲面R1和加工面S进行比较，求出其间的附加主轴移动方向的距离w(S2)。将距离w与附加主轴的移动量lmax进行比较(S3)，在距离w在附加主轴的移动量1max以内的情况下，该基础曲面R1成为平滑化曲面R(图3(A)及S5)。在距离w超过1max的情况下，通过使表示基础曲面R1的自由曲面的控制点中的、超过1max附近的控制点移动，或者通过分割曲面并操作控制点来使基础曲面R1变形，以生成距离w不超过移动量1max的平滑化曲面R(图3(B)及S4)。
另外，在使基础曲面R1和加工面S的距离w1的判定值为±方向的2值(1p、1m)的情况下，如图3(C)所示，在w1在1p以内、且w2收纳在1m以内的情况下，生成该基础曲面R1来作为平滑化曲面R。此外，由于这些判定值规定加工工件时的附加主轴的移动量，所以只要根据加工面的形状来适当设定附加主轴的移动量以内的值即可。从图3(A)、(B)可知，如果判定值大，则生成更平滑的平滑化曲面R，如果判定值小，则生成接近加工面S的形状的平滑化曲面R。
当这样得到平滑化曲面R的数据时，以图4中的S6以下的步骤来制作加工信息。在这里，说明三轴控制的情况。
首先，在S6中，用公知的方法求出平滑化曲面R上的加工点Pn的坐标(Xn、Yn、Zn)。然后，在S7中，计算出通过加工点Pn并在附加主轴10的轴线方向上延伸的直线和加工面S的交点，在S8中，求出加工点Pn和该交点的距离W。接着，在S9中，将加工点Pn的坐标和距离W对应起来，并作为加工信息进行存储。
通过相对于平滑化曲面R中的一条加工曲线反复实施该处理，可获得关于加工曲线的加工信息。通过对平滑化曲面R整体进行该处理，可在加工面S整体的范围内获得下述表1所示的加工信息。
表1
  G01   Xx1   Yy1   Zz1   Ww1   F**
  Xx2   Yy2   Zz2   Ww2
  Xx3   Yy3   Zz3   Ww3
  Xx4   Yy4   Zz4   Ww4
  Xx5   Yy5   Zz5   Ww5
X、Y、Z：主轴头、工作台的移动指令(主轴头、工作台的移动信息)
W：附加主轴的移动指令(附加主轴的移动信息)
利用基于这样得到的加工信息的加工控制方法，将质量大的主轴头4沿比加工面S平滑的平滑化曲面R进行进给，并且将质量较小的附加主轴10在平滑化曲面R的各加工点P1、P2…、Pn…处在W轴方向上进给平滑化曲面R和加工面S的差w1…、wn…，并同时进行加工。即，通过将所需的移动量分给主轴头4和附加主轴10，即使在形状骤变部也不用使进给速度减小，可进行高速加工。因此，可不使加工精度和加工效率降低地进行凹凸加工等复杂的表面加工。
此外，利用上述方式的加工信息制作方法，根据加工面S的数据，求出平滑化曲面R的数据，以使加工面S在附加主轴10的移动方向上收纳在附加主轴10的移动量以内，并根据该平滑化曲面R的数据制作出主轴头4的移动信息，根据加工面S的数据与平滑化曲面R的数据在附加主轴10的移动方向上的差，制作出附加主轴10的移动信息，由此，可根据加工面S和平滑化曲面R的形状数据简单且正确地制作出上述加工控制方法所需要的加工信息。
再有，上述方式的加工信息制作方法是求出平滑化曲面R的数据，根据该平滑化曲面R的数据制作出主轴头4的移动信息，并根据加工面S的数据和平滑化曲面R的数据在附加主轴10的移动方向上的差，制作出附加主轴10的移动信息的方法，但也可以在不求出平滑化曲面的数据的情况下，根据除去了加工面上的微小凹凸而得的基础形状面来制作出加工信息。下面说明该加工信息制作方法。
在这里，如图5所示，说明使用作为基础形状面的基础曲面P的NC数据和具有微小凹凸的加工面S的加工形状数据的情况。基础曲面P的NC数据根据除去了加工面S上的微小凹凸而得的基础形状数据通过公知的方法预先制作出来并保存。此外，加工面S的加工形状数据以微小间隔的坐标值(Tm、Tn…)表示。
图6是本示例的加工信息制作方法的流程图，在该图中，首先，在S11中，从基础曲面P的NC数据的文件读取下一组。在接下来的S12中，判断所读入的数据是否为坐标值。如果不是坐标值，则在S13中原样输出，如果是坐标值，则在S14的判断中来判断是否是线的开头。如果是线的开头，则在S15中，读取与Pa对应的加工形状数据Ta，并将其与基础曲面P的差设定为Wa，在S 16中以NC形式输出(Xa、Ya、Za、Wa)，并在S17中将下一组位置替换为当前位置(Pa←Pb)。在S18的判断中，如果不是文件的结尾，则回到S11。
另一方面，在S14的判断中，如果不是线的开头，则在S 19中，根据前后的坐标值例如T0、T1，成比例地计算出与当前位置Pa(Xa、Ya、Za)和下一组位置Pb(Xb、Yb、Zb)对应的加工面S上的坐标值Ta、Tb。然后，在S20中，读取位于Pa和Pb之间的加工形状数据，并作为T1～Tn进行存储。
接下来，在S21中，从Pa开始作为第一个加工形状数据，在S22中根据Pa和Pb成比例地计算出与Ti对应的基础曲面P上的坐标值(Xi、Yi、Zi)，在S23中算出Ti和基础曲面P的差Wi，并在S24中将(Xi、Yi、Zi、Wi)以NC形式输出。
然后，在S25的判断中，如果加工形状数据不是第n个即最后一个，则在S26中，作为下一加工形状数据，重复S22到S24的处理并将Pa和Pb之间的加工形状数据的全部以NC形式输出，当在S25的判断中处理最后的加工形状数据时，在S27中读取与Pb对应的加工形状数据Tb，并将其与基础曲面P的差设为Wb，在S28中将(Xb、Yb、Zb、Wb)以NC形式输出。
当这样组之间的NC数据制作结束时，在S17中将下一组位置替换为当前位置，在S18中，如果文件结束，则结束NC数据制作。
下面，根据图7及图8的流程图，来说明使用具有微小凹凸的加工面Sa的NC数据Pa和除去了微小凹凸而得的基础曲面Sb的NC数据Pb来获得主轴头及附加主轴的移动信息的方法。再有，各NC数据利用公知方法预先制作并保存。
首先，在S31中，读取Sb的第一组的坐标值Pb1(Xb1、Yb1、Zb1)。接着，在S32中，读取Sb的第二组的坐标值Pb2(Xb2、Yb2、Zb2)。在S33中，作为第一个NC数据，在S34中，读取Sa的第m组的坐标值Pam(Xam、Yam、Zam)。然后，在S35中，判断Pam是否在Pb2之前。这里，如果在其之前，则在S36中，将Pb2的坐标值移至Pb1，并在S37中将下一组的坐标值作为Pb2读入到(Xb2、Yb2、Zb2)中。
另一方面，在S35的判断中，如果Pam不在Pb2之前，则在S38中，通过Sb上的坐标值Zb1和Zb2的比例计算，求出与Pam(Xam、Yam)对应的Sa上的点P的Z坐标值Zb。然后，在S39中，制作并输出X＝Xam、Y＝Yam、Z＝Zb、W＝Zam-Zb的加工信息。该X、Y、Z成为主轴头4及工作台5的移动指令(主轴头4的移动信息)，W成为附加主轴10的移动指令(附加主轴10的移动信息)。
然后，在S40中，判断Pam是否为线的最终点，如果是最终点，则结束一条线的处理。如果不是最终点，则在S41中作为第m＝m+1重复S34以后的处理。
根据如此得到的加工信息，NC装置根据基础曲面的NC数据(图5的情况下为Pa、P…Pb…，图7的情况下为Pb1、P…Pb2…)，将主轴头4及工作台5在X、Y及Z轴方向上进给，以使在附加主轴10上安装的工具T的前端沿基础曲面P或Sb上的加工点被进给，另一方面，通过在各加工点处对附加主轴10在W轴方向上进行进给，来进行加工面S或Sa的加工。
因此，在该加工控制方法中，也是将所需的移动量分配给主轴头4和附加主轴10，由此，即使在形状骤变部也不用使进给速度减小，可进行高速加工，可不使加工精度和加工效率降低地进行凹凸加工等复杂的表面加工。
此外，在图5、6及图7、8中说明的加工信息制作方法中，制作基础曲面P的NC数据和具有微小凹凸的加工面S的加工形状数据，或者制作加工面Sa的NC数据Pa和基础曲面Sb的NC数据Pb，并根据基础曲面P的NC数据或基础曲面Sb的NC数据Pb制作出主轴头4的移动信息，根据加工面S的加工形状数据和基础曲面P的NC数据在附加主轴10的移动方向上的差、或者加工面Sa的NC数据Pa和基础曲面Sb的NC数据Pb在附加主轴10的移动方向上的差，制作出附加主轴10的移动信息，由此能够简单且正确地制作加工信息。
再有，用于制作移动信息的平滑化了的近似面和基础形状面的数据并不限于上述方式，可适当变更地进行采用。例如，在图4的流程图中，还能够：通过代替平滑化曲面的生成而指定除去了加工面中的微小凹凸而得的基础曲面，来求出指定的基础曲面上的加工点，并根据该加工点和加工面的差来获得附加主轴的移动信息。此外，在图5～图8所示的加工信息制作方法中，也可以代替基础曲面的NC数据，而使用基础曲面的加工形状数据和加工面的NC数据来获得附加主轴的移动信息。
当然，作为基础形状面，并不限于曲面，也可考虑平面以及平面和曲面的组合。
另一方面，机床的方式并不限于上述方式，也可以是工作台仅在XY的一个方向上移动、主轴头在两个轴上移动，或者工作台固定、主轴头在三个轴上移动。此外，主轴头的移动并不限于X、Y、Z三轴，也可以是包括转轴的四轴、五轴控制的加工中心或使用使末端执行器由多个促动器支撑并以任意姿态工作的并联机构的加工中心等。这对于附加主轴来说也是一样，并不限于Z轴，在其它方向上也可采用本发明，且包括附加主轴作为附件付加在主轴头上的情况。
因此，在制作加工信息的情况下，在包括转轴的四轴、五轴控制的情况下，例如，可以计算出平滑化曲面的加工点处的法线方向，使该法线方向的角度为转轴的指令角度。此外，可相对于法线方向以固定角度倾斜，将该角度作为转轴的指令角度。
再有，在上述方式的加工信息制作中，生成曲面上的加工点来作为加工信息，也可通过使平滑化曲面及加工面分别偏移工具半径的量，求出工具中心坐标，由此来生成加工信息。

Claims (4)

1.一种机床的加工控制方法，该机床具有：可相对于工件向正交的三个轴方向相对移动的主轴头；和在该主轴头上设置、并可向预定方向移动的附加主轴，该机床利用在上述附加主轴上设置的工具来进行工件加工，其特征在于，
使上述主轴头沿近似面相对移动，并同时使上述附加主轴移动上述加工面和近似面的差的量，利用上述工具进行工件的加工，上述近似面是平滑化成相对于上述工件的加工面在上述附加主轴的移动方向上收纳在上述附加主轴的移动量以内的面。
2.一种机床的加工控制方法，该机床具有：可相对于工件向正交的三个轴方向相对移动的主轴头；和在该主轴头上设置、并可向预定方向移动的附加主轴，该机床利用在上述附加主轴上设置的工具来进行工件加工，其特征在于，
使上述主轴头沿上述工件的加工面的基础形状面相对移动，并同时使上述附加主轴移动上述加工面和基础形状面的差的量，利用上述工具进行工件的加工。
3.一种机床的加工信息制作方法，其是制作用于使机床实施权利要求1所述的加工控制方法的加工信息的方法，所述机床具有：可相对于工件向正交的三个轴方向相对移动的主轴头；和在该主轴头上设置、并可向预定方向移动的附加主轴，该机床利用上述附加主轴上设置的工具进行工件的加工，其特征在于，
根据表示上述工件的形状的加工面数据，来求出近似面的数据，该近似面是平滑化成将上述加工面在上述附加主轴的移动方向上收纳在上述附加主轴的移动量以内的面，根据该近似面的数据制作出上述主轴头的移动信息，根据上述加工面的数据和近似面的数据在上述附加主轴的移动方向上的差，制作出上述附加主轴的移动信息。
4.一种机床的加工信息制作方法，其是制作用于使机床实施权利要求2所述的加工控制方法的加工信息的方法，所述机床具有：可相对于工件向正交的三个轴方向相对移动的主轴头；和在该主轴头上设置、并可向预定方向移动的附加主轴，该机床利用上述附加主轴上设置的工具进行工件的加工，其特征在于，
根据表示上述工件的形状的加工面的数据，来指定上述加工面的基础形状面，根据该基础形状面的数据制作出上述主轴头的移动信息，根据上述加工面的数据和基础形状面的数据在上述附加主轴的移动方向上的差，制作出上述附加主轴的移动信息。
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