JP6972404B1

JP6972404B1 - プログラム、ｃｌデータ編集装置及び工作機械

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Publication number: JP6972404B1
Application number: JP2021031762A
Authority: JP
Inventors: 成弘入野; 泰宏今別府; 祐太榛葉; 謙吾河合
Original assignee: DMG Mori Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2021-03-01
Filing date: 2021-03-01
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2041-03-01
Also published as: WO2022185640A1; JP2022132984A

Abstract

【課題】びびり振動を回避しながらも加工能率を高め得るＣＬデータを生成するプログラム及びＣＬデータ編集装置を提供する。【解決手段】ワークに対する工具の位置情報と、前記工具の前記ワークに対する加工幅または加工深さに対応する工具移動パスを複数の第１工具移動パスに分けられた工具移動パス情報と、を含む第１のＣＬデータを実行することで、びびり振動を検出する検出手段と、前記検出手段で検出されたびびり振動のデータに基づいて、前記複数の第１工具移動パスをもとに、１つの第２工具移動パスを生成し、前記第２工具移動パスを含む第２のＣＬデータを生成する生成手段と、してコンピュータを機能させるためのプログラム。【選択図】図３

Description

本発明は、ＮＣ工作機械（Numerically Controlled Machine Tools）の動作を制御するＮＣプログラムを生成するために必要なＣＬ（Cutter Location）データを生成するプログラム、ＣＬデータ編集装置及び工作機械に関する。

特許文献１には、立体形状の被加工物を載置する加工テーブルと、加工テーブル上の被加工物に所要の３次元加工を施すべく移動可能に設けられた加工ヘッドと、加工ヘッドの作動を制御するためのＮＣデータを作成するＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）装置と、上記ＣＡＭ装置で作成したＮＣデータに基づいて加工ヘッドの作動を制御するＮＣ装置とを備えた３次元加工システムが開示されている。

上記ＣＡＭ装置は、３次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）装置によって作成した被加工物に関する形状データを取り込み、形状データに基づいて加工ヘッドの加工経路データを生成し、３次元ＣＡＤ装置によって作成した被加工物に関する形状の表面に基準となる点を設定するように構成されている。

さらに、加工テーブルに載置した実際の被加工物の表面に設定した基準となる点の位置を測定して、該測定した点の位置の座標値をＣＡＭ装置に取り込んで、先に設定した形状上の点の位置を測定した点の位置に一致するように加工経路データを修正し、さらに、修正した加工経路データをＮＣデータに変換するように構成されている。

特許文献１に記載されたように、３次元加工システムでは、製作する部品形状がＣＡＤで設計され、設計されたＣＡＤデータが、使用する工具データ（工具の種類や径）等とともにＣＡＭ装置に入力され、ＣＡＭ装置により工具軌跡（ツールパス）等を含むＣＬデータが作成される。作成されたＣＬデータはＮＣプログラム作成装置に入力され、工作機械の種類、工具の詳細情報（突き出し量やツーリング）、固定治具の種類等を特定した後にＮＣプログラムが作成される。作成されたＮＣプログラムが工作機械に移植され、ＮＣプログラムに基づいて機械加工が行われる。ここに、ＣＬデータには、工具移動パスに加えて、工具の送り速度及び回転速度が含まれている。

ところで、近年は、工具に対する被削材の切削抵抗（比切削抵抗と切削断面積の積によって求められる）を予測し、工作機械に許容される最大の切削抵抗を超えない範囲で最大の加工能率を達成するように、工具軌跡を算出することも行われている。

しかし、実際の機械加工で加工能率の上限を決めている要因は、切削抵抗による影響ではなく、びびり振動の影響による要因が大きく、びびり振動が発生する一部の加工箇所に合わせて、あるいは過度に安全を見て加工条件を低く設定すれば、その部品全体を必要以上に低加工能率で加工することになり、部品を加工する加工能率を高くすることが困難になる。

そこで、特許文献２には、びびり振動の増減に影響を与えるびびり振動増減影響値を考慮して加工条件を決定することを目的として、工作機械で用いられる工具軌跡（工具移動パス）を算出する工具軌跡生成装置が開示されている。

当該工具軌跡生成装置は、工具、被削材及び工作機械で構成される構造物で発生するびびり振動の増減に影響を与える値であるびびり振動増減影響値を算出する影響値算出部と、影響値算出部によって算出されるびびり振動増減影響値に基づいて加工条件を決定する加工条件決定部と、加工条件決定部により決定される加工条件に基づいて工具軌跡を算出する工具軌跡算出部と、を備えている。

特開２００２−１０８４２６号公報特開２０１４−２２１５１０号公報

特許文献２に開示された工具軌跡生成装置は、影響値算出部による振動増減影響値の算出と、加工条件決定部による加工条件の設定と、工具軌跡算出部による加工条件に基づく工具軌跡の算出を繰り返すように構成されていた。

つまり、工具軌跡生成装置がＣＡＭ装置として機能するように構成され、予め算出した工具軌跡に基づいて、切込み量や送り方向を変化させて振動増減影響値を算出し、その結果に基づいて生成した最終のＣＬデータを、ＮＣプログラム作成装置を介してＮＣプログラムに変換する必要があり、最終のＣＬデータを作成するために要する演算時間が長くなるという不都合や、その間は他のＣＬデータを生成することができないという不都合が生じていた。

一般に、ＮＣプログラムに対して工具の送り速度や回転速度を規定するパラメータを操作者が手動入力して編集することにより加工能率の向上を図ることは容易に行なえるが、ＮＣプログラムに含まれる三次元座標で表される点データに基づいて工具移動パスを手動で変更するのは非常に困難であった。

このような背景のもと、加工能率を高めるために、ＣＡＭ装置により生成されたＣＬデータに基づいて、びびり振動を回避可能なＣＬデータを効率的に編集可能なＣＬデータ編集装置が望まれていた。

そこで、本発明のプログラムは、ワークに対する工具の位置情報と、前記工具の前記ワークに対する加工幅または加工深さに対応する工具移動パスを複数の第１工具移動パスに分けられた工具移動パス情報と、を含む第１のＣＬデータを実行することで、びびり振動を検出する検出手段と、前記検出手段で検出されたびびり振動のデータに基づいて、前記複数の第１工具移動パスからびびり振動が生じない工具移動パス、またはびびり振動が最小となる工具移動パスを１つの第２工具移動パスとして生成し、前記第２工具移動パスを含む第２のＣＬデータを生成する生成手段と、してコンピュータを機能させることを特徴とする。

また、本発明のプログラムは、ワークに対する工具の位置情報と、前記工具の前記ワークに対する加工幅または加工深さに対応する工具移動パスを複数の第１工具移動パスに分けられた工具移動パス情報と、を含む第１のＣＬデータに基づくプログラムを実行することで、びびり振動を検出する検出手段と、前記検出手段で検出されたびびり振動のデータに基づいて、前記複数の第１工具移動パスからびびり振動が生じない工具移動パス、またはびびり振動が最小となる工具移動パスを１つの第２工具移動パスとして生成し、前記第２工具移動パスを含む第２のＣＬデータに基づくプログラムを生成する生成手段と、してコンピュータを機能させることを特徴とする。

さらに、本発明のＣＬデータ編集装置は、ワークに対する工具の位置情報と、前記工具の前記ワークに対する加工幅または加工深さに対応する工具移動パスを複数の第１工具移動パスに分けられた工具移動パス情報と、を含む第１のＣＬデータを実行することで、びびり振動を検出する検出手段と、前記検出手段で検出されたびびり振動のデータに基づいて、前記複数の第１工具移動パスからびびり振動が生じない工具移動パス、またはびびり振動が最小となる工具移動パスを１つの第２工具移動パスとして生成し、前記第２工具移動パスを含む第２のＣＬデータを生成する生成手段と、を備えたことを特徴とする。

さらに、本発明の工作機械は、工具を支持する工具主軸と、ＮＣプログラムによって、工具の移動を制御しワークの加工を制御する制御部と、ワークに対する工具の位置情報と、前記工具の前記ワークに対する加工幅または加工深さに対応する工具移動パスを複数の第１工具移動パスに分けられた工具移動パス情報と、を含む第１のＣＬデータを実行することで、びびり振動を検出し、検出されたびびり振動のデータに基づいて、前記複数の第１工具移動パスからびびり振動が生じない工具移動パス、またはびびり振動が最小となる工具移動パスを１つの第２工具移動パスとして生成し、前記第２工具移動パスを含む第２のＣＬデータを生成するＣＬデータ生成部と、前記生成されたＣＬデータからＮＣプログラムを作成するＮＣプログラム作成部と、を備え、前記ＮＣプログラム作成部で作成されたＮＣプログラムを実行することでワークを加工する、ことを特徴とする。

本発明によれば、びびり振動を回避しながらも加工能率を高め得るＣＬデータを効率的に生成することができるようになる。

３次元加工システムの機能ブロックを示す説明図である。（Ａ）は加工深さに対応する工具移動パスの説明図、（Ｂ）は加工幅に対応する工具移動パスの説明図である。ＣＬデータ編集装置の機能ブロックの説明図である。ＣＬデータ編集手順を示すフローチャートである。ＣＬデータ編集装置により実行されるＣＬデータの編集の概要を示す説明図である。再生びびり振動が生じやすい加工条件を示す説明図である。再生びびり振動が生じにくい加工条件を示す説明図である。ワークＷの加工態様を示す図である。ＣＬデータの編集態様を示す説明図である。ＣＬデータの他の編集態様を示す説明図である。（Ａ）,（Ｂ）は工具移動パスの説明図、（Ｃ）はコマンドの説明図である。編集前と編集後のＣＬデータの説明図である。ＣＬデータ編集装置が組み込まれた工作機械の説明図である。

以下に、ＣＬデータを編集生成するプログラム及びＣＬデータ編集装置を説明する。ＣＬデータとは、ＣＡＭによって生成され、ポストプロセッサによってＮＣプログラムに変換される工具の位置情報、工具の送り速度及び主軸の回転速度を含むデータのことをいう。

図１には、ＣＬデータ編集装置を含む３次元加工システム１００の機能ブロック構成が示されている。
３次元加工システム１００は、被加工物であるワークの最終加工形状を設計する３次元のＣＡＤ装置１０と、ＣＡＤ装置１０によって設計された被加工物の形状データ等に基づいて、加工時の工具移動パス情報を含む第１のＣＬデータを生成するＣＡＭ装置２０と、ＣＡＭ装置２０により生成された第１のＣＬデータを編集するＣＬデータ編集装置３０と、ＣＬデータ編集装置３０で編集された第２のＣＬデータをＮＣプログラムに変換するＮＣプログラム作成装置４０と、ＮＣプログラム作成装置４０で変換されたＮＣプログラムが移植され、移植されたＮＣプログラムに基づいて工具を作動させてワークを加工するＮＣ装置５０を備えている。ＮＣ装置５０として各種のマシニングセンタ、旋盤、複合加工機を用いることができる。

３次元のＣＡＤ装置１０により最終製品の３次元形状を示す３次元モデルデータが生成され、生成された３次元モデルデータがＣＡＭ装置２０に入力される。

ＣＡＭ装置２０には、入出力部、製品形状データ記憶部、素材データ記憶部、工具データ記憶部、加工条件データ記憶部、ＣＬデータ生成部などの機能ブロックを備えている。これらの機能ブロックは、ＣＡＭ装置２０に備えたメモリボード上のメモリに格納されたＣＡＭ用のアプリケーションプログラムがＣＰＵボード上のＣＰＵで実行されることにより具現化される。

製品形状データ記憶部及び素材データ記憶部には、入出力部を介してＣＡＤ装置１０から入力された３次元モデルデータである製品の形状データ及び素材データが、それぞれ格納される。

製品の形状データは、例えば３次元空間内の座標値で表される頂点データ、２つの頂点を結んで構成される稜線の方程式データ、稜線と２つの頂点とを関連付ける稜線データ、稜線により囲まれて形成される面の方程式データ、及び面と稜線とを関連付ける面データなどで構成される。

工具データ記憶部には、ドリル、エンドミル、フェイスミルといった工具の種類、呼び寸法や材質など、工具の諸元に関するデータが格納され、加工条件データ記憶部には、加工条件に関するデータが格納される。加工条件に関するデータには、工具の送り速度（Ｆコード；mm/min）、主軸の回転速度（Ｓコード；RPM）などに関するデータと、工具のワークに対する加工幅及び／または加工深さと、それらの最小ピッチを規定するデータが含まれ、加工幅及び／または加工深さと各最小ピッチに基づいて複数の工具移動パスが生成される。最小ピッチや工具移動パスの数は、予め入出力部を介して操作者により手動入力される。

ＣＬデータ生成部は、製品形状データ記憶部、素材データ記憶部、工具データ記憶部及び加工条件データ記憶部に格納された各データに基づいてＣＬデータを生成する。ＣＬデータは、少なくともワーク座標系における工具の位置情報、複数の第１工具移動パス情報、工具の送り速度及び主軸の回転速度を含むデータからなる。

先ず、製品形状データ記憶部に格納された製品の形状データ、及び素材データ記憶部に格納された素材形状データを基に、加工を要する部位の形状特徴を抽出、認識し、認識した各加工部位についてその加工順序を決定する。

決定した加工順序に従って、加工部位毎に、素材データ記憶部に格納された素材材質データを基に、工具データ記憶部に格納されたデータを参照して、当該加工で使用する工具を設定する。

加工条件データ記憶部に格納されたデータを参照して、加工部位毎に、設定工具に応じた加工条件を設定し、設定した加工条件を基に、当該工具の送り速度及び主軸の回転速度に関するデータを生成するとともに、ワーク座標系における工具の移動位置データを生成してＣＬデータとする。

第１工具移動パス情報は、上述した工具移動パスの生成条件、具体的にワークに対する加工幅のピッチ及び／または加工深さのピッチに基づいて生成される複数の工具移動パスであり、工具の加工幅及び／または加工深さに応じて複数点の工具の位置情報を接続した経路情報である。

図２（Ａ）に示すように、例えば、工具２としてエンドミルを用いてＸＹ平面でＸ軸方向にワークＷを溝加工する場合に、最終形状に到るＺ方向の加工深さに対して１回の加工で切削する最小の加工深さ（加工ピッチ）が工具移動パスの生成条件として規定される。

例えば、目標となる加工深さを２０ｍｍ、最小ピッチを２ｍｍとする場合、２ｍｍピッチで切削すると１０回の切削工程が必要になる。４ｍｍピッチで切削すると５回の切削工程で終了し、５ｍｍピッチで切削すると４回の切削工程で終了する。様々な切削ピッチに応じて各工具の位置情報を接続することで、最小ピッチを適宜組合せた複数の第１工具移動パス情報が生成されることになる。

すなわち、２ｍｍピッチで１０回切削する工具移動パス、４ｍｍピッチで５回切削する工具移動パス、５ｍｍピッチで４回切削する工具移動パスなど、複数または単一の加工ピッチと切削回数を組み合わせて目標となる加工深さを切削するための工具移動パス情報が複数生成される。

図２（Ｂ）に示すように、例えば、工具２としてエンドミルを用いてＸＹ平面でＹ軸に向けてワークＷを側面加工する場合に、最終形状に到るＹ方向の加工幅に対して１回の加工で切削する最小の加工幅（加工ピッチ）が工具移動パスの生成条件として規定される。

例えば、目標とする加工幅を２０ｍｍ、最小ピッチを２ｍｍとする場合、２ｍｍピッチで切削すると１０回の切削工程が必要になる。４ｍｍピッチで切削すると５回の切削工程で終了し、５ｍｍピッチで切削すると４回の切削工程で終了する。図２（Ａ）の説明と同様に、様々な切削ピッチに応じて各工具の位置情報を接続する複数の第１工具移動パス情報が生成されることになる。当然、図２（Ａ），（Ｂ）を組み合わせた第１工具移動パス情報を生成することも可能である。

ＣＬデータ編集装置３０は、ＣＡＭ装置２０のＣＬデータ生成部で生成された複数の第１工具移動パスをもとに、１つの第２工具移動パスを生成し、第２工具移動パスを含む第２のＣＬデータを編集する。ＣＬデータ編集装置３０については後に詳述する。

ＣＬデータ編集装置３０で編集された第２のＣＬデータがポストプロセッサとしてのＮＣプログラム作成装置４０に入力されると、ＮＣプログラム作成装置４０は、ＣＬデータのワーク座標系に係る移動位置を、絶対座標系の移動位置に変換して、ＮＣプログラムを生成する。そして、生成されたＮＣプログラムはＮＣ装置５０に移植され、ＮＣ装置５０でＮＣプログラムが実行されることにより、ワークが最終形状に機械加工される。

図３に示すように、ＣＬデータ編集装置３０は、ＣＡＭ装置２０により生成された複数の第１工具移動パス情報を含む第１のＣＬデータから、１つの第２工具移動パス情報を含む第２のＣＬデータを生成するＣＬデータ編集部３１と、評価用のＣＬデータに基づいて機械加工を行った場合のびびり振動特性を評価するびびり振動評価部３７とを備えている。びびり振動評価部３７はびびり振動を検出する検出手段として機能する。

ＣＬデータ編集部３１は、ＣＡＭ装置２０により生成された第１のＣＬデータを入力してＣＬデータ記憶部３３に記憶する入力処理部３２と、ＣＬデータ記憶部３３に記憶された複数の第１工具移動パス情報を含む第１のＣＬデータから評価用ＣＬデータを生成する評価用ＣＬデータ生成処理部３４と、評価用ＣＬデータをびびり振動評価部３７に出力し、びびり振動評価部３７から評価データを入力する評価データ入出力処理部３５と、入力された評価データに基づいて第２のＣＬデータを生成するＣＬデータ更新処理部３６とからなる機能ブロックを備えている。評価用ＣＬデータとは、複数の第１工具移動パス情報から適宜選択された一つの第１工具移動パス情報を含むＣＬデータである。

ＣＬデータ編集部３１を構成する各機能ブロックは、ＣＬデータ編集装置３０に備えたメモリボード上のメモリに格納されたＣＬデータ編集用のアプリケーションプログラムがＣＰＵボード上のＣＰＵで実行されることにより具現化される。

びびり振動評価部３７は、評価用ＣＬデータに基づいて機械加工を実行した場合に、びびり振動が発生するか否か、発生する場合にはその程度を予測するびびり振動シミュレータで構成されている。つまり、びびり振動評価部３７に備えたメモリボードにびびり振動を解析するシミュレーションプログラムが格納され、ＣＰＵボードでシミュレーションプログラムが実行されるように構成されている。

ＣＬデータ編集装置３０は、ＣＬデータ編集部３１とびびり振動評価部３７とを共通のＣＰＵボード及びメモリボードで構成することも可能であり、個別のＣＰＵボード及びメモリボードで構成することも可能である。

ＣＬデータ更新処理部３６は、びびり振動評価部３７による評価結果に基づいて、複数の第１工具移動パス情報に基づいて生成された複数の評価用ＣＬデータ（各評価用ＣＬデータは、一つの第１工具移動パス情報を含む）から、びびり振動が発生せずに加工能率の高い評価用ＣＬデータを第２工具移動パス情報に採用した第２のＣＬデータを更新生成する。

図４には、ＣＬデータ編集部３１により実行されるＣＬデータ更新処理手順が示されている。
入力処理部３２を介してＣＡＭ装置２０から入力された第１のＣＬデータがＣＬデータ記憶部３３に記憶されると（ＳＡ１）、評価用ＣＬデータ生成処理部３４により第１のＣＬデータから評価用ＣＬデータが生成される（ＳＡ２）。

例えば、図２（Ａ）の例では、２ｍｍピッチで１０回の切削工程を工具２の位置で表わした座標群や、４ｍｍピッチで５回の切削工程を工具２の位置で表わした座標群などの第１工具移動パスと、其々に対する工具２の送り速度及び工具２を保持する主軸の回転速度が含まれる。工具２の送り速度及び主軸の回転速度の複数の値は、予めＣＡＭ装置２０の入出力部を介して操作者により手動入力され、第１のＣＬデータに組み込まれていてもよいし、第１のＣＬデータに組み込まれた其々単一の値を評価用ＣＬデータ生成処理部３４が複数の値に編集生成してもよい。

評価用ＣＬデータ生成処理部３４により生成された評価用ＣＬデータは評価用ＣＬデータ入出力処理部３５を介してびびり振動評価部３７に出力され、びびり振動評価部３７によりびびり振動に関する評価が行なわれる（ＳＡ３）。

びびり振動評価部３７による評価結果が評価用ＣＬデータ入出力処理部３５に入力されると（ＳＡ４）、評価結果が評価用ＣＬデータに関連付けてＣＬデータ記憶部３３に格納される（ＳＡ５）。

ステップＳＡ２からステップＳＡ５の処理が第１のＣＬデータから生成可能な全ての評価用ＣＬデータに基づいて繰返し実行され、びびり振動評価部３７で全ての評価が完了すると（ＳＡ６）、ＣＬデータ更新処理部３６によってびびり振動が許容範囲の評価用ＣＬデータが抽出され（ＳＡ７）、対応する加工能率が評価され（ＳＡ８）、予め設定された許容範囲に入る評価用ＣＬデータが第２のＣＬデータとして編集処理され（ＳＡ１０）、ＮＣプログラム作成装置４０に出力される。

例えば、図５に示すように、φ１６のエンドミルで初期値４ｍｍ×４パスで溝入加工する場合に１３３秒を要する状況で、評価用ＣＬデータ生成処理部３４によって送り速度を編集することにより加工時間が３３％短縮されるようになる。この条件での加工に対して、びびり振動評価部３７によってびびり振動が発生しないと評価されると、評価用ＣＬデータ生成処理部３４によって切込深さ（加工深さ）を８ｍｍに変更設定し、８ｍｍ×２パスで溝入加工することで加工能率の向上を目指す。この条件での加工に対して、びびり振動評価部３７によってびびり振動が発生すると評価されると、評価用ＣＬデータ生成処理部３４によって主軸回転数が編集され、当該主軸回転数でびびり振動評価部３７によって再度びびり振動が評価される。当該主軸回転数でびびり振動が発生しないと評価されると、当該パス、送り速度、主軸回転数を反映したＣＬデータが第２のＣＬデータとして確定される。その結果、加工時間が６６％短縮されるようになる。

この例では加工の最小ピッチが４ｍｍ、目標加工深さが１６ｍｍである場合に、４ｍｍ×４パス、８ｍｍ×２パス、１６ｍｍ×１パス、４ｍｍ×２パス＋８ｍｍ×１パスなど、複数の第１工具移動パスを備えた工具移動パス情報を含む第１のＣＬデータから、８ｍｍ×２パスという単一の第２工具移動パスを備えた第２のＣＬデータが生成されている。例えば、最小ピッチが４ｍｍ、目標加工深さが８ｍｍに設定され、第１工具移動パスが４ｍｍ×２パス、８ｍｍ×１パスの二つ生成される構成で、びびり振動評価部３７により８ｍｍ×１パスでびびり振動が発生しないと評価されると、８ｍｍ×１パスの単一の第２工具移動パスを備えた第２のＣＬデータが生成される。

図１１（Ａ）には、工具２を用いたワークＷに対する溝入加工の工具移動パスの一つが例示され、図１２の左側（before）には、図１１（Ａ）に示した工具移動パスに対応したＮＣデータが示されている。主軸回転数１８５０rpm、送り速度２００mm/minに設定さて、初期座標（０．０，０．０，０．０）に早送りで移動した後に、ツール２が各座標（ｘ，ｙ，ｚ）に順次移動し、最終位置迄の加工が終了すると、最終座標（−２．０，０．０，０．０）に早送りで移動して加工を終了するパターンである。図１１（ｃ）に示すように、移動コマンド「ＧＯＴＯ」に付されたパラメータは、加工点の座標と工具２の姿勢が規定されている。

図１１（Ｂ）には、ＣＬデータ編集装置３０で評価された別の工具移動パスが例示され、図１２の右側（after）には、図１１（Ｂ）に示した工具移動パスに対応したＮＣデータが示されている。図１１（Ａ）、（Ｂ）に示される工具移動パスは、何れもＣＡＭ装置２０から出力された複数の第１工具移動パスを例示しており、何れの第１工具移動パスを第２工具移動パスに設定するかがＣＬデータ編集装置３０で決定される。この例では、図１１（Ａ）で白い丸印で示した加工点を結ぶ工具移動パスではなく、図１１（Ｂ）のハッチングした丸印で示した加工点を結ぶ工具移動パスが第２工具移動パスに設定される。

上述したびびり振動評価部３７について補足する。
工作機械でワークを加工する際、工具の刃先が微小に振動するびびり振動が生じることがある。びびり振動には、強制びびり振動と、再生びびり振動がある。強制びびり振動は、工作機械が振動源となり発生する振動であり、工具の振動周波数が工具の固有振動数に等しくなったときに生じる。再生びびり振動は、工具の振動周波数と工具によるワークの切込み深さとの関係が所定の条件を満たしたときに振動である。びびり振動評価部３７は、これらのびびり振動の発生の有無を評価する機能ブロックである。

図６は、再生びびり振動が生じやすい加工条件の一例を示す図である。図６（Ａ）には、前回の切削時におけるワーク上の切削跡が示されている。図６（Ｂ）には、今回の切削時における工具の振動周波数が示されている。図６（Ｃ）には、今回の切削時における工具によるワークの切削厚が示されている。

工具は、回転しながらワークを繰り返し切削することでワークを加工する。工具は、ワークの加工中に振動しており、図６（Ａ）に示されるように、ワークの切削面に起伏が生じる。

工具が次にワークを切削するとき、前回の切削時における切削跡と、今回の切削時における工具の振動周波数とがずれることがある。このずれを「φ」で表わすと、図６（Ａ）および図６（Ｂ）の例では、ずれφは、π／４（＝９０度）となっている。このようなずれが生じると、ワークの切削厚が切削位置に応じて変動する。図６（Ｃ）には、φ＝π／４のずれが生じている場合における切削厚の変動が示されている。切削厚が変動すると、工具が切削中にワークから受ける力が変動し、再生びびり振動が生じやすくなる。特に、φ＝π／４となるときが、再生びびり振動が一番生じやすい。

図７は、再生びびり振動が生じにくい加工条件の一例を示す図である。図７（Ａ）には、前回の切削時におけるワーク上の切削跡が示されている。図７（Ｂ）には、今回の切削時における工具の振動周波数が示されている。図７（Ｃ）には、今回の切削時における工具によるワークの切削厚が示されている。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）の例では、工具の振動周波数は、前回の切削時における切削跡と重なっている。この場合、ずれ「φ」が０となり、ワークの切削厚が一定になる。そのため、工具が切削中にワークから受ける力が一定になり、再生びびり振動が生じにくくなる。

つまり、ずれ「φ」が０に近付くように主軸の回転数が調整されると再生びびり振動が生じにくくなる。一方で、ずれ「φ」がπ／４に近付くように主軸の回転数が調整されると再生びびり振動が生じやすくなる。

典型的には、下記式（１）に示される「ｋ」が整数になるとき、ずれ「φ」が０となる。

ｋ＝６０・ｆｃ／（ｎ０・Ｎ）・・・（１）
式（１）に示される「ｋ」は、工具の第１の刃がワークに接触してから第２の刃がワークに接触するまでの間に工具の振動によって生じる加工面の波数を表わす。「ｆｃ」は、主軸の振動周波数を表わす。「Ｎ」は、工具の刃数を表わす。「ｎ０」は、主軸の回転数を表わす。ここでいう回転数とは、単位時間当り（たとえば、一分間当り）おける主軸の回転数を意味し、回転速度と同義である。工具は、主軸に連動するため、主軸の回転数は、工具の回転数と等しい。そのため、主軸の回転数は、工具の回転数と同義である。

図８は、「ｋ」が整数となる場合におけるワークＷの加工態様を示す図である。図８には、主軸の軸方向から見た場合における工具およびワークＷの態様が示されている。

図８（Ａ）には、「ｋ」が１である場合におけるワークＷの加工態様が示されている。図８（Ａ）に示されるように、「ｋ」が１である場合、工具の刃２ＡがワークＷに接触してから工具の刃２ＢがワークＷに接触するまでの間に工具の振動によって生じる加工面の波数は１となる。

図８（Ｂ）には、「ｋ」が２である場合におけるワークＷの加工態様が示されている。図８（Ｂ）の加工態様における工具の回転数は、図８（Ａ）の加工態様における工具の回転数の１／２に相当する。図８（Ｂ）に示されるように、「ｋ」が２である場合、ワークＷの加工面における波数は２となる。

図８（Ｃ）には、「ｋ」が３である場合におけるワークＷの加工態様が示されている。図８（Ｃ）の加工態様における工具の回転数は、図８（Ａ）の加工態様における工具の回転数の１／３に相当する。図８（Ｃ）に示されるように、「ｋ」が３である場合、ワークＷの加工面における波数は３となる。
図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に示される加工態様では、ずれ「φ」がいずれも０となるため、再生びびり振動が生じにくい。

図９の上図は、主軸の回転数とワークＷの切り込み深さとの関係において再生びびり振動が生じる範囲と生じない範囲とを示す図である。図９に示されるグラフの横軸は、主軸の回転数を表わす。図９に示されるグラフの縦軸は、ワークの切込み深さを表わす。ここでいう切込み深さ（加工深さ）とは、主軸の軸方向における工具とワークＷとの接触部分の長さのことをいう。

ワークの切込み深さが境界線ＢＬよりも小さい範囲は、再生びびり振動が生じにくい加工条件を表わす。以下では、当該範囲を安定範囲Ａともいう。ワークの切込み深さが境界線ＢＬよりも大きい範囲は、再生びびり振動が生じやすい加工条件である。以下では、当該範囲を不安定範囲Ｂともいう。

図９の下図は、主軸の回転数と主軸の振動周波数との関係を示す。
図９に示されるように、主軸の振動周波数は、安定範囲ＡのローブＡ１〜Ａ３の頂点の前後で大きく変化する。この点に着目して、びびり振動評価部３７は、主軸の回転数の前後における主軸の振動周波数の比較結果に基づいて、主軸の回転数が安定範囲Ａを逸脱するか否かを評価する。

図９の例では、主軸の回転数が「ｒ２」から「ｒ３」に調整されることにより、主軸の振動周波数が「Δｆ１」変化している。びびり振動評価部３７は、主軸の振動周波数の変化量「Δｆ１」が所定閾値以上である場合に、主軸の回転数が安定範囲Ａを逸脱していると評価する。一方で、びびり振動評価部３７は、主軸の振動周波数の変化量「Δｆ１」が所定閾値よりも小さい場合に、主軸の回転数が安定範囲Ａを逸脱していないと評価する。

図１０は、びびり振動評価部３７による評価方法の他の例を説明するための図である。
図１０に示されるように、上記式（１）の「ｋ」の整数部分（すなわち、［ｋ］）は、安定範囲ＡのローブＡ１〜Ａ３の頂点の前後で変化する。以下では、「ｋ」の整数部分を次数ともいう。びびり振動評価部３７は、主軸の回転数の調整前後において次数が変化したか否かに基づいて、主軸の回転数が安定範囲Ａを逸脱しているか否かを評価する。

図１０の例では、主軸の回転数が「ｒ２」から「ｒ３」に調整されることにより、次数が「ｍ」から「ｍ＋１」に変化している（ｍ：整数）。この場合、びびり振動評価部３７は、主軸回転数が安定範囲Ａを逸脱したと評価する。一方で、主軸の回転数の調整前後において次数が変化していない場合には、主軸の回転数が安定範囲Ａを逸脱していないと評価する。

以上、再生びびり振動の評価アルゴリズムの一例について説明したが、強制びびり振動の評価についても適宜公知の評価アルゴリズムを用いて適宜構成することができる。

以上、びびり振動評価部３７がびびり振動シミュレータで構成された例を説明したが、びびり振動評価部３７は、過去の様々なＣＬデータに対する機械加工の実行時に検出されたびびり振動の発生状態を学習した機械学習装置で構成し、評価用ＣＬデータを機械学習装置に入力すると、びびり振動の発生状態を出力する機械学習装置で構成してもよい。このような機械学習装置としてニューラルネットワークアルゴリズムやサポートベクターマシンアルゴリズムなどを採用することができる。

以上、説明したように、ＣＬデータ編集装置３０は、ワークに対する工具の位置情報と、工具のワークに対する加工幅または加工深さに対応する工具移動パスを複数の第１工具移動パスに分けられた工具移動パス情報と、を含む第１のＣＬデータを実行することで、びびり振動を検出する検出手段（びびり振動評価部）３７と、検出手段（びびり振動評価部）３７で検出されたびびり振動のデータに基づいて、複数の第１工具移動パスをもとに、１つの第２工具移動パスを生成し、第２工具移動パスを含む第２のＣＬデータを生成する生成手段（ＣＬデータ編集部）３１と、を備えている。

生成手段（ＣＬデータ編集部）３１は、びびり振動のデータに基づいて、複数の第１工具移動パスからびびり振動が生じない工具移動パス、またはびびり振動が最小となる工具移動パスを第２工具移動パスとして生成する。

第１のＣＬデータは工具の送り速度及び主軸の回転速度を含み、検出手段３７は、工具の送り速度及び主軸の回転速度を異ならせて第１のＣＬデータを実行する。

また、本発明のプログラムは、上述したＣＬデータ編集装置３０に備えたメモリボード上のメモリに格納されたＣＬデータ編集用のアプリケーションプログラムである。

すなわち、ワークに対する工具の位置情報と、工具のワークに対する加工幅または加工深さに対応する工具移動パスを複数の第１工具移動パスに分けられた工具移動パス情報と、を含む第１のＣＬデータを実行することで、びびり振動を検出する検出手段（びびり振動評価部）と、検出手段で検出されたびびり振動のデータに基づいて、複数の第１工具移動パスをもとに、１つの第２工具移動パスを生成し、第２工具移動パスを含む第２のＣＬデータを生成する生成手段（ＣＬデータ編集部）と、してコンピュータを機能させるためのプログラムである。

また、生成手段は、びびり振動のデータに基づいて、複数の第１工具移動パスからびびり振動が生じない工具移動パス、またはびびり振動が最小となる工具移動パスを第２工具移動パスとして生成するプログラムを含む。

さらに、第１のＣＬデータは工具の送り速度及び主軸の回転速度を含み、検出手段は、工具の送り速度及び回転速度を異ならせて第１のＣＬデータを実行するプログラムを含む。

以上の説明では、ＣＬデータ編集装置３０がＣＡＭ装置２０とポストプロセッサであるＮＣプログラム作成装置４０との間に介在する独立した装置として構成される態様を説明したが、ＣＬデータ編集装置３０がＮＣプログラム作成装置４０と一体に構成され、ＣＬデータ編集装置３０によって生成された第２のＣＬデータに基づいてＮＣプログラムが作成されるように構成してもよい。

一態様として、各機能ブロックを以下のように構成することができる。
ＣＬデータ編集部３１に備えた評価用ＣＬデータ生成処理部３４が、上述と同様に第１のＣＬデータから評価用ＣＬデータを生成するとともに、ＮＣプログラム作成装置４０を介して生成された評価用ＣＬデータに対応するＮＣプログラムを取得する。

評価用ＣＬデータ入出力処理部３５が、当該ＮＣプログラムをびびり振動評価部３７に出力するとともに、びびり振動評価部３７から評価データを取得する。

ＣＬデータ更新処理部３６が、びびり振動が発生しないと評価されたＮＣプログラムを第２のＣＬデータに基づくＮＣプログラムとしてＮＣ装置５０に出力する。この例では、びびり振動を検出する検出手段として機能するびびり振動評価部３７は、ＮＣプログラムに基づいてびびり振動の発生の有無などの評価を行なうように構成されている。

この場合、ＣＡＭ装置２０からＣＬデータ編集装置３０に入力されるＣＬデータは上述した第１のＣＬデータではなく、単一の工具移動パス情報を含むＣＬデータであってもよい。

ＣＬデータ編集部３１に備えた評価用ＣＬデータ生成処理部３４が、ＣＡＭ装置２０から入力された単一のＣＬデータに基づいて上述した複数の第１工具移動パスに分けられた工具移動パス情報を含む第１のＣＬデータ及び上述した評価用ＣＬデータを生成するとともに、ＮＣプログラム作成装置４０を介して当該評価用ＣＬデータに対応するＮＣプログラムを取得するように構成してもよい。そして、びびり振動評価部３７から取得した評価データに基づいて、ＮＣプログラムを更新生成するように構成してもよい。

即ち、ＣＬデータ編集装置３０が組み込まれたＮＣプログラム作成装置４０は、ワークに対する工具の位置情報と、工具のワークに対する加工幅または加工深さに対応する工具移動パスを複数の第１工具移動パスに分けられた工具移動パス情報と、を含む第１のＣＬデータに基づくプログラムを実行することで、びびり振動を検出する検出手段と、検出手段で検出されたびびり振動のデータに基づいて、複数の第１工具移動パスをもとに、１つの第２工具移動パスを生成し、第２工具移動パスを含む第２のＣＬデータに基づくプログラムを生成する生成手段と、して機能するプログラムがインストールされたコンピュータで構成されている。

図１３には、上述したＣＬデータ編集装置３０、ＮＣプログラム作成装置４０及びＮＣ装置５０が組み込まれた複合加工機でなる工作機械２００が示されている。

工作機械２００はベッドに設置されたコラムに沿って上下及び左右方向に移動可能な工具主軸２１０と、ワークを保持する第１主軸２２０と、第１主軸２２０に対向配置され、左右方向に移動可能な第２主軸２３０と、第１主軸２２０と第２主軸２３０との間で第１主軸２２０に対向するように配置され、上下及び左右方向に移動可能な第２刃物台２４０と、それらによる作業空間を被覆するカバー体２５０を備えている。

カバー体２５０の外側に操作盤２６０が設置され、操作盤２６０にＣＬデータ編集装置３０、ＮＣプログラム作成装置４０、ＮＣ装置５０などが通信可能に接続されている。ＣＬデータ編集装置３０、ＮＣプログラム作成装置４０、ＮＣ装置５０はＣＰＵボード、メモリボード、入出力デバイスなどが搭載されたＩＯボードなどで構成され、カバー体２５０の近傍に配置されている。

ＮＣ装置５０は、ＮＣプログラム作成装置４０によって生成されたＮＣプログラムに基づいて工具主軸２１０、第１主軸２２０、第２主軸２３０、第２刃物台２４０に備えたサーボ駆動部を制御することにより、ワークを所望の形状に加工する。

ＣＡＭ装置２０からオンラインまたはオフラインで第１のＣＬデータがＣＬデータ編集装置３０に入力されると、オペレータによって操作盤２６０が操作されて、ＣＬデータ編集装置３０が起動されて、ビビリ振動が発生しない最大効率を示す第２のＣＬデータが生成され、その結果が操作盤２６０の表示パネルに表示される。さらに、第２のＣＬデータに基づいてビビリ振動評価部３７で実行されるシミュレーションに対応する動画、つまり、図５の上段に示したシミュレーション動画が表示パネルに表示される。

オペレータは、表示パネルの表示に基づいてＮＣプログラム作成装置４０を起動して第２のＣＬデータに基づくＮＣプログラムを生成させ、生成したＮＣプログラムをＮＣ装置５０に移植し、工作機械２００を起動する。

つまり、ＣＡＭ装置２０で生成された第１のＣＬデータに基づいて、加工効率の良い第２のＣＬデータを生成し、第２のＣＬデータに基づいてＮＣプログラムを生成し、ＮＣ装置５０に移植する一連の処理が、オペレータによる操作盤２６０の操作を介して集中的に実行される。従って、ＣＬデータ編集装置３０に備えたビビリ振動評価部３７の評価結果に基づいて再度ＣＡＭ装置２０でＣＬデータを生成するような煩雑で時間を要する処理が不要になる。

ＣＬデータ編集装置３０によるビビリ振動の評価を実行する機能ブロックを工作機械に組み込み、実際の加工時のびびり振動を評価することで、ＣＡＭ装置２０で生成された第１のＣＬデータから第２のＣＬデータを生成するように構成してもよい。また、実際の加工時のびびり振動の評価に代えて上述したようなシミュレータを備えていてもよい。

そして、第２のＣＬデータに基づいて最終のＮＣプログラムを生成し、当該最終のＮＣプログラムを実行することにより、ワークを最終形状に加工する工作機械２００を実現してもよい。

即ち、当該工作機械は、工具２を支持する工具主軸２１０と、ＮＣプログラムによって、工具２の移動を制御しワークの加工を制御する制御部、つまりＮＣ装置５０と、ワークに対する工具の位置情報と、工具２のワークに対する加工幅または加工深さに対応する工具移動パスを複数の第１工具移動パスに分けられた工具移動パス情報と、を含む第１のＣＬデータを実行することで、びびり振動を検出し、検出されたびびり振動のデータに基づいて、複数の第１工具移動パスをもとに、１つの第２工具移動パスを生成し、第２工具移動パスを含む第２のＣＬデータを生成するＣＬデータ生成部、つまりＣＬデータ編集装置３０と、ＣＬデータ編集装置３０で生成されたＣＬデータからＮＣプログラムを作成するＮＣプログラム作成部、つまりＮＣプログラム作成装置４０と、を備え、ＮＣプログラム作成部で作成されたＮＣプログラムを実行することでワークを加工するように構成されている。そのような工作機械の一例が、図１３に例示するような工作機械として実現できる。

以上、本発明の実施の形態、実施の態様を説明したが、開示内容は構成の細部において変化してもよく、実施の形態、実施の態様における要素の組合せや順序の変化等は請求された本発明の範囲及び思想を逸脱することなく実現し得るものである。

以上に説明したように、本発明により、びびり振動を回避しながらも加工能率を高め得るＣＬデータを生成するプログラム及びＣＬデータ編集装置が実現できる。

１０：ＣＡＤ装置
２０：ＣＡＭ装置
３０：ＣＬデータ編集装置
４０：ＮＣプログラム編集装置
３１：ＣＬデータ編集部
３２：入力処理部
３３：ＣＬデータ記憶部
３４：評価用ＣＬデータ生成処理部
３５：評価用ＣＬデータ入出力処理部
３６：ＣＬデータ更新処理部
３７：びびり振動評価部
４０：ＮＣプログラム作成装置
５０：ＮＣ装置
１００：３次元加工システム
２００：工作機械

Claims

ワークに対する工具の位置情報と、前記工具の前記ワークに対する加工幅または加工深さに対応する工具移動パスを複数の第１工具移動パスに分けられた工具移動パス情報と、を含む第１のＣＬデータを実行することで、びびり振動を検出する検出手段と、
前記検出手段で検出されたびびり振動のデータに基づいて、前記複数の第１工具移動パスからびびり振動が生じない工具移動パス、またはびびり振動が最小となる工具移動パスを１つの第２工具移動パスとして生成し、前記第２工具移動パスを含む第２のＣＬデータを生成する生成手段と、
してコンピュータを機能させるためのプログラム。
前記第１のＣＬデータは前記工具の送り速度及び主軸の回転速度を含み、前記検出手段は、前記工具の送り速度及び回転速度を異ならせて第１のＣＬデータを実行する請求項１記載のプログラム。
ワークに対する工具の位置情報と、前記工具の前記ワークに対する加工幅または加工深さに対応する工具移動パスを複数の第１工具移動パスに分けられた工具移動パス情報と、を含む第１のＣＬデータに基づくプログラムを実行することで、びびり振動を検出する検出手段と、
前記検出手段で検出されたびびり振動のデータに基づいて、前記複数の第１工具移動パスからびびり振動が生じない工具移動パス、またはびびり振動が最小となる工具移動パスを１つの第２工具移動パスとして生成し、前記第２工具移動パスを含む第２のＣＬデータに基づくプログラムを生成する生成手段と、
してコンピュータを機能させるためのプログラム。
ワークに対する工具の位置情報と、前記工具の前記ワークに対する加工幅または加工深さに対応する工具移動パスを複数の第１工具移動パスに分けられた工具移動パス情報と、を含む第１のＣＬデータを実行することで、びびり振動を検出する検出手段と、
前記検出手段で検出されたびびり振動のデータに基づいて、前記複数の第１工具移動パスからびびり振動が生じない工具移動パス、またはびびり振動が最小となる工具移動パスを１つの第２工具移動パスとして生成し、前記第２工具移動パスを含む第２のＣＬデータを生成する生成手段と、
を備えたＣＬデータ編集装置。
工具を支持する工具主軸と、
ＮＣプログラムによって、工具の移動を制御しワークの加工を制御する制御部と、
ワークに対する工具の位置情報と、前記工具の前記ワークに対する加工幅または加工深さに対応する工具移動パスを複数の第１工具移動パスに分けられた工具移動パス情報と、を含む第１のＣＬデータを実行することで、びびり振動を検出し、検出されたびびり振動のデータに基づいて、前記複数の第１工具移動パスからびびり振動が生じない工具移動パス、またはびびり振動が最小となる工具移動パスを１つの第２工具移動パスとして生成し、前記第２工具移動パスを含む第２のＣＬデータを生成するＣＬデータ生成部と、
前記生成されたＣＬデータからＮＣプログラムを作成するＮＣプログラム作成部と、を備え、
前記ＮＣプログラム作成部で作成されたＮＣプログラムを実行することでワークを加工する、工作機械。