CH698856A2 - Regulation system of a gantry with double drive means. - Google Patents
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Abstract
L'invention se rapporte à un dispositif de régulation (11) d'un portique (1) comportant une poutre (3) sur laquelle est montée mobile une tête (5) et dont chaque extrémité comprend un moyen d'entraînement linéaire (2, 4), ledit système de régulation comportant un dispositif de supervision (13) destiné à fournir la position cible (Xref, -ref) de la tête (5), un dispositif de génération de consigne (14, 16) destiné à fournir la position cible (X1ref, X2ref) de chacun des moyens d'entraînement (2, 4), un dispositif d'asservissement (15, 17) en boucle fermée pour chacun desdits moyens d'entraînement destiné à fournir un signal (Fcont1, Fcont2) de commande audit moyen d'entraînement afin de faire tendre la position réelle de la tête (5) vers la position cible (Xref).Selon l'invention, le système de régulation (11) comprend en outre un dispositif de compensation (19) comportant une unité de commande corrective (25) destinée à fournir un signal de correction pour chaque signal (Fcont1, Fcont2) de commande fourni par chacun desdits dispositifs d'asservissement en fonction de la position réelle (X1, X2) de chacun desdits moyens d'entraînement afin de déplacer le portique (1) sans provoquer de rotation (-b) de la poutre (3) quelle que soit la position de ladite tête.L'invention concerne le domaine des systèmes de positionnement industriels.The invention relates to a device (11) for regulating a gantry (1) comprising a beam (3) on which is mounted movable a head (5) and of which each end comprises a linear drive means (2, 4), said control system having a supervisory device (13) for providing the target position (Xref, -ref) of the head (5), a set-point generating device (14, 16) for providing the position target (X1ref, X2ref) of each of the drive means (2, 4), a servo-control device (15, 17) in a closed loop for each of said drive means for providing a signal (Fcont1, Fcont2) of controlling said driving means to cause the actual position of the head (5) to move towards the target position (Xref). According to the invention, the control system (11) further comprises a compensation device (19) comprising a corrective control unit (25) for providing a correction signal for each control signal (Fcont1, Fcont2) supplied by each of said servo-control devices as a function of the actual position (X1, X2) of each of said drive means in order to move the gantry (1) without causing rotation (-b ) of the beam (3) regardless of the position of said head.The invention relates to the field of industrial positioning systems.
Description
Domaine de l’inventionField of the invention
[0001] L’invention se rapporte à un système de régulation d’un portique à plusieurs moyens d’entraînement linéaires et, plus particulièrement, un tel système comportant un dispositif de compensation prenant en compte toutes les forces perturbatrices dudit portique. [0001] The invention relates to a system for regulating a gantry with several linear drive means and, more particularly, such a system comprising a compensation device taking into account all the disturbing forces of said gantry.
Arrière plan de l’inventionBackground of the invention
[0002] Les portiques à multiples moyens d’entraînement linéaires sont connus pour la difficulté à réguler leur mouvement. En effet, comme illustré à la fig. 1, un portique 1 comporte une poutre 3 sur laquelle est généralement monté mobile un chariot 10, une charge utile 22 étant elle-même mobile par rapport au chariot 10. Afin que la charge utile 22 puisse se mouvoir selon trois dimensions X, Y et Z, le portique 3 comporte quatre moyens d’entraînement linéaires 2, 4, 6 et 8. Afin de déplacer la charge utile 22 selon l’axe X, chaque extrémité de la poutre 3 est reliée à un moyen d’entraînement linéaire 2, 4 à l’aide d’interfaces flexibles 7 et 9. Dans le but de déplacer la charge utile 22 selon l’axe Y, sur une des faces principales de la poutre 3 est monté le chariot 10 à l’aide d’un troisième moyen d’entraînement 6. Enfin, la charge utile 22 est déplacée selon l’axe Z par un quatrième moyen d’entraînement 8 qui est monté sur le chariot 10. Par souci de clarté, dans la suite du texte, la tête 5 désigne l’ensemble formé par le moyen d’entraînement 6, le chariot 10, le moyen d’entraînement 8 et la charge utile 22. [0002] Gantry cranes with multiple linear drive means are known for the difficulty in regulating their movement. Indeed, as illustrated in FIG. 1, a gantry 1 comprises a beam 3 on which a carriage 10 is generally mounted movably, a payload 22 itself being movable relative to the carriage 10. So that the payload 22 can move in three dimensions X, Y and Z, the gantry 3 comprises four linear drive means 2, 4, 6 and 8. In order to move the payload 22 along the X axis, each end of the beam 3 is connected to a linear drive means 2, 4 using flexible interfaces 7 and 9. In order to move the payload 22 along the Y axis, on one of the main faces of the beam 3 is mounted the carriage 10 using a third drive means 6. Finally, the payload 22 is moved along the Z axis by a fourth drive means 8 which is mounted on the carriage 10. For the sake of clarity, in the remainder of the text, the head 5 denotes the assembly formed by the drive means 6, the carriage 10, the drive means 8 and the payload 22.
[0003] On comprend, à l’aide de l’explication ci-dessus, qu’il est difficile d’amener la tête 5 à un positionnement précis selon l’axe X. En effet, considérer chacun des moyens d’entraînement linéaires 2, 4 comme des axes indépendants aboutit à une détérioration des performances à cause du couplage mécanique qui les lie. Le mouvement d’un des moyens d’entraînement 2, 4 génère des forces perturbatrices sur l’autre moyen d’entraînement 4, 2 qui peuvent nuire à sa performance. It is understood, with the aid of the above explanation, that it is difficult to bring the head 5 to precise positioning along the X axis. Indeed, consider each of the linear drive means 2, 4 as independent axes leads to a deterioration in performance due to the mechanical coupling between them. Movement of one of the drive means 2, 4 generates disruptive forces on the other drive device 4, 2 which can adversely affect its performance.
[0004] Ainsi, notamment, les systèmes actuels de régulation ne permettent pas d’éviter que la poutre 3 imprime une rotation θbautour de l’axe Z ce qui rend nécessaire l’utilisation des interfaces flexibles 7 et 9. [0004] Thus, in particular, the current regulation systems do not make it possible to prevent the beam 3 from imparting a rotation θ around the Z axis, which makes it necessary to use the flexible interfaces 7 and 9.
[0005] De telles interfaces sont proposées dans le brevet EP 1 810 776 et évitent d’imposer des contraintes excessives sur les éléments de liaison. Dans certains cas, on peut même utiliser ce degré de liberté supplémentaire dans l’application. Un exemple d’une telle utilisation est donné dans le brevet EP 1 107 067 pour un portique utilisé dans le domaine de la lithographie qui nécessite de petites corrections angulaires autour de l’axe Z. Ce degré de liberté supplémentaire requiert une structure de commande dédiée dont on trouve un exemple dans les brevets US2007/0 035 266 et US 6 163 116 dans lesquels on utilise une linéarisation des fonctions trigonométriques et des régulateurs indépendants pour les axes X et la rotation θb. [0005] Such interfaces are proposed in patent EP 1 810 776 and avoid imposing excessive stresses on the connecting elements. In some cases, you can even use this extra degree of freedom in the application. An example of such use is given in patent EP 1 107 067 for a gantry used in the field of lithography which requires small angular corrections around the Z axis. This additional degree of freedom requires a dedicated control structure. an example of which can be found in patents US2007 / 0 035 266 and US Pat. No. 6,163,116 in which linearization of the trigonometric functions and independent regulators are used for the X axes and the rotation θb.
[0006] Le problème principal d’une telle structure est toutefois d’avoir à régler différemment chacun des régulateurs qui sont associés à des comportements dynamiques très différents. On préférera dès lors une structure de commande plus conventionnelle telle que celle décrite dans le brevet EP 1 321 837 qui a cette fois l’inconvénient de ne pas tenir compte du couplage mécanique entre les axes et a recours à des techniques spéciales pour éviter les forces antagonistes qui peuvent apparaître dans la commande. [0006] The main problem with such a structure, however, is having to adjust each of the regulators differently, which are associated with very different dynamic behaviors. We will therefore prefer a more conventional control structure such as that described in patent EP 1 321 837, which this time has the drawback of not taking into account the mechanical coupling between the axes and uses special techniques to avoid the forces. antagonists that may appear in the command.
[0007] Le couplage mécanique est, par exemple, considéré dans le brevet US 7 183 739 qui propose d’introduire des termes de découplage dans la commande du système. Dans ce brevet toutefois, seul l’écart entre les positions de consigne ou mesuré est pris en compte, ce qui n’est pas utilisable lorsque les inerties changent, en particulier à cause du mouvement de la tête 5 selon l’axe Y. [0007] Mechanical coupling is, for example, considered in US Pat. No. 7,183,739 which proposes to introduce decoupling terms in the control of the system. In this patent, however, only the difference between the set or measured positions is taken into account, which cannot be used when the inertias change, in particular because of the movement of the head 5 along the Y axis.
Résumé de l’inventionSummary of the invention
[0008] Le but de la présente invention est de pallier tout ou partie les inconvénients cités précédemment en proposant un système de régulation qui prend en compte toutes les forces perturbatrices du portique afin de le piloter plus précisément. The aim of the present invention is to overcome all or part of the drawbacks mentioned above by proposing a regulation system which takes into account all the disturbing forces of the gantry in order to control it more precisely.
[0009] A cet effet, l’invention se rapporte à un système de régulation selon la revendication 1. Grâce au système de régulation selon l’invention, le portique 1 est déplacé selon l’axe X avec des moyens d’entraînement 2, 4 qui sont synchronisés c’est-à-dire que la poutre 3 garde en permanence un angle θbpar rapport à l’axe Z sensiblement nul. De plus, le mouvement obtenu est réalisé avec un écart minimal par rapport à la consigne. [0009] To this end, the invention relates to a regulation system according to claim 1. Thanks to the regulation system according to the invention, the gantry 1 is moved along the X axis with drive means 2, 4 which are synchronized, that is to say that the beam 3 permanently keeps an angle θb with respect to the axis Z substantially zero. In addition, the movement obtained is carried out with a minimum deviation from the setpoint.
Description sommaire des dessinsBrief description of the drawings
[0010] D’autres particularités et avantages ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la fig. 1<sep>est une représentation schématique d’un portique selon l’invention; la fig. 2<sep>est une représentation schématique du système de régulation selon l’invention; la fig. 3<sep>est une représentation schématique du modèle mécanique équivalent du portique selon l’invention; la fig. 4<sep>est un schéma fonctionnel de l’unité de commande corrective du dispositif de compensation selon l’invention ; la fig. 5<sep>est un schéma fonctionnel du module de calcul dynamique du dispositif d’asservissement selon l’invention ; la fig. 6<sep>est un schéma fonctionnel d’une variante de l’unité de commande corrective du dispositif de compensation selon l’invention.[0010] Other features and advantages will emerge clearly from the description which is given below, by way of indication and in no way limiting, with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 <sep> is a schematic representation of a portico according to the invention; fig. 2 <sep> is a schematic representation of the control system according to the invention; fig. 3 <sep> is a schematic representation of the equivalent mechanical model of the gantry according to the invention; fig. 4 <sep> is a functional diagram of the corrective control unit of the compensation device according to the invention; fig. 5 <sep> is a functional diagram of the dynamic calculation module of the control device according to the invention; fig. 6 <sep> is a block diagram of a variant of the corrective control unit of the compensation device according to the invention.
Description détaillée des modes de réalisation préférésDetailed description of the preferred embodiments
[0011] Comme illustré à la fig. 2, l’invention se rapporte à un système de régulation généralement annoté 11. Préférentiellement selon l’invention, le système de régulation 11 est destiné à déplacer la poutre 3 de telle sorte qu’elle reste sensiblement parallèle à l’axe Y mais également avec un écart minimal par rapport à la position de consigne. As illustrated in FIG. 2, the invention relates to a generally annotated regulation system 11. Preferably according to the invention, the regulation system 11 is intended to move the beam 3 so that it remains substantially parallel to the Y axis but also with a minimum deviation from the setpoint position.
[0012] Dans l’explication ci-après, le dispositif de régulation 11 portera principalement sur le déplacement selon l’axe X car c’est le mouvement qui est le plus difficile à maîtriser dans la configuration des fig. 1et 3. Cependant, bien évidemment, le dispositif de régulation 11 est également destiné à commander les moyens d’entraînement 6 et 8, c’est-à-dire la charge utile 22 selon les axes Y et Z. [0012] In the following explanation, the regulating device 11 will mainly relate to the movement along the X axis because it is the movement which is the most difficult to control in the configuration of FIGS. 1 and 3. However, of course, the regulating device 11 is also intended to control the drive means 6 and 8, that is to say the payload 22 along the Y and Z axes.
[0013] Le système de régulation 11 comporte un dispositif de supervision 13, un dispositif de génération de consigne 14,16 pour chacun des moyens d’entraînement 2, 4, un dispositif d’asservissement 15, 17 pour chacun des moyens d’entraînement 2, 4, un dispositif de compensation 19, un dispositif d’amplification de puissance 21, 23 pour chacun des moyens d’entraînement 2, 4 ainsi qu’un capteur de position 18, 20 pour chacun des moyens d’entraînement 2, 4. The regulation system 11 comprises a supervision device 13, a setpoint generation device 14,16 for each of the drive means 2, 4, a control device 15, 17 for each of the drive means 2, 4, a compensation device 19, a power amplification device 21, 23 for each of the drive means 2, 4 as well as a position sensor 18, 20 for each of the drive means 2, 4 .
[0014] Le dispositif de supervision 13 est destiné à fournir la position cible de la charge utile 22 dans l’espace de travail du portique 1, notamment selon l’axe X, la position cible χrefet la position angulaire cible θrefautour de l’axe Z de la charge utile 22. Les dispositifs de génération de consigne 14, 16 sont destinés à fournir les positions cible χ1ref, χ2ref respectivement des moyens 2, 4 à partir de la position cible de la charge utile 22 fournie par le dispositif de supervision 13. Ainsi, par exemple, dans le cas d’une position angulaire cible θrefnulle, les dispositifs de génération de consigne 14, 16 fournissent deux positions cible χ1ref et χ2refidentiques. The supervision device 13 is intended to provide the target position of the payload 22 in the working space of the gantry 1, in particular along the X axis, the target position χrefet the target angular position θref around the axis Z of the payload 22. The reference generation devices 14, 16 are intended to provide the target positions χ1ref, χ2ref respectively of the means 2, 4 from the target position of the payload 22 supplied by the supervision device 13 Thus, for example, in the case of a target angular position θrefnull, the setpoint generation devices 14, 16 provide two target positions χ1ref and χ2refident.
[0015] Préférentiellement, la position angulaire cible θrefest maintenue à zéro pendant les déplacements de la poutre 3 selon l’axe X et utilisée en fin de mouvement pour effectuer une correction angulaire. Mais cette rotation ne modifie en rien l’invention et n’est pas davantage expliquée dans la suite de la description. [0015] Preferably, the target angular position θref is maintained at zero during the movements of the beam 3 along the X axis and used at the end of the movement to perform an angular correction. However, this rotation does not in any way modify the invention and is not further explained in the following description.
[0016] Les capteurs 18 et 20 sont destinés à fournir les positions réelles χ1 et χ2 de chacun des moyens d’entraînement 2, 4. De tels organes étant très connus, ils ne seront pas d’avantage expliqués ci-après. [0016] The sensors 18 and 20 are intended to provide the actual positions χ1 and χ2 of each of the drive means 2, 4. As such members are well known, they will not be explained further below.
[0017] Comme visible à la fig. 2, les dispositifs d’asservissement 15, 17 comportent en données d’entrée respectivement la position cible χ1refet la position réelle x; du premier moyen d’entraînement 2, la position cible χ2refet la position réelle x2 du deuxième moyen d’entraînement 4. Les dispositifs d’asservissement 15 et 17 permettent alors de fournir en sortie respectivement les signaux de commande Fcont1, Fcont2afin de faire tendre chaque position réelle χ1, χ2 vers leur consigne, respectivement χ1ref, x2ref avec un écart minimal. Les dispositifs d’asservissement 15 et 17 seront expliqués plus en détail ci-après. As visible in FIG. 2, the slaving devices 15, 17 include as input data respectively the target position χ1ref and the actual position x; of the first drive means 2, the target position χ2refet the actual position x2 of the second drive means 4. The slaving devices 15 and 17 then make it possible to respectively supply the control signals Fcont1, Fcont2 at the output in order to make each real position χ1, χ2 towards their setpoint, respectively χ1ref, x2ref with a minimum difference. The control devices 15 and 17 will be explained in more detail below.
[0018] Le dispositif de compensation 19 comporte en données d’entrée les positions réelles χ1, χ2 des premier et deuxième moyens d’entraînement 2, 4 et les signaux de commande Fcont1, Fcont2 issus des dispositifs d’asservissement respectivement 15, 17. Le dispositif de compensation 19 permet de fournir en sortie respectivement les signaux de commande corrigés Fref1, Fref2. Le dispositif de compensation 19 sera expliqué plus en détail ci-après. The compensation device 19 comprises as input data the real positions χ1, χ2 of the first and second drive means 2, 4 and the control signals Fcont1, Fcont2 from the control devices 15, 17 respectively. The compensation device 19 makes it possible to respectively supply the corrected control signals Fref1, Fref2 as an output. The compensation device 19 will be explained in more detail below.
[0019] Les dispositifs d’amplification de puissance 21, 23 sont destinés chacun à fournir, à partir de chaque signal de commande corrigé Fref1, Fref2, la force Fem1, Fem2correspondant à chacun des moyens d’entraînement 2, 4. De tels dispositifs étant également très connus, ils ne seront pas non plus d’avantage expliqués ci-après. The power amplification devices 21, 23 are each intended to provide, from each corrected control signal Fref1, Fref2, the force Fem1, Fem2 corresponding to each of the drive means 2, 4. Such devices being also very well known, they will not be further explained below.
[0020] Afin de pouvoir prendre en compte toutes les forces perturbatrices, un modèle caractéristique du portique 1 est utilisé comme visible à la fig. 3. Le modèle caractéristique comprend les moyens d’entraînement 2, 4 qui ont des caractéristiques respectives de coefficients de frottement de Coulomb Fc1, Fc2 et visqueux f1, f2 mais également de masses m1, m2. Les moyens d’entraînement 2, 4 sont reliés chacun à des interfaces 7, 9 qui ont des caractéristiques respectives de coefficients de frottement visqueux µ1, µ2 et élastique k1, k2. Enfin, la poutre 3 et la tête 5 ont des caractéristiques respectives de masses mb, mn et de longueurs L, Lh. Les valeurs de ces caractéristiques peuvent être déterminées par diverses méthodes telles que, par exemple, celles divulguées dans le document EP 1 467 266 ou par une séquence d’acquisitions temporelles de grandeurs physiques du système auquel on applique des consignes de mouvement. In order to be able to take into account all the disturbing forces, a characteristic model of the gantry 1 is used as shown in FIG. 3. The characteristic model comprises the drive means 2, 4 which have respective characteristics of Coulomb coefficients of friction Fc1, Fc2 and viscous f1, f2 but also of masses m1, m2. The drive means 2, 4 are each connected to interfaces 7, 9 which have respective characteristics of viscous coefficient of friction µ1, µ2 and elastic k1, k2. Finally, the beam 3 and the head 5 have respective characteristics of masses mb, mn and of lengths L, Lh. The values of these characteristics can be determined by various methods such as, for example, those disclosed in document EP 1 467 266 or by a sequence of temporal acquisitions of physical quantities of the system to which movement instructions are applied.
[0021] D’après le modèle ci-dessus, on comprend que, suivant la position de la tête 5 par rapport à la longueur L de la poutre 3, le centre de gravité du portique 1 change. Il devient donc nécessaire de fournir une force différente pour chaque moyen d’entraînement 2, 4 si le centre de gravité de la tête 5 n’est pas parfaitement centré par rapport à la longueur de la poutre 3. From the above model, it is understood that, depending on the position of the head 5 relative to the length L of the beam 3, the center of gravity of the gantry 1 changes. It therefore becomes necessary to provide a different force for each drive means 2, 4 if the center of gravity of the head 5 is not perfectly centered with respect to the length of the beam 3.
[0022] Dans l’explication ci-après, la tête 5 comporte ainsi les coordonnées χh, yh et zh qui ont pour référentiel le centre d’une des faces principales de la poutre 3 comme illustré à la fig. 3. Ces coordonnées représentent la position du centre de gravité de la tête 5 dans ce référentiel. On comprend donc que la coordonnée yh sera successivement positive ou négative afin de prendre en compte les modifications de forces perturbatrices. Cela permet de manière dynamique de minimiser en permanence l’angle θb que réalise la poutre 3 autour de l’axe Z. Les coordonnées xhet zh, n’influencent pas la présente invention et ne sont plus mentionnées dans la suite du texte. Préférentiellement, afin de simplifier les équations, les coefficients de frottement visqueux et les coefficients élastique des interfaces 7, 9 sont regroupés sous la forme µ = µ1+ µ2 et k = k1 + k2. [0022] In the explanation below, the head 5 thus comprises the coordinates χh, yh and zh which have as reference the center of one of the main faces of the beam 3 as illustrated in FIG. 3. These coordinates represent the position of the center of gravity of the head 5 in this frame of reference. It is therefore understood that the coordinate yh will be successively positive or negative in order to take into account the modifications of disturbing forces. This dynamically makes it possible to permanently minimize the angle θb that the beam 3 achieves around the Z axis. The coordinates xh and zh, do not influence the present invention and are no longer mentioned in the following text. Preferably, in order to simplify the equations, the viscous friction coefficients and the elastic coefficients of the interfaces 7, 9 are grouped together in the form µ = µ1 + µ2 and k = k1 + k2.
[0023] A partir du modèle caractéristique de la fig. 3 et en faisant l’hypothèse que la tête 5 reste immobile par rapport à la poutre 3 durant le mouvement des moyens d’entraînement 2 et 4, on peut déterminer les équations permettant de calculer les forces Fem1, Fem2 correspondantes à chacun des moyens d’entraînement 2, 4 selon les relations: [0023] From the characteristic model of FIG. 3 and by assuming that the head 5 remains stationary relative to the beam 3 during the movement of the drive means 2 and 4, it is possible to determine the equations making it possible to calculate the forces Fem1, Fem2 corresponding to each of the means d 'training 2, 4 according to the relations:
[0024] Où: [0024] Where:
[0025] Avec: [0025] With:
[0026] Une approximation linéaire des fonctions trigonométriques est utilisée pour le calcul de l’angle 9b du fait que la différence entre les deux positions xi et x2 des deux moyens d’entraînement 2 et 4, qui permet les mouvements autour de l’axe Z, est de très faible amplitude devant la longueur L de la poutre 3. En cas de formes géométriques complexes, il va de soi que le calcul des inerties de la relation (5) peut être affiné par l’homme de l’art. A linear approximation of the trigonometric functions is used for the calculation of the angle 9b because the difference between the two positions xi and x2 of the two drive means 2 and 4, which allows the movements around the axis Z, is of very low amplitude compared to the length L of the beam 3. In the case of complex geometric shapes, it goes without saying that the calculation of the inertias of relation (5) can be refined by a person skilled in the art.
[0027] Comme expliqué ci-dessus, dans le but de rendre nul en permanence l’angle θb que réalise la poutre 3 autour de l’axe Z, le système de régulation 11 comporte un dispositif de compensation 19. Ce dernier consiste ainsi à réaliser une estimation des perturbations liées à la poutre 3 Fb/1, Fb/2 de la relation (3) qu’il faut compenser pour chaque moyen d’entraînement 2, 4. Le dispositif de compensation 19 comporte une unité de commande corrective 25 comme visible à la fig. 2qui comprend un module de calcul dynamique. Le module de calcul dynamique vérifie le schéma fonctionnel de la fig. 4 correspondant aux relations: As explained above, in order to permanently nullify the angle θb produced by the beam 3 around the Z axis, the regulation system 11 comprises a compensation device 19. The latter thus consists of carry out an estimate of the disturbances linked to the beam 3 Fb / 1, Fb / 2 of the relation (3) which must be compensated for each drive means 2, 4. The compensation device 19 comprises a corrective control unit 25 as visible in fig. 2 which includes a dynamic calculation module. The dynamic calculation module checks the functional diagram in fig. 4 corresponding to the relations:
et and
où: – représente une estimation du signal de correction à appliquer pour respectivement le premier et le deuxième moyens d’entraînement 2, 4; – K1, K2, K3, K4 et K5 représentent les coefficients permettant d’effectuer la correction ; – χ1 représente la position réelle du premier moyen d’entraînement 2; – x2 représente la position réelle du deuxième moyen d’entraînement 4; – et s représente l’opérateur de Laplace. or: - represents an estimate of the correction signal to be applied for the first and second drive means 2, 4, respectively; - K1, K2, K3, K4 and K5 represent the coefficients used to make the correction; - χ1 represents the real position of the first drive means 2; - x2 represents the real position of the second drive means 4; - and s stands for the Laplace operator.
[0028] Afin de pouvoir éliminer les problèmes de couplage entre les moyens d’entraînement 2 et 4, c’est-à-dire les différences entre leur position χ1 et χ2 et, incidemment, obtenir un angle θb sensiblement nul, le module de calcul dynamique de l’unité de commande corrective 25 utilise, pour les relations (6) et (7), les valeurs: In order to be able to eliminate the problems of coupling between the drive means 2 and 4, that is to say the differences between their position χ1 and χ2 and, incidentally, to obtain a substantially zero angle θb, the modulus of dynamic calculation of the corrective control unit 25 uses, for relations (6) and (7), the values:
[0029] On peut classer ces coefficients dans l’ordre décroissant de leur importance: – K4 est le coefficient de la commande corrective 25 relatif à l’inertie globale de la poutre 3 et de la tête 5. Il est absolument nécessaire pour obtenir de bonnes performances du système de régulation 11. – K5 est le coefficient de la commande corrective 25 relatif à la répartition asymétrique de l’inertie de la tête 5 entre les axes x1 et x2. Il est au cœur de la présente invention. – K1 est le coefficient de la commande corrective 25 relatif à la constante élastique des liaisons flexibles 7, 9 de la poutre 3. – K3 est le coefficient de la commande corrective 25 relatif à l’inertie en rotation de la poutre 3 avec la tête 5. – K2 est le coefficient de la commande corrective 25 relatif à la constante de frottement visqueux des liaisons flexibles 7, 9 de la poutre 3. [0029] These coefficients can be classified in decreasing order of their importance: - K4 is the coefficient of the corrective control 25 relating to the overall inertia of the beam 3 and of the head 5. It is absolutely necessary to obtain good performance from the regulation system 11. - K5 is the coefficient of the corrective command 25 relating to the asymmetric distribution of the inertia of the head 5 between the axes x1 and x2. It is at the heart of the present invention. - K1 is the coefficient of the corrective control 25 relating to the elastic constant of the flexible connections 7, 9 of the beam 3. - K3 is the coefficient of corrective command 25 relating to the rotational inertia of beam 3 with head 5. - K2 is the coefficient of the corrective control 25 relating to the viscous friction constant of the flexible connections 7, 9 of the beam 3.
[0030] A l’aide de cette liste décroissante, on comprend que s’il est nécessaire de réduire le temps de calcul du dispositif de compensation 19, par exemple, pour des raisons de limitations matérielles de la puissance de calcul du processeur à disposition, il suffit de négliger autant de coefficients de moindre importance que nécessaire jusqu’à ladite limitation. On peut également choisir de négliger certains coefficients en fonction du système ou de l’application considérés. Using this decreasing list, we understand that if it is necessary to reduce the computing time of the compensation device 19, for example, for reasons of hardware limitations of the computing power of the processor available , it suffices to neglect as many coefficients of lesser importance as necessary up to said limitation. You can also choose to neglect certain coefficients depending on the system or application considered.
[0031] A titre d’exemple, dans un système construit au moyen de lames ressort pour les liaisons flexibles 7 et 9, le coefficient K2 relatif à la constante µ de frottement visqueux peut être éliminé car négligeable. De plus, si le mouvement de rotation θb est inhibé par une configuration particulière du portique 1, le coefficient K3 relatif à l’inertie en rotation de la poutre 3 avec la tête 5 devient superflu. [0031] For example, in a system constructed by means of leaf springs for flexible connections 7 and 9, the coefficient K2 relating to the constant µ of viscous friction can be eliminated because it is negligible. In addition, if the rotational movement θb is inhibited by a particular configuration of the gantry 1, the coefficient K3 relating to the rotational inertia of the beam 3 with the head 5 becomes superfluous.
[0032] Dans une variante de la présente invention, le dispositif de compensation 19, comme visible à la fig. 6, comporte les positions cible χ1refet χ2ref comme entrées supplémentaires. Ainsi, l’unité de commande corrective 25 peut utiliser les positions réelles χ1 et χ2, les positions cible χ1ref et χ2ref, ou une de leur combinaison. In a variant of the present invention, the compensation device 19, as visible in FIG. 6, has the target positions χ1refet χ2ref as additional inputs. Thus, the corrective control unit 25 can use the actual positions χ1 and χ2, the target positions χ1ref and χ2ref, or a combination thereof.
[0033] En effet, l’estimation du signal de correction Fb/1, Fb/2 requiert la connaissance de la dérivée double des positions réelles χ1 et χ2représentée par le terme s<2> dans les relations (6) et (7). Ce calcul peut être rendu difficile par la présence de bruit dans les mesures de positions x1et x2 ce qui peut rendre obligatoire l’utilisation de filtres impliquant une dégradation des performances de l’unité de commande corrective 25. In fact, the estimation of the correction signal Fb / 1, Fb / 2 requires knowledge of the double derivative of the real positions χ1 and χ2 represented by the term s <2> in relations (6) and (7) . This calculation can be made difficult by the presence of noise in the measurements of x1 and x2 positions, which can make the use of filters compulsory, involving a degradation in the performance of the corrective control unit 25.
[0034] Par conséquent, il peut être préférable d’employer la dérivée double des positions de consigne χ1refet χ2ref qui ont l’avantage de n’être entachées d’aucun bruit perturbateur. [0034] Consequently, it may be preferable to use the double derivative of the setpoint positions χ1refet χ2ref which have the advantage of not being marred by any disturbing noise.
[0035] Préférentiellement, l’utilisation d’une telle combinaison des positions réelles χ1, χ2 et cible χ1ref, χ2refde ladite variante de l’unité de commande corrective 25 est utilisée pour remplacer les positions réelles χ1, χ2 par les positions cible χ1ref, χ2ref pour le calcul des coefficients K4 et K5. Le module de calcul dynamique de l’unité de commande corrective 25 vérifie alors le schéma fonctionnel de la fig. 6et les relations (6) et (7) sont remplacées par les relations suivantes: Preferably, the use of such a combination of the real positions χ1, χ2 and target χ1ref, χ2refde said variant of the corrective control unit 25 is used to replace the real positions χ1, χ2 by the target positions χ1ref, χ2ref for the computation of the coefficients K4 and K5. The dynamic calculation module of the corrective control unit 25 then checks the functional diagram of FIG. 6and relations (6) and (7) are replaced by the following relations:
et and
[0036] Pour ces deux variantes de l’unité de commande corrective 25, comme on peut le voir dans les relations (8), seuls les coefficients K3 et K5 vont changer en fonction de la position de la tête 5 par rapport à la poutre 3. Grâce au dispositif de compensation 19, la poutre 3 du portique 1 avance ainsi toujours sensiblement parallèlement à l’axe Y. En théorie, les forces appliquées par le dispositif de compensation 19 permettent de découpler virtuellement, au moyen l’unité de commande corrective 25, les moyens d’entrainement 2, 4 du portique 1. Il devient donc nécessaire d’inclure, dans le système de régulation 11, un dispositif d’asservissement 15, 17 pour chaque moyen d’entraînement 2, 4 virtuellement indépendants. For these two variants of the corrective control unit 25, as can be seen in relations (8), only the coefficients K3 and K5 will change depending on the position of the head 5 relative to the beam 3. Thanks to the compensation device 19, the beam 3 of the gantry 1 thus always advances substantially parallel to the Y axis. In theory, the forces applied by the compensation device 19 make it possible to virtually decouple, by means of the control unit. corrective 25, the drive means 2, 4 of the gantry 1. It therefore becomes necessary to include, in the regulation system 11, a control device 15, 17 for each drive means 2, 4 virtually independent.
[0037] De plus, les termes calculés par l’unité de commande corrective 25 ne sont que des estimations des forces réelles Fb/1, Fb/2appliquées sur le système physique. Les dispositifs d’asservissement 15, 17 permettent donc également de rejeter les perturbations extérieures aux moyens d’entraînement 2 et 4, en partie dues aux imperfections et imprécisions du modèle. [0037] In addition, the terms calculated by the corrective control unit 25 are only estimates of the actual forces Fb / 1, Fb / 2 applied to the physical system. The control devices 15, 17 therefore also make it possible to reject disturbances external to the drive means 2 and 4, in part due to imperfections and inaccuracies in the model.
[0038] Chaque dispositif d’asservissement 15, 17 fonctionne de manière indépendante en boucle fermée et comporte un module de calcul dynamique qui préférentiellement vérifie le schéma fonctionnel de la fig. 5correspondant à la relation: Each servo device 15, 17 operates independently in a closed loop and comprises a dynamic calculation module which preferably checks the functional diagram of FIG. 5 corresponding to the relation:
où: – Fcontn représente le signal de commande du moyen d’entraînement n; – Kxpn, Kxin, Kvrn, Kvmn et Karn représentent les coefficients permettant d’effectuer l’asservissement du moyen d’entraînement n; – xrefn représente la position consigne du moyen d’entraînement n ; – xnreprésente la position réelle du moyen d’entraînement n ; – et s représente l’opérateur de Laplace. or: - Fcontn represents the control signal of the drive means n; - Kxpn, Kxin, Kvrn, Kvmn and Karn represent the coefficients allowing the control of the drive means n; - xrefn represents the set position of the drive means n; - xn represents the real position of the drive means n; - and s stands for the Laplace operator.
[0039] Ce type de dispositif d’asservissement est cité à titre d’exemple et peut être remplacé par toute autre topologie équivalente comme, par exemple, du type PID, polynomial ou à boucles cascadées. This type of control device is cited by way of example and can be replaced by any other equivalent topology such as, for example, of the PID, polynomial or cascaded loop type.
[0040] Préférentiellement, on déterminera avant l’utilisation effective du portique 1 les coefficients Kxpn, Kxin, Kvrn, Kvmn et Karnpar une méthode du type «placement de pôles» qui est une méthode connue pour déterminer de tels coefficients de dispositifs d’asservissement comme ceux 15, 17. D’autres méthodes peuvent toutefois être utilisées sans influencer la présente invention. L’utilisation de tels coefficients Kxpn, Kxin, Kvrn, Kvmn et Karnconstants doit permettre d’obtenir le même comportement dynamique entre les premier et deuxième moyens d’entraînement 2, 4. Par conséquent, chaque dispositif d’asservissement 15, 17 doit vérifier les relations: Preferably, before the actual use of the gantry 1, the coefficients Kxpn, Kxin, Kvrn, Kvmn and Karn will be determined by a method of the "pole placement" type which is a known method for determining such coefficients of control devices. such as those 15, 17. However, other methods can be used without influencing the present invention. The use of such coefficients Kxpn, Kxin, Kvrn, Kvmn and Karnconstants must make it possible to obtain the same dynamic behavior between the first and second drive means 2, 4. Consequently, each servo device 15, 17 must verify relationships:
[0041] Préférentiellement, comme visible à la fig. 2, le dispositif de compensation 19 comporte également des modules additionneurs 27 et 29 afin de compenser chaque signal de commande Fcont1, Fcont2 de chaque dispositif d’asservissement 15, 17 avec chaque signal de correction du dispositif de compensation 19 afin de fournir deux signaux de commande corrigés Fref1, Fref2 aptes à servir de données d’entrée pour respectivement les dispositifs d’amplification de puissance 21, 23. Preferably, as visible in FIG. 2, the compensation device 19 also comprises adder modules 27 and 29 in order to compensate each control signal Fcont1, Fcont2 of each servo device 15, 17 with each correction signal from the compensation device 19 in order to provide two control signals. corrected command Fref1, Fref2 able to serve as input data for respectively the power amplification devices 21, 23.
[0042] On observe dans l’équation (12) que les paramètres des deux dispositifs d’asservissement 15, 17 ne dépendent pas de la position yh de la tête 5. En effet, la modification de la répartition de l’inertie de la poutre 3 entre les positions χ1 et χ2 est entièrement prise en compte par le dispositif de compensation 19 au niveau de son unité de commande corrective 25. It is observed in equation (12) that the parameters of the two control devices 15, 17 do not depend on the position yh of the head 5. Indeed, the modification of the distribution of the inertia of the beam 3 between positions χ1 and χ2 is fully taken into account by the compensation device 19 at the level of its corrective control unit 25.
[0043] Il existe une troisième variante de l’unité de commande corrective 25 présentée ci-dessus qui permet de réduire le volume de calculs à effectuer par l’unité de commande corrective 25. Elle consiste à transformer le modèle de la figure 3 en un modèle qui ne comporte plus que 3 masses équivalentes meq1, meq2 et meqb. Ces masses équivalentes ne sont plus des grandeurs physiques, mais des paramètres équivalents qui dépendent de la position de la tête 5 selon l’axe Y par la relation suivante: There is a third variant of the corrective control unit 25 presented above which makes it possible to reduce the volume of calculations to be carried out by the corrective control unit 25. It consists in transforming the model of FIG. 3 into a model which has only 3 equivalent masses meq1, meq2 and meqb. These equivalent masses are no longer physical quantities, but equivalent parameters which depend on the position of the head 5 along the Y axis by the following relationship:
[0044] On peut aussi écrire l’inertie équivalente de l’ensemble constitué de la poutre 3 et de la tête 5 au moyen de l’équation suivante: We can also write the equivalent inertia of the assembly consisting of the beam 3 and the head 5 by means of the following equation:
[0045] En dérivant les équations dynamiques, on peut à nouveau calculer les coefficients requis pour l’unité de commande corrective 25, qui diffèrent à présent de l’équation (8): By deriving the dynamic equations, we can again calculate the coefficients required for the corrective control unit 25, which now differ from equation (8):
[0046] On observe ci-dessus que les calculs sont réduits pour l’unité de commande corrective 25, car un des coefficients est toujours nul. En contrepartie, on doit à présent faire dépendre les coefficients des dispositifs d’asservissement 15, 17 de la position yh de la tête 5 selon l’axe Y. En effet, l’équation (12) devient: It is observed above that the calculations are reduced for the corrective control unit 25, because one of the coefficients is always zero. On the other hand, we must now make the coefficients of the control devices 15, 17 depend on the position yh of the head 5 along the Y axis. Indeed, equation (12) becomes:
[0047] On voit que les coefficients dépendent à présent des masses équivalentes meq1 et meq2 qui dépendent de la position yh de la tête 5. Ainsi, l’économie de temps de calculs réalisée au niveau de l’unité de commande corrective 25 est annulée par un surcroît de calculs au niveau des dispositifs d’asservissement 15 et 17. De plus, rendre variables les coefficients des dispositifs d’asservissement 15, 17 mène à des difficultés théoriques pour démontrer la stabilité et la robustesse du système de régulation 11. We see that the coefficients now depend on the equivalent masses meq1 and meq2 which depend on the position yh of the head 5. Thus, the saving in calculation time carried out at the level of the corrective control unit 25 is canceled. by additional calculations at the level of the servo devices 15 and 17. In addition, making the coefficients of the servo devices 15, 17 variable leads to theoretical difficulties in demonstrating the stability and robustness of the regulation system 11.
[0048] Grâce aux deux premières variantes du système de régulation 11, le portique 1 est déplacé selon l’axe X avec des moyens d’entraînement 2, 4 qui sont synchronisés c’est-à-dire que la poutre 3 garde en permanence un angle θb par rapport à l’axe Z sensiblement nul. De plus, le mouvement obtenu est réalisé avec un écart minimal par rapport à la consigne χref. Thanks to the first two variants of the regulation system 11, the gantry 1 is moved along the X axis with drive means 2, 4 which are synchronized, that is to say that the beam 3 keeps permanently an angle θb with respect to the Z axis substantially zero. In addition, the movement obtained is carried out with a minimum deviation from the setpoint χref.
[0049] Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à l’exemple illustré mais est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l’homme de l’art. En particulier, les calculs des coefficients K1 et K2peuvent être affinés par une détermination dynamique des coefficients de frottement µ et k en fonction de la température mesurée sur chacune des interfaces 7 et 9. [0049] Of course, the present invention is not limited to the example illustrated but is susceptible to various variations and modifications which will be apparent to those skilled in the art. In particular, the calculations of the coefficients K1 and K2 can be refined by a dynamic determination of the friction coefficients µ and k as a function of the temperature measured on each of the interfaces 7 and 9.
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