JP5375703B2 - 数値制御装置 - Google Patents

Description

本発明は数値制御装置に関し、特に、加工対象を滑らかな曲線や曲面に加工するために、制御位置座標を表す複数の指令点の指令点座標データの移動平均値を用いて平滑化処理する数値制御装置に関する。

従来から、種々の工作機械では、加工プログラムに基づいて、ＣＰＵがサーボモータに位置と速度の制御指令を出力し、サーボモータによりテーブルや主軸などを回転駆動させて、ワークを加工する。このとき、ワークを滑らかな曲線や曲面に加工する場合、ＣＡＭ装置により、予め制御位置座標を表す複数の指令点を結んだ複数の微小な線分（微小ブロック）を作成する。その後に、これら複数の指令点は、スプライン曲線などで近似して曲線補間を行うことが多い。
ところが、複数の指令点から演算される上記のスプライン曲線は、所定の公差を大きく逸脱するような経路を作成する場合がある。

そこで、引用文献１の数値制御装置では、複数の指令点の指令点座標データを平滑化処理するため、各指令点間を補間する曲線補間が行われている。この曲線補間は、先ず、複数の指令点の間に、複数の内挿点を挿入する。次に、指令点と内挿点から最小二乗法を用いて近似曲線を演算する。そして、この演算された近似曲線を基にして、ワークの加工を行う。

特開２００４−７８５１６号公報

しかし、特許文献１の平滑化処理方法では、複数の指令点の間に複数の内挿点を挿入するため、各指令点と隣接する内挿点との間や内挿点同士の間の距離が短くなり、指令点や内挿点の座標データ量が大幅に増加する。この場合、最小二乗法による平滑化処理が実行されると、ＣＰＵの処理負荷が増大して処理時間がかかってしまうという問題が生じる。

本発明の目的は、制御位置座標を表す複数の指令点の指令点座標データから移動平均値を用いて平滑化処理可能な数値制御装置を提供すること、平滑化処理可能な為のＣＰＵの処理負荷を軽減可能な数値制御装置を提供することなどである。

請求項１の数値制御装置は、工作機械の制御位置座標を表す複数の指令点の指令点座標データを平滑化処理する平滑化処理手段を有する数値制御装置において、前記平滑化処理手段は、複数の指令点の各々について、各指令点を含む前後の複数の指令点の指令点座標データの移動平均値を演算する移動平均値演算手段と、前記移動平均値演算手段が演算した移動平均値からなる平均化指令点座標データを各指令点の指令点座標データに置換するデータ置換手段とを有し、前記移動平均値演算手段は、前記移動平均値の演算に用いた複数の指令点について指令点間の距離を演算し、それらの指令点間距離を用いて各指令点から遠ざかる程小さくなる加重係数を演算し、その加重係数を用いて前記移動平均値を演算することを特徴としている。

請求項２の数値制御装置は、請求項１の発明において、前記データ置換手段は、各指令点とその平均化指令点座標データで示される平均化指令点の間の距離が所定の公差以下のときだけ平均化指令点座標データを各指令点の指令点座標データに置換することを特徴としている。

請求項３の数値制御装置は、請求項２の発明において、前記データ置換手段は、各指令点と平均化指令点の間の距離が所定の公差を超える場合には、各指令点から所定の公差離隔した点を修正平均化指令点とし、この修正平均化指令点の座標データを各指令点の指令点座標データに置換することを特徴としている。

請求項１の発明によれば、移動平均値演算手段は、複数の指令点の各々について、各指令点を含む前後の複数の指令点の指令点座標データの移動平均値を演算し、データ置換手段は、移動平均値演算手段が演算した移動平均値からなる平均化指令点座標データを各指令点の指令点座標データに置換することができる。従って、移動平均値を演算する平滑化処理は、簡単な計算式で処理可能なので、加工精度を維持したままＣＰＵによるデータ処理負荷を少なくすることができ、ＣＰＵの処理負荷を低減させて、処理時間を短縮することができる。

また、移動平均値演算手段は、移動平均値の演算に用いた複数の指令点について指令点間の距離を演算し、それらの指令点間距離を用いて各指令点から遠ざかる程小さくなる加重係数を演算し、その加重係数を用いて前記移動平均値を演算するので、各指令点から遠ざかる程小さくなる加重係数により重み付けして移動平均値を演算することができ、精度良く平滑化した移動平均値を演算することができる。

請求項２の発明によれば、データ置換手段は、各指令点とその平均化指令点座標データで示される平均化指令点の間の距離が所定の公差以下のときだけ平均化指令点座標データを各指令点の指令点座標データに置換するので、各指令点と平均化指令点の間の距離が所定の公差以下に収まる指令点座標データを演算することができる。

請求項３の発明によれば、データ置換手段は、各指令点と平均化指令点の間の距離が所定の公差を超える場合には、各指令点から所定の公差離隔した点を修正平均化指令点とし、この修正平均化指令点の座標データを各指令点の指令点座標データに置換するので、各指令点と平均化指令点の間の距離が所定の公差を超えた場合であっても、所定の公差以下に収まる指令点座標データを算出することができる。

本発明の参考例に係る数値制御装置のブロック図である。 平滑化処理制御プログラムのフローチャートである。 加工プログラムの一例である。 指令点座標データと平均化指令点座標データとの比較図である。 実施例に係る複数の指令点を結ぶ経路図である。 指令点座標データと参考例の平滑化処理手段による平均化指令点座標データと実施例の平滑化処理手段による平均化指令点座標データとの比較図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
＜参考例＞

本参考例は、工作機械を制御する数値制御装置１に本発明を適用した場合の一例である。最初に、数値制御装置１を含む工作機械の制御系について説明する。
図１に示すように、数値制御装置１は、入出力インタフェース１１、ＣＰＵ１３とＲＯＭ１４とＲＡＭ１５とを含むマイクロコンピュータ１２、複数の駆動回路２１〜２５などを備える。複数の駆動回路２１〜２５は、夫々Ｘ軸モータ３１、Ｙ軸モータ３２、Ｚ軸モータ３３、主軸モータ３４、マガジンモータ３５に接続し、これらのモータを駆動するものである。

Ｘ軸モータ３１、Ｙ軸モータ３２は、テーブル（図示略）を水平なＸ軸方向、Ｙ軸方向に独立に移動させる為のものである。Ｚ軸モータ３３は、主軸（図示略）をＺ方向（鉛直方向）に移動させる為のものである。主軸モータ３４は、主軸を回転駆動するものである。マガジンモータ３５は工具マガジン（図示略）を回動させるものである。尚、Ｘ軸モータ３１、Ｙ軸モータ３２、Ｚ軸モータ３３、主軸モータ３４、マガジンモータ３５は、夫々エンコーダ３１ａ〜３５ａを備えている。

各駆動回路２１〜２５は、ＣＰＵ１３からの指令信号を受けて、対応する各モータ３１〜３５に駆動電流を出力する。各駆動回路２１〜２５は、対応するエンコーダ３１ａ〜３５ａからフィードバック信号を受けて、位置と速度のフィードバック制御を行う。入出力インタフェース１１には、表示装置４１と、操作キー等を備えた入力装置４２を接続している。

ＲＯＭ１４は、加工プログラムを解析し処理する為の数値制御プログラム、図２に示す平滑化処理を実行する為の平滑化処理制御プログラムなどを記憶している。ＲＡＭ１５は、ユーザーが入力して登録した加工プログラムなどを記憶している。ＲＡＭ１５は、ＣＰＵ１３が演算処理したデータなどを一次的に記憶する種々のワークメモリとしても機能する。

次に、平滑化処理手段について説明する。
平滑化処理手段は、工作機械の制御位置座標を表す複数の指令点の指令点座標データを平滑化処理するものである。平滑化処理制御プログラムとそれを実行するＣＰＵ１３が、平滑化処理手段に相当する。

平滑化処理手段は、複数の指令点の指令点座標データの移動平均値を演算する移動平均値演算手段と、この移動平均値演算手段で演算された移動平均値を指令点座標データに置換するデータ置換手段とを有する。

次に、移動平均値演算手段について説明する。
移動平均値演算手段は、複数の指令点の各々について、各指令点を含む前後の複数の指令点の指令点座標データの移動平均値を演算するものである。本参考例の指令点座標データはＸ，Ｙ，Ｚの３次元データであるが、特にこれに限定する必要はなく、２次元データでも良い。尚、複数の指令点の指令点座標データは、加工プログラムを読み取るときにＲＡＭ１５に格納される。

移動平均値演算手段は、具体的に、k = 0, 1, 2, 3,・・・として、複数の指令点P_kの指令点座標データ(X_k, Y_k, Z_k)から、移動平均値からなる平均値指令点P_k’の平均化指令点座標データ(X_k’, Y_k’, Z_k’)を演算する。移動平均値演算手段は、次の数式（１）で表すことができる。尚、移動平均値を演算するための数式は、Ｘ座標，Ｙ座標，Ｚ座標の各々に対して同じ数式が適用されるので、以下の説明では、複数の指令点P_kのＸ座標X_kの移動平均値を演算する場合についてのみ説明する。

ここで、X_kは平均化処理前の指令点P_kのＸ座標、X_k’は平均化処理後の平均化指令点P_k’のＸ座標、(2n+ 1)はフィルタポイント数を夫々示している。尚、初期点P₀の指令点座標データは(X₀, Y₀, Z₀)としている。

但し、平均化処理開始側では、例えば、n= 2とすると、指令点P_kがP_nに到達してない場合は、次の数式（２），（３）が適用され、また、平均化処理終了側では、例えば、最終指令点P₂₀とすると、次の数式（４），（５）が適用される。尚、nの値は「２」に限定される訳ではなく、任意の正の整数である。

次に、データ置換手段について説明する。
データ置換手段は、移動平均値演算手段が演算した移動平均値からなる平均化指令点座標データを各指令点の指令点座標データに置換するものである。具体的に、各指令点P_kのＸ座標X_kとその平均化指令点P_k’のＸ座標X_k’間の距離が、所定の公差t以下のときだけ、平均化指令点Ｘ座標X_k’を指令点Ｘ座標X_kに置換する。

但し、指令点P_kのＸ座標X_kと平均化指令点P_k’のＸ座標X_k’間の距離が、所定の公差tを超える場合には、数式（６）を適用して修正を行う。各指令点から所定の公差t離隔した点を修正平均化指令点Ｘ座標X_k”とし、この修正平均化指令点Ｘ座標X_k”でもって、各指令点Ｘ座標X_kを置換する。尚、Ｘ座標と同様に，Ｙ座標，Ｚ座標の各々に対しても同じ手段が適用される。

次に、図３は加工プログラムの一部の例を示している。
数値制御装置１は、複数の加工プログラムの中から選択されて表示装置に表示された加工プログラムに基づいて、機械本体の動作を制御する。工作機械の加工プログラムは、機械の動作モード（各種位置決定、移動等）を指令するＧコードと、動作以外の補助的な機能を指令するＭコードとなどを主体に構成してある。

「Ｇ００」は、位置決めを指令する指令コード、「Ｇ０１」は、直線補間を指令する指令コード、「Ｍ１２３」は、平滑化処理の開始を指令する指令コード、「Ｍ１２４」は、平滑化処理の終了を指令する指令コードである。

次に、数値制御装置１が実行する平滑化処理制御プログラムについて、図２のフローチャートと図３の加工プログラムに基づいて説明する。尚、図２において、Ｓｉ（ｉ＝１，２，・・・）は各ステップを示す。以下の説明では、複数の指令点P_kの指令点座標データ(X_k, Y_k, Z_k)のＸ座標X_kの演算についてのみ説明する。

先ずは、図３の加工プログラムをＲＡＭ１５からロードし（Ｓ１）、１ブロック解釈を行う（Ｓ２）。ここで、最初のブロックがＧ００の位置決め指令であるので（Ｓ３；Ｎｏ）、Ｓ４へ移行する。Ｓ４において、テーブルなどを位置決め指令による初期点P₀に位置決めを行った後、Ｓ２へ移行する。本参考例では、最終指令点をP₂₀とし、nを２に設定した場合を例にして説明する。

次に、２ブロック目を読み込み（Ｓ２）、平滑化処理開始か否か判定し、Ｍ１２３の平滑化処理開始指令の場合（Ｓ３；Ｙｅｓ）、カウンタk = 0，j = 0，フラグfg = 0にセットして（Ｓ５）、Ｓ６に移行する。Ｓ６にて、平滑化処理の計算に必要な数のブロック（Ｍ１２３のブロックからn番目まで）を読み込む。ここでは、n = 2と設定しているので、Ｍ１２３のブロックから２番目（４ブロック目）まで読み込む。次に、(k + n + 1)番目、つまり、３番目（５ブロック目）を読み込み（Ｓ７）、kを(k + 1)にインクリメントして（Ｓ８）、Ｓ９へ移行する。

次に、上記のＳ７で読み込んだ３番目は、Ｇ０１の直線補間指令であるので（Ｓ９；Ｎｏ）、Ｓ１０に移行する。ここで、Ｓ７で読み込んだブロックが、Ｍ１２４の平滑化処理終了指令の場合（Ｓ９；Ｙｅｓ）、Ｓ１１に移行して、j を (j + 1)にインクリメントし, フラグfg を1にセットして（つまり、j = 1，フラグfg = 1になり）、Ｓ１０に移行する。

次に、Ｓ１０において、移動平均値演算処理を実行する。１番目(k = 1)の第１指令点P₁のＸ座標X₁の移動平均演算処理を行うので、数式（３）を適用して、移動平均値X₁’を演算する。尚、初期点P₀と最終指令点P₂₀の移動平均値は、数式（２），（５）より、そのままの指令点座標データ(X_k, Y_k, Z_k)を平均化指令点の平均化指令点座標データ(X_k’, Y_k’, Z_k’)として設定する。

n番目以降の場合、数式（１）を適用して、移動平均値X_k’を演算する。本参考例では、最終指令点P₂₀、n= 2に設定しているので、該当するのは、第２〜第１８指令点P₂〜P₁₈である。これ以降、第１９指令点P₁₉のＸ座標X₁₉には、数式（４）を適用して、移動平均値X₁₉’を演算する。

次に、Ｓ１２において、指令点P_kのＸ座標X_kと平均化指令点P_k’のＸ座標X_k’の距離が、予め設定されている公差t以下か否か判定する（数式（６）参照）。公差t以下の場合は（Ｓ１２；Ｙｅｓ）、Ｓ１３に移行する。公差t以下でないときは（Ｓ１２；Ｎｏ）、数式（６）に基づいて、移動平均値X_k’を修正して、その修正平均化指令点P_k”のＸ座標X_k”を移動平均値X_k’に置換し（Ｓ１４）、その後、Ｓ１３に移行する。

次に、Ｓ１３において、平均化指令点P_k’の指令点座標データ(X_k’, Y_k’, Z_k’)を、各指令点P_kの指令点座標データ(X_k, Y_k, Z_k)と置換し、Ｓ１５に移行する。次に、置換された座標データを使用し、直線補間を行う（Ｓ１５）。その後、Ｓ１６に移行する。次に、フラグfgが０か否か判定して、フラグfgが０の場合（Ｓ１６；Ｙｅｓ）、Ｓ７に移行して、以下、１ブロック解釈で、Ｍ１２４の平滑化処理終了指令が読み込まれるまで、Ｓ７〜Ｓ１６を繰り返す。Ｓ７においてＭ１２４が読み込まれると、平滑化処理終了と判定されて（Ｓ９；Ｙｅｓ）、Ｓ１１においてフラグfgを１にセットして、fgが１と判定されて（Ｓ１６；Ｎｏ）、Ｓ１７に移行する。

次に、Ｓ１７において、j がnか否か判定する。j = nの場合（Ｓ１７；Ｙｅｓ）、平滑化処理を抜け、Ｓ２に移行する。j = nでないときは（Ｓ１７；Ｎｏ）、Ｓ８に移行する。

このように、複数の指令点P_kの指令点座標データ(X_k, Y_k, Z_k)を、平滑化処理手段により平滑化処理することができる。これにより、図４に示すように、複数の指令点P_kを平滑化した複数の平均化指令点P_k’の平均化指令点座標データ(X_k’, Y_k’, Z_k’)が得られる。

尚、Ｓ３，Ｓ５〜Ｓ１７を実行するＣＰＵ１３が「平滑化処理手段」に相当し、Ｓ１０を実行するＣＰＵ１３が「移動平均値演算手段」に相当し、Ｓ１２〜Ｓ１４を実行するＣＰＵ１３が「データ置換手段」に相当する。

次に、本発明の数値制御装置１の効果について説明する。
移動平均値演算手段は、複数の指令点の各々について、各指令点を含む前後の複数の指令点の指令点座標データの移動平均値を演算し、データ置換手段は、移動平均値演算手段が演算した移動平均値からなる平均化指令点座標データを各指令点の指令点座標データに置換することができる。従って、移動平均値を演算する平滑化処理は、簡単な計算式で処理可能なので、加工精度を維持したままＣＰＵ１３によるデータ処理負荷を少なくすることができ、ＣＰＵ１３の処理負荷を低減させて、処理時間を短縮することができる。また、この平滑化処理された複数の指令点に従った加工により、製作する製品の品質が向上する。

さらに、データ置換手段は、各指令点とその平均化指令点座標データで示される平均化指令点の間の距離が所定の公差以下のときだけ平均化指令点座標データを各指令点の指令点座標データに置換するので、各指令点と平均化指令点の間の距離が所定の公差以下に収まる平均化指令点座標データを演算することができる。

また、データ置換手段は、各指令点と平均化指令点の間の距離が所定の公差を超える場合には、各指令点から所定の公差離隔した点を修正平均化指令点とし、この修正平均化指令点の座標データを各指令点の指令点座標データに置換するので、各指令点と平均化指令点の間の距離が所定の公差を超えた場合であっても、所定の公差以下に収まる指令点座標データを演算することができる。

次に、実施例の数値制御装置について、図５，図６に基づいて説明する。但し、参考例と同様の構成要素には同様の符号を付して説明を省略し、主に異なる構成について説明する。尚、本実施例は、前記参考例の図２のＳ１０に示す移動平均値演算処理のステップを変更した以外、前記参考例と同様である。

平滑化処理手段は、複数の指令点座標データの移動平均値を演算する移動平均値演算手段と、この移動平均値演算手段で演算された移動平均値を指令点座標データと置換するデータ置換手段とを有する。複数の指令点座標データは、Ｘ，Ｙ，Ｚの３次元データである。本実施例では、データ置換手段は、前記参考例と同様であるので、以下では、移動平均値演算手段についてのみ説明する。

この移動平均値演算手段は、移動平均値(X_k’, Y_k’, Z_k’)の演算に用いた複数の指令点P_kについて、指令点P_k間の距離L_k（図５参照）を演算し、それらの指令点間距離L_kを用いて各指令点P_kから遠ざかる程小さくなる加重係数a_kを演算し、その加重係数a_kを用いて移動平均値(X_k’, Y_k’, Z_k’)を演算するものである。

この移動平均値演算手段は、次の数式（７），（８）で表すことができる。尚、移動平均値を演算するための数式は、Ｘ座標X_k，Ｙ座標Y_k，Ｚ座標Z_kの各々に対して同じ数式が適用されるので、以下の説明では、複数の指令点P_kのＸ座標X_k,の移動平均値を演算する場合についてのみ説明する。

具体的に、指令点P₂のＸ座標X₂に関して、移動平均演算後のＸ座標X₂’は、次の数式（１１）で表すことができる。但し、平均化処理開始側では、例えば、n= 2として、指令点P_kがP_nに到達してない場合は、次の数式（９），（１０）が適用され、また、平均化処理終了側では、例えば、最終指令点P₂₀とすると、次の数式（１２），（１３）が適用される。ここで示しているn，kの数字は、特にこれに限定する必要はない。

このように、上記の式（７）〜（１３）を適用して、複数の指令点P_kの指令点座標データ(X_k, Y_k, Z_k)を平滑化処理することができる。これにより、図６に示すように、複数の指定点P_kが前記参考例の平滑化処理手段による複数の平均化指令点と比較して、より滑らかな複数の平均化指令点が得られる。

次に、本発明の数値制御装置の効果について説明する。
移動平均値演算手段は、移動平均値の演算に用いた複数の指令点について指令点間の距離を演算し、それらの指令点間距離を用いて各指令点から遠ざかる程小さくなる加重係数を演算し、その加重係数を用いて前記移動平均値を演算するので、各指令点から遠ざかる程小さくなる加重係数により重み付けして移動平均値を演算することができ、精度良く平滑化した移動平均値を演算することができる。その他の作用及び効果は、前記参考例と同様であるので、説明は省略する。

次に、前記参考例及び実施例を部分的に変更した変更例について説明する。
［１］前記参考例及び実施例の複数の指令点P_kやフィルタポイント数(2n+ 1)の設定値はほんの一例を示したに過ぎず、正の整数であれば、加工対象の形状に応じて適宜変更可能である。
［２］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記参考例及び実施例の種々の変更を付加した形態で実施可能で、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

本発明は、工作機械を制御する数値制御装置において、制御位置座標を表す複数の指令点の指令点座標データを平滑化処理するのに利用することができる。

１ 数値制御装置
１３ ＣＰＵ
１４ ＲＯＭ
１５ ＲＡＭ

Claims (3)

1. 工作機械の制御位置座標を表す複数の指令点の指令点座標データを平滑化処理する平滑化処理手段を有する数値制御装置において、
   前記平滑化処理手段は、複数の指令点の各々について、各指令点を含む前後の複数の指令点の指令点座標データの移動平均値を演算する移動平均値演算手段と、前記移動平均値演算手段が演算した移動平均値からなる平均化指令点座標データを各指令点の指令点座標データに置換するデータ置換手段とを有し、
   前記移動平均値演算手段は、前記移動平均値の演算に用いた複数の指令点について指令点間の距離を演算し、それらの指令点間距離を用いて各指令点から遠ざかる程小さくなる加重係数を演算し、その加重係数を用いて前記移動平均値を演算することを特徴とする数値制御装置。
2. 前記データ置換手段は、各指令点とその平均化指令点座標データで示される平均化指令点の間の距離が所定の公差以下のときだけ平均化指令点座標データを各指令点の指令点座標データに置換することを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
3. 前記データ置換手段は、各指令点と平均化指令点の間の距離が所定の公差を超える場合には、各指令点から所定の公差離隔した点を修正平均化指令点とし、この修正平均化指令点の座標データを各指令点の指令点座標データに置換することを特徴とする請求項２に記載の数値制御装置。