JP7376260B2 - 数値制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、数値制御装置に関する。
数値制御装置においては、ＮＣプログラムで指令された指令ブロックを１つずつ読み込んで解析し、加工時に最適な加減速が行われるように実行可能なデータを作成している。この指令ブロックを先読みすることで、数値制御装置は、後に実行される指令ブロックを考慮した実行データを作成し、補間処理部で補間処理して各軸を駆動するサーボモータの制御部に移動指令を出力することができる（例えば、特許文献１，２等）。このような先読みを行う場合、数値制御装置は、先読みした指令ブロックによる指令で軸が移動する距離（以下、「先読み距離」とする）の範囲内で、当該軸が安全に停止できる上限速度を計算し、該上限速度を超えない範囲で当該軸の速度を制御することができる。
数値制御装置が指令ブロックの先読みによる速度制御を行っている時、ＮＣプログラム中に移動距離の短い微小ブロックが連続して表れる部分がある場合、先読み距離が短くなり、その短い距離で軸が安全に停止できるように上限速度が計算される。そのため、軸の移動速度が減速する。その後、微小ブロックと比べて移動距離が長いブロックが先読みされると、先読み距離が長くなり、その長くなった距離で軸が安全に停止できるように上限速度が計算される。そのため、軸の移動速度が加速する。
このように、先読みによる速度制御を行う数値制御装置では、長さの異なる指令ブロック群が所定の頻度で繰り返されると、軸の速度が振動する。そして、ワークの加工中に軸速度の振動が発生すると、ワークの加工面の仕上がりが一様にならず、加工面品質が低下する。このような現象は、機械の軸数が多くい場合やオプション構成などの処理負荷が高い場合等に更に発生しやすくなる。
そこで、先読み距離が小刻みに変動する場合であっても、軸の速度の変動が緩やかとなるように抑制する技術が望まれている。
そこで、先読み距離が小刻みに変動する場合であっても、軸の速度の変動が緩やかとなるように抑制する技術が望まれている。
本発明の一態様による数値制御装置は、先読み距離に基づいて速度制御を行う際に、先読み距離に応じた目標速度を設定する。本発明の一態様による数値制御装置は、先読み距離が不十分な場合目標速度を下げ、十分な場合速度を上げる制御を行うが、その際に、十分と見なす距離と不十分と見なす距離にマージンを持たせることにより、速度変動を抑制する。
そして、本発明の一態様は、少なくとも１つの軸を備え、該軸を駆動することでワークに対して工具を相対的に移動させて前記ワークを加工する機械を、ＮＣプログラムに基づいて制御する数値制御装置であって、前記ＮＣプログラムから複数の指令ブロックを先読みする先読み部と、前記先読み部が先読みした複数の前記指令ブロックを解析し、前記軸を駆動するための移動指令データを作成する解析部と、前記先読み部が先読みした複数の前記指令ブロックによる指令で前記軸が移動する距離である先読み距離に基づいて、該先読み距離内で前記軸の移動を停止可能な前記軸の目標速度を計算する目標速度計算部と、前記移動指令データ及び前記目標速度に基づいて補間データを生成する補間部と、前記補間データに基づいて、前記機械を駆動するモータを制御するサーボ制御部と、を備え、前記目標速度計算部は、前記先読み距離が変化した際に、該先読み距離が、現在の前記目標速度で移動した場合に軸が停止できる距離以上であって、該先読み距離と、前記軸が停止できる距離との差分が、予め定めた所定のマージンを考慮した値以下である場合、前記目標速度の再計算を留保する、数値制御装置である。
本発明の一態様により、先読み距離の不足による減速と加速の繰り返しによる振動を抑制し、良好な加工面を保つことが可能になる。
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は本発明の一実施形態による数値制御装置の要部を示す概略的なハードウェア構成図である。本発明の数値制御装置１は、例えばＮＣプログラムに基づいて工作機械を制御する数値制御装置として実装することができる。
図１は本発明の一実施形態による数値制御装置の要部を示す概略的なハードウェア構成図である。本発明の数値制御装置１は、例えばＮＣプログラムに基づいて工作機械を制御する数値制御装置として実装することができる。
本実施形態による数値制御装置１が備えるＣＰＵ１１は、数値制御装置１を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１２に格納されたシステム・プログラムをバス２０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１全体を制御する。ＲＡＭ１３には一時的な計算データや表示データ、及び外部から入力された各種データ等が一時的に格納される。
不揮発性メモリ１４は、例えば図示しないバッテリでバックアップされたメモリやＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等で構成され、数値制御装置１の電源がオフされても記憶状態が保持される。不揮発性メモリ１４には、インタフェース１５を介して外部機器７２から読み込まれたＮＣプログラム、表示器／ＭＤＩユニット７０を介して入力されたＮＣプログラム等が記憶される。不揮発性メモリ１４に記憶されたＮＣプログラムや各種データは、実行時／利用時にはＲＡＭ１３に展開されても良い。また、ＲＯＭ１２には、公知の解析プログラムなどの各種システム・プログラムがあらかじめ書き込まれている。
インタフェース１５は、数値制御装置１のＣＰＵ１１とＵＳＢ装置等の外部機器７２と接続するためのインタフェースである。外部機器７２側からは工作機械の制御に用いられるプログラムや各種パラメータ等が読み込まれる。また、数値制御装置１内で編集したＮＣプログラムや各種パラメータ等は、外部機器７２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）１６は、数値制御装置１に内蔵されたシーケンス・プログラムで工作機械及び該工作機械の周辺装置（例えば、工具交換装置や、ロボット等のアクチュエータ、工作機械に取付けられているセンサ等）にＩ／Ｏユニット１７を介して信号を出力し制御する。また、工作機械の本体に配備された操作盤の各種スイッチや周辺装置等の信号を受け、必要な信号処理をした後、ＣＰＵ１１に渡す。
表示器／ＭＤＩユニット７０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１８は表示器／ＭＤＩユニット７０のキーボードからの指令，データを受けてＣＰＵ１１に渡す。インタフェース１９は各軸を手動で駆動させる際に用いる手動パルス発生器等を備えた操作盤７１に接続されている。
工作機械が備える軸を制御するための軸制御回路３０はＣＰＵ１１からの軸の移動指令量を受けて、軸の指令をサーボアンプ４０に出力する。サーボアンプ４０はこの指令を受けて、工作機械が備える軸を移動させるサーボモータ５０を駆動する。軸のサーボモータ５０は位置・速度検出器を内蔵し、この位置・速度検出器からの位置・速度フィードバック信号を軸制御回路３０にフィードバックし、位置・速度のフィードバック制御を行う。なお、図１のハードウェア構成図では軸制御回路３０、サーボアンプ４０、サーボモータ５０は１つずつしか示されていないが、実際には制御対象となる工作機械に備えられた軸の数だけ用意される。例えば、本願発明のように、２つの刃物台を備えた工作機械を制御する場合には、第１工具が取り付けられた第１刃物台をＸ，Ｚ軸方向へとそれぞれ駆動する２組の軸制御回路３０、サーボアンプ４０、サーボモータ５０と、第２工具が取り付けられた第２刃物台をＸ，Ｚ軸方向へとそれぞれ駆動する２組の軸制御回路３０、サーボアンプ４０、サーボモータ５０が用意される。
スピンドル制御回路６０は、主軸回転指令を受け、スピンドルアンプ６１にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ６１はこのスピンドル速度信号を受けて、工作機械のスピンドルモータ６２を指令された回転速度で回転させ、工具を駆動する。スピンドルモータ６２にはポジションコーダ６３が結合され、ポジションコーダ６３が主軸の回転に同期して帰還パルスを出力し、その帰還パルスはＣＰＵ１１によって読み取られる。
図２は、本発明の一実施形態による数値制御装置１の概略的な機能ブロック図である。図２に示した各機能ブロックは、図１に示した数値制御装置１が備えるＣＰＵ１１がシステム・プログラムを実行し、数値制御装置１の各部の動作を制御することにより実現される。
本実施形態の数値制御装置１は、先読み部１００、解析部１１０、目標速度計算部１２０、補間部１３０、サーボ制御部１４０、スピンドル制御部１５０を備える。また、数値制御装置１の不揮発性メモリ１４には、工具が取り付けられた主軸をワークに対して相対的に駆動してワークを加工する制御を行うためのＮＣプログラム２００が予め記憶されている。
先読み部１００は、図１に示した数値制御装置１が備えるＣＰＵ１１がＲＯＭ１２から読み出したシステム・プログラムを実行し、主としてＣＰＵ１１によるＲＡＭ１３、不揮発性メモリ１４を用いた演算処理が行われることで実現される。先読み部１００は、ＮＣプログラム２００の指令ブロックを先読みし、ＲＡＭ１３等のメモリ上に設けられた図示しない先読みバッファに記憶する機能手段である。先読み部１００は、例えば先読みバッファのサイズに記憶可能な数の指令ブロックをＮＣプログラム２００から先読みしても良い。また、先読み部１００は、不揮発性メモリ１４上に設けられた設定領域に予め設定された数の指令ブロックをＮＣプログラム２００から先読みするようにしても良い。
解析部１１０は、図１に示した数値制御装置１が備えるＣＰＵ１１がＲＯＭ１２から読み出したシステム・プログラムを実行し、主としてＣＰＵ１１によるＲＡＭ１３、不揮発性メモリ１４を用いた演算処理が行われることで実現される。解析部１１０は、先読み部１００がＮＣプログラム２００から先読みした指令ブロックを解析し、工作機械の各軸を駆動するサーボモータの移動指令データや、工作機械の主軸の回転数を指令する主軸指令データを作成する機能手段である。解析部１１０は、先読みされた指令ブロックにより指令される送り指令に基づいて、工作機械の各軸を駆動するサーボモータ５０に対する移動指令データを作成する。また、解析部１１０は、先読みされた指令ブロックにより指令される主軸回転指令に基づいて、主軸指令データを生成する。解析部１１０が解析して作成した移動指令データは、目標速度計算部１２０に出力される。また、解析部１１０が解析して作成した主軸指令データは、スピンドル制御部１５０に対して出力される。
目標速度計算部１２０は、図１に示した数値制御装置１が備えるＣＰＵ１１がＲＯＭ１２から読み出したシステム・プログラムを実行し、主としてＣＰＵ１１によるＲＡＭ１３、不揮発性メモリ１４を用いた演算処理が行われることで実現される。目標速度計算部１２０は、先読み部１００が先読みした複数の指令ブロックにより軸が移動する距離である先読み距離に基づいて、目標速度を算出する機能手段である。目標速度計算部１２０は、基本的に先読み距離の範囲内で軸を安全に停止させることができる速度を目標速度として計算する。目標速度計算部１２０は、先読み部１００による指令ブロックの先読みが進んだ場合や、実行する指令ブロックが進んだ場合等、所定のマージン幅を超えて先読み距離が変化するまで目標速度の上昇乃至下降の再計算を留保する。例えば、目標速度計算部１２０は、先読み距離が所定のマージン幅の範囲内で増加する場合には、目標速度が上昇しないように再計算を留保するようにして良い。目標速度計算部１２０は、先読み距離が所定のマージン幅の範囲内で減少する場合には、目標速度が下降しないように再計算を留保するようにして良い。また、目標速度計算部１２０は、先読み距離が所定のマージン幅の範囲内で増加及び減少する場合には、目標速度が上昇及び下降しないように再計算を留保するようにして良い。
図３は、目標速度計算部１２０による、先読み距離ｄに基づく目標速度Ｆの計算手順を概略的に示すフローチャートである。図３のフローチャートは、目標速度計算部１２０が、先読み距離が所定のマージン幅の範囲内で増加する場合には、目標速度が上昇しないように再計算を留保する計算処理の流れを例示している。図３のフローチャートで示される処理は、例えば先読み部１００による指令ブロックの先読みが進んだ場合や、実行する指令ブロックが進んだ場合等、目標速度を変更するに実行される。
●［ステップＳＡ０１］目標速度計算部１２０は、現在の先読み距離ｄが、現在設定されている目標速度Ｆで停止できる距離ｄF以上であるか否かを判定する。先読み距離ｄが停止可能距離ｄF以上である場合、ステップＳＡ０３へ処理を移行し、先読み距離ｄが停止可能距離ｄFより小さい場合、ステップＳＡ０２へ処理を移行する。
●［ステップＳＡ０２］目標速度計算部１２０は、現在設定されている目標速度Ｆに予め定めた減少率ｒ（０＜ｒ＜１）を乗じた値を新たな目標速度Ｆとして設定し、本フローチャートにおける処理を終了する。
●［ステップＳＡ０２］目標速度計算部１２０は、現在設定されている目標速度Ｆに予め定めた減少率ｒ（０＜ｒ＜１）を乗じた値を新たな目標速度Ｆとして設定し、本フローチャートにおける処理を終了する。
●［ステップＳＡ０３］目標速度計算部１２０は、現在の先読み距離ｄが、停止可能距離ｄFに（１＋予め定めた所定のマージンｍ）を乗じた値よりも大きいか否かを判定する。現在の先読み距離ｄが、（１＋ｍ）ｄFよりも大きい場合、ステップＳＡ０４へ処理を移行し、そうでない場合には目標速度Ｆを再計算せずに本フローチャートにおける処理を終了する。
●［ステップＳＡ０４］目標速度計算部１２０は、現在設定されている目標速度Ｆを予め定めた減少率ｒ（０＜ｒ＜１）で除した値を新たな目標速度Ｆとして設定する。
●［ステップＳＡ０４］目標速度計算部１２０は、現在設定されている目標速度Ｆを予め定めた減少率ｒ（０＜ｒ＜１）で除した値を新たな目標速度Ｆとして設定する。
●［ステップＳＡ０５］目標速度計算部１２０は、ステップＳＡ０４で設定した新たな目標速度Ｆが、移動指令データで指令される指令速度Ｆ0よりも大きいか否かを判定する。新たな目標速度Ｆが指令速度Ｆ0よりも大きい場合、ステップＳＡ０６へ処理を移行し、そうでない場合には本フローチャートにおける処理を終了する。
●［ステップＳＡ０６］目標速度計算部１２０は、新たな目標速度Ｆを指令速度Ｆ0でクランプする（指令速度Ｆ0を新たな目標速度Ｆとして設定する）。
●［ステップＳＡ０６］目標速度計算部１２０は、新たな目標速度Ｆを指令速度Ｆ0でクランプする（指令速度Ｆ0を新たな目標速度Ｆとして設定する）。
図３に例示したフローチャートにおいて、先読み距離のマージンｍや目標速度Ｆの減少率ｒについては、予め実験等を行い振動が発生しないような適切な目標速度となるような値を求め、求めた値を設定しておけば良い。出願人の実験環境においては、例えば先読み距離のマージンｍを０．１程度、目標速度Ｆの減少率ｒを０．９程度に設定することで、安定した速度制御を行うことができている。
補間部１３０は、図１に示した数値制御装置１が備えるＣＰＵ１１がＲＯＭ１２から読み出したシステム・プログラムを実行し、主としてＣＰＵ１１によるＲＡＭ１３、不揮発性メモリ１４を用いた演算処理が行われることで実現される。補間部１３０は、解析部１１０が作成した移動指令データと、目標速度計算部１２０が算出した目標速度Ｆとに基づいて、移動指令データにより指令される指令経路上の点を補間周期（制御周期）で補間計算した補間データを作成する。補間部１３０による補間処理は、補間周期（制御周期）毎に実行される。補間部１３０は、ワークに対する工具の移動速度が、目標速度Ｆに近づくようにサーボモータ５０を駆動させる補間データを作成する。
サーボ制御部１４０は、図１に示した数値制御装置１が備えるＣＰＵ１１がＲＯＭ１２から読み出したシステム・プログラムを実行し、主としてＣＰＵ１１によるＲＡＭ１３、不揮発性メモリ１４を用いた演算処理と、軸制御回路３０、サーボアンプ４０によるサーボモータ５０の制御処理を行うことで実現される。サーボ制御部１４０は、補間部１３０が作成した補間データに基づいて工作機械の各軸を駆動するサーボモータ５０を制御する。
スピンドル制御部１５０は、図１に示した数値制御装置１が備えるＣＰＵ１１がＲＯＭ１２から読み出したシステム・プログラムを実行し、主としてＣＰＵ１１によるＲＡＭ１３、不揮発性メモリ１４を用いた演算処理と、スピンドル制御回路６０、スピンドルアンプ６１によるスピンドルモータ６２の制御処理を行うことで実現される。スピンドル制御部１５０は、解析部１１０が生成した主軸指令データに基づいて制御対象となる工作機械の主軸を回転させるスピンドルモータ６２を制御する。
図４は、従来技術による速度制御が行われた場合の送り速度の変化と、本発明の提案手法による速度制御が行われた場合の送り速度の変化を、概略的に示したグラフである。図４に例示されるように、従来手法では微小ブロックが連続する等が原因で先読み距離ｄが短くなると、指令速度Ｆ0に到達する前に減速し、その後先読み距離ｄが貯まりはじめると加速する、といったように送り速度の振動が発生する場合がある。本発明の提案手法による速度制御では、先読み距離ｄが所定のマージンｍ以内で変化する場合には目標速度Ｆを維持し、所定のマージンｍ以上で変化したときに先読み距離ｄに基づく目標速度Ｆの再計算を行うようにしている。そのため、先読み距離が小刻みに変化する場合には目標速度Ｆが変化しないため、送り速度の振動が抑制され安定して推移する。
このように、本発明の提案手法で速度制御を行うことで、加工時におけるワークに対する工具の送り速度が安定して推移する。そのため、ワークの加工面の品位が安定し、加工品質の維持に貢献することが期待される。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態の例のみに限定されることなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。
１ 数値制御装置
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ 不揮発性メモリ
１５，１８，１９ インタフェース
１６ ＰＭＣ
１７ Ｉ／Ｏユニット
２０ バス
３０ 軸制御回路
４０ サーボアンプ
５０ サーボモータ
６０ スピンドル制御回路
６１ スピンドルアンプ
６２ スピンドルモータ
６３ ポジションコーダ
７０ 表示器／ＭＤＩユニット
７１ 操作盤
７２ 外部機器
１００ 先読み部
１１０ 解析部
１２０ 目標速度計算部
１３０ 補間部
１４０ サーボ制御部
１５０ スピンドル制御部
２００ ＮＣプログラム
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ 不揮発性メモリ
１５，１８，１９ インタフェース
１６ ＰＭＣ
１７ Ｉ／Ｏユニット
２０ バス
３０ 軸制御回路
４０ サーボアンプ
５０ サーボモータ
６０ スピンドル制御回路
６１ スピンドルアンプ
６２ スピンドルモータ
６３ ポジションコーダ
７０ 表示器／ＭＤＩユニット
７１ 操作盤
７２ 外部機器
１００ 先読み部
１１０ 解析部
１２０ 目標速度計算部
１３０ 補間部
１４０ サーボ制御部
１５０ スピンドル制御部
２００ ＮＣプログラム
Claims (1)
- 少なくとも１つの軸を備え、該軸を駆動することでワークに対して工具を相対的に移動させて前記ワークを加工する機械を、ＮＣプログラムに基づいて制御する数値制御装置であって、
前記ＮＣプログラムから複数の指令ブロックを先読みする先読み部と、
前記先読み部が先読みした複数の前記指令ブロックを解析し、前記軸を駆動するための移動指令データを作成する解析部と、
前記先読み部が先読みした複数の前記指令ブロックによる指令で前記軸が移動する距離である先読み距離に基づいて、該先読み距離内で前記軸の移動を停止可能な前記軸の目標速度を計算する目標速度計算部と、
前記移動指令データ及び前記目標速度に基づいて補間データを生成する補間部と、
前記補間データに基づいて、前記機械を駆動するモータを制御するサーボ制御部と、
を備え、
前記目標速度計算部は、前記先読み距離が変化した際に、該先読み距離が、現在の前記目標速度で移動した場合に軸が停止できる距離以上であって、該先読み距離と、前記軸が停止できる距離との差分が、予め定めた所定のマージンを考慮した値以下である場合、前記目標速度の再計算を留保する、
数値制御装置。
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