JPH01100606A

JPH01100606A - 数値制御装置

Info

Publication number: JPH01100606A
Application number: JP25809787A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Kawamura; 川村　英昭; Toshiaki Otsuki; 俊明大槻
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1987-10-13
Filing date: 1987-10-13
Publication date: 1989-04-18
Anticipated expiration: 2012-08-13
Also published as: JP2640658B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、スプライン補間機能により補間制御を行なう
数値制御装置に関する。

（従来の技術）通常の加ニブログラムを作成するときに、所定形状をし
たワークを半径ｒの工具で切削しようとすれば、工具中
心の通るべき通路は、ワークの輪郭からｒだけ離れた通
路を設定しなくてはならない。このように、工具がある
距離だけ離れることをオフセットといい、通常の数値制
御装置は、このオフセットした経路を形成する、工具径
補正機能を有している。

ところで、こうした工具径補正は、工作機械により歯車
やポンプの羽根の加工を行なうために、直線や円弧での
補間以外にスプライン曲線による補間を行なう場合にも
必要になる。発明者は、数値制御装置内で簡単にスプラ
イン曲線による補間に関する発明についても出願してい
る。それによれば、自動プログラミング装置を使用せず
に、オンラインで形成されるスプライン曲線に沿った補
間（スプライン補間という。）が行なえ、従来の数値制
御装置が有する加工速度に関するパルス分配上での問題
を解決し、スプライン補間により高速な補間演算が可能
になる。

（発明が解決しようとする問題点）従来のオフラインでの自動プログラミング装置による補
間は、指令された点列な微小な直線あるいは円弧により
接続する方法であり、通常のＮＣ工作機械を使用してい
る現場においては、作成されたプログラムテープをＮＣ
装置にかけて使用しており、加工結果を見てプログラム
を修正する必要があると、その場で再度プログラムテー
プを作成しなおすことが必要になる。従って、加工の現
場には常に自動プログラミング装置が置かれていなくて
はならない。又、プログラムの修正は、それに習熟して
いない場合には、容易に行なうことができない。

また、一般にＮＣ装置では読み込まれた指令テープのプ
ログラムを読取り、解読して、パルス分配データを作成
するために必要な時間は、ブロックプロセッシング時間
（Ｔｐ）と呼ばれている。上記点列を接続する微小な直
線または円弧の弧の長さをＤとし、指令された送り速度
をＦとするとき、パルス分配に必要な時間Ｔｉｔｐは、
Ｔｉｔｐ＝Ｕ／Ｆとなる。そこでは、ブロックプロセッ
シング時間に対してこのＴｉｔｐが、Ｔｐ＞Ｔｉｔｐと
なるような大きな送り速度Ｆが指令されると、パルス分
配データの準備が間に合わなくなる。このため、送り速
度Ｆは、Ｆ≦ｆＪ　／　Ｔ　ｐとなる。つまり、微小な直線または円弧が指令された場
合には、加工速度に制限が出てくる。また、テープ長も
長くなる。他方、加工速度を高めるためには、直線や円
弧に沿って指令される点列の分割を大きくすれば良いが
、そうすると接続された軌跡の滑らかさが失われる。

このように、加工速度と加工精度の問題を同時に解決す
ることができないため、自動プログラミング装置により
補間する方式では型彫機などの加工で３次元工具補正を
行ないかっ、滑らかな加工曲線を能率良く実現すること
が困難であるという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、自動プロ
グラミング装置を使用せずに、オンラインで工具補正さ
れたスプライン曲線に沿った補間（スプライン補間とい
う。）が行なえるようにした数値制御装置を提供するこ
とを目的にしている。

（問題点を解決するための手段）本発明によれば、離散的に与えられた指令位置を補間し
て指令パルスを形成し可動部を制御する数値制御装置に
おいて、補間する指令位置間を結ぶスプライン曲線を設
定する設定手段と、設定されたスプライン曲線の始点と
終点の位置での接線ベクトルに直交するオフセットベク
トルからオフセット後のスプライン曲線を演算する演算
手段と、前記オフセット後のスプライン曲線上での単位
時間当りの移動量を補間ベクトルとして計算する補間手
段とを具備してなることを特徴とする数値制御装置を提
供できる。

（作用）本発明の数値制御装置では、指令位置、そのスプライン
補間指令及びオフセット指令データから３次元工具補正
をかけた位置に対するスプライン曲線を決定し、この曲
線の接線方向の送り速度が、指令された速度になるよう
に移動量を演算している。

（実施例）以下、本発明の一実施例を図面に従って詳細に説明する
。

スプライン補間機能により補間な行なう数値制御装置に
ついて、第１図の概略構成図により説明する。

図において、１は指令テープであり、指令位置や指令速
度がパンチされている。４はＣＰＵである。２はテープ
リーダであり、このテープ１又はメモリ５から工具移動
についてのデータを読み取る。３は前処理手段であり、
データに補間指令のＧコードが含まれているときに指令
された点列Ｐに基づいてスプライン曲線の係数を演算、
決定している。６はパルス分配器であり、決定されたス
プライン曲線の接線方向での単位時間当りの移動量を演
算している。こうして作成された補間データは、パルス
分配器６から工具の各軸毎の指令パルスとして出力され
る。７はサーボモータ８を駆動するサーボ制御回路であ
り、サーボモータ８によりボールねじ等を介して工具を
移動する。

第２図（ａ）は、オフセット指令データにより３次元工
具補正をかけたスプライン補間の一例を説明する図で、
Ｐｌ、・・・Ｐｎは、指令された点列、Ｖｉ、・・・Ｖ
ｎは、それぞれスプライン補間されるオフセット後の通
路軌跡（実線により示す。）を決定するための３次元工
具補正オフセットベクトル、破線はオフセットをかける
前の通路を示している。

３次元工具補正中のスプライン開始点では、そのブロッ
クの始点にスプライン３次元オフセットベクトル０を加
えた点に直線補間で移動し、そこからスプライン補間が
開始される。なお、オフセットベクトルｖ１は、次の条
件を満たすものとする（第２図（ｂ）参照）。

１）接線ベクトルＰ′　と直交する。

２）接線ベクトルＰ′と２次微分ベクトルＰ’が作る平
面上にある。

３）補助ベクトルにと同じ向きを持つ。

（ＶｚとＫの内積が正である。）また、オフセットベクトル■２〜■ｏは次の条件を満た
すものとする。

１）接線ベクトルＰ′と直交する。

２）接線ベクトルＰ′と２次微分ベクトルＰ″が作る平
面上にある。

３）１つ前のベクトルｖ１〜ｖ　ｎ−１と同じ向きを持
つ。

（ＶＪ　とＶＪ−１の内積が正である。ｊ＝２〜ｎ）ス
プライン補間では、指令点列に対しオフセットした点列
を通るスプライン曲線に対応するスプライン関数により
、オフセットされた各スプライン曲線のセグメントを補
間する。

指令されたスプライン曲線に対して３次元のオフセット
をかけるのは困難なので、ここでは、指令されたスプラ
イン曲線に対して指令点における３次元オフセットを作
成し、そのベクトル先端の点列に対してスプライン曲線
を作成し、それを補間する。即ち、前処理の演算順序は
次のようになる。

■指令された点列からスプライン曲線を作成する。

■このスプライン曲線から３次元オフセットベクトルを
作成する。

■オフセットベクトル先端の点列から補間すべきスプラ
イン曲線を作成する。

なお、ここで作成されたスプライン曲線に基づいて仕上
げ形状は指令されたスプラインとは別のものである（第
２図（Ｃ））。

こうした前処理に基づいて補間すべきスプライン曲線上
の点の位置ベクトルＰが、パラメータなｔ１ベクトル係
数をＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄとするとき、Ｐ＝Ａｔ３＋Ｂｔ２　＋Ｃｔ＋ｔｌ　　　・・・（１）
の３次曲線を示す一般式により示すことができる。つま
り、各セグメントの補間により、第２図（ａ）のオフセ
ットベクトル■１の先端、即ち同図（ｂ）のＯＦ　ｇ　
＋　　ｏｐ　ｅが、この（１）式により決定される。そ
の時、これらのスプライン曲線が接続されるための条件
は、１）接続点が一致していること、２）接続点で接線ベクトルが一致していること、３）接
続点で接線ベクトルの変化率が一致していることである
。

指令された点列から、スプライン曲線を決定するために
は、それぞれ次の様に始点ベクトルＰ１と第１の分割点
のベクトルＰ２とから、上記第１式のスプライン関数ｆ
　（ｔ）を決定する係数ベクトルを求める。

ｐｌ　＝ｆ　　（０）＝Ｄ　　　　　　　　　　・・・
（２）Ｐ１＝ｆ（１）＝Ａ十β＋［４Ｄ　　　　　・・
・（３）Ｐ□’＝ｆ’　　（０）＝Ｃ・・・（４）Ｐｌ
　”　＝ｆ’　　（０）＝２ｘわ　　　・・・（５）つ
まり、始点における位置ベクトル、接線ベクトル、及び
２階微分ベクトルから、係数を演算することが可能であ
る。

次に、設定されたスプライン曲線の接線方向での単位時
間当りの移動量は、接線速度Ｆ（ｎｕｎ／ｍ１ｎ）　％
パルス分配（ＩＴＰ）周期ｉ　（ｍｓｅｃ／ＩＩＴＰ　
）、ＩＩＴＰ当りの移動量ｆ　（ｍｍ／ＩＩＴＰ　’）
をもとにしてスプライン関数ベクトルｆ（ｔ）から計算
できる。

つまり、第３図（ａ）に示す１つのスプライン曲線セグ
メント（Ｐ　ｔＯＰ　ｔｍａｘ　）について考えるとき
、中間の任意の位置ベクトルｐｔにより示される点ｐｔ
での微分係数１ＩＰｔ’　　ｌは、次の様になる（第３
図（ｂ）参照）。

Ｒ−すΔｔ＝Ｐｂ＋ｂＦｔ。

Ｌｐｔト１ｒｔｉ＊ΔｉムＳＪ＋ｖｌ幻４いま、ｂ、Ｓ＝　ｆ　＝Ｆ本（ｔｏ＊ｔｏｏｏハエとすると、
速度を一定（Ｆ、ｆ）に保つ為のΔｔはムロ＝＋／ｌＰｉ’１となって、スプライン関数ｆ　（ｔ）により指令するこ
とができる。

したがって、各ＩＴＰ周期Ｉ毎の移動量は、として得る
ことができる。終点Ｐ　ｍａｘについては、ｔｎ≧ｔ　
ｉ＋ａｘとなった時＋／ｎ＝　ｔ、、ρＸとする（第３図（ｅ）参照）。

また、各点ｐｔでの微分係数つまり接線ベクトルの大き
さ１ｐｔ’１は、次式で計算される。

ｆ（ｔ）−八を一βｔ７千ｃｔ十ｐ（Ｆ’（ｆシン−３Ａｔ’　÷２［３ｊ　十Ｃ第４図は
、上記実施例の数値制御装置における補間の手順を示す
図である。まず、テープ指令が与えられると（ステップ
ａ）、そこにあるスプライン補間指令を読み取り（ステ
ップｂ）、それが演算部であるＣＰＵにおいて解読され
（ステップｃ）、指令された点列からスプライン曲線の
係数を求めるとともに、指令されたオフセットデータに
より各指令点に３次元工具補正をかけたスプライン曲線
を求める（ステップｄ）。そして、このスプライン曲線
を規定する関数のパラメータｔを変化させて、その接線
方向の送り速度が指令された速度Ｆになるよう、所定の
パルス分配周期当りの移動量でスプライン補間する（ス
テップｅ）。

スプライン補間された移動指令はサーボ制御回路７に出
力され（ステップｆ）、サーボモータを駆動して（ステ
ップｇ）、機械の運転を行なう（ステップｈ）。

上記ステップａで読み込まれるスプライン補間指令は、
例えば、Ｎ１００ＧＯＩＸ　　Ｙ　　Ｚ　　。

Ｎ１１０Ｇ４１１　　Ｊ　　Ｋ　　。

Ｎ１２０ＧＯＩＸ　　Ｙ　　Ｚ　　。

Ｎ１３０ＧＯ６Ｘ　　Ｙ　　Ｚ　　Ｉ　　Ｊ　　Ｋ　　
。

Ｎ１４０Ｇ　　　Ｘ　　Ｙ　　Ｚ　　：Ｎ１５０Ｇ　　
　Ｘ　　Ｙ　　Ｚ　　；Ｎ３００　　　　Ｘ　　Ｙ　　
Ｚ　　。

Ｎ３００ＧＯＩＸ　　Ｙ　　Ｚ　　。

Ｎ３１０Ｇ４０Ｘ　　Ｙ　　Ｚ　　。

のように指令される。ここで、ＧＯ６，Ｇ４１は、スプ
ライン補間モードおよびオフセットモードを指定するＧ
コード、Ｘ、Ｙ、Ｚは、指令される点列の座標値である
。

なお、始点での１階微分ベクトル（接線ベクトル）Ｐ′
と、２階微分ベクトルＰ″を指令する場合には、Ｇコー
ドの直後に挿入する。

２番目以降のセグメントにおけるｐ’　、ｐ″は、１つ
前のセグメントの終点でのＰ’　、Ｐ′を使用する。こ
れにより、セグメント間での接続点の接線ベクトルと、
接線ベクトルの変化率とはそれぞれ一致する。

なお、Ｐ′のみが始点の端末条件として指令された場合
には、最初のスプライン曲線セグメントが３点目のＰ３
を通るものとして（５）の代りに、ｆ（１＋τ）＝Ａ（１＋τ）３　＋Ｂ　　（１＋τ）２
＋Ｃ（１＋で）＋Ｄ±Ｐ３ただし、τ＝Ｐ２Ｐ３／Ｐｘ下２なる関係を使う。

以上、この発明をある程度詳細にその最も好ましい実施
態様について説明したが、その好ましい実施態様の説明
は、構成の詳細な部分についての変形、特許請求の範囲
に記載された本発明の精神に反しない限りでの種々な変
形、あるいはそれらを組み合わせたものに変更すること
ができることは明らかである。

（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば、指令された点列
を３次のスプライン曲線で順次に接続し、オフセット指
令データから指令点に対して３次元工具補正をかけたス
プライン曲線によりスプライン補間するようにしており
、指令された点列を滑らかに接続することができるとと
もに、微小な円弧や直線に分割して近似する必要がなく
、自動プログラミング装置なしに、現場での点列の修正
などが可能になり、しかもブロックプロセッシング時間
による加工速度の制約がなくなり、加工テープを使用す
る場合でもその長さは短くなって、設定された量のオフ
セットをかけながら高速な加工を実現できる数値制御装
置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示すブロック図、第２図
（ａ）　、　（ｂ）　−、（ｃ）は、スプライン曲線の
一例を示す図、第３図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）
は、スプライン補間を詳細に説明するための説明図、第
４図は、補間の手順を示す図である。１・・・指令テープ、２・・・テープリーダ、３・・・
ＣＰＵ、５・・・メモリ、６・・・サーボ制御回路。特許８１人　ファナック株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

（１）離散的に与えられた指令位置を補間して指令パル
スを形成し可動部を制御する数値制御装置において、補
間する指令位置間を結ぶスプライン曲線を設定する設定
手段と、設定されたスプライン曲線の始点と終点の位置
での接線ベクトルに直交するオフセットベクトルからオ
フセット後の位置を結ぶスプライン曲線を演算する演算
手段と、前記オフセット後のスプライン曲線上での単位
時間当りの移動量を補間ベクトルとして計算する補間手
段とを具備してなることを特徴とする数値制御装置。
（２）前記補間手段は、前記可動部に対するパルス分配
周期毎に移動量を指令することを特徴とする特許請求の
範囲第（１）項に記載の数値制御装置。
（３）前記設定手段では、３次のスプライン関数の各係
数を演算し、指令位置間を結ぶスプライン曲線を設定す
ることを特徴とする特許請求の範囲第（２）項に記載の
数値制御装置。
（４）前記補間手段は、前記可動部に対する移動量をパ
ルス分配周期毎に、可動部の位置が前記オフセットされ
たスプライン関数に基づく通路位置と一致するように指
令することを特徴とする特許請求の範囲第（３）項に記
載の数値制御装置。
（５）前記指令位置の始点におけるスプライン関数の接
線ベクトルと２階微分ベクトルとを演算する演算手段を
有し、これらベクトルに基づいて指令位置を接続するス
プライン曲線を設定することを特徴とする特許請求の範
囲第（１）項乃至第（４）項に記載の数値制御装置。