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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-12-23
(45)【発行日】2025-01-07
(54)【発明の名称】数値制御演算システム
(51)【国際特許分類】
   G05B 19/414 20060101AFI20241224BHJP
   G05B 19/418 20060101ALI20241224BHJP
   G16Y 10/25 20200101ALI20241224BHJP
   G16Y 40/30 20200101ALI20241224BHJP
【FI】
G05B19/414 R
G05B19/418 Z
G16Y10/25
G16Y40/30
【請求項の数】 3
(21)【出願番号】P 2020177744
(22)【出願日】2020-10-23
(65)【公開番号】P2022068919
(43)【公開日】2022-05-11
【審査請求日】2023-08-09
(73)【特許権者】
【識別番号】390008235
【氏名又は名称】ファナック株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002103
【氏名又は名称】弁理士法人にじいろ特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】杉本賢勇
(72)【発明者】
【氏名】足立秀昭
【審査官】増山 慎也
(56)【参考文献】
【文献】特開2014-191724(JP,A)
【文献】特開平09-305212(JP,A)
【文献】特開2016-103166(JP,A)
【文献】特開平07-239707(JP,A)
【文献】特開2002-268751(JP,A)
【文献】特開2016-066113(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G05B 19/414、4155、418
G16Y 10/25、40/30
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、数値制御演算システムに関する。
【背景技術】
【0002】
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)。
【0003】
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。
【0004】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開2016-71407号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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
【発明の効果】
【0008】
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。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1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図2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図3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。
【発明を実施するための形態】
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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)。
【0020】
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)。
【0021】
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)。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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)。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【符号の説明】
【0037】
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。

図1
図2
図3
図4
図5
図6