CN103513610A - 显示机床的刀具矢量的刀具轨迹显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种刀具轨迹显示装置，其具有可对比地显示程序轨迹、指令轨迹以及实际轨迹中的至少两个轨迹的显示部。刀具轨迹显示装置还具有可互相对比地显示与那些轨迹对应的表示刀具姿势的刀具矢量的刀具矢量显示部。刀具矢量作为连接刀具前端点和从该刀具前端点朝向刀具基端侧离开预定的距离的基准点之间的线段来显示。

Description

显示机床的刀具矢量的刀具轨迹显示装置

技术领域

本发明涉及显示机床的刀具矢量的刀具轨迹显示装置。

背景技术

控制机床的数值控制装置有时和显示刀具的轨迹的刀具轨迹显示装置一起使用。操作者利用通过刀具轨迹显示装置显示的刀具轨迹的视觉的信息，进行加工处理的评价。在进行加工处理的评价时，除了表示与施行加工的部位相当的刀具前端点的移动路径的轨迹之外，评价表示刀具姿势的刀具矢量也是有用的。图11A以及图11B是用于说明刀具姿势给予加工形状的影响的概念图。图11A表示刀具100为了具有相对于被加工面为大体垂直的姿势的情况的加工形状。另一方面，图11B表示刀具100具有相对于被加工面倾斜的姿势的情况的加工形状。对比图11A以及图11B可明确了解，即使在刀具前端点102位于同一位置的情况下，被加工面P的形状根据刀具采取何种姿势而完全不同。

日本特许第4689745号公报公开了一种刀具矢量显示装置，用于根据通过检测装置检测出的刀具前端点的实际位置信息来显示实际轨迹，同时在实际轨迹上把刀具的姿势作为刀具矢量显示。该先行技术，通过与实际轨迹合并显示刀具矢量，在加工形状中产生误差的情况下，也能够以视觉方式验证有不良的可能性的地方的刀具的姿势。

但是，仅用通过日本特许第4689745号公报的刀具矢量显示装置显示的信息，在加工形状中产生误差的情况下难于确定其原因。因此，为确定加工形状的误差的原因，要求提供有用的视觉信息的刀具轨迹显示装置。

发明内容

根据本申请的第一发明，提供一种刀具轨迹显示装置，其具有显示部，该显示部根据来自控制机床中的刀具前端点的位置的数值控制装置的信息，可互相对比地显示作为与加工程序对应的上述刀具前端点的轨迹的程序轨迹、作为与对上述机床的驱动部的指令信号对应的上述刀具前端点的轨迹的指令轨迹和作为通过检测装置检测的上述刀具前端点的轨迹的实际轨迹中的至少两个轨迹，在该刀具轨迹显示装置中，上述显示部还具有：刀具矢量显示部，用于把连接通过上述程序轨迹、上述指令轨迹或者上述实际轨迹的上述刀具前端点、与从该刀具前端点朝向刀具基端侧离开预定的距离的基准点之间的至少一条线段作为表示刀具姿势的刀具矢量来显示，该刀具矢量显示部可互相对比地显示在上述程序轨迹、上述指令轨迹以及上述实际轨迹中的上述至少两个轨迹中分别得到的上述刀具矢量。

在第一发明中，刀具轨迹显示装置具有刀具矢量显示部，用于以可互相对比的方式显示与程序轨迹、指令轨迹以及实际轨迹中的至少两个轨迹对应的表示刀具姿势的刀具矢量。因此，在加工形状中产生误差的情况下，操作者通过比较作为视觉信息显示的各处理阶段中的刀具矢量，能够确定不良的原因。

根据本申请的第二发明，提供一种刀具轨迹显示装置，在第一发明中，还具有刀具矢量选择部和角度计算部，前者用于选择上述程序轨迹、上述指令轨迹以及上述实际轨迹中的第一轨迹中的上述刀具矢量、以及与上述第一轨迹不同的第二轨迹中的上述刀具矢量，后者计算通过上述第一轨迹中的上述刀具矢量以及上述第二轨迹中的上述刀具矢量形成的角度，上述显示部还具有显示上述角度的角度显示部。

在第二发明中，刀具轨迹显示装置具有角度显示部，用于显示从程序轨迹、指令轨迹以及实际轨迹中的一个选择的刀具矢量与其他的轨迹中的对应的刀具矢量之间形成的角度。因此，操作者能够定量地把握通过选择的两个轨迹的刀具矢量之间以何种程度互相相对倾斜。

附图说明

参照附图中表示的本发明的示例的实施方式的详细说明，能够更加明了本发明的上述以及其他的目的、特征以及优点。

图1是用于说明第一实施方式的刀具轨迹显示装置的框图。

图2是表示机床的结构例的概略立体图。

图3是以可互相对比的方式重叠显示程序轨迹、指令轨迹以及实际轨迹的显示例。

图4是对于图3表示的各轨迹追加显示多个刀具矢量的显示例。

图5是将刀具矢量与加工面一起表示的概念图。

图6是对图5的区域VI放大表示的局部放大图。

图7是用于说明第一实施方式的刀具轨迹显示装置中的显示处理的过程的流程图。

图8是用于说明第二实施方式的刀具轨迹显示装置的框图。

图9是表示追加显示按照第二实施方式算出的角度的显示例的图。

图10是用于说明第二实施方式的刀具轨迹显示装置中的显示处理的过程的流程图。

图11A是用于说明刀具姿势对加工形状造成的影响的概念图。

图11B是用于说明刀具姿势对加工形状造成的影响的概念图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的实施方式。关于为说明实施方式而图示的各要素，有时为有助于理解本发明其比例尺由实用的比例尺变更。

图1是用于说明第一实施方式的刀具轨迹显示装置10的框图。刀具轨迹显示装置10具有：经由数值控制装置30取得机床40的各驱动轴的位置数据的位置数据取得部12、根据从位置数据取得部12输出的位置数据计算刀具前端点42a的坐标的刀具坐标计算部14、生成刀具前端点42a通过的轨迹的刀具轨迹生成部16、和具有在监视器画面（未图示）上显示通过刀具轨迹生成部16生成的轨迹的刀具轨迹显示部22的显示部20。刀具轨迹显示装置10具有计算把刀具前端点42a的坐标作为终点的刀具矢量的刀具矢量计算部18。另外，显示部20还具有在监视器画面上显示通过刀具矢量计算部18算出的刀具矢量的刀具矢量显示部24。

数值控制装置30按照加工程序以及预定的各种参数，发送对于电动机44的控制信号。电动机44通过数值控制装置30控制而动作，对机床40例如车床或者自动换刀数控机床（machining center）等的驱动轴施加动力。另外，数值控制装置30通过从在电动机44上装备的检测装置46例如编码器接收电动机44的位置反馈，能够取得机床40的各驱动轴的实际位置。

图2是作为机床40的例子表示5轴加工机的结构例的概略立体图。机床40装备具有刀具前端点42a的刀具42。在刀具前端点42a上安装用于对载放在工作台48上的工件（未图示）执行切削、研磨、车削及其他预定的加工处理的各种刃具。此外，在本说明书中，虽然使用“刀具前端点”这样的用语，但是希望留意的是，刀具前端点42a并不严格表示刀具42的前端部，可以包含用于实际执行加工处理的部位。

图2中表示的双箭头，表示刀具前端点42a可在各箭头的方向上移动。也就是说，刀具42如图示那样可在X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向上互相独立地并行移动。另外，刀具42可围绕通过点划线分别表示的互相成直角延伸的旋转轴A以及旋转轴B转动。这样，刀具前端点42a，按照被互相独立地控制的5个驱动轴的动作，可相对于工件进行相对移动。此外，在本说明书中，以5轴的机床40为例说明，但是不用说本发明同样也可以应用于具有其他结构的机床。

通过数值控制装置30读出的加工程序，包含根据在CAD/CAM等的软件中制作的加工物的形状而生成的按照G代码等预定格式记述的各种信息，例如各驱动轴的指令位置以及指令速度。另外，加工程序包含连接坐标点之间生而成轨迹（后述）时使用的形状数据等的信息。因为数值控制装置30的作用，例如按照加工程序以及参数生成电动机44的控制信号的处理等为公知技术，所以在本说明书中省略其详细的说明。

再次参照图1，位置数据取得部12从数值控制装置30取得位置数据。在位置数据中，包含程序位置、指令位置以及实际位置。程序位置是通过加工程序指定的对于各驱动轴的指令位置。另一方面，指令位置是根据通过数值控制装置30进行插补处理的结果得到的、对各驱动轴的指令位置。数值控制装置30，根据按照后述的方法生成的程序轨迹、通过加工程序指定的指令速度、和通过参数指定的加减速时间常数等执行插补处理。该插补处理的结果，计算每一控制周期的各驱动轴的指令位置。

实际位置是通过电动机44的检测装置46检测的各电动机44的位置即各驱动轴的实际位置。或者，也可以通过在累加来自数值控制装置30的位置反馈而得的累计值上乘以每单位脉冲的移动量来计算各驱动轴的实际位置。

刀具坐标计算部14根据通过位置数据取得部12取得的位置数据、和机械结构信息计算刀具前端点42a的坐标。机械结构信息是表示机床40中的刀具前端点42a的相对位置的信息。刀具坐标计算部14根据程序位置以及机械结构信息，计算作为与加工程序对应的刀具前端点42a的坐标的程序坐标。另外，刀具坐标计算部14根据指令位置以及机械结构信息，计算作为与在数值控制装置30中进行插补处理后的指令位置对应的刀具前端点42a的坐标的指令坐标。进而，刀具坐标计算部14根据实际位置以及机械结构信息，计算与通过检测装置46检测的刀具前端点42a的坐标对应的实际坐标。

刀具轨迹生成部16，通过根据预定的形状连接通过刀具坐标计算部14在每一预定周期计算出的刀具前端点42a的坐标之间，生成刀具前端点42a的轨迹。刀具轨迹生成部16，通过用由加工程序指定的形状数据例如直线、弧线等互相连接通过刀具坐标计算部14计算出的程序坐标之间，生成程序轨迹。另外，刀具轨迹生成部16，通过例如用直线互相连接通过刀具坐标计算部14计算出的指令坐标之间，生成指令轨迹。进而，刀具轨迹生成部16，通过例如用直线互相连接通过刀具坐标计算部14计算出的实际坐标之间，生成实际轨迹。

通过刀具轨迹生成部16生成的程序轨迹、指令轨迹以及实际轨迹，经由刀具轨迹显示部22在监视器画面上显示。图3表示可互相对比地重叠显示程序轨迹、指令轨迹以及实际轨迹的显示例。在图3中，点线表示程序轨迹，虚线表示指令轨迹，实线表示实际轨迹。另外，图3的黑点表示指令坐标。这样通过可对比地重叠显示各轨迹，例如能够判定刀具前端点42a是否按照程序轨迹实际移动。进而，在判明刀具前端点42a未按照意图那样移动的情况下，通过比较各轨迹，操作者能够根据视觉的信息确定加工程序、数值控制装置中的指令生成处理以及伺服控制中何处有不良的原因。

再次参照图1，刀具轨迹显示装置10具有刀具矢量计算部18。刀具矢量计算部18接收通过刀具坐标计算部14计算出的程序坐标、指令坐标以及实际坐标。刀具矢量计算部18根据这些坐标计算表示刀具姿势的刀具矢量。

关于刀具矢量的计算处理，以图2的5轴加工机为例说明。设时间t时的X轴、Y轴、Z轴、A轴以及B轴的坐标分别为x(t)、y(t)、z(t)、a(t)、b(t)。考虑在工件上固定的坐标系，使旋转轴A和旋转轴B的交点M的坐标成为（x(t)，y(t)，z(t)）那样地设定原点。当设从交点M到刀具前端点42a的距离为L、刀具42朝向铅直方向下方的位置为A轴以及B轴的原点时，刀具前端点42a的X轴上的坐标PosX、Y轴上的坐标PosY以及Z轴上的坐标PosZ，分别用下式表示。

PosX=x(t)＋L×cos(a(t))×sin(b(t))

PosY=y(t)＋L×sin(a(t))

PosZ=z(t)－L×cos(a(t))×cos(b(t))

这里，把通过用上述式子表示的刀具前端点42a的坐标确定的点设定为矢量终点Pe。

另一方面，矢量起点Ps，是在从矢量终点Pe即刀具前端点42a沿刀具42的中心轴线朝向刀具42的基端侧离开预定距离d的位置设定的基准点。矢量起点Ps在X轴上的坐标PosX’、Y轴上的坐标PosY’以及Z轴上的坐标PosZ’，分别用下式表示。

PosX’=x(t)＋(L－d)×cos(a(t))×sin(b(t))

PosY’=y(t)＋(L－d)×sin(a(t))

PosZ’=z(t)－(L－d)×cos(a(t))×cos(b(t))

刀具矢量显示部24在监视器画面上显示在刀具矢量计算部18中计算出的刀具矢量。刀具矢量，被显示为连接在刀具矢量计算部18中如上述计算出的矢量起点Ps和矢量终点Pe之间的线段。图4表示对于图3表示的程序轨迹、指令轨迹以及实际轨迹的各个轨迹追加显示多个刀具矢量的显示例。如图所示，各轨迹中的刀具矢量，以直线状从矢量起点Ps延伸到位于各轨迹上的矢量终点Pe。通过各轨迹的刀具矢量也与各轨迹一样以可互相对比的方式被重叠显示。为互相区别刀具矢量，与轨迹一样，点线表示程序轨迹上的刀具矢量，虚线表示指令轨迹上的刀具矢量，实线表示实际轨迹上的刀具矢量。这样除了各轨迹之外，还以可对比的方式地重叠显示通过各轨迹的刀具矢量，由此例如在加工形状中产生误差的情况下能够根据视觉信息确定其原因。

在未如意图那样形成加工形状的情况下考虑几个原因。作为一个原因，考虑加工程序自身不适当的情况。在这种情况下，因为按照不适当的加工程序的指示执行加工处理，当然不能得到意图的加工形状。另外，也考虑在数值控制装置30中的指令生成处理中有发生加工形状误差的原因。在这种情况下，例如需要通过修正参数等设定值来进行调整以生成适当的指令。进而也考虑伺服控制中调整不良的情况，例如发生伺服延迟的情况。

参照图5以及图6，说明基于刀具矢量的对比评价刀具姿势的一例。图5是与加工面50一起表示刀具矢量的概念图。图6是对图5的区域VI进行放大表示的局部放大图。在该例中，在图5的区域VI内未圆滑地形成加工面50，加工面50具有不规则的凹凸。在图5中，表示加工面50的轮廓的曲线52表示实际轨迹，即刀具前端点42a（刀具矢量的终点Pe）的路径，曲线54表示随着刀具42的移动而移位的刀具矢量的起点Ps的路径。

参照图6，表示可互相对比地显示具有起点Ps1以及终点Pe1的实际轨迹中的刀具矢量56、和具有起点Ps2以及终点Pe2的指令轨迹中的刀具矢量58的状态。关于程序轨迹中的刀具矢量，因为通过与指令轨迹中的刀具矢量58大体相同的线段来表示，所以考虑画面的可识别性而被省略。也就是说，程序轨迹中的刀具矢量以及指令轨迹中的刀具矢量58互相大体一致，另一方面，仅实际轨迹中的刀具矢量56被显示为与另外的刀具矢量58显著不同的线段。在这样的情况下，推测刀具42未按照从数值控制装置30发出的指令动作，能够判定为由于伺服控制的调整不良、或者加工过程中的干扰的原因而在加工面50中发生不良。

作为另一例，例如在指令轨迹中的刀具矢量以及实际轨迹中的刀具矢量大体一致，仅程序轨迹中的刀具矢量与另外的刀具矢量显著不同的情况下，推测由于根据加工程序生成指令时的处理，例如插补处理的原因而产生了加工形状的误差。这样，在通过可互相对比地显示各轨迹中的刀具矢量，了解到刀具42不具有希望的姿势的情况下，操作者能够根据视觉信息确定不良的原因。

图7是用于说明第一实施方式的刀具轨迹显示装置10中的显示处理的过程的流程图。首先，刀具轨迹显示装置10使位置数据取得部12动作，从数值控制装置30取得位置数据（步骤S10）。如上述，在位置数据中包含程序位置、指令位置以及实际位置。接着，刀具轨迹显示装置10使刀具坐标计算部14动作，根据从位置数据取得部12送出的位置数据以及机械结构信息，计算表示刀具前端点42a的坐标的程序坐标、指令坐标以及实际坐标（步骤S11）。刀具轨迹显示装置10接着使刀具轨迹生成部16动作，分别按照预定的形状连接在刀具坐标计算部14中计算出的程序坐标之间、指令坐标之间以及实际坐标之间，生成程序轨迹、指令轨迹以及实际轨迹（步骤S12）。

接着刀具轨迹显示装置10使刀具矢量计算部18动作，计算刀具矢量（步骤S13）。刀具矢量，如上述，是连接刀具前端点42a和从刀具前端点42a向刀具42的基端侧离开预定距离的基准点之间的线段。对于程序坐标、指令坐标以及实际坐标分别计算刀具矢量的起点以及终点。刀具轨迹显示装置10接着使刀具轨迹显示部22以及刀具矢量显示部24动作，在监视器画面上显示程序轨迹、指令轨迹和实际轨迹以及各轨迹中的刀具矢量（步骤S14）。

继续说明本发明的与上述实施方式不同的另一实施方式。在以下的说明中，适宜地省略与已说明的内容重复的事项。另外，对于相同或者对应的结构要素使用相同的参照符号。

图8是用于说明第二实施方式的刀具轨迹显示装置10’的框图。在图8中，仅表示刀具轨迹显示装置10’，与图1对比可知，省略了数值控制装置30以及机床40。但是，数值控制装置30以及机床40和刀具轨迹显示装置10’之间的相互作用，与上述第一实施方式的刀具轨迹显示装置10的情况相同。

本实施方式的刀具轨迹显示装置10’，除了上述第一实施方式的刀具轨迹显示装置10的结构之外，还具有刀具矢量选择部60、角度计算部62和角度显示部64。

刀具矢量选择部60选择由操作者经由外部输入装置例如鼠标、键盘等任意选择的坐标中的两个刀具矢量。此时，合并选择程序轨迹、指令轨迹以及实际轨迹中的任何一个中的刀具矢量。在选择的两个刀具矢量中，一方的刀具矢量，选择与另一方的刀具矢量不同的轨迹中的刀具矢量。例如操作者选择应该选择的刀具前端点42a的位置和轨迹的种类，即程序轨迹、指令轨迹以及实际轨迹中的任何两个。接受操作者的操作，刀具矢量选择部60选择已选择的位置以及轨迹中的刀具矢量，向角度计算部62发送用于确定所选择的刀具矢量的信息。

角度计算部62，从刀具矢量计算部18分别取得通过刀具矢量选择部60选择的两个刀具矢量的矢量起点Ps1、Ps2以及矢量终点Pe1、Pe2的坐标，计算通过这两个刀具矢量形成的角度θ。在两个刀具矢量之间形成的角度θ，根据关于矢量的内积成立的关系式，通过下式计算。

$\mathrm{\θ}={\cos }^{-1}\frac{|(\stackrel{\→}{\mathrm{Pe}1}-\stackrel{\→}{\mathrm{Ps}1})\·(\stackrel{\→}{\mathrm{Pe}2}-\stackrel{\→}{\mathrm{Ps}2})|}{|\stackrel{\→}{\mathrm{Pe}1}-\stackrel{\→}{\mathrm{Pe}1}|\·|\stackrel{\→}{\mathrm{Pe}2}-\stackrel{\→}{\mathrm{Pe}2}|}$

角度显示部64，在监视器画面上一起显示轨迹、刀具矢量和通过角度计算部62计算出的角度θ。

图9是表示追加显示按照第二实施方式计算出的角度θ的显示例的图。这里，作为一例，图示具有起点Ps1以及终点Pe1的实际轨迹中的刀具矢量70和具有起点Ps2以及终点Pe2的指令轨迹中的刀具矢量72。另外，合并显示在这些刀具矢量70、72之间形成的角度θ（在该例中是3.5度）的值。这样，通过在画面上把通过任意选择的两个不同的轨迹的刀具矢量间的角度作为数值显示，操作者能够定量地把握刀具矢量即刀具姿势的相对的倾斜角度。

图10是用于说明第二实施方式的刀具轨迹显示装置10’中的显示处理的过程的流程图。因为步骤S10～步骤S14的各步骤中的处理与关联图7说明的第一实施方式的情况相同，所以在这里省略说明。在本实施方式中，刀具轨迹显示装置10’，按照操作者的操作，通过刀具矢量选择部60选择任意的两个刀具矢量（步骤S20）。刀具轨迹显示装置10’接着使角度计算部62动作，计算在步骤S20选择的两个刀具矢量间形成的角度θ（步骤S21）。然后，刀具轨迹显示装置10’使角度显示部64动作，在监视器画面上显示在步骤S21计算出的角度θ（步骤S22）。

至此说明了本发明的各种实施方式，但是通过任意组合在本说明书中明示或者暗示公开的实施方式的特征也能够实施本发明，这点对于本领域技术人员来说不言自明。在图示的实施方式中，虽然说明了可互相对比地重叠显示各轨迹以及刀具矢量的显示例，但是本发明不限于这样的方式。也就是说，只要以可互相对比的方式显示各轨迹或者刀具矢量即可，例如也可以采用在多个画面上并列显示轨迹以及刀具矢量等其他方法。

在图示的实施方式中，虽然主要说明了分别可对比地显示程序轨迹、指令轨迹以及实际轨迹这三个轨迹以及与其对应的刀具矢量的例子，但是也可以可对比地仅显示这三个轨迹中的任意两个轨迹以及它们的刀具矢量。特别，也可以通过操作者的操作，任意选择显示这些轨迹。

根据上述发明的刀具轨迹显示装置，可对比地显示通过程序轨迹、指令轨迹以及实际轨迹的各轨迹的刀具矢量。因此，在加工形状中产生误差的情况下，操作者能够容易地确定不良的原因。

至此，虽然使用本发明的示例的实施方式图示并说明了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神以及范围的条件下，能够进行上述或者各种变更、省略、追加。

Claims (2)

1.一种刀具轨迹显示装置（10、10’），具有显示部（20、20’），该显示部根据来自控制机床（40）中的刀具前端点（42a）的位置的数值控制装置（30）的信息，可互相对比地显示作为与加工程序对应的上述刀具前端点（42a）的轨迹的程序轨迹、作为与对上述机床（40）的驱动部的指令信号对应的上述刀具前端点（42a）的轨迹的指令轨迹和作为通过检测装置检测的上述刀具前端点（42a）的轨迹的实际轨迹中的至少两个轨迹，上述刀具轨迹显示装置（10、10’）的特征在于，

上述显示部（20、20’）还具有：刀具矢量显示部（24），用于把连接通过上述程序轨迹、上述指令轨迹或者上述实际轨迹的上述刀具前端点（42a）和从该刀具前端点（42a）朝向刀具基端侧离开预定的距离的基准点之间的至少一个线段作为表示刀具姿势的刀具矢量来显示，该刀具矢量显示部（24）可互相对比地显示在上述程序轨迹、上述指令轨迹以及上述实际轨迹中的上述至少两个轨迹中分别得到的上述刀具矢量。

2.根据权利要求1所述的刀具轨迹显示装置（10’），其特征在于，

还具有：

刀具矢量选择部（60），用于选择上述程序轨迹、上述指令轨迹以及上述实际轨迹中的第一轨迹中的上述刀具矢量以及与上述第一轨迹不同的第二轨迹中的上述刀具矢量；和

角度计算部（62），用于计算通过上述第一轨迹中的上述刀具矢量以及上述第二轨迹中的上述刀具矢量形成的角度，

上述显示部（20’）还具有显示上述角度的角度显示部（64）。

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