CN109343498A - 多数控作业单元安全规避系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多数控作业单元安全规避系统，其包括多个数控作业单元、公共作业区域以及公共区域仲裁器。各数控作业单元的运行程序仍然能够以其独立工作的方式进行编写和生成，使得多个数控作业单元以独立的运动规划、程序并行的方式进行协同工作，由此降低了各数控作业单元的操作复杂性。针对会发生碰撞冲突的公共作业区域部分，设置了能够监测和记录公共作业区域占用状态的公共区域仲裁器，由此最小程度地改变了程序的执行流程；基于公共区域仲裁器与数控作业单元之间的信息交互，避免了多个数控作业单元同时进入公共作业区域的情形以及多个数控作业单元相互等待的死锁状态，由此保证了多个数控作业单元之间的协调运转，提高了生产效率。

Description

多数控作业单元安全规避系统
技术领域
本发明涉及数控机床以及机器人控制技术领域，尤其涉及一种多数控作业单元安全规避系统。
背景技术
当前，工业机器人、数控机床、加工中心以及其他专用数控伺服系统广泛应用于制造业领域，大幅度提升了生产效率和质量。由于这些设备普遍采用伺服电机、数控系统，并具有可编程的特性，因此称这些设备为数控作业单元。其中，单个数控作业单元通常以串行方式运行数控程序，而多个数控作业单元则能够以并行方式执行数控程序。
随着数控作业单元的应用日趋复杂，常常出现多个数控作业单元协作完成工业自动化任务的情形(例如，由多个机械手或多个五轴数控作业头加工同一个工件)。但是在加工过程中，由于多个数控作业单元常常出现公共作业区域，且多个数控作业单元以并行方式执行数控程序，当几个数控作业单元之间缺乏协调和统一时，则可能出现碰撞、干涉事故，进而造成整个加工系统的损伤。
目前，为了解决多个数控作业单元在公共作业区域的碰撞问题，常用的方法有如下。(1)从顶层规划生成数控作业单元的运动轨迹，并使得几个数控作业单元按照严格的时序逻辑和协同运动轨迹完成工作，从而在规划层面规避几个数控作业单元发生碰撞的问题。但是，这种方式本质上是将并行运行的几个数控作业单元转变成为一种串行的运行系统，其不适用于几个数控作业单元以并行独立的形式运行的情形。(2)多个数控作业单元以并行独立的形式运行，且多个数控作业单元互相通信连接以向其他数控作业单元告知自身状态，从而避免两个或者多个数控作业单元同时进入公共作业区域的情形。这种方式虽然对任务规划的要求较低且执行效率更高，但是当几个数控作业单元之间的通信逻辑不够严谨，或者通信延迟问题存在时，可能产生两个数控作业单元同时进入公共作业区域的情形，或者两个数控作业单元相互等待的死锁状态。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种多数控作业单元安全规避系统，其降低了各数控作业单元的操作复杂性，且能够避免多个数控作业单元同时进入公共作业区域的情形以及多个数控作业单元相互等待的死锁状态，保证了多个数控作业单元之间的协调运转，提高了生产效率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种多数控作业单元安全规避系统，其包括：多个数控作业单元，各数控作业单元具有独立作业区域；公共作业区域，至少被两个数控作业单元共用；以及公共区域仲裁器，通信连接共用公共作业区域的所有数控作业单元，以监测并记录公共作业区域的占用状态。共用公共作业区域的各数控作业单元的工作过程为：数控作业单元在进入公共作业区域之前，首先向公共区域仲裁器发出请求进入公共作业区域的请求进入信号并进入等待公共区域仲裁器回复的等待回复状态。当公共作业区域当前处于未占用状态时，公共区域仲裁器向所述数控作业单元回复允许进入信号，所述数控作业单元接收允许进入信号后进入公共作业区域、公共区域仲裁器记录公共作业区域当前被所述数控作业单元占用。当公共作业区域当前处于占用状态时，公共区域仲裁器向所述数控作业单元回复禁止进入信号，所述数控作业单元接收禁止进入信号后继续等待一段时间，然后所述数控作业单元再次向公共区域仲裁器发出请求进入公共作业区域的请求进入信号并进入等待公共区域仲裁器回复的等待回复状态，直至公共区域仲裁器向所述数控作业单元回复允许进入信号，所述数控作业单元接收允许进入信号后进入公共作业区域、公共区域仲裁器记录公共作业区域当前被所述数控作业单元占用。所述数控作业单元在离开公共作业区域之前，首先向公共区域仲裁器发出请求离开公共作业区域的请求离开信号并进入等待公共区域仲裁器回复的等待回复状态，直至公共区域仲裁器向所述数控作业单元回复允许离开信号，所述数控作业单元接收允许离开信号后离开公共作业区域、公共区域仲裁器记录公共作业区域当前处于未占用状态。
当多个数控作业单元同时向公共区域仲裁器发出请求进入公共作业区域的请求进入信号时，首先被公共区域仲裁器监测到的数控作业单元先获得公共区域仲裁器的回复。
公共区域仲裁器与对应的数控作业单元之间的通信连接方式为直接信号连接、现场总线连接或者工业以太网连接。
公共作业区域为多个。公共区域仲裁器与公共作业区域在数量上一致，各公共区域仲裁器通信连接共用同一个公共作业区域的所有数控作业单元，以监测并记录对应的公共作业区域的占用状态。
各数控作业单元包括控制系统和执行作业部分。公共区域仲裁器设置在数控作业单元的控制系统中；或者，公共区域仲裁器为独立的控制器。
本发明的有益效果如下：
在本发明的多数控作业单元安全规避系统中，各数控作业单元的运行程序仍然能够以其独立工作的方式进行编写和生成，从而使得多个数控作业单元以独立的运动规划、程序并行的方式进行协同工作，而不必执行多个数控作业单元的统一运动规划，由此降低了各数控作业单元的操作复杂性。并且，针对会发生碰撞冲突的公共作业区域部分，本发明设置了能够监测和记录公共作业区域占用状态的公共区域仲裁器，由此最小程度地改变了程序的执行流程；基于公共区域仲裁器与数控作业单元之间的信息交互，避免了多个数控作业单元同时进入公共作业区域的情形以及多个数控作业单元相互等待的死锁状态，由此保证了多个数控作业单元之间的协调运转，提高了生产效率。
附图说明
图1是本发明的多数控作业单元安全规避系统中的数控作业单元与公共区域仲裁器之间的通信连接关系示意图，其中仅示出了两个数控作业单元。
其中，附图标记说明如下：
1数控作业单元 2公共作业区域
1A独立作业区域 3公共区域仲裁器
具体实施方式
下面参照附图来详细说明根据本发明的多数控作业单元安全规避系统。
参照图1，根据本发明的多数控作业单元安全规避系统包括：多个数控作业单元1，各数控作业单元1具有独立作业区域1A(即在任何公况下不会与其他数控作业单元1发生冲突)；公共作业区域2，至少被两个数控作业单元1共用；以及公共区域仲裁器3，通信连接共用公共作业区域2的所有数控作业单元1，以监测并记录公共作业区域2的占用状态。
共用公共作业区域2的数控作业单元1的一个完整的作业区域包括独立作业区域1A和与其它数控作业单元1共用的公共作业区域2，且其工作过程说明如下。
数控作业单元1在进入公共作业区域2之前，首先向公共区域仲裁器3发出请求进入公共作业区域2的请求进入信号并进入等待公共区域仲裁器3回复的等待回复状态。
当公共作业区域2当前处于未占用状态时，公共区域仲裁器3向所述数控作业单元1回复允许进入信号，所述数控作业单元1接收允许进入信号后进入公共作业区域2(此时其它数控作业单元1不可进入公共作业区域2)，此时公共区域仲裁器3记录公共作业区域2当前被所述数控作业单元1占用。
当公共作业区域2当前处于占用状态时，公共区域仲裁器3向所述数控作业单元1回复禁止进入信号，所述数控作业单元1接收禁止进入信号后继续等待一段时间，之后所述数控作业单元1再次向公共区域仲裁器3发出请求进入公共作业区域2的请求进入信号并再次进入等待公共区域仲裁器3回复的等待回复状态，直至公共区域仲裁器3向所述数控作业单元1回复允许进入信号，所述数控作业单元1接收允许进入信号后进入公共作业区域2，此时公共区域仲裁器3记录公共作业区域2当前被所述数控作业单元1占用。
所述数控作业单元1在离开公共作业区域2之前，首先向公共区域仲裁器3发出请求离开公共作业区域2的请求离开信号并进入等待公共区域仲裁器3回复的等待回复状态，直至公共区域仲裁器3向所述数控作业单元1回复允许离开信号，所述数控作业单元1接收允许离开信号后离开公共作业区域2(此时其它数控作业单元1可进入公共作业区域2)，此时公共区域仲裁器3记录公共作业区域2当前处于未占用状态。
在本发明的多数控作业单元安全规避系统中，各数控作业单元1的运行程序仍然能够以其独立工作的方式进行编写和生成，从而使得多个数控作业单元1以独立的运动规划、程序并行的方式进行协同工作，而不必执行多个数控作业单元1的统一运动规划，由此降低了各数控作业单元1的操作复杂性。并且，针对会发生碰撞冲突的公共作业区域2部分，本发明设置了能够监测和记录公共作业区域2占用状态的公共区域仲裁器3，由此最小程度地改变了程序的执行流程；基于公共区域仲裁器3与数控作业单元1之间的信息交互，避免了多个数控作业单元1同时进入公共作业区域2的情形以及多个数控作业单元1相互等待的死锁状态，由此保证了多个数控作业单元1之间的协调运转，提高了生产效率。
公共区域仲裁器3能够依次不断地检测数控作业单元1发出的请求进入信号，并依据公共作业区域2当前的占用状态给予回复。当多个(即两个或两个以上)数控作业单元1同时向公共区域仲裁器3发出请求进入公共作业区域2的请求进入信号时，首先被公共区域仲裁器3监测到的数控作业单元1先获得公共区域仲裁器3的回复(即公共区域仲裁器3的回复具有时序性)，而其它数控作业单元1必须等待公共作业区域2不再被占用时才可进入，从而有效地解决了通信延迟以及多个数控作业单元1同时进入公共作业区域2的冲突问题。
公共作业区域2在数量上可为一个或多个，且每个公共作业区域2至少被两个数控作业单元1共用。公共区域仲裁器3与公共作业区域2在数量上一致，各公共区域仲裁器3通信连接共用同一个公共作业区域2的所有数控作业单元1，以监测并记录对应的公共作业区域2的占用状态。换句话说，一个公共区域仲裁器3监测并记录一个公共作业区域2的占用状态，由此实现对各公共作业区域2的系统化管理和监测。
各公共区域仲裁器3能够对共用同一个公共作业区域2的所有数控作业单元1进行编码和命名，由此明确区别来自不同的数控作业单元1的通信信号。
在本发明的多数控作业单元安全规避系统中，所有的往返通信信号可以以数字形式传递，且只需占用5位通信信号，由此使得各数控作业单元1与对应的公共区域仲裁器3之间的通信数据量较低，因而公共区域仲裁器3与对应的数控作业单元1可采用简单的通信连接方式即可，如直接信号连接、现场总线连接、工业以太网连接或者其他的自定义通信连接方式。但是，无论采用何种通信方式，公共区域仲裁器3均能够明确区别来自不同的数控作业单元1的信号。
各数控作业单元1均包括控制系统和执行作业部分。基于不同的工况下，各数控作业单元1的控制系统可控制执行作业部分独立完成工作，也可与其它数控作业单元1的控制系统并行运行以协同完成工作。
公共区域仲裁器3是一个软件模块，其可设置在独立的控制器中，且所述控制器可为可编程控制器(即PLC)、工控机或者嵌入式处理器。当然，为了降低硬件成本，公共区域仲裁器3也可以设置在某个数控作业单元1的控制系统中，此时该数控作业单元1通过内部的控制系统与公共区域仲裁器3进行信息交互、其他的数控作业单元1与公共区域仲裁器3之间需要通过直接信号连接、现场总线连接或工业以太网连接以实现信息交互。
在一实施例中，数控作业单元1在数量上为三个，各数控作业单元1的控制系统为西门子840D数控系统、执行作业部分为五轴数控铣削加工作业头，各数控作业单元1负责加工工件的不同位置，三个数控作业单元1共享换刀位置(即公共作业区域2)。
西门子840D数控系统包括人机界面(即HMI)、数控核心和内置PLC。HMI实现数控编程和状态监控，数控核心实现数控程序的执行、各轴插补运动控制、内置PLC实现附属设备的逻辑控制。HMI、数控核心和内置PLC三者之间存在内部通信连接，以实现大批量数据的通信和状态共享。其中，各西门子840D数控系统的内置PLC支持profibus现场总线通信功能，能够通过配置实现与其他840D数控系统的内置PLC间的通信，从而交换输入输出信息。
在该实施例中，三套西门子840D数控系统的内置PLC均连接到一个profibus现场总线网络上。为了降低硬件成本，其中一套西门子840D数控系统的内置PLC担任总线通信主站并命名为M，其余两个数控作业单元1成为总线通信的从站并命名为S1和S2。M与S1之间能够依赖总线交换输入和输出信息各1个字节(各8位)，M与S2则具有相同的通信形式。
换刀位置对应的公共区域仲裁器3设置在M上。该公共区域仲裁器3由PLC主程序单独调用的一段程序(也可将其封装成为一个独立运行的程序块)，其内部记录了当前换刀位置的占用状态，以及占用换刀位置的数控作业单元1的名称(M，S1或S2)。
名称为M的西门子840D数控系统的数控核心执行数控加工程序期间，当遇到换刀特殊指令时，与内置PLC进行通信，请求进入换刀位置。由内置PLC内单独运行的公共区域仲裁器3给出允许进入或禁止进入的信号，并返回给数控核心，从而决定M内的换刀指令是否继续执行。
名称为S1的西门子840D数控系统的数控核心执行数控加工程序期间，当遇到换刀特殊指令时，与内置的PLC进行通信，请求进入换刀位置。由S1内置PLC与M的内置PLC通过profibus总线通信，由M内的公共区域仲裁器3给出允许进入或禁止进入的信号，返回给S1的内置PLC，再由S1的内置PLC传递给S1的数控核心，从而决定S1内的换刀指令是否继续执行。名称为S2的西门子840D数控系统具有与S1相同的通信控制逻辑，由此使得三个独立并行的数控作业单元1在实际加工期间不会发生干涉碰撞。
在另一实施例中，各数控作业单元1可为工业机器人(如六自由度工业机械臂)，具体工作过程这里不再详细赘述。

Claims (5)

1.一种多数控作业单元安全规避系统，其特征在于，包括：
多个数控作业单元(1)，各数控作业单元(1)具有独立作业区域(1A)；
公共作业区域(2)，至少被两个数控作业单元(1)共用；以及
公共区域仲裁器(3)，通信连接共用公共作业区域(2)的所有数控作业单元(1)，以监测并记录公共作业区域(2)的占用状态；
共用公共作业区域(2)的各数控作业单元(1)的工作过程为：
数控作业单元(1)在进入公共作业区域(2)之前，首先向公共区域仲裁器(3)发出请求进入公共作业区域(2)的请求进入信号并进入等待公共区域仲裁器(3)回复的等待回复状态；
当公共作业区域(2)当前处于未占用状态时，公共区域仲裁器(3)向所述数控作业单元(1)回复允许进入信号，所述数控作业单元(1)接收允许进入信号后进入公共作业区域(2)、公共区域仲裁器(3)记录公共作业区域(2)当前被所述数控作业单元(1)占用；
当公共作业区域(2)当前处于占用状态时，公共区域仲裁器(3)向所述数控作业单元(1)回复禁止进入信号，所述数控作业单元(1)接收禁止进入信号后继续等待一段时间，然后所述数控作业单元(1)再次向公共区域仲裁器(3)发出请求进入公共作业区域(2)的请求进入信号并进入等待公共区域仲裁器(3)回复的等待回复状态，直至公共区域仲裁器(3)向所述数控作业单元(1)回复允许进入信号，所述数控作业单元(1)接收允许进入信号后进入公共作业区域(2)、公共区域仲裁器(3)记录公共作业区域(2)当前被所述数控作业单元(1)占用；
所述数控作业单元(1)在离开公共作业区域(2)之前，首先向公共区域仲裁器(3)发出请求离开公共作业区域(2)的请求离开信号并进入等待公共区域仲裁器(3)回复的等待回复状态，直至公共区域仲裁器(3)向所述数控作业单元(1)回复允许离开信号，所述数控作业单元(1)接收允许离开信号后离开公共作业区域(2)、公共区域仲裁器(3)记录公共作业区域(2)当前处于未占用状态。
2.根据权利要求1所述的多数控作业单元安全规避系统，其特征在于，当多个数控作业单元(1)同时向公共区域仲裁器(3)发出请求进入公共作业区域(2)的请求进入信号时，首先被公共区域仲裁器(3)监测到的数控作业单元(1)先获得公共区域仲裁器(3)的回复。
3.根据权利要求1所述的多数控作业单元安全规避系统，其特征在于，公共区域仲裁器(3)与对应的数控作业单元(1)之间的通信连接方式为直接信号连接、现场总线连接或者工业以太网连接。
4.根据权利要求1所述的多数控作业单元安全规避系统，其特征在于，
公共作业区域(2)为多个；
公共区域仲裁器(3)与公共作业区域(2)在数量上一致，各公共区域仲裁器(3)通信连接共用同一个公共作业区域(2)的所有数控作业单元(1)，以监测并记录对应的公共作业区域(2)的占用状态。
5.根据权利要求1所述的多数控作业单元安全规避系统，其特征在于，
各数控作业单元(1)包括控制系统和执行作业部分；
公共区域仲裁器(3)设置在数控作业单元(1)的控制系统中；或者，公共区域仲裁器(3)为独立的控制器。
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