JPH0744218A - スプライン補間による同時多軸制御方法 - Google Patents

スプライン補間による同時多軸制御方法

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JPH0744218A
JPH0744218A JP20370593A JP20370593A JPH0744218A JP H0744218 A JPH0744218 A JP H0744218A JP 20370593 A JP20370593 A JP 20370593A JP 20370593 A JP20370593 A JP 20370593A JP H0744218 A JPH0744218 A JP H0744218A
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JP
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curve
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JP20370593A
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English (en)
Inventor
Kyoji Inoue
上 京 二 井
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Nisshinbo Holdings Inc
Original Assignee
Nisshinbo Industries Inc
Nisshin Spinning Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高精度でシ−ム溶接を行なったり、溶接後の
バリ取りを行なう際などに採用して極めて有用であり、
精度高く加工作業を行なうことが出来て、良質の製品を
得られるスプライン補間による同時多軸制御方法を提供
すること。 【構成】 工具等の制御対象を移動させたい空間曲線
を、その曲線を形成する弧長をパラメ−タとするスプラ
イン関数群に変換して表し、そのスプライン関数で表わ
される空間曲線に沿って軸制御を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、特に、シ−ム溶接や溶
接後のバリ取りを自動化する際に採用して有用なスプラ
イン補間による同時多軸制御方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、レ−ザ−加工機等でシ−ム溶接や
溶接後のバリ取りの作業のように、工具を曲線空間に沿
って移動させる制御を自動的に行なうために採用されて
いる同時多軸制御方法は、市販の数値制御用LSIを使
用したハ−ドウエアサ−ボ方式であるが、この方式には
次のような問題点がある。
【0003】それは、円弧補間における真円度誤差と加
工速度との関係が満足すべきものではないということで
ある。即ち、真円度誤差を小さくするためにゲインを上
げると、加減速時のショックで機械的誤差が大きくなる
ため、加工速度に限界があって、加工速度と真円度誤差
との妥協点で満足せざるを得なかったのである。従っ
て、上記のような問題のない同時二軸における加減速位
置決め制御方法の開発が望まれていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な従来技術に鑑み、高精度でシ−ム溶接を行なったり、
溶接後のバリ取りを行なう際などに採用して極めて有用
であり、精度高く加工作業を行なうことが出来て、良質
の製品を得られるスプライン補間による同時多軸制御方
法を提供することを、その課題とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
することを目的としてなされたもので、その構成は、工
具等の制御対象を移動させたい空間曲線を、その曲線を
形成する弧長をパラメ−タとするスプライン関数群に変
換して表し、そのスプライン関数で表わされる空間曲線
に沿って軸制御を行なうことを特徴とするものである。
【0006】即ち、本発明の発明者は、シ−ム溶接や、
溶接後のバリ取りを自動化するための手法について研究
を重ねた結果、空間曲線の制御が必要であることに着眼
し、その方式について検討した結果、制御対象を移動さ
せたい空間曲線を、その曲線を形成する弧長をパラメ−
タとする三次のスプライン関数で表し、その空間曲線に
沿ってスタ−ト,ストップ等の加減速制御を、前記スプ
ライン関数のパラメ−タによる加減速制御により行えば
良いことを知得し、本発明を完成したのである。
【0007】
【発明の作用】空間曲線をその弧長をパラメ−タとする
スプライン関数で表すことにより、該空間曲線に沿って
工具等を移動させるとき、加減速制御を比較的簡単に行
なうことができ、また、前記空間曲線の単位接線ベクト
ルを容易に求めることが出来るため、工具の径の補正や
工具自体の姿勢制御の演算が容易となるので、同時多軸
制御が可能となる。
【0008】次に本発明の原理、即ち、制御対象を移動
させたい空間曲線を、その曲線を形成する弧長をパラメ
−タとする三次のスプライン関数で表し、加減速制御を
行ないながら、その空間曲線に沿って軸制御を行なうア
ルゴリズムについて説明する。
【0009】スプライン関数とは、1946年にSchoenberg
が論文において定義し、命名したもので、その定義に従
えば、「m次のスプライン関数は、そのm階微分が階段
関数で、m−1階以下の微分が連続であるような関数」
である。
【0010】(1) 三次スプライン関数による点列接続 上記スプライン関数の定義から、節点x1、x2、…、xnを
持つm次のスプライン関数とは、次の条件及びを満
たす関数S(x)である。即ち、各小区間(xi、xi+1)で、
S(x)はm次かそれ以下の次数の多項式であること。S
(x)とその1、2、…m−1階微分は(-∞、∞)で連続で
あること。
【0011】従って、ここで扱う三次スプライン関数
は、各区間において二次までの微係数が一致し、且つデ
−タ点を通る。いま、区間iにおける三次式を、xi(u)=
b0(i)+b1(i)u+b2(i)u^2+b3(i)u^3.(0<=u<=ui、 i=0、
1、 …、n)とおく。ここで、パラメ−タuiの値を2点間
の距離とする。
【0012】三次元空間におけるn+1個のデ−タ点を接
続するためには、n個のスプライン関数が必要である。
そして、三次元スプラインの場合は、それぞれのスプラ
イン関数を表すパラメ−タとして、 2点間距離 : u[i] x軸スプライン係数 : bx0[i]、 bx1[i]、 bx2[i]、 bx3
[i] y軸スプライン係数 : by0[i]、 by1[i]、 by2[i]、 by3
[i] z軸スプライン係数 : bz0[i]、 bz1[i]、 bz2[i]、 bz3
[i] の、計13個のパラメ−タが必要である。従って、三次元
空間のn+1個の点を接続する曲線は、13×n個のパラメ−
タにより表現することが出来る。
【0013】また、 xi'(u)=dxi/du yi'(u)=dyi/du zi'(u)=dzi/du di(u) =sqrt{xi'(u)^2+yi(u)^2+zi(u)^2} tx=xi(u)/di(u) ty=yi(u)/di(u) tz=zi(u)/di(u) とすると、(tx、ty、tz)は単位接線ベクトルを表す。従っ
て、上記パラメ−タより、曲線上の任意の位置で工具の
進行方向を求めることができるため、工具姿勢の計算な
どに利用出来る。
【0014】(2) シミュレ−ションによる有効性の確認 二次元曲線の場合 二次元曲線のシミュレ−ション例は図4ないし図8に示
すとおりである。図4はほぼ円形をなす平面上の曲線で
始点Spと終点Fpを含む5点の教示点Tpにおける各区間に
おいて、本発明方法による加減速制御が実行される。図
5はほぼ楕円形の2次曲線で、始点Sp,終点Fpを含む9
点の教示点Tpにおける各区間において本発明方法を適用
する。以下同様にして、図6は略横8字状を描く2次曲
線で始点Sp,終点Fpを含む33点の教示点Tpにおける各区
間において、また、図7は大略H字状を描く2次曲線で
始点Spと終点Fpを含む22点の教示点Tpにおける各区間に
おいて、更に、図8は始点Spから終点Fpまでがランダム
に描かれた2次曲線で、26点の教示点Tpにおける各区間
において、夫々に、本発明方法を適用するものである。
なお、各図において、各区間の教示点の両側には、工具
径補正の教示点がある。
【0015】図4〜図8において、プロット点は各区間
で16点(uiを16分割)としたので、区間距離が短いとこ
ろではプロット点が密になっている。このように同じ区
間内でも、曲率半径の小さいところでは、プロット点が
密になっており、このため、曲率半径が小さいところで
は、自動的に速度が遅くなり都合がよい。
【0016】また、このシミュレ−ションでは、パラメ
−タuiを2度計算している。最初パラメ−タuiは、各区
間の直線距離を求めて、スプライン関数のパラメ−タを
計算し、次にそのスプライン関数から各区間の弧長を計
算し、それをuiとして再度スプライン関数のパラメ−タ
を計算した。
【0017】その理由は、各区間の直線距離をuiにした
場合は、曲率半径の小さな区間では、その区間での平均
速度が相対的にに大きくなるためである。尚、スプライ
ン関数から弧長を計算するときは、弧長を16分割して16
個の直線の長さの合計を弧長とした。
【0018】 三次元曲線の場合 三次元曲線のシミュレ−ション例は図9(a),(b)、図10
(a),(b)に示すとおりである。このシミュレ−ション例
は、図9(a)に示すように斜交する円管P1,P2の接続線S
Lを三次スプライン補間により制御しようとするもので
ある。ここでも、uiの計算を二次元曲線のときと同じよ
うに2度計算し、図9(b)に示すように、始点Spから終
点Fpの間で13点の教示点Tpの各区間において本発明方法
を適用する。
【0019】ここでは、溶接ロボットを想定し、図10
(a),(b)に示すように、ト−チTCの先端が斜交する円管
P1,P2の接続線SLに沿って移動するときのト−チTCの姿
勢を自動計算するアルゴリズムも入っている。具体的に
は、ト−チTCの姿勢を常にト−チTC先端の移動方向に対
して直角で且つ母管P1の軸に対して22.5度の角度になる
ようにした。このように、スプライン補間を使うと、工
具径補正やト−チの姿勢制御が可能となる。
【0020】工具径の補正は、スプライン関数から単位
接線ベクトルを求め、それを90度回転させ、工具径を掛
けて計算する。
【0021】即ち、本発明方法では、プログラム径路
(空間曲線)をスプライン関数で表わすので、法線ベク
トルを簡単に求めることができ、それ故に工具径補正の
ための演算も容易なのである。一例として、図2に示す
平面での工具径補正について説明する。
【0022】図2において、実線で示した平面上のプロ
グラム径路PR(2次曲線)が設定されているとき、工具
TのセンタCを上記プログラム径路PRどおりに移動させ
ると、当該工具Tの有効径分の加工誤差が径路輪郭上に
生じる。そこで、本発明では、このプログラム径路PRを
スプライン関数で表わし一回微分することにより法線ベ
クトルが求められるので、この法線ベクトルを求めこれ
によって工具径路をプログラム径路に対し直角なベクト
ル方向において補正し、図2に点線で示すような工具補
正径路AR1又はAR2を得るのである。
【0023】図3は、ワ−クWが3次元曲線を持ち、こ
の曲面に合致したプログラム径路が設定されていると
き、工具Tの半径rを考慮した工具径路の補正を行う例
を示している。上記のプログラム径路PR(空間曲線)に
おけるスプライン関数の法線ベクトルの各軸の軸成分H
x,Hy,Hzは、それぞれHx=I/√(I2+J2+K2)・r、H
y=J/√(I2+J2+K2)・r、Hz=K/√(I2+J2+K2)
・rとなるので、工具Tの中心座標(x',y',z')は、
それぞれx'=x+Hx、y’=y+Hy、z'=z+Hzとな
る。従って、上記プログラム径路の座標(x,y,z)に
対し、工具半径rだけオフセットした工具中心座標
(x',y',z')において当該工具Tを移動させるのであ
る。
【0024】本発明においては、スプライン関数のパラ
メ−タuとして、曲線の弧長を採用しているため、曲線
のスタ−ト,ストップ時の加減速制御はパラメ−タuの
加減速制御に置き換えることが出来る。即ち、時々刻々
の始点からの距離uを計算することにより、その時点で
の空間座標を計算することができるのである。
【0025】また、シミュレ−ションを行なってみて判
明したのであるが、本発明方法では区間内での曲率半径
が一定であれば、その区間では等速運動になるが、曲率
半径が区間内で変化している場合は、曲率半径が小さい
ところで速度が遅くなる。従って、曲線全体で速度ムラ
を小さくするためには、なるべく区間内の曲率半径の変
化が小さくなるように、教示点を選ぶことが望ましい。
【0026】
【発明の効果】以上のように、本発明は同時多軸制御を
適用する曲線空間に対しスプライン関数を応用すること
により、ショックの少ない同時多軸制御法を比較的容易
に構成することが出来る。なお、スプライン関数を用い
た同時多軸制御では、精度上の問題が出る可能性がある
ため、工具軌道の誤差を考慮しなければならない制御も
ある。
【0027】しかし乍ら、それほど高精度が要求されな
い溶接ロボットや研磨ロボットへの本発明方法の適用で
あれば、精度的な問題はないといえる。また、流し台研
磨機のようにワ−クが図面どおりに出来ていない場合で
も、教示点を修正することにより、プログラムの作成や
変更が容易に可能である。
【0028】本発明は以上の通りであって、工具等の制
御対象を移動させたい空間曲線を、その曲線を形成する
弧長をパラメ−タとするスプライン関数群に変換して表
し、そのスプライン関数で表わされる空間曲線に沿って
軸制御を行なうようにしたので、加工速度が速くても精
度の高い同時多軸制御を加減速時のショックが少ない状
態で実現することができるので、同時多軸制御方法とし
てきわめて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発方法を適用する二次曲線の一例の平面図。
【図2】本発明方法により平面での工具径補正の一例を
示す平面図。
【図3】本発明方法による三次元曲線での工具径補正の
一例を示す正断面図。
【図4】本発明方法による二次元曲線のシミュレ−ショ
ンの第一例を示す平面図。
【図5】本発明方法による二次元曲線のシミュレ−ショ
ンの第二例を示す平面図。
【図6】本発明方法による二次元曲線のシミュレ−ショ
ンの第三例を示す平面図。
【図7】本発明方法による二次元曲線のシミュレ−ショ
ンの第四例を示す平面図。
【図8】本発明方法による二次元曲線のシミュレ−ショ
ンの第五例を示す平面図。
【図9】(a)は斜交する円管の正面図、(b)は斜交する円
管の接続線SLに本発明方法を適用する一例の斜視図。
【図10】(a)は斜交する円管の接続線SLに溶接ト−チを
当てがった状態の正面図、(b)は本発明方法により接続
線SLに沿って溶接ト−チを移動させる状態を示す斜視
図。
【符号の説明】
T 工具 PR 工具Tのプログラム径路 P1,P2 円管 SL 溶接線 TC 溶接ト−チ Sp 始点 Fp 終点 Tp 教示点

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 工具等の制御対象を移動させたい空間曲
    線を、その曲線を形成する弧長をパラメ−タとするスプ
    ライン関数群に変換して表し、そのスプライン関数で表
    わされる空間曲線に沿って軸制御を行なうことを特徴と
    するスプライン補間による同時多軸制御方法。
JP20370593A 1993-07-27 1993-07-27 スプライン補間による同時多軸制御方法 Pending JPH0744218A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6609045B1 (en) 1998-05-28 2003-08-19 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha File conversion apparatus for machining program of numerical control system and computer readable recording medium for storing program for computer to execute file conversion process

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6609045B1 (en) 1998-05-28 2003-08-19 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha File conversion apparatus for machining program of numerical control system and computer readable recording medium for storing program for computer to execute file conversion process

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