WO2010134532A1 - 数値制御装置 - Google Patents

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WO2010134532A1
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tool
partial
trajectory
axis
cutting surface
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Inventor
大戸裕
Original Assignee
株式会社ソディック
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/416—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control of velocity, acceleration or deceleration
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/43—Speed, acceleration, deceleration control ADC
    • G05B2219/43129—Speed as function of curvature, in curves, corners smaller than in straight line
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Definitions

  • the present invention relates to a numerical control device that controls a machine tool that cuts a workpiece using a rotary tool.
  • NC machine tools perform cutting in accordance with NC programs created by CAM (Computer Aided Manufacturing).
  • CAM Computer Aided Manufacturing
  • a solid model of a product shape has been created by a CAD (Computer Aided Design) apparatus and provided to the CAM.
  • the CAM calculates a tool trajectory and sets a feed speed based on a solid model of a product shape.
  • the tool trajectory includes a free curve described by a non-uniform rational B-spline (NURBS, Non-Uniform Rational ⁇ ⁇ B-Spline)
  • NURBS Non-Uniform Rational ⁇ ⁇ B-Spline
  • Patent Document 1 discloses a method of dividing a tool trajectory into a number of sections and setting a feed speed F for each section.
  • S is the number of revolutions (rpm)
  • E is the number of blades of the tool
  • L is the length of the section (mm).
  • X is a cutting amount (mm 3 ) required for one section.
  • V is a cutting amount per rotation of one blade. The cutting amount V per blade is calculated based on the workpiece material and the L / D (projection length / tool diameter) of the tool.
  • a tool such as a ball end mill has a diameter that decreases as it approaches the tip.
  • the amount of cutting per hour is reduced when a small diameter portion smaller than the nominal diameter of the tool is cutting the workpiece.
  • the feed speed F obtained by the previous calculation formula based on the nominal tool diameter causes a shortage of the cutting amount.
  • the machining accuracy may be reduced, and the tool may be abnormally worn or damaged.
  • the tool is pushed back from the cutting point while the workpiece is being cut, and a deviation occurs between the actual value and the target value of the tool position.
  • This positional deviation increases as the feed speed increases.
  • a large positional deviation may cause waviness or a step on the finished surface.
  • An object of the present invention is to provide a numerical control device that eliminates the shortage of the cutting amount and reduces the positional deviation without reducing the cutting efficiency.
  • the numerical control device of the present invention is a numerical control device for controlling a machine tool having a plurality of axes and moving a tool relative to a workpiece, Tool path generation means for generating a tool path for machining a workpiece; Partial trajectory calculating means for dividing the tool trajectory into a plurality of short partial trajectories (l) as the curvature (k) increases; For each partial trajectory, a cutting surface angle ( ⁇ ) formed by the normal of the cutting surface near the cutting point and the rotation axis of the tool is calculated, and a set feed speed is set based on the cutting surface angle for each partial trajectory.
  • a corrected feed rate calculating means for calculating a corrected feed rate F ( ⁇ ) obtained by correcting (F);
  • Axis control data calculation means for obtaining speed data (Vx, Xy, Vz) of each axis at regular time intervals ( ⁇ t) so that the tool can move on the partial trajectory at the corrected feed rate;
  • Output means for outputting the speed data to drive means for driving the machine tool is provided.
  • Axis refers to control axes such as the X, Y, and Z axes.
  • the numerical control device of the present invention is a numerical control device that controls a machine tool that has a plurality of axes and moves a tool relative to a workpiece, Tool path generation means for generating a tool path for machining a workpiece; Partial trajectory calculating means for dividing the tool trajectory into a plurality of short partial trajectories (l) as the curvature (k) increases; For each partial trajectory, a cutting surface angle ( ⁇ ) formed by a normal of a point on the partial trajectory and the rotation axis of the tool is calculated, and set feed is performed based on the cutting surface angle for each partial trajectory.
  • a corrected feed rate calculating means for calculating a corrected feed rate F ( ⁇ ) obtained by correcting the speed (F);
  • Axis control data calculation means for obtaining speed data (Vx, Xy, Vz) of each axis at regular time intervals ( ⁇ t) so that the tool can move on the partial trajectory at the corrected feed rate;
  • Output means for outputting the speed data to drive means for driving the machine tool is provided.
  • a certain point on the partial locus may be the starting point of the partial locus.
  • the minimum feed rate (v0) may be input to the numerical controller, and the correction feed rate may be proportional to the cutting surface angle within a range that does not fall below the minimum feed rate.
  • the feed speed is reduced when the deviation of the tool position is likely to occur, the deviation of the tool position is reduced. Further, since the feed rate is reduced when the cutting speed is decreasing, the shortage of the cutting amount is solved.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a machining system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the drive unit in FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the numerical controller in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an offset shape.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a tool trajectory.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the division of the tool path.
  • FIG. 7 is a diagram showing a partial trajectory in FIG.
  • FIG. 8 is a diagram showing velocity data of each axis.
  • FIG. 9 is a diagram showing a cutting surface angle.
  • FIG. 10 is a plan view showing a workpiece and a tool trajectory.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line BB ′ of FIG.
  • FIG. 12 is a graph showing an example of the corrected feed rate.
  • FIG. 13 is a flowchart showing the operation of the numerical controller.
  • the machining system 1 of the present invention includes a CAD device 2, a numerical control device 3, and a machine tool 4.
  • the CAD device 2 generates a solid model of a product shape.
  • the machine tool 4 includes a spindle 41 to which a tool is attached and a table 42 on which a workpiece is installed.
  • the main shaft 41 is a shaft that transmits cutting power, and is usually represented as a Z-axis.
  • the machine tool 4 includes two orthogonal feed shafts 43 and 44 that move the table 42, and a drive unit 45 that drives the main shaft 41 and the feed shafts 43 and 44.
  • the feed shafts 43 and 44 are represented as an X axis and a Y axis, respectively, and are orthogonal to the Z axis.
  • the drive unit 45 includes an axis control data receiving unit 46, a signal generating unit 47, a main shaft amplifier 48, and a servo amplifier 49.
  • the axis control data receiving unit 46 receives axis control data A for controlling each axis from the numerical controller 3.
  • the signal generation unit 47 generates movement signals for the Z axis, the X axis, and the Y axis according to the axis control data A.
  • the spindle amplifier 48 supplies a current signal to the motor 48a that drives the spindle 41 in accordance with the Z-axis movement signal.
  • the servo amplifier 49 supplies current signals to the motors 49a and 49b that drive the feed shaft in accordance with the X-axis and Y-axis movement signals. Although only one servo amplifier 49 is shown in FIG. 2, the servo amplifier 49 includes X-axis and Y-axis servo amplifiers. In FIG. 2, rotary motors 48a, 49a and 49b are shown, but linear motors may be used instead.
  • the numerical control device 3 includes a high-performance microcomputer and a memory.
  • the microcomputer executes a program stored in the memory to generate axis control data A for driving the X axis, the Y axis, and the Z axis.
  • the program is stored in a non-rewritable memory such as a ROM so that the program is not rewritten under the influence of noise generated from the machine tool 4.
  • the memory also functions as a storage device that stores information necessary for cutting and other information.
  • the numerical control device 3 includes at least one suitable storage device or recording medium such as a ROM, a RAM, and a hard disk.
  • the CAD device 2 is realized by executing a CAD program read into an auxiliary storage device of a general-purpose computer (for example, a workstation). The operator inputs the product shape to the CAD device 2, and the CAD device 2 outputs the solid model M of the product shape to the numerical control device 3.
  • the numerical control device 3 includes an operation panel 31, a storage unit 311, an input unit 32, an offset shape generation unit 33, a tool locus generation unit 34, a partial locus calculation unit 35, and a corrected feed rate calculation unit. 36, an axis control data calculation means 38, and an output means 37.
  • the operator uses the operation panel 31 to input various parameters, an initially set feed speed F, an offset value d for offsetting the machining shape, a pick feed Pick that is an interval for moving the tool, and a minimum feed speed v0.
  • the parameters include maximum acceleration and maximum jerk, and the speed of each axis is limited according to the parameters. Since the maximum acceleration, maximum jerk, and the like vary depending on the tool used, it is preferable to set parameters according to the tool.
  • the storage unit 311 stores information necessary for processing.
  • the input unit 32 inputs data of the solid model M generated by the CAD device 2.
  • the offset shape generation means 33 generates a shape in which the solid model M is offset by an offset value d (hereinafter referred to as an offset shape).
  • the workpiece machining process includes a plurality of machining steps such as rough machining and finishing, and an offset shape is generated for each machining step.
  • the offset value d is determined mainly based on the tool radius.
  • FIG. 4 shows an example of the offset shape.
  • the offset shape generation means 33 obtains a shape S1 obtained by offsetting the shape S0 by the offset value d in the normal direction t.
  • the tool locus generating means 34 obtains a tool locus for machining the workpiece from the offset shape.
  • FIG. 5 shows an example of the tool trajectory.
  • the tool trajectory is a trajectory in which the position of the tool moves relative to the workpiece, and refers to a trajectory drawn by the virtual center of the tool.
  • the workpiece is contoured.
  • the pick feed Pick in the figure is determined according to the tool diameter and workpiece material, and is stored in the storage means 311.
  • the tool trajectory generation means 34 calculates an intersection line L between the contour plane Q parallel to the XY plane and the offset shape S1.
  • contour plane Q is moved downward in the Z-axis direction by the pick feed Pick and the next intersection line is calculated.
  • intersecting lines are represented by parametric curves such as B-splines, and are stored in the storage means 311 as tool trajectories.
  • an intersection line between the contour plane parallel to the ZX plane or the YZ plane and the offset shape S1 may be obtained, and the contour plane may be moved with a constant pick feed in the Y-axis direction or the X-axis direction.
  • the partial trajectory calculating means 35 divides the tool trajectory into a plurality of partial trajectories based on the curvature of the tool trajectory. It may be difficult to move the tool along a trajectory having a large curvature while controlling the speed, because it is influenced by the moment of inertia and rigidity of the machine tool 4. Therefore, as shown in FIG. 6, the tool trajectory is a plurality of partial trajectories 11, 12, 13, which are shorter as the curvature increases due to points P 1, P 2, P 3,. .., Li,.
  • the curvature k of the partial trajectory is obtained by Expression (1).
  • the input unit 32 inputs data of the solid model M generated by the CAD device 2.
  • the corrected feed rate calculation means 36 calculates the cutting surface angle ⁇ (0 ⁇ ⁇ ⁇ 90 °) of each partial locus, and calculates the corrected feed rate F ( ⁇ ) from the cutting surface angle ⁇ and the set feed rate F. When the cutting surface angle ⁇ decreases, the correction feed rate F ( ⁇ ) also decreases. When the cutting surface angle ⁇ increases, the correction feed rate F ( ⁇ ) also increases.
  • the cutting surface angle ⁇ will be described with reference to FIG.
  • the cutting point is the point where the tool blade and the workpiece come into contact.
  • the tool rotates at high speed around the rotation axis.
  • the rotation axis passes through the virtual center of the tool.
  • the cutting surface is a minute surface near the cutting point.
  • the cutting surface angle ⁇ is an angle formed by the normal of the cutting surface at the cutting point and the rotation axis.
  • the cutting surface angle ⁇ can be obtained using a normal line at a specific point on the partial locus. For example, a vector at the start point of the partial locus is obtained from the coordinate values of the start point and end point on the partial locus. An angle ⁇ between the normal of the vector and the rotation axis of the tool is obtained.
  • the corrected feed speed F ( ⁇ ) is obtained by the following equation as shown by the solid line in FIG.
  • An example of the corrected feed rate F ( ⁇ ) is shown in FIG. F represents the set feed speed, and v0 represents the minimum feed speed.
  • ⁇ k is v0 ⁇ 90 ° / F.
  • the corrected feed speed F ( ⁇ ) may be obtained by the following equation as indicated by a broken line in FIG. v0 is set so that the corrected feed rate F ( ⁇ ) is always positive.
  • the correction feed speed F ( ⁇ ) is proportional to the cutting surface angle ⁇ within a range that does not fall below the minimum feed speed v0.
  • the storage unit 311 stores the corrected feed speed F ( ⁇ ) for each machining process.
  • the correction feed rate calculation unit 36 reduces the feed rate when the deviation of the tool position is likely to occur, the deviation of the tool position is reduced. Further, when the cutting surface angle ⁇ is small, the small diameter portion of the tool is in contact with the workpiece, and the cutting speed is reduced. Since the correction feed rate calculation unit 36 reduces the feed rate when the cutting rate is decreasing, the shortage of the cutting amount is solved.
  • the axis control data calculation means 38 obtains axis control data A based on the corrected feed speed F ( ⁇ ) and the curvature.
  • the axis control data A is speed data per unit time distributed to each axis of the drive unit. In a partial locus l having a large curvature, the tool may deviate from the partial locus l. Therefore, the axis control data A is given so that the feed rate is smaller than the corrected feed rate F ( ⁇ ) in the partial track 1 where the tool is predicted to deviate from the partial track l.
  • FIG. 7 shows that the tool is moved on the partial trajectory l according to the corrected feed rate F ( ⁇ ).
  • the tool is moved in the tangential direction of the partial trajectory l.
  • the velocity per unit time is divided into velocity components (V1x, V1y, V1z) of the X, Y, and Z axes of the tangent vector.
  • the velocity per unit time is divided into velocity components (V2x, V2y, V2z) of the X, Y, and Z axes of the tangent vector.
  • the X-axis speed changes from V1x to V2x
  • the Y-axis speed changes from V1y to V2y
  • the Z-axis speed changes from V1z to V2z. It is necessary that the tool is always moved in the tangential direction of the partial trajectory l so that the tool moves exactly on the partial trajectory l.
  • the axis control data calculation means 38 obtains speed data Vx, Xy, Vz of each axis at every short time interval ⁇ t.
  • the speed curve in FIG. 8 represents speed data Vx, Xy, Vz of each axis.
  • the axis control data A includes speed data Vx, Xy, Vz of each axis obtained every short time interval ⁇ t and the position of the starting point on the partial locus l.
  • the integrated value of the velocity curve from time T0 to time Tn is the distance traveled from time T0 to time Tn.
  • the position of each axis at time Tn is obtained by adding the integral value of the velocity curve from time T0 to time Tn to the starting point P0 of the partial locus l.
  • the storage unit 311 stores the axis control data A for each machining process.
  • the signal generation unit 47 of the drive unit 45 generates a movement signal for each axis and outputs it to the main shaft amplifier 48 and the servo amplifier 49 so that the speed of each axis changes according to the axis control data A every time interval ⁇ t.
  • the signal generator 47 does not output a movement signal to the spindle amplifier 48.
  • the process in which the numerical control device 3 determines the axis control data A will be described.
  • the operator sets various parameters such as maximum acceleration and maximum jerk using the operation panel 31 (S100). These parameters are stored in the storage means 311.
  • the operator inputs a product shape using the CAD device 2 (S200), and outputs a solid model M from the CAD device 2 based on the product shape (S201).
  • the solid model M is transmitted to the numerical controller 3 via the network 5.
  • the solid model M is input by the input unit 32 and stored in the storage unit 311 (S101).
  • the order and number of machining steps are input from the operation panel 31 of the numerical control device 3.
  • the feed speed F, the offset value d, the pick feed Pick, and the minimum feed speed v0 are set for each machining step (S102). These set values are stored in the storage means 311.
  • the offset shape generating means 33 generates an offset shape obtained by offsetting the solid model M by the offset value d for each machining step (S103).
  • the tool trajectory generating means 34 generates a tool trajectory L for machining the workpiece while moving the contour plane Q on the offset shape S1 by the pick feed Pick (S104).
  • the tool path L is stored in the storage unit 311.
  • the partial trajectory calculating means 35 calculates a plurality of partial trajectories 1 obtained by dividing the tool trajectory according to the curvature (S105).
  • the corrected feed rate calculation means 36 calculates the cutting surface angle ⁇ for each partial locus l (S106), and calculates the corrected feed rate F ( ⁇ ) from the designated feed rate F based on the cutting surface angle ⁇ (S107). .
  • the axis control data calculation means 38 calculates the axis control data A from the corrected feed speed F ( ⁇ ) (S108).
  • the axis control data A includes speed data for each axis determined every short time interval ⁇ t, and the speed data for each axis is limited by the maximum acceleration and the maximum jerk.
  • the axis control data A is stored in the storage unit 311.
  • the axis control data receiving unit 46 of the drive unit 45 receives the axis control data A (S301).
  • the signal generation unit 47 of the drive unit 45 processes the axis control data A in the order received, generates a movement signal for each axis, and outputs it to the spindle amplifier 48 and the servo amplifier 49 (S302).

Abstract

複数の軸を有し工具をワークに相対的に移動させる工作機械を制御する数値制御装置は、ワークを加工するための工具軌跡を生成する工具軌跡生成手段と、工具軌跡を曲率（ｋ）が大きいほど短い複数の部分軌跡（ｌ）に分割する部分軌跡算出手段と、部分軌跡ごとに、切削点付近の切削面の法線と工具の回転軸とのなす切削面角度（θ）を算出し、部分軌跡ごとに、切削面角度に基づいて設定送り速度（Ｆ）を補正した補正送り速度Ｆ（θ）を算出する補正送り速度算出手段と、工具が部分軌跡上を補正送り速度で移動できるように一定時間間隔（Δｔ）毎に各軸の速度データ（Ｖｘ、Ｘｙ、Ｖｚ）を求める軸制御データ算出手段と、速度データを工作機械を駆動する駆動手段に出力する出力手段を備える。補正送り速度は最低送り速度（ｖ０）を下回らない範囲で切削面角度に比例する。

Description

数値制御装置
本発明は、回転工具を用いてワークを切削加工する工作機械を制御する数値制御装置に関する。
ＮＣ工作機械は、ＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）が作成したＮＣプログラムに従って切削加工を行っている。近年、製品形状のソリッドモデルがＣＡＤ（Computer Aided Design）装置によって作成され、ＣＡＭへ提供されている。
一般に、ＣＡＭは、製品形状のソリッドモデルに基づいて、工具軌跡を計算し送り速度を設定している。工具軌跡が非一様有理Ｂスプライン（NURBS，Non-Uniform Rational B-Spline）などで記述された自由曲線を含む場合、ＣＡＭはその自由曲線を微小曲線または微小直線に分割している。
特許文献１は、工具軌跡を多数の区間に分割し、各区間ごとに送り速度Ｆを設定する方法を開示している。送り速度ＦはＦ＝Ｖ×Ｓ×Ｅ×Ｌ／Ｘの計算式によって求められている。Ｓは回転数（ｒｐｍ）、Ｅは工具の刃数、Ｌは区間の長さ（ｍｍ）である。Ｘは１区間に必要な切削量（ｍｍ３）である。Ｖは１刃の１回転当りの切削量である。一刃当り切削量Ｖは、ワーク材料、工具のＬ／Ｄ（突出長さ／工具径）に基づいて計算される。
特開２００２－２００５４０号公報
例えばボールエンドミルのような工具は、先端に近づくほど小さくなる径を有する。同じ回転数で工具を回転させた場合、工具の名目上の径より小さい小径部分がワークを切削している場合、時間当たりの切削量が減少してしまう。このような場合、名目上の工具径に基づいて先の計算式により求められた送り速度Ｆは、切削量の不足を引き起こしてしまう。その結果、加工精度の低下、工具の異常な消耗や破損が生じることがある。
また、工具は、ワークを切削している間、切削点から押し戻され、工具位置の実際値と目標値に偏差が生じる。この位置偏差は、送り速度が大きいほど、大きくなる。大きな位置偏差は、仕上げ面にうねりや段差が生じさせることがある。
本発明の目的は、切削効率を低下させることなく、切削量の不足を解消し、位置偏差を減少する数値制御装置を提供することである。
本発明の数値制御装置は、複数の軸を有し工具をワークに相対的に移動させる工作機械を制御する数値制御装置であって、
　ワークを加工するための工具軌跡を生成する工具軌跡生成手段と、
　前記工具軌跡を曲率（ｋ）が大きいほど短い複数の部分軌跡（ｌ）に分割する部分軌跡算出手段と、
　前記部分軌跡ごとに、切削点付近の切削面の法線と前記工具の回転軸とのなす切削面角度（θ）を算出し、前記部分軌跡ごとに、前記切削面角度に基づいて設定送り速度（Ｆ）を補正した補正送り速度Ｆ（θ）を算出する補正送り速度算出手段と、
　前記工具が前記部分軌跡上を前記補正送り速度で移動できるように一定時間間隔（Δｔ）毎に各軸の速度データ（Ｖｘ、Ｘｙ、Ｖｚ）を求める軸制御データ算出手段と、
前記速度データを、前記工作機械を駆動する駆動手段に出力する出力手段を備える。
「軸」とは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸のような制御軸をいう。
また、本発明の数値制御装置は、複数の軸を有し工具をワークに相対的に移動させる工作機械を制御する数値制御装置であって、
　ワークを加工するための工具軌跡を生成する工具軌跡生成手段と、
　前記工具軌跡を曲率（ｋ）が大きいほど短い複数の部分軌跡（ｌ）に分割する部分軌跡算出手段と、
　前記部分軌跡ごとに、前記部分軌跡上のある点の法線と前記工具の回転軸とのなす切削面角度（θ）を算出し、前記部分軌跡ごとに、前記切削面角度に基づいて設定送り速度（Ｆ）を補正した補正送り速度Ｆ（θ）を算出する補正送り速度算出手段と、
　前記工具が前記部分軌跡上を前記補正送り速度で移動できるように一定時間間（Δｔ）隔毎に各軸の速度データ（Ｖｘ、Ｘｙ、Ｖｚ）を求める軸制御データ算出手段と、
前記速度データを、前記工作機械を駆動する駆動手段に出力する出力手段を備える。
前記部分軌跡上のある点は前記部分軌跡の始点であればよい。最低送り速度（ｖ０）が数値制御装置に入力され、前記補正送り速度は前記最低送り速度を下回らない範囲で前記切削面角度に比例すればよい。
本発明によれば、工具位置の偏差が生じやすいときに送り速度が小さくなるので、工具位置の偏差が減少させられる。また、切削速度が低下しているときに、送り速度が小さくなるので、切削量の不足が解消される。
図１は、本発明の一実施例による加工システムを示すブロック図である。 図２は、図１中の駆動部を示すブロック図である。 図３は、図１中の数値制御装置を示すブロック図である。 図４は、オフセット形状の一例を示す図である。 図５は、工具軌跡の一例を示す図である。 図６は、工具軌跡の分割の一例を示す図である。 図７は、図６中の部分軌跡を示す図である。 図８は、各軸の速度データを表す図である。 図９は、切削面角度を示す図である。 図１０は、ワークと工具軌跡を示す平面図である。 図１１は、図１０のＢ－Ｂ‘線に沿って見た断面図である。 図１２は、補正送り速度の一例を示すグラフである。 図１３は、数値制御装置の動作を示すフローチャート図である。
１　　　加工システム
２　　　ＣＡＤ装置
３　　　数値制御装置
４　　　工作機械
５　　　ネットワーク
３１　　操作パネル
３２　　入力手段
３３　　オフセット形状生成手段
３４　　工具軌跡生成手段
３５　　部分軌跡算出手段
３６　　補正送り速度算出手段
３７　　出力手段
３８　　軸制御データ算出手段
４１　　主軸
４２　　テーブル
４３，４４　送り軸
４５　　駆動部
４６　　軸制御データ受信部
４７　　信号生成部
４８　　主軸アンプ
４８ａ，４９ａ,４９ｂ　モータ
４９　　サーボアンプ
３１１　記憶手段
Ａ　　　軸制御データ
Ｍ　　　ソリッドモデル
θ　　　切削面角度
Ｆ　　　設定送り速度
ｖ０　　最低送り速度
Ｆ（θ）補正送り速度
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図１中に示されるように、本発明の加工システム１は、ＣＡＤ装置２と、数値制御装置３と、工作機械４とからなる。ＣＡＤ装置２は製品形状のソリッドモデルを生成する。工作機械４は、工具が取り付けられる主軸４１と、ワークが設置されるテーブル４２とを備える。主軸４１は切削動力を伝える軸であり、通常Ｚ軸として表わされる。図２中に示されるように、工作機械４は、テーブル４２を移動させる直交する２つの送り軸４３，４４と、主軸４１と送り軸４３，４４とを駆動する駆動部４５とを備えている。送り軸４３，４４はそれぞれＸ軸とＹ軸として表され、Ｚ軸と直交している。
駆動部４５は、軸制御データ受信部４６と、信号生成部４７と、主軸アンプ４８と、サーボアンプ４９とを備える。軸制御データ受信部４６は数値制御装置３から各軸を制御する軸制御データＡを受取る。信号生成部４７は軸制御データＡに従ってＺ軸、Ｘ軸およびＹ軸の各移動信号を生成する。
主軸アンプ４８は、Ｚ軸移動信号に応じて、主軸４１を駆動するモータ４８ａに電流信号を供給する。サーボアンプ４９は、Ｘ軸およびＹ軸移動信号に応じて、送り軸を駆動するモータ４９ａ,４９ｂにそれぞれ電流信号を供給する。ただ１つのサーボアンプ４９が図２に示されているが、サーボアンプ４９はＸ軸とＹ軸のそれぞれのサーボアンプを含んでいる。図２では回転型のモータ４８ａ、４９ａおよび４９ｂが示されているが、代わりにリニアモータが使用されても良い。
数値制御装置３は、高性能のマイクロコンピュータとメモリが内蔵されている。マイクロコンピュータはメモリに記憶されているプログラムを実行して、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を駆動させる軸制御データＡを生成する。プログラムは工作機械４から発生するノイズなどの影響を受けて書き換えられることがないようにＲＯＭなどの書き換え不可能なメモリ上に記憶される。メモリは、切削加工に必要な情報およびその他の情報を記憶する記憶装置としても機能する。数値制御装置３は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等の少なくとも１つの適切な記憶装置または記録媒体を備える。
ＣＡＤ装置２は、汎用コンピュータ（例えばワークステーション等）の補助記憶装置に読み込まれたＣＡＤプログラムが実行されることにより実現される。操作者が製品形状をＣＡＤ装置２に入力し、ＣＡＤ装置２は製品形状のソリッドモデルＭを数値制御装置３へ出力する。
図３中に示されるように、数値制御装置３は、操作パネル３１、記憶手段３１１、入力手段３２、オフセット形状生成手段３３、工具軌跡生成手段３４、部分軌跡算出手段３５、補正送り速度算出手段３６、軸制御データ算出手段３８、および出力手段３７を備える。
操作者は、操作パネル３１を用いて、各種のパラメータ、初期設定された送り速度Ｆ、加工形状をオフセットするオフセット値ｄ、工具を移動させる間隔であるピックフィードＰｉｃｋ、および最低送り速度ｖ０を入力する。パラメータは最大加速度および最大加加速度を含み、パラメータに応じて各軸の速度が制限される。使用される工具によって最大加速度や最大加加速度などは異なるため、工具に応じてパラメータを設定することが好ましい。
記憶手段３１１は加工に必要な情報を記憶する。入力手段３２はＣＡＤ装置２で生成されたソリッドモデルＭのデータを入力する。オフセット形状生成手段３３はソリッドモデルＭがオフセット値ｄだけオフセットされた形状（以下、オフセット形状という）を生成する。ワークの加工プロセスは荒加工、仕上げ等の複数の加工工程を含み、オフセット形状は各加工工程に生成される。オフセット値ｄは主に工具半径に基づいて定められる。図４はオフセット形状の一例を示している。オフセット形状生成手段３３は形状Ｓ０を法線方向ｔにオフセット値ｄだけオフセットした形状Ｓ１を求める。
工具軌跡生成手段３４はオフセット形状から、ワークを加工するための工具軌跡を求める。図５は工具軌跡の一例を示している。工具軌跡は、ワークに対する工具の位置が移動する軌跡であり、工具の仮想中心が描く軌跡を言う。ここでは、ワークは等高線加工される。図中のピックフィードＰｉｃｋは、工具径やワーク材質に応じて決められ、記憶手段３１１に記憶されている。工具軌跡生成手段３４は、ＸＹ平面に平行な等高平面Ｑとオフセット形状Ｓ１との交線Ｌを算出する。
さらに、等高平面ＱがピックフィードＰｉｃｋでＺ軸方向に下方へ移動させられ、次の交線が算出される。これら交線はＢスプラインなどのパラメトリック曲線で表され、工具軌跡として記憶手段３１１に記憶される。あるいは、ＺＸ平面あるいはＹＺ平面に平行な等高平面とオフセット形状Ｓ１の交線が求められ、Ｙ軸方向あるいはＸ軸方向に一定のピックフィードで等高平面が移動させられても良い。
部分軌跡算出手段３５は工具軌跡の曲率に基づいて工具軌跡を複数の部分軌跡に分割する。速度を制御しながら工具を大きい曲率を有する軌跡に沿って移動させることは、工作機械４の慣性モーメントや剛性などに影響されて、難しい場合がある。そこで、図６中に示されるように、工具軌跡は、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，・・・，Ｐｉ，Ｐｉ＋１、・・・によって、曲率が大きいほど短い複数の部分軌跡ｌ１，ｌ２，ｌ３，・・・，ｌｉ,・・・に分割される。部分軌跡の曲率ｋは数式（１）によって求められる。ｒは部分軌跡の曲率半径である。
ｋ＝１／ｒ・・・（１）
入力手段３２はＣＡＤ装置２で生成されたソリッドモデルＭのデータを入力する。補正送り速度算出手段３６は各部分軌跡の切削面角度θ（０≦θ≦９０°）を求めて、切削面角度θと設定送り速度Ｆから補正送り速度Ｆ（θ）を算出する。切削面角度θが小さくなると補正送り速度Ｆ（θ）も小さくなり、切削面角度θが大きくなると補正送り速度Ｆ（θ）も大きくなる。
図９を参照して切削面角度θが説明される。切削点は工具の刃とワークが接する点である。工具は回転軸を中心に高速回転する。回転軸は工具の仮想中心を通る。切削面は切削点付近の微小な面である。切削面角度θは、切削点における切削面の法線と回転軸とがなす角度である。
図１０および図１１は、走査線加工における工具軌跡を示している。図１２中の矢印は工具軌跡を示している。走査線加工においては、切削面角度θを部分軌跡上の特定点における法線を用いて求めることができる。例えば、部分軌跡上の始点と終点の座標値から部分軌跡の始点におけるベクトルが求められる。そのベクトルの法線と工具の回転軸とのなす角αが求められる。切削面角度θは次の式から求められても良い。
θ＝９０°－α・・・（２） 
補正送り速度Ｆ（θ）は、図１２中の実線で示されるように、次の式により求められる。補正送り速度Ｆ（θ）の一例が図１２中に示されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 Ｆは設定送り速度を表わし、ｖ０は最低送り速度を表わしている。θｋはｖ０×９０°／Ｆである。
また、補正送り速度Ｆ（θ）は、図１２中の破線で示されるように、次の式により求められても良い。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ｖ０は補正送り速度Ｆ（θ）が常に正となるように設定されている。補正送り速度Ｆ（θ）が最低送り速度ｖ０を下回らない範囲で切削面角度θに比例する。記憶手段３１１は補正送り速度Ｆ（θ）を、加工工程毎に、記憶する。
切削面角度θが小さいとき、工具が切削点から押し戻されて工具位置の偏差が生じやすい。補正送り速度算出部３６は工具位置の偏差が生じやすいときに送り速度を小さくするので、工具位置の偏差が減少させられる。また、切削面角度θが小さいとき、工具の小径部分がワークに接しており切削速度が低下している。補正送り速度算出部３６は切削速度が低下しているときに送り速度を小さくするので、切削量の不足が解消される。
軸制御データ算出手段３８は補正送り速度Ｆ（θ）と曲率に基づき軸制御データＡを求める。軸制御データＡは駆動部の各軸に分配される単位時間当たりの速度データである。曲率の大きい部分軌跡ｌでは工具は部分軌跡ｌを外れるおそれがある。そこで、工具が部分軌跡ｌを外れると予測される部分軌跡ｌでは、送り速度が補正送り速度Ｆ（θ）よりも小さくなるように軸制御データＡが与えられる。
図７は、工具が部分軌跡ｌ上を補正送り速度Ｆ（θ）に従って移動させられることを示している。工具は部分軌跡ｌの接線方向に移動させられる。始点Ｐ１で、単位時間当たりの速度は、接線ベクトルのＸ,Ｙ,Ｚ軸の速度成分（Ｖ１ｘ、Ｖ１ｙ、Ｖ１ｚ）に分けられる。終点Ｐ２で、単位時間当たりの速度は、接線ベクトルのＸ,Ｙ,Ｚ軸の速度成分（Ｖ２ｘ、Ｖ２ｙ、Ｖ２ｚ）に分けられる。始点Ｐ１から終点Ｐ２までの移動の間に、Ｘ軸速度はＶ１ｘからＶ２ｘへ変化し、Ｙ軸速度はＶ１ｙからＶ２ｙへ変化し、Ｚ軸速度はＶ１ｚからＶ２ｚへ変化する。工具が正確に部分軌跡ｌ上を移動するように、工具は常に部分軌跡ｌの接線方向に移動させられることが必要である。
そこで、図８中に示されるように、軸制御データ算出手段３８は、短い時間間隔Δｔ毎に各軸の速度データＶｘ、Ｘｙ、Ｖｚを求める。図８の速度曲線は、各軸の速度データＶｘ、Ｘｙ、Ｖｚを表わしている。ここでは、工具はＸＹ平面でのみ移動する。軸制御データＡは、短い時間間隔Δｔ毎に求められた各軸の速度データＶｘ、Ｘｙ、Ｖｚと、部分軌跡ｌ上の始点の位置を含んでいる。時間Ｔ０から時間Ｔｎまでの速度曲線の積分値が時間Ｔ０から時間Ｔｎまでに移動した距離となる。時間Ｔｎにおける各軸の位置は、時間Ｔ０から時間Ｔｎまでの速度曲線の積分値を部分軌跡ｌの始点Ｐ０に加えることにより求められる。記憶手段３１１は、加工工程毎に、軸制御データＡを記憶する。
駆動部４５の信号生成部４７は、各軸の速度が時間間隔Δｔ毎に軸制御データＡに従って変化するように、各軸の移動信号を生成して主軸アンプ４８，サーボアンプ４９に出力する。軸制御データＡが図８の通り与えられている場合、信号生成部４７は主軸アンプ４８に対し移動信号を出力しない。
図１３を参照して、数値制御装置３が軸制御データＡを決めるプロセスが説明される。まず、操作者が、操作パネル３１を用いて、最大加速度、最大加加速度などの種々のパラメータを設定する（Ｓ１００）。それらパラメータは記憶手段３１１に記憶される。
操作者はＣＡＤ装置２を用いて製品形状を入力し（Ｓ２００）、製品形状に基づいてＣＡＤ装置２からソリッドモデルＭを出力する（Ｓ２０１）。ソリッドモデルＭはネットワーク５を介して数値制御装置３に送信される。ソリッドモデルＭは入力手段３２によって入力され記憶手段３１１に記憶される（Ｓ１０１）。
加工工程の順番や回数が、数値制御装置３の操作パネル３１から入力される。工具や主軸回転数に応じて、送り速度Ｆ、オフセット値ｄ、ピックフィードＰｉｃｋ、最低送り速度ｖ０が各加工工程毎に設定される（Ｓ１０２）。これら設定値は記憶手段３１１に記憶される。
オフセット形状生成手段３３はソリッドモデルＭをオフセット値ｄ分オフセットしたオフセット形状を各加工工程毎に生成する（Ｓ１０３）。工具軌跡生成手段３４はオフセット形状Ｓ１の上をピックフィードＰｉｃｋ分ずつ等高平面Ｑを移動させながらワークを加工するための工具軌跡Ｌを生成する（Ｓ１０４）。工具軌跡Ｌは記憶手段３１１に記憶される。
部分軌跡算出手段３５は、工具軌跡をその曲率に応じて分割した複数の部分軌跡ｌを算出する（Ｓ１０５）。補正送り速度算出手段３６は、部分軌跡ｌ毎に切削面角度θを算出し（Ｓ１０６）、切削面角度θに基づいて、指定送り速度Ｆから補正送り速度Ｆ（θ）を算出する（Ｓ１０７）。
軸制御データ算出手段３８は、補正送り速度Ｆ（θ）から軸制御データＡを算出する（Ｓ１０８）。軸制御データＡは短い時間間隔Δｔ毎に定められた各軸の速度データを含んでおり、各軸の速度データは最大加速度および最大加加速度によって制限される。軸制御データＡは記憶手段３１１に記憶される。駆動部４５の軸制御データ受信部４６が軸制御データＡを受取る（Ｓ３０１）。駆動部４５の信号生成部４７は、受け取った順に軸制御データＡを処理し、各軸の移動信号を生成し主軸アンプ４８、サーボアンプ４９に出力する（Ｓ３０２）。

Claims (4)

  1. 複数の軸を有し工具をワークに相対的に移動させる工作機械を制御する数値制御装置において、
    　ワークを加工するための工具軌跡を生成する工具軌跡生成手段と、
    　前記工具軌跡を曲率（ｋ）が大きいほど短い複数の部分軌跡（ｌ）に分割する部分軌跡算出手段と、
    　前記部分軌跡ごとに、切削点付近の切削面の法線と前記工具の回転軸とのなす切削面角度（θ）を算出し、前記部分軌跡ごとに、前記切削面角度に基づいて設定送り速度（Ｆ）を補正した補正送り速度Ｆ（θ）を算出する補正送り速度算出手段と、
    　前記工具が前記部分軌跡上を前記補正送り速度で移動できるように一定時間間隔毎に各軸の速度データを求める軸制御データ算出手段と、
    前記速度データを、前記工作機械を駆動する駆動手段に出力する出力手段を備えたことを特徴とする数値制御装置。
  2. 複数の軸を有し工具をワークに相対的に移動させる工作機械を制御する数値制御装置において、
    　ワークを加工するための工具軌跡を生成する工具軌跡生成手段と、
    　前記工具軌跡を曲率（ｋ）が大きいほど短い複数の部分軌跡（ｌ）に分割する部分軌跡算出手段と、
    　前記部分軌跡ごとに、前記部分軌跡上のある点の法線と前記工具の回転軸とのなす切削面角度（θ）を算出し、前記部分軌跡ごとに、前記切削面角度に基づいて設定送り速度（Ｆ）を補正した補正送り速度Ｆ（θ）を算出する補正送り速度算出手段と、
    　前記工具が前記部分軌跡上を前記補正送り速度で移動できるように一定時間間隔毎に各軸の速度データを求める軸制御データ算出手段と、
    前記速度データを、前記工作機械を駆動する駆動手段に出力する出力手段を備えたことを特徴とする数値制御装置。
  3. 前記部分軌跡上のある点は前記部分軌跡の始点である請求項２に記載の数値制御装置。
  4. 最低送り速度（ｖ０）が前記数値制御装置に入力され、前記補正送り速度は前記最低送り速度を下回らない範囲で前記切削面角度に比例することを特徴とする請求項１乃至３に記載の数値制御装置。
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