专利名称：控制5轴加工装置的数值控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及数值控制装置，特别涉及控制对于在工作台上安装的工件(工 件)通过3个直线轴和两个转动轴进行加工的5轴加工装置的数值控制装置。
背景技术：
在使用5轴加工装置的加工中， 一般进行下面这样的加工，即，对于工 具尖端点(tool center point)的移动路径和工具方向(工具姿势)的移动指令， 根据被指令的工件和工具的相对的移动速度一边插补工具尖端点的移动路径 一边也插补工具方向， 一边使工具方向变化， 一边以被指令的速度在指令工具 尖端点的移动路径上移动。把根据这样的指令的加工控制称为"工具尖端点控 制"。在工具尖端点控制中使用的程序指令用CAM制作。CAM是"Computer Aided Manufacturing (计算机辅助制造)"的略称，意指通过计算机生成制造 数据。
特开2003 — 195917号公报公开了上述工具尖端点控制的一例。这是控制 5轴加工装置的技术， 一边根据工件和工具的相对移动速度分別插补工具尖端 点的移动路径和工具方向的移动指令， 一边修正移动路径的插补点，来驱动伺 服电动机，以使工具尖端点以被指令的速度在被指令的移动路径上移动。
这里说明CAM中制作程序指令的一般的方法。把图1所示那样的加工曲 面用如图2所示被称为三角面片的区段分割，如图3所示在三角面片上计算工 具轨迹，然后，如图4所示制作工具轨迹和各三角面片的边的每一交点成为块 的程序指令。将三角面片制作成对于加工曲面是允许的误差(容差)内。
因为工具尖端点的i 各径如图4所示在三角面片上，所以工具尖端点的间 隔不均匀。另外，工具方向被制作成与已制作好的三角面片的面垂直的方向。 而且， 一般在三角面片之间的边界上使工具方向取与两个三角面片的各面垂直 的方向的平均值。因此，如图5所示当从沿工具路径的截面观察工具方向的变 动时，在和緩的凹形状的底上会以短的间隔发生工具方向的小的往复。当给予发生那样的工具方向的小的往复的程序指令时，对应转动轴的速 度变化才几床重复减速及加速，发生加工粗糙或者耗费加工时间等的问题。根据
加工形状或者CAM的种类，该问题频繁发生。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种控制5轴加工装置的数值控制装置，其
通过间隔去除(以下称"间除")工具尖端点位置和工具姿势的变化小的块的 程序指令，去除工具的小的晃动，能够-使加工形状圆滑、缩短加工时间。
根据本发明的控制5轴加工装置的数值控制装置，该5轴加工装置具有 对于在工作台上安装的工件进行加工的3个直线轴和两个转动轴。该数值控制 装置具有读取所述直线轴的移动路径的指令、所述工件和工具的相对移动速 度的指令、以及相对于所述工作台的工具方向的指令的指令读取单元；间除所 述直线轴的移动路径的指令以及所述工具方向的指令的指令间除单元；在每一 插补周期求各轴位置，以使根据未由所述指令间除单元间除而剩余的移动路径 的指令以及工具方向的指令、以及所述相对移动速度的指令，工具尖端点以被 指令的相对移动速度、在被指令的移动路径上移动的插补单元；和驱动各轴的 电动机使向通过所述插补单元求得的各轴位置移动的驱动单元。
也可以是，所述指令间除单元，在所述工具方向的变化量和所述移动路 径的指令中的所述直线轴的变化量比预先设定的值小的场合，间除该直线轴的 移动路径的指令和工具方向的指令。
也可以是，所述工具方向的指令，作为两转动轴的角度或者工具方向矢 量被指令。
也可以是，所述指令读取单元，当指令间除方式时，作为间除对象程序 指令先读耳又预先设定数的块直到指令间除方式解除，另外，所述指令间除单元， 间除所述间除对象程序指令中的直线轴的移动指令和工具方向指令。
也可以是，用G代码或者M代码指令所述间除方式，用与该G代码或者 M代码不同的G代码或者M代码指令所述间除方式解除。
因为^f艮据本发明的教:值控制装置具有上述结构，所以通过间除工具尖端 点位置和工具姿势变化小的块能够消除工具的小的晃动，能够使工件的加工形 状圆滑，并且能缩短加工时间。
从下面参照附图，
的以及特征。附图中
图1是表示加工曲面的图2是说明用称为三角面片的区段分割图1的加工曲面的图； 图3是说明在图2的三角面片上计算工具轨迹的图； 图4是说明制作工具轨迹和各三角面片的每一交点(用黑圆)成为块的 程序指令的图5是表示沿工具路径的截面的图6是本发明的、控制5轴加工装置的数值控制装置的概略功能框图7A表示使用在图6中表示的数值控制装置间除5轴加工指令前的、工 具尖端点位置的移动路径；
图7B是说明使用在图6中表示的数值控制装置间除处理具有图7A的移 动路径的5轴加工指令之后的状态的图8是说明在图7A以及图7B中表示的进行间除处理前、后的加工程序 的变更的图9是表示5轴加工中的工具矢量和坐标系的关系的图IO是表示用两个转动轴指定工具方向的例子的图ll是表示用工具矢量(i、 j、 k)指定工具方向的例子的图12是表示在本发明的控制5轴加工装置的数值控制装置中执行的间除
处理的算法的 一例的流程图13是把间除方式ON指令作为M33、间除方式OFF指令作为M34的
NC程序的例子；和
图14是作为本发明的一个实施形态的控制5轴加工装置的数值控制装置 (CNC)的主要部件框图。
具体实施例方式
图6是根据本发明的、控制5轴加工装置的数值控制装置的一个实施形 态的概略功能框图。
作为加工程序的NC程序的块，在指令读取单元1中被解析，由间除单元2执行规定的间除处理(图12中表示的表示算法的流程图的处理)。对于被 执行了规定的间除处理的直线轴机械坐标位置和转动轴的转动位置，插补单元
3在每一插补周期执行求各轴位置的插补处理，使工具尖端点在移动路径上以
被指令的相对移动速度移动。然后，根据被这样插补处理过的数据控制各轴的
伺服电动机4x、 4y、 4z、 4b(a)、 4c。
图7A以及图7B是说明图6中表示的数值控制装置执行的间除处理的图。 该间除处理在5轴加工指令满足下面的(1)以及(2)的条件双方时执行。
(1) 某工具尖端点位置处的工具方向的、与加工开始位置Pl处的工具
方向Vl所成的角a (工具方向的变化量)在角度容差e内时。
(2) 某工具尖端点位置的、离开连接加工开始位置和不与上述(1)相 应的工具尖端点位置P4的线段的距离d (偏差)在距离容差D内时。
径。在工具尖端点位置P1工具方向是VI，在工具尖端点位置P2工具方向成 为V2,在工具尖端点位置P3工具方向成为V3，在工具尖端点位置P4工具方 向成为V4。
作为各工具尖端点位置的工具方向的、与工具尖端点位置P1的工具方向 VI的差的变化量a，在工具尖端点位置P2、 P3在角度容差6的范围内(a < 0 ), 在工具尖端点位置P4超过了角度容差0 (a>6)。另外，从连接超出角度容差 e的工具尖端点位置P4与工具尖端点位置Pl的直线(图7A的虚线)到工具 尖端点位置P2、 P3的距离(亦即轴的变化量)d两者都在预先设定的距离容 限D的范围内(d<D)。
另一方面，图7B表示在从工具尖端点位置P1到工具尖端点位置P4之间 间除处理工具尖端点位置P2以及P3时的移动路径。工具尖端点在连接工具 尖端点位置Pl和工具尖端点位置P4的图7B的直线上移动。如对于图7A说 明的那样，在工具尖端点位置P2以及工具尖端点位置P3，因为工具方向的变 化量a不超出角度容差e、直线轴的变化量d不超出距离容差D,所以间除工 具尖端点位置P2 (工具方向V2 )和工具尖端点位置P3 (工具方向V3 )。通过 该间除处理，工具尖端点，如图7B所示，变成在连接工具尖端点位置Pl和 工具尖端点位置P4的直线的线段上移动。于是，工具方向在从工具尖端点位置Pl到工具尖端点位置P4的移动期间从VI到V4平滑地变化，其间不发生 图5所示那样的工具方向的往复。
这里，根据图8表示的加工程序的一例，说明图7A以及图7B表示的本 发明的间除处理。
若对NC语句进行本发明的间除处理，图8左侧表示的间除前的NC语句 就成为通过间除处理右侧表示的间除后的NC语句。在该加工程序的例子中， 工具尖端点位置与工具方向的(P2， V2)和(P3, V3)的块被间除。指令了 作为给进速度的速度指令F200的块(P3， V3)被间除，而速度指令F200被 未被间除而剩余的下一块(P4， V4)所继承。
图9表示5轴加工中的工具矢量和坐标系的关系。为从指定的方向使工 具贴近具有3维曲面的工件(工件)，如图9所示，只要指定表示工具位置坐
j、 k)即可。
图IO表示用两个转动轴指定工具方向的例子。在该图中，通过指定作为 转动轴的A轴和C轴来求得工具方向。例如当设A轴为30度、C轴为45度 时，NC语句指令,成为像"G01X10.Y20.Z30.A30.C45."那样，指定了直线轴 和转动轴的指令语句。
图ll表示用工具矢量(i、 j、 k)指定工具方向的例子。在该图中通过用 工具矢量(i、 j、 k)指定来求得工具方向。例如当设工具矢量(i、 j、 k)为 (0.1， 0.6, 0.3)时，NC语句指令,成为像"G01X10.Y20.Z30.I0.1J0.6K0.3." 那样，指定直线轴和工具方向矢量的指令语句。
图12是表示在本发明的控制5轴加工装置的数值控制装置中执行的间除 处理的算法的流程图的例子。下面遵照各步骤说明。
把工具尖端点位置的号码的指标i设定为1 (步骤SIOO),把成为间除处 理的开始点的工具尖端点位置的号码的指标s设定为上述指标i的值(步骤 S101 )。然后，判断是否读入了工具尖端点位置Pi及其工具方向Vi(步骤S102 )。 在未读入Pi、 Vi的场合，结束间除处理，另一方面，在判断为读入Pi、 Vi的 场合转移到步骤S103。
在指标i上加1 ，判断是否读入了工具尖端点位置Pi及其工具方向Vi(步骤S104)。在未读入Pi、 Vi的场合，前进到步骤S113,从指标i的值减l后 转移到步骤S107。另一方面，读入Pi、 Vi的场合，转移到步骤S105,计算工 具尖端点位置Ps处的工具方向Vs与工具尖端点位置Pi处的工具方向Vi成的 角度(即工具方向的变化量)a (步骤S105),转移到步骤S106。
判断在步骤S105求得的工具方向的变化量a是否比角度容差0小(步骤 S106),在a〈e的场合，返回步骤S103，在a ^ e的场合转移到步骤S107。
在成为间除处理的终点的工具尖端点位置的号码的指标e中输入指标i 的值，在现在的工具尖端点位置的号码的指标k中输入s (步骤S107),在指 标k的值上加l (步骤S108),判断k是否比e小(步骤S109)。在该判断中， 在k ^ e的场合,在指标s中输入e的值，输出工具尖端点位置Ps(步骤S114), 返回步骤S102。另一方面，在k〈 e的场合转移到步骤S110。
在步骤SllO，计算从连接始点的工具尖端点位置Ps和终点的工具尖端点 位置Pe的线段到现在的工具尖端点位置Pk的距离d，判断d是否比D小(步 骤Slll)。在该判断中，在d〈D的场合，返回步骤S108。另一方面，在d ^ D的场合，转移到步骤S112,在终点的工具尖端点位置的指标e中输入k，而 且在现在的工具尖端点位置的号码的指标k中输入s,返回步骤S108 (步骤 S110 步骤S112)。
这里，为帮助理解图12表示的算法的流程图，就其在图7A中表示的说 明用数值控制装置间除处理5轴加工指令的图中的工具尖端点位置Pl (工具 方向V1) 工具尖端点位置P4 (工具方向V4),来说明遵照图12表示的算 法进4亍间除处理。
因为在图7B中把工具尖端点开始位置Pl作为间除处理的始点，所以把 指标i设置为1,把始点的工具尖端点位置的号码的指标s设置为指标i的值 (=1),读入(Pl， VI)(步骤S100 步骤S02)。然后，在指标i上加l，使 指标i的值成为2，读入(P2， V2)，计算作为VI和V2形成的角度的工具方 向的变化量a (步骤S103 ~步骤S105 )。
因为在步骤S105计算出的Vl和V2形成的角度a在角度容差e内(a〈9)， 所以从步骤S106返回步骤S103。然后，给指标i的值加1 (成为i = 3)，读入 (P3， V3),计算作为VI和V3形成的角度的工具方向的变化量(工具方向的偏差)a。因为该算出的角度a在角度容差e内(a<e),所以再次从步骤 S106返回步骤S103。然后，给指标i的值加l (成为〖=4),在步骤S104读 入(P4, V4 )。
因为VI和V4形成的角度a偏离角度容差e内(a〉e),所以从步骤S106 转移到步骤S107,在指标e中设置指标i的值(=4),在指标k中设置指标s 的值(=1 )。进而，给指标k的值加1 (成为k = 2 )(步骤S108 )。
在步骤S109的判断中，因为k (k = 2 ) < e ( = 4 ),所以转移到步骤Sl 10, 计算从连接工具尖端点位置Ps = Pl和工具尖端点位置Pe = P4的线段到工具 尖端点位置Pk = P2的距离d (步骤SllO)。因为这里求得的距离d比距离容 差D小(d〈D),所以从步骤S111返回步骤S108，给指标k的值(=2)力口 1 (成为]< =3)，再次进行步骤S109 步骤S111的处理。因为这里算出的从连 接Pl和P4的线段到P3的距离d也在距离容差D内(d<D)，所以再次返回 步骤S跳给指标k的值加1 (成为k = 4)。
通过以上的处理，成为k-4、 e = 4，因为不是k〈e,所以从步骤S109 转移到步骤S114,把指标s设置为4，把指标i设置为4，然后，输出工具尖 端点位置Ps二P4，返回步骤S102，转移到下一间除处理。
该处理的结果，如图7B所示，成为不输出(被间除)(P2， V2)以及(P3， V3 )的块、在(PI, VI )后输出(P4, V4)。在NC语句中成为如图8那样 被间除的样子。
上述说明的图7A的5轴加工指令的例子中在工具尖端点位置P2以及P3 均d〈D，在步骤Slll的都判断成为"YES"，但是这里作为别的例子，考虑 在工具尖端点位置P3是d〉D的场合。
因为在工具尖端点位置P3 (k = 3)是d〉D，所以在步骤Slll刚判断为 NO之前s = I(步骤SIOI)、 e-4(步骤S107)。因此，在后续的步骤S112 在指标e中输入现在的工具尖端点位置的号码k (== 3 ),在指标k中输入指标 s的值(-l)(步骤S112)，返回步骤S108。这里在指标k的值(=1)上加1。 因为指标k的值(=2)比指标e的值(=3)小，k〈e成立，所以从步骤S109 转移到步骤SllO，在这里计算从连接Ps ( = Pl )和Pe ( = P3 )的线段到Pk (= P2)的距离d。其结果，当d〈D时，从步骤Slll转移到步骤S108，在指标k的值(2)上力口l。于是，因为指标k的值(=3)变得与指标e的值(=3) 相同，所以k〈e已经不成立，其结果，步骤S109的判断成为"NO",以e-3 从步骤S109转移到步骤S114。然后，在步骤S114把指标s设置为指标e的 值(=3),把指标i设置为指标s的值(=3)，然后，输出工具尖端点位置Ps (=P3)。于是，以1 = 3、 s-3返回步骤S102。
从以上可知，在工具尖端点位置P1、 P2、 P3、 P4中，如图7，在"fc工具 尖端点位置Pl作为基准，在工具尖端点位置)P2—P3满足a < 0的条件而在 工具尖端点位置P4不满足a < 0的条件时，
① 在从连接作为始点的Pl和P4 (不满足a < e的条件)的直线到P2、 P3 (满足a〈e的条件)的距离d都是d〈D时，间除这些P2、 P3。下一间除 处理的始点耳又P4。
② 另 一方面，从连接作为始点的Pl和P4的直线到P2 (满足a < 6的条 件)的距离d在D以下(d<D)、但是到P3的距离d在D以上时(d>D), 间除d < D的P2，不间除d 〉 D的P3。下一间除处理的始点耳又P3。
图13是把间除方式ON指令作为M33、间除方式OFF指令作为M34的 NC程序的例子。
在图13中，nc程序"oooor是由序号n1 ~n11组成的程序。"GOl" 是表示直线插补的G代码。"X"、 "Y"、 "Z"、 "A"、以及"C"是表示各控制 轴的维次字(坐标语言)。序号N2的块的"M33"是作为间除方式ON指令的 例子，序号N10的块的"M34"是作为间除方式OFF指令的例子。"M33"、 "M34"是M代码，是指令开关的ON或者OFF的代码。另外，也可以做成 代替M代码，在间除方式ON指令和间除方式OFF指令中设定规定的G代码， 来执行本发明的间除处理。例如也可以将间除处理ON指令为"G43. 4P1"、 将间除处理OFF指令为"G43.4P0"。
图13中表示的(1) ~ (9)的处理在插补处理前执行。因为在序号N2 的块中通过M33的代码使间除方式ON，所以在前处理中，先读4个块N3 N6,进^f亍这些块N3 N6的间除处理。进而，先读下3个块N7 N9，进行这 些块N7 N9的间除处理。然后，因为序号10的块是M34,所以使间除方式 OFF。在前处理中，块N3 N6的间除处理的结果，块N4和块N5被间除，块 N7 N9的间除处理的结果，块N8被间除。
上述前处理的结果，插补处理用数据，成为块l、块3、块6、块7、块9、 以及块11。亦即，图13的插补处理用数据表示了从NC程序间除块N4、块 N5、以及块N8的情况。
补充说明由G代码间除处理的ON、 OFF的指令和由M代码间除处理的 ON、 OFF的指令。
G代码是数值控制装置面向终端用户准备的接口。 M代码一般是机械制 造商面向终端用户追加的功能，在数值控制装置对于PMC (可编程机器控制 器)等的信号准备了间除处理的ON和OFF的接口的场合，机械制造商规定 将M代码指令作为触发经由PMC的信号、对于数值控制装置指示间除处理的 ON和OFF。
图14是作为本发明的一个实施形态的控制5轴加工装置的数值控制装置 (CNC ) 100的重要部件框图。
CPU11是控制数值控制装置全体的处理器。该CPUll，通过总线20读出 在ROM12中存储的系统程序，遵照该系统程序控制数值控制装置全体。在 RAM13中临时存储计算数据或者显示数据以及通过显示器/MDI单元70由操 作员输入的各种数据。
SRAM存储器14由未图示的电池支持、即使数值控制装置100的电源关 断也作为可保持存储状态的非易失存储器来工作。在SRAM存储器14中，存 储通过接口 15读入的加工程序或者通过显示器/MDI单元70输入的加工程序 等。另外,在ROM12中预先写入为加工程序的制作以及编辑必要的编辑方式 的的处理或者为实施用于自动运行的处理的各种系统程序。
通过接口 15输入使用CAD/CAM装置或者仿真装置等制作的包含指令点 列数据以及矢量列数据的加工程序，并存储在SRAM存储器14中。在本发明 中执行的进行间除处理的程序也存储在SRAM存储器14中。
另外，在数值控制装置100内编辑后的加工程序，可以使通过接口 15存 储在外部存储装置中。PMC (可编程设备控制器)16，是数值控制装置100 内内置的顺控程序，通过I/O单元17向机床的辅助装置(例如像工具更换用
ii的机械手那样的致动器)输出信号进行控制。另外，PMC16接受在机床的本
体上配备的操作盘的各种开关等的信号，进行了必要的信号处理后，交给
CPUll。
显示器/MDI单元70是具有显示器或者键盘等的手动数据输入装置，接 口 15接收来自显示器/MDI单元70的键盘的指令、数据后，交给CPUll。接 口 19连接具有手动脉冲发生器的操作盘71。
各轴的轴控制电路30~34接受来自CPU11的各轴的移动指令量，向伺 服放大器40 44输出各轴的指令。伺服放大器40-44接受该指令，驱动各轴 的伺服电动机50 54。各轴的伺服电动机50 54内置位置/速度检测器，把来 自该位置/速度检测器的位置/速度反馈信号向轴控制电路30 ~ 34反馈，来进行 位置/速度的反馈控制。
伺服电动机50 54是用来驱动5轴加工装置的X、 Y、 Z、 B(A)、 C轴 的。另外，主轴控制电路60接受主轴转动指令，向主轴放大器61输出主轴速 度信号。主轴放大器61接收主轴速度信号，以被指令的转动速度使主轴电动 机62转动。编码器63与主轴电动机62的转动同步将反馈脉冲反馈到主轴控 制电路60,进行速度控制。通过该数值控制装置100,驱动控制5轴加工装置。
权利要求
1.一种控制5轴加工装置的数值控制装置，所述5轴加工装置由对于在工作台上安装的工件进行加工的3个直线轴和两个转动轴构成，具有以下单元读取所述直线轴的移动路径的指令、所述工件和工具的相对移动速度的指令、以及对于所述工作台的工具方向的指令的指令读取单元；间除所述直线轴的移动路径的指令以及所述工具方向的指令的指令间除单元；对每一插补周期求各轴位置，以使根据未由所述指令间除单元间除而剩余的移动路径的指令以及工具方向的指令、以及所述相对移动速度的指令，工具尖端点以被指令的相对移动速度、在被指令的移动路径上移动的插补单元；和驱动各轴的电动机以使向通过所述插补单元求得的各轴位置移动的驱动单元。
2. 根据权利要求1所述的控制5轴加工装置的数值控制装置，其中， 所述指令间除单元，在所述工具方向的变化量和所述移动路径的指令中的所述直线轴的变化量比预先设定的值小的场合，间除该直线轴的移动路径的 指令和工具方向的指令。
3. 根据权利要求1所述的控制5轴加工装置的数值控制装置，其中， 所述工具方向的指令，被指令为两转动轴的角度或者工具方向矢量。
4. 根据权利要求1所述的控制5轴加工装置的数值控制装置，其中， 所述指令读取单元，当指令间除方式时，作为间除对象程序指令先读取预先设定数的块直到指令间除方式解除，所述指令间除单元，间除所述间除对象程序指令中的直线轴的移动路径 指令和工具方向指令。
5. 根据权利要求4所述的控制5轴加工装置的数值控制装置，其中，用G代码或者M代码指令所述间除方式，用与该G代码或者M代码不 同的G代码或者M代码指令所述间除方式解除。
全文摘要
本发明提供一种控制通过对于在工作台上安装的工件进行加工的3个直线轴和两个转动轴构成的5轴加工装置的数值控制装置，该数值控制装置，在工具方向的变化量和移动路径的指令中的直线轴的变化量比预先设定的值小的场合，间除该直线轴的移动路径的指令和工具方向的指令。
文档编号G05B19/41GK101526812SQ20091000572
公开日2009年9月9日 申请日期2009年2月3日 优先权日2008年3月7日
发明者井出聪一郎, 古贺大二朗, 大槻俊明, 花冈修 申请人:发那科株式会社