JP2016081298A - 点列データを駆動軸の時系列データに変換して表示する時系列データ表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機械端の駆動軸に対応する位置データと駆動軸の位置フィードバックデータとを時系列で対比可能に表示する。
【解決手段】時系列データ表示装置１００は、位置フィードバックデータを所定のサンプリング周期で取得し、機械端に対する位置指令データを数値制御装置から取得し、機械端の実位置データを所定のサンプリング周期で取得し、位置フィードバックデータに基づき駆動軸上の移動点の時系列の位置データを算出し、機械端に対する時系列の位置指令データに基づき機械端の指令移動軌跡を生成し、機械端の時系列の実位置データに基づき機械端の実移動軌跡を生成し、指令移動軌跡に垂直かつ移動点を通る直線と実移動軌跡との交点である機械端の位置データを算出し、機械端の位置データを駆動軸に対応した位置データに変換し、時系列の位置フィードバックデータと時系列の位置データとを互いに同一の表示形態で表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、点列データを駆動軸の時系列データに変換して表示する時系列データ表示装置に関する。

従来より、数値制御装置から取得したサーボ情報の時系列データの波形を、同一の表示枠内に重ねて表示するようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の装置では、数値制御装置から得た現在のサーボ情報の波形と、数値制御装置から得た過去のサーボ情報の波形とを、時間軸を一致させるようにして同一の表示枠内に重ねて表示する。

特開２００３−７５４７２号公報

ところで、例えば数値制御装置によって制御される工作機械においては、機械端（工具先端点など）の位置と機械端を駆動する駆動軸の位置（位置フィードバックデータ）とが別々の計測器により計測される。したがって、サーボ調整を適切に行うためには、機械端の点列データ（位置データ）を駆動軸の位置データに変換し、変換後の位置データと駆動軸の位置フィードバックデータとを時系列で対比可能に表示することが好ましい。

本発明の一態様である時系列データ表示装置は、サーボモータの回転によって駆動する駆動軸の位置フィードバックデータであって、第１の計測器によって得られる位置フィードバックデータを所定のサンプリング周期で取得する位置フィードバックデータ取得部と、駆動軸の駆動によって移動する機械端に対する位置指令データを数値制御装置から取得する指令データ取得部と、第２の計測器によって得られる機械端の実位置データを所定のサンプリング周期で取得する位置データ取得部と、位置フィードバックデータ取得部により取得された位置フィードバックデータに基づき、駆動軸上の移動点の時系列の位置データを算出する駆動軸位置算出部と、指令データ取得部により取得された機械端に対する時系列の位置指令データに基づき、機械端の指令移動軌跡を生成する指令軌跡生成部と、位置データ取得部により取得された機械端の時系列の実位置データに基づき、機械端の実移動軌跡を生成する実軌跡生成部と、指令軌跡生成部により生成された指令移動軌跡に垂直で、かつ、駆動軸位置算出部により算出された位置データによって表される移動点を通る直線と、実軌跡生成部により生成された実移動軌跡との交点である機械端の位置データを算出する機械端位置算出部と、機械端位置算出部により算出された機械端の位置データを、駆動軸に対応した位置データに変換する位置データ変換部と、位置フィードバックデータ取得部で取得された時系列の位置フィードバックデータと、位置データ変換部で変換された時系列の位置データとを、互いに同一の表示形態で表示する表示部と、を備える。

本発明によれば、機械端の駆動軸に対応する位置データと駆動軸の位置フィードバックデータとを対比可能に表示するので、サーボ調整を容易かつ適切に行うことができる。

本発明の実施形態に係る時系列データ表示装置の全体構成を示すブロック図。 本発明の実施形態に係る時系列データ表示装置に適用される工作機械の要部構成を示す平面図。 実位置データと位置フィードバックデータとの関係を示す図。 図１の時系列データ表示装置で実行される処理の一例を示すフローチャート。 図１の時系列データ表示装置による動作を説明する図。 図１の表示部で処理により表示される表示画面の一例を示す図。 図６の変形例を示す図。

以下、図１〜図７を参照して本発明の実施形態に係る時系列データ表示装置について説明する。本発明の実施形態に係る時系列データ表示装置１は、例えば数値制御装置２によって制御される工作機械３に適用される。図１は、本発明の実施形態に係る時系列データ表示装置１の全体構成を示すブロック図である。図２は、工作機械３の要部構成を示す平面図である。

図２に示すように、工作機械３は、Ｘ軸方向に沿って延在するボールねじ３１と、Ｙ軸方向に沿って延在するボールねじ３２と、ボールねじ３１を回転させるＸ軸用サーボモータ３３と、ボールねじ３２を回転させるＹ軸用サーボモータ３４と、図示しないワークが載置されるテーブル３５とを有する。各ボールねじに３１，３２はそれぞれ図示しないナットが螺合され、各ナットはそれぞれテーブル３５の底部に固定されている。これによりサーボモータ３３，３４が回転駆動すると、ボールねじ３１，３２に沿ってナットが移動し、サーボモータ３３，３４の回転量に応じてテーブル３５がＸＹ方向に移動する。なお、図示は省略するが、テーブル３５の上方には、テーブル３５に対向して工具が配置され、テーブル３５に対して工具が相対移動し、ワークが加工される。

各サーボモータ３３，３４は、回転量検出器３３ａ、３４ａ（例えばロータリーエンコーダ）を内蔵し、回転量検出器３３ａ，３４ａによりボールねじ３１，３２（駆動軸）の回転量、すなわちナットの位置を所定のサンプリング周期Δｔ１で検出できる。なお、回転量検出器３３ａ，３４ａの代わりに、ボールねじ３１，３２に対向してスケール３６，３７（リニアスケール）を設け、スケール３６，３７により駆動軸上のナットの位置を検出することもできる。図１に示すように、サーボモータ３３，３４には数値制御装置２が接続され、回転量検出器３３ａ，３４ａにより検出された位置データは、位置フィードバックデータとして数値制御装置２に入力される。

数値制御装置２はサーボモータ３３，３４に制御信号を出力する。より具体的には、数値制御装置２は、予め記憶された加工プログラムに基づいて、各サーボモータ３３，３４に対しテーブル３５上の位置指令点Ｐ（機械端）の移動指令を出力するとともに、回転量検出器３３ａ，３４ａからのフィードバック信号に応じてサーボモータ３３，３４をフィードバック制御する。位置指令点Ｐは、図２に示すように例えばテーブル３５の中心点であり、加工プログラムには、位置指令点Ｐの座標値を含む各駆動軸の時系列の位置指令データが所定のフォーマット（Ｇコード等）で記憶されている。

各サーボモータ３３，３４に出力される位置指令は、例えば図３に示すように波形状のデータとして与えられる。これによりテーブル３５は、図２の矢印Ａに示すように繰り返し円運動を行い、位置指令点Ｐが円に沿って移動する。なお、図２では、テーブル中心点を位置指令点Ｐとしているが、工具の位置（例えば工具先端部）を位置指令点Ｐとすることもできる。

図１に示すように、工作機械３には、テーブル３５に面して測定器４が設けられ、測定器４により位置指令点Ｐの位置が計測される。測定器４には、交差格子スケールやボールバーなどを用いることができる。例えばボールバーの場合、加工プログラムの開始後、ボールバーが押し込まれると位置計測を開始し、以降、所定のサンプリング周期Δｔ２で位置計測が繰り返される。これにより、位置指令点Ｐの座標データ（実位置データ）が時系列で取得される。測定器４の位置データは、駆動軸の各成分（Ｘ軸成分、Ｙ軸成分等）に分解できる。

図３は、測定器４によって取得されたＸ軸成分の時系列の実位置データと、回転量検出器３３ａによって取得されたＸ軸成分の時系列の位置フィードバックデータとを示す図である。図３の丸印は実位置データであり、三角印は位置フィードバックデータである。実位置データと位置フィードバックデータは、位置指令データに応じてそれぞれ直線および点線に示すように正弦波状に変化する。

位置フィードバックデータと実位置データは互いに異なる測定器３３ａ，３４ａ，４で取得される。したがって、図３のように、位置フィードバックデータの測定開始時刻ｔ１と実位置データの測定開始時刻ｔ２、および位置フィードバックのサンプリング周期Δｔ１と実位置データのサンプリング周期Δｔ２は互いに異なる。このため、位置フィードバックデータと実位置データとの比較が困難であり、モータ３３，３４のサーボ調整を適切に行うことが困難である。そこで、本実施形態では、これらのデータを対比可能に表示するよう以下のように時系列データ表示装置１を構成する。

時系列データ表示装置１は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，その他の周辺回路などを有する演算処理装置を含んで構成される。図１に示すように、時系列データ表示装置１は、機能的構成として、位置フィードバック取得部１１と、指令データ取得部１２と、位置データ取得部１３と、駆動軸位置算出部１４と、指令軌跡生成部１５と、実軌跡生成部１６と、機械端位置算出部１７と、位置データ変換部１８と、表示部１９とを有する。

図４は、時系列データ表示装置１で実行される処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートを用いて、時系列データ表示装置１の各部の構成を説明する。以下では、図２に示すように、数値制御装置２が、加工プログラムに従いＸ軸用サーボモータ３３およびＹ軸用サーボモータ３４にそれぞれ位相が９０°異なる正弦波の位置指令を出力し、位置指令点Ｐを円状に動作させるものとする。

ステップＳ１では、位置フィードバック取得部１１での処理により、回転量検出器３３ａ，３４ａにより得られた時系列の位置フィードバックデータ、すなわち所定のサンプリング周期Δｔ１毎の位置フィードバックデータを、数値制御装置２を介して取得する。なお、回転量検出器３３ａ，３４ａの代わりに位置フィードバック用のスケール３６，３７が設けられている場合、スケール３６，３７によって得られた時系列の位置フィードバックデータを、数値制御装置２を介して取得する。

ステップＳ２では、指令データ取得部１２での処理により、位置指令点Ｐ（機械端）に対する時系列の位置指令データ（位置指令座標値）を数値制御装置２から取得する。位置指令データは、位置フィードバックデータと同一の周期Δｔ１で取得される。ここで、ｋ番目の位置指令データは、計測開始からｋ・Δｔ１秒後のデータであり、これを（ＰｃＸ_ｋ（ｋ・Δｔ１），ＰｃＹ_ｋ（ｋ・Δｔ１））で表す。

数値制御装置２が、機械端に対する位置指令ではなく、各駆動軸（Ｘ軸、Ｙ軸）に対する位置指令を出力する場合には、指令データ取得部１２は、その位置指令データを数値制御装置２から取得し、この位置指令データと機械構成の情報とに基づき、機械端に対する位置指令データを取得する。機械構成の情報は、ワーク座標系の原点、モータ３３，３４の１回転毎のテーブル３５の移動量、軸構成などの情報を含み、これらは予め数値制御装置２または時系列データ表示装置１に記憶されている。

ステップＳ３では、位置データ取得部１３での処理により、測定器４によって計測した位置指令点Ｐの時系列の位置データ（実位置データ）、すなわち所定のサンプリング周期Δｔ２毎の点列データである実位置データを取得する。ｋ番目の実位置データは、（ＰｍＸ_ｋ（ｋ・Δｔ２），ＰｍＹ_ｋ（ｋ・Δｔ２））で表す。

ステップＳ４では、駆動軸位置算出部１４での処理により、ステップＳ１で取得した位置フィードバックデータと予め記憶された機械構成の情報とから、機械端に対応する駆動軸上の点（移動点）の時系列の位置データを算出する。移動点は、例えばテーブル３５上の位置指令点Ｐの位置である。移動点の位置データは、位置フィードバックデータと同一の周期Δｔ１で算出され、（ＰｆＸ_ｋ（ｋ・Δｔ１），ＰｆＹ_ｋ（ｋ・Δｔ１））で表される。なお、回転量検出器３３ａ，３４ａの代わりにスケール３６，３７を設ける場合には、機械構成の情報を用いずに、位置フィードバックデータから移動点の時系列の位置データを直接算出することもできる。

ステップＳ５では、指令軌跡生成部１５での処理により、ステップＳ２で取得された時系列の位置指令データに基づき、位置指令点Ｐ（機械端）の移動軌跡、すなわち指令移動軌跡を生成する。図５は、ＸＹ平面上における指令移動軌跡ＰＡ１の一例を示す図である。本実施形態では、テーブル３５が円運動をするように数値制御装置２から位置指令が出力されるため、指令移動軌跡ＰＡ１は、原点Ｐ０を中心とした円となる。なお、図５では、１番目、２番目、３番目の位置指令点Ｐの位置を、それぞれＰｃ１、Ｐｃ２、Ｐｃ３で表す。

ステップＳ６では、実軌跡生成部１６での処理により、ステップＳ３で取得された機械端の時系列の実位置データに基づき、機械端の移動軌跡、すなわち実移動軌跡ＰＡ２を生成する。図５のＰｍ１、Ｐｍ２、Ｐｍ３、Ｐｍ４は、１番目、２番目、３番目、４番目の実位置データを表す。実移動軌跡ＰＡ２の座標（ＰｍＸ，ＰｍＹ）は、隣り合う実位置データの間、すなわちｋ−１番目の実位置データ（ＰｍＸ_ｋ−１，ＰｍＹ_ｋ−１）とｋ番目の実位置データ（ＰｍＸ_ｋ，ＰｍＹ_ｋ）の間を、例えば次式(I)により一次近似直線で補間することにより得られる。

ステップＳ７では、機械端位置算出部１７での処理により、ステップＳ５で算出された指令移動軌跡ＰＡ１に垂直で、かつ、ステップＳ４で算出された位置データによって表される移動点を通る直線を算出する。図５のＰｆ１、Ｐｆ２、Ｐｆ３は、ステップＳ４で算出された位置データによって表される１番目、２番目、３番目の移動点を表し、ステップＳ７では、まず各移動点Ｐｆ１，Ｐｆ２，Ｐｆ３を通る指令移動軌跡に垂直な直線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を算出する。

次いで、これら直線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３と、ステップＳ６で生成された実移動軌跡ＰＡ２との交点Ｐｍａ１，Ｐｍａ２，Ｐｍａ３の座標、すなわち機械端の位置データを算出する。算出された位置データは、位置フィードバックデータにより得られた移動点Ｐｆ１，Ｐｆ２，Ｐｆ３と同一時刻の位置データであり、移動点の位置データに対応する。したがって、１番目の位置データは、回転量検出器３３ａ，３４ａによる測定開始時刻ｔ１（図３）におけるデータである。なお、機械端のｋ番目の位置データは、位置フィードバックと同一のサンプリング周期Δｔ１を用いて（ＰｍａＸ_ｋ（ｋ・Δｔ１），ＰｍａＹ_ｋ（ｋ・Δｔ１））で表される。

ステップＳ８では、位置データ変換部１８での処理により、ステップＳ７で算出された機械端の位置データ（ＰｍａＸ_ｋ（ｋ・Δｔ１），ＰｍａＹ_ｋ（ｋ・Δｔ１））を、機械構成の情報を用いて各駆動軸（Ｘ軸、Ｙ軸）に対応した位置データに変換する。本実施形態では、機械構成がＸＹの直交２軸の構成で、機械端（位置指令点Ｐ）が円に沿って移動するため、Ｘ軸に対応した位置データは、ＰｍａＸ_ｋ（ｋ・Δｔ１）であり、Ｙ軸に対応した位置データは、ＰｍａＹ_ｋ（ｋ・Δｔ１）となる。

ステップＳ９では、表示部１９での処理により、ステップＳ１で取得された各駆動軸の時系列の位置フィードバックデータと、ステップＳ８で変換された各駆動軸の時系列の位置データとを、互いに同一の表示形態でモニタに表示する。図６は、モニタに表示される表示画面の一例を示す図である。図中、例えばＸ軸の位置フィードバックデータを三角印で、ステップＳ８で算出されたＸ軸に対応する位置データを丸印で示す。図６に示すように、算出された位置データの測定開始時刻はｔ１、サンプリング周期はΔｔ１となり、位置フィードバックデータと位置データとは、互いに同一時刻のデータとして同一のグラフ上に時系列で重ねて表示される。

これによりサーボモータの時定数やゲイン等のパラメータを調整した際の機械端への影響を、駆動軸毎に評価することができ、モータのサーボ調整を適切に行うことができる。すなわち、位置フィードバックデータと位置データとのずれがパラメータの設定に起因するものか、それともモータ、ボールねじ、ナット等の機構部の伝達特性に起因するものかを推定することができる。例えば、パラメータを変更しても両者のずれが解消されない場合には、機構部の伝達特性に原因があると推定することができる。

このように本実施形態に係る時系列データ表示装置１は、サーボモータ３３，３４の回転によって駆動する駆動軸の位置フィードバックデータであって、回転量検出器３３ａ，３４ａまたはスケール３６，３７によって得られる位置フィードバックデータをサンプリング周期Δｔ１で取得する位置フィードバックデータ取得部１１と、駆動軸の駆動によって移動する機械端（位置指令点Ｐ）に対する位置指令データを数値制御装置２から取得する指令データ取得部１２と、計測器４によって得られる機械端の実位置データをサンプリング周期Δｔ２で取得する位置データ取得部１３と、位置フィードバックデータ取得部１１により取得された位置フィードバックデータに基づき、駆動軸上の移動点の時系列の位置データを算出する駆動軸位置算出部１４と、指令データ取得部１２により取得された機械端に対する時系列の位置指令データに基づき、機械端の指令移動軌跡ＰＡ１を生成する指令軌跡生成部１５と、位置データ取得部１３により取得された機械端の時系列の実位置データに基づき、機械端の実移動軌跡ＰＡ２を生成する実軌跡生成部１６と、指令軌跡生成部１５により生成された指令移動軌跡ＰＡ１に垂直で、かつ、駆動軸位置算出部１４により算出された位置データによって表される移動点を通る直線Ｌ１〜Ｌ３と、実軌跡生成部１６により生成された実移動軌跡ＰＡ２との交点である機械端の位置データを算出する機械端位置算出部１７と、機械端位置算出部により算出された機械端の位置データを、駆動軸に対応した位置データに変換する位置データ変換部１８と、位置フィードバックデータ取得部１１で取得された時系列の位置フィードバックデータと、位置データ変換部１８で変換された時系列の位置データとを、互いに同一の表示形態で表示する表示部１９とを備える。これにより、機械端の各駆動軸に対応した位置データと各駆動軸の位置フィードバックデータとを時系列で対比可能に表示することができ、サーボ調整を適切に行うことができる。

なお、上記実施形態では、表示部１９での処理により、位置フィードバックデータ取得部１１で取得された時系列の位置フィードバックデータと、位置データ変換部１８で変換された時系列の位置データとを、モニタに対比可能に表示するようにしたが、さらに指令データ取得部１２で取得された時系列の位置指令データをモニタに同時に表示するようにしてもよい。

図７は、その一例を示す図である。図中、黒丸が位置指令データを表す。これにより同一時刻の位置データと位置指令データとを比較することができ、位置データが位置指令データに一致するようにサーボ調整を適切に行うことができる。その結果、ワークの加工精度を改善することができる。

なお、指令データ取得部１２において、機械端に対する位置指令データを数値制御装置２から取得する際（ステップＳ２）、数値制御装置２から各駆動軸に対する位置指令データを取得し、この位置指令データと機械構成の情報とに基づき、機械端に対する位置指令データを算出し、これにより位置指令データを取得してもよい。すなわち、機械端に対する位置指令データを数値制御装置２から直接取得するのではなく、各駆動軸に対する位置指令データを用いて、機械端に対する位置指令データを算出することもできる。

上記実施形態では、実軌跡生成部での処理により、時系列の機械端の実位置データ間を直線で補間して実移動軌跡を生成するようにしたが（式(I)）、時系列の機械端の位置データ間を多項式を用いて補間して実移動軌跡を生成することもできる。この場合の多項式としては、例えば次式(II)を用いることができる。

上記実施形態では、回転量検出器３３ａ，３４ａまたはスケール３６，３７によって位置フィードバックデータを取得するようにしたが、第１の計測器の構成はこれに限らない。上記実施形態では、測定器４によって機械端の実位置データを取得するようにしたが、第２の計測器の構成もこれに限らない。本発明は、数値制御装置によって制御されるサーボモータを有する工作機械であれば、上述した以外の工作機械３にも同様に適用することができる。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態および変形例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。すなわち、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能である。

１ 時系列データ表示装置
１１ 位置フィードバック取得部
１２ 指令データ取得部
１３ 位置データ取得部
１４ 駆動軸位置算出部
１５ 指令軌跡生成部
１６ 実軌跡生成部
１７ 機械端位置算出部
１８ 位置データ変換部
１９ 表示部

Claims (5)

1. サーボモータの回転によって駆動する駆動軸の位置フィードバックデータであって、第１の計測器によって得られる位置フィードバックデータを所定のサンプリング周期で取得する位置フィードバックデータ取得部と、
   前記駆動軸の駆動によって移動する機械端に対する位置指令データを数値制御装置から取得する指令データ取得部と、
   第２の計測器によって得られる前記機械端の実位置データを所定のサンプリング周期で取得する位置データ取得部と、
   前記位置フィードバックデータ取得部により取得された前記位置フィードバックデータに基づき、前記駆動軸上の移動点の時系列の位置データを算出する駆動軸位置算出部と、
   前記指令データ取得部により取得された前記機械端に対する時系列の前記位置指令データに基づき、前記機械端の指令移動軌跡を生成する指令軌跡生成部と、
   前記位置データ取得部により取得された前記機械端の時系列の実位置データに基づき、前記機械端の実移動軌跡を生成する実軌跡生成部と、
   前記指令軌跡生成部により生成された前記指令移動軌跡に垂直で、かつ、前記駆動軸位置算出部により算出された前記位置データによって表される前記移動点を通る直線と、前記実軌跡生成部により生成された前記実移動軌跡との交点である前記機械端の位置データを算出する機械端位置算出部と、
   前記機械端位置算出部により算出された前記機械端の位置データを、前記駆動軸に対応した位置データに変換する位置データ変換部と、
   前記位置フィードバックデータ取得部で取得された時系列の前記位置フィードバックデータと、前記位置データ変換部で変換された時系列の前記位置データとを、互いに同一の表示形態で表示する表示部と、を備えることを特徴とする時系列データ表示装置。
2. 請求項１に記載の波形表示装置において、
   前記表示部は、前記位置フィードバックデータと前記位置データとに加え、前記指令データ取得部で取得された時系列の前記位置指令データを同時に表示することを特徴とする時系列データ表示装置。
3. 請求項１または２に記載の時系列データ表示装置において、
   前記指令データ取得部は、前記数値制御装置から前記駆動軸に対する位置指令データを取得し、この位置指令データと前記機械構成の情報とに基づき、前記機械端に対する位置指令データを取得することを特徴とする時系列データ表示装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の時系列データ表示装置において、
   前記実軌跡生成部は、前記時系列の機械端の実位置データ間を直線で補間して前記実移動軌跡を生成することを特徴とする時系列データ表示装置。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の時系列データ表示装置において、
   前記実軌跡生成部は、前記時系列の機械端の実位置データ間を多項式を用いて補間して前記実移動軌跡を生成することを特徴とする時系列データ表示装置。

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