(57)【要約】【課題】数値制御工作機械の運動特性をヒトの視覚特性に基づいて評価する運動評価方法を提供する。【解決手段】円運動試験により数値制御工作機械の運動特性を評価する運動評価方法において、円運動軌跡から軌跡の法線方向変化率を計算し、前記軌跡の法線方向変化率を極座標表示して、数値制御工作機械の運動特性を評価する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円運動試験により数値制御工作機械の運動特性を評価する運動評価方法において、
円運動軌跡から軌跡の法線方向変化率を計算し、
前記軌跡の法線方向変化率を極座標表示することを特徴とする運動評価方法。
【請求項２】
前記軌跡の法線方向変化率は、軌跡の幾何学的な法線方向変化率から、ヒトが視覚的に認識可能な空間周波数成分のみを抽出したものである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記法線方向変化率は、ヒトが形状の変化を視覚的に認識できる限界の法線方向変化率と共に極座標表示される請求項１に記載の方法。
【請求項４】
円運動試験により数値制御工作機械の運動特性を評価する運動評価装置において、
工作機械の主軸を円運動させたときの運動軌跡データから法線方向変化率を演算する法線方向変化率演算部と、
前記法線方向変化率は、ヒトが形状の変化を視覚的に認識できる限界の法線方向変化率に関連したデータを格納した視認可能限界データ格納部と、
前記法線方向変化率演算部が演算した法線方向変化率を極座標データに変換する極座標変換部と、
極座標データに変換された法線方向変化率を前記視認可能限界データ格納部の視認可能限界と共に極座標表示する表示部とを具備することを特徴とする運動評価装置。
【請求項５】
前記軌跡の法線方向変化率は、軌跡の幾何学的な法線方向変化率から、ヒトが視覚的に認識可能な空間周波数成分のみを抽出したものである請求項４に記載の装置。
【請求項６】
円運動試験により数値制御工作機械の運動特性を評価し制御装置のパラメータを調節するパラメータ調節方法において、
円運動軌跡から軌跡の法線方向変化率を計算し、
前記軌跡の法線方向変化率を極座標表示し、
軌跡の法線方向変化率の最大値が予め定められた値以下になるように工作機械の制御パラメータを調節することを特徴とするパラメータ調節方法。
【請求項７】
前記軌跡の法線方向変化率は、軌跡の幾何学的な法線方向変化率から、ヒトが視覚的に認識可能な空間周波数成分のみを抽出したものである請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記法線方向変化率は、ヒトが形状の変化を視覚的に認識できる限界の法線方向変化率と共に極座標表示される請求項７に記載の方法。
【請求項９】
ワークの加工方法において、
主軸を所定の平面内で所定の円周に沿って送り、該主軸の円運動軌跡から軌跡の法線方向変化率を計算し、
前記軌跡の法線方向変化率を極座標表示し、
軌跡の法線方向変化率の最大値が予め定められた値以下になるように工作機械の制御パラメータを変更することを特徴とするワークの加工方法。
【請求項１０】
前記軌跡の法線方向変化率は、軌跡の幾何学的な法線方向変化率から、ヒトが視覚的に認識可能な空間周波数成分のみを抽出したものである請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記法線方向変化率は、ヒトが形状の変化を視覚的に認識できる限界の法線方向変化率と共に極座標表示される請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも直交３軸の送り装置を有し、主軸に装着した工具とワークとを相対移動させて該ワークを加工する工作機械において、
工作機械の主軸を円運動させたときの運動軌跡データから法線方向変化率を演算する法線方向変化率演算部と、
前記法線方向変化率は、ヒトが形状の変化を視覚的に認識できる限界の法線方向変化率に関連したデータを格納した視認可能限界データ格納部と、
前記法線方向変化率演算部が演算した法線方向変化率を極座標データに変換する極座標変換部と、
極座標データに変換された法線方向変化率を前記視認可能限界データ格納部の視認可能限界と共に極座標表示する表示部と、
軌跡の法線方向変化率の最大値が予め定められた値以下になるように工作機械の制御パラメータを変更するパラメータ変更部とを具備することを特徴とする工作機械。
【請求項１３】
前記軌跡の法線方向変化率は、軌跡の幾何学的な法線方向変化率から、ヒトが視覚的に認識可能な空間周波数成分のみを抽出したものである請求項１２に記載の工作機械。
【請求項１４】
前記表示部には、ヒトが形状の変化を視覚的に認識できる限界の法線方向変化率と共に前記法線方向変化率が極座標表示される請求項１２に記載の工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の運動特性をヒトの視覚特性に基づいて評価する運動評価方法、評価装置および該評価方法を用いたワークの加工方法および工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
数値制御工作機械で加工を行うと、加工面に望まない筋状の加工痕が現れることがあり、送り軸の運動方向が反転するときに生じる象限突起や段差上の軌跡誤差がその原因の一つである。象限突起や段差上の軌跡誤差は制御装置がもつ制御装置のパラメータを適切に設定することで低減することがでる。特許文献１には、円運動軌跡の測定結果に基づいて数値制御装置のパラメータを調節する方法が示されている。また、非特許文献１には、円運動試験を行い、その軌跡誤差が小さくなるようにパラメータを調節することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−８０６１６号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】JIS B6190-4、工作機械試験方法通則−第4部：数値制御による円運動試験
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、数値制御工作機械の運動特性をヒトの視覚特性に基づいて評価する運動評価方法および評価装置を提供すること、並びに、そうした評価に基づいてパラメータを調節可能としたワークの加工法および工作機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の目的を達成するために、本発明によれば、円運動試験により数値制御工作機械の運動特性を評価する運動評価方法において、円運動軌跡から軌跡の法線方向変化率を計算し、前記軌跡の法線方向変化率を極座標表示する運動評価方法が提供される。
【０００７】
また、本発明によれば、円運動試験により数値制御工作機械の運動特性を評価する運動評価装置において、工作機械の主軸を円運動させたときの運動軌跡データから法線方向変化率を演算する法線方向変化率演算部と、前記法線方向変化率は、ヒトが形状の変化を視覚的に認識できる限界の法線方向変化率に関連したデータを格納した視認可能限界データ格納部と、前記法線方向変化率演算部が演算した法線方向変化率を極座標データに変換する極座標変換部と、極座標データに変換された法線方向変化率を前記視認可能限界データ格納部の視認可能限界と共に極座標表示する表示部とを具備する運動評価装置が提供される。
【０００８】
更に、本発明によれば、ワークの加工方法において、主軸を所定の平面内で所定の円周に沿って送り、該主軸の円運動軌跡から軌跡の法線方向変化率を計算し、前記軌跡の法線方向変化率を極座標表示し、軌跡の法線方向変化率の最大値が予め定められた値以下になるように工作機械の制御パラメータを変更するワークの加工方法が提供される。
【０００９】
更に、少なくとも直交３軸の送り装置を有し、主軸に装着した工具とワークとを相対移動させて該ワークを加工する工作機械において、工作機械の主軸を円運動させたときの運動軌跡データから法線方向変化率を演算する法線方向変化率演算部と、前記法線方向変化率は、ヒトが形状の変化を視覚的に認識できる限界の法線方向変化率に関連したデータを格納した視認可能限界データ格納部と、前記法線方向変化率演算部が演算した法線方向変化率を極座標データに変換する極座標変換部と、極座標データに変換された法線方向変化率を前記視認可能限界データ格納部の視認可能限界と共に極座標表示する表示部と、軌跡の法線方向変化率の最大値が予め定められた値以下になるように工作機械の制御パラメータを変更するパラメータ変更部とを具備する工作機械が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ヒトの視覚特性に基づく物体表面の評価方法、評価装置および該評価方法を用いたワークの加工方法および工作機械を提供することができる。また、本発明によれば、加工面の筋状の加工痕がヒトにより視認できるか否か容易に判断することができ、その効果は大なるものがある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の好ましい実施形態による工作機械の運動評価装置のブロック図である。
【図２】円運動軌跡を例示する略図である。
【図３】９０°付近の円筒加工面を示す図である。
【図４】法線方向変化率を求める方法の説明図である。
【図５】座標情報から法線方向の角度を求める方法の説明図である。
【図６】法線方向変化率による工作機械の運動評価方法を説明する説明図である。
【図７】本発明の運動評価装置の応用例を示すブロック図である。
【図８】本発明の運動評価装置の他の応用例を示すブロック図である。
【図９】本発明のパラメータ調節方法により工作機械の制御パラメータを調節した結果を示す図である。
【図１０】本発明により工作機械の制御パラメータを調節した場合の９０°付近の円筒加工面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
少なくとも直交３軸の送り装置を有し、主軸に装着した工具とワークとを相対移動させて該ワークを加工する工作機械を用いて円筒面や円周溝のように送り軸の運動方向が反転するときに、象限突起や段差状の加工痕が生じる。非特許文献１は、そうした送り軸の反転を伴う数値制御による円運動試験を規定している。円運動試験結果は円運動軌跡の半径方向誤差を拡大表示することで評価される。図２に円運動軌跡の測定結果の例をに示す。
【００１３】
図２（ａ）では、各軸の送り軸が反転する象限切り替え時に約５マイクロメートルの段差状の軌跡誤差が生じているを示している。図２（ｂ）では、各送り軸が反転する象限切り替え時に、約５０マイクロメートルの突起状の軌跡誤差（象限突起）が生じていることを示している。従来は、軌跡誤差ができる限り小さくなるようにパラメータを調節している。すなわち、図２（ａ）の軌跡の方が図２（ｂ）の軌跡よりも望ましいとされている。
【００１４】
これらの軌跡誤差は、加工面には筋状の加工痕となって現れる。図２の運動軌跡を測定したのと同じ条件で、スクエアエンドミル外周刃による円筒加工を行い、軌跡誤差が生じる９０°付近の加工面を撮影した結果を図３に示す。図３を参照すると、軌跡誤差が小さい図３（ａ）では明瞭な筋状の加工痕が現れているのに対し、図３（ｂ）では加工痕は観察できない。よって、加工面の見た目という観点からは、図２（ｂ）の軌跡のほうが図２（ａ）の軌跡よりも望ましいということになり、従来の評価方法および調整方法では、その評価結果に加工面の見た目は考慮されず、パラメータを調整しても必ずしも見た目上の不具合を低減することにはならないことになる。
【００１５】
以下、添付図面を参照して、こうした問題を解決する本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１を参照すると、本発明の物体表面の評価装置としてのパラメータ調節装置１０は、運動評価装置２４と、パラメータ変更部２６とを具備している。運動評価装置２４は、円運動軌跡データ取得部１２と、法線方向変化率演算部１４、視認可能限界データ格納部１６および極座標変換部１８を含む軌跡分析部２０と、表示部２２とを主要な構成要素として具備している。軌跡分析部２０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク、ＳＳＤ、これらを接続する双方向バス、および、関連したプログラムによって形成することができる。表示部２２は、液晶パネルやタッチパネルにより形成することができる。
【００１６】
円運動軌跡データ取得部１２は、後述するように、工作機械５０の主軸を平面内で円運動させたときの、円運動軌跡データまたは送り軸の座標値を工作機械５０のＮＣ装置から受け取る。或いは、円運動データは、ワークに円筒加工を行ってその形状を真円度測定器などで測定した結果を用いてもよい。
【００１７】
また、パラメータ変更部２６は、オペレーターが入力装置２８を通じて入力した指令に従い、工作機械５０に対して制御パラメータを変更する。入力装置２６は、例えばキーボードやマウス或いは表示部２２を形成するタッチパネルとすることができる。
【００１８】
一般的に、ヒトは物体表面の法線方向変化率が大きな部分では、形状の変化を視覚的に認識することができ、法線方向変化率が小さな部分では、形状の変化を視覚的に認識することができない。視認可能限界データ格納部１６には、ヒトが形状の変化を視覚的に認識できる法線方向変化率の限界が格納されている。このヒトが形状の変化を視覚的に認識できる法線方向変化率の限界は、異なる複数の既知の法線方向変化率を有した複数の試験片を準備し、複数の観察者によって形状の変化を視覚的に認識できたか否かの判定を行い、そのときの法線方向変化率を平均することによって得ることができる。
【００１９】
法線方向変化率演算部１４は、円運動軌跡データ取得部１２からの円運動軌跡データに基づいて工作機械５０の円運動軌跡の法線方向変化率を演算する。図４、５を参照して法線方向変化率を説明する。円運動軌跡データ取得部１２からの円運動軌跡データには、２次元の座標値が含まれている。図４に示す例では、Ｚ軸に垂直な平面（ＸＹ平面）で円筒形状のワークＷが切断した部分断面図である。ワークＷの表面において予め定められた間隔ごとに法線ベクトルを設定することができる。ＸＹ平面にて、ワークＷを所定の間隔にて切断する。それぞれの切断面において所定の間隔ごとに法線ベクトルを設定することにより、ワークＷの表面全体の評価を行うことができる。
【００２０】
ワークＷの加工面には、予め定められた間隔ごとに設定点４０を設定する。次いで、設定点４０において、表面の傾きに垂直な法線ベクトルｎiを設定する。法線ベクトルｎiはｉ番目の設定点４０の法線ベクトルである。法線ベクトルｎiについて法線方向の角度θiを設定することができる。ここでは、Ｙ軸に対する角度を法線方向の角度θiに設定している。
【００２１】
図５において、ｉ番目の設定点４２と、（ｉ＋１）番目の設定点４４との座標値は既知である。これらの２つの設定点４２、４４の座標値に基づいて、ベクトルａiを設定することができる。ベクトルａiは、設定点４２から設定点４４に向かうベクトルである。そして、ベクトルａiに垂直なベクトルを法線ベクトルｎiに設定することができる。この時の法線方向の角度θiは、次の式（１）にて算出することができる。こうして、加工面のｉ番目の設定点について、法線方向の角度θiを算出することができる。
【数１】
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【００２２】
法線方向変化率演算部１４は、設定点４０における法線方向変化率を算出する。法線方向変化率は、互いに隣り合う設定点の法線方向の角度の変化率である。例えば、法線方向の角度θiと法線方向の角度θi+1における変化率である。法線方向変化率は、次の式（２）にて算出することができる。次の式（２）は、設計形状のｉ番目の設定点４０における法線方向変化率を示している。評価対象形状の法線方向変化率も同様の方法により算出することができる。なお、法線方向の変化率は加工面の接線方向の変化率として求めても同じ結果になることは幾何学的に明らかである。
【数２】
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【００２３】
極座標変換部１８は、こうして得られた法線方向変化率を極座標に変換し、視認可能限界データ格納部１６に格納されている法線方向変化率の視認可能な限界値と共に表示部２２へ送出する。表示部２２に表示される法線方向変化率演算部１４における演算結果を図６に示す。
【００２４】
図６において、法線方向変化率の視認限界値は破線で示されている。また、図６（ａ）、６（ｂ）は、図２（ａ）、２（ｂ）、図３（ａ）、３（ｂ）に対応していている。なお、軌跡の法線方向変化率は、軌跡の幾何学的な法線方向変化率から、ヒトが視覚的に認識可能な空間周波数成分のみを抽出したものとしている。ヒトが視覚的に認識可能な空間周波数成分の範囲は、眼科診療におけるコントラスト感度曲線に基づいて決定してもよいし、別途用意された評価用形状を用いて決定してもよい。
【００２５】
また、図中には別途評価されたヒトの法線方向変化率視認限界も破線で示している。図６（ａ）と図６（ｂ）とを比べると、図６（ａ）のほうがより大きな法線方向変化率が生じており、図２（ａ）の円運動軌跡の方が図２（ｂ）の円運動軌跡よりも誤差が小さくても、つまり加工精度が高くても、図３（ａ）に示すように明瞭な加工痕が生じていることと対応している。このように、運動評価装置２４によれば、加工に先立って、工作機械５０に円運動させ、その軌跡データを取得することによって、本発明の運動評価方法によれば、加工面の見た目と対応した運動評価が可能となる。
【００２６】
また、工作機械５０のオペレーターは、表示部２２に表示された法線方向変化率を参照し、視認限界以上の法線方向変化率がある場合には、入力装置２８およびパラメータ変更部２６を通じて、工作機械５０の制御パラメータを修正し、法線方向変化率が視認限界以下になるまでこれを繰り返す。調節対象とする制御パラメータには、位置ループゲイン、速度ループゲイン、速度ループ積分ゲインまたは時定数、摩擦補償パラメータ、バックラッシ補正パラメータを含む。
【００２７】
次に、図７を参照して、本発明のパラメータ調節装置１０の応用例を説明する。図１２に示す例では、円運動軌跡データ取得部１２が工作機械５０のＮＣ装置によって形成されている。図７の工作機械５０において、パラメータ調節装置１０は加工機６０と組み合わされている。加工機６０は、工場の床面上に固定される基台としてのベッド６２、該ベッド６２の上面に取り付けられ上面にワークＷが固定されるテーブル６４、ベッド６２に固定されたワークＷに対面させた工具Ｔを先端部に装着する主軸６６を鉛直な回転軸線Ｏを中心として回転可能に支持する主軸頭６８、主軸頭６８を、ベッド６２に対してＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交三軸方向に往復駆動する駆動機構５２、駆動機構５２のサーボモーターを制御するＮＣ装置５４を主要な構成要素として具備している。
【００２８】
駆動機構５２は、一例として、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ボールねじ（図示せず）、該ボールねじに係合するナット（図示せず）およびＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ボールねじの各々の一端部に連結されＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ボールねじを回転駆動するサーボモーターより成るＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸駆動モーターＭｘ、Ｍy、Ｍzを具備している。また、工作機械５０は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交三軸の直線送り軸に加えて、水平方向のＸ軸を中心とした回転送り軸であるＡ軸や、鉛直方向のＺ軸を中心とした回転送り軸であるＣ軸のような１または複数の回転送り軸を含んでいてもよい。その場合は、駆動機構５２は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸駆動モーターＭx、Ｍy、Ｍzに加えて、Ａ軸、Ｃ軸のような回転送り軸用のサーボモーターを含んでいる。
【００２９】
加工機６０には、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各送り軸の位置を検出するデジタルスケール（図示せず）が設けられており、ＮＣ装置５４に各送り軸の位置がフィードバックされる。運動評価装置２４の円運動軌跡データ取得部１２は、加工機６０の主軸６６をＸＹ平面内で円運動させたときの軌跡データをＮＣ装置５４から受け取る。
【００３０】
次に、図８を参照して、本発明のパラメータ調節装置１０の他の応用例を説明する。図８に示す例では、工作機械５０は、ボールバー法や交差格子スケールのような測定器８０を有している。図８の例でも、円運動軌跡データ取得部１２は加工機６０の主軸６６をＸＹ平面内で円運動させたときの軌跡データをＮＣ装置５４から受け取る。
【００３１】
図７、８の構成では、パラメータ調節装置１０は、加工機６０の機械制御装置（図示せず）またはＮＣ装置５４内の制御プログラムの一部として組み込むことができる。この場合、表示部２２および入力装置２６は、加工機６０の制御盤（図示せず）に設けられているタッチパネル（図示せず）により形成することができる。
【００３２】
本発明による調節方法を適用した例を図９に示す。図９（ａ）は従来技術による円運動軌跡の表示結果であり、図９（ｂ）は本発明による表示結果である。図９（ｂ）に示すように、本発明によれば、軌跡の法線方向変化率が破線で示されたヒトの視認限界以下になっている。軌跡の法線方向変化率は、軌跡の幾何学的な法線方向変化率から、ヒトが視覚的に認識可能な空間周波数成分のみを抽出したものとしている。
【００３３】
図９の運動軌跡を測定したのと同じ条件で、スクエアエンドミル外周刃による円筒加工を行い、軌跡誤差が生じる９０°付近の加工面を撮影した結果を図１０に示す。図１０によると、加工面には視認可能な筋状の加工痕は生じておらず、本発明によるパラメータ調節方法を用いれば、見た目上の不具合のない加工面を得られるようになることがわかる。
【００３４】
また、既述の実施形態では、円運動軌跡から法線方向変化率を演算した例を説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、軌跡の接線方向の変化率や軌跡そのものの微分値など、法線方向変化率と等価のものを含んでいる。
【符号の説明】
【００３５】
１０    パラメータ調節装置
１２    円運動軌跡データ取得部
１４    法線方向変化率演算部
１６    視認可能限界データ格納部
１８    極座標変換部
２０    軌跡分析部
２２    表示部
２４    運動評価装置
２６    パラメータ変更部
２８    入力装置
４０    設定点
４２    設定点
４４    設定点
５０    工作機械
５２    駆動機構
５４    ＮＣ装置
６０    加工機
６２    ベッド
６４    テーブル
６６    主軸
６８    主軸頭
８０    測定器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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