DE19849997A1

DE19849997A1 - Verfahren zur Ansteuerung von Getrieben

Info

Publication number: DE19849997A1
Application number: DE19849997A
Authority: DE
Inventors: Kai Staiger
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2000-05-04

Abstract

Das Verfahren zur Ansteuerung von Getrieben, insbesondere Planetenradgetrieben und Stirnradgetrieben für die Handhabungstechnik, mittels eines Antriebsmotors, der mit der Eingangswelle des Getriebes verbunden ist und der mit einem Lagerregler verbunden ist, besteht darin, daß mittels eines Winkelgebers an der Abtriebswelle des Getriebes ein Signal abgenommen wird, das eine Funktion des Übertragungsverhaltens des Getriebes unter Last und/oder Drehzahl ist und daß dieses Signal dem Lageregler zur Ansteuerung des Antriebsmotors zugeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung von Getrieben, insbesondere von Planeten radgetrieben und Stirnradgetrieben für die Handhabungs technik, mittels eines Elektromotors, der mit der Ein gangswelle des Getriebes verbunden ist, wobei der Elek tromotor mit einer elektronischen Steuerung versehen ist.

Derartige Getriebe werden in der Handhabungstechnik, d. h. in industriell eingesetzten Robotern, als Unterset zungsgetriebe benötigt. Dabei wird von den Getrieben eine hohe Untersetzung bei extrem hoher Übertragungsge nauigkeit gefordert, um hochgenaue Positioniervorgänge und präzise Bewegungsabläufe mit höchster Wiederholge nauigkeit zu gewährleisten.

Ein für diesen Einsatz geeignetes Wolfrom-Planeten zahnradgetriebe mit axial in zwei unterschied lich verzahnte Bereiche aufgeteilten Planetenrädern ist z. B. in der EP B 627 575 beschrieben. Bei diesem Ge triebe ist der eine erste Bereich gleichzeitig in einem rotierenden Sonnenrad und einem feststehenden Hohlrad und der zweite Bereich in einem drehbaren Hohlrad käm mend angeordnet, wobei die beiden unterschiedlich ver zahnten Bereiche der Planetenräder gegensinnig schräg verzahnt sind und jeder der beiden Bereiche für sich genommen eine einheitlich gleiche Zahnschräge besitzt. Die über den Umfang verteilten Planetenräder eines Wol from-Getriebes kämmen gleichzeitig in einem festen und einem rotierenden Hohlrad. Durch die axial frei beweg liche Lagerung der Planetenräder kann sich jedes dieser Planetenräder die axiale Laufmitte zwischen den beiden Hohlrädern suchen, wodurch Fertigungsungenauigkeiten in dem aus den beiden Hohlrädern und den Planetenrädern bestehenden Zuordnungssystem ausgeglichen werden kön nen. Die Herstellung gegensinnig schräg verzahnter Pla netenräder ist jedoch äußerst aufwendig. Dies gilt ins besondere, wenn eine hohe Fertigungsgenauigkeit erfor derlich ist. Um die Fertigung derartiger Planetenräder zu erleichtern, wird daher in dieser Veröffentlichung vorgeschlagen, die beiden Bereiche der Planetenräder an axial in diese beiden Bereiche aufgeteilten, getrennten Planetenteilrädern zu erzeugen und die beiden Planeten teilräder anschließend zu einem funktionell einteiligen Planetenrad zusammenzufügen. Dabei muß jedoch darauf geachtet werden, daß bei jedem der auf dem Umfang des Umlaufträgers des Getriebes zu verteilenden Planetenrad die Bereichsverzahnungen umfangsmäßig exakt gleich zu einander ausgerichtet sind.

Trotz einer hohen Fertigungsgenauigkeit bei der Her stellung der Einzelteile eines derartigen Getriebes schwankt das momentane Übersetzungsverhältnis lastbe dingt oder bedingt durch Fertigungstoleranzen mehr oder weniger um das theoretische Übersetzungsverhältnis, wo bei die Toleranzen durch Rundlauf, Zahnformfehler, Achsabstand, Lagerluft oder dgl. bedingt sind. Auch elastische Verformungen der Getriebeteile wie Verzah nungen, Wellen oder Lager spielen eine Rolle für die Ungenauigkeit der Bewegungsübertragung.

Grundsätzlich ist es also so, daß derartige Getriebe nicht in der Lage sind, völlig gleichförmige Bewegungen zu übertragen. Die Bewegung und die Winkelstelle der Getriebeabtriebswelle weichen vielmehr von ihrer auf der Basis der Getriebeübersetzung berechenbaren Bewe gung bzw. Sollposition ab, wobei der Getriebeabtrieb gleichzeitig ungewollte Drehschwingungen ausführt.

Bei Präzisionsgetrieben, wie sie für Industrieroboter erforderlich sind, wirkt jedoch dieser Winkelfehler stö rend. So wird von derartigen Getrieben gefordert, daß sie im Bereich unter einer Winkelminute exakt positionieren können. In Fig. 1 ist ein typischer Winkelfehler eines Robotergetriebes dargestellt. Man erkennt hierbei, daß er Schwankungen unterliegt, die im Bereich einer Winkelminu te liegen, so dass diese Schwankungen durchaus eine stö rende Größe annehmen. In der Praxis ist die geforderte Positioniergenauigkeit bei derartigen Präzisionsgetrieben nur schwer erreichbar, so dass oftmals eine Rückmontage erforderlich ist.

Die Soll-Winkellage des Getriebeabtriebs ϕ_ab_soll be rechnet sich aus der Winkellage des Antriebs ϕ_an und der Übersetzung i wie folgt:

Gleichung 1: ϕ_ab_soll = ϕ_an/i.

Bei genauer Betrachtung fällt auf, daß die Position des Abtriebs um den Betrag des Getriebespiels, um den Betrag der Fertigungsungenauigkeiten, um den Betrag der Verfor mung und, über längere Zeit betrachtet, um den Betrag des Verschleisses von obiger Gleichung abweicht, wobei sich durchaus alle Fehler addieren können. Die Winkelabwei chung hat sowohl einen statischen Anteil (beispielsweise aus dem Getriebespiel) als auch einen dynamischen Anteil, der häufig als Drehungleichförmigkeit bezeichnet wird. Rechnerisch ausgedrückt stellt sich der tatsächliche Ab triebswinkel eines Getriebes ϕ_ab_ist als die Summe sei ner aus der Übersetzung i und dem Antriebswinkel ϕ_an berechneten Sollwinkellage ϕ_an/i und dem Winkelfehler Δϕ ein gemäß der folgenden Gleichung:

Gleichung 2: ϕ_ab_ist = ϕ_an/i + Δϕ.

Der Winkelfehler Δϕ wird somit als Abweichung der Ist-Winkellage des Abtriebs ϕ_ab_ist von seiner Soll-Winkellage ϕ_ab_soll definiert gemäß folgender Gleichung:

Gleichung 3: Δϕ = ϕ_ab_ist - ϕ_ab_soll.

Der Winkelfehler des Getriebeabtriebs ist keineswegs sto chastisch und variabel, sondern er wird durch die physi kalisch vorhandenen Abweichungen der Getriebebauteile von ihrer idealen Gestalt begründet. Daher ist der Fehler je dem Getriebe in individueller Weise aufgeprägt. Anhand von Messungen läßt sich zeigen, daß der Fehler mit Aus nahme des Verschleißfehlers jeder Drehposition bzw. Win kelstellung des Getriebes genau zugeordnet werden kann und, einmal gemessen, in vorhersehbarer Weise wieder kehrt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ansteuerung von Getrieben, insbesondere von Planeten radgetrieben und Stirnradgetrieben für die Handhabungs technik, zu schaffen, mit dem die Positioniergenauigkeit der Getriebe und damit des Gesamtsystems deutlich bei geringen Kosten erhöht wird.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs näher genann ten Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit dem im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmal.

Die Erfindung schlägt also vor, daß der gemessene und bekannte Positionierfehler eines Getriebes zu seiner ei genen Korrektur verwendet wird. Dies bedeutet, daß, wenn bei einem Getriebe in einer beliebigen Lage der Abtriebs welle der individuelle Fehler Δϕ festgestellt worden ist, die Antriebswelle um einen berechenbaren Korrekturbetrag ϕ_an_kor verdreht wird, so dass die Ist-Winkellage des Abtriebs mit der Soll-Winkellage zusammenfällt. Der Kor rekturbetrag, um den der Antriebswelle zu verdrehen ist, wird durch die folgende Gleichung definiert:

Gleichung 4: ϕ_an_kor = -Δϕ/i.

Addiert man die Korrekturdrehung der Antriebswelle zu ihrer für die unkorrigierte Bewegung nötigen Drehung, so verschwindet der Winkelfehler des Getriebes und der Ist-Abtriebswinkel fällt mit dem Sollabtriebswinkel zusammen, so dass das Getriebe nun rechnerisch ohne Winkelfehler arbeitet, damit exakt positioniert und der Abtrieb sich ohne Drehschwingungen dreht.

Gl. 5: ϕ_ab_ist = ϕ_an/i + Δϕ + ϕ_an_kor/i,

bzw. mit ein gesetzter Gleichung 4:

Gl. 6: ϕ_ab_ist = ϕ_an/i + Δϕ + (-Δϕ/i) = ϕ_an/i = ϕ_ab_soll.

Der Winkelfehler des Getriebes läßt sich dadurch präzise aussteuern.

Der individuelle Winkelfehler eines jeden Getriebes läßt sich korrigieren, indem die folgenden Größen bestimmt, digital abgespeichert und gemäß Gleichungen 4 bis 6 zur Ansteuerung verwendet werden:

1. Drehgleichförmigkeit gemäß Fig. 1; die bei einem Ge triebe individuell zu ermittelten Werte können zur Vereinfachung nur bei der Kombination von Last- und Drehzahl ermittelnden und für andere Lasten und Dreh zahlen umgerechnet werden.
2. Umkehrspanne gemäß Fig. 2 oder eine hinreichend hohe Zahl an Hysteresemessungen gemäß Fig. 3, wobei der letztgenannte Fall sehr aufwendig ist. Die Umrechnung kann analog zu Punkt 1 erfolgen; hierin sind die Ge triebeelastizitäten enthalten;
3. Getriebeveränderungen, die durch den Betrieb entste hen, d. h. durch Verschleiß und sich beispielsweise in einer Spielzunahme äußern.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; man erkennt, daß an der Abtriebsseite 1' des Getriebes 1 ein die Position der Abtriebswelle messender Winkelgeber 2 vorgesehen ist, der mit dem Lageregler 3 für den Antriebsmotor 4 verbunden ist, dem der entsprechende Korrekturwert als Funktion der Stellung der Abtriebswelle des Getriebes zugeführt wird.

Claims

Verfahren zur Ansteuerung von Getrieben, insbesondere Planetenradgetrieben und Stirnradgetrieben für die Handhabungstechnik, mittels eines Antriebsmotors, der mit der Eingangswelle des Getriebes verbunden ist sowie mit einem Lageregler verbunden ist, dadurch gekenn zeichnet, daß ein der Abtriebswelle des Getriebes zuge ordneter Winkelgeber die Winkellage ϕ_ab_ist mißt und durch einen Vergleich mit der Soll-Winkellage ϕ_ab_soll den Winkelfehler Δϕ ermittelt, der dem Lageregler zuge führt wird.