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JP2009083295A - Scribing device and method - Google Patents

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JP2009083295A
JP2009083295A JP2007256315A JP2007256315A JP2009083295A JP 2009083295 A JP2009083295 A JP 2009083295A JP 2007256315 A JP2007256315 A JP 2007256315A JP 2007256315 A JP2007256315 A JP 2007256315A JP 2009083295 A JP2009083295 A JP 2009083295A
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Japan
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cutter wheel
workpiece
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line
vertical line
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Application number
JP2007256315A
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Japanese (ja)
Inventor
Takahiro Kunugi
隆弘 功刀
Atsushi Ogiwara
淳 荻原
Jun Furukawa
潤 古川
Chikanobu Hoshino
京延 星野
Masanori Mito
雅徳 三戸
Nobuyoshi Meyanagi
信義 女柳
Akio Hanyu
明夫 羽生
Masahiko Nakamura
雅彦 中村
Takaya Kono
貴哉 河野
Yoshiaki Shishido
善明 宍戸
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THK Co Ltd
Original Assignee
THK Co Ltd
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Priority to KR1020080094559A priority patent/KR20090033090A/en
Priority to CNA2008101689285A priority patent/CN101417857A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a scribing device capable of forming a scribed line conforming to a programmed curved line on a surface of a workpiece. <P>SOLUTION: This scribing device includes a cutter wheel 11 for carving a scribed line on a surface of workpiece 17, a holder 31 for holding the cutter wheel 11 to allow its rotation around a central line of rotation, a traveling mechanism for moving the cutter wheel 11 for the workpiece 17 relatively so that the cutter wheel 11 rolls on the surface of the workpiece 17, a rotary mechanism for letting the cutter wheel 11 and the holder 31 turn around a vertical line L2 crossing the surface of workpiece 17 orthogonally, and a controller for controlling an angle of turn of the cutter wheel 11 around the vertical line L2. A contact point where the cutter wheel 11 and the workpiece 17 come into contact mutually is positioned on the vertical line L2. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、ガラス、半導体などの脆性材料からなる薄板状のワークにスクライブ線を刻み付けるスクライブ装置及びスクライブ方法に関する。   The present invention relates to a scribing apparatus and a scribing method for scribing a scribe line on a thin plate-shaped workpiece made of a brittle material such as glass or semiconductor.

脆性材料からなる薄板状のワークを切断する際には、ワークの表面にはあらかじめ目印になるスクライブ線が刻み付けられる。スクライブ線に沿ってワークを曲げると、表面のクラックが裏面まで到達し、ワークが切断される。   When a thin plate-shaped workpiece made of a brittle material is cut, a scribe line as a mark is engraved on the surface of the workpiece in advance. When the work is bent along the scribe line, the crack on the front surface reaches the back surface, and the work is cut.

ワークにスクライブ線を刻み付けるスクライブ方法としては、円盤状のカッターホイールをワークの表面に押し付け、加圧したままカッターホイールをワークの表面上を転がす方法や、カッターホイールを転がす間にさらにカッターホイールを振動させる方法が知られている。カッターホイールを振動させると、ワークの表面に深い垂直クラックを形成することができるので、フルカットが可能になる。   The scribing method for scribing the scribe line on the workpiece is either by pressing a disk-shaped cutter wheel against the surface of the workpiece and rolling the cutter wheel on the workpiece surface while applying pressure, or by further cutting the cutter wheel while rolling the cutter wheel. A method of vibrating is known. When the cutter wheel is vibrated, deep vertical cracks can be formed on the surface of the workpiece, thereby enabling full cut.

カッターホイールがカッターホイールの進行方向を向いているかどうかは、カッティング品質に重大な影響を及ぼす。カッターホイールの走行方向に対してカッターホイールが傾いていると仮定すると、罫書き中のカッターホイールに無理な力がかかり、ワークのカッティング品質が悪くなるからである。   Whether the cutter wheel is oriented in the direction of travel of the cutter wheel has a significant effect on cutting quality. If it is assumed that the cutter wheel is inclined with respect to the traveling direction of the cutter wheel, an excessive force is applied to the cutter wheel during scribing, and the cutting quality of the workpiece is deteriorated.

カッターホイールの傾きとカッターホイールの走行方向とを一致させるため、図13に示されるように、カッターホイール1を水平面内で旋回させる旋回機構(首振り機構)4を組み込んだスクライブヘッドが知られている(例えば特許文献1参照)。カッターホイール1を保持するホルダ2は、ベアリング3によって垂直軸2aの回りを回転可能に支持される。ホルダ2には、ワーク5の表面上を転がり運動できるようにカッターホイール1が保持される。ワーク5の表面にスラクイブ線を形成するとき、カッターホイール1がホルダ2の垂直軸2aの回りを自由に回転できる。このため、カッターホイール1の傾きは、あたかも椅子のキャスターのように、カッターホイール1の走行方向に受動的にならう。
特開2007−118355号公報
In order to make the inclination of the cutter wheel coincide with the traveling direction of the cutter wheel, as shown in FIG. 13, a scribe head incorporating a turning mechanism (swing mechanism) 4 for turning the cutter wheel 1 in a horizontal plane is known. (For example, refer to Patent Document 1). A holder 2 that holds the cutter wheel 1 is supported by a bearing 3 so as to be rotatable around a vertical axis 2a. The holder 2 holds the cutter wheel 1 so that it can roll on the surface of the workpiece 5. When forming a slack line on the surface of the work 5, the cutter wheel 1 can freely rotate around the vertical axis 2a of the holder 2. For this reason, the inclination of the cutter wheel 1 passively follows the traveling direction of the cutter wheel 1 as if it were a caster of a chair.
JP 2007-118355 A

従来の首振り機構を用いたスクライブ装置にあっては、円弧などのプログラムされた曲線に沿ってカッターホイール1を移動させるとき、カッターホイール1の首振り角度が任意に変化してしまうから、カッターホイール1の位置を制御することができない。このため、ホルダ2の回転軸2aの位置をプログラムされた曲線に沿って移動させていた。   In a scribing device using a conventional swing mechanism, when the cutter wheel 1 is moved along a programmed curve such as an arc, the swing angle of the cutter wheel 1 is arbitrarily changed. The position of the wheel 1 cannot be controlled. For this reason, the position of the rotating shaft 2a of the holder 2 is moved along a programmed curve.

しかし、図14に示されるように、プログラムされた曲線6に沿ってホルダ2の回転軸2aを移動させても、カッターホイール1が曲線の内側を通過してしまう。すなわち、プログラムされた曲線6からずれたスクライブ線7がワークの表面に形成されてしまう。   However, as shown in FIG. 14, even if the rotation axis 2 a of the holder 2 is moved along the programmed curve 6, the cutter wheel 1 passes through the inside of the curve. That is, a scribe line 7 deviated from the programmed curve 6 is formed on the surface of the workpiece.

そこで本発明は、ワークの表面にプログラムされた曲線通りのスクライブ線を形成することができるスクライブ装置及びスクラブ方法を提供することを目的とする。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is that it provides a scribing apparatus and a scrubbing method capable of forming a programmed scribe line on the surface of a workpiece.

以下、本発明について説明する。   The present invention will be described below.

上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、ワークの表面にスクライブ線を刻み付けるカッターホイールと、前記カッターホイールがその回転中心線の回りを回転できるように、前記カッターホイールを保持するホルダと、前記カッターホイールが前記ワークの表面を転がることができるように、前記カッターホイールを前記ワークに対して相対的に移動させる移動機構と、前記カッターホイールを前記ワークの表面に直交する垂直線の回りを旋回させる回転機構と、前記カッターホイールの前記垂直線の回りの旋回角度を制御する制御装置と、を備え、前記垂直線上に前記カッターホイールと前記ワークの接触点が位置するスクライブ装置である。   In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 is characterized in that the cutter wheel that engraves a scribe line on the surface of a workpiece and the cutter wheel so that the cutter wheel can rotate around its rotation center line. A holder for holding, a moving mechanism for moving the cutter wheel relative to the workpiece so that the cutter wheel can roll on the surface of the workpiece, and the cutter wheel orthogonal to the surface of the workpiece. A scribing mechanism comprising: a rotating mechanism for turning around a vertical line; and a control device for controlling a turning angle of the cutter wheel around the vertical line, wherein the contact point between the cutter wheel and the workpiece is located on the vertical line. Device.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のスクライブ装置において、前記制御装置は、前記カッターホイールが前記ワークの表面上に形成されるスクライブ線の接線方向を向くように、前記カッターホイールの前記垂直線回りの旋回角度を制御することを特徴とする。   The invention according to claim 2 is the scribing device according to claim 1, wherein the control device is configured so that the cutter wheel faces a tangential direction of a scribe line formed on a surface of the workpiece. The turning angle around the vertical line is controlled.

請求項3に記載の発明は、請求項2に記載のスクライブ装置において、前記制御装置は、接線方向角が曲線長の二次式で与えられるクロソイド曲線を用いて軌跡を設計すると共に、前記軌跡の接線方向角を算出し、前記軌跡に基づいて前記移動機構を操作し、前記ワークの表面上の前記カッターホイールの位置を制御すると共に、前記接線方向角に基づいて前記回転機構を操作し、前記カッターホイールの前記垂直線の回りの旋回角度を制御することを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the scribing device according to the second aspect, the control device designs a locus using a clothoid curve having a tangential direction angle given by a quadratic expression having a curve length, and the locus. Calculating the tangential direction angle, operating the moving mechanism based on the trajectory, controlling the position of the cutter wheel on the surface of the workpiece, operating the rotating mechanism based on the tangential direction angle, The turning angle of the cutter wheel around the vertical line is controlled.

請求項4に記載の発明は、ワークの表面にカッターホイールを当接させ、前記ワークの表面上で前記カッターホイールを転がしながら、前記ワークにスクライブ線を刻み付けるスクライブ方法において、前記ワークの表面に直交すると共に、前記カッターホイールと前記ワークの接触点を通る垂直線の回りに前記カッターホイールを旋回させながら、前記カッターホイールを前記ワークの表面に沿って相対的に移動させるスクライブ方法である。   The invention according to claim 4 is a scribing method in which a scribe line is engraved on the workpiece while the cutter wheel is brought into contact with the surface of the workpiece and the cutter wheel is rolled on the surface of the workpiece. In this scribing method, the cutter wheel is relatively moved along the surface of the workpiece while rotating the cutter wheel around a vertical line passing through a contact point between the cutter wheel and the workpiece while being orthogonal to each other.

請求項1に記載の発明によれば、カッターホイールを垂直線の回りに旋回させても、カッターホイールとワークの接触点の位置が変化しない。したがって、ワークの表面にプログラムされた曲線通りのスクライブ線を形成することができる。   According to the first aspect of the present invention, even if the cutter wheel is turned around the vertical line, the position of the contact point between the cutter wheel and the workpiece does not change. Accordingly, a programmed scribe line can be formed on the surface of the workpiece.

請求項2に記載の発明によれば、カッターホイールがスクライブ線の接線方向を向くので、カッターホイールにかかる抵抗を最も少なくすることができる。したがって、ワークに欠けなどのダメージの少ないスクライブ線を形成することができる。   According to the invention described in claim 2, since the cutter wheel faces the tangential direction of the scribe line, the resistance applied to the cutter wheel can be minimized. Therefore, it is possible to form a scribe line with little damage such as chipping in the work.

請求項3に記載の発明によれば、接線方向角が曲線長の二次式で与えられるクロソイド曲線を用いて軌跡を設計するので、軌跡の接線方向を算出し易くなる。   According to the third aspect of the present invention, since the locus is designed using the clothoid curve whose tangential direction angle is given by the quadratic expression of the curve length, the tangential direction of the locus can be easily calculated.

請求項4に記載の発明によれば、カッターホイールを垂直線の回りに旋回させても、カッターホイールとワークの接触点の位置が変化しない。したがって、ワークの表面にプログラムされた曲線通りのスクライブ線を形成することができる。   According to the fourth aspect of the present invention, even if the cutter wheel is turned around a vertical line, the position of the contact point between the cutter wheel and the workpiece does not change. Accordingly, a programmed scribe line can be formed on the surface of the workpiece.

以下添付図面に基づいて、本発明の一実施形態におけるスクライブ装置を説明する。図1は、スクライブ装置の垂直方向断面図を示す。   A scribing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows a vertical sectional view of a scribing device.

スクライブ装置は、ガラス、半導体などの脆性材料からなる薄板状のワーク17にスクライブ線を刻み付ける。スクライブ線は垂直クラックが伝搬したものであり、ワーク17を分断するときの目印として使用される。ワーク17は、スクライブ装置のテーブル16に吸着・保持される。カッターホイール11は、ワーク17の表面に押し付けられた状態で、ワーク17の表面を転がる。カッターホイール11がワーク17の表面を転がり運動することで、ワーク17の表面にスクライブ線が刻み付けられる。カッターホイール11は、ホルダ31にその回転軸の回りを回転できるように保持される。   The scribe device engraves a scribe line on a thin plate-like workpiece 17 made of a brittle material such as glass or semiconductor. The scribe line is a propagation of a vertical crack, and is used as a mark when the workpiece 17 is divided. The workpiece 17 is sucked and held on the table 16 of the scribe device. The cutter wheel 11 rolls on the surface of the workpiece 17 while being pressed against the surface of the workpiece 17. As the cutter wheel 11 rolls and moves on the surface of the workpiece 17, a scribe line is engraved on the surface of the workpiece 17. The cutter wheel 11 is held by the holder 31 so as to be able to rotate around its rotation axis.

図2は、カッターホイール11の詳細図を示す。カッターホイール11は円盤状に形成されると共に、その外周部に尖った稜線11aを有する。カッターホイール11の稜線11aがワーク17に食い込む刃になる。カッターホイール11の中心部には、ホルダ31の車軸31aが挿入される貫通穴11bが開けられる。カッターホイール11はホルダ31の車軸31aの回りを回転する。カッターホイール11の回転中心線L1はワーク17の表面と平行であり、水平方向を向く。   FIG. 2 shows a detailed view of the cutter wheel 11. The cutter wheel 11 is formed in a disk shape and has a sharp ridge line 11a on the outer peripheral portion thereof. The ridge line 11 a of the cutter wheel 11 becomes a blade that bites into the workpiece 17. A through hole 11 b into which the axle 31 a of the holder 31 is inserted is opened at the center of the cutter wheel 11. The cutter wheel 11 rotates around the axle 31 a of the holder 31. The rotation center line L1 of the cutter wheel 11 is parallel to the surface of the workpiece 17 and faces the horizontal direction.

この実施形態では、ワーク17に深い垂直クラックを形成するために、カッターホイール11を垂直方向に振動させる。図1に示されるように、ホルダ31は、スクライブヘッド12に取り付けられる。スクライブヘッド12がカッターホイール11を垂直方向に振動させる。スクライブヘッド12の筒状のハウジング18には、振動子19として、例えば外部電圧を加えると歪を生じる圧電素子(ピエゾアクチュエータ)が設けられる。圧電素子には電線20が接続される。圧電素子に印加する電圧を所定の周波数で変化させると、圧電素子が周期的に伸縮する。この圧電素子の周期的な伸縮によって振動が発生する。磁界を加えると磁性体に歪を生じる磁歪素子などの磁性材料を用いてもよい。   In this embodiment, in order to form a deep vertical crack in the workpiece 17, the cutter wheel 11 is vibrated in the vertical direction. As shown in FIG. 1, the holder 31 is attached to the scribe head 12. The scribe head 12 vibrates the cutter wheel 11 in the vertical direction. The cylindrical housing 18 of the scribe head 12 is provided with a piezoelectric element (piezo actuator) that generates distortion when an external voltage is applied, for example, as the vibrator 19. An electric wire 20 is connected to the piezoelectric element. When the voltage applied to the piezoelectric element is changed at a predetermined frequency, the piezoelectric element expands and contracts periodically. Vibration is generated by the periodic expansion and contraction of the piezoelectric element. A magnetic material such as a magnetostrictive element that causes distortion in the magnetic material when a magnetic field is applied may be used.

振動子19の上側には、受け部21が密着して設けられ、下端部には、振動伝達軸22が密着して設けられる。振動子19の振動は、振動伝達軸22に伝達される。皿ばね27は、振動伝達軸22の振動を振動子19の振動に追従させる。振動伝達軸22の振動は、スライド軸受29に案内される。受け部21はハウジング18内に収容されていて振動の反作用を受ける。   A receiving portion 21 is provided in close contact with the upper side of the vibrator 19, and a vibration transmission shaft 22 is provided in close contact with the lower end portion. The vibration of the vibrator 19 is transmitted to the vibration transmission shaft 22. The disc spring 27 causes the vibration of the vibration transmission shaft 22 to follow the vibration of the vibrator 19. The vibration of the vibration transmission shaft 22 is guided to the slide bearing 29. The receiving portion 21 is accommodated in the housing 18 and receives a reaction of vibration.

受け部21は、ハウジングに設けた回転軸受23に回転可能に支持される。振動伝達軸22は、ハウジングに設けた回転軸受26に回転可能に支持される。受け部21及び振動伝達軸22の回転中心線はワーク17に対して垂直である。このため、カッターホイール11及びホルダ31は、垂直線L2の回りを旋回可能となる。   The receiving portion 21 is rotatably supported by a rotary bearing 23 provided in the housing. The vibration transmission shaft 22 is rotatably supported by a rotary bearing 26 provided in the housing. The rotation center lines of the receiving portion 21 and the vibration transmission shaft 22 are perpendicular to the workpiece 17. For this reason, the cutter wheel 11 and the holder 31 can turn around the vertical line L2.

回転機構30は、カッターホイール11及びホルダ31を垂直線L2の回りを旋回させる。受け部21の上端部には、歯車が加工される。θ軸サーボモータ28の出力軸には歯車が加工されたプーリなどが取り付けられる。受け部21の歯車とθ軸サーボモータ28の出力軸との間には、ベルト25が掛け渡される。θ軸サーボモータ28の出力軸を回転させることで、受け部21を回転させ、ひいては、カッターホイール11を回転させることができる。θ軸サーボモータ28のドライバは、角度指令を生成する上位のパソコンなどのコンピュータと共に、θ軸サーボモータ28の回転角度を制御する。なお、ベルト25などの巻き掛け伝動機構の他に、歯車機構などの種々の動力伝動機構を用いてもよい。   The rotation mechanism 30 turns the cutter wheel 11 and the holder 31 around the vertical line L2. A gear is processed at the upper end of the receiving portion 21. The output shaft of the θ-axis servomotor 28 is attached with a pulley with a gear processed. A belt 25 is stretched between the gear of the receiving portion 21 and the output shaft of the θ-axis servomotor 28. By rotating the output shaft of the θ-axis servomotor 28, the receiving portion 21 can be rotated, and consequently the cutter wheel 11 can be rotated. The driver of the θ-axis servo motor 28 controls the rotation angle of the θ-axis servo motor 28 together with a computer such as a host computer that generates an angle command. In addition to the winding transmission mechanism such as the belt 25, various power transmission mechanisms such as a gear mechanism may be used.

移動機構13は、ワーク17の表面の二次元的な平面内で、スクライブヘッド12をX及び/又はY方向に移動させる。移動機構13は、スクライブヘッドをX軸方向へ移動させるX軸移動機構と、Y軸方向へ移動させるY軸移動機構とから構成される。X軸及びY軸移動機構は、X軸及びY軸サーボモータと、X軸及びY軸サーボモータの回転運動をスクライブヘッド12の直線運動に変換するボールねじ機構などの運動変換手段と、から構成される。移動機構13は、スクライブヘッド12を移動させる替わりに、テーブル16を移動させてもよい。   The moving mechanism 13 moves the scribe head 12 in the X and / or Y direction within a two-dimensional plane on the surface of the workpiece 17. The moving mechanism 13 includes an X-axis moving mechanism that moves the scribe head in the X-axis direction and a Y-axis moving mechanism that moves the scribe head in the Y-axis direction. The X-axis and Y-axis moving mechanism is composed of an X-axis and Y-axis servomotor, and a motion conversion means such as a ball screw mechanism that converts the rotational motion of the X-axis and Y-axis servomotor into the linear motion of the scribe head 12. Is done. The moving mechanism 13 may move the table 16 instead of moving the scribe head 12.

スクライブヘッド12は、ベース14に対して上下方向にスライドできるようにリニアガイド15に案内される。カッターホイール11がワーク17の上面に当接するまでスクライブヘッド12を降下させた後、移動機構13によってスクライブヘッド12をワーク17の表面に沿って移動させると、カッターホイール11がワーク17の表面上の二次元的な平面を転がり運動する。カッターホイール11の転がり運動によって、ワーク17の表面にスクライブ線が刻み付けられる。なお、エアーシリンダなどの加圧手段によって、スクライブヘッド12をワーク17の表面に押し付けてもよい。   The scribe head 12 is guided by the linear guide 15 so as to be slidable in the vertical direction with respect to the base 14. After the scribe head 12 is lowered until the cutter wheel 11 comes into contact with the upper surface of the workpiece 17, the moving mechanism 13 moves the scribe head 12 along the surface of the workpiece 17. Roll and move on a two-dimensional plane. A scribe line is cut on the surface of the workpiece 17 by the rolling motion of the cutter wheel 11. Note that the scribe head 12 may be pressed against the surface of the workpiece 17 by a pressurizing means such as an air cylinder.

図3は、垂直線L2とカッターホイール11との位置関係を示す。カッターホイール11が水平面内で旋回しても、カッターホイール11とワーク17の接触点Pの位置が変化しないように、カッターホイール11とワーク17との接触点Pは垂直線L2上にある。また、この垂直線L2はカッターホイール11の回転中心線L1とも交差する。   FIG. 3 shows the positional relationship between the vertical line L <b> 2 and the cutter wheel 11. The contact point P between the cutter wheel 11 and the workpiece 17 is on the vertical line L2 so that the position of the contact point P between the cutter wheel 11 and the workpiece 17 does not change even when the cutter wheel 11 turns in a horizontal plane. The vertical line L2 also intersects with the rotation center line L1 of the cutter wheel 11.

図4は、設計された軌跡34上を移動するカッターホイール11の概念図を示す。制御装置は、接線方向角が曲線長の二次式で与えられるクロソイド曲線を用いてワーク17の表面に形成されるべきスクライブ線の軌跡34を設計する。そして、軌跡34を設計すると共に、軌跡34の接線方向角35を算出する。次に制御装置は、設計された軌跡34に基づいて移動機構13を操作し、設計されたスクライブ線の軌跡34がワーク17の表面に形成されるように、カッターホイール11の位置を制御する。そして、これと同時に、接線方向角35に基づいて回転機構30を操作し、カッターホイール11が接線方向を向くようにカッターホイール11の姿勢、すなわち垂直線回りの旋回角度を制御する。このように制御すれば、カッターホイール11の傾きがカッターホイール11の進行方向にならうので、カッターホイール11からワーク17に無理な力がかからず、割れや欠けの少ないスクライブ線を形成することができる。   FIG. 4 shows a conceptual diagram of the cutter wheel 11 moving on the designed trajectory 34. The control device designs the trajectory 34 of the scribe line to be formed on the surface of the workpiece 17 using a clothoid curve whose tangential direction angle is given by a quadratic expression having a curve length. Then, the trajectory 34 is designed, and the tangential direction angle 35 of the trajectory 34 is calculated. Next, the control device operates the moving mechanism 13 based on the designed trajectory 34, and controls the position of the cutter wheel 11 so that the designed scribe line trajectory 34 is formed on the surface of the workpiece 17. At the same time, the rotation mechanism 30 is operated based on the tangential direction angle 35 to control the posture of the cutter wheel 11, that is, the turning angle around the vertical line so that the cutter wheel 11 faces the tangential direction. By controlling in this way, the inclination of the cutter wheel 11 follows the traveling direction of the cutter wheel 11, so that an excessive force is not applied from the cutter wheel 11 to the workpiece 17, and a scribe line with few cracks and chips is formed. Can do.

以下に制御装置の構成について詳細に説明する。図5は制御装置55の構成図を示す。制御装置55のハードウェアは、モーション・テーブル51作成までのソフトウェアが組み込まれたパソコン等のコンピュータ56(図中点線より左側)と、モーション・テーブル51を読み込んでスクライブ装置のX,Y,θ軸サーボモータを動作させるためのモーション・オペレータ54が組み込まれたドライバ57(図中点線より右側)とで構成される。   The configuration of the control device will be described in detail below. FIG. 5 shows a configuration diagram of the control device 55. The hardware of the control device 55 includes a computer 56 such as a personal computer in which software up to the creation of the motion table 51 is incorporated (on the left side of the dotted line in the figure) and the X, Y, θ axes of the scribe device by reading the motion table 51. It comprises a driver 57 (on the right side of the dotted line in the figure) incorporating a motion operator 54 for operating the servo motor.

コンピュータ56が、行方向に時間軸、列方向にスクライブ装置のX,Y,θ軸をとって各動作軸の変位の値を記述したモーション・テーブル51を作成する。このモーション・テーブル51に基づいて、ドライバ57がスクライブ装置の各軸の制御を行う。コンピュータ56とドライバ57との間には、モーション・テーブル51及びモーション・エディタ53からの信号指令が伝わる。   The computer 56 creates a motion table 51 in which displacement values of the respective operation axes are described by taking the time axis in the row direction and the X, Y, and θ axes of the scribe device in the column direction. Based on the motion table 51, the driver 57 controls each axis of the scribe device. Signal commands from the motion table 51 and the motion editor 53 are transmitted between the computer 56 and the driver 57.

制御装置55のソフトウェアは、モーション・テーブル51を作成するためのモーション・デザイナ52と、複数のモーション・テーブル51を編集するためのモーション・エディタ53(シーケンサ)、並びにこれらの指令入力を受けてX,Y,θ軸のサーボモータを動作させるためのモーション・オペレータ54とによって構成される。   The software of the control device 55 includes a motion designer 52 for creating the motion table 51, a motion editor 53 (sequencer) for editing the plurality of motion tables 51, and receiving these command inputs, , Y, and θ-axis servo motors, and a motion operator 54 for operating the servo motors.

まず、モーション・テーブル51について説明する。カッターホイール11の位置及び/又は姿勢を時間の関数として与えることは、モーションと呼ばれる。モーション・テーブル51は、図6に示されるように、行方向に時間軸、列方向に各動作軸(サーボモータ)を各軸の変位のアブソリュート値またはインクリメンタル値として記述したものである。アブソリュート値は基準値に対しての絶対値であり、インクリメンタル値は時間間隔毎に増分する値である。図7にはアブソリュート値が記述されているが、必ずしもゼロから始まるとは限らない。   First, the motion table 51 will be described. Giving the position and / or attitude of the cutter wheel 11 as a function of time is called motion. As shown in FIG. 6, the motion table 51 describes the time axis in the row direction and each operation axis (servo motor) in the column direction as an absolute value or an incremental value of the displacement of each axis. The absolute value is an absolute value with respect to the reference value, and the incremental value is a value that is incremented at each time interval. Although the absolute value is described in FIG. 7, it does not necessarily start from zero.

モーション・テーブル51は、例えばCSV(Comma Separated Value)方式のデータである。モーション・テーブル51は縦の列及び横の行を有する表形式のデータであるので、シリアル通信で送れるようにCSV方式を利用して一列のデータにする。具体的には例えば表データが、左上から0,0,5,行がえ,1,2,5,行がえ,3,6,5,行がえ,というふうに一列のデータに変換される。   The motion table 51 is, for example, CSV (Comma Separated Value) data. Since the motion table 51 is tabular data having vertical columns and horizontal rows, it is converted into a single column of data using the CSV method so that it can be transmitted by serial communication. Specifically, for example, the table data is converted into a single column of data from the upper left, such as 0, 0, 5 rows, 1, 2, 5, rows, 3, 6, 5, rows. The

モーション・テーブル51を作成するためのモーション・デザイナ52で実行されるフローチャートを図7を参照して説明する。   A flowchart executed by the motion designer 52 for creating the motion table 51 will be described with reference to FIG.

〈軌跡・姿勢の設計(S1)〉
カッターホイール11がワーク17の表面上を転がるとき、カッターホイール11の先端とワーク17との接触点(以下工具点という)は、平面的に描かれた連続な軌跡(直線を含む場合がある)上を時間的に移動すると考えることができる。工具点の位置は、座標(x、y)で表され、カッターホイール11の姿勢は、例えばx、y軸に対する回転角度で表される。どのような複雑な動きでも、工具点の軌跡は途切れ途切れになることなく、連続的に繋がっている。運動制御の第1段階は、カッターホイール11の軌跡を設計すると共に、カッターホイール11の姿勢を設計することにある。
<Design of locus / posture (S1)>
When the cutter wheel 11 rolls on the surface of the workpiece 17, the contact point between the tip of the cutter wheel 11 and the workpiece 17 (hereinafter referred to as a tool point) is a continuous locus drawn in a plane (may include a straight line). You can think of it moving over time. The position of the tool point is represented by coordinates (x, y), and the posture of the cutter wheel 11 is represented by, for example, a rotation angle with respect to the x and y axes. In any complicated movement, the tool point trajectory is continuously connected without interruption. The first stage of motion control is to design the trajectory of the cutter wheel 11 and to design the posture of the cutter wheel 11.

オペレータは、ワーク17の表面に形成されるスクライブ線に対応させて、複数の点列のXY座標をコンピュータ56に入力する。入力にはキーボード、マウス等の入力手段が用いられる。オペレータが点列を入力すると、コンピュータが点列を補間した軌跡60を設計する。本実施形態においては、軌跡60の設計にあたってクロソイド曲線を採用する。クロソイド曲線においては曲線の接線方向角が曲線長の関数として連続的に与えられる。それゆえ、運動の連続性が保たれる。このクロソイド曲線を用いた補間方法については後述する。   The operator inputs the XY coordinates of a plurality of point sequences to the computer 56 in correspondence with the scribe lines formed on the surface of the workpiece 17. Input means such as a keyboard and a mouse are used for input. When the operator inputs a point sequence, the computer designs a locus 60 obtained by interpolating the point sequence. In the present embodiment, a clothoid curve is used in designing the locus 60. In a clothoid curve, the tangential angle of the curve is given continuously as a function of the curve length. Therefore, the continuity of movement is maintained. An interpolation method using this clothoid curve will be described later.

図4に示されるように、コンピュータ56は軌跡34を設計すると共にカッターホイール11の姿勢も設計する。この実施形態では、姿勢の設計にあたって、軌跡34上の全ての区間において、カッターホイール11の進行方向が軌跡34の接線方向を向くようにカッターホイール11の姿勢を設計する。クロソイド曲線においては、接線方向角が与えられているので、接線方向角を容易に算出できる。クロソイド曲線を用いると、図7に示されるように、カッターホイール11の位置Pとともに、カッターホイール11の姿勢Eも曲線長sの関数として与えられる。   As shown in FIG. 4, the computer 56 designs the trajectory 34 and also the posture of the cutter wheel 11. In this embodiment, in designing the posture, the posture of the cutter wheel 11 is designed so that the traveling direction of the cutter wheel 11 faces the tangential direction of the locus 34 in all sections on the locus 34. In the clothoid curve, since the tangential direction angle is given, the tangential direction angle can be easily calculated. When the clothoid curve is used, the posture E of the cutter wheel 11 is given as a function of the curve length s as well as the position P of the cutter wheel 11 as shown in FIG.

〈運動曲線の当てはめ(S2)〉
図7に示されるように、運動制御の第2段階は、設計された軌跡上を動く工具点の速度・加速度を決定することである。軌跡上を工具点がどのような時間の関数として動くかは、工具点の速度・加速度を決定することで定められる。オペレータは、カッターホイール11の速度を入力する。コンピュータ56は、指定された速度でカッターホイール11を移動させることができるように工具点の速度・加速度を決定する。本実施形態においては、カム機構に採用されている特性の良い曲線を採用し、これを、パラメータ可変のユニバーサルカム曲線として提供する。カルテシアン空間(実在空間)で定義された位置・姿勢は連続した曲線群を構成している。その一つ一つの曲線に運動曲線を当てはめ、加減速を指定する。カルテシアン空間とは、原点で互いに直交するx、y、zの3軸を用いてつくられる3次元座標系であり、工具点の位置のみならず姿勢も表すことができる。
<Fitting of motion curve (S2)>
As shown in FIG. 7, the second stage of motion control is to determine the speed / acceleration of the tool point moving on the designed trajectory. How the tool point moves as a function of time on the trajectory is determined by determining the speed and acceleration of the tool point. The operator inputs the speed of the cutter wheel 11. The computer 56 determines the speed and acceleration of the tool point so that the cutter wheel 11 can be moved at a designated speed. In the present embodiment, a curve with good characteristics adopted in the cam mechanism is adopted, and this is provided as a variable cam universal cam curve. The positions and postures defined in the Cartesian space (real space) constitute a continuous curve group. Fit a motion curve to each curve and specify acceleration / deceleration. The Cartesian space is a three-dimensional coordinate system created using three axes x, y, and z that are orthogonal to each other at the origin, and can represent not only the position of the tool point but also the posture.

〈時分割(S3)〉
軌跡と運動が確定したので、工具点の位置・姿勢が時間tの関数として与えられたことになる。これにより、時間tを微小時間間隔で与えたとき、それぞれの時刻に対する工具点の変位を求めることができる。時間間隔としては例えば2ms(ミリ秒)以下の適当な値を選ぶものとする。
<Time division (S3)>
Since the trajectory and motion are determined, the position / orientation of the tool point is given as a function of time t. Thereby, when the time t is given at a minute time interval, the displacement of the tool point with respect to each time can be obtained. For example, an appropriate value of 2 ms (milliseconds) or less is selected as the time interval.

〈カルテシアン座標系によるカッターホイール11の位置・姿勢の計算(S4)〉
以上の手続きによって、カルテシアン座標系(実在空間)における時間tに対する工具点の位置と姿勢が計算される。変数としては(x,y,θ)がある。
<Calculation of the position and orientation of the cutter wheel 11 using the Cartesian coordinate system (S4)>
With the above procedure, the position and orientation of the tool point with respect to time t in the Cartesian coordinate system (real space) are calculated. Variables include (x, y, θ).

〈逆機構解(S5)〉
次に、上記の工具点の位置・姿勢を与えるために必要な各軸の回転角を求める。この過程は一般に逆機構解(Inverse Kinematics)と呼ばれている。逆機構解は、実在の空間の位置・姿勢から軸空間の回転角θ1〜θ3を求めるものである。逆機構解は、スクライブ装置ごとに固有なので、スクライブ装置ごとに個別に解を用意しておく。
<Reverse mechanism solution (S5)>
Next, the rotation angle of each axis necessary to give the position / posture of the tool point is obtained. This process is generally called Inverse Kinematics. The reverse mechanism solution is to obtain the rotation angles θ1 to θ3 of the axial space from the position / posture of the actual space. Since the reverse mechanism solution is unique to each scribe device, a solution is prepared separately for each scribe device.

〈軸座標系による各軸サーボモータ変位の計算(S6)〉
時分割された各工具点につき逆機構解を求め、これを各軸サーボモータの変位パルスとして整数化する。パルス制御でない場合には、各軸変位の最少分解単位(分解能)を用いて、パルス数相当の整数化されたデータとして求める。
<Calculation of each axis servo motor displacement by axis coordinate system (S6)>
An inverse mechanism solution is obtained for each time-divided tool point, and this is converted into an integer as a displacement pulse of each axis servo motor. When the pulse control is not used, the data is obtained as integerized data corresponding to the number of pulses using the minimum resolution unit (resolution) of each axial displacement.

〈モーション・テーブルの作成(S7)〉
こうして求めた各軸変位のアブソリュート値、又はインクリメンタル値を、前述のモーション・テーブル51の表データとしてコンピュータメモリに格納する。
<Create motion table (S7)>
The absolute value or incremental value of each axial displacement thus obtained is stored in the computer memory as the table data of the motion table 51 described above.

図5に示されるモーション・エディタ53は、複数のモーション・テーブル51を編集するもので、例えば作成されたモーション・テーブル51の利用の仕方を順序設定する。具体的には例えば、モーション・テーブル51がA,B,Cとあるとすると、Aが終わったらB、Bが終わったらCというふうに順序設定したり、Aが終わったらB及びCを一緒に走らせたりする。動作のシーケンスを与えるという意味ではシーケンサに近い。モーション・エディタ53は、モーション・デザイナ52と共に一般的にはコンピュータに内蔵されるが、外置される場合もある。   A motion editor 53 shown in FIG. 5 edits a plurality of motion tables 51. For example, the usage of the created motion tables 51 is set in order. Specifically, for example, if the motion table 51 is A, B, and C, the order is set as B when A is over, C when B is over, or B and C together when A is over. Run it. It is close to a sequencer in the sense of giving a sequence of operations. The motion editor 53 is generally built in the computer together with the motion designer 52, but may be placed outside.

次に、ドライバ57に組み込まれるモーション・オペレータ54について説明する。モーション・オペレータ54は、一般的にはサーボ機構(すなわち機械的運動のための自動フィードバック制御システム)と呼ばれる。ここでは一般化するためにモーション・オペレータを呼ぶ。モーション・オペレータ54は、モーション・デザイナ52で作成したモーション・テーブル51を通信等を介して読み取り、入力データを各軸に分配し、そこから各軸間の同期を決め、各軸のサーボモータを制御する。つまり、モーション・オペレータ54は、モーション・テーブル51に基づいて、X軸サーボモータ及びY軸サーボモータを制御して、軌跡34に沿ってカッターホイール11を移動させる。これと同時に、θ軸サーボモータを制御して、水平面内のカッターホイール11の姿勢を変化させる。   Next, the motion operator 54 incorporated in the driver 57 will be described. The motion operator 54 is commonly referred to as a servomechanism (ie, an automatic feedback control system for mechanical movement). Here, a motion operator is called for generalization. The motion operator 54 reads the motion table 51 created by the motion designer 52 via communication, etc., distributes the input data to each axis, determines the synchronization between each axis, and determines the servo motor for each axis. Control. That is, the motion operator 54 controls the X-axis servo motor and the Y-axis servo motor based on the motion table 51 to move the cutter wheel 11 along the locus 34. At the same time, the θ-axis servo motor is controlled to change the posture of the cutter wheel 11 in the horizontal plane.

以下モーション・オペレータ54が実行する手順について図8を参照して詳述する。   Hereinafter, a procedure executed by the motion operator 54 will be described in detail with reference to FIG.

〈通信(S1)〉
コンピュータ56からドライバ57へモーション・テーブル51のデータを送るにはいくつかの方法がある。第1の方法は伝送媒体として高速の通信回線を用いる方法である。高速の通信回線としては、イーサネット(登録商標)(R)、USB、IEEE1394等を用いることができる。また、条件によっては無線や、低速の通信回線を用いることもできる。第2の方法は直接バスなどを接続してデータを読み込む方法である。コンピュータとドライバが離れていなければ採用することができる。第3の方法は可搬のメモリ媒体を用いる方法である。CD、DVD、メモリカード等を用いて搬送する。
<Communication (S1)>
There are several methods for sending data of the motion table 51 from the computer 56 to the driver 57. The first method uses a high-speed communication line as a transmission medium. As a high-speed communication line, Ethernet (registered trademark) (R), USB, IEEE 1394, or the like can be used. Further, depending on conditions, a wireless or low-speed communication line can be used. The second method is a method of reading data by directly connecting a bus or the like. If the computer and driver are not separated, it can be adopted. The third method uses a portable memory medium. Transport using CD, DVD, memory card, etc.

〈モーション・テーブルの読込(S2)〉
各通信方式にはそれぞれのプロトコルがあるので、そのプロトコルに従ってモーション・テーブル51を読み込む。
<Read motion table (S2)>
Since each communication method has its own protocol, the motion table 51 is read according to that protocol.

〈入力データの各軸への分配(S3)〉
モーション・テーブル51は通常複数の軸に対して作成されるので、これを各軸ごとに分配する必要がある。ハブなどを用いて強制的に分配する方法(受渡し側で一列のデータを順番に各軸のドライバに配る方法)もあるが、通常は受け取り側でそれぞれの軸に関係するデータのみを受け取るようにする。受け取り側にメモリがあると、例えばx軸のデータとして図6に示される縦の一列のデータを受け取り、y軸のデータとしてその次の列のデータを受け取り、θ軸のデータとしてさらにその次の列のデータを受け取ることができる。
<Distribution of input data to each axis (S3)>
Since the motion table 51 is usually created for a plurality of axes, it must be distributed for each axis. There is also a method of compulsorily distributing using a hub etc. (a method of distributing one row of data to the drivers of each axis in order on the delivery side), but normally only receiving data related to each axis on the receiving side To do. If there is a memory on the receiving side, for example, the vertical column data shown in FIG. 6 is received as the x-axis data, the next column data is received as the y-axis data, and the next data as the θ-axis data is further received. Can receive column data.

〈同期、シーケンス動作(S4)〉
いくつかの軸を一斉に動かすためには、何らかの同期信号を送る必要がある。例えば工具点で円弧を描こうとすると、X軸のサーボモータ及びY軸のサーボモータを一緒に動かさなければならない。同期信号をサーボドライバに送ることで、各軸サーボモータが一緒に動くようになる。なお同期信号は時分割された時間間隔で必ず一度送られるのが望ましい。
<Synchronization, sequence operation (S4)>
In order to move several axes all at once, it is necessary to send some synchronization signal. For example, when trying to draw an arc with tool points, the X-axis servo motor and the Y-axis servo motor must be moved together. By sending the synchronization signal to the servo driver, the servo motors for each axis move together. It is desirable that the synchronization signal is always sent once at time-divided time intervals.

スクライブ装置の各種の入出力信号とのシーケンスを取るためには、モーション・エディタ53あるいはシーケンサによってモーション・テーブル51を編集する必要が生じる。例えばリミットスイッチが働いたら工具点を停止させる場合や、センサで温度を測り、温度が高くなってきたら工具点の速度を落としたい場合がある。このような場合、センサからの入力信号があったら、モーション・エディタ53あるいはシーケンサによってモーション・テーブル51を編集する。   In order to take a sequence with various input / output signals of the scribe device, it is necessary to edit the motion table 51 by the motion editor 53 or the sequencer. For example, there are cases where the tool point is stopped when the limit switch is activated, or the temperature of the tool point is measured by a sensor, and the speed of the tool point may be decreased when the temperature becomes high. In such a case, if there is an input signal from the sensor, the motion table 51 is edited by the motion editor 53 or the sequencer.

〈各軸サーボドライバ及び各軸サーボモータ(S5,S6)〉
モーション指令に追随して各軸サーボモータが動くかどうかは、サーボドライバ及び各軸サーボモータの役割である。本実施形態では、フィードバック信号をモーション・テーブル作成用のコンピュータ56に戻してはいない。モーション・テーブル作成用のコンピュータ56がサーボのループに入ることはない。
<Each axis servo driver and each axis servo motor (S5, S6)>
Whether or not each axis servo motor moves following the motion command is the role of the servo driver and each axis servo motor. In this embodiment, the feedback signal is not returned to the computer 56 for creating the motion table. The computer 56 for creating the motion table never enters the servo loop.

以上により、X軸移動機構9及びY軸移動機構10を制御して、水平面内における軌跡に沿ってカッターホイール11を移動させ、且つ、θ軸回転機構30を制御して、水平面P内における軌跡34上のカッターホイール11の姿勢を変化させることが可能になる。   As described above, the X-axis moving mechanism 9 and the Y-axis moving mechanism 10 are controlled to move the cutter wheel 11 along the locus in the horizontal plane, and the θ-axis rotating mechanism 30 is controlled to change the locus in the horizontal plane P. It is possible to change the posture of the cutter wheel 11 on 34.

以下にクロソイド曲線を用いた補間方法について詳述する。   The interpolation method using a clothoid curve will be described in detail below.

一般に補間を実現するには
1.補間式を決定する。
2.助変数を決定する。
3.きざみを決めて順次座標を計算する。
の3段階があり、2.で逆解が、3.で順解が必要とされる。
To implement interpolation in general: Determine the interpolation formula.
2. Determine the auxiliary variable.
3. Decide the step and calculate the coordinates sequentially.
There are three stages. And the reverse solution is 3. A forward solution is required.

クロソイド曲線とクロソイドセグメントに関する基本的な理論について簡単に説明しておく。まず、上記クロソイド曲線をはじめ、関連する用語の定義を示す。
位置 P=x+j・y
弧長 s(変数(曲線長に沿って測った実変位))、h (定数(クロソイド曲線の総長))
接線方向角の定義 ej(φ)≡dp/ds (位置ベクトルを弧長で微分した単位ベクトル)
曲率の定義 φ'≡dφ/ds 接線方向角の弧長による微分
縮率の定義 φ" ≡dφ'/ds 曲率の弧長による微分
直線の定義 dφ/ds≡0 接線方向角一定の曲線が直線
円の定義 dφ'/ds≡0 曲率一定の曲線が円 (直線を含む)
クロソイドの定義dφ"/ds≡0 縮率一定の曲線がクロソイド(円を含む)
クロソイド基本式:定義式を順次積分して得られる。φ'=φ'0+φ"・s
φ=φ0+φ'0・s+φ"/2・s^2 (接線方向が曲線長の二次式で与えられる)
P =∫ej(φ0+φ'0・s+φ"/2・s^2)ds (1)
Briefly explain the basic theory of clothoid curves and clothoid segments. First, definitions of related terms including the clothoid curve will be shown.
Position P = x + j · y
Arc length s (variable (actual displacement measured along the curve length)), h (constant (total length of clothoid curve))
Definition of tangential direction angle ej (φ) ≡dp / ds (unit vector obtained by differentiating position vector by arc length)
Definition of curvature φ'≡dφ / ds Definition of differential shrinkage by arc length of tangential angle φ "≡dφ '/ ds Definition of differential line by arc length of curvature dφ / ds≡0 Curve with constant tangential angle is a straight line Definition of circle dφ '/ ds≡0 A curve with constant curvature is a circle (including a straight line)
Definition of clothoid dφ "/ ds≡0 Curve with constant shrinkage is clothoid (including circle)
Clothoid basic formula: Obtained by sequentially integrating the defining formula. φ '= φ'0 + φ "· s
φ = φ0 + φ'0 · s + φ "/ 2 · s ^ 2 (Tangential direction is given by a quadratic expression of the curve length)
P = ∫ej (φ0 + φ'0 · s + φ "/ 2 · s ^ 2) ds (1)

図9は基本クロソイド曲線を示しており、同図の実線は、φ0=φ'0=0、φ"=π/2とした場合における曲線を示すものである。この曲線はコルニューの螺旋と呼ばれる。同図の破線はφ"=−π/2とした場合の曲線を示している。Cs,Snはフレネル積分として知られている。   FIG. 9 shows a basic clothoid curve, and the solid line in the figure shows a curve when φ0 = φ′0 = 0 and φ ″ = π / 2. This curve is called a Cornu spiral. The broken line in the figure shows a curve when φ ″ = − π / 2. Cs and Sn are known as Fresnel integrals.

なお、数式の表現として、本明細書においては以下のような記載方法を採用する。   In this specification, the following description method is adopted as expression of the mathematical expression.

/ 除算記号
^ べき乗記号
i=[v] 小数部切り捨て 例[0.5]=0 −[−0.5]=1
a・・b aからbまでの積分区間または累計区間
a・・・ aから無限大までの累計区間
ej(φ)=e^(j・φ) =cosφ+j・sinφ 2次元単位ベクトル
/ Division symbol
^ Power symbol i = [v] Decimal part truncation Example [0.5] = 0-[-0.5] = 1
a ·· b Integration interval from a to b or cumulative interval a ... Cumulative interval from a to infinity ej (φ) = e ^ (j · φ) = cosφ + j · sinφ Two-dimensional unit vector

クロソイドセグメントは、直線から線分を、円から円弧を切り出すのと同様、クロソイド曲線の一部を切り出したものである。上記基本式で始点P0 、終点P1 を確定し、弧長を0からhとして定積分する。又、区間を(S=0..1)と無次元化し、角度変化の円弧成分としての曲角φv =φ'0・hと、同じくクロソイド成分としての縮角φu=φ"/2・h^2と、を定義する。クロソイドセグメントの基本式は(1)より
φ'1=(φv +2・φu)/h
φ1=φ0+φv+φu
P1=P0+h・ej(φ0 )・∫ej(φv ・S+φu ・S^2)ds
S=0..1 (2)
The clothoid segment is obtained by cutting a part of a clothoid curve in the same manner as cutting a line segment from a straight line and an arc from a circle. The starting point P0 and the ending point P1 are determined by the above basic formula, and the arc length is set from 0 to h to perform definite integration. Further, the section is made dimensionless as (S = 0.0.1), the bending angle φv = φ′0 · h as the arc component of the angle change, and the contraction angle φu = φ ″ / 2 · h as the clothoid component. The basic formula of clothoid segment is φ'1 = (φv + 2 · φu) / h from (1)
φ1 = φ0 + φv + φu
P1 = P0 + h · ej (φ0) · ∫ej (φv · S + φu · S ^ 2) ds
S = 0.1 (2)

クロソイドセグメントの形は、曲角φv と縮角φu とのみで決まり、大きさはh、位置はP0 、方向はφ0 で決まる。弧長hと曲角φv と縮角φu とをあわせて区間助変数と称する。直線と円とクロソイドとは別々の図形である。直線は無限で方向があり、円は有限で大きさがあり、クロソイドは長さは無限、存在範囲は有限で方向も大きさもある。先の定義によって線分は円弧の部分集合、円弧はクロソイドセグメントの部分集合となる。なお上述したように、始点と接線方向角と区間助変数とを与えて、終点と接線方向角とを求める方法を順解と呼ぶ。これに対し、始点と終点の位置と接線方向角とを与えて、区間助変数を求める方法を逆解と呼ぶ。   The shape of the clothoid segment is determined only by the bending angle φv and the contraction angle φu, the size is h, the position is P0, and the direction is φ0. The arc length h, the bending angle φv, and the contraction angle φu are collectively referred to as an interval auxiliary variable. Lines, circles and clothoids are separate figures. A straight line is infinite and has a direction, a circle is finite and has a size, a clothoid has an infinite length, an existence range is finite, and has a direction and size. By the definition above, the line segment is a subset of an arc, and the arc is a subset of a clothoid segment. As described above, the method of obtaining the end point and the tangential direction angle by giving the start point, the tangential direction angle, and the interval parameter is called a forward solution. On the other hand, a method for obtaining the interval auxiliary variable by giving the positions of the start point and end point and the tangential direction angle is called an inverse solution.

図10はクロソイド曲線を用いた補間方法で実行されるプログラムのフローチャートを示す。本実施形態に係る制御方法は、予め与えられた点列を、コンピュータにより算出したクロソイドセグメントを用いて補間する。クロソイド曲線を用いた補間方法においては、はじめに上記点列の各座標P(x,y)を入力する(S1)。 FIG. 10 shows a flowchart of a program executed by an interpolation method using a clothoid curve. The control method according to the present embodiment interpolates a given point sequence using a clothoid segment calculated by a computer. In the interpolation method using a clothoid curve, first, the coordinates P i (x i , y i ) of the point sequence are input (S1).

次いで、各点における接線方向角φを求める(S2)。接線方向角φとは、上記各点におけるそれぞれ接線の方向を指し、基準線に対する接線のなす角φで表す。この第二工程で求める接線方向角φは、端点以外は仮のものである。 Next, a tangential angle φ i at each point is obtained (S2). The tangential direction angle φ indicates the direction of the tangent at each of the above points, and is represented by the angle φ formed by the tangent to the reference line. The tangential angle φ obtained in the second step is provisional except for the end points.

次いで、全ての区間における区間助変数を求める(S3)。区間助変数は、弧長h、曲角φv、縮角φuによって構成される。区間助変数は、「クロソイドの縮角多項式」の逆解を次の第一演算処理乃至第五演算処理からなる手順で解くことで高速に求めることができる。すなわち、始点と終点との位置の差から、弦の長さと方向角とを算出し(第一演算処理)、始点と終点とのそれぞれ接線方向角の差から縮角多項式の係数を算出し(第二演算処理)、yの縮角多項式をニュートン法によって解いて縮角を算出し(第三演算処理)、上記縮角とxの縮角多項式とを使って弧長を算出し(第四演算処理)、接線方向角の差と縮角とから曲角を算出(第五演算処理)する。なお、上記第三演算処理については、ニュートン法逆解のために関節近似式を使うこともできる。   Next, interval parameters in all intervals are obtained (S3). The interval auxiliary variable is constituted by an arc length h, a bending angle φv, and a contraction angle φu. The interval auxiliary variable can be obtained at high speed by solving the inverse solution of the “clothoid contraction polynomial” by the procedure consisting of the following first calculation process to fifth calculation process. That is, the chord length and the directional angle are calculated from the difference in position between the start point and the end point (first calculation process), and the coefficient of the reduced angle polynomial is calculated from the difference in the tangential direction angle between the start point and the end point ( (Second calculation process), a reduction angle polynomial of y is solved by Newton's method to calculate a reduction angle (third calculation process), and an arc length is calculated using the above reduction angle and the reduction angle polynomial of x (fourth calculation process). Arithmetic operation), and the curvature angle is calculated from the difference in tangential direction angle and the contraction angle (fifth arithmetic processing). In addition, about the said 3rd calculation process, a joint approximation formula can also be used for Newton's method reverse solution.

次いで、S4に進み、各点のうちの両端を除く中間点での曲率差評価値を求め、これら曲率差評価値の最大の点をマークし(S41)、最大点の曲率差評価値が許容範囲内にあるか否かを判断し、該曲率差評価値がこの許容範囲内にあればS4を終了し(S42)、そうでなければ、上記最大点の接線方向角を修正し(S43)、最大点の前後2区間の区間助変数を再計算し(S44)、最大点及び前後点の3点での曲率差評価値を再計算した(S41)後、S42に戻って繰り返す。   Next, the process proceeds to S4, where a curvature difference evaluation value at an intermediate point excluding both ends of each point is obtained, the maximum point of these curvature difference evaluation values is marked (S41), and the curvature difference evaluation value of the maximum point is allowed. It is determined whether or not it is within the range, and if the curvature difference evaluation value is within this allowable range, S4 is terminated (S42), otherwise, the tangential direction angle of the maximum point is corrected (S43). Then, the section auxiliary variables of the two sections before and after the maximum point are recalculated (S44), and the curvature difference evaluation values at the three points of the maximum point and the front and back points are recalculated (S41), and the process returns to S42 and is repeated.

これにより、最終的にすべての点での曲率差評価値を予め与えた許容差以下にすることができる。   As a result, the curvature difference evaluation values at all points can be finally made equal to or less than the tolerance given in advance.

続く第五行程においては、上述したような第四行程で得られた区間助変数を分割することによって積和演算に適した分割助変数を算出する。そして、これら分割助変数に基づいて順次位置を求める。これにより、上記点列間を補間するのに最適な位置指令を得ることができる。   In the subsequent fifth step, the division auxiliary variable suitable for the product-sum operation is calculated by dividing the section auxiliary variable obtained in the fourth step as described above. And a position is calculated | required sequentially based on these division | segmentation auxiliary variables. Thereby, an optimum position command for interpolating between the point sequences can be obtained.

具体的な補間方法としては、図10のフローチャートに示すとおり、先ず、補間すべき点列Pi(xi,yi)(但し、iは0,1,2,…,n)を入力する(第一工程)。   As a specific interpolation method, as shown in the flowchart of FIG. 10, first, a point sequence Pi (xi, yi) (where i is 0, 1, 2,..., N) to be interpolated is input (first). Process).

次いで、第二行程において、上記各点Piにおける接線方向角φiの初期値を求める。本ステップにおける解法手段の一例を以下に示す。図11に示されるように、連続した3点を選択し、これら3点(図12のA,B,C)を通る円弧の各点における接線方向角φA,φB,φCを求める。三角形a+b=cの各辺の角度をθa,θb,θc とすると、頂点の角度αは、
α=θc−θa
β=π−θb+θa
γ=θb−θc
Next, in the second stroke, an initial value of the tangential direction angle φi at each point Pi is obtained. An example of the solution means in this step is shown below. As shown in FIG. 11, three consecutive points are selected, and tangential direction angles φA, φB, and φC at the respective points of the arc passing through these three points (A, B, and C in FIG. 12) are obtained. If the angles of each side of the triangle a + b = c are θa, θb, and θc, the vertex angle α is
α = θc−θa
β = π−θb + θa
γ = θb−θc

3点を通る円弧の各点での接線方向は、円周角と弦弧角が等しいので、
φA=θa−γ=θa−θb+θc
φB=θb−α=θb−θc+θa
φC=θc−β+π=θc−θa+θb(3)
で与えられる。
The tangential direction at each point of the arc passing through the three points is equal to the circumference angle and the chord arc angle.
φA = θa−γ = θa−θb + θc
φB = θb−α = θb−θc + θa
φC = θc−β + π = θc−θa + θb (3)
Given in.

上述のような理論により、各点での接線方向角φが順次求められる。なお、本明細書においては上述した解法を「3点円弧」と称する。i=1からn−1までの(n−1)点に対し、φB が計算できる。i=0,i=nの端点については、別途入力することもありうるが、簡単には、i=1でのφAをi=0に、i=n−1でのφCをi=nに使ってもよい。   Based on the theory as described above, the tangential angle φ at each point is sequentially obtained. In the present specification, the above-described solution is referred to as “three-point arc”. φB can be calculated for (n−1) points from i = 1 to n−1. The end points of i = 0 and i = n may be input separately, but simply, φA at i = 1 is set to i = 0, and φC at i = n−1 is set to i = n. You may use it.

次いで、第三行程に進み、各区間の区間助変数を求める。区間助変数は、2点間を結ぶ曲線の弧長h、曲角φv 、縮角φu によって構成される。区間助変数を高速に求めるためには、以下の「クロソイドの縮角多項式表現」が使われる。
P1=P0+h・Σcn[n]・ej(φn[n])・φu^n n=0...(4)
係数の大きさ cn[n]=Σcnm[m] m=0...
ここで、cnm[m]=w^m/(2m+1)!/Π(4m+4k+2)
k=1..n
w=−v^2
v=(φ1−φ0)/2
係数の方向 φn[n] =(φ0+φ1−n・π)/2
この式の証明は詳述しないが、クロソイドセグメントの基本式(2)で変数をS=0..1ではなく、T=−1..1と置き換えて両振り無次元化し、マクローリン展開、二項展開したのちに積分して得られる。逆解のために弦の長さr、弦の方向角θを使って変形し、スカラ分解すると
r/h=Σxn[n]・φu^n n=0...
0=Σyn[n] ・φu^n n=0...
xn[n]=cn[n]・cos(ψn[n]) n=0...
yn[n]=cn[n]・sin(ψn[n]) n=0...
ψn =(φ0+φ1−n・π)/2−θとなる。これらの式を使って次の手順で逆解を解く。
Next, the process proceeds to the third process, and section parameters for each section are obtained. The interval auxiliary variable is constituted by an arc length h, a curvature angle φv, and a contraction angle φu of a curve connecting two points. In order to obtain the interval parameter at high speed, the following “Crosoid reduced-angle polynomial expression” is used.
P1 = P0 + h · Σcn [n] · ej (φn [n]) · φu ^ n n = 0 ... (4)
Coefficient size cn [n] = Σcnm [m] m = 0 ...
Here, cnm [m] = w ^ m / (2m + 1)! / Π (4m + 4k + 2)
k = 1..n
w = -v ^ 2
v = (φ1−φ0) / 2
Coefficient direction φn [n] = (φ0 + φ1-n · π) / 2
The proof of this formula will not be described in detail, but in the basic formula (2) of the clothoid segment, the variable is replaced with T = −1.1 instead of S = 0.0.1 to make it swingless dimensionless. It is obtained by integrating after expanding the terms. For inverse solution, transform using string length r and string direction angle θ, and then scalar decomposition, r / h = Σxn [n] · φu ^ n n = 0 ...
0 = Σyn [n] ・ φu ^ n n = 0 ...
xn [n] = cn [n] .cos (ψn [n]) n = 0 ...
yn [n] = cn [n] · sin (ψn [n]) n = 0 ...
ψn = (φ0 + φ1−n · π) / 2−θ. Use these formulas to solve the inverse solution in the following procedure.

最初に、出発位置(P0=x0+j・y0)と到着位置(P1=x1+j・y1)との差から、弦の角度θと長さrとを求める(第一演算処理)。
θ=a・tan ((y1−y0)/(x1−x0))
r=x・cosθ+y・sin θ
First, the chord angle θ and the length r are obtained from the difference between the departure position (P0 = x0 + j · y0) and the arrival position (P1 = x1 + j · y1) (first calculation process).
θ = a · tan ((y1−y0) / (x1−x0))
r = x · cos θ + y · sin θ

次いで、出発接線方向角φ0と到着接線方向角φ1 と弦の角度θとから、初期計算4式ψn=(φ0+φ1)/2−θ
w=−(φ1−φ0)^2/4
cnm[0]=1
cnm [m]=cnm[m−1]*w/2m/(2m+1)
m=1..mmax cnm[mmax]<δ/r
を計算する。次いで以下5式をn=0から始めて、cn[nmax]<δ/rになるまで繰り返す。
cn[n] =Σcnm m=0..mmax
xn[n] =cn[n]*cos ψn
yn[n] =cn[n]*sin ψn
cnm[m]=cnm[m−1]/(4m+4n+2)
m=0..mmax
ψn=ψn−π/2
これが第二演算処理である。
Next, from the starting tangential direction angle φ0, the arriving tangential direction angle φ1 and the chord angle θ, the initial calculation 4 formula ψn = (φ0 + φ1) / 2−θ
w =-(φ1-φ0) ^ 2/4
cnm [0] = 1
cnm [m] = cnm [m-1] * w / 2m / (2m + 1)
m = 1..mmax cnm [mmax] <δ / r
Calculate Next, the following five equations are repeated starting from n = 0 until cn [nmax] <δ / r.
cn [n] = Σcnm m = 0..mmax
xn [n] = cn [n] * cos ψn
yn [n] = cn [n] * sin ψn
cnm [m] = cnm [m-1] / (4m + 4n + 2)
m = 0..mmax
ψn = ψn−π / 2
This is the second calculation process.

次いで、yの縮率多項式Σyn[n]・φu^n =0 n=0..nmax
をニュートン法で解いてφuを求める(第三演算処理)。すなわち適当なφu を初期値として、Er=Σyn[n]・φu^n n=0..nmax
を計算し、許容誤差δ> |Er|であれば第三演算処理を完了する。そうでなければ、φu=φu−Er/Σ{n・yn[n]・φu^(n−1)}
n=1..nmax
として、再度Er を計算する。
Next, the contraction polynomial of y Σyn [n] · φu ^ n = 0 n = 0..nmax
Is obtained by Newton's method to obtain φu (third operation processing). That is, with an appropriate φu as an initial value, Er = Σyn [n] · φu ^ n n = 0..nmax
If the allowable error δ> | Er |, the third calculation process is completed. Otherwise, φu = φu−Er / Σ {n · yn [n] · φu ^ (n−1)}
n = 1..nmax
Then, Er is calculated again.

次いで、xの縮率多項式を使って
h=r/Σ{xn[n]・φu^n} n=0..nmaxでhを求める(第四演算処理)。
Next, h is calculated using h = r / Σ {xn [n] · φu ^ n} n = 0..nmax using a reduction factor polynomial of x (fourth arithmetic processing).

最後に、曲角を計算する(第五演算処理)。
φv=φ1−φu0−φu
ニュートン法は2次の収束をするので大変効率がよい。係数の性質がよいので発散することもない。求めるφv,φuの領域を挟く指定することにより、より一層、高速になる。なお、図10のステップS3に係る解法を、「回旋逆解」と称する。上記「回旋」とはクロソイド曲線の意である。回旋逆解は、次のステップS44でも使われる。
Finally, the curvature angle is calculated (fifth calculation process).
φv = φ1−φu0−φu
Newton's method is very efficient because of second-order convergence. Since the coefficient is good, it does not diverge. By specifying the required φv and φu regions, the speed can be further increased. Note that the solution according to step S3 in FIG. 10 is referred to as a “rotation reverse solution”. The above “rotation” means a clothoid curve. The convolution reverse solution is also used in the next step S44.

ニュートン法の効率を左右するのは、適切な初期値の選択である。次の「クロソイドの関節近似式」によれば、高精度の初期値が得られる。この式の証明も詳述しないが、この式をマクローリン展開して、縮率の多項式にして(4)と比較すると0次から2次まで完全に一致し3次項の係数の差がh/12600より小さいことがわかる。
P1≒P0+h・ej((φ0+φ1)/2)・{a+b・ej(−k・φu)}(5)
k=2*cn[2]/cn[1]
b=cn[1]/k
a=cn[0]−b
誤差は、h・φu^3 /12600で評価される。例えば、hが1000mm、φuが1radとして、誤差は8μm以下である。弦の長さrと角度θとを利用して変形し、スカラ分解すると、ψ=(φ0+φ1)/2−θとして
r/h≒a・cosψ+b・cos(ψ−k・φu)
0≒a・sinψ+b・sin(ψ−k・φu)
となるから、
φu≒{a・sin(a・sinψ/b)+ψ}/k
がきわめてよい近似を与えることになる。
It is the selection of an appropriate initial value that determines the efficiency of the Newton method. According to the following “clothoid joint approximation formula”, a highly accurate initial value can be obtained. Although the proof of this equation is not described in detail, when this equation is expanded to a polynomial of reduction rate and compared with (4), it completely matches from the 0th order to the second order, and the difference in the coefficient of the third order term is h / 12600. You can see that it is smaller.
P1≈P0 + h · ej ((φ0 + φ1) / 2) · {a + b · ej (−k · φu)} (5)
k = 2 * cn [2] / cn [1]
b = cn [1] / k
a = cn [0] -b
The error is evaluated by h · φu ^ 3/12600. For example, if h is 1000 mm and φu is 1 rad, the error is 8 μm or less. When the string length r and angle θ are used for deformation and scalar decomposition, ψ = (φ0 + φ1) / 2−θ where r / h≈a · cosψ + b · cos (ψ−k · φu)
0 ≒ a ・ sinψ + b ・ sin (ψ-k ・ φu)
So,
φu≈ {a · sin (a · sinψ / b) + ψ} / k
Gives a very good approximation.

更に、第四行程に進む。このステップS4を構成するステップS41により、各中間点の曲率差評価値を次の式で求める。中間点1での区間0の曲率をφ'10、区間1の曲率をφ'11 とすると、
(φ'10−φ'11)・h0・h1/2
Furthermore, proceed to the fourth process. In step S41 constituting step S4, the curvature difference evaluation value of each intermediate point is obtained by the following equation. If the curvature of section 0 at midpoint 1 is φ'10 and the curvature of section 1 is φ'11,
(Φ'10-φ'11) ・ h0 ・ h1 / 2

これは、それぞれに反対側の曲率を採用したときの位置誤差の相乗平均になっている。位置の次元であるから精度の判断がしやすい。   This is a geometric mean of position errors when the opposite curvature is adopted for each. Since it is the dimension of position, it is easy to judge accuracy.

そして、このステップS41で、最大点をマークする。次のステップS42は、上記最大点でのこの値の絶対値を与えられた許容値と比較するもので、最大点が許容値以下なら第四行程完了である。このステップS42で上記最大点が上記許容値より大きければ、次のステップS43に進み、上記最大点での接線方向角を修正する。修正角度は、曲率差評価値を両側の弧長の相乗平均と4とで割った値で、(φ'10−φ'11)・sqrt(h0・h1)/8となる。これによって、最大点の曲率差はほぼ0になるが、前後点の曲率にはあまり響かないことがわかっている。   In step S41, the maximum point is marked. In the next step S42, the absolute value of this value at the maximum point is compared with a given allowable value. If the maximum point is less than the allowable value, the fourth step is completed. If the maximum point is larger than the allowable value in step S42, the process proceeds to the next step S43, and the tangential direction angle at the maximum point is corrected. The correction angle is (φ′10−φ′11) · sqrt (h0 · h1) / 8, which is a value obtained by dividing the curvature difference evaluation value by the geometric mean of the arc lengths on both sides and 4. As a result, the curvature difference at the maximum point is almost zero, but it is known that the curvature at the front and rear points does not resonate much.

更に、ステップS44で、前記ステップS3と同様の解法(回旋逆解)を2回だけ実行し、最大点の前後区間の区間助変数を求める。   Further, in step S44, the same solution (rotating reverse solution) as in step S3 is executed only twice, and interval parameters in the interval before and after the maximum point are obtained.

更に、上記ステップS41に戻り、このステップS41の処理と同じ式を3回だけ実行し、最大点と前後点の曲率差評価値を計算したのち、再びステップS42を行う。こうして、ステップS43の判定で評価値が許容範囲内に収まるまで、ステップS41からステップS44の各ステップから成るステップS4を繰り返す。   Further, returning to step S41, the same equation as the process of step S41 is executed only three times to calculate the curvature difference evaluation value between the maximum point and the front and rear points, and then step S42 is performed again. In this way, step S4 including the steps from step S41 to step S44 is repeated until the evaluation value falls within the allowable range in the determination in step S43.

次に、ステップS51に進み、始点と接線方向角(x0,y0,φ0)、区間助変数(h,φv,φu)から、歩進助変数(du,dv,dx,dy,vx,vy,ux,uy)を求める。はじめに分割数nを計算する。ここでは、後段が直線機能を持っているケースの例をとりあげる。当然点機能しかないときは、もっと多く分割し、円弧機能があればもっと少なく分割する。クロソイド機能があれば、n=1で分割不要である。分割数は、近似した直線(弦)と元の曲線(弧)との差が所要誤差δ以内になるように決める。曲率の大きいところは短く、小さいところは長く可変長で分割すれば、分割数が最小になるが、計算の単純化のため、「等弧長分割」を採用する。そこで、φ'0またはφ'1の絶対値のうちの大きい方のφ'maxを曲率とし、弧長hの円弧を想定し、これをn分割したときの誤差を評価する。   Next, proceeding to step S51, from the starting point, the tangential direction angle (x0, y0, φ0), and the interval auxiliary variables (h, φv, φu), the step auxiliary variables (du, dv, dx, dy, vx, vy, ux, uy). First, the division number n is calculated. Here, an example of a case where the latter stage has a straight line function is taken. Of course, if there is only a point function, divide more, and if there is an arc function, divide it less. If there is a clothoid function, n = 1 and no division is necessary. The number of divisions is determined so that the difference between the approximate straight line (string) and the original curve (arc) is within the required error δ. When the curvature is large, the length is short, and when the curvature is long, the number of divisions can be minimized by dividing the variable length. However, for the sake of simplicity of calculation, “equal arc length division” is adopted. Therefore, the larger φ′max of the absolute values of φ′0 or φ′1 is defined as a curvature, and an arc having an arc length h is assumed, and an error when this is divided into n is evaluated.

ここで、
φ'0=(φ1−φ0−φu)/h
φ'1=(φ1−φ0+φu)/h
を利用すれば
φ'max=(|φ1−φ0|+|φu|)/hとなる。
δ={1−cos(φ'max*h/n/2)}/φ'max
cosθ=1−θ^2/2!+θ^4/4!... であるから
δ<=φ'max*(h/n)^2/8
整数切りあげ記号として−[−a]を使えば、
n=−[−h*sqrt(φ'max/δ/8)]
である。
here,
φ'0 = (φ1-φ0-φu) / h
φ'1 = (φ1−φ0 + φu) / h
If φ is used, φ′max = (| φ1−φ0 | + | φu |) / h.
δ = {1-cos (φ′max * h / n / 2)} / φ′max
cosθ = 1-θ ^ 2/2! + Θ ^ 4/4! Since δ <= φ'max * (h / n) ^ 2/8
If you use-[-a] as an integer round-up symbol,
n = − [− h * sqrt (φ′max / δ / 8)]
It is.

細分化された区間の助変数(分割助変数)は、dh=h/nによって次のように計算すればよい。du,ux,uyは定数である。
du=φu/n^2
ux=cos(du)
uy=sin(du)
dv,vx,vy,dx,dyは変数の初期値である。
dv=φ'0/2*dh+du/2
vx=cos(dv)
vy=sin(dv)
dx=dh*cos(φ0+dv)
dy=dh*sin(φ0+dv)
The auxiliary variable (division auxiliary variable) of the subdivided section may be calculated as follows using dh = h / n. du, ux, ui are constants.
du = φu / n ^ 2
ux = cos (du)
uy = sin (du)
dv, vx, vy, dx, dy are initial values of variables.
dv = φ'0 / 2 * dh + du / 2
vx = cos (dv)
vy = sin (dv)
dx = dh * cos (φ0 + dv)
dy = dh * sin (φ0 + dv)

最後に、ステップS52で上記分割助変数を歩進し、順次位置を得る。
x=x +dx*vy/dv
y=y +dx*vy/dv
w=dx*vx−dy*vy
dy=dx*vy+dy*vx
dx=w
dv=dv+du
w=vx*ux−vy*uy
vy=vx*uy+vy*ux
vx=ww
w=dx*vx−dy*vy
dy=dx*vy+dy*vx
dx=wを繰り返す。(7)
Finally, in step S52, the division assist variable is incremented to obtain sequential positions.
x = x + dx * vy / dv
y = y + dx * vy / dv
w = dx * vx-dy * vy
dy = dx * vy + dy * vx
dx = w
dv = dv + du
w = vx * ux-vy * uy
vy = vx * uy + vy * ux
vx = ww
w = dx * vx-dy * vy
dy = dx * vy + dy * vx
Repeat dx = w. (7)

オリジナルの(3)が6個の和(差)と8個の積によって歩進させたのに対し、9個の和(差)と14個の積(商)で歩進させる。演算量は、ほぼ倍に近いが、精度は桁ちがいに向上している。区間の弧の長さと弦の長さの比率を考慮に入れたこと、区間を半分にして曲率を端で切り替え、接線方向を区間中央で切り替えるようにしたことが精度向上にあずかっている。   The original (3) is stepped by 6 sums (differences) and 8 products, whereas it is stepped by 9 sums (differences) and 14 products (quotients). The amount of computation is almost doubled, but the accuracy is improved by orders of magnitude. Taking into account the ratio of the arc length and chord length in the section, switching the curvature at the end by halving the section, and switching the tangential direction at the center of the section contributes to improving accuracy.

このようにして、順次すべての区間についてクロソイドセグメントで補間する。上述のように構成される本形態例に係る軌跡制御方法を用いれば、最適のクロソイド曲線を容易に且つ高速に得ることができ、要求水準に見合う補間制御を行える。   In this way, all the sections are sequentially interpolated with clothoid segments. By using the trajectory control method according to this embodiment configured as described above, an optimal clothoid curve can be obtained easily and at high speed, and interpolation control corresponding to the required level can be performed.

さらに付言するならば、理論式から計算で決まった点列を補間するときは、同時に各点での接線方向角も計算しておき、第二行程、第四行程をパスすることができる。また、曲率連続を要求しないときは、第四行程をパスすることができる。さらに、演算精度が低くてよいときは、第三行程に代えてはじめから関節近似式を使うことができる。このとき、cn[n]は(4)の級数式によらず、次のように三角関数から演算することができる。
−w/6<=δのとき
cn[0]=1
それ以外の場合、cn[0]=sin(v)/v
w^2/840<=δのとき
cn[1] =(1+w/10)/6
それ以外の場合、cn[1]=(cos(v)−cn[0])/w/2
−w^3/498960<=δのとき
cn[2]=(1+(1+w/36)*w/14)/60
それ以外の場合、cn[2]=(cn[0]−6*cn[1])/w/4
In addition, when interpolating a point sequence determined by calculation from a theoretical formula, the tangential direction angle at each point can be calculated at the same time, and the second and fourth strokes can be passed. Further, when the curvature continuity is not required, the fourth stroke can be passed. Furthermore, when the calculation accuracy may be low, the joint approximation formula can be used from the beginning instead of the third stroke. At this time, cn [n] can be calculated from a trigonometric function as follows, regardless of the series formula of (4).
Cn [0] = 1 when −w / 6 <= δ
Otherwise, cn [0] = sin (v) / v
When w ^ 2/840 <= δ, cn [1] = (1 + w / 10) / 6
Otherwise, cn [1] = (cos (v) −cn [0]) / w / 2
Cn [2] = (1+ (1 + w / 36) * w / 14) / 60 when −w ^ 3/498960 <= δ
Otherwise, cn [2] = (cn [0] -6 * cn [1]) / w / 4

なお、本発明は、上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変更可能である。例えば、スクライブ装置は、ワークの表面上でカッターホイールを転がすときに、カッターホイールを振動させなくてもよい。カッターホイールがワークの表面に形成するスクライブ線は、曲率一定の円弧に限られず、曲率が変化する曲線や、直線と円弧を組み合わせた形状などの様々な形状にすることができる。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, the scribing device does not have to vibrate the cutter wheel when rolling the cutter wheel on the surface of the workpiece. The scribe line formed on the surface of the workpiece by the cutter wheel is not limited to an arc having a constant curvature, but can be formed in various shapes such as a curve with a changing curvature and a combination of a straight line and an arc.

本発明の一実施形態におけるスクライブ装置の垂直方向断面図1 is a vertical sectional view of a scribing apparatus according to an embodiment of the present invention. カッターホイールの詳細図(図中(a)は正面図を示し、図中(b)は側面図を示す)Detailed view of cutter wheel ((a) shows a front view and (b) shows a side view) 垂直線とカッターホイールの位置関係を示す側面図Side view showing the positional relationship between the vertical line and the cutter wheel 設計された軌跡上を移動するカッターホイールの概念図Conceptual diagram of the cutter wheel moving on the designed trajectory 制御装置のブロック構成図Block diagram of control device 表形式のモーション・テーブルを示す図Diagram showing a tabular motion table モーション・デザイナが実行するフローチャートFlowchart executed by Motion Designer モーション・オペレータが実行するフローチャートFlow chart executed by the motion operator 基本クロソイド曲線を示す図Diagram showing basic clothoid curve クロソイド曲線を用いた補間方法で実行されるプログラムのフローチャートFlow chart of program executed by interpolation method using clothoid curve 接線方向角の初期値を得る際の方法について説明するための略図Schematic for explaining how to get the initial value of the tangential angle 三点円弧法について説明するための略図Schematic for explaining the three-point arc method 従来のスクライブ装置を示す側面図(一部垂直面断面図を含む)Side view showing a conventional scribing device (including a partial vertical sectional view) プログラムされた曲線と実際に形成されるスクライブ線のずれを示す図(従来例)Diagram showing deviation between programmed curve and scribe line actually formed (conventional example)

符号の説明Explanation of symbols

11…カッターホイール
13…移動機構
17…ワーク
28…θ軸サーボモータ(回転機構)
29…スライド軸受(回転・往復軸受)
30…回転機構
31…ホルダ
34…軌跡
35…接線方向角
55…制御装置
L1…カッターホイールの回転中心線
L2…垂直線
P…カッターホイールとワークの接触点
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Cutter wheel 13 ... Movement mechanism 17 ... Work piece 28 ... (theta) axis servomotor (rotation mechanism)
29 ... Slide bearing (rotary / reciprocating bearing)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 ... Rotation mechanism 31 ... Holder 34 ... Trajectory 35 ... Tangent direction angle 55 ... Control apparatus L1 ... Rotation center line L2 ... Vertical line P ... Contact point of cutter wheel and workpiece | work

Claims (4)

ワークの表面にスクライブ線を刻み付けるカッターホイールと、
前記カッターホイールがその回転中心線の回りを回転できるように、前記カッターホイールを保持するホルダと、
前記カッターホイールが前記ワークの表面を転がることができるように、前記カッターホイールを前記ワークに対して相対的に移動させる移動機構と、
前記カッターホイールを前記ワークの表面に直交する垂直線の回りを旋回させる回転機構と、
前記カッターホイールの前記垂直線の回りの旋回角度を制御する制御装置と、を備え、
前記垂直線上に前記カッターホイールと前記ワークの接触点が位置するスクライブ装置。
A cutter wheel that engraves scribe lines on the surface of the workpiece,
A holder for holding the cutter wheel so that the cutter wheel can rotate around its rotation center line;
A moving mechanism for moving the cutter wheel relative to the workpiece so that the cutter wheel can roll on the surface of the workpiece;
A rotation mechanism for turning the cutter wheel around a vertical line perpendicular to the surface of the workpiece;
A control device for controlling a turning angle of the cutter wheel around the vertical line,
A scribing device in which a contact point between the cutter wheel and the workpiece is located on the vertical line.
前記制御装置は、前記カッターホイールが前記ワークの表面上に形成されるスクライブ線の接線方向を向くように、前記カッターホイールの前記垂直線回りの旋回角度を制御することを特徴とする請求項1に記載のスクライブ装置。   The control device controls a turning angle of the cutter wheel around the vertical line so that the cutter wheel faces a tangential direction of a scribe line formed on the surface of the workpiece. The scribing device described in 1. 前記制御装置は、接線方向角が曲線長の二次式で与えられるクロソイド曲線を用いて軌跡を設計すると共に、前記軌跡の接線方向角を算出し、
前記軌跡に基づいて前記移動機構を操作し、前記ワークの表面上の前記カッターホイールの位置を制御すると共に、前記接線方向角に基づいて前記回転機構を操作し、前記カッターホイールの前記垂直線の回りの旋回角度を制御することを特徴とする請求項2に記載のスクライブ装置。
The control device designs a trajectory using a clothoid curve in which a tangential direction angle is given by a quadratic expression of a curve length, calculates a tangential direction angle of the trajectory,
The moving mechanism is operated based on the trajectory, the position of the cutter wheel on the surface of the workpiece is controlled, the rotation mechanism is operated based on the tangential direction angle, and the vertical line of the cutter wheel is controlled. The scribing device according to claim 2, wherein the turning angle of the rotation is controlled.
ワークの表面にカッターホイールを当接させ、前記ワークの表面上で前記カッターホイールを転がしながら、前記ワークにスクライブ線を刻み付けるスクライブ方法において、
前記ワークの表面に直交すると共に、前記カッターホイールと前記ワークの接触点を通る垂直線の回りに前記カッターホイールを旋回させながら、前記カッターホイールを前記ワークの表面に沿って相対的に移動させるスクライブ方法。

In a scribing method in which a cutter wheel is brought into contact with the surface of the workpiece and the cutter wheel is rolled on the surface of the workpiece, while scribing a scribe line on the workpiece,
A scribe that moves the cutter wheel relatively along the surface of the workpiece while rotating the cutter wheel around a vertical line that passes through a contact point between the cutter wheel and the workpiece and is orthogonal to the surface of the workpiece. Method.

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