JP5653972B2 - コーナ複数曲線挿入部を有する数値制御装置 - Google Patents
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Description
一般的な数値制御では、このようなショックを抑制するために加減速が行われている。加減速の方法としては、補間処理の前に加工経路に沿って加減速を行う補間前加減速と、補間処理の後に各軸に対して加減速を行う補間後加減速がある。
補間後加減速では、さらに機械に発生するショックを抑制するため、補間前加減速により決定した各軸の速度を時間基準で局所的に平均化する、つまり各軸の速度変化を抑えるように制御が行われるが、その結果ブロック間でオーバラップして加減速が行われるため、加工経路が指令された加工経路からずれて内回り誤差が発生する。
また、本来方向と曲率を連続にするためには3本の3次曲線があれば十分であるが、特許文献2では挿入する曲線の中間点において許容誤差以内となるような制約を追加したため、曲線が4本必要になるという問題がある。
前記あらかじめ求められているθ、d、およびlの関係は、前記3本の3次多項式曲線において曲率および曲率変化が小さくなるようにあらかじめ求められているθ、dおよびlの関係である数値制御装置である。
請求項3に係る発明は、複数のブロックからなる加工プログラムに基づいてワーク(加工物)を加工する工作機械を制御する数値制御装置において、
前記加工プログラムにおいて連続する2ブロック間の方向または曲率が不連続でありかつ前記2ブロックの少なくともどちらかのブロックが直線ブロックでない場合に、前記2ブロック間に位置、方向および曲率が連続であるとともに前記2ブロック間との距離が指定された許容誤差以内になる3本の3次多項式曲線を挿入するにあたり、前記2ブロック上に開始点(P0)および終了点(P3)として任意の点を選び、P0とP3の距離のα倍(α|P0P3|)を長さとする方向VsおよびVeを求め、前記VsおよびVeに対応する曲率asおよびaeを求め、前記P0、P3、Vs、Ve、asおよびaeから3本の3次多項式曲線を求め、前記αを変更してその3本の3次多項式曲線を求めることを繰り返し、求めた複数の3本の3次多項式曲線の中で曲率の最大値を最小にする3本の3次多項式曲線を挿入する前記3本の3次多項式曲線とすることを特徴とするコーナ複数曲線挿入部を有する数値制御装置である。
◎実施形態1について
加工プログラムのブロックによって形成されるコーナにk本の曲線を挿入する場合、各曲線がfi(t)(0≦t≦1)(i=1,2,3,・・・,k)で表されるとすると、各曲線が方向、曲率が連続に接続する条件は(数1式)で与えられる。
曲線を挿入するコーナの前後のブロックが直線ブロックでかつコーナを形成する直線ブロックが十分に長くない場合、(表1)で与えられる距離を確保できない。その場合、確保できる最大の距離をdlとすると、dlと曲線の両端における一次微分ベクトルvs、veの大きさ|v|の間には(表2)に示すような比例関係があることがシミュレーションによりわかった。従ってθ、dlが与えられれば|v|を求めることができる。後は実施形態1と同様なので説明を省略する。
曲線を挿入するコーナの前後の少なくともどちらかのブロックが直線ブロックでない場合、つまりコーナを形成するブロックが、円弧ブロックや曲線ブロックなど直線ブロック以外である場合次のように行う。
1. 曲線の開始点(P0)、終了点(P3)として任意の点を選ぶ。
2. P0とP3の距離のα倍(α|P0P3|)を長さとするvs、veを求め、それに対応するas、aeを求める。なお、このv s 、v e は数4式で求めたv s 、v e の方向を持ち、長さをα|P 0 P 3 |とするベクトルであるが、便宜上同じ表記v s 、v e としている。
3. 3本の3次多項式曲線f1(t)、f2(t)、f3(t)を求める。(実施形態1と同様の方法なので説明を省略する)
4. αをいくつか変更して2、3を繰り返し、それらの中で曲率の最大値を最小にするf1(t)、f2(t)、f3(t)を求める。
工作機械には直線3軸とワーク(加工物)に対する工具方向を制御する回転軸2軸を有する5軸工作機械がある。5軸工作機械には工具ヘッドが回転軸2軸で回転する工具ヘッド回転型5軸工作機械、テーブルが回転軸2軸で回転するテーブル回転型5軸工作機械、工具ヘッドが回転軸1軸で回転しテーブルが回転軸1軸で回転する混合型5軸工作機械がある。5軸工作機械においてワーク(加工物)上の工具先端点の経路が加工プログラムで指令される場合、工具先端点の経路に対して、曲線の指令経路からの誤差(e)が許容誤差(l)以下となるように、3本の3次多項式曲線の挿入を行う。(図4)は工具ヘッド回転型5軸工作機械において3本の3次多項式曲線を挿入した加工を行う様子を示している。
2次元平面上の直線ブロック間に3本の3次曲線を挿入する例を図5に示す。本数値例において、2本の直線ブロックの成す角度θは120°、コーナにおける許容誤差(l)は1.0(mm)とする。また、2本の直線ブロックは十分に長いものとする。コーナの頂点Oから挿入する曲線の開始点までの距離dは、(表1)より5.19551(mm)となる。また、コーナの頂点を原点とした時、挿入される3本の曲線式はパラメータtに対応する曲線上のX、Y座標として表すと、以下の(数7式)の通りとなる。
実施形態1において、コーナを形成する2本の直線ブロックの内、少なくとも1本のブロック長が短く、実施形態1で求めた曲線を挿入できない場合に、曲線を挿入する例を図6に示す。本実施例において、2本の直線ブロックの成す角度は120°、コーナにおける許容誤差(l)は1.0(mm)とする。また、2本の直線ブロックの内、距離の短いブロックは、ブロック長(dl)が3.0(mm)であるとする。コーナの頂点Oから挿入する曲線の開始点までの距離は3.0(mm)である。この時、曲線の両端における方向ベクトルの大きさは(表2)より3.0*0.641793=1.925379となる。また、コーナの頂点を原点とした時、挿入される3本の曲線式は以下の(数8式)の通りとなる。
2次元平面上の直線ブロックと円弧ブロックの接続部に3本の3次曲線を挿入する例を図7に示す。本実施例において、直線ブロックと円弧ブロックはその方向が連続に接続するものとする。直線ブロック、円弧ブロックのブロック長は十分に長く、円弧ブロックの半径は50.0(mm)、コーナにおける許容誤差(l)は1.0(mm)する。
以上の条件より、許容誤差を守った上で、曲率の最大値が小さくなるような3次曲線を求めると、以下の(数9式)で表される結果が得られる。
2次元平面上の2本の3次曲線ブロック間に3本の3次曲線を挿入する例を(図8)に示す。本実施例では、以下の(数10式)で表される2本の3次曲線S1、S2によって形成されるコーナに曲線を挿入することを考える。
直線ブロックと円弧ブロックが3次元空間上で接続する例を図9に示す。本実施例において、直線ブロックはZ軸方向に移動し、円弧ブロックはXY平面上を移動する。直線ブロック、円弧ブロックのブロック長は十分に長く、円弧ブロックの半径は50.0(mm)、コーナにおける許容誤差(l)は1.0(mm)とする。以上の条件より、許容誤差を守った上で、曲率の最大値が小さくなるような3次曲線を求めると、以下の(数12式)で表される結果が得られる。
図10は、本発明の実施形態を説明する数値制御装置の機能ブロック図である。指令解析部1は加工プログラムを解析し実行形式に変換する。補間前加減速部2は加工経路の接線方向速度に対する速度制御を行う。補間処理部3は補間処理を行い各軸へ移動指令を出力する。各軸用補間後加減速部4X,4Y,4Zでは移動指令に対して補間後加減速処理を行い、処理後の各軸移動指令に基づき各軸サーボ5X,5Y,5Zを駆動制御する。ここでは3軸を例として説明している。本発明は、指令解析部1に属するコーナ複数曲線挿入部6を有し、加工プログラムの指令経路を方向、曲率が連続になるように曲線ブロックを挿入する。
図10に示される数値制御装置において実行されるコーナ複数曲線挿入部における処理のフローを図11を用いて説明する。以下、各ステップに従って説明する。
●[ステップSA01]2本の直線ブロックにより形成されるコーナか否か判断し、YESの場合にはステップSA02へ移行し、NOの場合にはステップSA06へ移行する。●[ステップSA02]ブロック間のなす角θを求める。
●[ステップSA03]このステップSA03は許容誤差以内の3次の多項式曲線を挿入するステップである。θ、l、(表1)からdを求め、数6式から|v|を求め、数3式、数4式を制約条件としてd、f1(t)、f2(t)、f3(t)を求める。
●[ステップSA04]dがコーナ前後のブロック長よりも大きいか否か判断し、大きい場合(YES)にはステップSA05へ移行し、大きくない場合(NO)には処理を終了する。
●[ステップSA05]このステップSA05はコーナ頂点から曲線の両端までの距離を限定した3次の多項式曲線を挿入するステップである。θ、dl、(表2)から|v|を求め、(数3式)、(数4式)を制約条件としてf1(t)、f2(t)、f3(t)を求め、処理を終了する。
●[ステップSA06]曲線の開始点(P0)、終了点(P3)を選ぶ。
●[ステップSA07]このステップSA07は方向、曲率を連続にする3次の多項式曲線を挿入するステップである。(1. P0とP3の距離のα倍(α|P0P3|)を長さとするvs、veを求め、それに対応するas、aeを求める。)(2. 3本の3次多項式曲線f1(t)、f2(t)、f3(t)を求める。(3. αをいくつか変更して2、3を繰り返し、それらの中で曲率の最大値を最小にするf1(t)、f2(t)、f3(t)を求める。)そして、ステップSA08へ移行する。
●[ステップSA08]挿入した曲線が許容誤差以内となっているか否か判断し、許容誤差以内となっている場合(YES)には処理を終了し、許容誤差以内となっていない場合(NO)にはステップSA09へ移行する。
●[ステップSA09]曲線の開始点(P0)、終了点(P3)をコーナの頂点に近づけ、ステップSA07へ戻り処理を継続する。
2 補間前加減速部
3 補間処理部
4X X軸用補間後加減速部
4Y Y軸用補間後加減速部
4Z Z軸用補間後加減速部
5X X軸サーボ
5Y Y軸サーボ
5Z Z軸サーボ
6 コーナ複数曲線挿入部
Claims (4)
- 複数のブロックからなる加工プログラムに基づいてワーク(加工物)を加工する工作機械を制御する数値制御装置において、
前記加工プログラムにおいて連続する2ブロックが直線ブロックでかつ十分に長い場合に、前記2ブロック間に位置、方向および曲率が連続であるとともに前記2ブロック間との距離が指定された許容誤差以内になる3本の3次多項式曲線を挿入するにあたり、コーナの頂点から曲線の開始位置までの距離およびコーナの頂点から曲線の終了位置までの距離をd、曲線の両端における一次微分ベクトルvs、veとし、それらの大きさを|v|とした時、コーナの角度θ、コーナにおける許容誤差lから、前記3本の3次多項式曲線においてあらかじめ求められているθ、d、およびlの関係に基づいてdと|v|を求めることによって挿入する前記3本の3次多項式曲線を求めるコーナ複数曲線挿入部を有し、
前記あらかじめ求められているθ、d、およびlの関係は、前記3本の3次多項式曲線において曲率および曲率変化が小さくなるようにあらかじめ求められているθ、dおよびlの関係である数値制御装置。 - 複数のブロックからなる加工プログラムに基づいてワーク(加工物)を加工する工作機械を制御する数値制御装置において、
前記加工プログラムにおいて連続する2ブロックが直線ブロックでかつ十分に長くない場合に、前記2ブロック間に位置、方向および曲率が連続であるとともに前記2ブロック間との距離が指定された許容誤差以内になる3本の3次多項式曲線を挿入するにあたり、コーナの頂点から曲線の開始位置までの距離およびコーナの頂点から曲線の終了位置までの確保できる最大の距離をd l 、曲線の両端における一次微分ベクトルv s 、v e とし、それらの大きさを|v|とした時、コーナの角度θから、前記3本の3次多項式曲線において曲率および曲率変化が小さくなるようあらかじめ求められているθおよびd l の関係に基づいて|v|を求めることによって挿入する前記3本の3次多項式曲線を求めるコーナ複数曲線挿入部を有する数値制御装置。 - 複数のブロックからなる加工プログラムに基づいてワーク(加工物)を加工する工作機械を制御する数値制御装置において、
前記加工プログラムにおいて連続する2ブロック間の方向または曲率が不連続でありかつ前記2ブロックの少なくともどちらかのブロックが直線ブロックでない場合に、前記2ブロック間に位置、方向および曲率が連続であるとともに前記2ブロック間との距離が指定された許容誤差以内になる3本の3次多項式曲線を挿入するにあたり、前記2ブロック上に開始点(P0)および終了点(P3)として任意の点を選び、P0とP3の距離のα倍(α|P0P3|)を長さとする方向VsおよびVeを求め、前記VsおよびVeに対応する曲率asおよびaeを求め、前記P0、P3、Vs、Ve、asおよびaeから3本の3次多項式曲線を求め、前記αを変更してその3本の3次多項式曲線を求めることを繰り返し、求めた複数の3本の3次多項式曲線の中で曲率の最大値を最小にする3本の3次多項式曲線を挿入する前記3本の3次多項式曲線とすることを特徴とするコーナ複数曲線挿入部を有する数値制御装置。 - 直線3軸とワーク(加工物)に対する工具方向を制御する回転軸2軸を有する5軸工作機械において前記ワーク(加工物)上の工具先端点の経路が加工プログラムで指令される場合、前記工具先端点の経路に対して、3本の3次多項式曲線の挿入を行うことを特徴とする請求項2、または、請求項3のいずれか1つに記載の数値制御装置。
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