JP2006518674A - オンデマンド適応制御系 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】適応制御系が提供する負荷監視能力は、スピンドル駆動装置126からの入来負荷信号を監視する。監視対象入来負荷が設定警告レベルを上回った場合、警告出力がアクティブとされ、入来負荷が設定警告レベル未満へ低下するまで維持される。入来負荷が設定警告レベルを上回る場合、警告出力と送り留保出力がアクティブとされ、適応コントローラのリセットが要求されるまで維持される。通常の切削操作は、警報レベルを生成した状態に対処されるまでは再開することはできない。工作機械128の適応制御操作は、入来負荷の監視と比例積分微分(PID)コントローラ(104,106,108)アルゴリズムに基づき送り速度変化を要求することでもたらされる。
Description
設定点(SP;Set Point);スピンドル駆動装置が保持すべき所望の負荷を表わす。
警告限界;コントローラが警告出力ビットを設定することになる負荷レベルを表わす。
警報限界;コントローラが帰還保持及び警告出力ビットを設定することになる負荷レベルを表わす。
負荷モニタイネーブル;スピンドル負荷の能動的監視を要求するものである。
PID制御イネーブル;適応制御の起動を要求するものである。
コントローラリセット;全ての未決警報とPIDループ制御をリセットするものである。
PIDアクティブ;適応コントローラがアクティブであって、アナログ出力に関する変化を計算中である。
警告アクティブ;負荷モニタが所望の警告限界を上回る負荷を検出した。
警報アクティブ;負荷モニタが所望の警報限界を上回る負荷を検出した。
送り留保アクティブ;適応コントローラが警報を検出し、CNCに動きを停止することを要求する。
エラー;適応コントローラが制御アルゴリズムエラー状態を検出した。
速度エラー;適応コントローラが動作限界外のスピンドル速度を検出した。
ここで、
Kp=比例ゲイン
Ki=積分ゲイン
Kd=微分ゲイン
である。
である場合、
ε=0
PID制御アルゴリズムに付随する別の問題は、それが慣性応答内の変化に感応しないことである。機械加工工程は従来は材料の除去を通じて達成され、かくして閉ループ系の質量の変化が力の変化を招く。制御系を非常に低い慣性質量を用いて調整した場合、慣性質量が著しく増大したときに制御が不安定になることがある。このことは、被加工物を動かす経路軸を飽和させ(すなわち覆いかぶさり)得る補正解に通ずることもある。この状態に対処するため、回転制御アルゴリズムがPID計算の出力に付加されてきた(ブロック112)。この回転制御だけが、最大量分を変化させる補正出力を可能にする。PID計算の出力が先の解を回転限界分だけ上回る場合、新たな解を先の解と回転限界の総和に固定する。変化率が固定されているため、その解は固定量に固定され、そのことが機械の慣性応答に起因する力を制限しよう。回転統制は、以下の擬似コードにより表わすことができる。
である場合、
CV=CVlast+回転限界
かくして、ΔCVは加速度であり、ニュートンの法則(F=ma)から以下が得られることが判る。
CVが変化することのできるレートを制限することで、慣性応答と得られる力を制限し、より高いゲインをPIDループ内に設けることができる。
である場合、
CV=最大固定値
(CV<最小固定値)
である場合、
CV=最小固定値
一旦補正解を計算し、上記に説明した制御を介して処理すると、動きコントローラの軸経路送り速度コマンド入力に整合するよう解を倍率換算する必要がある。異なるコントローラは異なる要件を有するので、それを統合する動きコントローラの要求に適切に整合させる倍率換算器アルゴリズム(ブロック116)を追加してある。倍率換算器アルゴリズムは、以下の式により表わすことができる。
この適応制御系の主要な特徴は、操作を簡単化する「デマンドスイッチ」アルゴリズム(ブロック118)である。デマンドスイッチは、監視対象負荷に基づき適応制御系を自動的に起動或いは停止することで機能する。これにより、ユーザは手動により或いはプログラムを通じて適応制御機能を「イネーブルとする」ことができるが、それは必要に応じて起動するだけである。
である場合、
CVout=CVscale
そうではなく、
(PVscale<着装限界+オフセット)
である場合、
CVout=プログラムした送り速度
となる。
であれば、
FeedHoldout=1
PID計算が対処することのできない最後の一つの状態は、プログラムされた負荷設定点(SP)に監視工程変数(PV)を整合させるスピンドル駆動装置126の帰還の倍率換算である。一部の駆動装置は、この駆動装置がモータに対し現在出力しているピーク負荷に基づき出力を供給する。他の駆動システムは、平均的な負荷出力RMS(二乗平均)に基づいて出力を供給する。プログラムされた出力が監視された帰還に整合しない場合は、適応コントローラ60の動作は混乱したものとなることがある。異なるスピンドル駆動装置126は異なる出力能力を有するため、換算アルゴリズム(ブロック134)を追加し、それを組み込むスピンドル駆動装置の能力に適切に整合させるようにしてある。帰還換算アルゴリズムは、以下の等式により表わすことができる。
上記の拡大PIDアルゴリズムにより軸経路送り速度を変更することで、工具負荷は単純かつ簡単に制御することができる。
設定点限界150
警報限界250
ユーザインタフェース内のセットアップに対する最後の領域は、適応コントローラ内のPID設定である。これは、適応ユーザインタフェース画面40へ戻ることによって達成される。この画面上に設定する最初の項目は、PLCコントローラ60上のD/A変換器に関するものである。例示設定は、以下の通りである。
出力@100%:12600
初期化時間:8ミリ秒
UI画面40上の次の項目は、スピンドル速度に関係がある。適応制御モジュール60は、スピンドルモータ68の基本速度を上回って動作させるよう設計してある。この項目は、スピンドルの基本速度チェックをその最大速度の百分率として設定する。基本速度百分率は、CNC機械70上で使用するスピンドルに関する最大速度の百分率として設定すべきである。一例示設定は、以下の通りである。
最大スピンドル速度:6000RPM
スピンドルの基本速度:600RPM
基本速度:10%
UI画面40上に設定する必要のある最後の項目は、PID制御アルゴリズムである。
これらの項目が、PID制御装置が動作する特性を設定する。以下の値は、標準動作用の典型である。これらのうちのごく僅かは、常に調整を必要としよう。
CVバイアス:数値0
不感帯:数値50
CV上側固定値:数値17400
CV下側固定値:数値−12600
最小回転時間:0秒
サンプル周期:10ミリ秒
着装点:5%
上記の値から、3個の項目だけが常に調整を必要としなければならない。「CVバイアス」は、スピンドルが零RPMであるときにスピンドル増幅器66から出力電圧が存在するときに用いる。通常の環境下では、PIDアルゴリズムはスピンドル負荷に対するほどほどのバイアスにあってさえ満足できる状態で動作できる。この理由から、この値は決して変更の必要があってはならない。
12,14,16,18 領域
22,24 指示計
30 「適応セットアップ」画面
32 ユーザ設定
34 指示計目盛り
36 制御限界
38 「通信ステータス」欄
40 「PID設定」画面
50 「PLC情報」画面
60 適応コントローラ
62,64 ハードウェア入力端
68 スピンドルモータ
70 CNC
80 パソコン
90 プログラム可能な機械コントローラ(PMC)
100 適応制御系
102 不感帯
104 機能ブロック(比例)
106 機能ブロック(積分)
108 機能ブロック(微分)
110 バイアス
112 回転制御
114 最大/最小限界
116 送り倍率換算器
118 デマンドスイッチ
120 動きコントローラ
122 スピンドル制御
124 軸制御
126 スピンドル駆動装置
128 工具
130 被加工物
134 帰還倍率換算器
182 軸モータ
Claims (10)
- コンピュータ制御された工具により機械加工工程期間中の加工物からの材料の塊状除去の適応制御方法であって、
前記工具が能動的切削モードにないときにスピンドル駆動装置上の定常負荷を割り出すステップと、
前記能動切削期間中に前記スピンドルの回転負荷を計測するステップと、
前記定常負荷に基づき前記スピンドルの回転負荷を調整するステップと、
制御アルゴリズムを用いて前記調整されたスピンドル負荷の関数として前記被加工物に関する新規経路送り速度を割り出すステップと、
動きコントローラからの信号を確認することで前記割り出された新規経路送り速度に基づき現在の送り速度を調整するステップとを含む、方法。 - 前記割り出された経路送り速度を固定することで該割り出された経路送り速度の変化率を制限し、前記現在の経路送り速度を制御アルゴリズムの各連続的な反復期間中にプリセット量だけ変化させられるようにするステップをさらに含む、請求項1記載の適応制御方法。
- 被加工物上でコンピュータ制御工具により機械加工作業するオンデマンド適応制御系であって、
前記工具用スピンドルモータを制御し、前記スピンドルの負荷を表わす信号を出力するスピンドル駆動装置と、
前記スピンドル負荷を監視し、前記工具に関連して前記被加工物に関する経路送り速度を割り出す適応コントローラと、
前記スピンドル負荷に基づき前記適応制御を自動的にイネーブルとするデマンドスイッチと、
前記適応コントローラからの出力信号に応答して前記経路送り速度を調整する動きコントローラとを備える、オンデマンド適応制御系。 - 複数の軸モータをさらに備え、各軸モータが前記動きコントローラから受信した軸制御信号に基づき前記被加工物の送り速度動作を制御する、請求項3記載のオンデマンド適応制御系。
- 前記適応コントローラは、閉ループ負帰還制御アルゴリズムを用いた機械加工作業を制御する制御論理回路を含む、請求項3記載のオンデマンド適応制御系。
- 設定点と工程変数との間の差分を比例/積分/微分(PID)アルゴリズムに対する入力として供給し、前記動きコントローラに供給する制御変数を割り出して経路送り速度を調整する、請求項3記載のオンデマンド適応制御系。
- 前記適応制御は、前記スピンドル負荷がプリセット限界及びオフセット値未満に低減したときに停止させ、前記スピンドル負荷がプリセット限界及びオフセットを超えて増大したときに起動する、請求項3記載のオンデマンド適応制御系。
- 被加工物上でコンピュータ制御された工具による機械加工作業のオンデマンド適応制御系であって、
工具用のスピンドルモータを制御し、前記スピンドル負荷を表わす信号を出力するスピンドル駆動装置と、
前記スピンドル負荷を監視し、前記工具に関連する前記被加工物用の経路送り速度を割り出す適応コントローラと、
前記スピンドルの負荷に基づき前記適応制御を自動的にイネーブルとするデマンドスイッチと、
前記適応コントローラからの出力信号に応答して経路送り速度を調整する動きコントローラと、
前記適応コントローラをセットアップし監視するインタフェースとを備える、オンデマンド適応制御系。 - 前記インタフェースは、負荷監視モジュールと適応監視モジュールと制御監視モジュールと通信監視モジュールとを備える、請求項8記載のオンデマンド適応制御系。
- 前記インタフェースは、前記適応コントローラの制御論理モジュール内の比例/積分/微分(PID)制御アルゴリズムの特性を設定する表示をオペレータに供給する、請求項8記載のオンデマンド適応制御系。
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