JP3681972B2

JP3681972B2 - 加減速制御方法

Info

Publication number: JP3681972B2
Application number: JP2000318293A
Authority: JP
Inventors: 俊明大槻; 晶一相良; 和彦園部
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2020-10-18
Also published as: US20020045957A1; DE60115800D1; EP1197820A2; JP2002132349A; EP1197820A3; EP1197820B1; DE60115800T2; US6920363B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、自動機械、例えば各種加工機をサーボ制御する制御装置（数値制御装置）によって行なわれる加減速制御方法に関し、更に詳しく言えば、高速で位置決めを行うような自動機械、例えば加工機に好適に適用される加減速制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
良く知られているように、加工機などの自動機械を数値制御装置によってサーボ制御する場合、位置決めに伴って加減速制御が行なわれる。位置決めの加減速制御には時間−速度推移のグラフ形状に応じた呼称が付けられ、従来より、直線形、ベル形などが知られている。図２には、ベル形の加減速制御について、左側に時間−速度推移、右側に加速度（実加速度）−速度の関係をグラフ描示した。右側のグラフには、制限加速度曲線を併記した。
【０００３】
制限加速度曲線は、機械の摩擦、重力、モータの出力トルク性能等で決まる出力可能な加速度を速度の関数で表わしたものであり、加減速制御がこの制限内で行なわれることに対応して、図示したように、加減速制御時の実加速度（実際に出力される加速度のこと；以下同じ）は制限加速度曲線の内側の領域内で変化する。
【０００４】
このようなベル形に代表される従来の加減速の１つの特徴は、速度と加速度の関係が低速部分と高速部分で対称的となっていることである。つまり、速度と実際に出力される加速度の関係を表わす曲線は台形形状である。一方、加減速制御される軸を持つ加工機等の機械においては、機械各部に作用する摩擦や重力、あるいは軸を駆動するモータのトルク特性などにより、出力可能な加減速性能が、低速部分と高速部分で対称的でない場合が殆どである。
【０００５】
従って、速度の関数で出力可能な加減速性能を表わす制限加速度曲線は、速度に対して一般に非対称的となる。図５には、典型的な制限加速度曲線（図２の加速度−速度曲線に付記したものと同じ）を横軸に速度、縦軸に加速度をとって示したものである。
【０００６】
図５のカーブ形状から判るように、特に高速部分で出力可能な加減速性能に制限がある。そのため、従来技術では、実加速度曲線は低速部分と高速部分で対称的であっても、加速度曲線の一部が制限加速度曲線に接するような実加速度曲線を生成し、制限加速度曲線の範囲内でできるだけ大きな加減速を行う方式を提案していた。（例えば特許第２７２２２８６号参照）。
【０００７】
しかし、その方式においても、制限加速度曲線の高速部分での加減速性能に制限されてしまうことに伴って、低速部分では性能に見合った十分な加速を行うことができなかった。換言すれば、低速部分では加速性能のかなり大きな部分が生かされず、その分、位置決め乃至その前後の加減速によけいな時間がかかっていたということである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本願発明の目的は、上記従来技術の問題点を克服し、加工機等の自動機械の制御を行なう制御装置が行なう位置決めに伴う加減速について、それに要する時間を短縮し、高速の位置決めが可能で、加工等の作業を効率化する上で有利な加減速制御方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、速度と加速度の関係が低速部分と高速部分で対称的であるという条件を取り払い、実加速度曲線が可能な限り制限加速度曲線に沿うような加減速を行うことで上記課題を解決する。
【００１０】
即ち、本発明に従えば、移動指令に対して、加減速処理した後の移動指令をサーボ制御部へ供給する加減速制御方法において、前記加減速処理後の移動指令は、速度と加速度の関係が予め設定されている制限加速度曲線に沿って推移するように、一定周期毎に速度に対応して前記制限加速度曲線に基づいて前記加減速処理の加速度を定めるものとされる。そして、前記制限加速度曲線は、各軸毎および加速並びに減速毎に設定される。
【００１１】
前記制限加速度曲線は、更に、移動方向毎に設定されて良い。また、加速においては速度と加速度の関係が予め設定されている制限加速度曲線に沿って推移するように、一定周期毎に速度に対応して前記制限加速度曲線に基づいて前記加減速処理の加速度を定め、減速においては一定の加速度で減速するようにしても良い。
【００１２】
更に、速度と加速度の関係が予め設定されている制限加速度曲線に沿って推移するように、一定周期毎に速度に対応して前記制限加速度曲線に基づいて前記加減速処理の加速度を定め、減速においては一定の加速度に対して一定時間のフィルタを通して減速するようにしても良い。
【００１３】
加速度特性は、各軸毎、移動方向毎、加速／減速毎などに応じて相違する場合があるので、制限加速度曲線は各軸毎、移動方向毎、加速／減速毎に与えられるようにすることが好ましい。
【００１４】
なお、制限加速度曲線に対応する速度と加速度の関係は、パラメータなどであらかじめ設定することが出来る。たとえば、いくつかの速度に対応する制限加速度をそれらの速度毎にパラメータに設定し、制限加速度曲線はそれらの関係する点を結んだ折れ線する。ここで、各軸毎に、移動方向毎に、加速と減速毎に特性が相違する場合には、制限加速度曲線をそれらのケース毎に設定すれば良い（例については後述）。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明では、図３に一例を示したように、速度と加速度の関係が低速部分と高速部分で対称的でなくてもよい加減速制御を行い、実加速度曲線ができるだけ制限加速度曲線に沿うように加減速を行う。
【００１６】
図３の描示形式は、前出の図２と同様であり、１つの実施形態で採用される加減速制御について、時間−速度推移（左側グラフ）と、実加速度−速度の関係（左側グラフ）を示した。右側のグラフには、制限加速度曲線を併記した。
【００１７】
なお、前述したように、各軸毎、移動方向毎、加速／減速毎に加速度特性は相違する場合があるので、制限加速度曲線は各軸毎、移動方向毎、加速／減速毎にパラメータを使って設定し得るようにする。条件毎の制限加速度曲線の例については後述する。
【００１８】
図１は、実施形態で使用する数値制御装置の要部を表わすブロック図である。数値制御装置には、先ず、パートプログラムを格納するプログラム記憶領域１と、様々な動作条件を決定するパラメータ記憶領域２を有している。パラメータ記憶領域２に記憶されるパラメータには、上述したように、各軸毎、移動方向毎、あるいは加速と減速毎に特性が相違する場合に応じて制限加速度曲線を定めるためのパラメータが含まれる。
【００１９】
数値制御装置は、更に、指令解析部３、補間前加減速処理部４、補間処理部５を有し、補間処理部５の出力で、位置決めに伴う加減速制御を含む、各軸の制御が行なわれる。本例では、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が制御される。
【００２０】
自動運転の実行時にはプログラム記憶領域１から図３に示した如き速度推移に対応したパートプログラムデータを読み出し、指令解析部３入力する。指令解析部３は、指令ブロック毎の移動量や送り速度の指令から補間用のデータを生成する前処理部である。前処理されたデータは補間前加減速処理部４で加減速処理が施された後、補間処理部５入力され、各軸（ここではＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の各々のサーボモータへの移動指令に分割され、サーボ制御部に出力される。
【００２１】
ここで、制限加速度曲線（速度−加速度曲線）の設定例について、図６〜図１０を参照して簡単に説明しておく。先ず、数値テーブル形式で描示された図６は、１０ｍ／ｍｉｎ刻みで制限加速度を、「＋方向加速時」、「−方向加速時」、「＋方向減速時」、「−方向減速時」の４条件に分けて設定する例を表わしている。
【００２２】
数値制御装置（図１参照）は、図６に示した数値データが例えば操作パネル（図示省略）のマニュアル操作で入力されると、これら４つの条件のそれぞれに対応して、滑らかな曲線（制限加速度曲線）を４個出力する。あるいは、自動運転開始後のしかるべき指令に応じて出力すべく備えても良い。
【００２３】
このようにして図６に示した設定例に対応して作成される、「＋方向加速時」、「−方向加速時」、「＋方向減速時」、「−方向減速時」に適用される制限加速度曲線は、図７〜図１０のようになる。なお、ここでは、４本の制限加速度曲線が設定、作成される例を示したが、一般には、条件分けの数が増加すれば、それに応じて設定、作成される制限加速度曲線の本数も増える。
【００２４】
次に、プログラムに位置決め指令があり、プログラム解析部において位置決め指令のブロックと解析された場合の具体的な処理の例について、図１１に示したフローチャートに従って説明する。説明の都合上、ここでは１つの軸について指令が出されたものとする。複数の軸について指令が出された場合には、各軸について同様の処理が併行して同期的に実行される。同期は、例えば、処理の１サイクルの最終ステップ（フローチャートにおけるＳ７、Ｓ１４またはＳ１５）におけるサーボ制御への出力を同時的に実行することでとることが出来る。
【００２５】
加速度、速度、出力データは、図４に示したようなものである。但し、図示の都合上、時間−速度推移曲線を近似する階段関数は実際より粗く描かれている。処理の手順の概略は下記のようになる。
【００２６】
（１）そのブロックの移動量Isを求める（Ｓ１）。そして、以下のように、補間前加減速処理、補間処理を一定周期（以下、Δt）毎に処理する。
【００２７】
（２）加速を開始する。前回の速度をU0とし、初期値0をセットする。また、処理進行の指標nを初期値1にセットする（Ｓ２）。
【００２８】
（３）加速開始後、n回目の処理においては、制限加速度曲線から前回処理で求まっている速度Un-1に相当する加速度An-1を求め、その加速度An-1にΔtをかけて前回速度Un-1に加算し、Unを求める（Ｓ３）。
【００２９】
（４）Unが指令速度Ｓc以上であれば、ステップＳ８に移行する。そうでない場合は、その速度UnにΔtをかけてn回目の出力データPnを求める（Ｓ４）。そして、ここで、速度Unから設定された制限加速曲線にもとづく加速度で速度０まで減速する場合に必要な距離Dを計算する。更に、そのブロックの移動量IsからPnを減算してIpを求める（Ｓ５）。
【００３０】
ここで、もしIpがD以下となっている場合には、ステップＳ１１の処理へ移行する。そうでない場合には、Ipをそのブロックの移動量Isとする。また、Pnをサーボ制御へ出力する。n=n+1としてステップＳ３へ戻り、処理を続行する（Ｓ６、Ｓ７）。
【００３１】
（５）指令速度ScにΔt をかけてその回の出力データPcを求める。更に、速度Scから設定された制限加速曲線にもとづく加速度で速度０まで減速する場合に必要な距離Dを計算する。そのブロックの移動量IsからPcを減算してIpを求める（Ｓ８）。
【００３２】
ここで、IpがD以下となっている場合、ステップＳ１１の処理へ移行する。そうでない場合には、Ipをそのブロックの移動量Isとする。また、Pcをサーボ制御へ出力する。n=n+1としてステップＳ３へ戻り、処理を続行する（Ｓ９、Ｓ１０）。
【００３３】
（６）減速を開始する。前回の速度をV0とする。また、処理進行の指標mを初期値１にセットする（Ｓ１１）。
【００３４】
（７）減速開始後m 回目の処理においては、制限加速度曲線から前回処理で求まっている速度Vm-1に相当する加速度Am-1を求め、その加速度Am-1にΔtをかけて前回速度Vm-1に減算し、Vmを求める。更に、その速度VmにΔtをかけてm 回目の出力データQmを求める。IsからQmを減算してIpとする（Ｓ１２）。
【００３５】
Ipが０または負になる場合は、ステップＳ１５へ移行する。負にならない場合は、IpをIsとする。また、Qmをサーボ制御へ出力する。m=m+1としてステップＳ１２へ戻り、処理を続行する（Ｓ１３、Ｓ１４）。
【００３６】
（８）IsをQmにセットし、Isを０とする。そして、Qmをサーボ制御へ出力する。これにより、１ブロックの加減速の処理が完了する。
【００３７】
【発明の効果】
本願発明によれば、機械の摩擦や重力による機械の特性や、モータのトルク特性などに適応した加減速を行うことにより、機械やモータの性能を十分に生かすことが可能となり、高速の位置決めを行うことができる。その結果、作業が効率化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明が適用される数値制御装置の要部構成を示すブロック図である。
【図２】従来技術における位置決めのための加減速の例について説明するダイヤグラムである。
【図３】本発明の実施形態における位置決めのための加減速について説明するダイヤグラムである。
【図４】本発明の実施形態における加速度、速度、出力データを表わしたダイヤグラムである。
【図５】速度−加速度制限曲線の典型例を表わすダイヤグラムである。
【図６】制限加速度曲線の設定例について説明する数値テーブルである。
【図７】図６に示した設定例に対応して、「＋方向加速時」に適用される制限加速度曲線の例を表わすダイヤグラムである。
【図８】図６に示した設定例に対応して、「−方向加速時」に適用される制限加速度曲線の例を表わすダイヤグラムである。
【図９】図６に示した設定例に対応して、「＋方向減速時」に適用される制限加速度曲線の例を表わすダイヤグラムである。
【図１０】図６に示した設定例に対応して、「−方向減速時」に適用される制限加速度曲線の例を表わすダイヤグラムである。
【図１１】本発明の実施形態における処理の概要を記したフローチャートである。
【符号の説明】
１プログラム記憶領域
２パラメータ記憶領域
３指令解析部
４補間前加減速処理部
５補間処理部

Claims

移動指令に対して、加減速処理した後の移動指令をサーボ制御部へ供給する加減速制御方法であって、
前記加減速処理後の移動指令は、加速度と速度との関係が予め設定されている制限加速度曲線に沿って推移するように、一定周期毎に速度に対応して前記制限加速度曲線に基づいて前記加減速処理の加速度を定めるようになっており、
前記制限加速度曲線は、各軸毎および加速並びに減速毎に設定することを特徴とする加減速制御方法。
前記制限加速度曲線は、更に、移動方向毎に設定されることを特徴とする請求項１に記載の加減速制御方法。
加速においては、加速度と速度との関係が前記制限加速度曲線に沿って推移するように、一定周期毎に速度に対応して前記制限加速度曲線に基づいて前記加減速処理の加速度を定め、減速においては一定の加速度で減速する請求項１または請求項２に記載の加減速制御方法。
加速においては、加速度と速度との関係が前記制限加速度曲線に沿って推移するように、一定周期毎に速度に対応して前記制限加速度曲線に基づいて前記加減速処理の加速度を定め、減速においては一定の加速度に対して一定時間のフィルタを通して減速する請求項１、請求項２または請求項３に記載の加減速制御方法。