JP4446068B2 - 工作機械用の数値制御装置および工作機械を制御する数値制御方法 - Google Patents

Description

本発明は制御装置に関し、特に、サーボモータの制御器を含む工作機械用の数値制御（「ＮＣ」）装置に関する。

工具又はワーク器具は、多くの場合、移動体、例えばドリル用の刃又はワークテーブルの移動面を含んでいる。これら移動体は従来からサーボモータによって動作し、サーボモータはサーボ制御器によって調整される。工具用の位置検出器は、一般に、移動体の位置又は速度を測定し、信号をサーボ制御器へ送る。次に、サーボ制御器は移動体の位置又は速度が入力値に等しくなるようサーボモータを制御する。入力値は数値制御装置内で発生し、サーボ制御器は数値制御装置の単なる一構成要素である。

現代制御理論の発展は、工作機械用サーボシステムの開発および設計に強い影響を及ぼした。現代制御理論では、システムパラメータを含み状態方程式として知られる、制御システムの数学的モデルを作成することによって制御システムを動的にモデル化する必要がある。そのようなアプローチは、一般的には、従来の比例積分微分制御器（「ＰＩＤ」）を利用する制御器の設計よりも複雑である。

制御システムをモデル化するために、基準入力を制御システムへ供給する同定実験を行わなければならない。サーボ制御器は工作機械に取り付けられたサーボモータを制御し、サーボモータは移動体を動作させる。移動体の種々の状態を表す測定データは、基準入力毎に収集され、測定データは数値制御装置のメモリに記憶される。特許文献１はそのような測定データを収集できる数値制御装置を開示している。一般に、測定データは数値制御装置からシリアル・インターフェイスを介してＭＡＴＬＡＢ(登録商標）のような数学的ツールがインストールされた外部のコンピュータへ転送される。そのコンピュータは、基準入力および対応する測定データに基づいて制御システムをモデル化する。
特開平６−１８２６５１号公報

収集した測定データを用いて、仮想の制御器が、制御システムの状態方程式又はモデルに基づいて、外部コンピュータを用いて設計され模擬実験される。もし模擬実験された制御器を用いたときに制御システムが仕様に合致して動作すれば、数値制御装置の内部で使用するための物理的な制御器が製作される。そうでなければ、模擬実験の結果が満足するものになるまで仮想の制御器の中のゲインが調整される。

上述の通り、測定データは、一般に、数値制御装置の中で収集されるが、モデル化と制御器の設計は、通常、外部のコンピュータの中で実行される。モデルが外部で生成されなければならないというのがこのような技術の欠点である。

したがって、従来の数値制御装置の欠点を克服するための工作機械用の数値制御装置を提供することが望ましい。加えて、先行技術のモデル化システムの欠点を克服するため、制御システムをモデル化し制御器を設計および模擬実験できる工作機械用の数値制御装置を提供することが望ましい。
本発明の目的は、先行技術の数値制御装置にある不都合、特に、制御システムのモデル化に関わる不都合に取り組むことである。

本発明の一面によれば、サーボモータと該サーボモータによって動作する移動体を含む制御システムを備えた工作機械用の数値制御装置において、システムパラメータを有し前記制御システムの位置および電流値を変数とする状態方程式に基づく推定出力を発生するモデルと；指令値を発生する指令発生器と；前記指令値の入力に応答して基準入力を発生させるとともに、該基準入力を前記制御システムあるいは前記モデルに送る基準入力発生器と；該基準入力発生器を前記制御システムあるいは前記モデルのどちらかへ接続するスイッチと；前記指令値の入力に応答して模擬実験電流を発生させるとともに、該模擬実験電流を前記モデルへ送るスライディングモード制御器と；前記制御システムの出力を測定し測定出力を発生する検出器と；前記測定出力と前記推定出力を記憶する解析部と；前記基準入力、前記模擬実験電流、前記システムパラメータを含む操作者入力を受け取り、前記システムパラメータを設定する画面と、前記推定出力を前記測定出力と共に表示する画面と、前記制御システムの極を入力し前記スライディングモード制御器の切換超平面を設計する画面と、前記推定出力を前記指令値と共に表示する画面と、を作成するユーザインターフェイス部と；を有する。

本発明の他の面によれば、サーボモータと該サーボモータによって動作する移動体を含む制御システムを備えた工作機械を制御する数値制御方法において、前記工作機械は、システムパラメータを有し前記制御システムの位置および電流値を変数とする状態方程式に基づく推定出力を発生するモデルを備え、基準入力を設定するステップ；指令値を基準入力発生器へ送るステップ；所定のスイッチにより前記基準入力発生器と前記制御システムを接続しつつ前記指令値の入力に応答して前記基準入力を前記基準入力発生器から前記制御システムへ供給するステップ；前記制御システムの出力を測定するステップ；前記制御システムの測定出力を記憶するステップ；前記システムパラメータを設定するステップ；
所定のスイッチにより前記基準入力発生器と前記モデルを接続しつつ前記指令値の入力に応答して前記基準入力を前記基準入力発生器から前記モデルへ供給するステップ；前記推定出力を記憶するステップ；前記推定出力を前記測定出力と共に表示する画面を用いて前記推定出力を前記測定出力と比較する第１の比較ステップ；前記システムパラメータを設定する画面を用いて該システムパラメータを調整するステップ；前記スライディングモード制御器の設計パラメータを設定するステップ；模擬実験電流を設定するステップ；前記指令値を前記スライディングモード制御器へ送るステップ；前記指令値の入力に応答して前記模擬実験電流を前記スライディングモード制御器から前記モデルへ供給するステップ；前記指令値の入力に応答して前記模擬実験電流を前記スライディングモード制御器から前記制御システムへ供給するステップ；前記推定出力を前記指令値と共に表示する画面を用いて前記推定出力を前記指令値と比較するステップ；前記制御システムの極を入力し前記スライディングモード制御器の切換超平面を設計する画面を用いて前記スライディングモード制御器の設計パラメータを調整するステップ；を含んで成る。

これで発明の本質をすぐに理解できるが、後に詳細に述べる発明の好適な実施例を参照することによって、発明をより完全に理解できる。しかし、他の実施例を利用したり、本発明の範囲から逸脱することなく発明の好適な実施例に変更を加えることもできる。

図１を参照して、工作機械用の数値制御装置（「ＮＣ」）を以下に詳細に説明する。
テーブル３４は、リニアモータ３６によって駆動される。図示された実施例では、数値制御装置１０は比例積分（「ＰＩ」）制御器１２とスライディングモード制御器（「ＳＭＣ」）１３を含み、スイッチ１８によってそれらのどちらか一方をサーボ制御器として択一的に使用できる。サーボ制御器は、特定入力ｕとして制御電流を電力増幅器３２を介してリニアモータ３６へ提供する。テーブル３４あるいはリニアモータ３６の位置は、位置検出器３８によって測定される。測定位置ｘは、ＮＣ装置１０へ送られ、測定位置ｘと指令位置ｒとの偏差ｅがサーボ制御器へ供給される。テーブル３４とリニアモータ３６を含む制御システムは、数式１の運動方程式によって表される。
ここで、Ｍは質量、ｘはリニアモータ３６の位置、Ｋｔはモータ推力定数、ｉは電流、ｃはダンピング定数、ｋはばね定数である。
数式１の運動方程式を、数式２へ変形することができる。
ここで、Ｋｍ、ｃｍ、ｋｍは、数式３の通り与えられる。
これに関連して、制御システムの状態方程式は、数式４の通り表される。

解析部２３は、測定位置ｘを記憶するメモリ（図示しない）を有している。ＮＣ装置１０は制御システムのモデル１４を含み、ＮＣ装置１０の中では、ＰＩ制御器１２はスイッチ１６を介してモデル１４へ接続され、ＳＭＣ１３はスイッチ１７を介してモデル１４へ接続されている。モデル１４の出力ｘ’は解析部２３へ接続されている。

ＮＣ装置１０は、さらに、ユーザインタフェイス（「ＵＩ」）部２４、表示部２５、入力部２６、指令発生器２７を含む。表示部２５は、ブラウン管（「ＣＲＴ」）あるいは液晶表示（「ＬＣＤ」）装置のような、テキストおよびイメージを表示する表示モニタである。入力部２６は、アプリケーション・プログラムに加えてコンピュータ・オペレーティングシステム・プログラムを動作させ制御するために、指令あるいはデータを入力するためのものであり、例えばキーボードである。入力部２６は、また、ＵＩ部２４との対話やＵＩ部２４に対する制御の一部として表示部２５上に表示された画像やテキスト・オブジェクトを選択し操作するために使用できる。この点で、入力部２６は、また、本発明の範囲を逸脱することがなければ、ジョイスティック、マウス、トラックボール、タッチパッドを含むあらゆる種類の指示装置である。

ＵＩ部２４は、操作者４のようなユーザがサーボ制御器を設計できるようにグラフィカルユーザインタフェイス（「ＧＵＩ」）を使用して画面を作成する。ＵＩ部２４は操作者入力を受け取り、ＰＩ制御器１２、ＳＭＣ１３、モデル１４、スイッチ１６、スイッチ１７、スイッチ１８、解析部２３、表示部２５、入力部２６、指令発生器２７に接続されている。指令発生器２７は、ＵＩ部２４の出力に応答して指令位置ｒを発生する。指令位置ｒは、選択されたサーボ制御器と解析部２３へ送られる。

図面、特に図２を参照し対応する図３、４、５、６、７、８、９、１０、１１を参照して、数値制御装置１０の動作を以下に詳細に説明する。
操作者４は、まず、スライディングモード制御器１３を設計するため、制御システムを同定しなければならない（ステップＳ１）。特に、この同定実験によって、システムパラメータＫｍ、ｃｍ、ｋｍが求められる。最初に、操作者４が適当なメニューで電流ステップのタブを選択すると、表示部２５は「電流ステップ」画面（図３）を表示する。「電流ステップ」画面を用いて、操作者４は、例えば基準入力の特定のような、同定実験用の条件を設定できる。

図３中に示された例では、ＰＩ制御器１２は基準入力としてステップ電流を発生するよう構成されているので、制御システムの出力ステップ応答が測定される。特に、「初期振幅（％）」は振幅であり、「時間」はステップ電流の持続時間である。さらに、積分ゲイン、フォワ−ド経路制御用の比例ゲイン、バック経路制御用の比例ゲインが、「電流ステップ」画面上の適当な空欄中に設定される。

操作者４が、「電流ステップ」画面上の「移動実行」コントロールを選択すると、ＰＩ制御器１２のゲインはＵＩ部２４へ入力された値へ設定される（ステップＳ２）。ＵＩ部２４は、指令発生器２７がＰＩ制御器１２へ接続されるとともにＰＩ制御器１２がリニアモータ３６へ接続されるようスイッチ１６とスイッチ１８を制御する。ユーザインタフェイス部２４の出力に応答して、指令発生器２７はＰＩ制御器１２が基準ステップ電流を発生するよう指令位置ｒを発生する。このようにして、基準ステップ電流はリニアモータ３６へ供給され、位置検出器３８はテーブル３４あるいはリニアモータ３６のどちらかの測定位置ｘを検出する。測定位置ｘは解析部２３のメモリ中に記憶される。

操作者４が「グラフ表示」コントロールをクリックすると、グラフの種類、色、他の特徴を設定するためのメニュー（図示しない）が表示される。解析部２３は測定位置ｘを読み取り、実際の位置、速度あるいは加速度を計算する。図４中に示されるように、ＵＩ部２４は、解析部２３のメモリからデータと、設定時間に対してプロットされ表示画面２５上に表示された測定データのグラフとを受け取る。

図５中に示されるように、作業者４は、また、表示部２５に「システム同定」画面を表示することもできる（ステップＳ３）。作業者４は、モデル１４のシステムパラメータが制御システムのそれに一致するようシステムパラメータＫｍ、ｃｍ、ｋｍを設定する。これらシステムパラメータによって、制御システムの数学モデルが定められる。
操作者４が「システム同定」画面中の「実験結果と比較」コントロールをクリックすると、ＵＩ部２４はシステムパラメータＫｍ、ｃｍ、ｋｍをモデル１４中に組み入れ、モデル１４がＰＩ制御器１２へ接続されるようスイッチ１６を制御する（ステップＳ４）。ＵＩ部２４の出力に応答して、指令発生器２７はＰＩ制御器１２が所定のステップ電流を発生するよう指令位置ｒを発生する。ステップ電流が基準としてモデル１４へ供給され、モデル１４の出力ｘ’が解析部２３へ供給される。解析部２３は推定位置ｘ’、推定速度、測定位置、測定速度をＵＩ部２４へ供給する。

比較の容易のため、基準入力に対するモデル１４の出力が、基準入力に対する制御システムの応答と並んで、表示部２５上に表示される。図６中に示されるように、このグラフは、推定位置、推定速度、測定位置、測定速度を含んでいる。このグラフの、測定位置と測定速度を表す部分は、図４中にプロットされたデータと同じである。
操作者４は、モデル１４が適正であることを保証するため、推定値が測定結果と一致するか否かを決定する（ステップＳ５）。もし操作者４がモデル１４は適正であると判断すれば、処理はステップＳ６へ進む。そうでなければ、処理はステップＳ３へ進む。

操作者入力に応答して、スライディングモード制御器１３を設計するためのユーザ画面が表示部２５上に表示される（ステップＳ６）。図７中に示されるように、「超平面設計」画面はそのような画面の一つである。この画面では、操作者４は、制御システムの状態を調整する切換超平面を設計できる。入力フィールド「ｐ１」および「ｐ２」は制御システムの極を示し、入力フィールド「ｐｒｅ」および「ｐｉｍ」は、それぞれ、実部の係数と虚部の係数を示す。操作者４が「超平面設計」コントロールをクリックすると、ＵＩ部２４は公知の極配置法を用いて切換超平面を設計し、ＳＭＣ１３中に切換超平面を実現する。

それから、操作者４はモデル１４によってＳＭＣ１３を模擬実験する（ステップＳ７）。図８中に示されるように、「チェック応答」画面が、操作者入力に応答して、表示部２５上に表示され、そこで操作者４はさらに模擬実験の条件を設定できる。操作者４はステップ応答か放物線応答を選択できる。
操作者４は、模擬実験の持続時間を表す「模擬実験時間」と、テーブル３４あるいはリニアモータ３６の移動を表す「距離」 を入力する。操作者４が「模擬実験」コントロールをクリックすると、ＵＩ部２４は、指令発生器２７がＳＭＣ１３へ接続されるとともにＳＭＣ１３がモデル１４へ接続されるよう、スイッチ１３とスイッチ１４を制御する。ＵＩ部２４の出力に応答して、指令発生器２７はＳＭＣ１３が所定の電流を発生するよう指令位置ｒを発生する。こうして、基準入力がモデル１４へ供給され、モデル１４の出力ｘ’が解析部２３へ送られる。

解析部２３は、指令位置、指令速度、推定位置、推定速度をＵＩ部２４へ供給する。図９中に示されるように、ＵＩ部２４は、比較の容易のため、推定値と指令値をプロットしている。
操作者４は、推定値を指令値と比較し、スライディングモード制御器１３が満足するものか否かを判断する（ステップＳ８）。操作者４がＳＭＣ１３は満足するものと判断すれば、処理はステップＳ９へ進む。そうでなければ、処理はステップＳ６へ進む。

図１０中に示されるように、操作者入力に応答して、「応答」画面が表示部２５中に表示される。「応答」画面では、操作者４は、ステップ応答か放物線応答かの選択を含むスライディングモード制御器１３用の実験パラメータを設定する。操作者４が「収集結果を表示」コントロールをクリックすると、ＵＩ部２４は、指令発生器２７がＳＭＣ１３へ接続されるとともにＳＭＣ１３がリニアモータ３６へ接続されるようスイッチ１７とスイッチ１８を制御する。ＵＩ部２４の出力に応答して、指令発生器２７はＳＭＣ１３が設定電流を発生するよう指令位置ｒを発生する。

図１１中に示されるように、ＵＩ部２４は、解析部２３から測定位置と指令位置を入力し、比較の容易のためこれらの値をプロットする（ステップＳ１０）。操作者４は、測定位置を指令位置と比較し、スライディングモード制御器１３が満足するものか否かを判断する。操作者４がスライディングモード制御器１３は満足するものと判断すれば、処理は終了する。そうでなければ、処理はステップＳ３あるいはＳ６へ戻る。

図１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１は、工作機械を制御するために作成された、プログラムコードあるいはプログラムあるいは処理ステップを実行する計算システムの好適な一実施例を示している。同様に、他の型の計算システムを使用することもできる。
本発明はある特定の詳細な実施例を用いて説明された。本発明は上述の実施例に限定されることなく、本発明の精神および範囲から逸脱することなく当業者によって種々の変更や変形を加えることができることが理解されよう。

本発明の一実施例による工作機械用の数値制御装置のブロック図である。 図１中に示された本発明の一実施例による数値制御の動作を示すフローチャートである。 「電流ステップ」画面である。 時間に対する、測定位置と測定速度のグラフである。 「システム同定」画面である 時間に対する、測定位置、測定速度、推定位置、推定速度のグラフである。 「超平面設計」画面である。 「応答チェック」画面である。 時間に対する、指令位置、指令速度、測定位置、測定速度のグラフである。 「応答」画面である。 時間に対する、指令位置と測定位置のグラフである。

符号の説明

１０、数値制御装置
１２、比例積分制御器
１３、スライディングモード制御器
１４、モデル
１６、１７、１８、スイッチ
２３、解析部
２４、ユーザインタフェイス部
２５、表示部
２６、入力部
２７、指令発生器
３２、電力増幅器
３４、テーブル
３６、リニアモータ
３８、位置検出器

Claims (2)

1. サーボモータと該サーボモータによって動作する移動体を含む制御システムを備えた工作機械用の数値制御装置において、
   システムパラメータを有し前記制御システムの位置および電流値を変数とする状態方程式に基づく推定出力を発生するモデルと；
   指令値を発生する指令発生器と；
   前記指令値の入力に応答して基準入力を発生させるとともに、該基準入力を前記制御システムあるいは前記モデルに送る基準入力発生器と；
   該基準入力発生器を前記制御システムあるいは前記モデルのどちらかへ接続するスイッチと；
   前記指令値の入力に応答して模擬実験電流を発生させるとともに、該模擬実験電流を前記モデルへ送るスライディングモード制御器と；
   前記制御システムの出力を測定し測定出力を発生する検出器と；
   前記測定出力と前記推定出力を記憶する解析部と；
   前記基準入力、前記模擬実験電流、前記システムパラメータを含む操作者入力を受け取り、前記システムパラメータを設定する画面と、前記推定出力を前記測定出力と共に表示する画面と、前記制御システムの極を入力し前記スライディングモード制御器の切換超平面を設計する画面と、前記推定出力を前記指令値と共に表示する画面と、を作成するユーザインターフェイス部と；
   を有することを特徴する工作機械用の数値制御装置。
2. サーボモータと該サーボモータによって動作する移動体を含む制御システムを備えた工作機械を制御する数値制御方法において、
   前記工作機械は、システムパラメータを有し前記制御システムの位置および電流値を変数とする状態方程式に基づく推定出力を発生するモデルを備え、
   基準入力を設定するステップ；
   指令値を基準入力発生器へ送るステップ；
   所定のスイッチにより前記基準入力発生器と前記制御システムを接続しつつ前記指令値の入力に応答して前記基準入力を前記基準入力発生器から前記制御システムへ供給するステップ；
   前記制御システムの出力を測定するステップ；
   前記制御システムの測定出力を記憶するステップ；
   前記システムパラメータを設定するステップ；
   所定のスイッチにより前記基準入力発生器と前記モデルを接続しつつ前記指令値の入力に応答して前記基準入力を前記基準入力発生器から前記モデルへ供給するステップ；
   前記推定出力を記憶するステップ；
   前記推定出力を前記測定出力と共に表示する画面を用いて前記推定出力を前記測定出力と比較する第１の比較ステップ；
   前記システムパラメータを設定する画面を用いて該システムパラメータを調整するステップ；
   前記スライディングモード制御器の設計パラメータを設定するステップ；
   模擬実験電流を設定するステップ；
   前記指令値を前記スライディングモード制御器へ送るステップ；
   前記指令値の入力に応答して前記模擬実験電流を前記スライディングモード制御器から前記モデルへ供給するステップ；
   前記指令値の入力に応答して前記模擬実験電流を前記スライディングモード制御器から前記制御システムへ供給するステップ；
   前記推定出力を前記指令値と共に表示する画面を用いて前記推定出力を前記指令値と比較するステップ；
   前記制御システムの極を入力し前記スライディングモード制御器の切換超平面を設計する画面を用いて前記スライディングモード制御器の設計パラメータを調整するステップ；
   を含んで成る工作機械を制御する数値制御方法。