CN104508579A

CN104508579A - 数控装置

Info

Publication number: CN104508579A
Application number: CN201280074883.XA
Authority: CN
Inventors: 藤野大助; 井内幸弘; 大熊贤治; 佐藤智典
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: DE112012006583T5; WO2014016943A1; JPWO2014016943A1; JP5323280B1; CN104508579B; US9904270B2; DE112012006583B4; US20150205284A1

Abstract

本发明的数控装置是按照包含由直线轴的位置确定的刀具前端位置的指令和由旋转轴的旋转角度确定的刀具姿势的指令的加工程序进行数值控制的数控装置，其具有：前端位置曲线生成单元，其基于所生成的直线轴的指令位置序列，生成与刀具前端位置相关的刀具前端位置曲线；刀具姿势曲线生成单元，其基于所述生成的直线轴的指令位置序列和所生成的旋转轴的指令位置序列，生成与刀具前端位置的移动联动且与刀具姿势相关的刀具姿势曲线；插补运算单元，其对应于所述刀具前端位置的插补点和刀具姿势的插补点，运算出直线轴的机械位置的插补点；以及插补输出单元，其使直线轴移动到所述运算出的机械位置的插补点处，使旋转轴移动到所述运算出的刀具姿势的插补点处。

Description

数控装置

技术领域

本发明涉及一种数控装置。

背景技术

在工作机械中，具有3轴的直线轴和2轴的旋转轴的工作机械称为5轴加工机，利用直线轴的位置对刀具的前端位置进行指示，并且利用旋转轴对刀具的姿势进行指示，从而能够对被加工物加工出复杂的形状。

在对被加工物加工外观设计曲面的情况下，通常利用CAD/CAM装置等进行下述加工，即，生成沿曲面分割为微小的块的刀具前端位置和刀具姿势的点序列，并利用数控装置以直线对该点序列之间进行插补。为了使作为加工结果得到的被加工物的加工面平滑，优选更精细地进行块的分割，但如果分割过分地精细，则加工程序的数据容量会变得过大，有可能数控装置的程序读取解析的运算耗时较多而难以实现规定的加工速度。

与此相对，提出有不使块的分割过分精细而生成加工点序列，并利用数控装置以曲线而不是以直线对该点序列之间进行插补这样的方法。

在专利文献1中，记载有下述内容，即，在数控装置中，进行针对加工点的曲线插补而对曲面进行加工，并且使刀具相对于加工物的倾斜角度发生变化。具体而言，从加工程序分别读入指令点序列和矢量序列。针对所读入的指令点序列，在各点之间求出2点的内插点作为实际指令点，针对实际指令点序列，用最小2乘法生成加工点用近似曲线，使实际指令点向加工点用近似曲线移动而求出加工点用曲线，然后针对加工点用曲线进行插补，求出加工点。另一方面，针对所读入的矢量序列，求出2个内插矢量作为实际指令矢量，针对实际指令矢量的前端点序列，用最小2乘法生成矢量最前端点用近似曲线，使实际指令矢量朝向矢量最前端点用近似曲线移动而求出矢量前端点用曲线，然后针对矢量前端点用曲线进行插补，求出插补矢量。然后，根据加工点和1个周期前的加工点的差，求出行进方向矢量，根据插补矢量求出刀具前端中心矢量，根据插补矢量以及行进方向矢量，求出刀具方向矢量。此外，对于加工点，将刀具前端中心矢量以及刀具方向矢量相加而求出直线移动轴X、Y、Z的位置，根据刀具方向矢量，求出旋转轴A、C的位置。由此，根据专利文献1，由于加工点被平滑地插补且刀具和加工物的相对关系也平滑地变化，因此能够得到平滑的加工面。

在专利文献2中记载有下述内容，即，在数控装置中，控制为使加工点在平滑的曲线上移动，并且使基准刀具长度位置平滑地变化。具体而言，对加工程序进行解析，生成加工点指令序列和刀具姿势指令序列。对所生成的加工点指令序列通过最小二乘法生成加工点近似曲线，使加工点指令序列朝向加工点近似曲线移动而求出加工点曲线，对加工点曲线进行插补，求出插补加工位置。另一方面，根据所生成的刀具姿势指令序列计算出刀具姿势单位矢量序列，对基准刀具长度进行累计而求出基准刀具长度矢量，将基准刀具长度矢量和加工点指令序列相加而生成基准刀具长度位置序列，针对基准刀具长度位置序列，通过最小二乘法生成基准刀具长度位置近似曲线，使基准刀具长度位置序列朝向基准刀具长度位置近似曲线移动而求出基准刀具长度位置曲线，对基准刀具长度位置曲线进行插补，求出插补基准刀具长度位置。然后，根据插补加工位置和插补基准刀具长度位置，求出插补刀具姿势。此外，根据插补加工位置、插补刀具姿势、以及实际刀具长度，求出直线移动轴X、Y、Z的位置，根据插补刀具姿势，求出旋转轴B、C的位置。由此，根据专利文献2，通过将直线轴和旋转轴控制为成为计算出的刀具姿势，而能够在使刀具姿势平滑地变化并进行加工。

专利文献1：日本特开2005-182437号公报

专利文献2：日本特开2010-146176号公报

发明内容

在专利文献1记载的技术中，用于对刀具前端平滑地插补的曲线(加工点用曲线)根据刀具前端位置的点序列而生成，用于对刀具姿势平滑地插补的曲线(矢量前端点用曲线)根据刀具姿势的点序列而生成，如上述所述，该技术是以完全独立地生成刀具前端的曲线和刀具姿势的曲线为前提的。因此，在专利文献1记载的技术中，在考虑刀具姿势矢量的移动轨迹的情况下，有时刀具姿势矢量不能与刀具前端在加工点用曲线上平滑地移动同步地平滑变化，加工得到的加工面有可能不平滑。

在专利文献2记载的技术中，用于对刀具前端平滑地插补的曲线(加工点曲线)根据刀具前端位置的点序列而生成，根据刀具前端点位置的点序列和刀具姿势位置序列，生成用于对从刀具前端偏移基准刀具长度的基准刀具长度位置进行平滑地插补的曲线(基准刀具长度位置曲线)，根据将对加工点曲线进行插补的点和对基准刀具长度位置进行插补的点连结的插补刀具姿势，求出该插补点处的旋转轴B、C的位置。因此，在专利文献2记载的技术中，在考虑刀具姿势矢量的移动轨迹的情况下，例如，在刀具姿势只利用1个旋转轴(例如B轴)的移动而变化，而其它旋转轴(例如C轴)不移动的程序的情况下，在根据将对加工点曲线进行插补的点和对基准刀具长度位置进行插补的点连结的插补刀具姿势而计算出的旋转轴的值中，可能原本不应该移动的C轴也会出现移动成分，尤其如果处于特殊点附近，则成为较大的C轴移动，加工得到的加工面有可能不平滑。

本发明就是鉴于上述问题而提出的，其目的在于得到一种能够使刀具姿势矢量的移动轨迹平滑的数控装置。

为了解决上述课题，实现目的，本发明的一个技术方案所涉及的数控装置按照下述加工程序对具有刀具、直线轴、以及旋转轴的机械进行数值控制，其中，该加工程序包含由直线轴的位置确定的刀具前端位置的指令和由旋转轴的旋转角度确定的刀具姿势的指令，该数控装置的特征在于，具有：程序输入单元，其读取由所述加工程序中的连续的程序块指示出的刀具前端位置以及刀具姿势，生成直线轴的指令位置序列和旋转轴的指令位置序列；前端位置曲线生成单元，其基于生成的所述直线轴的指令位置序列，生成与刀具前端位置相关的刀具前端位置曲线；刀具姿势曲线生成单元，其基于生成的所述直线轴的指令位置序列和生成的所述旋转轴的指令位置序列，生成与刀具前端位置的移动联动且与刀具姿势相关的刀具姿势曲线；插补运算单元，其在各插补周期中，根据所述刀具前端位置曲线，运算出刀具前端位置的插补点，根据所述刀具姿势曲线，运算出刀具姿势的插补点，对应于所述刀具前端位置的插补点和刀具姿势的插补点，运算出直线轴的机械位置的插补点；以及插补输出单元，其使直线轴移动到所述运算出的机械位置的插补点处，使旋转轴移动到所述运算出的刀具姿势的插补点处。

发明的效果

根据本发明，由于与刀具前端点的直线轴移动相关联地导出刀具姿势曲线，因此，例如能够对基于直线轴生成的刀具前端位置曲线、和基于直线轴和旋转轴这两者生成的刀具姿势曲线进行组合，而分别对直线轴以及旋转轴进行插补。其结果，能够随着刀具前端的移动，使刀具姿势矢量平滑地移动。即，能够使刀具姿势矢量的移动轨迹平滑。

附图说明

图1是表示实施方式1所涉及的数控装置的结构的图。

图2是表示实施方式1所涉及的工作机械的结构的图。

图3是表示实施方式1中的刀具前端点以及刀具姿势的图。

图4是表示实施方式1中的1个区间的样条曲线的图。

图5是表示实施方式1中的合成直线轴和2个旋转轴而得到的曲线的图。

图6是表示实施方式1中的加工程序的内容的图。

图7是表示实施方式1中的数据表的结构的图。

图8是表示实施方式1中的曲线上的插补点的图。

图9是表示实施方式1中的合成直线轴和1个旋转轴而得到的曲线的图。

图10是表示实施方式2中的数据表的结构的图。

具体实施方式

以下，基于附图详细说明本发明所涉及的数控装置的实施方式。另外，本发明并不限定于本实施方式。

实施方式1

使用图1说明实施方式1所涉及的数控装置10。图1是表示数控装置10的结构的图。

图1所示的数控装置10是经由伺服驱动部9例如对图2所示的工作机械100进行数值控制的装置，例如是对刀具102的前端位置和刀具102的姿势进行控制的装置。图2是表示工作机械100的结构的图。

在搭载有数控装置10的工作机械100中，通过进行各轴的控制以使得可动部移动到由加工程序(NC程序、运动程序)1指示出的位置，同时进行加工。工作机械100具有多个直线轴和大于或等于1个的旋转轴。

具体而言，工作机械100例如如图2所示，是具有3个直线轴(平移轴)即X轴、Y轴、Z轴和2个旋转轴即B轴、C轴的5轴加工机。X轴是X轴伺服电动机109X用于使刀具102直线移动的轴。Y轴是Y轴伺服电动机109Y用于使刀具102直线移动的轴。Z轴是Z轴伺服电动机109Z用于使刀具102直线移动的轴。X轴、Y轴、以及Z轴例如彼此正交。B轴是B轴伺服电动机109B用于使刀具102旋转移动的轴，例如使刀具102绕Y轴旋转移动。C轴是C轴伺服电动机109C用于使刀具102旋转移动的轴，例如使刀具102绕Z轴旋转移动。工作台101在其主表面101a上载置工件WK。此外，B轴的中心轴线和C轴的中心轴线的交点可视为表示工作机械100的中心的机械位置MP。

另外，图2是例示性地示出在刀具侧具有2个旋转轴(B轴、C轴)的情况的5轴加工机的结构的图，但工作机械100也可以是在刀具侧和工件侧各具有1个旋转轴的情况的5轴加工机，也可以是在工件侧具有2个旋转轴的情况的5轴加工机。

加工程序1(参照图6)是使用被称为G代码的指令代码进行记录的程序，例如，是作为同时控制5轴功能而使用刀具前端点控制(G43.4/G43.5)指令等进行记录的程序。

数控装置10对加工程序1进行解析，根据解析结果经由伺服驱动部9对工作机械100(例如，5轴加工机)进行控制(参照图2)，而控制相对于在工作台101上载置的工件WK的相对刀具姿势，并进行工件WK的加工。例如，数控装置10通过分别适当地控制X、Y、Z、B、C轴，以使得刀具102的位置或姿势成为期望的刀具位置、刀具姿势，而实现针对工件WK的复杂的加工。例如，数控装置10向伺服驱动部9中的X轴驱动部9X、Y轴驱动部9Y、Z轴驱动部9Z、B轴驱动部9B以及C轴驱动部9C分别输出规定的移动指令(参照图1)。由此，X轴驱动部9X、Y轴驱动部9Y、Z轴驱动部9Z、B轴驱动部9B、以及C轴驱动部9C分别向X轴伺服电动机109X、Y轴伺服电动机109Y、Z轴伺服电动机109Z、B轴伺服电动机109B、C轴伺服电动机109C输出电压指令，并进行驱动。

如上所述，在工作机械100中，能够利用直线轴的位置对刀具102的前端位置进行指示，并且利用旋转轴对刀具102的姿势进行指示，而能够针对工件WK加工出更复杂的形状。

在针对工件WK加工外观设计曲面的情况下，通常利用CAD/CAM装置等生成下述程序，该程序将工件WK沿曲面分割为微小的块，并在各块中，对刀具102的前端位置102a和刀具102的姿势的点序列进行指示。而且，通常利用数控装置10进行下述加工，即，以直线对由该加工程序指示出的点序列之间进行插补。在该情况下，为了使作为加工结果得到的工件WK的加工面平滑，优选较精细地进行块的分割，但如果分割过分地精细，则加工程序的数据容量会变得过大，有可能数控装置的程序读取解析的运算耗时较多而难以实现规定的加工速度。

与此相对，能够想到，不使块的分割过分精细而生成加工点序列，并利用数控装置10以曲线而不是以直线对该点序列之间进行插补这样的方法。在对刀具102的前端位置102a和刀具102的姿势的点序列进行指示的加工程序的情况下，需要平滑地对与刀具102的前端位置102a对应的直线轴的移动进行插补，同时使与刀具102的姿势对应的旋转轴的移动(旋转)与直线轴的移动同步，并平滑地进行曲线插补，希望实现该过程的技术。

因此，在实施方式1中，基于直线轴的指令位置的点序列，生成与刀具102的前端位置102a相关的刀具前端位置曲线，另一方面，不仅基于旋转轴的指令位置的点序列，还基于直线轴的指令位置的点序列，生成与刀具102的姿势相关的刀具姿势曲线，从而实现下述目的，即，使刀具前端102a的移动轨迹平滑，同时使与该移动同步且表示出刀具102的姿势的刀具姿势矢量的移动轨迹平滑。

即，实施方式1所涉及的数控装置10例如具有：程序输入单元、前端位置曲线生成单元、刀具姿势曲线生成单元、插补运算单元、以及插补输出单元。

程序输入单元读取由加工程序中的连续的程序块指示出的前端位置和刀具的姿势，而生成直线轴的指令位置序列和旋转轴的指令位置序列。刀具前端位置曲线生成单元基于由程序输入单元生成的直线轴的指令位置序列，生成刀具前端位置曲线。刀具前端位置曲线是与刀具102的前端位置102a相关的曲线，例如是平滑的曲线。刀具姿势曲线生成单元基于由程序输入单元生成的直线轴的指令位置序列以及由程序输入单元生成的旋转轴的指令位置序列，生成刀具姿势曲线。刀具姿势曲线是与刀具102的前端位置102a的移动联动的曲线，是与刀具102的姿势相关的曲线，例如是平滑的曲线。插补运算单元在各插补周期中，根据刀具前端位置曲线运算出刀具102的前端位置102a的插补点。插补运算单元在各插补周期中，根据刀具姿势曲线运算出刀具102的姿势的插补点。插补运算单元在各插补周期中，基于刀具102的前端位置102a的插补点和刀具102的姿势的插补点，运算出直线轴的机械位置MP的插补点。插补输出单元使直线轴移动到由插补运算单元运算出的机械位置MP的插补点处。插补输出单元使旋转轴移动(旋转)到由插补运算单元运算出的刀具102的姿势的插补点处。

在上述的结构单元中，实施方式1中的特征部分例如是刀具前端位置曲线生成单元和刀具姿势曲线生成单元，对于此，首先说明实施方式1的思路。

根据公知的曲线理论(例如，《形状処理工学(I)》山口富士夫著，“日刊工業新聞社”刊发)，平滑地通过如图3所示的n+1个指定点P₀、P₁、P₂、…、P_n的3次样条曲线上的点例如在从指定点P_j-1到P_j的图4所示的区间中，用下面的算式(1)表达。

【式1】

P_{j} (t) = [\begin{matrix} t^{3} & t^{2} & t & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} 3 & - 2 & 1 & 1 \\ - 3 & 3 & - 2 & - 1 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} P_{j - 1} \\ P_{j} \\ d_{j} q_{j - 1} \\ d_{j} q_{j} \end{matrix}] \cdot \cdot \cdot (1)

(j＝1，2，3，···，n)

在算式(1)中，q_j是指定点P_j(x_j，y_j，z_j)处的3次样条曲线的单位切线矢量，d_j是从P_j-1到P_j为止的距离，例如，以下面的算式(2)表达。

d_{j} = \sqrt{} {{(x_{j} - x_{j - 1})}^{2} + {(y_{j} - y_{j - 1})}^{2} + {(z_{j} - z_{j - 1})}^{2}] \cdot \cdot \cdot (2)

此外，在上述的算式(1)中，t是曲线的参数，是0≤t≤1的范围内的值。由算式(1)表示的样条曲线通过指定点P_j，但如果不适当地设定单位切线矢量q_j，则在各指定点处，2阶微分不连续。2阶微分在各指定点处连续的条件用下面的算式(3)表达。

d_jq_j-1+2(d_j+1+d_j)q_j+d_jq_j+1＝(3/d_jd_j+1)(d_j ²(P_j+1-P_j)+d_j+1 ²(P_j-p_j-1)(j＝1，2，3，···，n)···(3)

另外，对于端点P₀和P_n，将端点处的曲率设为0，追加由下面的算式(4a)、(4b)表示的端点条件。

2d₂q₁+d₂q₃＝3(P₂-P₁)···(4a)

d_nq_n-1+2d_nq_n＝3(P_n-P_n-1)···(4b)

如果通过求解算式(3)、(4a)、(4b)的n+1个联立方程式，求出n+1个切线矢量q_j，则能够利用算式(1)求出整个区间的样条曲线。

其中，在上述解法中，算式(1)的样条曲线如果分解为直线轴的各轴(X轴、Y轴、Z轴)的成分，则用下面的算式(5)表达。

P_j(t)＝[Px_j(t)，Py_j(t)，Pz_j(t)]···(5)

算式(3)、(4a)、(4b)对于将表示指定点之间的距离的算式(2)的d_j作为共同项的直线轴的各轴成分是彼此独立的式子，针对直线轴的各轴独立地求出样条曲线。

下面，考虑直线轴和旋转轴的合成。如图3所示，表示点P_j处的刀具102的姿势的刀具姿势矢量V_j通过2个旋转轴即B轴和C轴的角度给出。针对直线轴的指定点序列P_j(x_j、y_j、z_j)以及表示刀具102姿势的角度的指定点序列V_j(b_j、c_j)，5维空间的点间距离用以下的算式(6)定义。

\begin{matrix} {d_{j}}^{'} = \sqrt{} {{(x_{j} - x_{j - 1})}^{2} + {(y_{j} - y_{j - 1})}^{2} + {(z_{j} - z_{j - 1})}^{2} \\ + {(b_{j} - b_{j - 1})}^{2} + {(c_{j} - c_{j - 1})}^{2}} \end{matrix} \cdot \cdot \cdot (6)

在算式(6)中，直线轴的长度和旋转轴的角度的维度的差异例如通过换算为1°＝1mm而使维度相匹配。

此时，在算式(1)、(3)、(4a)、(4b)中，通过将点序列之间的距离d_j设为算式(6)的d_j’，而对X轴、Y轴、Z轴、B轴、C轴的各轴成分进行定义，且算式(1)的样条曲线能够分解为各轴的成分，而如下面的算式(7)所示地求出。

P_j(t)＝[Px_j(t)，Py_j(t)，Pz_j(t)，Pb_j(t)，Pc_j(t)]···(7)

其中，算式(7)的x、y、z的各成分Px_j(t)、Py_j(t)、Pz_j(t)与算式(5)的x、y、z的各成分Px_j(t)、Py_j(t)、Pz_j(t)不同。

此处，考虑刀具前端102a的移动距离的累计值L，将把累计值L视为1个轴的情况下的成分I如算式(8)所示。

I_j＝I_j-1+d_j···(8)

此时，如图5所示，考虑L-B-C的3维空间，作为平滑地通过L-B-C空间内的样条曲线，考虑用下面的算式(9)表示的曲线。

P_j(t)＝[PI_j(t)，Pb_j(t)，Pc_j(t)]···(9)

此时，点序列之间的距离d_j”用下面的算式(10)表示。

{d_{j}}^{,,} = \sqrt{} {{(I_{j} - I_{j - 1})}^{2} + {(b_{j} - b_{j - 1})}^{2} + {(c_{j} - c_{j - 1})}^{2}} \cdot \cdot \cdot (10)

在算式(10)中，毫无疑问，下面的算式(11)成立。

(I_j-I_j-₁)²＝(x_j-x_j-₁)²+(y_j-y_j-1)²+(z_j-z_j-1)²

···(11)

根据算式(6)、(10)、(11)，可知d_j’＝d_j”成立。由此，利用算式(7)求出的样条曲线的B轴、C轴的成分P_b(t)、P_c(t)与利用算式(9)求出的样条曲线的B轴、C轴的成分一致。即，能够将利用算式(7)求出的样条曲线的P_b(t)、P_c(t)视为与直线轴的指令点序列之间的移动同步而平滑地变化的曲线式。

由此，如果对根据算式(5)求出的样条曲线的直线轴的成分Px(t)、Py(t)、Pz(t)和根据算式(7)求出的样条曲线的旋转轴的成分Pb(t)、Pc(t)进行组合，而设为

P_j(t)＝[Px_j(t)，Py_j(t)，Pz_j(t)，Pb_j(t)，Pc_j(t)]

则能够用该曲线得到平滑地移动直线轴X、Y、Z且与该移动同步而旋转轴B、C平滑地移动的曲线。

因此，在实施方式1中，例如刀具前端位置曲线生成单元根据直线轴的位置指令的点序列导出利用算式(5)得出的样条曲线，刀具姿势曲线生成单元根据直线轴以及旋转轴的指令位置的点序列，基于直线轴和旋转轴的合成轴而生成利用算式(7)得出的刀具姿势曲线。

具体而言，如图1所示，数控装置10具有程序输入部2、曲线生成部3、插补运算部6、插补输出部7，9是根据针对每个采样时间的位置指令对未图示的电动机进行驱动的伺服驱动部，8是存储曲线生成处理用的数据的数据表。曲线生成部3具有刀具前端位置曲线生成部4以及刀具姿势曲线生成部5。

程序输入部2读取加工程序1。曲线生成部3根据由程序输入部2所读取的加工程序1，生成将加工程序1的指令点序列平滑地连接的曲线。例如，曲线生成部3的刀具前端位置曲线生成部4生成将刀具前端的指令位置平滑地连接的曲线。曲线生成部3的刀具姿势曲线生成部5生成将刀具的姿势的指令角度平滑地连接的曲线。插补运算部6沿利用曲线生成部3生成的曲线，运算出针对每个采样时间的插补位置。插补输出部7将针对每个采样时间运算出的插补位置作为位置指令而输出到伺服驱动部9。

加工程序1例如包含如图6所示地规定的内容。“G43.4”表示刀具前端点控制，在“G43.4”这一行以下所记录的X、Y、Z的座标值表示图3所示的刀具102的前端位置102a的座标。“G01”表示直线插补，表示直线地移动到在各程序块中所指示出的各轴的座标值处。此处，将用于指示沿平滑的曲线进行移动的G代码准备为“G06.1”，如果到达希望进行曲线插补的部位，则在加工程序1中指示出“G06.1”，将其后曲线通过的点以各轴的座标值进行程序指示。而且，如果结束曲线插补，则如果程序指示出“G01”的直线插补等其它插补模式，则在该时刻取消曲线插补。在图6所示的加工程序1中，将指示“G06.1”前的最后的直线插补的终点P0作为曲线的起始点，作为曲线插补的通过点，编程出P1、P2、P3、…Pn，在“G01”处成为其它的插补模式，而在Pn处曲线插补结束。

另外，此处，在Pn之后，利用“G01”取消曲线插补，但也可以用其它的“G0”(快进)或“G2/G3”(圆弧插补)等取消曲线插补。此外，也可以通过再次指示“G06.1”，而程序指示出以Pn为起始点的新的曲线。此外，也可以分配明确取消曲线插补的特定的G代码。

程序输入部2逐行读取加工程序1，如果识别出表示曲线插补的G代码(本实施例中是“G06.1”)，则在一系列的曲线插补被取消之前读取加工程序1，在数据表8中设定各数据。将数据表8的内容表示在图7中。

在此处设定的数据是从P₀到P_n为止的(n+1)个点的X、Y、Z、B、C各轴的座标值以及2点之间的距离d_j以及d_j’。其中，d_j是从P_j-1到P_j为止的距离，用上述的算式(2)表示。d_j’是针对直线轴的指定点序列P_j(x_j、y_j、z_j)以及表示刀具姿势的角度的指定点序列V_j(b_j、c_j)，将3个直线轴3轴和2个旋转轴这5轴合成而得到的5维空间的点间距离，用上述的算式(6)表示。其中，直线轴的长度和旋转轴的角度的维度差异，例如通过换算为1°＝1mm而使维度相匹配。

例如，如果生成如图7所示的数据表8，则图1所示的程序输入部2启动曲线生成部3。

在曲线生成部3中，首先，刀具前端位置曲线生成部4根据数据表8生成平滑地通过刀具前端点的曲线式。作为生成步骤，根据刀具前端的座标值P_j＝(X_j，Y_j，X_j)以及刀具前端点的指令点序列间的距离d_j，在将各指令点P_j处的切线矢量q_j设为q_j＝(qx_j，qy_j，qz_j)时，利用曲线的2阶微分连续的式子即上述的算式(3)以及在曲线的起始点P₀以及终点P_n处曲率成为0的端点条件即算式(4a)、(4b)，分别针对X、Y、Z，求解上述(n+1)个联立方程式。由此，计算出(n+1)个切线矢量q_j＝(qx_j，qy_j，qz_j)(n＝0，1，…，n)。计算出的结果例如作为直线轴的切线矢量(参照图7)存储在数据表8中。

下面，刀具姿势曲线生成部5根据数据表8生成刀具姿势通过指令点并平滑地变化的曲线式。作为生成的步骤，在将由刀具前端的座标值以及刀具姿势的座标值构成的P_j＝(X_j，Y_j，Z_j，B_j，C_j)、以及合成3个直线轴和2个旋转轴而得到的指令点序列间的距离d_j’设为d_j(参照算式6、图5)，且将各指令点P_j处的切线矢量q_j设为q_j＝(qx_j，qy_j，qz_j，qb_j，qc_j)时，根据曲线的2阶微分连续的上述的算式(3)以及在曲线的起始点P₀以及终点P_n处曲率成为0的端点条件的算式(4a)、(4b)，仅分别针对B轴、C轴的2个旋转轴的成分，根据上述(n+1)个联立方程式，计算出(n+1)个切线矢量q_j’＝(qb_j，qc_j)(n＝0，1，…，n)。计算出的结果例如作为旋转轴的切线矢量(参照图7)存储在数据表8中。

以上述方式，导出平滑的曲线的切线矢量的各轴成分。

下面，3次样条函数的式子如下面的算式(16)所示。

f(t)＝At³+Bt²+Ct+D(0≤t≤1)···(16)

如果对算式(16)进行1阶微分，则得到算式(17)。

f’(t)＝3At²+2Bt+C···(17)

根据算式(16)，曲线的起始点的座标值如下面的算式(18a)所不。

f(0)＝D···(18a)

根据算式(16)，曲线的终点的座标值如下面的算式(18b)所示。

f(1)＝A+B+C+D···(18b)

根据算式(17)，曲线的起始点的切线矢量的成分如下面的算式(18c)所示。

f’(0)＝C···(18c)

根据算式(17)，曲线的终点的切线矢量的成分如下面的算式(18d)所示。

f’(1)＝3A+2B+C···(18d)

由于在数据表8中求出各点的座标值以及切线矢量的角轴成分，因此使用它们导出n个区间的各轴的3次样条函数。

f_jx(t)＝A_xt³+B_xt²+C_xt+D_x

(j＝0，1，···，n)···(19a)

f_jy(t)＝A_yt³+B_yt²+C_yt+D_y

(j＝0，1，···，n)···(19b)

f_jz(t)＝A_zt³+B_zt²+C_zt+D_z

(j＝0，1，···，n)···(19c)

f_jb(t)＝A_bt³+B_bt²+C_bt+D_b

(j＝0，1，···，n)···(19d)

f_jc(t)＝A_ct³+B_ct²+C_ct+D_c

(j＝0，1，···，n)···(19e)

如果利用曲线生成部3在所有的区间导出各轴的曲线式，则利用插补运算部6按照一定的采样周期执行插补处理。

插补处理以下述步骤执行。首先，如果针对在程序1中记录的刀具前端的移动速度指令F(mm/分)，求出在一定的采样时间ΔT(秒)内移动的距离ΔL(mm)，则得到算式(20)。

ΔL＝F/60×ΔT(mm)···(20)

在算式(20)中，F设为恒定的程序指令速度，但在进行规定的加减速时，也可以将实施加减速的速度设为F。

下面，求出从当前的位置在曲线上前进了ΔL的位置。在图8中，将当前的位置设为曲线P_j(t)上的使t＝ta而得到的位置A＝P_j(ta)，求出从此处前进了ΔL的位置B。为此，只要求出用于得到曲线上的位置B＝P_j(tb)的曲线参数tb即可。曲线P_j(t)的起始点是P_j-1＝P_j(0)，终点是P_j＝P_j(1)，从P_j-1到P_j为止的距离是d_j，因此，如果曲线上的参数t从0变化到1，则在曲线P_j(t)上移动距离d_j。因此，为了在曲线上移动ΔL，则首先要使参数t变化Δt＝ΔL/d_j。因此，通过下面的算式(21)求出P_j(tb)。

tb＝ta+Δt···(21)

实际中通过下面的算式(22)，求出从P_j(ta)移动的距离Leng。

Leng＝|P_j(ta)-P_j(tb)|···(22)

在用算式(22)表示的实际移动的距离Leng与ΔL的差大于或等于容许值时，用式

Δt＝Δt×ΔL/Leng

对Δt进行校正，使用校正后的Δt对算式(21)的tb进行校正而重新求出P_j(tb)。重复如上所述的运算，直至从P_j(ta)到P_j(tb)为止实际移动的距离Leng与ΔL的差在容许值以内。

以上述方式，如果求出在曲线上从点A移动ΔL的点B＝P_j(tb)＝(f_jx(tb)、f_jy(tb)、f_jz(tb))，则将该曲线参数tb代入刀具姿势的曲线式(参照算式(19d)、(19e))，而求出与点P_j(tb)对应的刀具姿势曲线V_j(tb)＝(f_jb(tb)，f_jc(tb))。由于刀具姿势曲线V_j(t)与刀具前端的曲线P_j(t)的移动联动地求出，因此能够通过将与用于得到刀具前端位置的曲线参数t相同的参数t提供给刀具姿势曲线式，而求出刀具前端的姿势，从而与刀具前端的平滑移动联动地求出使刀具姿势平滑地动作的位置。

如以上所述，如果针对每个采样周期求出在平滑的曲线上移动的X、Y、Z、B、C各轴的位置，则在插补运算部6中，根据刀具前端的位置X、Y、Z和刀具姿势B、C的值，计算出图3所示的机械位置MP，并将机械位置X、Y、Z和刀具姿势的角度B、C各轴的值向伺服驱动部7指示。伺服驱动部9对各轴的伺服电动机进行驱动，以到达所指示的位置。

另外，在上述的处理的说明过程中，将当前的位置设为A＝P_j(ta)而进行了说明，但在最初对曲线进行插补时，j＝0、ta＝0。即，A＝P₀(0)成为一系列曲线的起始点。

此外，在从点A到该区间的曲线终点P_j(1)为止的剩余距离小于ΔL时，将从ΔL减去剩余距离而得到的值设为ΔL’，根据下述的算式(23)求出ΔL’，将点A作为下个曲线P_j+1(t)的起始点P_j+1(0)，而求出在P_j+1(t)上移动ΔL’的位置P_j+1(tb)即可。

ΔL'＝ΔL-|P_j(ta)-P_j(1)|···(23)

通过以上的过程，能够沿经过由程序指示出的前端位置的平滑的曲线，对刀具前端位置进行插补，并且能够得到下述的插补结果，即，用于得到刀具姿势的2个旋转轴经过由加工程序指示出的姿势并且与刀具前端的移动同步且平滑地变化。即，能够使刀具姿势矢量V的移动轨迹平滑。

如以上所述，在实施方式1中，在数控装置10中，刀具前端位置曲线生成部4基于由程序输入部2生成的直线轴的指令位置序列，生成与刀具前端位置相关的刀具前端位置曲线(例如，算式(19a)、(19b)、(19c))。刀具姿势曲线生成部5基于由程序输入部2生成的直线轴的指令位置序列和由程序输入部2生成的旋转轴的指令位置序列，生成与刀具前端位置的移动联动且与刀具姿势相关的刀具姿势曲线(例如，算式(19d)、(19e))。插补运算部6根据由刀具前端位置曲线生成部4生成的刀具前端位置曲线，运算出刀具102的前端位置102a的插补点，根据由刀具姿势曲线生成部5生成的刀具姿势曲线，运算出刀具102的姿势的插补点，并对应于刀具102的前端位置102a的插补点和刀具102的姿势的插补点，运算出直线轴的机械位置MP的插补点。而且，插补输出部7使直线轴移动到由插补运算部6运算出的机械位置的插补点处，并使旋转轴移动到由插补运算部6运算出的刀具姿势的插补点处。由此，刀具姿势曲线能够与刀具前端点的直线轴移动相关联地导出，因此，例如对基于直线轴生成的刀具前端位置曲线和基于直线轴和旋转轴这两者生成的刀具姿势曲线进行组合，而能够分别对直线轴以及旋转轴进行插补。其结果，能够随着刀具前端的移动，使刀具姿势矢量平滑地移动。即，能够使刀具姿势矢量的移动轨迹平滑。

此外，在实施方式1中，刀具姿势曲线生成部5使用直线轴和旋转轴的合成轴，生成刀具姿势曲线。例如，刀具姿势曲线生成部5在合成3个直线轴和2个旋转轴而得到的5维空间中，以使由刀具前端的座标值以及刀具姿势的座标值构成的各指令点处的曲线的2阶微分值连续的方式，求出2个旋转轴的切线矢量，并使用该2个旋转轴的切线矢量，求出刀具姿势曲线的曲线式。由此，能够基于直线轴的指令位置序列和旋转轴的指令位置序列这两者生成刀具姿势曲线，将刀具姿势曲线设为与刀具前端位置的移动联动的曲线。其结果，能够沿经过由加工程序指示出的前端位置的平滑的曲线，对刀具前端位置进行插补，并且能够得到下述的插补结果，即，使用于得到刀具姿势的2个旋转轴经过由加工程序指示出的姿势并且与刀具前端的移动同步且平滑地变化。

实施方式2

下面，对实施方式2所涉及的数控装置10i进行说明。下面以与实施方式1不同的部分为中心进行说明。

在实施方式1中，例如使用合成3个直线轴和2个旋转轴而得到的5轴合成轴，而生成刀具姿势曲线，但在实施方式2中，将旋转轴逐一与直线轴进行合成。

首先，说明实施方式2的思路。例如对将2个旋转轴逐个与3个直线轴合成的情况进行例示性的说明。

针对直线轴的指定点序列P_j(x_j，y_j，z_j)以及表示刀具姿势的角度的指定点序列V_j(b_j，c_j)，用以下的算式(12a)、(12b)定义4维空间的点间距离。

\begin{matrix} d b_{j} = \sqrt{} {{(x_{j} - x_{j - 1})}^{2} + {(y_{j} - y_{j - 1})}^{2} \\ + {(z_{j} - z_{j - 1})}^{2} + {(b_{j} - b_{j - 1})}^{2}} \end{matrix} \cdot \cdot \cdot (12 a)

\begin{matrix} d c_{j} = \sqrt{} {{(x_{j} - x_{j - 1})}^{2} + {(y_{j} - y_{j - 1})}^{2} \\ + {(z_{j} - z_{j - 1})}^{2} + {(c_{j} - c_{j - 1})}^{2}} \end{matrix} \cdot \cdot \cdot (12 b)

在算式(12a)中，db_j是将旋转轴的B轴与直线轴x、y、z合成而得到的4维空间中的点间距离，在算式(12b)中，dc_j是将旋转轴的C轴与直线轴x、y、z合成而得到的4维空间中的点间距离。直线轴的长度和旋转轴的角度的维度的差异通过例如换算为1°＝1mm而使维度相匹配。

此时，上述的算式(1)、(3)、(4a)、(4b)通过将点序列间的距离d_j设为式(12a)的db_j，而对x、y、z、b的各轴成分进行定义，算式(1)的样条曲线分解为各轴的成分，而能够通过下面所示的算式(13a)求出。

P_j(t)＝[Px_j(t)，Py_j(t)，Pz_j(t)，Pb_j(t)]

···(13a)

其中，算式(13a)的X、Y、Z的各成分Px_j(t)、Py_j(t)、Pz_j(t)与算式(5)、(7)的Px_j(t)、Py_j(t)、Pz_j(t)不同。此外，算式(13a)的B的成分Pb_j(t)与算式(7)的Pb_j(t)不同。

此处，考虑刀具前端的移动距离的累计值L，将把累计值L视为1个轴的情况下的成分l表示在算式(8)中。

此时，如图9所示，作为平滑地通过L-B的2维平面的样条曲线，考虑以下面的算式(14a)表示的曲线。

P_j(t)＝[PI_j(t),Pb_j(t)]···(14a)

此时，点序列间的距离db_j’用下面的算式(15a)表示。

d {b_{j}}^{'} = \sqrt{} {{(I_{j} - I_{j - 1})}^{2} + {(b_{j} - b_{j - 1})}^{2}} \cdot \cdot \cdot (15 a)

在算式(15a)中，毫无疑问，上述的算式(11)成立。

根据算式(6)、(15a)、(11)可知db_j＝db_j’成立。由此，利用算式(14a)求出的样条曲线的B轴成分Pb_j(t)与利用算式(13a)求出的样条曲线的B轴成分一致。即，能够将利用算式(13a)求出的样条曲线的Pb_j(t)视为与直线轴的指令点序列间的移动同步而使旋转轴的B轴平滑地变化的曲线式。

同样地对于C轴，算式(1)、(3)、(4a)、(4b)也通过将点序列间的距离d_j设为式(12b)的dc_j，而能够对x、y、z、c的各轴成分进行定义，且算式(1)的样条曲线能够分解为各轴的成分，如下面的算式(13b)所示地求出。

P_j(t)＝[Px_j(t),Py_j(t),Pz_j(t),Pc_j(t)]

···(13b)

与B轴的情况同样地，能够将算式(13b)的C轴成分Pc_j(t)视为与直线轴的指令点序列间的移动同步而使旋转轴的C轴平滑地变化的曲线式。

因此，在实施方式2中，例如前端位置曲线生成单元根据直线轴的位置指令的点序列导出利用算式(5)得到的样条曲线，刀具姿势曲线生成单元根据直线轴以及旋转轴的指令位置的点序列，基于将旋转轴逐个与直线轴合成而得到的合成轴，生成利用算式(13a)、(13b)得到的刀具姿势曲线。

具体而言，刀具姿势曲线生成部5i的动作如图9所示，与实施方式1不同，数据表8i的内容如图10所示，与实施方式1不同。

即，在通过程序输入部2而设定在数据表8i中的数据中，db_j是针对直线轴的指定点序列P_j(x_j、y_j、z_j)以及表示刀具姿势的角度的指定点序列V_j(b_j、c_j)，将3个直线轴和旋转轴B轴这4个轴合成而得到的4维空间中的点间距离，用上述的算式(12a)表示。dc_j是针对直线轴的指定点序列P_j(x_j、y_j、z_j)以及表示刀具姿势的角度的指定点序列V_j(b_j、c_j)，将3个直线轴和旋转轴C轴这4个轴合成而得到的4维空间中的点间距离，用上述的算式(12b)表示。

此外，在曲线生成部3中，刀具姿势曲线生成部5i根据数据表8i生成使刀具姿势通过指令点且平滑地变化的曲线式。作为生成的步骤，在将由刀具前端的座标值以及刀具姿势的一部分座标值构成的P_j’＝(X_j，Y_j，Z_j，B_j)、以及合成3个直线轴和旋转轴B轴而得到的指令点序列间的距离db_j’设为d_j(参照算式(12a)、图9)，且将指令点P_j’处的切线矢量q_j’设为q_j’＝(qx_j，qy_j，qz_j，qb_j)时，根据曲线的2阶微分连续的上述的算式(3)以及在曲线的起始点P₀’以及终点P_n’处曲率成为0的端点条件的算式(4a)、(4b)，仅对B轴成分，根据上述(n+1)个联立方程式计算出(n+1)个切线矢量的成分qb_j(n＝0，1，…，n)。计算出的结果作为旋转轴的切线矢量的B轴成分qb(参照图1)而存储在数据表8i中。

接下来，刀具姿势曲线生成部5i在将由刀具前端的座标值以及刀具姿势的一部分座标值构成的P_j”＝(X_j，Y_j，Z_j，C_j)、以及合成3个直线轴和旋转轴C轴而得到的指令点序列间的距离dc_j’设为d_j(参照算式(12b)、图9)，且将各指令点P_j”处的切线矢量q_j”设为q_j”＝(qx_j，qy_j，qz_j，qc_j)时，根据曲线的2阶微分连续的上述的算式(3)以及在曲线的起始点P₀”以及终点P_n”处曲率成为0的端点条件的算式(4a)、(4b)，仅对C轴成分，根据上述(n+1)个联立方程式计算出(n+1)个切线矢量的成分qc_j(n＝0，1，…，n)。计算出的结果作为旋转轴的切线矢量的C轴成分qc(参照图10)而存储在数据表8i中。

如以上所述，在实施方式2中，刀具姿势曲线生成部5i对多个旋转轴的每一个进行下述处理，即，使用直线轴和1个旋转轴的合成轴生成刀具姿势曲线，并提取出刀具姿势曲线的旋转轴成分。由此，能够使构成刀具姿势曲线的各旋转轴的移动与刀具前端位置的移动联动地进行平滑的移动。其结果，能够沿经过由加工程序指示出的前端位置的平滑的曲线，对刀具前端位置进行插补，并且能够得到下述的插补结果，即，使用于得到刀具姿势的2个旋转轴经过由加工程序指示出的姿势并且与刀具前端的移动同步且平滑地变化。

工业实用性

如以上所述，本发明所涉及的数控装置在工作机械的数值控制中是有用的。

标号的说明

1加工程序，2程序输入部，3曲线生成部，4刀具前端位置曲线生成部，5、5i刀具姿势曲线生成部，6插补运算部，7插补输出部，8、8i数据表，9伺服驱动部，10、10i数控装置，100工作机械，101工作台，102刀具，102a前端位置。

Claims

1.一种数控装置，其按照下述加工程序对具有刀具、直线轴以及旋转轴的机械进行数值控制，其中，该加工程序包含由直线轴的位置确定的刀具前端位置的指令和由旋转轴的旋转角度确定的刀具姿势的指令，

该数控装置的特征在于，具有：

程序输入单元，其读取由所述加工程序中的连续的程序块指示出的刀具前端位置以及刀具姿势，生成直线轴的指令位置序列和旋转轴的指令位置序列；

前端位置曲线生成单元，其基于生成的所述直线轴的指令位置序列，生成与刀具前端位置相关的刀具前端位置曲线；

刀具姿势曲线生成单元，其基于生成的所述直线轴的指令位置序列和生成的所述旋转轴的指令位置序列，生成与刀具前端位置的移动联动且与刀具姿势相关的刀具姿势曲线；

插补运算单元，其在各插补周期中，根据所述刀具前端位置曲线，运算出刀具前端位置的插补点，根据所述刀具姿势曲线，运算出刀具姿势的插补点，对应于所述刀具前端位置的插补点和刀具姿势的插补点，运算出直线轴的机械位置的插补点；以及

插补输出单元，其使直线轴移动到所述运算出的机械位置的插补点处，使旋转轴移动到所述运算出的刀具姿势的插补点处。

2.根据权利要求1所述的数控装置，其特征在于，

所述刀具姿势曲线生成单元使用直线轴和旋转轴的合成轴，生成所述刀具姿势曲线。

3.根据权利要求1所述的数控装置，其特征在于，

所述刀具姿势曲线生成单元对多个旋转轴的每一个进行下述处理，即，使用直线轴和1个旋转轴的合成轴生成所述刀具姿势曲线，并提取出所述刀具姿势曲线的旋转轴成分。