JP4328352B2 - 外部信号入出力ユニットの診断方法及びシステム - Google Patents

外部信号入出力ユニットの診断方法及びシステム Download PDF

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Description

本発明は、数値制御装置で工作機械等の自動機械を制御する際に用いられる複数台の外部信号入出力ユニット(I/Oユニット)の状態をチェック(診断)する方法及びシステムに関する。

周知のように、数値制御装置で工作機械等の自動機械を制御する際には、種々の外部信号の入出力が行なわれる。そして、それら外部信号の入出力に利用される外部信号入出力ユニットは、「I/Oユニット」と呼ばれている。I/Oユニットを介して自動機械への入力及び自動機械からの出力が行なわれる外部信号には、例えば自動機械が工作機械である場合のスタート信号、各サーボ軸の同期信号、リセット信号、オーバライド信号の他、非常停止信号等、直接安全に関わる信号が含まれている。従って、I/Oユニットの動作に異常が生じた場合、速やかにそれを検出できるようになっている必要がある。

そのために従来より採用されてきた典型的な方法は、I/Oユニットの内部に自身の動作チェック(診断)を行う為の回路(診断用回路)を装備し、同診断用回路を定期的に作動させて、I/Oユニットが正常な状態に保たれていることを確認するという方法である。図2はそのような手法を適用するために、診断用回路を装備したI/Oユニットの概略をブロック図で示したものである。

同図を参照すると、符号A1で全体を示したI/Oユニットは、数値制御装置(CNC)及び他のI/OユニットA2との信号の授受を司る「ホスト送受信」のブロックと、「外部信号送受信」のブロックに加えて、診断用回路を備えている。そして、「外部信号送受信」のブロックには、接点C1を介した出力ラインと、接点C4を介した入力ラインと、接点C2、C3を夫々介した診断用ループラインが設けられている。出力ライン及び入力ラインは、当該I/OユニットA1が入出力を担当する自動機械M1につながっている。

接点C1〜C4の内、外部信号の出力ライン/入力ラインにつながる接点C1、C4は常閉型のもので、診断用回路から開成指令が出力されない限り閉成状態(導通状態)を保持し、診断用回路から診断開始信号が出力されると開成状態(非導通状態)となり、診断終了信号が出力されると閉成状態(導通状態)に戻る。これに対して、診断用ループラインにつながる接点C2、C3は常開型の接点で、診断用回路から診断開始信号が出力されると閉成状態(導通状態)となり、診断終了信号が出力されると開成状態(非導通状態)に戻る。

I/Oユニットの診断は、通常、定期的に行なわれる。そのために、I/Oユニットにはタイマー(図示省略)が設けられ、設定された所定時間(例えば10分)毎に診断用回路を作動させる。すると、先ず診断開始信号が診断用回路から出力され、接点C1、C4が開成し、接点C2、C3が閉成する。次いで、診断用回路から出力診断用信号(所定のデジタル信号パケット)が「外部信号送受信」のブロックに送られ、同信号が閉成状態にある接点C2、診断用ループラインを通って診断用回路に正常に戻って来るか否かチェックされる。

更に、診断用回路から入力診断用信号(所定のデジタル信号パケット)が診断用ループライン、閉成状態にある接点C3を介して「外部信号送受信」のブロックに送られ、同信号が診断用回路に正常に戻って来るか否かチェックされる。入出力いずれかについて異常があれば、なんらかの手段(例えばブザー)でオペレータに異常が報知される。

なお、入力ライン、出力ラインは工作機械等、制御対象の自動機械M1に接続されており、診断時以外には、閉成状態にある接点C1、C4を通して各種外部信号(サーボ軸の同期信号、リセット信号、オーバライド信号、非常停止信号等)の授受が行なわれる。また、図2に示した例では、「ホスト送受信」のブロックはCNC及びI/OユニットA1とは別の、同様の構成を持つI/OユニットA2のホストに接続されているが、これは一例である。

1台のCNCで複数の工作機械を制御するシステムにおいて、例えば図1に示したように、工作機械(一般には自動機械)M1〜M5の夫々にI/OユニットA1〜A5を接続する場合、上記の通り、I/OユニットA1の「ホスト送受信」はCNCと、I/OユニットA2の「ホスト送受信」に接続される。更に、I/OユニットA2、A3間、I/OユニットA3、A4間、I/OユニットA4、A5間の「ホスト送受信」も相互に接続される。

符号B1〜B3は、CNCに接続された外部装置(M1〜M5以外の工作機械、ロボット等)で、これら外部装置からの信号をCNCで媒介して、各I/Oユニットに送ることもある。そのような信号も、一種の「外部信号」である。一般に、「外部信号」はサーボ制御信号以外の自動機械制御信号を指す。周知のように、各自動機械M1〜M5の各軸をサーボ制御する信号(サーボ制御信号;フィードバック信号等)は、I/Oユニットを介さずに各自動機械M1〜M5との間でやり取りされる。

図1に示したような接続を行なった場合、平常時(診断時以外)は、CNC内部で生成された外部信号あるいは外部信号源B1〜B3からCNCに渡された外部信号は、I/OユニットA1→A2→A3→A4→A5と転送される過程で、各I/Oユニットで必要な外部信号が各ホスト送受信で選択的に受け取られ、受け取られた外部信号が出力ラインを通して、対応する工作機械M1〜M5に出力される。

また、工作機械M2〜M5から対応するI/OユニットA2〜A5に出力された外部信号は、順次、CNC側にある他のI/Oユニットで転送され、CNCに送られる。工作機械M1から対応するI/OユニットA1に出力された外部信号は、直接CNCに送られる。

上述した例のように、複数のI/Oユニットを使用する場合、各I/Oユニットの動作チェックが必要であり、そのために従来は、上述したような診断用回路を各I/Oユニット毎に設ける必要があった。つまり、従来技術ではI/Oユニットの多寡に関わらず個々のI/Oユニットに診断用の回路を設けねばならず、システムが複雑になり、コストアップに繋がっていた。

このような問題を解決する簡便な技術は公知文献中に見当らない。安全信号の入出力に使用されるユニットの安全性を確保するための技術の一例として下記特許文献1が知られているが、信号を伝える回路に冗長性を持たせることで局所異常発生時の安全を確保するという考え方に拠るもので、個々のI/Oユニットに診断用の回路を設けずに、I/Oユニットの診断を可能にする技術の開示はない。

特開2005−25260号公報

そこで、本発明の目的は、数値制御装置で工作機械等の自動機械を制御する際に複数の外部信号入出力ユニットを用いた場合であっても、それらI/Oユニットの診断を、個々のI/Oユニットに診断回路を装備させることなく可能にするための技術を提供することにある。

本発明は、各I/Oユニットの内部回路の正常な状態が保たれているかの動作チェックを数値制御装置で行うようにすることで上記課題を解決したものである。より具体的に云えば、先ず、請求項1に係る発明は、「自動機械を制御する数値制御装置に、夫々外部信号の出力ラインと入力ラインを有すると共に前記出力ラインを経て前記入力ラインに入るループが内部に設けられた外部信号入出力ユニットを複数個接続したシステムにおいて、各外部信号入出力ユニットの動作が正常であるか否か診断するための診断方法」に係る発明であり、その特徴は、次の段階(a)〜(c)を含むことにある。

(a)前記数値制御装置から各外部信号入出力ユニットに診断用信号を送る診断用信号伝送段階
(b)前記(a)の段階で前記診断用信号を受け取った前記各外部信号入出力ユニットが、前記診断用信号を、前記ループを通して前記数値制御装置に戻す段階
(c)前記(b)の段階で前記数値制御装置に戻された診断用信号に基づいて前記各外部信号入出力ユニットの動作に異常があるか否か診断する段階
ここで、前記(a)〜前記(c)の段階が周期的に繰り返されるようにすることができる(請求項2)。また、前記自動機械は典型的には工作機械である(請求項3)。

請求項4に係る発明は、「自動機械と、前記自動機械を制御する数値制御装置と、該数値制御装置に接続され、夫々外部信号の出力ラインと入力ラインを有する複数の外部信号入出力ユニットと、前記外部信号入出力ユニットの夫々の動作が正常であるか否か診断する診断手段を備えたシステム」に係る発明であり、その特徴は、次の(イ)〜(ハ)にある。

(イ)前記数値制御装置は、各外部信号入出力ユニットに診断用信号を送る診断用信号伝送手段を備えること
(ロ)前記外部信号入出力ユニットの夫々は、内部に前記出力ラインを経て前記入力ラインに入るループを有するとともに、前記診断用信号伝送手段により送られた前記診断用信号を受け取り、前記ループを通して前記診断用信号を前記数値制御装置に戻す診断用信号戻し手段を備えること
(ハ)前記数値制御装置は、更に、前記診断用信号戻し手段によって前記数値制御装置に戻された診断用信号に基づいて前記外部信号入出力ユニットの動作に異常があるか否か診断する手段を備えること

ここで、前記診断用信号伝送手段は、前記診断用信号を周期的に繰り返して前記外部信号入出力ユニットの夫々に送る手段とすることができる(請求項5)。また、前記自動機械は典型的には工作機械である(請求項6)。

本発明によれば、I/Oユニットの内部回路の正常な状態が保たれているかの動作チェックを数値制御装置で行うようにしたので、I/Oユニットに診断用回路を設ける必要がなくなり、I/Oユニットの構成が簡素化される。また、経済的に有利である。また、複数のI/Oユニットを使用する場合であっても、診断用回路を持たない個別のI/Oユニットを1台のCNCを用いて診断でき、システム構成が簡素になり、経済的に有利である。

図3は、本発明の実施形態で用いれられるI/Oユニットの概略構成を、平常通信時の状態(上半部に描示)と診断実行時(下半部に描示)に分けてブロック図で示したものである。図3を参照すると、符号A1で全体を示したI/Oユニットは、数値制御装置(CNC)との信号の授受を司る「ホスト送受信」のブロックと、「外部信号送受信」のブロックを有している。図2に示したI/Oユニットと異なり、診断用回路は備わっていない。

「外部信号送受信」のブロックには、接点C5を介した出力ラインと、接点C8を介した入力ラインと、接点C6、C7を通る診断用ループラインが設けられている。出力ライン及び入力ラインは、当該I/OユニットA1が入出力を担当する自動機械M1につながっている。

接点C5〜C8の内、外部信号の入力ラインにつながる接点C8は常閉型のもので、図3の上半部及び下半部に夫々示したように、平常時(診断実行時以外)には閉成状態(導通状態)を保持するが、診断実行時には開成状態(非導通状態)となり、診断終了時に閉成状態(導通状態)に戻る。尚、出力ラインの接点C5については、診断実行時に開成状態(非導通状態)でも閉成状態(導通状態)でも良い。これに対して、診断用ループライン中に設けられる接点C6、C7は常開型の接点で、同じく図3の上半部及び下半部に夫々示したように、平常時(診断実行時以外)には開成状態(非導通状態)を保持するが、診断実行時には閉成状態(導通状態)となり、診断終了時に開成状態(非導通状態)に戻る。

入力ライン、出力ラインは工作機械等、制御対象の自動機械M1に接続されており、平常時(診断時以外)には、閉成状態にある接点C5、C8を通して各種外部信号(サーボ軸の同期信号、リセット信号、オーバライド信号、非常停止信号等)の授受が行なわれる。本発明では1台のCNCに複数のI/Oユニットが接続されて使用されるケースを前提としており、一般には、結線上最もCNCに近い側のI/Oユニットの「ホスト送受信」のブロックは、図3に示したように、CNC及び配線上隣りに来るI/OユニットA2のホストに接続される。

1台のCNCに複数のI/Oユニットを接続したシステム構成として、ここでは前出の図1で例示したものを考える。既述の通り、このシステム構成では、工作機械(一般には自動機械)M1〜M5の夫々にI/OユニットA1〜A5が接続され、上記の通り、I/OユニットA1の「ホスト送受信」はCNCと、I/OユニットA2の「ホスト送受信」に接続される。

更に、I/OユニットA2、A3間、I/OユニットA3、A4間、I/OユニットA4、A5間の「ホスト送受信」も相互に接続される。I/OユニットA2〜A4のブロック構成及び機能は、この「ホスト送受信」に関連する接続関係を除けば同様である。なお、符号B1〜B3は、CNCに接続された外部装置(M1〜M5以外の工作機械、ロボット等)である。

「これら外部装置からの信号がCNCで媒介して各I/Oユニットに送られることもあること」、「そのような信号も、一種の「外部信号」として扱われること」、「一般に、外部信号はサーボ制御信号以外の自動機械制御信号を指すこと」、「周知のように、各自動機械M1〜M5の各軸をサーボ制御する信号(サーボ制御信号;フィードバック信号等)は、I/Oユニットを介さずに各自動機械M1〜M5との間でやり取りされること」等は、前述した従来例(図2参照)と同様である。

図1に示した接続を行なった場合、平常時(診断時以外)は、CNC内部で生成された外部信号あるいは外部信号源B1〜B3からCNCに渡された外部信号は、I/OユニットA1→A2→A3→A4→A5と転送される過程で、各I/Oユニットの「ホスト送受信」によって必要な外部信号を選択的に受け取られ、受け取られた外部信号が出力ラインを通して、対応する工作機械M1〜M5に出力される。

また、工作機械M2〜M5から対応するI/OユニットA2〜A5に出力された外部信号は、順次、CNC側にある他のI/Oユニットで転送され、CNCに送られる。例えば、工作機械M4から対応するI/OユニットA4に出力された外部信号は、I/OユニットA3、A2、A1の各「ホスト送受信」を経てCNCに送られる。工作械M1から対応するI/OユニットA1に出力された外部信号は、直接CNCに送られる。

本実施形態において上記の如く、各I/OユニットA1〜A5を用いて各工作機械(一般には自動機械)に入力、あるいは、それらから出力される外部信号はデジタル信号であり、信号パケットの形で出力され、伝送される。ここで、各信号パケットは、図3中に併記したように、“診断結果ビット”を持つ。そして、この診断結果ビットは、平常時(診断実行時以外)は「0」とされ、診断実行時には「1」とされる。また、CNCから出力される各パケットのヘッダ部分には、どのI/Oユニット用の信号かを識別するデータ(送信先指定データ)が書き込まれている。

各I/Oユニットの「ホスト送受信」は、パケットを受信する毎にこれら送信先指定データと診断結果ビットのデータ(0or1)を読み取る。送信先に自身が指定されており、且つ、診断結果ビットのデータが「0」であれば、パケットには“通常のDO(デジタル出力)データ”が含まれているので、これを自身の「外部信号送受信」に渡す。「外部信号送受信」は、これを接点C5(閉成状態)を通る出力ラインに出力する。

送信先にCNCから見て下流側のI/Oユニットが含まれていれば、パケットを隣のI/Oユニットの「ホスト送受信」に転送する。例えば、送信先がI/OユニットA1であり、且つ、診断結果ビットのデータが「0」であれば、そのパケットを「外部信号送受信」に渡す。「外部信号送受信」は、これを接点C5(閉成状態)を通る出力ラインに出力し、自動機械M1に伝える。また、送信先が例えばI/OユニットA3である場合、診断結果ビットのデータの如何に関わらず、そのパケットはI/OユニットA2の「ホスト送受信」に転送される。I/OユニットA2は、受け取ったパケットについて同様に判別を行い、次のI/OユニットA3の「ホスト送受信」に転送する。I/OユニットA3は送り先なので、これを受け取る。

ここで、診断結果ビットのデータが「0」であれば、そのパケットをI/OユニットA3の「外部信号送受信」に渡す(各I/OユニットA1〜A5は、「ホスト送受信」の接続先以外の点で同様の構成と機能を持つことに注意)。そして、I/OユニットA3の「外部信号送受信」は、これを接点C5(閉成状態)を通る出力ラインに出力し、自動機械M3に伝える。

各I/Oユニットの「ホスト送受信」は、パケットを受信する毎にこれら送信先指定データと診断結果ビットのデータ(0or1)を読み取る。送信先に自身が指定されており、且つ、診断結果ビットのデータが「0」であれば、パケットには“通常のDO(デジタル出力)データ”が含まれているので、これを自身の「外部信号送受信」に渡す。「外部信号送受信」は、これを接点C5(閉成状態)を通る出力ラインに出力する。

自動機械M1〜M5から出力される外部信号についても同様である。即ち、外部信号は信号パケットの形態をとり、図3中に併記したように、“診断結果ビット”と、どの自動機械M1〜M5から出力された信号であるかを識別するデータ(送信元指定データ)が、通常の“通常のDO(デジタル出力)データ”とともに書き込まれている。なお、自動機械M1〜M5から診断用信号は出されないので、“診断結果ビット”は、常に「0」である。

自動機械M1〜M5から出力される外部信号の流れを例示すれば次のようになる。例えば、自動機械M4から出力された外部信号は、I/OユニットA4の入力ラインを使って接点C8を通り、I/OユニットA4の「外部信号送受信」に渡される。「外部信号送受信」は、これをI/OユニットA4の「ホスト信号送受信」に渡す。「ホスト信号送受信」は、これをCNC側のI/OユニットA3に転送する。信号は更にI/OユニットA2、I/OユニットA1の各「ホスト信号送受信」を経て伝えられる。

さて、診断実行時には、先ず、CNCが通常のI/Oデータ送受信用とは異なり、“診断結果ビット”が「1」のパケットを各I/OユニットA1〜A5に対し送信する。各I/Oユニットの「ホスト送受信」はデータを受け取ると、DO用のライン(出力ライン)とDI用のライン(入力ライン)をI/OユニットのDI、DO信号入出力端で短絡する。ここでは、符号ENで示した接点C5〜C8の制御端子を用いて接点C5、C8の開成と、接点C6、C7の閉成が同時に行われる。尚、接点C5は閉成状態のままでも良い。

ここで、“診断結果ビット”が「1」のパケットには、「診断用のDO(デジタル出力)データ」が含まれている。この診断用のパケット信号は、上記短絡によって形成された診断用ループを通り、「外部信号用送受信」に戻される。「外部信号用送受信」は、これを「ホスト送受信」に渡す。「ホスト送受信」は直接(I/OユニットA1の場合)、あるいは、CNC側の各I/Oユニットの「ホスト送受信」を介して(I/OユニットA2〜A5の場合)、“診断結果用ID(デジタル入力)データ”としてCNCに渡す。なお、上記短絡によって形成された診断用ループは、診断用信号パケットが通過したら、直ちに解消される(接点C5〜C8の制御端子を用いて接点C5、C8を閉成、接点C6、C7を開成)。

CNCには、「異常」の有無を判別するソフトウェアが装備されており、CPUが「異常」の有無を判別する。いずれかのI/Oユニットについて異常があれば、なんらかの手段(例えばブザー)でオペレータに異常が報知される。なお、診断実行時にCNCが受け取る診断結果用ID(デジタル入力)データ(パケットデータ)が、いずれのI/Oユニットの診断結果を表わすかは、CNCからの出力時の診断用パケットに含まれるヘッダに書き込まれた送り先データで判別できる。なぜなら、各I/OユニットA1〜A5の「ホスト送受信」は、自身宛以外のパケットを受信して「外部送受信」に渡すことはなく、また、診断用ループを通ってCNCに戻る間に、送り先データが消去されることもないからである。

CNCで行なわれる異常判定の処理のアルゴリズムに特に制限はなく、種々のものが考えられる。例えば、所定のバイナリ桁数の数値が、所定時間内にCNCにデータ変形なしで戻ってくるか否かをチェックすれば良い。また、診断実行のタイミング(周期)は、CNCの操作部で可変設定できるようにすることが好ましい。周期の例としては、1分毎に1回、10分毎に1回などがある。

また、操作部のマニュアル入力で随時診断できるようにしても良い。更に、自動機械M1〜M5は典型的には工作機械であるが、CNC(ロボット制御装置もその一種とみなす)で制御され、外部信号の入出力が必要とされる自動機械(例;ロボット)であれば、工作機械でなくても良い。自動機械の台数も上記実施形態における5台は例示で、2台以上の条件で特に制限はない。

数値制御装置、自動機械、I/Oユニット及び外部信号源の接続関係を例示した図である。 従来技術で用いれらるI/Oユニットの概略構成をブロック図で示したものである。 本発明の実施形態で用いれられるI/Oユニットの概略構成を、平常通信時の状態と診断実行時に分けてブロック図で示したものである。

符号の説明

A1〜A5 I/Oユニット(外部信号入出力ユニット)
B1〜B3 外部信号源
C1〜C8 接点
M1〜M5 自動機械(例えば工作機械)

Claims (6)

  1. 自動機械を制御する数値制御装置に、夫々外部信号の出力ラインと入力ラインを有すると共に前記出力ラインを経て前記入力ラインに入るループが内部に設けられた外部信号入出力ユニットを複数個接続したシステムにおいて、各外部信号入出力ユニットの動作が正常であるか否か診断するための診断方法であって、
    (a)前記数値制御装置から各外部信号入出力ユニットに診断用信号を送る診断用信号伝送段階と、
    (b)前記(a)の段階で前記診断用信号を受け取った前記各外部信号入出力ユニットが、前記診断用信号を、前記ループを通して前記数値制御装置に戻す段階と、
    (c)前記(b)の段階で前記数値制御装置に戻された診断用信号に基づいて前記各外部信号入出力ユニットの動作に異常があるか否か診断する段階とを含むことを特徴とする前記診断方法。
  2. 前記(a)〜前記(c)の段階が周期的に繰り返される、請求項1に記載された診断方法。
  3. 前記自動機械が工作機械である、請求項1または請求項2に記載された診断方法。
  4. 自動機械と、前記自動機械を制御する数値制御装置と、該数値制御装置に接続され、夫々外部信号の出力ラインと入力ラインを有する複数の外部信号入出力ユニットと、前記外部信号入出力ユニットの夫々の動作が正常であるか否か診断する診断手段を備えたシステムであって、
    前記数値制御装置は、前記各外部信号入出力ユニットに診断用信号を送る診断用信号伝送手段と、
    前記外部信号入出力ユニットの夫々は、内部に前記出力ラインを経て前記入力ラインに入るループを有するとともに、前記診断用信号伝送手段により送られた前記診断用信号を受け取り、前記ループを通して前記診断用信号を前記数値制御装置に戻す診断用信号戻し手段を備え、
    前記数値制御装置は、更に、前記診断用信号戻し手段によって前記数値制御装置に戻された診断用信号に基づいて前記各外部信号入出力ユニットの動作に異常があるか否か診断する手段を備えていることを特徴とする前記システム。
  5. 前記診断用信号伝送手段は、前記診断用信号を周期的に繰り返して前記外部信号入出力ユニットの夫々に送る、請求項4に記載されたシステム。
  6. 前記自動機械が工作機械である、請求項4または請求項5に記載されたシステム。
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