JP4980292B2 - 異なる通信周期で複数のアンプと通信する数値制御システム - Google Patents

Description

本発明は、ワークを加工する工作機械やロボット、プレス機、射出成形機などの機械を制御する数値制御装置と、該数値制御装置とそれぞれ通信ラインを介して接続された、主軸アンプと送り軸アンプを有する数値制御システムに関する。

高精度なタップ加工では、主軸の回転と穴あけ軸の送り軸とが同期するように制御され、穴底での減速時および加速時の速度を合わせる。主軸は、数値制御装置１の主軸を制御する主軸用プロセッサによって制御され、送り軸用のプロセッサは、主軸の位置情報、速度情報を取得し、送り軸の制御指令に反映させる。そのため、フィードバックデータの取得周期と駆動源への指令周期が短いほど、高精度に同期ができる。

特許文献１には、ネジ加工やタップ加工のように回転軸と送り軸を同期するアプリケーションや、タンデム加工のように複数の送り軸を同期するようなアプリケーションでは、複数の駆動源（モータ）の同期をとる必要があり、１つ以上の駆動源（モータ）の位置情報や速度情報等のフィードバックデータが制御装置にフィードバックされ、プロセッサによってフィードバックデータから同期誤差と補正データが算出され、１つ以上の駆動源（モータ）の指令値に反映させる技術が開示されている。

図８は、数値制御装置１と、数値制御装置１とそれぞれ通信ラインで接続された、遅い更新周期の主軸アンプ２と、早い更新周期の送り軸アンプ３を備えた数値制御システムにおいて、タップ加工を例として、早い更新周期の穴あけ送り軸と、遅い更新周期の主軸を用いたシステムの概略ブロック図である。

主軸のデータの更新周期が送り軸に比べて遅いのは、図８に示されるように主軸アンプ２側にも制御用のプロセッサを備えていることにより、数値制御装置１側のプロセッサとの間で多種類のデータを送受信する必要があるためである。その代わり、主軸アンプ２側に制御用のプロセッサを備えて制御しているため、数値制御装置１からの指令データや主軸の位置、速度の情報の更新周期が多少遅くなっても問題とならない。一方、送り軸では送り軸アンプ３側にプロセッサを備えていないため、扱うデータの数が相対的に主軸と比べて少ないが、軸制御のための指令や位置情報は、主軸と比較して早い更新周期で送受信する必要がある。

図９は、主軸アンプ２からの受信データの取得タイミングと、送り軸プロセッサによる指令値演算の実行のタイムチャートである。図９に示されるように、主軸アンプ２からのデータは、送り軸アンプ３の指令値演算の周期と比較して更新周期が遅いため、送り軸の指令演算に使用できる主軸アンプ２の位置・速度情報は、時間の経過とともに古いデータを使用しなければならなくなり、主軸と送り軸の精密な同期運転に不利である。

同期運転を精密に行うため図１０に示されるように、早い更新周期の通信ラインに入力機器を接続し、主軸の位置・速度情報をその入力機器４に入力する技術がある。入力機器４と送り軸とは同一の早い更新周期の通信ラインに接続されているので、早い周期で主軸位置、速度データの入手が可能となり、同期制御が可能となる。

図１１は、入力機器４からの主軸位置、速度情報の受信データの取得タイミングと、送り軸プロセッサによる指令値演算の実行のタイムチャートである。図１１に示される更新周期でデータの更新と指令値を演算する技術では、図１０に示されるように早い更新周期の通信ラインに入力機器を付加する必要があり、コストアップとともに、通信ラインＬ２の通信負荷を増大させるという不利な点がある。

特開２００７−４２０６８号公報

複数の駆動源が異なる通信周期で通信ラインに接続されていて、長い通信周期の駆動源からフィードバックデータを、短い通信周期の駆動源の指令値に反映させようとした場合、同期誤差や指令値への反映周期は長い通信周期に制限されてしまうという問題がある。

この問題を回避するために、短い通信周期の入力機器を接続し、長い通信周期のフィードバックデータを前記入力機器に入力し、短い通信周期でフィードバックデータを取得する技術がある。このような技術では、入力機器が追加で必要であり、制御システムが複雑になりコストアップにつながる。

そこで本発明は、数値制御装置とモータ駆動用アンプとの間の長い通信周期で送られる通信データの中に、フィードバックデータを時分割で複数回盛り込み、位置情報や速度情報の見かけ上の通信周期を短くし、さらに、前記フィードバックデータが受信されるたびに、即時に読み出して転送できる機構を設けることで、長い通信周期の駆動源の通信周期よりも短い周期でフィードバックデータを取得可能な異なる通信周期で複数のアンプと通信することが可能な数値制御システムを提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、複数のモータと、前記モータを駆動する複数のアンプと、前記モータを制御する数値制御装置を備え、前記数値制御装置と前記複数のアンプは、複数の異なる通信周期でデータを通信する通信ラインにより結合され、前記数値制御装置と前記アンプに内蔵された通信制御回路によって前記通信ラインが制御され、前記通信制御回路は通信によって受信したデータを格納するバッファを有し、１台以上の前記第１のモータの位置情報あるいは速度情報を参照して、他の１台以上の第２のモータの位置あるいは速度を制御する数値制御システムにおいて、前記通信ラインを経由して、前記第１のモータを駆動する第１のアンプが数値制御装置に対して第１の通信周期で送信する送信データ中に、前記第１の通信周期よりも短い前記第２のモータの制御指令周期でサンプリングされた、前記第１のモータの位置情報あるいは速度情報を複数挿入し、前記数値制御装置は、前記第１のモータの位置情報あるいは速度情報を第１の通信制御回路のバッファより参照し、前記第２のモータの制御に使用することを特徴とする数値制御システムである。

請求項２に係る発明は、前記数値制御システムは、前記第１の通信制御回路のバッファにある前記第１のモータの位置情報あるいは速度情報を使用して、前記第２のモータの制御指令周期で前記第２のモータの制御指令を作成するモータ制御指令作成手段と、前記第２のモータの制御指令周期で前記制御指令を第２のモータを駆動する第２のアンプに転送する手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の数値制御システムである。

請求項３に係る発明は、前記第２のモータの制御指令周期で挿入される複数の第１のモータの位置情報あるいは速度情報が前記第１の通信制御回路のバッファにおのおの到着しているタイミングで、前記第２のモータの制御指令周期に同期して、前記第１の通信制御回路のバッファから、前記第２のモータの制御指令作成のためのバッファに、前記複数の第１のモータの位置情報あるいは速度情報の転送を行なうデータ転送機構を備えることを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の数値制御システムである。

請求項４に係る発明は、前記第２のモータの制御指令作成のためのバッファにある前記複数の第１のモータの位置情報あるいは速度情報に予め設定されている定数を乗算して第２のモータの制御指令を作成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の数値制御システムである。

本発明により、送り軸の指令更新周期に合わせて第１のアンプ（主軸アンプ）が取得した複数の主軸位置や速度等のフィードバックデータを、主軸アンプから数値制御装置に送信するデータ中に挿入し、送り軸において利用可能とすることで、特別な入力機器を付加することなく、主軸と送り軸との精密な同期運転が可能な異なる通信周期で複数のアンプと通信する数値制御システムを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面と共に説明する。なお、本発明と従来技術を説明する図（図８および図１０）とで同じ構成ないし類似の構成について、各構成要素を示す符号は同じ番号を付与している。

図１は、本発明である数値制御システムの第１の実施形態を示す概略ブロック図である。本発明の第１の実施形態は、数値制御装置１と、数値制御装置１とそれぞれ通信ラインで接続された、遅い更新周期の第１のアンプ２と、早い更新周期の送り軸アンプ３を備えた数値制御システムである。

符号ＦＢは、第１のアンプ２に接続された主軸モータ２３の位置情報あるいは速度情報である。符号Ｃｍ２は、送り軸制御用のプロセッサ（送り軸用）１３により主軸モータ２３の位置情報あるいは速度情報ＦＢをもとに演算して求められた、送り軸に対する軸制御のための指令値である。符号Ｉｍはモータ情報であって、第１のアンプ２からフィードバックされる主軸モータの位置情報あるいは速度情報ＦＢをどのような頻度で、通信制御回路２２から通信制御回路１２に送られるデータに挿入するかを設定するための挿入周期設定用情報である。

数値制御装置１は、送り軸制御用のプロセッサ（送り軸用）１３、第１のアンプ（主軸アンプ）２からの位置情報や速度情報を通信ラインを介して受信するための通信制御回路１２、送り軸へ軸制御の指令値を送信するための通信制御回路１４とを有する。そして、それぞれの通信制御回路１２，１４は送られてきたデータを一時的に格納する受信バッファを備えている。

第１のアンプ（主軸アンプ）２は、主軸モータ２３を駆動制御するための制御用のプロセッサ（主軸用）２１、数値制御装置１の通信制御回路１２にデータを送信するための通信制御回路２２を備えている。プロセッサ（主軸用）２１は、主軸モータ２３から位置情報あるいは速度情報をフィードバック情報として受け取る。この位置情報あるいは速度情報は、通信制御回路２２を介し通信ラインＬ１を経由して、通信制御回路２２に送られる。

送り軸アンプ３は、数値制御装置１のプロセッサ（送り軸用）で演算され軸制御指令を通信ラインＬ２を経由して通信制御回路３１で受信し、送り軸用のモータ３２を駆動制御する。主軸アンプ２側に制御用のプロセッサを備えて制御しているため、数値制御装置１からの指令データや主軸の位置、速度の情報の更新周期が多少遅くなっても問題とならない。一方、送り軸では送り軸アンプ３側にプロセッサを備えていないため、扱うデータの数が相対的に主軸と比べて少ないが、軸制御のための指令や位置情報は、主軸と比較して早い更新周期で送受信する必要がある。

そこで、モータ情報Ｉｍをアンプ２の通信制御回路２２に通信ラインＬ１を介して送り、第１のアンプ（主軸用）２から数値制御装置１にフィードバックする位置情報あるいは速度情報の周期を設定する。モータ情報Ｉｍを挿入する周期については、指令する側の通信ラインの制御周期と同じであれば十分である。例えば、プロセッサ（送り軸用）１３が送り軸へ指令する指令データの更新周期に合わせて、モータ情報Ｉｍを設定するとよい。

数値制御装置１の送り軸制御プロセッサ（送り軸用）１３は、第１のアンプ（主軸アンプ）２に接続された主軸モータ２３の位置情報あるいは速度情報ＦＢを受信バッファ１２Ａから読み出す。数値制御装置１にある通信制御回路１２の受信バッファ１２Ａは、第１のアンプ（主軸アンプ）２のプロセッサ（主軸用）２１が接続されている通信制御回路２２に、通信ラインＬ１を介して接続されている。そして、受信バッファ１２Ａには、通信ラインの更新周期よりも短い周期でサンプリングされた複数の第１のアンプ（主軸アンプ）からの位置情報もしくは速度情報ＦＢが格納される。

プロセッサ（送り軸用）１３は、送り軸制御のための位置制御周期もしくは速度制御周期に従って、受信バッファ１２Ａに格納されている複数の位置情報もしくは速度情報から最新の情報を取得し、送り軸モータ３２を駆動するための軸制御指令値の演算に使用する。

次に、図２を用いて第１の実施形態における、第１のアンプ２から数値制御装置１に送られる位置情報あるいは速度情報のタイムチャートの例を示す。図２でタイムチャート（１）は、第１のアンプにおけるフィードバックデータを取得するタイミングを表している。タイムチャート（２）は、受信バッファ１２Ａが第１のアンプから受信データを受信するタイミングを表している。タイムチャート（３）は、第１のアンプからの受信バッファ１２Ａの中の速度・位置データを表している。そして、タイムチャート（４）は、他のアンプに対する指令値演算の実行タイミングを表している。

第１のアンプ２から送信されるデータの到着タイミング（以下、「受信データ到着タイミング」という）は、図２のタイムチャート（２）に示されるように、通信ラインの込み具合やエラーが発生した場合の込み具合によってばらつくことがある。このようなばらつきによって、数値制御装置１の受信バッファ１２Ａ（図１参照）に到着するデータの受信データ到着タイミングにばらつきが生じる。
送り軸の制御を行うプロセッサ（送り軸用）１３がこの受信バッファ１２Ａに格納されている位置情報あるいは速度情報を直接参照すると、参照するタイミングによっては、同じ位置情報あるいは速度情報を参照する可能性がある。例えば、図２ではタイムチャート（３）に示される第１のアンプから受信バッファ中の速度・位置データ（０３）は、タイムチャート（４）に示される２つの更新周期（制御周期）で他のアンプ（例えば送り軸アンプ３）に対する指令値演算の実行に用いられている。

第１の実施形態（図１参照）では、異なるデータ更新周期のアンプ間でモータの位置情報および速度情報とを共有することが可能となるが、上述したように、通信ラインにおいては通信路の込み具合やエラーが発生した時の再送要求などによって受信バッファにおけるデータ到着時間にばらつき（図２参照）が生じる可能性があり、送り軸を制御するプロセッサ（送り軸用）１３が直接受信バッファ１２Ａから第１のアンプ２からのフィードバック情報ＦＢである位置情報および速度情報を参照すると、データ到着時間のばらつきによって主軸の速度が変動しているように見えてしまい、精密な同期運転が難しくなる。

そこで、本発明の第２の実施形態においては、図３に示されているように、第１のアンプ２と通信ラインのデータ転送周期と同期し、第１のアンプ２からの速度情報あるいは位置情報が必ず到着しているタイミングで、受信バッファから他のアンプの制御を行うプロセッサが参照可能なバッファに、一定周期で速度あるいは位置データの転送を行うデータ転送機構１５を備える。データ転送機構１５を除く数値制御システムの構成は図１に示す第１の実施形態と同様である。このデータ転送機構１５のデータ転送のタイミングは、第１のアンプ２にある通信制御回路２２の通信タイミングと同期している。

符号ＦＢは、第１のアンプ２に接続された主軸モータ２３の位置情報あるいは速度情報である。符号Ｃｍ２は、送り軸制御用プロセッサ１３で主軸モータの位置情報あるいは速度情報ＦＢをもとに演算して求められた、送り軸に対する軸制御の指令値である。

次に、データ転送機構１５の動作について図４を用いて説明する。図４は本発明の第２の実施形態におけるタイムチャートである。タイムチャート（１）は、第１のアンプにおける、フィードバックデータの取得を表している。タイムチャート（２）は、第１のアンプからの受信データを表している。タイムチャート（３）は、第１のアンプからの受信バッファ中の速度・位置データを表している。タイムチャート（４）は、データ転送指令タイミングを表している。タイムチャート（５）は、データ転送先バッファの速度・位置データを表している。タイムチャート（６）は他のアンプに対する指令値演算の実行を表している。

受信データの到着タイミングは、通信路の込み具合や、エラーが発生した場合の込み具合によってばらつくことがあり、受信バッファ１２Ａにデータが到着するタイミングにばらつきが生じることがある。

そこで、データ転送機構１５により、通信ラインのデータ転送周期と同期し、かつ、必ずデータ転送が終了したタイミングで一定周期で受信バッファから送り軸を制御するプロセッサ（送り軸用）１３がリード可能なバッファに速度・位置データを転送することで、このデータは、一定周期で更新される。

送り軸の制御を行うプロセッサ（送り軸用）１３は、この速度・位置データを、前記通信ラインのデータ転送周期と同期して指令値演算を実行することで、速度ばらつきの無い、主軸データを得ることができる。

なお、図３では、数値制御装置１と第１のアンプ２や他のアンプを接続する通信ラインが全く別個のものとして示されている。複数の更新周期に対応可能な通信プロトコルであれば、第１のアンプや他のアンプと数値制御装置１とを接続する通信ラインを同じ１個のもので共有することも可能である。

図５は、本発明の数値制御システムの実施形態における主軸アンプである第１のアンプ２（図１参照）から送信され数値制御装置１の受信バッファ１２Ａに格納される受信データバッファの構成の１例を示している。図１に示される受信バッファ１２Ａには、第１のアンプからの更新周期の１周期分のデータが格納されている。図５（１）は従来技術において受信バッファが受信する受信データの構造を示している。図５（２）は本発明において受信バッファが受信する受信データの構造を示している。なお、図５では、フィードバックデータを１更新周期に複数のフィードバックデータを挿入することにより転送時間が長くなっているが、フィードバックデータの更新は、前記１更新周期内でおさまるように設定される。

従来技術において、第１のアンプ２から受信する受信データは図５（１）に示されるように、更新周期１周期に対して１個のフィードバックデータしかない。そのため、精密な同期制御をおこなうには図１０に示すように入力機器４を数値制御システムに付加する必要があった。一方、本発明において、第１のアンプから受信する受信データは図５（２）に示されるように、１更新周期に対して複数のフィードバックデータを挿入することで、精密な同期制御をおこなうために必要な、早い更新周期のフィードバックデータを得ることができる。

図６は、従来技術において数値制御装置１の受信バッファ１２Ａで受信される、図５（１）に示されるフィードバックデータのタイムチャートを示す図である。図６でタイムチャート（１）は、数値制御装置１の受信バッファ１２Ａにおける第１のアンプからの受信データの更新周期を示している。タイムチャート（２）は、第１のアンプにおけるフィードバックデータの取得タイミングを示している。タイムチャート（３）は、数値制御装置１の通信制御回路１２の受信バッファ１２Ａが第１のアンプから受信する受信データのタイミングを示している。タイムチャート（４）は、他のアンプ（送り軸アンプ）に対する指令値演算の実行タイミングを示している。

図７は本発明において、図５（２）に示される数値制御装置１の受信バッファ１２Ａで受信されるフィードバックデータのタイムチャートを示す図である。図７のタイムチャート（１）は、数値制御装置１の受信バッファ１２Ａにおける第１のアンプからの受信データの更新周期を示している。タイムチャート（２）は、第１のアンプにおけるフィードバックデータの取得タイミングを示している。タイムチャート（３）は、数値制御装置１の通信制御回路１２の受信バッファ１２Ａが第１のアンプから受信する受信データのタイミングを示している。タイムチャート（４）は、他のアンプ（送り軸アンプ）に対する指令値演算の実行タイミングを示している。

従来技術では第１のアンプからのフィードバックデータは、１更新周期中に１個だけだったのに対し（図６（３）参照）、本発明では１更新期間に複数個のフィードバックデータを挿入している（図７（２）参照）。そのため、他のアンプ（送り軸アンプ）に対する指令データの計算において、より更新周期の短いフィードバックデータを使用することができ、精密な同期動作が可能となる。

本発明である数値制御システムの第１の実施形態を示す概略ブロック図である。 本発明において、第１のアンプからの受信データ到着タイミングがばらつく場合のタイミングチャートである。 本発明である数値制御システムの第２の実施形態を示す概略ブロック図である。 本発明の第２の実施形態におけるデータのタイムチャートの一例である。 本発明の数値制御システムの実施形態における第１のアンプから数値制御装置が受信する受信バッファの構成の１例である。 従来技術の通信ラインにおけるフィードバックデータのタイムチャートの一例である。 本発明の通信ラインにおけるフィードバックデータのタイムチャートの一例である。 従来技術である数値制御システムの概要ブロック図である。 従来技術である数値制御装置システム（図８）におけるデータ更新のタイムチャートである。 従来技術である入力機器を付加した数値制御システムの概要ブロック図である。 従来技術である数値制御装置システム（図１０）におけるデータ更新のタイムチャートである。

符号の説明

１ 数値制御装置
１１ 主軸用プロセッサ
１２ 通信制御回路
１２Ａ 受信バッファ
１３ 送り軸用プロセッサ
１４ 通信制御回路
１４Ａ 受信バッファ
１５ データ転送機構
２ 主軸アンプ
２１ 主軸用プロセッサ
２２ 通信制御回路
３ 送り軸アンプ
３１ 通信制御回路
３２ 送り軸モータ
４ 入力機器

Claims (4)

1. 複数のモータと、前記モータを駆動する複数のアンプと、前記モータを制御する数値制御装置を備え、
   前記数値制御装置と前記複数のアンプは、複数の異なる通信周期でデータを通信する通信ラインにより結合され、
   前記数値制御装置と前記アンプに内蔵された通信制御回路によって前記通信ラインが制御され、
   前記通信制御回路は通信によって受信したデータを格納するバッファを有し、
   １台以上の前記第１のモータの位置情報あるいは速度情報を参照して、他の１台以上の第２のモータの位置あるいは速度を制御する数値制御システムにおいて、
   前記通信ラインを経由して、前記第１のモータを駆動する第１のアンプが数値制御装置に対して第１の通信周期で送信する送信データ中に、前記第１の通信周期よりも短い前記第２のモータの制御指令周期でサンプリングされた、前記第１のモータの位置情報あるいは速度情報を複数挿入し、
   前記数値制御装置は、前記第１のモータの位置情報あるいは速度情報を第１の通信制御回路のバッファより参照し、前記第２のモータの制御に使用することを特徴とする数値制御システム。
2. 前記数値制御システムは、前記第１の通信制御回路のバッファにある前記第１のモータの位置情報あるいは速度情報を使用して、前記第２のモータの制御指令周期で前記第２のモータの制御指令を作成するモータ制御指令作成手段と、
   前記第２のモータの制御指令周期で前記制御指令を第２のモータを駆動する第２のアンプに転送する手段と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の数値制御システム。
3. 前記第２のモータの制御指令周期で挿入される複数の第１のモータの位置情報あるいは速度情報が前記第１の通信制御回路のバッファにおのおの到着しているタイミングで、前記第２のモータの制御指令周期に同期して、前記第１の通信制御回路のバッファから、前記第２のモータの制御指令作成のためのバッファに、前記複数の第１のモータの位置情報あるいは速度情報の転送を行なうデータ転送機構を備えることを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の数値制御システム。
4. 前記第２のモータの制御指令作成のためのバッファにある前記複数の第１のモータの位置情報あるいは速度情報に予め設定されている定数を乗算して第２のモータの制御指令を作成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の数値制御システム。

Images