JP5471159B2 - 工作機械の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば５軸マシニングセンタなどの直進軸および回転軸を含む駆動軸を制御して加工を行う工作機械の制御装置に関するものである。

工作機械は、制御装置により各駆動軸を位置制御することで工作物の加工を行っている。この工作機械による加工において、駆動軸の軸反転により工作物に象限突起が発生し加工面精度の低下を招くおそれがあった。そこで、特許文献１には、加工条件に応じたバックラッシ加速量を決定することで、象限突起の発生を低減する方法が開示されている。

ところで、近年、同時５軸加工を行う工作機械の高性能化が進んでいる（例えば、特許文献２参照）。ここで、同時５軸加工とは、直進軸と回転軸とを同時に位置制御をしながら行う加工である。

特開平９−８１２１６号公報 特開２００８−０９０７３４号公報

このような工作機械による同時５軸加工において、加工軌跡が直線であっても駆動軸の軸反転を伴うことがあるため、加工面精度の低下を招くおそれがある。さらに、工具を支持する支持体を旋回させる回転軸を有する工作機械による加工において、支持体を旋回させながら加工を行うと、加工位置と回転軸の中心までの離間距離に応じて象限突起による加工誤差が大きくなることがある。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、直進軸および回転軸を含む駆動軸を制御して加工を行う際に加工面精度に向上させることができる工作機械の制御装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の特徴は、
機械座標系の制御データに基づいて直進軸および回転軸を含む駆動軸を動作させることにより工作物に対する工具の加工位置および加工姿勢を制御する工作機械の制御装置であって、
前記制御データに基づいた前記工作機械による加工において前記回転軸が軸反転する前記加工位置を検出する検出手段と、
指令加工位置と実加工位置との許容位置誤差を設定する許容位置誤差設定手段と、
検出された軸反転する前記加工位置から前記回転軸の中心までの離間距離と前記許容位置誤差とに基づいて、前記回転軸の指令角度と前記回転軸の実角度との差である許容角度誤差を算出する許容角度誤差算出手段と、
前記離間距離と設定された前記許容位置誤差とにより算出された前記許容角度誤差に基づいて、前記回転軸の許容加速度を決定する許容加速度決定手段と、
前記許容加速度に基づいて前記駆動軸の速度制御を行う制御手段と、
を備えることである。

請求項２に係る発明の特徴は、請求項１において、
前記検出手段は、前記制御データに基づいた前記工作機械による加工において前記直進軸が軸反転する前記加工位置を検出し、
前記許容加速度決定手段は、前記許容位置誤差に基づいて前記直進軸の前記許容加速度を決定することである。

請求項３に係る発明の特徴は、請求項１または２において、
前記制御装置は、前記工作機械の構成に応じて前記駆動軸の前記許容加速度が異なる特性であり、前記工作機械の実動作において測定される前記指令加工位置と前記実加工位置との実位置誤差に基づいて予め設定される前記工作機械の機械特性を記憶する機械特性記憶手段をさらに備え、
前記許容加速度決定手段は、前記機械特性と前記許容位置誤差に基づいて前記駆動軸の前記許容加速度を決定することである。

請求項４に係る発明の特徴は、請求項１〜３の何れか一項において、
前記許容加速度決定手段は、検出された軸反転する前記加工位置における加工形状と前記許容位置誤差とに基づいて前記駆動軸の前記許容加速度を決定することである。

請求項５に係る発明の特徴は、請求項１〜４の何れか一項において、
前記制御手段は、検出された軸反転する前記加工位置において前記制御データに含まれる速度指令値から算出される前記駆動軸の指令速度と、前記許容加速度から算出される前記駆動軸の移動速度と、に基づいて前記速度指令値を補正することにより前記駆動軸の速度制御を行うことである。

請求項６に係る発明の特徴は、請求項５において、
前記制御手段は、前記指令速度と前記移動速度の比から減速率を算出し、前記工作機械が当該指令速度を指令する前記速度指令値に基づいて加工する際に、前記減速率に応じたオーバーライドを切り換えることにより前記速度指令値を補正することである。

請求項７に係る発明の特徴は、請求項５または６において、
前記制御手段は、前記指令速度と前記移動速度の比から減速率を算出し、前記工作機械が前記制御データに基づいて加工する前に、当該指令速度を指令する前記速度指令値を前記減速率に応じた補正値に予め更新することにより前記速度指令値を補正することである。

請求項１に係る発明によると、回転軸が軸反転する加工位置を検出し、当該加工位置に対して回転軸を含む駆動軸の速度制御を行う構成となっている。ここで、工作機械の制御装置は、機械座標系の制御データに基づいて駆動軸を動作させることにより工作物に対する工具の加工位置および加工姿勢を制御する。工具の加工位置は、制御データに含まれる複数の位置指令値に基づいて工作物に対して相対移動する工具の加工軌跡上の位置である。工具の加工姿勢は、加工位置における工具のベクトルであり、回転軸の動作により制御される。つまり、「軸反転する加工位置」とは、上記加工軌跡において軸反転する駆動軸が速度ゼロとなる軸反転位置であり、機械座標系またはワーク座標系の直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）の座標値により表されるものである。

また、駆動軸の速度制御における許容加速度は、減速を含む駆動軸の加速度の大きさが許容される値である。この許容加速度は、検出された軸反転する加工位置から回転軸の中心までの離間距離と、設定された許容位置誤差と、に基づいて決定されている。この「許容位置誤差」は、要求される加工面精度を満足するのに許容される指令加工位置と実加工位置の誤差をいう。ここで、軸反転による加工誤差は、軸反転が伴う駆動軸の加速度に依存することが知られている。つまり、その駆動軸が軸反転する加工位置における速度ゼロの状態に至るまでの減速度の大きさに依存する。さらに、駆動軸を制御して加工を行う際に、軸反転する加工位置と回転軸の中心までの離間距離が大きくなるほど、軸反転による加工誤差が大きくなる傾向にある。

そこで、この離間距離と許容位置誤差とに基づいて許容加速度を決定することで、回転軸の速度をより適正に制御できる。よって、回転軸の軸反転による加工誤差の発生を抑制し、加工面精度を向上することができる。そこで、回転軸が軸反転する加工位置を指令する位置指令値は、制御装置により制御データまたはＮＣプログラムから検出される。そして、制御手段は、例えば、制御データに含まれる複数の位置指令値のうち、回転軸が軸反転する加工位置を指令する一以上の位置指令値による加工に対して速度制御を行っている。これにより、他の位置指令値に対して不要な減速を加えるような速度制御を防止できる。よって、軸反転による加工誤差を低減するために制御データ全体に対して加工の速度指令値を低減させる場合と比較して、加工時間を短縮することができる。

また、制御装置は、上述したように、回転軸が軸反転する加工位置を指令する位置指令値を制御データから検出するものとした。その他に、軸反転する駆動軸が回転軸であって、且つ、ワーク座標系のＮＣプログラムに含まれる各駆動軸の位置指令値と工作機械の駆動軸の構成が一致することがある。この場合に、制御装置は、回転軸が軸反転する加工位置を指令する位置指令値をＮＣプログラムから簡易に検出することが可能である。つまり、検出手段により回転軸が軸反転する加工位置を検出し、当該加工位置を指令する位置指令値を制御データまたはＮＣプログラムから検出する。そして、制御装置は、検出された位置指令値による加工に対して制御手段が速度制御を行う構成としても同様の効果を得られる。

また、請求項１に係る発明によると、許容位置誤差に基づいて許容角度誤差を算出する構成となっている。そして、この許容角度誤差に基づいて回転軸の許容加速度を決定している。ここで、回転軸の許容加速度は、回転軸の角加速度に相当し、回転軸の許容角度誤差との関係は容易に設定できる。つまり、許容位置誤差に基づいて回転軸の許容角度誤差を算出することで、より正確な回転軸の許容加速度を決定することができる。

請求項２に係る発明によると、直進軸が軸反転する加工位置を検出し、直進軸を含む駆動軸の速度制御を行う構成となっている。これにより、直進軸および回転軸を含む駆動軸を制御して行う加工において、直進軸の軸反転による象限突起の発生を抑制し、加工面精度を向上することができる。また、直進軸および回転軸が軸反転する加工位置を検出しようとすると、ある位置指令値において複数の駆動軸が軸反転する加工位置が検出されることがある。このような場合に、それぞれ求められた許容加速度に基づいて速度制御することで、より確実に軸反転による加工誤差を抑制することができる。

請求項３係る発明によると、駆動軸の許容加速度は、機械特性と許容位置誤差に基づいて決定される構成となっている。ここで、「機械特性」とは、工作機械の構成に応じて駆動軸の許容加速度が異なる特性をいう。例えば、回転軸として、工具のチルト軸を有する工作機械と、工作物を載置するテーブルのチルト軸を有する工作機械とでは、それぞれの構成上の相違から機械特性は異なるものとなる。さらに、機械特性は工作機械固有のものであり、構成が同一の工作機械においても異なるものとなる。そこで、工作機械の軸動作において、指令加工位置と実加工位置との実位置誤差を測定し、この実位置誤差に基づいてその工作機械固有の機械特性を設定している。これにより、工作機械の機械特性を反映したより適正な許容加速度を決定することができる。従って、より確実に軸反転による加工誤差を抑制した駆動軸の速度制御を行うことができる。

請求項４に係る発明によると、駆動軸の許容加速度は、軸反転する加工位置における加工形状と許容位置誤差に基づいて決定される構成となっている。よって、回転軸の許容加速度は、同様に、軸反転する加工位置における加工形状と許容位置誤差に基づいて算出された許容角度誤差に基づいて決定される構成としてもよい。制御データに基づいた工作機械による加工において、工作物に対して相対移動する工具の加工軌跡は、例えば、直線部やコーナー部、円弧部などの加工形状を含んでいる。そして、駆動軸の軸反転による加工誤差の大きさや加工面精度への影響は、それぞれの加工形状によって異なることがある。

そこで、検出された軸反転する加工位置における加工形状を判定することで、その加工形状と許容位置誤差とに基づいて、より適正な許容加速度を決定することができる。例えば、同じ駆動軸の軸反転であっても軸反転による加工誤差が比較的小さいコーナー部において、減速の程度を少なくすることで、一様に減速するように速度制御する場合と比較して、加工時間を短縮することができる。また、機械特性と許容位置誤差に基づいて許容加速度を決定する構成の場合に、機械特性記憶手段は、多様な加工位置における加工形状に応じた機械特性をそれぞれ記憶するものとしてもよい。

また、軸反転する加工位置における加工形状の判定については、例えば、当該加工位置を指令する位置指令値を制御データまたはＮＣプログラムから検出する。ここで、位置指令値を機械座標系の制御データから検出した場合には、各駆動軸の位置指令値に基づく工具の加工軌跡から加工形状を判定することが可能である。また、位置指令値をワーク座標系のＮＣプログラムから検出した場合には、直進軸の位置指令値に基づく工具の加工軌跡から加工形状を判定することが可能である。

請求項５に係る発明によると、制御データに含まれる速度指令値から算出される指令速度と、許容加速度から算出される移動速度と、に基づいて速度指令値を補正することにより駆動軸の速度制御を行う構成となっている。例えば、まず制御データに含まれる工作物に対する工具の送り速度（速度指令値）から、軸反転する駆動軸の指令速度を算出する。次に、速度制御の対象の加工の開始位置から軸反転する加工位置までの速度制御において、その加速度が許容加速度に収まるように、当該開始位置における駆動軸の移動速度を算出する。そして、軸反転する駆動軸の指令速度および移動速度に基づいて、当該速度指令値を補正する。

ここで、速度指令値は、工作物に対して工具が相対移動する速度を制御する指令値であり、全ての駆動軸を対象としている。つまり、制御手段は、軸反転する駆動軸について、その指令速度および移動速度に基づいて、全ての駆動軸を対象とする速度指令値の補正量などを決定している。これにより、速度制御の対象の加工の開始点において、駆動軸は十分に減速されることになり、軸反転する加工位置までの速度制御における加速度が許容加速度に収まることになる。よって、許容加速度を確実に反映することができる。

請求項６に係る発明によると、駆動軸の指令速度と移動速度の比から減速率を算出し、速度制御の対象の加工する際に、この減速率に応じたオーバーライドを切り換えることにより速度指令値を補正する構成となっている。そして、制御手段は、速度指令値を補正することにより駆動軸の速度制御を行っている。これにより、速度制御の対象の加工の開始位置において、駆動軸は十分に減速させることができる。よって、許容加速度を確実に、且つ簡易に反映することができる。

請求項７に係る発明によると、駆動軸の指令速度と移動速度の比から減速率を算出し、工作機械が制御データに基づいて加工する前に、速度指令値をこの減速率に応じた補正値に予め更新することにより速度指令値を補正する構成となっている。即ち、制御手段は、工作機械による加工前に、記憶された制御データに含まれる速度指令値を更新することにより速度指令値を補正し、駆動軸の速度制御を行っている。これにより、補正された制御データに基づいて工作機械が加工する際に、速度制御の対象の加工の開始位置において、軸反転する駆動軸は十分に減速されることになり、軸反転する加工位置までの速度制御における加速度が許容加速度に収まることになる。よって、許容加速度を反映してより適正に速度制御を行うことができる。従って、より確実に軸反転による加工誤差を抑制した駆動軸の速度制御を行うことができる。

工作機械１の全体図である。 工作機械１の構成を示す概略図である。 工作機械１の制御装置１００を示すブロック図である。 許容位置誤差ΔおよびＡ軸に関する許容角度誤差θ１の説明図である。 許容位置誤差ΔおよびＢ軸に関する許容角度誤差θ２の説明図である。 制御データに基づいた工作機械１による加工の加工軌跡を示す図である。 加工形状毎の機械特性を示す図である。（ａ）は直線部、（ｂ）はコーナー部、（ｃ）は円弧部の場合の機械特性である。

以下、本発明の工作機械の制御装置を具体化した実施形態について図面を参照しつつ説明する。工作機械として、５軸マシニングセンタを例に挙げて説明する。つまり、当該工作機械は駆動軸として、相互に直交する３つの直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）と、２つの回転軸（Ａ，Ｂ軸）を有する工作機械である。

＜工作機械１の構成＞
本実施形態の工作機械１の制御装置の対象である５軸マシニングセンタについて、図１，図２を参照して説明する。工作機械１は、ベッド２と、Ｘ軸移動体１０と、Ｙ軸移動体２０と、Ｚ軸移動体３０と、主軸基体４０と、回転テーブル５０と、工具６０とを備える。また、この工作機械１は、主軸基体４０を支持するＹ軸移動体２０により工具６０がＡ軸回りに旋回し、工作物Ｗを載置する回転テーブル５０により工作物ＷがＢ軸回りに回転する構成となっている。ベッド２は、上面にＸ軸方向とＺ軸方向のレールが形成され、床面に設置されている。工作物Ｗは、工作機械１によって加工される被加工部材である。

Ｘ軸移動体１０は、ベッド２のＸ軸方向のレール上に設けられ、ベッド２に対してＸ軸方向に移動可能なコラムである。また、Ｘ軸移動体１０は、側面にＹ軸方向（床面に垂直な方向）のレールが形成されている。Ｙ軸移動体２０は、Ｘ軸移動体１０のレール上に設けられ、Ｘ軸移動体１０に対してＹ軸方向に移動可能な送り台である。このＹ軸移動体２０は、Ｘ軸移動体１０に固定されたＹ軸モータ（図示せず）の回転駆動によりＹ軸方向へ移動する。Ｚ軸移動体３０は、ベッド２のＺ軸方向のレール上に設けられ、ベッド２に対してＺ軸方向に移動可能な送り台である。

主軸基体４０は、Ｙ軸移動体２０に対してＡ軸（Ｘ軸回り）に旋回可能に支持されている。この主軸基体４０は、Ｙ軸移動体２０に固定されているＡ軸モータ２１の回転駆動によりＡ軸旋回する。主軸基体４０は、Ｙ軸移動体２０に支持されている筒状のハウジングと、ハウジングの内部に収容されハウジングに対して主軸基体４０の軸回りに回転可能な回転主軸とを備えている。回転テーブル５０は、Ｚ軸移動体３０に対してＢ軸（Ｙ軸回り）に回転可能に支持されている。この回転テーブル５０は、Ｚ軸移動体３０に固定されているＢ軸モータ３１の回転駆動によりＢ軸回転する。

工具６０は、主軸基体４０の回転主軸の先端に固定されている。つまり、工具６０は、回転主軸の回転に伴って回転する。なお、工具６０は、例えば、ボールエンドミル、エンドミル、ドリル、タップなどである。つまり、この５軸マシニングセンタである工作機械１は、工具６０をベッド２に対してＸ軸方向およびＹ軸方向に移動可能とし、且つ、工具６０をＡ軸旋回可能としている。そして、工作機械１は、工作物ＷをＺ軸方向に移動可能とし、且つ、工作物ＷをＢ軸回転可能としている。

＜制御装置１００の構成＞
次に、当該５軸マシニングセンタの制御装置のうち、本発明の特徴的な部分の構成について、図３を参照して説明する。制御装置１００は、図３に示すように、制御データ算出部１０１と、検出部１０２と、許容位置誤差設定部１０３と、許容角度誤差算出部１０４と、形状判定部１０５と、機械特性記憶部１０６と、許容加速度決定部１０７と、制御部１０８とを備える。

制御データ算出部１０１は、工作機械１による加工において、工作機械１の直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）および回転軸（Ａ，Ｂ軸）の駆動軸を動作させることにより工作物に対する工具の加工位置および加工姿勢を制御装置１００が制御するための制御データを算出する。ここで、制御データとは、工作機械の各駆動軸を制御する機械座標系の位置指令値、工作物に対する工具の送り速度である速度指令値などにより構成される加工データである。また、この位置指令値は、実際に工作機械１の各駆動軸の位置に相当するものである。

位置指令値は、例えば、図３に示すように、ワーク座標系のＮＣプログラムと、工作機械１における駆動軸の構成、テーブルに載置された工作物の位置情報、および、加工に使用される工具の長さなどの機械情報と、に基づいて算出される機械座標系の指令加工位置を示すものである。また、この位置指令値は、それぞれの座標系に相互に変換可能である。これにより、本実施形態において、制御データは、機械座標系の位置指令値により構成されているが、ワーク座標系にさらに変換した位置指令値により構成されるものとしてもよい。

検出部１０２は、制御データに基づいた工作機械１による加工において、直進軸および回転軸の駆動軸の何れかが軸反転する加工位置を検出する検出手段である。また、検出部１０２が検出する「軸反転する加工位置」は、軸反転する駆動軸が速度ゼロとなる位置として考えられるものである。以下、軸反転する加工位置を「軸反転位置」とも称する。

このような制御データに基づいた工作機械１による加工において、位置指令値が何れかの駆動軸の軸反転を伴う指令をすることがある。例えば、現在位置からある位置指令値による指令加工位置まで移動する場合に、主軸基体４０を旋回させるＡ軸モータ２１の回転方向が反転することがある。または、位置指令値による指令加工位置においてＡ軸モータ２１の回転方向が反転することがある。検出部１０２は、このＡ軸モータ２１の回転方向が反転する際の加工位置を軸反転位置として検出する。この時、軸反転位置を指令した位置指令値についても制御データから検出されることになる。また、複数の駆動軸が同じ位置指令値において軸反転する場合においても同様に検出部１０２は、この位置指令値よる複数の軸反転位置を検出する。

許容位置誤差設定部１０３は、指令加工位置Ｐ１と実加工位置Ｐ２との許容位置誤差Δを設定する許容位置誤差設定手段である。ここで、指令加工位置Ｐ１に実加工位置Ｐ２が一致していることが理想的な状態である。しかし、実際の加工においては、指令加工位置Ｐ１と実加工位置Ｐ２に差異が生じることがある。指令加工位置Ｐ１と実加工位置Ｐ２のずれは、加工面精度に影響を及ぼすおそれがある。

そして、指令加工位置Ｐ１と実加工位置Ｐ２に差異が生じる要因の一つとして、Ａ軸やＢ軸の回転軸の回転に伴うものがある。具体的には、Ａ軸やＢ軸の回転指令が出力された場合に、その指令に基づいて主軸基体４０や回転テーブル５０が回転動作を開始する。この時、実加工位置Ｐ２は、指令加工位置Ｐ１に対して僅かに遅れが生じる。特に、Ａ軸やＢ軸の回転軸から実加工位置Ｐ２までの離間距離Ｌ１，Ｌ２が長いほど、その遅れ量は大きくなる。そこで、指令加工位置Ｐ１と実加工位置Ｐ２との差の許容値として、許容位置誤差Δを設定することとした。つまり、指令加工位置Ｐ１と実加工位置Ｐ２の実際の差が許容位置誤差Δの範囲内であれば、十分な加工面精度を得ることができるように、許容位置誤差Δを設定する。

ここで、指令加工位置Ｐ１、実加工位置Ｐ２および許容位置誤差Δについて図４，５を参照して補足的に説明する。図４，５の実線にて示すように、指令加工位置Ｐ１は、制御データに基づいて制御装置から出力される加工位置、すなわち工具６０の先端位置の位置指令値である。また、図４の破線にて示すように、実加工位置Ｐ２は、実際の工具６０の先端位置である。同様に、図５の破線にて示すように、実加工位置Ｐ２は、実際の工具６０の先端位置と工作物Ｗとの接触位置である。そして、指令加工位置Ｐ１と実加工位置Ｐ２には差異が生じることがある。そして、図４，５に示すように、指令加工位置Ｐ１と実加工位置Ｐ２との差異の許容値を許容位置誤差Δとして予め設定している。

許容角度誤差算出部１０４は、回転軸（Ａ，Ｂ軸）の指令角度と実角度との差である許容角度誤差（θ１，θ２）を算出する許容角度誤差算出手段である。ここで、図４に示すように、指令加工位置Ｐ１とＡ軸の中心との離間距離をＬ１と定義する。同様に、図５に示すように、指令加工位置Ｐ１とＢ軸の中心との離間距離をＬ２と定義する。例えば、検出部１０２によりＡ軸の軸反転を伴う軸反転位置が検出されたとする。この場合に、許容角度誤差算出部１０４は、Ａ軸に係る離間距離Ｌ１と許容位置誤差Δとに基づいて、Ａ軸の指令角度と実角度との差である許容角度誤差θ１（図４に示す）を算出する。同様に、例えば、検出部１０２によりＢ軸の軸反転を伴う軸反転位置が検出されたとする。この場合に、許容角度誤差算出部１０４は、Ｂ軸に係る離間距離Ｌ２と許容位置誤差Δとに基づいて、Ｂ軸の指令角度と実角度との差である許容角度誤差θ２（図５に示す）を算出する。ここで、許容角度誤差θ１，θ２は、式（１）（２）に従って算出することができる。

［数１］
θ１ ＝ ｓｉｎ−１（Δ／Ｌ１） ・・・ （１）
θ２ ＝ ｓｉｎ−１（Δ／Ｌ２） ・・・ （２）

ここで、指令加工位置Ｐ１から回転軸であるＡ軸までの離間距離Ｌ１は、工具６０の長さによって異なるものである。つまり、工具６０が変更された場合には、変更された工具６０に応じて許容角度誤差θ１が算出されることになる。また、指令加工位置Ｐ１から回転軸であるＢ軸までの離間距離Ｌ２は、位置指令値による指令加工位置によって異なるものである。つまり、検出部１０２により検出された軸反転位置それぞれに応じて許容角度誤差θ２が算出されることになる。

形状判定部１０５は、工具６０の加工軌跡において、検出部１０２により検出された軸反転位置の加工形状を判定している。ここで、工具６０の加工軌跡とは、制御データに基づいた工作機械１による加工において、工作物Ｗに対する工具６０の相対移動の軌跡をいう。そして、制御データおよびＮＣプログラムは、複数の位置指令値により構成される加工データである。つまり、工具６０の加工軌跡は、隣り合う位置指令値を線分または曲線で適宜連結することにより示される。

ここで、制御データから加工軌跡を示す場合には、各駆動軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｂ軸）の位置指令値に基づいて加工軌跡を算出する必要がある。一方で、ＮＣプログラムから加工軌跡を示す場合には、回転軸（Ａ，Ｂ軸）が工具６０の加工姿勢を指令するものであるため、各直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）の位置指令値に基づいて加工軌跡を比較的容易に算出できる。

次に、工具６０の加工軌跡について図６を参照して説明する。この加工軌跡は、図６に示すように、例えば、直線部やコーナー部、円弧部などの加工形状を含んでいる。工作機械１による加工においては、このような加工軌跡を微小間隔で並列させて加工することにより、工作物の目標形状として平面や曲面などが形成される。

ここで、駆動軸の軸反転による加工誤差は、それぞれの加工形状によって異なることがある。これは、駆動軸の軸反転が伴った加工であっても、加工形状によって加工誤差が加工面精度に及ぼす影響度が異なるためである。例えば、直線部を加工している場合には、軸反転による加工誤差が小さくても加工面精度に大きく影響する。一方、コーナー部を加工している場合には、加工面精度に及ぼす影響は比較的小さい。よって、軸反転位置における加工形状によって許容加速度を決定することが好適である。

そこで、形状判定部１０５では、まず検出された軸反転位置を指令する位置指令値（軸反転位置を通過するように指令する位置指令値、または、軸反転位置に該当する位置指令値）と、当該位置指令値の前後の位置指令値との３点の位置指令値をＮＣプログラムから取得する。この３点の位置指令値は、ＮＣプログラムに含まれる直進軸の位置指令値である。次に、取得した３つの位置指令値に基づいて、工具６０の加工軌跡がなす角の角度を算出する。そして、この角度と予め設定された所定角度値とを比較することにより、軸反転位置における加工形状を判定している。

本実施形態では、上述したように加工形状を判定したが、上記３点または３点以上の点群から求められる曲率半径や、前後数点の位置指令値、並列された加工軌跡との関係、加工軌跡に相当する目標形状などから軸反転位置における加工形状を判定するものとしてもよい。その他に、それぞれの位置指令値をＮＣプログラムから取得するものとしたが、制御データから各駆動軸の位置指令値を取得し、その位置指令値に基づいて工具６０の加工軌跡がなす角の角度を算出することも可能である。

機械特性記憶部１０６は、加工形状に応じた工作機械１の機械特性をそれぞれ記憶する機械特性記憶手段である。ここで、機械特性について、図７を参照して説明する。機械特性とは、工作機械１の構成に応じて駆動軸の許容加速度が異なる特性をいう。機械特性は、種々の工作機械における構成上の相違により異なるものであり、またその工作機械固有の特性を示すものである。この機械特性は、例えば、工作機械１に駆動軸の軸反転が伴う動作をさせ、指令加工位置とフィードバック信号による実際の駆動軸の位置（実加工位置）との実位置誤差とを測定し、この実位置誤差を解析することにより予め設定されるものである。

さらに、機械特性は、軸反転位置における加工形状によっても駆動軸の許容加速度が異なる。そこで、機械特性記憶部１０６は、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、形状判定部１０５により判定された軸反転位置における加工形状に対応した機械特性をそれぞれ記憶している。つまり、直線部を加工している場合には、上述したように軸反転による加工誤差が小さくても加工面精度に大きく影響するため、軸反転位置までに小さい加速度で減速する必要がある。

そのため、図７（ａ）に示すように、Ａ軸およびＢ軸の許容加速度は、図７（ｂ）、図７（ｃ）に示されるコーナー部および円弧部の許容加速度よりも小さいものとなっている。一方、コーナー部を加工している場合には、加工面精度に及ぼす影響は比較的小さいため、軸反転位置までに比較的大きな加速度で減速しても許容される。よって、図７（ｂ）に示すように、Ａ軸およびＢ軸の許容加速度は、図７（ｃ）に示される円弧部の許容加速度よりも大きなものとなっている。

許容加速度決定部１０７は、駆動軸の許容加速度を機械特性に基づいて決定する許容加速度決定手段である。ここで、許容加速度決定部１０７により、「回転軸」であるＡ軸（Ｂ軸）の許容加速度が決定される場合について説明する。まず、許容角度誤差算出部１０４は、検出された軸反転位置を指令する位置指令値（軸反転位置を通過するように指令する位置指令値、または、軸反転位置に該当する位置指令値）による指令加工位置Ｐ１からＡ軸（Ｂ軸）の中心まで離間距離Ｌ１（Ｌ２）と許容位置誤差Δとに基づいて許容角度誤差θ１（θ２）を算出する。次に、許容加速度決定部１０７は、形状判定部１０５により判定された軸反転位置における加工形状に応じた機械特性を機械特性記憶部１０６から取得する。そして、許容加速度決定部１０７は、取得した機械特性と許容角度誤差θ１（θ２）とに基づいてＡ軸（Ｂ軸）の許容加速度を決定する。

上述したように、離間距離Ｌ１（Ｌ２）は、軸反転位置を指令する位置指令値による指令加工位置Ｐ１と、軸反転する回転軸の中心との距離とした。これに対して、軸反転位置と、軸反転する回転軸の中心との距離を離間距離Ｌ１（Ｌ２）としてもよい。

また、許容加速度決定部１０７により、「直進軸」であるＸ軸（Ｙ軸、Ｚ軸）の許容加速度が決定される場合について説明する。まず、許容加速決定部１０７は、形状判定部１０５により判定された軸反転位置における加工形状に応じた機械特性を機械特性記憶部１０６から取得する。次に、許容加速決定部１０７は取得した機械特性と許容位置誤差Δとに基づいてＸ軸（Ｙ軸、Ｚ軸）の許容加速度を決定する。このように、直進軸であるＸ軸（Ｙ軸、Ｚ軸）の許容加速度は、設定された許容位置誤差Δを使用することにより、図７の機械特性に示されるように固定的に決定される。一方、回転軸であるＡ軸（Ｂ軸）の許容加速度は、許容角度誤差θ１（θ２）を算出することにより、図７の機械特性に示されるように可変的に決定される。

制御部１０８は、許容加速度決定部１０７により決定された許容加速度に基づいて駆動軸の速度制御を行う制御手段である。許容加速度決定部１０７は、まず制御データに基づいた工作機械１による加工時において、制御データに含まれる速度指令値から算出される指令速度と、許容加速度から算出される移動速度と、を算出する。次に、駆動軸の指令速度と移動速度の比から減速率を算出する。そして、この減速率に基づいて速度指令値を補正することにより駆動軸の速度制御を行う。つまり、本実施形態において、制御部１０８は、検出した軸反転位置を加工する際に、この減速率に基づいて速度指令値を補正するように、減速率に応じたオーバーライドを切り換えて速度制御を行う。

これにより、検出した軸反転位置の加工の開始位置において、駆動軸は十分に減速されることになる。よって、駆動軸に対する軸反転位置までの速度制御において、その減速による加速度が許容加速度に収まることになる。このように、制御部１０８は、各駆動軸の加速度が各駆動軸の許容加速度を超えないように、駆動軸の速度制御を行っている。

ここで、制御部１０８の速度制御の対象について説明する。まず、軸反転位置において軸反転する駆動軸が速度ゼロとなるため、軸反転位置を指令する位置指令値（Ｄｎ）による加工の開始位置から軸反転位置までの加速度が許容加速度以下とする必要がある。そのため、上述したように、軸反転する駆動軸の指令速度と移動速度とを算出している。そして、この指令速度が移動速度を上回っていることから、軸反転位置を指令する位置指令値（Ｄｎ）は、制御部１０８の速度制御の対象とされ速度指令値が補正される。これにより、位置指令値（Ｄｎ）による加工の開始位置において、駆動軸は十分に減速されることになる。

この時、軸反転位置を指令する位置指令値（Ｄｎ）の前の位置指令値（Ｄｎ−１）による加工において各駆動軸が減速することになる。そして、制御部１０８は、当該各駆動軸の減速についても速度制御の対象とすることがある。これは、位置指令値（Ｄｎ−１）の加工の開始位置から位置指令値（Ｄｎ）の加工の開始位置までの加速度が許容加速度以下とする必要があることに起因する。つまり、位置指令値（Ｄｎ−１）について、軸反転する駆動軸の指令速度と移動速度を算出し、指令速度が移動速度を上回っている場合に、位置指令値（Ｄｎ−１）は、制御部１０８の速度制御の対象とされ速度指令値が補正される。これにより、位置指令値（Ｄｎ−１）による加工の開始位置において、駆動軸は十分に減速されることになる。

制御部１０８は、これを繰り返し、軸反転する駆動軸の指令速度が移動速度以下となる位置指令値（Ｄｎ−ｍ＋１）の手前の位置指令値（Ｄｎ−ｍ）までを速度制御の対象とする。つまり、制御部１０８は、何れの位置指令値（Ｄｎ〜Ｄｎ−ｍ）においても各駆動軸の加速度の大きさが許容加速度を超えないように、軸反転位置を指令する位置指令値（Ｄｎ）から遡及して対象とする位置指令値（Ｄｎ〜Ｄｎ−ｍ）を決定し速度制御を行っている。また、本実施形態において、制御部１０８は、上述したように速度制御の対象を決定するものとした。これに対して、制御部１０８は、簡易的に固定数の位置指令値、または、軸反転位置における加工形状に応じた適宜数の位置指令値を速度制御の対象とするものとしてもよい。

＜本実施形態の効果＞
以上説明した工作機械１の制御装置によれば、制御装置１００は、軸反転位置（軸反転する加工位置）を検出し、制御部１０８により駆動軸の速度制御を行う構成となっている。ここで、軸反転による加工誤差は、軸反転が伴う駆動軸の加速度に依存することが知られている。さらに、駆動軸を制御して加工を行う際に、離間距離Ｌ１，Ｌ２が大きくなるほど、軸反転による加工誤差が大きくなる傾向にある。そこで、離間距離Ｌ１，Ｌ２と許容位置誤差Δとに基づいて算出される許容角度誤差θ１，θ２に基づいて、回転軸の許容加速度を算出している。

これにより、回転軸の速度制御をより適正に行うことができる。よって、回転軸の軸反転による加工誤差の発生を抑制し、加工面精度を向上することができる。さらに、制御データに含まれる複数の位置指令値のうち、軸反転位置を指令する位置指令値に対して速度制御を行っている。これにより、他の位置指令値に対して不要な減速を加えるような速度制御を防止できる。よって、軸反転による加工誤差を低減するために制御データ全体に対して加工速度を低減さえる場合と比較して、加工時間を短縮することができる。また、離間距離Ｌ１，Ｌ２を反映させた回転軸の許容角度誤差θ１，θ２を算出することで、より正確な回転軸の許容加速度を決定することができる。

また、制御装置１００は、検出部１０２により直進軸が軸反転する加工位置を検出し、制御部１０８により直進軸を含む駆動軸の速度制御を行う構成となっている。これにより、直進軸および回転軸を含む駆動軸を制御して行う加工において、直進軸の軸反転による象限突起の発生を抑制し、加工面精度を向上することができる。また、直進軸および回転軸が軸反転する加工位置を検出しようとすると、ある位置指令値において複数の駆動軸が軸反転する加工位置が検出されることがある。このような場合に、それぞれ求められた許容加速度に基づいて速度制御することで、より確実に軸反転による加工誤差を抑制することができる。

さらに、許容加速度決定部１０７は、機械特性と許容位置誤差Δまたは許容角度誤差θ１，θ２とに基づいて、駆動軸の許容加速度を決定する構成となっている。これにより、工作機械１の機械特性を反映し、より適正な許容加速度を決定することができる。また、この工作機械１の機械特性は、軸反転位置における加工形状に応じたものとなっている。

これにより、許容加速度決定部１０７は、その加工形状に応じた機械特性に基づいて、より適正な許容加速度を決定することができる。つまり、軸反転位置における加工形状が加工面精度に大きく影響する直線部に属する場合には、十分に小さな加速度をもって減速し、軸反転による加工誤差を抑制することができる。また、軸反転位置における加工形状が加工面精度への影響が比較的小さいコーナー部に属する場合には、過剰な減速を防止しながら軸反転による加工誤差を抑制することができる。よって、一様に減速するように速度制御する場合と比較して、加工時間を短縮することができる。

また、制御部１０８は、制御データに基づいた工作機械１による加工時において、速度指令値を補正することにより駆動軸の速度制御を行なっている。つまり、制御部１０８は、駆動軸の指令速度と移動速度の比から減速率を算出し、検出した軸反転位置を指令する位置指令値による加工をする際に、減速率に応じたオーバーライドを切り換えて速度制御を行う。これにより、速度制御の対象に含まれるそれぞれの位置指令値による加工の開始位置において、駆動軸は十分に減速されることになり、軸反転位置までの速度制御における加速度が許容加速度に収まることになる。よって、許容加速度を確実に、且つ簡易に反映することができる。従って、より確実に軸反転による加工誤差を抑制した駆動軸の速度制御を行うことができる。

＜実施形態の変形態様＞
本実施形態において、制御部１０８は、制御データに含まれる速度指令値と許容加速度に基づいて算出した減速率に応じてオーバーライドを切り換えることにより速度指令値を補正し、速度制御を行うものとした。これに対して、制御部１０８は、オーバーライドを切り換えることなく、制御データに基づいた工作機械１による加工の前に、制御データに含まれる速度指令値そのものを補正することにより駆動軸の速度制御を行うものとしてもよい。

つまり、本実施形態の制御部１０８は、例えば、工作機械による加工時において、減速率に応じてオーバーライドを切り換え、フィードバック制御を行う駆動軸のドライブに指令値を出力することにより、速度制御を行うものである。これに対して、例えば、制御部１０８は、まず上記減速率に応じた速度指令値の補正値を算出する。そして、工作機械が制御データに基づいて加工する前に、速度指令値をこの補正値に予め更新する。このようにして、制御部１０８は、記憶された制御データに含まれる速度指令値を補正することにより駆動軸の速度制御を行う構成とする。

これにより、補正された制御データに基づいて工作機械１が加工する際に、軸反転位置を指令する位置指令値による加工の開始位置において、軸反転する駆動軸は十分に減速されることになる。そして、軸反転位置を指令する位置指令値による加工の開始位置から軸反転位置までの速度制御において、十分に小さな加速度をもって減速する。つまり、軸反転位置における加速度が許容加速度に収まることになる。よって、許容加速度を反映してより適正に速度制御を行うことができる。従って、より確実に軸反転による加工誤差を抑制することができる。

また、制御部１０８は、速度指令値の更新と、オーバーライドの切り換えとを適宜組み合わせることにより駆動軸の速度制御を行うものとしてもよい。このような構成により、予め速度指令値を概ね適正な値に更新し、工作機械が制御データに基づいて加工する際に、オーバーライドを切り換えることによりさらに正確な速度制御をすることができる。従って、不要な減速処理を低減し、加工面精度をより向上させることができる。さらに、検出した軸反転位置を指令する位置指令値に相当するＮＣプログラムにおける位置指令値を検出し、当該位置指令値に対する速度指令値を予め更新するものとしてもよい。このような構成においても同様の効果を奏する。但し、ワーク座標系のＮＣプログラムを更新する場合には、工具の位置情報、および、加工に使用される工具の長さなどの変更に伴い補正値が変動することに留意する必要がある。

また、５軸マシニングセンタである工作機械１は、工具６０をＡ軸旋回可能とし、工作物ＷをＢ軸回転可能とするものとした。これに対して、５軸マシニングセンタは、縦形マシニングセンタとして、工具をＡ軸回転およびＢ軸回転可能とする構成としてもよい。この他、５軸マシニングセンタは、例えば、チルトテーブルと回転テーブルを備え、ワークＷがＡ軸回転およびＢ軸回転可能とする構成としてもよい。このような工作機械である場合でも同様に、それぞれに対応した離間距離Ｌ１，Ｌ２と許容位置誤差Δに基づいて許容角度誤差θ１，θ２を算出する。さらに、工作機械の構成が異なることから、それぞれの工作機械に応じた機械特性を使用することで本発明の適用が可能となり、それぞれの工作機械においてもより適正な駆動軸の許容加速度を決定することができる。よって、決定した許容加速度に基づいて駆動軸の速度制御を行うことによって、より確実に軸反転による加工誤差を抑制することができる。

１：工作機械、 ２：ベッド
１０：Ｘ軸移動体
２０：Ｙ軸移動体、 ２１：Ａ軸モータ
３０：Ｚ軸移動体、 ３１：Ｂ軸モータ
４０：主軸基体
５０：回転テーブル
６０：工具
１００：制御装置、 １０１：制御データ算出部、 １０２：検出部
１０３：許容位置誤差設定部、 １０４：許容角度誤差算出部
１０５：形状判定部、 １０６：機械特性記憶部、 １０７：許容加速度決定部
１０８：制御部
Ｌ１，Ｌ２：離間距離、 Ｐ１：指令加工位置、 Ｐ２：実加工位置
Ｗ：ワーク、 Δ：許容位置誤差、 θ１，θ２：許容角度誤差

Claims (7)

1. 機械座標系の制御データに基づいて直進軸および回転軸を含む駆動軸を動作させることにより工作物に対する工具の加工位置および加工姿勢を制御する工作機械の制御装置であって、
   前記制御データに基づいた前記工作機械による加工において前記回転軸が軸反転する前記加工位置を検出する検出手段と、
   指令加工位置と実加工位置との許容位置誤差を設定する許容位置誤差設定手段と、
   検出された軸反転する前記加工位置から前記回転軸の中心までの離間距離と前記許容位置誤差とに基づいて、前記回転軸の指令角度と前記回転軸の実角度との差である許容角度誤差を算出する許容角度誤差算出手段と、
   前記離間距離と設定された前記許容位置誤差とにより算出された前記許容角度誤差に基づいて、前記回転軸の許容加速度を決定する許容加速度決定手段と、
   前記許容加速度に基づいて前記駆動軸の速度制御を行う制御手段と、
   を備えることを特徴とする工作機械の制御装置。
2. 請求項１において、
   前記検出手段は、前記制御データに基づいた前記工作機械による加工において前記直進軸が軸反転する前記加工位置を検出し、
   前記許容加速度決定手段は、前記許容位置誤差に基づいて前記直進軸の前記許容加速度を決定することを特徴とする工作機械の制御装置。
3. 請求項１または２において、
   前記制御装置は、前記工作機械の構成に応じて前記駆動軸の前記許容加速度が異なる特性であり、前記工作機械の実動作において測定される前記指令加工位置と前記実加工位置との実位置誤差に基づいて予め設定される前記工作機械の機械特性を記憶する機械特性記憶手段をさらに備え、
   前記許容加速度決定手段は、前記機械特性と前記許容位置誤差に基づいて前記駆動軸の前記許容加速度を決定することを特徴とする工作機械の制御装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項において、
   前記許容加速度決定手段は、検出された軸反転する前記加工位置における加工形状と前記許容位置誤差とに基づいて前記駆動軸の前記許容加速度を決定することを特徴とする工作機械の制御装置。
5. 請求項１〜４の何れか一項において、
   前記制御手段は、検出された軸反転する前記加工位置において前記制御データに含まれる速度指令値から算出される前記駆動軸の指令速度と、前記許容加速度から算出される前記駆動軸の移動速度と、に基づいて前記速度指令値を補正することにより前記駆動軸の速度制御を行うことを特徴とする工作機械の制御装置。
6. 請求項５において、
   前記制御手段は、前記指令速度と前記移動速度の比から減速率を算出し、前記工作機械が当該指令速度を指令する前記速度指令値に基づいて加工する際に、前記減速率に応じたオーバーライドを切り換えることにより前記速度指令値を補正することを特徴とする工作機械の制御装置。
7. 請求項５または６において、
   前記制御手段は、前記指令速度と前記移動速度の比から減速率を算出し、前記工作機械が前記制御データに基づいて加工する前に、当該指令速度を指令する前記速度指令値を前記減速率に応じた補正値に予め更新することにより前記速度指令値を補正することを特徴とする工作機械の制御装置。

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