CN105388849B - I/o控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种I/O控制系统,具备:数值控制装置、电动机驱动的放大器、与周边设备连接的I/O控制单元。该I/O控制单元具有运算处理单元,其根据经由通信接口接收的伺服控制信息、从周边设备经由I/O接口接收的输入信息来生成用于控制周边设备的控制信息,并将该生成的控制信息经由I/O接口输出到周边设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有用于控制对工件进行加工的机床、机器人、冲压机、注塑成型机、放电加工机、激光加工机等机械的数值控制装置、经由通信线路与该数值控制装置连接的放大器、电动机、I/O控制单元的I/O控制系统。
背景技术
在机床等机械中,数值控制装置通常分别使用不同的接口与电动机驱动部和周边设备的输入输出部连接。数值控制装置按照给出的加工程序,在每个预先决定的周期向电动机驱动部的放大器发送移动指令,使电动机动作来进行轴的控制。此外,数值控制装置也按照给出的程序对周边设备进行输出的控制。
但是,与放大器连接的接口和与周边设备连接的接口,通常数据转发周期或转发速度不同,因此数据转发时产生时间差。该数据转发时产生时间差成为使周边设备的控制精度变差的原因。
例如,在激光加工系统中,作为周边设备的输出控制,要求控制激光的射出、停止、峰值功率、频率等输出条件。在以往的一般的激光加工系统的加工速度下,由所述数据转发时产生时间差引起的精度的恶化不会成为大问题。但是,随着近年来激光加工速度的变大,精度恶化引起的问题变得显著,要求伺服电动机和周边设备的控制的同步。
在日本特开2006-247745号公报中公开了如下的技术:使电动机驱动部和周边设备使用公共的通信线路分别与数值控制装置连接,并使各个接口共同化,由此排除由数据转发时的时间差引起的周边设备的控制精度的恶化。
对于在机床等机械中的周边设备的控制中所使用的通信,使用通信周期为1毫秒程度的通信。另一方面,在伺服电动机中要求精度,因此要求更高速的应答,通过125微秒~1毫秒程度的周期的通信来进行控制。但是,在上述的激光加工中,进一步要求高速、高精度地进行控制。
在所述的日本特开2006-247745号公报中公开了对于向激光振荡器等周边设备的输出控制中所使用的通信和伺服电动机的控制中所使用的通信,使接口和通信线路共同化的技术。由此,使激光振荡器的输出控制与伺服电动机同步来高速化,并解决了所述问题。但是,在所述技术中没有提及将来自与周边设备连接的传感器的信息等作为输入而反映在控制中的情况。
作为将从周边设备得到的传感器信息等为输入,反映在控制中的单元,考虑经由通信线路从周边设备向数值控制装置侧发送所述传感器信息的情况。但是,在从周边设备得到的传感器信息的种类繁多的情况下,传感器信息在通信中所占的比例增加,认为压迫通信的带宽。此外,为了处理这些传感器信息,数值控制装置侧的处理器的负荷增加,认为对通常的电动机的控制产生妨碍。并且,通过周边设备取得的传感器信息经由通信线路向处理数值控制装置内部的控制的处理器转发并被处理后,向周边设备的输出部转发,因此很难以比通信线路的通信周期短的时间分辨率控制输出。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种与机械的电动机驱动部同步,不会对数值控制装置的处理器产生过大的负荷,能够容易追加从周边设备取得的传感器信息的种类数,更高精度地控制向所述周边设备的输出的控制系统。
本发明的I/O控制系统具备:至少1个电动机,其驱动具有周边设备的机械的可动部;至少1个放大器,其分别驱动所述电动机;数值控制装置,其向所述放大器进行指示来控制电动机;I/O控制单元,其与所述周边设备连接;以及通信线,其连接所述数值控制装置、所述放大器以及所述I/O控制单元。构成该I/O控制系统的所述I/O控制单元具备:通信接口,其用于经由所述通信线进行通信;I/O接口,其进行与所述周边设备的信号的输入输出;以及运算处理单元,其根据经由所述通信接口接收的伺服控制信息、从所述周边设备经由所述I/O接口接收的输入信息,来生成用于控制所述周边设备的控制信息,并将所述生成的控制信息经由所述I/O接口输出到所述周边设备。
根据本发明的I/O控制系统,不经由数值控制装置的处理器,而是通过内置于I/O控制单元内的运算处理单元来处理伺服控制信息和来自I/O接口的输入信息,因此不会大幅度增加数值控制装置的处理器的负荷,与电动机同步地,进行来自与周边设备连接的传感器的信息所对应的周边设备的输出控制。
所述伺服控制信息也可以是用于控制所述电动机的、与位置、速度以及加速度中的至少一个相关的信息。根据该方式,能够进行与用于控制电动机的位置、速度或加速度信息对应的周边设备的控制。
所述运算处理单元也可以是按照顺序程序处理所述伺服控制信息和所述输入信息的可编程控制器。根据该方式,对于周边设备的输出控制,能够容易地变更输入输出的应答。
所述I/O控制单元也可以具有能够从所述运算处理单元参照的定时器,并以比所述通信线的通信的控制周期短的时间分辨率向所述I/O接口输出所述控制信息。根据该方式,在I/O控制单元内部具有可从运算处理单元参照的定时器,由此可以仅在I/O控制单元内部基于来自与周边设备连接的传感器的信息等,对输出数据进行插补,不论转发路径的通信周期,能够高速、高精度地进行向周边设备的输出。
所述周边设备也可以是激光振荡器,从所述I/O接口输出的所述控制信息是控制所述激光振荡器的辅助气体压力、激光输出、透镜焦点位置中的至少一个的信息。根据该方式,在激光加工系统中,能够高速、高精度地控制激光振荡器的激光输出、辅助气体压力、透镜焦点。
所述周边设备也可以是激光振荡器,经由所述I/O接口接收的输入信息是来自安装在所述激光振荡器上的传感器的反馈信息。根据该方式,在激光加工系统中,能够基于来自与激光振荡器连接的传感器的信息,高速、高精度地控制激光振荡器的输出条件。
所述I/O控制单元也可以向所述通信线输出I/O控制单元所持有的信息中的至少一个信息。根据该方式,数值控制装置能够接收通过I/O控制单元生成的控制信息。
根据本发明,能够提供一种与机械的电动机驱动部同步,不会对数值控制装置的处理器产生过大的负荷,能够容易追加从周边设备取得的传感器信息的种类数,更高精度地控制向周边设备的输出的I/O控制系统。
附图说明
根据参照附图对以下的实施例进行的说明,使本发明的所述以及其他目的和特征更加明确。
图1是说明本发明的I/O控制系统的基本结构的一例的图。
图2是表示构成图1的I/O控制系统的I/O控制单元的基本结构的一例的框图。
图3是表示具有数值控制装置、与通信线路连接的3轴伺服轴以及1个种类的I/O控制单元,且控制来自传感器的输入以及向激光振荡器的输出的I/O控制系统的图。
图4是表示在现有技术的I/O控制系统(参照图3)中,采用了通过通信线路的通信收发周边设备的输入的结构的情况下的数据占有度以及电动机控制处理器的处理时间的概要的图。
图5是表示将图3所示的I/O控制系统设为本发明的I/O控制系统时的、数据占有度以及电动机控制处理器的处理时间的概要的图。
图6是表示为了说明本发明的I/O控制系统的效果,将该I/O控制系统使用于激光加工的例子的图。
图7是表示使用了现有技术文献公开的I/O控制系统的激光加工的例子的图。
图8是表示为了说明本发明的I/O控制系统的进一步的效果,将该I/O控制系统使用于激光加工的例子的图。
图9是表示激光输出相对于周期的变动的图。
具体实施方式
使用图1说明本发明的I/O控制系统的基本结构的一例。
I/O控制系统具有:数值控制装置10、经由通信线路20与该数值控制装置10连接的至少一个放大器21(在图1的例子中为一个放大器)、通过放大器21分别驱动的伺服电动机等电动机22、I/O控制单元30。数值控制装置10包括:主处理器11、电动机控制处理器12、通信接口13。I/O控制单元30包括:处理器系统(CPU)31、通信接口32、I/O接口33。
电动机控制处理器12按照主处理器11计算出的电动机22的移动指令,计算出在速度控制周期内电动机22旋转的速度,针对每个电流控制周期计算出为了得到该计算出的速度而所需要的转矩即电流指令,并且,计算出开关针对电动机22的电流的放大器21内的晶体管(未图示)的接通/断开信息。电动机控制处理器12将该计算出的接通/断开信息经由通信接口13发送给与通信线路20连接的放大器21。这样,放大器21对电动机22发送所指示的电流,并使电动机22旋转。
I/O控制单元30可以经由通信线路20取得伺服控制信息。该伺服控制信息包括:从数值控制装置向放大器发送的伺服指令、作为内部信息由数值控制装置保持的位置、速度、加速度信息、与电动机连接的编码器的信息或电流信息等反馈信息。I/O控制单元30基于经由通信线路20取得的所述伺服控制信息、从I/O接口33取得的输入信息,通过内置于处理器34内的CPU内核35来进行处理,生成用于控制与I/O控制单元30连接的周边设备的控制信息,控制向I/O控制单元30的外部输出的输出信息。
图2是表示构成图1的I/O控制系统的I/O控制单元的基本结构的一例的框图。
I/O控制单元30具有用于与连接有放大器21的高速的通信线路20连接的连接器50。通过该连接器50收发的信号,由处理器34经由通信接口32进行发送/收发。通信接口32在连接有放大器21的通信线路20(图1)与处理器34所具有的串行总线接口36之间进行信号变换。也可以在通信线路20中使用光通信。通过使用光通信,可以降低噪声等干扰的影响。
处理器34具有:按照存储在CPU存储器(例如,ROM38)内的程序进行处理的CPU内核35、进行与外部的串行通信的串行总线接口36、通用现场总线接口41、进行与由ROM38或RAM39构成的外部存储器的接口的外部存储器接口37、与激光振荡器等周边设备进行数字/模拟的I/O信息的接口的通用I/O接口43、至少一个定时器42、进行这些各要素之间的数据转发的DMA控制器40。
通用现场总线接口41通过DeviceNet或EtherNet/IP、EtherCAT等通用现场总线的协议进行通信。通用现场总线接口41与对应于通用现场总线的从属单元连接。作为从属单元,连接数字输入输出单元或模拟输入输出单元等。这些各要素经由处理器34内部的高速总线44相互连接。
将CPU内核35执行的程序存储在ROM38中,将临时保管的数据存储在RAM39中。另外,ROM38和RAM39既可以在处理器34的外部也可以在处理器34的内部。此外,定时器42既可以在处理器34的内部,也可以设在从处理器34的外部的处理器34能够参照的场所。
处理器34与外部设备或周边设备(未图示)经由通用现场总线接口41和通用I/O接口43交换输入输出数据。处理器34的通用I/O接口43的输入输出信号,由于处理的的电流/电压非常低,因此经由驱动器45或接收器46进行与周边设备之间的信号变换。此外,为了与周边设备进行模拟信号的输入输出,还可以具备A/D变换器47或D/A变换器48。
将经由连接器50从通信线路20取得的所述伺服控制信息经由通信接口32、串行总线接口36以及外部存储器接口37存储在RAM39中。将经由通用现场总线接口41与外部设备收发的信息存储在通用现场总线接口41内的缓冲器(未图示)中。通过DMA控制器40在通用现场总线接口41内的缓冲器与RAM39之间进行数据的转发。
CPU内核35对存储在RAM39中的伺服控制信息和经由通用I/O接口43取得的来自周边设备的输入信息进行处理,根据这些进行处理而得到的信息生成用于控制周边设备的控制信息,将该生成的控制信息经由通用I/O接口43输出到周边设备。在此,可以通过基于定时器42的中断以细微的时间分辨率控制输出。另外,也可以将生成的控制信息经由通用现场总线接口41输出到与连接器51连接的个人计算机等外部设备。
接着,详细说明本发明的效果。图3表示具有数值控制装置10、与通信线路20连接的3个伺服轴以及1个种类的I/O控制单元30,且控制来自传感器64的输入以及向激光振荡器63的输出的I/O控制系统。3个伺服轴由第1放大器211和第1电动机221、第2放大器212和第2电动机222、第3放大器213和第3电动机223构成。
图4是表示在现有技术的I/O控制系统(参照图3)中,采用了通过通信线路20的通信收发周边设备的输入的结构的情况下的数据占有度以及电动机控制处理器12的处理时间的概要的图。在图4中,图4(a)表示向上游的通信,图4(b)表示向下游的通信,图4(c)表示电动机控制处理器的处理时间。
首先,考虑图3的数值控制装置10接收的信息。
数值控制装置10接收的信息中,除了伺服控制信息外,还包括来自周边设备的传感器等的输入信息(参照图4(a))。此时,存在随着传感器等的数量的增加,传感器的输入信息所占的带宽也增加的倾向。鉴于近年来的要求高精度的加工的倾向,假定需要的传感器的种类等多样化,该输入信息所占的带宽的增加可能成为通信上的问题。
接着,考虑通信线路20中的来自数值控制装置10的输出。
对于来自数值控制装置10的输出信号,除了各轴的伺服指令外,还进行向周边设备的输出(参照图4(b))。与输入同样地,关于输出,也认为在进行近年来要求的高精度加工的基础上,要求控制各种输出,最终输出侧的通信的带宽也被压迫。
接着,考虑数值控制装置10内的电动机控制用处理器的负荷。
在现有技术中,使电动机控制的通信与周边设备的控制的接口共同化后,对各个处理器也使用共同的处理器,通过电动机控制处理器12进行控制。但是,随着周边设备的控制的高速化以及应控制的输入输出的种类的增加,用于针对周边设备的控制的处理时间所占的比例增加(参照图4(c))。
相对于以上的图4所述的现有技术,使用图5来说明本发明的效果。
图5是表示将图3所示的I/O控制系统设为本发明的I/O控制系统(包括I/O控制单元30)时的、数据占有度以及电动机控制处理器的处理时间的概要的图。在图5中,图5(a)表示向上游的通信,图5(b)表示向下游的通信,图5(c)表示电动机控制处理器的处理时间。
图3的数值控制装置10接收的数据由各轴的反馈信息和针对数值控制装置10的信息请求构成。另一方面,该数值控制装置10发送的数据由各轴的伺服指令和对于针对数值控制装置10的信息请求的应答数据构成。
I/O控制单元30通过向数值控制装置10发送信息请求而使数值控制装置10发送伺服控制信息,由此能够取得来自数值控制装置10的伺服控制信息。向数值控制装置10的信息请求(伺服控制信息等请求)或从数值控制装置10发送的伺服控制信息,数据量不会因传感器64的信息等变化,不会妨碍传感器64的种类多样化。
此外,本发明的I/O控制单元30与现有技术不同,通过内置于该I/O控制单元30内的处理器34(参照图2)来进行针对周边设备的输出处理。因此,电动机控制处理器12要处理的负荷的增加被抑制。此外,使用处理器34内部具有的定时器42进行中断处理,由此能够以比通信线路20的通信周期更细小的时间分辨率来控制输出(控制周边设备的控制信息)。
图6是表示为了说明本发明的I/O控制系统的效果,将该I/O控制系统使用于激光加工的例子的图。
激光加工机(未图示)具备支持工件61的工作台(未图示)、向工件61照射激光的加工喷嘴60、驱动工作台和加工喷嘴60的伺服电动机(未图示)。在该伺服电动机上设置用于检测位置和速度的位置速度检测器。向驱动伺服电动机的放大器(未图示)反馈通过位置速度检测器检测出的位置和速度的信息。将反馈到放大器的位置和速度的信息从该放大器输出到数值控制装置。数值控制装置根据在数值控制装置中生成的移动指令和上述反馈信息来生成用于驱动电动机的伺服指令。
如图6所示,照射激光的加工喷嘴60沿着工件61的表面向一方向以固定速度移动,通过调整激光的输出来进行加工。到A点为止断开激光的输出,从A点到B点接通激光的输出,从B点开始断开激光的输出,由此进行狭缝的加工。
图7表示使用了在上述的日本特开2006-247745号公报中公开的I/O控制系统的激光加工的例子。
在该公知技术中,作为指令定时数据,将切换激光的输出的接通/断开的定时(图7中为T)作为串联数据而插入,由此能够以比预定的周期短的时间分辨率进行加工。
另一方面,根据本发明,图7所示的称为T的信息不需要经由通信线路20进行发送,而是以伺服控制信息为基础通过内置于I/O控制单元30内的处理器(CPU)34进行处理,由此可以控制输出接通/断开的定时。
图8是表示为了说明本发明的I/O控制系统的进一步的效果,将该I/O控制系统使用于激光加工的例子的图。
通过伺服轴的控制进行加工喷嘴60的移动。一般,在切换加工喷嘴60的前进方向(喷嘴前进方向62)的点C,减速伺服的速度来控制,由此得到高精度轨迹。在此,在考虑了激光的输出强度的情况下,加工喷嘴的速度减速,因此要求与此相应地调整激光的输出强度。
例如,图9是表示与上述的角部的加工喷嘴的减速对应的输出的控制的图。在现有技术的结构中,想要进行图9那样的顺利的应答的情况下,需要在极多的定时模拟地控制激光的输出,由于必须发送多比特的数据,因此很难在通信的带宽上实现。
因此,在本发明中,以伺服信息为基础,通过内置于I/O控制单元30内的CPU(处理器系统31)来控制输出,因此如图9所示,能够与伺服同步且更顺利地控制输出,能够实现比现有技术高速/高精度的加工。
此外,要求在激光加工中通过传感器接收反射光,以得到的信息为基础控制激光的输出。作为例子,考虑图3所示的结构的I/O控制系统。
在上述的日本特开2006-247745号公报所示的现有技术中,从传感器得到的信息经由通信线路转发给内置于数值控制装置内的电动机控制处理器,数据被处理后,经由通信线路输出给激光振荡器。但是,信息需要在通信线路中往复,因此很难以比通信线路的通信周期短的时间分辨率来控制激光振荡器的输出。
根据本发明的结构,如图3所示,来自传感器64的输入信息不经由通信线路20,被内置于I/O控制单元30内的处理器处理,并作为输出被控制。因此,能够与通信线路20的通信周期无关地进行处理,能够更高速地进行应答。由此,认为能够提高激光加工的加工面的精度。另外,本发明并不局限于激光加工机,也可以应用于加工工件的机床或具有机器人、冲压机、注塑成型机、放电加工机等周边设备的机械。
Claims (6)
1.一种控制系统,其具备:
至少1个电动机,其驱动具有周边设备的机械的可动部;
至少1个放大器,其分别驱动所述电动机;
数值控制装置,其向所述放大器进行指示来控制电动机;
I/O控制单元,其设置在所述数值控制装置的外部,并与所述周边设备连接;以及
通信线,其连接所述数值控制装置、所述放大器以及所述I/O控制单元,
该控制系统的特征在于,
所述I/O控制单元具备:
通信接口,其用于经由所述通信线进行通信;
I/O接口,其进行与所述周边设备的信号的输入输出;
运算处理单元,其根据经由所述通信接口接收的伺服控制信息、从所述周边设备经由所述I/O接口接收的输入信息,来生成用于控制所述周边设备的控制信息,并将所述生成的控制信息经由所述I/O接口输出到所述周边设备;以及
能够从所述运算处理单元参照的定时器,
并且,以比所述通信线的通信的控制周期短的时间分辨率向所述I/O接口输出所述控制信息。
2.根据权利要求1所述的控制系统,其特征在于,
所述伺服控制信息是用于控制所述电动机的、与位置、速度以及加速度中的至少一个相关的信息。
3.根据权利要求1或2所述的控制系统,其特征在于,
所述运算处理单元是按照顺序程序处理所述伺服控制信息和所述输入信息的可编程控制器。
4.根据权利要求1或2所述的控制系统,其特征在于,
所述周边设备是激光振荡器,从所述I/O接口输出的所述控制信息是控制所述激光振荡器的辅助气体压力、激光输出、透镜焦点位置中的至少一个的信息。
5.根据权利要求1或2所述的控制系统,其特征在于,
所述周边设备是激光振荡器,经由所述I/O接口接收的输入信息是来自安装在所述激光振荡器上的传感器的反馈信息。
6.根据权利要求1或2所述的控制系统,其特征在于,
所述I/O控制单元向所述通信线输出I/O控制单元所持有的信息中的至少一个信息。
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