CN106774175A - 高速地输入输出伺服控制部的外部信号的数值控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高速地输入输出伺服控制部的外部信号的数值控制装置，其具有：输出伺服电动机的位置指令值的CPU；具备对驱动伺服电动机的放大器输出电流指令值的伺服控制部以及进行外部信号的输入输出的I/O部的IC；读取位置指令值并进行用于使伺服电动机移动到位置指令值的位置的控制的DSP；以及在CPU与IC之间的设备间通信路径，其中，IC具有：内部总线，其连接到与设备间通信路径连接的通信接口以及I/O部；以及不经由内部总线而直接在伺服控制部与I/O部之间传送信号的内部通信路径。

Description

高速地输入输出伺服控制部的外部信号的数值控制装置
技术领域
本发明涉及使用在电动机控制以及机器人控制等中的数值控制装置，特别涉及高速地输入输出伺服控制部的外部信号的数值控制装置。
背景技术
数值控制装置被用于控制机床的CNC控制中。机器人控制器控制机器人内的电动机，具有与CNC控制用数值控制装置相似的结构。本发明所涉及的数值控制装置不限于CNC控制用数值控制装置，也包含机器人控制器。
在制作数值控制装置时，把进行整体控制的主(main)控制部、执行对机械的信号的输入输出进行控制的顺序功能的PLC(Programmable Logic Control:PLC)部、经由伺服接口(以下有时简称为I/F)与伺服电动机之间进行信号的输入输出的伺服控制部、执行伺服控制信号的运算处理的运算部(DSP)，与装置内的其他部分进行数据输入输出(I/O)用的I/F、用户I/F以及周边设备I/F等通过并行数据总线(以下有时简称为总线)连接，并执行各部之间的通信。
数值控制装置要求在考虑成本的同时，实现充分满足所需规格的结构。优选还要考虑提高此时所使用的部件的性能以及考虑供应体制的变化等。在制作数值控制装置时，用于形成主控制部和PLC部的处理器(CPU)以及DSP一般使用通用的处理器以及DSP。另一方面，减少部件数量对于降低成本是有效的。因此，把CPU、DSP以外的部分、即伺服控制部和其他电路整合为一个集成电路(IC)。这样的IC称为面向特定用途的IC(ASIC)。在上述通过总线连接的结构中，对于CPU、DSP以外的部分进行ASIC化时，在CPU以及DSP与ASIC之间通过总线进行连接，ASIC内也设置总线。
进一步，正在进行CPU的多核化和串行I/F化。通过对CPU进行多核化,能够在一个CPU中容易地实现主控制部以及PLC部。在由CPU和ASIC组成的结构中，对总线进行PCIExpress(注册商标)等高速串行I/F化时，虽然对CPU与ASIC之间的通信实施串行I/F化，但是ASIC内的通信是通过总线来进行的。
在数值控制装置的通信中，重要的是确保在主控制部(CPU内)与伺服控制部(ASIC内)之间的通信性能，该通信性能会影响作为控制对象的机械和机器人的性能。
因此，作为与数值控制装置的高速化、高性能化有关的技术，已报告有如下方案(例如日本特开2013-054730号公报(以下称为“专利文献1”)、日本特开2003-316408号公报(以下称为“专利文献2”)、日本特开2014-211721号公报(以下称为“专利文献3”)、日本特开平09-073310号公报(以下称为“专利文献4”))。专利文献1示出了电动机控制部中的电动机控制用的处理器由多核DSP构成，并经由高速串行通信I/F与电动机控制用放大器相连的结构例(参照段落[0016]～[0018]以及图1)。还示出了对多核CPU分配数值控制、电动机控制、PLC部的各个功能，并通过高速串行接口连接到通信控制兼总线桥接器的示例。
专利文献2公开了通过由数据处理容量小但是处理时间短的运行体制所驱动的一个CPU来处理数据用量小且直接对加工速度带来影响的数据、以及机床的各个部分之间的I/O等的示例。还公开了通过由数据处理用量大但是处理时间长的运行体制所驱动的另一个CPU来分别分散处理数据用量大、不会直接对加工速度带来影响的数据的示例。通过这样的结构，能够高速、高性能地控制机床(例如参照段落[0017]以及图3)。另外，示出了与处理数据的内容对应的数据处理用量与处理时间的关系(例如参照段落[0016]以及图2)。进一步，在专利文献2中公开了第二CPU读取在信息共享部中储存的数据并高速地进行处理，另外，根据这样处理后的数据来产生用于控制伺服电动机的控制信号(参照段落[0026])。
专利文献3公开了具有数值控制部和机器人控制部的数值控制，并且记载了把以往分别通过不同处理器来执行的数值控制和机器人控制集中到多核处理器中的内容。
专利文献4公开了使用网络进行控制部之间的连接，并降低了电缆连接的复杂程度的数值控制装置。
进一步，在数值控制装置中，对于与外部的输入输出(I/O)信号中的输入信号，将其传送到主控制部并进行某种处理。例如与伺服控制部有关的输入信号在主控制部中进行处理后，与处理结果对应的控制信号被发送到伺服控制部。如上所述，在通过高速串行接口I/F把形成主控制部的CPU与具有伺服控制部的ASIC相连接的情况下，从主控制部至伺服控制部的信号经由高速串行接口I/F以及ASIC中的总线来发送。另外，在ASIC中设有I/O信号的输入输出部，不需要在主控制部进行处理的输入信号从I/O信号的输入输出部经由ASIC内的总线被发送至伺服控制部。无论哪种情况，由于伺服控制部与ASIC的内部总线相连接，因此对伺服控制部的信号经由总线被发送。
在对伺服控制部的输入信号中，有来自外部的驱动中的电动机的紧急停止信号、向电动机的预定旋转状态的变更指示信号等具有紧急性的信号。此外，向加工机通知某动作已经完成的信号那样，伺服控制部对信号的响应性变得重要。在冲压钣金加工机进行的冲压加工中，为了实现短的周期时间，优选的是一检测到金属板材的冲裁完成信号，加工机就立即转移到下一加工。或者，在弯边机进行的金属板材弯曲加工中，为了实现短的周期时间，优选的是一检测到通知金属板材的弯曲角度达到了预定角度的完成信号，加工机就立即转移到下一加工。另外，在外圆磨床中，为了实现短的周期时间，优选的是在加工中工件一达到预定的直径和表面粗糙度，就立即转移到下一加工。如上所述，由于对伺服控制部的信号是经由总线进行发送的，因此会产生延迟。特别是，即使提高输入信号的通信优先级，也存在着在大量数据的转发中由于数据的保存等而需要时间，从而造成总线的延迟变大的问题。
发明内容
本发明的目的是，在具有搭载伺服控制部以及外部信号的输入输出部的IC的数值控制装置中，对于紧急性高的输入信号或要求响应性的输入信号，缩短从输入输出部到伺服控制部的通信时间。
本发明的数值控制装置，具有：输出伺服电动机的位置指令值的CPU；具备对驱动伺服电动机的放大器输出电流指令值的伺服控制部以及进行外部信号的输入输出的I/O部的集成电路；读取位置指令值并进行用于使伺服电动机移动到位置指令值的位置的控制的DSP；以及在CPU与集成电路之间的设备间通信路径，其中，集成电路具有：内部总线，其连接到与设备间通信路径连接的通信接口以及I/O部；以及不经由内部总线、在伺服控制部与I/O部之间直接传送信号的内部通信路径。
附图说明
根据与附图有关的以下实施方式的说明，本发明的目的、特征以及优点会变得更清楚。在这些图中：
图1是本发明的实施例1所涉及的数值控制装置的结构图。
图2是本发明的实施例2所涉及的数值控制装置的结构图。
图3是本发明的实施例3所涉及的数值控制装置的结构图。
图4是本发明的实施例4所涉及的数值控制装置的结构图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的数值控制装置的实施方式进行说明。
[实施例1]
首先，对本发明的实施例1所涉及的数值控制装置进行说明。图1是本发明的实施例1所涉及的数值控制装置的结构图。本发明的实施例1所涉及的数值控制装置101具有多核CPU1和ASIC2。多核CPU1和ASIC2通过一条高速串行接口(I/F)线10相连接。作为高速串行I/F线10，例如能够使用PCI Express(注册商标)，但不限于此例。
多核CPU1具有多核DSP3以及MAC(Media Access Control)控制器11。多核DSP3进行与伺服控制有关的运算。MAC控制器11进行与网络之间的通信，并且具有物理层(PHY)41。网络是例如多功能(Multi-function)以太网(注册商标)。多功能是指能够作为各种工业用以太网(注册商标)来使用。但是，网络并不仅限于此。在本实施例中，虽然多核CPU1如图所示在外部连接了CPU用的主存储器DRAM13，但是有时也外部连接到ASIC2。
ASIC2具有伺服控制部21、I/O通信主控制器22、外围设备23、图形引擎(MPU&VRAM)24、I/O用RAM28、串行I/F271以及ASIC内部总线250。伺服控制部21、I/O通信主控制器22、外围设备23、图形引擎(MPU&VRAM)24、I/O用RAM28、串行I/F271连接到ASIC内部总线250。
I/O通信主控制器22是用于控制I/O通信的电路，经由I/O通信用的外部I/F终端221与进行DI/DO的输入输出的从属单元(Slave Unit、未图示)相连接。I/O通信主控制器22把存储在I/O用RAM28中的DO输出到所连接的从属单元。另一方面，从从属单元输入的DI通过I/O通信主控制器22作为DI被存储在I/O用RAM28中。I/O通信主控制器22与伺服控制部21之间设有内部通信路径260。I/O用RAM28上的DI/DO通过在多核CPU1上执行的顺序程序，经由高速串行I/F线10、串行I/F271以及内部总线250被读/写。此外，也能够不设有I/O用RAM28，作为存储I/O通信主控制器22输入输出的I/O数据的存储器来使用DRAM13。另外，也可以在ASIC2上连接RAM，将其作为I/O用RAM28以及ASIC2内的处理的运行存储器来使用。
外围设备23与存储设备60以及通过电池后备供电的SRAM70相连接，该存储设备60中存储有在多核CPU1的初始化运行时加载并展开到DRAM13中的CNC的软件。SRAM70存储运行中的数据，用于在电源被切断等情况下也能够恢复到原来的状态。外围设备23还具有用于键盘、用于模拟输入输出、用于时钟的外部I/F端子。使用这些端子来进行用户输入、用于跳过执行中的加工程序的信号输入、触摸传感器的信号输入、时钟输入、模拟主轴输出(模拟输出)等。
图形引擎24由实现简单的图形功能的处理器(MPU)、用于存储画面的图像的数据的VRAM以及把写入VRAM的数据输出到LCD面板等显示器的控制器构成。
其次，对伺服控制进行说明。多核CPU1把移动指令值写入DRAM13、CPU内部的缓存中，DSP内核3对其进行存取。DSP内核3根据移动指令值来生成用于把伺服电动机移动到指令值的位置的、针对放大器的电流指令值，经由高速串行I/F线10、串行I/F271以及ASIC内部总线250传送给伺服控制部21。
在伺服控制部21中设有伺服I/F26。伺服I/F26是用于把伺服放大器或主轴放大器与伺服控制部21相连接的接口。对伺服放大器或主轴放大器连接向使机床的各个轴进行动作的伺服电动机或主轴电动机的动力线、以及检测各个电动机的位置/速度的反馈输入信号。
通过伺服I/F26从伺服控制部21向放大器传送电流的指令值。放大器根据接收的电流指令值进行基于PWM信号的电流控制，并经由伺服I/F26把内置于放大器中的电流传感器的值传送给伺服控制部21。另外，来自伺服电动机的反馈信号也经由伺服I/F26传送给伺服控制部21。多核DSP3经由高速串行I/F线10、串行I/F271以及ASIC内部总线250来读取伺服控制部21所取得的电流传感器的值或反馈信号的值，据此运算下一个电流控制指令值，并通过反向路径传送给伺服控制部21。伺服控制部21把下一个电流控制指令值通过伺服I/F26传送给放大器。多核DSP3通过反复进行该电流控制来控制伺服电动机，并使各个轴到达从多核CPU1指示的位置。多核DSP3把反馈信号的值写入DRAM13或内置高速缓存中，多核CPU1读取该值，确认轴已经到达了位置指令值。
经由I/O通信主控制器22输入输出的I/O信号数据(DI/DO)分为能够不经由多核CPU1而直接与伺服控制部21之间进行通信的第一种数据、以及除此之外的第二种数据。
第一种数据的第一个例子是在特定的轴(一个轴或多个轴)旋转的状态下，被从I/O通信主控制器22输入到伺服控制部21时，伺服控制部21没有经由多核CPU1，立即停止由信号的种类所指定的特定的轴(一个轴或多个轴)的旋转的DI信号。
第一种数据的第二个例子是在特定的轴(一个轴或多个轴)以一定速度进行旋转的状态下，被从I/O通信主控制器22输入到伺服控制部21时，伺服控制部21没有经由多核CPU1，把以一定速度进行旋转的轴的旋转速度变更为由信号的种类所指定的旋转速度的DI信号。在开始运转前，对于伺服控制部21事先设定了DI信号与旋转速度之间的关系。
第一种数据的第三个例子是在特定的轴(一个轴或多个轴)停止状态下，被从I/O通信主控制器22输入到伺服控制部21时，伺服控制部21没有经由多核CPU1，使停止了的轴以特定的最大加减速、特定的最大速度移动到特定位置并定位的DI信号。在开始运转前，对于伺服控制部21事先设定了定位的位置、最大加减速、最大速度。也能够对于多个DI信号设定多个定位的位置或多个最大速度。
第二种数据的第一个例子是指定事先保存在存储设备60等中的加工程序的DI信号。这样的DI信号从I/O通信主控制器22被发送到多核CPU1，多核CPU1按照所指定的加工程序来生成对伺服控制部21的移动指令值并发送到伺服控制部21。
第二种数据的第二个例子是，在通过多个轴同时进行轮廓控制(插补处理)时，I/O通信主控制器22的I/O通信IF与进行其他轴的控制的从属单元(伺服控制IC)相连接，从从属单元接收数据的情况。该数据包含来自伺服控制部21的数据，需要由多核CPU1的主控制部汇总进行处理。
第一种和第二种数据的识别是通过设在I/O通信主控制器中的识别表来识别的。在该识别表中，应该作为第一种数据被处理的信号由存储至I/O用RAM的地址和比特来指定，通过与该表进行对比来识别第一种和第二种信号。另外，代替地址和比特，也能够通过与I/O通信IF相连接的从属单元的种类、单元中的连接器的端子来对识别表进行指定。针对识别表的指定，数值控制装置的使用者能够任意地变更。
在实施例1中，I/O通信主控制器22识别DI是否是第一种数据，如果是第一种数据则经由内部通信路径260发送给伺服控制部21，如果是第二种数据则经由ASIC内部总线250、串行I/F271以及高速串行I/F线10发送给多核CPU1。此外，由于多核CPU1为了整体控制，在第一种数据中也存在优选进行管理的数据，因此，对于这样的数据，I/O通信主控制器22可以经由内部通信路径260把第一种数据发送给伺服控制部21之后，经由ASIC内部总线250、串行I/F271以及高速串行I/F线10，把第一种数据适当地发送给多核CPU1。
如上所述，在实施例1中，能够缩短I/O通信主控制器22接收了第一种数据后，伺服控制部21接收到第一种数据之前的时间。因此，在第一种数据要求紧急性或响应性的情况下特别有利。
[实施例2]
接下来，对于本发明的实施例2所涉及的数值控制装置进行说明。图2是本发明的实施例2所涉及的数值控制装置的结构图。本发明的实施例2所涉及的数值控制装置102与实施例1所涉及的数值控制装置101之间的不同点是，多核CPU1不具有多核DSP3，将多核DSP3外部连接到ASIC2。实施例2所涉及的数值控制装置102的其他结构由于与实施例1所涉及的数值控制装置101中的结构相同，所以省略了详细的说明。
ASIC2还具有串行I/F273。伺服控制部21经由串行I/F273以及高速串行I/F线30与多核DSP3相连接。作为高速串行I/F线30，例如能够使用PCI Express(注册商标)，但是不仅限于此例。
接下来，对伺服控制进行说明。多核CPU1把伺服电动机(未图示)的位置指令值输出到ASIC2内的伺服控制部21。伺服控制部21对驱动伺服电动机的放大器(未图示)输出电流指令值。多核DSP3读取位置指令值，并进行用于使伺服电动机移动到位置指令值的位置的控制。
在伺服控制部21中设有伺服I/F26。伺服I/F26是用于把伺服放大器或主轴放大器与伺服控制部21相连接的接口。在伺服放大器或主轴放大器上连接向使机床的各轴进行动作的伺服放大器或主轴放大器的动力线、以及检测各个电动机的位置/速度的反馈输入信号。
在伺服控制部21中，把来自多核CPU1的位置指令值写入到内置的RAM区域中。多核DSP3读取位置指令值，进行用于把伺服电动机移动到指令值的位置的控制。伺服电动机的控制通过与伺服控制部21相连接的伺服I/F26来进行。多核DSP3把反馈信号的值写入伺服控制部21，多核CPU1读取该值，确认轴已经到达了位置指令值。其他的动作与实施例1相同，因此省略说明。
实施例2也与实施例1相同，能够缩短I/O通信主控制器22接收了第一种数据后，伺服控制部21接收到第一种数据之前的时间。
[实施例3]
接下来，对于本发明的实施例3所涉及的数值控制装置进行说明。图3是本发明的实施例3所涉及的数值控制装置的结构图。本发明的实施例3所涉及的数值控制装置103与实施例1所涉及的数值控制装置101之间的不同点是：ASIC内部总线分离成连接伺服控制部21以及串行I/F271的第一ASIC内部总线251，和连接除此以外的I/O通信主控制器22、外围设备23、图形引擎24以及I/O用RAM28的第二ASIC内部总线252；新设置了用于把第二ASIC内部总线252与多核CPU1连接的串行I/F272；以及设置了连接多核CPU1与串行I/F272之间的高速串行I/F线20。实施例3所涉及的数值控制装置103的其他结构与实施例1所涉及的数值控制装置101中的结构相同，因此省略详细说明。
多核CPU1与伺服控制部21之间的伺服控制数据的通信，经由高速串行I/F线10、串行I/F271以及第一ASIC内部总线251来进行。ASIC2内的伺服控制部21以外的要素与多核CPU1之间的通信，经由高速串行I/F线10、串行I/F272以及第二ASIC内部总线252来进行。
实施例3也与实施例1和2的实施方式相同，可以通过伺服控制部21减少紧急需要的、输入给I/O通信主控制器22的外部信号的通信延迟。特别是在实施例3所涉及的数值控制装置103中，假设没有设置内部通信路径260，则在把输入给I/O通信主控制器22的外部信号发送到伺服控制部21的情况下，由于经由第二ASIC内部总线252、串行I/F272、高速串行I/F线20、CPU1、高速串行I/F线10、串行I/F271以及第一ASIC内部总线251进行发送，导致延迟的时间变长，因此特别有效。
进一步，在实施例3中，伺服控制部21与多核CPU1之间的通信不受ASIC2内的其他要素部分与多核CPU1之间的通信的影响，因此能够提高多核CPU1与伺服控制部21之间的通信性能。进一步，ASIC2内的其他要素部分与多核CPU1之间的通信也能够独立于基于伺服控制部21的通信而进行通信，因此能够提高通信性能。由此，例如也能够使基于图形引擎24的绘图功能更加高性能化。
[实施例4]
接下来，对于本发明的实施例4所涉及的数值控制装置进行说明。图4是本发明的实施例4所涉及的数值控制装置的结构图。本发明的实施例4所涉及的数值控制装置104与实施例1所涉及的数值控制装置101之间的不同点是：从ASIC2中去除I/O通信主控制器22；I/O通信主控制器22输入输出的I/O信号数据(DI/DO)通过多核CPU1的MAC11在与网络之间进行输入输出。实施例4所涉及的数值控制装置104的其他结构与实施例1所涉及的数值控制装置101中的结构相同，因此省略详细说明。
通过MAC11输入输出的数据与实施例1相同地存储在I/O用RAM28中。
以上对本发明的实施例进行了说明，但是当然可以有各种变形例。例如，多核CPU1与ASIC2之间的通信接口不仅限于串行I/F，应当根据规格适当地决定对各个IC集成何种功能部分、对ASIC内的多个总线各自连接何种功能部，相应地可以得到各种变形例。
根据本发明所涉及的数值控制装置，在对伺服控制部的输入信号中，不通过CPU进行处理的紧急性高的信号或要求响应性的输入信号，不经由集成电路内的总线而直接从I/O部向伺服控制部进行通信，因此与经由总线进行传送的情况相比，能够缩短通信时间。

Claims (5)

1.一种数值控制装置，其特征在于，
所述数值控制装置具有：
CPU，其输出伺服电动机的位置指令值；
集成电路，其具备对驱动伺服电动机的放大器输出电流指令值的伺服控制部以及进行外部信号的输入输出的I/O部；
DSP，其读取位置指令值并进行用于使伺服电动机移动到位置指令值的位置的控制；以及
所述CPU和所述集成电路之间的设备间通信路径，
所述集成电路具有：
内部总线，其连接到与所述设备间通信路径连接的通信接口以及所述I/O部；以及
在所述伺服控制部和所述I/O部之间不经由所述内部总线而直接传送信号的内部通信路径。
2.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，
所述I/O部对第一种数据和第二种数据进行识别，所述第一种数据是所述I/O部不经由所述CPU而直接与所述伺服控制部之间进行通信的数据，所述第二种数据是所述I/O部经由所述CPU与所述伺服控制部进行通信的数据，
当数据被识别为所述第一种数据时，则经由所述内部通信路径发送给所述伺服控制部，
当数据被识别为第二种数据时，则经由所述内部总线、所述通信接口以及所述设备间通信路径发送给所述CPU。
3.根据权利要求1或2所述的数值控制装置，其特征在于，
所述伺服控制部连接到所述内部总线。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的数值控制装置，其特征在于，
所述DSP安装在所述CPU中。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的数值控制装置，其特征在于，
所述设备间通信路径是串行通信接口用的设备间通信路径。
CN201611027822.4A 2015-11-19 2016-11-18 高速地输入输出伺服控制部的外部信号的数值控制装置 Pending CN106774175A (zh)

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