JP4571592B2 - 数値制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の各送り軸の移動を制御する数値制御装置に関し、特にピックフィードを有する加工プログラムによる送り軸の移動を制御する数値制御装置に関する。

金型等の加工をする工作機械においては、加工物を切削する工具の軌跡である切削経路を、ピックフィード（加工物の切削に関与しない切削完了部での工具の移動経路）によって繋ぐ工程を含む加工プログラムを一般に使用している。

図３は切削経路とピックフィードにより構成された加工プログラムによる加工の一例である。Ｘ軸方向が工具を往復させる切削経路、Ｙ軸方向がピックフィードである。この図にあるように、加工の際の工作機械の動作は、工具が加工物上にあり切削経路に沿って加工物を実際に切削する実切削動作と、工具が加工物上を通過し切削経路に沿って工具を加工物から退避するエアーカットの退避動作と、次の切削経路に乗り換えるピックフィードと、乗り換わった切削経路に沿って工具を加工物に寄り付かせるエアーカットの寄り付き動作と、再び切削経路に沿って加工物を切削する実切削動作とが連続して実施される。このときピックフィードでは始点および終点が角部となるため、非切削領域でありながらこの部分にて工具の動作速度が大幅に落ちることになり、加工効率の低下の要因となっている。

これを解消するための従来技術の一例が図４に示されている（例えば特許文献１）。同図では、Ｘ軸方向に切削経路があり、これをＹ軸方向のピックフィードでつなぐ例が記されている。この例では、図３に示した「退避動作→ピックフィード→寄り付き動作」という順番での軸動作ではなく、Ｙ軸方向のピックフィード動作とＸ軸方向の退避動作および寄り付き動作とのエアーカットが並行して行われる。ピックフィード方向であるＹ軸方向においては、実切削動作が終了した時点で速度０から加速が始まり、次の切削経路の実切削動作が開始される点へ到達した時点で減速が完了し速度が０となる。Ｘ軸方向については、Ｙ軸方向の移動時間ができるだけ短くなるようにＹ軸方向の加速・減速に合わせて速度を追従させる。これにより、上記した「退避動作→ピックフィード→寄り付き動作」という順序で各動作を１ブロックずつ行う場合よりもピックフィード動作の所要時間が抑えられる。

特開２０００−８９８１４号公報

実際に加工物を加工する際には、加工効率を上げるために加工時間を短くすることが重要視されるが、加工物の加工面品位を維持し向上することも重要視される。このため加工中は機械振動などが発生しないように軸を送る必要がある。

機械振動が発生しない様に加工するためには、工具の移動経路が移動経路上の任意の点において接線の向きおよび曲率が急激に変化しない様に常に滑らかにつながっている必要がある。しかし、上記従来技術では、ピックフィード部の所要時間を短縮するに際し速度制御の着目に留まっており、実際に加工物を加工する際には加工面品位の低下が問題となる可能性がある。

また上記従来技術では、工具が加工物上を通過した時点でピックフィードの方向に加速を開始するが、ピックフィードの方向としては、切削経路の方向に垂直な、あるいは垂直に近い方向を想定している。しかし一般的には図５に示されるように、ピックフィードの方向は対象となる加工物の形状に依存するため、必ずしも切削経路に垂直な方向となる保証はない。このため、上記従来技術を一般的な加工物の形状に適用することは困難である。

また上記従来技術では、工具が切削経路上を通過した時点でピックフィードの方向に加速を開始するが、このためには、工具が加工物上を通過する位置を正確に把握する必要がある。

これを実現するためには、数値制御装置に入力される加工プログラムに指定される軸移動指令ブロックに、そのブロックが退避動作ブロックであるか、ピックフィードブロックであるか、寄り付き動作ブロックであるかを示す識別子をつける必要がある。このピックフィードの軸移動指令ブロックであることを示す識別子をつける処理は加工プログラムを生成するＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）工程で行う必要があり、それまでユーザが使用していた加工プログラムを用いて上記従来技術を適用することはできない。また識別子をつける処理を行うことのできるＣＡＭシステムを使用することが必須となる。

上記課題を解決するために、本発明は、工作機械の各送り軸の移動を制御する数値制御装置において、加工物を切削するための工具の切削経路が複数の線分データからなる加工プログラムを読取り、前記切削経路の間を相互につなぐピックフィード部及びこれの両端に各々接続する切削経路部の線分データを前記加工プログラム中から抽出する解析手段と、前記解析手段により抽出されたピックフィード部の両端に接続する各々の切削経路部の線分データを、分割点により工具が工作物を切削する実切削経路部と工具が工作物から離れるエアーカット部とに分割する分割手段と、前記各分割点を始終点とし、かつ、接線の方向と曲率が前記各分割点において前記実切削経路部の接線の方向と曲率に略一致するとともに、前記接線の方向と曲率が曲線上の始終点間において徐変する滑らかな曲線を求め、前記ピックフィード部及びエアーカット部を該曲線に置換える曲線化手段と、を有することを特徴とする数値制御装置を提供する。

また、上記課題を解決するために、本発明は、上記の数値制御装置において、前記曲線化手段は、前記各分割点を始終点とし、かつ、接線の方向と曲率が前記各分割点において前記実切削経路部の接線の方向と曲率に略一致し曲線上の始終点間において徐変する高次ＮＵＲＢＳ曲線を求め、前記ピックフィード部及びエアーカット部を該曲線に置換えることを特徴とする数値制御装置を提供する。

また、上記課題を解決するために、本発明は、上記の数値制御装置において、前記曲線化手段は、求める曲線とエアーカット部及びピックフィード部の線分との乖離した距離である経路ずれ量が、予め設定した許容値以内に収る曲線を求めることを特徴とする数値制御装置を提供する。

加工面品位を損なうことなくピックフィードの移動時間を短くし、加工効率を向上させることができる。

また加工プログラム中の軸移動指令ブロックに、退避動作ブロック、ピックフィードブロック、寄り付き動作ブロックという指定がされていない従来のＮＣ（Numerical Control）データを用いても、上記効果を得ることができる。

以下、本発明の第１の実施形態を図１及び図６に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施形態を表すブロック図、図６は本発明の実施形態におけるピックフィードブロックの曲線化の様子を示す図である。

図１において、プログラム入力装置１では、加工プログラムを入力・解析し、送り軸移動指令ブロックデータＣを出力する。

ピックフィード部判定装置１１では、送り軸移動指令ブロックデータＣを入力し、この送り軸移動指令ブロックデータＣが、加工物を切削するための切削経路上の軸送り指令ブロックである切削経路ブロックのデータであるか、切削経路と他の切削経路とをつなぐピックフィード部であるピックフィードブロックのデータであるかを、ピックフィード部判定条件データ記憶装置２１に格納されているピックフィード部判定条件データＤｐに基づいて判定する。ピックフィード部判定装置１１は、送り軸移動指令ブロックデータＣが、切削経路ブロックのデータであると判定した場合には、その送り軸移動指令ブロックデータＣを切削経路ブロックデータＢｃとして出力し、ピックフィードブロックであると判定した場合には、その送り軸移動指令ブロックデータＣをピックフィードブロックデータＢｐとして出力する。

本装置１１で行う判定処理としては例えば、対象となる送り軸移動指令ブロックデータＣの線分長があらかじめ設定された設定長以内であり、かつブロックデータＣの前後のブロックデータが示す線分が平行である、という条件が満たされた場合に対象となる送り軸移動指令ブロックデータＣをピックフィードブロックのデータである、と判定するというように実施する。

例えば、図６（ａ）に示すように、送り軸移動指令ブロックデータＣにより指定された連続する座標点がＰ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３であり、あらかじめ設定された設定長がＬｐである場合において、線分Ｐ１−Ｐ２の線分長Ｌ１２が、あらかじめ設定された設定長Ｌｐ以内であり、またこの線分の前後の線分であるＰ０−Ｐ１とＰ２−Ｐ３とが平行であることが満たされていれば、線分Ｐ１−Ｐ２が示す送り軸移動指令ブロックデータＣをピックフィードブロックのデータである、と判定する。

また、例えば図７（ａ）に示すように、送り軸移動指令ブロックデータにより指定された連続する座標点が、Ｐ０ｃ、Ｐ０ｂ、Ｐ０ａ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ａ、Ｐ３ｂ、Ｐ３ｃ、・・・という、各線分の線分長が比較的短く、自由曲面を近似したブロックデータを想定するような場合は、図６（ａ）のように、ピックフィード部の前後のブロックが平行である、あるいはおよそ平行である、という条件では判定がしづらくなる。この場合は例えば前記条件を次のように変える方法をとることが出来る。

線分Ｐ０ａ−Ｐ１およびＰ２−Ｐ３ａにおいて、この各々の線分からあらかじめ設定された連続ブロック数Ｎｃだけ連続する一連のブロックを考える。たとえばＮｃ＝３とすると、前記連続した一連の線分は、Ｐ０ｃ−Ｐ０ｂ、Ｐ０ｂ−Ｐ０ａ、Ｐ０ａ−Ｐ１およびＰ２−Ｐ３ａ、Ｐ３ａ−Ｐ３ｂ、Ｐ３ｂ−Ｐ３ｃである。ここで、前記連続する一連のブロックについて、接続する2つの線分の成す角度があらかじめ設定された角度α以上であり、また前記連続する一連のブロックの、始点と終点を結んだ線分と、前記Ｐ１−Ｐ２の後の連続するブロックの始点と終点を結んだ線分との成す角度があらかじめ設定された角度β未満である場合（図７（ｂ））に、線分Ｐ１−Ｐ２が示す送り軸移動指令ブロックＣをピックフィードブロックのデータである、と判定する。

もちろん判定条件としては上記条件のみに限定されるものではなく、必要に応じて適宜設定することができる。

切削経路ブロック分割装置１２では、切削経路ブロック分割条件データ記憶装置２２に格納されている切削経路ブロック分割条件データＤｖに基づき、切削経路ブロックデータＢｃがピックフィードの前後の切削経路のブロックデータである場合、工具が加工物の上にあり、実際に切削が行われる部分である実切削経路部と、工具が加工物の上を通過後、加工物から退避しピックフィードの始点までエアーカットで移動する退避経路部と、ピックフィードの終点から次の実切削経路部に向かって工具がエアーカットで寄り付く動作をする寄り付き経路部とに分割し、退避経路部、寄り付き経路部のブロックデータをそれぞれ退避経路ブロックデータＢｅ、寄り付き経路ブロックデータＢａとし、残った実切削経路部を新たな切削経路ブロックデータＢｃとして出力する。切削経路ブロックデータＢｃがピックフィードの前後の切削経路のブロックデータでない場合は、そのまま切削経路ブロックデータＢｃとして出力する。

本装置１２で行う判定処理としては例えば、切削経路ブロックにより規定される線分のうち、ピックフィードとの交点から切削経路ブロック分割条件データＤｖとして規定されているブロック長分を、退避経路部、寄り付き経路部とし、残りの部分を実切削経路部とする、というように実施する。

例えば、図６（ｂ）に示すように、切削経路ブロック分割条件データとして規定されているブロック長をＬｄとする場合において、線分Ｐ０−Ｐ１を、ピックフィード始点Ｐ１からＬｄだけ離れた点Ｐｄ１、線分Ｐ２−Ｐ３を、ピックフィード終点Ｐ２からＬｄだけ離れた点Ｐｄ２によってそれぞれ分割し、線分Ｐｄ１−Ｐ１に対応するブロックを退避経路部、線分Ｐｄ２−Ｐ２に対応するブロックを寄り付き経路部、残りの部分である線分Ｐ０−Ｐｄ１及びＰｄ２−Ｐ３に対応するブロックを実切削経路部、とする。

また例えば、切削経路ブロック分割条件データとして、切削経路の領域と非切削経路の領域を分割する平面である境界平面Ｐｄを想定する。例えば図８に示すように、切削経路ブロック分割条件データとして規定されている境界平面Ｐｄとする場合において、線分Ｐ０−Ｐ１と境界面Ｐｄとの交点をＰｄ１、Ｐ２−Ｐ３と境界平面Ｐｄとの交点をＰｄ２として、このＰｄ１およびＰｄ２により前記図６（ｂ）の例と同じく線分を分割する。

もちろん判定条件としては上記条件のみに限定されるものではなく、必要に応じて適宜設定することができる。

ピックフィード部曲線化装置１３では、ピックフィードブロックデータＢｐ、退避経路ブロックデータＢｅ、および寄り付き経路ブロックデータＢａ、および切削経路ブロックデータのうち、前記退避経路ブロックデータＢｅの１つ前のブロックデータおよび前記寄り付き経路ブロックデータＢａの１つ後のブロックデータＢｃを入力し、退避経路ブロックデータＢｅ、切削経路ブロックデータＢｃ、および寄り付き経路ブロックデータＢａの一連のブロックデータが指定する経路を、曲線上の任意の点において接線の向きおよび曲率の急激な変化がないという条件を満たす高次ＮＵＲＢＳ曲線（Non-Uniform Rational B-Spline曲線）に置き換え、この置き換えられた曲線データを曲線化ピックフィードブロックデータＢｒとして出力する。

本装置１３で行う曲線化処理の実施形態の一例を以下に示す。本例では置き換えを行うＮＵＲＢＳ曲線として、曲線上の任意の点において接線の向きおよび曲率の急激な変化がないことが数学的に保証される３次ＮＵＲＢＳ曲線を用いる。この３次ＮＵＲＢＳ曲線を、退避経路の始点、ピックフィードの始点および終点、並びに寄り付き経路の終点を３次ＮＵＲＢＳ曲線の制御点とし、退避経路の始点および寄り付き経路の終点を３次ＮＵＲＢＳ曲線が通り、退避経路の始点および寄り付き経路の終点において接線方向および曲率が一致する、という条件の下で決定する。

例えば、図６（ｃ）に示すように、線分Ｐｄ１−Ｐ１、Ｐ１−Ｐ２およびＰ２−Ｐｄ２を、ＮＵＲＢＳ曲線の制御点がＰｄ１、Ｐ１、Ｐ２、Ｐｄ２であり、ＮＵＲＢＳ曲線がＰｄ１、Ｐｄ２を通り、Ｐｄ１、Ｐｄ２での接線方向及び曲率が、曲線に置き換えられる前の分割点Ｐｄ１、Ｐｄ２における接線方向、曲率に一致している、という条件を満たす３次ＮＵＲＢＳ曲線に置き換え、この曲線部を規定するブロックを曲線化ピックフィードブロックとする。

上記曲線化処理は実施形態の一例であり、曲線上の任意の点において接線方向および曲率の急激な変化がないことが保証される、という条件の下では上記処理内容に限定されるものではなく、必要に応じて適宜設定することができる。

上記実施形態において、ピックフィード部判定条件データ記憶装置２１は、ピックフィード部判定装置１１での判定処理の際の条件であるピックフィード部判定条件データＤｐを記憶する。

また、切削経路ブロック分割条件データ記憶装置２２は、切削経路ブロック分割装置１２でのブロック分割処理の際の条件である切削経路ブロック分割条件データＤｖを記憶する。

関数発生装置２では、切削経路ブロック分割装置１２から出力された切削経路ブロックデータＢｃと、ピックフィード部曲線化装置１３から出力された曲線化ピックフィードブロックデータＢｒとに基づいて関数発生を行い、各送り軸の位置データである補間位置データＰを出力する。

送り軸駆動装置３では、補間位置データＰに基づいて機械の各送り軸の移動の制御を行う。

なお上記実施形態では、加工プログラム中の送り軸移動指令ブロックについて、そのブロックが退避経路ブロックであるか、ピックフィードブロックであるか、寄り付き経路ブロックであるかを自動的に判定して、この一連のブロックを曲線化ピックフィードブロックに置き換えているが、加工プログラムに指定される軸移動指令ブロック中に、そのブロックが退避経路ブロックであるか、ピックフィードブロックであるか、寄り付き経路ブロックであるかを示す識別子があらかじめ指定されている場合には、上記実施形態に、識別子を判定し、判定されたブロックをそれぞれ、退避経路ブロック、ピックフィードブロック、寄り付き経路ブロックとして決定する装置を追加することにより、識別子が指定されている加工プログラムに対して本発明を容易に適用することができる。

図２に基づいて本発明の第２の実施形態を説明する。図２は本発明の第２の実施形態を表すブロック図である。本実施形態は、上記ピックフィード部曲線化装置１３にて行われる曲線化の際に、置き換える曲線化ピックフィードブロックのピックフィード経路と元の退避経路ブロックＢｅ、ピックフィードブロックＢｐ、寄り付き経路ブロックＢａの各経路との乖離した距離である経路ずれ量が、あらかじめ指定されている許容誤差量以内に収まるように曲線化を行う実施形態である。

ピックフィード部曲線化装置１３において行われる、退避経路ブロックと、ピックフィードブロックと、寄り付き経路ブロックとが連続して構成される一連のブロックの規定する経路を曲線に置き換える処理において、置き換え曲線を決定する条件として、置き換え対象となる一連のブロックの経路から置き換え曲線までの乖離した距離である経路ずれ量が、あらかじめ指定されている許容誤差量以内に収まる、という条件を付加して曲線化を実施する。

置き換え誤差許容量データ記憶装置２３では、置き換え誤差許容量にあたる置き換え誤差許容量データＤｔを記憶する。

本装置で行う、前記曲線化の対象となる一連の経路から置き換え曲線までの乖離した距離である経路ずれ量をあらかじめ指定されている許容誤差量以内に収める実施形態の一例を以下に示す。

まずは図６（ｃ）で説明した曲線化と同じ手法で曲線化した置き換え曲線を作成する（図９（ａ））。この曲線をＮｒ（ｔ）とする。ｔは媒介変数である。次に、置き換え前の一連の線分Ｐｄ１−Ｐ１−Ｐ２−Ｐｄ２から伸ばした垂線が、置き換え誤差許容値データＤｔとして設定されている、置き換え誤差許容値ε以内である領域を、置き換え誤差許容エリアとして想定する（図９（ｂ））。次に、曲線化した置き換え曲線が前記置き換え誤差許容エリア内にあるかを確認する（図９（ｃ））。これは、前記曲線Ｎｒ（ｔ）上の任意の点とＰｄ１−Ｐ１、Ｐ１−Ｐ２、Ｐ２−Ｐｄ２との距離を求め、この最小値が前記置き換え誤差許容値ε以内かどうかで容易に判定することが出来る。このとき前記距離の最小値が前記置き換え誤差許容値ε以内であれば、この曲線Ｎｒ（ｔ）を、曲線化ピックフィードブロックとして決定する。もし、前記距離の最小値が前記置き換え誤差許容値εを超える部分があれば（図９（ｄ））、前記曲線Ｎｒ（ｔ）を、前記置き換え誤差許容値εに収まるように再計算する。

再計算の方法としては、例えばＮＵＲＢＳ曲線の係数の１つであるウェイト値を増加させる方法がある。ウェイト値はその値が大きいほどＮＵＲＢＳ曲線が制御点に近づくという数学的特徴があるので、この特徴を用いて、前記ＮＵＲＢＳ曲線が前記置き換え誤差許容エリア内に収まるようなウェイト値を算出して（図９（ｅ））、この時の曲線Ｎｒ（ｔ）を、曲線化ピックフィードブロックとして決定する。

これ以外の上記実施例１と同様の部分には同様の符号を付し説明は省略する。

本発明の第１の実施形態を表すブロック図。 本発明の第２の実施形態を表すブロック図。 切削経路をピックフィードで繋いだ加工プログラムによる加工の例を示す図。 従来技術によるピックフィードの高速化の例を示す図。 一般のピックフィードの例を示す図。 本発明によるピックフィードブロックの曲線化の様子を示す図。 本発明による他の曲線化の様子を示す図。 本発明による分割手段の一例を示す図。 本発明による曲線化において経路ずれ量を許容量以内に収める様子を示す図。

符号の説明

１ プログラム入力装置、２ 関数発生装置、３ 送り軸駆動装置、１１ ピックフィード部判定装置、１２ 切削経路ブロック分割装置、１３ ピックフィード部曲線化装置、２１ ピックフィード部判定条件データ記憶装置、２２ 切削経路ブロック分割条件データ記憶装置、２３ 置き換え誤差許容量データ記憶装置。

Claims (3)

1. 工作機械の各送り軸の移動を制御する数値制御装置において、
   加工物を切削するための工具の切削経路が複数の線分データからなる加工プログラムを読取り、前記切削経路の間を相互につなぐピックフィード部及びこれの両端に各々接続する切削経路部の線分データを前記加工プログラム中から抽出する解析手段と、
   前記解析手段により抽出されたピックフィード部の両端に接続する各々の切削経路部の線分データを、分割点により工具が工作物を切削する実切削経路部と工具が工作物から離れるエアーカット部とに分割する分割手段と、
   前記各分割点を始終点とし、かつ、接線の方向と曲率が前記各分割点において前記実切削経路部の接線の方向と曲率に略一致するとともに、前記接線の方向と曲率が曲線上の始終点間において徐変する滑らかな曲線を求め、前記ピックフィード部及びエアーカット部を該曲線に置換える曲線化手段と、を有することを特徴とする数値制御装置。
2. 請求項１に記載の数値制御装置において、
   前記曲線化手段は、前記各分割点を始終点とし、かつ、接線の方向と曲率が前記各分割点において前記実切削経路部の接線の方向と曲率に略一致し曲線上の始終点間において徐変する高次ＮＵＲＢＳ曲線を求め、前記ピックフィード部及びエアーカット部を該曲線に置換えることを特徴とする数値制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の数値制御装置において、
   前記曲線化手段は、求める曲線とエアーカット部及びピックフィード部の線分との乖離した距離である経路ずれ量が、予め設定した許容値以内に収る曲線を求めることを特徴とする数値制御装置。

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