JPH07239708A - 数値制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】数値制御装置において、与えられた形状にした
がって精度のよい軌跡制御を行うと共に、軸の動きの急
激な速度変化を軽減し、かつ、高効率な加工を実現す
る。 【構成】通過速度規定部２は許容される進路法線方向加
速度に基づく通過速度Ｖを規定し、先読み通過速度決定
部５は速度を落とすべき終点ＧのＴ時間手前から通過速
度Ｖ以下となるような上限速度Ｕl を決定する。この上
限速度Ｕl で、あらかじめ進路法線方向加速度を抑える
と共に、平滑フィルタ７で進路方向の加減速処理し、こ
れを基に形状補間部８は補間をする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、与えられた指令にした
がって機械の動作位置を制御する数値制御装置に係わ
り、特に、精度のよい軌跡制御を行うと共に、機械の動
作の急激な速度変化を軽減し、かつ、高効率な加工を実
現する数値制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械やロボットなどの機械の動作位
置を制御する数値制御装置においては、モータに過大な
負荷を与えたり機械系に急激なショックを与えたりしな
いよう、動作開始時や動作停止時に緩やかな加速・減速
を行う。このような数値制御装置の構成の一例を図５に
示す。この例は、加工プログラムで指令された加工形状
にしたがって工具を移動させるため、Ｘ軸、Ｙ軸を制御
する工作機械の数値制御装置の主要部分である。

【０００３】加工プログラムＰＰは複数のブロックから
成り、ブロック毎に機械動作を指定する命令が記述され
ている。一般に、アルファベットで表されるアドレスと
それに続くデータワードで１つの指令が構成され、１ブ
ロックに複数の指令を記して機械の動作を特定させる。
直線形状は”Ｇ０１" と終点”Ｘ”，”Ｙ”とで指令す
る。円弧形状は”Ｇ０２" （時計回り円弧の場合），”
Ｇ０３”（反時計回り円弧の場合）と、終点”Ｘ”，”
Ｙ”と、円弧中心点を指定する”Ｉ”，”Ｊ”もしくは
円弧半径”Ｒ”とで円弧形状が一義に決まるよう指令す
る。プログラム解釈手段１は、加工プログラムＰＰを１
ブロックづつ解釈し、形状補間ができるような実行デー
タを生成し、実行データバッファ３に格納していく。ア
ドレス”Ｇ”，”Ｘ”，”Ｙ”，”Ｉ”，”Ｊ”などの
データワードから補間形状を規定する形状指令Ｉとその
経路長Ｌを、アドレス”Ｆ”のデータワードから送りＦ
を、それぞれ解釈し生成する。そして、生成した実行デ
ータを順次実行データバッファ３の空きに格納してい
く。実行データバッファ３は、複数ブロック分の実行デ
ータを記憶する手段である。

【０００４】以下は実行データに基づいて一定の補間周
期で補間を実施しモータを駆動するまでの説明であり、
補間するブロックの番号を i で、補間周期の時刻を t
で示す。補間単位量算出部４は、実行データバッファ
３から形状補間部８が補間するブロックと同じブロック
の送り指令Ｆ[i] を入手し、これに補間周期毎に読み取
った送り比率ＯＲ[t] の値を乗じて指令補間単位量Ｕc
[t]を算出し、補間単位量遮断部１６に出力する。送り
比率ＯＲ[t] は、オーバーライドスイッチにより決ま
り、オーバーライドスイッチはオペレータが操作できる
ようになっている。つまり、加工中にオペレータが送り
速度を変更することができるようになっている。補間単
位量遮断部１６は、指令補間単位量Ｕc[t]を補間単位量
Ｕ[t] として平滑フィルタ７に出力する。ただし、新た
なブロックを補間し始める場合、最初の時間Ｔだけは指
令補間単位量Ｕc[t]を遮断する働きをする。時間Ｔは次
に説明する時定数Ｔと同じ時間である。遮断された場合
の補間単位量Ｕ[t] の値は０となる。

【０００５】平滑フィルタ７は、入力ＩＮを時定数Ｔの
数だけ蓄積しておき、数１により出力ＯＵＴを算出する
ことで平滑する。

【数１】 ＯＵＴ[i] : 今回の出力 ＩＮ[i-k] : k 回前の入力 Ｔ : 時定数 時定数Ｔは機械の特性によって決まっている値であり、
機械の許容速度Ｖmaxを機械の許容加速度Ａmax で除し
てえられる。ここでは補間単位量遮断部１６が出力した
補間単位量Ｕ[t] を入力ＩＮ[i] として扱い、これを平
滑した出力ＯＵＴ[i] は平滑補間単位量Ｕ'[t]となる。
扱う値が速度なので、平滑フィルタ７は入力速度を加減
速して出力する作用がある。

【０００６】形状補間部８は、形状指令Ｉ[i] で表され
る形状を補間周期毎に平滑補間単位量Ｕ'[t]にしたがっ
て形状補間し、補間した位置Ｐ[t] を出力する。さらに
残経路長Ｌ'[t-1]から平滑補間単位量Ｕ'[t]を差し引い
て残経路長Ｌ'[t]と成す。最初のブロックを補間する場
合あるいは残経路長Ｌ'[t-1]が０以下であった場合に
は、補間に先立ち実行データバッファ３から形状指令Ｉ
[i] および経路長Ｌ[i]を入手しておく。速度分配手段
９、Ｘ軸サーボ制御手段１０、モータ１１、位置検出器
１２、Ｙ軸サーボ制御手段１３、モータ１４および位置
検出器１５によりＸ軸およびＹ軸を制御し、最終的な制
御対象である工具を補間周期毎に出力される位置Ｐに従
って移動させる。速度分配手段９からＸ軸サーボ制御手
段１０およびＹ軸サーボ制御手段１３へは、補間周期当
たりの移動量ΔＰのそれぞれの成分ΔＸ、ΔＹが出力さ
れる。なお、補間周期当たりの移動量は速度に相当する
量である。

【０００７】最後に図３の形状による制御結果の例を図
６に示す。図３の形状は、Ｇ[1] を終点とする直線形
状、Ｇ[2] を終点とする円弧形状およびＧ[3] を終点と
する直線形状から成っている。図６（Ａ）は、補間単位
量遮断部１６が出力する指令補間単位量Ｕc を時系列で
表した図である。ｔ（Ｇ[1] ）、ｔ（Ｇ[2] ）は、終点
Ｇ[1] 、終点Ｇ[2] の近傍を通過する時刻である。新た
なブロックを補間し始める場合、最初の時間Ｔだけは指
令補間単位量Ｕc[t]が遮断されるので補間単位量Ｕ[t]
は０となっている。図６（Ｂ）は、形状補間部８が出力
する位置Ｐの速度ベクトル、すなわちΔＰの大きさを時
系列で表した図である。終点Ｇ[1] 、終点Ｇ[2] でその
速度は０となる。図６（Ｃ）は、前記速度ベクトルの変
化分である加速度ベクトルの大きさを時系列で表した図
である。以上のように従来技術の構成によれば、軸の動
作開始時や動作停止時に加速・減速が行われるので、モ
ータや機械系に与える負荷やショックを和らげることが
できる。さらに進路が急激に変わる可能性のある形状の
つなぎ目においても、形状指令毎に一旦停止するので法
線方向の加速度が機械の許容加速度を越えることがな
い。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら図５に示
す従来構成では、形状指令毎に停止するため、加工効率
が良くなく、特に加工形状が多数の微小な線分で構成さ
れている場合、極端に加工効率が悪くなる。さらに、モ
ータや機械に与える負荷やショックが不必要に増すこと
になる。また、例えば図６（Ｃ）での円弧形状の加速度
のように機械の許容加速度Ａmax を越えることがある。
これらのことは、加工精度や機械の耐久性の観点からは
好ましくない。本発明は上記問題点を解決するため、軸
の動きの急激な速度変化を必要最低限にすることで、高
効率な加工を実現する数値制御装置を提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、指令を１ブロ
ックづつ解釈して形状指令、送り指令および経路長を生
成し実行データとして実行データバッファに格納し、格
納した前記実行データにしたがって機械の動作位置を制
御する数値制御装置において、前記形状指令で表される
形状の進路法線方向加速度が前記機械の許容加速度を越
えない最大の通過速度を規定し、前記実行データのひと
つとして前記実行データバッファに格納していく通過速
度規定部と、前記実行データバッファから前記形状指令
および経路長を１ブロックづつ読み出し、当該形状指令
で表される形状を補間周期毎に与えられる平滑補間単位
量にしたがって形状補間すると共に、当該経路長から前
記平滑補間単位量を差し引いた残経路長を順次出力する
形状補間部と、前記形状補間部と同期して前記送り指令
を１ブロックづつ読み出し、当該送り指令を送り比率に
乗じて指令補間単位量を算出する補間単位量算出部と、
前記形状補間部と同期して前記経路長および通過速度を
１ブロックづつ読み出し、所定時間前から当該通過速度
になるような上限速度を、当該経路長および通過速度
と、未補間のブロックを先読みして得られる経路長およ
び通過速度と、前記残経路長とに基づいて生成する先読
み通過速度決定部と、前記指令補間単位量を前記上限速
度によって制限し、補間単位量として出力する補間単位
量制限部と、順次与えられる前記補間単位量を所定時間
で追従するように平滑し、前記平滑補間単位量として出
力する平滑フィルタとから成る。

【００１０】

【作用】本発明にあっては、進路方向の加速度を制御す
る平滑フィルタに対して、進路法線方向の加速度によっ
て制限した最大の補間単位量を与えるので、機械の許容
加速度および機械の許容速度を越えない最大の速度で補
間を行う。

【００１１】

【実施例】本発明の数値制御装置の一実施例を図１に示
す。加工プログラムＰＰ、プログラム解釈手段１、実行
データバッファ３は、従来技術のものと同じである。た
だし、実行データは、形状指令Ｉ、経路長Ｌ、送りＦ、
および、本発明において必要な形状通過速度Ｖb 、終点
通過速度Ｖg から成る。いま、プログラム解釈手段１が
解釈したブロックの番号を n とする。 n-1は前ブロッ
クを表す。

【００１２】通過速度規定部２は、進路法線方向加速度
が機械の許容加速度Ａmax となる通過速度を規定する。
進路法線方向加速度とは、指令された加工形状に沿って
移動するとき進路が変化する時に受ける加速度のことで
ある。終点は形状のつなぎ目なので進路が変化すること
があるのはもちろんのこと、形状指令で表される形状自
体でも円弧ならば均等に変化する。したがって、それぞ
れの通過速度として終点通過速度Ｖg と形状通過速度Ｖ
b の２つを規定する。形状通過速度Ｖb[n]は、プログラ
ム解釈手段１から出力される形状指令Ｉ[n]を基にして
規定される。形状指令Ｉ[n] が円弧ならば、数２により
算出する。

【数２】 Ｖb[n] ＝ ｍｉｎ（ Ｖmax , √（Ｒ[n] ＊Ａmax ）） Ｒ[n] ：形状指令Ｉ[n] に設定されている円弧半径 ｍｉｎ（）：大きくない方の値を採用する関数 形状指令Ｉ[n] が直線ならば、進路は変化しないので、
Ｖb[n] には機械の許容速度Ｖmax を採用する。一方、
終点通過速度Ｖg[n-1]は次のように決定する。速度ｖで
移動している場合、ある点で進路が角度θだけ変化した
とすると、その時の進路法線方向加速度ａとの関係は数
３で表される。

【数３】ａ／２ ＝ ｖ × ｓｉｎ（ θ／２ ） ここで進路法線方向加速度ａを機械の許容加速度Ａmax
にした場合、その時の速度つまり制限速度Ｖは、数４と
なる。

【数４】 Ｖ ＝ Ａmax ／（２ × ｓｉｎ（ θ／２ ）） つまり機械の許容加速度Ａmax を守って進路を変更する
時、制限速度はその角度θに依存する。そこでまず終点
Ｇ[n-1] で変化する進路の角度θ[n-1] の余弦を、前形
状指令Ｉ[n-1] と現形状指令Ｉ[n] をもとに数５により
求める。

【数５】 ｃｏｓθ[n-1] ＝ ｉｐ（Ｅ[n-1] ，Ｓ[n-1] ） Ｅ[n-1] ：前形状指令Ｉ[n-1] から決定される終点の接
線方向ベクトル Ｓ[n] ：現形状指令Ｉ[n] から決定される始点の接線
方向ベクトル ｉｐ（）：ベクトルの内積を求める関数 次に、この余弦の値から逆三角関数によりθ[n-1] を導
き、最後に数４により制限速度Ｖを算出する。最終的に
終点通過速度Ｖg[n-1]は、この制限速度Ｖと前ブロック
の形状通過速度Ｖb[n-1]と現ブロックの形状通過速度Ｖ
b[n]のうち小さいものを採用する。（数６）

【数６】 Ｖg[n-1] ＝ ｍｉｎ（Ｖb[n-1] , Ｖ , Ｖb[n]） このようにして規定した終点通過速度Ｖg[n-1]、形状通
過速度Ｖb[n]を実行データバッファ３に格納する。

【００１３】以下は従来技術の項で表記したように、補
間するブロックの番号を i で、補間周期を単位とした
時刻を t で示す。補間単位量算出部４と形状補間部８
は、次に述べる構成の違い以外は従来技術のものと同じ
である。補間単位量算出部４は、後述する補間単位量制
限部６に指令補間単位量Ｕc[t]を出力する。形状補間部
８は、残経路長Ｌ'[t-1]を後述の先読み通過速度決定部
５へ出力する。なお、形状補間部８が出力する位置Ｐに
したがって機械が動作するが、その構成は図５に示した
速度分配手段９、Ｘ軸サーボ制御手段１０、モータ１
１、位置検出器１２、Ｙ軸サーボ制御手段１３、モータ
１４および位置検出器１５と同一なので、図１での図示
ならびに説明は省略する。

【００１４】先読み通過速度決定部５は、形状補間部８
が出力する位置Ｐでの速度がその通過速度以下になるよ
うな上限速度Ｕl を生成する。平滑フィルタ７は、一定
の値を入力し続けた場合、時定数Ｔ後に出力が入力に合
致する。したがって、位置Ｐでの速度がその通過速度Ｖ
になるようにするには、位置Ｐに達する時定数Ｔ時間前
から速度Ｖを平滑フィルタ７に入力すればよく、つま
り、Ｖ×Ｔの距離だけ前から速度Ｖにすればよい。ここ
では、通過速度以下になるようにするので、最大の補間
単位量としての上限速度Ｕl[t]を決定する。距離に関す
るデータは形状補間部８が出力した残経路長Ｌ'[t-1]と
実行データバッファ３を順次先読みして得られる経路長
Ｌ[i+j] に基づく。通過速度に関するデータは形状補間
部８が補間しているブロックの形状通過速度Ｖb[i]、終
点通過速度Ｖg[i]および同じく先読みして得られる形状
通過速度Ｖb[i+j]、終点通過速度Ｖg[i+j]に基づく。

【００１５】補間周期を単位とした時刻 t での先読み
通過速度決定部５の処理を図２のフローチャートを使っ
て説明する。 ステップＳ１：形状補間部８が補間しているブロックに
対する先読みブロックの番号の増分をj とする。最初
に目標とするブロックは形状補間部８が補間しているブ
ロックなので、０で初期化する。 ステップＳ２：Ｄは、前補間周期の位置Ｐ[t-1] から目
標とするブロックの終点Ｇ[i+j] までの経路長の総和で
ある。最初は形状補間部８が出力した残経路長Ｌ'[t-1]
がこれに相当する。初期値としてＬ'[t-1]をＤに代入す
る。 ステップＳ３：上限速度Ｕl の初期値を、形状補間部８
が補間しているブロックの形状通過速度Ｖb[i]とする。

【００１６】ステップＳ４：終点Ｇ[i+j] の終点通過速
度Ｖg[i+j]が影響を及ぼす距離ｄ’は、数７で算出され
る。

【数７】ｄ’＝Ｖg[i+j]×（Ｔ＋１） Ｔは時定数で、１を加算しているのは端数を考慮した上
での余裕代である。このｄ’とＤを比較し、形状補間部
８が今回出力するであろう位置Ｐ[t] が影響を受けるか
否かを判断する。Ｄ≦ｄ’ならば影響を受けることにな
り、ステップＳ５からの処理を実施する。そうでなけれ
ば、終点通過速度Ｖg[i+j]の影響を受けないことはもち
ろんのこと、それ以降のブロックによっても影響を受け
ないので、ステップＳ８へ飛び最終的な上限速度Ｕl[t]
の値を決定する。 ステップＳ５：ｍｉｎ（）は、大きくない方の値を採用
する関数である。影響を受けた終点通過速度Ｖg[i+j]
が、現行保持している上限速度Ｕl より小さい場合、Ｕ
l をＶg[i+j]で置き換えることを意味する。 ステップＳ６：次のブロックについて検査するため、ブ
ロックの番号の増分 j を１つ更新する。 ステップＳ７：j の更新に伴い、経路長の総和Ｄにその
ブロックの経路長Ｌ[i+j] を加算する。そして、ステッ
プＳ４に戻り、検査を繰り返す。

【００１７】ステップＳ８：端数を考慮しない場合の終
点通過速度Ｖg[i+j]が影響を及ぼす距離ｄは、数８に示
すようになる。

【数８】ｄ＝Ｖg[i+j]×Ｔ 経路長の総和Ｄからｄを引いた距離Ｅが、現行保持して
いる上限速度Ｕl より大きい場合は、Ｕl で距離Ｅを１
回以上補間できるので、Ｕl を最終的な上限速度Ｕl[t]
として採用する。そうでなければ、位置Ｐ[t] が終点通
過速度Ｖg[i+j]で影響される範囲に大きく進入する可能
性があるので、少なくとも１回で補間するよう、距離Ｅ
を補間単位量とみなし最終的な上限速度Ｕl[t]とする。
この処理は、関数ｍｉｎ（）により実行できる。 ステップＳ９：最終的な上限速度Ｕl[t]が決定したの
で、処理を終了する。このように先読み通過速度決定部
５は、未補間終点Ｇの終点通過速度Ｖg とそこまでの経
路長の総和Ｄにより、順次影響の有無を検査していくこ
とで、速度を落とすべき終点Ｇの少なくともＴ時間手前
から終点通過速度Ｖg 以下となるような補間単位量であ
る上限速度Ｕl[t]を決定する。

【００１８】補間単位量制限部６は、補間単位量算出部
４が出力する指令補間単位量Ｕc[t]を、先読み通過速度
決定部５が出力する上限速度Ｕl[t]によって制限する。
具体的には両者を比較し、大きくないほうを補間単位量
Ｕ[t] として平滑フィルタ７に出力する。

【００１９】ここで図３の加工形状を、本装置によって
補間した場合の例を図４に示す。図３（Ａ）は、先読み
通過速度決定部５が出力する上限速度Ｕl を時系列で表
した図である。ｔ（Ｇ[1] ）、ｔ（Ｇ[2] ）は、終点Ｇ
[1] 、終点Ｇ[2] の近傍を通過する時刻である。常に機
械の許容速度Ｖmax 以下となる。図のように、ｔ（Ｇ
[1] ）の時定数Ｔの時間だけ手前から終点通過速度Ｖg
[1]を出力する。終点Ｇ[2] についても同じである。ま
た、円弧ブロックでは形状通過速度Ｖb[2]を出力する。
図３（Ｂ）は、形状補間部８が出力する位置Ｐの速度ベ
クトルの大きさを時系列で表した図である。ただしこれ
は指令補間単位量Ｕc が常に上限速度Ｕl より大きいと
した場合の結果で、常に補間単位量Ｕは上限速度Ｕl と
等しい。終点Ｇ[1] 、終点Ｇ[2] 近傍でその速度は終点
通過速度Ｖg[1]、Ｖg[2]となる。図３（Ｃ）は、前記速
度ベクトルの変化分である加速度ベクトルの大きさを時
系列で表した図である。図のように、常に機械の許容加
速度Ａmax 以下となる。

【００２０】これまで説明したように、本装置によれ
ば、許容される進路法線方向加速度に基づく通過速度Ｖ
を規定し、速度を落とすべき終点ＧのＴ時間手前から通
過速度Ｖ以下となるような上限速度Ｕl により、進路方
向加速度を抑えるための平滑フィルタ７に入力する補間
単位量を制限するので、形状補間を実施した結果の合成
加速度も許容される範囲に抑えられる。ただし、停止は
しないので加工効率はよい。もちろん、本装置は与えら
れた形状に沿って位置を出力するので、速度に依存する
軌跡誤差は極めて少ない。また補間単位量制限部６は、
指令補間単位量Ｕc を上限速度Ｕl によって制限するだ
けなので、加工中でもオペレータは上限速度以内で送り
速度を変更できる。以上は、ＸＹ平面上で形状加工を行
う工作機械を例に取って説明してきたが、３軸以上の工
作機械でも同様である。また、形状加工を行う工作機械
に限らず、軌跡を制御する必要のあるロボットなどでも
同様である。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明の数値制御装置によ
れば、加工形状が微小な線分で構成されていても終点毎
に停止することなく、機械の許容加速度および機械の許
容速度を越えない最大の速度で滑らかに移動するように
なり、効率の良い加工が実現できる。さらに、モータや
機械系に与える負荷やショックを軽減でき、加工精度や
機械の耐久性が良くなる効果もある。また、与えられた
形状に沿って補間をした補間位置にしたがってサーボ制
御を行うので、精度の良い軌跡制御が保てる。さらに、
加工中でもオペレータは送り速度を変更できるので、例
えば加工途中で発生した障害に対処するため停止させる
ことも可能であり、操作性も低下しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の数値制御装置の一実施例の構成を示す
ブロック図である。

【図２】本発明装置の動作例を示すフローチャートであ
る。

【図３】加工形状の一例を示す図である。

【図４】本発明装置による効果を示す図である。

【図５】従来の数値制御装置の一実施例の構成を示すブ
ロック図である。

【図６】従来装置による効果を示す図である。

【符号の説明】

２ 通過速度規定部 ５ 先読み通過速度決定部 ６ 補間単位量制限部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】指令を１ブロックづつ解釈して形状指令、
   送り指令および経路長を生成し実行データとして実行デ
   ータバッファに格納し、格納した前記実行データにした
   がって機械の動作位置を制御する数値制御装置におい
   て、 前記形状指令で表される形状の進路法線方向加速度が前
   記機械の許容加速度を越えない最大の通過速度を規定
   し、前記実行データのひとつとして前記実行データバッ
   ファに格納していく通過速度規定部と、 前記実行データバッファから前記形状指令および経路長
   を１ブロックづつ読み出し、当該形状指令で表される形
   状を補間周期毎に与えられる平滑補間単位量にしたがっ
   て形状補間すると共に、当該経路長から前記平滑補間単
   位量を差し引いた残経路長を順次出力する形状補間部
   と、 前記形状補間部と同期して前記送り指令を１ブロックづ
   つ読み出し、当該送り指令を送り比率に乗じて指令補間
   単位量を算出する補間単位量算出部と、 前記形状補間部と同期して前記経路長および通過速度を
   １ブロックづつ読み出し、所定時間前から当該通過速度
   になるような上限速度を、当該経路長および通過速度
   と、未補間のブロックを先読みして得られる経路長およ
   び通過速度と、前記残経路長とに基づいて生成する先読
   み通過速度決定部と、 前記指令補間単位量を前記上限速度によって制限し、補
   間単位量として出力する補間単位量制限部と、 順次与えられる前記補間単位量を所定時間で追従するよ
   うに平滑し、前記平滑補間単位量として出力する平滑フ
   ィルタとを備えたことを特徴とする数値制御装置。
2. 【請求項２】前記通過速度は、前記形状指令で表される
   形状に対して制限される形状通過速度と前記形状指令で
   表される形状の終点において制限される終点通過速度と
   からなる請求項１に記載の数値制御装置。