数值控制装置的制作方法

1.本发明涉及一种数值控制装置。


背景技术：

2.已知一种5轴加工机，除了x轴、y轴以及z轴这3个直线轴之外，还利用2个以上的旋转轴对安装在工作台的加工对象即工件进行加工。作为这样的5轴加工机，例如有将a轴及c轴这2个旋转轴配置在工件侧的类型和将a轴及c轴这2个旋转轴配置在工具侧的类型。在将2个旋转轴配置在工具侧的类型的加工机中，有时还在工件侧配置倾斜旋转轴。
3.在5轴加工机的数值控制装置中，需要通过按照作为工件的加工指令的指令值的工具方向的旋转、或者工件设置误差修正或3维旋转误差修正中的工具方向的修正来进行姿势控制。工具方向是工具相对于工件的相对朝向。姿势控制是指根据所期望的工具方向矢量来计算用于实现该工具方向矢量的各旋转轴的旋转角度，控制作为工具姿势的工具方向。
4.目前，在专利文献1中记载了如下技术：在控制5轴加工机的数值控制装置中，设定取决于直线轴位置的直线轴取决平移误差、取决于旋转轴位置的旋转轴取决平移误差、取决于直线轴位置的直线轴取决旋转误差、取决于旋转轴位置的旋转轴取决旋转误差这4个误差所对应的修正量，根据这些修正量求出平移修正量并与指令直线轴位置相加，并且求出旋转修正量并与旋转轴位置相加，由此能够以指令的工具姿势进行加工。
5.在专利文献2中记载了如下技术：在对具有直进轴和旋转轴的机床进行数值控制的数值控制装置中，将工具前端位置移动到没有误差的位置，并且对于能够合理修正的方向的工具姿势保持为误差的姿势，由此实现高精度的加工。
6.现有技术文献
7.专利文献
8.专利文献1：专利第4837115号公报
9.专利文献2：专利第5105024号公报


技术实现要素：

10.发明要解决的课题
11.在5轴加工机的工具姿态控制中，有时在特异点的附近，旋转轴的角度极端地大幅变化，旋转轴的转速或加速度变得非常大。特异点的一例是工具方向与旋转轴方向一致的点。在该特异点，即使使旋转轴变化，工具方向也几乎不变。在5轴加工机的工具姿态控制中，在经过特异点时，若在该特异点的附近旋转轴急剧地旋转，则有可能使工件的表面质量降低。
12.但是，专利文献1记载的技术并不解决在特异点的附近旋转轴急剧地变化的上述问题。因此，在专利文献1记载的技术中，有可能在特异点的附近产生由误差修正导致的旋转轴角度的急剧变化。
13.与此相对，专利文献2所记载的技术能够仅通过不产生上述特异点的问题的误差来修正工具方向的3维旋转误差。但是，在专利文献2记载的技术中，旋转轴的朝向受限于在机械坐标系上不会变化的机械结构，存在无法修正绕特定的旋转轴的误差的问题。
14.因此，期望一种能够在特异点的附近抑制旋转轴角度的急剧变化，并且还能够应对任意的机械结构的数值控制装置。
15.用于解决课题的手段
16.本公开的一个方式是通过2个以上的旋转轴对移动轴部件的轴的指示方向进行数值控制的数值控制装置，其具备：特异点距离计算部，其根据基于动作指令的所述2个以上的旋转轴各自的旋转轴方向和所述指示方向，分别计算到特异点的距离即特异点距离；旋转轴提取部，其基于由所述特异点距离计算部计算出的所述特异点距离，从所述2个以上的旋转轴中提取控制所述指示方向的控制旋转轴；以及脉冲生成部，其基于由所述旋转轴提取部提取出的所述控制旋转轴来生成驱动所述控制旋转轴的脉冲，所述旋转轴提取部通过将所述特异点距离与预先设定的阈值进行比较，提取所述2个以上的旋转轴中的超过所述阈值的所述旋转轴来作为所述控制旋转轴，或者通过将所述特异点距离彼此进行比较，提取所述2个以上的旋转轴中的所述特异点距离大的所述旋转轴来作为所述控制旋转轴。
17.发明效果
18.根据本公开的一个方式，能够提供一种能够在特异点的附近抑制旋转轴角度的急剧变化并且还能够应对任意的机械结构的数值控制装置。
附图说明
19.图1是表示由数值控制装置进行数值控制的5轴加工机的一个实施方式的立体图。
20.图2是表示由数值控制装置进行数值控制的6轴加工机的一个实施方式的立体图。
21.图3是说明数值控制装置的一个实施方式的功能框图。
22.图4a是说明特异点距离的说明图。
23.图4b是说明特异点距离的说明图。
24.图5是说明数值控制装置的其他实施方式的功能框图。
25.图6a说明基于未由第三脉冲生成部控制的特异点旋转轴的旋转的工具方向的轨迹。
26.图6b说明基于由第三脉冲生成部控制的特异点旋转轴的旋转的工具方向的轨迹。
具体实施方式
27.以下，参照附图对本公开的一个方式的数值控制装置进行说明。首先，使用图1及图2对由数值控制装置进行数值控制的加工机的具体结构进行说明。
28.图1表示5轴加工机1。5轴加工机1具有床身11、竖立设置在床身11上的一对立柱部12、12、以及将立柱部12、12的上端部彼此连结且横向延伸的导轨部13。在导轨部13安装有工具头14。该5轴加工机1将床身11的表面方向且沿着导轨部13的长度方向的x轴、床身11的表面方向且与导轨部13的长度方向正交的y轴以及与床身11的表面方向垂直的方向即z轴分别设为直线轴。工具头14设置为能够沿着这些x轴、y轴以及z轴这3轴分别直线移动。在工具头14的下端，作为移动轴部件的工具15沿着z轴方向朝向下方突出。在图1中，st表示作为
工具15的轴的指示方向的工具方向。
29.在5轴加工机1的床身11上设置有用于载放加工对象即工件w并使工件w绕c轴旋转的载放部16、使载放部16绕沿着x轴方向的a轴旋转的旋转台17。在将载放部16配置为与z轴垂直时(旋转台17的旋转角度为0
°
时)，c轴被配置为与z轴方向平行。该5轴加工机1中的这些a轴及c轴这2个轴配置在工件w侧，是通过旋转来决定工具15相对于工件w的相对朝向即工具方向的旋转轴。在图1中，s1表示a轴的旋转轴。s2表示c轴的旋转轴。
30.图2表示6轴加工机2。6轴加工机2具有床身21、竖立设置在床身21上的一对立柱部22、22、以及将立柱部22、22的上端部彼此连结且横向延伸的导轨部23。在导轨部23安装有工具头24。该6轴加工机2将床身21的表面方向且沿着导轨部23的长度方向的x轴、床身21的表面方向且与导轨部23的长度方向正交的y轴以及与床身21的表面方向垂直的方向即z轴分别设为直线轴。工具头24设为能够沿着这些x轴、y轴以及z轴这3轴分别直线移动。
31.在工具头24的下端设置有作为移动轴部件的工具25。具体而言，在工具头24的下端设置有：第一旋转部26，其使工具25以绕沿着x轴方向的a轴摆动的方式进行旋转；以及第二旋转轴27，其使第一旋转部26绕沿着z轴方向的c轴旋转。该5轴加工机2中的这些a轴及c轴这2个轴配置在工具25侧，是通过旋转来决定工具25相对于工件w的相对朝向即工具方向的旋转轴。在床身21上配置有用于载放加工对象即工件w的工作台28。工作台28设为能够通过相对于床身21的表面方向倾斜的第三旋转部29旋转。在图2中，s1表示a轴的旋转轴。s2表示c轴的旋转轴。s3表示作为倾斜旋转轴的第三旋转部29的旋转轴。
32.图3是说明数值控制装置的一个实施方式的功能框图。在该数值控制装置100中，指令解析部101解析用于对工件w进行加工的加工程序，转换为执行形式。指令解析部101将转换为执行形式的解析结果输出到插值部102。插值部102对从指令解析部101发送来的执行形式的解析结果进行插值处理，生成包含有针对5轴加工机1、6轴加工机2的各轴的误差修正的移动指令。插值部102将生成的各轴的移动指令输出到脉冲生成部103。脉冲生成部103基于从插值部102发送的各轴的移动指令，生成用于驱动各轴的驱动脉冲。脉冲生成部103将生成的驱动脉冲输出到各轴的伺服控制部。在图3中，仅示出各轴的伺服控制部中的a轴的伺服控制部14a以及c轴的伺服控制部14b，关于其他的x轴、y轴、z轴、倾斜旋转轴的各伺服控制部，省略了图示。各轴的伺服控制部按照从脉冲生成部103发送来的驱动脉冲使各轴的电动机(未图示)旋转。
33.在数值控制装置100中还设置有特异点距离计算部105以及旋转轴提取部106。特异点距离计算部105根据旋转轴方向和工具方向计算到特异点的距离即特异点距离。详细而言，特异点距离计算部105从插值部102接收插值处理后的各旋转轴的旋转角度即旋转轴方向和工具方向，根据该旋转轴方向和工具方向计算特异点距离。
34.在此，对特异点距离进行说明。特异点距离是通过旋转轴方向与工具方向的外积而求出的。参照图4a和图4b进一步具体说明。图4a及图4b表示a轴即旋转轴s1以及c轴即旋转轴s2的2个旋转轴。st表示工具方向。旋转轴s1的特异点距离用d1表示，旋转轴s2的特异点距离用d2表示。在该情况下，特异点距离d1以及特异点距离d2通过以下求出。系统的特异点距离d3是指将旋转轴s1以及旋转轴s2合并后的加工机整体的特异点距离。
35.[数式1]
[0036]
旋转轴s1的特异点距离：
[0037]
旋转轴s2的特异点距离：
[0038]
系统的特异点距离：
[0039]
旋转轴s1的特异点距离d1是旋转轴s1绕a轴旋转时的工具方向st的变化量。旋转轴s2的特异点距离d2是旋转轴s2绕c轴旋转时的工具方向st的变化量。在图4a中，旋转轴s1的特异点距离d1与旋转轴s2的特异点距离d2几乎没有不同。但是，在图4b中，旋转轴s2的特异点距离d2比旋转轴s1的特异点距离d1小。在特异点距离小的情况下，即使旋转轴旋转，工具方向也几乎不变化。特异点是即使使旋转轴变化也不会对工具方向造成影响的点，因此特异点距离的值小可以判断为到特异点的距离近。即，能够判断为图4b所示的旋转轴s2比旋转轴s1接近特异点。
[0040]
特异点距离计算部105在根据从插值部102发送的各旋转轴的旋转轴方向和工具方向分别计算出特异点距离之后，将这些特异点距离输出到旋转轴提取部106。
[0041]
旋转轴提取部106通过对从特异点距离计算部105发送来的各旋转轴的特异点距离进行比较，从2个以上的旋转轴中提取控制旋转轴。控制旋转轴是为了控制工具方向而进行旋转控制的旋转轴。
[0042]
具体而言，旋转轴提取部106通过将从特异点距离计算部105发送来的各旋转轴的特异点距离与预先设定的阈值进行比较，提取2个以上的旋转轴中的超过阈值的旋转轴来作为控制旋转轴。例如，在具有旋转轴s1以及旋转轴s2这2个旋转轴的5轴加工机1中，在旋转轴s1的特异点距离d1为阈值以下且旋转轴s2的特异点距离d2超过阈值的情况下，旋转轴提取部106不提取旋转轴s1作为控制旋转轴，仅提取旋转轴s2作为控制旋转轴。另外，在特异点距离d3为阈值以下的情况下，认为旋转轴s1以及旋转轴s2的旋转轴方向大致相同。在该情况下，为了唯一地决定各旋转轴s1、s2的角度解，在旋转轴s2的特异点距离d2与旋转轴s1的特异点距离d1超过阈值的情况下，提取接近工具的一方的旋转轴s1来作为控制旋转轴。旋转轴提取部106将与提取出的控制旋转轴相关的信息输出到脉冲生成部103。
[0043]
脉冲生成部103基于由旋转轴提取部106提取出的控制旋转轴，生成用于驱动控制旋转轴的驱动脉冲。具体而言，如图3所示，脉冲生成部103具有第一脉冲生成部103a。第一脉冲生成部103a在由旋转轴提取部106提取出的控制旋转轴为1个的情况下，仅针对由旋转轴提取部106提取出的1个控制旋转轴进行基于误差修正的修正脉冲的输出，对于未由旋转轴提取部106提取的旋转轴，暂时停止基于误差修正的修正脉冲的输出。由此，在经过特异点时，仅驱动由旋转轴提取部106提取出的1个控制旋转轴，以使得最接近由加工指令指示的工具方向。
[0044]
例如，在旋转轴s1的特异点距离d1为阈值以下，旋转轴s2的特异点距离d2超过阈值的情况下，第一脉冲生成部103a使针对旋转轴s1的基于误差修正的修正脉冲的输出暂时停止，仅旋转驱动作为控制旋转轴的旋转轴s2来进行误差修正。此时，在第一脉冲生成部103a中，仅通过能够进行误差修正的旋转轴s2计算最能够消除剩余误差的修正量，生成与其对应的驱动脉冲。
[0045]
具体而言，第一脉冲生成部103a首先计算例如以下所示的基于旋转误差a、b、c的工具方向的误差。
[0046]
[数式2]
[0047][0048]
接着，如以下所示，加上在暂时停止了更新的时间点的旋转轴s1的修正量α1。
[0049]
[数式3]
[0050][0051]
接着，如以下所示，计算误差修正有效的控制旋转轴即旋转轴s2的修正量α2。
[0052]
[数式4]
[0053][0054]
第一脉冲生成部103a在经过特异点时，针对作为控制旋转轴的旋转轴s2，生成与计算出的修正量α2对应的驱动脉冲。由此，在除了x、y、z这3个轴之外还使用旋转轴s1、s2这2个旋转轴进行工件w的加工的情况下，在经过特异点时，仅通过特异点距离比阈值大的旋转轴s2进行误差修正，由此来控制工具方向。
[0055]
因此，根据该数值控制装置100，在旋转轴为2轴的情况下，仅通过由旋转轴提取部106提取出的控制旋转轴进行误差修正，因此能够抑制在特异点的附近产生旋转轴角度的急剧变化的情况，并且还能够应对任意的机械结构。在特异点以外，能够修正全部方向的旋转误差，因此不存在绕特定的轴的误差无法修正的问题。另外，由于不会对驱动脉冲施加限制，因此加工速度也不会降低。
[0056]
在数值控制装置100中，如图2所示，在加工机是具有旋转轴s1、s2、s3这3个旋转轴的6轴加工机2的情况下，特异点距离计算部105也可以如下所示，通过3个旋转轴s1、s2、s3的组合来计算特异点距离d12、d23、d31。
[0057]
[数式5]
[0058]
组合1(旋转轴s1，旋转轴s2)的特异点距离：
[0059][0060]
组合2(旋转轴s2，旋转轴s3)的特异点距离：
[0061][0062]
组合3(旋转轴s3，旋转轴s1)的特异点距离：
[0063][0064]
在该情况下，旋转轴提取部106对从特异点距离计算部105发送的多个特异点距离彼此进行比较，由此提取2个以上的旋转轴中的特异点距离最大的旋转轴来作为控制旋转轴。在上述的特异点距离d12、d23、d31的情况下，旋转轴提取部106选择这些特异点距离d12、d23、d31中的值最大的某一个特异点距离，提取与该特异点距离对应的旋转轴的组合来作为控制旋转轴。例如，在特异点距离d12、d23、d31中的特异点距离d12的值最大的情况下，旋转轴提取部106提取与该特异点距离d12对应的旋转轴s1、s2这两个轴来作为控制旋转轴。
[0065]
如图3所示，脉冲生成部103具有第二脉冲生成部103b。第二脉冲生成部103b在由旋转轴提取部106提取出2个控制旋转轴的情况下，生成分别驱动2个控制旋转轴的驱动脉
冲，以使得最接近由加工指令指示的工具方向。在该情况下，提取3个旋转轴中的2个旋转轴来作为控制旋转轴，因此旋转轴不会成为特异点。因此，能够进一步提高加工精度，并且还能够进一步缩短加工时间。
[0066]
图5是说明数值控制装置的另一实施方式的功能框图。在该数值控制装置100a中，在脉冲生成部103中还附加了第三脉冲生成部103c。另外，旋转轴提取部106构成为除了提取控制旋转轴之外还提取特异点旋转轴。其他结构与图3所示的数值控制装置100的结构相同，因此省略对它们的详细说明。
[0067]
旋转轴提取部106在将特异点距离与阈值进行了比较时，提取特异点距离在阈值以内的旋转轴来作为特异点旋转轴。即，例如，在旋转轴为旋转轴s1和旋转轴s2这两个轴，旋转轴s1的特异点距离d1超过阈值的情况下，旋转轴提取部106仅提取特异点距离d1超过阈值的1个旋转轴s1来作为控制旋转轴。此时，旋转轴提取部106提取未被提取为控制旋转轴的另1个旋转轴s2来作为特异点距离d2在阈值以内的特异点旋转轴。脉冲生成部103的第三脉冲生成部103c在经过特异点时，对于由旋转轴提取部106提取出的特异点旋转轴，生成与针对控制旋转轴的驱动脉冲不同且以旋转到预先指定的角度的方式进行驱动的驱动脉冲。
[0068]
使用图6a以及图6b对该特异点旋转轴的驱动进行说明。图6a及图6b表示对特异点旋转轴进行控制时的工具方向sy、sx。中心点是特异点。以特异点为中心的圆表示在旋转轴提取部106中提取控制旋转轴时与特异点距离进行比较的阈值。未被提取为控制旋转轴的特异点旋转轴使工具方向从指令起点向指令终点移动，其中，指令起点与指令终点隔着特异点配置在阈值的范围外。
[0069]
图6a表示未由第三脉冲生成部103c控制特异点旋转轴的情况。在该情况下，工具方向在从控制的起点朝向终点在阈值内的范围移动的过程中经过特异点。此时，存在旋转轴急剧变化的情况。与此相对，如图6b所示，第三脉冲生成部103c在旋转轴s2的特异点距离d2进入阈值以内而成为特异点旋转轴时，控制特异点旋转轴的旋转使得旋转预先指定的角度。预先指定的角度是比作为特异点旋转轴提取出的旋转轴(在此为旋转轴s2)的最大允许角度小的角度。第三脉冲生成部103c使特异点旋转轴每次旋转预先指定的角度。由此，特异点旋转轴在进入阈值内的时刻缓慢地开始旋转，使工具方向避开特异点而移动至终点。
[0070]
具体而言，第三脉冲生成部103c从指令解析部101取得指令终点工具方向。之后，第三脉冲生成部103c根据所取得的工具方向，计算特异点旋转轴的指令终点角度ce。进而，第三脉冲生成部103c从插值部102取得特异点旋转轴的当前角度cn。之后，第三脉冲生成部103c根据参数设定计算用于使特异点旋转轴旋转的驱动脉冲的最大允许值即最大旋转脉冲δcmax。
[0071]
在特异点距离计算部105中，针对特异点旋转轴计算指令终点处的特异点距离。在旋转轴提取部106中，确认特异点旋转轴的指令终点处的特异点距离超过阈值。此时，旋转轴提取部106在确认了特异点旋转轴的指令终点处的特异点距离超过阈值的情况下，确认当前的特异点旋转轴的特异点距离在阈值以内。
[0072]
在当前的特异点旋转轴的特异点距离在阈值以内的情况下，与对指令值之间进行了插值后的插值指令值无关地，第三脉冲生成部103c生成使特异点旋转轴如以下所示那样旋转的驱动脉冲。
[0073]
ce－cn＞0的情况
[0074]
a.在ce－cn＞δcmax的情况下，使特异点旋转轴旋转δcmax。
[0075]
b.在ce－cn＜δcmax的情况下，使特异点旋转轴旋转ce－cn。
[0076]
ce－cn＜0的情况
[0077]
a.在－(ce－cn)＞δcmax的情况下，使特异点旋转轴旋转－δcmax。
[0078]
b.在－(ce－cn)＜δcmax的情况下，使特异点旋转轴旋转ce－cn。
[0079]
由此，在图6b中如虚线所示，特异点旋转轴在进入阈值内的时间点缓慢地开始旋转，使工具方向避开特异点而移动到终点。因此，能够避免使工件w的表面质量降低的旋转轴的急剧的角度变化。
[0080]
另外，在以上的实施方式中，作为移动轴部件，例示了在5轴加工机1以及6轴加工机2中对工件w进行加工的工具15、25。但是，移动轴部件只要是轴的长度方向所示的方向即指示方向由数值控制装置控制的可移动的轴部件即可，并不限于工具15、25。移动轴部件例如也可以是设置在加工机的探针(未图示)等。
[0081]
在以上的实施方式中，特异点距离计算部105构成为根据基于工件w的加工指令的2个以上的旋转轴各自的旋转轴方向和工具方向，分别计算特异点距离。但是，特异点距离计算部105也可以构成为根据基于加工指令以外的动作指令，例如基于机械的移动指令等动作指令的2个以上的旋转轴各自的旋转轴方向和移动轴部件的轴的指示方向，分别计算特异点距离。
[0082]
附图标记的说明
[0083]
100，100a 数值控制装置
[0084]
105 特异点距离计算部
[0085]
106 旋转轴提取部
[0086]
103 脉冲生成部
[0087]
103a 第一脉冲生成部
[0088]
103b 第二脉冲生成部
[0089]
103c 第三脉冲生成部
[0090]
s1、s2、s3 旋转轴
[0091]
st 工具方向
[0092]
w 工件。