JPH0736526A - 数値制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プログラム上の座標系から実際のセットされ
たワークの座標系に座標変換する場合に、工具座標系を
自動的に内部生成することにより、プログラマーの負担
を軽減するとともに、工具先端方向に連動した動作をオ
ペレータに提供する簡便な手法を得ることができる数値
制御装置を提供。 【構成】 工具取付基準位置又は工具回転中心と工具先
端とを結ぶ線上の任意の位置を原点とした工具座標系を
自動的に内部生成させ、工具座標系による動作か基本座
標系による動作かを任意に選択可能にして、工具座標系
による動作が選択されたとき、数値制御装置のＮＣ指令
により工具座標系に動作指示を与え、前記数値制御装置
は任意工具座標系で指令される前記ＮＣ指令を前記基本
座標系へ座標変換を行いながら動作する３次元座標変換
機能を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えば３次元レーザ加工
機や工具研削盤のような、少なくとも工具取付部に２軸
の回転機構を具備し、工具先端方向を自由に制御でき、
かつ基本座標系上での直交動作を可能とする５軸以上の
工作機械において、工具先端位置および工具取付基準位
置を結んだ線上での前後の動作やその線上と直角方向へ
の動作、あるいは工具先端位置を中心に工具取付基準位
置を回転させる手段とを備えた数値制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のかかる装置として、例えば特開平
2 ─112891号公報では、３次元レーザ加工機においてト
ーチの加工プログラムとして、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸とトーチの
姿勢を決めるα軸及びβ軸の５軸の制御をするものが開
示されている。即ち、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸でトーチの先端の位
置を決め、α軸とβ軸でトーチがワークの面に垂直にな
るように制御している。この３次元レーザ加工機の加工
プログラムは、ワーク表面上の２次元上でプログラムを
作成し、これを数値制御装置でワーク座標上でそのまま
パルス分配し、３次元座標上の移動量に座標変換して、
レーザ加工を行うようにされている。この３次元レーザ
加工機の加工プログラムは、ワークのある特定の点から
ワークごとの座標系を決めて加工を行う場合が多いこと
から、プログラム上の座標系と実際のセットされたワー
クの座標系とが異なりこのために座標変換を行ってい
た。この座標変換の例として、特開平3 ─269604号、特
開平3─280103号、特開平4 ─169905号公報等のものが
ある。

【０００３】３次元座標変換を座標変換マトリクスによ
って実現することは、周知の技術であって、前記先行技
術においては、その手法をどのように応用し、製品に組
み込まれているかについて、詳細に述べられている。例
えば、特開平3 ─269604号公報では、従来技術の法線ベ
クトルまで考慮した変換行列を簡単にし、プログラムの
し易い３次元座標変換指令を提供するものであり、特開
平4 ─169905号公報においても、ノズル姿勢制御を特徴
とした座標変換機能について、述べられている。これら
の先行技術の全てが、プログラム上の座標系と実際のセ
ットされたワークの座標系とが異なることからくるプロ
グラマーの負担を軽減するための座標変換機能の提供に
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の技
術では、基本座標系はあるが、工具座標系の概念がなか
ったので、従来の方法ではＸ、Ｙ、Ｚ軸の移動指令の他
に、工具を制御するための基本座標系のプログラムを必
要とした。例えば、特開平3 ─269604号公報では、プロ
グラムのし易い３次元座標変換指令は、工具座標系を自
動生成するものではなく、プログラマーが、あるフオー
マットに従って基本座標系座標データを入力する必要が
あった。そこで、工具取付部に少なくとも２軸の回転機
構を具備し、工具先端方向を自由に制御できる工作機械
において、回転指令が発生する度に工具先端位置が変化
する場合、例えば、前記プログラム上の座標系と実際の
セットされたワークの座標系とが異なる場合、工具先端
方向と実際のセットされたワークとの関係が一致すると
は限らず、プログラマーに任せられているのが現状であ
った。又、前記二者の座標系が同じ基本座標系の空間に
ある場合においても、工具先端方向が、例えば傾斜穴加
工等のように、その座標軸上でない角度をもった状態で
加工を行うなどの用途の場合に、工具座標系による動作
を簡単なプログラムにて実現したり、あるいは手動送り
やハンドル送りなどを使って加工する、手段はなかっ
た。

【０００５】本発明はこのような点に鑑み、プログラム
上の座標系から実際のセットされたワークの座標系に座
標変換する場合に、工具座標系を自動的に内部生成する
ことにより、プログラマーの負担を軽減するとともに、
工具先端方向に連動した動作をオペレータに提供する簡
便な手法を得ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このため本発明は、特許
請求の範囲記載の数値制御装置を提供することによって
上述した従来技術の課題を解決した。

【０００７】

【作用】このように本発明においては、従来技術の基本
座標系上で扱う直線軸または回転軸指令（ＮＣプログラ
ムの軸アドレスによる指令あるいは手動送り／ハンドル
送りによる指令など考えられる全ての指令）の知識で、
工具座標系による動作か基本座標系による動作かを容易
に選択可能になったため、少なくとも工具取付部に２軸
の回転機構を具備し、工具先端方向を自由に制御できる
工作機械において、プログラマーやオペレータの負担を
大幅に軽減できるものとなった。ここで、工具取付部に
回転機構を具備しない通常の工作機械においては、前記
工具座標系が基本座標系と一致していると考えれば容易
に理解される。

【０００８】

【実施例】以下添付した図１乃至図５に基づきこの発明
を詳細に説明する。工具取付部に少なくとも２軸の回転
機構を具備し、工具先端方向を自由に制御できる工作機
械においては、工具取付基準位置又は工具回転中心を、
３次元空間上に制御する技術と工具先端方向を加工ワー
クに対して適切な方向となるように制御する技術とが必
要である。これらの制御について簡単に説明する。一般
にマシニングセンタ等の工作機械において、図２に示す
ように、基本座標系上のＺ軸方向に工具が取り付けられ
ていることが多いが、本発明の工具取付部に具備されて
いる回転軸がそれぞれ基準位置に制御された状態にある
ときに等しく、この場合は、基本座標系と工具座標系と
が一致している。かかる構成で加工を行う工作機械やま
たその機械を制御する数値制御装置は、従来からよく知
られている。図２において、工具取付部の２軸は、第１
回転軸Ａ、第２回転軸Ｃ、と２個の回転機構を有する。

【０００９】図１は基本座標系と工具座標系とが一致し
てない場合の本発明の工具座標系の概念を示す加工構成
図を示す。本発明においては、加工するワークに対し
て、工具先端方向が基本座標系の任意の座標軸方向、例
えば、図１のＺｓ軸方向、では加工が困難な場合に工具
取付部に具備されている回転軸機構を用いて工具先端方
向を制御し、且つマシニングセンタ等で使用されている
加工プログラムを変更することなく工作機械を制御した
い場合には、図１に示すように工具先端方向と連動して
変化する工具座標系を工具取付基準位置又は工具回転中
心と工具先端とを結ぶ線上の任意の位置を原点として自
動的に内部生成させ、工具座標系による動作か基本座標
系による動作かを任意に選択可能にして、工具座標系に
よる動作が選択されているときには、従来技術の基本座
標系上で扱う直線軸または回転軸指令（ＮＣプログラム
の軸アドレスによる指令あるいは手動送り／ハンドル送
りによる指令など考えられる全てのＮＣ指令）により前
記工具座標系に動作指示を与え、数値制御装置は任意工
具座標系で指令される前記ＮＣ指令を前記基本座標系へ
座標変換を行いながら動作する３次元座標変換機能を備
え、これにより傾斜しているワークの加工も実現可能と
したものである。

【００１０】図４は具体的な任意工具座標系の設定例を
示す説明図で、従来技術としてよく知られている３次元
座標変換を少なくとも工具取付部に２軸の回転機構を具
備し、工具先端方向を自由に制御できる工作機械におい
て、いかに簡単に実現できるかを図示している。まず、
基本座標系選択の状態での３次元座標変換指令において
は、工具回転中心と工具先端とを結ぶ線上の任意の位置
（又は工具取付基準位置）を原点として、工具回転中心
の３次元空間上の軌跡が図４の変換された座標系
（Ｘ”，Ｙ”，Ｚ”）上で実現される。図４の（イ）の
場合は、工具取付部の工具先端方向がＺ軸上にあり工具
座標系は基本座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）と一致してい
る。３次元座標変換指令中の移動ブロックは、３次元座
標変換指令がキャンセルされるまですべて座標変換され
ながら移動する。

【００１１】次に、図４の（ロ）の場合は、本発明の特
徴でもある工具座標系による動作選択の状態を示し、１
回目の３次元座標変換指令（G68 ,Xx0 ,Yy0 ,Zzo ,Ｋ
α）で現在の工具座標系の座標系シフト（xo, y0, zo）
を行うと同時にＣ軸がα゜回転し１回目の座標（Ｘ′，
Ｙ′，Ｚ′）が設定される。その後、２回目の３次元座
標変換指令（G68,Ｉβ）でＡ軸がβ゜回転し、２回目の
座標である工具座標系（Ｘ”，Ｙ”，Ｚ”）が設定され
る。数値制御装置内部では、回転軸の移動毎に工具座標
系を自動生成し、工具座標系による動作が選択されてい
る限り、次回からの従来技術の基本座標系上で扱う直線
軸または回転軸移動指令は、全て工具座標系で制御され
るようになる。もちろん、工作機械本体は、基本座標系
で動作するように設計されているのであるから、工具座
標系で動作させるための基本座標系への実際の移動の展
開は座標変換を行うことによって実現される。しかし、
座標変換そのものは周知の技術であって、ここでは詳述
しない。上述の説明は、ワークに対する加工形状が同じ
で、セットされたワークが工作機械の基本座標系上にな
い場合に非常に有効である。また、ワークに対する加工
形状が異なる場合にも非常に有効であることを以下に説
明する。

【００１２】図５は、基本座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）
上にセットしてあるワークに傾斜穴加工を行う場合の具
体的な加工例を示す。図のように工具先端方向となる工
具取付部の第１回転軸Ａを傾斜させて、ιの距離だけ前
後移動させて傾斜穴加工を行うものとする。従来の数値
制御装置では、「基本座標系の場合」として示すよう
に、プログラム指令は、まず必要な回転軸の指令を行っ
た後、その回転軸方向の法線ベクトルから各軸の移動量
（ａ，ｂ，ｃ）を求め、基本座標系上でのプログラムを
作成する必要がある。この場合、３軸同時送りのため手
動送りでは実現不可能である。あるいは、ワーク自体を
傾斜させて工具先端方向を基本座標系上のＺ軸方向とな
るようにすれば、プログラムも簡単になり手動送りも可
能となるが、傾斜穴の角度が変更になる度にジグを用意
しなければならず得策ではない。

【００１３】これに対し本発明では、「工具座標系の場
合」として示すように、工具座標系による動作を選択す
るだけで、従来技術の基本座標系上で扱うＮＣプログラ
ムの軸アドレスによる指令あるいは手動送り／ハンドル
送りによる指令など考えられる全ての指令を含む直線軸
または回転軸指令で、図５のようなワークに傾斜穴を明
ける加工を容易に実現可能となった。工具座標系による
動作を選択している状態では、工具先端方向がそのまま
工具座標系のＺ軸方向と一致しているためプログラム指
令は、Ｚ軸方向にιの距離だけ前後移動させるだけでよ
いし、手動送りに関しても、Ｚ軸の各個動作をオペレー
タがおこなうだけでよい。即ち、工具座標系による動作
を選択すると、工具座標系に入力される従来技術の基本
座標系上で扱うＮＣの直線軸または回転軸指令は、３次
元座標変換機能によって基本座標系へ自動的に座標変換
され、加工が行われる。手動送り指令も同様である。

【００１４】図３は本発明の一実施例数値制御装置の構
成を示すブロック図である。プログラム指令入力１から
与えられるＮＣプログラムは、プログラム記憶部２で記
憶される。実際に、数値制御装置がＮＣプログラムを実
行する段階になって、このプログラム記憶部２より加工
プログラムを呼び出してプログラム解析部３に渡し、こ
こで工具座標系による動作選択の準備機能（Ｇ機能）が
あるかどうかチェックされ、工具座標系解析部11に渡さ
れる。同じように、オペレータ手動入力４から与えられ
る手動操作情報が、ＮＣ入力解析部５に渡され、工具座
標系による動作選択の入力信号が有効かどうかチェック
され、工具座標系解析部11に渡される。移動に関する情
報は全てプログラム解析部３あるいはＮＣ入力解析部５
を経由して、基本座標系処理部６に渡される。基本座標
系処理部６では、数値制御装置内部で実行できる指令体
系に翻訳し、移動の種類に応じた指令情報を補間処理部
７に渡す。

【００１５】補間処理部７においては、基本座標系処理
部６から与えられた指令情報に対し、図示されていない
タイマー割込によって補間分配の実行をサンプリング処
理することによって実現する。サンプリング周期で時々
刻々と変化する指令位置を指令切換器12に渡す。指令切
換器12は、工具座標系解析部11から工具座標系による動
作が選択されているかどうかの指令によって、補間処理
部７から与えられる指令位置を工具座標系処理部14ある
いは指令切換器13に渡す。指令切換器13は、指令切換器
12と連動して動作し、切換の指示は工具座標系解析部11
から与えられる。工具座標系処理部14は、指令切換器12
から与えられる指令位置を図示されていないタイマー割
込によってサンプリング周期で時々刻々と変化する基本
座標系に基づいた指令位置を工具座標系に変換するマト
リクスから工具座標系に基づいた指令位置に変換し、指
令切換器13に渡す。

【００１６】選択された指令位置が、指令切換器13より
出力され、フィードバック処理部８に渡される。つま
り、基本座標系が選択されている場合は、補間処理部７
から与えられるサンプリング周期で時々刻々と変化する
基本座標系に基づいた指令位置が、直接フィードバック
処理部８に渡され、工具座標系が選択されている場合
は、補間処理部７から与えられるサンプリング周期で時
々刻々と変化する基本座標系に基づいた指令位置に対
し、工具座標系処理部14で工具座標系に変換するマトリ
クスから工具座標系に基づいた指令位置に変換する処理
を行った後に、その指令位置がフィードバック処理部８
に渡される。

【００１７】フィードバック処理部８は、指令切換器13
から与えられる指令位置を図示されていないタイマー割
込によって、サンプリング周期で時々刻々と変化する指
令位置と図示されていない位置検出器から得られる検出
位置とでフィードバック処理を行って求められる指令速
度を軸駆動部９から軸駆動部10まで該当する軸に対して
渡される。本実施例では、簡単のために第１軸から第５
軸まで（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｃ軸）を想定しているが、ブ
ロック図では第２軸から第４軸までを省略している。参
考のために、従来の数値制御技術のブロック図を図６に
示す。図３において、工具座標系解析部11、指令切換器
12、13、工具座標系処理部14がないものと同じなので、
処理の詳細は省略する。

【００１８】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明による数
値制御装置においては、工具取付部に回転機構を具備し
ない通常の工作機械において作成されたプログラムを利
用して、基本座標系とは全く異なる実際のセットされた
ワークの座標系に座標変換する場合において、工具先端
方向を意識せずに加工を行うことができるようになっ
た。また、工具先端方向に連動した動作をオペレータに
提供することができ、プログラム上の座標系と実際のセ
ットされたワークの座標系とが異なる場合においても、
段取り等の時間短縮を計ることができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】基本座標系と工具座標系とが一致してない場合
の本発明の工具座標系の概念を示す加工構成図。

【図２】基本座標系上のＺ軸方向に工具が取り付けられ
ており、基本座標系と工具座標系とが一致している場合
の加工構成図。

【図３】本発明の一実施例数値制御装置の構成を示すブ
ロック図。

【図４】本発明の任意工具座標系の具体的な設定例を示
す説明図。

【図５】基本座標系上にセットしてあるワークに傾斜穴
加工を行う場合の本発明の一実施例である具体的な加工
例を示す説明図。

【図６】従来の数値制御装置の構成を示すブロック図。

【符号の説明】

Ａ．．第１回転軸 Ｃ．．第２回転軸 Ｘ″，Ｙ″，Ｚ″；Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ；Ｘｔ′，Ｙ
ｔ′，Ｚｔ′．．工具座標系 Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ．．基本座標系 Ｗ．．ワーク

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工具取付部に少なくとも２軸の回転機構
   を具備し、工具先端方向を自由に制御できる工作機械に
   おいて、工具取付基準位置又は工具回転中心と工具先端
   とを結ぶ線上の任意の位置を原点とした工具座標系を自
   動的に内部生成させ、前記工具座標系による動作か基本
   座標系による動作かを任意に選択可能にして、前記工具
   座標系による動作が選択されたとき、数値制御装置の３
   次元プログラム指令又は手動送り／ハンドル送りによる
   指令を含む通常のＮＣ指令により前記工具座標系に動作
   指示を与え、前記数値制御装置は任意工具座標系で指令
   される前記ＮＣ指令を前記基本座標系へ座標変換を行い
   ながら動作する３次元座標変換機能を備えるようにした
   ことを特徴とする数値制御装置。
2. 【請求項２】 前記ＮＣ指令は、数値制御装置が制御す
   る基本座標系上で扱うＮＣプログラムの軸アドレスによ
   る指令あるいは手動送り／ハンドル送りによる全ての指
   令を含む直線軸指令と共用するようにしたことを特徴と
   する請求項１記載の数値制御装置。
3. 【請求項３】 前記工具先端位置を中心に工具取付基準
   位置を回転させる手段を数値制御装置が制御する基本座
   標系上で扱うＮＣプログラムの軸アドレスによる指令あ
   るいは手動送り／ハンドル送りによる指令を含む全ての
   回転軸指令と共用するようにしたことを特徴とする請求
   項１記載の数値制御装置。
4. 【請求項４】 前記工具先端位置を前記基本座標系の任
   意の位置に固定し、その工具先端位置を中心に工具取付
   基準位置を回転させる工具座標系を自動的に内部生成す
   るようにしたことを特徴とする請求項１記載の数値制御
   装置。