CN111240264B - 数值控制装置、程序记录介质以及控制方法 - Google Patents

数值控制装置、程序记录介质以及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供数值控制装置、程序记录介质以及控制方法，能够在进行摇动切削时防止切削工具的切削速度过大。本发明所涉及的数值控制装置具备：上限值获取部，其获取切削工具相对于工件的相对速度即切削速度的上限值；基准速度计算部，其计算主轴转速和进给速度；摇动速度计算部，其计算叠加于进给速度的摇动速度；切削速度计算部，其基于主轴转速、进给速度以及摇动速度来计算切削速度；以及速度调整部，其调整主轴转速和进给速度中的至少任一者，以避免由切削速度计算部计算出的切削速度的最大值超过由上限值获取部获取到的上限值。

Description

数值控制装置、程序记录介质以及控制方法
技术领域
本发明涉及一种数值控制装置、程序记录介质以及控制方法。
背景技术
以往以来，使用一种例如车床那样的机床，该机床具有使切削工具和工件相对地旋转的主轴以及使切削工具相对于工件进行相对移动的进给轴，该机床使主轴与进给轴协调动作，来利用切削工具对工件进行切削加工。
另外，在车床等机床中，通常，切削工具的刀尖连续地削掉工件的表面的材料，因此根据工件的材质，被削掉的材料成为细长的刨屑(切屑)，有可能缠绕在切削工具上而阻碍对工件的加工。对此，例如专利文献1所记载的那样，已知一种使用数值控制装置，以规定的振动次数进行使切削工具相对于工件进行往复移动的摇动切削的技术。在摇动切削中，通过使切削工具进行往复移动来使切削工具定期地离开工件，因此刨屑以固定的长度被切碎。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018-94690号公报
发明内容
发明要解决的问题
如上所述，在进行使切削工具往复移动的摇动切削的情况下，由于切削工具的进给速度周期性地变动，因此切削工具相对于工件表面的相对速度即切削速度定期地变大。一般而言，根据切削工具和工件的材质等，能够进行适当的切削的切削速度的范围受到限制。若切削速度过大，则有可能因抖动的发生而导致工件加工面粗糙、机床的驱动机构的过负荷或疲劳、切削工具的异常损耗等各种不良情况。因此，在以往的机床中，在进行摇动切削的情况下，需要考虑切削工具的速度的变动，将主轴的转速、工具的进给速度设定得足够低，以避免切削工具的切削速度过大。
因此，本发明的课题在于，提供一种在进行摇动切削时能够防止切削工具的切削速度过大的数值控制装置、程序以及控制方法。
用于解决问题的方案
(1)本发明所涉及的数值控制装置(后述的数值控制装置1)用于控制机床(后述的机床100)，所述机床具有使切削工具(后述的切削工具T)和工件(后述的工件W)相对地旋转的至少一个主轴(后述的主轴Ac)以及使所述切削工具相对于所述工件进行相对移动的至少一个进给轴(后述的进给轴Az)，所述机床使所述主轴与所述进给轴协调动作，来利用所述切削工具对所述工件进行切削加工，所述数值控制装置具备：上限值获取部(后述的上限值获取部13)，其获取所述切削工具相对于所述工件的相对速度即切削速度的上限值；基准速度计算部(后述的基准速度计算部14)，其计算作为所述主轴的转速的主轴转速和作为所述进给轴的移动速度的进给速度；摇动速度计算部(后述的摇动速度计算部15)，其计算叠加于所述进给速度的摇动速度；切削速度计算部(后述的切削速度计算部16)，其基于所述主轴转速、所述进给速度以及所述摇动速度，来计算所述切削速度；以及速度调整部(后述的速度调整部17)，其调整所述主轴转速和所述进给速度中的至少任一者，以避免由所述切削速度计算部计算出的所述切削速度的最大值超过由所述上限值获取部获取到的所述上限值。
(2)在(1)的数值控制装置中，也可以是，所述速度调整部按照加工程序，来使所述主轴转速的调整量与所述进给速度的调整量的比率变化。
(3)在(1)～(2)的数值控制装置中，也可以是，所述速度调整部按照操作者的输入，来使所述主轴转速的调整量与所述进给速度的调整量的比率变化。
(4)本发明所涉及的程序记录介质非暂时性地记录用于控制机床的程序，所述机床具有使切削工具和工件相对地旋转的至少一个主轴以及使所述切削工具相对于所述工件进行相对移动的至少一个进给轴，所述机床使所述主轴与所述进给轴协调动作，来利用所述切削工具对所述工件进行切削加工，所述程序具备：上限值获取要素，其获取所述切削工具相对于所述工件的相对速度即切削速度的上限值；基准速度计算要素，其计算作为所述主轴的转速的主轴转速和作为所述进给轴的移动速度的进给速度；摇动速度计算要素，其计算叠加于所述进给速度的摇动速度；切削速度计算要素，其基于所述主轴转速、所述进给速度以及所述摇动速度，来计算所述切削速度；以及速度调整要素，其调整所述主轴转速和所述进给速度中的至少任一者，以避免由所述切削速度计算要素计算出的所述切削速度的最大值超过由所述上限值获取要素获取到的所述上限值。
(5)本发明所涉及的控制方法用于控制机床，所述机床具有使切削工具和工件相对地旋转的至少一个主轴以及使所述切削工具相对于所述工件进行相对移动的至少一个进给轴，所述机床使所述主轴与所述进给轴协调动作，来利用所述切削工具对所述工件进行切削加工，所述控制方法包括以下工序：获取所述切削工具相对于所述工件的相对速度即切削速度的上限值；计算作为所述主轴的转速的主轴转速和作为所述进给轴的移动速度的进给速度；计算叠加于所述进给速度的摇动速度；基于所述主轴转速、所述进给速度以及所述摇动速度，来计算所述切削速度；以及调整所述主轴转速和所述进给速度中的至少任一者，以避免在计算所述切削速度的工序中计算出的所述切削速度的最大值超过在获取所述上限值的工序中获取到的所述上限值。
发明的效果
根据本发明所涉及的数值控制装置、程序记录介质以及控制方法，在进行摇动切削时能够防止切削工具的切削速度过大。
附图说明
图1是示出具备本发明的一个实施方式所涉及的数值控制装置的机床的结构的框图。
图2是示出由图1的机床进行加工时的切削工具在工件表面的轨迹的图。
图3是示出图1的机床中的摇动切削的控制过程的流程图。
附图标记说明
1：数值控制装置；13：上限值获取部；14：基准速度计算部；15：摇动速度计算部；16：切削速度计算部；17：速度调整部；18：驱动输出部；100：机床；Ac：主轴；Az：进给轴；T：切削工具；W：工件。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。图1是示出具备本发明的一个实施方式所涉及的数值控制装置1的机床100的结构的框图。
本实施方式的机床100是使用切削工具T对作为加工对象的工件W进行切削加工的NC车床。机床100具有使切削工具和工件相对地旋转(在本实施方式中是使工件W旋转)的主轴Ac、使切削工具T相对于工件W进行相对移动(在本实施方式中是使切削工具T移动)的进给轴Az以及使切削工具T相对于工件W沿主轴Ac的径向进行相对移动(在本实施方式中是使切削工具T移动)的切入轴Ax这三个控制轴。因此，机床100具有驱动这些控制轴Ac、Az、Ax的驱动电动机(主轴电动机Mc、进给轴电动机Mz以及切入轴电动机Mx)以及对各驱动电动机Mc、Mz、Mx施加驱动电流的伺服放大器(主轴放大器Sc、进给轴放大器Sz以及切入轴放大器Sx)。
数值控制装置1控制机床100，该机床100使主轴Ac、进给轴Az以及切入轴Ax协调动作，来利用切削工具T对工件W进行切削加工。数值控制装置1具备程序存储部11、数据存储部12、上限值获取部13、基准速度计算部14、摇动速度计算部15、切削速度计算部16、速度调整部17、驱动输出部18以及输入装置19。
数值控制装置1是实施本发明所涉及的控制方法的装置。另外，数值控制装置1例如能够通过使具有CPU、存储器等的计算机读入本发明所涉及的程序来实现。本发明所涉及的程序能够被记录在非暂时性的记录介质中来提供。数值控制装置1的各构成要素按功能来区分，在物理结构以及用于实现数值控制装置1的程序的构造中也可以不明确区分数值控制装置1的各构成要素。
程序存储部11存储从外部输入的加工程序。例如用G代码等描述加工程序。数值控制装置1通过按照加工程序对机床100的控制轴Ac、Az、Ax进行控制，来将工件W加工成期望的形状。
数据存储部12存储对工件W的加工所需要的一般的信息。作为存储于数据存储部12中的信息，例如能够包含定义了多个工件W的材质与多个切削工具T的种类的各种各样的组合时的切削速度(切削工具T相对于工件W的表面的相对速度(vc[mm/s])的上限值(vclimit[mm/s])的表等。
上限值获取部13参照程序存储部11和数据存储部12的信息，来获取所要使用的切削工具T与工件W的组合时的切削速度的上限值vclimit。
基准速度计算部14例如按照加工程序来计算作为主轴Ac的转速的主轴转速(S[rev/min])和由主轴Ac的旋转产生的工件W的圆周速度(f1[mm/s])、以及作为进给轴Az的移动速度的进给速度(v1[mm/s])和作为主轴Ac每旋转一周的切削工具T的进给量的每次进给量(F[mm/rev])。更详细地说，基准速度计算部14根据加工程序中描述的工件W的加工形状，来计算在不进行摇动控制的情况下最佳的主轴转速S、圆周速度f1、每次进给量F以及进给速度v1。此外，能够使用工件W的直径(L[mm])以π·L·S/60的方式计算出圆周速度f1。
摇动速度计算部15基于主轴转速S和每次进给量F来计算摇动速度(vo(t)[mm/s])，该摇动速度是叠加于进给速度v1的周期性的速度变动分量，是时间(t[s])的函数。摇动速度计算部15也可以将摇动速度vo(t)设为呈正弦波状变动的速度分量，以使位置呈正弦波状摇动。
作为例子，摇动速度计算部15使摇动位置[D[mm]]呈正弦波状变化，该摇动位置是进行摇动控制的情况下的进给轴Az的位置与不进行摇动控制的情况下的位置之间的偏差。具体地说，能够将摇动位置D(t)的频率设为对主轴转速S乘以常数(I)所得到的值(S·I·60[Hz])，将摇动位置D(t)的振幅设为对每次进给量F乘以常数(K)之后除以2所得到的值(K·F/2)。也就是说，摇动位置D(t)能够表示为K·F/2·cos(2π/60·S·I·t)-K·F/2。由于摇动速度Vo(t)是对摇动位置D(t)进行微分所得到的，因此能够以-π/60·K·F·S·I·sin(2π/60·S·I·t)的方式来计算出摇动速度Vo(t)。
切削工具T在进给轴Az方向上的位置被表示为进给速度v1的积分值与摇动速度vo(t)的积分值的合计。如果将其表示为相对于主轴Ac的旋转角度的变化，则如图2所示，能够例如通过将常数I设为接近0.5的奇数倍的值，来使主轴Ac的第n次旋转时的切削工具T的轨迹的相位与主轴Ac的第n+1次旋转时的切削工具T的轨迹的相位相差约180°。因此，在第n次旋转时切削工具T的进给方向位置为极大时的工件W的周向位置与在第n+1次旋转时切削工具T的进给方向位置为极小时的工件W的周向位置一致。另外，在一个周期内，主轴Ac的第n次旋转时的切削工具T的轨迹与主轴Ac的第n+1次旋转时的切削工具T的轨迹互相重合一次。
在主轴Ac的第n次旋转时的切削工具T的轨迹与主轴Ac的第n+1次旋转时的切削工具T的轨迹互相重合的区间，成为切削工具T在进给轴Az方向上离开工件W的状态。在切削工具T离开工件W的瞬间，由切削工具T从工件W上削掉的材料形成的刨屑的生成结束。即，按切削工具T的摇动的每一个周期来切断刨屑。
切削速度计算部16基于圆周速度f1、进给速度v1、摇动速度vo(t)以及工件W的形状，来计算作为时间t的函数的切削速度vc(t)。具体地说，切削速度vc(t)被计算为对进给速度v1加上摇动速度vo(t)得到的速度、切削工具T的刀尖位置处的工件W的圆周速度以及沿着工件W的形状移动的切削工具T在切入轴Ax方向上的速度的矢量和。
为了减轻运算负荷，切削速度计算部16也可以先计算出摇动速度vo(t)的最大值，使用摇动速度vo(t)的最大值来仅计算切削速度vc(t)的最大值。
速度调整部17调整圆周速度f1和进给速度v1中的至少任一者，以避免由切削速度计算部16计算出的切削速度vc(t)的最大值超过由上限值获取部13获取到的上限值vclimit。也就是说，在由切削速度计算部16计算出的切削速度vc(t)的最大值超过上限值vclimit的情况下，速度调整部17根据由基准速度计算部14计算出的值，来变更圆周速度f1和进给速度v1中的至少一方，并使摇动速度计算部15和切削速度计算部16再次进行计算。
所述速度调整部17也可以构成为仅调整圆周速度f1和进给速度v1中的任一方。在该情况下，调整圆周速度f1能够比较容易地将切削速度vc(t)的最大值抑制为上限值vclimit以下。另外，在调整圆周速度f1和进给速度v1双方的情况下，所述速度调整部17既可以构成为调整圆周速度f1和进给速度v1，以使圆周速度f1的调整量与进给速度v1的调整量的比率固定、或者使圆周速度f1的调整量和进给速度v1的调整量对切削速度vc(t)的最大值的变化量的贡献度固定，也可以构成为对圆周速度f1和进给速度v1中的一方进行粗略的调整而对另一方进行微调整，还可以构成为仅在圆周速度f1和进给速度v1中的一方的调整量达到规定的上限的情况下调整另一方。
另外，速度调整部17也可以按照其它参数，来使切削速度vc(t)的最大值的调整中的圆周速度f1的调整量与进给速度v1的调整量的比率变化(不仅包括直接指定调整量的比率的情况，还包括结果导致调整量的比率变化的情况)。使调整量的比率变化的参数既可以在加工程序中描述，也可以由操作者使用输入装置19输入。
这样，通过在切削速度vc(t)的最大值的调整中使圆周速度f1的调整量与进给速度v1的调整量的比率变化，能够根据各个加工(工件W的材质以及加工形状、切削工具的种类等条件)，例如使对加工精度、加工时间等的影响极小化。通过按照加工程序来使圆周速度f1的调整量与进给速度v1的调整量的比率变化，能够可靠地使各个加工最优化。另外，通过按照操作者的输入来使圆周速度f1的调整量与进给速度v1的调整量的比率变化，即使在使用没有描述这种参数的加工程序的情况下，也能够使加工最优化。
关于圆周速度f1的调整量与进给速度v1的调整量的比率变化，不仅能够通过直接指定圆周速度f1的调整量与进给速度v1的调整量的比率来实现，还能够通过例如设定圆周速度f1的调整量和进给速度v1的调整量的上限(包括将一方设为不可调整的情况)来实现，或者通过指定圆周速度f1的调整量和进给速度v1的调整量对切削速度vc(t)的最大值的变化量的贡献程度来实现。
驱动输出部18向主轴放大器Sc、进给轴放大器Sz以及切入轴放大器Sx输入指令信号，以使工件W和切削工具以调整后的圆周速度f1、进给速度v1以及摇动速度vo(t)进行相对移动。
输入装置19只要是能够供用户进行输入的装置即可，例如能够设为具有键盘、触摸面板、开关等的结构，也可以是用于与用户使用的终端或者上级的控制装置进行通信的接口等。
如根据以上说明所明确的那样，用于实现数值控制装置1的本发明所涉及的程序的一个实施方式的程序能够具备：上限值获取要素，其实现获取切削速度vc的上限值vclimit的上限值获取部13；基准速度计算要素，其实现计算遵从加工程序的圆周速度f1和进给速度v1的基准速度计算部14；摇动速度计算要素，其实现基于圆周速度f1和进给速度v1来计算摇动速度vo(t)的摇动速度计算部15；切削速度计算要素，其实现计算切削速度vc(t)的切削速度计算部16；以及速度调整要素，其实现调整圆周速度f1和进给速度v1中的至少任一者以避免切削速度vc(t)的最大值超过由上限值获取要素获取到的上限值vclimit的速度调整部17。
另外，数值控制装置1实施的本发明所涉及的控制方法的一个实施方式的控制方法如图3所示那样能够包括以下工序：获取切削速度vc的上限值vclimit(步骤S1：上限值获取工序)；计算遵从加工程序的圆周速度f1和进给速度v1(步骤S2：基准速度计算工序)；基于主轴转速S和进给速度v1来计算摇动速度vo(t)(步骤S3：摇动速度计算工序)；计算切削速度vc(t)(步骤S4：切削速度计算工序)；调整圆周速度f1和进给速度v1中的至少任一者，以避免切削速度vc(t)的最大值超过由上限值获取要素获取到的上限值vclimit(步骤S5：速度调整工序)；以及存储调整后的切削速度vc(t)(步骤S6：存储工序)。
步骤S5的速度调整工序能够具有以下工序：确认切削速度vc(t)的最大值是否超过上限值vclimit(步骤S51：确认工序)；以及在步骤S51的确认工序中判断为切削速度vc(t)的最大值超过上限值vclimit的情况下，变更圆周速度f1和进给速度v1中的至少任一者(步骤S52：变更工序)。在执行了步骤S52的变更工序的情况下，返回到步骤S3的摇动速度计算工序，来再次计算摇动速度vo(t)，之后在步骤S4的切削速度计算工序中再次计算切削速度vc(t)，之后再次在步骤S51的确认工序中将切削速度vc(t)的最大值与上限值vclimit进行比较。
通过数值控制装置1、用于实现数值控制装置1的程序以及数值控制装置1实施的控制方法，在机床100中进行摇动切削时能够防止切削速度vc(t)过大，具体地说，能够将切削速度vc(t)抑制为上限值vclimit以下。反过来说，通过数值控制装置1、用于实现数值控制装置1的程序以及数值控制装置1实施的控制方法，在能够将切削速度vc(t)抑制为上限值vclimit以下的范围内增大圆周速度f1和进给速度v1，由此能够抑制加工时间的增加。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限于上述的实施方式。另外，本实施方式所记载的效果只不过列举了由本发明产生的最佳的效果，本发明的效果不限定于本实施方式所记载的效果。
作为例子，在本发明所涉及的数值控制装置、程序以及控制方法中，也可以是，不能够变更圆周速度的调整量与进给速度的调整量的比率。
在本发明所涉及的数值控制装置、程序以及控制方法中，摇动速度的波形不限于正弦波状，例如也可以是锯齿波、三角波、梯形波、矩形波等周期性地变动的波形。
关于本发明所涉及的数值控制装置、程序以及控制方法，也可以控制主轴转速以使工件的圆周速度固定。也就是说，在本发明所涉及的数值控制装置、程序以及控制方法中，也可以将主轴转速作为时间的函数来计算出。
本发明所涉及的数值控制装置、程序以及控制方法不限于应用于车床，还能够应用于例如钻床等的控制。

Claims (5)

1.一种数值控制装置，用于控制机床，所述机床具有使切削工具和工件相对地旋转的至少一个主轴以及使所述切削工具相对于所述工件进行相对移动的至少一个进给轴，所述机床使所述主轴与所述进给轴协调动作，来利用所述切削工具对所述工件进行切削加工，
所述数值控制装置具备：
上限值获取部，其获取所述切削工具相对于所述工件的相对速度即切削速度的上限值；
基准速度计算部，其计算作为所述主轴的转速的主轴转速和作为所述进给轴的移动速度的进给速度；
摇动速度计算部，其计算叠加于所述进给速度的摇动速度；
切削速度计算部，其基于所述主轴转速、所述进给速度以及所述摇动速度，来计算所述切削速度；以及
速度调整部，其调整所述主轴转速和所述进给速度中的至少任一者，以避免由所述切削速度计算部计算出的所述切削速度的最大值超过由所述上限值获取部获取到的所述上限值。
2.根据权利要求1所述的数值控制装置，其中，
所述速度调整部按照加工程序，来使所述主轴转速的调整量与所述进给速度的调整量的比率变化。
3.根据权利要求1或2所述的数值控制装置，其中，
所述速度调整部按照操作者的输入，来使所述主轴转速的调整量与所述进给速度的调整量的比率变化。
4.一种程序记录介质，非暂时性地记录用于控制机床的程序，所述机床具有使切削工具和工件相对地旋转的至少一个主轴以及使所述切削工具相对于所述工件进行相对移动的至少一个进给轴，所述机床使所述主轴与所述进给轴协调动作，来利用所述切削工具对所述工件进行切削加工，
所述程序具备以下要素：
上限值获取要素，其获取所述切削工具相对于所述工件的相对速度即切削速度的上限值；
基准速度计算要素，其计算作为所述主轴的转速的主轴转速和作为所述进给轴的移动速度的进给速度；
摇动速度计算要素，其计算叠加于所述进给速度的摇动速度；
切削速度计算要素，其基于所述主轴转速、所述进给速度以及所述摇动速度，来计算所述切削速度；以及
速度调整要素，其调整所述主轴转速和所述进给速度中的至少任一者，以避免由所述切削速度计算要素计算出的所述切削速度的最大值超过由所述上限值获取要素获取到的所述上限值。
5.一种控制方法，用于控制机床，所述机床具有使切削工具和工件相对地旋转的至少一个主轴以及使所述切削工具相对于所述工件进行相对移动的至少一个进给轴，所述机床使所述主轴与所述进给轴协调动作，来利用所述切削工具对所述工件进行切削加工，
所述控制方法包括以下工序：
获取所述切削工具相对于所述工件的相对速度即切削速度的上限值；
计算作为所述主轴的转速的主轴转速和作为所述进给轴的移动速度的进给速度；
计算叠加于所述进给速度的摇动速度；
基于所述主轴转速、所述进给速度以及所述摇动速度，来计算所述切削速度；以及
调整所述主轴转速和所述进给速度中的至少任一者，以避免在计算所述切削速度的工序中计算出的所述切削速度的最大值超过在获取所述上限值的工序中获取到的所述上限值。
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