CN102414633A - 数值控制装置 - Google Patents
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Abstract
一种对工作机械进行控制的数值控制装置,所述工作机械包括多个轴且使工具相对于工件而移动,所述数值控制装置包括:工具轨迹产生单元,产生用以对工件加工的工具轨迹;部分轨迹计算单元,将工具轨迹分割成多个曲率(k)越大则长度越短的部分轨迹(l);修正进给速度计算单元,针对每个部分轨迹,算出切削点附近的切削面的法线与工具的旋转轴所成的切削面角度(θ),且针对每个部分轨迹,基于切削面角度来算出对设定进给速度(F)修正而得的修正进给速度F(θ);轴控制数据计算单元,每隔固定时间间隔(Δt)求出各轴的速度数据(Vx、Xy、Vz),使工具能够以修正进给速度而在部分轨迹上移动;及输出单元,将速度数据输出至将工作机械驱动的驱动单元。修正进给速度在不低于最低进给速度(v0)的范围内与切削面角度成比例。
Description
技术领域
本发明涉及一种对工作机械进行控制的数值控制装置,所述工作机械使用旋转工具来对工件(work)进行切削加工。
背景技术
数字控制(Numerical Control,NC)工作机械按照NC程序(program)来进行切削加工,所述NC程序是由计算机辅助制造(Computer AidedManufacturing,CAM)作成。近年来,借由计算机辅助设计(Computer AidedDesign,CAD)装置来作成产品形状的实体模型(solid model),将该产品形状的实体模型提供给CAM。
一般而言,CAM基于产品形状的实体模型来对工具轨迹进行计算,且对进给速度进行设定。当工具轨迹包含非均有理B样条(NURBS,Non-UniformRational B-Spline)等中所记述的自由曲线时,CAM将该自由曲线分割成微小曲线或微小直线。
专利文献1已揭示了如下的方法,即,将工具轨迹分割成多个区间,针对各区间来对进给速度F进行设定。根据F=V×S×E×L/X的计算式来求出进给速度F。S为转速(rpm),E为工具的刃数,L为区间的长度(mm)。X为一个区间所需的切削量(mm3)。V为一个刃每旋转一周的切削量。基于工件材料、以及工具的L/D(突出长度/工具直径)来对每个刃的切削量V进行计算。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利特开2002-200540号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
例如像圆头槽铣刀(ball end mill)之类的工具具有如下的直径,越靠近前端,则该直径变得越小。在以相同的转速来使工具旋转的情况下,当工具的小直径部分对工件进行切削时,会导致每小时的切削量减少,所述小直径部分的直径较标称直径更小。在此种情况下,进给速度F会引起切削量的不足,该进给速度F是基于标称的工具直径而由之前的计算式求出。结果,会使加工精度下降,使工具产生异常的消耗或破损。
另外,在对工件进行切削期间,工具会从切削点退回,工具位置的实际值与目标值产生偏差。进给速度越大,则所述位置偏差变得越大。大位置偏差会使精加工面产生起伏或阶差。
本发明的目的在于提供如下的数值控制装置,该数值控制装置消除切削量的不足,且使位置偏差减少而不会使切削效率下降。
解决课题的技术手段
本发明的数值控制装置是对工作机械进行控制的数值控制装置,所述工作机械包括多个轴且使工具相对于工件而移动,所述数值控制装置包括:
工具轨迹产生单元,产生用以对工件进行加工的工具轨迹;
部分轨迹计算单元,将所述工具轨迹分割成多个部分轨迹(l),所述多个部分轨迹(l)的曲率(k)越大,则长度越短;
修正进给速度计算单元,针对每个所述部分轨迹,对切削点附近的切削面的法线与所述工具的旋转轴所成的切削面角度(θ)进行计算,且针对每个所述部分轨迹,基于所述切削面角度来对修正进给速度F(θ)进行计算,所述修正进给速度F(θ)是对设定进给速度(F)进行修正而得的速度;
轴控制数据计算单元,每隔固定时间间隔(Δt)求出各轴的速度数据(data)(Vx、Xy、Vz),以使所述工具能够以所述修正进给速度而在所述部分轨迹上移动;以及
输出单元,将所述速度数据输出至驱动单元,所述驱动单元将所述工作机械予以驱动。
所谓“轴”,是指像X轴、Y轴以及Z轴之类的控制轴。
另外,本发明的数值控制装置是对工作机械进行控制的数值控制装置,所述工作机械包括多个轴且使工具相对于工件而移动,所述数值控制装置包括:
工具轨迹产生单元,产生用以对工件进行加工的工具轨迹;
部分轨迹计算单元,将所述工具轨迹分割成多个部分轨迹(l),所述多个部分轨迹(l)的曲率(k)越大,则长度越短;
修正进给速度计算单元,针对每个所述部分轨迹,对所述部分轨迹上的某个点的法线与所述工具的旋转轴所成的切削面角度(θ)进行计算,且针对每个所述部分轨迹,基于所述切削面角度来对修正进给速度F(θ)进行计算,所述修正进给速度F(θ)是对设定进给速度(F)进行修正而得的速度;
轴控制数据计算单元,每隔固定时间间(Δt)隔求出各轴的速度数据(Vx、Xy、Vz),以使所述工具能够以所述修正进给速度而在所述部分轨迹上移动;以及
输出单元,将所述速度数据输出至驱动单元,所述驱动单元将所述工作机械予以驱动。
所述部分轨迹上的某个点只要是所述部分轨迹的起始点即可。将最低进给速度(v0)输入至数值控制装置,所述修正进给速度在不低于所述最低进给速度的范围内,与所述切削面角度成比例即可。
发明的效果
根据本发明,当工具位置容易产生偏差时,进给速度变小,因此,工具位置的偏差减少。另外,当切削速度下降时,进给速度变小,因此,可消除切削量的不足。
附图说明
图1是表示本发明的一个实例的加工系统的方块图。
图2是表示图1中的驱动部的方块图。
图3是表示图1中的数值控制装置的方块图。
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是表示图6中的部分轨迹的图。
图8是表示各轴的速度数据的图。
图9是表示切削面角度的图。
图10是表示工件与工具轨迹的平面图。
图11是沿着图10的B-B′线所见的剖面图。
图12是表示修正进给速度的一例的曲线图。
图13是表示数值控制装置的动作的流程图。
符号的说明
1:加工系统
2:CAD装置
3:数值控制装置
4:工作机械
5:网络
31:操作面板
32:输入单元
33:偏移形状产生单元
34:工具轨迹产生单元
35:部分轨迹计算单元
36:修正进给速度计算单元
37:输出单元
38:轴控制数据计算单元
41:主轴
42:平台
43、44:进给轴
45:驱动部
46:轴控制数据接收部
47:信号产生部
48:主轴放大器
48a、49a、49b:马达
49:伺服放大器
311:存储单元
A:轴控制数据
M:实体模型θ:切削面角度F:设定进给速度
v0:最低进给速度
F(θ):修正进给速度
具体实施方式
以下,使用附图来对本发明的实施方式进行说明。如图1中所示,本发明的加工系统(system)1包括:CAD装置2、数值控制装置3、以及工作机械4。CAD装置2产生产品形状的实体模型。工作机械4包括:安装有工具的主轴41、与设置有工件的平台(table)42。主轴41是传递切削动力的轴,且通常表示为Z轴。如图2中所示,工作机械4包括:使平台42移动的正交的两根进给轴43、44、以及将主轴41与进给轴43、44予以驱动的驱动部45。进给轴43、44分别表示为X轴与Y轴,且与Z轴正交。
驱动部45包括:轴控制数据接收部46、信号产生部47、主轴放大器(amplifier)48、以及伺服放大器(servo amplifier)49。轴控制数据接收部46从数值控制装置3接收轴控制数据A,该轴控制数据A对各轴进行控制。信号产生部47根据轴控制数据A来产生Z轴、X轴以及Y轴的各移动信号。
主轴放大器48根据Z轴移动信号,将电流信号供给至马达(motor)48a,该马达(motor)48a将主轴41予以驱动。伺服放大器49根据X轴以及Y轴移动信号,将电流信号分别供给至马达49a、49b,该马达49a、49b将进给轴予以驱动。图2中仅表示了一个伺服放大器49,但伺服放大器49包含X轴与Y轴的各个伺服放大器。图2中表示了旋转型的马达48a、49a以及49b,但也可使用线性马达(linear motor)来代替所述旋转型的马达48a、49a以及49b。
数值控制装置3内置有高性能的微电脑(microcomputer)与存储器(memory)。微电脑执行存储器中所存储的程序,从而产生使X轴、Y轴以及Z轴驱动的轴控制数据A。程序存储在只读存储器(Read Only Memory,ROM)等的无法覆写的存储器上,从而不会受工作机械4所产生的干扰(noise)等的影响而不会被覆写。存储器也作为存储装置而发挥功能,该存储装置存储着切削加工所需的信息以及其他信息。数值控制装置3包括:ROM、随机存取存储器(Random Access Memory,RAM)、以及硬盘(hard disk)等的至少一个适当的存储装置或记录媒体。
执行被通用电脑(例如工件站(work station)等)的辅助存储装置读入的CAD程序,借此来实现CAD装置2。操作者将产品形状输入至CAD装置2,该CAD装置2将产品形状的实体模型M输出至数值控制装置3。
如图3中所示,数值控制装置3包括:操作面板(panel)31、存储单元311、输入单元32、偏移(offset)形状产生单元33、工具轨迹产生单元34、部分轨迹计算单元35、修正进给速度计算单元36、轴控制数据计算单元38、以及输出单元37。
操作者使用操作面板31来将各种参数(parameter)、初始设定的进给速度F、使加工形状发生偏移的偏移值d、使工具移动的间隔即周期进给量(pickfeed)Pick、以及最低进给速度v0予以输入。参数包含最大加速度以及最大加加速度,根据参数来限制各轴的速度。根据使用的工具的不同,最大加速度或最大加加速度等有所不同,因此,优选根据工具来对参数进行设定。
存储单元311存储着加工所需的信息。输入单元32将CAD装置2所产生的实体模型M的数据予以输入。偏移形状产生单元33产生如下的形状(以下称为偏移形状),该形状(以下称为偏移形状)是使实体模型M以偏移值d发生偏移所成的形状。工件的加工过程(process)包括:粗加工、以及精加工等的多个加工步骤,在各加工步骤中产生偏移形状。偏移值d主要是基于工具半径来确定。图4表示偏移形状的一例。偏移形状产生单元33求出形状S1,该形状S1是使形状S0沿着法线方向t,以偏移值d发生偏移所成的形状。
工具轨迹产生单元34根据偏移形状,求出用以对工件进行加工的工具轨迹。图5表示工具轨迹的一例。工具轨迹是工具的位置相对于工件发生移动时的轨迹,且是指工具的假想中心所描绘的轨迹。此处,对工件进行等高线加工。图中的周期进给量Pick是根据工具直径或工件材质来决定,且该周期进给量Pick存储于存储单元311中。工具轨迹产生单元34对平行于XY平面的等高平面Q与偏移形状S1的交线L进行计算。
而且,使等高平面Q以周期进给量Pick,沿着Z轴方向朝下方移动,对下一个交线进行计算。所述交线是由B样条(spline)等的参数曲线(parametriccurve)来表示,且作为工具轨迹而存储于存储单元311。或者,也可求出平行于ZX平面或YZ平面的等高平面与偏移形状S1的交线,使等高平面以固定的周期进给量,沿着Y轴方向或X轴方向移动。
部分轨迹计算单元35基于工具轨迹的曲率来将工具轨迹分割成多个部分轨迹。有时受到工作机械4的惯性力矩(inertia moment)或刚性等的影响,难以一面对速度进行控制,一面使工具沿着具有大曲率的轨迹移动。因此,如图6中所示,借由点P1、P2、P3、...、Pi、Pi+1、...来将工具轨迹分割成多个部分轨迹l1、l2、l3、...、li、...,所述多个部分轨迹l1、l2、l3、...、li、...的曲率越大,则长度越短。借由数式(1)来求出部分轨迹的曲率k。r是部分轨迹的曲率半径。
k=1/r...(1)
输入单元32将CAD装置2所产生的实体模型M的数据予以输入。修正进给速度计算单元36求出各部分轨迹的切削面角度θ(0≤θ≤90°),接着根据切削面角度θ与设定进给速度F来对修正进给速度F(θ)进行计算。若切削面角度θ变小,则修正进给速度F(θ)也会变小,若切削面角度θ变大,则修正进给速度F(θ)也会变大。
参照图9来对切削面角度θ进行说明。切削点是工具的刃与工件发生接触的点。工具以旋转轴为中心进行高速旋转。旋转轴通过工具的假想中心。切削面是切削点附近的微小的面。切削面角度θ是切削点处的切削面的法线与旋转轴所成的角度。
图10以及图11表示扫描线加工中的工具轨迹。图12中的箭头表示工具轨迹。在扫描线加工中,可使用部分轨迹上的特定点处的法线来求出切削面角度θ。例如,根据部分轨迹上的起始点与终点的座标值,求出部分轨迹的起始点处的矢量(vector)。求出该矢量的法线与工具的旋转轴所成的角α。也可根据以下的式子来求出切削面角度θ。
θ=90°-α...(2)
如图12中的实线所示,借由以下的式子来求出该修正进给速度F(θ)。该修正进给速度F(θ)的一例表示在图12中。
[数1]
F表示设定进给速度,v0表示最低进给速度。θk为v0×90°/F。
另外,如图12中的虚线所示,也可借由以下的式子来求出该修正进给速度F(θ)。
[数2]
以使该修正进给速度F(θ)总是为正的方式,对v0进行设定。该修正进给速度F(θ)在不低于最低进给速度v0的范围内,与切削面角度θ成比例。存储单元311针对每个加工步骤,存储着该修正进给速度F(θ)。
当切削面角度θ小时,工具会从切削点退回,工具位置容易产生偏差。当工具位置容易产生偏差时,修正进给速度计算部36使进给速度减小,因此,工具位置的偏差减少。另外,当切削面角度θ小时,工具的小直径部分与工件发生接触,切削速度下降。当切削速度下降时,该修正进给速度计算部36使进给速度减小,因此,切削量的不足被消除。
轴控制数据计算单元38基于该修正进给速度F(θ)与曲率来求出轴控制数据A。该轴控制数据A是分配给驱动部的各轴的每单位时间的速度数据。当部分轨迹l的曲率大时,工具有可能会偏离部分轨迹l。因此,对于预测到会使工具偏离部分轨迹l的该部分轨迹l,以使进给速度小于该修正进给速度F(θ)的方式来求出轴控制数据A。
图7表示工具根据该修正进给速度F(θ)而在部分轨迹l上移动的情况。工具沿着部分轨迹l的切线方向移动。在起始点P1处,每单位时间的速度被分成切线矢量的X轴、Y轴、Z轴的速度成分(V1x、V1y、V1z)。在终点P2处,每单位时间的速度被分成切线矢量的X轴、Y轴、Z轴的速度成分(V2x、V2y、V2z)。在从起始点P1至终点P2为止的移动过程中,X轴速度从V1x向V2x发生变化,Y轴速度从V1y向V2y发生变化,Z轴速度从V1z向V2z发生变化。为了使工具正确地在部分轨迹l上移动,必须使工具总是沿着部分轨迹l的切线方向移动。
因此,如图8中所示,轴控制数据计算单元38每隔短时间间隔Δt,求出各轴的速度数据Vx、Xy、Vz。图8的速度曲线表示了各轴的速度数据Vx、Xy、Vz。此处,工具仅在XY平面上移动。轴控制数据A包括:每隔短时间间隔Δt求出的各轴的速度数据Vx、Xy、Vz、以及部分轨迹l上的起始点的位置。从时间T0至时间Tn为止的速度曲线的积分值是从时间T0至时间Tn为止所移动的距离。将从时间T0至时间Tn为止的速度曲线的积分值与部分轨迹l的起始点P0相加,借此来求出时间Tn处的各轴的位置。存储单元311针对每个加工步骤,存储着轴控制数据A。
驱动部45的信号产生部47是以使各轴的速度根据轴控制数据A,每隔时间间隔Δt发生变化的方式来产生各轴的移动信号,且将所述各轴的移动信号输出至主轴放大器48、伺服放大器49。当如图8所示地求出轴控制数据A时,信号产生部47不将移动信号输出至主轴放大器48。
参照图13,对由数值控制装置3来决定轴控制数据A的过程进行说明。首先,操作者使用操作面板31来对最大加速度、最大加加速度等的各种参数进行设定(S100)。这些参数被存储于存储单元311。
操作者使用CAD装置2来将产品形状予以输入(S200),接着基于产品形状,从CAD装置2输出实体模型M(S201)。实体模型M经由网络(network)5而被发送至数值控制装置3。实体模型M由输入单元32输入,且被存储于存储单元311(S101)。
从数值控制装置3的操作面板31,将加工步骤的顺序或次数予以输入。根据工具或主轴转速,针对各加工步骤来对进给速度F、偏移值d、周期进给量Pick、以及最低进给速度v0进行设定(S102)。所述设定值被存储于存储单元311。
偏移形状产生单元33针对各加工步骤,产生使实体模型M以偏移值d发生偏移所成的偏移形状(S103)。工具轨迹产生单元34一面使等高平面Q在偏移形状S1上,以周期进给量Pick为单位而逐渐移动,一面产生用以对工件进行加工的工具轨迹L(S104)。工具轨迹L被存储于存储单元311。
部分轨迹计算单元35对多个部分轨迹l进行计算,所述多个部分轨迹l是根据工具轨迹的曲率来对该工具轨迹进行分割而成(S105)。该修正进给速度计算单元36针对每个部分轨迹l,对切削面角度θ进行计算(S106),接着基于切削面角度θ,且根据指定进给速度F来对该修正进给速度F(θ)进行计算(S107)。
轴控制数据计算单元38根据该修正进给速度F(θ)来对轴控制数据A进行计算(S108)。轴控制数据A包含每隔短时间间隔Δt而确定的各轴的速度数据,各轴的速度数据受限于最大加速度以及最大加加速度。轴控制数据A被存储于存储单元311。驱动部45的轴控制数据接收部46获取轴控制数据A(S301)。驱动部45的信号产生部47按照获取的顺序来对轴控制数据A进行处理,产生各轴的移动信号,且将所述各轴的移动信号输出至主轴放大器48、伺服放大器49(S302)。
Claims (4)
1.一种数值控制装置,对工作机械进行控制,所述工作机械包括多个轴且使工具相对于工件而移动,所述数值控制装置的特征在于包括:
工具轨迹产生单元,产生用以对工件进行加工的工具轨迹;
部分轨迹计算单元,将所述工具轨迹分割成多个部分轨迹(l),所述多个部分轨迹(l)的曲率(k)越大,则长度越短;
修正进给速度计算单元,针对每个所述部分轨迹,对切削点附近的切削面的法线与所述工具的旋转轴所成的切削面角度(θ)进行计算,且针对每个所述部分轨迹,基于所述切削面角度来对修正进给速度F(θ)进行计算,所述修正进给速度F(θ)是对设定进给速度(F)进行修正而得的速度;
轴控制数据计算单元,每隔固定时间间隔求出各轴的速度数据,以使所述工具能够以所述修正进给速度而在所述部分轨迹上移动;以及
输出单元,将所述速度数据输出至驱动单元,所述驱动单元将所述工作机械予以驱动。
2.一种数值控制装置,对工作机械进行控制,所述工作机械包括多个轴且使工具相对于工件而移动,所述数值控制装置的特征在于包括:
工具轨迹产生单元,产生用以对工件进行加工的工具轨迹;
部分轨迹计算单元,将所述工具轨迹分割成多个部分轨迹(l),所述多个部分轨迹(l)的曲率(k)越大,则长度越短;
修正进给速度计算单元,针对每个所述部分轨迹,对所述部分轨迹上的某个点的法线与所述工具的旋转轴所成的切削面角度(θ)进行计算,且针对每个所述部分轨迹,基于所述切削面角度来对修正进给速度F(θ)进行计算,所述修正进给速度F(θ)是对设定进给速度(F)进行修正而得的速度;
轴控制数据计算单元,每隔固定时间间隔求出各轴的速度数据,以使所述工具能够以所述修正进给速度而在所述部分轨迹上移动;以及
输出单元,将所述速度数据输出至驱动单元,所述驱动单元将所述工作机械予以驱动。
3.根据权利要求2所述的数值控制装置,其中
所述部分轨迹上的某个点为所述部分轨迹的起始点。
4.根据权利要求1至3所述的数值控制装置,其中
将最低进给速度(v0)输入至所述数值控制装置,所述修正进给速度在不低于所述最低进给速度的范围内与所述切削面角度成比例。
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2010
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