TW201443597A

TW201443597A - 數値控制裝置

Info

Publication number: TW201443597A
Application number: TW102121694A
Authority: TW
Inventors: Tomonori Sato; Kenji Nishiwaki; Susumu Hamamoto; Masaki Ryu; Yukihiro Iuchi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2014-11-16
Also published as: JP5556971B1; TWI510875B; DE112013006980B4; JPWO2014184820A1; US20160091886A1; DE112013006980T5; BR112015028382A2; US9851709B2; CN105229543B; CN105229543A; WO2014184820A1

Abstract

在按照加工程式11而控制工作機械的各軸的位置之數值控制裝置1中，在解析部13解析加工程式11所指示的命令12，求出移動資料15及移動種類17，加減速資料選擇部18依據移動種類17而選擇加減速資料19，插值暨加減速部16按照指令速度而在移動資料15所指示的移動路徑上插值，並按照加減速資料19而進行加減速，且產生位置指令21。

Description

數值控制裝置

本發明係關於控制工作機械的動作之數值控制裝置，尤其關於進行固定循環(canned cycle)等所指示的特定的加工動作的加減速控制之數值控制裝置。

就過去的數值控制裝置而言，係組合複數個工具移動之加工程序來實現所想要的加工。例如，在要進行多數個開孔加工之情況，係組合在X-Y平面上之定位程序、Z軸下降之開孔程序、Z軸上升之回到定位平面之退回(retract)程序等而進行加工。雖然實際上對於各個程序所要求的定位精度並不相同，但由於通常的情況會使定位完成寬度(in position width)不管在哪個程序都相同，所以都統一設定為定位精度要求較高之程序的定位完成寬度，於是在定位上會花很多時間，而成為使加工時間變長之主要原因。

至今曾提出之用來解決此問題之方法，例如揭示有專利文獻1之高速開孔方法。根據專利文獻1之方法，藉由具有在孔底的定位完成寬度、設定為比該孔底的定位完成寬度大之值之定位用的定位完成寬度、及退回用定位完成寬度，來謀求加工時間之縮短。

[先前技術文獻] (專利文獻)

專利文獻1：日本特開平1-27838號公報(第3至4頁，第1圖)

然而，上述技術雖揭示藉由將定位完成寬度列入考慮，來縮短定位時間之方法，但並未考慮到加減速方法，所以對於不僅可進行開孔加工也可進行多種加工之NC工作機械而言，存在有會在特定加工中多做無謂的白工之課題。以下針對此課題進行說明。

就過去的數值控制裝置而言，係使用直線插值、圓弧插值等命令將工具相對於工件(work)之移動記載在加工程式(program)中，然後按照此加工程式來產生各個時刻之工具的位置指令，並將之傳送至各軸的伺服放大器(servo amplifier)或主軸放大器以驅動各軸的馬達而使工作機械動作，進行所想要的加工。此時，在產生位置指令之際，一般會進行加減速處理以使該位置指令的時間波形變得平滑。其理由在於：若指令速度或指令加速度變高就可能會超出馬達的可輸出轉矩(torque)或輸出。另一個理由係在於：若給予急遽變化的位置指令，就會發生機械振動，或伺服系統無法追隨而產生軌跡誤差之情形。

就加減速之方法而言，至今已知有各種方法。而且不論是哪一種方法，一般的都是利用加減速時間常數等之參數 (parameter)，而可調整加減速的程度。在NC工作機械中，使用者藉由在加工程式中記載必要的命令，就可進行多樣的加工。因此，加減速方法及依該方法而定之與加減速有關之參數，通常都是調整、設定成：不管面對該機械可進行的哪種加工動作，馬達的轉矩或輸出都不會超出上限，也不會發生機械振動，以及可達到標準要求的加工精度。

然而，如前述之加減速參數的調整、設定，雖然是可全能地(almighty)使用於多樣的加工者，但在特定的加工中卻有多做無謂的白工之情形。例如，在加工中心(machining center)中，會進行模具等的輪廓加工也會進行開孔等之鑽孔(drilling)加工。為了也要能夠進行輪廓加工，通常會藉由插值前加減速來進行加減速，另外進行重視低振動及高精度之設定也是一般的作法。在此情況就有開孔加工會花費比必要的時間長的加工時間之問題。

本發明係為了解決上述的問題點而完成者，其目的在得到可根據與通常的加減速方法及其加減速參數不同之由固定循環等所指示的特定的加工動作的加減速方法及其加減速參數，來進行特定的加工動作的加減速控制之數值控制裝置。

本發明之數值控制裝置，係按照加工程式而控制工作機械的各軸的位置，具備有：解析部，解析前述加工程式所指示的命令，求出移動資料及移動種類；加減速資料選擇部，依據前述移動種類而選擇加減速資料；以及插值暨加減速部，按照指令速度而在前述移動資料所指示的移動路徑上插值，並且按照前述加減速資料而進行加減速而產生位置指令，且選擇各移動種類的加減速資料，並根據所選擇的加減速資料而進行加減速。

根據本發明，係選擇各移動種類的加減速資料，並根據所選擇的加減速資料而進行加減速，所以具有可不影響通常的加工的精度等，而實現固定循環等所指示的特定的加工動作的加工時間之縮短及精度之提高之效果。

1‧‧‧數值控制裝置

2‧‧‧伺服放大器

11‧‧‧加工程式

12‧‧‧命令

13‧‧‧解析部

14‧‧‧固定循環資料

15‧‧‧移動資料

16‧‧‧插值暨加減速部

17‧‧‧移動種類

18‧‧‧加減速資料選擇部

19‧‧‧加減速資料

20‧‧‧移動種類別加減速資料

21‧‧‧位置指令

第1圖係顯示本發明的實施形態1之數值控制裝置的構成圖。

第2圖係顯示本發明的實施形態1之移動種類別加減速資料的例子之表。

第3圖係顯示本發明的實施形態1之2個區段(block)的移動之情況的速度波形之圖。

第4圖係顯示本發明的實施形態1之併用斜率固定型插值後加減速及時間常數固定型插值後加減速之情況的速度波形之圖。

第5圖(a)至(d)係用來說明本發明的實施形態1之斜率固定型加減速中的加減速時間之曲線圖。

第6圖係顯示根據本發明的實施形態2之加減速資料(data)選擇部的動作之流程圖。

第7圖(a)及(b)係顯示本發明的實施形態2之以階段進給方式進行的開孔加工循環的動作的例子之表。

第8圖(a)及(b)係顯示本發明的實施形態2之車削加工及銑削加工的移動路徑之平面圖。

第9圖係顯示本發明的實施形態2之各移動的形狀誤差的選擇之曲線圖(graph)。

以下，根據圖式來詳細說明本發明之數值控制裝置的實施形態。但本發明並不受此實施形態所限定。

實施形態1

第1圖係用來說明本發明的實施形態1之構成圖。圖中，1係數值控制裝置。11係加工程式，12係記載於加工程式中之G碼等之命令(command)，13係解析部，14係固定循環資料，15係移動資料，16係插值暨加減速部，17係移動種類，18係加減速資料選擇部，19係加減速資料，20係移動種類別加減速資料，21係位置指令。移動資料15係定義移動之資料，係由工具路徑、移動速度、停止時間(暫停時間(dwell time))所構成，插值及加減速係根據移動資料15而進行。移動種類17典型的係顯示各固定循環、或各固定循環群的種類。

加減速資料19係由以下各項目所構成：

加減速的種類：插值前加減速(斜率固定型)、插值前加減速(時間常數固定型)、插值後加減速(時間常數固定型)、插值後加減速(斜率固定型)等

加減速圖形(pattern)：直線加減速、S字形加減速、指數型加減速等

加減速參數：時間常數、斜率(切線加速度)、法線加速度、軌跡誤差(tolerance)、定位完成寬度等。

在第1圖中，數值控制裝置1係利用解析部13依序解析加工程式11中記載的命令12，來作成移動資料15。加工程式11係記憶於未圖示的記憶體(memory)中、或從外部供給進來。加工程式11中包含有固定循環之命令12時，解析部13將固定循環資料14讀出，以作成實際的移動資料15。固定循環資料14係以泛用的記述方法(巨集(macro)語言等)來記述孔加工等典型的加工動作而成者。另外，解析部13還依據命令12(尤其是固定循環命令)而作成移動種類17。加減速資料選擇部18係從移動種類別加減速資料20讀出與移動種類17對應之加減速資料19，並將之輸入至插值暨加減速部16。插值暨加減速部16係進行插值，並且按照加減速資料19而進行加減速且產生位置指令21。產生的位置指令21係傳送至伺服放大器2，以驅動未圖示的馬達，使工作機械動作來進行所想要的加工。此外，第1圖中雖然將數值控制裝置的範圍構成為並未包含伺服放大器，但亦可包含伺服放大器而將之稱為數值控制裝置。

第2圖顯示移動種類別加減速資料的例子。此處假設移動種別為固定循環群。例如，雖然在鑽孔加工方面有利用一次的切削來加工到孔底之類型(type)的固定循環、及利用複數次的切削來慢慢加工到孔底之類型的固定循環，但此兩種固定循環都分類作為鑽孔加工循環，且如第2圖之表中所示，加減速方法係選擇插值後加減速(斜率固定型)，加減速圖形係選擇直線型加減速，斜率(切線加速度)係選擇0.3，定位完成寬度係選擇0.02。此處之定位完成寬度係指在移動的終點之容許的定位誤差。此等加減速資料係考慮了在鑽孔加工循環中使用的軸的特性(最大加速度等)、及在鑽孔加工中所通常要求的加工精度等而設定。根據此選出的加減速資料而在插值暨加減速部16進行加減速。在第2圖之表中，由於鑽孔加工循環中並不是選擇通常的加減速資料，而是選擇鑽孔加工循環的加減速資料，以比通常大的斜率來進行加減速，所以加減速時間會變短，並且由於對較大的定位完成寬度進行加減速，所以可使加工時間比通常短。

又，在第2圖之表中，鑽孔加工循環中的加減速方法係採用斜率(加速度)固定型之插值後加減速。這樣做的理由將利用第3圖進行說明。第3圖顯示在2個區段區段(block)的移動(N1，N2)之情況中，依加減速方法之不同而不同之速度波形。此例係設想為鑽孔加工，且N1係從孔口到孔底之切削進給，N2係以從孔底到孔口之快速進行之方式退回。採用如第3圖(1)所示之時間常數固定型插值後加減速，就必須設定與該軸的最大進給速度對應之最大時間常數，且N1之移動並非依照該進給速度，而是必須恆常地為固定的加減速時間，N1之移動時間會變長。採用如第3圖(2)所示之斜率固定插值前加減速，就因為N1的加減速時間係與進給速度成比例而決定(比例係數為最大時間常數/最大進給速度)，所以在施以通常加工之速度(<最大進給速度)係加減速時間會小於最大時間常數。但是由於插值前加減速係相對於沿著路徑之合成速度而進行加減速，然後進行插值(分配至各軸)，所以若在區段的終點方向改變時，各軸的速度波形就會變得不連續(速度成階梯(step)狀變化)。因此在N1的終點若速度未充分降低，就容易因速度的不連續性而產生振動。因而要如第3圖(1)所示之時間常數固定型之插值後加減速般使N1與N2的動作相重疊很困難。相對於此，第3圖(3)之斜率固定型插值後加減速，由於斜率為固定所以會將加減速時間抑制得較小，且可使某一個移動與其下一個移動重疊(即使重疊，速度波形也不會不連續)，因而可抑制振動。因此，較佳係將斜率固定型插值後加減速設定作為鑽孔加工循環的加減速方法。如此，則即使在通常可全能地使用於多樣的加工之加減速模式(mode)，也可藉由在如以加工時間為優先之鑽孔加工之加工循環中採用斜率固定型插值後加減速來縮短加工時間。

然而，採用斜率固定型插值後加減速，加工時間雖會變短，但卻有會變得容易發生機械振動之問題點。因此，如第4圖所示，合併使用時間常數較小之時間常數固定型插值後加減速(進行斜率固定型插值後加減速之後，再進行時間常數較小之時間常數固定型插值後加減速)，來使速度波形平滑，以謀求改善。此處係藉由將所要合併使用之時間常數固定型插值後加減速的時間常數設定或控制成：能讓鑽孔加工循環中的時間常數之和(就第2圖的例子而言係斜率固定型插值後加減速的加減速時間(進給速度/斜率)與時間常數固定型插值後加減速的時間常數之和)，不會超過通常之時間常數之和(就第2圖的例子而言係斜率固定型插值前加減速的加減速時間(進給速度/斜率)與時間常數固定型插值前加減速的時間常數之和)，來使得以加工時間為優先之鑽孔加工循環的加工時間比通常的情況短。

或者，在斜率固定型加減速之情況，對於如第5圖(a)所示之一般而言加減速時間會與進給速度成比例(加減速時間T=Tmax(最大時間常數)×F/Fmax(最大進給速度))之情況，且前述加減速時間T為預先設定的基準值以下之情況，可將加減速時間修正成比前述加減速時間T大且在基準值以下。例如，如第5圖(b) 所示，在T在基準值T1以下之情況，修正成將T設成T1(亦即設置加減速時間的最小值(T1))。又如第5圖(c)所示，在加減速時間T比基準值T2小時(速度F比F2低時)，可在從加減速時間T2到最小的加減速時間(T3)之區間使加減速時間隨著速度之變小而漸減(藉此將加減速時間修正成比T=Tmax×F/Fmax大但在基準值T2以下)。或者，亦可如第5圖(d)所示合併使用(b)及(c)。使用修正後的加減速時間，將進給速度除以修正後的加減速時間並以所得到之值作為修正後的斜率，然後使用此修正後的斜率，在前述插值暨加減速部進行斜率固定型加減速。加減速時間的基準值、最小的加減速時間、在低速區域之使加減速時間漸減的程度均考慮機械的振動特性來加以調整。藉此，就能夠以斜率固定型加減速為基本，同時在速度低且加減速時間變短而容易發生振動之區域，避免加減速時間變得過小之情形。但是，即使在此情況，也可藉由將最小的加減速時間、在低速區域之使加減速時間漸減的程度調整成不會超過通常的時間常數之和，來使加工時間變得比通常的情況短。

上述的例子，係利用第2圖所示之表在加工之前預先設定加減速方法及該時的加減速參數等。別的方法則不使用此表，亦可利用數值控制裝置在特定的加工循環中自動地切換為特定的加減速方法及加減速參數。例如鑽孔加工循環大多為以加工時間為優先之情形，所以可在數值控制裝置內選擇加工時間最快之插值後斜率固定型加減速，並與之配合而考慮通常的加減速時間常數，然後在藉此變得較小的範圍內自動地設定所要併用的時間常數固定型插值後加減速的時間常數。如此，就無需事前進行各加工循環之加減速方法及加減速參數等的設定作業，可減少時間及勞力。

更佳者，可就各固定循環或固定循環群，設置複數階段之加減速資料(例如從精度優先到加工時間優先之多階段選擇等)，並將之設計成可從加工程式或畫面進行選擇。或者，可構成為可從加工程式或畫面指定容許誤差，然後從各固定循環或固定循環群的複數階段的加減速資料之表、或關係式，選擇與容許誤差所指定的精度相當之加減速資料。據此，就可進一步在該加工所需的精度的範圍內縮短加工時間。

如以上所述，根據本實施形態1，因為係按照依移動種類而選擇的加減速資料來進行加減速，所以具有可不影響通常之加工的精度等，而實現特定的加工動作的加工時間之縮短及精度之提高之效果。

另外，因為係就各固定循環、或各固定循環群選擇加減速資料，並按照此加減速資料來進行加減速，所以具有可不影響通常之加工的精度等，而實現尤其是由固定循環所指示之特定的加工動作的加工時間之縮短及精度之提高之效果。

又，就算通常之加減速方法為插值前加減速或時間常數固定型插值後加減速之時，也在移動種類為特定的固定循環或固定循環群之時，選擇加減速方法為斜率固定型插值後加減速之加減速資料，因此具有可縮短加工時間之效果。

又，在選擇斜率固定型插值後加減速之際，藉由更併用時間常數固定型插值後加減速，因此具有可產生更平滑的指令，可抑制機械振動之發生及精度降低之效果。

又，就算是在併用斜率固定型插值後加減速及時間常數固定型插值後加減速之情況，也使指令速度除以斜率所決定之斜率固定型加減速的加減速時間、與併用的時間常數固定型插值後加減速的時間常數之和，會比通常之選擇的插值前加減速或時間常數固定型插值後加減速的加減速時間小，所以具有不僅可抑制機械振動之發生及精度降低，而且可確實縮短加工時間之效果。

又，因為在選擇斜率固定型插值後加減速之際設置時間常數的最小值，或者使用比進給速度除以斜率所決定之時間常數大之時間常數，因此具有可抑制機械振動之發生及精度降低之效果。

又，若在選擇斜率固定型插值後加減速之際設置了時間常數的最小值，或者使用了比進給速度除以斜率所決定之時間常數大之時間常數之情形，藉由將斜率固定型加減速的時間常數選擇成比通常之時間常數小者，因此具有不僅可抑制機械振動之發生及精度降低，而且可確實縮短加工時間之效果。

實施形態2

實施形態1係針對選擇各固定循環或各固定循環群的加減速方法及加減速參數等之例進行說明。實施形態2則是揭示進一步按固定循環中的各移動將移動種類加以細分化之情況的例子。

第6圖係顯示加減速資料選擇部的動作之流程圖(flowchart)。在ST1中係判定各移動是否接觸到最終形狀(最終加工形狀)。最終形狀係指在到了固定循環的最後而結束之情況最終形成的加工形狀。例如，在利用複數次的切削進給而進行加工之以階段進給方式進行的開孔加工循環之情況，到孔中途之切削進給係判斷為並未接觸到最終形狀，最終之到孔底之切削進給則判斷為接觸到最終形狀。在固定循環中，各移動路徑是否接觸到最終形狀，可利用其係固定循環資料(巨集)中的哪個區段(移動)來判斷。在開孔加工之情況，到孔底之移動即為接觸到最終形狀之移動，以外的切削進給則並非接觸到最終形狀之移動。在ST1為“是(YES)”之情況(接觸到最終形狀之情況)係選擇第一加減速資料，在ST1為“否(NO)”之情況(並未接觸到最終形狀之情況)則是選擇第二加減速資料。此處，假設第二加減速資料係加工時間比第一加減速資料短之資料。

第7圖(a)、(b)係以階段進給方式進行的開孔加工循環的動作之例。第7圖(a)表示深孔加工循環之移動指令，第7圖(b)表示高速深孔加工循環之移動指令。(a)之情況，係到孔底每次下鑽深度Q，分三次進行加工。進行之加工雖有N1、N4、N7這三個切削進給之移動，但對於最終的加工形狀的精度有直接影響的只有N7之移動。因此以在與最終加工形狀有關之N7的移動的終點之精度要滿足要求精度之方式，設定在N7的終點之容許誤差量(定位完成寬度)。另一方面，在N1、N4的終點之精度則不影響最終加工形狀，所以藉由將之設定為比在N7的終點之定位完成寬度大之值，以求加工時間之縮短。同樣的，就第7圖(b)而言，最終段的加工(N5)的精度最重要，為了縮短加工時間，將N1、N3的容許誤差設定為較大的值。

鑽孔加工以外的其他加工，例如第8圖(a)所示之車削加工(圖為外徑加工之例)或第8圖(b)所示之銑削加工(圖為銑凹槽(pocket)加工之例)也一樣，因為接觸到最終加工形狀之移動(工具路徑)會直接影響加工精度所以使用能達到必要的精度之加減速資料，惟除此之外的移動則選擇能讓加工時間變得更短之加減速資料。在例如第8圖(a)所示之利用複數次的切削進給來進行加工之車削加工循環之情況，係分為P2-P3、P5-P6、P7-P8之三次切削進給來進行加工。對於最終的加工形狀的精度有直接影響的只有P7-P8之切削進給之移動。因此以與最終加工形狀有關之P7-P8之切削進給之移動的加工精度會滿足要求精度之方式，設定P7-P8的容許誤差量(定位完成寬度)。另一方面，由於P2-P3、P5-P6之切削進給之移動的加工精度則不影響最終加工形狀，所以藉由將之設定為比P7-P8之切削進給的定位完成寬度大之值，以求加工時間之縮短。又，在第8圖(b)所示之利用複數次的切削進給來進行加工之銑削加工循環之情況，係分為C1、C2、C3、C4之四次切削進給來進行加工。對於最終的加工形狀的精度有直接影響的只有C4之切削進給之移動。因此以與最終加工形狀有關之C4之切削進給之移動的加工精度會滿足要求精度之方式，設定C4的容許誤差量(定位完成寬度)。另一方面，由於C1、C2、C3之切削進給之移動的加工精度則不影響最終加工形狀，所以將之設定為比C4之切削進給的定位完成寬度大之值，以求加工時間之縮短。

但是，若將例如第7圖(a)之N4的定位完成寬度設定得過大，則工具就不會到達N4的終點，結果在最終段的N7的終點之加工量就會變得比預定的值(Q)大。孔底一般都是較容易堆積切屑使得加工負荷容易變高之處。若在該孔底附近的加工量過大，就會產生過負荷、工具變形、工具折損等問題，必須加以避免。尤其若因為過負荷而造成工具變形，就亦會影響加工精度。亦即，為了不在最終段的加工(N7)引起過負荷而穩定地及高精度地進行加工，必須在其前段之加工確保不會發生過負荷或精度降低，以藉此來抑制加工量(切入量，在開孔加工的情況為每階段之加工深度)的變動。同樣的，就第7圖(b)而言，最終段的加工(N5)的精度亦為最重要，為了縮短加工時間，在某一程度將N1、N3的容許誤差設定得大些，但若也考慮加工的穩定性及精度維持，則為了N5必須在N3維持某一程度的精度，而為了N3也必須在N1維持某一程度的精度。其他的車削加工、銑削加工之情況也一樣。對於未用來形成最終加工形狀之移動所要求的容許誤差，從不要招致加工量(切入量、在開孔加工的情況為每階段之加工深度)的變動之觀點來看，可與加工量連動而自動決定。在例如開孔加工之情況，較簡便的方式是以將各階段的加工深度(Q)乘以預定的倍率(5%等)所得到之值作為容許誤差。

更佳者係如第9圖所示，在利用N次的加工慢慢地朝最終加工形狀以複數次切削進給方式進行加工之情況，以形狀誤差會為隨著逐漸接近最終加工形狀而漸漸變小的漸減型誤差之方式進行加減速資料之選擇。具體而言係以讓途中的切削進給的定位完成寬度慢慢接近最終的切削進給的定位完成寬度之方式進行選擇。藉此，就能謀求加工的穩定化及精度維持，同時在離最終加工形狀尚遠的階段以更加縮短加工時間之方式動作而縮短加工時間。

根據本實施形態2，在進行利用複數次的切削進給動作來慢慢進行加工之固定循環的加工之情況，選擇能讓與最終加工形狀之形成有關之移動的精度，比與最終加工形狀之形成無關之移動的精度高之加減速資料，因此具有不僅可保持最終加工形狀的精度，而且可縮短加工時間之效果。

另外，選擇會隨著逐漸接近最終加工形狀讓形狀誤差漸減之加減速資料，因此具有能謀求加工的穩定化及精度維持，同時能縮短加工時間之效果。

(產業上之可利用性)

本發明之數值控制裝置，適用於在固定循環等所指示的特定的加工動作中，進行可實現加工時間的縮短及精度的提高之加減速控制之用途。