JP2005327321A - Numerical control system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自由曲面を高速かつ高精度に加工するのに好適な数値制御装置に関する。 The present invention relates to a numerical control apparatus suitable for processing a free-form surface at high speed and with high accuracy.
自由曲面を高速かつ高精度に加工する数値制御(NC)工作機械においては、工具の移動経路は加工プログラムにより指令され、この経路に沿った工具の移動速度も加工プログラム内にFコードを記入することにより指令される。しかしながら、Fコードで指令された速度で移動を行うと、サーボ系の遅れ等の誤差要因により、加工精度が維持できない場合がある。 In a numerically controlled (NC) machine tool that processes a free-form surface at high speed and with high accuracy, the movement path of the tool is commanded by a machining program, and the movement speed of the tool along this path is also entered in the machining program. Commanded by However, if the movement is performed at the speed commanded by the F code, the machining accuracy may not be maintained due to error factors such as a delay in the servo system.
最近の自由曲面高速高精度加工用のNC装置にはこのような不具合を防ぐ為の機能として、指令された経路の形状を評価し、加工精度を許容誤差範囲内に収めるための許容最大速度を形状に応じて求め、Fコードで指定された速度にかかわらず、許容最大速度以下に自動的に速度を抑えるものがある。 In recent NC systems for free-form high-speed and high-precision machining, as a function to prevent such problems, the shape of the commanded path is evaluated, and the maximum allowable speed for keeping the machining accuracy within the allowable error range. Some of them are determined according to the shape and automatically suppress the speed below the maximum allowable speed regardless of the speed specified by the F code.
また、主軸の回転数はプログラム中のSコードにより指令されるが、この主軸の回転数と軸の送り速度には切削条件により最適な組み合わせがある。しかし、前述した送り速度を形状に応じて自動的に制御する機能がある場合、これらの値をプログラムのFコードおよびSコードで指令すると、速度値が制限を受けて、主軸の回転数は一定であるにもかかわらず速度がFコードで指令された値とかけ離れたものになる場合があるという欠点がある。 Further, the rotational speed of the main shaft is instructed by the S code in the program, but there are optimum combinations of the rotational speed of the main shaft and the feed speed of the shaft depending on the cutting conditions. However, if there is a function to automatically control the feed speed according to the shape described above, if these values are commanded by the F code and S code of the program, the speed value is limited and the rotation speed of the spindle is constant. However, there is a drawback that the speed may be far from the value commanded by the F code.
一般に、切削において、1刃当りの送り量が一定で、かつ切削速度、すなわち、工具と被削材の接触点の相対接線速度が一定であることが良い切削条件であると言われている。 In general, it is said that a good cutting condition is that the feed amount per blade is constant and the cutting speed, that is, the relative tangential speed of the contact point between the tool and the workpiece is constant.
この観点から、本願発明者らは特願平7−175277号(特開平9−29584号)において、自由曲面の加工において、切削条件によって決まる主軸の回転数と送り速度の組み合わせの最適条件を維持し、工具磨耗を抑え、高速高精度の加工が可能な数値制御装置を提案した。この数値制御装置はあらかじめ設定された切削速度を、曲面形状により刻々変化する工具の接触径に応じて周速を制御し、回転と送り速度を同期させるようにしたものである。具体的には、加工プログラムにより指令される工具の移動形状に基づいて送り速度決定手段で得られた送り速度に応じて主軸回転数制御手段により主軸の回転数を変化させ、また、軸移動方向に基づいて工具と被削材の接触位置の変化に基づいた主軸回転数を主回転数制御手段で変化させ、さらに、工具の移動形状に基づいて送り速度決定手段で得られた軸移動方向情報を含む送り速度に基づいて主軸回転数を主回転数制御手段で変化させるようにしている。 From this point of view, the inventors of the present invention maintain the optimum condition of the combination of the rotational speed of the main spindle and the feed rate determined by the cutting conditions in the processing of the free-form surface in Japanese Patent Application No. 7-175277 (JP 9-29584 A). In addition, we proposed a numerical control device that can reduce tool wear and enable high-speed and high-precision machining. This numerical control device controls a peripheral speed in accordance with a contact diameter of a tool that changes every moment depending on a curved surface shape, and synchronizes rotation and feed speed. Specifically, the spindle speed is changed by the spindle speed control means according to the feed speed obtained by the feed speed determining means based on the moving shape of the tool commanded by the machining program, and the axis moving direction The spindle rotation speed based on the change in the contact position between the tool and the workpiece is changed by the main rotation speed control means, and the axis movement direction information obtained by the feed speed determination means based on the moving shape of the tool The main shaft rotational speed is changed by the main rotational speed control means on the basis of the feed speed including.
これにより、実切削速度が安定して工具寿命が延び、工具摩耗が現象するとともに安定した1刃あたりの送り速度を得ることから加工面の品質が向上し、送り速度の向上による加工時間の短縮が期待できる。 As a result, the actual cutting speed is stabilized, the tool life is extended, tool wear occurs, and a stable feed speed per blade is obtained, so that the quality of the machined surface is improved and the machining time is shortened by improving the feed speed. Can be expected.
しかしながら、発明者らにより以前に提案された発明は、工具軸は工作機械のXY面に垂直であるという前提に立つものである。 However, the invention previously proposed by the inventors is based on the premise that the tool axis is perpendicular to the XY plane of the machine tool.
このため、角度ヘッドを用いた場合等、工具軸がXY面に対して垂直でなく任意面に対して垂直な場合には、前述した発明により移動方向に応じて主軸の回転数(Sコード)と送り速度(Fコード)を制御しても工具と形状の間で正しい制御が行われないという問題がある。 For this reason, when the tool axis is not perpendicular to the XY plane but perpendicular to the XY plane, such as when using an angle head, the rotational speed (S code) of the main shaft according to the moving direction according to the above-described invention. However, there is a problem that correct control is not performed between the tool and the shape even if the feed rate (F code) is controlled.
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、自由曲面の加工において、工具軸方向がXY平面に垂直でない場合でも切削条件によって決まる主軸の回転数と送り速度の組み合わせの最適条件から現実の加工条件がかけ離れることを防止するとともに、工具の磨耗および折損を抑えて寿命を延ばし、高速高精度の加工が可能で、かつプログラム容量の増加を抑えることのできる数値制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems. In the machining of free-form surfaces, the optimum condition of the combination of the spindle speed and the feed rate determined by the cutting conditions even when the tool axis direction is not perpendicular to the XY plane. Provides a numerical control device that can prevent the actual machining conditions from being separated from each other, extend tool life by suppressing tool wear and breakage, enable high-speed and high-precision machining, and suppress increase in program capacity The purpose is to do.
本発明によれば、ワークの形状面を加工する工作機械を制御する数値制御装置において、加工プログラムを読み込み、工具軸方向ベクトルを出力するとともに、各軸方向移動量を出力する解析部と、前記各軸方向移動量から軸移動方向ベクトルを求める軸移動方向ベクトル算出手段と、前記工具軸方向ベクトルおよび前記軸移動方向ベクトルから工具軸の傾斜および加工プログラムにより指令された軸移動方向に伴う工具と被削材の接触位置の変化に基づいた主軸回転数を算出し、主軸ドライバに対して出力する主軸回転数制御手段と、前記主軸回転数制御手段の出力および前記解析部からの各軸方向移動量に基づいて送り速度を算出する分配部を備えたことを特徴とする。 According to the present invention, in a numerical control device that controls a machine tool that processes a shape surface of a workpiece, an analysis unit that reads a machining program, outputs a tool axis direction vector, and outputs an amount of movement in each axis direction, An axis movement direction vector calculation means for obtaining an axis movement direction vector from each axial movement amount, a tool associated with the tool axis direction vector and the axis movement direction commanded by the machining program according to the inclination of the tool axis from the axis movement direction vector Calculates the spindle speed based on the change in the contact position of the work material, outputs the spindle speed to the spindle driver, outputs from the spindle speed control means, and moves in each axial direction from the analysis unit A distribution unit that calculates a feed rate based on the amount is provided.
加工ツールとしてXY平面に対して角度θだけ傾斜した半径R(mm)のボールエンドミルを用い、工具軸方向ベクトルをVtおよび移動方向ベクトルVd、θ=π/2であるときの最適な周速をV0 (mm/min)とし、このときの主軸回転数をS0 (rpm)としたとき、
前記主軸回転数制御手段は主軸回転数Sを
S=S0 |Vt||Vd|/Vt・Vd (rpm)
の式にしたがって算出し、
前記分配部はS0 に対する送り速度をF0 として、Sに対する送り速度Fを
F=F0 |Vt||Vd|/Vt・Vd (mm/min)
の式にしたがって算出するものであると良い。
A ball end mill having a radius R (mm) inclined by an angle θ with respect to the XY plane is used as a machining tool, and the optimum peripheral speed when the tool axis direction vector is Vt and the moving direction vector Vd, θ = π / 2. When V0 (mm / min) and the spindle speed at this time are S0 (rpm),
The spindle speed control means sets the spindle speed S to S = S0 | Vt || Vd | / Vt · Vd (rpm)
Calculated according to the formula
The distribution unit assumes that the feed speed for S0 is F0, and the feed speed F for S is F = F0 | Vt || Vd | / Vt · Vd (mm / min)
It is good to calculate according to the formula.
前記回転数制御部は、算出された主軸回転数に対して上限および下限の値を与えて制限を加えるリミッタをさらに備えることが好ましい。 It is preferable that the rotation speed control unit further includes a limiter that gives upper and lower limit values to the calculated spindle rotation speed to limit the calculated rotation speed.
本発明による数値制御装置ではアングルヘッド等を用いてXY平面に対して工具軸が垂直になっていないときにも、1刃当りの送り量が一定で、かつ切削速度、すなわち、工具と被削材の接触点の相対接線速度が一定となって、工具摩耗や折損を抑制し、工具寿命を延ばすとともに加工時間を短縮することができる。 In the numerical control device according to the present invention, even when the tool axis is not perpendicular to the XY plane using an angle head or the like, the feed amount per blade is constant and the cutting speed, that is, the tool and the work piece are cut. The relative tangential speed of the contact point of the material becomes constant, so that tool wear and breakage can be suppressed, the tool life can be extended and the machining time can be shortened.
以上のように、本発明による数値制御装置では、工具軸方向ベクトルと移動方向ベクトルを用いて主軸回転数と送り速度を制御して最適切削速度を維持するようにしているので、アングルヘッド等を用いてXY平面に対して工具軸が垂直になっていないときにも、1刃当りの送り量が一定で、かつ切削速度が一定となって、工具摩耗や折損を抑制し、工具寿命を延ばすとともに加工時間を短縮することができる。 As described above, in the numerical control device according to the present invention, the spindle speed and feed speed are controlled using the tool axis direction vector and the moving direction vector to maintain the optimum cutting speed. Even when the tool axis is not perpendicular to the XY plane, the feed rate per blade is constant, the cutting speed is constant, tool wear and breakage are suppressed, and tool life is extended. At the same time, the processing time can be shortened.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の実施の一形態にかかる数値制御装置10の概略構成を示すブロック図である。この実施の形態では、主軸の回転数指令値については加工プログラム中で指令されていない。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a
加工プログラム1は解析部11に送られ、ここで解析される。この解析部11では、加工プログラム中の文字列からXコード、Sコード、Gコード、Mコード等の文字列を抽出し、これから軸移動量が求められる。例えば、軸移動量は加工の始点および終点の座標からX、Y、Zの各軸に沿った移動量を求めることができる。また、工具の座標や角度から工具軸方向ベクトルが求められる。なお、これらの各量はブロックごとに求められる。
The
各軸の移動量は分配部16で各軸の移動指令に変換され、各軸のサーボ系20に送られる。
The movement amount of each axis is converted into a movement command for each axis by the
一方、各軸の移動量は軸移動方向ベクトル算出部12に与えられる、軸移動方向ベクトルが算出され、主軸回転数算出部15に送られる。
On the other hand, the movement amount of each axis is given to the axis movement direction
また、主軸回転数算出部15には、希望切削速度記憶部13に記憶された基準値としての希望切削速度、主軸最大回転数、主軸最小回転数記憶部14に記憶された主軸最大回転数、主軸最小回転数と、前述した工具軸方向ベクトル、さらに主軸オーバーライド量が入力され、これらをもとに主軸回転数指令値Sが求められる。この指令値Sは主軸ドライバ30に対して出力される。
Further, the
主軸回転数を算出する方法は例えば次のようなものである。
本発明においては、工具軸がワーク平面に対して垂直ではないとの前提に立っているので、工具軸方向をパラメータあるいは変数とし定義する必要がある。このため、図2に示すように、工具軸方向ベクトルVtおよび移動方向ベクトルVdを定義する。
The method for calculating the spindle speed is, for example, as follows.
Since the present invention is based on the premise that the tool axis is not perpendicular to the workpiece plane, it is necessary to define the tool axis direction as a parameter or variable. Therefore, as shown in FIG. 2, a tool axis direction vector Vt and a moving direction vector Vd are defined.
図2においては、エンドミルとして表された工具40とワーク50が示されており、工具軸方向ベクトルVtと移動方向ベクトルVdのなす角を図1に示すようにψ、π/2−ψ=θとすると、主軸回転数S(rpm)で半径R(mm)の工具の切削点にとおける周速は
V=2πrS (mm/min)
r=Rsin(θ)(mm)
となる。
2 shows a
r = Rsin (θ) (mm)
It becomes.
θ=π/2であるときの最適な周速をV0 (mm/min)とし、このときのSをS0 (rpm)とすれば、
V0 =2πRS0
の関係があるので、任意のθで周速を常にV0 とするためには、
2πRS0 =2πRsin(θ)S
であるから
S=S0 /sin(θ)
となり、これは
S=S0 /cos(ψ)
とも表現できる。
If the optimum peripheral speed when θ = π / 2 is V0 (mm / min) and S at this time is S0 (rpm),
V0 = 2πRS0
Therefore, in order to always set the peripheral speed to V0 at an arbitrary θ,
2πRS0 = 2πRsin (θ) S
Because S = S0 / sin (θ)
Which is S = S0 / cos (ψ)
Can also be expressed.
ここでVtとVdの内積を考えると
Vt・Vd=|Vt||Vd|cos(ψ)
であるから、
cos(ψ)=Vt・Vd/|Vt||Vd|
となる。
Here, when considering the inner product of Vt and Vd, Vt · Vd = | Vt || Vd | cos (ψ)
Because
cos (ψ) = Vt · Vd / | Vt || Vd |
It becomes.
この関係を用いると、
S=S0 |Vt||Vd|/Vt・Vd (rpm)
となる。
Using this relationship,
S = S0 | Vt || Vd | / Vt · Vd (rpm)
It becomes.
この主軸回転数Sは分配部16に送られ、工具送り速度も算出される。
The spindle rotation speed S is sent to the
すなわち、前述したS0 に対する送り速度をF0 とすれば、Sに対するFは
F=F0 |Vt||Vd|/Vt・Vd (mm/min)
となる。このとき、工具方向ベクトルを単位ベクトルとすれば、|Vt|=1であるから、
F=F0 |Vd|/VtVd (mm/min)
となるので、このF値を上限速度とすれば良い。
主軸回転数算出部15においては、上述した手順で求められた主軸回転数に対し、必要に応じて補正を行うことができ、
Kx=実送り速度/基準送り速度
とすると
Sx=指令回転数*Kx*主軸オーバーライド
となる。しかし、この回転数は予め定められた最小回転数と最大回転数の間にあるべきであるので、
最小回転数≦Sx≦最大回転数
の条件を満たすようにSxを決定するようにしても良い。
That is, if the feed speed for S0 is F0, F for S is F = F0 | Vt || Vd | / Vt · Vd (mm / min)
It becomes. At this time, if the tool direction vector is a unit vector, | Vt | = 1.
F = F0 | Vd | / VtVd (mm / min)
Therefore, the F value may be set as the upper limit speed.
In the
If Kx = actual feed speed / reference feed speed, Sx = command speed * Kx * spindle override. However, since this speed should be between a predetermined minimum speed and a maximum speed,
Sx may be determined so as to satisfy the condition of minimum rotational speed ≦ Sx ≦ maximum rotational speed.
この実施の形態によれば、各軸の移動量から軸移動方向ベクトルを求め、加工プログラムで指定される工具軸方向ベクトルとともに主軸回転数を求めるようにしているので、主軸の最適な回転数指令値(S指令値)をプログラム中に付加する必要がないため、最適なS指令値を加工プログラムに付ける場合に比べて加工プログラムが短くてすむので、プログラム保存用のメモリが少なくて済み、リモートバッファ運転時の通信速度を上げる必要がない。 According to this embodiment, since the axis movement direction vector is obtained from the movement amount of each axis and the spindle rotation speed is obtained together with the tool axis direction vector specified by the machining program, the optimum rotation speed command for the spindle is obtained. Since there is no need to add a value (S command value) to the program, the machining program can be shorter than when the optimum S command value is added to the machining program, so there is less memory for storing the program, There is no need to increase the communication speed during buffer operation.
また、角度ヘッド等を用いて工具軸がXY平面に垂直でない場合にも最適な切削条件が維持される。 Further, the optimum cutting conditions are maintained even when the tool axis is not perpendicular to the XY plane using an angle head or the like.
以上の実施の形態では、まず主軸回転数を最適化し、これに送り速度を追随させるようにしているが、図1に示されているように、得られた最適送り速度を再度主軸回転数算出部に入力し、最終的に主軸回転数を補正するようにしてもよい。 In the above embodiment, the spindle speed is first optimized and the feed speed is followed. However, as shown in FIG. 1, the obtained optimum feed speed is again calculated as the spindle speed. It is also possible to input the signal to the unit and finally correct the spindle rotational speed.
1 加工プログラム
10 数値制御装置
11 解析部
12 軸移動方向ベクトル算出部
13 希望切削速度記憶部
14 主軸最大回転数、最小回転数記憶部
15 主軸回転数算出部
16 分配部
20 サーボ機構
30 主軸ドライバ
DESCRIPTION OF
Claims (3)
加工プログラムを読み込み、工具軸方向ベクトルを出力するとともに、各軸方向移動量を出力する解析部と、
前記各軸方向移動量から軸移動方向ベクトルを求める軸移動方向ベクトル算出手段と、
前記工具軸方向ベクトルおよび前記軸移動方向ベクトルから工具軸の傾斜および加工プログラムにより指令された軸移動方向に伴う工具と被削材の接触位置の変化に基づいた主軸回転数を算出し、主軸ドライバに対して出力する主軸回転数制御手段と、
前記主軸回転数制御手段の出力および前記解析部からの各軸方向移動量に基づいて送り速度を算出する分配部を備えたことを特徴とする数値制御装置。 A numerical control device for controlling a machine tool for machining a shape surface of a workpiece,
An analysis unit that reads a machining program, outputs a tool axis direction vector, and outputs an amount of movement in each axis direction,
An axial movement direction vector calculating means for obtaining an axial movement direction vector from the respective axial movement amounts;
The spindle driver calculates the spindle speed based on the tool axis direction vector and the axis movement direction vector based on the inclination of the tool axis and the change in the contact position between the tool and the work material in accordance with the axis movement direction commanded by the machining program. Spindle speed control means for outputting to
A numerical control apparatus comprising: a distribution unit that calculates a feed rate based on an output of the spindle rotation speed control means and an amount of movement in each axial direction from the analysis unit.
前記主軸回転数制御手段は主軸回転数Sを
S=S0 |Vt||Vd|/Vt・Vd (rpm)
の式にしたがって算出し、
前記分配部はS0 に対する送り速度をF0 として、Sに対する送り速度Fを
F=F0 |Vt||Vd|/Vt・Vd (mm/min)
の式にしたがって算出するものである、請求請1に記載の数値制御装置。 A ball end mill having a radius R (mm) inclined by an angle θ with respect to the XY plane is used as a machining tool, and the optimum peripheral speed when the tool axis direction vector is Vt and the moving direction vector Vd, θ = π / 2. When V0 (mm / min) and the spindle speed at this time are S0 (rpm),
The spindle speed control means sets the spindle speed S to S = S0 | Vt || Vd | / Vt · Vd (rpm)
Calculated according to the formula
The distribution unit assumes that the feed speed for S0 is F0, and the feed speed F for S is F = F0 | Vt || Vd | / Vt · Vd (mm / min)
The numerical control device according to claim 1, wherein the numerical control device is calculated according to the formula:
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
2005
- 2005-08-15 JP JP2005235356A patent/JP2005327321A/en active Pending
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