JP2017049766A

JP2017049766A - 位置による最大速度制御機能を具備した数値制御装置

Info

Publication number: JP2017049766A
Application number: JP2015171979A
Authority: JP
Inventors: 巌牧野; Iwao Makino
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2015-09-01
Filing date: 2015-09-01
Publication date: 2017-03-09
Also published as: DE102016010443A1; CN106483935A; US20170060121A1

Abstract

【課題】ボールねじに螺合するナットの位置に基づいて最大速度を制御する機能を備えた数値制御装置を提供すること。
【解決手段】本発明の少なくとも１以上のボールねじにより駆動される駆動部を備えた機械をプログラムに基づいて制御する数値制御装置１は、プログラムを解析し、解析結果に基づいて移動指令データを生成する指令プログラム解析手段１０と、駆動部の座標値に基づいて該座標値が示す位置における安全送り速度を求め、移動指令データに含まれる駆動部の移動速度を前記安全送り速度で制限する速度変更手段１１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は数値制御装置に関し、特にボールねじに螺合するナットの位置に基づいて最大速度を制御する機能を具備した数値制御装置数値制御装置に関する。

ボールねじにはたわみによる破損を防止するための危険速度があり、ボールねじに螺合するナットを備えたテーブルなどの駆動部の早送り速度は危険速度以下に設定される。図１０は、ボールねじに螺合するナットの位置と危険速度との関係を説明する図である。図に示すように、ボールねじ１には、テーブル３に取付けられているナット２が螺合しており、サーボモータ４を駆動することによりボールねじ１が回転することでナット２が移動する。一般に、ナット２の危険速度は数１式で算出することができる。

数１式からも分かるように危険速度はボールねじ１のそれぞれの端部とナット２との距離の長い方の距離である取付間距離の二乗に反比例しており、取付間距離が長くなるとたわみが大きくなるため、危険速度は低くなる。すなわち、ボールねじに螺合するナットの位置が移動端の近くにある場合は、ナットと他方の移動端との取付間距離が長くなるため危険速度が低くなり（図１０（ａ））、ナットの位置が中央付近にある場合はナットと両移動端との取付間距離が短くなるため危険速度が高くなる（図１０（ｂ））。

危険速度に係る従来技術の１つとして、ボールねじに螺合するナットの位置が中央寄りにあるか移動端よりにあるかを位置検出手段で検出し、ナットの位置に応じて早送り速度を切り替える技術がある（例えば、特許文献１）。図１１は、特許文献１に開示される技術における早送り速度制御方法である。特許文献１に開示される技術では、ボールねじ１の両端にリミットスイッチ５ａ，５ｂを設け、いずれかのリミットスイッチがオンである場合に早送り速度を下げるようにしている。

特許第２５３９６８８号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術では、位置検出手段からの信号を検出する周期で早送り速度を一度に切り替えるが、制御装置における信号の検出周期はサーボモータなどの制御処理における補間周期と比較すると長いため、制御処理に対する信号検出の遅延が原因となりナットの位置によっては最速の速度を出すことができないという問題があった。また、早送り速度を切り替える位置はリミットスイッチなどの位置検出手段を設置した位置となるため、段階的に切り替える場合は位置検出手段を多く設置する必要があるという問題があった。

また、例えば、Ｘ軸方向に移動させるボールねじとＹ軸方向に移動させるボールねじとの複数の軸を備えたテーブルを考えた場合、Ｘ軸とＹ軸とを同時に駆動して移動する際に、一方の軸がボールねじの移動端に近い位置にある時には他方の軸もそれに合わせて早送り速度を低く設定しなければ、他方の軸の移動の影響によりボールねじが破損する可能性が生じる。しかしながら、特許文献１の技術では複数の軸毎に独立して早送り速度が設定される為、上記したような状況に対応することができず、全ての移動軸が安全な早送り速度とならないという問題があった。

そこで本発明の目的は、ボールねじに螺合するナットの位置に基づいて最大速度を制御する機能を備えた数値制御装置を提供することである。

本発明では、信号の検出周期より短い補間周期で、機械座標値に応じて危険速度以下の最速の早送り速度を設定する。また、複数軸の同時移動の場合は、一番速度が低い軸の速度を早送り速度に設定する。

そして、本願の請求項１に係る発明は、少なくとも１以上のボールねじにより駆動される駆動部を備えた機械をプログラムに基づいて制御する数値制御装置において、前記プログラムを解析し、解析結果に基づいて移動指令データを生成する指令プログラム解析手段と、前記ボールねじにおける前記駆動部の座標値に基づいて、前記駆動部の前記座標値が示す位置における安全送り速度を求め、前記移動指令データに含まれる前記駆動部の移動速度を前記安全送り速度で制限する速度変更手段と、を備えたことを特徴とする数値制御装置である。

本願の請求項２に係る発明は、前記駆動部の前記座標値、および、前記ボールねじの端部と前記駆動部との距離を示す取付間距離、の対応関係を示す取付間距離情報があらかじめ設定されている取付間距離情報設定手段を更に備え、前記速度変更手段は、前記駆動部の前記座標値と、前記取付間距離情報設定手段に設定された前記取付間距離情報と、に基づいて前記駆動部の前記座標値が示す位置における取付間距離を求め、該取付間距離に基づいて前記駆動部の前記座標値が示す位置における安全送り速度を求める、ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置である。

本願の請求項３に係る発明は、前記駆動部の任意の座標値である速度変更点と、該速度変更点における危険速度より低い基準速度である安全基準速度とを関連付けた基準速度情報があらかじめ複数設定された基準速度設定手段を更に備え、前記速度変更手段は、前記駆動部の前記座標値と、前記基準速度設定手段に設定された前記基準速度情報と、に基づいて前記駆動部の前記座標値が示す位置における安全送り速度を求める、ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置である。

本願の請求項４に係る発明は、前記速度変更手段は、前記駆動部を駆動する全てのボールねじにおける前記駆動部の安全送り速度を求め、該安全送り速度の内で最も速度が遅い安全送り速度で全てのボールねじにおける前記駆動部の移動速度を制限する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の数値制御装置である。

本発明により、機械座標値に応じて最速の早送り速度が設定できるため、サイクルタイムが短縮でき、また位置検出手段が不要となる。また、複数軸の同時移動において、安全かつ最速の早送り速度が設定できる。

本発明の第１の実施形態における数値制御装置の機能ブロック図である。本発明の第１の実施形態における安全早送り速度１（ＲＦ₁）の設定例を示す図である。本発明の第１の実施形態における複数軸における安全早送り速度１（ＲＦ₁）に基づく下限安全速度Ｆｌの設定例を示す図である。本発明の第１の実施形態における速度変換処理のフローチャートである。本発明の第２の実施形態における数値制御装置の機能ブロック図である。本発明の第２の実施形態における安全早送り速度２（ＲＦ₂）の設定例を示す図である。本発明の第２の実施形態における機械座標値Ｐｃに基づく速度変更点Ｐｍ，Ｐｐを求める具体例を示す図である。本発明の第２の実施形態における複数軸における安全早送り速度２（ＲＦ₂）に基づく下限安全速度Ｆｌの設定例を示す図である。本発明の第２の実施形態における速度変換処理のフローチャートである。ボールねじに螺合するナットの位置と危険速度との関係を説明する図である。従来技術における早送り速度制御方法を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
本発明では、ボールねじにより駆動される駆動部の機械座標値に応じて危険速度以下の最速の早送り速度を設定する。機械座標値は、数値制御装置の内部処理により取得することができるため、信号の検出周期より短い補間周期で取得することが可能であり、制御処理に対して遅延することなく早送り速度の設定をすることができるようになる。また、リミットセンサーなどの特別な構成を設ける必要がなくなる。
更に、本発明では、複数のボールねじを同時に駆動して移動する場合に、一番速度が低い軸の速度を早送り速度に設定する。このようにすることで、複数のボールねじを同時に駆動する場合においても、全てのボールねじに対して安全な早送り速度が設定される為、ボールねじを破損することなく安全に機械を駆動することができるようになる。

＜第１の実施形態＞
第１の実施形態では、上記した数１式のような一般的な数式で求まる危険速度Ｎｃに安全係数Ｋｓをかけた安全早送り速度１（ＲＦ₁）を早送り速度に設定する。

図１は、本実施形態における数値制御装置の機能ブロック図である。本実施形態の数値制御装置１は、指令プログラム解析手段１０、速度変更手段１１、取付間距離情報設定手段１２、補間手段１３、補間後加減速手段１４、サーボモータ制御部１５を備える。
指令プログラム解析手段１０は、図示しないメモリ等に記憶されている、または図示しないＭＤＩ／表示手段などから入力されたプログラム２０を解析し、解析結果に基づいて制御対象となる機械の各軸に対する移動指令データを生成する。

速度変更手段１１は、本発明の技術を実現する機能手段であり、制御対象となる機械が備えるボールねじにより駆動される駆動部の機械座標値を取得し、該機械座標値に基づいてボールねじの早送り速度を制限する。速度変更手段１１は、メーカーやオペレータなどが取付間距離情報設定手段１２にあらかじめ設定されている数１式の取付間距離ｌと機械座標値との対応関係を示す取付間距離情報に基づいて機械座標値から取付間距離ｌを算出し、更に算出した取付間距離ｌに基づいて安全早送り速度１（ＲＦ₁）を算出し、移動軸で一番低い安全早送り速度１（ＲＦ₁）を下限安全速度Ｆｌに設定する。下限安全速度Ｆｌの設定手順は以下の通りとなる。

●（設定手順１）取付間距離情報設定手段１２に設定されたパラメータと以下の数２式に基づいて、軸ごとに現在の機械座標における安全早送り速度１（ＲＦ₁）を算出する。
●（設定手順２）移動軸で最も低い安全早送り速度１（ＲＦ₁）を下限安全速度Ｆｌに設定する。

図２は、設定手順１における安全係数Ｋｓを用いた安全早送り速度１（ＲＦ₁）の設定例を示す図であり、また、図３は、設定手順２におけるＸ軸の機械座標Ｐｘにおける安全早送り速度ＲＦｘとＹ軸の機械座標Ｐｙにおける安全早送り速度ＲＦｙの場合の下限安全速度Ｆｌの設定例を示す図である。図３の例では、Ｘ軸の安全早送り速度ＲＦｘがＹ軸の安全早送り速度ＲＦｙより低いため、下限安全速度ＦｌはＸ軸の安全早送り速度ＲＦｘとなる。なお、安全早送り速度１（ＲＦ₁）は、Ｘ軸とＹ軸で異なっていてもよい。

速度変更手段１１は、全軸について上記設定手順を行った結果として設定された下限安全速度Ｆｌに基づいて、各ボールねじの早送り速度が下限安全速度Ｆｌ以下となるように設定する。上記設定手順の処理は補間周期ごとに行われるため、下限安全速度Ｆｌは滑らかに変化し、これに合わせて下限安全速度Ｆｌにより制限されるボールねじの早送り速度も滑らかに変化する。

なお、取付間距離情報設定手段１２にあらかじめ設定されている取付間距離情報は、例えば機械座標値と取付間距離の対応関係を示す関数とそのパラメータとしてもよい。また、安全早送り速度１（ＲＦ₁）による早送り速度の設定は、有効と無効をＮＣプログラムのＧコードで指定することができるようにしてもよく、また、外部からの信号に基づいて有効と無効を切り換えることができるようにしてもよい。

補間手段１３は、速度変更手段１１が出力した速度演算後の移動指令データにより指令される移動指令に基づいて指令経路上の点を補間周期で補間計算したデータを生成する。
補間後加減速手段１４は、補間手段１３が出力した補間データに基づいて、加減速処理を行い補間周期毎の各駆動軸の速度を算出し、結果データをサーボモータ制御部１５へ出力する。
そして、サーボモータ制御部１５は、補間後加減速手段１４の出力に基づいて機械の各駆動部を制御する。

図４は、本実施形態の速度変更手段１１において実行される速度変換処理のフローチャートである。
●［ステップＳＡ０１］下限安全速度Ｆｌを０に設定する。
●［ステップＳＡ０２］軸番号Ａｎに１を設定する。
●［ステップＳＡ０３］軸番号Ａｎが全軸数以下であるか否かを判定する。全軸数以下である場合には安全早送り速度１を算出していない軸が残っているのでステップＳＡ０４へ進み、全軸数を超えた場合には全軸について安全早送り速度１の算出が完了したのでステップＳＡ１０へ進む。

●［ステップＳＡ０４］軸番号Ａｎが指し示す軸が、ボールねじによる移動軸であるか否かを判定する。ボールねじによる移動軸である場合にはステップＳＡ０５へ進み、そうでない場合にはステップＳＡ０９へ進む。
●［ステップＳＡ０５］軸番号Ａｎが指し示す軸について、数１式、数２式を用いて安全早送り速度１（ＲＦ₁）を算出する。
●［ステップＳＡ０６］下限安全速度Ｆｌが０であるか否かを判定する。下限安全速度Ｆｌが０である場合にはステップＳＡ０８へ進み、そうでない場合にはステップＳＡ０７へ進む。

●［ステップＳＡ０７］ステップＳＡ０５で算出した安全早送り速度１（ＲＦ₁）が下限安全速度Ｆｌよりも大きいか否かを判定する。安全早送り速度１（ＲＦ₁）が下限安全速度Ｆｌよりも大きい場合にはステップＳＡ０９へ進み、そうでない場合にはステップＳＡ０８へ進む。
●［ステップＳＡ０８］安全早送り速度１（ＲＦ₁）で下限安全速度Ｆｌを更新（設定）する。
●［ステップＳＡ０９］軸番号Ａｎを１増やしてステップＳＡ０３へ戻る。

●［ステップＳＡ１０］ステップＳＡ０８で設定した下限安全速度Ｆｌが早送り速度よりも大きいか否かを判定する。下限安全速度Ｆｌが早送り速度よりも大きい場合にはステップＳＡ１１へ進み、そうでない場合には本処理を終了する。
●［ステップＳＡ１１］早送り速度に下限安全速度Ｆｌを設定する。

以上、説明した本実施形態の数値制御装置１は、機械座標値に応じて最速の早送り速度が設定する速度変更手段１１を備えているため、補間周期にて速やかに最速の早送り速度を設定することができ、従来技術と比較してサイクルタイムが短縮でき、また位置検出手段が不要となる。また、複数軸の同時移動において、安全かつ最速の早送り速度が設定できる。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、危険速度Ｎｃに安全係数Ｋｓをかけた安全早送り速度１（ＲＦ₁）を早送り速度に設定する例を示した。本実施形態では、ボールねじにより駆動される駆動部の任意の機械座標値である速度変更点を設定し、該速度変更点と安全基準速度と使用して早送り速度を設定する例を示す。

図５は、本実施形態における数値制御装置の機能ブロック図である。本実施形態における数値制御装置１は、基準速度設定手段１６を備えている点において第１の実施形態と異なる。
基準速度設定手段１６には、ボールねじにより駆動される駆動部の任意の機械座標値である速度変更点（Ｐ１、Ｐ２、…）と、該速度変更点における危険速度より低い基準速度である安全基準速度（ＳＦ１、ＳＦ２、…）とがパラメータとしてあらかじめメーカーやオペレータなどにより設定されるなどして記憶されている。速度変更点と安全基準速度は、軸ごとに複数個設定できる。

図６は、本実施形態において設定される速度変更点と安全基準速度について説明する図である。図６に示す例では、速度変更点としてＰ１〜Ｐ６を設定し、Ｐ１における安全基準速度をＳＦ１、Ｐ２における安全基準速度をＳＦ２、…としてそれぞれ設定している。それぞれの速度変更点における安全基準速度は、当該速度変更点の危険速度よりも低い基準速度として設定され、ＳＦ１＝ＳＦ６，ＳＦ２＝ＳＦ５、ＳＦ３＝ＳＦ４として三段階の安全基準速度を設定している。なお、図６において、点網掛けの部分が従来技術における安全な早送り速度の範囲であり、点網掛けおよび斜線網掛けを合わせた部分が本実施形態における安全な早送り速度の範囲である。

本実施形態の速度変更手段１１は、制御対象となる機械が備えるボールねじにより駆動される駆動部の機械座標値Ｐｃと、基準速度設定手段１６に設定されている速度変更点および安全基準速度に基づいて、該機械座標値Ｐｃにおける安全早送り速度２（ＲＦ₂）を算出し、移動軸で一番低い安全早送り速度２（ＲＦ₂）を下限安全速度Ｆｌに設定する。下限安全速度Ｆｌの設定手順は以下の通りとなる。

●（設定手順１）機械座標値Ｐｃよりマイナス側にある速度変更点Ｐｍとプラス側にある速度変更点Ｐｐを求める。図７はＰｃがＰ２とＰ３の間にある場合の例で、マイナス側のＰｍがＰ２となり、プラス側のＰｐがＰ３となる。
●（設定手順２）速度変更点Ｐｍの安全基準速度ＳＦｍと、速度変更点Ｐｐの安全基準速度ＳＦｐを使用し、以下に示す数３式から機械座標値Ｐｃにおける安全早送り速度ＲＦ₂を算出する。例えば、機械座標値ＰｃがＰ２とＰ３の間にある場合に、安全早送り速度ＲＦ₂は以下の数４式で算出できる。
●（設定手順３）ボールねじの移動軸で最も低い安全早送り速度ＲＦ₂を下限安全速度Ｆｌに設定する。

図８は、設定手順２におけるＸ軸の機械座標Ｐｘにおける安全早送り速度ＲＦｘとＹ軸の機械座標Ｐｙにおける安全早送り速度ＲＦｙの場合の下限安全速度Ｆｌの設定例を示す図である。図８の例では、Ｘ軸の安全早送り速度ＲＦｘがＹ軸の安全早送り速度ＲＦｙより低いため、下限安全速度ＦｌはＸ軸の安全早送り速度ＲＦｘとなる。なお、安全早送り速度ＲＦ₂は、Ｘ軸とＹ軸で異なっていてもよい。

なお、安全早送り速度２（ＲＦ₂）による早送り速度の設定は、有効と無効をＮＣプログラムのＧコードで指定することができるようにしてもよく、また、外部からの信号に基づいて有効と無効を切り換えることができるようにしてもよい。

図９は、本実施形態の速度変更手段１１において実行される速度変換処理のフローチャートである。
●［ステップＳＢ０１］下限安全速度Ｆｌを０に設定する。
●［ステップＳＢ０２］軸番号Ａｎに１を設定する。
●［ステップＳＢ０３］軸番号Ａｎが全軸数以下であるか否かを判定する。全軸数以下である場合には安全早送り速度２を算出していない軸が残っているのでステップＳＢ０４へ進み、全軸数を超えた場合には全軸について安全早送り速度２の算出が完了したのでステップＳＢ１２へ進む。

●［ステップＳＢ０４］軸番号Ａｎが指し示す軸が、ボールねじによる移動軸であるか否かを判定する。ボールねじによる移動軸である場合にはステップＳＢ０５へ進み、そうでない場合にはステップＳＢ１１へ進む。
●［ステップＳＢ０５］基準速度設定手段１６に基づいて、軸番号Ａｎが指し示す軸の機械座標値Ｐｃよりもマイナス側にある速度変更点Ｐｍを求める。
●［ステップＳＢ０６］基準速度設定手段１６に基づいて、軸番号Ａｎが指し示す軸の機械座標値Ｐｃよりもプラス側にある速度変更点Ｐｐを求める。
●［ステップＳＢ０７］ステップＳＢ０５で求めた速度変更点Ｐｍ、ステップＳＢ０６で求めた速度変更点Ｐｐ、および基準速度設定手段１６に設定されている安全基準速度に基づいて、数３式を用いて安全早送り速度２（ＲＦ₂）を算出する。
●［ステップＳＢ０８］下限安全速度Ｆｌが０であるか否かを判定する。下限安全速度Ｆｌが０である場合にはステップＳＢ１０へ進み、そうでない場合にはステップＳＢ０９へ進む。

●［ステップＳＢ０９］ステップＳＢ０７で算出した安全早送り速度２（ＲＦ₂）が下限安全速度Ｆｌよりも大きいか否かを判定する。安全早送り速度２（ＲＦ₂）が下限安全速度Ｆｌよりも大きい場合にはステップＳＢ１１へ進み、そうでない場合にはステップＳＢ１０へ進む。
●［ステップＳＢ１０］安全早送り速度２（ＲＦ₂）で下限安全速度Ｆｌを更新（設定）する。
●［ステップＳＢ１１］軸番号Ａｎを１増やしてステップＳＢ０３へ戻る。

●［ステップＳＢ１２］ステップＳＢ１０で設定した下限安全速度Ｆｌが早送り速度よりも大きいか否かを判定する。下限安全速度Ｆｌが早送り速度よりも大きい場合にはステップＳＢ１３へ進み、そうでない場合には本処理を終了する。
●［ステップＳＢ１３］早送り速度に下限安全速度Ｆｌを設定する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態の例のみに限定されることなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。

例えば、上記した実施形態では本発明の技術を早送り速度の設定に適用した例を示しているが、本技術は切削時の最大切削送り速度の設定に使用してもよい。
また、上記した実施形態では、取付間距離情報設定手段１２、基準速度設定手段１６を速度変更手段１１とは別の機能手段として構成した例を示しているが、取付間距離情報設定手段１２、基準速度設定手段１６は速度変更手段１１の内部処理として実装するようにしてもよい。
更に、上記した実施形態では、機械座標値に基づいて安全送り速度を求める構成としているが、ワーク座標値などの機械座標値と相互に変換が可能な座標値に基づいて安全送り速度を求めるようにしてもよい。

１ボールねじ
２ナット
３テーブル
４サーボモータ
５ａ，５ｂリミットスイッチ
１０指令プログラム解析手段
１１速度変更手段
１２取付間距離情報設定手段
１３補間手段
１４補間後加減速手段
１５サーボモータ制御部
１６基準速度設定手段
２０プログラム

Claims

少なくとも１以上のボールねじにより駆動される駆動部を備えた機械をプログラムに基づいて制御する数値制御装置において、
前記プログラムを解析し、解析結果に基づいて移動指令データを生成する指令プログラム解析手段と、
前記ボールねじにおける前記駆動部の座標値に基づいて、前記駆動部の前記座標値が示す位置における安全送り速度を求め、前記移動指令データに含まれる前記駆動部の移動速度を前記安全送り速度で制限する速度変更手段と、
を備えたことを特徴とする数値制御装置。
前記駆動部の前記座標値、および、前記ボールねじの端部と前記駆動部との距離を示す取付間距離、の対応関係を示す取付間距離情報があらかじめ設定されている取付間距離情報設定手段を更に備え、
前記速度変更手段は、前記駆動部の前記座標値と、前記取付間距離情報設定手段に設定された前記取付間距離情報と、に基づいて前記駆動部の前記座標値が示す位置における取付間距離を求め、該取付間距離に基づいて前記駆動部の前記座標値が示す位置における安全送り速度を求める、
ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
前記駆動部の任意の座標値である速度変更点と、該速度変更点における危険速度より低い基準速度である安全基準速度とを関連付けた基準速度情報があらかじめ複数設定された基準速度設定手段を更に備え、
前記速度変更手段は、前記駆動部の前記座標値と、前記基準速度設定手段に設定された前記基準速度情報と、に基づいて前記駆動部の前記座標値が示す位置における安全送り速度を求める、
ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
前記速度変更手段は、前記駆動部を駆動する全てのボールねじにおける前記駆動部の安全送り速度を求め、該安全送り速度の内で最も速度が遅い安全送り速度で全てのボールねじにおける前記駆動部の移動速度を制限する、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の数値制御装置。