JP5073850B1

JP5073850B1 - 音変換装置を備えた工作機械の数値制御装置

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Publication number: JP5073850B1
Application number: JP2011163365A
Authority: JP
Inventors: 淳一手塚; 肇小川
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2031-07-26
Also published as: JP2013025776A; DE102012014313B4; CN102902233A; US8812142B2; DE102012014313A1; CN102902233B; US20130030558A1

Abstract

【課題】音変換手段を利用して、作業者が遠隔からでも工作機械等の機械音を確認でき、パラメータ調整の効果等を直感的に認識できるようにした数値制御装置の提供。
【解決手段】数値制御装置１２は、駆動軸１４を制御する駆動軸制御部１６と、駆動軸１４の位置及び電流等の物理量を時系列データとして取得し記憶する駆動軸データ記憶部１８と、該時系列データを予め定めた表示形式に変換し、少なくとも１つの表示波形として表示する表示部２０と、表示された表示波形を、作業者３０が入力操作により選択することを可能にする選択部２２と、選択された表示波形を音として出力可能な形式の音変換データに変換する音変換部２４と、生成された音変換データを音として出力する音出力部２６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械において使用される、音変換装置を備えた数値制御装置に関する。

従来、工作機械の駆動軸の動作を評価するために、各駆動軸の位置、速度及び加速度等の物理量を表示器に出力する装置が用いられていた。またこのような装置は、作業者がより効果的に評価・調整を行えるように、周波数解析等の分析手法と組み合わせて使用されていた。例えば特許文献１には、センサ部による計測値をパラメータ調整作業者に認識しやすい情報に変換して呈示することによって、パラメータ調整作業者が機械装置の状態を認識できることを企図した技術が開示されている。

特開２００４−１７８４４７号公報

一般に、駆動軸の動作の評価・調整は、表示器に出力されたデータを視覚的に分析することで行われるが、視覚的なもの以外にも、機械の発振音や共振音等の聴覚的に有効な情報もある。特に音情報は、視覚情報と違い周波数及び音量等の特徴量を含んでいるため、視覚情報より直感的に理解されやすい。しかし、それらの機械音を聞き取るには、作業者が機械の傍にいる必要があった。また、機械の発振や共振を抑えるために使用されるフィルタの調整効果を確認するには、機械の傍で機械音を確認するか、取得データを周波数解析する必要があった。

特許文献１に記載の内容は、計測値の最大振幅及び振動周期と同等の振幅及び振動数を持つ振動、又は計測値の最大振幅及び振動周期と同等の音量及び周波数を持つ音を、パラメータ調整作業者に呈示し、パラメータ調整作業者は呈示された振動又は音を認識して調整を行うものと解される。しかし特許文献１には、表示器に表示した波形を音に変換すること、パラメータ調整後の音をシミュレーションすること、さらに任意に選択した複数の波形から音を合成すること等に関する記載はない。

そこで本発明は、音変換手段を利用して、作業者が遠隔からでも工作機械等の機械音を確認でき、パラメータ調整の効果等を直感的に認識できるようにした数値制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、工作機械の数値制御装置であって、前記工作機械の駆動軸を制御する駆動軸制御部と、前記駆動軸の物理量を時系列データとして取得し、該時系列データを記憶する駆動軸データ記憶部と、前記時系列データを予め定めた表示形式に変換し、少なくとも１つの表示波形として表示する表示部と、前記表示部に表示された前記表示波形を、入力操作により選択することができる選択部と、前記選択部により選択された表示波形を音として出力可能な形式の音変換データに変換する音変換部と、前記音変換部により生成された音変換データを音として出力する音出力部と、を備える、工作機械の数値制御装置を提供する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の数値制御装置において、前記駆動軸の制御に関連するパラメータを変更した場合に得られる時系列データを、パラメータ変更前の時系列データから推定し、推定時系列データとして算出するシミュレーション部をさらに有し、前記表示部は、前記シミュレーション部により算出された前記推定時系列データを予め定めた表示形式に変換し、表示波形として表示する、数値制御装置を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の数値制御装置において、前記音変換部は、前記選択部により選択された２つ以上の表示波形を合成して音合成データを生成する、数値制御装置を提供する。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の数値制御装置において、前記選択部は、前記表示部に表示された表示波形の一部の領域を選択することを可能にし、前記音変換部は、前記選択部により選択された表示波形の一部の領域のみを音変換データに変換する、数値制御装置を提供する。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の数値制御装置において、前記音変換部は、予め定めた周波数の振幅を、周波数解析を用いて予め定めた倍率に変更した音変換データを生成する、数値制御装置を提供する。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の数値制御装置において、前記音変換部は、前記音変換データの周波数を、周波数解析を用いて任意にシフトした音変換データを生成する、数値制御装置を提供する。

本発明によれば、音響技術を利用して表示器上の表示波形を音に変換することで、遠隔からでも発振波形や共振波形を発振音や共振音として利用できるようになる。

表示波形に対してフィルタ調整等のパラメータ変更の効果をシミュレーションすることにより、より効率的な調整ができるようになる。

２つ以上の表示波形を合成して音合成データを生成することにより、複数の駆動軸の波形を合成した音を再現できるようになる。

表示波形の一部の領域を選択して、該一部の領域のみを音変換データに変換することにより、作業者が知りたい情報のみを効率的に抽出でき、処理時間の短縮も図れる。

予め定めた周波数の振幅をある倍率で拡大したり、周波数をある定数だけシフトしたりすることにより、作業者は知りたい情報をより明確に認識できるようになる。

本発明に係る、工作機械の数値制御装置の第１の実施形態の構成を示す図である。第１の実施形態における処理の流れを示すフローチャートである。第１の実施形態の数値制御装置によって作業者がパラメータ調整を行う例を示す図である。本発明に係る、工作機械の数値制御装置の第２の実施形態の構成を示す図である。第２の実施形態における処理の流れを示すフローチャートである。第２の実施形態の数値制御装置によって作業者がパラメータ調整を行う例を示す図である。音データの変換例を示す図である。音データの合成例を示す図である。音変換データの生成範囲を指定する例を示す図である。

図１は、工作機械（機構部）１０の制御に使用される、本発明の第１の実施形態に係る数値制御装置１２の概略構成を示す図である。数値制御装置１２は、工作機械１０の各軸を駆動するサーボモータ等の駆動軸１４を制御する駆動軸制御部１６と、駆動軸１４の位置及び電流等の物理量を時系列データとして取得し、該時系列データを記憶する駆動軸データ記憶部１８と、該時系列データを予め定めた表示形式に変換し、少なくとも１つの表示波形として表示するモニタ等の表示部２０とを備える。なお駆動軸１４の物理量は、駆動軸制御部１６が生成する指令値を用いてもよいし、駆動軸１４の物理量を測定するエンコーダ等（図示せず）の測定値（出力値）を用いてもよい。

また数値制御装置１２は、表示部２０に表示された表示波形を、作業者３０が入力操作により選択することを可能にする選択部２２と、選択部２２により選択された表示波形を音として出力可能な形式の音変換データに変換する音変換部２４と、音変換部２４により生成された音変換データを音として出力する音出力部２６とを備える。

次に、数値制御装置１２を用いた処理の流れについて、図２及び図３を参照しつつ説明する。先ず時刻ｔをゼロに設定し（ステップＳ１）、各駆動軸の位置、速度、加速度及び電流値等の物理量の時系列データを取得する（ステップＳ２）。ステップＳ２の処理は、時刻ｔが予め定めた終了時間に至るまで繰り返される（ステップＳ３、Ｓ４）。

次に、各駆動軸から取得した時系列データを、表示部２０に表示するために、予め定めた表示形式に変換し（ステップＳ５）、変換された時系列データを表示部２０上にグラフ等の形態で表示する（ステップＳ６、図３）。

次に、操作者が選択部２２への入力操作を行い、表示部２０に表示された波形を選択する（ステップＳ７）。当該選択は、複数の表示波形から少なくとも１つの表示波形を選択する操作や、１つの表示波形の一部分を選択する操作等が含まれる。従って本願発明における「選択された表示波形」は、複数の表示波形から選択された少なくとも１つの表示波形、及び１つの表示波形から抽出されたその一部分を含む。

次に、選択された表示波形に基づいて、音として出力可能な音変換データを生成し（ステップＳ８）、該音変換データを音として出力する（ステップＳ９）。

従来の駆動軸の調整では、駆動軸から得たデータを表示器等に表示させた上で、作業者が表示器に表示された表示波形を視覚的に又は周波数解析等によって分析し、調整に必要な情報を該表示波形から抽出して、該情報に基づき調整を行っていた。故に従来は、作業者が利用できる情報は視覚中心の情報であり、発振音や共振音等の音情報を遠隔から利用することは困難であった。一方本願発明では、図３に示すように、該音情報と関連のある駆動軸１４の位置、電流等の物理量を表示波形として表示部２０に表示し、該表示波形を音に変換して、オーディオ手段等の音出力部２６によって作業者３０に提供することにより、作業者は遠隔からでも機械音又はこれと実質同等の音を認識することができる。また音には周波数や振幅（音量）等の特徴量が含まれているので、作業者は聴覚的・直感的に該音情報を理解することができる。このように表示波形を音として作業者に提供することにより、視覚だけでなく聴覚からの情報も利用でき、より効率的に駆動軸の制御に関するパラメータの調整を行うことができるようになる。

図４は、工作機械（機構部）１０の制御に使用される、本発明の第２の実施形態に係る数値制御装置１１２の概略構成を示す図である。数値制御装置１１２は、工作機械１０の各軸を駆動するサーボモータ等の駆動軸１４を制御する駆動軸制御部１１６と、駆動軸１４の位置及び電流等の物理量を時系列データとして駆動軸制御部１１６から取得し、該時系列データを記憶する駆動軸データ記憶部１１８と、該時系列データを予め定めた表示形式に変換し、少なくとも１つの表示波形として表示するモニタ等の表示部１２０と、を備える。また数値制御装置１１２は、表示部２０に表示された表示波形を、作業者３０が入力操作により選択することを可能にする選択部１２２と、選択部１２２により選択された表示波形を音として出力可能な形式の音変換データに変換する音変換部１２４と、音変換部１２４により生成された音変換データを音として出力する音出力部１２６と、を備える。第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、駆動軸制御部１１６又は駆動軸データ記憶部１１８からの時系列データに対してシミュレーションを行うシミュレーション部１２８が設けられている点にある。

次に、数値制御装置１１２を用いた処理の流れについて、図５及び図６を参照しつつ説明する。先ず時刻ｔをゼロに設定し（ステップＳ１０１）、各駆動軸の位置、速度、加速度及び電流値等の物理量の時系列データを取得する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２の処理は、時刻ｔが予め定めた終了時間に至るまで繰り返される（ステップＳ１０３、Ｓ１０４）。

次に、各駆動軸から取得した時系列データを、表示部１２０に表示するために、予め定めた表示形式に変換し（ステップＳ１０５）、変換された時系列データを表示部１２０上にグラフ等の形態で表示する（ステップＳ１０６、図６のＡ及びＢ）。

次に、操作者が選択部１２２への入力操作を行い、表示部１２０に表示された波形を選択する（ステップＳ１０７）。当該選択は、複数の表示波形から少なくとも１つの表示波形を選択する操作や、１つの表示波形の一部分を選択する操作等が含まれる。従って本願発明における「選択された表示波形」は、複数の表示波形から選択された少なくとも１つの表示波形、及び１つの表示波形から抽出されたその一部分を含む。

次に、選択された表示波形に基づいて、音として出力可能な音変換データを生成し（ステップＳ１０８）、該音変換データを音として出力する（ステップＳ１０９、図６のＣ）。

次のステップＳ１１０では、表示波形又は出力された音に基づいて作業者が、フィルタの適用又はパラメータの調整を行う（図６のＤ）。一般に工作機械で発振や共振が生じた場合、その発振や共振を抑制するために表示波形に対してフィルタ処理を施すことがある。このフィルタ処理の効果を確認する方法としては、フィルタ適用前後のそれぞれについて周波数解析を行う方法や、フィルタ適用による機械音の減衰幅を聴覚的に確認する方法があるが、後者の場合は作業者が工作機械の傍で作業をする必要がある。そこで本発明では、図６のＣに示すように作業者がフィルタ適用又はパラメータ調整を行い、フィルタ適用後又はパラメータ調整後の予測される推定時系列データをシミュレーション部１２８が計算する（ステップＳ１１１）。

次のステップＳ１１２では、ステップＳ１０５〜Ｓ１０９と同様の処理により、推定時系列データについて予め定めた表示形式への変換、変換データの表示、作業者の選択、音変換データの生成、音変換データの出力を行う。これにより、作業者はフィルタ適用後又はパラメータ調整後の状態を視覚的・聴覚的に確認することができる。

フィルタ又はパラメータが最適化されたと判断されたとき、例えば得られた表示波形を周波数解析して得られた結果や、表示波形を音変換して出力された音の周波数や音量（振幅）が工作機械の正常時のものに略等しい場合は、その最適化されたフィルタ又はパラメータを工作機械に適用して処理を終了する（ステップＳ１１３、Ｓ１１４、図６のＥ）。一方最適化がされていない又は不十分と判断されたときは、Ｓ１１０に戻ってフィルタ適用又はパラメータ調整を再度行う（ステップＳ１１３、図６のＣ及びＤ）。

図７は、音変換データの生成例を示す図である。図７に示すように選択部２２又は１２２で選択された表示波形の時系列データが、音変換部２４又は１２４において音として出力可能なＷＡＶＥ、ＭＰ３等の形式の音変換データに変換され、音出力部２６又は１２６によって音として出力される。例えばＷＡＶＥ形式を採用した場合、時系列データ、サンプリングレート及び量子化ビット数（分解能）等からＷＡＶＥファイルを作成し、再生可能なオーディオ手段によって音として再生・出力することができる。

図８は、音の合成例を示す図であり、Ｘ、Ｙ及びＺの３軸の駆動軸１４から位置データを取得し、取得したデータを重ね合わせて音合成データを生成している。図８のＦに示すように、Ｘ、Ｙ及びＺそれぞれが往復動作をする場合、３軸の動きによって表現される工作機械の代表点（例えば工具先端点）の位置データは、図８のＧに示すような３次元軌跡を呈する。その３次元軌跡に沿って移動したときに生じる機械音は、その機械音に特徴的な周波数及び振幅を有しており、各駆動軸の物理量にはそれらの特徴量が含まれているため、Ｘ、Ｙ及びＺの各駆動軸１４の位置データから生成される音を合成することによって機械音に近い音を再現することが可能と考えられる。そこで、複数の軸から得られた位置データを元に工具先端部の軌跡を算出して得られる軌跡の場合、図８のＨに示すように、複数軸の位置データを合成し、合成されたデータを工具先端部の軌跡の音データとし、これを音変換することにより、機械の調整に利用することができる。なお作業者は、表示部上で３次元工具軌跡を構成する軸の位置データを全て選択し、３次元工具軌跡の音データを音合成手法を用いることで生成してもよいし、３次元軌跡を構成する軸の位置データだけでなく、電流データ等も含めた２つ以上のデータを選択して合成音を生成することもできる。

図９は、音変換データの生成範囲を指定する例を示す図である。図９において点線４４で示すように、表示波形の一部を選択することで、選択された範囲だけを音変換データに変換し、音として出力することができる。図９の例では、ポインティングデバイス又はタッチパネル（図示せず）を用いて波形の一部を四角形４４で画定して選択し（図９のＩ）、選択された波形が音データに変換され（図９のＪ）、音として出力される（図９のＫ）例を示している。

本発明では、駆動軸から取得したデータを音に変換する際に、周波数解析を用いて特定の周波数の音だけを強調することにより、共振周波数等の特定の音を作業者に提供することができる。例えば以下の式（１）に示すように、所定のサンプリング周期Ｔで取得したデータ数をＮ、取得したデータをｆ（ｎ）とした場合、離散フーリエ変換を行うとｆ（ｋ）が算出される。次に式（２）に示すように、算出したｆ（ｋ）を予め定めた倍率に変更（例えばＤ倍）することにより振幅がＤ倍のｆ’（ｋ）が算出され、さらに式（３）に示すようにｆ’（ｋ）を逆離散フーリエ変換することにより、特定周波数の音だけを誇張（任意の倍率で増幅）したデータを作成することができる。

周波数が人間の可聴域内にない場合は、作業者は音を耳で確認することができない。そこで、取得したデータの周波数を可聴域にシフトさせることで、可聴域以外の音も確認することができるようになる。例えば以下の式（４）に示すように、所定のサンプリング周期Ｔで取得したデータ数をＮ、取得したデータをｆ（ｎ）とした場合、ｋを定数ａだけシフトした離散フーリエ係数は、式（１）で表される。そこで式（２）に示すように、ｆ（ｋ）を逆離散フーリエ変換することにより、周波数をａだけシフトしたデータを作成することができる。

１０工作機械
１２、１１２数値制御装置
１４駆動軸
１６、１１６駆動軸制御部
１８、１１８駆動軸データ記憶部
２０、１２０表示部
２２、１２２選択部
２４、１２４音変換部
２６、１２６音出力部
３０作業者
１２８シミュレーション部

Claims

工作機械の数値制御装置であって、
前記工作機械の駆動軸を制御する駆動軸制御部と、
前記駆動軸の物理量を時系列データとして取得し、該時系列データを記憶する駆動軸データ記憶部と、
前記時系列データを予め定めた表示形式に変換し、少なくとも１つの表示波形として表示する表示部と、
前記表示部に表示された前記表示波形を、入力操作により選択することができる選択部と、
前記選択部により選択された表示波形を音として出力可能な形式の音変換データに変換する音変換部と、
前記音変換部により生成された音変換データを音として出力する音出力部と、
を備える、工作機械の数値制御装置。
前記駆動軸の制御に関連するパラメータを変更した場合に得られる時系列データを、パラメータ変更前の時系列データから推定し、推定時系列データとして算出するシミュレーション部をさらに有し、
前記表示部は、前記シミュレーション部により算出された前記推定時系列データを予め定めた表示形式に変換し、表示波形として表示する、請求項１に記載の工作機械の数値制御装置。
前記音変換部は、前記選択部により選択された２つ以上の表示波形を合成して音合成データを生成する、請求項１に記載の工作機械の数値制御装置。
前記選択部は、前記表示部に表示された表示波形の一部の領域を選択することを可能にし、前記音変換部は、前記選択部により選択された表示波形の一部の領域のみを音変換データに変換する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の工作機械の数値制御装置。
前記音変換部は、予め定めた周波数の振幅を、周波数解析を用いて予め定めた倍率に変更した音変換データを生成する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の工作機械の数値制御装置。
前記音変換部は、前記音変換データの周波数を、周波数解析を用いて任意にシフトした音変換データを生成する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の工作機械の数値制御装置。