JP2024007539A - 工作機械および工作機械を制御する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械制御部と緊締装置との間の結合を形成して、データ通信の安全性が従来技術よりも改善される工作機械を創出する。【解決手段】緊締装置制御部が、緊締装置に対応付けられており、緊締装置制御部には、受信したプロセスデータセットを互いに依存せずに評価しかつエラー時には緊締装置を安全な状態に移行させる冗長な２つのマイクロプロセッサが含まれることによって解決される。【選択図】図２

Description

本発明は、固定の機械制御部と、回転する緊締装置とを有する工作機械に関しており、機械制御部は、結合ユニットが中間接続されて、緊締装置と共に回転する緊締装置制御部と通信し、結合ユニットにより、機械制御部が非接触で緊締装置制御部にデータ接続され、緊締装置制御部は、緊締装置の緊締手段を作動させるための推進手段を駆動制御するための制御ユニットを有し、制御ユニットには、少なくとも２つの冗長なマイクロプロセッサが対応付けられており、マイクロプロセッサにより、制御ユニットを介して機械制御部から受信したプロセスデータセットは、互いに依存せずに検査可能であり、かつ／またはプロセスセンサから受信したプロセスデータは互いに依存せずにプロセスデータセットに使用可能であり、制御ユニットを介して機械制御部に伝送可能であり、本発明はならびに、このような工作機械を制御する方法に関する。

このように工作機械は既に、欧州特許出願公開第４０１５１４４号明細書から公知である。別の従来技術についてはまず、欧州特許出願公開第３６２０２４８号明細書を参照されたい。この文献では、工作機械用の結合装置が提供されており、この結合装置を介し、誘導作動チャックにより、顧客固有に設けられている工作機械のアセンブリには依存せずに可能な限りに容易に電気的に接続が実現され、またチャックおよびこれに取り付けられるチャックジョーの機能の監視が保証される。

これは、結合器が中間接続されて、機械制御部の制御ユニットによって駆動制御可能なインタフェースがチャックに対応付けられるように、プログラマブルインタフェースを配置構成することによって実現される。

しかしながら、ここからは、制御信号、特に安全にクリティカルな信号、例えば、ＳＴＯ信号（Safe-Torque-Off-Signal）等が、誘導結合器により、正しく伝送され、対応して受信されることを保証することができないという問題が生じる。

この停止機能は、最もふつうに行われている安全機能であり、この安全機能により、駆動器には、回転または運動を生じさせるエネルギがもはや供給されない。駆動器は、トルクなしに惰性で停止する。意図しない再作動開始もこの停止機能によって阻止される。

確かに従来技術では冗長な検査が設けられているが、冗長に設けられた２つの制御について、誘導結合器を介する伝送経路は同じであるため、第１の制御においてデータパケットが失われる際には、冗長な第２の制御において、対応するデータパケットも失われてしまうというリスクが高くなる。

さらに、別の従来技術として米国特許出願公開第２００６／１７６８２３号明細書を参照されたい。

このような背景から、本発明の根底にある課題は、機械制御部と緊締装置との間の結合を形成して、データ通信の安全性が従来技術よりも改善される工作機械を創出することである。

これは、独立請求項１の特徴的構成による工作機械によって、またこれと並列の請求項６の特徴的構成による、このような工作機械を制御する方法によって実現される。このような工作機械およびその制御についての対応する方法の有利な実施形態は、それぞれこれらに続く従属請求項から得ることができる。

本発明によると、固定の機械制御部と、回転する緊締装置とを有する工作機械が設けられており、機械制御部は、結合ユニットが中間接続されて、緊締装置と共に回転する緊締装置制御部と通信する。このことの特徴は、結合ユニットにより、機械制御部が非接触で緊締装置制御部にデータ接続されることであり、緊締装置制御部は、緊締装置の緊締手段を作動させるための推進手段を駆動制御するための制御ユニットを有し、制御ユニットには少なくとも２つの冗長なマイクロプロセッサが対応付けられており、これらのマイクロプロセッサにより、制御ユニットを介して機械制御部から受信したプロセスデータセットは、互いに依存せずに検査可能であり、かつ／またはプロセスセンサから受信したプロセスデータは、互いに依存せずにプロセスデータセットに使用可能であり、また制御ユニットを介して機械制御部に伝送可能である。

これにより、工作機械側に機械制御部が、また緊締装置側に緊締装置制御部が形成され、これらは、中間接続された結合ユニットを介して互いに通信する。緊締手段の推進を互いに可能にする推進手段は、コントローラによって制御可能である。この推進により、互いに対向する緊締手段では、これらの緊締手段は、緊締手段の個数が偶数である場合、被加工物を対向する側から囲い込む。３つの緊締手段を有する緊締装置の場合には、対応する側ではなく、１２０°のオフセットが選択され、５つの緊締手段では７２°のオフセットが選択される等々である。これにより、被加工物は、緊締手段間でセンタリングされる。

改善されたデータ安全性を形成するために、緊締装置制御部の制御ユニットから受信したプロセスデータセットであって、ひいては機械制御部の出力信号を表すプロセスデータセットが、互いに冗長に設けられた同じタイプの２つのマイクロプロセッサによって評価される。受信対象のプロセスデータセットには、とりわけＳＴＯ信号が含まれるのに対し、すべてのプロセスデータには、計算したシグネチャおよび連続する識別番号が含まれる。ＳＴＯ信号の値により、安全な動作モードが指示されることがマイクロプロセッサによって決定される場合、マイクロプロセッサにより、このことが、それらにそれぞれ対応付けられた、緊締手段のコントローラに伝送され、ひいては、緊締手段を開き、したがって、ＳＴＯ信号により、安全モードが再び解除されるまで、推進手段もしくはサーボモータは動作できない。具体的にはＳＴＯ信号の値１は、安全な動作状態を指示し、ＳＴＯ信号の値０により、安全な動作状態を解除することができる。これにより、全体として短いメッセージにおけるコーディングであっても、極めて簡単なインフラストラクチャによって伝送可能なコーディングが可能になる。

エラーのあるＣＲＣコード、ハフマンコード、誤ったチェックデジットまたはこれに類するものを含む無効なシグネチャが受信される場合、このことは、誤動作を示しており、通信はもはや安全ではない。したがってマイクロプロセッサは、このことを緊締装置制御部の制御ユニットに転送し、この制御ユニットにより、機械は安全に停止される。受け取った識別番号が、予想される連続した識別番号と一致しない場合、同じことが行われる。というのは、場合によって通信は、循環しているかまたは全体として妨げられているからである。

マイクロプロセッサの冗長性により、エラーが発見されかつそれとして識別される安全性を向上させることができる。２つよりも多くのマイクロプロセッサを使用することも可能であるが、動作はつねに、２つのマイクロプロセッサでも可能である。

プロセスデータセットが、機械制御部用の入力信号としてまとめられて送信される場合であっても、マイクロプロセッサの冗長性は有利である。例えばゼロ点緊締システムに緊締状態を知らせる、安全にクリティカルなあらゆるセンサ、特に力センサまたは緊締信号発生器は、それぞれ１つのマイクロプロセッサと通信し、この際にマイクロプロセッサは逆に、複数の異なるセンサと通信することができる。

通信の枠内ではこの際に、これらのマイクロプロセッサの異なる信号を扱うことができ、これにより、それぞれのマイクロプロセッサが、制御ユニットにその固有の信号を伝送して、この制御ユニットが機械制御部への信号を形成するか、または循環式のプロセスデータセットが形成されて、マイクロプロセッサは、これらのマイクロプロセッサによって処理された信号をそこに挿入し、この点においてプロセスデータセットを補足する。

若干の利点を伴って、緊締手段の推進手段は、サーボコントローラによって制御されるサーボモータであってよい。サーボモータは、被加工物があらかじめ設定された力で保持されて、その推進が終了するまで、センタリング対象の被加工物の方向に、緊締装置における緊締手段を移動させる。この場合に摩擦結合制動によって保証されるのは、開信号までは一度取った位置から元のように離れてしまわないことである。変速機を介する機械的なセルフロックも行われる。

第１の実施形態では、緊締手段にはさらにそれぞれ少なくとも１つの力センサまたは緊締信号発生器を対応付けることができ、これにより、力センサまたは緊締信号発生器はそれぞれ、１つのマイクロプロセッサだけにデータ接続される。この場合、緊締手段と同数の複数のマイクロプロセッサが使用される。多数のマイクロプロセッサの使用および連係は、コストがかかりかつ煩雑であるため、この実施形態は好ましくはない。

好ましいのは、緊締手段にそれぞれ少なくとも１つの力センサまたは緊締信号発生器が対応付けられておりかつ複数の緊締手段の力センサまたは緊締信号発生器がマイクロプロセッサに対応付けられている実施形態であり、互いに対向する緊締手段の力センサまたは緊締信号発生器が、異なるマイクロプロセッサに対応付けられている。ここでは、互いに対で対向する緊締手段がそれぞれ、異なるマイクロプロセッサによって監視され、これにより、それぞれの対の監視が２つのマイクロプロセッサによって行われるように結合が行われる。このことが意味するのは、この実施形態では、結局のところいくつの緊締手段が使用されているかには依存せずに、つねに２つのマイクロプロセッサが必要であることである。

別の変形形態では、緊締手段にそれぞれ少なくとも１つの力センサまたは緊締信号発生器を対応付けることが可能であり、同時にマイクロプロセッサには複数の緊締手段の力センサまたは緊締信号発生器を対応付けることが可能であり、反対方向に作用する力成分を有する緊締手段の力センサまたは緊締信号発生器は、異なるマイクロプロセッサに対応付けられている。したがって具体的には、例えば、チャックに３つのチャックジョーが設けられている場合、それらのうちの２つが１つのマイクロプロセッサにより、第３のチャックジョーが別の１つのマイクロプロセッサによって監視されてもよい。

さらに、制御ユニットにデータ接続されている変位センサが、緊締手段に対応付けられるように構成することができる。ここでこれは、安全関連の測定値ではない。というのは、緊締手段の単なる位置からは、クリティカルな状態を算出することはできないからである。したがってこれらの測定値は、マイクロプロセッサには伝送されず、緊締装置制御部の制御ユニットだけに伝送される。

具体的な実施形態では、結合装置により、機械制御部と緊締装置制御部との間に誘導結合データ接続を形成することができる。誘導結合により、エネルギ結合も信号結合も可能になるため、誘導結合は有利である。しかしながら本発明では、例えば、液圧式結合を設けることも可能であり、その一方で信号結合は誘導式に行うことが可能である。固定の工作機械から回転する緊締装置への信号伝送およびエネルギ伝送を達成しなければならないという状況に起因して、非接触の結合がそもそも必要である。

若干の利点を伴って構成されるのは、緊締装置制御部が、イーサネットプロトコルに基づいて機械制御部と通信することである。これは、無線でも通信可能な高速かつ頑強なプロトコルである。ここでは、例えば、ＰＲＯＦＩＮＥＴ接続が使用可能であるのに対し、緊締装置制御部および／または機械制御部内では、バスシステム、例えばＣＡＮＢＵＳ等も使用可能である。

以下では実施例に基づき、上で説明した本発明をより詳しく説明する。

緊締装置と、この緊締装置に対応付けられている緊締装置制御部に結合器を介して接続されている機械制御部とを有する工作機械の概略図である。 緊締装置制御部および機械制御部の詳細を示す、工作機械のより詳細な概略図である。

図１には、周囲にそれぞれ９０°ずれて被加工物４が保持される、緊締手段２，３の２つの対を有する緊締装置１の概略図が示されている。緊締装置１の緊締装置制御部２０は、誘導結合器７を介して、工作機械の機械制御部１０と通信し、この実施例ではこの工作機械には、制御ユニット１１と、安全制御ユニット１２と、電力供給部５とが個別に示されている。制御ユニット１１および１２は、また緊締装置制御部２０の制御ユニット２１も、特にメモリプログラマブル制御部（ＳＰＳ：Speicherprogrammierbare Steuerung）として実施可能である。

制御ユニット１１からは、例えば、実行中のプログラムにより、またはこの図に示していないインタフェースにおけるユーザ設定により、緊締装置制御部２０に制御信号が出力されるのに対し、安全制御ユニット１２は主に安全関連信号の通信に、またはこのためだけに利用される。これに属するのは特に、緊締手段２，３が被加工物を把持する力を示す力信号の伝送である。誘導結合器７を介するデータ伝送の安全性を改善させるために本発明では、緊締装置制御部２０において冗長に実施されるマイクロプロセッサ２２，２３を用いて、緊締装置制御部２０の制御ユニット２１に伝送される信号の冗長な監視を行うように構成される。誘導結合器７を介する伝送は、通常の簡単な通信チャネルであり、最初には保護されていない。したがって、独立した２つのマイクロプロセッサ２２，２３による、誘導結合器７を通過する信号の評価は、データ伝送の安全性を改善するのに有効である。

図１の大まかな区分に対する補足として、この状況は、図２ではより詳細に描画されているが、個々の副次的な様相は省略されている。

２つの緊締手段２，３の例で示されているのは、これらの緊締手段２，３によって被加工物４をセンタリングできることである。このためにサーボモータ２６，２７を用いて緊締手段２，３を移動させることができ、これは、変位センサ３２，３３によって監視される。この制御は、ＣＡＮバスを介し、緊締装置制御部２０の制御ユニット２１を用いて行われる。このＣＡＮバスを介して、サーボコントローラ２９，３０は制御ユニット２１にデータ接続されている。制御設定値は、機械制御部１０から、詳細には機械制御部１０における制御ユニット１１から得られるのに対し、サーボコントローラ２９，３０の直接の駆動制御が行われ、これを介して、サーボモータ２６，２７の駆動制御が、緊締装置制御部２０内で行われる。緊締装置制御部２０と機械制御部１０とは、図１に既に示したように、誘導結合器７を介してデータ接続されている。

具体的には制御命令は、対応するプログラミングにより、まず機械制御部１０の制御ユニット１１に伝送される。制御ユニット１１それ自体は、誘導結合器７を介して、緊締装置制御部２０の制御ユニット２１に制御命令を送信する。これにしたがい、制御ユニット２１は、例えば、緊締手段２，３を閉じさせる、すなわち被加工物４の方に移動させる。対応する制御信号２８は、２つのサーボコントローラ２９，３０に伝送され、ここでもサーボコントローラ２９，３０それ自体により、サーボモータ２６，２７が、対応して駆動制御される。変位センサ３２，３３により、それぞれ対応付けられている緊締手段２，３の位置が監視され、それらの位置が制御ユニット２１にフィードバックされる。

しかしながら同時に、緊締手段２，３に作用する力も検出される。このためにそれぞれの緊締手段２，３には力センサ３５，３６が対応付けられており、この力センサ３５，３６は、マイクロプロセッサ２２，２３と通信してこれに状態信号３１を伝送する。データ取得において十分な冗長性を実現するために、第１の緊締手段２に対応付けられた第１の力センサ３５は、第１マイクロプロセッサ２２と通信するのに対し、別の緊締手段３に対応付けられた別の力センサ３６は、第２マイクロプロセッサ２３と通信する。マイクロプロセッサ２２，２３は、力信号を受信し、プロセスデータセットにこれを書き込み、このプロセスデータセットは、循環式にマイクロプロセッサ２２，２３によって充填され、次いで制御ユニット２１により、機械制御部１０に伝送される。機械制御部１０において、特に安全制御ユニット１２により、力センサの信号が受信されて処理される。この際にエラーが発生すると、すなわち特に力が弱まる場合、機械制御部１０はこれに反応して、機械をより安全な状態に制御することができる。緊締手段が緩んではならずかつ被加工物が目標緊締力で緊締された状態に維持されるという２つの判定基準がつねに満たされなければならない。

十分な冗長性のために十分であるのは、それぞれの力平衡時に複数のマイクロプロセッサ２２，２３が制御に関与する場合であり、これにより、緊締手段２，３の個数がより多い場合であっても、２つよりも多くのマイクロプロセッサ２２，２３が必ずしも関与する必要はない。しかしながらそれにもかかわらずこれは、次のように実行可能である。緊締手段の個数が奇数の場合であっても、例えば、１つの緊締手段を、１つのマイクロプロセッサによって、別の２つの緊締手段を別の１つのマイクロプロセッサによって制御することができる。というのは、それぞれの緊締手段における力の総和の制御に少なくとも２つのマイクロプロセッサが関与しているからである。

動作時にマイクロプロセッサ２２，２３により、誤った力、特に１つの力センサ３５，３６において過剰な力が確認されるか、または別のクリティカルなエラー時、すなわち、マイクロプロセッサ２２，２３によって冗長に検査される、プロセスデータセットのシグネチャまたは識別番号においてエラーが発生する場合、マイクロプロセッサ２２，２３は、機械制御部１０の安全制御ユニット１２にこのことを通知し、安全制御ユニット１２は、特に、機械を停止させる停止信号により、より安全な状態に機械を制御し、これにより、高速に回転しているが、不利な状況では緩んでしまっている被加工物による負傷または損傷が回避される。

したがって、上で説明したのは、従来技術に対してデータ通信の安全性が改善されるように、機械と被加工物のとの間の結合が形成されている工作機械である。

１ 緊締装置
２ 第１の緊締手段
３ 別の緊締手段
４ 被加工物
５ 電力供給部
６ 監視信号
７ 誘導結合器
１０ 機械制御部
１１ 制御ユニット
１２ 安全制御ユニット
２０ 緊締装置制御部
２１ 制御ユニット
２２ 第１マイクロプロセッサ
２３ 第２マイクロプロセッサ
２４ 第１停止信号
２５ 第２停止信号
２６ 第１のサーボモータ
２７ 別のサーボモータ
２８ 制御信号
２９ 第１のサーボコントローラ
３０ 別のサーボコントローラ
２９ 状態信号
３２ 第１の変位センサ
３３ 別の変位センサ
３４ 変位信号
３５ 第１の力センサ
３６ 別の力センサ

Claims (12)

1. 固定の機械制御部（１０）と、回転する緊締装置（１）とを有する工作機械であって、
   前記機械制御部（１０）は、結合ユニット（７）が中間接続されて、前記緊締装置（１）と共に回転する緊締装置制御部（２０）と通信し、前記結合ユニット（７）により、前記機械制御部（１０）が非接触で前記緊締装置制御部（２０）にデータ接続され、前記緊締装置制御部（２０）は、前記緊締装置（１）の緊締手段（２，３）を作動させるための推進手段を駆動制御するための制御ユニット（２１）を有し、前記制御ユニット（２１）には、少なくとも２つの冗長なマイクロプロセッサ（２２，２３）が対応付けられており、前記マイクロプロセッサ（２２，２３）により、前記制御ユニット（２１）を介して前記機械制御部（１０）から受信したプロセスデータセットが互いに依存せずに検査可能であり、かつ／またはプロセスセンサから受信したプロセスデータは、互いに依存せずにプロセスデータセットに使用可能であり、また前記制御ユニット（２１）を介して前記機械制御部（１０）に伝送可能である、工作機械において
   前記緊締手段（２，３）にそれぞれ少なくとも１つの力センサ（３５，３６）または緊締信号発生器が対応付けられており、前記力センサ（３５，３６）または前記緊締信号発生器はそれぞれ、前記マイクロプロセッサ（２２，２３）の１つだけにデータ接続されているか、または前記マイクロプロセッサ（２２，２３）には複数の緊締手段（２，３）の前記力センサ（３５，３６）または緊締信号発生器が対応付けられており、互いに対向する緊締手段（２，３）の前記力センサ（３５，３６）または緊締信号発生器は、異なるマイクロプロセッサ（２２，２３）に対応付けられている、ことを特徴とする、工作機械。
2. 前記緊締手段（２，３）の前記推進手段は、サーボコントローラ（２９，３０）によって制御されるサーボモータ（２６，２７）である、ことを特徴とする、請求項１記載の工作機械。
3. 前記緊締手段（２，３）にはそれぞれ少なくとも１つの力センサ（３５，３６）または緊締信号発生器が対応付けられており、前記マイクロプロセッサ（２２，２３）には複数の緊締手段（２，３）の前記力センサ（３５，３６）または緊締信号発生器が対応付けられており、反対方向に作用する力成分を有する緊締手段（２，３）の前記力センサ（３５，３６）または緊締信号発生器は、異なるマイクロプロセッサ（２２，２３）に対応付けられている、ことを特徴とする、請求項１または２記載の工作機械。
4. 前記緊締手段（２，３）には、前記制御ユニット（２１）にデータ接続されている変位センサ（３２，３３）が対応付けられている、ことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の工作機械。
5. 前記結合装置（７）により、前記機械制御部（１０）と前記緊締装置制御部（２０）との間の誘導結合データ接続が形成される、ことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の工作機械。
6. 固定の機械制御部（１０）と、回転する緊締装置（１）とを有する工作機械を制御する方法であって、前記機械制御部（１０）は、結合ユニット（７）が中間接続されて、前記緊締装置（１）と共に回転する緊締装置制御部（２０）と通信し、前記結合ユニット（７）により、前記機械制御部（１０）が非接触で前記緊締装置制御部（２０）にデータ接続され、前記緊締装置制御部（２０）は、前記緊締装置（１）の緊締手段（２，３）を作動させるための推進手段を駆動制御するための制御ユニット（２１）を有し、前記機械制御部（１０）から前記緊締装置制御部（２０）に送信されるプロセスデータセットを冗長な２つのマイクロプロセッサ（２２，２３）によって独立して検査し、かつ／または前記マイクロプロセッサ（２２，２３）により、プロセスセンサから受信したプロセスデータを互いに依存せずにプロセスデータセットに使用し、前記制御ユニット（２１）を介して前記機械制御部（１０）に伝送する、方法において、
   前記緊締手段（２，３）にそれぞれ少なくとも１つの力センサ（３５，３６）もしくは緊締信号発生器が対応付けられており、前記力センサ（３５，３６）もしくは前記緊締信号発生器から送信されたプロセスデータセットをそれぞれ、前記マイクロプロセッサ（２２，２３）の１つだけによって検査するか、またはマイクロプロセッサ（２２，２３）には、複数の緊締手段（２，３）の前記力センサ（３５，３６）もしくは緊締信号発生器が、また互いに対向する緊締手段（２，３）の前記力センサ（３５，３６）もしくは緊締信号発生器が、送信した前記プロセスデータセットを検査するために、異なるマイクロプロセッサ（２２，２３）に対応付けられている、ことを特徴とする方法。
7. プロセスデータセットは、計算したシグネチャおよび／または連続する識別番号を有する、ことを特徴とする、請求項６記載の方法。
8. 前記機械制御部（１０）によって出力された、それぞれの推進手段についてのプロセスデータセットには、ＳＴＯ信号（Safe-Torque-Off-Signal）が含まれており、前記信号がイネーブル信号に対応する場合にのみ該当する前記推進手段の運動をイネーブルする、ことを特徴とする、請求項６または７記載の方法。
9. ＳＴＯ信号を受け取った場合、またはシグネチャにおける、または予想される識別番号との相違におけるエラーの場合に、前記マイクロプロセッサ（２２，２３）により、互いに依存せずに前記緊締手段（２，３）に停止信号を出力する、ことを特徴とする、請求項７または８記載の方法。
10. 力センサ（３５，３６）または緊締信号発生器から前記マイクロプロセッサ（２２，２３）にセンサデータを伝送し、プロセスデータセットにおいて前記機械制御部（１０）に送信するために前記センサデータを使用する、ことを特徴とする、請求項６から９までのいずれか１項記載の方法。
11. それぞれのマイクロプロセッサ（２２，２３）により、固有のプロセスデータセットを作成し、前記制御ユニット（２１）を介して前記機械制御部（１０）に伝送する、ことを特徴とする、請求項１０記載の方法。
12. それぞれのマイクロプロセッサ（２２，２３）により、前記マイクロプロセッサ（２２，２３）によって受信したプロセスデータを循環式のプロセスデータセットに書き込み、前記制御ユニット（２１）により、前記循環式のプロセスデータセットを前記機械制御部（１０）に伝送する、ことを特徴とする、請求項１０記載の方法。