DE2728395A1

DE2728395A1 - Verfahren und geraet zur erzeugung eines steuerprogramms fuer positioniersysteme

Info

Publication number: DE2728395A1
Application number: DE19772728395
Authority: DE
Inventors: Jun Carl F Ruoff
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1976-07-26
Filing date: 1977-06-24
Publication date: 1978-02-02
Also published as: JPS5314281A; FR2360117A1; IT1081643B; FR2360117B1; GB1532927A; CA1080828A

Description

B4TBMMNU0UE ^{ω A} BROSE^DKa BROSE

D 8023 Munchon-Pullach. Wiener Str 2, Tel (0891 7 91 ;,0 71. Telex 5212147 oros d. Cables · Patent.bus- München

Diplom Ingenieure

lhrze.chen p_arlg _file 5^6-A £?_e &· J"»^{1 1}977

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THE BENDIX CORPORATION, Executive Offices, Bendix Center, Southfield, Michigan 48075, USA

Verfahren und Gerät zur Erzeugung eines Steuerprogramms für Positioniersysteme.

Die Erfindung betrifft programmgesteuerte Positioniersysteme und insbesondere ein Verfahren und ein Gerät zum Erzeugen von Steuerprogrammen für derartige Positioniersystem, indem auf das positionierfähige Teil von Hand Kräfte ausgeübt werden, Kräfte-Rückkopplungssignale erzeugt werden, um das Positioniersystem derart zu steuern, daß das bestimmte Teil im Sinne einer Verminderung der Kräfte bewegt wird und indem aufeinanderfolgende Signale, die innerhalb des Positioniersystems erzeugt werden, aufgezeigt werden.

Programmgesteuerte Positioniersyeteme sind weit verbreitet in Verbindung mit Werkzeugmaschinen, UberfUhrungsmaschinen, WerkstUckmanipulatoren und ähnlichen EIn-

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-M-

richtungen. Diese Systeme können grob eingeteilt werden in Punkt-zu-Punkt-Steuereinheiten, die ein verstellbares Teil in eine Reihe von diskreten Positionen bewegen, welche von einem Programm vorgegeben werden, wobei keinerlei Steuerung entlang der Bahn oder Folge der Teilbewegung zwischen diesen Punkten ausgeführt wird, und in kontinuierliche Bahnsysteme, bei welchen sowohl eine Steuerung hinsichtlich der Position als auch hinsichtlich der Bewegungsfolge des positionierfähigen Teiles über die gesamte programmierte Bahn hinweg durchgeführt wird. Steuerprogramme fUr diese Positioniersysteme bestehen typisch aus einer Reihe von numerischen Befehlsgrößen, die entweder die Aufeinanderfolge von Punkten definieren, die das betreffende Teil oder Gegenstand einnehmen soll, oder der Natur von kurzen Segmenten der gewünschten Bewegung entlang einer kontinuierlichen Bahn.

Die Erstellung dieser Programme erfordert Kenntnis der Positionierfähigkeit der Naschine und eine Beschreibung des durchzuführenden Prozesses. Wenn die Naschine eine sehr eingeschränkte Positionierfähigkeit besitzt, so lassen sich Programme ziemlich einfach erzeugen; d. h. eine Abschalt- oder Abtrennmaschine kann einen Anschlag haben, der entlang einer einzigen Achse verstellbar ist. Ein Programm zur Bildung einer Reihe von Teilen unterschiedlicher Längen erfordert lediglich, daß der Anschlag die Koordinaten der einzigen Achse der Aufeinanderfolge von Positionen einnimmt. Wenn jedoch die Zahl der gesteuerten Achsen zunimmt, so wird die Programmieraufgabe komplizierter. Einige Teil-Manipulatoren können eine große Zahl von Freiheitsgraden aufweisen, so daß sie die Fähigkeit haben, Teil« oder Gegenstände in der gleichen vielfältigen Weise wie bei einer menschlichen Hand zu bewegen. Bei diesen Systemen kann eine bestimmte Bewegung häufig durch eine praktisch unendliche Zahl von Bewegungskombinationen entlang den verschiedenen gesteuerten Achsen erreicht werden, so da&gle Programmieraufgabe extrem

kompliziert wird.

Zur Vermeidung der Komplexität der Erstellung und Vorbereitung eines Steuerprogramms, welches auf Informationen hinsichtlich der Fähigkeit der Maschine basiert und der durchzuführenden Operationen, wurde vorgeschlagen, das Positionierteil von Hand entlang eines gewünschten Pfades oder Bahn zu bewegen und die sich dabei ergebenden Ausgangsgrößen von Positionierwandlern, die jeder der gesteuerten Maschinenachsen zugeordnet sind, aufzuzeichnen. Derartige Wandler brauchen speziell nicht für den Zweck der Erzeugung von Steuerprogrammen vorgesehen werden, da sie einen Teil von Treibersystemen mit geschlossener Schleife darstellen, wie sie typisch bei diesen programmgesteuerten Maschinen verwendet werden. Die US-PS 2 475 245 beschreibt ein Steuersystem für eine Drehbank, die von einem Analogprogramm gespeist bzw. angetrieben wird, welches auf einem Magnetband aufgezeichnet ist. Für die Erstellung eines Programms muß die Bedienungsperson der Drehbank unter Verwendung von Hand-Stuervorrichtungen die Maschine antreiben, um dadurch ein Probeteil zu formen und es werden die Ausgangssignale von Synchros in dem Positioniersystem aufgezeichnet. Das aufgezeichnete Programm kann dann wieder abgespielt werden, um automatisch die Drehbank zu steuern, so daß sie die Duplikate des Probeteiles anfertigt. In der US-PS 3 890 552 ist ein programmgesteuerter Manipulator beschrieben, der von Hand steuerbare Vorrichtungen für die Erzeugung von Steuersignalen enthält, die entweder für ein späteres Wiederabspielen aufgezeichnet werden oder dazu verwendet werden können, um direkt den Manipulator anzutreiben, ; während die Ausgangsgrößen der Positionlerwandler der Maschine j aufgezeichnet werden. Wenn der Manipulator eine große Anzahl von; unabhängigen Freiheitsgraden besitzt, so wird dieser Typ einer ! Handsteuerung entsprechend Achse-zu-Achse umständlich und schwierig, j

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren

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und ein Gerät für die Erzeugung von Steuerprogrammen für ein Positionier-Steuersystem zu schaffen, durch die die geschilderten Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe macht die Erfindung Gebrauch von einer unterschiedlichen, unabhängigen technologischen Richtung, bei welcher die Verwendung von Lastzellen eine Rolle spielt, um Kräfte zu messen, die zwischen Werkstücken, welche in Greifvorrichtungen eines Manipulators gehalten werden, und unabhängigen Teilen, mit welchen die zu haltenden Werkstücke zusammengebaut werden sollen, ausgeübt werden. Die Lastzellensignale werden dazu verwendet, die programmierten Positionsbefehlssignale zu modifizieren, um dadurch die gewünschten Beziehungen zwischen dem gehalterten Werkstück und dem unbhängigen Teil zu erreichen. Die Verwendung dieser Art einer Rückkopplung vereinfacht die Programme für verschiedene Zusammenbauoperationen. Diese Technik, welche mit "Kraft-Rückkopplungs-Steuerung" (force feed-back steering) bezeichnet wird, ist in einem Aufsatz mit dem Titel "Force Feedback Steering of a Teleoperator System" von Roland Groome, Jr., beschrieben, der dem Massachusetts Institut für Technologie am 14. August 1972 übermittelt wurde.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Gerät zum Erzeugen eines Steuerprogramme für ein Positioniersystem, bei welchem von Hand Kräfte auf ein positionierbares Teil ausgeübt werden, um dieses entlang einer gewünschten Bahn zu bewegen. Dabei gelangt eine Kraft-Rückkopplung zur Anwendung, um die Antriebs-Steuereignale derart zu modifizieren, daß die gewünschte Bewegung erreicht wird und wobei die resultierenden Positionssignale oder Bewegungsfolge-Wandlersignale aufgezeichnet werden. Während dieses Prozesses werden die Befehlssignale für die Servos, welche jede Freiheitsachse der Maschine steuern, von den Kraft-Rückkopplungssignalen und den Positionierwandlern abgeleitet . _;

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Wenn geschwindigkeits-empfindllche Servos verwendet werden, stellen die RUckkopplungssignale die Bewegungsgeschwindigkeiten auf den gesteuerten Achsen dar. Wenn Positionier-Servos verwendet werden, stellen die RUckkopplungssignale die momentane Position des Ausgangsteiles dar. Der Ausdruck "Positionszustand\ wie er im folgenden verwendet wird, soll allgemein beide Klassen der RUckkopplungs-Wandlersignale kennzeichnen.

Die Kraft-Rückkopplungssignale wirken effektiv, um die bestehenden Befehlssignale abzuändern, so daß die Bewegung der gesteuerten Achsen m solcher Weise bewirkt wird, daß die zwischen dem positionierbaren Teil und externen Instrumenten ausgeübte Kraft vermindert wird, und zwar inklusive der Kräfte, die von Hand auf das positionierfähige Teil ausgeübt werden, um dieses entlang der gewünschten Bahn zu fUhren. Bei einem relativ einfachen System kann eine direkte lineare Beziehung zwischen jeder Kraftkomponente und der erforderlichen Änderung der Psoitionler-Betriebsgröße fUr jede gesteuerte Achse existieren. Wird beispielsweise der positionierbare Teil als Anschlag aufgefaßt, der in beiden Richtungen entlang einer einzigen Achse bewegt werden kann, so kann das System Bewegsignale erzeugen, durch welche der Anschlag mit einer Folge oder Geschwindigkeit bewegt wird, die direkt proportional zur Kraft ist, welche von Hand auf den Anschlag ausgeübt wird. Wenn der Anschlag eine gewünschte Endposition oder Endpunkt erreicht, so wird keine weitere Kraft mehr ausgeübt und die Bewegung des Anschlags endet. Die betreffende Bedienungsperson kann dann die Ausgangsgröße des Position s- wandlers aufzeichnen und somit einen Block in dem Steuerprogramm erzeugen. Bei komplizierteren Systemen existiert eine eins-zu-eins-BeZiehung zwischen den Fühler-Ausgangsgrößen und den Befehlsachsen nicht und es wird erforderlich, relativ komplexe Berechnungen anzustellen, um die einzelnen Achsen-Steuersignale von den Ausgängen der Lastzelle abzuleiten. Diese Berechnungen umfassen eine Umwandlung oder Transformierung der Ausgangsgrößen der Lastzelle in Komponenten, \

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die für die gesteuerten Achsen repräsentativ sind. Diese Berechnungen können von einer analogen Schaltungsanordnung durchgeführt werden, Jedoch werden sie bei komplizierteren Ausrüstungen in wirtschaftlicherer Weise mit einem geeignet programmierten digitalen Rechner erreicht.

Ein bevorzugtes Aueführungsbeispiel nach der Erfindung, welches im folgenden in Einzelheiten erläutert werden soll, hat die ' Form eines Manipulators mit einer Werkzeuggreifvorrichtung, die an einen Arm angeschlossen ist, der mehrere Glieder aufweist. Eine getrennte Position!er-Servoeinheit steuert die Bewegung Jedes Gelenkes zwischen jeweils zwei Gliedern und dLe Positionswandler für diese Servos stellen einen Teil des RUckkopplungselements für das System dar.

Die Ausgangsgrößen der Positionlerwandler können kontinuierlich aufgezeichnet werden, um ein kontinuierliches Bahnprogramm für eine spätere Steuerung des Systems zu entwickeln oder alternativ kann die betreffende Person von Hand die Positionen des Manipulators auswählen, bei welchen die Ausgangsgrößen der Positionswandler aufgezeichnet werden sollen, um somit ein Punkt-zuPunkt- Steuerpro gramm zu erstellen.

Diese vorliegende System erzeugt nicht nur ein Steuerprogramm, sondern hält auch den Manipulator in einer steren ■ Konfiguration,; indem kontinuierlich Steuersignale für jeden der Servos erzeugt werden; wenn diese Signale ausgelöscht wurden, so würden die Arme des Manipulators unter der Einwirkung der Schwerkraft zusammenfallen. ■

Durch die vorliegende Erfindung wird somit ein einfaches und j wirkungsvolles Verfahren für die Erzeugung Irgendeines gewünsch ten Steuerprogramms geschaffen, und zwar für programmgesteuerte Positionlersystem und zusätzlich wird eine Einrichtung geschaffen, um die steife Position eines inhärent nicht steifen Mani-

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pulatormechanismus sicherzustellen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht einer einfach Form eines Manipulators, der mit dem System nach der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist;

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Steuersystems, welches bei dem Manipulator gemäß Fig. 1 verwendet wird, wobei eine Servoeinheit gezeigt ist, um eine von zwei gesteuerten Achsen des Manipulators zu steuern;

Fig. 3, welche aus den Figuren 3A und 3B zusammengesetzt ist, Einzelheiten von Untersystemen (entsprechend einer Transformationseinheit 50 (wie allgemein in Fig. 2 veranschaulicht ist)); und

Fig. 4 eine Vorderansicht eines zweiten Manipulators, entsprechend einer weiteren AusfUhrungsform der Erfindung.

Gemäß den Zeichnungen ist der Werkstück-Manipulator, der in Fig. 1 allgemein mit 10 bezeichnet ist, von einem solchen Typ, wie er zur Zuführung von Werkstücken zu Betätigungsmaschien, wie beispielweise Pressen u. ä., verwendet wird. Der Manipulator ruht auf einer Basis 12 und besitzt eine vertikale Welle 14, die drehbar relativ zur Basis gehaltert ist. Ein Dreh-Servomotor dreht in geeigneter Weise die Welle 14 über ein Antriebszahnrad 18, welches mit der Welle des Servomotors 16 verbunden ist und über ein Antriebszahnrad 20, welches an der Vertikal verlaufenden Welle 14 befestigt ist. Ein Drehfühler 22 erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, welches eine Funktion des Positionszustandes bzw. der Drehstellung der Welle ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung erscheint der Posi-

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tionszustand in Form eines Signals, welches proportional zur Geschwindigkeit der Drehbewegung der vertikalen Welle 14 ist. Bei alternativen Ausführungsformen kann der Wandler 22 ein Signal erzeugen, welches proportional zur momentanen Drehstellung der Welle 14 ist. Die Auswahl hängt in erster Linie davon ab, ob der Antriebs-Servo aus einem Geschwindigkeits- bzw. Folge-Servo oder einem Positions-Servo besteht; obwohl die Möglichkeit besteht, einen Geschwindigkeitswandler zu verwenden, um einen Positions-Servo mit Energie zu versorgen und einen Positionswandler zu verwenden, um einen Folge- oder Geschwindigkeits-Servo mit Energie zu versorgen, ist allgemein die erforderliche Schaltungsanordnung komplexerer Art.

Einean dem oberen Ende der vertikalen Welle 14 befestigte Nabe 24 haltert einen sich horizontal erstreckenden Arm 26. Dieser Arm ist in bevorzugter Weise als Rohrkonstruktion ausgeführt und ein Abschnitt 28 läßt sich teleskopartig innerhalb des Armes 26 bewegen. Die Größe des herausragenden Abschnitts des Armabschnittes 28, relativ zum Arm 26, wird durch einen Dreh-Servo-Motor 30 gesteuert, der den teleskopartig verschiebbaren Armabschnitt 28 mit Hilfe einer Zahnstange 32 antreibt, welche in ein Ritzel 34 eingreift, welches von dem Servo-Motor 30 gesteuert wird. Ein linearer Wandler 36 ist am Ende des Armabschnittes 26 befestigt und tastet die Bewegung des teleskopartig bewegbaren Armabschnittes 28 ab, um ein der Bewegungsgeschwindigkeit proportionales Ausgangssignal zu erzeugen. Wie bereits an früherer Stelle in Verbindung mit der Beschreibung des Wandlers 22 erläutert wurde, kann der Wandler 26 alternativ auch ein Ausgangssignal erzeugen, welches proportional zur Größe des herausragenden Abschnitts des Teleskop-Armabschnitts 28 ist, anstatt proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit.

Eine Werkstück-Greifvorrichtung 38 ist an dem abliegenden Ende des teleskopartig bewegbaren Armabschnitts 28 befestigt. Die Gestalt der Greifvorrichtung 38 hängt von der Form des Teiles

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ab, welches manipuliert werden soll, und die Greifvorrichtung kann mit geeigneten Betätigungsvorrichtungen ausgestattet werden, wie beispielsweise einem pneumatischen Zylinder AO.

Eine Lastzelle 42 ist zwischen der Werkstück-Greifvorrichtung 38 und dem Ende des Teleskop-Armabschnitts 28 angeschlossen, so daß die Lastzelle mit Kräften beaufschlagt wird, die zwischen der Greifvorrichtung 38 und dem Arm 28 auftreten. Die Lastzelle kann von demjenigen Typ sein, wie sie in der deutschen Patentanmeldung P 25 29 796.5-52 beschrieben ist oder von demjenigen Typ, wie er in der deutschen Patentanmeldung P 26 41 342.3 beschrieben ist.

Eine weitere geeignete Form einer Lastzelle ist in einem Aufsatz von Master's veröffentlicht worden, der den Titel trägt "Force Feedback Steering of a Teleoperator System" von Roland Groome, Jr., M.I.T. Draper Laboratory Report T-575, August 1972. Die in diesem Aufsatz beschriebene Lastzelle verwendet vier im Querschnitt quadratische Ausleger-Stäbe oder -Stangen, die in einem sich kreuzenden Muster oder Schema angeordnet sind. Ohmsche Spannungsmeßstreifen (strain gages) sind auf jeder der vier Flächen jedes Stabes oder Stange gehaltert, um die Kräfte zu messen, die auf jede Stange oder Stab ausgeübt werden.

Wie in dieser Abhandlung erläutert ist, sind die Meßstreifen auf den sich gegenüberliegenden Flächen jedes Stabes in eine Rükkenschaltung miteinander verdrahtet, um acht Paare von Kraftfühlelementen zu bilden.

Was auch immer für eine spezielle Lastzelle bzw. Anordnung einer Lastzelle verwendet wird, so wird diese bei der AusfUhrungsform gemäß den Fig. 1 - 3 so angeschlossen, daß eine Ausgangsgröße erhalten wird, die proportional zu den auf die Greifvorrichtung 38 entlang der Achse des Armes 26 ausgeübten Kräfte ist, und eine zweite Ausgangsgröße erhalten wird, die

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proportional zu den auf die Greifvorrichtung senkrecht zu dieser Achse und der Achse der Welle 14 ausgeübten Kräften ist.

Der Manipulator gemäß Fig. 1 kann daher die Greifvorrichtung durch Drehen der Welle 14 (die Θ-Achse) bewegen und ebenso durch Ausfahren und Zurückziehen des Teleskop-Armabschnitts 28 relativ zum Arm 26 (die R-Achse).

sätzliche
Die gr und-/Konfiguration des Steuersystems des Manipulators gemäß Fig. 1 ist in Fig. 2 gezeigt. Fig. 2 zeigt die Steuereinheiten für die Θ-Achse und Steuereinheiten für die R-Achse, die identisch sind mit der weiter unten angegebenen Ausnahme.

Die Befehlssignale, welche den Motor 16 treiben, um die Welle 14 zu drehen und um somit die Position des Manipulators in der Θ-Achse zu steuern, werden von einer Befehlsspeichereinheit 44 abgeleitet. Diese Befehlssignale können entweder digitaler oder analoger Natur sein. Wenn sie digitaler Natur sind, kann die Befehlsspeichereinheit die Form von mehreren bi-stabilen Vorrichtungen haben. Wenn die Befehlssignale analoger Natur sind, kann der Befehlssignalspeicher die Form eines Magnetbandes haben.

Die Befehlssignale gelangen zu einer Vergleichsstufe 46, und zwar in Verbindung mit der Ausgangsgröße des Wandlers 22, welche die tatsächliche Drehgeschwindigkeit der Welle 14 anzeigt. Die Verglelchs&ufe 46 entwickelt ein Fehlersignal, welches proportional zu der Differenz zwischen diesen zwei Eingangsgrößen ist und legt dieses Signal an einen Treiberverstärker 48 an, der den Motor 16 erregt.

Die Ausgangsgröße des Wandlers 22 gelangt auch zur Transformationseinheit 50. Diese Einheit empfängt auch die Ausgangsgröße der Lastzelle oder des KraftfUhlers 42, welche die Kraft wiedergibt, die zwischen der Greifvorrichtung 38 und dem Arm 28 ent-

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-y,

lang der Θ-Achse auftritt. Diese Einheit 50 erzeugt ein Signal, welches bewirkt, daß die Ausgangsgröße der Befehlsspeichereinheit 44 so modifiziert wird, daß die Bewegung des Motors 16 zu einer Verminderung der gemessenen Kraft führt; d. h. die Welle 14 wird in einer Richtung gedreht, die durch die Kraft erzwungen wird und zwar mit einer Folge proportional zu der Kraft.

Die Transformationseinheit 50 stellt die einzige Einheit dar, die sich wesentlich hinsichUich der R-Achse und der 0-Achse unterscheidet. Fig. 3A veranschaulicht die Konstruktion der Einheit 50 für die Θ-Achse. Zwei Spannungen, und zwar zum einen VfQ, die das Signal aus dem Kraftfühler 42 darstellt und die Kraft wiedergibt, die entlang der Θ-Achse ausgeübt wird, und zum anderen V_R, die die Ausgangsgröße des Positionswandlers 36 darstellt und die Größe des herausragenden Teiles des Teleskop-Armabschnitts 28 aus dem Arm 26 wiedergibt, gelangen zur Teilerstufe 52. Die Teilerstufe teilt das Kraftsignal durch das Radiussignal, da die Geschwindigkeit der Drehbewegung der Welle 14 effektiv mit dem Radius des Armes bei der Ausführung der Bewegungen der Greifvorrichtung 38 multipliziert wird. Demzufolge teilt die Teilerstufe 50 V-.^ durch V_R und führt die Ausgangsgröße einer Multiplizierstufe 54 zu, welche den Quotienten mit einer Proportionalitätskonstanten K₁ multipliziert. Das resultierende Ausgangssignal ist proportional zu Δθ/At, d. h. die erforderliche Änderung in der Geschwindigkeit der Drehung der Welle 14. Diese Größen werden der Befehlsspeichereinheit 44 angeboten.

Im Falle der R-Achse wird das Signal V_fR, die Ausgangsgröße des Fühlers 42, die repräsentativ für die Kraftkomponente entlang der Achse des Armes 26 ist, mit einer Konstanten Kp in einer Einheit 56 (Fig. 3B) multipliziert. Die Ausgangsgröße wird dazu verwendet, um den Inhalt der Befehlsspeichereinheit abzuwandeln.

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Dieses Steuersystem bewegt die Greifvorrichtung 38 in Richtung einer Kraft, die auf die Greifvorrichtung ausgeübt wird und mit einer Geschwindigkeit, die proportional zu dieser Kraft ist. Es sei angenommen, daß beide Befehlsspeichereinheiten sowohl die R- als auch die Θ-Achse zu Beginn auf Null stehen. Wenn die Greifvorrichtung von Hand erfaßt wird und für eine Bewegung in einer bestimmten Richtung gedrückt wird, so erzeugt die Einheit 50 Befehlsinkremente für die R-Achsen- und Θ-Achsen-Befehlsspeichereinheiten, die bewirken, daß Befehlssignale erzeugt werden, durch die die Greifvorrichtung in eine solche Richtung bewegt wird, daß die genannte Kraft minimal wird. Wenn die Greifvorrichtung eine gewünschte Stellung erreicht und wenn man diese dann von Hand in dieser Stellung festhält, so werden Inkremente in den Befehlssignalen erzeugt, durch die Greifvorrichtung zum Halten gebracht wird, so daß die Hand dann entfernt werden kann und die Greifvorrichtung in dieser Position durch die Servo-Befehlsgröße gehalten wird.

Um ein Programm für eine gewünschte Bewegung zu erzeugen, wird die Greifvorrichtung von Hand entlang der gewünschten Bahn bewegt, und zwar mit einer gewünschten Geschwindigkeit. Die Ausgangsgrößen der Positionswandler 22 und 36 werden in einer Aufzeichnungseinheit 58 aufgezeichnet. Diese Aufzeichnung stellt dann ein Programm dar, welches zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgespielt werden kann und der Vergleichsstufe 46 angeboten werden kann, um die Greifvorrichtung zu veranlassen, sich entlang der gewünschten Bahn mit der gewünschten Geschwindigkeit zu bewegen. Wenn ein Punkt-zu-Punkt-Programm vorgesehen werden soll, können die Positionen der Greifvorrichtung, die aufgezeichnet werden sollen, von Hand dem System durch Drücken des Schalters oder Taste 60 signalisiert werden, wenn die Greifvorrichtung sich in Jeder der gewünschten Positionen befindet.

Die Transformationseinheit 50 und die Befehlsspeichereinheit 44

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der Maschine gemäß den Figuren 1-3 sind in ausreichendem Maße einfach, so daß sie sich wirtschaftlich mit Hilfe hartverdrahteter Schaltungen entweder analoger oder digitaler Natur realisieren lassen; die Transformationseinheit 50 und die Befehlsspeichereinheit 44 lassen sich jedoch auch mit Hilfe eines geeignet programmierten digitalen Prozessors realisieren. Bei komplexeren Ausführungsformen des Gegenstandes der Erfindung kann die Verwendung derartiger Prozessoren wirtschaftlich vorteilhaft sein. In breiterem Aspekt kann der Prozessor die Ausgangsgrößen der Kraftfühler empfangen und der Positionsbedingungs-Wandler und kann Fehlersignale erzeugen, um die Ausgangsmotoren zu treiben. Der Prozessor verkörpert somit die Transformationseinheit 50, die Befehlsspeichereinheit 44 und die Vergleichsstufe 46. Der Prozessor kann auch eine Analog-Digital- oder eine Digital-Analog-Umwandlung durchführen.

Der bei der Ausführungsform gemäß den Figuren 1-3 vorhandene Faktor, durch den das Steuersystem extrem einfach wird, besteht in erster Linie darin, daß die Ausgangsgrößen der Lastzelle direkt die Kräfte wiedergeben, die auf die gesteuerten Achsen der Maschine bzw. in Richtung dieser Achsen ausgeübt werden. Bei komplexeren Systemen kann dies nicht der Fall sein und es kann erforderlich werden, eine Reihe von relativ komplexen, numerischen Operationen in Verbindung mit den Ausgangsgrößen der Lastzelle und des Positionszustands-Wandlers auszuführen, um die erforderliche Inkremente in dem Befehlssignal für die verschiedenen Achsen zu erzeugen.

Beispielsweise können die Fühler-Ausgangsgrößen nicht eine Eins-zu-Eins-Beziehung zu den gesteuerten Achsen haben, da sie in einem unterschiedlichen räumlichen Rahmen sein können und die Maschine also eine Positions-Redundanz haben kann, so daß eine bestimmte, auf den Fühler ausgeübte Kraft durch Bewegungen vermindert werden kann, die auf mehr als eine der gesteuerten Achsen der Maschine ausgeübt wird.

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Fig. 4 veranschaulicht einen anderen Manipulator, der allgemein mit 70 bezeichnet ist und eine zweite Ausführungsform der Erfindung darstellt. Der Manipulator 70 besitzt eine Basis 72, die zwei lange Arme 74 und 76 haltert. Ein Ende des Armes 74 ist bei einer horizontalen Schwenkachse 78 abgestutzt, die an der Basis 72 befestigt ist und das andere Ende des Armes 74 ist an ein Ende des zweiten Armes 76 an einer horizontalen Schwenkachse 80 angelenkt. Die Drehung der Arme 74 und 76nerfolgt um parallel verlaufende Achsen. Ein Antriebs-Servomotor 82, der an der Basis 72 befestigt ist, steuert die Position des Armes 74 über ein Zahnrad 84 und ein zweiter Servo-Motor 86 ist an dem abgelegenen Ende des Armes 74 befestigt und steuert die Drehung oder Schwenkbewegung des Armes 76 um die Achse 80 mit Hilfe des Zahnrades 88. Das abgelegene Ende des Armes 76 trägt eine Vielachs-*-en-Lastzelle 90 und eine Werkstück-Greif vorrichtung 92 ist an dem Ende des Armes 76 gehaltert, und zwar auf der von der Lastzelle 90 abgelegenen Seite. Die Motren 82 und 86 steuern somit die Position der Greifvorrichtung 92 in vertikaler Ebene, senkrecht zu den Achsen 78 und 80.

Ein Drehfühler (nicht gezeigt), welcher dem Zahnrad 84 zugeordnet ist, kann um eine Achse 78 gedreht werden und erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, welches eine Funktion des Positionszustandes des Armes 7k ist. Ein Drehfühler (nicht gezeigt), der dem Zahnrad 88 zugeordnet ist, kann um eine Achse 80 gedreht werden und erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, welches eine Funktion des Positionszustandes des Armes 76 ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung hat dieser Psitionszustand die Form eines Signals, welches proportional zur Geschwindigkeit der Drehbewegung des Armes 74 ist und die Form eines Signals, welches proportional zur Drehgeschwindigkeit des Armes 76 ist.

Das Steuersystem für den Manipulator 70 von Fig. 4 ist im wesentlichen identisch mit dem System gemäß Fig. 2, jedoch muli

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die Transformationseinheit 50 komplexere Operationen ausführen

Ee sei angenommen, daß die Länge des Armes 7h von der Achse 78 zur Achse 80 gleich a beträgt; die Länge des Armes 76 von der Achse 80 zur Lastzelle 90 sei gleich b; der Winkel des Armes I zur horizontalen Achse sei gleich Q^ ; der Winkel des Armes 76 relativ zum Arm 7k sei gleich 0₂» ^{und die von der} Lastzelle 90 erfaßte Kraft habe eine longitudinale Komponente fL und eine transversale Komponente fT.

Wenn Θ.. = (K = 0, sind die Achsen der Lastzelle 90 t und 1 parallel jeweils zur vertikalen und horizontalen Achse (d. h. die Abstützachse der Basis 72 und die Achse quer zu dieser in d?r vertikalen Ebene).

Die Transformationseinheit 50 muß Signale erzeugen, um den Manipulator entlang dem O₁ und Op-Achsen in solcher Weise zu bewegen, daß die Lastzelle 90 in Richtung einer Kraft bewegt wird, die auf die Lastzelle angelegt wird.

Aus Fig. 4 läßt sich erkennen, daß der Ursprung des Fühlers gelegen ist bei

χ - a cogG. + b COs(O₁ + y = a SJnO₁ : b SIn(O₁ +

so daß für kleine Verschiebungen, bei welchen ^ = Θ. + Θ« ist, sich ergibt

	Λχ --a	r	_χΔ0	1 " ^{b J}	ιηφΔφ	CiAO₁
	Λγ - a	:inO	I⁴⁰		H b coS(J>A<\|>	bΔφ
oder		cor.O
	M .			-s in ψ
	WJ		Ce₁	COS φ

-si
. co

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gebildet wovon die Inverae/werden kann, so daß man erhält:

COS0 -cosfi

Ax Ay

Δχ Δν Es wird gewünscht, daß δΤ und /ft proportional ist zu den Kräften fx und fy. Die Kräfte werden jedoch in dem Fühlerrahmen gemessen, so daß sie transformiert werden müssen:

ify.) _ ίσοεφ - είηφ] [fL] [£yj " [sii^ costj [fTj

wobei fL und fT, wie zuvor erwähnt wurde, Kraftkomponenten entlang der Fühlerachsen 1 und t jeweils sind, wie durch den Fühler gemessen wurde. Da für die Geschwindigkeits-Servos der Wunsch besteht, daß die Geschwindigkeit proportional ist zur Kraft

fvx) ₌ fAx/At] ₌ [Cx] ₌ [vyj lAy/AtJ ^Klryj

είηφΊ ffL") cos^.j [f TJ

um die θ₁ und φ Geschwindigkeiten zu erhalten, werden die obigen Ergebnisse verwendet, um dann zu erhalten:

sinO₂

l/a ο ο 1/b

COC0 Bin0 -cosOi-sinO

κinφ cosψ

fL

Es sei darauf hingewiesen, daß

At

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so daß daher gilt:

At

AO₂ TTt"

T(Qi,O₂) S

= T(O,,ß₂)

(Sl

with

k	1	O	1	il
sinO;.			a
	-1	1	.0	j b,

cos«)) 3Ϊηφ -cosOi-ci

οοεψ

, θρ) stellt die Berechnung dar, die von der Transformationseinheit 50 durchgeführt werden muß. Die Ausgangsgrößen dieser Transformationseinheit ergibt die Ausgangsgeschwindigkeiten je-j/dt und /Ae₂AIt. Wenn Positions-Servos verwendet werden anstatt von Geschwindigkeits-Servos, müssen diese Größen mit Ot multipliziert werden, um ΔΘ.. und ά&₂ zu erhalten.

Wie beim Manipulator 10 bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1-3, kann die Greifvorrichtung 92 des Manipulators 70 von Hand erfaßt werden und kann entlang einer Bahn bewegt werden oder zu einer Reihe von Punkten, welche die Bahn oder Punkte eines gewünschten Programms der Vorrichtung darstellen. Das Steuersystem unterliegt den aufgebrachten Kräften, die auf die Lastzelle 90 wirken und bewegt die Manipulatorarme in die gewünschte Position. Die Bahn oder die Punkte, die durch die Positionsfühler während dieser Auslenkung erzeugt werden, werden aufgezeichnet, um das Programm für eine spätere Wiederabspielung für das System vorzusehen.

Zusammenfassend schafft die Erfindung somit einen programmgesteuerten Werkstückmanipulator mit einer Lastzelle, die zwischen der Manipulator-Klemmvorrichtung und den Positionierungselementen gehaltert ist und Signale erzeugt, die proportional zu verschiedenen Kraftkomponenten sind, die auf den Werkzeughalter durch externe Instrumente ausgeübt werden. Um ein gewünschtes

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Steuerprogramm für den Manipulator zu erzeugen, werden die Ausgangsgrößen der Lastzelle und der Positionswandler fUr die Manipulatortreiber-Servos dazu verwendet, um Befehlssignale für die Antriebs-Servos zu erzeugen, welche die Bewegung der Klemmvorrichtung derart steuern, daß die extern aufgebrachten Kräfte reduziert werden. Die Klemmvorrichtung wird dann von Hand erfaßt und in die gewünschte Bewegungsrichtung gedrückt und die Ausgangsgrößen der Positionsfühler werden während der Bewegung aufgezeichnet, um dadurch ein Steuerprogramm zu erstellen, welches ersetzt werden kann, um den Manipulator für eine Duplizierung der Bewegung zu steuern.

Säntlich in der Beschreibung erkennbaren und in den Zeichnungen veranschaulichten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

vln/pr

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Claims

B4TENWN!4flLTE """BROSEDKa BROSE D-8023 Munchcn-Pullach, Wiener SIi 2. .e. (089) 7 i.3 30 7.. Telex 52121-7 brob rt. Cables ■ Patentibus- München Diplom Ingenieure Paris file 5426-A IZ 22. Juni 1977 THE BENDIX CORPORATION, Executive Offices, Bendix Center, Southfield, Michigan ^8075, USA PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Erzeugen eines Steuerprogramms für eine Maschine mit einem positionierfähigen Teil oder Glied, einem Antriebssystem für die Bewegung des positionierfähigen Teiles unter der Steuerung eines Programms, mit einem Kraftfühler, der Signale erzeugt, die Funktionen der zwischen dem positionierbaren Teil und einer externen Geräteschaft ausgeübten Kräfte sind, und mit einem Fühler zum Erzeugen von Signalen, die eine Funktion des Positionszustandes des positionierbaren Teiles sind, dadurch gekennzeichnet , daß auf das positionierbare Teil von Hand Kräfte ausbracht werden, um dieses in gewünschter Weise zur Bewegung zu zwingen; daß ein Steuersignal für das Antriebssystem erzeugt wird, welches eine Funktion der Ausgangssig-

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OFUO v-AL INSPECTED

nale des Kraftfühlers und des Positionszustandsfühlers ist und welches die Bewegung des positionierbaren Teiles im Sinne einer Verminderung der von Hand aufgebrachten Kräfte steuert; und daß die Ausgangssignale des PositionierzustandsfUhIers aufgezeichnet werden.

2. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Erzeugung eines Steuerprogramms für eine Maschine mit einem in Position bringbaren Teil oder Glied, mit einem Antriebssystem für das Teil oder Glied, welches unter der Steuerung eines Programms betätigbar ist, einem Kraftfühler zum Erzeugen von Signalen, die eine Punktion der auf das positionierbare Teil durch Wechselwirkung zwischen dem Teil und einer externen Geräteschaft aufgebrachten Kräfte ist, und mit einem Fühler zum Erzeugen von Signalen, die Funktionen des Positionierzustandes des positionierfähigen Teiles oder Gliedes sind, gekennzeichnet durch folgende Einrichtungen und Merkmale: Eine Einrichtung (44, 50) zum Empfangen der Signale des Kraftfühlers (42) und des Positionierzustandsfühlers (22) und zum Erzeugen eines Befehlssignals, welches eine Funktion des gewUnschen Positionszustandes des positionierfähigen Teiles (38) ist, um die zwischen dem Teil (38) und der externen Geräteschaft ausgeübten Kräfte zu vermindern; mit einer Vergleichseinrichtung (46), welche das Befehlssignal und die Ausgangssignale des Positionierzustandsfühlers (22) empfängt und ein Fehlersignal erzeugt, welches eine Funktion der empfangenen Signale ist und welches dem Treibersystem (16) zugeführt wird, um eine Bewegung des positionierfähigen Teiles (38) zu bewirken; und Aufzeichnungsmittel (58) zum Aufzeichnen von wenigstens bestimmten Signalen, welche für den Positionierzustand des poaitionierfähigen Teiles (38) repräsentativ sind.

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3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (44, 30) zum Empfangen der Signale vom Kraftfühler (42) und vom Positionierzustandsfühler (22) und zum Erzeugen eines Befehlssignals, welches eine Punktion des gewünschten Positionszustandes des positionierfähigen Teiles (38) ist, eine Speichervorrichtung (44) zum Speichern eines an früherer Stelle erzeugten Befehlssignals enthält und eine Einrichtung (50) zum Abändern des Befehlssignals als Funktion der Signale aus dem Kraftfühler (42) und aus dem PositionszustandsfUhIer (22).

4. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibersystem für das positionierbare Teil (38) einen Geschwindigkeits-Servo (16) enthält und daß der Fühler (22) zum Erzeugen der Signale proportional zum momentanen Positionszustand des Teiles (38) aus einem Bewegungs-Geschwindigkeits-FUhIer besteht.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibersystem fUr das positionierbare Teil (38) einen Positions-Servo (16) enthält, und daß der Fühler (22) zum Erzeugen der Signale proportional zum momentanen Positionszustand des genannten Teiles (38) aus einem Positionsfühler besteht.

6. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibersystem für das positionierbare Teil (38) eine kontinuierliche Bahnsteuereinheit enthält, und daß die Einrichtung (38) zum Aufzeichnen von wenigstens bestimmten der Signale, die fUr den Positionszustand des genannten Teiles (38) repräsentativ sind, aus einer Einrichtung besteht, um kontinuierlich die Ausgangssignale des PositionszustandsfUnlers (22) aufzuzeichnen.

7. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibersystem für das positionierbare Teil (38) aus einem Punkt-

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zu-Punkt-Positioniersystem besteht, und daß die Einrichtung '■, (58) zum Aufzeichnen von wenigstens bestimmten der Signale, die für den Positionszustand des genannten Teiles (38) repräsentativ sind, von Hand steuerbar ist, um diese Signale an diskreten Positionen des positionierbaren Teiles (38) aufzuzeichnen.

8. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine aus einem Manipulator (10;70) besteht und daß das positionierbare Teil aus einer Werkzeuggreifvorrichtung (38; 92) besteht, daß der KraftfUhler (42;90) zum Erzeugen der Signale, die eine Funktion der Kräfte sind, die auf das Teil (38;92) durch Wechselwirkung zwischen dem Teil (38;92) und einer externen Geräteschaft ausgeübt werden, aus einer mehrachslgen Lastzelle (52;90) besteht, die zwischen die Greifvorrichtung (38;92) und deren Halterungskonstruktion (28;76) eingesetzt ist.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Manipulator (70) eine feste Basis (72) und eine Kette von in Reihe miteinander vexiundenen Armen (74, 76) aufweist, wobei ein Ende der Kette mit der Basis (72) verbunden ist und das andere Ende mit der Greifvorrichtung (22) verbunden ist, und daß der Fühler zum Erzeugen der Signale proportional zum Positionszustand des positionierbaren Teiles (92) aus mehreren Wandlern besteht, die mit Jedem Glied (78; 80) in der Kette verbunden sind, um Signale proportional zum momentanen Positionszustand Jedes Armes (74; 76) zu erzeugen.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (44, 50) zum Empfangen der Signale vom Kraftfühler (90) und vom PositlonszustandsfUhler und zum Erzeugen eines Befehlssignals, welches eine Funktion des gewünschten Positionszustandes des positionierbaren Teiles (92) ist, eine Einrichtung (50) enthält, um mehrere Ausgangssignale der

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mehrachsigen Lastzelle (90) in mehrere Befehlssignale für das Treibersystem (82, 86) zu transformieren.

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