(57)【要約】【課題】  ３つの直交移動軸の内いずれかの直線移動軸が揺動軸に代えられた機械を制御する数値制御装置を得る。【解決手段】  Ｘ，Ｚの直線移動軸と、先端に工具を有する揺動部材をＺ軸に平行な軸回りに回転揺動させる揺動軸Ｂを有する機械を制御する。Ｘ，Ｙ，Ｚの３次元直交座標系の位置で指令された指令プログラムによる移動指令を補間処理して、各直交軸の補間移動量ΔＸ，ΔＹ，ΔＺを求める(Ｓ2)。Ｙ軸方向に移動量ΔＹだけ移動させるに必要な揺動軸の回転量Δθを求める(Ｓ3)。揺動軸Ｂの回転に伴うＸ軸方向への移動をキャンセルする補正移動量δｘを求める(Ｓ4)。Ｘ軸には(ΔＸ＋δｘ)、揺動軸ＢにはΔθ、Ｚ軸にはΔＺを出力する(Ｓ5)。３次元直交座標系で補間処理して得られた移動量だけ補間周期内に移動するので、速度は指令速度に保持され、従来の指令プログラムがそのまま使用できる。【選択図】      図５
2005071016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交する第１直線移動軸及び第２直線移動軸と、前記第１直線移動軸または該直線移動軸と平行な軸回りに揺動部材を揺動させる揺動軸と、該揺動部材の先端に工具を備えた機械の動作を指令プログラムにより前記第１、第２直線移動軸及前記揺動軸を制御する数値制御装置であって、
前記指令プログラムで指令された３次元直交座標系での動作経路を所定周期毎補間し、各補間点間の移動量を３次元直交座標系の補間成分として求める手段と、
前記第１、第２直線移動軸と直交する軸の補間成分の移動量だけ移動するに必要な前記揺動軸の回転量を求める手段と、
前記揺動軸の求めた回転量にともない変化する前記第２の直線移動軸の移動量を補正量として求める手段と、
前記第１直線移動軸には対応する補間成分の移動量を、前記第２直線移動軸には、対応する補間成分に前記補正量により補正した移動量を、前記揺動軸には前記回転量を各周期毎に出力することを特徴とする数値制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
数値制御装置に関し、互いに直交する２つの直線移動軸と揺動軸を有する工作機械を制御する数値制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元形状のワークを加工する工作機械として、少なくとも直交３軸の各軸を直線動作させるアクチュエータを備えた機械が使用されている。この場合、各軸に対しその移動範囲に適用するガイドやボールねじなどの駆動系が必要であり、小型化が要求される場合、それが困難であった。直交３軸の直線移動軸に代わって簡単な構成で、小型化でき、直交３軸の直線移動軸による加工と同等の、任意の３次元形状の加工ができるような工作機械は知られてなく、先行技術を検索したが発見できなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述したように工作機械を小型化するため、或いは駆動系をシンプルにするため、直線軸に変わる簡単でシンプルな駆動系が必要であり、また、直線移動軸を使用しないアクチュエータを用いるとすると、３次元形状のワーク加工に直交する３つの移動方向によってワーク加工の指令が作成されている数値制御装置のプログラムの作成も変更しなければならなくなり、使い勝手も不便となり、不便さがますことになる。  
そこで、本発明は、３次元加工する工作機械の互いに直交する３つの直線移動軸の１つを揺動軸に代えた工作機械を制御する数値制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、互いに直交する第１直線移動軸及び第２直線移動軸と、第１直線移動軸または該直線移動軸と平行な軸回りに揺動部材を揺動させる揺動軸と、該揺動部材の先端に工具を備えた機械の動作を指令プログラムにより前記第１、第２直線移動軸及前記揺動軸を制御する数値制御装置であって、指令プログラムで指令された３次元直交座標系での動作経路を所定周期毎補間し、各補間点間の移動量を３次元直交座標系の補間成分として求める手段と、第１、第２直線移動軸と直交する軸の補間成分の移動量だけ移動するに必要な前記揺動軸の回転量を求める手段と、揺動軸の求めた回転量にともない変化する前記第２の直線移動軸の移動量を補正量として求める手段と、第１直線移動軸には対応する補間成分の移動量を、前記第２直線移動軸には、対応する補間成分に前記補正量により補正した移動量を、前記揺動軸には前記回転量を各周期毎に出力するようにした。これにより、３次元直交座標系で指令されている指令プログラムに基づいて、指令どおりの経路及び速度で動作させることができるようにした。
【発明の効果】
【０００５】
直交軸の内の１軸を揺動軸で代行する工作機械を、従来の直交３軸の直線移動軸を持つ工作機械に対する指令プログラムで駆動制御することができる。よって工作機械の小型化、シンプル化も図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、本発明の数値制御装置が適用される工作機械の一例の概要図である。  
テーブル１は、直交するＸ軸方向、Ｚ軸方向にそれぞれＸ，Ｚ軸サーボモータ４０，４２によって駆動し移動する。また、支柱２にはＺ軸と平行に延びる軸３が設けられ該軸３回りに回転揺動する揺動部材４が設けられ、該揺動部材４はサーボモータによって駆動され回転揺動する。この揺動部材４の先端部には、工具５が取り付けられ、該工具５は図示しない主軸モータで駆動されるようになっている。この軸３回りに揺動部材４を回転揺動させて工具５移動させる軸を以下揺動軸Ｂと称する。そして、揺動軸Ｂを駆動するサーボモータをＢ軸用サーボモータという。  
この実施形態の工作機械では、直交するＸ，Ｚ軸の送り軸と、回動する揺動軸Ｂによって、テーブル１に取り付けられたワークＷに対して３次元形状の加工を行う。  
この実施形態においては、Ｚ軸と並行な軸回りに揺動部材４を回転させる揺動軸Ｂ（３）が回転揺動することから、揺動部材４の先端部に取り付けられた工具位置は、揺動軸Ｂの揺動に応じて、Ｘ軸方向及び、Ｘ軸及びＺ軸に直交するＹ軸方向に移動することになる。
【０００７】
図２は、揺動軸Ｂを補間の時間単位で直線補間したときの揺動軸Ｂの位置を求めたもので、揺動軸Ｂの回転角が等間隔で分割され、時間ｔｉでは回転角がθｉ、時間ｔｉ＋１では回転角がθｉ＋１であったとする。また、揺動軸Ｂの回転中心である軸３と工具軸回転中心までの距離をＲとすると、時間ｔｉ〜ｔｉ＋１の間に、工具５はワークに対して相対的にＹ軸方向にＲ・（ｓｉｎθｉ＋１−ｓｉｎθｉ）移動し、Ｘ軸方向にＲ・（ｃｏｓθｉ＋１−ｃｏｓθｉ）移動することになる。そこで、Ｘ軸モータにより、この移動分を相殺させるようにテーブル１を−Ｒ・（ｃｏｓθｉ＋１−ｃｏｓθｉ）だけ時間ｔｉ〜ｔｉ＋１の間に移動させれば、Ｘ軸成分はキャンセルされて、工具５はワークに対してＹ軸方向に直線移動することになる。
【０００８】
ただし、補間の時間間隔毎に等間隔に回転量を補間したとしても回転位置の違いによって、Ｙ軸方向の移動速度（ワークに対する工具５の相対移動速度）は変わってくる。そこで、図３に示すように、従来の直交座標系で構成された工作機械に対する移動指令と同様に、指令を揺動軸Ｂへの回転指令ではなく、仮想軸のＹ軸への移動指令とする。即ち、ワークに対する指令プログラム等の移動指令は、従来の直交座標系で作成された指令プログラムの移動指令と同じとする。そして、指令プログラムで指令された移動速度、移動位置に基づいて従来の直交座標系の工作機械と同様にＸ，Ｙ，Ｚ方向に補間処理をして各方向への補間移動量を求め、仮想軸のＹ軸への移動量から揺動軸Ｂの回転量を求めるようにする。
【０００９】
図３に示すように補間の時間間隔において時間ｔｉから時間ｔｉ＋１の間にＹ軸に対してΔＹの移動指令があったとする。そして、時間ｔｉでの揺動軸Ｂの回転角がθｉ、時間ｔｉ＋１での揺動軸の回転角がθｉ＋１であったとすると、
Ｒ・（ｓｉｎθｉ＋１−ｓｉｎθｉ ）＝ΔＹ
よって、
ｓｉｎθｉ＋１＝ｓｉｎθｉ＋ΔＹ／Ｒ    
θｉ＋１＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎθｉ＋ΔＹ／Ｒ）    ・・・（１）
上記（１）式により、順次新たな回転角θｉ＋１を求めて行き、前補間周期の回転角θｉと今回の回転角θｉ＋１を用いて揺動軸ＢをΔθ＝（θｉ＋１−θｉ ）を求める。さらに、この揺動軸Ｂの回転にともなって発生するＸ軸方向の移動をキャンセルするための移動量δｘを下記（２）式より求める。  
δｘ＝−Ｒ・（ｃｏｓθｉ＋１−ｃｏｓθｉ ）        ・・・（２）
補間周期毎に揺動軸をΔθ、Ｘ軸をδｘ移動させれば、揺動軸Ｂの端の工具中心を指令された一定速度でＹ軸方向に移動させることができる。
【００１０】
このとき、Ｘ軸に対し移動指令がある場合は、その移動指令を補間周期毎に分割した値に上記δｘ＝−Ｒ・（ｃｏｓθｉ＋１−ｃｏｓθｉ）を加えたものをＸ軸の補間データとすればよい。  
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の同時３軸で指令される直線指令、あるいは、Ｙ軸を含む円弧指令においても同様で、
１）Ｘ，Ｙ，Ｚ軸に対する補間移動量ΔＸ，ΔＹ，ΔＺを求め、
２）上述した（１）式に基づき揺動軸Ｂの指令に変換し、移動角Δθを求め、補間移動量ΔＸに（２）式で求めたＸ軸補正量δｘを加算し、当該補間周期のＸ，Ｂ，Ｚ軸の移動指令として（ΔＸ＋δｘ），Δθ，ΔＺを各軸のサーボ回路へ出力すれば、直交３軸の工作機械での工具動作と同じ動作を行うことができる。
【００１１】
図４は、本発明の一実施形態の数値制御装置の要部ブロック図である。この実施形態では、図１に示した直交するＸ軸，Ｚ軸の直線移動軸と、Ｚ軸回りまたはＺ軸と平行な軸回りに回転する揺動部材の先端に工具を備えた揺動軸Ｂからなる工作機械を制御して３次元形状を加工する数値制御装置の例を示している。  
ＣＰＵ１１は数値制御装置１０を全体的に制御するプロセッサであり、バス１５により、メモリ１２，表示器／入力機器１３，ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１４，Ｘ，Ｂ，Ｚ軸の軸制御回路２０，２１，２２，主軸制御回路６０に接続されている。ＣＰＵ１１は、メモリ１２に格納されたシステムプログラムを、バス１５を介して読み出し、該システムプログラムに従って数値制御装置全体を制御する。メモリ１２には表示器とキーボート等の指令やデータを入力するための入力機器で構成された表示器／入力機器１３を介してオペレータが入力した各種データ、さらには、該表示器／入力機器１３を利用して作成された指令プログラムや図示しないインタフェースを介して入力された指令プログラムが格納される。ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１６は、数値制御装置１００に内蔵されたシーケンスプログラムで工作機械の補助装置に信号を入出力し制御する。
【００１２】
各軸の軸制御回路２０〜２２はＣＰＵ１１からの各軸の移動指令量を受けて、各軸の指令をサーボアンプ３０〜３２に出力する。サーボアンプ３０〜３２はこの指令を受けて、各軸のサーボモータ４０〜４２を駆動する。各軸のサーボモータ４０〜４２は位置・速度検出器５０〜５２を内蔵し、軸制御回路３０〜３３は、この位置・速度検出器５０〜５２からの位置、速度フィードバック信号を受けて位置・速度のフィードバック制御を行う。
【００１３】
また、主軸制御回路６０は主軸回転指令を受け、主軸アンプ６１にスピンドル速度信号を出力する。主軸アンプ６１はスピンドル速度信号を受けて、主軸モータ６２を指令された回転速度で回転させ、主軸に取り付けられた工具５を回転させる。また、この主軸には図示していないがポジションコーダが取り付けられていて、該ポジションコーダからのフィードバック信号により、主軸制御回路６０は主軸の回転速度をフィードバック制御する。
【００１４】
上述した数値制御装置の構成は従来の数値制御装置と同一であり、また、該数値制御装置で制御する工作機械によりワークに対して加工するための指令プログラムも、従来の直交する３つの直線移動軸の工作機械に対して作成されたものと同じものを用いるものである。即ち、３次元形状の加工の指令プログラムは、従来と同様にＸ，Ｙ，Ｚの直交３軸の指令として指令しておくものである。そして相違する点は、ＣＰＵ１１が補間処理によりＸ，Ｙ，Ｚの直交３軸への補移動量を求めた後、上述した揺動軸Ｂに対する移動量、Ｘ軸に対する補正処理をして移動指令を出力するようにした点である。
【００１５】
図５は、この実施形態のＣＰＵ１１が指令プログラムに基づいて実施する処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。  
図５に示す処理において、ステップＳ１の前処理と、ステップＳ２以下の処理は、別タスクで行われ、ステップＳ１の前処理は前処理タスクで行われ、ステップＳ２以下の処理は補間周期毎に実施されるものであるが、説明を簡単にするために同一フローチャートで表している。
【００１６】
ＣＰＵ１１は指令プログラムから１ブロックを読み出し、従来と同様の前処理を行い、補間分配処理ができるような実行可能形式のブロックデータを作成する（ステップＳ１）。そして、ＣＰＵ１１は、実行可能形式のブロックデータに基づいて従来と同様の補間処理を実行し、直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の送り量ΔＸ，ΔＹ，ΔＺを求める（ステップＳ２）。個々までの処理は従来の直交する３つの直線移動軸を有する工作機械の制御と同一である。
【００１７】
次に、予め設定されている揺動軸の揺動部材の長さ（回転軸３の中心と工具５の回転中心間の距離）Ｒと前補間周期において求められ、レジスタに記憶されている揺動軸の回転角（最初は初期設定された値）θｉに基づいて、前述した下記（１）式の演算を行い当該補間周期におけるＹ軸方向の移動量ΔＹだけ移動させた位置に移動させる回転角Δθｉ＋１を求める。  
θｉ＋１＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎθｉ＋ΔＹ／Ｒ）      
求めた回転角θｉ＋１から、レジスタに記憶する前周期における回転角θｉを減じて移動量Δθを求める（ステップＳ３）。  
Δθ＝θｉ＋１−θｉ
さらに、この揺動軸ＢをΔθ回転させることによるＸ軸方向の移動をキャンセルするために逆方向に移動させるＸ軸方向補正量δｘを求める（ステップＳ４）。  
δｘ＝−Ｒ・（ｃｏｓθｉ＋１−ｃｏｓθｉ）
次に、ステップＳ３で求めた揺動軸Ｂの回転角θｉ＋１を次の補間周期において前周期の回転位置θｉとして利用するためにレジスタに記憶する（ステップＳ５）。そして、Ｘ軸軸制御回路２０にはステップＳ２で求めた移動量にステップＳ４で求めた補正量δｘを加算して当該周期の移動指令として出力する。また揺動軸Ｂの軸制御回路２１には、ステップＳ３で求めた回転量Δθを出力し、Ｚ軸の軸制御回路２２には、ステップＳ２で求めた移動量ΔＺを出力する（ステップＳ６）。各軸制御回路２０〜２２は、受けた移動指令と位置・速度検出器５０〜５２からフィードバックされてくる位置、速度フィードバック信号に基づいて、位置、速度のフィードバック制御を行いさらには電流ループ制御をも行って各サーボアンプ３０〜３２を介して各サーボモータ４０〜４２を駆動する。
【００１８】
以下、補間周期毎上記ステップＳ２〜ステップＳ６の処理を行い指令された１ブロックの移動が完了すると、次のブロックの前処理されたデータを用いて同様に補間処理を実施する。  
以上の処理により、指令プログラムで指令された経路及び速度で工具５は、ワークＷ  に対してＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動し加工を行うことになる。  
上述した例では、Ｘ，Ｚ軸の直線移動軸を備え、該Ｘ，Ｚ軸と直交するＹ軸を仮想軸とし、Ｚ軸と平行な軸の回りに回転する揺動軸の揺動部材をＸ−Ｙ平面上で揺動するものとして、該揺動軸の回転によりＹ軸方向への移動を行わせると共に、Ｘ軸の移動指令を補正するようにしたが、揺動軸をＸ軸または該Ｘ軸と平行な軸の回りに回転する軸として、該揺動軸の揺動部材がＺ−Ｙ平面上で揺動するものとした場合には、揺動軸の回転によりＹ軸方向への移動を行わせると共に、Ｚ軸の移動指令を補正するようにすればよい。
【００１９】
即ち、直交する２つの直線移動軸のいずれか一方の直線移動軸とまたはそれと平行な軸回りに回転する揺動部材で形成した揺動軸に対しては、該揺動軸の回転によって、直交する２つの直線移動軸に対して直交する軸方向への移動は揺動軸の回転量を制御して求め、この揺動軸の揺動部材の回転平面を形成する直線移動軸に対しては、揺動軸の回転に伴う補正量を求め、該直線移動軸に対する移動指令をこの補正量で補正して指令すればよいものである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の数値制御装置が適用される工作機械の一例の概要図である。
【図２】揺動軸を補間の時間単位で直線補間して求めた揺動軸の位置の説明図である。
【図３】仮想直線移動のＹ軸方向に直線補間して求めた揺動軸の位置の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態の数値制御装置の要部ブロック図である。
【図５】同実施形態における処理フローチャートである。
【符号の説明】
【００２１】
１  テーブル
２  支柱
３  回転軸
４  揺動部材
５  工具
Ｗ  ワーク
１０  数値制御装置
【図１】
2005071016.tif 000003
【図２】
2005071016.tif 000004
【図３】
2005071016.tif 000005
【図４】
2005071016.tif 000006
【図５】
2005071016.tif 000007