JP5731463B2 - サーボ軸の反転位置の表示機能を備えた数値制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、サーボ軸の反転位置を表示する機能を備えた数値制御装置に関する。

一般的に、複数のサーボ軸による補間動作により加工を行う工作機械では、各サーボ軸の極性（符号）が反転する反転位置では、指令形状と加工形状との形状誤差が大きくなることが多い。この原因としては、機械的なガタ（例えばボールネジにおけるバックラッシ）や、摩擦の方向が変化することによるサーボの応答性の遅れによるものが挙げられるが、各軸の位置や加速度の補正、さらにゲイン調整等のサーボ調整を行うことで形状誤差を小さくすることができる。

例えば特許文献１には、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸微小線分で加工物を加工するＮＣデータの工具軌跡を微小線分あるいは微小線分の端点の集合として表示する方法が開示されており、より具体的には、特定軸に対する各微小線分の傾き（正負あるいは０）を判定し、その結果に応じて微小線分の表示属性を変更して、工具軌跡を表示することで、工具軌跡の凹凸等を容易に判別することができる、とされている。

また特許文献２には、複数の駆動軸の各々の各時刻における座標値から工具中心点の座標を算出し、該工具中心点と実加工点とを結ぶ工具径補正ベクトルを求めることにより、実加工点の座標を算出してその軌跡を表示する数値制御装置が記載されている。

特開２００４−０２１９５４号公報 特開２０１１−１７０５８４号公報

従来は、直線軸のみで構成される工作機械の場合には、各サーボ軸の反転位置と加工形状との対応付けは容易であるが、回転軸が含まれる５軸加工機等の場合には、各サーボ軸の反転位置と加工形状との対応付けが容易ではなかった。そのため、形状誤差がサーボ軸の反転動作によるものか、あるいはその他の原因によるものかを正確に区別することができず、適切なサーボ調整を行うことが困難であった。

例えば特許文献１では、ＣＡＤ／ＣＡＭで作成されたＮＣデータをもとに工具軌跡を表示するものであり、ＮＣの指令軌跡と工具先端点の実軌跡を表示するものではないため、適切なサーボ調整を行うことができないと解される。また、回転軸を含む２軸以上の構成の場合、工具先端点の座標をＸ、Ｙ、Ｚの直線３軸の座標系で表すには、座標変換を行う必要がある。座標変換後のＸ、Ｙ、Ｚの成分は、それぞれ複数の変数が関与しているため、Ｘ、Ｙ、Ｚの特定の軸に対する３軸微小線分の傾きから各軸の反転位置を知ることはできない。

また特許文献２では、工具径補正ベクトルを考慮することで実加工点の軌跡を表示することができるが、工具軌跡上に各軸の反転位置を表示するものではない。そのため、形状誤差がサーボ軸の極性の変化によるものか、あるいはその他の原因によるものかを正確に区別することは困難である。

そこで本発明は、サーボ軸の速度の反転位置を工具軌跡上に表示できるようにした工具軌跡表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、数値制御装置によって制御される少なくとも１つの回転軸を含む複数のサーボ軸を備えた工作機械の工具先端点の軌跡を表示する工具軌跡表示装置であって、少なくとも１つの前記サーボ軸の位置情報を取得する位置情報取得部と、前記サーボ軸の速度情報を取得する速度情報取得部と、前記サーボ軸の前記位置情報と前記工作機械の機械構成の情報から、工具先端点の座標値を算出する工具座標算出部と、前記サーボ軸の前記速度情報と前記工具先端点の座標値から、少なくとも１つのサーボ軸の速度の極性が変化する反転位置を算出する反転位置算出部と、前記工具先端点の座標値に基づいて工具先端点の軌跡を表示するとともに、前記工具先端点の軌跡上に前記サーボ軸の前記反転位置を表示する表示部と、を備える、工具軌跡表示装置を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記表示部は、複数のサーボ軸の反転位置を前記工具先端点の軌跡上に同時に表示する、工具軌跡表示装置を提供する。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記表示部は、サーボ軸の速度の極性が正から負へ変化する反転位置と、負から正へ変化する反転位置とを、互いに異なる形状のマークで表示する、工具軌跡表示装置を提供する。

第４の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記表示部は、サーボ軸の速度の極性に基づいて前記工具先端点の軌跡の表示属性を変更する、工具軌跡表示装置を提供する。

第５の発明は、第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記表示部は、前記反転位置を指し示す矢印、記号又は文字を表示する、工具軌跡表示装置を提供する。

本発明によれば、各サーボ軸の速度情報をもとに、各サーボ軸の速度波形の極性が変化する反転位置を工具軌跡上に表示することにより、工具軌跡上の位置と各サーボ軸の反転位置との関連付けが容易となり、効果的にサーボ調整を行うことができるようになる。

複数のサーボ軸の反転位置を前記工具先端点の軌跡上に同時に表示することにより、工具軌跡の誤差の主因がいずれのサーボ軸にあるかを容易に視覚的に把握できるようになる。

サーボ軸の速度の極性が正から負へ変化する反転位置と、負から正へ変化する反転位置とを、互いに異なる形状のマークで表示することによりサーボ軸の動作をより的確に把握することが可能となる。

工具軌跡の表示属性を適宜変更したり、反転位置を矢印や文字で指示したりすることにより、反転位置をより容易に視認できるようになる。

本発明の実施形態に係る工具軌跡表示装置を含むシステム構成例を示すブロック図である。 本発明が適用可能な工作機械の一例である５軸加工機の外観斜視図である。 本発明の工具軌跡表示装置の処理の一例を示すフローチャートである。 工具先端点の軌跡と軸速度との関係を示す図である。 複数のサーボ軸の反転位置を同時に軌跡上に表示した例を示す図である。 サーボ軸の速度の極性が正から負へ反転する反転位置と、負から正へ反転する反転位置とでマークの形状を変えた例を示す図である。 サーボ軸の速度の極性に基づいて工具先端点の軌跡の表示属性を変更した例を示す図である。 サーボ軸の速度の反転位置をマーカー、矢印及び文字で強調して表示した例を示す図である。

図１は、本発明に係る工具軌跡表示装置を含むシステム構成例を示す図である。工作機械（機構部）１０は、少なくとも１つの回転軸を含む複数（図示例では５つ）のサーボ軸（駆動軸）１２を有し、サーボ軸１２の各々は、予め定めた位置指令に基づいて数値制御装置（ＣＮＣ）１４によって制御される。工具軌跡表示装置１６は、少なくとも１つのサーボ軸１２の位置情報及び速度情報を数値制御装置１４からそれぞれ取得する位置情報取得部１８及び速度情報取得部２０と、取得したサーボ軸１２の位置情報及び工作機械１０の機械構成の各部の寸法等の情報から、工作機械の工具の先端点（工具先端点）の座標値を算出する工具座標算出部２２と、取得したサーボ軸１２の速度情報及び工具先端点の座標値から、工具先端点の速度の極性（符号）が反転する反転位置を算出する反転位置算出部２４と、工具先端点の座標値に基づいて工具先端点の軌跡を表示するとともに、当該軌跡上にサーボ軸１２の反転位置を表示する表示部２６とを有する。

なお位置情報取得部１８及び速度情報取得部２０はそれぞれ、位置情報及び速度情報を数値制御装置１４から取得してもよいが、各サーボ軸１２の位置及び速度を測定するエンコーダ等の位置検出器及び速度検出器（図示せず）から取得してもよい。また速度情報取得部２０は、位置情報取得部１８が取得した位置情報を用いて算出したものを速度情報として取得してもよい。

図２は、本発明が適用可能な工作機械の一例として５軸加工機３０を概略図示した図である。５軸加工機３０は、互いに直交する３つの直線軸（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸）と、互いに直交する２つの回転軸（Ａ軸及びＢ軸）とを有する工具ヘッド回転型の加工機であり、工具３２によってテーブル３４上のワーク（図示せず）を加工するように構成されている。

次に図３のフローチャートを参照しつつ、図２の５軸加工機３０を用いた場合の工具軌跡表示装置１６の処理・作用について説明する。先ずステップＳ１において、位置情報取得部１８が、複数のサーボ軸１２を制御する数値制御装置１４から、各サーボ軸の位置情報を取得する。この位置情報には、数値制御装置１４から各サーボ軸１２に送られる位置指令、及び該位置指令に従って駆動された各サーボ軸１２の実位置が含まれる。

次にステップＳ２において、速度情報取得部２０が、数値制御装置１４から各サーボ軸１２の速度情報を取得する。この速度情報には、数値制御装置１４から各サーボ軸１２に送られる速度指令、該速度指令に従って駆動された各サーボ軸１２の実速度、及び各サーボ軸１２の位置情報から算出された速度が含まれる。

次にステップＳ３において、工具座標算出部２２が、位置情報及び工作機械の機械構成の情報から、工具先端点の座標を算出する。例えば、図２に示した５軸加工機３０の場合、時刻ｔにおけるＸ，Ｙ，Ｚ，Ａ及びＢの５軸の座標をそれぞれｘ（ｔ），ｙ（ｔ），ｚ（ｔ），ａ（ｔ）及びｂ（ｔ）とし、２つの回転軸（Ａ，Ｂ）のそれぞれ回転中心となる２つの軸線の交点をＭとすると、被加工物に固定された座標系を考慮して原点を適当に設定すれば、点Ｍの座標は（ｘ（ｔ），ｙ（ｔ），ｚ（ｔ））となる。

ここで点Ｍから工具先端点までの長さをＬとし、工具が真下を向いた位置をＡ，Ｂ軸の基準位置（原点）とすると、工具先端点の座標（ＰｏｓＸ、ＰｏｓＹ，ｐｏｓＺ）は以下の式から算出される。
ＰｏｓＸ ＝ ｘ（ｔ） ＋ Ｌ×ｃｏｓ（ａ（ｔ））×ｓｉｎ（ｂ（ｔ））
ＰｏｓＹ ＝ ｙ（ｔ） ＋ Ｌ×ｓｉｎ（ａ（ｔ））
ＰｏｓＺ ＝ ｚ（ｔ） − Ｌ×ｃｏｓ（ａ（ｔ））×ｃｏｓ（ｂ（ｔ））

次にステップＳ４において、反転位置算出部２４が、サーボ軸１２の極性（速度の符号）が反転するときの工具先端点の位置を算出する。ここで極性が反転する位置（反転位置）とは、図４に例示した軌跡３６上の位置３８のように、各軸の速度が正（＋）→０→負（−）と変化するか、あるいは負（−）→０→正（＋）と変化する位置を意味する。

最後にステップＳ５では、表示部２６が、工具先端点の座標値に基づいて工具先端点の軌跡を表示するとともに、該軌跡上にサーボ軸の反転位置を表示する。図４の例では、工具先端点の軌跡３６上に、Ａ軸の速度が正から負に反転する反転位置３８を、略円形のマークで表示している。

以下、表示部２６が表示する軌跡及び反転位置の種々の形態について、図５〜図８を参照しつつ説明する。先ず図５は、工具先端点の軌跡上に、複数のサーボ軸の反転位置を同時に表示した例を示す図である。図５の例では、工具先端点の軌跡４０上に、Ｘ軸の速度の反転位置４２と、Ｂ軸の反転位置４４とを表示しており、いずれの軸の反転位置かが識別しやすいように反転位置を示すマークの形状を軸毎に変えて表示している。さらに図５の例では、通常の加工では工具が往復動等によって被加工物に対して徐々に切れ込んでいくことを考慮し、工具先端点の軌跡が少しずつシフトしている状態も示している。このようにすれば、被加工物の最終的な加工形状に誤差が生じた場合、主としていずれのサーボ軸の反転時に当該誤差が生じているかを視覚的に容易に確認することができる。

図６は、サーボ軸の速度の極性が正から負へ反転する反転位置と、負から正へ反転する反転位置とが識別可能となるように、両反転位置を示すマークの形状を異なるようにした例を示す図である。具体的には、図６に示す工具先端点の軌跡４６において、サーボ軸の速度の極性が正から負へ反転する反転位置を円形のマーク４８で示し、負から正へ反転する反転位置を矩形のマーク５０で示している。このようにすれば、例えば重力軸の場合、上昇から下降に転じているのかその逆であるかが容易に確認できるので、被加工物の形状誤差に及ぼす重力の影響を評価することが可能となる。

図７は、サーボ軸の速度の極性に基づいて（すなわち反転位置の前後で）、工具先端点の軌跡の表示属性を変更した例を示しており、図７（ａ）は線種を変更した例、図７（ｂ）は線の太さを変更した例を示している。具体的には、図７（ａ）ではあるサーボ軸の速度が負のときを実線５２、正のときを破線５４で示しており、図７（ｂ）ではあるサーボ軸の速度が負のときを太線５６、正のときを細線５８で示している。このようにすれば、軸速度の反転位置を容易に識別できるようになる。

なお図示していないが、表示属性を変更する他の例として、サーボ軸の速度の正負によって軌跡の表示色を変更することも可能である。例えば工具先端点の軌跡を、軸速度が負のときは赤色、正のときは青色で表示することにより、軸速度の反転位置を容易に識別できるようになる。

図８は、サーボ軸の速度の反転位置を強調して表示する例を示している。具体的には、図８（ａ）は軌跡６０上の反転位置を円形や矩形のマーカー６２で表示した例を示し、図８（ｂ）は反転位置を矢印６４で指し示した例を示し、図８（ｃ）は矢印の代わりに或いは矢印に加え、反転位置を記号や文字６６で表示した例を示している。いずれの形態でも、軸速度の反転位置を容易に識別することができる。

なお図５〜図８に示した実施形態は適宜組み合わせることも可能である。例えば、反転位置をマーカーや矢印で示しつつ、速度の極性に応じて軌跡の表示属性（表示色や線種等）を変更することも可能である。

本発明に係る工具軌跡表示装置によれば、例えば被加工物において加工後の形状誤差の大きい部位と、ある軸の反転位置との間に相関がある場合、当該軸のバックラッシ（機械的ながたつき）や反転遅れを補正する調整等により、加工精度を改善することが可能となる。直線軸のみで構成される加工機の場合には、各サーボ軸の反転位置と加工形状との対応付けは比較的容易であるが、本実施形態に係る５軸加工機ように、回転軸が含まれかつ軸数が多い加工機では、各サーボ軸の反転位置と加工形状との関連付けが困難である。本発明によれば、このような場合でも調整の必要なサーボ軸を容易に特定することが可能となる。

１０ 工作機械
１２ サーボ軸
１４ 数値制御装置
１６ 工具軌跡表示装置
１８ 位置情報取得部
２０ 速度情報取得部
２２ 工具座標算出部
２４ 反転位置算出部
２６ 表示部
３０ ５軸加工機

Claims (4)

1. 数値制御装置によって制御される少なくとも１つの回転軸を含む複数のサーボ軸を備えた工作機械の工具先端点の軌跡を表示する工具軌跡表示装置であって、
   少なくとも１つの前記サーボ軸の位置情報を、前記サーボ軸の位置を測定する位置検出器から取得する位置情報取得部と、
   前記サーボ軸の速度情報を、前記位置情報取得部が取得した位置情報を用いて算出し又は前記サーボ軸の速度を測定する速度検出器から取得する速度情報取得部と、
   前記サーボ軸の前記位置情報と前記工作機械の機械構成の情報から、工具先端点の座標値を算出する工具座標算出部と、
   前記サーボ軸の前記速度情報と前記工具先端点の座標値から、少なくとも１つのサーボ軸の速度の極性が変化する反転位置を算出する反転位置算出部と、
   前記工具先端点の座標値に基づいて工具先端点の軌跡を表示するとともに、前記工具先端点の軌跡上に前記サーボ軸の前記反転位置を表示する表示部と、
   を備え、
   前記複数のサーボ軸は重力軸を含み、前記表示部は、サーボ軸の速度の極性が正から負へ変化する反転位置と、負から正へ変化する反転位置とを、互いに異なる表示属性で表示する、工具軌跡表示装置。
2. 前記表示部は、複数のサーボ軸の反転位置を前記工具先端点の軌跡上に同時に表示する、請求項１に記載の工具軌跡表示装置。
3. 前記表示部は、サーボ軸の速度の極性に基づいて前記工具先端点の軌跡の表示属性を変更する、請求項１又は２に記載の工具軌跡表示装置。
4. 前記表示部は、前記反転位置を指し示す矢印、記号又は文字を表示する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の工具軌跡表示装置。

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