JP6680811B2

JP6680811B2 - 加工時間予測装置

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Publication number: JP6680811B2
Application number: JP2018011941A
Authority: JP
Inventors: 久輝石割
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2020-04-15
Anticipated expiration: 2038-01-26
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Description

本発明は加工時間予測装置に関し、特に工具交換に係る補助機能実行時間を算出する加工時間予測装置に関する。

加工プログラムによる加工時間を予測する機能を備えた加工時間予測装置が知られている。加工時間予測装置は、実際の加工を行うことなく、送り速度、加減速時定数などの条件と、数値制御装置と同じロジックとを使用して、計算により加工時間を算出することができる。

しかしながら、工具交換などの補助機能の実行時間は、加工時間予測装置では算出できない。そのため従来は実際に計測するか、理論値を用いることにより補助機能の実行時間を求めている。

特許文献１には、工具毎に、サイクルタイムに対する切削時間の占める割合及び工具交換時間を実測して表示する装置が記載されている。

特開２００５−１９３３１２号公報

特許文献１記載の装置は工具毎の工具交換時間を計測するが、この計測値をそのまま工具交換時間の予測に用いることは必ずしも適当ではない。工具交換に係る補助機能の実行時間は、工具の種類のほか様々な要因により異なるためである。例えば、機械の構造、工具格納装置の形状、工具格納装置の回転方向、工具格納装置のどの位置に工具が格納されているかにより、工具交換時間は変化し得る。そのため、同じ補助コード（工具交換に係る補助機能を実行させるためのコード）であっても、状況により実行時間が異なることがある。したがって、より高精度に工具交換に係る補助機能実行時間を算出する手法が求められている。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、工具交換に係る補助機能実行時間を算出する加工時間予測装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施の形態にかかる加工時間予測装置は、工具交換に係る補助機能の実行時間を予測する加工時間予測装置であって、加工プログラムから工具交換に係る補助機能指令を抽出する工具交換補助機能指令抽出部と、前記補助機能指令に基づき、交換前の工具の格納位置と交換後の工具の格納位置とを算出する工具交換前後の工具位置算出部と、前記交換前の工具の格納位置と前記交換後の工具の格納位置とに基づき、工具間距離を算出する工具間距離算出部と、工具間距離と工具交換に係る補助機能実行時間の実績値とを対応付けたデータベースを参照して、前記抽出した工具交換に係る補助機能指令の実行時間を予測する工具交換時間予測部と、を有することを特徴とする。
本発明の一実施の形態にかかる加工時間予測装置の、前記工具交換時間予測部は、前記データベースのうち、前記工具間距離算出部が算出した工具間距離と同じ工具間距離を含むデータに基づいて、前記予測を行うことを特徴とする。
本発明の一実施の形態にかかる加工時間予測装置の、前記データベースは、交換前の工具の格納位置及び交換後の工具の格納位置と、工具交換に係る補助機能実行時間の実績値と、を対応付けたものであり、前記工具交換時間予測部は、前記データベースのうち、前記工具交換前後の工具位置算出部が算出した交換前の工具の格納位置及び交換後の工具の格納位置と同じ交換前の工具の格納位置及び交換後の工具の格納位置を含むデータに基づいて、前記予測を行うことを特徴とする。
本発明の一実施の形態にかかる加工時間予測装置の、前記工具交換時間予測部は、前記データベースに基づいて生成した近似式を用いて、前記予測を行うことを特徴とする。

本発明によれば、工具交換に係る補助機能実行時間を算出する加工時間予測装置を提供することが可能である。

加工時間予測装置１のハードウェア構成を示すブロック図である。加工時間予測装置１を含む加工時間予測システム１０００の機能構成を示すブロック図である。データベース３の一例を示す図である。工具交換装置の一例を示す図である。加工時間予測装置１を含む加工時間予測システム１０００の動作を示すフローチャートである。加工時間予測装置１を含む加工時間予測システム１０００の動作を示すフローチャートである。工具交換時間予測部１０４の動作を説明する図である。工具交換装置の一例を示す図である。工具間距離算出部１０３が参照するデータの一例を示す図である。工具交換装置の一例を示す図である。工具交換装置の一例を示す図である。加工時間予測装置１を含む加工時間予測システム１０００の変形例を示すブロック図である。

実施の形態１
本発明の実施の形態１にかかる加工時間予測装置１の構成について説明する。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる加工時間予測装置１の要部の概略的なハードウェア構成図である。加工時間予測装置１は、例えばＰＣなどの情報処理装置、クラウドなどの仮想環境を用いた情報処理機構、数値制御装置に含まれる一機能などとして構成され得るが、いずれにおいても典型的には図１に示すようなハードウェア構成を有する。

加工時間予測装置１が備えるＣＰＵ１１は、加工時間予測装置１を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１は、不揮発性メモリ１４に格納されたプログラムをバス２０を介して読み出し、プログラムに従って加工時間予測装置１全体を制御する。

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、加工時間予測装置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に記憶されているプログラム、データは、利用時には揮発性メモリ１３に展開されても良い。揮発性メモリ１３には、不揮発性メモリ１４から展開されたプログラム、データの他、一時的な計算データや表示データ、入力装置７１を介して入力されたデータ等が格納される。

表示装置７０はディスプレイ等のデータ出力装置である。ＣＰＵ１１から出力された表示データは、インタフェース１５を介して表示装置７０のディスプレイに表示される。

入力装置７１はキーボード等のデータ入力装置である。入力装置７１のキーボードから入力された指令やデータは、インタフェース１６を介してＣＰＵ２１１に渡される。

通信インタフェース７２は、加工時間予測装置１と外部の装置（例えばデータベースなど）とを接続するための通信インタフェースである。通信インタフェース７２はＣＰＵ１１から出力された送信データをインタフェース１７を介して取得し、通信ネットワーク３０に対して出力する。また、通信インタフェース７２は通信ネットワーク３０より受信データを取得し、インタフェース１７を介してＣＰＵ１１に引き渡す。

通信ネットワーク３０は、例えばＦＩＥＬＤＳＹＳＴＥＭなどの情報通信基盤であり得る。典型的には、加工時間予測装置１は、通信ネットワーク３０を介して外部のデータベースなどと通信可能に接続される。

図２は、本発明の実施の形態１に係る加工時間予測装置１を含む、加工時間予測システム１０００の概略的な機能構成を示すブロック図である。加工時間予測システム１０００は、加工時間予測装置１、数値制御装置２、データベース３を含む。加工時間予測装置１、数値制御装置２、データベース３は、通信ネットワーク３０により相互に通信可能に接続される。

加工時間予測装置１は、本発明の特徴的な処理である、工具交換に係る補助機能実行時間の予測処理を実施する。加工時間予測装置１は、工具交換補助機能指令抽出部１０１、工具交換前後の工具位置算出部１０２、工具間距離算出部１０３、工具交換時間予測部１０４、記憶部１０５を有する。

工具交換補助機能指令抽出部１０１は、加工プログラムを解析して工具交換に係る補助機能指令を抽出する。

工具交換前後の工具位置算出部１０２は、工具交換に係る補助機能を実行する場合における、交換前の工具（工具交換位置にある工具）の格納位置と交換後の工具（工具交換により工具交換位置に移動することとなる工具）の格納位置とを取得する。

工具間距離算出部１０３は、工具位置算出部１０２が求めた交換前の工具の格納位置と交換後の工具の格納位置とに基づき、工具間距離を求める。

工具交換時間予測部１０４は、工具間距離算出部１０３が求めた工具間距離と、後述のデータベース３と、に基づいて工具交換に係る補助機能指令の実行時間を予測する。

記憶部１０５は、加工プログラム、工具交換装置における全工具の格納位置、工具交換装置における工具交換位置などのデータを保持する記憶領域である。

数値制御装置２は、加工時間予測装置１が工具交換に係る補助機能実行時間の予測処理を行うために必要な、データベース３を生成するための各種処理を実行する。数値制御装置２は、工具交換補助機能指令抽出部２０１、工具交換前後の工具位置算出部２０２、工具交換時間測定部２０４、記憶部２０５を有する。

工具交換補助機能指令抽出部２０１は、加工プログラムの実行時などに、加工プログラムから工具交換に係る補助機能指令を抽出する。

工具交換前後の工具位置算出部２０２は、工具交換に係る補助機能の実行時に、交換前の工具（工具交換位置にある工具）の格納位置と交換後の工具（工具交換により工具交換位置に移動することとなる工具）の格納位置とを取得する。

工具交換時間測定部２０４は、工具交換に係る補助機能の実行時に、工具交換に係る補助機能の実行に要した時間を測定する。また、工具交換時間測定部２０４は、この実行時間の実測値と、工具交換補助機能指令抽出部２０１が抽出した工具交換に係る補助機能指令と、工具交換前後の工具位置算出部２０２が取得した交換前の工具（工具交換位置にある工具）の格納位置と交換後の工具（工具交換により工具交換位置に移動することとなる工具）の格納位置と、を関連付けてデータベース３に保存する。

記憶部２０５は、加工プログラム、工具交換装置における全工具の格納位置、工具交換装置における工具交換位置などのデータを保持する記憶領域である。

データベース３は、加工時間予測装置１が工具交換に係る補助機能実行時間の予測処理を行うために必要な各種データを蓄積する記憶装置である。データベース３は、少なくとも、工具間距離及び実行時間、又はこれらの情報を算出するのに必要な情報を含む。

図３に、データベース３の記憶内容の一例を示す。このデータベース３は、指令（工具交換に係る補助機能指令）コード、交換前の工具の格納位置（番号）、交換後の工具の格納位置（番号）、当該指令の実行時間、及び工具間距離を対応付け、１レコードとして保持している。ここで工具間距離とは、交換前の工具の格納位置と、交換後の工具の格納位置との距離を示す値である。この例では、交換前の工具の格納位置と、交換後の工具の格納位置との番号の差分の絶対値を工具間距離として採用している。

なお、データベース３は、必ずしも加工時間予測装置１や数値制御装置２から独立した装置である必要はなく、加工時間予測装置１に含まれていても良く、又は数値制御装置２に含まれていても良い。

図４は、工具交換装置の一例の模式図である。この工具交換装置は円形であり、円周上に等間隔に配置された１番から８番までの工具格納位置にそれぞれ工具を装着可能である。また、工具交換装置の６時にあたる位置は工具交換位置であり、この工具交換位置に所在する工具が加工に使用される。工具交換装置は所定の方向（この例では時計周り）に回転することができ、回転に伴って工具交換位置に所在する工具が順次入れ替わる。これにより、加工に使用される工具が交換される。

この例では、工具交換位置にいま１番の工具が所在している。ここで６番の工具への交換を指令する工具交換に係る補助機能が実行されたとする。これに応じ工具交換装置は、工具交換位置に６番の工具が所在するまで時計周りに回転する。

図５及び図６のフローチャートを用いて、加工時間予測装置１を含む加工時間予測システム１０００の動作について説明する。

＜準備段階１＞
準備段階１では、数値制御装置２が工具位置に関する情報の収集や工具交換時間の実測などを行い、データベース３を構築する。
Ｓ１０１：工具交換補助機能指令抽出部２０１は、記憶部２０５に格納されている加工プログラムの実行時などに、加工プログラムから工具交換に係る補助機能指令を抽出する。

Ｓ１０２：Ｓ１０１で抽出した工具交換に係る補助機能指令を数値制御装置２が実行する際、工具交換時間測定部２０４は、当該補助指令に係る機能の実行に要した時間を測定する。すなわち、工具交換に要した時間の実測値を取得する。

Ｓ１０３：Ｓ１０１で抽出した工具交換に係る補助機能指令を数値制御装置２が実行する際、工具交換前後の工具位置算出部２０２は、公知技術により、交換前の工具（工具交換位置にある工具）の格納位置の番号と交換後の工具（工具交換により工具交換位置に移動することとなる工具）の格納位置の番号とを取得する。

また、工具交換前後の工具位置算出部２０２は、工具交換の際の工具間距離を求める。工具間距離は、例えば工具交換装置の実際の移動距離（回転角）を計測することにより求められる。なお本実施の形態では、工具交換前後の工具位置算出部２０２は、交換前の工具（工具交換位置にある工具）の格納位置の番号と交換後の工具（工具交換により工具交換位置に移動することとなる工具）の格納位置の番号との差分の絶対値を計算することで工具間距離を算出することもできる。

Ｓ１０４：工具交換時間測定部２０４は、Ｓ１０１で抽出した工具交換に係る補助機能指令の指令コード、Ｓ１０２で測定した工具交換時間、Ｓ１０３で取得した交換前の工具（工具交換位置にある工具）の格納位置の番号、交換後の工具（工具交換により工具交換位置に移動することとなる工具）の格納位置の番号及び工具間距離を関連付けた新たなレコードをデータベース３に追加する。

望ましくは、数値制御装置２は準備段階１において、交換前の工具と交換後の工具との全ての組合せについて実行時間を測定することができる。これにより、後述の予測段階において高精度に実行時間を測定することが可能である。

＜準備段階２＞
準備段階２は、後述する予測段階の直前に実施される処理である。加工時間予測装置１の記憶部１０５に、工具交換装置における全工具の格納位置、工具交換装置における工具交換位置、工具交換位置にある工具の番号などの情報が設定される。加工時間予測装置１は、ここで設定された工具格納位置などを前提として、後述する予測段階の処理を行う。

＜予測段階＞
加工時間予測装置１が、工具交換に係る補助機能の実行時間を予測する処理を行う。
Ｓ２０１：工具交換補助機能指令抽出部１０１は、記憶部１０５に格納されている加工プログラムを解析して工具交換に係る補助機能指令を抽出する。

Ｓ２０２：工具交換前後の工具位置算出部１０２は、記憶部１０５を参照して、現在、工具交換位置にある工具の番号を取得する。すなわち交換前の工具の格納位置の番号を取得する。また、記憶部１０５に格納されている全工具の格納位置を参照して、Ｓ２０１で抽出された工具交換に係る補助機能指令で指定された交換後の工具（工具交換により工具交換位置に移動することとなる工具）の格納位置の番号を求める。

Ｓ２０３：工具間距離算出部１０３は、Ｓ２０２で求められた交換前の工具の格納位置の番号と交換後の工具の格納位置の番号との差分の絶対値を計算することで工具間距離を求める。

Ｓ２０４：工具交換前後の工具位置算出部１０２は、記憶部１０５が保持している工具交換位置にある工具の番号を、Ｓ２０２で求めた交換後の工具の格納位置の番号に更新する。更新された情報は次回の予測で使用される。

Ｓ２０５：工具交換時間予測部１０４は、Ｓ２０３で求められた工具間距離と、データベース３に蓄積された情報と、に基づいて工具交換に係る補助機能指令の実行時間を予測する。
図３を用いて、実行時間の予測処理の具体例について説明する。

（１）Ｓ２０２で求められた交換前の工具の格納位置の番号と交換後の工具の格納位置の番号との組合せを含むレコードが、データベース３内に１以上存在する場合
工具交換時間予測部１０４は、データベース３より該当する１以上のレコードを抽出する。それらのレコードに含まれる実行時間の平均値を予測値とする。

例えば、Ｓ２０２で求められた交換前の工具の格納位置の番号が３、交換後の工具の格納位置の番号が１であるとする。図３のデータベース３には、交換前の工具の格納位置が３、交換後の工具の格納位置の番号が１であるレコードが２つ存在する（Ｎｏ．１及び４）。したがって工具交換時間予測部１０４は、これらのレコードからそれぞれ実行時間を取得し、その平均値（３０＋３１）／２＝３０．５を算出する。そしてこの平均値３０．５を、工具交換に係る補助機能指令の実行時間の予測値として出力する。

（２）Ｓ２０３で求められた工具間距離を含むレコードが、データベース３内に１以上存在する場合
工具交換時間予測部１０４は、データベース３より該当する１以上のレコードを抽出する。それらのレコードに含まれる実行時間の平均値を予測値とする。

例えば、Ｓ２０３で求められた工具間距離が２であるとする。図３のデータベース３には、工具間距離が２であるレコードが３つ存在する（Ｎｏ．１、３及び４）。したがって工具交換時間予測部１０４は、これらのレコードからそれぞれ実行時間を取得し、その平均値（３０＋３３＋３１）／３＝３１．３を算出する。そしてこの平均値３１．３を、工具交換に係る補助機能指令の実行時間の予測値として出力する。

（３）上記（１）（２）のいずれにも該当しない場合
工具交換時間予測部１０４は、データベース３に基づき統計的手法により実行時間を予測する。

例えば、Ｓ２０３で求められた工具間距離が３であるとする。図３のデータベース３には、工具間距離が３であるレコードが存在しない。この場合、工具交換時間予測部１０４は、データベース３に格納されている複数のレコードから工具間距離及び実行時間をそれぞれ抽出し、工具間距離と実行時間との関係を示す近似式を求める。その後、当該近似式に、Ｓ２０３で求められた工具間距離＝３を適用し、実行時間の予測値を得ることができる。

例えば、図３のＮｏ．１乃至４のレコードから抽出された工具間距離及び実行時間は、図７のグラフに示すように直線ｙ＝９．３ｘ＋１２．７で近似できる。ここでｙは実行時間、ｘは工具間距離である。この近似式によれば、工具間距離ｘ＝３の際の実行時間は４０．６となる。工具交換時間予測部１０４は、この値４０．６を、工具交換に係る補助機能指令の実行時間の予測値として出力する。

なお、上記（１）乃至（３）のいずれの手法を選択するかは任意であるが、予測精度や処理負荷などの観点から（１）を最優先に選択し、次いで（２）、最後に（３）の優先度で手法を選択することが好ましい。

本実施の形態によれば、加工時間予測装置１は、工具格納装置の形状、工具格納装置の回転方向、工具格納装置のどの位置に工具が格納されているかなどの情報に応じ、工具交換に係る補助機能指令の実行時間を正確に予測することができる。

実施の形態２
実施の形態１では、図４に示すような、円形でかつ常に時計周りに回転する工具交換装置を前提とした、工具交換に係る補助機能指令の実行時間の予測手法について説明した。実施の形態２では、その他の形態の工具交換装置を前提とする場合の、工具交換に係る補助機能指令の実行時間の予測手法について説明する。

円形の工具交換装置には、図８に示すように、交換前の工具位置から交換後の工具位置までの移動距離（回転角）が最小となるよう、回転方向を時計周り又は反時計回りのいずれかから選択するものがある。このような工具交換装置においては、加工時間予測装置１は、実施の形態１に示した手法で工具間距離を見積ることができない。

この場合、例えば図９に示すように、交換前の工具の格納位置の番号、交換後の工具の格納位置の番号、工具間距離の対応関係を定義したデータを予め記憶部１０５に保持させておくことができる。そして予測段階のＳ２０３において、加工時間予測装置１の工具間距離算出部１０３はこのデータを参照することによって工具間距離を取得することができる。

また図１０に示すように、ラック内に収容された工具を、所定の工具交換位置を起点とする往復運動によりピックアップする工具交換装置がある。このタイプの工具交換装置は、工具交換の際、まず工具交換位置から交換前の工具の所定の格納位置まで移動して工具を返納し、工具交換位置に戻る。次いで工具交換位置から交換後の工具の所定の格納位置まで移動して工具を取得し、工具交換位置に戻る。

このような工具交換装置においても、上述のように、交換前の工具の格納位置の番号、交換後の工具の格納位置の番号、工具間距離の対応関係を定義したデータを予め記憶部１０５に保持させておくことができる。ここで工具間距離は、工具交換位置から交換前の工具の格納位置までの往復距離＋工具交換位置から交換後の工具の格納位置までの往復距離を計算することにより求められる。

その他の実施の形態
本発明は上述の実施の形態に限定されることなく、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、実施の形態１では、図４に示すような、円形でかつ常に時計周りに回転する工具交換装置を前提とした、工具交換に係る補助機能指令の実行時間の予測手法について説明した。しかしながら、実施の形態１の手法はこのタイプの工具交換装置に限定されず、図１１に示すような、シーケンシャルに工具が入れ替わる特徴を有する種々のタイプの工具交換装置に適用できる。

また、上述の実施の形態では、準備段階１においては１台の数値制御装置２が動作することを想定している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図１２に示すように、複数の数値制御装置２からデータベース３にデータが収集されても良い。この場合、数値制御装置２が制御する工具交換装置は同種の機構を備えるものであることが好ましい。

また、上述の実施の形態では、データベース３は特定の工具交換装置に関するデータを蓄積することを想定している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、データベース３は、例えば工具交換装置のメーカやモデル名毎にデータを蓄積することとしても良い。典型的には、例えばメーカやモデル名をレコードの要素として追加することができる。これにより、様々な種類の工具交換装置に対し容易に本発明を適用することが可能となる。

１加工時間予測装置
１１ＣＰＵ
１３揮発性メモリ
１４不揮発性メモリ
１５，１６，１７インタフェース
２０バス
７０表示装置
７１入力装置
７２通信インタフェース
１０１工具交換補助機能指令抽出部
１０２工具交換前後の工具位置算出部
１０３工具間距離算出部
１０４工具交換時間予測部
１０５記憶部
２数値制御装置（ＣＮＣ）
２０１工具交換補助機能指令抽出部
２０２工具交換前後の工具位置算出部
２０４工具交換時間測定部
２０５記憶部
３データベース
１０００加工時間予測システム

Claims

工具交換に係る補助機能の実行時間を予測する加工時間予測装置であって、
加工プログラムから工具交換に係る補助機能指令を抽出する工具交換補助機能指令抽出部と、
前記補助機能指令に基づき、交換前の工具の格納位置と交換後の工具の格納位置とを算出する工具交換前後の工具位置算出部と、
前記交換前の工具の格納位置と前記交換後の工具の格納位置とに基づき、工具間距離を算出する工具間距離算出部と、
工具間距離と工具交換に係る補助機能実行時間の実績値とを対応付けたデータベースを参照して、前記抽出した工具交換に係る補助機能指令の実行時間を予測する工具交換時間予測部と、を有することを特徴とする
加工時間予測装置。
前記工具交換時間予測部は、前記データベースのうち、前記工具間距離算出部が算出した工具間距離と同じ工具間距離を含むデータに基づいて、前記予測を行うことを特徴とする
請求項１記載の加工時間予測装置。
前記データベースは、交換前の工具の格納位置及び交換後の工具の格納位置と、工具交換に係る補助機能実行時間の実績値と、を対応付けたものであり、
前記工具交換時間予測部は、前記データベースのうち、前記工具交換前後の工具位置算出部が算出した交換前の工具の格納位置及び交換後の工具の格納位置と同じ交換前の工具の格納位置及び交換後の工具の格納位置を含むデータに基づいて、前記予測を行うことを特徴とする
請求項１記載の加工時間予測装置。
前記工具交換時間予測部は、前記データベースに基づいて生成した近似式を用いて、前記予測を行うことを特徴とする
請求項１記載の加工時間予測装置。