JP3603051B2 - 数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法および数値制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１ 】
【発明の属する技術分野】
この発明は、数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法および数値制御装置に関し、特に、オービットボーリングを行う数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法および数値制御装置に関するものである。
【０００２ 】
【従来の技術】
近年、数値制御工作機械（ＮＣ工作機械）における旋削加工法の一つとして、主軸に装着されたボーリングバー（工具）が常に円弧半径方向（法線方向）に向くように、主軸と直角平面内における主軸中心の円弧補間運動と主軸の回転運動とを同期制御して穴加工を行う旋削加工法が開発された（特許第３０９３９３５号）。この旋削加工法は、運動形態からオービットボーリングと名付けられ、一つのボーリングバーによって任意の穴寸法の穴加工を行えると云う利点を有する。
【０００３ 】
ＮＣ工作機械は、機械仕様上、適正な制御軸の最大送り速度および最大加速度を設定されている。そして、制御軸の送り速度を、パラメータ設定された最大送り速度以内に制限する技術（特開平４−２４５５０５号公報）がある。
【０００４ 】
【発明が解決しようとする課題】
オービットボーリング中に、切り込みあるいは逃げ動作のために、半径方向動作が入ると、円弧補間運動の送り速度（オービット運動速度）に、切り込みあるいは逃げ動作の送り速度（半径方向速度）が合成されるから、高速切削のために、オービット運動速度をある値以上にすると、１軸の送り速度や加速度が機械仕様上の上限を超えることがある。
【０００５ 】
制御軸の送り速度、加速度が、機械仕様上の上限である最大送り速度、最大加速度を超えると、トルク飽和現象を起こして制御不能になったり、過渡誤差が許容値を超え、所要の許容精度の加工が行われなくなる。
【０００６ 】
上述したような問題は、オービットボーリングに限らず、高速化のために、制御軸の送り速度が高速化されると、通常の円弧補間による輪郭加工でも、同様に生じ、所要の許容精度の加工が行われなくなる。
【０００７ 】
この発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたもので、オービットボーリング等、円弧補間を伴う制御において、切り込みあるいは逃げ動作のために、半径方向動作が入っても、制御軸の送り速度、加速度が、機械仕様上の最大送り速度、最大加速度を超えないようにし、許容精度の加工が行われることを保証する数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法および数値制御装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明による数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法は、円弧補間による輪郭制御時の最大速度および最大加速度を、機械仕様上、設定されている制御軸の最大送り速度および最大加速度の設定値とは別に予め設定し、
円弧補間指令時には、予め設定されている半径方向の最大速度を超えないように、半径方向速度に制限を加える、あるいは予め設定されている半径方向の最大加速度を超えないように、半径方向の加速度に制限を加える。
【０００９】
また、この発明による数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法は、加工プログラムの先読みを行い、円弧補間による輪郭制御の指令の場合には、その加工プログラムより送り速度、加工半径を読み取り、これらと機械仕様上、設定されている制御軸の最大送り速度および最大加速度の設定値より輪郭制御時の半径方向の最大速度および最大加速度を算出し、算出した半径方向の最大速度を超えないように、半径方向速度に制限を加える、あるいは算出した半径方向の最大加速度を超えないように、半径方向の加速度に制限を加える。
【００１０ 】
これらの数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法によれば、切り込みあるいは逃げ動作のために、送り動作に、半径方向動作が入っても、半径方向の速度制限、加速度制限によって制御軸の送り速度、加速度が、機械仕様上の最大送り速度、最大加速度を超えることが回避される。
【００１１ 】
また、この発明による数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法は、円弧補間による輪郭制御時の半径方向の速度パターンをＳ字パターンに設定し、半径方向動作の加速度を機械上、設定されている制御軸の最大加速度以下に抑えたり、円弧補間による輪郭制御時の半径方向動作の加速度を直角２軸平面の原点からの角度に応じて設定し、半径方向動作の加速度を機械上、設定されている制御軸の最大加速度以下に抑えたりすることもできる。
【００１２】
また、上述の目的を達成するために、この発明による数値制御工作機械は、円弧補間による輪郭制御時の半径方向の最大速度および最大加速度を、機械仕様上、設定されている制御軸の最大送り速度および最大加速度の設定値とは別に予め設定する手段と、円弧補間指令時には、予め設定されている半径方向の最大速度を超えないように、半径方向速度に制限を加える、あるいは予め設定されている半径方向の最大加速度を超えないように、半径方向の加速度に制限を加える手段とを有している。
【００１３】
また、この発明による数値制御工作機械は、加工プログラムの先読みする機能を備えた工作機械の数値制御装置において、円弧補間による輪郭制御の指令の場合には、その加工プログラムより送り速度、加工半径を読み取り、これらと機械仕様上、設定されている制御軸の最大送り速度および最大加速度の設定値より輪郭制御時の半径方向の最大速度および最大加速度を算出する手段と、算出した半径方向の最大速度を超えないように、半径方向速度に制限を加える、あるいは算出した半径方向の最大加速度を超えないように、加速度に制限を加える手段とを有している。
【００１４ 】
また、この発明による数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法および工作機械の数値制御装置における円弧補間による輪郭制御として好適なものは、主軸に装着された工具が常に円弧半径方向法線方向に向くように、主軸と直角平面内における主軸中心の円弧補間運動と主軸の回転運動とを同期制御して穴加工を行う旋削加工の制御である。
【００１５ 】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
（記号の一覧）
Ｖｔ オービット運動速度（送り速度）
Ｖｔｘ オービット運動に伴うＸ軸方向速度
Ｖｔｍａｘ オービット運動による接線方向最大速度
Ｖｎ 半径方向速度（切り込み速度）
Ｖｎｘ 半径方向運動に伴うＸ軸方向速度
Ｖｎｍａｘ 切り込み時の半径方向の最大速度
Ｖａｍａｘ 半径方向の最大許容速度（最大切り込み速度設定値）
Ｖｘ Ｘ軸合成速度
Ｖｘｍａｘ 機械仕様上のＸ軸の最大送り速度
Ｖｍａｘ 制御軸の機械仕様上の最大送り速度
αｔｘ オービット運動に伴うＸ軸方向加速度
αｎｘ 半径方向運動に伴うＸ軸方向加速度
αｎ 切り込み時の加速度
αｎｍａｘ 切り込み時の半径方向の最大加速度
αａｍａｘ 半径方向の最大許容加速度（最大切り込み加速度設定値）
αｘ Ｘ軸合成加速度
αｘｍａｘ 機械仕様上のＸ軸の最大加速度
αｍａｘ 制御軸の機械仕様上の最大加速度
αｏｂｉｔ オービットボーリング中の２軸の合成加速度
αＸ Ｘ軸加速度
αＹ Ｙ軸加速度
θ Ｘ軸からの角度
γ 任意の角度
Ｒ 加工半径
Ｒｔ 工具長（工具の突き出し半径）
Ｒｏ 円弧半径（円弧補間運動の半径）
【００１６ 】
まず、オービットボーリングの概要を、図１を参照して説明する。図１において、１０はボーリングバー等の工具を、Ｗは被加工物を各々示している。工具１０は主軸中心Ｃｓで示されている主軸（図示省略）に取り付けられている。
【００１７ 】
オービットボーリングでは、主軸と被加工物Ｗとが、相対的なＸＹ軸移動により円弧補間運動を行い、主軸の回転角制御によって工具１０が常に円弧半径方向（法線方向）に向くように、主軸中心Ｃｓの円弧補間運動と主軸の回転運動との同期制御が行われる。
【００１８ 】
この同期制御により、主軸中心Ｃｓは円弧補間軌跡Ａを描き、工具１０の突き出し半径（工具長）Ｒｔ、円弧補間運動の半径（円弧半径）Ｒｏとを合成した半径Ｒｔ＋Ｒｏのボーリング加工が行われる。工具１０の突き出し半径Ｒｔは、工具長により決まり、工具交換以外に物理的に変更できないが、円弧半径Ｒｏは、数値制御の加工プログラムの指令によって任意に設定できるから、１本の工具１０で、加工プログラムの指令によって任意半径のボーリング加工を行うことができる。
【００１９ 】
図２は、オービット運動速度（送り速度）がＶｔ、半径方向速度（切り込み方向速度）がＶｎの時の状態を示している。図２で、オービット運動に伴うＸ軸方向速度をＶｔｘ、半径方向運動に伴うＸ軸方向速度をＶｎｘ、Ｘ軸からの角度をθとすると、
Ｖｔｘ＝Ｖｔ・ｓｉｎ（θ） …（１）
Ｖｎｘ＝Ｖｎ・ｃｏｓ（θ） …（２）
となる。
【００２０ 】
この時のＸ軸合成速度Ｖｘは、
となる。
【００２１ 】
また、この時のＸ軸合成加速度αｘは、
となる。ただし、αｔｘはオービット運動に伴うＸ軸方向加速度、αｎｘは半径方向運動に伴うＸ軸方向加速度である。
【００２２ 】
オービットボーリングにおいて、切り込みあるいは逃げ動作のために、半径方向動作が入っても、制御軸の送り速度、加速度が、機械仕様上の最大送り速度、最大加速度を超えないためには、式（５）、（６）に表されているように、Ｘ軸合成速度Ｖｘの値が機械仕様上のＸ軸の最大送り速度Ｖｘｍａｘ以下、Ｘ軸合成加速度αｘの値が機械仕様上のＸ軸の最大加速度αｘｍａｘ以下になる必要がある。
Ｖｔ・ｓｉｎ（θ）＋Ｖｎ・ｃｏｓ（θ）≦Ｖｘｍａｘ …（５）
−Ｖｔ２・／Ｒｏ・ｃｏｓ（θ）＋αｎｘ≦αｘｍａｘ …（６）
【００２３ 】
従って、半径方向の最大速度Ｖｎｍａｘは、
Ｖｎｍａｘ＝｛Ｖｘｍａｘ−Ｖｔ・ｓｉｎ（θ）｝／ｃｏｓ（θ） …（７）
となる。Ｘ軸とＹ軸の仕様が同じであれば、角度θは０〜９０°の範囲で考えればよく、この範囲で、式（７）の微分を求めると、
ｄＶｎｍａｘ／ｄθ＝｛Ｖｘｍａｘ・ｓｉｎ（θ）−Ｖｔ｝／ｃｏｓ２（θ）…（８）
ｄ２Ｖｎｍａｘ／ｄ２θ＝［Ｖｘｍａｘ｛１＋ｓｉｎ２（θ）｝−２Ｖｔ・ｓｉｎ（θ）］／ｃｏｓ３（θ） …（９）
となる。
【００２４ 】
式（８）が０となる条件から、
ｓｉｎ（θ）＝Ｖｔ／Ｖｘｍａｘ …（１０）
θ＝ｓｉｎ−１（Ｖｔ／Ｖｘｍａｘ） …（１１）
となり、これを式（９）に代入すると、
（Ｖｘｍａｘ２−Ｖｔ２）／Ｖｘｍａｘ≧０ …（１２）
となり、式（１０）と式（１１）は極限値をとる条件になる。
【００２５ 】
以上から、切り込み時の半径方向の移動の最大速度Ｖｎｍａｘ（ｍｍ／ｍｉｎ）は、つぎのようにして計算することができる。ここでは、オービット運動による接線方向最大速度をＶｔｍａｘ（ｍｍ／ｍｉｎ）、機械仕様上、設定されている１軸の最大送り速度をＶｍａｘとする。
θ＝ｓｉｎ−１（Ｖｔ／Ｖｍａｘ） …（１３）
Ｖｎｍａｘ＝｛Ｖｍａｘ−Ｖｔｍａｘ・ｓｉｎ（θ）｝／ｃｏｓ（θ） …（１４）
【００２６ 】
円弧補間運動であるから、Ｘ軸の加速度は、θ＝０の時に上限値になるから、
αｎｘ≦αｘｍａｘ＋Ｖｔ２・／Ｒｏ＝αｎｍａｘ …（１５）
となり、加減速時定数Ｔｎは、直線加減速の場合、
Ｔｎ＝Ｖｘｍａｘ／αｎｘ …（１６）
となる。
【００２７ 】
例えば、オービット運動による接線方向最大速度Ｖｔｍａｘをオービットボーリング指令による送り速度Ｖｔ＝１００００ｍｍ／ｍｉｎ、円弧半径Ｒｏ＝５０ｍｍとし、機械仕様上の制御軸Ｘの最大送り速度Ｖｘｍａｘ＝３００００ｍｍ／ｍｉｎ、最大加速度αｘｍａｘ＝１ｍ／ｓｅｃ２であれば、オービットボーリング指令時の半径方向速度の上限（最大速度）は、式（１３）、式（１４）より、
となる。
【００２８ 】
また、式（１５）より、
αｎｘ≦αｘｍａｘ＋Ｖｔ２・／Ｒｏ＝０．４４ｍ／ｓｅｃ２＝αｎｍａｘ
となり、直線加減速時定数Ｔｎは、式（１６）より、
Ｔｎ＝Ｖｘｍａｘ／αｎｘ＝ほぼ１．１３ｓｅｃとなる。
【００２９ 】
以上から、制御軸の送り速度、加速度が、機械仕様上の最大送り速度、最大加速度を超えないようにするためには、円弧半径Ｒｏ＝５０ｍｍ、送り速度１００００ｍｍ／ｍｉｎのオービットボーリングにおける半径方向速度Ｖｎは２８２８４ｍｍ／ｍｉｎ以下、直線加減速時定数Ｔｎは１．１３ｓｅｃより長く設定する必要がある。
【００３０ 】
図３はこの発明による数値制装置の実施の形態を示している。数値制御装置は、入力された加工プログラムＰを１ブロック毎の補間用データに解析する加工プログラム解析部２０と、１ブロック毎の補間用データより各制御軸の移動量、送り速度を算出する補間器２１と、補間演算に必要な各種パラメータや機械仕様上、設定されている制御軸の最大送り速度Ｖｍａｘ、最大加速度αｍａｘのパラメータ設定値を格納するパラメータ格納部２２とを含んでいる。なお、数値制御装置はコンピュータ式のものであり、加工プログラム解析部２０、補間器２１は、コンピュータがプログラムを実行することにより実現される。
【００３１ 】
補間器２１は、工作機械の各制御軸、オービットボーリングを行う工作機械では、主軸、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各位置制御器２３、２４、２５、２６へ位置指令（速度指令）を出力する。主軸、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各位置制御器２３、２４、２５、２６には、各制御軸のサーボモータ２７、２８、２９、３０が電気的に接続されており、各制御軸の位置制御器２３〜２６は各制御軸のサーボモータ２７〜３０の駆動制御を行う。
【００３２ 】
補間器２１は、基本的には、パラメータ格納部２２に設定されている機械仕様上の制御軸の最大送り速度Ｖｍａｘ、最大加速度αｍａｘの範囲内で、各制御軸の速度指令を生成する。換言すれば、補間器２１は、本来のスペックとして、各軸の位置制御器へ出力する速度指令（位置指令）を、パラメーラ設定されている最大送り速度Ｖｍａｘ、最大加速度αｍａｘの範囲内に制限するリミッタ機能を有している。
【００３３ 】
この発明による数値制御装置は、上述した本来のスペックに加え、機械仕様上、設定されている制御軸の最大送り速度Ｖｍａｘ、最大加速度αｍａｘと、オービットボーリングで指令される送り速度Ｖｔおよび円弧半径Ｒｏの上限値より、オービットボーリング切り込み時の半径方向の最大速度Ｖｎｍａｘ、最大加速度αｎｍａｘを、上述したような演算式によって予め計算し、これら最大速度Ｖｎｍａｘ、最大加速度αｎｍａｘに安全率を見込んで算出したオービットボーリング中の半径方向の最大許容速度（最大切り込み速度設定値）Ｖａｍａｘ、最大許容加速度（最大切り込み加速度設定値）αａｍａｘをパラメータ格納部２２にパラメータ設定し、オービットボーリング指令時には、半径方向の最大許容速度Ｖａｍａｘ、最大許容加速度αａｍａｘを超えないように、最大切り込み速度および最大切り込み加速度に制限を加える。
【００３４ 】
これにより、オービットボーリング時に、切り込みあるいは逃げ動作のために、半径方向動作が入っても、制御軸の送り速度、加速度が、機械仕様上の最大送り速度Ｖｍａｘ、最大加速度αｍａｘを超えることがなくなり、許容精度の加工が行われる。
【００３５ 】
図４はオービットボーリング時（円弧補間運動時）のＸ軸、Ｙ軸の位置波形を、図５は同じくそれの速度波形を、図６は同じくそれの最大切り込み速度・最大切り込み加速度制限前の加速度波形を、図７は同じくそれの最大切り込み速度・最大切り込み加速度制限前のトルク波形を、図８は同じくそれの最大切り込み速度・最大切り込み加速度制限後の加速度波形を、図９は同じくそれの最大切り込み速度・最大切り込み加速度制限後のトルク波形を各々示している。
【００３６ 】
オービットボーリング時に、最大切り込み速度・最大切り込み加速度の制限が適切に行われないと、図６の領域ａ、ｂにおいて加速度が許容範囲を超え、図７の領域ｃにおいてトルク飽和を起こすが、上述したように最大許容送り速度Ｖａｍａｘ、最大許容加速度αａｍａｘをもって最大切り込み速度・最大切り込み加速度の制限が適切に行われると、図８に示されているように加速度が許容範囲内になり、図９に示されているようにトルク飽和を起こすことがない。
【００３７ 】
これにより、オービットボーリングにおける過渡誤差による加工誤差、加工面の品位低下がなくなり、トルク飽和による急停止、ショックや衝撃音の発生が回避される。
【００３８ 】
加工プログラムを先読みする機能を具備した数値制御装置を使用する場合には、加工プログラムを先読みし、先読みした加工プログラムの指令が、主軸位置制御モードで、オービットボーリングであれば、加工プログラムに記述されているオービットボーリング中の半径方向動作時の送り速度Ｖｔと円弧半径Ｒｏとをオービットボーリング指令のたびに加工プログラムより先読みし、予めパラメータ設定されている機械仕様上の制御軸の最大送り速度Ｖｍａｘ、最大加速度αｍａｘを参照して、式（１３）、（７）、（１５）によってオービットボーリングの半径方向の最大速度Ｖｎｍａｘ、最大加速度αｎｍａｘを数値制御装置内で演算し、切り込み速度Ｖｎが半径方向の最大速度Ｖｎｍａｘを超えないよう、また、切り込み時の加速度αｎが半径方向の加速度αｎｍａｘを超えないように、切り込み速度Ｖｎ、加速度αｎ、あるいは直線加減速時定数Ｔｎを変更することができる。
【００３９ 】
これにより、オービットボーリング時に、切り込みあるいは逃げ動作のために、半径方向動作が入っても、必要最小限度の速度制限、加速度制限によって制御軸の送り速度、加速度が、機械仕様上の最大送り速度Ｖｍａｘ、最大加速度αｍａｘを超えることがなくなる。
【００４０ 】
なお、加工プログラムの記述が加工半径Ｒによる場合には、円弧半径Ｒｏは、工具長Ｒｔが既知値であることから、加工半径Ｒ−Ｒｔ＝Ｒｏなる演算によって算出することができる。
【００４１ 】
図１０は先読みを行う数値制装置の実施の形態を示している。なお、図１０において、図３に対応する部分は、図３に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００４２ 】
この数値制御装置は、入力された加工プログラムＰを先読みして１ブロック毎の補間用データに解析する加工プログラム解析部３１と、送り速度・加速度調整演算部３２と、先読みプログラムに関するデータを一時格納するバッファメモリ３３と、補間演算を行い、各制御軸の位置指令（速度指令）を出力する補間器３４と、送り速度・加速度調整演算や補間演算に必要な各種パラメータ、機械仕様上、設定されている制御軸の最大送り速度Ｖｍａｘ、最大加速度αｍａｘのパラメータ設定値を格納するパラメータ格納部３５とを含んでいる。なお、この数値制御装置もコンピュータ式のものであり、加工プログラム解析部３１、送り速度・加速度調整演算部３２、補間器３４は、コンピュータがプログラムを実行することにより実現される。
【００４３ 】
送り速度・加速度調整演算部３２は、先読みした加工プログラムがオービットボーリングであれば、パラメータ格納部３５にパラメータ設定されている機械仕様上の制御軸の最大送り速度Ｖｍａｘ、最大加速度αｍａｘと、オービットボーリング指令の送り速度Ｖｔ、円弧半径Ｒｏより、式（１３）、（７）、（１５）によってオービットボーリングの半径方向の最大速度Ｖｎｍａｘ、最大加速度αｎｍａｘを演算し、切り込み速度Ｖｎが半径方向の最大速度Ｖｎｍａｘを超えないよう、また、切り込み時の加速度αｎが半径方向の加速度αｎｍａｘを超えないように、切り込み速度Ｖｎ、加速度αｎ、あるいは直線加減速時定数Ｔｎを演算設定する。これらのデータはバッファメモリ３３に一時格納される。
【００４４ 】
補間器３４は、１ブロック毎の補間用データより各制御軸の移動量を算出するものであり、オービットボーリングの場合には、バッファメモリ３３に一時格納されている切り込み速度Ｖｎ、加速度αｎ、あるいは直線加減速時定数Ｔｎに従って各制御軸の位置指令（速度指令）を演算する。
【００４５ 】
補間器３４が出力する位置指令（速度指令）は、各制御軸の位置制御器２３、２４、２５、２６に入力される。
【００４６ 】
この場合の切り込み速度設定手順を図１１に示されているフローチャートを参照して説明する。
【００４７ 】
まず、パラメータ設定されている制御軸（たとえばＸ軸）の機械仕様上の最大送り速度Ｖｍａｘと最大加速度αｍａｘをパラメータメモリより取得する（ステップＳ１１）。
【００４８ 】
つぎに、加工プログラムを先読みし、先読みした加工プログラムより、オービットボーリング指令の送り速度Ｖｔ、切り込み速度Ｖｎ、円弧半径Ｒｏを取得する（ステップＳ１２）。なお、円弧半径Ｒｏは、工具長Ｒｔが既知値であることから、加工半径Ｒ−Ｒｔなる演算によって算出することができる。
【００４９ 】
つぎに、最大送り速度Ｖｍａｘ、送り速度Ｖｔ、円弧半径Ｒｏ等より、切り込み時の半径方向の最大速度Ｖｎｍａｘを上述の式（７）等により算出する（ステップＳ１３）。
【００５０ 】
つぎに、オービットボーリング指令の切り込み速度Ｖｎが最大速度Ｖｎｍａｘ以下であるか否かの判別を行う（ステップＳ１４）。この判別で、Ｖｎ＜Ｖｎｍａｘであれば、オービットボーリング指令の切り込み速度Ｖｎをそのまま適用する（ステップＳ１５）。これに対し、Ｖｎ＜Ｖｎｍａｘでなければ、切り込み速度ＶｎをＶｎｍａｘに変更（制限）する（ステップＳ１６）。
【００５１ 】
この後に、プログラムが実行されることにより（ステップＳ１７）、オービットボーリング時の切り込み速度Ｖｎは最大速度Ｖｎｍａｘに抑えられ、オービットボーリング時に、制御軸の送り速度が、機械仕様上の最大送り速度Ｖｍａｘを超えることが回避される。
【００５２ 】
上述した制御以外に、オービットボーリング時の半径方向動作に関する速度パターンを、補間段階で、Ｓ字など、速度変化が滑らかなパターンにしてオービットボーリング時の半径方向動作の加速度を抑えることもできる。
【００５３ 】
ＸＹ平面オービットの場合、角度θ＝０°で、Ｘ軸の加速度が最大になり（χ＝Ｒｏ・ｃｏｓθならば、αχ＝−Ｒｏ（θ／ｔ）２ｃｏｓθ）、機械の仕様上の最大加速度でオービットボーリングを実施する場合には、θ＝０°の半径方向動作は、加速度α＝０でならなければならない。このために、Ｓ字加減速時定数による加減速を行う。Ｓ字加減速時定数による加減速パターンは、図１２に示されているようになる。
【００５４ 】
Ｓ字速度パターンにおける曲線部時間ΔＴｃと加減速全体時間ΔＴａとの関係は、加速目標速度Ｖａと最大加速度αｍａｘが決まっていると、式（１７）により表される。
【００５５ 】
ΔＴａ＝（Ｖａ／αｍａｘ）＋ΔＴｃ …（１７）
ただし、ΔＴｃ≦（Ｖａ／αｍａｘ）
したがって、曲線部時間ΔＴｃを決めれば、全体時間ΔＴａが求められる。
【００５６ 】
また、これ以外に、角度θ毎にオービットボーリング時の半径方向動作の加速度を制限することもできる。
【００５７ 】
オービットボーリングは、送り系に、
Ｘ＝Ｒｏ・ｃｏｓωｔ …（１８）
Ｙ＝Ｒｏ・ｓｉｎωｔ …（１９）
（但し、ω＝θ／ｔ）
の円弧補間を行わせるため、加速度は、
αＸ＝−Ｒｏω２・ｃｏｓωｔ …（２０）
αＹ＝−Ｒｏω２・ｓｉｎωｔ …（２１）
となり、各制御軸の加速度の制限は、
αＸ＝｜αｍａｘ｜−｜−Ｒｏω２・ｃｏｓωｔ｜ …（２２）
αＹ＝｜αｍａｘ｜−｜−Ｒｏω２・ｓｉｎωｔ｜ …（２３）
となる。
【００５８ 】
このため、オービットボーリング時の半径方向動作において、半径方向動作開始角度毎に加速度を制限することが可能である。
【００５９ 】
また、オービットボーリング中の２軸の合成加速度は、常に、
αｏｂｉｔ＝−Ｒｏω２ …（２４）
であるから、任意の角度γの合成加速度の制限は、
となる。
【００６０ 】
これにより、２軸の合成加速度は、移動方向（角度）によって制限されることになる。
【００６１ 】
なお、この発明による数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法および数値制御装置は、オービットボーリングに限られることはなく、円弧補間による各種の輪郭制御による加工、つまり、制御軸の送り速度に半径方向速度が加算される加工において有用である。
【００６２ 】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、この発明による数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法および数値制御装置によれば、オービツトボーリング等の円弧補間による各種の輪郭制御による加工において、切込み動作など半径方向動作による過渡的な動作を含む場合に、機械仕様上の許容速度や加速度を超えないように制御するため、過渡誤差の残留振動による加工誤差、加工面品位の低下や、トルク飽和による急停止、ショックや衝撃音除去の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】オービットボーリングの概要を示す説明図である。
【図２】オービットボーリングの速度ベクトル図である。
【図３】この発明による数値制装置の一つの実施の形態を示すブロック図である。
【図４】オービットボーリング時のＸ軸、Ｙ軸の位置波形を示すグラフである。
【図５】オービットボーリング時のＸ軸、Ｙ軸の速度波形を示すグラフである。
【図６】オービットボーリング時の最大切り込み速度・最大切り込み加速度制限前の加速度波形を示すグラフである。
【図７】オービットボーリング時の最大切り込み速度・最大切り込み加速度制限前のトルク波形を示すグラフである。
【図８】オービットボーリング時の最大切り込み速度・最大切り込み加速度制限後の加速度波形を示すグラフである。
【図９】オービットボーリング時の最大切り込み速度・最大切り込み加速度制限後のトルク波形を示すグラフである。
【図１０】この発明による数値制装置の他の実施の形態を示すブロック図である。
【図１１】この発明による数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法における切り込み速度設定手順を示すフローチャートである。
【図１２】Ｓ字速度パターンによる速度制御の速度波形と加減速波形を示すグラフである。
【符号の説明】
２０ 加工プログラム解析部
２１ 補間器
２２ パラメータ設定部
２３〜２６ 各制御軸の位置制御器
２７〜３０ 各制御軸のサーボモータ
３１ 加工プログラム解析部
３２ 送り速度・加速度調整演算部
３３ バッファメモリ
３４ 補間器
３５ パラメータ設定部
【発明の属する技術分野】
この発明は、数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法および数値制御装置に関し、特に、オービットボーリングを行う数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法および数値制御装置に関するものである。
【０００２ 】
【従来の技術】
近年、数値制御工作機械（ＮＣ工作機械）における旋削加工法の一つとして、主軸に装着されたボーリングバー（工具）が常に円弧半径方向（法線方向）に向くように、主軸と直角平面内における主軸中心の円弧補間運動と主軸の回転運動とを同期制御して穴加工を行う旋削加工法が開発された（特許第３０９３９３５号）。この旋削加工法は、運動形態からオービットボーリングと名付けられ、一つのボーリングバーによって任意の穴寸法の穴加工を行えると云う利点を有する。
【０００３ 】
ＮＣ工作機械は、機械仕様上、適正な制御軸の最大送り速度および最大加速度を設定されている。そして、制御軸の送り速度を、パラメータ設定された最大送り速度以内に制限する技術（特開平４−２４５５０５号公報）がある。
【０００４ 】
【発明が解決しようとする課題】
オービットボーリング中に、切り込みあるいは逃げ動作のために、半径方向動作が入ると、円弧補間運動の送り速度（オービット運動速度）に、切り込みあるいは逃げ動作の送り速度（半径方向速度）が合成されるから、高速切削のために、オービット運動速度をある値以上にすると、１軸の送り速度や加速度が機械仕様上の上限を超えることがある。
【０００５ 】
制御軸の送り速度、加速度が、機械仕様上の上限である最大送り速度、最大加速度を超えると、トルク飽和現象を起こして制御不能になったり、過渡誤差が許容値を超え、所要の許容精度の加工が行われなくなる。
【０００６ 】
上述したような問題は、オービットボーリングに限らず、高速化のために、制御軸の送り速度が高速化されると、通常の円弧補間による輪郭加工でも、同様に生じ、所要の許容精度の加工が行われなくなる。
【０００７ 】
この発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたもので、オービットボーリング等、円弧補間を伴う制御において、切り込みあるいは逃げ動作のために、半径方向動作が入っても、制御軸の送り速度、加速度が、機械仕様上の最大送り速度、最大加速度を超えないようにし、許容精度の加工が行われることを保証する数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法および数値制御装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明による数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法は、円弧補間による輪郭制御時の最大速度および最大加速度を、機械仕様上、設定されている制御軸の最大送り速度および最大加速度の設定値とは別に予め設定し、
円弧補間指令時には、予め設定されている半径方向の最大速度を超えないように、半径方向速度に制限を加える、あるいは予め設定されている半径方向の最大加速度を超えないように、半径方向の加速度に制限を加える。
【０００９】
また、この発明による数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法は、加工プログラムの先読みを行い、円弧補間による輪郭制御の指令の場合には、その加工プログラムより送り速度、加工半径を読み取り、これらと機械仕様上、設定されている制御軸の最大送り速度および最大加速度の設定値より輪郭制御時の半径方向の最大速度および最大加速度を算出し、算出した半径方向の最大速度を超えないように、半径方向速度に制限を加える、あるいは算出した半径方向の最大加速度を超えないように、半径方向の加速度に制限を加える。
【００１０ 】
これらの数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法によれば、切り込みあるいは逃げ動作のために、送り動作に、半径方向動作が入っても、半径方向の速度制限、加速度制限によって制御軸の送り速度、加速度が、機械仕様上の最大送り速度、最大加速度を超えることが回避される。
【００１１ 】
また、この発明による数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法は、円弧補間による輪郭制御時の半径方向の速度パターンをＳ字パターンに設定し、半径方向動作の加速度を機械上、設定されている制御軸の最大加速度以下に抑えたり、円弧補間による輪郭制御時の半径方向動作の加速度を直角２軸平面の原点からの角度に応じて設定し、半径方向動作の加速度を機械上、設定されている制御軸の最大加速度以下に抑えたりすることもできる。
【００１２】
また、上述の目的を達成するために、この発明による数値制御工作機械は、円弧補間による輪郭制御時の半径方向の最大速度および最大加速度を、機械仕様上、設定されている制御軸の最大送り速度および最大加速度の設定値とは別に予め設定する手段と、円弧補間指令時には、予め設定されている半径方向の最大速度を超えないように、半径方向速度に制限を加える、あるいは予め設定されている半径方向の最大加速度を超えないように、半径方向の加速度に制限を加える手段とを有している。
【００１３】
また、この発明による数値制御工作機械は、加工プログラムの先読みする機能を備えた工作機械の数値制御装置において、円弧補間による輪郭制御の指令の場合には、その加工プログラムより送り速度、加工半径を読み取り、これらと機械仕様上、設定されている制御軸の最大送り速度および最大加速度の設定値より輪郭制御時の半径方向の最大速度および最大加速度を算出する手段と、算出した半径方向の最大速度を超えないように、半径方向速度に制限を加える、あるいは算出した半径方向の最大加速度を超えないように、加速度に制限を加える手段とを有している。
【００１４ 】
また、この発明による数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法および工作機械の数値制御装置における円弧補間による輪郭制御として好適なものは、主軸に装着された工具が常に円弧半径方向法線方向に向くように、主軸と直角平面内における主軸中心の円弧補間運動と主軸の回転運動とを同期制御して穴加工を行う旋削加工の制御である。
【００１５ 】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
（記号の一覧）
Ｖｔ オービット運動速度（送り速度）
Ｖｔｘ オービット運動に伴うＸ軸方向速度
Ｖｔｍａｘ オービット運動による接線方向最大速度
Ｖｎ 半径方向速度（切り込み速度）
Ｖｎｘ 半径方向運動に伴うＸ軸方向速度
Ｖｎｍａｘ 切り込み時の半径方向の最大速度
Ｖａｍａｘ 半径方向の最大許容速度（最大切り込み速度設定値）
Ｖｘ Ｘ軸合成速度
Ｖｘｍａｘ 機械仕様上のＸ軸の最大送り速度
Ｖｍａｘ 制御軸の機械仕様上の最大送り速度
αｔｘ オービット運動に伴うＸ軸方向加速度
αｎｘ 半径方向運動に伴うＸ軸方向加速度
αｎ 切り込み時の加速度
αｎｍａｘ 切り込み時の半径方向の最大加速度
αａｍａｘ 半径方向の最大許容加速度（最大切り込み加速度設定値）
αｘ Ｘ軸合成加速度
αｘｍａｘ 機械仕様上のＸ軸の最大加速度
αｍａｘ 制御軸の機械仕様上の最大加速度
αｏｂｉｔ オービットボーリング中の２軸の合成加速度
αＸ Ｘ軸加速度
αＹ Ｙ軸加速度
θ Ｘ軸からの角度
γ 任意の角度
Ｒ 加工半径
Ｒｔ 工具長（工具の突き出し半径）
Ｒｏ 円弧半径（円弧補間運動の半径）
【００１６ 】
まず、オービットボーリングの概要を、図１を参照して説明する。図１において、１０はボーリングバー等の工具を、Ｗは被加工物を各々示している。工具１０は主軸中心Ｃｓで示されている主軸（図示省略）に取り付けられている。
【００１７ 】
オービットボーリングでは、主軸と被加工物Ｗとが、相対的なＸＹ軸移動により円弧補間運動を行い、主軸の回転角制御によって工具１０が常に円弧半径方向（法線方向）に向くように、主軸中心Ｃｓの円弧補間運動と主軸の回転運動との同期制御が行われる。
【００１８ 】
この同期制御により、主軸中心Ｃｓは円弧補間軌跡Ａを描き、工具１０の突き出し半径（工具長）Ｒｔ、円弧補間運動の半径（円弧半径）Ｒｏとを合成した半径Ｒｔ＋Ｒｏのボーリング加工が行われる。工具１０の突き出し半径Ｒｔは、工具長により決まり、工具交換以外に物理的に変更できないが、円弧半径Ｒｏは、数値制御の加工プログラムの指令によって任意に設定できるから、１本の工具１０で、加工プログラムの指令によって任意半径のボーリング加工を行うことができる。
【００１９ 】
図２は、オービット運動速度（送り速度）がＶｔ、半径方向速度（切り込み方向速度）がＶｎの時の状態を示している。図２で、オービット運動に伴うＸ軸方向速度をＶｔｘ、半径方向運動に伴うＸ軸方向速度をＶｎｘ、Ｘ軸からの角度をθとすると、
Ｖｔｘ＝Ｖｔ・ｓｉｎ（θ） …（１）
Ｖｎｘ＝Ｖｎ・ｃｏｓ（θ） …（２）
となる。
【００２０ 】
この時のＸ軸合成速度Ｖｘは、
【００２１ 】
また、この時のＸ軸合成加速度αｘは、
【００２２ 】
オービットボーリングにおいて、切り込みあるいは逃げ動作のために、半径方向動作が入っても、制御軸の送り速度、加速度が、機械仕様上の最大送り速度、最大加速度を超えないためには、式（５）、（６）に表されているように、Ｘ軸合成速度Ｖｘの値が機械仕様上のＸ軸の最大送り速度Ｖｘｍａｘ以下、Ｘ軸合成加速度αｘの値が機械仕様上のＸ軸の最大加速度αｘｍａｘ以下になる必要がある。
Ｖｔ・ｓｉｎ（θ）＋Ｖｎ・ｃｏｓ（θ）≦Ｖｘｍａｘ …（５）
−Ｖｔ２・／Ｒｏ・ｃｏｓ（θ）＋αｎｘ≦αｘｍａｘ …（６）
【００２３ 】
従って、半径方向の最大速度Ｖｎｍａｘは、
Ｖｎｍａｘ＝｛Ｖｘｍａｘ−Ｖｔ・ｓｉｎ（θ）｝／ｃｏｓ（θ） …（７）
となる。Ｘ軸とＹ軸の仕様が同じであれば、角度θは０〜９０°の範囲で考えればよく、この範囲で、式（７）の微分を求めると、
ｄＶｎｍａｘ／ｄθ＝｛Ｖｘｍａｘ・ｓｉｎ（θ）−Ｖｔ｝／ｃｏｓ２（θ）…（８）
ｄ２Ｖｎｍａｘ／ｄ２θ＝［Ｖｘｍａｘ｛１＋ｓｉｎ２（θ）｝−２Ｖｔ・ｓｉｎ（θ）］／ｃｏｓ３（θ） …（９）
となる。
【００２４ 】
式（８）が０となる条件から、
ｓｉｎ（θ）＝Ｖｔ／Ｖｘｍａｘ …（１０）
θ＝ｓｉｎ−１（Ｖｔ／Ｖｘｍａｘ） …（１１）
となり、これを式（９）に代入すると、
（Ｖｘｍａｘ２−Ｖｔ２）／Ｖｘｍａｘ≧０ …（１２）
となり、式（１０）と式（１１）は極限値をとる条件になる。
【００２５ 】
以上から、切り込み時の半径方向の移動の最大速度Ｖｎｍａｘ（ｍｍ／ｍｉｎ）は、つぎのようにして計算することができる。ここでは、オービット運動による接線方向最大速度をＶｔｍａｘ（ｍｍ／ｍｉｎ）、機械仕様上、設定されている１軸の最大送り速度をＶｍａｘとする。
θ＝ｓｉｎ−１（Ｖｔ／Ｖｍａｘ） …（１３）
Ｖｎｍａｘ＝｛Ｖｍａｘ−Ｖｔｍａｘ・ｓｉｎ（θ）｝／ｃｏｓ（θ） …（１４）
【００２６ 】
円弧補間運動であるから、Ｘ軸の加速度は、θ＝０の時に上限値になるから、
αｎｘ≦αｘｍａｘ＋Ｖｔ２・／Ｒｏ＝αｎｍａｘ …（１５）
となり、加減速時定数Ｔｎは、直線加減速の場合、
Ｔｎ＝Ｖｘｍａｘ／αｎｘ …（１６）
となる。
【００２７ 】
例えば、オービット運動による接線方向最大速度Ｖｔｍａｘをオービットボーリング指令による送り速度Ｖｔ＝１００００ｍｍ／ｍｉｎ、円弧半径Ｒｏ＝５０ｍｍとし、機械仕様上の制御軸Ｘの最大送り速度Ｖｘｍａｘ＝３００００ｍｍ／ｍｉｎ、最大加速度αｘｍａｘ＝１ｍ／ｓｅｃ２であれば、オービットボーリング指令時の半径方向速度の上限（最大速度）は、式（１３）、式（１４）より、
【００２８ 】
また、式（１５）より、
αｎｘ≦αｘｍａｘ＋Ｖｔ２・／Ｒｏ＝０．４４ｍ／ｓｅｃ２＝αｎｍａｘ
となり、直線加減速時定数Ｔｎは、式（１６）より、
Ｔｎ＝Ｖｘｍａｘ／αｎｘ＝ほぼ１．１３ｓｅｃとなる。
【００２９ 】
以上から、制御軸の送り速度、加速度が、機械仕様上の最大送り速度、最大加速度を超えないようにするためには、円弧半径Ｒｏ＝５０ｍｍ、送り速度１００００ｍｍ／ｍｉｎのオービットボーリングにおける半径方向速度Ｖｎは２８２８４ｍｍ／ｍｉｎ以下、直線加減速時定数Ｔｎは１．１３ｓｅｃより長く設定する必要がある。
【００３０ 】
図３はこの発明による数値制装置の実施の形態を示している。数値制御装置は、入力された加工プログラムＰを１ブロック毎の補間用データに解析する加工プログラム解析部２０と、１ブロック毎の補間用データより各制御軸の移動量、送り速度を算出する補間器２１と、補間演算に必要な各種パラメータや機械仕様上、設定されている制御軸の最大送り速度Ｖｍａｘ、最大加速度αｍａｘのパラメータ設定値を格納するパラメータ格納部２２とを含んでいる。なお、数値制御装置はコンピュータ式のものであり、加工プログラム解析部２０、補間器２１は、コンピュータがプログラムを実行することにより実現される。
【００３１ 】
補間器２１は、工作機械の各制御軸、オービットボーリングを行う工作機械では、主軸、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各位置制御器２３、２４、２５、２６へ位置指令（速度指令）を出力する。主軸、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各位置制御器２３、２４、２５、２６には、各制御軸のサーボモータ２７、２８、２９、３０が電気的に接続されており、各制御軸の位置制御器２３〜２６は各制御軸のサーボモータ２７〜３０の駆動制御を行う。
【００３２ 】
補間器２１は、基本的には、パラメータ格納部２２に設定されている機械仕様上の制御軸の最大送り速度Ｖｍａｘ、最大加速度αｍａｘの範囲内で、各制御軸の速度指令を生成する。換言すれば、補間器２１は、本来のスペックとして、各軸の位置制御器へ出力する速度指令（位置指令）を、パラメーラ設定されている最大送り速度Ｖｍａｘ、最大加速度αｍａｘの範囲内に制限するリミッタ機能を有している。
【００３３ 】
この発明による数値制御装置は、上述した本来のスペックに加え、機械仕様上、設定されている制御軸の最大送り速度Ｖｍａｘ、最大加速度αｍａｘと、オービットボーリングで指令される送り速度Ｖｔおよび円弧半径Ｒｏの上限値より、オービットボーリング切り込み時の半径方向の最大速度Ｖｎｍａｘ、最大加速度αｎｍａｘを、上述したような演算式によって予め計算し、これら最大速度Ｖｎｍａｘ、最大加速度αｎｍａｘに安全率を見込んで算出したオービットボーリング中の半径方向の最大許容速度（最大切り込み速度設定値）Ｖａｍａｘ、最大許容加速度（最大切り込み加速度設定値）αａｍａｘをパラメータ格納部２２にパラメータ設定し、オービットボーリング指令時には、半径方向の最大許容速度Ｖａｍａｘ、最大許容加速度αａｍａｘを超えないように、最大切り込み速度および最大切り込み加速度に制限を加える。
【００３４ 】
これにより、オービットボーリング時に、切り込みあるいは逃げ動作のために、半径方向動作が入っても、制御軸の送り速度、加速度が、機械仕様上の最大送り速度Ｖｍａｘ、最大加速度αｍａｘを超えることがなくなり、許容精度の加工が行われる。
【００３５ 】
図４はオービットボーリング時（円弧補間運動時）のＸ軸、Ｙ軸の位置波形を、図５は同じくそれの速度波形を、図６は同じくそれの最大切り込み速度・最大切り込み加速度制限前の加速度波形を、図７は同じくそれの最大切り込み速度・最大切り込み加速度制限前のトルク波形を、図８は同じくそれの最大切り込み速度・最大切り込み加速度制限後の加速度波形を、図９は同じくそれの最大切り込み速度・最大切り込み加速度制限後のトルク波形を各々示している。
【００３６ 】
オービットボーリング時に、最大切り込み速度・最大切り込み加速度の制限が適切に行われないと、図６の領域ａ、ｂにおいて加速度が許容範囲を超え、図７の領域ｃにおいてトルク飽和を起こすが、上述したように最大許容送り速度Ｖａｍａｘ、最大許容加速度αａｍａｘをもって最大切り込み速度・最大切り込み加速度の制限が適切に行われると、図８に示されているように加速度が許容範囲内になり、図９に示されているようにトルク飽和を起こすことがない。
【００３７ 】
これにより、オービットボーリングにおける過渡誤差による加工誤差、加工面の品位低下がなくなり、トルク飽和による急停止、ショックや衝撃音の発生が回避される。
【００３８ 】
加工プログラムを先読みする機能を具備した数値制御装置を使用する場合には、加工プログラムを先読みし、先読みした加工プログラムの指令が、主軸位置制御モードで、オービットボーリングであれば、加工プログラムに記述されているオービットボーリング中の半径方向動作時の送り速度Ｖｔと円弧半径Ｒｏとをオービットボーリング指令のたびに加工プログラムより先読みし、予めパラメータ設定されている機械仕様上の制御軸の最大送り速度Ｖｍａｘ、最大加速度αｍａｘを参照して、式（１３）、（７）、（１５）によってオービットボーリングの半径方向の最大速度Ｖｎｍａｘ、最大加速度αｎｍａｘを数値制御装置内で演算し、切り込み速度Ｖｎが半径方向の最大速度Ｖｎｍａｘを超えないよう、また、切り込み時の加速度αｎが半径方向の加速度αｎｍａｘを超えないように、切り込み速度Ｖｎ、加速度αｎ、あるいは直線加減速時定数Ｔｎを変更することができる。
【００３９ 】
これにより、オービットボーリング時に、切り込みあるいは逃げ動作のために、半径方向動作が入っても、必要最小限度の速度制限、加速度制限によって制御軸の送り速度、加速度が、機械仕様上の最大送り速度Ｖｍａｘ、最大加速度αｍａｘを超えることがなくなる。
【００４０ 】
なお、加工プログラムの記述が加工半径Ｒによる場合には、円弧半径Ｒｏは、工具長Ｒｔが既知値であることから、加工半径Ｒ−Ｒｔ＝Ｒｏなる演算によって算出することができる。
【００４１ 】
図１０は先読みを行う数値制装置の実施の形態を示している。なお、図１０において、図３に対応する部分は、図３に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００４２ 】
この数値制御装置は、入力された加工プログラムＰを先読みして１ブロック毎の補間用データに解析する加工プログラム解析部３１と、送り速度・加速度調整演算部３２と、先読みプログラムに関するデータを一時格納するバッファメモリ３３と、補間演算を行い、各制御軸の位置指令（速度指令）を出力する補間器３４と、送り速度・加速度調整演算や補間演算に必要な各種パラメータ、機械仕様上、設定されている制御軸の最大送り速度Ｖｍａｘ、最大加速度αｍａｘのパラメータ設定値を格納するパラメータ格納部３５とを含んでいる。なお、この数値制御装置もコンピュータ式のものであり、加工プログラム解析部３１、送り速度・加速度調整演算部３２、補間器３４は、コンピュータがプログラムを実行することにより実現される。
【００４３ 】
送り速度・加速度調整演算部３２は、先読みした加工プログラムがオービットボーリングであれば、パラメータ格納部３５にパラメータ設定されている機械仕様上の制御軸の最大送り速度Ｖｍａｘ、最大加速度αｍａｘと、オービットボーリング指令の送り速度Ｖｔ、円弧半径Ｒｏより、式（１３）、（７）、（１５）によってオービットボーリングの半径方向の最大速度Ｖｎｍａｘ、最大加速度αｎｍａｘを演算し、切り込み速度Ｖｎが半径方向の最大速度Ｖｎｍａｘを超えないよう、また、切り込み時の加速度αｎが半径方向の加速度αｎｍａｘを超えないように、切り込み速度Ｖｎ、加速度αｎ、あるいは直線加減速時定数Ｔｎを演算設定する。これらのデータはバッファメモリ３３に一時格納される。
【００４４ 】
補間器３４は、１ブロック毎の補間用データより各制御軸の移動量を算出するものであり、オービットボーリングの場合には、バッファメモリ３３に一時格納されている切り込み速度Ｖｎ、加速度αｎ、あるいは直線加減速時定数Ｔｎに従って各制御軸の位置指令（速度指令）を演算する。
【００４５ 】
補間器３４が出力する位置指令（速度指令）は、各制御軸の位置制御器２３、２４、２５、２６に入力される。
【００４６ 】
この場合の切り込み速度設定手順を図１１に示されているフローチャートを参照して説明する。
【００４７ 】
まず、パラメータ設定されている制御軸（たとえばＸ軸）の機械仕様上の最大送り速度Ｖｍａｘと最大加速度αｍａｘをパラメータメモリより取得する（ステップＳ１１）。
【００４８ 】
つぎに、加工プログラムを先読みし、先読みした加工プログラムより、オービットボーリング指令の送り速度Ｖｔ、切り込み速度Ｖｎ、円弧半径Ｒｏを取得する（ステップＳ１２）。なお、円弧半径Ｒｏは、工具長Ｒｔが既知値であることから、加工半径Ｒ−Ｒｔなる演算によって算出することができる。
【００４９ 】
つぎに、最大送り速度Ｖｍａｘ、送り速度Ｖｔ、円弧半径Ｒｏ等より、切り込み時の半径方向の最大速度Ｖｎｍａｘを上述の式（７）等により算出する（ステップＳ１３）。
【００５０ 】
つぎに、オービットボーリング指令の切り込み速度Ｖｎが最大速度Ｖｎｍａｘ以下であるか否かの判別を行う（ステップＳ１４）。この判別で、Ｖｎ＜Ｖｎｍａｘであれば、オービットボーリング指令の切り込み速度Ｖｎをそのまま適用する（ステップＳ１５）。これに対し、Ｖｎ＜Ｖｎｍａｘでなければ、切り込み速度ＶｎをＶｎｍａｘに変更（制限）する（ステップＳ１６）。
【００５１ 】
この後に、プログラムが実行されることにより（ステップＳ１７）、オービットボーリング時の切り込み速度Ｖｎは最大速度Ｖｎｍａｘに抑えられ、オービットボーリング時に、制御軸の送り速度が、機械仕様上の最大送り速度Ｖｍａｘを超えることが回避される。
【００５２ 】
上述した制御以外に、オービットボーリング時の半径方向動作に関する速度パターンを、補間段階で、Ｓ字など、速度変化が滑らかなパターンにしてオービットボーリング時の半径方向動作の加速度を抑えることもできる。
【００５３ 】
ＸＹ平面オービットの場合、角度θ＝０°で、Ｘ軸の加速度が最大になり（χ＝Ｒｏ・ｃｏｓθならば、αχ＝−Ｒｏ（θ／ｔ）２ｃｏｓθ）、機械の仕様上の最大加速度でオービットボーリングを実施する場合には、θ＝０°の半径方向動作は、加速度α＝０でならなければならない。このために、Ｓ字加減速時定数による加減速を行う。Ｓ字加減速時定数による加減速パターンは、図１２に示されているようになる。
【００５４ 】
Ｓ字速度パターンにおける曲線部時間ΔＴｃと加減速全体時間ΔＴａとの関係は、加速目標速度Ｖａと最大加速度αｍａｘが決まっていると、式（１７）により表される。
【００５５ 】
ΔＴａ＝（Ｖａ／αｍａｘ）＋ΔＴｃ …（１７）
ただし、ΔＴｃ≦（Ｖａ／αｍａｘ）
したがって、曲線部時間ΔＴｃを決めれば、全体時間ΔＴａが求められる。
【００５６ 】
また、これ以外に、角度θ毎にオービットボーリング時の半径方向動作の加速度を制限することもできる。
【００５７ 】
オービットボーリングは、送り系に、
Ｘ＝Ｒｏ・ｃｏｓωｔ …（１８）
Ｙ＝Ｒｏ・ｓｉｎωｔ …（１９）
（但し、ω＝θ／ｔ）
の円弧補間を行わせるため、加速度は、
αＸ＝−Ｒｏω２・ｃｏｓωｔ …（２０）
αＹ＝−Ｒｏω２・ｓｉｎωｔ …（２１）
となり、各制御軸の加速度の制限は、
αＸ＝｜αｍａｘ｜−｜−Ｒｏω２・ｃｏｓωｔ｜ …（２２）
αＹ＝｜αｍａｘ｜−｜−Ｒｏω２・ｓｉｎωｔ｜ …（２３）
となる。
【００５８ 】
このため、オービットボーリング時の半径方向動作において、半径方向動作開始角度毎に加速度を制限することが可能である。
【００５９ 】
また、オービットボーリング中の２軸の合成加速度は、常に、
αｏｂｉｔ＝−Ｒｏω２ …（２４）
であるから、任意の角度γの合成加速度の制限は、
【００６０ 】
これにより、２軸の合成加速度は、移動方向（角度）によって制限されることになる。
【００６１ 】
なお、この発明による数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法および数値制御装置は、オービットボーリングに限られることはなく、円弧補間による各種の輪郭制御による加工、つまり、制御軸の送り速度に半径方向速度が加算される加工において有用である。
【００６２ 】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、この発明による数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法および数値制御装置によれば、オービツトボーリング等の円弧補間による各種の輪郭制御による加工において、切込み動作など半径方向動作による過渡的な動作を含む場合に、機械仕様上の許容速度や加速度を超えないように制御するため、過渡誤差の残留振動による加工誤差、加工面品位の低下や、トルク飽和による急停止、ショックや衝撃音除去の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】オービットボーリングの概要を示す説明図である。
【図２】オービットボーリングの速度ベクトル図である。
【図３】この発明による数値制装置の一つの実施の形態を示すブロック図である。
【図４】オービットボーリング時のＸ軸、Ｙ軸の位置波形を示すグラフである。
【図５】オービットボーリング時のＸ軸、Ｙ軸の速度波形を示すグラフである。
【図６】オービットボーリング時の最大切り込み速度・最大切り込み加速度制限前の加速度波形を示すグラフである。
【図７】オービットボーリング時の最大切り込み速度・最大切り込み加速度制限前のトルク波形を示すグラフである。
【図８】オービットボーリング時の最大切り込み速度・最大切り込み加速度制限後の加速度波形を示すグラフである。
【図９】オービットボーリング時の最大切り込み速度・最大切り込み加速度制限後のトルク波形を示すグラフである。
【図１０】この発明による数値制装置の他の実施の形態を示すブロック図である。
【図１１】この発明による数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法における切り込み速度設定手順を示すフローチャートである。
【図１２】Ｓ字速度パターンによる速度制御の速度波形と加減速波形を示すグラフである。
【符号の説明】
２０ 加工プログラム解析部
２１ 補間器
２２ パラメータ設定部
２３〜２６ 各制御軸の位置制御器
２７〜３０ 各制御軸のサーボモータ
３１ 加工プログラム解析部
３２ 送り速度・加速度調整演算部
３３ バッファメモリ
３４ 補間器
３５ パラメータ設定部
Claims (8)
- 円弧補間による輪郭制御時の最大速度および最大加速度を、機械仕様上、設定されている制御軸の最大送り速度および最大加速度の設定値とは別に予め設定し、
円弧補間指令時には、予め設定されている半径方向の最大速度を超えないように、半径方向速度に制限を加える、あるいは予め設定されている半径方向の最大加速度を超えないように、半径方向の加速度に制限を加えることを特徴とする数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法。 - 加工プログラムの先読みを行い、
円弧補間による輪郭制御の指令の場合には、その加工プログラムより送り速度、加工半径を読み取り、これらと機械仕様上、設定されている制御軸の最大送り速度および最大加速度の設定値より輪郭制御時の半径方向の最大速度および最大加速度を算出し、
算出した半径方向の最大速度を超えないように、半径方向速度に制限を加える、あるいは算出した半径方向の最大加速度を超えないように、半径方向の加速度に制限を加えることを特徴とする数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法。 - 円弧補間による輪郭制御時の半径方向の速度パターンをＳ字パターンに設定し、半径方向動作の加速度を機械上、設定されている制御軸の最大加速度以下に抑えることを特徴とする数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法。
- 円弧補間による輪郭制御時の半径方向動作の加速度を直角２軸平面の原点からの角度に応じて設定し、半径方向動作の加速度を機械上、設定されている制御軸の最大加速度以下に抑えることを特徴とする数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法。
- 円弧補間による輪郭制御は、主軸に装着された工具が常に円弧半径方向法線方向に向くように、主軸と直角平面内における主軸中心の円弧補間運動と主軸の回転運動とを同期制御して穴加工を行う旋削加工の制御であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の数値制御工作機械の送り速度・加速度制御方法。
- 円弧補間による輪郭制御時の半径方向の最大速度および最大加速度を、機械仕様上、設定されている制御軸の最大送り速度および最大加速度の設定値とは別に予め設定する手段と、
円弧補間指令時には、予め設定されている半径方向の最大速度を超えないように、半径方向速度に制限を加える、あるいは予め設定されている半径方向の最大加速度を超えないように、半径方向の加速度に制限を加える手段と、
を有していることを特徴とする工作機械の数値制御装置。 - 加工プログラムの先読みする機能を備えた工作機械の数値制御装置において、
円弧補間による輪郭制御の指令の場合には、その加工プログラムより送り速度、加工半径を読み取り、これらと機械仕様上、設定されている制御軸の最大送り速度および最大加速度の設定値より輪郭制御時の半径方向の最大速度および最大加速度を算出する手段と、
算出した半径方向の最大速度を超えないように、半径方向速度に制限を加える、あるいは算出した半径方向の最大加速度を超えないように、加速度に制限を加える手段と、
を有していることを特徴とする工作機械の数値制御装置。 - 円弧補間による輪郭制御は、主軸に装着された工具が常に円弧半径方向法線方向に向くように、主軸と直角平面内における主軸中心の円弧補間運動と主軸の回転運動とを同期制御して穴加工を行う旋削加工の制御であることを特徴とする請求項６あるいは７記載の工作機械の数値制御装置。
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