-
Programmierbarer~.anipulator ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Die Erfindung
betrifft einen programmierbaren Manipulator mit einer Vielzahl von Steuerungen mit
je iner Einrichtung zum Erzeugen und Verarbeiten von der Winkelstallung ihrer Achsen
entsprechenden Winkelinformationen (Winkelcodierer) mit einer Winkelauflösegenauigkeit
im Minutenbereich.
-
Solche Manipulatoren sind in mehreren Bewegungsachsen frei programmierbare,
mit Greifern oder Werkzeugen ausgerüstete automatische Handhabungseinrichtungen,
die f:.ir den industriellen Einsatz konzipiert sind und im Gegensatz zu den fernsteuerbaren
Maninulatoren, deren Bewegungsabläufe immer durch menschliche Entscheidungen bestimmt
sind, unabhängig an vorbestimmte I3ewegunc!en gebundene Arbeiten ausführen können.
-
Das Steuern und Programmieren der Bewequngen erfordert das Messen
und Weiterverarbeiten von Winkelinformationen, also von Lageänderungen am Bewegungsablauf
beteiligter Bauelemente. Jede der dafür erforderlichen Positionseinheiten besteht
aus einem Positionsgeber, einer Motorsteuereinheit und einem Motor mit Bremse.
-
Es ist bekannt, zum Erzielen hoher AuflösegenauLgkeiten im Minutenbereich
als Positionsgeber elektromechanische Winkelcodierer zu verwenden, an deren Welle
eine Trommel mit am Umfang angeordneten Kontakten angeschlossen ist, die mit Kontakthürsten
abgetastet werden und beim Abtasten ein dem Drehwinkel entsprechendes Signal erzeugen.
Die Nachteile dieser Einrichtung bestehen in dem auf etwa 21' begrenzten Auflösungsvermögen.
Dieser Nachteil wird behoben durch den ebenfalls bekannten elektrooptischen Winkelcodierer,
bei dem die elektromechanische Abtastung ersetzt ist durch berührungsfrei arbeitende
ontoelektronische Bauelemente beispielsweise mit GaAs-Dioden. Mit diesem Winkelcodierer
kann zwar eine sehr hohe Auflösung erreicht werden, aber die Kosten desselben betragen
ein Mehrfaches des elektromechanischen Winkelcodierers. Bekannt sind auch Funktionsdrthmelder
oder Resolver mit gleichen Wicklungen in Stator und Rotor, die eine dem Drehwinkel
proportionale Sinus- bzw. Cosinusspannung erzeugen.
-
Die Anwendung von Resolvern zur Ubertragu-lg von Winkelinformationen
ist ebenfalls bekannt, dabei werde jedoch auf der Geber-und Empfängerseite Resolver
benötigt, die elektri-ch starr miteinander verbunden sind. Zum Verbessern des Auflösungsvermögens
von Resolvern ist es ferner bekannt, einen Grob- und einen Feinresolver zu einem
Tandemmeßsystem zu komkinieren. Nachteilig ist jedoch auch bei dieser Anordnung,
daß die Empfängerseite in gleicher Weise ausgerüstet sein mus.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen programmierbaren Manipulator
zu schaffen, dessen Steuerung mit großer Genauigkeit arbeitet; eine einfache störungsfreie
Übertragung der Steuersignale auf den Servomotor ermöglicht und auf der Empfängerseite
frei ist von auf der Senderseite erforderlichen Bauelementen zur Winkelcodierung.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Winkelcodierer
Resolver eingesetzt sind deren der Winkelstellung der Antriebswelle analoge Sinus-
bzw. Cosinusspannung eine Trägerfrequenz moduliert, daß jeder Resolver aus einem
Grobresolver als Grobmeßsystem und einem Feinresolver als Feinmeßsystem gebildet
ist und Grobresolver und Feinresolver über ein aus vorgespannten Zahnrädern bestehendes
Getriebe mechanisch als Tandemmeßsystem gekoppelt sind, daß eine allen Tandermleßsystemen
gemeinsame Signalverarbeitungseinrichtung die Ausgangssignale der Grobresolver und
der Feinresolver unabhängig voneinander verarbeitet, und daß die Signalverarbeitungseinrichtung
einen Speicher zum Speichern der beim Programmieren durch handgesteuertes Anfahren
eines Raumpunktes von den Grob- und Feinresolvern der am Bewegungsablauf beteiligten
Tandemmeßsysteme erzeugten Meßwerte der Winkelpositionen der Antriebsachsen als
digitale Sollwerte und einen Soll-Istwertvergleicher zum Vergleichen der beim automatischen
Ansteuern des gleichen Raumpunktes erzeugten digitalen Istwerte der Winkelpositionen
der Antriebsachsen mit dn Sollwerten enthält.
-
Es hat sich gezeigt, daß die den Tandemmeßsystemen und den übrigen
Positioniereinheiten mit nur einem Resolver gemeinsame Signalverarbeitungseinrichtung
zum getrennten und unabhängigen Verarbeiten der Ausgangssignale der Grob- und Feinresolver
und anderer Resolver dadurch besonders einfach und betriebssicher aufgebaut werden
kann, daß dem Ausgang jedes Resolvers ein Demodulator nachgeschaltet ist zum Demodulieren
des vom Resolver abgegebenen Analogsignales, bestehend aus'einer Trägerfrequenz,
die mit einer der Winkelstellung der Antriebswelle entsprechenden Sinus- bzw.
-
Cosinusspannung moduliert ist, daß ein Multiplexer die analogen Winkelinformationen
der Demodulatoren zeitmultiplex auf einen
Analog-Digital-Wandler
schaltet, daß ein Speicher zum Einlesen der beim Programmieren als Sollwerte erzeugten
Digitalwerte an den Analog-Digital-Wandler angeschlossen ist, daß ein digitaler
Soll-Istwertvergleicher beim automatischen Steuern die Sollwerte des Speichers mit
den über die Grob- und Feinresolver, die Demodulatoren, den Multiplexer und den
Analog-Digital-Wandler kommenden Istwerten vergleicht und deren Differenz bildet,
daß an einen ersten Ausgang des Soll-Istwertvergleichers über einen Digital-Analog-Wandler
ein erster Demultiplexer zum zeitmultiplexen übertragen von der Soll-Istwertdifferenz
analogen Signalen angeschlossen ist, daß einem zweiten Ausgang des Soll-Istwertvergleichers
ein zweiter Demultiplexer zum zeitmultiplexen Übertragen von die Rechenrichtung
bestimmenden digitalen Signalen nachgeschaltet ist, daß die einem aus Grob- und
Feinresolver gebildeten ersten Tandemmeßsystem zugeordneten zwei Ausgänge des ersten
und des zweiten Demultiplexers auf eine erste Verknüpfungsstufe geführt sind, daß
jedem Tandemmeßsystem eine Verknüpfungsstufe zugeordnet ist, und daß das Signal
am Ausgang der Verknüpfungsstufe als Regelspannung einer Motorsteuereineinheit zugeführt
wird.
-
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, daß jede der
den Ausgang der Speicherverarbeitungseinrichtung bildenden Verknüpfungsstufen zum
Zusammenführen uni Invertieren der Meßsignale der Grob- und Feinresolver je eines
Tandemmeßsystemes einen ersten und zweiten Eingang für digitale Signale und einen
dritten und vierten Eingang für analoge Signale jeweils für Grob- und Feinresolver
besitzt, daß der die Differenzspannung des Soll-Istwertes des Grobresolvers führende
dritte Eingang über eine Diode und einen Ausgang direkt auf die Motor-Steuereinheit
durchgeschaltet ist, daß der Digitalwerte führende erste und zweite Eingang auf
eine exklusive ODER-Schaltung geschaltet ist, dessen Ausgang mit der Basis eines
npn-Transistors verbunden ist, an dessen Emitter eine Spannung U1 liegt, die bei
aufgesteuertem Transistor auf den invertierenden Eingang eines gegengekoppelten
Operationsverstärkers geschaltet ist, daß der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers
über einen
Spannungsteiler und den vierten Eingang an einem Teil
der Differenzspannung zwischen Soll- und Istspannung des Feinresolvers liegt, und
daß die am Ausgang des Operationsverstärkers gebildete Span.-nung U2 - U1 als Steuersignal
mit einen npn-Transistor auf eine Motorsteuereinheit geschaltet wird, enn der Transistor
durch Rückgang der am Eingang liegenden Grobresolverssannung auf ein Fünftel ihres
Maximalwertes aufgesteuert ist.
-
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß durch den Einsatz von Grob- und Feinresolvern als Winkelcodierer bei einem programmierbaren
Manipulator eine sehr hohe Winkelauflösegenauigkeit erreicht wird, die mit dem Übersetzungsverhältnis
zwischen Grob- und Feinresolver ansteigt, und daß durch den Wegfall von Winkelcodierern
auf der Empfangerseite eine erhebliche Vereinfachung und Kostenersparnis möglich
ist. Die Erzeugung des Steuersignales durch Differenzbildung aus Soll- und Istwertsignal
führt zu einer Herabsetzung der Störanfälligkeit der Signalverarbeitungseinrichtang
und zu einer Verminderung der erforderlichen Zahl von Kabeln um etwa 50 %.
-
Ferner läßt sich das vorgeschlagene Tandemmeßsystem in einfacher Weise
in eine nach dem Zeitmultiplexverfahren arbeitende Signalverarbeitungseinrichtung
eines programmierbaren ttanipulators mit mehreren Meßachsen integrieren. Dabei ist
es ohne besondere Maßnahmen möglich, Steuerungen mit unterschiodlichen Ansprüchen
an die Meßgenauigkeit zu realisieren und das System optimal an bestehende Forderungen
anzupassen.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 Blockschaltbild für einen
programmierbaren Manipulator mit Tandemmeßsystem, Fig. 2 Wirkungsschema für den
Grob- und Feinresolver eines Tandemmeßsystems, Fig. 3 Schaltung einer Verknüpfungsstufe.
-
Das Winkelauflösungsvermögen eines Resolvers kann wesentlich erhöht
werden, indem zwei Resolver gleicher Bauart und gleicher Genauigkeit über ein Getriebe
mit vorgespannten Zahnrädern und einem Ubersetzungsverhältnis 1 : 5 zu einem Tandemmeßsystem
gekoppelt werden.
-
Bei einem in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Grobresolver 1 und der Feinresolver 2 über das Getriebe 3 zu einem Tandemmeßsystem
4 gekoppelt , das die Winkelbewegungen der Antriebsachse 5 des Stellmotors 6 kontrolliert.
Die Ausgangsgröße jedes Resolvers besteht aus einer die Winkelinformation darstellenden
Sinusspannung, mit der eine Trägerfrequenz von 400 Hz moduliert ist. Jedem Resolver
1, 2 ist ein Demodulator 7, 8 nachgeschaltet, der die Winkelinformatioen unabhängig
voneinander über einen Multiplexer 9 zeitmultiplex auf einen Analog-Digital-Wandler
10 schaltet.
-
Zum Programmieren des Manipulators wird ein vorbestimmter Raumpunkt
mit Handsteuerung angefahren. Die von den Grob- und Feinresolvern der am Bewegungsablauf
beteiligten Tandemmeßsysteme erzeugten Meßwerte der Winkelpositionen der Antriebsachsen
werden über den Ausgang 11 des Analog-Digital-Wandlers 10 in den Speicher 12 gegeben.
-
Beim automatischen Anfahren eines Raumpunktes werden die Sollwerte
des Speichers 12 mit den Istwerten des Digital-Wandlers 10 in einem Soll-Istwertvergleicher
13 verglichen, deren Differenz gebildet und über einen Digital-Analog-Wandler 14
einem ersten Demultiplexer 15 als dem Betrag der Differenz analoges Signal und ber
einen zweiten Ausgang des Soll-Istwert-Vergleichers 13 einem zweiten Demultiplexer
16 als digitales, die Rechenrichtung bestimmendes Signal zugeführt. Die Rechenrichtung
stimmtbeim Grobresolver mit der Drehrichtung überein, beim Feinresolver können Rechen-
und Drehrichtung auch entgegengesetzt sein.
-
An die Eingänge 17 des Multiplexers 9 können weitere Tandemmeßsysteme
4 mit Demodulatoren 7, 8 angeschlossen werden, mit denen die Winkelstellungen von
Wellen 5 anderer Stellmotore 6 kontrolliert werden.
-
Die dem Grobresolver 1 zugeordneten Ausgänge 18, 20 und die dem Feinresolver
zugeordneten Ausgänge 19, 21 der Demultiplexer 15, 16 sind auf eine Verknüpfungsstufe
22 geführt, deren Ausgang 23 mit der Steuereinheit 24 des Stellmotors 6 verbunden
ist. Der ein digitales Richtungssignal führende Ausgang 20 des Demultiplexers 16
ist außerdem direkt auf die Steuereinheit 24 geschaltet.
-
Die Signale des Grobresolvers 1 und des Feinresolvers 2 werden also
getrennt verarbeitet und gespeichert.
-
Dabei wird die Steuereinheit 24 mit den Steuersignalen des Grohresolvers
1 solange beaufschlagt, bis die Soll-Istwertdifferenz des Grobresolvers 1 auf ein
Fünftel seines Slaximalwertes abqesunken ist, dann erst wird das Steuersignal des
Feinresolvers wirksam. Dadurch wird eine eindeutige Zuordnung der Winkelstellung
des Feinresolvers sichergestellt. Die Genauiokeit wird um das über setzungsverhältnis
1 : 5 erhöht und dabei die Systemgenauigkeit 0 von t60 auf t 1,2 erhöht. Die Auflösung
erfolgt im Bereich von O bis 3600. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, entspricht
die Strecke A einer Drehung der Welle 5 des Stellmotors 6 und auch des Grobresolvers
1 um 360°. Infolge des Getriebes 3 mit dem Übersetzungsverhältnis 1 : 5 dreht der
Feinresolver 2 gleichzeitig um fünf mal 360° oder um 5 k, wenn k einer Drehung des
Feinresolvers um 3600 entspricht. Ist z.B. eine Positionsänderung von dem Istwert
X1 auf den Sollwert X2 vorzunehmen, so wird bis zu einem dem Sollwert X2 nahegelegenen
Punkt X, an dem die Soll-Istwertdifferenz auf ein Fünftel ihres AnfanXswertes abgesunken
ist mit dem Grohresolver 1 und von X bis X2 mit dem Feinresolver 2 gemessen. Die
Verknüpfungsstufe 22 schaltet selbsttätig auf den Feinresolver um. Zwischen Sollwert
X2 und Istwert X1 liegt im Abstand k vom Sollwert der Punkt X2. Das Rechenwerk des
Soll-Istwertvergleichers 13 errechnet nur den Betrag / X - X2' /, der sich bei Annäherung
des Istwertes an den Sollwert stetig vergrößert, anstatt gegen Null zu gehen. Es
gilt jedoch fie Beziehung K - / X - X2 / = X - X2 die bei Annäherung von X an X2
zu Null wird.
-
Fig. 3 zeigt die Schaltung der Verknüpfungsstufe 22, mit der diese
Beziehung realisiert wird.
-
Der Soll-Istwertvergleicher 13 (Fig. 2) gibt die Soll-Istwertdifferenz
über den Digital-Analog-Wandlcr 14 und den Demultiplexer 15 - Ausgänge 18, 19 -
ebenso wie lie Digitalsignale für die Bewegungs- bzw. Rechenrichtung über den Demultiplexer
16 - Ausgänge 20, 21 - an die Verknüpfungsstufe 22, die aus diesen beiden Informationen
die Regelspannunq fir die Steuereinheit 24 erzeugt.
-
An den vier mit den Ausgängen der Demultiplexer 15, 16 verbundenen
Eingängen stehen folgende Informationen an Eingang 20 : Rechenrichtung des Grobresolvers
1, Eingang 21 : Rechenrichtung des Feinresolvers 2, vorwärts, logisch 0, rückwärts,
logisch 1, Eingang 18 : Analoge Soll-Istwertdifferenz des Grobresolvers Eingang
19 : Analoge Soll-Istwertdifferenz des Feinresolvers.
-
Solange die am Eingang 18 liegende Soll-Istwertdifferenz des Grobresolvers
1 größer als ein Fünftel der >1aximalspannung ist, wird diese Spannung über die
Diode 25 und den Ausgang 23 der Steuereinheit 24 des Stellmotors 6 als Regelgröße
zugeführt, weil der Transistor 26 gesperrt ist. Wird diese Spannung kleiner als
ein Fünftel der Maximalspannung, so öffnet sinh der Transistor 25 und die Steuereinheit
24 übernimmt die Regelspannung vom Eingang 19.
-
Dieser ist dann über eine Spannungsteilers:haltung 27, welche die
Spannung auf ihren fünften Teil reduziert, den nichtinvertierenden Eingang 28 eines
Operationsverstärkers 29, eine Diode 30 sowie Emitter und Kollektor des Transistors
26 mit dem Ausgang 23 verbunden. Haben Grobresolver 1 und Feinresolver 2 die gleiche
Rechenrichtung, so werden die mit den Eingängen 20 und 21 verbundenen Eingänge der
exklusiven ODER-Schaltung 31 mit den gleichen Digitalsignalen (logisch 0 oder logisch
1) beaufschlagt und der Transistor 32 bleibt geschlossen. Am Ausgang des Operationsverstärkers
29 mit dem Verstärkungsfaktor 1 erscheint die auf ein Fünftel ihres Wertes reduzierte
Spannung des Feinresolvers 2, die am Eingang 19 der Verknüpfungsstufe 22 ansteht.
-
Haben Grobresolver 1 und Feinresolver 2 verschiedene Rechenrichtungen,
so wird durch die exklusive ODER-Schaltung der Transistor 32 geöffnet und die an
dessen Emitter anliegende Spannung U1 (ein Fünftel der maximalen Regelspannuna entspricht
dem Wert K) auf den invertierenden Eingang 33 des Operationsverstärkers 29 geschaltet,
so daß am Ausgang 23 der Verknüpfungsstufe 22 die invertierte Spannungsdifferenz
erscheint.