JPH0716852B2 - 数値制御工作機械 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、外部から入力される加工プログラムに基づい
て加工動作の制御が行われる数値制御工作機械に関する
ものである。

〔従来の技術〕

一般に、従来の数値制御工作機械においては、外部から
入力される加工プログラムが１ブロック（指令情報単
位）毎に読取られ、これに基づいて、工具が取付けられ
ている主軸ヘッド等の加工装置の駆動制御が行われ、こ
の加工装置が被加工物の外形に沿って相対移動するよう
になっている。

ところで、このような工作機械を制御するためのプログ
ラムには、３軸制御プログラムのように上記加工装置の
並進移動のみの指令を含んだものと、４軸あるいは５軸
制御プログラムのように並進移動に加えて旋回移動の指
令も含んだものがある。並進移動のみのプログラムによ
る制御では、加工装置の駆動中、この装置に取付けられ
た工具は常に一定方向を向くことにより、旋回移動も含
めたプログラムによる制御では、加工装置の駆動中、被
加工物に対する工具の傾きも変化することとなる。

〔発明が解決しようとする課題〕

例えば３軸制御プログラムに基づく制御が行われる場
合、上述のように工具は基本姿勢として常に一定方向を
向く姿勢をとる。従って、第８図に示されるような被加
工物101を加工する場合、図示のコーナー部において被
加工物101と加工装置102とが干渉し（同図二点鎖線）、
加工が困難となる問題点があった。

これに対し、４軸あるいは５軸制御プログラムを用いる
場合には、被加工物101と干渉しないような加工装置102
の向きを設定し、この向きに合致するように加工装置10
2の旋回を制御すれば上記問題点は解決される。ところ
が、このように加工装置102の旋回も含めた制御を行お
うとする場合にはプログラムの繁雑化が避けられず、高
価なプログラム作成装置が必要となるとともに、プログ
ラム作成工数も増大し、コストの上昇につながる問題点
がある。特に５軸制御の場合にはプログラムがさらに繁
雑となって実用化は困難である。

本発明はこのような事情に鑑み、簡単なプログラムに基
づいて、加工装置と被加工物との干渉を回避しながら加
工装置の駆動を適正に制御することができる数値制御工
作機械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〕

本発明は、被加工物を加工するための工具を有し、この
工具と被加工物の面との角度が可変となるように構成さ
れた加工装置と、この加工装置を被加工物に対して相対
的に移動させ、かつ上記角度を変化させる駆動手段とを
備えるとともに、外部入力機器を介して入力される加工
プログラムを読取る読取り手段と、この読取った加工プ
ログラム中における上記加工装置の移動指令ブロックに
基づいて、上記加工装置が被加工物に対して基本姿勢を
保ちながら移動するように上記駆動手段の制御を行う制
御手段とを備えた数値制御工作機械において、上記基本
姿勢にある加工装置が被加工物に干渉するか否かを判定
する干渉判定手段と、この干渉判定手段により干渉する
と判定された区域において干渉回避可能となるような加
工装置の向きを演算する演算手段とを備え、この演算結
果に基づいて上記干渉判定区域における加工装置の駆動
制御を行うように上記制御手段を構成したものである。

〔作 用〕

上記構成によれば、読取られた加工プログラムに基づ
き、基本姿勢にある加工装置が被加工物に干渉するか否
かの判定が行われるとともに、干渉する区域では、干渉
回避可能となる加工装置の向きが演算され、この演算結
果に基づいて適正な加工装置の駆動制御が行われる。

（実施例） 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第２図は、当実施例における数値制御工作機械の概略を
示した図である。同図において、１は被加工物６を加工
するための主軸ヘッド（加工装置）であり、この主軸ヘ
ッド１は、エンドミル等の工具２が着脱自在に取付けら
れるチャック1aを有するとともに、この工具２を回転駆
動するモータを内蔵している。

この主軸ヘッド１および被加工物６は、加工送り装置
（駆動手段）3,4,5の駆動によって相対的に３方向に移
動するようになっている。すなわち、各加工送り装置３
〜５はサーボモータ19（後記第１図）を備え、加工送り
装置３は、上記主軸ヘッド１に対して被加工物６をＸ軸
方向（紙面に垂直な方向）に移動させ、加工送り装置4,
5は、被加工物６に対して上記主軸ヘッド１をＹ軸方向
（図の左右方向）およびＺ軸方向（図の上下方向）に移
動させるように構成されている。これによって、主軸ヘ
ッド１は被加工物６に対して並進移動する。

また、上記主軸ヘッド１は、第３図に示されるようにＡ
軸（Ｘ軸に平行な軸）およびＣ軸（Ｚ軸に平行な軸）回
りに回動自在とされており、工作機械本体側に駆動手段
として内蔵されたサーボモータ19（後記第１図）によ
り、これらの軸回りに回動駆動されるようになってい
る。これによって、主軸ヘッド１は被加工物６に対して
旋回移動し、被加工物６に対する工具の向きが変化す
る。

第１図は、この数値制御工作機械の機能構成を示したブ
ロック図である。同図における外部入力機器11は、例え
ば穿孔テープやフロッピディスク等からなるもので、加
工に必要な情報が含まれた加工プログラムが記録されて
いる。読取り部12は、この外部入力機器11に記録された
プログラムの内容を読取るとともに、その指令コマンド
の解析およびチェックを行う。

基本演算部13aは、読取られたプログラム中の移動指令
ブロックに基づき、これらの移動指令ブロックの始点お
よび終点において被加工物６に対し垂直となる向きのベ
クトル（すなわち法線ベクトル）を演算するとともに、
このベクトルに工具２の向きが合致するように主軸ヘッ
ド１の旋回角度の算出を行う。この演算により、加工装
置が通常の加工時にとる姿勢、すなわち基本姿勢が決定
される。

干渉判定部14は、このようにして算出された基本姿勢を
とる主軸ヘッド１が、上記移動指令ブロックによる移動
によって被加工物６と干渉するか否かの判定を行う。干
渉回避演算部13bは、この干渉判定部14により干渉する
と判定された区域において、上記法線ベクトルの代わり
に干渉回避可能となるような主軸ヘッド１の向きに対応
するベクトル（すなわち干渉回避用ベクトル）を演算す
るとともに、これに対応する主軸ヘッド１の旋回角度の
算出を行う。

制御部15は、指令部16、位置決めパルス分配回路17、お
よびサーボアンプ18を備え、上記基本演算部13aあるい
は干渉回避演算部13bの演算結果に基づき、各サーボモ
ータ19の駆動を制御する。各サーボモータ19の駆動によ
る移動体（主軸ヘッド１または被加工物６）の位置およ
び速度情報は上記制御部15にフィードバックされ、これ
によって上記移動指令ブロックに基づく適切な移動制御
が行われる。

次に、この数値制御工作機械の作用を第４図のフローチ
ャートを参照しながら説明する。まず、読取り部12によ
り、外部入力機器11に記憶されている加工プログラムが
１ブロック毎に順次読取られ、コマンド解析が行われる
（ステップS₁）。読取られたブロックが、主軸ヘッド１
を移動させるための移動指令ブロックである場合には
（ステップS₂でYES）、先読みされた２つの移動指令ブ
ロックから、その始点および終点における指定平面上の
法線ベクトル（被加工物６の面に対して垂直なベクト
ル）が算出される（ステップS₃）。この指定平面とは、
主軸ヘッド１が並進移動する面のことであり、原則とし
てこの平面に垂直な軸回りに主軸ヘッド１の旋回駆動が
行われる。例えば、指定平面がXY平面である場合には主
軸ヘッド１がＣ軸回りに旋回し、指定平面がYZ平面であ
る場合には主軸ヘッド１がＡ軸回りに旋回する。

次に、主軸ヘッド１が上記法線ベクトルに合致した姿
勢、すなわち基本姿勢で移動した場合に、この主軸ヘッ
ド１と被加工物６との間に干渉が生じるか否かの判断が
行われる（ステップS₄）。この判断は、複数ブロックを
先読みすることにより求められる被加工物の形状と上記
法線ベクトルの向きとの関係から行うことができる。例
えば、第５図（ａ）に示されるように、移動指令ブロッ
ク（Ａ→Ｂ）の終点としての点Ｂにおける法線ベクトル あるいは移動指令ブロック（Ｂ→Ｃ）の始点としての点
Ｂにおける法線ベクトル が、被加工物６の外形線よりも内側に向く場合には、干
渉有りと判定することができる。逆に、両法線ベクトル が被加工物６の外形線よりも外側の所定範囲の方向に向
いている場合には、干渉無しと判断することができる。

上記のように干渉有りと判定された場合には、上記法線
ベクトルの代わりに設定されるベクトルとして、干渉回
避用のベクトルが算出される（ステップS₅）。当実施例
においては、主軸ヘッド１の基本姿勢として被加工物６
に対してほぼ垂直となるような姿勢が設定されているの
で、上記第５図（ａ）に示されるような谷型のコーナー
部Ｂにおいて干渉が生ずる可能性がある。そこで、この
ような場合には同図（ｂ）のように被加工物６の外側の
適切な場所に中心点Ｐが設定されるとともに、干渉判定
区域である点Ａから点Ｃ間の各点において上記中心点Ｐ
に向くベクトルが算出され、これが干渉回避用ベクトル
とされる。すなわち、このベクトルに主軸ヘッド１の向
きが合致していれば、主軸ヘッド１と被加工物６とが干
渉することはない。

そして、このような干渉回避用ベクトルまたは上記法線
ベクトルに基づいて、主軸ヘッド１の旋回角度の算出が
行われる（ステップS₆）。すなわち、干渉無しの判定が
行われた場合は、各ブロックの始点および終点において
工具２が被加工物６の面に対して垂直となるような主軸
ヘッド１の旋回角度の割付が行われ、干渉有りの判定が
行われた場合は、工具２の向きが上記干渉回避用ベクト
ルに合致するような主軸ヘッド１の旋回角度の割付が行
われる。

これに伴って、この主軸ヘッド１の旋回による工具２の
位置補正量の演算が行われる（ステップS₇）。例えば、
工具２の刃先を第６図のように点Ａから点Ｂに移動させ
たい場合、そのまま主軸ヘッド１を移動させると、上記
旋回により工具２の刃先が点Ｂから逸脱して点Ｂ′に位
置することになるので、このような誤差を補正するため
の補正量を算出するのである。例えば点Ａを原点とし、
点Ｂの座標を（x₁,y₁）とすると、工具２の刃先が点Ａ
から点Ｂまで移動するために主軸ヘッド１がＸ軸方向お
よびＹ軸方向に移動しなければならない量X₁,Y₁は、旋
回角度をθｃ、旋回半径をＬとして次の式で表される。

X₁＝x₁−Δｘ Y₁＝y₁−Δｙ ただし、Δｘ＝L sinθｃ Δｙ＝Ｌ（１−cosθｃ） これらの式におけるΔx,Δｙが上記補正量に該当する。

次に、以上のようにして求められた主軸ヘッド１の並進
移動量および旋回角度の指令が各ブロックに割付けられ
るとともに（ステップS₈）、これらの情報を含む形にプ
ログラム情報の編集が行われる（ステップS₉）。その
後、各ブロックは実行指令の行える形に指令化され（ス
テップS₁₀）、位置決めパルス分配回路17によってパル
ス信号の分配が行われるとともに（ステップS₁₁）、こ
の信号がサーボアンプ18によって主軸ヘッド１の送り速
度に対応する値まで増幅される（ステップS₁₂）。この
信号が各サーボモータ19に入力され、サーボモータ19が
駆動される（ステップS₁₃）ことにより、主軸ヘッド１
は被加工物６に対して所定の位置まで移動することとな
る（ステップS₁₄でYES）。

このような駆動制御を受けることにより、主軸ヘッド１
は、干渉が生じない区域では被加工物６に対してほぼ垂
直な基本姿勢を保ちながら被加工物６に対して並進移動
し、干渉判定区域においては、第５図（ｂ）のように常
に中心点Ｐを向いた状態で並進移動することにより、干
渉を回避しながら被加工物６の加工を行う。

従ってこの工作機械によれば、３軸制御用の比較的簡単
なプログラムを用いて、主軸ヘッド１と被加工物６との
干渉を自動的に回避しながら主軸ヘッド１の適正な駆動
制御を行うことができる。

しかも、この実施例のように主軸ヘッド１の基本姿勢と
して被加工物６に対して垂直となる姿勢を設定すれば、
被加工物６に対して押付けられることにより生ずる工具
２のたわみは小さくなり、このようなたわみに起因する
加工誤差を低減させることができる利点がある。

なお本発明では、この実施例に示されるような、基本姿
勢を演算するための基本演算部13aを必ずしも必要とせ
ず、少なくとも干渉回避演算部13bを備えておれば上記
効果を得ることができる。このように基本演算部13aを
備えていない場合、通常時には主軸ヘッド１および工具
２の向きが制御されず、これらは常に一方向を向くこと
になるため、例えば第７図（ａ）に示されるような山型
のコーナー部Ｂ′においても、主軸ヘッド１と被加工物
６との間に干渉が生ずる場合がある（同図Ｃ′点におけ
るベクトル 参照）。この場合には、被加工物６の内側に中心点Ｐ′
を設定し、常にこの中心点Ｐ′に向くように主軸ヘッド
１の角度を制御すれば、上記と同様に干渉を回避しなが
らコーナー回りを行うことができる。

また同実施例では、主軸ヘッド１が５軸に関して移動可
能な工作機械を３軸制御プログラムを用いて制御する場
合を示したが、本発明は、加工装置が少なくとも指定平
面上の２方向に並進移動可能で、その平面に垂直な軸回
りに旋回可能な工作機械であれば適用が可能である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明は、読取った加工プログラム中にお
ける加工装置の移動指令ブロックに基づいて、基本姿勢
にある加工装置が被加工物と干渉するか否かを判定する
干渉判定手段と、干渉すると判定された区域において干
渉回避可能となるような加工装置の向きを演算する演算
手段とを備え、この演算結果に基づき、上記干渉判定区
域における工具と被加工物との角度を制御するようにし
たものであるので、加工装置の並進移動に関するのみの
比較的簡単な低コストのプログラムに基づいて、上記加
工装置と被加工物との干渉を自動的に回避しながら、加
工装置の適正な駆動制御を行うことができる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における数値制御工作機械の
機能構成を示すブロック図、第２図は同工作機械の概略
正面図、第３図は同工作機械における主軸ヘッド付近の
斜視図、第４図は同工作機械の作用を示すフローチャー
ト、第５図（ａ）は同工作機械に与えられる移動指令ブ
ロックの始点および終点における法線ベクトルを示す説
明図、同図（ｂ）は同移動指令ブロックにおける実際の
工具の傾きを示す説明図、第６図は上記工作機械により
行われる演算の位置補正要領を示す説明図、第７図
（ａ）（ｂ）は他の実施例における工具の向きの制御を
説明するための説明図、第８図は従来の数値制御工作機
械における工具と被加工物との関係を示す説明図であ
る。 １……主軸ヘッド（加工装置）、3,4,5……加工送り装
置（駆動手段）、6,……被加工物、11……外部入力機
器、12……読取り部、13b……干渉回避演算部（演算手
段）、14……干渉判定部、15……制御部、19……サーボ
モータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被加工物を加工するための工具を有し、こ
   の工具と被加工物の面との角度が可変となるように構成
   された加工装置と、この加工装置を被加工物に対して相
   対的に移動させ、かつ上記角度を変化させる駆動手段と
   を備えるとともに、外部入力機器を介して入力される加
   工プログラムを読取る読取り手段と、この読取った加工
   プログラム中における上記加工装置の移動指令ブロック
   に基づいて、上記加工装置が被加工物に対して基本姿勢
   を保ちながら移動するように上記駆動手段の制御を行う
   制御手段とを備えた数値制御工作機械において、上記基
   本姿勢にある加工装置が被加工物に干渉するか否かを判
   定する干渉判定手段と、この干渉判定手段により干渉す
   ると判定された区域において干渉回避可能となるような
   加工装置の向きを演算する演算手段とを備え、この演算
   結果に基づいて上記干渉判定区域における加工装置の駆
   動制御を行うように上記制御手段を構成したことを特徴
   とする数値制御工作機械。