JP6629808B2 - 数値制御装置 - Google Patents

Description

本発明は数値制御装置に関し、特に指令点間を正確に補間することにより、ワーク加工面の品位を向上させることが可能な数値制御装置に関する。

金型等の加工用プログラムを作成する際、ＣＡＭ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）は、ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ）で作成された曲線（以下、理想曲線。図１左図参照）を点列に変換する。これらの点を指令点と呼ぶ（図１中図参照）。理想曲線は指令点列に変換されることで、連続する複数の微小線分として表現され、指令点間の情報は失われる。ＣＮＣ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ）は、ＣＡＭが出力するこれらの微小線分に対しスムージングを行うことで、滑らかな曲線の工具経路を作成する（図１右図参照）。

この際、図２左図に示すように、ＣＡＭが生成する指令点の密度が隣接パス（すなわち隣接する点列）同士で揃っていれば、隣接パスとの加工面方向の高さの差（以下、段差）は小さくなるため、図２右図に示すように、スムージング後の工具経路においても段差が生じにくい。一方、図３左図に示すように、ＣＡＭが生成する指令点の密度が隣接パス間で不揃いであると、隣接パスとの段差が大きくなり、図３右図に示すように、スムージング後の工具経路の段差も大きくなる。図３では、隣接パスとの段差が乱れた工具経路を破線で示している。工具経路の段差の乱れは、加工後のワーク表面の品位低下を招く。したがって、例えば高精度金型加工においては、隣接パス間の段差のばらつきを数μｍ以下に抑える必要がある。

従来のスムージング機能は、指令点列に基づくスプライン曲線を出力するものが多い。スプライン曲線を使用すれば、１つのパスとしては滑らかな出力を得ることができる。しかし、図４に示すように、スプライン曲線は必ずしも基となる点列を含まない（すなわち点を含まない）ため、理想曲線を精度良く復元するものではない。例えば隣接パス間で指令点密度が異なると、復元される曲線の形状も異なることとなり、結果として隣接パスとの段差の乱れが発生することがある。

このような問題に対処する技術として特許文献１及び特許文献２がある。特許文献１及び特許文献２はいずれも、複数の指令点に基づいて工具経路を生成する数値制御装置において、隣接する工具経路との段差を調整するために新たな指令点を挿入する技術を開示している。

特開２０１１−０９６０７７号公報 特開２０００−３５３００６号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２の手法では隣接するパスを参照しながら工具経路を修正する必要があり、処理が複雑である。

一方、上述のようなスムージング機能の問題点を回避するため、スムージング機能を使わずに、ＣＡＭトレランスを小さくし、指令点数を増やす手法がとられることもある。しかしながら、この手法は高い処理能力を必要とするため、高速処理が可能なＣＮＣが必要になるという問題がある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、隣接パスを参照することなく、指令点間を高精度に補間することにより、ワーク加工面の品位を向上させることが可能な数値制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施の形態にかかる数値制御装置は、複数の指令点から工具経路を作成する数値制御装置であって、既存の指令点列を取得する指令点列取得部と、前記既存の指令点列に基づいて、１以上の追加的な指令点を作成する指令点作成部と、前記既存の指令点列及び前記追加的な指令点を補間して前記工具経路を作成する補間処理部とを有し、前記指令点作成部は、前記既存の指令点列のうち連続する３つの指令点Ｐ０，Ｐ１及びＰ２を通る円弧Ｃ１とＰ１及びＰ２の垂直二等分線との交点Ｑ１を前記追加的な指令点として出力することを特徴とする。
本発明の一実施の形態にかかる数値制御装置は、前記指令点作成部は、前記交点Ｑ１と、前記既存の指令点列のうちＰ１，Ｐ２及びＰ２に隣接するＰ３を通る円弧Ｃ２とＰ１及びＰ２の垂直二等分線との交点Ｑ２と、の中点を前記追加的な指令点として出力することを特徴とする。
本発明の一実施の形態にかかる数値制御装置は、前記指令点作成部は、前記既存の指令点列のうち、指令点間の距離が所定値以上である箇所に、前記追加的な指令点を作成することを特徴とする。

本発明によれば、隣接パスを参照することなく、指令点間を高精度に補間することにより、ワーク加工面の品位を向上させることが可能な数値制御装置を提供することができる。

従来の工具経路の作成処理を示す図である。 従来の工具経路の作成処理における問題点を説明する図である。 従来の工具経路の作成処理における問題点を説明する図である。 従来の工具経路の作成処理における問題点を説明する図である。 数値制御装置１００の構成を示すブロック図である。 補間処理部１３０による補間処理の一例を説明する図である。 指令点作成部１２０による指令点作成処理の一例を説明する図である。 指令点作成部１２０による指令点作成処理の一例を説明する図である。 指令点作成部１２０による指令点作成処理の一例を説明する図である。 指令点作成部１２０による指令点作成処理の一例を説明する図である。 本発明の一実施例における指令点作成処理の一例を説明する図である。 本発明の一実施例における補間処理の一例を説明する図である。

図５は、本発明の実施の形態にかかる数値制御装置１００の機能的な構成を示すブロック図である。数値制御装置１００は、ＣＡＭが生成した指令点列を入力する指令点列取得部１１０、指令点列取得部１１０が取得した指令点列に基づいて、より高精度な補間を行うための追加的な指令点を作成する指令点作成部１２０、指令点列取得部１１０が取得した指令点及び指令点作成部１２０が作成した指令点の間を補間し、工具経路を作成する補間処理部１３０を有する。

典型的な数値制御装置１００は、中央処理装置（ＣＰＵ）、記憶装置及び入出力装置等を有し、記憶装置に格納されたプログラムをＣＰＵが実行することにより、指令点列取得部１１０、指令点作成部１２０及び補間処理部１３０を論理的に実現する。

このうち指令点列取得部１１０及び補間処理部１３０は公知技術を用いて実現できる。公知の補間処理部は、ＣＡＭが生成する指令点列を入力して、スプライン曲線などにより指令点間を補間し、工具経路を出力する。指令点間の補間は、スプライン曲線のほか直線（すなわち微小線分）、円弧、その他の曲線（高次の関数やベジェ曲線等）により行っても良い。本実施の形態における補間処理部１３０は、ＣＡＭが生成する指令点列に加え、指令点作成部１２０が生成した指令点に基づいて補間処理を行う点で公知技術とは異なるが、補完処理の手法自体は従来と同様である。

なお、公知の補間処理部が生成するスプライン曲線は、必ずしも点列上を通らない（すなわち点列を含まない）ものである場合があった。しかし、本実施の形態における補間処理部１３０は、点列を含むスプライン曲線、微小線分、円弧、その他の曲線であることが好ましい（図６）。指令点作成部１２０は高精度に追加的な指令点を作成するため、これらの指令点を含むよう補間処理を行うほうが高精度に理想曲線を復元できる。

指令点作成部１２０は、本実施の形態における特徴的な処理部である。指令点作成部１２０は、隣接する２つの既存の指令点Ｐ１及び指令点Ｐ２の中間（典型的には垂直二等分線上）に、追加的な指令点ＰＸを作成する。指令点Ｐ１，Ｐ２を結ぶ直線から追加的な指令点ＰＸまでの距離を乖離量Ｄと呼ぶ。

図７乃至図１０を用いて、望ましい乖離量Ｄを有する追加的な指令点ＰＸを求める方法の一例を示す。追加的な指令点ＰＸは、理想曲線との距離が可能な限り小さいことが望ましい。理想曲線は、ＣＡＤ上で高次の関数やベジェ曲線を用いて作成されることが少なくない。しかし数点の連続する指令点に着目すれば、それら指令点を通る円弧と理想曲線との誤差は小さい。したがって本実施の形態では、数点の指令点を通る円弧上に追加的な指令点を設けることとする。

図７及び図８に示すように、指令点作成部１２０はまず、３つの既存の指令点Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２を通る円弧Ｃ１を求める。ここで指令点Ｐ０は、指令点Ｐ１隣接する指令点であって、指令点Ｐ１を中心として指令点Ｐ２の反対側に位置する指令点である。円弧Ｃ１は式（１）により表される。
ｘ^２＋ｙ^２＋ｌｘ＋ｍｙ＋ｎ＝０ ・・（１）

指令点作成部１２０は、式（１）に３つの既存の指令点Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２の座標（ｘ０，ｙ０），（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２）をそれぞれ代入して連立方程式を解くことにより、係数ｌ，ｍ，ｎを求めることができる。

理想曲線の曲率が一定であれば、この方法で求めた円弧Ｃ１上に追加的な指令点ＰＸを設けることができる。この場合、指令点作成部１２０は、円弧Ｃ１と指令点Ｐ１，Ｐ２の垂直二等分線との交点Ｑ１をＰＸとして算出できる。

一方、理想曲線の曲率が変化する場合は、曲率変化を考慮して追加的な指令点ＰＸを算出することが好ましい。図９及び図１０を用いて、曲率変化を考慮した追加的な指令点ＰＸの算出方法の一例を示す。

図９に示すように、指令点作成部１２０は、３つの既存の指令点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を通る円弧Ｃ２を求める。ここで指令点Ｐ３は、指令点Ｐ２隣接する指令点であって、指令点Ｐ２を中心として指令点Ｐ１の反対側に位置する指令点である。指令点作成部１２０は同様にして、円弧Ｃ２を表す式の係数を求める。

次いで、図１０に示すように、指令点作成部１２０は、円弧Ｃ１と指令点Ｐ１，Ｐ２の垂直二等分線との交点Ｑ１、及び円弧Ｃ２と指令点Ｐ１，Ｐ２の垂直二等分線との交点Ｑ２を算出する。そしてＱ１，Ｑ２の中間点（典型的には中点）を、追加的な指令点ＰＸとして算出する。

本実施の形態によれば、指令点作成部１２０は、２つの指令点Ｐ１，Ｐ２の中間に追加的な指令点ＰＸを挿入する。追加的な指令点ＰＸは、指令点Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２を通る円弧Ｃ１上に設定され得る。より好ましくは、追加的な指令点ＰＸは、円弧Ｃ１と、指令点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を通る円弧Ｃ２との中間に設定され得る。補間処理部１３０は、既存の指令点Ｐ１，Ｐ２等だけでなく、追加的な指令点ＰＸを用いて補間処理を行う。このように数値制御装置１００は、隣接パスを参照することなく、指令点間を高精度に補間する。ことにより、ワーク加工面の品位を向上させることが可能となる。

すなわち、指令点作成部１２０が指令点を高精度に増やすことで、補間処理部１３０は当初ＣＡＤで作成された理想曲線に近い指令形状を復元することができる。これにより、スムージング処理後における隣接パス間の段差の乱れを軽減できる。

＜実施例＞
本実施の形態の一実施例について、図１１及び図１２を用いて説明する。
（１）指令点列の取得
指令点列取得部１１０が、ＣＡＭが出力した指令点列Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６の座標を取得する。図１１において、これら既存の指令点は大円で示されている。

（２）追加的な指令点の作成
指令点作成部１２０が、指令点列取得部１１０が取得した既存の指令点の間に、追加的な指令点Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３を新たに作成する。図１１において、これら追加的な指令点は小円で示されている。

（追加的な指令点Ｂ１の作成）
指令点作成部１２０は以下のステップ１乃至ステップ５の処理により、追加的な指令点Ｂ１を作成できる。
ステップ１：指令点作成部１２０は、指令点列のうち端点であるＡ１と、Ａ１に隣接するＡ２，Ａ２に隣接するＡ３との３点を通る円弧Ｃ１を定義する。Ｃ１は、上述の実施の形態で示したように、式（１）と指令点Ａ１，Ａ２，Ａ３の座標から算出できる。
ステップ２：指令点作成部１２０は、円弧Ｃ１上にあって、かつ指令点Ａ２，Ａ３の垂直二等分線上にある点ｂ１１の座標を算出する。
ステップ３：指令点作成部１２０は、ステップ１で着目した指令点列のうち端点であるＡ１を除くＡ２及びＡ３と、Ａ３に隣接するＡ４との３点を通る円弧Ｃ２を定義する。
ステップ４：指令点作成部１２０は、円弧Ｃ２上にあって、かつステップ２で着目したのと同じ指令点Ａ２，Ａ３の垂直二等分線上にある点ｂ１２の座標を算出する。
ステップ５：指令点作成部１２０は、ｂ１１とｂ１２との中点Ｂ１の座標を算出し、追加的な指令点として出力する。

（追加的な指令点Ｂ２，Ｂ３の作成）
指令点作成部１２０は、着目する指令点列をずらしながら、上記ステップ２乃至ステップ５の処理を繰り返すことにより、追加的な指令点Ｂ２，Ｂ３を作成できる。
ステップ６：指令点作成部１２０は、円弧Ｃ２上にあって、かつ指令点Ａ３，Ａ４の垂直二等分線上にある点ｂ２１の座標を算出する。
ステップ７：指令点作成部１２０は、指令点列のうち連続するＡ３，Ａ４，Ａ５の３点を通る円弧Ｃ３を定義する。
ステップ８：指令点作成部１２０は、円弧Ｃ３上にあって、かつステップ６で着目したのと同じ指令点Ａ３，Ａ４の垂直二等分線上にある点ｂ２２の座標を算出する。
ステップ９：指令点作成部１２０は、ｂ２１とｂ２２との中点Ｂ２の座標を算出し、追加的な指令点として出力する。

ステップ１０：指令点作成部１２０は、円弧Ｃ３上にあって、かつ指令点Ａ４，Ａ５の垂直二等分線上にある点ｂ３１の座標を算出する。
ステップ１１：指令点作成部１２０は、指令点列のうち連続するＡ４，Ａ５，Ａ６の３点を通る円弧Ｃ４を定義する。
ステップ１２：指令点作成部１２０は、円弧Ｃ４上にあって、かつステップ１０で着目したのと同じ指令点Ａ４，Ａ５の垂直二等分線上にある点ｂ３２の座標を算出する。
ステップ１３：指令点作成部１２０は、ｂ３１とｂ３２との中点Ｂ３の座標を算出し、追加的な指令点として出力する。

（３）補間処理
補間処理部１３０は、既存の指令点及び追加的な指令点からなる点列Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ａ３，Ｂ２，Ａ４，Ｂ３，Ａ５，Ａ６上（又はその近傍）を順に通るスプライン曲線を算出し、工具経路として出力する（図１２）。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態又は実施例のみに限定されることなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。

例えば、上述の実施例では既存の指令点列の両端にあたる、Ａ１とＡ２の間、及びＡ５とＡ６の間には追加的な指令点を作成できなかった。しかしながら、例えば円弧Ｃ１上にあって、かつ指令点Ａ１，Ａ２の垂直二等分線上にある点、及び円弧Ｃ４上にあって、かつ指令点Ａ５，Ａ６の垂直二等分線上にある点を追加的な指令点として出力しても構わない。

また、指令点作成部１２０は、既存の指令点列のうち、指令点間の距離が所定値以上である箇所に、当該指令点間に追加的な指令点を作成することとしても良い。スムージング処理後における隣接パス間の段差の乱れが発生しやすいのは、指令点間の距離が長い位置であることが少なくないためである。これにより、効果性の高い箇所に絞って指令点を追加できるので、処理負荷を軽減しつつ高精度な補間を行うことができる。

１００ 数値制御装置
１１０ 指令点列取得部
１２０ 指令点作成部
１３０ 補間処理部

Claims (3)

1. 複数の指令点から工具経路を作成する数値制御装置であって、
   既存の指令点列を取得する指令点列取得部と、
   前記既存の指令点列に基づいて、１以上の追加的な指令点を作成する指令点作成部と、
   前記既存の指令点列及び前記追加的な指令点を補間して前記工具経路を作成する補間処理部とを有し、
   前記指令点作成部は、
   前記既存の指令点列のうち連続する３つの指令点Ｐ０，Ｐ１及びＰ２を通る円弧Ｃ１とＰ１及びＰ２の垂直二等分線との交点Ｑ１を前記追加的な指令点として出力することを特徴とする
   数値制御装置。
2. 前記指令点作成部は、
   前記交点Ｑ１と、前記既存の指令点列のうちＰ１，Ｐ２及びＰ２に隣接するＰ３を通る円弧Ｃ２とＰ１及びＰ２の垂直二等分線との交点Ｑ２と、の中点を前記追加的な指令点として出力することを特徴とする
   請求項１記載の数値制御装置。
3. 前記指令点作成部は、前記既存の指令点列のうち、指令点間の距離が所定値以上である箇所に、前記追加的な指令点を作成することを特徴とする
   請求項１又は２記載の数値制御装置。

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