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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

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 Download PDF

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Description

本発明は、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に関する。
機械加工、特に金型加工では、エッジや平滑面等の特徴形状を正確に加工することが重要となる。このため、例えばCLデータ(カッターロケーションデータ)やNCデータ(数値制御データ)にエッジや平滑面等の特徴形状に係る情報を含ませることで、当該特徴形状に応じた加工処理を実行する加工システムが望まれる。しかしながら、従来の加工プログラムのGコードでは、滑らかな曲面を加工しているのか、エッジを加工しているのかを工具経路から判断することは困難であった。
例えば、加工物の形状を考慮して加工プログラムを作成する加工プログラム生成装置が、特許文献1及び2に開示されている。
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。
特許文献2には経験の少ないオペレータであっても加工を行うことができるようにし、類似の失敗を繰り返すことを無くすための、加工制御装置が記載されている。具体的には、加工を行う形状の特徴に応じて加工事例を検索し、この加工事例に基づいて加工条件を設定することにより、適切な加工条件での加工を可能とする加工制御装置が記載されている。
特開2001−125618号公報 特開2004−284002号公報
しかしながら、特許文献1に記載の発明は、図面上に注釈として記載されている角R等を読み取り、面取り加工等を追加するものであって、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。
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。
本発明は、加工プログラムに、例えばエッジや平滑面等の特徴形状に係る情報を含ませることにより、当該加工プログラムに含まれる特徴形状の情報を読み取り、当該特徴形状の加工処理に適した制御指令を生成する数値制御装置、CNC工作機械、数値制御方法及び数値制御用プログラムを提供することを目的とする。
(1) 本発明に係る数値制御装置は、特徴形状の情報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(例えば、後述の数値制御装置310)であって、
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。
(2) (1)に記載の数値制御装置において、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んでもよい。
(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。
(3) (1)又は(2)に記載の数値制御装置において、前記特徴形状の情報は、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んでもよい。
(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。
(4) (1)から(3)のいずれかに記載の数値制御装置において、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てもよい。
(5) (1)から(4)のいずれかに記載の数値制御装置において、前記加工プログラムが、加工物の加工形状又は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てもよい。
(6) 本発明に係るCNC工作機械(例えば、後述のCNC工作機械30)は、(1)から(5)のいずれかの数値制御装置(例えば、後述の数値制御装置310)を含んでもよい。
(7) 本発明に係る数値制御方法は、特徴形状の情報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、
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。
(8) 本発明に係る数値制御用プログラムは、特徴形状の情報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、
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。
本発明によれば、加工プログラムに、例えばエッジや平滑面等の特徴形状に係る情報を含ませることにより、当該加工プログラムに含まれる特徴形状の情報を読み取り、当該特徴形状の加工処理に適した制御指令を生成する数値制御装置、CNC工作機械、数値制御方法及び数値制御用プログラムを提供することが可能となる。
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。 数値制御装置に係るコンピュータの構成を示すブロック図である。 ISO 14649に基づくデータモデルの例を示す構成図である。 特徴区間情報として、エッジ位置の情報を利用する例を示す説明図である。 特徴区間情報としてエッジ区間の情報を利用する例を示す説明図である。 特徴区間情報として、加工面の輪郭上の平滑にする角に関する情報を利用する例を示す説明図である。 特徴区間情報として平滑化区間の情報を利用する例を示す説明図である。 送り速度を変更した場合の、指令速度と実際の速度との関係を示す特性図である。 経路半径rと経路誤差Δrを示す図である。 送り速度と主軸速度とが一定値である場合のカッタマークの密度を示す図である。 送り速度が遅くなり、主軸速度が一定値である場合のカッタマークの密度を示す図である。 送り速度と主軸速度とを共に変えた場合のカッタマークの密度を示す図である。 数値制御装置の動作を示すプローチャートである。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細について説明する。
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。
CNC工作機械30は、例えば3軸加工機で、3軸加工機の加工部分は、図1では主軸モータ330及び送り軸モータ340のみを示している。主軸モータ330は、ボールエンドミル等の工具を回転させる。送り軸モータ340はX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向の3つのモータからなる。X軸方向及びY軸方向のモータは、ボールねじ等を介して、加工物を作製するための基板が載せられたテーブルをX軸方向及びY軸方向にそれぞれ直線移動させる。Z軸方向のモータは工具又はテーブルをZ軸方向に直線移動させる。なお、3軸加工機の構成は係る構成に限定されず、例えば、工具を固定し、テーブルをX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向に直線移動させたり、テーブルを固定し、工具をX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向に直線移動させたりしてもよい。CNC工作機械30は3軸加工機に限定されず、例えば5軸加工機でもよい。
数値制御装置310は、特徴形状読取部311、区間設定部312、動作パラメータ変更部313、及び指令出力部314を備えている。数値制御装置310の構成及び動作の詳細な説明は後述する。
数値制御装置310に入力される加工プログラムは、例えばCAD装置10で作成した加工物の形状に基づいて、CAM装置20においてCAMソフトウェアにより生成される。CAM装置20はCADデータに基づき、加工形状が得られるように工具や工作機械の動きを設定し、その動きをCL(カッターロケーション)データに変換し、そのCLデータに基づいて加工プログラムを生成する。CAD装置10、CAM装置20は一体化して一つのコンピュータで構成されてもよい。CAD装置10及びCAM装置20の構成は当業者によく知られているので詳細な説明を省略する。
主軸モータサーボ制御部321は、指令出力部314からの制御指令に基づいて主軸モータ330を制御する。X軸、Y軸及びZ軸の3つの送り軸モータサーボ制御部322は指令出力部314からの制御指令に基づいてX軸、Y軸及びZ軸の3つの送り軸モータ340を制御する。
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。
主軸モータサーボ制御部321は主軸モータ330に結びついたエンコーダ等の位置検出器からの位置フィードバック信号と数値制御装置310から出力される位置指令とを用いてバックラッシ補正値を算出し、位置指令の補正を行う。3つの送り軸モータサーボ制御部322は、3つの送り軸モータ340にそれぞれ結びついたエンコーダ等の位置検出器からの位置フィードバック信号と数値制御装置310から出力される位置指令とを用いてバックラッシ補正値を算出し、位置指令の補正を行う。なお、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の内部構成は当業者によく知られているので詳細な説明及び図示を省略する。
以上説明したCNC工作機械はCAD装置10、CAM装置20を含んでもよい。また、数値制御装置310はサーボ制御装置320を含んでもよい、
<数値制御装置310>
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。
CPU301は、例えばCPU、RAM、ROM、I/O等を有するマイクロプロセッサにより構成される。CPU301は、例えば、ハードディスク装置又はROM等の第1記憶部303から読み出した各プログラムを実行し、その実行の際には、例えば、入出力部302を介して加工プログラムを入力し、例えば、第1記憶部303、RAM等の第2記憶部304から情報を読み出し、第1記憶部303、RAM等の第2記憶部304に対して情報の書き込みを行い、表示部305、及び入出力部302と信号の授受を行い、例えば処理内容を表示部305に表示させる。
CPU301は、数値制御ソフトウェアを構成する各プログラム(以下、「数値制御アプリケーション」とも総称する)を実行することによって、コンピュータ300を数値制御装置310として機能させる。より具体的には、図1に示したように、コンピュータ300を特徴形状読取部311、区間設定部312、動作パラメータ変更部313、及び指令出力部314、を備える数値制御装置310として機能させる。
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。
<加工プログラム>
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。
加工プログラムに、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における、加工プログラムに含まれる情報は次の情報Inf1Bから情報Inf5Bである。
(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。
ここで、情報Inf1A(=加工面の形状に関する情報)は、例えば、加工物の輪郭形状等に係る情報を含む。
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。
また、情報Inf1B(=工具経路に関する情報)は、例えば、加工物の輪郭形状に対して工具形状をオフセットした工具経路等に係る情報を含む。
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。
上記情報を有する加工プログラムのデータモデルの階層構造の参考例として例えば、ISO 14649等が挙げられる。ただし、必要な情報を適切に記載できる形式であれば、加工プログラムのデータモデルの階層構造はISO 14649等の例に限定されない。
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。
特徴形状読取部311は、例えば、CAM装置20で作成された、情報Inf1A〜Inf5A又は情報Inf1B〜Inf5Bを含む加工プログラムを読み込む。次に特徴形状読取部311は、加工工程毎に、加工プログラムに含まれる全ての情報Inf2A(=加工面上にある特徴形状に関する情報)又は情報Inf2B(=工具経路上にある特徴形状に関する情報)を検出する。
特徴形状読取部311は、情報Inf2Aが例えば、加工形状上のエッジ位置に関する情報であることを検出すると、そのエッジ位置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。
また特徴形状読取部311は、情報Inf2Bが例えば、工具経路上のエッジ区間に関する情報であることを検出すると、そのエッジ区間の情報(エッジ区間の開始点、及びエッジ区間の終了点等)を取得するとともに、情報Inf1Bから加工面形状に対し工具形状をオフセットした工具経路を取得し、情報Inf4Bから、当該エッジ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。
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。
区間設定部312は、特徴形状読取部311により検出した各情報Inf2A(=加工面上にある特徴形状に関する情報)又はInf2B(=工具経路上にある特徴形状に関する情報)に基づいて工具経路上に一定の区間を設定する。
より具体的には、区間設定部312は、特徴形状読取部311より検出した情報Inf2Aが加工形状上のエッジ位置に関する情報であった場合、情報Inf1Aに含まれる加工面形状、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、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。工具情報は予め数値制御装置310に登録されていてもよい。そして、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。低速区間は例えば、図5に示すように、エッジ区間よりも広くなるように決められる。低速区間の設定に係る処理の詳細については、後述する。
区間設定部312は、特徴形状読取部311より検出した情報Inf2Aが加工面の輪郭上の平滑にする角に関する情報であった場合、情報Inf1Aに含まれる加工面形状、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、その際に、角に関する情報(角の位置等)を用いて図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。平滑化区間の設定に係る処理の詳細については、後述する。
また、区間設定部312は、特徴形状読取部311により検出した情報Inf2Bが工具経路上の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であった場合、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。低速区間は例えば、図4に示すように、エッジ区間よりも広くなるように、低速区間の開始点と終了点が決められる。低速区間の範囲は、予め決められていても、加工条件に応じて計算しても良い。低速区間の設定に係る処理の詳細については、後述する。
また、区間設定部312は、特徴形状読取部311により検出した情報Inf2Bが平滑化区間に関する情報であることを認識すると、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。
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。
動作パラメータ変更部313は、区間設定部312により、加工プログラム(NCデータ)に含まれる各情報Inf2A(=加工面上にある特徴形状に関する情報)又は各情報Inf2B(=工具経路上にある特徴形状に関する情報)に含まれる特徴形状情報に基づいて設定された、工具経路上の一定の区間内の動作を制御するパラメータを設定し、制御データの部分を生成し、加工プログラム(NCデータ)から入力された制御データに置き換える。区間内の動作を制御する制御データの部分の生成に係る処理の詳細については、後述する。
また動作パラメータ変更部313は、制御データのうち、設定区間外の動作を制御するパラメータを設定し、パラメータを含む制御データの部分を生成し、加工プログラム(NCデータ)から入力された制御データに置き換えてもよい。
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。
指令出力部314は、動作パラメータ変更部313により生成された制御データに基づく制御指令を、サーボ制御装置320の主軸モータサーボ制御部321と、X軸、Y軸及びZ軸の3つの送り軸モータサーボ制御部322とへ出力する。そうすることで、サーボ制御装置320により、例えばエッジ区間及び/又は平滑化区間における加工処理を実行することができる。
[特徴点情報の利用例1:エッジ位置の情報]
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。
[特徴区間情報の利用例2:エッジ区間の情報]
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。
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5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、低速区間の開始点と終了点が決められる。なお、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を含む場合、低速区間の範囲は、予め決められていてもよい。
ここで、エッジ区間より広く低速区間を設ける理由は、次のとおりである。工作機械においては通常、速度指令が急激にかわると、モータに負荷がかかり、ガタつくことがある。このため、工作機械においては、実際の送り速度の変化が加工プログラムにおける速度指令の変化よりも滑らかに(緩やかに)なるように、速度指令の変化が制御される。このため、エッジ区間に入るまでに減速が完了するように、少し手前で低速し、エッジ区間を過ぎてから加速が開始されるようにしてエッジ区間内ではエッジ加工に適した送り速度F2にするためである。
図8は、指令速度を変更した場合の、加工プログラムに記載された指令速度の変化と、工作機械において指令速度の変化よりも滑らかに(緩やかに)なるように制御される実際の速度変化との関係を示す特性図の一例である。ここで、実線は加工プログラム(NCデータ)に記載された指令速度の変化を示し、破線は工作機械において指令速度の変化よりも滑らかに(緩やかに)なるように制御された実際の速度の変化を示す。
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。
動作パラメータ変更部313は、工具経路で指令されている送り速度をF1と、エッジ加工に適した送り速度F2とを比較し、送り速度F1>送り速度F2の場合、低速区間内の送り速度F3がF2を超えないように速度指令を制御データ内に記載する。送り速度F2は予め値が決められていても、工具径やエッジの角度から計算しても良い。
図9は経路半径rと経路誤差Δrを示す図である。経路半径rは工具径と一致し、経路誤差(指令経路と実際の経路との差)Δrはエッジに許容される角ダレの大きさであり、機械の加減速時定数Tは機械の設定に依存する値である。
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。
Figure 0006740199
なお、動作パラメータ変更部313は、前述したとおり、低速区間の通過後、送り速度を送り速度F1に戻す速度指令を制御データ内に記載する。
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)に加工形状上のエッジ位置に関する情報又は情報Inf2B(=工具経路上にある特徴形状に関する情報)に、エッジ区間等の特徴形状の情報を含ませるとともに、情報Inf4A(=加工条件に関する情報)に、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又は情報Inf4B(=加工条件に関する情報)に、当該エッジ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含ませることにより、当該エッジ位置又は当該エッジ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。
[特徴点情報の利用例3:平滑化する角の情報]
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。
[特徴区間情報の利用例4:平滑化区間]
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。
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。
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。
動作パラメータ変更部313は、平滑化区間内では、入力された工具経路を、区間設定部312により設定された工具の移動距離当たりの進行方向の変化の大きさが、許容値以下となるように線分間を滑らかにつなぐ工具経路に置き換える。なお、許容値は予め設定してあっても、例えば、平滑化情報に記載してあっても良い。
なお、動作パラメータ変更部313は、平滑区間内で、例えば、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等を調整することで、曲線の滑らかさを向上させることも可能である。
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。
[送り速度と同期した主軸速度の制御の利用例5]
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。
以上、数値制御装置310の構成について説明した。続いて、数値制御装置310の動作について説明する。図13は数値制御装置310の動作を示すプローチャートである。
ステップS101において、特徴形状読取部311は、例えばCAM装置20で作成された、特徴形状情報を含む加工プログラムを読み込む。
ステップS102において、特徴形状読取部311は、加工プログラムに特徴形状情報が含まれているか否かを検出する。例えば図3に示す工程経路を参照して特徴形状情報が含まれているかどうかを検出する。加工プログラムに特徴形状情報が含まれている場合、ステップS103に移る。加工プログラムに特徴形状情報が含まれていなければ、ステップS106に移る。
ステップS103において、特徴形状読取部311は加工プログラムに含まれる特徴形状情報を認識する。特徴形状情報は、例えば、加工物輪郭上のエッジ位置についての情報、加工物輪郭上で平滑にする角についての情報、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、及び工具経路上で、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があり、特徴形状情報がこれらの情報うちどの情報に該当するのかを認識する。
ステップS104において、区間設定部312は、ステップS103において認識した特徴形状情報に基づき、工具経路上に一定の区間を設定する。
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
ステップS106において、指令出力部314は、動作パラメータ変更部313により生成された制御データに基づく制御指令をサーボ制御装置320へ出力する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、数値制御装置310はその機能の全部又は一部はソフトウェアで実現することができる。しかしポストプロセッサ部22の機能をハードウェア、又はソフトウェアとハードウェアの組み合わせにより実現することができる。ここで、ソフトウェアによって実現されるとは、コンピュータがプログラムを読み込んで実行することにより実現されることを意味する。ハードウェアで構成する場合、数値制御装置310の特徴形状読取部311、区間設定部312、動作パラメータ変更部313及び指令出力部314の一部又は全部を、例えば、LSI(Large Scale Integrated circuit)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、ゲートアレイ、FPGA(Field Programmable Gate Array)等の集積回路(IC)で構成することができる。
ソフトウェアによって実現する場合、図2に示した数値制御装置310としてのコンピュータを動作させる、図13に示したような動作を記述した、ハードディスク装置、ROM等の第1記憶部403に記憶された数値制御用プログラムに従い、演算に必要な情報をRAM等の第2記憶部404に記憶し、処理を実行することで数値制御装置310の動作をプログラムで実行ことができる。数値制御用プログラムは、プログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な媒体からハードディスク等の第1記憶部403に読み込むことができる。コンピュータ読み取り可能な媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。コンピュータ読み取り可能な媒体は非一時的なコンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)を含む。コンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えば、フレキシブルディスク、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば、光磁気ディスク)、CD−ROM(Read Only Memory)、CD−R、CD−R/W、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(random access memory))を含む。
10 CAD装置
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  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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