CN102243486B - 多轴加工机用数值控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于提供一种多轴加工机用数值控制装置。对具有三个直线轴、三个旋转轴的多轴加工机进行控制的数值控制装置对工具方向指令进行插补来求出插补工具方向矢量，根据该矢量运算三个旋转轴的多个解。合成这些多个解来运算三个旋转轴的位置。进而，在插补工具尖端点位置上，在所述插补工具方向矢量或以所述旋转轴位置运算单元求出的所述三个旋转轴的位置上的验证工具方向矢量上乘以工具长修正量，并将其结果相加，运算机械坐标系上的三个直线轴的位置。将这三个旋转轴移动到所述运算中求出的位置，并将三个直线轴移动到所述运算中求出的位置。

Description

多轴加工机用数值控制装置

技术领域

本发明涉及控制工作机械的数值控制装置，特别涉及控制下述多轴加工机的数值控制装置，该多轴加工机利用以至少三个直线轴以及至少三个旋转轴来旋转工作台或工具头的机构、来对安装在工作台上的工件(被加工物)进行加工。

背景技术

除了三个直线轴(X轴、Y轴、Z轴)之外还具有两个旋转轴的五轴加工机正在普及。在该五轴加工机中有在工具头侧具有两个旋转轴的头旋转型、在工作台侧具有两个旋转轴的工作台旋转型、以及在工具头侧具有一个旋转轴和在工具台侧具有一个旋转轴的混合型。而且，在指令程序坐标系上根据直线轴位置来指示工具尖端点、并且通过工具方向指令来指示相对于工件的相对的工具方向以控制工件的加工的工具尖端点控制技术例如在日本特开2003-195917号公报中已公知。

但是，在所述五轴加工机中存在旋转轴动作较大的特殊点。因此，例如在美国专利7、571、027号公报中提出了如下方案：判断五轴运动装配体的尖端点是否接近特殊点，在接近特殊点时产生虚拟轴来避免该特殊点附近的旋转轴的大幅度的动作。

在该美国专利7、571、027号公报中公开的方法中，认为存在下面的问题。

(1)即使产生虚拟轴来求移动量，由于该虚拟轴不是实际存在的轴，所以实际上也不进行动作。因此，即使能够避免旋转轴的大的动作，在加工点也会产生误差。

(2)由于判断尖端点是否接近特殊点，有可能即使是基本相同的加工路径、即使判断为一个加工路径在特殊点附近，对于另一加工路径也不会判断为接近特殊点。这种情况下，尽管是大体相同的加工路径，但工具的动作大有不同。其结果，有可能在加工面上带有皱痕或造成阶梯差。

最近，已经使用了图1以及图2中所示的具有三个旋转轴的头旋转型多轴加工机用的工具头。此外，也已经使用了图3所示的具有工作台旋转2轴和头旋转1轴的混合型多轴加工机。进而，还想出了图4所示的具有工作台旋转1轴和头旋转2轴的混合型多轴加工机、和图5所示的具有工作台旋转3轴的工作台旋转型多轴加工机作为机械结构。但是，没有对上述的多轴结构的工作机械通过数值控制来进行工具尖端点控制的技术。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种用于控制具备三个旋转轴的多轴加工机的、进行工具尖端点控制的数值控制装置，特别是提供如下的数值控制装置，其在指令程序坐标系上根据直线轴位置指示工具尖端点位置并且指示相对于工件的相对的工具方向指令来控制加工的工具尖端点控制中：

(a)能够不产生加工误差地避免在具备2个旋转轴的5轴加工机中难以避免的、特殊点附近的旋转轴的大的动作；并且，

(b)能够防止以下情况：虽然两个加工路径大体相同，但在一个加工路径中判断为工具尖端点在特殊点附近，而在另一个加工路径中判断为工具尖端点不在特殊点附近，从而导致在两个加工路径中旋转轴的动作有很大不同。

换言之，本发明提供一种数值控制装置，如果2个加工路径大体相同，则能使避免了特殊点附近的旋转轴的大的动作的路径也大体相同。

因此，为了实现上述课题，本发明提供具备下述特征的、具备3个旋转轴的多轴加工机用的数值控制装置作为进行工具尖端点控制的数值控制装置。

由该多轴加工机用的数值控制装置控制的多轴加工机以至少3个直线轴以及至少3个旋转轴通过使工作台或工具头进行旋转的机构来对安装在工作台上的工件进行加工。此外，该数值控制装置在指令程序坐标系上根据指令直线轴位置来指示工具尖端点位置并且将工具方向指令提供给所述多轴加工机。并且，该数值控制装置具备：旋转轴多个解运算单元，其在每个插补周期对所述工具方向指令进行插补并求插补工具方向矢量，根据求出的插补工具方向矢量来运算所述3个旋转轴的多个解；旋转轴位置运算单元，其合成所述多个解来运算所述3个旋转轴的位置；以及直线轴位置运算单元，其对在每个插补周期所指示的所述工具尖端点位置进行插补来求出插补工具尖端点位置，根据所述插补工具尖端点位置、工具长修正量以及所述3个旋转轴的位置来运算机械坐标系上的所述3个直线轴的位置。并且，将所述3个旋转轴移动到通过所述旋转轴位置运算单元求出的所述旋转轴位置，此外将所述3个直线轴移动到用所述直线轴位置运算单元求出的所述直线轴位置。

所述直线轴位置运算单元可以是，在所述插补工具方向矢量上乘以所述工具长修正量并与所述插补工具尖端点位置相加，来运算机械坐标系上的所述直线轴3轴的直线轴位置。

所述旋转轴位置运算单元是合成所述多个解来运算所述旋转轴3轴的旋转轴位置，并且求出验证工具方向矢量，该验证工具方向矢量是根据该运算出的旋转轴3轴的旋转轴位置而求出的工具方向矢量，所述直线轴位置运算单元可以是，在所述验证工具方向矢量上乘以所述工具长修正量并与所述插补工具尖端点位置相加，来运算机械坐标系上的所述直线轴3轴的直线轴位置。

所述直线轴位置运算单元可以是，根据所述工具长修正量、所述旋转轴3轴的旋转轴位置以及所述插补工具尖端点位置，通过后述的(10-3)式来运算机械坐标系上的所述直线轴3轴的直线轴位置。

所述多个解可以是第1旋转轴不动作时的第1旋转轴固定解、第2旋转轴不动作时的第2旋转轴固定解、以及第3旋转轴不动作时的第3旋转轴固定解。或者取而代之，所述多个解可以是第1旋转轴移动了在1周期前的插补周期中求出的第1旋转轴的移动量时的第1旋转轴固定解、第2旋转轴移动了在1周期前的插补周期中求出的第2旋转轴的移动量时的第2旋转轴固定解、以及第3旋转轴移动了在1周期前的插补周期中求出的第3旋转轴的移动量时的第3旋转轴固定解。

所述旋转轴位置运算单元能针对所述多个解，计算评价值并对将该评价值乘以基于所述多个解的移动量而得到的值进行合成，所述评价值是移动量越小评价越高的评价值。

所述旋转轴位置运算单元能根据求出的3个旋转轴的所述旋转轴位置来求验证工具方向矢量，并验证该求出的验证工具方向矢量和所述插补工具方向矢量的差是否在预先设定的公差以内，如果不在所述公差以内，则对所述评价值进行再运算以便对移动量小的情况进行更高的评价，由此反复运算旋转轴位置。

所述多轴加工机可以是以所述3个旋转轴使工具头进行旋转的类型的多轴加工机；以所述3个旋转轴中的2个旋转轴来旋转工作台、以另1个旋转轴来旋转工具头的类型的多轴加工机；以所述3个旋转轴中的2个旋转轴来旋转工具头，以另1个旋转轴来旋转工作台的类型的多轴加工机；以所述3个旋转轴来旋转工作台的类型的多轴加工机中的任意一个。

能够通过工具方向矢量指示所述工具方向指令、或通过2个旋转轴的位置来指示所述工具方向指令、或通过3个旋转轴的位置来指示所述工具方向指令。

本发明通过具有以上构成，在指令程序坐标系上根据直线轴位置来指示工具尖端点位置并且指示相对于工件的相对的工具方向指令来控制加工的工具尖端点控制中，能够提供一种用于控制具备3个旋转轴的多轴加工机的、进行工具尖端点控制的数值控制装置，其能够不产生加工误差地避免在具备2个旋转轴的5轴加工机中难以避免的、特殊点附近的旋转轴的大的动作；并且，能够防止以下情况：虽然两个加工路径大体相同，但在一个加工路径中判断为工具尖端点在特殊点附近，而在另一个加工路径中判断为工具尖端点不在特殊点附近，从而导致在两个加工路径中旋转轴的动作有很大不同。

附图说明

本发明的上述以及其他目的以及特征可以参照附图根据以下的实施例的说明而变得明确。

图1是从Y轴负方向侧观察具备三个旋转轴的头旋转型多轴加工机用的工具头的概要外观立体图。

图2是从X轴正方向侧观察图1中示出的工具头的外观立体图。

图3是说明混合型多轴加工机的第1例的图。

图4是说明混合型多轴加工机的第2例的图。

图5是说明工作台旋转型多轴加工机的图。

图6是说明使三个旋转轴A轴、B轴、C轴中任意的一个轴固定、求剩余的两个轴的位置的图。

图7是说明图1以及图2所示的头旋转型多轴加工机的插补工具方向矢量的图。

图8表示以A轴、B轴、C轴为坐标表示将固定的A轴、B轴、C轴的位置作为上次的插补周期中求出的A轴、B轴、C轴的位置(a0，b0，c0)计算出来时的A轴固定解、B轴固定解、C轴固定解。

图9是说明工具方向矢量从开始工具方向矢量(0，0，1)变化的情况的图。

图10是说明A轴、B轴的动作的图。

图11是说明B轴、C轴的动作的图。

图12是说明对指示的指令工具方向进行了插补的插补工具方向矢量(i，j，k)的i，j成分的图。

图13是说明从针对插补工具方向矢量(i，j，k)生成的A轴、B轴、C轴的位置再次生成的验证工具方向矢量(iv，jv，kv)的iv、jv成分的图。

图14是控制具备三个旋转轴的多轴加工机的数值控制装置的功能框图。

图15是说明本发明的数值控制装置具备的旋转轴多个解运算单元的处理的流程图。

图16是说明本发明的数值控制装置具备的旋转轴位置运算单元的处理的流程图。

具体实施方式

本发明的特征在于工具尖端点位置和工具方向被指示时的工具尖端点控制中的旋转轴的控制。因此，主要说明工具尖端点控制中的工具方向的指示和对其的旋转轴的控制。

一般而言，在给予了相对于工件的相对的工具方向(i，j，k)^T时，相对于其的三个旋转轴的位置并不是解析地、唯一地求出。这一般称为逆运动学计算。

因此，在本发明中，概要地以下面的方式来进行根据某插补周期中的工具方向(i，j，k)^T来求A轴、B轴、C轴的各自的位置的计算。这里，将第1旋转轴作为A轴，将第2旋转轴作为B轴，将第3旋转轴作为C轴。这里“^T”是变换(transposition)，在显而易见的情况下不特别地进行记载。

图6是说明使三个旋转轴A轴、B轴、C轴中的任意一个轴固定、求剩余的两个轴的位置的图。如果使三个轴中一个轴的位置固定，就能够解析地并唯一地求出剩下的两个轴的位置。

针对第一旋转轴固定解(A轴固定解)、第2旋转轴固定解(B轴固定解)、第三旋转轴固定解(C轴固定解)，计算评价值，该评价值是移动量越小而评价越高的评价值，将计算出的评价值分别与各自的解(移动量)相乘(做乘法运算)，将相乘的结果相加。这里，因为在第一旋转轴固定解(A轴固定解)、第二旋转轴固定解(B轴固定解)、第三旋转轴固定解(C轴固定解)中存在根据三角函数计算数值而产生的每2π弧度的周期解和正负解，因此选择这些解中的离刚刚之前的插补周期中的A轴、B轴、C轴的位置更近的解。另外，具备第一旋转轴(A轴)、第二旋转轴(B轴)、第三旋转轴(C轴)的多轴加工机在图1-图5中举例表示。这里，A轴为绕X轴的旋转轴，B轴是绕Y轴的旋转轴，C轴是绕Z轴的旋转轴。

据此，能得到坐标系中的三个旋转轴的移动量尽可能小的这些旋转轴的位置。其结果为，能够防止特殊点附近的旋转轴的大的动作。

此外，在本发明中，没有必要特别地设定特殊点附近这样的范围。因此，不会出现这样的情况：虽然是大体相同的路径，但一个路径判断为接近特殊点、另一个路径不被判断为接近特殊点，从而导致在这两条路径中动作大有不同。即，如果两条路径大体相同，那么特殊点附近的旋转轴的动作在这两条路径中几乎没有差异。

本发明的第一实施方式

在本实施方式中工具方向通过工具方向矢量(ic，jc，kc)进行指示。以下，说明本实施方式。

这里，设想图1以及图2中表示的头旋转型多轴加工机的控制。旋转轴的中心轴线交叉。A轴以及B轴具有-90度～+90度的可动范围，C轴能以任何旋转进行动作。以a(弧度)表示A轴位置，以b(弧度)表示B轴位置，以c(弧度)表示C轴位置。在a＝b＝c＝0时，工具方向如图1以及图2所示成为Z轴方向。

机械坐标系是被机械性地固定的坐标系。指令程序坐标系是表示指令程序中的指令位置的坐标系。在指令程序中，指令程序坐标系上的工具尖端点位置以直线轴X、Y、Z轴的指令位置(xc、yc、zc)进行指示，工具方向指令以指令工具方向矢量(ic、jc、kc)进行指示，分别在每个插补周期进行插补，分别求出插补工具尖端点位置(xi、yi、zi)以及插补工具方向矢量(i、j、k)。这里(i、j、k)是单位矢量。

图7是说明图1以及图2所示的头旋转型多轴加工机的插补工具方向矢量的图。图中，(xp、yp、zp)是后述的直线轴位置。

在插补工具方向矢量(i、j、k)和A轴、B轴、C轴的位置a、b、c之间有以下的(1)式的关系成立。该变换式取决于机械结构。

$\left[\begin{array}{c}i\\ j\\ k\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos c& -\sin c& 0\\ \sin c& \cos c& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos b& 0& \sin b\\ 0& 1& 0\\ -\sin b& 0& \cos b\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos a& -\sin a\\ 1& \sin a& \cos a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{c}\cos c\sin b\cos a+\sin c\sin a\\ \sin c\sin b\cos a-\cos c\sin a\\ \cos b\cos a\end{array}\right]...\left(1\right)$

在赋予了矢量(i，j，k)时，不能解析地、唯一地求出(a，b，c)。因此，使A轴的位置固定来求(a，b，c)(A轴固定解(第1旋转轴固定解))，使B轴的位置固定来求(a，b，c)(B轴固定解(第2旋转轴固定解))，使C轴的位置固定来求(a，b，c)(C轴固定解(第3旋转轴固定解))。关于应固定的轴(A轴、B轴或C轴)的位置，可以使用在上次的插补周期里求出的该轴的位置，或者取而代之使用将上次的插补周期中求出的该轴的位置与上次的插补周期中的移动量(认为上次的插补周期中的该轴的移动量在本次的插补周期也是相同的)相加而得到的值。此外，还有将上上次的插补周期和上次的插补周期里的移动量的差作为加速度进一步相加等多种方法。

这里，分别说明使A轴位置固定的情况、使B轴位置固定的情况、使C轴位置固定的情况。

<A轴固定解(第1旋转轴固定解)>

作为应固定的A轴位置a1，可以使用在上次的插补周期内求出的A轴位置a0，或者以上次的插补周期内的A轴移动量Δa0在本次的插补周期中也相同为前提、使用将上次的插补周期中求出的A轴位置a0上与上次的插补周期中的A轴移动量Δa0相加而得到的值(a0+Δa0)。

若将第一旋转轴固定解的B轴位置b、C轴位置c分别设为b1、c1，b1、c1能够通过对上述(1)式求解来根据a1、i、j、k如下述(2)式来进行计算。这里，n是整数。

$b1=\&PlusMinus;{\cos }^{-1}\left(\frac{k}{\cos a1}\right)$

$c1={\sin }^{-1}\left(\frac{\sin b1\cos a1}{\sqrt{i^2+j^2}}\right)-{\tan }^{-1}\left(\frac{i}{j}\right)+n*2\mathrm{\&pi;}...\left(2\right)$

这里，关于符号+、-或整数n的决定，决定成使b1、c1成为与上次的插补周期中的B轴、C轴的位置接近的解。或者，也可以决定成成为与上次的插补周期内的A轴固定解的B、C轴位置接近的解。

此外，在上述(2)式中的b1计算中，cos^-1的()中的分母(cosa1)、分子(k)两者是0的情况下，b1不确定。此外，在cos^-1的()中的绝对值比1大的情况为无解。这种情况下，b1设为上次的插补周期中的B轴位置，或将后述的第一旋转轴固定解的评价值设为0。对于c1的计算也是同样的。

这样的固定轴位置的方法、符号+或-、或者整数值的决定、以及针对不确定和无解的处理在第二旋转轴固定解、第三旋转轴固定解的计算中也是同样的。

<B轴固定解(第2旋转轴固定解)>

应固定的B轴位置b2为在上次的插补周期中求出的B轴位置b0，或者在上次的插补周期内的B轴移动量Δb0在本次的插补周期中也是一样的前提下、使用将在上次的插补周期中求出的B轴位置b0与上次的插补周期中的B轴移动量Δb0相加得到的值(b0+Δb0)。

若将第二旋转轴固定解的A轴位置a、C轴位置c分别设为a2、c2，则a2、c2就能通过解上述(1)式、根据b2、i、j、k如下述(3)式那样来进行计算。这里，m是整数。

$a2=\&PlusMinus;{\cos }^{-1}\left(\frac{k}{\cos b2}\right)$

$c2={\sin }^{-1}\left(\frac{\sin b2\cos a2}{\sqrt{i^2+j^2}}\right)-{\tan }^{-1}\left(\frac{i}{j}\right)+m*2\mathrm{\&pi;}...\left(3\right)$

<C轴固定解(第三旋转轴固定解)>

应固定的C轴位置c3为在上次的插补周期中求出的C轴位置c0，或者在上次的插补周期中的C轴移动量Δc0在本次的插补周期中也是一样的前提下、使用将在上次的插补周期中求出的C轴位置与上次的插补周期中的C轴移动量Δc0相加得到的值(c0+Δc0)。

若将第三旋转轴固定解的A轴位置a、B轴位置b分别设为a3、b3，则a3、b3就能通过解上述(1)式、根据c3、i、j、k如下述(4)式那样来进行计算。

a3＝sin^-1(i sin c3-j cos c3)

$b3={\tan }^{-1}\left(\frac{i\cos c3+j\sin c3}{k}\right)...\left(4\right)$

如图8所示，以A轴、B轴、C轴为坐标表示A轴固定解、B轴固定解、C轴固定解，该A轴固定解、B轴固定解、C轴固定解是将固定的A轴、B轴、C轴的位置作为上次的插补周期中求出的A轴、B轴、C轴的位置(a0，b0，c0)计算出来时的A轴固定解、B轴固定解、C轴固定解。

然后，求出分别针对第一旋转轴固定解、第二旋转轴固定解、第三旋转轴固定解的临时评价值V1’、V2’、V3’。临时评价值为基于各解的各轴(A轴、B轴、C轴)合成移动量越小，评价越高的值。例如，将根据下述(5)式的计算而求出的计算值设为临时评价值。这里，a0、b0、c0是上次的插补周期中的A轴、B轴、C轴的位置。w是表示对移动量小的情况进行多大程度的高评价的幂值(乘方值)。

${V1}^{\&prime;}={\left(\frac{1}{\sqrt{{(a1-a0)}^2+{(b1-b0)}^2+{(c1-c0)}^2}}\right)}^w$

${V2}^{\&prime;}={\left(\frac{1}{\sqrt{{(a2-a0)}^2+{(b2-b0)}^2+{(c2-c0)}^2}}\right)}^w$

${V3}^{\&prime;}={\left(\frac{1}{\sqrt{{(a3-a0)}^2+{(b3-b0)}^2+{(c3-c0)}^2}}\right)}^w...\left(5\right)$

这些临时评价值是一个例子，只要是基于各解的各轴(A轴、B轴、C轴)合成移动量越小评价越高的值，也可以是其他计算式。例如，在V1’的计算中，可以如下述(6)式一样加上常数BV1，也可以将分母设为各移动量的绝对值，也可以将分子设为常数NV1。对于V2’、V3’也是同样的。

${V1}^{\&prime;}=\mathrm{BV}1+{\left(\frac{\mathrm{NV}1}{|a1-a0|+|b1-b0|+|c1-c0|}\right)}^w...\left(6\right)$

将对临时评价值V1’、V2’、V3’标准化了的值设为V1、V2、V3。并且，如下述(7)式一样，将评价值V1、V2、V3分别与基于第一旋转轴固定解、第二旋转轴固定解、第三旋转轴固定解的移动量相乘，将相乘的结果相加。

a＝a0+V1(a1-a0)+V2(a2-a0)+V3(a3-a0)

b＝b0+V1(b1-b0)+V2(b2-b0)+V3(b3-b0)

c＝c0+V1(c1-c0)+V2(c2-c0)+V3(c3-c0)

                                    ........(7)

由此，求出本次的插补周期中的A轴、B轴、C轴的应移动旋转轴位置(a，b，c)。但是，第一旋转轴固定解、第二旋转轴固定解、第三旋转轴固定解是对于(1)式的解，而在(7)式中求出的a、b、c严格讲不是(1)式的解。因此，将a、b、c代入(1)式求出i、j、k来进行验证。

将在(7)式中求出的a、b、c代入(1)式而求出的i、j、k作为验证工具方向矢量(iv、jv、kv)。并且，如以下的(8)式一样求D，将该D与预先设定的公差D0进行比较，如果D比公差D0小，则将a、b、c设为本次的插补周期中的A、B、C轴的应移动位置。另一方面，如果D比公差D0大，则增大w再次进行(5)式、(6)式、(7)式、(8)式的计算，反复进行直到D比公差D0小。这里，为了增大w，有在前面的w上加上恒定值dw来更新w的值(w←w+dw)、或者在前面的w上乘于比1大的常数kw来更新w的值(w←kw*w)等方法。

$D=\sqrt{{(i-\mathrm{iv})}^2+{(j-\mathrm{jv})}^2+{(k-\mathrm{kv})}^2}...\left(8\right)$

然后，说明与工具2的动作相关的模拟例。

设开始工具方向矢量为(0，0，1)，一面使其绕旋转中心矢量(n1，n2，n3)一点一点地旋转，一面作为工具方向矢量而进行指示。在工具方向矢量是(0，0，1)时，A轴、B轴的位置分别为0，C轴的位置成为不确定的特殊点。这里，n1、n2、n3如下述(9)式那样被赋值。工具方向矢量如图9所示变化。

$n1=\frac{1}{\sqrt{2}}$

n2＝0

$n3=\frac{1}{\sqrt{2}}...\left(9\right)$

在对这样指示的指令工具方向矢量(ic，jc，kc)应用本发明时，在表示A轴以及B轴的动作时成为图10那样，在表示B轴以及C轴的动作时成为图11那样。不会产生特殊点附近的旋转轴特别是C轴的大动作。

此外，图12表示指示的指令工具方向矢量(ic，jc，kc)、以及对其进行了插补的插补工具方向矢量(i，j，k)的i，j成分。根据对其生成的A轴、B轴、C轴的位置来再次生成验证工具方向矢量(iv，jv，kv)，图13表示其iv、jv的成分。如图13所示，由于正确地再生了工具方向矢量，所以能按照指令进行加工。

关于三个直线轴，通过下述(10-1)式至(10-3)式来运算其直线轴位置(xp，yp，zp)。即，首先，在每个插补周期对程序指令上已指示的工具尖端点位置(xc，yc，zc)进行插补而得到插补工具尖端点位置(xi，yi，zi)，在已经求得的插补工具方向矢量(i，j，k)或验证工具方向矢量(iv，jv，kv)上乘以工具长修正量(Th)，将相乘的结果与该得到的插补工具尖端点位置(xi，yi，zi)相加，由此得到这三个直线轴的位置(xp，yp，zp)(参照图7)。这样运算求得的直线轴位置(xp，yp，zp)是工具头的旋转中心。(10-1)式是在插补工具方向矢量(i，j，k)上乘以工具长修正量(Th)的情况，(10-2)式是在验证工具方向矢量(iv，jv，kv)上乘以工具长修正量(Th)的情况。另外，也有如(10-3)式所示的在A轴位置、B轴位置、C轴位置是0时的工具长修正矢量(Th*(0，0，1))上乘以基于a、b、c的矩阵来得到该直线轴三轴的直线轴位置(xp，yp，zp)的方法，但是因为将(7)式中求出的(a，b，c)代入(1)式求出的是(iv，jv，kv)，所以(10-3)式与(10-2)式完全同等。即，如(10-3)式那样在A轴位置、B轴位置、C轴位置为0时的工具长修正矢量(Th*(0，0，1))上乘以基于a、b、c的矩阵来得到该直线轴三轴的直线轴位置(xp，yp，zp)的方法，与如(10-2)式那样在验证工具方向矢量(iv，jv，kv)上乘以工具长修正量(Th)得到该直线轴三轴的直线轴位置(xp，yp，zp)的方法相同。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{xp}\\ \mathrm{yp}\\ \mathrm{zp}\end{array}\right]=\mathrm{Th}*\left[\begin{array}{c}i\\ j\\ k\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{xi}\\ \mathrm{yi}\\ \mathrm{zi}\end{array}\right]...(10-1)$

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{xp}\\ \mathrm{yp}\\ \mathrm{zp}\end{array}\right]=\mathrm{Th}*\left[\begin{array}{c}\mathrm{iv}\\ \mathrm{jv}\\ \mathrm{kv}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{xi}\\ \mathrm{yi}\\ \mathrm{zi}\end{array}\right]...(10-2)$

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{xp}\\ \mathrm{yp}\\ \mathrm{zp}\end{array}\right]=\mathrm{Th}*\left[\begin{array}{ccc}\cos c& -\sin c& 0\\ \sin c& \cos c& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos b& 0& \sin b\\ 0& 1& 0\\ -\sin b& 0& \cos b\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos a& -\sin a\\ 0& \sin a& \cos a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{xi}\\ \mathrm{yi}\\ \mathrm{zi}\end{array}\right]$

$=\mathrm{Th}*\left[\begin{array}{c}\cos c\sin b\cos a+\sin c\sin a\\ \sin c\sin b\cos a-\cos c\sin a\\ \cos b\cos a\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{xi}\\ \mathrm{yi}\\ \mathrm{zi}\end{array}\right]...(10-3)$

本发明的第二实施方式

在第一实施方式中说明了工具方向被指示为指令工具方向矢量(ic，jc，kc)，但在现有的五轴加工机中的工具尖端点控制中通过旋转轴二轴来指示工具方向的情况也较多。

例如，在不具有A轴(参照图1)的现有的五轴加工机中，通过B轴以及C轴的指令来指示工具方向进行基于工具尖端点控制的加工的情况较多。在旋转轴三轴的机械的控制中使用了这样工具方向指令通过B轴以及C轴的指令(bc，cc)进行指示的程序的情况下，将其如下述(11)式那样变换为工具方向矢量(ic，jc，kc)，并看作是指示了指令工具方向矢量(ic，jc，kc)、作为工具方向，从而进行和第一实施方式相同的处理，由此，就能够与第一实施方式同样地控制三个旋转轴。因此，即使是通过基于B轴以及C轴的指令的现有的五轴加工机的工具尖端点控制的指令程序，也能和第一实施方式同样地来控制三个旋转轴。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{ic}\\ \mathrm{jc}\\ \mathrm{kc}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{cc}& -\sin \mathrm{cc}& 0\\ \sin \mathrm{cc}& \cos \mathrm{cc}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{bc}& 0& \sin \mathrm{bc}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{bc}& 0& \cos \mathrm{bc}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{cc}\sin \mathrm{bc}\\ \sin \mathrm{cc}\sin \mathrm{bc}\\ \cos \mathrm{bc}\end{array}\right]...\left(11\right)$

即使是通过具有A轴以及C轴两个旋转轴的五轴加工机、或具有A轴以及B轴两个旋转轴的五轴加工机的指令程序，也同样能够控制三个旋转轴。

本发明的第三实施方式

在本发明的第一实施方式中叙述了工具方向被指示为指令工具方向矢量(ic，jc，kc)的例子，但也能与通过三个旋转轴来指示工具方向的情况相对应。

在工具方向指令通过A轴、B轴、C轴三个旋转轴的指令(ac，bc，cc)进行指示时，将该指令如下述(12)式变换为指令工具方向矢量(ic，jc，kc)，看作是该变换候的指令工具方向矢量(ic，jc，kc)被指示为工具方向，从而能进行与本发明的第一实施方式相同的处理。这样，即使是通用过三个旋转轴来指示了工具方向指令的工具尖端点控制的指令程序，也能与本发明的第一实施方式同样地来控制这三个旋转轴。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{ic}\\ \mathrm{jc}\\ \mathrm{kc}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{cc}& -\sin \mathrm{cc}& 0\\ \sin \mathrm{cc}& \cos \mathrm{cc}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{bc}& 0& \sin \mathrm{bc}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{bc}& 0& \cos \mathrm{bc}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{ac}& -\sin \mathrm{ac}\\ 0& \sin \mathrm{ac}& \cos \mathrm{ac}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{cc}\sin \mathrm{bc}\cos \mathrm{ac}+\sin \mathrm{cc}\sin \mathrm{ac}\\ \sin \mathrm{cc}\sin \mathrm{bc}\cos \mathrm{ac}-\cos \mathrm{cc}\sin \mathrm{ac}\\ \cos \mathrm{bc}\cos \mathrm{ac}\end{array}\right]...\left(12\right)$

同样地，也能够对应于用滚动/俯仰/偏航角(roll，pitch and yaw angles)来指示工具方向或用欧拉角(Euler angle)来指示工具方向等各种指示方法。

本发明的第四实施方式

在本实施方式中假定图3的混合型多轴加工机(工作台旋转2轴+工具头旋转1轴)的控制。在该加工机中，工作台旋转2轴的中心轴线交叉。指令程序坐标系存在于旋转工作台上，其原点与工作台旋转2轴的旋转中心一致。指令程序坐标系与旋转工作台的旋转一起进行旋转。指令工具方向矢量(ic，jc，kc)在指令程序坐标系中被指示。A轴以及B轴分别具有-90度～+90度的可动范围，C轴能以任意旋转进行动作。将A轴位置以a(弧度)来表示、B轴位置以b(弧度)来表示、C轴位置以c(弧度)来表示。在a＝b＝c＝0时，工具方向成为图3中的Z轴方向。

在指令程序中，指令程序坐标系上的工具尖端点位置通过直线轴即X轴、Y轴、Z轴的指令位置(xc，yc，zc)来指示，工具方向指令通过指令工具方向矢量(ic，jc，kc)来指示。而且，在每个插补周期对已指示的工具尖端点位置(xc，yc，zc)以及工具方向矢量(ic，jc，kc)进行插补，来求出插补工具尖端点位置(xi，yi，zi)以及插补工具方向矢量(i，j，k)。在插补工具方向矢量(i，j，k)与a、b、c之间有下述(13)式的关系成立。另外，该变换式取决于机械结构。

$\left[\begin{array}{c}i\\ j\\ k\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos c& -\sin c& 0\\ \sin c& \cos c& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos a& -\sin a\\ 0& \sin a& \cos a\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos b& 0& \sin b\\ 0& 1& 0\\ -\sin b& 0& \cos b\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{c}\cos c\sin b+\sin c\sin a\cos b\\ \sin c\sin b-\cos c\sin a\cos b\\ \cos a\cos b\end{array}\right]...\left(13\right)$

后面，因为与本发明的第一实施方式相同，所以省略说明。此外，即使在第四实施方式即图3的混合型多轴加工机(工作台旋转2轴+工具头旋转1轴)中，也能如本发明的第2实施方式、以及本发明的第3实施方式那样取代指令工具方向矢量，而同样地应用通过旋转轴的指令来指示工具方向的方法。这一点在后述的第5实施方式以及第6实施方式中也是一样的。但是，关于直线轴位置(xp，yp，zp)的运算，对于第1实施方式中的(10-1)式或(10-2)式，为了从工作台上的指令程序坐标系变换为机械坐标系，进行C轴、A轴的工作台旋转轴的逆变换。

下述(14)式是与(10-1)式对应的式子。在为与(10-2)式对应的式子时，使(14)式中的(i，j，k)为(iv，jv，kv)即可。在以下述(14)式所示的直线轴位置(xp，yp，zp)的运算中，关于进行从工作台上的指令程序坐标系向机械坐标系的变换的运算，以下叙述的第5实施方式、第6实施方式也是同样的。在(14)式中，(Ptx，Pty，Ptz)是机械坐标系上的指令程序坐标系原点位置。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{xp}\\ \mathrm{yp}\\ \mathrm{zp}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos a& \sin a\\ 0& -\sin a& \cos a\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos c& \sin c& 0\\ -\sin c& \cos c& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]*\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}\mathrm{Th}*\end{array},\left[\begin{array}{c}i\\ j\\ k\end{array}\right],+,\left[\begin{array}{c}\mathrm{xi}\\ \mathrm{yi}\\ \mathrm{zi}\end{array}\right]\right)\end{array}+\left[\begin{array}{c}\mathrm{Ptx}\\ \mathrm{Pty}\\ \mathrm{Ptz}\end{array}\right]...\left(14\right)$

本发明的第5实施方式

在本实施方式中假定图4的混合型多轴加工机(工作台旋转1轴+工具头旋转2轴)的控制。在该加工机中，头旋转2轴的中心轴线交叉。指令程序坐标系存在于旋转工作台上，其原点与工作台旋转轴的旋转中心一致。指令程序坐标系与旋转工作台的旋转一起旋转。指令工具方向矢量(ic，jc，kc)在指令程序坐标系上被指示。A轴以及B轴分别具有-90度～+90度的可动范围，C轴能以任意旋转进行动作。将A轴位置用a(弧度)来表示、B轴位置用b(弧度)来表示、C轴位置用c(弧度)来表示。在a＝b＝c＝0时，工具方向成为图3中的Z轴方向。

在指令程序中，指令程序坐标系上的工具尖端点位置通过直线轴即X轴、Y轴、Z轴的指令位置(xc，yc，zc)来指示，工具方向指令通过指令工具方向矢量(ic，jc，kc)来指示。而且，在每个插补周期对已指示的工具尖端点位置(xc，yc，zc)以及工具方向矢量(ic，jc，kc)进行插补，来求出插补工具尖端点位置(xi，yi，zi)以及插补工具方向矢量(i，j，k)。在插补工具方向矢量(i，j，k)与a、b、c之间有下述(15)式的关系成立。

$\left[\begin{array}{c}i\\ j\\ k\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos c& -\sin c& 0\\ \sin c& \cos c& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos a& -\sin a\\ 0& \sin a& \cos a\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos b& 0& \sin b\\ 0& 1& 0\\ -\sin b& 0& \cos b\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{c}\cos c\sin b+\sin c\sin a\cos b\\ \sin c\sin b-\cos c\sin a\cos b\\ \cos a\cos b\end{array}\right]...\left(15\right)$

后面，由于和第1实施方式、以及第4实施方式相同，所以省略其说明。

本发明的第6实施方式

在本实施方式中，假定图5的工作台旋转型多轴加工机的控制。在该加工机中，工作台三个旋转轴的中心轴线交差。指令程序坐标系存在于旋转工作台上，其原点与工作台旋转轴的旋转中心一致。指令程序坐标系与旋转工作台的旋转一起旋转。指令工具方向矢量(ic，jc，kc)在指令程序坐标系上被指示。A轴以及B轴分别具有-90度～+90度的可动范围，C轴能进行任意旋转动作。将A轴位置以a(弧度)来表示、B轴位置以b(弧度)来表示、C轴位置以c(弧度)来表示。在a＝b＝c＝0时，工具方向成为图3中的Z轴方向。

在指令程序中，指令程序坐标系上的工具尖端点位置通过直线轴即X、Y、Z轴的指令位置(xc，yc，zc)来指示，工具方向指令通过指令工具方向矢量(ic，jc，kc)来指示。而且，在每个插补周期对已指示的工具尖端点位置(xc，yc，zc)以及工具方向矢量(ic，jc，kc)进行插补，来求插补工具尖端点位置(xi，yi，zi)以及插补工具方向矢量(i，j，k)。在插补工具方向矢量(i，j，k)与a、b、c之间有下述(16)式的关系成立。该变换式取决于机械结构。

$\left[\begin{array}{c}i\\ j\\ k\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos c& -\sin c& 0\\ \sin c& \cos c& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos b& 0& \sin b\\ 0& 1& 0\\ -\sin b& 0& \cos b\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos a& -\sin a\\ 0& \sin a& \cos a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{c}\cos c\sin b\cos a+\sin c\sin a\\ \sin c\sin b\cos a-\cos c\sin a\\ \cos b\cos a\end{array}\right]...\left(16\right)$

因为后面与第1实施方式以及第4实施方式是同样的计算，所以省略其说明。

图14是控制具备3个旋转轴的多轴加工机的数值控制装置的功能框图。数值控制装置1以解析单元12来解析指令程序10并以插补单元14来进行插补，驱动X轴伺服机构20x、Y轴伺服机构20y、Z轴伺服机构20z、A轴伺服机构20a、B轴伺服机构20b、以及C轴伺服机构20c。本发明中的旋转轴多个解运算单元15、旋转轴位置运算单元17、直线轴位置运算单元19如图14所示地、属于插补单元。

图15是说明图14所示的旋转轴多个解运算单元15执行的运算的流程图。以下，按照各步骤进行说明。

·【步骤SA100】得到插补工具方向矢量(i，j，k)。

·【步骤SA101】利用(2)式运算第1旋转轴固定解、利用(3)式运算第2旋转轴固定解、利用(4)式运算第3旋转轴固定解，结束处理。

图16是说明图15的旋转轴位置运算单元17执行的运算的流程图。以下，按照各步骤进行说明。

·【步骤SB100】得到上次的插补周期的旋转轴插补位置(a0，b0，c0)

·【步骤SB101】利用(5)式运算针对第1旋转轴固定解、第2旋转轴固定解、第3旋转轴固定解的临时评价值V1’，V2’，V3’。

·【步骤SB102】将在步骤SB101中求出的V1’，V2’，V3’标准化并分别求出评价值V1，V2，V3。

·【步骤SB103】通过(7)式运算A轴、B轴、以及C轴的应移动旋转轴位置(a，b，c)。

·【步骤SB104】使用在步骤SB100中求出的旋转轴插补位置(a0，b0，c0)、在步骤SB102中求出的评价值V1，V2，V3、以及在步骤SB103中求出的旋转轴位置(a，b，c)，进行(8)式的运算来求D。

·【步骤SB105】判断在步骤SB104中求出的D是否比预先设定的值D0小，在判断为小时结束该处理，将在步骤SB103中求出的a，b，c作为本次的插补周期中的A轴，B轴，C轴的应移动的位置。另一方面，在D不比D0小时转移到步骤SB106。

·【步骤SB106】运算w＝w+dw，返回步骤SB101继续处理。

Claims (15)

1.一种多轴加工机用的数值控制装置，由该数值控制装置控制的多轴加工机以至少3个直线轴以及至少3个旋转轴通过使工作台或工具头进行旋转的机构来对安装在工作台上的工件进行加工，此外，所述数值控制装置在指令程序坐标系上根据指令直线轴位置来指示工具尖端点位置并且将工具方向指令提供给所述多轴加工机，所述数值控制装置的特征在于，具备：

旋转轴多个解运算单元，其在每个插补周期对所述工具方向指令进行插补来求出插补工具方向矢量，根据求出的插补工具方向矢量来运算所述3个旋转轴的多个解；

旋转轴位置运算单元，其合成所述多个解来运算所述3个旋转轴的位置；以及

直线轴位置运算单元，其对在每个插补周期所指示的所述工具尖端点位置进行插补来求出插补工具尖端点位置，根据所述插补工具尖端点位置、工具长修正量以及所述3个旋转轴的位置来运算机械坐标系上的所述3个直线轴的位置，

并且，所述数值控制装置将所述3个旋转轴移动到用所述旋转轴位置运算单元求出的所述旋转轴位置，此外将所述3个直线轴移动到用所述直线轴位置运算单元求出的所述直线轴位置。

2.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

所述直线轴位置运算单元在所述插补工具方向矢量上乘以所述工具长修正量并与所述插补工具尖端点位置相加，来运算机械坐标系上的所述3个直线轴的位置。

3.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

所述旋转轴位置运算单元合成所述多个解来运算所述3个旋转轴的位置，并且求出验证工具方向矢量，该验证工具方向矢量是根据该运算出的3个旋转轴的位置而求出的工具方向矢量，

所述直线轴位置运算单元在所述验证工具方向矢量上乘以所述工具长修正量并与所述插补工具尖端点位置相加，来运算机械坐标系上的所述3个直线轴的位置。

4.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

所述直线轴位置运算单元根据所述工具长修正量、所述3个旋转轴的位置以及所述插补工具尖端点位置，通过下述式子来运算机械坐标系上的所述3个直线轴的位置，

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{xp}\\ \mathrm{yp}\\ \mathrm{zp}\end{array}\right]=\mathrm{Th}*\left[\begin{array}{ccc}\cos c& -\sin c& 0\\ \sin c& \cos c& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos b& 0& \sin b\\ 0& 1& 0\\ -\sin b& 0& \cos b\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos a& -\sin a\\ 0& \sin a& \cos a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{xi}\\ \mathrm{yi}\\ \mathrm{zi}\end{array}\right]$

$=\mathrm{Th}*\left[\begin{array}{c}\cos c\sin b\cos a+\sin c\sin a\\ \sin c\sin b\cos a-\cos c\sin a\\ \cos b\cos a\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{xi}\\ \mathrm{yi}\\ \mathrm{zi}\end{array}\right]$

其中：

xp，yp，zp：3个直线轴X、Y、Z轴的位置；

a、b、c：3个旋转轴A、B、C轴的位置；

xi，yi，zi：插补工具尖端点位置；

Th*：工具长修正量。

5.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

所述多个解是第1旋转轴不动作时的第1旋转轴固定解、第2旋转轴不动作时的第2旋转轴固定解、以及第3旋转轴不动作时的第3旋转轴固定解。

6.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

所述多个解是第1旋转轴移动了在1周期前的插补周期中求出的第1旋转轴的移动量时的第1旋转轴固定解、第2旋转轴移动了在1周期前的插补周期中求出的第2旋转轴的移动量时的第2旋转轴固定解、以及第3旋转轴移动了在1周期前的插补周期中求出的第3旋转轴的移动量时的第3旋转轴固定解。

7.根据权利要求3所述的数值控制装置，其特征在于，

所述旋转轴位置运算单元，针对所述多个解，计算评价值并对将该评价值乘以基于所述多个解的移动量而得到的值进行合成，所述评价值是移动量越小评价越高的评价值。

8.根据权利要求7所述的数值控制装置，其特征在于，

所述旋转轴位置运算单元根据求出的所述3个旋转轴的位置来求所述验证工具方向矢量，并验证该求出的验证工具方向矢量与所述插补工具方向矢量之差是否在预先设定的公差以内，如果不在所述公差以内，则对所述评价值进行再运算以便对移动量小的情况进行更高的评价，由此反复运算旋转轴位置。

9.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

所述多轴加工机是以所述3个旋转轴使工具头进行旋转的类型的多轴加工机。

10.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

所述多轴加工机是以所述3个旋转轴中的2个旋转轴来旋转工作台、以另1个旋转轴来旋转工具头的类型的多轴加工机。

11.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

所述多轴加工机是以所述3个旋转轴中的2个旋转轴来旋转工具头，以另1个旋转轴来旋转工作台的类型的多轴加工机。

12.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

所述多轴加工机是以所述3个旋转轴来旋转工作台的类型的多轴加工机。

13.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

通过工具方向矢量来指示所述工具方向指令。

14.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

通过2个旋转轴的位置来指示所述工具方向指令。

15.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

通过3个旋转轴的位置来指示所述工具方向指令。

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