<Desc/Clms Page number 1>
Verplaatsingssysteem.
EMI1.1
De uitvinding heeft betrekking op een verplaatsingssysteem, bevattende een aantal met elkaar gekoppelde verplaatsingseenheden voor verplaatsing langs een as * < en een controlesysteem voor het sturen van de verplaatsingseenheden, waarbij iedere verplaatsingseenheid van een aandrijfmechanisme is voorzien. Met een verplaatsingssysteem wordt bedoeld een apparaat voor het positioneren van voorwerpen.
Voorbeelden van dit soort machines zijn een plaatsingsmachine zijn voor het plaatsen van elektronische onderdelen op een kaart met voorbedrukte bedrading, een inrichting waarmee een sensor, bijvoorbeeld een optische hoogtemeter of een camera, naar een te inspecteren positie wordt bewogen, een manipulator voor het verplaatsen van onderdelen of gereedschappen in een produktieproces, etcetera. Met een verplaatsingseenheid kan zowel een lineaire verplaatsing langs een as als een rotatie rond een as teweeg worden gebracht of een combinatie van deze beide bewegingen.
Een dergelijk verplaatsingssysteem is bijvoorbeeld het Variabel RobotSysteem (VRS) van aanvraagster. Wanneer een dergelijk systeem uit meer dan een minimaal aantal verplaatsingseenheden is opgebouwd kunnen problemen ontstaan in de communicatie tussen het controlesysteem en de aandrijfmechanismen. De verbinding tussen deze delen moet namelijk niet alleen voeding voor het aandrijfmechanisme overbrengen maar ook de motorstroom, signalen voor beveiliging en om informatie betreffende de momentane positie, snelheid en versnelling terug te koppelen naar het controlesysteem. Tevens zijn, afhankelijk van de toepassing van het verplaatsingssysteem, nog extra verbindingen nodig om, bijvoorbeeld, videosignalen of door een sensor opgenomen informatie over te brengen.
Voor de uitwisseling van de noodzakelijke gegevens en signalen ten behoeve van al deze functies in een dergelijk verplaatsingssysteem zijn vaak 20 of meer aders per verplaatsingseenheid nodig.
<Desc/Clms Page number 2>
Omdat de verplaatsingseenheden gestapeld zijn, bijvoorbeeld een verplaatsingseenheid voor beweging in de y-richting is gemonteerd op een verplaatsingseenheid die beweging in de x-richting verzorgt, worden de kabels op een aantal plaatsen dynamische belast en moeten in de lagere niveaus tevens kabels voor een aantal verplaatsingen doorgevoerd worden. Dit kan tot ruimteproblemen in het systeem leiden. Een aantal van vier of vijf gestapelde verplaatsingseenheden in een verplaatsingssysteem is niet uitzonderlijk.
Met een aantal van 20 aders per verplaatsingseenheid en vier tot vijf gestapelde verplaatsingseenheden, is het kabelsysteem een bron van storingen, onder andere door breuk en slechte contacten, maar ook doordat de kabels storingen oppikken of de omgeving storen. Een tweede nadeel van een dergelijk systeem is dat voor iedere toepassing van een verplaatsingssysteem een apart kabelsysteem ontwikkeld en getest moet worden.
Het is, onder andere, het doel van de uitvinding om een verplaatsingssysteem te verschaffen dat met een geringe ontwikkelingsinspanning en weinig risico voor een nieuwe toepassing kan worden aangepast, en waarbij de bovengenoemde problemen met betrekking tot ruimtebeslag en storingsgevoeligheid in het kabelsysteem tot een minimum beperkt zijn.
Hiertoe bevat het controlesysteem van het verplaatsingssysteem volgens de uitvinding een centrale controle-eenheid en ten minste één subcontrole-eenheid, waarbij iedere subcontrole-eenheid constructief in de nabijheid van een aandrijfmechanisme is aangebracht voor het aansturen van het desbetreffende aandrijfmechanisme. In de subcontrole-eenheid zijn belangrijke functies voor de sturing van het desbetreffende aandrijfmechanisme aangebracht, zoals de motion controller- en versterker elektronica en de programmable logic control. De aders die de signalen voor de daarin opgenomen functies doorgeven kunnen dan zeer kort blijven, en daardoor weinig storing veroorzaken en oppikken. Ook de dynamische belasting voor deze aders wordt tot een minimum beperkt zodat de kans op storingen ten gevolge van breuk of slechte contacten gering is.
Een verder voordeel is dat het systeem modulair kan worden opgebouwd, niet alleen in de mechanische constructie maar ook wat betreft het controlesysteem.
<Desc/Clms Page number 3>
Hierdoor verloopt de ontwikkeling voor een nieuwe toepassing sneller en betrouwbaarder.
Bij voorkeur wordt een subcontrole-eenheid constructief met het aandrijfmechanisme is verbonden. Hierbij worden het aandrijfmechanisme of de motor en de elektronica voor dit mechanisme in star met elkaar verbonden.
In een voorkeursuitvoeringsvorm van het verplaatsingssysteem volgens de uitvinding is het controlesysteem ingericht voor de uitwisseling van doelparameters tussen de centrale controle-eenheid en de subcontrole-eenheid of-eenheden. In deze uitvoeringsvorm worden alleen commando's op hoog niveau tussen de centrale controleeenheid en de subcontrole-eenheden uitgewisseld. Dergelijke commando's zijn bijvoorbeeld de opdracht om naar een bepaalde positie te gaan, en het opleggen van grenzen aan de snelheid, versnelling, tijdsduur, etcetera, voor het uitvoeren van de beweging. Gegevens vanuit de subcontrole-eenheden naar de centrale controle-eenheid zijn bijvoorbeeld het aangeven wanneer een opgegeven positie is bereikt of foutmeldingen. Vooral wanneer de centrale controle-eenheid een programmeerbare computer is, is het voordelig commando's op een hoger niveau te gebruiken.
Het systeem kan daarmee op eenvoudige wijze geprogrammeerd worden en omdat de centrale controle-eenheid geen gedetailleerde signalen voor ieder van de verplaatsingsmechanismen hoeft te verwerken, kan deze eenvoudiger en daarmee goedkoper zijn.
Het verplaatsingssysteem volgens de uitvinding kan verder zodanig zijn uitgevoerd dat de doelparameters voor ieder van de subcontrole-eenheden van een vergelijkbaar type zijn. In de centrale verwerkingseenheid hoeft dan geen rekening gehouden te worden met verschillen in de aansturing van de diverse verplaatsingsmechanismen. Eventuele verschillen in de aansturing en controle van de aandrijfmechanismen worden in de subcontrole-eenheden afgehandeld.
Het verplaatsingssysteem volgens de uitvinding is bij voorkeur voorzien van een bussysteem via welk de subcontrole-eenheid of-eenheden en de centrale controle-eenheid zijn gekoppeld. Extra kabels voor extra verplaatsingseenheden zijn nu geheel overbodig omdat iedere verplaatsingseenheid aangesproken wordt met geadresseerde commando's via het bussysteem. Een tweede voordeel van het gebruik van een bussysteem is dat een verplaatsingseenheid, zonder tussenkomst van de centrale controle-eenheid, kan reageren op een signaal afkomstig van een andere
<Desc/Clms Page number 4>
verplaatsingseenheid. Bijvoorbeeld, een beweging in de y-richting wordt gestart zodra een signaal op de bus komt dat aangeeft dat een bepaalde x-positie is bereikt.
Omdat de hoeveelheid informatie die door het bussysteem verwerkt moet worden relatief gering is, bijvoorbeeld encoder informatie en gedetailleerde stuurinformatie ontbreken, kan worden volstaan met een relatief traag en goedkoop serieel netwerk.
In een verplaatsingssysteem kan een subcontrole-eenheid zijn ingericht om geometrische afwijkingen in de verplaatsingseenheid zoals ten gevolge van thermische invloeden te compenseren. Een belangrijk deel in de afwijkingen wordt op deze wijze lokaal afgehandeld hetgeen de centrale controle-eenheid ontlast en programmeren van het verplaatsingssysteem eenvoudiger maakt.
Deze en andere, meer gedetailleerde, aspecten van de uitvinding worden nu, bij wijze van voorbeeld, nader toegelicht behulp van de tekeningen.
De tekeningen tonen in
Figuur 1 een schematische weergave van een verplaatsingssysteem met drie verplaatsingseenheden ;
Figuur 2a en 2b een schematische weergave van een controlesysteem voor een verplaatsingssysteem met zes verplaatsingseenheden ;
Figuur 3 een voorbeeld van een verplaatsingseenheid met daarbij aangebracht een subcontrole-eenheid voor toepassing in een verplaatsingssysteem volgens de uitvinding ;
Figuur 4 een schematische weergave van een controlesysteem voor toepassing in een verplaatsingssysteem volgens de uitvinding.
In figuur 1 is een verplaatsingssysteem 1 schematisch weergegeven dat bestaat uit drie gestapelde lineaire verplaatsingseenheden 10,20 en 30 die ieder een verplaatsing in een richting verzorgen, aangegeven door de pijlen 11,21 en 31. Iedere verplaatsingseenheid bevat een slede 12,22 of 32 met een aandrijfmechanisme daarop
<Desc/Clms Page number 5>
aangebracht, en die geplaatst is op een geleiderail 13, 23 en 33, respectievelijk. De in de motor opgewekte kracht wordt bijvoorbeeld via een heugel/rondsel combinatie overgebracht op de geleiderail. De motor kan ook een lineaire motor zijn zodat roterende delen in de motor ontbreken. In het getekende systeem verplaatst de motor zichzelf, een alternatieve mogelijkheid is dat de motor vast ten opzichte van de geleiderail is aangebracht en via een spindel de slede op de geleiderail aandrijft.
De voeding en de stuur-en controlesignalen voor de diverse motoren worden via kabels 14, 24 en 34 overgebracht. Een typisch aantal aders in deze kabels is 20 of meer per verplaatsingseenheid. Het systeem kan verder worden uitgebreid met aandrijfmechanismen voor rotaties of extra lineaire verplaatsingen.
In figuur 2a is schematisch een controlesysteem voor een verplaatsingssysteem met zes verplaatsingseenheden weergegeven, zoals is toegepast in het Variabel RobotSysteem (VRS) van aanvraagster. Het controlesysteem bestaat uit een computer 40 en een servo-systeem 50. Aan de computer 40 is randapparatuur gekoppeld zoals een monitor met toetsenbord 41 voor communicatie tussen operator en systeem, een bedieningspaneel 42 en een programmeerpaneel 43 voor communicatie die specifiek betrekking heeft op het verplaatsingssysteem, een I/O module 44 die uitgangen bevat voor het aankoppelen van sensoren en dergelijke en een floppy disk eenheid 45 voor opslag van programma's en data.
Het tweede deel van het besturingssysteem is het servo-systeem 50 dat via een interface 46 met de computer 40 is gekoppeld. Het servo-systeem bevat voor iedere verplaatsingseenheid een servo-regelkring 51,52, 53,54, 55 en 56. Zoals weergegeven in figuur 2b voor de eerste servo-regelkring 51 bevat het servo-systeem voor iedere verplaatsingseenheid bijvoorbeeld een traject-generator 61, een digitale regelaar 62 en een vermogensversterker 63. Deze zijn gekoppeld met de motor 64 en een terugkoppellus via een mechanische module 65 en een meetsysteem 66. Het controlesysteem bevat verder een beveilingscircuit 70 en een voeding 71.
In een conventionele uitvoering zijn de servo-en meetsystemen ondergebracht bij de computer 40 en draagt de interface module 46 er zorg voor dat een commando van de computer naar de juiste regelkring wordt doorgegeven. Dit betekend dat zeer veel aders nodig zijn tussen het servo-systeem 50 en de motoren en sensoren in het mechanische gedeelte 1 van het verplaatsingssysteem. In figuur 1 bevat de daarin getekende kabel 14 niet alleen aders voor de signalen voor de motor van de eerste
<Desc/Clms Page number 6>
verplaatsingseenheid 10, maar ook voor de motoren van de verdere verplaatsingseenheden 20 en 30. Bij een systeem met vijf of zes verplaatsingseenheden kan het aantal aders meer dan honderd bedragen.
Gezien de mechanische belasting die de kabel moet ondergaan en de mogelijkheid van interferentie tussen signalen in de verschillende aders is de kans op fouten door breuk of het oppikken van stoorsignalen relatief groot. Hierbij moet bedacht worden dat ook de relatief sterke motorstromen door dezelfde kabels vloeien.
Figuur 3 toont een enkele verplaatsingseenheid 80 zoals kan worden toegepast in een verplaatsingssysteem volgens de uitvinding. Deze eenheid bevat een geleiding (niet zichtbaar in de figuur) waarop een slede 82 met daarin een lineaire motor is aangebracht. Indien de te verwachten mechanische belasting het vereist kan de geleiding ondersteund worden door een draagbalk 83. Bij toepassingen met een relatief hoog vermogen is de balk 83 ook van nut als warmteafvoer. Naast de motor is op de slede 82 een subcontrole-eenheid 85 aangebracht, die dezelfde functies bevat als een servo-regelkring als getoond in figuur 2b echter zonder de minicomputer 40. Hierin zijn, voor deze verplaatsingseenheid specifieke functies ondergebracht, zoals de trajectgenerator, de digitale regelaar en vermogensversterker voor de motorstroom en de programmable control.
Tevens bevat de subcontrole-eenheid de elektronica voor een meetsysteem of de encoder en de terugkoppeling. Bovendien kan in deze subcontroleeenheid ook een zekere mate van foutcompensatie worden ondergebracht, zoals compensatie voor thermische uitzetting van de draagbalk 83. Omdat alle lokale functies binnen de subcontrole-eenheid 85 worden afgehandeld, hoeft de kabel 84 waarmee de subcontrole-eenheid met de, niet getekende, centrale controle-eenheid is verbonden slechts een beperkt aantal aders te bevatten. Noodzakelijke aders in deze kabel 84 zijn bestemd voor voeding, beveiliging en communicatie, deze functies nemen zo'n acht tot tien aders in beslag. Extra aders kunnen dienen voor video en sensorsignalen en voor het schakelen van vacuÜm en persluchtventielen.
De subcontrole-eenheid kan zijn opgebouwd rond een microprocessor, bijvoorbeeld van het type TMS 320/C30 van Texas Instruments.
De slede 82 kan voorzien zijn van bevestigingsplaten 86 voor het daarop aanbrengen van een tweede verplaatsingseenheid. Tevens kan daarbij de kabel 84 verbonden zijn met een connector 87 via welke een kabel voor die tweede verplaatsingseenheid kan worden aangesloten. Vanwege de lokale afhandeling van
<Desc/Clms Page number 7>
bewegings functies in de subcontrole-eenheden, zijn in de kabel 84 geen extra aders nodig voor de tweede verplaatsingseenheid maar kan een bussysteem, bijvoorbeeld een seri le CAN-bus (Controller Area Network) gebruikt worden. Op deze wijze is het mogelijk een verplaatsingssysteem modulair op te bouwen zonder dat de hoeveelheid aders, en daarmee de storingsgevoeligheid, toeneemt.
Figuur 4 toont schematisch het controlesysteem voor een verplaatsingssysteem volgens de uitvinding. Een centrale controle-eenheid 90, bijvoorbeeld een kleine computer, is via een netwerk interface met een, bijvoorbeeld serieel, netwerk 91 verbonden. Voor communicatie met een operator is de centrale controle-eenheid 90 bijvoorbeeld voorzien van een scherm met toetsenbord 92. Het netwerk 91 is eveneens verbonden met subcontrole-eenheden 93,94 en 95 van een aantel, gestapelde, verplaatsingseenheden 101,102 en 103. Het netwerk is eveneens gekoppeld met I/O modules 96,97 voor het doorgeven van, bijvoorbeeld, video-of sensorsignalen naar de gebruiker, afkomstig van een camera of sensor die met behulp van het verplaatsingssysteem bewogen wordt. Parallel met de aders van het netwerk 91 is een voedingscircuit 98,99 voor de verplaatsingseenheden 101,102 en 103 aangebracht.
Iedere verplaatsingseenheid bevat zowel een motor 105 als een encoder 106 voor het meten van verplaatsingen. In de bijbehorende subcontrole-eenheid 93 wordt het uitgangssignaal van de encoder 106 gebruikt voor terugkoppeling voor de motor 105. Via het netwerk 91 hoeven dus alleen stuursignalen op hoog niveau te worden doorgegeven, zoals "ga naar positie X", en signalen voor het begrenzen van de beweging door het opgeven van maximale snelheden en versnellingen.