专利名称：具有旋转轴的机床中的刀具矢量显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对具有旋转轴的机床中的刀具进行矢量显示的装置，特别是涉及将连 接刀具前端点及在刀具中心轴上与该刀具前端点离开预定距离的点的线段作为刀具矢量， 显示在刀具前端点的轨迹上的机床中的刀具矢量显示装置。
背景技术：
在当前使用的控制机床的数值控制装置中，有的数值控制装置具有显示指令轨迹 的功能、或者显示刀具实际所移动的路径的显示功能。例如在特开平7-72914号公报中公 开了一种技术，其作为CAD/CAM装置的刀具路径显示装置，显示刀具前端点的三维轨迹，并 根据刀具的速度变更线的颜色或宽度。在如5轴加工机那样包含旋转轴的加工机中，在加工过程中刀具的方向发生各种 变化。有时不通过刀具前端部，而通过刀具侧面对工件进行加工，仅通过刀具前端部的轨迹 无法充分验证加工面与刀具的动作的关联。图IA及图IB用于说明刀具的倾斜度的影响。即使刀具前端中心点相对于刀具23 的位置相同，通过对比图IA与图IB可知，实际的工件的切削面根据刀具23的倾斜度而变 化。另外，图2A以及图2B用于说明当通过刀具23的刀具侧面进行加工时，若刀具23倾斜 则对切削面造成影响。如图2A所示，当通过刀具23的刀具侧面对工件进行加工时，若刀具 23倾斜则对切削面造成影响。图2B将刀具的倾斜度作为刀具矢量来表示，并沿着刀具前端 点轨迹显示各刀具矢量，表示了刀具矢量的倾斜度对工件的切削面造成影响。另一方面，例如在特开平7-72914号公报中公开了用由CAD等生成的数据对刀具 矢量进行显示的技术，但是该技术不是使用了实际的反馈信息的技术，无法与工件的不良 加工点进行对比等，没有起到调整5轴加工机或发现不良部位的作用。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种机床中的刀具矢量显示装置，其作为驱动至少 包含一个旋转轴的多个驱动轴，控制刀具以及加工物的位置、姿态并进行加工的机床中的 刀具矢量显示装置，使用实际的反馈信息，在刀具前端点轨迹上的各点，能够在视觉上容易 识别地显示刀具相对于工件的朝向。为了达到上述目的，本发明提供一种机床中的刀具矢量显示装置，所述机床通过 包含至少一个旋转轴的多个驱动轴来控制刀具以及加工物的位置、姿态，并进行加工，该机 床中的刀具矢量显示装置具有数据取得部，其同时取得所述各驱动轴在各时刻的实际位 置信息；刀具轨迹显示部，其使用所述实际位置信息和所述机床的机械结构的信息，计算所 述刀具前端部在固定于所述加工物上的坐标系中的三维坐标值，并使用所述三维坐标值显 示所述刀具前端部的三维轨迹；以及刀具矢量显示部，其把在所述刀具的中心轴上从所述 刀具前端部向所述刀具的根部方向离开预先设定的距离的点作为刀具矢量起点，使用所述 实际位置信息和所述机床的机械结构的信息，计算所述刀具矢量起点在固定于所述加工物上的坐标系中的三维坐标，将连接所述刀具矢量起点与所述刀具前端部的线段作为刀具矢 量，显示在所述刀具前端部的三维轨迹上。能够按预先设定的时间间隔，对连接所述刀具矢量起点与所述刀具前端部的线段 进行显示。能够显示以连接所述刀具矢量起点与所述刀具前端部的线段为中心、以刀具直径 为半径的圆柱。根据本发明，可以提供一种驱动至少包含一个旋转轴的多个驱动轴来控制刀具以 及加工物的位置、姿态并进行加工的机床中的刀具矢量显示装置，其使用实际的反馈信息， 在刀具前端点轨迹上的各点，能够在视觉上容易识别地显示刀具相对于工件的朝向。
参照附图，根据下面的实施例的说明，本发明所述目的以及特征变得明了。图IA及图IB用于说明刀具的倾斜度的影响。图2A及图2B用于说明当通过刀具的侧面进行加工时，若该刀具发生倾斜，则对切 削面造成影响的情况。图3是刀具头旋转型5轴加工机的一个例子的外观立体图。图4是表示本发明的刀具矢量显示装置的一个实施方式的结构的概略的框图。图5是本发明的刀具矢量显示装置的第一实施方式的要部框图。图6是表示本发明的刀具矢量的显示处理的算法的流程图。图7表示在图5的数值控制装置的显示部的刀具矢量显示部中显示的刀具矢量。图8是本发明的刀具矢量显示装置的第二实施方式的要部框图。图9是工作台旋转型5轴加工机的一个例子的外观立体图。
具体实施例方式图3是刀具头旋转型5轴加工机的一个例子的外观立体图。X、Y、Z轴为直线轴， A、B轴为旋转轴。将在时刻t的所述5轴的坐标分别设为x(t)、y(t)、z(t)、a(t)、b (t)。 作为加工对象的工件(没有图示)被载置于工作台22上。通过直线轴X、Y、Z以及旋转轴 A、B，刀具23的前端点相对于工件进行相对移动。当把作为机械结构为刀具头旋转型的5轴加工机的两个旋转轴(A轴、B轴)的 旋转中心的轴的交点设为M时，如果考虑固定于加工物上的坐标系来适当地取原点，则点 M的坐标成为(X(t)、y(t)、z(t))。若设从点M到刀具前端点的长度为L，刀具朝向正下方 的位置为A、B轴的基准位置(原点)，则根据下面的公式(1)来计算刀具前端点Pe的坐标 (PosX (t)、PosY (t)、PosZ (t))。PosX = χ (t)+LX cos (a ⑴)Xsin(b(t))PosY = y(t)+LXsin(a(t))PosZ = z (t) -LXcos (a (t)) X cos (b (t)).........(1) 此时，把刀具中心轴上的点中，从刀具前端点Pe向点M的方向离开d的点设为刀 具矢量起点Ps。根据下面的公式(2)来计算刀具矢量起点Ps的坐标(PosX’ (t) ,PosY' (t)、PosZ，⑴)。PosX' = χ (t) + (L-d) X cos (a (t)) X sin (b (t))PosY' = y(t) + (L-d) X sin (a (t))PosZ' = ζ (t) - (L-d) X cos (a (t)) X cos (b (t))......(2)将从点M到刀具前端点Pe的刀具的长度L作为刀具长度，存储在机床的数值控制 装置中。如此，根据5个轴的位置信息和机床的机械结构的条件，能够计算刀具前端点Pe 以及刀具矢量起点Ps的坐标。接下来，对显示所述刀具矢量的、本发明的机床中的刀具矢量显示装置的一个实 施方式进行说明。图4是表示本发明的刀具矢量显示装置的一个实施方式的结构的概要的框图。作为处理器的CPU111，根据在R0M112中存储的系统程序对数值控制装置10全体 进行控制。RAM113存储各种数据或者输入输出信号。在非易失性存储器114中存储的各种 数据，即使在电源切断后也按原样被保存。图形控制电路115将数字信号变换为显示用的信号，并提供给显示装置116。键盘 117是具有数值键、字符键等的、输入各种设定数据的单元。轴控制电路118从CPUl 11接受各轴的移动指令，将轴的指令输出到伺服放大器 119。该伺服放大器119接受该移动指令，驱动机床20的伺服电动机(没有图示)。这些构 成要素通过总线121相互结合。PMC(Programmable 'Machine 'Controller) 122，在执行加工程序时，经由总线 121 取得T功能信号(刀具选择指令)等。然后，通过顺序程序对该信号进行处理，输出信号作 为动作指令，对机床20进行控制。另外，从机床20接受状态信号，并对CPUlll转发必要的 输入信号。另外，在总线121上接有根据系统程序等功能发生变化的软件键 (SoftwareKey)123、还有向存储装置等外部设备发送NC数据的接口 124。该软件键123与 显示装置116、键盘117 —起设置在显示装置/MDI面板125上。图5是本发明的刀具矢量显示装置的第一实施方式的要部的框图。在该实施方式 中，刀具矢量显示装置配备于机床的数值控制装置10中。数值控制装置10具备驱动轴控 制部11、数据取得部12以及显示部13。机床20具备驱动进给轴的伺服电动机21x、21y、21z、21A以及21B。根据来自数 值控制装置10的驱动轴控制部11的转矩(torque)指令来控制伺服放大器(没有图示)， 通过伺服放大器驱动伺服电动机21x、21y、21z、21A以及21B。另外，在各伺服电动机21x、 21y.21z.21A以及21B中分别装备了位置/速度检测装置(没有图示)，从该位置/速度检 测装置将各伺服电动机的位置信息以及速度信息发送到驱动轴控制部11。驱动轴控制部11将位置信息Sa、速度信息Sb、加速度信息Sc、位置偏差信息Sd以 及转矩指令Se发送到数据取得部12。数据取得部12在各时刻同时取得来自驱动轴控制部 11的各信息。将所取得的信息存储在存储器(没有图示)中。显示部13根据由数据取得 部12取得的信息，在刀具轨迹显示部中显示刀具的前端部的三维移动轨迹，并在刀具矢量 显示部中按时间序列显示刀具矢量。
图6是表示本发明的刀具矢量230的显示处理的算法的流程图。下面按照各步骤 进行说明。[步骤Si]取得时刻信息t、以及与该时刻信息t对应的各轴的位置信息Sa0[步骤S2]计算与在步骤Sl所取得的时刻信息t对应的刀具前端点Pe的三维坐 标。[步骤S3]根据在步骤S2求出的刀具前端点Pe的三维坐标来计算刀具前端点Pe 的轨迹，并将其显示在显示装置中。[步骤S4]判断是否经过了“预定时间”。当经过了预定时间时，转移到步骤S5；当 没有经过预定时间时，转移到步骤S7。在此，由于刀具前端点Pe的轨迹，在显示装置的画面上显示为各刀具前端点连续 而成的线段，然而，在显示装置的画面上以一定的时间间隔(参照图2B以及图7)显示本发 明的刀具矢量230，因此判断是否经过了 “预定时间”。能够使用数值控制装置所具备的计 时器功能来判断是否经过了预定时间。每当显示各刀具矢量的处理结束时，将计时器功能 复位。数值控制装置具备计时器功能是众所周知的。[步骤S5]计算与时刻信息t对应的刀具矢量起点Ps。计算式使用与加工机的机 械结构对应的计算式。[步骤S6]在显示装置中显示连接刀具矢量起点Ps与作为刀具矢量终点的刀具前 端点Pe的线段。[步骤S7]判断由机床进行的工件加工是否结束，或者是否有显示结束的信号。 在工件的加工已经结束或者有显示结束的信号的某一种情况下(判断为“是”)，结束该 显示处理，另一方面，在工件的加工没有结束并且没有显示结束的信号的情况下(判断为 “否”)，转移到步骤S8。[步骤S8]进行等待直到经过用于在显示装置中显示刀具前端点Pe的轨迹的采样 时间为止，返回步骤Si，继续进行显示处理。该采样时间比在步骤S4的判断中所使用的预 定时间短。另外，在该步骤中，也可以使用计时器功能来确认采样时间经过。通过在图5的数值控制装置10(本发明的刀具矢量显示装置的第一实施方式)中 进行如图6所示的流程图的处理，能够如图2B、图7所示那样，在显示部13的刀具矢量显示 部中显示刀具矢量230。在本发明中，能够在显示部13的刀具矢量显示部中仅显示在视觉上容易识别刀 具矢量的动作的长度。例如，通过将刀具矢量显示得较长，能够防止由于刀具方向进行各种 变化，刀具23的根部相互交叉而使得可视性恶化。如图2B所示，也可以显示由加工程序定 义的工件的形状。图7表示在图5的数值控制装置10的显示部13的刀具矢量显示部中显示的刀具 矢量230。首先，在显示部13的刀具矢量显示部中显示的刀具前端点轨迹上，按一定的预定 时间间隔取点。接下来，求出与该各点对应的刀具矢量起点Ps，并描绘连接该所求出的刀具 矢量起点PS与作为刀具矢量终点的对应的刀具前端点Pe的线段。结果，根据图7所示的 刀具矢量230，能够直观容易地把握各个刀具前端点Pe的刀具的姿态、朝向，并且通过表示 各个刀具矢量的线段之间的间隔，在视觉上容易把握刀具的移动速度。另外，也可以适宜地选择显示的线段的粗细、颜色，例如也可以将作为刀具矢量而显示的线段显示为以刀具直 径为半径的圆柱。图8是本发明的刀具矢量显示装置的第二实施方式的要部的框图。在该实施方式 中，刀具矢量显示装置不配备在机床的数值控制装置10中，而配备备在外部设备30中。数 值控制装置10具备驱动轴控制部11以及数据通信部14。外部设备30具备数据通信部31、 数据取得部32以及显示部33。与所述的第一实施方式同样，在显示部33的刀具矢量显示 部中按时间序列显示刀具矢量。如图3所示，应用了上述的第一以及第二实施方式的刀具矢量显示装置的机床是 刀具头旋转型5轴加工机械。在5轴加工机中，也有如图9所示的工作台旋转型的5轴加 工机。在图9所示的工作台旋转型的5轴加工机中，X、Y、Z轴为直线轴，A、C轴为旋转轴。 载置工件的工作台22通过A轴以及C轴，角度发生变化。假定A轴的旋转中心轴和C轴的 旋转中心轴正交，设其交点为M。在此，考虑两个坐标系。第一坐标系是以点M为原点，在空间上固定的坐标系。第 二坐标系是以点M为原点，固定于工作台22上的坐标系。点M的位置不因A轴以及C轴的 旋转而发生变化，因此，第一坐标系的原点与第二坐标系的原点始终一致。另外，若设时刻 t的A轴、C轴的坐标分别为a(t)、c(t)，则当a(t) = 0并且c (t) =0时，认为第一以及第
二坐标系一致。若设从在空间上固定的坐标系1来看的时刻t的刀具前端点的坐标为(x(t)、 y(t)、z(t))，则能够根据下面的公式(3)来计算从固定于工作台22上的坐标系2来看的刀 具前端点 Pe 的坐标(PosX (t)、PosY (t)、PosZ (t))。 PosX = χ (t) X cos (c (t)) -y (t) X cos (a (t)) X sin (c (t)) _z (t) X sin (a (t)) X si n(c(t))PosY = χ (t) X sin (c (t)) +y (t) X cos (a (t)) X cos (c (t)) +z (t) X sin (a (t)) X co s(c(t))PosZ = -y (t) X sin (a (t)) +z (t) X cos (a (t))
.........(3)此时，将刀具中心轴上的点中，从刀具前端点Pe向刀具的根部方向离开d的点作 为刀具矢量起点Ps。能够根据下面的公式(4)来计算刀具矢量起点Ps的坐标(PosX’ (t)、 PosY，(t)、PosZ，⑴)。PosX' = x(t) Xcos(c(t))-y(t) X cos (a ⑴)X sin (c (t)) - (ζ (t)+d) X sin (a (t) )X sin(c (t))PosY' = x(t) Xsin(c(t))+y(t) X cos (a (t)) X cos (c (t)) + (z (t)+d) X sin (a (t) )X cos (c (t))PosZ' = -y (t) X sin (a (t)) +z (t) X cos (a (t))
.........(4)如上所述，根据本发明，与刀具头旋转型的5轴加工机同样，能够通过计算来求出 刀具矢量的起点与终点，由此在显示装置上显示刀具矢量。
权利要求
1.一种机床中的刀具矢量显示装置，所述机床通过包含至少一个旋转轴的多个驱动轴 来控制刀具以及加工物的位置、姿态，并进行加工，该机床中的刀具矢量显示装置的特征在 于，具有数据取得部，其同时取得所述各驱动轴在各时刻的实际位置信息； 刀具轨迹显示部，其使用所述实际位置信息和所述机床的机械结构的信息，计算所述 刀具前端部在固定于所述加工物上的坐标系中的三维坐标值，并使用所述三维坐标值显示 所述刀具前端部的三维轨迹；以及刀具矢量显示部，其把在所述刀具的中心轴上从所述刀具前端部向所述刀具的根部方 向离开预先设定的距离的点作为刀具矢量起点，使用所述实际位置信息和所述机床的机械 结构的信息，计算所述刀具矢量起点在固定于所述加工物上的坐标系中的三维坐标，将连 接所述刀具矢量起点与所述刀具前端部的线段作为刀具矢量，显示在所述刀具前端部的三 维轨迹上。
2.根据权利要求1所述的机床中的刀具矢量显示装置，其特征在于，按预先设定的时间间隔，对连接所述刀具矢量起点与所述刀具前端部的线段进行显示。
3.根据权利要求1或者2所述的机床中的刀具矢量显示装置，其特征在于，显示以连接所述刀具矢量起点与所述刀具前端部的线段为中心、以刀具直径为半径的 圆柱。
全文摘要
本发明提供一种具有旋转轴的机床中的刀具矢量显示装置。该刀具矢量显示装置取得时刻信息以及各轴的位置信息，计算时刻t的刀具前端点Pe的三维坐标，并显示时刻t的刀具前端点Pe的轨迹。接下来，判断是否经过了预定时间，当经过了预定时间时，计算时刻t的刀具矢量起点Ps，显示连接刀具矢量起点Ps与作为刀具矢量终点的刀具前端点Pe的线段。通过该显示，能够直观容易地把握各刀具前端点的刀具的姿态、朝向。
文档编号B23Q17/09GK101995848SQ201010255610
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月16日 优先权日2009年8月19日
发明者岩下平辅, 手塚淳一, 杉山和之, 置田肇 申请人:发那科株式会社