JP4708299B2 - 数値制御装置 - Google Patents
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Description
[加工面の法線ベクトルを補正]
図4は、この発明の実施の形態1における数値制御装置の構成を示したブロック図である。実施の形態1における数値制御装置は、スクエアエンドミル工具またはラジアスエンドミル工具を用いて、加工物に対する工具姿勢を変えながら、工具底面が加工物に接する切削点が、加工プログラムに指令された移動経路(後述する移動データによって指定される経路)に沿って移動するように、機械の駆動軸を制御する数値制御装置である。なお、この実施の形態においては、5軸加工機による同時5軸加工において、工具の姿勢を変えながら行う加工のときに、主に工具の底面で加工する場合を例に挙げて説明する。図4に示すように、本実施の形態1における数値制御装置は、加工プログラム1と、工具データ3と、特異点判定部4と、移動データ補正部6と、補間部8と、表示部10と、第1から第5軸の制御を行う位置制御部1〜5(符号12〜16)とを有している。なお、図4において、2は加工プログラム1に指令される移動データ、5は特異点判定部4から出力される特異点判定結果、7は移動データ補正部6から出力される補正後の移動データ、9は補間部8から出力される現在位置、11は補間部8から出力される位置指令値である。これらについては以下に詳説する。
1)切削点制御モード
2)工具先端中心点制御モード
3)機械位置制御モード
のいずれかである。切削点制御モードは工具の切削点(ワークに工具が接する点)Peの位置および送り速度を移動データ2に従って制御するモードである。このモードでは、加工プログラム1に指令する移動データ2は切削点Peの位置およびその送り速度であり、すなわち加工形状と加工速度そのものを指す。また、工具先端中心点制御モードは、工具先端中心点Pcの位置および送り速度を移動データ2に従って制御するモードである。このモードでは、加工プログラム1に指令する移動データ2は工具先端中心点Pcの位置およびその送り速度であり、工具先端中心点Pcは切削点Peに対して工具の径(d,r)分だけ補正した位置である。さらに、機械位置制御モードは、機械位置Pmの位置、回転軸(ないしは工具の姿勢を制御する制御軸)の位置θおよびその送り速度(回転軸を含めた全軸の合成速度)を移動データ2に従って指令するモードである。このモードでは、加工プログラム1に指令する移動データ2は機械位置Pm、回転軸の位置θ、および送り速度であり、機械位置Pmは工具先端中心点Pcに対して工具長hだけ工具軸方向w方向に補正した位置である。
Pe(t) = P0 + (P1−P0)t (1.1)
とする。また工具軸方向ベクトルは始点での単位工具軸方向ベクトルw0と終点での単位工具軸方向ベクトルw1の間は、両ベクトルに垂直な軸周りに一定の角速度で回転させる。
nw=(w0×w1)/|w0×w1| (1.3)
φw=cos−1(w0・w1) (1.4)
nn=(N0×N1)/|N0×N1| (1.6)
φn=cos−1(N0・N1) (1.7)
|N×w|=0 (1.8)
の場合には特異点であると判断する。一方、ステップST110で法線ベクトルNの指令がない場合には工具の移動方向ベクトル(進行方向の単位ベクトル、移動経路の接線ベクトルに相当)vを用い、移動方向ベクトルvと工具軸方向ベクトルwに垂直なベクトルuを求め、uと移動方向ベクトルvに対して直角なベクトルを法線ベクトルNとして求める。
N=u×v/|u×v| (1.10)
v=(P1−P0)/|P1−P0| (1.11)
で表される。あるいは法線ベクトルNを経由せず、vとwが垂直である場合に特異点であると判断する。すなわち、
v・w=0 (1.12)
の場合には特異点であると判断するとしてもよい。
|N(t)×w(t)|=0 (1.13.1)
を満たすtを解析的または数値的に解くことで特異点に該当するtを求める。ステップST110でN指令なしの場合も、同様に、
N(t)・v(t)=0 (1.13.2)
を解くことで特異点に該当するtを求める。解がない場合にはブロック中には特異点は存在せず、解がある場合には、媒介変数が解t=tsに相当する位置に特異点があると判断する。この位置をS=Pe(ts)とする。
e= (N−(N・w)w)/|N−(N・w)w| (1.16)
e= ((N×w)×w)/|(N×w)×w| (1.17)
e= ((v×w)×w)/|(v×w)×w| (1.18)
na=(N0×w0)/|N0×w0| (1.21)
nb=(N1×w1)/|N1×w1| (1.23)
始点 w0 N0 −
↓切削点制御モード
補正点Qa Ns Na −
↓移動なし
補正点Qb Ns Nb −
↓切削点制御モード
終点 w1 N1 −
(「−」は設定不要、すなわち補間部において参照しないことを示す)
tn = tc + F×dt / L (1.31)
で表される。このtnをそれぞれ式(1.1)、式(1.2)、式(1.5)に代入することで、次回の切削点Pe(tn)、単位工具軸方向ベクトルw(tn)、加工面の法線ベクトルN(tn)が計算できる。これらを用いて、式(1.15)〜式(1.18)に従い工具径補正ベクトルΔPcomp(tn)を求め、切削点Pe(tn)に工具径補正ベクトルΔPcomp(tn)を加算して工具先端中心点Pc(tn)を求める。
P1 → Qa
w1 → Ns
N1 → Na
と置き換え、式(1.31)のLを
|P1−P0| → |Qa−P0|
と置き換えてPe(tn)、w(tn)、N(tn)を補間計算し、これらを用いて同様にPc(tn)を求める。
P0 → Qb
w0 → Ns
N0 → Nb
と置き換え、式(1.31)のLを
|P1−P0| → |P1−Qb|
と置き換えてPe(tn)、w(tn)、N(tn)を補間計算し、これらを用いて同様にPc(tn)を求める。
w=f(θ) (1.33)
Pc=gθ(Pm) (1.34)
の関係がある(順運動学の関係)。従って、この逆関数(逆運動学の関係)を用いて、
θ(tn)=f−1(w(tn)) (1.35)
Pm(tn)=gθ −1(Pc(tn)) (1.36)
により、機械位置Pm(tn)と回転2軸の角度θ(tn)を求め、合計5軸分の位置指令値11として、各軸の位置制御部1〜5(符号12〜16)に指令する。
F’=F×L’/L (1.37)
のように、移動距離に比例するように、送り速度を調整する。求めた補正前の移動経路上の補間点を現在位置9とし、表示部10に送り、表示させる。
[後傾姿勢から前傾姿勢に切り替わる場合]
上記の実施の形態1の図9、図10では、工具が前傾姿勢から後傾姿勢に切り替わるような場合について述べた。本実施の形態2では、図11(1)に示すように、逆に工具が後傾姿勢から前傾姿勢に切り替わるような場合について説明する。
F’=F×L’/L (1.37)
のように、移動距離に比例するように、送り速度を調整する。求めた補正前の移動経路上の補間点を現在位置9とし、表示部10に送り、表示させる。
[補正点を特異点に一致させる場合]
上記の実施の形態1では、特異点Sに工具先端中心点が一致し、かつ、この点で工具の姿勢が加工面に垂直となった状態での刃先位置を補正点とした。しかし、別の方法として、補正点はあくまで特異点Sとし、実施の形態1と同様に補正点での加工面法線ベクトルを補正し、補正点間は非切削点指令により直線補間してもよい。以下、この方法について述べる。
始点 w0 N0 −
↓切削点制御モード
補正点Qa Ns Na Pca
↓工具先端中心制御モード
補正点Qb Ns Nb Pcb
↓切削点制御モード
終点 w1 N1 −
tn = tc + F×dt / L (3.1)
で表される。このtnを用いて、次回の工具先端中心点の補間点Pc(tn)は、直線補間の場合は、
Pc(tn) = Pca + (Pcb−Pca) tn (3.2)
で表される。工具軸方向ベクトルw(tn)はこの区間においては一定である(w(tn)=Ns)。求めた工具先端中心点の補間点Pc(tn)と工具軸方向ベクトルw(tn)から、実施の形態1と同様に、式(1.33)〜式(1.36)を用いて、Pm(tn)とθ(tn)を求めて、これを位置指令値11とし、位置制御部1〜5(符号12〜16)に指令する。
[工具姿勢を補正]
上記の実施の形態1〜3では、特異点Sに工具先端中心点が一致し、かつ、この点で工具の姿勢が加工面に垂直となる状態を経由する移動方法であった。しかし、このとき、工具刃先の1点ではなく、刃先の2点あるいは工具底面全体が加工面に接触し、切削負荷の増大などの問題を生じる場合がある。本実施の形態はこの問題を解決するための方法について説明する。
nwa=(ws×w0)/|ws×w0| (4.2)
ここでΔφは実施の形態1と同様に選定する。
始点 w0 N0 −
↓切削点制御モード
補正点Qa wa Ns Pca
↓工具先端中心制御モード
補正点Qb wb Ns Pcb
↓切削点制御モード
終点 w1 N1 −
w0 → wa
w1 → wb
t → tn
と置き換えて求める。求めた工具先端中心点の補間点Pc(tn)と工具軸方向ベクトルw(tn)から、実施の形態1と同様に、式(1.33)〜式(1.36)を用いて、Pm(tn)とθ(tn)を求めて、これを位置指令値11とし、位置制御部1〜5(符号12〜16)に指令する。
[角度が異なる場合]
前述の実施の形態では、工具が前傾姿勢から後傾姿勢、またはその逆の場合について例を挙げた。しかし、前傾姿勢で特異点に到達し、特異点から出た後は後傾姿勢だが進行方向に対してさらに左右方向にも傾くような場合がある。一般には、特異点前後の工具軸方向ベクトルと加工面法線ベクトルによっては、特異点通過前の工具径補正ベクトルと、特異点通過後の工具径補正ベクトルのなす角度が0度でも180度でもない、任意の角度になりうる。前述した実施の形態は、任意の工具径補正ベクトルと加工面法線ベクトルに対して解くことができる計算式を構成しているので、このような場合にも対応することができる。
[凹形状の場合]
特に加工面が凹形状の場合には、周辺の加工形状との干渉(削り込み)が問題となる。
[戻る場合]
図19(1)に示すように、ワークに対して工具が、前傾姿勢から、一時的に特異点になり、その後また前傾姿勢に戻る場合がある。このように、一時的に特異点になるが、その前後で工具径補正ベクトルΔPcompが大きく変化しない場合がある。このような場合に、実施の形態1,2,3を適用すると、N0に対するw0と、N1に対するw1の相対的な位置関係がほぼ同じであれば、図19(2)に示すように、NaとNbが近い値となり、特異点においても、工具径補正ベクトルΔPcompを保持するような動作を行う。
[ラジアスエンドミルの場合]
本実施の形態においては、ラジアスエンドミルを用いた場合の補正方法について述べる。
ΔPcomp = (d−r)e + r(N−w) (8.1)
で表される。ここで右辺第1項は式(1.15)と同様に、ラジアスエンドミルの底面の平面の半径分の工具径補正ベクトルを指しており、スクエアエンドミルと同様に、底面全体が加工面に接する場合には工具径補正ベクトルが不定となる。一方、右辺第2項目はコーナ半径分の工具径補正ベクトルを指しており、これは加工面の法線ベクトルと工具軸方向ベクトルで一意に計算され、特異点において不定になることも、特異点前後で不連続になることもない。
Claims (10)
- スクエアエンドミル工具またはラジアスエンドミル工具を用いて、加工物に対する工具姿勢を変えながら、工具底面が加工物に接する切削点が、加工プログラムに指令された移動経路に沿って移動するように、機械の駆動軸を制御する数値制御装置であって、
前記加工プログラムに指令された移動データと使用する工具の工具データとに基づいて、前記工具の移動中に前記加工物の加工面に対して工具軸方向が垂直となる特異点があるかを判定する特異点判定部と、
前記特異点判定部によって移動中に特異点があると判定された場合には、前記移動データを、特異点を含む移動区間と特異点を含まない移動区間とに分割する移動データ補正部と、
前記移動データ補正部によって分割された移動区間のうち、前記特異点を含む移動区間では、移動がある場合には、工具先端中心点の位置を補間して求め、一方、前記特異点を含まない移動区間では、切削点の位置を補間し、加工面法線ベクトルと工具軸方向から工具先端中心点まで工具径補正ベクトルを求めて加算することで、工具先端中心点を求め、求めた前記工具先端中心点から逆運動学関数を用いて機械各軸の位置を求める補間部と、
前記補間部によって求められた機械各軸の位置に従って機械の駆動軸を制御する位置制御部と
を備え、
前記移動データ補正部は、
特異点を含む区間の始点における加工面法線ベクトルに対する工具軸方向ベクトルのなす回転角が、
前記特異点を含む区間の始点の直前の点における加工面法線ベクトルに対する工具軸方向ベクトルのなす回転角に近づくように、
前記特異点を含む区間の始点における加工面法線ベクトルまたは工具軸方向ベクトルないしはその両方を補正し、
前記特異点を含む区間の終点における加工面法線ベクトルに対する工具軸方向ベクトルのなす回転角が、
前記特異点を含む区間の終点の直後の点における加工面法線ベクトルに対する工具軸方向ベクトルのなす回転角に近づくように、
前記特異点を含む区間の終点における加工面法線ベクトルまたは工具軸方向ベクトルないしはその両方を補正する
ことを特徴とする数値制御装置。 - スクエアエンドミル工具またはラジアスエンドミル工具を用いて、加工物に対する工具姿勢を変えながら、工具底面が加工物に接する切削点が、加工プログラムに指令された移動経路に沿って移動するように、機械の駆動軸を制御する数値制御装置であって、
前記加工プログラムに指令された移動データと使用する工具の工具データとに基づいて、前記工具の移動中に前記加工物の加工面に対して工具軸方向が垂直となる特異点があるかを判定する特異点判定部と、
前記特異点判定部によって移動中に特異点があると判定された場合には、前記移動データを、特異点を含む移動区間と特異点を含まない移動区間とに分割する移動データ補正部と、
前記移動データ補正部によって分割された移動区間のうち、前記特異点を含む移動区間では、移動がある場合には、工具先端中心点の位置を補間して求め、一方、前記特異点を含まない移動区間では、切削点の位置を補間し、加工面法線ベクトルと工具軸方向から工具先端中心点まで工具径補正ベクトルを求めて加算することで、工具先端中心点を求め、求めた前記工具先端中心点から逆運動学関数を用いて機械各軸の位置を求める補間部と、
前記補間部によって求められた機械各軸の位置に従って機械の駆動軸を制御する位置制御部と
を備え、
前記移動データ補正部は、
前記特異点を含む区間の始点を、特異点の位置から、特異点を含む区間の始点の直前の位置における工具径補正ベクトルを減算した位置とし、
前記特異点を含む区間の終点を、特異点の位置から、特異点を含む区間の直後の位置における工具径補正ベクトルを減算した位置とする
ことを特徴とする数値制御装置。 - スクエアエンドミル工具またはラジアスエンドミル工具を用いて、加工物に対する工具姿勢を変えながら、工具底面が加工物に接する切削点が、加工プログラムに指令された移動経路に沿って移動するように、機械の駆動軸を制御する数値制御装置であって、
前記加工プログラムに指令された移動データと使用する工具の工具データとに基づいて、前記工具の移動中に前記加工物の加工面に対して工具軸方向が垂直となる特異点があるかを判定する特異点判定部と、
前記特異点判定部によって移動中に特異点があると判定された場合には、前記移動データを、特異点を含む移動区間と特異点を含まない移動区間とに分割する移動データ補正部と、
前記移動データ補正部によって分割された移動区間のうち、前記特異点を含む移動区間では、移動がある場合には、工具先端中心点の位置を補間して求め、一方、前記特異点を含まない移動区間では、切削点の位置を補間し、加工面法線ベクトルと工具軸方向から工具先端中心点まで工具径補正ベクトルを求めて加算することで、工具先端中心点を求め、求めた前記工具先端中心点から逆運動学関数を用いて機械各軸の位置を求める補間部と、
前記補間部によって求められた機械各軸の位置に従って機械の駆動軸を制御する位置制御部と
を備え、
前記移動データ補正部は、
前記特異点を含む区間の始点および終点を特異点とし、
前記特異点を含む区間の始点および終点における加工面法線ベクトルを補正する
ことを特徴とする数値制御装置。 - スクエアエンドミル工具またはラジアスエンドミル工具を用いて、加工物に対する工具姿勢を変えながら、工具底面が加工物に接する切削点が、加工プログラムに指令された移動経路に沿って移動するように、機械の駆動軸を制御する数値制御装置であって、
前記加工プログラムに指令された移動データと使用する工具の工具データとに基づいて、前記工具の移動中に前記加工物の加工面に対して工具軸方向が垂直となる特異点があるかを判定する特異点判定部と、
前記特異点判定部によって移動中に特異点があると判定された場合には、前記移動データを、特異点を含む移動区間と特異点を含まない移動区間とに分割する移動データ補正部と、
前記移動データ補正部によって分割された移動区間のうち、前記特異点を含む移動区間では、移動がある場合には、工具先端中心点の位置を補間して求め、一方、前記特異点を含まない移動区間では、切削点の位置を補間し、加工面法線ベクトルと工具軸方向から工具先端中心点まで工具径補正ベクトルを求めて加算することで、工具先端中心点を求め、求めた前記工具先端中心点から逆運動学関数を用いて機械各軸の位置を求める補間部と、
前記補間部によって求められた機械各軸の位置に従って機械の駆動軸を制御する位置制御部と
を備え、
前記移動データ補正部は、
前記特異点を含む区間の始点および終点を特異点とし、
前記特異点を含む区間の始点および終点における工具軸方向ベクトルを補正する
ことを特徴とする数値制御装置。 - 前記移動データ補正部は、
特異点を含む区間の始点における加工面法線ベクトルに対する工具軸方向ベクトルのなす回転角が、
前記特異点を含む区間の始点の直前の点における加工面法線ベクトルに対する工具軸方向ベクトルのなす回転角に近づくように、
前記特異点を含む区間の始点における加工面法線ベクトルまたは工具軸方向ベクトルないしはその両方を補正し、
前記特異点を含む区間の終点における加工面法線ベクトルに対する工具軸方向ベクトルのなす回転角が、
前記特異点を含む区間の終点の直後の点における加工面法線ベクトルに対する工具軸方向ベクトルのなす回転角に近づくように、
前記特異点を含む区間の終点における加工面法線ベクトルまたは工具軸方向ベクトルないしはその両方を補正する
ことを特徴とする請求項2ないし4のいずれか1項に記載の数値制御装置。 - 前記移動データ補正部は、
前記特異点を含む区間の始点および終点は、特異点を含む区間の外側の所定の距離または所定のブロック数の移動経路と干渉しないよう、工具軸方向に加工面から離れる方向に工具の位置を補正する
ことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の数値制御装置。 - 前記移動データ補正部は、
前記特異点に到達する直前の工具径補正ベクトルと、特異点から出発した直後の工具径補正ベクトルが同じ方向であるとき、特異点近傍においては、工具径補正ベクトルを保持する
ことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の数値制御装置。 - 前記補間部は、
実際の切削点の位置とは別に、
前記加工プログラムに指令された移動経路上を補間した位置を計算し、これを現在位置として画面表示する
ことを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の数値制御装置。 - 前記補間部は、
特異点を含む区間においては
前記加工プログラムに指令された移動経路上の特異点の位置を計算し、これを現在位置として画面表示する
ことを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の数値制御装置。 - 前記工具としてラジアスエンドミル工具を用いて加工を行う場合には、
前記移動経路補正部および補間部は、工具径補正量を求める際に、
工具底面の平坦部の半径に相当する工具径補正ベクトルは補正後の工具軸方向ベクトルおよび加工面法線ベクトルを用いて計算し、
一方、工具のコーナ半径に相当する工具径補正ベクトルは補正前の工具軸方向ベクトルおよび加工面法線ベクトルを用いて計算し、
両者を加算して工具径補正ベクトルを求める
ことを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の数値制御装置。
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