WO2010032284A1

WO2010032284A1 - 数値制御装置

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Publication number: WO2010032284A1
Application number: PCT/JP2008/066663
Authority: WO
Inventors: 信孝西橋
Original assignee: 新日本工機株式会社
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2010-03-25
Also published as: US20110166693A1; EP2336839A1; EP2336839A4; US8478438B2

Abstract

　あらゆる構造の工作機械に共通な主要制御プロセスを提供する。加工対象物（Ｗ）に固定された座標系（３０）上での姿勢変化を含む工具軌跡をＮＣプログラムに記述し、段取り基準座標系（２０）を機械テーブル（２）に固定設置し、加工対象物（Ｗ）の設置位置と工具（１１）を装着する主軸（９１）の位置とを段取り基準座標系（２０）で表し、駆動軸の構成に関わる部分を主軸（９１）の位置（q）と駆動軸座標（r）との相関関係の変換関数群に封じ込めることによって、主要な制御プロセスをあらゆる工作機械に共通とする。すなわち、ＮＣプログラムの読み取りから、工具軌跡の修正を行い、加工物の設置位置と工具形状と工具の寸法とに基づいた主軸の位置の軌跡への変換を行うまでを完全に共通とするとともに、主軸の位置の軌跡算出以降の加減速制御を含む制御プロセスをも適宜変換関数群を呼ぶことにより共通とする。

Description

数値制御装置

　本発明は、パラレルメカニズム機や様々な形態の５軸機をはじめとするあらゆる機械構造の工作機械の数値制御において、制御用ソフトウェアのほとんど全てをあらゆる機械に共通化させるソフトウェア構造化技術と、加減速制御技術とに関する。

　従来、種々の工作機械が知られており、その制御方式はモータにより駆動させる駆動軸の構成によって確定される。駆動軸の構成は、同時２軸制御の旋盤、同時３軸制御のマシニングセンター、ヘッド側回転型５軸機、テーブル回転型５軸機、混合型５軸機、パラレルメカニズム機などの各工作機械によって様々である。

　このような各種工作機械では、プログラム座標系を定義し、そのプログラム座標系上での工具の移動軌跡をＮＣプログラムに記述する。このＮＣプログラムに基づいて駆動軸を駆動することにより工作機械を動かすのが数値制御装置の役割である。５軸機における数値制御プロセスには、５軸における工具長補正、５軸における工具径補正、５軸における工具先端を正確に移動させる為の補間制御、綺麗に速く加工するための送り加減速制御が含まれる。これら各制御の計算には、回転軸に基づく計算を必要とする。そして、この計算では、駆動軸の構成によって、計算方法を変えなければならない。このため、いろんな制御プロセスにおいて駆動軸構成に応じた変更を余儀なくされている。すなわち、駆動軸の構成が変わるたびに技術検討を繰り返し、特徴が変われば、そのたびに似ているが異なる部分を有する機能を作っている。その結果、複数の機能が絡み合い、複雑さを増している。例えば、５軸における工具長補正、５軸における工具先端を正確に移動させる為の補間制御、綺麗に速く加工するための送り加減速制御などは、それぞれを個別に切り離すことが出来ずに混然一体となっている。

　また、制御プロセスのうち駆動軸の構成に関わる部分は抽出してブラックボックス化し、各制御プロセスを単純化するとともに、各制御プロセスの可能な限り多くの部分を共通化して各制御プロセスを簡易化するべきであるが、駆動軸の構成に関わる部分の抽出が不完全でブラックボックス化されておらず、その結果、ソフトウェアが肥大化、複雑化してしまい、開発時間及び保守時間が増大している。この現状を、次に、２種類の５軸機とパラレルメカニズム機とを例に説明する。

　５軸機は、通常、ＸＹＺの直線軸からなる３軸と２つの回転軸の計５つの駆動軸を有する。通常、３つの直線軸は互いに直交している。２つの回転軸は、主軸を有するヘッド側を回動させるものと、加工物を設置する機械テーブルを回動させるものと、ヘッドと機械テーブルとをそれぞれ回動させるものである。

　初期段階のヘッド回転型５軸機の数値制御では、ＮＣプログラム座標系としてＸＹＺの３つの直線軸に平行なワーク座標系を設定するとともに、回転軸の回転中心であるコントロールポイントの該ワーク座標系上の座標値を求め、そのコントロールポイントのワーク座標系上の座標値と回転軸座標とによって機械の動作を記述したＮＣプログラムにより機械を制御していた。このＮＣプログラムは、工具の移動軌跡を記述するのではなく、加工物を削る為のコントロールポイントの動きを記述していた。

　コントロールポイントの動きのＮＣプログラムは、工具長が変われば作り直しとなる。そこで、工具長が変わってもそのまま使用可能な数値制御が課題となった。この課題は、工具の動きを工具の先端点の座標で記述する工具先端点制御によって解決された。すなわち、実際の工具の長さと工具の傾斜に応じてコントロールポイントの座標値を計算し、その算出した座標値に基づいて機械を動かすことによって前記課題は解決された。

　ただ、この考えは、テーブルを回動させる回転軸を有するテーブル回転型５軸機には、そのまま適用できなかった。それは、テーブルの回動とともに加工物が回動してしまうため、加工物の座標系と機械のＸＹＺ座標軸との平行関係が崩れるためである。この課題は、特許文献１に示すように、機械テーブルと一緒に回動する座標系をプログラム座標系とするとともに、該プログラム座標系上の工具の移動軌跡をＮＣプログラムに記述し、さらに工具の移動軌跡をテーブルの回動に伴う座標変換も配慮して駆動軸座標に変換する５軸変換を採用することによって解決された。つまり、同じ目的の工具先端点制御機能を、似ているが異なる別物として開発した。しかしながら、これらの工具先端点制御機能では、命令が異なるとともに、使用上の注意事項も異なる。また、工具パスを指定した補正量だけシフトさせる５軸工具径補正機能についても前記工具先端点制御機能と同様に、同じ目的のものであっても、駆動軸の構成によって似ているが異なる別物として開発してしまっていた。

　次に、パラレル機について説明する。使用者側の立場から観ればパラレル機も５軸機と同じである。パラレル機が他の５軸機とほとんど共通となれば、パラレル機の開発は早く、低コストで済む。しかしながら、現実にはパラレルメカニズム機の数値制御は難しいものとして特別扱いされている傾向があった。例えば、特許文献２には、工作機械の加工精度を向上させるために加工ツールの滑らかな速度変化を可能にする制御が記載されている。特許文献３には、パラレルメカニズム機などにおける、直交座標系でない駆動軸を有する工作機械の各駆動軸の送り速度を制御するものが記載されている。特許文献４には、パラレルメカニズム機の制御に関するものが記載されている。特許文献４の記載からは、パラレルメカニズム機の制御を、その都度かなりの時間をかけて開発してきた経緯が窺われる。

　これらの特許文献に記載の技術からパラレルメカニズム機の制御を実現するには、かなりの労力が払われたか、今後払われるであろうことが判る。パラレルメカニズム機においても、工具の移動軌跡に対する制御を実現するという意味では他の５軸機と全く同じであり、逆運動学関係式が異なる点を除けば、その他の違いは無いはずである。従って、パラレルメカニズム機をも含むあらゆる工作機械に共通なソフトウェアによって構成される数値制御装置が実現されても不思議ではない。

　続いて、加減速制御について説明する。特許文献２に記載の技術が開発される以前には、同文献２の図３に説明されているＢ加減速が不可欠であったが、最終経路はＢ加減速に起因した経路誤差を発生させていた。この経路誤差は、内回り誤差と呼ばれ、時定数と呼ばれる機械定数の２乗と速度の２乗とにほぼ比例する値となる特徴を持っているとされている。この時定数は、許容加速度に対応する機械パラメータであり、許容加速度が大であれば小さく、許容加速度が小であれば大きい値が設定される。すなわち、大型の工作機械では、許容加速度は相対的に小さいので、時定数を大きく設定する。機械の加減速を滑らかにするために前記Ｂ加減速を使用すると前記経路誤差、すなわち内回り誤差を発生させ、これを許容値内に抑えるために速度を落とさなければならなかった。特許文献２では、円弧補間を例として、前記Ｂ加減速を不要とする技術を開示している。ところが、この方式は、円弧のようにもともと滑らかな曲線の場合には有効であるが、一般的によく使われる短い直線指令ブロックの集まりで工具の移動軌跡を記述しているＮＣプログラムに対しては必ずしも有効ではない。なぜなら、短い直線ブロックの場合、各ブロックの境界において工具パスが折れていることに起因して特許文献２に記載されている第一次補間の結果が、元々の折れ線上にランダムに作成されているため、その後、多項式で滑らかに補間しようとしても出来ない。また、他の方法として、ナノスムージングという工具パスを滑らかな曲線に変更する方法が提案されているが、このナノスムージングでは、工具パスを滑らかに変更できる条件が限定されており、例えば、工具パスの進行方向ベクトルの向きがある角度より大きく変わる点間においては曲線に変換されない。そのため、一般的によく使われる、短い直線ブロックの集まりのＮＣプログラムを元に制御する場合には、前記Ｂ加減速を使用せざるを得ない。前記Ｂ加減速を使えば、円弧補間のような滑らかな移動において前記内回り誤差が発生してしまう。従って、メカ的にはもっと速く動かせる時でも、前記内回り誤差を許容値内に収めるためには、減速しなければならない。その結果、どのような工具パスに対しても有効で、かつ、このような減速をすることのない加減速制御が求められている。そして、その加減速制御が、あらゆる工作機械に共通に利用出来れば理想的である。

　また、駆動軸の構成として、互いに平行な２つの駆動軸を有し、可動域を広げる工作機械も実存する。例えば、図１に示すような、駆動軸Ｚに平行な駆動軸Ｗを有する工作機械では、上下方向の可動域が広がり、より嵩のある加工物を加工できる。しかしながら、この駆動軸Ｚと駆動軸Ｗとを同時に使う場合には、他の機能との併用、例えば、工具径補正や円弧補間との併用はできないというように、様々な制限がある。このような工作機械において、駆動軸Ｚと駆動軸Ｗとの使用を適切に振り分けることができるとともに、他の機能との併用においても何の制約もない数値制御装置が求められている。
特開２００３－１９５９１７号公報特開平１１－１４９３０６号公報特開２００５－５６１７１号公報特開２００１－９２５０８号公報

　本発明の目的は、上述の課題を解決した数値制御装置を提供することである。

　上記目的を達成するために、この発明の数値制御装置は、工具を装着する主軸と、前記主軸を固定して保持する主軸ヘッドと、加工対象物を固定設置する機械テーブルと、前記主軸ヘッドと前記機械テーブルの回転姿勢を含む相対位置関係を制御する複数の駆動軸と、該駆動軸を駆動させるモータとを少なくとも有し、前記機械テーブル上に座標軸の向きと原点の位置とが固定された段取り基準座標系が設定された工作機械を制御する数値制御装置であって、準備部と第１制御部と第２制御部と第３制御部とを有し、前記準備部は、細分化されたサブ手段として少なくともＮＣプログラム管理部と段取り情報管理部と工具情報管理部とを有し、前記ＮＣプログラム管理部は、前記加工対象物に固定されたプログラム座標系上の工具の姿勢を含む位置である工具位置の軌跡と、その送り速度を指令する工具送り速度指令からなる工具パスと、必要に応じての工具パス修正命令とが記述されたＮＣプログラムを準備情報メモリー部に記憶させるものであり、前記段取り情報管理部は、前記機械テーブルへの前記加工対象物の姿勢を含む設置位置として、前記プログラム座標系の原点座標と座標軸余弦の向きを示す姿勢角度とからなり、かつ、前記段取り基準座標系上での位置情報である段取り情報を、前記準備情報メモリー部へ記憶させるものであり、前記工具情報管理部は、使用する工具の形状や該工具の長さや工具半径の補正量の寸法情報を含む工具情報を前記準備情報メモリー部へ記憶させるものであり、前記第１制御部は、細分化されたサブ手段としてＮＣプログラム読み取り部と工具パス修正部とを有し、前記ＮＣプログラム読み取り部は、前記ＮＣプログラムに記述された前記工具パスと前記工具パス修正命令とを読み取ってパス演算メモリー部に記憶させるものであり、前記工具パス修正部は、前記工具パス修正命令に従って前記工具パスを修正するものであり、前記第２制御部は、前記段取り情報と前記工具情報とに基づいて前記駆動軸の構成の特徴を配慮して前記工具パスから全駆動軸の位置座標である駆動軸座標の軌跡に相当する駆動軸パスを求めるとともに、その求めた駆動軸パスを前記パス演算メモリー部に記憶させるものであり、前記第３制御部は、前記駆動軸パスから各補間周期ごとの各駆動軸の移動量を求めて前記モータに出力するものであり、さらに、前記準備部は、細分化されたサブ手段として駆動軸構成管理部を有し、前記駆動軸構成管理部は、前記主軸の回転姿勢を含む位置を前記段取り基準座標系上で表した位置情報である主軸位置と前記駆動軸座標との相関関係を示す関係式であって、前記駆動軸の構成によって決まる逆運動学関係式に基づく前記主軸位置を前記駆動軸座標に変換する主軸駆動軸変換関数を機械情報メモリー部に記憶させるものであり、前記第２制御部は、細分化されたサブ手段として主軸パス算出部と駆動軸パス算出部とを有し、前記主軸パス算出部は、前記駆動軸の構成とは無関係に、前記段取り情報と前記工具情報とに基づいて、前記工具パスを前記主軸位置の軌跡である主軸パスに変換して前記パス演算メモリー部に記憶させるものであり、前記駆動軸パス算出部は、前記主軸駆動軸変換関数を使用して前記主軸パスを前記駆動軸パスに変換して前記パス演算メモリー部に記憶させるものである。

本発明が適用される工作機械の一例としての５軸工作機械の全体を示す斜視図である。本発明が適用可能な機械構造の工作機械１Ａを概略図で例示したものである。本発明が適用可能な機械構造の工作機械１Ｂを概略図で例示したものである。本発明が適用可能な機械構造の工作機械１Ｃを概略図で例示したものである。工具位置と主軸位置との関係を説明するための図であって、エンドミルを例示した概念図である。工具位置と主軸位置との関係を説明するための図であって、アングル工具を例示した概念図である。段取り工具変換の行程を示すブロック図である。段取り工具変換のイメージ図である。逆運動学関係式を示すブロック図である。逆運動学関係式のイメージ図である。工作機械１Ｄを示す図である。工作機械１Ｅを示す図である。図１２の工作機械１Ｅの一実施形態を示す構成図である。本発明に適用される数値制御装置の一実施形態を示すブロック図である。数値制御プロセスの流れの一実施形態を示すフローチャートである。工具パスp^(s)の一例を示す図である。駆動軸ｘに対する駆動軸ｙの指令ブロックごとの指令値を示す図である。駆動軸ｙにおける補間された滑らかブロック曲線を示す図である。駆動軸ｙにおける補間された滑らかブロック曲線の工具パス積算長ｓによる一次微分を示す図である。始点と終点のいずれにおいても隣接ブロックから工具パス積算長ｓによる一次微分、二次微分を連続変化させる滑らかブロック曲線として、工具パス積算長ｓの３次多項式曲線を、その接続点にて工具パス積算長ｓによる一次微分と二次微分とが連続変化するように連結した曲線を示す図である。滑らかコーナー曲線のイメージ図であって、不連続点を破線で示すように滑らか補間した図である。滑らかコーナー曲線のイメージ図であって、一次微分（破線）を示す図である。滑らかコーナー曲線のイメージ図であって、二次微分（破線）を示す図である。滑らかコーナー曲線のイメージ図であって、三次微分（破線）を示す図である。３つの工具パス積算長ｓの３次多項式曲線を、接続点にて工具パス積算長ｓによる一次微分と二次微分とが連続変化するように連結して得られる曲線を示す図である。

　以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

　図１は、本発明が適用される工作機械の一例としての５軸工作機械の全体を示す斜視図である。この図１において、工作機械１は、加工対象物としてのワークを保持する機械テーブル２を有する。機械テーブル２は、長手方向に前後に配設され、駆動軸Ｘの方向（水平な前後方向）に移動自在に構成されている。機械テーブル２の途中両側には、図略のボールねじ部を有する一対の支柱３，３がそれぞれ立設されており、この支柱３，３の上端部に梁部４が掛け渡されている。梁部４内には駆動源としてのモータＭＯ（図１４参照）が配設されており、このモータＭＯにより、左右の支柱３，３の前記ボールねじ部を図略の傘歯車等を介して同期させて回転駆動させる構成となっている。支柱３，３の前記ボールねじ部には、クロスレール５の両側部がそれぞれ螺合することによりその支柱３，３の前記ボールねじ部にクロスレール５が掛け渡されている。これにより、クロスレール５は、支柱３，３の前記ボールねじ部に沿って鉛直のＷ軸方向に移動自在となっている。

　そして、クロスレール５には、ヘッド部材６が左右方向であるＹ軸方向に沿って移動自在に支持されている。このヘッド部材６は、鉛直方向に長尺を有している。また、ヘッド部材６は、クロスレール５においてＺ軸方向、すなわち上下方向に出退自在に設けられている。ヘッド部材６の下部には、内部に主軸ヘッド９を備える側面加工用のアタッチメント部材８などが装着されている。主軸ヘッド９には、ドリルなどの工具類が水平方向に装着可能な主軸９１が設けられている。主軸９１は、主軸ヘッド９に対して、少なくとも１軸の水平軸周りに回動可能にされている。ドリルなどの工具類には、ヘッド部材６からの回転駆動力が主軸９１を介して伝達される。機械テーブル２、クロスレール５及びヘッド部材６による４軸制御の駆動機構は、例えばモータＭＯおよびボールねじなどによって構成することができる。

　また、機械テーブル２の近傍には、制御ボックス１０が配設されている。この制御ボックス１０は、テーブル１、クロスレール５及びヘッド部材６の各軸を駆動するそれぞれのモータＭＯ（図１４参照）を、オペレータによって入力されるプログラムに従って駆動制御するものである。

　図２～図４は、本発明が適用可能な種々の機械構造の工作機械を概略図で例示したものであり、図２は工作機械１Ａを、図３は工作機械１Ｂを、図４は工作機械１Ｃをそれぞれ示している。図１１は工作機械１Ｄを示し、図１２は工作機械１Ｅを示している。なお、図１１に示す工作機械１Ｄは、図２の工作機械１ＡにＷ軸を付加したものであり、図１２に示す工作機械１Ｅは、図４の工作機械１ＣにＵ軸を付加したものである。図１３は、図１２の工作機械１Ｅの一実施形態を示す構成図である。

　図２～図４、図１１～図１３に示すように、いずれの工作機械も、機械テーブル２と、主軸ヘッド９とを有している。また、図２、図３、図１１に示す工作機械は、機械テーブル２と主軸ヘッド９との回転姿勢を含むそれら機械テーブル２と主軸ヘッド９との相対位置関係を変化させるための駆動軸Ａと、駆動軸Ａを動かすモータＭＯ等の駆動源とを有している。なお、主軸ヘッド９には、図１の工作機械１と同様に、工具が装着される主軸９１が固定設置されている。

　工作機械１Ａは、図２に示すように、Ａ、Ｂ、Ｘ、Ｙ、Ｚの５つの駆動軸を持つとともに、その各軸に対応して駆動源を有している。駆動軸Ｘ，Ｙ、Ｚは、それぞれが互いに直交している。なお、工作機械１Ａは、厳密に言えば駆動軸Ａと駆動軸Ｂとの親子関係の如何によっては異なる構成として区分すべき場合があるが、ここでは、説明に支障がないので特に分けることはしていない。工作機械１Ｂは、図３に示すようにＡ、Ｃ、Ｘ、Ｙ、Ｚの５つの駆動軸を持っている。駆動軸Ｃは、機械テーブル２を回転させる駆動軸である。駆動軸Ｘ、Ｙ、Ｚはそれぞれが互いに直交している。工作機械１Ｃは、パラレルメカニズムを有するものであり、図４に示すように、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４、Ｘ５、Ｘ６の６つの駆動軸を有する。また、工作機械１Ｄは、図１１に示すように、Ａ、Ｂ、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｗの６つの駆動軸を持ち、このうち、駆動軸Ｚ、Ｗは互いに平行である。工作機械１Ｅは、図１２に示すように、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４、Ｘ５、Ｘ６、Ｕの７つの駆動軸を有する。

　各工作機械には、原点と回転方向の姿勢とを機械テーブル２上に固定する段取り基準座標系２０が右手直交座標系として確立されている。この段取り基準座標系２０は、構造的な基準からの位置及び姿勢が規定可能な位置に設定されている。なお、段取り基準座標系２０は、機械テーブル２上に一旦確立された後は、原則的には変更されないものであって、例えば、次のように規定されている。工作機械１Ａでは、駆動軸Ｘ、Ｙ、Ｚにそれぞれ平行な座標軸を有する段取り基準座標系２０が確立される。工作機械１Ｂでは、駆動軸Ｃの座標がゼロの時に駆動軸Ｘ、Ｙ、Ｚにそれぞれ平行な座標軸を有し、かつ、駆動軸Ｃの回転中心線と機械テーブル２との交点を原点とする段取り基準座標系２０が確立される。工作機械１Ｃでは、直交座標系を構成する駆動軸そのものがないので、機械テーブル２上の適当な所定位置に段取り座標系２０が確立される。図１１、図１２の工作機械１Ｄ，１Ｅも同様に機械テーブル２上の所定位置に段取り基準座標系２０が設定される。詳細は後述する。

　図５及び図６は、工具位置と主軸位置との関係を説明するための図であり、図５はエンドミルを例示した場合、図６はアングル工具を例示した場合の概念図である。より詳細には、図５及び図６は、プログラム座標系上での工具の位置が決まったときにおいて、その工具の位置と、その工具を装着している前記主軸の主軸位置との関係を示す図である。なお、主軸位置は、前記主軸の段取り基準座標系２０上の姿勢を含む位置を意味する。

　工具１１の位置は、機械テーブル２上の加工対象物Ｗ（図８、図１０参照）に対する工具１１の姿勢を含む相対的な位置である。この工具１１の位置は、加工対象物Ｗに固定された右手直交座標系であるプログラム座標系３０上での工具１１の基準点１１１の座標値(ｘ，ｙ，ｚ)と工具１１の姿勢を示すオイラー角(α，β，γ)とによって表現される。α、βは、工具１１の傾きを示し、γは、工具１１の中心線周りの回転方向の角度を示す。なお、プログラム座標系３０は、１つの加工対象物上に複数設けてもよいが、ここでは、加工対象物Ｗに対して１つのプログラム座標系を設けた場合について説明する。また、工具１１の基準点１１１とは、一般的には、工具１１の中心線上に位置する工具先端に相当する。なお、オイラー角γは、工作機械１Ａ～１Ｅにおいては、γ＝０に固定して、制御対象外としている。以後、工具１１の位置をp^と記す。

　なお、以下において、明細書中で上付添え字「^」が付された文字、及び、図面中で太字によって表記された文字は、ベクトルを表すものとする。

　加工を開始する前に、加工対象物Ｗが機械テーブル２に固定設置され、その設置位置が段取り情報D^として取得されて記憶され、次いで、主軸９１に工具１１が装着されてその工具１１に関わる情報が工具情報T^として記憶される。段取り情報D^は、段取り基準座標系２０に対するプログラム座標系３０の回転姿勢も含む位置情報として記憶されるものである。工具情報T^は、例えば、図５、図６のようなエンドミル工具やアングル工具を示す工具の種類と各工具の形状を決定する寸法とを少なくとも含むデータによって構成されている。

　一方、主軸９１の位置q^は、基準点９１１の段取り基準座標系２０上の座標値(Ｘ,Ｙ,Ｚ)と、段取り座標系２０上での主軸９１の姿勢を示すオイラー角(α’,β’,γ’)とによって表される。

　このようにすれば、図７及び図８に示すように、工具位置p^と主軸位置q^との相関関係は、段取り情報D^と工具情報T^とによって決定され、機械の構造には影響されない。ここで、工具位置p^から主軸位置q^への変換関数を段取り工具変換f^として表し、次式（１）で表現する。

　図７及び図８は、この段取り工具変換を説明するための図であり、図７は段取り工具変換の行程を示す図、図８はその段取り工具変換のイメージ図である。これらの図によれば、段取り工具変換f^は、工作機械１Ａ～１Ｅの構造に依存せず、種々の工作機械において共通なものとすることができることが分かる。

　逆に、図９及び図１０に示すように、主軸位置q^と該主軸位置q^に対応する各駆動軸の位置を示す駆動軸座標r^との相関関係は、各工作機械の駆動軸の構成に応じた逆運動学関係式とその機構パラメータk^とによって決定され、前記段取り情報D^、前記工具情報T^とは無関係である。図９及び図１０は、逆運動学関係式を説明するための図であり、図９は逆運動学関係式を示す図、図１０はその逆運動関係式のイメージ図である。ここで、主軸位置q^から駆動軸座標r^への変換関数である主軸駆動軸変換をg^で表し、逆運動学関係式を次式（２）で表す。

　なお、工作機械１Ｄの場合には、図１１に示すように、冗長度拘束条件追加部３１２（図１４参照）において、式（２）に冗長度拘束条件として、例えば、駆動軸Ｚと駆動軸Ｗとを均等配分して動作させる条件を補強追加し、主軸位置q^に対する前記駆動軸座標r^が１つとなるようにした逆運動学関係式として式（２）をあらためて規定すればよい。

　工作機械１Ｅについても、図１２、図１３に示すように、同様である。ここで、図１２、図１３に示すパラレルメカニズムを有する工作機械１Ｅの構成について簡単に説明する。パラレルメカニズムを有する工作機械１Ｅは、駆動軸Ｕ方向に移動自在な図略の架台上に支持されたベース６０上に６個のジョイント（結合部）１９１１～１９１６を有している。そして、このジョイント１９１１～１９１６にはそれぞれ１本ずつ、計６本のストラット（駆動軸）１９２１～１９２６が接続されている。このストラット１９２１～１９２６が数値制御装置の制御に基づいて独立して伸縮することにより、ジョイント１９３１～１９３６を介してエンドエフェクタ１９４を間接的に動かし、機械テーブル２上の加工対象物Ｗに加工等の処理を行う。つまり、エンドエフェクタ１９４は、ベース６０上のジョイント１９１１～１９１６と、複数のストラット１９２１～１９２６と、エンドエフェクタ１９４のジョイント１９３１～１９３６とによって構成されるパラレルリンク機構を介してベース６０に保持されている。エンドエフェクタ１９４の先端には、工具１１が取り付けられている。そして、ストラット１９２１～１９２６の伸縮量を制御することによって、工具１１の位置、姿勢が適宜に設定されるようになっている。

　本実施形態では、工作機械１Ａ～１Ｅの全てにおいて駆動軸構成に関わる部分を式（２）に封じ込め、これに関わるソフトウェアとして、主軸位置q^を駆動軸座標r^に変換する主軸駆動軸変換関数g^と、式（２）を主軸位置q^の各成分で一次、二次、三次偏微分した値をそれぞれ求める駆動軸偏微分値取得関数とを各工作機械に応じた関数として工作機械ごとに作成する。そして、その作成した工作機械ごとの関数を記憶部に登録しておき、必要時にその関数を呼び出すことによって、該関数を除くソフトウェアの全てを工作機械１Ａ～１Ｅに対して共通とする。以下、本実施形態における数値制御装置の構成と数値制御プロセスとについて説明する。

　図１４は、本発明に適用される数値制御装置の一実施形態を示すブロック図である。数値制御部３００は、例えばマイクロコンピュータによって構成され、準備部３１０と、第１制御部３２０と、第２制御部３３０と、第３制御部３４０とを備えると共に、機械情報メモリー部３５０と、準備情報メモリー部３６０と、パス演算メモリー部３７０とに接続されている。準備部３１０は、駆動軸構成管理部３１１と、冗長度拘束条件追加部３１２と、送り制御条件管理部３１３と、ＮＣプログラム管理部３１４と、段取り情報管理部３１５と、工具情報管理部３１６とを有する。第１制御部３２０は、ＮＣプログラム読み取り部３２１と、工具パス媒介変数表現部３２２と、工具パス修正部３２３とを有する。第２制御部３３０は、主軸パス算出部３３１と、駆動軸パス算出部３３２とを有する。第３制御部３４０は、加減速補間制御部３４１と、パルス補間部３４６とを有する。加減速補間制御部３４１は、ブロック滑らか補間部３４２と、コーナー滑らか補間部３４３と、送り制御条件転換部３４４と、媒介変数加減速決定部３４５とを有する。

　図１５は、数値制御プロセスの流れの一実施形態を示すフローチャートである。以下、図１０に沿って、本実施形態における数値制御プロセスの流れを説明する。なお、実際の数値制御プロセスにおいては、ＮＣプログラムの量が多い時には、メモリー部の容量に応じて、ＮＣプログラムを途中まで読み取って図略のＲＡＭに一時的に格納し、その読み取ったＮＣプログラムの前半を処理した上でＮＣプログラムの残りの部分を順次読み取るという繰り返し処理を行うが、説明の簡略化のため繰り返し部分の説明は省略する。

　本実施形態の数値制御プロセスでは、ステップＳ１００～Ｓ１２０において、準備部３１０が機能する。先ず、ステップＳ１００にて、駆動軸構成管理部３１１が、逆運動学関係式に基づいて作成された主軸駆動軸変換関数g^と駆動軸偏微分値取得関数の入力を受け付けてそれら関数を機械情報メモリー部３５０へ登録し、該当する工作機械に対応する主軸駆動軸変換関数g^と駆動軸偏微分値取得関数との利用を有効にする。ステップＳ１０５にて、送り制御条件管理部３１３が、各駆動軸毎の最大許容速度、最大許容加速度、最大許容ジャークを含む駆動軸加減速条件を機械情報メモリー部３５０へ登録する。ステップＳ１１０にて、ＮＣプログラム管理部３１４が、工具位置の軌跡及び工具の送り速度指令からなる工具パスと、この工具パスを修正する命令である工具パス修正命令とからなるＮＣプログラムの入力を受け付け、このＮＣプログラムを準備情報メモリー部３６０へ登録する。ステップＳ１１５にて、工具情報管理部３１６が、主軸９１に取り付けられた工具１１の工具情報T^の入力を受け付け、その工具情報T^を準備情報メモリー部３６０へ登録する。ステップＳ１２０にて、段取り情報管理部３１５が、機械テーブル２に設置した加工対象物の段取り情報D^の入力を受け付け、段取り情報D^を準備情報メモリー部３６０に登録する。

　次いで、ステップＳ１２５～１４０において、第１制御部３２０が機能する。先ず、ステップＳ１２５にて、ＮＣプログラム読み取り部３２１が、準備情報メモリー部３６０に登録されているＮＣプログラム３６１を読み取り、このＮＣプログラム３６１に記述されている工具パスと工具パス修正命令とを抽出してパス演算メモリー部３７０へ記憶させる。ステップＳ１３０にて、工具パス修正部３２３が、工具パス修正命令に従って工具パスを修正する。ステップＳ１３５にて、工具パス媒介変数表現部３２２が、工具パスp^を、該工具パスp^の軌跡に沿った移動距離である工具パス積算長sを媒介変数とする関数表現に変換する。以降、前記関数表現に変換した工具パスをp^ (s)と表現する。図１６に、その工具パスp^ (s)の例を示す。例えば、工具パスが図１６に示すように、始点（５０，１５０）から（５０，５０）、（１５０，５０）、（２１０，１１０）を通る場合に、p^ (s)は、

　となる。

　また、ステップＳ１４０にて、工具パス媒介変数表現部３２２が、工具パスに含まれる送り速度指令を工具パス積算長ｓの送り速度指令に変換する。

　なお、従来技術では、ＣＡＭによってＣＬデータ（cutter location data）、すなわち工具パスデータを作成し、かつこのＣＬデータをＣＡＭから受け取ったポストプロセッサにおいて各工作機械に適合したＮＣ（numerical control）プログラムに変換していたが、本実施形態によれば、ＣＡＭが出力するＣＬデータをＮＣプログラムとして受け付けるＮＣプログラム読み取り部３２１を設けることにより、従来のポストプロセッサを不要にできる。

　次いで、ステップＳ１４５～１５０において、第２制御部３３０が機能する。先ず、ステップＳ１４５にて、主軸パス算出部３３１が、段取り情報D^と工具情報T^に基づく段取り工具変換f^を使って、パス演算メモリー部３７０に登録されている工具パスp^ (s)を、主軸位置の軌跡の工具パス積算長ｓを媒介変数とする関数表現である主軸パスq^
(s)に変換する。なお、主軸パスq^ (s)の送り速度指令は、工具パス積算長ｓの送り速度指令がそのまま流用される。すなわち、式（１）を、次の式（３）で表現する。

　ステップＳ１５０にて、駆動軸パス算出部３３２が、主軸駆動軸変換関数g^を用いて、主軸パスq^ (s)から、駆動軸座標の軌跡である駆動軸パスr^ (s)を求める。なお、駆動軸パスr^ (s)の送り速度指令は、工具パス積算長ｓの送り速度指令がそのまま流用される。すなわち、式（２）を、次の式（４）で表現する。

　次いで、ステップＳ１５５～１７５において、第３制御部３４０が機能する。先ず、ステップＳ１５５にて、ブロック滑らか補間部３４２は、各駆動軸ごとの駆動軸パスに対して予め設定された長さの各指令ブロック毎に、その各指令ブロックの始点、終点のいずれか一方または両方において工具パス積算長ｓによる一次微分値と二次微分値とを連続変化するように接続すべきか否かを判断し、接続すべきと判断した場合には、隣接ブロックから連続変化させるための始点及び終点の少なくとも一方における工具パス積算長ｓによる一次微分値、二次微分値を先に決めた上で、該一次微分値、二次微分値に一致する補間曲線に相当する滑らかブロック曲線に駆動軸パスを変更する駆動軸パスの修正を実施する。図１７～図１９に、工作機械１Ａ～工作機械１Ｄでの駆動軸Ｙにおける修正後の駆動軸パスのイメージ図を示す。また、本実施形態では、図２０に示すように、始点と終点のいずれにおいても隣接ブロックから工具パス積算長ｓによる一次微分値、二次微分値を連続変化させる滑らかブロック曲線として、各駆動軸ごとに、３つの工具パス積算長ｓの３次多項式曲線を、それらの接続点にて工具パス積算長ｓによる一次微分値と二次微分値とが連続変化するように連結させた曲線を使用する。

　図１７は駆動軸ｘに対する駆動軸ｙの指令ブロックごとの指令値を示す図、図１８は駆動軸ｙにおける補間された滑らかブロック曲線を示す図、図１９は駆動軸ｙにおける補間された滑らかブロック曲線の工具パス積算長ｓによる一次微分を示す図である。図２０は、始点と終点のいずれにおいても隣接ブロックから工具パス積算長ｓによる一次微分値、二次微分値を連続変化させる滑らかブロック曲線として、工具パス積算長ｓの３次多項式曲線を、それらの接続点にて工具パス積算長ｓによる一次微分値と二次微分値とが連続変化するように連結した曲線を示す図である。図２０における曲線補間条件は、各指令点を通ることと、各指令点においてその前後の曲線が一次微分値、二次微分値において連続であることである。そして、例えば、指令値が、s0＝s[3]、s3＝s[4]、s1＝(２・s0＋s3)／３、s2＝(s0＋２・s3)／３であるとして、（s[3]，Ｙ(s[3])）と（s[4] ，Ｙ(s[4])）との間の補間は、Ｙ(s0)，Ｙ′(s0)，Ｙ″(s0)，Ｙ(s3)，Ｙ′(s3)，Ｙ″(s3)を拘束条件として、これを満たす（s0，Ｙ(s0)）、（s3，Ｙ(s3)）間の一次微分値、二次微分値が連続する空間曲線を、３つの３次多項式曲線として生成する。すなわち、求める３次多項式曲線を、

とし、拘束条件を当てはめることで、次の連立方程式を得る。

　３つの３次スプラインの係数を各４つ、合計１２個の係数を未知数としてこの連立方程式を解くことにより、Ｙ=Ｙ１(s),Ｙ=Ｙ２(s),Ｙ=Ｙ３(s)を得ることができることが判る。

　次に、ステップＳ１６０にて、コーナー滑らか補間部３４３は、駆動軸パスの各指令ブロックの終点において、ブロック滑らか補間部３４２による補間処理後においても工具パス積算長ｓによる一次微分値もしくは二次微分値のいずれかが後続する指令ブロックの始点における対応する微分値と一致するかしないかを判断する。そして、コーナー滑らか補間部３４３は、その一次微分値もしくは二次微分値のいずれかが後続する指令ブロックの始点における対応する微分値と一致しないと判断した場合には、各駆動軸ごとに、駆動軸パスを滑らかコーナー曲線に変更する駆動軸パスの修正を実施する。滑らかコーナー曲線は、その一次微分値及び二次微分値が前記微分値の一致の適否を判断した現指令ブロックの一次微分値及び二次微分値と同じであるとともにその現指令ブロックと接し、かつ、その一次微分値及び二次微分値が後続する指令ブロックの一次微分値及び二次微分値と同じであるとともにその後続する指令ブロックと接し、さらに、現指令ブロックの終点との距離が駆動軸パス修正許容誤差以下となる曲線である。前記各駆動軸ごとの駆動軸パスの修正は、この滑らかコーナー曲線と現指令ブロックとの接点と、この滑らかコーナー曲線と前記後続する指令ブロックとの接点との間の駆動軸パスを当該滑らかコーナー曲線に置き換えるものである。図２１～図２４に、滑らかコーナー曲線のイメージ図を示す。また、本実施形態では、図２５に示すように、滑らかコーナー曲線として、各駆動軸ごとに、３つの工具パス積算長ｓの３次多項式曲線を、それらの接続点にて工具パス積算長ｓによる一次微分値と二次微分値とが連続変化するように連結した曲線を使用する。

　図２１～図２４は、滑らかコーナー曲線のイメージ図を示し、図２１は不連続点を破線で示すように滑らか補間した図、図２２は一次微分（破線）の図、図２３は二次微分（破線）の図、図２４は三次微分（破線）の図である。図２１に示すΔdはコーナー補間許容誤差であり、滑らか補間曲線は、このコーナー補間許容誤差Δdが予め設定された範囲内となるように求められる。図２５は、３つの工具パス積算長ｓの３次多項式曲線を、それらの接続点にて工具パス積算長ｓによる一次微分値と二次微分値とが連続変化するように連結して得られる滑らかコーナー曲線を示す図である。図２５において、不連続点（s[3]，Ｙ(s[3])）に対して、

　が成立する。

　ここで、s0,s1,s2,s3は、各接点におけるsの値であり、Ｙ=Ｙ(s)のコーナー前後の形状と許容誤差εから決めれば良い。例えば、

とすればよい。

　次に、ステップＳ１６５にて、送り制御条件転換部３４４が、駆動軸パスr^(s)に基づいて媒介変数加減速条件を主軸パスq^(s)と、機械情報メモリー部３５０に記憶されている駆動軸加減速条件３５４とから、次のようにして導き出す。なお、媒介変数加減速条件は、各駆動軸を駆動する時に満たすべき工具パス積算長ｓの制御条件であり、かつ、工具パス積算長ｓの各値における工具パス積算長ｓの時刻による一次微分s’、二次微分s”、三次微分s”’が満たすべき条件である。説明のため、駆動軸座標r^(s)と主軸位置q^(s)と逆運動学変換関数g^(q^(s),k^)とを次のように配列で表記する。

　ここで、ｎは駆動軸の数を示す。r[i]、g[i]、q[i]はそれぞれr^(s)、q^(s)、g^(q^,k^)の成分表示である。

　これを用いることで、前述の式（４）は、次式（５）で表せる。

　式（５）をもとに、r[i]の時間ｔによる一次、二次、三次微分、すなわち各駆動軸の速度、加速度、ジャークを以下の式（６）～（１１）のように式に展開する。表記を見やすくするため、略式記号を使う。
以下、
　r’[i] は、dr[i]/ds を、
　r”[i] は、d(dr[i]/ds)/dsを、
　r”’[i] は、d(d(dr[i]/ds)/ds)/dsを、
　q’[j] は、dq[j]/dsを、
　q”[j] は、d(dq[j]/ds)/dsを、
　q”’[j] は、d(d(dq[j]/ds)/ds)/dsを、
　s’ は、ds/dtを、
　s” は、d(ds/dt)/dtを、
　s”’ は、d(d(ds/dt)/dt)/dtを、
　δgij は、∂g[i]/∂q[j] を、
　δgijk は、∂(∂g[i]/∂q[j])/∂q[k] を、
　δgijkm は、∂(∂(∂g[i]/∂q[j])/∂q[k])/∂q[m] を、
　f[j]に対し,Σjは、Σj(f[j])= Σ(f[j]) (j=0,1,2,3,4) = f[0] + f[1]
+ f[2] + f[3] + f[4] を
それぞれ示すものである。

　駆動軸加減速条件は、式（９）の速度と式（１０）の加速度と式（１１）のジャークそれぞれの最大許容値を規定している。工具パス積算長ｓの各値におけるq[j],q’[j],q”[j],q”’[j]は、主軸パスによって決まる。また、前述の関係式に含まれるδgij、δgijk、δgijkmは、駆動軸座標偏微分値取得関数を使って求めればよい。かくして、式（６）、式（７）、式（８）から、工具パス積算長ｓの各値におけるr’[i]、r”[i]、r”’[i]が求まり、駆動軸加減速条件が規定する、式（９）の速度と式（１０）の加速度と式（１１）のジャークとが、それぞれの最大許容値MAＸv[i]、MAＸa[i]、MAＸj[i]を超えないという条件により、媒介変数加減速条件として次の式（１２）を得る。なお、媒介変数加減速条件は、工具パス積算長ｓの各値における工具パス積算長ｓの時刻による一次微分s’、二次微分s”、三次微分s”’がそれぞれ満たすべき条件である。

　ステップＳ１７０にて、媒介変数加減速決定部３４５が、媒介変数加減速条件と工具パス積算長ｓの送り速度指令とに基づいて、工具パス積算長ｓの時間ｔの関数としての媒介変数時間関数s(t)を確定する。

　ステップＳ１７５にて、パルス補間部３４６が、媒介変数時間関数s(t)に基づいて各補間周期時刻ごとの媒介変数時間関数s(t)の値と、前記駆動軸座標r^(s)の値とを求めるとともに、各補間周期ごとの各駆動軸座標の移動量を求め、その移動量を駆動源であるモータＭＯへ出力する。

　また、本発明は、以下の実施形態が採用可能である。
（１）前述の実施形態では、工具位置での工具の姿勢をオイラー角（α、β、０）によって指令したが、これに代えて工具軸ベクトルによって指令するものとしてもよい。あるいは、いずれかの工作機械の回転駆動軸の角度そのものによって指令するものとしてもよい。

（２）前述の実施形態では、工具の軸心周りの回転駆動軸を対象外としたが、工具の軸心周りの駆動軸も制御対象とすることもできる。その場合には、工具の軸心周りの駆動軸Ｅを追加する。前記工具位置pの姿勢は、（α、β、γ）で指令し、また前記主軸位置の姿勢も（α’、β’、γ’）で管理する。なお、γは必ずしも明示的に指令するとは限らない。例えば、工具パスの進行方向に垂直になるように工具パスの修正を自動実施する機能を組み込んでもよい。この機能は、前記工作機械１Ａ～１Ｅに対しても工具の軸心周りの駆動軸を追加さえすれば共通に利用出来る。

（３）前記工作機械１Ｄにおける駆動軸Ｗは、重量が大きなクロスレール５を上下させるため、その消費エネルギーは大きい。一方、主軸ヘッド９を載せているラム（ヘッド部材６）を上下させる駆動軸Ｚは、エネルギー消費は少ない。ただ、駆動軸Ｚはあまり下げすぎると、ラムの保持部から主軸ヘッド９までの距離が長くなるため、剛性が弱くなり、その結果、重切削時に振動するなどの虞があるため、重切削への適用が困難であるという欠点もある。つまり、重切削時には、出来るだけ駆動軸Ｚを引っ込めてラムの保持部から主軸ヘッド９までの距離を短くして加工を行い、軽切削の場合には、消費エネルギーの少ないＺ軸を使うことが好ましい。そして、前記冗長度拘束条件追加部３１２にて、ＮＣプログラムの冗長度拘束条件切り替え命令として、高剛性加工とエコ（軽）加工のいずれかを選択可能とする命令を準備し、ＮＣプログラム読み取り部３２１にて、前記冗長度拘束条件切り替え命令を読み取り、「高剛性加工」が指令されている場合には、前記冗長度拘束条件として、「可能な限りＺ軸を引っ込める」という条件を採用する一方、「エコ加工」が指令された場合には、前記冗長度拘束条件として、「可能な限りＷ軸を使わず駆動軸Ｚを使用する」という条件を採用することによって、高剛性加工や、エコ加工を自在に実現する。

（４）ＮＣプログラムに指令する工具位置は、工具１１の先端１１１の座標値(Ｘ,Ｙ,Ｚ)と工具１１の姿勢を表す（α,β,γ）としたが、このうち、（α,β）については、工具軸ベクトルであってもよい。これと同様に既に使用している工作機械用のＮＣプログラムをそのまま使いたいというユーザーに対応する為に、ＮＣプログラム読み取り部３２１にて、特定の形式のＮＣプログラムを読み取って前記工具パスに変換し、その変換した工具パスをパス演算メモリー部３７０に登録することにより、既設の従来型工作機械用のＮＣプログラムを、そのまま利用し得る実施形態を構築できる。

（５）前述の実施形態においては、送り速度制御の各駆動軸の条件を、最大許容速度、最大許容加速度、最大許容ジャークに限定するとともに、送り速度の決定において、前記ｓの時間による一次、二次、三次微分に言及し、一次、二次微分の連続変化を保証する送り速度加減速部について説明した。本発明は、さらに高次の制御を否定するものではなく、例えば、n次微分までをターゲットにし、駆動軸全ての位置を時刻で微分する速度、加速度、ジャーク、ジャーク変化率….のn-１次微分までの連続変化を保証することによって、さらなる高次元での送り速度制御の実現の道を開くものである。また、慣性をきわめて短時間に吸収する加減速制御の実現を可能にする。

　（実施形態の概要）
　上記実施形態をまとめると以下のようになる。

　すなわち、上記実施形態による数値制御装置は、工具を装着する主軸と、前記主軸を固定して保持する主軸ヘッドと、加工対象物を固定設置する機械テーブルと、前記主軸ヘッドと前記機械テーブルの回転姿勢を含む相対位置関係を制御する複数の駆動軸と、該駆動軸を駆動させるモータとを少なくとも有し、前記機械テーブル上に座標軸の向きと原点の位置とが固定された段取り基準座標系が設定された工作機械を制御する数値制御装置であって、準備部と第１制御部と第２制御部と第３制御部とを有し、前記準備部は、細分化されたサブ手段として少なくともＮＣプログラム管理部と段取り情報管理部と工具情報管理部とを有し、前記ＮＣプログラム管理部は、前記加工対象物に固定されたプログラム座標系上の工具の姿勢を含む位置である工具位置の軌跡と、その送り速度を指令する工具送り速度指令からなる工具パスと、必要に応じての工具パス修正命令とが記述されたＮＣプログラムを準備情報メモリー部に記憶させるものであり、前記段取り情報管理部は、前記機械テーブルへの前記加工対象物の姿勢を含む設置位置として、前記プログラム座標系の原点座標と座標軸余弦の向きを示す姿勢角度とからなり、かつ、前記段取り基準座標系上での位置情報である段取り情報を、前記準備情報メモリー部へ記憶させるものであり、前記工具情報管理部は、使用する工具の形状や該工具の長さや工具半径の補正量の寸法情報を含む工具情報を前記準備情報メモリー部へ記憶させるものであり、前記第１制御部は、細分化されたサブ手段としてＮＣプログラム読み取り部と工具パス修正部とを有し、前記ＮＣプログラム読み取り部は、前記ＮＣプログラムに記述された前記工具パスと前記工具パス修正命令とを読み取ってパス演算メモリー部に記憶させるものであり、前記工具パス修正部は、前記工具パス修正命令に従って前記工具パスを修正するものであり、前記第２制御部は、前記段取り情報と前記工具情報とに基づいて前記駆動軸の構成の特徴を配慮して前記工具パスから全駆動軸の位置座標である駆動軸座標の軌跡に相当する駆動軸パスを求めるとともに、その求めた駆動軸パスを前記パス演算メモリー部に記憶させるものであり、前記第３制御部は、前記駆動軸パスから各補間周期ごとの各駆動軸の移動量を求めて前記モータに出力するものであり、さらに、前記準備部は、細分化されたサブ手段として駆動軸構成管理部を有し、前記駆動軸構成管理部は、前記主軸の回転姿勢を含む位置を前記段取り基準座標系上で表した位置情報である主軸位置と前記駆動軸座標との相関関係を示す関係式であって、前記駆動軸の構成によって決まる逆運動学関係式に基づく前記主軸位置を前記駆動軸座標に変換する主軸駆動軸変換関数を機械情報メモリー部に記憶させるものであり、前記第２制御部は、細分化されたサブ手段として主軸パス算出部と駆動軸パス算出部とを有し、前記主軸パス算出部は、前記駆動軸の構成とは無関係に、前記段取り情報と前記工具情報とに基づいて、前記工具パスを前記主軸位置の軌跡である主軸パスに変換して前記パス演算メモリー部に記憶させるものであり、前記駆動軸パス算出部は、前記主軸駆動軸変換関数を使用して前記主軸パスを前記駆動軸パスに変換して前記パス演算メモリー部に記憶させるものである。

　この数値制御装置では、駆動軸の構成が影響する部分を、工具を装着する主軸の基準位置と駆動軸座標の相関関係式である逆運動学関係式のみとし、それら駆動軸の構成が影響する部分を、工具の形状と寸法や加工物の設置位置に関わる変換から完全に切り離した。その結果、主軸位置を求めるまでの工具径補正などの工具パスの修正、工具の形状や寸法に応じた座標変換、加工物の姿勢を含む設置位置に応じた座標変換などの工具パスに関わる機能の全てをあらゆる機械に対して共通にすることができる。一般的に工具長補正や、段取り誤差補正もあらゆる機械に共通な部分に含まれている。そして、使い方が共通なだけではなく、前記逆運動学関係式に関わる関数を駆動軸の構成ごとに作成しておくだけで、その他の全ての制御プロセスを全く同じソフトウェアであらゆる構造の機械に対応させることができる。すなわち、前記逆運動学関係式に関わる関数を除く全てを機械構造に関係なく一回だけ作成すればよく、その結果、従来のような、似て非なる物をその都度作成する必要がなくなるため、無駄な労力を浪費することを防止できる。また、新たな構造の機械に対しても、逆運動学関数を構築するとともに、これに関わる関数を作るのみでよく、駆動軸数、可動域、相互干渉などの物理的条件に支障がない限り前記ソフトウェアをそのまま使用可能となる。

　また、上記数値制御装置において、前記準備部は、細分化したサブ手段として、さらに、冗長度拘束条件追加部を有し、この冗長度拘束条件追加部は、前記工作機械が前記逆運動学関係式に基づいて前記主軸位置に対応する前記駆動軸座標を求める時にその解が無数にあるという冗長度を持つ駆動軸構成を有する場合において、前記逆運動学関数に加えることにより前記主軸位置に対応する前記駆動軸座標を１つに規定可能な追加条件である冗長度拘束条件を前記パス演算メモリー部に記憶させるものであり、前記主軸駆動軸変換関数は、前記パス演算メモリー部に記憶された前記冗長度拘束条件と前記逆運動学関数とを併せて使用することにより前記主軸位置に対応する１つの前記駆動軸座標を算出する関数であることが好ましい。

　このように構成すれば、例えば、平行な駆動軸を複数有するなどの冗長度を持つ駆動軸の構成を有する工作機械においても逆運動学関係式に条件を1つ補強するだけで、その他は全く共通で全機能をそのまま使用できる。さらに、この構成では、連続同時制御と工具径補正や円弧補間等の他機能との併用が自在な数値制御を提供できる。また、この構成によれば、平行軸を付加して可動域を広げた加工においても、従来技術では駆動軸の切り替え時に問題となっていた加工段差を発生させることのない上質の加工が可能になる。

　また、上記数値制御装置において、前記準備部は、さらに、細分化した制御手段として、送り制御条件管理部を含んで構成され、前記送り制御条件管理部は、各駆動軸座標を時間によりそれぞれ一次微分、二次微分、三次微分した各駆動軸の速度、加速度、ジャークのそれぞれの許容最大値を含む駆動軸加減速条件を記憶するものであり、前記第１制御部は、さらに、細分化されたサブ手段として工具パス媒介変数表現部を有し、前記工具パス媒介変数表現部は、前記工具パスに含まれる前記工具軌跡を該工具軌跡の姿勢変化を含む移動距離の積算長であるｓを媒介変数とする関数によって表現するとともに、前記工具送り速度指令を前記ｓの速度に変換して、前記工具パスを前記ｓを媒介変数とする関数として表現した工具パスに変更するものであり、前記主軸パス算出部は、前記ｓを媒介変数として関数表現した主軸パスを求めるものであり、前記駆動軸パス算出部は、前記ｓを媒介変数として関数表現した駆動軸パスを求めるものであり、前記第３制御部は、細分化されたサブ手段として加減速補間制御部とパルス補間部とを有し、前記加減速補間制御部は、前記工具送り速度指令と前記駆動軸加減速条件とに基づいて前記ｓの時々刻々の値を決定するものであり、前記パルス補間部は、決定された前記ｓの時々刻々の値に基づいて補間周期ごとの前記ｓの値を求めるとともに、この求めた補間周期ごとのｓの値に応じた駆動軸座標を求めて、その駆動軸座標から前記補間周期ごとの各駆動軸の移動量を算出し、その移動量を前記モータに出力するものであり、前記駆動軸構成管理部は、前記主軸駆動軸変換関数に加えて、前記逆運動学関係式に基づいて前記各駆動軸座標を前記主軸位置の各成分により一次、二次、三次偏微分した値を求める駆動軸偏微分値取得関数を前記機械情報メモリー部に記憶させ、さらに、各駆動軸ごとに、前記駆動軸パスの修正に許される位置誤差である駆動軸パス修正許容誤差を、前記準備情報メモリー部に記憶させるものであり、前記加減速補間制御部は、さらに細分化したサブ手段として、ブロック滑らか補間部とコーナー滑らか補間部と送り制御条件転換部と媒介変数加減速決定部とを有し、前記ブロック滑らか補間部は、各指令ブロックごと及び各駆動軸ごとに、始点、終点の少なくとも一方が隣接するブロックと滑らかに接続するかの適否を判断した上で、始点において滑らかに接続する場合には、その判断を行った現ブロックの始点と現ブロックの直前のブロックの終点とにおける共通で適切な前記ｓによる一次微分値と二次微分値とを求めて始点接続条件として規定する一方、終点において滑らかに接続する場合には、前記現ブロックの終点とその現ブロックの直後のブロックの始点とにおける共通で適切な前記ｓによる一次微分値と二次微分値とを求めて終点接続条件として規定し、さらに前記始点接続条件及び前記終点接続条件の少なくとも一方によって規定した一次微分値、二次微分値を持つ滑らかブロック曲線を求め、前記現ブロックを該滑らかブロック曲線に置き換える駆動軸パスの修正を実施するものであり、前記コーナー滑らか補間部は、前記ブロック滑らか補間部によって求められた、連続動作させるべき一連の駆動軸パスにおいて、前記駆動軸パスの各指令ブロックの終点と、その次の指令ブロックの始点とにおける前記ｓによる一次微分値と二次微分値がそれぞれ一致するかしないかを判断し、その一次微分値と二次微分値のいずれかが一致しない場合には、各駆動軸パスの前記ｓによる一次微分値、二次微分値の不連続変化部分をなくすべく、前記微分値の一致の適否を判断した指令ブロック及びそのブロックの次の指令ブロックの一次微分値及び二次微分値に一致する一次微分値及び二次微分値を有するとともに、元の駆動軸パスとの誤差が前記駆動軸パス修正許容誤差以下であり、かつ、一次微分値、二次微分値が連続変化する滑らかコーナー曲線を求めて、該滑らかコーナー曲線と前記微分値の一致の適否を判断した指令ブロックとの接点と該滑らかコーナー曲線と前記次の指令ブロックとの接点との間の駆動軸パスを該滑らかコーナー曲線に置き換える駆動軸パスの修正を実施するものであり、前記送り制御条件転換部は、前記主軸駆動軸変換関数と駆動軸偏微分値取得関数を使用して、前記駆動軸加減速条件を元に、駆動軸パスの各部分における前記ｓおよび前記ｓの速度、前記ｓの加速度、前記ｓのジャークの条件式である媒介変数加減速条件を導き、前記媒介変数加減速決定部は、前記媒介変数加減速条件と、前記ｓの送り速度指令の範囲内でかつ最高速とする条件とのもとにおいて、前記ｓの時間の関数表現である媒介変数時間関数s(t)を求めるものであり、前記パルス補間部は、前記媒介変数時間関数に基づいて各補間周期毎の各駆動軸移動量を算出して、その算出した駆動軸移動量をモータへ出力するものであることが好ましい。

　このように構成すれば、連続駆動する区間に対して、駆動軸パスを一次、二次微分連続の駆動軸パスに修正することによって加速度の連続変化を保証するとともに、加速度、ジャークの限界も配慮して補間周期毎の移動量を求め、その求めた補間周期毎の移動量をそのままモータに出力する一発補間方式を可能にできる。また、この構成では、さらなる加減速補間処理を必要とせず、余分な誤差を発生させないので、駆動軸の限界ぎりぎりでの加減速制御が可能となる。特に、自動車金型や航空機部品加工によく使われている短い直線補間命令に基づく曲面加工や、スプライン補間命令やＮＵＲＢＳ曲線命令に基づく加工においても、機械に優しい滑らかな加減速制御が実現できる。しかも、この構成では、ソフトウェアをあらゆる工作機械に対して共通なものとして１回作成するだけでよい。駆動軸の構成に依存する部分は、逆運動学関数に基づく主軸駆動軸変換関数と、駆動軸偏微分値取得関数だけであり、それら両関数は１回作成して記憶部に記憶させておけば、記憶部から呼び出すだけで共通に使用できる。

　この場合において、前記滑らかブロック曲線は、前記ブロックの始点と終点のいずれにおいても一次微分値、二次微分値を規定する場合には、３つの前記ｓの三次多項式によって表す曲線を一次微分値、二次微分値が連続変化するように連結したものであり、前記滑らかコーナー曲線は、３つの前記ｓの三次多項式によって表す曲線を一次微分値、二次微分値が連続変化するように連結した構成であることが好ましい。

Claims

　工具を装着する主軸と、前記主軸を固定して保持する主軸ヘッドと、加工対象物を固定設置する機械テーブルと、前記主軸ヘッドと前記機械テーブルの回転姿勢を含む相対位置関係を制御する複数の駆動軸と、該駆動軸を駆動させるモータとを少なくとも有し、前記機械テーブル上に座標軸の向きと原点の位置とが固定された段取り基準座標系が設定された工作機械を制御する数値制御装置であって、
　準備部と第１制御部と第２制御部と第３制御部とを有し、
　前記準備部は、細分化されたサブ手段として少なくともＮＣプログラム管理部と段取り情報管理部と工具情報管理部とを有し、
　前記ＮＣプログラム管理部は、前記加工対象物に固定されたプログラム座標系上の工具の姿勢を含む位置である工具位置の軌跡と、その送り速度を指令する工具送り速度指令からなる工具パスと、必要に応じての工具パス修正命令とが記述されたＮＣプログラムを準備情報メモリー部に記憶させるものであり、
　前記段取り情報管理部は、前記機械テーブルへの前記加工対象物の姿勢を含む設置位置として、前記プログラム座標系の原点座標と座標軸余弦の向きを示す姿勢角度とからなり、かつ、前記段取り基準座標系上での位置情報である段取り情報を、前記準備情報メモリー部へ記憶させるものであり、
　前記工具情報管理部は、使用する工具の形状や該工具の長さや工具半径の補正量の寸法情報を含む工具情報を前記準備情報メモリー部へ記憶させるものであり、
　前記第１制御部は、細分化されたサブ手段としてＮＣプログラム読み取り部と工具パス修正部とを有し、
　前記ＮＣプログラム読み取り部は、前記ＮＣプログラムに記述された前記工具パスと前記工具パス修正命令とを読み取ってパス演算メモリー部に記憶させるものであり、
　前記工具パス修正部は、前記工具パス修正命令に従って前記工具パスを修正するものであり、
　前記第２制御部は、前記段取り情報と前記工具情報とに基づいて前記駆動軸の構成の特徴を配慮して前記工具パスから全駆動軸の位置座標である駆動軸座標の軌跡に相当する駆動軸パスを求めるとともに、その求めた駆動軸パスを前記パス演算メモリー部に記憶させるものであり、
　前記第３制御部は、前記駆動軸パスから各補間周期ごとの各駆動軸の移動量を求めて前記モータに出力するものであり、
　さらに、前記準備部は、細分化されたサブ手段として駆動軸構成管理部を有し、
　前記駆動軸構成管理部は、前記主軸の回転姿勢を含む位置を前記段取り基準座標系上で表した位置情報である主軸位置と前記駆動軸座標との相関関係を示す関係式であって、前記駆動軸の構成によって決まる逆運動学関係式に基づく前記主軸位置を前記駆動軸座標に変換する主軸駆動軸変換関数を機械情報メモリー部に記憶させるものであり、
　前記第２制御部は、細分化されたサブ手段として主軸パス算出部と駆動軸パス算出部とを有し、
　前記主軸パス算出部は、前記駆動軸の構成とは無関係に、前記段取り情報と前記工具情報とに基づいて、前記工具パスを前記主軸位置の軌跡である主軸パスに変換して前記パス演算メモリー部に記憶させるものであり、
　前記駆動軸パス算出部は、前記主軸駆動軸変換関数を使用して前記主軸パスを前記駆動軸パスに変換して前記パス演算メモリー部に記憶させるものである、数値制御装置。
　請求項１に記載の数値制御装置において、
　前記準備部は、細分化したサブ手段として、さらに、冗長度拘束条件追加部を有し、
　この冗長度拘束条件追加部は、前記工作機械が前記逆運動学関係式に基づいて前記主軸位置に対応する前記駆動軸座標を求める時にその解が無数にあるという冗長度を持つ駆動軸構成を有する場合において、前記逆運動学関数に加えることにより前記主軸位置に対応する前記駆動軸座標を１つに規定可能な追加条件である冗長度拘束条件を前記パス演算メモリー部に記憶させるものであり、
　前記主軸駆動軸変換関数は、前記パス演算メモリー部に記憶された前記冗長度拘束条件と前記逆運動学関数とを併せて使用することにより前記主軸位置に対応する１つの前記駆動軸座標を算出する関数である。
　請求項１又は２に記載の数値制御装置において、
　前記準備部は、さらに、細分化した制御手段として、送り制御条件管理部を含んで構成され、
　前記送り制御条件管理部は、各駆動軸座標を時間によりそれぞれ一次微分、二次微分、三次微分した各駆動軸の速度、加速度、ジャークのそれぞれの許容最大値を含む駆動軸加減速条件を記憶するものであり、
　前記第１制御部は、さらに、細分化されたサブ手段として工具パス媒介変数表現部を有し、
　前記工具パス媒介変数表現部は、前記工具パスに含まれる前記工具軌跡を該工具軌跡の姿勢変化を含む移動距離の積算長であるｓを媒介変数とする関数によって表現するとともに、前記工具送り速度指令を前記ｓの速度に変換して、前記工具パスを前記ｓを媒介変数とする関数として表現した工具パスに変更するものであり、
　前記主軸パス算出部は、前記ｓを媒介変数として関数表現した主軸パスを求めるものであり、
　前記駆動軸パス算出部は、前記ｓを媒介変数として関数表現した駆動軸パスを求めるものであり、
　前記第３制御部は、細分化されたサブ手段として加減速補間制御部とパルス補間部とを有し、
　前記加減速補間制御部は、前記工具送り速度指令と前記駆動軸加減速条件とに基づいて前記ｓの時々刻々の値を決定するものであり、
　前記パルス補間部は、決定された前記ｓの時々刻々の値に基づいて補間周期ごとの前記ｓの値を求めるとともに、この求めた補間周期ごとのｓの値に応じた駆動軸座標を求めて、その駆動軸座標から前記補間周期ごとの各駆動軸の移動量を算出し、その移動量を前記モータに出力するものであり、
　前記駆動軸構成管理部は、前記主軸駆動軸変換関数に加えて、前記逆運動学関係式に基づいて前記各駆動軸座標を前記主軸位置の各成分により一次、二次、三次偏微分した値を求める駆動軸偏微分値取得関数を前記機械情報メモリー部に記憶させ、さらに、各駆動軸ごとに、前記駆動軸パスの修正に許される位置誤差である駆動軸パス修正許容誤差を、前記準備情報メモリー部に記憶させるものであり、
　前記加減速補間制御部は、さらに細分化したサブ手段として、ブロック滑らか補間部とコーナー滑らか補間部と送り制御条件転換部と媒介変数加減速決定部とを有し、
　前記ブロック滑らか補間部は、各指令ブロックごと及び各駆動軸ごとに、始点、終点の少なくとも一方が隣接するブロックと滑らかに接続するかの適否を判断した上で、始点において滑らかに接続する場合には、その判断を行った現ブロックの始点と現ブロックの直前のブロックの終点とにおける共通で適切な前記ｓによる一次微分値と二次微分値とを求めて始点接続条件として規定する一方、終点において滑らかに接続する場合には、前記現ブロックの終点とその現ブロックの直後のブロックの始点とにおける共通で適切な前記ｓによる一次微分値と二次微分値とを求めて終点接続条件として規定し、さらに前記始点接続条件及び前記終点接続条件の少なくとも一方によって規定した一次微分値、二次微分値を持つ滑らかブロック曲線を求め、前記現ブロックを該滑らかブロック曲線に置き換える駆動軸パスの修正を実施するものであり、
　前記コーナー滑らか補間部は、前記ブロック滑らか補間部によって求められた、連続動作させるべき一連の駆動軸パスにおいて、前記駆動軸パスの各指令ブロックの終点と、その次の指令ブロックの始点とにおける前記ｓによる一次微分値と二次微分値がそれぞれ一致するかしないかを判断し、その一次微分値と二次微分値のいずれかが一致しない場合には、各駆動軸パスの前記ｓによる一次微分値、二次微分値の不連続変化部分をなくすべく、前記微分値の一致の適否を判断した指令ブロック及びそのブロックの次の指令ブロックの一次微分値及び二次微分値に一致する一次微分値及び二次微分値を有するとともに、元の駆動軸パスとの誤差が前記駆動軸パス修正許容誤差以下であり、かつ、一次微分値、二次微分値が連続変化する滑らかコーナー曲線を求めて、該滑らかコーナー曲線と前記微分値の一致の適否を判断した指令ブロックとの接点と該滑らかコーナー曲線と前記次の指令ブロックとの接点との間の駆動軸パスを該滑らかコーナー曲線に置き換える駆動軸パスの修正を実施するものであり、
　前記送り制御条件転換部は、前記主軸駆動軸変換関数と駆動軸偏微分値取得関数を使用して、前記駆動軸加減速条件を元に、駆動軸パスの各部分における前記ｓおよび前記ｓの速度、前記ｓの加速度、前記ｓのジャークの条件式である媒介変数加減速条件を導き、
　前記媒介変数加減速決定部は、前記媒介変数加減速条件と、前記ｓの送り速度指令の範囲内でかつ最高速とする条件とのもとにおいて、前記ｓの時間の関数表現である媒介変数時間関数s(t)を求めるものであり、
　前記パルス補間部は、前記媒介変数時間関数に基づいて各補間周期毎の各駆動軸移動量を算出して、その算出した駆動軸移動量をモータへ出力するものである。
　請求項３に記載の数値制御装置において、
　前記滑らかブロック曲線は、前記ブロックの始点と終点のいずれにおいても一次微分値、二次微分値を規定する場合には、３つの前記ｓの三次多項式によって表す曲線を一次微分値、二次微分値が連続変化するように連結したものであり、
　前記滑らかコーナー曲線は、３つの前記ｓの三次多項式によって表す曲線を一次微分値、二次微分値が連続変化するように連結した構成である。