JP6219866B2 - 表示機能付き数値制御装置および表示プログラム - Google Patents

Description

本発明は、加工を行いながら並行して工具軌跡の現在位置の表示を行う表示機能付き数値制御装置およびその表示プログラムに関するものである。

一般に、工作機械装置は、数値制御プログラム（NCプログラム）に基づいて工具と被加工物の相対移動を制御する数値制御装置を搭載している。近年はコンピュータ技術の進歩にともない、殆どの数値制御装置は、汎用コンピュータの機能を備えるコンピュータ数値制御装置（CNC，Computerized Numerical Controller）である。このような数値制御装置は、加工を制御する数値制御以外に、パーソナルコンピュータによって実行されるような機能、例えば、加工中の工具軌跡を表示する表示機能をはじめ、工程管理、スケジュール管理のような様々な管理を行う機能を有している。

一般に、コンピュータ数値制御装置のユニットは、基板に配設された少なくとも１つのＣＰＵ（Central Processing Unit）とキャッシュメモリ（二次キャッシュ）を含む演算装置、専用のスロットに差し込まれた増設のＲＡＭ（Random Access Memory）、拡張スロットに差し込まれたグラフィックボードのようなプリント基板に配設された拡張部品、ハードディスク、各種インターフェースのような付属部品が１つの筐体に収納された構造になっている。このような構成を有する数値制御装置は、加工制御のための演算と加工制御以外のための演算とを同時に行なうことができないので、ＣＰＵを含む演算装置が相当高い性能を有していたとしても、３次元モデルを切削加工によって生成するときのように大量のＮＣデータを演算処理する必要がある加工制御と並行して、加工が進んでいる工具位置を厳密に追従するように工具軌跡を円滑に表示することは困難である。また、装置本来の目的はあくまで円滑な加工制御であるので、工具軌跡の表示がその加工制御に影響を与えるようだと本末転倒となってしまう。

３次元モデルの表示を行う描画方法は多く存在するが、工具軌跡をリアルタイムで描画表示するときは、ＮＣデータから移動指令を計算し、多数の点が集まった点群の位置座標または移動ベクトルを求めて、移動指令の実行順序に従って描画データを生成する方法が一般的である。そのため、演算装置にかかる負荷が大きく描画に時間がかかる。

描画表示する工具軌跡形状（描画形状）は、実際に加工するための工具軌跡の形状精度と同じ描画精度が要求されているわけではないので、演算装置にかかる負荷を小さくし描画に要する時間を短縮するために、何らかの方法で位置あるいは移動ベクトルのデータを間引いて描画データを生成する方法が実施されている。例えば、特許文献１の発明は、予め所望の描画精度を決めておき、描画精度に影響を与えない最小描画単位よりも小さい移動量の描画部分を間引きすることによって、演算装置にかかる負荷を軽減し、可能な限り描画時間を短縮するようにしている。つまり、図１０に示すように、本来の軌跡は実線で描かれたようになるが、最小描画単位Ｇよりも移動量Ｎが小さいところでは、間引きが行われ破線部のように表示装置に描画される。

特開平４−１７７４０９号公報

特許文献１では、移動指令に応じて生成した工具軌跡に対応するように描画データを生成するが、工具軌跡上に存在する位置または移動ベクトルを間引いて描画を行うことで描画時の負荷を軽減しようとしているので、操作者がＮＣプログラムや送り速度のような加工条件などの設定値を検査する上で、重要な箇所において、工具軌跡が正しく再現されて描画表示されないというおそれがある。

そこで、本発明では、加工制御に影響を与えることなくより正確に工具軌跡の描画表示を行う表示機能付き数値制御装置を提供することを目的とするものである。

本願発明の１つの表示機能付き数値制御装置は、所定の時間間隔で加工機の工具を被加工物に対して相対移動させる各制御軸の移動速度を制御するための軸制御データを記憶した軸制御データ記憶部と、軸制御データに従って、各制御軸を移動速度で移動させるための移動指令を生成して、該移動指令を時間間隔で各制御軸を駆動制御する駆動部に出力する移動指令出力部と、工具が移動する工具軌跡を描画データに従って描画する表示部とを備えた表示機能付き数値制御装置であって、時間間隔で移動指令を駆動部に出力する時刻の直前の工具の工具位置が移動する移動ベクトルと該時刻の直後の移動ベクトルとが同一方向である時は、描画データの生成を行わず、時刻の直前の移動ベクトルと該時刻の直後の移動ベクトルとが同一方向ではない時に、描画データを作成済みの工具軌跡の終点位置と該時刻の工具の工具位置に対応する表示部上の座標位置とを結ぶ工具軌跡を描画する描画データを生成する描画データ生成部と、描画データが生成された順に、各描画データにしたがって表示部に描画済みの工具軌跡の終点位置から該描画データで指定された座標位置までの工具軌跡を描画するように制御する描画表示制御部を備えることを特徴とする。

また、本願発明の１つの表示プログラムは、所定の時間間隔で加工機の工具を被加工物に対して相対移動させる各制御軸の移動速度を制御するための軸制御データを記憶した軸制御データ記憶部と、軸制御データに従って、各制御軸を移動速度で移動させるための移動指令を生成して、該移動指令を時間間隔で前記各制御軸を駆動制御する駆動部に出力する移動指令出力部と、工具が移動する工具軌跡を描画データに従って描画する表示部とを備えた表示機能付き数値制御装置に設けられたコンピュータを、時間間隔で移動指令を駆動部に出力する時刻の直前の工具の工具位置が移動する移動ベクトルと該時刻の直後の移動ベクトルとが同一方向である時は、描画データの生成を行わず、時刻の直前の移動ベクトルと該時刻の直後の移動ベクトルとが同一方向ではない時に、描画データを作成済みの工具軌跡の終点位置と該時刻の工具の工具位置に対応する表示部上の座標位置とを結ぶ工具軌跡を描画する描画データを生成する描画データ生成部と、描画データが生成された順に、各描画データにしたがって表示部に描画済みの工具軌跡の終点位置から該描画データで指定された座標位置までの工具軌跡を描画するように制御する描画表示制御部として機能させることを特徴とする。

本願発明の他の表示機能付き数値制御装置は、所定の時間間隔で加工機の工具を被加工物に対して相対移動させる各制御軸の移動速度を制御するための軸制御データを記憶した軸制御データ記憶部と、軸制御データに従って、各制御軸を移動速度で移動させるための移動指令を生成して、該移動指令を時間間隔で駆動部に出力する移動指令出力部と、工具が移動する工具軌跡を描画データに従って描画する表示部とを備えた表示機能付き数値制御装置であって、時間間隔で移動指令を駆動部に出力する時刻の直前の工具の工具位置が移動する移動ベクトルと該時刻の直後の移動ベクトルとが同一方向であり、かつ、描画データを作成済みの工具軌跡の終点位置と時刻の工具の座標位置との距離が所定の閾値以下の時は、描画データの生成を行わず、時刻の直前の移動ベクトルと該時刻の直後の移動ベクトルとが同一方向であり、かつ、描画データを作成済みの工具軌跡の終点位置と該時刻の工具の座標位置との距離が所定の閾値を越えている時、または、時刻の直前の移動ベクトルと該時刻の直後の移動ベクトルとが同一方向ではない時は、描画データを作成済みの工具軌跡の終点位置と時刻の工具の工具位置に対応する表示部上の座標位置とを結ぶ工具軌跡を描画する描画データを生成する描画データ生成部と、描画データが生成された順に、各描画データにしたがって表示部に描画済みの工具軌跡の終点位置から該描画データで指定された座標位置までの工具軌跡を描画するように制御する描画表示制御部とを備えることを特徴とする。

また、本願発明の他の表示プログラムは、所定の時間間隔で加工機の工具を被加工物に対して相対移動させる各制御軸の移動速度を制御するための軸制御データを記憶した軸制御データ記憶部と、軸制御データに従って、各制御軸を移動速度で移動させるための移動指令を生成して、該移動指令を時間間隔で駆動部に出力する移動指令出力部と、工具が移動する工具軌跡を描画データに従って描画する表示部とを備えた表示機能付き数値制御装置に設けられたコンピュータを、時間間隔で移動指令を駆動部に出力する時刻の直前の工具の工具位置が移動する移動ベクトルと該時刻の直後の移動ベクトルとが同一方向であり、かつ、描画データを作成済みの工具軌跡の終点位置と時刻の工具の座標位置との距離が所定の閾値以下の時は、描画データの生成を行わず、時刻の直前の移動ベクトルと該時刻の直後の移動ベクトルとが同一方向であり、かつ、描画データを作成済みの工具軌跡の終点位置と時刻の工具の座標位置との距離が所定の閾値を越えている時、または、時刻の直前の移動ベクトルと該時刻の直後の移動ベクトルとが同一方向ではない時は、描画データを作成済みの工具軌跡の終点位置と該時刻の工具の工具位置に対応する表示部上の座標位置とを結ぶ工具軌跡を描画する描画データを生成する描画データ生成部と、描画データが生成された順に、各描画データにしたがって表示部に描画済みの工具軌跡の終点位置から該描画データで指定された座標位置までの工具軌跡を描画するように制御する描画表示制御部として機能させる。

「軸制御データ」とは、被加工物に対して工具位置を移動させるために各制御軸を制御するためのデータをいい、各制御軸の速度を所定の時間間隔で記録したものであっても、数式などを用いて所定の時間間隔で各制御軸の速度を変化させることができるものであってもよい。

また、所定の時間間隔とは、予め決められた時間間隔であれば、一定の時間間隔であっても、時間間隔が一定のものでなくてもよい。具体的には、例えば、速度と加工する工具軌跡の形状に応じて、時間間隔を変えたものであってもよい。

「所定の時間間隔で移動指令を駆動部に出力する時刻の直前の工具の工具位置が移動する移動ベクトル」とは、所定の時間間隔の各時刻に、駆動部に移動指令を出力する前に工具が移動していたベクトルをいい、「該時刻の直後の移動ベクトル」とは、駆動部に移動指令を出力したことによって、その移動指令に従って工具が移動するベクトルをいう。「時間間隔で移動指令を駆動部に出力する時刻の直前の工具の工具位置が移動する移動ベクトルと該時刻の直後の移動ベクトルとが同一方向ではない」は、駆動部に移動指令を出力したことにより、工具の進行方向が変化することを指す。

「該時刻の直前の移動ベクトルと該時刻の直後の移動ベクトルとが同一方向である」は、駆動部に移動指令を出力しても、工具の進行方向が変化せず、略直線で移動していることを指す。

また、「同一方向」であるか否かは、表示する表示装置のスクリーンの描画精度に応じて、表示装置に表示した工具軌跡に違いが現れない範囲であればよい。例えば、実際に数値制御装置において加工する場合には、高精度な性能が求められるため、加工される線には違いがあっても、それをシミュレーションする表示装置に描画する工具軌跡を表す線に違いが現れないことが多いので、表示装置の描画結果に違いが表れない範囲であれば同一方向であると判定してもよい。あるいは、判定するコンピュータの性能に依存して同一方向と判定できる範囲であればよい。

「描画データを作成済みの工具軌跡の終点位置と該時刻の工具の工具位置に対応する表示部上の座標位置とを結ぶ工具軌跡」とは、既に描画データが作成された工具軌跡の終点から、所定の時間間隔で移動指令を駆動部に出力する時刻に工具がある工具位置に対応する表示装置の座標位置までを結ぶ線をいう。

「描画データが生成された順に、各描画データにしたがって表示部に描画済みの工具軌跡の終点位置から該描画データで指定された座標位置までの工具軌跡を描画する」とは、工具位置が移動する順に従って作成された描画データを用いて描画した描画済みの工具軌跡の終点から、描画データに記録されている次に工具が移動する工具位置に対応する表示部上に座標位置までを描画することをいう。

本発明の表示機能付き数値制御装置では、所定の時間間隔で加工機の各制御軸の移動速度を制御しながら、加工機の工具が移動する工具軌跡を描画する際に、所定の時間間隔で移動指令を加工機の駆動部に出力する時刻の直前の移動ベクトルと直後の移動ベクトルが同一方向である時は、描画データの生成を行わず、各時刻の直前の移動ベクトルと直後の移動ベクトルとが同一方向ではない時に、作成済みの工具軌跡の終点位置と現在時刻の工具の工具位置に対応する表示部上の座標位置とを結ぶ工具軌跡を描画するようにしたので、描画時間を節約することが可能になり、実際の工具の移動と連動した表示を行うことが可能になる。

また、作成済みの工具軌跡の終点位置と現在時刻の工具の工具位置に対応する表示部上の座標位置とを結ぶ工具軌跡が所定の閾値を越えない間隔で描画を行うことにより、必要以上に長時間描画されないことがなくなる。

加工システムの概略構成図 加工機の駆動部の構成図 ＮＣ制御装置の構成図 ＮＣ制御装置の軸制御データ生成部の構成図 工具軌跡を分割した分割軌跡の求め方を説明するための図 分割軌跡と加工速度の関係を表す図 各軸の速度変化を表した図 工具軌跡を描画する処理のフローチャート（その１） 工具軌跡を描画する処理のフローチャート（その２） 工具軌跡の描画方法を説明するための図 従来例を説明するための図

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は本発明の表示機能付き数値制御装置を含む加工システムの概略構成図である。

本発明の加工システム１は、加工形状を作成するＣＡＭ装置（またはＣＡＤ装置）２と、加工機を制御する数値制御装置３と、被加工物（以下、ワークという）をテーブルに設置して工具でワークを加工する加工機４とからなる。ＣＡＭ装置２と数値制御装置３とは通信ケーブル５で接続される。

加工機４は、工具の取り付けられる主軸（加工ヘッド）４１と、ワークが設置されるテーブル４２Ａと、テーブル４２Ａを移動させるサドル４２Ｂと、各軸（主軸、送り軸）を駆動させる駆動部４３とを備える。通常、主軸は切削動力を伝える軸であり、図１に示す実施形態のように主軸が鉛直方向にある縦形の加工機の場合は、主軸をＺ軸として表わし、テーブル４２Ａを移動させる互いに直交する水平方向２軸の送り軸をそれぞれＸ軸とＹ軸として表す。

図２に示すように、駆動部４３は、数値制御装置３から各軸を制御する軸制御データを受け取る軸制御データ受信部４４と、軸制御データに従ってＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸のサーボモータを実際に駆動制御するために必要な実指令値を生成する指令値演算部４５と、各軸のサーボモータをフィードバック制御するモータ制御部４６ａ、４６ｂ、４６ｃと、各軸のテーブル４２のような移動体をそれぞれ移動させるサーボモータであるリニアモータ４８ａ、４８ｂ、４８ｃと、リニアモータ４８ａ、４８ｂ、４８ｃに駆動電流を出力する駆動回路４７ａ、４７ｂ、４７ｃと、を備える。駆動部４３は、図１に示される実施形態では、加工機４側に配設されているが、リニアモータ４８ａ、４８ｂ、４８ｃを除く駆動部４３を数値制御装置３の筐体内に設けることができる。

モータ制御部４６ａ、４６ｂ、４６ｃは、指令値演算部４５から受け取った実指令値と各軸に設けられたエンコーダ（不図示）から得られた検出位置ｐｘ、ｐｙ、ｐｚおよび速度ｖｘ、ｖｙ、ｖｚに基づいて、駆動回路４７ａ、４７ｂ、４７ｃに位置と速度が補償された実指令値を出力する。駆動回路４７ａ、４７ｂ、４７ｃは受け取った実指令値に応じた駆動電流をリニアモータ４８ａ、４８ｂ、４８ｃに出力する。また、駆動回路４７ａ、４７ｂ、４７ｃは、リニアモータ４８ａ、４８ｂ、４８ｃの駆動電流ｉｘ、ｉｙ、ｉｚをフィードバックして電流補償を行う機能を備える。

図３に、本発明の数値制御装置３の実施の形態の一例を示す。数値制御装置３は、加工機本機に隣接され、筐体内に箱体やプリント基板などのユニットで構成される。具体的には、数値制御装置３は、数値制御部３１、汎用制御部３２、表示部３３、操作部３４、記憶部３５、入出力部３６などを含んでなる。

数値制御装置３は、コンピュータ数値制御装置であって、ハードウェアの構成としては、数値制御装置３には、少なくともプリント基板上に配設された１つ以上のＣＰＵを含む演算装置と、主記憶装置（ＲＡＭ）と、補助記憶装置（ハードディスク）と、グラフィックボードと、各種インターフェースとが搭載されている。なお、図３に示される実施の形態では、主記憶装置と補助記憶装置とを含んで記憶部３５としている。

汎用制御部３２は、パーソナルコンピュータと略同じ機能を有する。

表示部３３は、具体的には画像データを表示データに変換する変換装置を含む液晶表示（ＬＣＤ）装置等のディスプレイ装置で構成される。

操作部３４は、操作パネルなどで構成され、制御指令あるいはデータを入力するために用いられる。あるいは、対話入力を行うために、表示部３３に表示された小さな絵や記号などで構成されたアイコンを選択することができるように、ディスプレイ装置上にタッチパネルを設けたものであってもよい。さらに、タッチパネルとともにスタイラスペン等のポインティングデバイスを備える構成にしたものであってもよい。

入出力部３６は、通信ケーブル５に接続され、コンピュータ間のローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）を通してＣＡＭ装置２（またはＣＡＤ装置）と数値制御装置３との間でＮＣプログラムまたは工具軌跡のデータなどの送受信を行う。取得したＮＣプログラムまたは工具軌跡のデータは、記憶部３５の補助記憶装置に記憶させ保存しておくことができる。

記憶部３５には、汎用制御部３２のマイクロコンピュータに接続され、オペレーティングシステムのような数値制御装置３を動作させるための基本的なシステムソフトウェアとともに、描画データの生成および描画を行うソフトウェアなどの種々のアプリケーションソフトウェアが予めインストールされている。さらに、記憶部３５には、ＣＡＭ装置（あるいはＣＡＤ装置）２から送信されたＮＣプログラムまたは工具軌跡のデータが記憶される。また、最大加速度、最大加加速度などのパラメータが各加工機４の物理特性に依存する機械固有の設定値が記憶される。さらに、記憶部３５には、設定送り速度、設定加速度、工具の回転数のようなプログラムの作成者または操作者によって与えられる任意のパラメータのデータを記憶する。パラメータが、工具径などに対応した複数の値が与えられる場合には、工具軌跡のデータと関連付けて記憶される。ＮＣプログラムには、予め複数種類のパラメータのデータが与えられており、ＮＣプログラムを解読して得られるＮＣデータの中に含まれる複数種類の各パラメータの値も、記憶部３５に記憶される。また、ＣＡＭ装置２から工具軌跡のデータだけを取得したときは、操作者が工具軌跡のデータに関連付けて要求される複数種類のパラメータの値を入力して記憶部３５に記憶させる。

図３に示すように、本発明の数値制御装置３の数値制御部３１には、ＮＣプログラムを解読し、または曲線データを解析して、軸制御データを生成する軸制御データ演算部３２１が含まれる。汎用制御部３２は、記憶部３５にインストールされているアプリケーションプログラムを実行することにより、描画データ生成部３２２、描画表示制御部３２３として機能する。以下に、各機能について説明するが、いくつかの機能が汎用制御部３２以外のユニットに搭載されてもよい。

軸制御データ演算部３２１は、ＣＡＭ装置（またはＣＡＤ装置）２から受信したＮＣプログラムまたは工具軌跡のデータから軸制御データを生成する。軸制御データは、各制御軸の移動速度の変化を表したものであり、一定の時間間隔で各制御軸を移動速度で制御することで指定された工具軌跡に従って移動させるためのデータである。

図４に示すように、軸制御データ演算部３２１は、ＮＣプログラム解読部３２４、工具軌跡生成部３２５、軸制御データ生成部３２６を備える。ただし、ＣＡＭ装置２と数値制御装置３との間を常時通信回線で接続させておくことができる環境にある場合には、実施の形態の数値制御装置３の軸制御データ演算部３２１の１以上の上記各機能をＣＡＭ装置２に設けることができる。

ＮＣプログラムは、命令を示すＮＣコード（Ｇ０１：直線補間、Ｇ０２またはＧ０３：円弧補間等）、工具の各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の座標値、送り速度（Ｆ値、以下、加工速度として説明する）などのパラメータの値が記録されている。

ＮＣプログラム解読部３２４は、操作者が記憶部３５に保存されているＮＣプログラムのファイルを選択してそのＮＣプログラムを実行させる操作を行うと、記憶部３５から操作者によって選択されたファイルのＮＣプログラムを読み出して、読み出したＮＣプログラムをプログラムブロック毎に順番に解読してＮＣデータを生成する。生成されたＮＣデータのうち、移動に関するＮＣコードと位置データなどの工具軌跡の形状を定義したデータは、工具軌跡生成部３２５に出力される。また、加工条件などのパラメータに関するＮＣデータは、記憶部３５に出力される。

工具軌跡生成部３２５は、ＮＣプログラムを解読して得られた工具軌跡の形状を定義するＮＣデータ、例えば、Ｇコードと各軸の座標値を解析して、ＮＣプログラムで定義されている工具軌跡との誤差が所定の範囲内に収まるように複数のＮＵＲＢＳ（非一様有理Ｂスプライン Non-Uniform Rational B-Spline）などのパラメトリック曲線に変換する。誤差の範囲は、経験的に決められる範囲であればよく、加工対象物、加工形状などによって決められる。パラメトリック曲線で表された工具軌跡は記憶部３５に一旦記憶される。ＣＡＭ装置（あるいはＣＡＤ装置）２からパラメトリック曲線で表される工具軌跡のデータを受信した場合には、そのデータを記憶するようにしてもよい。

軸制御データ生成部３２６は、ＮＣプログラムで指定された加工速度Ｆを用いて、パラメトリック曲線に変換された工具軌跡Ｌを軸制御データに変換する。以下の軸制御データを生成する演算では、記憶部３５に記憶されているパラメータを用いて演算が行われるが、軸制御データを出力する加工機の設定に応じて、操作者により、予めいずれの加工機用のパラメータを用いるかが選択される。

まず、パラメトリック曲線に変換された工具軌跡Ｌの曲率に応じて工具軌跡Ｌを分割した分割軌跡を求める。加工機４は、指定された２点間を各軸の速度を制御しながら工具の加工位置を移動させてワークを加工するが、工具軌跡Ｌの曲率が大きい部分では、加工機４の慣性モーメントや剛性などに影響されて、工具軌跡Ｌに沿って工具の加工位置を移動させるのが難しい部分がある。また、加工機４に指定した２点間を結ぶ工具軌跡Ｌが、直線から大きく外れることがない方が好ましい。そこで、工具軌跡Ｌの曲率を求め、図５に示すように、工具軌跡Ｌを曲率が小さいところは大きい間隔で分割し、曲率が大きくなるに従って小さい間隔で分割し、工具軌跡Ｌ上の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，・・・，Ｐi，Ｐｉ+１、・・・で分割した複数の分割軌跡ｌ１，ｌ２，ｌ３，ｌ４，・・・，ｌi,・・・に分ける。例えば、工具軌跡の曲率が小さく（曲率が０に近い）略直線である範囲の工具軌跡Ｌは１つの分割軌跡にする。つまり、直線に近い部分が続くところでは、長い距離の工具軌跡が１つの分割軌跡ｌとなり、曲率が大きいところは短い間隔で分割軌跡ｌが生成される。

次に、分割した各分割軌跡ｌ１，ｌ２，ｌ３，ｌ４，・・・，ｌi,・・・に沿って工具を指定された加工速度Ｆで移動させるときの分割軌跡ｌ上の点の各軸の位置と所定の時間間隔で求めた各軸の速度の時間変化で表わされる移動指令値を記録した軸制御データを求める。軸制御データには、分割軌跡上の少なくとも１点の各軸の位置を含むものであればよい。例えば、軸制御データに分割軌跡ｌ上の始点の位置と分割軌跡に沿って移動させるときの各軸の速度変化とが記録されている場合には、始点の位置から各軸を指定された速度変化に従うように各軸を制御することによって、分割軌跡ｌに沿って工具の加工位置を移動させることができる。

図６に示すような分割軌跡ｌに沿って、指定された加工速度Ｆでワークを加工するには、分割軌跡ｌ上の各位置で、工具の加工位置を接線方向に加工速度Ｆで移動させることで、工具の加工位置を分割軌跡ｌに沿って移動させることができる。つまり、加工速度Ｆを、分割軌跡ｌの各位置における接線ベクトルの各軸の成分Ｘ，Ｙ，Ｚに分け、始点の位置からＸ軸をＸ方向の速度成分で移動させ、Ｙ軸をＹ方向の速度成分で移動させ、Ｚ軸をＺ方向の速度成分で移動させるように制御することで分割軌跡に沿って工具の加工位置を移動させることが可能になる。図６に示すように、分割軌跡ｌ上の始点の位置Ｐ１での各軸の速度成分は（Ｖ１ｘ，Ｖ１ｙ，Ｖ１ｚ）となり、終点の位置Ｐ２での各軸の速度成分は（Ｖ２ｘ，Ｖ２ｙ，Ｖ２ｚ）となるので、各軸を位置Ｐ１からＰ２に移動する間に各軸の速度をＶ１ｘ→Ｖ２ｘ、Ｖ１ｙ→Ｖ２ｙ、Ｖ１ｚ→Ｖ２ｚに変化させる。また、分割軌跡ｌに沿うように工具を移動させるには、工具の進行方向が分割軌跡の接線方向に向くように短い時間間隔で各軸の速度を変える必要がある。

そこで、図７に示すように、各分割軌跡ｌ上を加工速度Ｆで工具を移動させるときの各軸を移動させる速度Ｖｘ,Ｖｙ,Ｖｚの時間変化を表す速度曲線を求める。図７は、Ｚ方向の移動がなくＸＹ平面でのみ移動がある場合を示す。各軸の速度をこの速度曲線に従うように制御することにより、加工位置を分割軌跡ｌに沿って移動させることができる。そこで、軸制御データには、例えば、各軸の速度曲線を短い一定の時間間隔Δｔで分割した各点における各軸の速さと、分割軌跡ｌの開始点を記録する。

加工機４には最大加速度や最大加加速度に限界があるため指定された加工速度Ｆを維持したまま、分割軌跡ｌに沿って工具の加工位置を移動させることができないところがある。そこで、最大加速度や最大加加速度に関するパラメータに基づいて、加工位置における分割軌跡ｌの曲率が大きく、加工速度Ｆで加工を行ったときに分割軌跡ｌに沿って加工できないと予測される部分では、指定された加工速度Ｆより小さくなるように各軸方向の速度を求める。具体的には、分割軌跡を時間間隔Δｔで分割した各点における分割軌跡の曲率に基づいて、指定された加工速度Ｆで各軸を移動させたときの加速度と加加速度を求め、その加速度や加加速度が、パラメータに設定されている加工機４の最大加速度や最大加加速度を超えている部分は、加工位置の移動速度を加工速度Ｆよりも小さい速度にして最大加速度や最大加加速度を超えないように各軸方向の速度を求めて軸制御データを生成する。

また、図７に示す、時間Ｔ０から時間Ｔｎまでの速度曲線の積分値が時間Ｔ０から時間Ｔｎまでに移動した距離となるので、時間Ｔｎにおける各軸の位置は、分割軌跡ｌの開始点Ｐ０に速度曲線のＴ０〜Ｔｎ間の積分値を加えることにより各軸の位置が求められる。

ここでは、軸制御データに、一定の時間間隔Δｔで各軸の速度を記録する場合について説明する。直線上を工具の加工位置を移動するときのように速度に変化がない場合には、直線移動の区間は各軸の速度を記録しなくてもよい。また、時間間隔は常に一定でなくてもよく、曲率が小さい区間は大きい時間間隔で速度を記録し、曲率が大きい区間は小さい時間間隔で速度を記録するようにしてもよい。時間間隔が一定でない場合には、軸制御データに速度を記録した時間間隔も記録する。常に、一定の時間間隔で、速度を記録する場合には、精度が維持できるように、最も小さい時間間隔で速度を記録しなければならないが、曲率に応じて時間間隔を変えるようにすることで、データ量を減らすことができる。

上記の各処理により、通常、ＮＣプログラムで定義される１つのプログラムブロックで表される１つの工具軌跡のブロック（Ｇコードで定義される範囲）が、軸制御データで定義される具軌跡が実際の工具軌跡から大きく外れないようにするために、複数の軸制御データに変換されることが多いが、例えば、長い１つ直線の工具軌跡が複数のブログラムブロックで指定され複数の工具軌跡のブロックで形成されているような部分は、複数の工具軌跡のブロックが１つの軸制御データに変換されることもある。生成された軸制御データを工具軌跡の加工開始位置から順にファイルに記録して、記憶部（軸制御データ記憶部）３５に一旦記憶される。

軸制御データ演算部３２１は、時間間隔Δｔで実行され、軸制御データに記録されている各軸の速度を読み取り、軸制御データに記録されている各軸の速度で各軸を移動させるための移動指令を生成して駆動部４３に出力する。駆動部４３は、出力された移動指令に従って各制御軸を指定された速度で移動させる。

描画データ生成部３２２は、記憶部３５に記憶されているファイルに記録されている軸制御データに従って、工具軌跡を表す描画データを生成する。描画データ生成部３２２は、軸制御データ演算部３２１が時間間隔Δｔで移動指令を駆動部４３に出力する度に実行され、移動指令に従った速度で各軸を移動させたときの現在位置が常に計算される。一方、描画データは移動指令を駆動部４３に出力する前後で工具が移動する移動ベクトルの方向が変わった時にだけ生成され、既に描画データとして作成された工具軌跡の終点から現在位置までを直線で結ぶ描画データを生成する。具体的には、時間間隔Δｔで、軸制御データ演算部３２１が移動指令を駆動部４３に出力する前に工具が進んでいる方向の移動ベクトルと、出力後に移動指令に従って工具が進む方向の移動ベクトルを比較して、各時刻の前後で工具が進む方向が同じ方向であるときは、描画データは生成しない。つまり、直線で工具が移動している間は描画を行わない。

同じ方向に進んでいるか否かは、例えば、時刻の前後で２つの移動ベクトルの外積値等を用いて判定することができるが、表示する表示装置のスクリーンの描画精度に応じて、表示装置に表示した工具軌跡に違いが現れない範囲で経験的に決められたものであればよい。例えば、実際に数値制御装置において加工する場合には、高精度な性能が求められるため、加工される線には違いがあっても、それをシミュレーションする表示装置に描画する工具軌跡を示す線に違いが現れないことが多いので、表示装置の描画結果に違いが現れない範囲であれば同一方向であると判定してもよい。あるいは、コンピュータの計算精度の範囲で同一方向の判定が行われる。

一方、描画データ生成部３２２は、工具が進む方向を比較した結果、各時刻の前後で工具が進む方向が違うときには、描画データとして作成済みの工具軌跡の終点位置から工具の進む方向が変わる直前の現在位置に対応する表示部３３の座標位置を結ぶ軌跡を直線で結ぶ描画データを生成し、生成された描画データを順に記憶部３５の現在位置記憶部に記憶する。

描画表示制御部３２３は、描画データ生成部３２２で生成された描画データが、記憶部３５に記憶された順番に表示部３３に出力して、表示部３３の表示スクリーン上に工具軌跡を表示させる。具体的には、各描画データにしたがって表示部に描画済みの工具軌跡の終点位置からその描画データの次の描画データで指定された座標位置までの工具軌跡を描画する

ここで、加工システム１で、ＣＡＭ装置（またはＣＡＤ装置）２から受信したＮＣプログラムまたは工具軌跡のデータを本発明の数値制御装置３で受信して加工機４に移動指令を出力しながら、工具軌跡を描画する処理の流れの一例を、図８Ａ、図８Ｂのフローチャートと図９の描画する工具軌跡の一例を用いて説明する。

操作者は、ＣＡＭ装置２または数値制御装置３を操作してＣＡＭ装置２に保存されているＮＣプログラムまたは工具軌跡のデータを選択する。選択されたＮＣプログラムを数値制御装置３の入出力部３６を通して受信し、数値制御装置３の記憶部３５に記憶させる（Ｓ１）。

次に、操作者が数値制御装置３の記憶部３５に記憶されているＮＣプログラムのファイルの中から加工しようとする所望のＮＣプログラムを選択すると、軸制御データ演算部３２１のＮＣプログラム解読部３２４は、記憶部３５から選択されたＮＣプログラムを解析してＮＣデータを生成する。ＮＣプログラム解読部３２４は、生成したＮＣデータのうち工具軌跡の形状を定義するＮＣデータ、例えば、Ｇコードと各軸の座標値を工具軌跡生成部３２５に送る。また、ＮＣプログラム解読部３２４は、ＮＣデータから得ることができる複数種類のパラメータのデータを記憶部３５に記憶させる（Ｓ２）。

工具軌跡生成部３２５は、取得したＮＣデータに基づいてＮＣプログラムで定義されている形状を複数のパラメトリック曲線に変換して工具軌跡を生成する。工具軌跡生成部３２５は、生成した工具軌跡のデータを記憶部３５に記憶させる（Ｓ３）。

軸制御データ生成部３２６は、すでに説明されている演算プロセスで、ＮＣプログラムで指定されている送り速度（加工速度）Ｆと、パラメトリック曲線に変換された工具軌跡と、選択された加工機４に対応するパラメータを用いて、複数の軸制御データに変換して記憶部３５に記憶する（Ｓ４）。

軸制御データは、加工する順に従って駆動部４３に受け渡たされるとともに、記憶部３５に記憶される。並行して、描画データ生成部３２２は、記憶部３５から軸制御データを取得する（Ｓ５）。

軸制御データ演算部３２１は、時間間隔Δｔで実行され、軸制御データに記録されている各軸の速度を先頭から読み取り、記録されている速度で各軸を移動させるための移動指令を生成して駆動部４３に出力する。まず、最初に、軸制御データの先頭に記録されている時刻ｔ_０の速度を出力し（Ｓ６）、並行して、描画データ生成部３２２を実行して、移動指令に従った速度で各軸を移動させたときのΔｔ時間後の時刻ｔ_１（＝ｔ_０＋Δｔ）の位置Ｐ_１を計算して現在位置として現在位置記憶部に記憶する（Ｓ７）。また、このとき描画は行われていないので、工具軌跡の終点位置Ｐ_ｅは工具軌跡の描画を開始する開始位置Ｐ_０と一致する。

次の時刻ｔ_１（ｎ＝１）に（Ｓ８）、軸制御データの次に記録されている速度を読みだして（Ｓ９）、駆動部４３に出力し（Ｓ１０）、並行して、描画データ生成部３２２を実行する。描画データ生成部３２２は、時刻ｔ_０から時刻ｔ_１の間に工具が移動する移動ベクトルと、時刻ｔ_１からΔｔ時間後の時刻ｔ_２（＝ｔ_１＋Δｔ）の間に工具が移動する移動ベクトルを比較して（Ｓ１１）、時刻ｔ_１の前後で工具が進む方向が同じ方向であるか否かを判定し（Ｓ１２）、同じ方向に進むときは（Ｓ１２ Ｙｅｓ）、描画データは生成しないで、移動指令に従って各軸を移動させた時刻ｔ_２の現在位置Ｐ_２を計算して記憶部３５の現在位置記憶部に記憶する（Ｓ１５）。

さらに、軸制御データに次のｎ（ｎ＝ｎ＋１＝２，Ｓ１７）の時刻ｔ_２の軸制御データがあるときは（Ｓ１６ＮＯ、Ｓ１７）、時刻ｔ_２の速度を読みだして（Ｓ９）、前述同様に、軸制御データの次に記録されている速度を駆動部４３に出力し（Ｓ１０）、並行して、描画データ生成部３２２を実行して、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２の間に工具が移動する移動ベクトルと、時刻ｔ_２からΔｔ時間後の時刻ｔ_３（＝ｔ_２＋Δｔ）の間に工具が移動する移動ベクトルを比較して（Ｓ１１）、時刻ｔ_２の前後で工具が進む方向が同じ方向であるときは（Ｓ１２ Ｙｅｓ）、描画データは生成しないで、時刻ｔ_２からΔｔ時間後の時刻ｔ_３の現在位置Ｐ_３を計算して現在位置記憶部に記憶する（Ｓ１５）。このように、軸制御データに記録されている速度を駆動部４３に出力する時間間隔Δｔの各時刻で、工具が進む方向が変化しないときは、描画データは生成しないでΔｔ時間後の現在位置を計算して現在位置記憶部に記憶する処理を続ける。

さらに進んで、時刻ｔ_ｉ（ｎ＝ｉ，ｉ＞２）で、時刻ｔ_ｉ−１から時刻ｔ_ｉ（＝ｔ_ｉ−１＋Δｔ）の間に工具が移動する移動ベクトルと、時刻ｔ_ｉからΔｔ時間後の時刻ｔ_ｉ＋１（＝ｔ_ｉ＋Δｔ）の間に工具が移動する移動ベクトルを比較して（Ｓ１１）、時刻ｔ_ｉの前後で工具が進む方向が変わるときは（Ｓ１２ Ｎｏ）、描画データを生成する。描画データは、工具の始点Ｐ_０から現在位置記憶部に記憶されている時刻ｉの現在位置Ｐ_ｉまでを直線で結んだ描画データを生成して記憶部３５の描画データ記憶部に記憶する（Ｓ１３）。描画表示制御部３２３は、描画データ記憶部に記憶されている描画データを表示部３３に出力して表示スクリーンに始点からＰ_ｉまでの工具軌跡を表示させる（Ｓ１４）。このとき、描画された軌跡の終点位置Ｐ_ｅはＰ_ｉである。また、時刻ｔ_ｉからΔｔ時間後の時刻ｔ_ｉ＋１の現在位置Ｐ_ｉ＋１を計算して現在位置記憶部に記憶する（Ｓ１５）。

次の時刻ｔ_ｉ＋１の前後で工具が進む方向が変わるときは（Ｓ１２ Ｎｏ）、表示部３３に描画された最後の終点位置Ｐ_ｅ＝Ｐ_ｉから現在位置記憶部に記録されている現在位置Ｐ_ｉ＋１までを直線で結ぶ描画データを生成し描画データ記憶部に記憶する（Ｓ１３）。描画表示制御部３２３は、描画データ記憶部に記憶されている描画データを読み取り、表示部３３の表示スクリーンにＰ_ｉからＰ_ｉ＋１を結ぶ工具軌跡を表示させる（Ｓ１４）。また、時刻ｔ_ｉ＋２からΔｔ時間後の時刻ｔ_ｉ＋３の現在位置Ｐ_ｉ＋３を計算して現在位置記憶部に記憶する（Ｓ１５）。

上述と同様に、時刻ｔ_ｉ＋２〜ｔ_ｊ−１では工具が進む方向に変化がないときには（Ｓ１２ Ｙｅｓ）、表示データを作成せずに現在位置を計算して更新していく（Ｓ１５）。時刻ｔ_ｊ（ｎ＝ｊ，ｊ＞ｉ＋２）で、工具が進む方向が変わった時には（Ｓ１２ Ｎｏ）、描画データを生成する。この時、現在位置記憶部は時刻ｔ_ｊの位置Ｐ_ｊが記憶されているので、表示部３３の表示スクリーン上に描画された工具軌跡の終点位置Ｐ_ｉ＋１から現在位置記憶部に記憶されている現在位置Ｐ_ｊまでを直線で結ぶ描画データを生成して（Ｓ１３）、表示スクリーンに工具軌跡を表示させる（Ｓ１４）。さらに、現在位置Ｐ_ｊ＋１を計算して現在位置記憶部に記憶する（Ｓ１５）

以上のＳ９〜Ｓ１７の処理を繰り返して、時間間隔Δｔで移動指令を駆動部４３に出力する時刻の前後で、工具位置が移動する移動ベクトルの方向が変わった時にのみ、描画データが既に作成されている工具軌跡の終点位置と、そのときに工具がある座標位置を結ぶ軌跡を描画する描画データを生成する。

以上のようにして、軸制御データに記録されている最後の速度が駆動部４３に出力が終わると（Ｓ１８）、記憶部３５から次の軸制御データを読み取り、描画データ生成部３２２に受け渡す（Ｓ５）。

以上説明したように、全ての軸制御データに基づいた移動指令を駆動部４３に出力および描画が終了するまでＳ５〜Ｓ１８の処理を繰り返す。

このように工具の進行方向が変わらないところは、工具は直線で進んでいるため、工具の進行方向が変わるところまでを１つの描画データにすることにより、描画データの量を少なくして描画に必要な処理時間を削減することが可能になるので、加工制御に影響がないようにすることができる。しかし、工具が進む方向が変わるところでは、常に描画データが作成されるため、加工された工具軌跡が正確に表示される。

上述では、描画データ作成後にその描画データをすぐに表示する方法について説明したが、一旦、描画データを描画データ記憶部にスプーリングしておき、加工制御に関する処理が実行されていない時に、描画表示制御部３２３を実行して表示を行うようにしてもよい。

また、軸制御データにはある時間間隔で各軸の速度を記録する場合について説明したが、速度の変化分を記録するようにしてもよい。

上述では、所定の時間間隔で移動指令を駆動部に出力する時刻の前後において工具位置が移動する移動ベクトルの方向が同じ方向である場合は、描画データを生成しない場合について説明したが、長い間、直線で移動を行う場合には、描画されない時間が長くなる。そこで、移動ベクトルの方向が同じ方向であっても、表示部に表示されている工具軌跡の終点位置と各時刻の工具の座標位置との距離が所定の閾値を越えている場合には、表示部に表示されている工具軌跡の終点位置とその時刻の工具の座標位置とを結ぶ工具軌跡を描画する描画データを生成するようにしてもよい。

このように、表示されない時間が長くなりすぎないようにすることにより、実際に加工を行っている状態と一緒に表示が行われる。

上述では、一定の時間間隔で速度を記録した軸制御データを駆動部４３に出力する場合について説明したが、各軸方向の速度の時間変化を表す数式のデータを軸制御データとして駆動部４３に出力し、駆動部４３で受け取った数式に従って各軸の速度を変化させるようにしてもよい。

１ 加工システム
２ ＣＡＭ装置
３ 数値制御装置
４ 加工機
５ ネットワーク
３１ 数値制御部
３２ 汎用制御部
３３ 表示部
３４ 操作部
３５ 記憶部
３６ 入出力部
４２Ａ テーブル
４２Ｂ サドル
４３ 駆動部
４４ 軸制御データ受信部
４５ 指令値演算部
４６ａ、４６ｂ、４６ｃ モータ制御部
４７ａ、４７ｂ、４７ｃ 駆動回路
４８ａ、４８ｂ、４８ｃ リニアモータ
３２１ 軸制御データ演算部
３２２ 描画データ生成部
３２３ 描画表示制御部
３２４ プログラム解読部
３２５ 工具軌跡生成部
３２６ 軸制御データ生成部

Claims (4)

1. 所定の時間間隔で加工機の工具を被加工物に対して相対移動させる各制御軸の移動速度を制御するための軸制御データを記憶した軸制御データ記憶部と、
   前記軸制御データに従って、前記各制御軸を前記移動速度で移動させるための移動指令を生成して、該移動指令を前記時間間隔で前記各制御軸を駆動制御する駆動部に出力する移動指令出力部と、
   前記工具が移動する工具軌跡を描画データに従って描画する表示部とを備えた表示機能付き数値制御装置であって、
   前記時間間隔で前記移動指令を前記駆動部に出力する時刻の直前の前記工具の工具位置が移動する移動ベクトルと該時刻の直後の前記移動ベクトルとが同一方向である時は、前記描画データの生成を行わず、
   前記時刻の直前の前記移動ベクトルと該時刻の直後の前記移動ベクトルとが同一方向ではない時に、前記描画データを作成済みの工具軌跡の終点位置と前記時刻の前記工具の工具位置に対応する表示部上の座標位置とを結ぶ工具軌跡を描画する前記描画データを生成する描画データ生成部と、
   前記描画データが生成された順に、前記各描画データにしたがって前記表示部に描画済みの工具軌跡の終点位置から該描画データで指定された前記座標位置までの工具軌跡を描画するように制御する描画表示制御部を備えることを特徴とする表示機能付き数値制御装置。
2. 所定の時間間隔で加工機の工具を被加工物に対して相対移動させる各制御軸の移動速度を制御するための軸制御データを記憶した軸制御データ記憶部と、
   前記軸制御データに従って、前記各制御軸を前記移動速度で移動させるための移動指令を生成して、該移動指令を前記時間間隔で前記各制御軸を駆動制御する駆動部に出力する移動指令出力部と、
   前記工具が移動する工具軌跡を描画データに従って描画する表示部とを備えた表示機能付き数値制御装置であって、
   前記時間間隔で前記移動指令を前記駆動部に出力する時刻の直前の前記工具の工具位置が移動する移動ベクトルと該時刻の直後の前記移動ベクトルとが同一方向であり、かつ、前記描画データを作成済みの工具軌跡の終点位置と前記時刻の工具の座標位置との距離が所定の閾値以下の時は、前記描画データの生成を行わず、
   前記時刻の直前の前記移動ベクトルと該時刻の直後の前記移動ベクトルとが同一方向であり、かつ、前記描画データを作成済みの工具軌跡の終点位置と前記時刻の工具の座標位置との距離が所定の閾値を越えている時、または、前記時刻の直前の前記移動ベクトルと該時刻の直後の前記移動ベクトルとが同一方向ではない時は、前記描画データを作成済みの工具軌跡の終点位置と前記時刻の前記工具の工具位置に対応する表示部上の座標位置とを結ぶ工具軌跡を描画する前記描画データを生成する描画データ生成部と、
   前記描画データが生成された順に、前記各描画データにしたがって前記表示部に描画済みの工具軌跡の終点位置から該描画データで指定された前記座標位置までの工具軌跡を描画するように制御する描画表示制御部とを備えることを特徴とする表示機能付き数値制御装置。
3. 所定の時間間隔で加工機の工具を被加工物に対して相対移動させる各制御軸の移動速度を制御するための軸制御データを記憶した軸制御データ記憶部と、
   前記軸制御データに従って、前記各制御軸を前記移動速度で移動させるための移動指令を生成して、該移動指令を前記時間間隔で前記各制御軸を駆動制御する駆動部に出力する移動指令出力部と、
   前記工具が移動する工具軌跡を描画データに従って描画する表示部とを備えた表示機能付き数値制御装置に設けられたコンピュータを、
   前記時間間隔で前記移動指令を前記駆動部に出力する時刻の直前の前記工具の工具位置が移動する移動ベクトルと該時刻の直後の前記移動ベクトルとが同一方向である時は、前記描画データの生成を行わず、
   前記時刻の直前の前記移動ベクトルと該時刻の直後の前記移動ベクトルとが同一方向ではない時に、前記描画データを作成済みの工具軌跡の終点位置と前記時刻の前記工具の工具位置に対応する表示部上の座標位置とを結ぶ工具軌跡を描画する前記描画データを生成する描画データ生成部と、
   前記描画データが生成された順に、前記各描画データにしたがって前記表示部に描画済みの工具軌跡の終点位置から該描画データで指定された前記座標位置までの工具軌跡を描画するように制御する描画表示制御部として機能させる表示プログラム。
4. 所定の時間間隔で加工機の工具を被加工物に対して相対移動させる各制御軸の移動速度を制御するための軸制御データを記憶した軸制御データ記憶部と、
   前記軸制御データに従って、前記各制御軸を前記移動速度で移動させるための移動指令を生成して、該移動指令を前記時間間隔で前記各制御軸を駆動制御する駆動部に出力する移動指令出力部と、
   前記工具が移動する工具軌跡を描画データに従って描画する表示部とを備えた表示機能付き数値制御装置に設けられたコンピュータを、
   前記時間間隔で前記移動指令を前記駆動部に出力する時刻の直前の前記工具の工具位置が移動する移動ベクトルと該時刻の直後の前記移動ベクトルとが同一方向であり、かつ、前記描画データを作成済みの工具軌跡の終点位置と前記時刻の工具の座標位置との距離が所定の閾値以下の時は、前記描画データの生成を行わず、
   前記時刻の直前の前記移動ベクトルと該時刻の直後の前記移動ベクトルとが同一方向であり、かつ、前記描画データを作成済みの工具軌跡の終点位置と前記時刻の工具の座標位置との距離が所定の閾値を越えている時、または、前記時刻の直前の前記移動ベクトルと該時刻の直後の前記移動ベクトルとが同一方向ではない時は、前記描画データを作成済みの工具軌跡の終点位置と前記時刻の前記工具の工具位置に対応する表示部上の座標位置とを結ぶ工具軌跡を描画する前記描画データを生成する描画データ生成部と、
   前記描画データが生成された順に、前記各描画データにしたがって前記表示部に描画済みの工具軌跡の終点位置から該描画データで指定された前記座標位置までの工具軌跡を描画するように制御する描画表示制御部として機能させる表示プログラム。