(57)【要約】【課題】  自由曲面の加工において、工具軸方向がＸＹ面と垂直となっていない場合にも最適切削条件となる主軸の回転数と送り速度の組み合わせ出力する数値制御装置を提供する。【解決手段】  数値制御装置は、加工プログラムを読み込み、工具軸方向ベクトルを出力するとともに、各軸方向移動量を出力する解析部（１１）と、各軸方向移動量から軸移動方向ベクトルを求める軸移動方向ベクトル算出手段（１２）と、工具軸方向ベクトルおよび軸移動方向ベクトルから工具軸の傾斜および加工プログラムにより指令された軸移動方向に伴う工具と被削材の接触位置の変化に基づいた主軸回転数を算出し、主軸ドライバに対して出力する主軸回転数制御手段（１５）と、主軸回転数制御手段の出力および解析部からの各軸方向移動量に基づいて送り速度を算出する分配部（１６）を備える。【選択図】  図１
2005327321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークの形状面を加工する工作機械を制御する数値制御装置であって、
加工プログラムを読み込み、工具軸方向ベクトルを出力するとともに、各軸方向移動量を出力する解析部と、
前記各軸方向移動量から軸移動方向ベクトルを求める軸移動方向ベクトル算出手段と、
前記工具軸方向ベクトルおよび前記軸移動方向ベクトルから工具軸の傾斜および加工プログラムにより指令された軸移動方向に伴う工具と被削材の接触位置の変化に基づいた主軸回転数を算出し、主軸ドライバに対して出力する主軸回転数制御手段と、
前記主軸回転数制御手段の出力および前記解析部からの各軸方向移動量に基づいて送り速度を算出する分配部を備えたことを特徴とする数値制御装置。
【請求項２】
加工ツールとしてＸＹ平面に対して角度θだけ傾斜した半径Ｒ（ｍｍ）のボールエンドミルを用い、工具軸方向ベクトルをＶｔおよび移動方向ベクトルＶｄ、θ＝π／２であるときの最適な周速をＶ0 （ｍｍ／ｍｉｎ）とし、このときの主軸回転数をＳ0 （ｒｐｍ）としたとき、
前記主軸回転数制御手段は主軸回転数Ｓを
Ｓ＝Ｓ0 ｜Ｖｔ｜｜Ｖｄ｜／Ｖｔ・Ｖｄ    （ｒｐｍ）
の式にしたがって算出し、
前記分配部はＳ0 に対する送り速度をＦ0 として、Ｓに対する送り速度Ｆを
Ｆ＝Ｆ0 ｜Ｖｔ｜｜Ｖｄ｜／Ｖｔ・Ｖｄ    （ｍｍ／ｍｉｎ）
の式にしたがって算出するものである、請求請１に記載の数値制御装置。
【請求項３】
前記回転数制御部は、算出された主軸回転数に対して上限および下限の値を与えて制限を加えるリミッタをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自由曲面を高速かつ高精度に加工するのに好適な数値制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自由曲面を高速かつ高精度に加工する数値制御（ＮＣ）工作機械においては、工具の移動経路は加工プログラムにより指令され、この経路に沿った工具の移動速度も加工プログラム内にＦコードを記入することにより指令される。しかしながら、Ｆコードで指令された速度で移動を行うと、サーボ系の遅れ等の誤差要因により、加工精度が維持できない場合がある。
【０００３】
最近の自由曲面高速高精度加工用のＮＣ装置にはこのような不具合を防ぐ為の機能として、指令された経路の形状を評価し、加工精度を許容誤差範囲内に収めるための許容最大速度を形状に応じて求め、Ｆコードで指定された速度にかかわらず、許容最大速度以下に自動的に速度を抑えるものがある。
【０００４】
また、主軸の回転数はプログラム中のＳコードにより指令されるが、この主軸の回転数と軸の送り速度には切削条件により最適な組み合わせがある。しかし、前述した送り速度を形状に応じて自動的に制御する機能がある場合、これらの値をプログラムのＦコードおよびＳコードで指令すると、速度値が制限を受けて、主軸の回転数は一定であるにもかかわらず速度がＦコードで指令された値とかけ離れたものになる場合があるという欠点がある。
【０００５】
一般に、切削において、１刃当りの送り量が一定で、かつ切削速度、すなわち、工具と被削材の接触点の相対接線速度が一定であることが良い切削条件であると言われている。
【０００６】
この観点から、本願発明者らは特願平７−１７５２７７号（特開平９−２９５８４号）において、自由曲面の加工において、切削条件によって決まる主軸の回転数と送り速度の組み合わせの最適条件を維持し、工具磨耗を抑え、高速高精度の加工が可能な数値制御装置を提案した。この数値制御装置はあらかじめ設定された切削速度を、曲面形状により刻々変化する工具の接触径に応じて周速を制御し、回転と送り速度を同期させるようにしたものである。具体的には、加工プログラムにより指令される工具の移動形状に基づいて送り速度決定手段で得られた送り速度に応じて主軸回転数制御手段により主軸の回転数を変化させ、また、軸移動方向に基づいて工具と被削材の接触位置の変化に基づいた主軸回転数を主回転数制御手段で変化させ、さらに、工具の移動形状に基づいて送り速度決定手段で得られた軸移動方向情報を含む送り速度に基づいて主軸回転数を主回転数制御手段で変化させるようにしている。
【０００７】
これにより、実切削速度が安定して工具寿命が延び、工具摩耗が現象するとともに安定した１刃あたりの送り速度を得ることから加工面の品質が向上し、送り速度の向上による加工時間の短縮が期待できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、発明者らにより以前に提案された発明は、工具軸は工作機械のＸＹ面に垂直であるという前提に立つものである。
【０００９】
このため、角度ヘッドを用いた場合等、工具軸がＸＹ面に対して垂直でなく任意面に対して垂直な場合には、前述した発明により移動方向に応じて主軸の回転数（Ｓコード）と送り速度（Ｆコード）を制御しても工具と形状の間で正しい制御が行われないという問題がある。
【００１０】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、自由曲面の加工において、工具軸方向がＸＹ平面に垂直でない場合でも切削条件によって決まる主軸の回転数と送り速度の組み合わせの最適条件から現実の加工条件がかけ離れることを防止するとともに、工具の磨耗および折損を抑えて寿命を延ばし、高速高精度の加工が可能で、かつプログラム容量の増加を抑えることのできる数値制御装置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】
【００１１】
本発明によれば、ワークの形状面を加工する工作機械を制御する数値制御装置において、加工プログラムを読み込み、工具軸方向ベクトルを出力するとともに、各軸方向移動量を出力する解析部と、前記各軸方向移動量から軸移動方向ベクトルを求める軸移動方向ベクトル算出手段と、前記工具軸方向ベクトルおよび前記軸移動方向ベクトルから工具軸の傾斜および加工プログラムにより指令された軸移動方向に伴う工具と被削材の接触位置の変化に基づいた主軸回転数を算出し、主軸ドライバに対して出力する主軸回転数制御手段と、前記主軸回転数制御手段の出力および前記解析部からの各軸方向移動量に基づいて送り速度を算出する分配部を備えたことを特徴とする。
【００１２】
加工ツールとしてＸＹ平面に対して角度θだけ傾斜した半径Ｒ（ｍｍ）のボールエンドミルを用い、工具軸方向ベクトルをＶｔおよび移動方向ベクトルＶｄ、θ＝π／２であるときの最適な周速をＶ0 （ｍｍ／ｍｉｎ）とし、このときの主軸回転数をＳ0 （ｒｐｍ）としたとき、
前記主軸回転数制御手段は主軸回転数Ｓを
Ｓ＝Ｓ0 ｜Ｖｔ｜｜Ｖｄ｜／Ｖｔ・Ｖｄ    （ｒｐｍ）
の式にしたがって算出し、
前記分配部はＳ0 に対する送り速度をＦ0 として、Ｓに対する送り速度Ｆを
Ｆ＝Ｆ0 ｜Ｖｔ｜｜Ｖｄ｜／Ｖｔ・Ｖｄ    （ｍｍ／ｍｉｎ）
の式にしたがって算出するものであると良い。
【００１３】
前記回転数制御部は、算出された主軸回転数に対して上限および下限の値を与えて制限を加えるリミッタをさらに備えることが好ましい。
【００１４】
本発明による数値制御装置ではアングルヘッド等を用いてＸＹ平面に対して工具軸が垂直になっていないときにも、１刃当りの送り量が一定で、かつ切削速度、すなわち、工具と被削材の接触点の相対接線速度が一定となって、工具摩耗や折損を抑制し、工具寿命を延ばすとともに加工時間を短縮することができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明による数値制御装置では、工具軸方向ベクトルと移動方向ベクトルを用いて主軸回転数と送り速度を制御して最適切削速度を維持するようにしているので、アングルヘッド等を用いてＸＹ平面に対して工具軸が垂直になっていないときにも、１刃当りの送り量が一定で、かつ切削速度が一定となって、工具摩耗や折損を抑制し、工具寿命を延ばすとともに加工時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施の一形態にかかる数値制御装置１０の概略構成を示すブロック図である。この実施の形態では、主軸の回転数指令値については加工プログラム中で指令されていない。
【００１８】
加工プログラム１は解析部１１に送られ、ここで解析される。この解析部１１では、加工プログラム中の文字列からＸコード、Ｓコード、Ｇコード、Ｍコード等の文字列を抽出し、これから軸移動量が求められる。例えば、軸移動量は加工の始点および終点の座標からＸ、Ｙ、Ｚの各軸に沿った移動量を求めることができる。また、工具の座標や角度から工具軸方向ベクトルが求められる。なお、これらの各量はブロックごとに求められる。
【００１９】
各軸の移動量は分配部１６で各軸の移動指令に変換され、各軸のサーボ系２０に送られる。
【００２０】
一方、各軸の移動量は軸移動方向ベクトル算出部１２に与えられる、軸移動方向ベクトルが算出され、主軸回転数算出部１５に送られる。
【００２１】
また、主軸回転数算出部１５には、希望切削速度記憶部１３に記憶された基準値としての希望切削速度、主軸最大回転数、主軸最小回転数記憶部１４に記憶された主軸最大回転数、主軸最小回転数と、前述した工具軸方向ベクトル、さらに主軸オーバーライド量が入力され、これらをもとに主軸回転数指令値Ｓが求められる。この指令値Ｓは主軸ドライバ３０に対して出力される。
【００２２】
主軸回転数を算出する方法は例えば次のようなものである。  
本発明においては、工具軸がワーク平面に対して垂直ではないとの前提に立っているので、工具軸方向をパラメータあるいは変数とし定義する必要がある。このため、図２に示すように、工具軸方向ベクトルＶｔおよび移動方向ベクトルＶｄを定義する。
【００２３】
図２においては、エンドミルとして表された工具４０とワーク５０が示されており、工具軸方向ベクトルＶｔと移動方向ベクトルＶｄのなす角を図１に示すようにψ、π／２−ψ＝θとすると、主軸回転数Ｓ（ｒｐｍ）で半径Ｒ（ｍｍ）の工具の切削点にとおける周速は
Ｖ＝２πｒＳ      （ｍｍ／ｍｉｎ）
ｒ＝Ｒｓｉｎ（θ）（ｍｍ）
となる。
【００２４】
θ＝π／２であるときの最適な周速をＶ0 （ｍｍ／ｍｉｎ）とし、このときのＳをＳ0 （ｒｐｍ）とすれば、
Ｖ0 ＝２πＲＳ0 
の関係があるので、任意のθで周速を常にＶ0 とするためには、
２πＲＳ0 ＝２πＲｓｉｎ（θ）Ｓ
であるから
Ｓ＝Ｓ0 ／ｓｉｎ（θ）
となり、これは
Ｓ＝Ｓ0 ／ｃｏｓ（ψ）
とも表現できる。
【００２５】
ここでＶｔとＶｄの内積を考えると
Ｖｔ・Ｖｄ＝｜Ｖｔ｜｜Ｖｄ｜ｃｏｓ（ψ）
であるから、
ｃｏｓ（ψ）＝Ｖｔ・Ｖｄ／｜Ｖｔ｜｜Ｖｄ｜
となる。
【００２６】
この関係を用いると、
Ｓ＝Ｓ0 ｜Ｖｔ｜｜Ｖｄ｜／Ｖｔ・Ｖｄ    （ｒｐｍ）
となる。
【００２７】
この主軸回転数Ｓは分配部１６に送られ、工具送り速度も算出される。
【００２８】
すなわち、前述したＳ0 に対する送り速度をＦ0 とすれば、Ｓに対するＦは
Ｆ＝Ｆ0 ｜Ｖｔ｜｜Ｖｄ｜／Ｖｔ・Ｖｄ    （ｍｍ／ｍｉｎ）
となる。このとき、工具方向ベクトルを単位ベクトルとすれば、｜Ｖｔ｜＝１であるから、
Ｆ＝Ｆ0 ｜Ｖｄ｜／ＶｔＶｄ    （ｍｍ／ｍｉｎ）
となるので、このＦ値を上限速度とすれば良い。    
主軸回転数算出部１５においては、上述した手順で求められた主軸回転数に対し、必要に応じて補正を行うことができ、
Ｋｘ＝実送り速度／基準送り速度
とすると
Ｓｘ＝指令回転数＊Ｋｘ＊主軸オーバーライド
となる。しかし、この回転数は予め定められた最小回転数と最大回転数の間にあるべきであるので、
最小回転数≦Ｓｘ≦最大回転数
の条件を満たすようにＳｘを決定するようにしても良い。
【００２９】
この実施の形態によれば、各軸の移動量から軸移動方向ベクトルを求め、加工プログラムで指定される工具軸方向ベクトルとともに主軸回転数を求めるようにしているので、主軸の最適な回転数指令値（Ｓ指令値）をプログラム中に付加する必要がないため、最適なＳ指令値を加工プログラムに付ける場合に比べて加工プログラムが短くてすむので、プログラム保存用のメモリが少なくて済み、リモートバッファ運転時の通信速度を上げる必要がない。
【００３０】
また、角度ヘッド等を用いて工具軸がＸＹ平面に垂直でない場合にも最適な切削条件が維持される。
【００３１】
以上の実施の形態では、まず主軸回転数を最適化し、これに送り速度を追随させるようにしているが、図１に示されているように、得られた最適送り速度を再度主軸回転数算出部に入力し、最終的に主軸回転数を補正するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】本発明における原理を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  加工プログラム
１０  数値制御装置
１１  解析部
１２  軸移動方向ベクトル算出部
１３  希望切削速度記憶部
１４  主軸最大回転数、最小回転数記憶部
１５  主軸回転数算出部
１６  分配部
２０  サーボ機構
３０  主軸ドライバ
【図１】
2005327321.tif 000003
【図２】
2005327321.tif 000004