数值控制装置.pdf

提供一种控制具有X、Z直线移动轴和摆动轴B的数值控制装置。该摆动轴B使前端带有刀具的摇动构件绕平行于Z轴的轴旋转摆动。插补处理按照X、Y、Z三维直角坐标系的位置被命令的指令程序的移动指令，并求出各正交轴的插补移动量ΔX、ΔY、ΔZ；求出沿Y轴方向移动移动量ΔY所必要的摆动轴的转动量Δθ；求出抵消随摆动轴B的转动量Δθ向X轴方向产生的移动的修正移动量δx；然后把(ΔX+δx)、Δθ、ΔZ分别输出到X轴、摆动轴B、Z轴。

1.  数值控制装置，按照指令程序来控制机床的动作，其特征在于，
所述机床具备：第一直线移动轴；与所述第一直线移动轴正交的第二直线移动轴；使摆动构件绕所述第一直线移动轴或与其平行的轴摆动的摆动轴；设置在该摆动构件的前端的刀具，
所述指令程序命令三维直角座标系中的刀具的动作路径，
所述数值控制装置包括：按规定周期插补由所述指令命令的三维直角座标系中的刀具的动作路径，并把各插补点间的刀具移动量作为所述三维直角座标系上的插补分量求出的装置；求出使所述刀具仅移动与所述第一、第二直线移动轴正交的第三轴的插补分量所必须的刀具绕所述摆动轴转动的转动量的装置；还有，求出伴随所述刀具仅转动所述求出的转动量而产生变化的刀具的所述第二直线移动轴方向的移动量作为修正量的装置，
按规定的周期分别把所述第一直线移动轴的插补分量的移动量输出到所述第一直线移动轴；把用所述修正量修正了所述第二直线移动轴的插补分量的移动量输出到所述第二直线移动轴；把所述转动量输出到所述摆动轴。

数值控制装置
技术领域
本发明涉及控制具有相互正交的两个直线移动轴和摆动轴的机床的数值控制装置。
背景技术
通常使用具备至少能使正交的三个轴的各个轴作直线运动的致动器的机械作为加工三维形状的工件的机床。这种情况下，各轴必须要有适用于其移动范围的导轨或滚珠丝杠副等驱动系统，即使被要求实现小型化也很困难。目前还未出现代替正交的三个直线移动轴的简单的构成、能够实现小型化同时又能够进行与由正交的三个直线移动轴进行的加工同等的任意三维形状的加工的机床。
如上所述，为使机床小型化或为简化驱动系统，就必须有取代直线轴的简单、简易的驱动系统。另外，如果使用不用直线移动轴的致动器，为了三维形状的工件加工，按正交的三个移动方向来作成工件加工指令的数值控制装置的程序的制作也必须变更，不能随意使用，很不方便。
发明内容
本发明提供一种数值控制装置，按照指令程序来控制用摆动轴取代了相互正交的三个直线移动轴中的一个轴的三维加工的机床的动作。
由该数值控制装置控制的机床具备第一直线移动轴、与所述第一直线移动轴正交的第二直线移动轴、能使摆动构件绕第一直线移动轴或与其平行的轴摆动的摆动轴和设置在该摆动轴的前端的刀具。用前述指令程序来指令三维直角座标系的动作路径。
该数值控制装置包括：按规定周期插补由所述指令程序指定的三维直角座标系中的动作路径。并求出各插补点间的移动量作为所述三维直角座标系上的插补分量的装置；求出为了使所述刀具正好移动与所述第一、第二直线移动轴正交的第三轴的插补分量所必须的刀具绕所述摆动轴转动的转动量的装置；以及求出随所述刀具转动所述求出的转动量而变化的刀具在所述第二直线移动轴方向的移动量作为修正量的装置。按规定的周期把所述第一直线移动轴的插补分量的移动量、用所述修正量修正所述第二直线移动轴的插补分量后的移动量和所述转动量分别输出到所述第一直线移动轴、所述第二直线移动轴和所述摆动轴。
按照上述的构成，能够根据在三维直角座标系中进行命令的指令程序，按所命令的路径和速度使机床动作。
能够用对于现有的具有正交的三个直线移动轴的机床的指令程序，驱动控制用摆动轴代替正交轴中的一个轴的机床。因此，能够实现机床的小型化或机床的简化。
附图说明
附图之中：
图1是适用本发明的数值控制装置的机床之一例的概图。
图2是按插补的时间单位对摆动轴进行直线插补所求出的摆动轴的位置的说明图。
图3是在假想直线移动地Y轴方向上进行直线插补所求出的摆动轴的位置的说明图。
图4是本发明的一个实施例的数值控制装置的主要部分的框图。
图5是表示图4的数值控制装置的CPU根据指令程序实施的处理的流程图。
具体实施方式
本发明的所述的以及其他的目的和特征，通过参照附图的以下的实施例的说明，相信能够变得明确。
图1是适用本发明的数值控制装置的机床之一例的概图。
通过驱动X轴伺服电机40和Z轴伺服电机42，使工作台1沿X轴方向和与其正交的Z轴方向移动。另外，在支柱2上设置有沿与Z轴平行的方向延伸的轴3，在该轴3上设置有绕该轴旋转摆动的摆动构件4，该摆动构件4的旋转是由伺服电机(未示出)驱动的。该摆动构件4的前端部安装着刀具5，该刀具5由主轴电机(未示出)驱动。该使摆动构件4绕轴3旋转摆动而使刀具5移动的轴以下称之为摆动轴B。另外，把驱动摆动轴B的伺服电机叫做B轴用伺服电机。通过B轴用伺服电机，摆动构件4上的刀具5在X-Y平面上转动。
在该实施例的机床中，相对于由X轴伺服电机40和Z轴伺服电机42驱动的工作台1上的工件W，前端安装有刀具5的摆动构件4绕与Z轴平行的摆动轴B(轴3)转动。摆动构件4绕摆动轴B转动时，刀具5的位置就成为沿X轴方向和同时与X轴方向和Z轴方向正交的Y轴方向移动。结果，刀具5相对于工件W沿X轴、Y轴和Z轴方向移动，能够对工件W进行三维加工。
图2是对于求出每隔规定时间对摆动轴B的转动进行插补后的刀具5的位置进行说明的图。摆动轴B的转角由插补被等间隔地分割，设时刻t_i的转角为θ_i，时刻t_i+1的转角为θ_i+1。另外，如果设摆动轴B的转动中心(轴3)到刀具5的转动轴心的距离为R，从时刻t_i到时刻t_i+1的期间，刀具5对于工件W相对地沿Y轴方向移动距离为R·(sinθ_i+1-sinθ_i)，沿X轴方向移动距离为R·(cosθ_i+1-cosθ_i)。
因此，如果从时刻t_i到时刻t_i+1期间由X轴电机使工作台1正好移动-R·(cosθ_i+1-cosθ_i)距离，就能抵消刀具5随着摆动构件4绕摆动轴B的转动而沿X轴方向的移动分量，刀具5相对于工件W就成为仅沿Y轴方向作直线移动。
可是，即使每隔一定时间等角度地插补转动量，由于转动的位置不同，Y轴方向的移动速度(刀具5对于工件W的相对移动速度)也会发生变化。因此，如图3所示，与原来的对于由直角座标系构成的机床的移动指令一样，不使用对摆动轴B的转动指令，而是使用对假想轴的Y轴的移动指令。即，使对工件的指令程序等的移动指令与原来的在直角座标系中作成的指令程序的移动指令相同。然后，根据用指令程序所命令的移动速度、移动位置，与原来的直角座标系的机床同样地对X、Y、Z方向进行插补处理，求出对各方向的插补移动量，然后由沿作为假想轴的Y轴的移动量来求出摆动轴B的转动量。
如图3所示，假定从时刻t_i到时刻t_i+1期间(插补的时间间隔)有对Y轴的ΔY移动指令，并假定在时刻t_i的摆动轴B的转角是θ_i，到达时刻t_i+1的摆动轴B的转角是θ_i+1，那么
由：R·(sinθ_i+1-sinθ_i)＝ΔY
得出：sinθ_i+1＝sinθ_i+ΔY/R
θ_i+1＝sin^-1(sinθ_i+ΔY/R)       …(1)
根据上式(1)，依次求新的转角θ_i+1，用前一个插补时刻的转角θ_i和本次时刻的转角θ_i+1求出摆动轴B的转动变移量Δθ＝(θ_i+1-θ_i)。再根据下述的公式(2)求出用来抵消伴随从该摆动轴B的转角θ_i到转角θ_i+1的转动而发生的X轴方向的移动的移动量δ_X。
δ_X＝-R·(cosθ_i+1-cosθ_i)       …(2)
如果按规定的周期(插补周期)使摆动轴B转动Δθ，且使X轴移动δ_X，那么，就能够使摆动构件4上的刀具5以被命令的速度沿Y轴方向移动。
这时，在有对X轴的移动指令的情况下，只要把按规定周期分割了该指令的值再加上上述δ_X＝-R·(cosθ_i+1-cosθ_i)后所得到的值作为X轴的插补数据即可。
在X、Y、Z轴三轴同时指令的直线指令或园弧指令等中，
1)求出对X、Y、Z轴的插补移动量ΔX、ΔY、ΔZ；
2)根据上述(1)式把所求出来的插补移动量ΔY变换为摆动轴B的转动指令，并求出转动变移量Δθ；
3)把用前述公式(2)求出来的X轴修正量δ_X与插补移动量ΔX相加；
4)把(ΔX+δ_X)、Δθ、ΔZ作为本次时刻的X、Y、Z轴的移动指令输出到各轴的伺服电路。这样，就能够进行与正交三轴的机床的刀具动作一样的动作。
图4是本发明的一个实施例的数值控制装置的主要部分的框图。该实施例中，所表示的是控制机床并对工件进行三维形状加工的数值控制装置，该机床具备图1所示的X轴的直线移轴、与X轴正交的Z轴的直线移动轴、绕Z轴或绕与Z轴平行的轴转动并使摆动构件摆动的摆动轴B和设置在该摆动构件的前端的刀具。
CPU11是整体控制数值控制装置10的处理器，存储器12、显示器/输入设备13、PMC(可编程机器控制器)14、X、Y、Z轴的轴控制电路20，21，22和主轴控制电路60经总线15连接在CPU11上。CPU11经总线15读出存储在存储器12内的系统程序，按照该系统程序来控制整个数值控制装置。存储器12存储有显示器和键盘等的指令或经由为了输入数据的由输入设备构成的显示器/输入机器13由操作者输入的各种数据、还存储用该显示器/输入设备13作成的指令程序或经接口(未示出)输入的指令程序。PMC(可编程机器控制器)14用内装在数值控制装置10内的序列程序把信号输入/输出到机床的辅助装置，并进行控制。
各轴的轴控制电路20～22接受来自CPU11的各轴的移动量指令，把各轴的指令输出到伺服放大器30～32；伺服放大器30～32接受该指令，并驱动各轴的伺服电机40～42；各轴的伺服电机40～42内装有位置/速度检测器50～52，轴控制电路20～22接受来自该位置/速度检测器50～52的位置/速度反馈信号，进行位置/速度的反馈控制。
另外，主轴控制电路60接受主轴旋转指令，向主轴放大器61输出轴速信号；主轴放大器61接受轴速信号，按被命令的转速使主轴电机62旋转，从而使安装在主轴上的刀具5旋转。另外，该主轴上安装有未图示的位置编码器，主轴控制电路60用来自该位置编码器的信号反馈控制主轴的转速。
上述的数值控制装置的构成与现有的数值控制装置是一样的，而且用于由该数值控制装置控制的机床对工件进行加工的指令程序也使用与现有的针对正交三轴的直线移动轴的机床作成的指令程序一样的程序。即，三维形状的加工的指令程序，与原来一样，作为X、Y、Z的正交三轴的指令进行命令。而不同之处在于：CPU11在通过插补处理求得对X、Y、Z正交的三轴的插补移动量ΔX、ΔY、ΔZ之后，求出摆动轴B的转角Δθ和用来抵消伴随该摆动轴B的转动而发生的X轴方向的移动的移动量δ_X，然后把ΔX+δ_X输出到X轴的轴控制电路，把Δθ输出到B轴的轴控制电路，把ΔZ的移动指令输出到Z轴的轴控制电路。
图5是表示该实施例的CPU11根据指令程序实施的处理的算法的流程图。
在图5所示的处理中，步骤S1的前处理和步骤S2以后的处理按不同的任务进行，步骤S1的前处理按前处理任务进行，而在每个插补周期内实施步骤S2以后的处理，但是，为使说明简捷，用同一个流程来表示。
CPU11从指令程序中读出一个块(block)，进行与现有技术一样的前处理，由此作成可以进行插补分配处理的可执行形式的块数据(blockdata)(步骤S1)；然后，CPU11根据可执行形式的块数据进行与现有技术同样的插补处理，并求得正交的X、Y、Z轴方向的进给量ΔX、ΔY、ΔZ(步骤S2)。至此的处理与现有技术的具有正交的三个直线移动轴的机床的控制是一样的。
接下来，根据预先设定的摆动轴B的摆动构件4的长度(转轴3的中心与刀具5的中心之间的距离)R、寄存器内存储的上次插补时刻求得的摆动轴B的转角(最初时为初始设定的值)θ_i和本次的插补时刻想要使刀具5沿Y方向移动的移动量ΔY进行前述(1)式的运算，求出本次时刻的摆动轴B的转角θ_i+1。
然后，从求得的转角θ_i+1减去存储在寄存器内的前一个周期中的转角θ_i得到转动变移量Δθ(＝θ_i+1-θ_i)(步骤S3)。
进一步，为了抵消由将该摆动轴B转动Δθ而引起的X轴方向的移动，从前述的(2)式求出使其沿相反方向移动的X轴方向的修正量δ_X(步骤S4)。
接着，为了在下一个插补周期作为前一个周期的转动位置θ_i利用，把步骤S3求得的摆动轴B的转角θ_i+1存储在寄存器内(步骤S5)。然后，把步骤S4求得的修正量δ_X与步骤S2求得的移动量加起来，作为该周期的移动指令输出到X轴的轴控制电路20；把步骤S3求得的转动量Δθ输出到摆动轴B的轴控制电路21；把步骤S2求得的移动量ΔZ输出到Z轴的轴控制电路22(步骤S6)。各轴控制电路20～22根据所接受的移动指令和从位置/速度检测器50～52反馈来的位置/速度反馈信号进行位置/速度反馈控制，还进行电流环控制，并经各伺服放大器30～32驱动各伺服电机40～42。
以下，在每个插补周期进行上述步骤S2～步骤S6的处理，每当被命令的一个块的移动结束，就用下一个块的被前处理过的数据同样地实施插补处理。
通过上述的处理，刀具5就会以被指令程序所命令的路径和速度，相对于工件W在X、Y、Z轴方向移动并进行加工。
在上述的例子中，机床具备X轴和Z轴的直线移动轴，并把与这些直线移动轴正交的Y轴作为假想轴，使摆动构件绕与Z轴平行的轴(摆动轴)转动，即在X-Y平面上转动。而且，设置成在通过该摆动构件的转动使其沿Y轴方向的移动的同时，修正X轴的移动指令的方式。另外，当使摆动构件绕平行于X轴而不是平行于Z轴的轴(即在Y-Z平面上)转动时，设置成在通过该摆动构件的转动使其沿Y轴方向的移动的同时，修正Z轴的移动指令的方式。
即，通过使前端带有刀具的摆动构件绕相互正交的第一、第二直线移动轴中的第一直线移动轴或与其平行的轴转动，来使刀具沿与该第一和第二直线移动轴正交的第三轴的方向移动的同时，修正对第二直线移动轴的移动指令，以抵消伴随该摆动构件的转动而产生的刀具在第二直线移动轴方向的移动。