(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
加工プログラムを解析して指令送り速度、各軸移動量、および工具と加工物の接触点から工具中心への距離ｒと工具半径Ｒとの倍率Ｒ／ｒである接触位置情報を出力する解析部と、
前記軸移動量から工具軸の移動形状を出力する形状評価部と、
前記指令送り速度に対して前記工具軸の移動形状と前記接触位置情報に基づいて工具と被削材の接触位置に応じた目標送り速度を求める目標送り速度算出部と、
前記目標送り速度を速度変化を滑らかにした実送り速度をもとに、前記主軸の回転数を算出し制御する主軸回転数制御手段とを備えたことを特徴とする数値制御装置。
【請求項２】
前記主軸回転数制御手段は、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制限手段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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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加工システムに関するもので、特に加工プログラムの指令に基づいて主軸回転数を制御する数値制御装置、および工具接触位置情報を加工プログラムに付加するＣＡＭシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００７】
そこで、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。
【０００８】
すなわち、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。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この機能は加工プログラムにより指令される工具移動方向に基づいて工具と加工物の接触位置を計算しているために、接触位置の変化に対応することができない場合があった。
【００１０】
例えば、図４はボールエンドミル１が紙面に垂直な方向に移動し、この工具移動方向に平行な傾斜面２を加工する様子を示している。この場合、白点で示されたプログラム司令における接触位置と黒点で示された実際の接触位置にずれが生じている。
【００１１】
図５は工具の種類により接触位置の差が生ずる様子を示しており、白点はボールエンドミル３の場合、黒点はブルノーズ４の場合の接触位置をそれぞれ示している。
【００１２】
これを解決するためには、ＣＡＭが切削条件によって決まる主軸回転数と送り速度の組み合わせの最適条件を維持するような主軸回転数を加工プログラムで指令すればよいが、主軸回転数と送り速度の組み合わせの最適条件は、工具・加工物の剛性、工具の刃数などによりさまざまに変化するため、ＣＡＭが主軸回転数を加工プログラムで指令する場合には、最適条件が変わる毎に加工プログラム自体を出力し直さなければならないという煩雑さがあった。
【００１３】
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、工具と加工物との関係が特殊な場合でも最適な主軸回転数を得ることができ、工具摩耗を抑え高速高精度の加工を実現できる数値制御装置およびこの数値制御装置に適切な情報を与えることのできるＣＡＭシステムを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、
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、
加工プログラムを解析して指令送り速度、各軸移動量、および工具と加工物の接触点から工具中心への距離ｒと工具半径Ｒとの倍率Ｒ／ｒである接触位置情報を出力する解析部と、
前記軸移動量から工具軸の移動形状を出力する形状評価部と、
前記指令送り速度に対して前記工具軸の移動形状と前記接触位置情報に基づいて工具と被削材の接触位置に応じた目標送り速度を求める目標送り速度算出部と、
前記目標送り速度を速度変化を滑らかにした実送り速度をもとに、前記主軸の回転数を算出し制御する主軸回転数制御手段とを備えたことを特徴とする数値制御装置が提供される。
【００１７】
本発明においては、加工プログラムを解析して指令送り速度、各軸移動量および接触位置情報を求め、軸移動量から工具軸の移動形状を求め、指令送り速度に対して工具軸の移動形状と、工具と加工物の接触点から工具中心への距離ｒと工具半径Ｒとの倍率Ｒ／ｒである接触位置情報に基づいて工具と被削材の接触位置に応じた送り速度を求めて、これをもとに、主軸の回転数を制御するようにしているので、工具移動方向と加工物の傾斜面が平行であるような位置関係にある場合にも最適な主軸回転数を得ることができ、工具摩耗を抑え、高速高精度の加工を実現できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施の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。
【００１９】
加工プログラム５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、これから各軸の移動量が求められる。この各軸移動量は、例えば、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として求めることができる。なお、これらの各量はブロックごとに求められる。
【００２０】
各軸の移動量は分配部１２で各軸の移動指令に変換され、バッファ１３を介して各軸のサーボ系２０に送られる。
一方、解析部１１からは接触位置情報も出力される。
【００２１】
図２はこの接触位置情報の算出方法を示す説明図である。
接触位置情報は、工具と加工物との接触点から工具中心への距離ｒと工具半径Ｒとの倍率（比）の形で次のように算出する。
【００２２】
倍率＝工具半径Ｒ／接触点から工具中心への距離ｒ
この式を用いた場合、工具先端部分の加工など、計算上では倍率が無限に大きくなる場合が有るので、倍率の最大値を設定して制限する。工具と加工物が２点で接触している場合には、倍率の大小どちらを選択するかはパラメータで設定できるようにしておく。
【００２３】
ＣＡＭは、算出した接触位置情報を加工プログラムに各ブロック毎に付加する。その一例を以下に示す。
Ｎ００１  Ｇ０１  Ｘ１００．Ｙ１００．Ｌ１．０
Ｎ００２          Ｘ２００．Ｌ２．０
Ｎ００３          Ｙ２００．Ｌ１００．０
図１に戻ると、解析部で求められた接触位置情報は主軸回転数算出部１４に与えられる。
【００２４】
また、主軸回転数算出部１４には、最外周加工時の主軸回転数記憶部１５に記憶された最外周加工時の主軸回転数、および主軸最大回転数、主軸最小回転数記憶部１６に記憶された主軸最大回転数、主軸最小回転数と、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２１に対して出力される。
【００２５】
ＮＣ装置における主軸回転数は例えば次のような方法により算出される。
移動ブロック毎に加工プログラムで与えられる接触位置情報と、ＮＣ装置で設定する最外周加工時の主軸回転数に基づいて、その接触位置における主軸回転数は次式により算出される。
【００２６】
そのブロックの主軸回転数＝最外周加工時の主軸回転数×そのブロックでの倍率
なお、工具・加工物の材質、工具の刃数などの条件が変わった場合には、最外周加工時の主軸回転数を変更することで対応すればよい。
【００２７】
この実施の形態によれば、工具と加工物の接触位置情報に応じて主軸回転数を算出するので、両者が特殊な位置関係にある場合でも高速高精度の加工が実施できる。
【００２８】
図３は本発明の第２の実施の形態にかかる数値制御装置３０の概略構成を示すブロック図である。この実施の形態においても主軸回転数に対する指令値は加工プログラム中には記載されていないものとする。
【００２９】
加工プログラム５はまず解析部３１に送られ、ここで解析される。この解析部３１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、これから各軸の移動量が求められる。この各軸移動量の求め方は第１の実施の形態と同様である。
【００３０】
解析部からは指令送り速度および図２に示した手法により求められた接触位置情報も出力され、目標送り速度算出部に送られる。
【００３１】
軸移動量は形状評価部３２に送られ、移動形状が求められる。この移動形状の判定は、複数ブロックにわたる軸移動量を解析することにより、コーナであるか、曲線であるかの判断がなされることにより行われる。なお、直線は曲率半径が無限大の曲線として認識される。
【００３２】
目標送り速度算出部３３では、前述した指令送り速度を勘案し、接触位置情報および形状評価部で得られた移動形状に基づき、目標送り速度が算出される。この場合、移動形状に応じた送り速度が優先されるが、仮に決定された送り速度で加工した場合に、加工精度が最外周加工時の送り速度許容誤差記憶部３４に記憶された許容誤差内に収まるかがチェックされ、許容誤差内に収まる条件に修正された上、第１の目標送り速度Ｆｅが出力される。
【００３３】
また、切削速度を一定にするために、移動方向による評価を行い、第２の目標送り速度Ｆｃを求める。これは例えば以下のようにして求める。
ボールエンドミルの場合を考えると、主軸回転速度Ｓは
Ｓ＝（６０／２π）（Ｖ／ｒ（θ））          （ｒｐｍ）
として求まるので、これに送り速度に変換する係数Ｋ（ｍｍ／ｒｅｖ）を掛けると
Ｆｃ＝Ｋ＊Ｓ      （ｍｍ／ｍｉｎ）
として切削速度を一定にするための目標送り速度Ｆｃが求められる。このＦｃとＦｅの小さい方をこの時点の目標送り速度として用い、目標送り速度算出部３３から出力される。
【００３４】
この目標送り速度はブロックごとに決定されるが、ブロックの切り替わり点で大きな速度変化を伴うことがあるので、ブロック間の速度変化を滑らかに繋ぐための加減速処理を加減速処理部３５で行い、実送り速度が求められる。
【００３５】
この実送り速度は分配部３６で各軸の移動指令に変換され、バッファ３７を介して各軸のサーボ系２０に送られる。
【００３６】
実送り速度は主軸回転数算出部３８にも与えられる。この主軸回転数算出部３８においては、記憶部３９に記憶された基準値としての基準送り速度、主軸最大回転数、主軸最小回転数が取り出されて入力されるとともに、主軸オーバーライド量が入力されており、これらをもとに主軸回転数司令値Ｓｘを求めて出力する。
主軸回転数を算出するには、
Ｆｘ＝実送り速度／基準送り速度
として
Ｓｘ＝指令回転数＊Ｆｘ＊主軸オーバーライド
として求めることができる。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が決定される。
【００３７】
このようにして求められた主軸回転数司令値は主軸ドライバ２１に送られ、主軸の回転が制御される。
【００３８】
この実施の形態によれば、軸移動の形状を考慮しつつ工具と加工物の接触位置情報に応じて主軸回転数を算出するので、両者が特殊な位置関係にある場合でも高速高精度の加工が実施できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、工具の接触位置情報を主軸回転数算出の際に用いるようにしているので、従来は対応できなかった、工具進行方向に平行に面が傾いている加工や、工具形状が異なる加工等の特殊な位置関係にある場合に対しても最適な切削条件に近い状態で加工を行う事が出来る。
【００４０】
また、工具・加工物の材質、工具の刃数などの条件が変わった場合にも、加工プログラムを変更すること無く、最外周加工時の主軸回転数を変更することで対応する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】本発明における工具接触位置情報を算出する方法を示す説明図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【図４】従来提案の問題点の一つを示す説明図である。
【図５】従来提案の他の問題点を示す説明図である。
【符号の説明】
１  工具
２  加工物
３  ボールエンドミル
４  ブルノーズ
５  加工プログラム
１０、３０  数値制御装置
１１，３１  解析部
１２，３６  分配部
１３，３７  バッファ
１４，３８  主軸回転数算出部
１５  最外周加工時の主軸回転数記憶部
１６  主軸最大回転数、主軸最小回転数記憶部
２０  サーボ系
２１  主軸ドライバ
３２  形状評価部
３３  目標送り速度算出部
３４  最外周加工時の送り速度許容誤差記憶部
３５  加減速処理部
３９  基準送り速度、主軸最大回転数、主軸最小回転数記憶部
【図１】
0004480869.tif 000002
【図２】
0004480869.tif 000003
【図３】
0004480869.tif 000004
【図４】
0004480869.tif 000005
【図５】
0004480869.tif 000006