JP2007172325A - 自由曲線加工法および数値制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｘ−Ｙ座標移動用の制御軸の動作、停止が交互に起きることがなく、加工面に継ぎ目マークが付つくこともなく、高精度、高品質の自由曲線加工を行えるようにすること。
【解決手段】直線補間ブロックの終点位置においてバイト工具の刃先が、その終点位置を定義している直線補間ブロックにおける工具進行方向Ｂｎ→に真直に向くように、Ｃ軸を制御する。
【選択図】図５

Description

この発明は、自由曲線加工法および数値制御装置に関し、特に、方向性を有する工具を用い、その刃先方向を制御して自由曲線を加工する加工法およびその加工法を実施する数値制御装置自に関するものである。

自由曲線加工法として、自由曲線を微小な直線補間ブロックで近似した加工プログラムを数値制御装置によって実行し、方向性を有する工具の刃先方向を制御軸によって制御して工具刃先が工具進行方向に真直に向くようにして自由曲線を加工する自由曲線加工法がある（例えば、特許文献１）。

上述の自由曲線加工法は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｃ軸の４個の制御軸を有する数値制御工作機械において、方向性を有する工具としてバイト工具を用い、Ｚ軸方向を工具切り込み方向とし、Ｃ軸によりバイト工具の刃先方向を制御するものであり、Ｘ−Ｙ平面での直線補間ブロックを連続して移動する場合、図７に示されているように、直線補間ブロックＢｎの始点位置Ｂｎｓにおいて、工具刃先Ｔｃが、その直線補間ブロックＢｎの工具進行方向Ｂｎ→に真直に向くように、Ｃ軸制御を行って工具刃先Ｔｃの向きを一挙に変更し、その後に、Ｘ軸とＹ軸の２軸同時制御によって工具刃先Ｔｃを直線補間ブロックＢｎの始点位置Ｂｎｅへ移動させている。
特開平８−１１８２０５号公報

上述したような従来の自由曲線加工法では、各直線補間ブロックＢｎの始点位置ＢｎｓでＣ軸単独の回転動作が入り、加工プログラムで指令されているＸ軸、Ｙ軸等の制御軸の動作が一時的に止まる。そのため、制御軸の動作、停止が交互に起きるため、機械が振動し、加工面に悪影響がでる。

また、工具刃先Ｔｃが工具進行方向Ｂｎ→に真直に向くように、直線補間ブロックＢｎの始点位置Ｂｎｓ、つまり各直線補間ブロックの継ぎ目位置でＣ軸単独の回転動作を行っているため、工具刃先Ｔｃの回転方向内側が、図７に符号ｒで示されているように、加工方向（工具進行方向Ｂｎ→）に対して逆方向に回転し、工具刃先Ｔｃが、既に加工した面を再加工する現象が生じる。このため、加工面に、継ぎ目マークが付く不具合が生じる。

この発明が解決しようとする課題は、方向性を有する工具の刃先方向を制御軸によって制御して工具刃先が工具進行方向に真直に向くようにして自由曲線を加工する自由曲線加工法において、Ｘ−Ｙ座標移動用の制御軸の動作、停止が交互に起きることがなく、加工面に継ぎ目マークが付つくこともなく、高精度、高品質の自由曲線加工を行えるようになることである。

この発明による自由曲線加工法は、自由曲線を微小な直線補間ブロックで近似した加工プログラムを数値制御装置によって実行し、方向性を有する工具の刃先方向を制御軸によって制御して自由曲線を加工する自由曲線加工法において、各直線補間ブロックの終点位置において前記工具の刃先が、その終点位置を定義している直線補間ブロックにおける工具進行方向に真直に向くように、前記制御軸を制御するものである。

この発明による自由曲線加工法は、好ましくは、各直線補間ブロックの始点位置より終点位置への移動過程において、漸次、前記工具の刃先が、その終点位置を定義している直線補間ブロックにおける工具進行方向に真直に向くように、前記制御軸を制御するものである。

この発明による自由曲線加工法は、好ましくは、各直線補間ブロック毎の直線補間指令に記述された座標値より直線補間の始点位置から終点位置へのベクトルを数値制御装置の内部処理によって自動算出し、このベクトル計算より前記制御軸の角度指令を前記直線補間指令に付加し、制御軸の角度指令を付加された直線補間指令によって自由曲線を加工するものである。

この発明による数値制御装置は、自由曲線を微小な直線補間ブロックで近似した加工プログラムを実行し、方向性を有する工具の刃先方向を制御軸によって制御して自由曲線を加工する数値制御装置において、各直線補間ブロックの終点位置において前記工具の刃先が、その終点位置を定義している直線補間ブロックにおける工具進行方向に真直に向くように、前記制御軸の制御を行うものである。

この発明による数値制御装置は、好ましくは、各直線補間ブロックの始点位置より終点位置への移動過程において、漸次、前記工具の刃先が、その終点位置を定義している直線補間ブロックにおける工具進行方向に真直に向くように、前記制御軸の制御を行うものである。

この発明による数値制御装置は、好ましくは、各直線補間ブロック毎の直線補間指令に記述された座標値より直線補間の始点位置から終点位置へのベクトルを内部処理によって自動算出し、このベクトル計算より前記制御軸の角度指令を前記直線補間指令に付加するものである。

この発明による数値制御工作機械は、上述の発明による数値制御装置による数値制御によって自由曲線加工を行うものである。

この発明による自由曲線加工法では、各直線補間ブロックにおいて、工具の刃先が、終点位置を定義している直線補間ブロックにおける工具進行方向に真直に向くように、制御軸を制御するから、工具刃先方向の制御軸とＸ−Ｙ座標移動用の制御軸との同時制御が可能になり、Ｘ−Ｙ座標移動用の制御軸の動作、停止が交互に起きることがない状態で、自由曲線加工を行えるようになる。

また、この発明による自由曲線加工法では、直線補間ブロックの始点位置にて工具刃先が工具進行方向に真直に一挙に向くような軸制御が行わないようにすることができるから、加工面に継ぎ目マークが付くことも回避できる。

この発明による自由曲線加工法および数値制御装置の実施形態の説明に先立って、この発明による自由曲線加工法を実施するのに適した数値制御工作機械の一例を、図１を参照して説明する。

この数値制御工作機械は、ベッド１と、ベッド１上にＹ軸方向に移動可能に設けられたＹ軸テーブル３と、Ｙ軸テーブル３上にＸ軸方向に移動可能に設けられたＸ軸テーブル５とを有し、Ｘ軸テーブル５上に被加工物Ｗを固定載置される。

Ｙ軸テーブル３はＹ軸サーボモータ７によってＹ軸方向に駆動され、Ｘ軸テーブル５はＸ軸サーボモータ９によってＸ軸方向に駆動され、Ｘ軸テーブル５上の被加工物Ｗは、Ｙ軸サーボモータ７によるＹ軸テーブル３のＹ軸方向の移動とＸ軸サーボモータ９によるＸ軸テーブル５のＸ軸方向の移動により、Ｘ軸とＹ軸による水平面に沿ってＸ座標とＹ座標による任意に座標位置に軸制御される。

ベッド１上に立設されたコラム１１にはＺ軸スライダ１３が上下方向、即ちＺ軸方向（切り込み方向）に移動可能に装着されている。Ｚ軸スライダ１３はＺ軸サーボモータ１５によってＺ軸方向に駆動される。

Ｚ軸スライダ１３には主軸頭１７が取り付けられている。主軸頭１７には主軸２９がＺ軸と同一の軸線周り、即ちＣ軸周りに回転可能に装着されている。主軸２９は主軸モータであるＣ軸サーボモータ１９により回転駆動され、Ｃ軸回転角を定量的に制御される。主軸２９には、方向性を有する切削工具として、例えば、へールバイト工具Ｔが装着される。

ここで、Ｘ軸とＹ軸による被加工物Ｗの移動平面は、主軸２９の回転軸線、即ちＣ軸（Ｚ軸）に直交する平面である。

Ｘ軸サーボモータ９、Ｙ軸サーボモータ７、Ｚ軸サーボモータ１５、Ｃ軸サーボモータ１９の各々には、ロータリエンコーダ２１、２３、２５、２７が装着されている。ロータリエンコーダ２１、２３、２５、２７は、各軸のサーボモータ９，７，１５，１９の回転角を検出し、回転角情報を数値制御装置（ＮＣ装置）３１へ出力する。

ＮＣ装置３１は、コンピュータ式のものであり、図２に示されているように、メインプロセッサ３３と、システムプログラム等を格納したＲＯＭ３５と、ＲＡＭ３７と、加工プログラム点入力部３９と、加工プログラム解析部４１と、分配器４３と、サーボコントローラ４５と、表示器５５を有し、これらがバス５７によって相互に接続されている。

ＲＡＭ３７は、一時的なデー外各納メモリとして作用し、加工プログラム入力部３９より入力した加工プログラムや工具データなどを格納する。プログラム解析部４１は、入力した加工プログラムを１ブロックづつ解析し、分配部４３によって１サンプリング時間毎の移動指令（＝速度指令）を計算しやすい形式にデータ変換する。分配部５０は、与えれた移動距離、移動速度指令に従って、Ｃ軸を含めた各制御軸の１サンプリング時間毎の移動指令（＝速度指令）を計算し、サーボコントローラ４５に渡す。

サーボコントローラ４５には、各制御軸駆動用のサーボアンプ４７、４９、５１、５３が接続されている。サーボアンプ４７、４９、５１、５３には各制御軸のサーボモータ７、９、１５、１９が接続されており、各制御軸のサーボモータ７、９、１５、１９は、サーボコントローラ４５により制御される。

表示器５５は、実行中の加工プログラムや機械位置座標など加工に必要なデータを表示する。

図３は、上述した数値制御工作機械の座標系を示している。ここでは、Ｘ軸の＋方向をＣ軸の０度とし、反時計廻り方向を＋Ｃとしている。

ＮＣ装置３１は、自由曲線を微小な直線補間ブロックで近似した加工プログラムを実行する。ＮＣ装置３１による直線補間は、通常、「Ｇ０１」という指令コードでプログラミングし、「Ｇ０１」の後に目標の座標位置を指令する。位置の指定方法には、Ｇ９１（インクレメンタル＝相対位置）指令と、Ｇ９０（アブソリュート：絶対位置）指令とがある。

Ｃ軸のような回転軸のＧ０１指令には、以下の規定があるものとする。

アブソリュート指令では、絶対値で直線補間ブロックの終点位置を示し、符号で回転方向を示す。指令範囲は、−３６０．０〜３６０．０。インクレメンタル指令では、回転量を絶対値で指定し、回転方向を符号で示す。

ＮＣ装置３１は、加工プログラムを入力し、解析を行う。この時に、直線補間ブロックの始点位置から終点位置へのベクトルを、内部処理、例えば、メインプロセッサ３３による演算処理によって自動算出し、このベクトル計算よりＣ軸の角度指令Ｃｎを「Ｇ０１」による直線補間指令に付加する。

直線補間の１ブロックの一例を図４に示す。図４は、開始位置座標（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｃｓ）から終点位置座標（Ｘｅ，Ｙｅ、Ｃｅ）への移動を示す。

指令Ｇ０１ Ｘ(Xn) Ｙ(Yn)の直線補間が指令された場合、アブソリュート指令では、終点位置座標は、Ｘｅ＝Ｘｎ、Ｙｅ＝Ｙｎ、移動量は、Ｘｄ＝Ｘｅ一Ｘｓ、Ｙｄ＝Ｙｅ一Ｙｓで表される。インクレメンタル指令では、移動量は、Ｘｄ＝Ｘｎ、Ｙ＝Ｙｎで表される。

従って、終点位置のＣ軸の絶対位置は、Ｃｅ＝ｔａｎ^‐１（Ｙｄ／Ｘｄ）なる演算式によって算出できる。Ｃ軸の絶対位置Ｃｅより下記の演算によってＣ軸の角度指令Ｃｎを算出する。

Ｃｅ＜Ｃｓなら、Ｃ１＝Ｃｅ＋３６０．０、それ以外なら、Ｃ１＝Ｃｅ、Ｃ２＝Ｃ１一Ｃｓとし、アブソリュート指令の場合は、Ｃ２≦＝１８０．０なら、Ｃｎ＝Ｃｅ、その以外なら、Ｃｎ＝−Ｃｅとする。インクレメンタル指令の場合は、Ｃ２≦１８０．０ならば、Ｃｎ＝Ｃ２、それ以外なら、Ｃｎ＝Ｃ２−３６０．０とする。

ＮＣ装置３１は、内部処理により、直線補間「Ｇ０１」の指令に、Ｃ軸指令Ｃｎを自動的に加えて、Ｇ０１ Ｘ(Xn) Ｙ(Yn) Ｃ(Cn)とする。Ｇ０１ Ｘ(Xn) Ｙ(Yn) Ｃ(Cn)なる直線補間指令は、ＮＣ装置３１の加工プログラム解析部４１によって解析され、分配器４３により分配処理される。分配器４３は、Ｃ軸を含めた各制御軸の１サンプリング時間毎の移動指令をサーボコントローラ４５に渡す。

これにより、図５に示されているように、直線補間ブロックＢｎの始点位置Ｂｎｓより終点位置Ｂｎｅへの移動過程において、漸次、へールバイト工具Ｔの刃先Ｔｃが、終点位置Ｂｎｅを定義している直線補間ブロックＢｎにおける工具進行方向Ｂｎ→に真直に向くように、Ｃ軸が制御される。

このようにＣ軸制御が行われることにより、工具刃先方向の制御軸であるＣ軸と、Ｘ−Ｙ座標移動用の制御軸との同時制御が可能になり、Ｘ−Ｙ座標移動用の制御軸の動作、停止が交互に起きることがない状態で、自由曲線加工を行えるようになる。これにより、高精度な自由曲線加工を行えるようになる。

また、直線補間ブロックＢｎの始点位置Ｂｓにて工具刃先Ｔｃが工具進行方向に真直に一挙に向くような軸制御が行われないことにより、加工面に継ぎ目マークが付つくことも回避でき、高品質の自由曲線加工を行えるようになる。

従来は、ＣＡＤ／ＣＡＭによって、軌跡とその進行方向にバイト工具を向けるためのＣ軸指令を１ブロック毎に計算していたが、本実施形態では、ＮＣ装置３１が内部処理により、Ｃ軸の角度指令Ｃｎを直線補間指令に自動付加するから、通常通りの平面の軌跡をプログラミングするだけですみ、ＣＡＤ／ＣＡＭでのＣ軸に関する処理が不要となる。また、このことにより、加工プログラムのサイズを縮小できる。

なお、直線補間ブロックＢｎの始点位置Ｂｎｓより終点位置Ｂｎｅへの移動過程では、刃先方向は、工具進行方向Ｂｎ→に真直に向かずに、Ｘ−Ｙ座標移動が行われるが、自由曲線を微小な直線補間ブロックＢｎで近似した加工プログラムにおいては、各直線補間ブロックＢｎ間での工具進行方向Ｂｎ→の向きは、大きくは変化しないため、精度上、問題にはならない。

つぎに、ＮＣ装置３１によるＣ軸指令Ｃｎの自動付加処理について、図６に示されているフローチャートを参照して説明する。

まず、直線補間の指令Ｇ０１ Ｘ(Xn) Ｙ(Yn)を入力し（ステップＳ１１）し、その直線補間ブロックの開始位置における各座標値Ｘｓ、Ｙｓ、Ｃｓを取得する（ステップＳ１２）。

つぎに、位置指定モードが、Ｇ９０によるアブソリュートモードであるか否かを判別する（ステップＳ１３）。

位置指定モードがアブソリュートモードである場合には、直線補間ブロックの終点位置におけるＸ−Ｙ座標値Ｘｅ、Ｙｅを、Ｘｅ＝Ｘｎ、Ｙｅ＝Ｙｎとし、Ｘ軸の移動量ＸｄとＹ軸の移動量Ｙｄを下式により算出する（ステップＳ１４）。

Ｘｄ＝Ｘｓ−Ｘｅ
Ｙｄ＝Ｙｓ−Ｙｅ
これに対し、位置指定モードがインクレメンタルモードであれば、Ｘｄ＝Ｘｎ、Ｙｄ＝Ｙｎとする（ステップＳ１５）。

つぎに、直線補間ブロックの終点位置のＣ軸絶対位置Ｃｅを下式により算出する（ステップＳ１６）。

Ｃｅ＝ｔａｎ^‐１（Ｙｄ／Ｘｄ）
つぎに、直線補間ブロックの終点位置のＣ軸絶対位置Ｃｅが同直線補間ブロックの終点位置の開始位置における軸絶対位置Ｃｓより大きいか否かを判別する（ステップＳ１７）。Ｃｅ≧Ｃｓであれば、Ｃ１＝Ｃｅとし（ステップＳ１８）、Ｃｅ＜Ｃｓであれば、Ｃ１＝Ｃｅ＋３６０．０とする（ステップＳ１９）。そして、Ｃ２＝Ｃ１−Ｃｓなる演算を行う（ステップＳ２０）。

つぎに、位置指定モードが、Ｇ９０によるアブソリュートモードであるか否かを判別すする（ステップＳ２１）。

位置指定モードがアブソリュートモードである場合には、Ｃ２が１８０．０以下であるか否かの判別を行い（ステップＳ２２）、Ｃ２≦１８０．０であれば、Ｃｎ＝Ｃｅとし（ステップＳ２３）、Ｃ２＞１８０．０であれば、Ｃｎ＝−Ｃｅとする（ステップＳ２４）。

これに対し、位置指定モードがインクレメンタルモードである場合には、Ｃ２が１８０．０以下であるか否かの判別を行い（ステップＳ２５）、Ｃ２≦１８０．０であれば、Ｃｎ＝Ｃ２とし（ステップＳ２６）、Ｃ２＞１８０．０であれば、Ｃｎ＝Ｃ２−３６０．０とする（ステップＳ２７）。

つぎに、ＣｎをＣ軸指令として、直線補間の指令Ｇ０１ Ｘ(Xn) Ｙ(Yn)に、Ｃ軸指令Ｃｎを付加し、指令Ｇ０１ Ｘ(Xn) Ｙ(Yn) Ｃ(Cn)なる指令を作成する。

このように、ＮＣ装置３１が内部処理により、Ｃ軸の角度指令Ｃｎを直線補間指令に自動付加するから、通常通りの平面の軌跡をプログラミングするだけですみ、ＣＡＤ／ＣＡＭでのＣ軸に関する処理が不要となる。また、このことにより、加工プログラムのサイズを縮小できる。

この発明による自由曲線加工法を実施するのに適した数値制御工作機械の一例を示す斜視図。 この発明による自由曲線加工法を実施する数値制御装置の一つの実施形態を示すブロック図。 数値制御工作機械の座標系を示す座標定義図。 直線補間の移動区間とそのベクトルを示す説明図。 この発明による自由曲線加工法における工具刃先の向き変更を示す説明図。 本発明による数値制御装置によるＣ軸指令の自動付加処理を示すフローチャート。 従来の自由曲線加工法における工具刃先の向き変更を示す説明図。

符号の説明

１ ベッド
３ Ｙ軸テーブル
５ Ｘ軸テーブル
７ Ｙ軸サーボモータ
９ Ｘ軸サーボモータ
１１ コラム
１３ Ｚ軸スライダ
１５ Ｚ軸サーボモータ
１７ 主軸頭
１９ Ｃ軸サーボモータ
２９ 主軸
３１ 数値制御装置（ＮＣ装置）
Ｔ へールバイト工具
Ｔｃ 工具刃先

Claims (7)

1. 自由曲線を微小な直線補間ブロックで近似した加工プログラムを数値制御装置によって実行し、方向性を有する工具の刃先方向を制御軸によって制御して自由曲線を加工する自由曲線加工法において、
   各直線補間ブロックの終点位置において前記工具の刃先が、その終点位置を定義している直線補間ブロックにおける工具進行方向に真直に向くように、前記制御軸を制御することを特徴とする自由曲線加工法。
2. 各直線補間ブロックの始点位置より終点位置への移動過程において、漸次、前記工具の刃先が、その終点位置を定義している直線補間ブロックにおける工具進行方向に真直に向くように、前記制御軸を制御することを特徴とする請求項１記載の自由曲線加工法。
3. 各直線補間ブロック毎の直線補間指令に記述された座標値より直線補間の始点位置から終点位置へのベクトルを数値制御装置の内部処理によって自動算出し、このベクトル計算より前記制御軸の角度指令を前記直線補間指令に付加し、制御軸の角度指令を付加された直線補間指令によって自由曲線を加工することを特徴とする請求項１または２記載の自由曲線加工法。
4. 自由曲線を微小な直線補間ブロックで近似した加工プログラムを実行し、方向性を有する工具の刃先方向を制御軸によって制御して自由曲線を加工する数値制御装置において、
   各直線補間ブロックの終点位置において前記工具の刃先が、その終点位置を定義している直線補間ブロックにおける工具進行方向に真直に向くように、前記制御軸の制御を行うことを特徴とする数値制御装置。
5. 各直線補間ブロックの始点位置より終点位置への移動過程において、漸次、前記工具の刃先が、その終点位置を定義している直線補間ブロックにおける工具進行方向に真直に向くように、前記制御軸の制御を行うことを特徴とする請求項４記載の数値制御装置。
6. 各直線補間ブロック毎の直線補間指令に記述された座標値より直線補間の始点位置から終点位置へのベクトルを内部処理によって自動算出し、このベクトル計算より前記制御軸の角度指令を前記直線補間指令に付加することを特徴とする請求項４または５記載の数値制御装置。
7. 請求項４〜６の何れか１項記載の数値制御装置による数値制御によって自由曲線加工を行うことを特徴とする数値制御工作機械。

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