专利名称：用于nc机加工仿真的方法与设备的制作方法
技术领域：
本发明的领域本发明涉及用于NC机加工的机加工仿真设备与方法。更具体地说，本发明涉及在用表示材料形状、刀具形状、机加工形状的数据进行机加工仿真的基础上产生数字控制命令和现行刀具操作信息的设备与方法。
本发明的背景下面将参照方框
图1对一般数字控制系统中所用的调节控制命令发生系统作简要说明。
准备用于即将的机加工的NC程序被储存在NC程序存储器11中。
NC程序译码单元12一块一块地从NC程序存储器11中读取NC程序并对这些程序块进行译码。该NC程序译码单元12将在当前程序块中或在当前程序块之前被指定为模态命令的插入值类型、目标位置和馈送率传送给插入处理单元13。
插入处理单元13将基于插入值类型、目标位置和馈送率把各轴的单位时间(每个插入周期)每个轴的运动量△x、△y △z传送给伺服控制单元14。
伺服控制单元14根据由插入处理单元13提供的各个轴的单位时间动程△x、△y和△I控制每个电动机的转动并执行各个轴的操作。
切削监视单元15接收由伺服控制单元14实测到的主轴负载信号和馈送轴的负载信号，并将其中至少一个负载信号提供给调节控制单元16。
调节控制单元15将切削监视单元15提供的主轴负载和馈送轴负载与预定负载值进行比较。如果主轴负载或馈送轴负载超过预定的过载判别值，调节控制单元16就产生报警信号或其它类似的信号，并向插入处理单元13传送停止每个轴的命令。如果主轴负载或馈送轴负载不属于速率控制检测范围，调节控制单元16就向插入处理单元13传送速度修改命令以便增大或减小馈送率。如果主轴负载或馈送轴负载小于预定的空切削判别值，调节控制单元16就向插入处理单元13传送适合于空切削的馈送率命令。
根据这些命令，插入处理单元13重新计算每个轴的单位时间(每个插入周期)动程△x、△y和△z，并将这些动程值传送给伺服控制单元14。
以上处理过程将重复进行，直到机加工过程结束。
下面将参照方框图2对一般的NC程序发生系统加以说明。
操作者向机加工数据输入单元21输入诸如刀具种类、刀具尺寸、材料成分和刀具轨迹之类的产生NC程序所需要的信息。输入结果被传送给NC程序发生单元23。
利用刀具种类、刀具尺寸和材料成分之类的信息，切削条件数据表22便具有能提供确定适合于这些信息的馈送率和主轴速度的数据表结构。该切削条件表供NC程序发生单元23参考。
NC程序发生单元23根据机加工数据输入单元21提供的诸如刀具种类、刀具尺寸、材料成分和刀具轨迹之类的机加工数据以及根据从切削条件数据表22中读出的符合于刀具种类、刀具尺寸和材料成分的主轴速度和馈送率等切削条件产生NC程序。
表格数据修改单元24指导对反映刀具种类、刀具尺寸、材料成分等参数与馈送率、主轴速度等参数之间关系的关系表中的内容进行修改。
NC程序编辑单元25供操作者直接编辑NC程序。
在具有这种结构的NC程序发生系统中，如果操作者想修改NC程序中的馈送率等参数，可以采用下列三种方法中的一种方法。
也就是说，可以采用用机加工数据输入单元21直接给出馈送率，用表格数据修改单元24预先修改反映刀具种类、刀具尺寸、材料成分等参数与馈送率、主轴转数等参数之间的关系的关系表中的命令，或用NC程序编辑单元25修改F命令这三种方法中的任何一种。
下面将参照方框图3对一般现行刀具操作信息发生系统加以说明。
准备用于即将的机加工的NC程序被储存在NC程序存储器31中。
NC程序译码单元32一块一块地从NC程序存储器31中读取NC程序并对这些程序块进行译码。该NC程序译码单元32将在当前程序块中或在当前程序块之前被规定的插入值类型、目标位置和馈送率传给插入处理单元33作为模态命令。同时，根据NC程序，NC程序译码单元32将用于产生现行刀具操作信息的信息(如F命令、G01/G02/G03命令及与之同时发生的F命令、S命令、和M02或M03命令等)传给现行刀具操作信息发生单元36。
插入处理单元33基于插入值类型、目标位置和馈送率，把各个轴的单位时间(每个插入周期)动程△X、△Y和△Z传送给伺服控制单元34。
伺服控制单元34根据由插入处理单元33提供的各个轴的单位时间动程△X、△Y和△Z控制每个电动机的轴并执行各个轴操作。
切削监视单元35接收由伺服控制单元34实测到的主轴负载信号和馈送轴负载信号，并将其中至少一个负载信号提供给调节控制单元36。
现行刀具操作信息发生单元36根据NC程序译码单元32提供的信息对现行刀具操作信息进行累加。更准确地说，现行刀具操作信息发生单元36根据T命令确认刀具号，根据G01/G02/G03命令识别是否在执行机械加工，根据M02或M03命令识别被加工的工件数量，根据F命令、S命令和T命令指定的刀具直径等信息计算机械加工时的馈送率和切削速度。此外，现行刀具操作信息发生单元36根据切削条件监视单元35提供的主轴负载信号或馈送轴负载信号来判断刀具是否处于空切削状态。
所获得的现行刀具操作信息然后被储存在现行刀具操作信息存储器37中。例如，储存形式可以是每个刀具的实际切削时间、接通状态持续时间、刀具馈送过程中的空切削时间和每个刀具将加工的工件数量。
本发明要解决的问题在一般数字控制系统的调节控制命令发生系统中，象主轴负载或馈送轴负载之类的机加工状态信息反馈到系统的速度不管有多快都基本上不能避免调节延时，只能根据“过去的信息”控制“当前的状态”。
因此，当机加工处理过程对重机加工负载的机加工改变为对轻机加工负载的机械加工时会不顾实际轻机加工负载而将馈送率控制得很低，这会导致机加工效率变低。相反，当机加工处理过程从对轻机加工负载的机械加工改变为对重机加工负载的机械加工时会不顾实际重机加工负载而将馈送率控制得很快，这会使工具过载或使工件表面过分粗糙。在快速馈送率机加工情况下，这种趋势尤其明显。
此外，在一般NC程序发生系统中，象馈送率之类的切削条件是通过操作者的判断得到的，或者是通过刀具种类、刀具尺寸、材料成分等参数硬性确定的。因而，切削条件与实际切削阻力值或切削转矩没有关系。
结果是很难用最佳馈送率或最佳切削速度进行连续切削，这导致刀具过早磨损、机加工精度变低和工件表面粗糙。此外，当刀具以快速增大的阻力值碰撞被加工材料时，很容易造成刀具和被加工材料的损坏。
还有，一般的现行刀具操作信息发生系统只是将每个刀具的实际切削时间、接通状态持续时间、刀具馈送过程中的空切削时间和每个刀具将加工的工件数量作为现行刀具操作信息储存起来。而没有充分获得那些会影响工具寿命和机加工精度的信息，如刀具的接触角已经如何变化或刀具上的哪部分已经承受最大的负载。
因此，通过分析不断变化的机加工环境对刀具的影响来改进刀具管理技术、机械加工技术和刀具开发技术是困难的。
本发明的一个目的是提供一种用于NC机加工的机加工仿真设备与方法，它能解决上述问题，能在实际机加工之前在图形数据机上作加工仿真，能给实际机加工和具有适合于实际机加工的条件(诸如馈送率和转矩正向馈送量之类)的机加工程序的产生带来仿真结果，能提供对刀具管理技术、机加工技术和刀具开发技术有用的现行刀具操作信息。
本发明的公开以上目的可以通过在NC机加工过程中根据机加工信息进行机加工仿真的设备来实现，该设备包括机加工仿真装置和数字控制命令发生装置，其中，机加工仿真单元根据机加工信息模拟对被加工材料的切削，数字控制命令发生单元根据在机械工仿真单元中获得的切削信息产生数字控制命令。
以上目的还可以通过在NC机加工过程中根据机加工信息进行机加工仿真的设备来实现，该设备包括机加工仿真单元和现行刀具操作信息发生装置，其中，机加工仿真单元根据机加工信息模拟对被加工材料的切削，现行刀具操作信息发生单元根据在机加工仿真装置中获得的切削信息产生现行刀具操作信息。
还有，以上目的可以通过组合NC程序、材料形状数据和刀具形状等机加工信息来实现。
此外，以上目的可以通过组合材料形状数据发生装置、仿真数据存储装置和切削量计算装置的机加工仿真装置来实现，其中，材料形状数据发生装置用于在机加工仿真之前将材料形状数据转换成被三维格点分隔的机加工仿真形状数据，仿真数据储存装置用于存储机加工仿真形状数据，切削量计算装置用于在刀具穿过格点上的材料区域时根据NC程序和刀具形状数据计算刀具的切削量，并且还用于按照正在执行的切削过程修改有关刀具穿过的格点范围内有材料或无材料的信息。
本发明还可以通过包括材料形状数据发生装置、仿真形状存储装置和切削量计算装置的机加工仿真装置来实现，其中，材料形状数据发生装置用于在机加工仿真之前用格点来分割材料形状数据中的材料底面并且还用于将材料高度转换成其垂直高度数据用格点表示的仿真形状数据，仿真形状存储装置用于储存机加工仿真形状数据，切削量计算装置用于在刀具穿过格点上的材料区域时根据NC程序和刀具形状数据计算刀具的切削量，并还用于按照正在执行的切削过程修改有关刀具经过的网格内的垂直高度信息。
以上目的可以进一步通过组合有材料的区域的高度数据的垂直高度数据或组合有材料区域的高度数据与无材料区域的高度数据的结合所构成的垂直高度数据来实现。
以上目的可以通过数字控制命令发生装置来实现。其中，数字控制命令发生装置用于产生NC程序以便使作为切削信息的切削量或切削阻力值或切削转矩落入预定范围内；或者用于产生由数字控制设备对NC程序进行译码而产生的NC程序译码数据；或者用于产生由NC程序译码数据得出的插入数据。
以上目的可以通过数字控制命令发生装置来实现。其中，数字控制命令发生装置根据作为切削信息的切削量的变化确定转矩正馈量以便馈送率或切削速度落入预定范围内。
以上目的可以进一步通过数字控制命令发生装置来实现。其中，如果作为切削信息的切削阻力值变为零，数字控制命令发生装置便用机床的快速横向速度来代替NC程序中所用的或NC程序译码单元中所用的馈送率，NC程序译码数据是由数字控制设备对NC程序进行译码产生。
此外，以上目的可以通过数字控制命令发生装置来实现。其中，当作为切削信息的切削阻力值变为零时，数字控制命令发生装置用更快的插入值馈送率来代替NC程序中所用的或NC程序译码数据中所用的馈送率，NC程序译码数据是由数字控制设备对NC程序进行译码而产生的。
以上目的可以用包括负载检测装置和插入中止装置的数字控制命令发生装置来实现。其中，负载检测装置用于主轴负载或馈送轴负载至少一个，插入值中止装置用于在负载检测装置检测到的负载和作为切削信息的切削量、或切削阻力值、或切削转矩超过预定关系时中止插入处理。
以上目的可以通过现行刀具操作信息发生装置来实现。其中，现行刀具操作信息发生装置可以累计每个机加工刀具切削量或切削长度中的至少一个量。
以上目的可以通过现行刀具操作信息发生装置来实现。其中，现行刀具操作信息发生装置具有对每个机加工刀具刀刃点处的切削量或切削长度中的至少一个量进行累加的功能。
以上目的可以通过现行刀具操作信息发生装置来实现。其中，现行刀具操作信息发生装置具有对每个机加工刀具与待切削材料之间的碰撞次数进行累加的功能。
以上目的可以通过现行刀具操作信息发生装置来实现。其中，现行刀具操作信息发生装置具有储存机加工刀具的接触角、上切式机加工或下切式机加工、切削宽度和切削深度这些量中的至少一个量的功能。
以上目的可以通过材料形状数据来实现。其中，材料形状数据是通过对被输入的材料形状数据进行机加工仿真得到的形状数据，或者是部分机加工仿真得到的形状数据经被切削材料的实测形状数据校正后的数据。
以上目的可以通过根据NC机加工信息进行NC机加工的机加工仿真的方法来实现，该方法包括这些步骤机加工仿真步骤，它用于根据机加工信息模拟材料的切削量；数字控制命令产生步骤，它用于根据在机加工步骤中得到的切削信息产生数字控制命令。
以上目的可以通过根据NC机加工信息进行NC机加工的机加工仿真的方法来实现，该方法包括这些步骤机加工仿真步骤，它用于根据机加工信息模拟材料的切削量；现行刀具操作信息产生步骤，它用于根据在机加工仿真步骤中得到的切削信息产生现行刀具操作信息。
以上目的可以通过在数字控制命令产生步骤中产生NC程序、或NC程序译码数据，或者用已经产生的NC程序译码数据产生插入数据来实现，使作为切削信息的切削量或切削阻力值或切削转矩都落入预定范围。其中，NC程序译码数据是由数字控制设备对NC程序进行译码而产生的。
为了实现上述目的，本发明包括用于储存使计算机执行机加工仿真过程和数字控制命令产生过程的程序的媒体，其中，机加工仿真过程用于根据机加工信息模拟材料的切削量，数字控制命令产生过程用于根据切削信息产生数字的控制命令。
使计算机执行仿真过程的程序的特征在于产生了NC程序或NC程序译码数据或插入值数据因而使作为切削信息的切削量或切削阻力值或切削转矩落入预定范围，其中，NC程序译码数据是由数字控制设备对NC程序进行译码而得到的，插入值数据是由NC程序译码数据产生的。
为了实现上述目的，本发明包括用于储存使计算机执行机加工仿真过程和现行刀具操作信息产生过程的程序的媒体，其中，机加工仿真过程用于根据机加工信息模拟材料的切削量，现行刀具操作信息产生过程用于根据切削信息产生现行刀具操作信息。
附图的简要说明图1是表示一般数字控制系统中的调节控制命令产生系统的方框图。
图2是表示一般的NC程序产生系统的方框图。
图3是表示一般的现行刀具操作信息产生系统的方框图。
图4是用于NC机加工的与本发明相关的机加工仿真设备的第一实施例的方框图。
图5是用于NC机加工的与本发明相关的机加工仿真设备的第二实施例的方框图。
图6是用于NC机加工的与本发明相关的机加工仿真设备的第三实施例的方框图。
图7(a)和7(b)示出了与本发明相关的仿真形状数据结构的例子。
图8示出了与本发明相关的机加工仿真原理的示意图。
图9示出了包含在与本发明相关的现行刀具操作信息中的切削量变化的例子。
图10示出了包含在与本发明相关的现行刀具操作信息中的接触角变化的例子。
图11示出了与本发明相关的现行刀具操作信息如何被保持的例子。
图12示出了包含在与本发明相关的现行刀具操作信息中的接触角的示意图。
图13示出了如何用实际工作测量结果对与本发明相关的材料形状数据进行校正的示意图。
图14(a)和14(b)示出了在与本发明相关的材料形状被三维格点分割的仿真形状结构的例子。
实施本发明的最佳模式与用于NC机加工的本发明的机加工仿真设备与方法相关的第一实施例是这样一种机加工仿真设备，它根据有关材料与刀具的形状数据进行机加工实时仿真，并预先执行数字控制命令。其中，数字控制命令用于根据在仿真过程中识别的切削量或根据由切削量得到的切削阻力值将插入速度或电动机的转矩值控制在合适的值上。
下面将对馈送率控制实施例和另一个实施例加以说明。其中，馈送率控制是由用于NC机加工的机加工仿真设备在插入值处理过程之后执行的；在另一个实施例中，通过向用于伺服控制的电流控制单元传送校正值，引入了电动机转矩校正，该校正是由用于NC机加工的机加工仿真设备执行的。
下面将参照方框图4来说明。
方框图4中与方框图1中的相同方块用相同的参考数字表示，图4中省略了方块16。
准备用于即将的机加工的NC程序储存在NC程序存储器11中。
NC程序译码单元12一块一块地从NC程序存储器11中读取NC程序并对这些程序块进行译码。该NC程序译码单元12将在当前程序块中或在当前程序块之前被指定为模态命令的插入值类型、目标位置和馈送率传送到插入处理单元13中。该NC程序译码单元12还向机加工仿真单元17提供刀具编号和主轴转动速度，此外还向仿真预测控制单元18提供刀具编号和馈送率。
插入处理单元13基于插入值类型、目标位置和馈送率，将各个轴的单位时间(每个插入周期)动程△x、△y和△z传送给伺服控制单元14。
在机加工之前，预机加工形状发生单元110从预先设置在本系统中的材料存储器19中读出材料形状数据，并将该数据转换成适合于即将的机加工仿真的数据结构，然后将转换后的数据作为机加工仿真形状数据储存在仿真形状数据存储器111中。
预机加工形状发生单元110在与材料底面相对应的X-Y平面上以预定间隔定义格点，如图7(a)所示。根据材料形状数据，预机加工形状发生单元110对每个格点上是否有材料沿Z轴方向延伸进行判断，如果有材料沿Z轴方向延伸，就将离材料底面的高度作为对应于该格点的Z坐标值储存起来，否则就储存零值。通过这个步骤，材料存储器91中的材料形状数据便被转换成具有用于机加工仿真的形状数据结构的数据，转换后的数据被储存在仿真形状数据存储器111内。
如图7(b)所示，对单个格点来说，如果在沿Z轴方向的有材料空间之间存在无材料的空闲空间，那么对应于该格点储存的Z坐标值数据就不是单个值。因此，必须储存诸如材料部分的高度、空闲空间的高度、其它材料部分的高度之类的多个Z坐标值数据。
机加工仿真单元17根据NC程序译码单元12提供的刀具编号和本系统预先储存在刀具存储器中的刀具编号识别工作刀具的形状，如刀具直径。然后，机加工仿真单元17根据刀具直径、插入处理单元13提供的△X、△Y和△Z值以及需要时从仿真形状数据存储器110中顺序读取的机加工仿真形状数据来计算单位时间内的切削量。机加工仿真单元17根据单位时间内的切削量和NC程序译码单元12提供的主轴转动速度计算刀具每转切削量，并将刀具每转切削量提供给仿真预测控制单元18。
如图8所示，为了获得单位时间切削量，用刀具的当前位置X与Y、刀具直径和△X与△Y来指定刀具穿过的格点，这些格点为以预定间隔定义在X-Y平面上的格点中的一部分。然后，根据机加工仿真形状中的格点所具有的Z坐标值、当前刀具位置Z和△Z判断刀具是否正在切削材料。对上述被判断的每个格点来说，可以计算出切削量，将每个格点上的切削量相加起来便可获得单位时间切削量。
这时，由于还不知道基于△X、△Y和△Z的刀具移动是否真的被执行，因此，既不会根据基于△X、△Y和△Z的刀具移动得到的切削量来刷新机加工仿真形状数据，也不会将该数据储存在仿真形状数据存储器中。
仿真预测控制单元18根据机加工累加单元17提供的刀具每转切削量和本系统预先储存的材料成分来计算切削阻力值R和切削转矩T。
将利用端面铣刀的仿真切削阻力值R和转矩值T的例子加以说明。此处R=a·Vp(Kgf)………公式1T=B·(n·v)q(Kgf·cm)………公式2V表示刀具每转的切削体积，n表示端面铣刀的刀片数量，a、b、p和q是材料成分的特征参数。
适合于工作刀具的切削阻力值是通过NC程序译码单元12提供的刀具编号和本系统预先设置的刀具数据存储器获得的。
操作者可以在机加工之前为每个刀具设置适合于该刀具的切削阻力值。
将由公式1仿真得到的切削阻力值与适合于刀具的切削阻力值比较，如果由仿真得到的切削阻力值超过适合于刀具的切削阻力值的话可以通过计算馈送率来获得合适的切削阻力值，该馈送率作为合适馈送率与重新插入请求信号一起被传送到插入处理单元13中。
求取合适馈送率的公式如下Sg=S·Rg/Rs………公式3Sg表示合适馈送率，S表示指令的馈送率，Rg是合适切削阻力值，Rs表示由仿真得到的切削阻力值。
另一方面，如果由仿真得到的切削阻力值没有超过适合于刀具的切削阻力值，那么机加工形状刷新信号状被传送给机加工仿真单元17，合适速度信号就被传送给插入处理单元13。
接收到来自仿真预测控制单元18的机加工形状刷新信号之后，机加工仿真单元17就根据由符合于△X、△Y和△Z值的刀具移动得到的切削量来刷新机加工仿真形状数据并将该机加工仿真形状数据储存到仿真形状数据存储器111中。
机加工仿真形状数据的刷新是通过从为每个格点储存的Z坐标值中减去切削量来实现的。
接收到来自仿真预测控制单元18的表示合适馈送率的信号之后，插入处理单元13就将这次计算出的△X、△Y和△Z值传送给伺服控制单元14。因此，切削过程以判断的馈送率来进行以产生合适切削阻力值。
另一方面，如果重新插入请求信号被接收，插入处理单元13就使以前插入的所有数据空闲，并根据从仿真预测控制单元18中接收到的合适馈送率重新计算单位时间内各个轴向的动程△X’、△Y’和△Z’，然后把△X’、△Y’和△Z’提供给机加工仿真单元17。
根据△X’、△Y’和△Z’，机加工仿真单元17以上述同样的方法计算刀具每转切削量，并将最新计算值提供给仿真预测控制单元18。
根据刀具每转切削量，仿真预测控制单元18以上述同样的方法计算仿真切削阻力值。
仿真切削阻力值是以插入处理和采用仿真预测控制单元18算出的合适馈送率得到的机加工仿真结果为基础的。由于仿真切削阻力值并不总是大于合适切削阻力值，因此表示合适馈送率的信号被传送给插入处理单元31，而机加工形状刷新信号则被传送给机加工仿真单元17。
因此，插入处理单元13把根据仿真预测控制单元18以前得到的合适馈送率的插入所计算出的△X’、△Y’和△Z’传送给伺服控制单元14。因而，切削过程是以产生合适切削阻力值的馈送率进行的。
根据从公式2算出的切削转矩，将算出的切削转矩与上次插入的切削转矩进行比较，并根据比较结果算出转矩前馈量。可以将按上述方式得到的转矩前馈量传送给伺服控制单元14。
在这种情况下，伺服控制单元14把转矩前馈量用于转矩控制因而使馈送率或切削速度保持恒定。
切削监视单元15从伺服控制单元14上接收实测的主轴负载信号和馈送轴负载信号，并对这些负载与由合适馈送率算得的仿真切削阻力值之间的关系进行监视。如果该关系不是正比关系，那么切削监视单元15就立刻向插入处理单元13传送馈送中止信号以便中止插入。
与用于NC机加工的本发明的机加工仿真设备与方法相关的第二实施例是这样一种机加工仿真设备它用操作者输入的机加工数据临时产生NC程序，根据该NC程序和材料形状数据进行机加工仿真，根据仿真识别的切削量或根据由切削量得到的切削阻力值确定NC程序中的速度命令。
下面将对用于NC机加工的独立于数字控制设备的机加工仿真设备加以说明。
此后将参照方框图5加以说明。
方框图5中与方框图2中的相同方块用相同的参考数字表示，图5中省略了方块25。由于要对方块重新进行解释，因此为便于理解，与图4中相同或类似的方块没有用相同的参考数字表示。
操作者向机加工数据输入单元21输入产生NC程序所需的刀具种类、刀具尺寸、材料成份、机加工刀具轨迹和其它信息。信息输入结果被传送给NC程序发生单元23。
为了适合于刀具种类、刀具尺寸、材料成分、机加工刀具轨迹和其它信息，切削条件数据表22具有这样的数据表结构馈送率、主轴转数和其它参数由上述信息决定。该切削条件数据表供NC程序发生单元23参考。
NC程序发生单元23根据机加工数据输入单元21提供的诸如刀具种类、刀具尺寸、材料成份和刀具轨迹之类的机加工数据以及从切削条件数据表22中读出的符合于刀具种类、刀具尺寸和材料成分的馈送率和主轴转数等切削条件产生NC程序。
NC程序译码单元26一块一块地从NC程序发生单元23中读出NC程序，并对这些程序块进行译码。NC程序译码单元26将在当前程序块中或在当前程序块之前被规定为模态命令的插入值类型、目标位置和馈送率传送给插入处理单元27。NC程序译码单元26还将刀具编号和主轴转动速度传送给机加工仿真单元28。
插入处理单元27根据插入值类型、目标位置和馈送率向机加工仿真单元28传送单位时间内(例如，目标NC设备的每个插入周期)的虚拟插入动程△X、△Y和△Z。
预机加工形状发生单元210在NC程序产生之前从预先设置在本系统中的材料存储器29中读出材料形状数据。预机加工形状发生单元210将从材料存储器29中读出的数据转换成具有适合于即将的机加工仿真的数据结构的数据并将转换后的数据作为机加工仿真形状数据储存在仿真形状数据存储器211中。或者，在每次机加工仿真之前，操作者可输入材料形状数据，被输入的数据可以作为机加工仿真形状数据储存在仿真形状数据存储器211中。
预机加工形状发生单元210在与材料底面相对应的X-Y平面上以预定间隔定义格点，如图7(a)所示。根据材料形状数据，预机加工形状发生单元210对每个格点上是否有材料沿Z轴方向延伸进行判断，如果有材料沿Z轴方向延伸，就将离材料底面的高度作为对应于该格点的Z坐标值储存起来，否则就储存零值。通过这个步骤，材料存储器29中的材料形状数据就被转换成具有用于机加工仿真的形状数据结构的数据，转换后的数据被存储在仿真形状数据存储器211中。
如图7(b)所示，对单个格点来说，如果在沿Z轴方向的有材料空间之间存在无材料的空闲空间的话，那么对应于该格点储存的Z坐标值数据就不是单个值。因此，必须储存诸如材料部分的高度、空闲空间的高度、其它材料部分的高度之类的多个Z坐标值数据。
机加工仿真单元28根据NC程序发生单元23提供的刀具编号和本系统预存的刀具数据存储器来识别工作刀具的形状，如刀具直径。然后，机加工仿真单元28根据刀具直径、插入处理单元27提供的△X、△Y和△Z值以及需要时从仿真形状数据存储器211中顺序读出的机加工仿真形状数据来计算单位时间内的切削量。机加工仿真单元28根据单位时间内的切削量和NC程序译码单元26提供的主轴转动速度计算刀具每转切削量，并将刀具每转切削量提供给NC程序发生单元23。
如图8所示，为了获得单位时间切削量，用刀具的当前位置X与Y刀具直径和△X与△Y来指定刀具穿过的格点，这些格点是以预定间隔定义在X-Y平面上的格点在一部分。然后，根据机加工仿真形状中的格点所具有的Z坐标值、当前刀具位置Z和△Z判断刀具是否在切削材料。对上述被判断的每个格点来说，可以计算出切削量，将每个格点的切削量相加起来便可获得单位时间切削量。
这时，由于还不知道基于△X、△Y和△Z的刀具移动是否真的执行，因此，既不会根据基于△X、△Y和△Z的刀具移动得到的切削量来刷新机加工仿真形状数据，也不会将该数据储存在仿真形状数据存储器211中。
NC程序发生单元23根据机加工累加单元28提供的刀具每转切削量和预先储存在本系统中的材料成分来计算切削阻力值R(公式1)和切削转矩T(公式2)。
适合于工作刀具的切削阻力值是通过刀具编号和本系统预先设置的刀具数据存储器获得的。
操作者可以在机加工之前为每个刀具设置适合于该刀具的切削阻力值。
将由公式1仿真得到的切削阻力值与适合于刀具的切削阻力值比较，如果由仿真得到的切削阻力值超过适合于刀具的切削阻力值的话可以通过计算馈送率来获得合适的切削阻力值。
例如，可以用公式3计算合适馈送率。
另一方面，如果由仿真得到的切削阻力值没有超过适合于刀具的切削阻力值，那么机加工形状刷新信号就被传送给机加工仿真单元28。
接收到来自NC程序发生单元23的机加工形状刷新信号之后，机加工仿真单元28就根据由符合于△X、△Y和△Z值的刀具移动得到的切削量来刷新机加工仿真形状数据并将该机加工仿真形状数据储存到仿真形状数据存储器211中。
刷新机加工仿真形状数据是通过从为每个格点储存的Z坐标值中减去切削量来实现的。
如果获得了用于产生合适切削阻力值的馈送率，NC程序发生单元23就使以前通过插入值处理得到的所有数据空闲，并重新计算单位时间内各个轴向的动程△X’、△Y’和△Z’，然后把△X’、△Y’和△Z’提供给机加工仿真单元28。
根据△X’、△Y’和△Z’，机加工仿真单元28以上述同样的方法计算刀具每转切削量。
根据刀具每转切削量，NC程序发生单元23以上述同样的方法计算仿真切削阻力值。
仿真切削阻力值是以插入值处理和采用NC程序发生单元23算出的合适馈送率得到的机加工仿真结果为基础的。由于仿真切削阻力值并不总是大于合适切削阻力值，因此机加工形状刷新信号被传送给机加工仿真单元28。
NC程序发生单元23计算各插入单元的合适馈送率。如果含有落入预定范围的合适馈送率的插入单元连续，那么就将这些单元连起来并在这些单元上加上合适的F命令。如果含有未落入预定范围的合适馈送率的插入单元相邻，那么就将这些单元分成独立块，在每一块上都加上合适的F命令。初始NC程序中的程序块就是用这种方法来分的。
在上述NC程序发生单元23的计算中，通过判断仿真切削阻力值是否从非零变化到零、或保持为零、或从零变为非零，可以分别测出从切削状态变化为空切削状态、连续保持空切削状态和从空切削状态变为切削状态的状态变化。用这种检测可以提高切削馈送率，使它达到快速横向速度或达到机加工说明存储器212中储存的最大插入速度，或者保持已提高的速度，或者减小已提高的速度，使它达到合适切削馈送率。
在本实施例中，不采用插入处理单元27，可以采用这样一种方法用NC程序译码单元26提供的块轨迹来计算每块切削量和每块机加工时间，根据计算结果判断馈送率是否合适，改变F命令。
另一方面，如果操作者预先在表格数据修改单元24中修改参考馈送率，那么修改量就被列入表示刀具种类、刀具尺寸、材料成分等参数与馈送率、主轴转数等量之间的关系的关系表中。
与用于NC机加工的本发明的机加工仿真设备与方法相关的第三实施例是这样一种机加工仿真设备它根据材料和刀具形状数据进行实时机加工仿真，根据诸如通过仿真识别出的切削量之类的数据和用于切削的刀具部分产生现行刀具操作信息。
下面将参照方框图6来说明。
方框图与方框图3的相同方块用相同的参考数字表示。由于要对方块重新进行解释，因此为便于理解，与图4中相同或类似的方块没有用相同的参考数字表示。
准备用于即将的机加工的NC程序被储存在NC程序存储器31中。
NC程序译码单元32一块一块地从NC程序存储器31中读出NC程序，并对这些程序块进行译码。NC程序译码单元26将在当前程序块中或在当前程序之前被指定为模态命令的插入值类型、目标位置和馈送率传送给插入处理单元33。NC程序译码单元32还向机加工仿真单元38提供刀具编号和主轴转动速度，并同时根据当前被指定的NC程序块向现行刀具操作信息发生单元36提供用于产生现行刀具操作信息所需要的信息(如用于刀具转动方向的T命令、S命令、M命令)。
插入处理单元33根据插入值类型、目标位置和馈送率计算各个轴的单位时间(每个插入周期)动程△X、△Y和△Z，并将它们传送给机加工仿真单元38。
预机加工形状发生单元310在NC程序产生之前从预先设置在本系统中的材料存储器39中读出材料形状数据。预机加工形状发生单元310将从材料存储器39中读出的数据转换成具有适合于即将的机加工仿真的数据结构的数据并将转换后的数据作为机加工仿真形状数据储存在仿真形状数据存储器311中。或者，在每次机加工仿真之前，操作者总能够输入材料形状数据，被输入的数据可以作为机加工仿真形状数据储存在仿真形状数据存储器311中。
预机加工形状发生单元310在与材料底面相对应的X-Y平面上以预定间隔定义格点，如图7(a)所示。根据材料形状数据，预机加工材料形状发生单元310对每个格点上是否有材料沿Z轴方向延伸进行判断，如果有材料沿Z轴方向延伸，就将离材料底面的高度作为对应于该格点的Z坐标值储存，否则就储存零值。通过这个步骤，材料存储器39中的材料形状数据就被转换成具有用于机加工仿真的形状数据结构的数据，转换后的数据被储存在仿真形状数据存储器311中。
如图7(b)所示，对单个格点来说，如果在沿Z轴方向的有材料空间之间存在无材料的空闲空间的话，那么对应于该格点储存的Z坐标值数据就不是单个值。因此，必须储存诸如材料部分的高度、空闲空间的高度、其它材料部分的高度之类的各个Z坐标值数据。
机加工仿真单元38根据NC程序译码单元32提供的刀具编号和本系统预存的刀具数据存储器来识别工作刀具的形状，如刀具直径。然后，机加工仿真单元38根据刀具直径、插入处理单元33提供的△X、△Y和△Z值以及需要时从仿真形状数据存储器311中顺序读出的机加工仿真形状数据将诸如每个插入值的切削量、切削长度和刀具的切削部分(用于切削的刀具部分)之类的数据传送给现行刀具操作信息发生单元36。
在机加工进行过程中，机加工仿真单元38还同时进行刷新处理，从仿真形状数据存储器311中的材料形状数据中除去切削量，虽然此处未对这个处理过程作详细说明。
现行刀具操作信息发生单元36产生下列现行刀具操作信息1)NC程序译码单元32传来的T命令；每个刀具切削量的累加和每个刀具切削长度的累加，它们是根据机加工仿真设备38传来的每次插入的切削量和切削长度得到的。
2)NC程序译码单元32传来的S命令；机加工仿真单元38传来的刀具切削部分；每个刀具刀刃的切削量的累加和切削长度的累加，它们是根据以上每个刀具切削量的累加和每个刀具切削长度的累加得到的。
3)NC程序译码单元32传来的T命令和S命令；机加工仿真单元38传来的被加工材料与刀具刀刃之间的碰撞次数的累加，其中，刀具的刀刃属于刀具的切削部分。
4)NC程序译码单元32传来的用于刀具转动方向的T命令和M命令；机加工仿真单元38传来的刀具接触角、切削宽度和切削长度。其中，不管是上切式铣削还是下切式铣削，刀具接触角都取决于刀具切削部分。
例如，在图9所示的机加工中，按照惯例只判断是否正在切削材料。然而，在本实施例中，可以在A点单独识别刀刃尖1-2、2-3、3-4、4-5之间的切削量。在B点，可以单独识别刀刃尖1-2、2-3之间和切削量，还可以识别出刀刃尖3-4、4-5之间没有切削。以上切削量累加起来就是每个刀刃尖的切削量。
在图10所示的机械加工中，按照惯例只判断是否正在切削材料。然而，在本实施例中，识别出A点的接触角大因而刀具正被加载，而B点的接触角小因而刀具未被大量加载。如图12所示，接触角是用于判断合适机械加工角度的一个指标信息。即使在图10所示的情况下也能够识别切削量。
以上信息作为每个刀具信息或每个刀具的刀刃信息被以图11所示的形式储存在现行刀具操作信息存储器37中。
现行刀具操作信息发生单元36可以根据切削监视单元35提供的主轴负载和馈送轴负载信号判断刀具是否处于空切削状态，并可以将判断结果与机加工仿真单元38提供的数据(出现或不出现刀具切削部分)进行比较。
以上参照第一实施例对第三实施例作了说明。然而，也可以参照第二实施例对第三实施例进行说明。
此外，还可以将这些实施例组合起来。
在以上任何实施例中，现行被加工材料或现行工作刀具的测量数据可以作为材料形状数据和刀具形状数据。如图13所示，还可以用被加工材料的实际测量结果来校正材料形状数据，或用工作刀具实际测量结果来校正刀具形状数据。
在以上任何实施例中，当预机加工形状发生单元110(或210或310)将读自材料存储器19(或29或39)的材料形状数据转换成具有适合于即将的机加工仿真的数据结构的数据时，可以通过把材料形状分割成图14(b)所示的三维格点来将材料形状数据储存在仿真形状数据储存单元111(或211或311)中。例如，在图14中的涂黑部分被消除的情况下，如果用格点将X-Y平面分割并且用Z坐标值表示材料高度，如图14(a)所示，那么Z坐标值便从Z(X)(Y)=h(1)改变为(h1-1)。另一方面，如图14(b)所示，如果用三维格点来分割材料，那么P(X、Y、h1)将从1变为0。
在第一实施例中，用于NC机加工的本机加工仿真设备对馈送率的控制是在插入值处理过程之后进行的，本机加工仿真设备得出的电动机转矩校正值被提供给伺服控制单元中的电流控制单元。
在第二实施例中，用于NC机加工的本机加工仿真设备独立于数字控制设备，NC程序中速度命令的确定是在机加工之前完成的。
在第三实施例中，用于NC机加工的本机加工仿真设备根据材料形状数据和刀具形状数据进行实时机加工仿真，现行刀具操作信息是根据诸如仿真产生的切削量和刀具切削部分之类的数据产生的。
然而，本发明的实施例并不局限于以上这些实施例，包括以上设备的各个装置可以用实现各个设备功能的步骤来代替。
此外，至少在第一和第二实施例中，如果材料形状、刀具形状和插入值数据的相应内容已准备好，并且已输入到本发明设备与方法中，那么本发明的设备与方法就能在机加工之前。在机加工过程以及在机加工之后正确产生切削量、切削阻力值和形状数据，能在以上对实施例的解释所述的整个过程中正确地产生合适的馈送率。
如果本设备与方法的馈送控制被插在NC程序译码单元与插入处理单元之间，那么利用这个产生合适馈送率的功能就能够在现行插入处理之前确定合适馈送率。
此外，如果本设备与方法的馈送率控制被插在NC程序译码单元与预插入加速度/负加速度处理单元之间，那么利用包含预插入加速度/负加速度处理单元的数字控制系统就可以以合适馈送率进行机加工，可以消除由加速度或负加速度所造成的形状误差，避免机床振动。其中，预插入加速度/负加速度处理单元用在插入值处理之前，它用于避免由诸如馈送率突变引起的机床振动、刀具损坏和馈送率变化之类的加速度/负加速度所造成的形状误差。
机加工之前、机加工过程中、机加工之后的材料形状是按照顺序产生的，虽然此处没有对此作解释。因此，通过将材料形状数据输入到图形显示单元中，该数据可以用于图形显示功能。同样，如果通过取出切削量、切削阻力值等参数并对它们涂色来完成图形显示，那么机加工状态的变化可以用图形方式显示出来。
尽管对本发明的优选实施例作了说明，但应当理解，可以从优选实施例得出各种改型，因此附属权利要求意在覆盖所有属于本发明思想范围的改型。
本发明的有益结果按照本发明，由于在机加工之前进行有关图形数据的机加工仿真，因此能方便地实现最佳馈送率的机械加工，当条件适合于现行机加工时，在仿真结果的基础上可以获得现行机加工及产生机加工程序所需要的馈送率、转矩正馈量等量。
馈送率的最优化可以在NC程序产生步骤中完成、或在NC程序译码之后完成，或在插入值处理过程中完成。
此外，由于能产生准确的现行刀具操作信息，因此机床刀具使用者可以通过对信息的分析确定长期自动化操作的机加工条件，改善机加工技术，提高工件形状精度和加工面精度，刀具生产者还可以致力于开发适合于用户环境的长寿命、高耐磨的刀具。
权利要求
1.一种用于NC机加工的机加工仿真设备，它包括机加工仿真单元，它用于根据机加工信息模拟对被切削材料的切削；和数字控制命令发生单元，它用于根据从机加工仿真单元获得的切削信息产生数字控制命令。
2.一种用于NC机加工的机加工仿真设备，它包括机加工仿真单元，它用于根据机加信息模拟对材料的切削；和现行刀具操作信息发生单元，它用于根据从机加工仿真单元获得的切削信息产生现行刀具操作信息。
3.根据权利要求1或2所述的用于NC机加工的机加工仿真设备，其中，机加工信息包括NC程序、材料形状数据和刀具形状数据。
4.根据权利要求1或2所述的用于NC机加工的机加工仿真设备，其中，机加工仿真单元包括材料形状数据发生单元，它用于在仿真之前将材料形状数据转换成用三维格点分割的机加工仿真形状数据；仿真形状存储器，它用于储存机加工仿真形状数据；和切削量计算单元，当刀具穿过格点上的材料区域时它用于根据NC程序和刀具形状数据计算刀具的切削量，和用于刷新有关刀具所经过的格点上有材料或无材料的信息。
5.根据权利要求1或2所述的用于NC机加工的机加工仿真设备，其中机加工仿真单元包括材料形状数据发生单元，它用于在仿真之前用格点分割材料形状数据的材料底面和将材料形状数据转换成机加工仿真形状数据，其中，材料的高度用格点的垂直高度数据表示仿真形状存储器，它用于储存机加工仿真形状数据；和切削量计算单元，当刀具穿过格点上的材料区域时它用于根据NC程序和刀具形状数据计算刀具的切削量，和用于刷新有关刀具所经过的格点上有材料或无材料的信息。
6.根据权利要求5所述的用于NC机加工的机加工仿真设备，其中，垂直高度数据包括有材料区域的高度、或有材料区域高度与无材料区域高度的组合。
7.根据权利要求1所述的用于NC机加工的机加工仿真设备，其中，数字控制命令发生单元产生NC程序或NC程序译码数据或插入数据以便使作为切削信息获得的切削量或切削阻力阻或切削转矩落入预定范围，其中，NC程序译码数据是通过数字控制设备对NC程序进行译码而产生的，插入数据是由NC译码数据产生的。
8.根据权利要求1所述的用于NC机加工的机加工仿真设备，其中，数字控制命令发生单元利用作为切削信息获得的切削量的变化确定转矩正馈量以便使馈送率或切削速度落入预定范围。
9.根据权利要求1所述的用于NC机加工的机加工仿真设备，其中，当作为切削信息的切削阻力值变为零时，数字控制命令发生单元用机床的快速横向速度取代NC程序馈送率或NC程序译码数据中的馈送率，其中NC程序译码数据是通过对数字控制设备中的NC程序进行译码而产生的。
10.根据权利要求1所述的用于NC机加工的机加工仿真设备，其中，当作为切削信息的切削阻力值变为零时，数字控制命令发生单元用机床的较快插入速度取代NC程序馈送率或NC程序译码数据中的馈送率，其中NC程序译码数据是通过数字控制设备对NC程序进行译码而产生的。
11.根据权利要求1所述的用于NC机加工的机加工仿真设备，其中数字控制命令发生单元包括负载检测单元，它用于对主轴负载或馈送轴负载中的至少一个量进行实际检测；和插入中止单元，它用于在负载检测单元测出的负载以及作为切削信息的切削量、切削阻力值、切削转矩超过预定关系时中止插入处理。
12.根据权利要求2所述的用于NC机加工的机加工仿真设备，其中，现行刀具操作信息发生单元具有对每个被用刀具的切削量或切削长度中的至少一个量进行累加的功能。
13.根据权利要求2所述的用于NC机加工的机加工仿真设备，其中，现行刀具操作信息发生单元具有对每个被用刀具的刀尖的切削量或切削长度中的至少一个量进行累加的功能。
14.根据权利要求2所述的用于NC机加工的机加工仿真设备，其中，现行刀具操作信息发生单元具有对材料与每个被用刀刃之间的碰撞次数进行累加的功能。
15.根据权利要求2所述的用于NC机加工的机加工仿真设备，其中，现行刀具操作信息发生单元具有对每个被用刀具的上切式铣削或下切式铣削的接触角、切削宽度和切削深度中的至少一个量进行储存的功能。
16.根据权利要求3所述的用于NC机加工的机加工仿真设备，其中，材料形状数据是在被输入的材料形状数据的基础上通过机加工仿真得到的形状数据、或者是通过对部分形状数据的校正而产生的数据。其中，所述部分形状数据是用实测的材料形状数据进行机加工仿真得到的。
17.根据权利要求3所述的用于NC机加工的机加工仿真设备，其中，刀具形状数据是通过用实测的刀具形状数据对被输入的刀具形状数据进行校正而产生的数据。
18.一种用于NC机加工的机加工仿真方法，它包括以下步骤机加工仿真步骤，它用于根据机加工信息模拟对材料的切削；和数字控制命令产生步骤，它用于根据机加工仿真步骤中获得的切削信息产生数字控制命令。
19.一种用于NC机加工的机加工仿真方法，它包括以下步骤机加工仿真步骤，它用于根据机加工信息模拟对材料的切削；和现行刀具操作信息产生步骤，它用于根据在机加工仿真步骤中获得的切削信息产生现行刀具操作信息。
20.根据权利要求18所述的用于NC机加工的机加工仿真方法，其中，在数字控制命令产生步骤中，NC程序或NC程序译码数据或插入数据被生成，以便使作为切削信息的切削量或切削阻力值或切削转矩落入预定范围，其中，NC程序译码数据是通过在数字控制设备中对NC程序译码而产生的，插入数据是由NC程序译码数据产生的。
21.一种用于储存程序的媒体，所述程序使计算机执行以下过程机加工仿真过程，它用于根据机加工信息模拟对材料的切削；和数字控制命令产生过程，它用于根据切削信息产生数字控制命令。
22.根据权利要求21所述的媒体，其中，使计算机执行机加工仿真过程的程序产生NC程序或NC程序译码数据或插入数据以便使作为切削信息的切削量或切削阻力值或切削转矩落入预定范围，其中，NC程序译码数据是通过在数字控制设备中对NC程序译码而产生的，插入数据是由NC程序译码数据产生的。
23.一种用于储存程序的媒体，所述程序使计算机执行以下过程机加工仿真过程，它用于根据机加工信息模拟对材料的切削；和现行刀具操作信息产生过程，它用于根据切削信息产生现行刀具操作信息。
全文摘要
一种NC机加工仿真方法,其中,为了通过正反馈控制来修改NC程序或插入数据,根据坯料形状数据、刀具形状数据和NC程序进行机加工仿真因而能获得最佳切削条件。仿真结果可以用于校正下一步的NC程序和插入数据。此外,根据该仿真结果还可以产生被用刀具的记录。
文档编号G05B19/416GK1215358SQ96180192
公开日1999年4月28日 申请日期1996年11月7日 优先权日1996年11月7日
发明者山崎和雄, 山本京一, 森田尚起, 松宫贞行 申请人:大隈株式会社, 株式会社森精机制作所, 三丰株式会社, 山崎和雄