DE3439495A1 - Elektronisch stellbare nachgiebigkeit - Google Patents

Elektronisch stellbare nachgiebigkeit

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DE3439495A1
DE3439495A1 DE19843439495 DE3439495A DE3439495A1 DE 3439495 A1 DE3439495 A1 DE 3439495A1 DE 19843439495 DE19843439495 DE 19843439495 DE 3439495 A DE3439495 A DE 3439495A DE 3439495 A1 DE3439495 A1 DE 3439495A1
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loop
force
feedback
compliance
servo
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Thomas Arthur Scotia N.Y. Brownell
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General Electric Co
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General Electric Co
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    • B25J17/00Joints
    • B25J17/02Wrist joints
    • B25J17/0208Compliance devices
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Programme-control systems
    • G05B19/02Programme-control systems electric
    • G05B19/18Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/416Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control of velocity, acceleration or deceleration
    • G05B19/4163Adaptive control of feed or cutting velocity
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00Program-control systems
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    • G05B2219/37357Force, pressure, weight or deflection
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    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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Description

  • Elektronisch stellbare Nachgiebigkeit
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine adaptive Regelungseinrichtung, die für eine elektronische Nachgiebigkeit bzw.
  • Compliance für eine Verwendung in der Steuerung von Robotern und programmierbaren Maschinen sorgt.
  • Bei Anwendungen, wie der Montage, Maschinenwerkzeugbeladung und der Handhabung von Teilen aus Pressen usw., erfordert die gegenwärtige Robotertechnologie häufig eine präzise Positionierung des Roboters und auch des Prozesses, dem er dient. Daraus resultieren hohe Werkzeugkosten und Schwierigkeiten bei der Entwicklung des Roboterprogramms. Bis zu einem sehr begrenzten Grad kann die Situation erleichtert werden durch den Zusatz von mechanisch in ihrer Nachgiebigkeit einstellbaren Vorrichtungen, wie beispielsweise die Remote CenterenCtowmliiece (RCC), die durch das Draper Laboratory der MIT/und in Figur 1 schematisch dargestellt ist.
  • Die RCC hat ein mechanisches Federsystem, um für Flexibilität zwischen einem Roboterarm und seinem Greifer zu sorgen.
  • Wenn das Werkstück relativ zum Roboter falsch ausgerichtet ist, wird das Federsystem ausgelenkt, wodurch der Roboter und das Werkstück wieder in eine passende Stellung kommen können.
  • Robotersteueranordnungen haben gewöhnlich einen festen Satz von Rückführungsschleifen, die entweder auf der Stellung oder der Kraft basieren. Häufig ist es jedoch notwendig, einen Roboter vollständig oder teilweise einzustellen (servo) auf der Basis einer Rückführung, die eine andere ist, als für die die Regeleinrichtung ausgelegt ist. Beispielsweise muß ein stellungsabhängig gestellter Roboter gelegentlich kraftabhängig gestellt werden.
  • Bei der Verwendung von Hilfsrückführungsschleifen wurden bisher zwei Hauptbereiche verwendet. Die üblichste Technik besteht darin, das Rückführungssignal in einen Computer einzugeben, dessen Signifikanz in Software zu interpretieren und das Hauptbefehlssignal zu verändern, um das gewünschte Ergebnis zu ergeben. Diese Methode ordnet jedoch den Computer in der Servoschleife an, was die Leitungsfähigkeit der Servoschleife drastisch reduziert. Die andere Technik beinhaltet ein physikalisches Umschalten der Rückführungsschleifen.Diese Umschaltung ist Computer-gesteuert, aber sie ist abrupt und vollständig, was nicht eine teilweise Steuerung durch mehr als eine Servoschleife zur Zeit gestattet.
  • Erfindungsgemäß wird eine elektronisch stellbare Nachgiebigkeit bzw. Compliance vorgeschlagen, wodurch die Nachgiebigkeit elektronisch gesteuert und programmiert werden kann, so daß die sichtbare bzw. auftretende Steifigkeit des Systems verändert werden kann in Abhängigkeit vom Erfordernis durch die gegebene Roboter- oder Maschinenaufgabe. Eine analoge Realisierung gestattet eine Regelung mit hoher Bandbreite der Maschinen-Nachgiebigkeit. Eine adaptive Regelungseinrichtung mit diesem Merkmal wird von einem mehrere Schleifen aufweisenden Servo gebildet; Stellungs- und Kraftrückführungssignale werden an Vorrichtungen mit variabler Verstärkung geliefert, und die gewichteten Signale werden summiert, und das zusammengesetzte Befehlssignal wird verwendet, um einen Servomechanismus zu betätigen. Das Verhältnis der Kraftschleifen-zu Stellungsschleifen-Rückführungsverstärkungen bestimmt die Nachgiebigkeit. Durch Verändern der Rückführungsverstärkungen wird der relative Einfluß von verschiedenen Formen der Rückführung verändert.
  • Ein illustratives Ausführungsbeispiel ist ein Montageroboter mit einem Greifer, um ein Werkstück aufzunehmen und zu montieren, und mit Mitteln einschließlich der mehrere Schleifen aufweisenden Regeleinrichtung zum Positionieren des Greifers.
  • Eine erste Rückführungsschleife ist vorgesehen zum Abtasten der Greiferstellung, zum Erzeugen eines Stellungs-Rückführungssignals und um daraus ein Geschwindigkeitssignal zu erzeugen. Eine zweite Rückführungsschleife hat die Aufgabe, die Geschwindigkeit abzutasten und ein Geschwindigkeits-Rückführungssignal zu erzeugen. Eine dritte Rückführungsschleife fühlt die Kraft ab, die durch das Werkstück auf den Greifer ausgeübt wird, und liefert ein Kraft-Rückführunassianal. Alle Servoschleifen haben eine Vorrichtunq mit qewichtëteñ. variabler Verstärkung, und die-dem/Geschwindigkeitsbefehl/ die abgetastete Geschwindigkeit und die Kraft betreffenden Signale werden summiert, und ein Servomotor wird mit dem zusammengefaßten Fehlersignal angetrieben. Die eine variable Verstärkung aufweisenden Vorrichtungen sind zweckmäßigerweise programmierbare,multiplizierende Digital/Analog-Wandler.
  • Die Robotermaschine hat X- und Y-Achsen, und jede Achse weist einen derartigen Vielschleifen-Servo auf. Eine große Nachgiebigkeit hat einen Montageroboter zur Folge, der sehr empfindlich und flexibel ist; eine kleine Nachgiebigkeit führt zu einer relativ steifen Maschine. Wenn beispielsweise eine Getriebewelle in ein Gehäuse eingesetzt wird und ein Teil ist nicht in der richtigen Stellung, gestattet die elektronisch stellbare Nachgiebigkeit, daß der Roboter die Montage mit einem Minimum an interaktiven Kräften erledigt.
  • Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Figur 1 zeigt einen Roboterarm, der mit der bekannten, eine mechanisch einstellbare Nachgiebigkeit aufweisenden Vorrichtung ausgerüstet ist.
  • Figur 2 ist eine schematische Darstellung von einem elektronischen Nachgiebigkeitssystem für eine Achse einer Robotermaschine.
  • Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht einer in kartesischen Coordinaten programmierbaren MontagemaschineS die eine elektronisch stellbare Nachgiebigkeit aufweist.
  • Figuren 4 und 5 sind schematische Darstellungen, parallel zu den Y- und X-Achsen, von einem Teil des Gelenk/Handhabungsmechanismus und zeigen die Befestigungen der Kraftfühler und der Torsionsfeder.
  • Figur 6 zeigt die Kraft, die durch eine Fehlausrichtung während des Getriebewelleneinsetzens erzeugt wird.
  • Das bekannte, mechanische Federsystem 10 gemäß der Remote Center Compliance ist schematisch in Figur 1 dargestellt.
  • Es gestattet, daß der Greifer 11 immer dann relativ zum Roboterarm 12 ausgelenkt wird, wenn das Werkstück 13 falsch ausgerichtet ist. Bei der elektronischen stellbaren Nachgiebigkeit werden die elektronischen Äquivalente der mechanischen Federn entlang jeder Achse ausgebildet; jedoch kann die Nachgiebigkeit bzw. Compliance elektronisch verändert und gesteuert und programmiert werden. Wenn der Roboter und das Werkstück nicht richtig ausgerichtet sind, wird die effektive Nachgiebigkeitsfeder ausgelenkt, wodurch der Roboter und das Werkstück wieder zusammenpassen können mit einer vernachläßigbaren interaktiven Kraft und ohne Beschädigung von einem der Teile. Elektronische Nachgiebigkeit sorgt für eine Lösung für ein Haupthindernis der kostenintensiven Verwendungen von Robotern.
  • Die adaptive Regelungeinrichtung gemäß Figur 2 gestattet die Regelung der sichtbaren bzw. auftretenden Nachgiebigkeit bzw. Compliance eines Robotermechanismus. Es wird eine digital programmierbare, analoge Ausführung des Konzepts erörtert, das eine Regelung mit hoher Bandbreite gestattet.
  • Der allgemeine Gedanke kann auch bei der Regelung von anderen Mechanismen, wie beispielsweise Transferschiebern, verwendet werden. Es kann gezeigt werden, daß die Nachgiebigkeit ein Verhältnis von Stellungs-'und Kraftfehlern ß D und A F, ist und daß die stationäre Nachgiebigkeit das Verhältnis der Kraftschleifen- und Stellungsschleifen-Rückführungsverstärkungen GF und Gp oder P AD ~ GF (1) Nachgiebigkeit = zu = G p ist. Übliche numerische Werte der Nachgiebigkeit sind 1/2 bis 10. Eine große Nachgiebigkeit bedeutet, daß der Mechanismus sehr flexibel ist, und eine kleine Nachgiebigkeit bedeutet, daß er relativ steif ist. Durch Verändern der Gewinne bzw. Verstärkungen wird die Gewichtung der verschiedenen Arten der Rückführung verändert.
  • In Figur 2 wird der Servomotor durch mehrere Servoschleifen gleichzeitig in verschiedenen Graden gesteuert, speziell durch Geschwindigkeits-, Kraft- und Stellungs-Rückführungsschleifen, die alle cQmputergesteuert sind. Ein Geschwindigkeitsbefehl wird an einen Servoverstärker 14 geliefert, der eine Spannung liefert, um den Servomotor 15 anzutreiben.
  • Ein Geschwindigkeits-Rückführungssignal wird durch einen geeigneten Drehzahlfühler erzeugt, wie beispielsweise durch ein Tachometer 16, das eine Spannung propotional zur Motorwellendrehzahl erzeugt. Ein Kraftfühler 17, beispielsweise die Wirbelstrom-Annäherungsdetektoren in den Figuren 4 und 5, mißt die Kraft, die durch das Werkstück oder einen Gegenstand auf den Mechanismus ausgewählt wird, und erzeugt ein Kraft-Rückführungssignal. Der Stellungsfühler 18 ist zweckmäßigerweise ein Zerleger oder optischer Codierer und liefert ein Rückführungssignal, das die Ist-Stellung des Mechanismus angibt. Beides sind übliche Vorrichtungen.
  • Ein Geschwindigkeitsbefehl wird aus der Stellungs-Rückführung erzeugt. Er ist eine Funktion des Abstandes von dem Endziel, und der tatsächliche Wert hängt von einem im voraus berechneten Geschwindigkeitsprofil ab, das in einem Stellungsplaner 19 gespeichert ist. Gewöhnlich wird der Servomotor bis zu einer gegebenen konstanten Geschwindigkeit beschleunigt und am Ende der Bewegung abgebremst. Der Planer 19 kann ein im voraus programmierter Mikroprozessor sein, wie beispielsweise eine CPU Intel 8085. Der Stellungsplaner kann unter Verwendung üblicher Techniken ausgelegt sein; eine übliche Komponente kann die beschriebene ersetzen.
  • Jede der drei Servoschleifen weist eine Vorrichtung mit variabler Verstärkung auf und erzeugt ein gewichtetes Rückführungssignal. Die in ihrer Verstärkung eingestellten Sollgeschwindigkeits-, Kraft- und Ist-Geschwindigkeitsrückführungssignale werden dann summiert, um den zusammengesetzten Geschwindigkeitsbefehl abzuleiten. Die Nachgiebigkeit wurde als das Verhältnis der Kraftschleifen- und Stellungsschleifen-Rückführungsverstärkungen definiert. Die Geschwindigkeits-Rückführung wird zur Stabilisierung des Systems verwendet; die Bandbreite und die Dämpfung werden durch das Verhältnis der Stellungs schleifen- und Geschwindigkeitsschleifen-Rückführungsverstärkungen eingestellt. Zusammenfassend können die Nachgiebigkeit eines Robotors oder anderen Mechanismus einschließlich der Bandbreite und Dämpfung gesteuert werden durch Verändern der Werte der Rückführungsschleifenverstärkungen GF, GV und Gp.
  • Die eine variable Verstärkung aufweisenden Vorrichtungen sind vorzugsweise programmierbare, multiplizierende digital/ Analog/Wandler 20 - 22, die als digitarprogrammierbare Verstärker mit variabler Verstärkung verwendet werden. Die Bandbreite durch den anlogen Abschnitt der multiplizierenden D/A-Wandler ist besser als 100 000 Dz'und deshalb begrenzen sie nicht die Bandbreite der Rückführungsschleifen. Dieses sind im Handel erhältliche Vorrichtungen, aber sie haben eine sich bewegende Referenz anstatt der üblicheren festen Referenz. Das Geschwindigkeits-Befehlssignal ist eine variierende Gleichspannung (0 bis t 10 Volt), die an den Referenzeingang der Vorrichtung 20 angelegt wird. Die Stellungsschleifen-Rückführungsverstärkung Gp wird durch einen Hauptcomputerregler 23 bestimmt, der eine digitale Zahl an die Vorrichtung 20 liefert, die dessen Verstärkung (0 bis 1) bestimmt. Die analoge Ausgangsgröße des multiplizierenden D/A-Wandlers 20, das gewichtete Geschwindigkeitsbefehls-Rückführungssignal, wird einem Summierer 24 zugeführt, wo dieses und die gewichteten Kraft- und Geschwindigkeits-Rückführungssignale addiert werden. Das Verstärkungs-eingestellte Rückführungssignal in jeder Servoschleife fließt durch einen Eingangswiderstand 25 zu der Summierstelle eines Operationsverstärkers 26, der einen Rückkopplungswiderstand 27 aufweist. Die Verstärkungen der multiplizierenden D/A-Wandler 21 und 22 in den Kraft- und Ist-Geschwindigkeitsschleifen werden durch den Hauptregler 23 bestimmt. Die Ausgangsgröße der Summiereinrichtung 24 ist das Fehlersignal oder der zusammengesetzte Geschwindigkeitsbefehl, der dem Servoverstärker 14 zugeführt wird, welcher den Servomotor 15 betätigt.
  • Somit ist das zusammengesetzte Fehlersignal an der Summierstelle wie folgt: Fehler = Geschwindigkeitssignal x Gp - Tachometer x GV + Kraft x GF Erfindungsgemäß hat das Fehlersignal eine Kraftkomponente, und der Servomotor ist in Betrieb, selbst wenn die zwei anderen Komponenten null sind, bis die abgetastete Kraft, die durch das Werkstück auf den Mechanismus ausgeübt wird, in Richtung null reduziert ist. Wenn eine Kraft auf den Robotermechanismus ausgeübt wird, wird ein Rückführungssignal erzeugt, das eine Bewegung des Mechanismus startet. Die Summierung der gewichteten Rückführungssignale erfolgt an einer analogen Summierfunktion in der Hartware; dies hat eine größere Bandbreite und weniger Rechenaufwand durch den Computer zur Folge. Die Verstärkung von jeder Servoschleife wird unter Computersteuerung varriert, um die Wirkung zu verändern, die eine Schleife auf die Gesamtregelung hat. Die Nachgiebigkeit bzw. Compliance, das Verhältnis der Kraftschleifen-zu Stellungsschleifen-Rückführungsverstärkungen, kann elektronisch verändert werden. Der Grund zum Verändern der Geschwindigkeits-Rückführungsschleifenverstärkung GV ist beschrieben worden. In einem elektronischen, stellbaren Nachgiebigkeits-Grundsystem ist es nicht wesentlich, die Verstärkung dieser Servoschleife zu verändern.
  • Das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist der Montageroboter1 der in Figur 3 gezeigt ist und der eine elektronische stellbare Nachgiebigkeit aufweist. Der Montageroboter ist so ausgelegt und konstruiert, daß er eine mechanische Montage diskreter Bauteile ausführt, um beispielsweise Kleinstmotoren zu montieren, und er besteht aus einem auf dem Boden gehalterten über- über-Kopf-montierten, modularen, vier Achsen (X, Y, Z, 6)-Arm und einem Auswerteregler. Die Robotermaschine, abgesehen von dem Gelenk/HandmechanismusXist in mehreren Veröffentlichungen beschrieben. Einer oder alle vier Freiheitsgrade, die von dem Mechanismus ausgebildet werden, können nach Wunsch für einen speziellen Montagebetrieb verwendet werden.
  • Enlang zwei Seiten eines rechtwinkligen Maschinenhalterungsrahmens 28 befinden sich Y-Achse-Wegestäbe, die alle sich bewegenden Maschinenelemente haltern. Das abgestützte viereckige Pfostengerüst und der horizontale Montagetisch sind in dieser Ansicht nicht gezeigt. Es sind ein langer Y-Achse-Wagen 29 und ein kurzer X-Achse-Wagen 30 vorgesehen, und ein zylindrisches Rohr 31 ist für den Z-Achse-Wagen 32 verwendet. Alle Wagen bzw. Schlitten, die zueinander senkrechte lineare Bewegungen aufweisen, sind auf Wegestäben mit linearen Kugellagern gehalten. Die e-Achse-Komponenten sind auf und in dem Z-Gehäuse 31 angebracht.
  • Die Antriebskraft für den Y-Achse-Schlitten 29 wird durch eine Motor-getriebene Schraubenspindel 33 an eine Kugellagermutter 34 geliefert, die an dem Rahmen des Schlittens befestigt ist. Der Y-Antriebsmotor und das Tachometer, das die Motorwellengeschwindigkeit abtastet, sind bei 35 und 36 angegeben. Ein drehbarer Inkrementalcodierer 37 am Ende der Schraubenspindel 33 tastet die Achsenstellung ab. Dieser Sensortyp hat zwei Sinuswellenausgangssignale, deren Frequenz-und Phasenbeziehung von der Größe und Richtung der Bewegung abhängt. Anstelle des Codierers kann ein Zerleger verwendet werden. Der Y-Achse-Schlitten weist parallele Wegestäbe auf, auf denen Kugelbuchsen reiten, die an der unteren Oberfläche des X-Schlittens 30 befestigt sind. Die X-Antriebskomponenten umfassen die Schraubenspindel 38, einen Antriebsmotor 39, ein Tachometer 40, und der X-Codierer auf dem anderen Ende der Schraubenspindel 38 ist in dieser Ansicht nicht sichtbar.
  • Eine vorbelastete Kugelmutter 41, die an dem Schlitten 30 befestigt ist, bewegt diesen Schlitten entlang der X-Achse bei einer Drehung der Schraubenspindel. Es sei darauf hingewiesen, daß jede horizontale Bewegung allein oder beide als ein gekoppeltes Paar verwendet werden können, um eine Arbeitsmaschine zu bilden.
  • Bezüglich der Vertikal- und Drehachsen hat das Rohr 31 zwei Endplatten, zwischen denen sich die Wegestäbe 42 und eine nicht drehbare Schraubenspindel 43 befinden. Eine Schlittenbewegung wird durch einen Motor 44 hervorgerufen, der eine Kugelmutter dreht, um die Schraubenspindel 43 und den befestigten Schlitten 32 zu bewegen. Das Strukturrohr 31, das das Rückgrat für die vertikale Achse ist, ist auch die Hãlterungsstruktur für die Y- oder Hochachse. Die Drehbewegung eines Motors 45, der am Oberteil des Rohrs 31 befestigt ist, wird über eine Welle, die mit der Rohrachse fluchtet, auf eine Drehplatte 46 am anderen Ende des Rohrs übertragen.
  • Der Gelenk/Greifermechanismus ist drehbar um die vertikale Achse und schwenkt vor und zurück entlang einer horizontalen Steigungsachse. Der Greifer ist federgehaltert auf dem Gelenk, und der gesamte Greifermechanismus wird relativ zum Gelenk ausgelenkt, wenn eine Kraft durch das Werkstück auf ihn oder umgekehrt ausgeübt wird. Das Gelenk 47 (s. Figuren 4 und 5) wird von einem zylindrischen Gehäuse gebildet, das an einem Bügel 48 schwenkbar angebracht ist, der seinerseits an einer Drehplatte 46 befestigt ist. Der Greifermechanismus 49, die "Hand" der Robotermaschine, weist ein Paar paralleler Finger 50 und 51 auf, die durch einen Zahnstangenmechanismus aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden entlang Stäben 52, deren Enden an einem Bügel 53 befestigt sind, der seinerseits an einer Deckplatte 54 befestigt ist.
  • Das Gelenk bzw. Handgelenk 47 weist vier herabhängende Bolzen 55 an 900-Abständen auf, und zwar zwei auf der Achse und zwei auf der Y-Achse, die durch Löcher in der Deckplatte 54 hindurchführen. Eine Feder 56 auf jedem Bolzen arbeitet gegen den Bolzenkopf und die Deckplatte 54, die frei kippen kann entlang beiden Achsen in Abhängigkeit von Kräften, die auf die Greiferfinger ausgeübt werden. Die Federbefestigung zwischen dem Handgelenkt 47 und dem Greifer 49 enthält ferner vier Torsionsvorrichtungen 57 an 900-Abständen, und zwar jeweils zwei auf den X- and Y-Achsen, die wie Torsionsstäbe verdrehbar sind, wenn Kräfte auf den Greifer ausgeübt werden. Die Federvorrichtungen 57 sind an dem einen Ende in einem kreisförmigen Flansch 58 verankert, der von dem Handgelenk herabhängt, und das andere Ende ist in einem kreisförmigen Flansch 59 verankert, der von der Deckplatte 54 hochragt. Es sind zwei Kraftfühler 60 und 61 vorgesehen, jeweils einer auf den X- und Y-Achsen, die zweckmäßigerweise Wirbelstrom-Annäherungsdetektoren sind, um den Abstand von dem Ende des Sensors zur Deckplatte 54 zu messen. Wenn der Greifermechanismus ausgelenkt wird, ist die Änderung in dem gemessenen Abstand ein Maß für die Kräfte, und es wird eine der Kraft proportionale Spannung für jede Achse erzeugt.
  • Die Arbeitsweise des Montageroboters gemäß Figur 3 mit elektronischer stellbarer Nachgiebigkeit wird untersucht bezüglich des Einsetzens einer Zahnradwelle in ein Lager, wie es in Figur 6 gezeigt ist. Die Welle 62 einer Zahnradkomponente 62 wird durch den Roboter automatisch in das Lager 64 in einem Gehäuseteil 65 eingesetzt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Maschine zwei Mehrfachschleifen-Regelungssysteme der in Figur 2 dargestellten Art aufweist für die X-Achsen- und Y-Achsen-Bewegungen und die Wagen bzw. Schlitten. Sie könnten auf den anderen Achsen vorgesehen sein, aber nicht bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel.
  • Die Ausgangssignale der Kraftfühler 60 und 61 werden für beide Achsen geliefert. Falls der Gelenk/Greifermechanismus um einen Winkel gedreht wird, werden die Kraft-Rückführungssignale in X- und Y-Komponenten zerlegt bzw. aufgelöst, d. h. die Nachgiebigkeit des Roboters wird zerlegt bzw. aufgelöst, wenn er sich dreht. Die mechanische Nachgiebigkeit auf der Achse wird im voraus eingestellt, indem das Verhältnis der Kraftschleifen-zu Stellungsschleifen-Rückführungsverstärkungen bestimmt wird. Ein guter Wert der Nachgiebigkeit ist zwei. Wird eine Achse betrachtet, so werden der Schlitten und deshalb der Greifer durch den Servomechanismus in die Befehls- und Sollstellung bewegt und unter der Annahme, daß der andere Schlitten in seine Befehls- bzw. Sollstellung bewegt worden ist, bewegt sich der vertikale Schlitten nach unten (s. Fig. 6), um die Zahnradwelle 62 in das Lager 64 einzusetzen. Wenn das Werkstück 64 relativ zum Roboter fehlausgerichtet ist, wird durch das Werkstück eine Kraft F auf das zu montierende Teil und somit auf den Greifer 49 ausgeübt. Die Kraftfühler 60 und 61 erzeugen Kraft-Rückführungssignale; es besteht dann ein Fehlersignal am Ausgang des Summierers 24 (s. Figur 2), und ein Geschwindigkeitsbefehl wird an den Servoverstärker 15 geliefert, wodurch der Servomotor 15 in Betrieb gesetzt und eine Bewegung des Schlittens und des Greifers gestartet wird. Dies erzeugt einen Stellungsfehlerl und es wird ein Geschwindigkeitsbefehl erzeugt, der die Tendenz hat, den Schlitten und den Greifer in die Befehlsstellung zurückzubringen. Es wird eine Mittelstellun + usgesucht, wo das Einsetzen mit einem Minimum an interaktiven Kräften ausgeführt wird. Mit der elektronischen stellbaren Nachgiebigkeit bewegt sich der Robotermechanismus in die Richtung, in die er gedrückt wird; er bewegt sich, um den Kraftfehler in Richtung auf null (oder auf einen gewissen vorbestimmten Referenzpunkt, wie beispielsweise 22,5 kp) zu reduzieren.
  • Die elekronische stellbare Nachgiebigkeit ist wirksam bei der Senkung von Programmier- und Werkzeugkosten, wie es durch die Montagearbeiten anhand von Figur 6 demonstriert wurde. Die Positionen müssen nicht genau angegeben werden, wodurch Programmierzeit gespart wird. Die elektronische stellbare Nachgiebigkeit adaptiert sich an Fehlausrichtungen während des Greifens und Erreichens, wenn der Greifer ein zu montierendes Teil aufnimmt. Sie adaptiert sich auch an Fehlausrichtungen während der Montage und bei Einsetzarbeiten.

Claims (10)

  1. Ansprüche I1.)Adaptive Regeleinrichtung, die für eine elektronische stellbare Nachgiebigkeit bzw. Compliance sorgt, gekennzeichnet durch: eine erste Servoschleife zum Abtasten der Stellung eines Mechanismus und zum Bewegen des Mechanismus entlang einer Achse in eine Befehls- oder Sollstellung, eine zweite Servoschleife zum Abtasten der Kraft, die durch einen Gegenstand oder ein Werkstück auf den Mechanismus ausgeübt ist, und zum Verkleinern der Kraft in Richtung auf einen vorbestimmten Referenzpunkt, eine Einrichtung mit variabler Verstärkung in jeder der Servoschleifen, die gewichtete Rückführungssignale liefert und das Verhältnis der Kraftschleifen-zu Stellungsschleifen-Rückführungsverstärkungen und somit die Nachgiebigkeit bestimmt, und Mittel zum Summieren der gewichteten Kraft- und Stellungsschleifen-Rückführungssignale und zum Antreiben eines Servomotors mit dem zusammengesetzten Befehlssignal.
  2. 2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Mittel zum elektronischen Verändern der Nachgiebigkeit und des Effektes vorgesehen sind, die jede Servoschleife auf die Gesamtregelung hat.
  3. 3. Regelung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Mechanismus ein Montageroboter ist.
  4. 4. Regeleinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h: eine Robotermaschine mit einem Greifer zur Handhabung eines Werkstückes und mit Mitteln mit einem Mehrschleifenservo zum Bewegen des Greifers entlang einer Achse in eine Befehls- oder Sollstellung, eine erste Rückführungsschleife zum Abtasten der Stellung des Greifers und zum Liefern eines Stellungs-Rückführungssignals, eine zweite Rückführungsschleife zum Abtasten der Geschwindigkeit und zum Liefern eines Geschwindigkeits-Rückführungssignals, eine dritte Rückführungsschleife zum Abtasten der Kraft, die durch das Werkstück auf den Greifer ausgeübt ist, und zum Liefern eines Kraft-Rucinkführungssignals, wobei alle Servoschleifen eine/variable Verstärkung aufweisende Vorrichtung enthalten und das Verhältnis der Kraftschleifen- zu Stellusschleifen-Rückführungsverstärkungen die Maschinennachgiebigkeit ist, die im voraus eingestellt ist, und Mittel zum Summieren der gewichteten Stellungs-, Geschwindigkeits- und Kraftschleifensignale und zum Antreiben eines Servomotors mit dem zusammengesetzten Fehlersignal.
  5. 5. Regeleinrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die eine variable Verstärkung aufweisenden Vorrichtungen programmierbare,multiplizierende Digital/Analog-Wandler sind.
  6. 6. Regeleinrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Robotermaschine zueinander senkrechte X- und Y-Achsen hat, und jede Achse einen derartigen Mehrschleifenservo aufweist.
  7. 7. Regeleinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, für einen Montageroboter mit einem Schlitten, der einen Greifer haltert, der ein Werkstück aufnimmt und montiert, und mit einem Antrieb unter Verwendung eines Servomotörs, um den Schlitten entlang einer Achse zu bewegen, gekennzeichnet durch: eine erste Rückführungsschleife mit einem Stellungsfühler, der ein Rückführungssignal erzeugt, einem Stellungsplaner, der ein Geschwindigkeitsbefehlssignal abgibt, um sich in Richtung auf eine Befehlsstellung zu bewegen, und mit einem variablen Verstärker, um ein gewichtetes Geschwindigkeitsbefehlssignal zu erzeugen, eine zweite Rückführungsschleife mit einem Motorwellen-Drehzahlfühler der ein Rückführungssignal erzeugt, und mit einem zweiten variablen Verstärker, um ein gewichtetes Wellengeschwindigkeitssignal zu erzeugen, eine dritte Rückführungsschleife mit einem Kraftfühler, um die durch das Werkstück auf den Greifer ausgeübte Kraft zu messen und ein Rückführungssignal zu erzeugen, und mit einem dritten variablen Verstärker, um ein gewichtetes Kraftsignal zu erzeugen, wobei das Verhältnis der Kraftschleifen-zu Stellungsschleifen-Rückführungsverstärkungen und somit die Nachgiebigkeit vorgewählt ist, und Mittel zum Summieren der gewichteten Geschwindigkeitsbefehls-, Wellengeschwindigkeit- und Kraftsignale und zum Liefern eines zusammengesetzten Geschwindigkeitsbefehlssignals an den Servomotor, der in Betrieb ist, bis die Befehls- bzw. Sollstellung erreicht und die Kraft auf null abgesenkt ist.
  8. 8. Regeleinrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Verstärkung der variablen Verstärker programmierbar ist durch einen Regler, um die Nachgiebigkeit und die Empfindlichkeit gegenüber einer Kraft einzustellen.
  9. 9. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Stellungsfühler ein Zerleger oder Decodierer ist, der Geschwindigkeitsfühler ein Tachometer ist und der Kraftfühler eine Wirbelstromvorrichtung ist, die die Auslenkung des Greifers mißt.
  10. 10. Regeleinrichtung nach Anspruch 9.
    d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Montageroboter X- und Y-Achsen aufweist und für jede Achse eine Mehrschleifen-Regeleinrichtung vorgesehen ist.
DE19843439495 1983-10-31 1984-10-27 Elektronisch stellbare nachgiebigkeit Withdrawn DE3439495A1 (de)

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