JP7586938B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本開示は、表示装置に関する。

工作機械等の産業機械による機械加工では、種々の理由により振動が発生する。振動は、加工面に筋目が現れる等の加工不良の原因となるため、歩留まりを改善するためには振動の検出と抑制が重要である。振動箇所の検出及び評価は、例えば、実加工したワークの加工面を作業者が目視で確認することにより行われているが、目視による確認は、作業者の経験値等に大きく影響され、客観的な評価が難しいという課題がある。

これに対して、実際に加工を行って取得した各軸の位置データ等を表示及び操作することにより、振動箇所の検出及び評価が行われている。ただしこの場合には実加工が必要であるうえ、このようなデータによる確認は振動箇所が事前に分かっている必要があり、表示装置の操作に慣れている必要がある等の課題がある。

そこで、工具先端部の３次元軌跡上の位置と、各軸の時系列波形データにおける時間軸上の位置との対応を視覚的に捉えることが可能な表示装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この表示装置によれば、工具軌跡上の点に対応する各軸の動きを直感的に把握することができ、軸の動きの調整を効率的に行うことができるとされている。

特開２０１１－２２６８８号公報

しかしながら特許文献１の表示装置では、工具の移動軌跡上における振動箇所を検出するとともに、振動箇所において振動の原因となっている振動軸を自動的に特定することはできなかった。これは、産業機械の立ち上げや評価の時間効率の低下に直結するため、解決すべき重要課題である。

本開示は、産業機械による機械加工において、実際に加工を行うことなく、工具の移動軌跡上における振動箇所と振動の原因である振動軸を事前に自動的に特定して表示することが可能な表示装置を提供することを目的とする。

（１） 本開示の一態様は、産業機械の各軸を駆動するサーボモータを制御するサーボ制御装置のサーボデータを表示する表示装置であって、前記サーボモータ又は被駆動体の実位置及び指令位置の各時系列データを取得する取得部と、前記取得部で取得された前記サーボモータ又は被駆動体の実位置及び指令位置の各時系列データから、実位置に基づく工具の移動軌跡及び指令位置に基づく工具の移動軌跡を算出する移動軌跡算出部と、前記移動軌跡算出部で算出された実位置に基づく工具の移動軌跡及び指令位置に基づく工具の移動軌跡から、前記工具の軌跡誤差の時系列データを算出する軌跡誤差算出部と、前記軌跡誤差算出部で算出された前記工具の軌跡誤差の時系列データを、所定の時間範囲ごとにフーリエ変換して周波数解析することにより、前記時間範囲ごとに各周波数成分の振幅を算出する振幅算出部と、前記振幅算出部で算出された各周波数成分の振幅が所定の閾値より大きい周波数成分を検出するとともに、検出された周波数成分に対応する前記時間範囲を振動箇所と検出する振動検出部と、前記各軸の位置偏差又はトルク指令の時系列データから、前記振動検出部で検出された周波数成分に対応する時間範囲を抽出し、抽出された時間範囲において、前記各軸の位置偏差又はトルク指令の時系列データをフーリエ変換して周波数解析することにより、前記振動検出部で検出された周波数成分と同じ周波数成分の振幅が大きい軸を振動軸と判定する振動軸判定部と、前記移動軌跡算出部で算出された前記移動軌跡を表示するとともに、前記振動検出部で検出された前記振動箇所を前記移動軌跡上に表示し、且つ、前記振動軸判定部で振動軸と判定された軸を表示する表示部と、を備える、表示装置である。

本開示の一態様によれば、産業機械による機械加工において、実際に加工を行うことなく、工具の移動軌跡上における振動箇所と振動の原因である振動軸を事前に自動的に特定して表示することが可能な表示装置を提供できる。

本開示の一実施形態に係る表示装置の構成を示す図である。 工具の軌跡誤差の時系列データにおける周波数解析を説明するための図である。 各軸の位置偏差の時系列データにおける周波数解析を説明するための図である。 上記実施形態に係る表示装置の表示例を示す図である。 上記実施形態に係る表示装置における表示処理の手順を示すフローチャートである。

以下、本開示の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本開示の一実施形態に係る表示装置１の構成を示す図である。図１に示されるように、本実施形態に係る表示装置１は、工作機械２の軸１～軸ｎの各軸２０を駆動する電動機（サーボモータ）を制御するための工作機械の制御装置（サーボ制御装置）３のサーボデータを取得し、必要なデータ処理をしてそのデータ処理結果を表示するものである。

サーボ制御装置としての工作機械の制御装置３は、いずれも不図示である、マイクロコンピュータ等からなる制御ユニットと、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリを含む記憶ユニットと、表示装置１との間でサーボデータ等の送受信を行う送受信ユニットと、を備える。

本実施形態に係る表示装置１は、例えば、ＣＰＵ、メモリ等を有するコンピュータ等により構成される。図１に示されるように、表示装置１は、データ取得部１１と、移動軌跡算出部１２と、軌跡誤差算出部１３と、振幅算出部１４と、振動検出部１５と、振動軸判定部１６と、表示部１７と、を備える。

データ取得部１１は、電動機又は被駆動体の実位置及び指令位置の時系列データを取得する。具体的に、データ取得部１１は、加工プログラムに基づいて生成される位置指令から、電動機又は被駆動体の指令位置の時系列データを取得する。また、データ取得部１１は、各軸２０を駆動する電動機に設けられたエンコーダ等の位置検出器による位置フィードバックから、電動機又は被駆動体の実位置の時系列データを取得する。位置フィードバックは、工作機械２を空加工することにより取得される。即ち本実施形態では、実際に加工を行うことなく空加工により、工作機械の制御装置３から事前にサーボデータを取得する。さらには、データ取得部１１は、工作機械の制御装置３から、工具長、工具径等の工具情報やトルク指令等もあわせて取得する。

移動軌跡算出部１２は、工作機械２が備える工具の先端の移動軌跡、即ち加工軌跡を算出する。具体的に、移動軌跡算出部１２は、データ取得部１１で取得された電動機又は被駆動体の実位置の時系列データから、実位置に基づく工具の先端の移動軌跡を算出する。また、移動軌跡算出部１２は、データ取得部１１で取得された電動機又は被駆動体の指令位置の時系列データから、指令位置に基づく工具の先端の移動軌跡を算出する。なお、各移動軌跡の算出には、データ取得部１１で取得された工具情報も利用される。

軌跡誤差算出部１３は、工作機械２が備える工具の軌跡誤差の時系列データを算出する。具体的に、軌跡誤差算出部１３は、移動軌跡算出部１２で算出された実位置に基づく工具の移動軌跡と、同様に移動軌跡算出部１２で算出された指令位置に基づく工具の移動軌跡と、の差分から、工具の軌跡誤差の時系列データを算出する。

振幅算出部１４は、軌跡誤差算出部１３で算出された工具の軌跡誤差の時系列データについて周波数解析を実行することにより、各周波数成分の振幅を算出する。周波数解析の手法としては特に限定されず、時系列データに対して各周波数成分の波形がどれだけ含まれているかを解析できればよい。例えば本実施形態では、周波数解析の手法としてフーリエ変換を採用する。

図２は、工具の軌跡誤差の時系列データにおける周波数解析を説明するための図である。図２に示されるように、軌跡誤差算出部１３で算出された工具の軌跡誤差の時系列データをフーリエ変換することにより、工具の軌跡誤差の時系列データが周波数系列データに変換される。即ち、横軸が時間ｔで表される時系列データが、横軸が周波数ｆで表される周波数系列データに変換される。これにより、各周波数成分における振幅ｍの算出が可能となる。

振動検出部１５は、振幅算出部１４で算出された各周波数成分の振幅が、所定の閾値より大きい周波数成分を検出するとともに、検出された周波数成分に対応する時間から求められる位置を振動箇所として検出する。所定の閾値は、例えば実験データ等に基づいて、各周波数成分の振幅と、各周波数成分に対応した時間、位置における加工面形状との関係から、予め設定されて記憶されている。

振動軸判定部１６は、振動検出部１５で検出された振動箇所において、振動の原因となっている振動軸を各軸２０の中から判定する。振動軸としては、一つに限られず、複数の軸が振動軸として判定され得る。具体的に、振動軸判定部１６は、振動検出部１５で検出された周波数成分に対応する時間範囲を抽出し、抽出された時間範囲において、各軸の位置偏差又はトルク指令の時系列データについて周波数解析を実行する。そして、振動検出部１５で検出された周波数成分と同じ周波数成分の振幅が大きい軸を、振動軸と判定する。

図３は、各軸２０の位置偏差の時系列データにおける周波数解析を説明するための図である。振幅算出部１４で実行される周波数解析と同様に、周波数解析の手法としては特に限定されず、例えばフーリエ変換が採用される。図３に示されるように、上述の指令位置と位置フィードバックとの差分である位置偏差の時系列データをフーリエ変換することにより、位置偏差の時系列データが周波数系列データに変換される。即ち、横軸が時間ｔで表される時系列データが、横軸が周波数ｆで表される周波数系列データに変換される。これについては、位置偏差に基づいて生成されるトルク指令の時系列データの場合も同様である。

図３中、上段に示されるデータは、周波数解析前の各軸の位置偏差の時系列データであり、下段に示されるデータは、周波数解析後の各軸の位置偏差の周波数系列データである。図３に示す例では、振動検出部１５において検出された周波数成分Ｆに対応する時間範囲Ｔを抽出し、かかる時間範囲Ｔにおいて軸１～軸ｎの各軸２０の位置偏差の時系列データを周波数解析したものである。このように、振動箇所と検出された周波数成分Ｆに対応する時間範囲Ｔのみについてフーリエ変換を実行することにより、計算量を軽減することが可能である。

図３に示されるように、フーリエ変換後の各軸２０の位置偏差の周波数系列データを比較すると、軸Ａの周波数系列データにおいて大きなピークが認められ、振幅ｍが大きいことが確認される。これにより、軸Ａが振動箇所における振動の支配的要因となっている振動軸であると判定できる。

表示部１７は、移動軌跡算出部１２で算出された実位置に基づく工具の先端の移動軌跡を表示する。また、表示部１７は、振動検出部１５で検出された振動箇所を移動軌跡上に表示するとともに、振動軸判定部１６で振動軸と判定された軸を表示する。

また、表示部１７は、移動軌跡上の振動箇所を、他の箇所と比べて表示属性を変えて表示可能である。これにより、表示部１７は、振動箇所を強調表示することができ、視覚的に振動箇所を把握できるようになっている。

図４は、本実施形態に係る表示装置１の表示例を示す図である。図４に示される例では、表示部１７により表示画面１０に表示される工具の先端の移動軌跡上に、実線矢印や破線矢印により振動箇所における振動波形が強調表示されている。表示画面１０には、振動軸の他、該振動軸に対応する周波数や振幅（最大振幅等）等のテキストデータも表示される。また、表示画面１０では、振動検出部１５で利用される振幅の閾値の入力が可能となっている。さらには、表示画面１０では、周波数を入力することで周波数検索が可能となっており、入力された周波数に対応する移動軌跡を表示可能となっている。

以上の構成を備える本実施形態に係る表示装置１の表示処理の手順について、図５を参照して説明する。図５は、本実施形態に係る表示装置１における表示処理の手順を示すフローチャートである。この表示処理は、工作機械２の空加工を実行後、任意のタイミングで開始される。

先ずステップＳ１では、データ取得部１１により、電動機又は被駆動体の位置の時系列データを取得する。具体的には、データ取得部１１により、電動機又は被駆動体の実位置の時系列データ及び指令位置の時系列データを取得する。その後、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２では、移動軌跡算出部１２により、工作機械２が備える工具の先端の移動軌跡を算出する。具体的には、移動軌跡算出部１２により、電動機又は被駆動体の実位置及び指令位置の各時系列データから、実位置及び指令位置に基づく各移動軌跡を算出する。その後、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、軌跡誤差算出部１３により、工具の軌跡誤差の時系列データを算出する。具体的には、軌跡誤差算出部１３により、実位置に基づく移動軌跡と指令位置に基づく移動軌跡の差分から、工具の軌跡誤差の時系列データを算出する。その後、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、振幅算出部１４により、工具の軌跡誤差の時系列データについて周波数解析を実行し、各周波数成分の振幅を算出する。その後、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、振動検出部１５により、振動周波数を検出する。具体的には、振動検出部１５により、各周波数成分の振幅が所定の閾値より大きい周波数成分を振動周波数として検出するとともに、検出された周波数成分に対応する時間から求められる位置を振動箇所として検出する。その後、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、振動軸判定部１６により、各軸の位置偏差又はトルク指令の時系列データについて周波数解析を実行する。より詳しくは、振動検出部１５で検出された周波数成分に対応する時間範囲を抽出し、抽出された時間範囲において、各軸の位置偏差又はトルク指令の時系列データについて周波数解析を実行する。その後、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、振動軸判定部１６により、振動箇所において振動の原因となっている軸である振動軸を判定する。具体的には、振動軸判定部１６により、振動検出部１５で検出された周波数成分と同じ周波数成分の振幅が大きい軸を、振動軸と判定する。その後、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８では、表示部１７により、工具の移動軌跡上の振動箇所及び振動軸を表示する。具体的には、表示部１７により、実位置に基づく工具の先端の移動軌跡を表示するとともに、振動検出部１５で検出された振動箇所を移動軌跡上に表示する。さらには、振動軸判定部１６で振動軸と判定された軸を表示する。移動軌跡上の振動箇所の表示は、表示属性を変えて強調表示される。その後、本処理を終了する。

本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態に係る表示装置１では、実位置に基づく工具の移動軌跡と指令位置に基づく工具の移動軌跡から工具の軌跡誤差の時系列データを算出する軌跡誤差算出部１３と、工具の軌跡誤差の時系列データを周波数解析して各周波数成分の振幅を算出する振幅算出部１４と、各周波数成分の振幅が所定の閾値より大きい周波数成分を検出するとともに検出された周波数成分に対応する位置を振動箇所と検出する振動検出部１５と、検出された周波数成分に対応する時間範囲において各軸の位置偏差又はトルク指令の時系列データを周波数解析することにより、検出された周波数成分と同じ周波数成分の振幅が大きい軸を振動軸と判定する振動軸判定部１６と、検出された振動箇所を移動軌跡上に表示し且つ振動軸と判定された軸を表示する表示部１７と、を設けた。

加工中の工具の振動により加工面に不良が発生する場合、その原因を調査する際には、不良箇所における振動周波数が重要な情報となる。そこで、本実施形態では上述の各構成を設けることにより、実際に加工を行うことなく空加工で得られるサーボデータに基づいて、工具の軌跡誤差の時系列データから各周波数成分の振幅の時系列データを算出し、振動の大きい箇所とその周波数を自動的に検出する。これにより、加工面不良の発生箇所と振動周波数を事前に自動的に検出することができ、効率的に調整を行うことができる。また、振動の大きい箇所における軌跡誤差の周波数成分と、各軸の位置データ又はトルク指令の周波数成分とを比較することにより、振動の原因となっている軸を特定できる。ひいては、移動軌跡とともに振動箇所及び振動軸を表示することにより、これらをユーザが直感的に把握でき、産業機械の立ち上げや評価の時間効率を大きく向上できる。

また本実施形態では、移動軌跡上の振動箇所を、表示属性を変えて強調表示する構成とした。これにより、ユーザがより視覚的に把握し易くなり、上述の効果がより確実に発揮される。

なお、本開示は上記態様に限定されるものではなく、本開示の目的を達成できる範囲での変形、改良は本開示に含まれる。

例えば上記実施形態では、本開示の表示装置を工作機械の制御装置のサーボデータを表示する表示装置に適用したが、これに限定されない。ロボット等の他の産業機械の制御装置のサーボデータを表示する表示装置に適用してもよい。

１ 表示装置
２ 工作機械（産業機械）
３ 工作機械の制御装置（サーボ制御装置）
１０ 表示画面
１１ データ取得部（取得部）
１２ 移動軌跡算出部
１３ 軌跡誤差算出部
１４ 振幅算出部
１５ 振動検出部
１６ 振動軸判定部
１７ 表示部
２０ 軸

Claims (2)

1. 産業機械の各軸を駆動するサーボモータを制御するサーボ制御装置のサーボデータを表示する表示装置であって、
   前記サーボモータ又は被駆動体の実位置及び指令位置の各時系列データを取得する取得部と、
   前記取得部で取得された前記サーボモータ又は被駆動体の実位置及び指令位置の各時系列データから、実位置に基づく工具の移動軌跡及び指令位置に基づく工具の移動軌跡を算出する移動軌跡算出部と、
   前記移動軌跡算出部で算出された実位置に基づく工具の移動軌跡及び指令位置に基づく工具の移動軌跡から、前記工具の軌跡誤差の時系列データを算出する軌跡誤差算出部と、
   前記軌跡誤差算出部で算出された前記工具の軌跡誤差の時系列データを、所定の時間範囲ごとにフーリエ変換して周波数解析することにより、前記時間範囲ごとに各周波数成分の振幅を算出する振幅算出部と、
   前記振幅算出部で算出された各周波数成分の振幅が所定の閾値より大きい周波数成分を検出するとともに、検出された周波数成分に対応する前記時間範囲を振動箇所と検出する振動検出部と、
   前記各軸の位置偏差又はトルク指令の時系列データから、前記振動検出部で検出された周波数成分に対応する時間範囲を抽出し、抽出された時間範囲において、前記各軸の位置偏差又はトルク指令の時系列データをフーリエ変換して周波数解析することにより、前記振動検出部で検出された周波数成分と同じ周波数成分の振幅が大きい軸を振動軸と判定する振動軸判定部と、
   前記移動軌跡算出部で算出された前記移動軌跡を表示するとともに、前記振動検出部で検出された前記振動箇所を前記移動軌跡上に表示し、且つ、前記振動軸判定部で振動軸と判定された軸を表示する表示部と、を備える、表示装置。
2. 前記表示部は、前記移動軌跡上の前記振動箇所を、表示属性を変えて表示する、請求項１に記載の表示装置。

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