JP5877866B2 - 工具の軌跡を表示する工具軌跡表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、数値制御装置を用いて少なくとも一つの駆動軸によって工具および被加工物を相対的に移動させながら往復動作を行って被加工物を加工する工作機械の工具の軌跡を表示する工具軌跡表示装置に関する。

従来より、実際の軌跡に生じる不具合の原因を探るために、工具軌跡の表示属性を変更して表示する軌跡表示装置が存在している。

特許文献１においては、工具軌跡を微小線分の集合として表示している。そして、特定軸における各微小線分の傾きを判定し、判定された傾きに応じて定まる表示属性を用いて、微小線分の集合からなる工具軌跡を表示している。この場合には、工具軌跡に生じる凹凸などを容易に判別することができる。

特許第３８３４２６８号公報

ところで、複数のサーボ軸を制御して加工を行う工作機械においては、ワークに対して工具を相対的に移動させながら往復動作を行いつつ、ワークを加工する場合がある。このような加工において工具の指令曲線が曲率の異なる複数の曲線から構成される場合には、曲線と曲線との間の継目で法線加速度がステップ状に変化する。このため、進行方向の違いにより加速度変化による影響が変化し、その結果、指令軌跡と実軌跡との間の軌跡誤差が大きくなる位置やその量も変化する。

それゆえ、指令軌跡の形状が同じであっても、軌跡誤差が往路と復路とで異なる事態が生じる。しかしながら、従来の軌跡表示装置では、往路と復路とを区別せずに、指令軌跡および実軌跡をそのまま表示していた。このため、軌跡誤差と進行方向との対応づけができず、軌跡誤差の原因がサーボ調整にあるのか、あるいは、進行方向にあるのかを区別することが困難であった。

なお、特許文献１では、ＣＡＤ等で作成されたＮＣデータをもとに工具軌跡を表示している。このため、ＮＣの指令軌跡、および工具先端点の実軌跡を表示することはできない。従って、特許文献１では、指令軌跡と実軌跡との間の軌跡誤差を確認することができず、軌跡誤差を解消するための適切なサーボ調整を行うこともできない。

また、特許文献１では微小線分の傾きに応じて表示属性を変更できるものの、進行方向（往路または復路）に応じて表示属性を変更することはできない。このため、軌跡誤差の原因がサーボ調整にあるのか、あるいは、進行方向にあるのかを正確に区別することはできなかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、軌跡誤差と進行方向との対応づけを行い、サーボ調整を効果的に行うことのできる工具軌跡表示装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、数値制御装置を用いて少なくとも一つの駆動軸によって工具および被加工物を相対的に移動させながら往復動作を行って前記被加工物を加工する工作機械の前記工具の軌跡を表示する工具軌跡表示装置において、前記数値制御装置において作成された所定の制御周期毎の位置情報を取得するか、または位置検出器から前記少なくとも一つの駆動軸の位置情報を取得する位置情報取得部と、前記少なくとも一つの駆動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前記工具の座標値を算出する工具座標算出部と、前記工具の進行方向に応じて前記工具の軌跡の表示属性を変更する表示属性変更部と、前記工具座標算出部により算出された前記工具の座標値と前記表示属性変更部により変更された前記表示属性とに基づいて、前記工具の軌跡を表示する表示部と、前記工具の進行方向が反転する反転位置を前記数値制御装置または前記工作機械の加工プログラムから取得する反転位置取得部とを備え、前記表示属性変更部は、さらに前記反転位置に基づいて前記工具の軌跡の表示属性を変更することを特徴とする工具軌跡表示装置が提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記表示部は、前記数値制御装置から取得された前記位置情報から求められる前記工具の指令軌跡と、前記位置検出器から取得された前記位置情報から求められる実軌跡とを重ねて表示する。
３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記表示属性変更部は、前記工具の軌跡の表示属性を前記往復動作の往路と復路とで変更する。
４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、前記表示属性変更部は、前記往復動作の往路と復路とに対応する記号もしくは文字または文字列を前記表示部上に追加表示する。

１番目の発明においては、工具の進行方向に応じて工具の軌跡の表示属性を変更しているので、軌跡誤差と進行方向との対応づけを行うことができ、従って、サーボ調整を効果的に行うことができる。さらに、反転位置取得部により、工具の軌跡の表示属性が変わる箇所を明確にできる。
２番目の発明においては、指令軌跡と実軌跡との間の軌跡誤差を容易に把握することができる。
３番目の発明においては、往路と復路とを容易に区別することができる。
４番目の発明においては、工具の進行方向を容易に把握することできる。

本発明に基づく工具軌跡表示装置が搭載される工作機械の斜視図である。 本発明に基づく工具軌跡表示装置の機能ブロック図である。 本発明の工具軌跡表示装置が搭載される工作機械がワークを加工する加工経路の一例を示す図である。 図３に示される往路曲線の部分拡大図である。 図３に示される復路曲線の部分拡大図である。 指令軌跡と、往路および復路の実軌跡との一例を示す図である。 本発明に基づく工具軌跡表示装置の動作を示すフローチャートである。 第一表示属性を示す図である。 第二表示属性を示す図である。 第三表示属性を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明に基づく工具軌跡表示装置が搭載される工作機械の斜視図である。図１に例として示される工作機械１は五軸加工機である。工作機械１は、ワーク（図示しない）が載置されるテーブル２と、テーブル２に対して互いに垂直な三方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に相対的に移動する支柱３とを含んでいる。図示されるように、ヘッド４が支柱３から横方向に延びており、ヘッド４はテーブル２の表面に対して平行なＢ軸回りに回転する。さらに、Ｂ軸およびテーブル２の表面の両方に対して垂直でＡ軸回りに回転可能な工具５がヘッド４に取付けられている。

従って、工作機械１は三つの直動軸（Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸）ならびに二つの回動軸（Ａ軸およびＢ軸）によって工具５の位置および姿勢を制御してテーブル２上のワークを加工する。ただし、工具５がテーブル２に固定されていて、ワーク（図示しない）がヘッド４の先端に取付けられている場合であっても、本発明の範囲に含まれるものとする。また、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ軸およびＢ軸を「駆動軸」と呼ぶ場合がある。

図２は本発明に基づく工具軌跡表示装置の機能ブロック図である。図２に示されるように、工具軌跡表示装置２０は数値制御装置１６を介して工作機械１に接続されている。工作機械１は各駆動軸を駆動するモータＭ１〜Ｍ５を含んでいる。これらモータＭ１〜Ｍ５のそれぞれには、駆動軸の実際の位置を所定の制御周期毎に検出する位置検出器１１〜１５がそれぞれ備え付けられている。また、数値制御装置１６は、工作機械１の動作プログラムに基づいて、各駆動軸に対する位置指令を所定の制御周期毎に作成する。

図２に示されるように、工具軌跡表示装置２０は位置情報取得部２１を含んでいる。位置情報取得部２１は、数値制御装置１６において作成された所定の制御周期毎の位置指令を位置情報として取得する。さらに、位置情報取得部２１は、位置検出器１１〜１５により検出された各駆動軸の位置検出値を位置情報として取得する。このような位置情報は一時的に工具軌跡表示装置２０に時系列で記憶されるものとする。

さらに、工具軌跡表示装置２０は工具座標算出部２２を含んでいる。工具座標算出部２２は、位置指令の位置情報および工作機械１の構成に基づいて工具５の先端点の工具指令座標値を位置指令の位置情報に対応させて算出する。さらに、工具座標算出部２２は、位置検出値の位置情報および工作機械１の構成に基づいて工具５の先端点の工具実座標値を位置検出値の位置情報に対応させて算出する。これら工具指令座標値および工具実座標値は、工具５の先端点の指令軌跡および実軌跡をそれぞれ表すものとする。なお、工作機械１の構成は、主に工作機械１の寸法を意味する。

さらに、工具軌跡表示装置２０は表示属性変更部２３を含んでいる。表示属性変更部２３は工具５の進行方向に応じて工具の軌跡の表示属性を後述するように変更する。さらに、工具軌跡表示装置２０は、工具座標算出部２２により算出された工具５の座標値と表示属性変更部２３により変更された表示属性とに基づいて、工具５の軌跡を表示する表示部２４を含んでいる。

さらに、工具軌跡表示装置２０は、工具５の進行方向が反転する反転位置を数値制御装置１６または工作機械１の加工プログラムから取得する反転位置取得部２５を含んでいる。また、図２に示されるように、工具５の進行方向が反転する反転位置を操作者が外部から指定する反転位置入力部２６、例えばキーボード、マウス、タッチパネルなどが工具軌跡表示装置２０に接続されている。

図３は本発明の工具軌跡表示装置が搭載される工作機械がワークを加工する加工経路の一例を示す図である。図３に示される例においては、工作機械１の工具５が加工開始点Ｘ１から開始して往路曲線Ｐ１に沿って加工する。往路曲線Ｐ１の終端において工具５をＸ方向に線分ＸＡだけ移動させ、次いで復路曲線Ｑ１に沿って再び加工する。そして、Ｘ方向において加工開始点Ｘ１から線分ＸＡだけ離間した場所で停止する。

その後、復路曲線Ｑ１の終端において工具５をＸ方向に線分ＸＢだけさらに移動させ、往路曲線Ｐ２に沿って加工する。往路曲線Ｐ２の終端において工具５をＸ方向に線分ＸＣだけさらに移動させ、復路曲線Ｑ２に沿って再び加工する。そして、加工終了点Ｘ２において停止する。このように本発明においては、往路曲線Ｐ１、Ｐ２を往路とし、復路曲線Ｑ１、Ｑ２を復路とする往復動作によりワークを加工する。

図３から分かるように、往路曲線Ｐ１、Ｐ２および復路曲線Ｑ１、Ｑ２のそれぞれは複数の曲線部分からなる互いに同一の形状である。つまり、図３においては、Ｘ軸方向に相対的に移動しながら、ワークを同一経路で繰返し加工する場合を想定している。なお、線分ＸＡ、ＸＢ、ＸＣの長さがゼロである場合もある。

図４Ａおよび図４Ｂのそれぞれは図３に示される往路曲線および復路曲線の部分拡大図である。これら図面においては、接点Ｃ０において互いに外接する二つの円弧Ｃ１、Ｃ２が示されている。そして、往路曲線Ｐ１、Ｐ２および復路曲線Ｑ１、Ｑ２はこれら円弧Ｃ１、Ｃ２の一部分から構成されている。また、これら図面においては、それぞれの円弧Ｃ１、Ｃ２の中心に向かって延びる法線加速度が示されている。

図４Ａから分かるように、往路Ｐ１、Ｐ２に沿った移動時に接点Ｃ０を通過するときに、法線加速度が左方向から右方向に反転する。同様に、図４Ｂから分かるように、復路Ｑ１、Ｑ２に沿った移動時に接点Ｃ０を通過するときに、法線加速度が右方向から左方向に反転する。このように往路と復路とで法線加速度が反転する方向が異なる場合には、指令軌跡が同じであっても、往路と復路とにおいて軌跡誤差を生じる位置やその誤差量も異なる。

図５は指令軌跡と、往路および復路の実軌跡との一例を示す図である。図５において、中央に示される円滑な実線曲線Ｓは往路曲線Ｐ１、Ｐ２および復路曲線Ｑ１、Ｑ２に共通する指令軌跡である。そして、破線曲線Ｐ’は往路曲線Ｐ１またはＰ２の実軌跡を示すと共に、実線曲線Ｑ’は復路曲線Ｑ１またはＱ２の実軌跡を示している。

図５から分かるように、破線曲線Ｐ’および実線曲線Ｑ’のそれぞれは突出部を有している。この突出部は図４Ａおよび図４Ｂに示される接点Ｃ０近傍に出現する。この突出部は指令軌跡と実軌跡との間の軌跡誤差の大きい箇所に相当する。しかしながら、突出部の突出方向は破線曲線Ｐ’および実線曲線Ｑ’とで互いに異なっており、さらに突出部の出現位置も互いに異なる。

従来技術の工具軌跡表示装置では、往路の軌跡と復路の軌跡とを区別して表示していなかった。つまり、従来技術においては軌跡誤差と進行方向とが対応づけられていない。このため、指令軌跡と実軌跡との間の軌跡誤差が生じていた場合であっても、その軌跡誤差が往路に生じていたのか、復路に生じていたのかを判断できなかった。また、軌跡誤差の要因が進行方向によるものなのか、サーボ調整によるものなのかを判断できなかった。本発明は、このような従来技術の欠点を克服するものである。

図６は本発明に基づく工具軌跡表示装置の動作を示すフローチャートである。はじめに、ステップＳ１において、位置情報取得部２１が、数値制御装置１６において作成された所定の制御周期毎の位置指令を位置情報として取得する。さらに、位置情報取得部２１は、位置検出器１１〜１５により検出された各駆動軸の位置検出値を位置情報として取得してもよい。位置指令の位置情報は指令軌跡を算出するのに使用されると共に、位置検出値の位置情報は実軌跡を算出するのに使用される。なお、実軌跡のみを参照したい場合には、位置検出値の位置情報のみを使用すれば十分である。

次いで、ステップＳ２においては、工具座標算出部２２が位置指令の位置情報および工作機械１の構成に基づいて工具５の先端点の工具指令座標値Ｐｃｎを位置指令の位置情報に対応させて算出する。さらに、工具座標算出部２２は、位置検出値の位置情報および工作機械１の構成に基づいて工具５の先端点の工具実座標値Ｐｆｎを位置検出値の位置情報に対応させて算出する。

ここで、工具指令座標値Ｐｃｎおよび工具実座標値Ｐｆｎの算出手法について説明する。図１を再び参照し、五つの駆動軸の座標をそれぞれｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ）、ａ（ｔ）、ｂ（ｔ）とする。

そしてＡ軸とＢ軸との交点をＭとすると、交点Ｍの座標は（ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ））で表される。交点Ｍから工具５の先端までの長さをＬとし、工具５が真下を向いた位置をＡ軸およびＢ軸の基準位置（原点）とすると、工具５先端の座標は以下のように示される。
Ｐｘ（ｔ）＝ｘ（ｔ）＋Ｌ×ｃｏｓ（ａ（ｔ））×ｓｉｎ（ｂ（ｔ））
Ｐｙ（ｔ）＝ｙ（ｔ）＋Ｌ×ｓｉｎ（ａ（ｔ））
Ｐｚ（ｔ）＝ｚ（ｔ）−Ｌ×ｃｏｓ（ａ（ｔ））×ｃｏｓ（ｂ（ｔ））
このようにして、五つの駆動軸の位置情報と機械構成の条件とによって工具５の先端の座標を算出することができる。

さらに、ステップＳ２においては、反転位置取得部２５が工具５の進行方向が反転する反転位置を数値制御装置１６または工作機械１の加工プログラムから取得する。ここで、反転位置とは、工具５の先端点が往路から復路、または復路から往路に変化する場所を意味し、図３に示される線分ＸＡ、ＸＢ、ＸＣの両端部に相当する。

具体的には、反転位置取得部２５は数値制御装置１６における位置指令または工作機械１の加工プログラムを参照して、反転位置を取得する。例えば、加工プログラム上の往路から復路に変化するプログラムのプログラムＮｏやブロック番号、または、数値制御装置１６から出力される反転位置を示す信号を取得する。このように、反転位置取得部２５を用いた場合には、工具の軌跡の表示属性が変わる箇所を明確にすることができる。

なお、反転位置は、操作者が反転位置入力部２６を用いて外部から入力してもよい。反転位置入力部２６は、反転位置を数値的に座標で指定する場合、または表示部２４に表示された工具軌跡について反転位置を指定する場合などで使用される。反転位置入力部２６を用いた場合には、工具の軌跡の表示属性が変わる箇所を容易に明確にできるのが分かるであろう。

その後、ステップＳ４において、表示属性変更部２３が、工具５の進行方向に応じて工具の軌跡の表示属性を変更する。このとき、取得した反転位置が適宜使用されるものとする。表示属性は軌跡の色、線種、太さを含みうる。操作者の入力操作により、表示属性変更部２３は後述する第一表示属性から第三表示属性のいずれかを選択するものとする。あるいは、図示しない他の表示属性を選択してもよい。そして、ステップＳ５においては、工具の座標値Ｐｃｎ、Ｐｆｎと選択された表示属性とに基づいて、工具の軌跡が表示部２４上に表示される。

図７Ａから図７Ｃは第一表示属性から第三表示属性をそれぞれ示す図である。これら図面においては簡潔にする目的で、図３における復路曲線Ｑ２およびＸ方向に線分ＸＣを省略し、往路曲線Ｐ１、Ｐ２と復路曲線Ｑ１のみを示している。これら図面に示されるように、往路曲線Ｐ１、Ｐ２と復路曲線Ｑ１とは通常重ねて表示される。

図７Ａに示される第一表示属性においては、往路曲線Ｐ１、Ｐ２に対して「往路」という文字が表示され矢印記号で示されると共に、復路曲線Ｑ１に対して「復路」という文字が表示され矢印記号で示される。さらに、図７Ａにおいては進行方向を示す矢印記号が往路曲線Ｐ１、Ｐ２および復路曲線Ｑ１に沿って表示される。さらに、第一表示属性においては往路曲線Ｐ１、Ｐ２、復路曲線Ｑ１および線分ＸＡ、ＸＢがそれぞれ異なる色または異なる濃淡で表示される。例えば往路曲線Ｐ１、Ｐ２を青色で表示すると共に、復路曲線Ｑ１を赤色で表示してよい。

図７Ｂに示される第二表示属性においても、往路曲線Ｐ１、Ｐ２に対して「往路」という文字が表示され矢印記号で示されると共に、復路曲線Ｑ１に対して「復路」という文字が表示され矢印記号で示される。さらに、図７Ｂにおいては進行方向を示す矢印記号が往路曲線Ｐ１、Ｐ２および復路曲線Ｑ１に沿って表示される。さらに、第二表示属性においては、往路曲線Ｐ１、Ｐ２、復路曲線Ｑ１および線分ＸＡ、ＸＢがそれぞれ異なる線種で表示される。図７Ｂにおいては往路曲線Ｐ１、Ｐ２が実線で示され、復路曲線Ｑ１が破線で示されると共に、線分ＸＡ、ＸＢが点線で示されている。

図７Ｃに示される第三表示属性においても、往路曲線Ｐ１、Ｐ２に対して「往路」という文字が表示され矢印記号で示されると共に、復路曲線Ｑ１に対して「復路」という文字が表示され矢印記号で示される。さらに、図７Ｃにおいては進行方向を示す矢印記号が往路曲線Ｐ１、Ｐ２および復路曲線Ｑ１に沿って表示される。さらに、第三表示属性においては、往路曲線Ｐ１、Ｐ２、復路曲線Ｑ１および線分ＸＡ、ＸＢがそれぞれ異なる太さの線で表示される。図７Ｃにおいては往路曲線Ｐ１、Ｐ２が中程度の太さの線で示され、復路曲線Ｑ１が太い線で示されると共に、線分ＸＡ、ＸＢが細線で示される。

このように本発明においては、往路の軌跡と復路の軌跡とを、その表示属性を変更して表示している。このため、本発明においては、表示属性に基づいて、少なくとも往路と復路とは区別して表示される。従って、本発明においては軌跡誤差と進行方向とが対応づけられている。その結果、操作者は工具５の進行方向を容易に把握することができ、また表示される軌跡が往路であるか復路であるかを容易に把握することができる。

さらに、指令軌跡と実軌跡とを重ねて表示されるので、操作者は指令軌跡と実軌跡との間の軌跡誤差を容易に把握できる。そして、軌跡誤差が大きい場合には、その軌跡誤差が往路に生じていたのか、復路に生じていたのかを判断できる。さらに、軌跡誤差の要因が進行方向によるものなのか、サーボ調整によるものなのかも判断することができる。このため、本発明においては、サーボ調整を効果的に行えるのが分かるであろう。

１ 工作機械
２ テーブル
３ 支柱
４ ヘッド
５ 工具
１１〜１５ 位置検出器
１６ 数値制御装置
２０ 工具軌跡表示装置
２１ 位置情報取得部
２２ 工具座標算出部
２３ 表示属性変更部
２４ 表示部
２５ 反転位置取得部
２６ 反転位置入力部

Claims (4)

1. 数値制御装置を用いて少なくとも一つの駆動軸によって工具および被加工物を相対的に移動させながら往復動作を行って前記被加工物を加工する工作機械の前記工具の軌跡を表示する工具軌跡表示装置において、
   前記数値制御装置において作成された所定の制御周期毎の位置情報を取得するか、または位置検出器から前記少なくとも一つの駆動軸の位置情報を取得する位置情報取得部と、
   前記少なくとも一つの駆動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前記工具の座標値を算出する工具座標算出部と、
   前記工具の進行方向に応じて前記工具の軌跡の表示属性を変更する表示属性変更部と、
   前記工具座標算出部により算出された前記工具の座標値と前記表示属性変更部により変更された前記表示属性とに基づいて、前記工具の軌跡を表示する表示部と、
   前記工具の進行方向が反転する反転位置を前記数値制御装置または前記工作機械の加工プログラムから取得する反転位置取得部とを備え、
   前記表示属性変更部は、さらに前記反転位置に基づいて前記工具の軌跡の表示属性を変更することを特徴とする工具軌跡表示装置。
2. 前記表示部は、前記数値制御装置から取得された前記位置情報から求められる前記工具の指令軌跡と、前記位置検出器から取得された前記位置情報から求められる実軌跡とを重ねて表示することを特徴とする請求項１に記載の工具軌跡表示装置。
3. 前記表示属性変更部は、前記工具の軌跡の表示属性を前記往復動作の往路と復路とで変更することを特徴とする請求項１または２に記載の工具軌跡表示装置。
4. 前記表示属性変更部は、前記往復動作の往路と復路とに対応する記号もしくは文字または文字列を前記表示部上に追加表示することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の工具軌跡表示装置。