CN110461540A - 刀具路径生成方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种刀具路径生成方法及装置，将多列刀具路径上的一个加工点作为对象加工点(POM)进行设定，将以该对象加工点为中心处于规定范围内的加工点作为关注加工点(PI(i))进行选择，通过将在被选择的关注加工点的刀具姿势平均，算出对象加工点的刀具姿势，由算出的平均刀具姿势修正对象加工点的与刀具姿势有关的数据，取得用于加工的工件的形状数据及使用的球头立铣刀的形状数据，基于修正了的刀具姿势数据进行工件和球头立铣刀的干涉检查，在不产生工件和球头立铣刀的干涉的情况下，基于与修正了的刀具姿势有关的数据生成新的刀具路径。

Description

刀具路径生成方法及装置
技术领域
本发明涉及一面使立铣刀的相对于工件的刀具姿势变化，一面由具有至少一个旋转进给轴的机床进行工件的表面加工时的刀具路径生成方法及装置。本发明的立铣刀是改变刀具姿势来加工工件表面的球头立铣刀、从侧面看呈桶形的圆桶型立铣刀、从侧面看呈椭圆形的椭圆型立铣刀、底面呈凸曲面的透镜型立铣刀等所谓的圆弧型立铣刀。下面，作为代表对球头立铣刀进行叙述，但本发明也可以适用于其它的圆弧型立铣刀。
背景技术
在使刀具沿由具有两个旋转进给轴的五轴的加工机来加工工件的加工程序指定的刀具路径移动的情况下，若刀具姿势变化，则存在加工面的质量因刀具的挠曲量的变化、以机床的设计上的旋转进给轴的旋转中心位置和实际的旋转进给轴的旋转中心位置的偏差为起因的旋转进给轴的旋转中心的变化、在球头立铣刀的那样的刀具前端部正在进行切削的切削刃的曲率的变化、各旋转进给轴的加减速的变化等而降低的情况。在专利文献1中记载了防止这样的与刀具姿势的变化相伴的加工面的质量降低的数控装置。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015－015006号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在实际的工件的加工中，在刀具沿一个刀具路径移动的期间，不仅刀具的姿势变化，如图11、12所示，刀具的姿势在邻接的刀具路径之间也变化。图11、12表示使用球头立铣刀在具有两个旋转进给轴的五轴的机床中沿具有周期进给量的间隔的等高线状的刀具路径TP加工截面大致L字形的工件W的侧面的情况。特别是，在加工工件W的水平的上面202的情况、加工垂直面204的上方部分的情况、以及从工件W的垂直面的中央部分加工下侧的情况下，刀具T的姿势，也就是沿着中心轴线O的向量的方向变化。
在专利文献1的数控装置中，先读出规定的数量的程序块作为校正对象程序指令，相对于先读出的校正对象程序指令中的各程序块，校正刀具方向指令，以便直线轴的移动量和刀具方向向量变化量的比成为一定。在专利文献1的数控装置中，由于先读出多个程序块，也就是沿一个刀具路径相对于各程序块校正刀具方向指令，以便直线轴的移动量和刀具方向向量变化量的比成为一定，所以如图11、12所示，在如刀具姿势遍及多个刀具路径地变化的那样的情况下，专利文献1的数控装置不能有效地修正刀具的姿势。
参照图12，在图12中记载了刀具和工件在点E、F、G接触的例子，刀具姿势在点E、F为铅直，在从点G加工下方时，由于刀具保持架与工件的上部干涉，所以改变了刀具姿势。在点E、F或G，刀具受到切削阻力的方向变化，刀具的挠曲量变化。于是，在工件的加工面中产生细微的阶梯差，加工面等级降低。由于加工程序中的刀具姿势的指令以机床的设计上的旋转进给轴的中心位置为基准作成，所以由于存在实际的制作误差的旋转进给轴的中心偏差的影响，在加工面中产生细微的阶梯差。另外，作为刀具的球头立铣刀，其前端球部为正圆球，以此球部的中心为基准进行加工程序的位置指令。因此，在不是正圆球的情况下，因为向工件接触的位置变化，所以在工件加工面中产生细微的阶梯差。进而，在直线进给轴的移动中旋转进给轴的移动方向反转的那样的情况下，存在因旋转进给轴的加减速的变化、同步延迟而在工件的加工面中产生细微的阶梯差的情况。因此，可以预想，在加工向点E、F、G进行的过程中，若逐渐改变刀具姿势，则可以减轻这些问题的影响。
本发明以解决这样的以往技术的问题为技术课题，以防止在一面使相对于工件的刀具姿势变化一面由立铣刀进行工件的表面加工时加工面的质量因刀具姿势的急剧的变化而降低为目的。
为了解决课题的手段
为了实现上述的目的，根据本发明，提供一种刀具路径生成方法，其是一面使立铣刀的相对于工件的刀具姿势变化一面由具有至少一个旋转进给轴的机床进行工件的表面加工时的刀具路径生成方法，其特征在于，包括如下的步骤：将依次以直线连结多个加工点而得到的多列刀具路径上的一个加工点作为对象加工点进行设定，将以该对象加工点为中心处于规定范围内的加工点作为关注加工点进行选择的步骤；通过将在被选择的关注加工点的刀具姿势平均，算出对象加工点的刀具姿势的步骤；由前述算出的平均刀具姿势修正前述对象加工点的与刀具姿势有关的数据的步骤；取得用于加工的工件的形状数据及使用的立铣刀的形状数据的步骤；基于前述修正了的刀具姿势数据进行前述工件和前述立铣刀的干涉检查的步骤；和在不产生工件和立铣刀的干涉的情况下，基于与前述修正了的刀具姿势有关的数据生成新的刀具路径的步骤。
进而，根据本发明，提供一种刀具路径生成装置，其是生成在一面使立铣刀的相对于工件的刀具姿势变化一面由具有至少一个旋转进给轴的机床进行工件的表面加工时的刀具路径的刀具路径生成装置，其特征在于，具备加工点选择部、刀具姿势平均化部和干涉回避处理部，所述加工点选择部将依次以直线连结多个加工点而得到的多列刀具路径上的一个加工点作为对象加工点进行设定，将以该对象加工点为中心处于规定范围内的加工点作为关注加工点进行选择，所述刀具姿势平均化部通过将在被选择的关注加工点的刀具姿势平均，算出对象加工点的刀具姿势，由算出的平均刀具姿势修正前述对象加工点的与刀具姿势有关的数据，所述干涉回避处理部取得用于加工的工件的形状数据及使用的立铣刀的形状数据，基于前述修正了的刀具姿势数据进行前述工件和前述立铣刀的干涉检查，在不产生工件和立铣刀的干涉的情况下，基于与前述修正了的刀具姿势有关的数据生成新的刀具路径。
发明的效果
根据本发明，由于将在处于每次离开周期进给量的多列刀具路径上的加工点的刀具姿势平均来决定在对象加工点的刀具姿势，所以即使是在刀具姿势遍及多个刀具路径地变化的那样的情况下，也能够有效地修正刀具的姿势。另外，由于基于修正了的刀具姿势检查工件和刀具之间的干涉，所以通过修正了刀具姿势，不存在工件和刀具干涉的情况。由此，难以在工件表面中产生因刀具姿势的变化而产生的小的阶梯差，加工面的等级提高。
附图说明
图1是适用基于本发明的优选的实施方式的刀具路径生成方法的机床的示意侧视图。
图2是表示装入了刀具路径生成装置的图1的机床的NC装置的示意框图。
图3是表示刀具路径生成装置的示意框图。
图4是用于说明刀具路径、加工点及分割加工点的示意图。
图5是用于说明关注加工点的选择方法的示意图。
图6是用于说明修正刀具姿势的方法的示意图。
图7是表示作为在对象加工点和关注加工点的刀具姿势的向量的示意图。
图8是表示权重曲线的示意图。
图9是表示刀具的模型形状的图。
图10是用于说明干涉检查方法的示意图。
图11是用于说明由球头立铣刀对L字形的工件进行等高线加工时的刀具路径的示意图。
图12是用于说明图11的加工的工件的部位和刀具的姿势的关系的示意图。
具体实施方式
为了实施发明的优选方式
下面，参照附图，说明本发明的实施方式。
参照图1，适用基于本发明的优选的实施方式的刀具路径生成方法的机床10具备设置在工厂的地板面上的作为基台的床身12；在床身12的前方部分(图1中左侧)的上面中可在水平前后方向或Z轴方向移动地设置的工作台16；在床身12的后端侧(在图1中为右侧)直立设置固定在该床身12的上面上的立柱14；作为向上下方向移动的移动体，在立柱14的前面中可在上下方向或Y轴方向移动地设置的Y轴滑块18；在Y轴滑块18的前面中可在水平左右方向或X轴方向(与图1的纸面垂直的方向)移动地设置的X轴滑块20；和安装在该X轴滑块20上，可旋转地支承主轴24的主轴头22。
工作台16沿在床身12的上面中延伸设置在水平的Z轴方向(在图1中为左右方向)的一对Z轴导轨26可往复动地设置，在工作台16的上面上安装用于固定工件(未图示)的托盘36。在本实施方式中，在工作台16中装入了B轴伺服马达40，以在铅直方向延伸的轴线Ob为中心可进行B轴方向的旋转进给地支承托盘36。
在床身12上，作为沿Z轴导轨26往复驱动工作台16的Z轴进给装置，设置了在Z轴方向延伸设置的滚珠丝杆(未图示)和与该滚珠丝杆的一端连结的Z轴伺服马达38，在工作台16上安装了与前述滚珠丝杆卡合的螺母(未图示)。
Y轴滑块18可沿在立柱14的前面中在Y轴方向(铅直方向)延伸设置的一对Y轴导轨30往复动地设置。在立柱14上，作为沿Y轴导轨30往复驱动Y轴滑块18的Y轴进给装置，设置了在Y轴方向延伸设置的滚珠丝杆(未图示)和与该一对滚珠丝杆的一端、在本例中为上端连结的Y轴伺服马达32，在Y轴滑块18上，安装了与前述滚珠丝杆卡合的螺母(未图示)。
X轴滑块20可沿在Y轴滑块18的前面中在X轴方向(在图1中为与纸面垂直的方向)延伸设置的一对X轴导轨(未图示)往复动地设置。在Y轴滑块18上，作为沿前述X轴导轨往复驱动X轴滑块20的X轴进给装置，设置了在X轴方向延伸设置的滚珠丝杆(未图示)和与该滚珠丝杆的一端连结的X轴伺服马达34，在X轴滑块20上，安装了与前述滚珠丝杆卡合的螺母(未图示)。
X轴滑块20具有向Z轴方向前方突出的一对A轴臂，主轴头22可在绕与X轴平行的倾动轴线Oa的A轴方向旋转进给地被支承在该A轴臂之间。在A轴臂的一方装入了用于使主轴头22在绕倾动轴线Oa的A轴方向旋转进给的A轴伺服马达42。主轴头22可绕中心轴线Os旋转地支承主轴24。主轴头22，内置了旋转驱动主轴24的伺服马达(未图示)。
这样，机床10通过由NC装置100分别控制X轴、Y轴、Z轴、A轴、B轴，使装配在主轴24的前端部的刀具T和固定在托盘34上并与托盘34一起装配在工作台16上的工件相对移动，由前述刀具T加工工件。
参照图2，NC装置100具备刀具路径生成装置120和数控部140。刀具路径生成装置120，如后述的那样，使CAM装置104生成的加工程序106的刀具的姿势的变化平滑化，生成新的加工程序112并向数控部140送出。数控部140与通常的NC装置同样，具备读取解释部142、插补部144及伺服控制部146。NC装置100基于刀具路径生成装置120生成的加工程序112驱动机床10的各轴的伺服马达150。另外，在图2中，伺服马达150是代表X轴、Y轴、Z轴的各直线进给轴的伺服马达34、32、38及A轴、B轴的各旋转进给轴的伺服马达42、40的马达，X轴、Y轴、Z轴的伺服马达34、32、38及A轴、B轴的伺服马达42、40由NC装置100独立地控制。
参照图3，刀具路径生成装置120包括读取解释部122、刀具姿势平滑处理部124及干涉回避处理部132，刀具姿势平滑处理部124包括加工点存储部126、加工点选择部128及刀具姿势平均化部130。
加工程序106由公知的CAD/CAM系统生成。即，CAD装置102作成与工件的加工形状对应的CAD数据。CAM装置104基于CAD数据作成作为微小的直线指令的集合的CAM数据。因为此CAM数据由庞大的量的点群数据构成，所以按照规定的规则从CAM数据剔除数据，作成包括多个加工点及进给速度的加工程序，以便成为适合于加工程序的数据量。
在加工程序106中，由X轴、Y轴、Z轴、A轴、B轴的坐标值以程序块形式记载了加工点的坐标数据。若将从加工开始点到加工结束点为止的加工点的总数作为N，则对各加工点标注1～N的加工点号码，通过按照此号码顺序依次连结加工点P(程序块端点)，能够得到作为工件加工时的刀具轨迹的指令值的刀具路径。
读取解释部122读取并解释加工程序106，生成与加工点及刀具路径生成有关的数据。刀具姿势平滑处理部124的加工点存储部126与包括该加工点在内的刀具路径相关联地存储各加工点。图4(a)将读取并解释的加工程序106的一条刀具路径TP的初始的部分与加工点P1、P2、…一起表示。加工点之间的距离的长短与CAM装置104在使沿用于加工的工件表面的曲线近似于直线时预先给予的允许误差的大小相应地决定。加工点的位置和个数也可以按照记载在从CAM装置104输出的加工程序106中的位置和个数进行刀具姿势的平滑处置，但为了进行精度更高的平滑处理，可以预先对加工点之间的距离设定阈值，在加工点之间的距离超过此阈值的情况下，可以一分为二、一分为三……地提高刀具姿势的平滑处理的精度。因此，在图4(b)中，在P1和P2之间及P3和P4之间追加了一个分割加工点P1-1、P3-1，在P4和P5之间追加了两个分割加工点P4-1、P4-2来表示刀具路径TP′。加工点存储部126，在追加了分割加工点的情况下，算出将追加的分割加工点也包括在内的全部加工点的X轴、Y轴、Z轴、A轴、B轴的坐标值进行存储。另外，分割加工点的坐标值，补足其两端侧的加工点的坐标值进行算出。在下面的说明中，加工点和分割加工点都不区别地记载为加工点。
加工点选择部128，如图5所示，从加工点存储部126存储的加工点选择一个对象加工点POM。接着，选择包含在以对象加工点POM为中心由规定半径r的球SI规定的检查区域内的加工点作为关注加工点PI(i)。在这里，为i＝1～N，N是除对象加工点POM以外的检查区域SI内的加工点的个数。
刀具姿势平均化部130从X轴、Y轴、Z轴、A轴、B轴的坐标值运算在对象加工点POM的刀具的中心轴线O的向量V0。接着，对所有的关注加工点PI(i)运算对象加工点POM和关注加工点PI(i)之间的距离L(i)及在关注加工点PI(i)的刀具的中心轴线的向量V(i)(参照图7)。接着，将各关注加工点PI(i)和对象加工点POM之间的距离L(i)作为参数，求出在关注加工点PI(i)的权重W(i)。权重W(i)例如能够由图8所示的那样的权重曲线CW给出。接着，刀具姿势平均化部130由V＝ΣW(i)×V(i)将向量V作为在对象加工点POM的刀具的被修正了的刀具姿势进行运算。刀具姿势平滑处理部124对所有的加工点运算向量V，并基于此来修正加工程序106。图6由双点点划线的箭头表示检查区域S1内的多个刀具路径和在各关注加工点PI(i)的刀具姿势，在对象加工点POM由实线箭头表示由刀具姿势平滑处理部124算出的被修正了的刀具姿势。在图6中，刀具姿势在每个刀具路径中都变化得大，但若以所有的加工点为对象加工点一个个地进行刀具姿势的平滑处理，则能够描绘刀具姿势在所有的加工区域中平滑地变化的与图6相当的刀具姿势显示画面。
接着，干涉回避处理部132基于作为被修正的刀具姿势的向量V检查刀具和工件或机床的静止部的干涉。干涉回避处理部132从CAD装置102接收工件的加工形状108，从CAM装置104接收刀具信息110。刀具信息110在使用的刀具的刀具长度(沿着中心轴线O的长度)及刀具径的基础上还包括与使用的刀具保持架的形状关联的数据。例如，干涉回避处理部132基于刀具信息110生成图9所示的那样的刀具的模型形状300。模型形状300包括与使用的刀具、刀具保持架对应的刀具部分302、保持架部分304及主轴部分306。
参照图10，干涉回避处理部132，将由虚线表示的修正前的刀具的模型形状320的外形和由细线表示的修正后的刀具的模型形状330的外形以修正前的刀具的模型形状300的中心轴线O1和修正后的中心轴线O2之间的二等分线O3为中心描绘的由多个圆锥面构成的区域作为干涉判别模型形状310生成。干涉回避处理部132在使干涉判别模型形状310沿刀具路径TP移动了时，判定是否与工件干涉。在干涉判别模型形状310不与工件干涉的情况下，干涉回避处理部132将由刀具路径生成装置120修正了的加工程序作为新的加工程序112向数控部140输出。在干涉判别模型形状310与工件干涉的情况下，干涉回避处理部132将刀具路径生成装置120修正了的加工程序返回到修正前的加工程序，作为新的加工程序112向数控部140输出。
在数控部140中，读取解释部142读取并解释新的加工程序112，输出移动指令。此移动指令包括X轴、Y轴、Z轴的直线进给方向及A轴、B轴的旋转进给方向的进给量和进给速度。读取解释部142输出的移动指令向插补部144送出。插补部144基于插补函数对接收的X轴、Y轴、Z轴的直线进给方向及A轴、B轴的旋转进给方向的移动指令进行插补运算，将符合进给速度的X轴、Y轴、Z轴的直线进给方向及A轴、B轴的旋转进给方向的位置指令向伺服控制部146输出。伺服控制部146根据接收的X轴、Y轴、Z轴的直线进给方向及A轴、B轴的旋转进给方向的各位置指令将用于驱动机床10的X轴、Y轴、Z轴的直线进给方向及A轴、B轴的旋转进给方向的各进给轴的伺服马达的电流值向机床10的X轴、Y轴、Z轴及A轴、B轴的伺服马达150输出。
在图2的例子中，刀具路径生成装置被装入NC装置，先读出加工程序，进行本发明的刀具姿势平滑处理和干涉回避处理的运算，并且实时执行此后的工件加工的机床的动作控制。本发明不限定于此，也可以将图3所示的刀具路径生成装置装入CAM装置中或装入独立的个人计算机中，预先作成进行了刀具姿势平滑处理和干涉回避处理的加工程序，将该加工程序送入NC装置进行工件的加工。
符号的说明
100：NC装置；102：CAD装置；104：CAM装置；106：加工程序；108：加工形状；110：刀具信息；112：加工程序；120：刀具路径生成装置；126：加工点存储部；128：加工点选择部；130：刀具姿势平均化部；132：干涉回避处理部；140：数控部；150：伺服马达。

Claims (7)

1.一种刀具路径生成方法，其是一面使立铣刀的相对于工件的刀具姿势变化一面由具有至少一个旋转进给轴的机床进行工件的表面加工时的刀具路径生成方法，其特征在于，包括如下的步骤：
将依次以直线连结多个加工点而得到的多列刀具路径上的一个加工点作为对象加工点进行设定，将以该对象加工点为中心处于规定范围内的加工点作为关注加工点进行选择的步骤；
通过将在被选择的关注加工点的刀具姿势平均，算出对象加工点的刀具姿势的步骤；
由前述算出的平均刀具姿势修正前述对象加工点的与刀具姿势有关的数据的步骤；
取得用于加工的工件的形状数据及使用的立铣刀的形状数据的步骤；
基于前述修正了的刀具姿势数据进行前述工件和前述立铣刀的干涉检查的步骤；和
在不产生工件和立铣刀的干涉的情况下，基于与前述修正了的刀具姿势有关的数据生成新的刀具路径的步骤。
2.如权利要求1所述的刀具路径生成方法，其中，前述多个加工点包括分割加工点，所述分割加工点是将各刀具路径上的邻接的加工点之间分割而得到并由插补运算算出了其坐标值的加工点。
3.如权利要求1所述的刀具路径生成方法，其中，算出前述刀具姿势的步骤与对象加工点和关注加工点之间的距离相应地加权，将关注加工点的刀具姿势平均。
4.如权利要求1所述的刀具路径生成方法，其中，在干涉检查的结果为工件和立铣刀干涉的情况下，将修正了的刀具姿势返回到修正前的刀具姿势。
5.如权利要求1所述的刀具路径生成方法，其中，在干涉检查的结果为工件和立铣刀干涉的情况下，以刀具的中心轴线与修正前的刀具的轴方向和修正后的刀具的轴方向的中间一致的方式修正刀具姿势。
6.如权利要求1所述的刀具路径生成方法，其中，前述干涉检查基于修正前的刀具姿势和修正后的刀具姿势生成干涉判别模型形状，并沿刀具路径对每个对象加工点依次进行该干涉判别模型形状和工件是否干涉的检查。
7.一种刀具路径生成装置，其是生成在一面使立铣刀的相对于工件的刀具姿势变化一面由具有至少一个旋转进给轴的机床进行工件的表面加工时的刀具路径的刀具路径生成装置，其特征在于，具备加工点选择部、刀具姿势平均化部和干涉回避处理部，
所述加工点选择部将依次以直线连结多个加工点而得到的多列刀具路径上的一个加工点作为对象加工点进行设定，将以该对象加工点为中心处于规定范围内的加工点作为关注加工点进行选择，
所述刀具姿势平均化部通过将在被选择的关注加工点的刀具姿势平均，算出对象加工点的刀具姿势，由算出的平均刀具姿势修正前述对象加工点的与刀具姿势有关的数据，
所述干涉回避处理部取得用于加工的工件的形状数据及使用的立铣刀的形状数据，基于前述修正了的刀具姿势数据进行前述工件和前述立铣刀的干涉检查，在不产生工件和立铣刀的干涉的情况下，基于与前述修正了的刀具姿势有关的数据生成新的刀具路径。
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