(57)【要約】【課題】工作機械における駆動関連要素の電力損失または電力効率を算出し表示、印刷出力、記憶媒体への記録出力、または、数値制御装置内部または外部の機器への出力を実施することが可能な数値制御装置を得ること。【解決手段】モータなどのアクチュエータを駆動させるための電力供給に関係する工作機械６における各駆動関連要素、および工作機械６に電力を供給する電源装置１２のうちの少なくとも２つ装置の出力電力または出力エネルギーを計算または推定する電力算出部３と、前記電力算出部３から出力された出力電力または出力エネルギーから電力損失または電力効率を算出する損失／効率算出部４と、前記損失／効率算出部４にて算出された電力損失または電力効率を表示、印刷出力、記憶媒体への記録出力、または他の機器への出力を実施する電力出力部５とを備える。【選択図】        図１
2012014649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械を数値制御するＮＣ制御部を備える数値制御装置において、
前記工作機械の対象物を加工する可動部に配置されるモータなどのアクチュエータを含み、該アクチュエータと前記工作機械に交流電力を供給する電源装置との間に配置されるコンバータやインバータ、アンプなどのそれぞれを駆動関連要素と称すれば、
前記電源装置および前記各駆動関連要素のうちの少なくとも２つの装置の出力電力または出力エネルギーを計算または推定する電力算出部と、
前記電力算出部から出力された出力電力または出力エネルギーから対応する前記駆動関連要素の電力損失または電力効率を算出する損失／効率算出部と、
前記損失／効率算出部にて算出された電力損失または電力効率を表示、印刷出力、記憶媒体への記録出力、または他の機器への出力を実施する電力出力部と
を備えることを特徴とする数値制御装置。
【請求項２】
前記損失／効率算出部は、
前記各駆動関連要素の電力損失または電力効率を求めるための基本モデルが、前記各駆動関連要素における電流・電圧・トルク・温度・モータ回転速度・周波数のうちの少なくとも１つの信号を用いて予め設定され、
前記算出した各駆動関連要素の電力損失または電力効率と、対応する駆動関連要素の電流・電圧・トルク・温度・モータ回転速度・周波数のうち前記基本モデルに用いた信号とに基づいて、該基本モデルのパラメータを同定または修正し、該同定または修正した基本モデルを用いて対応する駆動関連要素の電力損失または電力効率を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
【請求項３】
前記電力出力部は、
前記電源装置および前記各駆動関連要素による電力系統図を表示、印刷出力、記憶媒体への記録出力、または他の機器への出力を実施するとともに、該電力系統図に対応させて前記損失／効率算出部にて求められた各駆動関連要素の電力効率または電力損失を表示、印刷出力、記憶媒体への記録出力、または他の機器への出力を実施する
ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
【請求項４】
前記電力出力部は、
前記損失／効率算出部に予め設定されている前記各駆動関連要素についての基本モデルのパラメータを表示、印刷出力、記憶媒体への記録出力、または他の機器への出力を実施する
ことを特徴とする請求項２に記載の数値制御装置。
【請求項５】
前記電力出力部は、
前記損失／効率算出部にて同定または修正された前記各駆動関連要素についての基本モデルのパラメータを表示、印刷出力、記憶媒体への記録出力、または他の機器への出力を実施する
ことを特徴とする請求項２に記載の数値制御装置。
【請求項６】
前記損失／効率算出部は、
前記算出した各駆動関連要素の電力効率が予め設定した最小電力効率よりも小さくなった場合、または電力損失が予め設定した最大電力損失よりも大きくなった場合にアラーム信号を前記電力出力部および前記ＮＣ制御部に出力する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の数値制御装置。
【請求項７】
前記電力出力部は、
前記損失／効率算出部から入力されるアラーム信号に基づき、異常を知らせるアラームおよび該アラームの原因となった駆動関連要素を表示、印刷出力、記憶媒体への記録出力、または他の機器への出力を実施する
ことを特徴とする請求項６に記載の数値制御装置。
【請求項８】
前記ＮＣ制御部は、
前記損失／効率算出部からアラーム信号が入力されると、前記工作機械を停止させるなど該アラーム信号が示す重要度に応じた制御を実行する
ことを特徴とする請求項６または７に記載の数値制御装置。
【請求項９】
前記ＮＣ制御部は、
前記損失／効率算出部にて算出された電力損失、または電力効率に基づいて対応する駆動関連要素の冷却器を制御する
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の数値制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の数値制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、モータなどのアクチュエータを駆動して対象物を加工する工作機械の数値制御装置として、加工を行う際に消費電力を監視して画面に表示し、また消費電力低減のための対策を行うために消費電力を算出し画面に表示する機能を備える数値制御装置が提案されている。
【０００３】
すなわち、特許文献１では、同一の動作１サイクルを繰り返し実行する際に、機械の動作工程ごとに、工作機械または電力消費要素ごとの消費電力を画面に表示する方法が示されている。
【０００４】
この方法では、繰り返し動作を行って同一部品を複数個生産する場合に、繰り返し動作１サイクルあたりの消費電力を記録する、或いは所定の時間ごとの消費電力総和と繰り返し回数とを検出し、繰り返し動作１サイクルあたりの消費電力を記録する。また、各サーボモータの消費電力量は電流値を検出してそこから算出し、ヒータ類の消費電力量はその出力に動作時間を乗ずることで算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３０８８４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、工作機械では、通常、加工を行う可動部を駆動するモータなどのアクチュエータと、工作機械に必要な交流電力を供給する電源装置との間に、コンバータやインバータ、アンプなどが介在している。コンバータやインバータ、アンプ、モータなどをまとめて駆動関連要素と称すれば、この駆動関連要素では、常に電力損失があるため、電源装置から供給される電力が全て工作機械の駆動エネルギーに用いられるわけではない。
【０００７】
しかし、従来技術では、モータの消費電力を算出・表示することは可能であるが、前記駆動関連要素の電力損失または電力効率を算出・表示することはできない。そのため、エネルギー効率を改善することは困難である。
【０００８】
また、従来技術では、加工全体でどの程度電力を消費するのかは、実際に加工を行わないと把握することができない。つまり、加工全体でどの程度電力を消費するのかを予め予測することができないので、省エネルギーのための最適な加工条件を求めることが困難である。
【０００９】
さらに、従来技術では、電力損失の大きい駆動関連要素と電力損失の小さい駆動関連要素との区別ができないため、電力損失、つまり発熱量に応じた冷却を行うことができず、不要な冷却により無駄な電力を浪費していることになる。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、工作機械における駆動関連要素の電力損失または電力効率を算出し表示、印刷出力、記憶媒体への記録出力、または他の機器への出力を実施することが可能な数値制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、工作機械を数値制御するＮＣ制御部を備える数値制御装置において、前記工作機械の対象物を加工する可動部に配置されるモータなどのアクチュエータを含み、該アクチュエータと前記工作機械に交流電力を供給する電源装置との間に配置されるコンバータやインバータ、アンプなどのそれぞれを駆動関連要素と称すれば、前記電源装置および前記各駆動関連要素のうちの少なくとも２つの装置の出力電力または出力エネルギーを計算または推定する電力算出部と、前記電力算出部から出力された出力電力または出力エネルギーから対応する前記駆動関連要素の電力損失または電力効率を算出する損失／効率算出部と、前記損失／効率算出部にて算出された電力損失または電力効率を表示、印刷出力、記憶媒体への記録出力、または他の機器への出力を実施する電力出力部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電源装置および各駆動関連要素の計算または推定した出力電力または出力エネルギーに基づき各駆動関連要素の電力損失または電力効率を算出できるので、それらを表示、印刷出力、記憶媒体への記録出力、または他の機器（つまり、数値制御装置内部または外部の機器）への出力を実施することできる。したがって、工作機械におけるどの駆動関連要素において電力損失が大きいか、電力効率が悪いかを明確に認識することができるようになる。これによって、電力損失を低減することや、電力効率を改善することが容易になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態による数値制御装置を含む全体構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示す電力算出部が計算または推定する出力電力または出力エネルギーと電源装置および各駆動関連要素との関係を示す図である。
【図３】図３は、図１に示す電力出力部が行う表示内容の一例を示す図である。
【図４】図４は、図１に示す損失／効率算出部にける計算手順を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明にかかる数値制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１５】
図１は、本発明の一実施の形態による数値制御装置を含む全体構成を示すブロック図である。なお、図中の実線矢印は電力供給経路を表し、破線矢印は信号伝達経路を表している。図１において、数値制御装置１は、ＮＣ制御部２と、電力算出部３と、損失／効率算出部４と、電力出力部５とを備えている。各構成要素の詳細は後述するが、ＮＣ制御部２は、工作機械６を数値制御する本来的な構成要素である。そして、電力算出部３、損失／効率算出部４、および電力出力部５は、この実施の形態による「駆動関連要素の電力損失または電力効率を算出し表示、印刷出力、記憶媒体への記録出力、または他の機器（つまり、数値制御装置の内部または外部の機器）への出力を実施する機能」を実現する構成要素である。
【００１６】
工作機械６は、回転する工具７と、ワークテーブルに設置された被加工物８との相対運動により、被加工物８を所望の形状へと加工する。工具７は、主軸モータ９を駆動することで回転する。工具７と被加工物８との相対運動は、複数の可動軸１０に取り付けられた複数のサーボモータ１１を制御することで実現される。
【００１７】
なお、一般的な可動軸１０の構成として、例えば直進軸としては回転モータとボールねじとを組み合わせたもの、リニアモータを使用したものなどが挙げられる。また、回転軸としてはサーボモータとウォームギアとを組み合わせたもの、ダイレクトドライブモータによるものなどが挙げられる。
【００１８】
図１では、工作機械６の可動部に配置されるアクチュエータである主軸モータ９およびサーボモータ１１と、工作機械６に必要な交流電力を供給する電源装置１２との間に、コンバータ１３と、主軸アンプ１４およびサーボアンプ１５とが配置され、インバータを含まない構成例が示されている。コンバータ１３は、電源装置１２の出力交流電力を直流電力に変換し、主軸アンプ１４およびサーボアンプ１５へ並列に出力する。主軸アンプ１４は、コンバータ１３の出力直流電力に基づき主軸モータ９への駆動電力を生成する。サーボアンプ１５は、コンバータ１３の出力直流電力に基づきサーボモータ１１への駆動電力を生成する。つまり、図１に示す構成では、コンバータ１３、主軸アンプ１４、サーボアンプ１５、主軸モータ９およびサーボモータ１１のそれぞれがこの実施の形態で言う駆動関連要素である。
【００１９】
電源装置１２は、コンバータ１３への出力電力Ｐ１の状態を表す電力供給信号Ｓ２を電力算出部３へ出力する。また、コンバータ１３も同様に、主軸アンプ１４およびサーボアンプ１５への出力電力Ｐ２の状態を表す電力供給信号Ｓ３を電力算出部３へ出力する。ここで、電力供給信号Ｓ２，Ｓ３は、例えば、電源装置１２やコンバータ１３が電力測定手段や電力計算機能を備える場合には直接電力量を表す信号となる。また、電力供給信号Ｓ２，Ｓ３は、電力量の計算に使用される信号の組み合わせ、例えば、電流および電圧、トルクおよび回転速度を伝達する信号であってもよい。
【００２０】
主軸アンプ１４は、コンバータ１３の出力電力Ｐ２に基づき、ＮＣ制御部２から例えば通信ケーブルを介して入力される駆動指令信号Ｓ１１に応じた駆動電圧Ｖ１を生成し主軸モータ９へ印加する。また、サーボアンプ１５は、コンバータ１３の出力電力Ｐ２に基づき、ＮＣ制御部２から例えば通信ケーブルを介して入力される駆動指令信号Ｓ１２に応じた駆動電圧Ｖ２を生成しサーボモータ１１へ印加する。つまり、主軸モータ９およびサーボモータ１１は、それぞれ、ＮＣ制御部２が出力する駆動指令信号Ｓ１１，Ｓ１２に応じて制御される。
【００２１】
このとき、主軸アンプ１４は、主軸モータ９の駆動状態を表す駆動データＤ１１をＮＣ制御部２へ例えば通信ケーブルを介して伝達する。また、サーボアンプ１５は、サーボモータ１１の駆動状態を表す駆動データＤ１２をＮＣ制御部２へ例えば通信ケーブルを介して伝達する。モータの駆動状態とは、例えば、各アンプの位置指令、速度指令、電流指令、電圧指令、および各アンプに対応するモータの位置や角度、回転速度、電流、電圧、トルク、温度、電流周波数、電圧周波数などである。
【００２２】
さて、数値制御装置１について説明する。まず、概要を説明する。ＮＣ制御部２には、外部から運動指令信号Ｓ１が入力される。運動指令信号Ｓ１は、被加工物８に対する工具７の運動を表す指令である。ＮＣ制御部２は、この運動指令信号Ｓ１を解析して主軸アンプ１４およびサーボアンプ１５に対する上記した駆動指令信号Ｓ１１，Ｓ１２を生成する。駆動指令信号Ｓ１１，Ｓ１２は、各アンプに対応するモータの位置、角度、速度などに関する指令である。これによって、工作機械６が数値制御される。
【００２３】
この実施の形態では、ＮＣ制御部２は、主軸アンプ１４およびサーボアンプ１５から伝達された駆動データＤ１１，Ｄ１２を電力算出部３へ転送する。また、ＮＣ制御部２は、損失／効率算出部４からコンバータ１３、主軸アンプ１４、サーボアンプ１５、主軸モータ９、サーボモータ１１の電力損失Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５、およびアラーム信号ＡＬが入力される。損失／効率算出部４の説明中で説明するように、ＮＣ制御部２は、この実施の形態による動作として、電力損失Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５に基づく冷却器制御や、アラーム信号ＡＬに基づいて工作機械を停止させるなどの処理を行う。
【００２４】
電力算出部３は、ＮＣ制御部２から入力される駆動データＤ１１、Ｄ１２と、電源装置１２およびコンバータ１３から入力される電力供給信号Ｓ２、Ｓ３との全て、または、複数の組み合わせ、若しくは、１つに基づき、電源装置１２および各駆動関連要素の中の少なくとも２つの装置の出力電力または出力エネルギーを計算または推定し、それらを駆動データＤ１１、Ｄ１２と一緒に損失／効率算出部４へ出力する。また、電力算出部３は、その計算または推定した出力電力または出力エネルギーを電力出力部５へ出力する。電力算出部３での詳細な計算方法等については後述するが、例えば図２に示すような関係で計算等が行われる。
【００２５】
図２は、図１に示す電力算出部が計算または推定する出力電力または出力エネルギーと電源装置および各駆動関連要素との関係を示す図である。図２おいて、電力算出部３は、電源装置１２の出力電力Ｐ１１、コンバータ１３の出力電力Ｐ１２、主軸アンプ１４の出力電力Ｐ１３、サーボアンプ１５の出力電力Ｐ１４、主軸モータ９の出力エネルギーＰ２１、サーボモータ１１の出力エネルギーＰ２２を計算または推定する。なお、出力電力を計算等する際の誤差が０であれば、図１における電源装置１２の出力電力Ｐ１と、図２における電源装置１２の出力電力Ｐ１１とは等しい。また、図１におけるコンバータ１３の出力電力Ｐ２と、図２におけるコンバータ１３の出力電力Ｐ１２とは等しい。
【００２６】
損失／効率算出部４は、電力算出部３から入力される、駆動データＤ１１，Ｄ１２と、電源装置１２の出力電力Ｐ１１と、コンバータ１３の出力電力Ｐ１２と、主軸アンプ１４の出力電力Ｐ１３と、サーボアンプ１５の出力電力Ｐ１４と、主軸モータ９の出力エネルギーＰ２１と、サーボモータ１１の出力エネルギーＰ２２とに基づいて、後述する計算方法で、コンバータ１３の電力損失Ｌ１または電力効率Ｅ１と、主軸アンプ１４の電力損失Ｌ２または電力効率Ｅ２と、サーボアンプ１５の電力損失Ｌ３または電力効率Ｅ３と、主軸モータ９の電力損失Ｌ４または電力効率Ｅ４と、サーボモータ１１の電力損失Ｌ５または電力効率Ｅ５とを算出する。
【００２７】
損失／効率算出部４は、算出した電力損失Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５または電力効率Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５を電力出力部５へ出力する。また、損失／効率算出部４は、各モータが力行中か回生中かを識別するための信号（図示省略）も電力出力部５に出力する。さらに、損失／効率算出部４は、駆動関連要素の電力損失または電力効率を求めるために予め設定しておいた基本モデルのパラメータＰＡを同定または修正し、同定または修正したパラメータＰＡ´を電力出力部５に出力する。なお、図示省略したが、損失／効率算出部４は、基本モデルのパラメータＰＡも電力出力部５に出力する場合がある。
【００２８】
加えて、損失／効率算出部４は、算出した各駆動関連要素の電力損失Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５をＮＣ制御部２へ出力する。このとき、損失／効率算出部４は、各駆動関連要素の電力効率Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５のみを算出した場合は、その電力効率とその入力電力とから、電力損失Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５に相当する電力損失をそれぞれ求め、それらをＮＣ制御部２へ出力する。
【００２９】
ＮＣ制御部２では、損失／効率算出部４から出力された各駆動関連要素の電力損失に基づき対応する駆動関連要素の図示しない冷却器の制御を行う。例えば、ある駆動関連要素ではその電力損失に比例した電力を冷却器に供給し、冷却の必要ない他の駆動関連要素ではその冷却器は停止させることで、無駄な消費電力を削減する。
【００３０】
そして、損失／効率算出部４は、算出した駆動関連要素の電力効率が、駆動関連要素毎に予め設定した最小電力効率よりも小さくなった場合、アラーム信号ＡＬを電力出力部５とＮＣ制御部２とに出力する。ここで、アラーム信号ＡＬとは、電力効率の異常に関する情報を知らせる信号である。このアラーム信号ＡＬは、アラームが発生したことを認識させる信号と、アラームの重要度を知らせる信号と、アラームの原因となった駆動関連要素を知らせる信号とで構成されている。
【００３１】
アラーム信号ＡＬを受け取った電力出力部５は、工作機械に備えられたディスプレイにアラーム、およびアラームの原因となった駆動関連要素を表示する。また、アラーム信号ＡＬを受け取ったＮＣ制御部２は、工作機械を停止させるなどアラームの重要度に応じた適切な処理を実行する。具体例を示すと、損失／効率算出部４は、例えば、主軸モータ９の電力効率が主軸モータ９の最小電力効率よりも小さくなった場合に、主軸モータ９で異常が発生していることを報知するため、アラーム信号ＡＬを電力出力部５およびＮＣ制御部２に出力する。すると、電力出力部５は、工作機械６に備えられたディスプレイに主軸モータ９の異常を知らせるアラームを表示し、また、ＮＣ制御部２は工作機械６を停止させる。
【００３２】
電力出力部５は、電力算出部３から入力された出力電力を工作機械６に備えられたディスプレイに数値またはグラフで表示する。また、電力出力部５は、損失／効率算出部４にて算出された、コンバータ１３の電力損失Ｌ１または電力効率Ｅ１と、主軸アンプ１４の電力損失Ｌ２または電力効率Ｅ２と、サーボアンプ１５の電力損失Ｌ３または電力効率Ｅ３と、主軸モータ９の電力損失Ｌ４または電力効率Ｅ４と、サーボモータ１１の電力損失Ｌ５または電力効率Ｅ５とが入力されると、それらの値を工作機械６に備えられたディスプレイに数値またはグラフを用いて表示する（例えば図３参照）。
【００３３】
また、電力出力部５は、上記した算出データの画面表示と並行して、損失／効率算出部４から入力される各モータが力行中か回生中かを識別するための信号（図示省略）に従って、工作機械６に備えられたディスプレイに各モータが力行中か回生中かを認識するための表示も行う。
【００３４】
図３は、図１に示す電力出力部が行う表示内容の一例を示す図である。例えば、図３（１）に示すように、電源装置１２および各駆動関連要素（コンバータ１３、主軸アンプ１４、サーボアンプ１５、主軸モータ９、サーボモータ１１）の電力系統図を工作機械６に備えられたディスプレイに表示し、その電力系統図中に出力電力、電力損失、電力効率を数値で表示する。
【００３５】
このとき、図３（２）（３）（４）に示すように、出力電力、電力損失、電力効率を電力系統図に対応したグラフを用いて表示してもよい。また、駆動関連要素の出力電力、電力損失、電力効率を時系列で数値またはグラフで表示してもよい。なお、回生時には、図３（１）における電力系統図の矢印を逆向きにしてもよい。
【００３６】
ここで、図３では、電力出力部５は、工作機械６に備えられたディスプレイに出力電力、電力損失、電力効率を表示する機能のみを説明したが、本実施の形態による電力出力部５は、出力電力、電力損失、電力効率を印刷出力、記憶媒体への記録出力、または他の機器（つまり、数値制御装置内部または外部の機器）への出力を実施することもできる。また、電力出力部５は、損失／効率算出部４にて同定または修正した基本モデル、または、基本モデルのパラメータも表示出力、印刷出力、記憶媒体に保存、または、数値制御装置内部または外部の機器へ出力することもできる。加えて、電力出力部５は、損失／効率算出部４から出力されたアラーム信号ＡＬ、およびアラームの原因となった駆動関連要素を表示出力、印刷出力、記憶媒体に保存、または、数値制御装置内部または外部の機器へ出力することもできる。
【００３７】
次に、電力算出部３および損失／効率算出部４での計算方法について説明する。まず、電力算出部３は、ＮＣ制御部２から入力される駆動データＤ１１、Ｄ１２と、電源装置１２およびコンバータ１３から入力される電力供給信号Ｓ２、Ｓ３との全て、または、複数の組み合わせ、若しくは、１つに基づき、電源装置１２および各駆動関連要素の中の少なくとも２つの要素の出力電力または出力エネルギーを計算または推測によって求める。ここでは、（イ）電源装置１２およびコンバータ１３の組み合わせでの出力電力、（ロ）主軸アンプ１４およびサーボアンプ１５の組み合わせでの出力電力、（ハ）主軸モータ９およびサーボモータ１１の組み合わせでの出力エネルギーを求める場合について説明する。
【００３８】
（イ）電源装置１２およびコンバータ１３の出力電力Ｐ１１，Ｐ１２を次のようにして求める。電源装置１２およびコンバータ１３が電力測定手段や電力計算機能を備える場合には、電力供給信号Ｓ２，Ｓ３は出力電力を示すので、電力供給信号Ｓ２，Ｓ３を電源装置１２およびコンバータ１３の出力電力Ｐ１１、Ｐ１２と推定する。
【００３９】
また、電力供給信号Ｓ２，Ｓ３が電力量の計算に使用される信号の組み合わせ、例えば、電流および電圧を伝達する信号である場合は、式（１）に示すように、電流および電圧の積により電源装置１２およびコンバータ１３の出力電力Ｐ１１，Ｐ１２を求めることができる。なお、式（１）において、Ｖｓｏ、Ｉｓｏは電源供給信号Ｓ２として入力された電源装置１２の電圧、電流であり、Ｖｃｏ、Ｉｃｏは電源供給信号Ｓ３として入力されたコンバータ１３の電圧、電流である。
【００４０】
【数１】
2012014649.tif 000003
【００４１】
（ロ）主軸アンプ１４およびサーボアンプ１５の出力電力Ｐ１３，Ｐ１４は次のようにして求める。主軸アンプ１４およびサーボアンプ１５の出力電力Ｐ１３，Ｐ１４はＮＣ制御部２から入力された駆動データＤ１１，Ｄ１２を用いて、いくつかの方法により算出可能である。なお、主軸アンプ１４の出力電力Ｐ１３と、サーボアンプ１５の出力電力Ｐ１４とは、同様の方法で求められるため、ここでは両者を併せてアンプの出力電力Ｐａｍｐの算出方法として説明する。
【００４２】
アンプの出力電力は、例えば、アンプに接続されたモータの電流を二相変換した場合のモータのｑ軸、ｄ軸における電圧および電流から求めることができる。すなわち、モータのｑ軸、ｄ軸における電圧［Ｖ］をそれぞれＶｑ，Ｖｄとし、電流［Ｉ］をそれぞれＩｑ，Ｉｄとすると、アンプの出力電力Ｐａｍｐは、式（２）に示すように、ｑ軸およびｄ軸での電流および電圧の積の和として求められる。これによって、主軸アンプ１４およびサーボアンプ１５の出力電力Ｐ１３，Ｐ１４が求められる。ここで、電圧Ｖｑ，Ｖｄは、モータへの指令電圧またはモータからのフィードバック電圧のどちらでもよい。また、電流Ｉｑ，Ｉｄは、モータへの指令電流またはモータからのフィードバック電流のどちらでもよい。
【００４３】
【数２】
2012014649.tif 000004
【００４４】
なお、一般に、ｄ軸の電流、電圧は、ｑ軸の電流、電圧に比べてそれぞれ小さい場合が多いことが知られている。つまり、ｄ軸の電流および電圧を無視したとしても本実施の形態における計算結果への影響は小さいと言えることから、ｄ軸の電流および電圧を除外して計算することでもよい。
【００４５】
また、モータ電機子の抵抗Ｒ［Ω］およびｑ軸、ｄ軸のインダクタンスＬｑ、Ｌｄ［Ｈ］が既知の場合、式（３）によりｑ軸電圧、ｄ軸電圧を計算し、式（２）に代入してもよい。なお、式（３）において、ｐは微分演算子、ωは電機角回転数［ｒａｄ／ｓ］、φはモータ磁束［Ｗｂ］である。これらの値は、誘起電圧定数や対極数から公知の手法により計算される。
【００４６】
【数３】
2012014649.tif 000005
【００４７】
（ハ）主軸モータ９およびサーボモータ１１の出力エネルギーＰ２１，Ｐ２２は次のようにして求める。主軸モータ９およびサーボモータ１１の出力エネルギーＰ２１，Ｐ２２はＮＣ制御部２から入力される駆動データＤ１１，Ｄ１２を用いて、いくつかの方法により算出可能である。なお、主軸モータ９の出力エネルギーＰ２１と、サーボモータ１１の出力エネルギーＰ２２とは、同様の方法で求められるため、ここでは両者を併せてモータの出力エネルギーＰｍｏｔの算出方法として説明する。
【００４８】
モータの出力エネルギーＰｍｏｔは、例えば、式（４）に示すように、モータのトルクＴｍ［Ｎｍ］および回転角速度ωｍ［ｒａｄ／ｓ］の積で求めることができる。
【００４９】
【数４】
2012014649.tif 000006
【００５０】
また、モータのトルクＴｍは、式（５）によって簡易的に求めることも可能である。式（５）を式（４）に代入することで、モータの出力エネルギーＰｍｏｔを簡易的に求めてもよい。
【００５１】
【数５】
2012014649.tif 000007
【００５２】
なお、式（５）において、Ｊはモータ軸換算の慣性モーメント［ｋｇｍ2］、ｃはモータ軸換算の粘性摩擦係数［Ｎｍ／（ｒａｄ／ｓ）］、ｆはモータ軸換算のクーロン摩擦トルク［Ｎｍ］である。ｓｇｎは、符号関数であって、回転角速度ωｍが正の値のであるときは＋１、負の値であるときは−１、ゼロのときはゼロとする。ｄは、重力による負荷トルク［Ｎｍ］であって、鉛直軸に作用するものとする。アンバランスな質量を持つ傾斜テーブルのような場合には、重力による負荷トルクｄの値が、傾斜角度に応じて変化する。これらの値は機械ごとに異なるが、例えば、正弦波往復運動時のモータトルク波形等から、公知の手法により同定可能である。なお、モータの電気回路や制御系、機械の振動特性も加味されたさらに詳細な数学モデルを適用してモータのトルクＴｍ、回転角速度ωｍ、電流あるいは電圧を推定することでもよい。
【００５３】
また、一般に、モータの出力特性（定格出力）Ｗｍ（ωｍ）［Ｗ］は、回転角速度ωｍに依存する。また、モータへの駆動指令における電流は、モータの定格電流に対する割合［％］として表される場合が多い。そこで、例えば、回転角速度ωｍと定格出力Ｗｍ（ωｍ）との関係が既知である場合、あるいは仕様として与えられている場合、モータの出力エネルギーＰｍｏｔは、回転角速度ωｍにより変化する定格出力をＷｍ（ωｍ）とし、モータの定格電流に対するモータへの指令電流またはモータの定格電流に対するモータからのフィードバック電流の割合［％］をＩとし、式（６）に示すように、定格出力Ｗｍ（ωｍ）と定格電流に対する電流の比Ｉ［％］との積から求めてもよい。
【００５４】
【数６】
2012014649.tif 000008
【００５５】
また、一般に、サーボモータの多くは、定格ストールトルクが既知であって、その特性は、回転数およびトルクの関係で表される。この場合、式（６）の定格出力Ｗｍ（ωｍ）に代えて、定格ストールトルクＴｓ［Ｎｍ］および回転角速度ωｍを用いることで、サーボモータの出力エネルギーＰ２２は式（７）のように計算できる。
【００５６】
【数７】
2012014649.tif 000009
【００５７】
電力算出部３は、以上のように推定または計算して求めた電源装置１２の出力電力Ｐ１１と、各駆動関連要素の出力電力Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４または各駆動関連要素の出力エネルギーＰ２１，Ｐ２２とを、主軸モータ９およびサーボモータ１１の駆動状態を表す駆動データＤ１１、Ｄ１２と共に損失／効率算出部４へ出力する。
【００５８】
次に、損失／効率算出部４は、電力算出部３から入力されるこれらのデータを用いて各駆動関連要素の電力損失や電力効率を、図４に示す手順で求める。図４は、図１に示す損失／効率算出部にける計算手順を説明するフローチャートである。以下、図４に沿って説明する。
【００５９】
図４において、ステップＳ１１では、電源装置１２の出力電力Ｐ１１および各駆動関連要素の出力電力Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４を式（８−１）や式（８−２）に適用して各駆動関連要素の電力損失または電力効率を求める。すなわち、ステップＳ１１では、駆動関連要素である、コンバータ１３の電力損失Ｌ１または電力効率Ｅ１と、主軸アンプ１４の電力損失Ｌ２または電力効率Ｅ２と、サーボアンプ１５の電力損失Ｌ３または電力効率Ｅ３、主軸モータ９の電力損失Ｌ４または電力効率Ｅ４と、サーボモータ１１の電力損失Ｌ５または電力効率Ｅ５とを求め、電力出力部５へ出力する（ステップＳ１２）。また、ステップＳ１１では、図１では示していない、各モータが力行中か回生中かを識別するための信号も電力出力部５に出力する。
【００６０】
具体的に説明する。例えば、モータ力行時では、各駆動関連要素の電力損失Ｌ１〜Ｌ５は、式（８−１）に示すように、各駆動関連要素の入力電力と出力電力（出力エネルギー）との差から求めることができる。電力効率Ｅ１〜Ｅ５は、式（８−１）に示すように、各駆動関連要素の出力電力（出力エネルギー）を入力電力で割ることで求めることができる。
【００６１】
また、モータ回生時では、各駆動関連要素の電力損失Ｌ１〜Ｌ５は、式（８−２）に示すように、各駆動関連要素の出力電力と入力電力（出力エネルギー）との差から求めることができる。電力効率Ｅ１〜Ｅ５は、式（８−２）に示すように、各駆動関連要素の入力電力（出力エネルギー）を出力電力で割ることで求めることができる。なお、式（８−１）（８−２）において、ΣＰ１４は、複数のサーボアンプ１１の出力電力の総和である。
【００６２】
【数８−１】
2012014649.tif 000010
【００６３】
【数８−２】
2012014649.tif 000011
【００６４】
ここで、駆動関連要素の入力電力とは、その駆動関連要素に電力を供給する電源装置１２または各駆動関連要素の出力電力、つまり、図１における電力供給の流れに対して一つ上流の電源装置１２または駆動関連要素の出力電力である。具体的には、モータ力行時の電力は、電源装置１２からコンバータ１３、アンプ（主軸アンプ１４、サーボアンプ１５）、モータ（主軸モータ９、サーボモータ１１）の順に流れるため、電源装置１２側を上流とし、モータ側を下流とする。一方、モータ回生時での電力は、逆にモータ（主軸モータ９、サーボモータ１１）からアンプ（主軸アンプ１４、サーボアンプ１５）、コンバータ１３、電源装置１２の順に流れるが、ここでは、モータ回生時でも電源装置１２側を上流とし、モータ側を下流とし、電源装置１２または駆動関連要素の出力電力、入力電力も力行時と同一の箇所での電力またはエネルギーとする。そのため、力行時では入力電力よりも出力電力（エネルギー）の方が電力損失分小さくなるが、回生時では逆に出力電力（エネルギー）よりも入力電力の方が電力損失分小さくなる。
【００６５】
なお、力行時であるか回生時であるかは、モータが加速中か減速中かで判定することができる。すなわち、モータ回転角速度の微分値（または、モータの回転角加速度）が正である場合は力行であり、負である場合は回生である。また、各駆動関連要素の出力電力（エネルギー）と入力電力の大小関係から力行または回生を判定してもよい。すなわち、入力電力よりも出力電力（エネルギー）の方が小さい場合は力行時であり、逆に、出力電力（エネルギー）よりも入力電力の方が小さい場合は回生時である。
【００６６】
そして、モータが停止している場合など、電力の流れが無い場合には電力効率がゼロとなってしまう場合が考えられる。そこで、予め設定された効率算出条件を満たさない場合は、電力効率を更新せず、効率算出条件を満たす場合の最新の電力効率値を維持してもよい。ここで、効率算出条件は、例えば以下のような条件を採用することができる。
【００６７】
すなわち、（イ）駆動関連要素の出力電力が予め設定された最小出力電力以下になった場合、（ロ）駆動関連要素の入力電力が予め設定された最小入力電力以下になった場合、（ハ）モータ回転角速度が予め設定された最小回転角速度以下になった場合には、効率算出条件を満たさないとする。これらの場合には、電力損失についてはゼロになっても問題ないため、特別な計算をする必要は無い。
【００６８】
なお、式（８−１）、式（８−２）において右辺第１項が入力電力であり、右辺第２項が出力電力である。式（８−１）、式（８−２）では、主軸アンプ１４およびサーボアンプ１５への入力電力は、コンバータ１３の出力電力を、主軸アンプ１４およびサーボアンプ１５の出力電力の比に応じて分配することで求めている。しかし、主軸アンプ１４および複数のサーボアンプ１５の電力効率が異なる場合は、それぞれの入力電力を正確に求めることができず、電力損失および電力効率も正確に求めることはできない。
【００６９】
そのため、主軸アンプ１４および複数のサーボアンプ１５の電力効率が異なる場合には別途、主軸アンプ１４および複数のサーボアンプ１５への入力電力の測定手段を配置し、測定した主軸アンプ１４への入力電力Ｐ１３’、複数のサーボアンプ１５への入力電力Ｐ１４’を用いて、式（９）に示すように、駆動関連要素の入力電力と出力電力との差または商から、主軸アンプ１４および複数のサーボアンプ１５の電力損失または電力効率を求めてもよい。
【００７０】
【数９】
2012014649.tif 000012
【００７１】
ただし、式（９）による方法では主軸アンプ１４およびサーボアンプ１５の入力電力を計測するため別途計測手段が必要になり、コストの増加が懸念される。そこで、ステップＳ１４にて説明するように、電力損失または電力効率の基本モデルを用いて主軸アンプ１４およびサーボアンプ１５の電力損失または電力効率を算出してもよい。
【００７２】
すなわち、予め主軸モータ９およびサーボモータ１１を単独で駆動させておき、そのときの主軸アンプ１４およびサーボアンプ１５の入出力電力および駆動データＤ１１、Ｄ１２により、主軸アンプ１４およびサーボアンプ１５の電力損失または電力効率の基本モデルのパラメータを同定または修正し、その同定または修正した基本モデルを用いて、主軸アンプ１４およびサーボアンプ１５の電力損失または電力効率を求めてもよい。また、駆動関連要素の電気回路や制御系を加味した詳細な数学モデルから、駆動関連要素の電力損失または電力効率を推定してもよい。
【００７３】
なお、電力算出部において電源装置１２および各駆動関連要素のうち２つの装置での出力電力または出力エネルギーが計算または推定できれば、損失／効率算出部４では、その２つの装置での出力電力または出力エネルギーを用いて、２つの装置の間の駆動関連要素全体の電力損失または電力効率を算出できる。したがって、電力算出部３は、電源装置１２の出力電力および全駆動関連要素の出力電力または出力エネルギーを計算または推定するのではなく、例えば、電源装置１２の出力電力Ｐ１１および主軸モータ９の出力エネルギーＰ２１を計算または推定して損失／効率算出部４に与えることでもよい。損失／効率算出部４は、電力算出部３から入力される電源装置１２の出力電力Ｐ１１および主軸モータ９の出力エネルギーＰ２１を用いて、コンバータ１３、主軸アンプ１４および主軸モータ９の全てをまとめて一つの駆動関連要素とし、電力損失または電力効率を算出することでもよい。
【００７４】
次に、ステップＳ１３では、ステップＳ１１にて算出した電力損失をＮＣ制御部２へ出力する。なお、損失／効率算出部４は、ステップＳ１１にて電力効率のみを求め、電力損失を求めていない場合において、電力損失をＮＣ制御部２へ出力する場合は、ＮＣ制御部２へ出力する電力損失を対応する駆動関連要素の電力効率と入力電力との積から求めるようにしている。
【００７５】
ＮＣ制御部２は、入力された駆動関連要素の電力損失に基づいてその駆動関連要素の冷却器の制御を行う。例えば、入力された駆動関連要素の電力損失が予め設定された冷却器の最大冷却損失ＬＯＳＳ＿ｍａｘ［Ｗ］以上の電力損失がある場合には、その駆動関連要素の冷却器を定格エネルギーＰｃ＿ｍａｘ［Ｗ］で駆動する。また、入力された駆動関連要素の電力損失が最大冷却損失未満の場合は、式（１０）に示すように、電力損失に比例したエネルギーＰｃでその駆動関連要素の冷却器を駆動する。
【００７６】
【数１０】
2012014649.tif 000013
【００７７】
なお、駆動関連要素の電力損失をそのままＮＣ制御部２に出力し、ＮＣ制御部２が電力損失に基づいて冷却器を制御すると説明したが、その他、電力損失を他の単位に変換してＮＣ制御部２に出力し、ＮＣ制御部２が該他の単位に変換されたデータに基づいて冷却器を制御するようにしてもよい。例えば、損失／効率算出部４は、算出した電力損失を発熱量Ｈ［Ｊ］に変換してもよい。すなわち、符号１を用いて説明すると、ある駆動関連要素１の発熱量Ｈ１［Ｊ］は、式（１１）に示すように、駆動関連要素１の電力損失Ｌ１［Ｗ］の積分値で表すことができる。
【００７８】
【数１１】
2012014649.tif 000014
【００７９】
また、冷却器および自然放熱による駆動関連要素１の放熱量Ｈｒ１［Ｗ］が既知の場合には、駆動関連要素１の持つ熱量Ｈ１’［Ｊ］は、式（１２）に示すように、発熱量Ｈ１と放熱量Ｈｒ１との差の積分値で表すことができる。つまり、ＮＣ制御部２１では、駆動関連要素１の持つ熱量Ｈ１’に基づいて冷却器を制御してもよい。
【００８０】
【数１２】
2012014649.tif 000015
【００８１】
次に、ステップＳ１４では、損失／効率算出部４には、各駆動関連要素の電力損失または電力効率を求めるための基本モデルが、各駆動関連要素における電流・電圧・トルク・温度・モータ回転速度・周波数のうち少なくとも１つの信号を用いて予め設定されている。損失／効率算出部４は、その基本モデルのパラメータを、主軸モータ９およびサーボモータ１１の駆動状態を表す駆動データＤ１１、Ｄ１２、およびステップＳ１１にて求めた各駆動関連要素の電力損失または電力効率を用いて同定または修正する。なお、基本モデルの同定または修正ではステップＳ１１にて説明した「効率算出条件を満たさない場合のデータ」は用いない。
【００８２】
このとき、モータの力行時と回生時とで基本モデルが異なる場合には、力行時と回生時との基本モデルを別々に設定してもよい。力行時と回生時とで基本モデルを別々に設定した場合には、力行時の基本モデルのパラメータは力行時のデータのみを用いて同定または修正し、回生時の基本モデルのパラメータは回生時のデータのみを用いて同定または修正する。但し、ここでは、特に力行時と回生時とは分けずに説明する。
【００８３】
パラメータの同定または修正方法としては、符号２を用いて説明すると、例えば、ある駆動関連要素２の損失Ｌ２２の基本モデルが式（１３）に示すように、駆動関連要素２の電流Ｉ２の１次関数で表されている場合、最小二乗法により、次のようにして同定または修正してもよい。なお、式（１３）において、ａ２、ｂ２は基本モデルのパラメータである。
【００８４】
【数１３】
2012014649.tif 000016
【００８５】
すなわち、任意の時間Ｔｉにおける駆動関連要素２の電力損失をＬ２ｉ、電流をＩ２ｉ、データ数をｎ（１≦ｉ≦ｎ）すると、基本モデルのパラメータａ２、ｂ２は式（１４）により同定することができる。なお、式（１４）におけるＸ、Ａ、Ｃは、それぞれ式（１５）で表される。
【００８６】
【数１４】
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【００８７】
【数１５】
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【００８８】
ここで、任意の時間Ｔｉとは、例えば、ランダムな時間間隔毎の時間、または予め設定した時間間隔毎の時間、もしくは予め設定した時間長分の連続時間とすることができる。また、任意の時間Ｔｉに最新の時間を追加し、随時更新することで基本モデルのパラメータａ２、ｂ２を更新することができる。なお、最も新しいデータをパラメータの同定または修正によって反映させるため、各データを推定または測定した時間Ｔｉに応じて重み付けをした最小二乗法によりパラメータの同定または修正を行ってもよい。また、データ数ｎは予め設定しておいてもよいし、ｎの最大値のみを予め設定しておいてもよい。
【００８９】
また、基本モデルが２次以上の１変数多項式で表される場合にも、最小二乗法により基本モデルのパラメータを同定または修正することが可能である。また、複数の変数を用いて基本モデルを設定した場合のパラメータの同定または修正については、評価関数を用いて繰り返し演算するなどの方法が知られており、基本モデルのパラメータの同定または修正はそれら公知の手法により行う。以上のように同定または修正した基本モデルのパラメータを電力出力部５に出力する（ステップＳ１５）。前記したように、基本モデルのパラメータも電力出力部５に出力することができる。
【００９０】
次に、ステップＳ１６では、駆動関連要素毎に予め設定した最小電力効率と、ステップＳ１１にて算出した各駆動関連要素の電力効率とを用いて各駆動関連要素の異常監視を行う。すなわち、損失／効率算出部４は、ある駆動関連要素の電力効率が、その駆動関連要素に対して予め設定した最小電力効率よりも小さくなった場合、前述の通り、アラーム信号を生成し、アラーム信号をＮＣ制御部２へ出力する（ステップＳ１７）。前記したように、アラーム信号は電力出力部５へも出力される。なお、損失／効率算出部４は、ステップＳ１１にて電力損失のみを求め、電力効率を求めていない場合において各駆動関連要素の異常監視を行う場合は、各駆動関連要素の電力損失を入力電力で割ることで電力効率を求める。
【００９１】
以上のように、この実施の形態によれば、各駆動関連要素における電力損失または電力効率を求め、その値を画面に表示するので、ユーザはどの駆動関連要素で電力損失が大きいか、あるいは電力効率が悪いのかを明確に認識することができ、電力効率を改善ないしは電力損失を低減することが容易となる。
【００９２】
また、電力損失が大きいところでは、発熱が大きいので冷却器を定格エネルギーで駆動して冷却を行い、電力損失が小さいところでは、発熱が小さいので冷却器を停止させるなど、電力損失に基づいた冷却器の制御を行うことができる。つまり、不要な冷却をしないで済むので、より省エネルギーな加工を実現できる。
【００９３】
また、電力損失または電力効率を、予め基本モデルを用いて定義しておくことができるので、実際に加工を行わなくても予め消費電力を推定することができ、省エネルギーのための加工条件見直し作業がより効果的かつ効率的に行えるようになる。
【００９４】
また、電力効率が予め設定した最小電力効率よりも小さくなった場合アラームを表示すると共に、アラームの原因となった駆動関連要素も表示するので、各駆動関連要素の異常を素早く発見でき、工作機械の故障による停止を防止することができる。また、仮に工作機械が故障により停止してしまっても、アラームの原因となった駆動関連要素の表示を頼りに故障の原因究明が容易に行えるので、より早く工作機械を復旧することができる。このとき、アラームの表示と並行して、アラームの重要度に応じて工作機械を停止させるなど適切な処置を採ることができる。
【００９５】
また、電力系統図と電力損失または電力効率を対応付けて画面に表示することができるので、無駄な電力を浪費している駆動関連要素を図式的に認識できるようになる。したがって、加工条件を見直すことで、電力効率を改善する或いは電力損失を低減する省エネルギー策が実現可能であるか否かをより容易に認識することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
以上のように、本発明にかかる数値制御装置は、工作機械における駆動関連要素の電力損失または電力効率を算出し少なくとも画面表示することができる数値制御装置として有用である。
【符号の説明】
【００９７】
１  数値制御装置
２  ＮＣ制御部
３  電力算出部
４  損失／効率算出部
５  電力出力部
６  工作機械
７  工具
８  被加工物
９  主軸モータ
１０  可動軸
１１  サーボモータ
１２  電源装置
１３  コンバータ
１４  主軸アンプ
１５  サーボアンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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