JP4813616B1 - 円弧動作時の速度制御機能を有する工作機械の数値制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】円弧補間や連続した微小線分ブロックによる曲面加工時に、サーボの速度指令値やトルク指令値が飽和することがなく、連続したワークの加工を行う工作機械の制御装置を提供すること。
【解決手段】加工プログラムの円弧指令コードを解析し、半径Ｒ，指令送り速度を取得し、許容加速度による速度制御が有効な場合は、クランプ速度を算出し、送り速度がクランプ速度以上なときは、速度クランプし、前記許容加速度による速度制御が有効でない場合は、許容角速度による速度制御が有効判断し、有効な場合は、クランプ速度を算出し、送り速度がクランプ速度以上なときは、速度クランプし、円弧補間を実行を備えたことを特徴とする工作機械を制御する数値制御装置。送り速度Ｆと半径値から分配量を計算する円弧補間を実行し、処理を終了する。
【選択図】図３

Description

本発明は工作機械を制御する数値制御装置に関し、特に、円弧動作において円弧の接線方向の速度を任意に設定または指令された周波数または角速度により速度を制御する機能を有する工作機械の数値制御装置に関する。

工作機械を制御する数値制御装置において、加工経路が円弧となる場合の速度制御では、軸の移動方向が変化することによって生じる加速度が、任意に設定または指令された加速度以下となるように速度制御を行っている。しかし、同じ加速度の設定がされていても、円弧半径が小さくなっていく、または、指令速度が大きくなっていくと、サーボへ指令される周波数が上がり、サーボの位置制御の応答周期を超えてサーボ系が不安定になる現象が発生する場合がある。この場合、サーボや数値制御によりアラームを発生させて制御軸の動作を停止させることが一般的である。しかし、加工中に軸動作が停止することで、加工物が傷ついたり、加工の再開に時間がかかったりと、問題が発生することになる。

実際に行われる加工の範囲内で、予め、速度指令値やトルク指令値の飽和に至らないように、許容加速度を任意に設定または指令して速度制御を行っているが、許容加速度によって速度制御を行うだけでは微小円弧加工時には十分なクランプができない。あるいは、十分な速度クランプを行おうとすると加工時間が大幅に伸びてしまうという問題があった。

特許文献１には、機械振動に対応する周波数成分が基準値以下となる許容速度を求める技術が開示されている。前記周波数成分は、指令経路および指令速度に基づいて、各時刻の速度指令を生成し、各時刻の速度指令に含まれる機械振動に対応する周波数帯域の成分を計算することによって求められる。
特許文献２には、円弧中心角速度の目標値を用いて速度指令を修正する技術が開示されている。この技術は円弧の経路を補正するための速度制御であって、指令軌跡と応答軌跡との軌跡誤差をフィードフォアード制御によって小さくするものである。
特許文献１，特許文献２とも、半径の小さな円弧補間で形状を加工するための速度クランプに係る技術ではない。

特開２００３−３３４７４０号公報 特開昭６３−３０３４０２号公報

そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、円弧補間や連続した微小線分ブロックによる曲面加工時に、曲線の接線方向速度をサーボの位置制御が応答可能な周波数または角速度で送り速度のクランプが可能であり、サーボの位置制御が応答可能な周波数の速度でクランプされるため、サーボの速度指令値やトルク指令値が飽和することがなく、サーボの速度指令値やトルク指令値が飽和しなくなるため、アラームが発生することなく連続したワークの加工を行うことが可能な工作機械の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、加工プログラムで指令された円弧の半径、および、送り速度に従って円弧補間を行う工作機械を制御する数値制御装置において、予め設定または前記加工プログラムで指令されたサーボの位置制御が応答可能な周波数あるいは角速度と前記指令された円弧の半径とから第１の許容送り速度を算出する手段と、前記指令された送り速度と前記第１の許容送り速度を比較する比較手段と、前記比較手段による比較の結果、前記指令された送り速度が前記第１の許容送り速度以上である場合には、第１の許容送り速度を送り速度として速度制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする工作機械を制御する数値制御装置である。
請求項２に係る発明は、許容加速度が設定されている場合、前記指令された円弧の半径と該許容加速度から第２の許容送り速度を算出する手段を有し、前記比較手段は前記指令された送り速度と前記第１の許容送り速度および前記第２の許容送り速度を比較し、前記制御手段は比較の結果、最も小さい送り速度を選択して速度制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の工作機械を制御する数値制御装置である。

請求項３に係る発明は、連続した指令ブロックからなる加工ブロックを先読みして加工を行う工作機械の数値制御装置において、実行中のブロックと、該実行中のブロックの前後のブロックから、そのブロックの曲率半径を演算する手段と、予め設定または指令されたサーボの位置制御が応答可能な周波数あるいは角速度と前記算出された曲率半径とから第１の許容送り速度を算出する手段と、前記指令された送り速度と前記第１の許容送り速度を比較する比較手段と、前記比較手段により比較の結果、第１の許容送り速度が指令送り速度よりも小さい場合は、第１の許容送り速度を送り速度として速度制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする工作機械の数値制御装置である。
請求項４に係る発明は、許容加速度が設定されている場合、前記演算された曲率半径と前記許容加速度から第２の許容送り速度を算出する手段を有し、前記比較手段は前記指令された送り速度と前記第１の許容送り速度および前記第２の許容送り速度を比較し、前記制御手段は比較の結果、最も小さい送り速度を選択して速度制御することを特徴とする請求項３に記載の工作機械の数値制御装置である。

本発明により、円弧補間や連続した微小線分ブロックによる曲面加工時に、曲線の接線方向速度をサーボの位置制御が応答可能な周波数または角速度で送り速度のクランプが可能であり、サーボの位置制御が応答可能な周波数の速度でクランプされるため、サーボの速度指令値やトルク指令値が飽和することがなく、サーボの速度指令値やトルク指令値が飽和しなくなるため、アラームが発生することなく連続したワークの加工を行うことが可能な工作機械の制御装置を提供できる。

許容する加速度による速度制御と許容周波数または許容角速度による速度制御のクランプ速度の関係を説明するグラフである。 許容角速度を６３［ｒａｄ／ｓｅｃ］、許容加速度を６０００［ｍｍ／ｓｅｃ²］として、加速度による速度制御と許容周波数または許容角速度による速度制御のクランプ速度の関係を説明するグラフである。 円弧補間時の速度制御の処理のアルゴリズムを説明するフローチャートである。 加工経路の一例を説明する図である。 連続した指令ブロックでの速度制御の処理のアルゴリズムを説明する図である（その１）。 連続した指令ブロックでの速度制御の処理のアルゴリズムを説明する図である（その２）。 本発明の数値制御装置の一実施形態のブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
本発明の数値制御装置は、円弧加工時の許容加速度による速度制御と同時に、サーボが許容しうる周波数または角速度によって速度を制御するものである。予め設定された、または加工プログラム実行時に指令された、サーボの位置制御が応答可能な許容周波数、または許容角速度と、加工経路の円弧半径または曲率半径から、動作可能な送り速度を自動的に算出して、指令された送り速度が、この算出された動作可能な送り速度よりも大きかった場合には、算出された動作可能な送り速度でクランプを行う。加速度による速度制御も同時に有効な場合には、指令速度、算出されたそれぞれの速度のうち、最も小さい速度を自動的に判断して、送り速度のクランプを行う。

円弧補間ではその補間指令時に円弧の半径、送り速度が予めまたは同時に指令されている。サーボの位置制御が応答可能な範囲での許容し得る周波数または角速度を、設定または指令しておくことで、補間指令解析時に円弧半径と許容周波数または許容角速度から許容し得る送り速度の算出を行う。指令されている送り速度が算出した許容し得る送り速度よりも大きい場合には、指令されている送り速度にクランプを行う。

指令送り速度をＦ_C［ｍｍ／ｍｉｎ］、指令半径をＲ［ｍｍ］とすると、指令された円弧の指令周波数（円弧指令周波数）ν_C、あるいは、指令された円弧の指令角速度（円弧指令角速度）ω_Cは数１式、数２式のようになる。

数１式で求められる円弧指令周波数ν_C、あるいは、数２式で求められる円弧指令角速度ω_Cが、サーボの位置制御が応答できる周波数または角速度を超えないような許容周波数ν_Lまたは許容角速度ω_Lで指令送り速度Ｆ_Cを制限（クランプ）する。指令送り速度Ｆ_Cの制限速度（クランプ速度）Ｆ_Lを周波数ν_L、あるいは、角速度ω_Lを用いて表現すると、数３式、数４式となる。

指令送り速度Ｆ_Cが、数３式、あるいは、数４式によって求められたクランプ速度Ｆ_L以上である場合には、制限速度（クランプ速度）Ｆ_Lを送り速度として使用する。
円弧補間の加速度による速度制御が同時に使用されている場合には、加速度による速度制御で求められた送り速度とも比較してより速度の小さい方を送り速度とする。
円弧補間の加速度による速度制御では、数５式のように、許容する加速度Ａｃｌｍｐ［ｍｍ／ｓｅｃ²］と円弧半径Ｒ［ｍｍ］から速度の制御を行う。

図１は、許容加速度Ａｃｌｍｐによる速度制御と許容周波数ν_Lまたは許容角速度ω_Lによる速度制御のクランプ速度の関係を説明するグラフである。許容周波数ν_Lまたは許容角速度ω_Lによる速度制御は、数３式や数４式に示されるように円弧半径Ｒに比例して増大する。加速度による速度制御は、数５式に示されるようにクランプ速度Ｆ_Lは許容する加速度Ａと円弧半径Ｒの積の円弧半径Ｒに対するルート関数として表される。

＜実施形態１＞
ここで、許容角速度ω_L、許容加速度Ａに具体的数値をあてはめて本発明を説明する。
許容角速度ω_Lを６３［ｒｅｄ／ｓｅｃ］、許容加速度Ａｃｌｍｐを６０００［ｍｍ／ｓｅｃ²］として、許容角速度ω_Lによる速度制御と許容加速度Ａによる速度制御を併用して、加工プログラムで半径１０［ｍｍ］の一周円の円弧補間と半径１［ｍｍ］の一周円の円弧補間を送り速度５０００［ｍｍ／ｍｉｎ］で連続して実行した場合を考える。

図２に示されるグラフからもわかるように、半径１０［ｍｍ］の円弧では許容加速度Ａによる速度制御で求まる速度１４６９７［ｍｍ／ｍｉｎ］よりも指令送り速度Ｆ_Cが小さいため指令速度で加工を行い、半径１［ｍｍ］の円弧では許容角速度ω_Lによる速度制御で求まる速度、約３７７０［ｍｍ／ｍｉｎ］で送り速度がクランプされることになる。

図３は、円弧補間時の速度制御の処理のアルゴリズムを説明するフローチャートである。以下、各ステップに従って説明する。なお、フローチャート内では、速度、加速度、角速度の時間の単位は、単位時間として扱う。また、距離の単位は［ｍｍ］であるとする。例えば、フローチャート内の時間単位が［ｍｓｅｃ］であれば、速度、加速度、角速度の単位は［ｍｍ／ｓｅｃ］、［ｍｍ／ｓｅｃ²］、［ｄｅｇ／ｍｓｅｃ］となる。
●［ステップＳＡ１００］加工プログラムの円弧指令コードを解析し、指令半径Ｒ，指令送り速度Ｆ_Cを取得する。
●［ステップＳＡ１０１］許容加速度Ａｃｌｍｐによる速度制御が有効か否か判断し、有効である場合にはステップＳＡ１０２へ移行し、有効でない場合にはステップＳＡ１０５へ移行する。
●［ステップＳＡ１０２］許容加速度Ａｃｌｍｐに基づくクランプ速度Ｆｃｌｍｐ＿ａを算出する。 Ｆｃｌｍｐ＿ａ＝√Ａｃｌｍｐ＊Ｒ
●［ステップＳＡ１０３］送り速度Ｆはクランプ速度Ｆｃｌｍｐ＿ａ以上であるか否か判断し、以上である場合にはステップＳＡ１０４へ移行し、未満の場合にはステップＳＡ１０５へ移行する。なお、ここでは、送り速度ＦはステップＳＡ１００で読み込んだ指令送り速度Ｆ_Cである。
●［ステップＳＡ１０４］送り速度Ｆを許容加速度に基づくクランプ速度Ｆｃｌｍｐ＿ａに設定する。
●［ステップＳＡ１０５］許容角速度による速度制御が有効か否か判断し、有効である場合にはステップＳＡ１０６へ移行し、有効でない場合にはステップＳＡ１０９へ移行する。
●［ステップＳＡ１０６］許容角速度に基づくクランプ速度Ｆｃｌｍｐ＿ｂを算出する。
●［ステップＳＡ１０７］送り速度Ｆはクランプ速度Ｆｃｌｍｐ＿ｂ以上であるか否か判断し、以上である場合にはステップＳＡ１０８へ移行し、未満の場合にはステップＳＡ１０９へ移行する。
●［ステップＳＡ１０８］送り速度Ｆを許容角速度に基づくクランプ速度Ｆｃｌｍｐ＿ｂに設定する。
●［ステップＳＡ１０９］送り速度Ｆと半径値から分配量を計算する円弧補間を実行し、処理を終了する。

＜実施形態２＞
次に、連続した指令ブロックによる曲線加工時の速度制御について説明する。
従来技術として、数値制御装置で実行する加工プログラムから連続した指令ブロックを先読みして指令ブロックの内容を解析して実行する技術がある。
この技術を使用して連続した複数の指令ブロックを先読みすることで、ある指令ブロックの前のブロックまたは後ろのブロックまたはその双方から、そのある指令ブロックでの曲率半径を求め、その曲率半径を用いて許容周波数ν_Lまたは許容角速度ω_Lから許容しうる送り速度の算出を行う。
指令されている送り速度が算出した速度よりも大きい場合にはそれでクランプを行い、これを各ブロックに対して実行し、設定された許容周波数ν_Lまたは許容角速度ω_Lから得られたクランプ速度以下で動作するように制御する。

ここで、許容角速度ω_L、許容加速度Ａに具体的数値をあてはめて本発明を説明する。
許容角速度ω_Lを６３［ｒａｄ／ｓｅｃ］、許容加速度Ａを６０００［ｍｍ／ｓｅｃ²］とする。
許容角速度ω_Lによる速度制御と許容加速度Ａによる速度制御を併用して、数値制御装置が先読みを行える状態で、図４に示すような加工経路となる、ブロック長が１［ｍｍ］の直線補間を６３ブロック連続させた円弧を実行した後、ブロック長が０．３［ｍｍ］の直線補間を２１ブロック連続させて円弧を実行するプログラムを送り速度５０００［ｍｍ／ｍｉｎ］で実行した場合を考える。

図５に示すフローチャートの処理で分るように、加工プログラムから連続した指令ブロックを先読みし、前後の指令ブロックから各ブロックの情報を取得する。各ブロック間の曲率半径から許容加速度Ａによる速度制御と許容角速度ω_Lによる速度制御を行い、送り速度を決定する。

ブロック長１［ｍｍ］の６３ブロックで作る円弧において、ブロック長とブロック間のなす角θｒ（約５．７１４［ｄｅｇ］）から、各ブロックの曲率半径Ｒは約１０［ｍｍ］となる。
同様に、ブロック長０．３［ｍｍ］の２１ブロックで作る円弧において、ブロック長とブロック間のなす角θｒ（約５．７１４［ｄｅｇ］）から曲率半径ｒは約１［ｍｍ］となる。

求めた曲率半径Ｒ，ｒから、＜実施形態１＞と同様にして、送り速度は、ブロック長１［ｍｍ］の６３ブロック実行中は、加工プログラムで指令された指令送り速度とおりの５０００［ｍｍ／ｍｉｎ］となり、ブロック長０．３［ｍｍ］の２１ブロック実行中は、許容角速度ω_Lによる速度制御から求められる制限速度（クランプ速度）である３７７０［ｍｍ／ｍｉｎ］にクランプされる。

図５は、連続した指令ブロックでの速度制御の処理のアルゴリズムを説明する図である。なお、フローチャート内では、速度、加速度、角速度の時間の単位は、単位時間として扱う。また、距離の単位は［ｍｍ］であるとする。例えば、フローチャート内の時間単位が［ｍｓｅｃ］であれば、速度、加速度、角速度の単位は［ｍｍ／ｓｅｃ］、［ｍｍ／ｓｅｃ²］、［ｄｅｇ／ｍｓｅｃ］となる。
●［ステップＳＢ１００］加工プログラムのブロックの先読みにより指令ブロックの内容である指令コードＸ，Ｙ，Ｆ_Cを取得する。ここでは一例として、Ｘ，Ｙの２軸とＦ_Cの指令送り速度を取得する。
●［ステップＳＢ１０１］指令ブロックが前後の数ブロックとの関係で曲線となっているか否か判断し、曲線となっている場合にはステップＳＢ１０２へ移行し、曲線となっていない場合にはステップＳＢ１１１へ移行する。
●［ステップＳＢ１０２］曲率半径Ｒを算出する。
●［ステップＳＢ１０３］許容加速度による速度制御は有効であるか否か判断し、有効である場合にはステップＳＢ１０４へ移行し、有効でない場合にはステップＳＢ１０７へ移行する。
●［ステップＳＢ１０４］許容加速度Ａｃｌｍｐに基づくクランプ速度Ｆｃｌｍｐ＿ａを算出する。 Ｆｃｌｍｐ＿ａ＝√Ａｃｌｍｐ＊Ｒ
●［ステップＳＢ１０５］送り速度Ｆは許容加速度に基づくクランプ速度Ｆｃｌｍｐ＿ａ以上であるか否か判断し、以上である場合にはステップＳＢ１０６へ移行し、未満の場合にはステップＳＢ１０７へ移行する。なお、ここでは、送り速度ＦはステップＳＢ１００で読み込んだ指令送り速度Ｆ_Cである。
●［ステップＳＢ１０６］送り速度Ｆをクランプ速度Ｆｃｌｍｐ＿ａに設定する。
●［ステップＳＢ１０７］許容角速度による速度制御が有効か否か判断し、有効である場合にはステップＳＢ１０８へ移行し、有効でない場合にはステップＳＢ１１１へ移行する。
●［ステップＳＢ１０８］許容角速度に基づくクランプ速度Ｆｃｌｍｐ＿ｂを算出する。 Ｆｃｌｍｐ＿ｂ＝Ｒ＊ω_L
●［ステップＳＢ１０９］送り速度Ｆはクランプ速度Ｆｃｌｍｐ＿ｂ以上であるか否か判断し、以上である場合にはステップＳＢ１１０へ移行し、未満の場合にはステップＳＢ１１１へ移行する。
●［ステップＳＢ１１０］送り速度Ｆをクランプ速度Ｆｃｌｍｐ＿ｂに設定する。
●［ステップＳＢ１１１］送り速度Ｆと半径値から分配量を計算し、円弧補間を実行し、処理を終了する。

図６は、本発明に係る数値制御装置の一実施形態のブロック図である。該数値制御装置は加工プログラムの複数のブロックを先読みし解析し実行する機能を備えている。先読みする機能は従来から公知のものであるから、詳細な説明は省略する。
ＣＰＵ２１は４軸加工機用数値制御装置１００を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ２１は、メモリ２２のＲＯＭ領域に格納されたシステムプログラムをバス３８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。メモリ２２のＲＡＭ領域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５０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。また、メモリ２２のＳＲＡＭなどで構成される不揮発性メモリ領域には、インタフェース２３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５０を介して入力された加工プログラム等が記憶される。

インタフェース２３は、４軸加工機用数値制御装置１００とアダプタ等の外部機器（図示せず）との接続を可能とするものである。図示しない外部機器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、４軸加工機用数値制御装置１００内で編集した加工プログラムは、外部機器（図示せず）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）２４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にＩ／Ｏユニット２５を介して信号を出力し制御する。また、工作機械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、ＣＰＵ２１に渡す。

表示器／ＭＤＩユニット５０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２６は表示器／ＭＤＩユニット５０のキーボードからの指令、データを受けてＣＰＵ２１に渡す。インタフェース２７は手動パルス発生器等を備えた操作盤５１に接続されている。

各軸の軸制御回路２８，３０，３２，３４はＣＰＵ２１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２９，３１，３３，３５に出力する。サーボアンプ２９，３１，３３，３５はこの指令を受けて、各軸のサーボモータ３９〜４２を駆動する。各軸は位置・速度のフィードバック制御を行う（図６ではこの構成は省略している）。

サーボモータ３９〜４２は、工作機械のＸ，Ｙ，Ｚ，Ｃ軸を駆動するものであり、スピンドル制御回路３６は主軸回転指令を受け、スピンドルアンプ３７にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ３７はスピンドル速度信号を受けて、主軸モータ４３を指令された回転速度で回転させる。

Ａｃｌｍｐ 許容加速度
Ｆ 送り速度
Ｆ_C 指令送り速度
Ｆ_L 許容送り速度
ν_C 指令周波数
ν_L 許容周波数
ω_C 指令角速度
ω_L 許容角速度

Claims (4)

1. 加工プログラムで指令された円弧の半径、および、送り速度に従って円弧補間を行う工作機械を制御する数値制御装置において、
   予め設定または前記加工プログラムで指令されたサーボの位置制御が応答可能な周波数あるいは角速度と前記指令された円弧の半径とから第１の許容送り速度を算出する手段と、
   前記指令された送り速度と前記第１の許容送り速度を比較する比較手段と、
   前記比較手段による比較の結果、前記指令された送り速度が前記第１の許容送り速度以上である場合には、第１の許容送り速度を送り速度として速度制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする工作機械を制御する数値制御装置。
2. 許容加速度が設定されている場合、前記指令された円弧の半径と該許容加速度から第２の許容送り速度を算出する手段を有し、
   前記比較手段は前記指令された送り速度と前記第１の許容送り速度および前記第２の許容送り速度を比較し、
   前記制御手段は比較の結果、最も小さい送り速度を選択して速度制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の工作機械を制御する数値制御装置。
3. 連続した指令ブロックからなる加工ブロックを先読みして加工を行う工作機械の数値制御装置において、
   実行中のブロックと、該実行中のブロックの前後のブロックから、そのブロックの曲率半径を演算する手段と、
   予め設定または指令されたサーボの位置制御が応答可能な周波数あるいは角速度と前記算出された曲率半径とから第１の許容送り速度を算出する手段と、
   前記指令された送り速度と前記第１の許容送り速度を比較する比較手段と、
   前記比較手段により比較の結果、第１の許容送り速度が指令送り速度よりも小さい場合は、第１の許容送り速度を送り速度として速度制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする工作機械の数値制御装置。
4. 許容加速度が設定されている場合、前記演算された曲率半径と前記許容加速度から第２の許容送り速度を算出する手段を有し、
   前記比較手段は前記指令された送り速度と前記第１の許容送り速度および前記第２の許容送り速度を比較し、
   前記制御手段は比較の結果、最も小さい送り速度を選択して速度制御することを特徴とする請求項３に記載の工作機械の数値制御装置。

Images