JP6878378B2 - 数値制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、数値制御装置に関し、特にフィードバックデータを基に最適な軸設定を行う数値制御装置に関する。
数値制御装置では、加工プログラムから工具とワークとの相対的な経路を算出して加工のシミュレーションを行い、加工状態や加工形状の把握、工具と治具やテーブル、ワーク等との干渉チェック等を行なっている。しかしながら、ある加工プログラムについて加工シミュレーションを実行し、加工形状や干渉に問題が無いことが確認できた場合であっても、その加工プログラムを実行して実際にワークの加工を行うと、駆動軸の加速度および加加速度が原因で工作機械に振動が生じるため加工面の面品位に影響を及ぼす場合がある。
一方で、従来の加工シミュレーションは、加工プログラムを基に工具とワークとの相対的な経路を算出するものであり、各軸の加減速は考慮されるが、それはあくまで加工時間を算出するためであって、加減速、加加減速による振動までシミュレーションすることは困難である(例えば、特許文献1等)。つまり、従来の加工シミュレーションでは機械振動の加工面品位への影響が考慮されておらず、このような状況を加工シミュレーションにより予め把握することは困難であるため、例えば機械振動の影響を受けやすい高品位加工が必要とされる場合は、実際にワークを加工してみなければ面品位を確認することができない。
特開2012−243152号公報
加工時に発生する振動を把握する技術としては、他にも加工物としてのワークが設置されていない状態で工作機械の軸を駆動(空運転)させ、サーボから実際の工具とワークとの相対的な位置(フィードバックデータ)を取得することで機械振動による影響を考慮した加工シミュレーションを実現することが出来る。
図8は、空運転により取得したフィードバックデータを用いた機械振動を考慮した加工シミュレーションによる加工経路の表示例である。図において、破線で示される円及び曲線は加工プログラムにより指令される加工経路を示しており、また、実線で示される円及び曲線は空運転状態で取得したフィードバックデータを用いた機械振動を考慮した加工経路を示している。図8中で破線円と実線円との間に描画される矢印は、加工プログラムにより指令される加工経路と、機械振動を考慮した加工経路との間の経路誤差を示すものである。この様に、上記した技術を用いることにより、実際のワークの加工における加工経路を把握し、機械振動等が加工面品位に及ぼす影響を確認することが可能となる。
しかしながら、上記技術はあくまで機械振動等が加工面品位に及ぼす影響を確認することができる機能であって、加工物の面品位を向上させるためにどのような手段を取るべきかを把握するための手段とはならないという課題が残っている。
そこで本発明の目的は、フィードバックデータを基に作業者が最適な軸設定を把握することを可能とする数値制御装置を提供することである。
本発明は、ワークが設置されていない状態で工作機械の軸を駆動する空運転時に取得したフィードバックデータに基づいた加工シミュレーションの結果を表示する機能を数値制御装置に設けることにより、上記課題を解決する。
また、本発明の数値制御装置は、ワークが設置されていない状態で工作機械の軸を駆動する空運転時に取得したフィードバックデータ及び加工プログラムによる指令データ、若しくはフィードバックデータ及びCADデータとの差分(経路誤差)を求めることで軸の振動を定量的に把握できるようにし、求めた経路誤差を加工シミュレーション結果に反映することで、いずれの加工位置において振動が発生しているか視覚的に確認することを可能とする。
更に、経路誤差の大きい部分についてのみ加工シミュレーションで高精度なグラフィック表示を行い、より詳細な面品位を確認することを可能とする。経路誤差を座標方向成分(x,y,z)に切り分けて表示したり、それぞれの加工位置における工具とワークとの相対的な移動方向の成分と工具とワークとの相対的な移動方向に対して垂直方向の成分とに切り分けて表示したりすることで、加工に影響しない振動かどうか判断することが可能となる。
そして、本発明の一態様は、加工プログラムに基づいて工作機械が備えた工具とワークとを相対的に制御してワークを加工する数値制御装置において、前記工作機械を制御し、前記工具とワークとの相対的な位置のフィードバックデータを取得する制御部と、前記加工プログラムに基づく前記加工のシミュレーション処理を実行し、加工後の前記ワークの経常を作成する加工シミュレーション部と、前記加工シミュレーション部が作成した加工後のワーク形状を表示する表示部と、を備え、前記加工シミュレーション部は、前記加工プログラムによる指令に基づく前記工具とワークとの相対的な移動経路に代えて、前記制御部が取得したフィードバックデータを用いた前記加工のシミュレーション処理を実行する、数値制御装置である。
本発明により、実際の軸動作データを基に加工シミュレーションを行うことで、実際の加工結果に近いシミュレーション結果を把握することができるため、トライアンドエラーが不要となるだけでなく、実際の加工を行う必要がないため不要な工具の摩耗を減らすことができる。また、シミュレーション結果に経路誤差を反映することにより、加工面に振動の影響がどのように出るのか作業者が把握することができる。
一実施形態による数値制御装置の概略的なハードウェア構成図である。 第1実施形態による数値制御装置の概略的な機能ブロック図である。 加工シミュレーション結果表示の例を示す図である。 第2実施形態による数値制御装置の概略的な機能ブロック図である。 経路誤差の算出方法について説明する図である。 加工シミュレーション結果表示の他の例を示す図である。 第3実施形態による数値制御装置の概略的な機能ブロック図である。 従来技術による機械振動を考慮した加工シミュレーションによる加工経路の表示例である。
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図1は本発明の一実施形態による数値制御装置の要部を示す概略的なハードウェア構成図である。
本実施形態による数値制御装置1が備えるCPU11は、数値制御装置1を全体的に制御するプロセッサである。CPU11は、ROM12に格納されたシステム・プログラムをバス20を介して読み出し、該システム・プログラムに従って数値制御装置1全体を制御する。RAM13には一時的な計算データや表示データ、及び外部から入力された各種データ等が一時的に格納される。
不揮発性メモリ14は、例えば図示しないバッテリでバックアップされたメモリやSSD(Solid State Drive)等で構成され、数値制御装置1の電源がオフされても記憶状態が保持される。不揮発性メモリ14には、インタフェース15を介して外部機器72から読み込まれた加工プログラムやCADデータ、表示器/MDIユニット70を介して入力された加工プログラム、数値制御装置1の各部や工作機械、センサ等から取得された各種データ等が記憶される。不揮発性メモリ14に記憶された加工プログラムや各種データは、実行時/利用時にはRAM13に展開されても良い。また、ROM12には、公知の解析プログラム、シミュレーションプログラム等の各種のシステム・プログラムがあらかじめ書き込まれている。
インタフェース15は、数値制御装置1とUSB装置等の外部機器72と接続するためのインタフェースである。外部機器72側からは制御用プログラムや各種パラメータ等が読み込まれる。また、数値制御装置1内で編集した制御用プログラムや各種パラメータ等は、外部機器72を介して外部記憶手段に記憶させることができる。PMC(Programmable Machine Controller)16は、数値制御装置1に内蔵されたシーケンス・プログラムで工作機械及び該工作機械の周辺装置(例えば、工具交換装置や、ロボット等のアクチュエータ、工作機械に取付けられているセンサ等)にI/Oユニット17を介して信号を出力し制御する。また、工作機械の本体に配備された操作盤の各種スイッチや周辺装置等の信号を受け、必要な信号処理をした後、CPU11に渡す。
表示器/MDIユニット70はディスプレイやキーボード等を備えた手動データ入力装置であり、インタフェース18は表示器/MDIユニット70のキーボードからの指令,データを受けてCPU11に渡す。また、表示器/MDIユニット70からは、表示画面の解像度や実寸法等の表示性能に係るデータを取得できる。インタフェース19は各軸を手動で駆動させる際に用いる手動パルス発生器等を備えた操作盤71に接続されている。
工作機械が備える軸を制御するための軸制御回路30はCPU11からの軸の移動指令量を受けて、軸の指令をサーボアンプ40に出力する。サーボアンプ40はこの指令を受けて、工作機械が備える軸を移動させるサーボモータ50を駆動する。軸のサーボモータ50は位置・速度検出器を内蔵し、この位置・速度検出器からの位置・速度フィードバック信号を軸制御回路30にフィードバックし、位置・速度のフィードバック制御を行う。なお、図1のハードウェア構成図では軸制御回路30、サーボアンプ40、サーボモータ50は1つずつしか示されていないが、実際には制御対象となる工作機械に備えられた軸の数だけ用意される。
スピンドル制御回路60は、主軸回転指令を受け、スピンドルアンプ61にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ61はこのスピンドル速度信号を受けて、工作機械のスピンドルモータ62を指令された回転速度で回転させ、工具を駆動する。スピンドルモータ62にはポジションコーダ63が結合され、ポジションコーダ63が主軸の回転に同期して帰還パルスを出力し、その帰還パルスはCPU11によって読み取られる。
図2は、本発明の第1実施形態による数値制御装置1の概略的な機能ブロック図である。図2に示した各機能ブロックは、図1に示した数値制御装置1が備えるCPU11がシステム・プログラムを実行し、数値制御装置1の各部の動作を制御することにより実現される。
本実施形態の数値制御装置1は、制御部100,加工シミュレーション部110,表示部130を備え、また、予め加工シミュレーションの対象となる加工プログラム200が不揮発性メモリ14上に記憶されている。
制御部100は、作業者による図示しない操作盤の制御操作や、不揮発性メモリ14等に記憶された加工プログラム200等から取得した指令に基づいて(図1におけるサーボモータ50及びスピンドルモータ62により駆動する)工作機械2の各部を制御する機能手段である。制御部100は、加工プログラム200から取得した指令が、工作機械2が備える各軸の移動を指令する場合に、当該軸を駆動するサーボモータ50に対して制御周期毎に軸角度の変化量としての指令データを出力する、等といったように、工作機械2の各部を制御するために必要とされる一般的な制御のための機能を備える。また、制御部100は、工作機械2を駆動する各モータのフィードバックデータ(モータの電流値、モータの位置、速度、加速度、モータのトルク等)を取得し、取得したモータのフィードバックデータを加工シミュレーション部110へ出力する。
加工シミュレーション部110は、不揮発性メモリ14等に記憶された加工プログラム200から取得した指令と、制御部100から入力されたモータのフィードバックデータとに基づいて、工作機械2による加工動作をシミュレーションし、その結果として、加工時の工具とワークとの相対的な移動経路や該工具に掛かる負荷、加工におけるサイクルタイム、加工後のワークの形状等、一般的な加工シミュレーション処理の結果としてのデータを作成して出力する。従来技術による加工シミュレーション処理では、加工プログラム200から取得した指令に基づいて工具とワークとの相対的な移動経路を作成し、作成した移動経路(及び工具形状等)に基づいてシミュレーション結果としての加工後のワークの形状を作成するが、本実施形態による加工シミュレーション部110は、加工シミュレーション処理において加工プログラム200から取得した指令に基づいて作成する工具とワークとの相対的な移動経路に代えて、制御部100から入力されたフィードバックデータを用いる。加工シミュレーション部110は、更に予め設定されている工作機械の諸元値やワークに係るデータ等を用いても良い。また、加工シミュレーション部110は、加工プログラム200に代えて、CADデータに基づく加工シミュレーションを行うようにしても良く、この場合においても、加工後のワークの形状についてはフィードバックデータに基づいて作成する。なお、加工シミュレーション部110が実行する加工シミュレーション処理におけるその他の処理乃至機能については公知の加工シミュレーションの手法を適宜採用して良い。
表示部130は、加工シミュレーション部110による加工シミュレーション処理の結果に係るデータを3次元表示等により表示器/MDIユニット70に対して表示する機能手段である。表示部130は、例えば加工シミュレーション部110がフィードバックデータを用いて加工シミュレーション処理をする事により得られた結果としての、加工後のワーク形状を表示器/MDIユニット70に表示する。表示部130は、作業者による表示器/MDIユニット70に対する操作に応じて、表示する加工後のワーク形状の細部を拡大表示する等しても良い。
図3は、加工シミュレーション部110がフィードバックデータに基づいて加工シミュレーション処理を実行した結果として作成された加工後のワークの形状を概略的に示した図であり、図3上は、加工シミュレーション部110が作成した加工後のワークの形状の全体を、図3下は、その一部を拡大したものを示している。本実施形態による加工シミュレーション部110は加工後のワークの形状の作成にモータからのフィードバックデータを用いるため、そのようにして作成される加工後のワークの形状には、加工プログラム200に従って加工プログラム200を実行した場合における実際の工具とワークとの相対的な移動経路が反映される。そのため、例えば工具とワークとの相対的な移動中に加速度や加加速度が高すぎて振動等が発生する部分で発生する加工誤差が、加工シミュレーション部110が加工シミュレーション処理で作成する加工後のワークの形状に反映される。
上記構成を備えた本実施形態の数値制御装置1は、実際の軸動作データであるフィードバックデータを基に加工シミュレーション処理を実行することで、実際の加工結果に近い加工シミュレーションを行うことができるため、その結果として作成された加工後のワークの形状には高い加速度や加加速度等が原因となる加工誤差が反映されるため、この加工後ワークの形状の表示を見た作業者は、加工誤差の発生する位置を確認して当該部分における軸移動に係るパラメータを調整する事ができるようになる。特に、近年の加工シミュレーション処理では緻密な加工後のワーク形状を作成することができるため、図3に示されるような工具とワークとの相対的な移動方向に対する左右方向の振動により生じた加工誤差や、深さ方向の振動により生じた加工誤差を作業者が画面上で確認できるため、その振動方向に応じていずれの軸のパラメータを調整すれば良いのか、作業者は加工シミュレーション処理の結果を一目見るだけで把握できるようになる。
図4は、本発明の第2実施形態による数値制御装置1の概略的な機能ブロック図である。図4に示した各機能ブロックは、図1に示した数値制御装置1が備えるCPU11がシステム・プログラムを実行し、数値制御装置1の各部の動作を制御することにより実現される。
本実施形態の数値制御装置1は、制御部100,加工シミュレーション部110,経路誤差算出部120,表示部130を備え、また、予め加工シミュレーションの対象となる加工プログラム200が不揮発性メモリ14上に記憶されている。
本実施形態による制御部100は、第1実施形態と同様の機能を備えると共に、更に、取得した工作機械2を駆動する各モータのフィードバックデータ(モータの電流値、モータの位置、速度、加速度、モータのトルク等)を経路誤差算出部120へ出力する。
また、本実施形態による加工シミュレーション部110は、第1実施形態と同様の機能を備えると共に、更に、加工プログラム200から取得した指令に基づいて工作機械2による加工時の工具とワークとの相対的な移動経路を作成し、作成した工具とワークとの相対的な移動経路を経路誤差算出部120へ出力する。
経路誤差算出部120は、制御部100から入力された工作機械2を駆動する各モータのフィードバックデータと、加工シミュレーション部110から取得した加工時の工具とワークとの相対的な移動経路とに基づいて、該フィードバックデータと指令に基づく工具とワークとの相対的な移動経路との差分としての経路誤差を算出する。経路誤差算出部120は、制御部100から入力された工作機械2を駆動する各モータのフィードバックデータと、加工シミュレーション部110で作成された工具とワークとの相対的な移動経路との、それぞれの補間周期単位での位置の対応関係を把握している。これは、制御部100から取得したサーボモータ50の制御における補間周期単位での両者の対応関係に基づいて把握するようにしても良いし、制御部100の指令が実行されてからの補間周期毎の工具とワークとの相対的な位置と、加工シミュレーション部110がシミュレーション上で求めた補間周期毎の工具とワークとの相対的な位置とを対応付けることで把握するようにしても良い。なお、後者の手法をとる場合には、予め実験等でフィードバックデータの遅延時間を測定しておき、該遅延時間を考慮して各点の対応を取るようにすれば良い。
経路誤差算出部120は、例えば図5に例示されるように、制御部100で指令が実行されてからの補間周期毎の経過時間ti(i=0,1,2,…)のそれぞれの時点での、フィードバックデータが示す工具とワークとの相対的な位置pfiと、加工シミュレーション部110がシミュレーション上で求めた工具とワークとの相対的な位置psiとが対応するものであるときに、その対応する位置pfiと位置psiとの差分を経路誤差diとして算出する。
表示部130は、加工シミュレーション部110によるシミュレーション処理の結果に係るデータと、経路誤差算出部120が算出した各加工位置における経路誤差diとに基づいて、表示器/MDIユニット70に対して加工シミュレーション部110による加工シミュレーションの結果としての加工後のワーク形状の表示に経路誤差に係る情報を重畳させて表示する機能手段である。表示部130は、例えば図6に例示されるように、加工シミュレーション部110が加工シミュレーション処理をする事により得られたシミュレーション結果としてのワークの加工面の表示に対して、各加工位置における経路誤差diをベクトル形式等で重畳表示するようにしても良い。
表示部130による経路誤差に係る情報の表示は様々な表示形態を取ることができ、予め定めた所定の閾値thdを超える部分についてのみ、経路誤差diを表示するようにしても良い。表示部130は、経路誤差diを座標方向成分X軸、Y軸、Z軸に切り分けて表示するようにしても良いし、経路誤差diをそれぞれの加工位置における工具とワークとの相対的な移動方向の成分と、該加工位置における加工面に対して垂直な成分(移動方向に対して上下のずれを示す成分)、及び、該加工位置における該移動方向及び該加工面に対して垂直方向の成分(移動方向に対して左右のずれを示す成分)とに切り分けて表示するようにしても良い。また、その際に表示部130は、算出した経路誤差diについて、それぞれの成分毎に予め閾値を設けておき、経路誤差diのそれぞれの成分毎に閾値と比較して、該閾値を超えた成分のみを表示するようにしても良い。更に、表示部130は、経路誤差diのそれぞれの方向の成分毎に、色を変えたり形を変えたりする等、異なる表示形態を取るようにしても良い。
上記構成を備えた本実施形態の数値制御装置1は、加工プログラム200により指令された工具とワークとの相対的な移動経路と、実際の加工に近い工具とワークとの相対的な移動経路との経路誤差を、加工後のワーク形状と合わせて表示するため、この表示を見た作業者は、加工誤差の発生する位置をより確実に把握して、当該部分における軸移動に係るパラメータを調整する事ができるようになる。特に、予め定めた所定の閾値を超える経路誤差があるところについてのみ経路誤差の表示をするようにした場合、作業者はどの加工部分について軸のパラメータを調整すればよいのかがより容易に把握することができるようになる。また、経路誤差をX−Y−Z成分や、工具とワークとの相対的な移動方向の成分、加工面に垂直方向の成分、工具とワークとの相対的な移動方向と加工面の両方に垂直な成分等に分けて表示することで、作業者はその表示を一目見るだけで各加工位置においてパラメータを調整するべき軸を把握できるようになる。
図7は、本発明の第3実施形態による数値制御装置1の概略的な機能ブロック図である。図7に示した各機能ブロックは、図1に示した数値制御装置1が備えるCPU11がシステム・プログラムを実行し、数値制御装置1の各部の動作を制御することにより実現される。
本実施形態の数値制御装置1は、制御部100,加工シミュレーション部110,経路誤差算出部120,表示部130、及びパラメータ変更部140を備え、また、予め加工シミュレーションの対象となる加工プログラム200が不揮発性メモリ14上に記憶されている。
本実施形態による制御部100、加工シミュレーション部110,表示部130は、第2実施形態の制御部100、加工シミュレーション部110,表示部130と同様の機能を備える。
また、本実施形態による経路誤差算出部120は、第2実施形態のものと同様の機能を備えると共に、更に、算出した経路誤差をパラメータ変更部140へ出力する。
パラメータ変更部140は、経路誤差算出部120から入力された、各モータのフィードバックデータと、加工シミュレーション処理の結果である加工時の工具とワークとの相対的な移動経路との経路誤差を解析して、それぞれの各位置における所定の軸のパラメータを変更するように制御部100に対して指令する機能手段である。パラメータ変更部140は、工具とワークとの相対的な移動経路における各加工位置における経路誤差diを座標方向成分X軸、Y軸、Z軸に切り分けたそれぞれの軸方向の経路誤差dix,diy,dizが予め定めた所定の閾値thdx,thdy,thdzを超えた軸について、該軸の振動成分が加工面に与える影響を低減させるように、例えば当該軸の加速度や加加速度が下がる方向で時定数等のパラメータを変更するように制御部100に対して指令する。
パラメータ変更部140は、経路誤差diをそれぞれの加工位置における工具とワークとの相対的な移動方向の成分を0とみなした上で、経路誤差diを座標方向成分X軸、Y軸、Z軸に切り分けた解析をするようにしても良い。これは、加工位置における工具とワークとの相対的な移動方向成分の経路誤差は、加工面の品質に大きな影響を与えないためである。
上記構成を備えた本実施形態の数値制御装置1は、加工プログラム200により指令された工具とワークとの相対的な移動経路と、実際の加工に近い工具とワークとの相対的な移動経路との経路誤差を解析して、該経路誤差が加工面の品質に影響を与える加工部分における軸のパラメータをある程度自動的に調整することができるため、作業者によるパラメータ調整の労力を軽減させることが可能となる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態の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。
1 数値制御装置
2 工作機械
11 CPU
12 ROM
13 RAM
14 不揮発性メモリ
15,18,19 インタフェース
16 PMC
17 I/Oユニット
20 バス
30 軸制御回路
40 サーボアンプ
50 サーボモータ
60 スピンドル制御回路
61 スピンドルアンプ
62 スピンドルモータ
63 ポジションコーダ
70 表示器/MDIユニット
71 操作盤
72 外部機器
100 制御部
110 加工シミュレーション部
120 経路誤差算出部
130 表示部
140 パラメータ変更部
200 加工プログラム

Claims (6)

  1. 加工プログラムに基づいて工作機械が備えた工具とワークとを相対的に制御してワークを加工する数値制御装置において、
    前記工作機械を制御し、前記工具とワークとの相対的な位置のフィードバックデータを取得する制御部と、
    前記加工プログラムに基づく前記加工のシミュレーション処理を実行し、加工後の前記ワークの形状を作成する加工シミュレーション部と、
    前記加工シミュレーション部が作成した加工後のワーク形状を表示する表示部と、
    を備え、
    前記加工シミュレーション部は、前記加工プログラムによる指令に基づく前記工具とワークとの相対的な移動経路に代えて、前記制御部が取得したフィードバックデータを用いた前記加工のシミュレーション処理を実行する、
    数値制御装置。
  2. 前記加工プログラムによる指令に基づく前記工具とワークとの相対的な移動経路と、前記制御部が取得した前記工具とワークとの相対的な位置のフィードバックデータとの各位置における差分である経路誤差を算出する経路誤差算出部を更に備え、
    前記表示部は、前記加工シミュレーション部が作成した加工後のワーク形状と、前記経路誤差算出部が算出した経路誤差に係る情報とを合わせて表示する、
    請求項1に記載の数値制御装置。
  3. 前記表示部は、予め定めた所定の閾値を超えた前記経路誤差のみを表示する、
    請求項2に記載の数値制御装置。
  4. 前記表示部は、前記経路誤差をX軸成分、Y軸成分、Z軸成分に分けて表示する、
    請求項2又は3に記載の数値制御装置。
  5. 前記表示部は、前記経路誤差を前記工具の移動方向の成分、加工面に垂直方向の成分、該移動方向及び該加工面に対する垂直方向の成分に分けて表示する、
    請求項2又は3に記載の数値制御装置。
  6. 前記経路誤差算出部が算出した経路誤差を解析して、予め定めた所定の閾値を超えた加工位置における軸のパラメータを変更するように前記制御部に対して指令するパラメータ変更部を更に備える、
    請求項2〜5のいずれか1つに記載の数値制御装置。
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