JP7175403B2 - 加工プログラム変換装置、数値制御装置および加工プログラムの変換方法 - Google Patents

加工プログラム変換装置、数値制御装置および加工プログラムの変換方法 Download PDF

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Description

本発明は、加工対象物を切削加工する工作機械を制御する加工プログラムを変換する加工プログラム変換装置、数値制御装置、および加工プログラムの変換方法に関する。
加工対象物を切削加工する工作機械を制御する数値制御装置が加工を行うためには、工具または加工対象物をあらかじめ設定された経路に移動させるための移動指令が記述された数値制御加工プログラムを用いる必要がある。以降、数値制御加工プログラムを、単に加工プログラムと呼ぶ。加工プログラムは、例えば市販のCAD(Computer Aided Design)/CAM(Computer Aided Manufacturing)装置によって作成される。また、加工プログラムは、Gコード、マクロ文などで記述される。ここでGコードとは、例えば、数値制御によって位置決め、直線補間、円弧補間、および平面指定を行う際に、加工プログラムに記述される指令コードである。
従来、自由曲面を有する形状、または3軸制御加工では加工が困難な形状の加工を行う際には、加工対象物または工具の並進運動と回転運動とを行う機構を備える5軸制御工作機械が用いられる。CAD/CAM装置は、工具経路データを作成する。工具経路データとは、加工対象物または加工曲面に接するようにして仮想的に工具を移動させた経路を点列化して工具先端の指令点を生成し指令位置を直線で結んで近似した経路と、各指令位置における工具と加工対象物との間の相対姿勢を決定するための回転軸角度指令と、を含むデータである。
CAD/CAM装置から出力される工具経路データは、数値制御装置が解釈できるGコードの移動指令として加工プログラムに記述される。加工プログラムは、数値制御工作機械が有する数値制御装置に入力される。数値制御工作機械は、この加工プログラムに従って切削加工を行う。数値制御装置は加工プログラムを読み取り、解釈することによって移動指令を用いて補間周期ごとに工具経路を補間した補間データを作成する。数値制御装置は、作成した補間データによって数値制御工作機械の各軸を制御する。数値制御工作機械は、数値制御装置による制御に基づいて工具を所望の位置に移動させることで加工を行う。
上述の手順によって生成された加工プログラムを用いて加工を行う場合、加工プログラムの移動指令により工具の姿勢を定める回転軸の速度が急激に変化し、大きな加速度が発生することで加工品質が低下する場合がある。このような場合、数値制御装置が移動指令のうち回転軸指令を補正することにより、大きな加速度の発生を抑制することが行われている。
特許文献1は、ボールエンドミルのボールを中心とした軌跡に対して回転軸指令を変化させた補正軌跡データを作成することで、複数の駆動軸の最大加速度のうち、最も大きい加速度が最も低くなるような軌跡を決定することができる方法を開示する。
特開2010-61297号公報
しかしながら、特許文献1に記載の従来技術では、制御対象がボールエンドミルのボール中心軌跡に限定され、ボールエンドミル以外の他の工具では加工対象物への削り込みまたは削り残しが発生する可能性がある。このため、ボールエンドミルのボール中心軌跡として作成された加工プログラム以外には適用できないという問題があった。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、対象がボールエンドミルのボール中心軌跡以外の加工プログラムであっても、加工品質の劣化を抑制することができる加工プログラム変換装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、工具をあらかじめ定められた経路に従って移動させる指令である移動指令が記述された加工プログラムを記憶する加工プログラム記憶部と、工具が移動することによって加工される加工対象物の仕上り形状である加工目標形状を記憶する加工目標形状記憶部と、工具の形状に関する工具情報を記憶する工具情報記憶部と、加工プログラムに基づいて加工プログラムにより制御される数値制御工作機械の数値制御処理を模擬することで数値制御処理結果を生成する数値制御シミュレーション部と、加工プログラム中の修正箇所の有無を判定する条件である修正条件と数値制御処理結果とに基づいて修正箇所を検知する修正箇所検知部と、修正箇所を含む連続した複数のブロックを修正区間として決定する修正区間決定部と、加工プログラム、加工目標形状、工具情報に基づいて加工プログラムの移動指令における工具の加工目標形状に対する切削点を求める切削点算出部と、加工プログラム、修正区間および切削点に基づいて切削点が変化しない様に修正区間の移動指令を修正する加工プログラム修正部と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、対象がボールエンドミルのボール中心軌跡以外の工具経路データであっても、加工品質の劣化を抑制することができる加工プログラム変換装置を得ることができるという効果を奏する。
本発明の実施の形態1にかかる加工プログラム変換装置の構成を示す図 本発明の実施の形態1にかかる制御回路の構成例を示す図 本発明の実施の形態1にかかる加工プログラム変換装置の動作を示すフローチャート 本発明の実施の形態1にかかる工具の先端位置および工具軸方向の一例を示す図 本発明の実施の形態1にかかる加工目標形状の一例を示す図 本発明の実施の形態1にかかる加工目標形状の断面を示す図 本発明の実施の形態1にかかる工具の一例を示す図 本発明の実施の形態1にかかる加工プログラムの移動指令に従って工具を配置した際の工具と加工目標形状との関係を示す図 本発明の実施の形態1にかかる数値制御工作機械の一例を示す図 本発明の実施の形態1にかかる数値制御処理結果の一例を示す第1の図 本発明の実施の形態1にかかる数値制御処理結果の一例を示す第2の図 本発明の実施の形態1にかかる数値制御処理結果の一例を示す第3の図 本発明の実施の形態1にかかる数値制御処理結果の一例を示す第4の図 本発明の実施の形態1にかかる修正区間を決定する様子を示す第1の図 本発明の実施の形態1にかかる修正区間を決定する様子を示す第2の図 本発明の実施の形態1にかかる修正区間を決定する様子を示す第3の図 本発明の実施の形態1にかかるボールエンドミル工具における切削点を求める様子を示す第1の図 本発明の実施の形態1にかかるボールエンドミル工具における切削点を求める様子を示す第2の図 本発明の実施の形態1にかかるボールエンドミル工具における切削点を求める様子を示す第3の図 本発明の実施の形態1にかかるラジアスエンドミル工具における切削点を求める様子を示す第1の図 本発明の実施の形態1にかかるラジアスエンドミル工具における切削点を求める様子を示す第2の図 本発明の実施の形態1にかかるラジアスエンドミル工具における切削点を求める様子を示す第3の図 本発明の実施の形態1にかかるフラットエンドミル工具における切削点を求める様子を示す第1の図 本発明の実施の形態1にかかるフラットエンドミル工具における切削点を求める様子を示す第2の図 本発明の実施の形態1にかかるフラットエンドミル工具における切削点を求める様子を示す第3の図 本発明の実施の形態1にかかる加工プログラムの移動指令に従って工具を配置した際の加工目標形状の加工曲面上の切削点を求める様子を示す図 本発明の実施の形態1にかかる修正後の回転軸指令を求める様子を示す第1の図 本発明の実施の形態1にかかる修正後の回転軸指令を求める様子を示す第2の図 本発明の実施の形態1にかかる修正後の回転軸指令を求める様子を示す第3の図 本発明の実施の形態1にかかる修正後の回転軸指令を求める様子を示す第4の図 本発明の実施の形態1にかかる回転軸指令を修正する様子を示す第1の図 本発明の実施の形態1にかかる回転軸指令を修正する様子を示す第2の図 本発明の実施の形態1にかかる修正後の工具軸方向と切削点に従って修正後の工具先端位置を求める様子を示す図 本発明の実施の形態1にかかる修正後の加工プログラムにおける数値制御処理結果の一例を示す第1の図 本発明の実施の形態1にかかる修正後の加工プログラムにおける数値制御処理結果の一例を示す第2の図 本発明の実施の形態1にかかる修正後の加工プログラムにおける数値制御処理結果の一例を示す第3の図 本発明の実施の形態1にかかる修正後の加工プログラムにおける数値制御処理結果の一例を示す第4の図 本発明の実施の形態2にかかる数値制御装置の構成を示す図 本発明の実施の形態3にかかる加工プログラム変換装置の構成を示す図
以下に、本発明の実施の形態にかかる加工プログラム変換装置、数値制御装置および加工プログラムの変換方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる加工プログラム変換装置100の構成を示す図である。加工プログラム変換装置100は、工作機械情報記憶部101と、修正条件記憶部102と、加工プログラム記憶部103と、加工目標形状記憶部104と、工具情報記憶部105と、数値制御シミュレーション部106と、修正箇所検知部107と、切削点算出部108と、修正区間決定部109と、干渉チェック部110と、加工プログラム修正部111と、修正後加工プログラム記憶部112と、を備える。
工作機械情報記憶部101には、加工対象物を加工する数値制御工作機械に関する情報である数値制御工作機械情報が外部から入力される。外部からの入力とは、例えば作業者による図示しないキーボードなどの操作による入力、数値制御装置113からのデータ出力による入力、などが挙げられる。なお、外部からの入力は図示しない。数値制御工作機械情報は、例えば、数値制御工作機械の構造物および駆動軸の構成の情報、座標系および工具取付け長さに関する情報、数値制御装置のパラメータに関する情報などから構成される。
修正条件記憶部102は、加工プログラム中の修正箇所の有無を判定する条件である修正条件を記憶する。加工プログラムには、工具と加工対象物との間の相対的な移動指令が含まれている。加工プログラム記憶部103は、加工プログラムを記憶する。加工目標形状記憶部104は、加工対象物の仕上り形状である加工目標形状を記憶する。工具情報記憶部105は、工具の形状に関する情報を記憶する。数値制御シミュレーション部106は、加工プログラムに基づいて数値制御工作機械の数値制御処理を模擬して数値制御処理結果を出力する。
修正箇所検知部107は、修正条件と数値制御処理結果とに基づいて加工プログラム中の修正箇所を検知する。切削点算出部108は、加工プログラム、加工目標形状、工具情報に基づいて加工プログラムの各移動指令における工具の加工目標形状に対する切削点を求める。修正区間決定部109は、加工プログラム中の修正箇所を含む連続した複数のブロックを修正区間として決定する。干渉チェック部110は、工具、加工対象物および数値制御工作機械の構造物の間の干渉を検知する。加工プログラム修正部111は、加工プログラム、修正区間および切削点に基づいて切削点が変化しない様に修正区間の移動指令を修正する。修正後加工プログラム記憶部112は、修正後の加工プログラムを記憶する。
本発明の実施の形態1にかかる数値制御シミュレーション部106、修正箇所検知部107、切削点算出部108、修正区間決定部109、干渉チェック部110、および加工プログラム修正部111は、各処理を行う電子回路である処理回路により実現される。
本発明の実施の形態にかかる処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリおよびメモリに格納されるプログラムを実行するCPU(Central Processing Unit、中央演算装置)を備える制御回路であってもよい。ここでメモリとは、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリなどの、不揮発性または揮発性の半導体メモリなどが該当する。図2は、本発明の実施の形態1にかかる制御回路500の構成例を示す図である。処理回路が、専用のハードウェアである場合、処理回路は、例えば、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、またはこれらを組み合わせたものである。
図2に示すように、制御回路500は、CPUであるプロセッサ500aと、メモリ500bとを備える。図2に示す制御回路500により数値制御シミュレーション部106、修正箇所検知部107、切削点算出部108、修正区間決定部109、干渉チェック部110、および加工プログラム修正部111が実現される場合、プロセッサ500aがメモリ500bに記憶された、各処理に対応するプログラムを読みだして実行することにより実現される。また、メモリ500bは、プロセッサ500aが実施する各処理における一時メモリとしても使用される。工作機械情報記憶部101、修正条件記憶部102、加工プログラム記憶部103、加工目標形状記憶部104、工具情報記憶部105、修正後加工プログラム記憶部112は、メモリ500bで実現される。
図3は、本発明の実施の形態1にかかる加工プログラム変換装置100の動作を示すフローチャートである。加工プログラム変換装置100は、図3に示すフローチャートに従って動作する。
数値制御シミュレーション部106は、加工プログラム記憶部103に記憶された加工プログラムに記述された移動指令、および工作機械情報記憶部101に記憶された数値制御工作機械情報に従って数値制御シミュレーションを実行し、数値制御処理結果を算出する(ステップS1)。修正箇所検知部107は、算出した数値制御処理結果および修正条件記憶部102に記憶された修正条件に従って、移動指令の修正すべき箇所である修正箇所を検知する(ステップS2)。
修正箇所検知部107は、修正箇所を検知したか判定する(ステップS3)。修正箇所検知部107が、修正箇所を検知した場合(ステップS3,Yes)、切削点算出部108は、加工プログラム記憶部103に記憶された加工プログラムの移動指令、加工目標形状記憶部104に記憶された加工目標形状、および工具情報記憶部105に記憶された工具情報に従って、加工目標形状の加工曲面上における工具の加工曲面に対する切削点を求める(ステップS4)。修正箇所検知部107が、修正箇所を検知しない場合(ステップS3,No)、処理は終了する。加工プログラム修正部111は、加工プログラムの移動指令、決定された修正区間および算出された切削点に基づいて、切削点が変化しない様に修正区間の移動指令を修正する(ステップS5)。
加工プログラムの移動指令について説明する。加工プログラム記憶部103には、加工対象物または工具をあらかじめ設定された経路を移動させるための移動指令が記述される加工プログラムが外部入力される。外部入力とは、例えば、CADデータを用いて変換されたデータの入力、作業者によるキーボードなどの操作による図形入力、などが挙げられる。
図4は、本発明の実施の形態1にかかる工具の先端位置および工具軸方向の一例を示す図である。図4において、横方向をX軸、縦方向をZ軸として示す。図4に示す移動指令TP1は、工具の先端が通過する位置である工具先端位置P0~P9のそれぞれを指令する複数の位置指令と、工具の先端が工具先端位置P0~P9のそれぞれと一致した時点の回転軸の方向である工具軸方向V0~V9のそれぞれを指令する複数の回転軸指令とから構成される。
加工目標形状記憶部104には、工具により加工すべき曲面である加工曲面を含む加工対象物の目標の形状である加工目標形状が外部入力される。
図5は、本発明の実施の形態1にかかる加工目標形状の一例を示す図である。図5に示される加工目標形状D1は、加工曲面E0~E2を有する。また、図6は、本発明の実施の形態1にかかる加工目標形状D1の断面を示す図である。図6に示される黒点は、加工曲面E0~E2の境界となる点である。
工具情報記憶部105には、加工対象物を加工するための工具の形状を定義する情報である工具情報が外部入力される。工具情報とは、工具の形状を生成することができる情報であって、例えば、工具の種類、工具径、工具長などから構成される情報である。例えば、テーパ等を有する工具形状の場合は、工具情報は、工具中心軸に対する工具外径母線の傾きなどが与えられても良いし、旋削工具等の非対称な形状である工具の情報であっても良い。
図7は、本発明の実施の形態1にかかる工具の一例を示す図である。図7に示す工具T1は、工具情報に基づいた工具がラジアスエンドミルである様子を示したものである。図7に示される工具T1の中心を通る破線は、工具T1の中心線である。
図8は、本発明の実施の形態1にかかる加工プログラムの移動指令に従って工具を配置した際の工具と加工目標形状との関係を示す図である。図8において、複数の黒丸のそれぞれは、移動指令で示される工具先端位置を示す。各黒丸を結んだ太線は、加工を行う際に工具の先端が通過する経路である工具先端経路を示す。また、各黒丸から伸びる矢印のそれぞれは、回転軸指令で指令される工具軸方向を示す。工具T1は、各工具先端位置と各工具軸方向とに従って、加工目標形状D1上に配置される。
図9は、本発明の実施の形態1にかかる数値制御工作機械の一例を示す図である。図9に示す数値制御工作機械M1は、X軸、Y軸、Z軸の3つの直進軸を有する。また、数値制御工作機械M1は、工具を回転させるY軸と平行な回転軸と、テーブルを回転させるZ軸と平行な回転軸とを有する。図9において矢印Bは工具の回転を示し、矢印Cはテーブルの回転を示す。以下の説明では、工具を回転させる回転軸とテーブルを回転させる回転軸とを区別するために、工具を回転させる回転軸を軸Bと称し、テーブルを回転させる回転軸を軸Cと称する場合がある。
図10は、実施の形態1にかかる数値制御処理結果の一例を示す第1の図である。図11は、実施の形態1にかかる数値制御処理結果の一例を示す第2の図である。図12は、実施の形態1にかかる数値制御処理結果の一例を示す第3の図である。図13は、実施の形態1にかかる数値制御処理結果の一例を示す第4の図である。具体的には、図10~13は、数値制御シミュレーション部106が、移動指令TP1と数値制御工作機械M1の数値制御工作機械情報とに基づいて、ステップS1で算出した、数値制御処理結果の一例を示したものである。
図10は、算出した数値制御処理結果として、各時間における数値制御工作機械M1の直進軸のうちX軸およびZ軸の位置を示す。図10では、縦軸を位置(mm)、横軸を時間(sec)で示す。図11は、各時間における数値制御工作機械M1の回転軸のうちB軸の位置を示す。図11では、縦軸を位置(deg)、横軸を時間(sec)で示す。図12は、各時間における数値制御工作機械M1の直進軸のうちX軸およびZ軸の加速度を示したものである。図12では、縦軸を加速度(mm/s2)、横軸を時間(sec)で示す。また、図12には、直進軸の加速度上限である上限A1、および直進軸の加速度下限である下限A2を示す。図13は、各時間における数値制御工作機械M1の回転軸のうちB軸の加速度を示す。図13では、縦軸を加速度、横軸を時間で示す。また、図13には、回転軸の加速度上限である上限A3、および回転軸の加速度下限である下限A4を示す。
修正箇所検知部107が、算出した数値制御処理結果および修正条件記憶部102に記憶された修正条件に従って、移動指令の修正すべき箇所である修正箇所を検知する動作について説明する。修正条件記憶部102には、数値制御処理結果に基づいて修正箇所を検出するための修正条件が外部入力される。検出のための修正条件は、例えば、数値制御工作機械の各駆動軸の位置、速度、加速度または加速度変化の許容範囲としても良いし、数値制御工作機械の各駆動軸の位置、速度、加速度または加速度変化の範囲を超えた値としても良い。または、検出のための修正条件は、任意の計算式に従って許容範囲を求めるようにしても良い。または、検出のための修正条件は、あらかじめ用意してある修正条件の一覧の中から選択させるようにしても良い。
一例として、修正条件として数値制御工作機械の各駆動軸の加速度の許容範囲が与えられた場合について、図12および図13を参照しながら説明する。図12は、数値制御工作機械M1の直進軸のうちX軸およびZ軸の加速度が許容範囲の上限A1と許容範囲の下限A2とを超えるか否かを調べる様子を示したものである。同様に、図13は、数値制御工作機械M1の回転軸のうちB軸の加速度が許容範囲の上限と許容範囲の下限とを超えるか否かを調べる様子を示したものである。
ここで、図13に示すように、B軸の加速度が許容範囲を超える箇所があることが分かる。修正箇所検知部107は、B軸の加速度が許容範囲を超える箇所が移動指令の修正すべき箇所である修正箇所として検出する。
図14は、本発明の実施の形態1にかかる修正区間を決定する様子を示す第1の図である。図15は、本発明の実施の形態1にかかる修正区間を決定する様子を示す第2の図である。図16は、本発明の実施の形態1にかかる修正区間を決定する様子を示す第3の図である。
図14は、B軸の加速度が許容範囲を超える箇所をそれぞれ修正箇所L0および修正箇所L1として検出する様子を示したものである。図3のステップS2で示すように、修正区間決定部109は、検出された修正箇所に従って移動指令を修正する区間である修正区間を決定する。例えば、修正区間決定部109は、検出された修正箇所を含むあらかじめ定められた時間範囲として決定する、検出された修正箇所を含むあらかじめ定められた指令点数の範囲として決定する、検出された修正箇所を含み同一の加工曲面を加工する指令点の範囲として決定する、などの方法により修正区間を決定する。また、複数の修正区間が決定された場合に、2つ以上の修正区間がオーバラップする場合には、一つの修正区間としてまとめても良い。
図15は、検出された修正箇所L0およびL1に対して、修正区間R0およびR1を決定する様子を示したものである。図16は、オーバラップする修正区間R0および修正区間R1を一つの修正区間R2にまとめる様子を示したものである。
図3のステップS4で行われる、切削点算出部108が切削点を求める動作の詳細について説明する。工具先端位置は、工具が加工対象物を加工するときの加工対象物に対する相対的な位置である。また、工具軸方向は、工具が加工対象物を加工するときの加工対象物の表面に対する相対的な方向である。このため、工具先端位置と工具軸方向とに従って工具を配置すると、理想的には工具と加工目標形状の加工曲面とが接することとなる。このとき、加工目標形状の加工曲面上において工具と加工曲面が接する点を切削点として求める。ただし、与えられた工具先端位置および工具軸方向が誤差を持っており、工具と加工目標形状の加工曲面とが接しない場合には、次の方法により切削点を求めることができる。
図17は、本発明の実施の形態1にかかるボールエンドミル工具における切削点を求める様子を示す第1の図である。図17では、先端が工具先端位置12となり、かつ回転軸が工具軸方向11となるように配置した工具10が加工曲面14と離反した状態にある様子を示す。このとき、切削点算出部108は、切削点13として工具10と加工曲面14との間の距離が最短となる加工曲面上の一点を求める。
図18は、本発明の実施の形態1にかかるボールエンドミル工具における切削点を求める様子を示す第2の図である。図18では、先端が工具先端位置12となり、かつ回転軸が工具軸方向11となるように配置した工具10が加工曲面14と接触した状態にある様子を示す。このとき、切削点13は工具10と加工曲面14との接触点となる。
図19は、本発明の実施の形態1にかかるボールエンドミル工具における切削点を求める様子を示す第3の図である。図19では、先端が工具先端位置12となり、かつ回転軸が工具軸方向11となるように配置した工具10が加工曲面14と干渉する状態にある様子を示す。このとき、切削点13として、工具10が加工曲面14に接触する状態となるまで内側へオフセットして接触する状態となった際のオフセット工具15と加工曲面14との接触している一点を求める。
図20は、本発明の実施の形態1にかかるラジアスエンドミル工具における切削点を求める様子を示す第1の図である。図20では、先端が工具先端位置22となり、かつ回転軸が工具軸方向21となるように配置した工具20が加工曲面24と離反した状態にある様子を示す。このとき、切削点算出部108は、切削点23として工具20と加工曲面24の間の距離が最短となる加工曲面上の一点を求める。
図21は、本発明の実施の形態1にかかるラジアスエンドミル工具における切削点を求める様子を示す第2の図である。図22は、本発明の実施の形態1にかかるラジアスエンドミル工具における切削点を求める様子を示す第3の図である。図21,22は、図18,19における工具がラジアスエンドミルの場合について、切削点算出部108が切削点23を求める様子を示したものである。
図23は、本発明の実施の形態1にかかるフラットエンドミル工具における切削点を求める様子を示す第1の図である。図23では、先端が工具先端位置32となり、かつ回転軸が工具軸方向31となるように配置した工具30が加工曲面34と離反した状態にある様子を示す。このとき、切削点算出部108は、切削点33として工具30と加工曲面34の間の距離が最短となる加工曲面上の一点を求める。
図24は、本発明の実施の形態1にかかるフラットエンドミル工具における切削点を求める様子を示す第2の図である。図25は、本発明の実施の形態1にかかるフラットエンドミル工具における切削点を求める様子を示す第3の図である。図24,25は、図18,19における工具がフラットエンドミルの場合について、切削点算出部108が切削点33を求める様子を示したものである。
図26は、本発明の実施の形態1にかかる加工プログラムの移動指令に従って工具を配置した際の加工目標形状の加工曲面上の切削点を求める様子を示す図である。図26では、移動指令TP1によって指令される工具先端位置P0~P9と工具軸方向V0~V9とに基づいて工具T1を配置した場合の加工目標形状D1の加工曲面上の切削点を求める様子を示す。工具先端位置P0~P9の各々について工具T1が加工曲面と接する点として切削点C0~C9がそれぞれ求められる。
以下、図3のステップS5において、加工プログラム修正部111が、加工プログラムの移動指令および決定された修正区間および算出された切削点に基づいて、移動指令を修正する処理について詳細に説明する。
まず、加工プログラム修正部111は、修正区間の回転軸指令の修正を行う。修正方法としては、例えば、修正区間における工具の移動経路が滑らかな曲線となるように位置指令を置換し、曲線上に回転軸指令を再度取り直す、移動平均などを用いて回転軸指令の平滑化処理を行う、などの方法が挙げられる。曲線上に回転軸指令を再度取り直す方法を用いる場合には、加工プログラム修正部111は、位置指令を前述の修正条件として与えられた回転軸の速度、加速度、および加速度変化の許容範囲を超えないような導関数を有する位置指令に置換することによって、修正後の回転軸指令について修正条件を満足しつつ修正することができる。
また、加工プログラム修正部111は、修正前の回転軸指令による工具軸方向と切削点における加工曲面の法線ベクトルとの間がなす角度と修正後の回転軸指令による工具軸方向と切削点における加工曲面の法線ベクトルとの間がなす角度の差分が所定値以下となるように回転軸指令を修正してもよい。また、加工プログラム修正部111は、全ての修正区間の移動指令中で同一の加工曲面上に切削点を持つ移動指令である第1の情報を抽出しておき、工具の進行方向および隣接方向に近接する移動指令の回転軸指令が一様に滑らかとなるように回転軸指令を修正しても良い。例えば、同一の加工曲面上に切削点を持つ移動指令の中で、最も端に存在する移動指令による工具軸方向から反対側の端に存在する移動指令による工具軸方向の間で工具軸方向が徐々に変化するように修正する方法がある。また、同一の加工曲面上に切削点を持つ移動指令について各々切削点における加工曲面の法線ベクトルを算出し、工具の進行方向および隣接方向に近接する法線ベクトルの変化量に応じて移動指令による工具軸方向が変化するように修正する方法がある。
図27は、本発明の実施の形態1にかかる修正後の回転軸指令を求める様子を示す第1の図である。図27では、縦軸を位置、横軸を時間で表す。図27では、加工プログラム修正部111が、加工プログラムの移動指令TP1の回転軸指令B0~B9のうち、決定された修正区間R2に含まれる回転軸指令B1~B8を抽出する様子を示す。回転軸指令B0~B9は、それぞれ移動指令TP1の工具軸方向V0~V9を定めるために用いた回転軸指令である。
図28は、本発明の実施の形態1にかかる修正後の回転軸指令を求める様子を示す第2の図である。図28では、縦軸を位置、横軸を時間で表す。また、図28では、加工プログラム修正部111が、抽出された回転軸指令B1~B8を置換する滑らかな曲線U0を生成する様子を示す。このとき、曲線U0の両端点はそれぞれB1およびB8と一致する。
図29は、本発明の実施の形態1にかかる修正後の回転軸指令を求める様子を示す第3の図である。図29では、縦軸を位置、横軸を時間で表す。図29では、加工プログラム修正部111が、生成した曲線U0上に修正前の回転軸指令B2~B7を置き換える新しい回転軸指令B2’~B7’を求める様子を示したものである。このとき、加工プログラム修正部111は、新しい回転軸指令B2’~B7’として修正前の回転軸指令B2~B7における時間に対応する曲線U0上の点を求める。
図30は、本発明の実施の形態1にかかる修正後の回転軸指令を求める様子を示す第4の図である。図30では、縦軸を位置、横軸を時間で表す。図30には、最終的に修正されたB軸の回転軸指令B0,B1,B2’~B7’,B8,B9が示されている。続いて、修正された回転軸指令に従って、工具先端位置の修正を行う。このとき、加工プログラム修正部111は、あらかじめ算出された切削点の位置が変化しない様に工具先端位置を修正する。修正された回転軸指令により定められる新たな工具軸方向と切削点に従うことにより、工具先端位置は一意に定められる。
図31は、本発明の実施の形態1にかかる回転軸指令を修正する様子を示す第1の図である。図31には、修正前の工具先端点位置と回転軸指令によって定められた工具軸方向に従って配置された工具の切削点が示されている。
図32は、本発明の実施の形態1にかかる回転軸指令を修正する様子を示す第2の図である。図32には、修正後の回転軸指令によって定められた修正後の工具軸方向に工具を向けたときに、切削点が変化しない様に修正後の工具先端位置を求める様子が示されている。ここで、切削点を変化させないためには、元の工具先端点位置および工具軸方向で配置された工具を、回転軸が修正後の工具軸方向26に一致するように切削点を回転中心として回転させて定められた位置を修正後の工具先端位置27として求めれば良い。
図33は、本発明の実施の形態1にかかる修正後の工具軸方向と切削点に従って修正後の工具先端位置を求める様子を示す図である。図33は、加工プログラム修正部111が、切削点および修正後の回転軸指令にもとづいて、修正後の工具先端位置を求める様子を示す。まず、修正後の回転軸指令B2’~B7’により定められる修正後の工具軸方向W2~W7を求める。このとき、回転軸指令B0,B1,B8,B9は変化しないので、工具軸方向V0、V1、V8、V9も変化しない。次に、加工プログラム修正部111は、工具先端位置P2~P7の位置に配置した工具について、それぞれ切削点C2~C7を回転中心として、修正後の工具軸方向W2~W7へ工具の回転軸が一致するように回転させる。
回転後の工具先端位置は、それぞれ修正後の工具先端位置Q2~Q7として求めることができる。回転後の工具先端位置を求めるとき、干渉チェック部110は、工作機械情報記憶部101に記憶された数値制御工作機械情報、工具先端位置および工具軸方向にもとづいて、工具、加工対象物および数値制御工作機械の構造物同士の干渉の有無を判定する。これにより、例えば、加工プログラム修正部111は、修正後の工具先端位置および工具軸方向にもとづいて干渉が発生すると判断した場合には、当該修正後の工具先端位置および工具軸方向を使用しないとすることが可能である。または、加工プログラム修正部111は、修正後の工具先端位置および工具軸方向にもとづいて干渉が発生すると判断した場合には、あらかじめ回転軸指令を修正した時に干渉が発生しない回転軸指令の領域である修正可能領域を求めておき、修正可能領域内で回転軸指令を修正することが可能である。また、干渉を発生させずに回転軸指令を修正することができない場合には、干渉チェック部110は、この旨を作業者に通知するようにしても良い。
最後に、加工プログラム修正部111は、修正された工具先端位置および回転軸指令に基づいて移動指令を修正し、修正後加工プログラムを修正後加工プログラム記憶部112に記憶させる。このとき、加工プログラム修正部111は、修正後加工プログラムの移動指令にもとづいて数値制御シミュレーションを実行し、数値制御処理結果を確認するようにしても良い。また、加工プログラム修正部111は、この数値制御処理結果を作業者に通知するようにしても良い。
図34は、本発明の実施の形態1にかかる修正後の加工プログラムにおける数値制御処理結果の一例を示す第1の図である。図34は、修正後の移動指令TP1と数値制御工作機械M1の数値制御工作機械情報に基づいて算出した数値制御処理結果の一例を示す。図34は、算出した数値制御処理結果として、各時間における数値制御工作機械M1の直進軸のうちX軸およびZ軸の位置を示したものである。
図35は、本発明の実施の形態1にかかる修正後の加工プログラムにおける数値制御処理結果の一例を示す第2の図である。図35は、各時間における数値制御工作機械M1の回転軸のうちB軸の位置を示す。図36は、本発明の実施の形態1にかかる修正後の加工プログラムにおける数値制御処理結果の一例を示す第3の図である。図36は、各時間における数値制御工作機械M1の直進軸のうちX軸およびZ軸の加速度を示す。図37は、本発明の実施の形態1にかかる修正後の加工プログラムにおける数値制御処理結果の一例を示す第4の図である。図37は、各時間における数値制御工作機械M1の回転軸のうちB軸の加速度を示す。
図36および図37より、直進軸および回転軸の加速度が許容範囲内に収まっていることが分かる。以上により、加工プログラム修正部111は、修正後の工具先端位置と回転軸指令とを求め、修正後の工具先端点位置と回転軸指令とにもとづいて加工プログラムの移動指令を修正し、修正後加工プログラムを作成することができる。修正後加工プログラム記憶部112に記憶された修正後加工プログラムは数値制御装置113に入力され、加工が行われる。以上が本発明の実施の形態1にかかる加工プログラム変換装置の動作である。
以上説明したように、本発明の実施の形態1にかかる加工プログラム変換装置100は、切削点が変化しない様に移動指令を修正するため、ボールエンドミルのボール中心軌跡以外を指令する加工プログラムにおいても、削り込みおよび削り残しを発生することがないように回転軸指令を修正可能とする効果を奏する。また、あらかじめ修正区間を決定することにより修正にかかる時間が短縮され、作業効率が向上するという効果を奏する。
また、本発明の実施の形態1にかかる加工プログラム変換装置100は、加速度または加速度変化が許容範囲を超えた箇所を検出し修正することで、急激な駆動軸の移動を抑制し、加工品位が向上するという効果を奏する。また、加工プログラム変換装置100が、加速度の許容範囲または加速度変化の許容範囲を超えないような回転軸指令に修正することにより、急激な回転軸の移動を抑制し、加工品位が向上するという効果を奏する。また、移動指令を修正することによる干渉発生を抑制し、修正後の加工プログラムを確認する工数を抑制することができ、作業能率が向上する効果を奏する。
また、同一の加工面中で一様に滑らかに回転軸指令を変化させるため、滑らかな加工面が得られ、加工品位が向上する効果を奏する。また修正前後で加工面に対する工具軸ベクトルが大きく変化しないようにするため、加工前後で加工面性状が大きく変化することがなく、確認する工数を抑制することができるため作業能率が向上するという効果を奏する。
実施の形態2.
以下に本発明の実施の形態2にかかる数値制御装置を図面に基づいて詳細に説明する。図38は、本発明の実施の形態2にかかる数値制御装置200の構成を示す図である。なお、実施の形態1と同様の機能を有する構成要素は実施の形態1と同一の符号を付して、重複する説明を省略する。数値制御装置200は、加工プログラム変換装置100が備える機能部に加えて、補間加減速部201を備える。
補間加減速部201は、修正後加工プログラム記憶部112に記憶された修正後加工プログラムにもとづいて、移動指令に従って各駆動軸の補間周期、つまり単位時間あたりの移動量を求めて補間した補間点を生成し、モータ駆動部202に出力する。モータ駆動部202は、補間点に従って数値制御工作機械の各軸が所望の位置に移動するようにモータを駆動させる。その他の動作については、本発明の実施の形態1に記載の加工プログラム変換装置100と同様の動作であるので説明を省略する。以上が、本発明の実施の形態2にかかる数値制御装置200の動作の一例である。本発明の実施の形態2にかかる数値制御装置200によれば、加工プログラム変換装置100が有する構成要素を数値制御装置200が有するため、修正された移動指令に従って数値制御することが可能となる。このため、一度、修正後加工プログラムを外部に出力する必要がなく、作業能率を向上させることができる。
実施の形態3.
以下に、本発明の実施の形態3にかかる加工プログラム変換装置300を図面に基づいて詳細に説明する。図39は、本発明の実施の形態3にかかる加工プログラム変換装置300の構成を示す図である。加工プログラム変換装置300は、加工プログラム変換装置100の構成に加えて、状態観測部301と、学習部302とを備える。
状態観測部301は、加工プログラムの移動指令、切削点算出部108で算出された切削点などの観測結果を状態変数として観測する。
学習部302は、状態観測部301で観測される状態変数に基づいて作成されるデータセットに基づいて、加工プログラム修正部111における移動指令の修正方法を学習する。
学習部302が用いる学習アルゴリズムはどのようなものを用いてもよい。本発明の実施の形態では、一例として、強化学習(Reinforcement Learning)を適用した場合について説明する。強化学習は、ある環境内におけるエージェントである行動主体が、現在の状態を観測し、取るべき行動を決定するものである。エージェントは行動を選択することで環境から報酬を得て、一連の行動を通じて報酬が最も多く得られるような方策を学習する。強化学習の代表的な手法として、Q学習(Q-learning)またはTD学習(TD-learning)が知られている。例えば、Q学習の場合、行動価値関数Q(s,a)の一般的な更新式は、式(1)で表される。行動価値関数Q(s,a)は行動価値テーブルとも呼ばれる。
Figure 0007175403000001
式(1)において、sは時刻tにおける環境を表し、aは時刻tにおける行動を表す。行動aにより、環境はst+1に変わる。rt+1は、この環境の変化によってもらえる報酬を表す。γは割引率を表す。αは学習係数を表す。なお、γは0<γ≦1、αは0<α≦1の範囲とする。加工プログラム修正部111における移動指令の修正方法は行動aとなる。
式(1)で表される更新式は、時刻t+1における最良の行動aの行動価値が、時刻tにおいて実行された行動aの行動価値関数Qよりも大きければ、行動価値関数Qを大きくし、逆の場合は、行動価値関数Qを小さくする。換言すれば、時刻tにおける行動aの行動価値関数Qを、時刻t+1における最良の行動価値に近づけるように、行動価値関数Q(s,a)を更新する。これにより、或る環境における最良の行動価値が、これ以前の環境における行動価値に順次伝播していくようになる。
学習部302は、報酬計算部303と、関数更新部304と、を備える。報酬計算部303は、数値制御処理結果と修正条件との関係に基づいて、報酬rを計算する。例えば、報酬計算部303は、数値制御処理結果が修正条件の許容範囲内である場合には、報酬rを増大させる。例えば、報酬計算部303は、「1」の報酬を与える。他方、数値制御処理結果が修正条件の許容範囲を超える場合には、報酬計算部303は、報酬rを低減する。例えば、報酬計算部303は「-1」の報酬を与える。数値制御処理結果と修正条件との関係は、公知の方法に従って抽出される。
関数更新部304は、報酬計算部303によって計算される報酬に従って、加工プログラム修正部111における移動指令の修正方法を決定するための関数を更新する。例えばQ学習の場合、式(1)で表される行動価値関数Q(st,at)を加工プログラム修正部111における移動指令の修正方法を決定するための関数として用いる。加工プログラム修正部111における移動指令の修正方法は、あらかじめ用意されている複数の方法から選択されるようにしても良い。
加工プログラム修正部111は、加工プログラムの移動指令、決定された修正区間、算出された切削点および決定された移動指令の修正方法に基づいて、加工プログラムの移動指令を修正する。その他の動作については、本発明の実施の形態1における加工プログラム変換装置の動作と同様のため説明を省略する。
なお、本実施の形態では、学習部302が用いる学習アルゴリズムに強化学習を適用した場合について説明したが、これに限られるものではない。学習アルゴリズムについては、強化学習以外にも、教師あり学習、教師なし学習、半教師あり学習等を適用することも可能である。また、上述した学習アルゴリズムとしては、特徴量そのものの抽出を学習する、深層学習(Deep Learning)を用いることもでき、他の公知の方法、例えば、ニューラルネットワーク、遺伝的プログラミング、機能論理プログラミング、サポートベクターマシンなどに従って機械学習を実行してもよい。
なお、機械学習装置は、加工プログラム修正部111における移動指令の修正方法を学習するために使用されるが、機械学習装置は、例えば、ネットワークを介して加工プログラム変換装置に接続される、この加工プログラム変換装置300とは別個の装置であってもよい。また、機械学習装置は、加工プログラム変換装置300に内蔵されていてもよい。さらに、機械学習装置は、クラウドサーバ上に存在していてもよい。
また、学習部302は、複数の加工プログラム変換装置に対して作成されるデータセットに基づいて、加工プログラム修正部111における移動指令の修正方法を学習するようにしてもよい。なお、学習部302は、同一の現場で使用される複数の加工プログラム変換装置からデータセットを取得してもよいし、あるいは、異なる現場で独立して稼働する複数の工作機械から収集されるデータセットを利用して加工プログラム修正部111における移動指令の修正方法を学習してもよい。
さらに、データセットを収集する加工プログラム変換装置を途中で対象に追加し、あるいは、逆に対象から除去することも可能である。さらに、ある加工プログラム変換装置に関して加工プログラム修正部111における移動指令の修正方法を学習した機械学習装置を、ある加工プログラム変換装置とは別の加工プログラム変換装置に取り付け、当該別の加工プログラム変換装置に関して加工プログラム修正部111における移動指令の修正方法を再学習して更新するようにしてもよい。
以上が本発明の実施の形態3にかかる加工プログラム変換装置300の動作である。この発明の実施の形態3にかかる加工プログラム変換装置によれば、加工プログラムの移動指令の修正方法を学習しながら加工プログラムを修正できるため、最適な移動指令の修正方法で移動指令を修正できることにより、駆動軸の運動が滑らかになり加工品位が向上するという効果を奏する。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
100,300 加工プログラム変換装置、101 工作機械情報記憶部、102 修正条件記憶部、103 加工プログラム記憶部、104 加工目標形状記憶部、105 工具情報記憶部、106 数値制御シミュレーション部、107 修正箇所検知部、108 切削点算出部、109 修正区間決定部、110 干渉チェック部、111 加工プログラム修正部、112 修正後加工プログラム記憶部、113 数値制御装置、200 数値制御装置、201 補間加減速部、202 モータ駆動部、301 状態観測部、302 学習部、303 報酬計算部、304 関数更新部、500 制御回路、500a プロセッサ、500b メモリ。

Claims (8)

  1. 工具をあらかじめ定められた経路に従って移動させる指令である移動指令が記述された加工プログラムを記憶する加工プログラム記憶部と、
    前記工具が移動することによって加工される加工対象物の仕上り形状である加工目標形状を記憶する加工目標形状記憶部と、
    前記工具の形状に関する工具情報を記憶する工具情報記憶部と、
    前記加工プログラムに基づいて前記加工プログラムにより制御される数値制御工作機械の数値制御処理を模擬することで数値制御処理結果を生成する数値制御シミュレーション部と、
    前記加工プログラム中の修正箇所の有無を判定する条件である修正条件と前記数値制御処理結果とに基づいて前記修正箇所を検知する修正箇所検知部と、
    前記修正箇所を含む連続した複数のブロックを修正区間として決定する修正区間決定部と、
    前記加工プログラム、前記加工目標形状、前記工具情報に基づいて前記加工プログラムの移動指令における前記工具の前記加工目標形状に対する切削点を求める切削点算出部と、
    前記加工プログラム、前記修正区間および前記切削点に基づいて前記切削点が変化しない様に前記修正区間の移動指令を修正する加工プログラム修正部と、
    を備えることを特徴とする加工プログラム変換装置。
  2. 前記加工プログラム変換装置は、
    前記修正条件を記憶する修正条件記憶部を備え、
    前記修正条件記憶部は、前記数値制御工作機械の各駆動軸の加速度の許容範囲または加速度変化の許容範囲のうち少なくとも一方を記憶し、
    前記修正箇所検知部は、前記修正条件に基づいて数値制御工作機械の各駆動軸が前記加速度の許容範囲または前記加速度変化の許容範囲を超えた箇所を検知することを特徴とする請求項1に記載の加工プログラム変換装置。
  3. 前記加工プログラム修正部は、前記修正区間における回転軸指令について前記加速度の許容範囲または前記加速度変化の許容範囲を超えない導関数を持つ曲線に置換し、置換した曲線上に新たな回転軸指令を生成して修正することを特徴とする請求項2に記載の加工プログラム変換装置。
  4. 前記加工プログラム変換装置は、
    前記工具、前記加工対象物および前記数値制御工作機械の構造物それぞれの間の干渉を検知する干渉チェック部を備え、
    前記加工プログラム修正部は、前記修正区間において前記干渉が発生しない回転軸指令の領域である修正可能領域を求め、前記修正区間における回転軸指令が前記修正可能領域内を通過するように前記修正区間の回転軸指令を修正することを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の加工プログラム変換装置。
  5. 前記切削点算出部は、複数の前記切削点が前記加工目標形状の加工曲面上のいずれに存在するか識別する第1の情報を算出し、
    前記加工プログラム修正部は、前記第1の情報を用いて同一の加工曲面上に存在すると識別された前記切削点を抽出し、抽出された前記切削点が対応する複数の前記移動指令に、修正後の回転軸指令が前記加工曲面上で滑らかに変化するように回転軸指令を修正することを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の加工プログラム変換装置。
  6. 前記切削点算出部は、複数の前記切削点が存在する前記加工目標形状の加工曲面の前記切削点における法線ベクトルを算出し、
    前記加工プログラム修正部は、複数の前記移動指令に対して修正前の回転軸指令による工具軸ベクトルと前記法線ベクトルとの間がなす角度を求め、前記回転軸指令の修正後になす角度の変化量があらかじめ定められた値以下となるように、回転軸指令を修正することを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の加工プログラム変換装置。
  7. 工具をあらかじめ定められた経路に従って移動させる指令である移動指令が記述された加工プログラムを記憶する加工プログラム記憶部と、
    前記工具が移動することによって加工される加工対象物の仕上り形状である加工目標形状を記憶する加工目標形状記憶部と、
    前記工具の形状に関する工具情報を記憶する工具情報記憶部と、
    前記加工プログラムに基づいて前記加工プログラムにより制御される数値制御工作機械の数値制御処理を模擬することで数値制御処理結果を生成する数値制御シミュレーション部と、
    前記加工プログラム中の修正箇所の有無を判定する条件である修正条件と前記数値制御処理結果とに基づいて前記修正箇所を検知する修正箇所検知部と、
    前記修正箇所を含む連続した複数のブロックを修正区間として決定する修正区間決定部と、
    前記加工プログラム、前記加工目標形状、前記工具情報に基づいて前記加工プログラムの移動指令における前記工具の前記加工目標形状に対する切削点を求める切削点算出部と、
    前記加工プログラム、前記修正区間および前記切削点に基づいて前記切削点が変化しない様に前記修正区間の移動指令を修正する加工プログラム修正部と、
    を備えることを特徴とする数値制御装置。
  8. 工具をあらかじめ定められた経路に従って移動させる指令である移動指令が記述された加工プログラムを記憶する第1のステップと、
    前記工具が移動することによって加工される加工対象物の仕上り形状である加工目標形状を記憶する第2のステップと、
    前記工具の形状に関する工具情報を記憶する第3のステップと、
    前記加工プログラムに基づいて前記加工プログラムにより制御される数値制御工作機械の数値制御処理を模擬することで数値制御処理結果を生成する第4のステップと、
    前記加工プログラム中の修正箇所の有無を判定する条件である修正条件と前記数値制御処理結果とに基づいて前記修正箇所を検知する第5のステップと、
    前記修正箇所を含む連続した複数のブロックを修正区間として決定する第6のステップと、
    前記加工プログラム、前記加工目標形状、前記工具情報に基づいて前記加工プログラムの移動指令における前記工具の前記加工目標形状に対する切削点を求める第7のステップと、
    前記加工プログラム、前記修正区間および前記切削点に基づいて前記切削点が変化しない様に前記修正区間の移動指令を修正する第8のステップと、
    を備えることを特徴とする加工プログラムの変換方法。
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