JP3916260B2 - 加工処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、未加工ワークを投入し、最終的な製品の加工形状に関するデータ（以下、加工形状データと記載する）を入力することにより、未加工ワークが前記加工形状データに基づき加工され、目的とする加工製品を得ることができる工作機械の制御装置及びこの制御装置と工作機械とを具備する加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＮＣ工作機械で製品を加工する場合、まず、目的とする加工製品の形状を表した図面が作成される。プログラマは、その図面から加工工程を決定し、手動または自動プログラミング装置でＮＣプログラムを作成する。オペレータは、そのＮＣプログラムをＮＣ工作機械に入力すると共に、加工すべき未加工ワークを手動またはワーク自動交換装置でＮＣ工作機械に装着する。そして使用工具のプリセットと工具オフセット量の設定を行い、ＮＣ工作機械の工具マガジンに使用工具を装着する。その後、ＮＣプログラムを実行することによりワークが加工され製品が製作される。これらの工程を可吸的に自動化し、かつ、プログラマやオペレータが蓄積しているノウハウを加工に反映させるために種々の発明がなされてきた。
【０００３】
まず、第１の従来技術として、特開平４−３１５５５０号公報に開示された自動プログラミング装置がある。これは、ワークの加工形状を表すデータから加工形状を抽出する形状認識手段と、加工されるワークの加工形状について、最適な加工条件が格納されている加工条件記憶手段と、前記形状認識手段からの出力に基づいて、前記加工条件記憶手段に格納されている最適な加工条件を自動的に設定する自動加工条件設定手段とを備えている。これにより、オペレータが加工条件を設定することなく自動的に設定可能となり、オペレータの人的過誤が排除され良好な加工が行え、さらに、オペレータの負荷が軽減され、かつ、作業時間も短縮されるものである。
【０００４】
第２の従来技術として、特開平４−１３８５０４号公報に開示された加工システムがある。このシステムでは、素材、表面あらさ、寸法精度などのワークに関するデータを予め記憶し、第１のニューラルネットワークにより加工条件が決定される。この加工条件は、オペレータが修正することもできる。そして、実際に加工された後、加工結果に基づき加工条件を修正して修正加工条件を求めると共に、第１のニューラルネットワークの重みを修正する学習手段を備えている。さらに、加工中に発生する火花、音、力などを検出するセンサを有しており、このセンサからの入力データを時系列データとして第２のニューラルネットワークに入力し、ある時点での加工状況を所定の時間幅で平均化して把握し、加工条件を動的に修正する適応制御手段を具備している。こうして熟練作業者でなくとも最適な加工条件で加工を行うことを可能としたものである。
【０００５】
第３の従来技術として、特開平９−２６８１１号公報に開示された数値制御を用いた加工方法がある。これは、各種情報ファイルの登録、加工図形のデータの入力、仕上図形の処理、パターン認識及び加工プロセスの決定処理に基づいて、簡素化されたデータ入力により、加工プロセスや工作機械を最適に選択し、生産効率の高い加工領域、加工手順を設定し、入力図形に最適な工具や加工条件、工具経路を決定し、加工後の測定及び補正により、生産効率を高めると共に、加工精度を高めようとするものである。
【０００６】
加工すべき製品の形状データから工具経路を自動生成する技術は周知であり、これに種々の加工条件を付加することによりＮＣプログラムが自動的に作成可能となる。第１の従来技術による発明は、加工すべき製品の形状データに基づいて、この加工条件をデータベースから所定のアルゴリズムに従って選択するようにしたものである。これは、いわば静的な加工条件である。これに対して、第２の従来技術による発明は、刻々の加工状態をセンサで検出し、検出結果に基づいて設定した加工条件をニューラルネットワークの学習機能を用いて適応制御し、刻々の加工状態に応じた動的な加工条件を求めるようにしたものである。第１と第２の従来技術は、加工条件の自動決定に重点を置いている。
【０００７】
第３の従来技術は、オペレータがデータ入力することにより、第１と第２の従来技術と同様な技術を用いて加工条件を自動決定し、さらに、工具及び工具経路の自動決定、加工後の測定及び補正の技術を組合せ、目的とする製品を無人で加工する発明である。
【０００８】
然しながら、これらの従来技術は、加工状態をフィードバックして補正する方法にて高い精度と生産効率を確保するという技術思想であるが、加工状態を予測して、その予測結果に基づいて工具経路や加工条件を決定し、より高精度、高効率な加工を実現するものではない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、加工すべき製品の形状データと未加工ワークに関するデータとを入力するのみで要求精度に合致した加工が高効率を以て実行され、目的とする製品を自動的に加工できるようにした工作機械の制御装置及びこの制御装置と工作機械とを備えた加工装置を提供するものである。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、加工状態を予測して、予測した加工状態に合致するように工具経路、加工条件を自動的に決定して、高精度な加工を高速にて実行可能な工作機械の制御装置及びこの制御装置と工作機械とを備えた加工装置を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、加工形状データを入力してワークを加工する工作機械の制御装置であって、
最終的なワークの形状に関する加工形状データ、加工前のワークの材質、形状に関するワークデータを入力する入力手段と、
前記ワークを加工する前記工作機械の機械仕様を表す機械データ、前記工作機械が保有する工具の工具仕様を表す工具データのうち少なくとも１つを格納するデータ格納手段と、
前記入力手段により入力されたデータ、前記データ格納手段に格納されたデータに基づき、前記ワークの加工面の形状を認識し、加工表面の曲率、傾斜角度及び深さを表面パラメータとして、加工表面を複数の加工領域に区分し、加工領域を加工するために最適な工具及び加工パターンを選択し、各々の加工領域を加工する加工順序を決定する加工工程決定手段と、
前記加工工程決定手段から加工領域、工具、加工パターン、加工順序に関するデータを受け取り、該データ及び前記入力手段により入力されたデータ、前記データ格納手段に格納されたデータに基づき、前記ワークを加工する工具経路を生成すると共に、前記工作機械の主軸回転速度、送り速度の前記ワークを加工する際の加工条件を決定する工具経路決定手段と、
前記工具経路決定手段で決定、演算された１刃当たりの送り量、切込み量、ピックフィード量、工具パス及びピックフィードパス、主軸回転速度、及び送り速度を受け取り、加工中のワークの現時点での形状、重量を予測し、予想されるワークの重量変化と前記工具経路決定手段で決定された加工条件とに基づきワークの負荷イナーシャを予測する予測演算手段とを具備し、
前記予測される負荷イナーシャに基づいて数値制御装置のサーボシステムのパラメータを補正するように構成された工作機械の制御装置を要旨とする。
【００１４】
本発明によれば、ワークと加工形状データとを投入し、前記ワークが前記加工形状データに基づき所望形状に加工される加工装置であって、
前記ワークに加工を施し加工製品を出力する工作機械と、
前記加工形状データ及び前記ワークの材質、形状のワークデータを予め入力する入力手段と、
前記ワークを加工する前記工作機械の送り軸ストローク、主軸最高回転速度、最大送り速度の機械仕様を表す機械データ、前記工作機械を制御する数値制御装置の各種パラメータの制御データ、及び前記工作機械が保有する工具の種類、材質、寸法の工具仕様を表す工具データのうち少なくとも１つの格納するデータ格納手段と、
前記入力手段により入力されたデータ、及び前記データ格納手段に格納されたデータに基づき、前記ワークの加工面の形状を認識し、加工表面の曲率、傾斜角度及び深さを表面パラメータとして、加工表面を複数の加工領域に区分し、加工領域を加工するために最適な工具及び加工パターンを選択し、各々の加工領域を加工する加工順序を決定する加工工程決定手段と、
前記加工工程決定手段から加工領域、工具、加工パターン、加工順序に関するデータを受け取り、該データ及び前記入力手段により入力されたデータ、前記データ格納手段に格納されたデータに基づき、前記ワークを加工する工具経路を生成する工具経路生成手段と、
前記工具経路生成手段により生成された工具経路、前記データ格納手段に格納されたデータに基づき、前記工作機械の主軸回転速度、送り速度の前記ワークを加工する際の加工条件を決定する加工条件決定手段と、
前記工具経路生成手段及び前記か好条件決定手段で決定、演算された１刃当たりの送り量、切込み量、ピックフィード量、工具パス及びピックフィードパス、主軸回転速度、及び送り速度を受け取り、加工中のワークの現時点での形状、重量を予測し、予想されるワークの重量変化と前記工具条件決定手段で決定された加工条件とに基づきワークの負荷イナーシャを予測する予測演算手段と、
前記工具経路生成手段により生成された工具経路及び前記加工条件決定手段により決定された加工条件から前記工作機械の動作を制御する数値制御手段と、
を具備し、
前記予測される負荷イナーシャに基づいて前記数値制御手段のサーボシステムのパラメータを補正するように構成される加工装置が更に提供される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明実施形態による工作機械の制御装置１００のブロック図である。
【００１６】
制御装置１００は、入力部１、データベース３、工具経路決定部５、予測演算部７を主要な構成要素として含んでいる。詳細には図示されていないが、制御装置１００は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェース、データ記憶装置及びこれらを相互接続する双方向バスにより構成することができる。
【００１７】
オペレータは、入力部１から目的とする加工製品の加工形状データ１ａを入力する。この加工形状データ１ａは、例えばＣＡＤデータ等の電子化された図形情報とすることができる。また、加工形状データ１ａには、加工精度や表面あらさ等に関するデータが含まれている。
【００１８】
入力部１には、さらに、当該製品を加工する未加工ワークの形状、材質に関するデータであるワークデータ１ｂが入力される。ワークデータ１ｂは、未加工ワークを工作機械１１に装着、固定するための取付具やパレット等の治具の寸法、形状、工作機械１１上での取付位置、及び治具への未加工ワークの取付位置に関するデータをも含んでいる。なお、入力部１は、キーボードのみならず、フロッピディスクや光磁気ディスク等の情報媒体及びその駆動装置、さらには、上記データを格納したネットワークとのインタフェース装置等を含んでいる。
【００１９】
入力部１から入力されたデータは、データ格納手段としてのデータベース３に格納される。データベース３は、機械データベース３ａ、工具／ホルダデータベース３ｂ、加工条件データベース３ｃ、材料データベース３ｄ、ＮＣ／サーボデータベース３ｅ、入力データベース３ｆを含んでいる。データベース３は、例えばハードディスク装置や光ディスク装置等のデータ格納装置により構成することができる。また、データベース３内の機械データベース３ａ、工具／ホルダデータベース３ｂ、加工条件データベース３ｃ、材料データベース３ｄ、ＮＣ／サーボデータベース３ｅ、入力データベース３ｆに各々は、個別のデータ格納装置により構成しても或いは１つのデータ格納装置内を複数の領域に区切って、各データベース３ａ〜３ｆとしてもよい。
【００２０】
図２を参照すると、機械データベース３ａに格納されるデータには、工作機械１１の各送り軸のストローク、主軸最高回転速度、最大送り速度、温度に対する機械の変形特性に関するデータ、ワークの重量による機械の変形特性に関するデータ等が含まれる。工具／ホルダデータベース３ｂに格納されるデータには、工具の管理番号、工具及び工具ホルダの寸法、形状、工具の材質、工具寿命、工具の負荷に対する倒れ特性、及び振れ特性に関するデータ、主軸先端部の寸法、形状等が含まれる。加工条件データベース３ｃに格納されるデータには、１刃当たりの送り量、切込量、ピックフィード量、クーラント使用の有無、加工パターン、加工面を複数の加工領域に区分するための領域区分データ、ある加工面を加工する最適な工具を選択するための基礎データ等が含まれる。材料データベース３ｄに格納されるデータには、材料の種類、硬さ、引張強さ、弾性係数等が含まれる。ＮＣ／サーボデータベース３ｅに格納されるデータには、数値制御装置の諸元、設定パラメータ、サーボの特定数、ゲイン等が含まれる。入力データベース３ｆには、入力部１から入力された加工形状データ１ａ及びワークデータ１ｂが格納される。
【００２１】
ここで、データベース３に格納されるデータは、オペレータが任意に入力するデータ、工作機械１１に既に登録されているデータ、所定の記憶手段にあらかじめ記憶されたデータのうち少なくとも１つであればよい。
【００２２】
図３、４を参照して、工具経路決定部５を説明する。
工具経路決定部５は、以下に詳細に説明する加工工程決定部５ａ、工具経路生成部５ｂ、加工条件決定部５ｃ、及び補正部５ｄを含んで成る。
【００２３】
先ず、入力データベース３ｆに格納されている加工形状データ１ａ及びワークデータ１ｂが加工工程決定部５ａに送られる（ステップＳ１１）。このデータに基づいて、加工工程決定部５ａは、未加工ワークおよび最終的に製作されるワークの加工面の形状を認識する。次いで、加工工程決定部５ａは加工条件データベース３ｃ内に格納されている領域区分データと認識した加工面の形状に基づいて、加工表面の曲率、傾斜角度及び深さ等を表面パラメータとして、加工表面を複数の加工領域に区分する（ステップＳ１３）。次いで、加工工程決定部５ａは、前記加工領域の各々に表面パラメータに対応させて、当該加工領域を加工するために最適な工具及び加工パターンを、加工条件データベース３ｃ内に格納されている加工面を加工する最適な工具を選択するための基礎データ及び加工パターンから選択する（ステップＳ１５）。例えば、急傾斜面をスキャンパスで加工すると、工具に過負荷がかかったり、異常振動が発生したりする。これを防止するために、急傾斜面では等高線加工パスが選択される。また、このとき、加工条件データベース３ｃからクーラント供給の要否に関するデータも導入される。次いで、各々に加工領域を加工する加工順序が決定される（ステップＳ１７）。
【００２４】
図５Ａから図５Ｈに加工パターンの例を示す。図５Ａはスキャン（走査）加工パスであり、図５Ｂは等高輪郭加工パスである。図５Ｃはワークが存在している部位のみを加工領域として切削効率の向上を図るスキャン（走査）加工パス、いわゆるキャラクタライン加工パス、図５ＤはＯを中心とする放射加工パスである。
【００２５】
図５Ｅは鋳物等、仕上形状からほぼ一定量の取り代があるワークでその形状の法線方向に一定量ずつ追い込んでいく、例えばワークをオフセットしていくことで繰り狭めていくような等高輪郭加工パス、図５Ｆは鋳物等、仕上形状からほぼ一定量の取り代があるワークでその形状の法線方向に一定量ずつ追い込んでいくスキャン（走査）加工パスである。
【００２６】
図５Ｇはワークが存在している部位のみを加工領域として、例えばワークが存在している部位から加工を開始したり、ワークが加工すべき加工形状に近くなった場合にピックフィード量を小さくする等して、切削効率の向上を図る等高線加工パス、図５Ｈは加工領域の境界部を隣の加工領域と自動的にオーバラップさせ、オーバラップ部分をスムーズに工具をリトラクトさせることで境界部の段差を防止する、例えば加工領域における所定距離離れている退避位置から前記加工領域に向かい、使用する工具径での工具経路より所定量だけ法線方向に離れた位置から工具の移動を開始し、前記加工領域では使用する工具径での工具経路に一致するよう前記工具を移動させ、前記加工領域に加工を行う加工パスである。これらの加工パターンは、蓄積されたノウハウを反映させて、加工領域の曲率、傾斜角度、深さ等の表面パラメータと対応させて加工パターンが選択できるようにデータベース３に格納されている。また、図示する加工パターンは、一例であって本発明を限定する趣旨ではない。
【００２７】
加工工程決定部５ａにて決定された加工領域、工具、加工パターン、加工順序に関するデータが工具経路生成部５ｂに送られる。工具経路生成部５ｂは、この加工領域、工具、加工パターンに関するデータと、入力データベース３ｆに格納されているワークデータ１ｂ、特に未加工ワークの材料データと、材料データベース３ｄに格納されている材料の種類、引張強さ、弾性係数に関するデータとに対応させて、加工条件データベース３ｃに格納されている１刃当たりの送り量、切込み量、ピックフィード量のデータ群から当該ワークを加工するために最適な値を決定すると共に、工具パス及びピックフィードパスを生成する。工具パス及びピックフィードパスの生成は、加工条件データベース３ｃに格納されている演算式により行われる。
【００２８】
ここで、加工工程決定部５ａで工具、加工パターン及び加工工程を選択、決定せずに、オペレータが任意に工具、加工パターン及び加工工程を入力するようにしてもよい。
【００２９】
次いで、加工条件決定部５ｃが工具経路生成部５ｂからの演算結果に基づいて、１刃当たりの送り量、切込み量、ピックフィード量から工作機械１１の主軸回転速度、送り速度を決定すると共に、各加工工程毎の工具交換指令、後述するセンサ部１３による測定工程の挿入に関する指令を数値制御部９に発生する。
【００３０】
補正部５ｄは、後術する予測演算部７からの予測演算結果に基づき、工具経路生成部５ｂまたは加工工程決定部５ａへ補正指令を発生する。
【００３１】
ここで、加工条件決定部５ｃで加工条件を決定せずに、オペレータが任意に入力した加工条件、所定の記憶手段にあらかじめ記憶された加工条件を利用してもよい。
【００３２】
数値制御部９は、一般的に周知のＮＣ装置９ａと、サーボモータ、アンプを含むサーボシステム９ｂとを具備しており、工作機械１１の軸送り及び主軸の回転を制御する。つまり、ＮＣ装置９ａは周知の通り、工具経路データ及び加工条件データからＸ、Ｙ、Ｚの各送り軸の移動指令を生成すると共に、工作機械１１の主軸の起動、停止、クーラントのＯＮ／ＯＦＦ、自動工具交換、自動パレット交換等の動作指令を発する。サーボシステム９ｂはＮＣ装置４１から移動指令を受け取り、送り軸のサーボモータを制御する。こうして、数値制御部９により工作機械１１が制御される。
【００３３】
工作機械１１は、例えば自動工具交換装置を備えたマシニングセンタなどの一般的に周知の工作機械である。工作機械１１には、工作機械１１のコラムやベッドなどの機体各部の温度、クーラントの温度、工作機械１１が設置されている環境温度を測定するためのサーミスタ等の温度センサおよび工作機械１１のモータに供給される電流値を測定する電流計等を含む機械センサ、工作機械１１に装着されている工具の工具長、工具径、工具先端形状等を測定するための工具センサ、及び、加工されているワークの形状を実際に測定するワークセンサを含むセンサ部１３が設けられている。センサ部１３で測定された値は後述する予測演算部７へ送られる。さらに、センサ部１３の工具センサで測定された工具径、工具長、回転中の工具の振れ、中心位置変動等はデータ補正部１５を介してデータベース３の工具／ホルダデータベース３ｂに送られ、データベース３の内容、特に、工具の摩耗特性、工具寿命、工具の振れ特性が補正、更新される。
【００３４】
また、センサ部１３の機械センサの温度センサで測定された機体各部の温度、クーラントの温度、環境温度等はデータ補正部１５を介してデータベース３の機械データベース３ａに送られ、機械データベース３ａの該当部が補正、更新される。さらに、センサ部１３のワークセンサで測定された加工誤差から工作機械１１の動作時の位置決め誤差を演算し、データ補正部１５を介してデータベース３の機械データベース３ａに送り、機械データベース３ａの該当部を補正、更新するようにしてもよい。センサ部１３のワークセンサで測定された加工誤差を工具経路決定部５の補正部５ｄへ送り、ここで加工誤差データから補正データを生成し、工具経路生成部５ｂで補正工具経路を生成して再加工することもできる。
【００３５】
次に、図６を参照して予測演算部７を説明する。
予測演算部は、加工状態シミュレーション部７ａ、機械挙動シミュレーション部７ｂ、ワークシミュレーション部７ｃ、工具挙動シミュレーション部７ｄを主要な構成要素として具備している。
【００３６】
加工状態シミュレーション部７ａは、入力データベース３ｆから加工形状データ１ａ及びワークデータ１ｂを受け取り、工具／ホルダデータベース３ｂから、加工工程決定部５ａにて決定された工具及び工具ホルダの寸法、形状、主軸先端部の形状、寸法を受け取る。さらに、加工状態シミュレーション部７ａは、工具経路生成部５ｂで決定、演算された１刃当たりの送り量、切込み量、ピックフィード量、工具パス及びピックフィードパスを受け取り、かつ、加工条件決定部５ｃで決定された主軸回転速度、送り速度を受け取る。
【００３７】
加工状態シミュレーション部７ａは、加工に先立って、つまり、一番最初に工具経路決定部５が工具パス等を生成する際に、加工形状データ１ａ及びワークデータ１ｂと、工具、工具ホルダ及び主軸先端部の形状、寸法と、工具パスと、ピックフィードパスとから工具、工具ホルダ、主軸先端部とワークとが、加工中に干渉するか否かを予測する。ある加工領域での加工中に干渉が生じることが予測される場合には、加工状態シミュレーション部７ａは加工工程決定部５ａに対して、当該加工領域を加工不可領域とするように指令する。このとき、当該加工不可領域を他の工具により加工可能である場合または加工不可領域の加工パターンを変更できる場合には、加工工程決定部５ａは、工具または加工パターンを変更して加工領域、工具、加工パターン、加工順序を決定し直し、工具経路決定部５に送出する。そして、上記手順が繰り返される。工具や加工パターンが変更できない場合には、加工工程決定部５ａは、当該加工不可領域を加工工程から外した加工順序を工具経路決定部５に送出する。
【００３８】
図７Ａ、７Ｂを参照して加工領域の決定方法の一例を説明する。ある工具に対して干渉の発生しない領域２１ａが加工状態シミュレーション部７ａにより予測演算された場合に、当該工具で加工可能な領域、例えば面傾斜角度が６６度以下の領域が２１ｂの領域で示されるような場合（図７Ａ）、両者の重なり合う部分が加工領域２１ｃとして決定される（図７Ｂ）。
【００３９】
加工工程決定部５ａは、図７Ａ、７Ｂに示す方法と同様に、工具とワークとの干渉チェックにより決定された加工領域、または入力部１から入力した加工形状データ１ａに対して任意に決定した工具とワークとの干渉チェックにより決定された加工領域と、入力部１から入力した加工形状データ１ａの面傾斜角度、面の曲率、深さに基づき決定された加工領域との重複領域を加工すべき範囲とすることもできる。
【００４０】
加工状態シミュレーション部７ａは、さらに、加工が開始された後にも同様の干渉チェックをリアルタイムで実行している。その結果、工具とワークの干渉が予測される場合には、その旨のデータを工具経路生成部５ｂに送出する。工具経路生成部５ｂは、この干渉を避ける工具経路、例えばＺ軸方向に逃げる干渉回避加工パスを演算、生成する。
【００４１】
また、加工状態シミュレーション部７ａは、実際に加工が行われている間、加工形状データ１ａ、ワークデータ１ｂ、加工パターン、工具パスに関するデータに基づき、加工が進捗するワークにおける入隅部（インコーナ部）を予測する。この予測結果は加工条件決定部５ｃへ送出され、加工条件決定部５ｃが、前記入隅部（インコーナ部）で工具の送り速度を減速させる加工条件を生成する。
【００４２】
さらに、加工状態シミュレーション部７ａは、ワークデータ１ｂと、工具経路生成部５ｂで決定、演算された１刃当たりの送り量、切込み量、ピックフィード量、工具パスと、加工条件決定部５ｃで決定された主軸回転速度、送り速度から加工負荷を予測演算する。さらに、加工状態シミュレーション部７ａは、加工形状データ１ａと、ワークデータ１ｂと、加工工程決定部５ａで決定された工具、工具ホルダ及び主軸先端部の形状、寸法と、工具経路生成部５ｂで決定、演算されたピックフィード量、工具パスから、加工中のワークの現時点の形状を予測すると共に、工具とワークとの接触点、ワークの重量を予測する。
【００４３】
また、加工状態シミュレーション部７ａは、予想されるワークの重量変化と加工条件決定部５ｃで決定された加工条件とに基づきワークの負荷イナーシャを予測する。この予測される負荷イナーシャは数値制御部９へ送られ、数値制御部９のサーボシステム９ｂのパラメータが補正される。
【００４４】
工具とワークとの接触点の予測に基づいて、例えば、工具がある工具パスを移動中にワークを切削していない、いわゆるエアカットが生じることが予測される場合、加工状態シミュレーション部７ａは、その旨のデータを加工条件決定部５ｃに送出する。これにより、加工条件決定部５ｃは、エアカットが予測される領域を通過する工具パスに沿って工具移動する際、最大送り速度で移動するよう数値制御部９に指令を出すことが可能となる。
【００４５】
機械挙動シミュレーション部７ｂは、機械データベース３ａに格納されている温度に対する機械の熱変形特性に関するデータと、センサ部１３の温度センサからの温度データに基づき工作機械１１の熱変形を予測する。また、加工状態シミュレーション部７ａで予測演算されたワークの重量データ及び機械データベース３ａに格納されているワークの重量による機械の変形特性に関するデータに基づき、工作機械１１のワークの重量による変形を予測する。
【００４６】
ワークシミュレーション部７ｃは、入力データベース３ｆから加工形状データ１ａ及びワークデータ１ｂを受け取り、工具／ホルダデータベース３ｂから、加工工程決定部５ａにて決定された工具及び工具ホルダの寸法、形状、主軸先端部の形状、寸法を受け取る。さらに、ワークシミュレーション部７ｃは、工具経路決定部５ｂで決定、演算された１刃当たりの送り量、切込み量、ピックフィード量、工具パス及びピックフィードパスを受け取り、かつ、加工条件決定部５ｃで決定された主軸回転速度、送り速度を受け取る。そして、ワークシミュレーション部７ｃは、受け取ったデータベースに基づき加工が進捗する刻々のワークの中間形状を予測演算し、その予測演算結果を加工状態シミュレーション部７ａ、機械挙動シミュレーション部７ｂへ送る。
【００４７】
工具挙動シミュレーション部７ｄは、加工状態シミュレーション部７ａで予測される加工負荷、工具／ホルダデータベース３ｂに格納されている工具の負荷に対する倒れ及び振れ特性に関するデータから工具の倒れ量、振れ量を予測する。また、工具／ホルダデータベース３ｂに格納されている工具寿命に関するデータと、前記加工状態シミュレーション部７ａで予測された加工負荷、加工接点、切込み量、加工時間から工具の摩耗量、摩耗分布を予測演算する。摩耗分布とは、例えばボールエンドミルの場合、先端が摩耗するのか、或いは、先端からどの位置で摩耗するのか、ストレート部か等の工具の摩耗部位を予測するものである。この摩耗の予測演算により、工具寿命に達したか否かの判断が行われる。さらに、センサ部１３の工具センサによっても回転中の工具の形状（工具径、工具長、中心位置、姿勢など）の変化から予測値の修正が行われる。
【００４８】
また、工具挙動シミュレーション部７ｄにおいて予測演算された工具の倒れ量は工具経路決定部５の補正部５ｄに送られ、予測される工具の倒れ量が所定値よりも大きいときには、工具の倒れを考慮した工具経路を生成するよう、工具経路生成部５ｂに送出する。例えば、ワーク工具とを水平方向に相対移動させるときに加工負荷が大きい場合には、工具は移動方向に対して前方に倒れるように変形するために主軸の座標位置よりも工具の先端位置が遅れて移動する。そのために、必要な加工を行うために主軸の工具の先端位置が所定の加工位置まで移動するように送り量を補正しなければならない。これにより、高精度な加工が可能となる。
【００４９】
次に、表示部１７を説明する。表示部１７は画像処理部１７ａと、ＣＲＴ等のモニタ１７ｂとを具備している。表示部１７は工具経路決定部５の加工工程決定部５ａにおいて決定された加工領域、加工パターン、工具の形状及び管理番号等を表示することができる。画像処理部１７ａは、加工工程決定部５ａからの前記加工領域の曲率、傾斜角度、深さに関するデータを受け取り、各々の領域を色分けして三次元表示するためのデータを生成することができる、さらに、詳細には図１に示されていないが、データベース３、予測演算部７、数値制御部９、センサ部１３と接続されており、各々からの情報をグラフィック表示またはテキスト表示することができる。例えば表示部１７は予測演算部７からのデータに基づき工具とワークとの干渉チェックの結果をグラフィック表示することができる。さらに、入力データベース３ｆに入力されている加工形状データ１ａにおける加工精度のデータと、センサ部１３において測定されたワークの形状測定データを比較して表示させてもよい。また、既述したように、ワークと工具との干渉を回避するための干渉回避加工パスにより、ワークの削り残された部分をグラフィック表示することもできる。
【００５０】
本発明の実施形態の作用について説明する。
まず、オペレータは入力部１から加工形状データ１ａ及びワークデータ１ｂをデータベース３に入力すると、入力した加工形状データ１ａ及びワークデータ１ｂと、データベース３に格納されている各データとに基づき、工具経路決定部５の加工工程決定部５ａで加工領域、工具、加工パターン、及び加工工程が選択、決定される。次いで、工具経路決定部５の工具経路生成部５ｂで工具経路が、加工条件決定部５ｃで加工条件が決定される。このように生成、決定された工具経路、加工条件等の機械駆動データにより数値制御部９を介して工作機械１１が駆動制御され、ワークの加工が行われ加工製品が完成する。
【００５１】
このとき、予測演算部７では、オペレータが入力部１から加工形状データ１ａ及びワークデータ１ｂと、データベース３に格納されている各データとに基づき、加工負荷、工具とワークとの干渉等の各種の予測演算が行われ、その予測演算結果が工具経路決定部５の加工工程決定部５ａへ送られ、予測演算部７での予測演算結果に基づき工具、加工パターン、及び加工工程が決定される。同様に、予測演算部７での予測演算結果に基づき工具経路決定部５の工具経路生成部５ｂで工具経路が、加工条件決定部５ｃで加工条件が決定される。
【００５２】
このように本発明は、入力部１から入力した加工形状データ１ａ及びワークデータ１ｂと、データベース３に格納されている各データとに基づき、予測演算部７で加工負荷、工具とワークとの干渉等の各種の予測演算が事前に行われるのである。つまり、従来はまず加工を行い、そのときの加工状態を検出してフィードバックして最適な制御を試みていたのに対して、本発明ではまず予測演算をして、その予測演算結果でフィードフォワード制御して加工を行う。また、検出した加工状態をフィードバックしてフィードフォワード制御の精度を更に向上させるようにしている。よって、最適化される速度が従来より速くなり、高精度な加工をより速く遂行できる。
【００５３】
以上説明したように、本発明によれば、オペレータは加工すべき製品の形状データと、投入する未加工ワークの形状および材料に関するデータのみを入力することにより、要求精度に合致した加工が適切な工具、工具経路、加工条件で自動的に実行され、短時間で製品の加工が可能となる。
【００５４】
従来技術と本発明の比較例を図８Ａ、８Ｂに示す。
図８Ａに示すような図面形状に基づく加工形状データが入力された場合に、従来技術では、工具の送り速度を高速のまま、例えば１６ｍ／ｍｉｎで加工すると、図８Ｂにおいて一点鎖線で示すように隅部がだれてしまうこと（参照番号２３ａ、２３ｂで示す部分）、湾曲面の半径が小さくなってしまうこと（参照番号２３ｃで示す部分）があった。さらに、従来技術では高速で工具を円周動作させたときに、参照番号２３ｄで示すように真円度が低下したり、参照番号２３Ｅで示すように肉厚が厚くなる。従来技術でも工具の送りを低速にする、例えば２００ｍｍ／ｍｉｎで加工すれば、参照番号２３ｆ、２３ｇで示すように高精度な加工が可能となる。これに対して本発明では、図８Ｂにおいて実線で示すように、工具の送り速度を高速に保ったまま加工してもこうしたことが生じない。これは、予測演算部９において、加工負荷の予測値の算出や、工具とワークとの干渉回避チェックが事前に行われ、かつ予めデータベース３に格納されている各種データベースを利用することにより初めて達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態による工作機械の制御装置のブロック図である。
【図２】データベースのブロック図である。
【図３】工具経路決定部のブロック図である。
【図４】加工工程決定部のフローチャートである。
【図５Ａ】加工パターンの種類を示す略図である。
【図５Ｂ】加工パターンの種類を示す略図である。
【図５Ｃ】加工パターンの種類を示す略図である。
【図５Ｄ】加工パターンの種類を示す略図である。
【図５Ｅ】加工パターンの種類を示す略図である。
【図５Ｆ】加工パターンの種類を示す略図である。
【図５Ｇ】加工パターンの種類を示す略図である。
【図５Ｈ】加工パターンの種類を示す略図である。
【図６】予測演算部のブロック図である。
【図７Ａ】加工領域の決定方法を説明するための略図である。
【図７Ｂ】加工領域の決定方法を説明するための略図である。
【図８Ａ】本発明の効果を説明するための略図であり、入力される加工形状データに基づく図面形状である。
【図８Ｂ】本発明の効果を説明するための略図であり、本発明の制御装置を用いて加工した場合と、従来技術とを比較する図である。
【符号の説明】
１…入力部
３…データベース
５…工具経路決定部
７…予測演算部
９…数値制御部
９ａ…ＮＣ
９ｂ…サーボシステム
１１…工作機械
１３…センサ部
１５…データ補正部
１７…表示部
１００…制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、未加工ワークを投入し、最終的な製品の加工形状に関するデータ（以下、加工形状データと記載する）を入力することにより、未加工ワークが前記加工形状データに基づき加工され、目的とする加工製品を得ることができる工作機械の制御装置及びこの制御装置と工作機械とを具備する加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＮＣ工作機械で製品を加工する場合、まず、目的とする加工製品の形状を表した図面が作成される。プログラマは、その図面から加工工程を決定し、手動または自動プログラミング装置でＮＣプログラムを作成する。オペレータは、そのＮＣプログラムをＮＣ工作機械に入力すると共に、加工すべき未加工ワークを手動またはワーク自動交換装置でＮＣ工作機械に装着する。そして使用工具のプリセットと工具オフセット量の設定を行い、ＮＣ工作機械の工具マガジンに使用工具を装着する。その後、ＮＣプログラムを実行することによりワークが加工され製品が製作される。これらの工程を可吸的に自動化し、かつ、プログラマやオペレータが蓄積しているノウハウを加工に反映させるために種々の発明がなされてきた。
【０００３】
まず、第１の従来技術として、特開平４−３１５５５０号公報に開示された自動プログラミング装置がある。これは、ワークの加工形状を表すデータから加工形状を抽出する形状認識手段と、加工されるワークの加工形状について、最適な加工条件が格納されている加工条件記憶手段と、前記形状認識手段からの出力に基づいて、前記加工条件記憶手段に格納されている最適な加工条件を自動的に設定する自動加工条件設定手段とを備えている。これにより、オペレータが加工条件を設定することなく自動的に設定可能となり、オペレータの人的過誤が排除され良好な加工が行え、さらに、オペレータの負荷が軽減され、かつ、作業時間も短縮されるものである。
【０００４】
第２の従来技術として、特開平４−１３８５０４号公報に開示された加工システムがある。このシステムでは、素材、表面あらさ、寸法精度などのワークに関するデータを予め記憶し、第１のニューラルネットワークにより加工条件が決定される。この加工条件は、オペレータが修正することもできる。そして、実際に加工された後、加工結果に基づき加工条件を修正して修正加工条件を求めると共に、第１のニューラルネットワークの重みを修正する学習手段を備えている。さらに、加工中に発生する火花、音、力などを検出するセンサを有しており、このセンサからの入力データを時系列データとして第２のニューラルネットワークに入力し、ある時点での加工状況を所定の時間幅で平均化して把握し、加工条件を動的に修正する適応制御手段を具備している。こうして熟練作業者でなくとも最適な加工条件で加工を行うことを可能としたものである。
【０００５】
第３の従来技術として、特開平９−２６８１１号公報に開示された数値制御を用いた加工方法がある。これは、各種情報ファイルの登録、加工図形のデータの入力、仕上図形の処理、パターン認識及び加工プロセスの決定処理に基づいて、簡素化されたデータ入力により、加工プロセスや工作機械を最適に選択し、生産効率の高い加工領域、加工手順を設定し、入力図形に最適な工具や加工条件、工具経路を決定し、加工後の測定及び補正により、生産効率を高めると共に、加工精度を高めようとするものである。
【０００６】
加工すべき製品の形状データから工具経路を自動生成する技術は周知であり、これに種々の加工条件を付加することによりＮＣプログラムが自動的に作成可能となる。第１の従来技術による発明は、加工すべき製品の形状データに基づいて、この加工条件をデータベースから所定のアルゴリズムに従って選択するようにしたものである。これは、いわば静的な加工条件である。これに対して、第２の従来技術による発明は、刻々の加工状態をセンサで検出し、検出結果に基づいて設定した加工条件をニューラルネットワークの学習機能を用いて適応制御し、刻々の加工状態に応じた動的な加工条件を求めるようにしたものである。第１と第２の従来技術は、加工条件の自動決定に重点を置いている。
【０００７】
第３の従来技術は、オペレータがデータ入力することにより、第１と第２の従来技術と同様な技術を用いて加工条件を自動決定し、さらに、工具及び工具経路の自動決定、加工後の測定及び補正の技術を組合せ、目的とする製品を無人で加工する発明である。
【０００８】
然しながら、これらの従来技術は、加工状態をフィードバックして補正する方法にて高い精度と生産効率を確保するという技術思想であるが、加工状態を予測して、その予測結果に基づいて工具経路や加工条件を決定し、より高精度、高効率な加工を実現するものではない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、加工すべき製品の形状データと未加工ワークに関するデータとを入力するのみで要求精度に合致した加工が高効率を以て実行され、目的とする製品を自動的に加工できるようにした工作機械の制御装置及びこの制御装置と工作機械とを備えた加工装置を提供するものである。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、加工状態を予測して、予測した加工状態に合致するように工具経路、加工条件を自動的に決定して、高精度な加工を高速にて実行可能な工作機械の制御装置及びこの制御装置と工作機械とを備えた加工装置を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、加工形状データを入力してワークを加工する工作機械の制御装置であって、
最終的なワークの形状に関する加工形状データ、加工前のワークの材質、形状に関するワークデータを入力する入力手段と、
前記ワークを加工する前記工作機械の機械仕様を表す機械データ、前記工作機械が保有する工具の工具仕様を表す工具データのうち少なくとも１つを格納するデータ格納手段と、
前記入力手段により入力されたデータ、前記データ格納手段に格納されたデータに基づき、前記ワークの加工面の形状を認識し、加工表面の曲率、傾斜角度及び深さを表面パラメータとして、加工表面を複数の加工領域に区分し、加工領域を加工するために最適な工具及び加工パターンを選択し、各々の加工領域を加工する加工順序を決定する加工工程決定手段と、
前記加工工程決定手段から加工領域、工具、加工パターン、加工順序に関するデータを受け取り、該データ及び前記入力手段により入力されたデータ、前記データ格納手段に格納されたデータに基づき、前記ワークを加工する工具経路を生成すると共に、前記工作機械の主軸回転速度、送り速度の前記ワークを加工する際の加工条件を決定する工具経路決定手段と、
前記工具経路決定手段で決定、演算された１刃当たりの送り量、切込み量、ピックフィード量、工具パス及びピックフィードパス、主軸回転速度、及び送り速度を受け取り、加工中のワークの現時点での形状、重量を予測し、予想されるワークの重量変化と前記工具経路決定手段で決定された加工条件とに基づきワークの負荷イナーシャを予測する予測演算手段とを具備し、
前記予測される負荷イナーシャに基づいて数値制御装置のサーボシステムのパラメータを補正するように構成された工作機械の制御装置を要旨とする。
【００１４】
本発明によれば、ワークと加工形状データとを投入し、前記ワークが前記加工形状データに基づき所望形状に加工される加工装置であって、
前記ワークに加工を施し加工製品を出力する工作機械と、
前記加工形状データ及び前記ワークの材質、形状のワークデータを予め入力する入力手段と、
前記ワークを加工する前記工作機械の送り軸ストローク、主軸最高回転速度、最大送り速度の機械仕様を表す機械データ、前記工作機械を制御する数値制御装置の各種パラメータの制御データ、及び前記工作機械が保有する工具の種類、材質、寸法の工具仕様を表す工具データのうち少なくとも１つの格納するデータ格納手段と、
前記入力手段により入力されたデータ、及び前記データ格納手段に格納されたデータに基づき、前記ワークの加工面の形状を認識し、加工表面の曲率、傾斜角度及び深さを表面パラメータとして、加工表面を複数の加工領域に区分し、加工領域を加工するために最適な工具及び加工パターンを選択し、各々の加工領域を加工する加工順序を決定する加工工程決定手段と、
前記加工工程決定手段から加工領域、工具、加工パターン、加工順序に関するデータを受け取り、該データ及び前記入力手段により入力されたデータ、前記データ格納手段に格納されたデータに基づき、前記ワークを加工する工具経路を生成する工具経路生成手段と、
前記工具経路生成手段により生成された工具経路、前記データ格納手段に格納されたデータに基づき、前記工作機械の主軸回転速度、送り速度の前記ワークを加工する際の加工条件を決定する加工条件決定手段と、
前記工具経路生成手段及び前記か好条件決定手段で決定、演算された１刃当たりの送り量、切込み量、ピックフィード量、工具パス及びピックフィードパス、主軸回転速度、及び送り速度を受け取り、加工中のワークの現時点での形状、重量を予測し、予想されるワークの重量変化と前記工具条件決定手段で決定された加工条件とに基づきワークの負荷イナーシャを予測する予測演算手段と、
前記工具経路生成手段により生成された工具経路及び前記加工条件決定手段により決定された加工条件から前記工作機械の動作を制御する数値制御手段と、
を具備し、
前記予測される負荷イナーシャに基づいて前記数値制御手段のサーボシステムのパラメータを補正するように構成される加工装置が更に提供される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明実施形態による工作機械の制御装置１００のブロック図である。
【００１６】
制御装置１００は、入力部１、データベース３、工具経路決定部５、予測演算部７を主要な構成要素として含んでいる。詳細には図示されていないが、制御装置１００は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェース、データ記憶装置及びこれらを相互接続する双方向バスにより構成することができる。
【００１７】
オペレータは、入力部１から目的とする加工製品の加工形状データ１ａを入力する。この加工形状データ１ａは、例えばＣＡＤデータ等の電子化された図形情報とすることができる。また、加工形状データ１ａには、加工精度や表面あらさ等に関するデータが含まれている。
【００１８】
入力部１には、さらに、当該製品を加工する未加工ワークの形状、材質に関するデータであるワークデータ１ｂが入力される。ワークデータ１ｂは、未加工ワークを工作機械１１に装着、固定するための取付具やパレット等の治具の寸法、形状、工作機械１１上での取付位置、及び治具への未加工ワークの取付位置に関するデータをも含んでいる。なお、入力部１は、キーボードのみならず、フロッピディスクや光磁気ディスク等の情報媒体及びその駆動装置、さらには、上記データを格納したネットワークとのインタフェース装置等を含んでいる。
【００１９】
入力部１から入力されたデータは、データ格納手段としてのデータベース３に格納される。データベース３は、機械データベース３ａ、工具／ホルダデータベース３ｂ、加工条件データベース３ｃ、材料データベース３ｄ、ＮＣ／サーボデータベース３ｅ、入力データベース３ｆを含んでいる。データベース３は、例えばハードディスク装置や光ディスク装置等のデータ格納装置により構成することができる。また、データベース３内の機械データベース３ａ、工具／ホルダデータベース３ｂ、加工条件データベース３ｃ、材料データベース３ｄ、ＮＣ／サーボデータベース３ｅ、入力データベース３ｆに各々は、個別のデータ格納装置により構成しても或いは１つのデータ格納装置内を複数の領域に区切って、各データベース３ａ〜３ｆとしてもよい。
【００２０】
図２を参照すると、機械データベース３ａに格納されるデータには、工作機械１１の各送り軸のストローク、主軸最高回転速度、最大送り速度、温度に対する機械の変形特性に関するデータ、ワークの重量による機械の変形特性に関するデータ等が含まれる。工具／ホルダデータベース３ｂに格納されるデータには、工具の管理番号、工具及び工具ホルダの寸法、形状、工具の材質、工具寿命、工具の負荷に対する倒れ特性、及び振れ特性に関するデータ、主軸先端部の寸法、形状等が含まれる。加工条件データベース３ｃに格納されるデータには、１刃当たりの送り量、切込量、ピックフィード量、クーラント使用の有無、加工パターン、加工面を複数の加工領域に区分するための領域区分データ、ある加工面を加工する最適な工具を選択するための基礎データ等が含まれる。材料データベース３ｄに格納されるデータには、材料の種類、硬さ、引張強さ、弾性係数等が含まれる。ＮＣ／サーボデータベース３ｅに格納されるデータには、数値制御装置の諸元、設定パラメータ、サーボの特定数、ゲイン等が含まれる。入力データベース３ｆには、入力部１から入力された加工形状データ１ａ及びワークデータ１ｂが格納される。
【００２１】
ここで、データベース３に格納されるデータは、オペレータが任意に入力するデータ、工作機械１１に既に登録されているデータ、所定の記憶手段にあらかじめ記憶されたデータのうち少なくとも１つであればよい。
【００２２】
図３、４を参照して、工具経路決定部５を説明する。
工具経路決定部５は、以下に詳細に説明する加工工程決定部５ａ、工具経路生成部５ｂ、加工条件決定部５ｃ、及び補正部５ｄを含んで成る。
【００２３】
先ず、入力データベース３ｆに格納されている加工形状データ１ａ及びワークデータ１ｂが加工工程決定部５ａに送られる（ステップＳ１１）。このデータに基づいて、加工工程決定部５ａは、未加工ワークおよび最終的に製作されるワークの加工面の形状を認識する。次いで、加工工程決定部５ａは加工条件データベース３ｃ内に格納されている領域区分データと認識した加工面の形状に基づいて、加工表面の曲率、傾斜角度及び深さ等を表面パラメータとして、加工表面を複数の加工領域に区分する（ステップＳ１３）。次いで、加工工程決定部５ａは、前記加工領域の各々に表面パラメータに対応させて、当該加工領域を加工するために最適な工具及び加工パターンを、加工条件データベース３ｃ内に格納されている加工面を加工する最適な工具を選択するための基礎データ及び加工パターンから選択する（ステップＳ１５）。例えば、急傾斜面をスキャンパスで加工すると、工具に過負荷がかかったり、異常振動が発生したりする。これを防止するために、急傾斜面では等高線加工パスが選択される。また、このとき、加工条件データベース３ｃからクーラント供給の要否に関するデータも導入される。次いで、各々に加工領域を加工する加工順序が決定される（ステップＳ１７）。
【００２４】
図５Ａから図５Ｈに加工パターンの例を示す。図５Ａはスキャン（走査）加工パスであり、図５Ｂは等高輪郭加工パスである。図５Ｃはワークが存在している部位のみを加工領域として切削効率の向上を図るスキャン（走査）加工パス、いわゆるキャラクタライン加工パス、図５ＤはＯを中心とする放射加工パスである。
【００２５】
図５Ｅは鋳物等、仕上形状からほぼ一定量の取り代があるワークでその形状の法線方向に一定量ずつ追い込んでいく、例えばワークをオフセットしていくことで繰り狭めていくような等高輪郭加工パス、図５Ｆは鋳物等、仕上形状からほぼ一定量の取り代があるワークでその形状の法線方向に一定量ずつ追い込んでいくスキャン（走査）加工パスである。
【００２６】
図５Ｇはワークが存在している部位のみを加工領域として、例えばワークが存在している部位から加工を開始したり、ワークが加工すべき加工形状に近くなった場合にピックフィード量を小さくする等して、切削効率の向上を図る等高線加工パス、図５Ｈは加工領域の境界部を隣の加工領域と自動的にオーバラップさせ、オーバラップ部分をスムーズに工具をリトラクトさせることで境界部の段差を防止する、例えば加工領域における所定距離離れている退避位置から前記加工領域に向かい、使用する工具径での工具経路より所定量だけ法線方向に離れた位置から工具の移動を開始し、前記加工領域では使用する工具径での工具経路に一致するよう前記工具を移動させ、前記加工領域に加工を行う加工パスである。これらの加工パターンは、蓄積されたノウハウを反映させて、加工領域の曲率、傾斜角度、深さ等の表面パラメータと対応させて加工パターンが選択できるようにデータベース３に格納されている。また、図示する加工パターンは、一例であって本発明を限定する趣旨ではない。
【００２７】
加工工程決定部５ａにて決定された加工領域、工具、加工パターン、加工順序に関するデータが工具経路生成部５ｂに送られる。工具経路生成部５ｂは、この加工領域、工具、加工パターンに関するデータと、入力データベース３ｆに格納されているワークデータ１ｂ、特に未加工ワークの材料データと、材料データベース３ｄに格納されている材料の種類、引張強さ、弾性係数に関するデータとに対応させて、加工条件データベース３ｃに格納されている１刃当たりの送り量、切込み量、ピックフィード量のデータ群から当該ワークを加工するために最適な値を決定すると共に、工具パス及びピックフィードパスを生成する。工具パス及びピックフィードパスの生成は、加工条件データベース３ｃに格納されている演算式により行われる。
【００２８】
ここで、加工工程決定部５ａで工具、加工パターン及び加工工程を選択、決定せずに、オペレータが任意に工具、加工パターン及び加工工程を入力するようにしてもよい。
【００２９】
次いで、加工条件決定部５ｃが工具経路生成部５ｂからの演算結果に基づいて、１刃当たりの送り量、切込み量、ピックフィード量から工作機械１１の主軸回転速度、送り速度を決定すると共に、各加工工程毎の工具交換指令、後述するセンサ部１３による測定工程の挿入に関する指令を数値制御部９に発生する。
【００３０】
補正部５ｄは、後術する予測演算部７からの予測演算結果に基づき、工具経路生成部５ｂまたは加工工程決定部５ａへ補正指令を発生する。
【００３１】
ここで、加工条件決定部５ｃで加工条件を決定せずに、オペレータが任意に入力した加工条件、所定の記憶手段にあらかじめ記憶された加工条件を利用してもよい。
【００３２】
数値制御部９は、一般的に周知のＮＣ装置９ａと、サーボモータ、アンプを含むサーボシステム９ｂとを具備しており、工作機械１１の軸送り及び主軸の回転を制御する。つまり、ＮＣ装置９ａは周知の通り、工具経路データ及び加工条件データからＸ、Ｙ、Ｚの各送り軸の移動指令を生成すると共に、工作機械１１の主軸の起動、停止、クーラントのＯＮ／ＯＦＦ、自動工具交換、自動パレット交換等の動作指令を発する。サーボシステム９ｂはＮＣ装置４１から移動指令を受け取り、送り軸のサーボモータを制御する。こうして、数値制御部９により工作機械１１が制御される。
【００３３】
工作機械１１は、例えば自動工具交換装置を備えたマシニングセンタなどの一般的に周知の工作機械である。工作機械１１には、工作機械１１のコラムやベッドなどの機体各部の温度、クーラントの温度、工作機械１１が設置されている環境温度を測定するためのサーミスタ等の温度センサおよび工作機械１１のモータに供給される電流値を測定する電流計等を含む機械センサ、工作機械１１に装着されている工具の工具長、工具径、工具先端形状等を測定するための工具センサ、及び、加工されているワークの形状を実際に測定するワークセンサを含むセンサ部１３が設けられている。センサ部１３で測定された値は後述する予測演算部７へ送られる。さらに、センサ部１３の工具センサで測定された工具径、工具長、回転中の工具の振れ、中心位置変動等はデータ補正部１５を介してデータベース３の工具／ホルダデータベース３ｂに送られ、データベース３の内容、特に、工具の摩耗特性、工具寿命、工具の振れ特性が補正、更新される。
【００３４】
また、センサ部１３の機械センサの温度センサで測定された機体各部の温度、クーラントの温度、環境温度等はデータ補正部１５を介してデータベース３の機械データベース３ａに送られ、機械データベース３ａの該当部が補正、更新される。さらに、センサ部１３のワークセンサで測定された加工誤差から工作機械１１の動作時の位置決め誤差を演算し、データ補正部１５を介してデータベース３の機械データベース３ａに送り、機械データベース３ａの該当部を補正、更新するようにしてもよい。センサ部１３のワークセンサで測定された加工誤差を工具経路決定部５の補正部５ｄへ送り、ここで加工誤差データから補正データを生成し、工具経路生成部５ｂで補正工具経路を生成して再加工することもできる。
【００３５】
次に、図６を参照して予測演算部７を説明する。
予測演算部は、加工状態シミュレーション部７ａ、機械挙動シミュレーション部７ｂ、ワークシミュレーション部７ｃ、工具挙動シミュレーション部７ｄを主要な構成要素として具備している。
【００３６】
加工状態シミュレーション部７ａは、入力データベース３ｆから加工形状データ１ａ及びワークデータ１ｂを受け取り、工具／ホルダデータベース３ｂから、加工工程決定部５ａにて決定された工具及び工具ホルダの寸法、形状、主軸先端部の形状、寸法を受け取る。さらに、加工状態シミュレーション部７ａは、工具経路生成部５ｂで決定、演算された１刃当たりの送り量、切込み量、ピックフィード量、工具パス及びピックフィードパスを受け取り、かつ、加工条件決定部５ｃで決定された主軸回転速度、送り速度を受け取る。
【００３７】
加工状態シミュレーション部７ａは、加工に先立って、つまり、一番最初に工具経路決定部５が工具パス等を生成する際に、加工形状データ１ａ及びワークデータ１ｂと、工具、工具ホルダ及び主軸先端部の形状、寸法と、工具パスと、ピックフィードパスとから工具、工具ホルダ、主軸先端部とワークとが、加工中に干渉するか否かを予測する。ある加工領域での加工中に干渉が生じることが予測される場合には、加工状態シミュレーション部７ａは加工工程決定部５ａに対して、当該加工領域を加工不可領域とするように指令する。このとき、当該加工不可領域を他の工具により加工可能である場合または加工不可領域の加工パターンを変更できる場合には、加工工程決定部５ａは、工具または加工パターンを変更して加工領域、工具、加工パターン、加工順序を決定し直し、工具経路決定部５に送出する。そして、上記手順が繰り返される。工具や加工パターンが変更できない場合には、加工工程決定部５ａは、当該加工不可領域を加工工程から外した加工順序を工具経路決定部５に送出する。
【００３８】
図７Ａ、７Ｂを参照して加工領域の決定方法の一例を説明する。ある工具に対して干渉の発生しない領域２１ａが加工状態シミュレーション部７ａにより予測演算された場合に、当該工具で加工可能な領域、例えば面傾斜角度が６６度以下の領域が２１ｂの領域で示されるような場合（図７Ａ）、両者の重なり合う部分が加工領域２１ｃとして決定される（図７Ｂ）。
【００３９】
加工工程決定部５ａは、図７Ａ、７Ｂに示す方法と同様に、工具とワークとの干渉チェックにより決定された加工領域、または入力部１から入力した加工形状データ１ａに対して任意に決定した工具とワークとの干渉チェックにより決定された加工領域と、入力部１から入力した加工形状データ１ａの面傾斜角度、面の曲率、深さに基づき決定された加工領域との重複領域を加工すべき範囲とすることもできる。
【００４０】
加工状態シミュレーション部７ａは、さらに、加工が開始された後にも同様の干渉チェックをリアルタイムで実行している。その結果、工具とワークの干渉が予測される場合には、その旨のデータを工具経路生成部５ｂに送出する。工具経路生成部５ｂは、この干渉を避ける工具経路、例えばＺ軸方向に逃げる干渉回避加工パスを演算、生成する。
【００４１】
また、加工状態シミュレーション部７ａは、実際に加工が行われている間、加工形状データ１ａ、ワークデータ１ｂ、加工パターン、工具パスに関するデータに基づき、加工が進捗するワークにおける入隅部（インコーナ部）を予測する。この予測結果は加工条件決定部５ｃへ送出され、加工条件決定部５ｃが、前記入隅部（インコーナ部）で工具の送り速度を減速させる加工条件を生成する。
【００４２】
さらに、加工状態シミュレーション部７ａは、ワークデータ１ｂと、工具経路生成部５ｂで決定、演算された１刃当たりの送り量、切込み量、ピックフィード量、工具パスと、加工条件決定部５ｃで決定された主軸回転速度、送り速度から加工負荷を予測演算する。さらに、加工状態シミュレーション部７ａは、加工形状データ１ａと、ワークデータ１ｂと、加工工程決定部５ａで決定された工具、工具ホルダ及び主軸先端部の形状、寸法と、工具経路生成部５ｂで決定、演算されたピックフィード量、工具パスから、加工中のワークの現時点の形状を予測すると共に、工具とワークとの接触点、ワークの重量を予測する。
【００４３】
また、加工状態シミュレーション部７ａは、予想されるワークの重量変化と加工条件決定部５ｃで決定された加工条件とに基づきワークの負荷イナーシャを予測する。この予測される負荷イナーシャは数値制御部９へ送られ、数値制御部９のサーボシステム９ｂのパラメータが補正される。
【００４４】
工具とワークとの接触点の予測に基づいて、例えば、工具がある工具パスを移動中にワークを切削していない、いわゆるエアカットが生じることが予測される場合、加工状態シミュレーション部７ａは、その旨のデータを加工条件決定部５ｃに送出する。これにより、加工条件決定部５ｃは、エアカットが予測される領域を通過する工具パスに沿って工具移動する際、最大送り速度で移動するよう数値制御部９に指令を出すことが可能となる。
【００４５】
機械挙動シミュレーション部７ｂは、機械データベース３ａに格納されている温度に対する機械の熱変形特性に関するデータと、センサ部１３の温度センサからの温度データに基づき工作機械１１の熱変形を予測する。また、加工状態シミュレーション部７ａで予測演算されたワークの重量データ及び機械データベース３ａに格納されているワークの重量による機械の変形特性に関するデータに基づき、工作機械１１のワークの重量による変形を予測する。
【００４６】
ワークシミュレーション部７ｃは、入力データベース３ｆから加工形状データ１ａ及びワークデータ１ｂを受け取り、工具／ホルダデータベース３ｂから、加工工程決定部５ａにて決定された工具及び工具ホルダの寸法、形状、主軸先端部の形状、寸法を受け取る。さらに、ワークシミュレーション部７ｃは、工具経路決定部５ｂで決定、演算された１刃当たりの送り量、切込み量、ピックフィード量、工具パス及びピックフィードパスを受け取り、かつ、加工条件決定部５ｃで決定された主軸回転速度、送り速度を受け取る。そして、ワークシミュレーション部７ｃは、受け取ったデータベースに基づき加工が進捗する刻々のワークの中間形状を予測演算し、その予測演算結果を加工状態シミュレーション部７ａ、機械挙動シミュレーション部７ｂへ送る。
【００４７】
工具挙動シミュレーション部７ｄは、加工状態シミュレーション部７ａで予測される加工負荷、工具／ホルダデータベース３ｂに格納されている工具の負荷に対する倒れ及び振れ特性に関するデータから工具の倒れ量、振れ量を予測する。また、工具／ホルダデータベース３ｂに格納されている工具寿命に関するデータと、前記加工状態シミュレーション部７ａで予測された加工負荷、加工接点、切込み量、加工時間から工具の摩耗量、摩耗分布を予測演算する。摩耗分布とは、例えばボールエンドミルの場合、先端が摩耗するのか、或いは、先端からどの位置で摩耗するのか、ストレート部か等の工具の摩耗部位を予測するものである。この摩耗の予測演算により、工具寿命に達したか否かの判断が行われる。さらに、センサ部１３の工具センサによっても回転中の工具の形状（工具径、工具長、中心位置、姿勢など）の変化から予測値の修正が行われる。
【００４８】
また、工具挙動シミュレーション部７ｄにおいて予測演算された工具の倒れ量は工具経路決定部５の補正部５ｄに送られ、予測される工具の倒れ量が所定値よりも大きいときには、工具の倒れを考慮した工具経路を生成するよう、工具経路生成部５ｂに送出する。例えば、ワーク工具とを水平方向に相対移動させるときに加工負荷が大きい場合には、工具は移動方向に対して前方に倒れるように変形するために主軸の座標位置よりも工具の先端位置が遅れて移動する。そのために、必要な加工を行うために主軸の工具の先端位置が所定の加工位置まで移動するように送り量を補正しなければならない。これにより、高精度な加工が可能となる。
【００４９】
次に、表示部１７を説明する。表示部１７は画像処理部１７ａと、ＣＲＴ等のモニタ１７ｂとを具備している。表示部１７は工具経路決定部５の加工工程決定部５ａにおいて決定された加工領域、加工パターン、工具の形状及び管理番号等を表示することができる。画像処理部１７ａは、加工工程決定部５ａからの前記加工領域の曲率、傾斜角度、深さに関するデータを受け取り、各々の領域を色分けして三次元表示するためのデータを生成することができる、さらに、詳細には図１に示されていないが、データベース３、予測演算部７、数値制御部９、センサ部１３と接続されており、各々からの情報をグラフィック表示またはテキスト表示することができる。例えば表示部１７は予測演算部７からのデータに基づき工具とワークとの干渉チェックの結果をグラフィック表示することができる。さらに、入力データベース３ｆに入力されている加工形状データ１ａにおける加工精度のデータと、センサ部１３において測定されたワークの形状測定データを比較して表示させてもよい。また、既述したように、ワークと工具との干渉を回避するための干渉回避加工パスにより、ワークの削り残された部分をグラフィック表示することもできる。
【００５０】
本発明の実施形態の作用について説明する。
まず、オペレータは入力部１から加工形状データ１ａ及びワークデータ１ｂをデータベース３に入力すると、入力した加工形状データ１ａ及びワークデータ１ｂと、データベース３に格納されている各データとに基づき、工具経路決定部５の加工工程決定部５ａで加工領域、工具、加工パターン、及び加工工程が選択、決定される。次いで、工具経路決定部５の工具経路生成部５ｂで工具経路が、加工条件決定部５ｃで加工条件が決定される。このように生成、決定された工具経路、加工条件等の機械駆動データにより数値制御部９を介して工作機械１１が駆動制御され、ワークの加工が行われ加工製品が完成する。
【００５１】
このとき、予測演算部７では、オペレータが入力部１から加工形状データ１ａ及びワークデータ１ｂと、データベース３に格納されている各データとに基づき、加工負荷、工具とワークとの干渉等の各種の予測演算が行われ、その予測演算結果が工具経路決定部５の加工工程決定部５ａへ送られ、予測演算部７での予測演算結果に基づき工具、加工パターン、及び加工工程が決定される。同様に、予測演算部７での予測演算結果に基づき工具経路決定部５の工具経路生成部５ｂで工具経路が、加工条件決定部５ｃで加工条件が決定される。
【００５２】
このように本発明は、入力部１から入力した加工形状データ１ａ及びワークデータ１ｂと、データベース３に格納されている各データとに基づき、予測演算部７で加工負荷、工具とワークとの干渉等の各種の予測演算が事前に行われるのである。つまり、従来はまず加工を行い、そのときの加工状態を検出してフィードバックして最適な制御を試みていたのに対して、本発明ではまず予測演算をして、その予測演算結果でフィードフォワード制御して加工を行う。また、検出した加工状態をフィードバックしてフィードフォワード制御の精度を更に向上させるようにしている。よって、最適化される速度が従来より速くなり、高精度な加工をより速く遂行できる。
【００５３】
以上説明したように、本発明によれば、オペレータは加工すべき製品の形状データと、投入する未加工ワークの形状および材料に関するデータのみを入力することにより、要求精度に合致した加工が適切な工具、工具経路、加工条件で自動的に実行され、短時間で製品の加工が可能となる。
【００５４】
従来技術と本発明の比較例を図８Ａ、８Ｂに示す。
図８Ａに示すような図面形状に基づく加工形状データが入力された場合に、従来技術では、工具の送り速度を高速のまま、例えば１６ｍ／ｍｉｎで加工すると、図８Ｂにおいて一点鎖線で示すように隅部がだれてしまうこと（参照番号２３ａ、２３ｂで示す部分）、湾曲面の半径が小さくなってしまうこと（参照番号２３ｃで示す部分）があった。さらに、従来技術では高速で工具を円周動作させたときに、参照番号２３ｄで示すように真円度が低下したり、参照番号２３Ｅで示すように肉厚が厚くなる。従来技術でも工具の送りを低速にする、例えば２００ｍｍ／ｍｉｎで加工すれば、参照番号２３ｆ、２３ｇで示すように高精度な加工が可能となる。これに対して本発明では、図８Ｂにおいて実線で示すように、工具の送り速度を高速に保ったまま加工してもこうしたことが生じない。これは、予測演算部９において、加工負荷の予測値の算出や、工具とワークとの干渉回避チェックが事前に行われ、かつ予めデータベース３に格納されている各種データベースを利用することにより初めて達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態による工作機械の制御装置のブロック図である。
【図２】データベースのブロック図である。
【図３】工具経路決定部のブロック図である。
【図４】加工工程決定部のフローチャートである。
【図５Ａ】加工パターンの種類を示す略図である。
【図５Ｂ】加工パターンの種類を示す略図である。
【図５Ｃ】加工パターンの種類を示す略図である。
【図５Ｄ】加工パターンの種類を示す略図である。
【図５Ｅ】加工パターンの種類を示す略図である。
【図５Ｆ】加工パターンの種類を示す略図である。
【図５Ｇ】加工パターンの種類を示す略図である。
【図５Ｈ】加工パターンの種類を示す略図である。
【図６】予測演算部のブロック図である。
【図７Ａ】加工領域の決定方法を説明するための略図である。
【図７Ｂ】加工領域の決定方法を説明するための略図である。
【図８Ａ】本発明の効果を説明するための略図であり、入力される加工形状データに基づく図面形状である。
【図８Ｂ】本発明の効果を説明するための略図であり、本発明の制御装置を用いて加工した場合と、従来技術とを比較する図である。
【符号の説明】
１…入力部
３…データベース
５…工具経路決定部
７…予測演算部
９…数値制御部
９ａ…ＮＣ
９ｂ…サーボシステム
１１…工作機械
１３…センサ部
１５…データ補正部
１７…表示部
１００…制御装置
Claims (2)
- 加工形状データを入力してワークを加工する工作機械の制御装置であって、
最終的なワークの形状に関する加工形状データ、加工前のワークの材質、形状に関するワークデータを入力する入力手段と、
前記ワークを加工する前記工作機械の機械仕様を表す機械データ、前記工作機械が保有する工具の工具仕様を表す工具データのうち少なくとも１つを格納するデータ格納手段と、
前記入力手段により入力されたデータ、前記データ格納手段に格納されたデータに基づき、前記ワークの加工面の形状を認識し、加工表面の曲率、傾斜角度及び深さを表面パラメータとして、加工表面を複数の加工領域に区分し、加工領域を加工するために最適な工具及び加工パターンを選択し、各々の加工領域を加工する加工順序を決定する加工工程決定手段と、
前記加工工程決定手段から加工領域、工具、加工パターン、加工順序に関するデータを受け取り、該データ及び前記入力手段により入力されたデータ、前記データ格納手段に格納されたデータに基づき、前記ワークを加工する工具経路を生成すると共に、前記工作機械の主軸回転速度、送り速度の前記ワークを加工する際の加工条件を決定する工具経路決定手段と、
前記工具経路決定手段で決定、演算された１刃当たりの送り量、切込み量、ピックフィード量、工具パス及びピックフィードパス、主軸回転速度、及び送り速度を受け取り、加工中のワークの現時点での形状、重量を予測し、予想されるワークの重量変化と前記工具経路決定手段で決定された加工条件とに基づきワークの負荷イナーシャを予測する予測演算手段とを具備し、
前記予測される負荷イナーシャに基づいて数値制御装置のサーボシステムのパラメータを補正するようにしたことを特徴とした工作機械の制御装置。 - ワークと加工形状データとを投入し、前記ワークが前記加工形状データに基づき所望形状に加工される加工装置であって、
前記ワークに加工を施し加工製品を出力する工作機械と、
前記加工形状データ及び前記ワークの材質、形状のワークデータを予め入力する入力手段と、
前記ワークを加工する前記工作機械の送り軸ストローク、主軸最高回転速度、最大送り速度の機械仕様を表す機械データ、前記工作機械を制御する数値制御装置の各種パラメータの制御データ、及び前記工作機械が保有する工具の種類、材質、寸法の工具仕様を表す工具データのうち少なくとも１つを格納するデータ格納手段と、
前記入力手段により入力されたデータ、及び前記データ格納手段に格納されたデータに基づき、前記ワークの加工面の形状を認識し、加工表面の曲率、傾斜角度及び深さを表面パラメータとして、加工表面を複数の加工領域に区分し、加工領域を加工するために最適な工具及び加工パターンを選択し、各々の加工領域を加工する加工順序を決定する加工工程決定手段と、
前記加工工程決定手段から加工領域、工具、加工パターン、加工順序に関するデータを受け取り、該データ及び前記入力手段により入力されたデータ、前記データ格納手段に格納されたデータに基づき、前記ワークを加工する工具経路を生成する工具経路生成手段と、
前記工具経路生成手段により生成された工具経路、前記データ格納手段に格納されたデータに基づき、前記工作機械の主軸回転速度、送り速度の前記ワークを加工する際の加工条件を決定する加工条件決定手段と、
前記工具経路生成手段及び前記加工条件決定手段で決定、演算された１刃当たりの送り量、切込み量、ピックフィード量、工具パス及びピックフィードパス、主軸回転速度、及び送り速度を受け取り、加工中のワークの現時点での形状、重量を予測し、予想されるワークの重量変化と前記加工条件決定手段で決定された加工条件とに基づきワークの負荷イナーシャを予測する予測演算手段と、
前記工具経路生成手段により生成された工具経路及び前記加工条件決定手段により決定された加工条件から前記工作機械の動作を制御する数値制御手段と、
を具備し、
前記予測される負荷イナーシャに基づいて前記数値制御手段のサーボシステムのパラメータを補正するようにしたことを特徴とした加工装置。
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