CN101377671B - 具有干扰检测功能的数值控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种数值控制器。数值控制器具有防止干扰的功能从而可靠地执行用于防止干扰的计算。该数值控制器具有相应于多个机床结构对象分别定义干扰区域的功能，根据通过插补更新的机床结构对象的机床坐标值移动干扰区域的功能，以及执行干扰检测以确定干扰区域是否相互干扰的功能。干扰检测计算周期自动调整部基于通过将干扰检测需要的计算时间除以对在一个插补周期中的干扰检测预先设置的占用时间而获得的值，自动地调整干扰检测计算周期。干扰区域扩展部基于各个轴的进给速度中的最高速度和干扰检测计算周期来扩展干扰区域。检测部确定扩展的干扰区域是否相互干扰。

Description

具有干扰检测功能的数值控制器
技术领域
本发明涉及控制机床等设备的数值控制器，更具体地，涉及具有防止机床等设备的可移动部件的相互干扰的功能的数值控制器。
背景技术
用于控制机床的数值控制器根据预先产生的NC程序控制机床的可移动部件(控制轴)的操作，以机械加工要被机械加工的工件。
当机床机械加工工件时，例如刀具、工作台、工件夹紧夹具以及主轴面(spindle table)等机床的各个部件不可以相互干扰。为了防止该种干扰，通常执行干扰检测以确定机床的各个部件和工件是否相互干扰。
例如，已知一种技术，在该技术中，通过使用实体的组合将例如刀具等有可能引起干扰的每一个机械部件定义为干扰对象，并将生成的定义存储在存储器中。通过插补移动指令获得干扰对象的当前位置及控制轴移动之后的干扰对象的位置。然后，在干扰对象从插补之前的位置到插补之后的位置的移动过程中，计算出构成干扰对象的实体可能引起干扰的区域作为干扰确定实体，并使用该干扰确定实体的组合设置干扰确定区域，以基于设置的干扰确定区域检测干扰(参见，JP09-230918A)。
在基于干扰确定区域来检测干扰的上述技术中，在数值控制器执行插补处理之后执行干扰检测处理。然而，根据该技术，如果由于干扰检测的对象(例如，刀具、刀具架、工件、夹具以及工作台)的数量和构成对象的实体的数量增加而延长了干扰检测处理，则数值控制器的插补处理不能被快速地执行并因此慢下来，从而引起干扰检测处理被中途中断。
发明内容
本发明提供一种具有干扰防止功能的数值控制器，从而能够预先检测机床的部件的碰撞。更具体地，本发明提供一种数值控制器，该数值控制器的插补处理不会受到干扰检测的计算数量的增加的影响，从而允许干扰检测的计算被可靠地执行。
本发明的数值控制器控制用于移动可移动部件的各个轴，并且该数值控制器具有对包括可移动部件的多个机床结构对象分别定义干扰区域的功能，基于通过每一个插补周期的插补处理获得的机床结构对象的机床坐标值移动干扰区域的功能，以及检测干扰区域是否相互干扰的功能；所述数值控制器包括：干扰检测计算时间计算部，计算干扰检测需要的计算时间；干扰检测计算周期自动调整部，基于通过将干扰检测需要的计算时间除以对在一个插补周期中的干扰检测预先设置的占用时间而获得的值，自动地调整干扰检测计算周期；干扰区域扩展部，基于各个轴的进给速度中的最高速度和干扰检测计算周期，扩展一个或多个干扰区域；以及检测部，检测扩展的干扰区域是否相互干扰。
可以由立体图形定义干扰区域，并且所述检测部可以通过确定立体图形是否相交来检测干扰。
立体图形可以包括长方体、圆柱体或板形。
可以根据由立体图形定义的干扰区域的组合的数量及定义干扰区域的立体图形的数量，确定干扰检测需要的计算时间。
干扰区域扩展部以与各个轴的进给速度中的最高速度和干扰检测计算周期的乘积相对应的尺寸扩展干扰区域之一。
数值控制器可以进一步包括存储部，存储表示一个机床结构对象的不同尺寸的多个干扰区域数据，其中干扰区域数据被选择性地用于一个机床结构对象。
数值控制器可以还包括进一步扩展由所述干扰区域扩展部扩展的一个或多个干扰区域的部件，以及确定在手动操作中进一步扩展的干扰区域是否相互干扰并且当确定进一步扩展的干扰区域相互干扰时降低各个轴的移动速度的部件。
根据本发明，基于还没有经过加速/减速的机床坐标值来检测干扰。从而有可能不受到加速/减速的影响，在碰撞之前可靠地停止轴的移动。而且，在本发明中，自动地调整干扰检测计算周期，因此，如果干扰检测的计算量增加，数值控制器的插补处理不受到该种计算量的增加的影响，从而能够可靠执行干扰检测的计算。
此外，干扰区域扩展部使得即使在干扰检测计算周期改变的情况下也可以可靠地避免干扰。另外，在功能被增加从而在手动操作的过程中对扩展的干扰区域进一步扩展预定量的情况，操作员能够容易地识别干扰的发生。而且，当干扰区域到达低于另一干扰区域预定距离的位置时，相应的轴可以被减速，这使得即使在手动操作过程中也可以可靠地避免机床部件的碰撞。
附图说明
图1是根据本发明实施例的数值控制器的示意性框图；
图2是说明干扰区域和扩展的干扰区域的示意图；以及
图3示出根据本发明实施例的具有干扰防止功能的数值控制器。
具体实施方式
图1是根据本发明实施例的数值控制器11的功能框图。从外部输入的加工程序被存储在数值控制器11的存储器1中。指令分析部2连续地读出在存储器1中存储的NC程序的程序块，然后分析每一个读取块，并将该块转换成可执行的形式，作为结果获得的移动和速度指令被发送到自动操作模式的插补部3a。插补部3a根据移动和速度指令执行各个轴的插补，并输出插补脉冲。为了允许对机床的手动操作，用于手动操作模式的插补部3b根据从用于手动连续进给(jog feed)的手动脉冲发生器10输入的信号执行各个轴的插补，并输出插补脉冲。将插补脉冲(来自用于自动操作模式的插补部或用于手动操作模式的插补部)提供给加速/减速处理部8以被加速或减速，并将结果脉冲输出到与各个伺服电动机9a到9n相关联的伺服放大器(图1中未示出)。根据加速/减速插补脉冲，伺服放大器驱动各个伺服电动机9a到9n。
根据从插补部3a或插补部3b提供的插补脉冲，机床坐标值更新部4更新控制轴的机床坐标值，并获得指定控制轴的机床坐标位置。
在干扰区域定义部5中预先设置工件、夹具、刀具及机床的形状作为干扰区域。通过使用立体图形(例如长方体、圆柱体、板形(plate)等)定义干扰区域。根据具体情况，使用多于一个的立体图形来定义可能引起干扰的机床部件的形状。
并且，为了处理与在加工过程中形状改变的工件相应的干扰区域，可以预先注册多个干扰区域，以根据条件进行切换。该条件可以是改变由NC语句指定的区域(例如，G22.2)的指令、当前假设的机床坐标值(例如，如果X<0.0，则选择区域1，如果X≥0.0，则选择区域2)等。
干扰检测计算时间计算部6计算干扰检测处理需要的计算时间。由用于干扰检测的立体图形(例如长方体、圆柱体、板形)的组合的数量和与要检测的干扰有关的立体图形的数量来确定干扰检测需要的计算时间。后面将说明干扰检测处理需要的计算时间。
干扰检测部7包括干扰区域移动处理部71、干扰检测计算周期自动调整部72、干扰区域扩展部73及干扰区域相交确定部74。基于机床坐标值更新部4更新的机床坐标位置，干扰区域移动处理部71移动由干扰区域定义部5设置的干扰区域。基于通过用干扰检测计算时间计算部6计算的干扰检测需要的计算时间除以在一个插补周期内的干扰检测的占用时间所获得的值(系数)，干扰检测计算周期自动调整部72确定干扰检测计算周期。特定地，通过将一个插补周期乘以获得的系数来获得干扰检测计算周期。因此，由于干扰检测需要的计算时间或在一个插补周期内干扰检测的占用时间发生改变，由干扰检测计算周期自动调整部72获得的干扰检测计算周期也发生改变。
根据干扰检测计算周期和各个轴的进给速度中的最高速度，干扰区域扩展部73将在干扰区域定义部件5中定义并由干扰区域移动处理部71移动的干扰区域进行扩展。后面将说明扩展处理。
干扰区域相交确定部74执行用于检测干扰区域的干扰的计算，该干扰区域由干扰区域扩展部73扩展。通过确定形成与一个机床部件的形状相应的干扰区域的立体图形(例如长方体)的任意侧面和顶点是否与形成与另一个机床部件的形状相应的干扰区域的立体图形(例如长方体)产生干扰，确定干扰是否发生。
如果干扰区域相交确定部74判定干扰区域没有相互干扰，则将来自插补部3a或插补部3b的插补脉冲输出到加速/减速处理部8。加速/减速处理部8将插补脉冲输出到用于控制作为控制轴9的各个伺服电动机9a、9b、...9n的伺服电动机控制器(未示出)。根据从伺服电动机9a、9b、...9n反馈的位置、速度和当前反馈信号(未示出)，伺服电动机控制器控制各个控制轴9的位置和速度。
另一方面，如果干扰区域相交确定部74判定干扰区域相互干扰，则干扰区域相交确定部74停止将从插补部3a或插补部3b提供的插补脉冲输出到加速/减速处理部8。
在手动操作过程中(其中来自手动脉冲发生器10的信号被输入到数值控制器11的插补部3b)，如果干扰区域到达某个位置，该位置比另一个干扰区域低预定的距离，则各个控制轴可以被减速。
当干扰检测部7判定干扰发生时，由伺服电动机9a到9n驱动的机床可移动部件(控制轴)(例如刀具和工作台)仍然在移动，并且并不能立刻停止。即，在输出停止指令之后机床可移动部件需要减速时间以达到完全停止。
下面说明由干扰检测计算时间计算部6计算的干扰检测处理需要的计算时间。根据在干扰区域定义部5中通过例如长方体、圆柱体、板形等立体图形定义的干扰区域的组合的数量和定义干扰区域的立体图形的数量，确定干扰检测处理需要的计算时间。立体图形的组合包括下面说明的组合(1)到(6)。组合的数量表示例如刀具-加工件、刀具-夹具、刀具-工作台及刀具-刀具架等组合的数量。当通过多于一个的立体图形的组合定义可能引起干扰的机床部件的形状时，例如，由长方体#1和圆柱体#1构成刀具而由长方体#2和#3构成工作台，对于也在下面表示的四个组合(7)到(10)，需要检测刀具和工作台之间的干扰。
干扰检测计算时间计算部6加权(weight)各个计算时间，并计算与全部的组合相应的总的时间，以获得干扰检测计算时间。
(1)长方体-长方体
(2)立方体-圆柱体
(3)长方体-板形
(4)圆柱体-圆柱体
(5)圆柱体-板形
(6)板形-板形
(7)长方体#1-长方体#2
(8)长方体#1-长方体#3
(9)圆柱体#1-长方体#2
(10)圆柱体#1-长方体#3
干扰检测部7中的扰检测计算周期自动调整部72将干扰检测计算时间除以在一个插补周期内的干扰检测处理的占用时间，将获得的系数乘以插补周期并将获得的乘积设置为干扰检测计算周期。
现在将说明由干扰检测部7执行的干扰检测的计算。在干扰检测部7执行的干扰检测的全部计算步骤(干扰区域移动处理部71、干扰检测计算周期自动调整部72、干扰区域扩展部73及干扰区域相交确定部74进行的计算)不能在一个插补周期内完成并且需要在多个插补周期执行的情况下，当检测到干扰时有可能干扰(碰撞)已经发生。
为了避免该干扰(碰撞)，对于在干扰区域定义部5中定义为干扰区域的立体图形自动设置余量宽度。例如，根据下面的等式(1)获得余量宽度。在干扰检测的对象(刀具、刀具架、加工件、夹具、工作台等)的组合((1)到(6))的数量以及在对象中包括的立体图形的数量较大时，花费时间来完成干扰检测的全部计算步骤。因此，在本发明中，根据干扰检测的对象的组合的数量和对象的内容，自动地调整干扰检测计算周期。
余量宽度 D = F * T 60 * 1000 &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 1 )
这里，F是对各个轴设置的快速行程速度的最高速度(毫米/分钟)，T是干扰检测计算周期(毫秒)(由CNC自动计算)。
图2是说明作为干扰区域的示例的长方体和具有根据等式(1)计算的余量宽度D的扩展的长方体之间的关系的概念示图。通过将作为干扰区域的立体图形的表面沿着它们的法线方向(normal direction)增大余量宽度D来实现干扰区域的余量宽度D的扩展。使用例如矩阵运算等传统的技术能够执行该种扩展的计算。还可能使用各种图像处理技术以获得扩展的干扰区域。
即使在在一个插补周期内能够完成干扰检测的全部计算步骤的情况下，干扰区域的移动在一个插补周期内也仅被实现一次。然而，在该情况下，有可能忽略了当移动到下一个位置时干扰区域相互干扰的情况(换句话说，在一个插补周期过程中干扰发生)，即干扰没有发生在移动之前或之后而发生在移动过程中的情况。为了避免该情况，对每一个干扰区域进一步扩展与在一个插补周期中的移动量相应的额外的余量宽度，从而也能够防止在一个插补周期中的移动处理中发生的干扰。
图3示出根据本发明实施例的具有干扰防止功能的数值控制器11。CPU12是用于全局控制数值控制器11的处理器。经由总线24将CPU12与存储器13(存储器13由ROM、RAM、非易失性RAM、CMOS等构成)、PC(可编程控制器)14、显示装置15(例如CRT或液晶显示器)、允许各种指令和数据的输入的数据输入装置16(例如键盘)、连接到外部存储介质的接口17、主机计算机等、与机床的各个控制轴相关联的轴控制电路18X、18Y和18Z、以及主轴控制电路21连接。轴控制电路18X、18Y和18Z通过伺服放大器19X、19Y和19Z分别控制伺服电动机20X、20Y和20Z，主轴控制电路21通过主轴放大器22控制主轴电动机23。
根据在数值控制器11中内部存储的序列程序，通过输出信号到加工机床的辅助装置或从加工机床的辅助装置接收信号，PC14控制作为机床的加工机床。并且，PC14从安装在机床主体上的由数值控制器控制的操作员的面板上的各种开关等接收信号，然后，对接收到的信号执行必要的处理，并将处理后的信号发送到CPU12。
通过总线24，CPU12装载在存储器13的ROM中存储的系统程序，并根据该系统程序全局控制数值控制器11。关于本发明，存储器13存储用于执行前述干扰检测处理的算法的软件，以及将可能引起干扰的各个机床部件的形状的定义为多面体或多面体的组合(在本实施例中，长方体、圆柱体、板形)的数据。
而且，在本发明的以上实施例中，由数值控制器11执行干扰检测处理。可选择地，可以由例如个人计算机等独立于数值控制器11设置的信号处理装置执行该干扰检测。在该情况下，系统被配置从而将由机床坐标值更新部4更新的控制轴的机床坐标值(位置)传送到信息处理装置，然后信息处理装置执行干扰检测处理并将处理的结果发送到数值控制器11。
此外，在实施例的前面的描述中，作为示例，将本发明应用于控制机床的数值控制器。本发明可以被相同地应用于用于控制例如机器人和工业机器等的数值控制器，在这些机器的移动过程中，可移动部件(控制轴)可能相互干扰。

Claims (6)

1.一种数值控制器，该数值控制器控制用于移动可移动部件的各个轴，并且该数值控制器具有对包括可移动部件的多个机床结构对象分别定义干扰区域的功能、基于通过每一个插补周期的插补处理获得的机床结构对象的机床坐标值移动干扰区域的功能、以及检测干扰区域是否相互干扰的功能；所述数值控制器包括：
干扰检测计算时间计算部，计算干扰检测需要的计算时间；
干扰检测计算周期自动调整部，基于通过将干扰检测需要的计算时间除以对在一个插补周期中的干扰检测预先设置的占用时间而获得的值，自动地调整干扰检测计算周期；
干扰区域扩展部，基于各个轴的进给速度中的最高速度和干扰检测计算周期，扩展一个或多个干扰区域；以及
检测部，检测扩展的干扰区域是否相互干扰。
2.根据权利要求1所述的数值控制器，其中，由包括长方体、圆柱体的立体图形或板形定义干扰区域，并且所述检测部通过确定该各个图形是否相交来检测干扰。
3.根据权利要求2所述的数值控制器，其中，根据由立体图形定义的干扰区域的组合的数量及定义干扰区域的立体图形的数量，确定干扰检测需要的计算时间。
4.根据权利要求1所述的数值控制器，其中，所述干扰区域扩展部以与各个轴的进给速度中的最高速度和干扰检测计算周期的乘积相对应的尺寸扩展干扰区域之一。
5.根据权利要求1所述的数值控制器，进一步包括存储部，存储表示一个机床结构对象的不同尺寸的多个干扰区域数据，其中干扰区域数据被选择性地用于一个机床结构对象。
6.根据权利要求1所述的数值控制器，还包括进一步扩展由所述干扰区域扩展部扩展的一个或多个干扰区域的部件，以及确定在手动操作中进一步扩展的干扰区域是否相互干扰并且当确定进一步扩展的干扰区域相互干扰时降低各个轴的移动速度的部件。
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