KR20000027185A - Method for controlling transmission velocity using neural network - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for controlling transmission velocity using neural network is provided to improve an accuracy by computing an accurate error using a contour error model and an inter combination controller and adding the computed error to a control input. CONSTITUTION: A multi-layer neural network(31) simulates a relation of a transmission velocity(F(k)) and a contour error. A repetition learning control unit(32) computes an optimum transmission velocity. The relation of the transmission velocity for determining a reference input of a CNC X-Y servo axis and the contour error by the reference input indicate a nonlinear characteristics. A moving characteristics of two servo axes is simulated in real time using the multi-layer neural network(31). Information of a system is obtained through a neural network inversion method and a suitable transmission velocity is obtained using a repetition learning control method.

Description

신경망을 이용한 이송 속도 제어 방법Feed speed control method using neural network

본 발명은 CNC 공작 기계의 가공 정밀도 및 가공 속도를 향상시키기 위한 이송 속도 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a feed rate control method for improving the machining precision and the machining speed of a CNC machine tool.

컴퓨터 수치 제어(Computer Numerical Control, 이하에서 'CNC'라 함) 공작 기계는 가공 정밀도를 향상시키고 생산 능률을 증대시키기 위하여 고속화, 고정밀화, 지능화를 향한 발전을 계속하고 있다. CNC 콘트롤러는 여러 개의 서보 축의 이동을 동시에 제어하고, 이러한 서보 축의 이동으로 인하여 2차원 또는 3차원 공간상에서의 공구의 이동이 이루어진다.Computer Numerical Control (CNC) Machine tools continue to advance toward higher speed, higher precision, and higher intelligence in order to improve machining accuracy and increase production efficiency. The CNC controller simultaneously controls the movement of several servo axes, and the movement of the tool in two- or three-dimensional space is achieved by the movement of these servo axes.

그러나, 여러 축들간의 동 특성의 차이나 외란 등의 영향 또는 기계적인 결함 등에 의하여 필연적으로 윤곽 오차(contour error)가 발생한다. 이러한 윤곽 오차는 가공 속도가 높아짐에 따라서 증가하게 되므로 고속 고정밀의 가공 목적을 달성하기 위해서는 가공 속도를 높이면서 윤곽 오차를 줄일 수 있는 제어 방법의 연구가 필요하게 된다.However, a contour error is inevitably generated due to a mechanical defect or the like due to a difference in dynamic characteristics or disturbance between several axes. Since the contour error increases as the machining speed increases, it is necessary to study a control method that can reduce the contour error while increasing the machining speed in order to achieve the high-speed, high-precision machining objective.

CNC 공작 기계에서 가공 속도를 높이면 서보 구동계의 시간 지연량이 증가하여 가공 형상의 오차가 발생하게 되고 가공 속도의 증가로 인하여 서보계의 고주파 공진 현상이 일어날 우려가 있다. 반면, 가공 속도를 낮추면 고정밀도를 실현할 수 있지만 가공 시간이 길어짐으로 인하여 생산성이 떨어지는 문제가 있다.Increasing the machining speed in a CNC machine tool increases the amount of time delay of the servo drive system, resulting in an error in the machining shape, and there is a concern that a high frequency resonance phenomenon of the servo system may occur due to an increase in the machining speed. On the other hand, if the machining speed is lowered, high precision can be realized, but there is a problem that productivity is lowered due to longer machining time.

이러한 문제를 해결하기 위한 종래의 방법으로서, 이마무라(Imamura) 등은 비선형 프로그램 방법으로 허용범위 내에서 타원의 윤곽에 대해 이송 속도를 여러 선형 구간으로 나누어 제어하고자 하였고(F. Imamura and H. Kaufman, "Feedrate optimization for machine tool control subject to contour error constraints", Proc. 1988 American Control Conference, pp. 81-86, 1989), 추앙(Chuang) 등은 가공 속도를 증가시키기 위하여 이송 속도와 윤곽 오차와의 관계를 선형 관계식으로 놓고 적응 제어 기법을 통하여 이송 속도를 제어하고자 하였다(H.Y.Chuang and C.H.Liu, "Techniques in cross-coupled digital adaptive feedrate control for multiaxis machine tools", Control and Dynamic Systems, vol. 72, pp. 265-301, september, 1996). 그러나, 이송 속도와 윤곽 오차의 관계가 매우 비선형적이므로 추앙 등의 관계는 실제 가공에는 제대로 대처하기가 어렵다.As a conventional method for solving such a problem, Imamura et al. Attempted to control the feed rate by dividing the feed velocity into the contour of the ellipse within the allowable range by using a nonlinear program method (F. Imamura and H. Kaufman, "Feedrate optimization for machine tool control subject to contour error constraints", Proc. 1988 American Control Conference, pp. 81-86, 1989), Chuang et al. In this paper, we tried to control the feed rate through a linear relational equation (HYChuang and CHLiu, "Techniques in cross-coupled digital adaptive feedrate control for multiaxis machine tools", Control and Dynamic Systems, vol. 72, pp. 265-301, september 1996). However, since the relationship between the feed rate and the contour error is very non-linear, the relation such as chau is difficult to cope with actual machining.

또한, 양(Yang) 등은 최적 제어를 이용하여 해석적으로 가공 경로와는 다른 윤곽을 정해서 성능을 향상시키고자 하였지만(C.D.Yang, "Optimal feedrate control strategy for high-speed high-accuracy corner motions", Proc. 32-nd IEEE Conference on. Decision and Control. pp.2517-2522, 1993.), 이는 모델이 비선형적이거나 불확실성이 존재할 때 적용하기 어려운 단점이 있고, 싸이(Tsai)등은 퍼지 이송 속도 제어 방법을 제안하였으나(M.C.Tsai et al., "DSP-based motion control by Haxis-controller and fuzzy adaptive feedrate", Control Eng. Practice, vol.3, No.11, pp. 1587-1597, 1995), 이는 전문가적인 지식인 규칙을 알아야 하는 단점이 있다.In addition, Yang et al. Tried to improve performance by analytically delineating the machining path using optimal control (CDYang, "Optimal feedrate control strategy for high-speed high-accuracy corner motions", Proc. 32-nd IEEE Conference on Decision and Control.pp.2517-2522, 1993.), which is difficult to apply when the model is non-linear or uncertain, Tsai et al. (MCTsai et al., "DSP-based motion control by H axis-controller and fuzzy adaptive feedrate", Control Eng. Practice, vol. 3, No. 11, pp. 1587-1597, 1995). The disadvantage is that you need to know the rules of expert knowledge.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 목적 함수에 공칭 허용치를 포함시켜서 CNC의 가공시 주어지는 윤곽 오차의 공칭 허용치 내에서 최적의 이송 속도를 실시간으로 구함으로써 전체 가공 시간을 단축시켜 생산성을 높일 수 있는 이송 속도 제어 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to solving the problems of the prior art as described above, and an object of the present invention is to include a nominal tolerance in an objective function to achieve an optimum feed rate in real time within a nominal tolerance of a contour error given during machining of a CNC. The present invention provides a feed rate control method that can shorten the overall machining time and increase productivity.

본 발명의 또 다른 목적은, 최적의 이송 속도를 구하기 위하여 반복 학습 제어 방법을 사용하는데 있어서, CNC 시스템의 동 특성의 정보, 즉 이송 속도와 윤곽 오차간의 관계를 신경망을 이용하여 모사함으로써 비선형 특성뿐만 아니라 시스템의 불확실성이 존재하는 경우에도 제어 성능이 향상된 이송 송도 제어 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to use an iterative learning control method in order to obtain an optimum feed rate, by using a neural network to simulate the information of the dynamic characteristics of the CNC system, that is, the relationship between the feed rate and the contour error. In addition, even when uncertainty exists in the system, the present invention provides a method of controlling a transfer song with improved control performance.

도1은 윤곽 오차를 설명하는 도면,1 is a diagram for explaining contour error;

도2는 기준 궤적의 두 점과 윤곽 오차와의 관계를 설명하는 도면,2 is a diagram illustrating a relationship between two points of a reference trajectory and contour error;

도3은 CNC X-Y 서보 축에 대하여 본 발명에서 제안한 신경망 이송 속도 제어 방법을 구현한 신경망 제어 장치의 구성도,3 is a configuration diagram of a neural network control device implementing the neural network feed speed control method proposed in the present invention for a CNC X-Y servo axis;

도4는 본 발명에서 사용된 4-5-1 다층신경망의 구조도,4 is a structural diagram of a 4-5-1 multilayer neural network used in the present invention;

도5는 원 가공시의 본 발명에 의한 신경망 이송 속도 제어 방법을 이용한 가공 결과인 윤곽 오차를 나타내는 도면,5 is a view showing the contour error which is a result of processing using a neural network feed speed control method according to the present invention at the time of circular machining;

도6은 도5의 경우의 이송 속도를 나타내는 도면,FIG. 6 is a diagram showing a feed speed in the case of FIG. 5; FIG.

도7은, 도5에서의 윤곽 오차 결과와 오차의 내외부 허용치를 200배 확대하여 실제 X-Y 평면에 나타낸 도면,FIG. 7 is a view showing the contour error result and the internal and external tolerance of the error in FIG.

도8은 인볼루트 경로에 대한 윤곽 오차값들을 나타내는 도면,8 illustrates contour error values for an involute path;

도9는 도8의 경우의 이송 속도를 나타내는 도면,9 is a diagram showing a feed speed in the case of FIG. 8;

도10은 코너 가공에 대하여 윤곽 오차의 결과를 나타내는 도면,Fig. 10 is a diagram showing the result of contour error for corner machining;

도11은 도10의 경우의 이송 속도를 나타내는 도면,FIG. 11 is a diagram showing a feed speed in the case of FIG. 10; FIG.

도12는 코너 가공의 내외부 경계치와 가공 결과로 나타나는 윤곽 오차를 모두 800배 확대하여 X-Y 평면에 표현한 도면.Fig. 12 is a view in which the contour error resulting from the machining result and the inner and outer boundary values of the corner machining are all enlarged by 800 times and expressed in the X-Y plane.

* 도면의 주요한 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

31 : 다층신경망 32 : 반복학습제어부31: multilayer neural network 32: iterative learning control unit

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 신경망을 이용한 이송 속도 제어 방법은, 컴퓨터 수치 제어 공작 기계의 서보 축의 이송 속도를 제어하는 방법에 있어서, 다층 신경회로망을 이용하여 서보 축의 동 특성을 실시간으로 모사하는 단계 ; 및 주어진 목적 함수에 따라서 최대 경사법으로 학습하는 반복 학습 제어 방법에 의하여 이송 속도를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the feed speed control method using the neural network according to the present invention is a method for controlling the feed speed of the servo shaft of a computer numerical control machine tool, the dynamic characteristics of the servo shaft using a multi-layer neural network Simulating in real time; And obtaining a feed rate by an iterative learning control method for learning with a maximum gradient method according to a given objective function.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 고정밀 고속 가공을 위한 신경망 이송 속도 제어 방법을 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a neural network feed speed control method for high precision high speed machining according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, CNC 공작 기계의 윤곽 오차 모델링에 관하여 설명한다.First, the contour error modeling of a CNC machine tool is demonstrated.

CNC 공작 기계는 임의의 곡선 가공시 주어진 이송 속도에 대하여 보간기가 주어진 곡선을 보간하여 매 샘플링 시간마다 각 축에 대한 노트 포인트(knot point)를 생성하고 그 기준 경로와 실제 가공 경로와의 차이를 추적제어기의 입력으로 사용한다. 기준 경로의 점들 사이는 직선으로 간주하여 도1과 같은 기준 궤적을 생성한다. 도1은 윤곽 오차를 설명하는 도면이다.The CNC machine tool generates a knot point for each axis at every sampling time by interpolating the given curve for the given feed rate for any curve machining and tracking the difference between the reference path and the actual machining path. Used as input to the controller. The points between the points of the reference path are regarded as straight lines to generate the reference trajectories as shown in FIG. 1 is a diagram for explaining contour error.

도1에서 임의의 t 샘플링 시간에서의 기준 위치를 P*(t)라 하고 실제 가공 위치가 시간 지연양 만큼 지연된 위치를 P(t)라고 하면, E는 추적 오차이고 실제 가공 경로에서 가장 근접한 기준 경로 위의 점까지의 벡터를 윤곽 오차로서 정의한다. 그러므로, 현재 위치에서 가장 가까운 노트 포인트를 P* 1과 P* 2라고 놓으면 윤곽 오차 벡터 Ec는 P(t)와 두 점 P* 1와 P* 2사이의 임의의 점인 P* c(t)와의 벡터가 된다. 이러한 윤곽 오차가 가공 정밀도를 직접 결정하게 된다.In Fig. 1, if the reference position at any t sampling time is P * (t) and the position where the actual machining position is delayed by the amount of time delay is P (t), E is the tracking error and the closest reference in the actual machining path. The vector to the point on the path is defined as the contour error. Therefore, if the closest note point from the current position is P * 1 and P * 2 , the contour error vector E c is P (t) and P * c (t) is an arbitrary point between the two points P * 1 and P * 2 . It is a vector of and. This contour error directly determines the machining precision.

현재 위치와 가장 가까운 두 점을 찾기 위하여 기준 궤적 위의 모든 점들과의 거리를 계산하는데, 이렇게 하면 계산 시간이 많이 소요될 우려가 있다. 그러므로 적당한 크기의 가변 윈도우를 정의해서 기준 궤적의 과거 값을 메모리에 저장하고 그 윈도우 내의 기준 궤적과 현재 순간의 실제 궤적의 위치와의 거리를 구하면, 과거의 기준 궤적으로부터 가장 가까운 두 점을 찾을 수 있고 계산 시간도 줄일 수 있다. 가변 윈도우의 크기는 t 샘플링 시간에서 P1 *의 위치에서 시작하여 거리가 줄어들다가 다시 커지는 위치까지로 결정한다.The distance from all points on the reference trajectory is calculated to find the two points closest to the current position, which may take a long time. Therefore, if you define a variable window of appropriate size and store the past value of the reference trajectory in memory and find the distance between the reference trajectory within the window and the position of the actual trajectory at the present moment, the two points closest to the past reference trajectory can be found. It also reduces computation time. The size of the variable window is determined from the position of P 1 * at the t sampling time to the position where the distance decreases and then grows again.

상기한 바와 같은 방식으로 현재 위치에서 거리가 가장 짧은 두 점을 찾아서 도2에서 보이는 바와 같이, 직선과 한 점간의 거리를 구하는 식으로 윤곽 오차를 계산하면 된다. 도2는 기준 궤적의 두 점과 윤곽 오차와의 관계를 설명하는 도면이다.As described above, the contour error may be calculated by finding two points having the shortest distance from the current position and obtaining a distance between a straight line and one point as shown in FIG. 2. 2 is a diagram for explaining the relationship between two points of the reference trajectory and the contour error.

도2에서 P1*와 P2*의 두 점을 잇는 직선의 기울기는 다음의 수학식 1과 같다.In FIG. 2, the slope of a straight line connecting two points P 1 * and P 2 * is expressed by Equation 1 below.

P2 *와 P의 오차 벡터를 x축 성분 ex'와 y축 성분 ey'으로 둘 때 윤곽 오차 벡터 Ec는 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있고, 윤곽 오차의 크기 ε은 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.When the error vectors of P 2 * and P are set to the x-axis component e x 'and y-axis component e y ', the contour error vector E c can be expressed as Equation 2 below, and the magnitude of the contour error ε is It can be expressed as Equation 3.

이하에서는 본 발명에 의한 신경망을 이용한 이송 속도 제어 방법을 설명한다.Hereinafter will be described a feed rate control method using a neural network according to the present invention.

CNC X-Y 서보축의 기준 입력을 결정하는 이송 속도와 그 기준 입력에 의한 윤곽 오차의 관계는 매우 강한 비선형적인 특성을 나타내므로, 본 발명에서는 다층 신경회로망을 이용하여 두 서보축의 동 특성을 실시간으로 모사하고 신경망 인버젼 방식을 통하여 시스템의 정보를 얻어 반복 학습 제어 방법으로 적절한 이송 속도를 구한다.Since the relationship between the feed rate for determining the reference input of the CNC XY servo axis and the contour error due to the reference input shows a very strong nonlinear characteristic, the present invention simulates the dynamic characteristics of the two servo axes in real time using a multilayer neural network. The neural network inversion method is used to obtain the information of the system and to obtain the proper feed rate using the iterative learning control method.

도3은 CNC X-Y 서보축에 대하여 본 발명에서 제안한 신경망 이송 속도 제어 방법을 구현한 신경망 제어 장치의 구성을 설명하는 도면이다. 도3에 도시된 신경망 제어 장치는, 이송 속도(F(k))와 윤곽 오차(ε(k))의 관계를 모사하기 위한 다층신경망(31)과 최적의 이송 속도를 구하는 반복학습제어부(32)를 포함한다.3 is a view for explaining the configuration of the neural network control device implementing the neural network feed speed control method proposed in the present invention for the CNC X-Y servo axis. The neural network controller shown in FIG. 3 includes a multi-layer neural network 31 for simulating the relationship between the feed rate F (k) and the contour error ε (k) and an iterative learning controller 32 for obtaining an optimum feed rate. ).

도3에서 다층신경망(31)은 CNC 시스템의 비선형적인 동 특성을 모사하는 것을 목적으로 하므로 4-5-1 다층신경망을 사용한다.In FIG. 3, the multilayer neural network 31 uses 4-5-1 multilayer neural network because it aims to simulate the nonlinear dynamic characteristics of the CNC system.

도4는 본 발명에서 사용된 4-5-1 다층신경망의 구조를 설명하는 도면이다.4 is a view for explaining the structure of the 4-5-1 multilayer neural network used in the present invention.

도4에서, Wji는 입력층과 은닉층의 가중치이고, Woj는 은닉층과 출력층의 가중치이다. 그리고, 이러한 가중치들은 다음의 수학식 4의 목적 함수에 따라서 오차 역전파 방법으로 조정된다.In FIG. 4, W ji is a weight of the input layer and the hidden layer, and W oj is a weight of the hidden layer and the output layer. These weights are adjusted by the error backpropagation method according to the objective function of Equation 4 below.

no와 nj를 각각 신경망의 출력층과 은닉층의 입력이라고 두고, f(·)를 신경망 각 노드의 하이퍼볼릭 탄젠트 활성화 함수라고 할 때, 상기한 바와 같이 학습된 신경망의 출력식은 다음의 수학식 5와 같다.When n o and n j are the inputs of the neural network output layer and the hidden layer, respectively, and f (·) is the hyperbolic tangent activation function of each node of the neural network, the output equation of the neural network learned as described above is expressed by Equation 5 below. Same as

이 때 학습을 충분히 한다면 신경망의 출력과 윤곽 오차가 근사화 되었다고 할 수 있다.If you learn enough at this time, the output and contour error of the neural network are approximated.

이러한 신경망의 인버젼 방법으로 얻어낸 시스템의 동 특성 정보를 이용하여 반복 학습 방법으로 적절한 이송 속도를 구해내는데, 임의로 결정한 목적 함수에 따라 최대 경사법으로 학습하게 된다.Using the dynamic characteristics information of the system obtained by the inversion method of the neural network, the proper feedrate is obtained by the iterative learning method.

이송 속도와 윤곽 오차는 비선형적인 관계가 있을 뿐만 아니라, 윤곽 오차는 가공 정밀도를 결정 짓고 이송 속도는 생산성과 관계가 있는 것으로서, 이들은 서로 역의 관계에 있다. 그러므로, 정밀도를 어느 정도로 유지하면서, 즉 윤곽 오차가 허용치 안에 들게 하면서 최대한 가공 속도를 높이기 위하여 사용자가 원하는 윤곽 오차의 공칭 허용치를 목적 함수에 넣는다. 또한, 윤곽 오차의 양과 음의 허용치를 다르게 둘 경우 목적 함수가 복잡해지므로 윤곽 오차의 값의 절대치를 취함으로써 하나의 목적 함수로써 표현할 수 있다. 그러므로, 반복 학습에 사용할 목적 함수는 다음의 수학식 6과 같다.In addition to the nonlinear relationship between the feed rate and the contour error, the contour error determines the machining precision and the feed rate relates to the productivity, which are inversely related to each other. Therefore, the nominal tolerance of the user's desired contour error is put into the objective function in order to maintain the precision to some extent, i.e. the contour error falls within the allowable value, and to increase the processing speed as much as possible. In addition, since the objective function becomes complicated when the positive and negative tolerances of the contour error are different, the absolute value of the contour error can be taken as one objective function. Therefore, the objective function to be used for the iterative learning is shown in Equation 6 below.

상기 수학식 6에서, εb(〉0)는 윤곽 오차가 허용 오차의 한계치 (|ε|max)를 넘지 않도록 사용자가 정해주는 경계치이다. 이러한 목적 함수에 따른 최대경사법을 이용한 반복 학습 규칙은 다음의 수학식 7과 같이 표현된다.In Equation 6, ε b (> 0) is a boundary value determined by the user so that the contour error does not exceed the limit of the tolerance (| ε | max ). The iterative learning rule using the maximum slope method according to the objective function is expressed by Equation 7 below.

상기 수학식 7에서 t는 반복 횟수, η는 반복 학습률, α는 반복 학습의 수렴성을 높이기 위한 모멘트 값이다.In Equation 7, t is the number of repetitions, η is the repetition learning rate, α is a moment value for increasing the convergence of repetitive learning.

상기한 수학식 7의 반복 학습 규칙에서 ∂E/∂F는 다음의 수학식 8과 같이 연쇄 법칙으로써 표현할 수 있다.In the iterative learning rule of Equation 7, ∂E / ∂F may be expressed as a chain law as shown in Equation 8 below.

상기 수학식 8에서 ∂|ε|/∂F는 시스템의 동 특성에 관한 정보이므로, 모사된 신경망으로부터 이 정보를 얻기 위하여 상기 수학식 5와 상기 연쇄 법칙을 적용하면 다음의 수학식 9와 같이 표현할 수 있다.Since ∂ | ε | / ∂F in Equation 8 is information on the dynamic characteristics of the system, the equation 5 and the chain law are applied to obtain this information from the simulated neural network. Can be.

상기한 수학식 9에서 우변의 첫 번째 편미분값은 다층신경망이 충분히 학습되었다고 가정하고 '1'로 두었다.In Equation 9, the first partial derivative of the right side is set to '1' on the assumption that the multilayer neural network has been sufficiently learned.

이와 같이 신경망으로부터 시스템의 비선형적인 동 특성을 얻어서 수 차례 반복하여 목적 함수에 따라 학습함으로써 최적의 이송 속도를 구한다.In this way, the non-linear dynamic characteristics of the system are obtained from the neural network, and it is repeated several times to obtain the optimum feed rate by learning according to the objective function.

이하에서는 본 발명에 의한 신경망 이송 속도 제어 방법의 타당성을 검토하기 위하여 TNV-40 수직형 머시닝센터의 X-Y 서보축의 모델을 대상으로 모의 실험을 수행한 것을 설명한다.In the following, the simulation is performed on the model of the X-Y servo axis of the TNV-40 vertical machining center in order to examine the feasibility of the neural network feed speed control method according to the present invention.

각 축의 플랜트 모델은 포화기, 외란, 마찰력 등의 비선형 요소를 포함하며, 각 축은 속도 제어를 위한 PI 형태의 속도 제어기와 위치 제어를 위한 PD 형태의 추적 제어기들을 포함한다. 그리고, 고정밀성의 응답을 얻기 위하여 PI 형태의 상호 결합 제어기를 사용하였다.The plant model of each axis includes nonlinear elements such as saturator, disturbance, friction, etc. Each axis includes a PI type speed controller for speed control and a PD type tracking controller for position control. In order to obtain a high-precision response, a PI-type cross-link controller was used.

실험에 사용된 X-Y축의 파라미터 값들은 다음의 표 1에 정리되어 있다.The parameter values of the X-Y axis used in the experiment are summarized in Table 1 below.

관성inertia 점성 마찰력Viscous friction 쿨롱 마찰력Coulomb Friction 외란Disturbance J(㎏㎡)J (㎏㎡) B(Nms)B (Nms) Fi(Nm)F i (Nm) Di D i X-축X-axis 0.01030.0103 0.03360.0336 0.20.2 0.10.1 Y-축Y-axis 0.0120.012 0.03080.0308 0.30.3 0.10.1

추적 제어기(Cti, i=x,y), 상호 결합제어기(Ccc), 모터의 속도 제어를 위한 속도 제어기(Cvi, i=x,y)에 사용된 파라미터의 값들은 다음의 표 2에 정리되어 있다.The values of the parameters used in the tracking controller (C ti , i = x, y), the mutual coupling controller (C cc ), and the speed controller (C vi , i = x, y) for controlling the speed of the motor are shown in Table 2 below. Summarized in

Cti=kp+kdssC ti = k p + k ds s Cvi=ksp+ksi/sC vi = k sp + k si / s Ccc=Kp+Ki/sC cc = K p + K i / s kp k p kd k d ksp k sp ksi k si Kp K p Ki K i X-축X-axis 5.55.5 0.020.02 1.31.3 2.352.35 55 0.80.8 Y-축Y-axis 4.954.95 0.020.02 1.31.3 2.352.35

반복 학습 방법에서의 반복 횟수는 시행 착오 방법으로 결정한 5회로 수행하였으며, 모멘트값은 0.1로 하였다. 그리고, 윤곽 오차의 공칭 허용치를 넘지 않도록 하는 경계치는 0.003㎜로 한다.The number of repetitions in the repetitive learning method was performed 5 times by the trial and error method, and the moment value was 0.1. And the boundary value which does not exceed the nominal tolerance of contour error shall be 0.003 mm.

이 실험에서는 학습률이 0일 때와 60일 때로 하였는데, 학습률이 0일 경우에는 이송 속도를 제어하지 않고 초기에 급작스런 속도 변화에 따른 윤곽 오차의 증가를 막기 위하여 가속 구간을 거쳐서 일정한 크기의 속도, 즉 50㎜/min의 정속 가공을 의미한다. 그리고, 학습률 60은 시행 착오 방법으로 결정한 수치이다.In this experiment, the learning rate was set to 0 and 60. If the learning rate is 0, the velocity is of a constant magnitude, that is, through the acceleration section to prevent the increase of the contour error due to the sudden speed change without controlling the feed rate. It means the constant speed processing of 50 mm / min. And the learning rate 60 is the numerical value determined by the trial and error method.

먼저, 일반적인 비선형 경로인 다음의 수학식 10과 같은 원에 대하여 실험을 수행하였다.First, experiments were performed on circles, such as the following Equation 10, which is a general nonlinear path.

상기 수학식 10에서 R은 원의 반경으로서 10㎜로 하였다.In Equation 10, R was 10 mm as the radius of the circle.

도5는 원 가공시의 본 발명에 의한 신경망 이송 속도 제어 방법을 이용한 가공 결과인 윤곽 오차를 나타내고, 도6은 이 경우의 이송 속도를 나타낸다.Fig. 5 shows the contour error which is the result of processing using the neural network feed speed control method according to the present invention at the time of circular machining, and Fig. 6 shows the feed speed in this case.

도5와 도6에서 보이는 바와 같이, 허용 오차 내에 가공이 되면서 이송 속도가 적절히 조정이 되고 가공 속도가 빨라짐을 볼 수 있다. 또한, 측정을 통하여 윤곽 오차의 최대치는 거의 비슷하지만 가공 시간이 한 주기 동안에 12.4% 줄어 든 것을 확인하였다. 또한, 도7은, 도5에서의 윤곽 오차 결과와 오차의 내외부 허용치를 200배 확대하여 실제 X-Y 평면에 나타낸 것이다. 도7에서 보이는 바와 같이, 실제 윤곽이 허용 오차 내에서 가공되는 것을 알 수 있다.As shown in Figures 5 and 6, while processing within the tolerance can be seen that the feed rate is properly adjusted and the processing speed is faster. In addition, the measurements showed that the maximum contour error was about the same, but the machining time was reduced by 12.4% in one cycle. In addition, Fig. 7 shows the contour error result in Fig. 5 and the internal and external tolerance values of the error 200 times, and is shown in the actual X-Y plane. As shown in Fig. 7, it can be seen that the actual contour is machined within the tolerance.

다음은 다른 비선형 경로로서 다음의 수학식 11과 같이 표현되는 인볼루트 경로에 대하여 상기한 방법으로 실험하였다.Next, the experiment was performed on the involute path represented by Equation 11 as another nonlinear path.

도8은 인볼루트 경로에 대한 윤곽 오차값들을 나타내며, 도9는 그 때의 이송 속도를 나타낸다. 도8 및 도9에서 보이는 바와 같이, 인볼루트 경로에 대해서도 본 발명에 의한 제어 방법에 의하여 이송 속도를 적절하게 계산함에 의하여 가공 시간을 약 8% 줄일 수 있었다. 그러나, 이 경우에도 정속 가공과 이송 속도 제어 모두 윤곽 오차의 허용치를 약간 벗어났다.Fig. 8 shows the contour error values for the involute path, and Fig. 9 shows the feed speed at that time. As shown in Fig. 8 and Fig. 9, the machining time could be reduced by about 8% by appropriately calculating the feed rate for the involute path by the control method according to the present invention. However, even in this case, both the constant speed machining and the feed rate control slightly exceeded the tolerances of the contour error.

다음은 선형 경로와 비선형 경로가 함께 존재하는 코너 가공에 대한 실험을 수행하였다. 도10은 코너 가공에 대하여 윤곽 오차의 결과를 나타내고, 도11은 이 때의 이송 속도를 나타낸다. 도12는 코너 가공의 내외부 경계치와 가공 결과로 나타나는 윤곽 오차를 모두 800배 확대하여 X-Y 평면에 표현한 것이다.Next, we performed an experiment on corner machining with both linear and nonlinear paths. Fig. 10 shows the result of the contour error for the corner machining, and Fig. 11 shows the feed speed at this time. Fig. 12 is an 800-fold enlargement of both the inner and outer boundary values of the corner machining and the contour error resulting from the machining, and is expressed in the X-Y plane.

도10, 도11 및 도12에서 보이는 바와 같이, 윤곽 오차가 경계치 내부에 존재할 때는 제어기에 의하여 이송 속도가 증가되어 가공 속도가 빨라지는 것을 볼 수 있고, 다시 경계치로 접근할 때는 이송 속도가 서서히 줄어드는 것을 볼 수 있다. 결과적으로, 코너 가공의 경우에도 이송 속도를 제어하는 경우에 윤곽 오차의 크기는 거의 비슷하지만 코너를 가공하고 난 후 10㎜ 직선까지 가공 할 때의 가공 시간이 12.3% 줄었다.As shown in Figs. 10, 11, and 12, when the contour error exists inside the boundary, the feed rate is increased by the controller to increase the processing speed, and when approaching the boundary again, the feed speed is gradually decreased. You can see it shrink. As a result, even in the case of corner machining, the contour error is almost the same in the case of controlling the feed rate, but the machining time for the 10 mm straight line after the corner was reduced by 12.3%.

다음의 표 3은 원, 인볼루트, 코너 윤곽에 대한 가공 결과를 정리한 것이다.Table 3 below summarizes the machining results for circle, involute and corner contours.

won 인볼루트Involute 코너corner 학습률Learning rate 00 6060 00 6060 00 6060 |εc|peak(㎜)| Ε c | peak (mm) 0.00340.0034 0.00330.0033 0.00900.0090 0.00900.0090 0.00280.0028 0.00290.0029 주기(초)Frequency in seconds 1.2911.291 1.1311.131 1.2771.277 1.1781.178 0.7490.749 0.6570.657

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는, CNC 머시닝센터의 X-Y 두 서보축을 대상으로 가공 정밀도를 유지하면서 최고의 이송 속도로 가공 속도를 증가시키기 위한 목적 함수를 가지는 이송 속도 신경망 제어 방법을 제공한다. 또한, 종래의 오차 모델링 방식이 아닌 최신의 윤곽 오차 모델을 사용하고 상호 결합제어기를 사용함으로써 일반적인 비선형 윤곽에서도 보다 정확한 오차를 계산하여 제어 입력을 부가하므로 정밀도를 향상시킬 수 있다. 윤곽 오차 모델링을 기반으로 제안한 이송 속도 신경망 제어 방법은 일정한 이송 속도를 유지하는 종래의 방법에 비하여, 윤곽 오차에 따라 이송 속도를 반복 학습 제어 방법으로 가변시킴으로써 가공 성능을 향상시킬 수 있다.As described above, the present invention provides a feed rate neural network control method having an objective function for increasing the machining speed at the highest feed rate while maintaining machining accuracy for two X-Y servo axes of a CNC machining center. In addition, by using a state-of-the-art contour error model rather than a conventional error modeling method and using a mutual coupling controller, accuracy can be improved by calculating a more accurate error even in a general nonlinear contour and adding a control input. The proposed feedrate neural network control method based on the contour error modeling can improve the machining performance by changing the feedrate to the iterative learning control method according to the contour error, compared to the conventional method of maintaining a constant feedrate.

Claims (1)

컴퓨터 수치 제어 공작 기계의 서보 축의 이송 속도를 제어하는 방법에 있어서,In the method of controlling the feed rate of the servo axis of a computer numerical control machine tool, Wji를 다층신경망의 입력층과 은닉층의 가중치이고, Woj는 은닉층과 출력층의 가중치라고 할 때, 이러한 가중치들은 다음의 수학식과 같은 목적 함수에 따라서 오차 역전파 방법으로 조정되고,When W ji is the weight of the input layer and the hidden layer of the multilayer neural network, and W oj is the weight of the hidden layer and the output layer, these weights are adjusted by the error back propagation method according to the following objective function: no와 nj를 각각 신경망의 출력층과 은닉층의 입력이라고 두고, f(·)를 신경망 각 노드의 하이퍼볼릭 탄젠트 활성화 함수라고 할 때, 상기한 바와 같이 학습된 신경망의 출력식은 다음의 수학식과 같은 것을 특징으로 하는,When n o and n j are the inputs of the neural network's output layer and the hidden layer, respectively, and f (·) is the hyperbolic tangent activation function of each node of the neural network, the neural network's output equation as described above is expressed as Characterized in that, 다층 신경회로망을 이용하여 서보 축의 동 특성을 실시간으로 모사하는 단계Simulating the dynamic characteristics of the servo axis in real time using a multilayer neural network ; 및; And 다음과 같은 수학식의 목적 함수에 따라서 최대 경사법으로 학습하는 반복 학습 제어 방법에 의하여 이송 속도를 구하는 단계Obtaining a feed rate by an iterative learning control method for learning with the maximum gradient method according to the objective function of the equation 상기 수학식에서, εb(〉0)는 윤곽 오차가 허용 오차의 한계치 |ε|max를 넘지 않도록 사용자가 정해주는 경계치임.In the above equation, ε b (> 0) is a boundary value determined by the user so that the contour error does not exceed the limit value | ε | max of the tolerance. 를 포함하는 것을 특징으로 하는 신경망을 이용하는 이송 속도 제어 방법.Feed rate control method using a neural network comprising a.
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