JP7509915B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械や産業機械においてサーボ制御装置で駆動制御される駆動軸による加工軌跡の表示装置、特に、加工軌跡において段差が生じている箇所を表示する表示装置に関する。

工作機械や産業機械による加工においては、種々の原因で加工不良が発生する。その原因の１つとして、加工軌跡から生じる問題に起因して加工不良が生じることが知られている。例えば、加工軌跡に段差が発生すると、ワークの面品位が悪化し、加工精度が低下して不良品となる。

そこで、従来においても、加工軌跡に関する問題に対処すべく加工軌跡の問題点を把握するため、または、加工軌跡から加工精度の低下を発見することができようにするため、工具軌跡の種々の特性を表示することができる表示装置が考案されてきた。

特許文献１には、サーボ軸の補間動作により加工を行う工作機械では、サーボ軸の移動方向（極性）が反転する反転箇所で、工具の移動指令の形状と実移動軌跡の形状（加工形状）の間の形状誤差が大きくなる傾向にあることから、サーボ軸の速度の反転箇所を把握できるように、工具軌跡上に表示するようにした表示装置の発明が記載されている。

特許文献２には、ＮＣ制御加工において、加工物に加工痕が生じた場合にその原因である痕因究明を迅速かつ正確に行う必要があることから、その痕因の追及に対応するＮＣデータの適切な表示ができる表示装置を提示することについての発明が記載されている。具体的には、加工軌跡が生じている空間座標のＸＹＺの３軸から選択された１つの軸、例えば、Ｚ軸に対して、加工軌跡を分割して得た微小線分の傾きを正／負／０として判別し、各傾きに応じて異なる表示特性、例えば表示色を与え、その変化状況から工具軌跡の凹凸を知ることができる。

特許文献３には、工作機械による加工において被加工物の加工面に筋が生じるといった加工問題が生じたとき、この加工問題の発生原因が工具の移動方向の反転によるものであるかどうかを判定するため、工具の反転箇所を可視化し、被加工物の画像に重ねて表示する画像表示装置の発明が記載されている。

特開２０１４－７８１０２号公報 特開２００４－２１９５４号公報 特開２０２０－９８５２３号公報

上記のように、工作機械等による加工の加工精度の低下の原因の１つに加工軌跡における問題が挙げられることに対応して、また、加工軌跡から加工精度の低下の原因を追究できるという知見から、加工軌跡についての特定の状況を表示する表示装置については、開発がなされてきている。しかしながら、これらの表示装置を用いても、実加工なしで、すなわち、実加工を行う前に、加工軌跡において段差が生じることを予見することは困難である。

特許文献１においては、工具の軌跡上で工具の反転箇所を表示することが可能となったが、全ての工具の反転箇所において必ずしも加工軌跡の段差が生じるものではないこと、また、加工軌跡の段差の程度を知ることはできないことから、加工精度に悪影響を及ぼす加工軌跡の段差の発生を過不足なく正確に予見することはできない。

特許文献２は、実加工において、すなわち、実加工後に、加工痕の発生を表示装置から認知するものであって、実加工前に加工軌跡の段差を予見するものではない。また、微小な凹凸である加工痕を見逃すことなく正確に発見するためには、加工軌跡を多くの微小線分に分割して計算をする必要があり、その計算の容量やコストは莫大なものとなることが推測される。

特許文献３の表示装置は、実加工後に生じた被加工面の筋が工具の移動軌跡の反転を原因とするものか否かを、工具の移動軌跡の反転箇所と、実加工後の被加工面の画像とを重ね合わせることによって検知するものであって、実加工前に、加工軌跡の段差を予見するものではない。

現状での加工軌跡の段差の評価は、実加工したワークを、製造工程の担当者の目で判定する必要があり、評価が担当者ごとにばらついて信ぴょう性に欠け、また、ワークの歩留まりが低下してコストが増加するなどの問題が生じていた。特に、機械の立ち上げ時において、評価の正確性とコストの削減が課題となっていた。

本開示においては、実加工なしで、加工軌跡に、加工精度に影響を与えるような大きな段差の発生箇所を表示できる表示装置を提供し、低コストで正確に加工軌跡の段差の発生を予見できるようにすることを課題とする。

上記の課題を解決するために、本開示の表示装置は、工作機械や産業機械の軸を駆動する電動機を制御するサーボ制御装置の加工軌跡の表示装置において、各軸の被駆動体または電動機の位置の時系列データを取得するデータ取得部と、前記データ取得部で取得した前記各軸の被駆動体または電動機の位置の時系列データから加工軌跡を計算する軌跡計算部と、前記軌跡計算部の計算結果から、前記加工軌跡についての高さの基準平面を設定し、隣り合う加工軌跡の前記基準平面からの高低を比較する軌跡比較部と、前記加工軌跡上で、前記隣り合う加工軌跡の、設定されたしきい値以上の高低差の発生箇所を表示する表示部と、を備える表示装置である。

本開示の表示装置によれば、加工軌跡に、加工精度に影響を与えるような大きな段差の発生箇所を表示できる表示装置が提供され、低コストで正確に加工軌跡の段差の発生を予見することができるようになる。また、定量的な評価が可能となり、特に、機械立ち上げ時の評価工程の効率の改善が見込まれる。

本開示の表示装置の構成を示すブロック線図である。 加工軌跡の反転箇所での段差について説明する図である。 段差判定の手順を示す１番目の図である。 段差判定の手順を示す２番目の図である。 段差判定の手順を示す３番目の図である。 段差判定の手順を示す４番目の図である。 段差判定の手順を示す５番目の図である。 工作機械による被加工物（ワーク）の一例を示す図である。 被加工物を表示装置で表示した例を示す図である。 別の被加工物について、段差の箇所を表示した例を示す図である。 本開示の表示方法を示すフロー図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して、詳細に説明する。

図１は、本開示の一実施形態に係る表示装置の構成を示すブロック線図である。図１に示すように、本開示の表示装置２０は、工作機械や産業機械の駆動を制御するサーボ制御装置１０からデータを取得（受信）して、表示に必要なデータ処理をしてそのデータ処理結果を表示するものである。

サーボ制御装置１０は、マイクロコンピュータなどからなる制御ユニット（ＣＰＵ）１１、ＲＯＭ，ＲＡＭなどのメモリ部材を含む記憶ユニット１２，及び、表示装置２０との間で信号の送受信を行い、表示装置２０で表示するために必要なデータを送出する送受信ユニット１３を構成要素とする。制御ユニット（ＣＰＵ）１１、記憶ユニット１２，及び、送受信ユニット１３のそれぞれの間で、相互に信号（データ）の受け渡しが行われる。

表示装置２０は、サーボ制御装置１０との間で信号の送受信を行う送受信部であり、表示のために必要なデータをサーボ制御装置から取得するデータ取得部２１、ＲＯＭ，ＲＡＭなどのメモリ部材を有する記憶部２２、マイクロコンピュータなどからなり、表示に必要なデータ処理を行うデータ処理部２３、及び、データ処理部２３で処理された結果を表示する表示部２４を備える。データ取得部２１、記憶部２２、データ処理部２３、及び、表示部２４のそれぞれの間で、相互に信号（データ）の受け渡しが行われる。

データ処理部２３は、軌跡計算部２３１と軌跡比較部２３２を備える。表示装置２０のデータ取得部２１で取得されたデータは、データ処理部２３に送られ、データ処理部２３において、後に詳述するように、軌跡計算部２３１で加工軌跡が計算され、軌跡比較部２３２で隣り合う加工軌跡間で高低が比較されて段差の有無が判定されて、その結果が表示部２４に送られて表示される。

次に、加工軌跡において生じる段差について説明する。加工軌跡の段差の原因となる要因には、主として２つのものが挙げられる。１つめの要因は、加工工具の反転により生ずるものであり、２つめの要因は、加工プログラムから作成される指令軌跡が段差を持っているものである。２つめの要因の、加工プログラムを原因とするものにおいては、必要があって段差を設けているものもあり、これが加工精度の低下の原因となったとしても、個別に対応していかざるを得ない。

段差の原因の１つめの要因である加工工具の反転について、説明を加える。工作機械の加工において、加工工具は加工面に一定の傾きを維持し、一定速度で進行する場合においては、加工軌跡に段差が生ずることはない。加工工具の反転の箇所では、加工面に対する工具の傾きや工具の進行速度が急変することになり、これらの急変に対するサーボ応答の遅れが、加減速時定数やフィードフォワード・速度フィードフォワードの設定により、オーバーシュート・アンダーシュートを発生させ、加工軌跡に段差を生じさせることになるものと考えられている。

図２を参照して、加工軌跡の反転によって生じる段差について説明する。図２においては、被加工物（ワーク）３１の表面に、加工軌跡４０の第１の経路４１，第２の経路４２，第３の経路４３の順に加工が施されたものである。これらの加工軌跡の左端の枠は、加工工具が反転する箇所の近辺、すなわち、加工軌跡の反転の箇所の近辺を示す。この箇所における、ＩＶ－ＩＶ断面には、下の拡大図で示されるような加工軌跡間の高低差、すなわち段差が生じている。

次に、図３から図７によって、本開示における、加工軌跡の反転箇所における段差発生の有無の判定の方法について説明する。まず、図３に示すように、加工軌跡４０において加工工具５０の進行方向が反転する位置を検出する。図３においては、楕円で囲んだ箇所が、反転箇所４である。なお、加工軌跡４０の反転箇所４の検出方法については、公知である（特許文献１等）。

次に、検出された反転箇所４の前後の加工軌跡４０上に、図４に示すように、測定点を選出する。そして、測定点から、平均的な平面の式を導出する。この平面を基準平面６０とする。測定点は、検出した反転箇所４の長さや、加工軌跡の幅・傾き等に応じて、平均的な平面を決めるのに過不足ない数だけ選出する。そして、図５に示すように、基準平面６０に対して垂直な方向を高さ方向として定義する。

次に、図６に矢印で示すように、加工軌跡４０上の隣り合う経路を特定する。そして、図７に示すように、各測定点の基準平面６０に対する高さを計算し、隣の経路の高さと比較する。この高さの差の最大値が、設定されたしきい値以上あれば、段差が生じたものと判定する。

なお、高さの差から段差を判定する手法として、上記のように、隣り合う加工軌跡４０上の測定点（加工点）と基準平面６０との距離によって判定することもできるが、隣り合う加工軌跡４０のベクトルの内積の絶対値から判定することもできる。隣り合う加工軌跡４０の、反転箇所４での高低差が大きいほど、両者の傾きが異なるといえるからである。

次に、本開示の表示装置２０の表示部２４における具体的な表示例について、図８から図１０を参照して説明する。図８に、本開示の工作機械による被加工物３２の一例を示し、そして、表示装置２０の表示部２４の表示画面２４－１０においてこの被加工物３２の工具の加工軌跡を表示した状態を図９に示す。図８に示された被加工物３２は、ポンプ等で使用されるインペラ（羽根車）であり、かなり複雑な表面形状を有していて、図９に示されるように、加工工具は複雑な軌跡をたどっていることが見てとれる。

図９の表示画面２４－１０は、右側の大きな画面と、左側の上下に３つに分割された小さな画面からなる。右側の大きな画面は、被加工物３２の加工軌跡を立体表示した立体視の３次元画面２４－１１である。被加工物３２の表面の加工軌跡のみを抽出して表示したものであるために、被加工物３２の実物では隠れてしまう裏側の加工軌跡も見ることができ、加工軌跡全体が、３次元空間上に表示される。

左側の上下に３つに分割された小さな画面においては、上から順に、ＸＹ平面視の２次元画面２４－１２、ＸＺ平面視の２次元画面２４－１３、ＹＺ平面視の２次元画面２４－１４が配設される。ＸＺ平面視の２次元画面２４－１３の手前側に、表面上の対象部の長さを把握するためのマス目が配置されている。

図１０に、表示画面２４－１０において、問題となる対象箇所（例えば、加工軌跡の段差が生じた箇所）を表示した例を示す。図１０の表示例では、わかりやすくするために、被加工物３２として、単純な形状（円錐状）のワークを表示したものを示す。図１０に示すように、問題となる対象箇所は、表示画面２４－１０において、右側の立体視の３次元画面において曲線で表わされ、ＸＹ平面視の２次元画面２４－１２、及び、ＹＺ平面視の２次元画面２４－１４の対応箇所にも表示されているのがわかる。これらの表示から、ユーザは、問題となる対象個所を、迅速に、かつ、正確に把握することができる。

次に、本開示の表示装置において、加工軌跡の反転箇所において生じた段差を表示する表示方法について、図１１のフロー図を用いて説明する。図１１に示すように、表示装置は、まず、工作機械や産業機械のサーボ制御装置から、工作機械や産業機械の各軸の被駆動軸または電動機の位置の時系列データを取得し（ステップＳｔ１）、取得した工作機械や産業機械の各軸の被駆動軸または電動機の位置の時系列データから、工具の加工軌跡を計算する（ステップＳｔ２）。

次に、計算して求められた加工軌跡から、公知の手法で加工軌跡の反転箇所を検出し（ステップＳｔ３）、検出された反転箇所の内の１つの反転箇所において、基準平面を設定する（ステップＳｔ４）。前述のように、加工軌跡の反転箇所を対象として加工軌跡の段差を検出し表示する場合においては、加工軌跡の反転箇所の前後において加工軌跡上の測定点（加工点）を選定し、これらの加工点から平均的な平面を求め、この平面を基準平面と定義する。

次に、対象となっている反転箇所において隣り合う加工軌跡を選定し、それぞれの隣り合う加工軌跡において、その高低を比較する（ステップＳｔ５）。具体的には、ステップＳｔ４で設定された基準平面から、基準平面と垂直な方向を高さ方向として、隣り合う加工軌跡の高低差を計算する。なお、高低差を計算（判定）する手法としては、前述のように、各隣り合う加工軌跡上の加工点から基準平面までの距離の最大値から求める方法がある。

次に、ステップＳｔ５で求めた高低差を、設定されたしきい値と比較し、その高低差がしきい値以上であるか否かを判定する（ステップＳｔ６）。しきい値は、被加工物が求める加工表面の平滑性の精度などに応じて設定される。ステップＳｔ６の判定がＹＥＳの場合、すなわち、高低差がしきい値以上である場合には、ステップＳｔ７へ移行し、ステップＳｔ６の判定がＮＯの場合、すなわち、高低差がしきい値より小さい場合には、ステップＳｔ８へ移行する。

ステップＳｔ７では、ステップＳｔ６において、隣り合う加工軌跡の反転箇所での高低差が、しきい値以上の場合には、段差が生じているものと判定し、その隣り合う加工軌跡の反転箇所を、表示装置の立体視の３次元画面上に強調表示する。なお、本開示の実施例においては、前述のように、さらに対応する、ＸＹ平面視の２次元画面上、ＸＺ平面視の２次元画面上、ＹＺ平面視の２次元画面上にも表示する。

ステップＳｔ７の後は、ステップＳｔ８に移行し、対象となっている１つの加工軌跡の反転箇所において、全ての隣り合う加工軌跡の高低差の比較が完了したか否かを判定する。ステップＳｔ８の判定がＹＥＳの場合、すなわち、対象となっている加工軌跡の反転箇所において、全ての隣り合う加工軌跡の高低差の比較が完了した場合には、ステップＳｔ９へ移行し、ステップＳｔ８の判定がＮＯの場合、すなわち、対象となっている加工軌跡の反転箇所において、全ての隣り合う加工軌跡の高低差の比較が完了していない場合には、ステップＳｔ５へ戻り、以降、ステップＳｔ８での判定がＹＥＳとなるまで、ステップＳｔ５からステップＳｔ８までのループを繰り返す。

ステップＳｔ９では、検出した全ての加工軌跡の反転箇所において、段差が発生したか否かの評価を行い、段差が生じた場合には強調表示するという全工程が完了したか否かを反映する。ステップＳｔ９の判定がＹＥＳの場合、すなわち、検出した全ての加工軌跡の反転箇所において、段差が発生したか否かの評価を行い、段差が生じた場合には強調表示するという全工程が完了した場合には、本開示の目的が達成されて、このフローは終了する。ステップＳｔ９の判定がＮＯの場合、すなわち、検出した全ての加工軌跡の反転箇所において、段差が発生したか否かの評価を行い、段差が生じた場合には強調表示するという全工程が完了していない場合には、ステップＳｔ４へ戻り、以降、ステップＳｔ９での判定がＹＥＳとなるまで、ステップＳｔ４からステップＳｔ９までのループを繰り返す。

これまでは、実施例を通じて、加工軌跡の段差が、加工軌跡の反転箇所で生じる場合について説明をしてきた。これは、加工軌跡の反転箇所では段差が生じやすい傾向にあることが知られ、また、加工軌跡の反転箇所で生じる段差は被加工物の表面の平滑性などの加工精度に影響を与えるものであって、その段差の発生の認識は、非常に重要なものであるからである。

しかしながら、上述のように、加工軌跡の段差の原因となる主たる要因には、加工軌跡の反転により生ずるものの他に、加工プログラムから作成される指令軌跡が段差を持っているものである場合に生ずるもの、したがって定常的に発生する場合のものも挙げられる。これは、必要があってプログラム上で段差を生じさせているものもあり、その段差が生じている位置を正確に知る必要があるケースもある。

加工プログラムから作成される指令軌跡が段差を持っているものである場合に生ずる段差の、評価及び表示方法は、加工軌跡の反転により生ずる段差における評価及び表示方法と同様である。なお、この場合、基準平面の設定は、加工プログラムからおおよその位置を特定した後、その近辺の測定点（加工点）から平均的な平面を求めて設定することになる。

本開示の発明の表示装置によれば、加工軌跡に、加工精度に影響を与えるような段差の発生箇所を表示でき、低コストで正確に加工軌跡の段差の発生を予見することができるようになった。また、定量的な評価が可能となり、特に、機械立ち上げ時の評価工程の効率の改善が見込まれるものである。

また、本開示の発明は、加工軌跡の反転箇所での段差のみならず、加工プログラムから作成される指令軌跡が段差を持っているものである場合、したがって定常的に段差が発生する場合のものにも対応でき、応用範囲が広いものであるということもできる。

以上、本発明の実施に関して、実施態様について説明したが、本発明はこうした実施態様に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で実施できるものであることは勿論である。

１０ サーボ制御装置
１１ 制御ユニット（ＣＰＵ）
１２ 記憶ユニット
１３ 送受信ユニット
２０ 表示装置
２１ データ取得部（送受信部）
２２ 記憶部
２３ データ処理部
２３１ 軌跡計算部
２３２ 軌跡比較部
２４ 表示部
２４－１０ 表示画面
２４－１１ 立体視の３次元画面
２４－１２ ＸＹ平面視の２次元画面
２４－１３ ＸＺ平面視の２次元画面
２４－１４ ＹＺ平面視の２次元画面
３１ 被加工物
３２ 被加工物（インペラ）
４ 加工軌跡の反転箇所
４０ 加工軌跡
４１ 加工軌跡の第１の経路
４２ 加工軌跡の第２の経路
４３ 加工軌跡の第３の経路
５０ 工具
６０ 基準平面

Claims (5)

1. 工作機械又は産業機械の軸を駆動する電動機を制御するサーボ制御装置の加工軌跡の表示装置において、
   各軸の被駆動体または電動機の位置の時系列データを取得するデータ取得部と、
   前記データ取得部で取得した前記各軸の被駆動体または電動機の位置の時系列データから加工軌跡を計算する軌跡計算部と、
   前記軌跡計算部の計算結果から、加工軌跡の反転箇所の前後において加工軌跡上の測定点である加工点を選定し、前記加工点から平均的な平面を求め、前記平面を基準平面と定義することにより、前記加工軌跡についての高さの基準平面を設定し、隣り合う加工軌跡の前記基準平面からの高低を比較する軌跡比較部と、
   前記加工軌跡上で、前記隣り合う加工軌跡の、設定されたしきい値以上の高低差の発生箇所を表示する表示部と、
   を備える表示装置。
2. 前記表示部は、３次元表示上で、前記隣り合う加工軌跡の、設定されたしきい値以上の高低差の発生箇所を強調表示する、請求項１に記載の表示装置。
3. 前記軌跡比較部は、前記設定されたしきい値以上の高低差を、前記隣り合う加工軌跡上の加工点と基準平面との距離によって判定する、請求項１又は２の表示装置。
4. 前記表示部で表示される前記加工軌跡上の前記設定されたしきい値以上の高低差の発生箇所は、前記加工軌跡の反転に起因して段差が発生している箇所である、請求項１～３のいずれかの表示装置。
5. 前記表示部で表示される前記加工軌跡上の前記設定されたしきい値以上の高低差の発生箇所は、加工プログラムに起因して段差が発生している箇所である、請求項１～３のいずれかの表示装置。