JP4598720B2 - Control device for numerical control machine tool - Google Patents

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Description

本発明は、数値制御工作機械に適用される位置及び力の制御装置に関するものである。   The present invention relates to a position and force control device applied to a numerically controlled machine tool.

図5は、数値制御機械の一つである工作機械における、従来の位置制御装置の構成例を示すブロック図である。位置制御装置100はNC装置の内部に含まれ、基準座標系(x,y,z,φ,θ,ψ)で表現された切削工具の動作軌跡が、ある一定周期毎に、位置指令値PDとして上位装置(図示しない)より入力される。尚、座標値(x,y,z)は、3次元直交座標系で工具の空間上の位置を示し、座標値(φ,θ,ψ)は、工具の空間上の姿勢を示す座標値で、便宜上よく知られたZ→Y’→Z”のオイラー角で表記されたものとする。   FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of a conventional position control device in a machine tool which is one of numerical control machines. The position control device 100 is included in the NC device, and the operation trajectory of the cutting tool expressed in the reference coordinate system (x, y, z, φ, θ, ψ) is a position command value PD for every certain period. Are input from a host device (not shown). The coordinate value (x, y, z) indicates the position of the tool in the space in the three-dimensional orthogonal coordinate system, and the coordinate value (φ, θ, ψ) indicates the coordinate value indicating the posture of the tool in space. For convenience, it is assumed that the well-known Z → Y ′ → Z ″ Euler angle is used.

位置指令演算部102の加減速演算部104では、位置指令値PDが補間加減速処理され、微小時間ΔT毎の切削工具の動作軌跡を示す基準座標系で見た位置指令ベクトルr=[x,y,z,φ,θ,ψ](以降、ベクトルや行列を示す記号は、太文字で表し、[]は転置を示す。)が出力される。次にベクトルrは、駆動軸位置指令演算部106で、数式(1)により、各軸の位置指令ベクトルq=[q,q,・・・,q]に変換される。 In the acceleration / deceleration calculation unit 104 of the position command calculation unit 102, the position command value PD is subjected to interpolation acceleration / deceleration processing, and the position command vector r = [x, y, z, φ, θ, ψ] T (hereinafter, symbols indicating vectors and matrices are represented by bold characters, and [] T indicates transposition). Next, the vector r is converted into a position command vector q = [q 1 , q 2 ,..., Q n ] T for each axis by the equation (1) by the drive axis position command calculation unit 106.

ベクトルq=ベクトルq(ベクトルr) ・・・・・(1)   Vector q = vector q (vector r) (1)

数式(1)は、工作機械の軸構成により定まる逆運動学問題の解であり、解となるベクトルqは独立した同一構成を有する各駆動軸位置制御部108−1〜108−nに送られる。   Equation (1) is a solution to the inverse kinematic problem determined by the axis configuration of the machine tool, and the vector q that is the solution is sent to each of the drive axis position control units 108-1 to 108-n having the same independent configuration. .

次に、第1駆動軸を例に、軸位置制御部108−1の機能について説明する。サーボモータ57に締結された位置検出器58は、第1駆動軸の軸位置を検出する位置検出器である。その出力である位置検出値qd1は、減算器50により、位置指令値qから減算される。減算器50の出力は、位置偏差増幅器Gpで増幅される。一方、位置指令値qは、微分器53で微分されて、位置偏差増幅器Gpの出力と加算器51で加算され、第1駆動軸の速度指令値Vc1となる。 Next, the function of the shaft position control unit 108-1 will be described using the first drive shaft as an example. The position detector 58 fastened to the servo motor 57 is a position detector that detects the shaft position of the first drive shaft. The position detection value q d1 that is the output is subtracted from the position command value q 1 by the subtractor 50. The output of the subtracter 50 is amplified by the position deviation amplifier Gp. On the other hand, the position command value q 1 is differentiated by the differentiator 53 and added to the output of the position deviation amplifier Gp by the adder 51 to become the speed command value V c1 of the first drive shaft.

位置検出値qd1は、微分器55で時間微分され、速度検出値vd1となる。減算器52では、速度指令値Vc1から速度検出値vd1が減算される。減算器52の出力は、速度偏差増幅器Gvで通常、比例積分増幅される。一方、前記微分器53の出力は、微分器54で再度微分され、増幅器CbでCb倍される。Cbは、位置指令値qの加速度成分に対する加減速駆動力を算出するための定数である。増幅器Cb出力は、速度偏差増幅器Gv出力と加算器56で加算され、第1駆動軸の駆動力指令値τc1となる。 The position detection value q d1 is time-differentiated by the differentiator 55 and becomes the speed detection value v d1 . The subtractor 52 subtracts the speed detection value v d1 from the speed command value V c1 . The output of the subtracter 52 is normally proportional-integral amplified by the speed deviation amplifier Gv. On the other hand, the output of the differentiator 53 is differentiated again by the differentiator 54 and multiplied by Cb by the amplifier Cb. Cb is a constant for calculating the deceleration driving force for acceleration component of the position command value q 1. The output of the amplifier Cb is added to the output of the speed deviation amplifier Gv by the adder 56, and becomes the driving force command value τ c1 of the first driving shaft.

パワー増幅部は、駆動力指令値τc1を電力増幅し、サーボモータ57に供給する。これにより、サーボモータ57は、駆動力指令値τc1通りの駆動力を発生する。以上説明した軸位置制御部の動作により、位置検出値qd1は、位置指令値qに一致する様に制御され、各軸位置制御部が独立に同様な動作を行なうことで、結果的に、切削工具の位置・姿勢動作軌跡は、前記位置指令ベクトルrに一致することになる。 The power amplifying unit amplifies the driving force command value τ c1 and supplies it to the servo motor 57. As a result, the servo motor 57 generates driving forces corresponding to the driving force command value τ c1 . The position detection value q d1 is controlled so as to coincide with the position command value q 1 by the operation of the shaft position control unit described above, and as a result, each shaft position control unit independently performs the same operation. The position / posture motion locus of the cutting tool coincides with the position command vector r.

以上のように、従来の位置制御装置100では、切削工具の位置及び姿勢を目標の動作軌跡上に制御することで、加工対象物(ワーク)を所望の形状に切削加工する。しかしながら、位置及び姿勢のみを制御しているため、加工対象物に対して力の制御を加えることができなかった。   As described above, the conventional position control device 100 cuts the workpiece (workpiece) into a desired shape by controlling the position and orientation of the cutting tool on the target motion trajectory. However, since only the position and orientation are controlled, it is not possible to apply force control to the workpiece.

本発明は、上記従来技術の問題点を鑑み、加工対象物の形状に応じて、加工対象物に所望の力を与える力制御系を含んだ位置制御装置を提供することである。   In view of the above-described problems of the prior art, the present invention is to provide a position control device including a force control system that applies a desired force to a workpiece according to the shape of the workpiece.

本発明は、工作機械の様な数値制御機械において、切削工具の位置指令軌跡から、加工対象物の面形状を推定することで、形状に応じた、加工対象物に加える力やモーメントの方向を決定し、これらが所望値となる様な力制御系を位置制御装置に付加することで、前記課題を解決するものである。   In a numerical control machine such as a machine tool, the present invention estimates the surface shape of a workpiece from the position command trajectory of the cutting tool, thereby determining the direction of the force or moment applied to the workpiece according to the shape. The above-mentioned problems are solved by adding a force control system to the position control device that determines and makes these values desired.

すなわち、数値制御工作機械の機構の駆動部をサーボモータにより駆動し、前記駆動部の位置を位置検出器によって検出し、上位装置からの位置指令値に従って前記駆動部の位置を制御する位置制御装置であって、基準座標系で表現された切削工具の動作軌跡を示す位置指令値ベクトルから軌跡間段差ベクトルを検出するブロックと、加工対象物の面上の法線ベクトルを検出するブロックと、前記法線ベクトルの方向から定まる拘束座標系で示した力目標値を駆動軸座標系で示した力目標値に座標変換するブロックと、を具備した力指令演算部を含む位置指令演算部を備え、前記駆動軸座標系で示した力目標値と、前記駆動部の位置制御のための駆動力指令値と、を加算することによって前記駆動部の位置及び力制御のための駆動力指令値を構成することを特徴とした数値制御工作機械の制御装置である。   That is, a position control device that drives a drive unit of a mechanism of a numerically controlled machine tool by a servo motor, detects a position of the drive unit by a position detector, and controls the position of the drive unit according to a position command value from a host device A block for detecting a step vector between trajectories from a position command value vector indicating an operation trajectory of the cutting tool expressed in a reference coordinate system, a block for detecting a normal vector on the surface of the workpiece, A position command calculation unit including a force command calculation unit including a block that performs coordinate conversion of a force target value indicated by a constraint coordinate system determined from the direction of a normal vector into a force target value indicated by a drive axis coordinate system, By adding the force target value shown in the drive axis coordinate system and the drive force command value for position control of the drive unit, the drive force command value for position and force control of the drive unit is obtained. Be formed is a numerically controlled machine tool control apparatus characterized.

本発明によれば、力検出器等を用いなくても、切削工具により加工された加工対象物の面上に沿った位置制御と同時に、加工対象物の面に対して所望の力やモーメントを加える力制御を達成できる。このため、切削工具に換えて、布,箒,サンドペーパーなどの作業具を工具位置に搭載すれば、工作機械によって、加工対象物の面上を拭く,掃く,磨くなどの作業が実現できる。   According to the present invention, a desired force or moment can be applied to the surface of the workpiece simultaneously with position control along the surface of the workpiece processed by the cutting tool without using a force detector or the like. Applying force control can be achieved. For this reason, if work tools such as cloth, scissors, and sandpaper are mounted at the tool position instead of the cutting tool, operations such as wiping, sweeping, and polishing on the surface of the workpiece can be realized by the machine tool.

本実施の形態では、位置指令演算部において、隣り合う位置指令軌跡から軌跡間の段差ベクトルを検出し、軌跡上の進行方向ベクトルとの関係から、加工対象物に対する法線ベクトルを検出する。更に、法線ベクトル方向から定まる拘束座標系で、力目標値を設定し、これを各駆動軸座標系での力目標値に座標変換し出力する力指令演算部を付加する。この各駆動軸の力目標値は、各駆動軸位置制御部の駆動力指令値に加算される形態をとる。   In the present embodiment, the position command calculation unit detects the step vector between the trajectories from adjacent position command trajectories, and detects the normal vector for the workpiece from the relationship with the traveling direction vector on the trajectory. Further, a force command calculation unit is added which sets a force target value in a restrained coordinate system determined from the normal vector direction, and converts and outputs the force target value in each drive axis coordinate system. The force target value of each drive shaft takes a form added to the drive force command value of each drive shaft position control unit.

以下述べる工作機械では、切削工具の空間上の位置・姿勢を自由に制御できる構成を有しており、工具位置に搭載する作業具は、加工対象物に対して位置のみならず姿勢拘束も受ける形状であるものとする。   The machine tool described below has a configuration in which the position / posture of the cutting tool in the space can be freely controlled, and the work tool mounted at the tool position is not only limited to the position but also the posture constraint on the workpiece. It shall be a shape.

図1は、本発明による力制御系を付加した位置制御装置200の構成を示すブロック図である。尚、本ブロック図において、図5(従来例)と同一の部分においては、同一の名称及び番号を付けて説明を省略する。図2は、切削加工された加工対象物の一例を示した図である。X,Y,Z(図示しない)は、基準座標系を示しており、Y軸方向にシフトしながらX軸方向に走る直線は、切削工具の動作軌跡を示している。   FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a position control device 200 to which a force control system according to the present invention is added. In this block diagram, the same parts as those in FIG. 5 (conventional example) are given the same names and numbers, and the description thereof is omitted. FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a machined object that has been cut. X, Y, and Z (not shown) indicate a reference coordinate system, and a straight line that runs in the X-axis direction while shifting in the Y-axis direction indicates an operation locus of the cutting tool.

動作軌跡上の点Pbにおける、加工対象物内側に向かう法線ベクトルnの導出方法について説明する。まず、図1の軌跡間段差ベクトル検出部202の動作について説明する。ここでは、動作軌跡を示す位置指令ベクトルrの中で、位置を示す上位3次元ベクトルp=[x,y,z]に注目する。まず、図2に示す点PbのXY座標値を通る適当な段差検出線をXY平面上に設定し、その任意長の2次元方向ベクトルをl=[x,y]とする。今、パスb上をX軸増加方向に動作軌跡(ベクトル)pが進む時、点Pbの通過検出は数式(2)の符号反転で検出できる。尚、[x,y]は、段差検出線の任意点座標である。 A method for deriving the normal vector n toward the inside of the workpiece at the point Pb on the motion locus will be described. First, the operation of the trajectory step vector detection unit 202 in FIG. 1 will be described. Here, attention is paid to the upper three-dimensional vector p = [x, y, z] T indicating the position in the position command vector r indicating the motion trajectory. First, an appropriate step detection line passing through the XY coordinate value of the point Pb shown in FIG. 2 is set on the XY plane, and a two-dimensional direction vector having an arbitrary length is set to l d = [x d , y d ] T. Now, when the motion trajectory (vector) p advances on the path b in the X-axis increasing direction, the passage detection of the point Pb can be detected by the sign inversion of Expression (2). [X 0 , y 0 ] T is an arbitrary point coordinate of the step detection line.

(x−x)+x(y−y) ・・・・・(2) y d (x−x 0 ) + x d (y−y 0 ) (2)

すなわち、数式(2)の符号反転時のベクトルpが点Pbの座標値である。パスa上で段差検出線上にある点Paの座標値も、同様な方法で検出できるため、両座標値より、点Paと点Pb間の軌跡間段差ベクトルpabが検出できる。以上が図1における、軌跡間段差ベクトル検出部202の作用である。 That is, the vector p at the time of sign reversal in Equation (2) is the coordinate value of the point Pb. Since the coordinate value of the point Pa on the step a on the path a can also be detected by the same method, the step vector p ab between the trajectory between the point Pa and the point Pb can be detected from both coordinate values. The above is the operation of the inter-trajectory step vector detection unit 202 in FIG.

次に、図1の法線ベクトル検出部204の作用について説明する。動作軌跡(ベクトル)pは、微小時間ΔT毎に更新されるから、点Pb通過直前のベクトルpと、通過直後のベクトルpとの差分から、点Pbにおける進行方向の微小変位ベクトルΔpが検出できる。ここで、微小変位ベクトルΔpと軌跡間段差ベクトルpabは、共に加工対象物上点Pbの接平面上のベクトルとみなすことができるから、数式(3)の外積演算により接平面に対する直交ベクトルが求まる。 Next, the operation of the normal vector detection unit 204 in FIG. 1 will be described. Since the motion trajectory (vector) p is updated every minute time ΔT, the minute displacement vector Δp in the traveling direction at the point Pb can be detected from the difference between the vector p just before passing the point Pb and the vector p just after passing. . Here, since both the minute displacement vector Δp and the step vector p ab between the trajectories can be regarded as vectors on the tangent plane of the workpiece upper point Pb, the orthogonal vector with respect to the tangent plane is calculated by the outer product calculation of Expression (3). I want.

Δp×pab ・・・・・・(3) Δp × p ab (3)

更にこの場合は、Z成分が負値をとる直交ベクトルが、加工対象物内側に向かうから、数式(3)のZ成分が正値をとる場合は、数式(3)に−1を乗じて、法線ベクトルn=[n,n,n]が検出できる。以上が図1の法線ベクトル検出部204の動作である。尚、図2では、1本の直線として段差検出線を設定しているが、折れ線を用いてもよく、更には加工対象物の軌跡間段差の変化具合に応じて、複数の段差検出線を予め設定しておけば、動作軌跡上各部で適確に法線ベクトルを検出することができる。 Furthermore, in this case, since the orthogonal vector in which the Z component takes a negative value is directed toward the inside of the workpiece, when the Z component in the formula (3) takes a positive value, the formula (3) is multiplied by −1, The normal vector n = [n x , n y , n z ] T can be detected. The above is the operation of the normal vector detection unit 204 in FIG. In FIG. 2, the step detection line is set as a single straight line, but a broken line may be used, and a plurality of step detection lines may be used depending on how the step difference between the trajectories of the workpiece is changed. If set in advance, the normal vector can be accurately detected at each part on the motion trajectory.

図3は、実施例1における作業具と加工対象物の位置及び姿勢関係を表している。ここで、作業具が加工対象物から受ける姿勢拘束は、便宜上、法線ベクトルnの持つ姿勢であるとする。すると、位置拘束座標として法線ベクトル方向にu(r)、姿勢拘束座標として数式(4)及び数式(5)を用いてu(r),u(r)が設定できる。尚、φ,θは作業具の拘束姿勢をオイラー角で表現したものである。 FIG. 3 illustrates the position and orientation relationship between the work tool and the workpiece in the first embodiment. Here, the posture constraint that the work tool receives from the workpiece is assumed to be the posture of the normal vector n for convenience. Then, u 2 (r) and u 3 (r) can be set using u 1 (r) in the normal vector direction as position constraint coordinates and Equations (4) and (5) as posture constraint coordinates. Φ S and θ S represent the restraint posture of the work tool in terms of Euler angles.

(r)=φ−φ ・・・・・・・(4)
(r)=θ−θ ・・・・・・・(5)
u 2 (r) = φ−φ S (4)
u 3 (r) = θ−θ S (5)

但し、法線ベクトルが−Z軸方向にある時に作業具が拘束された姿勢を、作業具の基準姿勢とする。以上の3次元拘束座標系u(r)=[u(r),u(r),u(r)]方向には、対応した1次元の力:fF1と2次元のモーメント:fF2とfF3を、加工対象物に対して加えることができる。 However, the posture in which the work tool is restrained when the normal vector is in the −Z-axis direction is set as the reference posture of the work tool. The above three-dimensional constraint coordinate system u (r) = [u 1 (r), u 2 (r), u 3 (r)] In the T direction, the corresponding one-dimensional force: f F1 and two-dimensional moment : F F2 and f F3 can be added to the workpiece.

ここで、ある軌跡上の任意点における微小変位(ベクトル)Δrと、対応する拘束座標系の仮想変位(ベクトル)Δu(r)の間には、数式(6)の関係が成立する。

Figure 0004598720
Here, the relationship of Formula (6) is established between a small displacement (vector) Δr at an arbitrary point on a certain locus and a virtual displacement (vector) Δu (r) of the corresponding constraint coordinate system.
Figure 0004598720

よって、拘束座標系で示した加工対象物に与える3次元力目標値(ベクトル)f=[fF1,fF2,fF3]は、仮想仕事の原理などから、数式(7)により、6次元基準座標系で表した力目標値(ベクトル)fに換算される。 Therefore, the three-dimensional force target value (vector) f F = [f F1 , f F2 , f F3 ] T given to the workpiece shown in the constraint coordinate system is expressed by the following equation (7) from the principle of virtual work. It is converted into a force target value (vector) f expressed in a 6-dimensional reference coordinate system.

f=T-T・E ・f ・・・・・・(7) f = T− T · E F T · f F (7)

尚、行列Tは、オイラー角の傾斜性を補償するための数式(8)に示す変換行列である。

Figure 0004598720
Note that the matrix T is a transformation matrix shown in Equation (8) for compensating for the Euler angle gradient.
Figure 0004598720

更に、力目標値(ベクトル)fを駆動軸座標系で表した力目標値(ベクトル)τに変換する。これは、数式(1)の逆問題である数式(9)の順運動学問題の解を用いて、数式(10)で換算される。但し、J(q)={∂r(q)/∂q}はヤコビ行列である。 Further, the force target value (vector) f is converted into a force target value (vector) τ expressed in the drive axis coordinate system. This is converted by Equation (10) using the solution of the forward kinematics problem of Equation (9), which is the inverse problem of Equation (1). However, J r (q) = {∂r (q) / ∂q} T is a Jacobian matrix.

r=r(q) ・・・・・・・・・・・(9)
τ=J(q)・T・f ・・・・・・(10)
r = r (q) (9)
τ = J r (q) T · T T · f (10)

よって結果的に、加工対象物に与える3次元力目標値(ベクトル)fは、数式(7)及び数式(10)から、数式(11)により、駆動軸座標系で表した力目標値(ベクトル)τ=[τF1F2,・・・,τFn]に換算できる。 Therefore, as a result, the three-dimensional force target value (vector) f F given to the workpiece is calculated from the mathematical expression (7) and the mathematical expression (10) according to the mathematical expression (11). Vector) τ = [τ F1 , τ F2 ,..., Τ Fn ] T.

τ=J(q)・E ・f ・・・・・・(11) τ = J r (q) T · E F T · f F (11)

以上説明した手順で法線ベクトルnよりベクトルEを、駆動軸位置指令ベクトルqよりヤコビ行列J(q)をそれぞれ求めて、3次元力目標値(ベクトル)fを駆動軸座標系の力目標値(ベクトル)τに換算することが、図1の拘束・駆動軸座標変換部206の作用である。この様に、本発明の位置及び力の制御装置では、従来の位置指令演算部に、軌跡間段差ベクトル検出部202と法線ベクトル検出部204及び拘束・駆動軸座標変換部206を付加することで、各駆動軸位置制御部208−1〜208−nに対して、位置指令値のみならず、拘束方向に対する力目標値を出力する。 Above-described vector E F from the normal vector n in step, the drive shaft position command vector q from the Jacobian matrix J r a (q) asking each three-dimensional force target value (vector) f F of the drive axis coordinate system Conversion to the force target value (vector) τ is the action of the constraint / drive axis coordinate conversion unit 206 in FIG. As described above, in the position and force control apparatus of the present invention, the inter-trajectory step vector detection unit 202, the normal vector detection unit 204, and the constraint / drive axis coordinate conversion unit 206 are added to the conventional position command calculation unit. Thus, not only the position command value but also the force target value for the restraining direction is output to each of the drive shaft position control units 208-1 to 208-n.

拘束・駆動軸座標変換部206の出力である駆動各軸力目標値τF1F2,・・・,τFnは、各駆動軸位置制御部208−1〜208−nの位置制御のための駆動力指令値と加算器59で加算されて、最終的な位置及び力制御のための駆動力指令値τc1として算出される。 The drive axial force target values τ F1 , τ F2 ,..., Τ Fn , which are outputs of the constraint / drive axis coordinate conversion unit 206, are for position control of the drive axis position control units 208-1 to 208-n. Is added by the adder 59 to be calculated as a final driving force command value τ c1 for position and force control.

実施例2における工作機械は、基準座標系に沿った3次元直交の軸構成を持ち、X,Y,Z軸を第1,2,3駆動軸で制御するものとする。また、各軸の駆動は回転型サーボモータを用いたボールネジ駆動系とする。更に、切削工具及び作業具の姿勢は前述の作業具の基準姿勢に機械的に拘束される構造を有しているものとする。すなわち、切削工具及び作業具の空間上の位置のみが自由に制御できる構成である。   The machine tool according to the second embodiment has a three-dimensional orthogonal axis configuration along the reference coordinate system, and controls the X, Y, and Z axes with the first, second, and third drive axes. Each axis is driven by a ball screw drive system using a rotary servo motor. Further, the posture of the cutting tool and the work tool is assumed to have a structure that is mechanically constrained to the reference posture of the work tool. That is, only the position of the cutting tool and the work tool in space can be freely controlled.

図4は、実施例2における作業具と加工対象物の位置関係を示している。本例において、作業具が加工対象物に加えることができる力ベクトルは、法線ベクトル方向の1次元の力fのみになる。 FIG. 4 shows the positional relationship between the work tool and the workpiece in the second embodiment. In this example, the force vector that the work tool can apply to the workpiece is only the one-dimensional force f F in the normal vector direction.

以下、本例について説明する。本例では、姿勢に関する自由度を持たないから、位置に関する3次元ベクトルp=[x,y,z]についてのみ考えればよい。まず、軌跡間段差ベクトルから法線ベクトルnまでの検出については、実施例1と同様である。次に、加工対象物に与える1次元力目標値fの、駆動軸座標系の力目標値τへの座標変換について考える。 Hereinafter, this example will be described. In this example, since there is no degree of freedom regarding the posture, only the three-dimensional vector p = [x, y, z] T related to the position needs to be considered. First, detection from the step vector between trajectories to the normal vector n is the same as in the first embodiment. Next, consider the coordinate conversion of the one-dimensional force target value f F given to the workpiece to the force target value τ in the drive axis coordinate system.

順運動学問題の解は、数式(12)で与えられる。但し、L,L,Lは、各軸のモータ1回転当たりの送り量である。 The solution to the forward kinematics problem is given by equation (12). However, L x , L y , and L z are feed amounts per motor rotation of each axis.

p=p(q)=[(L/2π)q,(L/2π)q,(L/2π)q]・・・(12) p = p (q) = [(L x / 2π) q 1 , (L y / 2π) q 2 , (L z / 2π) q 3 ] T (12)

よって、数式(10)におけるヤコビ行列J(q)は数式(13)の定数行列となる。 Therefore, the Jacobian matrix J r (q) in Expression (10) is a constant matrix of Expression (13).

(q)=diag{(L/2π),(L/2π),(L/2π)}・・・・(13) J r (q) = diag {(L x / 2π), (L y / 2π), (L z / 2π)} (13)

更に、ベクトルEは数式(6)に対して数式(14)で示せることから、 Furthermore, the vector E F since the can show in equation (14) to the equation (6),

=[(n/|n|),(n/|n|),(n/|n|)]・・・・(14) E F = [(n x / | n |), ( ny / | n |), ( nz / | n |)] (14)

駆動軸座標系の力目標値(ベクトル)τは、数式(11)から数式(15)で座標変換することができる。   The force target value (vector) τ of the drive axis coordinate system can be coordinate-transformed using Equation (11) to Equation (15).

τ=[L,L,L]{f/(2π|n|)}・・・・(15) τ = [L x n x , L y n y , L z n z ] T {f F / (2π | n |)} (15)

尚、力目標値(ベクトル)τが各駆動軸位置制御部208−1〜208−nの位置制御のための駆動力指令値と加算器59で加算されて、最終的な位置及び力制御のための駆動力指令値τc1c2c3を構成する。 The force target value (vector) τ is added by the adder 59 to the driving force command value for position control of each driving shaft position control unit 208-1 to 208-n to obtain the final position and force control. Driving force command values τ c1 , τ c2 , and τ c3 are configured.

本発明による位置及び力の制御装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the position and force control apparatus by this invention. 切削加工された加工対象物の一例を示した本発明の説明図である。It is explanatory drawing of this invention which showed an example of the processed target object cut. 実施例1における作業具と加工対象物の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of the working tool in Example 1, and a process target object. 実施例2における作業具と加工対象物の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of the working tool in Example 2, and a process target object. 従来の位置制御装置の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the conventional position control apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

50,52 減算器、51,56,59 加算器、53,54,55 微分器、57 サーボモータ、58 位置検出器、100 位置制御装置、102 位置指令演算部、104 加減速演算部、106 駆動軸位置指令演算部、108 駆動軸位置制御部、200 位置制御装置、202 軌跡間段差ベクトル検出部、204 法線ベクトル検出部、206 拘束・駆動軸座標変換部、208 駆動軸位置制御部、PD 位置指令値、ベクトルr 位置指令ベクトル、ベクトルp 3次元位置指令ベクトル、Pa 動作軌跡(パスa)上の点、Pb 動作軌跡(パスb)上の点、ベクトルpab 軌跡間段差ベクトル、ベクトルn 法線ベクトル、ベクトルl 段差検出線方向ベクトル、Δp 進行方向の微小変位ベクトル、f 拘束座標系で示した3次元力目標値、ベクトルτ 駆動軸座標系で表した力目標値ベクトル、q 各軸の位置指令ベクトル、Vc1 速度指令値、vd1 速度検出値、τc1 駆動力指令値、qd1 位置検出値。 50, 52 subtractor, 51, 56, 59 adder, 53, 54, 55 differentiator, 57 servo motor, 58 position detector, 100 position control device, 102 position command calculation unit, 104 acceleration / deceleration calculation unit, 106 drive Axis position command calculation unit, 108 Drive axis position control unit, 200 Position control device, 202 Inter-trajectory step vector detection unit, 204 Normal vector detection unit, 206 Constraint / drive axis coordinate conversion unit, 208 Drive axis position control unit, PD Position command value, vector r position command vector, vector p three-dimensional position command vector, point on Pa motion trajectory (path a), point on Pb motion trajectory (path b), step vector between vector p ab trajectory, vector n Normal vector, vector l d step detection line direction vector, Δp minute displacement vector in the traveling direction, f F three-dimensional force target value shown in constraint coordinate system, vector τ Force target value vector expressed in the drive axis coordinate system, q Position command vector for each axis, V c1 speed command value, v d1 speed detection value, τ c1 drive force command value, q d1 position detection value.

Claims (1)

数値制御工作機械の機構の駆動部をサーボモータにより駆動し、前記駆動部の位置を位置検出器によって検出し、上位装置からの位置指令値に従って前記駆動部の位置を制御する位置制御装置であって、
基準座標系で表現された切削工具の動作軌跡を示す位置指令値ベクトルから軌跡間段差ベクトルを検出するブロックと、
加工対象物の面上の法線ベクトルを検出するブロックと、
前記法線ベクトルの方向から定まる拘束座標系で示した力目標値を駆動軸座標系で示した力目標値に座標変換するブロックと、
を具備した力指令演算部を含む位置指令演算部を備え、
前記駆動軸座標系で示した力目標値と、前記駆動部の位置制御のための駆動力指令値と、を加算することによって前記駆動部の位置及び力制御のための駆動力指令値を構成することを特徴とした数値制御工作機械の制御装置。
A position control device that drives a drive unit of a mechanism of a numerically controlled machine tool by a servo motor, detects the position of the drive unit by a position detector, and controls the position of the drive unit according to a position command value from a host device. And
A block for detecting a step vector between trajectories from a position command value vector indicating an operation trajectory of the cutting tool expressed in a reference coordinate system;
A block for detecting a normal vector on the surface of the workpiece,
A block for coordinate-converting a force target value indicated by a constraint coordinate system determined from the direction of the normal vector to a force target value indicated by a drive axis coordinate system;
A position command calculation unit including a force command calculation unit comprising:
A drive force command value for controlling the position and force of the drive unit is configured by adding the force target value indicated in the drive axis coordinate system and the drive force command value for controlling the position of the drive unit. A control device for a numerically controlled machine tool characterized by
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