CN102402199B - 控制刀具前端点位置的多轴加工机用数值控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数值控制装置，其控制具有三个直线轴和三个旋转轴的多轴加工机。特别在工作台坐标系上指令并插补刀具前端点的路径，同时指令并插补旋转轴，根据作为被插补后的刀具前端点位置的直线轴位置、旋转轴位置以及刀具长度修正矢量求出作为机械坐标系的控制点的直线轴位置以及旋转轴位置。然后驱动直线轴以及旋转轴到这些求得的位置。

Description

控制刀具前端点位置的多轴加工机用数值控制装置

技术领域

本发明涉及控制具有至少三个直线轴和三个旋转轴的多轴加工机的数值控制装置。特别涉及如下数值控制装置：在被定义在工作台上、并随工作台的移动一同移动的工作台坐标系上，在指令并插补刀具前端点的路径的同时指令并插补旋转轴，并根据作为被插补后的刀具前端点位置的直线轴位置、旋转轴位置以及刀具长度修正矢量来求出作为机械坐标系的控制点的直线轴位置以及旋转轴位置，驱动直线轴以及旋转轴到这些求出的位置。还涉及能够对被插补后的刀具前端点位置、刀具长度修正矢量或者旋转轴位置相加通过手动(手动手柄(handle)进给、微动(jog)进给等)指令进行的直线轴移动量或者旋转轴移动量的数值控制装置。

背景技术

在日本特开2003-195917号公报(与欧洲公开公报EP1302829A2对应)中，公开了在工作台上定义的坐标系中使用对直线移动轴进行插补的第一插补单元和对旋转移动轴进行插补的第二插补单元，根据旋转移动轴的插补位置来修正直线移动轴的插补位置的技术。但是，关于该专利文献记载的技术，从其中记载的实施方式可知，其是以具有三个直线移动轴和两个旋转移动轴的五轴加工机为前提。该专利文献中记载的计算方法也仅公开了具有三个直线移动轴和两个旋转移动轴的五轴加工机用的计算方法。该技术在五轴加工机中一般被称为刀具前端点控制。

在日本特开昭57-73409号公报(与欧洲公开公报EP0063606A1对应)中，公开了通过手动指令使刀具在刀具轴方向移动的技术。另外，在日本特开昭57-75309号公报(与欧洲公开公报EP0063615A1对应)中，公开了相对通过手动指令的两个旋转轴的动作使X、Y、Z轴动作以维持刀具前端点和工件的相对的位置关系的技术。但是，关于这些专利文献记载的技术，从其实施方式看，是以具有三个直线轴和两个旋转轴的五轴加工机为前提，而且计算方法也仅公开了具有三个直线轴和两个旋转轴的五轴加工机使用的计算方法。这些专利文献记载的技术，在五轴加工机中一般被称为三维手动进给。

在日本特开2009-110083号公报(与德国公开公报DE102008043182A1对应)中，公开了具有有可能与上述日本特开昭57-73409号公报以及日本特开昭57-75309号公报记载的技术相当的技术，但是未公开具体的计算方法等。

发明内容

在上述日本特开2003-195917号公报、日本特开昭57-73409号公报以及日本特开昭57-75309号公报记载的五轴加工机中，大体区分有“刀具头旋转型”、“工作台旋转型”、“混合型(刀具头和工作台两者都旋转)”三种。

本发明不是以五轴加工机为对象，而是以至少由三个直线轴和三个旋转轴组成的多轴加工机。图1～图4是本发明的数值控制装置控制的多轴加工机的例子。图1表示的例子是用三个旋转轴旋转刀具头的刀具头旋转型。图2表示的例子是工作台两轴混合型(用两个旋转轴旋转工作台、用一个旋转轴旋转刀具头)，图3表示的例子是刀具头两轴混合型(用两个旋转轴旋转刀具头、用一个旋转轴旋转工作台)，图4表示的例子是用三个旋转轴旋转工作台的工作台旋转型。

本发明的课题是提供一种数值控制装置，其能够在至少由三个直线轴和三个旋转轴组成的多轴加工机中进行在上述现有技术中叙述的刀具前端点控制或者三维手动进给，控制该多轴加工机。

本发明的第一方式涉及一种数值控制装置，其控制的多轴加工机的通过控制刀具相对于安装在工作台上的工件的位置的至少三个直线轴、和在从刀具到工作台的机械结构上的轴顺序中的第一旋转轴、第二旋转轴以及第三旋转轴的三个旋转轴，通过自动运行控制刀具相对于上述工件的位置和方向，进行加工，该数值控制装置具有：移动指令解析单元，用于解析属于所述三个直线轴的直线轴的直线轴移动指令、属于所述三个旋转轴的旋转轴的旋转轴移动指令、以及刀具长度修正指令，并根据所述刀具长度修正指令生成刀具长度修正矢量；直线轴插补单元，用于在每一插补周期，在定义在所述工作台上的工作台坐标系中插补所述直线轴移动指令，得到刀具前端点位置；旋转轴插补单元，用于在每一插补周期插补所述旋转轴移动指令，得到所述第一旋转轴的第一旋转轴位置、所述第二旋转轴的第二旋转轴位置以及所述第三旋转轴的第三旋转轴位置；自动运行控制点位置运算单元，用于在每一插补周期，根据所述刀具长度修正矢量、所述第一旋转轴位置、所述第二旋转轴位置、所述第三旋转轴位置、所述刀具前端点位置以及工作台坐标系原点，得到所述刀具的前端点位置成为所述刀具前端点位置的控制点位置；以及向所述控制点位置驱动所述三个直线轴，向所述第一旋转轴位置、所述第二旋转轴位置以及所述第三旋转轴位置驱动所述三个旋转轴的单元。

所述自动运行控制点位置运算单元可以在每一插补周期进行Pm＝Rt^-1*{Tp+Rc*Rb*Ra*V1}+P0的计算，计算控制点位置Pm，其中，Rt^-1是进行从工作台坐标系向机械坐标系的变换的旋转变换矩阵，Tp是刀具前端点位置，Ra是根据第一旋转轴位置的第一旋转轴矩阵，Rb是根据第二旋转轴位置的第二旋转轴矩阵，Rc是根据第三旋转轴位置的第三旋转轴矩阵，V1是刀具长度修正矢量，P0是工作台坐标系原点。

所述的数值控制装置还可以具有：旋转轴手动累计单元，用于累计针对所述三个旋转轴的通过手动的旋转轴手动移动量，得到第一旋转轴手动累计量、第二旋转轴手动累计量以及第三旋转轴手动累计量；以及旋转轴手动累计量相加单元，用于在每一插补周期对所述第一旋转轴位置相加所述第一旋转轴手动累计量作为新的所述第一旋转轴位置，或者对所述第二旋转轴位置相加所述第二旋转轴手动累计量作为新的所述第二旋转轴位置，或者对所述第三旋转轴位置相加所述第三旋转轴手动累计量作为新的所述第三旋转轴位置。

所述的数值控制装置，还可以具有：直线轴手动累计单元，用于累计针对所述三个直线轴的通过手动的直线轴手动移动量，得到直线轴手动累计量；以及直线轴手动累计量相加单元，用于在每一插补周期对所述刀具前端点位置相加所述直线轴手动累计量作为新的所述刀具前端点位置，或者对所述刀具长度修正矢量相加所述直线轴手动累计量作为新的所述刀具长度修正矢量。

本发明的第二实施方式提供一种数值控制装置，其控制的多轴加工机通过控制刀具相对于安装在工作台上的工件的位置的至少三个直线轴、和在从刀具到工作台的机械结构上的轴顺序中的第一旋转轴、第二旋转轴以及第三旋转轴的三个旋转轴，通过手动运行控制刀具相对于所述工件的位置和方向，进行加工。该数值控制装置具有：手动运行控制点位置运算单元，用于在每一插补周期，根据刀具长度修正矢量、所述第一旋转轴的第一旋转轴位置、所述第二旋转轴的第二旋转轴位置、所述第三旋转轴的第三旋转轴位置、刀具前端点位置以及工作台坐标系原点，得到所述刀具的前端点位置成为所述刀具前端点位置的控制点位置；以及向所述控制点位置驱动所述三个直线轴，向所述第一旋转轴位置、所述第二旋转轴位置以及所述第三旋转轴位置驱动所述三个旋转轴的单元。

所述手动运行控制点位置运算单元在每一插补周期，进行Pm＝Rt^-1*{Tp+Rc*Rb*Ra*V1}+P0的计算，计算控制点位置Pm，其中，Rt^-1是进行从工作台坐标系向机械坐标系的变换的旋转变换矩阵，Tp是刀具前端点位置，Ra是根据第一旋转轴位置的第一旋转轴矩阵，Rb是根据第二旋转轴位置的第二旋转轴矩阵，Rc是根据第三旋转轴位置的第三旋转轴矩阵，V1是刀具长度修正矢量，P0是工作台坐标系原点。

所述的数值控制装置还可以具有：初始刀具长度修正矢量存储单元，用于设定所述刀具长度修正矢量；初始旋转轴位置存储单元，用于把所述三个旋转轴位置作为初始第一旋转轴位置、初始第二旋转轴位置以及初始第三旋转轴位置存储，在每一插补周期把所述初始第一旋转轴位置、所述初始第二旋转轴位置以及所述初始第三旋转轴位置设定为所述第一旋转轴位置、所述第二旋转轴位置以及所述第三旋转轴位置；以及初始刀具前端点位置存储单元，用于根据控制点位置、工作台坐标系原点、所述初始刀具长度修正矢量、所述初始第一旋转轴位置、所述初始第二旋转轴位置以及所述初始第三旋转轴位置求出初始刀具前端点位置后存储，在每一插补周期把所述初始刀具前端点位置设定为所述刀具前端点位置。

所述初始刀具前端点位置存储单元把Pm作为控制点位置，把P0作为工作台坐标系原点，把Rt作为进行从机械坐标系向工作台坐标系的变换的旋转变换矩阵，把V1作为刀具长度修正矢量，把Ra作为根据初始第一旋转轴位置的第一旋转轴矩阵，把Rb作为根据初始第二旋转轴位置的第二旋转轴矩阵，把Rc作为根据初始第三旋转轴位置的第三旋转轴矩阵，进行Tp＝Rt*(Pm-P0)-Rc*Rb*Ra*V1的计算，把得到的Tp作为初始刀具前端点位置存储，然后，在每一插补周期把该初始刀具前端点位置Tp设定为所述刀具前端点位置。

所述的数值控制装置还具可以有：旋转轴手动累计单元，用于累计针对所述三个旋转轴的通过手动的旋转轴手动移动量，得到第一旋转轴手动累计量、第二旋转轴手动累计量以及第三旋转轴手动累计量；以及旋转轴手动累计量相加单元，用于在每一插补周期对所述第一旋转轴位置相加所述第一旋转轴手动累计量作为新的所述第一旋转轴位置，或者对所述第二旋转轴位置相加所述第二旋转轴手动累计量作为新的所述第二旋转轴位置，或者对所述第三旋转轴位置相加所述第三旋转轴手动累计量作为新的所述第三旋转轴位置。

所述初始刀具长度修正矢量存储单元存储初始刀具长度修正矢量，在每一插补周期把所述初始刀具长度修正矢量设定为所述刀具长度修正矢量，另外，所述数值控制装置还可以具有：直线轴手动累计单元，用于累计针对所述三个直线轴的通过手动的直线轴手动移动量，得到直线轴手动累计量；以及直线轴手动累计量相加单元，用于在每一插补周期对所述刀具前端点位置相加所述直线轴手动累计量作为新的所述刀具前端点位置，或者对所述刀具长度修正矢量相加所述直线轴手动累计量作为新的所述刀具长度修正矢量。

本发明通过具有以上的结构，能够提供控制在至少由三个直线轴和三个旋转轴组成的多轴加工机中进行上述现有技术中叙述的刀具前端点控制或者三维手动进给的多轴加工机的数值控制装置。

附图说明

从下面参照附图对于实施例的说明中可以明了本发明的上述以及其他的目的以及特征。附图中：

图1是说明用三个旋转轴旋转刀具头的刀具头旋转型的多轴加工机的例子的图；

图2是说明工作台两轴混合型(用两个旋转轴旋转工作台，用一个旋转轴旋转刀具头)的多轴加工机的例子的图；

图3是说明刀具头两轴混合型(用两个旋转轴旋转刀具头，用一个旋转轴旋转工作台)的多轴加工机的例子的图；

图4是说明用三个旋转轴旋转工作台的工作台旋转型的多轴加工机的例子的图；

图5是说明指令程序的图；

图6是模仿在刀具头和工作台上具有旋转轴的多轴加工机的图；

图7是说明工作台坐标系上的刀具前端点位置不根据旋转轴的手动移动指令而变化的图；

图8是表示在工作台坐标系上通过手动在Z轴方向上移动刀具前端点位置的状态的图；

图9是表示通过手动在刀具轴方向或者在刀具轴直角方向上移动刀具前端点位置的状态的图；

图10是说明进行自动运行、以及自动运行中的手动移动指令的重叠的数值控制装置的功能框图；

图11是说明进行手动运行的数值控制装置的功能框图；

图12是说明自动运行控制点运算单元的处理的流程图；

图13是说明初始刀具前端点位置存储单元的处理的流程图；

图14是作为本发明的一个实施方式的控制刀具前端点位置的多轴加工机用数值控制装置的框图。

具体实施方式

由本发明的数值控制装置控制的多轴加工机，通过至少三个直线轴和至少三个旋转轴加工安装在工作台上的工件(加工物)。数值控制装置在自动运行中控制多轴加工机的三个直线轴和三个旋转轴，使实际的刀具的前端点位置成为用程序指令的刀具前端点位置。另外，数值控制装置在通过手动移动指令的旋转轴移动中，能够在保持刀具前端点位置的、通过手动移动指令进行的直线轴移动时，使刀具前端点位置、或者刀具长度修正矢量移位。

这里，手动移动指令包含自动运行中的手动移动指令的重叠以及手动运行中的手动移动指令中的三个直线轴和三个旋转轴的控制。这些自动运行中的控制(刀具前端点控制)、自动运行中的手动移动指令的重叠(三维手动进给的一种方式)、以及手动运行中的手动移动指令的控制(三维手动进给的另一种方式)在控制刀具前端点位置这点上基本部分相同，是一体不可分的技术。

下面与附图一起说明本发明的实施方式。

1)机械结构和坐标系

参照图1～图4以及图6说明机械结构和坐标系。

把固定在工作台上、随工作台旋转一起旋转的工作台坐标系上的刀具前端点位置表示为矢量Tp((Xt，Yt，Zt)^T)。

把三个旋转轴设为A轴、B轴、C轴，根据从刀具到工作台的机械结构上的轴的顺序，把第一旋转轴作为A轴，把第二旋转轴作为B轴，把第三旋转轴作为C轴。A轴是围绕X轴的旋转轴，B轴是围绕Y轴的旋转轴，C轴是围绕Z轴的旋转轴。这些旋转轴旋转刀具头、工作台、或者它们两者。在工作台旋转轴是多个的情况下这些工作台旋转轴互相交叉。在刀具头旋转轴是多个的情况下这些刀具头旋转轴也互相交叉同时刀具中心轴也交叉。

通过旋转轴位置A、B、C指令刀具方向，通过H指令刀具长度修正号码。设刀具长度修正量为h。V1((0，0，h)^T)是刀具长度修正矢量。在A＝B＝C＝0度时，刀具方向为Z轴方向。数值控制装置，作为机械应该移动的位置，用X、Y、Z轴控制机械坐标系上的控制点位置(Pm(Xm，Ym，Zm)^T)。另外，用刀具头和工作台的旋转轴位置A、B、C轴控制刀具方向。控制点位置(Pm)表示刀具头的特定的位置，在刀具头旋转的情况下控制点位置(Pm)位于刀具头的旋转中心。此外，这里把A＝0、B＝0、C＝0度的位置作为基准位置，但是在把另外位置作为基准位置的情况下，只要把上述“A＝0、B＝0、C＝0度的位置”这样的条件作为另外的基准位置即可。“^T”表示转置，但是在下面不言自明的情况下不记载。

在工作台旋转轴是多个的情况下，把这些工作台旋转轴互相交叉的位置作为工作台坐标系原点，(P0(P0x，P0y，P0z))。另一方面，在工作台旋转轴是一个的情况下，把其旋转中心的适当的位置作为工作台坐标系原点(P0)。在不存在工作台旋转轴的情况下(刀具头旋转型)，把离开机械坐标系原点距离P0的位置作为工作台坐标系原点。另外，这样的机械结构或者坐标系是一例，本发明也可以适用于其它的机械结构或者坐标系。

在数值控制装置中的运行中，有按照指令程序进行运行的自动运行、和通过手动的手动运行。

2)自动运行中的运算

<指令程序>

指令程序是图5所示那样的指令。在图5中，G43.4是指令刀具前端点控制方式的G码，通过G43.4块的H_指令刀具长度修正号码。即指令与通过H指令的刀具长度修正号码对应的值作为刀具长度修正量(h)。用X_Y_Z_指令刀具前端点位置Tp(Xt，Yt，Zt)，用A_B_C指令旋转轴位置，由此来指令刀具方向。在刀具方向的指令方法中，也有代替A_B_C而通过I_J_K指令刀具方向等其它方法。G49是取消刀具前端点控制方式的G码。

<控制点的运算方法>

使用Tp、V1、P0、旋转轴A、B、C轴的各位置A、B、C以及进行从机械坐标系向工作台坐标系变换的旋转变换矩阵Rt，通过下述公式(1)的运算来求控制点位置Pm。即，在根据刀具长度修正指令生成的刀具长度修正矢量V1上，乘以通过第一旋转轴(A轴)位置A的第一旋转轴矩阵Ra，乘以通过第二旋转轴(B轴)位置B的第二旋转轴矩阵Rb、再乘以通过第三旋转轴(C轴)位置C的第三旋转轴矩阵Rc，求出在工作台坐标系上的刀具长度修正矢量。其后，在该求出的刀具长度修正矢量上相加刀具前端点位置Tp来求出工作台坐标系上的控制点位置，然后在该求出的控制点位置上乘以进行从工作台坐标系向机械坐标系的变换的旋转变换矩阵Rt^-1，并在该相乘而得的积之上加上P0，由此得到机械坐标系上的控制点位置(参照图6)。该运算是通过自动运行控制点位置运算单元执行的第一处理。

这里，Rt是Ra、Rb、Rc中根据与工作台旋转有关的旋转轴的位置的矩阵的积，如上所述，是进行从机械坐标系向工作台坐标系的旋转变换的旋转变换矩阵。在图1的例子中，Rt是单位矩阵，在图2的例子中Rt＝Rc*Rb，在图3的例子中Rt＝Rc，在图4的例子中Rt＝Rc*Rb*Ra。Rt^-1是Rt的逆矩阵，是进行从工作台坐标系向机械坐标系的旋转变换的旋转变换矩阵。Tp是在上述指令程序中插补用X_Y_Z_指令的刀具前端点位置后的刀具前端点位置。

能够通过该运算求出控制点，使实际的刀具的前端点在上述指令程序中成为插补用X_Y_Z_指令的刀具前端点位置后的刀具前端点位置。其结果，能够在工作台坐标系上用刀具前端点加工用指令程序指令的路径。Pm＝Rt^-1*{Tp+Rc*Rb*Ra*V1}+P0

$\mathrm{Ra}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos A& -\sin A\\ 0& \sin A& \cos A\end{array}\right]$ $\mathrm{Rb}=\left[\begin{array}{ccc}\cos B& 0& \sin B\\ 0& 1& 0\\ -\sin B& 0& \cos B\end{array}\right]$ $\mathrm{Rc}=\left[\begin{array}{ccc}\cos C& -\sin C& 0\\ \sin C& \cos C& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]........\left(1\right)$

此外，图6是模仿在刀具头和工作台上分别具有旋转轴的多轴加工机的图。详细说，在刀具头上具有一个旋转轴而且在工作台上具有一个旋转轴，作为它们的旋转轴中心是互相平行的图像的图，但是是为了图示方便而采取那样的结构。即如图1～图4所示那样，一般刀具头的旋转轴中心与工作台的旋转轴中心互相并不平行，而且刀具头和工作台都分别具有0到3个旋转轴，但是，这里为图示的方便，假设刀具头的一个旋转轴的旋转中心和工作台的一个旋转轴的旋转中心都处于垂直于图6的纸面的方向。图6的T1是通过A、B、C轴旋转变换刀具长度修正矢量V1，在工作台坐标系上表示的矢量(T1＝Rc*Rb*Ra*V1)。

3)手动运行中的运算

在手动运行中，在通过手动移动指令变更旋转轴位置的情况下或者变更直线轴位置的情况下，有时希望不使刀具前端点移动而使旋转轴移动或者使旋转轴或者直线轴在刀具轴方向上动作。如上所述，在五轴加工机中进行被称为三维手动进给的手动移动指令。

另外，有时通过手动移动指令的重叠来变更上述的自动运行中的旋转轴位置、刀具前端点位置或者刀具长度修正矢量。在变更旋转轴位置的情况下，理想的是刀具前端点位置通过指令程序继续刀具前端点控制方式的加工。另一方面，在变更直线轴位置的情况下，理想的是根据变更后的直线轴位置移位刀具前端点位置，或者变更刀具长度修正矢量后继续刀具前端点控制方式的加工。

在手动运行中的三维手动进给(手动移动指令)、和自动运行中的手动移动指令的重叠中，关于通过手动移动指令变更旋转轴位置的情况和变更直线轴位置的情况，说明在控制具有至少三个直线轴和三个旋转轴的多轴加工机的数值控制装置中的控制点位置的运算方法。(作为功能框图，在手动运行中的三维手动进给中参照图11，在自动运行中的手动移动指令的重叠中参照图10。)

3-1)手动运行中的三维手动进给开始时的运算以及每一插补周期的刀具长度修正矢量的设定

<刀具长度修正矢量>

关于刀具长度修正矢量，在开始手动运行中的三维手动进给时如果剩余有自动运行中的刀具长度修正矢量V1则使用它，或者指定刀具长度修正量号码，指定刀具长度修正量(h)，生成(0，0，h)的矢量，作为初始刀具长度修正矢量存储。

在每一插补周期把初始刀具长度修正矢量设定为刀具长度修正矢量V1。该处理，在进行后述的<向刀具长度修正矢量的相加>的情况下是必要的。因此，在不进行<向刀具长度修正矢量的相加>的情况下，不需要在每一插补周期把初始刀具长度修正矢量设定为刀具长度修正矢量V1。进行该处理的是初始刀具长度修正矢量存储单元。此外，在手动运行中通过信号或者设定等开始三维手动进给。

<旋转轴位置>

在开始手动运行中的三维手动进给时，分别把三个旋转轴位置作为初始第一旋转轴位置、初始第二旋转轴位置以及初始第三旋转轴位置存储。然后，在每一插补周期把初始第一旋转轴位置、初始第二旋转轴位置以及初始第三旋转轴位置设定为第一旋转轴位置、第二旋转轴位置以及第三旋转轴位置。进行该处理的是初始旋转轴位置存储单元。

<刀具前端点位置>

在开始手动运行中的三维手动进给时，根据控制点位置Pm、P0、V1、通过旋转轴A、B、C轴的各位置A、B、C表示的矩阵Ra、Rb、Rc以及旋转变换矩阵Rt，通过下述公式(2)的运算，来求工作台坐标系上的刀具前端点位置Tp。亦即在从Pm中减去P0的结果上，乘以进行从机械坐标系向工作台坐标系的变换的旋转变换矩阵Rt，再从得到的矢量(Rt*(Pm-P0))中减去在V1上分别乘以第一旋转轴矩阵Ra、第二旋转轴矩阵Rb以及第三旋转轴矩阵Rc而得的矢量(Rc*Rb*Ra*V1)，由此得到工作台坐标系上的刀具前端点位置Tp。把该得到的Tp作为初始刀具前端点位置存储。该存储通过初始刀具前端点存储单元进行。公式(2)是为求刀具前端点位置Tp那样而将公式(1)进行变形后的式子。(该手动运行中的运算，可以原样不变地使用为说明自动运行中的运算使用的图6进行说明)。

这里，A、B、C是在上述的<旋转轴位置>的项中已说明的初始旋转轴位置。控制点位置Pm是那时的X、Y、Z轴机械坐标值。Ra、Rb、Rc、Rt与公式(1)中的说明相同。V1是在上述的<刀具长度修正矢量>的项中已说明的初始刀具长度修正矢量。

Tp＝Rt*(Pm-P0)-Rc*Rb*Ra*V1    ......(2)

另外，初始刀具前端点位置存储单元在每一插补周期把初始刀具前端点位置设定为刀具前端点位置。，在进行后述的<向刀具前端点位置的相加>的情况下需要该处理。因此，在不进行<向刀具前端点位置的相加>的情况下不需要在每一插补周期把初始刀具前端点位置设定为刀具前端点位置。

3-2)手动旋转轴指令

对相对于旋转轴(A轴、B轴、C轴)的通过手动(手动手柄进给、微动进给等)的移动量即旋转轴手动移动量进行累计，得到旋转轴手动累计量。进行该处理的是旋转轴手动累计单元。把A、B、C轴的旋转轴手动累计量分别设为SA、SB、SC。如下述公式(3)所示，通过在各旋转轴位置A、B、C上相加SA、SB、SC，获得新的各旋转轴位置A、B、C。进行该处理的是旋转轴手动累计量相加单元。

A+S A→A

B+S B→B

C+S C→C    ........(3)

通过根据这些新的A、B、C进行上面的公式(1)的运算得到Pm。该得到的Pm是在各旋转轴位置A、B、C上相加通过手动的移动量而求得的控制点位置。在手动运行的情况下，该运算是通过手动运行控制点位置运算单元执行的第一处理。在自动运行的情况下，该运算是通过自动运行控制点位置运算单元执行的第二处理。通过该处理，进行控制点位置和机械坐标系上的刀具前端点位置的移动，但是工作台坐标系上的刀具前端点位置Tp不通过手动移动指令变化(参照图7)。

因此，在手动运行中的三维手动进给的情况下，即使通过手动使旋转轴移动也能够使X、Y、Z轴动作而不使工作台坐标系上的刀具前端点移动。在自动运行中的手动移动指令的重叠的情况下，即使通过手动使旋转轴移动，因为工作台坐标系上的刀具前端点位置Tp也按照指令程序指令的位置，所以能够进行按照原来的指令程序指令的加工。

3-3)手动直线轴指令

对相对于直线轴(X轴、Y轴、Z轴)的通过手动(手动手柄进给、微动进给等)的移动量即直线轴手动移动量进行累计，得到直线轴手动累计量。进行该处理的是直线轴手动累计单元。把X轴、Y轴、Z轴的直线轴手动累计量分别设为SX、SY、SZ。

<向刀具前端点位置的相加>

如下述公式(4)所示，在刀具前端点位置Tp(Xt，Yt，Zt)上相加SX、SY、SZ，作为新的刀具前端点位置Tp(Xt，Yt，Zt)。进行该处理的是直线轴手动累计量相加单元。

Xt+SX→Xt

Yt+SY→Yt

Zt+SZ→Zt  ........(4)

通过根据该新的Tp(Xt，Yt，Zt)进行上面的公式(1)的运算得到Pm。该得到的Pm是在刀具前端点位置上相加通过手动的移动量求得的控制点位置。在手动运行的情况下，该运算是通过手动运行控制点位置运算单元执行的第二处理。在自动运行的情况下，该运算是通过自动运行控制点位置运算单元执行的第三处理(参照图8)。

因此，在手动运行中的三维手动进给的情况下，能够移位作为工作台坐标系上的加工点的刀具前端点位置。在自动运行中的手动移动指令的重叠的情况下，能够进行对针对原来的程序指令移位通过手动的移动量的刀具前端点位置的加工。例如，在针对原来的程序指令进行一定的移位加工的情况下，能够不变更原来的程序指令容易地进行通过手动的变更进行加工。图8中表示在工作台坐标系上通过手动在Z轴方向上移动刀具前端点位置的状态。

<向刀具长度修正矢量的相加>

如下述公式(5)所示，在刀具长度修正矢量V1(0，0，h)上相加SX、SY、SZ，作为新的刀具长度修正矢量V1(V1x，V1y，V1z)。

0+S X→V1x

0+S Y→V1y

h+S Z→V1z

              ........(5)

根据这些新的V1(V1x，V1y，V1z)进行上面的公式(1)的运算得到Pm。该得到的Pm是在刀具长度修正矢量上相加通过手动的移动量求出的控制点位置。在手动运行的情况下，该运算是通过手动运行控制点位置运算单元执行的第三处理。在自动运行的情况下，该运算是通过自动运行控制点位置运算单元执行的第四处理(参照图9)。

因此，在手动运行中的三维手动进给的情况下，能够使在刀具轴方向或者刀具轴直角方向上通过手动进行动作。在自动运行中的手动移动指令的重叠的情况下，对于根据原来的程序指令的刀具长度修正矢量能够进行根据只移位通过手动的移动量的刀具长度修正矢量的加工。例如，在刀具磨损或者通过刀具更换使刀具长度变更的情况下，能够容易地通过手动变更刀具长度进行加工。也能够容易地修正刀具安装误差等。图9表示通过手动在刀具轴方向或者刀具轴直角方向上移动的状态。

在相对直线轴(X轴，Y轴，Z轴)进行通过手动的移动的情况下，可以通过指令、信号或者设定值等方法选择是进行上述的向刀具前端点位置的相加还是进行向刀具修正矢量的相加。

此外，这里叙述的运算处理是一个例子。也有不把直线轴手动指令或者旋转轴手动指令作为手动移动量累计，而在每一插补周期在各轴位置上相加的方法。另外，也有不存储初始刀具长度修正矢量、初始刀具前端点位置、或者初始旋转轴位置，而在每一插补周期分别更新刀具长度修正矢量、刀具前端点位置、或者旋转轴位置进行运算的方法。

下面说明本发明的控制由至少三个直线轴和三个旋转轴组成的多轴加工机的数值控制装置的功能框图。

<自动运行、以及自动运行中的手动移动指令的重叠的情况>

一般，数值控制装置在自动运行的情况下，如图10所示，通过解析单元11进行解析、通过插补单元12进行插补指令程序10，驱动各轴的伺服机构30x、30y、30z、30A、30B、30C。在图10中，X轴伺服机构30x、Y轴伺服机构30y、以及Z轴伺服机构30z是驱动三个直线轴的伺服机构，A轴伺服机构30A、B轴伺服机构30B、C轴伺服机构30C是驱动三个旋转轴的伺服机构。

自动运行中的移动指令解析单元13属于解析单元11。直线轴插补单元14、旋转轴插补单元15以及自动运行控制点位置运算单元16属于插补单元12(参照图10)。

另外，在自动运行中的手动移动指令的重叠的情况下，通过手柄进给28或者微动进给29的手动移动指令，通过直线轴手动累计单元24被加在直线轴手动累计量25上，通过直线轴手动累计量相加单元22被加在刀具长度修正矢量19或者刀具前端点位置20上，或者通过旋转轴手动累计单元26被分别加在第一旋转轴手动累计量、第二旋转轴手动累计量、第三旋转轴手动累计量27上，通过旋转轴手动累计量相加单元23被分别加在第一旋转轴位置、第二旋转轴位置、第三旋转轴位置上。

图10中表示的点划线上面的部分对应自动运行，点划线下面的部分对应自动运行中的手动移动指令的重叠。

<手动运行的情况>

一般，在手动运行的情况下，如图11所示，手动运行插补单元40在每一插补周期接受手柄进给28或者微动进给29等手动移动指令，驱动各轴的伺服机构30x、30y、30z、30A、30B、30C。

初始刀具长度修正矢量存储单元17、初始刀具前端点位置存储单元41、初始旋转轴位置存储单元42以及手动运行控制点位置运算单元43属于手动运行插补单元40。图11表示的点划线下面的部分，参照图10与上述的自动运行中的手动移动指令的重叠的情况相同。

接着使用图12说明自动运行控制点运算单元执行的处理的流程图。以下要说明的处理是自动运行控制点位置运算单元执行的第一、第二、第三、第四处理，但是这些处理仅A、B、C、Tp、V1的求法不同，如用流程图表示则相同。

[步骤SA10]得到V1、Tp、P0。

[步骤SA11]根据A、B、C轴的位置A、B、C，通过公式(1)得到Ra、Rb、Rc。

[步骤SA12]根据在步骤SA11得到的Ra、Rb、Rc，通过机械结构得到Rt以及Rt^-1。

[步骤SA13]根据V1、Ra、Rb、Rc、Tp、Rt^-1、P0，运算公式(1)，得到Pm。

手动运行控制点位置运算单元43的处理的流程图也和该自动运行控制点位置运算单元16的处理的流程图相同。该处理是手动运行控制点位置运算单元43执行的第一、第二、第三处理，但是这些仅A、B、C、Tp、V1的求法不同，如用流程图表示则相同。

图13是初始刀具前端点位置存储单元41的处理的流程图。

[步骤SB10]得到Pm、V1、P0。

[步骤SB11]根据A、B、C轴的位置A、B、C，通过公式(1)得到Ra、Rb、Rc。

[步骤SB12]根据在步骤SB11得到的Ra、Rb、Rc，通过机械结构得到Rt。

[步骤SB13]根据Pm、P0、Rt、V1、Ra、Rb、Rc，通过运算公式(2)，得到Tp。

图14是本发明的多轴加工机用数值控制装置的框图。多轴加工机用数值控制装置100执行图12、图13中表示的流程图的处理，进行刀具前端点控制或者三维手动进给、CPU111是整体控制数值控制装置的处理器。CPU111经总线120读出在ROM112中存储的系统程序，按照该系统程序控制数值控制装置100整体。RAM113临时存储计算数据或显示数据以及经由LCD/MDI单元170由操作员输入的各种数据。

SRAM存储器114由未图示的电池支援(backup)，作为即使数值控制装置100的电源关断也能够保持存储状态的非易失性存储器而构成。在SRAM存储器114中存储经接口115读入的加工程序或者经LCD/MDI单元170输入的加工程序等。实施刀具前端位置控制的加工程序等各种加工程序可以经由接口115或者LCD/MDI单元170输入，在SRAM存储器114中存储。

另外，在ROM112中，预先写入加工程序的制作以及编辑所必要的编辑方式的处理或者为实施用于自动运行的处理的各种系统程序。涉及为进行刀具前端点控制或者三维手动进给的本发明的程序也在ROM112中存储。

接口115可使数值控制装置100和适配器等外部设备172连接。从外部设备172侧读入加工程序或者各种参数等。另外，在数值控制装置100内编辑的加工程序可以经由外部设备172存储在外部存储单元内。

PMC(可编程设备控制器)116使用数值控制装置100内置的序列程序经由I/O单元117向机床的辅助装置(例如刀具更换装置)输出信号进行控制。另外，接受配备在机床本体内的操作盘的各种开关等的信号，进行必要的信号处理后，向CPU111交付。

LCD/MDI单元170是具有显示器和键盘的手动数据输入装置，接口118接受来自LCD/MDI单元170的键盘的指令、数据，向CPU111交付。接口119与具有手柄进给28或者微动进给29的手动脉冲发生器的操作盘171连接。

各轴的伺服控制单元130～135接受来自CPU111的各轴的移动指令，向伺服放大器140～145输出各轴的指令。伺服放大器140～145接受该指令，驱动各轴的伺服电动机150～155。各轴的伺服电动机150～155内置位置检测装置(省略图示)，向伺服控制单元130～135反馈来自该位置检测装置的反馈信号。各轴的伺服控制单元130～135根据该反馈信号进行位置和速度的反馈控制。

Claims (8)

1.一种数值控制装置，其控制的多轴加工机对于安装在工作台上的工件、即加工物，至少通过控制刀具相对于所述工件的位置的三个直线轴、和在从刀具到工作台的机械结构上的轴顺序中的第一旋转轴、第二旋转轴以及第三旋转轴的三个旋转轴，通过自动运行控制刀具相对于所述工件的位置和方向，进行加工，该数值控制装置的特征在于，具有：

移动指令解析单元，用于解析属于所述三个直线轴的直线轴的直线轴移动指令、属于所述三个旋转轴的旋转轴的旋转轴移动指令、以及刀具长度修正指令，并根据所述刀具长度修正指令生成刀具长度修正矢量；

直线轴插补单元，用于在每一插补周期，在定义在所述工作台上的工作台坐标系中插补所述直线轴移动指令，得到刀具前端点位置；

旋转轴插补单元，用于在每一插补周期插补所述旋转轴移动指令，得到所述第一旋转轴的第一旋转轴位置、所述第二旋转轴的第二旋转轴位置以及所述第三旋转轴的第三旋转轴位置；

自动运行控制点位置运算单元，用于在每一插补周期，对所述刀具长度修正矢量VI乘以基于所述第一旋转轴位置的第一旋转轴矩阵Ra、乘以基于所述第二旋转轴位置的第二旋转轴矩阵Rb、以及乘以基于所述第三旋转轴位置的第三旋转轴的矩阵Rc，并相加所述刀具前端点位置Tp，在所述第一、第二、第三旋转轴矩阵Ra、Rb、Rc中，将基于与工作台旋转相关的旋转轴位置的矩阵的积作为进行从机械坐标系向工作台坐标系的变换的旋转变换矩阵Rt，将该旋转变换矩阵Rt的逆矩阵作为进行从工作台坐标系向机械坐标系的旋转变换的工作台机械坐标系旋转矩阵Rt^-1，再乘以该Rt^-1，并相加工作台坐标系原点P0，即，进行Pm=Rt^-1*{Tp+Rc*Rb*Ra*Vl}+P0的计算，由此得到所述刀具的前端点位置成为所述刀具前端点位置的控制点位置Pm；以及

向所述控制点位置驱动所述三个直线轴，向所述第一旋转轴位置、所述第二旋转轴位置以及所述第三旋转轴位置驱动所述三个旋转轴的单元。

2.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，还具有：

旋转轴手动累计单元，用于累计针对所述三个旋转轴的通过手动的旋转轴手动移动量，得到第一旋转轴手动累计量、第二旋转轴手动累计量以及第三旋转轴手动累计量；以及

旋转轴手动累计量相加单元，用于在每一插补周期对所述第一旋转轴位置相加所述第一旋转轴手动累计量作为新的所述第一旋转轴位置并生成新的第一旋转轴矩阵，对所述第二旋转轴位置相加所述第二旋转轴手动累计量作为新的所述第二旋转轴位置并生成新的第二旋转轴矩阵，或者对所述第三旋转轴位置相加所述第三旋转轴手动累计量作为新的所述第三旋转轴位置并生成新的第三旋转轴矩阵。

3.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，还具有：

直线轴手动累计单元，用于累计针对所述三个直线轴的通过手动的直线轴手动移动量，得到直线轴手动累计量；以及

直线轴手动累计量相加单元，用于在每一插补周期对所述刀具前端点位置相加所述直线轴手动累计量作为新的所述刀具前端点位置，或者对所述刀具长度修正矢量相加所述直线轴手动累计量作为新的所述刀具长度修正矢量。

4.一种数值控制装置，其控制的多轴加工机对于安装在工作台上的工件、即加工物，至少通过控制刀具相对于所述工件的位置的三个直线轴、和在从刀具到工作台的机械结构上的轴顺序中的第一旋转轴、第二旋转轴以及第三旋转轴的三个旋转轴，通过手动运行控制刀具相对于所述工件的位置和方向，进行加工，该数值控制装置的特征在于，具有：

手动运行控制点位置运算单元，用于在每一插补周期，对所述刀具长度修正矢量Vl乘以基于所述第一旋转轴位置的第一旋转轴矩阵Ra、乘以基于所述第二旋转轴位置的第二旋转轴矩阵Rb、以及乘以基于所述第三旋转轴位置的第三旋转轴的矩阵Rc，并相加所述刀具前端点位置Tp，在所述第一、第二、第三旋转轴矩阵Ra、Rb、Rc中，将基于与工作台旋转相关的旋转轴位置的矩阵的积作为进行从机械坐标系向工作台坐标系的变换的旋转变换矩阵Rt，将该旋转变换矩阵Rt的逆矩阵作为进行从工作台坐标系向机械坐标系的旋转变换的工作台机械坐标系旋转矩阵Rt^-1，再乘以该Rt^-1，并相加工作台坐标系原点P0，即，进行Pm=Rt^-1*{Tp+Rc*Rb*Ra*Vl}+P0的计算，由此得到所述刀具的前端点位置成为所述刀具前端点位置的控制点位置Pm；以及

向所述控制点位置驱动所述三个直线轴，向所述第一旋转轴位置、所述第二旋转轴位置以及所述第三旋转轴位置驱动所述三个旋转轴的单元。

5.根据权利要求4所述的数值控制装置，其特征在于，还具有：

初始刀具长度修正矢量存储单元，用于设定所述刀具长度修正矢量；

初始旋转轴位置存储单元，用于把所述三个旋转轴位置作为初始第一旋转轴位置、初始第二旋转轴位置以及初始第三旋转轴位置存储，在每一插补周期把所述初始第一旋转轴位置、所述初始第二旋转轴位置以及所述初始第三旋转轴位置设定为所述第一旋转轴位置、所述第二旋转轴位置以及所述第三旋转轴位置；以及

初始刀具前端点位置存储单元，用于根据控制点位置、工作台坐标系原点、所述初始刀具长度修正矢量、所述初始第一旋转轴位置、所述初始第二旋转轴位置以及所述初始第三旋转轴位置求出初始刀具前端点位置后存储，在每一插补周期把所述初始刀具前端点位置设定为所述刀具前端点位置。

6.根据权利要求5所述的数值控制装置，其特征在于，

所述初始刀具前端点位置存储单元把从控制点位置中减去工作台坐标系原点，然后乘以机械工作台坐标系旋转变换矩阵，并且减去对所述刀具长度修正矢量乘以基于所述初始第一旋转轴位置的第一旋转轴矩阵、乘以基于所述初始第二旋转轴位置的第二旋转轴矩阵、乘以基于所述初始第三旋转轴位置的第三旋转轴矩阵而得到的位置作为初始刀具前端点位置存储，然后，在每一插补周期把所述初始刀具前端点位置设定为所述刀具前端点位置。

7.根据权利要求4～6中任一项所述的数值控制装置，其特征在于，还具有：

旋转轴手动累计单元，用于累计针对所述三个旋转轴的通过手动的旋转轴手动移动量，得到第一旋转轴手动累计量、第二旋转轴手动累计量以及第三旋转轴手动累计量；以及

旋转轴手动累计量相加单元，用于在每一插补周期对所述第一旋转轴位置相加所述第一旋转轴手动累计量作为新的所述第一旋转轴位置并生成新的第一旋转轴矩阵，对所述第二旋转轴位置相加所述第二旋转轴手动累计量作为新的所述第二旋转轴位置并生成新的第二旋转轴矩阵，或者对所述第三旋转轴位置相加所述第三旋转轴手动累计量作为新的所述第三旋转轴位置并生成新的第三旋转轴矩阵。

8.根据权利要求4～6任一项所述的数值控制装置，其特征在于，

所述初始刀具长度修正矢量存储单元存储初始刀具长度修正矢量，在每一插补周期把所述初始刀具长度修正矢量设定为所述刀具长度修正矢量，

另外，所述数值控制装置还具有：

直线轴手动累计单元，用于累计针对所述三个直线轴的通过手动的直线轴手动移动量，得到直线轴手动累计量；以及

直线轴手动累计量相加单元，用于在每一插补周期对所述刀具前端点位置相加所述直线轴手动累计量作为新的所述刀具前端点位置，或者对所述刀具长度修正矢量相加所述直线轴手动累计量作为新的所述刀具长度修正矢量。