WO1991018335A1 - Systeme determinant un cylindre par interpolation - Google Patents

Description

明 細 書 円筒補間方式 技 術 分 野

本発明は数値制御装置における円筒状のヮ一クの円筒面を 加工するための円筒補間に関し、 特に工具切削面が円筒面に 対して常に垂直になるように制御する円筒補間方式に関する。 背 景 技 術

マシニングセンタ等で、 エン ド ミ ルを使用して、 円筒状の ワークに複雑な溝加工を行うときには円筒軸 （ Z ) と、 回転 軸 （C ) を制御して加工を行う。 このような加工で、 加工プ πグラムを簡単に作成するために、 円筒補間方式が広く採用 されている。

第 9図は円筒補間方式を説明するための図である。 ここで、 円筒面を仮想平面 2 aに展開し、 Z軸と、 仮想直線軸 C yと で仮想直交座標系を構成する。 この座標系は通常の平面座標 系と同じであり、 この直交座標系で工具 1の通路をプログラ ムょり求める。 加工形状は円筒座標系でプログラムされてい るので、 仮想直交座標系に変換する。 このような直交座標系 で Z軸と C y軸を補間後に、 C y軸の移動量を、 ワーク 2の 回転軸 （C軸） 6の回転量に逆変換 （直交座標から円筒座標 系に） して、 C軸を制御する。 このような円筒補間方式によ つて、 複雑な溝加工プログラムが簡単に作成できる。 しかし、 従来の円筒補間方式においては、 工具の切削面が 円筒面に対して垂直ではない。 第 1 0図は従来の円筒補間で の溝加工における工具とワークの関係を示す図である。 すわ なち、 工具軸 1 aがワーク 2の円筒面に垂直になるように制 御されている。 従って、 工具切削面 5は、 ワーク 2の円筒面 に垂直な線 3と一定の角度を有する。 この結果、 斜線 4で示 す部分が余分に切削されることとなり、 所望の加工を行うこ とができなかった。

発 明 の 開 示

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、 工具 の中心から工具の切削点 （工具接点） までのべク ト ルである 工具接点べク トルから、 工具切削面が円筒面に垂直になるよ うに工具位置を補正する円筒補間方式を提供することを目的 とする。

本発明では上記課題を解決するために、

円筒状のヮ一クの円筒面を加工するための円筒補間方式に おいて、 円筒軸と、 前記円筒面を展開した仮想直線軸で構成 される仮想平面上で、 工具径オフセ ッ トべク トルを演算して、 工具の中心通路を求める工具径補正手段と、 前記工具の中心 通路を補間して、 前記仮想直線軸の第 1の補間パルスと、 前 記円筒軸の第 2の補間パルスを出力する補間手段と、 前記第 1の補間パルスを回転軸の第 3の補間パルスに変換するパル ス変換手段と、 前記工具径オフセ ッ トべク トルから工具接点 べク ト ルの前記仮想直線軸方向の補正成分を計算する補正成 分計算手段と前記補正成分を補間して、 前記回転軸の第 1の 補正パルスと、 前記円筒軸に垂直な軸方向の第 2の補正パル スを出力する補正成分補間手段と、 前記第 3の補間パルスと、 前記第 1の補正パルスを回転軸の出力パルスとする加算器と、 を有することを特徴とする円筒補間方式が、 提供される。

工具径補正手段は、 仮想直交座標上で指令された加工形状 に対する工具径オ フセ ッ トべク ト ルを演算して工具の中心通 路を求める。 補間手段はこの中心通路を補間して、 仮想直線 軸の第 1の補間パルスと、 円筒軸の第 2の補間パルスを出力 する。 仮想直交座標を円筒座標に逆変換するために第 1の補 間パルスは回転軸を回転させる第 3のパルスにパルス変換手 段で変換される。

一方、 補正成分計算手段は工具接点べク ト ルの仮想直線軸 方向の補正成分を求める。 補正成分補間手段はこの補正成分 だけ工具位置を移動させると同時にワークを回転させる。

これによつて、 工具切削面が常にヮ一クの回転中心軸の真 上にく るように制御され、 加工側面がワークの円筒面に対し て垂直になる。 図 面 の 簡 単 な 説 明

第 1図は本発明の円筒補間方式の各手段のブ ッ ク図、 第 2図 （ a ) 及び第 2図 （ b ) は本発明の円筒補間方式に おける工具位置補正概念を説明するための図、

第 3図及び第 4図は本発明の原理を説明する図、

第 5図は工具接点べク ト ルと Y軸方向の工具位置補正量の 関係を示す平面図、

第 6図は円弧補間時の工具接点べク トルの変化を示す図、 第 7図は工具中心の移動軌跡と工具接点べク トルの関係を 示す図、

第 8図は本発明を実施するための数値制御装置 （C N C) のハードウエアのブロ ック図、

第 9図は円筒補間方式を説明するための図、

第 1 0図は従来の円筒補間方式での溝加工における工具と ワークの闋係を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第 2図 （ a ) 及び第 2図 （ b ) は本発明の円筒補間方式に おける工具位置補正の概念を説明するための図である。 第 2 図 （ a ) は加工通路を仮想平面に展開したものである。 ここ で、 加工通路は点 P 1を出発し、 P a 2、 P a 3、 P a 4、 P a 5、 を通り P a 6で終わる。

第 2図 （ b ) は第 2図 （ a ) の直線 P a 2、 P a 3を加工 中の場合の工具位置補正を説明するためのものである。 工具 1の工具切削面 5が、 ワーク 2の円筒面の垂線と一致するた めには、 工具軸 1 aを工具半径 rだけ移動させて、 工具切削 面 5がワーク 2の回転中心軸の真上の点 Pに一致するように すればよい。 しかし、 工具 1のみを移動させると、 ワークと 工具の位置関係が変化してしまうので、 単純に工具のみを移 動させることはできない。 第 3図及び第 4図は本発明の原理を説明する図である。 第 3図では、 工具切削面の点 Pが、 ワーク 2の回転中心軸 6の 真上の線 7上にある。 次に、 点 Qが工具切削面の点となると き、 点 Qを線 7上に移動させる必要があるが、 そのまま工具 を Y軸方向に移動させると、 ワーク 2の円筒面 2 a と、 工具 1の相対的な位置関係がずれる。 これを避けるために、 工具 1を Y軸方向に移動させると同時に、 ワーク 2を回転中心軸 6の回りに角度 だけ回転させればよい。 第 4図は、 工具 1 を Y軸方向に移動させ、 同時にワーク 2を角度 ^だけ回転さ せた状態を示している。 すなわち、 ワーク 2の回転中心軸 6 の真上の線は線 7から線 8に変化している。 なお、 角度 は 以下の式から求められる。

Θ = ( V c y Z R ) * ( 1 8 ΰ / π ) ( 1 )

ここで、 V c yは工具 1の Υ軸方向の移動量、 Rはワーク 2 の半径である。

第 5図は工具と工具接点べク トルの関係を示す平面図であ る。 すなわち、 第 3図に示すように、 工具接点は最初 Ρであ り次の加工のために工具接点を点 iに移す。 すなわち、 工具 1の中心 0からみて、 最初工具接点べク トルは V aであり、 次に V bとなる。 すなわち、 工具接点べク トルを V aから、 V bに変化させる。 この結果、 工具接点べク トル V a と V b の仮想直線軸 C y方向の差分 V c yを求め、 V c yだけ工具 1を Y軸方向に移動させ、 同時にこれに対応する角度 だけ ワーク 2を回転.させれば、 ヮ一ク 2の円筒面 2 aと工具 1の 相対的な位置関係を保ったまま、 工具接点 Qを回転中心軸 6 の真上に移動させることができることが分かる。

一般に工具接点べク トルが回転するのは工具オフセッ トべ ク トルが変化するときである。 すなわち、 工具オフセッ トべ ク ト ルと工具接点べク ト ルは大きさが同じで、 その方向が逆 になっている。 従って、 直線補間のときは、 工具オフセッ ト べク ト ルはブロ ック間で変化するので、 工具接点べク ト ルの 回転もブロ ック間で処理すればよい。 また、 円弧補間のとき' は、 工具オフセッ トべク トルはパルス分配と共に変化してい く。 従って、 パルス分配に従って、 工具接点べク ト ルも変化 する。 すなわち、 円弧補間と同時に、 工具 1を Y軸方向に移 動させ、 ワーク 2を回転させる必要がある。

第 6図は円弧補間時の工具接点べク トルの変化を示す図で ある。 現在工具接点が点 P C 0にあり、 工具接点ベク トルが V C 0 とする。 次に点 P C 1 に円弧補間 （直線近似による補 間） で進むとすると、 工具接点べク トルは V C 0から、 V C 1に変化する。 従って、 この工具接点べク ト ルの変化分の C y軸成分だけ工具 1を Y軸方向に移動し、 ワーク 2を C y軸 成分に対応する分回転させればよい。 以下工具接点が P C 2、 P C 3、 P C nと移動していく ときも同様に処理すればよい。 第 7図は工具中心の移動軌跡と工具接点べク トルの関係を 示す図である。 工具中心は点 P sから、 点 P 1、 P 2、 P 3、 P 4、 P 5 と移動していく。 ここで、 工具中心の軌跡は 1 C で示す。 工具接点べク トルは点 P 1では、 V 1であり、 点 P 2では、 V 1から V 2に変わる。 点 P 3では、 V 2から V 3 に変わる。 これらの点で、 新しい工具接点がワーク回転中心 軸上にく るようにするため、 新しい工具接点べク トルと古い 工具接点べク ト ルの γ軸方向成分差だけ、 工具 1を Y軸方向 に移動させると同時に、 Y軸移動量に対応する分ワーク 2を 回転させる。

点 P 4から点 P 5では円弧であるので、 1回分の円弧補間 ごとに、 工具接点べク トルを変化させて、 同時に工具 1を Y 軸方向に移動させると同時に、 ワーク 2の Y軸移動量に対応 する角度分だけのパルスを C軸補間パルスに加算する。

第 8図は本発明を実施するための数値制御装置 （CNC) のハー ドウヱァのブロ ック図である。 図において、 1 0は数 値制御装置 （C N C ) である。 プロセ ッ サ 1 1は数値制御装 置 （CNC) 1 0全体の制御の中心となるプロセッサであり、 バス 2 1を介して、 R 0M 1 2に格納されたシステムプログ ラ ムを読み出し、 このシステムプログラ ムに従って、 数値制 御装置 （CNC) 1 0全体の制御を実行する。 RAM I 3に は一時的な計算データ、 表示データ等が格納される。 RAM 1 3には S RAMが使用される。 CMO S 1 4には工具補正 量、 ピッチ誤差補正量、 加工プログラム及びパラメ ータ等が 格納される。 CMO S 1 4は、 図示されていないバッテ リで バッ クアップされ、 数値制御装置 （CNC) 1 0の電源がォ フされても不揮発性メモリ となっているので、 それらのデ一 タはそのまま保持される。

イ ンタフヱ ース 1 5は外部機器用のィ ンタフヱ 一スであり、 紙テープリーダ、 紙テープパンチヤ ー、 紙テープリ ーダ ·ノ、。 ンチ ヤ一等の外部機器 3 1が接続される。 紙テープリーダか らは加工プログラムが読み込まれ、 また、 数値制御装置 （C N C) 1 0内で編集された加工プログラムを紙テープパンチ ャ一に出力することができる。

P M C (プログラマブル . マシン · コ ン ト ローラ） 1 6は CNC 1 0に内蔵され、 ラダ一形式で作成されたシ一ケンス プログラムで機械を制御する。 すなわち、 加工プ σグラムで 指令された、 Μ機能、 S機能及び Τ機能に従って、 これらを シーケンスプログラムで機械側で必要な信号に変換し、 I Ζ 〇ュニッ ト 1 7から機械側に出力する。 この出力信号は機械 側のマグネッ ト等を駆動し、 油圧バルブ、 空圧バルブ及び電 気ァクチユエィタ等を作動させる。 また、 機械側のリ ミ ッ ト スイ ツチ及び機械操作盤のスィ ッチ等の信号を受けて、 必要 な処理をして、 プロセッサ 1 1に渡す。

グラフィ ッ ク制御回路 1 8は各軸の現在位置、 アラーム、 パラメ ータ、 画像データ等のディ ジタルデータを画像信号に 変換して出力する。 この画像信号は CRTZMD Iユニッ ト 2 5の表示装置 2 6に送られ、 表示装置 2 6に表示される。 ィ ンタフェース 1 9は C RTZMD Iュニッ ト 2 5内のキー ボード 2 7からのデータを受けて、 プロセッサ 1 1に渡す。

イ ンタフヱ ース 2 0は手動パルス発生器 3 2に接続され、 手動パルス発生器 3 2からのパルスを受ける。 手動パルス発 生器 3 2は機械操作盤に実装され、 手動で機械稼働部を精密 に位置決めするのに使用される。

軸制御回路 4 1〜 4 4はプロセッサ 1 1からの各軸の移動 指令を受けて、 各軸の指令をサーボア ンプ 5 1〜 5 4に出力 する。 サーボアンプ 5 1〜5 4はこの移動指令を受けて、 各 軸のサ一ボモータ 6 1〜 6 4を駆動する。 サ一ボモータ 6 1 ~ 6 4には位置検出用のパルスコーダが内蔵されており、 こ のパルスコ一ダから位置信号がパルス列としてフ ィ一ドバッ クされる。 場合によっては、 位置検出器として、 リニアスケ ールが使用される。 また、 このパルス列を F Z V (周波数 速度） 変換することにより、 速度信号を生成することができ る。 図ではこれらの位置信号のフィードバックライ ン及び速 度フ ィ ー ドバッ クは省略してある。

サーボモータ 6 1 は X軸、 サ一ボモータ 6 2は Y軸、 サ一 ボモータ 6 3は Z軸、 サーボモータ 6 4は C軸用である。 ス ピン ドル制御回路 7 1 はス ピン ドル回転指令及びス ピン ドルのォ リエンテ一シ ョ ン等の指令を受けて、 ス ピン ドルァ ンプ 7 2にス ピン ドル速度信号を出力する。 ス ピン ドルァン プ 7 2はこのス ピン ドル速度信号を受けて、 ス ピン ドルモー タ 7 3を指令された回転速度で回転させる。 また、 オ リエン テーショ ン指令によって、 所定の位置にスピンドルを位置決 めする。

ス ピン ドルモータ 7 3には歯車あるいはベル トでポジショ ンコーダ 8 2が結合されている。 従って、 ポジショ ンコーダ 8 はス ピン ドル 7 3 に同期して回転し、 帰還パルスを出力 し、 その帰還パルスはイ ンタ フ ヱース 8 1 を経由して、 プロ セ ッ サ 1 1 によって、 読み取られる。 この帰還パルスは他の 軸をス ピン ドルモータ Ί 3に同期して移動させてネジ切り等 の加工を行うために使用される。 - 1 o - 第 1図は本発明の円筒補間方式の各手段のプロ ック図であ る。 これらの手段はプロセッサ 1 1 と、 R O. [ 1 2に格納さ れたシステムプログラムによつて実行される。

加工プログラム 1 0 1から Z軸指令と C軸指令がされる。 ここで、 C軸は角度の単位で指令されるものとする。 解読手 段 1 0 2は円筒補間指令があるとこれを解読する。 座標変換 手段 1 0 3は C軸の回転指令を仮想平面上の仮想直線軸 C y に変換する。 すなわち、 回転角度で指令された座標を回転角 度に対応した、 ワーク 2の円筒面上の距離に換算する。

加工プログラム 1 0 1の指令は解読手段 1 0 2に解読され、 座標変換手段 1 0 3で C軸指令が仮想直線軸 C y軸の値に変 換される。 これらの指令から、 工具径補正手段 1 0 4は Z軸 と仮想直線軸 C yでのプログラム通路と工具径 rから、 工具 1の中心通路を求める。 すなわち、 工具 1の中心通路の指令 値を出力する。

すなわち、 工具径補正手段 1 0 4は工具 1の 動指令 Zと 仮想直線軸上の指令 C yを補間手段 1 0 7に出力する。 また、 工具径補正手段 1 0 4はブ¹ p ック始点での補正成分計算手段 1 0 5に工具径オフセッ トべク トルを、 同期補正成分計算手 段 1 0 9に工具半径とオフセッ ト方向を送る。

補間手段 1 0 7は指令 Z、 C yを補間し、 仮想直線軸の補 間パルス P C y i と、 Z軸の補間パルス P Z i をパルス変換 手段 1 0 8に出力する。 パルス変換手段 1 0 8は、 補間パル ス P C y i を回転軸 （C軸） の補間パルス P C i に変換する。 この変換は次の （ 2 ) 式の関係によって行われる。 P C i = ( P C y i / R ) * ( 1 8 Ο Ζ π )

( 2 )

ただし、 Rはワーク 2の半径である。

一方、 プロ ック始点での補正成分計算手段 1 0 5は、 工具 径オフセッ トべク トルから第 5図に示した工具接点べク トル の仮想直線軸方向の補正成分 V yを求める。 これは、 工具 接点べク トルは工具径ォフセ ッ トべク トルの方向を逆にした ものであるから、 第 5図に示すように、 工具径オフセッ トべ ク トルから工具接点べク トルを求め、 その回転べク トルの仮 想直線軸成分を求めればよい。

補正成分 V c yはブロ ッ ク始点補正成分補間手段 1 0 6で 補間され、 Y軸の補正パルス R Y j と、 回転軸の補正パルス R C j として出力される。 補正パルス R Y j の合計は第 3図 の円筒面 2 a上の点 Pと点 Q間の Y軸方向の距離である。 ま た、 補正パルス R C j によって、 C軸は第 3図の 分回転す プロ ック始点での補正成分計算手段 1 0 5は第 7図の工具 1の中心が点 P 2の場合のように、 工具接点べク トルがブ口 ' ッ ク間で回転するときに、 補正成分を計算する。 ブロ ッ ク始 点補正成分補間手段 1 0 6はこの補間を、 工具 1の P 2から P 3への移動の補間の前に行う。

一方、 同期補正成分計算手段 1 0 9は第 6図に示すように、 円弧補間時、 イ ンボリ ユ ー ト補間時等のように、 補間手段 1 0 7の補間毎に工具接点べク トルが変化していく ときに、 補 正成分を計算する。 すなわち、 第 6図に示すように、 工具接 点べク トルが V C 0から V C 1 に変化したときに、 工具接点 べク トルの変化の仮想直線軸成分 Δ ν c yを求め、 同期補正 成分補間手段 1 1 0に送る。 同期補正成分補間手段 1 1 0は 補間手段 1 0 7が補間演算を行う毎に、 補正成分 c yを 補間して、 C軸の補正パルス R C i と、 Y軸の補正パルス R Y iを出力する。 これらの補正パルス R C i と R Y i は、 補 間手段 1 0 7からの補間パルス P C i 、 P Z i と同期して出 力される。

Y軸の補正パルス R Y j と R Y i は加算器 1 1 1で加算さ れ、 Y軸の出力パルス として軸制御回路 4 2に送られる。 勿 論補正パルス R Y j と R Y i は同時に出力されることはない。

C軸の補正パルス R C j、 補間パルス P C i 、 補正パルス R C i は加算器 1 1 2で加算され、 軸制御回路 4 4に送られ る。 補正パルス R C i は補間パルス P C i に重畳して出力さ れる。

また、 Z軸の補間パルス P Z i は軸制御回路 4 3に送られ o

このようにして、 工具接点ぺク ト ルの変化分の仮想直線軸 成分だけ、 C軸を回転させ、 Y軸を移動させることにより、 工具切削面がワークの回転中心軸の真上に位置し、 加工側面 はワークの円筒面に垂直になる。

上記の説明では、 円筒軸を Z軸、 回転軸を。軸、 円筒軸に 垂直な軸を Y軸としたが、 これらの名称は単なる例を示すも のであり、 機械の構造によって変化することは言うまでもな い o また、 加工プログラムの回転軸は角度指令と して指令する ことで説明したが、 プ口グラム作成装置等を使用して、 仮想 直線軸に変換した指令値を使用することもできる。 このとき は第 1図の座標変換手段は不要となる。

以上説明したように本発明では、 円筒補間で工具接点べク トルの変化分の仮想直線軸成分だけ Y軸を移動させ、 同時に 回転軸を回転させ工具位置補正を行うようにしたので、 工具 切削面が常にヮ一クの回転軸の真上にあり、 加工側面はヮ一 クの円筒面に垂直になる。

Claims

請 求 の 範 囲

. 1 . 円筒状のワークの円筒面を加工するための円筒補間方 式において、

円筒軸と、 前記円筒面を展開した仮想直線軸で構成される 仮想平面上で、 工具径オフセ ッ トべク ト ルを演算して、 工具 の中心通路を求める工具径補正手段と、

前記工具の中心通路を補間して、 前記仮想直線軸の第 1の 補間パルスと、 前記円筒軸の第 2の補間パルスを出力する補 間手段と、

前記第 1の補間パルスを回転軸の第 3の補間パルスに変換 するパルス変換手段と、

前記工具径オフセ ッ トべク トルから工具接点べク ト ルの前 記仮想直線軸方向の補正成分を計算する補正成分計算手段と、 前記補正成分を補間して、 前記回転軸の第 1の補正パルス と、 前記円筒軸に垂直な軸方向の第 2の補正パルスを出力す る補正成分補間手段と、

前記第 3の補間パルスと、 前記第 1の補正パルスを回転軸 の出力パルスとする加算器と、

を有することを特徵とする円筒補間方式。

2 . 前記補正成分計算手段はプロ ック間での工具接点べク ト ルの補正成分を求めるブ D ック始点での補正成分計算手段 ' と、 補間時毎の補正成分を計算する同期補正成分計算手段と からなることを特徴とする請求項 1記載の円筒補間方式。

3 . 前記補正成分補間手段は、 ブ nック始点での補正成分 を、 前記補間手段の補間前に補間するプロック始点補正成分 補間手段と、 前記同期補正成分を前記補間手段の補間毎に同 期して補間する同期補正成分補間手段と、 からなることを特 徵とする請求項 1記載の円筒補間方式。

4 . 前記円筒軸を Z軸とし、 前記回転軸を C軸とし、 前記 円筒軸に垂直な軸を Y軸としたことを特徴とする請求項 1記 載の円筒補間方式。

5 . 加工プログラムの回転指令は、 回転角度で指令され、 前記回転軸指令を、 円筒面上の仮想直線軸上の直線指令値に 変換する座標変換手段を有することを特徵とする請求項 1記 載の円筒補間方式。

6 . 前記加工プログラムの回転指令は、 前記仮想直線軸上 の移動量として指令されることを特徵とする請求項 1記載の 円筒補間方式。