JP2019114192A

JP2019114192A - 数値制御装置

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Publication number: JP2019114192A
Application number: JP2017249268A
Authority: JP
Inventors: 春宇鮑; Chunyu Bao
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2037-12-26
Also published as: US20190196455A1; CN109960221B; DE102018009999A1; US10725456B2; CN109960221A; JP6702931B2

Abstract

【課題】ねじ切りサイクルにおける最適なアプローチ機能を備えた数値制御装置を提供する。【解決手段】ねじ切りサイクルにおいて工具の最適なアプローチを行う数値制御装置１であって、ワークの端面に向けてねじ切りサイクルを開始するサイクル動作開始点を算出するサイクル動作開始点決定部１１０と、サイクル動作開始点からねじ切り開始点まで複数の軸の動作をオーバラップさせて工具の移動を行う加減速制御部１２０と、指令解析部１３０及び加減速制御部１２０から受けた制御指令に基づいて加工機の動作を制御する制御部１４０と、を有する。サイクル動作開始点は、切削送り方向に平行な第１軸と、第１軸に直交する第２軸の加減速をサイクル動作開始点から開始し、ねじ切り開始点に到達したとき、第１軸は所定の切削送り速度に達し、第２軸の速度は略０となる点であることを特徴とする。【選択図】図６

Description

本発明は数値制御装置に関し、特にねじ切りサイクルにおける最適アプローチ機能を備えた数値制御装置に関する。

ねじ切りとは、回転するワーク（主軸）に対し工具（送り軸）が追従して回転軸方向に動作することにより、一定ピッチのねじを加工する手法である。図１に、従来の雄ねじのねじ切りサイクルの一例を示す。破線は早送り、実線は切削送りを示す。工程ａにおいて、工具はねじ切り指令開始点からねじ切り開始点に移動する。工程ｂにおいて、工具はねじ切り開始点から切削送りを開始してワーク端面に達し、ワーク表面に雄ねじを加工する。加工が終了したならば、工程ｃ及びｄを経て工具はねじ切り指令開始点に戻る。

図２に示すように、工程ｂにおいてねじ切り開始点とワーク端面との距離が近すぎると、送り軸がまだ加速中にも関わらず加工が始まってしまう。そのため、ねじ山が一定のピッチで形成されず、不完全ねじ部が生じる。そこで図３に示すように、従来はねじ切り開始点を端面から遠めに設定し、送り軸の速度が安定してから加工が開始されるようにしていた。しかし、これにはサイクルタイムが長くなるという問題がある。このような問題を解消できるような最適なアプローチ動作を実現することが望まれる。

この点、特許文献１には、ねじ切り開始点（切削開始点）までの経路、加速距離、送り速度を算出すること、加速領域の工具送り速度は、Ｚ軸方向速度と、Ｘ軸方向速度との合成速度であることが記載されている。また特許文献２では、ねじ切りサイクルの時間が長くなることがあるという問題が指摘されている。

特開平０７−０８８７４３号公報特開２０１１−１８３４８１号公報

しかしながら、特許文献１記載の手法は、加速距離が３ピッチ、５ピッチといった固定値であったり、工具交換位置をねじ切り指令開始点としている（２回目以降のサイクルでは必ずしも工具交換位置をねじ切り指令開始点とする必要はないはずである）など、さらなる最適化の余地が存在する。特許文献２は、主軸回転と送り軸回転との同期制御をすることで不完全ねじ部の発生を抑制する手法を採用しており、加速距離やねじ切り指令開始点に関して何ら具体的な言及をしていない。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、ねじ切りサイクルにおける最適なアプローチ機能を備えた数値制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施の形態にかかる数値制御装置は、加工プログラムに基づいて工具を備えた加工機を制御してワークを加工する数値制御装置であって、ねじ切りサイクルにおいて工具の最適なアプローチを行う数値制御装置において、加工プログラムを解析する指令解析部と、ワークの端面に向けてねじ切りサイクル（Ｘ軸は早送り、Ｚ軸は切削送り）を開始するサイクル動作開始点を算出するサイクル動作開始点決定部と、前記サイクル動作開始点から前記ねじ切り開始点まで複数の軸の動作をオーバラップさせて前記工具の移動を行う加減速制御部と、指令解析部及び加減速制御部から受けた制御指令に基づいて前記加工機の動作を制御する制御部を有し、前記サイクル動作開始点は、切削送り方向に平行な第１軸と、前記第１軸に直交する第２軸の加減速を前記サイクル動作開始点から開始し、前記ねじ切り開始点に到達したとき、前記第１軸は所定の切削送り速度に達し、前記第２軸の速度は略０となる点であることを特徴とする。
本発明の一実施の形態にかかる数値制御装置では、前記サイクル動作開始点決定部は、前記ねじ切り開始点の座標、前記切削送り速度、前記早送り速度、Ｘ軸及びＺ軸それぞれの時定数に基づいて、前記サイクル動作開始点の座標を算出することを特徴とする。
本発明の一実施の形態にかかる数値制御装置では、前記サイクル動作開始点決定部は、前記ねじ切り開始点と前記サイクル動作開始点との変位を、後述の数１式乃至数４式により算出することを特徴とする。
本発明の一実施の形態にかかる数値制御装置では、前記加減速制御部は、サイクル動作開始点決定部が算出したサイクル動作開始点からねじ切り開始点、ねじ切り開始点から加工終了点、及び加工終了点からサイクル動作開始点までの工具の移動を制御すると共に、前記サイクル動作開始点から、切削送り方向に平行な第１軸と、第１軸に直交する第２軸と、の加減速を前記サイクル動作開始点から開始し、前記ねじ切り開始点に到達した時、前記第１軸は所定の切削送り速度に達し、前記第２軸の速度は０となり、そして前記ねじ切り開始点から前記第１軸に沿って切削送りを実施し、切削送りが終了した点から前記第２軸に沿って微小に移動した点から、前記サイクル動作開始点に向けて早送りを実施することを特徴とする。
本発明の一実施形態に係る数値制御装置は、加工プログラムに基づいて工具を備えた加工機を制御してワークを加工する数値制御装置であって、加工サイクルにおいて最適なアプローチを行う数値制御装置数値制御装置において、前記加工プログラムを解析する指令解析部と、前記ワークの端面に向けてねじ切りサイクル（Ｘ軸は早送り、Ｚ軸は切削送り）を開始するサイクル動作開始点を算出するサイクル動作開始点決定部と、前記サイクル動作開始点から前記ねじ切り開始点まで複数の軸の動作をオーバラップさせて前記工具の移動を行う加減速制御部と、前記指令解析部及び前記加減速制御部から受けた制御指令に基づいて前記加工機の動作を制御する制御部と、を有し、前記サイクル動作開始点は、切削送り方向に平行な第１軸と、前記第１軸に直交する第２軸の加減速を前記サイクル動作開始点から開始し、前記ねじ切り開始点に到達したとき、前記第１軸は所定の切削送り速度に達し、前記第２軸の速度は略０となる点であることを特徴とする。

本発明によれば、ねじ切りサイクルにおける最適なアプローチ機能を備えた数値制御装置を提供することが可能である。

従来のねじ切りサイクルの一例を示す図である。従来のねじ切りサイクルの一例を示す図である。従来のねじ切りサイクルの一例を示す図である。本発明の数値制御装置１の構成を示す図である。数値制御装置１の動作を示す図である。数値制御装置１の動作を示す図である。数値制御装置１の動作を示す図である。数値制御装置１の動作を示す図である。数値制御装置１の動作を示す図である。数値制御装置１の動作を示す図である。数値制御装置１の動作を示す図である。数値制御装置１の動作を示す図である。本発明の数値制御装置１のハードウェア構成を示す図である。

本発明の実施の形態にかかる数値制御装置１について図面を用いて説明する。図４は、数値制御装置１の機能構成を示すブロック図である。数値制御装置１は、制御対象となる加工機の送り軸の動作を制御するための機能として、サイクル動作開始点決定部１１０、加減速制御部１２０、指令解析部１３０、制御部１４０を有する。

数値制御装置１は、サイクル動作開始点決定部１１０、加減速制御部１２０の働きにより無駄のない、最適なアプローチ動作を実現する。図５及び図６を用いて、数値制御装置１の具体的な動きの一例を示す。図５及び図６は、下記の加工プログラムに従ってねじ切りを行う際の工具の動きを示している。図５では、ねじ切りサイクルの１回目のねじ切りサイクル動作を示し、図６では、ねじ切りサイクルの２回目以降のねじ切りサイクル動作を示している。なお、Ｇ９２はねじ切りサイクル指令を示す。
Ｏ０００１；
Ｇ２８Ｕ０Ｗ０；
Ｎ００１Ｍ０３Ｓ５０Ｐ１；
Ｎ００２Ｘ１００．０Ｚ３０．０；
Ｎ００３Ｇ９２Ｘ８０．０Ｚ−１００．０Ｆ２０．０；
Ｍ３０；

数値制御装置１は、ねじ切り指令開始点からＸ軸の移動を開始し（工程Ｅ）、サイクル動作開始点決定部１１０が算出したサイクル動作開始点からＺ軸の移動を開始し（工程Ａ）、ねじ切り開始点に到達した時点で、Ｘ軸の移動が完了し、Ｚ軸の速度が指令された切削送り速度となるように制御する。すなわちＸ軸及びＺ軸の動作をオーバラップさせてアプローチし、ねじ切り開始点でちょうど送り軸の速度が安定する、つまり定速となるような加減速制御を行う。これによりサイクル動作開始点とねじ切り開始点との距離を最適化でき、サイクルタイムが短縮する。その後、定速で切削送りを行ってねじ切りを実施し（工程Ｂ）、加工終了後は、加工終了点（Ｘ＝８０．０，Ｚ＝−１００．０）から前記サイクル動作開始点に向けて最短距離で移動し（工程Ｃ）、その後に次のサイクルにおけるサイクル動作開始点へ移動する。なお加工品質の観点から、加工終了点から一旦Ｘ軸の略正方向へ若干逃げ、逃げた点からサイクル動作開始点に向けて最短距離で移動することとしても良い。また、加工終了後に、次のサイクル動作開始点へと移動するようにすることとしても良い。

図７乃至図１２を用いて、上記動作についてより詳しく説明する。
図７乃至図９は、サイクル動作開始点決定部１１０がサイクル動作開始点を決定する方法を説明する図である。工程Ａにおいて、１回目のねじ切りサイクルではＸ軸はねじ切り指令開始点から移動し、１回目のねじ切りサイクル動作が完了した後に、工具をサイクル動作開始点に移動するため、２回目以降のねじ切りサイクルではＸ軸はサイクル動作開始点から移動する。図７に示すように、Ｚ軸は、切削送り時の送り速度に達するのに必要な距離（以下、加速距離という）だけねじ切り開始点から離れた位置より動作を開始する。また、図９に示すように、Ｘ軸は、１回目のねじ切りサイクルでねじ切り指令開始点から加速した後にワークの端面まで速度０に減速する。図８に示すように、２回目以降のねじ切りサイクルではサイクル動作開始点から一旦加速した後に速度０まで減速する。これにより、不完全ねじ部を発生させることなく、かつ最短時間で加工を開始することができる。

サイクル動作開始点決定部１１０は、上述のような条件を満たすＺ軸の加速距離δを、次の数１式により計算する。

ここでＶはねじ切り（切削送り）時の送り速度、Ｔ_ｃはＺ軸の時定数である。

そしてサイクル動作開始点決定部１１０は、次の数２式、数３式により動作開始点を計算できる。

ここでＶ’はＸ軸の早送り速度、Ｔ_ＲはＸ軸方向の時定数、ａはＸ軸方向の加速度である。Ｘ₁’，Ｘ₂’，Ｚ’はそれぞれねじ切り開始点からのＸ軸方向、Ｚ軸方向の変位を表す。換言すれば、Ｘ₁’は１回目のねじ切りサイクルでＸ軸方向の早送り距離、Ｘ₂’は２回目以降のねじ切りサイクルでＸ軸方向の早送り距離、Ｚ’はＺ軸方向で指令されたねじ切り（切削送り）時の送り速度に達するために必要な距離、すなわち加速距離である。

なお１回目のねじ切りサイクルにおいて、図１２に示すように、Ｔ_Ｃ≧Ｔ_Ｒとは、Ｘ軸の早送り速度が最高速度（定速）に達した後に減速する場合を示す。一方、Ｔ_Ｃ＜２Ｔ_Ｒとは、Ｘ軸が減速する前にＺ軸は加速する場合を示す。２回目以降のねじ切りサイクルにおいて、Ｔ_Ｃ≧２Ｔ_Ｒとは、図１１に示すように、Ｘ軸の早送り速度が最高速度（定速）に達した後に減速する場合を示す。一方、Ｔ_Ｃ＜２Ｔ_Ｒとは、Ｘ軸の早送り速度が定速に達する前に減速を開始する場合を示している。また、本実施の形態ではフィードフォワード係数は１００％と想定しており、サーボ系の遅れはないものとする。

図１０乃至図１２は、Ｔ_Ｃ，Ｔ_Ｒ，δ，Ｘ’，Ｖ，Ｖ’の関係を速度波形上に示したものである。

指令解析部１３０は、記憶部２１０に記憶された実行対象となる加工プログラム２００を順次読み出して解析し、指令されているねじ切りサイクルの切削開始点、切削終了点、ねじのリードなどの情報の解析を行い、解析結果に基づいて作成した情報をサイクル動作開始点決定部１１０や制御部１４０へ出力する。

サイクル動作開始点決定部１１０は、指令解析部１３０から解析結果に基づいて作成した切削開始点、切削終了点などの情報や、記憶部に保存されているワークの端面座標、Ｘ軸とＺ軸の時定数に基づいて、サイクル動作開始点を算出し、加減速制御部１２０へ出力する。

加減速制御部１２０は、工程Ａにおいて、サイクル動作開始点決定部１１０が算出したサイクル動作開始点からねじ切り開始点までの工具の移動を制御する。加減速制御部１２０は、Ｚ軸方向については、時定数Ｔ_Ｃに従って速度Ｖまで加速させる。Ｘ軸については、１回目のねじ切りサイクルにおいて時定数Ｔ_Ｒに従って速度Ｖ’まで加速させた後、Ｘ軸の座標値がＸ₁’に到達した時点で、時定数Ｔ_Ｒに従って速度０まで減速させる。または、２回目以降のねじ切りサイクルにおいて、ねじ切りサイクルにおいて時定数Ｔ_Ｒに従って速度Ｖ’まで加速させた後、Ｘ軸の座標値がＸ₂’に到達した時点で時定数Ｔ_Ｒに従って速度０まで減速させる。

加減速制御部１２０は、工程Ｂにおいて、速度Ｖで切削送りを行い、減速して加工終了点に停止する。工程Ｃにおいて、加工終了点からサイクル動作開始点に向けて最短距離で、すなわち図５及び図６に示すように直線的に早送りで移動する。又は、加工終了点から一旦Ｘ軸の略正方向へ若干逃げ、逃げた点からサイクル動作開始点に向けて最短距離で移動することとしても良い。

制御部１４０は、指令解析部１３０及び加減速制御部１２０から受けた制御指令に基づいて加工機が備えるサーボモータ５０やスピンドルモータ６２の動作を制御する。

本実施の形態によれば、数値制御装置１は、ねじ切りサイクルにおいて最適な工具経路を実現できる。より具体的には、ワークの端面（ねじ切り開始点）の座標、早送り速度、切削送り速度、Ｘ軸及びＺ軸の時定数に基づいてサイクル動作開始点の座標を自動的に特定することができる。これによりねじ切り加工のサイクルタイムを短縮できる。また、加工プログラムの作成も容易になる。既存プログラムにおいても、本実施の形態を適用して位置決め点を自動的に変換することができるため、サイクルタイムの向上が期待できる。

図１３は、本発明の実施の形態にかかる数値制御装置１と該数値制御装置によって駆動制御される加工機の要部を示す概略的なハードウェア構成図である。図２で示した数値制御装置１の各機能ブロックは、図１３に示した数値制御装置１が備えるＣＰＵ１１が、加工機の制御のためのシステム・プログラムを実行し、数値制御装置１の各部の動作を制御することにより実現される。

本実施形態による数値制御装置１が備えるＣＰＵ１１は、数値制御装置１を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１２に格納されたシステム・プログラムをバス２０を介して読み出し、該システム・プログラムに従って数値制御装置１全体を制御する。ＲＡＭ１３には一時的な計算データや表示データ及び後述する表示器／ＭＤＩユニット７０を介してオペレータが入力した各種データ等が格納される。

不揮発性メモリ１４は、例えば図示しないバッテリでバックアップされるなどして、数値制御装置１の電源がオフされても記憶状態が保持されるメモリとして構成される。不揮発性メモリ１４には、インタフェース１５を介して読み込まれたＮＣプログラムや後述する表示器／ＭＤＩユニット７０を介して入力されたＮＣプログラム、加工条件を含むデータ等が記憶されている。不揮発性メモリ１４に記憶されたプログラム等は、利用時にはＲＡＭ１３に展開されても良い。また、ＲＯＭ１２には、ＮＣプログラムの作成及び編集のために必要とされる編集モードの処理や、その他の必要とされる処理を実行するための各種のシステム・プログラムがあらかじめ書き込まれている。

インタフェース１５は、数値制御装置１とアダプタ等の外部機器７２と接続するためのインタフェースである。外部機器７２側からはＮＣプログラムや各種パラメータ等が読み込まれる。また、数値制御装置１内で編集したＮＣプログラムは、外部機器７２を介して外部記憶手段に記憶させることができる。ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１６は、数値制御装置１に内蔵されたシーケンス・プログラムで加工機の周辺装置（例えば、工具交換用のロボットハンドといったアクチュエータ）にＩ／Ｏユニット１７を介して信号を出力し制御する。また、加工機の本体に配備された操作盤の各種スイッチ等の信号を受け、必要な信号処理をした後、ＣＰＵ１１に渡す。

表示器／ＭＤＩユニット７０はディスプレイやキーボード等を備えた手動データ入力装置であり、インタフェース１８は表示器／ＭＤＩユニット７０のキーボードからの指令，データを受けてＣＰＵ１１に渡す。インタフェース１９は各軸を手動で駆動させる際に用いる手動パルス発生器等を備えた操作盤７１に接続されている。

加工機が備える軸を制御するための軸制御回路３０はＣＰＵ１１からの軸の移動指令量を受けて、軸の指令をサーボアンプ４０に出力する。サーボアンプ４０はこの指令を受けて、加工機が備える軸を移動させるサーボモータ５０を駆動する。軸のサーボモータ５０は位置・速度検出器を内蔵し、この位置・速度検出器からの位置・速度フィードバック信号を軸制御回路３０にフィードバックし、位置・速度のフィードバック制御を行う。なお、図１のハードウェア構成図では軸制御回路３０、サーボアンプ４０、サーボモータ５０は１つずつしか示されていないが、実際には制御対象となる各系統の加工機に備えられた送り軸の数だけ用意される。

スピンドル制御回路６０は、製造機械への主軸回転指令を受け、スピンドルアンプ６１にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ６１はこのスピンドル速度信号を受けて、製造機械のスピンドルモータ６２を指令された回転速度で回転させ、工具を駆動する。スピンドルモータ６２にはポジションコーダ６３が結合され、ポジションコーダ６３が主軸の回転に同期して帰還パルスを出力し、その帰還パルスはＣＰＵ１１によって読み取られる。

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又は実施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、上述の実施の形態で雄ねじの加工の例を主に示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば雌ねじの加工に適用することも可能である。

１数値制御装置
１１ＣＰＵ
１２ＲＯＭ
１３ＲＡＭ
１４不揮発性メモリ
１５，１８，１９インタフェース
１６ＰＭＣ
１７Ｉ／Ｏユニット
２０バス
３０軸制御回路
４０サーボアンプ
５０サーボモータ
６０スピンドル制御回路
６１スピンドルアンプ
６２スピンドルモータ
６３ポジションコーダ
７０表示器／ＭＤＩユニット
７１操作盤
７２外部機器
１１０サイクル動作開始点決定部
１２０加減速制御部
１３０指令解析部
１４０制御部
２００加工プログラム
２１０記憶部

Claims

（ねじ切り用途に限定＋サイクル動作開始点の決定＋オーバラップアプローチ）
加工プログラムに基づいて工具を備えた加工機を制御してワークを加工する数値制御装置であって、ねじ切りサイクルにおいて工具の最適なアプローチを行う数値制御装置において、
前記加工プログラムを解析する指令解析部と、
前記ワークの端面に向けてねじ切りサイクル（Ｘ軸は早送り、Ｚ軸は切削送り）を開始するサイクル動作開始点を算出するサイクル動作開始点決定部と、前記サイクル動作開始点から前記ねじ切り開始点まで複数の軸の動作をオーバラップさせて前記工具の移動を行う加減速制御部と、
前記指令解析部及び前記加減速制御部から受けた制御指令に基づいて前記加工機の動作を制御する制御部と、
を有し、
前記サイクル動作開始点は、切削送り方向に平行な第１軸と、第１軸に直交する第２軸と、の加減速を前記サイクル動作開始点から開始し、前記ねじ切り開始点に到達したとき、前記第１軸は所定の切削送り速度に達し、前記第２軸の速度は略０となる点であることを特徴とする
数値制御装置。
（請求項１＋サイクル動作開始点の決定パラメータ）
前記サイクル動作開始点決定部は、前記ねじ切り開始点の座標、前記早送り速度、前記切削送り速度、Ｘ軸及びＺ軸それぞれの時定数に基づいて、前記サイクル動作開始点の座標を算出することを特徴とする
請求項１記載の数値制御装置。
（請求項２＋サイクル動作開始点の決定式）
前記サイクル動作開始点決定部は、前記ねじ切り開始点と前記サイクル動作開始点との変位を、数１式乃至数４式により算出することを特徴とする
請求項２記載の数値制御装置。

但しＺ’は前記第１軸の前記変位、Ｘ₁’は前記第２軸の１回目のねじ切りサイクルにおいての前記変位、Ｘ₂’は前記第２軸の２回目以降のねじ切りサイクルにおいての前記変位、Ｖは前記切削送り速度、Ｔ_ｃはＺ軸の時定数、Ｔ_ＲはＸ軸方向の時定数、ａはＸ軸方向の加速度。
（請求項１＋切削終了点からの逃げ→戻りのシーケンス）
前記加減速制御部は、サイクル動作開始点決定部が算出したサイクル動作開始点からねじ切り開始点、ねじ切り開始点から加工終了点、及び加工終了点からサイクル動作開始点までの工具の移動を制御すると共に、前記サイクル動作開始点から、切削送り方向に平行な第１軸と、前記第１軸に直交する第２軸と、の加減速を前記サイクル動作開始点から開始し、前記ねじ切り開始点に到達した時、前記第１軸は所定の切削送り速度に達し、前記第２軸の速度は０となり、前記ねじ切り開始点から前記第１軸に沿って前記切削送りを実施し、切削送りが終了した点から前記第２軸に沿って微小に移動した点から、前記サイクル動作開始点に向けて早送りを実施することを特徴とする
請求項１記載の数値制御装置。
（用途限定せず、サイクル動作開始点の決定＋オーバラップアプローチ）
加工プログラムに基づいて工具を備えた加工機を制御してワークを加工する数値制御装置であって、加工サイクルにおいて最適なアプローチを行う数値制御装置において、
前記加工プログラムを解析する指令解析部と、
前記ワークの端面に向けてねじ切りサイクル（Ｘ軸は早送り、Ｚ軸は切削送り）を開始するサイクル動作開始点を算出するサイクル動作開始点決定部と、
前記サイクル動作開始点から前記ねじ切り開始点まで複数の軸の動作をオーバラップさせて前記工具の移動を行う加減速制御部と、
前記指令解析部及び加減速制御部から受けた制御指令に基づいて前記加工機の動作を制御する制御部と、
を有し、
前記サイクル動作開始点は、切削送り方向に平行な第１軸と、第１軸に直交する第２軸との加減速を前記サイクル動作開始点から開始し、前記ねじ切り開始点に到達したとき、前記第１軸は所定の切削送り速度に達し、前記第２軸の速度は略０となる点であることを特徴とする
数値制御装置。