CN118043750A - 控制装置以及记录有程序的计算机可读取的记录介质 - Google Patents

控制装置以及记录有程序的计算机可读取的记录介质 Download PDF

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CN118043750A CN202180102937.8A CN202180102937A CN118043750A CN 118043750 A CN118043750 A CN 118043750A CN 202180102937 A CN202180102937 A CN 202180102937A CN 118043750 A CN118043750 A CN 118043750A
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河村宏之
藤山次郎
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Abstract

本公开的控制装置具备：低通滤波器部，其通过对由控制用程序所指令的指令路径实施基于低通滤波器的平滑化来生成平滑路径；内旋量计算部，其计算由低通滤波器部得到的平滑路径的、相对于指令路径内旋的内旋量；平滑化处理部，其基于内旋量，输出将平滑路径向与内旋的方向的相反方向拉回的路径。

Description

控制装置以及记录有程序的计算机可读取的记录介质
技术领域
本发明涉及控制装置以及记录有程序的计算机可读取的记录介质。
背景技术
在机床或放电加工机等工业机械中生成用于加工平滑的自由曲面的控制用程序的情况下，通过CAM(Computer Aided Manufacturing：计算机辅助制造)将由CAD(ComputerAided Design：计算机辅助设计)生成的曲线转换为点序列。将这些点称为指令点。通过将曲线被转换为指令点列，由此表现为连续的多个微小线段。
图7是例示CAM转换后的多个指令点的列的图。在图7中，用黑圆表示多个指令点422，用虚线箭头表示指令点422之间的微小线段424。如图7所示，由微小线段424构成的移动路径为多面体的形状。控制装置基于由该控制用程序所指令的多个微小点或多个微小线段来生成平滑的工具路径(例如，专利文献1等)。然后，一边使工具沿着平滑的工具路径相对于工件相对地移动一边进行加工，由此形成平滑的加工面。
作为根据多个微小线段生成平滑的工具路径的方法之一，存在进行使用了移动平均滤波器等低通滤波器的平滑化的方法。图8表示通过低通滤波器对由连续的多个微小线段构成的多边路径进行平滑化而生成的曲线路径(以下，称为平滑路径)的例子。在图8中，用实线箭头表示平滑路径426。基于低通滤波器的平滑化具有减小相邻的路径间的剖面差的优点。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-353006号公报
发明内容
发明所要解决的课题
如图8所例示，基于低通滤波器的平滑路径426与原来的多边路径相比，成为向通过多个指令点422的曲线的主法线向量的方向(曲线的弯曲的内侧方向)偏移的路径。在本说明书中，将这样的偏移量称为内旋量。因此，平滑路径顺滑，但通过偏移指令点422的位置。即，加工精度(形状精度)降低。在进行平滑化处理时，通过设定公差(容许误差)能够在某种程度上抑制加工精度的降低。然而，如果为了抑制加工精度的降低而设定严格的公差，则会产生路径不够顺滑的问题。
因此，期望在保持加工精度的同时使加工路径充分顺滑的技术。
用于解决课题的手段
本公开的控制装置考虑在通过低通滤波器进行了平滑化处理的情况下产生的路径的偏移即内旋量，进行校正以使平滑化后的曲线接近多个指令点。该校正可以在平滑化处理之后对平滑路径进行，也可以在平滑化处理之前对成为处理对象的指令点进行。平滑路径或指令点被校正为通过多个指令点的曲线的主法线矢量的反方向(曲线的弯曲的外侧方向)。
并且，本公开的一个方式是一种基于控制用程序来控制工业机械对工件的加工的控制装置，该控制装置具有：低通滤波器部，其通过对由所述控制用程序所指令的指令路径实施基于低通滤波器的平滑化来生成平滑路径；内旋量计算部，其计算由所述低通滤波器部得到的平滑路径的、相对于所述指令路径内旋的方向的内旋量；以及平滑化处理部，其基于所述内旋量，输出将所述平滑路径向与所述内旋的方向的相反方向拉回的路径。
本公开的另一个方式是一种记录有程序的计算机可读取的记录介质，所述程序使基于控制用程序来控制工业机械对工件的加工的控制装置进行动作，其中，所述程序使所述控制装置作为如下各部进行动作：低通滤波器部，其通过对由所述控制用程序所指令的指令路径实施基于低通滤波器的平滑化来生成平滑路径；内旋量计算部，其计算由所述低通滤波器部得到的平滑路径的、相对于所述指令路径内旋的方向的内旋量；平滑化处理部，其基于所述内旋量，输出将所述平滑路径向与所述内旋的方向的相反方向拉回的路径。
发明效果
根据本公开的一个方式，能够得到顺滑且高精度的(没有内旋导致的精度降低)路径。因此，能够得到加工面顺滑且形状精度不恶化的加工工件。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的控制装置的概要硬件结构图。
图2是表示本发明的第一实施方式的控制装置的示意功能的框图。
图3是说明内旋量的图。
图4是表示本发明的第二实施方式的控制装置的概略功能的框图。
图5是表示本发明的第三实施方式的控制装置的概略功能的框图。
图6是表示本发明的其他实施方式的控制装置的概略功能的框图。
图7是例示CAM转换后的多个指令点的列的图。
图8是表示通过低通滤波器对多边形路径进行平滑化而生成的平滑路径的例子的图。
具体实施方式
以下，结合附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示本发明的第一实施方式的控制装置的主要部分的概要硬件结构图。本发明的控制装置1例如能够安装为基于控制用程序来控制机床、放电加工机、机器人等工业机械的控制装置。以下，关于本实施方式的控制装置1，以通过基于控制用程序使工具相对于工件相对地移动来控制对该工件进行加工的机床的控制装置为例进行说明。
本实施方式的控制装置1所具备的CPU11是整体地控制控制装置1的处理器。CPU11经由总线22读出储存在ROM12中的系统程序，按照该系统程序对控制装置1整体进行控制。在RAM13中对临时的计算数据、显示数据以及从外部输入的各种数据等进行临时储存。
非易失性存储器14例如由通过未图示的电池备份的存储器、SSD(Solid StateDrive：固态驱动器)等构成，即使控制装置1的电源被断开也保持存储状态。在非易失性存储器14中存储从工业机械2取得的数据、经由接口15从外部设备72读入的控制用程序或数据、经由输入装置71输入的控制用程序或数据、经由网络5从其他装置取得的控制用程序或数据等。存储于非易失性存储器14的控制用程序和数据也可以在执行时/利用时在RAM13中展开。另外，在ROM12中预先写入有公知的解析程序等各种系统程序。
接口15是用于将控制装置1的CPU11与USB装置等外部设备72连接的接口。从外部设备72侧读入例如用于工业机械2的控制的控制用程序和设定数据等。另外，在控制装置1内编辑的控制用程序和设定数据等能够经由外部设备72存储于外部存储单元。PLC(可编程逻辑控制器)16执行梯形程序，经由I/O部19向工业机械2以及工业机械2的周边装置(例如，工具更换装置、搬运机器人的致动器、安装于工业机械2的温度传感器和湿度传感器等多个传感器)输出信号并进行控制。另外，接收配备于工业机械2的主体的操作盘的各种开关和周边装置等的信号，在进行了必要的信号处理之后，传递给CPU11。
接口20是用于将控制装置1的CPU与有线或无线的网络5连接的接口。在网络5上连接有机床、放电加工机等其他工业机械4、雾计算机6、云服务器7等，与控制装置1之间相互进行数据的交换。
在显示装置70中，经由接口17输出并显示读入到存储器上的各数据、作为执行程序等的结果而得到的数据等。另外，由键盘、指令设备等构成的输入装置71将基于操作员的操作的指令、数据等经由接口18传递给CPU11。
用于控制工业机械2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，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，对使机床所具备的轴移动的伺服电动机50进行驱动。轴的伺服电动机50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，进行位置速度的反馈控制。此外，在图1的硬件结构图中，仅将轴控制电路30、伺服放大器40、伺服电动机50各表示为一个，但实际上只准备成为控制对象的工业机械2所具备的轴的数量的对应量。
图2是表示本发明的第一实施方式的控制装置1所具备的功能的概略框图。本实施方式的控制装置1所具备的各功能通过图1所示的控制装置1所具备的CPU11执行系统程序并控制控制装置1的各部的动作来实现。
本实施方式的控制装置1具备解析部100、平滑化处理部110、低通滤波器部112、内旋量计算部114、电动机控制部120。另外，在控制装置1的RAM13至非易失性存储器14中预先存储有用于控制工业机械2的运转的控制用程序200。
解析部100读出并解析控制用程序200的程序块，生成驱动工业机械2的各部的伺服电动机50的移动指令数据。解析部100基于由控制用程序200的程序块指令的进给指令，生成针对使工业机械2的工具相对于工件相对地移动的伺服电动机50的移动指令所涉及的数据。在所生成的移动指令所涉及的数据中至少包含多个指令点的列。解析部100将与所生成的移动命令有关的数据输出至平滑化处理部110。
平滑化处理部110基于从解析部100输入的移动指令所涉及的数据，生成对由该移动指令所涉及的数据中包含的多个指令点的列构成的移动路径进行平滑化后的平滑路径。平滑化处理部110所生成的平滑路径考虑了内旋量计算部114计算的内旋量，另外，基于由低通滤波器部112生成的曲线路径。
低通滤波器部112通过对由连结多个指令点之间而得到的多个微小线段构成的路径实施基于低通滤波器的平滑化来生成平滑路径。低通滤波器部112在对由多个微小线段构成的路径施加低通滤波器时，将由多个微小线段构成的路径确定为例如参数化曲线P(t)。在此，P(t)是以各轴的坐标值为要素的向量，向量的维度与轴数一致。例如，在工业机械2通过X轴、Y轴、Z轴使工具与工件相对移动的情况下，P(t)为三维矢量。t是参数化曲线的参数。通过参数化曲线表示由控制用程序200所指令的路径的方法是公知的技术，因此省略。在这样定义的情况下，若将对路径P(t)实施了平滑化处理的曲线路径设为Q(t)，则Q(t)能够通过以下的式1来计算。另外，在式1中，F(l)表示基于低通滤波器的滤波操作。作为低通滤波器，例如能够使用公知的移动平均滤波器、高斯卷积滤波器等。此时，l是表示滤波器的应用范围(滤波长度)的参数。滤波长度根据沿着指令路径的工具的移动时间、移动距离、移动速度以及由滤波器决定的时间常数中的至少任意一个来计算即可。通过将滤波长度设定为构成路径的微小线段的长度程度(在参数化曲线的参数t为时间的单位的情况下，微小线段的移动所涉及的时间程度)，能够使多边形的路径充分顺滑。在控制用程序200由微小线段表示的情况下，滤波长度一般在比线段长度长的范围内应用。该线段长度可以在滤波处理之前预先检查，也可以另外提供。
[式1]
Q(t)＝F(l)·P(t)
作为低通滤波器部112用于平滑化的低通滤波器，也可以使用其他公知的低通滤波器。
内旋量计算部114计算通过低通滤波器部112对由连结多个指令点之间而得到的多个微小线段构成的路径施加低通滤波而生成的平滑路径以何种程度内旋的内旋量。
内旋量计算部114例如也可以通过在由多个微小线段构成的路径与平滑路径之间单纯地取得差分来计算内旋量。例如，可以使用以下例示的式2，以规定的参数周期计算内旋量。此外，在式2中，d(t)是规定参数的位置处的内旋量(标量值)。
[式2]
d(t)＝|Q(t)-P(t)|
图3是例示平滑路径相对于由多个微小线段构成的路径的内旋量的图。在图3中，用黑圆表示指令点422，用虚线箭头表示微小线段424，用实线箭头表示平滑路径426。此外，图3为了容易掌握内旋量，描绘为平滑路径比现实更大地内旋。如图3所例示的那样，在计算在由微小线段构成的路径与平滑路径之间单纯地取得差分的内旋量的情况下，例如能够计算指令点422的位置处的内旋量、和指令点422间的规定的参数t的值的位置处的内旋量。
例如，内旋量计算部114可以使用式2仅计算指令点422的位置处的内旋量，并且可以通过比例分配等计算其他位置处的内旋量。例如，规定的指令点的位置处的参数t的值为ts，其下一个指令点的位置处的参数t的值为te。此时，以下的式3所示的值a被唯一地确定。
[式3]
t＝(1-a)×ts+a×te
使用该值a，通过以下的式4计算指令点间的规定位置的内旋量即可。
[式4]
d(t)＝(1-a)×|Q(ts)-P(ts)|+a×|Q(te)-P(te)|例如，内旋量计算部114可以基于平滑曲线的曲率近似地计算内旋量。平滑曲线Q(t)的规定位置处的曲率半径R(t)能够根据参数化曲线通过公知的解析方法或近似方法求出。在将该曲率半径R(t)的圆弧路径设为Circle(R)时，内旋量d(t)满足以下的式5。通过针对d(t)解析或近似地求解该式5，能够计算内旋量。
[式5]
d(t)＝|Circle(R(t)+d(t))-F(l)·Circlel(R(t)+d(t))|
这样，平滑化处理部110也可以基于内旋量计算部114计算的内旋量，对由低通滤波器部112生成的平滑路径进行校正，由此生成通过指令点附近的平滑路径。作为其他方法，基于内旋量计算部114计算的内旋量，计算预先使指令点移动的校正点。并且，也可以通过低通滤波器部112对由该多个校正点的列构成的校正后的移动路径进行滤波，由此生成通过指令点附近的平滑路径。
电动机控制部120控制工业机械2所具备的伺服电动机50，使得工具和工件沿着由平滑化处理部110生成的平滑路径相对地移动。
根据具备上述结构的本公开的一个方式，能够得到顺滑且高精度的(没有内旋引起的精度降低)路径。因此，能够得到加工面顺滑且形状精度不恶化的加工工件。
图4是表示本发明的第二实施方式的控制装置1所具备的功能的概略框图。本实施方式的控制装置1所具备的各功能通过图1所示的控制装置1所具备的CPU11执行系统程序并控制控制装置1的各部的动作来实现。
本实施方式的控制装置1除了解析部100、平滑化处理部110、低通滤波器部112、内旋量计算部114、电动机控制部120以外，还具备拉回校正部116。另外，在控制装置1的RAM13和非易失性存储器14中预先存储有用于控制工业机械2的运转的控制用程序200。
解析部100、低通滤波器部112、内旋量计算部114、电动机控制部120所具备的各功能与第一实施方式的控制装置1所具备的各功能相同。
本实施方式的平滑化处理部110通过由拉回校正部116将相对于多个指令点产生了内旋的平滑路径校正为与内旋的方向的相反方向，由此生成平滑曲线。换言之，向与平滑路径的曲率中心方向矢量(主法线矢量)的相反方向进行校正。在本说明书中，将向与该内旋的方向的相反方向进行校正放的情况称为拉回校正。
拉回校正部116生成对平滑化处理部110生成的平滑路径进行了拉回校正的平滑曲线。拉回校正部116例如也可以直接使用内旋量计算部114计算出的内旋量来进行拉回校正。例如，将平滑曲线Q(t)的各位置的曲率中心设为QC(t)。该情况下的曲率单位矢量eq(t)能够由以下的式6表示。
[式6]
在该情况下，拉回矢量h(t)能够通过以下的式7来计算。
[式7]
h(t)＝d(t)·eq(t)
然后，拉回校正部116能够通过以下的式8计算拉回校正后的平滑曲线S(t)。
[式8]
S(t)＝Q(t)-h(t)
平滑化处理部110将这样得到的拉回校正后的平滑曲线S(t)作为最终的路径向电动机控制部120输出。
拉回校正部116也可以在计算拉回矢量h(t)时，如以下的式9所示那样进行平滑化的处理。在式9中，F(l)表示低通滤波器的滤波操作，l是表示滤波器的应用范围(滤波长度)的参数。该滤波器F(l)可以与低通滤波器部112使用的滤波器相同，也可以不同。
[式9]
h(t)＝F(l)·d(t)·eq(t)
根据具有所述结构的本公开的一个方式，能够计算低通滤波器的内旋量，使用计算出的内旋量进行平滑曲线的校正，因此能够得到顺滑且高精度的(没有内旋导致的精度降低)路径。因此，能够得到加工面顺滑且形状精度不恶化的加工工件。
图5是表示本发明的第三实施方式的控制装置1所具备的功能的概略框图。本实施方式的控制装置1所具备的各功能通过图1所示的控制装置1所具备的CPU11执行系统程序并对控制装置1的各部的动作进行控制来实现。
本实施方式的控制装置1除了解析部100、平滑化处理部110、低通滤波器部112、内旋量计算部114、电动机控制部120以外，还具备预先拉回校正部118。另外，在控制装置1的RAM13和非易失性存储器14中预先存储有用于控制工业机械2的运转的控制用程序200。
解析部100、低通滤波器部112、内旋量计算部114、电动机控制部120所具备的各功能与第一实施方式的控制装置1所具备的各功能相同。
本实施方式的平滑化处理部110针对进行平滑化处理前的多个指令点，生成由预先拉回校正部118向与内旋的方向的相反方向校正后的校正点。然后，通过低通滤波器部112对该多个校正点进行平滑化，由此生成平滑曲线。
预先拉回校正部118对进行平滑化处理之前的多个指令点预先进行拉回校正。以下，对预先进行拉回校正的方法进行说明。将指令路径设为参数化曲线P(t)，将其各位置的曲率半径设为RP(t)。当路径由微小线段给出时，P(t)为多边形。在该情况下，不是局部地求出曲率，而是根据一定程度的范围的平均的形状信息求出曲率。通常，通过使用基于多项式的拟合等，能够求出各位置处的曲率。例如，用Circle(R)表示半径R的圆弧路径。此时，内旋量能够通过以下的式10计算。
[式10]
d(t)＝|Circle(RP(t))-F(l)·Circle(RP(t))|
另外，将P(t)的各位置的曲率中心设为PC(t)。该情况下的曲率单位矢量ep(t)能够由以下的式11表示。
[式11]
使用这样求出的d(t)以及ep(t)，能够通过以下的式12计算预先拉回矢量hpre(t)。
[式12]
hpre(t)＝d(t)·ep(t)
然后，使用式(13)，使用预先拉回矢量hpre(t)预先对P(t)进行拉回校正，由此计算校正后的指令路径S(t)。
[式13]
S(t)＝P(t)-hpre(t)
平滑化处理部110通过低通滤波器部112对该校正后的指令路径S(t)进行平滑化处理，由此生成平滑曲线。
根据具有所述结构的本公开的一个方式，预先计算内旋量，使用计算出的内旋量进行指令点的校正。并且，由于对校正后的多个指令点进行平滑化处理，因此能够得到顺滑且高精度的(没有内旋引起的精度降低)路径。与在计算平滑曲线之后进行校正的情况相比，还将预期到计算量的减少。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不仅限定于所述的实施方式的例子，能够通过施加适当的变更而以各种方式实施。
例如，在上述的实施方式中，示出了通过控制用程序200将多个指令点的列表示为路径的例子。因此，成为将指令点之间为微小线段作为前提的说明。但是，在通过控制用程序200，指令点之间的路径不只是微小线段，还通过微小圆弧、规定的参数化曲线等明确地指定了路径的情况下，也能够应用本申请发明。
另外，在上述的实施方式中，根据指令路径、平滑路径来计算用于计算内旋量的各值，但例如指令路径的各部的曲率也可以预先被设定为附带于控制用程序200的各程序块。附加这样的信息的处理能够预先在CAD/CAM侧进行。通过这样构成，能够降低进行平滑化处理时的控制装置1中的计算负荷。
另外，在上述的实施方式中，通过一个计算路径生成平滑路径。然而，也可以在生成一次平滑路径后，重复同样的处理来生成平滑路径。例如，通过平滑化处理部110对一次生成的平滑路径反复进行平滑化。重复多次该过程。而且，通过进一步缩短每次重复时使用的低通滤波器的滤波长度，能够减少内旋量和拉回量，提高拉回后路径的精度。在该情况下，例如图6所例示的那样，也可以设置公差检查部119。在公差检查部119中预先设定规定的公差(容许误差)。公差检查部119在每次由平滑化处理部110进行平滑化处理时，检查平滑路径相对于指令路径的变更量(平均变更量或最大变更量)是否收敛于公差内。并且，在不收敛于公差内的情况下，反复进行平滑化处理即可。在使用该方法的情况下，可以将拉回校正部116输出的路径作为最终的平滑路径输出(第二实施方式)，也可以将低通滤波器部112的输出作为最终的平滑路径输出(第二、第三实施方式)。
附图标记说明
1控制装置
2、4工业机械
5网络
6雾计算机
7云服务器
11CPU
12ROM
13RAM
14非易失性存储器
15、17、18、20接口
22总线
30轴控制电路
40伺服放大器
50伺服电动机
70显示装置
71输入装置
72外部设备
100解析部
110平滑化处理部
112低通滤波器部
114内旋量计算部
116拉回校正部
118预先拉回校正部
119公差检查部
120电动机控制部
200控制用程序。

Claims (12)

1.一种基于控制用程序来控制工业机械对工件的加工的控制装置，其特征在于，
该控制装置具备：
低通滤波器部，其通过对由所述控制用程序所指令的指令路径实施基于低通滤波器的平滑化来生成平滑路径；
内旋量计算部，其计算由所述低通滤波器部得到的平滑路径的、相对于所述指令路径内旋的方向的内旋量；
平滑化处理部，其基于所述内旋量，输出将所述平滑路径向与所述内旋的方向的相反方向拉回的路径。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
所述平滑化处理部具备：拉回校正部，其进行将所述低通滤波器部生成的平滑路径向与所述内旋的方向的相反方向拉回所述内旋量计算部计算出的所述内旋量的对应量的校正，
所述平滑化处理部输出所述拉回校正部校正后的路径。
3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
所述平滑化处理部具备：预先拉回校正部，其进行将所述指令路径向与所述内旋的方向的相反方向预先拉回所述内旋量计算部计算出的所述内旋量的对应量的校正，
所述平滑化处理部输出通过所述低通滤波器部对所述预先拉回校正部校正后的指令路径实施平滑化后的平滑路径。
4.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
所述内旋量计算部将所述指令路径与所述平滑路径的差分作为内旋量。
5.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
所述内旋量计算部基于由所述控制用程序所指令的多个指令点与所述平滑路径的差分来计算内旋量。
6.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
所述内旋量计算部基于所述指令路径的曲率和所述低通滤波器的滤波长度来计算内旋量。
7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，
使用所述平滑路径的曲率来计算所述指令路径的曲率。
8.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，
所述指令路径的曲率被指定为所述控制用程序附带的信息。
9.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，
基于沿着所述指令路径的移动速度和所述低通滤波器的时间常数中的至少任一个来计算所述滤波长度。
10.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
所述平滑化处理部对所输出的路径反复进行使用了所述内旋量计算部和所述低通滤波器部的平滑化处理。
11.根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，
该控制装置还具备：公差检查部，其检查路径变更量是否成为被指定的公差以内，
所述平滑化处理部反复进行平滑化处理，直到所述路径变更量通过所述公差检查部成为被指定的的公差以内为止。
12.一种记录有程序的计算机可读取的记录介质，所述程序使基于控制用程序来控制工业机械对工件的加工的控制装置进行动作，其特征在于，
所述程序使所述控制装置作为如下各部进行动作：
低通滤波器部，其通过对由所述控制用程序所指令的指令路径实施基于低通滤波器的平滑化来生成平滑路径；
内旋量计算部，其计算由所述低通滤波器部得到的平滑路径的、相对于所述指令路径内旋的方向的内旋量；
平滑化处理部，其基于所述内旋量，输出将所述平滑路径向与所述内旋的方向的相反方向拉回的路径。
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