JP2003015714A - 数値制御工作機械 - Google Patents

数値制御工作機械

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JP2003015714A
JP2003015714A JP2001198077A JP2001198077A JP2003015714A JP 2003015714 A JP2003015714 A JP 2003015714A JP 2001198077 A JP2001198077 A JP 2001198077A JP 2001198077 A JP2001198077 A JP 2001198077A JP 2003015714 A JP2003015714 A JP 2003015714A
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curve
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Nobuyuki Deguchi
伸幸 出口
Koji Takahashi
浩司 高橋
Shigeki Mori
森  茂樹
Fumitoshi Kawamura
文俊 河村
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Tungaloy Corp
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Toshiba Tungaloy Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】この発明は、単軸の往復運動を動作経路とする
制御軸を有する数値制御工作機械に関し、特にその制御
方法に関する。 【解決手段】数値制御工作機械の制御軸の動作始点から
の移動距離と動作時間との関係が平滑化曲線によって、
好ましくはベジェ曲線によって表わされ、かつ少なくと
も動作始点または動作終点において、動作時間に対する
移動距離の曲線勾配が略0となるように形成する。ベジ
ェ曲線は自由度が高く、また制御点も少なくて済むか
ら、この数値制御工作機械により加工する製品に起きる
不具合を適宜対策できるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、単軸の往復運動
を動作経路とする制御軸をもつ数値制御工作機械に関す
る。
【0002】
【従来の技術】数値制御工作機械において、主軸端など
が自由曲線を経路として移動するときには、点列データ
をもとにその間は補間法によって演算処理される。補間
法には、直線補間,円弧補間のほか、B−スプライン補
間やベジェ補間などの平滑化曲線を利用した、より連続
性と近似性にすぐれた補間法が実用されている。このよ
うな平滑化曲線はCAD/CAMシステムなどでも利用され、
コンピュータグラフィックにおける空間図形やフレーム
モデル,サーフェスモデル,ソリッドモデルなどの作成
に利用される。
【0003】ところで、工作機械のなかには、プレス
機,射出成形機,穴あけ加工機等のように、制御軸の動
作経路が単軸上を往復運動することを基本構成としてい
るものがある。たとえばプレス機における数値制御は、
従来のカムを用いた機械的往復運動におけるカム曲線を
再現することに力点が置かれており、制御軸の基準点
(動作原点)からの移動距離と動作時間の関係(以下、
これを動作曲線と呼ぶ)がサイクロイド曲線やトロコイ
ド曲線となるようにして、基本的にカム曲線に近似させ
る方法をとっている。
【0004】また、プレス機を数値制御する場合には、
プレス機メーカ各社の準備したMMI(マンマシンイン
ターフェース)ソフトを利用することが一般的である。
利用者側でプレス機の動作を自由に制御するためには、
プレス機メーカのMMIにその機能がないと対応するこ
とができない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】複雑な曲線を細かな直
線に分割する動作制御方法は汎用性があり、コンピュー
タを用いることで比較的簡単で自由に作成することがで
きる。反面、これを動作曲線へ応用し動作精度を高める
ためには分割する直線の数が多くなり、座標計算に時間
がかかる。また、座標を工作機械の制御装置へ記憶させ
るためには大きな記憶装置(メモリ)が必要となる。実
際の動作時にはデータ処理装置(CPU)に高い処理能力
が要求され、計算処理が遅い場合には、工作機械の加工
速度が遅くなるなどの弊害がある。そして、このような
弊害は、この発明が対象とする単軸上を往復運動する制
御軸に対して、その運動速度を制御しようとする試みの
場合も同様であると捉えることができる。
【0006】また、加工品質の向上や使用工具の損傷予
防などのために、利用者側で動作曲線を自由に制御した
いという要求がある。たとえば、穴明け加工では、穴明
工具の加工物への食い付き時や抜け際では送りを小さく
したりドウェルをかけたりして衝撃を和らげ、工具の欠
損や損傷などを防止することは従来も行われている。圧
粉体のプレスでは、クラックの発生に代表される製品品
質の問題を解決する必要が生じる。しかしながら現状で
は、利用者側で最適な動作曲線を自由に設定することは
困難である。
【0007】中でも分割パンチを構成する多軸プレス
機、例えば上パンチを3本、下パンチを3本使用して段差
の大きなプレス成形品を製造しようとする場合、個々の
プレス軸の制御が難しいばかりか、各プレス軸間の同期
をとることが難しく、動作制御(動作曲線作成)への制
限が多く存在する。
【0008】
【課題を解決するための手段】この発明は、以上のよう
な問題を解決するためになされたもので、単軸の往復運
動を動作経路とする制御軸を有する数値制御工作機械に
おいて、この制御軸の動作始点からの移動距離と動作時
間との関係が平滑化曲線によって表され、かつ少なくと
も動作始点または動作終点において、動作時間に対する
移動距離の曲線勾配が略0であることを特徴とする。
【0009】請求項2は、前記平滑化曲線は、ベジェ曲
線または複数のベジェ曲線を繋ぎ合わせて形成した曲線
であることを特徴とし、さらに、請求項3は、前記ベジ
ェ曲線は、始点および終点を含め4つの制御点によって
形成されたものであることを特徴とし、さらに、請求項
4は、前記制御軸は、分割パンチを構成する多軸プレス
機のプレス軸であることを特徴とするものである。
【0010】平滑化曲線は1つの多項式関数で表現する
ことができ、計算が速く、通常、数値制御工作機械に使
用されるCPUを利用して十分な加工精度と加工速度と
を両立して得ることができる。特にベジェ曲線は、曲線
と直線とを制御点(変数値)の違いのみで表現でき、同
じ関数で曲線と直線とを区別なく取り扱うことができ
る。この発明は、従来はもっぱら自由曲線加工の制御の
際の補間法として利用されてきたベジェ曲線を、移動距
離と動作時間とを関数とする動作曲線に応用したことを
特徴とするものである。
【0011】多軸プレスにおいて、プレス成形品の品質
を高めるためには、各部の成形時のバランスを良くし、
均質に成形することが重要である。このために各プレス
軸を同期させることは重要である。一方で停止している
プレス軸を加速する場合、作動しているプレス軸と同期
させて加速させることは実行不可能であり、すべてのプ
レス軸が停止状態から同時に加速を始めなければ同期し
ない。特に製品品質に影響する成形過程では、各プレス
軸を同期させるために直前で各プレス軸を一旦停止させ
て同時に加速を開始する。このような動作曲線制御を行
うためには、設定自由度の高いベジェ曲線を用いること
が有効である。
【0012】
【発明の実施の形態】次に、この発明の実施の一形態に
ついて、図を参照しながら説明する。図1は、単軸の往
復運動を動作経路とする制御軸を有する数値制御工作機
械において、制御軸の動作始点からの移動距離(縦軸に
とってある)と動作時間(横軸にとってある)との関係
を示した図であって、サイクロイド曲線と類似の動作曲
線を平滑化曲線の一つであるベジェ曲線によって表わさ
れている。この動作曲線は、始点,終点を含め4つの制
御点によって描かれたもので、加速および減速が等し
く、S字状の対称的な曲線となっている。このように従
来のサイクロイド曲線やトロコイド曲線と似た動作が必
要な場合でも、制御点を適切に設定することで、類似し
た動作曲線を作成することができる。
【0013】ベジェ曲線は動作の最初(加速など)と動
作の最後(減速など)の形状が対称でなくても良く、一
つの曲線で自由な加速や減速を表現できる。図2および
図3は、加速と減速が対称とならないベジェ曲線の例
で、本例も4つの制御点によって描かれたものである。
図2は、急な加速と緩い減速とからなる動作曲線を示
し、図3は逆に、緩い加速と急な減速とからなる動作曲
線を示している。
【0014】工作機械の高速動作のためには,その機械
の最高速度(能力限界)による動作が重要である。加速
は最高速度まで加速限界を制御しながら行い、最高速度
を一定に保ち、目標停止座標に向けて滑らかに減速する
動作曲線制御が必要である。従来の動作曲線の考え方で
は、このような制御を行える動作曲線の作成は困難であ
った。このため加速曲線と一定速度曲線(すなわち直
線)と減速曲線に分割して、それぞれの曲線を最適化す
る方法を考案したのである。従来のカム曲線(サイクロ
イド曲線やトロコイド曲線)は、必ず停止状態から加速
や減速をして停止するまでの曲線となるため、一定速度
曲線(直線)へ繋げることができない。ベジェ曲線は、
一定速度曲線(直線)も含めて,加速曲線や減速曲線を
自由に作成することができ、しかも適切に作成すること
により、曲線同士を滑らかに繋ぐことができる。ここで
動作曲線同士が滑らかにつながるとは、速度が連続的に
変化し、なおかつ加速度も連続的に変化することをい
う。図4は、停止状態から一定速度まで滑らかに加速す
るベジェ曲線の例である。
【0015】ベジェ曲線は制御点の数も任意に設定でき
るため、比較的単純な曲線から複雑な曲線まで表現する
ことができる。図5は、2つのベジェ曲線を繋ぎ合わせ
て作成したもので、制御点数8点からなる複雑な動作が
できるベジェ曲線の例を示している。
【0016】図6は、圧粉体のプレス機における上パン
チとダイスの関係を示したものである。本例はウィズド
ローアル方式と呼ばれる成形方法のもので、下パンチ
(図示されていない)は固定され、上パンチとダイスが
駆動することによって成形がなされる。同図(a)は同
期がとれない場合の動作事例で、本図の左半分が上パン
チが下降するアプローチ工程を示している。上パンチは
停止できないまま下降してきて、同一プレス軸上に待機
していたダイスを同期させて途中から作動させようとし
ても、急には加速できないために同期動作はとれない。
一方、同図(b)は同期のとれる動作事例を示すもの
で、ベジェ曲線による制御は上パンチを一旦停止状態に
置くような動作をとることができるので、その時点より
改めて上パンチとダイスとを同時に加速開始することに
よって同期させることができるようになる。そして、こ
のような特長は、特に多軸プレス機における各プレス軸
を総合的かつ容易に制御できるという点に発揮される。
【0017】
【発明の効果】この発明の数値制御工作機械は、動作始
点からの移動距離と動作時間との関係が、平滑化曲線、
好ましくはベジェ曲線によって描かれるように制御され
るために、動作始点および/または動作終点において、
動作時間に対する移動距離の曲線勾配を略0とすること
ができ、加工品質の向上や使用工具の損傷予防などに対
する改善対策が利用者側で自由に実行できるようにな
る。
【0018】ベジェ曲線は一つの関数で表現されている
ため、数値制御工作機械の制御装置に対して計算結果の
座標値を与えることの他に、変数値を与えて制御装置側
で関数を解きながら動作させることが可能である。こう
することで、ベジェ曲線による動作曲線を作成するコン
ピュータ部分と機械の動作を実際に制御する制御装置と
の間の通信時間を大幅に短縮することができる。このこ
とにより、データの通信にかかる待ち時間を短縮し、ダ
イレクトにコンピュータから数値制御制御工作機械を制
御するような使用方法に適用できる。
【0019】ベジェ曲線は、始点と終点を含めて4つの
制御点を与えるだけで簡単に設定することができるの
で、特に高速高精度な演算装置を必要とせずに要求する
計算ができるようになり、最適な動作曲線の選択により
サイクルタイムが短縮されコストダウンが図られる。ま
た、ベジェ曲線は複数の曲線を滑らかにつなぐことが可
能であり、これらの曲線を複数組み合わせた動作も可能
となることから、各軸の同期性を高めながら複雑な動作
をさせることが困難であった分割パンチを構成する多軸
プレス機におけるプレス軸を、ベジェ曲線で動作制御す
ることで同期させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施形態である動作曲線(加速、
減速が等しい場合)の図。
【図2】この発明の他の一実施形態である動作曲線(急
加速、緩減速の場合)の図。
【図3】この発明の他の一実施形態である動作曲線(緩
加速、急減速の場合)の図。
【図4】この発明の他の一実施形態である動作曲線(初
速0から一定速度に移行する場合)の図。
【図5】この発明の他の一実施形態である動作曲線(連
続する2つのベジェ曲線の場合)の図。
【図6】プレス機における同期の説明図であって、
(a)は同期のできない動作、(b)は本発明に基づく
同期のできる動作を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 茂樹 神奈川県川崎市幸区堀川町580番地 ソリ ッドスクエア 東芝タンガロイ株式会社内 (72)発明者 河村 文俊 神奈川県川崎市幸区堀川町580番地 ソリ ッドスクエア 東芝タンガロイ株式会社内 Fターム(参考) 4E089 EA01 EB02 EB05 EC01 ED02 5H269 AB01 AB03 AB09 BB03 CC01 EE01

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 単軸の往復運動を動作経路とする制御軸
    を有する数値制御工作機械において、この制御軸の動作
    始点からの移動距離と動作時間との関係が平滑化曲線に
    よって表され、かつ少なくとも動作始点または動作終点
    において、動作時間に対する移動距離の曲線勾配が略0
    であることを特徴とする数値制御工作機械。
  2. 【請求項2】 前記平滑化曲線は、ベジェ曲線または複
    数のベジェ曲線を繋ぎ合わせて形成した曲線であること
    を特徴とする請求項1に記載の数値制御工作機械。
  3. 【請求項3】 前記ベジェ曲線は、始点および終点を含
    め4つの制御点によって形成されたものであることを特
    徴とする請求項1または請求項2に記載の数値制御工作
    機械。
  4. 【請求項4】 前記制御軸は、分割パンチを構成する多
    軸プレス機のプレス軸であることを特徴とする請求項1
    〜請求項3のいずれかに記載の数値制御工作機械。
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