JP7015419B1 - アンプ選定装置、及びコンピュータが読み取り可能な記憶媒体 - Google Patents

Abstract

産業機械のモータのアンプを選定するアンプ選定装置であって、産業機械のプログラムを取得し、取得したプログラムを解析し、モータの駆動機構及び機械諸元を取得し、産業機械のモータを選定し、産業機械のモータに適合するアンプを選定し、プログラムの指令に従いモータを制御したときのモータの時間ごとの出力を算出し、モータの時間ごとの出力の最大値を判定し、最大値を基にアンプに電力を供給する共通電源を選定する。

Description

本発明は、アンプ選定装置、及びコンピュータが読み取り可能な記憶媒体に関する。

特許文献１には、『入力部から入力されたアンプグループの番号に基づいて、複数のモータのそれぞれを複数のアンプグループのいずれかに割り当てるアンプグループ割り当て部と、前記複数のアンプグループのそれぞれについて、当該アンプグループに割り当てられた前記モータの定格出力の合計値を算出する合計定格出力算出部と、所定の電源容量を有する複数の共通電源のそれぞれについて、前記電源容量の大きさが前記複数のアンプグループのそれぞれの前記合計値以上となる条件を満たすか否かを判断し、前記条件を満たす１つまたは複数の共通電源を選定する共通電源選定部と、選定した前記１つまたは複数の共通電源を前記複数のアンプグループ毎に表示部に識別可能に表示させる表示制御部と、を有する』と記載されている。

工作機械やプロセス射出成形機などの産業機械のアンプの選定では、産業機械の駆動機構、モータの特性、運転パターンなどの入力を基に、モータを選定し、アンプを選定し、最後に、アンプの共通電源を選定するのが一般的である。

特開２０２０－５４１０４号公報

従来、アンプ及び共通電源の選定には、モータの仕様値を用いて選定しているため、過剰な能力のアンプ及び共通電源を選定することがある。アンプ及び共通電源の選定には、過不足ない能力の機種の選定が望ましい。また、選定の際の動作設定は、すべての動作条件を手入力で対応するものが多く、特に、動作が複雑な場合は、手入力の煩雑さを避けることも望ましい。

モータ、アンプ、及び共通電源等の選定の分野では、適切な機種の選定や、選定の設定の簡素化が望まれている。

本開示の一態様であるアンプ選定装置は、産業機械のモータのアンプを選定するアンプ選定装置であって、産業機械のプログラムを取得するプログラム取得部と、プログラムを解析するプログラム解析部と、産業機械のモータを選定するモータ選定部と、産業機械のモータに適合するアンプを選定するアンプ選定部と、プログラムの指令に従いモータを制御したときのモータの時間ごとの出力を算出する出力算出部と、モータの時間ごとの出力の最大値を判定し、最大値を基にアンプに電力を供給する共通電源を選定する共通電源選定部と、を備える。
本開示の一態様である記憶媒体は、１つ又は複数のプロセッサが実行することにより、産業機械のプログラムを取得し、プログラムを解析し、産業機械のモータを選定し、産業機械のモータに適合するアンプを選定し、プログラムの指令に従いモータを制御したときのモータの時間ごとの出力算出し、モータの時間ごとの出力の最大値を判定し、最大値を基にアンプに電力を供給する共通電源を選定する。

本発明の一態様により、アンプ選定の分野で適切な機種を選定することができる。さらに、選定の際の動作設定を簡素化することもできる。

アンプ選定装置のブロック図である。 機械条件の設定画面である。 加減速制御の設定画面である。 加工プログラムの解析結果を示す表である。 加工プログラムに基づく工具の位置変化を示すグラフである。 加工プログラムに基づく工具の速度変化を示すグラフである。 加工プログラムの一例である。 モータとアンプの仕様値を示す図である。 アンプグループとアンプの関係を示す図である。 時間ごとの出力と共通電源の選定の関係を示す図である。 従来の共通電源の選定方法を示す図である。 アンプ選定装置の動作を示すフローチャートである。 算出したモータの電流値とアンプの仕様値とを示す図である。 本開示のアンプ選定装置のハードウェア構成図である。

［第１の開示］
以下、第１の開示のアンプ選定装置１００について説明する。
第１の開示のアンプ選定装置１００は、例えば、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）などの情報処理装置に実装される。アンプ選定装置１００には、産業機械のアンプを選定するための専用のソフトウェアがインストールされている。ユーザはソフトウェアを操作して、モータ、アンプ、共通電源を選定する。
第１乃至第３の開示では、加工プログラムに基づき工作機械のモータ、アンプ、及び共通電源を選定する例について説明するが、工作機械以外のプレス機や射出成形機などの産業機械のモータ、アンプ、及び共通電源を選定してもよい。工作機械以外の産業機械のモータ、アンプ、及び共通電源の選定には、加工プログラムではなく動作プログラムを用いる。

図１は、アンプ選定装置１００のブロック図である。アンプ選定装置１００は、条件取得部１１、プログラム取得部１２、プログラム解析部１３、データ記憶部１４、負荷算出部１５、モータ選定部１６、アンプ選定部１７、出力算出部１８、共通電源選定部１９を備える。

条件取得部１１は、モータが駆動する機械の駆動機構、駆動機構の機械諸元、モータの加減速制御設定などモータの選定に必要な条件を取得する。機械の駆動機構には、ボールねじ機構、インデックス機構、プーリ機構などがある。機械諸元は、駆動機構の重量などの物性値である。
図２は、駆動機構としてボールねじを選択したときの、機械諸元の設定画面である。機械条件として、機械効率、移動物重量、カウンターバランス、ボールねじ直径、ボールねじリード、ボールねじ長さ、減速比などが設定できる。設定内容は、これに限定されず、駆動機構によって異なる。
モータの加減速制御情報は、時定数などの設定情報である。図３の設定画面では、加減速制御情報として、加減速タイプ、早送り時加減速時定数、切削送り時加減速時定数、位置ループゲイン、早送り速度、位置決め距離などが設定できる。

プログラム取得部１２は、工作機械の加工プログラムを取得する。加工プログラムは、外部から読み取ってもよいし、ユーザが入力してもよい。プログラム取得部１２は、取得した加工プログラムの変更や追加なども受け付けてもよい。
プログラム解析部１３は、加工プログラムを解析して、工作機械の各軸の位置、速度、負荷などを表示する。図４の表は、加工プログラムの解析結果として、加工プログラムの行番号（ライン）、駆動機構の運転方式（モード）、時間、位置、速度、切削負荷、切削時間が表示される。図５のグラフは加工プログラムに基づく工作機械の工具の位置変化を示し、図６のグラフは加工プログラムに基づく工具の速度変化を示す。
図７の加工プログラムを参照して、加工プログラムの解析方法について説明する。図７の加工プログラムの１行目「Ｇ９０Ｇ９４」は「座標系設定」である。この行は、モータの駆動には無関係であるため、解析結果を表やグラフに反映しない。
加工プログラムの２行目「Ｇ０４Ｘ０．５」は「Ｘ軸モータを０．５秒停止」という指令である。プログラム解析部１３は、この加工プログラムを解析して、図４の表の１行目に、モード「停止時間」、時間「０．５秒」、位置「０」という解析結果を表示する。
加工プログラムの３行目「Ｇ００Ｘ１００．Ｆ３００００」は「Ｘ軸を速度３００００ｍｍ／ｍｉｎで１００ｍｍ移動」という指令である。加工プログラム解析は、図４の表の２行目に、モード「早送り」、時間「－」、位置「１００」、速度「３００００」を表示する。このように、プログラム解析部１３は、加工プログラムを解析しながら表とグラフを作成する。

データ記憶部１４は、モータ、アンプ、共通電源の選定に必要なデータを記憶している。データ記憶部１４に記憶するデータには、定格出力、定格トルク、定格回転数、回転子慣性モーメント、磁気飽和係数などがあるが、これに限定されない。

負荷算出部１５は、機械の駆動機構、機械諸元、モータの加減速情報、加工プログラムの解析結果を基に、モータの負荷に関する値を算出する。本開示では、加工プログラムに基づきモータの負荷に関する値を算出する。そのため、実際の制御に近い値を取得することができる。
モータの負荷に関する値には、慣性モーメント、負荷トルク、加速トルク、減速トルク、必要トルク、二乗平均トルク（実効負荷トルク）などがある。
（式１）は必要トルクの計算式であり、（式２）は二乗平均トルクの計算式である。

モータ選定部１６は、算出した必要トルクに対して十分な余裕があり、モータの出力軸にかかる慣性モーメントに対し所望のパルス速度で起動及び停止が可能であり、モータの出力軸にかかる慣性モーメントに対して所望の加速時定数及び減速時定数が確保できるモータを仮選定する。
モータ選定部１６は、仮選定したモータのトルク実効値、加減速時定数、過負荷特性、モータ加熱許容値などを確認し、工作機械の使用目的を満たすモータを選定する。

アンプ選定部１７は、データ記憶部１４からモータの最大電流と連続電流の仕様値を取得し、最大電流と連続電流を上回るアンプを選定する。なお、最大電流とは、最大トルクを出すときに短時間で流すことが可能な最大の電流値であり、連続電流とは、モータが過熱することなしに連続で流すことが可能な最大の電流値である。最大電流と連続電流は、モータの仕様で予め決まっている。
図８を参照してアンプの選定方法を説明する。前提として工作機械のモータは複数あり、複数のモータのうちＸ軸のモータが既に選定されているものとする。モータが選定されると、アンプの候補が決まる。図８の例では、「アンプ１」と「アンプ２」という選定候補が決まる。
選定されたＸ軸モータにおいて、最大電流の仕様値は「４８Ａｐ」、連続電流の仕様値は「１２Ａｐ」である。「アンプ１」の最大電流は「４０Ａｐ」、連続電流は「１１．５Ａｐ」である。「アンプ２」の最大電流は「８０Ａｐ」、連続電流は「２２．５Ａｐ」である。アンプ選定部は、Ｘ軸モータの最大電流と連続電流とを上回るアンプを選定する。図８の例では、「アンプ２」を選定する。

アンプは、共通電源ごとにグループ化されている。図９は、共通のグループに属するアンプの一覧である。アンプグループ名「ＡｍｐＧｒｏｕｐ１」のグループには、軸名称「Ｘ」「Ｙ」「Ｚ」「主軸」のモータが含まれる。図９の表には、選定されたアンプの機種名が表示される。

出力算出部１８は、回転速度とトルクからモータ出力を算出する。モータ出力とモータ損失から、出力を算出する。出力は、モータ動作の際に電源からの供給が必要な出力である。モータ出力、モータ損失の計算は、既存の技術なので説明を省略する。
（式３）は、回転速度の計算式である。出力算出部１８は、時系列の回転速度の計算において加工プログラムの解析結果を用いる。データ記憶部１４、負荷算出部１５、加工プログラムの解析結果を参照することにより、共通電源に接続された全てのモータの加工プログラム上の時系列の出力を算出することができる。

出力は、時系列で算出する。図１０は、出力を時系列に並べた表である。図１０の例では、「Ｘ軸」「Ｙ軸」「Ｚ軸」「主軸」の４つの出力を１分ごとに一覧表示している。出力算出部１８は、加工プログラムに従って工作機械を制御したときの４つのモータの出力を時系列に並べる。

共通電源選定部１９は、出力算出部１８が算出した時間ごとの出力の合計値を算出し、合計値の最大値を判定する。図１０の例では、「１ｍｉｎ」の合計出力が「１４ｋＷ」、「２ｍｉｎ」の合計出力が「２５ｋＷ」、…、「３０ｍｉｎ」の合計出力が「７ｋＷ」であり、出力の合計の最大値が「２ｍｉｎ」の「２５ｋＷ」であることが分かる。

共通電源選定部１９は、算出した出力の最大値と、共通電源の仕様から、出力の最大値を上回る容量を有する共通電源をのうち最小出力の共通電源を選定する。
図１０の下表は、共通電源の仕様値を示す。２つの「共通電源１」及び「共通電源２」の最大出力はそれぞれ「２７ｋＷ」、「４０ｋＷ」である。「共通電源１」の最大出力「２７ｋＷ」は、合計出力の最大値「２５ｋＷ」を上回る。共通電源選定部１９は、「Ｘ軸」「Ｙ軸」「Ｚ軸」「主軸」のモータの共通電源として「共通電源１」を選定する。

比較のため、図１１を参照して、従来の共通電源の選定方法を示す。従来の共通電源の選定では、最大出力の仕様値の合計値を求めて、合計値を上回る出力の共通電源を選定する。図１１の例では、「Ｘ軸」の最大出力が「８ｋＷ」、「Ｙ軸」の最大出力が「８ｋＷ」、「Ｚ軸」の最大出力が「８ｋＷ」、「主軸」の最大出力が「６ｋＷ」である。４つのモータの最大出力の仕様値の合計は「３０ｋＷ」である。従来の共通電源の選定では、仕様値の合計「３０ｋＷ」を上回る「共通電源２」を選定する。
従来の選定方法では、各モータの最大出力を基に共通電源を選定するため、過剰選定になることがある。本開示によれば、このような過剰選定を防止することができる。

図１２は、本開示のアンプ選定装置１００の動作を示すフローチャートである。
アンプ選定装置１００は、モータを選定するための情報として、駆動機構及び機械諸元を取得し（ステップＳ１）、加減速制御情報を取得し（ステップＳ２）、加工プログラムを取得する（ステップＳ３）。

アンプ選定装置１００は、加工プログラムを解析し、解析結果を時系列に並べる（ステップＳ４）。

アンプ選定装置１００は、産業機械の駆動機構、機械諸元、モータの加減速情報、加工プログラムの解析結果を基に、モータの負荷に関する値を算出する。モータの負荷に関する値には、慣性モーメント、負荷トルク、加速トルクあるいは減速トルク、必要トルク、二乗平均トルクなどがある（ステップＳ５）。

アンプ選定装置１００は、モータの負荷に関する値を基にモータの選定を行う（ステップＳ６）。モータの選定方法は、既存の技術なので説明を省略する。

アンプ選定装置１００は、選定したモータを基に最大電流と連続電流の仕様値を取得する（ステップＳ７）。アンプ選定装置１００は、取得したモータの最大電流と連続電流の仕様値を基に、アンプを選定する（ステップＳ８）。

アンプ選定装置１００は、共通電源から電源を供給されるモータに対し、前記加工プログラムの解析結果に従い、各モータの出力を時系列に算出する（ステップＳ９）。アンプ選定装置１００は、時間ごとのモータの出力の合計値を算出する（ステップＳ１０）。

アンプ選定装置１００は、モータの出力の合計値の最大値を判定する（ステップＳ１１）。アンプ選定装置１００は、最大出力がステップＳ１１で求めた最大値よりも大きい共通電源を選定する（ステップＳ１２）

［第２の開示］
次いで、第２の開示のアンプ選定装置１００について説明する。
第２の開示のアンプ選定装置１００は、第１の開示のアンプ選定装置１００と同じ構成を備える。第１の開示のアンプ選定装置１００と第２の開示のアンプ選定装置１００との違いは、アンプ選定部１７におけるアンプ選定方法である。

第２の開示のアンプ選定部１７は、最大電流と二乗平均電流を算出し、算出した必要電流と二乗平均電流を用いてアンプの選定を行う。最大電流は、必要な最大の電流である。最大電流は、必要トルクから算出する。（式４）は、必要電流と二乗平均電流の計算式である。同期モータでは、ある程度の電流まで、トルクと電流は、トルク定数を係数として比例関係にあるが、電流を更に増やす場合、磁気飽和という現象があり、磁気飽和の影響で電流あたりに発生するトルクが低下する。そのため磁気飽和を考慮して必要電流を算出する。磁気飽和係数は、同じモータでもトルク範囲によって異なる。磁気飽和係数は、予めデータ記憶部１４に記憶する。算出した必要電流と二乗平均電流を用いてアンプを選定することにより、実トルクに見合った無駄のない設定が可能である。

図１３は、加工プログラムに従い算出した最大電流と二乗平均電流の一例を示す。アンプ選定部１７は、必要トルクから必要電流、二乗平均トルクから二乗平均電流を算出する。算出したＸ軸モータの最大電流は「４０Ａｐ」、二乗平均電流は「９Ａｐ」になる。アンプ選定部１７は、算出した最大電流「４０Ａｐ」及び二乗平均電流「９Ａｐ」を上回る「アンプ１」を選定する。
第１の開示のアンプの選定では、Ｘ軸モータの仕様で決められた最大電流及び連続電流を用いた。仕様で決められた最大電流及び連続電流は、余裕を持たせていることが多いので、過剰な能力のアンプを選定することがある。
第２の開示のアンプ選定装置１００は、仕様値の最大電流と連続電流ではなく、加工プログラムに従い算出した最大電流と二乗平均電流を基に、アンプを選定するため、過剰選定を防止することができる。

［第３の開示］
次いで、第３の開示のアンプ選定装置１００について説明する。
第３の開示のアンプ選定装置１００は、リニアモータを選定する。第３の開示のアンプ選定装置１００の構成は、第１の開示のアンプ選定装置１００と同じであるため、説明を省略する。

第３の開示のアンプ選定装置１００では、負荷算出部１５及び出力算出部１８の計算式が異なる。リニアモータでは、必要トルクではなく必要推力を算出し、二乗平均トルクではなく二乗平均推力を算出する。必要推力から必要電流、二乗平均推力から二乗平均電流を算出する。（式５）は必要推力の計算式であり、（式６）は二乗平均推力の計算式であり、（式７）は必要電流、及び二乗平均電流の計算式である。

出力算出部１８は、速度と推力からリニアモータの出力を算出する。リニアモータ出力とリニアモータ損失から、出力を算出する。出力は、リニアモータ動作の際に電源からの供給が必要な出力である。リニアモータ出力、リニアモータ損失の計算は、既存の技術なので説明を省略する。出力算出部１８は、加工プログラムの解析結果を用いて速度を取得する。データ記憶部１４、負荷算出部１５、加工プログラムの解析結果を用いて速度を出力する。データ記憶部１４、負荷算出部１５、加工プログラムの解析結果を参照することにより、共通電源に接続された全てのリニアモータの実際の動作に必要な出力を時系列で算出することができる。

共通電源選定部１９は、出力算出部１８が算出した時間ごとの出力の合計値を算出し、合計値の最大値を判定する。共通電源選定部１９は、算出した出力の最大値を上回る容量を有する共通電源を選定する。

上述したように、本開示のアンプ選定装置１００は、リニアモータの選定にも適用することができる。

［ハードウェア構成］
第１の開示乃至第３の開示におけるアンプ選定装置１００は、図１５のようなハードウェア構成を有する。
図１４を参照して、アンプ選定装置１００のハードウェア構成を説明する。アンプ選定装置１００が備えるＣＰＵ１１１は、アンプ選定装置１００を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１１は、バスを介してＲＯＭ１１２に加工されたシステム・プログラムを読み出し、該システム・プログラムに従ってアンプ選定装置１００の全体を制御する。ＲＡＭ１１３には、一時的な計算データや表示データ、入力部７１を介してユーザが入力した各種データ等が一時的に格納される。

表示部７０は、アンプ選定装置１００に付属のモニタなどである。表示部７０は、アンプ選定用のソフトウェアの操作画面などを表示する。

入力部７１は、表示部７０と一体、又は、表示部７０とは別のキーボード、タッチパネルなどである。ユーザは入力部７１を操作して、アンプ及び共通電源を選定する。

不揮発性メモリ１１４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、アンプ選定装置１００の電源がオフされても記憶状態が保持されるメモリである。不揮発性メモリ１１４には、図示しないインタフェースを介して外部機器から読み込まれたプログラムや入力部７１を介して入力されたプログラム、アンプ選定装置１００の各部や工作機械等から取得された各種データ（例えば、工作機械から取得した設定パラメータ等）が記憶される。不揮発性メモリ１１４に記憶されたプログラムや各種データは、実行時／利用時にはＲＡＭ１１３に展開されてもよい。また、ＲＯＭ１１２には、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。

本開示のアンプ選定装置１００では、加工プログラムを基に、実際の制御に近い値を用いて、モータを選定することができる。
また、本開示のアンプ選定装置１００では、加工プログラムを基に、各モータの出力を時系列に算出する。モータの出力を時間ごとに変化するが、時間ごとに変化する複数のモータの出力を合計することにより、実際の制御に近い合計出力が取得できるようになり、実トルクに見合った無駄のない設定が可能である。

１００ アンプ選定装置
１１ 条件取得部
１２ プログラム取得部
１３ プログラム解析部
１４ データ記憶部
１５ 負荷算出部
１６ モータ選定部
１７ アンプ選定部
１８ 出力算出部
１９ 共通電源選定部
１１１ ＣＰＵ
１１２ ＲＯＭ
１１３ ＲＡＭ
１１４ 不揮発性メモリ

Claims (6)

1. 産業機械のモータのアンプを選定するアンプ選定装置であって、
   前記産業機械のプログラムを取得するプログラム取得部と、
   前記プログラムを解析するプログラム解析部と、
   前記産業機械のモータを選定するモータ選定部と、
   前記産業機械のモータに適合するアンプを選定するアンプ選定部と、
   前記プログラムの指令に従い前記モータを制御したときの前記モータの時間ごとの出力を算出する出力算出部と、
   前記モータの時間ごとの出力の最大値を判定し、前記最大値を基に前記アンプに電力を供給する共通電源を選定する共通電源選定部と、
   を備えるアンプ選定装置。
2. 前記産業機械のモータは複数あり、前記共通電源選定部は、前記複数のモータの時間ごとの出力の合計値を算出し、前記時間ごとの合計値の最大値を判定し、前記合計値の最大値を基に共通電源を選定する、請求項１記載のアンプ選定装置。
3. 前記プログラムに従い、必要トルク又は必要推力を算出する負荷算出部を備え、
   前記アンプ選定部は、前記必要トルク又は必要推力を基に、必要電流を算出し、前記必要電流を基にアンプを選定する請求項１記載のアンプ選定装置。
4. 前記プログラムに従い、二乗平均トルク又は二乗平均推力を算出する負荷算出部を備え、
   前記アンプ選定部は、前記二乗平均トルク又は二乗平均推力を基に、二乗平均電流を算出し、前記二乗平均電流を基にアンプを選定する請求項１記載のアンプ選定装置。
5. 前記プログラム取得部は、前記プログラムの入力機能、及び変更機能の少なくとも１つを備える、請求項１記載のアンプ選定装置。
6. １つ又は複数のプロセッサが実行することにより、
   産業機械のプログラムを取得し、
   前記プログラムを解析し、
   前記産業機械のモータを選定し、
   前記産業機械のモータに適合するアンプを選定し、
   前記プログラムの指令に従い前記モータを制御したときの前記モータの時間ごとの出力算出し、
   前記モータの時間ごとの出力の最大値を判定し、前記最大値を基に前記アンプに電力を供給する共通電源を選定する
   コンピュータが読み取り可能な命令を記憶する記憶媒体。

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