JP4627740B2

JP4627740B2 - 数値制御装置

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Publication number: JP4627740B2
Application number: JP2006103323A
Authority: JP
Inventors: 智典佐藤; 直樹中村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2026-04-04
Also published as: JP2007279899A

Description

本発明は、加工プログラムに従って各種加工機などの自動機械の制御を行う数値制御装置に関するものである。

一般に、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、速度を滑らかにする加減速制御が行われる。この加減速方法としては、直線加減速（移動平均フィルタ）、指数加減速（一次遅れフィルタ）、傾き一定加減速、Ｓ字型加減速（直線加減速または傾き一定加減速に時定数が一定の移動平均フィルタを組み合わせたもの）など各種の加減速のパターンが従来より知られている。これらのいずれを用いる場合でも、基本的に、機械を駆動する各軸のアクチュエータの出力可能な最大の速度および加速度またはトルクの範囲を超えることがないよう、加減速のパラメータ、具体的には例えば加減速のパターンや時定数を調整して使用される。

しかし、実際には機械を駆動する各軸のアクチュエータの出力可能な加速度またはトルクは一定ではなく速度依存性があり、一般には、高速では出力可能な加速度またはトルクが下がる場合が多い。この場合に、低速領域に合わせて加減速のパラメータを調整すると、高速領域で使用した場合に過大な加速度またはトルクとなり、機械振動の発生、トルク飽和に伴う精度低下、等の問題が生じる。逆に、高速領域に合わせて加減速のパラメータを調整すると、低速領域で使用した場合には、出力可能な加速度またはトルクに余力を残すことになり、移動時間が長くなってしまう。

このような、機械を駆動する各軸のアクチュエータの出力可能な加速度またはトルクに速度依存性がある場合に対応する方法として、予め設定されている加速度と速度の関係である制限加速度曲線に沿うように加減速を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１３２３４９号公報（段落番号００１５、００２２、図１及び図３）

従来の数値制御装置としての加減速制御方法は以上のように、予め設定されている加速度と速度の関係（制限加速度曲線）に沿うように加減速を行うのであるが、この方法では、同公報の図１に示されるような補間前加減速処理部を有し補間前加減速処理を行う。一般に、補間前加減速処理では各軸毎に加減速処理を行うのではなく、指令経路に沿った接線速度（合成速度）を加減速処理し、その後、各軸の成分に分配する。従って、補間前加減速処理を行うためには、接線速度と接線加速度との関係が必要となるが、各軸毎の制限加速度曲線を予めパラメータで設定したとして、接線速度と接線加速度との関係を得る方法については示されていない。また、上記加減速制御方法では、接線速度と接線加速度との関係をパラメータとして予め設定しておくとすれば、プログラムに指令されうる全ての移動方向（各軸の移動量の比率、または方向ベクトル）毎に接線速度と接線加速度との関係を予めパラメータ設定しておくことが必要となり、非常に大きなメモリと、設定のための多大な労力が必要となり、実用的ではない。

このように、従来の方法では、指令経路に沿って複数軸の補間動作を行う場合に、アクチュエータの速度−加速度またはトルク特性に合わせた加減速処理を簡単に行うことができなかった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、各軸の速度−加速度特性またはトルク特性に合わせた加減速処理を容易に行うことができる数値制御装置を得ることを目的とする。

この発明の請求項１に係る数値制御装置においては、
加工プログラムに基づき制御すべき各軸の移動量または方向ベクトルを求める解析部と、
各軸毎の速度と駆動可能な最大の加速度との関係を示す速度−加速度特性と、解析部が求めた各軸の移動量または方向ベクトルとから、加工プログラムにより指令された指令経路に沿った接線速度である合成速度と指令経路に沿った方向の駆動可能な最大の加速度である合成加速度との関係を示す合成速度−合成加速度特性を求める合成速度−合成加速度特性計算部と、
合成速度−合成加速度特性と、解析部が求めた各軸の移動量または方向ベクトルと、現在の速度とから、指令経路に沿った方向の合成加速度を求め、この合成加速度に基づいて補間前加減速処理を行い加減速処理後の合成速度を求める補間前加減速処理部と、
解析部が求めた各軸の移動量または方向ベクトルと、加減速処理後の合成速度とに基づいて、補間を行い各軸の位置指令を求める補間部と、
各軸の位置指令に基づいて各軸を制御する軸制御部と、
を備えたものである。

以上のように、この発明の数値制御装置は、
加工プログラムに基づき制御すべき各軸の移動量または方向ベクトルを求める解析部と、
各軸毎の速度と駆動可能な最大の加速度との関係を示す速度−加速度特性と、解析部が求めた各軸の移動量または方向ベクトルとから、加工プログラムにより指令された指令経路に沿った接線速度である合成速度と指令経路に沿った方向の駆動可能な最大の加速度である合成加速度との関係を示す合成速度−合成加速度特性を求める合成速度−合成加速度特性計算部と、
合成速度−合成加速度特性と、解析部が求めた各軸の移動量または方向ベクトルと、現在の速度とから、指令経路に沿った方向の合成加速度を求め、この合成加速度に基づいて補間前加減速処理を行い加減速処理後の合成速度を求める補間前加減速処理部と、
解析部が求めた各軸の移動量または方向ベクトルと、加減速処理後の合成速度とに基づいて、補間を行い各軸の位置指令を求める補間部と、
各軸の位置指令に基づいて各軸を制御する軸制御部と、
を備えたものであるので、
任意の方向に移動する場合でも、合成速度−合成加速度特性計算部により補間前加減速処理で用いる合成速度−合成加速度特性を求めることができるため、各軸の速度−加速度特性またはトルク特性に合わせた加減速処理を容易に行うことができる。

実施の形態１．
図１〜図９はこの発明を実施するための実施の形態１を示すものであり、図１は数値制御装置の構成を示すブロック図、図２は合成速度−合成加速度特性計算部の動作を示すフローチャートである。図３は移動方向と移動量の比の例を示す図である。図４はツールの移動方向と移動量の比の具体例を示す図、図５は各軸の速度−加速度特性を示す特性図である。図６は合成速度−合成加速度特性を示す特性図、図７は図１の補間前加減速処理部の動作を示すフローチャートである。図８は減速時の速度波形を示す波形図、図９は合成速度−合成加速度特性を示す特性図である。

図１において、数値制御装置は、解析部１０２、合成速度−合成加速度特性計算部１０５、補間前加減速処理部１０７、補間部１０９、第１から第ｎの軸制御部としてのサーボ制御部１１１を有する。なお、図示しない自動機械は移動部を駆動する複数の軸を備え、その軸数をｎとする。各軸を駆動するアクチュエータ（モータ）の速度と駆動可能な最大の加速度（許容加速度）との関係（各軸の速度−加速度特性Ｒ１）は、パラメータ等にて予め与えておく。この各軸の速度−加速度特性Ｒ１と、加工プログラムに指令された移動量等から、補間前加減速処理で用いる合成速度−合成加速度特性Ｃ１を自動的に求める点がこの実施の形態の特徴である。

数値制御装置の図示しない制御部は、図示しない記憶手段または外部から加工プログラムＰＲＯを読みとり、解析部１０２に入力する。解析部１０２は加工プログラムＰＲＯの指令ブロック毎の各種命令を解析して解析データＤＡＴＡを作成する。この解析データＤＡＴＡには、各指令ブロック毎の各軸の移動量、指令送り速度、移動方向の単位ベクトル（方向ベクトル）などの移動に必要な情報が含まれている。また、この解析データＤＡＴＡと、図示しない記憶手段または外部から各軸の速度と加速度との関係（速度−加速度特性Ｒ１）を合成速度−合成加速度特性計算部１０５に入力する。

合成速度−合成加速度特性計算部１０５は、各軸の速度−加速度特性Ｒ１および解析データＤＡＴＡに含まれる各軸の移動量から指令経路に沿った方向の接線速度（合成速度）と接線加速度（合成加速度）との関係（合成速度−合成加速度特性Ｃ１）を計算し（詳細後述）、補間前加減速処理部１０７に入力する。補間前加減速処理部１０７は、解析データＤＡＴＡおよび合成速度−合成加速度特性Ｃ１に従い加減速処理を行い、加減速処理後の合成速度Ｖｇを求める。補間部１０９は、加減速処理後の合成速度Ｖｇと解析データＤＡＴＡを用いて、指令された形状に沿って加減速処理後の合成速度Ｖｇと制御周期の積で表される距離だけ移動した位置で補間して、各軸の位置指令ＰＯＳを求め、それぞれ各軸に対応した第１から第ｎのサーボ制御部１１１に出力することで、図示しない各軸のアクチュエータを駆動する。

ここで、合成速度−合成加速度特性計算部１０５で行う合成速度−合成加速度特性Ｃ１の計算手順を、図２のフローチャートにより説明する。
まず、ＳＴＥＰ１では各軸のａｊ（ｖｊ）を指令経路に沿った方向（接線方向）のＡｊ（Ｖ）に変換する。ここで、ａｊ（ｖｊ）は、各軸の速度（ｖｊ）と出力可能な最大の加速度（ａｊ）（許容加速度）との関係（速度−加速度特性Ｒ１）である。Ａｊ（Ｖ）は、第ｊ軸の出力可能な最大の加速度ａｊ（ｖｊ）から決まる指令経路に沿った方向の接線速度（合成速度、Ｖ）と出力可能な最大の接線加速度（合成加速度、Ａ）（許容加速度）との関係（合成速度−合成加速度特性Ｃ１）である。

具体的には、指令経路に沿って移動する場合に、合成速度Ｖと各軸の速度ｖｊとの比率をρｊとおく。
ρｊ＝ｖｊ／Ｖ（１）
このとき、式（１）より、
ｖｊ＝Ｖ・ρｊ（２）
ａｊ＝Ａｊ・ρｊ（３）
となるので、式（２）、式（３）より、
Ａｊ（Ｖ）＝ａｊ（Ｖ・ρｊ）／ρｊ（４）
を得る。

すなわち、式（４）により、ａｊ（ｖｊ）をＡｊ（Ｖ）に換算する。なお、式（１）のρｊは指令経路の合成移動量と各軸の移動量との比から計算することができ、例えば図３に示すように、２軸の補間動作で、第１軸をＸ軸、第２軸をＹ軸とし、Ｘ軸の移動量をΔＸ、Ｙ軸の移動量をΔＹとすると、
ρ１＝ΔＸ／√（ΔＸｖ・ΔＸ＋ΔＹｖ・ΔＹ）（５）
ρ２＝ΔＹ／√（ΔＸｖ・ΔＸ＋ΔＹｖ・ΔＹ）（６）
と求める。ここに、ΔＸｖはΔＸの、ΔＹｖはΔＹの共役ベクトルであり、ρｊは移動方向の単位ベクトル（方向ベクトル）であり、接線方向の移動量すなわち合成移動量と各軸の移動量との比率に相当する。

ＳＴＥＰ２ではＳＴＥＰ１で求めた合成のＡｊ（Ｖ）のうちの最小値を求め、それを最終的な合成速度−合成加速度特性Ａ（Ｖ）とする。
Ａ（Ｖ）＝ｍｉｎ（Ａ１（Ｖ）、Ａ２（Ｖ）、．．．、Ａｎ（Ｖ））（７）
ここで、式（７）におけるｍｉｎは、各速度毎に最小値を取るので、つまりＡ１（Ｖ）〜Ａｎ（Ｖ）のうちどれが最小値かは速度Ｖによって異なる。すなわち、Ａ（Ｖ）は、全軸を総合的に判断して、いずれの軸の最大加速度も越えないような、合成加速度Ａを指している。

次に、具体的な例を挙げて説明する。図４に示すように、２軸の補間動作で、第１軸をＸ軸、第２軸をＹ軸とし、Ｘ軸の移動量を３０、Ｙ軸の移動量を４０とする。このときρ１＝０．６、ρ２＝０．８である。さて、第１軸、第２軸のそれぞれの速度−加速度特性が図５のような曲線（この図では厳密には折線）ａ１（ｖ１）、ａ２（ｖ２）で表されるとする。それぞれを式（４）に従って合成速度−合成加速度特性Ａｊ（Ｖ）に換算すると、図５においては、横軸、縦軸とも１／ρｊ倍に拡大することに相当し、すなわち図６に示すＡ１（Ｖ）（点Ｐ１−点Ｐ２−点Ｐ３を結んだ曲線）、Ａ２（Ｖ）（点Ｑ１−点Ｑ２−点Ｑ３を結んだ曲線）を得る。

この両曲線を総合的に判断し、両者の最小値をつないだ曲線を求めると、同図６において太線で示す曲線Ａ（Ｖ）（点Ｑ１−点Ｑ２−点Ｒ−点Ｐ３を結んだ曲線）を得る。ここで点Ｒは線分Ｐ２−Ｐ３と、線分Ｑ２−Ｑ３の交点である。なお、どの線分とどの線分にて交点を有するかは各軸の速度−加速度特性と移動量の方向（移動量の比率ρｊ）に依存し、上記とは異なる線分間で交点を持つ場合もあるし、逆に全く交点を持たない場合もあるが、これらの場合も同様に、交点を持つ場合には交点を計算した上で、最も加速度の低い曲線を選択して曲線Ａ（Ｖ）とすればよい。

さて、上記のように曲線Ａ（Ｖ）を求めた結果に基づき、図１のブロック図に示す補間前加減速処理部１０７では、解析データＤＡＴＡおよび合成速度−合成加速度特性Ｃ１に従い加減速処理を行い、加減速処理後の合成速度Ｖｇを求める。図７に補間前加減速処理のフローチャートを示す。図７において、まずＳＴＥＰ１１で、指令速度Ｖｒｅｆと現在の合成速度Ｖｃを比較し、前者の方が高ければＳＴＥＰ１２に移る。ＳＴＥＰ１２では合成速度−合成加速度特性計算部１０５にて、求めた曲線Ａ（Ｖ）に基づいて、現在の合成速度Ｖｃにおいて出力可能な最大の加速度Ａｍａｘ＝Ａ（Ｖｃ）を求め、Ａｍａｘと指令速度までの速度差（Ｖｒｅｆ−Ｖｃ）／ｄｔ（ここでｄｔは制御周期）とのうちの、小さい方の値を加速度Ａｃとする。

ＳＴＥＰ１３ではこの加速度Ａｃで加速した後の速度（Ｖｃ＋Ａｃ×ｄｔ、ここでｄｔは制御周期）から目標位置（終点）での終点目標速度Ｖｆ（０または正）まで減速するために必要な減速所要距離ＬＤ（Ｖｃ＋Ａｃ×ｄｔ，Ｖｆ）を求める（詳細後述）。ここでいう終点目標速度は、位置決め動作（早送り）など終点にて減速停止する必要があるような場合には０であり、あるいは切削送りにおけるコーナー部などでは、コーナー前後の移動のなす角度や方向変化量などに応じて決まる所定の減速速度（＞０）となる。ＳＴＥＰ１４で、加速後の減速所要距離ＬＤ（Ｖｃ＋Ａｃ×ｄｔ，Ｖｆ）と目標位置（終点）までの残された移動量（残距離）Ｌｍとを比較し、前者が小さければ、加速しても終点までに減速可能であるため、ＳＴＥＰ１５にて先に求めた加速度Ａｃだけ加速し、加減速処理後の速度Ｖｃ＋Ａｃ×ｄｔを得る。

一方、ＳＴＥＰ１１またはＳＴＥＰ１４でＮＯの場合には、ＳＴＥＰ１６にて現在の速度Ｖｃから目標位置（終点）での終点目標速度Ｖｆまで減速するために必要な減速所要距離ＬＤ（Ｖｃ，Ｖｆ）を求める（詳細後述）。ＳＴＥＰ１７にて、このＬＤ（Ｖｃ，Ｖｆ）と残距離を比較し、前者が小さければ、現在の速度を維持しても終点までに減速可能であるため、ＳＴＥＰ１８に進み、現在の速度を維持する。一方、ＳＴＥＰ１７でＮＯの場合には、ＳＴＥＰ１９にて減速を行う。このＳＴＥＰ１７で減速する加速度は−Ａ（Ｖｃ）とすればよいが、減速所要距離と残距離の差または比率に応じて、目標位置（終点）での終点目標速度Ｖｆまで減速できる範囲であれば、加速度の絶対値をＡ（Ｖｃ）以下に下げてもよい。

上述のフローチャートにおいては、ＳＴＥＰ１３またはＳＴＥＰ１６にて減速所要距離を求めたが、その方法の詳細を図８及び図９によって説明する。なお、ここではＳＴＥＰ１６で求める現在の速度からの減速所要距離について説明するが、加速後の速度からの減速所要距離についても、加速後の速度を改めて現在の速度とすれば同様に求められるので、その方法については説明を省略する。

図８に示すように、減速時の速度波形を速度Ｖｃから速度Ｖｆまでの範囲において積分した面積（移動距離）が減速所要距離ＬＤ（Ｖｃ，Ｖｆ）に相当する。この減速所要距離ＬＤ（Ｖｃ，Ｖｆ）は合成速度−合成加速度特性計算部１０５にて求めたＡ（Ｖ）から計算する。すなわち、図９のように合成速度−合成加速度特性がＰ１からＰ２、Ｐ２からＰ３、Ｐ３からＰ４の３つの区間から構成されるとして、それぞれの区間での合成速度−合成加速度特性がそれぞれＡ［１］（Ｖ）、Ａ［２］（Ｖ）、Ａ［３］（Ｖ）であるとする。また現在の速度ＶｃがＰ３からＰ４の区間の範囲内にあるとし、また終点速度がＰ１からＰ３の区間の範囲内にあるとする。

まず、減速時の速度波形Ｖ（ｔ）を、微分方程式：
ｄＶ／ｄｔ＝Ａ（Ｖ）（８）
を解くことにより求め、これを積分することで、減速所要距離を求める。例えば、ある区間において、加速度が速度の一次関数（その傾きを−ｇ、横軸切片をＶｈとする）であるとすると、区間内の速度ＶｓからＶｅ（Ｖｓ≧Ｖｅ）まで減速するまでに必要な減速所要距離は
ＤＬ１（Ｖｓ，Ｖｅ）＝（（Ｖｅ−Ｖｓ）＋Ｖｈ（ｌｏｇｅ（Ｖｈ−Ｖｅ）−ｌｏｇｅ（Ｖｈ−Ｖｓ）））／ｇ（９）
で与えられる。

あるいは加速度が一定の場合には、その区間の加速度をＡｃｎｓｔとすると、
ＤＬ０（Ｖｓ，Ｖｅ）＝（Ｖｓ２−Ｖｅ２）／（２×Ａｃｎｓｔ）（１０）
となる。
従って、速度Ｖｃから速度Ｖｆまで減速するために必要な距離は、図９の場合には、
ＤＬ（Ｖｃ，Ｖｆ）＝ＤＬ１（Ｖｃ，Ｖ［２］）＋ＤＬ１（Ｖ［２］，Ｖ［１］）＋ＤＬ０（Ｖ［２］，Ｖｆ）（１１）
として求める。

このように、この実施の形態によれば、各軸の速度−加速度特性を予めパラメータ等で与えておけば、この各軸の速度−加速度特性と、加工プログラムに指令された移動量等から、補間前加減速処理で用いる合成速度−合成加速度特性Ｃ１を自動的に求めるため、任意の方向に移動する場合でも、その都度その移動方向に応じたパラメータ設定を行う必要がなく、各軸の速度−加速度特性に即して補間前加減速処理部を行うことで、出力可能な加速度を最大限活用して短時間に移動することが可能となる。すなわち、任意の方向に移動する場合でも、合成速度−合成加速度特性計算部により補間前加減速処理で用いる合成速度−合成加速度特性を求めることができるため、各軸の速度−加速度特性またはトルク特性に合わせた加減速処理を容易に行うことができる。
また、各移動指令の終点での目標速度（目標速度が零の場合も含めて）が与えられた場合、終点に向かって目標速度まで減速する際にも、与えられた各軸の速度−加速度特性に従って、減速可能な最大限の加速度で減速するので、短時間の減速が可能となり、全体として短時間に移動することが可能となる。

また、各軸の速度−加速度特性として、軸の移動方向ごと（＋、−）、加速側と減速側などをそれぞれ別の速度−加速度特性として設定してもよい。重力軸など移動方向によって加減速処理に使用可能なトルクが異なる場合や、回生負荷を設けた場合など加速時と減速時で加減速処理に使用可能なトルクが異なる場合に、加減速処理に使用できる慣性トルクをより正確に見積もることができるので、許容加速度を最大限活用してさらに短時間に移動することが可能となる。

さらに、図１の構成において、補間前加減速処理部１０７では、図７に示したフローチャートに従って、指令速度と現在の速度の比較、および減速所要距離と残距離の比較に基づく方法を示したが、この加減速処理を行った後の速度に対してさらに加減速処理を行ってもよく、この場合は、さらに速度および加速度が滑らかに変化するようにできるという効果がある。

実施の形態２．
図１０は、実施の形態２における数値制御装置の構成を示すブロック図である。図１０において、図１に示した実施の形態１と同様の合成速度−合成加速度特性計算部１０５の他に前置補間部としての第１補間部２０１及び補間部としての第２補間部２０３を備える点が特徴となっている。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。ところで、補間を長い周期での第１の補間（粗補間）と、より短い周期での第２の補間（精補間）の二段階で行うような補間前加減速処置が知られている（例えば特開平１１−３３８５３０号公報）。

この実施の形態は、このような二段階の補間を行う場合においても、各軸の許容加速度の速度依存性を考慮した加減速処理を行うことによって、さらに短時間に移動することを可能とするものである。図１０において、数値制御装置の図示しない制御部は、まず図示しない記憶手段または外部から加工プログラムＰＲＯを読みとり、解析部１０２に入力する。解析部１０２は指令ブロック毎の各種命令を解析して解析データを作成する。この解析データＤＡＴＡには、各指令ブロック毎の各軸の移動量や指令送り速度などの移動に必要な情報が含まれている。

また、この解析データＤＡＴＡに基づいて、第１補間部２０１は第１の制御周期毎に補間を行い、補間データ（移動セグメント）ＨＤＡＴＡを作成する。ここでいう補間データＨＤＡＴＡは、各軸の１制御周期分の移動量を表すデータであり、各軸の移動量に加えて各補間データＨＤＡＴＡにおける指令合成速度（指令接線速度）、終点目標速度や最大合成加速度（最大接線加速度）などの補間前加減速処理に用いる情報も含む。この補間データＨＤＡＴＡは図示しないメモリ上に複数個バッファリングする。このバッファリングすべき補間データＨＤＡＴＡは、少なくとも指令経路に沿って加減速処理前の現在の位置（指令位置）に対応する補間データ、加減速処理後の現在の位置（加減速処理後位置）の間に対応する補間データ、および両者の間の補間データである。

合成速度−合成加速度特性計算部１０５は、前述の各補間データＨＤＡＴＡに含まれる各軸の移動量、および図示しない記憶手段または外部から各軸の速度と加速度との関係（速度−加速度特性Ｃ１）から、各補間データＨＤＡＴＡ毎に、指令経路に沿った方向の接線速度（合成速度）と接線加速度（合成加速度）との関係（合成速度−合成加速度特性Ｃ１）を計算し、補間前加減速処理部１０７に入力する。補間前加減速処理部１０７は、各補間データＨＤＡＴＡ（指令位置に対応する補間データ（最も新しい補間データ）、加減速処理後位置に対応する補間データ、および両者の間の補間データ）および各補間データＨＤＡＴＡ毎の合成速度−合成加速度特性Ｃ１に従って接線方向の加減速処理を行い、加減速処理後の合成速度Ｖｇを求める。

第２補間部２０３は、加減速処理後の合成速度Ｖｇと解析データＤＡＴＡを用いて、指令された形状に沿って加減速処理後の合成速度Ｖｇと第２の制御周期の積で表される距離だけ移動した位置で補間して、各軸の位置指令ＰＯＳを求め、それぞれ各軸に対応した第１から第ｎ（ｎは軸数）のサーボ制御部１１１に出力することで、図示しない各軸のアクチュエータを駆動する。なお、ここで第１の制御周期は制御装置の計算負荷を軽減するため第２の制御周期より大きくする場合が多いが、同じ値としてもよい。
合成速度−合成加速度特性計算部１０５における処理は各補間データ毎に処理を行う点を除けば実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。
一方、補間前加減速処理部１０７では、基本的には図７に示したフローチャートに従うが、このうち加速度算出処理（ＳＴＥＰ１２）では各補間データＨＤＡＴＡ毎に対応する合成速度−合成加速度特性１０７に従って加速度を算出する。

また、この実施の形態においては、図７のフローチャートのＳＴＥＰ１３における減速所要距離算出処理では次のような処理を行う。まず、指令位置に対応する補間データを用い、その補間データの始点から、補間データの終点目標速度まで、最大限に減速を行った（その絶対値が合成速度−合成加速度特性できまる最大値に等しい加速度で減速を行った場合）としたときの、その補間データにおける始点における速度を合成速度−合成加速度特性Ｃ１を用いて、計算する。具体的には、例えば、式（９）の左辺をその補間データにおける終点から始点までの距離とし、Ｖｓを変数としてこの方程式を解いた解をその補間データ始点での速度とする。

次に、１つ手前（指令経路に沿った進行方向に対して戻る方向）の補間データに遡る。先に求めたＶｓと、この補間データの終点目標速度との小さい方を改めてＶｅとおき、式（９）の左辺をその補間データにおける終点から始点までの距離とし、Ｖｓを変数としてこの方程式を解いた解をその補間データ始点での速度とする。この手順を、順に加減速処理後位置に対応する補間データに到達するまで繰り返す。この途中で補間データの終点から始点の間に現在の加減速処理後の速度に到達可能であれば、その加減速処理後の速度に到達する距離を式（９）を用いて求め、この距離と、それより進行方向に対して進んだ方向の各補間データの長さの和をもって、減速所要距離とする。

また、図７のフローチャートのＳＴＥＰ１６における減速所要距離算出処理でも、ＳＴＥＰ１３において、加速後の速度を改めて現在の速度とおくことにより、同様な手順で求める。
この合成速度−合成加速度特性計算部１０５は、補間データ（移動量等）から、補間前加減速処理で用いる合成速度−合成加速度特性Ｃ１を自動的に求める点が特徴となっている。従って、本実施の形態では、このような二段階の補間を行う場合においても、各軸の許容加速度の速度依存性を考慮した加減速処理を行うことによって、さらに短時間に移動することが可能である。

この実施の形態によれば、補間データに基づいて合成速度−合成加速度特性を求め、それに基づいて加速度や減速所要距離を求めて補間前加減速処理を行うので、各軸の許容加速度の速度依存性を考慮して、短時間に移動することが可能となる。特に、微小線分で指令された場合や、円弧など移動方向が刻々と変わる場合においても、移動方向と各軸の許容加速度の速度依存性の両方を考慮した加減速処理により、各軸の加減速能力をフルに活用して、短時間に移動することが可能となる。また、各軸の速度−加速度特性を予めパラメータ等で与えておけば、この各軸の速度−加速度特性と、補間データから、補間前加減速処理で用いる合成速度−合成加速度特性を自動的に求めるため、任意の方向に移動する場合でも、その都度その移動方向に応じたパラメータ設定を行う必要がない。

なお、実施の形態１と同様に、軸の移動方向ごと（＋、−）、加速側と減速側のそれぞれに速度−加速度特性を設定してもよい。また、加速度ではなくトルク特性で設定してもよく、より加工時間を短縮することが可能である。
また、図１０の補間前加減速処理部で求めた加減速処理後の合成速度に対して、さらに別の加減速処理例えば時定数一定型の移動平均フィルタ等による処理を行ってもよく、この場合は、速度および加速度をさらに滑らかに変化するようにできるという効果がある。

実施の形態３．
実施の形態１や実施の形態２では、各軸の速度−加速度特性を予めパラメータ等にて与えるとしたが、その代わりに、各軸の速度と出力可能な最大の駆動力としてのトルクとの関係（速度−トルク特性）を与え、各軸の速度に対する出力可能な最大トルクから、慣性トルク以外の負荷トルク（摩擦トルク、重力トルク、切削トルク等）を減算した後に、所定のイナーシャで除すことで、出力可能な最大の加速度を求めてもよい。

慣性トルク以外の負荷トルク（摩擦トルク、重力トルク、切削トルク等）は、各軸の速度または位置ないしはその両方に応じて所定の関係式に基づいて求める。慣性トルク以外の負荷トルクに速度や位置依存性、速度の方向による違い等がある場合や、重力トルクのように移動方向によって慣性力と慣性力以外の負荷トルクの向きが異なる場合には、慣性力以外の負荷トルクをより正確に見積もった上で、加減速処理に使用できる慣性トルクをより正確に見積もることができるので、許容加速度を最大限活用してさらに短時間に移動することが可能となる。また、上記において直動軸の場合には、駆動力としてのトルクの代わりに駆動力としての力、イナーシャの代わりに質量におきかえてもよく、同様の効果がある。

以上のように、この発明の数値制御装置によれば、
加工プログラムに基づき制御すべき各軸の移動量または方向ベクトルを求める解析部と、
各軸毎の速度と駆動可能な最大の加速度との関係を示す速度−加速度特性と、解析部が求めた各軸の移動量または方向ベクトルとから、加工プログラムにより指令された指令経路に沿った接線速度である合成速度と指令経路に沿った方向の駆動可能な最大の加速度である合成加速度との関係を示す合成速度−合成加速度特性を求める合成速度−合成加速度特性計算部と、
合成速度−合成加速度特性と、解析部が求めた各軸の移動量または方向ベクトルと、現在の速度とから、指令経路に沿った方向の合成加速度を求め、この合成加速度に基づいて補間前加減速処理を行い加減速処理後の合成速度を求める補間前加減速処理部と、
解析部が求めた各軸の移動量と、加減速処理後の合成速度とに基づいて、補間を行い各軸の位置指令を求める補間部と、
各軸の位置指令に基づいて各軸を制御する軸制御部と、
を備えたものであるので、
各軸の速度−加速度特性を予め例えばパラメータ等で与えておけば、この各軸の速度−加速度特性と、加工プログラムに指令された移動量から、補間前加減速処理で用いる合成速度−合成加速度特性を自動的に求めるため、任意の方向に移動する場合でも、その都度その移動方向に応じたパラメータ設定を行う必要がなく、各軸の速度−加速度特性に即して補間前加減速処理部を行うことで、出力可能な加速度を最大限活用して短時間に移動するように容易に設定できる。
すなわち、任意の方向に移動する場合でも、合成速度−合成加速度特性計算部により補間前加減速処理で用いる合成速度−合成加速度特性を求めることができるため、各軸の速度−加速度特性またはトルク特性に合わせた加減速処理を容易に行うことができる。

そして、この発明の数値制御装置によれば、
解析部が求めた各軸の移動量と指令速度とに基づいて所定の制御周期毎に補間を行い制御周期毎の各軸の移動量または方向ベクトルを求める前置補間部が設けられたものであって、
合成速度−合成加速度特性計算部は、各軸毎の速度と駆動可能な最大の加速度との関係を示す速度−加速度特性と、制御周期毎の各軸の移動量または方向ベクトルとから、合成速度と合成加速度との関係を示す合成速度−合成加速度特性を求めるものであり、
補間前加減速処理部は、合成速度−合成加速度特性と、制御周期毎の各軸の移動量と現在の速度とから、合成加速度を求め、合成加速度に基づいて補間前加減速処理を行い、加減速処理後の合成速度を求めるものであり、
補間部は、制御周期毎の各軸の移動量または方向ベクトルと、補間前加減速処理を行った後の加減速処理後の合成速度とに基づいて、補間を行い各軸の位置指令を求めるものであることを特徴とするので、
各補間データに基づいて合成速度−合成加速度特性を求め、それに基づいて加速度や減速所要距離を求めて補間前加減速処理を行うので、各軸の許容加速度の速度依存性を考慮して、短時間に移動することが可能となる。特に、微小線分で指令された場合や、円弧など移動方向が刻々と変わる場合においても、移動方向と各軸の許容加速度の速度依存性の両方を考慮した加減速処理により、各軸の加減速能力をフルに活用して、短時間に移動することが可能となる。また、本発明によれば、各軸の速度−加速度特性を予めパラメータ等で与えておけば、この各軸の速度−加速度特性と、補間データから、補間前加減速処理で用いる合成速度−合成加速度特性を自動的に求めるため、任意の方向に移動する場合でも、その都度その移動方向に応じたパラメータ設定を行う必要がない。従って、加減速処理を容易に行うことができる。

さらに、この発明の数値制御装置によれば、
合成速度−合成加速度特性計算部は、各軸毎の速度と駆動可能な最大の駆動力との関係を示す速度−駆動力特性から駆動可能な最大の駆動力を求め、各軸の速度及び位置の少なくとも一方に対応させて所定の関係式を用いて加減速処理に必要な慣性駆動力を除外した負荷駆動力を求め、最大の駆動力から慣性駆動力を除外した負荷駆動力を差し引いた後に、各軸の慣性モーメントまたは質量で除して駆動可能な最大の加速度を求めることにより各軸の合成速度−合成加速度特性を求めるものであることを特徴とするので、
慣性トルク以外のすなわち慣性トルクを除外した負荷トルクに速度や位置依存性がある場合（速度の方向による違いも含む）や、重力トルクのように移動方向によって慣性力と慣性力以外の負荷トルクの向きが異なる場合には、慣性力以外の負荷トルクをより正確に見積もった上で、駆動可能な最大加速度を見積もることができるので、さらに短時間に移動することが可能となる。

また、この発明の数値制御装置によれば、
補間前加減速処理部は、合成速度−合成加速度特性と制御周期毎の各軸の移動量と現在の速度とから合成加速度を求め、目標位置において目標速度まで減速するために必要とされる減速所要距離を求め、合成加速度と減速所要距離とに基づいて加減速処理を行うものであることを特徴とするので、
各移動指令の終点での目標速度が与えられた場合、終点に向かって目標速度まで減速する際にも、与えられた各軸の速度−加速度特性に従って、減速可能な最大限の加速度で減速するので、短時間の減速が可能となり、全体として短時間に移動することが可能となる。

実施の形態１におけるこの発明の実施の形態１である数値制御装置の構成を示すブロック図である。図１の合成速度−合成加速度特性計算部の動作を示すフローチャートである。実施の形態１におけるツールの移動方向と移動量の比を示す図である。実施の形態１におけるツールの移動方向と移動量の比の具体例を示す図である。実施の形態１における各軸の速度−加速度特性を示す特性図である。実施の形態１における合成速度−合成加速度特性を示す特性図である。図１の補間前加減速処理部の動作を示すフローチャートである。実施の形態１における減速時の速度波形を示す波形図である。実施の形態１における合成速度−合成加速度特性を示す特性図である。実施の形態２である数値制御装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０２解析部、１０５合成速度−合成加速度特性計算部、
１０７補間前加減速処理部、１０９補間部、１１１サーボ制御部、
２０１第１補間部、２０３第２補間部。

Claims

加工プログラムに基づき制御すべき各軸の移動量または方向ベクトルを求める解析部と、
上記各軸毎の速度と駆動可能な最大の加速度との関係を示す速度−加速度特性と、上記解析部が求めた上記各軸の移動量または方向ベクトルとから、上記加工プログラムにより指令された指令経路に沿った接線速度である合成速度と上記指令経路に沿った方向の駆動可能な最大の加速度である合成加速度との関係を示す合成速度−合成加速度特性を求める合成速度−合成加速度特性計算部と、
上記合成速度−合成加速度特性と、上記解析部が求めた上記各軸の移動量または方向ベクトルと、現在の速度とから、上記指令経路に沿った方向の合成加速度を求め、この合成加速度に基づいて補間前加減速処理を行い加減速処理後の合成速度を求める補間前加減速処理部と、
上記解析部が求めた上記各軸の移動量または方向ベクトルと、上記加減速処理後の合成速度とに基づいて、補間を行い上記各軸の位置指令を求める補間部と、
上記各軸の位置指令に基づいて上記各軸を制御する軸制御部と、
を備えた数値制御装置。
上記解析部は、上記各軸の移動量を求めるとともに指令送り速度を求めるものであり、
上記解析部が求めた上記各軸の移動量と上記指令送り速度とに基づいて所定の制御周期毎に補間を行い上記制御周期毎の上記各軸の移動量または方向ベクトルを求める前置補間部が設けられたものであって、
上記合成速度−合成加速度特性計算部は、上記各軸毎の速度と駆動可能な最大の加速度との関係を示す速度−加速度特性と、上記制御周期毎の上記各軸の移動量または方向ベクトルとから、上記合成速度と上記合成加速度との関係を示す上記合成速度−合成加速度特性を求めるものであり、
上記補間前加減速処理部は、上記合成速度−合成加速度特性と、上記制御周期毎の各軸の移動量と現在の速度とから、上記合成加速度を求め、上記合成加速度に基づいて補間前加減速処理を行い、加減速処理後の合成速度を求めるものであり、
上記補間部は、上記制御周期毎の上記各軸の移動量または方向ベクトルと、補間前加減速処理を行った後の上記加減速処理後の合成速度とに基づいて、補間を行い各軸の位置指令を求めるものである
ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
上記合成速度−合成加速度特性計算部は、上記各軸毎の速度と駆動可能な最大の駆動力との関係を示す速度−駆動力特性から駆動可能な最大の駆動力を求め、上記各軸の速度及び位置の少なくとも一方に対応させて所定の関係式を用いて加減速処理に必要な慣性駆動力を除外した負荷駆動力を求め、上記最大の駆動力から上記慣性駆動力を除外した負荷駆動力を差し引いた後に、上記各軸の慣性モーメントまたは質量で除して駆動可能な最大の加速度を求めることにより上記各軸の合成速度−合成加速度特性を求めるものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の数値制御装置。
上記補間前加減速処理部は、上記合成速度−合成加速度特性と上記制御周期毎の各軸の移動量と現在の速度とから上記合成加速度を求め、目標位置において目標速度まで減速するために必要とされる減速所要距離を求め、上記合成加速度と上記減速所要距離とに基づいて加減速処理を行うものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の数値制御装置。