JP4406034B2 - 5軸加工機を制御する数値制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、数値制御装置に関し、特に、テーブルに取り付けられた加工物(ワーク)に対して直線軸3軸と回転軸2軸によって加工する5軸加工機を制御する数値制御装置に関する。
5軸加工機における加工では、工具先端点の移動経路と工具方向の移動指令に対して、指令された加工物と工具との相対的移動速度に基づいて工具先端点の移動経路を補間しながら工具方向も補間し、工具方向が変化しながら工具先端点が指令された移動経路上を指令された速度で移動する加工が一般的に行われるようになっている。このような、指令と加工方法を「工具先端点制御」という。工具先端点制御で用いられるプログラム指令はCAMで作成される。CAMは、「Computer Aided Manufacturing」の略で、コンピュータによって製造データを生成することを意味する。
特許文献1に開示される技術は、工具先端点制御の一例であり、工具先端点の移動経路と工具方向の移動指令に対して、加工物と工具との相対移動速度に基づいてそれぞれを補間しながら移動経路の補間点を補正して、工具先端点が指令された移動経路上を指令された速度で移動するようにサーボモータを駆動する、5軸加工機を制御する技術である。
特開2003−195917号公報
ここで、CAMにおいてプログラム指令を作成する一般的な方法について説明する。図1に示されるような加工曲面を図2に示されるように三角パッチと呼ばれる区画で分割し、図3に示されるように三角パッチ上で工具軌跡を計算して図4に示されるように各三角パッチの辺との交点ごとがブロックとなるプログラム指令を作成する。三角パッチは加工曲面に対して許容される誤差(トレランス)内となるように作成される。
工具先端点の経路は図4に示されるように三角パッチ上にあるので、工具先端点の間隔は不均一となる。また、工具方向は作成された三角パッチに垂直な方向に作成される。そして、三角パッチ同士の境界では2つの三角パッチにおける垂直方向の平均値とするのが一般的である。そのため、図5に示されるように工具経路に沿った断面から工具方向の変動を見ると、緩やかな凹形状の底では短い間隔で工具方向の小さな行き返りが発生する。
そのような工具方向の小さな行き返りが発生するプログラム指令が指令されると、回転軸の速度変化に応じて工作機械は減速および加速を繰り返すことになり、加工形状が粗くなったり加工時間がかかったりするなど問題が発生する。加工形状やCAMの種類によっては、この問題が頻繁に発生する。
そこで本発明は、工具先端点位置と工具姿勢の変化が小さいブロックのプログラム指令を間引き、工具の小さいぶれを取り除くことによって、加工形状を滑らかにし加工時間を短縮することが可能な、5軸加工機を制御する数値制御装置を提供することを目的とする。
本願の請求項1に係る発明は、テーブルに取り付けられた加工物に対して加工を行う直線軸3軸と回転軸2軸によって構成される5軸加工機を制御する数値制御装置において、
該直線軸の移動経路指令、該加工物と工具との相対移動速度指令および該テーブルに対する工具方向として工具方向指令を読み取る指令読み取り手段と、1)遷移的に切り替わる基準となる工具方向に対応する第1の工具先端点位置より後の工具先端点位置の工具方向と該遷移的に切り替わる基準となる工具方向とのなす角度が予め設定された角度トレランス値以上となる時の該工具先端点位置を第2の工具先端点位置とし、該第2の工具先端点位置を含む該第1の工具先端点位置と該第2の工具先端点位置の間の第3の工具先端点位置であって、該第1の工具先端点位置と該第3の工具先端点位置を線分で結び、この間の各工具先端点位置と該線分との距離が予め設定された距離トレランス値より小さいところの該第3の工具先端点位置を該第2の工具先端点位置から該第1の工具先端点位置に向かって探索し、探索して得られた該第3の工具先端点位置に対応する工具方向を前記遷移的に切り替わる基準となる工具方向とし、2)前記1)を前記指令読み取り手段により読み取られる移動経路指令および工具方向指令に対して繰り返し、前記遷移的に切り替わる基準となる工具方向に対応する移動経路指令と工具方向指令とを残して他の移動経路指令と工具方向指令とを間引く間引き手段と、該間引き手段によって間引かれずに残った移動経路指令、工具方向指令、及び、前記相対移動速度指令に基づいて工具先端点が指令された移動経路上を指令された相対移動速度で移動するよう補間周期ごとに各軸位置を求める補間手段と、該補間手段により求められた各軸位置へ移動するように各軸モータを駆動する駆動手段を有する5軸加工機を制御する数値制御装置である。
請求項に係る発明は、前記工具方向指令は、回転軸2軸の角度、または、工具方向ベクトルとして指令されることを特徴とする請求項1に記載の5軸加工機を制御する数値制御装置である。
請求項に係る発明は、前記指令読み取り手段は、間引きモードが指令されると、間引きモード解除が指令されるまで予め設定された数のブロックを間引き対象プログラム指令として先読みし、前記間引き手段は、該間引き対象プログラム指令における直線軸の移動指令と工具方向指令を間引くことを特徴とする請求項1または2のいずれか一つに記載の5軸加工機を制御する数値制御装置である。
請求項に係る発明は、前記間引きモードはGコードまたはMコードで指令され、前記間引きモード解除は該Gコードまたは該Mコードとは異なるGコードまたはMコードで指令されることを特徴とする請求項に記載の5軸加工機を制御する数値制御装置である。
本発明により、工具先端点位置と工具姿勢の変化が小さいブロックを間引くことで工具の小さいぶれを取り除くことができ、ワークの加工形状を滑らかにし加工時間を短縮することが可能な、5軸加工機を制御する数値制御装置を提供できる。
以下、本発明の実施形態について図面と共に説明する。
図6は、本発明である5軸加工機を制御する数値制御装置の実施形態の概略機能ブロック図である。加工プログラムであるNCプログラムのブロックは、指令読み取り手段1で解析され、間引き手段2において所定の間引き処理(図12に示されるアルゴリズムを示すフローチャートの処理)がなされ、所定の間引き処理がなされた直線軸機械座標位置と回転軸の回転位置に対して補間手段3により移動経路上を指令された相対移動速度で移動するように補間周期毎に各軸位置を求める補間処理がなされ、補間処理されたデータに基づき各軸のサーボ4X、4Y、4Z、4B(A)、4Cの各軸が制御される。
図7は、図6に示される本発明の5軸加工機を制御する数値制御装置において実行される間引き処理を説明する図である。本発明における間引き処理は、次の(1)、および、(2)の条件の両方に合致する5軸加工指令を間引く処理である。
(1)開始位置P1の工具方向V1との偏差(なす角)が角度トレランスθ内の工具方向をもつ指令。
(2)開始位置P1と(1)に該当しない工具先端位置P4を結んだ線分との偏差(距離)dが距離トレランスD内となる工具先端位置。
D:直線軸の距離トレランス
θ:角度トレランス
d:直線軸の変化量(工具先端位置の偏差)
α:工具方向の変化量(工具方向の偏差)
図7(a)は間引き処理を行わない場合の工具先端位置の移動経路を表している。各工具先端位置P1、P2、P3、及び、P4において、角度トレランスθを示している。工具先端位置P1では工具方向がV1であり、工具先端位置P2では工具方向がV2となり、工具先端位置P3では工具方向がV3となり、更に、工具先端位置P4では工具方向がV4となる。工具方向の変化量αは、工具先端位置P1から工具先端位置P3まで角度トレランスθ内にあり、工具先端位置P4で工具方向の変化量αが角度トレランスθを超える。また、工具先端位置P2と工具先端位置P3での直線軸の変化量dが距離トレランスDを超えている。
一方、図7(b)は、工具先端位置P1から工具先端位置P4に間引き処理を実行した場合の工具先端位置の移動経路を表している。図7(b)中では、工具先端位置P1と工具先端位置P4とを結ぶ直線上を工具先端は移動していく。図7(a)について説明したように、工具先端位置P2と工具先端位置P3とにおいて、工具方向の変化量αと直線軸の変化量dが角度トレランスθと距離トレランスDを超えていないため、工具先端位置P2(工具方向V2)と工具先端位置P3(工具方向V3)が間引かれる。この間引き処理により、工具先端位置は、図7(b)に示されうように工具先端位置P1と工具先端位置P4とを結ぶ直線の線分上を移動することになる。そして、工具方向は、工具先端位置P1から工具先端位置P4まではV1の方向で固定されることになり、図5で示されるような工具方向の行き返りが発生しない。
ここで、図8に示される加工プログラムの一例をもとに、図7に示される本発明における間引き処理を説明する。
NC文に本発明による間引き処理すると、図8左側に示される間引き前のNC文が間引き処理により右側に示される間引きされたNC文となる。この加工プログラムの例では、工具先端位置と工具方向の(P2,V2)と(P3,V3)のブロックが間引かれる。送り速度である速度指令F200が指令されているブロック(P3,V3)は間引かれるが、速度指令F200は間引かれずに残った次のブロック(P4,V4)に引き継がれる。
図9は5軸加工における工具ベクトルと座標系の関係を示す図である。3次元曲面を有する加工物(ワーク)に工具を指定した方向から当てるためには、図9に示されるように、工具位置座標(X,Y,Z)と工具の傾斜方向(工具方向)を示す回転2軸あるいは工具ベクトル(i,j,k)を指定すればよい。
図10は工具方向を回転2軸で指定する例を示している。この図では、工具方向を回転軸であるA軸とC軸とを指定することにより求めている。例えば、A軸を30度、C軸を45度とすると、NC文指令は、「G01X10.Y20.Z30.A30.C45.」のように、直線軸と回転軸を指定した指令文となる。
図11は工具方向を工具ベクトル(i,j,k)で指定する例を示している。この図では、工具方向を工具ベクトル(i,j,k)で指定することにより求めている。例えば、工具ベクトル(i,j,k)を(0.1,0.6,0.3)であるとすると、NC文指令は、「G01X10.Y20.Z30.I0.1J0.6K0.3.」のように、直線軸と工具方向ベクトルを指定した指令文となる。
図12は、本発明の5軸加工機を制御する数値制御装置で実行される間引き処理のアルゴリズムを示すフローチャートの例である。以下、各ステップに従って説明する。
iに1をセットしsにiをセットし、ステップS102へ移行する(ステップS100、ステップS101)。PiとViが読み込めるか否か判断し、読み込めない場合には間引き処理を終了し、読み込める場合にはステップS103へ移行する(ステップS102)。
iに1を加算し、PiとViが読み込めるか否か判断し、読み込めない場合にはステップS113に進みiから1を減算した後ステップS107へ移行し、読み込める場合にはステップS105へ移行し、VsとViのなす角度αを計算し、ステップS106へ移行する(ステップS103〜ステップS105、ステップS113)。
αが角度トレランスθより小さいか否か判断し、αがθより小さい場合にはステップS103へ戻り、αがθより小さくない場合にはステップS107へ移行する。
eにi、kにsを入力し、kに1を加算し、kがeより小さいか否か判断し、kがeより小さくない場合にはステップS114に進み、sにeをiにsを入力しPsを出力しステップS102に戻り、kがeより小さい場合にはステップS110に移行する(ステップS107〜ステップS109、ステップS114)。
PsとPeを結んだ線分とPkの距離dを計算し、dはDより小さいか否か判断し、小さい場合にはステップS108へ戻り、小さくない場合にはステップS112へ移行し、eにkをkにsを入力し、ステップS108へ戻る(ステップS110〜ステップS112)。
ここで、図12に示されるアルゴリズムのフローチャートの理解を助けるために、図7に示される5軸加工指令を数値制御装置で間引く処理を説明する図における工具先端位置P1(工具方向V1)〜工具先端位置P4(工具方向V4)に対して、図12に示されるアルゴリズムに従って間引き処理を行うことを説明する。
図7では(P1、V1)を間引き処理の始点としているから、iに1、sにi(=1)をセットし、(P1、V1)を読み込む(ステップS100〜ステップS102)。そして、iに1を加算しiを2とし、(P2、V2)を読み込み、V1とV2とのなす角度である工具方向の変化量(工具方向の偏差)αを算出する(ステップS103〜ステップS105)。
ステップS105で計算したV1とV2のなす角度αは角度トレランスθ内であるので、ステップS103へ戻り、iを1つ加算し(iは3となる)、(P3、V3)を読み込み、V1とV3とのなす角度である工具方向の変化量(工具方向の偏差)αを算出し、V1とV3のなす角度αは角度トレランスθ内であるので、再度、ステップS103へ戻り、iを1つ加算し(iは4となる)、(P4、V4)を読み込む(ステップS103〜ステップS106)。
V1とV4とのなす角度αは角度トレランスθ内からはずれるので、ステップS103へは戻らずに、ステップS107へ移行し、eにi(=4)をkにs(=1)をセットし、さらに、kに1を加算する(kは2となる)(ステップS106〜ステップS108)。
k(=2)はe(=4)より小さいので、ステップS110に移行し、sは1でありeは4であるから、工具先端位置P1と工具先端位置P4とを結んだ線分とP2の距離dを計算する(ステップS109、ステップS110)。ここで求めた距離dは距離トレランスDより小さいので、ステップS108へ戻り、k(=2)に1加算し(kは3となる)、ステップS109〜ステップS111の処理を再度行う。ここで算出したP1とP4とを結んだ線分とP3の距離dも距離トレランスD内であるので、ステップS108へ再度戻り、kに1加算する(kは4となる)。
上記の処理により、k=4、e=4となり、ステップS109の判断により、ステップS114へ移行し、sに4をiに4をセットし、工具位置P4を工具先端位置として出力し、ステップS102に戻り、次の間引き処理に移行する。
この処理の結果、図7(b)に示されるように(P2、V2)、(P3、V3)のブロックは間引かれたことになる。NC文では例えば図8のように間引かれたことになる。
図13は、間引きモードON指令をM33、間引きモードOFF指令をM34とした例である。図13において、NCプログラム「O0001」はシーケンス番号N1〜N11からなるプログラムである。「G01」は直線補間を意味するGコードである。「X」、「Y」、「Z」、「A」、及び「C」は各制御軸を意味するディメンジョンワード(座標語)である。シーケンス番号N2のブロックの「M33」は間引きモードON指令、シーケンス番号N10のブロックの「M34」は間引きモードOFFの指令とした例である。「M33」、「M34」はMコードであり、スイッチのONやOFFを指令するコードである。なお、Mコードに替えて所定のGコードを、間引きモードONと間引きモードOFFに設定して、本発明の間引き処理を実行するようにしてもよい。例えば、「G43.4P1」として間引き処理ON、「G43.4P0」として間引き処理OFFを指令してもよい。
図13の前処理に示されるように、(1)〜(9)の処理は補間処理の前処理にて行われる。シーケンス番号N2のブロックでM33のコードにより間引きモードをONすることから、前処理では、4つのブロックN3〜N6を先読みしN3〜N6の間引き処理がなされ、更に次の4つのブロックN7〜N9を先読みしてN7〜N9の間引き処理がなされ、シーケンス番号N10のブロックがM34であることから、間引きモードをOFFする。
前処理で、ブロックN3〜N6の間引き処理の結果、ブロックN4とブロックN5とが間引かれ、ブロックN7〜N9の間引き処理の結果、ブロックN8が間引かれる。
前記前処理の結果、補間処理用データは、ブロックN1、ブロックN3、ブロックN6、ブロックN7、ブロックN9、及び、ブロックN11となる。つまり、NCプログラムから、ブロックN4、ブロックN5、及び、ブロックN8が間引かれることを、図13の補間処理用データは示している。
Gコードで間引き処理のON、OFFの指令とMコードで間引き処理のON、OFFの指令について補足して説明する。
Gコードは数値制御装置がエンドユーザ向けに用意したインターフェイスである。Mコードは一般に機械メーカがエンドユーザ向けに追加する機能で、数値制御装置が間引き処理のONとOFFのインターフェイスをPMCなどの信号に用意した場合、機械メーカはMコード指令をトリガにPMCの信号経由で数値制御装置に間引き処理のONとOFFとを指示することになる。
図14は本発明の一実施形態である5軸加工機を制御する数値制御装置(CNC)100の要部ブロック図である。CPU11は数値制御装置100を全体的に制御するプロセッサである。CPU11は、ROM12に格納されたシステムプログラムをバス20を介して読み出し、該システムプログラムに従って数値制御装置全体を制御する。RAM13には一時的な計算データや表示データ及び表示器/MDIユニット70を介してオペレータが入力した各種データが格納される。
SRAMメモリ14は図示しないバッテリでバックアップされ、数値制御装置100の電源がオフされても記憶状態が保持される不揮発性メモリとして構成される。SRAMメモリ14中には、インターフェイス15を介して読み込まれた加工プログラムや表示器/MDIユニット70を介して入力された加工プログラムなどが記憶される。また、ROM12には、加工プログラムの作成及び編集のために必要とされる編集モードの処理や自動運転のための処理を実施するための各種システムプログラムがあらかじめ書き込まれている。
CAD/CAM装置や倣い装置などを使って作成した指令点列データおよびベクトル列データを含む加工プログラムがインターフェイス15を介して入力され、SRAMメモリ14に格納されている。本発明で実行される間引き処理を行うプログラムもSRAMメモリ14に格納されている。
また、数値制御装置100内で編集した加工プログラムは、インターフェイス15を介して外部記憶装置に記憶させることができる。PMC(プログラマブル・マシン・コントローラ)16は、数値制御装置100に内蔵されたシーケンスプログラムで工作機械の補助装置(例えば、工具交換用のロボットハンドのようなアクチュエータ)にI/Oユニット17を介して信号を出力し制御する。また、工作機械の本体に配備された操作盤の各種スイッチ等の信号を受け、必要な信号処理をした後、CPU11に渡す。
表示器/MDIユニット70はディスプレイやキーボード等を備えた手動データ入力装置であり、インターフェイス15は表示器/MDIユニット70のキーボードからの指令、データを受けてCPU11に渡す。インターフェイス19は手動パルス発生器などを備えた操作盤71に接続されている。
各軸の軸制御回路30〜34はCPU11からの各軸の移動指令量を受けて、各軸の指令をサーボアンプ40〜44に出力する。サーボアンプ40〜44はこの指令を受けて、各軸のサーボモータ50〜54を駆動する。各軸のサーボモータ50〜54は位置・速度検出器を内蔵し、この位置・速度検出器からの位置・速度フィードバック信号を軸制御回路30〜34にフィードバックし、位置・速度のフィードバック制御を行なう。
サーボモータ50〜54は、5軸加工機のX、Y、Z、B(A)、C軸を駆動するものである。また、スピンドル制御回路60は主軸回転指令を受け、スピンドルアンプ61にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ61はスピンドル速度信号を受けて、主軸モータ62を指令された回転速度で回転させる。ポジションコーダ63は、主軸モータ62の回転に同期して帰還パルスをスピンドル制御回路60にフィードバックし、速度制御を行う。この数値制御装置100によって、5軸加工機を駆動制御するものである。
加工曲面を示す図である。 加工曲面を三角パッチと呼ばれる区画で分割することを説明する図である。 三角パッチ上で工具軌跡を計算することを説明する図である。 工具と各三角パッチの辺との交点ごとがブロックとなるプログラム指令を作成することを説明する図である。 工具経路に沿った断面を示した図である。 本発明である5軸加工機を制御する数値制御装置の概略機能ブロック図である。 5軸加工指令を数値制御装置で間引く処理を説明する図である。 加工プログラムの一例をもとに、図7に示される本発明における間引き処理を説明する図である。 5軸加工における工具ベクトルと座標系の関係を示す図である。 工具方向を回転2軸で指定する例である。 工具方向を工具ベクトル(i,j,k)で指定する例である。 本発明の5軸加工機を制御する数値制御装置で実行される間引き処理のアルゴリズムを示すフローチャートの例である。 間引きモードON指令をM33、間引きモードOFF指令をM34とした例である。 本発明の一実施形態である5軸加工機を制御する数値制御装置(CNC)の要部ブロック図である。
符号の説明
1 指令読み取り手段
2 間引き手段
3 補間手段
4x X軸サーボ
4y Y軸サーボ
4z Z軸サーボ
4b(a) B(A)軸サーボ
4c C軸サーボ

Claims (4)

  1. テーブルに取り付けられた加工物に対して加工を行う直線軸3軸と回転軸2軸によって構成される5軸加工機を制御する数値制御装置において、
    該直線軸の移動経路指令、該加工物と工具との相対移動速度指令および該テーブルに対する工具方向として工具方向指令を読み取る指令読み取り手段と、
    1)遷移的に切り替わる基準となる工具方向に対応する第1の工具先端点位置より後の工具先端点位置の工具方向と該遷移的に切り替わる基準となる工具方向とのなす角度が予め設定された角度トレランス値以上となる時の該工具先端点位置を第2の工具先端点位置とし、
    該第2の工具先端点位置を含む該第1の工具先端点位置と該第2の工具先端点位置の間の第3の工具先端点位置であって、該第1の工具先端点位置と該第3の工具先端点位置を線分で結び、この間の各工具先端点位置と該線分との距離が予め設定された距離トレランス値より小さいところの該第3の工具先端点位置を該第2の工具先端点位置から該第1の工具先端点位置に向かって探索し、
    探索して得られた該第3の工具先端点位置に対応する工具方向を前記遷移的に切り替わる基準となる工具方向とし、
    2)前記1)を前記指令読み取り手段により読み取られる移動経路指令および工具方向指令に対して繰り返し、
    前記遷移的に切り替わる基準となる工具方向に対応する移動経路指令と工具方向指令とを残して他の移動経路指令と工具方向指令とを間引く間引き手段と、
    該間引き手段によって間引かれずに残った移動経路指令、工具方向指令、及び、前記相対移動速度指令に基づいて工具先端点が指令された移動経路上を指令された相対移動速度で移動するよう補間周期ごとに各軸位置を求める補間手段と、
    該補間手段により求められた各軸位置へ移動するように各軸モータを駆動する駆動手段を有する5軸加工機を制御する数値制御装置。
  2. 前記工具方向指令は、回転軸2軸の角度、または、工具方向ベクトルとして指令されることを特徴とする請求項1に記載の5軸加工機を制御する数値制御装置。
  3. 前記指令読み取り手段は、間引きモードが指令されると、間引きモード解除が指令されるまで予め設定された数のブロックを間引き対象プログラム指令として先読みし、
    前記間引き手段は、該間引き対象プログラム指令における直線軸の移動指令と工具方向指令を間引くことを特徴とする請求項1または2のいずれか一つに記載の5軸加工機を制御する数値制御装置。
  4. 前記間引きモードはGコードまたはMコードで指令され、前記間引きモード解除は該Gコードまたは該Mコードとは異なるGコードまたはMコードで指令されることを特徴とする請求項3に記載の5軸加工機を制御する数値制御装置。
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