JP5850996B1 - 補間後加減速を考慮したコーナ経路生成機能を有する数値制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工対象物（ワーク）の加工精度を保証しながら、コーナ前後における機械のショックを抑制することができる数値制御装置を提供すること。【解決手段】数値制御装置１００は、加工プログラム２００を解析して実行形式へと変換する指令解析手段１１０と、指令解析手段１１０が出力する実行形式の指令に基づいて補間処理を行う補間手段１２０と、補間手段１２０から出力された各軸の移動指令に対して補間後加減速処理を行い、処理後の各軸移動指令に基づき各軸の駆動制御を行う補間後加減速手段１３０と、指令解析手段１１０による解析処理中に機能し、補間後加減速による内回り量を考慮した曲線を算出し、加工プログラムの指令経路に対して挿入するコーナ経路生成手段１４０とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、数値制御装置に関し、特に補間後加減速による内回り量を考慮した曲線を算出して加工プログラムの指令経路に対して挿入することで、機械のショックを抑制しながら、加工対象物（ワーク）の加工精度を保証することができる数値制御装置に関する。

数値制御において、加工指令を行うブロックを連続して実行する場合、移動方向が変化することで加工経路にコーナができる。コーナ部では移動する軸や各軸の速度が急激に変化するため、機械にショックが発生しやすい。
一般的な数値制御では、このようなショックを抑制するためにコーナ近辺などにおいて各軸に対する加減速処理が行われている。加減速処理の方法としては、補間処理の前に加工経路に沿って加減速を行う補間前加減速と、補間処理の後に各軸に対して加減速を行う補間後加減速がある。

補間前加減速では、コーナ部での各軸の速度の急激な変化を抑制するために、各軸の速度変化量があらかじめ設定した許容速度差以下になるようなコーナ部速度を算出し、コーナ部での速度が算出したコーナ部速度になるようにコーナ部手前から送り速度を減速し、コーナ部到達後に送り速度を加速するように速度制御を行う。

補間後加減速では、さらに機械に発生するショックを抑制するため、補間前加減速により決定した各軸の速度を時間基準で局所的に平均化する、つまり各軸の速度変化を抑えるように制御が行われるが、その結果ブロック間でオーバラップして加減速が行われるため、加工経路が指令された加工経路からずれて内回り誤差が発生する。

これら加減速処理によって機械ショックを抑制する方法に対して、指令を変更することによってコーナそのものを取り除く方法もある。この方法は、加工指令に存在するコーナ部において、コーナ前後のブロックを許容された内回り量の範囲内で滑らかに接続する曲線を挿入し、コーナを取り除く。このような手法は、内回りが発生する点では補間後加減速と変わらないが、補間後加減速が時間基準で平均化するためにコーナ形状や送り速度によって内回り量が変化するのに対して、コーナ部に挿入される曲線はコーナ形状や送り速度に依存しないので、コーナ部での加工精度を制御しやすいという特長がある。

このような、コーナ部における内回り誤差を制御する従来技術として、特許文献１ではコーナ前後のブロック間に滑らかな複数の曲線を挿入し、コーナを取り除く手法を提案している。また、特許文献２では、コーナ部での目標となる送り速度を適切な速度に落とすことで、補間後加減速によって内回り量が許容範囲を超えてしまう問題を解決している。更に、特許文献３では、コーナ前後のブロック間に複数の曲線を挿入することにより、加工形状、指令速度に依らず、コーナでの内回り量をあらかじめ設定した許容誤差以下に制御し、またコーナでの方向、曲率を連続に接続することで、機械に対するショックを軽減する手法を提案している。

特開２００８−２２５８２５号公報 特開２０１３−０６９１２３号公報 特開２０１４−０２１７５９号公報

補間後加減速を行う場合、コーナ部における方向転向角やコーナ前後で移動する軸の違い、あるいは補間後加減速の特性を表す時定数によって内回り量は変化するため、内回り量をある値以下にするためには、使用する機械や加工プログラムごとに各軸の許容速度差や補間後加減速の時定数を調整する必要がある。

その点、コーナ部に曲線を挿入する場合コーナ部における内回り量を制御できるが、曲線を補間する際に補間点は離散的なデータになり、サーボモータへの指令パルスは補間点から生成されるため、厳密に連続的な値をとることはできない。そのため、曲線の挿入によって機械に発生するショックを完全に抑制することは難しいため、併せて補間後加減速を行うことが一般的である。
また、サーボモータも数値制御装置の指令パルスに対してある程度の遅れを持つため、コーナ部に曲線を挿入する場合でも補間後加減速や、サーボモータの遅れの影響を完全に無視することはできない。

しかしながら、特許文献１，３に記載の技術は、コーナ部に曲線を挿入する際に、補間後加減速による内回りやサーボモータの遅れによる内回りを考慮していないという問題があった。また、特許文献２に記載の技術は、コーナ部におけるショックを抑制するために、補間後加減速の時定数を大きくする必要があるため、コーナ部での内回り量を制限するために、送り速度を十分に落とす必要があるという問題があった。

そこで、本発明の目的は、加工対象物（ワーク）の加工精度を保証しながら、コーナ前後における機械のショックを抑制することができる数値制御装置を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、複数のブロックからなる加工プログラムにおける連続する２ブロック間に生じるコーナ部に曲線の移動経路を挿入することで内回り誤差を補正するように複数の制御軸を有する工作機械を制御する数値制御装置において、前記ブロック間に生じるコーナ部に発生する内回り量許容値を設定する許容内回り量設定部と、前記ブロック間に生じるコーナ部に、前記内回り量許容値以下となるような内回り量の曲線の移動経路を挿入するコーナ経路生成手段と、を備え、前記コーナ経路生成手段は、前記曲線の曲率半径と、前記工作機械の各軸の許容加速度とに基づいて、前記コーナ部に対して補正後加減速をすることにより生じる内回り見積量を算出し、前記曲線の内回り量と、前記内回り見積量との和が前記内回り量許容値よりも大きい場合には、内回り量が前記内回り量許容値から前記内回り見積量を減算した値となる曲線の移動経路を前記ブロック間に生じるコーナ部に挿入する、ことを特徴とする数値制御装置である。

本願の請求項２に係る発明は、前記コーナ経路生成手段が、前記内回り見積量を後述する数２式により算出する、ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置である。

本発明では、コーナ前後のブロックに滑らかに接続する曲線を挿入する制御において、補間後加減速による内回り量またはサーボモータの遅れによる内回り量を見積もり、コーナ部に挿入する曲線の内回り量を制限することによって、最終的に補間後加減速をかけた経路の内回り量が許容範囲に収まるように経路を制御することで課題を解決する。また、曲線を挿入する際に、補間後加減速による内回りをあらかじめ許容内回り量から差し引いておくことで、補間後加減速をかけた経路の加工精度を制御することができる。
このような構成を設けることにより、本発明により、コーナ部に曲線を挿入し、コーナ前後のブロックを滑らかに接続し、補間後加減速を併用する場合、コーナの形状、送り速度に依らず、指定された精度で加工を行うことができ、これにより、補間後加減速により機械のショックを抑制しながら、加工対象物（ワーク）の加工精度を保証することができる。

本発明の実施の形態における数値制御装置の要部ブロック図である。 本発明の実施の形態における数値制御装置の機能ブロック図である。 本発明の実施の形態１におけるコーナ経路生成処理における曲線挿入過程の制御軸経路を説明する図である。 本発明の実施の形態１におけるコーナ経路生成処理における曲線挿入後の制御軸の経路を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるコーナ経路生成処理のフローチャートである。 本発明の実施の形態２における５軸加工工作機械の模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、本発明に係る実施の形態の数値制御装置（ＣＮＣ）１００の要部ブロック図である。ＣＰＵ１１は数値制御装置１００を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１２に格納されたシステムプログラムをバス２０を介して読み出し、該システムプログラムに従って数値制御装置全体を制御する。ＲＡＭ１３には一時的な計算データや表示データ及び表示器／ＭＤＩユニット７０を介してオペレータが入力した各種データが格納される。

ＣＭＯＳメモリ１４は図示しないバッテリでバックアップされ、数値制御装置１００の電源がオフされても記憶状態が保持される不揮発性メモリとして構成される。ＣＭＯＳメモリ１４中には、インタフェース１５を介して読み込まれた加工プログラムや表示器／ＭＤＩユニット７０を介して入力された加工プログラム等が記憶される。また、ＲＯＭ１２には、加工プログラムの作成及び編集のために必要とされる編集モードの処理や自動運転のための処理を実施するための各種システムプログラムがあらかじめ書き込まれている。
本発明を実行する加工プログラム等の各種加工プログラムはインタフェース１５や表示器／ＭＤＩユニット７０を介して入力し、ＣＭＯＳメモリ１４に格納することができる。

インタフェース１５は、数値制御装置１００とアダプタ等の外部機器７２との接続を可能とするものである。外部機器７２側からは加工プログラムや各種パラメータ等が読み込まれる。また、数値制御装置１００内で編集した加工プログラムは、外部機器７２を介して外部記憶手段に記憶させることができる。ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１６は、数値制御装置１００に内蔵されたシーケンスプログラムで工作機械の補助装置（例えば、工具交換用のロボットハンドといったアクチュエータ）にＩ／Ｏユニット１７を介して信号を出力し制御する。また、工作機械の本体に配備された操作盤の各種スイッチ等の信号を受け、必要な信号処理をした後、ＣＰＵ１１に渡す。

表示器／ＭＤＩユニット７０はディスプレイやキーボード等を備えた手動データ入力装置であり、インタフェース１８は表示器／ＭＤＩユニット７０のキーボードからの指令やデータを受けてＣＰＵ１１に渡す。インタフェース１９は手動パルス発生器等を備えた操作盤７１に接続されている。

各軸の軸制御回路３０〜３４はＣＰＵ１１からの各軸の移動指令量を受けて、各軸の指令をサーボアンプ４０〜４４に出力する。サーボアンプ４０〜４４はこの指令を受けて、各軸のサーボモータ５０〜５４を駆動する。各軸のサーボモータ５０〜５４は位置・速度検出器を内蔵し、この位置・速度検出器からの位置・速度フィードバック信号を軸制御回路３０〜３４にフィードバックし、位置・速度のフィードバック制御を行う。なお、ブロック図では、位置・速度のフィードバックについては省略している。

スピンドル制御回路６０は、工作機械への主軸回転指令を受け、スピンドルアンプ６１にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ６１はこのスピンドル速度信号を受けて、工作機械のスピンドルモータ６２を指令された回転速度で回転させ、工具を駆動する。
スピンドルモータ６２には歯車あるいはベルト等でポジションコーダ６３が結合され、ポジションコーダ６３が主軸の回転に同期して帰還パルスを出力し、その帰還パルスはバス２０を経由してプロセッサ１１によって読み取られる。

図２は、本発明の一実施形態における数値制御装置１００の機能ブロック図である。
数値制御装置１００は、指令解析手段１１０、補間手段１２０、補間後加減速手段１３０、コーナ経路生成手段１４０を備えている。指令解析手段１１０は、ＣＭＯＳメモリ１４などから読み出した加工プログラム２００を解析し、実行形式へと変換する。補間手段１２０は、指令解析手段１１０が出力する実行形式の指令に基づいて補間処理を行い、各軸への移動指令を出力する。補間後加減速手段１３０は、補間手段１２０から出力された各軸の移動指令に対して補間後加減速処理を行い、処理後の各軸移動指令に基づき各軸の駆動制御を行う。

本発明の特徴であるコーナ経路生成手段１４０は、指令解析手段１１０による解析処理中に機能し、後述するコーナ経路生成処理により、補間後加減速による内回り量を考慮した曲線を算出し、加工プログラムの指令経路に対して挿入する。
以下では、コーナ経路生成手段１４０が実行するコーナ経路生成処理について、３軸加工の工作機械に適用した場合と５軸加工の工作機械に適用した場合の実施の形態を詳述する。

＜実施の形態１＞
実施の形態１では、３軸加工の場合におけるコーナ経路生成処理について説明する。
本実施の形態におけるコーナ経路生成処理では、自由曲線の補間後加減速処理によって発生する移動経路の内回り量を考慮したコーナ部への曲線の挿入を行う。コーナ経路生成処理では、指令解析の工程において自由曲線の補間後加減速による内回り量の見積もりが困難であることを考慮して、曲線上の任意の点で曲率半径ｒを計算し、点が半径ｒの仮想円弧上にあるものとして内回り量を見積もっている。以下に具体的な手順を示す。

図３は、コーナ部に許容された内回り量の範囲内で曲線を挿入した場合の軸の移動経路を示す図である。なお、コーナ部に許容された内回り量の範囲内で曲線を挿入する方法は、従来技術であるので詳述しない。図３に示されるように、コーナ部で許容された内回り量をｌ_sとすると、従来技術を用いることで許容された内回り量ｌ_sの範囲内でコーナ前後のブロックを滑らかに接続する曲線を求めることができる。この時、求める曲線の最大内回り量をｌとする。

ここで、機械を構成する軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対して、各軸の許容最大加速度がａ_x，ａ_y，ａ_z、仮想円弧の中心に向かう単位ベクトルｍの各軸成分を（ｃｏｓθ_x，ｃｏｓθ_y，ｃｏｓθ_z）とする時、指令速度をＦ、円弧半径をｒとすると、各軸の許容最大加速度を超えない最大の送り速度ｖは、以下の数１式で与えられる。

また、送り速度をｖ、円弧半径をｒ、補間後加減速の時定数をＴ₁、サーボモータの時定数をＴ₂とすると、円弧補間の内回り量Ｓは以下の数２式で近似される。

以上より、補間後加減速まで考慮した実際の内回り量Ｓ_a は以下の数３式で与えられる。

このようにして求めた値Ｓ_aについて、Ｓ_a＝ｌ＋Ｓ＜＝ｌ_sであれば問題ないが、Ｓ_a＝ｌ＋Ｓ＞ｌ_sである場合、補間後加減速をかけた結果としてコーナ部での内回り量が許容範囲を超えてしまうこととなる。この場合、図４に示すように、コーナ部で許容される曲線の内回り量をｌ_s’＝ｌ_s−Ｓとして改めてコーナ部への曲線の挿入を行う。

以上、コーナ経路生成処理におけるコーナ部への曲線の挿入における処理の概要を示したが、このようにして得られた曲線の内回り量ｌ’と補間後加減速による内回り量Ｓ’の和Ｓ_a’（＝ｌ’＋Ｓ’）が、コーナ部での許容内回り量ｌ_s以下となることを、以下に示す。ｌ’とｌ_sの関係は、以下の数４式で表すことができる。

ここで、一般に補間後加減速による内回り量が問題になるのは仮想円の曲率半径が小さい場合、もしくは指令速度が速い場合であるから、このような条件を想定すると、補間後加減速による内回り量が問題になる場合において、数１式からコーナ部での送り速度は以下の数５式で示される。

そして、数５式を数２式に適用することで、数６式が導出される。

よって、補間後加減速による内回り量は曲線の曲率半径や送り速度に依らず、許容加速度によって決定することが分かる。したがって、ｌ_sとしてコーナ部に挿入された曲線とｌ_s’としてコーナ部に挿入された曲線の仮想円弧の中心に向かう単位ベクトル（ｃｏｓθ_x，ｃｏｓθ_y，ｃｏｓθ_z）はほぼ変わらないとすれば、Ｓ’＝Ｓであるから、これを数４式に当てはめることで、以下の数７式を導出することができる。

したがって、得られる曲線の補間後加減速まで考慮した内回り量Ｓ_a’は許容された内回り量以下となる。

図５は、ここまで説明してきたコーナ経路生成手段１４０が実行するコーナ経路生成処理を数値制御装置上で実行する場合の処理の流れを示すフローチャートである。本処理は、指令解析手段１１０により移動指令を解析した際に、移動方向が変化することで加工経路によりコーナ部ができる場合に呼び出されて実行される。

●［ステップＳＡ０１］コーナ部に内回り量が、コーナ部での許容内回り量ｌ_s以下となるような曲線を挿入し、コーナ前後のブロックを滑らかに接続する。この時の曲線の内回り量をｌとする。
●［ステップＳＡ０２］ステップＳＡ０１で挿入した曲線の曲率半径、および各軸の許容加速度に基づいて、補間後加減速による内回り量Ｓを見積もる。なお、各軸の許容加速度は、数値制御装置１００に設定された各軸のパラメータ値から取得してもよいし、加工プログラム内の指令により指定するようにしてもよい。
●［ステップＳＡ０３］ステップＳＡ０１で求めた曲線の内回り量ｌと、ステップＳＡ０２で見積もった補間後加減速による内回り量Ｓの和が、コーナ部での許容内回り量ｌ_sよりも大きくなるか否かを判定する。コーナ部での許容内回り量ｌ_sよりも大きくなる場合はステップＳＡ０４へと進み、そうでない場合には本処理を終了する。
●［ステップＳＡ０４］コーナ部に内回り量が、ｌ_s−Ｓ以下となるような曲線を挿入し、コーナ前後のブロックを滑らかに接続する。

以上の通り、本実施の形態で実行される処理により曲線が挿入された場合の軸の移動経路は、最終的に補間後加減速をかけた経路の内回り量が許容範囲に収まるような移動経路となり、補間後加減速により機械のショックを抑制しながら、加工対象物（ワーク）の加工精度を保証することができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態１では、本発明の基本的なコーナ経路生成処理について、３軸加工の場合を例として説明したが、本実施の形態では、本発明のコーナ経路生成処理を、直線３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と回転２（Ｂ，Ｃ）で構成される５軸加工の工作機械に応用する場合の例を示す。

図６は、本実施の形態において制御対象としている直線３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と回転２（Ｂ，Ｃ）で構成される５軸加工の工作機械の模式図である。図６に示すように、ワークが載置されているテーブルがＸ−Ｙ軸平面上で移動し、工具を備えた工具ヘッドがＺ軸方向で移動すると共に、Ｂ軸、Ｃ軸を回転軸としている。

このような工作機械を数値制御装置１００で制御している場合において、直線軸のコーナ部における許容内回り量をｌ_sl、回転軸の許容内回り量をｌ_srとした時に、コーナ部に許容された内回り量の範囲内で曲線を挿入し、コーナ前後のブロックを滑らかに接続する場合を想定する。この時挿入した曲線の直線軸の最大内回り量をｌ_l、回転軸の最大内回り量をｌ_rとする。

ここで、機械を構成する軸Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｂ，Ｃに対して、各軸の許容最大加速度がａ_x，ａ_y，ａ_z，ａ_b，ａ_c、仮想円弧の中心に向かう単位ベクトルの各軸成分を（ｃｏｓθ_x，ｃｏｓθ_y，ｃｏｓθ_z，ｃｏｓθ_b，ｃｏｓθ_c）とする時、指令速度をＦ、実施の形態１と同様に曲線上の任意の点に接する仮想円弧の円弧半径をｒとすると、各軸の許容最大加速度を超えない最大の送り速度ｖは、以下の数８式で与えられる。

また、送り速度をｖ、円弧半径をｒ、補間後加減速の時定数をＴ₁、サーボモータの時定数をＴ₂とすると、円弧補間の内回り量Ｓは以下の数９式で近似される。

更に、補間後加減速による円弧補間の内回り量の直線成分Ｓ₁、回転軸成分Ｓ_rを、以下の数１０式で定義する。

以上より、補間後加減速まで考慮した実際の内回り量は、直線軸成分がＳ_al＝ｌ_l＋Ｓ_l、回転軸成分がＳ_ar＝ｌ_r＋Ｓ_rとなる。
ここで、ｌ_l＋Ｓ_l＜＝ｌ_slかつｌ_r＋Ｓ_r＜＝ｌ_srであれば問題ないが、ｌ_l＋Ｓ_l＞ｌ_slまたはｌ_r＋Ｓ_r＞ｌ_srである場合、補間後加減速をかけた結果、コーナ部での内回り量が許容範囲を超えることとなる。この場合、ｌ_l＋Ｓ_l＞ｌ_slであれば、直線軸のコーナ部における許容内回り量をｌ_sl’＝ｌ_sl−Ｓ_lとし、ｌ_r＋Ｓ_r＞ｌ_srであれば、回転軸のコーナ部における許容内回り量をｌ_sr’＝ｌ_sr−Ｓ_rとして改めてコーナ部への曲線の挿入を行う。

一方、ｌ_sl’＝ｌ_sl−Ｓ_l＜０またはｌ_sr’＝ｌ_sr−Ｓ_r＜０となる場合、曲線の内回り量が０であっても補間後加減速による内回り量が許容された内回り量を超えてしまうので、コーナ部の送り速度を適切に落とすことによって許容された内回り量に収める。

以上の通り、本実施の形態で示す曲線の挿入方法により、本発明のコーナ経路生成処理を５軸加工の工作機械に適用することができる。

１１ ＣＰＵ
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ ＣＭＯＳ
１５，１８，１９ インタフェース
１６ ＰＭＣ
１７ Ｉ／Ｏユニット
２０ バス
３０〜３４ 軸制御回路
４０〜４４ サーボアンプ
５０〜５４ サーボモータ
６０ スピンドル制御回路
６１ スピンドルアンプ
６２ スピンドルモータ
６３ ポジションコーダ
７０ 表示器／ＭＤＩユニット
７１ 操作盤
７２ 外部機器
１００ 数値制御装置
１１０ 指令解析手段
１２０ 補間手段
１３０ 補間後加減速手段
１４０ コーナ経路生成手段
２００ 加工プログラム

Claims (2)

1. 複数のブロックからなる加工プログラムにおける連続する２ブロック間に生じるコーナ部に曲線の移動経路を挿入することで内回り誤差を補正するように複数の制御軸を有する工作機械を制御する数値制御装置において、
   前記ブロック間に生じるコーナ部に発生する内回り量許容値を設定する許容内回り量設定部と、
   前記ブロック間に生じるコーナ部に、前記内回り量許容値以下となるような内回り量の曲線の移動経路を挿入するコーナ経路生成手段と、
   を備え、
   前記コーナ経路生成手段は、
   前記曲線の曲率半径と、前記工作機械の各軸の許容加速度とに基づいて、前記コーナ部に対して補正後加減速をすることにより生じる内回り見積量を算出し、前記曲線の内回り量と、前記内回り見積量との和が前記内回り量許容値よりも大きい場合には、内回り量が前記内回り量許容値から前記内回り見積量を減算した値となる曲線の移動経路を前記ブロック間に生じるコーナ部に挿入する、
   ことを特徴とする数値制御装置。
2. 前記コーナ経路生成手段は、前記内回り見積量を、
   によって算出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。