JP7609601B2 - 数値制御演算システム - Google Patents

Description

本発明は、数値制御演算システムに関する。

近年、通信技術の発展により大容量のデータを低遅延で安定して通信ができるようになってきている。そのため工作機械やロボット等の数値制御対応の複数の自動化機械に通信回線を介して遠隔のコンピュータ装置を接続し、それらの同期制御や機械同士の干渉防止、機械学習による動作の改善など高度な演算を必要とする制御を行うことが考えられている（例えば特許文献１参照）。

工作機械やロボットの数値制御にはリアルタイム性や安全性が必要不可欠である。そのため通信遮断や数値制御演算装置の異常等に起因する通信異常が発生したときの対処が重要である。

通信異常が発生したときには工作機械やロボット等を安全に停止させることはもちろんであるが、ダウンタイムをできるだけ短縮させることも重要である。

特開２０１６－７１４０７号公報

目的は、工作機械等の数値制御を外部の数値制御演算装置で実行するシステムにおいて、通信異常が発生した時に、ダウンタイムの短縮化を図りながら工作機械等を安全に停止させることが望まれている。

本開示の一態様に係る数値制御演算システムは、数値制御対応の自動化機械と、前記自動化機械に通信回線を介して接続され、前記自動化機械を動作させるための制御データを演算する数値制御演算装置とを具備し、前記数値制御演算装置と前記自動化機械との間に介在される通信監視ユニットをさらに備える。
前記通信監視ユニットは、前記数値制御演算装置からの前記制御データをブロック単位で記憶する内部バッファと、前記記憶された前記制御データをブロック単位で前記自動化機械に逐次送信させる通信制御部と、前記ブロックについて個々に所定の安全条件を満たすか否かを判定する安全判定部と、前記通信回線の通信状態の正常／異常の判定を行う通信異常判定部とを有する。
前記通信制御部は、前記通信回線の通信状態の異常判定がなされたとき、
前記異常判定がなされた時点に実行中のブロックが前記安全条件を満たすとき、前記自動化機械に当該ブロックの動作を実行させてから停止させるために前記自動化機械への前記制御データの送信を停止し、
前記異常判定がなされた時点に実行中のブロックが前記安全条件を満たさないとき、前記自動化機械に当該ブロックの動作を実行させるとともに、前記内部バッファに記憶されているブロックを順次実行させながら前記安全条件を満たすブロックが登場した場合には前記安全条件を満たすブロックの動作を前記自動化機械に実行させてから前記自動化機械を停止させるために前記安全条件を満たすブロックの送信後に前記自動化機械への前記制御データの送信を停止するとともに前記制御データの入手元としての前記数値制御演算装置を他の数値制御演算装置に切り替え、前記内部バッファに記憶されているブロックを順次実行させながら前記安全条件を満たすブロックが登場しない場合には前記内部バッファに記憶されている全てのブロックを実行させた後に前記自動化機械を所定の退避位置に移動させてから停止させるために前記全てのブロックの送信後に退避用制御データを前記自動化機械へ送信する。

本態様によれば、通信異常が発生したときに、ダウンタイムの短縮化を図りながら工作機械等を安全に停止させることができる。

図１は一実施形態に係る数値制御演算システムの全体構成を示す図である。 図２は図１の数値制御演算システムのブロック構成を示す図である。 図３は図２の通信監視ユニットの処理手順を示すフローチャートである。 図４は本実施形態における通常時の制御データ及びフィードバックデータの流れを示す図である。 図５は本実施形態における通信異常時の制御データ及びフィードバックデータの流れを示す図である。 図６は本実施形態において、安全ブロックが存在するときの動作と安全ブロックが存在しないときの動作を説明する図である。

以下、図面を参照しながら本開示の実施形態に係る数値制御演算システム（生産システムともいう）を説明する。
図１に示すように本実施形態に係る数値制御演算システムは、工作機械９，１１、ロボット１３、自動搬送車（ＡＧＶ）１５等の数値制御対応の複数の自動化機械を有する。工作機械９，１１等は、有線又は無線による構内通信回線網（ＬＡＮ）又は公衆通信回線網（インターネット回線網）を構成する通信回線網７を介してコンピュータ装置として実装される複数の数値制御演算装置１，３，５に接続される。なお、シリアルポート通信などの他の通信手段を介して数値制御演算装置１，３，５に工作機械９，１１が接続されるものであってもよい。複数の数値制御演算装置１，３，５各々は複数の工作機械９，１１，１３，１５のいずれかに対して予め割り当てられている。例えば数値制御演算装置１は工作機械９に対して割り当てられる。

数値制御演算装置１，３，５各々はそれぞれ割り当てられた工作機械９，１１，１３，１５を動作するための制御データを演算する。制御データは、ユーザ指定されたＮＣプログラム等の他、ＮＣパラメータ、工具オフセットデータ、機械固有のデータを使用して生成された機械の制御情報としてのパルス数情報、機械入力制御信号などからなり、ＮＣプログラムを構成するブロックを識別するブロックコードが付されている。数値制御演算装置１，３，５各々はそれぞれ割り当てられた工作機械９，１１，１３，１５に制御データを逐次送信する。各工作機械９，１１，１３，１５は、それぞれ対応する数値制御演算装置１，３，５からの制御データを受信し、パルス数情報、機械入力制御信号に従って動作するとともに、フィードバックデータとして、機械出力制御信号、サーボ遅れ量、位置データ、サーボ／スピンドル負荷電流値などを数値制御演算装置１，３，５に送信する。数値制御演算装置１，３，５各々はそれぞれ割り当てられた工作機械９，１１，１３，１５から受信したフィードバックデータを用いて制御データを演算し工作機械９，１１，１３，１５に送信する。

なお、数値制御演算装置１，３，５と工作機械９，１１，１３，１５とは典型的には一対一の関係で予め割り当てられているが、数値制御演算装置１，３，５の一が２又はそれ以上の工作機械９，１１，１３，１５に対して割り当てられていてもよい。

当該システムには数値制御演算装置１，３，５と工作機械９，１１，１３，１５との間の通信状況を監視する複数の通信監視ユニット２，４，６，８が数値制御演算装置１，３，５と工作機械９，１１，１３，１５との間にそれぞれ介在される。なおレトロフィットできるよう通信監視ユニット２，４，６，８は自動化機械９，１１，１３，１５から独立しているが、自動化機械９，１１，１３，１５のＣＰＵなどに内蔵しても良い。通信異常としては、工作機械９，１１，１３，１５から制御データが一定時間以上継続して制御データを受信できない状況として定義される。通信異常の主な原因としては通信設備それ自体の故障、数値制御演算装置１，３，５の故障の他にメンテナンス作業中にも発生することが想定されている。

図２に示すように、数値制御演算装置１は、ＣＰＵ１７、通信インタフェース１９その他コンピュータ装置が通常備える構成を備える。ＣＰＵ１７は、図示しない記憶部に記憶されているシステムプログラム、制御データを演算する演算プログラム、通信プログラム等をロードし実行して、割り当てられている例えば工作機械９に対する制御データを演算し、また送信する。他の数値制御演算装置３，５も同様の構成を有する。

通信監視ユニット２は、数値制御演算装置１から受信した制御データを一時的に記憶するバッファ２０１、通信遮断や通信遅延等の通信状態の異常を判定する通信異常判定部２０３、制御データのブロックについて所定の安全条件を満たすか否かを判定し、安全条件を満たすブロックに安全フラグを付する安全判定部２０５、通信状態に応じてバッファ２０１の制御データの工作機械９への送信（転送）を制御する通信制御部２０７、異常時に制御主体としての接続先を数値制御演算装置１から他の数値制御演算装置３，５へ切り替える接続切替部２０９を有する。通信異常判定部２０３、安全判定部２０５、通信制御部２０７、通信制御部２０９は、図示しない記憶部に記憶されているプログラムをロードして実行するＣＰＵにより実装される。他の通信監視ユニット４，６，８も同様の構成を有する。

工作機械９は、機械操作盤３５、スピンドルアンプ／サーボアンプ３７、スピンドルモータ／サーボモータ３９、表示器４１等からなる工作機械本体３６と、制御データに従って工作機械本体３６を制御し、また動作状況などの必要な情報を表示するための中間処理ユニット（制御処理ユニットともいう）２３とからなる。中間処理ユニット２３は通信インタフェース２５、ＣＰＵ２７、バッファ２９、記憶部３２、ＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）３１、軸制御部３３、表示回路３４等から構成される。記憶部３２にはシステムプログラムの他に制御データやフィードバックデータのバッファ２９への一時記憶及び読み出し等を制御する手段等をＣＰＵ２７に実現するためのプログラムが記憶される。軸制御部３３は制御データに従ってスピンドルアンプ／サーボアンプ３７を制御すると共に図示しないリニアエンコーダやロータリーエンコーダからのパルスに基づいてフィードバックデータを生成する。他の自動化機械１１，１３，１５も同様の構成を有する。

次に本実施形態の動作について説明する。まず動作概要として、通信監視ユニット２，４，６，８の通信異常判定部２０３で通信異常が検出されたとき、通信制御部２０９は異常検出前に内部のバッファ２０１に記憶されている制御データのブロックのうち安全判定部２０５で判定された所定の安全条件を満たすブロックまで制御データを工作機械９，１１，１３，１５へ送信し、停止する。また、通信制御部２０９は、内部のバッファ２０１に記憶されている制御データのブロックの中に安全条件を満たすブロックが存在しないときには、バッファ２０１に記憶されている制御データの全てのブロックについて工作機械９，１１，１３，１５への送信を継続させ、その送信完了後に所定の退避用の制御データを工作機械９，１１，１３，１５へ送信するとともに通信異常を表すメッセージを表示する。なお、退避用の制御データを送信することなく、通信異常を表すメッセージを表示するものであってもよい。

以下詳細に説明する。図３には通信監視ユニット２の処理手順を主に示している。図４には通常時の制御データ及びフィードバックデータの流れを示している。図５には異常時の制御データ及びフィードバックデータの流れを示している。なお、ここでは便宜状、数値制御演算装置１、通信監視ユニット２及び工作機械９の動作について説明するが、他の数値制御演算装置３，５、通信監視ユニット４，６，８及び自動化機械１１，１３，１５の動作も同様である。

数値制御演算装置１から制御データが逐次送信され、通信監視ユニット２に受信される（工程Ｓ１）。通信監視ユニット２の異常判定部２０３は、数値制御演算装置１からの制御データの受信が正常か否か判断する（Ｓ２）。制御データが一定時間以上受信されないとき、「通信異常」が判定され（ＮＯ）、通信異常信号（切替信号）を工作機械９に送信する。制御データが安定して受信されており、または制御データの受信が途切れた場合であっても一定時間未満で回復しときには「通信正常」が判定される（ＹＥＳ）。

工程Ｓ２で“ＹＥＳ”のときは、制御データはバッファ２０１に一次記憶される（Ｓ３）。工程Ｓ４において、安全判定部２０５は、制御データについてブロック単位で所定の安全条件を満たすか否かを判断する。所定の安全条件としては、例えば工具が加工物から離間していること、主軸回転ではないこと、位置が他の工作機械１１，１３等に干渉しない等の所定の範囲内であるというように当該ＮＣプログラム等の作業内容に応じて適宜事前に設定される。所定の安全条件を満たすと判断されたブロックには安全フラグを付する（Ｓ５）。

制御データは通信制御部２０７の制御のもとでバッファ２０１から読み出され(Ｓ６)、工作機械９に送信（転送）される（Ｓ７）。軸制御部３６の制御に従ってスピンドルアンプ／サーボアンプ３７はスピンドルモータ／サーボモータ３９を駆動する。それにより当該ブロックに記述された動作が工作機械本体３６で実行される。軸制御部３６によりスピンドルモータ／サーボモータ３９のエンコーダパルスに基づいてフィードバックデータが取得される（Ｓ８）。フィードバックデータは通常時には通信監視ユニット２を介して数値制御演算装置１に送信され、異常時には通信監視ユニット２の通信制御部２０９に送信される。工程Ｓ１－Ｓ８は予定作業が完了するまで繰り返される（Ｓ９）。

工程Ｓ２で“ＮＯ”（通信異常発生）のときは、制御データがバッファ２０１から通信制御部２０７に読み出され（Ｓ１１）、当該ブロックが安全か否か、つまり安全フラグが付されているか否かが既定の安全条件とＮＣプログラムとに基づいて判定される（Ｓ１２）。当該ブロックが安全であるとき（ＹＥＳ）、現在のブロックの制御データの送信を完了した時点で次のブロックの制御データを工作機械９に供給しない。つまり安全ブロックまでで制御データの工作機械９への送信を停止する。それにより工作機械９の工作機械本体３６は安全ブロックの動作完了後に停止する（Ｓ１３）。このブロックは安全条件を満たしているので、工作機械本体３６を安全に停止させることができる。

工程Ｓ１３に続いて、通信監視ユニット２の接続切替部２０９は、予め保存されている他の数値制御演算装置３の接続情報を参照して他の数値制御演算装置３に接続先を切り替える処理を実行する（Ｓ１４）。なお、元の数値制御演算装置１から他の数値制御演算装置３への接続切替の処理は、通信異常を検出した時点で即時に開始してもよいが、制御動作に影響がないスムーズな切替を行うため、またバッファ２０１の読み込み中に元の数値制御演算装置１との通信が回復する可能性を考慮して動作停止後に開始することが好ましい。

他の数値制御演算装置３との接続が完了したとき（Ｓ１５、ＹＥＳ）、工程Ｓ６に復帰され、次のブロックの制御データがバッファ２０１から読み出され、工作機械９に供給され（Ｓ７）、次のブロックから動作が再開される。工程Ｓ８，Ｓ９を経て工程Ｓ１にリターンし、続きの制御データを他の数値制御演算装置３から受信する。停止位置はＮＣプログラム上の指定位置であるので、ＮＣプログラムの流れに沿って、停止位置からそのまま次のブロックの動作を即時に開始することができる。つまり、退避動作をせず、退避位置を迂回する準備動作が不要になるので、制御動作への影響が無く、ダウンタイムの短縮化を図ることができる。

工程Ｓ１２において、現在動作中の制御データのブロックが安全でないとき（ＮＯ）、工程２１が実行される。工程２１では、次のブロックの制御データがバッファ２０１に記憶されているか否かが通信制御部２０７により判定される。次のブロックの制御データがバッファ２０１に記憶されているとき（Ｓ２１，ＹＥＳ）、工程Ｓ６に復帰され、次のブロックの制御データがバッファ２０１から読み出され、工作機械９に供給され（Ｓ７）、次のブロックの動作が継続される。

次のブロックの制御データがバッファ２０１に記憶されていないとき、つまりバッファ２０１には未動作の制御データが記憶されていないとき（Ｓ２１、ＮＯ）、図示しない通信監視ユニット上のＣＰＵもしくはＣＰＵ２７により、現在のブロックの位置から予め記憶されている安全な所定の退避位置まで移動するための退避動作を実行するための退避用の制御データが演算され、工作機械９に供給される。それにより工作機械本体３６は退避動作を実行し、安全な退避位置で停止する（Ｓ２２）。

工程Ｓ２２で工作機械本体３６が安全な退避位置で停止した後、表示器４１又は図示しない通信監視ユニットの表示部に通信異常が発生して復帰操作をユーザに促すためのメッセージが表示され、またその他ランプやブザーなどの状態表示装置が作動する（Ｓ２３）。メッセージや状態表示を確認したユーザは数値制御演算装置１との通信異常原因と特定し通信回復作業を実行し、完了次第動作再開を指示する。再開指示が入力されると、工程Ｓ１にリターンし、次の制御データの受信を待機する。

なお、工程Ｓ２２で工作機械本体３６が安全な退避位置で停止した後に、工程Ｓ１４にシフトして接続先を他の数値制御演算装置３に切り替える処理に移行するようにしてもよい。

次に当該動作について具体例を参照して説明する。図６（ａ）に例示するように、数値制御演算装置１から制御データがブロック“Ｎ１０１”、“Ｎ１０２”・・・の順番に従って通信監視ユニット２を介して工作機械９に逐次送信され、順番に動作が実行される。安全判定部２０５ではブロックごとに安全条件を満たすか否かを判断し、安全条件を満たすブロックの制御データに安全フラグを付す。ここではブロック“Ｎ１０５”が安全条件を満たすものと仮定する。

例えばブロック“Ｎ１０６”の制御データの受信中に通信異常が発生したとき、この時点で工作機械９ではブロック“Ｎ１０３”の制御データに従って動作している過程する。このブロック“Ｎ１０３”には安全フラグが付けられていないため、工程Ｓ１２で“ＮＯ”と判定され、さらに次の工程Ｓ２１において、次のブロック“Ｎ１０４”の制御データの受信が完了し、バッファ２０１に記憶されているので“ＹＥＳ”が判定され、そして工程Ｓ６に復帰して工程Ｓ７により次のブロック“Ｎ１０４”の制御データに従って工作機械９が動作する。工程Ｓ８－Ｓ９を経て工程Ｓ１にリターンし、この時点で通信が正常に回復していないときには、工程Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１を経由して工程Ｓ６－Ｓ９が実行され、次のブロック“Ｎ１０５”の制御データに従って工作機械９の動作が継続する。さらに工程Ｓ１，Ｓ２，Ｓ１１，Ｓ１２を経て、安全フラグが付けられているブロック“Ｎ１０５”の制御データに従って工作機械本体３６が動作し、そして停止する。

このように安全ブロックが存在するときには、バッファ２０１に記憶されている安全ブロックまで工作機械９の動作が継続され、安全ブロックの動作終了後に動作が停止する。それにより加工物や工具を破損させることなく、また他の自動化機械１１，１３等に緩衝することなく、安全な位置で停止させることができる。通信異常が生じたときには、安全ブロックまで動作継続するため、通信異常後に通信が回復したときには、通常運転に復帰することができ、工作物や工具の破損をなくし、ダウンタイムを回避できる。ＮＣプログラムのブロックで停止するので、通信回復した時、復帰動作を不要にして、停止位置からそのまま次のブロックの制御データに従って動作を再開することができるので、ダウンタイムを最小限に抑えることができる。

次に図６（ｂ）を参照して、通信異常が発生した時点で受信完了している制御データのブロック“Ｎ１０１”－“Ｎ１０５”の全てが安全条件を満たさない状況での動作について説明する。ブロック“Ｎ１０３”の制御データに従って動作している最中に通信異常が発生したとき、ブロック“Ｎ１０５”までの制御データの受信が完了し、バッファ２０１に記憶されており、これらには全て安全フラグが付いていないので、工程Ｓ１，Ｓ２，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ６－Ｓ９のループが循環し、ブロック“Ｎ１０５”の動作に続いて工程Ｓ２２において退避動作が実行され、安全な位置で停止する。

このように安全ブロックが存在しないときには、バッファ２０１に記憶されているブロックまで工作機械本体の動作が継続され、退避動作終了後に動作が停止する。それにより安全な位置で停止させることができる。通信異常が生じたときには、バッファ２０１に残っているブロックまで動作継続してから退避動作を行うので、バッファ２０１に残存している制御データの自動化工作機械への送信期間中に通信が回復したときには、通常運転に復帰することができ、ダウンタイムを回避できる。

本実施形態によると、通信異常が発生したときには、可能な限り動作を継続させ、安全な位置で工作機械本体を停止させることができる。通信復旧後も自動で再開することができ、通信等の乱れが発生した場合にも不具合を最小限に抑えることができる。また複数の工作機械、ロボットなどの自動化機械の情報を共有し、同期制御や機械同士の干渉防止、機械学習による動作の改善などの高度な演算を、工作機械のハードウェアを更新することなく高性能の数値制御演算装置を割り当てることにより、容易に実現することができる。異常が生じた際やメンテナンスの際にも、機械を止めることなく、そのまま可能な限り安全に駆動することが可能となる。

上述の説明では、自動化工作機械９，１１，１３，１５に付加される通信監視ユニット２，４，６，８の動作として説明したが、各通信監視ユニットが装備する機能（通信異常判定部、安全判定部、通信制御部、接続切替部）を自動化工作機械９，１１，１３，１５に実装させて、図３の処理手順を工作機械９の中間処理ユニット２３で実行しても良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１，３，５…数値制御演算装置、２，４，６，８…通信監視ユニット、７…通信回線網、９，１１…工作機械、１３…ロボット、１５…自動搬送車。

Claims (3)

1. 数値制御対応の自動化機械と、
   前記自動化機械に通信回線を介して接続され、前記自動化機械を動作させるための制御データを演算する数値制御演算装置とを具備し、
   前記数値制御演算装置と前記自動化機械との間に介在される通信監視ユニットをさらに備え、
   前記通信監視ユニットは、
   前記数値制御演算装置からの前記制御データをブロック単位で記憶する内部バッファと、
   前記記憶された前記制御データをブロック単位で前記自動化機械に逐次送信させる通信制御部と、
   前記ブロックについて個々に所定の安全条件を満たすか否かを判定する安全判定部と、
   前記通信回線の通信状態の正常／異常の判定を行う通信異常判定部とを有し、
   前記通信制御部は、前記通信回線の通信状態の異常判定がなされたとき、
   前記異常判定がなされた時点に実行中のブロックが前記安全条件を満たすとき、前記自動化機械に当該ブロックの動作を実行させてから停止させるために前記自動化機械への前記制御データの送信を停止し、 前記異常判定がなされた時点に実行中のブロックが前記安全条件を満たさないとき、前記自動化機械に当該ブロックの動作を実行させるとともに、前記内部バッファに記憶されているブロックを順次実行させながら前記安全条件を満たすブロックが登場した場合には前記安全条件を満たすブロックの動作を前記自動化機械に実行させてから前記自動化機械を停止させるために前記安全条件を満たすブロックの送信後に前記自動化機械への前記制御データの送信を停止するとともに前記制御データの入手元としての前記数値制御演算装置を他の数値制御演算装置に切り替え、前記内部バッファに記憶されているブロックを順次実行させながら前記安全条件を満たすブロックが登場しない場合には前記内部バッファに記憶されている全てのブロックを実行させた後に前記自動化機械を所定の退避位置に移動させてから停止させるために前記全てのブロックの送信後に退避用制御データを前記自動化機械へ送信する、数値制御演算システム。
2. 前記自動化機械は、工作機械、ロボット又は自動搬送車（ＡＧＶ）である請求項１記載の数値制御演算システム。
3. 前記他の数値制御演算装置への接続切り替え完了を契機として前記自動化機械への前記制御データの転送が再開される請求項１記載の数値制御演算システム。