JP6333800B2 - 安全入力信号を生成するスイッチ装置および数値制御システム - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の安全機能を監視するために数値制御装置に入力される安全入力信号を生成するスイッチ装置およびこれを備える数値制御システムに関する。

工作機械においては、工具などの移動制御にコンピュータ数値制御（Ｃｏｎｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｎｕｍｅｒｉａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＣＮＣ）装置（以下、「数値制御装置」と称する。）が用いられるのが一般的である。工作機械の安全性を監視するために、安全入力信号を２重化して数値制御装置に入力し、これら２つの安全入力信号の状態の比較結果に基づいて工作機械の安全機能を監視することが行われている。図８は、押しボタンスイッチによって生成された安全入力信号に基づく工作機械の完全監視についての従来技術を説明する図である。図８に示すように、押しボタンスイッチ３００内には２つの接点３５１および３５２が設けられており、これら接点が押下されることにより出力される「ハイ」または「ロー」からなる第１の出力信号および第２の出力信号を、それぞれ第１の安全入力信号および第２の安全入力信号として数値制御装置２００に入力する。数値制御装置２００では、第１の安全入力信号と第２の安全入力信号との状態を比較し、これら２つの安全入力信号が不一致の場合、数値制御装置２００が制御する工作機械の安全機能が損なわれた状態である（すなわち異常である）と判定する。

図８に示すような押しボタンスイッチ３００を用いて安全入力信号を２重化した場合、各接点３５１および３５２や各信号線に固有の特性により、接点３５１および３５２が押下されてから数値制御装置２００が第１の安全入力信号と第２の安全入力信号を受信するまでの時間（以下、「応答時間」と称することがある。）には差が存在する。つまり、工作機械が正常である場合にも数値制御装置２００が受信する２つの安全入力信号の状態が不一致となる時間帯が存在するということであり、このような安全入力信号の不一致によって「工作機械は異常である」と数値制御装置２００が誤判定してしまうおそれがある。したがって、このような誤判定を回避するため、数値制御装置２００は、ある一定時間は不一致を許容するように設定されている。以下、安全入力信号が不一致であることが許容される時間を単に「許容時間」と称する。

例えば、機械情報を入力する受信回路を監視する数値制御装置として、独立した受信回路が受信した２つの外部信号を比較し、この比較結果に基づいて受信回路を監視するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１１−１６１３２６号公報

図９は、図８に示す押しボタンスイッチによって生成された安全入力信号の応答時間の差を例示する図である。例えば図９に示すように、時刻０で押しボタンスイッチ３００が押下された場合において、数値制御装置２００は、接点３５１から送信された第１の安全入力信号を時刻ｔ₁で受信し、接点３５２から送信された第２の安全入力信号を時刻ｔ₂で受信したとすると、応答時間の差はΔＴ（ｔ₂−ｔ₁）となる。しかしながら、押しボタンスイッチ３００の構造如何によっては、２重化された安全入力信号の応答時間の差ΔＴが大きくなり、許容時間Ｐを超えてしまう場合がある。この場合、数値制御装置は安全機能が損なわれたと誤判定してしまう。

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、工作機械の安全機能を正確に監視するために数値制御装置に入力される安全入力信号を生成するスイッチ装置およびこれを備える数値制御システムを提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明においては、工作機械の安全機能を監視するために数値制御装置に入力される安全入力信号を生成するスイッチ装置は、一方向に移動可能な１つの操作部と、操作部までの距離を検出して、これを第１の検出信号として出力する第１の検出部と、操作部までの距離を検出して、これを第２の検出信号として出力する第２の検出部と、第１の検出信号が、第１の閾値以上である場合は第１の安全入力信号を出力し、第１の閾値未満である場合は第１の安全入力信号を出力しない第１の判定部と、第２の検出信号が、第２の閾値以上である場合は第２の安全入力信号を出力し、第２の閾値未満である場合は第２の安全入力信号を出力しない第２の判定部と、操作部が一定距離移動したときにおける第１の判定部による第１の安全入力信号の出力開始タイミングと第２の判定部による第２の安全入力信号の出力開始タイミングとが略同じとなるよう、第１の閾値および第２の閾値を調整し保持する閾値調整保持部と、を備える。

ここで、閾値調整保持部は、第１の検出部が検出した操作部までの距離と第２の検出部が検出した操作部までの距離とが同じときに測定された、第１の判定部による第１の安全入力信号の出力開始タイミングと第２の判定部による第２の安全入力信号の出力開始タイミングとの差が、所定の範囲内に収まるように、第１の閾値および第２の閾値を調整するようにしてもよい。

また、スイッチ装置は、閾値調整保持部は、操作部が一定距離移動したときにおいて、閾値決定指令部から第１の閾値および第２の閾値の調整の開始を指令する閾値決定信号を受信した時点に受信した第１の検出信号および第２の検出信号に基づいて、第１の閾値および第２の閾値を決定するようにしてもよい。

また、本発明によれば、数値制御システムは、上述のスイッチ装置と、第１の判定部から出力される第１の安全入力信号と第２の判定部から出力される第２の安全入力信号とを比較する比較部と、比較部による比較の結果、第１の安全入力信号と第２の安全入力信号とが一致する場合は工作機械は正常であると判定し、第１の安全入力信号と第２の安全入力信号とが一致しない場合は工作機械は異常であると判定する安全監視部と、を有する数値制御装置と、を備える。

本発明によれば、工作機械の安全機能を正確に監視するために数値制御装置に入力される安全入力信号を生成するスイッチ装置およびこれを備える数値制御システムを実現することができる。

本発明によれば、操作部が一定距離移動したときにおける第１の判定部による第１の安全入力信号の出力開始タイミングと第２の判定部による第２の安全入力信号の出力開始タイミングとが略同じとなるよう、第１の閾値および第２の閾値を調整し保持するので、工作機械が正常であるにおいて２つの安全入力信号が不一致となる時間が無くなり、従来のように「工作機械は異常である」と誤判定されることを回避することができ、工作機械の安全機能を正確に監視することができる。

本発明の実施形態によるスイッチ装置および数値制御システムを示すブロック図である。 操作部と第１の検出部および第２の検出部との関係を示す模式図である。 第１の検出部から出力される第１の検出信号と第２の検出部から出力される第２の検出信号を例示する図である。 図３の状態において第１の閾値および第２の閾値が同じである場合における第１および第２の安全入力信号の出力開始タイミングを示す図である。 第１の検出部から出力される第１の検出信号と第２の検出部から出力される第２の検出信号を例示する図である。 図５の状態において第１および第２の安全入力信号の出力開始タイミングが略同じとなるよう第１の閾値および第２の閾値を調整した場合を示す図である。 本発明の実施形態の変形例によるスイッチ装置および数値制御システムを示すブロック図である。 押しボタンスイッチによって生成された安全入力信号に基づく工作機械の完全監視についての従来技術を説明する図である。 図８に示す押しボタンスイッチによって生成された安全入力信号の応答時間の差を例示する図である。

図１は、本発明の実施形態によるスイッチ装置および数値制御システムを示すブロック図である。また、図２は、操作部と第１の検出部および第２の検出部との関係を示す模式図である。

本発明の実施形態によれば、数値制御システム１００は、スイッチ装置１および数値制御装置２を備える。なお、数値制御システム１００によって制御される工作機械本体については図示を省略している。

数値制御装置２は、比較部２１および安全監視部２２を備える。比較部２１は、後述するスイッチ装置１内の第１の判定部１４から出力される第１の安全入力信号とスイッチ装置１内の第２の判定部１５から出力される第２の安全入力信号とを比較する。安全監視部２２は、比較部２１による比較の結果、第１の安全入力信号と第２の安全入力信号とが一致する場合は工作機械は正常であると判定し、第１の安全入力信号と第２の安全入力信号とが一致しない場合は工作機械は異常であると判定する。

スイッチ装置１は、工作機械の安全機能を監視するために数値制御装置２に入力される安全入力信号を生成する。このため、スイッチ装置１は、操作部１１と、第１の検出部１２と、第２の検出部１３と、第１の判定部１４と、第２の判定部１５と、閾値調整保持部１６とを備える。

操作部１１は、一方向に移動可能な構造を有するものとしてスイッチ装置１内に１つ設けられる。操作部１１は、例えば押下の有無により一方向に移動可能な機械的スイッチによって構成される。操作部１１から一定距離離れ、かつ操作部１１の移動方向の略延長線上に、第１の検出部１２および第２の検出部１３が設けられる。

第１の検出部１２は、操作部１１までの距離（すなわち第１の検出部１２と操作部１１との間の距離）を検出して、これを第１の検出信号として第１の判定部１４へ出力する。第２の検出部１３は、操作部１１までの距離（すなわち第２の検出部１３と操作部１１との間の距離）を検出して、これを第２の検出信号として第２の判定部１５へ出力する。第１の検出部１２および第２の検出部１３は、検出体との距離を非接触で検出する近接センサによって構成される。近接センサの例としては磁気形、誘導形、静電容量形、超音波形、光電形があるが、近接センサの形式自体は本発明を特に限定するものではなく、いずれを採用してもよい。

第１の判定部１４は、第１の検出部１２から受信した第１の検出信号が、第１の閾値以上である場合は第１の安全入力信号を出力し、第１の閾値未満である場合は第１の安全入力信号を出力しない。第２の判定部１５は、第２の検出部１３から受信した第２の検出信号が、第２の閾値以上である場合は第２の安全入力信号を出力し、第２の閾値未満である場合は第２の安全入力信号を出力しない。第１の判定部１４における判定処理に用いられる第１の閾値および第２の判定部１５における判定処理に用いられる第２の閾値は、次に説明する閾値調整保持部１６によって調整されて保持される。なお、操作部１１が移動していない状態における、操作部１１と第１の判定部１４との間の距離と操作部１１と第２の判定部１５との間の距離は、略同じであることが好ましい。

閾値調整保持部１６は、操作部１１が一定距離移動したときにおける第１の判定部１４による第１の安全入力信号の出力開始タイミングと第２の判定部１５による第２の安全入力信号の出力開始タイミングとが略同じとなるよう、第１の閾値および第２の閾値を調整し保持する。

ここで、第１の閾値および第２の閾値についてより詳細に説明する。

図３は、第１の検出部から出力される第１の検出信号と第２の検出部から出力される第２の検出信号を例示する図であり、図４は、図３の状態において第１の閾値および第２の閾値が同じである場合における第１および第２の安全入力信号の出力開始タイミングを示す図である。第１の検出部１２から出力される第１の検出信号と第２の検出部１３から出力される第２の検出信号は、それぞれ第１の検出部１２と操作部１１との間の距離および第２の検出部１３と操作部１１との間の距離に対応するものであるので、当該距離が長くなるほど検出信号のレベルが減少する減少関数の傾向を示す。ただし、操作部１１の構造や第１の検出部１２および第２の検出部１３の特性等の相違、ならびに操作部１１と第１の検出部１２との間の距離と操作部１１と第２の検出部１３との間の距離の相違から、図３に示すように、第１の検出部１２から出力される第１の検出信号と第２の検出部１３から出力される第２の検出信号とは異なったものとなる。このとき仮に第１の閾値と第２の閾値とを同じに設定したとすると、図４に示すように第１の判定部１４による判定処理の結果出力される第１の安全入力信号と第２の判定部１５による判定処理の結果出力される第２の安全入力信号とは、その「出力開始タイミング」が異なったものとなる。その理由は、操作部１１の構造や第１の検出部１２および第２の検出部１３の特性等の相違ならびに操作部１１と第１の検出部１２との間の距離と操作部１１と第２の検出部１３との間の距離の相違の影響がそのまま反映されてしまうからである。一例として図４では、第１の判定部１４からは時刻ｔ₃で第１の安全入力信号が出力され、第２の判定部１５からは時刻ｔ₄で第２の安全入力信号が出力された場合について示した。図４に示すように安全入力信号が不一致となる時間は「ｔ₄−ｔ₃」となり、許容時間Ｐを超えてしまう可能性がある。このような第１の安全入力信号および第２の安全入力信号が数値制御装置２に入力されると、工作機械が正常であるにも関わらず「工作機械は異常である」と数値制御装置２が誤判定してしまう。そこで、本実施形態では、閾値調整保持部１６において、操作部１１が一定距離移動したときにおける第１の判定部１４による第１の安全入力信号の出力開始タイミングと第２の判定部１５による第２の安全入力信号の出力開始タイミングとが略同じとなるよう、第１の閾値および第２の閾値を調整し保持する。具体的には次の通りである。

図５は、第１の検出部から出力される第１の検出信号と第２の検出部から出力される第２の検出信号を例示する図であり、図６は、図５の状態において第１および第２の安全入力信号の出力開始タイミングが略同じとなるよう第１の閾値および第２の閾値を調整した場合を示す図である。図５に示すように、第１および第２の安全入力信号の出力開始タイミングが略同じとなるように、操作部１１と第１の検出部１２との間の距離と操作部１１と第２の検出部１３との間の距離とが同じであるときに、第１の判定部１４による第１の安全入力信号の出力開始と同時に第２の判定部１５による第２の安全入力信号の出力開始が行われるよう、閾値調整保持部１６にて第１の閾値および第２の閾値を設定する。すなわち、閾値調整保持部１６は、図５に示すように第１の検出部１２が検出した操作部１１までの距離と第２の検出部１３が検出した操作部１１までの距離とが同じときに測定された、第１の判定部１４による第１の安全入力信号の出力開始タイミングと第２の判定部１５による第２の安全入力信号の出力開始タイミングとの差が、所定の範囲内に収まるように、第１の閾値および第２の閾値を調整する（図６）。閾値調整保持部１６による第１の閾値および第２の閾値の調整の結果、図６に示すように、第１の判定部１４からの第１の安全入力信号の出力開始タイミングと第２の判定部１５からの第２の安全入力信号の出力開始タイミングとがともに同じ時刻ｔ₃となると、安全入力信号が不一致となる時間が無くなり、工作機械が正常であるにおいて、従来のように「工作機械は異常である」と数値制御装置２が誤判定してしまうことはない。

上述の閾値調整保持部１６については、例えば、ボリューム回転により抵抗値が変更される可変抵抗と定電圧源とからなり、ボリュームの回転量に応じた電気信号が取り出せるアナログ回路とすることが考えられる。この場合、ボリュームの回転量に応じた電気信号が第１の閾値および第２の閾値に対応することになる。操作部１１を移動させた状態において、第１の判定部１４からの第１の安全入力信号の出力開始タイミングと第２の判定部１５からの第２の安全入力信号の出力開始タイミングとをオシロスコープなどで観測し、第１の安全入力信号の出力開始タイミングと第２の安全入力信号の出力開始タイミングとの差が所定の範囲内に収まるように、ボリュームを調整する。

またあるいは、上述の閾値調整保持部１６を、第１の閾値および第２の閾値を調整するための演算部（図示せず）と調整済みの第１の閾値および第２の閾値を保存するための記憶部（図示せず）とかなるディジタル回路として構成してもよい。図７は、本発明の実施形態の変形例によるスイッチ装置および数値制御システムを示すブロック図である。本変形例によれば、閾値調整保持部１６は、操作部１１が一定距離移動したときにおいて、閾値決定指令部３１から第１の閾値および第２の閾値の調整の開始を指令する閾値決定信号を受信した時点に受信した第１の検出信号および第２の検出信号に基づいて、上述した閾値調整保持部１６による第１の閾値および第２の閾値の調整を開始する。上述の閾値決定指令部３１については、例えば、スイッチが考えられる。スイッチを操作することで、閾値決定信号を出力する。なお、図示の例では、閾値調整保持部１６に対し第１の閾値および第２の閾値の調整の開始を指令する閾値決定信号を生成する閾値決定指令部３１をスイッチ装置１の外部に設けたが、この代替例として閾値決定指令部３１をスイッチ装置１の内部に設けてもよい。図７に示す本変形例については閾値決定指令部３１以外の回路構成要素については図１に示す回路構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該回路構成要素についての詳細な説明は省略する。

１ スイッチ装置
２ 数値制御装置
１１ 操作部
１２ 第１の検出部
１３ 第２の検出部
１４ 第１の判定部
１５ 第２の判定部
１６ 閾値調整保持部
２１ 比較部
２２ 安全監視部
３１ 閾値決定指令部
１００ 数値制御システム

Claims (4)

1. 工作機械の安全機能を監視するために数値制御装置に入力される安全入力信号を生成するスイッチ装置であって、
   一方向に移動可能な１つの操作部と、
   前記操作部から一定距離離れかつ前記操作部の移動方向の略延長線上に設けられ、前記操作部までの距離を検出して、これを第１の検出信号として出力する第１の検出部と、
   前記操作部から一定距離離れかつ前記操作部の移動方向の略延長線上に設けられ、前記操作部までの距離を検出して、これを第２の検出信号として出力する第２の検出部と、
   前記第１の検出信号が、第１の閾値以上である場合は第１の安全入力信号を出力し、前記第１の閾値未満である場合は前記第１の安全入力信号を出力しない第１の判定部と、
   前記第２の検出信号が、第２の閾値以上である場合は第２の安全入力信号を出力し、前記第２の閾値未満である場合は前記第２の安全入力信号を出力しない第２の判定部と、
   前記操作部が一定距離移動して前記第１の検出信号が前記第１の閾値以上になったときに前記第１の判定部により前記第１の安全入力信号の出力が開始されるタイミングと前記操作部が当該一定距離移動して前記第２の検出信号が前記第２の閾値以上になったときに前記第２の判定部により前記第２の安全入力信号の出力が開始されるタイミングとが略同じとなるよう、前記第１の閾値および前記第２の閾値を調整し保持する閾値調整保持部と、
   を備えることを特徴とするスイッチ装置。
2. 前記閾値調整保持部は、前記第１の検出部が検出した前記操作部までの距離と前記第２の検出部が検出した前記操作部までの距離とが同じときに測定された、前記第１の検出信号が前記第１の閾値以上になったときに前記第１の判定部により前記第１の安全入力信号の出力が開始されるタイミングと前記第２の検出信号が前記第２の閾値以上になったときに前記第２の判定部により前記第２の安全入力信号の出力が開始されるタイミングとの差が、所定の範囲内に収まるように、前記第１の閾値および前記第２の閾値を調整する、請求項１に記載のスイッチ装置。
3. 前記閾値調整保持部は、前記操作部が一定距離移動したときにおいて、閾値決定指令部から前記第１の閾値および前記第２の閾値の調整の開始を指令する閾値決定信号を受信した時点に受信した前記第１の検出信号および前記第２の検出信号に基づいて、前記第１の閾値および前記第２の閾値を決定する、請求項２に記載のスイッチ装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のスイッチ装置と、
   前記第１の判定部から出力される前記第１の安全入力信号と前記第２の判定部から出力される前記第２の安全入力信号とを比較する比較部と、前記比較部による比較の結果、前記第１の安全入力信号と前記第２の安全入力信号とが一致する場合は工作機械は正常であると判定し、前記第１の安全入力信号と前記第２の安全入力信号とが一致しない場合は工作機械は異常であると判定する安全監視部と、を有する数値制御装置と、
   を備えることを特徴とする数値制御システム。

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