专利名称：数值控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于加工设备的数值控制器，该加工设备具有用于执行五轴加工的三个线性轴和至少两个旋转轴。
背景技术：
美国专利6,735,495号中描述了一种用于五轴加工的已知配置，其中通过对用于刀具末端点的移动路径进行编程以及在该移动路径的起始点和结束点指定刀具的姿态来加工圆锥体表面等。
图11a和11b是说明美国专利6,735,495号中描述的圆锥体表面加工的视图。图11a是立体图，而图11b是自图11a取得的平面图。在此加工中，由圆弧指定刀具末端的路径，并且将该路径的起始点和结束点的刀具姿态矢量分别编程为起始点矢量和结束点矢量。在连接起始点矢量和结束点矢量的平面上的第一角度PHI(起始点矢量与作为在该矢量连接平面上刀具姿态矢量的投影线之间的角度)和垂直于该连接平面的刀具姿态矢量的第二角度PSI被插入。通过这样做，可以以这样的方式加工该圆锥体表面刀具末端沿着编程的圆弧移动，并且该圆锥体表面上的刀具姿态从起始点矢量的方向改变为结束点矢量的方向。
此外，如图12所示，还描述了一种方法，其中通过在刀具姿态矢量的中心轴的周围插入圆锥体旋转角度和圆锥体末端角度来加工圆锥体表面，该圆锥体旋转角度作为第一角度PHI给出，而该圆锥体末端角度作为第二角度PSI。另外，如图13所示，描述了一种情况，其中对非圆形底面执行加工，刀具末端点通过多项式插值沿该非圆形底面以相对圆锥体表面变化的角度移动。
美国专利6,735,495号中描述的配置是基于这样的假设加工是在该圆锥体表面上或者相对于该圆锥体表面变化的表面上执行，并且起始点矢量、结束点矢量和在圆锥体表面上的刀具姿态矢量被插入，或者它们的延长线在一个点上彼此相交。
然而，所给出的起始和结束矢量以及通过计算获得的刀具姿态矢量并非总是出现在同一圆锥体表面上。例如，在加工具有在图14a和14b所示的形状的表面过程中，上述专利文献中描述的方法不能确保插值。
图14a是立体图，而图14b是自图14a取得的平面图。在图14a和14b所示的例子中，起始点和结束点矢量的延长线彼此永不相交。这是因为起始点和结束点矢量不是在具有圆形底面的圆锥体表面上。
发明内容
本发明提供一种数值控制器，该数值控制器能进行即便是图14所示的加工表面的加工，也就是，能进行任何圆锥体表面的五轴加工，其中起始点矢量、结束点矢量和圆锥体表面上的刀具姿态矢量被插入，或者它们的延长线永不彼此相交。
本发明的数值控制器控制加工设备，所述加工设备具有加工工件的刀具以及驱动包括至少两个旋转轴的多个轴的伺服马达，其中插值处理是执行由加工程序所命令的刀具运动路径，并且基于所述插值处理对所述多个轴分别输出运动指令。所述数值控制器包括分析装置，用于分析加工程序的指令，并且分别获得圆弧形状、所述圆弧的起始点和结束点的位置以及与在所述圆弧的起始点和结束点的工件相关的刀具姿态的数据；插值装置，基于所述分析装置获得的所述数据，在每个取样周期获得所述圆弧的插值位置以及在所述圆弧的所述插值位置的刀具姿态的数据；位置计算装置，基于所述插值装置获得的数据获得所述多个轴的目标位置；以及移动装置，用于将所述多个轴移动到由所述位置计算装置获得的所述目标位置。
所述分析装置可以获得所述圆弧的长度，分别在所述圆弧的起始点和结束点上所述刀具的姿态与所述圆弧的切线方向之间的角度以及分别在所述圆弧的起始点和结束点上所述刀具的姿态与所述圆弧所在的平面上的所述圆弧的法线方向之间的角度的数据；以及所述插值装置可获得从所述圆弧的起始点到插值点的弧形长度，并且使用所述圆弧的长度和从所述圆弧的起始点到插值点的弧形长度通过插入由所述分析装置获得的在所述圆弧的起始点和结束点的所述刀具的姿态的角度，获得在所述圆弧的插值点的所述刀具的姿态与所述圆弧的切线方向之间的角度和在所述圆弧的插值点的所述刀具的姿态与所述圆弧的法线方向之间的角度。
所述位置计算装置基于所述插值装置获得可获得在所述圆弧的插值位置处的所述刀具的姿态的刀具姿态矢量的数据，以及通过使用所述刀具姿态矢量获得在所述圆弧的插值点的所述旋转轴的旋转位置以及在所述圆弧的插值点的除了所述旋转轴之外的轴的位置。
所述加工程序的指令可包括所述圆弧的中心点、起始点和结束点的位置的指定以及在所述圆弧的起始点和结束点的所述旋转轴的旋转位置的指定。
所述加工程序的指令可包括所述圆弧的起始点和结束点的位置以及所述圆弧的中点的位置的指定，以及在所述圆弧的起始点、结束点和中点的所述旋转轴的旋转位置的指定。
所述加工设备可具有配置成可由所述两个旋转轴旋转的刀具头，配置成可由所述两个旋转轴旋转的工作台或配置成可由所述两个旋转轴旋转的刀具头和工作台。
可以执行任何圆锥体表面的加工，其中在起始点的刀具姿态矢量、在结束点的刀具姿态矢量以及在圆锥体表面上的姿态位置矢量被插入，或者它们的延长线永不彼此相交，以及矢量彼此相交的其他加工表面。编程的圆弧不限于二维的圆弧，并且也可以执行三维编程的圆弧的加工。
图1是说明本发明的原理的视图；图2是说明在插值点的刀具姿态、行进方向矢量、法线方向矢量和刀具姿态矢量之间的关系的图；图3是说明依据本发明第一和第二实施例的执行加工的五轴机床的配置的视图；图4是说明依据本发明第一实施例在初始点、结束点和中点的行进方向矢量、法线方向矢量和刀具姿态矢量的图；图5是说明依据本发明第二实施例在初始点、结束点和中点的行进方向矢量、法线方向矢量和刀具姿态矢量的图；图6是表示依据本发明第三实施例执行加工的五轴机床的配置的视图；图7是表示依据本发明第四实施例执行加工的五轴机床的配置的视图；
图8是表示执行本发明的每个实施例的数值控制器的基本部件的功能方框图；图9是表示依据本发明第一实施例在分析部中圆锥体表面的加工处理的算法的流程图；图10是表示依据本发明第一实施例在圆锥体表面的加工处理中的插值处理的算法的流程图；图11a和11b是说明加工第一圆锥体表面的现有技术的视图；图12是说明加工第二圆锥体表面的现有技术的视图；图13是说明加工第三圆锥体表面的现有技术的视图；图14a和14b是说明现有技术不能加工的圆锥体表面的视图。
具体实施例方式
图1是说明本发明的原理的视图。
在图1中，数值1表示刀具，2表示圆弧平面，编程的圆形4位于该圆弧平面上，3表示线性轴的XYZ轴控制点。假设从起始点(xs，ys，zs)到结束点(xe，ye，ze)的圆形被编程。这里所提到的行进方向是圆弧的行进方向，而法线方向是在圆弧平面上垂直于圆弧行进方向的方向，并且角度和长度定义如下as在起始点的行进方向的角度；bs法线方向在起始点的角度；ae在结束点的行进方向的角度；be在结束点的法线方向的角度；ai在插值点的行进方向的角度；bi在插值点的法线方向的角度；cl编程的弧形的长度；以及ci从起始点到圆形插值点的弧形长度。
并且，矢量定义如下Vt(i，j，k)表示刀具姿态的刀具姿态矢量；Vts(is，js，ks)在起始点的刀具姿态矢量；Vte(ie，je，ke)在结束点的刀具姿态数量；
Vtans(tanis，tanjs，tanks)表示在起始点的行进方向的行进方向矢量；Vnors(noris，norjs，norks)表示在起始点的法线方向的法线方向矢量；Vtane(tanie，tanje，tanke)表示在结束点的行进方向的行进方向矢量；Vnore(norie，norje，norke)表示在结束点的法线方向的法线方向矢量；Vtani(tanii，tanji，tanki)表示在插值点的行进方向的行进方向矢量；Vnori(norii，norji，norki)表示在插值点的法线方向的法线方向矢量；以及Vti(ii，ji，ki)在插值点的刀具姿态矢量。
从编程的起始点(xs，ys，zs)和结束点(xe，ye，ze)以及圆形指令获得编程的弧形的长度cl。而且，从起始点和结束点以及弧形中心获得在起始点和结束点上的法线方向矢量Vnors、Vnore以及行进方向矢量Vtans、Vtane。此外，从表示在起始点和结束点的刀具姿态的指令获得在起始点和结束点的刀具姿态矢量Vts、Vte。而且，基于这些矢量获得在起始点和结束点的刀具姿态和行进方向之间的角度as、ae以及在起始点和结束点的刀具姿态和法线方向之间的角度bs、be。通常，通过众所周知的技术圆形插值处理获得圆弧上的插值位置(cxi，cyi，czi)，以及获得从起始点到插值位置的圆弧ci。而且，获得在插值点的刀具姿态(ai，bi)如下ai＝ci/cl*(ae-as)+as(1)bi＝ci/cl*(be-bs)+bs(2)此外，通过常规的圆形插值处理获得在插值点的行进方向矢量Vtani和法线方向矢量Vnori。
图2表示在获得的插值点的刀具姿态(ai，bi)、行进方向矢量Vtani(tanii，tanji，tanki)、法线方向矢量Vnori(norii，norji，norki)以及刀具姿态矢量Vti(ii，ji，ki)之间的关系。基于刀具姿态矢量Vti和行进方向矢量Vtani的内积以及刀具姿态矢量Vti和法线方向矢量Vnori的内积，下列等式(3)和(4)成立Vti·Vtani＝cos(ai)(-(ii，ji，ki)·(tanii，tanji，tanki))＝cos(ai)-(ii*tanii+ji*tanji+ki*tanki)＝cos(ai) (3)
Vti·Vnori＝os(bi)(-(ii，ji，ki)·(norii，norji，norki))＝cos(bi)-(ii*norii+ji*norji+ki*norki)＝cos(bi) (4)由于刀具姿态矢量Vti是单位矢量，而且下列等式(5)成立ii2+ji2+ki2＝1 (5)从这些等式(3)-(5)获得刀具姿态矢量Vti(ii，ji，ki)。
旋转轴的旋转位置是从获得的刀具姿态矢量Vti(ii，ji，ki)确定的。而且，可以从由圆形插值和刀具姿态矢量Vti(ii，ji，ki)或旋转轴的旋转位置获得的插值位置(cxi，cyi，czi)获得线性轴的位置，即XYZ轴控制点3的位置(Xai，Yai，Zai)。旋转轴的旋转位置和XYZ轴控制点位置(Xai，Yai，Zai)是取决于机床刀具的旋转轴的配置以不同方式获得的，这将在下面描述。
作为线性轴的X、Y和Z轴移动到作为插值位置获得的XYZ轴控制点位置(Xai，Yai，Zai)，并且旋转轴移动到插入的旋转位置。通过这样，可以驱动这些轴，使得刀具末端点位于弧形位置中并且刀具姿态处于插入角度(ai，bi)。
依据这个系统，可以插入起始点矢量和结束点矢量，而不考虑他们各自延长线的相交，因此，可以加工圆锥体表面。
前述的刀具姿态是相对于工件的刀具方向。因此，这个系统同样可以应用于具有旋转刀具头的机床、具有旋转工作台的机床以及具有可旋转的刀具头和可旋转的工作台的机床。
第一实施例依据第一实施例，本发明应用于控制五轴机床的数值控制器。如图3所示，五轴机床具有为线性轴的X、Y和Z轴，在Y轴周围的刀具1的头部旋转的B轴以及在Z轴周围旋转的C轴。在此机床中，刀具1相对于安装在工作台5上的工件6线性移动并旋转。
图3表示加工工件6以形成由点PA、PB、PC和PD围绕的圆锥体表面的情况。线PA-PB是圆弧。圆弧平面2不必基于X-Y、Y-Z或Z-X平面上的二维圆形。在图3所示的例子中，圆弧PA-PB表示在倾斜于X-Y平面的表面上。然而，基于刀具直径的考虑，将圆弧PA’-PB’编程为PA-PB的实际圆形指令。
在第一实施例的情况下，圆弧平面2由X-Y平面表示。例如，在这种情况中使用的程序如下G43.4 H01刀具末端点控制指令；G90 G01 X100.0 Y200.0 Z50.0 B-10.0 F1000移动到点PA’和刀具倾斜的指令；G03 G17 X160.555 Y400.0 I-300.0 J200.0 B-20.0 C20.0点PB’的圆形指令和刀具倾斜的指令；…………G49取消刀具末端点控制。
在这个程序中，“G43.4”是表示刀具末端点控制指令的代码，“H”是指定偏移数的代码，而“H01”是指定偏移数01的指令。而且，“G90”是绝对指令的代码，“G01”是线性插值(切割馈送)指令的代码，以及X、Y、Z、B和C分别是X、Y、Z、B和C轴的位置指令。F是速度指令。而且，“G03”是圆形插值指令(逆时针)，I是从弧形起始点到弧形中心的X轴分量的指令，以及J是从弧形起始点到弧形中心的Y轴分量的指令。
由于法线不会指向圆弧中心，基于I＝从弧形起始点到弧形中心的X轴分量＝300.0和J＝从弧形起始点到弧形中心的Y轴分量＝200.0，可以获得以此方式编程的、在起始点的法线方向矢量Vnors(noris，norjs，norks)为vnors=(-3/(13),2/(13),0)=(-0.832,0.555,0.0).]]>而且，可以获得垂直于法线方向矢量Vnors的、在起始点的行进方向矢量Vtans为Vtans(0.555，0.832，0.0)。
由于在起始点的B和C轴的编程的位置分别是B＝-10.0和C＝10.0，而且可以获得在起始点的刀具姿态矢量Vts(is，js，ks)为Vts(-sinBcosC，-sinBsinC，-cosB)＝(-sin(-10.0)cos(10.0)，-sin(-10.0)sin(-10.0)，-cos(10.0))＝(0.171，0.030，-0.985)。
同样地，可以分别获得在起始点的法线方向矢量Vnore、行进方向矢量Vtane和刀具姿态矢量Vte为Vnore＝(-1.0，0.0，0.0)、Vtane＝(0.0，1.0，0.0)以及Vte＝(-sin(-20.0)cos(20.0)，-sin(-20.0)sin(20.0)，-cos(-20.0))＝(0.321，0.117，-0.940)。
通过计算在起始点的刀具姿态矢量Vts和行进方向矢量Vtans的内积，可以获得在起始点的到行进方向的角度为as＝94.001度。通过计算在起始点的刀具姿态矢量Vts和法线方向矢量Vnors的内积，可以获得在起始点的到法线方向的角度为bs＝84.85度。通过计算在结束点的刀具姿态矢量Vte和行进方向矢量Vtane的内积，可以获得在结束点的到行进方向的角度为ae＝83.282度。通过计算在结束点的刀具姿态矢量Vte和法线方向矢量Vnore的内积，可以获得在结束点的到法线方向的角度为be＝71.253度。
图4表示在该程序中在起始点PA’和结束点PB’的行进、法线和刀具姿态矢量。每个矢量均是单位矢量。
而且，从编程值I和J获得圆弧的半径，从起始点的法线方向矢量Vnors到结束点的法线方向矢量Vnore的变化获得圆弧的旋转角度，并且基于该半径和旋转角度获得编程的弧形长度cl。在这个程序的情况下，弧形长度cl为cl＝212.007。
因此，在获得圆形插值点(cxi，xyi，czi)时执行现有技术的常规的圆形插值，并根据前述等式(1)和(2)计算刀具姿态(ai，bi)。而且，通过常规的圆形插值获得在插值点的行进方向矢量Vtani和法线方向矢量Vnori。
基于以这种方式获得的插值点的刀具姿态(ai，bi)、行进方向矢量Vtani和法线方向矢量Vnori，通过执行前述等式(3)和(5)的计算获得刀具姿态矢量Vti(ii，ji，ki)。
由于分别以B和C轴位置Bai和Cai旋转B和C轴位置为0度的刀具姿态(0，0，-1)获得刀具姿态矢量Vti(ii，ji，ki)，因此，以下的等式(6)成立。通过解等式(6)可以获得移动距离的B和C轴位置Bai和Cai。虽然可以获得Bai和Cai的多个解，仍选择接近于最近的B和C轴位置的位置。
iijiki=cos(Cai)-sin(Cai)0sin(Cai)cos(Cai)0001cos(Bai)0sin(Bai)010-sin(Bai)0cos(Bai)001---(6)]]>如果由程序代码“H01”指定的刀具长度为tl，则根据下列等式(7)-(9)，通过以刀具长度tl补偿圆形插值点(cxi，cyi，czi)可以获得移动的X轴位置Xai、Y轴位置Yai和Z轴位置Zai，或者XYZ轴控制点3(B和C轴、旋转轴在此点上彼此相交)的位置
Xai＝cxi-ii*tl (7)Yai＝cyi-ji*tl (8)Zai＝czi-ki*tl (9)因此，根据等式(6)，通过分别移动X、Y和Z轴到位置Xai、Yai和Zai，以及分别移动旋转轴或B和C轴到位置Bai和Cai，可以加工工件6以形成由点PA、PB、PC和PD围绕的圆锥体表面，如图3所示的。
第二实施例由依据第二实施例的数值控制器控制的机床刀具的配置与图3所示的第一实施例相同。而且在第二实施例中，通过加工形成由点PA、PB、PC和PD围绕的圆锥体表面，并且线PA-PB是圆弧。然而，这个圆弧不是在X-Y、Y-Z或Z-X平面上的二维弧形。其上表示该圆弧的圆弧平面2是倾斜的并且不是二维弧形，因此，中点PM被编程。
如在第一实施例的情况下，基于刀具直径的考虑，圆弧PA’-PB’和中点PM’被编程为实际的圆形指令。
例如，如果以起始点PA’(100.0，200.0，50.0)、结束点PB’(174.166，400.0，150.0)和弧形中心(-200，400，150)编程圆弧，则可以编程中间点PM’的(157.071，300.0，100.0)。在此情况下，程序可以给出如下G43.4 H01刀具末端点控制指令；G90 G01 X100.0 Y200.0 Z50.0 B-10.0 F1000移动到到点PA’和刀具倾斜的指令；G03.4 X157.071 Y300.0 Z100.0 B-15.0 C15.0三维圆弧、PM’(中点)、在中点的刀具倾斜的指令；X174.166 Y400.0 Z15.0 B-20.0 C20.0移动到点PB’和刀具倾斜的指令；…………G49取消刀具末端点控制。
基于这些程序指令和圆弧，以与第一实施例相同的方式获得在起始点PA’、结束点PB’和中点PM’的行进方向矢量Vtans、Vtane、Vtanm，法线方向矢量Vnors、Vnore、Vnorm以及刀具姿态矢量Vts、Vte、Vtm。图5表示这些矢量。每个矢量均为单位矢量。
如在第一实施例中，基于以这种方式获得的在各个点的行进、法线和刀具姿态矢量，通过计算刀具和行进方向矢量的内积，可以获得到在起始点和结束点的到行进方向的角度as和ae以及在中点的在行进和刀具姿态之间的角度am，分别为as＝76.744度，ae＝71.602度和am＝73.718度，并且通过计算刀具和法线方向矢量的内积，可以获得到在起始点和结束点的法线方向的角度bs和be，以及在中间点的法线和刀具姿态之间的角度bm，分别为bs＝67.406度，be＝71.253度和bm＝69.528度。
而且，如在第一实施例中，获得从起始点PA’到中点PM’的编程弧形长度为clm＝126.124，以及从中点PM’到结束点PB’的编程弧形长度为clb＝113.538。
然后，在获得从起始点到圆形插值位置的弧形长度ci时，执行三维空间中的圆形插值，一种常规技术，并且获得在插值点的刀具姿态(ai，bi)如下(1)从起始点PA’到中点PM’的插值点的情况ai＝ci/clm*(am-as)+am (10)bi＝bi/clm*(bm-bs)+bs (11)(2)从中点PM’到结束点PB’的插值点的情况ai＝(ci-clm)/clb*(ae-am)+am(12)bi＝(ci-clm)/clb*(be-bm)+bm(13)第二实施例不同于第一实施例之处在于获得在中点的刀具姿态(ai，bi)的方法。更具体地讲，区别在于以等式(10)-(13)代替依据第一实施例的计算刀具姿态(ai，bi)的等式(1)-(2)。
而且，同第一实施例一样，通过常规的三维空间中的圆形插值可以获得在中点的行进方向矢量Vtani和法线方向矢量Vnori。
同第一实施例一样，基于以这种方式获得的插值点的刀具姿态(ai，bi)、行进方向矢量Vtani和法线方向矢量Vnori，通过执行前述等式(3)和(5)的计算来获得刀具姿态矢量Vti(ii，ji，ki)，并且通过进一步执行等式(6)的计算获得B和C轴的Bai和Cai。
进一步，同第一实施例一样，通过执行等式(7)-(9)的计算，获得该移动的X轴位置Xai、Y轴位置Yai和Z轴位置Zai。
通过分别将X、Y和Z轴移动到获得的位置Xai、Yai和Zai，以及将旋转轴或B和C轴分别移动到获得的位置Bai和Cai，可以加工工件6以形成图3所示的、由点PA、PB、PC和PD围绕的圆锥体表面。
第三实施例第三实施例是一个例子，其中使用五轴加工的机床刀具加工而形成圆锥体表面，设计该机床刀具使得安装工件的工作台而不是刀具头被旋转。图6表示这种机床刀具的略图。它具有相互垂直的线性轴X、Y和Z轴，平行于X轴的用于旋转的旋转A轴，以及平行于Z轴的用于旋转的旋转C轴。刀具1相对于工作台5和工件6线性移动，并且通过旋转A和C轴来旋转工作台5。
在加工工作台5上的工件6来形成由点PA、PB、PC和PD围绕的表面时，也在以这种方式构造的机床中，与第一和第二实施例一样，考虑到刀具的直径，将PA’-PB’编程为圆弧。可以以与第一和第二实施例相同的方式执行这样的加工。
在这种情况下，图6的工作台5上的Xp-Yp-Zp被用作程序坐标系统，该程序坐标系统用于在其上编程。在编程刀具末端点控制模式时，程序坐标系统用作工件坐标系统。该工件坐标系统的原点以(w0x，w0y，w0z)给出。假设A和C轴各自的旋转中心彼此相交，并且以(rcx，rcy，rcz)给出它们的位置。该程序坐标系统随工作台旋转而旋转。
在第三实施例中，与第一和第二实施例一样，获得圆弧上的插值点(cxi，cyi，czi)，获得在每个插值点的刀具姿态(ai，bi)，并且获得刀具姿态矢量Vti(ii，ji，ki)。这样，如果将圆弧PA-PB编程为在程序坐标系统中的X-Y、Y-Z或Z-X平面上的二维圆弧，则依据等式(1)和(2)获得刀具姿态(ai，bi)，并依据等式(3)、(4)和(5)获得刀具姿态矢量Vti(ii，ji，ki)。另一方面，如果圆弧PA-PB不是二维圆弧，将中点PM编程，则依据等式(10)-(13)获得刀具姿态(ai，bi)，然后依据等式(3)、(4)和(5)获得刀具姿态矢量Vti(ii，ji，ki)。
接着，依据代替等式(6)-(9)的以下等式(14)和(15)，获得用于移动的A轴位置Aai、C轴位置Cai、X轴位置Xai、Y轴位置Yai和Z轴位置Zai。
由于机床坐标系统上的刀具姿态为(0，0，-1)，刀具姿态矢量Vti(ii，ji，ki)应旋转该C和A轴位置Cai和Aai来获得(0，0，-1)，因此，等式(14)成立。可以通过解等式(14)获得用于移动的该C和A轴位置Cai和Aai。由于工作台旋转的正方向与该坐标系统的方向相反，因此，Aai和Cai具有负号。
00-1=1000cos(-Aai)-sin(-Aai)0sin(-Aai)cos(-Aai)cos(-Cai)-sin(-Cai)0sin(-Cai)cos(-Cai)0001iijiki---(14)]]>而且，如果程序坐标系统上的圆形插值点为(cxi，cyi，czi)，则可以通过执行以下等式(15)的计算来获得用于移动的X、Y和Z轴位置Xai、Yai和Zai。位置Xai、Yai和Zai对应于图6所示的XYZ轴控制点(刀具的源位置(rootposition))3。
XaiYaiZai1=100rcx0cos(-Aai)-sin(-Aai)rcy0sin(-Aai)cos(-Aai)rcz0001cos(-Cai)-sin(-Cai)00sin(-Cai)cos(-Cai)0000100001w0x+cxi-rcxw0y+cyi-rcyw0z+czi-rcz1+00tl0]]>....(15)第四实施例如图7所示，在第四实施例中，工作台5的旋转轴为单轴(C轴)，并且利用刀具具有一个旋转轴(B轴)的五轴机床来执行加工。这个机床具有X、Y和Z轴，它们是彼此垂直的线性轴，平行于Y轴的用于刀具旋转的旋转B轴和平行于Z轴的用于工作台旋转的旋转C轴。
同样在以这种方式构造的机床中，可以加工安装在工作台5上的工件6以形成由点PA、PB、PC和PD围绕的圆锥体表面。与第一和第二实施例一样，考虑到刀具直径，将PA’-PB’编程为圆弧。可以以与第一和第二实施例相同的方式进行这样的加工。
在这种情况下，图7的工作台5上的Xp-Yp-Zp用作程序坐标系统，用于在其上编程。在编程刀具末端点控制模式时，该程序坐标系统用作工件坐标系统。该工件坐标系统的原点以(w0x，w0y，w0z)给出，并且C轴的旋转中心的位置以(rcx，rcy，rcz)给出。该程序坐标系统随工作台的旋转而旋转。
在第四实施例中，与第三实施例一样，如果将圆弧PA-PB编程为在程序坐标系统中的X-Y、Y-Z或Z-X平面上的二维圆弧，则依据等式(1)和(2)获得刀具姿态(ai，bi)，并依据等式(3)、(4)和(5)获得刀具姿态矢量Vti(ii，ji，ki)。另一方面，与第三实施例(或者第一和第二实施例)一样，如果圆弧PA-PB不是二维圆弧，将中点PM编程，则依据等式(10)-(13)获得刀具姿态(ai，bi)，然后依据等式(3)、(4)和(5)获得刀具姿态矢量Vti(ii，ji，ki)。
基于以这种方式获得的刀具姿态矢量Vti(ii，ji，ki)，依据以下等式(16)和(17)获得用于移动的B轴位置Bai、C轴位置Cai、X轴位置Xai、Y轴位置Yai和Z轴位置Zai。
由于通过将B轴位置为0度的刀具姿态(0，0，-1)旋转了B轴位置Bai而获得的矢量是与通过将刀具姿态矢量Vti(ii，ji，ki)旋转了C轴位置Cai获得的矢量相同，因此，以下等式(16)成立。通过解等式(16)可以获得移动距离的C和B轴位置Cai、Bai。
cos(Bai)0sin(Bai)010-sin(Bai)0cos(Bai)00-1=cos(-Cai)-sin(-Cai)0sin(-Cai)cos(-Cai)0001iijiki---(16)]]>而且，如果程序坐标系统上的圆形插值点为(cxi，cyi，czi)，则通过执行以下等式(17)的计算可以获得用于移动的X、Y和Z轴位置Xai、Yai和Zai。位置Xai、Yai和Zai对应于图7所示的XYZ轴控制点(B轴的旋转中心的位置)3。
XaiYaiZai1=cos(-Cai)-sin(-Cai)0rcxsin(-Cai)cos(-Cai)0rcy001rcz0001w0x+cxi-rcxw0y+cyi-rcyw0z+czi-rcz1+cos(Bai)0sin(Bai)00100-sin(Bai)0cos(Bai)0000100tl0]]>....(17)图8是表示用于执行上述描述的每个实施例的数值控制器的基本部件的功能方框图。由于该数值控制器的配置类似于用于控制常规的五轴机床的数值控制器，因此，它以功能方框图简要地表示。
指令分析部10分析编程指令并生成执行指令数据。插值装置11基于该执行数据获得每个插值周期的用于各个轴的运动指令，执行X、Y、Z、B(或A)和C轴的加速/减速处理12x-12c，并将该运动指令分别输出给X、Y、Z、B(或A)和C轴的伺服控制部13x-13c。伺服控制部13x-13c执行位置、矢量和电流反馈控制，并驱动各个轴的伺服马达。
图9和10是表示依据第一实施例的圆锥体表面的加工处理的算法的流程图，由数值控制器的处理器执行。图9是表示在指令分析部10中的、与本发明相关的处理的流程图。图10是表示每个插值周期由插值装置11执行的、与本发明相关的处理的流程图。
如果从该程序读出圆形指令“G03”，则处理器开始图9的处理，这些处理与在指令分析部10中、与本发明相关的那些处理相同，并首先获得起始点和结束点之间的弧形长度cl(步骤101)。
然后，从起始点和结束点的位置和由该程序指定的弧形中心获得在起始点和结束点的法线方向矢量Vnors、Vnore，切线方向矢量Vtans、Vtane以及刀具姿态矢量Vts、Vte(步骤102)。
如之前所提到的，通过计算刀具和切线方向矢量的内积以及刀具与法线方向矢量的内积获得在起始点和结束点的到行进方向的角度as、ae和到法线方向的角度bs、be，至此，完成指令分析部10中的处理(步骤103)。
另一方面，在插值装置11的处理中，处理器以与常规情况相同的处理方式在该编程圆弧的起始点和结束点之间执行圆形插值，并获得圆形插值点(cxi，cyi，czi)以及从起始点到插值点的弧形长度ci(步骤201)。
基于步骤101中获得的弧形长度cl，步骤103中获得的、在起始点和结束点到切线方向的角度as和ae以及在起始点和结束点到法线方向的角度bs和be，以及步骤201中获得的从起始点到插值点的弧形长度ci，通过执行等式(1)和(2)的计算，获得到切线方向和法线方向的刀具姿态的角度ai、bi。而且，通过现有技术的常规圆形插值获得在插值点的法线方向矢量Vnori和切线方向矢量Vtani(步骤202)。
基于在插值点的角度ai和bi、法线方向矢量Vnori和切线方向矢量Vtani，通过执行等式(3)-(5)的计算获得刀具姿态矢量Vti(ii，ji，ki)(步骤203)。
基于刀具姿态矢量Vti(ii，ji，ki)，通过执行等式(6)的计算获得旋转B轴位置Bai和C轴位置Cai(步骤204)。
基于在步骤201获得的圆形插值点(cxi，cyi，czi)、在步骤203获得的刀具姿态矢量Vti(ii，ji，ki)以及刀具长度tl，通过执行等式(7)-(9)的计算获得X轴位置Xai、Y轴位置Yai和Z轴位置Zai(步骤205)。
获得的X轴位置Xai、Y轴位置Yai、Z轴位置Zai、B轴位置Bai和C轴位置Cai与通过在先的插值周期获得的X轴位置Xai、Y轴位置Yai、Z轴位置Zai、B轴位置Bai和C轴位置Cai之差作为各个轴的运动指令值输出到加速/减速处理部(步骤206)，至此，这个插值处理终止。此后，执行这个处理以控制五轴机床的驱动，从而在每一插值周期加工圆锥体表面。
图9和10表示依据第一实施例的处理，其中编程的圆弧是二维的。然而，如果圆弧与第二实施例的情况相同，是三维的，则中点被编程，并且在步骤101中也获得从起始点到中点的编程弧形长度clm和从中点到结束点的弧形长度clb。在步骤102获得在中点的法线方向矢量Vnorm和切线防线矢量Vtanm，而在步骤103获得在中点的到切线防线和法线方向的刀具姿态的角度am和bm。在步骤204，依据等式(10)-(13)获得在插值点的刀具姿态ai和bi。其他的处理类似于图10中所示的处理。
依据第三实施例的处理的不同在于在步骤204中通过执行等式(14)的计算获得A和C轴位置Aai、Cai，在步骤205中通过执行等式(15)的计算获得X、Y和Z轴位置Xai、Yai和Cai，以及在步骤206中基于代替B轴位置Bai的A轴位置Aai获得并输出X、Y、Z、A和C轴的运动指令。其他的细节相同。
进一步，第四实施例的不同在于在步骤204中通过执行等式(16)的计算获得B和C轴位置Bai、Cai，在步骤205通过执行等式(17)的计算获得X、Y、Z轴位置Xai、Yai和Zai，而其他的细节相同。
基于如上所述的这些实施例的每一个实施例，可以执行任何圆锥体表面的加工，其中起始点矢量(在起始点的刀具姿态矢量)、结束点矢量(在结束点的刀具姿态矢量)以及在圆锥体表面的姿态位置矢量被插入，或者它们的延长线永不彼此相交，以及加工其他的、矢量彼此相交的加工表面。编程圆弧不限于二维的圆弧，并且也可以执行三维编程圆弧的加工。
权利要求
1.一种用于控制加工设备的数值控制器，所述加工设备具有用于加工工件的刀具以及用于驱动包括至少两个旋转轴的多个轴的伺服马达，其中插值处理是执行由加工程序所命令的刀具运动路径，并且基于所述插值处理分别对所述多个轴输出运动指令，所述数值控制器包括分析装置，用于分析所述加工程序的指令，并且分别获得圆弧形状、所述圆弧的起始点和结束点的位置以及与在所述圆弧的起始点和结束点的所述工件相关的刀具姿态的数据；插值装置，基于所述分析装置获得的所述数据获得每个取样周期的所述圆弧的插值位置以及所述圆弧的所述插值位置的刀具姿态的数据；位置计算装置，基于所述插值装置获得的数据获得所述多个轴的目标位置；以及移动装置，用于将所述多个轴移动到由所述位置计算装置获得的所述目标位置。
2.根据权利要求1所述的数值控制器，其特征在于所述分析装置获得所述圆弧长度，分别在所述圆弧的起始点和结束点上的所述刀具的姿态与所述圆弧的切线方向之间的角度以及分别在所述圆弧的起始点和结束点上的所述刀具的姿态与所述圆弧所在的平面上的所述圆弧的法线方向之间的角度的数据；以及所述插值装置获得从所述圆弧的起始点到插值点的弧形长度，以及通过使用所述圆弧的长度和从所述圆弧的起始点到插值点的弧形长度插入由所述分析装置获得的在所述圆弧的起始点和结束点的所述刀具的姿态的角度，获得在所述圆弧的插值点的所述刀具的姿态与所述圆弧的切线方向之间的角度和在所述圆弧的插值点的所述刀具的姿态与所述圆弧的法线方向之间的角度。
3.根据权利要求2所述的数值控制器，其特征在于所述位置计算装置基于所述插值装置获得的数据获得表示所述圆弧的插值位置处的刀具姿态的刀具姿态矢量，并且使用所述刀具姿态矢量获得在所述圆弧的插值点的所述旋转轴的旋转位置以及在所述圆弧的插值点的除了所述旋转轴之外的轴的位置。
4.根据权利要求1所述的数值控制器，其特征在于所述加工程序的指令包括所述圆弧的中心点、起始点和结束点的位置的指定以及在所述圆弧的起始点和结束点的所述旋转轴的旋转位置的指定。
5.根据权利要求1所述的数值控制器，其特征在于所述加工程序的指令包括所述圆弧的起始点和结束点的位置以及所述圆弧的中点的位置的指定，以及在所述圆弧的起始点、结束点和中点的所述旋转轴的旋转位置的指定。
6.根据权利要求1所述的数值控制器，其特征在于所述加工设备具有刀具头，所述刀具头配置成可由所述两个旋转轴旋转。
7.根据权利要求1所述的数值控制器，其特征在于所述加工设备具有工作台，所述工作台配置成可由所述两个旋转轴旋转。
8.根据权利要求1所述的数值控制器，其特征在于所述加工设备具有刀具头和工作台，所述刀具头和工作台配置成可由所述两个旋转轴旋转。
全文摘要
一种数值控制器配置成可加工圆锥体表面，在圆弧的起始点、结束点及中间点的矢量和它们的延长线永不彼此相交。基于起始点和结束点的编程位置PA’和PB’、两个旋转轴的圆心位置和旋转位置获得起始点和结束点的法线方向矢量Vnors和Vnore、切线方向矢量Vtans和Vtane以及刀具姿态矢量Vts和Vte。基于这些矢量获得相对于起始点和结束点的刀具姿态的切线方向角度as和ae及法线方向角度bs和be。通过插入在起始点和结束点的法线与切线方向矢量和角度获得插值点的法线和切线方向矢量Vnori、Vtani以及角度ai、bi，由此获得插值点的刀具姿态矢量Vti。基于插值点的刀具姿态矢量Vti获得旋转轴的旋转位置和线性轴的位置。也可以对三维编程的圆弧执行圆形加工。
文档编号B23Q15/00GK101063881SQ20071010447
公开日2007年10月31日 申请日期2007年4月23日 优先权日2006年4月24日
发明者大槻俊明, 井出聪一郎 申请人:发那科株式会社