CN102019564A - 机床的三维轨迹显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种机床的三维轨迹显示装置。该轨迹显示装置具备能够将机床的三维轨迹的误差准确地定量化，并显示或者输出该误差的功能。该轨迹显示装置具有：指令线段定义部，其关于指令位置数据取得部所取得的各指令位置，将连接相邻两点的线段定义为指令线段；以及误差计算部，其定义从实际位置数据取得部所取得的各时刻的实际位置到各个上述指令线段的垂线，将该垂线中的最短的垂线长度、以及连接该实际位置与离该实际位置最近的指令位置的线段的长度两者中的长度更短的一方，作为各实际位置相对于指令路径的误差来计算。

Description

机床的三维轨迹显示装置
技术领域
本发明涉及显示机床的三维轨迹的显示装置。
背景技术
机床的刀具前端部等代表点的轨迹通常呈现为三维曲线。不能够容易地计算出该三维曲线的误差，即实际的轨迹、也就是反馈轨迹相对于所指示的轨迹的偏差，难以直观地掌握误差量。
因此，为了能够容易地掌握误差量，例如在特开平11-143514号公报中公开了一种装置，其合成机床的各轴的位置偏差，根据合成后的位置偏差是否超过了设定边界值改变线型或显示颜色来显示轨迹。
合成后的位置偏差表示实际位置相对于某时刻的指令位置的延迟，并不表示实际位置相对于指令轨迹多大程度地产生偏差。因此，位置偏差的合成值未必正确地表示实际位置相对于指令轨迹的偏差。因此，准确地掌握三维轨迹的误差有困难，另外也存在当确定轨迹上的问题部位、或进行其原因调查时花费时间的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种轨迹显示装置，其具备能够将机床的三维轨迹的误差准确地定量化，并能够显示或者输出该误差的功能。
为了达成上述目的，本发明提供一种轨迹显示装置，其显示由数值控制装置进行三维位置控制的对象物的实际位置的三维轨迹，其中，具有：指令位置数据取得部，其取得离散时刻的所述对象物的指令位置的数据；实际位置数据取得部，其取得离散时刻的所述对象物的实际位置的数据；指令线段定义部，其针对相当于所述指令位置的各点，定义连接时间序列上相邻的两点的指令线段；误差计算部，其计算从各时刻的所述实际位置到各个所述指令线段的垂线中的最短垂线长度、以及连接该实际位置与离该实际位置最近的指令位置的线段的长度中的、长度更加短的一方，作为实际位置相对于指令路径的误差；以及显示所述误差的误差显示部及向外部输出所述误差的输出部的至少一方。
在优选的实施方式中，所述误差计算部仅针对包含与各实际位置的时刻的时间差在预定时间以内的指令位置的指令线段计算各实际位置的误差。
在优选的实施方式中，所述误差显示部显示所述指令位置的三维轨迹，并且作为各实际位置的所述轨迹的显示，在实际位置相对于所述指令路径的误差方向上以预定倍率放大所述误差来进行显示，所述指令路径为所述误差的计算对象。
在优选的实施方式中，所述误差显示部根据所述误差的大小变更轨迹的显示颜色以及粗细的至少一方。
本发明还提供一种机床，其具有上述轨迹显示装置，并使用数值控制装置控制包含旋转轴的多个驱动轴，控制刀具相对于加工物的位置，其中，所述轨迹显示装置根据各驱动轴的指令以及实际位置的信息，计算刀具前端部的三维坐标值，求出所述刀具前端部的指令位置以及实际位置的轨迹，计算所述实际位置相对于所述指令位置的误差然后显示或输出该误差。
通过参照附图说明下面的优选的实施方式来阐明本发明的上述或者其他目的、特征以及长处。
附图说明
图1表示包含本发明的实施方式的轨迹显示装置的系统的概要结构。
图2是表示求出控制对象物的实际位置的误差的步骤的一个例子的流程图。
图3表示控制对象物的指令位置以及实际位置的显示例子。
图4举例表示从一个实际位置对指令轨迹引多条垂线的情况。
图5举例表示无法从一个实际位置对指令轨迹引垂线的情况。
图6表示限定计算实际位置的误差时的指令位置的时间范围的例子。
图7是说明用于放大显示误差的处理的图
图8a是放大显示实际位置的误差之前的显示例子。
图8b是放大显示后的显示例子。
图9表示用指令轨迹的粗细变更来显示误差大的部分的例子。
具体实施方式
图1表示包含本发明的轨迹显示装置的系统结构例。机床的刀具等控制对象物10，由伺服电动机等电动机12经驱动轴11驱动，电动机12由数值控制装置(CNC)14控制。数值控制装置14具有：求出在各时刻对象物10应该位于的指令位置的指令位置运算部16；以及根据由指令位置运算部16计算出的指令位置来控制电动机12的动作的驱动轴控制部18。
本发明的轨迹显示装置20是用于显示控制对象物10的实际位置的三维轨迹的装置，其具有：从数值控制装置14的指令位置运算部16取得离散时刻的指令位置数据的指令位置数据取得部22；从驱动轴控制部18取得离散时刻的实际位置数据的实际位置数据取得部24；以及电动机等的三维轨迹显示部26。三维轨迹显示部26能够显示基于上述指令位置数据的控制对象物10的三维指令位置轨迹、以及基于实际位置数据的控制对象物10的三维实际位置轨迹的至少一方。另外，所谓指令位置轨迹，表示以时间序列用直线连接指令位置而形成的轨迹，所谓实际位置轨迹，表示以时间序列连接相邻的实际位置而形成的轨迹。
轨迹显示装置20还具有：指令线段定义部28，其关于指令位置数据取得部22所取得的各指令位置，将连接相邻两点的线段定义为指令线段；以及误差计算部30，其定义从实际位置数据取得部24所取得的各时刻的实际位置到各个上述指令线段的垂线，并计算该垂线中最短的垂线的长度、以及连接该实际位置与离该实际位置最近的指令位置的线段的长度中长度更短的一方，作为各实际位置相对于指令路径的误差。轨迹显示装置20还具有显示上述误差的监视器等误差显示部32、以及将该误差输出到其他显示设备等外部设备的输出部34中的至少一方。另外，上述轨迹显示部26也可以兼做误差显示部32。
图2是表示本发明的轨迹显示装置中求出各实际位置的误差的步骤的一个例子的流程图。首先，在步骤S1中取得以适当的时间间隔规定的各时刻的三维的指令位置的信息。由此，例如如图3所示，获得控制对象物的代表点应该通过的、按时间序列进行了排序的指令位置Pn、Pn+1、Pn+2、…。
接下来，在步骤S2中取得各时刻的三维的实际位置的信息。具体来讲，通过位置反馈获得实际位置。由此，例如获得如图3所示的控制对象物的代表点实际上所通过的时间序列数据，即实际位置Qm、Qm+1、…。
在接下来的步骤S3中，将在应该求出误差的实际位置中的、在时间序列上最初的实际位置的时刻t1设定为第1开始时刻。然后在接下来的步骤S4中，将在应该求出与上述实际位置的误差的指令轨迹中所包含的指令位置中的最初的指令位置的时刻t2设定为第2开始时刻。
在接下来的步骤S5中，将连接时刻t2的指令位置与时刻t2+Δt2的指令位置的线段设定为指令线段。在图3的例子中，设时刻t2的指令位置为Pn、时刻t2+Δt2的指令位置为Pn+1，表示了连接两指令位置的指令线段为线段36。
接下来，在步骤S6中判断从时刻t1的实际位置到所设定的指令线段的垂线是否存在，当存在时求出该垂线的长度。在图3的例子中，能够从实际位置Qm向指令线段36做垂线38，因此计算垂线38的长度d1，并作为实际位置Qm的误差的候补，存储在适当的存储器中。
接下来，在步骤S7中计算在时刻t1的实际位置Qm与时刻t2的指令位置Pn之间连接的线段37的长度，然后在步骤S8中计算在实际位置Qm与时刻t2+Δt2的指令位置Pn+1之间连接的线段39的长度。将线段37以及39的长度作为实际位置Qm的误差的候补，存储在适当的存储器中。
在接下来的步骤S9中，判断时刻t2是否到达预定的第2结束时刻，当还没有到达时，进入步骤S10，将t2+Δt2代入时刻t2。即，接下来在步骤S5中进行的处理，若用图3的例子来说，则成为求出连接指令位置Pn+1与Pn+2的指令线段40的处理。另外，通常把第2结束时刻设定为相当于在应该求出与上述实际位置的误差的指令轨迹中所包含的指令位置中的最后指令位置的时刻。
在步骤S9中，当判断出时刻t2已经到达了预定的第2结束时刻时，进入步骤S11，将从实际位置Qm延伸到指令线段的垂线长度(当如后述的图4那样垂线有多个时，为最短的垂线长度)、以及在步骤S7、S8中所求出的连接实际位置与指令位置的线段(在图3的例子中为37、39)的长度最短的线段两者中的、长度更加短的一方，设定为实际位置Qm相对于指令轨迹的误差。在图3的例子中，实际位置Qm的误差为垂线38的长度d1、同样，实际位置Qm+1的误差为垂线42的长度d2。
图4是说明从一个实际位置对指令轨迹(指令线段)引多条垂线的情况的图。如图4所示，根据实际位置，有可能对多条指令线段引垂线。此时，如上所述将最短的垂线长度作为应该求出的误差的候补。例如在图4的例子中，从实际位置Qm对线段44所引的垂线46的长度d3比从实际位置Qm对线段48所引的垂线50的长度d4短，因此将d3作为误差的候补来存储。另外，关于连接实际位置Qm与指令位置Pn、Pn+1的线段47、49，线段47较短，但是与线段47的长度相比，垂线46的长度d3更短，因此最终将d3设定为实际位置Qm的误差。
另外，如图5举例所示，有可能从实际位置Qm对指令轨迹一条垂线也不能引。此时，将连接实际位置Qm和与实际位置Qm的距离最短的指令位置的线段的长度作为误差。例如在图5的情况下，与实际位置Qm最近的指令位置为Pn+1，因此将连接实际位置Qm与指令位置Pn+1的线段51的长度d5设定为实际位置Qm的误差。
在步骤S12中，判断指令位置的时刻t1是否到达预定的第1结束时刻，当没有到达时，进入步骤S13，将t1+Δt1代入到时刻t1中。即，接下来在步骤S4以后所进行的处理，若用图3的例子来说，则为求出实际位置Qm+1与指令轨迹的误差的处理。因此，通常根据要求出误差的实际位置中的最迟的时刻来决定第1结束时刻。
图6表示当计算实际位置的误差时，设定以各实际位置的时刻作为基准的时间范围来减轻处理的例子。如图6所示，当多个指令轨迹L1～L6接近时，有时会发生计算与不同于应该作为求出实际位置Qm的误差的对象的指令轨迹(在此为L2)的轨迹的距离的情况。为了避免这种情况，有效的方法是将包含与实际位置Qm在时间上接近的指令位置的指令线段作为对象来进行误差计算。具体来讲，提取与实际位置Qm的时刻的时间差在预定值以内的指令位置(在此为Pm-k-Pm+k)，只将包含所提取的指令位置的指令线段(图6中的虚线所示)作为实际位置Qm的误差计算的对象。如此，与实际位置Qm的时刻大为不同的L2以外的指令轨迹不作为计算对象，也能够减轻轨迹显示装置的处理负担。
在本发明中，能够使得在视觉上容易识别实际位置的误差大的部位。具体来讲，如图7所示，将从各实际位置延伸到指令轨迹的垂线，在从该实际位置到指令位置的相反侧在垂线方向上(即不改变朝向地)以预定的倍率进行延长，连接延长后的垂线的端点，作为实际位置的轨迹进行表示。在图7的例子中，例如将表示实际位置Qm的误差的垂线38延长到两倍而得到实际位置Qm’，将表示实际位置Qm+1的误差的垂线42延长到两倍而得到实际位置Qm+1’。如此，例如当基于实际位置Qm以及Qm+1的实际位置轨迹52以图8a的A部分所示的程度从指令轨迹54偏离时，如图8b的B部分所示，在基于实际位置Qm’以及Qm+1’的实际位置轨迹56中，与实际相比误差被夸张地进行显示。从而，操作者能够更加容易地辨认出误差大的实际位置。另外，即使在如图5所示那样不存在垂线的情况下，同样以预定倍率将连接实际位置与离实际位置最近的指令位置的线段在实际位置一侧进行放大即可。
作为强调实际位置的误差的其它手段，例如也可以如图9所示，不显示实际位置或者实际位置轨迹，而变更与误差大的实际位置(实际位置轨迹)对应的指令轨迹的粗细。例如如图9的C部分所示，不像图8a、8b那样显示实际位置或者实际位置轨迹，而是将对应的指令轨迹54的一部分58显示得比其他部分粗，从而使操作者能够容易地辨认出误差大的实际位置。另外，也可以替代指令轨迹的粗细变更，或者在此之外使得对应的指令轨迹的显示颜色与其它部分不同。或者，也可以如图8a或者8b那样显示实际位置的轨迹，并变更该轨迹的显示颜色及粗线的至少一方。
当控制对象呈现复杂的三维轨迹时，例如上述数值控制装置为在机床中控制包含旋转轴的多个驱动轴，并控制刀具相对于加工物的位置的装置时，本发明的轨迹显示装置特别有利。此时，轨迹显示装置能够根据针对各驱动轴的指令以及实际位置的信息来计算刀具前端部的三维坐标值，并且求出刀具前端部的指令位置及与其对应的实际位置的轨迹，如上述那样计算实际位置(实际位置轨迹)相对于指令位置的误差，然后进行显示或者输出。
根据本发明，能够比以往更加准确地掌握控制对象物的三维实际位置或者实际位置轨迹的误差。另外，通过将所求出的误差输出到显示部或者其他设备，能够在视觉上识别误差。从而能够缩短确定轨迹上的问题部位、或对该问题的原因进行调查时所需的时间。
通过将求出实际位置的误差时所使用的指令位置的范围限定为与该实际位置的时刻的时间差在预定时间以内的指令位置，能够排除不应该与实际位置进行比较的指令轨迹，能够减轻计算处理负担。
通过根据误差的大小变更轨迹的显示颜色或线的粗细、或者按预定倍率放大误差，能够更加容易地识别误差。
如果将本发明的轨迹显示装置应用于机床中，则能够通过简单的处理准确地求出呈现复杂的三维轨迹的刀具前端部的实际位置的误差。
参照为了说明而选定的特定的实施方式对本发明进行了说明，但是本领域技术人员明白，在不脱离本发明的基本概念以及范围的前提下能够进行多种变更。

Claims (5)

1.一种轨迹显示装置(20)，显示由数值控制装置(14)进行三维位置控制的对象物(10)的实际位置的三维轨迹，该轨迹显示装置的特征在于，
具有：
指令位置数据取得部(22)，其取得离散时刻的所述对象物的指令位置的数据；
实际位置数据取得部(24)，其取得离散时刻的所述对象物的实际位置的数据；
指令线段定义部(28)，其针对相当于所述指令位置的各点，定义连接时间序列上相邻的两点的指令线段(36、40)；
误差计算部(30)，其计算从各时刻的所述实际位置到各个所述指令线段的垂线(38、42)中的最短垂线长度、以及连接该实际位置与离该实际位置最近的指令位置的线段(37、39)的长度中的、长度更加短的一方，作为实际位置相对于指令路径的误差；以及
显示所述误差的误差显示部(32)及向外部输出所述误差的输出部(34)的至少一方。
2.根据权利要求1所述的轨迹显示装置，其特征在于，
所述误差计算部(30)仅针对包含与各实际位置的时刻的时间差在预定时间以内的指令位置的指令线段计算各实际位置的误差。
3.根据权利要求1所述的轨迹显示装置，其特征在于，
所述误差显示部(32)显示所述指令位置的三维轨迹，并且作为各实际位置的所述轨迹的显示，在实际位置相对于所述指令路径的误差方向上以预定倍率放大所述误差来进行显示，所述指令路径为所述误差的计算对象。
4.根据权利要求1所述的轨迹显示装置，其特征在于，
所述误差显示部(32)根据所述误差的大小变更轨迹的显示颜色以及粗细的至少一方。
5.一种机床，具有权利要求1～4的任意一项所述的轨迹显示装置(20)，并使用数值控制装置(14)控制包含旋转轴的多个驱动轴(11)，控制刀具(10)相对于加工物的位置，该机床的特征在于，
所述轨迹显示装置(20)根据各驱动轴(11)的指令以及实际位置的信息，计算刀具前端部的三维坐标值，求出所述刀具前端部的指令位置以及实际位置的轨迹，计算所述实际位置相对于所述指令位置的误差，然后显示或输出该误差。
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