JP3563077B2 - 数値制御指令作成装置及び方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、NC工作機械がオリエンテーション動作を行なうための指令を作成する装置及び方法に関するものである。
尚、オリエンテーション動作とは、工具に対するワークピースの姿勢、あるいは、ワークピースに対する工具の姿勢を変更する動作のことである。
背景技術
従来、５軸加工機を用いて自由曲面を加工する際は、まず、直線軸に対する補間指令と同時に工具を保持するユニットの回転軸に対する補間指令やワークピースを積載するテーブルの回転軸に対する補間指令を含んだNCプログラムを自動プログラミング装置で作成し、このNCプログラムを５軸加工機用数値制御装置に与えることにより自由曲面加工を行なっていた。
上記自動プログラミング装置は、直線軸に対する補間指令を生成するとともに、この補間指令に基づいて工具が加工曲面に接触する加工ポイント毎にこの曲面に対する最適ベクトルを計算し、工具がこの加工ポイントで常に最適なベクトル方向に位置するように工具を保持するユニットの回転軸やワークピースを積載するテーブルの回転軸に対する補間指令を生成し、それら直線軸に対する補間指令と回転軸に対する補間指令とを含んだNCプログラムを生成していた。
その結果得られたNCプログラムを５軸加工機用数値制御装置に与えた際の加工時の工具とワークピースの加工曲面との関係は、第11図のような挙動となり、拡大して示すと第12図のような挙動となる。尚、第11図、第12図ともに、便宜上、Ｙ−Ｚ平面での挙動を図示してある。
発明が解決しようとする課題
上記方法では、加工中に常時、Ｘ、Ｙ、Ｚの直線軸の補間動作と工具を保持するユニットの回転軸制御、あるいは、ワークピースを積載するテーブルの回転軸制御の補間動作が行なわれることになる。このため剛性が低くなり、その結果、加工精度に悪影響を与え、かつ重切削には適さないという問題があった。
また、各加工ポイント毎に最適ベクトルを算出し、その方向に工具を位置させるための回転軸補間指令を生成する必要があるため、複雑な計算を膨大な回数実行することになる。このため、NCプログラム作成に時間がかかり、その時間を短縮するためには高性能、すなわち高価な自動プログラミング装置が必要であった。
本発明の目的は、上記問題を解決し、重切削を行なったり、加工精度を低下させることなく高い剛性で５軸加工を行なえるような回転軸のオリエンテーション指令を含んだ数値制御指令を生成できるようにし、また、複雑な計算を膨大な回数実行することなく前記オリエンテーション指令を生成できるようにすることである。
発明の開示
上記目的は、数値制御指令作成装置において、加工情報に基づいてワークピースの加工面を該加工面の傾きに応じてグループ化するグループ化手段と該グループ毎にオリエンテーション角度を決定する角度決定手段と該決定された角度に基づいたオリエンテーション指令を含んだ数値制御指令を生成する指令生成手段とを具備することによって達成され、前記加工情報は、加工形状、もしくは、NCプログラム、もしくは、NCプログラムが数値制御装置内部でデコードされたNCプログラムデコードデータを用いることによって達成され、また、前記数値制御指令は、NCプログラム、もしくは、NCプログラムが数値制御装置内部でデコードされたNCプログラムデコードデータであることによって達成され、さらに、前記グループ化手段は、加工面を区画化する区画化手段と該区画化された加工面毎に傾斜を算出する傾斜算出手段と該傾斜の類似性に基づいて前記区画化された加工面を分類する分類手段とを含むことによって達成される。
また上記目的は、数値制御指令作成方法において、加工情報に基づいてワークピースの加工面を該加工面の傾きに応じてグループ化するグループ化ステップと該グループ毎にオリエンテーション角度を決定する角度決定ステップと該決定された角度に基づいたオリエンテーション指令を含んだ数値制御指令を生成する指令生成ステップとを有することによって達成され、さらに、前記グループ化ステップは、加工面を区画化する区画化ステップと該区画化された加工面毎に傾斜を算出する傾斜算出ステップと該傾斜の類似性に基づいて前記区画化された加工面を分類する分類ステップとを含むことによって達成される。
さらに、上記目的を達成する本発明は、コンピュータに、加工情報に基づいてワークピースの加工面を該加工面の傾きに応じてグループ化するグループ化手順と該グループ毎にオリエンテーション角度を決定する角度決定手順と該決定された角度に基づいたオリエンテーション指令を含んだ数値制御指令を生成する指令生成手順とを実行させるためのプログラムを記録した媒体を含み、さらに、前記グループ化手順を実行させるためのプログラムは、加工面を区画化する区画化手順を実行させるためのプログラムと該区画化された加工面毎に傾斜を算出する傾斜算出手順を実行させるためのプログラムと該傾斜の類似性に基づいて前記区画化された加工面を分類する分類手順を実行させるためのプログラムとを含む。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明に関わる第１の実施形態のブロック図である。
第２図は、本発明に関わる加工面区画化部１の動作を説明するための図である。
第３図は、本発明に関わる区画化加工面に関する各種データを示す図である。
第４図は、本発明に関わる区画化加工面の傾斜度を説明するための図である。
第５図は、本発明に関わる工具軌跡生成部５の動作を説明するための図である。
第６図は、本発明に関わる工具とワークピースの加工曲面との関係を示す図である。
第７図は、本発明に関わる工具とワークピースの加工曲面との関係を示す図である。
第８図は、本発明に関わる第２の実施形態のブロック図である。
第９図は、本発明に関わる加工形状生成部７の動作を説明するための図である。
第10図は、本発明に関わる第３の実施形態のブロック図である。
第11図は、従来技術に関わる工具とワークピースの加工曲面との関係を示す図である。
第12図は、従来技術に関わる工具とワークピースの加工曲面との関係を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明の数値制御指令作成装置は、加工情報、すなわち、加工形状、もしくは、NCプログラム、もしくは、NCプログラムが数値制御装置内部でデコードされたNCプログラムデコードデータに基づいてワークピースの加工面、もしくは、それに同等な加工面をその傾きに応じてグループ化し、該グループ毎にオリエンテーション角度を決定し、決定された角度に基づいたオリエンテーション指令を含んだ数値制御指令、すなわち、NCプログラム、もしくは、NCプログラムが数値制御装置内部でデコードされたNCプログラムデコードデータを生成するものである。
ここで最初に第１図のブロック図を用いて説明する実施形態は、加工情報として加工形状が入力され、オリエンテーション指令を含んだ数値制御指令としてNCプログラムを出力する形態とする。
以下、第１図のブロック図を用いて説明する。
加工面を区画化する加工面区画化部１は、まず、第２図に示すようにワークピース底面に対応したＸ−Ｙ平面を所定間隔で格子状に区画し、次にワークピース底面からの加工面までの高さを区画化加工面格子点Ｚデータとして生成する。このデータ生成は、第３図の（ａ）に示すような形式で区画化された加工面毎のその加工面を構成する格子点毎に行なわれる。
加工面傾斜算出部２は、区画化された加工面の傾斜度を算出する。すなわち、第４図（ａ）、（ｂ）で示す４つの区画化加工面格子点Ｚデータから生成される区画化された区画化加工面A'とワークピース底面Ａとの傾斜度を算出する。この傾斜度を第３図の（ｂ）に示す区画化された加工面毎に区画化加工面傾斜度データとして生成する。
加工面傾斜分類部３は、区画化加工面の傾斜度が類似している区画化加工面毎に分類しグループ化する。この実施形態では、第３図の（ｃ）に示すように区画化加工面毎にグループ番号を付加し、区画化加工面グループ番号として生成する。
ここで、グループ化する際に用いる傾斜度の範囲は予め設定されていればよく、第３図の（ｃ）では、グループ番号１の傾斜度ａはα≦ａ＜β、グループ番号２の傾斜度ａはβ≦ａ＜γとして、傾斜度データa1、a2、a3、a4、a5がグループ番号１に分類され、傾斜度データa6、a7、a8がグループ番号２に分類された結果を示している。
オリエンテーション角度決定部４は、各グループ毎に傾斜度に応じた１つのオリエンテーション角度を決定する。例えば、グループ番号１にグループ化された区画化加工面は、その傾斜度ａがα≦ａ＜βであるので、傾斜度（α＋β）/2で定義される加工面に最適なベクトル方向に工具が位置するように工具を保持するユニットの回転軸やワークピースを積載するテーブルの回転軸に対するオリエンテーション角度を決定すれば良い。この決定されたオリエンテーション角度を第３図の（ｄ）のように区画化加工面オリエンテーション角度データとして生成すれば良い。
工具軌跡生成部５は、グループ番号が同一、すなわち傾斜が類似している区画化加工面毎に、その区画化加工面に対応した加工形状から、直線軸Ｘ、Ｙ、Ｚ座標値からなる工具軌跡を生成する。第５図は理解を容易にするために工具軌跡生成部５がＹ−Ｚ平面で生成した工具軌跡を示しており、細線で示した矢印と太線で示した矢印とは、異なるグループ番号を持った区画化加工面に基づいて生成された工具軌跡であり、先に従来技術の説明で使用した第12図に基づいている。
数値制御指令生成部６は、工具軌跡生成部５で生成された上記Ｘ、Ｙ、Ｚ座標値からなる工具軌跡とオリエンテーション角度とに基づいて数値制御指令を生成することになる。
その生成は、まず、オリエンテーション角度に基づいて、工具を保持するユニットの回転軸やワークピースを積載するテーブルの回転軸に対するオリエンテーション指令をNCプログラム上に出力し、次に、Ｘ、Ｙ、Ｚ座標値からなる工具軌跡に基づいて、Ｘ、Ｙ、Ｚの補間指令をNCプログラム上に出力することであり、この出力を傾斜が類似している区画化加工面毎に行なう。
従って、この結果得られるNCプログラムに基づいた加工動作は、傾斜が類似した加工面に対して、まず、オリエンテーション動作を行うことにより工具とワークピースとの相対姿勢を最適な角度に固定し、それから、Ｘ、Ｙ、Ｚの補間指令に基づいて加工するという順序になる。すなわち、オリエンテーション動作とそのオリエンテーション位置での加工という動作が、傾斜の類似性によって分類された加工面毎に順次行なわれることになり、同一オリエンテーション角度の加工面が他のオリエンテーション角度の加工面より優先して加工されることになる。
また、上記説明では、工具軌跡生成部５がグループ番号が同一の区画化加工面毎に工具軌跡を生成する場合を説明したが、グループ番号に無関係に工具軌跡を生成する場合は、以下のような動作となる。
工具軌跡生成部５が生成した工具軌跡に基づいて、数値制御指令生成部６は、Ｘ、Ｙ、Ｚの補間指令をNCプログラム上に出力する際に、その出力都度、まず、工具が通過する区画化加工面を特定し、この特定した区画化加工面でのオリエンテーション角度を認識する。そして、１つ前の区画化加工面でのオリエンテーション角度と同一であれば、そのまま、Ｘ、Ｙ、Ｚの補間指令をNCプログラム上に出力し、１つ前の区画化加工面でのオリエンテーション角度と異なっていれば、オリエンテーション指令を出力してからＸ、Ｙ、Ｚの補間指令をNCプログラム上に出力する。
この場合の加工動作は、加工中に必要に応じて適宜オリエンテーション動作がなされることになる。
尚、このオリエンテーション指令に基づいたオリエンテーション動作は、工具がワークピースに接触した状態でなく離れた状態で行なわれた方が良いので、数値制御指令生成部６は、オリエンテーション指令を出力する前に工具をオリエンテーション動作可能な位置までエスケープさせる数値制御指令をNCプログラム上に出力し、オリエンテーション指令を出力した後にエスケープ前の接触位置まで工具をアプローチさせる数値制御指令をNCプログラム上に出力した方が良いのは勿論である。
上記のような加工面区画化部１、加工面傾斜算出部２、加工面傾斜分類部３、オリエンテーション角度決定部４、工具軌跡生成部５、数値制御指令生成部６の動作により生成されるNCプログラムは、第５図の工具軌跡に基づいた場合、第６図のような挙動となるNCプログラムである。また、先に従来技術の説明で使用した第11図に基づいた場合、第７図（ａ）のようにグループ化され、第７図（ｂ）のような挙動となるNCプログラムである。
以上、本実施形態説明の冒頭で述べた通り、加工情報として加工形状が入力され、オリエンテーション指令を含んだ数値制御指令としてNCプログラムを出力する実施形態を第１図のブロック図を用いて説明したが、本ブロック図で説明した実施形態は、自動プログラミング装置に組み込まれても良いし、数値制御装置に組み込まれても良い。
２番目に加工情報として従来の５軸加工用NCプログラム、あるいは、直線軸Ｘ、Ｙ、Ｚ指令のみのNCプログラムが入力され、数値制御指令として最適なオリエンテーション指令を含んだ最適NCプログラムを出力する形態を第８図のブロック図を用いて説明する。尚、第１図と共通する手段は同一番号を付す。
第１図のブロック図で説明した通り、加工面区画化部１は加工形状データから区画化加工面データを生成するので、加工形状生成部７は、NCプログラム上のＸ、Ｙ、Ｚ補間指令から、第９図（ａ）に示すような工具軌跡を認識し、この工具軌跡に基づいて仮想的な加工形状データを生成し、加工面区画化部１に入力することになる。
これは、工具軌跡に基づいて、第９図（ｂ）に示すような仮想加工面格子点を定義し、加工基準となるＸ−Ｙ平面から各仮想加工面格子点までの高さを仮想加工面格子点Ｚデータとして生成し、そのデータを加工面区画化部１に送出することによって行なわれる。
すなわち仮想加工形状の加工面は、工具軌跡に基づいて定義づけられた仮想加工面格子点群の各々４点で定義される１つ１つの仮想区画化加工面が集合したものととらえることになる。従って、加工面区画化部１は、加工基準となっているＸ−Ｙ平面を所定間隔で格子状に区画し、次にこの加工基準Ｘ−Ｙ平面から仮想区画化加工面までの高さを区画化加工面格子点Ｚデータとして生成することになる。
さらに加工形状生成部７は、生成した仮想加工形状を工具軌跡生成部５に送出するか、NCプログラム上のＸ、Ｙ、Ｚ座標指令を工具軌跡として直接、数値制御指令生成部６に送出する。
前者の場合、工具軌跡生成部５は同一グループ番号の区画化加工面毎に、その区画化加工面に対応した仮想加工形状から、直線軸Ｘ、Ｙ、Ｚ座標値からなる工具軌跡を生成し、数値制御指令生成部６は、この工具軌跡とオリエンテーション角度とに基づいて、まず、オリエンテーション指令をNCプログラム上に出力し、次に、そのオリエンテーション位置で加工するＸ、Ｙ、Ｚの補間指令をNCプログラム上に出力することになる。すなわち、傾斜が類似した加工面毎にオリエンテーション指令とＸ、Ｙ、Ｚの補間指令を出力する形態である。
後者の場合は、数値制御指令生成部６は、加工形状生成部７から受けとった工具軌跡に基づいてＸ、Ｙ、Ｚの補間指令をNCプログラム上に出力することになるが、その出力都度、工具が通過する区画化加工面でのオリエンテーション角度を認識し、１つ前の区画化加工面でのオリエンテーション角度と同一であれば、そのまま、Ｘ、Ｙ、Ｚの補間指令をNCプログラム上に出力し、１つ前の区画化加工面でのオリエンテーション角度と異なっていれば、オリエンテーション指令を出力してからＸ、Ｙ、Ｚの補間指令をNCプログラム上に出力することになる。
尚、加工面傾斜算出部２、加工面傾斜分類部３、および、オリエンテーション角度決定部４の動作は、第１図のブロック図を用いて説明した通りであり、この結果、工具とワークピースの加工曲面との関係が第６図、第７図で示した挙動となるNCプログラムが生成される。
以上、加工情報としてNCプログラムが入力され、オリエンテーション指令を含んだ数値制御指令としてNCプログラムを出力する実施形態を第８図のブロック図を用いて説明したが、本ブロック図で説明した実施形態は、第１図と同様に自動プログラミング装置に組み込まれても良いし、数値制御装置に組み込まれても良い。
３番目に加工情報としてNCプログラムが数値制御装置内でデコードされたNCプログラムデコードデータが入力され、数値制御指令として同様にNCプログラムデコードデータを出力する形態を第10図のブロック図を用いて説明する。尚、第１図、第８図と共通する手段は同一番号を付す。
通常の数値制御装置において、NCプログラム解釈部８は、NCプログラムを読み込み、デコードし、補間制御部９で補間処理を行ないやすい形式に変換する。補間制御部９は、デコードされたNCプログラム上の補間指令に基づいて一定周期毎に補間計算を行ない、その結果を位置指令としてサーボ制御部へ送出する。サーボ制御部10では、この位置指令に基づいて位置制御、速度制御、トルク制御を行ない、モータを駆動させる制御信号をサーボアンプに出力することにより、モータを駆動させる。
本実施形態の場合、加工形状生成部11は、NCプログラム解釈部８からNCプログラム上のＸ、Ｙ、Ｚ補間指令をデコードされた形式で受けとり、第８図のブロック図にある加工形状生成部７と同様な方法で仮想的な加工形状データを生成することになる。
また、数値制御指令生成部12は、第８図のブロック図にある数値制御指令生成部６と同様な方法でオリエンテーション指令とＸ、Ｙ、Ｚ補間指令とを含んだNCプログラムでコードデータを生成し、補間制御部９へ送出する。
尚、加工面区画化部１、加工面傾斜算出部２、加工面傾斜分類部３、及び、オリエンテーション角度決定部４の動作は、第１図、第８図のブロック図を用いて説明した通りである。
この結果、数値制御指令生成部12が生成したNCプログラムデコードデータに基づいて補間処理部９、サーボ制御部10が動作することにより、工具とワークピースの加工曲面との相対的な挙動は第６図、第７図で示したものとなる。
以上、加工情報としてNCプログラムデコードデータが入力され、オリエンテーション指令を含んだ数値制御指令としてNCプログラムデコードデータを出力する実施形態を第10図のブロック図を用いて説明した。
発明の効果
以上説明したように、本発明によれば、重切削を行なったり、加工精度を低下させることなく高い剛性で５軸加工を行なえるような回転軸のオリエンテーション指令を含んだ数値制御指令を生成することが可能となる。
また、複雑な計算を膨大な回数実行することなくオリエンテーション指令を含んだ数値制御指令を生成することが可能となる。
さらに、本発明は、実施形態の説明で記載した通り、自動プログラミング装置に適用することも数値制御装置に適用することも可能である。自動プログラミング装置に適用すれば、最適なオリエンテーション指令を含んだNCプログラムを作成でき、その結果、従来の数値制御装置にそのまま使用しても上記効果を得ることができる。また、数値制御装置に適用すれば、上記効果を得る最適なオリエンテーション指令を含んだ数値制御指令を数値制御装置内部で生成するので、従来の自動プログラミング装置をそのまま使用することができる。
尚、本発明を用いれば、回転軸を１軸含んだ４軸加工においても同様な効果が得られることは言うまでもない。

Claims (8)

1. 加工情報に基づいてオリエンテーション指令を含んだ数値制御指令を作成する数値制御指令作成装置において、
   加工情報に基づいてワークピースの加工面を該加工面の傾きに応じてグループ化するグループ化手段と、
   該グループ毎にオリエンテーション角度を決定する角度決定手段と、
   該決定された角度に基づいたオリエンテーション指令を含んだ数値制御指令を生成する指令生成手段と
   を有することを特徴とする数値制御指令作成装置。
2. 前記加工情報は加工形状、
   もしくは、NCプログラム、
   もしくは、NCプログラムが数値制御装置内部でデコードされたNCプログラムデコードデータ
   を含むことを特徴とする請求項１記載の数値制御指令作成装置。
3. 前記数値制御指令はNCプログラム、
   もしくは、NCプログラムが数値制御装置内部でデコードされたNCプログラムデコードデータ、
   を含むことを特徴とする請求項１記載の数値制御指令作成装置。
4. 前記グループ化手段は、
   加工面を区画化する区画化手段と、
   該区画化された加工面毎に傾斜を算出する傾斜算出手段と、
   該傾斜の類似性に基づいて前記区画化された加工面を分類する分類手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１記載の数値制御指令作成装置。
5. 加工情報に基づいてオリエンテーション指令を含んだ数値制御指令を作成する数値制御指令作成方法において、
   加工情報に基づいてワークピースの加工面を該加工面の傾きに応じてグループ化するグループ化ステップと、
   該グループ毎にオリエンテーション角度を決定する角度決定ステップと、
   該決定された角度に基づいたオリエンテーション指令を含んだ数値制御指令を生成する指令生成ステップと
   を有することを特徴とする数値制御指令作成方法。
6. 前記グループ化ステップは、
   加工面を区画化する区画化ステップと、
   該区画化された加工面毎に傾斜を算出する傾斜算出ステップと、
   該傾斜の類似性に基づいて前記区画化された加工面を分類する分類ステップと、
   を含むことを特徴とする請求項５記載の数値制御指令作成方法。
7. コンピュータに、
   加工情報に基づいてワークピースの加工面を該加工面の傾きに応じてグループ化するグループ化手順と、
   該グループ毎にオリエンテーション角度を決定する角度決定手順と、
   該決定された角度に基づいたオリエンテーション指令を含んだ数値制御指令を生成する指令生成手順とを実行させるためのプログラムを記録した媒体。
8. 前記グループ化手順を実行させるためのプログラムは、
   加工面を区画化する区画化手順を実行させるためのプログラムと、
   該区画化された加工面毎に傾斜を算出する傾斜算出手順を実行させるためのプログラムと、
   該傾斜の類似性に基づいて前記区画化された加工面を分類する分類手順を実行させるためのプログラムと、
   を含むことを特徴とする請求項７記載の媒体。

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