JP2021039533A

JP2021039533A - 工具経路修正装置

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Publication number: JP2021039533A
Application number: JP2019160230A
Authority: JP
Inventors: 極齊藤; Kyoku Saito; 花岡　修; Osamu Hanaoka; 修花岡
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2021-03-11
Anticipated expiration: 2039-09-03
Also published as: CN112445180A; JP7448322B2; DE102020005162A1; US20210063994A1; US11507047B2

Abstract

【課題】被加工物を目標形状により正確に加工することができるよう工具が移動する工具経路を修正できる工具経路修正装置を提供すること。
【解決手段】本開示の一態様に係る工具経路修正装置は、被加工物を加工する工具が移動する工具経路を前記工具が通過すべき複数の指令点により特定する工具経路情報を取得する工具経路取得部と、前記工具の形状を特定する工具形状情報を取得する工具形状取得部と、前記被加工物の加工後の目標形状を特定する目標形状情報を取得する目標形状取得部と、前記目標形状の曲率が大きいほど前記指令点の密度が大きくなるよう、前記指令点の密度を調整する密度調整部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、工具経路修正装置に関する。

工作機械において被加工物を工具で加工するために、例えばＣＡＤ等により生成した被加工物の加工後の目標形状（製品形状）に沿って工具を相対移動させるよう、数値制御装置に対する命令を作成することが行われている。工具は立体形状を有するため、工具の移動経路のプロファイルと、加工後の被加工物の表面形状とは完全には一致しない。このため、工具の形状を考慮して、工具の移動経路を修正する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開ＷＯ２０１７／１１０２３６号

通常、工具が移動する工具経路の情報は、工具が通過すべき複数の指令点の座標の集まりとして表現される。つまり、工作機械において、工具は、工具経路情報に含まれる複数の指令点を直線で接続した経路を移動する。このため、被加工物の目標形状が曲面を有する場合、工具を複数の指令点を直線で接続した工具経路に沿って移動すると、指令点の間で工具が目標形状から離間したり目標形状に食い込んだりする。また、指令点の位置が適切でないと、指令点においても工具が目標形状から離間したり目標形状に食い込んだりする。これよって、加工後の被加工物の形状の目標形状に対する誤差が生じる。そこで、被加工物を目標形状により正確に加工することができるよう工具が移動する工具経路を修正できる工具経路修正装置が望まれる。

本開示の一態様に係る工具経路修正装置は、被加工物を加工する工具が移動する工具経路を前記工具が通過すべき複数の指令点により特定する工具経路情報を取得する工具経路取得部と、前記工具の形状を特定する工具形状情報を取得する工具形状取得部と、前記被加工物の加工後の目標形状を特定する目標形状情報を取得する目標形状取得部と、前記目標形状の曲率が大きいほど前記指令点の密度が大きくなるよう、前記指令点の密度を調整する密度調整部と、を備える。

本開示に係る工具経路修正装置によれば、被加工物を目標形状により正確に加工することができるよう工具が移動する工具経路を修正できる。

本開示の第１実施形態の工具経路修正装置を備える加工システムの構成を示すブロック図である。ＣＡＭが生成する工具経路を例示する模式図である。図２の工具経路の指令点の位置調整を例示する模式図である。ボールエンドミルの工具経路の指令点の位置調整例を詳細に示する模式図である。ラジアスエンドミルの工具経路の指令点の位置調整例を詳細に示する模式図である。ボールエンドミルの工具経路の指令点の図４とは異なる位置調整例を詳細に示する模式図である。図３の工具経路の指令点の密度の調整を例示する模式図である。本開示の第２実施形態の工具経路修正装置を備える加工システムの構成を示すブロック図である。図８の工具経路修正装置による工具経路の指令点の位置調整を例示する模式図である。

＜第１実施形態＞
以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本開示の第１実施形態の工具経路修正装置を備える加工システムの構成を示すブロック図である。図１の加工システムは、ＣＡＤ１と、ＣＡＭ２と、本開示の一実施形態の工具経路修正装置３と、ポストプロセッサ４と、数値制御装置５と、工作機械６とを備える。

ＣＡＤ１は、コンピュータを用いて設計を行う公知のシステムである。つまり、ＣＡＤ１は、工作機械６において加工される被加工物の加工後の目標形状（製品形状）を設計するために使用される。目標形状は、平面、円筒面、球面、ベジエ曲面、ＮＵＲＢＳ曲面等により特定されてもよい。

ＣＡＭ２は、工作機械６により被加工物をＣＡＤ１により設計した目標形状に加工するために、工作機械６を制御する数値制御装置５が利用する加工プログラム等を生成する公知のシステムである。ＣＡＭ２は、被加工物を加工する工具が移動する工具経路を工具が通過すべき複数の指令点により特定する工具経路情報を生成する。このために、ＣＡＭ２は、ＣＡＤ１により作成された目標形状に対応する加工領域の形状を生成してもよい。工具経路情報は、個々の工作機械６の構成及び設定を考慮しないＣＬ（ＣｕｔｔｅｒＬｏｃａｔｉｏｎ）データの形式で生成され得る。

工具経路情報は、工具のどの部分が工具経路上を移動するかについての情報を含んでもよい。工具の工具経路上を移動する部分（以下、基準点ということがある）としては、工具先端、工具形状の中心（例えばボールエンドミルのボール中心）等が挙げられる。また、工具経路情報は、工具経路を工具が移動する際の移動が、切削送りか非切削送り（早送り）かの情報を含んでもよい。さらに、工具経路情報は、工具経路を工具が移動する際の具体的な送り速度の情報を含んでもよい。

図２に、複数の指令点Ｐを含む工具経路Ｆを示す。図２は、各指令点Ｐにおける工具の形状Ｍと、目標形状Ｓとを示す。図示するように、指令点Ｐにおける工具の形状Ｍは、理想的には目標形状Ｓに接触するが、実際には目標形状Ｓに食い込んだり、目標形状Ｓから離間したりする場合がある。

工具経路修正装置３は、工具経路取得部３１と、工具形状取得部３２と、目標形状取得部３３と、指令点調整部３４と、密度調整部３５と、工具経路出力部３６と、を有する。工具経路修正装置３は、例えばＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェイス等を備えるコンピュータ装置に適切な制御プログラムを実行させることにより実現することができる。工具経路修正装置３の工具経路取得部３１、工具形状取得部３２、目標形状取得部３３、指令点調整部３４、密度調整部３５及び工具経路出力部３６は、機能的に区別されるものであって、物理的構成及びプログラム構成において明確に区分できなくてもよい。また、工具経路修正装置３は、ＣＡＭ２、ポストプロセッサ４等の他の装置と一体に構成されてもよい。つまり、工具経路修正装置３は、ＣＡＭ２、ポストプロセッサ４等に制御プログラムを追加することによって実現されてもよい。

工具経路取得部３１は、ＣＡＭ２が生成した工具経路情報を取得する。工具経路取得部３１は、不図示のサーバ、記録媒体等を介して工具経路情報を取得してもよい。

工具形状取得部３２は、工具の形状を特定する工具形状情報を取得する。工具形状取得部３２は、ＣＡＭ２から、ＣＡＭ２が工具経路情報を生成するために用いた工具形状情報を取得するよう構成することができる。また、工具形状取得部３２は、不図示のサーバ、記録媒体等から工具形状情報を取得するよう構成されてもよい。

目標形状取得部３３は、被加工物の加工後の目標形状を特定する目標形状情報を取得する。目標形状情報は、ＣＡＤ１において生成される製品形状の情報であってもよく、ＣＡＭ２により作成される加工領域の形状（例えば複数の平面の集合として近似した加工面の形状等）の情報であってもよい。つまり、目標形状取得部３３は、ＣＡＤ１から目標形状情報を取得してもよく、ＣＡＭ２から目標形状情報を取得してもよい。また、目標形状取得部３３は、他の装置又は記録媒体から目標形状情報を取得してもよい。

指令点調整部３４は、図３に例示するように、工具形状情報及び目標形状情報に基づいて、目標形状Ｓに工具の形状Ｍが接触するよう指令点Ｐの位置を調整する。つまり、指令点調整部３４は、指令点Ｐにおける工具のモデルが製品のモデルに接するよう工具経路情報の指令点Ｐの位置を修正する。なお、「目標形状に工具の形状が接触する」とは、一定の誤差を許容するものであり、目標形状Ｓと工具の形状Ｍとの間隔又は重複量が一定の値以下となることを意味する。

指令点調整部３４は、指令点Ｐを工具の回転軸方向に移動してもよい。指令点Ｐを工具の回転軸方向に移動することで、指令点Ｐの位置調整の演算負荷を抑制することができる場合が多い。より詳しくは、指令点調整部３４は、工具経路Ｆの指令点Ｐにおける工具の形状Ｍと目標形状Ｓとの距離を計算し、この距離が許容値を超える場合には、工具の形状Ｍが目標形状Ｓに接するよう指令点Ｐを工具の回転軸方向に移動してもよい。

図４に、工具がボールエンドミルである場合を示す。図では、調整後の指令点をＰｓとし、調整前の工具の形状Ｍを実線で、調整後の工具の形状Ｍを二点鎖線で示す。ボールエンドミルは、その形状Ｍの先端が球面状であり、この球面状の部分で被加工物を切削する。この例において、指令点Ｐに位置するボールエンドミルの基準点は、工具のボール形状の中心である。工具の形状Ｍと目標形状Ｓとの距離は、指令点Ｐと目標形状Ｓとの距離と工具先端のボール形状の半径Ｒとの差として算出される。このため、指令点Ｐの調整は、指令点Ｐと目標形状Ｓとの距離が工具の半径Ｒと等しくなるよう指令点Ｐを工具の回転軸方向に移動した位置を調整後の指令点Ｐｓの位置とする。

図５に、工具がラジアスエンドミルである場合を示す。ラジアスエンドミルは、先端の平面部又は先端の平面と半径Ｒの円筒状の側面とを接続する半径ｒの角部で被加工物を切削する。ラジアスエンドミルの指令点Ｐに位置する工具の基準点は、回転軸上の工具先端位置である。工具の形状Ｍと目標形状Ｓとの距離は、（１）工具の回転軸からの距離が（Ｒ−ｒ）以下の領域での目標形状Ｓの最も高い点と指令点Ｐの高さとの差と、（２）工具の回転軸からの距離が（Ｒ−ｒ）以上Ｒ以下の領域での回転軸を通る断面での角部の中心と目標形状Ｓとの最短距離と角部の半径ｒとの差との大きい方の値となる。このため、指令点Ｐの調整は、（１）及び（２）の大きい方の値が０になるよう指令点Ｐを工具の回転軸方向に移動した位置を調整後の指令点Ｐｓとする。なお、工具がスクエアエンドミルである場合、ラジアスエンドミルの角部の半径ｒが０であるものと考えればよい。

また、指令点調整部３４は、指令点Ｐを目標形状Ｓの法線方向に移動してもよい。指令点Ｐを目標形状Ｓの法線方向に移動することで、指令点Ｐの移動量を比較的小さくすることができる。

図６に、工具がボールエンドミルである場合を示す。調整後の指令点Ｐｓは、目標形状Ｓの調整前の指令点Ｐに最も近い点Ａにおける法線方向に調整前の指令点Ｐを移動した点とされる。なお、指令点Ｐと目標形状Ｓの最近点Ａとの距離が工具の半径Ｒよりも大きい場合には指令点Ｐを最近点Ａに近付ける方向に、指令点Ｐと最近点Ａとの距離が工具の半径Ｒよりも小さい場合には指令点Ｐを最近点Ａから遠ざける方向に移動する。

調整後の指令点Ｐｓに対する目標形状Ｓの最近点Ａｓは、工具形状Ｍと目標形状Ｓとが接する点であり、工具により被切削物を切削する切削点となる。指令点調整部３４は、この切削点Ａｓの座標を記憶し、密度調整部３５に提供してもよい。

密度調整部３５は、目標形状Ｓの曲率が大きいほど指令点Ｐの密度が大きくなるよう、指令点Ｐの密度を調整する。つまり、密度調整部３５は、図７に示すように、目標形状Ｓの曲率に応じて、工具経路情報に指令点Ｐを追加する。目標形状Ｓの曲率が大きい部分では指令点Ｐの間隔を小さくすることによって、隣接する指令点Ｐの間における目標形状Ｓと工具が被加工物に作用する切削点との位置ずれを小さくすることができる。また、密度調整部３５は、必要に応じて工具経路情報の指令点Ｐの一部を削除してもよい。目標形状Ｓの曲率が小さい部分では指令点Ｐの数を少なくすることによって、工具経路情報のデータ量を小さくし、ポストプロセッサ４及び数値制御装置５の演算負荷を軽減することができる。

密度調整部３５は、目標形状Ｓの曲率を計算する曲率計算部３５１と、指令点Ｐを追加及び削除する指令点増減部３５２とを有する構成とすることができる。

曲率計算部３５１は、目標形状Ｓの全ての位置における曲率を算出してもよいが、指令点調整部３４から取得される切削点Ａにおける目標形状Ｓの曲率を選択的に算出してもよい。切削点Ａにおける曲率を算出することで、比較的小さい演算負荷で適切な指令点の密度を導出することができる。具体的には、連続する３つの指令点Ｐ（ｉ−１）、Ｐ（ｉ）、Ｐ（ｉ＋１）での切削点Ａ（ｉ−１）、Ａ（ｉ）、Ａ（ｉ＋１）を算出し、切削点Ａ（ｉ−１）、Ａ（ｉ）、Ａ（ｉ＋１）を通る円の半径として指令点Ｐ（ｉ）における目標形状Ｓの曲率半径（曲率の逆数）を算出することができる。

指令点増減部３５２は、図７に詳細に示すように、目標形状Ｓの曲率が大きい部分に、工具形状Ｍが目標形状Ｓと接触するような指令点Ｐｃを追加する。曲率半径と切削点Ａ（ｉ）から次の切削点Ａ（ｉ＋１）までの距離とから、指令点Ｐ（ｉ）から次の指令点Ｐ（ｉ＋１）まで工具を直線移動した場合の切削点Ａの軌跡と目標形状Ｓとの乖離幅が求められる。この乖離幅が許容値を超える場合には、乖離幅が許容値以下になるように指令点Ｐ（ｉ）と次の指令点Ｐ（ｉ＋１）の間に１つ以上の指令点Ｐｃを追加する。また、切削点Ａ（ｉ）と次の切削点Ａ（ｉ＋１）との間での乖離幅が許容値以下である場合、さらに次の指令点Ｐ（ｉ＋２）での切削点Ａ（ｉ＋２）を求め、切削点Ａ（ｉ）から切削点Ａ（ｉ＋２）を直線で結んだ場合の乖離幅が許容値以下であれば、指令点Ｐ（ｉ＋１）を削除してもよいと判断することができる。

工具経路出力部３６は、指令点調整部３４及び密度調整部３５によって修正された工具経路情報を記憶し、必要に応じてポストプロセッサ４に出力する。

ポストプロセッサ４は、工具経路修正装置３から出力される工具経路情報のデータ形式を数値制御装置５が処理可能なデータ形式に変換する。典型的には、ポストプロセッサ４は、ＣＬデータ形式の工具経路情報を、Ｇコードに変換する。ポストプロセッサ４としては、周知のものを使用することができる。

数値制御装置５は、ポストプロセッサ４から入力される工具経路情報に従って、工作機械６を制御する。数値制御装置５としては、周知のものを使用することができる。

工作機械６は、数値制御装置５からの指示に従って、工具を用いて被加工物を加工する。工作機械６としては、周知のものを使用することができる。

以上のように、図１の加工システムは、工具経路修正装置３を備えることによって、切削点Ａと目標形状Ｓとの乖離幅が抑制されるため、被加工物を目標形状Ｓにより正確に加工することができる。また、工具が被加工物の表面を移動する線間のずれが小さくなることで、被加工物の表面に意図しない線状の模様が形成されることを抑制できるので、被加工物を加工して得られる製品の美観を向上することができる。

＜第２実施形態＞
図８は、本開示の第２実施形態の工具経路修正装置を備える加工システムの構成を示すブロック図である。図８の加工システムは、ＣＡＤ１と、ＣＡＭ２と、本開示の一実施形態の工具経路修正装置３Ａと、ポストプロセッサ４と、数値制御装置５と、工作機械６とを備える。図８の加工システムについて、図１の加工システムと同様の構成要素には、同じ符号を付して重複する説明を省略する。図８の加工システムでは、工具経路修正装置３Ａは、ポストプロセッサ４が数値制御装置５に入力する例えばＧコードによって記述される加工プログラムを修正する。

工具経路修正装置３Ａは、工具経路取得部３１Ａと、工具形状取得部３２と、目標形状取得部３３と、密度調整部３５Ａと、拘束面設定部３７と、指令点調整部３４Ａと、曲線算出部３８と、工具経路出力部３６Ａと、を備える。工具経路修正装置３Ａは、例えばＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェイス等を備えるコンピュータ装置に適切な制御プログラムを実行させることにより実現することができ、ポストプロセッサ４、数値制御装置５等と一体に構成されてもよい。

工具経路取得部３１Ａは、ポストプロセッサ４から工具経路情報を取得する。したがって、工具経路取得部３１Ａが取得する工具経路は、例えばＧコード等の形式とされる。

密度調整部３５Ａは、目標形状Ｓの曲率が大きいほど指令点Ｐの密度が大きくなるよう、指令点Ｐの密度を調整する。密度調整部３５Ａは、目標形状Ｓの曲率を計算する曲率計算部３５１Ａと、指令点Ｐを追加及び削除する指令点増減部３５２Ａとを有する構成とすることができる。

曲率計算部３５１Ａは、目標形状Ｓの各指令点Ｐに最も近い最近点Ａにおける曲率を算出する。具体的には、３つの最近点Ａを通る円の半径を中央の最近点Ａにおける目標形状Ｓの曲率半径とすることができる。

指令点増減部３５２Ａは、目標形状Ｓの曲率が大きい部分に、隣接する指令点Ｐを結ぶ直線上に新たな指令点Ｐを追加する。

拘束面設定部３７は、工具（指令点）をその面内で移動させるべき拘束面を設定する。補正前の工具経路がある面内に延在している場合、補正により工具経路が元の面から外れると、望ましくない工具の横揺れが生じる可能性がある。このため、修正前の工具経路が存在する面を拘束面とする（ドライブ面とも呼ばれる）。例として、工具がＸＺ面内を移動し加工する走査線加工では、ＸＺ面が拘束面となる。また、拘束面は曲面であってもよい。この場合、拘束面は、指令点Ｐ毎に設定される。具体的には、指令点Ｐ（ｉ）における拘束面は、この指令点Ｐ（ｉ）と前後の指令点Ｐ（ｉ−１）及びＰ（ｉ＋１）の３点を含む平面として設定することができる。

指令点調整部３４Ａは、指令点Ｐの位置を元の指令点Ｐにおける拘束面に沿って移動することにより、目標形状Ｓに工具の形状Ｍが接触するよう指令点Ｐの位置を調整する。これにより、指令点Ｐの調整によって工具の横揺れ等の発生を抑制することができる。

指令点調整部３４Ａは、図９に示すように、例えば工具の回転軸方向、目標形状Ｓの切削点Ａにおける法線方向等に指令点Ｐを移動した後、移動した指令点Ｐをさらに切削点Ａにおける目標形状Ｓの接線方向に移動することにより、調整後の指令点Ｐｓを拘束面Ｃに配置してもよい。この場合、指令点Ｐを拘束面Ｃに移動する際に工具形状Ｍと目標形状Ｓとの相対位置がずれるため、工具形状Ｍと目標形状Ｓとの距離を再計算し、この距離が許容値以下となるまで、指令点Ｐの移動を繰り返すことが好ましい。

曲線算出部３８は、隣接し合う指令点Ｐの間における工具経路Ｆを、指令点Ｐ，Ｐｓ，Ｐｃを通る曲線として算出する。これにより、目標形状Ｓが滑らかな曲面である場合に、目標形状Ｓと切削点Ａの軌跡の乖離を小さくすることができる。曲線算出部３８が算出する曲線は、例えば円弧、スプライン曲線、ベジエ曲線、ＮＵＲＢＳ曲線等とすることができる。

工具経路出力部３６Ａは、数値制御装置５に対して、指令点Ｐが調整された工具経路情報を記憶し、必要に応じて数値制御装置５に出力する。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限るものではない。また、上述の実施形態に記載された効果は、本開示から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本開示による効果は、上述の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

第１実施形態のように、与えられる工具経路情報の指令点の誤差が小さく、密度調整部が目標形状に工具の形状が接触するような指令点を追加する場合、指令点調整部を省略してもよい。

１ＣＡＤ
２ＣＡＭ
３工具経路修正装置
４ポストプロセッサ
５数値制御装置
６工作機械
３１，３１Ａ工具経路取得部
３２工具形状取得部
３３目標形状取得部
３４，３４Ａ指令点調整部
３５密度調整部
３６，３６Ａ工具経路出力部
３７拘束面設定部
３８曲線算出部
３５１，３５１Ａ曲率計算部
３５２，３５２Ａ指令点増減部

Claims

被加工物を加工する工具が移動する工具経路を前記工具が通過すべき複数の指令点により特定する工具経路情報を取得する工具経路取得部と、
前記工具の形状を特定する工具形状情報を取得する工具形状取得部と、
前記被加工物の加工後の目標形状を特定する目標形状情報を取得する目標形状取得部と、
前記目標形状の曲率が大きいほど前記指令点の密度が大きくなるよう、前記指令点の密度を調整する密度調整部と、
を備える工具経路修正装置。
前記工具形状情報及び前記目標形状情報に基づいて、前記目標形状に前記工具の形状が接触するよう前記指令点の位置を調整する指令点調整部をさらに備える請求項１に記載の工具経路修正装置。
前記工具をその面内で移動させるべき拘束面を設定する拘束面設定部をさらに備え、
前記指令点調整部は、前記指令点の位置を前記拘束面に沿って移動する、請求項２に記載の工具経路修正装置。
隣接し合う前記指令点の間における前記工具経路を、前記指令点を通る曲線として算出する曲線算出部をさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載の工具経路修正装置。