CN103063866B - 速度监视装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种速度监视装置，该速度监视装置可使用低分辨率位置传感器、同时提供无错误探测的高速响应。该速度监视装置在存储单元中存储允许幅度PM、对比距离VC（其为移动元件在一个周期时间段内允许的最大移动距离）、以及从当前时刻t到M个循环之前所获取的移动元件的位置数据P(t‑nT)（n为自然数，小于或等于M）。在速度测定过程中，对于从1到M的每一个整数n，确定不等式|P(t)‑P(t‑nT)|>VC*n+PM是否成立。当不等式成立时，确定速度超出速度限制。

Description

速度监视装置

优先权信息

本申请要求于2011年10月18日提交的、申请号为2011-228874的日本专利申请的优先权，在此以引用的方式纳入该申请的全部内容。

技术领域

本发明涉及一种速度监视装置，用于基于位置探测器输出的位置数据来监视移动元件的速度是否处于安全速度限制内。

背景技术

近年来，随着控制设备上安装的电路的尺寸增大、信号处理速度提高、集成电路小型化以及与控制设备一体式集成的软件更为复杂化，控制设备发生意外故障的可能性也增大了。针对这种情况，控制设备配备了安全功能，以在控制设备发生故障时使作为受控对象的移动机器安全地停止。

另外，速度监视装置作为探测控制设备故障的装置，用于监视移动元件的速度是否超出安全速度限制，该速度监视装置安装在配备有安全功能的控制设备上。

发明内容

一种用于监视安全速度的通用速度监视装置，其基于探测移动元件位置的位置传感器在每个恒定周期中获取的位置数据差来探测速度，并监视该速度是否超出预定速度。由于安全速度通常为相对较低的速度，因此，为在足够分辨率下监视速度，需要延长一个周期以进行减法处理，或提高位置传感器的分辨率。然而，为进行减法处理而延长周期具有削弱速度探测响应性的缺点。即，从移动元件达到危险速度到该移动元件真正被阻止的响应时间延长了，导致安全性能降低的问题。另外，提高位置传感器的分辨率能够在短时间内探测到低速。然而，存在一个问题：即使对于安全而轻微的位置改变，只要其是突然移动、例如由机械后冲等引起，则该移动便会被错误地探测为危险速度。在传统处理中，为避免这类错误探测问题，决定仅当连续数次探测到该超速时，才将其确定为超速。以这种方式避免错误探测，即使位置传感器的分辨率提高了，也会导致速度探测响应性的削弱。另外，位置传感器分辨率的提高导致了位置传感器成本的增加。

基于以上原因，需求一种能使用低分辨率位置传感器并提供无错误探测的高速响应的速度监视装置。

本发明正是基于上述情形而作出的，本发明的目的是提供一种速度监视装置，其能高速响应而无错误探测，并使用廉价的低分辨率位置传感器。

本发明的速度监视装置基于位置传感器在每个恒定周期T输出的位置数据来监视移动元件的速度，该速度监视装置具有存储单元和速度测定单元，所述存储单元至少存储有允许的移动幅度PM、对比距离VC（其为移动元件在一个周期时间段内的允许最大移动距离）、以及从当前时刻t到M个周期前的移动元件的位置数据P(t-nT)（n为小于或等于M的自然数），所述速度测定单元在不等式|P(t)-P(t-nT)|>VC*n+PM对于从1到M的全部整数中的至少一个整数n成立时，测定为速度超出速度限制。

在优选实施例中，速度测定单元在速度监视开启后，立即将M的值设定为足够小于M的预定最大值Mmax，接着逐渐增大M，并在M达到Mmax时将其固定为Mmax。

在另一优选实施例中，当对速度是否超出速度限制的测定开启时，存储单元用在测定开启时获取的位置数据P(t)替代M个周期之前的任何以往位置数据P(t-nT)。

在另一优选实施例中，速度监视装置具有两种模式，一种模式用于监视速度是否超出速度限制，另一种模式用于监视速度是否降低；当选择用于监视速度是否降低的模式时，M的值被设定为小于用于监视速度是否超出速度限制的模式下的M的值。

在本发明中，即便在短期内发生突然移动，除非该移动超出了允许移动幅度PM，否则不会测定为超出了速度限制。因此，如果允许的移动幅度PM大于机械后冲等所引起的突然移动的量，即便用于进行减法处理的循环T理想地被缩短，也不会存在错误探测的风险。这使得周期T被缩短，实现了对超出允许移动幅度PM的危险运动的迅速响应。另外，通过增大允许的移动幅度PM使之大于位置传感器的分辨率，因位置传感器分辨率而导致的数字错误引起故障的风险便不复存在了，同时还可使用低分辨率的位置传感器。另外，通过增大M的值，可基于长时间间隔的位置差来监视速度，并且，即使使用低分辨率位置传感器，也可以获得足够的速度分辨率。相应地，可使用低分辨率传感器获得能提供高速响应、同时无错误探测的速度监视装置。

附图说明

图1展示了包括作为本发明一个实施例的速度监视装置的单轴数控系统；

图2为图1中框图所示的速度监视装置8的框图；

图3为通过图2中框图所示的微机10的处理操作的流程图；

图4为图3中步骤8所示的速度测定处理程序的处理操作的流程图。

具体实施方式

以下将基于附图描述本发明的一个实施例。

图1展示了包括本发明的速度监视装置的单轴数控系统。另外，图2为图1中框图所示的速度监视装置8的框图。图3为通过图2中框图所示的微机10的处理操作的流程图。图4为图3中步骤8所示的速度测定处理程序的处理操作的流程图。

在图1中，当旋转轴或伺服电机3旋转时，直接连接至旋转轴的滚珠螺杆机构2使台板1线性移动。伺服电机3上安装有用作位置传感器的、每转250脉冲的编码器4，其探测旋转轴的转数，并将结果作为信号POS输出。数控装置5基于通过转换来自编码器4的输出信号POS而获取的速度信息来控制电机电流，以控制伺服电机3的速度和位置。另外，数控装置5进行例如根据通过转换来自编码器4的输出信号POS以及预先输入的NC程序而获取的台板1的位置信息来进行位置控制。安全开关7基于来自数控装置5的解锁信号UL对防护器6解锁。另外，当防护器6打开时，安全开关7输出信号OP，表示防护器6打开。进一步地，速度控制装置8通过来自编码器4的输出信号POS探测用作移动元件的台板1的速度，如果移动速度超出安全速度，则向数控装置5输出超速信号OV。

如果来自速度控制装置8的超速信号OV和台板1的受控速度都等于或小于安全速度，则数控装置5输出解锁信号UL以打开防护器。进一步地，如果输出了解锁信号UL，而速度监视装置8输出超速信号OV，则数控装置5测定为处于危险状态，以使伺服电机3等进行紧急停止，从而确保安全性。另外，如果输入了指示防护器为打开状态的信号OP，同时未输出解锁信号UL，则数控装置5也使伺服电机3等进行紧急停止，以确保安全性。

在图2中，速度监视装置8由编码器接口9、微机10和随机访问存储器11构成。编码器接口9将基于解码器4的脉冲而提供的输出信号POS转换为作为数字信息的位置数据PO。在此，由于滚珠螺杆机构2的滚珠螺杆头为50mm，而位置传感器为每转250脉冲，因此，位置数据PO的分辨率为0.2mm。对于每一时刻，微机10以每一周期的10ms (T=10 ms)的速度执行图3和图4的流程图所示的处理。

在步骤1中，表示防护器为打开状态的预读参数GS存储为参数GSO。在步骤2，将解锁信号UL读入参数GS。解锁信号UL=0表示锁定状态，而解锁信号UL=1表示解锁状态。在步骤3，如果处于解锁状态（GS=1），则执行步骤4和5，而如果处于锁定状态（GS=0），则执行步骤6和7。

在步骤4到7中，设定表示速度计算处理（以下所述）重复次数的参数M和表示最大重复次数的参数Mmax。具体地，如果当前处于解锁状态（在步骤3时GS=1且为”是”），且前一时刻也为解锁状态（在步骤4时GSO=1且为”否”），则预设的参数M和Mmax的值保持不变。如果当前处于解锁状态（在步骤3时GS=1且为”是”），且前一时刻为锁定状态（在步骤4时GSO=1且为”是”），则防护器6的打开和闭合状态在前一时刻与当前时刻之间发生变化，且重新开启速度监视。在这种情形下，参数M设定为1，接着参数Mmax设定为500。

同时，如果当前处于锁定状态（在步骤3时GS=0且为”否”），且前一时刻也为锁定状态（在步骤6时GSO=10且为”否”），则预设的参数M和Mmax的值保持不变。如果当前处于锁定状态（在步骤3时GS=0且为”否”），且前一时刻为解锁状态（在步骤7时GSO=1且为”是”），则防护器6的打开和闭合状态在前一时刻与当前时刻之间发生变化。在这种情形下，参数Mmax设定为20。在完成这些参数M和Mmax的设定后，执行步骤8的速度测定处理程序。

根据图4中的步骤执行速度测定处理程序。即，在图4的步骤9中，通过向时间参数t增加周期T来更新时间t。在步骤10中，编码器接口9输出的位置数据PO被读取，且数据作为参数P(t)设定在随机访问存储器11中。在步骤11、12和13中，向参数M增加1，且仅当参数M超过参数Mmax时执行处理，以将参数M设定为参数Mmax，从而使参数M不超过参数Mmax。

在步骤14中，参数n设为1，允许的移动幅度设定为参数VCN。在步骤15中，向参数VCN增加表示对比距离的参数VC。表示允许移动幅度的参数PM预先设定为1.000mm。另外，如果移动元件以2000mm/min的速度移动，则设定0.333mm的距离作为参数VC的对比距离，移动元件在10ms移动超过0.333mm。

在步骤15、16、17和18中，将表示时间nT内的移动量的P(t)-P(t-nT)的绝对值与参数VCN对比，只要在时间nT内的移动量不超过VCN (=VC*n+PM)，则继续增加单个的n，以将步骤15、16、17和18的处理重复M次。如果时间nT内的移动量一次都未超过VCN，则在步骤19中，超速信号OV设为0并输出。另外，如果时间nT内的移动量至少一次超过VCN，则在步骤20中，超速信号OV设为1并输出。

尽管在步骤15中，由于计算简单，参数VCN通过加法处理进行计算，然而参数VCN也可通过乘法来计算：VCN=VC*n+PM。另外，在图3的步骤3到7中，通过在两种模式之间切换参数Mmax的值来执行速度测定处理，一种模式用在防护器锁定状态，另一种模式用在防护器解锁状态。由于是在防护器打开时监视速度是否超出安全速度限制的，因此，有必要精确地探测安全速度，以确保安全性。参数M越大，速度探测精确度越高。相反，是在防护器锁定时监视速度是否变得等于或小于防护器锁定时的安全速度的。即使在一个M-1周期内速度等于或小于安全速度，也不能确定速度处于安全速度限制内；除非在参数M很大、且移动元件在M个周期以前高速移动、并且这M个周期尚未完全过去时，检测到在一个M-1周期内速度等于或小于安全速度，这时才能确定速度处于安全速度限制内。 因此，如果参数M很大，则存在防护器打开延迟、从而导致可用性劣化的问题。当监视到速度等于或小于防护器解锁的安全速度限制时，可以使参数M变小一点，即使速度超出安全速度限制一定程度，只要在防护器打开后速度能瞬间降至安全速度以确保安全性就没问题。另外，当监视到速度等于或小于防护器打开的安全速度限制时，还监视到受控速度等于或小于安全速度限制，则除非数控装置侧发生故障，否则当防护器解锁时移动元件不会超出安全速度限制或进行紧急停止。相应地，图3中的处理包括两种模式，一种模式用于监视在防护器打开时速度是否超出安全速度限制，另一种模式用于监视在防护器锁定时速度是否降至安全速度。当选择了用于监视速度降低至安全速度限制的模式时，对该模式设定小的M值，以监视速度是否超出安全速度限制，从而改进防护器打开的响应性。尽管当M=500时，防护器在达到安全速度至少5秒后解锁，而当M=20时，防护器可在达到安全速度后在0.2秒内打开。

在图3的步骤5中，当防护器从锁定状态变为解锁状态时，参数M再次变为1。如果参数M的值较大，则在步骤16的测定处理中还会考虑防护器锁定时的高速的以往运动。因此，即便在防护器解锁后稳定在安全速度，也存在着因在防护器解锁前获取的以往位置数据而错误地探测到超速的问题。出于该原因，在速度监视开启后，立即设定M=1，且将参数M设定为足够小于参数Mmax，以无需考虑在开启监视前高速移动时所获取的位置数据。另一种解决该问题的方法是，在速度监视开启后立即以P(t)取代M个周期前获取的以往位置数据P(t-nT)，使用通常固定为参数Mmax的参数M。然而，该方法存在以P(t)取代以往位置数据的耗时处理的问题。

在此，如果编码器的脉冲数量对应于每转250脉冲的分辨率，且滚珠螺杆头为50mm，如图1的单轴数控系统，则最小可探测距离值为1/250*50mm=0.2mm。如果移动距离在采样周期T=10ms时小于0.2mm，即，如果移动速度小于0.2mm*100*60=1200mm/min，则在一个采样周期（10ms）内将永远不会探测到位置数据，因此，不会获得任何速度。换言之，如果安全速度小于1200mm/min，则每转250脉冲的低分辨率的编码器无法测定是否超出了安全速度，因而无法精准地进行监视。然而，由于在速度监视时，图1所示的单轴数控系统是基于从10ms到5秒内每10ms的移动量来评估并监视速度的，因此，实际速度分辨率为0.2mm*(60/5)=2.4mm/min。另外，由于单轴数控系统通过增加超过编码器的0.2mm的分辨率的允许移动幅度来测定速度，因此，系统不受编码器分辨率不足导致的数字错误的影响。另外，即便由于例如机械后冲或撞击产生了轻微但突然的距离改变，也不会产生超速错误探测的问题，只要移动比1mm足够小。即便约1mm的突然移动的速度远超出安全速度限制，仍可充分确保安全性，只要位置改变在这样的水平之内。另外，如果移动元件突然在10ms内移动超过1mm，可持久监视到该运动为超速移动，则可能高速响应地探测到危险。

Claims (4)

1.一种速度监视装置，其配备在数控系统中，用于基于位置传感器每个采样周期输出的位置数据来监视移动元件的速度，该速度监视装置包括：

存储单元，其至少存储有允许移动幅度PM、对比距离VC、在当前时刻t所获取的移动元件的位置数据P(t)、以及在当前时刻t和M个采样周期之前之间所获取的移动元件的M+1个位置数据P(t-nT)，其中n为等于或小于M的自然数，其中所述对比距离VC为移动元件在一个采样周期的时间段T之内所允许的最大移动距离；以及

速度测定单元，其为每个采样周期确定从1到M的全部整数n中是否存在使不等式|P(t)-P(t-nT)|>VC*n+PM的条件成立的整数n，并当存在使所述条件成立的整数n时确定速度超出速度限制，其中

除了在开始对超速进行监视的时刻，M是大于或等于2的整数。

2.根据权利要求1所述的速度监视装置，其特征在于，在开启速度监视后，M的值立即被设定为足够小于Mmax，该Mmax为M的预定最大值，然后M逐渐增大并在M达到Mmax时固定为Mmax。

3.根据权利要求1所述的速度监视装置，其特征在于，当用于确定速度是否超出速度限制的测定开启时，用在测定开启时获取的位置数据P(t)来取代M个采样周期之前的任意以往位置数据P(t-nT)。

4.根据权利要求1所述的速度监视装置，其特征在于：

所述速度监视装置具有两种模式，一种模式用于监视速度是否超出速度限制，另一种模式用于监视速度是否降低；并且

当选择用于监视速度是否降低的模式时，所设定的M的值小于用于监视速度是否超出速度限制的模式下设定的M的值。