JP3539508B2 - Circular interpolation method for numerical controller - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、数値制御装置の円弧補間方法に関し、特に円弧切削時におけるサ−ボ系の遅れによる円弧縮小量を許容範囲内に納める円弧補間方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、円弧切削における円弧補間の速度指令は、図２のブロックに示した処理により最終の指令速度を出力していた。図２は従来技術による円弧補間方法を示すブロック図で、１は円弧指令部、２および３は入力の指令速度を一定値に制限するリミッタで、２は円弧切削速度制限器、３はモータ・エンコーダ等の限界速度によりその最大値を制限する最大速度制限器、４はモータとエンコーダの最高回転数の低いほうを選択して、最大速度制限器３の出力に制限をかける制限速度演算部、５は円弧指令部から与えられる円弧半径Ｒと、許容円弧縮小量ΔＲと、位置ループゲインＫ_p とに基づいて最大送り速度Ｖrmaxを演算する円弧切削制限速度演算部である。ここで、円弧指令半径をＲ、縮小円弧半径をＲ_O とすると、ΔＲ＝Ｒ−Ｒ_O である。
このように構成されたブロックにより、円弧指令部１で与えられた指令速度は、円弧切削速度制限器２で制限され、さらに最大速度制限器３で制限されて最終指令速度として出力される。
ここで、数値制御装置のサーボ制御回路の構成と円弧縮小量ΔＲとの関係を説明する。
図２のブロック６内に示した円弧縮小量ΔＲの演算式を式（１）に示す。
ΔＲ＝Ｖ² ／２Ｋ_p ² Ｒ （１）
ここで、Ｋ_P は位置ループゲインである。式（１）は、図３に示すような、位置ループのみで構成された制御ループを前提として成立する。図３は位置ループのみで構成される数値制御装置の制御ブロックである。
図４は、図３に加減速制御のための加減速フィルタを追加した場合のブロック図で、円弧縮小量ΔＲは式（２）で求めることができる。
ΔＲ＝（１／２）（Ｔ_F ² ＋１／Ｋ_P ² ）（Ｖ² ／Ｒ） （２）
ここで、Ｔ_F は加減速フィルタの時定数である。
実際の数値制御装置では、制御ループが位置ループのみで構成されることはなく、図５、図６に示すように位置ループの内側に速度ループが設けられている。図５は速度ループにＰＩ制御を適用した場合の制御ブロック図で、図６は速度ループにＰ制御を適用した場合の制御ブロック図である。図５、図６のＫ_V は速度ループゲインである。
図５、図６において、速度ループゲインＫ_V が十分大きく、速度ループの伝達関数Ｇが１に近似できる場合は、これらのブロック図は等価的に図３と同一とみなすことができるので、式（１）を用いて円弧縮小量ΔＲを求めることができた。また、図４と同様に図５、図６のブロックの前に加減速フィルタを追加した場合は、式（２）を用いて円弧縮小量ΔＲを求めることができた。
このようにして求めた円弧縮小量ΔＲを許容される円弧縮小量（以下、許容円弧縮小量と略）とした時の送り速度Ｖrmaxを求め、指令送り速度Ｖでの円弧縮小量が許容円弧縮小量より大きくなるような場合、指令速度をＶrmaxに切り替え、円弧縮小量が許容円弧縮小量以内に納まる最大速度を速度指令としていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術では、速度ループに図７に示すようなＩＰ制御を採用する場合には、速度ループゲインＫ_V が十分大きくても伝達関数Ｇ_IP（Ｓ）は式（３）
【０００４】
【数１】

【０００５】
となり、前述の円弧縮小量は式（１）、（２）では求めることができない。
その結果、要求される許容円弧縮小量に対する最大速度が得られず、作業の効率化が計れないという問題があった。
本発明は、このような問題点を解決し、速度ループにＩＰ制御を採用した数値制御装置に適した円弧補間方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明における第１の発明は、数値制御装置の円弧加工指令データに対する実切削での工具追従遅れに伴う円弧加工誤差を演算し、前記誤差が設定許容誤差内に納まるように工具送り速度を自動的に減速するようにした数値制御装置の円弧補間方法において、比例要素を用いた位置ループと、積分と比例要素を用いたIP制御を用いた速度ループとから成る制御ループを備え、前記位置および速度ループの制御パラメータと円弧指令データと許容円弧縮小量とに基づいて、前記許容円弧縮小量を満たす最大送り速度を演算し、円弧指令速度が前記最大送り速度を越えないように制限するものである。
さらに、本発明における第２の発明は、前記最大送り速度Ｖは、前記許容円弧縮小量をΔＲ、速度ループゲインをＫ_p 、速度ループ積分時定数をＴ_I 、円弧指令半径をＲとするとき、次式
ΔＲ＝（１−２Ｋ_p Ｔ_I ）Ｖ² ／２Ｋ_p ² Ｒ
によって求めるものである。
【０００７】
【作用】
上記手段により、ＩＰ制御を採用した速度ループを有する場合、まず、プログラムで指定された円弧指令半径Ｒと、あらかじめ設定された許容円弧縮小量、位置ループゲインＫ_P 、速度ループ積分時定数Ｔ_I に基づいて、円弧切削における最大送り速度Ｖrmaxを生成する。つぎに、プログラムで指定された円弧送り速度が円弧切削制限速度演算部６で演算された円弧制限速度より大きい場合、円弧制限速度を指令速度とすることにより、許容円弧縮小量を満たす最大送り速度Ｖrmaxで切削を行うことができる。
以下に、本発明の原理について説明する。
近似した伝達関数が式（３）で表せる制御対象にたいして、角速度をωとする円弧指令を与えた場合、定常時における半径は次式（４）で表せる。
【０００８】
【数２】

【０００９】
さらに、式（４）を近似し、式（５）を得る。
【００１０】
【数３】

【００１１】
従って、円弧縮小量ΔＲ＝Ｒ−Ｒ₀ は次式（６）で表すことができる。
【００１２】
【数４】

【００１３】
以上より、式（６）で、ΔＲに許容円弧縮小量を代入し、ゲインＫ_P と積分定数Ｔ_I を代入して許容最大速度Ｖrmaxを求め、円弧指令部１が出力する指令速度がこの許容最大速度Ｖrmaxを超過する場合は、最終の指令速度を許容最大速度Ｖrmaxに切り換える。
以上説明したように、本発明の円弧補間方法によってＩＰ制御の速度ループを含むサーボ系の場合でも、円弧切削時の円弧縮小量を求めることが可能となり、必要以上に許容半径縮小量を大きくすることなく、許容最大速度を大きくすることができるので、高効率の円弧切削が可能となる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は本発明の実施例で、円弧補間方法を示すブロック図である。図２と異なる部分は、６の円弧切削制限速度演算部のみである。その他の符号は図２と共通である。機能も図２と同様で、６の円弧切削制限速度演算部の演算内容のみが図２と異なる。
まず、速度ループにIP制御を用いた場合で、許容円弧縮小量を指定しない場合の円弧縮小の切削誤差を図８に示す。
次ぎに、円弧縮小量が図８で示した円弧縮小量より少なくなるように許容円弧縮小量を指定し、式（１）を用いて切削送り速度を導出した場合の実切削軌道を図９に示す。式（１）による円弧縮小量は、設定された許容円弧縮小量より小さいため、円弧送り速度に望ましくない余裕が生じてしまう。式（１）と式（６）とを比較すればこの差異は明らかである。
これに対して、本発明による式（６）を用いて、許容円弧縮小量から切削送り速度を指定した場合の実切削軌道を図１０に示す。この場合円弧縮小量は、設定された許容円弧縮小量となり、許容円弧縮小量を満たす最大速度で円弧切削を行うことができる。
【００１５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、数値制御装置のサーボ回路の速度制御ループにＩＰ制御を採用する場合、同一の円弧縮小量に対する最大送り速度が、従来技術によるものより本発明によるそれのほうが大きい速度になるので、許容円弧縮小量を満たす最大送り速度で切削を行うことにより、従来技術に比べてより効率的な円弧切削を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による円弧補間方法を示すブロック図
【図２】従来技術による円弧補間方法を示すブロック図
【図３】位置ループのみで構成される制御ブロック図
【図４】図３に加減速フィルターを追加した制御ブロック図
【図５】速度ループにPI制御を適用した場合の制御ブロック図
【図６】速度ループにＰ制御を適用した場合の制御ブロック図
【図７】速度ループにIP制御を適用した場合の制御ブロック図
【図８】速度ループがＩＰ制御で、許容円弧縮小量を設定しない場合の円弧軌跡を示す図
【図９】従来技術による円弧補間方法を用いた場合の円弧縮小を示す図
【図１０】本発明による円弧補間方法を用いた場合の円弧縮小を示す図
【符号の説明】
１ 円弧指令部
２ 円弧切削速度制限器
３ 最大速度制限器
４ 制限速度演算部
５ 従来技術による円弧切削制限速度演算部
６ 本発明による円弧切削制限速度演算部[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an arc interpolation method for a numerical control device, and more particularly to an arc interpolation method for keeping an arc reduction amount due to a delay of a servo system during an arc cutting within an allowable range.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as the speed command of the circular interpolation in the circular cutting, the final command speed is output by the processing shown in the block of FIG. FIG. 2 is a block diagram showing an arc interpolation method according to the prior art, wherein 1 is an arc command unit, 2 and 3 are limiters for limiting an input command speed to a fixed value, 2 is an arc cutting speed limiter, and 3 is a motor cutting speed limiter. A maximum speed limiter for limiting the maximum value by a limit speed of an encoder or the like, a limit speed calculation unit for selecting the lower one of the maximum rotation speeds of the motor and the encoder, and limiting the output of the maximum speed limiter; 5 and arc radius R given from arc instruction unit, and the allowable arc reduction amount [Delta] R, is an arc cutting speed limit calculator for calculating the maximum feed rate Vrmax based on the position loop gain K _p. Here, if the arc command radius is R and the reduced arc radius is R _O , then ΔR = R−R _O.
With the block configured in this manner, the command speed given by the arc command unit 1 is limited by the arc cutting speed limiter 2 and further limited by the maximum speed limiter 3 and output as the final command speed.
Here, the relationship between the configuration of the servo control circuit of the numerical control device and the arc reduction amount ΔR will be described.
The equation for calculating the arc reduction amount ΔR shown in the block 6 of FIG.
ΔR = V ² / 2K _p ² R (1)
Here, K _P is a position loop gain. Equation (1) is established on the premise of a control loop composed of only position loops as shown in FIG. FIG. 3 is a control block of the numerical control device including only the position loop.
FIG. 4 is a block diagram in the case where an acceleration / deceleration filter for acceleration / deceleration control is added to FIG. 3, and the arc reduction amount ΔR can be obtained by Expression (2).
ΔR = (1/2) ( _TF ² + 1 / K _P ² ) (V ² / R) (2)
Here, T _F is a time constant of the acceleration / deceleration filter.
In an actual numerical control device, the control loop is not composed of only the position loop, but a speed loop is provided inside the position loop as shown in FIGS. FIG. 5 is a control block diagram when the PI control is applied to the speed loop, and FIG. 6 is a control block diagram when the P control is applied to the speed loop. K _V in FIGS. 5 and 6 is a speed loop gain.
5 and 6, when the speed loop gain K _V is sufficiently large and the transfer function G of the speed loop can be approximated to 1, these block diagrams can be regarded as equivalent to FIG. Using (1), the arc reduction amount ΔR could be obtained. When an acceleration / deceleration filter is added before the blocks in FIGS. 5 and 6 as in FIG. 4, the arc reduction amount ΔR can be obtained using Expression (2).
The feed speed Vrmax when the arc reduction amount ΔR thus determined is set to an allowable arc reduction amount (hereinafter, abbreviated as an allowable arc reduction amount) is determined, and the arc reduction amount at the commanded feed speed V is equal to the allowable arc reduction amount. If the amount becomes larger than the amount, the command speed is switched to Vrmax, and the maximum speed at which the arc reduction amount falls within the allowable arc reduction amount is set as the speed command.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the related art, when the IP control as shown in FIG. 7 is employed in the speed loop, the transfer function G _IP (S) is calculated by the equation (3) even if the speed loop gain K _V is sufficiently large.
[0004]
(Equation 1)

[0005]
Thus, the above-described arc reduction amount cannot be obtained by the equations (1) and (2).
As a result, there is a problem that the maximum speed for the required allowable arc reduction amount cannot be obtained, and the work efficiency cannot be improved.
An object of the present invention is to solve such a problem and to provide a circular interpolation method suitable for a numerical control device employing IP control in a speed loop.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, a first invention of the present invention calculates an arc machining error accompanying a tool following delay in actual cutting with respect to an arc machining command data of a numerical controller, and the error falls within a set allowable error. In the circular interpolation method of the numerical control device in which the tool feed speed is automatically reduced as described above, a control comprising a position loop using a proportional element and a speed loop using IP control using an integral and a proportional element A maximum feed speed that satisfies the allowable arc reduction amount is calculated based on the position and speed loop control parameters, the arc instruction data, and the allowable arc reduction amount, and the arc instruction speed exceeds the maximum feed speed. It is restricted to not.
Further, in the second invention according to the present invention, when the maximum feed speed V is ΔR, the speed loop gain is K _p , the speed loop integration time constant is T _I , and the arc command radius is R. ΔR = (1-2K _p T _I ) V ² / 2K _p ² R
Is what you want.
[0007]
[Action]
When a speed loop employing IP control is provided by the above means, first, an arc command radius R specified by a program, an allowable arc reduction amount set in advance, a position loop gain K _P , and a speed loop integration time constant T _I. , The maximum feed speed Vrmax in the arc cutting is generated. Next, when the arc feed speed specified by the program is higher than the arc limit speed calculated by the arc cutting speed limit calculator 6, the maximum feed speed that satisfies the allowable arc reduction amount is set by setting the arc speed limit to the command speed. Cutting can be performed at Vrmax.
Hereinafter, the principle of the present invention will be described.
When an arc command with an angular velocity of ω is given to a controlled object whose approximate transfer function can be expressed by equation (3), the radius at steady state can be expressed by the following equation (4).
[0008]
(Equation 2)

[0009]
Further, equation (4) is approximated to obtain equation (5).
[0010]
[Equation 3]

[0011]
Therefore, the arc reduction amount ΔR = R−R ₀ can be expressed by the following equation (6).
[0012]
(Equation 4)

[0013]
As described above, in Equation (6), the allowable arc reduction amount is substituted for ΔR, the gain K _P and the integration constant T _I are substituted, and the maximum allowable speed Vrmax is obtained. If the maximum speed Vrmax is exceeded, the final command speed is switched to the allowable maximum speed Vrmax.
As described above, even in the case of a servo system including the speed loop of the IP control by the circular interpolation method of the present invention, it is possible to obtain the circular reduction amount at the time of circular cutting, and to increase the allowable radius reduction amount more than necessary. Without this, the maximum allowable speed can be increased, so that highly efficient circular cutting can be performed.
[0014]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a circular interpolation method according to an embodiment of the present invention. The only difference from FIG. 2 is the circular arc cutting speed limit calculator 6. Other reference numerals are the same as those in FIG. The function is the same as that of FIG. 2, and only the calculation content of the arc cutting speed limiter 6 is different from that of FIG.
First, FIG. 8 shows the cutting error of the arc reduction when the IP control is used in the speed loop and the allowable arc reduction amount is not specified.
Next, FIG. 9 shows the actual cutting trajectory when the allowable arc reduction amount is specified so that the arc reduction amount is smaller than the arc reduction amount shown in FIG. 8 and the cutting feed speed is derived using the equation (1). Show. Since the arc reduction amount according to the equation (1) is smaller than the set allowable arc reduction amount, there is an undesirable margin in the arc feed speed. This difference is clear when the equations (1) and (6) are compared.
On the other hand, FIG. 10 shows the actual cutting trajectory when the cutting feed speed is specified from the allowable arc reduction amount using the equation (6) according to the present invention. In this case, the arc reduction amount becomes the set allowable arc reduction amount, and the arc cutting can be performed at the maximum speed that satisfies the allowable arc reduction amount.
[0015]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when the IP control is adopted in the speed control loop of the servo circuit of the numerical controller, the maximum feed speed for the same arc reduction amount is smaller than that of the prior art by that of the present invention. Since the cutting speed becomes higher, cutting is performed at the maximum feed speed that satisfies the allowable arc reduction amount, so that more efficient arc cutting can be realized as compared with the related art.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a circular interpolation method according to the present invention; FIG. 2 is a block diagram showing a circular interpolation method according to the prior art; FIG. 3 is a control block diagram composed of only position loops; FIG. Control block diagram with deceleration filter added. [Fig. 5] Control block diagram when PI control is applied to the speed loop. [Fig. 6] Control block diagram when P control is applied to the speed loop. [Fig. 7] IP in the speed loop. FIG. 8 is a control block diagram when control is applied. FIG. 8 is a diagram showing an arc trajectory when a speed loop is IP control and an allowable arc reduction amount is not set. FIG. 9 is an arc when an arc interpolation method according to the prior art is used. FIG. 10 is a diagram showing reduction. FIG. 10 is a diagram showing arc reduction when the circular interpolation method according to the present invention is used.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Arc command part 2 Arc cutting speed limiter 3 Maximum speed limiter 4 Limit speed calculation part 5 Arc cutting limit speed calculation part 6 according to the prior art 6 Arc cutting limit speed calculation part according to the present invention

Claims (2)

数値制御装置の円弧加工指令データに対する実切削での工具追従遅れに伴う円弧加工誤差を演算し、前記誤差が設定許容誤差内に納まるように工具送り速度を自動的に減速するようにした数値制御装置の円弧補間方法において、比例要素を用いた位置ループと、積分と比例要素を用いたIP制御を用いた速度ループとから成る制御ループを備え、前記位置および速度ループの制御パラメータと円弧指令データと許容円弧縮小量とに基づいて、前記許容円弧縮小量を満たす最大送り速度を演算し、円弧指令速度が前記最大送り速度を越えないように制限することを特徴とする数値制御装置の円弧補間方法。Numerical control that calculates an arc machining error accompanying a tool following delay in actual cutting with respect to the arc machining command data of the numerical control device, and automatically reduces the tool feed speed so that the error falls within a set allowable error. In the circular interpolation method of the device, a control loop including a position loop using a proportional element and a speed loop using IP control using an integral and a proportional element is provided, and control parameters and arc command data of the position and speed loop are provided. And calculating the maximum feed speed that satisfies the allowable arc reduction amount on the basis of the allowable arc reduction amount and restricting the arc command speed so as not to exceed the maximum feed speed. Method. 請求項１に記載の前記最大送り速度Ｖは、前記許容円弧縮小量をΔＲ、速度ループゲインをＫ_p 、速度ループ積分時定数をＴ_I 、円弧指令半径をＲとするとき、次式
ΔＲ＝（１−２Ｋ_p Ｔ_I ）Ｖ² ／２Ｋ_p ² Ｒ
によって求められることを特徴とする数値制御装置の円弧補間方法。The maximum feed speed V according to claim 1, wherein the allowable arc reduction amount is ΔR, the speed loop gain is K _p , the speed loop integration time constant is T _I , and the arc command radius is R. (1-2K _p T _I ) V ² / 2K _p ² R
A circular interpolation method for a numerical control device, characterized by being obtained by:

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