JP6879766B2

JP6879766B2 - 経路補正方法及び多軸加工機の制御装置

Info

Publication number: JP6879766B2
Application number: JP2017023394A
Authority: JP
Inventors: 明斉藤; 長谷川　雅信; 雅信長谷川; 岩崎　孝行; 孝行岩崎; 佐藤　隆太; 隆太佐藤; 正悟長谷川
Original assignee: IHI Corp; Kobe University NUC
Current assignee: IHI Corp; Kobe University NUC
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2037-02-10
Also published as: JP2018128986A

Description

本発明は、経路補正方法及び多軸加工機の制御装置に関するものである。

例えば、特許文献１には、ＮＣデータの各ブロックの指令位置（目標経路）に対応する実際の加工位置（予測経路）を求め、指令位置と加工位置との差を補正量としてＮＣデータを修正する補正方法が開示されている。この特許文献１の補正方法においては、加工位置と指令位置との誤差に基づいて、補正量を算出している。

特開２０１２−２５４５１７号公報

ところで、多軸加工機に設けられたモータの特性によって、例えば曲率の大きい形状となるように加工を行う場合に、モータが指示された出力に追従しきれず、指令位置と加工位置との間に誤差が発生する場合がある。このような場合に、特許文献１に記載された手法により補正を実施しても、例えば曲率の大きな曲線状の加工を行う場合等に、実際の加工経路が、指令された経路から大きく外れ、所望の形状に加工できない場合がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、より正確に多軸加工機の加工経路を補正することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための経路補正方法に係る第１の手段として、被加工物と接触する領域が曲面に設定されると共に長尺状の工具を複数の基準軸を基準として移動させることにより、上記被加工物を加工する経路補正方法であって、上記工具の先端よりも内側に設けられる基準点における予め記憶された予測経路と、上記被加工物を目標形状とするための上記基準点の目標経路との誤差に基づいて、上記工具の位置を補正する、という構成を採用する。

経路補正方法に係る第２の手段として、上記第１の手段において、上記工具は、エンドミルとされ、上記基準点は、上記工具の工具中心である、という構成を採用する。

経路補正方法に係る第３の手段として、上記第１または第２の手段において、上記予測経路は、予め上記工具の運動軌跡を測定することにより算出される、という構成を採用する。

経路補正方法に係る第４の手段として、上記第１または第２の手段において、上記予測経路は、予め上記工具の運動軌跡をシミュレーションすることにより算出される、という構成を採用する。

多軸加工機の制御装置に係る第１の手段として、被加工物と接触する領域が曲面に設定されると共に長尺状の工具を複数の基準軸を基準として移動させることにより、上記被加工物を加工する多軸加工機の制御装置であって、上記工具の先端よりも内側に設けられる基準点の運動軌跡の予測経路をシミュレーションにより算出する予測経路算出手段と上記予測経路と上記被加工物を目標形状とするための上記基準点の目標経路との誤差に基づいて、上記工具の運動量を補正する補正手段とを備える、という構成を採用する。

本発明によれば、多軸加工機の工具の先端点よりも工具の内側に設けられる基準点に基づいて補正量を決定する。したがって、制御において、基準点の位置をより正確に把握することができ、より正確に多軸加工機の加工経路を補正することができる。

本発明の一実施形態における多軸加工機の模式図であり、（ａ）が全体図であり、（ｂ）が工具の拡大図である。本発明の一実施形態における制御装置のＸ軸、Ｙ軸及びＣ軸方向の制御ブロック図である。本発明の一実施形態における制御装置のＺ軸方向の制御ブロック図である。本発明の一実施形態における制御装置のＢ軸方向の制御ブロック図である。本発明の一実施形態における多軸加工機の工具の被加工物に対する動作を示す模式図である。本発明の一実施形態における制御装置の動作を示すフローチャートである。本発明の一実施形態における多軸加工機の工具目標経路の補正を示す模式図である。本発明の一実施形態における制御装置による補正の結果を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明における多軸加工機の制御装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

まず、本実施形態において制御装置１により制御される多軸加工機１００について説明する。なお、以下の説明においては、設置面に対して平行な一方向をＸ軸方向とし、設置面に対して平行かつＸ軸方向に垂直な方向をＹ軸方向とし、設置面に対して垂直な方向をＺ軸方向としている。また、Ｙ軸を中心として回転する方向をＢ軸方向、Ｚ軸を中心として回転する方向をＣ軸方向としている。

多軸加工機１００は、コラム１１０と、Ｙ軸ベース部１２０と、Ｚ軸ベース部１３０と、ヘッド部１４０と、テーブル部１５０と、旋回機構１６０とを備えている。

コラム１１０は、上部にＹ軸ベース部１２０が設置された直方体状の部材であり、下部にＹ軸方向に突出したレール載置領域を有している。このレール載置領域の上面には、Ｘ軸方向に沿って２本のＸ軸方向レール１１１が形成されている。Ｘ軸方向レール１１１上には、テーブル部１５０が設置されている。Ｘ軸方向レール１１１に沿ってテーブル部１５０が移動されることにより、テーブル部１５０がＸ軸方向に移動可能とされている。Ｙ軸ベース部１２０は、Ｚ軸に垂直な平板状であり、上面にＹ軸方向に沿って２本のＹ軸方向レール１２１が形成されている。Ｙ軸方向レール１２１上には、Ｚ軸ベース部１３０が設置されている。Ｙ軸方向レール１２１に沿ってＺ軸ベース部１３０が移動されることにより、Ｚ軸ベース部１３０がＹ軸方向に移動可能とされている。

Ｚ軸ベース部１３０は、Ｙ軸方向に沿って移動可能であると共に、Ｚ軸に沿う方向の平面に、Ｚ軸方向に沿って２本のＺ軸方向レール１３１が設けられている。また、Ｚ軸方向レール１３１上には、ヘッド部１４０が設置されている。Ｚ軸方向レール１３１に沿ってヘッド部１４０が移動されることにより、ヘッド部１４０がＸ軸方向に移動可能とされている。ヘッド部１４０は、Ｚ軸方向に移動可能とされ、Ｙ軸方向及びＺ軸方向下側に突出した刃物台１４１と、工具１４２を有している。

刃物台１４１は、下面に多軸加工機１００が備える工具１４２が取り付けられており、工具１４２を回転可能に保持している。工具１４２は、図１（ｂ）に示すように、回転軸Ｏ方向に長い長尺状であり、回転軸ＯがＺ軸に沿うように刃物台１４１に設置されている。工具１４２は、先端部が球面状のボールエンドミルとされ、先端部の球面状の領域における中心点が工具中心点Ｐ１（基準点）とされている。また、工具１４２において、刃物第１４１から最も回転軸Ｏ方向に突出した点が作用点Ｐ２とされている。

テーブル部１５０は、Ｘ軸方向に沿って移動可能とされ、Ｙ軸方向に向けて設けられる底部と、Ｚ軸方向に向けて立設される側壁部とを有し、Ｙ軸方向とＺ軸方向とに向けて略Ｌ字状に屈曲された部材である。テーブル部１５０は、側壁部に旋回機構１６０が設けられている。旋回機構１６０は、パレット１６１を有し、パレット１６１をＢ軸方向及びＣ軸方向に回転可能としている。パレット１６１は、被加工物Ｗが載置され、固定される部材である。

制御装置１は、多軸加工機１００の加工時における経路算出を行う装置であり、経路算出部１ａ（予測経路算出手段）と、経路補正部１ｂ（補正手段）とを備えている。制御装置１は、例えばコンピュータとされ、不図示の出力手段及び入力手段を備えるものとしてもよい。経路算出部１ａは、被加工物Ｗの目標形状から工具１４２の工具中心点Ｐ１が辿るべき目標経路を算出し、さらに、多軸加工機１００のサーボ系の特性を模擬したシミュレーションにより得られた位置および角度、または多軸加工機の各移動軸が備える位置または角度センサにより測定され記録された位置および角度から、工具中心点Ｐ１の予測される経路である予測経路を算出する。なお、目標経路及び予測経路は、複数の座標値の集合であり、それぞれテーブルとして制御装置１に記憶される。経路補正部１ｂは、目標経路と予測経路とを取得し、目標経路と予測経路との差分値を算出し、目標経路に対して当該差分値の符号を反転させて加算する。

経路補正部１ｂの各基準軸における制御構成について、図２〜４を参照して説明する。
各基準軸のうち、Ｘ軸、Ｙ軸及びＣ軸では、図２に示すように、Ｐコントローラａで指令値と積分器ｂの出力との差分値に比例演算処理を施し、ＰＩコントローラｃで当該Ｐコントローラａの出力と送り軸駆動部ｄの位置を示す制御量との差分値に比例積分処理を施している。また、Ｐコントローラａの出力に摩擦補償器ｅの出力を加算したものを操作量としてＰＩコントローラｃに供給する。なお、上記積分器ｂは上記制御量を所定の時定数で積分処理して出力するものであり、上記摩擦補償器ｅは、上記送り軸駆動部ｄにおける駆動摩擦に対応する補正係数を上記制御量に乗算して出力する。

また、Ｚ軸では、図３に示すように、Ｐコントローラａで指令値と積分器ｂの出力との差分値に比例演算処理を施し、ＰＩコントローラｃで当該Ｐコントローラａの出力と送り軸駆動部ｄの位置を示す制御量との差分値に比例積分処理を施している。さらに、ＰＩコントローラｃの出力に、重力による外乱力ｆを減算したものを操作量として送り軸駆動部ｄに供給する。また、Ｐコントローラａの出力に摩擦補償器ｅの出力を加算したものを操作量としてＰＩコントローラｃに供給する。なお、上記積分器ｂは上記制御量を所定の時定数で積分処理して出力するものであり、上記摩擦補償器ｅは、上記送り軸駆動部ｄにおける駆動摩擦に対応する補正係数を上記制御量に乗算して出力する。

また、Ｂ軸では、図４に示すように、Ｐコントローラａで指令値と積分器ｂの出力との差分値に比例演算処理を施し、ＰＩコントローラｃで当該Ｐコントローラａの出力と送り軸駆動部ｄの位置を示す制御量との差分値に比例積分処理を施している。さらに、ＰＩコントローラｃの出力に、重力による外乱トルクｇを減算したものを操作量として送り軸駆動部ｄに供給する。また、Ｐコントローラａの出力に摩擦補償器ｅの出力を加算したものを操作量としてＰＩコントローラｃに供給する。なお、上記積分器ｂは上記制御量を所定の時定数で積分処理して出力するものであり、上記摩擦補償器ｅは、上記送り軸駆動部ｄにおける駆動摩擦に対応する補正係数を上記制御量に乗算して出力する。

多軸加工機１００は、工具１４２をＹ軸方向及びＺ軸方向に移動可能であり、被加工物ＷをＸ軸方向、Ｂ軸方向及びＣ軸方向に移動可能である５軸加工機である。多軸加工機１００は、加工時において、図５に示すように、作用点Ｐ２が常に被加工物Ｗに接触しながら被加工物Ｗの周りを回る。この際、工具１４２及び被加工物Ｗは、工具１４２の回転軸Ｏが常に被加工物Ｗの法線方向となるように移動される。これにより、工具１４２は、常に曲面状の領域において被加工物Ｗと接触することとなる。

続いて、本実施形態における制御装置１の経路補正方法を図６を参照して説明する。

初めに、制御装置１は、目標経路を算出する（ステップＳ１）。ステップＳ１では、経路算出部１ａが、被加工物Ｗの目標形状を取得し、目標形状から、被加工物Ｗに対して工具１４２の工具中心点Ｐ１が辿るべき目標経路を算出する。さらに、制御装置１は、予測経路を算出する（ステップＳ２）。ステップＳ２では、経路算出部１ａが、数値計算シミュレーションにより、目標経路上に沿って工具１４２を移動させた場合の工具１４２の辿る経路を算出する。

次に、制御装置１は、目標経路と予測経路との差分を算出する（ステップＳ３）。ステップＳ３では、経路補正部１ｂが、工具中心点Ｐ１が辿ると予測される予測経路上の座標と、対応する目標経路上の座標との差分値を算出し、記憶する。さらに、制御装置１は、経路補正を実施する（ステップＳ４）。ステップＳ４では、図７に示すように、差分値の符号を反転させ、目標経路上の座標に加算した補正経路を算出し、算出した補正経路を新たな目標経路とし、新たな目標経路上の座標値を多軸加工機１００に出力する。なお、該差分値のベクトル方向は、図７における目標経路の法線方向と同一または略同一となる。

図８は、本実施形態に係る被加工物Ｗの目標形状と、補正を行わない場合、従来手法による補正を行った場合、および本発明による補正を行った場合における作用点（先端点）の運動軌跡を比較する図である。
被加工物Ｗの目標形状は、Ｙ軸方向に長く、Ｙ軸方向における中央領域においてＸ軸方向の厚みが最大となる扁平形状とされており、Ｙ軸方向の両端部が曲率の大きな曲線状とされている。また、被加工物Ｗは、Ｙ軸方向の一端よりも他端の曲率が大きく設定されている。

図８の（a）に示す補正を行わない場合では、被加工物ＷのＹ軸方向の端部では、破線で示す目標形状から内側に大きくずれている。そして、図８の（b）に示す従来手法による補正を行った場合の結果では、補正を行わない場合よりも破線で示す目標形状に近づいているものの、曲率が大きい側の端部では、工具と実際の加工経路の軌跡がなす角度が変化するため、誤差量が正しく算出できず、目標系上よりも形状が外側にずれている。これに対して、図８の（c）に示す本実施形態における補正形状は、工具と加工経路の軌跡とがなす角度が変化する影響を受けないため、図８における上端及び下端において目標形状と略同一となっている。

制御装置１に記憶された多軸加工機１００の加工プログラムであるＣＡＭ（computer aided manufacturing)において、設定上の工具の作用点は、工具位置情報であるＣＬデータに記され、上述した作用点Ｐ２とされている。実際の加工時には、加工経路の軌跡が運動誤差を持つことにより、工具１４２と加工経路の軌跡とがなす角度が、工具姿勢が同じ場合でも変化する。したがって、作用点Ｐ２を基準点として誤差補正を行う従来手法は、目標形状と加工経路の軌跡との誤差量を正しく算出できないという課題を有していた。本実施形態に係る制御装置１においては、工具１４２の先端よりも内側に設けられる基準点（工具中心点Ｐ１）に着目しており、工具１４２と加工経路の軌跡とがなす角度が変化しても、影響を受けずに正確に誤差を算出できる。

このような本実施形態における多軸加工機１００の制御装置１によれば、工具１４２の工具中心点Ｐ１の目標経路と予測経路との差分に基づいて補正経路を算出している。このため、運動誤差による軌跡の傾き等により加工プログラムにおいて設定された作用点Ｐ２の軌跡と実際に辿る作用点Ｐ２の軌跡とが異なっている場合においても、制御装置１は、多軸加工機１００の工具中心点Ｐ１の位置に基づいて誤差量を正確に算出し、補正を実施することができる。したがって、図８の結果に示すように、より正確に多軸加工機１００の加工経路を補正することができる。

また、本実施形態における制御装置１によれば、基準点が工具中心点Ｐ１とされている。工具中心点Ｐ１は、工具１４２の先端部における被加工物Ｗとの当接位置が変化した場合にも、いずれの当接位置に対しても等距離となる。したがって、工具１４２の当接姿勢によって基準点を変更することなく誤差を算出し、補正を行うことができる。

また、本実施形態における多軸加工機１００は、シミュレーションにより予測経路を算出する。したがって、実際に多軸加工機１００により加工することなく、容易に予測経路を算出することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

（１）上記実施形態においては、予測経路をシミュレーションにより算出するものとしたが、本発明はこれに限定されない。予測経路は、実際に多軸加工機１００を動かすことにより測定されるものとしてもよい。この場合、制御装置１は、多軸加工機１００の実際のサーボ系の特性を取得することができるため、より正確な補正を行うことができ、実機を使った結果においても、形状誤差がほぼ無くなる。

（２）上記実施形態においては、工具１４２がボールエンドミルとしたが、本発明はこれに限定されない。工具１４２としては、ラジアスエンドミル、スクエアエンドミルやバレル工具等とすることも可能である。なお、バレル工具の場合にも、基準点がバレル工具の先端よりも内側に設けられ、被加工物Ｗとの当接位置が側周面であるものとする。工具の形状（種類）は上記例示したものに特に限定されるものではなく、工具中心位置Ｐ１と作用点Ｐ２等を使って予め使用する工具の運動軌跡をシミュレーション可能あれば、本発明は適用可能である。

（３）また、上記実施形態においては、制御装置１が経路算出部１ａにより、予測経路を算出するものとしたが、制御装置１が予測経路を算出せず、別個のコンピュータ等により、予測経路を算出するものとしてもよい。

（４）また、上記実施形態における制御装置１は、多軸加工機１００に備えられるものとしてもよい。

（５）さらに、本実施形態においては、一例として、２次元における経路補正方法について説明したが、本発明は３次元的な経路補正においても適用可能である。

（６）また、上記実施形態においては、制御装置１は、工具中心点Ｐ１を基準点として用いるものとしたが、本発明はこれに限定されず、工具１４２において作用点Ｐ２よりも工具１４２の内側であれば、基準点の位置は限定されない。なお、工具中心点Ｐ１以外を基準点として用いる場合には、基準点と工具中心点Ｐ１との座標の差分を加算または減算することにより、工具中心点Ｐ１を基準点として用いる場合と同様に誤差を算出し、補正することができる。

１制御装置
１ａ経路算出部
１ｂ経路補正部
１００多軸加工機
１１０コラム
１１１Ｘ軸方向レール
１２０Ｙ軸ベース部
１２１Ｙ軸方向レール
１３０Ｚ軸ベース部
１３１Ｚ軸方向レール
１４０ヘッド部
１４１刃物台
１４２工具
１５０テーブル部
１６０旋回機構
１６１パレット
ａコントローラ
ｂ積分器
ｃコントローラ
ｄ軸駆動部
ｅ摩擦補償器
ｆ外乱力
ｇ外乱トルク
Ｏ回転軸
Ｐ１工具中心点
Ｐ２作用点
Ｗ被加工物

Claims

被加工物と接触する領域が曲面に設定されると共に長尺状の工具を複数の基準軸を基準として移動させることにより、前記被加工物を加工する経路補正方法であって、
前記工具の先端よりも内側に設けられる基準点における予め記憶された予測経路と、前記被加工物を目標形状とするための前記基準点の目標経路との誤差に基づいて、前記工具の位置を補正し、
前記基準軸の駆動摩擦に対応する補正係数を加味して前記基準軸を駆動する送り軸駆動部を制御し、
前記複数の基準軸のうち、前記被加工物の設置面に垂直な方向であるＺ軸については重力による外乱力をフィードフォワード補正して駆動するように前記送り軸駆動部を制御し、また前記設置面に平行な軸周り回転するＢ軸について前記外乱トルクをフィードバック補正して駆動するように前記送り軸駆動部を制御することを特徴とする経路補正方法。
前記工具は、エンドミルとされ、
前記基準点は、前記工具の工具中心であることを特徴とする請求項１記載の経路補正方法。
前記予測経路は、予め前記工具の運動軌跡を測定することにより算出されることを特徴とする請求項１または２記載の経路補正方法。
前記予測経路は、予め前記工具の運動軌跡をシミュレーションすることにより算出されることを特徴とする請求項１または２記載の経路補正方法。
被加工物と接触する領域が曲面に設定されると共に長尺状の工具を複数の基準軸を基準として移動させることにより、前記被加工物を加工する多軸加工機の制御装置であって、
前記工具の先端よりも内側に設けられる基準点の運動軌跡の予測経路をシミュレーションにより算出する予測経路算出手段と
前記予測経路と前記被加工物を目標形状とするための前記基準点の目標経路との誤差に基づいて、前記工具の位置を補正する補正手段とを備え、
前記補正手段は、前記基準軸の駆動摩擦に対応する補正係数を加味して前記基準軸を駆動する送り軸駆動部を制御し、前記複数の基準軸のうち、前記被加工物の設置面に垂直な方向であるＺ軸については重力による外乱力をフィードフォワード補正して駆動するように前記送り軸駆動部を制御し、また前記設置面に平行な軸周り回転するＢ軸については前記外乱トルクをフィードバック補正して駆動するように前記送り軸駆動部を制御することを特徴とする多軸加工機の制御装置。