JP7061013B2

JP7061013B2 - 経路補正方法及び多軸加工機の制御装置

Info

Publication number: JP7061013B2
Application number: JP2018090224A
Authority: JP
Inventors: 明斉藤; 雅信長谷川; 孝行岩崎; 隆太佐藤; 勇西田; 喜一森下
Original assignee: IHI Corp; Kobe University NUC
Current assignee: IHI Corp; Kobe University NUC
Priority date: 2018-05-08
Filing date: 2018-05-08
Publication date: 2022-04-27
Anticipated expiration: 2038-05-08
Also published as: JP2019197333A

Description

本発明は、経路補正方法及び多軸加工機の制御装置に関するものである。

例えば、特許文献１には、ＮＣデータの各ブロックの指令位置（指令座標）に対応する実際の加工位置（予測経路）を求め、指令位置と加工位置との差を補正量としてＮＣデータを修正する補正方法が開示されている。この特許文献１の補正方法においては、加工位置と指令位置との誤差に基づいて、補正量を算出している。

特開２０１２－２５４５１７号公報

ところで、多軸加工機に設けられたモータの特性によって、例えば曲率の大きい形状となるように加工を行う場合に、モータが指示された出力に追従しきれず、指令位置と加工位置との間に誤差が発生する場合がある。このような場合に、特許文献１に記載された手法により補正を実施しても、特に複雑な三次元形状において、例えば曲率の大きな曲線状の加工を行う場合等に、実際の加工経路が、指令された経路から大きく外れ、正しく補正されない場合がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、三次元形状を形成する場合において、より正確に多軸加工機の加工経路を補正することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための経路補正方法に係る第１の手段として、被加工物と接触する領域が曲面に設定されると共に長尺状の工具を複数の基準軸を基準として移動させることにより、前記被加工物を三次元形状に加工する経路補正方法であって、前記工具の先端よりも内側に設けられる基準点について、予め算出される指令座標上における三次元加工面の法線ベクトルと、前記基準点が実際に位置すると予測される予測座標とに基づいて、前記工具の位置を補正する、という構成を採用する。

経路補正方法に係る第２の手段として、上記第１の手段において、上記工具は、エンドミルとされ、上記基準点は、上記工具の工具中心である、という構成を採用する。

経路補正方法に係る第３の手段として、上記第１または第２の手段において、上記予測経路は、予め上記工具の運動軌跡を測定することにより算出される、という構成を採用する。

経路補正方法に係る第４の手段として、上記第１または第２の手段において、上記予測経路は、予め上記工具の運動軌跡をシミュレーションすることにより算出される、という構成を採用する。

経路補正方法に係る第５の手段として、上記第１～３のいずれかの手段において、前記測定点のうち、前記指令座標上において算出される三次元加工面の法線ベクトルとの距離が最短となる予測座標である最短予測座標を検索する検索工程と、前記最短予測座標と前記法線ベクトルとの前記法線ベクトル方向における誤差量を算出する補正値算出工程と、前記誤差量に基づいて補正する補正工程とを備える、という構成を採用する。

多軸加工機の制御装置に係る第１の手段として、被加工物と接触する領域が曲面に設定されると共に長尺状の工具を複数の基準軸を基準として移動させることにより、前記被加工物を加工する多軸加工機の制御装置であって、前記工具の先端よりも内側に設けられる基準点について、予め算出される指令座標上における三次元加工面の法線ベクトルと、前記基準点が実際に位置すると予測される予測座標とに基づいて、前記工具の位置を補正する補正手段を備える、という構成を採用する。

本発明によれば、指令座標上における法線ベクトルと予測座標とに基づいて補正経路を算出している。これにより、被加工物を複雑な三次元形状に加工する場合においても、多軸加工機の運動特性に起因する誤差量を適切に計算することが可能であり、より正確に目標経路を補正することができる。

本発明の一実施形態における多軸加工機の模式図であり、（ａ）が全体図であり、（ｂ）が工具の拡大図である。本発明の一実施形態における制御装置の動作を示すフローチャートである。本発明の一実施形態における多軸加工機の工具指令座標の補正を示す模式図である。本発明の一実施形態における制御装置による補正の結果を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明における多軸加工機の制御装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

まず、本実施形態において制御装置１により制御される多軸加工機１００について説明する。なお、以下の説明においては、設置面に対して平行な一方向をＸ軸方向とし、設置面に対して平行かつＸ軸方向に垂直な方向をＹ軸方向とし、設置面に対して垂直な方向をＺ軸方向としている。また、Ｙ軸を中心として回転する方向をＢ軸方向、Ｚ軸を中心として回転する方向をＣ軸方向としている。

多軸加工機１００は、図１（ａ）に示すように、コラム１１０と、Ｙ軸ベース部１２０と、Ｚ軸ベース部１３０と、ヘッド部１４０と、テーブル部１５０と、旋回機構１６０とを備えている。

コラム１１０は、上部にＹ軸ベース部１２０が設置された直方体状の部材であり、下部にＹ軸方向に突出したレール載置領域を有している。このレール載置領域の上面には、Ｘ軸方向に沿って２本のＸ軸方向レール１１１が形成されている。Ｘ軸方向レール１１１上には、テーブル部１５０が設置されている。Ｘ軸方向レール１１１に沿ってテーブル部１５０が移動されることにより、テーブル部１５０がＸ軸方向に移動可能とされている。Ｙ軸ベース部１２０は、Ｚ軸に垂直な平板状であり、上面にＹ軸方向に沿って２本のＹ軸方向レール１２１が形成されている。Ｙ軸方向レール１２１上には、Ｚ軸ベース部１３０が設置されている。Ｙ軸方向レール１２１に沿ってＺ軸ベース部１３０が移動されることにより、Ｚ軸ベース部１３０がＹ軸方向に移動可能とされている。

Ｚ軸ベース部１３０は、Ｙ軸方向に沿って移動可能であると共に、Ｚ軸に沿う方向の平面に、Ｚ軸方向に沿って２本のＺ軸方向レール１３１が設けられている。また、Ｚ軸方向レール１３１上には、ヘッド部１４０が設置されている。Ｚ軸方向レール１３１に沿ってヘッド部１４０が移動されることにより、ヘッド部１４０がＸ軸方向に移動可能とされている。ヘッド部１４０は、Ｚ軸方向に移動可能とされ、Ｙ軸方向及びＺ軸方向下側に突出した刃物台１４１と、工具１４２を有している。

刃物台１４１は、下面に多軸加工機１００が備える工具１４２が取り付けられており、工具１４２を回転可能に保持している。工具１４２は、図１（ｂ）に示すように、回転軸Ｏ方向に長い長尺状であり、回転軸ＯがＺ軸に沿うように刃物台１４１に設置されている。工具１４２は、被加工物と接触する先端部が球面状のボールエンドミルとされ、先端部の球面状の領域における中心点が工具中心点Ｐ１（基準点）とされている。また、工具１４２において、刃物台１４１から最も回転軸Ｏ方向に突出した点が作用点Ｐ２とされている。

テーブル部１５０は、Ｘ軸方向に沿って移動可能とされ、Ｙ軸方向に向けて設けられる底部と、Ｚ軸方向に向けて立設される側壁部とを有し、Ｙ軸方向とＺ軸方向とに向けて略Ｌ字状に屈曲された部材である。テーブル部１５０は、側壁部に旋回機構１６０が設けられている。旋回機構１６０は、パレット１６１を有し、パレット１６１をＢ軸方向及びＣ軸方向に回転可能としている。パレット１６１は、被加工物が載置され、固定される部材である。

制御装置１は、図１（ａ）に示すように、多軸加工機１００の加工時における経路算出を行う装置であり、経路算出部１ａと、経路補正部１ｂ（補正手段）とを備えている。制御装置１は、例えばコンピュータとされ、不図示の出力手段及び入力手段を備えるものとしてもよい。経路算出部１ａは、３ＤＣＡＤ（computer-aided design）等により設計された被加工物の目標形状（三次元形状）から工具１４２の工具中心点Ｐ１が辿るべき指令座標を算出する。さらに、指令座標に基づいて、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｂ、Ｃ軸における移動量を算出する。なお、以下の説明においては、工具中心点Ｐ１が辿るべき連続した複数の指令座標の集合を目標経路とする。
さらに、経路算出部１ａは、多軸加工機１００のサーボ系の特性を模擬したシミュレーションにより得られた位置および角度、または多軸加工機の各移動軸が備える位置または角度センサにより測定され記録された位置および角度から、工具中心点Ｐ１が到達すると予測される予測座標を算出する。なお、以下の説明においては、工具中心点Ｐ１が実際に辿ると予測される予測座標の連続を予測経路とする。
目標経路及び予測経路は、複数の三次元座標値の集合であり、それぞれテーブルとして制御装置１に記憶される。経路補正部１ｂは、目標経路上における目標形状の表面（三次元加工面）の法線ベクトルを算出し、法線ベクトルに基づいて補正を行う。

続いて、本実施形態における制御装置１の経路補正方法を、図２及び図３を参照して説明する。

初めに、制御装置１は、指令座標算出工程を行う（ステップＳ１）。ステップＳ１では、経路算出部１ａが、被加工物の目標形状を取得し、目標形状から、被加工物に対して工具１４２の工具中心点Ｐ１が辿るべき指令座標Ｓ、すなわち目標経路を算出する。さらに、制御装置１は、予測経路算出工程を行う（ステップＳ２）。ステップＳ２では、経路算出部１ａが、数値計算シミュレーションにより、目標経路上に沿って工具１４２を移動させた場合に、実際に工具１４２の辿る予測座標Ｙ、すなわち予測経路を算出する。

次に、制御装置１は、法線ベクトル算出工程を行う（ステップＳ３）。ステップＳ３では、経路補正部１ｂが、図３に示すように、工具中心点Ｐ１の指令座標Ｓ上において、三次元加工面の法線ベクトルを算出し、記憶する。さらに、制御装置１は、検索工程を行う（ステップＳ４）。ステップＳ４では、経路補正部１ｂが、法線ベクトルと直交する方向において法線ベクトルとの距離が最も短い最短予測座標Ｙ１を検索する。

そして、制御装置１は、補正値算出工程を行う（ステップＳ５）。ステップＳ５では、経路補正部１ｂは、法線ベクトルＶと最短予測座標Ｙ１との距離Ａを算出する。さらに、経路補正部１ｂは、最短予測座標Ｙ１と指令座標Ｓとの距離Ｌ’を算出し、距離Ａと距離Ｌ’とから、三平方の定理を用いて誤差量Ｌを算出する。そして、経路補正部１ｂは、誤差量Ｌの符号を反転させることにより、補正量－Ｌを得る。

さらに、制御装置１は、補正工程を行う（ステップＳ６）。ステップＳ６では、経路補正部１ｂは、指令座標Ｓの各値に対して補正量－Ｌを加え、補正座標を算出する。
制御装置１は、ステップＳ３～Ｓ６を全ての指令座標Ｓに対して行うことにより、全ての指令座標Ｓの補正座標を算出し、補正経路を作成する。

図４は、本実施形態に係る被加工物の目標形状と、補正を行わない場合および本発明による補正を行った場合における作用点Ｐ２（先端点）の運動軌跡を比較する表である。
被加工物の目標形状は、一方向に長く、両端が曲面状とされる。図４においては、誤差が大きくなりやすい端部の運動軌跡を破線にて示している。

図４の表において、最上段が補正を行わない場合の４軸加工時の結果を示しており、２段目が補正を行った場合の４軸加工時の結果を示しており、３段目が補正を行わない場合の５軸加工時の結果を示しており、４段目が補正を行った場合の５軸加工時の結果を示している。

図４を見ると、４軸加工時及び５軸加工時のいずれにおいても、補正を行わない場合、一方の端部が目標形状に対して大きく突出し、他方の端部が目標形状に対して大きく削られることで略平面状となっている。
一方、補正を行った場合には、目標形状に対して正確に加工可能であることがわかる。さらに、補正前と補正後とを比較しても、加工時間に相違がなく、補正を行っても加工時間に影響がないことがわかる。

制御装置１に記憶された多軸加工機１００の加工プログラムであるＣＡＭ（computer aided manufacturing)において、設定上の工具の作用点は、工具位置情報であるＣＬデータに記され、上述した作用点Ｐ２とされている。実際の加工時には、加工経路の軌跡が運動誤差を持つことにより、工具１４２と加工経路の軌跡とがなす角度が、工具姿勢が同じ場合でも変化する。したがって、作用点Ｐ２を基準点として誤差補正を行う従来手法は、目標形状と加工経路の軌跡との誤差量を正しく算出できないという課題を有していた。本実施形態に係る制御装置１においては、工具１４２の先端よりも内側に設けられる基準点（工具中心点Ｐ１）に着目しており、工具１４２と加工経路の軌跡とがなす角度が変化しても、影響を受けずに正確に誤差を算出できる。

このような本実施形態における多軸加工機１００の制御装置１によれば、工具１４２の工具中心点Ｐ１の指令座標上における法線ベクトルと予測座標とに基づいて補正経路を算出している。これにより、多軸加工機１００の運動特性に起因する誤差量Ｌを適切に計算することが可能であり、被加工物を複雑な三次元形状に加工する場合においても、より正確に目標経路を補正することができる。

また、本実施形態における制御装置１によれば、基準点が工具中心点Ｐ１とされている。工具中心点Ｐ１は、工具１４２の先端部における被加工物との当接位置が変化した場合にも、いずれの当接位置に対しても等距離となる。したがって、工具１４２の当接姿勢によって基準点を変更することなく誤差を算出し、補正を行うことができる。

また、本実施形態における多軸加工機１００は、シミュレーションにより予測経路を算出する。したがって、実際に多軸加工機１００により加工することなく、容易に予測経路を算出することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

（１）上記実施形態においては、予測座標をシミュレーションにより算出するものとしたが、本発明はこれに限定されない。予測座標は、予め多軸加工機１００を稼働させることにより測定されるものとしてもよい。この場合、制御装置１は、多軸加工機１００の実際のサーボ系の特性を取得することができるため、より正確な補正を行うことができ、実機を使った結果においても、形状誤差がほぼ無くなる。

（２）上記実施形態においては、工具１４２がボールエンドミルとしたが、本発明はこれに限定されない。工具１４２としては、ラジアスエンドミル、スクエアエンドミルやバレル工具等とすることも可能である。なお、バレル工具の場合にも、基準点がバレル工具の先端よりも内側に設けられ、被加工物との当接位置が側周面であるものとする。工具の形状（種類）は上記例示したものに特に限定されるものではなく、工具中心点Ｐ１と作用点Ｐ２等を使って予め使用する工具の運動軌跡をシミュレーション可能あれば、本発明は適用可能である。

（３）また、上記実施形態においては、制御装置１が経路算出部１ａにより、予測経路を算出するものとしたが、制御装置１が予測座標を算出せず、別個のコンピュータ等により、予測座標を算出するものとしてもよい。

（４）また、上記実施形態における制御装置１は、多軸加工機１００に備えられるものとしてもよい。

（５）また、上記実施形態においては、制御装置１は、工具中心点Ｐ１を基準点として用いるものとしたが、本発明はこれに限定されず、工具１４２において作用点Ｐ２よりも工具１４２の内側であれば、基準点の位置は限定されない。なお、工具中心点Ｐ１以外を基準点として用いる場合には、基準点と工具中心点Ｐ１との座標の差分を加算または減算することにより、工具中心点Ｐ１を基準点として用いる場合と同様に誤差を算出し、補正することができる。

（６）本発明の補正方法は、同様の手法を用いて４軸加工及び５軸加工のいずれについても実施可能である。

１制御装置
１ａ経路算出部
１ｂ経路補正部
１００多軸加工機
１１０コラム
１１１Ｘ軸方向レール
１２０Ｙ軸ベース部
１２１Ｙ軸方向レール
１３０Ｚ軸ベース部
１３１Ｚ軸方向レール
１４０ヘッド部
１４１刃物台
１４２工具
１５０テーブル部
１６０旋回機構
１６１パレット
Ｏ回転軸
Ｐ１工具中心点
Ｐ２作用点

Claims

被加工物と接触する領域が曲面に設定されると共に長尺状の工具を複数の基準軸を基準として移動させることにより、前記被加工物を三次元形状に加工する経路補正方法であって、
前記工具の先端よりも内側に設けられる基準点について、予め算出される指令座標上における三次元加工面の法線ベクトルと、前記基準点が実際に位置すると予測される予測座標とに基づいて、前記工具の位置を補正し、
前記指令座標上において算出される三次元加工面の法線ベクトルとの距離が最短となる予測座標である最短予測座標を検索する検索工程と、
前記最短予測座標と前記法線ベクトルとの前記法線ベクトルにおける誤差量を算出する補正値算出工程と、
前記誤差量に基づいて補正する補正工程と
を備えることを特徴とする経路補正方法。
前記工具は、エンドミルとされ、
前記基準点は、前記工具の工具中心であることを特徴とする請求項１記載の経路補正方法。
前記予測座標は、予め前記工具の運動軌跡を測定することにより算出されることを特徴とする請求項１または２に記載の経路補正方法。
前記予測座標は、予め前記工具の運動軌跡をシミュレーションすることにより算出されることを特徴とする請求項１または２に記載の経路補正方法。
被加工物と接触する領域が曲面に設定されると共に長尺状の工具を複数の基準軸を基準として移動させることにより、前記被加工物を加工する多軸加工機の制御装置であって、
前記工具の先端よりも内側に設けられる基準点について、予め算出される指令座標上における三次元加工面の法線ベクトルと、前記基準点が実際に位置すると予測される予測座標とに基づいて、前記工具の位置を補正し、前記指令座標上において算出される三次元加工面の法線ベクトルとの距離が最短となる予測座標である最短予測座標を検索する検索工程と、前記最短予測座標と前記法線ベクトルとの前記法線ベクトルにおける誤差量を算出する補正値算出工程と、前記誤差量に基づいて補正する補正手段を備えることを特徴とする多軸加工機の制御装置。