(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも直線軸３軸および回転軸２軸を含む多軸加工機における工具先端点の移動距離を演算する多軸加工機用切削距離演算装置において、
前記少なくとも直線３軸および回転軸２軸の各演算時刻における各軸位置を取得する位置情報取得部と、
前記各軸位置にもとづいて工具先端点位置を演算する工具先端点位置演算部と、
前記工具先端点位置にもとづいて工具先端点の移動距離を累積し切削距離とする切削距離演算部を有する多軸加工機用切削距離演算装置。
【請求項２】
前記位置情報取得部は、前記多軸加工機を制御する数値制御装置から前記各軸位置を取得する前記位置情報取得部である、請求項１に記載の多軸加工機用切削距離演算装置。
【請求項３】
前記位置情報取得部は、前記多軸加工機を制御する数値制御装置の動作をシミュレートする数値制御装置シミュレータから前記各軸位置を取得する前記位置情報取得部である、請求項１に記載の多軸加工機用切削距離演算装置。
【請求項４】
前記位置情報取得部は、前記各軸位置を取得するとともに前記各軸位置は切削モードによる位置であることを示す切削モード情報も取得し、
前記切削距離演算部は、切削モード中の工具先端点の移動距離のみを累積し切削距離とする請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の多軸加工機用切削距離演算装置。
【請求項５】
前記多軸加工機は工具ヘッド回転型多軸加工機である、請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の多軸加工機用切削距離演算装置。
【請求項６】
前記多軸加工機はテーブル回転型多軸加工機である、請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の多軸加工機用切削距離演算装置。
【請求項７】
前記多軸加工機は混合型多軸加工機である、請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の多軸加工機用切削距離演算装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多軸加工機用切削距離演算装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工具摩耗量や工具寿命を知るには、工具先端点位置の切削距離が重要である。下記の従来技術［特許文献１］にも記載されているように、数１式のように一般に工具摩耗量Ｔｗ（従来技術［特許文献１］ではｄｗ）は切削距離Ｌに比例する。比例の仕方は、工具種類／材質、ワーク材質、主軸回転数、送り速度などによる工具刃先先端の切削力（従来技術［特許文献１］ではエッジフォース）や温度など様々な要素が含まれるが、ここでは切削距離Ｌとの関係を簡単にするため比例係数Ｋとしてまとめている。
【０００３】
【数１】
0005289601.tif 000002
【０００４】
工具摩耗量が許容値を超えると工具寿命に達する。そのため、工具摩耗量や工具寿命を知るには、工具先端点位置の切削距離が重要である。  
従来技術［特許文献１］には、「エッジフォースおよび切削距離で積算する予測式から前記工具磨耗量を予測する」（請求項１）方法が開示されており、切削距離については「切削距離Ｌは、ＮＣプログラムの刃先（チップ）２０１先端（加工部位）の座標情報（ＮＣデータ）から算出する。」（段落００７９）としている。その方法として、「（加工前の工具摩耗量の予測）」としてシミュレーションによって切削距離などを求めて工具磨耗量を予測する方法（段落００７７〜００８３、図１６（ａ））、「（加工中の工具磨耗量の予測）」としてＮＣ工作機械の制御器（数値制御装置）からのデータによって切削距離などを求めて工具磨耗量を求める方法（段落００８４〜００８５、図１６（ｂ））が開示されている。
【０００５】
また、従来技術［特許文献２］においては、「各駆動軸の各時刻における実位置情報を同時に取得」し「加工物に固定された座標系（後述の本発明でのテーブル座標系）からみた、前記工具の先端部の３次元座標値を計算し、前記３次元座標値を用いて前記工具の先端部の３次元軌跡を表示する」（請求項１）技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４５８３４１５号公報
【特許文献２】特許第４６８９７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の方法には次のような問題点がある。
多軸加工機の場合、切削距離は単に加工プログラム（従来技術［特許文献１］のＮＣプログラム）からは得られない。直線３軸の構成による３軸加工機の場合、加工プログラムにおいて工具長補正とともに工具先端点経路を指令することが多く、その場合直線指令であれば切削距離を加工プログラムから得られる。しかし、多軸加工機の場合加工プログラムにおいて工具先端点経路ではなく制御点経路（後述の機械座標系上の直線３軸位置と回転軸２軸位置）が指令されることもある。その場合、制御点経路と工具先端点経路は相違するため、加工プログラムから工具先端点の切削距離は得られない。（図１参照）  
工具先端点経路を指令する場合であっても、加工プログラムにおいては直線指令だけでなく曲線（円弧、スプライン曲線など）も指令される。その場合、加工プログラムの指令された先端点位置からは正確な指令経路（工具先端点経路）の切削距離は得られない。
【０００８】
また、特許文献２に開示される技術は工具先端点の軌跡を表示するのみであり、工具先端点の切削距離を求める技術思想はない。
【０００９】
そこで本発明の課題は、加工プログラムでなく短い演算周期ごとの各軸位置から、多軸加工機におけるワークと工具先端点との相対的切削距離、つまりワーク上（テーブル上）の工具先端点の移動距離を求めることが可能な多軸加工機用切削距離演算装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願の請求項１に係る発明は、少なくとも直線軸３軸および回転軸２軸を含む多軸加工機における工具先端点の移動距離を演算する多軸加工機用切削距離演算装置において、前記少なくとも直線３軸および回転軸２軸の各演算時刻における各軸位置を取得する位置情報取得部と、前記各軸位置にもとづいて工具先端点位置を演算する工具先端点位置演算部と、前記工具先端点位置にもとづいて工具先端点の移動距離を累積し切削距離とする切削距離演算部を有する多軸加工機用切削距離演算装置である。  
請求項２に係る発明は、前記位置情報取得部は、前記多軸加工機を制御する数値制御装置から前記各軸位置を取得する前記位置情報取得部である、請求項１に記載の多軸加工機用切削距離演算装置である。  
請求項３に係る発明は、前記位置情報取得部は、前記多軸加工機を制御する数値制御装置の動作をシミュレートする数値制御装置シミュレータから前記各軸位置を取得する前記位置情報取得部である、請求項１に記載の多軸加工機用切削距離演算装置である。  
請求項４に係る発明は、前記位置情報取得部は、前記各軸位置を取得するとともに前記各軸位置は切削モードによる位置であることを示す切削モード情報も取得し、前記切削距離演算部は、切削モード中の工具先端点の移動距離のみを累積し切削距離とする請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の多軸加工機用切削距離演算装置である。  
請求項５に係る発明は、前記多軸加工機は工具ヘッド回転型多軸加工機である、請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の多軸加工機用切削距離演算装置である。  
請求項６に係る発明は、前記多軸加工機はテーブル回転型多軸加工機である、請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の多軸加工機用切削距離演算装置である。  
請求項７に係る発明は、前記多軸加工機は混合型多軸加工機である、請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の多軸加工機用切削距離演算装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、多軸加工機におけるワークと工具先端点との相対的な移動距離であるワーク上（テーブル上）の工具先端点の移動距離、つまり工具先端点の切削距離を求めることが可能な多軸加工機用切削距離演算装置を提供できる。切削距離は加工の制御を行っている数値制御装置から求めることもできるし、数値制御装置シミュレータから求めることもできる。また切削モード中の切削距離のみを求めることもできる。求めた切削距離は工具摩耗や工具寿命の予測に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】工具ヘッド回転型多軸加工機を説明する図である。また、多軸加工機において、加工プログラムにおいて制御点経路が指令された場合、制御点経路と工具先端点経路が相違し、加工プログラムからは工具先端点の切削距離が得られないことも説明する図である。
【図２】多軸加工機で実行される加工プログラム例である。
【図３】回転軸２軸位置がＢｍ＝Ｃｍ＝０の時の基準工具長補正ベクトルＶｓを説明する図である。
【図４】多軸加工機で実行されるスプライン曲線の加工プログラム例である。
【図５】テーブル座標系上におけるＸ，Ｙ，Ｚの指令による工具先端点経路（指令経路）と工具方向を説明する図である。
【図６】Ｂ，Ｃ軸で回転するテーブル回転型多軸加工機を説明する図である。
【図７】多軸加工機で実行される加工プログラム例である。
【図８】混合型（工具ヘッド、テーブルともに回転する）多軸加工機を説明する図である。
【図９】第１実施形態を説明する図である。
【図１０】第２実施形態を説明する図である。
【図１１】第３実施形態を説明する図である。
【図１２】第１実施形態の切削距離演算装置における演算時刻ｔｉでの処理のフローチャートである。
【図１３】数値制御装置の中の一部として切削距離演算装置が組み込まれた実施形態を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、同じ機能を有する構成および類似する機能を有する構成については同じ符号を用いている。
＜第１実施形態＞
対象の多軸加工機は図１のような工具ヘッド回転型多軸加工機とする。工具ヘッドはＸ，Ｙ，Ｚ軸で直進動作し、Ｃ軸とＢ軸で回転動作する。加工プログラム例を図２で示す。Ｎ００１はＮ００２以降の加工のための加工開始位置への早送りによる移動である。Ｎ００２以降で直線補間の加工を行う。Ｆは指令速度である。Ｎ９９９が終了のための早送りの移動である。Ｘ，Ｙ，Ｚ位置は図１における制御点経路の各矢印による移動の各終点位置を指令する。Ｂ，Ｃで回転軸位置を指令する。工具長補正量は別途パラメータなどで設定されている。
【００１４】
第１実施形態のブロック図（図９）のように、数値制御装置２０は加工プログラム１０を指令解析部２２で読取り解析し補間データを作成し、補間データによって補間部２４で補間を行い各軸サーボ（２６Ｘ，２６Ｙ，２６Ｚ，２６Ｂ，２６Ｃ）を駆動する。したがって、本例では直線軸３軸については加工プログラム１０のＸ，Ｙ，Ｚ指令にしたがって図１の制御点経路上の直線３軸位置Ｐｌが補間され、回転軸２軸については加工プログラム１０のＢ，Ｃ指令にしたがって補間され、各軸サーボが駆動される。切削距離演算装置３０においては、位置情報取得部３２が各演算時刻における補間された各軸位置Ｐｍを機械座標系上の直線軸３軸位置Ｐｌ（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）Tおよび回転軸２軸位置Ｐｒ（Ｂｍ，Ｃｍ）として数値制御装置２０から取得し、工具先端点位置演算部３４が取得された各軸位置にもとづいてテーブル座標系工具先端点位置Ｔｐ（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）Tを数２−１式および数２−２式のように演算する。
【００１５】
ここで、切削距離演算装置３０の処理は演算周期Δｔごとに繰り返される。Δｔは通常数ミリ秒あるいはそれ以下の短い時間である。演算時刻は、ある周期における時刻である。演算周期Δｔは数値制御装置２０の補間を行う補間周期と同じでも良いし、相違していても良い。Ｐｏ（Ｐｏｘ，Ｐｏｙ，Ｐｏｚ）Tはワークが置かれたテーブル上に固定された座標系（テーブル座標系）の原点の機械座標系上の位置である。補間された直線軸３軸位置Ｐｌは図１において機械に固定された機械座標系における制御点経路上の位置ベクトルであり、工具先端点位置Ｔｐはテーブル座標系における工具先端点経路上の位置ベクトルである。Ｖｌは工具先端点位置Ｔｐから直線軸３軸位置Ｐｌへのテーブル座標系上の工具長補正ベクトルであり、Ｂｍ＝Ｃｍ＝０の時の基準工具長補正ベクトルＶｓ（図３参照）をＢｍ，Ｃｍだけ回転したベクトルである。Ｒｔは機械座標系からテーブル座標系への回転マトリックスである。工具ヘッド回転型の場合は機械座標系からテーブル座標系への回転要素はないため、単位マトリックスである。Ｒｃ，Ｒｂは補間された回転軸２軸位置Ｐｒ（Ｂｍ，Ｃｍ）にもとづく回転マトリックスである。「T」は転置を表すが、図中や自明の場合特に記載しない。
【００１６】
【数２−１】
0005289601.tif 000003
【００１７】
【数２−２】
0005289601.tif 000004
【００１８】
演算時刻ｔiにおけるＴｐをＴｐ（ｔi）と表す。数３式のように、１回の演算周期前の演算時刻ｔi-1におけるＴｐ（ｔi-1）とＴｐ（ｔi）間の距離が演算時刻ｔi-1からｔiへの工具先端点の移動距離Ｓ（ｔi）である。
【００１９】
【数３】
0005289601.tif 000005
【００２０】
切削距離演算部３６において数４式のようにＳ（ｔi）を各演算時刻毎に累積したものが切削距離Ｓである。
【００２１】
【数４】
0005289601.tif 000006
【００２２】
位置情報取得部３２が数値制御装置２０から各軸位置を取得するとともにその位置は早送りを除いた直線補間や円弧補間などの切削モードによる位置であることを示す切削モード情報も取得し、数４式の累積において切削モード中のみ累積することもできる。このことによって、早送りなど非切削モード時の移動を除いた切削距離を演算することができる。これは第２実施形態以降でも同様である。切削モード情報は１ビットの情報であればよいため、通常は１ビットの切削モードフラグ（ＦＣ）である。
【００２３】
回転軸がＢ軸、Ｃ軸の多軸加工機としたが、他にもＡ軸、Ｂ軸の組合せやＡ軸、Ｃ軸の組合せの多軸加工機においても同様に切削距離を演算することができる。また、ここでは回転軸２軸の多軸加工機としたが、回転軸３軸を有する多軸加工機においても同様に切削距離を演算することができる。これは第２実施形態以降でも同様である。
【００２４】
図１２は、第１実施形態の切削距離演算装置における演算時刻ｔｉでの処理のフローチャートである。以下、各ステップに従って説明する。  
●［ステップＳＡ０１］数値制御装置からＰｌ（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ），Ｐｒ（Ｂｍ，Ｃｍ）と、切削モードフラグ（ＦＣ）を得る。位置情報取得部３２の処理である。
●［ステップＳＡ０２］数２−１式、数２−２式により工具先端点位置Ｔｐを演算する。工具先端点位置演算部３４の処理である。
●［ステップＳＡ０３］切削モードフラグ（ＦＣ）は１であるか否か判断し、切削モードフラグ（ＦＣ）が１である場合（ＹＥＳ）にはステップＳＡ０４へ移行し、切削モードフラグ（ＦＣ）が１でない場合（ＮＯ）には処理を終了する。  
●［ステップＳＡ０４］数３式によりＳ（ｔｉ）を演算し、数４式として、Ｓ＝Ｓ＋Ｓ（ｔｉ）を演算する。なお、Ｓの初期値は０とする。［ステップＳＡ０３］と［ステップＳＡ０４］は切削距離演算部３６の処理である。
【００２５】
図９のブロック図では切削距離演算装置３０は数値制御装置２０の外にあるとしているが、切削距離演算装置３０は数値制御装置２０の中に存在するように、つまり数値制御装置２０の中の一部であるようにしてもよい。（図１３）
【００２６】
＜第２実施形態＞
対象の多軸加工機は図６ようなテーブル回転型多軸加工機とする。工具ヘッドはＺ軸で直進動作し、テーブルはＣ軸とＢ軸で回転動作しＸ，Ｙ軸で直進動作する。加工プログラム例を図４で示す。Ｎ００１はＮ００２以降の加工のための加工開始位置への早送りによる移動である。Ｎ００２以降でスプライン曲線指令による加工を行う。Ｇ５．１がスプライン曲線の指令であり、Ｆは指令速度である。Ｎ９９９が終了のための早送りの移動である。Ｘ，Ｙ，Ｚ位置は図６におけるＢ，Ｃ軸で回転するテーブル座標系上の工具先端点位置を指令する。Ｇ４３．４（一般に工具先端点制御と呼ばれる）がＸ，Ｙ，Ｚの指令はテーブル座標系の指令であり、Ｈは工具長補正番号であることを示す。Ｂ，Ｃで回転軸位置を指令する。Ｘ，Ｙ，Ｚの指令による工具先端点経路（指令経路）と工具方向はテーブル座標系上で図５のようになる。テーブル座標系上で工具は相対的に回転するので、工具も回転して描いている。
【００２７】
第２実施形態のブロック図（図１０）のように、数値制御装置シミュレータ４０は数値制御装置２０の動作をシミュレートする。つまり、数値制御装置シミュレータ４０の指令解析部４２は加工プログラム１０を読取り解析し補間データを作成するシミュレーションを行い、数値制御装置シミュレータ４０の補間部４４は補間データによって補間するシミュレーションを行う。数値制御装置シミュレータ４０は従来技術である。切削距離演算装置３０においては、位置情報取得部３２が数値制御装置シミュレータ４０においてシミュレーションされた各補間時刻での各軸位置Ｐｍを機械座標系上の直線軸３軸位置Ｐｌ（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）および回転軸２軸位置Ｐｒ（Ｂｍ，Ｃｍ）として取得し、工具先端点位置演算部３４が取得された各軸位置にもとづいてテーブル座標系上の工具先端点位置Ｔｐ（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）を数５−１式および数５−２式のように演算する。
【００２８】
ここで、切削距離演算装置３０における演算時刻は数値制御装置シミュレータ４０における補間時刻と同じとする。数５−１式は数２−１式と同様だが、機械座標系からテーブル座標系への回転マトリックスＲｔは相違し数５−２式のようになる。Ｖｌは第１実施形態と同様図６における工具先端点位置Ｔｐから直線軸３軸位置Ｐｌへのテーブル座標系上の工具長補正ベクトルであり、Ｂｍ＝Ｃｍ＝０の時の基準工具長補正ベクトルＶｓ（図示していない）をＢｍ，Ｃｍだけ回転したベクトルである。ＰｏはＢ軸回転中心線とＣ軸回転中心線（図示していない）の交点とする。後は第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００２９】
【数５−１】
0005289601.tif 000007
【００３０】
【数５−２】
0005289601.tif 000008
【００３１】
＜第３実施形態＞
対象の多軸加工機は図８ような混合型（工具ヘッド、テーブルともに回転する）多軸加工機とする。ここで、回転軸は３軸あり、工具ヘッドはＡ，Ｂ軸で回転動作しＺ軸で直進動作し、テーブルはＣ軸で回転動作しＸ，Ｙ軸で直進動作する。加工プログラム例を図７で示す。第１実施形態の加工プログラムとほぼ同様であるが、Ａ軸が指令される。Ｘ，Ｙ，Ｚ位置は制御点経路を指令する。Ａ，Ｂ，Ｃは回転軸位置を指令する。工具長補正量は別途パラメータなどで指令している。
【００３２】
第３実施形態のブロック図（図１１）のように、数値制御装置２０は加工プログラム１０を指令解析部２２で読取り解析し補間データを作成し、補間データによって補間部２４で補間を行い各軸サーボ（２６Ｘ，２６Ｙ，２６Ｚ，２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ）を駆動する。切削距離演算装置３０においては、位置情報取得部３２が各演算時刻における補間された各軸位置Ｐｍを機械座標系上の直線軸３軸位置Ｐｌ（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）および回転軸３軸位置Ｐｒ（Ａｍ，Ｂｍ，Ｃｍ）として数値制御装置２０から取得し、工具先端点位置演算部３４が取得された各軸位置にもとづいてテーブル座標系上の工具先端点位置Ｔｐ（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）を数６−１式および数６−２式のように演算する。
【００３３】
ここで、演算時刻は第１実施形態と同じである。数６−１式は数２−１式と同様だが、機械座標系からテーブル座標系への回転マトリックスＲｔは数６−２式のようになり、Ｖｌは図８における工具先端点位置Ｔｐから直線軸３軸位置Ｐｌへのテーブル座標系上の工具長補正ベクトルであり、Ａｍ＝Ｂｍ＝Ｃｍ＝０の時の基準工具長補正ベクトルＶｓ（図示していない）をＡｍ，Ｂｍ，Ｃｍだけ回転したベクトルである。Ｒａ，Ｒｃ，Ｒｂは補間された回転軸３軸位置Ｐｒ（Ａｍ，Ｂｍ，Ｃｍ）にもとづく回転マトリックスである。後は第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００３４】
【数６−１】
0005289601.tif 000009
【００３５】
【数６−２】
0005289601.tif 000010
【符号の説明】
【００３６】
１０  加工プログラム
２０  数値制御装置
２２  指令解析部
２４  補間部
２６Ｘ  Ｘ軸サーボ
２６Ｙ  Ｙ軸サーボ
２６Ｚ  Ｚ軸サーボ
２６Ａ  Ａ軸サーボ
２６Ｂ  Ｂ軸サーボ
２６Ｃ  Ｃ軸サーボ
３０  切削距離演算装置
３２  位置情報取得部
３４  工具先端点位置演算部
３６  切削距離演算部
４０  数値制御装置シミュレータ
４２  指令解析部
４４  補間部
【要約】
【課題】多軸加工機におけるワークと工具先端点との相対的切削距離、つまりワーク上（テーブル上）の工具先端点の移動距離を求めることが可能な多軸加工機用距離演算装置を提供すること。
【解決手段】少なくとも直線軸３軸および回転軸２軸を含む多軸加工機において、前記少なくとも直線３軸および回転軸２軸の各演算時刻における各軸位置を取得し、前記各軸位置にもとづいて工具先端点位置を演算し、前記工具先端点位置にもとづいて工具先端点の移動距離を累積し切削距離を求める。求めた切削距離は工具摩耗や工具寿命の予測に役立つ。
【選択図】図９【図１】
0005289601.tif 000011
【図２】
0005289601.tif 000012
【図３】
0005289601.tif 000013
【図４】
0005289601.tif 000014
【図５】
0005289601.tif 000015
【図６】
0005289601.tif 000016
【図７】
0005289601.tif 000017
【図８】
0005289601.tif 000018
【図９】
0005289601.tif 000019
【図１０】
0005289601.tif 000020
【図１１】
0005289601.tif 000021
【図１２】
0005289601.tif 000022
【図１３】
0005289601.tif 000023