JP2020095316A

JP2020095316A - 数値制御装置

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Publication number: JP2020095316A
Application number: JP2018230723A
Authority: JP
Inventors: 直矢小出; Naoya Koide
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2020-06-18
Also published as: DE102019218677A1; US11360458B2; US20200183364A1; CN111290338B; CN111290338A

Abstract

【課題】加工時間の短縮が容易な数値制御装置を提供すること。【解決手段】本発明に係る数値制御装置１は、加工プログラムにより定められる移動経路に沿って工具を移動させる工作機械用の数値制御装置であって、前記工具の移動に関する複数のパラメータの制限値が設定される制限設定記憶部１２と、前記移動経路の各位置における前記複数のパラメータの制限値にそれぞれ対応する前記工具の移動速度である複数の制限速度を算出する制限速度算出部２５と、前記移動経路の各位置における前記工具の理想速度及び前記複数の制限速度の中の最小値を前記移動経路の各位置における前記工具の送り速度とする送り速度決定部２６と、前記送り速度決定部が前記制限速度を前記送り速度とした場合に対応する前記パラメータの種類を記憶する減速記録部１７と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、数値制御装置に関する。

工作機械では、工具を加工プログラムによって定められる移動経路に沿って移動させる。このとき、工具の加速度を大きくすると、工具の移動に誤差が生じ、工具を要求される移動経路上を正確に移動させられない場合がある。このため、例えば特許文献１に記載されるように、例えば移動経路が屈曲する位置等では、工具の加速度が所定の制限値を超えないように工具を減速する減速制御を行う技術が知られている。

また、加速度以外にも、例えば工具のジャーク（躍度、加加速度）、駆動軸毎の瞬間速度変化量等にも制限値を設定することで工具の移動をより正確にできることが知られている。このため、工作機械の数値制御装置の中には、このような複数のパラメータに基づいて工具を減速する制御を行うものがある。

特開平１１−３３８５３０号公報

加工時間を短縮するためには、上述のような工具の減速を少なくすることが望まれる。そこで、特に量産品の加工に際しては、減速制御に用いるパラメータの上限値の安全率を小さくすることにより少しでも加工時間を短縮しようとすることが試みられる。しかしながら、このような制限値の変更は、加工精度を許容範囲を超えて低下させるリスクがある。このため、パラメータの制限値を変更する際に、どのパラメータの制限値を変更することが効率的であるかが分かれば、加工精度の低下を抑制して比較的容易に加工時間を短縮することができる。

本発明は、加工時間の短縮が容易な数値制御装置を提供することを課題とする。

（１）本発明に係る数値制御装置（例えば、後述する数値制御装置１）は、加工プログラムにより定められる移動経路に沿って工具を移動させる工作機械用の数値制御装置であって、前記工具の移動に関する複数のパラメータの制限値が設定される制限設定記憶部（例えば、後述する制限設定記憶部１２）と、前記移動経路の各位置における前記複数のパラメータの制限値にそれぞれ対応する前記工具の移動速度である複数の制限速度を算出する制限速度算出部（例えば、後述する制限速度算出部２５）と、前記移動経路の各位置における前記工具の理想速度及び前記複数の制限速度の中の最小値を前記移動経路の各位置における前記工具の送り速度とする送り速度決定部（例えば、後述する送り速度決定部２６）と、前記送り速度決定部が前記制限速度を前記送り速度とした場合に対応する前記パラメータの種類を記憶する減速記録部（例えば、後述する減速記録部１７）と、を備える。

（２）（１）の数値制御装置において、前記減速記録部は、前記送り速度決定部が前記制限速度を前記送り速度とした回数を前記パラメータ毎に積算してもよい。

（３）（２）の数値制御装置は、前記減速記録部が積算した前記回数を前記パラメータ毎に表示させる回数出力部（例えば、後述する回数出力部２１）をさらに備えてもよい。

（４）（１）〜（３）の数値制御装置は、前記送り速度決定部が前記制限速度を前記送り速度とした位置を前記工具が通過するときに、前記送り速度とした前記制限速度に対応する前記パラメータの種類に応じた信号を出力する減速要因出力部（例えば、後述する減速要因出力部１８）をさらに備えてもよい。

（５）（１）〜（４）の数値制御装置は、前記工具の軌跡を表示する軌跡出力部（例えば、後述する軌跡出力部１９）をさらに備え、前記軌跡出力部は、前記工具の軌跡上の前記制限速度を前記送り速度とした位置に前記送り速度とした前記制限速度に対応する前記パラメータの種類に応じたマーカーを表示させてもよい。

（６）（１）〜（５）の数値制御装置は、前記パラメータの制限値を変更したときに前記工具が前記移動経路全体を移動するために要する時間の変化量を算出する調整効果計算部（例えば、後述する調整効果計算部２０）をさらに備えてもよい。

（７）（１）〜（６）の数値制御装置において、前記複数のパラメータは、前記工作機械の各駆動軸の速度の瞬間変化量、並びに前記工具の加速度及びジャークを含んでもよい。

本発明に係る数値制御装置は、加工時間の短縮が容易である。

本発明に係る数値制御装置の構成を示すブロック図である。図１の数値制御装置により移動させられる工具の移動経路を例示する図である。図２の移動経路について、各駆動軸の速度の瞬間変化量の制限値に対応する制限速度を例示するグラフである。図１の数値制御装置により移動させられる工具の移動経路を例示する図である。図４の移動経路について、工具の加速度の制限値に対応する制限速度を例示するグラフである。図１の数値制御装置の軌跡出力部により表示させられる画像を例示する図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る数値制御装置１の構成を示すブロック図である。

数値制御装置１は、工作機械を制御する装置であり、加工プログラムにより定められる移動経路に沿って工具を移動させる。具体的には、数値制御装置１は、工具を位置決めする互いに垂直なＸ，Ｙ，Ｚ方向の駆動軸のサーボモータ２ｘ，２ｙ，２ｚをそれぞれを駆動するサーボアンプ３ｘ，３ｙ，３ｚを制御する。

数値制御装置１は、プログラム記憶部１１、制限設定記憶部１２、プログラム解析部１３、補間部１４、速度計画部１５、速度制御部１６、減速記録部１７、減速要因出力部１８、軌跡出力部１９、調整効果計算部２０及び回数出力部２１、並びに入力装置２２及び表示装置２３を備える。

数値制御装置１は、例えばＣＰＵ、メモリ等を有するコンピュータ装置によって構成することができる。つまり、プログラム記憶部１１、制限設定記憶部１２、プログラム解析部１３、補間部１４、速度計画部１５、速度制御部１６、減速記録部１７、減速要因出力部１８、軌跡出力部１９、調整効果計算部２０及び回数出力部２１はコンピュータに読み込まれる制御プログラムの一部（例えばサブルーチン、パートプログラム等）によって実現することができる。なお、これらの構成要素は、機能的に区別されるだけであり、制御プログラムのコードにおいて各構成要素が互いに分離して記述されている必要はない。

プログラム記憶部１１は、ワークを加工するために要求される工具の動きを特定する加工プログラムを記憶する。このプログラム記憶部１１は、数値制御装置１を構成するコンピュータ装置の制御プログラムによって特定されるメモリやハードディスク等の記憶領域として実現できる。

プログラム記憶部１１に記憶される加工プログラムは、工具の経路において、例えば移動方向が変わる点の座標、移動経路の曲率等を順番に記述するものとすることができる。

制限設定記憶部１２は、工具の移動に関するパラメータのうち工具の位置ずれの原因となり得る複数のパラメータについて、それぞれ工具の位置ずれを許容限度内に抑制できると予想される制限値が設定される。つまり、制限設定記憶部１２は、オペレータが入力装置２２から入力される制限値を記憶することができるよう構成され、プログラム記憶部１１と同様に、数値制御装置１を構成するコンピュータ装置の制御プログラムによって特定されるメモリやハードディスク等の記憶領域として実現できる。

制限設定記憶部１２に制限値が設定される複数のパラメータとしては、工作機械の各駆動軸の速度の瞬間変化量（速度がステップ状に変化する場合の速度変化量であり、一定の微小時間内の速度変化量として把握することができる）、並びに工具の加速度及びジャーク（躍度、加加速度）を含むことが好ましい。これらのパラメータは、その値が大きくなることで、工具が移動する過程において、工具の空間位置が理論的な空間位置からずれやすくなることが知られている。このため、これらのパラメータに制限値（上限値）を設定することによって、加工プログラムにより定められる移動経路からの工具のずれを効果的に抑制することができる。

プログラム解析部１３は、プログラム記憶部１１に記憶した加工プログラムを解析して、駆動軸毎の位置（座標）、速度等のデータに変換する。このような処理は周知であるため、詳細な演算方法等の説明は省略する。

補間部１４は、プログラム解析部１３から得たデータを補間して、サンプリング周期毎のデータを生成する。このような処理も周知であるため、詳細な演算方法等の説明は省略する。

速度計画部１５は、理想速度算出部２４、制限速度算出部２５及び送り速度決定部２６を備える。

理想速度算出部２４は、工具の停止状態からの加速及び停止時の減速を除いて移動途中の工具の速度（移動方向の接線速度）を所定の速度（例えばワークの材質、工具の種類等に応じて決定される速度）に維持するものとして、移動経路の各位置における工具の理想速度をサンプリング周期毎に算出する。

制限速度算出部２５は、工具の移動経路のプロファイルに基づいて、移動経路の各位置における複数のパラメータの制限値にそれぞれ対応する工具の許容される最大移動速度である複数の制限速度をサンプリング周期毎に算出する。

先ず、駆動軸（サーボモータ２ｘ，２ｙ，２ｚ）の速度の瞬間変化量の制限値に対応する制限速度について説明する。例えば図２に示すように工具が点Ｐ０から点Ｐ１を経由して点Ｐ２に移動する場合、つまり工具の移動経路上の点Ｐ１において工具の移動方向が変化する場合について説明する。なお、図示する便宜上、以下の説明では、工具がＸ−Ｙ平面内を移動するものとして説明するが、当然ながら工具の移動はＺ方向の成分を含んでもよい。図２の移動経路を移動する場合、工具の絶対速度（移動経路の接線方向の速度）を維持しようとすると、図３の（ａ）及び（ｂ）に破線で示すように、Ｘ駆動軸のサーボモータ２ｘ及びＹ駆動軸のサーボモータ２ｙが駆動速度をそれぞれステップ状に変化させる必要が生じる。しかしながら、このステップの高さが、制限設定記憶部１２に記憶されている各サーボモータ２ｘ，２ｙの速度の瞬間変化量の制限値（Ｖｍａｘｘ，Ｖｍａｘｙとする）を超える場合、図３に実線で示すように、サーボモータ２ｘ，２ｙの速度の瞬間変化量が制限値Ｖｍａｘｘ，Ｖｍａｘｙを超えないよう、点Ｐ１の前後でサーボモータ２ｘ，２ｙの速度を減速する。この速度の瞬間変化量の制限値に対応する工具の接線方向の制限速度は、各サーボモータ２ｘ，２ｙの速度成分の合成速度として算出される。図３の例では、（ｃ）に示すように、点Ｐ１を通過するときに極小値となるようその前後にわたって制限速度が低下する。

次に、工具の加速度の制限値に対応する制限速度について説明する。例えば図４に示すように、移動経路が点Ｐ１０を始点とし、円弧状に湾曲する部分（点Ｐ１１−点Ｐ１２間、点Ｐ１３−点Ｐ１４間、及び点Ｐ１５−点Ｐ１６間）を有し、点Ｐ１７を終点とする場合を考える。点Ｐ１０及び点Ｐ１７において、工具の速度はゼロでなければならない。このため、点Ｐ１０から工具は、制限値の加速度で加速し、点Ｐ１７に向けて制限値の加速度で減速する。また、移動経路が湾曲する部分では、工具には円弧の径方向に加速度（遠心力に対向する力）が加わる。工具に作用する加速度は、移動経路の曲率（半径の逆数）が大きいほど大きくなる。このため、制限設定記憶部１２に記憶されている加速度の制限値を超えないように工具を移動させる場合、曲率が大きいほど工具の速度を低下させる必要がある。また、工具加速度が制限されることで、移動経路が湾曲を開始する点Ｐ１１，Ｐ１３，Ｐ１５及び湾曲を終了する点Ｐ１２，Ｐ１４，Ｐ１５において不連続に工具の速度を増減することはできないので、その前後の直線部分において、工具の加減速を行う必要がある。このため、図４の移動経路に基づいて算出される加速度の制限値に対応する工具の制限速度は、図５に示すようなものとなる。

その他のパラメータの制限値に対応する制限速度については、説明を省略するが、それぞれ、パラメータが制限設定記憶部１２に設定されている制限値を超えないような工具の速度変化が算出される。

送り速度決定部２６は、移動経路の各位置における工具の理想速度及び複数の制限速度の中の最小値を移動経路の各位置における工具の送り速度とする。つまり、送り速度決定部２６は、サンプリング周期毎に工具の送り速度を決定する。送り速度決定部２６がいずれかの制限速度を工具の送り速度とした場合、工具の速度が理想速度に対して減速されるため、このような制御は減速制御と呼ばれる。工具の停止状態からの移動開始直後及び停止直前には、理想速度が比較的低速となるので、制限速度を工具の送り速度とされない（減速されない）ことが多くなり得る。

速度制御部１６は、速度計画部１５が決定した送り速度で工具を移動させるようサーボアンプ３ｘ，３ｙ，３ｚを制御する。

減速記録部１７は、送り速度決定部２６が制限速度を送り速度とした場合に対応するパラメータの種類（減速要因）を記憶する。また、減速記録部１７は、制限速度を送り速度とした位置の座標又は時間を減速要因と共に記憶することが好ましい。さらに、減速記録部１７は、送り速度決定部２６が制限速度を送り速度とした回数をパラメータ毎に積算するよう構成されることが好ましい。

減速要因出力部１８は、送り速度決定部２６が制限速度を送り速度とした位置を工具が通過するときに、送り速度決定部２６が送り速度とした制限速度に対応するパラメータの種類に応じた信号を出力する。つまり、減速要因出力部１８は、速度制御部１６による実際の工具の移動を監視して、制限記録部１７に記録されている座標又は時間に対応する減速要因毎に定められた信号を出力する。

軌跡出力部１９は、図６に例示するように、表示装置２３に工具の軌跡を表示させる。軌跡出力部１９は、図示するように、減速要因出力部１８が出力した信号を受信して、工具の軌跡上の送り速度決定部２６が制限速度を送り速度とした位置に送り速度とした制限速度に対応するパラメータの種類に応じたマーカーを表示させることが好ましい。つまり、軌跡出力部１９は、速度制御部１６により移動させられる工具の位置を表示装置２３に表示させると共に、パラメータの制限値に起因して減速した位置及びその減速要因の種類を表示装置２３に表示させるよう構成することができる。

調整効果計算部２０は、パラメータの制限値を変更したときに工具が移動経路全体を移動するために要する時間の変化量（移動時間の変化量）を算出する。調整効果計算部２０は、算出した所要時間変化量を表示装置２３に表示させることができるよう構成されることが好ましい。

調整効果計算部２０は、制限速度を工具の送り速度とした位置、つまり減速位置毎に、移動時間の変化量ΔＴを次の式（１）により算出し、すべての減速位置の変化量を合計して工具が移動経路全体を移動するために要する時間の変化量を算出してもよい。但し、式（１）において、Ｖｃ_Ｐは制限値変更前の制限速度、Ｖｃ_Ｒは制限値変更後の制限速度、Ｖは理想速度、Ａは工具の加速度の変更前の制限値、Ｊは工具のジャークの変更前の制限値である。

このような式（１）を用いることによって、比較的簡単且つ比較的正確に工具が移動経路全体を移動するために要する時間の変化量を算出することができる。

式（１）について説明すると、加速度Ａで変更前の制限速度Ｖｃ_Ｐから理想速度Ｖまで工具を加速するために要する時間Ｔ１_Ｐは、次の式（２）で表すことができる。

また、工具の加速度がジャークＪで加速度Ａに到達するまでの時間Ｔ２_Ｐは、次の式（３）で表すことができる。

このため、ジャークＪ、最大加速度Ａで制限速度Ｖｃ_Ｐから理想速度Ｖまで加速するために要する時間Ｔ_Ｐは、次の式（４）で表すことができる。

ジャークＪ、加速度Ａで変更前の制限速度Ｖｃ_Ｐから理想速度Ｖまで加速する間に工具が移動する距離Ｘ_Ｐは、次の式（５）で表すことができる。

この式（５）の右辺を整理すると、次の式（６）となる。

同様に、加速度Ａで変更後の制限速度Ｖｃ_Ｒから理想速度Ｖまで工具を加速するために要する時間Ｔ１_Ｒは、次の式（７）で表すことができる。

ジャークＪ、最大加速度Ａで制限速度Ｖｃ_Ｒから理想速度Ｖまで加速するために要する時間Ｔ_Ｒは、次の式（８）で表すことができる。

ジャークＪ、加速度Ａで変更前の制限速度Ｖｃ_Ｒから理想速度Ｖまで加速する間に工具が移動する距離ＸＲは、次の式（９）で表すことができる。

制限速度をＶｃ_ＰからＶｃ_Ｒに変更した場合の理想速度Ｖまで加速するために要する時間の変化量ΔＴ_０は、次の式（１０）で表すことができる。

この式（１０）に、式（２）〜（９）を代入すると、次の式（１１）が導出される。

式（１１）の変化量ΔＴ_０は、工具の減速時と加速時とに発生するため、減速１か所当たりの移動時間の変化量ΔＴは、ΔＴ_０の２倍であるから、上述の式（１）として表すことができる。

このように、パラメータの制限値を変更したときに、比較的簡単な式を用いて各減速位置における移動時間の変化量を算出することによって、工具が移動経路全体を移動するために要する時間の変化量を比較的正確且つ迅速に見積もることができる。

回数出力部２１は、減速記録部１７が積算した回数をパラメータ（減速要因）毎に表示装置２３に表示させる。回数出力部２１は、図６に示すように、軌跡出力部１９に各減速要因の数を付加して表示させてもよい。

入力装置２２は、例えばキーボード等によって構成することができる。

表示装置２３は、例えばディスプレイパネル等によって構成することができる。また、表示装置２３は、入力装置２２と一体のタッチパネル等によって構成してもよい。

数値制御装置１は、減速要因を記録する減速記録部１７を備えるので、工具を減速した要因を容易に把握することができる。このため、数値制御装置１は、パラメータの制限値の変更により加工時間を短縮する場合に、どのパラメータの制限値を変更することが効率的であるかを把握することができるので、加工精度の低下を抑制して比較的容易に加工時間を短縮することができる。

特に、数値制御装置１では、減速記録部１７が減速要因毎に減速回数をカウントするので、どのパラメータの制限値を変更することが効率的であるかをより簡単に把握することができる。また、数値制御装置１は、回数出力部２１が減速記録部１７によりカウントされた減速要因毎の減速回数を表示装置２３に表示させるので、さらに簡単に加工時間を短縮することができる。また、数値制御装置１は、軌跡出力部１９が工具の軌跡上に減速要因をマーカー表示するので、これによってもどのパラメータの制限値を変更することが効率的であるかの把握が容易となっている。

数値制御装置１は、パラメータの制限値の変更に際して移動時間の変化量を算出する調整効果計算部２０を備えるので、パラメータの新しい制限値を入力して直ぐに移動時間の変化量を大凡確認することができるので、パラメータの制限値を変更して移動時間を所望の時間以内に低減することが容易である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

本発明に係る数値制御装置は、工作機械の他の装置や関連する設備を制御する制御装置と一体に形成されてもよい。

本発明に係る数値制御装置は、２以下又は４以上の駆動軸を制御するものであってもよい。また、本発明に係る数値制御装置は、互いに垂直な駆動軸を有する直交座標型の駆動機構を有する工作機械だけでなく、例えば多関節型の駆動機構、パラレルリンク型の駆動機構等により工具を移動する工作機械にも適用することができる。

本発明に係る数値制御装置において、入力装置及び表示装置は必須ではなく、情報（信号）の入出力により外部の入力装置及び表示装置を利用するものであってもよい。また、本発明に係る数値制御装置の回数出力部、減速要因出力部、軌跡出力部及び調整効果計算部は、数値制御装置内部の構成要素に情報を出力するだけでなく、外部の装置（例えば工作機械を管理するコンピュータ装置等）にもその情報を出力するよう構成されてもよい。

１数値制御装置
２ｘ，２ｙ，２ｚサーボモータ
３ｘ，３ｙ，３ｚサーボアンプ
１１プログラム記憶部
１２制限設定記憶部
１３プログラム解析部
１４補間部
１５速度計画部
１６速度制御部
１７減速記録部
１８減速要因出力部
１９軌跡出力部
２０調整効果計算部
２１回数出力部
２２入力装置
２３表示装置
２４理想速度算出部
２５制限速度算出部
２６送り速度決定部

Claims

加工プログラムにより定められる移動経路に沿って工具を移動させる工作機械用の数値制御装置であって、
前記工具の移動に関する複数のパラメータの制限値が設定される制限設定記憶部と、
前記移動経路の各位置における前記複数のパラメータの制限値にそれぞれ対応する前記工具の移動速度である複数の制限速度を算出する制限速度算出部と、
前記移動経路の各位置における前記工具の理想速度及び前記複数の制限速度の中の最小値を前記移動経路の各位置における前記工具の送り速度とする送り速度決定部と、
前記送り速度決定部が前記制限速度を前記送り速度とした場合に対応する前記パラメータの種類を記憶する減速記録部と、
を備える数値制御装置。
前記減速記録部は、前記送り速度決定部が前記制限速度を前記送り速度とした回数を前記パラメータ毎に積算する請求項１に記載の数値制御装置。
前記減速記録部が積算した前記回数を前記パラメータ毎に表示させる回数出力部をさらに備える請求項２に記載の数値制御装置。
前記送り速度決定部が前記制限速度を前記送り速度とした位置を前記工具が通過するときに、前記送り速度とした前記制限速度に対応する前記パラメータの種類に応じた信号を出力する減速要因出力部をさらに備える請求項１から３のいずれかに記載の数値制御装置。
前記工具の軌跡を表示させる軌跡出力部をさらに備え、
前記軌跡出力部は、前記工具の軌跡上の前記制限速度を前記送り速度とした位置に前記送り速度とした前記制限速度に対応する前記パラメータの種類に応じたマーカーを表示させる請求項１から４のいずれかに記載の数値制御装置。
前記パラメータの制限値を変更したときに前記工具が前記移動経路全体を移動するために要する時間の変化量を算出する調整効果計算部をさらに備える請求項１から５のいずれかに記載の数値制御装置。
前記複数のパラメータは、前記工作機械の各駆動軸の速度の瞬間変化量、並びに前記工具の加速度及びジャークを含む請求項１から６のいずれかに記載の数値制御装置。