CN102331744A - 具有控制圆弧动作的速度的功能的机床的数值控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有控制圆弧动作的速度的功能的机床的数值控制装置，该数值控制装置根据加工路径的圆弧半径和伺服的位置控制能够响应的允许频率(或者允许角速度)来计算可行的第一进给速度。并且，根据加工路径的圆弧半径和伺服的位置控制能够响应的允许加速度计算可行的第二进给速度。然后，选择指令的进给速度和所述计算出的第一、第二进给速度中的最小的速度来进行速度控制。

Description

具有控制圆弧动作的速度的功能的机床的数值控制装置

技术领域

本发明涉及控制机床的数值控制装置，特别是涉及具有在圆弧动作中，根据任意设定或指令的频率或者角速度控制圆弧的切线方向的速度的功能的机床的数值控制装置。

背景技术

在控制机床的数值控制装置中，在加工路径为圆弧时的速度控制中，为了使由于轴的移动方向变化而产生的加速度成为任意设定或指令的加速度以下，进行速度控制。但是，即使设定了相同的加速度，随着圆弧半径变小或者指令速度变大，对伺服系统指令的频率上升。结果，在伺服系统中发生超过其位置控制的响应周期变得不安定的现象，此时，通常通过伺服或数值控制发出报警，使控制轴的动作停止。但是，当在加工过程中轴动作停止，则会发生划伤加工物、恢复加工要花费时间等问题。

在实际进行加工的范围内，预先任意设定或指令允许加速度，为了不达到速度指令值或转矩指令值的饱和来进行速度控制。但是，仅通过根据允许加速度进行速度控制，在进行微小圆弧加工时会发生无法进行充分的进给速度的限制(锁定)，或当想要进行充分的速度锁定时，加工时间大幅延长的问题。

在日本特开2003-334740号公报中公开了如下技术：根据指令路径以及指令速度生成各时刻的速度指令，计算该生成的各时刻的速度指令中包含的与机械振动对应的频带的成分，由此求出与机械振动对应的频率成分，求出该求出的频率成分为基准值以下的允许速度。

在日本特开昭63-303402号公报中公开了使用与圆弧中心有关的角速度目标值修正圆弧轨迹的速度指令的技术。该技术是用于修正圆弧的路径的速度控制，通过前馈控制使指令轨迹和响应轨迹的轨迹误差变小的技术。

上述的日本特开2003-334740号公报以及日本特开昭63-303402号公报不是通过半径小的圆弧的插补来加工形状的速度锁定的技术。

发明内容

因此，本发明是鉴于上述问题而提出的、目的在于提供一种机床的数值控制装置，该控制装置在通过圆弧插补或连续的微小线段块进行曲面加工时，通过伺服的位置控制能够响应的频率或角速度锁定该曲线的切线方向的速度(进给速度)，进行伺服的速度指令值或转矩指令值不饱和地连续的工件加工。

本发明的控制机床的数值控制装置的第一方式按照加工程序指令的圆弧的半径以及进给速度进行圆弧插补，具备：根据预先设定或者所述加工程序指令的、伺服的位置控制能够响应的频率或者角速度以及所述指令的圆弧的半径，计算第一允许进给速度的单元；比较单元，其比较所述指令的进给速度和所述计算出的第一允许进给速度；以及控制单元，其在所述比较单元的比较结果是所述指令的进给速度为所述第一允许进给速度以上时，将所述第一允许进给速度作为进给速度进行速度控制。

所述数值控制装置还可以具有根据所述指令的圆弧的半径和预先设定的允许加速度来计算第二允许进给速度的单元。并且，所述比较单元除了比较所述指令的进给速度和所述第一允许进给速度外，还比较所述指令的进给速度和所述第二允许进给速度，所述控制单元提取所述比较单元比较的多个进给速度中的最小的进给速度，通过该提取出的进给速度进行速度控制。

本发明的控制机床的数值控制装置的第二方式为预先读出由连续的指令块构成的加工块然后进行加工，具备根据执行中的块和该块的前面以及/或者后面的块来计算该块的曲率半径的单元；根据预先设定或指令的、伺服的位置控制能够响应的频率或角速度以及所述计算出的曲率半径来计算第一允许进给速度的单元；比较单元，其比较在所述指令块中指令的进给速度和所述计算出的第一允许进给速度；以及控制单元，其在所述比较单元的比较结果是所述第一允许进给速度小于所述指令的进给速度时，将所述第一允许进给速度作为进给速度进行速度控制。

所述数值控制装置还可以具有根据所述计算出的块的曲率半径和预先设定的允许加速度来计算第二允许进给速度的单元。然后，所述比较单元除了比较所述指令的进给速度和所述第一允许进给速度外，还比较所述指令的进给速度和所述第二允许进给速度，所述控制单元提取所述比较单元比较的多个进给速度中的最小的进给速度，通过该提取出的进给速度进行速度控制。

通过本发明的机床的控制装置，在通过圆弧插补或连续的微小线段块进行曲面加工时，通过伺服的位置控制能够响应的频率或角速度来锁定该曲线的切线方向速度，因此能够使伺服的速度指令值或转矩指令值不饱和地进行连续的工件的加工。

附图说明

通过参照附图说明以下的实施例，本发明的上述以及其它目的和特征将会变得清楚。在这些附图中，

图1是用于说明在基于允许加速度进行的速度控制下的锁定速度和基于允许角速度(或允许频率)进行的速度控制下的锁定速度的关系的曲线图。

图2是用于说明设允许角速度为63[rad/sec]，允许加速度为6000[mm/sec²]，基于允许加速度进行的速度控制和基于允许频率(或者允许角速度)进行的速度控制的锁定速度的关系的曲线图。

图3是用于说明圆弧插补时的速度控制的处理的算法的流程图。

图4说明使块长为1[mm]的直线插补连续63块的圆弧和使块长为0.3[mm]的直线插补连续21块的圆弧构成的加工路径的一个例子。

图5A以及图5B说明通过连续的指令块的速度控制的处理的算法。

图6是本发明的数值控制装置的一个实施方式的框图。

具体实施方式

本发明的数值控制装置在进行圆弧加工时，根据允许加速度来控制速度，并且根据伺服能够允许的频率(或者角速度)来控制速度。

根据预先设定的或者执行加工程序时指令的、伺服的位置控制能够响应的允许频率(或者允许角速度)和加工路径的圆弧半径(或者曲率半径)，自动地计算可行的进给速度。然后，在指令的进给速度大于计算出的可行的进给速度时，通过计算出的可行的进给速度进行锁定。另外，在基于允许加速度进行的速度控制也同时有效时，自动地判断所述的“指令的进给速度”、所述的“计算出的可行的进给速度”、以及“通过基于允许加速度进行的速度控制求出的进给速度”中的最小的速度，进行进给速度的锁定。

在圆弧插补中，在指令插补时，同时指令预先生成的圆弧的半径和进给速度。通过设定或者指令在伺服的位置控制能够响应的范围内的能够允许的频率(或者角速度)，在分析插补指令时，根据圆弧半径和允许频率(或者允许角速度)计算能够允许的进给速度。在指令的进给速度大于上述计算出的能够允许的进给速度时，对该指令的进给速度进行锁定。

当设指令进给速度为Fc[mm/min]，指令半径为R[mm]时，指令的圆弧的指令频率(圆弧指令频率)ν_C、或指令的圆弧的指令角速度(圆弧指令角速度)ω_C如以下公式(1)以及公式(2)那样。

${\mathrm{\ν}}_C=\frac{1}{\frac{2\mathrm{\πR}}{F_C}\×60}\left[\mathrm{Hz}\right]---\left(1\right)$

${\mathrm{\ω}}_C=\frac{1}{\frac{R}{F_C}\×60}[\mathrm{rad}/\sec ]---\left(2\right)$

通过采用上述公式(1)求出的圆弧指令频率ν_C或采用上述的公式(2)求出的圆弧指令角速度ω_C不超过伺服的位置控制能够响应的频率或角速度的允许频率ν_L或允许角速度ω_L来限制(锁定)指令进给速度F_C。当使用频率ν_L或角速度ω_L表示指令进给速度F_C的限制速度(锁定速度)F_L，则成为下面的公式(3)或者公式(4)。

F_L＝2πRν_L×60[mm/min]                   (3)

F_L＝Rω_L×60[mm/min]                      (4)

在指令进给速度F_C大于通过上述的公式(3)或者公式(4)求出的锁定速度F_L时(F_C＞F_L)时，将限制速度(锁定速度)F_L作为进给速度使用。

在同时使用基于圆弧插补的加速度进行的速度控制时，还与通过基于加速度进行的速度控制求出的进给速度进行比较，将速度更小的一方作为进给速度。

在基于圆弧插补的加速度进行的速度控制中，如下述的公式(5)所示，根据允许的加速度Aclmp[mm/sec²]和圆弧半径R[mm]进行速度的控制。

$F_L=\sqrt{\mathrm{Aclmp}\×R}\×60[\mathrm{mm}/\min ]---\left(5\right)$

图1是说明基于允许加速度Aclmp进行的速度控制下的锁定速度和基于允许角速度ω_L(或者允许频率ν_L)进行的速度控制下的锁定速度的关系的曲线图。

在该图1的曲线图中，在基于允许频率ν_L或允许角速度ω_L进行的速度控制中，根据上述的公式(3)或公式(4)，将锁定速度F_L表示为与圆弧半径R成比例的直线。另一方面，在基于加速度进行的速度控制中，根据上述公式(5)以圆弧半径R的1/2次幂的曲线来表示锁定速度F_L。

(实施方式1)

在此，对允许角速度ω_L、允许加速度Aclmp赋予具体的数值来说明本发明。

将允许角速度ω_L设为63[rad/sec]，将允许加速度Aclmp设为6000[mm/sec²]，并用基于允许角速度ω_L进行的速度控制和基于允许加速度Aclmp进行的速度控制，考虑通过加工程序以5000[mm/min]的进给速度连续执行半径10[mm]的一个圆周的圆弧插补和半径1[mm]的一个圆周的圆弧插补的情况。

根据图2的曲线图可知，在半径10[mm]的圆弧中，通过基于允许加速度Aclmp进行的速度控制求出的速度14697[mm/min]小于指令进给速度Fc(＝5000)，因此通过该指令进给速度(＝5000)进行加工。另一方面，在半径1[mm]的圆弧中，通过基于允许角速度ω_L(63rad/sec)进行的速度控制求出的速度3780[mm/min]小于指令进给速度Fc(＝5000)，因此使用通过基于该允许角速度进行的速度控制求出的速度锁定进给速度，来进行加工。

.通过基于允许加速度Aclmp进行的速度控制求出的锁定速度F_L，当在上述的公式(5)中设Aclmp＝6000、R＝10时，为

$F_L=\sqrt{(6000\×10)}\×60$

$=14697(\mathrm{mm}/\min )$

.通过基于允许角速度ω_L进行的速度控制求出的锁定速度F_L，当在上述的公式(4)中设ω_L＝63、R＝1时，为

F_L＝1×63×60

＝3780(mm/min)。

图3是用于说明圆弧插补时的速度控制的处理的算法的流程图。以下按照各步骤进行说明。另外，在该流程图内，距离单位为[mm]，另外，将速度、加速度、角速度的单位分别设为[mm/sec]、[mm/sec²]、[deg/msec]。

[步骤SA100]分析加工程序中的圆弧指令代码，取得指令半径R、指令进给速度F_C。

[步骤SA101]根据是否预先设定或者指令了允许加速度Aclmp，来判断基于允许加速度进行的速度控制是否有效，在有效时，移动到步骤SA102，无效时，移动到步骤SA105。

[步骤SA102]计算基于允许加速度Aclmp的锁定速度Fclmp_a。

$\mathrm{Fclmp}\_a=\sqrt{\mathrm{Aclmp}}\×R$

[步骤SA103]判断在步骤SA100中读入的指令进给速度F_C是否为锁定速度Fclmp_a以上，当F_C≥Fclmp_a时，移动到步骤SA104，另一方面，当F_C＜Fclmp_a时，移动到步骤SA105。

[步骤SA104]把进给速度F_C设定为基于允许加速度的锁定速度Fclmp_a(F_C←Fclmp_a)。

[步骤SA105]根据是否预先设定或者指令了允许角速度ω_L，来判断基于允许角速度进行的速度控制是否有效，有效时，移动到步骤SA106，无效时，移动到步骤SA109。

[步骤SA106]计算基于允许角速度ω_L的锁定速度Fclmp_b。

Fclmp_a＝R×ω_L

[步骤SA107]判断在步骤SA100中读入的指令进给速度F_C是否为锁定速度Fclmp_b以上，当F_C≥Fclmp_b时，移动到步骤SA108，另一方面，当F_C＜Fclmp_b时，移动到步骤SA109。

[步骤SA108把进给速度F_C设定为基于允许角速度ω_L的锁定速度Fclmp_b(F_C←Fclmp_b)。

[步骤SA109]执行圆弧插补，即根据进给速度F_C和通过步骤SA100取得的指令半径R来计算分配量。然后，结束该处理。

(实施方式2)

接着，说明基于连续的指令块进行曲线加工时的速度控制。

目前公知如下技术：预先从在数值控制装置中执行的加工程序中读出连续的指令块，分析并执行指令块的内容。使用该公知技术，预先读出连续的多个指令块，根据某个指令块的前面的块以及/或者后面的块求出该指令块中的曲率半径，根据该曲率半径和允许频率ν_L或者允许角速度ω_L来计算可允许的进给速度。

当指令的进给速度大于所述计算出的可允许的进给速度时，以该可允许的进给速度进行锁定，以该锁定后的进给速度来执行各块，并且进行控制以便在根据设定的允许频率ν_L或允许角速度ω_L获得的锁定速度以下进行动作。

在此，对允许角速度ω_L、允许加速度Aclmp赋予具体的数值来说明本发明。在此，设允许角速度ω_L为63[rad/sec]，设允许加速度Aclmp为6000[mm/sec²]。

并用基于允许角速度ω_L进行的速度控制和基于允许加速度Aclmp进行的速度控制，在数值控制装置能够进行预读的状态下，考虑通过进给速度5000[mm/min]来执行程序，所述程序首先执行构成图4所示的加工路径的、使块长为1[mm]的直线插补连续63个块的圆弧的加工，然后，执行使块长为0.3[mm]的直线插补连续21个块的圆弧的加工。

通过图5A以及图5B所示的流程图的处理可知，从加工程序中预先读出连续的指令块，从某指令块的前后的指令块的信息中取得该指令块的信息。根据各块间的曲率半径进行基于允许加速度Aclmp进行的速度控制和基于允许角速度ω_L进行的速度控制，决定进给速度。

在通过块长1[mm]的63个块生成的圆弧中，根据块长与块之间所成的角θr(360÷63＝约5.714[deg]，各块的曲率半径R约为10[mm]。

同样，在通过块长0.3[mm]的21个块生成的圆弧中，根据块长与块之间所成的角θr(360÷21≈17.143[deg]，曲率半径r约为1[mm]。

然后，与实施方式1相同，根据求出的所述曲率半径R、r，进给速度在执行块长1[mm]的63个块的过程中，成为通过加工程序指令的指令进给速度即5000[mm/min]，另外，在执行块长0.3[mm]的21块的过程中，锁定为通过基于允许角速度ω_L进行的速度控制求出的限制速度(锁定速度)即3770[mm/min]。

图5A以及图5B于说明通过连续的指令块的速度控制的处理的算法。另外，在该流程图内，距离的单位为[mm]，速度、加速度、角速度的单位分别为[mm/sec]、[mm/sec²]、[deg/msec]。

[步骤SB100]通过加工程序的块的预读，取得作为指令块的内容的两轴的指令码X、Y以及指令进给速度F_C。

[步骤SB101]判断在步骤SB100中读出的指令块与其前后的几个块的关系是否为曲线，当为曲线时，移动到步骤SB102，当未成为曲线时，移动到步骤SB111。

[步骤SB102]计算在步骤SB100中读出的指令块和其前后的指令块形成的曲线的曲率半径R。

[步骤SB103]根据是否预先设定了允许加速度Aclmp来判断基于允许加速度进行的速度控制是否有效，当有效时，移动到步骤SB104，当无效时，移动到步骤SB107。

[步骤SB104]计算基于允许加速度Aclmp的锁定速度Fclmp_a。

$\mathrm{Fclmp}\_a=\sqrt{\mathrm{Aclmp}}\×R.$

[步骤SB105]判断在步骤SB100中读入的指令进给速度F_C是否在锁定速度Fclmp_a以上，当F_C≥Fclmp_a时，移动到步骤SB106，另一方面，当F_C＜Fclmp_a时，移动到步骤SB107。

[步骤SB106]将进给速度F_C设定为锁定速度Fclmp_a。

[步骤SB107]根据是否预先设定了允许角速度ω_L来判断基于允许角速度进行的速度控制是否有效，当有效时，移动到步骤SB108，当无效时，移动到步骤SB111。

[步骤SB108]计算基于允许角速度ω_L的锁定速度Fclmp_b。Fclmp_b＝R×ω_L。

[步骤SB109]判断在步骤SB100中读入的指令进给速度F_C是否在锁定速度Fclmp_b以上，当F_C≥Fclmp_b时，移动到步骤SB110，另一方面，当F_C＜Fclmp_b时，移动到步骤SB111。

[步骤SB110]将进给速度F_C设定为基于允许角速度的锁定速度Fclmp_b。(F_C←Fclmp_b)

[步骤SB111]执行圆弧插补，即根据进给速度F_C和在步骤SB100中取得的指令半径R来计算分配量。然后，结束该处理。

图6是本发明的数值控制装置的一个实施方式的框图。该数值控制装置具备预先读出分析并执行加工程序的多个块的功能。预读功能是公知的现有技术，因此省略其详细说明。

CPU21是用于整体控制4轴加工机用数值控制装置100的处理器。CPU21经由总线38读出存储在存储器22的ROM区域中的系统程序，根据该读出的系统程序控制数值控制装置100的整体。在存储器22的RAM区域中存储临时的计算数据、显示数据以及操作员经由显示器/MDI单元50输入的各种数据。此外，在由存储器22的SRAM等构成的非易失性存储器区域中存储经由接口23读入的加工程序、经由显示器/MDI单元50输入的加工程序等。

接口23能够将4轴加工机用数值控制装置100与适配器等外部设备(未图示)连接。从外部设备(未图示)读入加工程序或各种参数等。另外，可以经由所述外部设备把在4轴加工机用数值控制装置10内编辑的加工程序存储在外部存储装置中。PMC(可编程序控制器)24通过内置在数值控制装置100中的序列程序经由I/O单元25向机床的辅助装置输出信号来进行控制。另外，接收配置在机床本体上的操作盘的各种开关等的信号，在进行必要的信号处理后，交给CPU21。

显示器/MDI单元50是具备显示器、键盘等的手动数据输入装置，接口26接收来自显示器/MDI单元50的键盘的指令或数据，然后转交给CPU21。接口27与具备手动脉冲发生器等的操作盘51连接。

各轴的轴控制电路28、30、32、34接受来自CPU21的各轴的移动指令量，将各轴的指令输出到伺服放大器29、31、33、35。伺服放大器29、31、33、35接受该直流，驱动通过数值控制装置100控制的4轴加工机的各轴(X、Y、Z、C轴)的伺服电动机39～42。各轴进行位置/速度的反馈控制(在图6中省略该结构)。

伺服电动机39～42驱动4轴加工机的X、Y、Z、C轴，主轴控制电路36接受主轴旋转指令，将主轴速度信号输出到主轴放大器37。主轴放大器37接受主轴速度信号，使主轴电动机43按照指令的转速旋转。

Claims (4)

1.一种控制机床的数值控制装置，其根据加工程序指令的圆弧的半径以及进给速度进行圆弧插补，该数值控制装置的特征在于，具备：

根据预先设定或者所述加工程序指令的、伺服的位置控制能够响应的频率或者角速度以及所述指令的圆弧的半径，计算第一允许进给速度的单元；

比较单元，其比较所述指令的进给速度和所述计算出的第一允许进给速度；以及

控制单元，其在所述比较单元的比较结果是所述指令的进给速度为所述第一允许进给速度以上时，将所述第一允许进给速度作为进给速度进行速度控制。

2.根据权利要求1所述的控制机床的数值控制装置，其特征在于，

还具备根据所述指令的圆弧的半径和预先设定的允许加速度来计算第二允许进给速度的单元，

所述比较单元除了比较所述指令的进给速度和所述第一允许进给速度外，还比较所述指令的进给速度和所述第二允许进给速度，

所述控制单元提取所述比较单元比较的多个进给速度中的最小的进给速度，通过该提取出的进给速度进行速度控制。

3.一种控制机床的数值控制装置，其预读由连续的指令块构成的加工块来进行加工，该数值控制装置的特征在于，具备：

根据执行中的块和该块的前面以及/或者后面的块来计算该块的曲率半径的单元；

根据预先设定或指令的、伺服的位置控制能够响应的频率或角速度以及所述计算出的曲率半径来计算第一允许进给速度的单元；

比较单元，其比较在所述指令块中指令的进给速度和所述计算出的第一允许进给速度；以及

控制单元，其在所述比较单元的比较的结果是所述第一允许进给速度小于所述指令的进给速度时，将所述第一允许进给速度作为进给速度进行速度控制。

4.根据权利要求3所述的控制机床的数值控制装置，其特征在于，

还具备根据所述计算出的块的曲率半径和预先设定的允许加速度来计算第二允许进给速度的单元，

所述比较单元除了比较所述指令的进给速度和所述第一允许进给速度外，还比较所述指令的进给速度和所述第二允许进给速度，

所述控制单元提取所述比较单元比较的多个进给速度中的最小的进给速度，通过该提取出的进给速度进行速度控制。

Images