JP2011043874A - 工作機械の工具ベクトル表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実際のフィードバック情報を用いて工具先端点軌跡上の各点において、ワークに対する工具の向きを視覚的にわかり易く表示する。
【解決手段】時刻情報ｔ、各軸の位置情報Ｓａを取得し、時刻情報ｔにおける工具先端点Ｐｅの３次元座標を計算し、時刻情報ｔにおける工具先端点Ｐｅの軌跡を表示する（Ｓ１〜Ｓ３）。所定時間経過したか否か判断し、所定時間経過した場合には時刻情報ｔにおける工具ベクトル始点Ｐｓを計算し、工具ベクトル始点Ｐｓと工具ベクトルの終点である工具先端点Ｐｅとを結ぶ線分を表示し、所定時間経過していない場合にはステップＳ７へ移行する（Ｓ４〜Ｓ６）。工作機械によるワークの加工終了か、または、表示終了の信号があるか否か判断し、ＹＥＳの場合には、処理を終了し、ＮＯの場合には、表示装置に工具先端点の軌跡を表示するためのサンプリング時間が経過するまで待ち、ステップＳ１へ戻り、処理を継続する（Ｓ７，Ｓ８）。
【選択図】図６

Description

本発明は、工作機械の工具ベクトル表示装置に関し、特に、工具先端点と工具中心軸上の工具先端点から所定距離離れた点とを結ぶ線分を工具ベクトルとして、工具先端点の軌跡上に表示する工作機械の工具ベクトル表示装置に関する。

現在使用されている工作機械を制御する数値制御装置では、指令軌跡を表示する機能、工具が実際に移動した経路を表示する表示機能を有するものがある。例えば、特許文献１には、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置の工具経路表示装置であって、工具先端点の３次元軌跡を表示し、工具の速度に応じて、線の色や幅を変更する技術が開示されている。

特開平７−７２９１４号公報

５軸加工機のように回転軸を含む加工機では、加工中に工具の方向が様々に変化する。工具先端部ではなく工具側面でワークを加工する場合もあり、工具先端部の軌跡のみでは加工面と工具との動きの関連を十分に検証することはできない。

図１は、工具の傾きの影響を説明する図である。工具２３に対する工具先端中心点の位置が同じであっても、図１（ａ）と図１（ｂ）とを対比するとわかるように、工具２３の傾きによって実際のワークの切削面は変化する。また、図２は、工具２３の工具側面による加工の場合、工具２３が傾くと、切削面に影響を与えることを説明する図である。図２（ａ）に示されるように、ワークを工具２３の工具側面によって加工する場合、工具２３が傾くと切削面に影響を与える。図２（ｂ）は、工具の傾きを工具ベクトルとして表し、工具先端点軌跡に沿って各工具ベクトルを表示し、工具ベクトルの傾きがワークの切削面に影響を与えることを示している。

一方、特許文献１に開示されるように、ＣＡＤなどで作成されたデータで工具ベクトルを表示する技術が存在するが、実際のフィードバック情報を使ったものではなく、ワークの加工不具合点との対比等ができなく、５軸加工機の調整や不具合箇所の発見に役立つものではなかった。

そこで本発明の目的は、少なくとも１つの回転軸を含む複数の駆動軸において工具および加工物の位置や姿勢を制御し加工を行う工作機械の工具ベクトル表示装置において、実際のフィードバック情報を用いて工具先端点軌跡上の各点においてワークに対する工具の向きを視覚的にわかり易く表示することが可能な工作機械の工具ベクトル表示装置を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、少なくとも１つの回転軸を含む複数の駆動軸にて工具および加工物の位置や姿勢を制御し、加工を行う工作機械の工具ベクトル表示装置において、前記各駆動軸の各時刻における実位置情報を同時に取得するデータ取得部と、前記実位置情報と前記工作機械の構成の情報とを用いて、前記加工物に固定された座標系からみた、前記工具の先端部の３次元座標値を計算し、前記３次元座標値を用いて前記工具の先端部の３次元軌跡を表示する工具軌跡表示部と、前記工具の中心軸上で、前記工具の先端部から前記工具の根元方向へ予め設定した距離だけ離れた点を工具ベクトル始点とし、前記実位置情報と前記工作機械の機械構成の情報とを用いて、前記加工物に固定された座標系からみた、前記工具ベクトル始点の３次元座標を計算し、前記工具ベクトル始点と前記工具の先端部とを結ぶ線分を工具ベクトルとして、前記工具の先端部の３次元軌跡上に表示する工具ベクトル表示部と、を有する工作機械の工具ベクトル表示装置である。

請求項２に係る発明は、前記工具ベクトル始点と前記工具の先端部とを結ぶ線分を予め設定した時間間隔で表示することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の工具ベクトル表示装置である。
請求項３に係る発明は、前記工具ベクトル始点と前記工具の先端部とを結ぶ線分を中心とし、工具径を半径とする円柱を表示することを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の工作機械の工具ベクトル表示装置である。

本発明により、少なくとも１つの回転軸を含む複数の駆動軸において工具および加工物の位置や姿勢を制御し、加工を行う工作機械の工具ベクトル表示装置において、実際のフィードバック情報を用いて工具先端点軌跡上の各点においてワークに対する工具の向きを視覚的にわかり易く表示することが可能な工作機械の工具ベクトル表示装置を提供することができる。

工具の傾きの影響を説明する図である。 工具側面による加工の場合、工具が傾くと、切削面に影響を与えることを説明する図である。 工具ヘッド回転型の５軸加工機の一例の外観斜視図である。 本発明を適用した一実施形態の工作機械の工具ベクトル表示装置の構成を概略で示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態の要部ブロック図である。 本発明に係る工具ベクトルの表示処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。 工具ベクトルにより工具先端点の各位置における工具の姿勢や向きを直感的に把握できることを説明する図である。 本発明の第２の実施形態の要部ブロック図である。 テーブル回転型の５軸加工機の一例の外観斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、同じまたは類似する構成要素は同じ符号を用いている。

図３は、工具ヘッド回転型の５軸加工機の一例の外観斜視図である。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸が直線軸、Ａ，Ｂ軸が回転軸である。時刻ｔにおけるこれら５軸の座標をそれぞれ、ｘ（ｔ），ｙ（ｔ），ｚ（ｔ），ａ（ｔ），ｂ（ｔ）とする。テーブル２２上に加工されるワークを搭載する。工具２３の先端点は、Ｘ，Ｙ，Ｚの直線軸、および、Ａ，Ｂの回転軸によってワークに対して相対的に移動する。

機械構成が工具ヘッド回転型である５軸加工機の２つの回転軸（Ａ軸、Ｂ軸）の回転中心となる軸の交点をＭとすると、加工物に固定された座標系を考えて、原点を適当にとれば、点Ｍの座標は（ｘ（ｔ），ｙ（ｔ），ｚ（ｔ））となる。点Ｍから工具先端点までの長さをＬとし、工具が真下を向いた位置をＡ，Ｂ軸の基準位置（原点）とすると、工具先端点Ｐｅの座標（ＰｏｓＸ（ｔ），ＰｏｓＹ（ｔ），ＰｏｓＺ（ｔ））は、数１式により計算される。

このとき、工具中心軸上の点で工具先端点Ｐｅから点Ｍの方向へｄだけ離れた点を、工具ベクトル始点Ｐｓとする。工具ベクトル始点Ｐｓの座標（ＰｏｓＸ’（ｔ），ＰｏｓＹ’（ｔ），ＰｏｓＺ’（ｔ））は、数２式により計算される。

点Ｍから工具先端点Ｐｅまでである工具の長さＬは、工具長として工作機械の数値制御装置に格納されている。このように、５軸分の位置情報と工作機械の機械構成の条件により、工具先端点Ｐｅおよび工具ベクトル始点Ｐｓの座標を計算することができる。

次に、前述した工具ベクトルを表示する本発明の一実施形態である工作機械の工具ベクトル表示装置について説明する。
図４は、本発明を適用した一実施形態の工作機械の工具ベクトル表示装置の構成を概略で示すブロック図である。プロセッサであるＣＰＵ１１１は、ＲＯＭ１１２に格納されたシステムプログラムに従って数値制御装置１０全体を制御する。ＲＡＭ１１３は、各種のデータあるいは入出力信号が格納される。不揮発性メモリ１１４に格納された各種のデータは電源切断後もそのまま保存される。

グラフィック制御回路１１５は、デジタル信号を表示用の信号に変換し、表示装置１１６に与える。キーボード１１７は、数値キー、文字キーなどを有する各種設定データを入力する手段である。
軸制御回路１１８は、ＣＰＵ１１１から、各軸の移動指令を受けて、軸の指令をサーボアンプ１１９に出力する。このサーボアンプ１１９は、この移動指令を受けて、工作機械２０のサーボモータ（図示せず）を駆動する。これらの構成要素はバス１２１で互いに結合されている。

ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１２２は、加工プログラムの実行時に、バス１２１経由でＴ機能信号（工具選択指令）などを受け取る。そして、この信号を、シーケンス・プログラムで処理して、動作指令として信号を出力し、工作機械２０を制御する。また、工作機械２０から状態信号を受けて、ＣＰＵ１１１に必要な入力信号を転送する。

更に、バス１２１には、システムプログラム等によって機能が変化するソフトウェアキー１２３、ＮＣデータを記憶装置などの外部機器に送るインタフェース１２４が接続されている。このソフトウェアキー１２３は、表示装置１１６、キーボード１１７と共に、表示装置／ＭＤＩパネル１２５に設けられている。

図５は、本発明の第１の実施形態の要部ブロック図である。第１の実施形態は、工作機械の工具ベクトル表示装置が工作機械の数値制御装置１０に備えられている形態である。数値制御装置１０には、駆動軸制御部１１、データ取得部１２、および、表示部１３を備えている。

工作機械２０は送り軸を駆動するサーボモータ２１ｘ，２１ｙ，２１ｚ，２１Ａ，２１Ｂを備えている。数値制御装置１０の駆動軸制御部１１からのトルク指令によりサーボアンプ（図示せず）が制御され、サーボモータ２１ｘ，２１ｙ，２１ｚ，２１Ａ，２１Ｂは、サーボアンプにより駆動される。また、各サーボモータ２１ｘ，２１ｙ，２１ｚ，２１Ａ，２１Ｂにはそれぞれ位置・速度検出装置（図示せず）が備えられており、該位置・速度検出装置から各サーボモータの位置情報および速度情報が駆動軸制御部１１に送られる。

駆動軸制御部１１は、位置情報Ｓａ、速度情報Ｓｂ，加速度情報Ｓｃ，位置偏差情報Ｓｄ，トルク指令Ｓｅをデータ取得部１２に送出する。データ取得部１２は、駆動軸制御部１１からの各情報を各時刻毎同時に取得する。取得した情報は、メモリ（図示せず）に記憶する。表示部１３は、データ取得部１２で取得した情報に基づき、工具軌跡表示部の工具の先端部の３次元の移動軌跡を表示し、工具ベクトル表示部に工具ベクトルを時系列に表示する。

図６は、本発明に係る工具ベクトル２３０の表示処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。以下、各ステップに従って説明する。
●［ステップＳ１］時刻情報ｔ、この時刻情報ｔに対応する各軸の位置情報Ｓａを取得する。
●［ステップＳ２］時刻情報ｔにおける工具先端点Ｐｅの３次元座標を計算する。
●［ステップＳ３］時刻情報ｔにおける工具先端点Ｐｅの軌跡を表示装置に表示する。工具先端点Ｐｅの軌跡はステップＳ２で求めた工具先端点Ｐｅの３次元座標に基づく。
●［ステップＳ４］所定時間経過したか否か判断し、所定時間経過した場合にはステップＳ５へ移行し、所定時間経過していない場合にはステップＳ７へ移行する。所定時間について説明する。工具先端点Ｐｅの軌跡は表示装置の画面上では各工具先端点が連続した線分として表示される。一方、本発明に係る工具ベクトル２３０は、表示装置の画面上では、一定の所定時間間隔で（図２（ｂ）、図７参照）表示する。そのため、所定時間経過したかの判断を行う。所定時間経過したかは、数値制御装置が備えるタイマ機能を利用して判断できる。なお、タイマ機能は各工具ベクトルを表示する処理を終了する毎にリセットされる。なお、数値制御装置がタイマ機能を備えることは周知事項である。
●［ステップＳ５］時刻情報ｔにおける工具ベクトル始点Ｐｓを計算する。なお、計算式は加工機の機械構成に応じた計算式を用いる。
●［ステップＳ６］工具ベクトル始点Ｐｓと工具ベクトル終点である工具先端点Ｐｅとを結ぶ線分を表示装置に表示する。
●［ステップＳ７］工作機械によるワークの加工終了か、または、表示終了の信号があるか否か判断し、ＹＥＳの場合には、処理を終了し、ＮＯの場合には、ステップＳ８へ移行する。
●［ステップＳ８］表示装置に工具先端点Ｐｅの軌跡を表示するためのサンプリング時間が経過するまで待ち、ステップＳ１へ戻り、処理を継続する。なお、該サンプリング時間は、ステップＳ４の判断に用いられる所定時間よりも短い。また、このステップにおいても、タイマ機能を用いてサンプリング時間が経過するのを確認することができる。

図６に示されるフローチャートの処理を図５に示される本発明の第１の実施形態で行うことにより、表示部１３の工具ベクトル表示部に図２（ｂ）や図７に示されるように、本発明に係る工具ベクトル２３０を表示することができる。本発明では、表示部１３の工具ベクトル表示部において工具ベクトルの動作を視覚的に認識し易い長さのみを表示することが可能である。例えば、工具ベクトルが長く表示されることによって、工具方向が様々に変化することで工具２３の根元が交差したりして視認性が悪くなることを防ぐことができる。なお、図２（ｂ）に示されるように、加工プログラムに定義されるワークの形状を表示してもよい。

図７は、工具ベクトルにより工具先端点Ｐｅの各位置における工具の姿勢や向きを直感的に把握できることを説明する図である。図５に示される数値制御装置１０の表示部１３の工具ベクトル表示部に、図７に示されるように工具ベクトル２３０が表示される。表示部１３に表示される工具先端点軌跡上に一定の所定時間間隔で点を取る。この各点に対応した工具ベクトル始点Ｐｓを求めて、工具ベクトル始点Ｐｓと工具ベクトル終点である工具先端点Ｐｅとを結ぶ線分を描画する。図７に示される工具ベクトルにより、工具先端点の各点における工具の姿勢や向きを直感的に把握し易くなると共に、それぞれの工具ベクトルを表す線分間の間隔により、工具の移動速度を視覚的に把握し易くなる。また、表示される線分の太さや色は適宜選択できるようにしてもよく、例えば、工具ベクトルとして表示される線分を、工具径を半径とする円柱として表示してもよい。

図８は、本発明の第２の実施形態の要部ブロック図である。第２の実施形態は、工作機械の数値制御装置１０に含まれない工作機械の工具ベクトル表示装置が、外部機器３０に備えられている形態である。数値制御装置１０は、駆動軸制御部１１、データ通信部１４を備え、外部機器３０は、データ通信部３１、データ取得部３２、および、表示部３３を備えている。表示部３３の工具ベクトル表示部には、第１の実施形態と同様に工具ベクトルが時系列に表示される。

上述した本発明の実施形態では、図３に示されるように加工機械の機械構成は工具ヘッド回転型の５軸加工機械であった。５軸加工機には図９に示されるテーブル回転型のものもある。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸が直線軸、Ａ，Ｃ軸が回転軸である。ワークを載置するテーブル２２はＡ軸およびＢ軸によって角度が変化する。Ａ軸とＣ軸の回転軸の回転中心となる軸は直交するものとし、その交点をＭとする。

ここで２つの座標系を考える。１つは、点Ｍを原点とし、空間上に固定された座標系である。これを座標系１とする。もう１つは、点Ｍを原点とし、テーブル２２に固定された座標系である。これを座標系２とする。点Ｍは、Ａ軸およびＣ軸の回転により位置が変化しないので、２つの座標系の原点は常に一致している。また、時刻ｔにおけるＡ軸、Ｃ軸の座標をそれぞれａ（ｔ）、ｃ（ｔ）とすると、ａ（ｔ）＝０かつｃ（ｔ）＝０のときに、２つの座標系は一致するものとする。

空間に固定された座標系１からみた時刻ｔにおける工具先端点の座標を（ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ））とすると、テーブル２２に固定された座標系２からみた工具先端点Ｐｅの座標（ＰｏｓＸ（ｔ），ＰｏｓＹ（ｔ），ＰｏｓＺ（ｔ））は、数３式により計算できる。

このとき、工具中心軸上の点で工具先端点Ｐｅから工具の根元方向へｄだけ離れた点を工具ベクトル始点Ｐｓとする。工具ベクトル始点Ｐｓの座標（ＰｏｓＸ’（ｔ），ＰｏｓＹ’（ｔ），ＰｏｓＺ’（ｔ））は、数４式により計算できる。

工具ヘッド回転型の５軸加工機と同様に、工具ベクトルの始点と終点とを計算によって求めることで、工具ベクトルを表示装置に表示することができる。

Ｐｓ 工具ベクトル始点
Ｐｅ 工具先端点
１０ 数値制御装置
１１ 駆動軸制御部
１２ データ取得部
１３ 表示部
１４ データ通信部
２０ 工作機械
２１ｘ ｘ駆動軸用サーボモータ
２１ｙ ｙ駆動軸用サーボモータ
２１ｚ ｚ駆動軸用サーボモータ
２１Ａ Ａ駆動軸用サーボモータ
２１Ｂ Ｂ駆動軸用サーボモータ
２２ テーブル
２３ 工具
２３０ 工具ベクトル
３０ 外部機器
３１ データ通信部
３２ データ取得部
３３ 表示部
Ｓａ 位置情報
Ｓｂ 速度情報
Ｓｃ 加速度情報
Ｓｄ 位置偏差情報
Ｓｅ トルク指令

Claims (3)

1. 少なくとも１つの回転軸を含む複数の駆動軸にて工具および加工物の位置や姿勢を制御し、加工を行う工作機械の工具ベクトル表示装置において、
   前記各駆動軸の各時刻における実位置情報を同時に取得するデータ取得部と、
   前記実位置情報と前記工作機械の構成の情報とを用いて、前記加工物に固定された座標系からみた、前記工具の先端部の３次元座標値を計算し、前記３次元座標値を用いて前記工具の先端部の３次元軌跡を表示する工具軌跡表示部と、
   前記工具の中心軸上で、前記工具の先端部から前記工具の根元方向へ予め設定した距離だけ離れた点を工具ベクトル始点とし、前記実位置情報と前記工作機械の機械構成の情報とを用いて、前記加工物に固定された座標系からみた、前記工具ベクトル始点の３次元座標を計算し、前記工具ベクトル始点と前記工具の先端部とを結ぶ線分を工具ベクトルとして、前記工具の先端部の３次元軌跡上に表示する工具ベクトル表示部と、
   を有する工作機械の工具ベクトル表示装置。
2. 前記工具ベクトル始点と前記工具の先端部とを結ぶ線分を予め設定した時間間隔で表示することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の工具ベクトル表示装置。
3. 前記工具ベクトル始点と前記工具の先端部とを結ぶ線分を中心とし、工具径を半径とする円柱を表示することを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の工作機械の工具ベクトル表示装置。

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