JP7149982B2 - ５軸制御加工機および５軸加工機の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、５軸加工機および５軸加工機の制御方法に関する。

従来、直線３軸と回転２軸を備え、当該５軸における加工具とワークの相対的な位置および姿勢を変化させることで、ワークの加工を行う５軸加工機が知られている。例えば、特許文献１には、回転軸の誤差を補正して加工を行う５軸加工機が開示されている。

特開２０１２－１６４３０６号公報

しかし、特許文献１に記載の構成では、加工具およびワークの取付時に発生しえる誤差により、回転２軸の少なくとも一方に傾きが生じていると、必ずしもすべての姿勢を実現できない場合がある。すなわち、ＮＣデータから入力される相対姿勢が現実の回転軸で再現することができず、このような場合、現実的に取り得ない姿勢であるために適切な計算結果を得ることができず、結果として回転軸の制御部でエラーを生じてしまうといった不具合が生じていた。

本発明はこのような事情を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、より安定した制御を行う５軸加工機および５軸加工機の制御方法を提供することである。

本発明によれば、工具とワークを載置する載置台を、ＮＣデータに基づいて、直線３軸および回転２軸により相対移動させる５軸制御加工機であって、前記回転２軸は、第１軸および第２軸を含み、前記５軸制御加工機は制御部を備え、前記制御部は、算出部と、判定部と、補正部とを備え、前記算出部は、前記ＮＣデータと、実際の第１軸および実際の第２軸の回転中心の向きとから、加工時における前記工具に対するワークの向きを算出し、前記判定部は、算出された前記工具に対するワークの向きが動作不可能な角度の範囲である動作不可能範囲に含まれるか否かを判定し、前記補正部は、算出された前記工具に対するワークの向きが前記動作不可能範囲に含まれる場合に、前記工具に対するワークの向きを補正する、５軸制御装置が提供される。

このような構成とすることにより、より安定した制御を行う５軸加工機を提供することができる。

好ましくは、前記補正部は、前記ＮＣデータに規定された前記ワークの加工点間における前記工具に対するワークの向きが前記動作不可能範囲に含まれる場合、前記動作不可能範囲の境界値となるように前記工具に対するワークの向きを補正する。
好ましくは、前記補正部は、前記加工点間において前記工具に対するワークの向きを移行させる軌跡が前記動作不可能範囲の中心として規定される位置を通過する場合に、一の動作不可能範囲外の加工点の姿勢と、後続の動作不可能範囲外の加工点の姿勢との間の角度を分割し、当該分割された角度をとるように前記工具に対するワークの向きを補正する。
好ましくは、前記補正部は、前記ＮＣデータに規定された加工点における前記工具に対するワークの向きが前記動作不可能範囲に含まれる場合、後続のＮＣデータに規定された加工点における前記工具に対するワークの向きが前記動作不可能範囲外に出るまで、後続の算出処理を行わない。
好ましくは、前記補正部は、後続のＮＣデータに規定された加工点における前記工具に対するワークの向きが前記動作不可能範囲外に出た場合、前記動作不可能範囲の外側で指定される姿勢と、前記動作不可能範囲外の加工点の姿勢との間の角度を分割し、当該分割された角度をとるように前記工具に対するワークの向きを補正する。
好ましくは、前記算出部は、前記工具に対するワークの向きを算出する際に、当該向きを表す角度によって構成される３次元球と、実際の第１軸としてのＣ軸に垂直な平面とを算出し、前記３次元球と前記平面とが交差して規定される境界であって、前記３次元球面上の領域内によって表される角度を、前記動作不可能範囲として算出する。

本願発明の他の態様によると、工具とワークを載置する載置台を、ＮＣデータに基づいて、直線３軸および回転２軸により相対移動させる５軸制御加工機の制御方法であって、前記回転２軸は、第１軸および第２軸を含み、前記制御方法は、算出ステップと、判定ステップと、補正ステップとを備え、前記算出ステップでは、前記ＮＣデータと、実際の第１軸および実際の第２軸の回転中心の向きとから、加工時における前記工具に対するワークの向きを算出し、前記判定ステップでは、算出された前記工具に対するワークの向きが動作不可能な角度の範囲である動作不可能範囲に含まれるか否かを判定し、前記補正ステップでは、算出された前記工具に対するワークの向きが前記動作不可能範囲に含まれる場合に、前記工具に対するワークの向きを補正する、制御方法が提供される。

本発明の実施形態に係る５軸制御加工機１００の概略斜視図である。 情報処理装置１０の機能構成図である。 図３Ａは回転テーブル７に測定バー３１を取り付けた図である。図３Ｂは測定バー３１にエクステンションバー３２を取り付けた図である。 図４Ａは姿勢ベクトルＫと回転軸周りの回転について説明する図である。図４Ｂは中間姿勢を示す姿勢ベクトルＫ_ｎを説明する図である。図４Ｃは中間姿勢を示す姿勢ベクトルＫｎの算出方法を説明する図である。 図５Ａは任意のベクトルＮ周りのベクトルＰの回転を説明する図である。図５ＢはＡ軸およびＣ軸周りの回転を説明する図である。 図６Ａは動作不可能範囲Ｕを示す図である。図６Ｂは動作不可能範囲Ｕ上の境界Ｕｓを説明する図である。図６Ｃは動作不可能範囲Ｕに含まれるか否かの判定方法を説明する図である。 図７Ａは加工点補正処理を説明する図である。図７Ｂは加工点補正処理における分割処理を説明する図である。 図８Ａは中間姿勢補正処理を説明する図である。図８Ｂは中間姿勢補正処理におけるオフセット補正を説明する図である。 図９Ａは中間姿勢補正処理の一例を示す図である。図９Ｂは中心回避補正を説明する図である。 図１０Ａは近傍点の算出方法を説明する図である。図１０Ｂは近傍点の算出における平面Ｐでの座標計算について説明する図である。 ５軸制御加工機１００における加工処理の手順を説明する図である。 図１１のステップＳ１３０である加工姿勢算出処理の手順を説明する図である。 図１２のステップＳ２００である加工点補正処理の手順を説明する図である。 図１２のステップＳ３００である中間姿勢補正処理の手順を説明する図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能であり、それぞれが独立して発明を構成する。また、図１Ａに示した座標に基づいてＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向を定義して説明する。

＜１．実施形態＞
（１．１．５軸制御加工機１００）

図１を参照して、５軸制御加工機１００の構成を説明する。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、５軸制御加工機１００は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直線軸３軸と、Ａ軸（特許請求の範囲における「第１軸」に相当）、Ｃ軸（特許請求の範囲における「第２軸」に相当）の回転軸２軸の５軸制御を行う加工機であり、加工機本体１と、加工ヘッド２と、Ｙ軸移動テーブル３と、情報処理装置１０を備える。

加工ヘッド２は、加工機本体１に対して、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に移動可能に構成されている。加工ヘッド２には工具５を取り付けるための取付部４が設けられており、取付部４が回転することにより、工具５を回転させて切削加工を行うことができる。

Ｙ軸移動テーブル３は、加工機本体１に対して、Ｙ軸方向に移動可能に構成されている。Ｙ軸移動テーブル３上には、チルトテーブル６が載置されている。チルトテーブル６の上には回転テーブル７がさらに載置されている（チルトテーブル６および回転テーブル７を含む概念が、特許請求の範囲における「載置台」に相当）。作業者は、回転テーブル７上にワーク８を載置することで、工具５によってワーク８を加工することができる。

チルトテーブル６は、回転軸としてのＡ軸周りに回転可能に構成されており、Ａ軸とＸ軸とが平行となるようにＹ軸移動テーブル上に載置される。回転テーブル７は、回転軸としてのＣ軸周りに回転可能に構成されており、Ａ軸の回転角度が０°の場合に、Ｃ軸とＺ軸とが平行となるようにチルトテーブル６上に載置される。チルトテーブル６及び回転テーブル７をＡ軸およびＣ軸回りに任意の角度に回転させることで、回転テーブル７上に載置されたワーク８の工具に対する姿勢を変更して加工することができる。

このように、チルトテーブル６のＡ軸はＸ軸と平行に、回転テーブル７のＣ軸はＺ軸と平行に設置されていることが望ましいが、実際には各テーブルの加工誤差や取付誤差により、Ａ軸およびＣ軸がそれぞれＸ軸およびＺ軸に対して傾いた状態で取り付けられることとなる。そこで、本実施形態では、実際のＡ軸およびＣ軸の回転中心の向き（以下、単にＡ軸およびＣ軸の向きともいう。）を測定して、加工処理に用いている。回転軸の回転中心の向きの測定方法については、詳細は後述する。

情報処理装置１０は、加工対象物についてのＮＣデータの解析を行い、加工機本体１に対する移動指示を出力する。以下、情報処理装置１０の機能構成について詳細に説明する。

（１．２．情報処理装置１０の機能構成）
図２を参照して、情報処理装置１０の機能構成を説明する。図２に示すように、情報処理装置１０は、制御部２０と、記憶部２６を備える。制御部２０は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、マイクロプロセッサ、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等で構成され、情報処理装置１０の全体の動作を制御する。

記憶部２６は、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成されており、制御部２０による各種プログラムに基づく処理の実行時のワークエリア等として用いられる。また、記憶部２６は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の不揮発性メモリ、又はＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）を備えており、制御部２０の処理に利用されるデータ及びプログラム等を記憶する。

制御部２０は、算出部４１と、判定部４２と、補正部４３を備える。算出部４１は、ＮＣデータ取得部２１と、加工位置算出部２２と、加工姿勢算出部２３と、回転角度算出部２４と、分配器２５を備える。

ＮＣデータ取得部２１は、記憶部２６に記憶されている加工対象物についてのＮＣデータを取得する。加工位置算出部２２は、取得したＮＣデータに基づいて、ワーク８の加工点ごとにおける加工位置と直線軸方向の移動量を算出する。

加工姿勢算出部２３は、取得したＮＣデータに基づいて、ワーク８の加工点ごとにおける加工時の工具５に対するワーク８の姿勢を算出する。ここで、ＮＣデータは、Ａ軸およびＣ軸は、Ｘ軸およびＺ軸と平行であるものとして生成されている。加工姿勢算出部２３は、さらに、ＮＣデータに規定された加工点間の工具５に対するワーク８の姿勢（以下、中間姿勢という）を算出する。中間姿勢の算出方法については、詳細を後述する。

このように、ＮＣデータにおいては、Ａ軸およびＣ軸は、Ｘ軸およびＺ軸と平行であるものとして生成されているが、実際には、チルトテーブル６および回転テーブル７の取付誤差等により、Ａ軸およびＣ軸がそれぞれＸ軸およびＺ軸に対して傾いていることがある。そこで、回転角度算出部２４は、加工姿勢算出部２３が算出した加工時におけるワーク８の姿勢を実現するために、実際の５軸制御加工機１００におけるＡ軸の回転角度θおよびＣ軸の回転角度Φを算出する。回転角度θおよびΦの算出方法については、詳細を後述する。

分配器２５は、加工位置算出部２２および回転角度算出部２４から出力されたデータに基づき、直線３軸および回転２軸に対する移動指示を、加工機本体１の駆動制御部２８へ分配して出力する。駆動制御部２８は、駆動部２９を制御することにより、Ｙ軸移動テーブル３、加工ヘッド２、チルトテーブル６および回転テーブル７を駆動させ、直線３軸および回転２軸に対する移動を実現する。

判定部４２は、算出部４１によって算出された工具に対するワークの向きが動作不可能な角度の範囲である動作不可能範囲に含まれるか否かを判定する。判定部４２による判定方法については、詳細を後述する。

補正部４３は、算出された工具に対するワークの向きが動作不可能範囲に含まれる場合に、工具に対するワークの向きを補正する、補正部４３による判定方法については、詳細を後述する。

（１．３．回転軸の回転中心の向きの測定方法）
図３を参照して、回転軸の回転中心の向きの測定方法を説明する。回転軸の向きの測定方法はすでに様々な方法が知られているが、一例として、Ｃ軸の向きの測定方法を説明する。

図３Ａに示すように、回転テーブル７上に棒状物の測定バー３１を垂直方向に起立させ、測定バー３１上部に設けられた基準球３１ａの中心の位置Ｄ１を測定する。その後、回転テーブル７を１８０°回転させ、再度基準球３１ａの中心の位置Ｄ２を測定する。

次に、測定バー３１上にエクステンションバー３２を取り付け、エクステンションバー３２上部に設けられた基準球３２ａの中心の位置Ｅ１を測定する。その後、回転テーブル７を１８０°回転し、再度基準球３２ａの中心の位置Ｅ２を測定する。

このようにして、位置Ｄ１，Ｅ１によって求まるベクトルＦ１と、位置Ｄ２，Ｅ２によって求まるベクトルＦ２との中間に、Ｃ軸の回転中心の向きを指定する軸ベクトルＮｃが規定される。すなわち、回転テーブル７上に垂直方向に起立させた棒状物の第１点および第２点の位置、および、回転テーブルをＣ軸周りに１８０度回転させた第１点および第２点の位置から、軸ベクトルＮｃを求めることができる。軸ベクトルＮｃの算出は、加工時に毎回行う必要はなく、回転テーブル７の設置時および５軸制御加工機１００のメンテナンス毎に軸ベクトルＮｃを算出し、当該算出されたデータを記憶部２６に格納しておけばよい。

（１．４．算出部４１の処理内容）
（１．４．１．中間姿勢の算出方法）
図４を参照して、中間姿勢の算出方法を説明する。上述したように、中間姿勢とは、ＮＣデータに規定された加工点間における工具５に対するワーク８の姿勢（すなわち、向き）である。なお、本実施形態では、工具５に対するワーク８の姿勢は大きさを１とする姿勢ベクトルＫとして表される。図４Ａに示すように、回転２軸における回転角度αおよびβは、ベクトルによって一意に規定できるためである。

図４Ｂに示す例では、ある加工点における工具５に対するワーク８の姿勢を示す姿勢ベクトルＫ１と、次の加工点における工具５に対するワーク８の姿勢を示す姿勢ベクトルＫ２が示されている。この場合、姿勢ベクトルＫ１と姿勢ベクトルＫ２との間の姿勢ベクトルＫ_ｎが中間姿勢となる。

加工姿勢算出部２３は、まず、姿勢ベクトルＫ１と姿勢ベクトルＫ２とで規定される３次元球の球面Ｓにおける大円距離Ｌを想定する。球面Ｓ上の点は、工具５に対するワーク８の向く角度を指定する。大円距離Ｌとは、球面Ｓ上の２点間の最短となる長さのことである。加工姿勢算出部２３は、さらに、大円距離Ｌを所定数に分割し、当該分割により決定される分割点ごとに工具５に対するワーク８の姿勢を指定する姿勢ベクトルＫ_ｎを算出する。ここで、ｎは分割点の位置を表すインデックス（０≦ｎ＜Ｎ）であり、Ｎは大円距離Ｌの分割数を表す。

具体的には、図４Ｃに示すように、姿勢ベクトルＫ１から姿勢ベクトルＫ２への回転角度をγとした場合、姿勢ベクトルＫ_ｎは以下の式（１）で求められる。

ここでｔは０＜ｔ＜１の値をとるパラメータであり、大円距離Ｌの分割数Ｎに応じて設定する。例えば、大円距離Ｌを５分割する場合には、ｔ＝０．２、０．４、０．６、０．８で指定されるそれぞれの分割点について、姿勢ベクトルＫ_ｎを求める。このようにして、加工姿勢算出部２３は、ＮＣデータに規定された加工点間における中間姿勢を算出する。

（１．４．２．回転角度θおよびΦの算出について）
（１．４．２．１．回転角度の算出方法）
図５を参照して、Ａ軸周りの回転角度θおよびＣ軸周りの回転角度Φの算出方法を説明する。まず、回転角度算出部２４は、記憶部２６に記憶されている実際のＡ軸の向きを指定する軸ベクトルＮａ、および実際のＣ軸の向きを指定する軸ベクトルＮｃを取得する。

回転角度算出部２４は、加工姿勢算出部２３が算出した加工点および中間姿勢における姿勢ベクトルＫについて、１の姿勢を指定する姿勢ベクトルＫから次の姿勢を指定する姿勢ベクトルＫ′に移動する際における実際のＡ軸およびＣ軸の回転角度を算出する。ここで、回転角度算出部２４は、式（２）および式（３）で表されるロドリゲスの回転公式を用いる。

ここで、回転行列Ｒｎは、図５Ａに示すように、任意のベクトルＰをベクトルＮの周りに角度ω回転させたベクトルＰ′に変換する行列である。この回転公式を用いて、回転角度算出部２４は、式（４）で表される方程式および式（５）～（８）で表される関係式を生成する。

ここでＲａ（θ）はＡ軸の周りに回転角度θだけ回転させる回転行列であり、Ｒｃ（Φ）はＣ軸の周りに回転角度Φだけ回転させる回転行列であり、ｎ_ａ１，ｎ_ａ２およびｎ_ａ３はベクトルＮａの成分であり、ｎ_ｃ１，ｎ_ｃ２およびｎ_ｃ３はベクトルＮｃの成分である。

式（４）の意味するところは、図５Ｂに示すように、「姿勢ベクトルＫをＣ軸回りに回転行列Ｒｃにより角度Φ回転させ、Ａ軸回りに回転行列Ｒａによりθ回転させると、次の姿勢ベクトルＫ′になる」ということである。ここで、図５Ｂにおいて、姿勢ベクトルＫをＣ軸回りに角度Φ回転させたベクトルをＫΦで表している。

回転角度算出部２４は、式（４）で表される方程式をθおよびΦについて解くことにより、加工姿勢算出部２３が算出した加工点における姿勢ベクトルＫから次の姿勢を指定する姿勢ベクトルＫ′に姿勢を移動する際におけるＡ軸の回転角度θおよびＣ軸の回転角度Φを算出する。

（１．４．２．２．回転角度の算出手順）
以下、加工姿勢算出部２３が算出した姿勢ベクトルＫおよび中間姿勢ベクトルＫｎについての回転角度θおよびΦの計算手順を説明する。

以下の説明では、加工点の姿勢ベクトルＫと中間姿勢ベクトルＫｎとをまとめて姿勢ベクトルＫ_ｍ,ｎとも表す。この表記では、ｍは加工点の位置を表すインデックス（０≦ｍ≦Ｍ）であり、Ｍは加工点の数を表す。また、ｎは分割点の位置を表すインデックス（０≦ｎ＜Ｎ）であり、Ｎは分割数を表す。すなわち、姿勢ベクトルＫ_ｍ,ｎの表記においては、ｎ＝０の場合が加工点の姿勢ベクトルＫに対応し、ｎ≠０の場合が中間姿勢ベクトルＫｎに対応する。

一例として、Ｋ_０,０は、工具の初期姿勢を示す初期姿勢ベクトルであり、本実施形態では、Ｋ_０,０＝（０，０，１）となるように設定されている。Ｋ_ｍ,０は、ｍ番目の加工点での姿勢を示す姿勢ベクトルである。Ｋ_ｍ,ｎは、ｍ番目の加工点とｍ＋１番目の加工点の間のｎ番目の中間姿勢ベクトルである。Ｋ_Ｍ,０は、最後の加工点における姿勢を示す姿勢ベクトルである。

まず、初期姿勢ベクトルＫ_０,０から１番目の加工点の姿勢ベクトルＫ_１,０の間をＮ分割し、分割後の中間姿勢ベクトルをそれぞれＫ_０,１，Ｋ_０,２，Ｋ_０,３，・・・，Ｋ_０,ｎ，・・・・，Ｋ_{０,Ｎ－１}とすると、中間姿勢ベクトルＫ_０,ｎは以下の式（９）で算出される。ここで、等分割である場合には、ｔ_ｎ＝ｎ／Ｎとなる。

次に、中間姿勢ごとにＡ軸周りの回転角度θ_ｍ,ｎ、およびＣ軸周りの回転角度Φ_ｍ,ｎを求める。ここで、回転角度θ_ｍ,ｎは、ｍ番目の加工点とｍ＋１番目の加工点の間の、ｎ番目の中間姿勢ベクトルからｎ＋１番目の中間姿勢ベクトルに移動させるためのＡ軸周りの回転角度である。同様に、回転角度Φ_ｍ,ｎは、ｍ番目の加工点とｍ＋１番目の加工点の間の、ｎ番目の中間姿勢ベクトルからｎ＋１番目の中間姿勢ベクトルに移動させるためのＣ軸周りの回転角度である。回転角度θ_０,ｎおよびΦ_０,ｎは、以下の式（１０）を満たす。

このようにして、初期姿勢ベクトルＫ_０,０から、Ｋ_０,１，Ｋ_０,２，...，Ｋ_{０,Ｎ－１}，Ｋ_１,０，Ｋ_１,１，...,Ｋ_Ｍ,０の順に、Ａ軸周りの回転角度θ_ｍ,ｎ、およびＣ軸周りの回転角度Φ_ｍ,ｎを算出する。

式（９）および式（１０）を一般化すると以下の式（１１）および式（１２）となる。

（１．５．判定部４２の処理内容）
図６Ａ～図６Ｃを参照し、判定部４２の処理内容を説明する。上述のように、チルトテーブル６および回転テーブル７の取り付け時の誤差等により、Ｃ軸がＺ軸に対して傾いていると、図６Ａに示すように、球面Ｓ上におけるＣ軸回りに動作不可能範囲Ｕが形成される。

動作不可能範囲Ｕは、工具に対するワークの向きとして、チルトテーブル６および回転テーブル７をどのように回転させても取り得ない向きを意味する。このような動作不可能範囲Ｕ内で指定される姿勢に基づいて、上述した回転角度の算出処理を行うと、回転角度が算出できずにエラーとなり、回転制御が不安定となる。

そこで、判定部４２は、ＮＣデータから取得した加工点における姿勢ベクトルＫ、および、姿勢ベクトルＫから算出される中間姿勢ベクトルＫｎによって指定される姿勢が、動作不可能範囲Ｕに含まれるか否かを判定する。以下、判定方法を説明する。

図６Ｂに示すように、Ｚ軸が球面Ｓと交わる点を交点Ａとする。交点Ａの位置は（０，０，１）となる。また、交点ＡをＣ軸回りに１８０度回転させた点を点Ｂとする。このとき、動作不可能範囲Ｕの境界Ｕｓは、線分ＡＢを直径とする円（すなわち、線分ＡＢの中心であって、Ｃ軸上の点Ｇｓを中心とする円）として表される。このとき、動作不可能範囲Ｕは、境界Ｕｓによって囲まれる球面Ｓ上の領域となる。

次に、図６Ｃに示すように、線分ＡＢを直径とする三次元球Ｔを想定する。ここで、球Ｔの半径（すなわち、線分ＡＧｓの長さ）をｒ、中心である点Ｇｓの位置を（ａ，ｂ，ｃ）とすると、三次元球Ｔは以下の式（１３）で表される。

判定部４２は、姿勢ベクトルＫおよび中間姿勢ベクトルＫｎにおけるｘ座標、ｙ座標、ｚ座標を式（１３）に代入し、算出された値がｒ^２より小さい場合、当該姿勢は動作不可能範囲Ｕに含まれていると判定する。

（１．６．補正部４３の処理内容）
（１．６．１．加工点補正）
図７Ａおよび図７Ｂを参照し、補正部４３が行う加工点補正処理の内容を説明する。加工点補正処理は、ＮＣデータに規定されている加工点における姿勢ベクトルＫが動作不可能範囲Ｕに含まれる場合における補正処理である。

図７Ａには、一例として、姿勢ベクトルＫ_1,0から姿勢ベクトルＫ_2,0までの姿勢の軌跡が示されている。この例では、本来の処理としては、加工姿勢算出部２３は、姿勢ベクトルＫ_1,0から姿勢ベクトルＫ_2,0までを分割数Ｎ（この例では３）で分割し、分割点として中間姿勢ベクトルＫ_1,１および姿勢ベクトルＫ_1,２を算出する。

しかし、図７Ａに示すように、ＮＣデータに規定されている加工点における姿勢ベクトルＫ _２,０ が動作不可能範囲Ｕに含まれているため、当該姿勢に対応する角度を算出することができない。そこで、判定部４２によって加工点における姿勢ベクトルＫ _２,０ が動作不可能範囲Ｕに含まれていると判断した場合に、補正部４３による加工点補正処理が行われる。

具体的には、図７Ｂに示すように、姿勢ベクトルＫ_1,0から姿勢ベクトルＫ_2,0まで姿勢が移行する中で、最初に動作不可能範囲Ｕに含まれる中間姿勢ベクトルＫ_1,2について、動作不可能範囲Ｕの境界Ｕｓ上の最近傍点（以下、単に最近傍点ともいう）を算出し、中間姿勢ベクトルＫ_1,2を当該最近傍点へオフセット（位置ずれ）させる。最近傍点の算出方法は後述する。そして、オフセットされた中間姿勢ベクトルＫ_1,2まで姿勢が移行した時点で、補正部４３は後続のＮＣデータを待ち、後続の回転角度の算出処理を行わない。

その後、後続のＮＣデータに規定された姿勢ベクトルＫ_3,0が動作不可能範囲Ｕから出たタイミングで、補正部４３は、待機していた中間姿勢ベクトルＫ_1,２から動作不可能範囲Ｕの外の動作姿勢ベクトルＫ_3,0までの間の角度を、分割数Ｎ（この例では３）で分割し、中間姿勢ベクトルＫ_2,１および中間姿勢ベクトルＫ_2,2を算出する。このような加工点補正処理を行うことにより、ＮＣデータに規定されている加工点における姿勢ベクトルＫが動作不可能範囲Ｕに含まれる場合に、動作不可能範囲Ｕに含まれない姿勢に補正して後続の回転角度の算出処理を行うことが可能となる。

（１．６．２．オフセット補正）
図８Ａおよび図８Ｂを参照し、補正部４３が行うオフセット補正処理の内容を説明する。オフセット補正処理は、加工姿勢算出部２３によって算出された中間姿勢ベクトルＫｎが動作不可能範囲Ｕに含まれる場合における補正処理である。

図８Ａに示す例では、ＮＣデータに規定されている加工点における姿勢ベクトルＫ_1,0および姿勢ベクトルＫ_2,0は、動作不可能範囲Ｕには含まれていない。しかし、加工姿勢算出部２３によって算出された中間姿勢ベクトルＫ_1,１およびＫ_1,2が動作不可能範囲Ｕに含まれている。

この場合、補正部４３は、オフセット補正処理を行う。具体的には、図８Ｂに示すように、動作不可能範囲Ｕに含まれる中間姿勢ベクトルＫ_1,１およびＫ_1,2に対して、動作不可能範囲Ｕの境界Ｕｓ上の最近傍点を算出し、中間姿勢ベクトルＫ_1,１およびＫ_1,2をオフセットさせる。このようなオフセット補正処理を行うことにより、加工姿勢算出部２３によって算出された中間姿勢ベクトルＫが動作不可能範囲Ｕに含まれる場合に、動作不可能範囲Ｕに含まれない姿勢に補正して後続の回転角度の算出処理を行うことが可能となる。

（１．６．３．中心回避補正）
図９Ａおよび図９Ｂを参照し、オフセット補正処理における中心回避補正処理の内容を説明する。中心回避補正処理は、オフセット補正処理を行う場合であって、中間姿勢を移行する軌跡が動作不可能範囲の中心点を通る場合における処理である。

図９Ａに示す例では、ＮＣデータに規定されている加工点における姿勢ベクトルＫ_1,0から姿勢ベクトルＫ_2,0へ姿勢が移行する場合において、中間姿勢ベクトルＫ_1,１～Ｋ_1,4の軌跡が動作不可能範囲Ｕの中心点Ｇを通過している。中心点ＧはＣ軸上の点であるため、このような軌跡で工具に対するワークの姿勢を移行しようとすると、Ｃ軸回りの回転制御が不安定となってしまう。そこで、中間姿勢Ｋｎの軌跡が動作不可能範囲Ｕの中心点を通る場合には、補正部４３による中心回避補正処理が行われる。

具体的には、図９Ｂに示すように、姿勢ベクトルＫ_1,0から姿勢ベクトルＫ_2,0へ分割数Ｎ（この例では５）で分割して、動作不可能範囲Ｕの外側に対応する姿勢を中間姿勢ベクトルＫ_1,１～Ｋ_1,4とする。このようにすることで、Ｃ軸回りの回転制御をより安定した形で行うことが可能となる。

中心回避補正処理を行うか否かの判断は、動作不可能範囲Ｕ内の中間姿勢ベクトルＫｎの最近傍点が変化しているか否かで行う。図９Ａに示すように、中間姿勢ベクトルＫ_1,１およびＫ_1,2の最近傍点は、姿勢ベクトルＫ_1,0から姿勢ベクトルＫ_2,0へ移行する軌跡と、境界Ｕｓとの一方の交点Ｕ１となる。また、中間姿勢ベクトルＫ_1,3およびＫ_1,4の最近傍点は、当該軌跡と境界Ｕｓとの他方での交点Ｕ２となる。

このようにして、補正部４３は、オフセット補正を行う際に算出された最近傍点が変化しない場合に、中間姿勢Ｋｎの軌跡が動作不可能範囲の中心点を通っていると判断して、中心回避補正処理を行う。

（１．６．４．近傍点の算出方法）
図１０Ａおよび図１０Ｂを参照し、オフセット補正処理における最近傍点の算出方法を説明する。一例として、動作不可能範囲Ｕ内の中間姿勢を表す姿勢点Ｗの最近傍点Ｗａの算出方法を示す。なお、図１０Ａは、視認性向上のため、動作不可能範囲Ｕを境界Ｕｓで規定される平面Ｐで切り取り、ｚ軸方向に移動させた図となっている。

（１．６．４．１．算出手順の概要）
まず、図１０Ａに示すように、姿勢点Ｗから平面Ｐ上に垂線（すなわち、Ｃ軸に平行な線）を下ろし、当該垂線と平面Ｐとの交点をＷｓとし、交点Ｗｓの位置を算出する。次に、図１０Ｂに示すように、平面Ｐ上において、境界Ｕｓに囲まれた領域の中心Ｇｓを原点として、中心Ｇｓと交点Ｗｓとを結ぶ直線と、境界Ｕｓとが交わる点Ｗａを算出する。当該点Ｗａが動作不可能範囲Ｕ内の姿勢点Ｗの最近傍点となる。

（１．６．４．２．算出方法の一例）
以下、具体的な算出方法の一例を記載する。なお、以下に述べる算出方法は幾何学計算に基づいた一例にすぎず、この算出方法に限定されない。

まず、図１０Ａにおいて、Ｃ軸の傾きベクトルを（ｉ，ｊ，ｋ）とする。平面Ｐは、点Ａ（０，０，１）を含んでいるため、以下の式（１４）で表すことができる。

次に、姿勢点Ｗ＝（Ｗｘ，Ｗｙ，Ｗｚ）とすると、Ｗから平面Ｐへの長さＬは、既知の数学公式を用いて、以下の式（１５）で表すことができる。

ここで、交点Ｗｓ＝（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）とすると、交点Ｗｓは姿勢点Ｗを（－ｉ，－ｊ，－ｋ）方向に長さＬ分移動させた位置になるので、以下の式（１６）が成立する。これにより、姿勢点Ｗが与えられた際の交点Ｗｓの位置が求まる。

次に、図１０Ｂを参照し、交点Ｗｓに基づいた最近傍点Ｗａの位置を算出する。中心Ｇｓの位置を（ａ，ｂ，ｃ）として、Ｘ軸と境界Ｕｓとの交点Ｂの位置を（ｄ，ｅ，ｆ）とすると、中心Ｇｓと交点Ｂを結ぶベクトルＧｓＢ、およびベクトルＧｓＷｓｘについて、以下の式（１７）および（１８）が成立する。ここで、ｔはスカラー倍を表すパラメータであり、点Ｗｓｘは交点Ｗｓから中心Ｇｓを原点としたＸ軸上に下ろした垂線の足である。

ここで、ベクトルＷｓＷｓｘは、ベクトルＷｓＧｓとベクトルＧｓＷｓｘの足し合わせなので、以下の式（１９）が成立する。

さらに、ベクトルＷｓＷｓｘとベクトルＧｓＢは垂直であるため、以下の式（２０）および式（２１）が成立する。

これにより、パラメータｔが求まったため、ベクトルＧｓＷｓｘの大きさを求めることができる。さらに、同様にして、ベクトルＧｓＷｓｙの大きさを求めることもできる。これにより、交点Ｗｓの位置は、中心Ｇｓを原点として（Ｗｓｘ，Ｗｓｙ）として求めることができ、以下の式（２２）および式（２３）の解として、Ｗａの位置を求めることができる。

（１．７．加工処理の流れ）
図１１～図１４を参照して、５軸制御加工機１００における加工処理の流れを説明する。図１１のステップＳ１１０において、情報処理装置１０の制御部２０は、記憶部２６に格納されている加工対象物についてのＮＣデータを取得する。ステップＳ１２０において、制御部２０は、加工点ごとの加工位置を算出する。

ステップＳ１３０において、制御部２０は加工姿勢算出処理を行う。ステップＳ１４０において、制御部２０は直線３軸および回転２軸についての移動指示を加工機本体１へ出力する。ステップＳ１５０において、駆動部２９は、直線３軸および回転２軸についての駆動制御を行う。

図１２を参照して、加工姿勢算出処理（ステップＳ１３０）の流れを説明する。ステップＳ１３１において、加工姿勢算出部２３は、加工点ごとの加工姿勢を指定する姿勢ベクトルＫを算出する。ステップＳ１３２において、判定部４２は、加工点における姿勢ベクトルＫが動作不可能範囲Ｕに含まれるか否かを判定する。

加工点における姿勢ベクトルＫが動作不可能範囲Ｕに含まれる場合（ステップＳ１３２においてＹＥＳ）、ステップＳ２００として、補正部４３による加工点補正処理が行われる。一方、加工点における姿勢ベクトルＫが動作不可能範囲Ｕに含まない場合（ステップＳ１３２においてＮＯ）、ステップＳ１３３が行われる。

ステップＳ１３３において、判定部４２は、後続のＮＣデータが待たれているか否かを判定する。後続のＮＣデータが待たれている場合、ステップＳ１３７として、補正部４３によって、待機していた中間姿勢から今回算出された加工点の姿勢までの分割処理（段落００７２参照）が行われる。一方、後続のＮＣデータが待たれていない場合、ステップＳ１３４が行われる。

ステップＳ１３４において、加工姿勢算出部２３は、中間姿勢についての中間姿勢ベクトルＫｎを算出する。ステップＳ１３５において、判定部４２は、中間姿勢ベクトルＫｎが動作不可能範囲Ｕに含まれるか否かを判定する。

中間姿勢ベクトルＫｎが動作不可能範囲Ｕに含まれる場合（ステップＳ１３５においてＹＥＳ）、ステップＳ３００として、補正部４３による中間姿勢補正処理が行われる。一方、中間姿勢ベクトルＫｎが動作不可能範囲Ｕに含まない場合（ステップＳ１３５においてＮＯ）、ステップＳ１３６が行われる。

ステップＳ１３６において、回転角度算出部２４は、記憶部２６から軸ベクトルＮａおよび軸ベクトルＮｃのデータを取得し、Ａ軸およびＣ軸の回転角度θおよびΦを算出する。

図１３を参照して、加工点補正処理（ステップＳ２００）の流れを説明する。ステップＳ２３１において、加工姿勢算出部２３は、中間姿勢についての中間姿勢ベクトルＫｎを算出する。ステップＳ２３３において、判定部４２は、中間姿勢ベクトルＫｎが動作不可能範囲Ｕに含まれるか否かを判定する。

中間姿勢ベクトルＫｎが動作不可能範囲Ｕに含まれる場合（ステップＳ２３３においてＹＥＳ）、ステップ２３５が行われる。一方、中間姿勢ベクトルＫｎが動作不可能範囲Ｕに含まない場合（ステップＳ１３２においてＮＯ）、ステップＳ２３４が行われる。

ステップＳ２３４において、回転角度算出部２４は、記憶部２６から軸ベクトルＮａおよび軸ベクトルＮｃのデータを取得し、Ａ軸およびＣ軸の回転角度θおよびΦを算出する。ステップＳ２３５において、補正部４３は後続の算出処理を行わずに、後続のＮＣデータを待つ。

図１４を参照して、中間姿勢補正処理（ステップＳ３００）の流れを説明する。ステップＳ３３１において、補正部４３は、動作不可能範囲Ｕに含まれる中間姿勢Ｋｎについての近傍点を算出する。ステップＳ３３３において、補正部４３は、連続する中間姿勢Ｋｎについて近傍点が変化しているか否かを判定する。

連続する中間姿勢Ｋｎについて近傍点が変化しない場合（ステップＳ３３３においてＹＥＳ）、補正部４３はステップＳ３３６として中心回避補正を行う。一方、連続する中間姿勢Ｋｎについて近傍点が変化する場合（ステップＳ３３３においてＮＯ）、補正部４３はステップＳ３３５としてオフセット補正を行う。

ステップＳ３３７において、回転角度算出部２４は、記憶部２６から軸ベクトルＮａおよび軸ベクトルＮｃのデータを取得し、Ａ軸およびＣ軸の回転角度θおよびΦを算出する。

＜２．その他の実施形態＞
以上、本発明における実施形態及びその変形例について説明したが、本開示の適用は上述の内容に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、加工姿勢算出部２３が中間姿勢における姿勢ベクトルＫｎを算出していたが、この場合において、加工点間における直線３軸における移動量と同期して中間姿勢を算出してもよい。この場合、加工位置間の直線軸における移動距離に比例するように、分割数を決定することにより、直線軸方向の移動量と姿勢の変更が同期され、姿勢の変更を円滑に行うことが可能となる。

また、上記実施形態では、チルトテーブル６と回転テーブル７を駆動することでワーク８の姿勢を制御して、工具５に対するワーク８の姿勢を変更しているが、この形態に限定されることはない。たとえば、工具５の姿勢を制御することで、工具５に対するワーク８の姿勢を変更してもよい。

また、上記実施形態では、チルトテーブル６および回転テーブル７といったテーブル側に回転軸２軸が設けられていたが、この形態に限定されることはない。たとえば、テーブル側および工具側に１軸ずつ設けられている形態や、工具側に２軸設けられている５軸制御加工機に対しても、本発明を適用することができる。

また、本発明の実施形態においては、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の直線軸３軸と、Ａ軸とＣ軸の回転軸２軸の５軸制御加工機に関して説明を行ったが、この形態に限定されることはない。たとえば、Ａ軸の代わりにＢ軸（すなわち、Ｙ軸に平行な回転軸）の回転で制御してもよいし、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の直線軸３軸と、Ａ軸、Ｂ軸、Ｃ軸の回転軸３軸の６軸制御の工作機械に対しても本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、加工対象物についてのＮＣデータは記憶部２６に格納されていたが、この形態に限定されるものではない。たとえば、ＮＣデータを他の記憶媒体から取得してもよいし、ＮＣデータを生成する情報処理装置から直接取得してもよい。

また、上記実施形態では、加工機本体１と情報処理装置１０が別の装置として構成されていたが、この形態に限定されるものではない。たとえば、加工機本体１に、情報処理装置１０が備える各機能を内蔵させてもよい。

以上、本発明に係る種々の実施形態を説明したが、これらは例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当該新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１：加工機本体、２：加工ヘッド、３：Ｙ軸移動テーブル、４：取付部、５：工具、６：チルトテーブル、７：回転テーブル、８：ワーク、１０：情報処理装置、２０：制御部、２１：ＮＣデータ取得部、２２：加工位置算出部、２３：加工姿勢算出部、２４：回転角度算出部、２５：分配器、２６：記憶部、２８：駆動制御部、２９：駆動部、３１：測定バー、３１ａ：基準球、３２：エクステンションバー、３２ａ：基準球、４１：算出部、４２：判定部、４３：補正部、１００：５軸制御加工機。

Claims (7)

1. 工具とワークを載置する載置台を、ＮＣデータに基づいて、直線３軸および回転２軸により相対移動させる５軸制御加工機であって、
   前記回転２軸は、第１軸および第２軸を含み、
   前記５軸制御加工機は制御部を備え、
   前記制御部は、算出部と、判定部と、補正部とを備え、
   前記算出部は、前記ＮＣデータと、実際の第１軸および実際の第２軸の回転中心の向きとから、加工点及び加工点間における前記工具に対するワークの向きを算出し、
   前記判定部は、算出された前記加工点及び前記加工点間における前記工具に対するワークの向きが動作不可能な角度の範囲である動作不可能範囲に含まれるか否かを判定し、
   前記補正部は、算出された前記工具に対するワークの向きが前記動作不可能範囲に含まれる場合に、前記工具に対するワークの向きを補正する、５軸制御装置。
2. 請求項１に記載の５軸制御装置であって、
   前記補正部は、前記ＮＣデータに規定された前記ワークの加工点間における前記工具に対するワークの向きが前記動作不可能範囲に含まれる場合、前記動作不可能範囲の境界値となるように前記工具に対するワークの向きを補正する、５軸制御装置。
3. 請求項２に記載の５軸制御装置であって、
   前記補正部は、前記加工点間において前記工具に対するワークの向きを移行させる軌跡が前記動作不可能範囲の中心として規定される位置を通過する場合に、一の動作不可能範囲外の加工点の姿勢と、後続の動作不可能範囲外の加工点の姿勢との間の角度を分割し、当該分割された角度をとるように前記工具に対するワークの向きを補正する、５軸制御装置。
4. 請求項１に記載の５軸制御装置であって、
   前記補正部は、前記ＮＣデータに規定された加工点における前記工具に対するワークの向きが前記動作不可能範囲に含まれる場合、後続のＮＣデータに規定された加工点における前記工具に対するワークの向きが前記動作不可能範囲外に出るまで、後続の算出処理を行わない、５軸制御装置。
5. 請求項４に記載の５軸制御装置であって、
   前記補正部は、後続のＮＣデータに規定された加工点における前記工具に対するワークの向きが前記動作不可能範囲外に出た場合、前記動作不可能範囲の外側で指定される姿勢と、前記動作不可能範囲外の加工点の姿勢との間の角度を分割し、当該分割された角度をとるように前記工具に対するワークの向きを補正する、５軸制御装置。
6. 請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の５軸制御装置であって、
   前記算出部は、前記工具に対するワークの向きを算出する際に、当該向きを表す角度によって構成される３次元球と、実際の第１軸としてのＣ軸に垂直な平面とを算出し、前記３次元球と前記平面とが交差して規定される境界であって、前記３次元球面上の領域内によって表される角度を、前記動作不可能範囲として算出する、５軸制御装置。
7. 工具とワークを載置する載置台を、ＮＣデータに基づいて、直線３軸および回転２軸により相対移動させる５軸制御加工機の制御方法であって、
   前記回転２軸は、第１軸および第２軸を含み、
   前記制御方法は、算出ステップと、判定ステップと、補正ステップとを備え、
   前記算出ステップでは、前記ＮＣデータと、実際の第１軸および実際の第２軸の回転中心の向きとから、加工点及び加工点間における前記工具に対するワークの向きを算出し、
   前記判定ステップでは、算出された前記加工点及び前記加工点間における前記工具に対するワークの向きが動作不可能な角度の範囲である動作不可能範囲に含まれるか否かを判定し、
   前記補正ステップでは、算出された前記工具に対するワークの向きが前記動作不可能範囲に含まれる場合に、前記工具に対するワークの向きを補正する、制御方法。

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