CN1621986A - 控制机床的方法和设备 - Google Patents

Abstract

控制机床的方法和设备。当圆周插补控制的指令半径r超过一阈值时，计算机计算使加速度变成常量的圆周速度的限速。当圆周插补控制的指令半径r小于或等于该阈值时，计算机100计算使rω³或rω⁴变成常数的另一限速，其中ω为角频率。该计算机通过确保该圆周速度不超过与该圆周插补控制的指令半径r对应的所述限速之一，来进行圆周插补控制。

Description

控制机床的方法和设备

技术领域

本发明涉及控制机床的方法和设备，执行圆周插补(circularinterpolation)控制。更具体地，本发明涉及控制机床的方法和设备，其进行高精度切削，该高精度切削是常规圆周速度限制方法无法实现的。

背景技术

有望在近几年开发出使用圆周插补控制的多种新的工艺方法。这些工艺方法包括：直接攻螺纹(direct tapping)，其通过螺旋运动形成螺纹；轨道钻孔(orbit boring)，其利用单个机床形成具有不同直径的几个圆孔；以及端铣，其未使用钻杆。所有这些工艺方法都是为了通过减少必须更换机床的次数来提高处理效率。但是，由于这些新方法在加工方面并不比常规加工方法(如攻螺纹和钻孔)优越，所以这些新方法没有取代常规方法。圆周插补控制通过技术改进已经得到很大发展，这些技术改进包括，例如，计算机数控(CNC)的插补周期和插补单位的改进，以及为获得高增益的伺服控制处理速度的增加。但是，以上加工方法中使用的大部分圆周插补法都应用于小直径圆。因此，虽然控制技术得到了提高，但是所需精度不易实现。由此，强烈需要提高对机床的高速小直径圆周运动进行控制时的精度。

作为保持圆周插补的精度的方法，通常使用一种限制进给速率的方法，以将圆周运动(circular motion)的法线加速度抑制到小于或等于某一值。该方法对于主要由伺服系统中的跟踪延迟(tracking delay)所引起的圆弧半径收缩现象是有效的。可通过伺服性能的改进来减小圆弧半径的收缩。但是，加工速度的提高导致圆周运动的法线加速度作为大惯性力作用于机器。这导致加工挠性(machine flexure)，加工挠性严重影响了圆周插补的精度。该现象在小圆周加工中尤为突出，并且难于维持加工精度。

下面将说明常规圆周速度限制方法。当通过机床在工件上形成圆弧或完整的圆周时，该常规圆周速度限制方法用于提高加工精度。该方法对机床沿着圆弧的速度进行控制，以使得机床的加速度不超过某一值。该方法基于一理论圆弧半径减小误差量ΔR(毫米)，该ΔR利用下面的公式(1)，根据位置循环控制的延迟得到。

$\mathrm{\ΔR}=\frac{{(F/60)}^2}{2R}\·\frac{1-K_f^2}{K_p^2}...\left(1\right)$

其中F表示机床的进给速率(毫米/分钟)，R表示圆弧半径(毫米)，K_p表示位置循环增益(S^-1)，K_f表示前馈系数(feedforward coefficient)。

随着机床的圆周运动(进给速率F)的提高，或者圆弧半径R的减小，加速度增加，这又增加了圆弧半径减小误差量ΔR。因此，常规圆周速度限制方法限制该速度，以使得加速度不超过上限，来将圆弧半径减小误差量ΔR抑制到小于或等于某一值。

如果圆周轨道误差的主要原因是位置循环控制的延迟，则该方法是有效的。但是，近年来，前馈系数K_f被设为接近1的值，几乎不出现位置循环控制的延迟。根据上面的公式(1)，如果将前馈系数K_f设为接近1的值，则公式(1)的右边将接近0。因此，不会出现圆周轨道误差。但是，在实际的圆周插补控制中，无法满足所需精度。这是由不同于公式(1)所表示的现象导致的。

图7(a)表示当圆弧半径及速度变化时圆周插补的圆度(circularity)(实际测量)。横轴表示圆弧半径，纵轴表示加速度(速度的平方除以圆弧半径)。图7(a)中的线(定值圆度线)由表示圆弧半径和加速度发生变化时的定值圆度的绘图点(plotting point)来描绘。如果圆度与加速度成正比，则图7(a)中的各个圆度线应该平行于横轴延伸。但是，事实上，如图7(a)所示，圆度随着圆弧半径的减小而降低。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种控制机床的方法和设备，其在进行小直径的圆周插补时，如果来自圆周插补控制的指令半径(commandradius)小于或等于预定阈值时，则进行高精度切削，而不采用常规的圆周速度限制方法。

为了实现以上目的，本发明提供了一种用于执行圆周插补控制的机床控制设备。该设备包括计算装置和控制装置。当圆周插补控制的指令半径r小于或等于一阈值时，所述计算装置计算圆周速度的限速，并且在该计算出的限速下rω³(ω是角频率)或rω⁴变成常量。控制装置通过确保圆周速度不超过该限速，来进行圆周插补控制。

本发明的第二方面提供了一种执行圆周插补控制的机床控制设备。该设备包括计算装置和控制装置。当圆周插补控制的指令半径r超过一阈值时，计算装置计算该圆周速度的限速，并且加速度在该计算出的限速下变成常量。当圆周插补控制的指令半径r小于或等于该阈值时，计算装置计算一限速，在该限速下rω³(ω是角频率)或rω⁴变成常量。控制装置通过确保圆周速度不超过与圆周插补控制的指令半径r对应的所述限速之一，来进行圆周插补控制。

下面对本发明的原理进行说明。

图3是表示从控制装置的位置指令部到机器末端位置的传递函数(transfer function)G的方框图。该控制装置是CNC(计算机数控)设备。该控制装置包括指令部，其向控制目标发送位置指令用于圆周插补控制。根据从指令部向机器末端位置输出的位置指令的传递函数G由下面的公式(2)表示。

[公式2]

$G=1-\frac{a{s}^2}{s^2+2\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_{1}s+{\mathrm{\ω}}_1^2}...\left(2\right)$

其中s表示拉普拉斯算子，ω₁表示机器的特征频率，ζ表示衰减率，a表示运动加速度对于振动的影响程度。

例如，当假设s等于jω(s＝jω)来计算传递函数G的增益时，如果机床的角频率ω比机床的特征频率ω₁小很多(ω＜＜ω₁)时，得到下面的公式(3)。使传递函数G有理化，并且只提取实部。利用关系式1/(1-x)1+x(x＜＜1)来组织公式(2)。

[公式3]

$\left|G\left(\mathrm{j\ω}\right)\right|$ $\frac{a{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_1^2}+(1-4{\mathrm{\ζ}}^2)\frac{a{\mathrm{\ω}}^4}{{\mathrm{\ω}}_1^4}...\left(3\right)$

增益(G(jω)的绝对值)具有包括ω平方的一项以及包括ω四次方的一项。位置指令值与实际值之间的误差与指令半径r(圆弧半径)(即传递函数G的输入幅值)成正比。因此，用指令半径r乘以公式(3)的各项来计算误差。当指令半径r(圆弧半径)较大时，对于误差的影响主要表现在包括ω平方的项，即，加速度。但是，当指令半径r(圆弧半径)减小而角频率ω(角速度)增大时，包括ω四次方的项开始影响误差。

在圆周插补控制中，沿x轴和y轴的机器刚性差异表现为沿x轴和y轴的圆弧半径误差。圆弧半径的误差与rω²和rω⁴成正比。

如图7(b)所示，在常规圆周速度限制方法中，沿x轴和y轴的机器幅值差异表现为沿x轴和y轴的半径的误差。图7(b)是从图7(a)提取的沿x轴和y轴产生的机器幅值差异(与沿x轴和y轴的半径误差对应)引起的误差的曲线图。在该常规圆周速度限制方法中，幅值差异所引起的误差取决于加速度rω²，但随着指令半径r(圆弧半径)的减小，与包括ω四次方的项(更具体地，r乘以ω四次方)成正比的分量增加。

另一方面，传递函数G的相位由下面的公式(4)表示。将传递函数G有理化并只提取虚部。

$\tan \∠G\left(\mathrm{j\ω}\right)=-2\mathrm{a\ζ}(\frac{{\mathrm{\ω}}^3}{{\mathrm{\ω}}_1^3}+2(1-2{\mathrm{\ζ}}^2)\frac{{\mathrm{\ω}}^5}{{\mathrm{\ω}}_1^5})...\left(4\right)$

如上所述，该相位具有包括ω三次方的项以及包括ω五次方的项。当机床的角频率ω比机器的特征频率ω₁小很多(ω＜＜ω₁)时，对于相位的影响主要表现在包括ω三次方的项。x轴与y轴之间的响应相位差表现为沿着圆弧的45度方向(与x轴和y轴成45度交叉的四个方向)上的半径误差。实际误差与指令半径r(圆弧半径)成正比，指令半径即传递函数G的输入幅值。用指令半径r乘以公式(4)的各项来计算该误差。

因此，在存在相位差的情况下，随着机床沿着圆弧的运动速度增大，以及随着指令半径r(圆弧半径)的减小，包括ω三次方的项的影响变得显著。

在常规圆周速度限制方法中，如图7(c)所示，相位差表现为半径误差。图7(c)是表示从7(a)提取的由相位差所引起的误差的曲线图。该误差与rω³成正比。

因此，根据本发明，当指令半径r小于或等于阈值时，计算出使rω³或rω⁴变成常量的圆周速度的限速。使rω³和rω⁴之一变成常量的限速用作保护值(guard value)，并且执行圆周插补控制以使得圆周速度不超过该限速。通过这种方式，在圆周插补控制过程中，当指令半径r小于或等于该阈值时，控制机床不超过加速度的上限。由此，与常规圆周速度限制方法不同，进行了高精度的控制。

通过下面的结合附图的说明书，本发明的其它方面和特征将变得明了，其中附图以示例的方式说明了本发明的原理。

附图说明

通过参照下面的优选实施例的说明并结合附图，可以最佳地理解本发明及其目的和优点，图中：

图1是表示根据本发明一个优选实施例的机床的控制设备的方框图；

图2是表示旋风处理(tornado processing)的示意性解释图；

图3是表示从控制装置的位置指令部到机器末端位置的传递函数G的方框图；

图4是插补部(CPU)执行的指令速度设置例程的流程图；

图5是表示存储在存储部中的限速映射(map)的示意图；

图6(a)、图6(b)和图6(c)是表示圆周精度的解释图；

图7(a)是表示当圆弧半径和速度发生变化时圆周插补的圆度的解释图；

图7(b)是表示幅值差异所引起的误差的解释图；以及

图7(c)是表示相位差异所引起的误差的解释图。

具体实施方式

下面参考图1、2以及4到6说明根据本发明一个实施例的机床。图1是表示用于机床的数控设备10的控制框图。图2是表示旋风处理的示意性解释图。旋风处理是一种用于在xy坐标平面上进行圆周插补控制，同时沿z轴方向移动端铣刀的方法。

参照图2简要说明旋风处理。在图2中，将端铣刀K连接到主轴(未示出)，该主轴具有主轴线01。在旋风处理中，主轴和工件W沿着x轴和y轴(即，在xy坐标平面上)相对移动以进行圆周插补运动，并且沿z轴方向(与图2的纸平面垂直的方向)相对移动以进行直线插补(linearinterpolation)运动。结果，主轴线01画出了由图2中的字母C表示的圆周插补轨迹，同时在z轴方向上进行直线插补运动。端铣刀K旋转的同时，沿圆周插补轨迹C运动，从而工件W的切开部分的半径为(r+L)。字母r表示圆周插补运动的指令半径r(圆弧半径)，字母L表示端铣刀K的半径。

下面参照图1说明数控设备10。数控设备10由计算机100构成，该计算机100包括CPU、ROM和RAM。数控设备10包括程序解析部11、插补部12以及存储部13。程序解析部11读出运动程序P，并解析插补数据。程序解析部11将经过解析的插补数据存储在存储部13的缓冲存储器(未示出)中。插补部12从缓冲存储器读出插补数据，并根据该插补数据进行插补计算。插补部12计算对应于各个控制轴的移动量和进给速率，并进行圆周插补控制。存储部13存储插补计算所必须的几个控制参数。存储部13由RAM形成，并与存储装置对应。计算机100与控制装置对应。

插补部12计算机床的各个控制轴(在本实施例中，主轴、x轴、y轴和z轴)的位置指令(速度指令)。在本实施例中，插补部12与位置指令部和限速计算装置对应。

将为各个控制轴计算出的位置指令从插补部12提供给主轴控制部14、x轴控制部15、y轴控制部16和z轴控制部17。主轴电机18、x轴电机19、y轴电机20以及z轴电机21分别与主轴控制部14、x轴控制部15、y轴控制部16以及z轴控制部17电连接。主轴控制部14、x轴控制部15、y轴控制部16以及z轴控制部17根据所接收的位置指令驱动相关电机。各个电机由伺服电机形成。

图4是插补部12(CPU)执行的指令速度设置例程的流程图。在步骤S10，插补部12读取存储在存储部13中的控制参数(在本实施例中为阈值Rc)，并将基于运动程序P的指令半径与阈值Rc进行比较。该指令半径是当进行圆周插补运动时的圆弧半径。

按照本实施例中的以下说明设置阈值Rc。

图5是表示存储在存储部13中的限速映射的示意图。如图5所示，使用限速映射来确定与指令半径r(圆弧半径)相关的进给速率的限速Fc。横轴表示指令半径(圆弧半径)，纵轴表示进给速率。图5表示各个值rω²、rω³和rω⁴变成常量的线。基于根据本优选实施例的机床的规格，预先得到从插补部12到机器末端的传递函数G。通过模拟进行计算而得到这些线。

在本实施例中，确定值rω²、rω³和rω⁴以使得当阈值Rc为10毫米时这些线互相交叉。阈值Rc并不限于10毫米，而是可以根据机床的规格设为其它值。阈值Rc可以预先存储在存储部13中，或者通过输入设备(未示出)并入运动程序P中。

下面将说明获得要映射的阈值Rc的方法。例如，通过利用常规圆周速度限制方法预先进行测试切削，来获得最大进给速率F₁，在该速率下，当半径R₁为40毫米时误差小于或等于容许值。然后，计算加速度定值(C₁＝F₁ ²/R₁)。

接下来，利用常规圆周速度限制方法预先进行测试切削，来获得最大进给速率F₂，在该速率下，当半径R₂为1毫米时误差小于或等于容许值。如果误差在一特定角度(0°、90°、180°或270°：通过xy平面上的原点的线的角度)下较显著，则采用rω⁴定值线。如果误差在一特定角度(45°、135°、225°或315°：同上)较显著，则采用rω³定值线。

当采用rω⁴定值线时，计算定值(C₂＝F₂ ⁴/R₂ ³)，当采用rω³定值线时，计算定值(C₂＝F₂ ³/R₂ ²)。

当采用rω⁴定值线时，从联立公式(C₁＝F²/Rc、C₂＝F⁴/Rc³)中消去F以得到阈值Rc。

按照同样的方式获得当采用rω³定值线时的阈值Rc。

在图5中，将rω²定值线称为加速度定值线，rω³定值线和rω⁴定值线称为rω^N定值线(N＝3，4)。

再次参见流程图，如果在步骤S10中指令半径r大于阈值Rc，则插补部(CPU)12进行到步骤S20。在步骤S20，插补部(CPU)12根据与限速映射中的指令半径r对应的加速度定值线，确定与指令半径r对应的限速Fc，并进行到步骤S30。在步骤S10，如果指令半径r小于或等于阈值Rc，则插补部(CPU)12进行到步骤S50。在步骤S50，插补部(CPU)12根据与限速映射中的指令半径r对应的rω^N定值线确定与指令半径r对应的限速Fc，并进行到步骤S30。

在本实施例中，假设rω^N定值线为rω⁴定值线，但是也可以假设rω^N定值线为rω³定值线。当假设rω^N定值线为rω⁴定值线时，确定rω⁴常量的限速Fc。因此，由x轴与y轴之间的幅值差而引起的半径误差将被抑制到一个定值。当假设rω^N定值线为rω³定值线时，确定rω³常量的限速Fc。因此，由于x轴与y轴之间的相位差而引起的半径误差将被抑制到一个定值。

在步骤S30，插补部(CPU)12确定基于运动程序P的指令速度是否超过限速Fc。在步骤S30，如果基于运动程序P的指令速度超过限速Fc，则插补部(CPU)12进行到步骤S40。在步骤S40，插补部12将指令速度限制到限速Fc，并确保该指令速度，然后终止该例程。在步骤S30，如果指令速度小于或等于限速Fc，则插补部12不确保该指令速度，并终止该例程。在该例程被终止后，插补部12开始插补处理例程(未示出)。在该插补处理例程中，插补部12根据计算出的指令速度(包括在步骤S40得到的限速Fc)以及指令半径r计算各个控制轴的位置指令(速度指令)。由于该计算不是本发明的重要部分，并且是已知技术，所以省略说明。

本优选实施例具有以下优点。

(1)在本优选实施例中，如果指令半径r小于或等于阈值Rc，则根据限速映射确定rω⁴常量的限速Fc。因此，由x轴与y轴之间的幅值差而引起的半径误差被抑制到一个定值。

图6(a)表示当指令半径r(圆弧半径)为28毫米并且圆周速度(进给速率)F为700毫米/分钟(mm/min)时的圆周精度。图6(b)表示当只根据加速度定值线将指令半径r(圆弧)设为1.5毫米并将圆周速度(进给速率)F设为1600毫米/分钟时的圆周精度。测量条件与图6(a)相同。图6(c)表示只根据rω⁴定值线将指令半径r(圆弧半径)设为1.5毫米并将指令半径(进给速率)F设为1000毫米/分钟时的圆周精度。测量条件与图6(a)相同。如图6(b)所示，当只采用加速度定值线时，x轴与y轴之间的幅值差和相位差所引起的误差影响了圆周精度，并且画出的轨迹为椭圆。反之，在图6(c)中，这些误差被抑制。

(2)在该实施例中，当指令半径r小于或等于阈值Rc并且根据限速映射确定rω⁴常量的限速Fc时，将圆周速度限制为比rω³常量的限速慢。因此，与rω³常量的情况相比，加工精度得到提高。

当指令半径r小于或等于阈值Rc，并且根据限速映射确定rω³常量的限速Fc时，圆周速度为比rω⁴常量的限速快。因此，与rω⁴常量的限速Fc的情况相比，加工效率得到提高。

本发明并不限于该优选实施例，而是可以作如下修改。

在该优选实施例中，本发明通过一个执行旋风处理的数控设备10来实施。但是，本发明可以通过任何机床来实施，只要该机床进行圆周插补运动。例如，本发明可以在进行直接攻螺纹(其中通过螺旋运动形成螺纹)的机床控制设备中实现，或者在完成轨道打孔、或利用端铣刀进行圆周加工的控制设备中实现。

在本发明旨在进行的圆周插补控制中，具体地，本实施例中的小圆周加工的控制是指通过小于或等于10毫米的指令半径(圆弧半径)来进行圆周加工。但是，指令半径并不限于10毫米，而是可以为小于或等于15毫米或20毫米。随着指令半径(圆弧半径)的减小，本发明变得更为有效。

Claims (5)

1、一种控制设备，用于进行机床的圆周插补控制，所述设备的特征在于：

计算装置，当所述圆周插补控制的指令半径r小于或等于一阈值时，计算圆周速度的限速，其中rω³或rω⁴在所计算出的限速下变成常量，其中ω是角频率；以及

控制装置，用于通过确保所述圆周速度不超过所述限速，来进行所述圆周插补控制。

2、一种控制设备，用于进行机床的圆周插补控制，所述设备的特征在于：

计算装置，当所述圆周插补控制的指令半径r大于一阈值时，计算圆周速度的限速，其中加速度在所计算出的限速下变成常量，并且当圆周插补控制的指令半径r小于或等于所述阈值时，所述计算装置计算使rω³或rω⁴变成常量的另一限速，其中ω是角频率；以及

控制装置，用于通过确保所述圆周速度不超过与所述圆周插补控制的指令半径r对应的所述限速之一，来进行所述圆周插补控制。

3、根据权利要求1或2所述的控制设备，还包括存储装置，用于存储所述阈值，其中

所述计算装置利用存储在所述存储装置中的所述阈值计算所述限速。

4、一种控制机床的方法，其进行圆周插补控制，所述方法的特征在于：

当所述圆周插补控制的指令半径r小于或等于一阈值时，计算圆周速度的限速，其中rω³或rω⁴在所计算出的限速下变成常量，其中ω为角频率；并且

通过确保所述圆周速度不超过所述限速来进行所述圆周插补控制。

5、一种控制机床的方法，其进行圆周插补控制，所述方法的特征在于：

当所述圆周插补控制的指令半径r超过一阈值时，计算圆周速度的限速，其中加速度在所计算出的限速下变成常量，并且当圆周插补控制的指令半径r小于或等于所述阈值时，计算使rω³或rω⁴变成常量的另一个限速，其中ω是角频率；并且

通过确保所述圆周速度不超过与所述圆周插补控制的指令半径r对应的所述限速之一，来进行所述圆周插补控制。

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