JP2012022404A - 工作機械の減速要因判別手段を備えた工具軌跡表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工具先端点の速度を制限する処理を行っている場合に、軌跡上の各点において、どのような条件により速度が制限されているかを容易に判別することが可能な工具軌跡表示装置を提供すること。
【解決手段】第一の位置指令算出部１２は、加工プログラムで指令された工具４２の軌跡形状と工具４２の接線速度から、各駆動軸の各時刻において工具４２が位置すべき第一の位置指令を計算し、第二の位置指令算出部１４は、あらかじめ指定された条件を満たすように工具の接線速度を制限し、制限後の接線速度にしたがって、第一の位置指令を第二の位置指令に変換し、工具指令位置座標計算部２０に出力し、状態情報出力部１６は、第二の位置指令算出部１４においてあらかじめ指定された条件を満たすように工具の接線速度を制限したことを示す状態情報を工具軌跡表示装置２の表示色指令部２４に出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の減速要因判別手段を備えた工具軌跡表示装置に関する。

加工プログラムを実行し工作機械にてワークの加工を行う際、工具先端は指令された経路上を指令された速度（接線速度）で移動する。しかし、常に指令された速度で移動するのではなく、場所によっては様々な条件により速度が制限される場合がある。

例えば、コーナ部付近での精度を確保するためにブロック間の速度差が許容値以下となるように工具先端の速度を制限したり、軸ごとの加速度が許容値以下となるように速度を制限したりする機能がある。
特許文献１には、軸ごとに設定された許容最大加速度に応じて工具の接線速度を制御する加工機の制御装置の技術が、開示されている。

特許第３０３４８４３号公報

従来から、様々な条件により、工具先端点の速度を制限する処理を行っているが、軌跡上の各点において、どのような条件により速度が制限されているかを判別することが難しいという問題点があった。特許文献１においても工具軌跡上の点と速度制限との対応を表示する方法について言及されていない。

そこで本発明の目的は、様々な条件により、工具先端点の速度を制限する処理を行っている場合に、軌跡上の各点において、どのような条件により速度が制限されているかを容易に判別することが可能な工具軌跡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、複数の駆動軸にて工具と加工物との相対的な位置や姿勢を制御し加工物の加工を行う数値制御装置を備えた工作機械の工具軌跡表示装置において、加工プログラムで指令された工具の軌跡形状と工具の接線速度から各駆動軸の第一の位置指令を計算する第一の位置指令算出部と、あらかじめ指定された条件を満たすように工具の接線速度を制限し、制限後の速度にしたがって、第一の位置指令を第二の位置指令に変換する第二の位置指令算出部と、前記あらかじめ指定された条件を満たすように工具の接線速度を制限し、制限後の速度にしたがって、前記第一の位置指令を前記第二の位置指令に変換したことを示す状態信号を出力する状態信号出力部と、前記各駆動軸に対する第二の位置指令にしたがって軸の動きを制御する駆動軸制御部と、前記各駆動軸の各時刻における第二の位置指令と工作機械の機械構成の情報とを用いて、加工物に固定された座標系から見た工具の指令位置の２次元または３次元の座標値を計算する工具指令位置座標計算部と、前記状態信号出力部から出力される状態信号に応じた表示色を指令する表示色指令部と、前記工具指令位置座標計算部で算出した工具指令位置座標値を用い、前記工具の２次元または３次元の軌跡を、前記表示色指令部により指令された表示色にて表示する工具軌跡表示部と、を備え、工具軌跡上の各点において前記工具の速度制限が行われたか否かを色表示にて判別できることを特徴とする数値制御装置を備えた工作機械の工具軌跡表示装置である。

請求項２に係る発明は、前記第二の位置算出部は、速度を制限するための複数の条件をあらかじめ用意し、すべての条件を満たすように工具の接線速度を制限し、制限後の速度にしたがって第一の位置指令を第二の位置指令に変換する手段であり、前記状態信号出力部は、前記複数の条件のいずれで前記工具の接線速度を制限し、前記第一の位置指令を前記第２の位置指令に変換したかを示す状態信号を前記複数の条件のそれぞれに対応して出力する手段であり、前記表示色指令部は、前記複数の条件のそれぞれに対応した表示色をあらかじめ設定し、前記状態信号出力部から出力される状態信号の優先順位をあらかじめ設定し、前記優先順位に従って表示色を指令する手段であり、工具軌跡上の各点において前記複数の条件のいずれで前記工具の速度制限が行われたかを色表示にて判別できることを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置を備えた工作機械の工具軌跡表示装置である。

請求項３に係る発明は、あらかじめ指定された条件を満たすように工具の接線速度を制限し制限後の接線速度を出力する接線速度出力部と、各時刻における接線速度と各時刻における状態信号とを同時に取得し前記接線速度と前記状態信号とをそれぞれ波形表示する波形表示部と、を備えたことを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の数値制御装置を備えた工作機械の工具軌跡表示装置である。
請求項４に係る発明は、各駆動軸の各時刻における実位置と前記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見た前記工具の２次元または３次元の座標値を計算する工具実位置座標計算部と、前記工具指令位置座標計算部にて算出された工具指令位置座標値と前記工具実位置座標計算部にて算出された工具実位置座標値とを用いて前記工具の軌跡誤差を算出する軌跡誤差算出部と、各時刻における前記接線速度と前記状態信号と前記軌跡誤差とを同時にそれぞれ波形表示する波形表示部とを備えたことを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の数値制御装置を備えた工作機械の工具軌跡表示装置である。

本発明により、様々な条件により、工具先端点の速度を制限する処理を行っている場合に、軌跡上の各点において、どのような条件により速度が制限されているかを容易に判別することが可能な工具軌跡表示装置を提供できる。

工具軌跡を表示する本発明の実施形態を説明する図である。 接線速度を表示する本発明の実施形態を説明する図である。 軌跡誤差を表示する本発明の実施形態を説明する図である。 本発明に係る減速要因判別を行う処理のアルゴリズムを説明する図である。 速度を制限する条件の１つの条件であるコーナ部による減速を説明する図である。 速度を制限する条件の１つの条件である加速度による制限を説明する図である。 減速要因ごとに異なる表示色を設定し、工具軌跡上の各点において条件が成立した部分のみ要因に対応する表示色で表示することを説明する図である。 横軸が時間のグラフにおいて、接線速度と各要因成立の状態を表示することを説明する図である。 工具軌跡の波形、接線速度、軌跡誤差、および状態信号の時間基準の波形を１つの表示画面内に表示することを説明する図である。

本発明の実施形態を図面と共に説明する。図１は、工具軌跡を表示する本発明の実施形態を説明する図である。数値制御装置４は、加工プログラムに従って複数の駆動軸を備えた工作機械の各駆動軸を制御し、工具と加工物との相対的な位置や姿勢を制御し、工作機械に加工物の加工を行わせる。
数値制御装置４は、指令位置演算部１０、駆動軸制御部１８を備えている。指令位置演算部１０は、第一の位置指令算出部１２、第二の位置指令を算出する第二の位置指令算出部１４、状態情報出力部１６と、を備える。

第一の位置指令算出部１２は、加工プログラムで指令された工具４２の軌跡形状と工具４２の接線速度から、各駆動軸の各時刻において工具４２が位置すべき第一の位置指令を計算する。第二の位置指令算出部１４は、あらかじめ指定された条件を満たすように工具の接線速度を制限し、制限後の接線速度にしたがって、第一の位置指令を第二の位置指令に変換し、工具指令位置座標計算部２０に出力する。なお、前記第一の位置指令から前記第二の位置指令を算出する演算は公知の工作機械を制御する数値制御装置において従来から行われている処理である。

状態情報出力部１６は、第二の位置指令算出部１４においてあらかじめ指定された条件を満たすように工具の接線速度を制限したことを示す状態信号を工具軌跡表示装置２の表示色指令部２４に出力する。駆動軸制御部１８は、各駆動軸に対する第二の位置指令にしたがってモータ４０を駆動し、図示しない駆動軸を介して工具４２の位置および姿勢を制御する。

工具軌跡表示装置２は、工具指令位置座標計算部２０、工具軌跡表示部２２、表示色指令部２４を備える。工具指令位置座標計算部２０は、数値制御装置４の第二の位置指令算出部１４から第二の位置指令を取得し、第二の位置指令と工作機械の機械構成の情報とを用いて、加工物に固定された座標系から見た工具指令位置座標を計算する。

表示色指令部２４は、状態情報出力部１６から減速条件にしたがって工具の接線速度を制限したことを示す状態情報を取得する。表示色指令部２４は、条件に対応した状態情報毎にあらかじめ設定された表示色の情報を工具軌跡表示部２２に出力する。また、表示色指令部２４には、複数の減速条件によって減速された場合に、どの減速条件による表示色を優先して工具軌跡表示部２２に出力するかあらかじめ設定させておく。優先する表示色は設定によって変更できるようにしてもよい。

図２は接線速度を表示する本発明の実施形態を説明する図である。前述した第二の位置指令算出部１４は、第二の位置指令を算出する際に制限後の工具４２の接線速度情報を算出し、工具軌跡表示装置２の接線速度表示部２６に出力し、図７および図８を用いて後述して説明するように、工具軌跡表示装置２において工具４２の接線速度情報を波形表示するようにしてもよい。接線速度表示部２６には状態情報出力部１６から各減速条件に対応した状態情報を入力することによって、接線速度とともに状態情報も同時に表示できる。

図３は、軌跡誤差を表示する本発明の実施形態を説明する図である。工具実位置座標計算部２８は、モータ４０に取付けられた図示しないエンコーダによって検出される実位置情報を、駆動軸制御部１８を介して取得する。工具実位置座標計算部２８は、各駆動軸の各時刻における実位置と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見た前記工具の２次元または３次元の座標値を計算する。

軌跡誤差計算部３０は、工具指令位置座標計算部２０にて算出された工具指令位置座標値と工具実位置座標計算部２８にて算出された工具実位置座標値とを用いて工具４２の軌跡誤差を算出する。軌跡誤差表示部３２は、軌跡誤差計算部３０で算出された軌跡誤差とともに状態情報出力部１６から入力する状態情報を波形表示する。

図４は、本発明に係る減速要因判別を行う処理のアルゴリズムを説明する図である。以下、各ステップに従って説明する。
●［ステップＳＡ１００］指令軌跡と接線速度から第一の位置指令を計算する。
●［ステップＳＡ１０１］第一の位置指令をＰｃに代入する。
●［ステップＳＡ１０２］条件１による速度制限か否か判断し、条件１による制限の場合にはステップＳＡ１０３へ移行し、条件１による制限ではない場合にはステップＳＡ１０５へ移行する。
●［ステップＳＡ１０３］制限後の位置指令をＰｃに代入する。
●［ステップＳＡ１０４］状態情報１を条件１による制限が行われたことを示す情報とする。
●［ステップＳＡ１０５］条件２による速度制限か否か判断し、条件２による制限の場合にはステップＳＡ１０６へ移行し、条件２による制限ではない場合にはステップＳＡ１０８へ移行する。
●［ステップＳＡ１０６］制限後の位置指令をＰｃに代入する。
●［ステップＳＡ１０７］状態情報２を条件２による制限が行われたことを示す情報とする。
●［ステップＳＡ１０８］条件３による速度制限か否か判断し、条件３による制限の場合にはステップＳＡ１０９へ移行し、条件３による制限ではない場合にはステップＳＡ１１１へ移行する。
●［ステップＳＡ１０９］制限後の位置指令をＰｃに代入する。
●［ステップＳＡ１１０］状態情報３を条件３による制限が行われたことを示す情報とする。
●［ステップＳＡ１１１］Ｐｃを第二の位置指令とする。
●［ステップＳＡ１１２］状態情報および第二の位置指令を出力し、処理を終了する。

上記フローチャートについて補足すると、例えば、条件１をコーナ部による減速、条件２を加速度による制限、条件３を加加速度による制限とすることができる。なお、条件１、条件２、および条件３としてどの制限条件をどの順番で設定するかを選択できるように構成しておいてもよい。そして、条件は条件１〜条件３に限定されるわけではなく、条件を１つだけとしてもよいし、条件を２つとしてもよいし、条件を４つ以上としてもよい。以下に、図５、図６を用いて、コーナ部による減速、加速度による制限について説明する。

図５は、速度を制限する条件の１つの条件であるコーナ部による減速を説明する図である。図５（ａ）はコーナ形状の一例である。図５（ｂ）は制限前の接線速度（合成速度）と時間の関係を表すグラフである。図５（ｃ）は制限前のＸ軸速度と時間の関係を表すグラフである。図５（ｄ）は制限前のＹ軸速度と時間の関係を表すグラフである。図５（ｅ）は制限後の接線速度（合成速度）と時間の関係を表すグラフである。図５（ｆ）は制限後のＸ軸速度と時間の関係を表すグラフである。図５（ｇ）は制限後のＹ軸速度と時間の関係を表すグラフである。

図５（ａ）に示されるコーナ形状の軌跡を一定の接線速度で移動する指令を考える。このとき、Ｘ軸およびＹ軸の速度はコーナ部でステップ状に変化する必要がある（図５（ｃ），図５（ｄ）参照）。コーナ部における各軸の速度変化があらかじめ設定したレベルよりも大きい場合、コーナ部の接線速度をある速度まで減速させるように指令を制限する（図５（ｅ）参照）。駆動軸ごとの速度変化が許容速度差以下となるような接線速度を計算し、その速度まで減速するような指令を計算する。接線速度を減速した結果、各駆動軸の速度は図５（ｆ），図５（ｇ）に示されるようになる。

図６は、速度を制限する条件の１つの条件である加速度による制限を説明する図である。軌跡上の点の接線方向の加速度が一定であっても、進行方向によって各軸の加速度の大きさは変化する。
例えば、図６のＡＢ間およびＢＣ間における接線方向の加速度はともにａであるとし、ベクトルＡＢとＸ軸とのなす角をα、ベクトルＢＣとＸ軸とのなす角をβとする。このとき、
（ＡＢ間のＸ軸方向の加速度）＝ａ・ｃｏｓα
（ＢＣ間のＸ軸方向の加速度）＝ａ・ｃｏｓβ
となる。

これらの各軸の加速度があらかじめ設定された制限値を超える場合、接線方向の加速度を制限し、各軸の加速度が制限値以下となるようにする。

図７は、減速要因ごとに異なる表示色を設定し、工具軌跡上の各点において条件が成立した部分のみ要因に対応する表示色で表示することを説明する図である。図４に示されるように、減速要因ごとに減速条件の成否を判別し、条件が成立した場合には状態信号＝１を出力し、条件が不成立の場合には状態信号＝０を出力する。図７に示されるように、工具軌跡上の各点において状態信号＝１の部分のみ要因に対応する表示色で表示することで、工具軌跡上の各点において速度制限が行われたことが容易に判別できる。

図８は、横軸が時間のグラフにおいて、接線速度と各要因成立の状態を表示することを説明する図である。工具軌跡のグラフではなく、横軸が時間のグラフにおいて、接線速度と要因成立の状態信号を同一画面上に同時に表示することで、減速要因とそのときの接線速度との対応関係を容易に把握することができる。

図９は、工具軌跡の波形、接線速度、軌跡誤差、および状態信号の時間基準の波形を１つの表示画面内に表示することを説明する図である。工具軌跡の波形と、接線速度や状態信号等の時間基準の波形とを１つの表示画面に同時に表示し、工具軌跡上の点とその点における接線速度を確認できる。この図では、要因Ｂと要因Ｃとによって減速しているが、工具軌跡では要因Ｂを優先して表示色を選択するように設定されている。速度を制限している条件に応じて、対応するパラメータ（条件を設定するパラメータ）を調整することにより、適切に速度を調整することができる。さらに、軌跡誤差の波形を同時に表示することにより、軌跡誤差を目標値以下に抑えるために必要最小の減速を行うように、接線速度を制限するパラメータを効率良く調整することができる。

ここで、軌跡誤差の波形の求め方の概略を説明する。離散的な時刻において位置指令データを取得し、離散的な時刻において実位置データを取得する。位置指令の各点に対して、それぞれ隣り合う２点を結ぶ指令線分を定義し、各時刻における実位置から前記指令線分までの各々に至る垂線のうち最小の垂線の長さと、その実位置と該実位置に最も近い位置指令データによる指令位置とを結ぶ線分のうち、より長さの短いものを指令経路に対する実位置の誤差として計算することによって誤差軌跡を算出することができる。

２ 工具軌跡表示装置
４ 数値制御装置
１０ 指令位置演算部
１２ 第一の位置指令算出部
１４ 第二の位置指令算出部
１６ 状態情報出力部
１８ 駆動軸制御部
２０ 工具指令位置座標計算部
２２ 工具軌跡表示部
２４ 表示色指令部
２６ 接線速度表示部
２８ 工具実位置座標計算部
３０ 軌跡誤差計算部
３２ 軌跡誤差表示部
４０ モータ
４２ 工具

本願の請求項１に係る発明は、複数の駆動軸にて工具と加工物との相対的な位置や姿勢を制御し加工物の加工を行う数値制御装置を備えた工作機械の工具軌跡表示装置において、加工プログラムで指令された工具の軌跡形状と工具の接線速度から各駆動軸の第一の位置指令を計算する第一の位置指令算出部と、あらかじめ指定された条件を満たすように工具の接線速度を制限し、制限後の速度にしたがって、第一の位置指令を第二の位置指令に変換する第二の位置指令算出部と、前記あらかじめ指定された条件を満たすように工具の接線速度を制限し、制限後の速度にしたがって、前記第一の位置指令を前記第二の位置指令に変換したことを示す状態信号を出力する状態信号出力部と、前記各駆動軸に対する第二の位置指令にしたがって軸の動きを制御する駆動軸制御部と、前記各駆動軸の各時刻における第二の位置指令と工作機械の機械構成の情報とを用いて、加工物に固定された座標系から見た工具の指令位置の２次元または３次元の座標値を計算する工具指令位置座標計算部と、前記状態信号出力部から出力される状態信号に応じた予め設定された表示色を指令する表示色指令部と、前記工具指令位置座標計算部で算出した工具指令位置座標値を用い、前記工具の２次元または３次元の軌跡を、前記表示色指令部により指令された表示色にて表示する工具軌跡表示部と、を備え、前記第二の位置算出部は、速度を制限するための複数の条件をあらかじめ用意し、すべての条件を満たすように工具の接線速度を制限し、制限後の速度にしたがって第一の位置指令を第二の位置指令に変換する手段であり、
前記状態信号出力部は、前記複数の条件のいずれで前記工具の接線速度を制限し、前記第一の位置指令を前記第２の位置指令に変換したかを示す状態信号を前記複数の条件のそれぞれに対応して出力する手段であり、前記表示色指令部は、前記複数の条件のそれぞれに対応した表示色をあらかじめ設定し、前記状態信号出力部から出力される状態信号の優先順位をあらかじめ設定し、前記優先順位に従って表示色を指令する手段であり、工具軌跡上の各点において前記複数の条件のいずれで前記工具の速度制限が行われたかを色表示にて判別できることを特徴とする数値制御装置を備えた工作機械の工具軌跡表示装置である。

請求項２に係る発明は、あらかじめ指定された条件を満たすように工具の接線速度を制限し制限後の接線速度を出力する接線速度出力部と、各時刻における接線速度と各時刻における状態信号とを同時に取得し前記接線速度と前記状態信号とをそれぞれ波形表示する波形表示部と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置を備えた工作機械の工具軌跡表示装置である。
請求項３に係る発明は、各駆動軸の各時刻における実位置と前記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見た前記工具の２次元または３次元の座標値を計算する工具実位置座標計算部と、前記工具指令位置座標計算部にて算出された工具指令位置座標値と前記工具実位置座標計算部にて算出された工具実位置座標値とを用いて前記工具の軌跡誤差を算出する軌跡誤差算出部と、各時刻における前記接線速度と前記状態信号と前記軌跡誤差とを同時にそれぞれ波形表示する波形表示部と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置を備えた工作機械の工具軌跡表示装置である。

Claims (4)

1. 複数の駆動軸にて工具と加工物との相対的な位置や姿勢を制御し加工物の加工を行う数値制御装置を備えた工作機械の工具軌跡表示装置において、
   加工プログラムで指令された工具の軌跡形状と工具の接線速度から各駆動軸の第一の位置指令を計算する第一の位置指令算出部と、
   あらかじめ指定された条件を満たすように工具の接線速度を制限し、制限後の速度にしたがって、第一の位置指令を第二の位置指令に変換する第二の位置指令算出部と、
   前記あらかじめ指定された条件を満たすように工具の接線速度を制限し、制限後の速度にしたがって、前記第一の位置指令を前記第二の位置指令に変換したことを示す状態信号を出力する状態信号出力部と、
   前記各駆動軸に対する第二の位置指令にしたがって軸の動きを制御する駆動軸制御部と、
   前記各駆動軸の各時刻における第二の位置指令と工作機械の機械構成の情報とを用いて、加工物に固定された座標系から見た工具の指令位置の２次元または３次元の座標値を計算する工具指令位置座標計算部と、
   前記状態信号出力部から出力される状態信号に応じた表示色を指令する表示色指令部と、
   前記工具指令位置座標計算部で算出した工具指令位置座標値を用い、前記工具の２次元または３次元の軌跡を、前記表示色指令部により指令された表示色にて表示する工具軌跡表示部と、を備え、
   工具軌跡上の各点において前記工具の速度制限が行われた否かを色表示にて判別できることを特徴とする数値制御装置を備えた工作機械の工具軌跡表示装置。
2. 前記第二の位置算出部は、速度を制限するための複数の条件をあらかじめ用意し、すべての条件を満たすように工具の接線速度を制限し、制限後の速度にしたがって第一の位置指令を第二の位置指令に変換する手段であり、
   前記状態信号出力部は、前記複数の条件のいずれで前記工具の接線速度を制限し、前記第一の位置指令を前記第２の位置指令に変換したかを示す状態信号を前記複数の条件のそれぞれに対応して出力する手段であり、
   前記表示色指令部は、前記複数の条件のそれぞれに対応した表示色をあらかじめ設定し、前記状態信号出力部から出力される状態信号の優先順位をあらかじめ設定し、前記優先順位に従って表示色を指令する手段であり、
   工具軌跡上の各点において前記複数の条件のいずれで前記工具の速度制限が行われたかを色表示にて判別できることを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置を備えた工作機械の工具軌跡表示装置。
3. あらかじめ指定された条件を満たすように工具の接線速度を制限し制限後の接線速度を出力する接線速度出力部と、
   各時刻における接線速度と各時刻における状態信号とを同時に取得し前記接線速度と前記状態信号とをそれぞれ波形表示する波形表示部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の数値制御装置を備えた工作機械の工具軌跡表示装置。
4. 各駆動軸の各時刻における実位置と前記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見た前記工具の２次元または３次元の座標値を計算する工具実位置座標計算部と、
   前記工具指令位置座標計算部にて算出された工具指令位置座標値と前記工具実位置座標計算部にて算出された工具実位置座標値とを用いて前記工具の軌跡誤差を算出する軌跡誤差算出部と、
   各時刻における前記接線速度と前記状態信号と前記軌跡誤差とを同時にそれぞれ波形表示する波形表示部とを備えたことを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の数値制御装置を備えた工作機械の工具軌跡表示装置。