JP6959285B2 - 制御装置および工作機械 - Google Patents

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Description

本発明は、制御装置および工作機械に関するものである。
従来、工具、テーブル、治具、ワーク等の各部位が意図せずに相互に干渉することを防止するために、干渉チェック機能を有する工作機械が知られている（例えば、特許文献１〜３参照。）。
特開２０１０−２３１７３７号公報 特開２００９−１１６５０５号公報 特開２００３−３０５６２５号公報
干渉チェックのために、工作機械の各部位の形状を設定する必要がある。複数本の工具を使用する工作機械の場合、全ての工具の形状の設定に手間および時間がかかる。
本開示の一態様は、ワークが固定されるテーブルと、工具を保持する主軸とを有する工作機械の制御装置であって、加工プログラムおよび工具長補正量を記憶する記憶部と、前記加工プログラムおよび前記工具長補正量に基づいて前記テーブルおよび前記主軸を相対移動させる制御部と、前記主軸に保持された工具を含む干渉チェック領域を設定する領域設定部と、前記加工プログラムおよび前記工具長補正量に基づいて前記工具および前記テーブルを相対移動させた場合に前記干渉チェック領域が前記工具の周囲の障害物と干渉するか否かを判断する干渉判断部と、を備え、前記領域設定部が、前記干渉チェック領域を前記工具長補正量に基づいて設定する、制御装置である。
一実施形態に係る工作機械の正面図である。 図１の工作機械のブロック図である。 工具に関するパラメータを説明する図である。 工具長補正量に基づいて設定される干渉チェック領域の一例を示す図である。 工具長補正量に基づいて設定される干渉チェック領域の他の例を示す図である。 工具長補正量および工具径補正量に基づいて設定される干渉チェック領域の一例を示す図である。 工具長補正量および工具径補正量に基づいて設定される干渉チェック領域の他の例を示す図である。 工具長補正量、工具径補正量および刃物部の突き出し量に基づいて設定される干渉チェック領域の一例を示す図である。 工具長補正量、工具径補正量および刃物部の突き出し量に基づいて設定される干渉チェック領域の他の例を示す図である。 工具長補正量、工具径補正量およびホルダ部の形状データに基づいて設定される干渉チェック領域の一例を示す図である。 工具長補正量、工具径補正量およびホルダ部の形状データに基づいて設定される干渉チェック領域の他の例を示す図である。
以下に、一実施形態に係る工作機械１について図面を参照して説明する。
工作機械１は、図１に示されるように、ワークＷが固定されるテーブル２と、工具２０を保持する主軸３と、複数の工具２０を収納する工具マガジン４と、を備える。
また、工作機械１は、図２に示されるように、主軸３を主軸３の長手軸回りに回転させる主軸モータ５と、テーブル２および主軸３を相対移動させる複数の送りモータ６と、主軸モータ５および送りモータ６を制御する制御装置７と、を備える。
工具２０は、図３に示されるように、ワークＷと接触しワークＷを加工する刃物部２１と、刃物部２１の基端部分を保持するホルダ部２２と、を備える。刃物部２１の形状および寸法は、種類に応じて様々である。ホルダ部２２は、径方向外方に突出するフランジ部２３を有し、通常はフランジ部２３において最大の直径を有する。フランジ部２３の形状および寸法は、規格によって定められており、複数の工具２０間で共通である。ホルダ部２２は、フランジ部２３よりも基端側のシャンク部において主軸３に保持される。
工具マガジン４は、例えば、タレット式である。工作機械１は、工具マガジン４と主軸３との間で工具２０を自動交換する自動工具交換機能を有する。工具マガジン４は、工具２０をそれぞれ保持可能な複数の工具保持部４ａを有する。工具マガジン４には、各工具保持部４ａの工具２０の識別情報を読み取るＲＦＩＤ等の工具識別部が設けられている。工具２０の識別情報は、工具識別部から制御装置７に送信され、工具保持部４ａの位置と対応付けて記憶部１１（図示略）に記憶される。各工具保持部４ａの工具２０の識別情報は、作業者によって制御装置７に入力されてもよい。
主軸モータ５は、例えばスピンドルモータであり、主軸３に接続されている。
送りモータ６は、例えばサーボモータであり、工具２０の長手軸に沿うＺ方向および工具２０の長手軸に直交するＸＹ方向に、テーブル２および主軸３を相対移動させる。図１の例において、ＸＹ方向は水平方向、Ｚ方向は鉛直方向であり、送りモータ６は、テーブル２を水平方向に移動させる２つの第１送りモータと、主軸３をＺ方向に移動させる第２送りモータと、を備える。第１送りモータは、テーブル２を支持するベッド８に設けられ、第２送りモータは、主軸３を支持するコラム９に設けられる。
制御装置７は、プロセッサを有する制御部１０と、ＲＡＭ、ＲＯＭおよびその他の不揮発性メモリ等を有する記憶部１１と、を備える。記憶部１１には、加工プログラム１１ａ、干渉チェックプログラム１１ｂ、形状データ１１ｃおよび工具データ１１ｄが記憶されている。
制御部１０は、加工プログラム１１ａに従って主軸モータ５および送りモータ６に制御指令を送信する。主軸モータ５は制御指令に従って主軸３を回転させ、送りモータ６は制御指令に従ってテーブル２および主軸３を相対移動させる。これにより、主軸モータ５および送りモータ６が加工プログラム１１ａに基づく動作を実行し、主軸３に保持された工具２０の刃物部２１によってテーブル２上のワークＷが加工される。
形状データ１１ｃは、主軸３に保持された工具２０の周囲に配置され工具２０の移動範囲内に存在する障害物の３次元形状データを含む。例えば、障害物は、テーブル２、テーブル２に設けられた治具、および、治具に設置されたワークＷを含む。
工具データ１１ｄは、工具最大径と、工具長オフセット（工具長補正量）と、を含む。
工具最大径は、主軸３に取り付けることができる工具２０の最大径であり、主軸３の直径等の仕様に応じて決まる固定値である。工具最大径は、制御装置７に接続された入力装置を使用して作業者によって工具データ１１ｄに設定されるか、または予め工具データ１１ｄに設定されている。
工具長オフセットは、例えば、テーブル２および主軸３が原点位置に配置されているときの、テーブル２と主軸３に保持されている工具２０の先端との間のＺ方向の距離である。図１の例の場合、工具長オフセットは、テーブル２の上面から工具２０の下端までの鉛直方向の距離である。例えば、工具データ１１ｄは、工具２０の識別情報と工具長オフセットとの対応関係を表す対応表を含む。入力装置を使用して作業者が工具長オフセットを対応表に入力することによって、加工プログラム１１ａの実行前に工具長オフセットが設定される。
工具長Ｌは工具２０毎に異なる。工具長Ｌは、図３に示されるように、主軸３の基準面から刃物部２１の先端までのＺ方向の長さである。基準面は、例えば、ホルダ部２２のテーパ状のシャンク部の直径が所定の基準径となるゲージ面、または主軸３の先端面である。また、同一の工具２０であっても、摩耗等が原因で工具長Ｌが変化し得る。工具長オフセットは、加工プログラム１１ａに基づく主軸３のＺ方向の位置制御において工具長Ｌのばらつきの補正のために使用されるパラメータであり、加工プログラム１１ａの実行に必要なパラメータである。
また、制御装置７は、主軸３に保持された工具２０を含む干渉チェック領域Ａを設定する領域設定部１２と、干渉チェック領域Ａが障害物と干渉するか否かを判断する干渉判断部１３と、を備える。領域設定部１２および干渉判断部１３はそれぞれ、プロセッサを有し、干渉チェックプログラム１１ｂに従って下記の処理を実行する。干渉チェックプログラム１１ｂは、加工プログラム１１ａと同期して実行される。
領域設定部１２は、主軸３に現在保持されている工具２０の識別情報を制御部１０から取得し、記憶部１１から工具データ１１ｄを読み出す。次に、領域設定部１２は、主軸３に現在保持されている工具２０の工具データ１１ｄに基づいて、工具２０の主軸３の外側に配置される部分全体を含む干渉チェック領域Ａを設定する。図４および図５は、干渉チェック領域Ａの例を示している。干渉チェック領域Ａは、工具２０の形状を単純化した単一の円柱状の領域であり、Ｚ方向の高さＨａおよびＸＹ方向の直径Ｄａを有する。領域設定部１２は、工具長オフセットに基づいて高さＨａを設定し、工具最大径に基づいて直径Ｄａを設定する。例えば、直径Ｄａは、工具最大径に所定の余裕幅を加えた値であり、高さＨａは、工具長オフセットから算出される工具長Ｌに所定の余裕幅を加えた値である。
また、領域設定部１２は、記憶部１１から形状データ１１ｃを取得し、形状データ１１ｃに基づいて障害物を含む障害物領域を設定する。
干渉判断部１３は、加工プログラム１１ａに従ってテーブル２および主軸３を相対移動させた場合に干渉チェック領域Ａが障害物領域と干渉するか否かを判断する。例えば、干渉判断部１３は、現在から所定時間後までの各時刻における干渉チェック領域Ａおよび障害物領域の位置を計算し、各時刻において干渉チェック領域Ａが障害物領域と干渉するか否かを判断する。ここで、干渉とは、刃物部２１とワークＷとの接触以外の工具２０と障害物との意図しない接触による干渉チェック領域Ａと障害物領域との干渉を意味する。干渉すると判断した場合、干渉判断部１３は干渉検知信号を制御部１０に送信し、干渉しないと判断した場合、干渉判断部１３は干渉検知信号を制御部１０に送信しない。
制御部１０は、干渉検知信号に応答して、工具２０の障害物との干渉を回避するための干渉回避制御を行う。干渉回避制御は、例えば、テーブル２および主軸３の移動速度の低下、停止、または、軌道変更である。
次に、工作機械１の作用について説明する。
制御部１０は、加工プログラム１１ａに従って主軸モータ５および送りモータ６を制御することによって、工具２０を回転させるとともにワークＷおよび工具２０を相対移動させ、工具２０によるワークＷの加工を実行する。
ワークＷの加工と並行して、領域設定部１２および干渉判断部１３が、干渉チェックプログラム１１ｂに従って工具２０と障害物との干渉チェックを実行する。具体的には、領域設定部１２は、記憶部１１に記憶されている工具データ１１ｄから、工具最大径および主軸３に現在保持されている工具２０の工具長オフセットを読み出し、干渉チェック領域Ａを設定する。また、領域設定部１２は、記憶部１１に記憶されている障害物の形状データ１１ｃを読み出し、障害物領域を設定する。主軸３に保持される工具２０が交換される度に、領域設定部１２は、干渉チェック領域Ａを設定し直す。
干渉判断部１３は、テーブル２および主軸３が加工プログラム１１ａに基づいて相対移動した場合に干渉チェック領域Ａが障害物領域と干渉するか否かを判断する。干渉チェック領域Ａが障害物領域に干渉しないと判断された場合、制御部１０は、テーブル２および主軸３の加工プログラム１１ａに基づく相対移動を継続する。一方、干渉チェック領域Ａが障害物領域と干渉すると判断された場合、制御部１０は、干渉判断部１３からの干渉検知信号に応答して干渉回避制御を行う。例えば、制御部１０は、主軸モータ５および送りモータ６を制御することによって、テーブル２および工具２０の移動速度を低下させるか、テーブル２および工具２０を停止させるか、または、工具２０を障害物に接触しない位置まで退避させる。
アングル工具等の特殊な工具を除き、単一の円柱または複数の円柱の組み合わせによって工具２０の簡易形状を表現することができる。一般に、干渉チェック領域Ａは、工具２０の外形を正確に表現している必要はなく、工具２０よりも大きく工具２０を含む領域であればよい。このような干渉チェック領域Ａは、直径Ｄａおよび高さＨａを用いて設定することができる。
ここで、本実施形態によれば、直径Ｄａおよび高さＨａが、記憶部１１に記憶された工具最大径および工具長オフセットに基づいて設定される。工具長オフセットは、加工プログラム１１ａの実行に必要なパラメータであり、干渉チェックを行うか否かに関わらず制御装置７に設定される。すなわち、作業者は、干渉チェックのためだけに個々の工具２０の形状に関するパラメータを設定する必要がない。したがって、複数の工具２０が使用される加工においても、工具２０の形状の設定に要する手間および時間を削減し、簡単に干渉チェック領域Ａを設定することができる。
前記実施形態において、領域設定部１２が、干渉チェック領域Ａの直径Ｄａを工具最大径に基づいて設定することとしたが、これに代えて、主軸３の直径に基づいて設定してもよい。
また、前記実施形態において、工具長オフセットは、テーブル２と工具２０の先端との間の距離以外の値、例えば、主軸３の基準面から刃物部２１の先端までのＺ方向の長さであってもよい。
前記実施形態において、領域設定部１２が、工具長オフセットと工具最大径との組み合わせに基づいて干渉チェック領域Ａを設定することとしたが、これに代えて、工具長オフセットと他のパラメータとの組み合わせに基づいて干渉チェック領域Ａを設定してもよい。図６から図１１は、干渉チェック領域Ａの他の例を示している。
図６および図７の例において、干渉チェック領域Ａは、単一の円柱状の領域である。工具データ１１ｄは、工具長オフセット、工具径オフセット（工具径補正量）およびフランジ径Ｄｆを含む。
工具径オフセットは、例えば、刃物部２１の直径または半径である。例えば、入力装置を使用して作業者が工具径オフセットを対応表に入力することによって、加工プログラム１１ａの実行前に工具径オフセットが設定される。フランジ径Ｄｆは、工具２０のフランジ部２３の直径である。フランジ径Ｄｆは、工具マガジン４の工具保持部４ａの仕様に応じて決められた固定値であり、全ての工具２０に共通である。フランジ径Ｄｆは、入力装置を使用して作業者によって工具データ１１ｄに設定されるか、または予め工具データ１１ｄに設定されている。
領域設定部１２は、工具長オフセットに基づいて高さＨａを設定する。また、領域設定部１２は、工具径オフセットから工具径Ｄｔを算出し、工具径Ｄｔおよびフランジ径Ｄｆのうち大きい方の値に基づいて直径Ｄａを設定する。工具径Ｄｔは、図３に示されるように、刃物部２１の直径である。例えば、図６に示されるように、工具径Ｄｔがフランジ径Ｄｆよりも小さい場合、直径Ｄａは、フランジ径Ｄｆに所定の余裕幅を加えた値である。一方、図７に示されるように、工具径Ｄｔがフランジ径Ｄｆよりも大きい場合、直径Ｄａは、工具径Ｄｔに所定の余裕幅を加えた値である。
一般に、各工具２０の直径の最大値は、フランジ径Ｄｆおよび工具径Ｄｔのいずれかである。したがって、工具最大径に代えて工具径Ｄｔおよびフランジ径Ｄｆの大きい方を直径Ｄａの設定に使用することによって、工具２０の実際の形状により近い干渉チェック領域Ａを設定することができる。
ここで、フランジ径Ｄｆは、規格によって定められ工具マガジン４に収納される全ての工具２０に共通の値である。工具径オフセットは、加工プログラム１１ａに基づく主軸３のＸＹ方向の位置制御において工具径Ｄｔのばらつきの補正のために使用されるパラメータである。フライス等のＸＹ方向の加工用の工具２０の工具径オフセットは、干渉チェックを行うか否かに関わらず制御装置７に設定される。すなわち、作業者が、干渉チェックのためだけに設定しなければいけない工具２０の形状に関するパラメータが少なくて済む。
図８および図９の例において、干渉チェック領域は、２つの円柱状の領域Ａ１，Ａ２の組み合わせである。第１領域Ａ１は、刃物部２１を含む領域であり、第２領域Ａ２は、ホルダ部２２のうち主軸３の外側に配置される部分を含む領域である。工具データ１１ｄは、工具長オフセット、工具径オフセット、フランジ径Ｄｆおよび刃物部２１の突き出し量Ｌｔを含む。突き出し量Ｌｔは、刃物部２１のホルダ部２２から突出している部分のＺ方向の長さである。例えば、入力装置を使用して作業者が突き出し量Ｌｔを対応表に入力することによって、加工プログラム１１ａの実行前に突き出し量Ｌｔが設定される。
領域設定部１２は、第１領域Ａ１の高さおよび直径を、突き出し量Ｌｔおよび工具径Ｄｔに基づいてそれぞれ設定する。また、領域設定部１２は、第２領域Ａ２の高さを、工具長Ｌと突き出し量Ｌｔとの差に基づいて設定する。また、領域設定部１２は、第２領域Ａ２の直径を、図６および図７の干渉チェック領域Ａの直径Ｄａと同様にして設定する。
加工条件を検討する際に、刃物部２１の突き出し量Ｌｔを測定する場合がある。このような場合、突き出し量Ｌｔを用いることによって、工具２０の実際の形状により近い干渉チェック領域Ａ１，Ａ２を設定することができる。
図１０および図１１の例において、干渉チェック領域は、３つの円柱状の領域Ａ１，Ａ２，Ａ３の組み合わせである。第１領域Ａ１は、刃物部２１を含む領域であり、第２領域Ａ２は、ホルダ部２２のコレット部２４を含む領域であり、第３領域Ａ３は、ホルダ部２２のフランジ部２３を含む領域である。工具データ１１ｄは、工具長オフセット、工具径オフセット、ホルダ部２２の形状データを含む。
領域設定部１２は、第１領域Ａ１の高さおよび直径を、突き出し量Ｌｔおよび工具径Ｄｔに基づいてそれぞれ設定する。また、領域設定部１２は、第２領域Ａ２の高さおよび直径と、第３領域Ａ３の高さおよび直径とを、ホルダ部２２の形状データに基づいて設定する。
ホルダ部２２の形状は、複数の工具２０間で同一の場合がある。さらに、ホルダ部２２の形状は、刃物部２１の形状とは異なり、ワークＷの加工によって変化することがない。ホルダ部２２の形状データを用いることによって、工具２０の実際の形状により近い干渉チェック領域Ａ１，Ａ２，Ａ３を設定することができる。
上記実施形態において、干渉チェック領域が、単一の円柱状の領域、または複数の円柱状の領域の組み合わせから構成されることとしたが、これに代えて、単一の多角柱状の領域、または複数の多角柱状の領域の組み合わせから構成されてもよい。
例えば、干渉チェック領域は、単一の正四角柱状の領域であってもよく、２つまたは３つの正四角柱状の領域の組み合わせであってもよい。この場合、領域設定部１２は、直径Ｄａに代えて、一辺の長さまたは対角線の長さを、工具最大径または工具径オフセット等に基づいて設定する。
上記実施形態において、制御装置７が、工具２０によるワークＷの加工中に干渉チェックを行う工作機械１の数値制御装置であることとしたが、これに代えて、工具２０と障害物とが干渉するか否かをシミュレートするシミュレーション装置であってもよい。例えば、制御装置７は、シミュレーション用のコンピュータであってもよい。シミュレーションにおいても、工具２０のモデルを作成したり加工プログラム１１ａを実行させたりするために、工具長オフセット、工具径オフセット、フランジ径Ｄｆおよび工具径Ｄｔ等の工具データ１１ｄは必要である。このようなパラメータを干渉チェック領域Ａの設定に利用することによって、工具２０の形状の設定に要する手間および時間を削減し、簡単に干渉チェック領域Ａを設定することができる。
１ 工作機械
２ テーブル
３ 主軸
５ 主軸モータ
６ 送りモータ
７ 制御装置
１０ 制御部
１１ 記憶部
１１ａ 加工プログラム
１２ 領域設定部
１３ 干渉判断部
２０ 工具
２１ 刃物部
２２ ホルダ部
２３ フランジ部
Ａ，Ａ１，Ａ２，Ａ３ 干渉チェック領域

Claims (6)

  1. ワークが固定されるテーブルと、工具を保持する主軸とを有する工作機械の制御装置であって、
    加工プログラム、工具長補正量および前記主軸に取り付け可能な前記工具の最大径を記憶する記憶部と、
    前記加工プログラムおよび前記工具長補正量に基づいて前記テーブルおよび前記主軸を相対移動させる制御部と、
    前記主軸に保持された工具を含む干渉チェック領域を設定する領域設定部と、
    前記加工プログラムおよび前記工具長補正量に基づいて前記工具および前記テーブルを相対移動させた場合に前記干渉チェック領域が前記工具の周囲の障害物と干渉するか否かを判断する干渉判断部と、を備え、
    前記領域設定部が、前記干渉チェック領域を前記工具長補正量および前記工具の最大径に基づいて設定する、制御装置。
  2. ワークが固定されるテーブルと、工具を保持する主軸とを有する工作機械の制御装置であって、
    加工プログラム、工具長補正量、工具径補正量および前記工具のフランジ部の直径を記憶する記憶部と、
    前記加工プログラムおよび前記工具長補正量に基づいて前記テーブルおよび前記主軸を相対移動させる制御部と、
    前記主軸に保持された工具を含む干渉チェック領域を設定する領域設定部と、
    前記加工プログラムおよび前記工具長補正量に基づいて前記工具および前記テーブルを相対移動させた場合に前記干渉チェック領域が前記工具の周囲の障害物と干渉するか否かを判断する干渉判断部と、を備え、
    前記領域設定部が、前記干渉チェック領域を前記工具長補正量、前記工具径補正量および前記フランジ部の直径に基づいて設定する、制御装置。
  3. ワークが固定されるテーブルと、工具を保持する主軸とを有する工作機械の制御装置であって、
    加工プログラム、工具長補正量、工具径補正量および前記工具の刃物部の突き出し量を記憶する記憶部と、
    前記加工プログラムおよび前記工具長補正量に基づいて前記テーブルおよび前記主軸を相対移動させる制御部と、
    前記主軸に保持された工具を含む干渉チェック領域を設定する領域設定部と、
    前記加工プログラムおよび前記工具長補正量に基づいて前記工具および前記テーブルを相対移動させた場合に前記干渉チェック領域が前記工具の周囲の障害物と干渉するか否かを判断する干渉判断部と、を備え、
    前記領域設定部が、２つの領域からなる前記干渉チェック領域を前記工具長補正量、前記工具径補正量および前記刃物部の突き出し量に基づいて設定する、制御装置。
  4. ワークが固定されるテーブルと、工具を保持する主軸とを有する工作機械の制御装置であって、
    加工プログラム、工具長補正量、工具径補正量および前記工具のホルダ部の形状データを記憶する記憶部と、
    前記加工プログラムおよび前記工具長補正量に基づいて前記テーブルおよび前記主軸を相対移動させる制御部と、
    前記主軸に保持された工具を含む干渉チェック領域を設定する領域設定部と、
    前記加工プログラムおよび前記工具長補正量に基づいて前記工具および前記テーブルを相対移動させた場合に前記干渉チェック領域が前記工具の周囲の障害物と干渉するか否かを判断する干渉判断部と、を備え、
    前記領域設定部が、３つの領域からなる前記干渉チェック領域を前記工具長補正量、前記工具径補正量および前記ホルダ部の形状データに基づいて設定する、制御装置。
  5. 前記干渉チェック領域が、１以上の円柱状または多角柱状の領域から構成される、請求項１から請求項４のいずれかに記載の制御装置。
  6. ワークが固定されるテーブルと、
    工具を保持する主軸と、
    該主軸を該主軸の長手軸回りに回転させる主軸モータと、
    前記テーブルおよび前記主軸を相対移動させる送りモータと、
    前記主軸モータおよび前記送りモータを制御する請求項１から請求項５のいずれかに記載の制御装置と、を備える工作機械。
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