JP3511583B2

JP3511583B2 - 数値制御方法

Info

Publication number: JP3511583B2
Application number: JP22150299A
Authority: JP
Inventors: 智典佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-08-04
Filing date: 1999-08-04
Publication date: 2004-03-29
Anticipated expiration: 2019-08-04
Also published as: JP2001051708A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加工プログラムに
より指令される指令経路および指令送り速度に基づいて
工作機械の加工具の速度制御を行う数値制御方法に関
し、特に指令経路に誤差が含まれる場合においても加工
面に傷を生じることなく短時間に加工を行うことができ
る数値制御装置の方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】数値制御工作機械においては、入力され
る加工プログラムにより指令経路、送り速度を指定して
加工処理を行っている。図１６は加工プログラムによっ
て表された指令経路の一部分を拡大して表示したもので
ある。図１６において、実線は本来の経路、ａ〜ｃは、
本来の経路をそれぞれ微小な直線、微小な円弧によって
定義した場合の一区間を表す。本来の経路は数学的に容
易に解けない場合が多いので、微小な直線、円弧、スプ
ライン曲線、ＮＵＲＢＳ曲線の集合として定義される。

【０００３】このように定義された指令経路の一区間は
加工プログラムにブロック毎に記述されている。各ブロ
ックには、区間毎に近似された指令経路の他に、指令送
り速度等の加工に必要な情報が記述されており、加工プ
ログラムには数万のブロックが記述されている。数値制
御装置は、加工プログラムに記述されたブロック情報に
基づいて、指令経路を所定のサンプリング周期により補
間し、工作機械の加減速制御を行う。

【０００４】次に数値制御装置の動作について説明す
る。図１７は、一般的な数値制御装置の構成を示すブロ
ック図である。まず、プログラム読み込み部１が加工プ
ログラムを解釈し、内部データＤ_tとして読み込む。次
にブロック情報作成部２は、この内部データＤ_tに含ま
れるブロックごとのデータに基づいて、座標系処理、ブ
ロックの長さや接線ベクトル等の指令経路の補間に必要
なデータの計算、形状に応じた許容速度の計算等の前処
理を行ない、経路や指令送り速度に関するブロック情報
Ｂ_Dを作成する。加減速・補間部３は、このブロック情
報Ｂ_Dに基づいて加減速および補間を行ない、サーボ制
御部４に指令位置、指令速度ないしは指令電流等を送
る。

【０００５】上述のように加工プログラムには指令経路
や送り速度などの加工に必要なデータが記述されている
が、機械やサーボ系に追従遅れがあるので、加工具はこ
の指令経路上から外れて、軌跡誤差を生じたり、あるい
は機械振動を起こしたりする場合がある。こうした軌跡
誤差は、特に小径の円弧やコーナー部など大きく移動方
向が変わる箇所において顕著であり、経路上を移動する
送り速度が大きいほど、これら軌跡誤差や機械振動は大
きくなる。

【０００６】数値制御装置は、円弧やコーナー部のよう
に移動方向が急峻に変化する個所では減速することによ
りこれらの問題に対処している。円弧部やコーナー部で
の減速に関しては、円弧やコーナー部を構成するブロッ
クが隣接するブロックと成す角度に応じて送り速度を調
整する方法がある。特開平02-137006号公報によれば、
隣接するブロックが成す角度をθとした場合の送り速度
Ｆは以下の式によって与えられる。

【０００７】

【数１】

【０００８】式１においてａ_maxは許容加速度，ｋは精
度係数，δtはサンプリング周期である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】一般に、金型加工では
３次元モデルにより加工形状を設計し（ＣＡＤ工程）、
この３次元形状を加工するための加工プログラムを作成
する（ＣＡＭ工程）。しかし、ＣＡＭ工程において３次
元モデルから加工プログラムを作成する際、指令経路に
誤差が生じる。この指令経路誤差が加工に及ぼす影響を
以下に説明する。

【００１０】図１８（ａ）は、ある滑らかな加工面上に
隣接して位置する指令経路である。図１８（ａ）におい
て、Ａは本来の滑らかな曲線として出力された誤差を含
まない理想的な指令経路である。Ｂは指令経路にＳ字状
の指令経路誤差が生じた場合、またＣは段差状の指令経
路誤差が生じた場合である。

【０００１１】一般的に数値制御装置では隣接するブロ
ックの成す角度θに応じて加減速を行っている。こうし
たブロック間の成す角θによる加減速を行った場合の加
工具の軌跡をＡ’，Ｂ’，Ｃ’に示す。ブロック間の角
度が小さい指令経路Ａでは減速がほとんど生じないた
め、指令送り速度に応じた所定の軌跡誤差ε_Aを生じ
る。一方指令経路ＢではＳ字の部分で角度θが小さくな
るので指令経路Ａに比べてより大きく減速され、軌跡誤
差ε_Bは経路Ａよりもやや小さくなる。また指令経路Ｃ
では段差の部分でほとんど０まで減速されるため軌跡誤
差ε_Cはほとんど０になる。

【００１２】このように、指令経路誤差により減速が生
じることで機械軌跡Ｂ，Ｃは誤差を含んだ指令経路に近
づく。このため機械軌跡Ｂ，Ｃの部分だけ傷のように見
える結果となり、加工面の品位としても問題となる。こ
の場合、本来の経路は滑らかなので、指令経路Ｂ，Ｃは
Ａと同じ送り速度で加工しなければいけない。また指令
経路Ｂ，Ｃにおいては不必要に減速が生じているため、
加工時間が無駄に延びてしまう。

【００１３】図１８（ａ）のように指令経路に誤差が含
まれる場合、経路に含まれる誤差を取り除く方法（特開
平01-098001号公報、特開平10-240328号号公報）や、よ
り精密に円弧をあてはめる（特開平01-036308号公報）
こと等により、本来の経路を復元するような方法が提案
されている。しかし、これらの方法は、そもそも誤差を
含んだ経路から本来の経路を推定するといった方法であ
り、完全にもとの経路を復元することは不可能である。
金型加工では１個所でも加減速制御が不正であれば、そ
の加工面に傷がつくので製品品質としては不良となる。

【００１４】また、従来の別の方法として、特開昭58-3
5607号公報や特開平02-66604号公報に示されるような、
加工プログラムに指令された経路と送り速度から加工具
の軌跡を推定し、指令経路と予想軌跡間の軌跡誤差が許
容値以下となるように制御する方法がある。しかしこれ
ら軌跡誤差に基づく従来の方法も、指令経路に誤差が含
まれている場合、補正後の指令経路は指令経路に含まれ
る誤差の影響を直接受けることになる。

【００１５】図１８（ｂ）は誤差を含んだ指令経路とこ
れらの指令経路から予測した予測軌跡の一例である。図
において、Ａ”，Ｂ”，Ｃ”はそれぞれ指令経路Ａ，
Ｂ，Ｃに対応する予測軌跡である。滑らかな経路Ａにお
いては、軌跡誤差はどの箇所でもほぼ一定であるが、一
方誤差を含んだ経路Ｂ，Ｃに対しては、軌跡誤差
（ε_A’，ε_B’，ε_C’）は場所によって異なる。この
ように指令経路に誤差が含まれる場合、軌跡誤差は経路
に含まれる誤差に直接影響されてしまうため、軌跡誤差
に基づいて加減速を行った場合、送り速度は経路毎にば
らついてしまう。

【００１６】このように指令された経路に誤差が含まれ
る場合、従来の方法では加工面に傷がつかないようにす
るために、送り速度を下げて全体的にゆっくり加工した
り、許容加速度や精度係数を下げてより減速されるよう
に変更したりしていたため、不要に加工速度を落とすこ
とになっていた。本発明は上記のような課題を解決する
ためになされたもので、指令経路に誤差が含まれていて
も、加工面に傷を生じることなく短時間に加工を行うこ
とのできる数値制御装置を得ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に関わる数値制御装置は、加工プログラムに指
令された指令経路および指令送り速度により工作機械の
速度制御を行った場合の加工具の軌跡を指令位置から実
際の加工具の位置である加工位置までの伝達特性に基づ
いて予測し、予測された軌跡上における加工具の加速
度，加速度の法線成分，加加速度，又は位置・速度・加
速度もしくは加加速度の振動成分を表す特徴量とその許
容値に基づいて許容送り速度を求める。尚、軌跡の予測
に用いる伝達特性は、工作機械の機械特性、サーボ系の
特性、加減速特性のうち少なくともいずれか１つを考慮
したものである。

【００１８】また、予測された軌跡から３次元モデルの
予測加工形状を算出し、この予測加工形状を予め設定さ
れるか、あるいはブロック情報に基づいて算出される目
標加工形状と比較することにより求まる加工誤差とその
許容値から許容送り速度を求める。

【００１９】さらに、上述の手段に従って求めた許容送
り速度により工作機械の速度制御を行った場合の加工具
の軌跡を予測し、予測された軌跡から上述の手順に従い
許容送り速度を算出することにより、上記特徴量が許容
値に等しいか、あるいは近い値となる許容送り速度を求
める。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面により本発明の実
施の形態について説明する。尚、上記従来例と同様ある
いは対応する部分には同一の符号を付して説明を省略す
る。

【００２１】実施の形態１．図１は、本発明の実施の形
態１による数値制御装置の構成を示すブロック図であ
り、図２はその動作を表すフローチャートである。図１
において、５は仮指令位置作成部であり、ブロック情報
を格納する先読みバッファ５ａを有する。６は軌跡予測
部であり、サーボ系の遅れ等を考慮した指令位置から加
工位置までの伝達特性に基づいて予測軌跡を算出する。

【００２２】図１，２により本実施の形態における数値
制御装置の動作を説明する。まず、プログラム読み込み
部１が加工プログラムを解釈し、内部データＤ_tとして
読み込む。次にブロック情報作成部２は、この内部デー
タに含まれるブロックごとのデータに基づいて、座標系
処理、ブロックの長さや接線ベクトルの計算等、指令経
路の補間に必要なデータの処理、形状に応じた許容速度
の計算等の前処理を行ない、経路や指令送り速度に関す
るブロック情報Ｂ_Dを作成する。作成されたブロック情
報Ｂ_Dは先読みバッファ５ａに格納される（ＳＴ₁１）。

【００２３】次に、仮指令位置作成部５においてＳＴ₁
１で作成されたブロック情報Ｂ_Dが先読みされ、この先
読みされたブロック情報に基づいて指令経路が読み出さ
れ、その経路を所定の距離刻みで補間した仮の指令位置
Ｐ_o(i)（i=1,2,…n）が作成される（ＳＴ₁２）。ここ
で、所定の距離刻みは、予め設定された値ないしは、指
令送り速度Ｆ_oにサンプリング周期δtを乗じた値Ｆ_oδt
とする。

【００２４】その後、軌跡予測部６が、ＳＴ₁２で作成
した仮の指令位置Ｐ_o(i)を用いて、サーボ系の遅れ、モ
ータの特性等を考慮した指令位置から加工位置までの伝
達関数に基づきシミュレーションを行い、予測軌跡Ｐ
(i)を算出する（ＳＴ₁３）。図３に実線で表した指令経
路を補間して作成した仮指令位置Ｐ_o(i)および作成され
た仮指令位置Ｐ_o(i)からシミュレーションによって算出
した予測軌跡Ｐ(i)を示す。

【００２５】軌跡予測に用いる伝達関数は、連続時間系
ないしは離散時間系で表されるが、計算機上でシミュレ
ーションを行う場合、離散時間系の伝達関数を用いる方
が演算処理を行う上で都合が良い。以下に離散時間系の
伝達関数Ｈ(z)の一例を示す。

【００２６】

【数２】

【００２７】ここでｚはＺ変換子、mは伝達関数の次
数、ａ_j，ｂ_j（j=0〜m）はそれぞれ伝達関数の分子多項
式Ｎ(z)，分母多項式Ｄ(z)の係数であり、実際のシステ
ムが有する指令位置から加工位置までの伝達特性により
決定される。

【００２８】次に、ＳＴ₁３では算出した予測軌跡Ｐ(i)
から、加工具の予測軌跡Ｐ(i)上における位置の時間的
変化を表す特徴量を算出する。ここではこの特徴量とし
て、予測軌跡Ｐ(i)上を移動する加工具の加速度の法線
成分Ａｎ(i)（以下法線加速度）を算出する（ＳＴ
₁４）。ｉ＝ｋにおける予測軌跡をＰ(k)として、Ｐ(k)
における法線加速度Ａｎ(k)は次式で表わされる。

【００２９】

【数３】

【００３０】上式においてＡ(k)，Ｖ(k)，ｕ(k)はそれ
ぞれ位置Ｐ(ｋ)における加速度ベクトル、方向ベクト
ル、単位方向ベクトルである。図４（ａ）に加速度Ａ
(k)の、また図４（ｂ）に法線加速度Ａｎ(k)の算出方法
を表すベクトル図を示す。最後に、ＳＴ₁４で求めた法
線加速度Ａｎ(k)と、予め設定されている許容法線加速
度Ａ_maxから、許容送り速度Ｆｄを求める。許容送り速
度Ｆｄは以下の式で与えられる。

【００３１】

【数４】

【００３２】ここでＦｒは経路を円弧とみなせる場合の
許容送り速度であり、またＦｃは経路をコーナーとみな
せる場合の許容送り速度、Ｆ_oはＳＴ₁２で用いた距離刻
みに対応する指令送り速度である。ρは経路が円弧に近
い度合いを示す値であり、例えば位置Ｐ(k)における法
線加速度の大きさＡｎ(k)に対して、所定時間ｈだけ前
後する位置における法線加速度Ａｎ(k+h)，Ａｎ(k-h)と
の比率を用いて計算する。

【００３３】

【数５】

【００３４】ここで、ｍａｘ(Ａｎ(k+h)，Ａｎ(k-h))は
Ａｎ(k+h)＞Ａｎ(k-h)のときｍａｘ(Ａｎ(k+h)，Ａｎ(k
-h))＝Ａｎ(k+h)となる関数である。Ａ(k)をコーナー部
における加速度とした場合、コーナー部の加速度は周辺
部の加速度と比較して充分大きいので、ｍａｘ(Ａｎ(k+
h)，Ａｎ(k-h))／Ａｎ(k)は０に近づく。また、Ａ(k)を
円弧部における加速度とした場合、円弧部の加速度は周
辺で均一となるため、Ａｎ(k+h)，Ａｎ(k-h)，Ａｎ(k)
の大きさはほぼ等しくなり、ｍａｘ(Ａｎ(k+h)，Ａｎ(k
-h))／Ａｎ(k)は１に近づく。またｇ(x)はｇ(0)＝0，ｇ
(1)＝1を満たす関数であり、例えば次式を用いる。

【００３５】

【数６】

【００３６】ただし上式においてx>1の場合、g(x)=1で
ある。

【００３７】以上のようにして求めた送り速度Ｆｄはブ
ロックデータとともに加減速・補間部３に送られる。加
減速・補間部３は許容送り速度Ｆｄに基づいて加減速及
び補間を行い指令位置Ｐ_o(i)’を作成しサーボ制御部に
送る。尚、従来技術の説明において述べたように、サー
ボ制御部には指令位置の他に指令速度や指令電流等を送
る場合があるが、本実施の形態の構成は、これらのどの
指令を送る場合にも用いることができる。

【００３８】図５（ａ），（ｂ）は、本方式、軌跡誤差
による加減速（以下、従来方式Ａ）、角度による加減速
（以下、従来方式Ｂ）を行うことにより得られる加工具
の軌跡をそれぞれシミュレーションによって求めたもの
である。図５（ａ）は指令経路に誤差が含まれない場
合、図５（ｂ）は指令経路に誤差が含まれる場合の結果
である。図５（ａ），（ｂ）において、実線は指令経
路、＋は本方式および従来方式Ａにおいて求めた加工具
予測軌跡、○，△，×はそれぞれ本方式，従来方式Ａ，
従来方式Ｂを用いた場合の実際の軌跡である。尚、従来
方式Ａにおいては、軌跡誤差が０．００６ｍｍ以内とな
るよう制御した。

【００３９】図５（ａ）に示したシミュレーション結果
によれば指令経路に誤差が含まれない場合、従来方式Ｂ
による実際の軌跡×は、本方式および従来方式Ｂによる
予測軌跡◇と等しくなり、指令経路から大きく外れてい
る。一方、本方式および従来方式Ｂによる実際の軌跡
○，△はほぼ同一となっている。

【００４０】図５（ｂ）に示したシミュレーション結果
において指令経路はＳ部に段差状の誤差を含んでいる。
このような段差部分を加工する際、サーボの追従遅れ等
により実際の軌跡には鈍りが生じる。予測軌跡を算出す
る際、シミュレーションに用いる伝達関数にはこうした
サーボ系の追従遅れが考慮されているため、予測軌跡
（◇）に段差は現れない。従って、予測軌跡の形状は誤
差を含まない本来の指令経路に近づく。この場合、従来
方式Ｂを用いた場合（×）、段差部分で減速が生じるた
め指令経路により忠実な軌跡となる。また従来方式Ａに
よる軌跡（△）も、指令経路との誤差が許容値以内とな
るように制御するため誤差を含んだ指令経路に近づく。

【００４１】一方、本方式は予測軌跡（◇）から求めた
法線加速度に基づいて許容送り速度を算出するため、結
果的に指令経路に含まれる段差状の誤差の影響をほとん
ど受けない。また、図５（ａ），（ｂ）を比較すると、
従来方式Ａ，Ｂによる実際の軌跡×，△は指令経路に誤
差が含まれる場合と含まれない場合で大きく異なってい
るが、本方式ではほぼ同一となる。

【００４２】以上のように本実施の形態によれば、予測
軌跡から求まる加工具の法線加速度の予測値に基づいて
許容送り速度を計算するようにしたので、指令経路に含
まれる誤差に影響されることなく、加工具が本来の経路
を移動するために必要な許容送り速度を正確に求めるこ
とができ、加工時の無駄な減速を避けることができるた
め、加工時間も短縮される。また、指令経路に誤差が含
まれる場合においても隣り合う経路間で誤差が均一なた
め、設計通りの忠実な加工面を得ることができる。

【００４３】なお上記の説明では予測軌跡から求まる加
工具位置の時間的変化を表す特徴量として法線加速度を
用いて許容送り速度を求めたが、別の特徴量によっても
許容送り速度を求めることができる。例えば、法線加速
度Ａｎ(k)の代わりに加速度Ａ(k)、加速度の時間変化で
ある加加速度を上記特徴量として用いても指令経路誤差
に影響されない許容送り速度を求めることができる。

【００４４】また、振動が生じ易い機械により加工面に
生じる縞状の傷を低減させたい場合は、加工具位置、速
度、加速度、ないしは加加速度の振動成分を特徴量とし
て用い、各々の許容値に基づいて許容送り速度を求めて
もよい。

【００４５】あるいは予測軌跡上の各点Ｐ(i)（i=1,2,
…n）を結んだ線分とその隣接する線分がなす角度θを
用いて式１により送り速度を求めることも同様の効果が
ある。以上の特徴量を使い分けることで、工作機械の特
性、要求される加工面の精度に対応した許容送り速度を
算出することができる。

【００４６】また式４−１では送り速度をρの値に応じ
てＦｒとＦｃを内分して求めたが、円弧部でＦｒとな
り、コーナー部でＦｃとなるような式であれば別の式で
も構わない。同様に式６でもｇ(0)＝0、ｇ(1)＝１を満
たすならば別の関数（例えばｇ(x)＝-(x-1)²+1）を用い
てもよく、また式５におけるρの求めかたも、円弧部で
１、コーナー部で０となれば、別の関数でも構わない。

【００４７】実施の形態２．実施の形態１において、式
２に示した伝達関数は軌跡予測部内に記憶されており、
その係数は指令位置から加工位置までの伝達特性に合致
するよう予め与えられるものとしていた。伝達関数の係
数は、加減速、サーボ系さらには機械の特性を考慮して
決定されるが、この作業は労力を伴う。本実施の形態は
予測軌跡算出に用いる伝達関数の係数を自動的に設定す
る手段を提供する。

【００４８】図６は本発明の実施の形態２による数値制
御装置の構成を示すブロック図である。図６において、
８は伝達関数自動設定部であり他の構成要素は図１と同
様である。図６に基づいて伝達関数自動設定部８の動作
を説明する。

【００４９】伝達関数自動設定部８には、加減速・補間
部３から加減速時定数Ｔなどの加減速パラメータＫｔ、
またサーボ制御部４から位置ループゲインＫｐなどのサ
ーボパラメータＫｓ、さらに図示しない外部の測定器ま
たはオペレータの手操作により共振角周波数ω、減衰比
ζなどの機械特性パラメータＫｍが入力される。

【００５０】これらの各パラメータにより、加減速に関
わる伝達関数Ｇ₁(s)、サーボ制御にかかわる伝達関数Ｇ
₂(s)、機械特性に関わる伝達特性Ｇ₃(s)が生成される。
これらの伝達関数は次式で表される。ここでｓはラプラ
ス変換におけるパラメータである。

【００５１】

【数７】

【００５２】これらの積をとることにより伝達関数Ｇ
(s)は次式のように表される。

【００５３】

【数８】

【００５４】次に連続時間系の関数Ｇ(s)を離散時間系
の関数Ｈ(z)に変換する。一般にＨ(z)は前述の式２の形
式で与えられる。この場合。式２−１，２における係数
ａ_j，ｂ_jは双一次変換等の公知の方法により求めること
ができる。上記の方法によって算出された各係数ａ_j，
ｂ_jは軌跡予測部６にに入力され、伝達関数が設定され
る。

【００５５】以上のように、本実施の形態２によれば、
加減速パラメータＫｔ、サーボパラメータＫｓ、機械特
性パラメータＫｍを伝達関数自動設定部に入力すること
により伝達関数を自動的に設定できるので、これらのパ
ラメータを変更した場合でも再設定を要せず、手作業に
よる入力の際の入力間違いや計算ミスを避けることもで
きる。

【００５６】なお、上記の説明では、加減速、サーボ制
御およびに機械特性に関わる伝達特性の全てを考慮した
が、いずれか無視できるものについては省略してもよ
い。例えば、補間前加減速を行なう場合には、加減速に
よる経路のずれは発生しないので、加減速にかかわる伝
達特性Ｇ₁(s)は省略できる。またフィードフォワード制
御によりサーボ系での遅れがほとんど無視できる場合に
は、サーボ制御にかかわる伝達特性Ｇ₂(s)は省略しても
よい。また機械の剛性が高い場合には、機械特性に関わ
る伝達特性Ｇ₃(s)は省略してもよい。上述のように必要
な伝達特性のみを考慮することにより処理を簡略化する
ことができる。

【００５７】実施の形態３．実施の形態１においては、
指令経路を所定の距離刻みで補間した仮指令位置Ｐ _o(i)
から算出した予測軌跡Ｐ(i)により法線加速度Ａｎ(i)を
求めたが、このようにして求めた法線加速度Ａｎ(i)
は、許容法線加速度Ａ_maxを超えたり、あるいは必要以
上に許容法線加速度Ａ_maxより小さい値となる場合があ
る。精度を維持しつつ、短時間で加工を行うには法線加
速度Ａ(i)が許容法線加速度Ａ_maxにほぼ等しい値となる
送り速度で加工を行うことが望ましい。

【００５８】本実施の形態は、実施の形態１で述べた方
法によって算出される許容送り速度Ｆｄにサンプリング
周期δｔを乗じた値を刻み幅として仮指令位置を作成
し、軌跡法線加速度および許容送り速度の算出を行うこ
とにより、法線加速度Ａｎ(i)が許容法線加速度Ａ_maxに
より近い値となる許容送り速度を求める手段を提供す
る。

【００５９】図７は本発明の実施の形態３による数値制
御装置の構成を示すブロック図であり、図８はこの数値
制御方式の動作を表すフローチャートである。まず、Ｓ
Ｔ₃１〜ＳＴ₃４において実施の形態１に示したＳＴ₁１
〜ＳＴ₁４と同様の手順に従い、仮指令位置Ｐ_o1(i)、予
測軌跡Ｐ₁(i)、法線加速度Ａｎ₁(i)および許容送り速度
Ｆｄ₁が求められる。次に、ＳＴ₃５においてこの法線加
速度Ａｎ₁(i)と許容法線加速度Ａ_maxの差の絶対値｜Ａ
_max−Ａｎ₁(i)｜が所定値α以内であるかどうかが判断
され、所定値α以内である場合はＳＴ₃４で求めた許容
送り速度Ｆｄ₁が加減速・補間部３に入力される。

【００６０】上記の条件が満たされない場合（｜Ａ_max
−Ａｎ₁(i)｜＞αであるとき）、ＳＴ₃４で求めた許容
送り速度Ｆｄ₁が仮指令位置作成部５に入力され、これ
にサンプリング周期δｔを乗じた値Ｆｄ₁δｔを距離刻
みとして再度仮指令位置が作成される。こうして新たに
作成した仮指令位置から予測軌跡Ｐ₂(i)が算出され、再
度法線加速度Ａｎ₂(i)が求められる。ＳＴ₃２〜ＳＴ₃５
の工程は終了条件｜Ａ_ma _x−Ａｎ_m(i)｜≦α（m=1,2,…
n）が満たされるまで繰り返される。

【００６１】以上のように、本実施の形態によれば、法
線加速度Ａｎ_m(i)と許容法線加速度Ａ_maxの差が所定値
以下になるまで仮指令位置作成ＳＴ₃２、予測軌跡算出
ＳＴ₃３、法線加速度および許容送り速度の算出ＳＴ₃４
が繰り返される。これにより、算出される法線加速度Ａ
ｎ_m(i)は許容法線加速度Ａ_maxに極めて近い値となるた
め、精度の高い加工面を短時間で得ることができる。

【００６２】上記の説明では、予測軌跡から求まる特徴
量と、その許容値の差の絶対値が所定の設定値以下とな
ることを法線加速度算出の終了条件としたが、それ以外
に上記処理が所定回数を超えた場合、前回求めた許容送
り速度と前々回求めた許容送り速度と値の差の絶対値が
所定の設定値以下となる場合、あるいはこれらのＡＮ
Ｄ，ＯＲによる組み合わせを終了条件としてもよい。ま
た、実施の形態２で説明した伝達特性自動設定部を数値
制御装置内部に備えることにより、伝達特性の自動設定
を行なうこともできる。

【００６３】実施の形態４．従来技術の説明において、
３次元モデルの加工形状を加工プログラムに変換するＣ
ＡＭ工程において、指令経路に誤差が生じることを述べ
た。本実施の形態では、予測軌跡Ｐ(i)から３次元モデ
ルの予測加工形状を算出し、これをＣＡＭ工程で生じる
誤差を含まない３次元モデルの目標加工形状と比較する
ことにより、加工誤差を求め、この加工誤差とその許容
値に基づいて許容送り速度を算出する方法を提供する。

【００６４】図９は本実施の形態による数値制御装置の
構成を示すブロック図である。図９において、９は加工
形状予測部、１０は加工誤差算出部である。加工形状予
測部９には素材形状と工具形状が記憶されている。ここ
で素材形状および工具形状は３次元モデルとして表され
ている。また加工誤差算出部１０には目標加工形状が記
憶されている。その他の構成要素は図１と同様である。

【００６５】本実施の形態における数値制御装置の動作
を図１０に示すフローチャートに従って説明する。まず
ＳＴ₄１〜ＳＴ₄３において実施の形態１に示したＳＴ₁
１〜ＳＴ₁３と同様の手順で予測軌跡Ｐ(i)が算出され、
加工形状予測部９に入力される。加工形状予測部９は予
測軌跡Ｐ(i)に基づいて、予め設定されている素材形状
および工具形状から３次元の予測加工形状Ｓｌｄを算出
する（ＳＴ₄４）。予測軌跡Ｐ(i)から３次元の予測加工
形状Ｓｌｄを求めるシミュレーションには、Ｚバッファ
法などの公知の方法を用いる。

【００６６】次に加工誤差算出部１０において、ＳＴ₄
４で求めた予測加工形状Ｓｌｄと予め与えられている目
標加工形状との差から、加工誤差ε(i)が算出される。
ここで予測加工形状Ｓｌｄと目標加工形状は３次元形状
で表現されているため、加工誤差ε(i)は面と面の差と
して算出される。また、目標加工形状には誤差が含まれ
ていないため、軌跡誤差に基づく加減速を行う場合に問
題となる指令経路に含まれる誤差の影響を受けない。

【００６７】次に、許容送り速度算出部７において前記
加工形状誤差ε(i)を用いて許容送り速度Ｆｄ’を計算
する。位置Ｐ(k)における許容送り速度Ｆｄ’は位置Ｐ
(k)における加工誤差ε(k)を用いて次式により計算でき
る。

【００６８】

【数９】

【００６９】ここでＦｒ’は経路を円弧とみなせる場合
の許容送り速度であり、またＦｃ’は経路をコーナーと
みなせる場合の許容送り速度、Ｆ_oはＳＴ₄１で用いた距
離刻みに対応する送り速度である。またε_maxは許容加
工誤差であり、予め設定される値である。また、ρ’は
経路が円弧に近い度合いを示す値であり、例えば加工誤
差のε(k)に対して所定時間hだけ前後する位置における
加工誤差ε（k+h）、ε（k-h）との比率を用いて計算す
る。

【００７０】

【数１０】

【００７１】ここで、ｍａｘ(ε(k+h)，ε(k-h))はε(k
+h)＞εn(k-h)のときｍａｘ(ε(k+h)，ε(k-h))=ε(k+
h)となる関数である。ε(k)がコーナー部の加工誤差で
ある場合、ε(k)は周辺部の誤差ε(k+h)，ε(k-h)と比
較して充分大きくなるためｍａｘ(ε(k+h)，ε(k-h))／
ε(k)は０に近づく。一方、ε(k)が円弧部の加工誤差で
ある場合、ε(k)は周辺の誤差ε(k+h)，(k-h)とほぼ等
しくなるため、ε(k+h)＝ε(k-h))／ε(k)は１に近づ
く。ここでｇ(x)はｇ(0)＝0、ｇ(1)＝１を満たす関数で
あり、例えば先に述べた式６等を用いる。

【００７２】以上のように、本実施の形態によれば、目
標加工形状Ｓｌｄ’と予測加工形状Ｓｌｄとの面と面の
誤差、加工形状誤差ε(i)に基づいて許容送り速度Ｆ
ｄ’を計算するようにしたので、指令経路に含まれる誤
差に影響されることなく、本来の経路上を移動するため
に必要な許容送り速度を正確に求めることができる。

【００７３】なお、式９ではρ’に従いＦｒ’とＦｃ’
を内分して求めたが、円弧部でＦｒ’となり、コーナー
部でＦｃ’となるような式であれば別の式でも構わな
い。同様に式６で用いた関数ｇ(x) もｇ(0) ＝0 、ｇ
(1) ＝1 を満たすならば別の関数を用いても構わない。
さらには、式１０におけるρ’の求めかたも、理想的な
円弧部で１、理想的なコーナー部で０となれば、別の関
数でも構わない。

【００７４】実施の形態５．本実施の形態は、実施の形
態４において実施の形態２と同様に、加減速、サーボ系
さらには機械の特性を考慮して伝達関数を自動的に設定
する数値制御装置に関する。図１１は本実施の形態によ
る数値制御装置の構成を示すブロック図である。図１１
において、８は伝達関数自動設定部である。他の構成要
素は図８と同一である。本実施例における伝達関数自動
設定部８の動作は実施の形態２と同一であるので説明は
略す。

【００７５】実施の形態６．実施の形態４において、目
標加工形状は予め設定されるとしたが、目標加工形状は
形状デザインの段階で作成されるデータであり、実際の
加工現場ではプログラムのみが用いられ、目標加工形状
データは入手できない場合が多い。また３次元ＣＡＭで
加工プログラムを作成しない場合や、デジタイジングに
より木型の表面の位置を計測して加工プログラムを作成
する場合、目標加工形状データは作成されない。本実施
の形態では、このような場合に加工プログラムから容易
に目標加工形状を算出する方法を提供する。

【００７６】本実施の形態は、加工形状をブロック情報
Ｂ_Dを用いて算出する。図１２は本実施の形態による数
値制御装置のブロック図，図１３は加工プログラムから
目標加工形状が算出されるまでのフローである。図にお
いて１１は目標加工形状算出部であり、内部には素材形
状および工具形状が記憶されている。これらはいずれも
加工形状予測部９内部に記憶されている形状と同一のも
のである。

【００７７】次に本実施の形態における目標加工形状デ
ータの算出方法を図１３に示したフローチャートにより
説明する。加工に先立ち、ブロック情報作成部２におい
て作成されたブロック情報Ｂ_Ｄが目標加工形状算出部１
１に１ブロックごとに読み込まれる（ＳＴ_６１）。次に
目標加工形状算出部１１は、ＳＴ_６１において読み込ん
だブロック情報Ｂ_Ｄと素材形状および工具形状により目
標加工形状Ｓｌｄ’を算出する（ＳＴ_６２）。ここでの
目標加工形状Ｓｌｄ’の算出方法は実施の形態５で述べ
た公知の方法でよい。

【００７８】次のＳＴ₆３では加工プログラムの最後に
到達したかどうかをチェックし、ＮＯならばブロックの
読み込みを再開し加工形状の算出を続行する。ＹＥＳで
あればＳＴ₆４に進み、算出された目標加工形状Ｓｌ
ｄ’を加工誤差算出部１０に入力する。

【００７９】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、予め目標加工形状データが得られない場合に加工プ
ログラムから目標加工形状を算出することができる。本
実施例による方法を用いて得られる目標加工形状Ｓｌ
ｄ’は指令経路誤差の影響を受けるが、３次元の加工形
状を算出する過程では、単一の経路だけでなく、隣接す
る複数の経路が全体的に影響しあうので、局所的な誤差
は平滑化され目立たなくなる。従って、結果的には誤差
の影響をほとんど受けない滑らかな目標加工形状を得る
ことができる。また、実施の形態２で説明した伝達関数
自動設定部８を数値制御装置内部に備えることにより、
伝達関数Ｇ(s)の自動設定を行なうこともできる。

【００８０】実施の形態７．実施の形態４においては、
予測軌跡から予測加工形状Ｓｌｄを求め、目標加工形状
との差をとることにより加工誤差ε(i)を求めた。この
ようにして求めた加工誤差ε(i)は、許容加工誤差ε_max
を超えたり、あるいは必要以上に許容加工誤差より小さ
い値となる場合がある。金型加工においては、経路毎に
軌跡誤差が同程度であることが優先されるが、加工面の
精度のみでなく寸法精度も要求される場合は、加工誤差
は許容値以下となることが望ましい。また加工誤差が必
要以上に許容値より小さい値になると、不要な減速が生
じ、短時間で加工を行うことができない。本実施の形態
は、加工誤差ε(i)が許容加工誤差ε_maxにより近い値と
なる許容送り速度を求める手段を提供する。

【００８１】図１４は本実施の形態による数値制御装置
の構成を示すブロック図であり、図１５はこの数値制御
装置の動作を表すフローチャートである。まずＳＴ₇１~
ＳＴ ₇５において、実施の形態４に示したＳＴ₄１~ＳＴ₄
５と同様の手順で仮指令位置P_o1(i)、予測軌跡Ｐ₁(i)が
算出され、予測加工形状Ｓｌｄ₁、加工誤差ε₁(i)およ
び許容送り速度Ｆｄ₁’が求められる。次に、ＳＴ₇６に
おいてこの加工誤差ε ₁(i)と許容加工誤差ε_maxの差の
絶対値｜ε_max−ε₁(i)｜が所定値β以内であるかが判
断され、所定値β以内である場合はＳＴ₇５で求めた許
容送り速度Ｆｄ₁’が加減速・補間部３に入力される。

【００８２】上記の条件が満たされない場合（｜ε_max
−ε₁(i)｜＞β）はＳＴ₇５で求めた許容送り速度Ｆｄ₁
が仮指令位置作成部５に入力され、再度仮指令位置P
_o2(i)が作成される。ここで、再度仮指令位置を作成す
る際は、ＳＴ₇５で求めた許容送り速度Ｆｄ₁’にサンプ
リング周期δtを乗じた値が距離刻みとして用いられ
る。こうして新たに求めた仮指令位置P_o2(i)から予測軌
跡P₂(i)が算出され、予測加工形状Ｓｄｌ₂が作成され
る。これにより再度予測加工誤差ε₂(i)および許容送り
速度Ｆｄ₂’が求められる。ＳＴ₇２〜ＳＴ₇６の工程は
終了条件｜ε_max−ε_m(i)｜≦β（m=1,2,…n）が満たさ
れるまで繰り返される。

【００８３】以上のように、本実施の形態によれば、予
測加工誤差ε₁(i)と許容加工誤差ε _maxの差の絶対値が
所定値以下になるまで仮指令位置作成ＳＴ₇２、予測軌
跡算出ＳＴ₇３および許容送り速度の算出ＳＴ₇４が繰り
返される。これにより、算出される予測加工誤差ε_m(i)
は許容加工誤差ε_maxに極めて近い値となるため、精度
の高い加工面を短時間で得ることができる。

【００８４】上記の説明では、加工誤差と許容加工誤差
の差の絶対値が所定の設定値以下となることを予測加工
誤差算出の終了条件としたが、それ以外に上記処理が所
定回数を超えた場合、前回求めた許容送り速度と前々回
求めた許容送り速度と値の差の絶対値が所定の設定値以
下となる場合、あるいはこれらのＡＮＤ，ＯＲによる組
み合わせを終了条件としてもよい。また、実施の形態２
で説明した伝達関数自動設定部を数値制御装置内部に備
えることにより、伝達関数の自動設定を行なうこともで
きる。

【００８５】

【発明の効果】本発明に関わる数値制御装置は、加工プ
ログラムに指令された指令経路および指令送り速度によ
り工作機械の速度制御を行った場合の加工具の軌跡を指
令位置から実際の加工具の位置である加工位置までの伝
達特性に基づいて予測し、予測された軌跡上における加
工具の加速度，加速度の法線成分，加加速度，又は位置
・速度・加速度もしくは加加速度の振動成分を表す特徴
量とその許容値に基づいて許容送り速度を算出するた
め、指令経路に誤差が含まれる場合においても精度の高
い加工面を短時間に得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１における数値制御装置の構成を
示すブロック図。

【図２】実施の形態１における数値制御装置の動作を
表すフローチャート。

【図３】予測軌跡の算出方法を示す説明図。

【図４】予測軌跡に基づく加速度および法線加速度の
算出方法を示すベクトル図。

【図５】シミュレーションにより求めた加工具の軌
跡。

【図６】実施の形態２における数値制御装置の構成を
示すブロック図。

【図７】実施の形態３における数値制御装置の構成を
示すブロック図。

【図８】実施の形態３における数値制御装置の動作を
表すフローチャート。

【図９】実施の形態４における数値制御装置の構成を
示すブロック図。

【図１０】実施の形態４における数値制御装置の動作を
表すフローチャート。

【図１１】実施の形態５における数値制御装置の構成を
示すブロック図。

【図１２】実施の形態６における数値制御装置の構成を
示すブロック図。

【図１３】実施の形態６における数値制御装置の動作を
表すフローチャート。

【図１４】実施の形態７における数値制御装置の構成を
示すブロック図。

【図１５】実施の形態７における数値制御装置の動作を
表すフローチャート。

【図１６】加工プログラムに記述された指令経路の説明
図。

【図１７】従来の数値制御装置の構成を示すブロック
図。

【図１８】指令経路に含まれる誤差が加工に与える影響
を説明するための説明図。

【符号の説明】

１プログラム読み込み部、２ブロック情報作成部、
３加減速・補間部、４サーボ制御部、５仮指令位
置作成部、５ａ先読みバッファ、６軌跡予測部、７
許容送り速度算出部、８伝達関数自動設定部、９
加工形状予測部、１０加工誤差算出部、１１目標加工形
状算出部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05B 19/416

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】加工プログラムにより指令された指令経
路および指令送り速度に基づいて工作機械の加工具の速
度制御を行う数値制御方法において、前記指令経路およ
び前記指令送り速度により前記加工具の速度制御を行っ
た場合の前記加工具の予測軌跡を指令位置から実際の前
記加工具の位置である加工位置までの伝達特性に基づい
て算出し、前記加工具の前記予測軌跡上における加速
度，加速度の法線成分，加加速度，又は位置・速度・加
速度もしくは加加速度の振動成分を表す特徴量および前
記特徴量の許容値に基づいて許容送り速度を算出し、前
記加工具の速度を前記許容送り速度以下となるよう制御
することを特徴とする数値制御方法。
【請求項２】加工プログラムにより指令された指令経路
および指令送り速度に基づいて工作機械の加工具の速度
制御を行う数値制御方法において、前記指令経路および
前記指令送り速度により前記加工具の速度制御を行った
場合の前記加工具の予測軌跡を指令位置から実際の前記
加工具の位置である加工位置までの伝達特性に基づいて
算出し、前記予測軌跡を構成する複数の線分に対して、
各線分とそれに隣接する線分との成す角度に基づいて許
容送り速度を算出し、前記加工具の速度を前記許容送り
速度以下となるように制御することを特徴とする数値制
御方法。
【請求項３】請求項１又は２において、特徴量および
前記特徴量の許容値から算出される許容送り速度を指令
送り速度とすることを特徴とする数値制御方法。
【請求項４】加工プログラムにより指令された指令経
路および指令送り速度に基づいて工作機械の加工具の速
度制御を行う数値制御方法において、前記指令経路およ
び前記指令送り速度により前記加工具の速度制御を行っ
た場合の前記加工具の予測軌跡を指令位置から実際の前
記加工具の位置である加工位置までの伝達特性に基づい
て算出し、前記予測軌跡に基づいて算出される被加工部
材の予測加工形状と目標加工形状との誤差および前記誤
差の許容値に基づいて許容送り速度を算出し、前記加工
具の速度が前記許容送り速度以下となるように制御する
ことを特徴とする数値制御方法。
【請求項５】請求項４において、目標加工形状は加工
プログラムにより指令された指令経路を用いて算出され
ることを特徴とする数値制御方法。
【請求項６】請求項４において、誤差および誤差の許
容値に基づいて算出される許容送り速度を指令送り速度
とすることを特徴とする数値制御方法。
【請求項７】請求項１ないしは４において、伝達特性
は工作機械の機械特性、サーボ特性、加減速特性を表す
伝達関数のうち少なくともいずれか１つを用いて算出さ
れることを特徴とする数値制御方法。