WO2005091093A1

WO2005091093A1 - 数値制御方法及びその装置

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Publication number: WO2005091093A1
Application number: PCT/JP2004/003630
Authority: WO
Inventors: Katsuhide Sekikawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2006-09-18

Abstract

切削したい溝形状と合致する刃先を有する工具を用い､ワークに対し所定断面形状の溝を形状切削する際、工具刃先先端が工具を取付けた軸中心に対してオフセットを持っている場合であっても、極めて精度の高い加工を行うことができる数値制御方法及びその装置を得るため、回転可能な軸の中心線上を基準とした工具の刃先位置を、工具オフセット情報として予め入力するとともに、前記工具オフセット情報を元に刃先点をプログラム移動指令の基準点とし、且つ現在位置から次の移動指令終点へのベクトルに基づいて、刃物正面を、刃先点を中心に次の移動指令終点へ向かせるための、前記回転可能な軸に装着される工具の刃先角度の補正量と工具オフセットによる補正量とを割り出し、これらの補正量に基づいて回転可能な軸を回転させるとともにＸ軸、Ｙ軸を移動させることにより、刃先点を中心に刃物正面が次の移動指令終点へ向くよう姿勢制御を行った後、移動指令を実行するようにしたものである。

Description

数値制御方法及びその装置 '

技術分野

この発明は、数値制御方法及びその装置に係り、特にバイト工具を用いてワークに対し所定断面形状明の溝を形状切削する工作機械を数値制御する方法及びその装置に関するものである。書

背景技術

数値制御装置（以下、 NC装置と称する）は、ワークに対する工具の位置を、それに ¾"応する数値で指令制御し、ワークの加工を行うものであり、 NC装置によれば複雑な形状のものを容易かつ高精度に加工することができ、さらに生産性を向上させることもできる。

ところで、第 2図に示すように、ワークに対し所定断面形状の溝を形状切削する場合、その溝形状に合致した刃先形状を有するバイト工具を、工作機械の主軸（Z軸）に取付けるとともに、 X— Y軸テーブル上にワークを取付け、この工作機械を NC装置にて制御することにより、その切削を行つている。 .

このような切削加工方法は、例えば特開平 3 _ 228547号公報に開示されている。

特開平 3— 228 547号公報に開示の切削加工方法は、工具を、その刃先の中心部が工作機械の主軸の中心軸線と一致するように形成しておき、このように形成した工具を、その刃先の中心部が工作機械の主軸の C軸中心軸線と一致するよう取付けるとともに、 X— Y軸テーブル上にヮークを取付け、前記工具の刃先先端が、工具の移動軌跡における前進方向に対して常に直角を維持するように主軸の c軸回りの回転角度を制御することにより、ワークに溝加工を施すものである。

ところが、特開平 3— 228547号公報に開示されている切削加工方法では、工具が主軸の C軸中心線上に装着される際、実際には取付け誤差が発生するため、加工精度は取付け誤差を含んだものとなっていた。このため、特に昨今の 10ナノメートル、および 1ナノオーダーを扱える数値制御を搭載した工作機械においてその影響が大きく、無視できない課題であつた。

また、工具刃先が主軸の C軸中心線上になければならないという制約から、工具刃先先端が C軸中心に対してオフセットを持っている場合は刃物正面による切削ができないという欠点があった。

なお、その他の従来技術として、特開平 8— 1 18205号公報に開示されているものがあり、この特開平 8— 1 1 8205号公報には、ワークの側面をへ一ルバイトで切削する際に、主軸に取付けた工具の刃先が工作機械の主軸の C軸中心軸線に対してオフセットしている場合、その刃先と工作機械の主軸の C軸中心軸線との間のオフセット量を与え、前記工具の刃先が、工具の移動軌跡における前進方向に対して常に直角を維持するように主軸の C軸回りの回転角度を制御することにより、才ペレータがそのオフセットを意識することな容易に加工できるようにしたものが開示されている。しかしながら、この特開平 8— 1 18205号公報に開示の技術は、ワークの側面をヘールバイトで切削する際に、主軸に取付けた工具の刃先が工作機械の主軸の C軸中心軸線に対してオフセットしている場合の制御方法であって、第 2図に示すように、ワークに対し所定断面形状の溝を形状切削する際における、工具刃先先端が C軸中心に対してオフセットを持っている場合の制御には、この特開平 8— 1 18205号公報に開示の技術を適用することはできない。発明の開示

この発明は上記課題を解決するためになされたもので、切削したい溝形状と合致する刃先を有する工具を用い、ワークに対し所定断面形状の溝を形状切削する際、工具刃先先端が工具を取付けた軸中心に対してォフセットを持っている場合であっても、極めて精度の高い加工（プログラム指令により近い加工）を行うことができる数値制御方法及びその装置を得ることを目的とする。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、回転可能な軸に工具を装着した工作機械を数値制御することにより、ワークに所定の溝加工を施す数値制御方法において、前記回転可能な軸の中心線上を基準とした工具の刃先位置を、工具オフセット情報として予め入力するとともに、前記工具オフセット情報を元に刃先点をプログラム移動指令の基準点とし、且つ現在位置から次の移動指令終点へのベクトルに基づいて、刃物正面を、刃先点を中心に次の移動指令終点へ向かせるための、前記回転可能な軸に装着される工具の刃先角度の補正量と工具オフセットによる捕正量とを割り出し、これらの補正量に基づいて回転可能な軸を回転させるとともに回転可能な軸以外の直線移動軸を移動させることにより、刃先点を中心に刃物正面が次の移動指令終点へ向くよう姿勢制御を行った後、移動指令を実行するものである。

また、前記回転可能な軸を C軸とするとともに、前記回転可能な軸以外の直線移動軸を X軸及ぴ Y軸としたものである。

また、現在の位置から次の位置への移動指令が曲線指令の場合、曲線補間毎に前記姿勢制御を行うものである。

また、回転可能な軸に工具を装着した工作機械を数値制御することにより、ワークに所定の溝加工を施す数値制御装置において、前記回転可能な軸の中心線上を基準とした工具の刃先位置を、工具オフセット情報として予め記憶する手段と、前記工具オフセット情報を元に刃先点をプログラム移動指令の基準点とし、且つ現在位置から次の移動指令終点へのベクトルに基づいて、刃物正面を、刃先点を中心に次の移動指令終点へ向かせるための、前記回転可能な軸に装着される工具の刃先角度の補正量と工具オフセットによる捕正量とを割り出し、これらの補正量に基づいて回転可能な軸を回転させるとともに回転可能な軸以外の直線移動軸を移動させることにより、刃先点を中心に刃物正面が次の移動指令終点へ向くよう姿勢制御を行う手段とを備えてなるものである。

'また、前記回転可能な軸を C軸とするとともに、前記回転可能な軸以外の直線移動軸を X軸及び Y軸としたものである。

また、曲線補間毎に前記姿勢制御を行う手段を備える構成としたものである。

また、前記曲線補間毎に前記姿勢制御を行う手段を、補間部に設けたものである。

このため、この発明によれば、切削したい溝形状と合致する刃先を有する工具を用レ、、ワークに対し所定断面形状の溝を形状切削する際、工具刃先先端が工具を取付けた軸中心に対してオフセットを持っている場合であっても、極めて精度.の高い加工（プログラム指令により近い加工）を行うことができる。

また、加工段取り時において工具装着をする際、工具刃先点が正しく C 軸中心線上にあるかどうかを多くの時間をかけて調整していた作業を省略することができるため、段取り時間を大幅に短縮できる効果がある。図面の簡単な説明第 1図はこの発明の実施の形態 1に係る工具先端点接線制御によるェ具移動軌跡の説明図である。

第 2図はこの発明の実施の形態 1に係る工具先端点接線制御が利用される好適な加工例を示す説明図である。

, 第 3図はこの発明の実施の形態 1に係る工具（バイト）の取付け構成を示す図である。

第 4図はこの発明の実施の形態 1に係る適応可能な工作機械の軸構成図である。

第 5図はこの発明の実施の形態 1に係る数値制御装置の構成図である。

第 6図はこの発明の実施の形態 1に係る事前準備を示すフローチャートである。

第 7図はこの発明の実施の形態 1に係る工具先端点接線制御の処理手順を示すフローチャートである。

第 8図はこの発明の実施の形態 1に係るバイト工具の刃先先端点と C 軸中心点との関係を示す説明図である。

第 9図はこの発明の実施の形態 1に係る工具先端点接線制御の具体的な処理方法を説明するための図である。

第 10図はこの発明の実施の形態 2に係る曲線の補間を示す説明図である。

第 11図はこの発明の実施の形態 2に係る工具先端点接線制御の手順を示すフローチャートである。

発明を実施するための最良の形態

実施例 1.

以下この発明の実施例 1を、第 1図〜第 9図を用いて説明する先ず、この発明の理解を助けるため、発明の概要を、第 1図〜第 4図を用いて説明する。

即ち、この発明は、第 2図に示すように、切削したい溝形状と合致する刃先を有する工具を用レ、、このバイト工具 22でワーク 21の平面上に対し形状切削を行ってワーク 21に所定断面形状の加工溝 23を形成する場合、第 1図に示すように、工具 22の刃先正面 31が常に次の移動指令終点を向くように姿勢制御しながら切削加工を行う（以下、工具先端点接線制御と称する）ものである。なお、第 1図において、 37は加工プログラムで指令される軌跡で、この第 1図の工具先端点接線制御例は、 aから進入した工具を右カーブで C軸中心線 32を外側に振ることによって、工具先端点 35を進行ベクトルとそろえながら刃先正面 31で切削を行う例である。

このことをもう少し詳しく説明すると、加工には、第 4図に示すような工作機械（X軸 41、 Y軸 42、 Z軸（主軸） 43、回転可能な C軸 44の 4軸構成で、 C軸中心の先端に工具 22を装着するとともに、 X 軸 41 - Y軸 42テーブルにワーク 21を取付ける工作機械）を用い、この工作機械の Z軸に、第 3図に示すような工具 22 (工具先端点 35が Z軸の C軸中心に対してオフセットを持っており、第 2図に示すような加工を行うことができる工具）を取付けるとともに、ワーク 21を X軸 41-Y軸 42テーブルに取付ける。

なお、第 3図中、（a)は工具 22を Z軸 43に取付けたときの正面図、（b) は (a)の右側面図、（c)は (a)の上面図で、 31は刃先正面、 32は Z 軸 43の C軸中心線、 33は C軸中心線 32からの幅オフセット量、 34は C軸中心線 32からの奥行きオフセット量、 CDは刃先正面方向を示す。

そして、このように工具 22及びワーク 21を取付けた工作機械の X軸 41、 Y軸 42、及び C軸 44を、 NC制御することにより、工具 22を進行方向に対して刃先正面 3 1を向けて切削を行う。第 2図の加工溝 23のように切削方向が変化する場合、第 1図に示すように、工具先端点 35を中心にして C 軸中心線 32を移動させる（第 4図に示す工作機械が、 C軸中心線 32を X - Y軸方向に移動させることができない構成の機械のため、実際には X軸 4 1、 Y軸 42を移動させ、ワーク 2 1を移動させることにより、相対的に C軸中心線 32を移動させる）とともに、 C軸を所定角度回転させることにより、その変化に合わせて刃先正面 31も進行方向に合わせて向ける。なお、このェ具先端点 35を中心にして次の切削方向と反対のお尻を移動してから切削する動作は、ちょうど版画の彫刻刀で溝を彫る状況が酷似している。

次に上述した工具先端点接線制御の詳細について説明する。

この工具先端点接線制御を行う N C装置 1内部の処理の流れは第 5図に示す通りである。即ち、第 5図に示すように、表示装置、キーボード等のマンマシンインターフェース ( MM I ) 2などから入力された N C加工プログラム、オフセットデータ、パラメータ等の設定データは、入出力データ処理部 3を経由してメモリ 4に格納される。

メモリ 4に格納された加工プログラムは、従来と同様に加工プログラム解析処理部 5により解析される。加工プログラム解析処理部 5で解析された解析データが工具先端点接線制御指令（加工プログラムでは例えば G 141のように Gコードで指令される）である場合、工具先端点接線制御を行うため、加工プログラムより指令される移動データ（X軸、 Y軸、 C軸指令などの移動データ）を補正して補間処理部 6に出力する。また、工具先端点接線制御終了指令（加工プログラムでは例えば G141 . 1と指令される）が解析された場合、工具先端点接線制御を終了させるデータを補間処理部 ·6に出力する。なお、この加工プログラム解析処理部 5の詳細動作については後述する。

補間処理部 6では、加工プログラム解析処理部 5により解析（及ぴ生成）されたデータを基に軸の補間データを作成し、軸制御処理部 7へ出力する。

軸制御処理部 7では加減速処理などを行い、サーポアンプ &、主軸アンプ 9に出力し、 X軸 . Y軸 · Z軸を制御するサーボモータ 1 0、 C軸を制御する主軸モータ 1 1を駆動する。 '

また、加工プログラム解析処理部 5で処理されたデータが補助指令（M 指令）である場合には、従来と同様に、機械制御処理部 1 2 にそのデータが渡され、ラダー処理部 1 4、 PLC インターフェイス 1 3及び DI/DO制御部（デジタル入出力制御部） 1 5の作用により機械の制御（ATCの制御、クーラント ON/OFFなど）を行う。次に前記加工プログラム解析処理部 5の工具先端点接線制御について説明する。

先ず工具先端点接線制御の事前準備について、第 3図及び第 6図を用いて説明する。

第 6図に示すように、第 4図に示す工作機械の Z軸 43に第 3図に示すェ具 22を取付け（ステップ 61 )、その後、 NC装置 1の計測機能を利用して第 3図に示すように C軸中心線 32からのオフセット量 33、 34を求め（ステツプ 62)、 NC装置 1のメモリ 4へ記憶しておく。また、第 3図（c)に示すように、刃先正面方向 CDをメモリ 4へ入力しておく（ステップ 63)。なお、刃先正面方向 CDは、ある基準位置（例えば、第 3図（c)の A位置）からの角度で入力する。

次に加工プログラム解析処理部 5で行われる工具先端点接線制御について、第 7図〜第 9図を用いて説明する。

なお、第 7図のフローチャートは、加工プロダラム解析処理部 5がェ具先端点接線制御指令を読み込み、工具先端点接線制御モードとなつている状態のときの処理を示すものである。

即ち、第 7図において、工具オフセット量 33、 34をメモリ 4力ら読出し、この工具オフセット量 33、 34を基に工具刃先点 35をプログラム移動指令の基準とする（ステップ 71)。なお、第 8図において、現在位置を PB(X， Y)とすると、基準点は PB(X— OW、 Y— OD)で表現できる。

次に加工プログラムより次の移動指令を入力し、移動位置を求める（ステツプ 72)。なお、この実施例において、円弧切削の場合、 CAD/CAM 装置により、微小線分（直線）で円弧を近似したデータが予め与えられる。

次にプログラム終了（工具先端点接線制御終了指令）か否かを判断し (ステップ 73)、プログラム終了であれば終了する（ステップ 77)。

またステップ 73で次の移動指令があれば、現在位置から次の移動終点へのベクトルを用いて、刃先補正角度と工具オフセットによる補正量を割り出す（ステップ 74)。

具体的には、第 9図（a)及び次式に示すように、現在位置 B(X1，Y1)を基準として次の刃先移動点 Pの座標から移動方向 Θを求める。

(刃先補正角）

SIN Θ =Y1/ SQRT(X1*X Y1*Y1)

COS θ =Χ1/ SQRT(X1*X1、 Υ1*Υ1) 次に、第 9図（b)及び次式に示すように、 C軸中心上の点 Q(X2，Y2)を、現在位置 Bを中心に現在の刃先向きとの差分（ 0— CD)分の角度座標回転を行い Q' (Χ2',Υ2')を求める。

(工具オフセット）

X2'=X2*COS( Θ - CD) - Y2*SIN( Θ -CD)

Y2'=X2*SIN( Θ -CD)+Y2*COS( θ - CD) 次に X軸、 Y軸を X2'、 Y2'に中心 Bの円弧指令により移動させる。併せて C軸を（ Θ— CD)分回転させる（ステップ 75)。これにより刃先正面を移動終点へ向かせることができる。

次にプロラム移動指令を実行し終点への移動を行う（ステップ 76)。これをプログラム終了まで繰り返すことによって、第 1図のような工具先端点接線制御の軌跡を得ることが可能になる。実施例 2.

次に実施例 2を、主に第 10図及ぴ第 11図を用いて説明する。

なおこの実施例 2は、第 1図のような工具先端点接線制御を、第 5図における加ェプログラム解析処理部 5ではなく補間処理部 6で行う例である。

即ち、工具先端点接線制御モード時に、加工プログラム解析処理部 5が曲線指令などを解析したとき、その解析データをそのまま補間処理部 6に出力し、補間処理部 6で上述した工具先端点接線制御を行うもので、第 10図（a)において、工具先端点接線制御モード時に、現在の位置 101から次の位置 102への曲線指令（円弧指令）が与えられた場合、その曲線指令は、補間処理部 6で、第 10図（b)のように、微小点に分割され各点を直線で結ぶことによって曲線近似を行い、この微小線分に分割されたものに対し、工具先端点接線制御を行う。

このため、この実施例によれば、曲線指令の場合、実施例 1のように、 CAD/CAM 装置により、微小線分（tt線）で曲線を近似したデータを予め作成し、それを加工プログラム解析処理部 5に入力する必要がなくなる。

第 11図はこの場合の NC装置の動作フローを示している。

工具先端点接線制御モード時に、加工プログラムより曲線指令 (例えば G02 ( 03) Xx Yy Ii Jj Ff ；、 G02 ( 03) ：円弧補間の Gコード、 Xx Yy：終点座標、 Ii Jj：円弧中心座標、 Ff ：送り速度）が与えられると、加工プログラム解析処理部 5がその曲線指令データを解析し、（実施例 1で説明したような工具先端点接線制御を行うことなく）その解析データを補間部 6に渡す（ステツプ 1 1 1 ) 。補間部 6では、指令されたデータと現在の位置を踏まえて曲線指令の終点位置を求める（ステップ 1 1 2 ) 。次に、この曲線を、始点から所定距離までの一部を微小（補間単位）に分割し (ステップ 1 1 3 ) 、この分割された各点を直線で結ぶことによつて曲線近似を行うとともに、この分割ざれた微小線分の移動量を算出する（ステップ 1 1 4 ) 。次にこの微小線分毎に実施例 1で説明した工具先端点接線制御を行い（ステップ 1 1 5 ) 、移動指令を実行する (ステップ 1 1 6 ) 以降、ステップ 1 1 3〜ステップ 1 1 6の処理を円弧終点まで繰り返し行う。産業上の利用可能性

以上のように、この発明に係る数値制御方法及びその装置は、バイトェ具等で平面上に対し形状切削を行う加工に用いられる数値制御方法及ぴその装置に適している。

Claims

請求の範囲

1 . 回転可能な軸に工具を装着した工作機械を数値制御することにより、ワークに所定の溝加工を施す数値制御方法において、前記回転可能な軸の中心線上を基準とした工具の刃先位置を、工具オフセット情報として予め入力するとともに、前記工具オフセット情報を元に刃先点をプログラム移動指令の基準点とし、且つ現在位置から次の移動指令終点へのべクトルに基づいて、刃物正面を、刃先点を中心に次の移動指令終点へ向かせるための、前記回転可能な軸に装着される工具の刃先角度の補正量と工具オフセットによる補正量とを割り出し、これらの捕正量に基づいて回転可能な軸を回転させるとともに回転可能な軸以外の直線移動軸を移動させることにより、刃先点を中心に刃物正面が次の移動指令終点へ向くよう姿勢制御を行った後、移動指令を実行することを特徴とする数値制御方法。

2.前記回転可能な軸が C軸であるとともに、前記回転可能な軸以外の直線移動軸が X軸及ぴ Y軸であることを特徴とする請求の範囲 1に記載の数値制御方法。

3.現在の位置から次の位置への移動指令が曲線指令の場合、曲線補間毎に前記姿勢制御を行うことを特徴とする請求の範囲 1または 2に記載の数値制御方法。

4. 回転可能な軸に工具を装着した工作機械を数値制御することにより、ワークに所定の溝加工を施す数値制御装置において、前記回転可能な軸の中心線上を基準とした工具の刃先位置を、工具オフセット情報として予め記憶する手段と、前記工具オフセット情報を元に刃先点をプログラム移動指令の基準点とし、且つ現在位置から次の移動指令終点へのべクトルに基づいて、刃物正面を、刃先点を中心に次の移動指令終点へ向か 3 せるための、前記回転可能な軸に装着される工具の刃先角度の補正量と工具オフセットによる補正量とを割り出し、これらの補正量に基づいて回転可能な軸を回転させるとともに回転可能な軸以外の直線移動軸を移動させることにより、刃先点を中心に刃物正面が次の移動指令終点へ向くよう姿勢制御を行う手段とを備えてなる数値制御装置。

5.前記回転可能な軸が C軸であるとともに、前記回転可能な軸以外の直線移動軸が X軸及び Y軸であることを特徴とする請求の範囲 4に記載の数値制御装置。 '

6.曲線補間毎に前記姿勢制御を行う手段を備えていることを特徴とする請求の範囲 4または 5に記載の数値制御装置。

7. 前記曲線補間毎に前記姿勢制御を行う手段は、補間部に設けられていることを特徴とする請求の範囲 6に記載の数値制御装置。