WO2024150403A1 - 消費電力算出装置 - Google Patents

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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Program-control systems
    • G05B19/02—Program-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form
    • G05B19/406—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form characterised by monitoring or safety
    • G05B19/4069—Simulating machining process on screen

Definitions

  • This disclosure relates to a power consumption calculation device.
  • One aspect of the present disclosure is a power consumption calculation device that includes a machining program acquisition unit that acquires a machining program for a machine tool equipped with a drive unit including at least a spindle or a feed axis, a machine specification acquisition unit that acquires machine specifications of the machine tool, a motor efficiency acquisition unit that acquires motor efficiency of one or more motors in the drive unit, a dynamic simulation unit that simulates time series data of the angular velocity of each of the motors and the torque of each of the motors based on the machining program and the machine specifications, and a power consumption calculation unit that calculates time series data of power consumption consumed by the drive unit based on the time series data of the angular velocity of each of the motors and the torque of each of the motors, and the motor efficiency of each of the motors.
  • FIG. 1 is a functional block diagram of a power consumption calculation device according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a functional block diagram relating to functions for calculating power consumption in the power consumption calculation device according to the present embodiment.
  • FIG. FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a machine tool according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of time-series data of angles, angular velocities, and angular accelerations of each axis.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining torque during acceleration.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining torque during acceleration.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining torque due to gravity.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining torque due to gravity.
  • FIG. 11A and 11B are diagrams for explaining torque caused by interference force; 11A and 11B are diagrams for explaining torque caused by interference force; FIG. 2 is a diagram showing an example of machine specifications of a machine tool.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of machine specifications of a machine tool.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of machine specifications of a machine tool.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of machine specifications of a machine tool.
  • the control unit 2 is a processor such as a CPU (Central Processing Unit), and realizes various functions by executing programs stored in the memory unit 3.
  • CPU Central Processing Unit
  • the memory unit 3 is a storage device such as a ROM (Read Only Memory) or RAM (Random Access Memory) that stores the OS (Operating System) and application programs, as well as a hard disk drive or SSD (Solid State Drive) that stores various other information.
  • ROM Read Only Memory
  • RAM Random Access Memory
  • OS Operating System
  • SSD Solid State Drive
  • the power consumption calculation device 1 When the power consumption calculation device 1 is a computer device independent of the numerical control device, the power consumption calculation device 1 includes a communication unit 4 for wired or wireless communication with the machine tool or numerical control device via a network.
  • the communication unit 4 includes a processor, connector, electric circuit, etc. for executing communication.
  • the communication unit 4 performs a predetermined process on the communication signal received from the machine tool or numerical control device to acquire data, and inputs the acquired data to the control unit 2.
  • the communication unit 4 also performs a predetermined process on the data input from the control unit 2 to generate a communication signal, and transmits the generated communication signal to the machine tool or numerical control device.
  • the power consumption calculation device 1 may also acquire machine specifications, which will be described later, from an external storage medium, etc., without being connected to the machine tool or numerical control device by the communication unit 4.
  • the input unit 5 is an input interface such as a mouse, keyboard, touch panel, etc.
  • the display unit 6 is a device that displays images.
  • the display unit 6 is, for example, an LCD (Liquid Crystal Display) or an organic EL (Electroluminescence) display.
  • FIG. 2 is a functional block diagram related to functions for calculating power consumption in the power consumption calculation device 1 according to this embodiment.
  • the power consumption calculation device 1 includes a processing program acquisition unit 11, a machine specification acquisition unit 12, a motor efficiency acquisition unit 13, a dynamic simulation unit 14, a power consumption calculation unit 15, and a display unit 6.
  • the machining program acquisition unit 11 acquires a machining program for a machine tool equipped with a drive unit including at least a spindle or a feed axis. For example, if the power consumption calculation device 1 is incorporated in a numerical control device, the machining program acquisition unit 11 acquires the machining program from a storage device of the numerical control device. If the power consumption calculation device 1 is a computer device independent of the numerical control device, the machining program acquisition unit 11 may acquire a machining program input by the input unit 5, or may acquire the machining program from the machine tool or numerical control device via the communication unit 4. The machining program acquisition unit 11 may also acquire the machining program from an external storage medium, etc.
  • the machine specification acquisition unit 12 acquires the machine specifications of the machine tool. For example, if the power consumption calculation device 1 is incorporated in a numerical control device, the machine specification acquisition unit 12 acquires the machine specifications from a storage device of the numerical control device. If the power consumption calculation device 1 is a computer device independent of the numerical control device, the machine specification acquisition unit 12 may acquire the machine specifications input by the input unit 5, or may acquire the machine specifications from the machine tool or numerical control device via the communication unit 4. The machine specification acquisition unit 12 may also acquire the machine specifications of the machine tool from an external storage medium, etc.
  • the motor efficiency acquisition unit 13 acquires the motor efficiency of one or more motors in the drive device of the machine tool. For example, if the power consumption calculation device 1 is incorporated in a numerical control device, the motor efficiency acquisition unit 13 acquires the motor efficiency from a storage device of the numerical control device. If the power consumption calculation device 1 is a computer device independent of the numerical control device, the motor efficiency acquisition unit 13 may acquire the motor efficiency input by the input unit 5, or may acquire the motor efficiency from the machine tool or numerical control device via the communication unit 4. The motor efficiency acquisition unit 13 may also acquire the motor efficiency from an external storage medium, etc.
  • the dynamics simulation unit 14 simulates the time series data of the angular velocity of each motor and the torque of each motor based on the acquired machining program and the mechanical specifications of the machine tool. Specifically, the dynamics simulation unit 14 acquires angle information of all axes of the machine tool from the machining program, and dynamically simulates the time series data of the angular velocity of each motor and the torque of each motor based on the angle information of all axes and the mechanical specifications of the machine tool.
  • the power consumption calculation unit 15 calculates time series data of the power consumption consumed by the drive device of the machine tool based on the time series data of the angular velocity of each motor and the torque of each motor, and the motor efficiency of each motor.
  • the display unit 6 displays the power consumption calculated by the power consumption calculation unit 15.
  • the torque of each motor includes at least a torque due to gravity and a torque due to interference force, and that the torque of each motor includes a torque due to gravity, a torque due to interference force, a torque during acceleration/deceleration, a torque due to friction, and a torque during cutting.
  • the machine specifications of the machine tool also include at least one of the configuration of the machine tool's axes, the friction coefficient of each motor, the moment of inertia of each motor, the eccentric load of each motor, and the work load of each motor.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a machine tool 20 according to this embodiment.
  • the machine tool 20 is a 5-axis (CA/XYZ) machining center with a swivel table.
  • the machine tool 20 is a 5-axis (CA/XYZ) machining center with a swivel table as shown below, but may be a machining center of another type and with another number of axes.
  • the machine tool 20 includes a first horizontal linear motion mechanism 21, a second horizontal linear motion mechanism 22, a vertical linear motion mechanism 23, a first rotation mechanism 24, a table 25, a second rotation mechanism 26, a spindle 27, and a tool 28.
  • the first horizontal linear motion mechanism 21 comprises a first base installed on the floor surface and a first slider supported so as to be movable in the X direction (horizontal direction) relative to the first base.
  • the second horizontal linear motion mechanism 22 comprises a second base fixed to the first slider and a second slider supported so as to be movable in the Y direction (horizontal direction) relative to the second base.
  • the vertical linear motion mechanism 23 comprises a third base fixed to the second slider, and a third slider supported so as to be movable in the Z direction (vertical direction) relative to the third base.
  • a spindle 27 to which a tool 28 can be attached is fixed to the third slider.
  • the machine tool 20 also comprises a table 25 on which a workpiece is mounted, a first rotation mechanism 24 that rotates the table 25 about a vertical axis, and a second rotation mechanism 26 that tilts the table 25 about a horizontal axis.
  • the numerical control device creates speed commands based on the machining program and controls the spindle via the spindle servo control device.
  • the numerical control device also creates position commands for the feed axis based on the machining program and controls the feed axis via the feed axis servo control device.
  • the spindle 27 includes a spindle motor, and is rotated by the spindle motor driven based on a drive current from a spindle servo control device to rotate the tool 28.
  • the feed axes are rotated by the feed axis motor driven based on a drive current from a feed axis servo control device to move the tool 28 or the workpiece.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of time series data of the angle, angular velocity, and angular acceleration of the motors that drive each axis.
  • the time series data shown in FIG. 4 is time series data of the angle, angular velocity, and angular acceleration of the motors that drive the X-axis, Y-axis, and Z-axis of the machine tool 20 shown in FIG. 3.
  • the horizontal axis of the time series data for angles is time t [s] and the vertical axis is angle ⁇ [deg].
  • the horizontal axis of the time series data for angular velocity is time t [s] and the vertical axis is angular velocity d ⁇ /dt [deg/s].
  • the horizontal axis of the time series data for angular acceleration is time t [s] and the vertical axis is angular acceleration d 2 ⁇ /dt 2 [deg/s 2 ].
  • the torque during acceleration/deceleration, torque due to friction, torque due to gravity, torque due to interference force, and torque during cutting are represented by the following generalized functions.
  • the torque of each axis is represented by a function that uses the angle ⁇ , angular velocity d ⁇ /dt, and each acceleration d2 ⁇ / dt2 of all axes as input. Note that 1, 2, ..., m are numbers corresponding to each axis. Also, each of the following functions does not necessarily need to use all of the angle ⁇ , angular velocity d ⁇ /dt, and each acceleration d2 ⁇ / dt2 .
  • the power consumption P n in each motor is It can be expressed as.
  • the angular velocity of the motor can be calculated from time-series data of the motor angle obtained from the machining program, and the motor efficiency can be obtained in advance as a value having the motor torque and angular velocity as variables.
  • FIGS 5A and 5B are diagrams for explaining torque during acceleration. Note that viewpoints V1 and V2 shown in Figures 5A, 5B, 6A, 6B, 7A, and 7B correspond to viewpoints V1 and V2 shown in Figure 3.
  • machine tool 20 as shown in Figures 5A and 5B, it is assumed that there is an eccentric load (mass point) P on table 25 with mass m, distance r from axis C, and center of gravity at the same height as axis A.
  • FIG. 6A and 6B are diagrams for explaining torque due to gravity.
  • the torque for supporting axis A against gravity is expressed as follows using the mass M of table 25 obtained in advance and the distance r between the center of gravity of table 25 and the center of rotation of axis A.
  • FIG. 7A and 7B are diagrams for explaining torque due to interference force.
  • the machine tool 20 as shown in FIG. 7A and FIG. 7B, it is assumed that there is an eccentric load (mass point) P on the table 25, with mass m and distance r from the axis C. It is assumed that the distance between the eccentric load (mass point) P and a plane parallel to the table 25 including the axis A is h.
  • the torque applied during cutting is determined by the tool, the material of the workpiece, and the relative speed during cutting, and is therefore given in advance by an arbitrary function.
  • FIGS. 8 to 11 are diagrams showing examples of machine specifications of the machine tool 20.
  • Screens D1 to D4 shown in FIG. 8 to FIG. 11 respectively show examples of input screens for inputting the machine specifications of the machine tool 20.
  • screens D1 to D3 allow the input of the machine type 31, linear axis (basic axis) 32, first rotation axis 33, second rotation axis 34, cross offset vector 35, reference tool axis direction 36, and control point shift vector 37 as machine specifications for the machine tool 20.
  • screen D4 allows input of the friction coefficient of each axis and moment of inertia of each axis 38, three-dimensional coordinates and weight indicating the position of the center of gravity of the eccentric load 39, and three-dimensional coordinates and weight indicating the position of the center of gravity of the workpiece 40, as machine specifications of the machine tool 20.
  • the power consumption calculation device 1 includes a machining program acquisition unit 11 that acquires a machining program for a machine tool equipped with a drive unit including at least a spindle or a feed axis, a machine specification acquisition unit 12 that acquires the machine specifications of the machine tool, a motor efficiency acquisition unit 13 that acquires the motor efficiency of one or more motors in the drive unit of the machine tool, a dynamics simulation unit 14 that simulates time series data of the angular velocity of each motor and the torque of each motor based on the machining program and the machine specifications of the machine tool, and a power consumption calculation unit 15 that calculates time series data of power consumption consumed by the drive unit of the machine tool based on the time series data of the angular velocity of each motor and the torque of each motor, and the motor efficiency of each motor.
  • a machining program acquisition unit 11 that acquires a machining program for a machine tool equipped with a drive unit including at least a spindle or a feed axis
  • a machine specification acquisition unit 12 that acquires the machine
  • the power consumption calculation device 1 can calculate gravity and the inertial forces generated between the axes, which change according to the attitude of the machine tool, based on the axis configuration of the machine tool and information on the eccentric load of the rotating axis, making it possible to perform highly accurate simulations even for machine tools with complex axis configurations. Therefore, the power consumption calculation device 1 can simulate power consumption with high accuracy from the machining program without actually operating the machine tool, and can also be useful in designing machine tools with reduced power consumption.
  • the power consumption calculation device 1 also includes a display unit 6 that displays the power consumption calculated by the power consumption calculation unit 15. With this configuration, the power consumption calculation device 1 can present the calculated power consumption to the user.
  • the torque of each motor includes at least the torque due to gravity and the torque due to interference forces, and it is preferable that the torque of each motor includes the torque due to gravity, the torque due to interference forces, the torque during acceleration/deceleration, the torque due to friction, and the torque during cutting. Since the torque due to gravity and the torque due to interference forces change depending on the attitude of the machine tool, the power consumption calculation device 1 can simulate the power consumption of the machine tool with high accuracy by calculating the torque of each axis taking into account the attitude of the machine tool including all axes.
  • the machine specifications of the machine tool also include at least one of the axis configuration of the machine tool, the friction coefficient of each motor, the moment of inertia of each motor, the eccentric load of each motor, and the load of the workpiece on each motor.
  • the power consumption calculation device 1 can calculate the gravity and the inertial force generated between the axes that change according to the attitude of the machine tool based on information on the axis configuration of the machine tool and the eccentric load of the rotating axes, making it possible to simulate power consumption with high accuracy even for machine tools with complex axis configurations.
  • the power consumption calculation device 1 can be realized by hardware, software, or a combination of these.
  • the control method performed by the power consumption calculation device 1 can also be realized by hardware, software, or a combination of these.
  • being realized by software means being realized by a computer reading and executing a program.
  • Non-transitory computer readable media include various types of tangible storage media.
  • Examples of non-transitory computer readable media include magnetic recording media (e.g., hard disk drives), magneto-optical recording media (e.g., magneto-optical disks), CD-ROMs (Read Only Memory), CD-Rs, CD-R/Ws, and semiconductor memories (e.g., mask ROMs, PROMs (Programmable ROMs), EPROMs (Erasable PROMs), flash ROMs, and RAMs (random access memory)).
  • the power consumption calculation device further comprising a power consumption display unit (6) that displays the calculated power consumption.
  • a power consumption display unit (6) that displays the calculated power consumption.
  • the power consumption calculation device includes at least a torque due to gravity and a torque due to an interference force.
  • the power consumption calculation device includes a torque due to gravity, a torque due to the interference force, a torque during acceleration/deceleration, a torque due to friction, and a torque during cutting. (Appendix 5) 3.

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Abstract

工作機械を実際に稼働させることなく、加工プログラムから消費電力を高精度にシミュレーションする消費電力算出装置を提供する。消費電力算出装置は、少なくとも主軸又は送り軸を含む駆動装置を備える工作機械のための加工プログラムを取得する加工プログラム取得部と、前記工作機械の機械仕様を取得する機械仕様取得部と、前記駆動装置における１以上のモータのモータ効率を取得するモータ効率取得部と、前記加工プログラム及び前記機械仕様に基づいて、前記各モータの角速度及び前記各モータのトルクの時系列データをシミュレーションする力学シミュレーション部と、前記各モータの角速度及び前記各モータのトルクの時系列データ、並びに前記各モータのモータ効率に基づいて前記駆動装置によって消費される消費電力の時系列データを算出する消費電力算出部と、を備える。

Description

消費電力算出装置
　本開示は、消費電力算出装置に関する。
　工作機械の消費電力を高精度で得るためには、実際に工作機械において加工プログラムを実行しながら消費電力を測定する必要があり、多大な時間を要する。また、ロボットシステムの消費電力を動作プログラムからシミュレーションにより推定する手法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１１－５６２３号公報
　従来の電力シミュレーションでは、モータごとに加速時のトルクを算出し、重力及び摩擦を固定値として計算する場合が多く、十分な精度が得られなかった。そのため、単純な軸構成の工作機械にしか適用できず、より高精度な消費電力を得るには消費電力を実測する必要があった。また、上記の特許文献１は、シミュレーションを行う上で全軸の情報を用いて各軸のトルクを算出することを言及していない。そのため、工作機械を実際に稼働させることなく、加工プログラムから消費電力を高精度にシミュレーションする消費電力算出装置が望まれている。
　本開示の一態様は、少なくとも主軸又は送り軸を含む駆動装置を備える工作機械のための加工プログラムを取得する加工プログラム取得部と、前記工作機械の機械仕様を取得する機械仕様取得部と、前記駆動装置における１以上のモータのモータ効率を取得するモータ効率取得部と、前記加工プログラム及び前記機械仕様に基づいて、前記各モータの角速度及び前記各モータのトルクの時系列データをシミュレーションする力学シミュレーション部と、前記各モータの角速度及び前記各モータのトルクの時系列データ、並びに前記各モータのモータ効率に基づいて前記駆動装置によって消費される消費電力の時系列データを算出する消費電力算出部と、を備える消費電力算出装置である。
本実施形態に係る消費電力算出装置の機能ブロック図である。 本実施形態に係る消費電力算出装置における消費電力を算出するための機能に関する機能ブロック図である。 本実施形態に係る工作機械の例を示す図である。 各軸の角度、角速度及び角加速度の時系列データの例を示す図である。 加速時のトルクについて説明するための図である。 加速時のトルクについて説明するための図である。 重力によるトルクについて説明するための図である。 重力によるトルクについて説明するための図である。 干渉力によるトルクについて説明するための図である。 干渉力によるトルクについて説明するための図である。 工作機械の機械仕様の例を示す図である。 工作機械の機械仕様の例を示す図である。 工作機械の機械仕様の例を示す図である。 工作機械の機械仕様の例を示す図である。
　以下、本開示の実施形態の一例について説明する。図１は、本実施形態に係る消費電力算出装置１の機能ブロック図である。消費電力算出装置１は、工作機械の駆動装置における消費電力をシミュレーションする。消費電力算出装置１は、工作機械を制御する数値制御装置に組み込まれてもよく、数値制御装置とは独立したコンピュータ装置であってもよい。図１に示されるように、消費電力算出装置１は、制御部２と、記憶部３と、通信部４と、入力部５と、表示部６と、を備える。
　制御部２は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）等のプロセッサであり、記憶部３に記憶されたプログラムを実行することによって各種機能を実現する。
　記憶部３は、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）やアプリケーションプログラム等を格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、その他の各種情報を格納するハードディスクドライブやＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ）等の記憶装置である。
　消費電力算出装置１が数値制御装置とは独立したコンピュータ装置の場合、消費電力算出装置１は、ネットワークを介して工作機械又は数値制御装置と有線又は無線通信するための通信部４を備える。通信部４は、通信を実行するためのプロセッサ、コネクタ、電気回路等を含む。通信部４は、工作機械又は数値制御装置から受信した通信信号に所定の処理を行ってデータを取得し、取得したデータを制御部２に入力する。
　また、通信部４は、制御部２から入力されたデータに所定の処理を行って通信信号を生成し、生成した通信信号を工作機械又は数値制御装置に送信する。また、消費電力算出装置１は、通信部４によって工作機械又は数値制御装置と接続されず、後述する機械仕様等を外部記憶媒体等から取得してもよい。
　入力部５は、マウス、キーボード、タッチパネル等のような入力インターフェースである。表示部６は、画像を表示する装置である。表示部６は、例えば、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｄｉｓｐｌａｙ）や有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）等である。
　図２は、本実施形態に係る消費電力算出装置１における消費電力を算出するための機能に関する機能ブロック図である。図２に示されるように、消費電力算出装置１は、加工プログラム取得部１１と、機械仕様取得部１２と、モータ効率取得部１３と、力学シミュレーション部１４と、消費電力算出部１５と、表示部６と、を備える。
　加工プログラム取得部１１は、少なくとも主軸又は送り軸を含む駆動装置を備える工作機械のための加工プログラムを取得する。例えば、消費電力算出装置１が数値制御装置に組み込まれている場合、加工プログラム取得部１１は、数値制御装置の記憶装置から加工プログラムを取得する。消費電力算出装置１が数値制御装置とは独立したコンピュータ装置の場合、加工プログラム取得部１１は、入力部５によって入力された加工プログラムを取得してもよく、通信部４を介して工作機械又は数値制御装置から加工プログラムを取得してもよい。また、加工プログラム取得部１１は、加工プログラムを外部記憶媒体等から取得してもよい。
　機械仕様取得部１２は、工作機械の機械仕様を取得する。例えば、消費電力算出装置１が数値制御装置に組み込まれている場合、機械仕様取得部１２は、数値制御装置の記憶装置から機械仕様を取得する。消費電力算出装置１が数値制御装置とは独立したコンピュータ装置の場合、機械仕様取得部１２は、入力部５によって入力された機械仕様を取得してもよく、通信部４を介して工作機械又は数値制御装置から機械仕様を取得してもよい。また、機械仕様取得部１２は、工作機械の機械仕様を外部記憶媒体等から取得してもよい。
　モータ効率取得部１３は、工作機械の駆動装置における１以上のモータのモータ効率を取得する。例えば、消費電力算出装置１が数値制御装置に組み込まれている場合、モータ効率取得部１３は、数値制御装置の記憶装置からモータ効率を取得する。消費電力算出装置１が数値制御装置とは独立したコンピュータ装置の場合、モータ効率取得部１３は、入力部５によって入力されたモータ効率を取得してもよく、通信部４を介して工作機械又は数値制御装置からモータ効率を取得してもよい。また、モータ効率取得部１３は、モータ効率を外部記憶媒体等から取得してもよい。
　力学シミュレーション部１４は、取得した加工プログラム及び工作機械の機械仕様に基づいて、各モータの角速度及び各モータのトルクの時系列データをシミュレーションする。具体的には、力学シミュレーション部１４は、加工プログラムから工作機械の全ての軸の角度情報を取得し、全ての軸の角度情報及び工作機械の機械仕様に基づいて、各モータの角速度及び各モータのトルクの時系列データを力学的にシミュレーションする。
　消費電力算出部１５は、各モータの角速度及び各モータのトルクの時系列データ、並びに各モータのモータ効率に基づいて、工作機械の駆動装置によって消費される消費電力の時系列データを算出する。表示部６は、消費電力算出部１５によって算出された消費電力を表示する。
　また、各モータのトルクは、少なくとも重力によるトルク及び干渉力によるトルクを含み、各モータのトルクは、重力によるトルク、干渉力によるトルク、加減速時トルク、摩擦によるトルク及び切削時トルクを含むことが好ましい。
　また、工作機械の機械仕様は、工作機械の軸の構成、各モータの摩擦係数、各モータの慣性モーメント、各モータの偏心荷重、及び各モータのワークの荷重のうちの少なくとも１つを含む。
　図３は、本実施形態に係る工作機械２０の例を示す図である。図３に示されるように、工作機械２０は、テーブル旋回型の５軸（ＣＡ／ＸＹＺ）加工機である。なお、本実施形態では、工作機械２０は、以下に示すようなテーブル旋回型の５軸（ＣＡ／ＸＹＺ）加工機であるが、他の形式及び軸の数を有する加工機であってもよい。
　工作機械２０は、第１水平直動機構２１と、第２水平直動機構２２と、鉛直直動機構２３と、第１回転機構２４と、テーブル２５と、第２回転機構２６と、主軸２７と、工具２８と、を備える。
　第１水平直動機構２１は、床面に設置された第１ベースと、第１ベースに対してＸ方向（水平方向）に移動可能に支持された第１スライダとを備える。第２水平直動機構２２は、第１スライダに固定された第２ベースと、第２ベースに対してＹ方向（水平方向）に移動可能に支持された第２スライダとを備える。
　鉛直直動機構２３は、第２スライダに固定された第３ベースと、第３ベースに対してＺ方向（鉛直方向）に移動可能に支持された第３スライダとを備える。第３スライダには、工具２８を装着可能な主軸２７が固定される。また、工作機械２０は、ワークを搭載するテーブル２５と、テーブル２５を鉛直軸線回りに回転させる第１回転機構２４と、テーブル２５を水平軸線回りに傾斜させる第２回転機構２６とを備える。
　数値制御装置は、加工プログラムに基づいて速度指令を作成し、主軸用サーボ制御装置を介して主軸を制御する。また、数値制御装置は、加工プログラムに基づいて送り軸用の位置指令を作成し、送り軸用サーボ制御装置を介して送り軸を制御する。
　主軸２７は、主軸用モータを含み、主軸用サーボ制御装置からの駆動電流に基づいて駆動する主軸用モータによって回転して、工具２８を回転させる。送り軸としての第１水平直動機構２１、第２水平直動機構２２、鉛直直動機構２３、第１回転機構２４及び第２回転機構２６は、それぞれ、送り軸用モータを含む。送り軸は、送り軸用サーボ制御装置からの駆動電流に基づいて駆動する送り軸用モータによって回転して、工具２８又はワークを移動させる。
　図４は、各軸を駆動するモータの角度、角速度及び角加速度の時系列データの例を示す図である。図４に示される時系列データは、図３に示される工作機械２０のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を駆動するモータの角度、角速度及び角加速度の時系列データである。
　角度の時系列データは、横軸が時間ｔ［ｓ］であり、縦軸が角度θ［ｄｅｇ］である。角速度の時系列データは、横軸が時間ｔ［ｓ］であり、縦軸が角速度ｄθ／ｄｔ［ｄｅｇ／ｓ］である。角加速度の時系列データは、横軸が時間ｔ［ｓ］であり、縦軸が角加速度ｄ２θ／ｄｔ２［ｄｅｇ／ｓ２］である。
　加減速時トルク、摩擦によるトルク、重力によるトルク、干渉力によるトルク、及び切削時トルクは、以下のような一般化された関数によって表される。各軸のトルクは、全ての軸の角度θ、角速度ｄθ／ｄｔ、及び各加速度ｄ２θ／ｄｔ２を入力とする関数によって表される。なお、１、２、・・・ｍは、各軸に対応する数である。また、下記の各関数は、必ずしも角度θ、角速度ｄθ／ｄｔ、及び各加速度ｄ２θ／ｄｔ２の全てを使用しなくてもよい。
加減速時トルク
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 摩擦によるトルク
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 重力によるトルク
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 干渉力によるトルク
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 切削時トルク
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 トルクの合計
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　各モータにおける消費電力Ｐｎは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 と表すことができる。
　モータの角速度は、加工プログラムから得られるモータ角度の時系列データから計算でき、モータ効率は、モータのトルク及び角速度を変数にもつ値として事前に得ることができる。
　［加速時のトルク］
　図５Ａ及び図５Ｂは、加速時のトルクについて説明するための図である。なお、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ及び図７Ｂに示される視点Ｖ１及び視点Ｖ２は、図３に示される視点Ｖ１及び視点Ｖ２に対応する。図５Ａ及び図５Ｂに示されるような工作機械２０において、テーブル２５上に質量ｍ、軸Ｃからの距離がｒであり、重心が軸Ａと同じ高さの偏心荷重（質点）Ｐがあると仮定する。
　偏心荷重Ｐが軸Ａの中心軸上に存在する状態を基準として、第１回転機構２４（軸Ｃ）がθＣ回転したとき、軸Ａを加減速する際に要するトルクは、予め得られる慣性モーメントＪＡを用いて以下のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　［摩擦によるトルク］
　図３に示されるような工作機械２０において、軸Ｘを稼働する際の摩擦によるトルクは、予め得られる摩擦係数μＸを用いて以下のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　［重力によるトルク］
　図６Ａ及び図６Ｂは、重力によるトルクについて説明するための図である。図６Ａ及び図６Ｂに示されるような工作機械２０において、テーブル２５が水平の状態を基準に、第２回転機構２６（軸Ａ）がθＡ回転したとき、重力に対して軸Ａを支えるためのトルクは、予め得られるテーブル２５の質量Ｍ、及びテーブル２５の重心と軸Ａの回転中心との距離ｒを用いて以下のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　［干渉力によるトルク］
　図７Ａ及び図７Ｂは、干渉力によるトルクについて説明するための図である。図７Ａ及び図７Ｂに示されるような工作機械２０において、テーブル２５上に質量ｍ、軸Ｃからの距離がｒである偏心荷重（質点）Ｐがあると仮定する。軸Ａを含むテーブル２５と平行な面と偏心荷重（質点）Ｐの距離はｈと仮定する。偏心荷重Ｐが軸Ａを含むテーブル２５と垂直な面上にあり、視点Ｖ１から見たときにテーブル２５の奥側に存在する状態を基準として、第１回転機構２４（軸Ｃ）がθＣ回転した位置にある状態で、軸Ｃを加速させると、遠心力Ｆ２及び慣性力Ｆ１が回転軸Ａに影響を与える。この力に対抗するためのトルクを
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 とすると、干渉力によるトルクは、以下のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　［切削時トルク］
　切削時にかかるトルクは、工具、加工対象の材質、及び加工時の相対速度によって決定されるため、予め任意の関数によって与えられる。
　図８から図１１は、工作機械２０の機械仕様の例を示す図である。図８から図１１に示される画面Ｄ１からＤ４は、それぞれ、工作機械２０の機械仕様を入力するための入力画面例を示す。
　図８から図１０に示されるように、画面Ｄ１からＤ３は、工作機械２０の機械仕様として、機械タイプ３１と、直線軸（基本軸）３２と、第１回転軸３３と、第２回転軸３４と、交叉オフセットベクトル３５と、基準工具軸方向３６と、制御点シフトベクトル３７と、を入力可能である。
　また、図１１に示されるように、画面Ｄ４は、工作機械２０の機械仕様として、各軸の摩擦係数及び各軸の慣性モーメント３８と、偏心荷重の重心の位置を示す三次元座標及び重量３９と、ワークの重心の位置を示す三次元座標及び重量４０と、を入力可能である。
　以上説明したように本実施形態によれば、消費電力算出装置１は、少なくとも主軸又は送り軸を含む駆動装置を備える工作機械のための加工プログラムを取得する加工プログラム取得部１１と、工作機械の機械仕様を取得する機械仕様取得部１２と、工作機械の駆動装置における１以上のモータのモータ効率を取得するモータ効率取得部１３と、加工プログラム及び工作機械の機械仕様に基づいて、各モータの角速度及び各モータのトルクの時系列データをシミュレーションする力学シミュレーション部１４と、各モータの角速度及び各モータのトルクの時系列データ、並びに各モータのモータ効率に基づいて、工作機械の駆動装置によって消費される消費電力の時系列データを算出する消費電力算出部１５と、を備える。
　このような構成によって、消費電力算出装置１は、工作機械の軸構成や回転軸の偏心過重の情報等に基づいて、工作機械の姿勢に応じて変化する重力及び軸間に生じる慣性力を算出することができ、複雑な軸構成の工作機械でも高精度なシミュレーションを行うことが可能となる。よって、消費電力算出装置１は、工作機械を実際に稼働させることなく、加工プログラムから消費電力を高精度にシミュレーションでき、消費電力を抑えた工作機械の設計にも役立てることができる。
　また、消費電力算出装置１は、消費電力算出部１５によって算出された消費電力を表示する表示部６を備える。このような構成によって、消費電力算出装置１は、ユーザに対して算出された消費電力を提示することができる。
　また、各モータのトルクは、少なくとも重力によるトルク及び干渉力によるトルクを含み、各モータのトルクは、重力によるトルク、干渉力によるトルク、加減速時トルク、摩擦によるトルク及び切削時トルクを含むことが好ましい。重力によるトルク及び干渉力によるトルクは、工作機械の姿勢により変化するため、消費電力算出装置１は、全ての軸を含む工作機械の姿勢を考慮して各軸のトルク計算を行うことによって、工作機械の消費電力を高精度にシミュレーションできる。
　また、工作機械の機械仕様は、工作機械の軸の構成、各モータの摩擦係数、各モータの慣性モーメント、各モータの偏心荷重、及び各モータのワークの荷重のうちの少なくとも１つを含む。このような構成によって、消費電力算出装置１は、工作機械の軸構成及び回転軸の偏心荷重の情報に基づいて、工作機械の姿勢に応じて変化する重力及び軸間に生じる慣性力を算出することができ、複雑な軸構成の工作機械でも高精度な消費電力のシミュレーションを可能にする。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記の消費電力算出装置１は、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組み合わせにより実現することができる。また、上記の消費電力算出装置１により行なわれる制御方法も、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組み合わせにより実現することができる。ここで、ソフトウェアによって実現されるとは、コンピュータがプログラムを読み込んで実行することにより実現されることを意味する。
　プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｒｅａｄａｂｌｅ　ｍｅｄｉｕｍ）を用いて記憶され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えば、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば、光磁気ディスク）、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ　ＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ　ａｃｃｅｓｓ　ｍｅｍｏｒｙ））を含む。
　本開示について詳述したが、本開示は上述した個々の実施形態に限定されるものではない。これらの実施形態は、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、または、特許請求の範囲に記載された内容とその均等物から導き出される本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の追加、置き換え、変更、部分的削除等が可能である。また、これらの実施形態は、組み合わせて実施することもできる。例えば、上述した実施形態において、各動作の順序や各処理の順序は、一例として示したものであり、これらに限定されるものではない。また、上述した実施形態の説明に数値又は数式が用いられている場合も同様である。
　上記実施形態及び変形例に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
　少なくとも主軸又は送り軸を含む駆動装置を備える工作機械のための加工プログラムを取得する加工プログラム取得部（１１）と、
　前記工作機械の機械仕様を取得する機械仕様取得部（１２）と、
　前記駆動装置における１以上のモータのモータ効率を取得するモータ効率取得部（１３）と、
　前記加工プログラム及び前記機械仕様に基づいて、前記各モータの角速度及び前記各モータのトルクの時系列データをシミュレーションする力学シミュレーション部（１４）と、
　前記各モータの角速度及び前記各モータのトルクの時系列データ、並びに前記各モータのモータ効率に基づいて前記駆動装置によって消費される消費電力の時系列データを算出する消費電力算出部（１５）と、
を備える消費電力算出装置（１）。
（付記２）
　算出された前記消費電力を表示する消費電力表示部（６）を更に備える付記１に記載の消費電力算出装置。
（付記３）
　前記各モータのトルクは、少なくとも重力によるトルク及び干渉力によるトルクを含む、付記１又は２に記載の消費電力算出装置。
（付記４）
　前記各モータのトルクは、前記重力によるトルク、前記干渉力によるトルク、加減速時トルク、摩擦によるトルク及び切削時トルクを含む、付記３に記載の消費電力算出装置。
（付記５）
　前記工作機械の機械仕様は、前記工作機械の軸の構成、前記各モータの摩擦係数、前記各モータの慣性モーメント、前記各モータの偏心荷重、及び前記各モータのワークの荷重のうちの少なくとも１つを含む、付記１又は２に記載の消費電力算出装置。
　１　消費電力算出装置
　２　制御部
　３　記憶部
　４　通信部
　５　入力部
　６　表示部
　１１　加工プログラム取得部
　１２　機械仕様取得部
　１３　モータ効率取得部
　１４　力学シミュレーション部
　１５　消費電力算出部

Claims (5)

  1. 　少なくとも主軸又は送り軸を含む駆動装置を備える工作機械のための加工プログラムを取得する加工プログラム取得部と、
    　前記工作機械の機械仕様を取得する機械仕様取得部と、
    　前記駆動装置における１以上のモータのモータ効率を取得するモータ効率取得部と、
    　前記加工プログラム及び前記機械仕様に基づいて、前記各モータの角速度及び前記各モータのトルクの時系列データをシミュレーションする力学シミュレーション部と、
    　前記各モータの角速度及び前記各モータのトルクの時系列データ、並びに前記各モータのモータ効率に基づいて前記駆動装置によって消費される消費電力の時系列データを算出する消費電力算出部と、
    を備える消費電力算出装置。
  2. 　算出された前記消費電力を表示する消費電力表示部を更に備える請求項１に記載の消費電力算出装置。
  3. 　前記各モータのトルクは、少なくとも重力によるトルク及び干渉力によるトルクを含む、請求項１又は２に記載の消費電力算出装置。
  4. 　前記各モータのトルクは、前記重力によるトルク、前記干渉力によるトルク、加減速時トルク、摩擦によるトルク及び切削時トルクを含む、請求項３に記載の消費電力算出装置。
  5. 　前記工作機械の機械仕様は、前記工作機械の軸の構成、前記各モータの摩擦係数、前記各モータの慣性モーメント、前記各モータの偏心荷重、及び前記各モータのワークの荷重のうちの少なくとも１つを含む、請求項１又は２に記載の消費電力算出装置。
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