JP3119886U - 不正表面加工用の工具位置制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】被加工体表面に存在する反りや歪み等を補正しながら効率よく加工ができ、かつ、被加工体表面へのキズ等の問題を回避できる工具位置の制御システムを提供すること。
【解決手段】位牌表面に対する３次元機械加工を工具により行う場合の工具加工位置を制御するシステムにおいて、工具２と連動して移動し、位牌表面の高さ方向の位置を検出する検出センサー３と、エアカットによる工具２の水平方向の移動量を読み出す移動量読み出し手段２１と、移動量が所定値よりも大きな場合、当該エアカット後の加工開始位置の高さ位置を検出センサー３により検出させるセンサー制御手段２２と、検出センサー３による検出結果に基づいて、工具２の加工開始位置における高さを補正する工具制御手段２３とを備えた。
【選択図】図４

Description

本考案は、被加工体表面に対する３次元機械加工を工具により行う場合の工具位置を制御するシステムに関するものである。

かかる制御システムは、例えば、位牌の表面（被加工体表面に相当）に戒名を彫刻する場合に、彫刻機の動作を制御する際に用いられる。彫刻機には、文字を彫刻するための工具が設けられており、予め入力した３次元加工データに基づいて、３次元機械加工を行う。

ところで、位牌は白木などの木製で製作されており、表面は完全な水平面ではなく、わずかではあるが、反りや歪みが存在する。また、塗装やメッキされた金属表面についても、同様の歪みや凹凸を有し完全な水平面ではない。このような表面を本発明において不正表面と定義する。一方、３次元加工データは、そのような反りや歪みを考慮して作成されていないため、これを考慮しないで加工を行うと品質の良い文字を彫刻することができない。かかる問題点に対処するため、図５に示すような従来技術が知られている。

図５において、スピンドル１０１の下方に工具１０２が取り付けられている。工具１０２の周囲には、フード１０３が設けられ、その先端部１０３ａが位牌表面Ａに接触する。位牌表面Ａに反り等があると、フード１０３も連動して上下動するようになっており、これに連動して工具１０２も上下動する。これにより、工具１０２の高さ位置が補正される。このように、工具１０２の高さを補正しながら、彫刻を行うことができる。

別の実施形態を示す図６において、同じように工具１０２の周囲にフード１０３が設けられており、その先端部１０３ａが位牌表面Ａに接触している。これにより、位牌表面Ａの反り等によりフード１０３が上下動し、その大きさをエンコーダ１０４により検出する。高さ制御部１０５は、このエンコーダ１０４による検出結果に基づいて、工具１０２の高さ位置を補正・制御することができる。

しかしながら、これらの図に示す従来技術は、いずれも位牌表面Ａに常時接触するフードによりこすっており、表面へキズを生じさせるという問題が生じる。

一方、彫刻を行う前に位牌表面のすべての凹凸情報をセンサーにより検出し、この検出結果を得た後、工具の高さ位置を制御するシステムも考えられる。しかし、このようなシステムは、加工時間がかかるという問題があり、効率のよいシステムではない。

本考案は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、被加工体表面に存在する反りや歪み等を補正しながら効率よく加工ができ、かつ、被加工体表面へのキズ等の問題を回避できる不正表面加工用の工具位置制御システムを提供することである。

上記課題を解決するため本考案に係る不正表面加工用の工具位置制御システムは、
被加工体表面に対する３次元機械加工を工具により行う場合の工具位置を制御するシステムにおいて、
工具と連動して移動し、被加工体表面の高さ方向の位置を検出する検出センサーと、
エアカット（加工をする場合の工具の早送り）による工具の水平方向の移動量を読み出す移動量読み出し手段と、
前記移動量が所定値よりも大きな場合、当該エアカット後の加工開始位置の高さ位置を前記検出センサーにより検出させるセンサー制御手段と、
検出センサーによる検出結果に基づいて、工具の前記加工開始位置における高さを補正する工具制御手段とを備えたことを特徴とするものである。

かかる構成による工具位置の制御システムの作用・効果を説明する。工具は、被加工体表面に対する３次元機械加工を行うことができる。また、工具と連動して共に移動する検出センサーを備えており、被加工体表面の高さ方向の位置を検出することができる。ただし、常時高さ位置を計測するのではなく、後述するように、検出する回数は必要最小限となるように抑えている。移動量読み出し手段は、エアカットによる工具の水平方向の移動量を読み出す。エアカット（空切削）は、ある加工位置から別の加工位置へ移動する場合に、実際に被加工体に対する加工を伴わないで移動すること（早送り）をいう。

ここで、エアカットによる水平方向移動量が所定値よりも大きいか否かを判断する。所定値よりも小さな場合は、反り等の影響は少ないが、所定値よりも大きくなると距離が離れるため、反り等の影響が大きくなると考えられる。そこで、エアカット後の加工開始位置の高さを補正するのは、移動量が所定値以上となる場合に限り行うようにする。これにより、検出センサーによる高さ検出の回数を抑えることができ（高さ検出は常時行うのではなく、必要に応じて間歇的に行なうようにでき）、効率よく加工を進めることができる。また、従来技術のように表面に常時接触させるフードのような部材は必要なく、被加工体表面に対してダメージを与えることがない。その結果、被加工体表面に存在する反りや歪み等を補正しながら効率よく加工ができ、かつ、被加工体表面へのキズ等の問題を回避できる工具位置の制御システムを提供することができる。

上記課題を解決するため本考案に係るもう１つの工具位置の制御システムは、
被加工体表面に対する３次元機械加工を工具により行う場合の工具位置を制御するシステムにおいて、
工具と連動して移動し、被加工体表面の高さ方向の位置を検出する検出センサーと、
エアカットによる工具の水平方向の移動時間を演算する移動時間演算手段と、
前記移動時間が所定値よりも大きな場合、当該エアカット後の加工開始位置の高さ位置を前記検出センサーにより検出させるセンサー制御手段と、
検出センサーによる検出結果に基づいて、工具の前記加工開始位置における高さを補正する工具制御手段とを備えたことを特徴とするものである。

前期においては、エアカットによる水平方向移動量が所定値よりも大きいか否かに基づいて判断したが、移動量ではなく移動時間に基づいて判断することもできる。すなわち、移動時間が所定値よりも大きくなると距離が離れると考えられるため、反り等の影響が大きくなると考えられる。そこで、エアカット後の加工開始位置の高さを補正するのは、移動時間が所定値以上となる場合に限り行うようにする。これにより、検出センサーによる高さ検出の回数を抑えることができ（高さ検出は常時行うのではなく、必要に応じて間歇的に行なうようにでき）、効率よく加工を進めることができる。その結果、被加工体表面に存在する反りや歪み等を補正しながら効率よく加工ができ、かつ、被加工体表面へのキズ等の問題を回避できる工具位置の制御システムを提供することができる。

＜制御システムの全体構成＞
本考案に係る工具位置の制御システムの好適な実施形態を図面を用いて説明する。具体的には、位牌表面に戒名を彫刻するための彫刻機の工具位置を制御するシステムである。

図１は、制御システムの外観構成を示す図である。工具ヘッド１には、工具２と検出センサー３が支持されている。工具２は、彫刻対象である位牌Ｍ（被加工体に相当）の表面に戒名を彫るためのカッターである。検出センサー３は、位牌Ｍの表面の高さ情報を検出するためのセンサーである。工具２と検出センサー３は、共に上下方向（ｚ方向）に駆動される。ｚ方向の駆動機構は、工具ヘッド１に設けられている。

工具ヘッド１は、略門型の可動ベース４に支持されており、不図示の駆動機構により、左右方向（ｘ方向）に駆動される。可動ベース４は、固定ベース５に支持されており、不図示の駆動機構により前後方向（ｙ方向）に駆動される。このような機構を採用することで、工具２及び検出センサー３は、３次元（ｘｙｚ）方向に駆動される。

固定ベース５には、位牌Ｍを固定するための取り付けベース６が設けられており、彫刻対象である位牌Ｍを適宜の方法で固定する。

パソコン７は、彫刻機の動作を制御するものであり、そのための制御プログラムがインストールされている。また、位牌Ｍに彫刻するための３次元加工データが格納されている。パソコン７と彫刻機とは、適宜の通信回線により接続される。パソコン７には、指令を与えるための操作部８（キーボード）が設けられる。

＜制御システムの機能ブロック図＞
次に、図１に示す制御システムの機能について、図２のブロック図により説明する。工具２は、ｚ方向に移動可能であり、そのためのｚ方向駆動機構１０が設けられる。検出センサー３もｚ方向に移動可能であり、そのためのセンサー駆動機構１１が設けられる。また、検出センサー３の上下移動に連動して信号を出力するエンコーダ１２が設けられている。このエンコーダ１２の出力信号に基づいて、検出センサー３の先端位置、すなわち、位牌表面の高さ情報を知ることができる。このように工具２と検出センサー３とは、それぞれ独立してｚ方向に移動させることができ、水平方向の両者の間隔はＬで表わされる。工具２と検出センサー３とは、共に工具ヘッド１に保持されているため、間隔Ｌを維持したまま移動することができる。

図１で説明したように、工具ヘッド１をｘ方向に駆動するためのｘ方向駆動機構１３と、ｙ方向に駆動するためのｙ方向駆動機構１４とが設けられている。

次に、パソコン７内に搭載される機能を説明する。３次元加工データ２０は、位牌Ｍの表面に文字を彫刻するための加工データであり、このデータに基づいて工具のパスが決定される。移動量読み出し手段２１は、３次元加工データ２０からエアカットによる工具の水平方向の移動量（エアカット距離）を読み出す機能を有する。このエアカット距離について、図３により説明する。

図３は、位牌表面に「和」という文字を彫刻する場合の加工順序の一例を示す。例えば、文字のうち領域Ｒ１の次に領域Ｒ２の加工を行うものと仮定する。領域Ｒ１内の加工を行う場合、エアカットはなく、工具２による実際の加工が連続的に行われる。仮に、領域Ｒ１における加工終了位置をＰ１とし、次に加工すべき領域Ｒ２の加工開始位置をＰ２とすると、このＰ１からＰ２までの工具２の移動がエアカットである。

同様に領域Ｒ２における加工終了位置をＲ３とし、次に加工する領域の加工開始位置をＰ４とすると、エアカット距離はＤ２となる。このように、工具２の移動は加工領域内の移動と、エアカットによる移動により構成される。

この場合、位牌表面が完全に水平面であれば問題はないが、実際には材質の問題によりコンマ数ミリの反りや歪みが存在する。３次元加工データは、このような反り等を考慮して作成されていないので、反り等が実際に存在すると、所望の品質の文字を彫刻できないことになる。そこで、本考案においては、位牌表面の高さ情報を検出して工具２の高さ位置を補正しながら加工を行うようにしている。

このような制御を行うため、移動量読み出し手段２１はエアカット距離を読み出す機能を有する。そして、このエアカット距離が所定値よりも大きいか否かを判定する。これは、所定値よりも大きければ、反り等の影響を無視できないと考えられるからである。

エアカット距離が所定値よりも大きければ、センサー制御手段２２により検出センサー３を駆動して、加工開始位置における位牌表面の高さを検出するようにする。所定値よりも小さい場合は、高さ検出は行わない。すなわち、検出センサー３は、通常は位牌表面から離れた位置にあり、高さ検出を行うときだけ検出センサー３の先端が位牌表面に接触する。従って、検出センサー３の表面が位牌表面を擦ることはないので、表面に対して与えるダメージは少なくてすむ。

検出センサー３の上下移動に連動してエンコーダ１２が回転されるので、上下方向の移動距離をエンコーダ１２からの出力信号に基づいて検出することができる。また、検出センサー３の先端が表面に接触すると、これ以上下方に移動できないのでエンコーダ１２からの出力信号が出なくなる。これにより、位牌表面の高さ情報を得ることができる。なお、検出センサー３による検出原理はこれに限定されるものではなく、他の手法を用いても良い。

センサー制御手段２２により高さ位置を検出すると、その情報は工具制御手段２３へと伝送される。これにより、３次元加工データのうち、ｚ方向のデータが補正された上で工具２に対する位置制御が行われる。工具制御手段２３は、３次元加工データ２０に基づいて工具２の位置を制御するため、ｘｙｚそれぞれの駆動機構１０，１３，１４に対して指令信号を出すことができる。

＜加工手順＞
次に、本実施形態による工具加工位置の制御システムによる位牌の加工手順を図４のフローチャートにより説明する。

まず、工具を初期位置から移動開始する（＃１）。工具２が最初に加工すべき領域の加工開始位置に到達する（＃２）。３次元加工データ２０に基づいて、工具２による彫刻を行う（＃３）。工具２が加工領域における加工終了位置に到達する（＃４）。すべての領域の加工を終了したか否かを判断し（＃５）、終了していれば、工具２を初期位置に復帰させる（＃１２）。

加工領域が残っている場合、エアカット距離のデータを読み出し、所定値よりも大きいか否かを判断する（＃６，７）。所定値よりも大きい場合は、エアカットの移動を行い、次の加工開始位置に検出センサー３を位置させ、高さ情報の計測を行う（＃８，９）。すなわち、検出センサー３が次の加工開始位置に到達すると、検出センサー３を下方に移動させて先端を表面に接触させる。これにより、高さ情報を得ることができる。この検出結果に基づいて、ｚ方向の補正データを演算する（＃１０）。この補正データに基づいて、次の加工領域の高さ情報はすべて補正されることになる。

検出センサー３による検出が終了すると、検出センサー３を上昇させるとともに、同じ加工開始位置に工具２を移動させる（＃１１）。この移動距離は図２に示すＬに相当する。ついで、ステップ＃２に戻り、次の領域の加工が行われる。

ステップ＃７において、エアカット距離が所定値よりも小さい場合は、検出センサー３による検出動作は行わないので、次の加工開始位置に工具２が直接移動されることになる（＃１３）。

＜別実施形態＞
本実施形態では、彫刻機により位牌を彫刻する場合の工具の位置制御を説明したが、本考案は、これに限定されるものではなく、他の被加工体（例えば、塗装やメッキされた板金の表面）を加工する場合にも応用できるものである。また、工具の種類、検出センサーによる検出方式、工具を駆動する駆動機構などについても種々の変形例が考えられ、本考案は、特定の構成に限定されるものではない。

本実施形態においては、エアカットによる移動量が所定値以上か否かに基づいて高さ検出を行なっているが、エアカットによる工具の水平方向の移動時間を演算する移動時間演算手段を設けて、移動時間が所定値以上か否かに基づいて高さ検出を行なうようにしてもよい。

制御システムの全体構成を示す概念図 制御システムの機能を示すブロック図 エアカットを説明する図 加工手順を示すフローチャート 従来技術を示す図 従来技術を示す図

符号の説明

Ｍ 位牌
１ 工具ヘッド
２ 工具
３ 検出センサー
１０ ｚ方向駆動機構
１１ センサー駆動機構
１２ エンコーダ
１３ ｘ方向駆動機構
１４ ｙ方向駆動機構
２０ ３次元加工データ
２１ 移動量読み出し手段
２２ センサー制御手段
２３ 工具制御手段

Claims (2)

1. 被加工体表面に対する３次元機械加工を工具により行う場合の工具位置を制御するシステムにおいて、
   工具と連動して移動し、被加工体表面の高さ方向の位置を検出する検出センサーと、
   エアカットによる工具の水平方向の移動量を読み出す移動量読み出し手段と、
   前記移動量が所定値よりも大きな場合、当該エアカット後の加工開始位置の高さ位置を前記検出センサーにより検出させるセンサー制御手段と、
   検出センサーによる検出結果に基づいて、工具の前記加工開始位置における高さを補正する工具制御手段とを備えたことを特徴とする不正表面加工用の工具位置制御システム。
2. 被加工体表面に対する３次元機械加工を工具により行う場合の工具位置を制御するシステムにおいて、
   工具と連動して移動し、被加工体表面の高さ方向の位置を検出する検出センサーと、
   エアカットによる工具の水平方向の移動時間を演算する移動時間演算手段と、
   前記移動時間が所定値よりも大きな場合、当該エアカット後の加工開始位置の高さ位置を前記検出センサーにより検出させるセンサー制御手段と、
   検出センサーによる検出結果に基づいて、工具の前記加工開始位置における高さを補正する工具制御手段とを備えたことを特徴とする不正表面加工用の工具位置制御システム。

Images