JP6740199B2 - 数値制御装置、cnc工作機械、数値制御方法及び数値制御用プログラム - Google Patents
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Description
特許文献1には、稜線部に付加された形状の加工を容易に行うための数値データを作成することができるNCデータ作成装置が記載されている。具体的には、予め作成された被加工物を表す形状データに基づき数値制御工作機械で使用する数値データを作成するNCデータ作成装置において、前記形状データから稜線部を有する図形要素を抽出するとともに、該抽出した図形要素の稜線部に付加された注釈データを抽出する抽出手段と、前記抽出した注釈データに基づき前記稜線部に付加される形状を解釈する解釈手段と、前記解釈手段の解釈結果に基づき前記稜線部に対する工具軌跡を規定する数値データを生成する数値データ生成手段とを備えることを特徴とするNCデータ作成装置が記載されている。
また、特許文献2に記載の発明は、加工を行う形状の特徴に応じて過去の加工事例を検索し、この加工事例に基づいて加工条件を設定するというものであって、エッジや平滑面等の特徴形状を、例えばCLデータやNCデータに含ませることで当該特徴形状に応じた加工処理を実行するものではない。
特徴形状の情報を含んだ加工プログラムから、加工する特徴形状の情報を読み取る特徴形状読取部(例えば、後述の特徴形状読取部311)と、
前記特徴形状の情報に応じて、一つ以上の設定区間を工具経路上に設定する区間設定部(例えば、後述の区間設定部312)と、
前記設定区間の外と内とで、前記少なくとも一つの軸の制御するために用いる、少なくとも一つのパラメータを変更する動作パラメータ変更部(例えば、後述の動作パラメータ変更部313)と、
を備えた数値制御装置である。
(A)送り軸の指令速度、許容加速度、許容加加速度、加減速の制御に関わる時定数、
(B)主軸の指令速度、許容加速度、許容加加速度、加減速の制御に関わる時定数、
(C)指令経路と実際の経路間に許される誤差の量。
(a)加工物輪郭上のエッジ位置についての情報、
(b)加工物輪郭上で平滑にする角についての情報、
(c)工具経路上で、工具が加工物のエッジに接している区間に関する情報、
(d)工具経路上で、工具経路を平滑な曲線にする区間に関する情報。
特徴形状の情報を含んだ加工プログラムから、加工する特徴形状の情報を読み取り、
前記特徴形状の情報に応じて、一つ以上の設定区間を工具経路上に設定し、
前記設定区間の外と内とで、前記少なくとも一つの軸の制御するために用いる少なくとも一つのパラメータを変更する、数値制御方法である。
特徴形状の情報を含んだ加工プログラムから、加工する特徴形状の情報を読み取る処理と、
前記特徴形状の情報に応じて、一つ以上の設定区間を工具経路上に設定する処理と、
前記設定区間の外と内とで、前記少なくとも一つの軸の制御するために用いる少なくとも一つのパラメータを変更する処置とを実行させる数値制御用プログラムである。
図1は、本発明の一実施形態のCNC工作機械の一構成例を示すブロック図である。
図1に示すように、CNC工作機械30は、数値制御装置310、サーボ制御装置320、主軸モータ330、及び送り軸モータ340を備えている。
主軸モータサーボ制御部321と、3つの送り軸モータサーボ制御部322とは、それぞれ、位置、速度フィードバックループを構成するための位置制御部、速度制御部、トルク指令値に基づいて主軸モータ又は送り軸モータを駆動するモータ駆動アンプ、及びユーザの操作を受け付けるための操作盤等を含んでいる。
次に数値制御装置310の構成例について説明する。
図2に、数値制御装置310のハードウェア構成を示す。図2に示すように、数値制御装置310を構成するコンピュータ300は、少なくとも、CPU301、入出力部302、第1記憶部303、第2記憶部304、及び表示部305を備えている。CPU301、入出力部302、第1記憶部303、第2記憶部304、及び表示部305はバスで接続されている。
また、CPU301は各プログラムを実行することによって、コンピュータ300に、所定の手順(以下、「数値制御手順」とも総称する)を実行させる。
以下、CPU301の有する機能を数値制御装置310の観点から説明する。なお、数値制御装置310による数値制御手順(方法)の観点に基づく説明は、「部」を「手順」に置き換えることで説明できるため、省略する。
数値制御装置310の各機能部について詳細に説明する前に、まず数値制御装置310に入力される加工プログラムについて説明する。
数値制御装置310に入力される加工プログラムには、加工面の形状が与えられる場合と、加工面の形状に対し工具形状をオフセットした工具経路が与えられる場合とがある。加工面の形状が与えられる場合には、数値制御装置310において工具形状補正により工具経路が生成される。
加工プログラムに加工面の形状が与えられる場合における、加工プログラムに含まれる情報は次の情報Inf1Aから情報Inf5Aである。
(Inf1A)加工面の形状に関する情報、
(Inf2A)加工面上にある特徴形状に関する情報、
(Inf3A)加工に用いる工具に関する情報
(Inf4A)加工条件に関する情報、
(Inf5A)加工を行う順序に関する情報。
(Inf1B)工具経路に関する情報、
(Inf2B)工具経路上にある特徴形状に関する情報、
(Inf3B)加工に用いる工具に関する情報
(Inf4B)加工条件に関する情報、
(Inf5B)加工を行う順序に関する情報。
情報Inf2A(=加工面上にある特徴形状に関する情報)は、加工面の形状の一点の特徴について記述した特徴点情報を含んでいる。特徴点情報は、例えば、加工物輪郭上のエッジ位置についての情報、又は加工物輪郭上で平滑にする角についての情報を含む。ここで、平滑にする角の情報は例えば、加工物輪郭上の平滑化区間の開始点、終了点、角の位置、角度等である。
情報Inf3A(=加工に用いる工具に関する情報)は、例えば、工具のタイプ、工具の寸法等に関する情報等を含む。
情報Inf4A(=加工条件に関する情報)は、例えば、加工面上での送り速度、加工面上での主軸回転数、切削液の使用等に関する情報を含む。
情報Inf5A(=加工を行う順序に関する情報)は、加工工程の順序等に関する情報を含む。
情報Inf2B(=工具経路上にある特徴形状に関する情報)は、工具経路上のある区間の特徴について記述した特徴区間情報を含んでいる。特徴区間情報は、例えば、工具経路上で、工具が加工物のエッジに接しているエッジ区間に関する情報、又は工具経路上で、工具経路を平滑な曲線にする平滑化区間に関する情報等を含む。
情報Inf3B(=加工に用いる工具に関する情報)は、例えば、工具のタイプ、工具の寸法等に関する情報等を含む。
情報Inf4B(=加工条件に関する情報)は、例えば、工具経路上での送り速度、工具経路上での主軸回転数、切削液の使用等に関する情報を含む。
情報Inf5B(=加工を行う順序に関する情報)は、加工工程の順序等に関する情報を含む。
なお、数値制御装置310の処理においては、特に、情報Inf2Aと情報Inf4A、情報Inf2Bと情報Inf4Bが重要となる。
図3はISO 14649に基づくデータモデルの階層構造を示す構成図である。なお、情報Inf2A(=加工面上にある特徴形状に関する情報)及び情報Inf2B(=工具経路上にある特徴形状に関する情報)は、ISO 14649に基づくデータモデルの階層構造に含まれない。このため、例えば、情報Inf2A(=加工面上にある特徴形状に関する情報)は、上記データモデルの階層構造における「加工形状」(又はその下位構造データ)に設定するようにしてもよい。また、情報Inf2B(=工具経路上にある特徴形状に関する情報)は、上記データモデルの階層構造における「工具経路」の下位構造データ「特徴形状」として仮に設定してもよい。
なお、図3に示すデータモデルの階層構造を参照する場合、例えば情報Inf1A(=加工面の形状に関する情報)は「加工形状」に、情報Inf1B(=工具経路に関する情報)は「工具経路」にそれぞれ記載することができる。情報Inf2A(=加工面上にある特徴形状に関する情報)又は情報InfB(=工具経路上にある特徴形状に関する情報)は「特徴形状」に、情報Inf3A又は情報Inf3B(=加工に用いる工具に関する情報)は「使用工具」に、情報Inf4A又は情報Inf4B(=加工条件に関する情報)は「加工条件」に、情報Inf5A又はInf5B(=加工を行う順序に関する情報)は「工程リスト」にそれぞれ記載することができる。
このようにすることで、情報Inf1A〜情報Inf5A又は情報Inf1B〜情報Inf5Bを含む加工プログラムは、データモデルに基づいて構造化された情報として記載することができる。
なお情報Inf1A〜情報Inf5A又は情報Inf1B〜情報Inf5Bについて、例えば、(XML等により)タグ付けしたテキスト情報をコメントとして加工プログラムに挿入してもよい。
以上、数値制御装置310に入力される加工プログラムに含まれる情報について説明した。
次に、数値制御装置310の各機能部について説明する。
また特徴形状読取部311は、情報Inf2Aが例えば、加工形状上の平滑にする角についての情報であることを検出すると、平滑にする角の情報を取得するとともに、情報Inf1Aから、加工面の輪郭形状を取得し、情報Inf4Aから、加工面を切除する際の送り速度、加工面を切除する際の主軸回転数等の加工条件に関する情報を取得する。
また、特徴形状認識部222は、情報Inf2Bが例えば、工具経路上で工具経路を平滑な曲線にする平滑化区間に関する情報であることを検出すると、情報Inf1Bから当該平滑化区間において、連続する直線分で与えられる工具経路に関する情報、及び情報Inf2Bからこの工具経路上で、形状を平滑にする平滑化区間の情報を取得する。ここで、平滑化区間情報は平滑化区間の開始点、終了点、及び平滑化区間内で許容される工具方向の変化率(一定距離進む間に、進行方向がどれだけ変化するか)の情報等を含むことができる。また情報Inf4Bから、当該平滑化区間を含む工具経路上での送り速度、工具経路上での主軸回転数等の加工条件に関する情報を取得する。
より具体的には、区間設定部312は、与えられた平滑化区間情報に基づき工具経路上に平滑化区間を設定する。ここで、区間設定部312により設定される平滑化区間は、前述した平滑化情報に基づき工具経路上に設定される区間である。例えば、図7に示す開始点と終了点は、平滑化区間情報に記載された点と一致する。また、区間設定部312は、平滑化区間内で、工具方向の変化率を許容値以下としながら、折れ線で与えられた工具経路に最も近くなるような工具経路を新たに生成する。なお、区間設定部312は、進行方向変化の変化率にも許容値を設定することで、(一般に、G2連続、G3連続と呼ばれる)高次の連続性を有する工具経路を生成しても良い。
例えば、設定区間がエッジ区間の場合、動作パラメータ変更部313は、低速区間の通過後、送り速度を区間外における送り速度F1に戻す速度指令を制御データ内に生成する。
また、設定区間が平滑化区間の場合、動作パラメータ変更部313は、平滑化区間の通過後、例えば前述した第1の加工モードに切換える速度指令を制御データ内に生成するようにしてもよい。
ここで、動作パラメータ変更部313が一定の区間内及び区間外で生成するパラメータは例えば、次のパラメータセット(1)、(2)、(3)のうちの一又は複数のパラメータである。
(1)送り軸の指令速度、許容加速度、許容加加速度、及び加減速の制御に関わる時定数
(2)主軸の指令速度、許容加速度、許容加加速度、及び加減速の制御に関わる時定数
(3)指令経路と実際の経路間に許される誤差の量
このように生成された制御データは、指令出力部314に出力される。
次に、特徴点情報の一例として、区間設定部312のエッジ位置に係る処理について、図4を参照しながら詳細に説明する。
この利用例において、加工プログラムが、加工面の輪郭形状(加工形状)を記載した情報Inf1A、輪郭上のエッジ位置の情報を記載した情報Inf2A、並びに加工面を切削する際の工具経路上での送り速度及び工具経路上での主軸回転数等の加工条件に関する情報を記載した情報Inf4Aを含むものとする。
区間設定部312は、加工面の輪郭形状と工具情報に基づいて工具オフセットを行い、工具経路を作成する。その際に、工具がエッジ位置に接触している区間をエッジ区間として設定する。工具情報は、あらかじめ数値制御装置310に登録されていても、加工プログラムに含まれていても良い。
区間設定部312は、エッジ区間を含む工具経路上に低速区間を自動的に設定する。図4に示すように、低速区間がエッジ区間よりも広くなるように、低速区間が決められる。なお、低速区間の設定処理及び動作パラメータ変更部313の処理は次に説明する利用例2と同じなので、利用例2において詳細な説明を行う。
次に、特徴区間情報の一例として、区間設定部312、及び動作パラメータ変更部313のエッジ区間に係る処理について、図5を参照しながら詳細に説明する。
この利用例において、加工プログラムが、エッジ区間に関する情報を記載した情報Inf2B、並びに当該エッジ区間を含む工具経路上での送り速度及び工具経路上での主軸回転数等の加工条件に関する情報を記載した情報Inf4Bを含むものとする。
この例において時定数をTとすると、ある時間tにおける工具の実際の速度は、例えば、図8に示すように、時間(t−時定数T)における指令速度と時間(t+時定数T)における指令速度とを平均した値となる。そのため、エッジ区間の開始点の直前でエッジ区間内における送り速度がF2になるように指令すると、実際には速度が落ち切らないままエッジ区間に侵入する。エッジ区間の終了点についても、エッジ区間終了点から加速を開始するように指令すると、実際にはエッジ区間が終わる前に加速が始まる。
このような状況を防ぐため、区間設定部223は、エッジ区間開始点から、時定数Tの間に進む距離(ほぼF2×Tである)手前を低速区間の開始点とし、エッジ区間の終了点からF2×T先を低速区間の終了点に設定する。
なお、エッジ区間内における送り速度F2をそのつど計算する場合には、区間設定部223は、F2×Tの値も毎回計算することになる。また、エッジ区間内における送り速度F2を予め決められた値とする場合にはF2×Tを例えば情報Inf4A又はInf4B(=加工条件に関する情報)に予め与えておくことができる。
基本的には、工具経路のカーブが急になり、許容される誤差が小さくなるほど送り速度を落とすことが求められる。角ダレが許容値以下となる送り速度F2は、例えば、数1の関係式が成り立つ値を算出する。
数1からわかるように、工具径が小さく、許容される角ダレが小さいほど、送り速度F2を小さくすることが求められる。
なお、送り速度F2を予め登録しておく場合には、使用が想定される最小径の工具と、その機械で行う加工のうち角ダレの許容値が最も小さいものに基づき、送り速度F2を決めておくことができる。
特徴点情報の一例として、区間設定部312の平滑化する角に係る処理について、図6を参照しながら詳細に説明する。
この利用例において、加工プログラムが、加工形状に関する情報Inf1A、加工物輪郭上の平滑化区間の開始点、終了点、角の位置、角度等の角についての情報Inf2A、並びに加工面を切削する際の送り速度及び加工面を切除する際の主軸回転数等の加工条件に関する情報を記載した情報Inf4Aを含むものとする。
区間設定部312は、加工形状に関する情報Inf1A、情報Inf2Aに含まれる加工物輪郭上の平滑化区間の開始点、終了点、角の位置、角度等の角についての情報、及び情報Inf3Aに含まれる工具情報に基づき工具オフセットを行い工具経路を作成し、図6に示すように、角を含む区間を平滑化区間として設定する。工具情報は予め数値制御装置310に登録されていてもよい。なお、工具経路にかかる平滑化区間を設定した後の動作パラメータ変更部313の処理は次に説明する利用例4と同じなので、利用例4において詳細な説明を行う。
次に、特徴区間情報の一例として、区間設定部312、及び動作パラメータ変更部313の平滑化区間に係る処理について、図7を参照しながら詳細に説明する。
この利用例は、加工プログラムが、平滑化区間に関する情報を記載した情報Inf2Bを含むものとする。
平滑化区間情報は前述したとおり、加工プログラムに記載された情報で、平滑化区間の開始点、終了点、平滑化区間内で許容される工具方向の変化率(一定距離進む間に、進行方向がどれだけ変化するか)の情報を含んでいる。
区間設定部312は、平滑化情報に基づき工具経路上に設定される区間である平滑化区間を設定する。図7に示す開始点と終了点は、平滑化区間情報に記載された点と一致する。区間設定部312は、平滑化区間内では、工具方向の変化率を許容値以下としながら、折れ線で与えられた工具経路に最も近くなるような工具経路を新たに生成する。なお、区間設定部312は、進行方向変化の変化率にも許容値を設定することで、(一般に、G2連続、G3連続と呼ばれる)高次の連続性を有する工具経路を生成しても良い。
CNC工作機械の多くは、工具の動かし方のモードとして、指令に忠実な第1の加工モードと、滑らかさを優先する第2の加工モードのどちらかを選択する機能を通常有している。また、工具経路の平滑化の度合いによって何段階かで、第1の加工モードと第2の加工モードとを選択可能とできるCNC工作機械もある。ここで、第1の加工モードとは、加工プログラムの工具経路が折れ線ならば、きちんと折れ線になるように加工する加工モードを意味する。第2の加工モードとは、加工プログラムの工具経路が折れ線であっても、それを平滑化して滑らかに加工する加工モードである。
第1の加工モードと第2の加工モードとは、許容されるモータの最大加減速度の大きさが異なっており、許容される加減速度が大きいほど機械は指令に忠実な動作をする。第1の加工モードか第2の加工モードかは、一般的に加工前に選択されている。
このような場合、情報Inf2B(=工具経路上にある特徴形状に関する情報)に平滑化区間に関する情報を記載する場合、平滑化区間の情報として例えば、平滑化区間の外側は指令に忠実な第1の加工モードで加工し、平滑化区間内は滑らかさ優先の第2の加工モードで加工する等、平滑化区間の内外でモードを自動的に切り換えるように指定することができる。この場合、加工プログラムのパラメータとしては、モータに許容される最大加減速度が平滑化区間の内外で切り替わることとなる。また、平滑化区間の情報において、平滑化区間における平滑化の度合いによって第1の加工モードと第2の加工モードとを選択するように指定することもできる。
以上のように、数値制御装置310に入力する加工プログラムに、例えば、Inf2A(=加工面上にある特徴形状に関する情報)に加工物輪郭上で平滑にする角についての情報又は情報Inf2B(=工具経路上にある特徴形状に関する情報)に、平滑化区間情報を含ませることにより、当該平滑化区間における加工処理を実行する制御データを生成し、当該制御データに基づく制御指令により工作機械を制御することができる。こうすることで、従来のGコードでは困難だった形状の加工が容易となる。
次に送り速度と同期した主軸速度の制御の利用例について説明する。この利用例は上述した利用例1−利用例4にも適用できる。
動作パラメータ変更部313が送り速度を変化させる場合に、送り速度とともに主軸の回転速度を変えることが好ましい。
例えば、図10に示すように、送り速度と主軸速度とがともに一定値であると、カッタマークの密度は一定である。ここで、カッタマークとは、加工表面に残る、工具の刃の軌跡をいう。これに対して、送り速度が遅くなり、主軸速度が一定値であると、図11に示すように、カッタマークの密度が変わり、加工面の性状及び見た目が変化する。このため、送り速度F1と主軸速度S1が指定された工具経路において、例えばエッジ区間の処理等により送り速度をF2(<F1)に変化させる際に、動作パラメータ変更部313は、必要に応じて主軸の回転速度を速度S1とは異なる速度S2(<S1)に変化させることが好ましい。
この場合、図12に示すように、動作パラメータ変更部313はS2=S1×(F2/F1)となるように、主軸速度S2を定めることにより、カッタマークの密度を一定に保ち、均一な加工面を得ることができる。
ステップS105において、動作パラメータ変更部313は、パラメータを生成し、設定区間内の動作を制御する部分と設定区間外の動作を制御する部分を生成し、その後、ステップS102に移る。生成されるパラメータは例えば、次のパラメータセット(1)、(2)、(3)のうちの一又は複数のパラメータである。
(1)送り軸の指令速度、許容加速度、許容加加速度、及び加減速の制御に関わる時定数
(2)主軸の指令速度、許容加速度、許容加加速度、及び加減速の制御に関わる時定数
(3)指令経路と実際の経路間に許される誤差の量
20 CAM装置
30 CNC工作機械
310 数値制御装置
311 特徴形状読取部
312 区間設定部
313 動作パラメータ変更部
314 指令出力部
320 サーボ制御装置
330 主軸モータ
340 送り軸モータ
Claims (8)
- 特徴形状の情報である第1の情報と、工具経路又は該工具経路を作成するための第2の情報と、を含んだ加工プログラムに基づいて、少なくとも一つの軸を駆動するモータを制御する数値制御装置であって、
前記第1の情報を含んだ加工プログラムから、前記第1の情報を読み取る特徴形状読取部と、
前記加工プログラムに含まれる前記工具経路又は前記加工プログラムに含まれる前記第2の情報から生成される工具経路の上に、前記第1の情報に応じて、一つ以上の設定区間を設定する区間設定部と、
前記設定区間の外と内とで、前記少なくとも一つの軸を制御するために用いる、少なくとも一つのパラメータを変更する動作パラメータ変更部と、
を備え、
前記工具経路は、前記設定区間と前記設定区間以外の区間とからなる、数値制御装置。 - 前記パラメータは、次のパラメータセット(A)、(B)及び(C)のうち少なくとも一つを含む請求項1に記載の数値制御装置。
(A)送り軸の指令速度、許容加速度、許容加加速度、及び加減速の制御に関わる時定数、
(B)主軸の指令速度、許容加速度、許容加加速度、及び加減速の制御に関わる時定数、
(C)指令経路と実際の経路間に許される誤差の量。 - 前記第1の情報は、次の情報セット(a)、(b)、(c)及び(d)のうち少なくとも一つを含む請求項1又は2に記載の数値制御装置。
(a)加工物輪郭上のエッジ位置についての情報、
(b)加工物輪郭上で平滑にする角についての情報、
(c)工具経路上で、工具が加工物のエッジに接している区間に関する情報、
(d)工具経路上で、工具経路を平滑な曲線にする区間に関する情報。 - 前記パラメータは送り軸の送り速度と主軸の回転数とを含み、前記動作パラメータ変更部は、前記送り軸の送り速度の変化に同期して、前記主軸の回転数を変化させる請求項1から3のいずれか1項に記載の数値制御装置。
- 前記加工プログラムが、前記第2の情報となる加工物の加工形状、又は前記工具経路に係る情報と、加工内容情報と、を階層構造のデータモデルに準拠した形式で記述されている請求項1から4のいずれか1項に記載の数値制御装置。
- 請求項1から5のいずれか1項に記載の数値制御装置を含むCNC工作機械。
- 特徴形状の情報である第1の情報と、工具経路又は該工具経路を作成するための第2の情報と、を含んだ加工プログラムに基づいて、少なくとも一つの軸を駆動するモータを制御する数値制御装置の数値制御方法であって、
前記第1の情報を含んだ加工プログラムから、前記第1の情報を読み取り、
前記加工プログラムに含まれる前記工具経路又は前記加工プログラムに含まれる前記第2の情報から生成される工具経路の上に、前記第1の情報に応じて、一つ以上の設定区間を設定し、
前記設定区間の外と内とで、前記少なくとも一つの軸を制御するために用いる少なくとも一つのパラメータを変更し、
前記工具経路は、前記設定区間と前記設定区間以外の区間とからなる、数値制御方法。 - 特徴形状の情報である第1の情報と、工具経路又は該工具経路を作成するための第2の情報と、を含んだ加工プログラムに基づいて、少なくとも一つの軸を駆動するモータを制御する数値制御装置としてのコンピュータに、
前記第1の情報を含んだ加工プログラムから、前記第1の情報を読み取る処理と、
前記加工プログラムに含まれる前記工具経路又は前記加工プログラムに含まれる前記第2の情報から生成される工具経路の上に、前記特徴形状の第1の情報に応じて、一つ以上の設定区間を設定する処理と、
前記設定区間の外と内とで、前記少なくとも一つの軸を制御するために用いる少なくとも一つのパラメータを変更する処理とを実行させ、
前記工具経路は、前記設定区間と前記設定区間以外の区間とからなる、数値制御用プログラム。
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