专利名称：数控机床的加工时间预测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及计算通过NC(数控)指令使刀具在指定的路径上移动所需要的时间的、数控机床的加工时间预测装置。
背景技术：
预先预测通过数控机床的加工时间对于高效率地运用机床十分重要。为预测加工时间必须了解刀具的移动速度。作为预测刀具实际的移动速度的方法已知下述几种。在日本特开2007-25945号公报中公开了这样的技术把根据加工机的机种以及加工方式的至少一方设定的速度控制参数做成数据库，把对移动指令数据编程后的NC数据(NC指令)输入加工时间预测模块，通过上述加工时间预测模块读出与选择的加工机的机种或者加工方式对应的速度控制参数，根据该读出的速度控制参数和上述移动指令预测加工时间。在日本特开2009-98981号公报中公开了这样的技术求用小间隔分割刀具轨迹的分割轨迹，，求出使刀具以按照所指定的移动速度的速度在上述分割轨迹上移动而加工工件时的该分割轨迹上的任意位置的刀具位置、和各分割轨迹上的各轴方向的刀具移动速度的时间变化作为轴控数据，根据以该求出的轴控数据指定的上述各轴方向的移动速度的时间变化来计算加工所要时间。在日本特开2005-301440号公报中公开了这样的技术用与NC机床(数控机床) 的驱动用插补算法相同的插补算法插补对于机床的轴移动指令中所指令的移动轨迹，对上述轴移动指令中所指令的移动轨迹的插补次数进行计数，在驱动控制上述NC机床时的插补周期上乘以上述计数的插补次数，计算轴移动指令的轴移动时间。如上所述，为预测加工时间，必须了解刀具的移动速度，但是加工过程中刀具的实际的速度，与通过把在CNC的参数中设定的加减速应用于由NC指令给予的指令速度而得到的速度不同。目前的CNC为抑制对于设备的冲击实现平滑的刀具运动，以非常短的周期控制刀具的移动速度，所以沿刀具路径切向的刀具的移动速度时时刻刻在变化。因此，如在上述的日本特开2007-25945号公报中公开的那样，在考虑块单位的速度的方法中，不能收到以比块长度短的单位变化的速度的效果。另外，在如金属模具加工那样费时间的加工中，除了预测的加工时间的精度之外， 预测需要的时间(处理时间)要短也是重要的。在上述日本特开2009-98981号公报中公开的技术中，因为为使用各轴中每一轴的速度数据需要把刀具的运动分解为各轴的动作， 所以计算需要时间，处理时间变长。另外在上述日本特开2005-301440号公报中公开的方法中，因为利用CNC的插补处理，所以从NC指令的解读到插补执行CNC的大部分功能，与实际的加工相比，不能大幅缩短处理时间
发明内容
因此，本发明是鉴于上述现有技术的问题而提出的，其目的是提供一种预测数控机床的加工时间的预测方法以及预测装置，其能够提高加工时间的预测精度和缩短用于预测加工时间的处理时间。本发明的数控机床的加工时间预测装置是计算刀具根据NC指令在指定的刀具路径上移动所需要的时间的装置，具有把上述刀具路径分割为多个段的刀具路径分割单元； 求出通过上述刀具路径分割单元分割而得的各段的切向的速度的速度计算单元；根据通过上述速度计算单元求出的切向的速度，计算刀具在各段上移动所需要的时间的段移动时间计算单元；以及求出通过上述段移动时间计算单元算出的在各段上移动的时间的总和作为刀具在指定的刀具路径上移动所需要的时间的刀具移动时间计算单元。通过上述结构，能够比以往更正确地预测加工需要的时间，所以事前能够精细地把握各个加工中使用设备的时间，能够减少设备的空闲时间、高效率地运用设备，另外，因为能够比以往更正确地预想到加工结束的时间，所以能够正确地制定生产计划。上述刀具路径分割单元可以在根据上述NC指令的指令速度上乘以预定的系数、 或者基于刀具路径的曲率决定的系数，求出刀具的速度，刀具以该求得的速度移动，用预定的时间间隔分割上述刀具路径，并且把这样分割后的各区间作为段。此外，可以使分割上述刀具路径的上述预定的时间间隔可变。由此，除了以NC指令的指令速度进行加工的情况之夕卜，还能够求出达到了速度超越(override)时的加工时间。另外，能够兼顾加工时间的预测值的精度缩短处理时间。上述速度计算单元是从各段的起点到终点计算该段的切向的速度的单元，该速度计算单元可以具有根据各段与相邻段之间的速度差、加速度差、加加速度差、刀具路径的曲率、速度计算中使用的段数中的至少一个来决定各段终点的速度的终点速度计算单元； 把段的切向的加速度作为通过上述NC指令驱动的轴向的成分不超过各轴的最大加速度的最大的值的切向加速度计算单元；比较在指令速度上乘以预定的系数而得的值和基于刀具路径的曲率的预定的值，以决定段的上限速度的上限速度计算单元；以及速度曲线计算单元，其使用通过上述切向加速度计算单元求出的切向加速度，使得不超过通过上述上限速度计算单元决定的上述上限速度，而且使段终点的速度不超过通过上述终点速度计算单元求出的速度地计算作为该段的切向的速度的速度曲线。由此，即使在需要根据速度、加速度、加加速度、刀具路径的曲率的速度控制的情况下也能够正确地预测加工时间。上述速度曲线计算单元能够选择预先准备的多个速度曲线计算单元中的一个计算单元，通过该选择的计算单元计算速度曲线。由此能够兼顾加工时间的预测值的精度缩短处理时间。本发明通过具有以上的结构，能够提供能够提高加工时间的预测精度、缩短用于预测加工时间的处理时间的预测数控机床的加工时间的预测装置。
根据参照附图的以下的实施例的说明能够明了本发明的上述以及其它的目的以及特征。附图中图1是表示加工时间预测装置的功能框图；图2是说明减速曲线的求法的图3是说明沿刀具路径测量的距离和切线速度的图；图4是说明段内部的速度曲线的图；图5是说明容许速度的求法的图；图6是表示使用段数据计算刀具的移动时间的过程的流程图；图7是表示刀具移动一段需要的时间的计算过程的流程图；图8A-图8D是说明求出速度曲线的第二方法的图。
具体实施例方式在本发明中，把刀具路径分割为多个段，求出表示从各段的起点到终点切向的速度的变化的速度曲线，刀具按照该求得的速度曲线运动，计算在所述段上移动所需要的时间。在全部刀具路径上移动需要的时间由每一段的移动时间的总和给出。通过考虑对于通过在相邻段间的速度的差、加速度的差或者加加速度的差、以及刀具路径的曲率、或者速度计算中使用的段数据的数目决定的速度的限制，决定速度曲线， 能够提高计算出的加工时间的精度。根据本发明，因为能够不把刀具的动作分解为各轴的动作，而作为处理切向的速度的一维的问题处理，所以能够缩短处理时间。另外，通过使对段的分割间隔可变，能够调整移动时间的预测值和该预测值的精度。图1是说明本发明的一种实施方式的框图。加工时间预测装置1包含NC指令解读部10、速度限制处理部20、段数据生成部30、中间存储器(缓冲存储器)40、段移动时间计算部50、以及全部移动时间计算部60。NC指令解读部10接受NC指令(加工程序)2作为输入，解读其内容，分割NC指令 (加工程序)2中记述的每一块的指令数据，生成块数据。输入的NC指令2与输入到CNC (数控装置)的指令相同，文本文件或者在CNC的程序存储器中存储的二进制数据等，各种形式均可。NC指令解读部10生成的块数据表示构成原来的NC指令(加工程序)2的各块的指令内容，包含块的起点和终点的位置的信息、决定从块的起点到终点的路径的种类(直线、圆弧等)及其路径的信息(为圆弧时的中心位置等)、移动块时的刀具的速度信息。速度限制处理部20包含全区域速度限制处理部21、局部速度限制处理部22、以及数据量依存型速度限制处理部23。全区域速度限制处理部21比较NC指令(加工程序)2中指令的指令速度Vc和根据刀具路径的曲率预先决定的速度Via，把小的一方的值作为上限速度Vlim。这些指令速度Vc的数据和刀具路径的曲率的数据从由NC指令解读部10生成的块数据给出。根据刀具路径的曲率预先决定的速度Via的数据预先存储在存储器(未图示)中。在计算达到了速度超越的状态下的刀具的移动时间的情况下，代替指令速度Vc使用在指令速度Vc上乘以超越的比率的速度。因为局部速度限制处理部22和数据量依存型速度限制处理部23利用段，所以后述。段数据生成部30接受由NC指令解读部10生成的块数据，分割从各块的起点到终点的刀具路径为多个段。该分割方法对指令速度Vc乘以预定的系数k(或者根据刀具路径的曲率决定的系数)求出分割速度Vd，把对该求得的分割速度Vd乘以预定的时间τ得到的距离(=VdX τ)作为分割间隔，从块起点依次切出段。当把这样生成的各个段的长度设为L时，可以表示为L = VdX τ。这里，预定的时间τ取插补周期或者比其长的时间。切出的微小的截断作为段数据蓄积(存储)在中间存储器(缓冲器)40中。在中间存储器40中存储的段包含段的长度L、段的方向(从起点朝向终点的矢量)、上述上限速度、和通过局部速度限制处理部22求出的转角速度Vr。局部速度限制处理部22对于通过段数据生成部30生成的段，求出相邻的段间的速度差、加速度差、以及加加速度差分别位于预先设定的允许值以下的速度中的最大的速度，把该速度作为相邻段的连接点处的转角速度Vr。此外，代替由全区域速度限制处理部 21考虑刀具路径的曲率，也可以由局部速度限制处理部22考虑。这样把设定了值的段数据蓄积(存储)在中间存储器(缓冲器)40中。数据量依存型速度限制处理部23是考虑对于通过段数据的数目决定的刀具的移动速度的限制，用于提高计算出的加工时间的精度的单元。该数据量依存型速度限制处理部23是如在日本特开2007-94936号公报中公开那样的、在加工时间的预测装置中再现通过先读处理部读入的数据数决定对于速度的限制的单元。数据量依存型速度限制处理部23，作为在中间存储器(缓冲器)40中蓄积的末尾的段(最后生成的段)的终点成为预定的速度fe，朝向中间存储器(缓冲器)40的开头的段形成称为减速曲线的表示速度的变化的速度曲线U(t)。因为刀具不能以该速度曲线U(t) 以上的速度移动，所以该U(t)称为容许速度。通常，预定的速度fe取0，但是也可以是有限的值。图2表示减速曲线的一例、在图2中，si、s8分别表示在中间存储器(缓冲器)40 中蓄积的前端以及终端的段。即，在图2的例子中，在si s8的段中，s8的段是最后生成的段。此时，在作为终端的段的s8的终点使预定的速度Ua成为0地形成朝向开头的段si 的减速曲线。减速曲线的倾斜度表示切向加速度α的大小。以减速曲线和表示各段的起点和终点的虚线切取的柱状的区域的面积与该段的移动距离(L = VdX τ)相等。把切向加速度α设为把它分解为设备的驱动轴方向的成分时不超过各轴的容许加速度的最大的值。即为不使因为急剧的减速对于机械给予损伤而对减速方向的加速度设置限制。对于中间存储器(缓冲器)40的开头的段sl(最先生成的段)，比较通过减速曲线决定的段的终点处的速度Un和转角速度Vr，把小的一方作为段终点处的速度Ue0段移动时间计算部50从中间存储器(缓冲器)40的开头取出一段数据，计算刀具在该段上移动需要的时间。当把段的长度设为L，段的起点的时刻设为0，把作为时刻t的刀具的移动速度的速度曲线作为V(t)时，刀具移动任意一段需要的时间T满足下述(1)式。 如图3所示，速度曲线V(t)表示沿刀具路径测定的距离s (t)的时间微分。Ja V(t)dt—L
O(ι )假定作为刀具的移动速度的速度曲线V(t)，如图4所示，在每一区间分别用一次式表示。在图4中在一段中有加速区间、恒速区间、以及减速区间。这里，Vs、Ve分别表示各区间的起点以及终点的刀具移动速度。另外，VO是t = 0时的速度，是段的起点处的速度。
6在最初开始运动的段(si)中VO = 0，在那以后的段中VO等于前一段的终点的速度化。加速区间和减速区间的倾斜度根据段的切向加速度a决定。Vlim是全区域速度限制处理部 21求出的上限速度。如图4所示，刀具的运动状态，可以分类为刀具的移动速度增加的加速状态、以恒定速度推移的恒速状态、速度减小的减速状态中的任何一种。使用预先决定的评价函数进行实现的状态的判定(现实的刀具的运动状态)和从加速状态到恒速状态的转移那样的状态迁移的判定。因为如上述那样决定段起点的速度V0，所以通过决定该段起点处的初始状态，进行状态迁移的判定和通过迁移的状态的更新，能够决定段内部的速度曲线V(t)。当决定了速度曲线V(t)时，就可以使用上述(1)式求出刀具移动一段需要的时间。此外，在图4中， 表示三个状态(加速状态、恒速状态、减速状态)全部在一个段中出现的情况，但是根据条件可能仅出现加速状态、或者(无加速状态)仅出现恒速状态和减速状态等各种速度变化的方式。评价函数采用实现接近刀具的实际的速度的速度曲线V(t)。例如，在日本特开 2007-94936号公报中记载的比较当前的容许速度和加速后的速度的方法中，时刻t时的评价函数W(t)的值用以下的(2)式表示。ff(t) = U (t+ Δ t) - {V (t) + α At}........(2)在(2)式中，在W(t) > 0时判定是可加速的状态。式中，V(t)表示时刻t时的速度，α表示切向加速度，U(t)表示基于减速曲线决定的、时刻t时的容许速度。容许速度 U(t)，如图5所示，是在沿减速曲线减速时仅前进到时刻t移动的距离的点处减速曲线表示的速度。At是微小的时间，例如假定为1毫秒。后面的式中的At也同样。图6是表示使用段数据计算刀具的移动时间的过程的流程图，图7是表示刀具移动一段需要的时间的计算过程的流程图。下面根据这些图说明刀具的移动时间的计算方法。 图6表示的处理，在生成预定数目的段数据并供给中间存储器(缓冲器)40时开始。下面按照各步骤进行说明。[步骤SA100]进行变量的初始化。即，把前段终点的速度化设定为0，另外，把刀具在由多个段组成的刀具路径上移动所需要的时间T-total设定为0。[步骤SA101]从缓冲器的开头取出一个段数据，在图7表示的流程图的处理中计算刀具在段上移动需要的时间。[步骤SA102]把在步骤SAlOl中计算的时间加在T-total上。[步骤SA103]判断刀具在全部段上移动所需要的时间(刀具移动时间)的计算是否结束，如果未结束，则转移到步骤SA104，如果结束，则结束处理(即，把步骤SA102的 T-total的值作为刀具在刀具路径上移动所需要的时间取出)。[步骤SA104]生成一个段数据，供给缓冲器，返回步骤SA101。图7表示图6的步骤SAlOl的计算刀具移动时间的流程图。该计算方法根据状态把段分割为多个区间，针对这些分割后的每一区间分别求出刀具的移动时间，把这些移动时间的总和作为刀具在一个段上移动所需要的时间(段移动时间)。这里，导入表示状态的以下的变量。Vs 区间起点处的速度，Ve 区间终点处的速度，time 从段起点累计的移动时间，Rd 段的剩余距离。使用下述(3)式求评价函数。式中，V(t) +α At由上限速度Vlim箝位。ff(t) =U (t+ Δ t) - [V (t) + α Δ t}式中，V (t) +α At由上限速度Vlim箝位......(3)状态的判定根据以下的a) C)条件进行。a) 0彡W⑴，且V⑴ < 上限速度Vl im时，加速状态b) 0彡W⑴，且V (t)=上限速度Vl im时，恒速状态c)ff(t) < 0时，减速状态下面按照各步骤进行说明。[步骤SB100]设定段起点的值。即，设定Us= Ue (前段终点处的速度)，Rd = L(段的长度)，time = 0。Ue，根据图6的步骤SA100在最初的段中初始化为Ue = 0。[步骤SB101]根据评价函数W(t)判定当前的状态。把区间的起点处的速度Vs、 根据图5中表示的速度曲线求出的区间的始点处的容许速度UO和切向加速度α代入评价函数，应用上述判定条件决定。[步骤SB102]使用评价函数决定下次发生状态迁移的点。例如，如果当前的状态是加速状态，则如下那样进行计算。当从区间的起点起经过时间t时，用下述(4)式表示速度。V = Vs+α t........(4)根据下述(5)式求出容许速度U(t)。
(UO2-U2) /2 a = Vs*t+ ( a /2) t2......(5)根据(6)式求出到状态迁移点的时间Τ’。式中在Vlim <Vs+at的情况下成为 Vlim = Vs+a t，设t为到状态迁移点的时间T’。ff(T' ) = U (Τ，+ At)-(Vs+a T' + α Δ t) = 0......(6)如果当前的状态是恒速状态，则速度是Vlim，所以容许速度满足U(t) =Vlim的点是状态迁移点。当把到状态迁移点的经过时间设为T’时，因为到状态迁移点前进的距离是 Vlim XT，，所以下式(7)成立。(UO2-U(T' )2)/2a = Vlim ‘ T'......(7)如果当前的状态是减速状态，则把局部速度限制处理部22求出的段终点的速度作为Ue，到状态迁移点的时间T’满足下述(8)式。到达状态迁移点后保持速度为Ue0Vs-a T' = Ue ........(8)[步骤SB103]使用到状态迁移点的时间T’计算从区间的起点到状态迁移点移动的距离。在加速区间的情况下用下述(9)式表示。D = Vs*T，+ a *T，2/2........(9)在恒速区间的情况下用下述(10)式表示。D = Vs*T，........(10)在减速区间的情况下用下述(11)式表示。D = Vs*T，- a *T，2/2........(11)[步骤SB104]判断状态迁移点是否在段终点的跟前。如果Rd< D则在到达状态迁移点前到达段终点。
[步骤SB105]在状态迁移点在终点跟前的情况下的处理中，在time上相加到状态迁移点的移动时间，更新Vs和Rd，使现区间的终点的状态成为下一区间的起点，返回步骤SBlOl重复处理。更新的值，当把现区间的终点的速度作为Ve时，成为Vs = Ve, Rd = Rd-D。[步骤SB106]在段终点位于状态迁移点跟前的情况的处理中，把从区间的起点到终点的移动时间iTe累加在time上后结束。在加速区间的情况下，根据下述(12)式求出Te。Rd = Vs*Te+ α *Te2/2.........(12)在恒速区间的情况下，根据下述(13)式求出Te。Rd = Vs*Te ........(13)在减速区间的情况下，根据下述(14)式求出Te。Rd = Vs*Te_ α *Te2/2........(14)通过以上的过程，在time上累加各区间的移动时间，在处理结束时，time保持段的移动时间。在全部移动时间计算部60中，把在上述time中保持的值作为全部移动时间。在本发明的一个实施例的说明中，假设从段的起点到终点切向加速度为恒定，但是速度计算单元不限于此。例如，当假定切向加速度α依存速度V，其关系为线性α =
vXh+k，h和k表示常数时，下述(15)式成立。
权利要求
1.一种数控机床的加工时间预测装置，用于计算刀具根据NC指令在指定的刀具路径上移动所需要的时间，其特征在于，具备刀具路径分割单元，其把上述刀具路径分割为多个段；速度计算单元，其求出通过上述刀具路径分割单元分割而得的各段的切向的速度； 段移动时间计算单元，其根据通过上述速度计算单元求出的切向的速度，计算刀具在各段上移动所需要的时间；以及刀具移动时间计算单元，其求出通过上述段移动时间计算单元算出的在各段上移动的时间的总和作为刀具在指定的刀具路径上移动所需要的时间。
2.根据权利要求1所述的加工时间预测装置，其特征在于，上述刀具路径分割单元在根据上述NC指令的指令速度上乘以预定的系数、或者基于刀具路径的曲率决定的系数，求出刀具的速度，刀具以该求出的速度移动，用预定的时间间隔分割上述刀具路径，并且把这样分割后的各区间作为段。
3.根据权利要求2所述的加工时间预测装置，其特征在于， 分割上述刀具路径的上述预定的时间间隔可变。
4.根据权利要求1所述的加工时间预测装置，其特征在于，上述速度计算单元是从各段的起点到终点计算该段的切向的速度的单元， 该速度计算单元具有终点速度计算单元，其根据各段与相邻段之间的速度差、加速度差、加加速度差、刀具路径的曲率、速度计算中使用的段数中的至少一个，来决定各段终点的速度；切向加速度计算单元，其把段的切向的加速度设为通过上述NC指令驱动的轴方向的成分不超过各轴的最大加速度的最大的值；上限速度计算单元，其比较在指令速度上乘以预定的系数而得的值与基于刀具路径的曲率的预定的值，以决定段的上限速度；以及速度曲线计算单元，其使用通过上述切向加速度计算单元求出的切向加速度，使得不超过通过上述上限速度计算单元决定的上述上限速度，而且使段终点的速度不超过通过上述终点速度计算单元求出的速度地计算作为该段的切向的速度的速度曲线。
5.根据权利要求4所述的加工时间预测装置，其特征在于，上述速度曲线计算单元选择预先准备的多个速度曲线计算单元中的一个计算单元，通过该选择的计算单元计算速度曲线。
全文摘要
本发明提供一种数控机床的加工时间预测装置，其为计算刀具根据NC指令在指定的刀具路径上移动所需要的时间(刀具移动时间)，把刀具路径分割为多个段，求出分割后的各段的切向的速度，根据所求出的切向的速度，计算刀具在各段上移动需要的时间，进而，求出这样算出的在各段上移动的时间的总和作为刀具移动时间。
文档编号G05B19/18GK102455679SQ20111032677
公开日2012年5月16日 申请日期2011年10月19日 优先权日2010年10月27日
发明者千叶琢司, 水野彻 申请人:发那科株式会社