CN107562012B - 数值控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种数值控制装置，能够根据刮削加工中的切削路径的指令自动计算刀具路径。该数值控制装置具备：指令分析部，其判别从加工程序读出的程序块是否为刮削加工指令；刮削加工指令数据运算部，在上述指令分析部判别为是刮削加工指令的情况下，该刮削加工指令数据运算部根据由刮削加工指令所指令的切削点的路径以及切削点的进给速度，来运算刀具的路径以及进给速度；以及插补部，其根据由上述刮削加工指令数据运算部运算出的刀具的路径以及实际加工中的坐标值，来运算与实际加工中的程序块的进展率对应的插补数据。

Description

数值控制装置
技术领域
本发明涉及一种数值控制装置，尤其涉及一种进行刮削(skiving)加工控制的数值控制装置。
背景技术
刮削加工是在使用刀刃(bite)对作业物进行切削加工的情况下，向作业物的接线方向送出刀刃来对作业物进行切削的加工方法(JIS标准B0106 0.209)。在车削设备的刮削加工中，使用具备相对于旋转中的工件的旋转轴线倾斜配置的直线刀的刀具，Y轴一边移动一边进行工件的加工(例如，日本专利第3984052号公报)。
通过以往的数值控制装置进行上述这样的刮削加工时，需要与Z轴的移动对应地指令Y轴的移动。图7是表示进行刮削加工时的相对于工件的切削加工的切削路径、进行沿该切削路径的切削加工时的刀具的移动路径的图。如图7所示，在刮削加工中，针对工件的切削加工的切削路径为旋转轴方向(Z轴方向)，而刀具在直线刀面向的方向(直线刀的大致垂直方向)移动来进行切削，因此刀具路径为相对于旋转轴方向倾斜的Z轴方向和Y轴方向的合成向量的方向。
以往，生成刮削加工的程序时，操作员计算由程序指令的刀具路径的Z轴和Y轴的移动量以使切削路径成为图7所示的路径，并生成基于计算结果的程序，但该作业对于操作员而言是大负荷。因此，若操作员通过程序指令刮削加工的切削路径，则希望数值控制装置自动计算出刀具路径。
图8是表示切削点的移动量Zc以及进给速度Fc与刀具的移动所涉及的各值的关系的图。此外，图9是表示与刀具的刀尖相关的各值的图。如图8所示，将以切削点的移动量为Zc、切削点的进给速度为Fc的方式使刀具移动时的、刀具的Z轴方向的移动量设为Z，将刀具的Y轴方向的移动量设为Ya，将刀具的Z轴方向和Y轴方向的合成的进给速度设为Fa，将刀具的有效刀尖长度设为Lv，将刀具角度设为θ时，可以用以下的数学式1来表示各个值的关系。这样，可以通过使用数学式1，根据刮削加工中的切削路径的指令，数值控制装置自动计算出刀具路径。图9中的符号含义如下。
Lv：有效刀尖长度，θ：刀具角度，
Xc：X轴方向移动指令距离，Zc：Z轴方向移动指令距离，
Za：Z轴方向修正后移动距离，Ya：Y轴方向修正后移动距离，
Fc：程序块指令速度，Fa：刀具移动速度，
【数学式1】
刀具的Y轴方向的移动量 Ya＝Lv×sinθ
伴随刀具的Y轴方向移动的
切削点向Z轴方向的移动量 Zy＝Lv×cosθ
刀具的Z轴方向的移动量 Za＝Zc-Zy
刀具的Z轴方向的进给速度 Fz＝Fc-(Zy/Zc)×Fc
刀具的Y轴方向的进给速度 Fy＝(Zy/Zc)×Fc×tanθ
刀具的合成进给速度
图10是表示使用上述数学式1，指令了基于刮削加工的锥角加工(tapermachining)的切削路径时，根据该切削路径的指令自动计算出刀具路径的示例的图。如图10所示，即使进行基于刮削加工的锥角加工的情况下，通过程序指令切削点的移动量Zc、Xc和进给速度Fc时，由于适当修正X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的移动量以及进给速度，所以能够得到编程后的加工形状。图10中的符号含义如下。
Lv：有效刀尖长度，θ：刀具角度，
Xc：X轴方向移动指令距离，Zc：Z轴方向移动指令距离，
Za：Z轴方向修正后移动距离，Ya：Y轴方向修正后移动距离，
Fc：程序块指令速度，Fa：刀具移动速度，
a：程序块指令的圆弧中心的Z坐标(上述图以外)，
b：程序块指令的圆弧中心的X坐标(上述图以外)，
图11是表示使用上述数学式1，指令了基于刮削加工的圆弧形状加工的切削路径时，根据该切削路径的指令自动计算出刀具路径的示例的图。如图11所示，指令了基于刮削加工的圆弧形状加工的情况下，即使使用上述数学式1事先对X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的移动量以及进给速度进行修正而对刀具路径进行了圆弧插补，也会存在切削路径为歪斜的圆弧形状这样的问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种数值控制装置，即使通过刮削加工对圆弧形状等进行加工时，也不会在切削路径中产生变形。
在本发明中，为了在对控制进行刮削加工的机床的数值控制装置进行圆弧形状加工的情况下也能够指定切削点的移动路径，设置根据由刮削加工指令所指令的切削点的路径、切削点的速度、刀具角度数据、刀具有效刀尖数据、以及实际加工中的程序块进展率来运算刀具的实际路径以及速度并对机械进行控制的功能，由此，解决上述课题。
因此，本发明的数值控制装置，其根据加工程序对进行刮削加工的机床进行控制，该刮削加工是通过刀具对旋转的工件的旋转对称面进行切削加工，其特征在于，能够在上述加工程序中包括：能指定刮削加工中切削点的移动路径的刮削加工指令，该数值控制装置具备：指令分析部，其对上述加工程序进行分析，判别从上述加工程序读出的程序块是否为上述刮削加工指令；刮削加工指令数据运算部，在上述指令分析部判别为是上述刮削加工指令的情况下，上述刮削加工指令数据运算部根据由上述刮削加工指令所指令的切削点的路径以及切削点的进给速度，来运算上述刀具的路径以及进给速度；以及插补部，其根据由上述刮削加工指令数据运算部运算出的上述刀具的路径以及实际加工中的坐标值，来运算与实际加工中的程序块的进展率对应的插补数据，该数值控制装置根据由上述插补部运算出的插补数据来控制上述机床。
本发明的上述数值控制装置还具备：刀具数据存储部，其存储表示上述刀具相对于上述工件的旋转轴线的角度的刀具角度数据、以及表示上述刀具的有效刀尖的刀具有效刀尖数据，上述刮削加工指令数据运算部根据由上述刮削加工指令所指令的切削点的路径以及切削点的进给速度、存储于上述刀具数据存储部中的上述刀具角度数据以及刀具有效刀尖数据，来运算上述刀具的实际路径以及进给速度。
在本发明的上述数值控制装置中，上述刮削加工指令包括：指令反复进行刮削加工动作的刮削加工循环指令。
根据本发明，操作员不需要考虑特别的修正，而仅通过与通常的车削加工同样地指令切削点的移动路径，不仅能进行刮削加工中的锥角加工外，还能加工圆弧形状等各种形状。以往，进行基于刮削加工的圆弧形状等的加工时，操作员需要计算切削路径为目的形状的刀具路径，这是极其困难的，但在本发明中能够容易地进行加工。
附图说明
根据参照附图的以下的实施例的说明，使本发明的上述以及其他目的和特征变得更加明确。
图1是表示本发明的数值控制装置执行的加工程序的示例、通过该加工程序指令的切削路径以及对该切削路径进行修正后的刀具路径的图。
图2是说明本发明的数值控制装置进行基于刮削加工的圆弧形状加工时的各参数的计算方法的图。
图3是表示本发明一实施方式的数值控制装置的主要部分的硬件结构图。
图4是本发明一实施方式的数值控制装置的概要性的功能框图。
图5是在本发明一实施方式的数值控制装置上执行的处理的概要性的流程图。
图6是表示执行刮削加工循环指令时的刀具的移动的图。
图7是表示进行刮削加工时的针对工件的切削加工的切削路径、进行沿该切削路径的切削加工时的刀具的移动路径的图。
图8是表示刮削加工中的切削点的移动量以及进给速度与刀具的移动所涉及的各值之间的关系的图。
图9是表示与刮削加工中所使用的刀具的刀尖相关的各值的图。
图10是表示现有技术中的进行基于刮削加工的锥角加工时的示例的图。
图11是表示现有技术中的进行基于刮削加工的圆弧形状加工时的示例的图。
具体实施方式
以下，与附图一起对本发明的实施方式进行说明。
在本发明的数值控制装置中，若在加工程序的刮削加工中指令了圆弧插补，则根据切削点的路径、切削点的速度、刀具角度数据、刀具有效刀尖数据、以及实际加工中的程序块进展率运算刀具实际的路径以及速度，并对机械进行控制。本发明的数值控制装置涉及的考虑了实际加工中的程序块进展率的刀具路径的控制方法，不仅可以应用于基于刮削加工的锥角加工、圆弧形状加工，还可以应用于对其他形状进行加工的情况。以下，以进行圆弧形状加工的情况为例进行说明。
图1是表示本发明的数值控制装置执行的加工程序的示例、通过该加工程序指令的切削路径以及对该切削路径进行修正后的刀具路径的图。此外，在图1所示的加工程序中，没有指令刀具的有效刀尖长度Lv、刀具角度θ，而是预先对数值控制装置设定了这些值，但也可以通过加工程序内的指令直接指令这些值。通过图1所示的加工程序的程序块N30指令的圆弧指令为完成形状，每次进行刮削加工时操作员不需要考虑修正。操作员要进行的指令仅是程序块N20的刮削模式开始指令以及程序块N40的刮削模式结束指令。此外，在该示例中，考虑刮削加工模式而以模式开始/结束为例，但也可以考虑一次通过(one shot)而生成仅由1个程序块进行刮削加工的指令。另外，在该示例中，假定车削加工而选择ZX平面(G18)。
本发明的数值控制装置在如图1所示那样通过程序块N20通知了是刮削加工时，以刀具的有效刀尖长度Lv、刀具的角度θ为基础对Y轴的移动量进行修正。对于XZ平面的圆弧，根据后述的数学式进行刮削加工用圆弧插补并进行刀具的控制。由此，刀具成为图1的虚线所示的歪斜的圆弧形状，但切削点为实线的路径，因此加工形状为不歪斜的圆弧。此外，还进行进给速度的修正，因此刀具的进给速度成为如加工程序指令所示。
以下，参照图2对本发明的数值控制装置中的基于刮削加工的圆弧形状加工的修正进行详细说明。此外，在以下的说明中以假定了车削加工的ZX平面上的圆弧插补为例，但在其他平面上也同样可以进行计算。图2中的符号含义如下。
Lv：有效刀尖长度，θ：刀具角度，
Xc：X轴方向移动指令距离，Zc：Z轴方向移动指令距离，
Za：Z轴方向修正后移动距离，Ya：Y轴方向修正后移动距离，
Fc：程序块指令速度，Fa：刀具移动速度，
a：程序块指令的圆弧中心的Z坐标(上述图以外)，
b：程序块指令的圆弧中心的X坐标(上述图以外)，
z：切削点的Z轴坐标，zr：刀具的Z轴坐标，
刀具的Z轴坐标zr是对切削点的Z轴坐标z加上考虑了程序块进展率的刀具的有效刀尖长度Lv的Z轴方向成分而得的坐标，因此可以通过以下所示的数学式2计算。数学式2中，θ为刀具的倾斜角度。
【数学式2】
zr＝z+Lv×cosθ×程序块进展率
此外，程序块进展率是如以下的数学式3所示那样根据Y轴移动量和坐标值计算出的程序块的执行比例。在ZX平面中的圆弧插补中，Y轴与圆弧插补无关地线性动作，因此用于比例计算。
【数学式3】
程序块进展率＝|(当前坐标－起点坐标)/移动距离|
在指令了圆弧插补的ZX平面中，根据由加工程序指定的起点/终点和圆弧半径或中心位置计算切削点的圆弧路径。将由加工程序指定的圆弧中心坐标设为(a，b)，将圆弧的半径设为r时，圆弧形状可以如以下的数学式4所示。
【数学式4】
(z-a)2+(x-b)2＝r2
针对z解上述的数学式4时，成为以下所示的数学式5。
【数学式5】
然后，将上述的数学式5代入到数学式6时，圆弧插补中刀具的Z轴坐标zr可以表示为如以下的数学式6所示。
【数学式6】
在本发明的数值控制装置中，按照上述的数学式6对刀具进行控制即可，通过这样进行控制，作为结果，切削点的路径成为通过加工程序指定的圆弧形状。此外，在基于刮削加工的锥角加工的情况下，切削点的Z轴坐标z的公式如z＝ax+c等那样成为关于X轴坐标x的一次式，因此同样能够得到刀具的公式，按照该公式对刀具进行控制即可。作为结果，切削点的路径成为通过加工程序指定的锥角。
另外，对于进给速度，考虑锥角加工、圆弧插补且还包括X轴方向的速度成分时，成为如以下示出的数学式7所示。由此，以速度Fa对刀具进行控制，从而切削点的速度以由加工程序指令的速度Fc进行加工。此外，刀具的Z轴方向的移动量Za以及刀具的Y轴方向的移动量Ya如数学式1所示。
【数学式7】
以下，使用上述各式说明对刀具进行控制的本发明的数值控制装置的结构。
图3是表示本发明一实施方式的数值控制装置以及由该数值控制装置驱动控制的机床的主要部分的硬件结构图。数值控制装置1所具备的CPU11为对数值控制装置1进行整体控制的处理器。CPU11经由总线20读出存储在ROM12中的系统/程序，按照该系统/程序控制数值控制装置1整体。RAM13中存储临时的计算数据或显示数据、以及操作员经由CRT/MDI单元70输入的各种数据等。
非易失性存储器14构成为例如通过未图示的电池进行备份等，从而即使断开数值控制装置1的电源也能保持存储状态的存储器。在非易失性存储器14中存储有经由接口15读入的后述的加工程序、经由CRT/MDI单元70输入的加工程序。并且，在非易失性存储器14中存储有用于使加工程序运行的加工程序运行处理用程序、轴控制处理用程序等，但这些程序在执行时在RAM13中被展开。此外，预先向ROM12写入加工程序的生成以及编辑所需要的用于执行编辑模式的处理等的各种系统/程序。执行本发明的加工程序等各种加工程序，能够经由接口15、CRT/MDI单元70被输入，并存储于非易失性存储器14中。
接口15是用于连接数值控制装置1与适配器等外部设备72的接口。从外部设备72侧读入加工程序、各种参数等。此外，在数值控制装置1内编辑后的加工程序可以经由外部设备72存储于外部存储单元中。PMC(可编程机床控制器)16通过内置于数值控制装置1内的序列/程序，经由I/O单元17向机床的周边装置输出信号并进行控制。此外，接受配置于机床本体的操作盘的各种开关等的信号，进行必要的处理后过渡给CPU11。
CRT/MDI单元70是具备显示器、键盘等的手动数据输入装置，接口18接受来自CRT/MDI单元70的键盘的指令、数据并转发给CPU11。接口19与具备手动脉冲发生器等的操作盘71相连接。
用于控制机床所具备的轴的轴控制电路30接受来自CPU11的轴的移动指令量，并将轴的指令输出到伺服放大器40。伺服放大器40接受该指令，驱动使机床所具备的轴移动的伺服电动机50。轴的伺服电动机50内置有位置/速度检测器，向轴控制电路30反馈来自该位置/速度检测器的位置/速度反馈信号，并进行位置/速度的反馈控制。
此外，在图3的硬件结构图中轴控制电路30、伺服放大器40、伺服电动机50仅示出了1个，但实际上准备与机床所具备的轴数量的数量的轴控制电路30、伺服放大器40、伺服电动机50。此外，在图3中省略了来自伺服电动机50的位置/速度的反馈。
主轴控制电路60接受向机床的主轴旋转指令，并向主轴放大器61输出主轴速度信号。主轴放大器61接受该主轴速度信号，使机床的主动电动机62以指令的转速旋转，并驱动刀具。
主轴电动机62通过齿轮或传送带等与位置编码器63结合，位置编码器63与主轴的旋转同步地输出反馈脉冲，该反馈脉冲被CPU11读取。
图4是表示将执行本发明提供的基于刮削加工的加工指令时修正刀具路径的功能通过系统/程序安装于数值控制装置1情况的一实施方式的概要性功能框图。图3所示的CPU11执行系统/程序来提供功能，由此实现图4所示的各功能单元。此外，图4中的粗箭头表示处理基于刮削加工的加工指令时的数据的流程。
本发明的数值控制装置1具备指令分析部100、插补部110、伺服控制部120、刮削加工指令数据运算部130、刀具数据存储部140。
指令分析部100依次读出存储于存储器(未图示)中的加工程序的程序块，并对读出的程序块进行分析。分析的结果、读出的程序块为通常的指令的情况下，根据通常的分析结果生成指令数据并输出到插补部110，读出的程序块为基于刮削加工的加工指令(例如，进行圆弧形状加工的圆弧插补指令)的程序块的情况下，将由该程序块指令的指令数据输出到刮削加工指令数据运算部130。
插补部110对指令分析部100或刮削加工指令数据运算部130输出的指令数据进行插补处理，生成插补数据作为各轴的每个插补周期的点。另外，加减速部115对生成的插补数据进行加减速处理来调整各插补点的速度，将调整后的插补数据输出到控制各伺服电动机50的伺服控制部120。此外，插补部110在对刮削加工指令数据运算部130输出的指令数据进行插补处理时，为了不在切削路径形状中产生变形，而根据实际加工中程序块的进展率一边求出插补点一边进行插补处理。
伺服控制部120根据从插补部110输入的插补数据来驱动伺服电动机50，使工件和刀具相对移动。
刮削加工指令数据运算部130根据从指令分析部100输入的基于刮削加工的加工指令(例如，进行圆弧形状加工的圆弧插补指令)的指令数据，使用上述的各数学式来运算刀具路径以及进给速度，生成基于运算结果的刀具的指令数据并输出到插补部110。在本实施方式的数值控制装置1中，设有存储与刀具相关的刀具的角度、有效刀尖长度等刀具数据的刀具数据存储部140，刮削加工指令数据运算部130使用从刀具数据存储部140取得的刀具数据来进行运算。
此外，存储于刀具数据存储部140中的刀具数据，既可以在开始加工时操作员经由操作盘等输入单元(未图示)来设定，也可以通过加工程序的指令来进行设定。另外，也可以自动取得安装于机床上的刀具的刀具数据来进行设定。
图5是在本发明一实施方式的数值控制装置1中对基于刮削加工的加工指令进行处理的流程图。在图5中，用粗线框表现的处理(步骤SA02、SA03)表示在本发明中追加的处理。
[步骤SA01]指令分析部100从存储器(未图示)读出加工程序的指令程序块来进行分析，并生成指令数据。分析后的程序块为基于刮削加工的加工指令的情况下，指令为将该指令数据输出到刮削加工指令数据运算部130，并运算刀具路径。
[步骤SA02]刮削加工指令数据运算部130根据从指令分析部100输入的指令数据和从刀具数据存储部140取得的数据，使用上述的各数学式来运算刀具路径以及刀具的进给速度，并生成基于运算结果的修正后的指令数据。
[步骤SA03]插补部110根据在步骤SA02中生成的修正后的指令数据，执行用于生成插补数据的插补处理作为各轴的每个插补周期的点。在进行插补处理时，为了不在切削路径的形状中产生变形，而根据实际加工中程序块的进展率一边求出插补点一边进行插补处理。
[步骤SA04]插补部110根据插补数据更新控制轴的坐标值(位置)。
[步骤SA05]加减速部115执行调整插补数据的各插补点的速度的加减速处理。
[步骤SA06]伺服控制部120根据在步骤SA05中调整后的插补数据来驱动伺服电动机50，使工件和刀具相对移动。
到此为止，说明了基于刮削加工指令的数值控制装置1的动作，但大多情况下使刀具反复动作来连续进行刮削加工。因此，在本发明中除了指令单一动作的刮削加工指令外，还导入刮削加工的循环指令。作为示例，在对圆弧形状进行加工的圆弧插补指令的情况下，刮削加工的循环指令按如下那样指令。
Gxx X_Z_R_F_；
X＿，Z＿：通过刮削加工加工的圆弧形状的切削结束点
R_：通过刮削加工加工的圆弧形状的半径
F_：进行刮削加工的切削点的进给速度
在本发明中，指令为循环地进行刮削加工时，预先使刀具移动到切削开始点后，使用上述的刮削加工的循环指令，来指令切削点的切削结束点(X＿Z＿)、圆弧形状的半径(R＿)以及切削进给速度(F＿)。
图6是表示执行刮削加工循环指令时的刀具的移动的图。图6上表示从X轴方向观察工件时的刀具的移动，图6下表示从Y轴方向观察相同的工件时的刀具的移动。在图6中＜1＞～＜4＞表示刀具的动作。以下，对刀具的各动作进行说明。
动作＜1＞：使刀具快速进给移动至切削开始点。同时，使Y轴快速进给移动至刮削加工开始位置。
动作＜2＞与指令单一动作的刮削加工指令的情况一样，根据切削点的移动量和进给速度来控制X轴、Y轴、Z轴的移动。
动作＜3＞：使X轴快速进给移动而使刀具远离工件。
动作＜4＞：快速进给移动至Z轴和Y轴的开始位置。
通过导入这样的刮削加工循环指令，操作员能够容易生成指令循环下的刮削加工的程序。
以上，到此为止对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施方式的示例，通过增加适当的变更，能够以各种方式进行实施。
例如，在图4的功能框图的说明中，将刮削加工指令数据运算部130作为独立的功能单元进行了说明，但也可以安装为属于指令分析部100的功能单元。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不局限于上述的实施方式的示例，通过增加适当的变更，能够以其他方式进行实施。

Claims (3)

1.一种数值控制装置，其根据加工程序对进行刮削加工的机床进行控制，该刮削加工是通过刀具对旋转的工件的旋转对称面进行切削加工，其特征在于，
能够在上述加工程序中包括：能指定刮削加工中切削点的移动路径的刮削加工指令，
该数值控制装置具备：
指令分析部，其对上述加工程序进行分析，判别从上述加工程序读出的程序块是否为上述刮削加工指令；
刮削加工指令数据运算部，在上述指令分析部判别为是上述刮削加工指令的情况下，上述刮削加工指令数据运算部根据由上述刮削加工指令所指令的切削点的路径以及切削点的进给速度，来运算上述刀具的路径以及进给速度；以及
插补部，其根据由上述刮削加工指令数据运算部运算出的上述刀具的路径以及实际加工中的坐标值，来运算与实际加工中的程序块的进展率对应的插补数据，
该数值控制装置根据由上述插补部运算出的插补数据来控制上述机床。
2.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，
该数值控制装置还具备：刀具数据存储部，其存储表示上述刀具相对于上述工件的旋转轴线的角度的刀具角度数据、以及表示上述刀具的有效刀尖的刀具有效刀尖数据，
上述刮削加工指令数据运算部根据由上述刮削加工指令所指令的切削点的路径以及切削点的进给速度、存储于上述刀具数据存储部中的上述刀具角度数据以及刀具有效刀尖数据，来运算上述刀具的路径以及进给速度。
3.根据权利要求1或2所述的数值控制装置，其特征在于，
上述刮削加工指令包括：指令反复进行刮削加工动作的刮削加工循环指令。
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