CN106020123B - 控制装置、机床和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供控制装置、机床和控制方法,该控制装置能够控制供刀具装配的主轴移动或用于保持工件的工件保持部移动。控制装置基于多个指示轴的位置的指令点设定加工路径,进而基于加工路径控制主轴移动。控制装置设定与加工路径交叉的评价剖面,接着,进行运算得到所设定的评价剖面与加工路径的交点,然后,修正进行运算得到的交点的位置,进而基于修正后的交点修正指令点在与加工路径交叉的方向上的位置。控制装置在与加工路径交叉的方向上也能够修正指令位置,因此,能够在工件上形成平滑曲面。

Description

控制装置、机床和控制方法
技术领域
本发明涉及能够控制供刀具装配的主轴移动或用于保持工件的工件保持部移动的控制装置、机床和控制方法。
背景技术
机床具有主轴和控制装置。控制装置控制主轴移动,主轴供刀具装配。控制装置设定多个指示主轴位置的指令点,进而设定加工路径。当要使装配在主轴上的刀具在工件上形成三维曲面时,控制装置进行运算进而生成多条曲线。该曲线是指令点之间的微小线段连续起来而成的。
日本登录特许公报第3466111号公开了一种控制装置。控制装置例如在水平面上生成多条曲线。多条曲线沿前后方向或左右方向排列。控制装置对各条曲线设定上下方向的位置。尖尖的部分是微小线段之间的接点的表现,因此,控制装置基于样条曲线、贝济埃曲线等平滑曲线对所生成的曲线进行插值。主轴在所设定的各上下位置沿着通过插值而得的曲线移动,来对工件进行加工。
即使进行上述插值,也会因相邻的曲线的倾斜程度的差、在控制装置进行运算时产生的量化误差等,导致工件表面出现鳞状花纹。控制装置为了在不修正指令点的前提下形成平滑的线,会在指令点之间***插值点。但是,当指令点错误时,主轴会经过指令点,由此,导致在工件表面出现鳞状花纹。
发明内容
本发明的目的在于,提供能够在工件上形成平滑曲面的控制装置、机床和控制方法。
技术方案1的控制装置基于多个指示主轴或用于保持工件的工件保持部的位置的指令点设定加工路径,进而基于上述加工路径控制上述主轴移动或上述工件保持部移动,其中,该控制装置具有:设定部,其设定与上述加工路径交叉的评价剖面;运算部,其进行运算得到由上述设定部所设定的评价剖面与上述加工路径的交点;交点位置修正部,其利用位于与上述运算部进行运算得到的交点同一评价剖面上的其他交点修正上述运算部进行运算得到的交点的位置;及指令点位置修正部,其基于上述交点位置修正部修正后的交点修正上述指令点在与上述加工路径交叉的方向上的位置。
控制装置设定与加工路径交叉的评价剖面,并针对位于同一评价剖面上的由运算部进行运算得到的交点,以使连结该交点而成的线变得平滑的方式修正各交点的位置。能够利用修正后的交点修正指令点在与加工路径交叉的方向上的位置,因此,能够在工件上形成平滑曲面。
技术方案2的控制装置的交点位置修正部对作为修正对象的交点进行线性插值。交点位置修正部对作为修正对象的交点进行线性插值,因此,计算量较少,能够高速地进行运算。
技术方案3的控制装置的交点位置修正部使用多个位于作为修正对象的交点的周围的其他交点来设定曲线,并将作为修正对象的上述交点投影到所设定的曲线上。将作为修正对象的交点投影到根据多个位于其周围的其他交点设定的曲线上,因此,与加工路径交叉的方向变得更加平滑。
技术方案4的控制装置的指令点位置修正部设定经过多个由交点位置修正部修正后的交点的第2曲线,并将作为修正对象的指令点投影到所设定的第2曲线上。指令点位于第2曲线上,因此,加工路径变得较平滑。
技术方案5的机床具有上述控制装置;主轴;及工件保持部,其用于保持工件。机床具有上述控制装置,因此,能够利用装配在主轴上的刀具平滑地实施对由工件保持部保持的工件的加工。
技术方案6的控制方法基于多个指示主轴或用于保持工件的工件保持部的位置的指令点设定加工路径,进而基于加工路径控制主轴移动或上述工件保持部移动,其中,该控制方法包括下列步骤:设定与加工路径交叉的评价剖面,进行运算得到所设定的评价剖面与加工路径的交点;利用位于与运算得到的交点同一评价剖面上的其他交点修正进行运算得到的交点的位置;及基于修正后的交点修正指令点在与加工路径交叉的方向上的位置。采用该控制方法,设定与加工路径交叉的评价剖面,进而在与加工路径交叉的方向上也能够修正指令点的位置,因此,能够在工件上形成平滑曲面。
附图说明
图1是表示实施方式的机床的立体图。
图2是表示控制装置的结构的框图。
图3是表示对工件设定的加工路径及评价剖面的俯视图。
图4是表示对工件设定的评价剖面的立体图。
图5是表示指令点与评价剖面及加工路径的交点的示意图。
图6是表示交点表的一例的概念图。
图7是说明评价剖面上的交点位置的第1修正方法的说明图。
图8是说明评价剖面上的交点位置的第2修正方法的说明图。
图9是说明指令点的修正方法的说明图。
图10是说明控制装置的加工路径设定处理的流程图。
图11是表示变形例的对工件设定的加工路径、评价剖面的俯视图。
具体实施方式
下面,根据附图说明本发明的实施方式的机床。机床的前后、左右、上下用图1中的箭头表示。
机床具有沿前后方向延伸的矩形的基座1。工件保持部3设于基座1的上部靠前侧的位置。工件保持部3能够绕A轴和C轴旋转。A轴以左右方向为轴向,C轴以上下方向为轴向。
支承立柱4的支承台2设于基座1的上部靠后侧的位置。Y轴方向移动机构10设于支承台2的上部。Y轴方向移动机构10能够使移动板16沿前后方向移动。Y轴方向移动机构10具有Y轴螺杆12、Y轴电动机13、轴承14和两个导轨11。导轨11沿前后方向延伸。导轨11分别设于支承台2的上部的靠左侧的位置和靠右侧的位置。Y轴螺杆12沿前后方向延伸,设于两个导轨11之间。轴承14设于Y轴螺杆12的前端部、中途部。省略中途部处的轴承的图示。Y轴电动机13与Y轴螺杆12的后端部相连结。螺母(省略图示)隔着滚动体(省略图示)与Y轴螺杆12螺纹接合。滚动体例如为滚珠。滑动构件15以能够滑动的方式设于各导轨11。移动板16沿水平方向延伸,与螺母和滑动构件15的上部相连结。Y轴电动机13旋转时,Y轴螺杆12旋转,螺母沿前后方向移动,移动板16沿前后方向移动。
X轴方向移动机构20设于移动板16的上表面。X轴方向移动机构20能够使立柱4沿左右方向移动。X轴方向移动机构20具有X轴螺杆22、X轴电动机(省略图示)、轴承24和两个导轨21。导轨21沿左右方向延伸,分别设于移动板16的上表面的靠前侧的位置和靠后侧的位置。X轴螺杆22沿左右方向延伸,设于两个导轨21之间。轴承24设于X轴螺杆22的左端部和中途部。省略对X轴螺杆22的中途部处的轴承的描述。X轴电动机与X轴螺杆22的右端部相连结。螺母(省略图示)隔着滚动体(省略图示)与X轴螺杆22螺纹接合。润滑油涂布在X轴螺杆22上。滑动构件26以能够滑动的方式设于各导轨21。立柱4与螺母和滑动构件26的上部相连结。X轴电动机旋转时,X轴螺杆22旋转,螺母沿左右方向移动,立柱4沿左右方向移动。
Z轴方向移动机构30设于立柱4的前表面。Z轴方向移动机构30能够使主轴头5沿上下方向移动。Z轴方向移动机构30具有Z轴螺杆32、Z轴电动机33、轴承34和两个导轨31。导轨31沿上下方向延伸。
导轨31分别设于立柱4的前表面的靠左侧的位置和靠右侧的位置。Z轴螺杆32沿上下方向延伸,设于两个导轨31之间。轴承34设于Z轴螺杆32的下端部和中途部。省略中途部处的轴承的图示。Z轴电动机33与Z轴螺杆32的上端部相连结。螺母(省略图示)隔着滚动体(省略图示)与Z轴螺杆32螺纹接合。润滑油涂布在Z轴螺杆32上。滑动构件35以能够滑动的方式设于各导轨31。主轴头5与螺母和滑动构件35的前部相连结。Z轴电动机33旋转时,Z轴螺杆32旋转,螺母沿上下方向移动,主轴头5沿上下方向移动。
主轴5a设于主轴头5内。主轴5a沿上下方向延伸,能够绕轴线旋转。主轴电动机6设于主轴头5的上端部。刀具装配于主轴5a的下端部。主轴电动机6旋转时,主轴5a旋转,刀具旋转。刀具对保持在工件保持部3的工件W(参照图3)进行加工。
机床具有换刀装置(省略图示)。换刀装置能够交换收纳在刀库(省略图示)中的刀具和当前装配在主轴5a上的刀具。
如图2所示,控制装置50具有CPU51、存储部52、RAM53和输入输出接口54。存储部52是能够进行改写的存储器,例如为EPROM、EEPROM。存储部52在后述的交点表内存储路径编号i、指令点Pk、交点坐标{Si d}、变量k的最终编号等(d、i、k是自然数)。另外,{Si d}表示交点Si d的坐标值。
操作者操作了操作部7时,信号自操作部7向输入输出接口54输入。操作部7例如是键盘、按钮、触摸板。输入输出接口54向显示部8输出信号。显示部8显示文字、图形、符号等。显示部8例如是液晶显示板。
控制装置50具有X轴控制电路55、伺服放大器55a和微分器23b。X轴控制电路55对应X轴电动机23。X轴电动机23具有编码器23a。X轴控制电路55基于来自CPU51的指令向伺服放大器55a输出表示电流量的命令。伺服放大器55a接收上述命令,向X轴电动机23输出驱动电流。编码器23a向X轴控制电路55输出位置反馈信号。X轴控制电路55基于位置反馈信号执行位置反馈控制。编码器23a向微分器23b输出位置反馈信号,微分器23b将位置反馈信号转换成速度反馈信号,然后向X轴控制电路55输出该速度反馈信号。X轴控制电路55基于速度反馈信号执行速度反馈控制。电流检测器55b检测伺服放大器55a输出的驱动电流值。电流检测器55b将驱动电流值反馈给X轴控制电路55。X轴控制电路55基于驱动电流值执行电流控制。在X轴电动机23中流动的驱动电流与作用于X轴电动机23的负载转矩成比例。因此,电流检测器55b能够检测作用于X轴电动机23的负载转矩。
控制装置50具有Y轴控制电路56、伺服放大器56a和微分器13b。Y轴控制电路56对应Y轴电动机13。Y轴电动机13具有编码器13a。Y轴控制电路56基于来自CPU51的指令向伺服放大器56a输出表示电流量的命令。伺服放大器56a接收上述命令,向Y轴电动机13输出驱动电流。编码器13a向Y轴控制电路56输出位置反馈信号。Y轴控制电路56基于位置反馈信号执行位置反馈控制。编码器13a向微分器13b输出位置反馈信号,微分器13b将位置反馈信号转换成速度反馈信号,然后向Y轴控制电路56输出该速度反馈信号。Y轴控制电路56基于速度反馈信号执行速度反馈控制。电流检测器56b检测伺服放大器56a输出的驱动电流值。电流检测器56b将驱动电流值反馈给Y轴控制电路56。Y轴控制电路56基于驱动电流值执行电流控制。在Y轴电动机13中流动的驱动电流与作用于Y轴电动机13的负载转矩成比例。因此,电流检测器56b能够检测作用于Y轴电动机13的负载转矩。
控制装置50具有Z轴控制电路57、伺服放大器57a和微分器33b。Z轴控制电路57对应Z轴电动机33。Z轴电动机33具有编码器33a。Z轴控制电路57基于来自CPU51的指令向伺服放大器57a输出表示电流量的命令。伺服放大器57a接收上述命令,向Z轴电动机33输出驱动电流。编码器33a向Z轴控制电路57输出位置反馈信号。Z轴控制电路57基于位置反馈信号执行位置反馈控制。编码器33a向微分器33b输出位置反馈信号,微分器33b将位置反馈信号转换成速度反馈信号,然后向Z轴控制电路57输出该速度反馈信号。Z轴控制电路57基于速度反馈信号执行速度反馈控制。电流检测器57b检测伺服放大器57a输出的驱动电流值。电流检测器57b将驱动电流值反馈给Z轴控制电路57。Z轴控制电路57基于驱动电流值执行电流控制。在Z轴电动机33中流动的驱动电流与作用于Z轴电动机33的负载转矩成比例。因此,电流检测器57b能够检测作用于Z轴电动机33的负载转矩。
控制装置50对主轴电动机6也执行与X轴电动机23、Y轴电动机13、Z轴电动机33同样的反馈控制。
机床具有刀库电动机60和刀库控制电路58。刀库电动机60旋转时,驱动刀库。刀库控制电路58控制刀库电动机60的旋转。
存储部52存储用于对工件W进行加工的加工程序。加工程序具有多个指示主轴5a位置的指令点Pk。k表示构成加工程序的命令的顺序。主轴5a按顺序沿着多个指令点Pk移动,进而使装配在主轴5a上的刀具对工件W进行加工。存储部52事先存储有指令点Pk。控制装置50基于多个指令点Pk设定主轴5a要移动的加工路径。控制装置50基于加工路径执行主轴5a的移动。
说明加工路径的设定方法。图3、图4中的X方向表示左右方向,Y方向表示前后方向,Z方向表示上下方向。图3、图4中的工件W的形状表示的是加工后的形状。
控制装置50对工件W设定评价剖面Dd(d表示剖面编号,是自然数)。图3中,加工路径用箭头表示。控制装置50设定多个与加工路径大致正交的评价剖面Dd。多个评价剖面沿X方向排列。而且,虽然加工路径也包含Y方向的移动,但是,操作者事先已指示主要加工路径朝X方向。评价剖面是相对于包含加工路径的平面垂直的平面。因而,包含加工路径的平面是XY平面,评价剖面则是与Z方向平行的平面。
图5、图6中的i(i是自然数)表示主轴5a沿X方向移动时的路径编号。如图5所示,例如路径编号1(i=1)的路径表示从左向右移动的路径,路径编号2(i=2)的路径表示在从指令点P3移动到指令点P4之后从右向左移动的路径。路径编号3及路径编号3之后的编号也以此类推。主轴5a按照路径编号顺序移动。图5中的黑圆点表示指令点,空心圆表示加工路径与评价剖面Dd的交点。而且,虽然沿着将路径编号1与路径编号2连起来的Y轴方向路径移动时也在进行加工,但是,如上所述,事先已指示加工路径朝X方向,因此,不对Y轴方向路径标注路径编号。
如图6所示,控制装置50进行运算得到各评价剖面Dd上的与移动路径Pk-Pk+1的交点Si d,并将路径编号i、交点坐标{Si d}及移动路径Pk-Pk+1对应起来,存储到交点表中。
控制装置50例如用第1修正方法修正评价剖面Dd上的交点位置。控制装置50例如以逐渐地改变Z方向坐标的方式进行修正。如图7所示,针对作为修正对象的交点Si d,使用位于同一评价剖面Dd上的前后各两个点的交点si-2 d、si-1 d、si+1 d、si+2 d来确定修正点ti d。将四个交点si-2 d、si-1 d、si+1 d、si+2 d的各自的Z坐标值设为zi-2、zi-1、zi+1、zi+2,将修正点ti d的Z坐标值设为zi′,将Z坐标值的差分设为d1=zi-2-zi-1、d2=zi-1-zi′、d3=zi′-zi+1、d4=zi+1-zi+2,运算能够使得Z坐标值的二阶差分d12′、d23′、d34′(Z坐标值的差分d1、d2、d3、d4的差分)呈线性变化的zi′。
Z坐标值的二阶差分d12′、d23′、d34′可根据下式求出。
d12′=d2-d1=(zi-1-zi′)-(zi-2-zi-1)=2zi-1-zi′-zi-2···(1)
d23′=d3-d2=(zi′-zi+1)-(zi-1-zi′)=2zi′-zi+1-zi-1···(2)
d34′=d4-d3=(zi+1-zi+2)-(zi′-zi+1)=2zi+1-zi+2-zi′···(3)
上述d12′、d23′、d34′呈线性变化,因此,满足:
d23′=(d12′+d34′)/2···(4)。
基于式(1)~式(4),解出zi′,得到:
zi′=(-zi-2+4zi-1+4zi+1-zi+2)/6。
对评价剖面Dd上的所有交点Si d进行上述修正。也可以是,将Z坐标值与其他交点的Z坐标值进行比较,仅修正Z坐标值偏差较大的交点。
控制装置50例如用第2修正方法修正评价剖面Dd上的交点位置。图8中,u相当于XY坐标,v相当于Z坐标。控制装置50例如使用位于作为修正对象的交点Si d周围的其他多个交点生成平滑曲线(样条曲线、贝济埃曲线、NURBS曲线等),并将作为修正对象的交点Si d投影到该曲线上。如图8所示,使用四个交点si-2 d、si-1 d、si+1 d、si+2 d形成平滑曲线时,评价剖面Dd(uv平面)上的区间si-2 d~si-1 d、区间si-1 d~si+1 d、区间si+1 d~si+2 d各自的曲线表达式v1(u)、v2(u)、v3(u)如下式。
vj(u)=aj(u-uj)3+bj(u-uj)2+cj(u-uj)+dj
(j=1、2、3)
控制装置50能够基于经过交点si-2 d、si-1 d、si+1 d、si+2 d且以上述交点为边界点的一阶导数和二阶导数的连续性来确定aj~dj
对于四个交点的选择,不限于如上所述的使用位于交点Si d两侧邻接位置的连续的两个点。也可以是,选择例如像交点si-3 d、si-1 d、si+1 d、si+3 d那样的每两个点都是不连续的交点。如图8所示,修正点ti d的位置是平滑曲线上距作为修正对象的交点Si d的距离最小的位置。将存在于第d个评价剖面Dd上的修正后的交点群Sd设为Td。Td={ti d|d:剖面编号,i:路径编号}。
控制装置50将Td用作交点群来修正指令点的位置。图9中,Pa~Pf表示指令点。例如指令点Pc为修正对象时,如图9的A所示,指令点Pc位于剖面Dd-1与剖面Dd之间,路径编号为i。控制装置50参照上述交点表获取与指令点Pc相关的剖面位置和路径编号。
如图9的B所示,控制装置50搜索位于指令点Pc周围的交点,例如在加工路径上排列的四个交点ti d+1、ti d、ti d-1、ti d-2。控制装置50由四个交点ti d+1、ti d、ti d-1、ti d-2生成平滑曲线(样条曲线、贝济埃曲线、NURBS曲线等),并将指令点Pc投影到该曲线上,从而确定修正点Pc′。控制装置50利用与上述第2修正方法同样的方法求出平滑曲线。修正点Pc′的位置是在平滑曲线上距指令点Pc的距离最短的位置。控制装置50以同样方法修正其他指令点位置。
图10是说明控制装置50的加工路径设定处理的流程图。CPU51设定评价剖面Dd(参照步骤S1、图3、图4)。接着,CPU51制作交点表(参照图5、图6)。具体地讲,CPU51将表示往返运动的路径编号的变量i和表示构成加工程序的命令的顺序的变量k设为“1”(步骤S2)。CPU51读入移动路径Pk-Pk+1(步骤S3)。CPU51对移动路径Pk-Pk+1是否与评价剖面Dd交叉进行判断(步骤S4)。当CPU51判断为移动路径Pk-Pk+1不与评价剖面Dd交叉时(步骤S4:否),CPU51在k上加1(步骤S8)。
当CPU51判断为移动路径Pk-Pk+1与评价剖面Dd交叉时(步骤S4:是),CPU51对评价剖面Dd与移动路径Pk-Pk+1的交点Si d是否已存在进行判断(步骤S5)。
当CPU51判断为评价剖面Dd与移动路径Pk-Pk+1的交点Si d并非已存在时(步骤S5:否),CPU51将路径编号i、交点坐标{Si d}、移动路径Pk-Pk+1对应起来,存储在存储部52中的交点表(参照图6)中(步骤S7)。
当CPU51判断为评价剖面Dd与移动路径Pk-Pk+1的交点Si d已存在时(步骤S5:是),CPU51在i上加1(步骤S6),然后,CPU51将路径编号i、交点坐标{Si d}、移动路径Pk-Pk+1对应起来,存储在存储部52中的交点表中(步骤S7),并在k上加1(步骤S8)。步骤S2~步骤S8构成了运算部。
在k上加1之后,CPU51对k是否为最终编号进行判断(步骤S9)。当CPU51判断为k不是最终编号时(步骤S9:否),CPU51使处理返回至步骤S3。当CPU51判断为k是最终编号时(步骤S9:是),CPU51像上述那样修正交点的位置(参照步骤S10、式(1)~式(4)、图7和图8)。
CPU51像上述那样搜索位于指令点周围的交点(步骤S11),修正指令点位置(参照步骤S12、图9的A和图9的B)。
控制装置50和机床设定与加工路径交叉的评价剖面,并修正评价剖面与加工路径的交点的位置,进而基于修正后的交点的位置修正指令点位置。控制装置50和机床还能够修正指令点在与加工路径交叉的方向上的位置,因此,能够在工件W上形成平滑曲面。
主轴5a沿X方向往返运动,但是,主轴5a也可以沿Y方向往返运动。此时,加工路径成为沿着Y方向的路径,控制装置50设定多个沿着与加工路径大致正交的方向的评价剖面。多个评价剖面沿Y方向排列。
变形例
如图11所示,加工路径呈旋涡状时,控制装置50设定旋涡中心及绕该中心的角度,并以旋涡中心为基准呈放射状设定多个评价剖面。
机床的立柱4移动进而使主轴5a移动,但也可以是,将立柱固定于基座,利用能够沿前后左右移动的工作台构成工件保持部。

Claims (6)

1.一种控制装置,其基于多个指示主轴(5a)或用于保持工件的工件保持部的位置的指令点设定加工路径,进而基于上述加工路径控制上述主轴移动或上述工件保持部移动,该控制装置(50)的特征在于,其包括:
设定部,其设定与上述加工路径交叉的评价剖面;
运算部,其进行运算得到由上述设定部所设定的评价剖面与上述加工路径的交点;
交点位置修正部,其利用位于与上述运算部进行运算得到的交点同一评价剖面上的其他交点修正上述运算部进行运算得到的交点的位置;及
指令点位置修正部,其基于上述交点位置修正部修正后的交点修正上述指令点在与上述加工路径交叉的方向上的位置。
2.根据权利要求1所述的控制装置,其特征在于,
上述交点位置修正部对作为修正对象的交点进行线性插值。
3.根据权利要求1所述的控制装置,其特征在于,
上述交点位置修正部使用多个位于作为修正对象的交点的周围的其他交点来设定曲线,
并将作为修正对象的上述交点投影到所设定的曲线上。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的控制装置,其特征在于,
上述指令点位置修正部设定经过多个上述交点位置修正部修正后的交点的第2曲线,
并将作为修正对象的上述指令点投影到所设定的第2曲线上。
5.一种机床,该机床的特征在于,其包括:
权利要求1~4中任一项所述的控制装置;
上述主轴;及
工件保持部,其用于保持工件。
6.一种控制方法,其基于多个指示主轴或用于保持工件的工件保持部的位置的指令点设定加工路径,进而基于上述加工路径控制上述主轴移动或上述工件保持部移动,该控制方法的特征在于,其包括下列步骤:
设定与上述加工路径交叉的评价剖面;
进行运算得到所设定的评价剖面与上述加工路径的交点;
利用位于与运算得到的交点同一评价剖面上的其他交点修正进行运算得到的交点的位置;及
基于修正后的交点修正上述指令点在与上述加工路径交叉的方向上的位置。
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