JP2007249671A

JP2007249671A - 工作機械の衝突防止方法

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Publication number: JP2007249671A
Application number: JP2006073122A
Authority: JP
Inventors: Satoru Nakada; 悟中田; Masahiko Kakumoto; 雅彦覚本
Original assignee: Nakamura Tome Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Nakamura Tome Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】工作機械運転中の部材相互の衝突（干渉）を防止する方法に関し、特に、手動運転されている工作機械の工具や刃物台などの移動体と、その移動によりこれと干渉するおそれのある機械部分やワークなどの干渉体との衝突を、より確実に防止することが可能な技術手段を提供する。
【解決手段】移動体の移動動作を制御しているＮＣ装置で当該移動体の現在の位置と指令された移動方向とを読取り、移動体の立体モデル表面の現在位置を指令された移動方向に延長した直線とコンピュータに登録された干渉体の立体モデル表面との交点を求め、当該交点の座標値をＮＣ装置の進入禁止領域設定メモリに登録し、その後移動体の前記移動方向への移動を開始する
【選択図】図２

Description

この発明は、工作機械の工具や刃物台などの移動体がワークや工作機械の静止部材などの干渉体と衝突（干渉）するのを防止する方法に関するもので、特に移動体を手動で操作したときの衝突を防止する方法に関するものである。

ＮＣ工作機械は、加工プログラムのブロックを順次読み込んで、読み込んだブロックに記述されているコマンドや指令値に基づいて工具を移動させることにより、ワークを所望形状に加工している。加工プログラムにプログラムミスがあると、工具が予定しない方向に移動したり、予定した距離以上移動して、ワークや機械本体に衝突して工具を折損する等の事故が発生する。

この問題を未然に防止する手段として、ＮＣ装置に内蔵又は接続されたコンピュータに機械本体及びこれに装着されるワークや工具の立体モデルを登録し、ＮＣ装置が検出している工具の位置と、立体モデルの表面（サーフェス）との位置関係を常時チェックすることによって、工具とワークや機械本体との衝突を未然に防止するという手段が提案されている。

これらの従来方法による衝突検出では、予想される工具の移動軌跡上にあるサンプリング点がコンピュータに設定されている立体モデルの外側にあるか内側にあるかを演算することにより、工具とワークや機械本体との衝突を検出している。
特開平６−５５４０７号公報特開平８−２３４８２１号公報

工作機械が加工プログラムに従って運転されているときは、実際の工具が移動する前に立体モデルが置かれた仮想空間内で仮想工具を移動させることができるので、実空間での衝突が発生する前に仮想空間で衝突を検出して機械を停止させることができる。

ＮＣ工作機械は、常に加工プログラムに従って運転されるというわけではなく、段取り時やテスト加工時には、オペレータの手動操作により運転されることも多い。手動操作の場合であっても、操作ボタンの操作などによるオペレータの指示がＮＣ装置を介して工作機械に与えられるので、ＮＣ装置は常に現時点での工具の位置を認識している。従って、仮想空間内での工具の現位置と、機械やワークの立体モデルとの間の位置関係を演算することができるが、手動運転の場合は、オペレータが現在行っている操作をいつまで続けるのかとか、次にどのような操作をするかを知ることができないので、仮想空間内で工具を先回りして移動させるということができず、仮想空間で衝突が検出されたときには、実空間でも衝突が生じていることになる。

刃物台などの移動体は大きな質量を持っているので、高速で移動している移動体を衝突が検知されたときに、その位置で停止させるということは不可能である。従って、上述した従来手段により手動運転中の衝突による工具の折損等の事故を回避しようとすれば、衝突が検出されたときにその位置で刃物台を直ちに停止させることができる程度の極めて遅い速度で移動させなければならず、円滑な手動操作ができないという不都合が生ずる。

また、従来のように、工具表面上の衝突のおそれがある点の移動予定軌跡上にある点（ある時間後の移動先の点）をサンプリングして、その点が立体モデルの内側であるか外側であるかにより干渉を検出する方法では、図３に示すように、工具１５の移動予定軌跡Ｌ上にワークや機械の小さな突出部４があり、その突出部が隣接するサンプリング点ｓ１、ｓ２の間に入ってしまったような場合には、この突出部４と工具１５との衝突を検出することができないという問題がある。

この発明は、上記のような従来方法の問題を解決するためになされたもので、手動運転されている工作機械の工具や刃物台などの移動体と、その移動によりこれと干渉するおそれのある機械部分やワークなどの干渉体との衝突を、より確実に防止することが可能な技術手段を提供することを課題としている。

上記課題を解決した本願の請求項１の発明に係る手動運転されている工作機械の衝突防止方法は、移動体の移動動作を制御しているＮＣ装置２で当該移動体の現在の位置と指令された移動方向とを読取り、移動体の立体モデル表面の現在位置を指令された移動方向に延長した直線とコンピュータ３に登録された干渉体の立体モデル表面との交点を求め、当該交点の座標値をＮＣ装置２の進入禁止領域設定メモリに登録し、その後移動体の前記移動方向への移動を開始することを特徴とする衝突防止方法である。

また、本願の請求項２の発明に係る工作機械の手動運転時の衝突防止方法は、移動体の移動動作を制御しているＮＣ装置２で当該移動体の現在の位置と指令された移動方向とを読取り、移動予定軌跡を移動体の立体モデル表面の現在位置から指令移動方向に延長した直線に設定し、数式表現された前記移動予定軌跡とコンピュータ３に登録された干渉体の立体モデル表面との交点と現在位置との距離を求め、距離が最小となる交点の前記移動方向に対応する軸の座標値をＮＣ装置の進入禁止領域設定メモリに登録し、その後移動体の前記移動方向への移動を開始することを特徴とする衝突防止方法である。

移動体は、旋盤では刃物台や当該刃物台に装着されている工具であり、ワーク側を移動させて加工を行う工作機械では、ワークやこれを搭載したテーブルである。また、ここで言う移動体は、手動操作によって移動させようとしている移動体であって、複数の刃物台を有する旋盤の移動対象となっていない刃物台などは、ここで言う移動体ではなく、干渉体である。干渉体は、移動体が移動したときに干渉（衝突）するおそれのある工作機械本体やその付属部材、ローダやアンローダ、ワークなどである。

ＮＣ工作機械のＮＣ装置２は、移動体の現在の位置と、それが移動中であればその移動方向と移動速度とを、指令信号又はフィードバック信号として認識している。ＮＣ装置の操作盤２１には、移動体を所定の制御軸方向に移動させるための操作ボタンや、移動方向を設定するテンキーなどが設けられており、これらの操作信号や設定信号によって、指令された移動方向を読み取ることができる。

ＮＣ装置２に内蔵された又はＮＣ装置２に接続されたコンピュータ３には、移動体を含む工作機械及び工具、ワーク並びに必要な付属装置の立体（３次元）モデルを予め登録しておく。移動体表面の各点について現在位置から指令された移動方向に伸びる直線は、各制御軸の位置を変数とする数式で表現することができる。そこで、この数式表現された直線とコンピュータ３に記憶されている干渉体の立体モデル表面との交点を求め、その交点から現在位置までの距離を求めることができる。

移動体の立体モデル表面上の干渉のおそれがある複数の点について上記の演算を行い、交点から現在位置までの距離が最も短い点が最初に衝突すると考えられる。そこで、現在位置までの距離が最も短い交点の座標をＮＣ装置２が備えている移動体の進入禁止領域（移動許容領域）を設定するメモリに書き込み、その後、移動体の指令された移動方向への移動を開始する。ＮＣ装置２に移動体の進入禁止領域を設定すると、ＮＣ装置は移動体がこの領域に近づいたときに、当該移動体の移動速度に対応する減速区間を自動的に設定して、指令された速度の如何にかかわらず、移動体を減速して進入禁止領域の境界で停止させる。

移動体の移動方向が変更されたときは、その時点で新たな移動方向に対して上記手順で干渉チェックを行い、移動体と干渉体が衝突する最も近い位置をＮＣ装置２の進入禁止領域に設定し、その後、新たな移動方向への移動を開始する。

この発明によれば、工作機械の手動運転中にオペレータが操作を誤って移動中の刃物台や工具とワークや機械の他の部分とを衝突させるという事故を未然に防止することができる。そして、仮想空間での衝突の検出が移動体の移動予定軌跡と立体モデル表面の交点を検出することによって行われるため、移動予定軌跡上にある干渉体の小さな突起との衝突も確実に検出することができる。

また、ＮＣ装置に設けられている進入禁止領域設定機能を利用して、衝突する直前に移動体の停止及び警告表示などを行わせるので、衝突回避のために移動体を停止させる際の減速動作などがＮＣ装置側で自動的に行われるため、衝突防止のための制御手続きを単純化できるという効果がある。

図１は、この発明の方法を用いて工具刃先の衝突を防止する例を示したブロック図で、１は工作機械、２はＮＣ装置、３はコンピュータである。

図の工作機械１は、主軸軸線の両側にそれぞれ１個の刃物台を備えた２主軸対向旋盤で、１１Ｌは左主軸のチャック、１１Ｒは右主軸のチャック、１２Ｌ及び１２Ｒはそれぞれのチャックに把持されたワーク、１３は主軸軸線の下方に位置するタレット刃物台、１４は主軸軸線の上方に位置するタレット刃物台、１５は上刃物台１４に装着されている工具、１６は下刃物台１３に装着されている工具である。

この例では、上刃物台１４が手動操作される場合を説明している。すなわち、上刃物台１４と工具１５とが移動体であり、チャック１１、ワーク１２、下刃物台１３、下刃物台の工具１６などは干渉体である。図の上刃物台１４は、主軸方向Ｚ、工具の切込み送り方向Ｘ及びＺ−Ｘ平面に直行する方向Ｙ及びＹ軸周りの旋回方向Ｂの４個の制御軸を有しているが、図にはＸ軸方向の制御系のみが示されている。図の１７は上刃物台１４をＸ軸移動するサーボモータ、１８はそのサーボアンプである。

ＮＣ装置２は、操作盤２１を備えており、加工プログラム読取り部２２と、読み取った加工プログラムのデータに基づいてサーボモータ１７を制御する軸制御部２３と、工具１５の現在位置を読取る現在位置読取り部２４と、進入禁止領域設定部２５と、強制停止装置２６とを備えている。

進入禁止領域設定部２５に設定されている禁止領域に工具１５が近づくと、強制停止装置２６により、操作盤２１からの指令信号がキャンセルされて、サーボアンプ１８に減速信号及び停止信号が与えられる。進入禁止領域の設定は、進入禁止領域設定部２５のメモリにＺ、Ｘ及びＹ軸方向の座標値を記録することにより行われ、例えばメモリに記録された２つの点を結ぶ線分を対角線とする立方体の外側を進入禁止領域とする、というようにして設定される。

ＮＣ装置２に接続されたコンピュータ３は、立体モデル登録部３１を備えており、ここに左右のチャック１１Ｌ、１１Ｒ、ワーク１２Ｌ、１２Ｒ、上下のタレット刃物台１３、１４及び工具１５、１６の立体モデルが登録されている。また、コンピュータ３は、移動予定軌跡演算手段３２と、交点検出手段３３と、最短交点演算手段３４とを備えている。移動予定軌跡演算手段３２は、ＮＣ装置の現在位置読取り部２４とで読取られた工具の現在位置データと、操作盤２１で指示された移動方向とから、移動予定軌跡を演算する。交点検出手段３３は、算出された移動予定軌跡とチャック１１Ｌ、１１Ｒ、ワーク１２Ｌ、１２Ｒ及び下タレット刃物台１３などの干渉体の立体モデルの表面との交点座標を演算する。最短交点演算手段３４は、工具１５の表面に採った各点から、その点の移動予定軌跡と干渉体の立体モデル表面との交点の中から現在位置に最も近い交点の座標を求め、その座標をＮＣ装置の各軸の座標値に変換して、進入禁止領域設定部２５のメモリに書き込む。

移動予定軌跡演算手段３２は、移動体表面の衝突のおそれのある各点について、現在座標から指令された移動方向に伸びる直線を、各制御軸の位置を変数とする数式として求める。たとえば、直交座標系の３つの制御軸Ｘ、Ｙ、Ｚの現在位置がそれぞれａ、ｂ、ｃである移動体表面上の点をＸ方向に移動させたときの直線は、Ｙ＝ｂ、Ｚ＝ｃであり、Ｘ−Ｙ平面上でＸ及びＹ軸の＋方向に伸びる直線は、Ｘ−ａ＝Ｙ−ｂ、Ｚ＝ｃである。

交点検出手段３３は、上記で数式表現された直線と、コンピュータに記憶されている干渉体の立体モデル表面との交点を、立体幾何学ないし代数学的な演算によって求め、その交点から現在位置までの距離を求める。

最短交点演算手段３４は、移動体表面上の干渉のおそれがある複数の点について演算した複数の交点から現在位置までの距離が最も短い交点を求め、その座標を工作機械の制御軸方向の座標値に変換した値を、ＮＣ装置の進入禁止領域設定部２５のメモリに書き込む。

図２は、この発明の方法による干渉チェック（衝突検出）手順を示すフローチャートである。コンピュータの立体モデル登録部３１には、予め、機械各部の立体モデルデータを登録しておく。機械各部の一部である移動体の運転が指令されると、ＮＣ装置が干渉チェックモードを有効にした状態（干渉を検出しながら運転される状態）で運転されているか、あるいは無効にされた状態で運転されているかを検出し、無効状態であれば、プログラムを終了する。干渉チェックモードが有効であれば、移動体表面の干渉のおそれのある点について、各軸の現在位置データを読み取り、各軸の干渉領域を演算する。

すなわち、読み取った各軸の現在位置データと操作盤から指示されている移動方向とから移動予定軌跡を演算し、この演算された移動予定軌跡と登録されている立体モデルの表面との交点を検出し、検出した複数の交点の内の現在位置との距離が最も近い交点の座標を検出する。そして、演算された最短交点の座標から、各軸の進入禁止領域を設定する。

この設定が終了した後、指令されている移動体の移動を開始し、移動方向の変更が指令されるまで、その方向の移動が可能な状態とする。移動方向が変更されないまま設定された進入禁止領域に達すると、干渉チェックプログラムはアラームを発する。このとき、ＮＣ装置は、設定された進入禁止領域の手前で自動的に減速処理を行い、移動体の移動を停止させている。

移動体が停止し、新しい移動方向への移動が指令されたときは、干渉チェックモードが有効か無効化の判定ステップに戻り、もし、有効であれば同様の手順で進入禁止領域を設定した後、軸移動可能状態として新たな方向への移動体の移動を開始させる。

この発明の一実施形態を示すブロック図制御手順を示すフローチャート従来方法で衝突を検知できない例を示す説明図

符号の説明

１工作機械
２ＮＣ装置
３コンピュータ
21 操作盤
25 進入禁止領域設定部
31 立体モデル登録部
32 移動予定軌跡演算手段
33 交点検出手段
34 最短交点演算手段

Claims

移動体の移動動作を制御しているＮＣ装置で当該移動体の現在の位置と指令された移動方向とを読取り、移動体の立体モデル表面の現在位置を指令された移動方向に延長した直線とコンピュータに登録された干渉体の立体モデル表面との交点を求め、当該交点の座標値をＮＣ装置の進入禁止領域設定メモリに登録し、その後移動体の前記移動方向への移動を開始する、工作機械の手動運転時の衝突防止方法。
移動体の移動動作を制御しているＮＣ装置で当該移動体の現在の位置と指令された移動方向とを読取り、移動予定軌跡を移動体の立体モデル表面の現在位置から指令移動方向に延長した直線に設定し、数式表現された前記移動予定軌跡とコンピュータに登録された干渉体の立体モデル表面との交点と現在位置との距離を求め、距離が最小となる交点の前記移動方向に対応する軸の座標値をＮＣ装置の進入禁止領域設定メモリに登録し、その後移動体の前記移動方向への移動を開始する、工作機械の手動運転時の衝突防止方法。