CN101458507B - 用于控制五轴加工装置的数字控制器 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制五轴加工装置的数字控制器,其中,校正刀具定向指令以获得平滑的加工面并缩短加工时间。该数字控制器包括连续地读取刀具定向指令的指令读取设备,校正刀具定向指令以使每个转动轴运动量和线性轴运动量之间的比值在每个程序块中为定值的刀具定向指令校正设备,基于由刀具定向指令校正设备校正的刀具定向指令、运动路径指令和相对运动速度指令确定每个插值周期的相应的轴位置,以使刀具端点以指令的相对运动速度沿指令的运动路径移动的插值设备,和驱动相应的轴马达以达到由插值设备确定的相应的轴位置的设备。

Description

用于控制五轴加工装置的数字控制器
技术领域
本发明涉及一种用于控制五轴加工装置的数字控制器,该五轴加工装置具有用于加工安装在工作台上的工件的三个线性轴和两个转动轴。
背景技术
为了用五轴加工装置加工工件,大致已利用了以下加工技术。也即,在接收指示刀具端点和刀具定向的运动路径的运动指令时,基于工件和刀具之间指令的相对运动速度在刀具端点的运动路径上执行插值,并且也将刀具定向插值。因此,根据刀具定向变化,刀具端点以指令的速度沿指令的运动路径移动(参见JP2003-195917A、JP2005-174010A和JP2005-182437A)。上述指令和加工技术称作刀具端点控制,程序指令利用CAM制定。
JP2003-195917A公开了一种技术,其中基于工件和刀具之间的相对运动速度插值刀具端点的运动路径和运动指令中的刀具定向,并校正运动路径的插值点,从而驱动伺服马达以指令的速度沿指令的运动路径移动刀具端点。
JP2005-174010A公开了一种基于两个转动轴的指令制定NURBS曲线的技术。
JP2005-182437A公开了一种技术,其中基于代表刀具端点的指令运动路径的点序列和代表指令的刀具定向的矢量序列,执行插值以改变沿根据指令的点序列产生的曲线的加工点,并改变沿根据指令的矢量序列产生的曲线的表明刀具定向的矢量端点。
如上所述,由数字控制器利用的用于五轴加工装置的刀具端点控制的程序指令由CAM制定。
以下是对利用CAM生成程序指令的一般方法的说明。图1所示的要加工的曲面分成称作如图2所示的三角形小块的部分。在如图3所示的在三角形小块上算出刀具轨迹,从而用程序块制定程序指令,每个程序块由刀具轨迹的交点和相关三角形小块的侧边限定,如图4所示。
三角形小块被制定成相对于要加工的曲面具有容许公差。由于刀具端点的路径在如图4所示的三角形小块上,因此如果要加工的曲面是平滑的,则刀具端点的路径在允许的公差内是平滑的。刀具定向制定成沿垂直于所制定的三角形小块的方向延伸。在相关三角形小块之间的每个边界处,利用两个相应的三角形小块的垂直方向之间的平均值大致确定刀具定向。
因此,刀具定向可在刀具端点的路径长度短的程序块处发生较大变化,如沿刀具路径截取的截面的图5所示。具体地,有些情况下,刀具定向不与由线性轴指令表明的长度(即刀具端点的运动路径的长度)成比例的变化,但如图5所示变化较大。
如果执行这样的程序指令,由于转动轴速度的变化引起减速和加速度的反复发生,带来所加工的形状变得粗糙且加工时间变长的问题。这种问题的发生取决于所加工的形状和使用的CAM的类型。
发明内容
本发明提供一种用于控制五轴加工装置的数字控制器,其中校正刀具定向指令,由此获得平滑的加工形状并缩短加工时间。
本发明的数字控制器控制设置有用于根据加工程序相对于安装在工作台上的工件移动刀具的三个线性轴和两个转动轴的五轴加工装置。该数字控制器包括:从加工程序连续地读取线性轴的运动路径指令、用于指定刀具相对于工件的速度的相对速度指令和指定刀具相对于工作台的定向的刀具定向指令的指令读取设备;连续地校正刀具定向指令以获得校正的刀具定向指令的刀具定向指令校正设备;基于校正的刀具定向指令、运动路径指令和相对速度指令确定每个插值周期的相应的轴位置的插值设备,以使刀具的端点以指令的相对速度相对于工件沿指令的运动路径移动;和驱动相应轴的马达以便将相应轴的马达驱动至达到由该插值设备确定的相应的轴位置的设备。
该刀具定向指令校正设备可校正该刀具定向指令,以使刀具定向的变化量与运动路径指令的线性轴的改变量成比例。
刀具定向指令可根据加工程序中两个转动轴的位置制定,刀具定向指令校正设备可校正两个转动轴的位置。
刀具定向指令可根据刀具定向矢量制定,刀具定向指令校正设备可校正该刀具定向矢量。
刀具定向指令校正设备可将刀具定向矢量变换为两个转动轴的位置,校正通过该变换获得的两个转动轴的位置,并将两个转动轴的校正的位置逆变换为校正的刀具定向矢量。
当从加工程序读取启动刀具定向指令校正的指令时,将被校正的预定数量的程序块由指令读取设备预先读取,直到读取到结束刀具定向指令校正的指令,刀具定向指令校正设备校正读取的程序块中的刀具定向指令。
刀具定向指令校正的启动由G代码指令,刀具定向指令校正的终止由不同于所述G代码的另一G代码指令。
根据本发明,由五轴加工装置加工工件中,在获得平滑的加工形状的同时还能缩短加工时间。
附图说明
图1是示出要加工曲面的视图;
图2是示出要加工曲面分成称作三角形小块的部分的视图;
图3是示出在三角形小块上算出的工具轨迹的视图;
图4是示出三角形小块、刀具路径和刀具端点位置之间关系的视图;
图5是示出沿刀具路径的截面内三角形小块的视图;
图6是示出对比的表示在X、Y和Z坐标系统中的X轴、Y轴和Z轴的位置指令P1至P10与表示在一维坐标系中的B轴的位置指令Pb1至Pb10和C轴的位置指令Pc1至Pc10的视图,;
图7是示出在每个转动轴运动量和线性轴运动量之间的比值在程序块之间不恒定的情况下的相应的轴速度的波形的例子的视图;
图8是示出执行图6所示的转动轴位置指令上的校正之后B轴和C轴的位置指令的视图;
图9是示出执行转动轴位置指令校正之后观察的相应的轴速度的波形的例子的视图;
图10是用于说明刀具头旋转式五轴加工装置的视图;
图11是示意性地示出用于控制五轴加工装置的本发明的数字控制器的功能的框图;
图12是示出实现本发明的刀具定向指令校正的算法的范例流程图;以及
图13是示出体现本发明的实施例的数字控制器的基本部分的框图。
具体实施方式
本发明预期在通过校正刀具定向指令本身获得工件的平滑的加工形状时,缩短加工时间,在程序块端点指令上述刀具定向指令。加工工件的刀具端点的运动在用五轴加工装置加工工件中一般是重要的。另一方面,即使刀具定向包括一些错误,它也不会极大地影响加工过程。在五轴加工装置中,必须解决粗糙的加工形状和长的加工时间的问题。因此,本发明校正刀具定向指令,以使得所加工工件的形状平滑并缩短加工时间,同时允许刀具定向误差。在下文中,将给出刀具定向指令被校正的本发明的第一和第二实施例的说明。
参照表1中所示的程序命令的第一实例,将说明本发明的第一实施例。这些程序命令由在相关技术的说明中说明的CAM制备。用于生成程序命令本身的技术属于已知技术。
在刀具定向指令校正模式中,随着程序命令被校正,预先读取最大数量的先行程序块,直到刀具定向指令校正模式结束。将被校正的先行程序命令中每个程序块内的刀具定向指令被校正,以使转动轴运动量和线性轴运动量之间的比值变为定值。应注意到,先行程序块的最大数量分别地设定作为一个参数。
在该例子中,Gaa是用于指令刀具定向指令校正模式的G代码,Gbb是用于指令解除刀具定向指令校正模式的G代码。在指令Gaa之前,根据模态指令Ff指令刀具端点的运动路径中的工件和刀具之间的相对运动速度f,该运动路径由X、Y和Z指令。
X、Y和Z轴的位置指令,B轴的位置指令以及C轴的位置指令示出在图6中。在图6中,为了对比,X、Y和Z轴的位置指令P1(Px1、Py1、Pz1)至P10(Px10、Py10、Pz10)表示在X、Y、Z坐标系统中,B轴的位置指令Pb1至Pb10和C轴的位置指令Pc1至Pc10表示在一维坐标系中。位置P0(Px0、Py0、Pz0)、Pb0和Pc0代表在指令Gaa时相应的轴的位置。
当X、Y和Z轴以速度f在位置P0(Px0、Py0、Pz0)和P10(Px10、Py10、Pz10)之间移动时,B轴在位置Pb0和Pb10之间移动,C轴在位置Pc0和Pc10之间移动。在每个程序块中,X、Y和Z轴与B和C轴的运动同步移动,以使当X、Y和Z轴以速度f在P0(Px0、Py0、Pz0)和P1(Px1、Py1、Pz1)之间移动时,B轴在Pb0和Pb1之间移动,C轴在Pc0和Pc10之间移动,以及当X、Y和Z轴以速度f在P1(Px1、Py1、Pz1)和P2(Px2、Py2、Pz2)之间移动时,B轴在Pb1和Pb2之间移动,C轴在Pc1和Pc2之间移动。
表1示出包括用于Gaa和Gbb之间的十个程序块的指令的例子,然而程序块的数量不局限于十个。相应轴的位置指令是绝对指令。两个转动轴由B和C轴表示,但可以是其它轴,比如A和B轴或A和C轴。
表1
Figure G2008101871131D00051
每个转动轴运动量和线性轴运动量之间的比值在各程序块之间不是定值。具体地,每个转动轴运动量和线性轴运动量之间的比值在第零个至第n个程序块(n=9)之间不是定值,该比值根据方程式(1)或(2)算出。
图7示出相应的轴速度的范例型波形。在图7中,时间沿横坐标取值,各轴速度沿纵坐标取值。在图7中,数值35000按毫秒计量,五轴的速度以叠加显示。各轴速度以不同的单位(比如,mm/min、度/min)表示。如图7所示,各轴速度振荡。振荡波形对应于相应的程序块指令。应注意到,图7示出指令程序块总计不是10而是大约500的情况下相应的轴速度的范例型波形。
| P b n + 1 - P b n | | P n + 1 - P n | . . . ( 1 )
(n=0,1,2,...,9)
| P c n + 1 - P c n | | P n + 1 - P n | . . . ( 2 )
(n=0,1,2,...,9)
位置Pb1至Pb10和Pc1至Pc10以下列方式被校正,以使根据方程式(1)或(2)算出的每个转动轴运动量和线性轴运动量之间的比值变为相应的程序块之间的定值。当读取代码Gaa时,数字控制器开始先行和校正程序。先行程序块的数量最大为五。
将给出以下方程式的说明。方程式(3)、(4)是用于程序开始和方程式(5)的执行之间的过渡方程式,方程式(6)、(7)是用于方程式(5)的执行和程序结束之间的过渡方程式。因此,方程式(5)很重要。
以下详细说明方程式(5)。方程式(5)右侧的第二项或分数项包括分母,根据该分母算出先行程序块(从第(n-2)程序块至第(n+2)程序块)中的线性轴运动量。根据方程式(5)的分数项的分子,算出将被校正的程序块(第n程序块)中的线性轴运动量。因此,分数项代表先行程序块中的线性轴运动量和将被校正的程序块中的线性轴运动量之间的比值。
该比值乘以先行程序块(从第(n-2)程序块至第(n+2)程序块)中的转动轴(B或C轴)运动量(Pan+2-Pan-2),在此执行校正,以使转动轴运动量和将被校正的程序块中的线性轴运动量之间的比值在先行程序块之间变成定值。
然后,在程序块被校正之前立即将校正的转动轴运动量加到程序块(第(n-1)程序块)的转动轴位置指令上,即已校正的转动轴位置指令(Pan-1’),从而获得将被校正的程序块中的转动轴位置指令,该指令是基于校正的转动轴运动量校正的转动轴位置指令。
(A)读取第一程序块。如方程式(3)所示,第一程序块没有校正。
1′=Pα1      ...(3)
(B)读取第二和第三程序块,如方程式(4)所示,第二程序块中的B和C轴位置指令被校正。
P α 2 ′ = P α 1 ′ + | P 2 - P 1 | Σ i = 1 3 | P i - P i - 1 | * ( P α 3 - P α 0 ) . . . ( 4 )
(a=b,c)
(C)读取第(n+1)和第(n+2)程序块,如方程式(5)所示,校正第n程序块中的B和C轴位置指令(n=3至8)。已读取n=4至8时的第(n+1)程序块。
P α n ′ = P α n - 1 ′ + | P n - P n - 1 | Σ i = n - 2 n + 2 | P i - P i - 1 | * ( P α n + 2 - P α n - 3 ′ ) . . . ( 5 )
(a=b,c)
(D)当读取代码Gbb时,停止新程序块的读取。如方程式(6)所示,校正第九程序块中的B和C轴位置指令。
P α 9 ′ = P α 8 ′ + | P 9 - P 8 | Σ i = 8 10 | P i - P i - 1 | * ( P α 10 - P α 7 ′ ) . . . ( 6 )
(a=b,c)
(E)没有校正第十程序块。
Pa10′=Pα10     ...(7)
(a=b,c)
如(A)至(E)中所述,当预先连续地读取程序块时,校正转动轴位置指令。基于方程式(3)至(7)图6中的B和C轴位置指令属于转动轴位置指令校正,并因此被校正成图8中所示的指令。应注意到,并非不可避免地需要在完成所有程序块的读取之后校正每个程序块中的B和C轴运动量,但是每个程序块中的运动量可被校正至几乎与相应的线性轴运动量成比例。
由于(A)至(E)中所述转动轴位置指令校正,在每个转动轴运动量和线性轴运动量之间的比值在各程序块之间不是定值的情况下的图7中相应的轴速度波形被校正成图9中所示的波形。如图9所示,转动轴位置指令校正抑制每个程序块中相应的轴速度的振荡。由于速度振荡受到抑制,因此使工件的加工的形状变得光滑。由于减速发生的可能性很小,因此缩短了加工时间。在图9中的例子中,加工时间缩短至转动轴位置指令没有校正的情况的大约70%。加工的功率消耗也能减少。
应注意到,在图13所示的数字控制器的情况下,已知技术可应用于基于由刀具定向指令校正设备校正的刀具定向指令、运动路径指令和相对运动速度指令而确定每个插值周期的相应的轴位置的插值设备,以使刀具端点以指令的速度沿指令的运动路径移动,已知技术还可应用于将相应的轴马达驱动至由插值设备确定的相应的轴位置的设备。图13中的数字控制器随后进行说明。
参照表2所示的程序指令的第二个例子说明本发明的第二实施例。先行方法等与第一实施例的相似。
表2
Figure G2008101871131D00081
在第二实施例中,基于标准化的指令I、J、K的刀具定向矢量指令刀具定向。以刀具定向矢量的形式指令刀具定向的技术是已知的,例如在说明书的现有技术中说明的日本公开专利说明书No.2003-195917。刀具定向矢量由控制刀具倾斜的轴上的位置信息计算。在,比如刀具倾斜由B和C轴控制的例子中,刀具定向矢量由B和C轴的当前位置算出。
假如五轴加工装置构造成图10所示的旋转头型式,可根据Pcn从0度变化至360度和Pbn从0度变化至90度的方程式(8)和(9)由I、J、K指令计算B和C轴位置。应注意到,n=1至10。
P c n = arctan P j n P i n P b n = arctan ( P i n 2 + P j n 2 ) P k n . . . ( 8 )
(n=1-10)
tan ( P c n ′ ) = P j n ′ P i n ′ tan ( P b n ) = ( P i n ′ ) 2 + ( P j n ′ ) 2 P k n ′ ( P i n ′ ) 2 + ( P j n ′ ) 2 + ( P k n ′ ) 2 = 1 . . . ( 9 )
(n=0-9)
根据上述计算,每个程序块中关于I、J、K的刀具定向向量指令(Pin、Pjn、Pkn)转变成B和C轴位置(Pbn、Pcn)。然后,校正转动轴位置,以获得校正的B和C轴位置(Pbn′、Pcn′),同时与第一实施例的情况相同执行先行程序块。
因此,每个程序块中的B和C轴运动量被校正至几乎与相应的线性轴运动量成比例。通过解方程式(9)所示的联立方程式,校正的B和C轴位置(Pbn′、Pcn′)可逆变换成关于I、J、K的刀具定向矢量指令(Pin′、Pjn′、Pkn′),并可作为关于初始X、Y、Z、I、J、K的程序指令执行。
应注意到,该例子已在图10所示的刀具旋转头式五轴加工装置中作以说明。但是,还有工作台利用两个转动轴进行旋转的工作台旋转式五轴加工装置,以及刀具头利用转动轴旋转且工作台利用另一个转动轴旋转的混合式五轴加工装置。同样在这些五轴加工装置中,关于指令I、J、K的刀具定向可变换成两个转动轴位置,变换的两个转动轴位置可被校正,该校正的两个转动轴位置可逆变换成I、J、K指令。用于变换和逆变换的方法仅在功能形式上不同于方程式(8)和(9)。由于该方法属于已知技术,因此省略其说明。
图11以方框图示意性地示出用于控制五轴加工装置的本发明的数字控制器的功能。指令读取设备1读取每个程序块中的程序指令。通过刀具定向指令校正设备2校正读取的程序指令中的刀具定向指令,以使转动轴运动量和线性轴运动量之间的比值在程序块间变成定值。基于由刀具定向指令校正设备2、运动路径指令和相对运动速度指令校正的刀具定向指令,插值设备3执行插值计算,用于确定每个插值周期的相应的轴位置,以使刀具端点以指令的速度沿指令的运动路径移动。相应的轴伺服机构4X、4Y、4Z、4B(A)、4C将相应的轴马达(相应的轴马达的说明从略)驱动至由插值设备3算出的相应的轴位置。
图12示出显示用于实现本发明的第一实施例中的刀具定向指令校正的算法的示范性流程图。该流程图示出读取表1中的Gaa之后执行的程序。应注意到,至少五个程序块在Gaa和Gbb之间被指令。在下文中将按步骤次序加以说明。
[步骤S1]参数n设置为1。[步骤S2]确定n是否等于1。如果n等于1,流程前进至步骤S9。如果n不等于1,流程前进至步骤S3。[步骤S3]确定n是否等于2。如果n等于2,流程前进至步骤S11。如果n不等于2,流程前进至步骤S4。[步骤S4]在前程序周期内读入的程序块是否是Gbb。如果在前程序块是Gbb,流程前进至步骤S16。如果在前程序块不是Gbb,流程前进至步骤S5。
[步骤S5]确定n是否等于3。如果n等于3,流程前进至步骤S13。如果n不等于3,流程前进至步骤S6。[步骤S6]一个程序块被读取。[步骤S7]确定读取的程序块是否是Gbb。如果读取的程序块是Gbb,流程前进至步骤S14。如果读取的程序块不是Gbb,流程前进至步骤S8。[步骤S8]根据方程式(5)校正刀具定向指令,流程前进至步骤S15。[步骤S9]如果在步骤S2确定n等于1,一个程序块被读取,流程前进至步骤S10。
[步骤S10]根据方程式(3)校正刀具定向指令,流程前进至步骤S15。[步骤S11]两个程序块被读取,流程前进至步骤S12。[步骤S12]根据方程式(4)校正刀具定向指令,流程前进至步骤S15。[步骤S13]两个程序块被读取,流程前进至步骤S7。[步骤S14]根据方程式(6)校正刀具定向指令,流程前进至步骤S15。[步骤S15]n增加1,流程返回至步骤S2。[步骤S16]根据方程式(7)校正刀具定向指令,流程结束。
图13以框图示出用于体现本发明的实施例的数字控制器(CNC)100的基本部分。CPU11是用于控制整个数字控制器100的处理器。CPU11通过总线20读出存储在ROM12中的系统程序,并根据该系统程序控制整个数字控制器。RAM13存储临时计算数据、显示数据和由操作者通过显示器/MDI组件70输入的各种数据。
CMOS存储器14由电池支持,未示出,并设置成即使数字控制器100的电力被切断也能保持存储状态的非易失存储器。CMOS存储器14存储通过接口15读取的加工程序和通过显示器/MDI组件70输入的加工程序等。在ROM12中,预先写入各种系统程序,该系统程序用于以编辑方式执行程序,来制定和编辑加工程序,以及用于执行自动操作程序。
包括指令的点序列数据和矢量序列数据并且利用CAD/CAM装置、拷贝装置或类似装置制定的加工程序通过接口15输入,并存储在CMOS存储器14中。具有根据本发明的实施例的刀具定向指令校正模式的加工程序也被存储在CMOS存储器14中。
在数字控制器100中编辑的加工程序可通过接口15传送并存储在外存储装置中。根据结合在数字控制器100中的序列程序,PC(可编程控制器)16通过I/O组件17向机床的辅助设备(比如,刀具互换机械手或其它致动器)输出信号并控制它。PC收到来自设置在机床主体上的操作面板的开关等的信号,在其上执行所需信号程序,并将处理的信号传送至CPU11。
显示器/MDI组件70是设置有显示器、键盘等的人工数据输入装置。接口18收到来自显示器/MDI组件70的键盘的指令和数据,并将其传送至CPU11。接口19与具有手动脉冲发生器等的操作面板71相连。
相应的轴控制电路30至34接收来自CPU11的相应的轴运动指令量,并向伺服放大器40至44输出相应的轴指令。伺服放大器40至44接收指令并驱动相应的轴伺服马达50至54。伺服马达50至54结合位置/速度检测器,和来自返回到轴控制电路30至34的位置/速度检测器的进给位置和速度反馈信号用于位置/速度反馈控制。
伺服马达50至54用于驱动五轴加工装置的X、Y、Z、B(A)和C轴。主轴控制电路60接收主轴旋转指令并向主轴放大器61输出主轴速度信号。主轴放大器61接收主轴速度信号并以指令的旋转速度转动主轴马达62。位置编码器63供给返回到与主轴马达62的旋转同步的主轴控制电路60的反馈脉冲用于速度控制。
上述数字控制器100的硬件配置与常规数字控制器相似。用数字控制器100控制图10所示的五轴加工装置的驱动。

Claims (6)

1.一种用于控制五轴加工装置的数字控制器,该五轴加工装置设置有用于根据加工程序相对于安装在工作台上的工件移动刀具的三个线性轴和两个转动轴,所述数字控制器包括:
指令读取设备,该指令读取设备从加工程序连续地读取线性轴的运动路径指令、指定刀具相对于工件的速度的相对速度指令和指定刀具相对于工作台的定向的刀具定向指令;
刀具定向指令校正设备,该刀具定向指令校正设备连续地校正刀具定向指令,使刀具定向的变化量与运动路径指令的线性轴的运动量成比例,以获得校正的刀具定向指令;
插值设备,该插值设备基于校正的刀具定向指令、运动路径指令和相对速度指令确定每插值周期的相应的轴位置,以使刀具的端点以指令的相对速度相对于工件沿指令的运动路径移动;以及
驱动相应轴的马达以便将相应的轴的马达驱动至由所述插值设备确定的相应的轴位置的设备。
2.根据权利要求1所述的数字控制器,其中,根据加工程序中两个转动轴的位置发出刀具定向指令,所述刀具定向指令校正设备校正两个转动轴的位置。
3.根据权利要求1所述的数字控制器,其中,根据刀具定向矢量发出刀具定向指令,所述刀具定向指令校正设备校正该刀具定向矢量。
4.根据权利要求3所述的数字控制器,其中,所述刀具定向指令校正设备将刀具定向矢量变换为两个转动轴的位置,校正通过该变换获得的两个转动轴的位置,并将两个转动轴的校正的位置逆变换为校正的刀具定向矢量。
5.根据权利要求1所述的数字控制器,其中,当从加工程序读取启动刀具定向指令校正的指令时,将被校正的预定数量的程序块由所述指令读取设备预先读取,直到读取到结束刀具定向指令校正的指令,所述刀具定向指令校正设备校正读取的程序块中的刀具定向指令。
6.根据权利要求5所述的数字控制器,其中,该刀具定向指令校正的启动由G代码指令,刀具定向指令校正的终止由不同于所述G代码的另一G代码指令。
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