JPH04336943A - ならい制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はトレーサヘッドがカッタ
による加工に先行してモデルをならう場合に、コーナ部
でカッタ通路をトレーサヘッドの通路に対して変更する
ようにしたならい制御装置に関し、特にスケーリング機
能を付加してモデル形状を伸長し、あるいは収縮した加
工を可能にしたならい制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のならい制御装置では、ならい工作
機械のカッタ（工具）軸がトレーサヘッドと機械的に一
体に結合されていることを前提にして、ならい制御を行
っていた。すなわち、ならい制御装置はスタイラスに加
わる各軸の変位量をトレーサヘッドにより検出し、この
変位量を用いてならい演算回路において各軸の速度指令
を演算する。そして、この速度指令により各軸のモータ
を駆動してカッタをワークに対して相対的に移動させる
と共に、同速度でトレーサヘッドをモデル面に沿って移
動させる。これら動作を繰り返して、モデルの形状と同
形の加工をワークに施すならい制御が実行される。

【０００３】このように、従来のならい制御装置でなら
い速度指令値によりカッタ等の工具とワークとを相対移
動させる場合には、トレーサヘッドと工具とは形成され
た送り軸駆動指令で一体に同時駆動され、特に、カッタ
軸に対してトレーサヘッドを先行させるような機能を有
していなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、トレーサヘッ
ドの先端に設けたスタイラスでモデルをならう場合に、
スタイラスがモデルのコーナ部等に突き当たると、一時
的にトレーサヘッドがモデルに食い込んだ状態と等価に
なる。トレーサヘッドの駆動部を構成するサーボ系の遅
れ、機械の慣性等の影響等によりトレーサヘッドが行き
過ぎようとするからである。

【０００５】この結果、カッタもトレーサヘッドと同じ
量だけワークに食い込み、コーナ部での加工精度が低下
する。そこで、発明者は先にトレーサヘッドに対して工
具を一定時間遅らせて同一の経路でならいを行えるなら
い制御装置を提案し、出願している（整理番号ＦＡＰ１
１２１、提出日平成３年２月５日）。

【０００６】上記提案によれば、工作機械の各軸上の、
それぞれ送り軸に重畳する補助軸を設け、補助軸制御手
段によってトレーサヘッドを工具軸に先行させて、モデ
ルをならわせる。これによってモデルのコーナ部などの
形状急変部分におけるトレーサヘッドの食い込みを検出
して、工具によるならい加工におけるコーナ部での食い
込みを未然に防止することができる。

【０００７】上記提案のならい制御装置では形状急変部
分の検出は可能であるが、単にトレーサヘッドの通路を
、ある量だけ遅れてカッタが追従するだけであれば、食
い込みは防止できない。そこで、工具による連続したな
らい加工を実行しようとすれば、工具通路をモデルの形
状急変部分で変更し、トレーサヘッドの経路と異ならせ
る必要があった。

【０００８】また、ワークが膨張率の大きな金属である
場合には、工具による切削時の熱膨張などによって、な
らいモデルに対して実際に加工された金型の大きさが異
なってくることがある。そこで、たとえば予め多少拡大
したモデル形状をトレーサヘッドでならうことによって
、ワークを切削して本来の必要とする金型を得る方法が
従来から行われていた。しかし、このような方法はモデ
ルの作成に多大な労力を必要とする点で問題があった。

【０００９】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、トレーサヘッドに対して工具を一定時間遅ら
せて、スケーリング加工を行い、しかも補助軸に対する
補正指令によってワークへの工具の食い込みを確実に回
避できるならい制御装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、トレーサヘッドで検出された変位量をな
らい演算して工具各軸のならい速度指令値を求め、これ
らならい速度指令値により前記工具とワークとを相対移
動させる送り軸駆動指令を形成するならい制御装置にお
いて、前記送り軸に重畳して設けられた補助軸を制御し
て、前記送り軸に平行して前記トレーサヘッドをモデル
に対して相対移動させる補助軸制御手段と、前記トレー
サヘッドが受ける変位量を監視して、設定されたしきい
値を越える変位量が検出された時点で前記送り軸駆動指
令に対する補正指令値を決定する補正演算手段と、前記
補正指令値に基づいて補正された送り軸駆動指令の値を
定数（Ｎ）倍するとともに、一定時間（Ｔ）だけ遅延し
て出力する指令出力手段と、前記指令出力手段が出力す
る送り軸駆動指令の値を前記ならい速度指令値から減算
して、前記補助軸制御手段への速度指令を出力する減算
手段と、を有することを特徴とするならい制御装置が提
供される。

【００１１】

【作用】工具の各軸毎に、トレーサヘッドがそれぞれ送
り軸に重畳する補助軸を有し、補助軸制御手段によって
トレーサヘッドを制御しているから、トレーサヘッドは
工具軸と独立して駆動される。補正演算手段は、トレー
サヘッドが受ける変位量を監視し、設定されたしきい値
を越える変位量が検出された時点で、送り軸駆動指令に
対する補正指令値を決定する。ならい速度指令値は補正
指令値に基づいて補正され、かつ、工作機械の各軸に対
して一定時間Ｔだけ遅延してＮ倍のスケーリングされた
値で出力される。補助軸制御手段には、ならい速度指令
値から送り軸駆動指令を減算した速度指令値が与えられ
る。その結果、トレーサヘッドを工具軸に先行させてモ
デルをならわせ、モデル形状をＮ倍に伸長し、あるいは
収縮した加工をワークに施すとともに、モデルのコーナ
部ではトレーサヘッドの食い込みを検出して、補正され
た通路指令を工具に与え、コーナ部での食い込みを未然
に防止することができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１はならい制御装置の主要な制御要素を示す
ブロック図である。図では工具をならい制御する３軸の
内のＸ軸に対応する部分の構成のみが示されているが、
例えばＹ軸、あるいはＺ軸の制御要素も、同様に構成さ
れる。

【００１３】Ｘ軸方向のならい速度指令値Ｖｘは、トレ
ーサヘッドで検出された変位量をならい演算して、一定
の演算周期で求められる。このならい速度指令値Ｖｘは
、合成回路２を介して、送り軸駆動指令Ｖｘ（ｔ）とし
てＮ倍回路１ａに入力されている。このＮ倍回路１ａは
、ディレイバッファ機能を持つ、いわゆる先入れ先出し
の記憶手段であるＦＩＦＯメモリ１ｂとともに、送り軸
駆動指令の指令出力手段を構成している。

【００１４】ならい速度指令値Ｖｘは、Ｎ倍されて入力
された順に、このＦＩＦＯメモリ１ｂで複数の送り軸駆
動指令データＮＶｘ（ｔ）として記憶される。これらの
送り軸駆動指令データは、メモリ１ｂの記憶容量があふ
れた時点で最初に入力されたデータから順に、一定時間
Ｔだけ遅延した送り軸駆動指令データＮＶｘ（ｔ＋Ｔ）
として出力される。なお、このＮ倍回路１ａの定数Ｎと
ＦＩＦＯメモリ１ｂによる遅延時間Ｔは、ワークの種類
やトレーサヘッドが工具に対して先行するべき距離に応
じて、外部からの設定信号により自由に設定される。

【００１５】上記ならい速度指令値Ｖｘは更に、減算回
路３に加算信号として入力されている。この減算回路３
では、ならい速度指令値Ｖｘから上記ＦＩＦＯメモリ１
ｂで遅延して出力された送り軸駆動指令データＮＶｘ（
ｔ＋Ｔ）を減算している。この減算回路３の減算結果は
、更に補正用の演算回路４で補正され、Ｘ軸サブモータ
（Ｘｓ）３７への速度指令値として出力される。

【００１６】このように、分配演算された各軸のならい
速度指令値Ｖｘ等をカッタ側に出力する際に、Ｎ倍回路
１ａとＦＩＦＯメモリ１ｂから構成される指令出力手段
によって、Ｎ倍にスケーリングされた送り軸駆動指令が
必要な時間だけ遅延されてメインモータ３６に出力され
る。すなわち、Ｎ倍回路１ａでカッタの移動量をモデル
形状に対してＮ倍に伸長し、あるいは収縮した加工を可
能にし、更にＦＩＦＯメモリ１ｂにおいて一定時間記憶
されることにより、必要時間だけ遅延されたＸ軸駆動指
令ＮＶｘ（ｔ＋Ｔ）として、Ｘ軸メインモータ（Ｘｍ）
３６に出力される。

【００１７】なおトレーサヘッドとモデルとの相対移動
は、メインモータ３６の動きに重畳して制御するサブモ
ータ３７によって、ならい速度指令値Ｖｘと等価に制御
される。すなわち、メインモータ３６による移動量は、
ＦＩＦＯメモリ１ｂから出力される送り軸駆動指令デー
タＮＶｘ（ｔ＋Ｔ）によって決定され、サブモータ３７
による移動量は、Ｖｘ（ｔ）−ＮＶｘ（ｔ＋Ｔ）によっ
て決定される。したがって、モデルからみたトレーサヘ
ッドの相対的な移動量はＶｘ（ｔ）となる。これによっ
て、サブモータ３７はトレーサヘッドをカッタの動きに
先行しつつ、モデルからみたトレーサヘッドの移動軌跡
がならい速度指令値Ｖｘによる移動軌跡に正確に一致す
る。

【００１８】ところで合成回路２には、補正演算回路５
からモデルの形状急変部分に対応した補正指令値ＶｘＣ
が指令され、ならい速度指令値Ｖｘと合成される。この
補正指令値ＶｘＣに基づいて補正された送り軸駆動指令
Ｖｘ（ｔ）がＮ倍回路１ａに入力される。この補正演算
回路５には、外部からしきい値εｔが設定され、かつト
レーサヘッドが受ける変位量εｉが所定の演算周期毎に
入力されている。後に説明するように、この補正演算回
路５では、各軸毎の変位ベクトルεｘ，εｙ，εｚと、
これら変位ベクトルεｘ，εｙ，εｚから決定される合
成変位量εに基づいて、トレーサヘッドが受ける変位量
εｉを監視し、補正演算回路５に設定されたしきい値ε
ｔを越える変位量εｉが検出された時点で、送り軸駆動
指令Ｖｘ（ｔ）に対する補正指令値ＶｘＣが入力される
。その結果、ならい速度指令値Ｖｘと補正指令値ＶｘＣ
とを合成した大きさのＸ軸駆動指令が決定される。

【００１９】こうして、形状急変部分を検出した場合に
は、メインモータ３６は単にトレーサヘッドの通路をあ
る量だけ遅れて工具が追従するように制御するだけでな
く、食い込みを防止すべく補正指令値ＶｘＣを決定して
、ワークへの工具の食い込みを回避しつつ連続したなら
い加工を可能にするものである。更に、上記補正指令値
ＶｘＣによってＸ軸の駆動量がならい速度指令値Ｖｘか
ら変動する等の原因で、一時的にトレーサヘッドとカッ
タの移動軌跡が一致しなくなる。そこで、例えばトレー
サヘッドが現実に工具に対して先行している距離（実先
行量Ｌａ）に基づいて、Ｘ軸サブモータ３７への速度指
令値を補正する信号を形成し、補正用の演算回路４に入
力するようにしている。

【００２０】この点について、さらに図１における先行
量の補正に対応する構成について説明する。演算回路６
は、ならい速度指令値Ｖｘから上記ＦＩＦＯメモリ１ｂ
で遅延された送り軸駆動指令データＮＶｘ（ｔ＋Ｔ）を
減算するものであって、上記減算回路３に対応している
。減算結果は速度指令から位置指令に変換された後に、
指令先行量（理論先行量）Ｌとしてレジスタ回路７に入
力される。このレジスタ回路７に格納されるデータは、
カッタの動きに先行すべきトレーサヘッドに対してなら
い制御装置から指令される指令先行量Ｌの現在値を示す
ものである。他方、トレーサヘッドの実先行量Ｌａは、
各軸毎のサブモータからフィードバックされる帰還信号
としてレジスタ回路８に格納される。これら２つのレジ
スタ回路７，８の出力は、演算回路９において比較され
る。即ち、演算回路９には減算信号として指令先行量Ｌ
が、加算信号として実先行量Ｌａが入力され、Ｘ軸サブ
モータ３７の補正信号がＬとＬａの差分として演算回路
９で演算される。この演算回路９の出力（Ｌ−Ｌａ）は
、定数回路１０で所定のゲインＧを乗じて、上記補正用
の演算回路４の減算信号とされる。

【００２１】なお、先行量がスケーリングにより増減す
るため、先行量、即ち遅延時間Ｔの設定に際しては倍率
Ｎを考慮する必要もある。拡大あるいは縮小の割合を考
慮する必要が生じる場合は、ＦＩＦＯメモリ１ｂから出
力される送り軸駆動指令データＮＶｘ（ｔ＋Ｔ）の値を
、１／Ｎ倍してから演算回路６に入力する。

【００２２】このように本発明のならい制御装置では、
モデルを先行してならってそのＮ倍の大きさでワークを
加工できる。しかも、その際に実先行量Ｌａを常に指令
先行量Ｌに合わせるように、各軸毎の先行量に対してフ
ィードバック制御が掛けられるため、モデル形状に基づ
く指令速度の変動があっても、常にトレーサヘッドとカ
ッタの移動軌跡が一致するように制御できる。なお、指
令出力手段を構成するＮ倍回路１ａとＦＩＦＯメモリ１
ｂとの接続関係を入れ換えて、ＦＩＦＯメモリ１ｂの出
力をＮ倍回路１ａによって伸長し、あるいは収縮するよ
うにしても良い。

【００２３】図２は、上記補正演算回路５に入力される
トレーサヘッドの変位量εｉと、補正指令値ＶｘＣによ
って補正されたＸ軸駆動指令ＶｘＢ（或いはＺ軸駆動指
令ＶｚＢ）との関係を説明する図である。以下の説明で
は、Ｘ軸駆動指令ＶｘＢを送り軸駆動指令データＮＶｘ
（ｔ＋Ｔ）とみなし、そのＮを１に想定している。同図
の（ａ）は、Ｘ−Ｚ平面での内角の輪郭ならいの場合の
、工具３４に先行するトレーサヘッド３２の食い込みを
説明する図である。コーナ部でのトレーサヘッド３２の
動作では、まずＸ軸方向の変位が増大し、遅れてＺ軸方
向の変位が減少する。一般に変位の方向はＸ，Ｙ，Ｚの
３軸について発生するので、トレーサヘッド３２の各軸
毎の変位ベクトルεｘ，εｙ，εｚから合成変位量εを
ε２　＝εｘ２　＋εｙ２　＋εｚ２となるように決定
している。そして、しきい値εｔからの差分（ε−εｔ
）が誤差変位Δεｉとして所定演算周期毎に補正演算回
路５で演算される。

【００２４】同図の（ｂ）には、時間軸に対してトレー
サヘッド３２の位置Ｘ２における合成変位量εｉの変化
が示されている。時刻ｔ１でしきい値εｔを越える変位
量εｉが入力されると、補正演算回路５では補正指令値
ＶｘＣｉ，ＶｚＣｉが次式に基づいて決定される。 　　ＶｘＣｉ＝ＶＣｉ×ｃｏｓθ−ＶＮ×ｃｏｓθ　　
　　　　　　　　　　．．．（１）　　ＶｚＣｉ＝ＶＣ
ｉ×ｓｉｎθ−ＶＮ×ｓｉｎθ　　　　　　　　　　　
　．．．（２）

【００２５】ここで、ＶＣｉは誤差変位
Δεｉを１演算周期ｓで除算した値であり、誤差変位を
１演算周期でキャンセルするために必要な補正距離に相
当する。ＶＮは、ならい演算におけるモデル法線方向の
補正速度成分に、θはならい方向角度にそれぞれ相当す
る値である。

【００２６】同図の（ｃ）は、トレーサヘッド３２が位
置Ｘ２にあるとき、工具３４の補正指令値ＶｘＣによっ
て補正されたＸ軸駆動指令ＶｘＢを示している。Ｘ軸駆
動指令ＶｘＢは、一旦ＦＩＦＯメモリ１ｂに記憶され、
一定時間ΔＴだけ遅れて出力されるから、トレーサヘッ
ド３２の先行するべき距離を自由に設定しておけば、Ｘ
−Ｚ平面での工具３４のワークに対する食い込みを確実
に防止できる。

【００２７】図３には、Ｘ−Ｚ平面でのカッタ通路、ト
レーサヘッドの通路及び補正速度の関係の一例を示す。 座標点Ｐでしきい値εｔを越えるトレーサヘッドの変位
量εｉが検出されたとすると、トレーサヘッドはならい
演算で決定される速度成分Ｖｘｉ，Ｖｚｉで移動され、
誤差変位Δεｉに応じて決定される補正指令値の差分Ｖ
ｘＣ（ｉ）−ＶｘＣ（ｉ−１），ＶｚＣ（ｉ）−ＶｚＣ
（ｉ−１）をならい速度指令値Ｖｘ（ｉ−１），Ｖｚ（
ｉ−１）にそれぞれ加算した補正速度が、各軸駆動指令
ＶｘＢｉ，ＶｚＢｉとしてＦＩＦＯメモリ１ｂに格納さ
れる。ＦＩＦＯメモリ１ｂが例えば１０演算周期だけ遅
れて各軸駆動指令ＶｘＢｉ，ＶｚＢｉをメインモータ３
６に出力するとすれば、カッタ通路はその分だけ遅れて
座標点Ｐに到達し、その後に補正された各軸駆動指令Ｖ
ｘＢｉ，ＶｚＢｉに応じて決定されるカッタ通路をなら
うことになる。

【００２８】図４は本発明のならい制御装置及びならい
工作機械の全体の構成を示すブロック図である。図にお
いて、ならい制御装置２０はならい演算や上述した各種
の演算を実行するＣＰＵ１１、制御プログラムを記憶す
るＲＯＭ１２、上記レジスタ回路７，８等の記憶手段に
対応するＲＡＭ１３、及び不揮発性メモリ１４を有して
いる。不揮発性メモリ１４は図示されていないバッテリ
でバックアップされており、操作パネル２１より入力さ
れたならい方向やならい速度等に関する各種のパラメー
タが格納されている。

【００２９】サーボアンプ２２，２３はならい制御装置
２０から指令される送り軸駆動指令を受け、Ｘ軸，Ｚ軸
等のメインモータを駆動する。また、サーボアンプ２４
，２５はならい制御装置２０から指令される補助軸駆動
指令を受け、Ｘ軸，Ｚ軸等のサブモータを駆動する。 ならい工作機械３０は、三次元のならい加工を可能とす
るために、図示しないＹ軸も含めた３軸それぞれについ
て、送り軸に対して平行に重畳して補助軸が設けられて
いる。そして、ならい工作機械３０側のトレーサヘッド
３１は、その先端のスタイラス３２がモデル３３に接触
することにより生じるＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸方向の各変位
量εｘ，εｙ及びεｚを検出し、ならい制御装置２０に
入力している。

【００３０】カッタ３４はコラム３５に取りつけられ、
コラム３５はメインモータ３６ｚｍによってＺ軸方向に
移動される。また、コラム３５にはサブモータ３７ｚｓ
及び３７ｘｓが装着されており、これらのサブモータ３
７ｚｓ及び３７ｘｓによって、コラム３５の移動に重畳
してトレーサヘッド３１はさらにＺ軸方向及びＸ軸方向
に移動する。ワーク３８はモデル３３とともにテーブル
３９上に固定されており、テーブル３９はメインモータ
３６ｘｍによってＸ軸方向に移動される。

【００３１】そして、メインモータ３６ｘｍ及び３６ｚ
ｍは一定時間Ｔだけ遅延してＮ倍のスケーリングされた
値の送り軸駆動指令Ｖｘｍ及びＶｚｍに従って回転され
る。又、サブモータ３７ｘｓ及び３７ｚｓは、送り軸駆
動指令Ｖｘｍ，Ｖｚｍとは異なる速度指令値Ｖｘｓ及び
Ｖｚｓとして、ならい速度指令値から送り軸駆動指令を
減算した速度指令値に従って回転する。

【００３２】上記構成のならい工作機械３０では、なら
い制御装置２０によってトレーサヘッド３１が通過した
経路をＮ倍し、モデル形状に相似の軌跡に沿ってカッタ
３４が一定時間遅れて通過する。即ち、カッタ３４に先
行してトレーサヘッド３１がモデル３３をならっており
、そのために、前述した図２に示すようなコーナ部ＣＮ
でトレーサヘッド３１が食い込み状態になったとき、カ
ッタ３４による切削の経路が補正される。そして、この
ような先行検出ならいに対して、ワークの熱膨張等を見
込んだスケーリング機能を付加することができる。した
がって、トレーサヘッドに対して工具を一定時間遅らせ
てスケーリング加工を行う場合も、カッタ３４を停止さ
せることなく、ワーク３８に対する食い込んだ切削がな
されないように経路補正できる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、補助軸
を設けてトレーサヘッドを工具軸と独立して駆動し、ワ
ークが膨張率の大きな金属である場合にも、工具による
切削時の熱膨張などの影響を排除して、精度の良いなら
い制御が実現される。また、制御上で工具の移動を遅ら
せることにより、見掛け上トレーサヘッドを工具に先行
してならい速度指令値で移動させ、工具の食い込みを確
実に回避できる。しかも、工具通路をモデルの形状急変
部分で変更することで、ワークに対する連続したならい
加工を実行できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のならい制御装置の主要な制御要素を示
すブロック図である。

【図２】トレーサヘッドの変位量εｉと補正されたＸ軸
駆動指令ＶｘＢとの関係を説明する図である。

【図３】カッタ通路、トレーサヘッドの通路及び補正速
度の関係の一例を示すＸ−Ｚ平面図である。

【図４】本発明のならい制御装置及びならい工作機械の
全体の構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ａ　　Ｎ倍回路 １ｂ　　ＦＩＦＯメモリ ２　　合成回路 ３　　減算回路 ４　　補正用の演算回路 ５　　補正演算回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　トレーサヘッドで検出された変位量を
   ならい演算して工具各軸のならい速度指令値を求め、こ
   れらならい速度指令値により前記工具とワークとを相対
   移動させる送り軸駆動指令を形成するならい制御装置に
   おいて、前記送り軸に重畳して設けられた補助軸を制御
   して、前記送り軸に平行して前記トレーサヘッドをモデ
   ルに対して相対移動させる補助軸制御手段と、前記トレ
   ーサヘッドが受ける変位量を監視して、設定されたしき
   い値を越える変位量が検出された時点で前記送り軸駆動
   指令に対する補正指令値を決定する補正演算手段と、前
   記補正指令値に基づいて補正された送り軸駆動指令の値
   を定数（Ｎ）倍するとともに、一定時間（Ｔ）だけ遅延
   して出力する指令出力手段と、前記指令出力手段が出力
   する送り軸駆動指令の値を前記ならい速度指令値から減
   算して、前記補助軸制御手段への速度指令を出力する減
   算手段と、を有することを特徴とするならい制御装置。
2. 【請求項２】　　前記指令出力手段の定数Ｎ及びその遅
   延時間Ｔを適宜に設定して、前記トレーサヘッドの前記
   工具に対する先行量を決定することを特徴とする請求項
   １記載のならい制御装置。