JP6169655B2 - 工作機械、シミュレーション装置、及び機械学習器 - Google Patents
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Description
本発明では、ワークを加工する工作機械に対して人工知能となる機械学習器を導入し、加工プログラムに基づくワークの加工における工作機械の各軸の移動量に関する機械学習を行うことで、図1に示すように、ワークの加工における工作機械の各軸の移動量が最適なものになるように調整を行うようにする。各軸の移動量の調整では、より速い工具移動と、工具経路に許容誤差加えた範囲を逸脱しないことを目的とし、これにより、より短時間で加工精度を維持したワークの加工を実現する。
一般に、機械学習には教師あり学習や教師なし学習など、その目的や条件によって様々なアルゴリズムに分類されている。本発明では加工プログラムに基づくワークの加工における工作機械の各軸の移動量の学習を目的としており、出力される各軸の移動量に基づく工具の移動経路に対してどのような行動(各軸の移動量の調整)をすることが正しいのかを明示的に示すことが困難であることを考慮して、報酬を与えるだけで機械学習器が目標到達のための行動を自動的に学習する強化学習のアルゴリズムを採用する。
そして、上記得られたマッピングに基づいて現在の状態や行動がどのくらい良いのかを示す関数である価値関数(評価関数)を用い、行動を繰り返す中で価値関数(評価関数)を更新していくことにより状態に対する最適な行動を学習していく。
以下では、機械学習器を導入した本発明の工作機械について、具体的な実施形態に基づいて説明する。
図3は、本発明の一実施形態における人工知能となる機械学習器を導入した工作機械における各軸の移動量の機械学習に関するイメージを示す図である。なお、図3には本実施形態における工作機械における機械学習の説明に必要な構成のみを示している。
図4は、本実施形態における工作機械1に係る各データについて説明する図である。本実施形態における工作機械1には、図4に示す加工プログラムを解析して得られる指令経路と、オペレータにより予め定義された指令経路からの許容誤差とが、図示しないメモリに記憶されており、上記した入力データには、工作機械1から得られる時刻tにおける各軸の軸位置(xt,zt)、各軸の移動速度(δxt-1,δzt-1)、各軸の加速度(δxt-1−δxt-2,δzt-1−δzt-2)等に加えて、各軸位置が指令経路に許容誤差を加えた範囲から逸脱するまでの距離などのように、上記各データに基づいて動作評価部3が算出したデータが含まれる。
なお、図4においては、X−Zの2次元座標系における各入力データの例を示したが、工作機械の各軸の数が3軸以上である場合には、軸数に合わせて入力データの次元数を適宜増やすことで対応できる。
図5は、本実施形態の工作機械の機能ブロック図である。本実施形態の工作機械1は、ワークの加工において各軸を駆動するためのサーボモータなどの駆動部(図示せず)、該サーボモータを制御するサーボ制御部(図示せず)などの工作機械が標準的に備える構成と周辺機器(図示せず)、該駆動部や該周辺機器を制御する数値制御部2、該駆動部や該周辺機器の動作や数値制御部2から取得された各データに基づいて工作機械の動作を評価する動作評価部3、および機械学習を行う人工知能となる機械学習器20を備える。図5に示した構成を、図2に示した強化学習における要素と対比すると、機械学習器20がエージェントに対応し、工作機械1が備える駆動部や周辺機器、数値制御部2などを含む全体が環境に対応する。
数値制御装置2には、加工プログラムにより指令される指令経路に対して工具の逸脱を許容する範囲を示す許容誤差を設定することが可能となっている。許容誤差は、それぞれの指令経路に対する各軸方向への距離や、指令経路の周りの領域として定義される。許容誤差の設定は、(1)数値制御装置内の不揮発性メモリ内に定数値として記憶、この定数値は加工開始前に工作機械の操作者があらかじめ設定、(2)加工プログラム内で加工指令の一部として指令、(3)あらかじめ工作機械に設定された可動範囲、ワークを固定する治具の干渉などにより制約される可動範囲、のいずれか、またはこれら(1)〜(3)の複数の組み合わせにより定義される。
行動の評価の例として、工作機械1の各軸の移動量に基づく移動方向と工作機械1の各軸の軸位置から把握される工具の現在位置の近傍における加工プログラムにより指令される指令経路の移動方向との角度や、工具の現在位置と指令経路に許容誤差を加えた範囲との逸脱度合い、各軸の移動量に基づく移動速度と工具の現在位置の近傍における加工プログラムにより指令される最高速度との差分などが挙げられるが、機械学習器20から出力される行動の評価に良否を評価できるものであれば、どのようなものを評価に用いてもよい。
報酬計算部24は、報酬条件設定部23で設定された条件に基づいて状態観測部21または物理量データ記憶部22から入力された物理量データを分析し、計算された報酬を移動量調整学習部25に出力する。
●[報酬1:各軸の合成速度の向上(プラス報酬,マイナス報酬)]
各軸の合成速度が過去における各軸の合成速度よりも向上した場合に、加工のサイクルタイムの向上につながるため、その度合いに応じてプラスの報酬を与える。
一方で、各軸の合成速度が指令により与えられた最高速度や、各軸の速度が工作機械1に設定された各軸の最高速度を超える場合には、工作機械1の故障などにつながるため、その度合いに応じてマイナスの報酬を与える。
工作機械1の各軸の移動量に基づく移動方向と工作機械1の各軸の軸位置から把握される工具の現在位置の近傍における加工プログラムにより指令される指令経路の移動方向との角度に基づいて、移動方向が加工プログラムにより指令される指令経路と大きく異なる方向へ移動する場合には、その度合いに応じてマイナスの報酬を与える。マイナス報酬の例としては、工具の移動方向と指令経路の移動方向との為す角度が所定の角度(例えば±45度以内)よりも大きい場合に、その差分に所定の係数をかけた値をマイナスの報酬として与えるようにしてもよいし、単純に180度を超えた場合(指令経路の移動方向と反対方向)にマイナス報酬を与えるようにしてもよい。
工具の現在位置が、加工プログラムにより指令される指令経路に許容誤差を加えた範囲から逸脱した度合に応じてマイナス報酬を与える。逸脱した度合は、工具の現在位置と、指令経路に許容誤差を加えた範囲との距離量に応じてマイナス報酬を与えるようにしてもよい。
工具の移動速度が、加工プログラムに指令される最高速度を超過した場合に、その超過量に応じてマイナス報酬を与える。
●[ステップSA01]機械学習が開始されると、状態観測部21が工作機械1の状態を示す物理量データを取得する。
●[ステップSA02]移動量調整学習部25は、状態観測部21が取得した物理量データに基づいて現在の状態Stを特定する。
●[ステップSA04]ステップSA03で選択された行動atを実行する。
●[ステップSA06]ステップSA05で取得された評価結果のデータに基づいて、報酬計算部24が報酬rt+1を算出する。
●[ステップSA07]ステップSA02で特定された状態St、ステップSA03で選択された行動at、ステップSA06で算出された報酬rt+1に基づいて、移動量調整学習部25が機械学習を進め、ステップSA02へ戻る。
なお、学習結果記憶部26に、他の工作機械1や集中管理システム30が記憶している学習結果を入力して記憶させたり、学習結果記憶部26が記憶している学習結果を他の工作機械1や集中管理システム30に対して出力したりすることも可能である。
このようにして機械学習器20が学習した結果、図1(a)、図1(b)に示す最適な移動経路が確認された段階で機械学習器20による学習が完了する。学習が完了した機械学習器20により出力される各軸の移動量(指令パルス)を工具経路1周分にわたって集めたデータが工具の移動データとなる。
また、学習が完了した機械学習器20(または、他の機械学習器20の完了した学習データを学習結果記憶部26に複写した機械学習器20)を他の工作機械1に取付けて、学習完了時の学習データをそのまま使用して繰り返し運転をするようにしてもよい。
更に、学習が完了した機械学習器20の学習機能を有効にしたままで他の工作機械1に取付けて、ワークの加工を続けることで、工作機械毎に異なる個体差や経年変化などを更に学習させ、当該工作機械にとってより良い工具経路を探索しながら運転することも可能である。
このように複数の工作機械1間でやり取りする際には、通信は集中管理システム30等のホストコンピュータを経由しても、直接工作機械1同士が通信しても構わないし、クラウドを使用しても構わないが、大量のデータを取り扱う場合があるため、なるべく通信速度が速い通信手段が好ましい。
2 数値制御部
3 動作評価部
4 シミュレーション装置
5 シミュレーション部
20 機械学習器
21 状態観測部
22 物理量データ記憶部
23 報酬条件設定部
24 報酬計算部
25 移動量調整学習部
26 学習結果記憶部
27 移動量出力部
30 集中管理システム
Claims (6)
- プログラムに基づいて少なくとも1つの軸を駆動してワークの加工を行う工作機械において、
前記工作機械の動作を評価して評価データを出力する動作評価部と、
制御周期毎の前記軸の移動量の調整を機械学習する機械学習器と、
を備え、
前記機械学習器は、
前記工作機械の少なくとも前記軸の軸位置を含む物理量データと、前記動作評価部から出力された評価データとを取得する状態観測部と、
前記状態観測部が取得した前記物理量データおよび前記評価データに基づいて報酬を計算する報酬計算部と、
制御周期毎の前記軸の移動量の調整の機械学習結果と、前記状態観測部が取得した前記物理量データと、に基づいて制御周期毎の前記軸の移動量の調整を行う移動量調整学習部と、
前記移動量調整学習部が調整した制御周期毎の前記軸の移動量を出力する移動量出力部と、
を有し、
前記移動量調整学習部は、調整された制御周期毎の前記軸の移動量と、出力された制御周期毎の前記軸の移動量に基づく前記工作機械の動作後における前記状態観測部により取得された前記物理量データと、前記報酬計算部が計算した前記報酬と、に基づいて制御周期毎の前記軸の移動量の調整を機械学習する、
ことを特徴とする工作機械。 - 前記報酬計算部は、前記軸の合成速度が速い速度で進んだときにプラスの報酬を計算し、前記プログラムにより指令される指令経路の範囲を逸脱するときにマイナスの報酬を計算する、
ことを特徴とする請求項1に記載の工作機械。 - 少なくとも1つの他の工作機械と接続されており、
前記他の工作機械との間で機械学習の結果を相互に交換または共有する、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の工作機械。 - 前記移動量調整学習部は、前記報酬が最大となるように、調整された制御周期毎の前記軸の移動量と、前記状態観測部により取得された前記物理量データを引数で表現した評価関数を用いて機械学習する、
ことを特徴とする請求項3に記載の工作機械。 - プログラムに基づいて少なくとも1つの軸を駆動するワークの加工を行う工作機械をシミュレーションするシミュレーション装置において、
前記工作機械のシミュレーション動作を評価して評価データを出力する動作評価部と、
制御周期毎の前記軸の移動量の調整を機械学習する機械学習器と、
を備え、
前記機械学習器は、
前記工作機械の少なくとも前記軸の軸位置を含むシミュレーションされた物理量データと、前記動作評価部から出力された評価データとを取得する状態観測部と、
前記状態観測部が取得した前記物理量データおよび前記評価データに基づいて報酬を計算する報酬計算部と、
制御周期毎の前記軸の移動量の調整の機械学習結果と、前記状態観測部が取得した前記物理量データと、に基づいて制御周期毎の前記軸の移動量の調整を行う移動量調整学習部と、
前記移動量調整学習部が調整した制御周期毎の前記軸の移動量を出力する移動量出力部と、
を有し、
前記移動量調整学習部は、調整された制御周期毎の前記軸の移動量と、出力された制御周期毎の前記軸の移動量に基づく前記工作機械のシミュレーション動作後における前記状態観測部により取得された前記物理量データと、前記報酬計算部が計算した前記報酬と、に基づいて制御周期毎の前記軸の移動量の調整を機械学習する、
ことを特徴とするシミュレーション装置。 - 工作機械が備える少なくとも1つの制御周期毎の軸の移動量の調整を機械学習した機械学習器であって、
前記工作機械の少なくとも前記軸の軸位置を含む物理量データと、前記工作機械の動作評価部から出力された評価データとを取得する状態観測部と、
前記状態観測部が取得した前記物理量データおよび前記評価データに基づいて報酬を計算する報酬計算部と、
制御周期毎の前記軸の移動量の調整の機械学習結果と、前記状態観測部が取得した前記物理量データと、に基づいて制御周期毎の前記軸の移動量の調整を行う移動量調整学習部と、
前記移動量調整学習部が調整した制御周期毎の前記軸の移動量を出力する移動量出力部と、
を有し、
前記移動量調整学習部は、調整された制御周期毎の前記軸の移動量と、出力された制御周期毎の前記軸の移動量に基づく前記工作機械の動作後における前記状態観測部により取得された前記物理量データと、前記報酬計算部が計算した前記報酬と、に基づいて制御周期毎の前記軸の移動量の調整を機械学習する、
ことを特徴とする機械学習器。
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