DE2457801B2

DE2457801B2 - Steuereinrichtung für die Verstellung des Arms eines Manipulators

Info

Publication number: DE2457801B2
Application number: DE19742457801
Authority: DE
Inventors: Masayuki Hattori; Toshiaki Aichi Ikeda; Toyohiko Ito; Toshitaka Nagoya Aichi Kuno; Aichi Nagoya; Masakazu Nimura
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1973-12-08
Filing date: 1974-12-06
Publication date: 1979-08-02
Also published as: DE2457801A1; DE2457801C3; JPS5088482A; JPS5610648B2

Description

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Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für die Verstellung des Arms eines Manipulators mit variabler Geschwindigkeit des Patentanspruchs angegebenen Gattung.

Aus der DE-AS 12 34831 ist ein Verfahren zum Verstellen des Schwenkarms eines Beschickungsmanipulators von einem ersten bis zu einem zweiten Anschlag und umgekehrt mittels eines Elektromotors bekannt; dabei wird die drehzahlbestimmende Speisespannung des Motors in Abhängigkeit von der Stellung des Arms selbsttätig stetig verkleinert und der Spannungsendwert so bemessen, daß der Motor im Stillstand ein kleines Drehmoment zum sauen Anliegen des Arms am jeweiligen Anschlag aufbringt. Dadurch können beispielsweise die Pendelungen des Schwenkarms vermieden werden, die oft nach der Abschaltung der Spannung auftreten.

Aus der DE-AS 1156152 ist eine Anordnung zur numerischen Steuerung von Arbeitsmaschinen bekannt, bei der Positionssignale auf besonders zweckmäßige Weise erzeugt werden. Die Geschwindigkeits- oder Beschleunigungs-Steuerung der Arbeitsmaschine wird nicht erwähnt.

Entsprechendes gilt auch für den Artikel »Industrial handling« aus der Zeitschrift für industrielle Fertigung, 62 (1972), Seite 622. In diesem Artikel wird ein neuer Industrie-Roboter beschrieben, der als frei programmierbares, automatisches Handhabungsgerät eingesetzt ss wird. Dabei können die einzelnen Positionen programmiert werden.

Aus dem Artikel »Der Analogteil der Werkzeugmaschinen-Steuersysteme 710 und 810« aus »BBC-Nachrichten«, September 1967, Seite 460 ff. ist ein Steuersystem bekannt, bei dem auch eine Art Geschwindigkeitssteuerung durchgeführt wird. Dabei bestimmt ein Rechner bei Positionsänderungen die Differenz zwischen Soll- und Ist-Wert der Position, wobei der Ist-Wert von einem Weg-Meßsystem eingegeben wird. Wird beim Einfahren auf die Endposition der Inhalt des Differenzrechners auf Null gezählt, so verringert sich die Ausgangsspannung des zugehörigen Digital/Analog-Wandlers nicht proportional, sondern angenähert parabolisch. Durch diese Funktion wird eine konstante Bremsverzögerung erreicht, um den Manipulator in die Endlage zu bringen.

Schließlich ist aus der DE-OS 2012 858 eine Steuereinrichtung für die Verstellung des Arms eines Manipulators mit variabler Geschwindigkeit der angegebenen Gattung bekannt Eine solche Steuereinrichtung »reist eine Positioniereinrichtung zur Erzeugung von Positionssignalen auf, die ein Stellglied für den Arm nacheinander mit variabler Geschwindigkeit schrittweise in vorgegebene Lagen bringen. Bei der Programmsteuerung dieses Manipulators, die beispielsweise mittels einer Programmtrommel erfolgt, können die Befehlssignale so bemessen sein, daß der Manipulatorarm in jeder Koordinate die maximale, für das Gerät verträgliche Beschleunigung und Verzögerung erfährt. Es ist beispielsweise möglich, auf die Programmtrommel ein Bit aufzuzeichnen, welches anzeigt, daß der Arm bzw. Greifer den letzten Abschnitt des Weges bei seiner Annäherung an eine bestimmte Lage mit geringerer Geschwindigkeit zurücklegen soll. Weitere Bits können dazu dienen, unterschiedliche Genauigkeiten anzugeben, mit denen der Greifer bestimmte Positionen anzufahren hat

Bei dieser bekannten Steuereinrichtung kann also bei der Programmierung bereits eine gewisse Beeinflussung der Geschwindigkeit des Stellgliedes bzw. des Arms berücksichtigt werden, ohne daß jedoch hierfür eine Regelung vorgesehen ist; d. h. also, daß die einmal eingestellte Geschwindigkeit nicht mehr beeinflußt wird.

Eine solche Steuereinrichtung hat die folgenden, funktionsbedingten Nachteile: Der Arm des Manipulators wird nämlich entsprechend einer Stufenspannung, die durch öffnen und Schließen von Schaltern erzeugt wird, mit jeweils der optimalen Geschwindigkeit in die vorgegebenen Lagen gebracht; beim Starten oder Anhalten des Arms erfolgt also eine relativ abrupte, plötzliche Änderung der Bewegung, die zu entsprechenden Erschütterungen des gesamten Systems und damit schließlich zu raschem Verschleiß führt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung der angegebenen Gattung zu schaffen, bei der die abrupte Beschleunigung oder Abbremsung des Arms beim Durchlaufen einer Bewegung sicher vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere auf der Verwendung eines Tiefpaßfilters mit einem Verzögerungselement erster oder höherer Ordnung, so daß ein Bereich des Ausgangssignals der Geschwindigkeitssteuerung, der sich zu rasch ändert, in ein stetiges, ausgeglichenes Signal umgewandelt werden kann. Dadurch werden wiederum die oben erwähnten, starken Geschwindigkeitsänderungen bei der Beschleunigung bzw. beim Abbremsen des Stellgliedes vermieden.

Da der Positions-Servomechanismus eine hohe Rückkopplungsschleifenverstärkung hat, machen sich etwaige, äußere Störungen sowie die geringe Ansprechempfindlichkeit eines Betätigungsgliedes, der Servoventile oder des Servoverstärkers kaum bemerkbar, so daß die eingestellten Positionen sehr exakt angesteuert werden können, ohne daß sich die sonst mit einer Erhöhung des Verstärkungsgrades verbundenen, star-

ken Beschleunigungen oder Verzögerungen ergeben. Dies gilt sogar bei Verwendung von Betätigunj>sgliedern, Servoventilen, Servoverstärkern oder ähnlichen Elementen, die einen gewissen Totgang hab en.

Dies wird schließlich mit relativ geringem, schal tungstechnischen Aufbau erreicht, da sich diese Steuereinrichtung von der bekannten Steuereinrichtung nur durch einige wenige, zusätzliche elektrische Bauelemente unterscheidet, die fertigungs- und kostenmäßig kaum ins Gewicht fallen. ι ο

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine sciiensatische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Manipulators,

Fig.2 bis 5 Blockschaltbilder von herkömmlichen Positionierungssystemen,

Fig.6 ein Blockschaltbild eines Positionierungssystems gemäß der Erfindung,

F i g. 7 Kurven, in welchen die Ausgänge verschiedener Einrichtungen des in F i g. 6 dargestellten Positionierungssystems dargestellt sind,

Fig.8 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung, und

F i g. 9 und 10 ins einzelne gehende Blockschaltbilder bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung.

In den F i g. 6 und 8 bzw. in den F i g. 9 und 10 sind die gleichen oder einander entsprechende Teiie mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Vor der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden kurz die herkömmlichen Positionierungssysteme beschrieben, um an diesen im einzelnen die hierbei auftretenden Schwierigkeiten aufzuzeigen. In F i g. 1 weist ein Industrieroboter oder Manipulator einen Arm 1, einen Drehständer 2, ein mit dem Drehständer 2 starr verbundenes Zahnrad 3, ein mit dem Zahnrad 3 kämmendes Antriebsritzel 4, ein mit dem Zahnrad 3 kämmendes Ritzel 5 eines Potentiometers 8, ein Stellglied 6, ein Servoventil 7, den Potentiometer 8, einen Servoverstärker 9, einen Schalter 10 und ein Potentiometer 11 zum Einstellen der Hub- oder Arbeitshöhe des Arms 1 auf.

Der erste Faktor, welcher den Positionier- oder Stellungsfehler des im Manipulator der vorbeschriebenen Art verwendeten Positionierungssystems zur Folge hat, beruht auf dem Spiel zwischen dem Arm 1 und dem Drehständer 2, so daß, selbst wenn die Winkelstellung des Drehständen! 2 mit einem höheren Genauigkeitsgrad gesteuert wird, das vordere Ende des Arms 1 nicht genau in eine geforderte, richtige Position gebracht werden kann. Da das Spiel eine Schwierigkeit auf Grund von Fertigungstoleranzen ist, wird hierauf in der folgenden Beschreibung nicht weiter eingegangen.

Der zweite Faktor beruht auf der Ansprechempfindlichkeit des Stellgliedes 6, des Servoventils 7 und des Servoverstärkers 9. Der dritte Faktor beruht auf äußeren Störungen (wie beispielsweise der Temperaturströmung) an dem Stellglied 6, dem Servoventil 7 und dem Servoverstärker 9. Um die durch die zweiten und dritten Faktoren hervorgerufenen Fehler auf ein Minimum herabzusetzen, muß der Verstärkungsgrad der Vorstufe der Steuereinrichtung des Positionierungssystems erhöht werden. Wenn jedoch der Verstärkungsgrad in dem herkömmlichen Positionierungssystem erhöht wird, führt dies zu einer übermäßig hohen Beschleunigung und Verzögerung. Infolgedessen kann der Verstärkungsgrad des Regelkreises nicht über einen bestimmten Wert hinaus erhöht werden, so daß die Stellung des Manipulatorarms nicht mit einem höheren Genauigkeitsgrad gesteuert werden kann.

An Hand von F i g. 2 werden im folgenden die Gründe beschrieben, warum die übermäßig hohe Beschleunigung oder Verzögerung auftritt. In Fig.2 ist ein Potentiometer 12 zum Einstellen eines gesteuerten Wertes, ein Schalter 13, ein Verstärkungsregler 14, ein Sättigungselement 15, ein Stellglied 16 für die maximale Geschwindigkeit, welches auch als Filter arbeitet, ein Leistungsverstärker 17, ein Servoventil 18, ein Stelloder Betätigungsglied sowie eine Last 19 und ein Potentiometer 20 zum Fühlen der Verschiebung dargestellt Ferner sind in den folgenden Gleichungen folgende Bezeichnungen verwendet; die maximale Befehlsspannung E_n^_x, die Ausgangssättigungsspannung Vmu an dem Verstärkungsregler 14, der maximale Eingangsstrom I max des Servoventils, die maximale Strömungsgeschwindigkeit Q_n^ in dem Servoventil 18, der maximale Hub Xma* des Stell- oder Betätigungsglieds 19, der Strom ΔΙ in einer toten Zone des Servoventils 18, die Verstärkung k\ des Verstärkungsreglers 14, die Verstärkung fe des Filters 16, die Verstärkung fe des Betätigungs- oder Stellglieds 19, und die Zeitkonstante Terster Ordnung des Filters 16.

Wenn die Parameter, welche den in F i g. 2 dargestellten Blockschaltbildern zugeordnet sind, dimensionsfrei gemacht werden, dann kann das in F i g. 2 dargestellte Blockschaltbild in die in F i g. 3 dargestellte Form umgewandelt werden, in welcher dann gilt:

K, =

I/

U . V — «2, Λ3 —

Vorzugsweise wird in diesem Positionier- oder Steuersystem der Verstärkungsgrad der Vorstufe des Servoventils erhöht, um, wie nachstehend noch beschrieben wird, den Fehler auf ein Minimum herabzusetzen. Die Abweichung Δ Ε zwischen dem eingestellten Punkt E/E_mlx und der gesteuerten Veränderlichen oder der Armveränderung X/X_mix ist gegeben durch

I £ = —= — —7;; ·

Wenn die Strömung durch das Servoventil null wird, dann wird die Bewegung des Arms angehalten. Infolgedessen ist die Beziehung zwischen der Abweichung oder der Positionierabweichung Δ E und der Ansprechempfindlichkeit bzw. der toten Zone des Servoventils gegeben durch

Infolgedessen wird:
IE =

K₁K₂

Hieraus ist dann zu ersehen, daß je größer der Wert K\ Ki ist, d. h„ je höher die Verstärkung der Vorstufe des Sperrventils ist, umso größer der Fehler wird.

Als nächstes wird die kritische Dämpfungsbedingung zur Stabilisierung der Verschiebung des Betätigungsoder Stellglieds, ohne daß ein Überschwingen vorkommt, wenn das schrittweise zugeführte Eingangssignal an das in Fig.3 dargestellte Steuer- oder

Positionierungssystem angelegt wird. Wenn das nichtlineare Element, KiKtKs >\ ist, dann wird ε'<ε. Auf diese Weise linearen Arbeitsbereich betätigt wird, ist die charakteristische Gleichung für den Regelkreis gegeben durch

fung anspricht, aus den Gl. (2), (3) und (4) erhalten und ist gegeben durch

4 (K₁ K₃)

1 +

K2

S[TS+ 1)

= O.

Aus F i g. 3 ist zu ersehen, daß der Faktor K₂ Ki die maximale Geschwindigkeit U_m,_x des Stell- oder Betäti-Durch Umschreiben dieser Gleichung ergibt sich: 10 gungsglieds 19 ist, so daß sich ergibt:

= 0.

Die kritische Dämpfungsbedingung besteht dann darin, daß die charakteristische Gleichung eine Wurzel bzw. eine Wurzel zweiten Grades aufweist (d. h. der Dämpfungskoeffizient ist 1 oderO). Infolgedessen gilt:

Die Sättigungsgeschwindigkeit des Stell- oder Betätigungsglieds 19 soll Uomix sein, wenn das Servoventil 18 eine maximale Strömungsgeschwindigkeit Q_mti hat. In diesem Fall gilt dann:

(L.l)² _

\2 T) -hieraus ergibt sich dann:

K\ Κι K₃

20

T =

4K₁ K₂ K₃

(2)

25

Die maximale Beschleunigung A_max während der Anstiegszeit bzw. der Zunahme erfolgt dann unter der Bedingung, daß das Sättigungselement 15 unmittelbar gesättigt werden kann, wenn der Eingang angelegt wird. Das heißt:

X(S)

K₂K₃

S(TS+ 1)

V(S)-

35

wobei ν(S) der Ausgang des Sättigungselements ist; daß heißt ferner

*2 *3 ..,„

40

TS+1

wobei L¹ {-[S)} = v(t) = 1 oder — 1 ist. Infolgedessen wird, wenn v(t) = 1 ist,

X(D

X(t)

A_max —

K₂K₃

K₂K₃ T

X(t)

- e" T

45

50

K₂K₃

Die Stellungs- oder Positionierabweichung auf Grund der Ansprechempfindlichkeit bzw. der toten Zone des Servoventils 7 ist dann gegeben durch

AX =

K₁K₂

(4)

Folglich wird die Positionierabweichung AX, wenn die maximale Beschleunigung A_n^ ist und der Hub des Stell- oder Betätigungsglieds auf die kritische Dämp-

65 K-2

— U_m

Durch Einsetzen der Gl. (6) und (7) in die Gl. (5) ergibt sich

X = 4

U_0n

U_n,

Aus Gl. (8) ist zu ersehen, daß je höher die maximale Geschwindigkeit des Betätigungs- oder Stellgliedes 19 und je langsamer die maximale Beschleunigung während der Anstiegszeit ist, der Fehler des Betätigungs- oder Stellglieds 19 infolge der Ansprechempfindlichkeit bzw. der toten Zone des Servoventils 18 um so größer wird.

Hieraus ist zu ersehen, daß das in F i g. 2 dargestellte Steuer- bzw. Positionierungssystem sich nicht für eine Verwendung in Manipulatoren eignet, deren maximale Geschwindigkeit möglichst schnell seih muß, während die Beschleunigung während der Anstiegszeit so niedrig wie möglich sein muß.

Um dem in Fig.2 dargestellten Steuersystem anhaftende Schwierigkeiten zu überwinden, ist ein in Fig.4 dargestelltes Steuersystem vorgeschlagen worden, welches im Aufbau dem in Fig.3 dargestellten Steuersystem mit der Ausnahme entspricht, daß ein Verstärker 22 zwischen das Filter 16 und das Servoventil 18 geschaltet ist, und daß ein Tachometer 21 an der Antriebswelle des Betätigungs- oder Stellglieds 19 angebracht ist, wobei der Ausgang des Tachometers 21 an den Eingang des Verstärkers 22 angelegt wird. Auf diese Weise kann eine negative Geschwindigkeitsrückführung bzw. -kopplung mit hohem Verstärkungsgrad erhalten werden, so daß die AnsprechempFindlichkeit des Servoventils 18 entsprechend vermindert werden kann. Das in Fig.4 dargestellte Steuersystem kann dann in die in Frg.5 dargestellte Form umgewandelt werden. Die Ansprechempfindlichkeit ε' des Servoventils 18 mit der Geschwindigkeits- oder Tachometerrückführung bzw.-kopplung ist dann gegeben durch

K3K4K5

wenn daher K3K4K5 S>1 ist, dann wird ε'<?ε. Auf diese Weise kann dann die Ansprechempfindlichkeit des Servoventils vermindert werden.

Das in Fi g. 4 dargestellte Steuersystem weist jedoch die Nachteile auf, daß sein Aufbau kompliziert und die Herstellungskosten hoch sind, da es mit einer Geschwin-

digkeitsfühleinrichtung, wie einem Tachometer, versehen sein muß.

Mit der vorliegenden Erfindung werden die ölen beschriebenen und weiteren Schwierigkeiten, welche den herkömmlichen Positionierungssystemen anhaften, überwunden und beseitigt.

An Hand von F i g. 6 wird eine erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Ein Block A weist eine Pojitionierbefehleinstelleinrichtung mit einem Positionier-Einstellpotentiometer 23 und einem Schalter 24 auf; ein Block B weist eine Geschwindigkeitssteuereinrichtung mit einem Sättigungselement 25 und einem Integrator 26 auf, dessen Ausgang an den Eingang des Sättigungselements 25 gegengekoppelt ist. Ein Block C weist eine Beschleunigungssteuereinrichtung mit einem Tiefpaßfilter 27 mit einer Zeitverzögerung erster oder höherer Ordnung auf. Ein Block D weist einen Positionier-Servomechanismus mit einem Verstärkungsregler 28, einem Servoventil 29 und einem Betätigungs- oder Stellglied 30 auf. Der Ausgang des Betätigungs- oder Stellglieds 30 ist an dem Eingang des Verstärkungsreglers 28 negativ rückgekoppelt, d. h. gegengekoppelt, so daß der Servomechanismus D eine hohe Rückkopplungsschleifen-Verstärkung aufweist. Der Servomechanismus D weist kein Zeitverzögerungselement zur Beschleunigungssteuerung auf, es ist allerdings erforderlich, daß der Verstärkungsfaktor K\ des Verstärkungsreglers erheblich größer ist als der Verstärkungsfaktor K\ in dem in F i g. 3 dargestellten Steuer- bzw. Positioniersystem.

An Hand von F i g. 7 wird nunmehr die Arbeitsweise der ersten vorbeschriebenen Ausführungsform der Erfindung beschrieben.

Das Positionier-Befehlssignal a von der Positionierbefehleinstelleinrichtung A ist eine Einstellspannung, welche durch die ausgezogene Linie a in Fig.7 dargestellt ist, und wird an die Geschwindigkeits-Steuereinrichtung B angelegt, so daß das Sättigungselement 25 gesättigt wird, außer wenn ein besonders kleines Eingangssignal angelegt wird. Infolgedessen nimmt das Ausgangssignal b der Geschwindigkeits-Steuereinrichtung B konstant zu, wie durch die ausgezogene Linie b in F i g. 7 dargestellt ist Wenn das Ausgangssignal b die eingestellte Spannung erreicht, nimmt die Spannungszunahme des Ausgangssignals b ab und wird null. Die maximale Spannungszunahme der Ausgangsspannung oder des Signals b kann durch eine entsprechende Wahl des Verstärkungsfaktors Kt des Integrators 26 beliebig gewählt werden. Das Ausgangssignal b der Geschwindigkeitssteuereinrichtung B wird an die Beschleunigungs-Steuereinrichtung C angelegt, so daß die Beschleunigung mittels des Filters 27 gesteuert werden kann.

Da die Beschleunigungs-Steuereinrichtung C außerhalb des Positionier-Servomechanismus D angeordnet ist, können die Kenndaten des Filters 27 unabhängig von der Stabilität und anderen Eigenschaften des Servomechanismus Dgewählt werden. Das Ausgangssigna] cder Beschleunigungs-Steuereinrichtung C ändert sich gleichmäßig, wie durch die ausgezogene Kurve c in F i g. 7 dargestellt ist, und wird an den Positionier-Servomechanismus D angelegt. Da der Positionier-Servomechanismus Deine hohe Rückkopplungsschleifenverstärkung aufweist, kann sein Ausgangssignal klein dem Eingangssignal mit einer vernachlässigbaren Zeitverzögerung folgen, wie durch die gestrichelte Linie d in Fi g. 7 angezeigt ist

An Hand Fi g. 8 wird nunmehr eine zweite Ausführungsform der Er'indung beschrieben. Die zweite Ausführungsform entspricht im Aufbau im wesentlichen der ersten in Fig.6 dargestellten Ausführungsform, außer daß das Filter 27 oder die Beschleunigungs-Steuereinrichtung zwischen den Schalter 24 und das Sättigungselement 25 geschaltet ist. Die Arbeitsweise der zweiten Ausführungsform entspricht im wesentlichen der der ersten Ausführungsform.

Wenn die Positionierungssysteme gemäß der Erfindung in Manipulatoren verwendet werden, die zum Gießen von geschmolzenem Metall in Gießereien benutzt werden, kann das Spritzen des geschmolzenen Metalls infolge der plötzlichen Inbetriebnahme der Manipulatoren verhindert werden, indem eine ausreichend hohe Zeitkonstante für das Filter 27 in der Beschleunigungssteuereinrichtung C gewählt wird, so daß die Beschleunigung am Anfang in der Größenordnung von 0,4 g (der Schwerkraft) eingestellt ist. Wenn das Positionier- bzw. Steuersystem gemäß der Erfindung in einem Manipulator zum Befördern eines leichten Gegenstandes verwendet wird, kann die Zeitkonstante des Filters 27 erheblich verringert werden, da der Industrierobotor oder der Manipulator die Arbeit auch in dem Fall gut durchführt, daß die Beschleunigung am Anfang in der Größenordnung von 1,5 bis 2,0 g liegt.

An Hand von Fig.9 wird nachstehend eine praktische Ausführungsform des Positionier- oder Steuersystems gemäß der Erfindung beschrieben, welches in einem Industrieroboter oder Manipulator angewendet werden kann, der in einer Aluminium-Druckgußmaschine zum Gießen von geschmolzenem Metall verwendet ist. Die Positionierbefehl-Einstelleinrichtung 31 weist eine Anzahl Positions-Einstellpotentiometer POT\ bis POT_n auf, an welche eine Spannung Vb angelegt wird. Ein Potentiometer POTo wird zur Rückkopplung verwendet. Eine Schalteinrichtung 32 weist eine Anzahl analoger Schalter SWi bis SW_n auf, weiche jeweils, wie in dem Block 5Wi dargestellt ist. Widerstände R\ bis K₄, einen Feldeffekt-Transistor Tu einen Transistor T₂ und eine Diode Di aufweisen. Die Spannung Vi wird über den Widerstand A₂ an den Kollektor des Transistors T₂ angelegt, während die Spannung V₂ an dessen Emitter angelegt ist Entsprechend dem Signal S\ wird dann der Feldeffekttransistor T\ an- oder ausgeschaltet. In ähnlicher Weise werden die Feldeffekttransistoren in den anderen Schaltern SW₂ bis SW_n jeweils entsprechend den Signalen S₂ bis S_n anoder abgeschaltet.

Die Schalter SWi bis SW_n können auch Schalter mit mechanischen Kontakten sein. Ein nicht umkehrbarer Addierer und Begrenzer 33 weist Widerstände R$ bis Rf, und einen Operationsverstärker OA\. Ein Integrator 34 weist Widerstände Ra bis Ä10, ein Operationsverstärker OAt und einen Kondensator Q auf. Ein Sekundärfilter 35 mit einer Zeitverzögerung zweiter Ordnung weist Widerstände Ru und A₁₂, Kondensatoren C₂ und C₃ sowie einen Operationsverstärker OA₃ mit einem Verstärkungsfaktor 1 auf. Ein nicht umkehrbarer Addierer und ein Servoverstärker 36 weist Widerstände Ra bis Α« sowie einen Operationsverstärker OAt auf. Das Steuersystem weist ferner einen Leistungsverstärker 37, ein Servoventil 38, eine Ölquelle 39 und eine Last 40 mit einem Stellglied auf. Die Ausgänge der Schalteinrichtung 32, des Integrators 34 und des Sekundärfilters 35 sind mit e, /bzw. gbezeichnet

Im folgenden wird die Arbeitsweise dieser Schaltungsanordnung beschrieben.

Die an die Schalter SWi bis 5W_n angelegte Spannung Vi beträgt beispielsweise +15 V, während die Emitterspannung V2 —15 V beträgt; die an die Potentiometer POT\ bis POT_n angelegte Spannung V₀ ist so gewählt, daß sie etwas höher als die Spannung Vi ist und beispielsweise —14 V beträgt. Infolgedessen ändern sich die an die Schalter SW, bis SW_n angelegten Signale .Si · bis Avon -15VbIsOV. Wenn die Potentiometer POT, und POT2 in der Positionierbefehl-Einstelleinrichtung 31 auf Werte V₀I bzw. Vfo eingestellt werden, das den Schalter SWi angelegte Signal S_t auf 0 V und die Signale S2 bis S_n auf die Spannung V₂ eingestellt werden, dann ist die maximale Ausgangsspannung des Rückkopplungspotentiometers POTo auf dem Wert V02. Wenn das Signal S2 auf 0 V übergeht, während die Signale Si bis S_n außer dem Signa! Sj auf den Wert V7 übergehen, dann ist der nicht umkehrbare Addierer 33 über den Schalter SW2 mit der eingestellten Spannung V02 des Positior.s-Einstellpotentiometers POT2 verbunden, so daß der Eingang e an dem nicht umkehrbaren Addierer und Begrenzer 33 schrittweise von dem Wert V01 auf den Wert V02 übergeht. Der nicht umkehrbare Addierer und Begrenzer 33 nutzt hierbei die Sättigung des Operationsverstärkers OA] aus, und sein Eingang wird an den Integrator 34 angelegt, welcher eine ausreichend hohe Verstärkung aufweist und die Integration des Ausgangs von dem nicht umkehrbaren Addierer 33 durchführt, wobei die Spannung durch die mit der Eingangsseite verbundene Widerstände R» und /?g geteilt wird und der Strom durch den Wert des Widerstands /?io bestimmt jo wird, außer wenn die Eingangsspannung fVo2— VOi) an dem nicht umkehrbaren Addierer und Begrenzer 33 sehr klein ist. Der Ausgang /"des Integrators 34 wird an den nicht umkehrbaren Addierer und Begrenzer 33 negativ rückgekoppelt, d. h. gegengekoppelt, und zu dem Befehlssignal hinz.uaddiert, so daß die Integration beendet ist wenn die Ausgangsspannung f an dem Integrator 34 den Wert V02 erreicht. Der Ausgang f ändert sich dann, wie durch die ausgezogene Kurve b in F i g. 7 dargestellt ist.

Der Ausgang f von dem Integrator 34 wird an den Eingang des Filters 35 mit einer Zeitverzögerung zweiter Ordnung angelegt, so daß sich der Ausgang g des Filters 35 ändert, wie durch die ausgezogene Kurve c in F i g. 7 dargestellt ist, und die Spannung V02 erreicht. 4^ Der Ausgang g des Filters 35 wird an den Eingang des eine hohe Verstärkung aufweisenden Servoverstärkers 36 angelegt, welcher das Eingangssignal in Abhängigkeit von der Abweichung des Eingangssignals gegenüber der Ausgangsspannung des Rückkopplungspotentiometers POTo verstärkt. Der Ausgang des Servoverstärkers 36 wird dann durch den Leistungsverstärker 37 weiterverstäirkt, mit welchem das Servoventil 38 angesteuert und angetrieben wird, wodurch die Last 40 gleichmäßig bzw. stetig beinahe ohne eine Zeitverzögerung bezüglich des Eingangssignals und mit einer sehr kleinen Verschiebung angetrieben wird. Das Rückkopplungspotentiometer POT₀ ist an der Antriebswelle der Last 40 angebracht, um fortlaufend deren Drehbewegung und Stellung zu fühlen.

Der Ausgang des Rückkopplungspotentiometers POTa ändern sich wie durch die Kurve d in F i g. 7 angezeigt ist Der Gradient der Kurve d stellt die Geschwindigkeit der Last 40 dar, während ihr Krümmungsradius die Beschleunigung anzeigt. Hieraus ist zu ersehen, daß die Last 40 ruhig und gleichmäßig aus der durch die Positionsbefehl-Spannung Vo bezeichnete Lage beschleunigt wird, und nachdem sie die geforderte Geschwindigkeit erreicht hat, welche durch den Integrationskoeffizienten des Integrators 34 bestimmt wird, wird die Last 40 wieder gleichmäßig verzögert und in der durch die Befehlsspannung V02 bezeichnete Stellung mit einem höheren Genauigkeitsgrad angehalten. Die Betriebsweise des Steuersystems entspricht im wesentlichen der des vorbeschriebenen Systems, selbst wenn andere Positions-Einstellpotentiometer POTz bis POT_n gewählt sind und durch die Schalter SW₃ bis SW_n verbunden sind.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr an Hand der Fig. 10 beschrieben, in welcher dieselben Bezügszeichen und Buchstaben verwendet sind, welche die entsprechenden Teile in Fig. 10 bezeichnen. Die Schalter SWi und SW₂ sind Relaisschalter, und statt des nicht umkehrbaren Addierers und Begrenzers 33 ist ein umkehrbarer Addierer und Begrenzer 33' verwendet. Ein Filter 35' weist einen hohen Verstärkungsfaktor auf und in ihm ist ein Operationsverstärker OA verwendet, in welchem die Polarität der Ausgangsspannung bezüglich der Polarität der Eingangsspannung umgekehrt ist. Die Betriebsweise dieser Ausführungsform entspricht im wesentlichen der der in F i g. 9 dargestellten Ausführungsform.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Steuereinrichtung für die Verstellung des Arms eines Manipulators mit variabler Geschwindigkeit mit einer Positioniereinrichtung zur Erzeugung von Positionssignalen, die ein Stellglied für den Arm nacheinander schrittweise in vorgegebene Lagen bringen, gekennzeichnet durch eine Geschwindigkeitssteuerung (B) zur Umsetzung der Positionssignale in bei einer vorher bestimmten Geschwindigkeit zu- oder abnehmende Signale, durch eine Beschleunigungssteuerung (C) mit einem Tiefpaßfilter (27) mit Zeitverzögerung erster oder höherer Ordnung für die Umwandlung eines sich zu stark ändernden Bereichs des Ausgangssignals der Geschwindigkeitssteuerung (8) in ein glattes, ausgeglichenes Signal, und durch einen das Ausgangssignal der Beschleunigungssteuerung (C) empfangenden Positions-Servomechanismus mit hoher Rückkopplungsschleifenverstärkung, jedoch ohne Zcitverzögerungselemönt für die Steuerung der Beschleunigung.