CN105334805B - 具有考虑插值后加减速的角路径生成功能的数值控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有考虑插值后加减速的角路径生成功能的数值控制装置。该数值控制装置控制具有多个控制轴的机床，从而在连续的2个程序块之间产生的角部插入曲线的移动路径，由此修正内旋误差。根据曲线的曲率半径和机床的各轴的容许加速度，计算通过针对角部进行修正后加减速而产生的内旋估算量，在该内旋估算量与上述曲线的内旋量之和大于容许值的情况下，在上述角部插入内旋量成为从容许值减去上述内旋估算量得到的值的曲线的移动路径。

Description

具有考虑插值后加减速的角路径生成功能的数值控制装置

技术领域

本发明涉及一种数值控制装置，特别涉及计算考虑了插值后加减速的内旋量的曲线来插入到加工程序的指令路径，由此能够抑制设备的冲击，同时保证工件(加工对象物)的加工精度的数值控制装置。

背景技术

在数值控制中，在连续执行进行加工指令的程序块的情况下，通过移动方向发生变换，在加工路径中产生角。在角部进行移动的轴、各轴的速度急剧地发生变化，因此设备容易产生冲击。

在一般的数值控制中，为了抑制这样的冲击而在角附近等进行针对各轴的加减速处理。作为加减速处理的方法，有在插值处理之前沿着加工路径进行加减速的插值前加减速和在插值处理后针对各轴进行加减速的插值后加减速。

在插值前加减速中，为了抑制在角部的各轴的速度的急剧变化，计算各轴的速度变化量成为预先设定的容许速度差以下的角部速度，进行速度控制从而从角部之前开始对进给速度进行减速，以使角部的速度成为计算出的角部速度，在到达角部后对进给速度进行加速。

在插值后加减速中，为了进一步抑制在设备产生的冲击，进行控制从而通过时间基准将通过插值前加减速决定的各轴的速度局部平均化，即抑制各轴的速度变化，结果在程序块间重叠地进行加减速，因此加工路径偏离指令的加工路径，产生内旋误差。

除了通过这些加减速处理抑制设备冲击外，还有通过变更指令来消除角本身的方法。该方法通过将曲线插入到加工指令中存在的角部来消除角部，其中上述曲线在容许的内旋量的范围内平滑地连接角前后的程序块。这样的方法具有以下特征：虽然在产生内旋的点与插值后加减速没有变化，但相对于因为通过时间基准将插值后加减速平均化所以由于角形状和进给速度使内旋量发生变化，在角部插入的曲线与角形状和进给速度不相关，因此容易控制角部的加工精度。

作为这种控制角部的内旋误差的现有技术，在日本特开2008-225825号公报中提出了一种方法，即在角前后的程序块之间插入平滑的多个曲线，从而消除角。另外，在日本特开2013-069123号公报中，通过使在角部的成为目标的进给速度降低到适当的速度，解决了由于插值后加减速使内旋量超过容许范围的问题。

并且，在日本特开2014-021759号公报中，提出了以下的方法，即通过在角前后的程序块之间插入多个曲线，与加工形状和指令速度无关，将角的内旋量控制在预先设定的容许误差以下，或者通过连续地连接在角部的方向、曲率，减轻针对设备的冲击。

在进行插值后加减速时，由于在角部的方向转向角、在角前后进行移动的轴的不同，或者由于表示插值后加减速的特性的时间常数，内旋量发生变化，因此为了使内旋量在某个值以下，需要针对每个使用的设备和加工程序调整各轴的容许速度差和插值后加减速的时间常数。

这点在将曲线插入到角部时，能够控制角部的内旋量，但是在将曲线进行插值时插值点成为离散的数据。并且，因为从插值点生成对伺服电动机的指令脉冲，所以无法严密地采用连续的值。因此，难以通过曲线插入完全抑制在设备产生的冲击，因此一般一并进行插值后加减速。

另外，伺服电动机对于数值控制装置的指令脉冲具有某种程度的延迟，因此即使在将曲线插入到角部的情况下，也无法完全忽略插值后加减速、伺服电动机的延迟的影响。

但是，在日本特开2008-225825号公报和日本特开2014-021759号公报中记载的技术有以下问题，即在将曲线插入到角部时，没有考虑插值后加减速引起的内旋和伺服电动机的延迟引起的内旋。另外，日本特开2013-069123号公报所记载的技术有以下问题，即为了抑制角部的冲击，需要增大插值后加减速的时间常数，因此为了限制在角部的内旋量需要充分减低进给速度。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种数值控制装置，其能够保证工件的加工精度，同时抑制角前后的设备的冲击。

本发明的数值控制装置控制具有多个控制轴的机床，从而在由多个程序块组成的加工程序中的连续2个程序块之间产生的角部插入曲线的移动路径，由此修正内旋误差。该数值控制装置具备：容许内旋量设定部，其设定在上述程序块之间产生的角部产生的内旋量容许值；和角路径生成部，其在上述程序块之间产生的角部插入上述内旋量容许值以下的内旋量的曲线的移动路径。并且，上述角路径生成部根据上述曲线的曲率半径和上述机床的各轴的容许加速度，计算通过对上述角部进行修正后加减速而产生的内旋估算量，在上述曲线的内旋量与上述内旋估算量之和大于上述内旋量容许值的情况下，在上述程序块之间产生的角部插入内旋量成为从上述内旋量容许值减去上述内旋估算量得到的值的曲线的移动路径。

上述角路径生成部通过以下公式计算上述内旋估算量，

其中，T₁为插值后加减速时间常数，T₂为伺服电动机时间常数，v为进给速度，r为圆弧半径。

本发明中，在插入与角前后的程序块平滑连接的曲线的控制中，估算插值后加减速引起的内旋量或伺服电动机的延迟引起的内旋量，限制在角部插入的曲线的内旋量，由此控制路径以使最终实施了插值后加减速的路径的内旋量收敛在容许范围内，从而解决课题。另外，在插入曲线时，预先从容许内旋量减去插值后加减速的内旋量，由此能够控制实施了插值后加减速的路径的加工精度。

通过设置这样的结构，根据本发明，当在角部插入曲线，将角前后的程序块平滑地连接，并且一并使用差值后加减速的情况下，与角的形状、进给速度无关能够以指定的精度进行加工，由此，能够通过插值后加减速抑制设备的冲击，同时保证工件的加工精度。

附图说明

通过参照附图说明以下的实施方式，本发明的上述以及其他的目的和特征会变得明确。在这些附图中：

图1是本发明的数值控制装置的一实施方式的主要部分框图。

图2是图1的数值控制装置的功能框图。

图3是说明通过本发明的数值控制装置执行的角路径生成处理中的曲线插入过程的控制轴路径的图。

图4是说明通过本发明的数值控制装置执行的角路径生成处理中的曲线插入后的控制轴的路径的图。

图5是表示在本发明的数值控制装置上执行由图2的角路径生成部执行的角路径生成处理时的流程的流程图。

图6是由本发明的数值控制装置控制的由3个直线轴(X、Y、Z轴)和2个旋转轴(B、C轴)构成的5轴加工的机床的示意图。

具体实施方式

图1是本发明的数值控制装置的一实施方式的主要部分框图。

CPU11是整体控制数值控制装置100的处理器，经由总线20读出在ROM12中存储的系统程序，根据该读出的系统程序控制数值控制装置100整体。RAM13存储临时的计算数据和显示数据以及操作者经由显示器/MDI单元70输入的各种数据。

CMOS14由未图示的电池进行支持，构成为即使数值控制装置100的电源被切断也能保持存储状态的非易失性存储器。在该CMOS14中存储经由接口15读入的后述的加工程序、经由显示器/MDI单元70输入的加工程序等。另外，在ROM12中预先写入了各种系统程序，该各种系统程序用于实施加工程序的生成和编辑所需要的编辑模式的处理和用于自动运行的处理。

能够经由接口15和显示器/MDI单元70输入执行本发明的加工程序等各种加工程序，将其存储在CMOS14中。

接口15能够将数值控制装置100和适配器等的外部设备72连接。从外部设备72侧读入加工程序和各种参数等。另外，能够经由外部设备72将在数值控制装置100内进行了编辑的加工程序存储在外部存储单元中。PMC(可编程序机床控制器)16通过在数值控制装置100中内置的时序程序经由I/O单元17向机床侧的辅助装置(例如称为工具更换用机械手的执行器)输出信号来进行控制。另外，接收机床(未图示)本体上配备的操作盘的各种开关等的信号，进行必要的处理后，将该信号转交给CPU11。

显示器/MDI单元70是具备显示器和键盘等的手动数据输入装置，接口18接收来自显示器/MDI单元70的键盘的指令、数据后将其转交给CPU11。接口19与具备了手动脉冲发生器等的操作盘71连接。

各轴的轴控制电路30～34接收来自CPU11的各轴的移动指令量，将各轴的指令输出给伺服放大器40～44。伺服放大器40～44接收该指令，驱动各轴的伺服电动机50～54。各轴的伺服电动机50～54内置有位置/速度检测器，将来自该位置/速度检测器的位置/速度反馈信号反馈给轴控制电路30～34，进行位置/速度的反馈控制。在图1的框图中，省略位置/速度的反馈。

主轴控制电路60接收对机床的主轴旋转指令，对主轴放大器61输出主轴速度信号。主轴放大器61接收该主轴速度信号，按照指示的旋转速度使机床的主轴电动机62旋转，驱动工具。

通过齿轮或皮带等将位置编码器63与主轴电动机62结合，位置编码器63与主轴的旋转同步地输出反馈脉冲，经由总线20由处理器11读取该反馈脉冲。

图2是图1的数值控制装置100的功能框图。

数值控制装置100具备指令解析部110、插值部120、插值后加减速部130以及角路径生成部140。指令解析部110解析从CMOS存储器14等读出的加工程序200，变换为执行形式。插值部120根据指令解析部110输出的执行形式的指令进行插值处理，输出对各轴的移动指令。插值后加减速部130针对从插值部120输出的各轴的移动指令进行插值后加减速处理，根据处理后的各轴移动指令进行各轴的驱动控制。

作为本发明的特征的角路径生成部140在指令解析部110的解析处理中发挥功能，通过后述的角路径生成处理计算考虑了插值后加减速引起的内旋量的曲线，将该计算出的曲线插入加工程序的指令路径中。

以下，说明将角路径生成部140所执行的角路径生成处理用于3轴加工的机床的例子和用于5轴加工的机床的例子。

(I)用于3轴加工的机床的角路径生成处理的例子

在该例子的角路径生成处理中，进行曲线向角部的插入，该曲线考虑了由于自由曲线的插值后加减速处理而产生的移动路径的内旋量。在角路径生成处理中，考虑到在指令解析的工程中难以估算因自由曲线的插值后加减速引起的内旋量，通过曲线上的任意的点计算曲率半径r，设点位于半径r的虚拟圆弧上来估算内旋量。以下表示具体的顺序。

图3是表示在角部所容许的内旋量的范围内插入了曲线时的轴移动路径的图。另外，在角部所容许的内旋量的范围内插入曲线的方法是现有技术，所以后面不详述。

如图3所示，如果将在角部所容许的内旋量设为ls，则通过使用现有技术能够求出在容许的内旋量ls的范围内平滑地连接角前后的程序块的曲线。这时，将求出的曲线的最大内旋量设为l。

这里，在针对构成设备的轴X、Y、Z将各轴的容许最大加速度设为a_x、a_y、a_z，将朝向虚拟圆弧的中心的单位向量m的各轴成分设为(cosθ_x、cosθ_y、cosθ_z)时，如果将指令速度设为F，将圆弧半径设为r，则通过以下公式(1)赋予没有超过各轴的容许最大加速度的最大进给速度v。

其中，

另外，如果将进给速度设为v，将圆弧半径设为r，将插值后加减速的时间常数设为T₁，将伺服电动机的时间常数设为T₂，则通过以下公式(2)近似表示圆弧插值的内旋量S。

根据以上所述，通过以下公式(3)赋予直至考虑到插值后加减速的实际内旋量Sa。

S_a＝l+S......(3)

关于这样求出的Sa，如果是Sa＝l+S≤ls，则没有问题，但在Sa＝l+S＞ls时，作为施加了插值后加减速的结果，在角部的内旋量超过了容许范围。此时，如图4所示，把在角部容许的曲线的内旋量设为ls’＝ls－S，重新进行曲线向角部的插入。

如上所述，表示了角路径生成处理中的曲线向角部插入的处理的概要，以下表示如此得到的曲线的内旋量l’与插值后加减速引起的内旋量S’之和Sa’(＝l’+S’)成为在角部的容许内旋量ls以下。能够通过以下公式(4)表示l’和ls之间的关系。

从l′≤l_s′

l′≤l_s′＝l_s-S......(4)

在此，一般插值后加减速引起的内旋量成为问题是在虚拟圆的曲率半径小的情况或者指令速度快的情况，所以如果假设这样的条件，则在插值后加减速引起的内旋量成为问题时，根据以上的公式(1)通过以下公式(5)表示在角部的进给速度。

并且，通过将上述公式(5)用于公式(2)，导出以下的公式(6)。

因此，可知插值后加减速引起的内旋量与曲线的曲率半径和进给速度无关，而是由容许加速度来决定。因此，如果使作为ls在角部插入的曲线和作为ls’在角部插入的曲线的朝向虚拟圆弧的中心的单位向量(cosθ_x、cosθ_y、cosθ_z)几乎没有变化，则S’＝S，所以通过将其套入以上的公式(4)，能够导出以下公式(7)。

S_a′＝l′+S′＜l_s-S+S＝l_s......(7)

因此，得到的曲线的直至考虑到插值后加减速的内旋量Sa’成为容许的内旋量以下。

图5是表示在数值控制装置上执行之前说明的角路径生成部140所执行的角路径生成处理时的处理流程的流程图。在通过指令解析部110对移动指令进行解析时，在由于移动方向发生变化从而通过加工路径能够产生角部的情况下调用并执行该处理。

[步骤SA01]在角部插入内旋量成为在角部的容许内旋量ls以下的曲线，将角前后的程序块平滑地连接。将这时的曲线的内旋量设为l。

[步骤SA02]根据在步骤SA01插入的曲线的曲率半径以及各轴的容许加速度，估算插值后加减速引起的内旋量S。另外，可以根据在数值控制装置100设定的各轴的参数值来取得各轴的容许加速度，也可以通过加工程序内的指令进行指定。

[步骤SA03]判定在步骤SA01求出的曲线的内旋量l与在步骤SA02中估算出的插值后加减速引起的内旋量S之和是否比在角部的容许内旋量ls大。当比在角部的容许内旋量ls大的情况下，进入步骤SA04，如果不是，则结束本处理。

[步骤SA04]在角部插入内旋量成为ls－S以下的曲线，将角前后的程序块平滑地连接。

以上，通过用于3轴加工的机床的角路径生成处理插入了曲线时的轴的移动路径最终成为施加了插值后加减速的路径的内旋量收敛在容许范围内的移动路径，能够通过插值后加减速抑制设备的冲击，同时保证工件的加工精度。

(II)用于5轴加工的机床的角路径生成处理的例子

该角路径生成处理的例子是用于由3个直线轴(X、Y、Z轴)和2个旋转轴(B、C轴)构成的5轴加工的机床。

图6是由3个直线轴(X、Y、Z轴)和2个旋转轴(B、C轴)构成的5轴加工的机床的示意图。在该机床中，如图6所示，搭载了工件2的工作台3在X-Y轴平面上移动，具备工具的工具头1在Z轴方向上移动。B轴、C轴是旋转轴。

在通过数值控制装置100控制这样的机床的情况下，在将直线轴的角部的容许内旋量设为l_sl，将旋转轴的容许内旋量设为l_sr时，假设在角部所容许的内旋量的范围内插入曲线，将角前后的程序块平滑地连接的情况。这时，将插入的曲线的直线轴的最大内旋量设为l_l，将旋转轴的最大内旋量设为l_r。

这里，针对构成设备的轴X、Y、Z、B、C，在将各轴的容许最大加速度设为a_x、a_y、a_z、a_b、a_c，将面向虚拟圆弧的中心的单位向量的各轴成分设为(cosθ_x、cosθ_y、cosθ_z、cosθ_b、cosθ_c)时，如果将指令速度设为F，并与上述的“(I)用于3轴加工的机床的角路径生成处理的例子”同样地将与曲线上任意的点相切的虚拟圆弧的圆弧半径设为r，则通过以下公式(8)赋予不超过各轴的容许最大加速度的最大进给速度v。

其中，

另外，如果将进给速度设为v，将圆弧半径设为r，将插值后加减速的时间常数设为T₁，将伺服电动机的时间常数设为T₂，则通过以下公式(9)近似表示圆弧插值的内旋量S。

并且，通过以下公式(10)定义插值后加减速引起的圆弧插值的内旋量的直线成分S₁和旋转轴成分S_r。

根据以上所述，直至考虑到插值后加减速的实际的内旋量的直线轴成分为S_al＝1_l+S_l，旋转轴成分为S_ar＝1_r+S_r。

在此，如果1_l+S_l≤1_sl且1_r+S_r≤1_sr则没有问题，但是在1_l+S_l>1_sl或1_r+S_r>1_sr时，作为施加了插值后加减速的结果，角部的内旋量超过了容许范围。这时候，如果1_l+S_l>1_sl，则将直线轴的角部的容许内旋量设为1_sl’＝1_sl－S_l，如果1_r+S_r>1_sr，则将旋转轴的角部的容许内旋量设为1_sr’＝1_sr－S_r，重新进行曲线向角部的插入。

另一方面，在1_sl’＝1_sl－S_l＜0或1_sr’＝1_sr－S_r＜0时，即使曲线的内旋量为0，插值后加减速引起的内旋量超过了容许的内旋量，因此，通过适当地降低角部的进给速度从而收敛在容许的内旋量内。

如上所述，能够将本发明的数值控制装置执行的基于上述曲线插入的角路径生成处理应用于5轴加工的机床。

Claims (2)

1.一种数值控制装置，其控制具有多个控制轴的机床，从而在由多个程序块组成的加工程序中的连续的2个程序块之间产生的角部插入曲线的移动路径，由此修正内旋误差，该数值控制装置的特征在于，

具备：

容许内旋量设定部，其设定在上述程序块之间产生的角部产生的内旋量容许值；和

角路径生成部，其在上述程序块之间产生的角部插入上述内旋量容许值以下的内旋量的曲线的移动路径，

上述角路径生成部根据上述曲线的曲率半径和上述机床的各轴的容许加速度，计算通过对上述角部进行修正后加减速而产生的内旋估算量，在上述曲线的内旋量与上述内旋估算量之和大于上述内旋量容许值的情况下，在上述程序块之间产生的角部插入内旋量成为从上述内旋量容许值减去上述内旋估算量得到的值的曲线的移动路径。

2.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

上述角路径生成部通过公式1计算上述内旋估算量，

公式1

$S=(\frac{1}{24}{T_1}^2+\frac{1}{2}{T_2}^2)\·\frac{v^2}{r}$

T₁为插值后加减速时间常数，T₂为伺服电动机时间常数，v为进给速度，r为圆弧半径。