JPH10254526A - 数値制御装置 - Google Patents

数値制御装置

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JPH10254526A
JPH10254526A JP9059232A JP5923297A JPH10254526A JP H10254526 A JPH10254526 A JP H10254526A JP 9059232 A JP9059232 A JP 9059232A JP 5923297 A JP5923297 A JP 5923297A JP H10254526 A JPH10254526 A JP H10254526A
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JP
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error
curve
allowable
speed
command
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JP9059232A
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Inventor
Jun Fujita
純 藤田
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Shibaura Machine Co Ltd
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Toshiba Machine Co Ltd
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Publication date
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Program-control systems
    • G05B19/02Program-control systems electric
    • G05B19/18Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form
    • G05B19/41Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form characterised by interpolation, e.g. the computation of intermediate points between programmed end points to define the path to be followed and the rate of travel along that path
    • GPHYSICS
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    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 自由曲線の定義データを指令して自由曲線を
直接補間するとともに、この際に発生する各種誤差を許
容値以内に収めることができる数値制御装置を提供する
こと。 【解決手段】 所定のパラメータtで表される曲線P(t)
で移動軌跡を定義するプログラム11を解読し、制御対象
のサーボ系12,13,14に移動軌跡に応じた動作指令を出力
し、曲線補間部16で移動軌跡の曲線P(t)の補間を行う。
データ設定部21に動作結果における許容誤差Emaxや参照
する誤差要因ωo、M、Kを設定しておき、曲率半径算出
部22で曲線P(t)の曲率半径R(t)を算出し、許容速度算出
部23で曲率半径と誤差要因とから許容誤差以内に入る最
大送り許容速度Fmaxを算出し、指令速度制限部24でこの
許容速度Fmaxが動作指令の指令速度CFより低い場合には
曲線補間部16の指令速度を許容速度Fmaxに抑え、過大速
度による誤差を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は数値制御装置に関
し、工作機械や工業用ロボット等の動作をプログラム制
御する際などに利用できる。
【0002】
【背景技術】従来より、工作機械や工業用ロボット等の
動作にあたっては、所定の指令プログラムを解読実行し
てこれらの工作機械等を制御する数値制御装置(NC装
置)が利用されている。 (数値制御装置と補間演算)数値制御装置は、所定の形
式で動作指令(位置、速度など)を順次記載した指令プ
ログラムを予め読み込み、実際の動作の際には所定の時
間ステップで各指令を工作機械等に出力し、具体的な各
動作を実行させるものである。
【0003】近年の数値制御装置においては、動作精度
の向上を図るべく、指令曲線を補間して軌跡の円滑化を
図ること、二軸協調動作等のための補間を行うこと等が
なされている。このような補間にあたっては、予め指令
曲線を分析し、微小直線や微小円弧等の微小ブロックの
組み合わせとして近似再構成する補間演算が行われてい
る。
【0004】(数値制御装置のデータ形式)前述のよう
な数値制御装置の指令プログラム生成にあたっては、ワ
ークの切削加工等を行う場合など、このワークのコンピ
ュータ設計システム(CADシステム)から渡された形
状データを利用することで、別途のプログラミング作業
なしに指令プログラムを生成すること(自動プログラミ
ング)が行われている。
【0005】これらのCAD設計から指令プログラム自
動生成までの工程で用いられるデータ形式としては、様
々な曲線が自由に描けるB−スプライン曲線(基底スプ
ライン、Base-Spline)が多用されている。更に、B−
スプライン曲線のセグメントのつなぎ目(ノット)の増
加量が不均一である点を改善したNURBS曲線(Non-
Uniform Rational B-Spline)が多用されるに至ってい
る。
【0006】(自由曲線の直接補間)このようなB−ス
プライン曲線やNURBS曲線は、指令曲線の表現力が
高く自由な曲線を指定できる一方で、曲線の高精度化に
ともなってデータ量が増大し、前述した補間演算の煩雑
化を招くという不都合が生じる。このような不都合に対
して、NURBS曲線の補間演算を効率的に行える補間
方式が提案されている(特開平8-305430号公報参照)。
【0007】この提案は、NURBS曲線を特定するた
めのデータを数値制御装置に直接指令するものである。
具体的には次のような手順を行う。先ず、指令プログラ
ムには、指令曲線を特定のパラメータtを変数とする関
数P(t)で表したNURBS曲線の補間指令を含めて記述
しておき、この補間指令における速度指令から単位時間
当たりの移動量を算出し、移動指令を出力する。次に算
出された移動量だけ移動する場合のパラメータの変化量
を算出し、現在の値にこの変化量を加えた値をNURB
S曲線の関数に代入することで次に補間すべき座標値を
獲得し、この座標値までの各軸の移動量を算出する。こ
れにより、数値制御装置に対して、直接NURBS曲線
の補間を指令し、実行させることができ、補間演算の処
理の煩雑化を回避することができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前述のような
NURBS曲線の直接補間方式では、プログラムに指令
された送り速度により実際の補間の1周期あたりの移動
量を決めているため、次に述べるような問題が生じてお
り、その解消が望まれていた。 (自由曲線を離散時間で補間することによる誤差)自由
曲線を離散時間で補間する場合、細かく見ると実際に補
間される軌跡は微小な直線の連続となる。この直線と指
令された曲線との間には円弧誤差Ecが生じる。この円
弧誤差Ecは、指令曲線の当該部分の曲率半径R(mm)と
区間の円弧角度θとから次式で表される。
【0009】
【数1】
【0010】(サーボの遅れによる誤差)数値制御装置
から工作機械等の動作部分にかけて、通常はフィードバ
ックループによるサーボ部分が構成される。このような
サーボ部分には、曲線軌跡を描く場合に、通常サーボ遅
れによる半径減少が生じる。このようなサーボ遅れ誤差
が加工の許容誤差を超えるようならば、加工精度を満足
できないという結果になる。このようなサーボ遅れ誤差
(半径減少dR(mm))は、サーボループの位置制御ゲイ
ンωo(rad/sec)、曲率半径R(mm)、送り速度F(mm/min)
として、次式で表される。
【0011】
【数2】
【0012】(遠心力による機械の撓みによる誤差)曲
線軌跡を描く場合、送り速度や移動部分の重さに応じ
て、遠心力により機械的な撓みを生じ、誤差となる。こ
のような遠心力による機械撓み誤差Emは、指令曲線の
当該部分の曲率半径R(mm)、送り速度F(mm/min)、移動
物の最大質量M(kg)、送り軸剛性K(kgf/μm)として、
最大、次式の値となる。
【0013】
【数3】
【0014】本発明の目的は、自由曲線の定義データを
指令して自由曲線を直接補間するとともに、この際に発
生する各種誤差を許容値以内に収めることができる数値
制御装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は、所定のパラメ
ータtで表される曲線P(t)で移動軌跡を定義するプログ
ラムを解読し、所定の制御対象に前記移動軌跡に応じた
動作指令を出力する数値制御装置であって、前記動作指
令の出力の際に前記移動軌跡の曲線P(t)の補間を行う曲
線補間部と、予め動作結果における許容誤差を設定する
許容誤差設定部と、予め参照する誤差要因を設定する誤
差要因設定部と、前記曲線P(t)の曲率半径を算出する曲
率半径算出部と、前記曲率半径と誤差要因とを評価して
許容誤差以内に入る最大送り許容速度を算出する許容速
度算出部と、この最大送り許容速度が前記動作指令の指
令速度より低い場合には曲線補間部の指令速度を前記最
大送り許容速度に抑える指令速度制限部と、を備えたこ
とを特徴とする。
【0016】このような本発明では、曲線補間部により
基本的な「自由曲線の直接補間」が行えるとともに、予
め設定した許容誤差と誤差要因に基づいて、曲率半径に
応じた最大送り許容速度を算出し、曲線補間部に指令す
る指令速度を誤差が生じない所定の許容速度以下に規制
することにより、直接補間にあたって前述した各種誤差
が発生することが防止できる。
【0017】本発明において、前記誤差要因設定部には
サーボの遅れによる誤差が設定可能であり、前記許容速
度算出部はサーボの遅れによる誤差の評価が可能である
ことが望ましい。このようにすれば、円弧誤差に加え
て、サーボの遅れによる誤差にも対応できるようにな
る。
【0018】本発明において、前記誤差要因設定部には
遠心力による機械の撓みによる誤差が設定可能であり、
前記許容速度算出部は遠心力による機械の撓みによる誤
差の評価が可能であることが望ましい。このようにすれ
ば、円弧誤差に加えて、遠心力による機械撓み誤差にも
対応できるようになる。
【0019】本発明において、前記所定のパラメータt
で表される曲線P(t)はNURBS曲線形式であることが
望ましい。NURBS曲線では、自由曲線の記述性が高
い反面データ量が多く、直接補間による効果が高く、本
発明の適用による各種誤差防止の効果も顕著となる。
【0020】本発明において、前記許容誤差は加工プロ
グラムにより設定されることが望ましい。このようにす
れば、加工プログラム毎、つまり加工するワーク等に応
じて許容誤差を設定することができ、ワーク等に応じた
誤差補償の最適化が行える。本発明において、前記許容
誤差はシステムパラメータとして設定されることが望ま
しい。このようにすれば、システム共通の設定として基
本的な許容誤差を指定することができ、加工プログラム
毎に指定等する必要がなく繁雑さを解消できるととも
に、最低限の精度確保などが確実に行える。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。図1において、数値制御装置10
は、所定の加工プログラム11を読み込み、これに記載さ
れた動作指令に基づいて工作機械や工業用ロボット等の
X軸サーボ系12、Y軸サーボ系13、Z軸サーボ系14の複
数軸を協調動作制御するものである。
【0022】(数値制御装置の基本構成)数値制御装置
10は、基本構成として、加工プログラム11を読み込んで
解析処理する解析処理部15と、その解析結果に対して補
間処理を行う曲線補間部16とを備え、これらの処理によ
り得られる指令値データをX軸サーボ系14、Y軸サーボ
系15、Z軸サーボ系16の各動作部分に出力する。加工プ
ログラム11は所定のパラメータtで表される曲線P(t)で
移動軌跡を定義するものであり、具体的にはNURBS
曲線として移動軌跡を定義したものである。
【0023】解析処理部15は、加工プログラム11から、
NURBS曲線で記述された曲線定義データDPと、送り
速度データDFとを読み出し、曲線補間部16に曲線定義デ
ータDPと送り速度指令値CFとを送る。曲線補間部16は、
送られた曲線定義データDPと送り速度指令値CFとから、
自由曲線の直接補間を行い(特開平8-305430号公報参
照)、X,Y,Z各軸の位置指令値Cx,Cy,Czを算出し、
X軸サーボ系12、Y軸サーボ系13、Z軸サーボ系14にそ
れぞれ出力する。ここまでは、従来と同様の構成であ
る。一方、曲線補間部16には、本発明に基づく構成が追
加されている。
【0024】(本発明に基づく新規な構成)曲線補間部
16に追加された構成は、データ設定部21、曲率半径算出
部22、許容速度算出部23、指令速度制限部24の各部であ
る。データ設定部21は、本発明の許容誤差設定部と誤差
要因設定部とを兼ねるものであり、予め動作結果におけ
る許容誤差Emaxが設定記憶されるとともに、予め参照す
る誤差要因として、位置制御ゲインωo、移動物質量
M、機械剛性Kが設定記憶される。
【0025】これらの設定は、数値制御装置10の操作盤
あるいは外部のコンピュータ端末装置等により実行でき
るように構成することができる。設定された各値は、シ
ステムパラメータとして数値制御装置10の記憶部分に適
宜記憶される。なお、これらの各値は、加工プログラム
11に指定してもよく、この場合には解析処理部15で読み
込まれて数値制御装置10の記憶部分に記憶されるように
してもよい。
【0026】曲率半径算出部22は、曲線補間部16に送ら
れた曲線定義データDP(曲線P(t)を表している)と、こ
の曲線P(t)のパラメータtの現在値とから、曲線P(t)の
現在位置の曲率半径R(t)を算出する。この演算にはP(t)
の現在位置の1階微分P'(t)および2階微分P"(t)を用
い、次式によって算出できる。なお、次式中「×」は外
積演算操作を示す。
【0027】
【数4】
【0028】許容速度算出部23は、曲率半径算出部22で
得られた曲率半径R(t)と、データ設定部21で設定された
各値とを評価し、3通りの誤差要因に対して許容誤差Em
ax以内に入る最大送り許容速度Fmaxを算出する。 (誤差要因1の対応)誤差要因1として、自由曲線を離
散時間で補間する場合の円弧誤差Ecを考慮し、これに
対応する許容速度Fmax1を求める。円弧誤差Ecは、前述
した「数1」式の通りであるが、この際、円弧誤差E
c、曲率半径R、角度θの関係は図2に示すようになる
から、次式が成立する。
【0029】
【数5】
【0030】そして、このようなdLとcosθの関係は次
式のようになる。
【0031】
【数6】
【0032】従って、「数1」式は更に次のように変形
できる。
【0033】
【数7】
【0034】このようにして得られたdLの式のRとし
て、先に求めた曲率半径R(t)を代入すれば、現在のパラ
メータtに対応した位置の許容移動量が求まり、許容送
り速度Fmax(mm/min)は分単位なので60/T(Tは補間処
理の周期=時間sec)を掛けることで、誤差要因1につ
いての最大送り許容速度Fmax1が算出される。 (誤差要因2の対応)誤差要因2として、サーボ遅れに
よる誤差を考慮し、これに対応する許容速度Fmax2を求
める。前述した通り、サーボ遅れ誤差(半径減少dR(m
m))は、サーボループの位置制御ゲインωo(rad/sec)、
曲率半径R(mm)、送り速度F(mm/min)として、前述の
「数2」式で表されていた。位置制御ゲインωoはデー
タ設定部21で設定され、曲率半径Rは先にR(t)として算
出されている。従って、「数2」式の半径減少dRを許容
誤差Emaxとして変形すると、次式のようになる。
【0035】
【数8】
【0036】この速度Fにより、誤差要因2についての
最大送り許容速度Fmax2が算出される。 (誤差要因3の対応)誤差要因3として、遠心力による
機械撓み誤差Emを考慮し、これに対応する許容速度Fma
x3を求める。前述した通り、遠心力による機械撓み誤差
Emは、指令曲線の当該部分の曲率半径R(mm)、送り速
度F(mm/min)、移動物の最大質量M(kg)、送り軸剛性K
(kgf/μm)として、前述の「数3」式で表されていた。
移動物の質量M、送り軸の機械剛性Kはデータ設定部21
で設定され、曲率半径Rは先にR(t)として算出されてい
る。従って、「数3」式の誤差Emを許容誤差Emaxとして
変形すると、次式のようになる。
【0037】
【数9】
【0038】この速度Fにより、誤差要因3についての
最大送り許容速度Fmax3が算出される。許容速度算出部2
3は、以上により得られた3つの許容速度Fmax1、Fmax2、F
max3のうち、最も小さいものを最終的な許容速度Fmaxと
し、指令速度制限部24に出力する。
【0039】指令速度制限部24は、許容速度算出部23か
ら送られた許容速度Fmaxと、曲線補間部16に送られてい
る送り速度指令値CFとを比較し、送り速度指令値CFが許
容速度Fmaxよりも小さければこの送り速度指令値CFを送
り速度として曲線補間部16に渡して補間演算を行わせる
が、送り速度指令値CFが許容速度Fmaxよりも大きければ
許容速度Fmaxのほうを送り速度として曲線補間部16に渡
し、送り速度を許容速度Fmaxに制限した状態で補間演算
を行わせる。これにより、曲線補間部16における補間演
算にあたっては、常に許容速度Fmax以下の送り速度で演
算が行われ、この許容速度Fmaxは前述の誤差要因1〜3
を回避するのに必要十分な値であるから、この値以下の
速度であれば各誤差が生じないようにできる。
【0040】このような本実施形態によれば、曲線補間
部16により基本的な「自由曲線の直接補間」が行えると
ともに、データ設定部21、曲率半径算出部22、許容速度
算出部23、指令速度制限部24により、予め設定した許容
誤差と誤差要因に基づいて、曲率半径に応じた最大送り
許容速度を算出し、曲線補間部に指令する指令速度を誤
差が生じない所定の許容速度以下に規制することによ
り、直接補間にあたって円弧誤差、サーボ遅れ誤差、遠
心力による誤差といった各種誤差が発生することが防止
できる。
【0041】特に、誤差要因設定部であるデータ設定部
21にはサーボの遅れ誤差に対応する位置制御ゲインωo
を設定し、許容速度算出部23ではサーボの遅れ誤差の評
価も行うようにしたため、円弧誤差(誤差要因1)に加
えて、サーボの遅れ誤差(誤差要因2)にも対応するこ
とができる。
【0042】また、誤差要因設定部であるデータ設定部
21には遠心力による機械の撓みによる誤差に対応する移
動物質量Mと機械剛性Kを設定し、許容速度算出部23で
は遠心力による誤差の評価も行うようにしたため、円弧
誤差(誤差要因1)、サーボ遅れ誤差(誤差要因2)に
加えて、遠心力による機械撓み誤差(誤差要因3)にも
対応することができる。
【0043】本実施形態において、加工プログラム11に
設定された移動軌跡は所定のパラメータtで表される曲
線P(t)であり、この曲線P(t)はNURBS曲線形式であ
るとしたため、NURBS曲線の特徴(自由曲線の記述
性が高い反面データ量が多い)に対応して、直接補間に
よる効果が高く、本発明の適用による各種誤差防止の効
果も顕著とすることができる。
【0044】本実施形態において、許容誤差や各種誤差
要因のデータ等は、データ設定部21からシステムパラメ
ータとして設定されるようにしたため、システム共通の
設定として基本的な許容誤差を指定することができ、加
工プログラム毎に指定等する必要がなく繁雑さを解消で
きるとともに、最低限の精度確保などが確実に行える。
【0045】なお、本発明は前述した実施形態に限定さ
れるものではなく、以下に示すような変形等も本発明に
含まれるものである。すなわち、前記実施形態では、許
容誤差や各種誤差要因のデータ等は、データ設定部21か
らシステムパラメータとして設定されるようにしたが、
これらの許容誤差や各種誤差要因のデータ等は、加工プ
ログラム11によりその都度設定されるようにしてもよ
い。このようにすれば、加工プログラム毎、つまり加工
するワーク等に応じて許容誤差を設定することができ、
ワーク等に応じた誤差補償の最適化が行える。
【0046】また、前記実施形態では、データ設定部21
および許容速度算出部23を3つの誤差要因1〜3に対応
させたが、これらの誤差要因1〜3に全て対応すること
は本発明に必須ではない。例えば、移動部分が十分に軽
量で遠心力による誤差の可能性が排除できる場合、円弧
誤差(誤差要因1)、サーボ遅れ誤差(誤差要因2)の
二つに対応するようにしてもよい。さらに、他の誤差要
因が想定される場合、新たな誤差要因を含めて処理する
ようにすればよいことは言うまでもない。
【0047】なお、前記実施形態では、許容速度Fmaxを
mm/minという単位の「速度」として計算し、曲線補間部
16の処理を誤差限界以下に制限しているが、サンプリン
グ周期T毎の移動量という値に換算し(許容速度×サン
プリング周期T)、加工プログラム11に基づく指令値も
同様の値に変換して比較を行って制限してもよい。
【0048】
【発明の効果】以上に述べたとおり、本発明によれば、
曲線補間部により基本的な「自由曲線の直接補間」が行
えるとともに、予め設定した許容誤差と誤差要因に基づ
いて、曲率半径に応じた最大送り許容速度を算出し、曲
線補間部に指令する指令速度を誤差が生じない所定の許
容速度以下に規制することにより、直接補間にあたって
前述した各種誤差が発生することが防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示すブロック図。
【図2】本発明の一実施形態の演算の概念を示す模式
図。
【符号の説明】
10 数値制御装置 11 加工プログラム 12,13,14 制御対象である各軸サーボ系 15 解析処理部 16 曲線補間部 21 許容誤差設定部と誤差要因設定部とを兼ねるデータ
設定部 22 曲率半径算出部 23 許容速度算出部 24 指令速度制限部 Emax 許容誤差 Fmax 最大送り許容速度 ωo 位置制御ゲイン M 移動物質量 K 機械剛性 R、R(t) 曲率半径 t パラメータ P(t) 指令曲線

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 所定のパラメータtで表される曲線P(t)
    で移動軌跡を定義するプログラムを解読し、所定の制御
    対象に前記移動軌跡に応じた動作指令を出力する数値制
    御装置であって、 前記動作指令の出力の際に前記移動軌跡の曲線P(t)の補
    間を行う曲線補間部と、 予め動作結果における許容誤差を設定する許容誤差設定
    部と、 予め参照する誤差要因を設定する誤差要因設定部と、 前記曲線P(t)の曲率半径を算出する曲率半径算出部と、 前記曲率半径と誤差要因とを評価して許容誤差以内に入
    る最大送り許容速度を算出する許容速度算出部と、 この最大送り許容速度が前記動作指令の指令速度より低
    い場合には曲線補間部の指令速度を前記最大送り許容速
    度に抑える指令速度制限部と、を備えたことを特徴とす
    る数値制御装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載した数値制御装置におい
    て、前記誤差要因設定部にはサーボの遅れによる誤差が
    設定可能であり、前記許容速度算出部はサーボの遅れに
    よる誤差の評価が可能であることを特徴とする数値制御
    装置。
  3. 【請求項3】 請求項1または請求項2に記載した数値
    制御装置において、前記誤差要因設定部には遠心力によ
    る機械の撓みによる誤差が設定可能であり、前記許容速
    度算出部は遠心力による機械の撓みによる誤差の評価が
    可能であることを特徴とする数値制御装置。
  4. 【請求項4】 請求項1から請求項3までの何れかに記
    載した数値制御装置において、前記所定のパラメータt
    で表される曲線P(t)はNURBS曲線形式であることを
    特徴とする数値制御装置。
  5. 【請求項5】 請求項1から請求項4までの何れかに記
    載した数値制御装置において、前記許容誤差は加工プロ
    グラムにより設定されることを特徴とする数値制御装
    置。
  6. 【請求項6】 請求項1から請求項4までの何れかに記
    載した数値制御装置において、前記許容誤差はシステム
    パラメータとして設定されることを特徴とする数値制御
    装置。
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