DE102018200150A1

DE102018200150A1 - Vorrichtung für maschinelles Lernen für eine Werkzeugmaschine und Vorrichtung zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung

Info

Publication number: DE102018200150A1
Application number: DE102018200150.2A
Authority: DE
Inventors: Susumu Maekawa
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2017-01-10
Filing date: 2018-01-08
Publication date: 2018-07-12
Also published as: CN108287525B; JP2018111145A; CN108287525A; JP6464203B2; US10401829B2; US20180196405A1

Abstract

Eine Vorrichtung für maschinelles Lernen bereitzustellen, die eine Gleichung zum Schätzen eines Betrags einer thermischen Verschiebung eines Maschinenelements auf Grundlage des Betriebszustands des Maschinenelements optimieren kann. Eine Datenerfassungseinheit (202) erfasst Betriebszustandsdaten des Maschinenelements. Ein Mittel (203) zum Erfassen eines Betrags einer thermischen Verschiebung erfasst einen Messwert für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements. Eine Speichereinheit (204) speichert die Betriebszustandsdaten des Maschinenelements und Messwerte für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements als Trainingsdaten, die einander als Label zugeordnet sind. Eine Gleichungsaufstellungseinheit (205) stellt eine Gleichung zum Berechnen des Betrags der thermischen Verschiebung des Maschinenelements auf Grundlage des Betriebszustands des Maschinenelements auf. Eine Einheit (206) zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung berechnet einen Schätzwert für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements durch Substituieren der Betriebszustandsdaten des Maschinenelements in diese Gleichung. Eine Ermittlungseinheit (207) ermittelt, ob eine Differenz zwischen dem Schätzwert für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements, der durch die Einheit (206) zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung berechnet worden ist, und dem Messwert für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements, der durch die Einheit (203) zum Erfassen eines Betrags einer thermischen Verschiebung erfasst worden ist, nicht größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für maschinelles Lernen und auf eine Vorrichtung zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung, die für eine Werkzeugmaschine eines Bearbeitungszentrums usw. eingesetzt wird.
Verwandte Technik
Herkömmlich ist als Technologie zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung aufgrund einer Wärmeerzeugung einer Werkzeugmaschine eine Technologie vorgeschlagen worden, die eine Kompensation einfach und zu niedrigen Kosten durchführt, ohne einen Verschiebungssensor oder einen Temperatursensor zu verwenden (siehe zum Beispiel die Patentdokumente 1 und 2).
Dadurch, dass keine Sensoren verwendet werden, weist diese Technologie den Vorteil auf, dass es nicht erforderlich ist, die Position und den Aufbau zum Montieren von Sensoren, ein Mittel zum Schützen der Sensoren vor Splittern und Schneidflüssigkeit und Probleme wie zum Beispiel ein Gewährleisten der Zuverlässigkeit bei einem Ausfall des Sensors zu berücksichtigen.

Patentdokument 1: japanisches Patent Nr. 3.405.965
Patentdokument 2: japanisches Patent Nr. 5.956.497

Übersicht über die Erfindung
Um eine thermische Verschiebung bei verschiedenen Bearbeitungsarten korrekt zu kompensieren, ist es erforderlich, große Mengen von Daten durch Wiederholen von Versuchen unter verschiedenen Bedingungen zu erfassen, um eine Gleichung zum Berechnen des Betrags einer thermischen Verschiebung aufzustellen und eine Gleichung mit diesen Daten aufzustellen. Über den langen Zeitraum hinaus, der dabei erforderlich ist, ist eine korrekte Kompensation im Hinblick auf eine beliebige Bearbeitungsart nicht zwingend möglich.
Bei den in den Patentdokumenten 1 und 2 beschriebenen Technologien werden Gleichungen auf Grundlage von Daten ermittelt, die bei bestimmten Betriebszuständen (Bearbeitungsbedingungen, Umgebungstemperatur usw.) gemessen werden. Aus diesem Grund ist es in einem Betriebszustand, der sich von diesem Betriebszustand unterscheidet, nicht zwingend möglich, einen genauen Betrag einer thermischen Verschiebung zu berechnen. Es ist zu beachten, dass es, wenngleich die Frage des Modifizierens des Erwärmungskoeffizienten in der Gleichung mithilfe eines Kompensationsfehlers offenbart wird, unzureichend sein kann, einfach den Erwärmungskoeffizienten zu modifizieren, um die Kompensationsgenauigkeit weiter zu erhöhen, da Koeffizienten (ein Wärmeverlustkoeffizient und ein Wärmeleitkoeffizient, der die Wärmeleitung von dem angrenzenden Teilabschnitt berechnet) in der Gleichung enthalten sind.
Unter Berücksichtigung einer solchen Situation besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung für maschinelles Lernen, die eine Gleichung zum Schätzen des Betrags einer thermischen Verschiebung eines Maschinenelements auf Grundlage des Betriebszustands des Maschinenelements während einer maschinellen Bearbeitung oder während eines Maschinenbetriebs durch Wiederholen eines maschinellem Lernens so optimiert, dass eine Gestaltung so erfolgt, dass sie in der Lage ist, eine thermische Verschiebung im Verhältnis zu verschiedenen Bearbeitungsarten korrekt zu kompensieren, und eine Vorrichtung zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung bereitzustellen, die in der Lage ist, ein Kompensieren einer thermischen Verschiebung der Maschinenposition jedes Maschinenelements mithilfe der Gleichung, die durch dieses maschinelle Lernen optimiert worden ist, in geeigneter Weise durchzuführen.
Bei einer Vorrichtung für maschinelles Lernen (z. B. bei der im Folgenden beschriebenen Vorrichtung 200 für maschinelles Lernen) gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Vorrichtung für maschinelles Lernen, die eine Gleichung zum Schätzen eines Betrags einer thermischen Verschiebung eines sich thermisch ausdehnenden Maschinenelements (z. B. des Unterbaus 2, der Säule 3, der Zugspindel 4, des Werkstücktisches 5, des Spindelstocks 6, der Spindeleinheit 7, die im Folgenden beschrieben werden) durch maschinelles Lernen auf Grundlage von Betriebszustandsdaten optimiert, die einen Betriebszustand des Maschinenelements einer Werkzeugmaschine (z. B. des im Folgenden beschriebenen Bearbeitungszentrums 150), die das Maschinenelement aufweist, darstellen, wobei die Vorrichtung für maschinelles Lernen aufweist: ein Datenerfassungsmittel (z. B. die im Folgenden beschriebene Datenerfassungseinheit 202) zum Erfassen der Betriebszustandsdaten des Maschinenelements; ein Mittel zum Erfassen eines Betrags einer thermischen Verschiebung (z. B. die im Folgenden beschriebene Einheit 203 zum Erfassen eines Betrags einer thermischen Verschiebung) zum Erfassen von Messwerten für einen Betrag einer thermischen Verschiebung des Maschinenelements; ein Speichermittel (z. B. die im Folgenden beschriebene Speichereinheit 204) zum Speichern der durch das Datenerfassungsmittel erfassten Betriebszustandsdaten des Maschinenelements und von durch das Mittel zum Erfassen eines Betrags einer thermischen Verschiebung erfassten Messwerten für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements als Trainingsdaten, die einander als Label zugeordnet sind; ein Gleichungsaufstellungsmittel (z. B. die im Folgenden beschriebene Gleichungsaufstellungseinheit 205) zum Aufstellen einer Gleichung zum Berechnen des Betrags der thermischen Verschiebung des Maschinenelements durch Durchführen eines maschinellen Lernens auf Grundlage der Betriebszustandsdaten des Maschinenelements und der Messwerte für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements; ein Mittel zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung (z. B. die im Folgenden beschriebene Einheit 206 zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung) zum Berechnen eines Schätzwertes für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements durch Substituieren von Betriebszustandsdaten des Maschinenelements innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums, die als Trainingsdaten in dem Speichermittel gespeichert sind, in die Gleichung, die durch das Gleichungsaufstellungsmittel aufgestellt worden ist; und ein Ermittlungsmittel (z. B. die im Folgenden beschriebene Ermittlungseinheit 207) zum Ermitteln, ob eine Differenz zwischen dem Schätzwert für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements innerhalb des vorgegebenen Zeitraums, der durch das Mittel zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung berechnet worden ist, und dem Messwert für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements innerhalb des vorgegebenen Zeitraums, der als Trainingsdaten in dem Speichermittel gespeichert ist, nicht größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, wobei das Gleichungsaufstellungsmittel die Gleichung in einem Fall erneut aufstellt, in dem durch das Ermittlungsmittel ermittelt wird, dass die Differenz nicht größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, und die Gleichung als optimale Gleichung in einem Fall festlegt, in dem durch das Ermittlungsmittel ermittelt wird, dass die Differenz nicht größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Maschinenelement bei der Vorrichtung für maschinelles Lernen, wie sie in dem ersten Aspekt beschrieben worden ist, eine Zugspindel (z. B. die im Folgenden beschriebene Zugspindel 4) und eine Spindeleinheit (z. B. die im Folgenden beschriebene Spindeleinheit 7) der Werkzeugmaschine beinhalten, und der Betriebszustand des Maschinenelements kann eine Position, Drehzahl und/oder Temperatur der Zugspindel und eine Drehzahl, Belastung und/oder Temperatur der Spindeleinheit während eines Betriebs der Werkzeugmaschine beinhalten.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Gleichungsaufstellungsmittel in der Vorrichtung für maschinelles Lernen, wie sie in dem ersten oder zweiten Aspekt beschrieben worden ist, einen Koeffizienten in einer im Voraus aufgestellten, vorgegebenen Gleichung festlegen.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Datenerfassungsmittel in der Vorrichtung für maschinelles Lernen, wie sie in einem beliebigen des ersten bis dritten Aspekts beschrieben worden ist, Betriebszustandsdaten zu jedem vorgegebenen Abtastzeitpunkt des Maschinenelements von einer Steuervorrichtung (z. B. der im Folgenden beschriebenen numerischen Steuervorrichtung 100) erfassen, die die Werkzeugmaschine steuert.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Mittel zum Erfassen eines Betrags einer thermischen Verschiebung in der Vorrichtung für maschinelles Lernen, wie sie in einem beliebigen des ersten bis vierten Aspekts beschrieben worden ist, einen Messwert für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements erfassen, der in jedem vorgegebenen Zeitintervall in einer Umgebung einer Bearbeitungsposition der Werkzeugmaschine gemessen wird.
Eine Vorrichtung zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung (zum Beispiel die im Folgenden beschriebene Vorrichtung 300 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung) für eine Werkzeugmaschine gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet: ein Kompensationsbetrags-Berechnungsmittel (z. B. die im Folgenden beschriebene Kompensationsbetrags-Berechnungseinheit 301) zum Berechnen eines Kompensationsbetrags, der dem Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements entspricht, der aus den Betriebszustandsdaten des Maschinenelements berechnet worden ist, auf Grundlage einer Gleichung, die durch die Vorrichtung für maschinelles Lernen, wie sie in einem beliebigen des ersten bis fünften Aspekts beschrieben worden ist, optimiert worden ist; und ein Kompensationsausführungsmittel (z. B. die im Folgenden beschriebene Kompensationsausführungseinheit 302) zum Kompensieren der Maschinenposition des Maschinenelements auf Grundlage eines Kompensationsbetrags des Maschinenelements, der durch das Kompensationsbetrags-Berechnungsmittel berechnet worden ist.
Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung, wie sie in dem sechsten Aspekt beschrieben worden ist, in einer Steuervorrichtung der Werkzeugmaschine beinhaltet sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Gleichung zum Schätzen des Betrags der thermischen Verschiebung einer Werkzeugmaschine durch Wiederholen eines maschinellen Lernens (eines überwachten Lernens) mithilfe von Trainingsdaten zu optimieren, wobei Betriebszustandsdaten des Maschinenelements und Messwerte für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements in der Werkzeugmaschine zugeordnet werden. Infolgedessen wird es möglich, eine thermische Verschiebung bei verschiedenen Bearbeitungsarten genau zu kompensieren.
Figurenliste

1 ist ein Blockschaubild, das ein System zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ist ein Blockschaubild, das die Einzelheiten einer Vorrichtung zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3A ist eine Vorderansicht eines Bearbeitungszentrums gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3B ist eine Ansicht der rechten Seite eines Bearbeitungszentrums gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein Blockschaubild, das Hauptteile einer numerischen Steuervorrichtung des Bearbeitungszentrums gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ist ein Blockschaubild, das ein Steuersystem einer Vorrichtung für maschinelles Lernen des Bearbeitungszentrums gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 ist ein Ablaufplan, der eine Verarbeitung der Vorrichtung für maschinelles Lernen des Bearbeitungszentrums gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 ist eine Ansicht zum Erläutern der Vorgänge, durch die eine Zugspindel des Bearbeitungszentrums gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung thermisch verschoben wird; und
8 ist eine schematische Ansicht, die ein Verfahren zum Schätzen der thermischen Verschiebung einer Zugspindel des Bearbeitungszentrums gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf Grundlage der Zeichnungen beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
1 ist ein Blockschaubild, das ein System zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt. 2 ist ein Blockschaubild, das die Einzelheiten einer Vorrichtung zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. 3A und 3B stellen eine Vorderansicht bzw. eine Ansicht der rechten Seite eines Bearbeitungszentrums gemäß der ersten Ausführungsform bereit. 4 ist ein Blockschaubild, das Hauptteile einer numerischen Steuervorrichtung des Bearbeitungszentrums gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. 5 ist ein Blockschaubild, das ein Steuersystem einer Vorrichtung für maschinelles Lernen des Bearbeitungszentrums gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
Im Folgenden wird nach einer Erläuterung der Gesamtgestaltung eines Systems 1000 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung jede Vorrichtung, die dieses System 1000 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung bildet (ein Bearbeitungszentrum 150, eine numerische Steuereinheit 100, eine Vorrichtung 200 für maschinelles Lernen, eine Vorrichtung 300 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung), der Reihe nach erläutert.
<Gestaltung des Systems 1000 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung>
Zuerst wird die Gestaltung des Systems 1000 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert. Das System 1000 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung beinhaltet eine Anzahl n von numerischen Steuervorrichtungen 100, eine Anzahl n von Bearbeitungszentren 150 als Werkzeugmaschinen, eine Vorrichtung 200 für maschinelles Lernen, eine Anzahl n von Vorrichtungen 300 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung und ein Netzwerk 400, wie in 1 dargestellt. Es ist zu beachten, dass es sich bei n um eine beliebige natürliche Zahl handelt.
Hierin sind die numerischen Steuervorrichtungen 100 und die Bearbeitungszentren 150 in Eins-zu-Eins-Gruppen eingerichtet und kommunizierfähig verbunden. Eine Mehrzahl dieser Gruppen der numerischen Steuervorrichtung 100 und des Bearbeitungszentrums 150 kann in derselben Fabrikationsstätte aufgebaut sein oder kann in jeweils unterschiedlichen Fabrikationsstätten aufgebaut sein.
Darüber hinaus sind das Bearbeitungszentrum 150, die Vorrichtung 200 für maschinelles Lernen und die Vorrichtung 300 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung jeweils mit dem Netzwerk 400 verbunden und sind in der Lage, wechselseitig eine Datenübertragung über das Netzwerk 400 durchzuführen. Bei dem Netzwerk 400 handelt es sich zum Beispiel um ein LAN, das innerhalb einer Fabrikationsstätte aufgebaut ist, das Internet, ein öffentliches Fernsprechnetz oder um eine Kombination von diesen. Das spezifische Datenübertragungssystem des Netzwerks 400 unterliegt keiner besonderen Beschränkung unabhängig davon, ob es sich um eine drahtgebundene Verbindung oder um eine drahtlose Verbindung usw. handelt. Es ist zu beachten, dass die Vorrichtung 300 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung nicht nur über das Netzwerk 400 mit der numerischen Steuervorrichtung 100 verbunden ist, sondern direkt mit der numerischen Steuervorrichtung 100 (d. h. ohne durch das Netzwerk 400 zu führen) verbunden sein kann. In diesem Fall kann die Vorrichtung 300 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung in der numerischen Steuervorrichtung 100 beinhaltet sein.
Als Nächstes werden die Funktionen dieser Vorrichtungen, die in dem System 1000 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung beinhaltet sind, auf Grundlage von 2 erläutert. Hierin ist 2 ein Blockschaubild, das Funktionsblöcke darstellt, die in jeder Vorrichtung beinhaltet sind. Es ist zu beachten, dass, da die jeweiligen numerischen Steuervorrichtungen 100 gleichwertige Funktionen aufweisen, in 2 lediglich eine veranschaulicht wird. Da die Bearbeitungszentren 15 bzw. die Vorrichtungen 300 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung auch jeweils gleichwertige Funktionen aufweisen, wird in 2 gleichermaßen lediglich eine davon veranschaulicht. Darüber hinaus wird das Netzwerk 400, das zwischen jeder Vorrichtung vorhanden ist, aus der Veranschaulichung weggelassen.
<Gestaltung des Bearbeitungszentrums 150>
Das Bearbeitungszentrum 150 ist aus einer Mehrzahl von Maschinenelementen wie zum Beispiel einem Unterbau 2, einer Säule 3, einer Zugspindel 4, einem Werkstücktisch 5, einem Spindelstock 6, einer Spindeleinheit 7 usw. gestaltet, wie in 3A und 3B dargestellt. Es ist zu beachten, dass drei Typen der Zugspindeln 4 einer Zugspindel 4X in der Richtung der x-Achse (in der Links-Rechts-Richtung in 3A), einer Zugspindel 4Y in der Richtung der y-Achse (in der Links-Rechts-Richtung in 3B) und der Zugspindel 4Z in der Richtung der z-Achse (in der Aufwärts-Abwärts-Richtung in 3A) vorhanden sind.
Hierin werden die Zugspindel 4X in der Richtung der x-Achse und die Zugspindel 4Y in der Richtung der y-Achse oberhalb des Unterbaus 2 bereitgestellt, wie in 3A und 3B dargestellt, und die Gestaltung ist in der Lage, einen horizontalen Werkstücktisch 5, auf den ein Werk (Werkstück) W geladen ist, durch diese Zugspindeln 4X, 4Y in horizontalen Richtungen (der Richtung der x-Achse und der Richtung der y-Achse) zu bewegen. Mit anderen Worten, die Zugspindel 4X in der Richtung der x-Achse ist aus einer x-Achsen-Kugelspindel 45X und einem x-Achsen-Motor 46X gestaltet. Es ist dann möglich, den Werkstücktisch 5 in der Richtung der x-Achse zu bewegen, indem durch Antreiben des x-Achsen-Motors 46X bewirkt wird, dass sich die x-Achsen-Kugelspindel 45X dreht. Demgegenüber ist die Zugspindel 4Y in der Richtung der y-Achse aus einer y-Achsen-Kugelspindel 45Y und einem y-Achsen-Motor 46Y gestaltet. Es ist dann möglich, den Werkstücktisch 5 in der Richtung der y-Achse zu bewegen, indem durch Antreiben des y-Achsen-Motors 46Y bewirkt wird, dass sich die y-Achsen-Kugelspindel 45Y dreht.
Darüber hinaus ist die Säule 3 stehend auf der oberen Seite des Unterbaus 2 aufgebaut. An einem Stirnflächenteil der Säule 3 wird die Zugspindel 4Z in der Richtung der z-Achse bereitgestellt, wodurch die Gestaltung in der Lage ist zu ermöglichen, dass sich der Spindelstock 6 durch diese Zugspindel 4Z in der vertikalen Richtung (der Richtung der z-Achse) bewegt. Mit anderen Worten, die Zugspindel 4Z in der Richtung der z-Achse ist aus einer z-Achsen-Kugelspindel 45Z und einem z-Achsen-Motor 46Z gestaltet. Es ist dann möglich, indem durch Antreiben des z-Achsen-Motors 46Z bewirkt wird, dass sich die z-Achsen-Kugelspindel 45Z dreht, den Spindelstock 6 in der Aufwärts-Abwärts-Richtung (der Richtung der z-Achse) zu bewegen.
Des Weiteren ist der Spindelstock 6 mit der Spindeleinheit 7 ausgestattet. Die Spindeleinheit 7 ist aus der Spindel 75 und einem Spindelmotor 76 gestaltet. Es ist dann möglich, durch Antreiben des Spindelmotors 76 zu bewirken, dass sich die Spindel 75 dreht. Die Spindel 75 ist oberhalb des Werkstücktisches 5 positioniert und kann ein Werkzeug 77 an dem unteren Ende der Spindel 75 anbringen.
<Bohrzyklus des Werks W>
Als Nächstes wird ein Ablauf eines Durchführens eines Bohrzyklus (Bohren) des Werks W mithilfe des Bearbeitungszentrums 150 erläutert. Es ist zu beachten, dass dieser Bohrzyklus auf Grundlage der Befehle von der numerischen Steuervorrichtung 100 ausgeführt wird, aus dem der Montagevorgang für das Werkzeug 77 und der Platzierungsvorgang des Werks W durch die Bedienperson ausgenommen sind.
Zuerst montiert die Bedienperson das Werkzeug 77 an der Spindel 75 des Bearbeitungszentrums 150 und platziert und fixiert das Werk W auf dem Werkstücktisch 5, wie in 3A und 3B dargestellt.
Durch geeignetes Bewirken, dass sich der Werkstücktisch 5 in der horizontalen Richtung (der Richtung der x-Achse und der Richtung der y-Achse) bewegt, wird die Bearbeitungsstelle des Werks W direkt unter dem Werkzeug 77 positioniert. In diesem Zustand wird ein Bohrzyklus an der Bearbeitungsstelle des Werks W durchgeführt, indem durch Drehen der Spindel 75 bewirkt wird, dass sich das Werkzeug 77 dreht, sowie in geeigneter Weise bewirkt wird, dass sich der Spindelstock 6 in der Aufwärts-Abwärts-Richtung (der Errichtung der z-Achse) bewegt.
Der Bohrzyklus des Werks W, der auf diese Weise durchgeführt wird, wird davon begleitet, dass eine Wärmeerzeugung an den drei Typen von Zugspindeln 4 (4X, 4Y, 4Z) und der Spindeleinheit 7 in dem Bearbeitungszentrum 150 auftritt. Eine Reibung zwischen den Kugelspindeln 45 (der x-Achsen-Kugelspindel 45X, der y-Achsen-Kugelspindel 45Y, der z-Achsen-Kugelspindel 45Z) und den Muttern 47, eine Drehung des Spindelmotors 76, eine Reibung der Lager 78 der Spindel 75 usw. sind hauptsächlich als Gründe für diese Wärmeerzeugung betrachtet worden. Wenn es zu einer solchen Wärmeerzeugung kommt, dehnt sich die Kugelspindel 45 in der axialen Richtung, und die Spindeleinheit 7 neigt sich, da die Maschinenelemente eine Wärmeausdehnung erfahren. Infolgedessen verschiebt sich die relative Position zwischen der Bearbeitungsstelle des Werks W und des Werkzeugs 77, und es besteht die Gefahr, dass die Bearbeitungsgenauigkeit abnimmt.
Aus diesem Grund wird bei dem Bohrzyklus des Werks W eine vorgegebene Gleichung zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung (im Folgenden als „Gleichung“ bezeichnet) zum Gewinnen des Betrags der thermischen Verschiebung durch die drei Typen von Zugspindeln 4 (4X, 4Y, 4Z) und die Spindeleinheit 7 verwendet, um die Maschinenposition zu kompensieren. Diese Gleichung wird ausführlich in dem Patentdokument 1 und dem Patentdokument 2 offenbart. Diese Gleichungen berechnen den Betrag einer thermischen Verschiebung gemäß einer Integration durch vorgegebene Koeffizienten oder Exponenten oder dergleichen mit den Betriebszustandsdaten wie zum Beispiel der Position, der Drehzahl und der Temperatur der Zugspindel 4, der Drehzahl, der Belastung, der Temperatur der Spindeleinheit 7 usw. während eines Betriebs des Bearbeitungszentrums 150 als Eingaben.
Um den Betrag der thermischen Verschiebung mithilfe der Gleichung zu berechnen, ist das Bearbeitungszentrum 150 so gestaltet, dass es den Betriebszustand (z. B. die Position, die Drehzahl und die Temperatur der Zugspindel 4, die Drehzahl, die Belastung, die Temperatur der Spindeleinheit 7 usw. während des Betriebs (während der Bearbeitung und oder während des Leerlaufs) jedes Maschinenelements (der Zugspindel 4 (4X, 4Y, 4Z) und der Spindeleinheit 7) mithilfe verschiedener (nicht veranschaulichter) Sensoren misst. Durch eine derartige Gestaltung ist es möglich, den Betrag der thermischen Verschiebung jedes Maschinenelements durch Eingeben dieser Betriebszustandsdaten in die Gleichung zu berechnen. Es ist zu beachten, dass eine spezifische Erläuterung der Gleichung im Folgenden beschrieben wird. Des Weiteren ist das Bearbeitungszentrum 150 so gestaltet, dass es den Betrag der thermischen Verschiebung jedes Maschinenelements mithilfe verschiedener (nicht veranschaulichter) Geräte zum Messen der Verschiebung misst.
Genauer gesagt, das Bearbeitungszentrum 150 misst den Betriebszustand verschiedener Maschinenelemente (d. h. die Position, die Drehzahl und die Temperatur der Zugspindel 4, die Drehzahl, die Belastung und die Temperatur der Spindeleinheit 7 usw. während eines Betriebs (während des Bearbeitens oder während des Leerlaufs) des Bearbeitungszentrums 150) zu jedem vorgegebenen Abtastzeitpunkt mithilfe verschiedener (nicht veranschaulichter) Sensoren. Des Weiteren misst das Bearbeitungszentrum 150 den Betrag der thermischen Verschiebung (Messwert) jedes Maschinenelements zu jedem festen Zeitpunkt. Es ist zu beachten, dass sich die Messstelle dieses Betrags der thermischen Verschiebung zum Beispiel bevorzugt in der Umgebung der Bearbeitungsposition (dem vorderen Ende des Werkzeugs 77) des Bearbeitungszentrums 150 befindet. Darüber hinaus unterliegt das Messverfahren dieses Betrags der thermischen Verschiebung keiner besonderen Beschränkung, und es ist möglich, eine Messung auf der Maschine durch einen Kontaktmessfühler, eine Messung des bearbeiteten Werks W usw. zu wählen.
<Gestaltung der numerischen Steuervorrichtung 100>
Die numerische Steuervorrichtung 100, die als Steuervorrichtung dient, ist in das Bearbeitungszentrum 150 eingebaut. Bei einer CPU 11 der numerischen Steuervorrichtung 100 handelt es sich um einen Prozessor, der die numerische Steuervorrichtung 100 vollständig steuert, wie in 4 dargestellt. Die CPU 11 liest ein in einem ROM 12 gespeichertes Systemprogramm über einen Bus 20 aus und steuert die Gesamtheit der numerischen Steuervorrichtung 100, wobei sie diesem Systemprogramm folgt. Temporäre Berechnungsdaten, Anzeigedaten und verschiedene Arten von Daten, die durch eine Bedienperson über eine Anzeige-/MDI-Einheit 70 eingegeben werden, werden in einem RAM 13 gespeichert.
Ein CMOS-Speicher 14 ist als nichtflüchtiger Speicher gestaltet, der durch eine (nicht veranschaulichte) Batterie gesichert wird und in dem der Speicherzustand selbst dann aufrechterhalten bleibt, wenn die Stromquelle der numerischen Steuervorrichtung 100 ausgeschaltet wird. In dem CMOS-Speicher 14 werden Bearbeitungsprogramme, die über eine Schnittstelle 15 gelesen werden, Bearbeitungsprogramme, die über die Anzeige-/MDI-Einheit 70 eingegeben werden, usw. gespeichert. Verschiedene Systemprogramme zum Ausführen der Verarbeitung eines Bearbeitungsmodus, der für ein Erstellen und ein Bearbeiten von Bearbeitungsprogrammen erforderlich ist, und der Verarbeitung für einen Automatikbetrieb werden im Voraus in den ROM 12 geschrieben. Die verschiedenen Verarbeitungsprogramme wie zum Beispiel ein Bearbeitungsprogramm können über die Schnittstelle 15 und/oder die Anzeige-/MDI-Einheit 70 eingegeben werden und in dem CMOS-Speicher 14 gespeichert werden.
Die Schnittstelle 15 ermöglicht eine Verbindung mit der numerischen Steuervorrichtung 100 und einem externen Gerät 72 wie zum Beispiel einem Adapter. Bearbeitungsprogramme, verschiedene Parameter usw. werden von der Seite des externen Geräts 72 aus gelesen. Darüber hinaus können die Bearbeitungsprogramme, die in der numerischen Steuervorrichtung 100 bearbeitet werden, über das externe Gerät 72 in einer externen Speichereinrichtung gespeichert werden.
Eine PMC (programmable machine controller, programmierbare Maschinensteuereinheit) 16 gibt Signale über eine E/A-Einheit 17 an Zusatzeinrichtungen (z. B. Aktuatoren wie zum Beispiel Roboterhände für einen Werkzeugwechsel) der Werkzeugmaschine 150 zum Steuern durch ein Ablaufprogramm aus, das in die numerische Steuervorrichtung 100 integriert ist. Nachdem Signale wie zum Beispiel von verschiedenen Schaltern auf einer Bedientafel empfangen worden sind, mit der das Bearbeitungszentrum 150 ausgestattet ist, und die erforderliche Signalverarbeitung durchgeführt worden ist, werden sie darüber hinaus an die CPU 11 übertragen.
Bei der Anzeige-/MDI-Einheit 70 handelt es sich um eine Vorrichtung zur manuellen Dateneingabe, die mit einer Anzeige, einer Tastatur usw. ausgestattet ist, und die Schnittstelle 18 empfängt Befehle und/oder Daten von der Tastatur der Anzeige-/MDI-Einheit 70 und überträgt diese an die CPU 11. Die Schnittstelle 19 ist mit der Bedientafel 71 verbunden, die mit einem manuellen Impulsgeber usw. ausgestattet ist. Achsensteuerschaltungen 30 bis 34 jeder Achse empfangen den Bewegungsbefehlsbetrag jeder Achse von der CPU 11 und geben Befehle für jede Achse an die Servoverstärker 40 bis 44 aus.
Die Servoverstärker 40 bis 44 empfangen diese Befehle und steuern die Servomotoren 50 bis 54 jeder Achse an. Die Servomotoren 50 bis 54 jeder Achse sind mit eingebauten Positions-/Drehzahldetektoren ausgestattet, führen die Positions-/Drehzahl-Rückkopplungssignale von diesen Positions-/Drehzahldetektoren zu den Achsensteuerschaltungen 30 bis 34 zurück und führen eine Positions-/Drehzahlregelung durch. Es ist zu beachten, dass die Positions-/Drehzahlregelung in den Blockschaubildern weggelassen worden ist.
Eine Spindelsteuerschaltung 60 empfängt einen Spindeldrehbefehl für die Werkzeugmaschine 150 und gibt ein Spindeldrehzahlsignal an einen Spindelverstärker 61 aus. Der Spindelverstärker 61 empfängt dieses Spindeldrehzahlsignal und bewirkt, dass sich der Spindelmotor 76 des Bearbeitungszentrums 150 mit der angeordneten Drehzahl dreht, um das Werkzeug anzutreiben.
Ein Impulsgeber 63 ist durch Zahnräder, einen Riemen oder dergleichen mit dem Spindelmotor 76 verbunden, wodurch der Impulsgeber 63 einen Rückimpuls ausgibt, der mit der Drehung der Spindel synchronisiert wird, und dieser Rückimpuls verläuft durch einen Bus 20 und wird durch die CPU 11 gelesen.
Darüber hinaus erfasst die numerische Steuervorrichtung 100 die Betriebszustandsdaten, die den Betriebszustand jedes Maschinenelements darstellen, der zu jedem vorgegebenen Abtastzeitpunkt durch das Bearbeitungszentrum 150 gemessen wird. Des Weiteren erfasst die numerische Steuervorrichtung 100 den Betrag der thermischen Verschiebung jedes Maschinenelements, der zu jedem festen Zeitpunkt durch das Bearbeitungszentrum 150 gemessen wird.
<Gestaltung der Vorrichtung 200 für maschinelles Lernen>
Bei der Vorrichtung 200 für maschinelles Lernen der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich um eine Vorrichtung, die Koeffizienten für die in dem Patentdokument 1 und dem Patentdokument 2 offenbarten Gleichungen auf Grundlage von Trainingsdaten lernt.
5 stellt ein Funktionsblockschaubild der Vorrichtung 200 für maschinelles Lernen dar. Die Vorrichtung 200 für maschinelles Lernen weist eine Hauptsteuereinheit 201 auf, wie in 5 dargestellt. Eine Datenerfassungseinheit 202, die als Datenerfassungsmittel dient, eine Einheit 203 zum Erfassen eines Betrags einer thermischen Verschiebung, die als Mittel zum Erfassen eines Betrags einer thermischen Verschiebung dient, eine Speichereinheit 204, die als Speichermittel dient, eine Gleichungsaufstellungseinheit 205, die als Gleichungsaufstellungsmittel dient, eine Einheit 206 zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung, die als Mittel zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung dient, und eine Ermittlungseinheit 207, die als Ermittlungsmittel dient, sind mit der Hauptsteuereinheit 201 verbunden.
Die Datenerfassungseinheit 202 erfasst Betriebszustandsdaten von Maschinenelementen als Eingabedaten von der numerischen Steuervorrichtung 100.
Die Einheit 203 zum Erfassen eines Betrags einer thermischen Verschiebung erfasst den Messwert für den Betrag der thermischen Verschiebung eines Maschinenelements als Eingabedaten von der numerischen Steuervorrichtung 100.
Die Speichereinheit 204 speichert die Betriebszustandsdaten eines Maschinenelements zu jedem Abtastzeitpunkt, die von der numerischen Steuervorrichtung 100 durch die Datenerfassungseinheit 202 erfasst worden sind, und die Messwerte für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements zu jedem festen Zeitpunkt, die von der numerischen Steuervorrichtung 100 durch die Einheit 203 zum Erfassen eines Betrags einer thermischen Verschiebung erfasst worden sind, als Trainingsdaten, die einander als Label zuzuordnen sind.
Die Gleichungsaufstellungseinheit 205 legt die Koeffizienten in der Gleichung, die den Betrag der thermischen Verschiebung eines Maschinenelements berechnen, auf Grundlage der Betriebszustandsdaten des Maschinenelements durch Durchführen eines maschinellen Lernens, das ein allgemein bekanntes Verfahren wie zum Beispiel das Verfahren der kleinsten Quadrate beinhaltet, auf Grundlage der Betriebszustandsdaten des Maschinenelements und der Messwerte für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements fest. Anschließend optimiert die Gleichungsaufstellungseinheit 205 die Gleichung durch erneutes Durchführen eines maschinellen Lernens an den in dieser Gleichung beinhalteten Koeffizienten auf Grundlage des Ermittlungsergebnisse der im Folgenden beschriebenen Ermittlungseinheit 207 weiter.
Mit anderen Worten, wenn das Ermittlungsergebnis von der im Folgenden beschriebenen Ermittlungseinheit 207 negativ ist (d. h. falls eine Differenz zwischen einem Schätzwert für den Betrag der thermischen Verschiebung eines Maschinenelements innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums, der durch eine Gleichung berechnet wird, die im Voraus festgelegte Koeffizienten beinhaltet, und einem Messwert für einen Betrag einer thermischen Verschiebung eines Maschinenelements einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt), legt die Gleichungsaufstellungseinheit 205 zum Beispiel einen Koeffizienten, der sich von den bisher festgelegten Koeffizienten unterscheidet, durch erneutes Durchführen eines maschinellen Lernens, das ein allgemein bekanntes Verfahren wie zum Beispiel das Verfahren der kleinsten Quadrate beinhaltet, erneut fest. Wenn demgegenüber das Ermittlungsergebnis von der im Folgenden beschriebenen Ermittlungseinheit 207 positiv ist (d. h. falls eine Differenz zwischen einem Schätzwert für den Betrag der thermischen Verschiebung eines Maschinenelements innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums, der durch eine Gleichung berechnet wird, die im Voraus festgelegte Koeffizienten beinhaltet, und einem Messwert für einen Betrag einer thermischen Verschiebung eines Maschinenelements nicht größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist), legt die Gleichungsaufstellungseinheit 205 diesen Koeffizienten als optimalen Koeffizienten fest. Durch eine derartige Gestaltung kann die Gleichungsaufstellungseinheit 205 die Gleichung optimieren.
Die Einheit 206 zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung berechnet den Schätzwert für den Betrag der thermischen Verschiebung eines Maschinenelements durch Substituieren von Betriebszustandsdaten des Maschinenelements, die als Trainingsdaten in der Speichereinheit 204 gespeichert sind, in die Gleichung, die durch die Gleichungsaufstellungseinheit 205 aufgestellt worden ist.
Genauer gesagt, die Einheit 206 zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung berechnet den Betrag der thermischen Verschiebung eines Maschinenelements durch Substituieren von Betriebszustandsdaten des Maschinenelements zu jedem Abtastzeitpunkt in einem vorgegebenen Zeitraum, die als Trainingsdaten in der Speichereinheit 204 gespeichert sind, auf Grundlage der Gleichung. Durch wiederholtes Durchführen einer solchen Berechnungsverarbeitung und Summieren der Beträge von thermischen Verschiebungen, die zu jedem Abtastzeitpunkt in dem vorgegebenen Zeitraum berechnet worden sind, wird der Schätzwert für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements in dem vorgegebenen Zeitraum durch das Bearbeitungszentrum 150 berechnet.
Die Ermittlungseinheit 207 ermittelt, ob die Differenz zwischen dem Schätzwert für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements, der durch die Einheit 206 zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung berechnet worden ist, und dem Messwert für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements, der als Trainingsdaten in der Speichereinheit 204 gespeichert ist, nicht größer als der vorgegebene Schwellenwert ist. Des Weiteren meldet die Ermittlungseinheit 207 dieses Ermittlungsergebnis (Koeffizient positiv/negativ) an die Gleichungsaufstellungseinheit 205.
Durch eine derartige Gestaltung legt die Gleichungsaufstellungseinheit 205, wenn zum Beispiel durch die Ermittlungseinheit 207 ermittelt wird, dass die Differenz nicht größer als der vorgegebene Schwellenwert ist, einen Koeffizienten, der sich von bisher festgelegten Koeffizienten unterscheidet, durch erneutes Durchführen eines maschinellen Lernens einschließlich eines allgemein bekannten Verfahrens wie zum Beispiel des Verfahrens der kleinsten Quadrate neu fest. Wenn durch die Ermittlungseinheit 207 ermittelt wird, dass die Differenz nicht größer als der vorgegebene Schwellenwert ist, kann die Gleichungsaufstellungseinheit 205 darüber hinaus diese Gleichung als optimale Gleichung festlegen.
<Gestaltung der Vorrichtung 300 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung>
Die Vorrichtung 300 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung beinhaltet eine Kompensationsbetrags-Berechnungseinheit 301, die als Kompensationsbetrags-Berechnungsmittel dient, und eine Kompensationsausführungseinheit 302, die als Kompensationsausführungsmittel dient, wie in 2 dargestellt. Die Kompensationsbetrags-Berechnungseinheit 301 berechnet den Kompensationsbetrag, der dem Betrag der thermischen Verschiebung eines Maschinenelements entspricht, der aus den Betriebszustandsdaten des Maschinenelements berechnet worden ist (Ermittlungsdaten), auf Grundlage der Gleichung, die durch die Vorrichtung 200 für maschinelles Lernen optimiert worden ist. Die Kompensationsausführungseinheit 302 kompensiert die mechanische Position des Maschinenelements auf Grundlage des Kompensationsbetrags für das Maschinenelement, der durch die Kompensationsbetrags-Berechnungseinheit 301 berechnet worden ist. Alternativ sendet die Kompensationsausführungseinheit 302 den Kompensationsbetrag für dieses Maschinenelement an die numerische Steuervorrichtung 100.
<Ablauf der Verarbeitung der Vorrichtung 200 für maschinelles Lernen>
Als Nächstes wird der Ablauf der Verarbeitung der Vorrichtung 200 für maschinelles Lernen unter Bezugnahme auf 6 erläutert. 6 ist ein Ablaufplan, der die Verarbeitung der Vorrichtung 200 für maschinelles Lernen darstellt. Im Folgenden wird besonders für einen Fall eines Durchführens eines Kompensierens einer thermischen Verschiebung für die Zugspindel 4 und die Spindeleinheit 7, bei denen es sich um Maschinenelemente des Bearbeitungszentrums 150 handelt, erläutert, wie eine Verarbeitung der Vorrichtung 200 für maschinelles Lernen ausgeführt wird.
In Schritt S1 erfassen die Datenerfassungseinheit 202 und die Einheit 203 zum Erfassen eines Betrags einer thermischen Verschiebung die Betriebszustandsdaten der Zugspindel 4 und der Spindeleinheit 7 und Messwerte für die Beträge der thermischen Verschiebungen der Zugspindel 4 und der Spindeleinheit 7 von der numerischen Steuervorrichtung 100 als Trainingsdaten zur Verwendung bei einem maschinellen Lernen. Anschließend speichert die Speichereinheit 204 diese Betriebszustandsdaten der Zugspindel 4 und der Spindeleinheit 7 und die Messwerte für die Beträge der thermischen Verschiebungen der Zugspindel 4 und der Spindeleinheit 7 als Trainingsdaten, die einander als Label zuzuordnen sind.
In Schritt S2 legt die Gleichungsaufstellungseinheit 205 die Koeffizienten in der Gleichung zum Berechnen des Betrags der thermischen Verschiebung eines Maschinenelements durch Durchführen eines maschinellen Lernens, das ein allgemein bekanntes Verfahren wie zum Beispiel das Verfahren der kleinsten Quadrate beinhaltet, auf Grundlage der Betriebszustandsdaten für Maschinenelemente (der Zugspindel 4 und der Spindeleinheit 7) in einem vorgegebenen Zeitraum A und von Messwerten (Trainingsdaten) für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements fest. Es ist zu beachten, dass die Gleichung im Folgenden beschrieben wird.
In Schritt S3 berechnet die Einheit 206 zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung die Schätzwerte für die Beträge der thermischen Verschiebungen der Zugspindel 4 und der Spindeleinheit 7 durch Substituieren der Betriebszustandsdaten für die Zugspindel 4 und die Spindeleinheit 7 in einem vorgegebenen Zeitraum B, die als Trainingsdaten in der Speichereinheit 204 gespeichert sind, in die Gleichung, die durch die Gleichungsaufstellungseinheit 205 aufgestellt worden ist. Hierin wird eine Übersicht über die Gleichung und das Berechnungsverfahren gegeben, damit die Einheit 206 zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung die Schätzwerte für die Beträge der thermischen Verschiebungen der Zugspindel 4 und der Spindeleinheit 7 in dem vorgegebenen Zeitraum B berechnet. Es ist zu beachten, dass die Gleichung und das Berechnungsverfahren auf denjenigen beruhen, die in dem Patentdokument 1 und dem Patentdokument 2 beschrieben worden sind.
Beim Berechnen der Schätzwerte für die Beträge der thermischen Verschiebungen der Zugspindel 4 und der Spindeleinheit 7 werden diese für jede jeweilige axiale Richtung (die Richtung der x-Achse, die Richtung der y-Achse, die Richtung der z-Achse) berücksichtigt, wie im Folgenden beschrieben. Bei dem Betrag der thermischen Verschiebung in der Richtung der x-Achse handelt es sich um die Dehnung der x-Achsen-Kugelspindel 45X der Zugspindel 4X in der Richtung der x-Achse. Darüber hinaus handelt es sich bei dem Betrag der thermischen Verschiebung in der Richtung der y-Achse um einen Betrag, der durch Addieren des Betrags der thermischen Verschiebung der Spindeleinheit 7 in der Richtung der y-Achse zu der Dehnung der y-Achsen-Kugelspindel 45Y der Zugspindel 4Y in der Richtung der y-Achse gewonnen wird. Des Weiteren handelt es sich bei dem Betrag der thermischen Verschiebung in der Richtung der z-Achse um einen Betrag, der durch Addieren des Betrags der thermischen Verschiebung der Spindeleinheit 7 in der Richtung der z-Achse zu der Dehnung der z-Achsen-Kugelspindel 45Z der Zugspindel 4Z in der Richtung der z-Achse gewonnen wird. Hierin besteht im Hinblick auf den Betrag der thermischen Verschiebung in der Richtung der x-Achse der Grund dafür, dass der Betrag der thermischen Verschiebung der Spindeleinheit 7 in der Richtung der x-Achse nicht addiert wird, darin, dass, da der Aufbau der Spindeleinheit 7 entlang der Richtung der x-Achse links-/rechts-symmetrisch ist, wie in 3A dargestellt, davon ausgegangen wird, dass die Spindeleinheit 7 nicht in der Richtung der x-Achse thermisch verschoben wird.
Betrag der thermischen Verschiebung in der Richtung der x-Achse = Dehnung der x-Achsen-Kugelspindel
Betrag der thermischen Verschiebung in der Richtung der y-Achse = Dehnung der y-Achsen-Kugelspindel + Betrag der thermischen Verschiebung der Spindeleinheit in der Richtung der y-Achse
Betrag der thermischen Verschiebung in der Richtung der z-Achse = Dehnung der z-Achsen-Kugelspindel + Betrag der thermischen Verschiebung der Spindeleinheit in der Richtung der z-Achse
Darüber hinaus wird für die Dehnung der x-Achsen-Kugelspindel 45X lediglich der Abschnitt von der Basis, die mit dem x-Achsen-Motor 46X verbunden ist, bis zu dem Gewindeteil, der mit dem Mutter 47 in Gewindeeingriff steht, als Ziel betrachtet, wie in 7 dargestellt. Dies liegt daran, dass, da die vorherige Dehnung von dem Gewindeteil eine Bewegung des Werkstücktisches 5 in der Richtung der x-Achse, d. h. eine Ausrichtung des Werkstücks W auf dem Werkstücktisch 5, nicht beeinträchtigt, sie vernachlässigt werden kann. Dies gilt in ähnlicher Weise für die Dehnung der y-Achsen-Kugelspindel 45Y und der z-Achsen-Kugelspindel 45Z.
Als Nächstes werden anhand des Beispiels des Betrags der thermischen Verschiebung der Zugspindel 4X in der Richtung der x-Achse die Gleichung und das Berechnungsverfahren erläutert, durch das die Einheit 206 zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung den Betrag der thermischen Verschiebung der Zugspindel 4X in der Richtung der x-Achse berechnet. Um den Betrag der thermischen Verschiebung der Zugspindel 4X in der Richtung der x-Achse zu berechnen, wird die x-Achsen-Kugelspindel 45X als eindimensionales Modell erfasst, und die x-Achsen-Kugelspindel 45X wird in eine Mehrzahl (in 8 eine Anzahl m) von Teilabschnitten mit einer vorgegebenen Länge (z. B. 10 mm) entlang der axialen Richtung davon unterteilt, wie in 8 dargestellt. Unter Berücksichtigung der Wärmeerzeugung und -abstrahlung der x-Achsen-Kugelspindel 45X in jedem jeweiligen Teilabschnitt und ferner des Einflusses (Wärmeleitung) von angrenzenden Teilabschnitten auf beiden Seiten berechnet die Einheit 206 zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung anschließend den Betrag der thermischen Verschiebung davon. Danach berechnet die Einheit 206 zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung einen Schätzwert für die thermische Verschiebung der x-Achsen-Kugelspindel 45X insgesamt, d. h. den Betrag der thermischen Verschiebung der Zugspindel 4X in der Richtung der x-Achse, aus der Summe der Beträge der thermischen Verschiebungen für jeden Teilabschnitt davon.
Hierin kann der Betrag der thermischen Verschiebung eines Teilabschnitts i (0 ≤ i ≤ m) zu einem Zeitpunkt n (0 ≤ n) zum Beispiel mithilfe der folgenden Gleichung (1) berechnet werden. Es ist zu beachten, dass es sich bei dieser Formel lediglich um ein Beispiel handelt und es außerdem möglich ist, den Betrag der thermischen Verschiebung mithilfe einer weiteren Formel zu berechnen. Hierin handelt es sich bei A, B, C, a und b um Koeffizienten, die als Optimierungsziele dienen. $δ_{ni} = δ_{(n - 1) i} + A \times V_{ni}^{a} - B \times δ_{(n - 1) i}^{b} + C \times {δ_{(n - 1) i - 1} + δ_{(n - 1) i + 1} - 2 \times δ_{(n - 1) i}}$

δ_ni: Betrag der thermischen Verschiebung des Teilabschnitts i zum Zeitpunkt n
V_ni: durchschnittliche Geschwindigkeit des Teilabschnitts i zum Zeitpunkt n

Ein Schätzwert L_nm für den Betrag der thermischen Verschiebung in der Richtung der x-Achse zum Zeitpunkt n wird durch die folgende Formel (2) dargestellt, indem der Betrag der thermischen Verschiebung für jeden jeweiligen Teilabschnitt i, der durch die oben beschriebene Gleichung (1) dargestellt wird, von dem Teilabschnitt 0 bis zu dem Teilabschnitt m addiert wird. $L_{nm} = δ_{n 0} + δ_{n 1} + \dots + δ_{nl} + \dots + δ_{nm}$
Auf diese Weise berechnet die Einheit 206 zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung den Betrag der thermischen Verschiebung der Zugspindel 4X in der Richtung der x-Achse für einen vorgegebenen Zeitraum B auf Grundlage der Formel 1 und der Formel 2.
Es ist zu beachten, dass für die Zugspindel 4Y in der Richtung der y-Achse und die Zugspindel 4Z in der Richtung der z-Achse der Anordnungszustand davon (die Orientierung der Kugelspindel 45) sich lediglich von der Zugspindel 4X in der Richtung der x-Achse unterscheidet und das hierin erläuterte Berechnungsverfahren in ähnlicher Weise angewendet werden kann.
Darüber hinaus ist es beim Berechnen des Schätzwerts für den Betrag der thermischen Verschiebung der Spindeleinheit 7 zum Beispiel möglich, allgemein bekannte Gleichungen und ein Berechnungsverfahren zu verwenden, die zum Beispiel in den Patentdokument 2 offenbart worden sind. Hierin werden Erläuterungen weggelassen.
In Schritt S4 vergleicht die Ermittlungseinheit 207 die Schätzwerte für die Beträge der thermischen Verschiebungen der Zugspindel 4 und der Spindeleinheit 7 in einem vorgegebenen Zeitraum, der durch die Einheit 206 zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung berechnet worden ist, mit den Messwerten für die Beträge der thermischen Verschiebungen der Zugspindel 4 und der Spindeleinheit 7 in dem vorgegebenen Zeitraum, die durch die Einheit 203 zum Erfassen eines Betrags einer thermischen Verschiebung erfasst worden sind, berechnet die Differenz zwischen den beiden und ermittelt, ob diese Differenz nicht größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist. Falls diese Ermittlung gleich Nein ist (d. h. wenn diese Differenz einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt), kehrt die Verarbeitung zu Schritt S2 zurück, da die Wahrscheinlichkeit als gering betrachtet wird, dass diese Gleichung statistisch angemessen ist. Falls diese Ermittlung demgegenüber gleich Ja ist (d. h. wenn diese Differenz nicht größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist), geht die Verarbeitung zu Schritt S5 über, da die Wahrscheinlichkeit als hoch betrachtet wird, dass diese Gleichung statistisch angemessen ist.
In Schritt S5 legt die Gleichungsaufstellungseinheit 205 die Koeffizienten A, B, C, a und b in der oben genannten Gleichung (1) als optimale Koeffizienten fest. Es ist dadurch möglich, die Gleichung (1) zu optimieren. Hierin endet der Vorgang zum Gewinnen der Gleichung für die Betriebszustandsdaten des Maschinenelements und des Betrags der thermischen Verschiebung des Maschinenelements.
Es ist zu beachten, dass der vorgegebene Zeitraum A in Schritt S2 und der vorgegebene Zeitraum B in Schritt S3 kurz erläutert werden. Der vorgegebene Zeitraum A und der vorgegebene Zeitraum B können teilweise überlappen oder können so eingerichtet werden, dass sie nicht überlappen. Jedoch ist es wünschenswert, dass ein vorgegebener Zeitraum A‘ beim Übergehen zu Schritt S2 in dem Fall, dass die Ermittlung in Schritt S4 gleich Nein ist, beim Ausführen des unmittelbar vorhergehenden Schritts S3 so gestaltet ist, dass er den vorgegebenen Zeitraum B beinhaltet. Darüber hinaus ist beim erneuten Aufstellen der Gleichung in Schritt S2 und anschließenden Übergehen zu Schritt S3 eine solche Gestaltung wünschenswert, dass ein vorgegebener Zeitraum B‘ in Schritt S3 den vorherigen vorgegebenen Zeitraum B beinhaltet oder diesen überlappt. Durch eine derartige Gestaltung wird es möglich, erneut zu bestätigen, dass die Differenz für den vorgegebenen Zeitraum B, für den die Gleichung, die in Schritt S2 erneut aufgestellt worden ist, gleich Nein in der vorherigen Ermittlung gemacht wurde, nicht größer als der Schwellenwert wurde.
(Modifiziertes Beispiel)
Es ist eine derartige Gestaltung möglich, dass, falls die Ermittlung in Schritt S4 gleich Ja ist, ermittelt wird, ob sämtliche der in der Speichereinheit 204 gespeicherten Trainingsdaten gelernt wurden, statt unverzüglich zu Schritt S5 überzugehen, und falls diese Ermittlung gleich Nein ist (d. h. wenn nicht sämtliche Trainingsdaten gelernt worden sind), die Verarbeitung zu Schritt S2 zurückkehrt, den Berechnungsvorgang der Gleichung (d. h. Koeffizienten) durch maschinelles Lernen wiederholt und zum ersten Mal zu Schritt S5 übergeht, falls diese Ermittlung gleich Ja ist (d. h. wenn sämtliche Trainingsdaten gelernt worden sind).
<Ablauf der Verarbeitung der Vorrichtung 300 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung>
Die Vorrichtung 300 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung kompensiert eine thermische Verschiebung eines Maschinenelements in Echtzeit auf Grundlage der jüngsten Gleichung. Dazu berechnet die Kompensationsbetrags-Berechnungseinheit 301 zuerst den Kompensationsbetrag, der dem Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements entspricht, der aus den Betriebszustandsdaten des Maschinenelements berechnet worden ist, auf Grundlage der Gleichung, die durch die Vorrichtung 200 für maschinelles Lernen optimiert worden ist. Als Nächstes kompensiert die Kompensationsausführungseinheit 302 die mechanische Position des Maschinenelements auf Grundlage des Kompensationsbetrags für das Maschinenelement, der durch die Kompensationsbetrags-Berechnungseinheit 301 berechnet worden ist. Alternativ sendet die Kompensationsausführungseinheit 302 den Kompensationsbetrag dieses Maschinenelements an die numerische Steuervorrichtung 100.
Wenn die numerische Steuervorrichtung 100 diesen empfängt, kompensiert sie die thermische Verschiebung des Maschinenelements auf Grundlage des Kompensationsbetrags dieses Maschinenelements. Daher führt das Bearbeitungszentrum 150 einen Bohrzyklus des Werks W aus, während die thermische Verschiebung des Maschinenelements in Echtzeit kompensiert wird. Infolgedessen ist es möglich, die Verschiebung der relativen Position zwischen der Bearbeitungsstelle des Werks W und dem Werkzeug 77 zu verringern, die durch die thermische Verschiebung der Maschinenelemente während des Bohrzyklus des Werks W bewirkt worden ist, und auf diese Weise das Werk W mit hoher Genauigkeit zu bearbeiten.
<Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform>
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es auf die obige Weise möglich, die Gleichung zum Schätzen des Betrags der thermischen Verschiebung eines Maschinenelements durch Wiederholen eines maschinellen Lernens (eines überwachten Lernens) mithilfe der Trainingsdaten zu optimieren, wobei Betriebszustandsdaten des Maschinenelements (Zugspindel 4, Spindeleinheit 7) und Messwerte für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements in dem Bearbeitungszentrum 150 zugeordnet werden. Infolgedessen wird es möglich, eine thermische Verschiebung bei verschiedenen Bearbeitungsarten mit guter Genauigkeit zu kompensieren.
Darüber hinaus wird die Gleichung für die Betriebszustandsdaten des Maschinenelements und den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements in der numerischen Steuervorrichtung 100 gespeichert; daher ist es durch Übertragen dieser Gleichung über ein Netzwerk 400 außerdem möglich, sie in einem beliebigen sonstigen Bearbeitungszentrum 150 mit der durch ein beliebiges Bearbeitungszentrum 150 gewonnenen Gleichung als gemeinsam genutzte Ressource zu verwenden.
Sofern eine Formel verwendet wird, die unter Berücksichtigung der oben erwähnten Zeit n beim Schätzen des Betrags der thermischen Verschiebung des Maschinenelements erstellt worden ist, ist es darüber hinaus möglich, den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements selbst in einem Fall korrekt zu schätzen, in dem der Betriebszustand des Maschinenelements sich im Laufe der Zeit komplex ändert.
(Sonstige Ausführungsformen)
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zwar oben erläutert worden, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die oben genannte Ausführungsform beschränkt. Darüber hinaus führen die bei der vorliegenden Ausführungsform beschriebenen Wirkungen lediglich die bevorzugtesten Wirkungen auf, die durch die vorliegende Erfindung erzeugt werden, und die Wirkungen gemäß der vorliegenden Erfindung sind nicht auf diejenigen beschränkt, die bei der vorliegenden Ausführungsform beschrieben werden.
(Modifiziertes Beispiel 1)
Bei der ersten Ausführungsform wird hauptsächlich eine Gestaltung erläutert, bei der die numerische Steuervorrichtung 100, die Vorrichtung 200 für maschinelles Lernen und die Vorrichtung 300 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung jeweils mit dem Netzwerk 400 verbunden sind. Demgegenüber können die numerische Steuervorrichtung 100 und die Vorrichtung 300 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung über ein Verbindungsteil direkt verbunden sein. Darüber hinaus ist eine solche Gestaltung möglich, dass die numerische Steuervorrichtung 100 die Vorrichtung 300 zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung beinhaltet.
(Modifiziertes Beispiel 2)
Die Vorrichtung 300 für maschinelles Lernen der ersten Ausführungsform kann aus einem Computersystem bestehen, das eine CPU beinhaltet. In diesem Fall liest die CPU ein Programm aus, das in einer Speichereinheit wie zum Beispiel einem ROM gespeichert ist, und bewirkt, diesem Programm folgend, dass der Computer als Hauptsteuereinheit 201, Datenerfassungseinheit 202, Einheit 203 zum Erfassen eines Betrags einer thermischen Verschiebung, Speichereinheit 204, Gleichungsaufstellungseinheit 205, Einheit 206 zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung und Ermittlungseinheit 207 fungiert.
(Modifiziertes Beispiel 3)
Die erste Ausführungsform erläutert einen Fall, in dem die vorliegende Erfindung auf das Bearbeitungszentrum 150 angewendet wird; sofern es sich um eine Vorrichtung handelt, die ein Maschinenelement aufweist, das eine Wärmeausdehnung erfährt, ist es jedoch möglich, die vorliegende Erfindung in ähnlicher Weise auch auf andere Werkzeugmaschinen als das Bearbeitungszentrum 150 anzuwenden.
Bezugszeichenliste

2: Unterbau (Maschinenelement)
3: Säule (Maschinenelement)
4: Zugspindel (Maschinenelement)
5: Werkstücktisch (Maschinenelement)
6: Spindelstock (Maschinenelement)
7: Spindeleinheit (mechanische Einheit)
100: numerische Steuervorrichtung (Steuervorrichtung)
150: Bearbeitungszentrum (Werkzeugmaschine)
200: Vorrichtung für maschinelles Lernen
202: Datenerfassungseinheit (Datenerfassungsmittel)
203: Einheit zum Erfassen eines Betrags einer thermischen Verschiebung (Mittel zum Erfassen eines Betrags einer thermischen Verschiebung)
204: Speichereinheit (Speichermittel)
205: Gleichungsaufstellungseinheit (Gleichungsaufstellungsmittel)
206: Einheit zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung (Mittel zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung)
207: Ermittlungseinheit (Ermittlungsmittel)
300: Vorrichtung zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung
301: Kompensationsbetrags-Berechnungseinheit (Kompensationsbetrags-Berechnungsmittel)
302: Kompensationsausführungseinheit (Kompensationsausführungsmittel)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 3405965 [0003]
JP 5956497 [0003]

Claims

Vorrichtung für maschinelles Lernen (200), die eine Gleichung zum Schätzen eines Betrags einer thermischen Verschiebung eines sich thermisch ausdehnenden Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7) durch maschinelles Lernen auf Grundlage von Betriebszustandsdaten optimiert, die einen Betriebszustand des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7) einer Werkzeugmaschine (150), die das Maschinenelement (2, 3, 4, 5, 6, 7) aufweist, darstellen, wobei die Vorrichtung für maschinelles Lernen (200) aufweist: ein Datenerfassungsmittel (202) zum Erfassen der Betriebszustandsdaten des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7); ein Mittel (203) zum Erfassen eines Betrags einer thermischen Verschiebung zum Erfassen von Messwerten für einen Betrag einer thermischen Verschiebung des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7); ein Speichermittel (204) zum Speichern der durch das Datenerfassungsmittel (202) erfassten Betriebszustandsdaten des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7) und von durch das Mittel (203) zum Erfassen eines Betrags einer thermischen Verschiebung erfassten Messwerten für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7) als Trainingsdaten, die einander als Label zugeordnet sind; ein Gleichungsaufstellungsmittel (205) zum Aufstellen einer Gleichung zum Berechnen des Betrags der thermischen Verschiebung des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7) durch Durchführen eines maschinellen Lernens auf Grundlage der Betriebszustandsdaten des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7) und der Messwerte für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7); ein Mittel (206) zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung zum Berechnen eines Schätzwertes für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7) durch Substituieren von Betriebszustandsdaten des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7) innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums, die als Trainingsdaten in dem Speichermittel (204) gespeichert sind, in die Gleichung, die durch das Gleichungsaufstellungsmittel (205) aufgestellt worden ist; und ein Ermittlungsmittel (207) zum Ermitteln, ob eine Differenz zwischen dem Schätzwert für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7) innerhalb des vorgegebenen Zeitraums, der durch das Mittel (206) zum Berechnen eines Betrags einer thermischen Verschiebung berechnet worden ist, und dem Messwert für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7) innerhalb des vorgegebenen Zeitraums, der als Trainingsdaten in dem Speichermittel (204) gespeichert ist, nicht größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, wobei das Gleichungsaufstellungsmittel (205) die Gleichung in einem Fall erneut aufstellt, in dem durch das Ermittlungsmittel (207) ermittelt wird, dass die Differenz nicht größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, und die Gleichung als optimale Gleichung in einem Fall festlegt, in dem durch das Ermittlungsmittel (207) ermittelt wird, dass die Differenz nicht größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist.
Vorrichtung für maschinelles Lernen (200) nach Anspruch 1, wobei das Maschinenelement (2, 3, 4, 5, 6, 7) eine Zugspindel (4) und eine Spindeleinheit (7) der Werkzeugmaschine (150) beinhaltet, und wobei Betriebszustand des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7) eine Position, Drehzahl und/oder Temperatur der Zugspindel (4) und eine Drehzahl, Belastung und/oder Temperatur der Spindeleinheit (7) während eines Betriebs der Werkzeugmaschine (150) beinhaltet.
Vorrichtung für maschinelles Lernen (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gleichungsaufstellungsmittel (205) einen Koeffizienten in einer im Voraus aufgestellten, vorgegebenen Gleichung festlegt.
Vorrichtung für maschinelles Lernen (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Datenerfassungsmittel (202) Betriebszustandsdaten zu jedem vorgegebenen Abtastzeitpunkt des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7) von einer Steuervorrichtung (100) erfasst, die die Werkzeugmaschine (150) steuert.
Vorrichtung für maschinelles Lernen (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Mittel (203) zum Erfassen eines Betrags einer thermischen Verschiebung einen Messwert für den Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7) erfasst, der in jedem vorgegebenen Zeitintervall in einer Umgebung einer Bearbeitungsposition der Werkzeugmaschine (150) gemessen wird.
Vorrichtung (300) zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung für eine Werkzeugmaschine (150), wobei die Vorrichtung aufweist: ein Kompensationsbetrags-Berechnungsmittel (301) zum Berechnen eines Kompensationsbetrags, der dem Betrag der thermischen Verschiebung des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7) entspricht, der aus den Betriebszustandsdaten des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7) berechnet worden ist, auf Grundlage einer Gleichung, die durch die Vorrichtung (200) für maschinelles Lernen nach einem der Ansprüche 1 bis 5 optimiert worden ist; und ein Kompensationsausführungsmittel (302) zum Kompensieren der Maschinenposition des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7) auf Grundlage eines Kompensationsbetrags des Maschinenelements (2, 3, 4, 5, 6, 7), der durch das Kompensationsbetrags-Berechnungsmittel (301) berechnet worden ist.
Vorrichtung (300) zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung nach Anspruch 6, wobei die Vorrichtung (300) zum Kompensieren einer thermischen Verschiebung in einer Steuervorrichtung (100) der Werkzeugmaschine (150) beinhaltet ist.