CN101563661A - 加工控制装置及其程序 - Google Patents

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Abstract

加工控制装置(3)包括：部分轨迹计算单元(35)，将工具轨迹分割为曲率越大具有的长度越短的多个部分轨迹；轴控制数据计算单元(36)，求出通过使工具以所述进给速度的随动速度在各部分轨迹上移动而加工工件时的该部分轨迹上的各轴位置、以及以规定的时间间隔求出的各轴速度的时间变化作为轴控制数据(A)。机床(4)的驱动部(45)一边根据轴控制数据(A)以规定的时间间隔改变各轴速度一边使工具在所述部分轨迹上移动。

Description

加工控制装置及其程序
技术领域
本发明涉及控制机床的加工控制装置及其程序，所述机床具有多个轴，使工具相对于工件移动。
背景技术
以往，控制机床的数控装置解析用于加工工件的NC程序的NC代码，并将位置数据、速度数据作为指令数据而输出给电动机控制装置。这种NC程序是从操作面板直接输入到数控装置的。或者，产品形状被输入到CAM，CAM自动生成NC程序并使其读入到数控装置。
近年来，随着三维CAD的普及，利用三维CAD进行复杂的产品形状的设计，复杂的产品形状作为实体数据(Solid data)从三维CAD输出。在以往所使用的CAM中，输入如用实体数据定义的复杂形状是非常费时费力的作业。专利文献1提出了一种CAM接收三维CAD输出的实体数据，生成工具轨迹，自动生成对复杂形状进行加工的NC程序的方法。
专利文献1：日本特开2003-295917号公报
如此，利用CAM根据三维实体数据可以直接输出NC程序，因此用于形成复杂形状的NC程序也被自动生成，大幅减轻了作业人的负担。
CAM通常利用微小的直线近似为了加工复杂形状而工具相对于工件移动的工具轨迹。因此，多数情况下，CAM基于实体模型数据生成的NC程序庞大，生成NC程序需要耗费时间。另外，数控装置解析NC程序而计算对机床的各轴的移动量等进行指令的指令值，但数控装置解析庞大的NC程序也需要耗费时间，导致使利用CAM生成工具轨迹到加工的作业效率降低。
而且，为了保持完成精度，希望CAM将工具轨迹的曲线部分分割为更微小的直线。但是，受限于数控装置的演算速度，从数控装置对机床的伺服机发出的指示有时跟不上工具的移动。因此，无法划分为太小的直线。
发明内容
所以，本发明的目的在于提供一种加工控制装置及其程序，缩短从生成工具轨迹到加工的时间，并且提高加工精度。
本发明的加工控制装置，控制具有多个轴且使工具相对于工件移动的机床，上述加工控制装置的特征在于，包括：
工具轨迹存储单元，存储为了加工所述工件而使所述工具相对于所述工件移动的工具轨迹；
进给速度存储单元，存储所述工具加工所述工件的进给速度；
部分轨迹计算单元，将所述工具轨迹分割为曲率越大具有的长度越短的多个部分轨迹；
轴控制数据计算单元，求出通过使所述工具以所述进给速度的随动速度在各部分轨迹上移动而加工所述工件时的该部分轨迹上的各轴位置、以及各轴速度的时间变化作为轴控制数据；
输出单元，将各部分轨迹的轴控制数据输出给一边根据所述轴控制数据改变各轴速度一边使所述工具在所述部分轨迹上移动的所述机床的驱动部。
另外，本发明的程序，其特征在于，使计算机发挥以下单元的功能：
部分轨迹计算单元，将工具轨迹分割为曲率越大具有的长度越短的多个部分轨迹，该工具轨迹是为了使用具有多个轴且使工具相对于工件移动的机床加工所述工件而使所述工具相对于所述工件移动的轨迹；
轴控制数据计算单元，求出通过使所述工具以预先存储的进给速度的随动速度在各部分轨迹上移动而加工所述工件时的该部分轨迹上的各轴位置、以及各轴速度的时间变化作为轴控制数据；
输出单元，将各部分轨迹的轴控制数据输出给一边根据所述轴控制数据改变各轴速度一边使所述工具在所述部分轨迹上移动的所述机床的驱动部。
“轴速度”是指工具在X轴、Y轴和Z轴这样的控制轴的一个方向上移动的速度。
“轴控制数据”是指在使工具沿着部分轨迹移动时用于控制各轴的数据。
“进给速度的随动速度”是指使工具在部分轨迹上以接近进给速度地移动的速度，包括与进给速度不同速度的情况。
另外，所述轴控制数据计算单元也可以以规定的时间间隔求出所述各轴速度的时间变化。
另外，加工控制装置也可以进一步包括参数存储单元，该参数存储单元存储与所述机床的加工精度相关的参数，所述部分轨迹计算单元也可以按照所述参数改变所述部分轨迹的长度。
“与机床的加工精度相关的参数”是指用于按照惯性矩、刚性等依赖于机床的物理特性来调整加工精度的参数，例如有与加速度、加加速度相关的参数。
另外，所述轴控制数据计算单元也可以根据所述参数求出所述各轴速度，使得在预测为对于以所述进给速度进行加工来说曲率过大的部分轨迹中使工具以小于所述进给速度的速度移动。
根据本发明，通过以按照曲率分割了工具轨迹的部分轨迹单位，生成用于控制机床的各轴的速度和位置的轴控制数据并输出给机床的驱动部，从而在不必如以往那样用微小的直线近似工具轨迹的情况下，机床能够使工具沿着工具轨迹移动，所以能够高精度地加工复杂的形状。另外，由于不需要如以往那样生成并解析用微小的直线近似了工具轨迹的庞大的NC程序，因此能够缩短时间。
通过按照与加工精度相关的参数改变部分轨迹的长度，从而能够在加工过程中使工具正确地在工具轨迹上移动。
由于生成了在预测为对于以所述进给速度进行加工来说曲率过大的部分轨迹中使工具以小于所述进给速度的速度移动的轴控制数据，所以能够使工具不会从工具轨迹脱离地进行移动。
附图说明
图1是表示适用本发明的一实施例的加工控制装置的加工系统的概要框图；
图2是表示图1的驱动部的框图；
图3是表示图1的加工控制装置的框图；
图4是表示偏移形状的一例的图；
图5是表示工具轨迹的一例的图；
图6是表示工具轨迹的分割的一例的图；
图7是表示部分轨迹与进给速度的图；
图8是表示各轴上的速度变化的曲线图；
图9是表示图1的加工系统的动作的流程图。
符号的说明
1加工系统
2CAD装置
3加工控制装置
4机床
5网络
31操作面板
32输入单元
33偏移形状生成单元
34工具轨迹生成单元
35部分轨迹计算单元
36轴控制数据计算单元
37输出单元
41主轴
42工作台
43、44进给轴
45驱动部
46轴控制数据接收部
47信号生成部
48主轴放大器
48a、49a、49b    电动机
49伺服放大器
311参数存储单元
312进给速度存储单元
313偏移值存储单元
314进给间隔存储单元
315模型数据存储单元
341工具轨迹存储单元
具体实施方式
下面，利用附图说明本发明的实施方式。
如图1所示，加工系统1包括：制作加工形状的CAD装置2、使用工具来对设置于工作台上的工件进行加工的机床4、以及控制机床4的加工控制装置3。CAD装置2与加工控制装置3通过网络5连接。
机床4包括：安装工具的主轴41、设置工件的工作台42、使工作台42移动的进给轴、以及驱动各轴(主轴、进给轴)的驱动部45。主轴41是传导切削动力的轴，通常被表示为Z轴。
如图2所示，工作台42的进给轴43、44分别被表示为X轴、Y轴。驱动部45包括：轴控制数据接收部46、信号生成部47、主轴放大器48、以及伺服放大器49。轴控制数据接收部46从加工控制装置3接收对各轴进行控制的轴控制数据A。信号生成部47根据轴控制数据A生成Z轴、X轴和Y轴的各移动信号。
主轴放大器48按照Z轴移动信号，对驱动主轴41的电动机48a供给电流信号。伺服放大器49按照X轴和Y轴移动信号，对驱动进给轴的电动机49a、49b供给各自的电流信号。图2仅示出了一个伺服放大器49，但伺服放大器49包括X轴和Y轴各自的伺服放大器。图2示出了旋转型的电动机48a、49a和49b，但也可以代替地使用直线电动机。
在加工控制装置3中内置有高性能的微型计算机和存储器。微型计算机执行存储在存储器中的程序，生成驱动X轴、Y轴、Z轴的轴控制数据A。希望将程序存储到ROM等不能改写的存储器上，以避免受到由机床4产生的噪声等影响而被改写。
CAD装置2通过执行读入到通用计算机(例如工作站等)的辅助存储装置中的CAD程序来实现。本实施方式的CAD装置2将操作员输入的产品形状作为三维实体模型M的数据输出。
如图3所示，加工控制装置3包括：操作面板31、存储设定的参数的参数存储单元311、进给速度存储单元312、偏移值存储单元313、进给间隔(pick feed)存储单元314、输入单元32、模型数据存储单元321、偏移形状生成单元33、工具轨迹生成单元34、工具轨迹存储单元341、部分轨迹计算单元35、轴控制数据计算单元36、以及输出单元37。操作面板31进行各种参数、进给速度F、偏移加工形状的偏移值d、使工具移动的间隔即进给间隔Pick等的输入。参数存储单元311存储设定的参数。进给速度存储单元312存储进给速度F，偏移值存储单元313存储偏移值d，进给间隔存储单元314存储进给间隔Pick。输入单元32输入通过CAD装置2生成的实体模型M的数据。模型数据存储单元321存储实体模型M的数据。偏移形状生成单元33生成将实体模型M偏移了偏移值d左右的形状(曲面、曲线等)。工具轨迹生成单元34根据偏移形状求出为了加工工件而使工具相对于工件移动的工具轨迹。工具轨迹存储单元341存储所求出的工具轨迹。部分轨迹计算单元35按照工具轨迹的曲率求出对工具轨迹进行分割了的部分轨迹。轴控制数据计算单元36求出使工具以进给速度F的随动速度在部分轨迹上移动时的各轴的轴控制数据A。输出单元37将轴控制数据A输出给驱动部。
参数包括最大加速度、加加速度等与依赖于各机床的物理特性相关的参数，根据参数控制各轴速度。由于根据使用的工具而最大加速度、加加速度等也不同，所以优选地根据工具设定参数。
产品形状被输入到CAD装置2，从CAD装置2输出产品形状的实体模型M的数据。一般地，工具的中心为工具位置，工具的中心沿着工具轨迹而行。因此，当使工具在产品形状的表面上移动时，工件与产品形状相比被多切削掉工具半径相当量。所以，将工具半径作为偏移值d输入，求出对实体模型M的表面形状进行偏移了的形状。例如，当使用球头立铣刀加工如图4所示的实体模型M的表面形状S0时，求出了将表面形状S0沿法线方向t偏移了偏移值d左右的形状S1(以下称为偏移形状)。
工具轨迹生成单元34生成使工具在偏移形状S1上移动的工具轨迹。这里，对以等高线加工方式加工工件的情况进行说明。在加工工件时，如图5所示，一边使工具沿着将偏移形状S1用与XY平面平行的等高平面Q切割而成的交线L进行移动，一边切削工件，进而，一边使等高平面Q以一定的进给间隔Pick沿Z轴方向(上→下)进行移动，一边进行切削。
关于进给间隔Pick，按照工具直径、工件的材质，从操作面板31输入适合于加工的值并被存储到进给间隔存储单元314中，一边以指定的进给间隔Pick移动与XY平面平行的等高平面Q一边计算与偏移形状S1的交线L，从而求出工具轨迹。等高平面Q与偏移形状S1的交线L用B样条等参数曲线表示，将参数曲线作为工具轨迹存储到存储器(工具轨迹存储单元341)中。
或者，也可以求出与ZX平面、YZ平面平行的平面与偏移形状S1的交线，并使平面沿X轴方向或Y轴方向以一定的进给间隔进行移动。另外，也可以按照扫描加工、螺旋加工等加工方法生成工具轨迹。
部分轨迹计算单元35将工具轨迹L分割为多个部分轨迹。受到机床4的惯性矩、刚性等影响，有时难以一边控制工具的移动速度一边使工具沿着具有大曲率的部分轨迹进行移动。所以，如图6所示，工具轨迹L由点P1、P2、P3、...、Pi、Pi+1、...被分割为曲率越大具有的长度越短的多个部分轨迹l1、l2、l3、...、li、...。
轴控制数据计算单元36将使工具沿着分割的各部分轨迹l1、l2、l3、...、li、...以指定的进给速度F移动时的部分轨迹l上的各轴位置、以及以规定的时间间隔求出的各轴速度的时间变化作为轴控制数据A而求出。在轴控制数据A中，作为部分轨迹上的各轴位置包括部分轨迹上的至少一点的各轴的位置即可。例如，当在轴控制数据A中记录有部分轨迹l上的起点的位置和沿着部分轨迹移动时的各轴的速度变化时，通过从起点的位置控制各轴使得跟随速度变化，从而可以使工具沿着部分轨迹l移动。
例如，要将工件沿着如图7所示的部分轨迹l以指定的进给速度F进行加工，就得使工具在部分轨迹l的切线方向以进给速度F移动。也就是，将进给速度F分为部分轨迹l的切线矢量的X、Y、Z的各分量，使X轴以X方向的速度分量移动，使Y轴以Y方向的速度分量移动，使Z轴以Z方向的速度分量移动。在图7中，部分轨迹l上的起点的位置P1上的各轴的速度分量为(V1x、V1y、V1z)，终点的位置P2上的各轴的速度分量为(V2x、V2y、V2z)，所以在将各轴从位置P1向P2移动的期间使各轴的速度变化为V1x→V2x、V1y→V2y、V1z→V2z。另外，要使工具沿着部分轨迹l移动，需要以短时间间隔改变各轴的速度，使得工具的行进方向朝向部分轨迹的切线方向。
所以，如图8所示，求出速度曲线，该速度曲线表示在使工具在各部分轨迹l上以进给速度F移动时使各轴移动的速度Vx、Vy、Vz的时间变化。图8示出仅有在XY平面上的移动而没有Z方向的移动的情况。通过控制各轴的速度使其跟随该速度曲线，可以使工具沿着部分轨迹l移动。所以，在轴控制数据A中，记录例如将各轴的速度曲线以较短的一定的时间间隔Δt分割了的点上的各轴的速度和部分轨迹l的起始点。另外，由于从时间T0至时间Tn的速度曲线的积分值为从时间T0至时间Tn移动的距离，所以关于时间Tn中的各轴的位置，通过在部分轨迹l的起始点P0上加上速度曲线的T0-Tn间的积分值来求出各轴的位置。
由于在机床4中最大加速度、加加速度有限度，所以存在对于维持进给速度F来说部分轨迹l的曲率过大的情况。因此，基于与最大加速度、加加速度相关的参数求出各轴速度，使得在预测为对于以进给速度F进行加工来说曲率过大的部分轨迹l中使工具以小于进给速度F的速度移动。具体地，首先，求出使工具以进给速度F移动时的加速度和加加速度，并与机床4的最大加速度、最大加加速度进行比较。当超过最大加速度或最大加加速度时，求出使工具以小于进给速度F的速度移动的各轴速度。
机床4的信号生成部47根据轴控制数据的速度生成各轴的移动信号并输出给主轴放大器48、伺服放大器49。例如，如图8所示，当在轴控制数据中以Δt的间隔记录速度变化，并且时间Ti时X轴方向的移动速度为Vxi，且时间Ti+1时X轴方向的移动速度为Vx(i+1)时，将在时间Ti～时间Ti+1之间X轴方向的移动速度从Vxi变为Vx(i+1)这样的移动信号输出给伺服放大器49。同样地，当时间Ti时Y轴方向的移动速度为Vyi，且时间Ti+1时Y轴方向的移动速度为Vy(i+1)时，将在时间Ti～时间Ti+1之间Y轴方向的移动速度从Vyi变为Vy(i+1)这样的移动信号输出给伺服放大器49。图8的例子中，由于没有Z轴方向的移动速度，所以没有对主轴放大器48输出移动信号。如此改变各轴的移动速度，可以使工具沿着部分轨迹l从起点的位置P1移动至终点的位置P2。
参照图9的流程图，说明在加工系统1中加工工件的工序。
在进行加工时，根据机床4或所使用的工具，在最大加速度、加加速度等上表现出差别。在进行加工时为了得到某种程度的加工精度，需要按照机床4或所使用的工具来调整控制方法。所以，从机床控制装置3的操作面板31，设定与最大加速度、加加速度等相关的各种参数，并存储到参数存储单元311中(S100)。
操作员使用CAD装置2输入产品形状(S200)，基于产品形状，从CAD装置2输出实体模型M(S201)。实体模型M通过网络5被发送至加工控制装置3，加工控制装置3通过输入单元32接收从CAD装置2发送来的实体模型M并存储到模型数据存储单元321中(S101)。进而，操作员从加工控制装置3的操作面板31输入加工工件的进给速度F、偏移值d、进给间隔Pick，并分别存储到进给速度存储单元312、参数存储单元311、进给间隔存储单元、偏移值存储单元中(S102)。
加工控制装置3利用偏移形状生成单元33生成将实体模型M偏移了偏移值d左右的偏移形状S1(S103)，利用工具轨迹生成单元34一边使与XY平面平行的加工面在偏移形状S1上每次以进给间隔Pick沿Z轴方向移动一边生成加工工件时的工具轨迹L(S104)。生成的工具轨迹L被存储到工具轨迹存储单元341中。
接着，在部分轨迹计算单元35中，按照工具轨迹L的曲率求出对工具轨迹L进行分割了的部分轨迹l(S105)。而且，在轴控制数据计算单元36中，生成使工具沿着各部分轨迹l以进给速度F的随动速度移动时的轴控制数据A(S106)。
输出单元37按照沿着工具轨迹的顺序将部分轨迹l1、l2、l3、...、li、...的各轴控制数据A输出给机床4的驱动部45。在驱动部45的轴控制数据接收部46中接收轴控制数据A(S301)，在信号生成部47中按照接收到的顺序，根据轴控制数据A生成用于驱动各轴的信号并输出给主轴放大器48、伺服放大器49(S302)。在该轴控制数据A中记录有部分轨迹的起点以及以一定的时间间隔Δt记录有各轴的速度变化，通过对于各轴从各部分轨迹l的起点开始以一定的时间间隔Δt改变各轴的速度，可以使工具沿着部分轨迹l移动。优选地，通过驱动部45使各轴的速度变化，并且在机床4上设置用于检测各轴的位置的编码器，设置用于调整各轴的速度以避免工具从部分轨迹l脱离的反馈机构。
在上述的实施方式中，对使用球头立铣刀进行加工时的偏移方法进行了说明，但使用平头立铣刀等其他类型的工具来进行加工时，求出与其对应的偏移形状即可。
在上述的实施方式中，对利用以一定的时间间隔记录了速度变化的轴控制数据来进行控制的情况进行了说明，但只要是确定的时间间隔，则也可以不是一定的时间间隔。
另外，对在轴控制数据中以某时间间隔记录各轴的速度的情况进行了说明，但也可以记录速度的变化量。
在上述的实施方式中，对将以一定的时间间隔记录了速度变化的轴控制数据输出给驱动部的情况进行了说明，但也可以将表示各轴速度的时间变化的数学式的数据作为轴控制数据而输出给驱动部，在驱动部中按照所接收到的数学式来使各轴的速度变化。
在本实施方式中，加工控制装置输入实体模型，生成轴控制数据。作为代替，也可以是CAM装置从CAD装置输入实体模型，并将轴控制数据提供给加工控制装置。
CAM装置通过向通用计算机(例如工作站等)的辅助存储装置读入具备用于生成轴控制数据的功能的程序并执行来实现。具备上述功能的程序通过记录介质或网络分发并安装到计算机。

Claims (5)

1.一种加工控制装置，控制具有多个轴且使工具相对于工件移动的机床，上述加工控制装置的特征在于，包括：
工具轨迹存储单元，存储为了加工所述工件而使所述工具相对于所述工件移动的工具轨迹；
进给速度存储单元，存储所述工具加工所述工件的进给速度；
部分轨迹计算单元，将所述工具轨迹分割为曲率越大具有的长度越短的多个部分轨迹；
轴控制数据计算单元，求出通过使所述工具以所述进给速度的随动速度在各部分轨迹上移动而加工所述工件时的该部分轨迹上的各轴位置、以及各轴速度的时间变化作为轴控制数据；
输出单元，将各部分轨迹的轴控制数据输出给一边根据所述轴控制数据改变各轴速度一边使所述工具在所述部分轨迹上移动的所述机床的驱动部。
2.根据权利要求1所述的加工控制装置，其特征在于，所述轴控制数据计算单元以规定的时间间隔求出所述各轴速度的时间变化。
3.根据权利要求1或2所述的加工控制装置，其特征在于，进一步包括参数存储单元，存储与所述机床的加工精度相关的参数；
所述部分轨迹计算单元按照所述参数改变对所述工具轨迹进行分割的间隔。
4.根据权利要求3所述的加工控制装置，其特征在于，所述轴控制数据计算单元根据所述参数求出所述各轴速度，使得在预测为对于以所述进给速度进行加工来说曲率过大的部分轨迹中使工具以小于所述进给速度的速度移动。
5.一种程序，其中，使计算机发挥以下单元的功能：
部分轨迹计算单元，将工具轨迹分割为曲率越大具有的长度越短的多个部分轨迹，该工具轨迹是为了使用具有多个轴且使工具相对于工件移动的机床加工所述工件而使所述工具相对于所述工件移动的轨迹；
轴控制数据计算单元，求出通过使所述工具以预先存储的进给速度的随动速度在各部分轨迹上移动而加工所述工件时的该部分轨迹上的各轴位置、以及各轴速度的时间变化作为轴控制数据；
输出单元，将各部分轨迹的轴控制数据输出给一边根据所述轴控制数据改变各轴速度一边使所述工具在所述部分轨迹上移动的所述机床的驱动部。
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