JP2019152936A

JP2019152936A - 工作機械の加工シミュレーション装置

Info

Publication number: JP2019152936A
Application number: JP2018035947A
Authority: JP
Inventors: 誠彰相澤; Masaaki Aizawa; 藤本　浩之; Hiroyuki Fujimoto; 浩之藤本
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2019-09-12
Also published as: DE102019200762A1; CN110209120A; US20190266296A1

Abstract

【課題】時間の増加を抑制しつつ、高い精度で加工シミュレーションを行うことが可能な工作機械の加工シミュレーション装置を提供する。【解決手段】加工シミュレーション装置３０は、加工プログラムに基づいて工具を用いて加工対象物の加工を行う工作機械５の加工シミュレーションを行う加工シミュレーション装置であって、位置指令と工作機械の伝達特性とに基づいて、加工プログラムに基づいて動作するときの工作機械の動きのシミュレーションを行うことにより、工具の位置を推定する機械シミュレーション部２０と、工具の情報と、推定された工具の位置とに基づいて、加工対象物の加工シミュレーションを行う加工シミュレーション部２２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の加工シミュレーション装置に関する。

工作機械において、実際に加工を行う前に、工具情報（例えば、ボールエンドミルなどの工具種別、工具径及び工具長などの工具形状に関する情報）を用い、加工プログラムに基づく加工シミュレーションを行う技術がある。特許文献１には、このような加工シミュレーションの技術が記載されている。

しかしながら、実際の加工では、加工プログラム通りには加工できないことが多く、加工プログラムに基づく加工シミュレーションでは、例えば加工面の精度又は加工面の品位などを正確に評価することが難しい。
この点に関し、特許文献１には、ＮＣ工作機械の制御軸モータ端又は機械端のセンシングデータから抽出された工具移動軌跡データ、すなわち、実際のセンサで検出された実位置（フィードバック）を更に使用して、加工シミュレーションを行う技術が記載されている。これにより、加工面の精度又は加工面の品位などを正確に評価することができると考えられる。

特許第５６１０８８３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術のように、実際のセンサで検出された実位置（フィードバック）を使用して加工シミュレーションを行う場合、加工シミュレーションを行う度に工作機械を実際に動作させる必要があり、時間がかかる。

そこで、本発明は、時間の増加を抑制しつつ、高い精度で加工シミュレーションを行うことが可能な工作機械の加工シミュレーション装置を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る工作機械の加工シミュレーション装置（例えば、後述の加工シミュレーション装置３０）は、加工プログラムに基づいて工具を用いて加工対象物の加工を行う工作機械（例えば、後述の工作機械５）の加工シミュレーションを行う加工シミュレーション装置であって、位置指令と前記工作機械の伝達特性とに基づいて、前記加工プログラムに基づいて動作するときの前記工作機械の動きのシミュレーションを行うことにより、前記工具の位置を推定する機械シミュレーション部（例えば、後述の機械シミュレーション部２０）と、前記工具の情報と、推定された前記工具の位置とに基づいて、前記加工対象物の加工シミュレーションを行う加工シミュレーション部（例えば、後述の加工シミュレーション部２２）とを備える。

（２）（１）に記載の工作機械の加工シミュレーション装置において、前記機械シミュレーション部は、前記工作機械におけるモータの位置フィードバック、前記工具の位置フィードバック、前記加工対象物の位置フィードバック、及び、前記位置指令に基づいて前記モータを制御するサーボ制御部のサーボパラメータのうちの少なくとも１つと前記位置指令とに基づいて、前記工作機械の伝達特性を決定してもよい。

（３）（１）又は（２）に記載の工作機械の加工シミュレーション装置において、前記加工シミュレーション部による前記加工対象物の加工シミュレーションの結果を表示する表示部（例えば、後述の表示部２４）を更に備えてもよい。

本発明によれば、時間の増加を抑制しつつ、高い精度で加工シミュレーションを行うことが可能な工作機械の加工シミュレーション装置を提供することができる。

本実施形態に係る工作機械の加工シミュレーション装置を備える加工システムを示す図である。従来の工作機械の加工シミュレーション装置を備える加工システムを示す図である。位置指令に基づく指令経路と実経路とを示す図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態の一例について説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、本実施形態に係る工作機械の加工シミュレーション装置を備える加工システムを示す図である。図１に示す加工システムは、加工シミュレーション装置３０（詳細は後述する）を備える数値制御装置１と、サーボ制御部２と、モータ３と、工作機械５とを備える。

工作機械５は、例えばボールエンドミルなどの工具を用いてワーク（加工対象物）の表面の切削加工を行う機械である。工作機械５は、工具の位置を検出する位置センサ６を備え、位置センサ６によって検出された工具の位置は位置フィードバック（位置ＦＢ）として利用される。位置センサ６としては、工具先端部の位置を測定するために設けられたスケールなどを用いることができる。
また、工作機械５は、ワークの位置を検出する位置センサ７を備えてもよく、位置センサ７によって検出されたワークの位置は位置フィードバック（位置ＦＢ）として利用されてもよい。位置センサ７としては、ワークを搭載するテーブルに設けられたスケールなどを用いることができる。

モータ３は、工作機械５に設けられる。モータ３は、工作機械５における可動部、例えば工具の送り軸又はワークの送り軸を駆動するモータを含む。モータ３には、モータ３の回転位置（回転角度）を検出するエンコーダ４が設けられる。エンコーダ４によって検出された回転位置は位置フィードバック（位置ＦＢ）として利用される。ここで、モータ３の回転位置と工作機械５の可動部の位置とは対応関係にあるため、エンコーダ４によって検出された回転位置、すなわち位置フィードバックは、工具の位置又はワークの位置を示す。

サーボ制御部２は、数値制御装置１からの位置指令と、モータ３に設けられたエンコーダ４によって検出された位置フィードバックとに基づいて、モータ３の駆動電流を生成する。
なお、サーボ制御部２は、モータ３に設けられたエンコーダ４によって検出された位置フィードバックに代えて、工具先端部に設けられた位置センサ６によって検出された位置フィードバックを用いてもよいし、ワークを搭載するテーブルに設けられたスケール７によって検出された位置フィードバックを用いてもよい。

数値制御装置１は、加工プログラムに基づいて位置指令を生成する。数値制御装置１は、保存部１０と、スムージング制御部１２と、加減速制御部１４とを備える。

保存部１０は、ＣＡＭ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）で作成された加工プログラムを保存する。また、保存部１０は、ボールエンドミルなどの工具種別、工具径及び工具長などの工具形状等の工具情報を保存する。保存部１０は、例えばＥＥＰＲＯＭ等の書き換え可能なメモリである。

スムージング制御部１２は、保存部１０に保存された加工プログラムが示す移動指令に基づく移動経路のスムージング制御を行う。具体的には、スムージング制御部１２は、移動指令を滑らかな経路に補正した後、補正後の移動経路上の点を補間周期で補間する（経路補正）。

加減速制御部１４は、スムージング制御部１２で補間された移動指令、加減速時定数に基づく加減速度、最大速度に基づいて移動速度パターンを生成し、移動速度パターンに基づいて位置指令を作成する。

また、数値制御装置１は、機械シミュレーション部２０と、加工シミュレーション部２２と、表示部２４とを備える。機械シミュレーション部２０、加工シミュレーション部２２、表示部２４、および上述した保存部１０は、本実施形態の加工シミュレーション装置３０を構成する。
なお、本実施形態では、加工シミュレーション装置３０が数値制御装置１に組み込まれた形態を例示するが、加工シミュレーション装置３０の組み込み形態はこれに限定されない。例えば、加工シミュレーション装置３０は、外部のＰＣ等に組み込まれてもよい。
また、加工シミュレーション装置３０の各構成要素（機械シミュレーション部２０、加工シミュレーション部２２、表示部２４、および保存部１０）は、複数の装置に分けて組み込まれてもよい。例えば、機械シミュレーション部２０、表示部２４、および保存部１０が数値制御装置に組み込まれ、加工シミュレーション部２２が外部ＰＣ（例えば、ＣＡＤ−ＣＡＭ）に組み込まれてもよい。

機械シミュレーション部２０は、位置指令に対する応答特性を伝達特性として求める。具体的には、機械シミュレーション部２０は、数値制御装置１よりも後段における伝達特性、すなわちサーボ制御部２から工作機械５までの伝達特性を、工作機械の伝達特性（例えば、伝達関数）として求める。機械シミュレーション部２０は、求めた工作機械の伝達特性を保存部１０に保存する。前記機械シミュレーション部２０は、工作機械の伝達特性を求める動作を、加工シミュレーション部２２によって加工シミュレーションを行う前に、例えば１回だけ行う。
そして、加工シミュレーション部２２によって加工シミュレーションを行う際、機械シミュレーション部２０は、位置指令と保存部１０に保存された工作機械の伝達特性とに基づいて、加工プログラムに基づいて動作するときの工作機械の動きのシミュレーションを行うことにより、工具の位置、すなわち工具の経路（軌跡）を推定する。

工作機械の伝達特性を求める際、機械シミュレーション部２０は、サーボ制御部２のサーボパラメータ、モータ３の位置フィードバック、工具の位置フィードバック、及び、ワークの位置フィードバックのうちの少なくとも１つと位置指令とに基づいて、工作機械の伝達特性を決定する。
サーボパラメータとしては、サーボ制御部２のポジションゲイン又は速度ゲイン等が挙げられる。
モータ３の位置フィードバックとしては、モータ３に設けられたエンコーダ４によって検出されたモータ３の回転位置（位置フィードバック）が挙げられる。
工具の位置フィードバックとしては、工具先端部に設けられた位置センサ６によって検出された工具の位置（位置フィードバック）が挙げられる。
ワークの位置フィードバックとしては、ワークが搭載されるテーブルに設けられた位置センサ７によって検出されたワークの位置（位置フィードバック）が挙げられる。

サーボ制御部２のサーボパラメータに基づく場合、機械シミュレーション部２０は、工作機械を実際に動作させることなく、工作機械の伝達特性を決定することができる。これにより、機械シミュレーション部２０は、工作機械を実際に動作させることなく、位置指令と伝達特性とに基づいて工具の位置情報を推定することができる。
また、モータ３の位置フィードバック、工具の位置フィードバック、又は、ワークの位置フィードバックに基づく場合、機械シミュレーション部２０は、工作機械を１回だけ動作させるだけで、工作機械の伝達特性を決定することができる。これにより、機械シミュレーション部２０は、２回目以降、工作機械を実際に動作させることなく、位置指令と伝達特性とに基づいて工具の位置を推定することができる。

加工シミュレーション部２２は、保存部１０に保存された工具の情報（例えば、ボールエンドミルなどの工具種別、工具径及び工具長などの工具形状に関する情報）及び機械シミュレーション部２０で推定された工具の位置に基づいて、ワークの加工シミュレーションを行う。

表示部２４は、加工シミュレーション部２２によるワークの加工シミュレーションの結果を表示する。例えば、表示部２４は、加工後のワークの形状、又は、加工後のワークの加工面の粗さ等を画像として表示する。これにより、加工後のワークの加工面に発生するキズ等の欠陥を容易に推定することができる。
表示部２４は、例えば液晶ディスプレイ等の表示装置である。

数値制御装置１及び加工シミュレーション装置３０（保存部１０及び表示部２４を除く）、並びにサーボ制御部２は、例えば、ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）等の演算プロセッサで構成される。数値制御装置１及び加工シミュレーション装置３０、並びにサーボ制御部２の各種機能は、例えば記憶部に格納された所定のソフトウェア（プログラム）を実行することで実現される。数値制御装置１及び加工シミュレーション装置３０、並びにサーボ制御部２の各種機能は、ハードウェアとソフトウェアとの協働で実現されてもよいし、ハードウェア（電子回路）のみで実現されてもよい。

図２は、従来の工作機械の数値制御装置を備える加工システムを示す図である。図２に示す従来の加工システムは、図１に示す加工システムにおいて数値制御装置１に代えて数値制御装置１Ｘを備える点で本実施形態と異なる。数値制御装置１Ｘは、図１に示す数値制御装置１において加工シミュレーション装置３０に代えて加工シミュレーション装置３０Ｘを備える点で本実施形態と異なる。
加工シミュレーション装置３０Ｘは、図１に示す加工シミュレーション装置３０において機械シミュレーション部２０を備えない点で本実施形態と異なる。
加工シミュレーション装置３０Ｘでは、加工シミュレーション部２２は、機械シミュレーション部２０で推定された工具の位置に代えて、モータ３に設けられたエンコーダ４で検出された位置フィードバック、工具先端部に設けられた位置センサ６で検出された位置フィードバック、又は、ワークを搭載するテーブルに設けられたスケール７で検出された位置フィードバックを用いて、ワークの加工シミュレーションを行う。

ここで、実際の加工では、図３に示すように、位置指令に基づく指令経路に対して実経路がずれ、加工プログラム通りには加工できないことが多い。そのため、加工プログラムのみに基づく加工シミュレーションでは、例えば加工面の精度又は加工面の品位などを正確に評価することが難しい。
これに対して、加工シミュレーション装置３０Ｘでは、上述した特許文献１に記載の技術と同様に、実際のセンサで検出された実位置（フィードバック）を更に使用して加工シミュレーションを行うため、加工面の精度又は加工面の品位などを正確に評価することができる。
しかしながら、加工シミュレーション装置３０Ｘのように、実際のセンサで検出された実位置（フィードバック）を使用して加工シミュレーションを行う場合、加工シミュレーションを行う度に工作機械を実際に動作させる必要があり、時間がかかる。

この点に関し、本実施形態の工作機械の加工シミュレーション装置３０によれば、機械シミュレーション部２０が、位置指令と工作機械の伝達特性とに基づいて、加工プログラムに基づいて動作するときの工作機械の動きのシミュレーションを行うことにより、工具の位置（経路、軌跡）を推定し、加工シミュレーション部２２は、工具の情報と、推定された工具の位置とに基づいて、ワークの加工シミュレーションを行う。このように、工作機械の伝達特性を考慮した工具の推定位置（経路、軌跡）を用いて、実加工に近い加工シミュレーションを行うため、加工面の精度又は加工面の品位などを正確に評価することができる。
また、加工シミュレーション部２２は、モータ３の位置フィードバック、工具の位置フィードバック及びワークの位置フィードバックを用いないため、すなわち工作機械を実際に動作させる必要がないため、ワークの加工シミュレーションにかかる時間の増加を抑制することができる。
なお、機械シミュレーション部２０によって工具の位置（経路、軌跡）を推定する際にも、上述したように、工作機械を実際に動作させないか、工作機械を実際に動作させたとしても最初の１回だけである。
したがって、本実施形態の工作機械の加工シミュレーション装置３０によれば、時間の増加を抑制しつつ、高い精度で加工シミュレーションを行うことができる。

また、本実施形態の工作機械の加工シミュレーション装置３０によれば、表示部２４が、加工シミュレーション部２２によるワークの加工シミュレーションの結果を表示する。これにより、実加工する前に加工面を確認し、明らかに想像していた加工面と違う場合は、即座に数値制御装置のパラメータ等を調整し、調整した結果を可視化して、加工面を改善することができる。また、加工面に発生するキズなどの不良の原因を特定することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、種々の変更及び変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、切削加工を行う工作機械の加工シミュレーション装置について例示したが、本発明の特徴はこれに限定されず、研削又は研磨などの種々の加工を行う工作機械の加工シミュレーション装置に適用可能である。

１，１Ｘ数値制御装置
２サーボ制御部
３モータ
４エンコーダ
５工作機械
６，７位置センサ
１０保存部
１２スムージング制御部
１４加減速制御部
２０機械シミュレーション部
２２加工シミュレーション部
２４表示部
３０加工シミュレーション装置

Claims

加工プログラムに基づいて工具を用いて加工対象物の加工を行う工作機械の加工シミュレーションを行う加工シミュレーション装置であって、
位置指令と前記工作機械の伝達特性とに基づいて、前記加工プログラムに基づいて動作するときの前記工作機械の動きのシミュレーションを行うことにより、前記工具の位置を推定する機械シミュレーション部と、
前記工具の情報と、推定された前記工具の位置とに基づいて、前記加工対象物の加工シミュレーションを行う加工シミュレーション部と、
を備える、工作機械の加工シミュレーション装置。
前記機械シミュレーション部は、前記工作機械におけるモータの位置フィードバック、前記工具の位置フィードバック、前記加工対象物の位置フィードバック、及び、前記位置指令に基づいて前記モータを制御するサーボ制御部のサーボパラメータのうちの少なくとも１つと前記位置指令とに基づいて、前記工作機械の伝達特性を決定する、
請求項１に記載の工作機械の加工シミュレーション装置。
前記加工シミュレーション部による前記加工対象物の加工シミュレーションの結果を表示する表示部を更に備える、請求項１又は２に記載の工作機械の加工シミュレーション装置。