DE102015113696B4

DE102015113696B4 - E/A-Steuersystem

Info

Publication number: DE102015113696B4
Application number: DE102015113696.1A
Authority: DE
Inventors: Yoshiyuki Kubo; Kenichiro KURIHARA
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2022-03-03
Anticipated expiration: 2035-08-20
Also published as: CN105388849B; DE102015113696A1; US9886025B2; CN105388849A; US20160062342A1; JP2016045879A; JP5905545B2

Abstract

E/A-Steuersystem, umfassend:wenigstens einen Motor (22), der sich bewegende Teile einer Maschine, die eine periphere Vorrichtung umfasst, antreibt;wenigstens einen Verstärker (21), der den Motor (22) antreibt;eine numerische Steuereinheit (10), die dem Verstärker (21) Befehle zur Steuerung des Motors (22) erteilt;eine E/A-Steuereinheit (30), die an die periphere Vorrichtung angeschlossen ist; undKommunikationsleitungen (20), an die die numerische Steuereinheit (10), der Verstärker (21) und die E/A-Steuereinheit (30) angeschlossen sind,wobei die E/A-Steuereinheit (30) Folgendes umfasst:eine Kommunikationsschnittstelle (32) zur Durchführung einer Kommunikation über die Kommunikationsleitungen (20),eine E/A-Schnittstelle (43), die die Eingabe und Ausgabe von Signalen in die und von der peripheren Vorrichtung durchführt, undeine arithmetische Verarbeitungseinheit (35), die auf Basis von Servosteuerinformationen, die über die Kommunikationsschnittstelle (32) erhalten werden, und Eingabedaten, die über die E/A-Schnittstelle (43) von der peripheren Vorrichtung erhalten werden, Steuerinformationen zur Steuerung der peripheren Vorrichtung erzeugt und die erzeugten Steuerinformationen über die E/A-Schnittstelle (43) an die periphere Vorrichtung ausgibt, undeinen Zeitgeber (42), auf den sich die arithmetische Verarbeitungseinheit (35) beziehen kann, wobeidie E/A-Steuereinheit (30) dazu ausgebildet ist, die Steuerinformationen mit einer Zeitauflösung, die kürzer als ein Steuerzyklus für die Kommunikation über die Kommunikationsleitungen (20) ist, an die E/A-Schnittstelle (43) auszugeben,wobei die numerische Steuereinheit (10) einen weiteren Prozessor (12) umfasst, der sich von der arithmetischen Verarbeitungseinheit (35) der E/A-Steuereinheit (30) unterscheidet.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein E/A-Steuersystem, das eine numerische Steuereinheit umfasst, die eine Maschine wie eine Werkzeugmaschine, einen Roboter, eine Pressmaschine, eine Spritzgussmaschine, eine elektrische Erodiermaschine und eine Laserstrahlmaschine, wodurch Werkstücke bearbeitet werden, und Verstärker, Motoren und eine E/A-Steuereinheit, die durch Verbindungsleitungen an die numerisch Steuereinheit angeschlossen sind, steuert.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Bei einer Maschine wie etwa einer Werkzeugmaschine ist eine numerische Steuereinheit gewöhnlich unter Verwendung gesonderter Schnittstellen an Motorantriebsteile und an Eingabe-Ausgabe-Teile einer peripheren Vorrichtung angeschlossen. Die numerische Steuereinheit steuert die Achsen, indem sie Bewegungsbefehle an Verstärker der Motorantriebsteile sendet und dadurch Motoren mit einem vorherbestimmten Zyklus gemäß gegebenen Bearbeitungsprogrammen steuert. Die numerische Steuereinheit führt auch eine Steuerung der Ausgabe für die periphere Vorrichtung gemäß gegebenen Programmen aus.
Gewöhnlich bestehen jedoch Unterschiede im Datenübertragungszyklus, der Datenübertragungsrate und/oder dergleichen zwischen der Schnittstelle, die an die Verstärker angeschlossen ist, und der Schnittstelle, die an die periphere Vorrichtung angeschlossen ist, und wird dadurch eine mit der Datenübertragung verbundene Zeitverzögerung verursacht. Die mit der Datenübertragung verbundene Zeitverzögerung kann ein Faktor sein, der die Steuergenauigkeit für die periphere Vorrichtung verschlechtert.
Beispielsweise wird bei Laserstrahlbearbeitungssystemen als Ausgangssteuerung der peripheren Vorrichtung eine Steuerung der Ausgabebedingungen wie etwa der Emission, des Anhaltens, der Spitzenleistung, der Frequenz und dergleichen eines Laserstrahls verlangt. Unter der Bedingung der Bearbeitungsgeschwindigkeit bei einem herkömmlichen Laserstrahlbearbeitungssystem ist eine Verschlechterung der Genauigkeit aufgrund der mit der Datenübertragung verbundenen Zeitverzögerung nicht allzu problematisch. Doch mit der Zunahme der Laserbearbeitungsgeschwindigkeit in den letzten Jahren wurden Probleme infolge der Verschlechterung der Genauigkeit offensichtlich und wurde eine Synchronisation zwischen der Steuerung der Servomotoren und der Steuerung der peripheren Vorrichtung verlangt.
JP 2006-247745 A offenbart eine Technik, die die Verschlechterung der Genauigkeit der Steuerung der peripheren Vorrichtung infolge der mit der Datenübertragung verbundenen Zeitverzögerung beseitigt, indem die Motorantriebsteile und die periphere Vorrichtung unter Verwendung von gemeinsamen Kommunikationsleitungen an eine numerische Steuereinheit angeschlossen werden und ihre jeweiligen Schnittstellen standardisiert werden.
Für die Steuerung der peripheren Vorrichtung in einer Maschine wie etwa einer Werkzeugmaschine wird eine Kommunikation mit einem Kommunikationszyklus in der Größenordnung von 1 Millisekunde verwendet. Andererseits werden die Servomotoren, von denen eine hohe Genauigkeit und ein Ansprechen mit einer entsprechend höheren Geschwindigkeit verlangt wird, durch eine Kommunikation in der Größenordnung von 125 Mikrosekunden bis 1 Millisekunde gesteuert. Für die oben beschriebene Laserbearbeitungsmaschine ist jedoch der Wunsch nach einer Steuerung mit einer noch höheren Geschwindigkeit und mit einer noch höheren Genauigkeit entstanden.
Die oben genannte JP 2006-247745 A offenbart eine Technik, wodurch die Schnittstellen und die Kommunikationsleitungen im Hinblick auf die Kommunikation, die für die Steuerung der Ausgabe einer peripheren Vorrichtung wie etwa eines Laseroszillators verwendet wird, und die Kommunikation, die für die Steuerung der Servomotoren verwendet wird, standardisiert werden. Dadurch wird die Steuerung der Ausgabe des Laseroszillators beschleunigt, indem sie mit den Servomotoren synchronisiert wird, wodurch die Probleme gelöst werden. In dem Patentdokument wird jedoch nicht erwähnt, dass Informationen von Sensoren, die an die periphere Vorrichtung und dergleichen angeschlossen sind, bei der Steuerung als Eingabe widergespiegelt werden.
Als Mittel, um die Sensorinformationen, die von der peripheren Vorrichtung und dergleichen erlangt werden, bei der Steuerung als Eingabe widerzuspiegeln, ist es vorstellbar, dass die Sensorinformationen von der peripheren Vorrichtung durch die Kommunikationsleitungen zu der Seite der numerischen Steuereinheit übertragen werden. Sofern von der peripheren Vorrichtung jedoch eine große Anzahl von Arten von Sensorinformationen erlangt wird, kann man sich denken, dass eine Zunahme des Verhältnisses der Sensorinformationen in der Kommunikation einen Druck auf ein Kommunikationsband verursacht. Man kann sich auch denken, dass eine Zunahme der Belastung eines Prozessors auf Seiten der numerischen Steuereinheit zur Verarbeitung der Sensorinformationen die normale Steuerung der Motoren beeinträchtigen kann. Darüber hinaus ist es schwierig, die Ausgabe mit einer Zeitauflösung zu steuern, die kürzer als der Kommunikationszyklus der Kommunikationsleitungen ist, da die Sensorinformationen, die von der peripheren Vorrichtung erlangt werden, über die Kommunikationsleitungen zu dem Prozessor, der die Steuerung im Inneren der numerischen Steuereinheit verarbeitet, übertragen werden, darin verarbeitet werden, und danach zu dem Ausgabeteil der peripheren Vorrichtung übertragen werden.
Aus DE 10 2013 012 790 A1 ist ein Multicore-Prozessor bekannt, der eine Kommunikation über einen internen Bus und über einen seriellen Hochgeschwindigkeitsbus durchführt, welcher zwischen dem Multicore-Prozessor und der integrierten Peripheriesteuerungs-LSI angeschlossen ist. Dabei ist der serielle Hochgeschwindigkeitsbus vorgesehen, um eine effiziente Kommunikation zwischen dem Multicore-Prozessor und einer Anzahl von peripheren Steuer-LSIs zu ermöglichen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Steuersystem bereitzustellen, das mit Motorantriebsteilen einer Maschine synchronisiert ist, das eine einfache Erhöhung der Anzahl der Arten von Sensorinformationen, die von einer peripheren Vorrichtung erlangt werden, gestattet, ohne den Prozessor einer numerischen Steuereinheit übermäßig zu belasten, und das in der Lage ist, die Ausgabe an die periphere Vorrichtung mit einer höheren Genauigkeit zu steuern. Diese Aufgabe wird durch ein E/A-Steuersystem gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein E/A-Steuersystem nach der Erfindung umfasst wenigstens einen Motor, der sich bewegende Teile einer Maschine, die eine periphere Vorrichtung umfasst, antreibt, wenigstens einen Verstärker, der den Motor antreibt, eine numerische Steuereinheit, die dem Verstärker Befehle zur Steuerung des Motors erteilt, eine E/A-Steuereinheit, die an die periphere Vorrichtung angeschlossen ist, und Kommunikationsleitungen, an die die numerische Steuereinheit, der Verstärker und die E/A-Steuereinheit angeschlossen sind. Die E/A-Steuereinheit, die das E/A-Steuersystem bildet, umfasst eine Kommunikationsschnittstelle zur Durchführung einer Kommunikation über die Kommunikationsleitungen, eine E/A-Schnittstelle, die die Eingabe und Ausgabe von Signalen in die und von der peripheren Vorrichtung durchführt, und eine arithmetische Verarbeitungseinheit, die auf Basis von Servosteuerinformationen, die durch die Kommunikationsschnittstelle erhalten werden, und Eingabedaten, die durch die E/A-Schnittstelle von der peripheren Vorrichtung erhalten werden, Steuerinformationen zur Steuerung der peripheren Vorrichtung erzeugt und die erzeugten Steuerinformationen über die E/A-Schnittstelle an die periphere Vorrichtung ausgibt.
Bei dem E/A-Steuersystem nach der Erfindung werden die Servosteuerinformationen und die Eingabedaten von der E/A-Schnittstelle ohne Einschaltung eines Prozessors der numerischen Steuereinheit durch die arithmetische Verarbeitungseinheit, die in die E/A-Steuereinheit eingebaut ist, verarbeitet, weshalb die Ausgabesteuerung der peripheren Vorrichtung gemäß Informationen von Sensoren, die an die periphere Vorrichtung angeschlossen sind, ohne wesentliche Zunahme der Belastung des Prozessors der numerischen Steuereinheit in Synchronisation mit dem Motor durchgeführt werden kann.
Die Servosteuerinformationen können Informationen hinsichtlich wenigstens eines aus einer Position, einer Geschwindigkeit und einer Beschleunigung zur Steuerung des Motors sein. Nach diesem Gesichtspunkt kann eine Steuerung der peripheren Vorrichtung gemäß den Informationen hinsichtlich der Position, der Geschwindigkeit oder der Beschleunigung zur Steuerung des Motors durchgeführt werden.
Die arithmetische Verarbeitungseinheit kann eine programmierbare Steuereinheit sein, die die Servosteuerinformationen und die Eingabedaten gemäß Ablaufprogrammen verarbeitet. Nach diesem Gesichtspunkt kann das Ansprechen auf Eingaben und Ausgaben bei der Ausgabesteuerung der peripheren Vorrichtung leicht modifiziert werden.
Die E/A-Steuereinheit umfasst einen Zeitgeber, auf den sich die arithmetischen Verarbeitungseinheit beziehen kann, und ist dazu ausgebildet, die Steuerinformationen an die E/A-Schnittstelle mit einer Zeitauflösung auszugeben, die kürzer als ein Steuerzyklus für die Kommunikation über die Kommunikationsleitungen ist. Nach diesem Gesichtspunkt ist es aufgrund der Bereitstellung eines Zeitgebers, auf den sich die arithmetische Verarbeitungseinheit beziehen kann, in der E/A-Steuereinheit möglich, Ausgabedaten nur im Inneren der E/A-Steuereinheit auf Basis der Informationen von den Sensoren, die an die periphere Vorrichtung angeschlossen sind, zu interpolieren, und wird es als Ergebnis möglich, die Ausgabe an die periphere Vorrichtung unabhängig von einem Kommunikationszyklus über Übertragungspfade bei einer hohen Geschwindigkeit mit einer hohen Genauigkeit durchzuführen.
Die periphere Vorrichtung kann ein Laseroszillator sein, und die Steuerinformationen, die von der E/A-Schnittstelle ausgegeben werden, können Informationen zur Steuerung wenigstens eines aus einem Hilfsgasdruck, einer Laserleistung und einer Brennpunktposition einer Linse des Laseroszillators sein. Nach diesem Gesichtspunkt können die Laserleistung, der Hilfsgasdruck und der Brennpunkt der Linse des Laseroszillators in einem Laserstrahlbearbeitungssystem bei einer hohen Geschwindigkeit mit einer hohen Genauigkeit gesteuert werden.
Die periphere Vorrichtung kann ein Laseroszillator sein, und die Eingabedaten, die von der E/A-Schnittstelle erhalten werden, können Rückmeldeinformationen von den in dem Laseroszillator angebrachten Sensoren sein. Nach diesem Gesichtspunkt können die Ausgabebedingungen des Laseroszillators bei einer hohen Geschwindigkeit mit einer hohen Genauigkeit auf Basis der Informationen von den Sensoren, die an den Laseroszillator in der Laserstrahlbearbeitungsmaschine angeschlossen sind, gesteuert werden.
Die E/A-Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, über die Kommunikationsleitungen wenigstens eine Information auszugeben, die in Informationen, über welche die E/A-Steuereinheit verfügt, enthalten ist. Nach diesem Gesichtspunkt können die Steuerinformationen, die durch die E/A-Steuereinheit erzeugt werden, durch die numerische Steuereinheit erhalten werden.
Die Erfindung stellt das E/A-Steuersystem bereit, das mit Motorantriebsteilen der Maschine synchronisiert ist, das eine einfache Erhöhung der Anzahl der Arten von Sensorinformationen, die von der peripheren Vorrichtung erlangt werden, gestattet, ohne den Prozessor der numerischen Steuereinheit übermäßig zu belasten, und das in der Lage ist, die Ausgabe an die periphere Vorrichtung mit einer höheren Genauigkeit zu steuern.
Figurenliste
Die oben angeführten und andere Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen offensichtlich werden, wobei

1 ein Diagramm ist, das ein Beispiel eines Basisaufbaus eines E/A-Steuersystems nach der Erfindung veranschaulicht;
2 ein Blockdiagramm ist, das ein Beispiel für einen Basisaufbau einer E/A-Steuereinheit, die das E/A-Steuersystem von 1 bildet, veranschaulicht;
3 ein Diagramm ist, das ein E/A-Steuersystem veranschaulicht, welches eine numerische Steuereinheit und drei Servoachsen und eine Art von E/A-Steuereinheit, die an Kommunikationsleitungen angeschlossen sind, umfasst und Eingaben von Sensoren und Ausgaben an einen Laseroszillator steuert;
4 Diagramme sind, die einen Überblick über die Datenbelegung und die Verarbeitungszeit in einem Motorsteuerprozessor bei einem Aufbau veranschaulichen, bei dem Eingaben von der peripheren Vorrichtung durch eine Kommunikation über die Kommunikationsleitungen in dem E/A-Steuersystem (siehe 3) nach einer herkömmlichen Technik geliefert und erhalten werden;
5 Diagramme sind, die einen Überblick über die Datenbelegung und die Verarbeitungszeit in dem Motorsteuerprozessor bei einem Aufbau veranschaulichen, bei dem das in 3 veranschaulichte E/A-Steuersystem durch das E/A-Steuersystem der Erfindung ersetzt ist;
6 ein Diagramm ist, das ein Beispiel veranschaulicht, bei dem das E/A-Steuersystem der Erfindung auf die Laserstrahlbearbeitung angewendet wird, um die Wirkungen des E/A-Steuersystems der Erfindung zu beschreiben;
7 ein Diagramm ist, das ein Beispiel einer Laserstrahlbearbeitung veranschaulicht, bei der ein E/A-Steuersystem, das in einem Dokument des Stands der Technik offenbart ist, verwendet wird;
8 ein Diagramm ist, das ein Beispiel veranschaulicht, bei dem das E/A-Steuersystem der Erfindung auf die Laserstrahlbearbeitung angewendet wird, um zusätzliche Wirkungen des E/A-Steuersystems der Erfindung zu beschreiben; und
9 ein Diagramm ist, das Schwankungen der Laserleistung in Bezug auf Zyklen veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Beispiel für einen Basisaufbau eines E/A-Steuersystems nach der Erfindung beschrieben werden.
Das E/A-Steuersystem umfasst eine numerische Steuereinheit 10, wenigstens einen Verstärker 21 (bei dem Beispiel von 1 handelt es sich um einen Verstärker), der durch Kommunikationsleitungen 20 an die numerische Steuereinheit 10 angeschlossen ist, einen Motor 22 wie etwa einen Servomotor, der durch den Verstärker 21 angetrieben wird, und eine E/A-Steuereinheit 30. Die numerische Steuereinheit 10 umfasst einen Hauptprozessor 11, einen Motorsteuerprozessor 12, und eine Kommunikationsschnittstelle 13. Die E/A-Steuereinheit 30 umfasst ein Prozessorsystem (CPU) 31, eine Kommunikationsschnittstelle 32, und eine E/A-Schnittstelle 33.
Der Motorsteuerprozessor 12 berechnet in einem Geschwindigkeitssteuerzyklus eine Geschwindigkeit, mit der sich der Motor 22 dreht, gemäß einem Bewegungsbefehl für den Motor 22, der durch den Hauptprozessor 11 berechnet wurde, berechnet in jedem Stromsteuerzyklus ein Drehmoment, das für die Erreichung der berechneten Geschwindigkeit erforderlich ist, das heißt, einen Strombefehl, und berechnet eine Ein/Aus-Information für einen Transistor (nicht veranschaulicht) in dem Verstärker 21, der das Schalten eines Stroms zu dem Motor 22 steuert. Der Motorsteuerprozessor 12 sendet die berechnete Ein/Aus-Information über die Kommunikationsschnittstelle 13 zu dem Verstärker 21, der an die Kommunikationsleitungen 20 angeschlossen ist. Dann sendet der Verstärker 21 einen Strom auf Basis des Befehls zu dem Motor 22 und dreht er dadurch den Motor 22.
Die E/A-Steuereinheit 30 kann über die Kommunikationsleitungen 20 Servosteuerinformationen erlangen. Die Servosteuerinformationen umfassen einen Servobefehl, der von der numerischen Steuereinheit zu dem Verstärker übertragen wird, Informationen hinsichtlich der Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung, die als interne Informationen durch die numerische Steuereinheit gehalten werden, und Rückmeldeinformationen wie etwa Informationen bezüglich eines Codierers, der an den Motor angeschlossen ist, und Strominformationen. Auf Basis der Servosteuerinformationen, die durch die Kommunikationsleitungen 20 erlangt werden, und von Eingabedaten, die von der E/A-Schnittstelle 33 erlangt werden, führt die E/A-Steuereinheit eine Verarbeitung durch einen CPU-Kern 35, der in einen Prozessor 34 eingebaut ist, durch, erzeugt sie Steuerinformationen zur Steuerung einer peripheren Vorrichtung, die an die E/A-Steuereinheit 30 angeschlossen ist, und steuert sie Ausgabesignale, die nach außerhalb der E/A-Steuereinheit 30 ausgegeben werden sollen.
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für einen Basisaufbau der E/A-Steuereinheit, die das E/A-Steuersystem von 1 bildet, veranschaulicht.
Die E/A-Steuereinheit 30 umfasst einen Steckverbinder 50 zum Anschluss an die Hochgeschwindigkeitskommunikationsleitungen 20, an die der Verstärker 21 angeschlossen ist. Signale, die durch den Steckverbinder 50 gesendet und empfangen werden, werden durch den Prozessor 34 über die Kommunikationsschnittstelle 32 gesendet und empfangen. Die Kommunikationsschnittstelle 32 führt eine Signalumwandlung zwischen den Kommunikationsleitungen 20 (1), an die der Verstärker 21 angeschlossen ist, und einer seriellen Busschnittstelle 36, die der Prozessor 34 aufweist, durch. Für die Kommunikationsleitungen 20 kann eine optische Kommunikation verwendet werden. Durch Verwenden einer optischen Kommunikation kann der Einfluss von Störungen wie etwa eines Rauschens verringert werden.
Der Prozessor 34 umfasst den CPU-Kern 35, der die Verarbeitung gemäß Programmen, die in einem CPU-Speicher (zum Beispiel einem ROM) gespeichert sind, durchführt, die serielle Busschnittstelle 36, die eine serielle Kommunikation mit der Außenseite durchführt, eine Allzweck-Feldbusschnittstelle 41, eine Schnittstelle 37 für einen externen Speicher, die eine Schnittstelle mit externen Speichern, welche aus dem ROM 38, einem RAM 39 und dergleichen bestehen, bereitstellt, eine Allzweck-E/A-Schnittstelle 43, die eine Schnittstelle für digitale/analoge E/A-Informationen zu der peripheren Vorrichtung wie etwa einem Laserstrahloszillator bereitstellt, wenigstens einen Zeitgeber 42, und eine DMA-Steuereinheit 40, die die Datenübertragung unter diesen Elementen durchführt.
Die Allzweck-Feldbusschnittstelle 41 führt die Kommunikation unter Verwendung eines Protokolls für Allzweck-Feldbusse wie etwa DeviceNet, EtherNet/IP, und EtherCAT durch. Untergeordnete Einheiten, die mit dem Allzweck-Feldbus kompatibel sind, sind an die Allzweck-Feldbusschnittstelle 41 angeschlossen. Als untergeordnete Einheiten sind digitale Eingabe-Ausgabe-Einheiten, analoge Eingabe-Ausgabe-Einheiten, und/oder dergleichen angeschlossen. Diese Elemente sind durch einen Hochgeschwindigkeitsbus 44 im Inneren des Prozessors 34 miteinander verbunden.
Programme, die der CPU-Kern 35 ausführt, sind in dem ROM 38 gespeichert, und Daten, die vorübergehend gespeichert werden sollen, sind in dem RAM 39 gespeichert. Der ROM 38 und der RAM 39 können außerhalb des Prozessors 34 bereitgestellt sein oder im Inneren des Prozessors 34 bereitgestellt sein. Der Zeitgeber 42 kann im Inneren des Prozessors 34 bereitgestellt sein, oder an einer Stelle bereitgestellt sein, die außerhalb des Prozessors 34 gelegen ist und auf die von dem Prozessor 34 Bezug genommen werden kann.
Der Prozessor 34 tauscht Eingabe-Ausgabe-Daten über die Allzweck-Feldbusschnittstelle 41 und die Allzweck-E/A-Schnittstelle 43 mit externen Vorrichtungen, der peripheren Vorrichtung (nicht veranschaulicht) und dergleichen aus. Für Eingabe-Ausgabe-Signale der Allzweck-E/A-Schnittstelle 43 des Prozessors 34 wird eine Signalumwandlung für die periphere Vorrichtung durch einen Treiber 45, einen Empfänger 46 und dergleichen durchgeführt, da ein Strom und eine Spannung, die behandelt werden sollen, äußerst niedrig sind. Für die Eingabe und die Ausgabe von analogen Signalen in die und aus der peripheren Vorrichtung kann ein A/D-Wandler 47 oder ein D/A-Wandler 48 bereitgestellt sein.
Die Servosteuerinformationen, die über den Steckverbinder 50 von den Kommunikationsleitungen 20 erlangt werden, werden über die Kommunikationsschnittstelle 32, die serielle Busschnittstelle 36 und die Schnittstelle 37 für den externen Speicher in dem RAM 39 gespeichert. Informationen, die über die Allzweck-Feldbusschnittstelle 41 an die externen Vorrichtungen geliefert und von diesen erhalten werden, werden in einem Puffer (nicht veranschaulicht) in der Allzweck-Feldbusschnittstelle 41 gespeichert. Die Datenübertragung zwischen dem Puffer in der Allzweck-Feldbusschnittstelle 41 und dem RAM 39 wird durch die DMA-Steuereinheit 40 durchgeführt.
Der CPU-Kern 35 verarbeitet die Servosteuerinformationen, die in dem RAM 39 gespeichert sind, und die Eingabedaten, die von der peripheren Vorrichtung über die Allzweck-E/A-Schnittstelle 43 erhalten werden, erzeugt auf Basis der verarbeiteten Informationen die Steuerinformationen für die Steuerung der peripheren Vorrichtung, und gibt die erzeugten Steuerinformationen über die Allzweck-E/A-Schnittstelle 43 an die periphere Vorrichtung aus. Hier kann die Ausgabe mittels einer Unterbrechung durch den Zeitgeber 42 mit einer feinen Zeitauflösung gesteuert werden. Die erzeugten Steuerinformationen können über die Allzweck-Feldbusschnittstelle 41 an externe Vorrichtungen wie etwa einen Personalcomputer, der an einen Steckverbinder 51 angeschlossen ist, ausgegeben werden.
Anschließend werden die Wirkungen der Erfindung ausführlich beschrieben werden. 3 veranschaulicht ein E/A-Steuersystem, das die numerische Steuereinheit 10 und drei Servoachsen und eine Art von E/A-Steuereinheit 30, die an die Kommunikationsleitungen 20 angeschlossen sind, umfasst, und das die Eingabe von einem Sensor 64 und die Ausgabe an einen Laseroszillator 63 steuert. Die drei Servoachsen sind aus einem ersten Verstärker 21₁ und einem ersten Motor 22₁, einem zweiten Verstärker 21₂ und einem zweiten Motor 22₂, und einem dritten Verstärker 21₃ und einem dritten Motor 22₃ gebildet.
Bei 4 handelt es sich um Diagramme, die einen Überblick über die Datenbelegung und die Verarbeitungszeit in dem Motorsteuerprozessor 12 bei einem Aufbau geben, bei dem die Eingabe von einer peripheren Vorrichtung durch eine Kommunikation über die Kommunikationsleitungen 20 in dem E/A-Steuersystem (siehe 3) nach einer herkömmlichen Technik geliefert und erhalten wird. In 4 veranschaulicht der Teil (a) die stromaufwärts gerichtete Kommunikation, der Teil (b) die stromabwärts gerichtete Kommunikation, und der Teil (c) die Verarbeitungszeit in dem Motorsteuerprozessor.
Nun werden die Informationen, die durch die numerische Steuereinheit 10 von 3 erhalten werden, betrachtet werden.
Die Informationen, die durch die numerische Steuereinheit 10 erhalten werden, umfassen neben den Servosteuerinformationen Eingabedaten von Sensoren und/oder dergleichen von der peripheren Vorrichtung (siehe Teil (a) in 4). Mit der Zunahme der Anzahl der Sensoren und/oder dergleichen neigt eine Bandbreite, die durch die Eingabedaten von den Sensoren belegt wird, zur Zunahme. Angesichts der in den letzten Jahren bestehenden Tendenz, dass eine Bearbeitung mit hoher Genauigkeit verlangt wird, wird eine Zunahme der Anzahl der Arten und dergleichen der erforderlichen Sensoren erwartet, und kann daher die Zunahme der durch die Eingabedaten belegten Bandbreite ein Problem bei der Kommunikation verursachen.
Anschließend wird die Ausgabe von der numerischen Steuereinheit 10 an die Kommunikationsleitungen 20 betrachtet werden.
Was die Ausgabesignale von der numerischen Steuereinheit 10 betrifft, wird neben Servobefehlen für die Achsen eine Ausgabe an die periphere Vorrichtung übertragen (siehe Teil (b) in 4). So wie bei der Eingabe wird auch bei der Ausgabe für die in den letzten Jahren verlangte Bearbeitung mit einer hohen Genauigkeit eine Steuerung von verschiedenen Arten von Ausgaben verlangt, und ist daher vorstellbar, dass dadurch auch das Kommunikationsband an der Ausgabeseite in Bedrängnis gebracht wird.
Anschließend werden die Belastungen des Motorsteuerprozessors in der numerischen Steuereinheit 10 betrachtet werden.
Bei der herkömmlichen Technik wird neben der Standardisierung ihrer Schnittstellen für die Motorsteuerung und die Steuerung der peripheren Vorrichtung ein gemeinsamer Prozessor für die Kommunikation verwendet, und wird die Steuerung durch den Motorsteuerprozessor 12 durchgeführt. Mit der Beschleunigung der Steuerung der peripheren Vorrichtungen und der Zunahme der Anzahl der Arten von Eingaben und Ausgaben, die gesteuert werden sollen, nimmt jedoch die Belegung der Verarbeitungszeit für die Steuerung der peripheren Vorrichtungen zu (siehe Teil (c) in 4).
Unter Bezugnahme auf 5 werden die Wirkungen der Erfindung gegenüber der obigen herkömmlichen Technik, die in 4 veranschaulicht ist, beschrieben werden.
Bei 5 handelt es sich um Diagramme, die einen Überblick über die Datenbelegung und die Verarbeitungszeit in dem Motorsteuerprozessor bei einem Aufbau geben, bei dem das in 3 veranschaulichte E/A-Steuersystem durch das E/A-Steuersystem (einschließlich der E/A-Steuereinheit 30) der Erfindung ersetzt ist. In 5 veranschaulicht der Teil (a) die stromaufwärts gerichtete Kommunikation, der Teil (b) die stromabwärts gerichtete Kommunikation, und der Teil (c) die Verarbeitungszeit in dem Motorsteuerprozessor.
Die Daten, die von der numerischen Steuereinheit 10 von 3 erhalten werden, bestehen aus Rückmeldedaten von den Achsen und Informationsanforderungen an die numerische Steuereinheit 10. Die Daten, die von der numerischen Steuereinheit 10 gesendet werden, bestehen aus den Servobefehlen für die Achsen und Antwortdaten auf die Informationsanforderungen an die numerische Steuereinheit 10.
Die E/A-Steuereinheit 30 kann die Servosteuerinformationen von der numerischen Steuereinheit 10 erlangen, indem sie eine Informationsanforderung an die numerische Steuereinheit 10 sendet, um die numerische Steuereinheit 10 dazu zu bringen, die Servosteuerinformationen zu senden. Was die Informationsanforderung (Anforderung der Servosteuerinformationen oder dergleichen) an die numerische Steuereinheit 10, die Servosteuerinformationen, die von der numerischen Steuereinheit 10 gesendet werden, und dergleichen betrifft, verändert sich die Menge der Daten nicht in Abhängigkeit von den Informationen von dem Sensor 64 und dergleichen, so dass sie kein Hindernis für die Zunahme der Anzahl der Arten des Sensors 64 darstellen.
In der E/A-Steuereinheit 30 der Erfindung wird die Ausgabe an die periphere Vorrichtung im Gegensatz zu der herkömmlichen Technik durch den Prozessor 34 (siehe 2), der in die E/A-Steuereinheit 30 eingebaut ist, verarbeitet. Daher wird eine Zunahme der Belastung im Hinblick auf die Verarbeitung in dem Motorsteuerprozessor 12 eingedämmt. Die Ausgabe (Steuerinformationen für die Steuerung der peripheren Vorrichtung) können durch eine Unterbrechungsverarbeitung unter Einsatz des Zeitgebers 42, der im Inneren des Prozessors 34 bereitgestellt ist, mit einer Zeitauflösung gesteuert werden, die feiner als ein Kommunikationszyklus der Kommunikationsleitungen 20 ist.
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel veranschaulicht, bei dem das E/A-Steuersystem der Erfindung auf eine Laserstrahlbearbeitung angewendet wird, um die Wirkungen des E/A-Steuersystems der Erfindung zu beschreiben.
Eine Laserstrahlmaschine (nicht veranschaulicht) umfasst einen Tisch (nicht veranschaulicht), der ein Werkstück 61 trägt, eine Bearbeitungsdüse 60, die das Werkstück 61 mit einem Laserstrahl bestrahlt, und Servomotoren (nicht veranschaulicht), die den Tisch und die Bearbeitungsdüse 60 antreiben. In jedem der Servomotoren ist ein Positions/Geschwindigkeitsdetektor, der eine Position und eine Geschwindigkeit detektiert, bereitgestellt. Informationen hinsichtlich der Position und der Geschwindigkeit, die durch den Positions/Geschwindigkeitsdetektor detektiert werden, werden an einen Verstärker (nicht veranschaulicht), der die Servomotoren antreibt, zurückgemeldet. Die Informationen hinsichtlich der Position und der Geschwindigkeit, die an den Verstärker zurückgemeldet werden, werden von dem Verstärker an die numerische Steuerung ausgegeben. Die numerische Steuerung erzeugt auf Basis eines Bewegungsbefehls, der durch die numerische Steuerung erzeugt wird, und der Rückmeldeinformationen einen Servobefehl zum Antrieb des Motors.
Wie in 6 veranschaulicht bewegt sich die Bearbeitungsdüse 60, die einen Laserstrahl ausstrahlt, mit einer festen Geschwindigkeit in einer Richtung entlang einer Oberfläche des Werkstücks 61 und nimmt sie durch eine Regulierung der Leistung des Laserstrahls die Bearbeitung vor. Die Bearbeitung zu einem Schlitz wird durchgeführt, indem die Leistung des Laserstrahls bis zu einem Punkt A ausgeschaltet wird, von dem Punkt A bis zu einem Punkt B eingeschaltet wird, und nach dem Punkt B ausgeschaltet wird.
7 veranschaulicht ein Beispiel für eine Laserstrahlbearbeitung, bei der das E/A-Steuersystem, das in der oben beschriebenen JP 2006-247745 A offenbart ist, verwendet wird.
Bei dieser öffentlich bekannten Technik wird das Timing (T in 7) des Ein/Ausschaltens der Laserleistung in serielle Daten, Timingdaten, integriert, wodurch eine Bearbeitung mit einer Zeitauflösung möglich ist, die kürzer als ein bestimmter Zyklus ist.
Im Gegensatz dazu ist es bei der Erfindung nicht nötig, Informationen (das in 7 veranschaulichte T) durch die Kommunikationsleitungen 20 zu übertragen und kann das Timing des Ein/Ausschaltens der Leistung auf Basis der Servosteuerinformationen durch eine Verarbeitung mittels des Prozessors (der CPU) 34, der in die E/A-Steuereinheit 30 eingebaut ist, gesteuert werden.
8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel veranschaulicht, bei dem das E/A-Steuersystem der Erfindung auf die Laserstrahlbearbeitung angewendet wird, um zusätzliche Wirkungen des E/A-Steuersystems der Erfindung zu beschreiben.
Die Bewegung der Bearbeitungsdüse 60 wird auf Basis einer Steuerung der Servoachsen durchgeführt. Im Allgemeinen kann eine genaue Bahn durch eine Steuerung erlangt werden, die die Servogeschwindigkeit an einem Punkt C, an dem eine Fortbewegungsrichtung (Düsenfortbewegungsrichtung 62) der Bearbeitungsdüse 60 umgeschaltet wird, verringert. Angesichts der Leistungsstärke eines Laserstrahls verlangt eine Verringerung der Geschwindigkeit der Bearbeitungsdüse eine Regulierung der Leistungsstärke des Laserstrahls gemäß der Abnahme der Geschwindigkeit.
Beispielsweise ist 9 ein Diagramm, das die Steuerung der Leistung, die der Abnahme der Geschwindigkeit der Bearbeitungsdüse an einer solchen, wie oben beschriebenen Ecke entspricht, veranschaulicht. Bei dem Aufbau der herkömmlichen Technik könnte das Erlangen eines wie in 9 veranschaulichten sanften Ansprechens eine analoge Steuerung der Laserleistung bei einer äußerst großen Anzahl von Zeitpunkten und die Übertragung von Multibit-Daten erfordern, und ist es daher hinsichtlich des Kommunikationsbands schwer zu erreichen.
Bei der Erfindung, bei der die Leistung auf Basis der Servoinformationen durch die CPU (das Prozessorsystem 31), die in die E/A-Steuereinheit 30 eingebaut ist, gesteuert wird, kann die Leistung wie in 9 veranschaulicht in Synchronisation mit dem Servo viel sanfter gesteuert werden, und kann eine Bearbeitung mit einer höheren Geschwindigkeit und einer höheren Genauigkeit als bei der herkömmlichen Technik erreicht werden.
Bei der Laserstrahlbearbeitung wird ferner verlangt, reflektierte Strahlen durch Sensoren zu empfangen und die Leistung eines Laserstrahls auf Basis der erlangten Informationen zu steuern. Als Beispiel wird ein E/A-Steuersystem mit einem wie in 3 veranschaulichten Aufbau betrachtet werden.
Bei einer wie in der oben beschriebenen JP 2006-247745 A offenbarten herkömmlichen Technik werden die Informationen, die von den Sensoren erlangt werden, über die Kommunikationsleitungen zu dem Motorsteuerprozessor, der in die numerische Steuereinheit eingebaut ist, übertragen und nach dem Abschluss der Datenverarbeitung über die Kommunikationsleitungen an den Laseroszillator ausgegeben. Da die Informationen auf einer Kommunikationsleitung hin und her laufen müssen, ist es jedoch schwierig, die Leistung des Laseroszillators mit einer Zeitauflösung zu steuern, die kürzer als der Kommunikationszyklus der Kommunikationsleitung ist.
Bei dem Aufbau nach der Erfindung werden die Eingabedaten von dem Sensor 64 wie in 3 veranschaulicht durch den Prozessor, der in die E/A-Steuereinheit 30 eingebaut ist, verarbeitet, ohne dass die Kommunikationsleitungen 20 dazwischen liegen, und werden sie als Ausgabe gesteuert. Daher werden eine von dem Kommunikationszyklus der Kommunikationsleitungen 20 unabhängige Verarbeitung und eine Antwort mit einer höheren Geschwindigkeit ermöglicht. Es wird angenommen, dass folglich die Genauigkeit der bearbeiteten Oberflächen bei der Laserstrahlbearbeitung verbessert werden kann. Die Erfindung ist nicht auf Laserstrahlmaschinen beschränkt, sondern kann auf Maschinen, die periphere Vorrichtungen umfassen, wie Werkzeugmaschinen, Roboter, Pressmaschinen, Spritzgussmaschinen und elektrische Erodiermaschinen, wodurch Werkstücke bearbeitet werden, angewendet werden.

Claims

E/A-Steuersystem, umfassend: wenigstens einen Motor (22), der sich bewegende Teile einer Maschine, die eine periphere Vorrichtung umfasst, antreibt; wenigstens einen Verstärker (21), der den Motor (22) antreibt; eine numerische Steuereinheit (10), die dem Verstärker (21) Befehle zur Steuerung des Motors (22) erteilt; eine E/A-Steuereinheit (30), die an die periphere Vorrichtung angeschlossen ist; und Kommunikationsleitungen (20), an die die numerische Steuereinheit (10), der Verstärker (21) und die E/A-Steuereinheit (30) angeschlossen sind, wobei die E/A-Steuereinheit (30) Folgendes umfasst: eine Kommunikationsschnittstelle (32) zur Durchführung einer Kommunikation über die Kommunikationsleitungen (20), eine E/A-Schnittstelle (43), die die Eingabe und Ausgabe von Signalen in die und von der peripheren Vorrichtung durchführt, und eine arithmetische Verarbeitungseinheit (35), die auf Basis von Servosteuerinformationen, die über die Kommunikationsschnittstelle (32) erhalten werden, und Eingabedaten, die über die E/A-Schnittstelle (43) von der peripheren Vorrichtung erhalten werden, Steuerinformationen zur Steuerung der peripheren Vorrichtung erzeugt und die erzeugten Steuerinformationen über die E/A-Schnittstelle (43) an die periphere Vorrichtung ausgibt, und einen Zeitgeber (42), auf den sich die arithmetische Verarbeitungseinheit (35) beziehen kann, wobei die E/A-Steuereinheit (30) dazu ausgebildet ist, die Steuerinformationen mit einer Zeitauflösung, die kürzer als ein Steuerzyklus für die Kommunikation über die Kommunikationsleitungen (20) ist, an die E/A-Schnittstelle (43) auszugeben, wobei die numerische Steuereinheit (10) einen weiteren Prozessor (12) umfasst, der sich von der arithmetischen Verarbeitungseinheit (35) der E/A-Steuereinheit (30) unterscheidet.
E/A-Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die Servosteuerinformationen Informationen hinsichtlich wenigstens eines aus einer Position, einer Geschwindigkeit und einer Beschleunigung zur Steuerung des Motors (22) sind.
E/A-Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die periphere Vorrichtung ein Laseroszillator (63) ist, und die Steuerinformationen, die von der E/A-Schnittstelle (43) ausgegeben werden, Informationen zur Steuerung wenigstens eines aus einem Hilfsgasdruck, einer Laserleistung und einer Brennpunktposition einer Linse des Laseroszillators (63) sind.
E/A-Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die periphere Vorrichtung ein Laseroszillator (63) ist, und die Eingabedaten, die von der E/A-Schnittstelle (43) erhalten werden, Rückmeldeinformationen von den in dem Laseroszillator (63) angebrachten Sensoren (64) sind.