JP2009015464A - 数値制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】加工プログラムの想定した加工物の位置と実際に設置された加工物の位置に設置誤差があり、加工中に加工物が回転することにより設置誤差が刻々と変化する場合においても、誤差が無い場合と同様の加工結果を得ること。
【解決手段】誤差補正を行う前の座標値で補間を行い、求めた補間後の位置に対して補間点毎に誤差補正を行う。またワークと工具との相対速度が誤差が無い場合の相対速度と同じ速度となるように補間を行い、その結果実際の機械の速度がクランプ速度を超える場合は、速度を超えないようワークと工具との相対速度を調整し、ブロック途中で相対速度が変化しないようにする。
【選択図】 図2

Description

本発明は、数値制御(Numerical Control;以下NCという)装置に係り、加工物の設置誤差がある場合でも誤差が無い場合と同様の加工結果を得ることが可能な数値制御装置に関するものである。
工作機械において加工物を取り付け固定する際、本来取り付けるべき位置からずれて取り付けられ、設置誤差が発生する場合がある。すなわち、加工プログラムで想定している加工物の設置位置と実際に取り付けられた加工物の位置にずれが生じる。ずれが生じた場合、X、Y、Z軸方向への並進移動誤差Δx、Δy、ΔzおよびX、Y、Z軸まわりの回転方向誤差Δa、Δb、Δcのうちの少なくとも1つが生じる。
回転軸を持たない3軸の工作機械においては、加工中に加工物の回転角度が変化せず回転によって上記設置誤差が変化しないため、ワークオフセットの設定や3次元座標変換機能を使用することにより設置誤差の補正が可能である。
しかし、加工中に加工物の回転角度が変化する同時5軸加工では、加工物の回転により設置誤差の方向が変化するため、上記方法では設置誤差を補正することができない。このような同時5軸加工において設置誤差を補正する手法が特許文献1により提案されている。
特開平7−299697号公報
特許文献1には、同時5軸並進誤差Δx、Δy、Δz、回転誤差Δa、Δb、Δcを補正する方法が述べられている。しかし、特許文献1は、加工プログラムのブロック終点を補正するだけであるため、加工途中の経路、すなわちブロック内の各補間点の補正は保証されない。1ブロックの線分長をできるだけ短くすればある程度加工形状の誤差は小さくなるが、NCが解析できる最小指令単位以下では指令できないため、設置誤差がある場合においても設置誤差が無い場合とまったく同じ加工を行うという、誤差補正の本来の目的に対しては不十分である。さらに、特許文献1の手法では、加工プログラムのサイズが非常に大きくなってしまう問題があった。
また、本来加工プログラムの指令速度は設置誤差が無い場合の機械の移動速度であるため、特許文献1のように、誤差補正後の移動を指令速度で動作させても、加工物に対する工具の相対速度が加工プログラムで想定している速度と異なることとなり、結果として加工面が荒れるなど加工精度が悪くなるという問題もある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、加工プログラムで想定している加工物の位置と実際に取り付けられた加工物の位置に並進移動誤差および回転方向誤差がある場合において、加工中に加工物が回転することにより設置誤差の方向が刻々と変化する場合においても、誤差が無い場合と全く同じ加工物が得られ、また加工物に対する工具の相対速度が設置誤差が無い場合と同じ速度となることを実現できる数値制御装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明に係るNC装置においては、加工プログラムに従って、直交する3つの移動軸および2つの移動軸の周りに回転可能な2つの回転軸を有する工作機械を駆動してワークの加工を行う数値制御装置において、加工プログラムで指定された加工物の位置と実際の加工物の取り付け位置との設置誤差である直交3軸方向の並進移動誤差と直交3軸周りの回転方向誤差を記憶する設置誤差記憶部と、機械座標系で与えられる加工指令の補間を行う補間処理部と、補間処理部によって補間された位置を機械座標系から、前記回転軸の回転に応じて機械座標系を回転させた中間座標系に変換する処理を補間点毎に実行する第1の座標処理部と、中間座標系に変換された補間点の位置を、設置誤差記憶部に記憶された並進移動誤差および回転方向誤差を用いて誤差補正する処理を補間点毎に実行する誤差補正部と、誤差補正後の位置を機械座標系の位置に変換する処理を補間点毎に実行する第2の座標処理部と、第2の座標処理部の出力に基づき直交する3つの移動軸および回転軸の移動量を求める移動量出力部と、移動量出力部の出力に基づき直交する3つの移動軸および回転軸を駆動制御する駆動部とを備えることを特徴とする。
この発明によれば、加工中に加工物(ワーク)が回転することにより設置誤差の方向が刻々と変化する場合においても、各補間点ごとに変化した誤差を計算して補正を行うので、加工の途中経路での誤差補正が行われることになり、加工物の設置誤差がある場合にも誤差が無い場合と同様の加工結果を得ることができる。また、加工物と工具との相対速度を設置誤差が無い場合と同じ速度で制御することが可能であるので、誤差が無い場合と同様の加工精度を維持することができる。
以下に、本発明にかかる数値制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1を、図1に示すような、X軸、Y軸、Z軸の3つの移動軸(直交3軸)の他に、Y軸回りに回転する工具22側の回転軸であるB軸、Z軸周りに回転する加工テーブル21側の回転軸であるC軸を持ち、テーブル21上の加工物(ワーク)23の加工を行う混合型の5軸加工機に適用した場合について説明する。尚、本発明は、工具側に回転軸が2軸ある場合、ワーク側に回転軸が2軸ある場合の5軸加工機にも適用することができる。
図2はこの発明の実施の形態1に係るNC装置1の構成を示すブロック図であり、NC装置1は、加工プログラム2を読み出して解析するプログラム解析部11、加工プログラムに記述された加工指令、すなわちブロック始点からブロック終点までの移動指令を補間周期当たりの各軸の移動指令に分解する補間処理を行う補間処理部12、補間された位置を中間座標系としてのテーブルに固定されたテーブル座標系に変換する第1座標変換部13、設置誤差計測部4により計測された設置誤差量(X、Y、Z軸方向への並進移動誤差Δx、Δy、Δz、およびX、Y、Z軸まわりの回転方向誤差Δa、Δb、Δc)を記憶する記憶メモリ18、記憶メモリ18に保存されている設置誤差量に基づきテーブル座標系で設置誤差を補正する誤差補正部15、補正後のテーブル座標系の位置を機械座標系に変換する第2座標変換部16、変換された機械座標系の位置に基づき各移動軸および回転軸の移動量を求めて各移動軸および回転軸を駆動する駆動部としての複数のサーボアンプ3に対し移動量を出力する移動量出力部17を備える。なお、設置誤差計測部4においては、ワークがテーブルに設置された際に、設置誤差量(X、Y、Z軸方向への並進移動誤差Δx、Δy、Δz、およびX、Y、Z軸まわりの回転方向誤差Δa、Δb、Δc)を計測して、その計測値をメモリ18に入力する。また、図示はしないが、各移動軸(X軸、Y軸、Z軸)および各回転軸(B軸、C軸)の位置が検出されて、NC装置1に入力されている。
例えば、図3のように、破線で示すワークの取付け位置Aに対して、実際のワーク23がずれて取付けられた場合、X軸方向の並進移動誤差Δx、Y軸方向の並進移動誤差Δy、またZ軸まわりの回転方向誤差Δcの誤差が生じる。図3は分かりやすくするためXY平面上の誤差のみについて記述してあるが、実際にはX、Y、Z軸それぞれの方向およびそれぞれの軸まわりの誤差が生じるので、実際の設置誤差はX、Y、Z軸方向への並進移動誤差Δx、Δy、Δz、およびX、Y、Z軸まわりの回転方向誤差Δa、Δb、Δcとして与えられる。
図4は実施の形態1の処理手順を示すフローチャートである。まず、加工プログラム2の最初の1ブロックのデータをプログラム解析部11で解析し(ステップS101)、該解析した当該ブロックのデータに関して補間処理部12により補間を行う(ステップS102)。この補間処理では、ブロック始点からブロック終点までの移動指令を、各軸の移動指令に分解するとともに、補間周期当たりの複数の補間点への移動指令に分解する。具体的には、この補間処理においては、現在の位置の次の補間点の位置を求める。従来の誤差補正では、まず指令ブロックの始点、終点に設置誤差補正を行い、設置誤差補正後の始点、終点間を補間するが、本実施の形態1では、補間前には、設置誤差の補正を行わず、設置誤差が無いものとして補間を行う。また、本補間処理では、誤差補正を行う前のブロック始点・終点に対してプログラムの指令速度で補間を行う。すなわち、本補間処理では、加工プログラムで指定された移動速度で補間処理を行う。
つぎに、当該補間後の位置に関して設置誤差の補正処理を実行する(ステップS103)。この設置誤差補正処理については、後で詳述する。つぎに、ステップS102の補間処理およびステップS103の補正処理を当該ブロックのブロック終点まで実行したか否かを判定し(ステップS104)、判定がNOの場合は、ステップS102の補間処理およびステップS103の補正処理を当該ブロックのブロック終点まで繰り返し実行する。当該ブロックのブロック終点までの補正処理が終了すると、次のブロックのデータがあるか否かを判定し(ステップS105)、次のブロックのデータがある場合は、ステップS101に手順を移行し、ステップS101から同様の手順を繰り返す。このようにして、全てのブロックについて、ステップS101〜S103の処理を実行する。
つぎに、図5にしたがって、ステップS103で行われる設置誤差補正処理を説明する。まず、第1座標変換部13により、補間後のXYZ軸の位置(現在の位置の次の補間点)を機械座標系42からテーブル座標系44に変換する(ステップS110)。図6に示すように、機械座標系42とは、テーブル21の回転によって変化しない固定座標系であり、加工プログラムもテーブル21の回転によるワークの回転を想定して作成される。テーブル座標系44とは、機械座標系42がテーブル21に固定され、テーブル21の回転に連動して機械座標系42が回転した結果としての座標系である。機械座標系42をC軸周りにθ度回転させる座標系回転行列をRc(θ)、機械座標系42の原点Oから見たC軸(テーブル)回転中心の位置をP0とし、機械座標系42での任意の点43の位置をP、点43をC軸がθ回転した時のテーブル座標系44から見た位置を*Pとする。
C軸がθ回転した時のテーブル座標系44から見た点43の位置*Pは、機械座標系42でのベクトル(P−P0)を回転中心P0を中心に−θだけ回転させたベクトルRc(−θ)・(P−P0)に、ベクトルP0を加算した結果としての点43´を機械座標系42から見た位置*P´と等価である。
したがって、
*P =Rc(−θ)・(P−P0)+P0 …(1)
と表すことができる。
これにより、補間後の機械座標系でのXYZ軸の位置をPt(Xt、Yt、Zt)、その時の回転軸Bの位置をBt、回転軸Cの位置をCtとし、位置Ptをテーブル座標系に変換した位置を*Pt(Xb、Yb、Zb)とすると、
*Pt=Rc(−Ct)・(P−P0)+P …(2)
として計算できる。
つぎに、回転軸B、回転軸Cの角度から、テーブル座標系から見た工具軸の姿勢ベクトルを求める。B=0、C=0の時の工具軸の姿勢ベクトル(ワークから見た工具の向き)は(0、0、1)として表されるので、補間点の位置での機械座標系での工具軸の姿勢ベクトルをrt(It、Jt、Kt)とすると、Y軸周りに回転する回転軸Bの位置Btから、Y成分であるJtはゼロになり、
It=sin(Bt)
Jt=0
Kt=cos(Bt)
となる。
これをテーブル座標系に変換したベクトルを*rt(Ib、Jb、Kb)とすると、テーブル座標系から見た工具軸の姿勢ベクトル*rt(Ib、Jb、Kb)は、
Ib=cos(Ct)・It−sin(Ct)・Jt
=cos(Ct)・sin(Bt) …(3)
Jb=sin(Ct)・It+cos(Ct)・Jt
=sin(Ct)・sin(Bt) …(4)
Kb=Kt
=cos(Bt) …(5)
と計算できる。
図5に戻って、次にステップS111でテーブル座標系上で誤差補正を行う。図7は本来のワークの位置51(加工プログラムで指定しているワークの位置)と、実際のワークの位置52に設置誤差がある場合の例である。本来のワークの位置51に対応する座標系を機械設置座標系53と呼び、実際のワーク位置52に対応する座標系をワーク設置座標系54と呼ぶ。機械設置座標系53から見たワーク設置座標系54の原点55の位置をPAとすると、PA=(Δx、Δy、Δz)である。Δx、Δy、Δzは、前述したように、メモリ18に記憶されるX、Y、Z軸方向への並進移動誤差である。
ここで、先の式(2)に従って求めたC軸がCt度回転した場合のテーブル座標系44での補間点43の位置*Ptの座標値を、C軸がCt度回転した後のワーク設置座標系57での点59の位置*Pt1とみなし、該位置*Pt1をテーブル座標系44から見た位置*pt2に変換する。すなわち、誤設置された実際のワークの位置52が本来のワークの位置51であるとみなし、この本来のワークの位置51に対応して設定されたワーク設置座標系54において、C軸がCt度回転した場合のテーブル座標系44での補間点43の位置*Ptの座標値と同じ座標値を持つ点59の位置*Pt1を、テーブル座標系44から見た位置*pt2に変換する。別言すれば、*Pt=*Pt1とする。
この変換は
*Pt2=RA・Pt1+PA …(6)
と表すことができる。RAはテーブル座標系44をX軸周りにΔa、Y軸周りにΔb、Z軸周りにΔc回転させる座標変換行列である。Δa、Δb、Δcは、機械座標系とワーク設置座標系とのX、Y、Z軸まわりの回転誤差であり、前述したようにメモリ18に記憶されている。式(6)に示した変換処理は、誤差補正部15によって実行される。
また、誤差補正部15は、先の式(3)〜式(5)によって求めたテーブル座標系から見た工具軸の姿勢ベクトル*rt(Ib、Jb、Kb)を、回転誤差Δa、Δb、Δcにより回転させ、回転方向の誤差補正を行う。以上のような処理が、ステップS111において、誤差補正部15によって行われる。
次に、ステップS112で第2座標変換部16によって、誤差補正後のテーブル座標系の位置を回転前の機械座標系42での位置に変換する。すなわち、まず、回転方向の誤差補正を行ったテーブル座標系の工具姿勢ベクトルから機械座標系での回転軸角度を求める。この回転軸角度は、式(3)〜(5)で説明した工具姿勢ベクトル算出の逆変換を行うことで計算される。このようにして計算された角度が誤差補正後の回転軸角度となる。またこの回転軸角度を用いて機械座標系のXYZ軸座標値を求める。この変換も、式(2)で説明したテーブル座標値計算の逆変換を行うことによって実現される。そして、このようにして求めた座標値が誤差補正後の機械座標系における補間点位置となる。
最後に、ステップS106で移動量出力部17により誤差補正後の補間点位置と現在位置の差分を求め、求めた差分値を機械座標系での移動量としてサーボアンプ3に出力する。
この実施の形態1によれば、設置誤差を補正せずに補間を行い、補間後の位置に対して補間の度に設置誤差補正を行うため、加工中に加工物が回転することにより設置誤差の方向が刻々と変化する場合においても、各ブロックの途中経路の補正も行われることになり、設置誤差がある場合でも誤差が無い場合と全く同じ形状精度の加工物が得られという効果がある。また、誤差補正を行う前のブロック始点・終点に対してプログラムの指令速度で補間を行うことにより、ワークに対する工具の相対速度が誤差の無い場合と同じ速度となるため、加工面の精度が設置誤差無しの場合と同様となる。
なお、テーブル側に2つの回転軸がある5軸工作機械の場合は、式(2)において、もう一つの回転軸の回転も考慮した座標変換を行うことになる。すなわち、テーブル側の1つまたは2つの回転軸の回転に応じて機械座標系を回転させて、中間座標系としてのテーブル座標系を求めることになる。また、工具側に2つの回転軸がある場合は、回転軸の角度を0度として式(2)の座標変換を行うことになる。
実施の形態2.
実施の形態1では、ワークと工具との相対速度が加工プログラムの指令速度どおりとなるよう補間を行うため、実際の機械の速度がクランプ速度を超える場合がある。単純に最終的な機械の移動速度をクランプすると、ブロック途中でワークに対する工具の相対速度が変化することになり、加工精度の面で好ましくない。したがって、この実施の形態2では、クランプ速度を超えないようワークと工具との相対速度を調整するようにしている。図8は、実施の形態2による動作手順を示すフローチャートである。なお、図8において、ステップS201〜S210の処理は、先の実施の形態1と同様に、補間点毎に、すなわち補間の度に実行される。
まず、ステップS200により加工プログラムの解析が行われ、ステップS201で加工プログラムの指令速度F0で補間が行われる。求められた補間点においてステップS202により座標変換・誤差補正が行われ、ステップS203で機械座標系に再度変換し、機械座標系での移動量が求められる。以上のステップS201〜S203の処理は、先の実施の形態1で説明したのと同様であり、プログラム解析部11,補間処理部12、第1座標変換部13、誤差補正部15、第2座標変換部16および移動量出力部17によって行われる。
次に、ステップS204で、移動量出力部17は、機械座標系での移動量から機械座標系での移動速度F1を算出する。そして、ステップS205で、機械座標系での移動速度F1とクランプ速度Fmaxを比較する。F1≦Fmaxの場合は、クランプ速度を超えないので、ステップS203で求めた移動量をそのままステップS210で出力する。
移動量出力部17は、機械座標系での移動速度F1がクランプ速度Fmaxを超える場合は、F2=F0×(Fmax/F1)にしたがって、機械座標系に変換してもクランプ速度を超えない新たな移動速度F2を求める(ステップS206)。そして、移動量出力部17は、求めた移動速度F2を補間処理部12に出力する。
つぎに、再度ステップS208で、補間処理部12は、新たな移動速度F2で補間処理を行い、ステップS208で、第1座標変換部13および誤差補正部15は、前述同様の座標変換、誤差補正を行い、ステップS209で、第2座標変換部16は、機械座標系に変換して機械座標系の移動量を求める。
ステップS209で求めた移動量はクランプ速度Fmaxを超えないことが保証されているので、再度クランプ速度との比較を行うことはなく、移動量出力部17は、ステップS209で求めた移動量をそのままサーボアンプ3に出力する。
このように実施の形態2においては、ワークと工具との相対速度が加工プログラムの指令速度どおりとなるよう補間を行った結果、実際の機械の速度がクランプ速度を超える場合でも、クランプ速度を超えないようワークと工具との相対速度を調整することによりブロック途中でワークに対する工具の相対速度が一定となるため、加工精度の維持が可能となる。
以上のように、本発明にかかる数値制御装置は、直交する3つの移動軸および2つの移動軸の周りに回転可能な2つの回転軸を有する5軸工作機械に有用である。
本発明を適用する5軸工作機械の一例を示す概念図である。 数値制御装置の構成を示すブロック図である。 ワークの誤設置を示す図である。 実施の形態1の動作手順の全体を示すフローチャートである。 実施の形態1の動作手順のうちの誤差補正処理を示すフローチャートである。 機械座標系からテーブル座標系への変換を説明するための図である。 テーブル座標系での設置誤差補正を説明するための図である。 実施の形態2の動作手順の全体を示すフローチャートである。
符号の説明
1 NC装置
2 加工プログラム
3 サーボアンプ
4 設置誤差計測部
11 プログラム解析部
12 補間処理部
13 第1座標変換部
15 誤差補正部
16 第2座標変換部
17 移動量出力部
18 メモリ
21 加工テーブル
22 工具
23 ワーク
42 機械座標系
44 テーブル座標系
53 機械設置座標系
54 ワーク設置座標系

Claims (4)

  1. 加工プログラムに従って、直交する3つの移動軸および2つの移動軸の周りに回転可能な2つの回転軸を有する工作機械を駆動してワークの加工を行う数値制御装置において、
    加工プログラムで指定された加工物の位置と実際の加工物の取り付け位置との設置誤差である直交3軸方向の並進移動誤差と直交3軸周りの回転方向誤差を記憶する設置誤差記憶部と、
    機械座標系で与えられる加工指令の補間を行う補間処理部と、
    補間処理部によって補間された位置を機械座標系から、前記回転軸の回転に応じて機械座標系を回転させた中間座標系に変換する処理を補間点毎に実行する第1の座標処理部と、
    中間座標系に変換された補間点の位置を、設置誤差記憶部に記憶された並進移動誤差および回転方向誤差を用いて誤差補正する処理を補間点毎に実行する誤差補正部と、
    誤差補正後の位置を機械座標系の位置に変換する処理を補間点毎に実行する第2の座標処理部と、
    第2の座標処理部の出力に基づき直交する3つの移動軸および回転軸の移動量を求める移動量出力部と、
    移動量出力部の出力に基づき直交する3つの移動軸および回転軸を駆動制御する駆動部と、
    を備えることを特徴とする数値制御装置。
  2. 前記第1の座標処理部は、回転軸の位置に基づき中間座標系での工具軸の姿勢ベクトルを求め、
    誤差補正部は、中間座標系での工具軸の姿勢ベクトルを設置誤差記憶部に記憶された回転方向誤差により回転させ、回転方向の誤差補正を行い、
    前記第2の座標処理部は、回転方向の誤差補正を行った中間座標系での工具姿勢ベクトルから機械座標系での誤差補正後の各回転軸の角度を求め、この各回転軸の角度を用いて機械座標系の位置を求める
    ことを特徴とする請求項1に記載の数値制御装置。
  3. 前記補間処理部は、加工プログラムで指定された移動速度で補間処理を行うことを特徴とする請求項1または2に記載の数値制御装置。
  4. 前記移動量出力部は、機械座標系の位置に従って機械座標系での移動量を求め、該移動量に基づき機械座標系での移動速度を求め、この移動速度がクランプ速度を越える場合、クランプ速度を超えないように移動速度を補正し、この移動速度を補間処理部に入力し、
    補間処理部は、入力された補正後の移動速度に基づき補間処理を再実行し、
    前記第1の座標処理部は、再実行された補間処理結果が入力されると、中間座標系への前記変換処理を再実行し、
    前記誤差補正部は、再実行された中間座標系への変換結果が入力されると、前記誤差補正処理を再実行し、
    前記第2の座標処理部は、再実行された誤差補正処理が入力されると、機械座標系への前記変換処理を再実行し、
    前記移動量出力部は、再実行された機械座標系への変換結果が入力されると、この変換結果に基づき直交する3つの移動軸および回転軸の移動量を求め、
    前記駆動部は、再実行された直交3軸および回転軸の移動量入力に基づき直交3軸および回転軸を駆動制御する
    ことを特徴とする請求項3に記載の数値制御装置。
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