控制5軸加工裝置的數值控制裝置的製作方法

2023-08-02 23:06:26

專利名稱：控制5軸加工裝置的數值控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及數值控制裝置，特別涉及控制對於在工作檯上安裝的工件(工 件)通過3個直線軸和兩個轉動軸進行加工的5軸加工裝置的數值控制裝置。
背景技術：
在使用5軸加工裝置的加工中， 一般進行下面這樣的加工，即，對於工 具尖端點(tool center point)的移動路徑和工具方向(工具姿勢)的移動指令， 根據被指令的工件和工具的相對的移動速度一邊插補工具尖端點的移動路徑 一邊也插補工具方向， 一邊使工具方向變化， 一邊以被指令的速度在指令工具 尖端點的移動路徑上移動。把根據這樣的指令的加工控制稱為"工具尖端點控 制"。在工具尖端點控制中使用的程序指令用CAM製作。CAM是"Computer Aided Manufacturing (計算機輔助製造)"的略稱，意指通過計算機生成製造 數據。
特開2003 — 195917號公報公開了上述工具尖端點控制的一例。這是控制 5軸加工裝置的技術， 一邊根據工件和工具的相對移動速度分別插補工具尖端 點的移動路徑和工具方向的移動指令， 一邊修正移動路徑的插補點，來驅動伺 服電動機，以使工具尖端點以被指令的速度在被指令的移動路徑上移動。
這裡說明CAM中製作程序指令的一般的方法。把圖1所示那樣的加工曲 面用如圖2所示被稱為三角面片的區段分割，如圖3所示在三角面片上計算工 具軌跡，然後，如圖4所示製作工具軌跡和各三角面片的邊的每一交點成為塊 的程序指令。將三角面片製作成對於加工曲面是允許的誤差(容差)內。
因為工具尖端點的i 各徑如圖4所示在三角面片上，所以工具尖端點的間 隔不均勻。另外，工具方向被製作成與已製作好的三角面片的面垂直的方向。 而且， 一般在三角面片之間的邊界上使工具方向取與兩個三角面片的各面垂直 的方向的平均值。因此，如圖5所示當從沿工具路徑的截面觀察工具方向的變 動時，在和緩的凹形狀的底上會以短的間隔發生工具方向的小的往復。當給予發生那樣的工具方向的小的往復的程序指令時，對應轉動軸的速 度變化才幾床重複減速及加速，發生加工粗糙或者耗費加工時間等的問題。根據
加工形狀或者CAM的種類，該問題頻繁發生。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種控制5軸加工裝置的數值控制裝置，其
通過間隔去除(以下稱"間除")工具尖端點位置和工具姿勢的變化小的塊的 程序指令，去除工具的小的晃動，能夠-使加工形狀圓滑、縮短加工時間。
根據本發明的控制5軸加工裝置的數值控制裝置，該5軸加工裝置具有 對於在工作檯上安裝的工件進行加工的3個直線軸和兩個轉動軸。該數值控制 裝置具有讀取所述直線軸的移動路徑的指令、所述工件和工具的相對移動速 度的指令、以及相對於所述工作檯的工具方向的指令的指令讀取單元；間除所 述直線軸的移動路徑的指令以及所述工具方向的指令的指令間除單元；在每一 插補周期求各軸位置，以使根據未由所述指令間除單元間除而剩餘的移動路徑 的指令以及工具方向的指令、以及所述相對移動速度的指令，工具尖端點以被 指令的相對移動速度、在被指令的移動路徑上移動的插補單元；和驅動各軸的 電動機使向通過所述插補單元求得的各軸位置移動的驅動單元。
也可以是，所述指令間除單元，在所述工具方向的變化量和所述移動路 徑的指令中的所述直線軸的變化量比預先設定的值小的場合，間除該直線軸的 移動路徑的指令和工具方向的指令。
也可以是，所述工具方向的指令，作為兩轉動軸的角度或者工具方向矢 量被指令。
也可以是，所述指令讀取單元，當指令間除方式時，作為間除對象程序 指令先讀耳又預先設定數的塊直到指令間除方式解除，另外，所述指令間除單元， 間除所述間除對象程序指令中的直線軸的移動指令和工具方向指令。
也可以是，用G代碼或者M代碼指令所述間除方式，用與該G代碼或者 M代碼不同的G代碼或者M代碼指令所述間除方式解除。
因為^f艮據本發明的教:值控制裝置具有上述結構，所以通過間除工具尖端 點位置和工具姿勢變化小的塊能夠消除工具的小的晃動，能夠使工件的加工形 狀圓滑，並且能縮短加工時間。


從下面參照附圖，
的以及特徵。附圖中
圖1是表示加工曲面的圖2是說明用稱為三角面片的區段分割圖1的加工曲面的圖； 圖3是說明在圖2的三角面片上計算工具軌跡的圖； 圖4是說明製作工具軌跡和各三角面片的每一交點(用黑圓)成為塊的 程序指令的圖5是表示沿工具路徑的截面的圖6是本發明的、控制5軸加工裝置的數值控制裝置的概略功能框圖7A表示使用在圖6中表示的數值控制裝置間除5軸加工指令前的、工 具尖端點位置的移動路徑；
圖7B是說明使用在圖6中表示的數值控制裝置間除處理具有圖7A的移 動路徑的5軸加工指令之後的狀態的圖8是說明在圖7A以及圖7B中表示的進行間除處理前、後的加工程序 的變更的圖9是表示5軸加工中的工具矢量和坐標系的關係的圖IO是表示用兩個轉動軸指定工具方向的例子的圖ll是表示用工具矢量(i、 j、 k)指定工具方向的例子的圖12是表示在本發明的控制5軸加工裝置的數值控制裝置中執行的間除
處理的算法的 一例的流程圖13是把間除方式ON指令作為M33、間除方式OFF指令作為M34的
NC程序的例子；和
圖14是作為本發明的一個實施形態的控制5軸加工裝置的數值控制裝置 (CNC)的主要部件框圖。
具體實施例方式
圖6是根據本發明的、控制5軸加工裝置的數值控制裝置的一個實施形 態的概略功能框圖。
作為加工程序的NC程序的塊，在指令讀取單元1中被解析，由間除單元2執行規定的間除處理(圖12中表示的表示算法的流程圖的處理)。對於被 執行了規定的間除處理的直線軸機械坐標位置和轉動軸的轉動位置，插補單元
3在每一插補周期執行求各軸位置的插補處理，使工具尖端點在移動路徑上以
被指令的相對移動速度移動。然後，根據被這樣插補處理過的數據控制各軸的
伺服電動機4x、 4y、 4z、 4b(a)、 4c。
圖7A以及圖7B是說明圖6中表示的數值控制裝置執行的間除處理的圖。 該間除處理在5軸加工指令滿足下面的(1)以及(2)的條件雙方時執行。
(1) 某工具尖端點位置處的工具方向的、與加工開始位置Pl處的工具
方向Vl所成的角a (工具方向的變化量)在角度容差e內時。
(2) 某工具尖端點位置的、離開連接加工開始位置和不與上述(1)相 應的工具尖端點位置P4的線段的距離d (偏差)在距離容差D內時。
徑。在工具尖端點位置P1工具方向是VI，在工具尖端點位置P2工具方向成 為V2,在工具尖端點位置P3工具方向成為V3，在工具尖端點位置P4工具方 向成為V4。
作為各工具尖端點位置的工具方向的、與工具尖端點位置P1的工具方向 VI的差的變化量a，在工具尖端點位置P2、 P3在角度容差6的範圍內(a 6)。另外，從連接超出角度容差 e的工具尖端點位置P4與工具尖端點位置Pl的直線(圖7A的虛線)到工具 尖端點位置P2、 P3的距離(亦即軸的變化量)d兩者都在預先設定的距離容 限D的範圍內(d<D)。
另一方面，圖7B表示在從工具尖端點位置P1到工具尖端點位置P4之間 間除處理工具尖端點位置P2以及P3時的移動路徑。工具尖端點在連接工具 尖端點位置Pl和工具尖端點位置P4的圖7B的直線上移動。如對於圖7A說 明的那樣，在工具尖端點位置P2以及工具尖端點位置P3，因為工具方向的變 化量a不超出角度容差e、直線軸的變化量d不超出距離容差D,所以間除工 具尖端點位置P2 (工具方向V2 )和工具尖端點位置P3 (工具方向V3 )。通過 該間除處理，工具尖端點，如圖7B所示，變成在連接工具尖端點位置Pl和 工具尖端點位置P4的直線的線段上移動。於是，工具方向在從工具尖端點位置Pl到工具尖端點位置P4的移動期間從VI到V4平滑地變化，其間不發生 圖5所示那樣的工具方向的往復。
這裡，根據圖8表示的加工程序的一例，說明圖7A以及圖7B表示的本 發明的間除處理。
若對NC語句進行本發明的間除處理，圖8左側表示的間除前的NC語句 就成為通過間除處理右側表示的間除後的NC語句。在該加工程序的例子中， 工具尖端點位置與工具方向的(P2， V2)和(P3, V3)的塊被間除。指令了 作為給進速度的速度指令F200的塊(P3， V3)被間除，而速度指令F200被 未被間除而剩餘的下一塊(P4， V4)所繼承。
圖9表示5軸加工中的工具矢量和坐標系的關係。為從指定的方向使工 具貼近具有3維曲面的工件(工件)，如圖9所示，只要指定表示工具位置坐
j、 k)即可。
圖IO表示用兩個轉動軸指定工具方向的例子。在該圖中，通過指定作為 轉動軸的A軸和C軸來求得工具方向。例如當設A軸為30度、C軸為45度 時，NC語句指令,成為像"G01X10.Y20.Z30.A30.C45."那樣，指定了直線軸 和轉動軸的指令語句。
圖ll表示用工具矢量(i、 j、 k)指定工具方向的例子。在該圖中通過用 工具矢量(i、 j、 k)指定來求得工具方向。例如當設工具矢量(i、 j、 k)為 (0.1， 0.6, 0.3)時，NC語句指令,成為像"G01X10.Y20.Z30.I0.1J0.6K0.3." 那樣，指定直線軸和工具方向矢量的指令語句。
圖12是表示在本發明的控制5軸加工裝置的數值控制裝置中執行的間除 處理的算法的流程圖的例子。下面遵照各步驟說明。
把工具尖端點位置的號碼的指標i設定為1 (步驟SIOO),把成為間除處 理的開始點的工具尖端點位置的號碼的指標s設定為上述指標i的值(步驟 S101 )。然後，判斷是否讀入了工具尖端點位置Pi及其工具方向Vi(步驟S102 )。 在未讀入Pi、 Vi的場合，結束間除處理，另一方面，在判斷為讀入Pi、 Vi的 場合轉移到步驟S103。
在指標i上加1 ，判斷是否讀入了工具尖端點位置Pi及其工具方向Vi(步驟S104)。在未讀入Pi、 Vi的場合，前進到步驟S113,從指標i的值減l後 轉移到步驟S107。另一方面，讀入Pi、 Vi的場合，轉移到步驟S105,計算工 具尖端點位置Ps處的工具方向Vs與工具尖端點位置Pi處的工具方向Vi成的 角度(即工具方向的變化量)a (步驟S105),轉移到步驟S106。
判斷在步驟S105求得的工具方向的變化量a是否比角度容差0小(步驟 S106),在a〈e的場合，返回步驟S103，在a ^ e的場合轉移到步驟S107。
在成為間除處理的終點的工具尖端點位置的號碼的指標e中輸入指標i 的值，在現在的工具尖端點位置的號碼的指標k中輸入s (步驟S107),在指 標k的值上加l (步驟S108),判斷k是否比e小(步驟S109)。在該判斷中， 在k ^ e的場合,在指標s中輸入e的值，輸出工具尖端點位置Ps(步驟S114), 返回步驟S102。另一方面，在k〈 e的場合轉移到步驟S110。
在步驟SllO，計算從連接始點的工具尖端點位置Ps和終點的工具尖端點 位置Pe的線段到現在的工具尖端點位置Pk的距離d，判斷d是否比D小(步 驟Slll)。在該判斷中，在d〈D的場合，返回步驟S108。另一方面，在d ^ D的場合，轉移到步驟S112,在終點的工具尖端點位置的指標e中輸入k，而 且在現在的工具尖端點位置的號碼的指標k中輸入s,返回步驟S108 (步驟 S110 步驟S112)。
這裡，為幫助理解圖12表示的算法的流程圖，就其在圖7A中表示的說 明用數值控制裝置間除處理5軸加工指令的圖中的工具尖端點位置Pl (工具 方向V1) 工具尖端點位置P4 (工具方向V4),來說明遵照圖12表示的算 法進4亍間除處理。
因為在圖7B中把工具尖端點開始位置Pl作為間除處理的始點，所以把 指標i設置為1,把始點的工具尖端點位置的號碼的指標s設置為指標i的值 (=1),讀入(Pl， VI)(步驟S100 步驟S02)。然後，在指標i上加l，使 指標i的值成為2，讀入(P2， V2)，計算作為VI和V2形成的角度的工具方 向的變化量a (步驟S103 ~步驟S105 )。
因為在步驟S105計算出的Vl和V2形成的角度a在角度容差e內(a〈9)， 所以從步驟S106返回步驟S103。然後，給指標i的值加1 (成為i = 3)，讀入 (P3， V3),計算作為VI和V3形成的角度的工具方向的變化量(工具方向的偏差)a。因為該算出的角度a在角度容差e內(a<e),所以再次從步驟 S106返回步驟S103。然後，給指標i的值加l (成為〖=4),在步驟S104讀 入(P4, V4 )。
因為VI和V4形成的角度a偏離角度容差e內(a〉e),所以從步驟S106 轉移到步驟S107,在指標e中設置指標i的值(=4),在指標k中設置指標s 的值(=1 )。進而，給指標k的值加1 (成為k = 2 )(步驟S108 )。
在步驟S109的判斷中，因為k (k = 2 ) < e ( = 4 ),所以轉移到步驟Sl 10, 計算從連接工具尖端點位置Ps = Pl和工具尖端點位置Pe = P4的線段到工具 尖端點位置Pk = P2的距離d (步驟SllO)。因為這裡求得的距離d比距離容 差D小(d〈D),所以從步驟S111返回步驟S108，給指標k的值(=2)力口 1 (成為]< =3)，再次進行步驟S109 步驟S111的處理。因為這裡算出的從連 接Pl和P4的線段到P3的距離d也在距離容差D內(d<D)，所以再次返回 步驟S跳給指標k的值加1 (成為k = 4)。
通過以上的處理，成為k-4、 e = 4，因為不是k〈e,所以從步驟S109 轉移到步驟S114,把指標s設置為4，把指標i設置為4，然後，輸出工具尖 端點位置Ps二P4，返回步驟S102，轉移到下一間除處理。
該處理的結果，如圖7B所示，成為不輸出(被間除)(P2， V2)以及(P3， V3 )的塊、在(PI, VI )後輸出(P4, V4)。在NC語句中成為如圖8那樣 被間除的樣子。
上述說明的圖7A的5軸加工指令的例子中在工具尖端點位置P2以及P3 均d〈D，在步驟Slll的都判斷成為"YES"，但是這裡作為別的例子，考慮 在工具尖端點位置P3是d〉D的場合。
因為在工具尖端點位置P3 (k = 3)是d〉D，所以在步驟Slll剛判斷為 NO之前s = I(步驟SIOI)、 e-4(步驟S107)。因此，在後續的步驟S112 在指標e中輸入現在的工具尖端點位置的號碼k (== 3 ),在指標k中輸入指標 s的值(-l)(步驟S112)，返回步驟S108。這裡在指標k的值(=1)上加1。 因為指標k的值(=2)比指標e的值(=3)小，k〈e成立，所以從步驟S109 轉移到步驟SllO，在這裡計算從連接Ps ( = Pl )和Pe ( = P3 )的線段到Pk (= P2)的距離d。其結果，當d〈D時，從步驟Slll轉移到步驟S108，在指標k的值(2)上力口l。於是，因為指標k的值(=3)變得與指標e的值(=3) 相同，所以k〈e已經不成立，其結果，步驟S109的判斷成為"NO",以e-3 從步驟S109轉移到步驟S114。然後，在步驟S114把指標s設置為指標e的 值(=3),把指標i設置為指標s的值(=3)，然後，輸出工具尖端點位置Ps (=P3)。於是，以1 = 3、 s-3返回步驟S102。
從以上可知，在工具尖端點位置P1、 P2、 P3、 P4中，如圖7，在"fc工具 尖端點位置Pl作為基準，在工具尖端點位置)P2—P3滿足a < 0的條件而在 工具尖端點位置P4不滿足a < 0的條件時，
① 在從連接作為始點的Pl和P4 (不滿足a < e的條件)的直線到P2、 P3 (滿足a〈e的條件)的距離d都是d〈D時，間除這些P2、 P3。下一間除 處理的始點耳又P4。
② 另 一方面，從連接作為始點的Pl和P4的直線到P2 (滿足a < 6的條 件)的距離d在D以下(dD), 間除d < D的P2，不間除d 〉 D的P3。下一間除處理的始點耳又P3。
圖13是把間除方式ON指令作為M33、間除方式OFF指令作為M34的 NC程序的例子。
在圖13中，nc程序"oooor是由序號n1 ~n11組成的程序。"GOl" 是表示直線插補的G代碼。"X"、 "Y"、 "Z"、 "A"、以及"C"是表示各控制 軸的維次字(坐標語言)。序號N2的塊的"M33"是作為間除方式ON指令的 例子，序號N10的塊的"M34"是作為間除方式OFF指令的例子。"M33"、 "M34"是M代碼，是指令開關的ON或者OFF的代碼。另外，也可以做成 代替M代碼，在間除方式ON指令和間除方式OFF指令中設定規定的G代碼， 來執行本發明的間除處理。例如也可以將間除處理ON指令為"G43. 4P1"、 將間除處理OFF指令為"G43.4P0"。
圖13中表示的(1) ~ (9)的處理在插補處理前執行。因為在序號N2 的塊中通過M33的代碼使間除方式ON，所以在前處理中，先讀4個塊N3 N6,進^f亍這些塊N3 N6的間除處理。進而，先讀下3個塊N7 N9，進行這 些塊N7 N9的間除處理。然後，因為序號10的塊是M34,所以使間除方式 OFF。在前處理中，塊N3 N6的間除處理的結果，塊N4和塊N5被間除，塊 N7 N9的間除處理的結果，塊N8被間除。
上述前處理的結果，插補處理用數據，成為塊l、塊3、塊6、塊7、塊9、 以及塊11。亦即，圖13的插補處理用數據表示了從NC程序間除塊N4、塊 N5、以及塊N8的情況。
補充說明由G代碼間除處理的ON、 OFF的指令和由M代碼間除處理的 ON、 OFF的指令。
G代碼是數值控制裝置面向終端用戶準備的接口。 M代碼一般是機械制 造商面向終端用戶追加的功能，在數值控制裝置對於PMC (可編程機器控制 器)等的信號準備了間除處理的ON和OFF的接口的場合，機械製造商規定 將M代碼指令作為觸發經由PMC的信號、對於數值控制裝置指示間除處理的 ON和OFF。
圖14是作為本發明的一個實施形態的控制5軸加工裝置的數值控制裝置 (CNC ) 100的重要部件框圖。
CPU11是控制數值控制裝置全體的處理器。該CPUll，通過總線20讀出 在ROM12中存儲的系統程序，遵照該系統程序控制數值控制裝置全體。在 RAM13中臨時存儲計算數據或者顯示數據以及通過顯示器/MDI單元70由操 作員輸入的各種數據。
SRAM存儲器14由未圖示的電池支持、即使數值控制裝置100的電源關 斷也作為可保持存儲狀態的非易失存儲器來工作。在SRAM存儲器14中，存 儲通過接口 15讀入的加工程序或者通過顯示器/MDI單元70輸入的加工程序 等。另外,在ROM12中預先寫入為加工程序的製作以及編輯必要的編輯方式 的的處理或者為實施用於自動運行的處理的各種系統程序。
通過接口 15輸入使用CAD/CAM裝置或者仿真裝置等製作的包含指令點 列數據以及矢量列數據的加工程序，並存儲在SRAM存儲器14中。在本發明 中執行的進行間除處理的程序也存儲在SRAM存儲器14中。
另外，在數值控制裝置100內編輯後的加工程序，可以使通過接口 15存 儲在外部存儲裝置中。PMC (可編程設備控制器)16，是數值控制裝置100 內內置的順控程序，通過I/O單元17向工具機的輔助裝置(例如像工具更換用
ii的機械手那樣的致動器)輸出信號進行控制。另外，PMC16接受在工具機的本
體上配備的操作盤的各種開關等的信號，進行了必要的信號處理後，交給
CPUll。
顯示器/MDI單元70是具有顯示器或者鍵盤等的手動數據輸入裝置，接 口 15接收來自顯示器/MDI單元70的鍵盤的指令、數據後，交給CPUll。接 口 19連接具有手動脈衝發生器的操作盤71。
各軸的軸控制電路30~34接受來自CPU11的各軸的移動指令量，向伺 服放大器40 44輸出各軸的指令。伺服放大器40-44接受該指令，驅動各軸 的伺服電動機50 54。各軸的伺服電動機50 54內置位置/速度檢測器，把來 自該位置/速度檢測器的位置/速度反饋信號向軸控制電路30 ~ 34反饋，來進行 位置/速度的反饋控制。
伺服電動機50 54是用來驅動5軸加工裝置的X、 Y、 Z、 B(A)、 C軸 的。另外，主軸控制電路60接受主軸轉動指令，向主軸放大器61輸出主軸速 度信號。主軸放大器61接收主軸速度信號，以被指令的轉動速度使主軸電動 機62轉動。編碼器63與主軸電動機62的轉動同步將反饋脈衝反饋到主軸控 制電路60,進行速度控制。通過該數值控制裝置100,驅動控制5軸加工裝置。
權利要求
1.一種控制5軸加工裝置的數值控制裝置，所述5軸加工裝置由對於在工作檯上安裝的工件進行加工的3個直線軸和兩個轉動軸構成，具有以下單元讀取所述直線軸的移動路徑的指令、所述工件和工具的相對移動速度的指令、以及對於所述工作檯的工具方向的指令的指令讀取單元；間除所述直線軸的移動路徑的指令以及所述工具方向的指令的指令間除單元；對每一插補周期求各軸位置，以使根據未由所述指令間除單元間除而剩餘的移動路徑的指令以及工具方向的指令、以及所述相對移動速度的指令，工具尖端點以被指令的相對移動速度、在被指令的移動路徑上移動的插補單元；和驅動各軸的電動機以使向通過所述插補單元求得的各軸位置移動的驅動單元。
2. 根據權利要求1所述的控制5軸加工裝置的數值控制裝置，其中， 所述指令間除單元，在所述工具方向的變化量和所述移動路徑的指令中的所述直線軸的變化量比預先設定的值小的場合，間除該直線軸的移動路徑的 指令和工具方向的指令。
3. 根據權利要求1所述的控制5軸加工裝置的數值控制裝置，其中， 所述工具方向的指令，被指令為兩轉動軸的角度或者工具方向矢量。
4. 根據權利要求1所述的控制5軸加工裝置的數值控制裝置，其中， 所述指令讀取單元，當指令間除方式時，作為間除對象程序指令先讀取預先設定數的塊直到指令間除方式解除，所述指令間除單元，間除所述間除對象程序指令中的直線軸的移動路徑 指令和工具方向指令。
5. 根據權利要求4所述的控制5軸加工裝置的數值控制裝置，其中，用G代碼或者M代碼指令所述間除方式，用與該G代碼或者M代碼不 同的G代碼或者M代碼指令所述間除方式解除。
全文摘要
本發明提供一種控制通過對於在工作檯上安裝的工件進行加工的3個直線軸和兩個轉動軸構成的5軸加工裝置的數值控制裝置，該數值控制裝置，在工具方向的變化量和移動路徑的指令中的直線軸的變化量比預先設定的值小的場合，間除該直線軸的移動路徑的指令和工具方向的指令。
文檔編號G05B19/41GK101526812SQ20091000572
公開日2009年9月9日 申請日期2009年2月3日 優先權日2008年3月7日
發明者井出聰一郎, 古賀大二朗, 大槻俊明, 花岡修 申請人:發那科株式會社