JP6333915B2 - 数値制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、数値制御装置に関し、特にサーボ制御及び機械運動の遅れを考慮する加工時間予測機能を有する数値制御装置に関する。
工作機械でワークを加工する場合、一般に、加工時間を短くするために加工速度を上げると加工精度は悪くなり、逆に加工時間を長くするために加工速度を下げると加工精度は良くなる。そのため、工作機械でワークを加工するユーザは、「あらかじめ設定されている許容加工誤差内の加工精度でワークをできるだけ短い加工時間で加工したい。」と要望している。しかし、どの程度の加工時間で加工すればどの程度の加工誤差でワークを加工できるかは簡単には分らない。
そこで、パラメータ等の設定を変えながら試し加工を行うことで加工精度を維持しつつ加工時間の短縮を試みたり、試し加工を行わずにシミュレーションを行って加工精度と加工時間を予測したりするなど、様々な試行錯誤を繰り返している。
加工時間の予測を行うことに関する主な従来技術として特許文献１〜４及び非特許文献１に開示されるものがある。特許文献１では、補助機能の時間を補助コード毎に蓄積し、その平均値を予測加工時間に反映することにより、正確な加工時間を予測する技術が開示されている。特許文献２ではサーボ動作をシミュレーションすることにより、より正確な加工時間および加工誤差の予測を可能とする技術が開示されている。特許文献３では、加工中に実際に加工した分の時間を測定し、その実加工時間に予測加工時間を加算することにより、予測加工時間のみよりも正確な加工時間を予測する技術が開示されている。また、特許文献４では、工具経路をセグメントというブロックより細かい単位に分割し、数値制御装置の処理能力を考慮した上で、セグメントの移動時間を足し上げて加工時間とすることで、加減速時間やプログラムの実行順番を考慮した正確な加工時間予測を可能とする技術が開示されている。更に、非特許文献１に開示される技術では、加減速による遅れ、サーボ制御による遅れ、機械の運動の遅れを計算して、加工時間を予測している。
特開２００３−１７５４３９号公報 特開２０１２−２４３１５２号公報 特開平１１−０２８６４３号公報 特開２０１４−０３８４８２号公報
公技番号２０１２−５０２２７０
一般に、機械を動作させた場合、各部に生じる摩擦力に基づく動作遅延やフィードバック系の遅延、慣性により生じる動作遅延などが原因となり、加減速による遅れ、サーボ制御による遅れ、機械の運動の遅れなどのいわゆる機械遅れが発生する（図６）。しかしながら、特許文献１，２に開示されている技術では、このような機械遅れが考慮されていないため、加工時間予測結果に誤差が出るという問題がある。また、特許文献３に開示される技術では、加工終了近くでは予測精度が高くなるが、加工の序盤においては機械遅れが予測結果に十分に反映されないため、加工時間予測結果に誤差が出る。更に、特許文献４，非特許文献１に開示される技術では、機械遅れの時間を計算することは示唆されているものの具体的な機械遅れの時間を計算する手法が開示されているわけではなく、また、機械毎に機械遅れの特性は異なるため、仮に計算手法が開示されていたとしても全ての種類の機械遅れに対応させることは困難であり、正確に予測することはできない。
一般に、機械遅れは制御対象の加減速がなされた場合に大きくなる。そこで、機械遅れが原因で発生する予測加工時間と実際の加工時間との乖離時間をあらかじめ実験などで測定しておき、測定した乖離時間と加工における加減速の回数とから予測加工時間を補正する方法により精度の高い加工時間の予測が行えると考えられるが、実際には加工プログラムに含まれる２つの連続するプログラム指令の間で発生する機械遅れ（例えば、Ｇ００指令の次にＧ０１指令を実行した場合における、Ｇ００指令とＧ０１指令との間で発生する機械遅れ）は、２つのプログラム指令種別の組（順序を伴う組み合わせ）によって異なるため、単純に乖離時間を測定して用いたとしても加工時間の予測精度の向上には限界があるという問題があった。
そこで本発明の目的は、機械で発生する機械遅れを考慮したより精度の高い加工時間の予測を可能とする数値制御装置を提供することである。
本発明では、プログラム指令種別のさまざまな組（順序を伴う組み合わせ）について、実加工を行いながら単位時間あたりの制御周期毎の移動量とエラー量（位置偏差量）とをサンプリングすることにより、それぞれのプログラム指令種別の組におけるサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間を取得してデータとして蓄積し、それを加工時間予測のシミュレーション結果に反映することにより、より正確な加工時間を算出する構成を数値制御装置に設けることにより上記課題を解決する。
そして、本発明の請求項１に係る発明は、加工プログラムに基づいて少なくとも１つの軸を備える機械を制御してワークの加工を行う数値制御装置において、前記加工プログラムに基づいてサーボ制御及び機械運動の遅れ時間を考慮しない加工時間である基準加工時間を予測する基準加工時間予測部と、前記加工プログラムを解析して、前記加工プログラムに含まれる少なくとも１つのプログラム指令の組を抽出するプログラム解析部と、プログラム指令種別の組毎に、前記機械による実際の加工で測定されたサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間に係る情報を記憶するデータ記憶部と、前記プログラム解析部が抽出した前記プログラム指令の組と、前記データ記憶部に記憶されたプログラム指令種別の組毎のサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間に係る情報とに基づいて、前記基準加工時間を補正するための補正時間を算出する補正時間算出部と、前記基準加工時間を前記補正時間で補正した予測加工時間を算出する加工時間予測部と、を備える数値制御装置である。
本発明の請求項２に係る発明は、プログラム指令の組毎にサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間を測定し、測定したプログラム指令の組毎のサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間に基づいて、前記データ記憶部に記憶されたプログラム指令種別の組毎のサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間に係る情報を更新する実加工遅れ時間測定部をさらに備える、請求項１に記載の数値制御装置。
本発明の請求項３に係る発明は、前記補正時間算出部は、前記データ記憶部に記憶されたプログラム指令種別の組毎のサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間に係る情報に基づいて、前記プログラム解析部が抽出した前記プログラム指令の組のそれぞれについてサーボ制御及び機械運動の遅れ時間を推定し、推定した各サーボ制御及び機械運動の遅れ時間を積算して前記補正時間を算出する、請求項１または２に記載の数値制御装置である。
本発明によれば、サーボ制御及び機械運動の遅れなどの工作機械の特性を考慮したより精度の高い加工時間予測が可能になる。
本発明の一実施形態による数値制御装置の要部を示すハードウェア構成図である。 本発明の一実施形態による数値制御装置の概略的な機能ブロック図である。 実加工遅れ時間測定部１２１によるサーボ制御及び機械運等の実際の遅れ時間の測定方法を説明する図である。 データ記憶部２１０に記憶されるプログラム指令種別の組毎のサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間の例を示す図である。 プログラム解析部１１２が加工プログラム２００から抽出するプログラム指令の組の例を示す図である。 機械遅れについて説明する図である。
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
本発明の数値制御装置は、あらかじめ様々なプログラム指令種別の組（順序を伴う組み合わせ）について、実加工を行いながら単位時間あたりの制御周期毎の移動量とエラー量（位置偏差量）とをサンプリングして、それぞれのプログラム指令種別の組におけるサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間をデータとしてデータ記憶部に記憶しておく。そして、加工プログラムによる加工に係る時間を予測する際に、該加工プログラムを解析して該加工プログラムを構成する各プログラム指令の組毎にデータ記憶部に記憶したデータに基づいて各プログラム指令の間で発生するサーボ制御及び機械運動の遅れ時間を推定し、推定した各プログラム指令の組毎のサーボ制御及び機械運動の遅れ時間により予測加工時間を補正する。
図１は、本発明の一実施形態による数値制御装置と該数値制御装置によって駆動制御される工作機械の要部を示すハードウェア構成図である。数値制御装置１が備えるＣＰＵ１１は、数値制御装置１を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１２に格納されたシステム・プログラムをバス２０を介して読み出し、該システム・プログラムに従って数値制御装置１全体を制御する。ＲＡＭ１３には一時的な計算データや表示データ及びＣＲＴ／ＭＤＩユニット７０を介してオペレータが入力した各種データ等が格納される。
不揮発性メモリ１４は、例えば図示しないバッテリでバックアップされるなどして、数値制御装置１の電源がオフされても記憶状態が保持されるメモリとして構成される。不揮発性メモリ１４には、インタフェース１５を介して読み込まれた加工プログラムや後述するＣＲＴ／ＭＤＩユニット７０を介して入力された加工プログラムが記憶されている。不揮発性メモリ１４には更に、加工プログラムを運転するために用いられる加工プログラム運転処理用プログラムや、加工時間予測処理用プログラム等が記憶されるが、これらプログラムは実行時にはＲＡＭ１３に展開される。また、ＲＯＭ１２には、加工プログラムの作成及び編集のために必要とされる編集モードの処理などを実行するための各種のシステム・プログラムがあらかじめ書き込まれている。
インタフェース１５は、数値制御装置１とアダプタ等の外部機器７２と接続するためのインタフェースである。外部機器７２側からは加工プログラムや各種パラメータ等が読み込まれる。また、数値制御装置１内で編集した加工プログラムは、外部機器７２を介して外部記憶手段に記憶させることができる。ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１６は、数値制御装置１に内蔵されたシーケンス・プログラムで工作機械の周辺装置（例えば、工具交換用のロボットハンドといったアクチュエータ）にＩ／Ｏユニット１７を介して信号を出力し制御する。また、工作機械の本体に配備された操作盤の各種スイッチ等の信号を受け、必要な信号処理をした後、ＣＰＵ１１に渡す。
ＣＲＴ／ＭＤＩユニット７０はディスプレイやキーボード等を備えた手動データ入力装置であり、インタフェース１８はＣＲＴ／ＭＤＩユニット７０のキーボードからの指令，データを受けてＣＰＵ１１に渡す。インタフェース１９は手動パルス発生器等を備えた操作盤７１に接続されている。
工作機械が備える軸を制御するための軸制御回路３０はＣＰＵ１１からの軸の移動指令量を受けて、軸の指令をサーボアンプ４０に出力する。サーボアンプ４０はこの指令を受けて、工作機械が備える軸を移動させるサーボモータ５０を駆動する。軸のサーボモータ５０は位置・速度検出器を内蔵し、この位置・速度検出器からの位置・速度フィードバック信号を軸制御回路３０にフィードバックし、位置・速度のフィードバック制御を行う。なお、図１のハードウェア構成図では軸制御回路３０、サーボアンプ４０、サーボモータ５０は１つずつしか示されていないが、実際には工作機械に備えられた軸の数だけ用意される。
スピンドル制御回路６０は、工作機械への主軸回転指令を受け、スピンドルアンプ６１にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ６１はこのスピンドル速度信号を受けて、工作機械のスピンドルモータ６２を指令された回転速度で回転させ、工具を駆動する。
スピンドルモータ６２には歯車あるいはベルト等でポジションコーダ６３が結合され、ポジションコーダ６３が主軸の回転に同期して帰還パルスを出力し、その帰還パルスはＣＰＵ１１によって読み取られる。
図２は、本発明により提供される加工プログラムに基づいていて行われる加工に係る加工時間予測機能を図１に示した数値制御装置１に対してシステム・プログラムにより実装した場合の一実施形態による概略的な機能ブロック図を示している。図２に示されている各機能手段は、図１に示したＣＰＵ１１がシステム・プログラムを実行して各機能を提供することにより実現される。本実施形態の数値制御装置１は、制御部１００、加工時間予測部１１０、データ蓄積部１２０を備える。
制御部１００は、加工プログラム２００を図示しないメモリから順次読み出して解析し、解析結果に基づいて機械が備える各サーボモータやスピンドルモータを駆動するための指令データを生成し、該指令データに基づいて機械を制御する加工制御を行う。制御部１００は、図１に示した解析処理を実行するＣＰＵ１１、各軸を制御する軸制御回路３０やサーボアンプ４０、スピンドル制御回路６０やスピンドルアンプ６１などにより実現される機能手段である。
データ蓄積部１２０は、数値制御装置１により機械の加工制御が行われた際に該加工制御による加工に係る情報をデータ記憶部２１０に対して蓄積する機能手段である。データ蓄積部１２０は、数値制御装置１により機械の加工制御が行われる度に自動的に加工に係る情報をデータ記憶部２１０へ蓄積するようにしても良いし、オペレータが蓄積するように指令した場合にのみ加工に係る情報をデータ記憶部２１０へ蓄積するようにしても良い。データ蓄積部１２０は、実加工遅れ時間測定部１２１を備える。
実加工遅れ時間測定部１２１は、制御部１００による加工プログラム２００に基づく機械の加工制御が行われている際に、該加工プログラム２００に含まれる各プログラム指令の組毎にサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間を測定し、データ記憶部２１０へと記憶する。
図３は、実加工遅れ時間測定部１２１によるサーボ制御及び機械運等の実際の遅れ時間の測定方法を説明する図である。加工プログラムに含まれる軸制御のためのプログラム指令が実行されると、数値制御装置１内で該プログラム指令が解析され、解析結果に基づいてサーボモータに出力される制御周期毎の移動量が生成される。生成された制御周期毎の移動量は軸制御回路、サーボアンプを介してサーボモータに対して制御周期毎に出力され、サーボモータはその制御周期毎の移動量の分だけ移動し、位置・速度のフィードバックがサーボモータから軸制御回路に返されるが、さまざまな理由（移動の遅れ、加減速時の過渡的動作など）により、サーボモータがその制御周期において本来移動するべき位置と実際のサーボモータの位置との間にずれが生じ、そのずれ量に相当する制御周期毎の移動量がエラー量として生成され、次の制御周期に位置のずれを修正するために出力される。実加工遅れ時間測定部１２１は、プログラム指令ごとの制御周期毎の移動量の出力状況とエラー量の出力状況とを監視して、制御周期毎の移動量が出力されずにエラー量のみが出力されている時間を測定し、測定した時間をその前後で実行されるプログラム指令の組に対するサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間としてデータ記憶部２１０に記憶する。実加工遅れ時間測定部１２１は、時間を測定するために、例えば数値制御装置１に内蔵される図示しないＲＴＣ（リアルタイムクロック）などを用いる。
図４は、データ記憶部２１０に記憶されるプログラム指令種別の組毎のサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間の例を示す図である。図４（ａ）に示す例では、実加工遅れ時間測定部１２１が各プログラム指令の組に対して測定したサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間を、プログラム指令種別の組毎に累計した値を測定回数と共に記憶するようにしている。このように記憶しておくことで、例えば、Ｇ００指令とＧ０１指令との間で発生するサーボ制御及び機械運動の遅れ時間を、遅れ時間累計／測定回数と推定することができる。なお、図４に示したプログラム指令の種別以外のプログラム指令種別の組についてもサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間を測定して記憶するようにしても良い。
また、サーボ制御及び機械運動の遅れ時間は、移動させる軸の重さに依存するため、実加工遅れ時間測定部１２１がサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間を測定する際に併せてワークの重量を取得するようにし、図４（ｂ）に示すようにワークの重さ（の範囲）毎にサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間を記憶するようにしても良い。
なお、ワークの重量については、加工に用いられる図面データなどから取得するようにしても良いし、加工を行う際にユーザが入力するようにしても良い。
加工時間予測部１１０は、データ記憶部２１０に記憶されたプログラム指令種別の組毎のサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間に基づいて加工時間を予測する機能手段である。加工時間予測部１１０による加工時間の予測は、制御部１００による加工プログラム２００に基づく加工制御が開始される前に加工プログラム２００に含まれるすべてのブロックについて行うようにしても良い。加工時間予測部１１０は、基準加工時間予測部１１１、プログラム解析部１１２、補正時間算出部１１３を備える。
基準加工時間予測部１１１は、加工時間の予測対象となる加工プログラム２００を解析し、当該加工プログラム２００に基づく加工に掛かるサーボ制御及び機械運動の遅れ時間を考慮しない加工時間を予測する。サーボ制御及び機械運動の遅れ時間を考慮しない加工時間の予測には、例えば特許文献１，２などに開示される従来技術を用いることができる。
プログラム解析部１１２は、加工時間の予測対象となる加工プログラム２００を解析し、当該加工プログラム２００に含まれるプログラム指令の組をすべて抽出する。図５に示すように、プログラム解析部１１２は、加工プログラム２００の先頭から順に連続した２つのプログラム指令をプログラム指令の組として抽出する。
補正時間算出部１１３は、プログラム解析部１１２が抽出した各プログラム指令の組について、データ記憶部に記憶されているプログラム指令種別の組毎のサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間に基づいて、それぞれのプログラム指令の組の間で発生するサーボ制御及び機械運動の遅れ時間を推定する。例えば、図４（ａ）に示すようなプログラム指令種別の組毎のサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間が記憶されている場合、補正時間算出部１１３は、図５に示したＮ０００４ブロックとＮ０００５ブロックとの間で発生するサーボ制御及び機械運動の遅れ時間を、図４（ａ）のプログラム指令種別の組（Ｇ００，Ｇ０１）の欄を参照して、２１４２５／１０５≒２０４．０［ｍｓ］と推定する。なお、プログラム解析部１１２が抽出したプログラム指令の組に対応するプログラム指令種別の組がデータ記憶部２１０に記憶されていない場合には、補正時間算出部１１３は、そのプログラム指令の組の間ではサーボ制御及び機械運動の遅れ時間は発生しないと推定する。そして、補正時間算出部１１３はプログラム解析部１１２が抽出した各プログラム指令の組について推定したサーボ制御及び機械運動の遅れ時間を積算することで補正時間を算出する。
そして、加工時間予測部１１０は、基準加工時間予測部１１１が算出した加工プログラム２００に基づく加工に掛かる機械遅れによる遅れ時間を考慮しない加工時間に対して補正時間算出部１１３が算出した補正時間を加算することで、サーボ制御及び機械運動の遅れ時間を考慮した予測加工時間を算出する。
このような構成を備えた数値制御装置１では、過去に行われた機械の加工制御による実加工で測定されたプログラム指令種別の組毎のサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間がデータ記憶部２１０に記憶され、後の加工においてはデータ記憶部２１０を参照してサーボ制御及び機械運動の遅れ時間を考慮した加工時間の予測が行えるようになるため、従来技術と比較して精度の高い加工時間の予測が可能になる。なお、数値制御装置の初期稼働においてデータ記憶部２１０にプログラム指令種別の組毎のサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間が記憶されていない場合には精度の高い加工時間の予測が行えないという問題もあるが、他の同型の数値制御装置が備えるデータ記憶部２１０からプログラム指令種別の組毎のサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間を転送して用いたり、数値制御装置のメーカーが用意したプログラム指令種別の組毎のサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間のデータを提供したりすることでこのような問題に容易に対応することもできる。
以上、ここまで本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態の例にのみ限定されるものでなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。
例えば、上記した実施形態では加工プログラム全体のブロックを通した加工時間の予測を行う例を示しているが、例えば加減速のある一部のブロック群に対してだけ加工時間の予測を行うようにしても良い。
また、上記した実施形態では数値制御装置の内部にデータ記憶部２１０を備えた構成を示したが、データ記憶部２１０を工場のホストコンピュータ内に設けて各数値制御装置で共有し、各数値制御装置がネットワークを介してホストコンピュータ内に設けられたデータ記憶部に記憶されているデータを参照・更新するように構成しても良い。更に、データ記憶部を数値制御装置のメーカーが設置したサーバ上に設け、顧客の数値制御装置の間で共有できるように構成することもできる。
上記した実施形態では、加工時間予測部１１０、データ蓄積部１２０の両方を備えた実施形態を示しているが、例えば予めデータ記憶部２１０に十分に信頼できるデータが蓄積されているのであれば、データ蓄積部１２０の構成を省略して加工時間予測部１１０（及び加工時間予測部１１０が含む各機能手段）とデータ記憶部２１０のみを数値制御装置１に実装すれば、やはり精度の高い加工時間の予測を行う数値制御装置１として利用することができる。この場合、新たにデータ記憶部２１０の更新は行われなくなるものの、同じ機械を用いた加工を行うのであればデータ記憶部２１０の更新（環境に合わせたデータの調整）を行うことなく十分に精度の高い加工時間の予測を行うことができる。
更に、上記した実施形態では、加工時間予測部１１０、データ蓄積部１２０がそれぞれ他の機能手段を含むような構成を示しているが、このような包含関係を持たせる必要はなく、各機能手段をそれぞれ独立した機能手段として実装したとしても本発明の機能及び効果が変わるものではない。
１ 数値制御装置
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ 不揮発性メモリ
１５ インタフェース
１６ ＰＭＣ
１７ ユニット
１８ インタフェース
１９ インタフェース
２０ バス
３０ 軸制御回路
４０ サーボアンプ
５０ サーボモータ
６０ スピンドル制御回路
６１ スピンドルアンプ
６２ スピンドルモータ
６３ ポジションコーダ
７０ ＣＲＴ／ＭＤＩユニット
７１ 操作盤
７２ 外部機器
１００ 制御部
１１０ 加工時間予測部
１１１ 基準加工時間予測部
１１２ プログラム解析部
１１３ 補正時間算出部
１２０ データ蓄積部
１２１ 実加工遅れ時間測定部
２００ 加工プログラム
２１０ データ記憶部

Claims (3)

  1. 加工プログラムに基づいて少なくとも１つの軸を備える機械を制御してワークの加工を行う数値制御装置において、
    前記加工プログラムに基づいてサーボ制御及び機械運動の遅れ時間を考慮しない加工時間である基準加工時間を予測する基準加工時間予測部と、
    前記加工プログラムを解析して、前記加工プログラムに含まれる少なくとも１つのプログラム指令の組を抽出するプログラム解析部と、
    プログラム指令種別の組毎に、前記機械による実際の加工で測定されたサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間に係る情報を記憶するデータ記憶部と、
    前記プログラム解析部が抽出した前記プログラム指令の組と、前記データ記憶部に記憶されたプログラム指令種別の組毎のサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間に係る情報とに基づいて、前記基準加工時間を補正するための補正時間を算出する補正時間算出部と、
    前記基準加工時間を前記補正時間で補正した予測加工時間を算出する加工時間予測部と、
    を備える数値制御装置。
  2. プログラム指令の組毎にサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間を測定し、測定したプログラム指令の組毎のサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間に基づいて、前記データ記憶部に記憶されたプログラム指令種別の組毎のサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間に係る情報を更新する実加工遅れ時間測定部をさらに備える、
    請求項１に記載の数値制御装置。
  3. 前記補正時間算出部は、
    前記データ記憶部に記憶されたプログラム指令種別の組毎のサーボ制御及び機械運動の実際の遅れ時間に係る情報に基づいて、前記プログラム解析部が抽出した前記プログラム指令の組のそれぞれについてサーボ制御及び機械運動の遅れ時間を推定し、推定した各サーボ制御及び機械運動の遅れ時間を積算して前記補正時間を算出する、
    請求項１または２に記載の数値制御装置。
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