JP2021076966A - 数値制御装置および工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】安全性を向上させることができる数値制御装置および工作機械を提供することを目的とする。【解決手段】本実施形態による数値制御装置は、移動物を移動させる駆動機構を制御する数値制御装置であって、移動物から該移動物と干渉する干渉物までの干渉距離を検出する距離センサから、干渉距離を取得する距離情報取得部と、干渉距離および移動物の移動速度に基づいて、移動物が干渉物に異常接近しているか否かを判定する速度制限部とを備える。【選択図】図７

Description

本発明による実施形態は、数値制御装置および工作機械に関する。

工作機械は、例えば、主軸に装着された工具を用いてワークを加工する。工作機械の数値制御装置（以下、ＮＣ（Numerical Controller）装置ともいう）は、主軸に指令を出力し、該主軸の動作を制御する。例えば、ＮＣプログラムのミスや操作ミスなどにより、工具がワークや治具などと衝突してしまう可能性がある。この衝突は、工具干渉と呼ばれる。一般に、干渉チェック（干渉判定）は、各軸の＋および−のリミット座標の指定により行われる。

しかし、リミット座標の指定では、干渉領域は単純化されてしまう。この場合、主軸が実際には動作可能な領域も干渉領域と判定されてしまう可能性がある。また、干渉領域は、主軸が最大送り速度から減速して停止するまでの距離が考慮される場合がある。この場合、主軸が実際の加工速度から減速して安全に停止できる領域も干渉領域と判断されてしまう可能性がある。

特開２０１２−５８９７６号公報

安全性を向上させることができる数値制御装置および工作機械を提供することを目的とする。

本実施形態による数値制御装置は、移動物を移動させる駆動機構を制御する数値制御装置であって、移動物から該移動物と干渉する干渉物までの干渉距離を検出する距離センサから、干渉距離を取得する距離情報取得部と、干渉距離および移動物の移動速度に基づいて、移動物が干渉物に異常接近しているか否かを判定する速度制限部とを備える。

第１実施形態による工作機械の構成の一例を示すブロック図。 異常接近の一例を示す図。 図２に示す移動距離の計算の一例を示すグラフ。 異常接近の他の例を示す図。 図４に示す停止距離の計算の一例を示すグラフ。 第１実施形態による異常接近の判定の一例を示す図。 第１実施形態による異常接近の判定の一例を示すフロー図。 第１実施形態による制限速度の一例を示す図。 第１実施形態による制限速度の演算および減速の一例を示すフロー図。 第１実施形態による制限速度の演算結果の一例を示す図。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による工作機械１００の構成の一例を示すブロック図である。工作機械１００は、駆動軸１と、距離センサ２と、情報解析部３と、サーボ制御部４とを備えている。

駆動機構としての駆動軸１は、主軸頭１０を移動させる。移動物としての主軸頭１０の主軸には、例えば、ワークを加工するための工具１１が設けられる。従って、工作機械１００は、工具１１を用いてワークに切削等の加工を行う。また、駆動軸１のモータ（図示せず）には、エンコーダ５が設けられる。エンコーダ５は、例えば、モータの軸の回転を検出して主軸頭１０の位置を測定する。この位置から、主軸頭１０の移動速度が算出される。エンコーダ５は、主軸頭１０の移動速度を情報解析部３に送る。尚、主軸頭１０は、駆動軸１により移動可能であればよく、ワークやワークを載置可能なテーブルなどであってもよい。

距離センサ２は、主軸頭１０から該主軸頭１０と干渉する干渉物までの干渉距離Ｋｓを検出する。干渉物は、例えば、工具１１や主軸頭１０が干渉する障害物である。また、工具１１の刃以外の部分がワークに接触する場合、ワークも干渉物になる。距離センサ２は、例えば、主軸頭１０に設けられる。距離センサ２は、例えば、超音波やレーザを用いた距離センサである。尚、距離センサ２は、所定の分解能および更新周期で距離を検出することができればよく、例えば、カメラなどの画像から距離を検出する装置であってもよい。

また、距離センサ２の性能は、分解能Ｂｓおよび更新周期Ｔｓにより表される。分解能Ｂｓは、測定可能な測定値の幅の最小単位である。更新周期Ｔｓは、干渉距離Ｋｓの検出の時間間隔である。距離センサ２の更新周期Ｔｓは、例えば、１ｓｅｃである。距離センサ２は、更新周期Ｔｓごとに、情報解析部３に干渉距離Ｋｓの検出値を送る。距離センサ２の分解能Ｂｓおよび更新周期Ｔｓは、例えば、パラメータとして設定され、図示しない記憶部に予め格納される。

数値制御装置としての情報解析部３は、プログラム６に基づいて、工作機械１００を制御する。情報解析部３は、駆動軸１を制御する。情報解析部３は、プログラム解析部３１と、距離情報取得部３２と、速度制限部３３と、実行部３４とを有する。

プログラム解析部３１は、プログラム６を解析し、解析情報を取得する。プログラム６は、例えば、ワークの加工プログラムである。解析情報は、例えば、主軸頭１０の移動方向、移動距離、移動速度および位置などが含まれる。プログラム解析部３１は、解析情報を速度制限部３３に送る。

距離情報取得部３２は、距離センサ２から干渉距離Ｋｓを取得する。距離情報取得部３２による干渉距離Ｋｓの取得周期Ｔｓは、距離センサ２の更新周期Ｔｓでもある。従って、以下では、更新周期Ｔｓは、取得周期Ｔｓと呼ばれる場合がある。距離情報取得部３２は、干渉距離Ｋｓを含む距離情報を速度制限部３３に送る。

速度制限部３３は、距離センサ２の分解能Ｂｓ、干渉距離の取得周期Ｔｓ、干渉距離Ｋｓおよび主軸頭１０の移動速度Ｆｎに基づいて、主軸頭１０が干渉物に異常接近しているか否かを判定する。移動速度Ｆｎは、例えば、エンコーダ５から速度制限部３３に送られる。また、異常接近とは、主軸頭１０が干渉物に接近しており、主軸頭１０が安全に停止できない状態である。異常接近には、例えば、工具１１が干渉物に衝突する場合や（図２を参照）、衝突を避けるために主軸頭１０が急停止する必要がある場合が含まれる（図４を参照）。これにより、距離センサ２の性能を考慮して、主軸頭１０（工具１１）と干渉物との異常接近の判定精度を向上させることができる。従って、工作機械１００の安全性を向上させることができる。尚、異常接近の詳細については、図２〜図５を参照して、後で説明する。

また、速度制限部３３は、主軸頭１０が干渉物に異常接近している場合、距離センサ２の分解能Ｂｓ、干渉距離Ｋｓの取得周期Ｔｓ、干渉距離Ｋｓおよび主軸頭１０の移動速度Ｆｎに基づいて、該移動速度Ｆｎより低い制限速度Ｆｎ１を演算する。例えば、速度制限部３３は、プログラム６の解析情報と、制限速度Ｆｎ１とを比較し、主軸頭１０の速度を制限する。すなわち、主軸頭１０は、干渉物に異常接近した場合、減速して安全に停止する。これにより、工作機械１００の安全性を向上させることができる。また、速度制限部３３は、制限速度Ｆｎ１などを含む速度情報を実行部３４に送る。尚、異常接近の検知および制限速度Ｆｎ１の詳細については、図６および図８を参照して、後で説明する。

実行部３４は、主軸頭１０の移動速度Ｆｎを制限速度Ｆｎ１に変更する。例えば、実行部３４は、解析情報の移動速度に倍率をかけるオーバーライドにより、移動速度Ｆｎを制限速度Ｆｎ１に変更させる。実行部３４は、情報解析部３の制御周期であるサンプリング周期Ｔｓａｍｐｌｅごとに、速度制限部３３から速度情報を受け取り、サーボ制御指令をサーボ制御部４に送る。サンプリング周期Ｔｓａｍｐｌｅは、例えば、１ｍｓｅｃである。

サーボ制御部４は、実行部３４からサーボ制御指令を受けて、例えば、駆動軸１のモータのトルクを制御する。これにより、主軸頭１０の移動速度Ｆｎが制限速度Ｆｎ１に変更される。

尚、情報解析部３を構成するプログラム解析部３１と、距離情報取得部３２と、速度制限部３３と、実行部３４とは、一つのＣＰＵ（Central Processing Unit）で実現されてもよく、それぞれ個別のＣＰＵで実現されていてもよい。また、サーボ制御部４は、情報解析部３の一部であってもよい。

次に、図２〜図５を参照して、異常接近について説明する。

図２は、異常接近の一例を示す図である。図２は、第１実施形態による異常接近の判定が行われず、主軸頭１０の工具１１が干渉物と衝突する場合の例を示す。Ｋｓは、工具１１から干渉物までの干渉距離を示す。Ｋｎは、距離センサ２の更新周期Ｔｓの間に主軸頭１０が移動する距離を示す。移動距離Ｋｎは、距離センサ２の次の更新周期Ｔｓまでに主軸頭１０が移動速度Ｆｎで移動する距離でもある。

図３は、図２に示す移動距離Ｋｎの計算の一例を示すグラフである。縦軸は主軸頭１０の移動速度を示し、横軸は時間を示す。従って、グラフの面積は、主軸頭１０の移動距離を示す。

図３に示すように、四角形の面積である移動距離Ｋｎは、移動速度Ｆｎおよび更新周期Ｔｓを用いて、式１により表される。
Ｋｎ＝Ｆｎ×Ｔｓ （式１）
図２に示す例では、Ｋｓ＜Ｋｎである。従って、次の更新周期Ｔｓにおいて主軸頭１０は、干渉物に衝突する。

図４は、異常接近の他の例を示す図である。図４は、第１実施形態による異常接近の判定が行われず、主軸頭１０が急停止しなければ衝突してしまう場合の例を示す。Ｋａは、主軸頭１０が移動速度Ｆｎから減速して停止するまでに移動する停止距離を示す。尚、移動距離Ｋｎは、図２および図３と同様でよい。

図５は、図４に示す停止距離Ｋａの計算の一例を示すグラフである。縦軸は主軸頭１０の移動速度を示し、横軸は時間を示す。従って、グラフの面積は、主軸頭１０の移動距離を示す。Ｆｆは、主軸頭１０の最大速度を示す。Ｔｆは、加減速時間を示す。Ｔａは、主軸頭１０が移動速度Ｆｎから減速して停止するまでの停止時間を示す。

図５に示すように、三角形の面積である停止距離Ｋａは、移動速度Ｆｎおよび停止時間Ｔａを用いて、Ｋａ＝Ｆｎ×Ｔａ／２と表される。また、図５から、Ｔａ＝Ｔｆ×（Ｆｎ／Ｆｆ）である。従って、停止距離Ｋａは、式２により表される。
Ｋａ＝Ｆｎ×Ｔｆ×（Ｆｎ／Ｆｆ）／２ （式２）
図４に示す例では、Ｋｓ＜Ｋｎ＋Ｋａである。従って、主軸頭１０は、次の更新周期Ｔｓ後の減速中に干渉物に衝突する。また、主軸頭１０は、衝突を避けるために急停止する必要がある。この場合、工作機械１００に大きな負荷がかかり、工作機械１００の寿命が短くなってしまう。尚、Ａｆを工作機械１００で設定される主軸頭１０の加速度とすると、Ａｆ＝Ｆｎ／Ｔａから、Ｔａ＝Ｆｎ／Ａｆである。従って、停止距離Ｋａは、式３により表されてもよい。
Ｋａ＝Ｆｎ×（Ｆｎ／Ａｆ）／２ （式３）

次に、図６を参照して、速度制限部３３による異常接近の検知について説明する。

図６は、第１実施形態による異常接近の判定の一例を示す図である。Ｂｓは、距離センサ２の分解能を示す。図６のグラフの縦軸は主軸頭１０の移動速度を示し、横軸は時間を示す。尚、グラフの面積である主軸頭１０の移動距離は、グラフの上に示す模式図における矢印の長さに対応する。

図６に示す例では、図４に示す場合よりも移動距離Ｋｎが短くなっている。また、図６は、Ｋｓ＝Ｋｎ＋Ｋａ＋Ｂｓの場合を示す。この場合、主軸頭１０は、次の更新周期Ｔｓの経過後に減速し、干渉物から分解能Ｂｓだけ手前で停止する。

速度制限部３３は、主軸頭１０の移動速度Ｆｎに基づいて、干渉距離Ｋｓの取得周期Ｔｓの間に主軸頭１０が移動する移動距離Ｋｎと、主軸頭１０が減速して停止するまでに移動する停止距離Ｋａとを演算する。速度制限部３３は、例えば、図６のグラフに示す面積を演算する。移動距離Ｋｎおよび停止距離Ｋａの演算方法は、それぞれ図３（式１）および図５（式２または式３）と同様でよい。

また、速度制限部３３は、距離センサ２の分解能Ｂｓ、干渉距離Ｋｓ、移動距離Ｋｎおよび停止距離Ｋａの大小関係に基づいて、主軸頭１０が干渉物に異常接近しているか否かを判定する。より詳細には、速度制限部３３は、移動距離をＫｎとし、干渉距離をＫｓとし、停止距離をＫａとし、所定係数をｍとし、距離センサ２の分解能をＢｓとすると、次の式４が成立する場合、
Ｋｎ＞Ｋｓ−（Ｋａ×ｍ）−Ｂｓ （式４）
主軸頭１０が干渉物に異常接近していると判定する。所定係数ｍの係数は、安全マージンとして、任意に設定されればよい。式４の右辺Ｋｓ−（Ｋａ×ｍ）−Ｂｓは、衝突の可能性がある、更新周期Ｔｓ後の主軸頭１０の移動距離である。

式４が成立する場合、次の更新周期Ｔｓにおいて、主軸頭１０が安全に停止できない可能性がある。従って、速度制限部３３は、主軸頭１０が干渉物に異常接近していると判定する。一方、式４が成立しない場合、主軸頭１０は安全に停止することができる。従って、速度制限部３３は、主軸頭１０は干渉物に異常接近していないと判断する。

また、速度制限部３３は、所定周期ごとに、主軸頭１０が干渉物に異常接近しているか否かを判定する。所定周期は、例えば、干渉距離Ｋｓの取得周期Ｔｓである。

図７は、第１実施形態による異常接近の判定の一例を示すフロー図である。

まず、速度制限部３３は、更新周期Ｔｓおよび分解能Ｂｓを取得する（Ｓ１０）。更新周期Ｔｓおよび分解能Ｂｓは、例えば、図示しない記憶部から得られる。

次に、速度制限部３３は、移動速度Ｆｎおよび干渉距離Ｋｓを取得する（Ｓ２０）。移動速度Ｆｎおよび干渉距離Ｋｓは、それぞれ、エンコーダ５および距離情報取得部３２から得られる。

次に、速度制限部３３は、移動距離Ｋｎおよび停止距離Ｋａを演算する（Ｓ３０）。

次に、速度制限部３３は、式４が成立するか否かを判定する（Ｓ４０）。式４が成立しない場合（Ｓ４０のＮＯ）、速度制限部３３は、主軸頭１０は干渉物に異常接近していないと判断する。この場合、速度制限部３３は、ステップＳ２０を再び実行する。従って、速度制限部３３は、式４が成立するまで、更新周期Ｔｓごとに、ステップＳ２０〜Ｓ４０を繰り返し実行する。一方、式４が成立する場合（Ｓ４０のＹＥＳ）、速度制限部３３は、主軸頭１０が干渉物に異常接近していると判定する（Ｓ５０）。

次に、図８〜図１０を参照して、速度制限部３３による速度制限について説明する。尚、以下では、移動速度Ｆｎは、異常接近の判定時における現在の移動速度（現在速度）Ｆｎと呼ばれる場合もある。

図８は、第１実施形態による制限速度Ｆｎ１の一例を示す図である。Ｋｄは、主軸頭１０が現在速度Ｆｎから制限速度Ｆｎ１に減速するまで移動する減速距離を示す。Ｔｄは、主軸頭１０が現在速度Ｆｎから制限速度Ｆｎ１に減速するまでの減速時間を示す。Ｋｎ１は、主軸頭１０が制限速度Ｆｎ１で移動する制限移動距離を示す。Ｔｎ１は、主軸頭１０が制限速度Ｆｎ１で移動する制限移動時間を示す。Ｋａ１は、主軸頭１０が制限速度Ｆｎ１から減速して停止するまでに移動する制限停止距離を示す。Ｔａ１は、主軸頭１０が制限速度Ｆｎ１から減速して停止するまでの制限停止時間を示す。

図８に示す例では、現在速度Ｆｎは、制限速度Ｆｎ１に減速される。また、図８は、Ｋｓ＝Ｋｄ＋Ｋｎ１＋Ｋａ１＋Ｂｓの場合を示す。この場合、主軸頭１０は、制限速度Ｆｎ１に減速し、次の更新周期Ｔｓにおいてさらに減速して干渉物から分解能Ｂｓだけ手前で停止すると仮定される。また、図８に示す更新周期Ｔｓは、Ｔｓ＝Ｔｄ＋Ｔｎ１の関係を有する。この場合、制限移動時間Ｔｎ１は、Ｔｓ−Ｔｄである。すなわち、制限移動時間Ｔｎ１は、干渉距離Ｋｓの取得周期Ｔｓから減速時間Ｔｄを引いた時間である。図８におけるｔ１およびｔ２は、それぞれ或る更新周期Ｔｓの開始時および終了時を示す。例えば、ｔ１において、異常接近の判定後、現在速度Ｆｎから減速が開始される。減速時間Ｔｄの経過後、主軸頭１０は、制限速度Ｆｎ１で制限移動時間Ｔｎ１の間移動を継続する。その後、後で説明するように、ｔ２において、主軸頭１０の移動速度は、減速後の干渉距離Ｋｓ２に応じて変更される。

速度制限部３３は、距離センサ２の分解能Ｂｓ、干渉距離Ｋｓ、減速距離Ｋｄ、制限移動距離Ｋｎ１、および、制限停止距離Ｋａ１の大小関係に基づいて、制限速度Ｆｎ１を演算する。より詳細には、速度制限部３３は、干渉距離をＫｓとし、距離センサ２の分解能をＢｓとし、減速距離をＫｄとし、制限移動距離をＫｎ１とし、制限停止距離をＫａ１とすると、次の式５を満たす制限速度Ｆｎ１を演算する。
Ｋｓ−Ｂｓ＞Ｋｄ＋Ｋｎ１＋Ｋａ１ （式５）
減速距離Ｋｄ、制限移動距離Ｋｎ１および制限停止距離Ｋａ１は、図８のグラフに示す面積から算出される。尚、制限速度Ｆｎ１の演算および図８のグラフに示すｆの詳細については、図９を参照して、後で説明する。

式５が成立しない場合、減速が足りずに主軸頭１０が干渉物に衝突する可能性がある。一方、式５が成立する場合、主軸頭１０は、干渉物から分解能Ｂｓよりも離れた位置で安全に停止することができる。これにより、急停止や急減速による工作機械１００への負荷を抑制することができる。また、主軸頭１０は、減速により、干渉物に対してより接近することができる。この結果、主軸頭１０が干渉物に対してより近づくことができ、より長い軸移動量でワークを加工することができる。

また、速度制限部３３は、主軸頭１０の移動速度を制限速度Ｆｎ１に制限し、制限後の干渉距離Ｋｓ２に応じて主軸頭１０の移動速度を変化させる。以下では、「制限後の干渉距離Ｋｓ２」は、「減速後の干渉距離Ｋｓ２」とも呼ばれる場合がある。ここで、制限速度Ｆｎ１は加工プログラムとは無関係に演算され、また、上記のように、オーバーライドにより減速が行われる。例えば、減速が実行される或る更新周期Ｔｓ中にプログラム上の動作に変化がない場合、主軸頭１０は、式５を満たすように、ｔ２において干渉物からほぼ分解能Ｂｓ手前に位置する。しかし、減速が実行される或る更新周期Ｔｓ中にプログラム上の主軸頭１０の移動速度や移動方向が変化する場合がある。この場合、ｔ２における主軸頭１０の位置が変化してしまう。そこで、速度制限部３３は、ｔ２において取得される減速後の干渉距離Ｋｓ２を用いて、主軸頭１０の移動速度を変化させる。尚、ｔ２における主軸頭１０の移動速度の詳細については、図９を参照して、後で説明する。

図９は、第１実施形態による制限速度Ｆｎ１の演算および減速の一例を示すフロー図である。尚、ステップＳ１０〜Ｓ５０は、図７と同様である。従って、速度制限部３３により異常接近と判定された場合（Ｓ５０）、ステップＳ６０以降が実行される。

速度制限部３３は、取得周期Ｔｓよりも短い周期ごとに主軸頭１０の移動速度から所定値を引き、制限速度Ｆｎ１を演算する。取得周期Ｔｓよりも短い周期は、速度制限部３３の演算周期であり、例えば、数μｓｅｃである。演算周期は、実行部３４により主軸頭１０の減速が行われるサンプリング周期Ｔｓａｍｐｌｅ（例えば、１ｍｓｅｃ）よりも十分に短い時間である。従って、速度制限部３３は、実行部３４による減速の前に、制限速度Ｆｎ１の演算を完了することができる。所定値は、例えば、主軸頭１０の加速度Ａｆとサンプリング周期Ｔｓａｍｐｌｅとの積Ａｆ×Ｔｓａｍｐｌｅである。サンプリング周期Ｔｓａｍｐｌｅは、上記のように、１ｍｓｅｃであり、例えば、更新周期Ｔｓの１０００分の１である。

例えば、速度制限部３３は、処理中速度ｆを変数とし、演算周期ごとに処理中速度ｆを移動速度Ｆｎから積Ａｆ×Ｔｓａｍｐｌｅだけ減少させる。これにより、速度制限部３３は、式５を満たす処理中速度ｆを演算する。その後、速度制限部３３は、制限速度Ｆｎ１に処理中速度ｆを代入する。また、処理中速度ｆは、図８のグラフに示すｆに対応する。

まず、速度制限部３３は、処理中速度ｆに現在速度Ｆｎを代入する。（Ｓ６０）。また、速度制限部３３は、 限界距離Ｋｌｉｍに、Ｋｓ−Ｂｓを代入してもよい。

次に、速度制限部３３は、処理中速度ｆから積Ａｆ×Ｔｓａｍｐｌｅを減少させたｆ−Ａｆ×Ｔｓａｍｐｌｅを処理中速度ｆに代入する（Ｓ７０）。また、速度制限部３３は、処理中速度ｆを用いて、制限停止距離Ｋａ１および減速距離Ｋｄを演算する（Ｓ７０）。制限停止時間Ｔａ１は、図８のグラフに示すように、Ｔａ１＝Ｔｆ×（ｆ／Ｆｆ）＝ｆ／Ａｆにより算出される。制限停止距離Ｋａ１は、図８のグラフに示す三角形の面積により算出される。従って、制限停止距離Ｋａ１は、Ｋａ１＝ｆ×Ｔａ１／２により算出される。同様に、減速時間Ｔｄは、図８のグラフに示すように、Ｔｄ＝Ｔｆ×（（Ｆｎ−ｆ）／Ｆｆ）＝（Ｆｎ−ｆ）／Ａｆにより算出される。減速距離Ｋｄは、図８のグラフに示す台形の面積により算出される。従って、減速距離Ｋｄは、Ｋｄ＝（Ｆｎ＋ｆ）×Ｔｄ／２により算出される。

次に、速度制限部３３は、制限移動距離Ｋｎ１を演算する（Ｓ８０）。制限移動時間Ｔｎ１は、上記のように、Ｔｓ−Ｔｄである。制限移動距離Ｋｎ１の計算は、図８のグラフに示す四角形の面積により算出される。従って、制限移動距離Ｋｎ１は、Ｋｎ１＝ｆ×（Ｔｓ−Ｔｄ）により算出される。

次に、速度制限部３３は、処理中速度ｆが式５を満たすか否かを判定する（Ｓ９０）。処理中速度ｆが式５を満たさない場合（Ｓ９０のＮＯ）、速度制限部３３は、ステップＳ７０を再び実行する。従って、速度制限部３３は、処理中速度ｆが式５を満たすまで、演算周期ごとに、ステップＳ７０〜Ｓ９０を繰り返し実行する。一方、処理中速度ｆが式５を満たす場合（Ｓ９０のＹＥＳ）、速度制限部３３は、処理中速度ｆを制限速度Ｆｎ１に代入する（Ｓ１００）。このように、速度制限部３３は、制限速度Ｆｎ１を演算する。

次に、実行部３４（速度制限部３３）は、主軸頭１０を、現在速度Ｆｎから制限速度Ｆｎ１に減速させる（Ｓ１１０）。

次に、速度制限部３３は、減速後の干渉距離Ｋｓ２を取得する（Ｓ１２０）。減速後の干渉距離Ｋｓ２は、距離情報取得部３２から得られる。尚、ステップＳ１２０は、図８に示すｔ２において実行される。

次に、速度制限部３３は、Ｋｓ２＞Ｋｓか否かを判定する（Ｓ１３０）。Ｋｓ２＞Ｋｓである場合（Ｓ１３０のＹＥＳ）、速度制限部３３は、主軸頭１０の移動速度を戻す（Ｓ１４０）。すなわち、速度制限部３３は、制限後の干渉距離Ｋｓ２が制限前の干渉距離Ｋｓより長い場合、主軸頭１０の移動速度の制限を停止する。Ｋｓ２＞Ｋｓである場合、主軸頭１０は、減速前の干渉距離Ｋｓの取得時よりも干渉物から離れている。これは、例えば、プログラム上の主軸頭１０の移動方向が変化したためである。従って、主軸頭１０が干渉物と衝突する可能性は低い。従って、速度制限部３３は、減速を止めて加工を継続させ、加工時間が無駄に延びてしまうことを抑制することができる。その後、速度制限部３３は、ステップＳ２０〜Ｓ５０の異常接近の判定を行う。

一方、Ｋｓ２＞Ｋｓではない場合（Ｓ１３０のＮＯ）、速度制限部３３は、Ｋｓ≧Ｋｓ２＞Ｋａ１＋Ｂｓか否かを判定する（Ｓ１５０）。Ｋｓ≧Ｋｓ２＞Ｋａ１＋Ｂｓである場合（Ｓ１５０のＹＥＳ）、速度制限部３３は、干渉距離Ｋｓに減速後の干渉距離Ｋｓ２を代入し、現在速度Ｆｎに制限速度Ｆｎ１を代入する（Ｓ１６０）。その後、速度制限部３３は、ステップＳ６０を実行する。従って、速度制限部３３は、図８に示すように、ｔ２における制限速度Ｆｎ１をｔ１の現在速度Ｆｎとして、再び制限速度Ｆｎ１を演算する。すなわち、速度制限部３３は、減速後の干渉距離Ｋｓ２が制限停止距離Ｋａ１および分解能Ｂｓの和より長く、減速前の干渉距離Ｋｓ以下である場合、制限速度Ｆｎ１を再度演算する。Ｋｓ≧Ｋｓ２＞Ｋａ１＋Ｂｓである場合、主軸頭１０は、減速前の干渉距離Ｋｓの取得時よりも干渉物に接近してはいるものの、安全に停止することができる。従って、速度制限部３３は、制限速度Ｆｎ１を再度演算して、主軸頭１０の移動速度をさらに減速させる。このように、更新周期Ｔｓごとに主軸頭１０が減速する。従って、主軸頭１０は、干渉物に近づくほど、安全に停止することができるように減速しつつ、加工を継続することができる。尚、ステップＳ１６０において、制限速度Ｆｎ１の代入に代えて、図７に示すステップＳ２０と同様に、現在速度Ｆｎを取得してもよい。

一方、Ｋｓ≧Ｋｓ２＞Ｋａ１＋Ｂｓでない場合（ステップＳ１５０のＮＯ）、速度制限部３３（実行部３４）は、主軸頭１０を減速停止させる（Ｓ１７０）。尚、ステップＳ１７０では、ステップＳ１３０のＮＯ、かつ、ステップＳ１５０のＮＯの場合であるため、Ｋｓ２≦Ｋａ１＋Ｂｓである。すなわち、速度制限部３３は、制限後の干渉距離Ｋｓ２が制限停止距離Ｋａ１および分解能Ｂｓの和以下である場合、主軸頭１０を減速停止させる。Ｋｓ２≦Ｋａ１＋Ｂｓである場合、主軸頭１０は、干渉物に接近しているため、干渉物と衝突する可能性がある。従って、速度制限部３３は、主軸頭１０を減速停止させる。尚、分解能Ｂｓは、例えば、安全マージンとしてより大きな値に設定されてもよい。これにより、干渉物と衝突する可能性を抑制することができる。

図１０は、第１実施形態による制限速度Ｆｎ１の演算結果の一例を示す図である。図１０に示す例では、最大速度Ｆｆは２００００ｍｍ／ｍｉｎであり、加減速時間Ｔｆは０．４ｓｅｃであり、加速度Ａｆは約８３３．３３３ｍｍ／ｓｅｃ^２である。

更新周期Ｔｓは、１ｓｅｃであり、サンプリング周期Ｔｓａｍｐｌｅで換算した更新周期Ｔｓは、１０００ｍｓｅｃである。また、干渉距離Ｋｓは９０ｍｍ、分解能Ｂｓは５ｍｍである。限界距離Ｋｌｉｍは、Ｋｓ−Ｂｓであり、８５ｍｍである。尚、分解能Ｂｓは、任意の値の安全マージンが加算されてもよい。また、現在速度Ｆｎは、６０００ｍｍ／ｍｉｎ（１００ｍｍ／ｓｅｃ）である。従って、更新周期Ｔｓ後の移動距離Ｋｎは、１００ｍｍである。この場合、図２と同様に、Ｋｓ＜Ｋｎとなっているため、式４は明らかに成立する。従って、速度制限部３３は、異常接近の判定をして、制限速度Ｆｎ１を演算する。

図１０に示す例では、制限速度Ｆｎ１の計算の結果として、演算回数は２３回である。演算回数とは、図９のステップＳ７０〜Ｓ９０の実行回数である。演算回数の増加とともに、処理中速度ｆおよびＫｎ１＋Ｋｄ＋Ｋａ１は、減少する。２３回目の演算回数において、式５の右辺であるＫｎ１＋Ｋｄ＋Ｋａ１は、約８４．９７４ｍｍとなり、式５の左辺である限界距離Ｋｌｉｍ（Ｋｓ−Ｂｓ）の８５ｍｍよりも短くなる。このとき、処理中速度ｆは、現在速度Ｆｎである６０００ｍｍ／ｍｉｎから４８５０ｍｍ／ｍｉｎに減速している。従って、速度制限部３３は、制限速度Ｆｎ１として、４８５０ｍｍ／ｍｉｎを演算する。また、速度制限部３３は、減速時間Ｔｄとして２３ｍｓｅｃ、制限移動時間Ｔｎ１として９７７ｍｓｅｃ、制限停止時間Ｔａ１として９７ｍｓｅｃを演算する。

以上のように、第１実施形態によれば、距離情報取得部３２は、距離センサ２から干渉距離Ｋｓを取得する。また、速度制限部３３は、分解能Ｂｓ、更新周期Ｔｓ、干渉距離Ｋｓおよび主軸頭１０の移動速度Ｆｎに基づいて、主軸頭１０が干渉物に異常接近しているか否かを判定する。距離センサ２が用いられるため、事前に干渉領域を設定することなく、実際の距離に基づいて異常接近の判定を行うことができる。干渉領域とは、工具１１がワークや治具などと干渉する可能性がある領域である。また、複雑な形状の干渉物に対しても異常接近の判定を行うことができる。

また、主軸頭１０が干渉物に異常接近している場合、速度制限部３３は、主軸頭１０が安全に停止することができる制限速度Ｆｎ１を演算し、主軸頭１０を減速させる。これにより、急停止や急減速による工作機械１００への負荷を抑制することができる。従って、工作機械１００の寿命が短くなることを抑制することができる。また、減速により、主軸頭１０が干渉物に対してより近づくことができ、より長い軸移動量でワークを加工することができる。従って、干渉領域を狭くすることができる。さらに、干渉を回避するために大きな安全マージンを設定する必要がない。また、速度制限部３３は、減速後の干渉距離Ｋｓ２を用いて更新周期Ｔｓごとに制限速度Ｆｎ１を演算し、主軸頭１０を減速させる。従って、主軸頭１０は、干渉物に近づくほど、安全に停止することができるように減速しつつ、加工を継続することができる。また、主軸頭１０が干渉物から離れる場合、速度制限部３３は、主軸頭１０の移動速度を減速前に戻す。これにより、加工時間が無駄に延びることを抑制することができる。

また、異常接近の判定や、制限速度Ｆｎ１の演算には、距離センサ２の更新周期Ｔｓおよび分解能Ｂｓが用いられる。これにより、距離センサ２の性能を考慮にいれた異常接近の判定や制限速度Ｆｎ１の演算を行うことができる。例えば、分解能Ｂｓが低く、更新周期Ｔｓが長い安価な距離センサが用いられる場合であっても、異常接近の判定精度を向上させ、制限速度Ｆｎ１の演算を行うことができる。この結果、安価な距離センサが用いられる場合であっても、主軸頭１０は、干渉物に対してより近づくことができ、かつ、安全に停止することができる。

尚、距離センサ２は、安価な距離センサに限られない。これは、予め設定される更新周期Ｔｓおよび分解能Ｂｓのパラメータにより、距離センサ２の性能によらず、異常接近の判定および主軸頭１０の減速を行うことができるためである。

また、図８に示す例では、ｔ１において減速が開始されているが、これに限られない。例えば、ｔ１から現在速度Ｆｎで移動後に減速が開始され、ｔ２において主軸頭１０の移動速度が制限速度Ｆｎ１になるようにしてもよい。この場合、主軸頭１０の移動距離、すなわち、図８のグラフに示す面積の計算方法が異なる。

また、図９のステップＳ１６０の後、速度制限部３３は、再びステップＳ２０〜Ｓ４０の異常接近の判定をしてもよい。

本実施形態による情報解析部３および工作機械１００の少なくとも一部は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、情報解析部３および工作機械１００の少なくとも一部の機能を実現するプログラムをフレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。また、情報解析部３および工作機械１００の少なくとも一部の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線（無線通信も含む）を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００ 工作機械、１ 駆動軸、１０ 主軸頭、２ 距離センサ、３ 情報解析部、３２ 距離情報取得部、３３ 速度制限部、４ サーボ制御部、Ｂｓ 分解能、Ｋａ 停止距離、Ｋｓ 干渉距離、Ｋｓ２ 減速後の干渉距離、Ｆｎ 移動速度、Ｆｎ１ 制限速度、Ｔｓ 更新周期

Claims (13)

1. 移動物を移動させる駆動機構を制御する数値制御装置であって、
   前記移動物から該移動物と干渉する干渉物までの干渉距離を検出する距離センサから、前記干渉距離を取得する距離情報取得部と、
   前記距離センサの分解能、前記干渉距離の取得周期、前記干渉距離および前記移動物の移動速度に基づいて、前記移動物が前記干渉物に異常接近しているか否かを判定する速度制限部とを備える数値制御装置。
2. 前記速度制限部は、
   前記移動物の移動速度に基づいて、前記干渉距離の取得周期の間に前記移動物が移動する移動距離と、前記移動物が減速して停止するまでに移動する停止距離とを演算し、
   前記分解能、前記干渉距離、前記移動距離および前記停止距離の大小関係に基づいて、前記移動物が前記干渉物に異常接近しているか否かを判定する、請求項１に記載の数値制御装置。
3. 前記速度制限部は、前記移動距離をＫｎとし、前記干渉距離をＫｓとし、前記停止距離をＫａとし、所定係数をｍとし、前記分解能をＢｓとすると、次の式が成立する場合、
   Ｋｎ＞Ｋｓ−（Ｋａ×ｍ）−Ｂｓ
   前記移動物が前記干渉物に異常接近していると判定する、請求項２に記載の数値制御装置。
4. 前記速度制限部は、前記移動物が前記干渉物に異常接近している場合、前記分解能、前記干渉距離の取得周期、前記干渉距離および前記移動物の移動速度に基づいて、該移動速度より低い制限速度を演算する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の数値制御装置。
5. 前記速度制限部は、前記分解能、前記干渉距離、前記移動物が前記制限速度に減速するまでに移動する減速距離、前記移動物が前記制限速度で移動する制限移動距離、および、前記移動物が前記制限速度から減速して停止するまでに移動する制限停止距離の大小関係に基づいて、前記制限速度を演算する、請求項４に記載の数値制御装置。
6. 前記速度制限部は、前記干渉距離をＫｓとし、前記分解能をＢｓとし、前記減速距離をＫｄとし、前記制限移動距離をＫｎ１とし、前記制限停止距離をＫａ１とすると、次の式を満たす前記制限速度を演算する、
   Ｋｓ−Ｂｓ＞Ｋｄ＋Ｋｎ１＋Ｋａ１
   請求項５に記載の数値制御装置。
7. 前記移動物が前記制限速度で移動する制限移動時間は、前記干渉距離の取得周期から、前記移動物が前記制限速度に減速するまでの減速時間を引いた時間である、請求項５または請求項６に記載の数値制御装置。
8. 前記速度制限部は、前記干渉距離の取得周期よりも短い周期ごとに前記移動物の移動速度から所定値を引き、前記制限速度を演算する、請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の数値制御装置。
9. 前記速度制限部は、前記移動物の移動速度を前記制限速度に制限し、制限後の前記干渉距離に応じて前記移動物の移動速度を変化させる、請求項５から請求項８のいずれか一項に記載の数値制御装置。
10. 前記速度制限部は、制限後の前記干渉距離が制限前の前記干渉距離より長い場合、前記移動物の移動速度の制限を停止する、請求項９に記載の数値制御装置。
11. 前記速度制限部は、制限後の前記干渉距離が前記制限停止距離および前記分解能の和より長く、制限前の前記干渉距離以下である場合、前記制限速度を再度演算する、請求項９に記載の数値制御装置。
12. 前記速度制限部は、制限後の前記干渉距離が前記制限停止距離および前記分解能の和以下である場合、前記移動物を減速停止させる、請求項９に記載の数値制御装置。
13. 移動物を移動させる駆動機構と、
    前記移動物から該移動物と干渉する干渉物までの干渉距離を検出する距離センサと、
    前記駆動機構を制御する数値制御装置とを備え、
    前記数値制御装置は、
    前記距離センサから前記干渉距離を取得する距離情報取得部と、
    前記距離センサの分解能、前記干渉距離の取得周期、前記干渉距離および前記移動物の移動速度に基づいて、前記移動物が前記干渉物に異常接近しているか否かを判定する速度制限部とを有する工作機械。

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