TWI410767B - 機械裝置之具有參數學習的控制器及其參數學習方法 - Google Patents

Description

機械裝置之具有參數學習的控制器及其參數學習方法

本發明是有關於一種CNC機械裝置中的數值控制器，特別是有關於一種具有參數學習功能的CNC機械裝置之控制器及其參數學習的控制方法；可依使用者對於加工特性之偏好，經過參數學習方法，調變機械裝置之參數，達到縮短加工時間、提升加工精度、改善機械裝置加工穩度之成效。

首先，請參考第1圖，係一種習知的CNC機械裝置之數值控制器方塊示意圖。如第1圖所示，數位控制模組10由路徑規劃單元12、動程規劃單元13與插值單元14等所組成；其中路徑規劃單元12，是將使用者編輯之加工程式11解譯並規劃出一個加工路徑；接著，動程規劃單元13是依據數位控制模組10所提供之參數18，進一步規劃加工路徑的運動特性，如速度、加速度等；之後，由插值單元14將完成動程規劃之具有運動特性的單節資料做插值運算後，再將命令發送至驅動器15；然後，驅動器15於接收插值後的命令後，再發出控制信號以驅動並控制馬達16；此外，由各軸向的位置感測元件17，如馬達編碼器或光學尺，將感測的馬達16位置迴授資料並傳回驅動器15。

在上述的CNC機械裝置操作過程中，於設定數位控制模組10的各項參數18時，常因機台剛性、馬達特性與各部機構的不同，需要憑經驗反覆測試，才能設定出一組較適當的參數18。如此會產生諸多不便，例如：設定參數需要有經驗的調機人員、需要花不少時間反覆測試與驗證。

由於先前技術在CNC機械裝置的使用，是使用一組參數來適用於所有的加工過程，由於使用者對參數了解不深，而且加工狀 況常因不同情況而改變，故使用者往往不能確定目前參數是否適合正準備要處理的加工檔，會不會有加工時間過長、機台抖動等問題；面對這些問題，使用者通常無法自行調整參數來解決，而需機械廠人員協助才有辦法，造成使用者相當大的困擾與不便。

為解決先前技術的問題及缺點，本發明之主要目的在於提供一種在CNC機械裝置中配置具有參數學習功能的數值控制器，藉由數值控制器之具參數學習功能，使得CNC機械裝置在調機與參數設定上能更方便。

本發明之另一主要目的在於提供一種在CNC機械裝置中配置具有參數學習功能的數值控制器，使得機械廠人員在對CNC機械裝置進行調機時，能夠開啟參數學習功能並執行標準測試程式，使得數位控制器記錄快準穩等表現指標，並經由參數學習演算法自動更新機械裝置之參數，使得CNC機械裝置在調機與參數設定能夠更準確的達到加工效果。

本發明之還有一主要目的在於提供一種在CNC機械裝置中配置具有參數學習功能的數值控制器，使得機械廠人員在對CNC機械裝置進行調機時，能夠開啟參數學習功能並執行標準測試程式，使得數位控制器記錄快準穩等表現指標，並經由參數學習演算法自動更新機械裝置之參數，故可依使用者對於加工特性之偏好，經過參數學習方法，調變機械裝置之參數，達到縮短加工時間、提升加工精度、改善機械裝置加工穩度之成效。

本發明之參數學習的方式，會依照使用者設定快、準、穩等表現指標的權重，訂出總表現指標，並以追求最佳總表現指標為參數學習的目標。故本發明之主要優點包括：

1.調機時，使用參數學習功能，能確保調整後之參數會使 CNC機械裝置之總表現指標提升至相當好的程度，並可避免因經驗不足而調不出適當參數或調機時間過久的情況發生。

2.過去使用者碰到加工效果不理想的情形，只能改參數並進行重複加工，非常不容易解決。透過參數學習功能，可直接輸入快準穩等指標偏好之權重，而不需自行改參數，就能將參數學好，提高便利性與解決問題的時效性。

依據上述之目的及優點，本發明首先提供一種具有參數學習功能之控制器，包括：一路徑規劃單元，用以接收一加工程式，並依據加工程式規劃一加工路徑訊息；一動程規劃單元，其一輸入端與路徑規劃單元連接並接收加工路徑訊息，其另一輸入端與一數位控制參數連接，依據加工路徑訊息及數位控制參數規劃加工路徑訊息輸出運動訊息；一插值單元，與動程規劃單元連接，並將動程規劃單元所輸出之運動訊息執行插值運算後，再將一控制命令輸出至馬達驅動器；一快準穩指標計算單元，其一輸入端與一位置感測元件連接，並接收位置感測元件輸入之迴授信號，並依據迴授信號分別計算快表現指標、準表現指標及穩表現指標，以輸出一快準穩指標訊息；一學習功能單元，其第一輸入端接收由用者設定之快準穩權重訊息，其第二輸入端與快準穩指標計算單元連接並接收快準穩指標訊息，重新計算新的數位控制參數，並輸出至動程規劃單元。

本發明接著提供一種控制器之參數學習方法，包括：提供一路徑規劃單元，用以接收一加工程式，並依據加工程式規劃一加工路徑訊息；提供一動程規劃單元，其一輸入端與路徑規劃單元連接並接收加工路徑訊息，其另一輸入端與一數位控制參數連接，依據加工路徑訊息及該數位控制參數規劃加工路徑訊息輸出運動訊息；提供一插值單元，與動程規劃單元連接，並將動程規 劃單元所輸出之運動訊息執行插值運算後，再將一控制命令輸出至馬達驅動器；提供一快準穩指標計算單元，其一輸入端與一位置感測元件連接，並接收位置感測元件輸入之迴授信號，並依據迴授信號分別計算快表現指標、準表現指標及穩表現指標，以輸出一快準穩指標訊息；提供一學習功能單元，其第一輸入端接收由用者設定之快準穩權重訊息，其第二輸入端與快準穩指標計算單元連接並接收快準穩指標訊息，重新計算新的數位控制參數，並輸出至該動程規劃單元。

由於本發明係揭露一種具有參數學習功能之數位控制裝置及其控制方法，使得數位控制裝置可以導入參數學習功能控制機械裝置，因此，在以下的說明中，將詳細說明數位控制裝置實施參數學習功能之方法。

首先，請參考第2圖，係之具有學習功能之CNC機械裝置數值控制檔(NC File)之示意圖。如第2圖所示，G90 G01 Z-5.F2000代表一般的加工單節，其中，G90是代表絕對指令，G01代表直線切削指令，Z引數設定單節終點座標，F2000代表設定切削進給率；而G5.7 P1QnRnKn代表啟動參數學習功能，其中，Pn設定學習到第n組高速高精參數，而QnRnKn代表設定快(Q)、準(R)、穩(K)的權重，例如：P1Q1R1K1是代表學習到第1組高速高精參數且設定快、準、穩的權重為1：1：1；而G01.X0.Y10./X30.Y20.代表具有學習功能的加工單節，其中，X、Y引數設定單節終點座標；G5.5代表結束(或關閉)參數學習功能；G01.X12.Y5.代表一 般的加工單節，其中，X、Y引數設定單節終點座標。

在發明中，當使用者編輯之加工程式的數值控制檔中，辨識出G5.7碼時，即表示開啟學習功能的程式；當辨識出G5.5碼時，即表示結束學習功能的程式。當加工程式執行啟學習功能的程式後，便會記錄快、準、穩等表現指標，經過參數學習演算法，將得到一組滿足最佳總表現指標「P」的參數。很明顯地，本發明學習功能是可以在加工程式的任何時間啟動學習功能或示結束學習功能；對此，本發明不加以限制。

接著，請參考第3圖，係本發明之數值控制器之功能方塊示意圖。如第3圖所示，本發明之數值控制器包括數位控制模組10、位置感測元件17、快準穩指標計算單元20與學習功能單元30；其中，數位控制模組10由路徑規劃單元12、動程規劃單元13與插值單元14所組成。位置感測元件17與馬達16連接，用以讀取迴授信號並將迴授信號傳入驅動器與數位控制裝置；其中，位置感測元件17可以是馬達編碼器、光學尺或加速規；而此迴授信號可以包括馬達16之位置、速度與加速度等。接著，快準穩計算單元20與位置感測元件17連接，可以依據位置感測元件17傳入的迴授信號，並將此迴授信號經過快準穩計算單元20之分別計算後，分別得到快指標訊息25、準指標訊息26以及穩指標訊息27；再將此三個快準穩指標訊號28輸出並送出至學習功能單元30，供學習功能之用。

學習功能單元30與快準穩計算單元20連接，用以提供一演算 法，並可以依據使用者設定的快準穩權重訊息31與快準穩計算單元20算出之快準穩指標訊號28，透過學習功能單元30之演算法演算後，得到修正後之數位控制裝置參數18，供CNC機械裝置之後的加工使用。

接著，請參考第4圖，係本發明之快準穩指標計算單元之方塊示意圖。如第4圖所示，快準穩指標計算單元20與迴授信號21連接，此迴授信號21可以是馬達或光學尺的迴授位置與加速規傳回的加速度數值；快指標計算次單元22在加工程式執行到啟動參數學習功能時，便會開始記錄各單節加工所需時間T _i ，故本發明之快指標(Fast Index)可以設定成FI=α _F /Σ _i T _i ，而α _F 為快指標常數。準指標計算次單元23將伺服命令位置與迴授位置信號21相減，計算相對軌跡誤差E _i ，故本發明之準指標(Precision Index)可以設成PI=α _P /Σ _i E _i ，而α _P 為快指標常數。穩指標計算次單元24由迴授加速度信號21測床台或工件在加工中所承受的加速度變化值，或者也可以從迴授位置信號21經過差分，得到推估的加速度變化值；特別要定義此穩指標之目的，是因為加速度的變化會引發機台的不規律抖動；故本發明是針對加速度時間信號，使用小波轉換(Wavelet Transformation)或是快速傅立業轉換(Fast Fourior Frequency Transformation)，將時間信號轉換成頻率信號，因此可以在機台容易產生共振的頻率上，監控加速度信號的強度(intensity)，故本發明之穩指標(Stability Index)可以設成SI=α _S /Σ _i I _i ，其中α _S 為快指標常數，I _i 為在監控頻率的強度。透過 快指標計算次單元22、準指標計算次單元23及穩指標計算次單元24計算出相對應之快指標訊息25、準指標訊息26以及穩指標訊息27，並將此三者之快準穩指標訊息28提供給學習功能模組使用。

很明顯地，上述之快指標計算次單元、準指標計算次單元與穩指標計算次單元係依據迴授信號，分別計算出以數字衡量之快表現指標、準表現指標與穩表現指標。此外，也要再一次強調，本發明適用於僅計算其中一至兩項表現指標也可以達到學習之效果，並不侷限於一定要計算出快準穩三項表現指標才能達到學習之效果。此外，由於穩表現指標與加工表面粗糙度或表面光潔度有關，因此，穩表現指標亦可透過表面粗糙度來描述，對此本發明並不侷限穩表現指標描述方式。

請再參考第5圖，係本發明之學習功能單元之方塊示意圖。請參考第5圖，學習功能單元30是由總表現指標計算次單元32、學習效果檢驗次單元33、雅可比(Jacobian)矩陣修正次單元34及參數修正次單元35等串接所形成。圖中的快準穩權重訊息31是由使用者設定的快準穩表現指標偏好權重「w_i」，其可以在輸入控制命令時，一併由控制命令中輸入至學習功能模組中；其中，快準穩指標訊息28為前述之快準穩指標計算單元20計算出的快準穩表現指標。將快準穩指標訊息28定義為「q_i」時，則包括快準穩指標訊息「q_i」及快準穩表現指標偏好權重「w_i」之總表現指標計算次單元32依Eq(1)求得總表現指標「P」：

將目前的總表現指標「P」代入學習效果檢驗次單元33，判斷總表現指標「P」是否有變好，有變好代表前次學習有效，則學習有效次數加1，旗標「L」設1，並儲存前次學習的參數修正結果；沒變好代表前次學習無效，則學習無效次數加1，旗標「L」設0，並放棄前次學習的參數修正結果。其中，判斷總表現指標「P」是否有變好之方式，是將此次所計算出的總表現指標「P」與前一次所計算出的總表現指標「P_-1」相比對；例如，當總表現指標「P」值比總表現指標「P_-1」值小時(或是收斂時)，則判斷總表現指標「P」變好；反之，則判斷總表現指標「P」變不好。

檢驗學習效果後，進入雅可比(Jacobian)矩陣修正次單元34，若旗標「L」為1，則修正雅可比矩陣「K」；若旗標「L」為0，表示前次學習無效，則不修正雅可比矩陣「K」；其中，雅可比矩陣「K」的修正方法如下：由於各項表現指標「q_i」為各個參數「x_j」的函數，因此其變化量為：q _i =f(x ₁,…,x _j ,…,x _n ) 利用Eq(2)計算出預估的表現指標變化量「△q_i’」： 定義雅可比矩陣「K」： 故可用「K」來計算預估的表現指標變化量「△q_i’」，其中「K」初始值是數值控制裝置事先估測好的；實際表現指標變化量「△q_i」等於本次量測的指標減前次量測的指標。由於實際量測之表現指標變化量與預估的表現指標變化量不同，因此將實際表現指標變化量與預估表現指標變化量相減，可定義表現指標變化量預估誤差「e_i」： 由Eq(5)可得雅可比矩陣各元素的修正量「△k_ij」，並依此更新下次使用之雅可比矩陣：(K) _r+1=(K) _r +△K Eq(6)

修正雅可比矩陣後，進入參數修正次單元35，若旗標「L」為0，表示前次總表現指標的目標改善量「△P_O」過大，導致學習無效，所以先減小目標改善量「△P_O」。學習目標乃是追求總表現指標「P」之極值，當參數調變的方向平行總表現指標的梯度時，學習效率最高，故以此推導出Eq(7)： 其中，△P=△P _O 將改善目標量「△P_O」與雅可比矩陣之元素「k_ij」代入，解未知數 「C」，與各參數修正量「△x_j」，即得修正後參數「x_j」，供下次學習或加工使用：(x _j ) _r+1=(x _j ) _r +△x _j Eq(8)

參數學習可設定收斂條件，例如：學習次數之上限或總表現指標的目標改善量之下限。當收斂條件發生，即參數學習功能結束，之後執行加工均用學習完成之參數，而不再更新或學習新的參數。很明顯地，本發明之具有參數學習功能之控制器及其學習方法可依使用者對於加工特性之偏好，經過參數學習方法，調變機械裝置之參數，達到縮短加工時間、提升加工精度、改善機械裝置加工穩度之成效。

以上針對本發明之說明係為闡明之目的，而無意限定本發明之精確應用形式，由以上之教導而做某種程度修改是可能的。因此，本發明的技術思想將由以下的申請專利範圍來決定之。

10‧‧‧數位控制模組

11‧‧‧加工程式

12‧‧‧路徑規劃單元

13‧‧‧動程規劃單元

14‧‧‧插值單元

15‧‧‧驅動器

16‧‧‧馬達

17‧‧‧位置感測元件

18‧‧‧數值控制參數

20‧‧‧快準穩指標計算單元

22‧‧‧快指標計算次單元

23‧‧‧準指標計算次單元

24‧‧‧穩指標計算次單元

25‧‧‧計算出相對應之快指標訊息

26‧‧‧準指標訊息

27‧‧‧穩指標訊息

28‧‧‧快準穩指標訊息

30‧‧‧學習功能單元

31‧‧‧快準穩權重訊息

32‧‧‧總表現指標計算次單元

33‧‧‧學習效果檢驗次單元

34‧‧‧雅可比矩陣修正次單元

35‧‧‧參數修正次單元

w_i‧‧‧使用者設定之各項表現指標的權重

q_i‧‧‧各項表現指標

△q_i‧‧‧實際的表現指標變化量

△q_i’‧‧‧預估的表現指標變化量

e‧‧‧表現指標變化量之預估誤差

P‧‧‧總表現指標

△P_O‧‧‧總表現指標的目標改善量

x_j‧‧‧各項參數

△x_j‧‧‧各項參數的修正量

(x_j)_r‧‧‧第r次學習所使用之各項參數

K‧‧‧表現指標與參數的雅可比(Jacobian)矩陣

△K‧‧‧雅可比(Jacobian)矩陣修正量

(K)_r‧‧‧第r次學習所使用之雅可比(Jacobian)矩陣

k_ij‧‧‧雅可比(Jacobian)矩陣的各個元素

第1圖 係已知之CNC機械裝置數值控制方塊圖；第2圖 係加工程式數值控制檔示意圖；第3圖 係本發明之CNC機械裝置數值控制方塊圖；第4圖 係本發明之快準穩指標計算模組方塊圖；第5圖 係本發明之學習功能模組方塊圖。

10‧‧‧數位控制模組

11‧‧‧加工程式

12‧‧‧路徑規劃單元

13‧‧‧動程規劃單元

14‧‧‧插值單元

15‧‧‧驅動器

16‧‧‧馬達

17‧‧‧位置感測元件

18‧‧‧數值控制參數

20‧‧‧快準穩指標計算單元

30‧‧‧學習功能單元

31‧‧‧快準穩權重訊息

Claims (11)

1. 一種具有參數學習功能之控制器，包括：一路徑規劃單元，用以接收一加工程式並依據該加工程式規劃一加工路徑訊息；一動程規劃單元，其一輸入端與該路徑規劃單元連接並接收該加工路徑訊息，其另一輸入端與一數位控制參數連接，依據該加工路徑訊息及該數位控制參數規劃該加工路徑訊息並輸出運動訊息；一插值單元，與該動程規劃單元連接，並將該動程規劃單元所輸出之運動訊息執行插值運算後，再將一控制命令輸出至一馬達驅動器，用以驅動一馬達；一快準穩指標計算單元，其一輸入端與一位置感測元件連接，並接收該位置感測元件輸入之迴授信號，並依據該迴授信號分別計算一快表現指標、一準表現指標及一穩表現指標，以輸出一快準穩指標訊息；一學習功能單元，其一第一輸入端接收由使用者設定之快準穩權重訊息，其一第二輸入端與該快準穩指標計算單元連接並接收該快準穩指標訊息，重新計算新的數位控制參數，並輸出至該動程規劃單元。
2. 如申請專利範圍第1項所述之控制器，其中該加工路徑訊息輸出運動訊息包括：速度及加速度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之控制器，其中該迴授信號包括馬達之位置、速度與加速度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之控制器，其中該快準穩指標計算單元進一步包括：一快指標計算次單元、一準指標計算次單元與一穩指標計算次單元，並依據該迴授信號，分別計算出以數字衡量之該快表現指標、該準表現指標與該穩表現指標。
5. 如申請專利範圍第4項所述之控制器，其中該快準穩指標計算單元中的該快指標計算次單元係在加工程式執行到啟動參數學習功能時，開始記錄各單節加工所需時間T _i ，而該快表現指標(FI)之計算方式為FI=α _F /Σ _i T _i ，而α _F 為快指標常數。
6. 如申請專利範圍第4項所述之控制器，其中該快準穩指標計算單元中的該準指標計算次單元係將一伺服命令位置與該迴授位置信號進行運算，以計算相對軌跡誤差E _i ，而該準表現指標(PI)之計算方式為PI=α _P /Σ _i E _i ，而α _P 為準指標常數。
7. 如申請專利範圍第4項所述之控制器，其中該快準穩指標計算單元中的該穩指標計算次單元係將迴授信號之該馬達加速度值進行差分運算，以得到一加速度變化值。
8. 如申請專利範圍第1項所述控制器，其中該學習功能單元包括：一總表現指標計算次單元，係依據該快準穩權重訊息與該快表現指標、該準表現指標或該穩表現指標之至少其中之一個表現指標來計算一總表現指標；一學習效果檢驗次單元，與該總表現指標計算次單元連接，並接收該總表現指標以進行一判斷；一雅可比矩陣修正次單元，與該學習效果檢驗次單元連 接，並根據該學習效果檢驗次單元之判斷結果，修正雅可比矩陣中的表現指標對參數；一參數修正次單元，與該雅可比矩陣修正次單元連接，並設定一參數學習收斂條件。
9. 一種控制器參數學習方法，包括：提供一路徑規劃單元，用以接收一加工程式並依據該加工程式規劃一加工路徑訊息；提供一動程規劃單元，其一輸入端與該路徑規劃單元連接並接收該加工路徑訊息，其另一輸入端與一數位控制參數連接，依據該加工路徑訊息及該數位控制參數規劃該加工路徑訊息並輸出運動訊息；提供一插值單元，與該動程規劃單元連接並將該動程規劃單元所輸出之運動訊息執行插值運算後，再將一控制命令輸出至馬達驅動器，用以驅動一馬達；提供一快準穩指標計算單元，其一輸入端與一位置感測元件連接並接收該位置感測元件輸入之迴授信號，並依據該迴授信號分別計算一快表現指標、一準表現指標及一穩表現指標，以輸出一快準穩指標訊息；提供一學習功能單元，其一第一輸入端接收由使用者設定之快準穩權重訊息，其一第二輸入端與該快準穩指標計算單元連接並接收該快準穩指標訊息，重新計算新的數位控制參數，並輸出至該動程規劃單元。
10. 如申請專利範圍第9項所述之控制器參數學習方法，其中該學習功能單元之演算步驟包括：提供一總表現指標計算次單元，係依據該快準穩權重訊息與該快表現指標、該準表現指標或該穩表現指標至少其中一個表現指標來計算出一總表現指標；提供一學習效果檢驗次單元，與總表現指標計算次單元連接並接收該總表現指標以進行一判斷；提供一雅可比矩陣修正次單元，與該學習效果檢驗次單元連接並根據該學習效果檢驗次單元之判斷結果，修正雅可比矩陣中的表現指標對參數；提供一參數修正次單元，與該雅可比矩陣修正次單元連接，並設定一參數學習收斂條件。
11. 如申請專利範圍第10項所述之控制器參數學習方法，其中該參數修正次單元之修正參數步驟包括：決定一總表現指標的目標改善量，若前次學習無效則減小目標改善量，若有效則不改變目標改善量；決定調變參數的方向，選擇一平行總表現指標對參數的梯度方向來調變參數；決定修正後的數值控制裝置參數，依據前兩步驟的結果，得各項參數的修正量並與目前參數相加，以得出一修正後之參數。