JP2640658B2 - 数値制御装置 - Google Patents

数値制御装置

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JP2640658B2
JP2640658B2 JP62258097A JP25809787A JP2640658B2 JP 2640658 B2 JP2640658 B2 JP 2640658B2 JP 62258097 A JP62258097 A JP 62258097A JP 25809787 A JP25809787 A JP 25809787A JP 2640658 B2 JP2640658 B2 JP 2640658B2
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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) 通常の加工プ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、指令された点列を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l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=
l/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≦l/Tp 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
を行ないかつ、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
ことを目的としている。
(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
の位置での接線ベクトルに直交し、かつ接続ベクトルと
その接線ベクトルの2階微分ベクトルとで作られる平面
上にある始点オフセットベクトル生成手段と、前記離散
的に与えられた指令位置の各位置において前記スプライ
ン曲線の該当する点の各位置での接線ベクトルに直交
し、かつ接線ベクトルとその接線ベクトルの2階微分ベ
クトルとで作られる平面上にある任意点オフセットベク
トル生成手段と、前記始点オフセットベクトルと任意点
オフセットベクトルと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を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
速度やパンチされている。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、P1,…Pnは、指令された点列、 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 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 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 と直交する。
2)接線ベクトル と2次微分ベクトル が作る平面上にある。
3)補助ベクトルKと同じ向きを持つ。
また、オフセットベクトル は次の条件を満たすものとする。
1)接線ベクトル と直交する。
2)接線ベクトル と2次微分ベクトル が作る平面上にある。
3)1つ前のベクトル と同じ向きを持つ。
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 が、パラメータをt、ベクトル係数をA,B,C,Dとすると
き、 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 の先端、即ち同図(b)の 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 と第1の分割点のベクトル 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。
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(mm/min)、パルス分
配(ITP)周期I(msec/1ITP)、1ITP当りの移動量f
(mm/1ITP)をもとにしてスプライン関数ベクトル 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 について考えるとき、中間の任意の位置ベクトル により示される点Ptでの微分係数 は、次の様になる(第3図(b)参照)。
いま、 とすると、速度を一定(F,f)に保つ為のΔtは により求める事ができる。
したがって、セグメント のスプライン曲線上の点は、 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 については、tn≧tmaxとなった時 tn=tmax とする(第3図(c)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|Pt′|は、次式で計算される。
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、 のように指令される。ここで、G06,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) と、2階微分ベクトル 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 は、1つ前のセグメントの終点での 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、 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、 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。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−262213(JP,A) 特開 昭62−106505(JP,A) 特開 昭55−138112(JP,A) 特開 昭57−125406(JP,A) 特開 昭50−61778(JP,A) 特開 昭60−29232(JP,A)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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の位置
    での接線ベクトルに直交し、かつ接続ベクトルとその接
    線ベクトルの2階微分ベクトルとで作られる平面上にあ
    る始点オフセットベクトル生成手段と、前記離散的に与
    えられた指令位置の各位置において前記スプライン曲線
    の該当する点の各位置での接線ベクトルに直交し、かつ
    接線ベクトルとその接線ベクトルの2階微分ベクトルと
    で作られる平面上にある任意点オフセットベクトル生成
    手段と、前記始点オフセットベクトルと任意点オフセッ
    トベクトルと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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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。
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