JP2007286688A

JP2007286688A - 工作機械の干渉検出方法及び制御装置

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Publication number: JP2007286688A
Application number: JP2006110058A
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: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2007-11-01

Abstract

【課題】工具や刃物台などの移動部材相互の干渉をそれらの３次元モデルデータを用いて予測ないし検出する技術に関し、ＮＣプログラムの２つの同期指令間で個別動作する複数の移動部材相互の干渉をより確実に、かつ少ない演算時間で予測ないし事前に検出することを可能にする。
【解決手段】工具及びワークを含む複数の移動部材の動作を個別に制御するＮＣプログラムの同期指令間の干渉を、複数の移動部材の３次元モデルデータと、同期指令間で前記複数の移動部材のそれぞれに与えられる移動指令とに基づいて、複数の移動部材の３次元の移動領域データを生成し、生成した複数の移動領域データ間の干渉の有無を検出することにより、工作機械の移動部材相互の干渉を事前に予測する。
【選択図】図３

Description

この発明は、ＮＣ工作機械を運転したときに、工具や刃物台などの移動部材が他の機械部材に干渉（衝突ないし不適切な接触）するのを３次元モデルデータを用いて予測ないし検出する技術に関するもので、特に移動する複数の機械部材相互の干渉を予測ないし検出する技術に関するものである。

ＮＣ工作機械でワークを加工するときは、当該ワークの加工動作を行わせるためのＮＣプログラムを作成し、当該ＮＣプログラムで所望の加工動作が実現されるかどうかを検査する試験加工を行い、その試験加工で発見されたプログラム誤りを修正して、その後実際のワークの連続加工（生産加工）を行っている。

ＮＣ工作機械の運転では、加工動作を行う例えば刃物台や工具などの移動部材が、プログラム誤りのために予期せぬタイミングで動いたり意図しない方向や速度で動いて、他の機械部材と干渉するということが起こる。工作機械の刃物台などは、加工反力に耐えることができる大きな力で駆動されており、加工反力によって変形しない十分な剛性を付与するために、重く大きく作られているので、予期せぬ干渉が起こると、工具折損事故などが発生する。

そこで、試験加工時における機械部材相互の干渉をコンピュータ内の演算処理により検出する技術が提供されている。すなわち、コンピュータに干渉のおそれのある機械部材の３次元モデルデータを登録し、ＮＣプログラムのブロックを先読みして対象となる移動部材の３次元モデルを仮想空間で移動させ、移動させた３次元モデルが他の機械部材の３次元モデルと干渉するかどうかをコンピュータ内部の演算処理によって判定することにより、工具やワークを含む工作機械の機械部材相互の干渉を予測ないし検出する技術が提案されている。

上記従来技術は、ＮＣプログラムのブロック毎に移動対象となる移動部材を仮想空間で徐々に移動させて、他の機械部材の３次元モデルとの干渉を検出することにより、実際の移動部材の干渉を予測ないし事前に検出するというものである。

工作機械の中には、個別に制御される複数の移動部材を備えたものがある。例えば、複数の刃物台を備えた旋盤では、複数の刃物台がそれぞれのＮＣプログラムで個別に制御されている。そして、例えば主軸の回転を伴う旋削加工から主軸を固定（停止）して行うドリル加工やミーリング加工に移るとき、ワークのロードアンロードを行うときなどの必要なタイミングで、両刃物台のＮＣプログラムに同期指令（待合せ指令）を与えて複数の刃物台の動作終了を待ち、主軸の速度変更などを行った後、それぞれの刃物台に次の個別動作の指令を与えるようにしている。

個別移動する移動部材相互の位置関係を正確に予測することは困難である。そこでこのような複数の移動部材相互の干渉は、従来、刃物台を移動させる送りモータのサーボアンプなどで検出されている現実の移動部材の位置に基づいて行っている。そのため、干渉が検出されたときにすぐ機械を止めることができるように、早送り速度などに制限を設けている。
特開平６−５５４０７号公報特開２００６−４１２８号公報

３次元モデルを現実の機械部材の位置に基づいて行う干渉検出では、演算速度の制約から、移動部材の位置検出を行うサンプリング間隔が長くなり、図４に示すように、一方の移動部材４１の２つのサンプリング点ｓ１、ｓ２の間の移動領域４３に他の移動部材４２が入り込んだときなどに検出漏れが起こる。

また、干渉を検出しながら行う試験加工では、前述したように早送り速度に制限を設けたりしているので、干渉検出モードでの運転は、加工時間が長くなる。そのため、試験加工の後に行う同一ワークの連続加工の場合は、干渉を検出しないモードで運転する。複数の刃物台がそれぞれ個別のＮＣプログラムで制御されている場合のように制御系が複数系統ある場合、干渉検出モードでの各移動部材の動作速度の低下が一律でないので、干渉検出モードで運転した試験加工時と干渉を検出しないモードで運転する連続加工時とで、移動部材相互の位置関係が異なってくる。このため、試験加工では検出されなかった干渉が連続運転時に生ずるということが起こる。

すなわち、従来技術では、試験加工のときと実際の生産加工のときとで同時並行的に個別移動する複数の移動部材相互の間に動作指令や移動速度の遅速があったときは、生産加工時に試験加工では検出できなかった干渉が起こる危険があるという問題があった。この問題は、連続加工中に何らかの原因で移動部材の速度に遅速が生じたときにはいつでも起こりうる問題である。

この発明は、それぞれのＮＣプログラムの指令に基づいて２つの同期指令間で個別動作する複数の移動部材を備えた工作機械の当該移動部材相互の干渉をより確実に、かつ少ない演算時間で予測ないし事前に検出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この発明の工作機械の移動部材相互の干渉検出方法は、工具及びワークを含む複数の移動部材を備えた工作機械の当該移動部材相互の干渉を予測する工作機械の干渉検出方法であって、前記移動部材の動作を制御するＮＣプログラムによる繰返し動作の開始及び終了を含む所定の同期指令で待ち合せ動作を行う複数の移動部材間の干渉を、当該複数の移動部材の３次元モデルデータと、前記所定の同期指令間で前記複数の移動部材のそれぞれに与えられる移動指令とに基づいて、当該複数の移動部材の３次元の移動領域データを生成し、生成した複数の移動領域データ間の干渉の有無を検出することにより、工作機械の移動部材相互の干渉を事前に予測するというものである。

本願の請求項２の発明は、上記この発明の緩衝検出方法を実施するのに好適な工作機械の制御装置を提供するものである。本願の請求項２の発明に係る工作機械の制御装置は、不動部材とＮＣプログラムの指令により個別に運転される複数の駆動装置及び当該駆動装置に連結された複数の移動部材とを機械部材として備える工作機械の制御装置であって、工具及びワークを含む前記機械部材の３次元モデルデータ及び予め読取った前記ＮＣプログラムの指令に基づいて前記移動部材と不動部材又は移動部材相互間の干渉を前もって検出する干渉検出手段を備えている制御装置において、前記干渉検出手段は、前記ＮＣプログラムの同期指令間で個別に移動する少なくとも複数の移動部材についてその同期指令間の１つ又は複数ブロックの移動指令を予め読取る読取り手段２２、３２と、前記複数の移動部材の３次元モデルデータ３７と読取った前記移動指令に基づいて前記同期指令間における前記複数の移動部材の移動領域データ３５Ｕ、３５Ｄを生成する移動領域データ生成手段３３と、生成した複数の移動領域データから複数の移動領域の重なりの有無を検出する重なり検出手段３４とを備えていることを特徴とする工作機械の制御装置である。

移動部材は、空間上の異なる２つ以上の位置を移動する部材で、一部が移動する部材、例えば回転中心軸に対して非対称な部分を備えた回転体や揺動する部材を含み、ＮＣプログラムの制御によって動作するワークローダの腕や把持爪も含まれる。これらの移動部材の３次元モデルデータは、それぞれの移動部材の３次元空間における外形を定義するデータである。

同期指令は、個別に制御されている複数の移動部材の当該指令より前に行われる動作の完了を待合せる指令で、複数の移動部材の動作に遅速が生じたときは、この指令で同期が取られた後、これに続く動作が開始される。

移動領域データは、３次元モデルデータで定義される３次元モデルをＮＣプログラムで指令された移動開始位置から移動終了位置まで移動したときに、その３次元モデルが通過する空間を定義するデータである。一般的には、ＮＣプログラムの２つの同期指令間の最初の移動指令ブロックにおける移動開始位置と最後の移動指令ブロックにおける移動終了位置との間の、ＮＣ装置の複数の移動指令に従って当該３次元モデルを回転ないし掃引することによって得られる３次元領域を定義するデータである。

２つの同期指令間に多数の移動指令ブロックがあると、移動領域の形状が複雑になる。この場合において、複数の移動部材の１ブロック毎の移動領域データの組合わせで演算すると時間がかかるときは、移動領域全体を簡単な立体に近似して演算してもよい。

この発明では、前後の同期指令で同期が取られる間の複数の移動部材それぞれの移動領域データを用いて、当該複数の移動部材の干渉を予測ないし検出するので、複数の移動部材の動作に予期せぬ遅速が生じたときや、どちらかの移動部材がその移動途中で停止してしまうような事態が生じたときの干渉も完全に検出することができる。従って、どのような運転条件でも両移動部材間に干渉が生じないようにＮＣプログラムを修正することができる。またその干渉の検出演算も基本的には一対の３次元モデルである移動領域データ間の干渉検出演算を行えばよいので、演算時間も短くできるという効果がある。

以下、主軸軸線の上下に刃物台を備えた旋盤を例にして、この発明の実施形態を説明する。図１において、１は旋盤の加工領域、２はＮＣ装置、３はＮＣ装置２に接続されたコンピュータである。

図において、１１Ｌ及び１１Ｒは、加工領域１を区画している隔壁、１２は図には表れていない主軸の先端に装着されたワークチャック、１３はチャック１２の把持爪、１４はチャック１２に把持されたワーク、１５Ｕは主軸軸線の上方（反オペレータ側）に配置された上刃物台、１６Ｕは上刃物台１５Ｕに搭載されている上タレット、１７ａ及び１７ｂはホルダ１８Ｕを介して上タレット１６Ｕに装着された工具、１５Ｄは主軸軸線の下（オペレータ側）に配置された下刃物台、１６Ｄは下刃物台１５Ｄに搭載されている下タレット、１７ｃ及び１７ｄはホルダ１８Ｄを介して下タレット１６Ｄに装着されている工具である。図には上下のタレット１６Ｕ、１６Ｄに装着された工具がそれぞれ２個ずつ示されており、例えば１７ａはエンドミル、１７ｂはドリル、１７ｃは中ぐりバイト、１７ｄは外周加工用のバイトである。

図１の隔壁１１Ｌ及び１１Ｒは不動部材であり、ワーク１４が円筒体であれば、チャック１２及びワーク１４は不動部材として扱うことができる。把持爪１３は移動部材であるが、最大に開いた状態での主軸軸線回りの回転体としてモデリングを行えば、不動部材として扱うことができる。刃物台１５Ｕ及び１５Ｄは、Ｚ及びＸ軸方向に移動可能で、かつ上刃物台１５ＵはＢ軸（Ｙ軸回り）に旋回可能で、これらは移動部材であり、刃物台１５Ｕ、１５Ｄに割出回転可能に搭載されたタレット１６Ｕ、１６Ｄ及びこれらに装着されたホルダ１８Ｕ、１８Ｄ及び工具１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄは、移動部材である。

図に示した例で、プログラムミスでバイト１７ｄを用いて加工を行う工程に中ぐりバイト１７ｃの選択指令が記述されると、下刃物台１５Ｄが外周加工として記述されている移動を行ったとき、移動部材である中ぐりバイト１７ｃと不動部材とみなしたチャック１２やその把持爪１３との干渉が生じる。この例が移動部材と不動部材との干渉である。

また、下刃物台１５Ｄでワーク端面の中ぐり加工を行う動作と、上刃物台１５Ｕの旋回動作とが同時に行われたときに、移動部材である上下の工具相互の干渉が起こる危険がある。この発明は、このような移動部材相互の干渉を上下の刃物台１５Ｕ、１５Ｄの移動タイミングや上刃物台１５Ｕの旋回タイミングに遅速が生じたときでも、少ない演算時間で確実に回避可能にするものである。

ＮＣ装置２は、メモリに読み込まれたＮＣプログラム２１Ｕ、２１Ｄ、当該ＮＣプログラムのブロック読取部２２、読み込んだブロックの指令を解析して対応する移動部材の各移動軸の送りモータを制御する軸制御部２３を備えている。また、移動部材の実際の移動位置を基にして機械部材相互の干渉が検出されたとき等に、移動部材を強制的に停止させる強制停止装置２４を備えている。

上下の刃物台１５Ｕ、１５Ｄは、図２に示すように、それぞれ異なるＮＣプログラム２１Ｕ、２１Ｄによって制御されている。各プログラムには、それぞれ対応する刃物台に対する移動指令を含むブロック群が記載されており、このＮＣプログラムのブロックを順次実行することによって、刃物台１５Ｕ、１５Ｄが個別に移動する。一方、プログラム２１Ｕ、２１Ｄには、必要な位置に図にＭ１００（ＷＡＩＴ）、Ｍ１０１（ＷＡＩＴ）のようにＭコードで示された同期指令が記載されている。上下の刃物台１５Ｕ、１５Ｄは、この同期指令の位置で先に加工動作を終了した方が相手方の加工動作の終了を待ち、対応する同期指令（Ｍ１００とＭ１００）で同期を取った後、次のブロック群の先頭ブロックで指令される動作を開始する。

コンピュータ３には、旋盤の加工領域１に配置されている機械部材の３次元モデルデータ３７が登録されている。干渉検出手段３１は、先読み指令部３２と、移動領域データ生成部３３と、重なり検出部３４とを備えている。移動部材相互の干渉を検出するとき、先読み指令部３２は、ＮＣ装置のブロック読取部２２に前後の同期指令間の複数ブロックを一括して読取り、移動領域データ生成部３３に送るよう指令する。移動領域データ生成部３３は、移動対象となっている移動部材の３次元モデルデータと、ブロック読取部２２から受取ったブロック群の移動指令に基づいて、複数の３次元モデルを順次仮想空間内で移動させたときの移動領域を定義する３次元移動領域データ３５Ｕ、３５Ｄを生成する（図３参照）。重なり検出部３４は、生成された移動領域データ３５Ｕ、３５Ｄを用いて、機械部材の３次元モデルデータ３７相互の干渉を検出するときと同様な演算により、複数の移動領域データ３５Ｕ、３５Ｄ相互の重なりを検出する。

もし、複数の移動領域データ３５Ｕ、３５Ｄ間に干渉領域３６が存在すれば、ＮＣプログラム２１Ｕ、２１Ｄの２つの同期指令（Ｍ１００とＭ１０１）の間で上下の刃物台１５Ｕ、１５Ｄないしこれらに装着した工具１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄなどの制御対象となる移動部材相互が干渉する危険があり、干渉領域３６が存在しなければ、対象となる移動部材相互の移動タイミングにどのような遅速が生じても、少なくとも２つの同期指令間ではその移動部材相互が干渉するおそれは全くないということになる。

重なり検出部３４が干渉領域３６を検出したとき、コンピュータ３はＮＣ装置２に同期指令Ｍ１００の位置でブロック読取動作を中断するよう指令して必要な警報を発するようにすることができる。これにより旋盤は、同期指令Ｍ１００の位置で停止し、移動部材相互の干渉が事前に防止される。

従ってこの発明によれば、干渉検出モードで行われる試験加工においても、早送り速度に制限を設ける必要が無くなる。また移動部材の移動領域全体についての干渉の有無を判断するので、サンプリング間隔による検出漏れが生じる余地がない。更に前後の同期指令間の移動領域データを用いているので、実際に起こりうる干渉のみが検出され、どのような運転状況でも起こることのない干渉が検出されることもない。

この発明の一実施形態を示すブロック図２系統のＮＣプログラムを示す説明図複数のの工具の移動領域と干渉領域を示す説明図サンプリング間隔に起因する検出ミスの発生を示す説明図

符号の説明

１旋盤
２ＮＣ装置
３コンピュータ
15U,15D 刃物台
17a〜17d 工具
21U,21D ＮＣプログラム
22 ブロック読取部
31 干渉検出手段
32 先読み指令部
33 移動領域データ生成部
34 重なり検出部
35U,35D 移動領域データ
36 干渉領域
37 ３次元モデルデータ

Claims

工具及びワークを含む複数の移動部材を備えた工作機械の当該移動部材相互の干渉を予測する工作機械の干渉検出方法であって、前記移動部材の動作を制御するＮＣプログラムによる繰返し動作の開始及び終了を含む所定の同期指令で待ち合せ動作を行う複数の移動部材間の干渉を、当該複数の移動部材の３次元モデルデータと、前記所定の同期指令間で前記複数の移動部材のそれぞれに与えられる移動指令とに基づいて、当該複数の移動部材の３次元の移動領域データを生成し、生成した複数の移動領域データ間の干渉の有無を検出することにより予測する、工作機械の移動部材相互の干渉検出方法。
不動部材とＮＣプログラムの指令により個別に運転される複数の駆動装置及び当該駆動装置に連結された複数の移動部材とを機械部材として備える工作機械の制御装置であって、
工具及びワークを含む前記機械部材の３次元モデルデータ及び予め読取った前記ＮＣプログラムの指令に基づいて前記移動部材と不動部材又は移動部材相互間の干渉を前もって検出する干渉検出手段を備えている制御装置において、
前記干渉検出手段は、前記ＮＣプログラムの同期指令間で個別に移動する少なくとも複数の移動部材についてその同期指令間の１つ又は複数ブロックの移動指令を予め読取る読取り手段(22,32)と、
前記複数の移動部材の３次元モデルデータ(37)と読取った前記移動指令に基づいて前記同期指令間における前記複数の移動部材の移動領域データ(35U,35D)を生成する移動領域データ生成手段(33)と、
生成した複数の移動領域データから複数の移動領域の重なりの有無を検出する重なり検出手段(34)とを備えていることを特徴とする、
工作機械の制御装置。