DE4136843A1

DE4136843A1 - Numerische steuereinrichtung zur steuerung einer effektormaschine wie einer werkzeugmaschine oder eines roboters

Info

Publication number: DE4136843A1
Application number: DE4136843A
Authority: DE
Inventors: Kiyotaka Kato
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-11-08
Filing date: 1991-11-08
Publication date: 1992-05-21
Also published as: JPH04175905A; US5227978A; JP2718260B2

Description

Die Erfindung betrifft eine numerische Steuereinrichtung zur Steuerung von Werkzeugmaschinen und Industrierobotern.

Konventionelle numerische Steuereinrichtungen werden von so genannten G-Codes gesteuert, die beispielsweise beschrieben sind in "PROGRAMMING FOR NUMERICAL CONTROL MACHINES" von A.D. Roberts und R.C. Prentice, 1968, McGraw-Hill, New York. Die G-Codes sind im Prinzip Translationsanweisungen für die Line arbewegungen (G01) oder die Kreisbogenbewegungen (G02 oder G03) der Maschine. Wenn also diese Bewegungsanweisungs-Codes verwendet werden, werden diejenigen Kurven, die nicht durch Gerade oder Kreisbogen darstellbar sind, mittels kurzer Gera densegmente angenähert. Diese der Näherung dienenden Geraden segmente, die vor der Ausführung des Steuervorgangs berechnet werden, werden in einem externen Speichermedium wie etwa auf einem NC-Band oder einer Festplatte gespeichert. Die in einem externen Speichermedium gespeicherten Informationen bezüglich der Geradensegmente werden von der numerischen Steuereinrich tung ausgelesen, wenn die Werkzeugmaschine zu steuern ist.

Die vorgenannten konventionellen numerischen Steuereinrich tungen weisen jedoch die folgenden Nachteile auf. Wenn Kurven verwendet werden, die nicht durch Gerade und Bogen darstell bar sind, werden die Kurven zuerst in eine große Menge von kurzen Geradensegmentdaten umgewandelt, die in einem externen Speichermedium gespeichert werden. Es ist daher ein NC-Band oder eine Festplatte mit großer Kapazität notwendig. Ferner muß die große Informationsmenge hinsichtlich der Geradenseg mente während der Ausführung der Steuerung aus dem externen Speichermedium ausgelesen und zu der numerischen Steuerein richtung übertragen werden. Infolgedessen ist eine Hochge schwindigkeits-Steuerung der Werkzeugmaschine wegen der Organisation der Datenübertragung nicht praktikabel.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer numeri schen Steuereinrichtung zur Steuerung einer Effektormaschine wie etwa einer Werkzeugmaschine oder eines Industrieroboters, die ohne ein externes Speichermedium zur Speicherung von an genäherten Geradensegmenten funktionsfähig ist und eine Hoch geschwindigkeits-Bewegungssteuerung der Effektormaschine realisieren kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine numerische Steuereinrichtung zur Steuerung einer Effektor maschine wie einer Werkzeugmaschine oder eines Roboters, die aufweist: eine Programmeingabeeinrichtung, über die ein Steu erprogramm eingebbar ist, das sowohl einen Block von Codes für eine Linearbewegung oder eine Kreisbogenbewegung der Effektormaschine als auch einen Block von Codes zur Erzeugung einer nichtgleichmäßigen rationalen B-Spline-Kurve enthält, entlang welcher die Effektormaschine zu verfahren ist, wobei der Block von Codes für eine Linear- oder Kreisbogenbewegung und der Block von Codes zur Erzeugung einer nichtgleichmäßi gen rationalen B-Spline-Kurve durch jeweilige Kopfcodes mar kiert sind; eine Code-Diskriminiereinrichtung, die zwischen dem Block von Codes für eine Linear- oder eine Kreisbogenbe wegung der Effektormaschine und dem Block von Codes zur Er zeugung einer nichtgleichmäßigen rationalen B-Spline-Kurve diskriminiert; eine G-Code-Steuerung, die die Effektormaschi ne nach Maßgabe des Blocks von Codes für eine Linear- oder Kreisbogenbewegung steuert; und einen B-Spline-Interpolator zur Erzeugung einer Interpolationskurve nach Maßgabe des Blocks von Codes zur Erzeugung einer nichtgleichmäßigen rationalen B-Spline-Kurve.

Bevorzugt umfaßt der Block von Codes zur Erzeugung einer nichtgleichmäßigen rationalen B-Spline-Kurve: Blöcke von Codes zur Vorgabe einer Ordnung, einer Zahl von Steuerpunkten und eines Knotenvektors; sowie einen Codeblock zur Zuführung von Daten für Steuerpunkte; und nachdem eine Gruppe der Ord nung, der Zahl von Steuerpunkten und des Knotenvektors über Codeblöcke des Programms eingegeben ist, erzeugt der B-Spline-Interpolator eine Interpolationskurve nach Maßgabe der rationalen B-Spline-Basisfunktionsvorgaben, die durch die aus Ordnung, Zahl von Steuerpunkten und Knotenvektor bezeichnete Gruppe gegeben sind, bis eine neue Gruppe aus Ordnung, Zahl von Steuerpunkten und Knotenvektor eingegeben wird.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 ein Blockschaltbild, das die Organisation der numerischen Steuereinrichtung nach der Erfindung zeigt;

Fig. 2 ein Flußdiagramm, das den Gesamtsteuerablauf der numerischen Steuereinrichtung von Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 ein Flußdiagramm, das die Einzelheiten des Spline- Interpolationsablaufs zeigt; und

Fig. 4 ein Beispiel eines Steuerprogramms, das konventio nelle G-Code- und B-Spline-Interpolationsdaten enthält.

In den Zeichnungen sind gleiche oder entsprechende Teile oder Abschnitte mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Nachstehend wird das bevorzugte Ausführungsbeispiel erläu tert.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das die konzeptionelle Orga nisation der numerischen Steuereinrichtung zeigt. Dabei um faßt die numerische Steuereinrichtung eine Programmeingabe einheit 1, über die das Steuerprogramm einschließlich der konventionellen G-Codes und der nichtgleichmäßigen rationalen B-Spline-Daten eingegeben wird; eine Code-Diskriminierein richtung 2, die zwischen den G-Codes und den nichtgleichmäßi gen rationalen B-Spline-Daten unterscheidet; eine G-Code- Steuereinheit 3, die die Effektormaschine wie etwa eine Werk zeugmaschine 5 oder einen Industrieroboter steuert; und einen B-Spline-Interpolator 4, der Interpolationen nach Maßgabe der von der Code-Diskriminiereinrichtung 2 gelieferten B-Spline- Daten erzeugt.

Das Flußdiagramm von Fig. 2 zeigt den Gesamtsteuerungsablauf der numerischen Steuereinrichtung von Fig. 1, und Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines Steuerprogramms, das konventionelle G-Code- und B-Spline-Interpolationsdaten enthält. In Fig. 4 bezeichnen die aufeinanderfolgenden Ziffern N001 bis N008 die jeweiligen Blöcke von Codes. Der Code am Kopf jedes Blocks bezeichnet die Art des Blocks. Somit sagen die Codes G01, G02 am Kopf der Blöcke N001, N002, N003 und N008 aus, daß die Blöcke konventionelle G-Codes für eine Linearbewegung (G01) bzw. eine Kreisbogenbewegung (G02) darstellen. Diese kon ventionellen Linear- und Kreisbogenbewegungs-Codes sind von der EIA (Electronic Industries Organization) oder ISO (Inter national Organization for Standardization) festgelegt. Ande rerseits sagen die Codes G70.0 und G70.1 am Kopf von Blöcken N004 bis N007 aus, daß die Blöcke nichtgleichmäßige rationale B-Spline-Daten darstellen, was nachstehend im einzelnen er läutert wird.

Nach Fig. 2 wird jeder Block des Steuerprogramms in Schritt S10 über die Programmeingabeeinrichtung 1 eingelesen, und im folgenden Schritt S20 wird abgefragt, ob der Block Steuerin formation enthält. Wenn keine Steuerinformation vorliegt, wird der Vorgang beendet. Wenn in dem Block Informationen vorhanden sind, fragt die Code-Diskriminiereinrichtung 2 in Schritt S30 ab, ob die Information die rationale B-Spline- Information ist. Wenn das nicht der Fall ist und somit der konventionelle G-Code vorliegt, wird in Schritt S40 die kon ventionelle Linear- oder Kreisbogen-Bewegungssteuerung ent sprechend dem G-Code-Schema von der G-Code-Steuereinrichtung 3 durchgeführt. Wenn die Information die rationale B-Spline- Codeinformation ist, wird in Schritt S50 vom B-Spline-Inter polator 4 die rationale B-Spline-Interpolation ausgeführt, wie nachstehend im einzelnen beschrieben wird.

Die nichtgleichmäßige rationale B-Spline-Methode ist eine vielseitige Methode zur Erzeugung von Kurven und kann alle dreidimensionalen Kurven einschließlich Stammfunktionen vom Grad 2 wie Kreisbogen und elliptische Bogen sowie Freiform kurven darstellen. Gemäß der nichtgleichmäßigen rationalen B-Spline-Methode ist eine Kurve durch eine Parameterdarstellung B(t) gegeben:

wobei
P_i = (x_i, y_i, z_i), die Steuerpunkte auf der Kurve;
n die Anzahl von Steuerpunkten ist;
t der innerhalb eines Geradensegments a ≦ t ≦ b liegende Parameter ist;
N_i,k(t) die B-Spline-Basispolynomfunktionen k-ter Ordnung sind; und
w_i die Gewichte für die jeweiligen Steuerpunkte P_i sind.

Die nichtgleichmäßige rationale B-Spline-Kurve B(t) defi niert eine Abbildung des Geradensegments a ≦ t ≦ b in einen dreidimensionalen Raum.

Die B-Spline-Basispolynomfunktionen N_i,k(t) der k-ten Ord nung (Grad k-1) werden aus den Werten der Elemente eines Kno tenvektors {t_i} mit Hilfe einer als Cox-deBoor-Algorithmus bekannten Rekursionsgleichung berechnet:

N_i,k(t) = {(t-t_i)/(t_i+k-1-t_i)} N_i,k-1(t) + {(t_i+k-t)/(t_i+k-t_i+1)} N_i+1,k-1(t)

und

N_i,l(t) = 1 (bei t_i ≦ t ≦ tl+1)
N_i,l(t) = 0 (anderweitig)

wobei die Elemente des Knotenvektors {t_i} in dem Geraden segment a ≦ t_i ≦ b enthalten sind und 0/0 = 0 gilt. Die nicht gleichmäßigen rationalen B-Splines sind beispielsweise von W. Tiller in "Rational B-Splines for Curves and Surface Representation", IEEE CG & A (Computer Graphics and Applications), Sept. 1983, S. 61-69, erörtert.

Eine spezielle Darstellung der nichtgleichmäßigen rationalen B-Spline-Kurve B(t) wird also bestimmt, wenn ihre Ordnung k, die Zahl n der Steuerpunkte P_i, die Koordinaten (x_i, y_i, z_i) der Steuerpunkte P_i, das Gewicht w_i für die jeweiligen Steu erpunkte sowie Elemente eines Knotenvektors {t_i} gegeben sind.

Gemäß der Erfindung enthält der Teil des Steuerprogramms für die rationale B-Spline-Interpolation folgendes: (1) Blöcke zur Vorgabe der Ordnung der rationalen B-Spline-Basisfunk tionen und der Zahl von Steuerpunkten; (2) Blöcke zur Vorgabe des Knotenvektors; und (3) Blöcke zur Lieferung der Koordi naten und der Gewichte für die Steuerpunkte. Die Blöcke des Typs (1) und (2) modifizieren die Vorgaben von rationalen B- Spline-Funktionen N_i, k(t) und sind durch einen Kopfcode G70.0 in Fig. 4 markiert. Andererseits liefern die Blöcke vom Typ (3) die Informationen für die Steuerpunkte und sind durch einen Kopfcode G70.1 in Fig. 4 markiert.

In Fig. 4 gibt also der Block N004 die Ordnung mit 4 und die Zahl der Steuerpunkte mit 5 vor. Der Buchstabe M bedeutet, daß die folgende Zahl die Ordnung bezeichnet. Der Buchstabe N bedeutet, daß die folgende Zahl die Zahl der Steuerpunkte bezeichnet.

Andererseits gibt der Block N005 den Knotenvektor vor. Der Buchstabe K bedeutet, daß die folgende Zahl ein Element des Knotenvektors ist. Die Zahl der Elemente des Knotenvektors ist gleich der Summe der Ordnung und der Zahl von Steuer punkten. Bei dem Beispiel von Fig. 4 ist die Ordnung 4, und die Zahl von Steuerpunkten ist 5. Somit ist die Zahl von Ele menten, die über die Programmeingabeeinrichtung 1 in den Block N005 eingelesen werden, gleich 9.

Die beiden Blöcke N006 und N007 liefern Informationen für fünf Steuerpunkte. In jeder Zeile geben die Zahlen nach den Buchstaben X, Y, Z die dreidimensionalen Koordinaten (x_i, y_i, z_i) der jeweiligen Steuerpunkte P_i an. Die Zahl nach dem Buchstaben W gibt das Gewicht w_i für den durch die vorher gehende Koordinate bezeichneten Steuerpunkt P_i an.

Wenn die rationalen B-Spline-Basisfunktionen über die Blöcke des Typs (1) und (2) vorgegeben sind, werden die gleichen Vorgaben für die folgenden Gruppen von Steuerpunkten genützt, bis eine neue Vorgabe mittels neuer Blöcke vom Typ (1) und (2) eingegeben wird. Somit werden Interpolationskurven durch das gleiche Interpolationsschema für die beiden Gruppen von Steuerpunkten erzeugt, deren Informationen in den Blöcken N004 bzw. N005 enthalten sind.

Das Flußdiagramm von Fig. 3 zeigt die Einzelheiten des Spline-Interpolationsablaufs, der dem Schritt S50 von Fig. 2 entspricht. Dabei wird nacheinander abgefragt, ob die ein gelesene Information eine Eingabe der Ordnung (Schritt S1), der Zahl von Steuerpunkten (Schritt S2), des Knotenvektors (Schritt S3) oder der Information für die Steuerpunkte (Schritt S4) ist. Wenn in Schritt S1 bestimmt wird, daß der Code eine Eingabe der Ordnung ist, wird in Schritt S5 die Ordnung eingelesen und in ein internes Register im B-Spline- Interpolator 4 gesetzt. Wenn in Schritt S2 bestimmt wird, daß der Code eine Eingabe der Zahl von Steuerpunkten ist, wird in Schritt S6 die Zahl eingelesen und in ein internes Register im B-Spline-Interpolator 4 gesetzt. Wenn in Schritt S3 be stimmt wird, daß der Code eine Eingabe des Knotenvektors ist, werden die Elemente t_i des Knotenvektors {ti} in Schritt S7 eingelesen und in ein internes Register im B-Spline-Inter polator 4 gesetzt.

Wenn dagegen in Schritt S4 bestimmt wird, daß der Code eine Eingabe von Information für die Steuerpunkte ist, werden die Informationen (Koordinaten und die Gewichte für die Steuer punkte) in Schritt S8 eingelesen und in dem B-Spline-Inter polator 4 gespeichert. Ferner wird in Schritt S9 die ratio nale B-Spline-Kurve B(t) auf der Grundlage der Ordnung, der Zahl von Steuerpunkten und des Knotenvektors, die in die Register gesetzt sind, erzeugt unter Nutzung der in dem B-Spline-Interpolator 4 gespeicherten Information für die Steuerpunkte. Der Parameter t wird von a nach b verschoben (a≦t≦b), so daß die Koordinaten der Interpolationspunkte erzeugt werden. Somit werden Freiformkurven durch nicht gleichmäßige rationale B-Spline-Kurven B(t) näherungsweise erhalten.

Gemäß der Erfindung können also die nichtgleichmäßigen ratio nalen B-Spline-Codes mit konventionellen Linear- und Kreisbo genbewegungscodes vermischt werden. Ferner diskriminiert die Code-Diskriminiereinrichtung 2 die nichtgleichmäßigen ratio nalen B-Spline-Codes, und der B-Spline-Interpolator 4 erzeugt Interpolationskurven nach Maßgabe der rationalen B-Spline- Codes. Somit entfällt die Notwendigkeit der Speicherung und Übertragung einer großen Datenmenge für unendlich kleine Geradensegmente zur Näherung von Freiformkurven.

Claims

1. Numerische Steuereinrichtung zur Steuerung einer Effek tormaschine wie einer Werkzeugmaschine oder eines Roboters, gekennzeichnet durch
eine Programmeingabeeinrichtung (1), über die ein Steuer programm eingebbar ist, das sowohl einen Block von Codes für eine Linear- oder eine Kreisbogenbewegung der Effektormaschi ne als auch einen Block von Codes zur Erzeugung einer nicht gleichmäßigen rationalen B-Spline-Kurve, entlang der die Effektormaschine zu verfahren ist, enthält, wobei der Block von Codes für eine Linear- oder eine Kreisbogenbewegung und der Block von Codes zur Erzeugung einer nichtgleichmäßigen rationalen B-Spline-Kurve durch jeweilige Kopfcodes markiert sind;
eine Code-Diskriminiereinrichtung (2), die zwischen dem Block von Codes für eine Linear- oder Kreisbogenbewegung der Effektormaschine und dem Block von Codes zur Erzeugung einer nichtgleichmäßigen rationalen B-Spline-Kurve diskriminiert;
eine G-Code-Steuereinrichtung (3), die die Effektormaschi ne nach Maßgabe des Blocks von Codes für eine Linear- oder Kreisbogenbewegung steuert; und
einen B-Spline-Interpolator (4) zur Erzeugung einer Inter polationskurve nach Maßgabe des Blocks von Codes zur Erzeu gung einer nichtgleichmäßigen rationalen B-Spline-Kurve.

2. Numerische Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Block von Codes zur Erzeugung einer nichtgleich mäßigen rationalen B-Spline-Kurve folgendes umfaßt: Blöcke von Codes zur Vorgabe einer Ordnung, einer Zahl von Steuer punkten und eines Knotenvektors; sowie einen Block von Codes zur Lieferung von Information für Steuerpunkte; und
daß dann, wenn eine Gruppe aus der Ordnung, der Zahl von Steuerpunkten und dem Knotenvektor über Codeblöcke des Pro gramms eingegeben ist, der B-Spline-Interpolator eine Inter polationskurve nach Maßgabe der rationalen B-Spline-Basis funktionsvorgaben, die durch die genannte Gruppe aus der Ordnung, der Zahl von Steuerpunkten und einem Knotenvektor bezeichnet ist, erzeugt, bis eine neue Gruppe aus Ordnung, Zahl von Steuerpunkten und Knotenvektor eingegeben wird.