JP6151667B2

JP6151667B2 - 重畳制御の速度制御機能を有する数値制御装置

Info

Publication number: JP6151667B2
Application number: JP2014117392A
Authority: JP
Inventors: 航平入江; 智金丸; 竹内　靖; 靖竹内
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2034-06-06
Also published as: CN105320075B; US20150355624A1; JP2015230655A; DE102015007017B4; US9841746B2; CN105320075A; DE102015007017A1

Description

本発明は、数値制御装置に関し、特に任意の軸の移動量を別の軸に重畳させて制御する重畳制御において加速時間と減速時間の違いにより発生する瞬間的な速度突起を防止する制御を行う数値制御装置に関する。

任意の軸（基準軸）の移動量を別の軸（重畳軸）に重畳させて制御する方法は、重畳制御として知られている。例えば、２系統制御の工作機械の例において、図１に示すように、主軸台２に取り付けられたワーク１に対して、工具３と工具４で加工するとき、主軸台２をＺＩｍ軸方向に移動させると共に工具３を該ＺＩｍ軸方向と直交するＸＩ軸方向に移動させワーク１に対して加工し、又、工具４をＺＩｍ軸方向と平行なＺＩＩｓ軸方向に移動させると共に該ＺＩＩｓ軸と直交するＸＩＩｓ軸方向に移動させワーク１に対して加工する。

この加工において、ＺＩｍ軸の移動と共にＺＩＩｓ軸を移動すれば、ＺＩＩｓ軸のワーク１に対する相対的位置は変化がない。このことから、ワーク１に対する工具４による加工は、ワーク１のＺＩｍ軸方向の移動が停止している状態で、加工プログラムを作成しておき、実際の加工時には、ＺＩｍ軸への移動指令をＺＩＩｓ軸への移動指令に加算する重畳制御を行ってＺＩＩｓ軸を移動させれば、ワーク１に対して工具４はプログラム指令どおりに移動し加工することになる。即ち、この重畳制御を実施することによって、ワーク１に対してＸＩ軸，ＺＩｍ軸による加工と、ＸＩＩｓ軸，ＺＩＩｓ軸による加工を同時に実行することができる。

図２は、一般的な重畳制御における位置制御の概要説明図である。
重畳制御時には、数値制御装置で各分配周期毎に求められた、基準軸ＺＩｍへの移動指令による移動量δ_ＺＩｍは、基準軸ＺＩｍの現在値レジスタに加算されて、第１系統のワーク座標系の座標値が更新され、第１系統のサーボ処理部に出力される。一方、重畳軸ＺＩＩｓへの移動指令による移動量δ_ＺＩＩｓは、重畳軸ＺＩＩｓの現在値レジスタに加算されて、第２系統のワーク座標系の座標値が更新される。そして、重畳軸ＺＩＩｓ軸に対して、基準軸ＺＩｍによる移動指令の移動量δ_ＺＩｍを、重畳軸ＺＩＩｓへの移動指令による移動量δ_ＺＩＩｓに加算した移動量（δ_ＺＩＩｓ＋δ_ＺＩｍ）が、第２系統のサーボ処理部へ出力される。このような処理により、重畳軸に対する基準軸の重畳制御がなされることになる。

重畳制御をする場合、基準軸の移動量を重畳軸に重畳させることにより重畳軸の移動量が大きくなり過ぎて、移動速度が機械の制限速度を超えてしまうことがある。例えば、図１の基準軸ＺＩｍと重畳軸ＺＩＩｓが重畳制御されている場合において、図６に示すように、基準軸ＺＩｍにおいてワーク１を所定の速度ｖ_ｍで動作させる指令がされている時に、重畳軸ＺＩＩｓにおいて工具４を速度ｖ_ｓ２で動作させる指令が出ると、重畳軸ＺＩＩｓの移動速度はｖ_ｍ＋ｖ_ｓ２に加速するが、ｖ_ｍ、ｖ_ｓ２がそれぞれの軸の制限速度を超えていない場合であっても、ｖ_ｍ＋ｖ_ｓ２が重畳軸ＺＩＩｓの制限速度ｖ_ｍａｘを超えてしまうことがある。

このような問題を回避するために、従来技術として、例えば特許文献１には重畳軸の移動速度をクランプする技術が開示されており、当該技術に基づいて構成される数値制御装置は、重畳軸の移動速度が機械の制限速度を超えると判断した場合は、基準軸、または重畳軸の指令速度を減速し、重畳軸の移動速度を機械の制限速度にクランプする。例えば、図１の基準軸ＺＩｍと重畳軸ＺＩＩｓが重畳制御されている場合において、図７に示すように、基準軸ＺＩｍにおいてワーク１を所定の速度ｖ_ｍ１で動作させる指令がされている時に、重畳軸ＺＩＩｓにおいて工具４を速度ｖ_ｓ２で動作させる指令が出ると、数値制御装置は重畳軸ＺＩＩｓの加速後の速度ｖ_ｍ１＋ｖ_ｓ２と重畳軸ＺＩＩｓの制限速度ｖ_ｍａｘとを比較し、制限速度ｖ_ｍａｘよりもｖ_ｍ１＋ｖ_ｓ２が大きいと判定すると、基準軸ＺＩｍの速度をｖ_ｍ２に減速し、重畳軸ＺＩＩｓの加速後の速度ｖ_ｍ２＋ｖ_ｓ２が制限速度ｖ_ｍａｘを超えないように制御する。

特開平０３−２１２７０７号公報

しかしながら、基準軸または重畳軸のいずれか一方の軸が目的の速度に到達するまでの減速中に、重畳関係にある他方の軸が加速する場合において、減速する軸の減速時間よりも加速する軸の加速時間が短いと、この加減速区間において、重畳軸の移動速度が機械の制限速度を超える現象が発生する。例えば、図１の基準軸ＺＩｍと重畳軸ＺＩＩｓが重畳制御されている場合において、図８に示すように、重畳軸ＺＩＩｓの加速後の速度ｖ_ｍ２＋ｖ_ｓ２が制限速度ｖ_ｍａｘを超えないように基準軸ＺＩｍを減速する制御が行われた時、基準軸ＺＩｍをｖ_ｍ１からｖ_ｍ２へと減速するために（ｔ_ｍ２−ｔ_ｍ１）だけの時間が必要となる。しかしながら、この減速区間において重畳軸ＺＩＩｓが急加速すると、即ち重畳軸ＺＩＩｓの加速にかかる時間（ｔ_ｓ２−ｔ_ｓ１）が、基準軸ＺＩｍの減速にかかる時間（ｔ_ｍ２−ｔ_ｍ１）よりも短いと、重畳軸ＺＩＩｓの加速に対して基準軸ＺＩｍの減速が間に合わず、図８下のグラフのように重畳軸ＺＩＩｓの移動速度に速度突起が発生し、重畳軸の移動速度が機械の制限速度ｖ_ｍａｘを超えてしまうことがある。

このような現象は、特に重畳関係にある２つの軸が、早送りと、切削送りの組合せで動作するような場合、減速時間と加速時間が異なることが多く、減速が間に合わない状況が発生しやすい。

そこで本発明の目的は、基準軸、または重畳軸の加減速中に、加速時間と減速時間の違いにより発生する瞬間的な速度突起を防止する制御を行う数値制御装置を提供することである。

本願請求項１に係る発明は、一つの軸を基準軸とし、前記基準軸とは異なる別の軸を重畳軸として有し、前記基準軸の移動量を前記重畳軸の移動量に重畳することにより、前記重畳軸の移動を制御する重畳制御を行う数値制御装置において、前記基準軸と前記重畳軸のそれぞれの軸の加減速の組み合わせを判定する加減速組合せ判定手段と、前記加減速組合せ判定手段により前記基準軸と前記重畳軸のいずれか一方が加速する軸であり、いずれか一方が減速する軸であると判定された場合に、前記加速する軸の加速する時間と、前記減速する軸の減速する時間を比較する加減速時間比較手段と、前記加減速時間比較手段により前記減速する時間が前記加速する時間よりも長いと判定された場合に、前記重畳軸の移動速度が前記重畳軸の制限速度を超過するか判定する制限速度超過判定手段と、前記制限速度超過判定手段が前記重畳軸の移動速度が前記重畳軸の制限速度を超過すると判定した場合に、前記重畳軸の移動量から加速分の移動量を除外する速度制御手段と、を備えることを特徴とする数値制御装置である。

本願請求項２に係る発明は、前記基準軸及び前記重畳軸とは重畳関係にない他の軸を有し、前記速度制御手段は、前記基準軸及び前記重畳軸の移動量の除外に伴う動作遅延に合わせて前記他の軸の制御を行う、ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置である。

本発明により、前記基準軸、または前記重畳軸のどちらかの軸が加速し、もう一方の軸が減速する重畳区間において、加速する軸の加速開始時間を遅らせることで、基準軸、または重畳軸の加減速中に、加速時間と減速時間の違いにより発生する瞬間的な速度突起を防止する制御を行う数値制御装置を提供することができる。

重畳制御が適用される工作機械の１例の説明図である。同１例における重畳制御の動作説明図である。本発明の一実施形態における数値制御装置の要部ブロック図である。本発明の一実施形態における速度制御された各軸の移動速度の変化を示すグラフである。本発明の一実施形態における重畳制御処理のフローチャートである。一般的な重畳制御における各軸の移動速度の変化を示すグラフである。従来例の重畳制御における各軸の移動速度の変化を示すグラフである。従来例の重畳制御で発生する速度突起を示すグラフである。

本発明では、基準軸、および重畳軸のどちらかの軸が加速し、もう一方の軸が減速する加減速の重畳区間かを判定し、加速する軸の加速時間、および減速する軸の減速時間を算出する。算出した結果を比較し、減速時間が加速時間よりも長かった場合、加減速中の重畳軸の移動速度と機械の制限速度を比較する。移動速度が機械の制限速度より大きかった場合は、加速分の移動パルスを除外し、次の実行処理まで加速を待機させる。その結果、減速する軸が十分に減速してから加速することになり、加減速区間において、重畳軸の移動速度が機械の制限速度を超えることがなくなる。

以下、本発明の一実施形態の数値制御装置について図面とともに説明する。
図３は、本発明の一実施形態における数値制御装置１０のブロック図である。この数値制御装置１０は、図１に示すようなＸ軸とＺ軸の２軸で構成れた制御軸系統を２組有し、一方を第１系統（ＸＩ，ＺＩｍ）、他方の系統を第２系統（ＸＩＩｓ，ＺＩＩｓ）として旋盤工作機械を制御するものである。ＣＰＵ１１は数値制御装置１０を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１２に格納されたシステムプログラムに対してバス１８を介して読み出し、該システムプログラムに従って数値制御装置全体を制御する。ＲＡＭ１３には一時的な計算データや表示データ及び表示／操作盤２０を介してオペレータが入力した各種データが格納される。ＣＭＯＳメモリ１４は図示しないバッテリでバックアップされ、数値制御装置１０の電源がオフされても記憶状態が保持される不揮発性メモリとして構成される。ＣＭＯＳメモリ１４中には、インタフェース１５を介して読み込まれた加工プログラムや表示／操作盤２０を介して入力された加工プログラム等が記憶される。

インタフェース１５は、数値制御装置１０と外部機器との接続を可能とするものである。ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１６は、数値制御装置１０に内蔵されたシーケンスプログラムで工作機械の補助装置にＩ／Ｏユニット１７を介して信号を出力し制御する。また、工作機械の本体に配備された操作盤の各種スイッチ等の信号を受け、必要な信号処理をした後、ＣＰＵ１１に渡す。表示／操作盤２０は、液晶、ＣＲＴ等のディスプレイやキーボード等を備えた手動データ入力装置である。

工具３，４及びワーク１を移動させるＸ軸，Ｚ軸の２組の軸制御回路３０〜３３はＣＰＵ１１からの各軸の移動指令量を受けて、各軸の指令をサーボアンプ４０〜４３に出力する。サーボアンプ４０〜４３はこの指令を受けて、各軸のサーボモータ５０〜５３を駆動する。各軸のサーボモータ５０〜５３は位置・速度検出器を内蔵し、この位置・速度検出器からの位置・速度フィードバック信号を軸制御回路３０〜３３にフィードバックし、位置・速度のフィードバック制御を行う。なお、図２では、位置・速度のフィードバックについては省略している。

また、主軸制御回路６０はスピンドル速度信号と図示していないポジションコーダからのフィードバック信号により速度制御を行い、スピンドルアンプ６１にスピンドル速度信号を出力し、スピンドルモータ６２を速度制御する。
以上のような数値制御装置の構成はすでに公知のものである。

重畳制御では、ＲＡＭ１３に一時的に記憶された各軸の移動量と、各軸の重畳関係を読み出し、重畳軸の軸制御回路３０〜３３には、基準軸の移動指令量を重畳した移動指令量がＣＰＵ１１から渡される。このような構成を備えた数値制御装置において、重畳軸ＺＩＩｓが加速し、基準軸ＺＩｍが減速する場合の本実施の形態の動作例を図４に基づいて説明する。

図４は、基準軸ＺＩｍと重畳軸ＺＩＩｓとを重畳制御している最中に、重畳軸ＺＩＩｓの移動指令による加速に対応して基準軸ＺＩｍを減速する場合において、重畳軸ＺＩＩｓの速度をｖ_ｓ１からｖ_ｓ２へと加速するのにかかる時間（ｔ_ｓ２−ｔ_ｓ１）に対して、基準軸ＺＩｍの減速にかかる時間（ｔ_ｍ２−ｔ_ｍ１）が長い場合の例を示している。このような状況において、従来例では図８に示すように重畳軸ＺＩＩｓの移動速度に速度突起が発生していた。

本実施の形態の数値制御装置は、基準軸ＺＩｍの減速区間ｔ_ｍ１〜ｔ_ｍ２において、重畳軸ＺＩＩｓがｖ_ｓ１からｖ_ｓ２へと急加速すると重畳軸ＺＩＩｓの移動速度が制限速度ｖ_ｍａｘを超えてしまうと判断した場合、重畳軸ＺＩＩｓの移動速度をｖ_ｓ２へと加速しても制限速度ｖ_ｍａｘを超えない程度に基準軸ＺＩｍが十分に減速するまで、加速の開始を待機するように制御する。このように制御することにより、重畳軸ＺＩＩｓの移動速度が制限速度ｖ_ｍａｘを超えることはなくなり、重畳軸ＺＩＩｓの加速が完了するのと同時に、基準軸ＺＩｍおよび重畳軸ＺＩＩｓの移動速度が定常速度になることが図４下のグラフから把握される。

本実施の形態の重畳制御の処理の一例を図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態の数値制御装置が実行する重畳制御処理の手順を示すフローチャートである。

本実施の形態の数値制御装置１０による重畳制御処理では、まず基準とする基準軸ＺＩｍ、および重畳する重畳軸ＺＩＩｓを設定する（Ｓ５０１）。次に、数値制御装置１０は、基準軸ＺＩｍと重畳軸ＺＩＩｓのそれぞれの加速・減速の組み合わせを判定する（Ｓ５０２）。基準軸ＺＩｍと重畳軸ＺＩＩｓの加速・減速の組み合わせは、以下の通りである。
（１）基準軸ＺＩｍ：加速、重畳軸ＺＩＩｓ：加速
（２）基準軸ＺＩｍ：加速、重畳軸ＺＩＩｓ：減速
（３）基準軸ＺＩｍ：減速、重畳軸ＺＩＩｓ：加速
（４）基準軸ＺＩｍ：減速、重畳軸ＺＩＩｓ：減速

Ｓ５０２において、基準軸ＺＩｍと重畳軸ＺＩＩｓの組み合わせが、加速＋加速（上記（１））の場合、または、減速＋減速（上記（４））の場合には、瞬間的な速度突起は発生しないので、基準軸ＺＩｍの移動量を重畳軸ＺＩＩｓに重畳した結果をサーボモータに出力し（Ｓ５０６）、重畳制御の処理を終了する。

Ｓ５０２において、基準軸ＺＩｍと重畳軸ＺＩＩｓの組み合わせが、加速＋減速（上記（２）、（３））の場合には、次に基準軸ＺＩｍと重畳軸ＺＩＩｓのそれぞれの加速時間・減速時間を比較する（Ｓ５０３）。ここで、基準軸ＺＩｍ、重畳軸ＺＩＩｓの加速時間、減速時間は、数値制御装置のＲＡＭ１３乃至ＣＭＯＳメモリ１４内に加減速時定数として各軸毎に設定されている。

Ｓ５０３において、減速する軸の減速にかかる時間が、加速する軸の加速にかかる時間よりも短いか、または両者の時間が同じ場合には、加速する軸が加速される前に減速する軸により十分減速され、瞬間的な速度突起は発生しないので、基準軸ＺＩｍの移動量を重畳軸ＺＩＩｓに重畳した結果をサーボモータに出力し（Ｓ５０６）、重畳制御の処理を終了する。

Ｓ５０３において、減速する軸の減速にかかる時間が、加速する軸の加速にかかる時間よりも長い場合には、瞬間的な速度突起が発生する可能性があるので、加減速中の重畳軸ＺＩＩｓの移動速度と制限速度ｖ_ｍａｘとを比較する（Ｓ５０４）。

Ｓ５０４において、重畳軸ＺＩＩｓの移動速度が制限速度ｖ_ｍａｘ以下の場合には、基準軸ＺＩｍと重畳軸ＺＩＩｓの重畳した結果をサーボモータに出力し（Ｓ５０６）、重畳制御の処理を終了する。Ｓ５０４において、重畳軸ＺＩＩｓの移動速度が制限速度ｖ_ｍａｘを超える場合には、加速分の移動量を除外した上で（Ｓ５０５）、基準軸ＺＩｍの移動量を重畳軸ＺＩＩｓに重畳した結果をサーボモータに出力し（Ｓ５０６）、重畳制御の処理を終了する。

なお、加速を待機させる分、基準軸、または重畳軸の動き出しが遅れることになるが、基準軸、または重畳軸に同期する重畳関係にない他の軸の動作も同様に遅らせることにより、遅らせる前との同期を確保する。例えば、図１において、本実施の形態の速度制限機能により基準軸ＺＩｍの動き出しが遅れた場合には、工具３のＸＩ軸の動作も基準軸ＺＩｍの遅れに合わせて動作を遅らせるように制御することで、遅らせる前と同期を確保することができる。

１ワーク
２主軸台
３工具
４工具
１０数値制御装置
１１ＣＰＵ（プロセッサ）
１２ＲＯＭ
１３ＲＡＭ
１４ＣＭＯＳ
１５ＩＮＴ（インタフェース）
１６ＰＭＣ
１７Ｉ／Ｏユニット
２０表示／操作盤
３０軸制御回路
３１軸制御回路
３２軸制御回路
３３軸制御回路
４０サーボアンプ
４１サーボアンプ
４２サーボアンプ
４３サーボアンプ
５０ＸＩ軸モータ
５１ＺＩｍ軸モータ
５２ＸＩＩｓ軸モータ
５３ＺＩＩｓ軸モータ
６０主軸制御回路
６１スピンドルアンプ
６２スピンドルモータ

Claims

一つの軸を基準軸とし、前記基準軸とは異なる別の軸を重畳軸として有し、前記基準軸
の移動量を前記重畳軸の移動量に重畳することにより、前記重畳軸の移動を制御する重畳
制御を行う数値制御装置において、
前記基準軸と前記重畳軸のそれぞれの軸の加減速の組み合わせを判定する加減速組合せ判
定手段と、
前記加減速組合せ判定手段により前記基準軸と前記重畳軸のいずれか一方が加速する軸で
あり、いずれか一方が減速する軸であると判定された場合に、前記加速する軸の加速する
時間と、前記減速する軸の減速する時間を比較する加減速時間比較手段と、
前記加減速時間比較手段により前記減速する時間が前記加速する時間よりも長いと判定さ
れた場合に、前記重畳軸の移動速度が前記重畳軸の制限速度を超過するか判定する制限速
度超過判定手段と、
前記制限速度超過判定手段が前記重畳軸の移動速度が前記重畳軸の制限速度を超過すると
判定した場合に、前記重畳軸の移動量から加速分の移動量を除外する速度制御手段と、
を備えることを特徴とする数値制御装置。
前記基準軸及び前記重畳軸とは重畳関係にない他の軸を有し、
前記速度制御手段は、前記基準軸及び前記重畳軸の移動量の除外に伴う動作遅延に合わせて前記他の軸の制御を行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。