JP2011014029A - 工作機械の衝突防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】３Ｄモデルを仮想空間で動作させてモデル相互の干渉により衝突を検出する衝突防止方法において、実際には衝突が起らないにも関わらず衝突と判断されて機械が停止する問題を回避する。
【解決手段】予め登録されている機械各部、工具及びワーク素材の形状データに基づいて仮想空間で加工動作を実行させる工作機械の衝突防止方法において、ＮＣ装置に移動ベクトルの変化点における移動先座標及び移動速度情報を履歴情報として記憶させ、パソコンに、受信した履歴情報に含まれる移動ベクトルの変化点における移動先座標及び移動速度情報に基づいて干渉の有無を判断させた後、読取った時点における移動先座標及び移動速度情報に基づいて前記干渉の有無を判断させる。
【選択図】図２

Description

この発明は、ＮＣ装置に登録された加工プログラムに従って当該ＮＣ装置に接続したＰＣ上で仮想の工作機械を動作させることにより、工具と工作機械の構成部材及びワーク素材との間の干渉（衝突）を検出して、実際のワーク加工時における当該衝突を防止する方法に関するものである。

工作機械を制御するＮＣ装置に接続したＰＣにより、仮想空間で仮想の工作機械を動作させ、工作機械に実際の加工動作を行わせることなく、加工中における工具と工作機械ないしワークとの衝突を予測することが従来から行われている。

この方法では、まず、工作機械を制御するＮＣ装置にＰＣを接続し、当該ＰＣに、工作機械の構成部材（チャック、刃物台、加工領域を囲む隔壁など）の形状データ、刃物台などの可動部材の移動領域に関するデータ及び工具の形状データを登録する。ここでいう形状データは、３次元空間内に占める領域を示すデータである。更に、ＮＣ装置に加工プログラムを登録すると共に、ＰＣに素材ワークの形状データを登録する。そして、ＮＣ装置を動作させ、ＮＣ装置が加工プログラムに基づいて数ｍｍ秒の間隔で出力する移動先座標と移動速度情報及び工具情報をＰＣに送る、ＰＣは、当該情報に基づいて仮想空間内で刃物台や工具の形状データを移動させ、それぞれの時点における工作機械側の構成部材、工具及びワークの形状データが仮想空間内で占める領域の重なりの有無を調べ、重なりを検出したときに、衝突が生じたと判断する。

工作機械における刃物台などの移動速度は、切削送りか早送りかという動作モードに関連付けて設定されているので、移動速度情報は、動作モードを表している。ＰＣ上での仮想空間での動作において、工具の形状データとワークの形状データとの間に重なりが検出されたとき、その移動速度情報が切削送りのものであれば、ワークの形状データが占める領域から工具の形状データと重なっている部分を除去し（加工が行われた）、もし移動速度情報が早送りのものであれば、ワークと工具の衝突と見なして、工具送りを停止させる情報をＮＣ装置に送る。

図５は、従来の衝突防止方法における処理手順を示したフローチャートである。ＮＣ装置は、加工プログラムを先読みすることにより、実際の機械動作に先行して予測情報４を出力している（ステップ４１）。予測情報は、将来の時点で実機（現実の工作機械）に与える移動先座標及び移動速度情報である。ＰＣは、ある時点での予測情報４ｔを取得し（ステップ４２）、同時に取得した又は直前の工具交換指令などにより取得した工具情報と、当該予測情報に含まれる移動先座標（予測座標）を基に、当該移動先座標に移動した時点における衝突演算処理を行う（ステップ４３）。衝突演算処理は、工具とワーク及び機械部材の形状データの重なりの有無の検出と、速度情報が加工送りか早送りかによる加工動作か衝突かの判定である。衝突演算処理で衝突が検出（ステップ４４）されたときは、ＰＣは、ＮＣ装置に対して機械に工具送りの停止要求を出力する（ステップ４５）。衝突が検出されなければ、予測座標に移動した時点でのワークの画像データを生成して、ディスプレイに表示し（ステップ４６）、ステップ４１に戻って次の予測情報を受取る。この処理を繰り返すことにより、実機上での衝突を防止すると共に、衝突を起こすことなくワークの加工が完了することを確認するのである。

前述したように、ＮＣ装置は数ｍｍ秒の単位で工作機械のサーボ制御装置に動作情報（実機が現に加工している時点における移動先座標と移動速度情報）とを出力している。実機の動作に先行する予測情報４も同様に数ｍｍ秒の時間間隔で出力される（図３（ａ））。一方、ＰＣ３は、同図（ｃ）に示すように、ＮＣ装置２から１回分の予測情報４ｔを受け取った後、衝突演算処理に要する時間７及びワーク加工形状をディスプレイに表示するための描画処理に要する時間８を費やした後、次の予測情報４ｔを取得する。従って、図３（ｂ）に示すように、ＰＣ側で１回分の予測情報４ｔの処理を行う間にＮＣ装置は幾つもの予測情報Ｐｈを出力しており、ＰＣは、取得できないこれらの予測情報Ｐｈを無視して、衝突演算処理を行っているのである。

しかし、上記の従来方法では、実際には衝突が起らないのに工具とワークが衝突したとして機械が停止してしまうことがある。その原因を、図４の工具６でワーク５に孔あけ加工を行う場合を例にして説明する。実機の動作においては、図４（ａ）に点線Ｆａで示す早送りから実線Ｇで示す切削送りに移行し、切削送りが終了した後、点線Ｆｂで示す早戻りを行う。この場合、切削送りＧから早戻りＦｂに移行する時点は、加工プログラム上で切削送り動作を指令するブロックと、早戻り動作を指令するブロックとの２つのブロックの間の時点なので、ＮＣ装置は必ず動作情報を出力しており、従って、必ず予測情報も出力している。

切削送りＧから早戻りＦｂに移行する時点のような、工具の移動ベクトル（移動方向又は移動速度）が変化する時点（以下、「移動ベクトル変換点」という。）の予測情報４ｃがＰＣ３で読取られる２つの予測情報４ｔの間の時点で出力されると、ＰＣはこの移動ベクトル変換点の予測情報４ｐを取得することなく、移動ベクトルが変化してからある程度の時間が経過した後の時点で、予測情報４ｔを取得する。これが例えば図４（ｂ）に白丸Ｐｔで示す時点であり、黒丸Ｐｔが切削送り、白丸Ｐｔが早送り（早戻りも早送りである。）であったとすると、実際には図４（ｂ）の最下端の白丸Ｐｔより下の位置まで切削送りが行われているにも関わらず、ＰＣは、最下点の黒丸Ｐｔから最下点の白丸Ｐｔの位置まで早送りで移動したと判断し、ワークのこの部分は加工されていないので、工具６とワーク５の衝突が発生したと判断して、機械を停止させてしまうということが起るのである。

この発明は、上述した場合のように、従来の衝突防止方法では、実際には衝突が起らないにも関わらず、ＰＣの衝突演算処理において衝突と判断されて機械が停止するという問題や、無用な加工プログラムの再チェックを行わねばならないという問題を回避することを課題としている。

この発明の工作機械の衝突防止方法では、工作機械を制御しているＮＣ装置２にＰＣ（パソコン）３を接続し、当該ＰＣに、工作機械各部及び加工に使用する工具の形状データを登録し、更に、加工しようとするワークの素材形状のデータを登録する。そして、加工プログラムに基づいてＮＣ装置２が工作機械１に向けて出力する刃物台の移動先座標及び移動速度情報を、当該刃物台に装着される工具の工具情報と共に、工作機械１でワークの加工を実行するのに先立って、ＰＣ３に送信する。

ＮＣ装置２から上記の移動先座標及び移動速度情報を受けたＰＣ３は、予め登録されている機械各部、工具及びワーク素材の形状データにより生成した３次元モデルに基づいて、仮想空間で上記移動先座標及び移動速度情報に従った加工動作を実行する。ＰＣ３は、仮想空間で加工動作を行っている間に、機械各部、工具及びワーク素材相互の干渉の発生が検出されたときは、工作機械１の刃物台の送り移動を停止させるための信号を出力する。

この発明の方法では、ＮＣ装置２に、ＰＣ３が移動先座標及び移動速度情報を読取った後で生じた移動ベクトルの変化点における移動先座標及び移動速度情報を履歴情報として記憶させる。ＮＣ装置２は、ＰＣ３に移動先座標及び移動速度情報を送信するときに、記憶している履歴情報を送信する。ＰＣは、受信した履歴情報の中に移動ベクトルの変化点における移動先座標及び移動速度情報が含まれているとき、その移動ベクトルの変化点における移動先座標及び移動速度情報に基づいて前記干渉の有無を判断し、その後、読取った時点における移動先座標及び移動速度情報に基づいて前記干渉の有無を判断する。いずれかの判断において干渉が検出されたとき、ＰＣ３は、ＮＣ装置２に、工作機械１の刃物台の送り移動を停止させるための信号を出力する。

一般的な方法では、ＮＣ装置２は、出力する移動先座標及び移動速度情報が移動ベクトルの変化点のものであるかどうかを判別することなく、出力する移動先座標及び移動速度情報の総てを履歴情報として記憶し、ＰＣ３から送信要求を受けたときにその履歴情報の総てをＰＣ３に送信して、送信済の履歴情報を消去する。ＰＣ３は、受信した履歴情報の中に移動ベクトルの変化点における移動先座標及び移動速度情報が含まれているときに、当該移動ベクトルの変化点における移動先座標及び移動速度情報に基づいて前記干渉の有無を判断する。

この発明によれば、ＰＣでの衝突演算処理及び加工状況をディスプレイに表示するための描画処理に時間がかかっても、ＮＣ装置から出力される移動ベクトルの変換点での予測情報４ｃ、すなわち機械や工具の移動速度や移動方向が変わった時点での予測情報４ｃは、必ずＰＣに伝達され、ＰＣは、当該移動ベクトル変換点での予測情報４ｃに基づいて衝突演算処理やワークの形状データの更新を行うので、より正確な衝突検出を行うことが可能となり、実際には衝突が起らないにも関わらず衝突と判断される誤検出や、その反対の検出ミスを防止することができるという効果がある。

この発明の方法を実施するハードウェアの一構成例を示したブロック図 この発明の処理手順の一例を示すフローチャート ＮＣ装置の出力タイミングとＰＣの処理時間を示す説明図 この発明の方法と従来方法との比較を示す説明図 従来方法の処理手順の例を示すフローチャート

以下、実施例を示す図面を参照して、この発明を具体的に説明する。図１は、この発明の方法を実施するハードウェアの一構成例を示したブロック図である。図の工作機械１は、同一の主軸軸線上で対向する２個の主軸と、主軸軸線を挟んで配置された２個の刃物台とを備え、図で右側の主軸がＺ軸方向（主軸軸線方向）に移動位置決め可能な移動主軸で、２個の刃物台がそれぞれＺ軸方向とＸ軸方向（工具の切り込み送り方向）とに移動位置決め自在である。

図において、１１ａは固定主軸側のチャック、５ａは当該チャックに把持されたワーク、１１ｂはＺ軸方向に移動位置決めされる移動主軸側のチャック、５ｂは当該チャックに把持されたワーク、１２ｂは移動主軸のＺ軸送りモータ、１３ａは第１刃物台、６ａは当該刃物台に装着した第１工具、１４ａは第１刃物台のＺ軸送りモータ、１５ａは第１刃物台のＸ軸送りモータ、１３ｂは第２刃物台、６ｂは当該刃物台に装着した第２工具、１４ｂは第２刃物台のＺ軸送りモータ、１５ｂは第２刃物台用のＸ軸送りモータである。

２は工作機械１を制御するＮＣ装置で、登録された加工プログラム２１のブロックを解読して送りモータ１２ｂ、１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂのサーボ制御装置に動作情報（移動先情報と移動速度情報）を出力する動作情報出力部２２と、加工プログラム２１を先読みしたときに動作情報出力部２２から出力される動作情報（加工プログラムを先読みしたときの予測情報）を一時記憶する予測情報記憶部２３とを備えている。

３は、ＮＣ装置２に接続されたＰＣで、衝突検出に必要な機械部材、図の例では左右のチャック１１ａ、１１ｂと第１及び第２刃物台１３ａ、１３ｂの形状データと、工具６ａ、６ｂの形状データと、ワーク素材５ａ、５ｂの形状データを登録した記憶領域３１と、これらの形状データ及びＮＣ装置２から取得した予測情報に基づいて仮想空間内で３次元モデルを動作させて衝突の有無を判定する衝突演算プログラム３２と、ワーク５ａ、５ｂの３次元モデルの削り取り形状を描画する描画プログラム３３とを備えている。

ＮＣ装置２の予測情報記憶部２３は、動作情報出力部が出力した予測情報を逐次記憶し、ＰＣ３から送信要求を受けたときに、記憶している総ての予測情報（履歴情報）をＰＣに送信し、予測情報記憶部２３の記憶内容をクリアする。図の例では、右チャック１１ｂと第１及び第２刃物台１３ａ、１３ｂの予測情報（送信時点での予測情報）と履歴情報が、ＰＣ３に送られる。工具情報は、加工プログラム２１の工具交換ブロックを読んだときに、ＰＣ３に送られ、ＰＣ３は当該工具情報を、次の工具交換ブロックの工具情報が送られてくるまで、その工具情報を記憶する。ＮＣ装置は、移動ベクトル変換点を認識しているので、どの予測情報が移動ベクトル変換点の予測情報であるかの情報も、ＰＣ３に送信する。一方、ＰＣ３は、衝突演算プログラム３２が衝突を検出したときに、衝突に関わる工具を装着した刃物台の送り動作を停止させる機械停止指令をＮＣ装置２に送信する。

図２は、この発明の衝突防止方法の処理手順を示すフローチャートである。ＮＣ装置２は、実機動作に先行して加工プログラム２１を先読みし、動作情報出力部２２から出力される予測情報（履歴情報）を予測情報記憶部２３に逐次記憶し（ステップ５１）、ＰＣ３から送信要求を受けたときに、当該時点の予測情報４ｔと履歴情報４ｈとをＰＣ３に送信する（ステップ５２）。ＮＣ装置２は、送信した履歴情報４ｈの中に移動ベクトル変換点の予測情報４ｃが含まれているときは、どの予測情報が移動ベクトル変換点における予測情報であるかの情報もＰＣ３に同時に送信する。この送信の後、ＮＣ装置２は、予測情報記憶部２３の記憶内容をクリアし、動作情報出力部２２から新たに出力される予測情報を逐次記憶する。

ＰＣ３は、取得した履歴情報の中に移動ベクトル変換点の予測情報４ｃが含まれているかどうかを調べ（ステップ５３）、移動ベクトル変化点が存在するときは、当該移動ベクトル変化点における予測情報に対して衝突演算処理を実行する（ステップ５４）。そして、移動ベクトル変化点において衝突が検出されたときは、ステップ４４でＮＣ装置２に対して機械の停止要求を出力する。ベクトル変化点が存在しないとき及びステップ５５で衝突が検出されなかったときは、送信を受けた時点の予測座標に対して衝突演算処理を実行し、衝突が検出されたときは、ステップ４４で衝突が検出されたときと同様に、ＮＣ装置に対して機械の停止指令を出力し（ステップ４５）、ＮＣ装置を機械を停止させる（ステップ４７）。

ステップ４４で衝突が検出されないときは、その時点のワークの形状データからディスプレイの表示画像を生成してディスプレイに表示するという描画処理を行った後（ステップ４６）、ＮＣ装置２に次の予測情報の送信要求を送って、当該時点でＮＣ装置の予測情報記憶部２３に記憶されている履歴情報Ｐｈと当該時点での予測情報４ｔを取得する。

以上の動作を繰り返すことによって、実際の加工において衝突が予測されるときは、工作機械を停止させると共に、衝突を生じることなくワークの所望の加工が行われることを確認する。

上記の実施例は、ＰＣ３が読取るタイミングでＮＣ装置２から出力された予測情報４ｔを履歴情報４ｈに含ませない例であるが、予測情報４ｔを履歴情報４ｈに含ませることもできる。すなわち、ＮＣ装置２が所定間隔で出力する総ての移動先座標及び移動速度情報を履歴情報とし、ＰＣ３は履歴情報の中に含まれる移動ベクトル変化点における移動先座標及び移動速度情報と、履歴情報に含まれる最後の移動先座標及び移動速度情報を用いて干渉を判断するのである。

上記のこの発明の方法によれば、先に例示したワーク５に対する孔あけ加工の場合、切削送りＧから早戻りＦｂに変化する移動ベクトル変化点Ｐｃにおける予測情報４ｃが必ずＰＣ３に伝達されてＰＣ３は移動ベクトルの変化点Ｐｃにおいて、衝突の検出及びワークの形状データの変更処理を行った後、ＰＣが予測情報を取得した時点における衝突演算処理を行うので、誤検出や検出ミスのない衝突検出が可能である。

１ 工作機械
２ ＮＣ装置
３ ＰＣ（パソコン）
５（５ａ，５ｂ） ワーク
６（６ａ，６ｂ） 工具
１１（１１ａ，１１ｂ） チャック
１３（１３ａ，１３ｂ） 刃物台
２１ 加工プログラム
２２ 動作情報出力部
２３ 予測情報記憶部
３１ 形状データ記憶領域
３２ 衝突演算プログラム
３３ 描画プログラム

Claims (2)

1. 加工プログラムに基づいてＮＣ装置が出力する刃物台の移動先座標及び移動速度情報を工具情報と共にパソコンに送信し、
   当該パソコンに、予め登録されている機械各部、工具及びワーク素材の形状データに基づいて仮想空間で上記移動先座標及び移動速度情報に従った加工動作を実行させ、
   機械各部、工具及びワーク素材相互の干渉の発生が検出されたときに、前記工作機械の送り移動を停止させるための信号を出力させる、
   工作機械の衝突防止方法において、
   ＮＣ装置に、パソコンが移動先座標及び移動速度情報を読取った後で生じた移動ベクトルの変化点における移動先座標及び移動速度情報を履歴情報として記憶させ、
   パソコンに、ＮＣ装置から移動先座標及び移動速度情報を送信するときに前記履歴情報を送信し、
   その履歴情報に含まれる移動ベクトルの変化点における移動先座標及び移動速度情報に基づいて前記干渉の有無を判断させた後、
   新たに読取った時点における移動先座標及び移動速度情報に基づいて前記干渉の有無を判断させることを特徴とする、
   工作機械の衝突防止方法。
2. ＮＣ装置は、新たに出力される移動先座標及び移動速度情報の総てを履歴情報として記憶し、パソコンから送信要求を受けたときにその履歴情報の総てをパソコンに送信して送信済の履歴情報を消去し、パソコンは、受信した移動先座標及び移動速度情報の中に移動ベクトルの変化点における移動先座標及び移動速度情報が含まれているときに、当該移動ベクトルの変化点における移動先座標及び移動速度情報に基づいて前記干渉の有無を判断させた後、
   新たに読取った時点における移動先座標及び移動速度情報に基づいて前記干渉の有無を判断させることを特徴とする、
   請求項１記載の工作機械の衝突防止方法。

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