CN103180792B - 工具路径的生成方法以及生成装置 - Google Patents

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Abstract

本申请发明的目的在于，无需计算近似曲线等，而通过简易的运算式迅速地生成新的工具路径，通过如下步骤生成工具路径：距离计算步骤，把将预定的多个加工点依次用直线连接而得到的多列的工具路径（PA）上的一个加工点（Pi）作为修正加工点（Pt），将处于该修正加工点（Pt）的周围的多列的工具路径上的点作为距离计算点（Pu），计算修正加工点（Pt）至各个距离计算点（Pu）的距离（L）；抽出步骤，抽出通过距离计算步骤计算的距离（L）是规定值（ΔL）以内的距离计算点（Pu'）；平均值计算步骤，计算通过抽出步骤抽出的距离计算点（Pu'）的位置数据和修正加工点（Pt）的位置数据的平均值；以及数据修正步骤，利用通过平均值计算步骤计算的平均值来修正修正加工点（Pt）的位置数据，根据修正后的加工点（Pt'）的位置数据生成新的工具路径（PA'）。

Description

工具路径的生成方法以及生成装置
技术领域
本发明涉及生成工件加工时的工具路径的工具路径的生成方法以及生成装置。
背景技术
一般，在通过数值控制工作机械加工工件的情况下，在加工程序中，通过包括坐标分量的加工指令点的数据（加工点数据）设定多列的工具路径。此时，如果在相互邻接的工具路径间在加工面的法线方向上的加工点数据中有偏差，则在加工面中产生阶梯差，工件的加工形状损坏。已知为了抑制这样的工具路径间的阶梯差，在一个工具路径（以下，称为第1工具路径）的连续的加工指令点（加工点）之间，使用该工具路径的两侧的工具路径（以下，称为第2、第3工具路径）***辅助点，通过这些连续的加工点和辅助点的近似曲线生成工具路径的装置（例如参照专利文献1）。
在该专利文献1记载的装置中，求出第1工具路径上的连续的加工点的中点，从该中点至第2、第3工具路径分别划出垂线，在第2、第3工具径路上，分别求出与第1工具路径上的连续的加工点对应的加工点。使用这些各工具路径上的加工点来分别计算各工具路径的近似曲线，根据这些近似曲线和从第1工具路径的中点划出的垂线的脚的位置导出辅助点。
但是，如上述专利文献1记载的装置那样，计算多个工具路径的近似曲线来导出辅助点，所以处理繁杂，在工具路径的生成中花费时间。
专利文献1：日本特开2000－353006号公报
发明内容
本发明提供一种工具路径的生成方法，生成工件的加工时的工具路径，其特征在于包括：距离计算步骤，把将预定的多个加工点依次用直线连接而得到的多列的工具路径上的一个加工点作为修正加工点，将处于该修正加工点的周围的所述多列的工具路径上的点作为距离计算点，计算所述修正加工点至各个所述距离计算点的距离；抽出步骤，抽出通过所述距离计算步骤计算出的距离是规定值以内的距离计算点；平均值计算步骤，计算通过所述抽出步骤抽出的距离计算点的位置数据和所述修正加工点的位置数据的平均值；以及数据修正步骤，利用通过所述平均值计算步骤计算出的平均值来修正所述修正加工点的位置数据，根据修正后的加工点的位置数据生成新的工具路径。
另外，本发明提供一种工具路径的生成装置，生成工件的加工时的工具路径，其特征在于包括：距离计算部，把将预定的多个加工点依次用直线连接而得到的多列的工具路径上的一个加工点作为修正加工点，将处于该修正加工点的周围的所述多列的工具路径上的点作为距离计算点，计算所述修正加工点至各个所述距离计算点的距离；抽出部，抽出由所述距离计算部计算出的距离是规定值以内的距离计算点；平均值计算部，计算由所述抽出部抽出的距离计算点的位置数据和所述修正加工点的位置数据的平均值；以及数据修正部，利用由所述平均值计算部计算出的平均值来修正所述修正加工点的位置数据，根据修正后的加工点的位置数据生成新的工具路径。
附图说明
图1是示出具有本发明的实施方式的工具路径生成装置的工作机械整体的概略结构的图。
图2是示出应用图1的工具路径生成装置之前的工具路径的一个例子的图。
图3是示出图1的控制装置的结构的框图。
图4是示出图3的工具路径生成装置的结构的框图。
图5A、图5B是说明本发明中的通过应用工具路径生成装置生成新的工具路径的图。
图6A、6B是说明本发明中的工具路径生成装置的精密模式的图。
图7是示出图5A、图5B的变形例的图。
图8是说明图3的平均值运算部中的加权平均的处理的图。
（符号说明）
10：控制装置；20：工具路径生成装置；21：程序读取部；22：模式切换部；23：距离计算点设定部；24：距离运算部；25：数据抽出部；26：平均值运算部；27：数据修正部；30：数值控制装置；Pt、Pt’：修正加工点；PA、PA’：工具路径。
具体实施方式
以下，参照图1～图8，说明本发明的工具路径生成装置的实施方式。图1是示出具有本发明的实施方式的工具路径生成装置的工作机械整体的概略结构的图，作为一个例子示出了立形的加工中心。
在底座1上，竖立设置了柱状物2，在柱状物2上，经由直线进给机构可在上下方向（Z轴方向）移动地支承了主轴头3。在主轴头3上，经由主轴向下朝向安装了工具4。工具4是例如立铣刀，通过主轴头3内的主轴马达旋转驱动。在底座1上，经由直线进给机构可在水平方向（Y轴方向）上移动地支承了座板5，在座板5上可在与Y轴方向正交的水平方向（X轴方向）上移动地支承了平台6。直线进给机构由例如滚珠螺杆和对滚珠螺杆进行旋转驱动的伺服马达构成。通过该结构，工具4和工件W在正交3轴方向（X、Y、Z方向）上相对移动，加工工件W。
分别依照加工程序通过控制装置10控制主轴马达以及各伺服马达。在加工程序中，预先作为工具路径设定工具4的移动轨迹，工具4沿着该工具路径相对工件W进行相对移动。
加工程序是利用周知的CAD/CAM***而制作的。即，根据与工件W的加工形状对应的CAD数据，制作作为微小的直线指令的集合的CAM数据。该CAM数据由庞大的量的点群数据构成，所以以成为适合于加工程序的数据量的方式，从CAM数据依照规定的规则对数据进行间除，制作包括多个加工指令点（以下，简称为加工点、或者还有时称为模块端点）的加工程序。
对这样的加工程序，以模块形式提供了加工点的坐标数据（以下，还有时称为位置数据、加工点数据、或者模块端点数据）。如果将加工开始点至加工结束点的加工点的总数设为N，则对各加工点附加1～N的加工点编号，按照该编号顺序将加工点P（模块端点）依次连接，从而得到作为工件加工时的工具轨迹的指令值的工具路径。另外，以下，使用加工点编号1～N用P1、P2、···、PN来表示各加工点。图2是示出通过这样制作的加工程序得到的工具路径的一个例子的图，示出了沿着三维的曲面状的加工面的多列的工具路径PA。
这样，在经由CAD数据以及CAM数据生成多列的工具路径的情况下，起因于在CAD上定义（造型）加工形状时的形状误差、从CAD向CAM送出形状数据时的近似误差等，在工具路径间在加工点位置产生偏差。即，在如图2的工具路径PA1以及PA2所示，与其他工具路径比较的情况下，针对加工面产生向法线方向的位置偏移ΔL（路径误差）。其结果，在加工面中产生阶梯差或者凹凸，而无法得到平滑的加工面形状。因此，在本实施方式中，生成以即使在工具路径间在加工点位置有偏差的情况下，也能够得到平滑的加工面形状的方式，如以下那样修正了加工点位置的新的工具路径。
图3是示出控制装置10的结构的框图。控制装置10具有：工具路径生成装置20，读入由CAM11生成的加工程序12，生成工件加工时的新的工具路径；以及数值控制装置30，依照包括由工具路径生成装置20生成的工具路径的加工程序13，控制工作机械中设置的进给轴驱动用的各马达15，使工具4沿着工具路径相对工件W进行相对移动。数值控制装置30包括：程序读取部31，读入加工程序13中设定的NC数据；加减速控制部32，控制马达15的加减速；以及插值运算部33，运算X方向、Y方向以及Z方向的各进给轴的目标移动量。
图4是示出工具路径生成装置20的结构的框图。工具路径生成装置20构成为包括具有CPU、ROM、RAM、其他***电路等的运算处理装置，具有程序读取部21、模式切换部22、距离计算点设定部23、距离运算部24、数据抽出部25、平均值运算部26、以及数据修正部27。
程序读取部21依次读入由CAD/CAM***制作的加工程序的模块端点数据、即加工点的三维坐标数据（加工点数据）。图5A是示出将由程序读取部21读入的加工点P依次用直线连接而得到的工具路径PA（PA1～PA5）的图。在本实施方式中，如后所述将一个加工点P设定为修正加工点Pt，运算从该修正加工点Pt至处于规定范围内的工具路径上的各点的距离。另外，此处，如图5A所示，将例如以修正加工点Pt为中心的前后5个通路量的路径PA1～PA5决定为规定范围。因此，程序读取部21读入与以修正加工点Pt为中心的前后5个通路量的工具路径PA1～PA5相当的数量ΔN的加工点数据，并储存到存储器。
1个通路量的数据数由工具4的进给量和加工点间距（加工点间的间隔）确定。例如，在工具4的进给量是100mm且加工点间距是0.1mm时，作为1个通路量，读入1000点、整体ΔN=5000点的加工点数据。在该情况下，在修正加工点Pt是Pi（第i个加工点数据）时，在1～N的范围内，读入P（i+1－ΔN/2）～P（i+ΔN/2）的加工点数据。具体而言，在例如N是10000、Pt是P5000时，读入P2501～P7500的加工点数据，在Pt是P1000时，读入P1～P3500的加工点数据，在Pt是P9000时，读入P6501～P10000的加工点数据。
模式切换部22由例如由用户操作的开关构成，将工具路径生成模式切换为简易模式和精密模式中的某一个。另外，也可以在工厂出场时，预先将工具路径生成模式切换为某一个，而禁止用户的模式切换。
以下，首先，设为工具路径生成模式被切换为简易模式，说明距离运算部24、数据抽出部25以及平均值运算部26的处理。
距离运算部24根据由程序读取部读取的加工点数据（三维坐标分量），计算修正加工点Pt至工具路径PA1～PA5上的其他加工点Pu的直线距离L。
数据抽出部25从加工点Pu中，抽出距修正加工点Pt的距离L是预定的规定值L1以内的加工点Pu’。规定值L1被设定为与例如同一工具路径上的邻接的加工点间的距离大致相同的程度的值。因此，在数据抽出部25中，如图5A所示，抽出以修正加工点Pt为中心的半径ΔL1的球状区域（虚线区域A）中包含的多个加工点Pu’。
平均值运算部26计算修正加工点Pt和所抽出的加工点Pu’的每个坐标分量的平均值。即，通过对修正加工点Pt的X坐标值和各加工点Pu’的X坐标值进行加法并将其整体除以加法之后的数据数，计算X坐标分量的平均值。对于Y坐标分量以及Z坐标分量，也同样地计算平均值。由此，能够如图5B所示，将加工点Pi作为修正加工点Pt，得到修正了其位置数据的新的加工点Pt’。
如果平均值计算处理结束，则将修正加工点Pt从加工点Pi变更为其他加工点Pi+1，反复上述处理。即，从第1个加工点P1至第N个加工点PN，依次变更修正加工点Pt，反复执行一连串的处理。在这种情况下，即使其他加工点Pu（图5A）的平均值计算处理已经结束，距离运算部24也使用平均值计算前的位置数据来计算直至其他加工点Pu的距离L。即，在将图5B的加工点Pi+1作为修正加工点Pt而计算直至加工点Pi的距离L的情况下，对于加工点Pi的位置数据，使用平均值计算前的值。
如果直至P1～PN的平均值计算处理结束，则通过来自数据修正部27的指令，改写加工程序12的加工点数据，制作新的加工程序13。即，各模块端点的位置数据被改写为修正后的位置数据。通过将这些修正后的模块端点依次连接，能够生成图5B的虚线所示那样的新的工具路径PA’。另外，也可以并非在所有加工点的平均值计算处理结束之后，而是每当各加工点Pi的平均值计算处理结束时，改写加工程序。
在这样的新的工具路径PA’中，针对修正后的加工点Pt’的位置数据，通过其周围的加工点Pu’的位置数据进行平均化。因此，即使在从加工程序12读取的加工点数据中有向针对加工面的法线方向的位置偏移ΔL（图2），也能够降低该位置偏移ΔL，能够得到平滑的工件加工面形状。
接下来，说明通过模式切换部22将工具路径生成模式切换为精密模式的情况的处理。图6A是示出由程序读取部21读取的加工程序12中的工具路径PA的一个例子的图，在图中，通过加工点Pa～Pe示出工具路径PA。另外，Pa是程序读取部21读取的最初的点。
距离计算点设定部23在该工具路径PA上，如图6B所示，以Pa为始点而针对预定的长度ΔW的每个路程设定多个设定点Pw。在图5A所示的规定范围的工具路径P1～P5的全部设定设定点Pw，将这些设定点PW的位置数据储存于存储器。另外，考虑存储器的存储容量，将Δw设定为例如在同一路径上邻接的加工点间的距离的1/3～1/2倍左右。
距离运算部24根据设定点PW的位置数据，计算修正加工点Pt至各设定点Pw的距离L。数据抽出部25抽出所计算的距修正加工点Pt的距离L是规定值L1以内的设定点Pw’。平均值运算部26计算修正加工点Pt和所抽出的设定点Pw’的每个坐标分量的平均值。由此，能够得到对修正加工点Pt的位置数据进行了修正的新的加工点Pt’。
如果平均值计算处理结束，则如图5B所示，将修正加工点Pt从加工点Pi变更为其他加工点Pi+1，反复上述处理。即使在该情况下，也与简易模式同样地，在距离运算部24中，即使其他加工点的平均值计算处理已经结束，也使用平均值计算前的位置数据来计算直至其他加工点的距离L。如果针对所有加工点P1～PN的平均值计算处理结束，则通过来自数据修正部27的指令改写加工程序12的加工点数据，制作包括新的工具路径的加工程序13。
在这样的精密模式下的加工点数据的修正处理中，在工具路径PA上比加工点间隔更密地设定设定点Pw，所以能够使用比简易模式多的点来进行坐标分量的平均化处理。因此，能够形成修正加工点Pt不易受到周围的形状的影响，且更平滑的工件加工面。
如果总结本实施方式的工具路径生成方法的代表性的动作，则如下所述。
首先，通过程序读取部21，读入由CAD/CAM***生成的加工程序12，将以修正加工点Pt为中心的规定数量ΔN的模块端点的数据储存到存储器。在通过模式切换部22设定了简易模式的情况下，通过距离运算部24，如图5A所示，计算从修正加工点Pt至处于其周围的其他加工点Pu的距离L（距离计算步骤）。
接下来，通过数据抽出部25，抽出所计算的距离L是规定值ΔL以内的加工点Pu’（抽出步骤），通过平均值运算部26，计算所抽出的加工点Pu’的位置数据和修正加工点Pt的位置数据的平均值（平均值计算步骤）。在将修正加工点Pt依次变更至加工点P1～PN而反复以上的处理之后，通过来自数据修正部27的指令，修正各加工点P1～PN的位置数据，生成新的工具路径PA’（数据修正步骤）。
另一方面，在通过模式切换部22设定了精密模式的情况下，通过距离计算点设定部23，在工具路径PA上以规定的路程间隔Δw设定设定点Pw，通过距离运算部24，计算修正加工点Pt至各设定点Pw的距离L。
接下来，通过数据抽出部25，抽出所计算的距离L是规定值ΔL以内的设定点Pw’，通过平均值运算部26，计算所抽出的设定点Pw’的位置数据和修正加工点Pt的位置数据的平均值。在将修正加工点Pt直至加工点P1～PN依次变更而反复之后，通过来自数据修正部27的指令，修正各加工点P1～PN的位置数据，生成新的工具路径PA’。在将修正加工点Pt依次变更至P1～PN反复了以上的处理之后，通过来自数据修正部27的指令，修正各加工点P1～PN的位置数据，生成新的工具路径PA’。
根据本实施方式，能够起到以下那样的作用效果。
（1）在简易模式下，将预定的多列的工具路径PA上的一个加工点Pi作为修正加工点Pt，计算该修正加工点Pt至其他加工点Pu的距离L，抽出所计算的距离L是规定值ΔL以内的加工点Pu’，计算所抽出的加工点Pu’的位置数据和修正加工点Pt的位置数据的平均值，通过该平均值修正修正加工点Pt的位置数据（Pt’），生成新的工具路径PA’。由此，即使在加工程序12中设定的加工点数据有偏差，在加工面中也不会产生阶梯差，而能够得到平滑的工件加工形状。另外，能够通过简易的运算式将修正加工点Pt修正为Pt’，所以能够缩短加工点的修正所需的处理时间，能够迅速地生成新的工具路径PA’。
（2）在精密模式下，在多列的工具路径PA上，以比加工点间隔更密的间隔设定设定点Pw，并且计算修正加工点Pt至各设定点Pw的距离L，抽出所计算的距离L是规定值ΔL以内的设定点Pw’，计算所抽出的设定点Pw’的位置数据和修正加工点Pt的位置数据的平均值，通过该平均值修正修正加工点Pt的位置数据来生成新的工具路径PA’。由此，能够比简易模式，得到更平滑的工件加工形状。
（3）通过模式切换部22，能够将工具路径生成模式切换为能够更迅速地生成工具路径的简易模式、和能够生成更平滑的工具路径的精密模式，所以能够容易地应对用户的各种需求。
（4）在距离运算部24中，使用位置修正前的加工点数据来运算距修正加工点Pt的距离L，所以不依赖于修正加工点Pt的设定顺序，而能够得到恒定的工具路径PA’。
另外，在上述实施方式（简易模式）中，通过数据抽出部25，抽出距修正加工点Pt的距离L是规定值ΔL以内的加工点Pu’，但抽出部的结构不限于此。也可以例如如图7所示，在除了具有修正加工点Pt的工具路径PA3的工具路径PA1、PA2、PA4、PA5上，有距离L是规定值ΔL以内的多个加工点Pu’的情况下（虚线区域A），针对工具路径PA1、PA2、PA4、PA5的每一个，仅抽出最接近修正加工点Pt的单一的加工点Pu’’，求出这些Pu’’和Pt的平均值。在该情况下，假设为加工点编号连续的加工点Pi处于同一通路上，从加工点编号连续的加工点Pi中抽出距离L最短的加工点即可。在精密模式下也同样地，在各工具路径上抽出了多个设定点Pw’的情况下，也可以从其中仅抽出最接近修正加工点Pt的设定点Pw’’。
在上述实施方式（简易模式）中，对由数据抽出部25抽出的加工点Pu’和修正加工点Pt进行单纯平均，但平均值计算部的结构不限于此，也可以例如进行加权平均。图8是说明加权平均的计算方法的一个例子的图。在图中，将修正加工点Pt设为P1、将由数据抽出部25抽出的各加工点Pu’设为P2～P4、将修正加工点P1至各加工点P2～P5的长度分别设为L2～L5。此时，通过将n设为任意的自然数根据图的式（I）、（II）计算a并代入式（III），能够计算平均值Q1的坐标。
这样，通过利用加权平均修正修正加工点Pt的位置数据，越是接近修正加工点Pt的点（在图8中P4），对平均值提供的影响越大。因此，在修正加工点P1和加工点P2～P5的距离L大幅偏离的情况下，在单纯平均中，原来的点P1和平均化后的点Q1的距离易于离开，在工具路径中易于产生起伏，但通过设为加权平均，能够抑制发生起伏。另外，n是表示加权的程度的系数，n越大，原来的点P1越不易活动。在图8中，使Pu’成为4点，但即使Pu’是3点以下或者5点以上，也能够同样地计算平均值。即使在精密模式下，也能够同样地计算修正加工点Pt和设定点Pw’的加权平均值。
在上述实施方式中，通过距离运算部24，计算修正加工点Pt至其他加工点Pu的距离、或者在工具路径上以等间隔设定的设定点Pw的距离L，但也可以将加工点Pu或者设定点Pw以外的点设定为距离计算点，距离计算部的结构不限于上述。
只要通过由平均值运算部26计算出的平均值来修正修正加工点Pt的位置数据，并根据修正后的加工点Pt’的位置数据生成新的工具路径PA’，则数据修正部27的结构没有限制。例如，也可以通过使用修正后的加工点Pt’的位置数据来计算近似曲线，并沿着近似曲线新设定加工点，生成新的工具路径PA’。
将所有加工点P1～PN依次置换为修正加工点Pt来执行平均值运算处理，生成新的工具路径PA’，但也可以通过将一部分的加工点（例如仅1点）置换为修正加工点Pt来执行平均值运算处理，生成新的工具路径PA’。
在上述实施方式中，在工作机械中设置的控制装置10中，设置工具路径生成装置20和数值控制装置30，通过来自工具路径生成装置20的指令将加工程序12改写为加工程序13，但也可以从工具路径生成装置20输出数值控制装置30的加减速控制部可解释的加工指令。也可以将工具路径生成装置20设置于数值控制装置30的内部或者CAM11的内部。也可以在与控制装置10独立的计算机中，设置工具路径生成装置20。在上述实施方式中，将工具路径生成装置20应用于加工中心，但即使在需要生成工件的加工时的工具路径的其他工作机械中，也能够同样地应用本发明的工具路径生成装置。
根据本发明，计算加工点至多列的工具路径上的距离计算点的距离，使用其平均值来生成新的工具路径，所以无需计算近似曲线等，而能够通过简易的运算式迅速地生成新的工具路径。

Claims (7)

1.一种工具路径的生成方法，生成工件的加工时的工具路径，其特征在于包括：
距离计算步骤，把将预定的多个加工点依次用直线连接而得到的多列的工具路径上的一个加工点作为修正加工点，将处于该修正加工点的周围的所述多列的工具路径上的点作为距离计算点，计算所述修正加工点至各个所述距离计算点的距离；
抽出步骤，抽出通过所述距离计算步骤计算出的距离是规定值以内的距离计算点；
平均值计算步骤，计算通过所述抽出步骤抽出的距离计算点的位置数据和所述修正加工点的位置数据的平均值；以及
数据修正步骤，利用通过所述平均值计算步骤计算出的平均值来修正所述修正加工点的位置数据，根据修正后的加工点的位置数据生成新的工具路径。
2.根据权利要求1所述的工具路径的生成方法，其特征在于：
所述距离计算点是所述多列的工具路径上的其他加工点，
在所述距离计算步骤中，计算所述修正加工点至所述其他加工点的距离。
3.根据权利要求1所述的工具路径的生成方法，其特征在于：
所述距离计算点是在所述多列的工具路径上以等间隔设定的多个设定点，
在所述距离计算步骤中，计算所述修正加工点至所述多个设定点的距离。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的工具路径的生成方法，其特征在于：在所述平均值计算步骤中，针对所述修正加工点的位置数据，对通过所述抽出步骤抽出的所述距离计算点的位置数据进行加权平均来计算所述平均值。
5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的工具路径的生成方法，其特征在于：
进而在所述抽出步骤中，针对除了具有所述修正加工点的工具路径的每个工具路径，将通过所述距离计算步骤计算的距离是所述规定值以内、并且最接近所述修正加工点的加工点抽出为所述距离计算点。
6.根据权利要求1至3中的任意一项所述的工具路径的生成方法，其特征在于：
将所述修正加工点从所述一个加工点依次变更为所述其他加工点，针对所变更的每个修正加工点，反复所述距离计算步骤、所述抽出步骤以及所述平均值计算步骤，计算每个所述修正加工点的位置数据的平均值，
在所述数据修正步骤中，通过这些修正加工点的每一个的位置数据的平均值，修正各修正加工点的位置数据，根据修正后的加工点的位置数据生成新的工具路径。
7.一种工具路径的生成装置，生成工件的加工时的工具路径，其特征在于包括：
距离计算部，把将预定的多个加工点依次用直线连接而得到的多列的工具路径上的一个加工点作为修正加工点，将处于该修正加工点的周围的所述多列的工具路径上的点作为距离计算点，计算所述修正加工点至各个所述距离计算点的距离；
抽出部，抽出由所述距离计算部计算出的距离是规定值以内的距离计算点；
平均值计算部，计算由所述抽出部抽出的距离计算点的位置数据和所述修正加工点的位置数据的平均值；以及
数据修正部，利用由所述平均值计算部计算出的平均值来修正所述修正加工点的位置数据，根据修正后的加工点的位置数据生成新的工具路径。
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