JP4938119B2 - 工具先端点位置を制御する多軸加工機用数値制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも直線軸３軸と回転軸３軸とを有する多軸加工機を制御する数値制御装置に関する。特に、テーブル上で定義されテーブル移動とともに移動するテーブル座標系上で工具先端点の経路を指令して補間するとともに回転軸を指令して補間し、補間された工具先端点位置としての直線軸位置、回転軸位置および工具長補正ベクトルから機械座標系の制御点としての直線軸位置および回転軸位置を求め、それらの位置に直線軸および回転軸を駆動する数値制御装置に関する。さらに、補間された工具先端点位置、工具長補正ベクトル、または回転軸位置に対して、手動（手動ハンドル送り、ジョグ送りなど）指令による直線軸移動量または回転軸移動量を加算することができる数値制御装置に関する。

特許文献１には、テーブル上に定義される座標系において直線軸移動を補間する第１補間手段と、回転移動軸を補間する第２補間手段と、回転移動軸の補間位置によって直線移動軸の補間位置を補正する技術が開示されている。しかし、実施例から見て直線軸３軸と回転軸２軸とを有する５軸加工機を前提としている。実施例に記載された計算方法も直線軸３軸と回転軸２軸とを有する５軸加工機用の計算方法しか開示されていない。この技術は、５軸加工機においては一般に工具先端点制御と呼ばれている。

特許文献２には、手動指令により工具を工具軸方向に移動させる技術が開示されている。特許文献３には、手動指令による回転軸２軸の動作に対して工具先端点とワークとの相対的位置関係を維持するようにＸ，Ｙ，Ｚ軸を動作させる技術が開示されている。しかし、特許文献２および特許文献３の技術は、実施例から見て直線軸３軸と回転軸２軸とを有する５軸加工機を前提としている。実施例に記載された計算方法も直線軸３軸と回転軸２軸とを有する５軸加工機用の計算方法しか開示されていない。これらの特許文献２および特許文献３に記載の技術は、５軸加工機においては一般に３次元手動送りと呼ばれている。
特許文献４には、上記特許文献２と特許文献３に記載された技術に相当する可能性のある技術が開示されているが、実施例には具体的な計算方法などは開示されていない。そのため実施できないという問題があった。

特開２００３−１９５９１７号公報 特公昭６２−４６００２号公報 特公昭６３−３３１６６号公報 特開２００９−１１００８３号公報

特許文献１、特許文献２および特許文献３に述べられた５軸加工機には大きく分けて「工具ヘッド回転型」、「テーブル回転型」、「混合型（工具ヘッド、テーブル、両方とも回転）」の３つがある。

本発明は、５軸加工機ではなく少なくとも直線軸３軸と回転軸３軸とからなる多軸加工機を対象としている。図１〜図４は本発明の数値制御装置が制御する多軸加工機の例である。図１に示される例は回転軸３軸で工具ヘッドを回転する工具ヘッド回転型である。図２に示される例はテーブル２軸混合型（回転軸２軸でテーブルを回転し、回転軸１軸で工具ヘッドを回転）、図３に示される例は工具ヘッド２軸混合型（回転軸２軸で工具ヘッドを回転し、回転軸１軸でテーブルを回転）、図４に示される例は回転軸３軸でテーブルを回転するテーブル回転型である。

本発明の課題は、上記従来技術で述べた工具先端点制御または３次元手動送りを、少なくとも直線軸３軸と回転軸３軸とからなる多軸加工機において可能にする該多軸加工機を制御する数値制御装置を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、
テーブルに取付けられたワーク（加工物）に対して少なくとも前記ワークに対する工具の位置を制御する直線軸３軸と、工具からテーブルへの機械構成上の軸順における第１回転軸、第２回転軸および第３回転軸の回転軸３軸によって、前記ワークに対する工具の位置と方向を自動運転で制御して加工を行う多軸加工機を制御する数値制御装置において、前記直線軸３軸に属する直線軸の直線軸移動指令、前記回転軸３軸に属する回転軸の回転軸移動指令、および工具長補正指令を解析するとともに、前記工具長補正指令から工具長補正ベクトルを作成する移動指令解析手段と、
補間周期毎に、前記テーブル上に定義されるテーブル座標系において前記直線軸移動指令を補間し工具先端点位置を得る直線軸補間手段と、
補間周期毎に、前記回転軸移動指令を補間し前記第１回転軸の第１回転軸位置、前記第２回転軸の第２回転軸位置および前記第３回転軸位置の第３回転軸位置を得る回転軸補間手段と、
補間周期毎に、前記工具長補正ベクトルに対して、前記第１回転軸位置による第１回転軸マトリックスの積算、前記第２回転軸位置による第２回転軸マトリックスの積算、および前記第３回転軸位置による第３回転軸マトリックスの積算を行い、前記工具先端点位置を加算し、テーブル座標系から機械座標系への回転変換を行うテーブル機械座標系回転マトリックスを積算し、テーブル座標系原点を加算することによって前記工具の先端点位置が前記工具先端点位置となる制御点位置を得る自動運転制御点位置演算手段と、
前記直線軸３軸を前記制御点位置へ駆動し、前記回転軸３軸を前記第１回転軸位置、前記第２回転軸位置および前記第３回転軸位置に駆動する手段を有することを特徴とする数値制御装置である。
該請求項１に係る発明によって、自動運転において工具先端点位置が指令された位置となる。

請求項２に係る発明は、前記回転軸３軸に対する手動による回転軸手動移動量を積算し第１回転軸手動積算量、第２回転軸手動積算量および第３回転軸手動積算量を得る回転軸手動積算手段と、補間周期毎に、前記第１回転軸手動積算量を前記第１回転軸位置に加算し新たに前記第１回転軸位置とするとともに新たな第１回転軸マトリックスを作成する、前記第２回転軸手動積算量を前記第２回転軸位置に加算し新たに前記第２回転軸位置とするとともに新たな第２回転軸マトリックスを作成する、または前記第３回転軸手動積算量を前記第３回転軸位置に加算し新たに前記第３回転軸位置とするとともに新たな第３回転軸マトリックスを作成する回転軸手動積算量加算手段を有することを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置である。
該請求項２に係る発明によって、自動運転での手動移動指令の重畳において、手動移動指令で回転軸を移動しても工具先端点位置が保持される。

請求項３に係る発明は、前記直線軸３軸に対する手動による直線軸手動移動量を積算し直線軸手動積算量を得る直線軸手動積算手段と、補間周期毎に、前記直線軸手動積算量を前記工具先端点位置に加算し新たに前記工具先端点位置とする、または前記工具長補正ベクトルに加算し新たに前記工具長補正ベクトルとする直線軸手動積算量加算手段を有することを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置である。
該請求項３に係る発明によって、自動運転での手動移動指令の重畳において、手動移動指令で直線軸を移動することにより、工具先端点位置または工具長補正ベクトルをシフトできる。

請求項４に係る発明は、テーブルに取付けられたワーク（加工物）に対して少なくとも前記ワークに対する工具位置を制御する直線軸３軸と、工具からテーブルへの機械構成上の軸順における第１回転軸、第２回転軸および第３回転軸の回転軸３軸によって、前記ワークに対する工具の位置と方向を手動運転で制御して加工を行う多軸加工機を制御する数値制御装置において、補間周期毎に、前記工具長補正ベクトルに対して前記第１回転軸位置による第１回転軸マトリックスの積算、前記第２回転軸位置による第２回転軸マトリックスの積算、および前記第３回転軸位置による第３回転軸マトリックスの積算を行い、前記工具先端点位置を加算し、テーブル座標系から機械座標系への回転変換を行うテーブル機械座標系回転マトリックスを積算し、テーブル座標系原点を加算することによって前記工具の先端点位置が前記工具先端点位置となる制御点位置を得る手動運転制御点位置演算手段と、前記直線軸３軸を前記制御点位置へ駆動し、前記回転軸３軸を前記第１回転軸位置、前記第２回転軸位置および前記第３回転軸位置に駆動する手段を有することを特徴とする数値制御装置である。
請求項４に係る発明によって、手動運転において工具先端点位置が保持される。

請求項５に係る発明は、前記工具長補正ベクトルをセットする初期工具長補正ベクトル記憶手段と、前記回転軸３軸位置を初期第１回転軸位置、初期第２回転軸位置および初期第３回転軸位置として記憶し、補間周期毎に前記初期第１回転軸位置、前記初期第２回転軸位置および前記初期第３回転軸位置を前記第１回転軸位置、前記第２回転軸位置および前記第３回転軸位置としてセットする初期回転軸位置記憶手段と、制御点位置、テーブル座標系原点、前記初期工具長補正ベクトル、前記初期第１回転軸位置、前記初期第２回転軸位置および前記初期第３回転軸位置から初期工具先端点位置を求めて記憶し、補間周期毎に前記初期工具先端点位置を前記工具先端点位置としてセットする初期工具先端点位置記憶手段を有することを特徴とする請求項４に記載の数値制御装置である。
請求項５に係る発明によって、手動運転において工具先端点位置が保持される。

請求項６に係る発明は、前記初期工具先端点位置記憶手段は、制御点位置からテーブル座標系原点を減算し機械テーブル座標系回転マトリックスを積算するとともに、前記工具長補正ベクトルに対して前記初期第１回転軸位置による第１回転軸マトリックスの積算、前記初期第２回転軸位置による第２回転軸マトリックスの積算、および前記初期第３回転軸位置による第３回転軸マトリックスの積算を行って減算した位置を初期工具先端点位置として記憶し、補間周期毎に前記初期工具先端点位置を前記工具先端点位置としてセットする初期工具先端点位置記憶手段であることを特徴とする請求項５に記載の数値制御装置である。
請求項６に係る発明によって、手動運転において工具先端点位置が保持される。

請求項７に係る発明は、前記回転軸３軸に対する手動による回転軸手動移動量を積算し第１回転軸手動積算量、第２回転軸手動積算量および第３回転軸手動積算量を得る回転軸手動積算手段と、補間周期毎に、前記第１回転軸手動積算量を前記第１回転軸位置に加算し新たに前記第１回転軸位置とするとともに新たな第１回転軸マトリックスを作成する、前記第２回転軸手動積算量を前記第２回転軸位置に加算し新たに前記第２回転軸位置とするとともに新たな第２回転軸マトリックスを作成する、または前記第３回転軸手動積算量を前記第３回転軸位置に加算し新たに前記第３回転軸位置とするとともに新たな第３回転軸マトリックスを作成する回転軸手動積算量加算手段を有することを特徴とする請求項４〜６の何れか１つに記載の数値制御装置である。
請求項７に係る発明によって、手動運転において、手動移動指令で回転軸を移動しても工具先端点位置が保持される。

請求項８に係る発明は、前記初期工具長補正ベクトル記憶手段は、初期工具長補正ベクトルを記憶し、補間周期毎に前記初期工具長補正ベクトルを前記工具長補正ベクトルとしてセットする初期工具長補正ベクトル記憶手段であり、前記直線軸３軸に対する手動による直線軸手動移動量を積算し直線軸手動積算量を得る直線軸手動積算手段と、補間周期毎に、前記直線軸手動積算量を前記工具先端点位置に加算し新たに前記工具先端点位置とする、または前記工具長補正ベクトルに加算し新たに前記工具長補正ベクトルとする直線軸手動積算量加算手段を有することを特徴とする請求項４〜６の何れか１つに記載の数値制御装置である。請求項８に係る発明によって、手動運転において、手動移動指令で直線軸を移動することにより、工具先端点位置または工具長補正ベクトルをシフトできる。

本発明により、上記従来技術で述べた工具先端点制御または３次元手動送りを、少なくとも直線軸３軸と回転軸３軸とからなる多軸加工機において可能にする該多軸加工機を制御する数値制御装置を提供できる。

図１に示される例は回転軸３軸で工具ヘッドを回転する工具ヘッド回転型の多軸加工機の例を説明する図である。 テーブル２軸混合型（回転軸２軸でテーブルを回転し、回転軸１軸で工具ヘッドを回転）の多軸加工機の例を説明する図である。 工具ヘッド２軸混合型（回転軸２軸で工具ヘッドを回転し、回転軸１軸でテーブルを回転）の多軸加工機の例を説明する図である。 回転軸３軸でテーブルを回転するテーブル回転型の多軸加工機の例を説明する図である。 指令プログラムを説明する図である。 工具ヘッドとテーブルに回転軸を持った多軸加工機を模した図である。 テーブル座標系上の工具先端点位置Ｔｐが手動移動指令によって変化しないことを説明する図である。 テーブル座標系上で工具先端点位置をＺ軸方向に手動で移動する状態を示す図である。 工具先端点位置を工具軸方向や工具軸直角方向に手動で移動する状態を示す図である。 自動運転、および自動運転における手動移動指令の重畳を行う数値制御装置を説明する機能ブロック図である。 手動運転を行う数値制御装置を説明する機能ブロック図である。 自動運転制御点演算手段を説明するフローチャートである。 初期工具先端点位置記憶手段を説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態である工具先端点位置を制御する多軸加工機用数値制御装置のブロック図である。

本発明は、テーブルに取り付けられたワーク（加工物）に対して、少なくとも直線軸３軸と回転軸３軸によって加工する多軸加工機を制御する数値制御装置において、自動運転において、実際の工具の先端点位置がプログラムで指令された工具先端点位置となるように直線軸３軸と回転軸３軸を制御する、また、手動移動指令による回転軸移動において工具先端点位置を保持する、手動移動指令による直線軸移動において工具先端点位置または工具長補正ベクトルをシフトすることを可能にするものである。
ここで、手動移動指令は、自動運転での手動移動指令の重畳および手動運転での手動移動指令における直線軸３軸と回転軸３軸の制御を含む。これら自動運転での制御（工具先端点制御）、自動運転での手動移動指令の重畳（３次元手動送りの１形態）、および手動運転での手動移動指令の制御（３次元手動送りの他の１形態）は、工具先端点位置を制御する点で基本部分が共通であり、一体不可分の技術である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
１）機械構成と座標系
図１〜図４、および図６を参照しながら機械構成と座標系について説明する。

テーブル上に固定されていてテーブル回転とともに回転するテーブル座標系上の工具先端点位置をベクトルＴｐ（（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）^T）と表す。
回転軸３軸をＡ軸、Ｂ軸、Ｃ軸とし、工具からテーブルへの機械構成上の軸順における第１回転軸がＡ軸，第２回転軸がＢ軸，第３回転軸がＣ軸とする。Ａ軸はＸ軸周りの回転軸、Ｂ軸はＹ軸周りの回転軸、Ｃ軸はＺ軸周りの回転軸であり、工具ヘッド、テーブル、またはそれらの両方を回転する。テーブル回転軸が複数である場合それらは交叉する、工具ヘッド回転軸が複数ある場合もそれらは交叉するとともに工具中心軸とも交叉する。

工具方向は回転軸位置Ａ，Ｂ，Ｃで指令され、工具長補正番号はＨで指令され工具長補正量はｈとする。Ｖｌ（（０，０，ｈ）^T）が工具長補正ベクトルである。Ａ＝Ｂ＝Ｃ＝０度の時、工具方向はＺ軸方向とする。数値制御装置は機械の移動すべき位置として、機械座標系上の制御点位置（Ｐｍ（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）^T）をＸ，Ｙ，Ｚ軸で、工具方向を工具ヘッドとテーブルの回転軸位置Ａ，Ｂ，Ｃ軸で制御する。制御点位置（Ｐｍ）は工具ヘッドの特定の位置を示し、工具ヘッドが回転する場合は制御点位置（Ｐｍ）は工具ヘッドの回転中心にある。なお、ここでは、Ａ＝０，Ｂ＝０，Ｃ＝０度の位置を基準位置としたが、他の位置を基準位置とする場合は、上記「Ａ＝０，Ｂ＝０，Ｃ＝０度の位置」という条件を他の基準位置とすればよい。「^T」は転置を表すが、以降自明の場合記載しない。

テーブル回転軸が複数である場合テーブル回転軸交叉位置をテーブル座標系原点（Ｐ０（Ｐ０ｘ，Ｐ０ｙ，Ｐ０ｚ））とし、テーブル回転軸が１軸である場合その回転中心の適当な位置をテーブル座標系原点（Ｐ０）とする。テーブル回転軸が存在しない場合（工具ヘッド回転型）は、機械座標系原点からＰ０離れた位置をテーブル座標系原点とする。
なお、このような機械構成や座標系は１つの例であり、本発明は他の機械構成や座標系にも適用可能である。

２）数値制御装置での運転には、指令プログラムに従った運転を行う自動運転と手動による手動運転がある。まず、自動運転での演算を説明する。
＜指令プログラム＞
指令プログラムは図５のような指令である。Ｇ４３．４は工具先端点制御モードを指令するＧコードであり、Ｇ４３．４ブロックのＨ＿で工具長補正番号を指令しＨ＿で指令される番号の工具長補正量が指令された工具長補正量（ｈ）となる。Ｘ＿Ｙ＿Ｚ＿で工具先端点位置Ｔｐ（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）を指令し、Ａ＿Ｂ＿Ｃ＿で回転軸位置を指令することによって工具方向を指令する。工具方向の指令方法には、Ａ＿Ｂ＿Ｃ＿の代わりにＩ＿Ｊ＿Ｋ＿で工具方向を指令するなど他の方法もある。Ｇ４９は工具先端点制御モードをキャンセルするＧコードである。

＜制御点の演算方法＞
制御点位置Ｐｍは、Ｔｐ，Ｖｌ，Ｐ０，回転軸Ａ，Ｂ，Ｃ軸の各位置Ａ，Ｂ，Ｃ、および機械座標系からテーブル座標系への回転変換マトリックスＲｔによって、数１式の演算で求められる。つまり、工具長補正指令から作成される工具長補正ベクトルＶｌに対して、第１回転軸（Ａ軸）位置Ａによる第１回転軸マトリックスＲａの積算、第２回転軸（Ｂ軸）位置Ｂによる第２回転軸マトリックスＲｂの積算、および第３回転軸（Ｃ軸）位置Ｃによる第３回転軸マトリックスＲｃの積算を行いテーブル座標系での工具長補正ベクトルを求め、それに工具先端点位置Ｔｐを加算してテーブル座標系上での制御位置を求め、それにテーブル機械座標系回転マトリックスＲｔ^-1を積算しＰ０を加算することによって機械座標系上の制御点位置を得る（図６参照）。これが、自動運転制御点位置演算手段の１番目の１形態である。

ここで、Ｒｔは、Ｒｃ，Ｒｂ，Ｒａのうちテーブル回転に関わる回転軸の位置Ａ，Ｂ，Ｃによるマトリックスの積であり、機械座標系からテーブル座標系への回転変換を行う機械テーブル座標系回転マトリックスである。図１の例では、Ｒｔは単位マトリックス、図２の例では、Ｒｔ＝Ｒｃ＊Ｒｂ、図３の例では、Ｒｔ＝Ｒｃ、図４の例では、Ｒｔ＝Ｒｃ＊Ｒｂ＊Ｒａである。Ｒｔ^-1はＲｔの逆マトリックスであり、テーブル座標系から機械座標系への回転変換を行うテーブル機械座標系回転マトリックスである。Ｔｐは、上記指令プログラムにおいてＸ＿Ｙ＿Ｚ＿で指令された工具先端点位置を補間した工具先端点位置である。

これによって、実際の工具の先端点が、上記指令プログラムにおいてＸ＿Ｙ＿Ｚ＿で指令された工具先端点位置を補間した工具先端点位置となるように制御点を求めることができる。その結果、テーブル座標系上において指令プログラムで指令された経路を工具先端点で加工することができる。

なお、図６は工具ヘッドとテーブルに回転軸を持った多軸加工機を模した図である。工具ヘッドに回転軸１軸、テーブルに回転軸１軸を持ちそれらの回転軸中心は平行であるイメージの図としているが、図示の便宜上そのような構成にしているものである。つまり、図１〜図４のように、一般に工具ヘッドの回転軸中心とテーブルの回転軸中心は平行ではなく、かつそれぞれ０〜３軸の回転軸を持つが、図示の便宜上、回転軸中心が紙面に垂直な工具ヘッドの回転軸１軸、テーブルの回転軸１軸のイメージでそれらを統一的かつ概念的に表している。図６のＴｌは工具長補正ベクトルＶｌをＡ，Ｂ，Ｃ軸によって回転変換しテーブル座標系で表したベクトル（Ｔｌ＝Ｒｃ＊Ｒｂ＊Ｒａ＊Ｖｌ）である。

３）手動運転での運転方法
手動運転において、手動移動指令で回転軸位置を変更する場合や直線軸位置を変更する場合、工具先端点を移動させないで回転軸を移動したり工具軸方向に動作させたりすることが望ましい時がある。前述のように、５軸加工機において３次元手動送りと呼ばれている手動移動指令の方法である。

また、前述の自動運転における回転軸位置、工具先端点位置または工具長補正ベクトルを、手動移動指令の重畳で変更する場合がある。回転軸位置を変更する場合、工具先端点位置は指令プログラム通りとして工具先端点制御モードの加工を継続することが望ましい。直線軸位置を変更する場合、変更された直線軸位置にもとづいて工具先端点位置をシフトする、または工具長補正ベクトルを変更して工具先端点制御モードの加工を継続することが望ましい。

手動運転での３次元手動送り（手動移動指令）と、自動運転での手動移動指令の重畳において、手動移動指令で回転軸位置を変更する場合と直線軸位置を変更する場合について、少なくとも直線軸３軸と回転軸３軸を有する多軸加工機を制御する数値制御装置における制御点位置の演算方法を説明する。

３−１）手動運転における３次元手動送り開始時の演算および補間周期毎のセット
＜工具長補正ベクトル＞
手動運転における３次元手動送りを開始する時に、工具長補正ベクトルについて、自動運転での工具長補正ベクトルＶｌが残っていればそれを使用する、あるいは工具長補正量番号を指定して工具長補正量（ｈ）を指定し（０，０，ｈ）のベクトルを作成して初期工具長補正ベクトルとして記憶する。

補間周期毎に初期工具長補正ベクトルを工具長補正ベクトルＶｌとしてセットする。この処理は、後述の＜工具長ベクトルへの加算＞を行う場合に必要となる。したがって、＜工具長補正ベクトルへの加算＞を行わない場合は、補間周期毎に初期工具長補正ベクトルを工具長補正ベクトルＶｌとしてセットすることは不要である。これを行うのが初期工具長補正ベクトル記憶手段である。なお、手動運転中に３次元手動送りを開始するのは、信号や設定などによる。

＜回転軸位置＞
手動運転における３次元手動送りを開始する時に、それぞれの回転軸３軸位置を初期第１回転軸位置、初期第２回転軸位置および初期第３回転軸位置として記憶する。補間周期毎に初期第１回転軸位置、初期第２回転軸位置および初期第３回転軸位置を第１回転軸位置、第２回転軸位置および第３回転軸位置としてセットする。これを行うのが初期回転軸位置記憶手段である。

＜工具先端点位置＞
手動運転における３次元手動送りを開始する時に、テーブル座標系上の工具先端点位置Ｔｐを、制御点位置Ｐｍ、Ｐ０、Ｖｌ，回転軸Ａ，Ｂ，Ｃ軸の各位置Ａ，Ｂ，ＣによるマトリックスＲａ，Ｒｂ，Ｒｃ、および回転マトリックスＲｔから、数２式の演算で求める。つまり、ＰｍからＰ０を減算し機械テーブル座標系回転マトリックスＲｔを積算し、Ｖｌに第１回転軸マトリックスＲａ、第２回転軸マトリックスＲｂ、第３回転軸マトリックスＲｃを積算したベクトルを減算することによってテーブル座標系上の工具先端点位置Ｔｐを得る。これを初期工具先端点位置として記憶する。この演算は初期工具先端点記憶手段の一部である。数２式は、Ｔｐを求めるように数１式を変形した式である。（図としては、自動運転で使用した図６と同じであるので図６を参照。）
ここで、Ａ，Ｂ，Ｃは前述の＜回転軸位置＞の項で説明した初期回転軸位置である。制御点位置Ｐｍはその時のＸ，Ｙ，Ｚ軸機械座標値である。Ｒａ、Ｒｂ，Ｒｃ、Ｒｔは数１式での説明と同じである。Ｖｌは前述の＜工具長補正ベクトル＞の項で説明した初期工具長補正ベクトルである。

また、初期工具先端点位置記憶手段は、補間周期毎に初期工具先端点位置を工具先端点位置としてセットする。この処理は、後述の<工具先端点位置への加算＞を行う場合に必要となる。したがって、＜工具先端点位置への加算＞を行わない場合は、補間周期毎に初期工具先端点位置を工具先端点位置としてセットすることは不要である。

３−２）手動回転軸指令
回転軸（Ａ軸，Ｂ軸，Ｃ軸）に対する手動（手動ハンドル送り、ジョグ送りなど）による移動量である回転軸手動移動量を積算し、回転軸手動積算量を得る。この手段が、回転軸手動積算手段である。Ａ，Ｂ，Ｃ軸の回転軸手動積算量をそれぞれＳＡ，ＳＢ，ＳＣとする。数３式のように、ＳＡ，ＳＢ，ＳＣを各回転軸位置Ａ，Ｂ，Ｃに加算し、新たな各回転軸位置Ａ，Ｂ，Ｃとする。この手段が回転軸手動積算量加算手段である。

これら新たなＡ，Ｂ，Ｃによって数１式の演算を行いＰｍを得る。これが各回転軸位置Ａ，Ｂ，Ｃに手動による移動量を加算して求める制御点位置Ｐｍである。手動運転の場合、この手段が手動運転制御点位置演算手段の１番目の１形態である。自動運転の場合、この手段が自動運転制御点位置演算手段の２番目の１形態である。これにより、制御点位置と機械座標系での工具先端点位置の移動が行われるが、テーブル座標系上の工具先端点位置Ｔｐが手動移動指令によって変化することはない（図７参照）。

これによって、手動運転での３次元手動送りの場合、回転軸を手動で移動しても工具先端点は移動しないようにＸ，Ｙ，Ｚ軸も動作させることができる。自動運転における手動移動指令の重畳の場合、回転軸を手動で移動しても、テーブル座標系上の工具先端点位置Ｔｐは指令プログラム通りであるので、元の指令プログラム通りの加工がおこなわれる。

３−３）手動直線軸指令
直線軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）に対する手動（手動ハンドル送り、ジョグ送りなど）による移動量である直線軸手動移動量を積算し、直線軸手動積算量を得る。この手段が、直線軸手動積算手段である。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の直線軸手動積算量をそれぞれＳＸ，ＳＹ，ＳＺとする。

＜工具先端点位置への加算＞
数４式のように、ＳＸ，ＳＹ，ＳＺを工具先端点位置Ｔｐ（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）に加算し、新たな工具先端点位置Ｔｐ（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）とする。この手段が、直線軸手動積算量加算手段の１形態である。

これら新たなＴｐ（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）によって数１式の演算を行いＰｍを得る。これが、工具先端点位置に手動による移動量を加算して求める制御点位置Ｐｍである。手動運転の場合、この手段が手動運転制御点位置演算手段の２番目の１形態である。自動運転の場合、この手段が自動運転制御点位置演算手段の３番目の１形態である（図８参照）。

これによって、手動運転での３次元手動送りの場合、テーブル座標系上での加工点である工具先端点位置をシフトすることができる。自動運転における手動移動指令の重畳の場合、元のプログラム指令に対して手動による移動分シフトした工具先端点位置に対する加工が行われる。例えば、元のプログラム指令に対して一定のシフトを行って加工する場合、元のプログラム指令を変更することなく容易に手動による変更を行って加工を行うことができる。図８ではテーブル座標系上で工具先端点位置をＺ軸方向に手動で移動する状態を示している。

＜工具長補正ベクトルへの加算＞
数５式のように、ＳＸ，ＳＹ，ＳＺを工具長補正ベクトルＶｌ（０，０，ｈ）に加算し、新たな工具長補正ベクトルＶｌ（Ｖｌｘ，Ｖｌｙ，Ｖｌｚ）とする。

これら新たなＶｌ（Ｖｌｘ，Ｖｌｙ，Ｖｌｚ）によって数１式の演算を行いＰｍを得る。これが、工具長補正ベクトルに手動による移動量を加算して求める制御点位置Ｐｍである。手動運転の場合、この手段が手動運転制御点位置演算手段の３番目の１形態である。自動運転の場合、この手段が自動運転制御点位置演算手段の４番目の１形態である（図９参照）。

これによって、手動運転での３次元手動送りの場合、工具軸方向や工具軸直角方向に手動動作させることができる。自動運転における手動移動指令の重畳の場合、元のプログラム指令による工具長補正ベクトルに対して手動による移動分シフトした工具長補正ベクトルによる加工が行われる。例えば、工具が摩耗したり工具交換によって工具長が変更となった場合、容易に手動によって工具長を変更して加工を行うことができる。工具取り付け誤差なども容易に補正できる。図９では工具軸方向や工具軸直角方向に手動で移動する状態を示している。

直線軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）に対する手動による移動を行う場合、上記の工具先端点位置への加算とするか工具補正ベクトルへの加算とするかは、指令、信号または設定値などの方法よって選択することができる。

なお、ここで述べた方法は１つの実施例である。直線軸手動指令や回転軸手動指令を手動移動量として積算するのではなく、補間周期毎に各軸位置に加算する方法もある。また、初期工具長補正ベクトル、初期工具先端点位置、または初期回転軸位置を記憶することなく、補間周期毎にそれぞれ工具長補正ベクトル、工具先端点位置、または回転軸位置を更新して演算する方法もある。

次に、本発明に係る少なくとも直線軸３軸と回転軸３軸とからなる多軸加工機を制御する数値制御装置の機能ブロック図を説明する。
＜自動運転、および自動運転における手動移動指令の重畳の場合＞
図１０において、一般に数値制御装置は、自動運転の場合、指令プログラム１０を解析手段１１で解析し補間手段１２で補間し各軸のサーボ３０ｘ，３０ｙ，３０ｚ，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを駆動する。この図では、Ｘ軸サーボ３０ｘ，Ｙ軸サーボ３０ｙ，およびＺ軸サーボ３０ｚは、直線軸３軸を駆動するサーボであり、Ａ軸サーボ３０Ａ，Ｂ軸サーボ３０Ｂ，Ｃ軸サーボ３０Ｃは、回転軸３軸を駆動するサーボである。

自動運転における移動指令解析手段１３は解析手段１１に属する。直線軸補間手段１４、回転軸補間手段１５および自動運転制御点位置演算手段１６は補間手段１２に属する（図１０参照）。

また、自動運転における手動移動指令の重畳の場合、ハンドル送り２８やジョグ送り２９による手動移動指令が、直線軸手動積算手段２４によって直線軸手動積算量２５に積算され直線軸手動積算量加算手段２２によって工具長補正ベクトル１９または工具先端点位置２０に加算される、あるいは回転軸手動積算手段２６によって第１回転軸手動積算量，第２回転軸手動積算量，第３回転軸手動積算量２７に積算され回転軸手動積算量加算手段２３によって第１回転軸位置，第２回転軸位置，第３回転軸位置にそれぞれ加算される。
一点鎖線より上の部分が自動運転に対応し、一点鎖線より下の部分が自動運転における手動移動指令の重畳に対応する（図１０参照）。

＜手動運転の場合＞
図１１において、一般に、手動運転の場合、手動運転補間手段４０が補間周期毎にハンドル送り２８やジョグ送り２９などの手動移動指令を受付けて各軸のサーボ３０ｘ，３０ｙ，３０ｚ，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを駆動する。
初期工具長補正ベクトル記憶手段１７、初期工具先端点位置記憶手段４１、初期回転軸位置記憶手段４２、および手動運転制御点位置演算手段４３は手動運転補間手段４０に属する。一点鎖線以下の部分は前述の自動運転における手動移動指令の重畳の場合と同等である（図１１参照）。

次に、図１２を用いて自動運転制御点演算手段のフローチャートを説明する。
本文においては、自動運転制御点位置演算手段の１番目、２番目、３番目、４番目の１形態を示しているが、それらは、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｔｐ，Ｖｌの求め方が相違することによる形態の相違であり、フローチャートとしては同様である。
●［ステップＳＡ１０］Ｖｌ，Ｔｐ，Ｐ０を得る。
●［ステップＳＡ１１］Ａ，Ｂ，Ｃ軸位置Ａ，Ｂ，Ｃから、数１式によりＲａ，Ｒｂ，Ｒｃを得る。
●［ステップＳＡ１２］Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃから機械構成によってＲｔおよびＲｔ^-1を得る。
●［ステップＳＡ１３］Ｖｌ，Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｔｐ，Ｒｔ^-1，Ｐ０により、数１式を演算しＰｍを得る。

手動運転制御点位置演算手段４３のフローチャートも、この自動運転制御点位置演算手段１６のフローチャートと同様である。本文においては、手動運転制御点位置演算手段４３の１番目、２番目、３番目の１形態を示しているが、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｔｐ，Ｖｌの求め方が相違することによる形態の相違であり、フローチャートとしては同様である。

図１３は、初期工具先端点位置記憶手段４１のフローチャートである。
●［ステップＳＢ１０］Ｐｍ，Ｖｌ，Ｐ０を得る。
●［ステップＳＢ１１］Ａ，Ｂ，Ｃ軸位置Ａ，Ｂ，Ｃから、数１式によりＲａ，Ｒｂ，Ｒｃを得る。
●［ステップＳＢ１２］Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃから機械構成によってＲｔを得る。
●［ステップＳＢ１３］Ｐｍ，Ｐ０，Ｒｔ，Ｖｌ，Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃより数２式を演算しＴｐを得る。

図１４は、本発明に係る多軸加工機用数値制御装置のブロック図である。多軸加工機用数値制御装置１００は、図１４，図１５に示されるフローチャートの処理を実行し、工具先端点制御または３次元手動送りを行う。ＣＰＵ１１１は数値制御装置を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１１は、ＲＯＭ１１２に格納されたシステムプログラムをバス１２０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１００の全体を制御する。ＲＡＭ１１３は一時的な計算データや表示データ及びＬＣＤ／ＭＤＩユニット１７０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１１４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１１４中には、インタフェース１１５を介して読み込まれた加工プログラムやＬＣＤ／ＭＤＩユニット１７０を介して入力された加工プログラム等が記憶される。本発明を実施する加工プログラム等の各種加工プログラムはインタフェース１１５やＬＣＤ／ＭＤＩユニット１７０を介して入力し、ＳＲＡＭメモリ１１４に格納することができる。

また、ＲＯＭ１１２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予め書き込まれている。工具先端点制御または３次元手動送りを行うための本発明に係るプログラムもＲＯＭ１１２に格納されている。

インタフェース１１５は、数値制御装置１００とアダプタ等の外部機器１７２との接続を可能とするものである。外部機器１７２側からは加工プログラムや各種パラメータ等が読み込まれる。また、数値制御装置１００内で編集した加工プログラムは、外部機器１７２を介して外部記憶手段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）１１６は、数値制御装置１００に内蔵されたシーケンスプログラムを用いて工作機械の補助装置（例えば、工具交換装置）にＩ／Ｏユニット１１７を介して信号を出力し制御する。また、工作機械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、必要な信号処理を行った後、ＣＰＵ１１１に渡す。

ＬＣＤ／ＭＤＩユニット１７０はディスプレイやキーボードを備えた手動データ入力装置であり、インタフェース１１８はＬＣＤ／ＭＤＩユニット１７０のキーボードからの指令、データを受けてＣＰＵ１１１に渡す。インタフェース１１９はハンドル送り２８やジョグ送り２９の手動パルス発生器を備えた操作盤１７１に接続されている。

各軸のサーボ制御手段１３０〜１３５はＣＰＵ１１１からの各軸の移動指令を受けて、各軸の指令をサーボアンプ１４０〜１４５に出力する。サーボアンプ１４０〜１４５はこの指令を受けて、各軸のサーボモータ１５０〜１５５を駆動する。各軸のサーボモータ１５０〜１５５は位置検出装置（図示省略）を内蔵しており、この位置検出装置からのフィードバック信号をサーボ制御手段１３０〜１３５にフィードバックする。各軸のサーボ制御手段１３０〜１３５は、該フィードバック信号に基づいて位置と速度のフィードバック制御を行う。

１０ 指令プログラム
１１ 解析手段
１２ 補間手段
１３ 移動指令解析手段
１４ 直線軸補間手段
１５ 回転軸補間手段
１６ 自動運転制御点位置演算手段
１７ 初期工具長補正ベクトル記憶手段
１８ 初期工具長補正ベクトル
１９ 工具長補正ベクトル
２０ 工具先端点位置
２１ 第１回転軸位置，第２回転軸位置，第３回転軸位置
２２ 直線軸手動積算量加算手段
２３ 回転軸手動積算量加算手段
２４ 直線軸手動積算手段
２５ 直線軸手動積算量
２６ 回転軸手動積算手段
２７ 第１回転軸手動積算量，第２回転軸手動積算量，第３回転軸手動積算量
２８ ハンドル送り
２９ ジョグ送り
３０ｘ Ｘ軸サーボ
３０ｙ Ｙ軸サーボ
３０ｚ Ｚ軸サーボ
３０Ａ Ａ軸サーボ
３０Ｂ Ｂ軸サーボ
３０Ｃ Ｃ軸サーボ
４０ 手動運転補間手段
４１ 初期工具先端点位置記憶手段
４２ 初期回転軸位置記憶手段
４３ 手動運転制御点位置演算手段
４４ 初期工具先端点位置
４５ 初期回転軸位置

Claims (8)

1. テーブルに取付けられたワーク（加工物）に対して少なくとも前記ワークに対する工具の位置を制御する直線軸３軸と、工具からテーブルへの機械構成上の軸順における第１回転軸、第２回転軸および第３回転軸の回転軸３軸によって、前記ワークに対する工具の位置と方向を自動運転で制御して加工を行う多軸加工機を制御する数値制御装置において、前記直線軸３軸に属する直線軸の直線軸移動指令、前記回転軸３軸に属する回転軸の回転軸移動指令、および工具長補正指令を解析するとともに、前記工具長補正指令から工具長補正ベクトルを作成する移動指令解析手段と、
   補間周期毎に、前記テーブル上に定義されるテーブル座標系において前記直線軸移動指令を補間し工具先端点位置を得る直線軸補間手段と、
   補間周期毎に、前記回転軸移動指令を補間し前記第１回転軸の第１回転軸位置、前記第２回転軸の第２回転軸位置および前記第３回転軸位置の第３回転軸位置を得る回転軸補間手段と、
   補間周期毎に、前記工具長補正ベクトルに対して、前記第１回転軸位置による第１回転軸マトリックスの積算、前記第２回転軸位置による第２回転軸マトリックスの積算、および前記第３回転軸位置による第３回転軸マトリックスの積算を行い、前記工具先端点位置を加算し、テーブル座標系から機械座標系への回転変換を行うテーブル機械座標系回転マトリックスを積算し、テーブル座標系原点を加算することによって前記工具の先端点位置が前記工具先端点位置となる制御点位置を得る自動運転制御点位置演算手段と、
   前記直線軸３軸を前記制御点位置へ駆動し、前記回転軸３軸を前記第１回転軸位置、前記第２回転軸位置および前記第３回転軸位置に駆動する手段を有することを特徴とする数値制御装置。
2. 前記回転軸３軸に対する手動による回転軸手動移動量を積算し第１回転軸手動積算量、第２回転軸手動積算量および第３回転軸手動積算量を得る回転軸手動積算手段と、
   補間周期毎に、前記第１回転軸手動積算量を前記第１回転軸位置に加算し新たに前記第１回転軸位置とするとともに新たな第１回転軸マトリックスを作成する、前記第２回転軸手動積算量を前記第２回転軸位置に加算し新たに前記第２回転軸位置とするとともに新たな第２回転軸マトリックスを作成する、または前記第３回転軸手動積算量を前記第３回転軸位置に加算し新たに前記第３回転軸位置とするとともに新たな第３回転軸マトリックスを作成する回転軸手動積算量加算手段を有することを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
3. 前記直線軸３軸に対する手動による直線軸手動移動量を積算し直線軸手動積算量を得る直線軸手動積算手段と、
   補間周期毎に、前記直線軸手動積算量を前記工具先端点位置に加算し新たに前記工具先端点位置とする、または前記工具長補正ベクトルに加算し新たに前記工具長補正ベクトルとする直線軸手動積算量加算手段を有することを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
4. テーブルに取付けられたワーク（加工物）に対して少なくとも前記ワークに対する工具位置を制御する直線軸３軸と、工具からテーブルへの機械構成上の軸順における第１回転軸、第２回転軸および第３回転軸の回転軸３軸によって、前記ワークに対する工具の位置と方向を手動運転で制御して加工を行う多軸加工機を制御する数値制御装置において、
   補間周期毎に、前記工具長補正ベクトルに対して前記第１回転軸位置による第１回転軸マトリックスの積算、前記第２回転軸位置による第２回転軸マトリックスの積算、および前記第３回転軸位置による第３回転軸マトリックスの積算を行い、前記工具先端点位置を加算し、テーブル座標系から機械座標系への回転変換を行うテーブル機械座標系回転マトリックスを積算し、テーブル座標系原点を加算することによって前記工具の先端点位置が前記工具先端点位置となる制御点位置を得る手動運転制御点位置演算手段と、
   前記直線軸３軸を前記制御点位置へ駆動し、前記回転軸３軸を前記第１回転軸位置、前記第２回転軸位置および前記第３回転軸位置に駆動する手段を有することを特徴とする数値制御装置。
5. 前記工具長補正ベクトルをセットする初期工具長補正ベクトル記憶手段と、
   前記回転軸３軸位置を初期第１回転軸位置、初期第２回転軸位置および初期第３回転軸位置として記憶し、補間周期毎に前記初期第１回転軸位置、前記初期第２回転軸位置および前記初期第３回転軸位置を前記第１回転軸位置、前記第２回転軸位置および前記第３回転軸位置としてセットする初期回転軸位置記憶手段と、
   制御点位置、テーブル座標系原点、前記初期工具長補正ベクトル、前記初期第１回転軸位置、前記初期第２回転軸位置および前記初期第３回転軸位置から初期工具先端点位置を求めて記憶し、補間周期毎に前記初期工具先端点位置を前記工具先端点位置としてセットする初期工具先端点位置記憶手段を有することを特徴とする請求項４に記載の数値制御装置。
6. 前記初期工具先端点位置記憶手段は、制御点位置からテーブル座標系原点を減算し機械テーブル座標系回転マトリックスを積算するとともに、前記工具長補正ベクトルに対して前記初期第１回転軸位置による第１回転軸マトリックスの積算、前記初期第２回転軸位置による第２回転軸マトリックスの積算、および前記初期第３回転軸位置による第３回転軸マトリックスの積算を行って減算した位置を初期工具先端点位置として記憶し、補間周期毎に前記初期工具先端点位置を前記工具先端点位置としてセットする初期工具先端点位置記憶手段であることを特徴とする請求項５に記載の数値制御装置。
7. 前記回転軸３軸に対する手動による回転軸手動移動量を積算し第１回転軸手動積算量、第２回転軸手動積算量および第３回転軸手動積算量を得る回転軸手動積算手段と、
   補間周期毎に、前記第１回転軸手動積算量を前記第１回転軸位置に加算し新たに前記第１回転軸位置とするとともに新たな第１回転軸マトリックスを作成する、前記第２回転軸手動積算量を前記第２回転軸位置に加算し新たに前記第２回転軸位置とするとともに新たな第２回転軸マトリックスを作成する、または前記第３回転軸手動積算量を前記第３回転軸位置に加算し新たに前記第３回転軸位置とするとともに新たな第３回転軸マトリックスを作成する回転軸手動積算量加算手段を有することを特徴とする請求項４〜６の何れか１つに記載の数値制御装置。
8. 前記初期工具長補正ベクトル記憶手段は、初期工具長補正ベクトルを記憶し、補間周期毎に前記初期工具長補正ベクトルを前記工具長補正ベクトルとしてセットする初期工具長補正ベクトル記憶手段であり、
   前記直線軸３軸に対する手動による直線軸手動移動量を積算し直線軸手動積算量を得る直線軸手動積算手段と、
   補間周期毎に、前記直線軸手動積算量を前記工具先端点位置に加算し新たに前記工具先端点位置とする、または前記工具長補正ベクトルに加算し新たに前記工具長補正ベクトルとする直線軸手動積算量加算手段を有することを特徴とする請求項４〜６の何れか１つに記載の数値制御装置。