JP6043234B2

JP6043234B2 - 数値制御装置

Info

Publication number: JP6043234B2
Application number: JP2013085041A
Authority: JP
Inventors: 克則國光; 正行杉江
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2033-04-15
Also published as: US9696714B2; DE102014103194A1; CN104102173A; CN104102173B; JP2014206910A; US20140309766A1

Description

本発明は、工作機械に取り付けられた加工物や治具、工具等の３次元モデルを参照しながら、数値制御情報に従い、工作機械に取り付けられた加工物と工具の相対位置を制御する数値制御装置に関する。

従来の数値制御装置は、機械データとして、加工物や治具、工具、機械等の３次元モデルを持つことが出来、干渉チェックを行いながら、加工物と工具の相対位置を制御し、工具での加工物の加工を制御する。

干渉チェックでは、加工物の３次元モデルと工具の３次元モデルとの干渉は切削とみなして無視することができる他、工具の３次元モデルの移動に応じた切削領域を計算し、加工物の３次元モデルを変形させることができる。

また、下記特許文献１に記載の数値制御工作機械や、下記特許文献２に記載の数値制御工作機械では、工作機械に取り付けられたワークの３次元的な形状と位置および向きを非接触で計測することができる。

特開２０１２−５３５０８特開２０１２−５３５０９

干渉チェックを行うためには、加工物・治具と、工具と、の３次元モデルが必要になる。繰り返し加工する場合、加工物の形状がばらつく場合があるため、実際に工作機械に取り付けられている加工物の形状を計測して、加工物の３次元モデルとすることが確実である。また、加工物の形状にばらつきのない場合でも、加工物を保持する治具の位置が、加工する度に変化する場合があるため、実際に工作機械に取り付けられた治具の形状を計測して、治具の３次元モデルとすることが確実である。

そのため、３次元計測装置を用いて、加工物や治具の形状を計測し、３次元モデルを作成することが考えられる。しかし、３次元計測装置を用いて、工作機械に取り付けられた加工物と治具を計測して３次元モデルを作成する場合、３次元計測装置は、計測した３次元座標が加工物を計測した結果なのか、治具を計測した結果なのかを判定をする事が出来ない。そのため、加工物の３次元モデルと、治具の３次元モデルを区別して準備することが出来ない。

干渉チェックを行いながら加工物を加工する場合、切削中は、治具と工具の干渉は検知する必要があるが、加工物と工具との干渉は無視する必要があり、加工物の３次元モデルと治具の３次元モデルは区別されている必要がある。

本発明の数値制御装置は、数値制御情報に従い、工作機械に取り付けられた加工物と冶具と工具との相対移動を制御する数値制御装置において、実際の加工物よりも大きく作成された前記加工物の３次元モデルを格納する３次元モデル格納部と、前記工作機械に取り付けられた加工物および冶具の形状を一体的に計測する３次元計測部と、前記３次元計測部が計測した加工物および冶具を一体とみなした計測データを格納する計測データ格納部と、計測データ格納部に格納された加工物および冶具の計測データに基づき加工物および冶具を一体とみなした一体計測モデルを生成し、生成した前記一体計測モデルと加工物の３次元モデルとに基づいて、加工物および冶具を個別に区別した個別計測モデルを加工物および冶具それぞれに関して生成する形状処理部と、を備え、前記形状処理部により生成された個別計測モデルを参照し、早送り指令の場合には、前記加工物と治具と工具との干渉を避け、切削中は、前記治具と前記工具の干渉を避け、かつ、前記加工物と前記工具との干渉は無視するように加工物と冶具と工具との相対移動を制御することを特徴とする。

好適な態様では、前記形状処理部は、前記一体計測モデルと加工物の一方の３次元モデルとを比較し、前記一体計測モデルのうち、前記加工物の一方の３次元モデルに含まれない部分を前記冶具の個別計測モデルとして生成する。他の好適な態様では、前記形状処理部は、前記一体計測モデルと加工物の一方の３次元モデルとを比較し、前記一体計測モデルのうち、前記加工物の一方の３次元モデルに含まれる部分を前記加工物の個別計測モデルとして生成する。

予め、加工物の３次元モデル、もしくは、治具の３次元モデルを与えておくことにより、工作機械に取り付けられた加工物と治具を３次元計測した結果を、加工物の領域と治具の領域とを区別することができるようになる。その結果、早送り指令の場合には、加工物、治具、工具のすべての３次元モデルの干渉を検知し、切削送りの場合には、加工物と工具の３次元モデルの干渉を無視することができる干渉検知機能を実現することができるようになる。さらに、加工物の３次元モデルと治具の３次元モデルを区別できることにより、切削送り指令時は、工具モデルの通過領域を計算し、加工物の３次元モデルに対しては、工具モデルの通過領域と重なった領域を削除することにより、削り取りのシミュレーションができるようになる。

工作機械全体の構成を示す図である。数値制御装置の機能ブロック図である。計測データの一例を説明する図である。加工物モデルの一例を説明する図である。加工物モデルの他の例を説明する図である。一体計測モデル生成の流れを示すフローチャートである。一体計測データの一例を説明する図である。一体計測モデル生成の過程を説明する図である。一体計測モデル生成の過程を説明する図である。一体計測モデル生成の過程を説明する図である。一体計測モデル生成の過程を説明する図である。一体計測モデル生成の過程を説明する図である。生成された一体計測モデルの一例を示す図である。加工物の個別計測モデルと治具の個別計測モデルの一例を説明する図である。工具モデルの一例を示す図である。個別計測モデル生成の流れを示すフローチャートである。二つのモデルを構成する三角形が重なっている様子を示す図である。

図１は、本発明を実施する工作機械全体の構成図の一例を示す図である。図１は、工作機械１の全体を示しており、工作機械１の主軸２に３次元計測装置３が取り付けてある。一方、工作機械１のテーブル４に加工物５が配置され、治具６で固定されている。

図２は、本発明を実施するための一例を示すブロック図である。３次元計測装置３は、工作機械１に取り付けられた加工物５と治具６を一体的に計測し、加工物５と治具６を一体とみなした計測データ１２を出力する。図３は、計測データ１２を模式的に示しており、工作機械１のテーブル４のある点を工作機械１の基準点１３とし、基準点１３に対する３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の点群データで表現される。出力された計測データ１２は、計測データ格納部７に格納される。

３次元モデル格納部８は、加工物モデル１４を格納している。図４は、加工物モデル１４を模式的に示しており、３次元モデルの形状を基準点１５に対する三角形の頂点情報で表現される。加工物モデル１４は、シミュレーション部１１にて使用するモデルとして使用可能なモデルであり、加工物５に近い形状をしていることが望ましいが、本実施例においては、この加工物モデル１４は、シミュレーション部１１にて使用しないため、図４に示すような簡略形状であっても良い。また、この加工物モデル１４は、加工物の形状のばらつきを考慮し、常に、加工物の形状を包含するように、実際の加工物５よりも大きく作成しておく。さらに、加工物モデル１４は、工作機械１のテーブル４に配置された加工物５の位置を考慮し、計測データ１２の基準点１３に一致する位置を基準点１５とした座標値で定義される。

図５は、基準点１３と基準点１５の位置が一致するとした場合、計測データ１２と加工物モデル１４の位置が一致していない状態を示している。工作機械１のテーブル４に配置された加工物５の位置を測定し、図４に示すように計測データ１２と加工物モデル１４の位置が一致するように、加工物モデル５を移動してもよい。

形状処理部９は、計測データ１２を構成する点群データを三角形の集合で表現した計測モデル１６を生成する。図６は、形状処理部９が、計測データ１２から加工物および冶具を一体とみなした一体計測モデル１６を生成するまでの手順を示すフローチャートである。また、図７は、計測データ１２を上方から見た図を示している。

計測データ１２から一体計測モデル１６を生成する場合は、まず、計測データ１２の点を結び、三角形を生成する（Ｓ１）。図８は、計測データ１２の点を結び、三角形を生成した状態を示している。

次に、生成した三角形について、隣に位置する三角形と同じ平面に属すると判定できる場合に、三角形を統合する（Ｓ２）。図９は、生成した三角形を統合した状態を示している。次に、計測データ１２の最外郭の点について、一定の高さまで下ろした位置に点を生成する（Ｓ３）。図１０は、点を生成した状態を示している。

次に、計測データ１２の最外郭の点と生成した点を利用して三角形を生成する（Ｓ４）。図１１は、三角形を生成した状態を示している。その後、生成した三角形について、隣に位置する三角形と同じ平面に属すると判定できる場合に、三角形を統合する（Ｓ５）。図１２は、三角形を統合した状態を示している。そして、図１３は、このように生成した一体計測モデル１６を模式的に示しており、基準点１７に対する三角形の頂点情報で表現される。計測データの基準点１３と、一体計測モデル１６の基準点１７は、同じ点を示している。

一体計測モデル１６が生成できれば、形状処理部９は、一体計測モデル１６と、加工物モデル１４との間で論理演算を行い、一体計測モデル１６のうち、加工物モデル１４の内側に含まれる部分を、一体計測モデル１６から加工物５の領域を個別に取り出した加工物の個別計測モデル１８とする。また、一体計測モデル１６のうち、加工物モデル１４、または、個別計測モデル１８に含まれない部分を、一体計測モデル１６から冶具６の領域を個別に取り出した治具の個別計測モデル１９とする。

図１４は、一体計測モデルから生成された加工物の個別計測モデル１８と、治具の個別計測モデル１９を示しており、基準点２０に対する三角形の頂点座標で表現される。基準点２０と、一体計測モデル１６の基準点１７は、同じ点を示している。形状処理部９は、加工物の個別計測モデル１８と、治具の個別計測モデル１９を、３次元モデル格納部８に格納する。

３次元モデル格納部８には、工具モデル２１も格納しておく。図１５は、工具モデル２１を示しており、基準点２２に対する三角形の頂点座標で表現される。シミュレーション部１１は、数値制御部１０から送出される数値制御情報に基づき、加工物の個別計測モデル１８、治具の個別計測モデル１９と工具モデル２１を動作させ、干渉検知を行う。

先の説明では、３次元モデル格納部には加工物モデル１４が格納されていることを前提としたが、冶具の取り付け位置にばらつきが少ない場合や冶具の取付位置が既知の場合などには、治具モデルを格納するようにしてもよく、治具モデルに含まれる部分を治具の個別計測モデル、治具モデルに含まれない部分を加工物の個別計測モデルとしてもよい。

図１６は、図２に示す３次元計測装置３からシミュレーション部１１において、計測データ１２から、加工物の個別計測モデル１８と、治具の個別計測モデル１９を生成するまでの手順を示すフローチャートである。

計測データから、加工物・冶具の個別計測モデル１８，１９を生成する場合には、まず、工作機械１に加工物５と治具６を取り付ける（Ｓ６）。３次元計測装置３は、工作機械１のテーブル４に取り付けられた加工物５と治具６の表面の高さ情報を計測し、テーブル４の特定の位置を示す基準点１３に対する３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の点群データで表現される計測データ１２を出力する（Ｓ７）。

次に、加工物５の加工物モデル１４を作成する（Ｓ８）。そして、テーブル４の特定の位置に対する加工物５の位置を計測する（Ｓ９）。なお、工作機械１で、ＮＣプログラム等の数値制御指令により、加工物５を加工する場合には、工作機械１のテーブル４の特定の位置に対する加工物５の位置を計測し、加工物５の位置を補正して、工具の位置を指令する必要がある。接触式の計測器を利用して、加工物５の位置を計測する方法もあるが、計測データ１２を解析し、計測データの特徴点を抽出することにより、加工物５の位置を推定することも可能である。

次に、Ｓ４にて計測された加工物５の位置を利用し、加工物５の加工物モデル１４を、工作機械１に取り付けた加工物５の位置に相当する位置に移動する（Ｓ１０）。そして、計測データ１２を一体計測モデル１６に変換し、加工物５の加工物モデル１４と形状を比較する（Ｓ１１）。計測データ１２は点の座標値の集合にて表現されるが、点と点を線で結び、三角形を生成することにより、一体計測モデル１６に変換することが出来る。

次に、一体計測モデル１６のうち、加工物モデル１４に含まれる部分を加工物の個別計測モデル１８とする（Ｓ１２）。また、一体計測モデル１６のうち、加工物モデル１４に含まれない部分を治具の個別計測モデル１９とする（Ｓ１３）。なお、加工物モデル１４と一体計測モデル１６は、三角形の頂点座標で表現されている。三角形の頂点座標で表現されるモデルとモデルを比較する場合、三角形の重なりを計算することにより、モデルの包含関係を判定することが出来る。

図１７は、三角形２３と三角形２４が重なっている状態を示す。三角形２３の１つの辺と三角形２４の交点を求める。さらに、三角形２３のもう一つの辺と三角形２４の交点を求める。この２つの交点を結ぶ交線２５を求める。この処理を繰り返す結果、交線２５の連続線が得られ、この連続線を境界線としてモデルの包含関係を判定することが出来、一体計測モデル１６から加工物の個別計測モデル１８と、治具の個別計測モデル１９を得ることが出来る。

１工作機械、２主軸、３３次元計測装置、４テーブル、５加工物、６治具、７計測データ格納部、８３次元モデル格納部、９形状処理部、１０数値制御部、１１シミュレーション部、１２計測データ、１３計測データの基準点、１４加工物モデル、１５加工物モデルの基準点、１６一体計測モデル、１７一体計測モデルの基準点、１８加工物の個別計測モデル、１９治具の個別計測モデル、２０個別計測モデルの基準点、２１工具モデル、２２工具モデルの基準点、２３，２４三角形、２５交線。

Claims

数値制御情報に従い、工作機械に取り付けられた加工物と冶具と工具との相対移動を制御する数値制御装置において、
実際の加工物よりも大きく作成された前記加工物の３次元モデルを格納する３次元モデル格納部と、
前記工作機械に取り付けられた加工物および冶具の形状を一体的に計測する３次元計測部と、
前記３次元計測部が計測した加工物および冶具を一体とみなした計測データを格納する計測データ格納部と、
計測データ格納部に格納された加工物および冶具の計測データに基づき加工物および冶具を一体とみなした一体計測モデルを生成し、生成した前記一体計測モデルと加工物の３次元モデルとに基づいて、加工物および冶具を個別に区別した個別計測モデルを加工物および冶具それぞれに関して生成する形状処理部と、
を備え、前記形状処理部により生成された個別計測モデルを参照し、早送り指令の場合には、前記加工物と治具と工具との干渉を避け、切削中は、前記治具と前記工具の干渉を避け、かつ、前記加工物と前記工具との干渉は無視するように加工物と冶具と工具との相対移動を制御することを特徴とする数値制御装置。
前記形状処理部は、前記一体計測モデルと加工物の一方の３次元モデルとを比較し、前記一体計測モデルのうち、前記加工物の一方の３次元モデルに含まれない部分を前記冶具の個別計測モデルとして生成する、ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
前記形状処理部は、前記一体計測モデルと加工物の一方の３次元モデルとを比較し、前記一体計測モデルのうち、前記加工物の一方の３次元モデルに含まれる部分を前記加工物の個別計測モデルとして生成する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の数値制御装置。