CN106493469A - 能够根据姿势来控制加工条件的数值控制装置 - Google Patents

能够根据姿势来控制加工条件的数值控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能够根据姿势来控制加工条件的数值控制装置，其按照程序来控制激光加工机对工件进行三维激光加工。该数值控制装置根据激光加工机的喷嘴的姿势，求出工件表面的加工速度与所述工件背面的加工速度之间的比率，根据求出的比率来变更由所述程序所指令的加工条件。

Description

能够根据姿势来控制加工条件的数值控制装置
技术领域
本发明涉及数值控制装置，特别是涉及能够根据激光加工机所具有的喷嘴的姿势来控制加工条件的数值控制装置。
背景技术
在三维激光加工中，存在沿弯曲的工件表面进行加工的情况，以及使喷嘴相对于工件倾斜地进行加工(坡口加工)的情况。
在三维激光加工中，在沿弯曲的工件表面进行加工时，即使喷嘴前端点(工具前端点)以恒定速度的方式进行加工，在工件拐角部分等也会在工件表面与工件背面在加工速度上产生差异。例如，如图11所示，在沿工件的曲面进行加工时，如果考虑以相同的加工条件来加工N1～N3区块的情况，则由于对图11的N2区块进行加工时，相对于在工件2表面的工具前端点的移动量L1，工件2背面的之后进行描述的延长工具前端点的移动量L2稍短，在工件2背面的加工速度比在工件2表面的加工速度稍慢，因此有时会在工件2的背面产生加工缺陷。
另外，如图12所示，在进行坡口加工时也要与喷嘴1相对于工件2垂直时的板厚D1进行比较，由于使喷嘴1相对于工件2倾斜地进行加工因此加工部分的板厚D2改变，因此相对于喷嘴1是垂直时，需要根据喷嘴1的倾斜角度来改变加工条件。
另外，如图13所示在坡口加工中进行圆弧插补时，由于相对于在工件2表面的工具前端点的移动量L1，在工件2背面的延长工具前端点的移动量L2稍长，因此在工件2背面的加工速度稍大。在这种情况下，无论喷嘴1相对于工件2垂直还是倾斜，即使加工路径相同，在制作程序时也需要考虑喷嘴1相对于工件2的表面的倾斜而指令与喷嘴1相对于工件2垂直时不同的加工条件。
此外，作为涉及变更加工条件的现有技术，已知有根据喷嘴前端的速度来变更加工条件的技术(例如日本特开平09-150282号公报、日本特开2000-351087号公报等)，以及根据加工形状制作包含了加工条件数据的程序的技术(例如日本特开平06-110524号公报，日本特开平06-142954号公报等)。
然而，在所述日本特开平09-150282号公报以及日本特开2000-351087号公报所公开的技术中，并没有考虑工件背面的形状，为了消除如图11所示的加工情况下的加工缺陷，在制作程序时需要刻意地对直线部分(N1、N3区块)与拐角部分(N2区块)指令不同的加工条件。例如，如图11所示，在进行喷嘴始终相对于工件2垂直这样的三维激光加工时，由于N2区块是拐角，因此需要制作用于指令与N1、N3区块不同的加工条件的加工程序。
另外，即使使用了日本特开平06-110524号公报、日本特开平06-142954号公报所公开的技术，也需要制作基于CAD/CAM数据等信息、预先根据加工形状细致地指令加工条件的NC程序，存在耗费时间的问题。例如，如图14所示，当在N1区块进行喷嘴1相对于工件垂直的直线加工、N2区块进行喷嘴1相对于工件2倾斜角度θ的直线的坡口加工、N3区块进行喷嘴1相对于工件2保持倾斜角度θ的圆弧的坡口加工的情况下，需要制作在N1、N2、N3区块分别指令不同的加工条件的程序。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种具备在运行中根据工件板厚与喷嘴姿势自动设定最佳加工条件的功能的数值控制装置。
本发明的数值控制装置按照程序控制激光加工机，针对工件进行三维激光加工，所述数值控制装置的第一方式具有加工条件变更单元，其构成为：根据由所述程序所指令的、所述激光加工机的喷嘴相对于所述工件的姿势，来求出所述工件表面的加工速度与所述工件背面的加工速度之间的速度比率，根据该求出的速度比率来变更由所述程序所指令的加工条件，所述数值控制装置根据由所述加工条件变更单元变更后的所述加工条件，来控制由所述激光加工机进行的三维激光加工。
本发明的数值控制装置的第二方式具有加工条件变更单元，其构成为：根据由所述程序所指令的、所述激光加工机的喷嘴相对于所述工件的姿势，来求出在所述喷嘴处于由所述程序所指令的姿势时的工件板厚与所述喷嘴相对于所述工件表面为垂直情况下的工件板厚之间的变化比率，根据该求出的变化比率来变更由所述程序所指令的加工条件，所述数值控制装置根据由所述加工条件变更单元变更后的所述加工条件，来控制由所述激光加工机进行的三维激光加工。
根据本发明，在三维激光加工中能够根据由姿势的变化所产生的工件表面与工件背面的加工区域的差异，自动设定加工条件。另外，在坡口加工中也能够根据喷嘴的倾斜来自动设定加工条件。由此，不需要根据工件的形状、喷嘴的姿势而细致地设定加工条件，另外，基于CAD/CAM数据信息、根据加工形状来指令加工条件的需求变少，因此，与以往相比能够容易提高加工品质。
附图说明
根据参照附图的以下实施例的说明，本发明的上述和其它目的以及特征会变得更清楚。在这些图中：
图1是说明由通过本发明的数值控制装置的第一实施方式所控制的激光加工机进行加工的工件的加工状况的图。
图2是说明在图1所示的加工状况中，根据工具前端点在工件表面的移动量L1求出在工件背面延长工具前端点的移动量L2的方法的图。
图3是说明在图1所示的加工状况中，根据工具前端点在工件背面相对于工件表面的速度比率(L2/L1)来求出倍率值(override)，将所求出的倍率值乘以加工条件的图。
图4是本发明的数值控制装置的第一实施方式的数值控制装置的主要部分的框图。
图5是表示图1的数值控制装置所执行的加工条件变更处理的流程的流程图。
图6是说明由通过本发明的数值控制装置的第二实施方式所控制的激光加工机进行加工的工件的加工情况的图。
图7是说明在图6所示的加工状况中，根据工件板厚D1求出工件板厚D2的方法的图。
图8是说明在图6所示的加工状况中，根据喷嘴的倾斜角度θ来求出系数K，对该求出的系数K乘以工件板厚的变化比率D2/D1，并求出加工条件倍率值的图。
图9是说明在图6所示的加工状况中，根据喷嘴的倾斜角度θ来求出工具前端点在工件表面与工件背面之间的速度比率，使用该求出的速度比率进行加工的图。
图10是在表示本发明的第二实施方式的数值控制装置中执行的加工条件变更处理的流程的流程图。
图11是说明在现有技术中根据工件的加工状况所产生问题(1)的图。
图12是说明在现有技术中根据工件的加工状况所产生问题(2)的图。
图13是说明在现有技术中根据工件的加工状况所产生问题(3)的图。
图14是说明在现有技术中根据工件的加工状况所产生问题(4)的图。
具体实施方式
首先，使用图1～图5来说明本发明的数值控制装置的第一实施方式。
图1是说明由通过本发明的数值控制装置的第一实施方式所控制的激光加工机进行加工的工件的加工状况的图。
如图1所示，在喷嘴1相对于工件2始终垂直那样的三维激光加工的情况下，在工件2的表面与背面有速度差时，该实施方式的数值控制装置进行加工条件的设定，即变更峰值功率、频率、占空比等加工条件来控制激光加工机。考虑在基于激光的工件2上的加工位置。在工件表面的加工点与工具前端点一致，在工件背面的加工点与将工具前端点向喷嘴轴方向延长了工件板厚后的点一致。
通常，在日本特开2012-177973号公报等已公开的工具前端点控制中，根据工具前端点(程序路径)的移动来计算出控制点的移动。与此相对，在本实施方式的数值控制装置中，如图2所示，还计算出从控制点观察的工具前端点向喷嘴轴心方向仅延长了板厚D1后的工件背面上的点(延长工具前端点)的移动量L2。
作为延长工具前端点的移动量L2的计算例子，考虑激光加工机上的工具头在X、Y、Z轴进行直线动作，并且在C轴和B轴旋转的工具头旋转型多轴加工机的情况。如日本特开2013-196327号公报等公开的那样，使用下面的数学式(1)来计算从比当前运算周期还要早1个运算周期的运算时间ti-1到当前运算周期的运算时间ti的工具前端点在工件2的表面上的移动量L1(ti)。此外，在数学式(1)中Tp1(ti)是在运算时间ti的工具前端点位置Tp1，Tp1(ti-1)是在运算时间ti-1的工具前端点位置Tp1。
L1(ti)＝|Tp1(ti)-Tp1(ti-1)|......(1)
同样的，使用下面的数学式(2)以及数学式(3)来计算从工具前端点位置Tp1向喷嘴1的轴心方向仅延长了工件板厚D1后的位置(延长工具前端点位置)Tp2(Xt2，Yt2，Zt2)。在数学式(2)以及数学式(3)中，Po(Pox，Poy，Poz)是固定在放置有工件的工作台上的坐标系(工作台坐标系)的原点在机械坐标系上的位置。V1是从延长工具前端点位置Tp2至直线轴3轴位置P1的工作台坐标系上的工具长度(工具长度+工件板厚D1)修正矢量，是在Bm＝Cm＝0时的基准工具长度修正矢量Vs仅旋转了Bm、Cm后的矢量。Rt是从机械坐标系至工作台坐标系的旋转矩阵。另外，Rc、Rb是基于插补后的旋转轴2轴位置Pr(Bm，Cm)的旋转矩阵。
Tp2＝Rt*(Pl-Po)-Vl......(2)
Vl＝Rc*Rb*Vs ......(3)
然后，使用下面的数学式(4)来计算从比当前运算周期还要早1个运算周期的运算时间ti-1到当前运算周期的运算时间ti的延长工具前端点在工件2的背面上的移动量L2(ti)。此外，在数学式(4)中Tp2(ti)是在运算时间ti的延长工具前端点位置Tp2，Tp2(ti-1)是在运算时间ti-1的延长工具前端点位置Tp2。
L2(ti)＝|Tp2(ti)-Tp2(ti-1)|......(4)
这样，根据通过数学式(1)求出的工具前端点在工件2的表面上的移动量L1(ti)，和通过数学式(4)求出的延长工具前端点在工件2的背面上的移动量L2(ti)，可以计算出工具前端点的移动的速度比率(L2/L1)＝(L2(ti)/L1(ti))。
像这样计算出的速度比率(L2/L1)不是1.0时，或者不在预先设定的范围内时，本实施方式的数值控制装置按照下面表示的“方法”，根据工具前端点的工件背面相对于工件表面的速度比率(L2/L1)来决定最佳加工条件，将用于加工的加工条件变更为所决定的加工条件后，使用最佳加工条件来进行加工。
方法1：预先准备将加工条件与速度比率(L2/L1)关联的表格，使用该表格选择对于速度比率(L2/L1)最佳的加工条件。关于速度比率和加工条件的对应性预先根据实验等求出，并将制作的表格预先保存在数值控制装置10的存储器中。
方法2：预先根据实验等制作出如图3所示的表示速度比率(L2/L1)与倍率值的关系的关系式，使用该关系式根据速度比率(L2/L1)求出倍率值，将求出的倍率值乘以加工条件(但是，如图3所示对与加工条件相乘的倍率值设有上限、下限)。
图4是本实施方式的数值控制装置的主要部分的框图。
数值控制装置10具有对整体进行统一控制的CPU11。该CPU11经由总线20读出ROM12中存储的系统程序，按照该系统程序进行数值控制装置10整体的控制。另外，由DRAM等构成的RAM13中暂时存储有计算数据、显示数据等。
在CMOS、SRAM等通过电池(未图示)进行备份而构成的非易失性存储器14中存储有加工程序以及各种参数。设置接口15用于进行与外部设备用的输入输出，其连接离线编程装置、打印机等外部设备72。使用离线编程装置制作加工程序时，该数据经由接口15被数值控制装置读取。使用数值控制装置10编辑的加工程序的数据可以通过例如打印机来进行输出。
可编程控制器(PMC)16内置于数值控制装置10中，其使用以梯形图形式制作的序列程序来控制设备。即把按照加工程序所指令的M功能、S功能以及T功能变换为序列程序中必要的信号。从I/O单元17输出到设备侧(在本实施方式中是激光加工机)。该输出信号使设备一侧的各种动作部(气缸，螺杆，电驱动器等)工作。另外，接收设备一侧的各种开关、设备控制面板的开关等信号，进行必要的处理并传递给CPU11。
显示控制器(未图示)将设备具有的各个轴的当前位置、警报、参数、图像数据等数字数据转换成图像信号进行输出。该图像信号被传送至CRT/MDI单元70来进行显示。另外，接口18从CRT/MDI单元70中的键盘接收数据，并传递给CPU11。
接口19与控制面板71连接，能够用于接收从安装在该控制面板71上的手动脉冲发生器发出的脉冲，手动地对包含激光加工机所具有的喷嘴头的设备主体的可动部进行移动、以及定位。
轴控制电路30～34接收从CPU11发出的各个轴的移动指令，并输出到伺服放大器40～44。伺服放大器40～44根据该移动指令来驱动各个轴的电动机50～54。这些各个轴的电动机50～54驱动激光加工机的各个轴。每个电动机具有位置检测器(未图示)，这些位置检测器的输出脉冲用于生成位置反馈信号和速度反馈信号。
另外，激光控制部60根据从CPU11发出的指令来控制激光装置61的输出。
图5是决定在数值控制装置10上执行的加工条件的处理的流程图。以下对各步骤进行说明。
[步骤SA01]一开始运行，就对从非易失性存储器14等中读出的程序的程序段进行分析，取得由该分析后的程序段所指令的加工条件。在这里取得的加工条件是在加工中作为基准的加工条件。
[步骤SA02]根据基于程序的移动指令，求出工具前端点在工件2的表面上的移动量L1与加工前后喷嘴的姿势变化，根据移动量L1与喷嘴的姿势变化的参数求出延长工具前端点在工件2的背面上的移动量L2，根据这些值计算出速度比率L2/L1。
[步骤SA03]判断在步骤SA02中计算出的速度比率L2/L1是否在预先设定的预定范围内。在速度比率L2/L1在预定范围内的情况下前进至步骤SA05，不在预定范围内的情况下前进至步骤SA04。
[步骤SA04]从表格中选择针对速度比率L2/L1的最佳加工条件，或者针对作为基准的加工条件乘以根据速度比率L2/L1计算出的倍率值来改变加工条件。
[步骤SA05]根据程序指令的加工条件(速度比率L2/L1在预定范围内的情况)，或者根据在步骤SA04选择或变更的加工条件输出光束并进行三维激光加工。
[步骤SA06]判断程序是否结束。如果程序已经结束，则结束加工运行，如果程序尚未结束，则返回到步骤SA01。
接下来，使用图6～图10来说明本发明的数值控制装置的第二实施方式。
在三维激光加工中，如图6所示本实施方式的数值控制装置设定在使喷嘴相对于工件倾斜角度θ来进行坡口加工情况下的加工条件。
在三维激光加工中，如图6的N2区块所示，在进行使喷嘴相对于工件倾斜角度θ以直线移动的坡口加工的情况下，如图7所示，本实施方式的数值控制装置求出相对于喷嘴为垂直时的板厚D1的喷嘴仅倾斜角度θ时的板厚D2(D2＝D1/cosθ)，根据求出的板厚D2来求出板厚的变化比率(D2/D1)。并且，在该变化比率(D2/D1)不是1.0时，或者不在预定的范围内时，使用下面的数学式(5)根据变化比率(D2/D1)决定最佳加工条件，使用该决定后的最佳加工条件来进行加工。
加工条件倍率值＝K×(D2/D1)......(5)
此外，在上述数学式(5)中，系数K是由实验等预先求出的与角度θ的范围对应的适当的值，例如如图8所示预先设定与角度θ的范围对应的值。如上所述，根据喷嘴的倾斜来乘以加工条件倍率值，由此来决定最佳加工条件。
另外，在三维激光加工中，如图6的N3区块所示，在进行使喷嘴相对于工件倾斜角度θ的圆弧的坡口加工的情况下，如图9所示由于喷嘴倾斜因此在工件背面的圆弧半径为R+D1tanθ。在这种情况下，由于在工件表面与工件背面产生速度差(在一定时间内的移动量的差值)，因此，本实施方式的数值控制装置基于工具前端点在工件表面与工件背面的速度差，通过与第一实施方式相同的方法来选择所决定的或者变更后的加工条件，进而把该选择出的加工条件应用到板厚的数学式(5)中，来决定基于板厚的变化比率(D2/D1)的最佳加工条件。
本实施方式的数值控制装置的基本结构与第一实施方式相同。
图10是决定在本实施方式的数值控制装置10上执行的加工条件的处理的流程图。
[步骤SB01]一开始运行，就对从非易失性存储器14等中读出的程序的程序段进行分析，取得由该分析后的程序段所指令的加工条件。在这里取得的加工条件是在加工中作为基准的加工条件。
[步骤SB02]根据基于程序的移动指令，求出工具前端点在工件表面上的移动量L1以及加工前后喷嘴的姿势变化，根据移动量L1与喷嘴的姿势变化的参数求出延长工具前端点在工件背面上的移动量L2，根据这些值计算出速度比率L2/L1。
[步骤SB03]判断在步骤SB02中计算出的速度比率L2/L1是否在预先设定的预定范围内。在速度比率L2/L1在预定范围内的情况下前进至步骤SB05，不在预定范围内的情况下前进至步骤SB04。
[步骤SB04]从表格中选择针对速度比率L2/L1的最佳加工条件，或者针对作为基准的加工条件乘以根据速度比率L2/L1计算出的倍率值来改变加工条件。
[步骤SB05]根据基于程序的移动指令的分析结果，取得喷嘴的倾斜角度θ。
[步骤SB06]根据在步骤SB05取得的喷嘴的倾斜角度θ，使用预先设定的变换式求出系数K。
[步骤SB07]根据在步骤SB06求出的系数K与倾斜角度θ，使用数学式(5)求出与加工条件相乘的倍率值，将求出的倍率值与加工条件相乘。
[步骤SB08]根据到步骤SB07为止所决定的加工条件来输出光束进行三维激光加工。
[步骤SB09]判断程序是否结束。如果程序已经结束，则结束加工运行，如果程序尚未结束，则返回到步骤SB01。
对于本发明的实施方式进行了上述说明，但是本发明不限定于上述实施方式，能够通过增加合理的变更而以多种方式实施。

Claims (2)

1.一种数值控制装置，其按照程序控制激光加工机来对工件进行三维激光加工，其特征在于，
所述数值控制装置具有加工条件变更单元，该加工条件变更单元构成为：根据由所述程序所指令的、所述激光加工机的喷嘴相对于所述工件的姿势，来求出所述工件的表面的加工速度与所述工件的背面的加工速度之间的速度比率，并根据该求出的速度比率来变更由所述程序所指令的加工条件，
所述数值控制装置根据由所述加工条件变更单元变更后的所述加工条件，来控制由所述激光加工机进行的三维激光加工。
2.一种数值控制装置，其按照程序控制激光加工机来对工件进行三维激光加工，其特征在于，
所述数值控制装置具有加工条件变更单元，该加工条件变更单元构成为：根据由所述程序所指令的、所述激光加工机的喷嘴相对于所述工件的姿势，来求出在所述喷嘴处于由所述程序所指令的姿势时的工件板厚与所述喷嘴相对于所述工件的表面为垂直时的工件板厚之间的变化比率，并根据该求出的变化比率来变更由所述程序所指令的加工条件，
所述数值控制装置根据由所述加工条件变更单元变更后的所述加工条件，来控制由所述激光加工机进行的三维激光加工。
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