JP5816632B2 - 数値制御マシンツールのための予測制御及び仮想表示システム - Google Patents

Description

本発明は一般に数値制御マシンツールの分野に関する。

詳しくは、本発明の対象は、ツールのためのホルダと、当該ツールによる工作対象ワークピースのためのキャリアと、複数のアクチュエータデバイスとを周知の態様で含むマシンツールのための制御システムである。当該アクチュエータデバイスは、当該マシンと当該ワークピースとの間の制御された各軸方向の相対変位をもたらすべく関連駆動手段により制御可能である。当該制御システムは、当該数値制御器は当該駆動手段に接続された数値制御器を含む。当該数値制御器は、製造される当該ワークピースの特徴及び使用される当該ツールの特徴に応じた所定の工作プログラムを実装するのに適する。当該数値制御器は、当該工作プログラムに基づいて、当該軸方向の当該ツールの位置を画定する目標座標値を計算するのに適する。当該位置は、当該関連アクチュエータデバイスの作動によって達成される。

画像表示デバイスも有するマシンツールのための周知の制御システムが存在する。これは、瞬間位置にある当該ワークピース及び当該ツールを示す現実画像又は仮想画像の実時間表示を可能とする。

このタイプの制御システムは、例えば特許文献１に記載されている。

数値制御マシンツールのための制御及び表示システムはまた、特許文献２によっても周知である。このシステムでは、一以上のビデオカメラにより取得された現実画像、又は計算手段により取得された仮想画像が選択的に表示される。現実画像は、当該マシンの工作領域に冷却液体が供給されていない場合に表示される一方、仮想画像は、冷却液体の供給が進行中の場合に表示される。

周知の制御及び表示システムはいかなる場合も、問題となっている時点での当該工作領域で起こっていることについての現実又は仮想画像を表示することができるのみである。

米国特許第６，５４６，１２７号明細書 米国特許出願第２０１０／０００６３６１６（Ａ１）号明細書

本発明の目的は、オペレータが工作プログラムを開始する命令を与えるとすぐに当該マシンツールによって行われる動きを予めグラフィカルに検証できる改善された制御及び表示システムを与えることにある。

工作プログラムをシミュレーションするシステムも周知である。これは当該ツールの経路を、当該ツールが当該マシンに送られる前に承認する。多くの分野例えば鋳型の工作分野では、当該マシンのオペレータは、当該工作プログラムに適用される変換（例えば、並進、回転、スケール因子、当該ツールの半径の補正等）を当該数値制御器に導入することが多い。これは当然ながら、シミュレーションシステムによってはチェックすることができない。

したがって本発明の目的は、オペレータによって設定される変換のすべての「下流」でのマシンツールの軸の動きを表示し、これらを、当該マシンにおいて実行される前にグラフィカルにチェック可能とすることにある。これにより任意の潜在的エラーが検出されることで、当該ツールへの、当該ワークピースへの、又は当該マシンへのダメージを回避することができる。

本発明によれば、上述のタイプの制御システムによりこれらの及び他の目的が達成される。制御システムは、画像表示手段と、計算された目標座標値を受け取るべく数値制御器に組み入れられ及び／又はこれに接続された処理システムとをさらに含む。処理システムは、当該ワークピースの、当該ツールの、当該クランプ構造の、及び当該マシンツール自体の目標座標に基づいてかつ格納された数学モデルに基づいて、予め選択された未来の瞬間まで当該ワークピースにより及び当該ツールにより採用される位置の予測仮想２次元表現を当該表示手段上に作るのに適した画像データを生成するべく構成される。

したがって、当該マシンツールのオペレータは、その後の時点で行われる動きのチェック及び表示のための「窓」を、「実行ブロック」の数又は本システムが予め表示及びチェックを要する空間の量（移動距離）を設定することによって画定することができる。この概念は、用語「予測窓」として以下に言及される。

「実行ブロック」とは、工作プログラムの要素的な実行単位を意味する。工作プログラムは本質的には、当該軸の動きに対する一連の命令によって主に構成されるファイルである。各命令は、マシンツールの一連の要素的な動き（又は実行ブロック）に変換される。

これらの特徴により、本発明に係る制御及び仮想表示システムは、例えば将来可能なツールと当該マシンの部品との衝突、当該ワークピースに対する当該マシンの部品の衝突、及び当該ワークピースからの過剰な材料除去のような問題又は危険な状況を予め視覚的にチェックすることができる。本システムはまた、上述の危険な状況を予め検出ことができる場合、当該マシンツール上の工作の実行を停止可能にすることができる。

添付の図面を参照して純粋に非制限的な例により与えられる以下の詳細な説明から本発明のさらなる特徴及び利点が明らかになる。

図１及び２は、本発明に係るマシンツールのための制御及び仮想表示システムの２つの実施例のブロック図である。 図１及び２は、本発明に係るマシンツールのための制御及び仮想表示システムの２つの実施例のブロック図である。 図３は、本発明に係る制御及び仮想表示システムの動作方法を示すフローチャートである。 図４は、本発明に係るシステムにおいて形成された仮想画像の一例を示す。

図１は、一般にＰＳとして示される本発明に係る予測制御及び仮想表示システムに関連するマシンツールＭを部分的かつ概略的に示す。

マシンツールＭは、ツールホルダ２を周知の態様で含む。これは例えばミリングツールＴを支承する。

マシンツールＭは、ハウジング、サポート構造、及びテーブルを周知の態様で含む。

マシンＭはさらに、ワークピースキャリア３を含む。これは、工作対象ワークピースＷを支承し、当該工作中に動的に「更新」され得るのが通常である。

複数のアクチュエータデバイスＡ１，…、ＡＮは例えば電気モータであって、マシンＭに設けられる。また、関連駆動デバイスＤ１、…、ＤＮによって制御されて、ツールＴと工作対象ワークピースＷとの間の制御された各軸方向の相対変位をもたらす。

各検出デバイスＳ１、…、ＳＮは各電気信号又は位置データを与えるのに適しており、アクチュエータＡ１、…、ＡＮに関連付けられる。

数値制御器ＮＣは、マシンツールＭに関連付けられる。数値制御器ＮＣは、駆動デバイスＤ１、…、ＤＮに接続され、製造されるワークピースの特徴及び使用されるマシンツールＭ及びツールＴの特徴に応じた所定の工作プログラムを実装するべく構成される。特に数値制御器ＮＣは、当該工作プログラムに基づいて、マシンＭの軸方向におけるツールＴの位置を画定する目標座標値を計算することができる。この位置は、関連アクチュエータデバイスＡ１、…、ＡＮの作動によって達成される。

マシンＭのオペレータは、制御パネルＣＰによって数値制御器ＮＣと相互作用することができる。

図１に示す実施例では、予測制御システムＰＳは、一の画像表示デバイスＩＤ、及び計算された目標座標値を使用する数値制御器ＮＣの当該又は一のモジュールＰを当該数値制御器ＮＣと共有する。これらの値に基づいて、及び、ワークピースＷの、マシンＭの、及びツールＴの格納された数学モデルに基づいて、モジュールＰは、表示デバイスＩＤに供給される画像データ信号を生成する。

制御システムＰＳは特に、マシンＭにより及びワークピースＷにより採用される相対位置の２次元の仮想表現を、表示デバイスＩＤ上に作ることができる画像信号を生成するべく構成される。

特に、制御システムＰＳは、以下の製作を選択的に可能とする画像を生成するべく構成される。
・ワークピースＷの及びツールＴの実時間での現在位置の瞬間仮想２次元表現であって、マシンツールＭの工作領域において問題となっている時点で起こっていることをオペレータに示すべく例えばビデオカメラによって取得され得る画像を実際に置換する表現か、又は、
・当該工作の開始から、マシンＭのオペレータが例えば制御パネルＣＰによって設定する「予測窓」の終了までワークピースＷにより、ツールＴにより、及びマシンツールＭにより採用される位置の予測仮想２次元表現。

上記表現は、数値制御器ＮＣにより計算された目標座標値に基づいて、並びに、マシンツールＭの、ツールホルダの、ツールＴの、クランプ装置の、動的未完成ワークピースの数学モデルに基づいて、及び当該工作完了のときに達成されるワークピースの任意の論理モデルに基づいて生成されるのが有利である。

図２は、本発明の他実施例を示す。この図では、すでに記載した部品及び部材は、上で使用した英数字の参照記号に再び帰属する。

図２の実施例では、予測制御及び表示システムＰＳは、これ自体の制御パネル（キーボード及び／又はマウス等）ＣＰ１、これ自体のプロセッサＰ、及びこれ自体の表示デバイスＩＤ１を含む。これらは、数値制御器ＮＣに関連付けられたもの（ＣＰ及びＩＤ）とは別個のものである。

または、図２のシステムの特徴及び動作方法は、図１のシステムに対してすでに記載のものに対応する。

図４は例えば、これに対応して表示デバイスＩＤ上に表される仮想２次元画像を示す。この画像では、様々な部品を区別するべく上で使用された英数字記号が読者による識別の便宜上付されている。

本システムが使用されると、以下のステップのシーケンスが生じ得る。
ａ）マシンツールのオペレータが工作プログラムを選択する。
ｂ）オペレータは「予測窓」を画定する。
ｃ）オペレータは、「予測窓」における当該ツールの前後位置を表示することによって当該工作プログラムの正確性をチェックするべく、当該マシンの及び当該ツールの仮想の動きを表示することができる。
ｄ）オペレータは、開始キーを押して進行速度を設定することができる。数値制御器により、選択された工作プログラムに応じた当該マシンの軸の動きが生じる。
ｅ）マシンツールのオペレータは、当該ワークピースに対する当該ツールの位置及び当該マシンの軸を、予めかつ「予測窓」の画定範囲に応じて表示することができる。
ｆ）オペレータが他のチェックを行いたい場合は、進行速度の値をゼロまで持って行くか又は当該マシンを停止させ、本システムはポイントｃ）まで戻る。

添付図面の図３は、上述の予測制御及び仮想表示システムによって行うことができるステップの可能な簡略化フローチャートを示す。

図３では、開始動作のステップが１０で示される。予め格納された工作プログラムの数値制御器ＮＣによる読み取りを目的とするか、又は制御パネルＣＰによってマシンオペレータが与えるマニュアル命令の取得を目的とするステップ１１に進む。

次にステップ１２に進み、工作プログラムが完了したか否かがチェックされる。是であればプロセスは終了ステップ１３に進むが、否であればステップ２５に進む。ここで、開始命令及び進行速度がゼロ以外であるか否かがチェックされるか又はオペレータが「予測窓」の振幅を変更したか否かがチェックされる。否であれば、本システムはステップ１２に戻る。是であれば、ステップ１４に進み、数値制御器ＮＣが、オペレータが設定した「予測窓」におけるマシンツールＭの様々な軸の目標座標の計算を与える。

このステップはステップ２６に進み、開始命令及び進行速度がチェックされる。これらがゼロであれば本システムはステップ１２に戻るが、そうでなければ、当該軸に関連するアクチュエータＡ１、…、ＡＮを動作させて目標座標により示される位置を達成するべくステップ１５に進む。次に、当該軸に関連付けられた検出器Ｓ１、…、ＳＮによって与えられる位置信号が取得されるステップ１６、及び検出器Ｓ１、…、ＳＮによって示される実際の位置が対応する目標座標値と対比されるステップ１７に進む。

実際の位置と目標座標との差すなわち位置エラーが、マシンツールＭの軸に関連付けられたアクチュエータＡ１、…、Ｎフィードバック「調整」を目的として使用される。

上記プロセスの開始の結果、図３の表現における１８で示されるステップで、ユーザが、マシンＭにおいて進行中である当該工作の仮想表示の生成を要求したか否かがチェックされる。是であれば、本システムはステップ１９に進み、数値制御器ＮＣにより少しずつ計算された目標座標が、処理システムＰＳによって取得される。

続くステップ２０では、ユーザが、マシンツールＭの工作領域において現時点で起こっていることについて実時間で仮想表示を生成することを要求したか否かがチェックされる。是であれば、処理システムＰＳは、次のステップ２１で当該仮想２次元画像を処理する。これらは次にステップ２２で表示デバイスＩＤ上に当該ユーザに対して提示される。

他方、ステップ２０でユーザが、実時間における瞬間的な工作状況の仮想表現を要求していなかった場合は、本システムは、当該工作開始からオペレータが設定した「予測窓」の終了までマシンＭにより、ワークピースＷにより、及びツールＴにより採用される位置の予測仮想２次元表現が生成されるステップ２３に進むことができる。

「予測窓」の終了は、将来の関心時間窓に対応するプログラム「ブロック」の対応数の指示によって、又はステップ２４に示されるようにツールＴが移動する距離を指示することによってオペレータが設定することができる。

本プロセッサは、上述のステップ又は段階に応じて周期的に処理を行う。

システムＰＳは、設定された「予測窓」の終了に対応する仮想画像が、工作プログラムの通常実行中、表示デバイスＩＤ上に少しずつ表されるように構成される。

処理システムＰＳは、計算されたツールＴの将来の位置に、マシンツールＭの部品との又はワークピースＷとの任意の危険な衝突を起こす責任があるか否か及び可能であれば警告信号発生及び／又は当該工作の停止がもたらされるか否かがチェックされる。

処理システムＰＳはまた、以下の量を計算するべく構成されるのが有利である。
・工作対象ワークピースＷから除去される材料の総量、
・ワークピースＷからさらに除去されるべき総残量、及び
・ワークピースＷからの任意の過剰な材料除去、並びに、
・ワークピースＷから除去される材料の体積に、当該材料の性質に、使用されるツールＴの種類に、及びマシンツールＭの特徴に基づいてツールＴの進行速度を計算及び調整すること、及びこれらのパラメータに基づいてツールＴの残りの耐用年数を見積もること。

当然ながら、本発明の原理は同じままであり、実施例の形態及び構造の詳細は、添付の請求項に規定された本発明の範囲から逸脱することなく、純粋に非制限的な例による記載及び説明に関して広く変更できる。

Claims (10)

1. マシン（Ｍ）において工作の進行中に使用される制御及び仮想表示システム（ＰＳ）であって、
   ツール（Ｔ）のためのホルダ（２）と、
   前記ツール（Ｔ）による工作対象ワークピース（Ｗ）のためのキャリア（３）と、
   複数のアクチュエータデバイス（Ａ１、…、ＡＮ）であって、前記ツール（Ｔ）と前記ワークピース（Ｗ）との間に制御された各軸方向の相対変位をもたらすべく関連駆動手段（Ｄ１、…、ＤＮ）によって制御され得るアクチュエータデバイス（Ａ１、…、ＡＮ）と、
   前記マシン（Ｍ）との関連付けの存在と、
   前記駆動手段（Ｄ１、…、ＤＮ）に接続されて、製造される前記ワークピース（Ｗ）の特徴及び前記ツール（Ｔ）の特徴に応じた所定の工作プログラムを実装するのに適した数値制御器（ＮＣ）であって、前記工作プログラムに基づいて、前記軸方向の前記ツール（Ｔ）の位置であって関連する前記アクチュエータデバイス（Ａ１、…、ＡＮ）の作動によって達成される位置を画定する目標座標を計算するのに適した数値制御器（ＮＣ）と、
   画像表示手段（ＩＤ）と
   を含み、
   前記システム（ＰＳ）は、前記数値制御器（ＮＣ）が実際の工作のための前記工作プログラムを実行している間に前記数値制御器（ＮＣ）によって計算された前記目標座標の値を受け取るべく前記数値制御器（ＮＣ）に組み入れられ及び／又はこれに接続された処理システム（Ｐ）を含み、
   前記システム（ＰＳ）は、前記マシン（Ｍ）の、前記ワークピース（Ｗ）の、及び前記ツール（Ｔ）の前記目標座標に基づいて及び格納された数学モデルに基づいて、工作開始から予め選択された未来の瞬間に対応する「予測窓」の終了まで前記ワークピース（Ｗ）によって及び前記ツール（Ｔ）によって採用される位置の予測仮想２次元表現を、前記画像表示手段（ＩＤ）上に作るのに適した画像データを生成するべく構成され、
   前記「予測窓」はオペレータによって設定されてその後の時点で行われる前記ツール（Ｔ）の動きが表示される時間窓であり、
   前記予測仮想２次元表現は、前記ツール（Ｔ）及びワークピース（Ｗ）の画像を含む、制御及び仮想表示システム。
   
2. 前記処理システム（Ｐ）は、前記ワークピース（Ｗ）及び前記ツール（Ｔ）の現在位置の実時間における瞬間仮想２次元表現を前記画像表示手段（ＩＤ）上に作るのに適した画像データを選択的に生成するべく構成される、請求項１に記載の制御及び仮想表示システム。
3. 実行ブロックの数又は前記ツール（Ｔ）の移動距離を設定することによって所望の前記「予測窓」の範囲を選択可能とする設定手段（ＣＰ）を含む、請求項１又は２に記載の制御及び仮想表示システム。
4. 前記処理システム（Ｐ）は、前記ツール（Ｔ）の、計算がされた将来の位置が衝突を起こす可能性があるか否かをチェックするべく構成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の制御及び仮想表示システム。
5. 前記処理システム（Ｐ）は、前記ツール（Ｔ）の前記計算がされた将来の位置が衝突を起こす可能性がある場合に、警告信号の発生を生じさせ及び／又は前記工作を停止させるべく構成される、請求項４に記載の制御及び仮想表示システム。
6. 前記処理システム（Ｐ）は、前記「予測窓」設定において前記ワークピース（Ｗ）から除去される材料の総量、及び／又は、前記「予測窓」設定内で前記工作の完了までに前記ワークピース（Ｗ）からさらに除去される材料の総残量を計算するべく構成される、請求項１から５のいずれか１項に記載の制御及び仮想表示システム。
7. 前記処理システム（Ｐ）は、前記ワークピース（Ｗ）からの予測的に可能な将来の過剰な材料除去を計算するべく構成される、請求項１から６のいずれか１項に記載の制御及び仮想表示システム。
8. 前記処理システム（Ｐ）は、前記ワークピース（Ｗ）から除去される材料の体積に、前記材料の性質に、使用されるツールの種類に、及び前記マシン（Ｍ）の特徴に基づいて、実際の前記ツール（Ｔ）の動作速度を計算及び調整するべく構成される、請求項１から７のいずれか１項に記載の制御及び仮想表示システム。
9. 前記処理システム（Ｐ）は、設定された前記「予測窓」の終了に対応する仮想画像を、前記工作プログラムの実行中、前記画像表示手段（ＩＤ）上に少しずつ提示すべく構成される、請求項１から８のいずれか１項に記載の制御及び仮想表示システム。
10. 前記処理システム（Ｐ）は、前記ツール（Ｔ）の残りの耐用年数を見積もるべく構成される、請求項９に記載の制御及び仮想表示システム。

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