DE3535042A1 - Open-loop and closed-loop control of grippers and gripper systems - Google Patents

Open-loop and closed-loop control of grippers and gripper systems

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Abstract

An aim of current automation technology is to use intelligent systems, for example industrial robots or modular handling devices, as flexibly as possible. The grippers of these systems must therefore also meet correspondingly high requirements in their design and electrical control. For this purpose, the invention proposes a hardware solution which leads to a considerable reduction in the technical complexity and costs. It specifically comprises a logic and power part (9), configured on a Euro-card, furthermore a motor-control IC (8), a digital-analog interface (24 V technology), a current control by means of a Schmitt-trigger circuit (13), hardware current limitation for protecting the motor (10), power control by means of motor-current control, a safety circuit (19) and an independent threshold value indicator (18) for various switching and controlling purposes. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerung und Regelung von Greifern und Greifersystemen an Industrierobotern und modularen Handhabungsgeräten.The invention relates to a control and regulation of Grippers and gripper systems on industrial robots and modular handling devices.

Ein Ziel der heutigen Automatisierungstechnik ist es, intelligente Systeme, zum Beispiel Industrieroboter oder modulare Handhabungsgeräte, möglichst flexibel einzusetzen. Auch die Greifer dieser Systeme müssen deshalb in ihrer Gestaltung und elektrischen Steuerung entsprechend hohen Anforderungen genügen. In vielen Fällen sind die verwendeten, oft mikroprozessorgesteuerten Einheiten sehr komplex und mit hohen Anschaffungs- und Inbetriebnahmekosten verbunden.One goal of today's automation technology is to be intelligent Systems, for example industrial robots or modular handling devices, to be used as flexibly as possible. The grippers of these systems must therefore be in according to their design and electrical control meet high requirements. In many cases they are used, often microprocessor-controlled units very much complex and with high acquisition and commissioning costs connected.

In vielen Fällen wurde ein eigenes, mikroprozessorgesteuertes Greifersystem eingesetzt, welches eine aufwendige Rechner-Rechner-Kopplung verlangte und hohe Kosten verursachte.In many cases, a separate, microprocessor-controlled Gripper system used, which is a complex Computer-computer coupling required high costs caused.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerung und Regelung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruchs 1 zu schaffen, die für einen breiten Anwenderkreis zur Verfügung steht, um verschiedenste Automatisierungsaufgaben kostengünstig zu lösen bzw. erst möglich zu machen.The invention has for its object a controller and regulation according to the preamble of claim 1 to create that available for a wide range of users stands for a wide variety of automation tasks inexpensive to solve or to make possible.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche gelöst.The object underlying the invention is according to the characterizing features of the claims solved.

Der Vorteil der Erfindung besteht vor allem darin, daß durch den kompakten Aufbau und durch die einfache Handhabung bezüglich Programmierung und Installation ein Hilfsmittel geschaffen wurde, mit dem auch der nicht erfahrene Anwender, der von Sensorelektronik und deren Programmierung wenig know-how hat, erfolgreich arbeiten kann.The main advantage of the invention is that  due to the compact design and easy handling a tool for programming and installation was created with which even the inexperienced User of sensor electronics and their programming has little know-how, can work successfully.

Die Erfindung wird anhand der Figur erläutert, die einen Schaltplan zur Realisierung der Erfindung zeigt.The invention is explained with reference to the figure, the one Circuit diagram for realizing the invention shows.

Der linke Teil 1 A umfaßt im oberen Bereich die komplette digitale Sollwertvorgabe für den Positionswert bestehend aus einem Digital-Analog-Wandler 1 und dessen Parametrierung bezüglich des Ausgangssignals. Der andere Teil setzt sich aus einem weiteren DA-Wandler 2 und zwei nachgeschalteten Verstärkerstufen 3, 4 zusammen.The left Part 1 A comprises at the top of the complete digital set value for the position value comprising a digital-analog converter 1 and its parameters with respect to the output signal. The other part is composed of a further DA converter 2 and two amplifier stages 3, 4 connected downstream.

Zum rechten Teil gehört die Anpaßeinheit für das jeweilige eingesetzte Greifersystem. Sie besteht aus zwei Verstärkerstufen 5, 6. Der darunter angeordnete Spannungsfolger 7 dient der Entkopplung des Sollwertsignals.To the right is the adapter for the gripper system used. It consists of two amplifier stages 5, 6 . The voltage follower 7 arranged below serves to decouple the setpoint signal.

Der rechte Teil umfaßt den Motorchip 8 und dessen Parametrierung über Widerstände und Kondensatoren sowie die strichliert umrandete Verstärkereinheit 9 zur Ansteuerung des Antriebsmotors 10 für die Greifereinheit. Eine Greifereinheit besteht aus dem Antriebsmotor 10, einem Getriebe 11 und ein daran angekoppeltes Wegmeßsystem 12 und der nicht dargestellten erforderlichen Mechanik.The right part comprises the motor chip 8 and its parameterization via resistors and capacitors as well as the dashed-line amplifier unit 9 for controlling the drive motor 10 for the gripper unit. A gripper unit consists of the drive motor 10 , a gear 11 and a coupled measuring system 12 and the necessary mechanics, not shown.

Im unteren Teil ist der Stromreglerteil bestehend aus einem Schmitt-Trigger 13 und einem elektronischen Schalter 14 dargestellt. Über einen Widerstand 15 wird das Rückkoppelsignal für den Stromwert erzeugt. Unter der Entkopplungsstufe befindet sich in der Zeichnung eine Verstärkerstufe 16, um wahlweise ein externes Signal beliebig zu verschieben und zu verstärken, wenn die Brücke 17 nicht eingelegt ist, bzw. mit eingelegter Brücke 17 den Motorstrom an der Digital-Analogschnittstelle als definiertes Signal zur Verfügung zu stellen.In the lower part, the current regulator part consisting of a Schmitt trigger 13 and an electronic switch 14 is shown. The feedback signal for the current value is generated via a resistor 15 . Below the decoupling stage is an amplifier stage 16 in the drawing, to move either an external signal as desired and to intensify if the bridge is not inserted 17 or with inserted bridge 17 the motor current to the digital-analog interface as defined signal available deliver.

Im äußeren rechten Teil befindet sich ein Schwellwertgeber 18. Mit 19 ist ein Schaltbeispiel für die Sicherheitseinrichtung dargestellt.A threshold value transmitter 18 is located in the outer right part. 19 shows a circuit example for the safety device.

Nachfolgend wird die Funktionsweise erläutert:
a) Positionierung.The mode of operation is explained below:
a) positioning.

Durch einen vorzugsweise 8 bit-Sollwert (Dezimal null bis 255) wird in der internen Schaltung des auf der Karte befindlichen Motorsteuerchips 8 der Pulsbreitenmodulator verstimmt. Seine beiden Ausgänge A und B werden dadurch solange angesteuert, bis das Greifersignal 12, das eine Gegenkopplung bewirkt, annähernd denselben Wert annimmt wie der digital/analog gewandelte Sollwert 7. Ist dieses erreicht, befindet sich das System in Ruhe. Der Greifermotor 10 wird mit einer bestimmten, einstellbaren Frequenz angesteuert und kommt auf diese Weise in einen stabilen Zustand.
b) Motorstrombegrenzung.The pulse width modulator is detuned in the internal circuitry of the motor control chip 8 on the card by a preferably 8-bit setpoint (decimal zero to 255). Its two outputs A and B are controlled until the gripper signal 12 , which causes negative feedback, assumes approximately the same value as the digital / analog converted setpoint 7 . If this is reached, the system is at rest. The gripper motor 10 is driven with a certain, adjustable frequency and in this way comes into a stable state.
b) Motor current limitation.

Falsches Programmieren und die Gefahr, daß sich die Greifermechanik verkantet, machen eine Motorstrombegrenzung notwendig. Diese kann man auf einfache Weise erreichen, indem man einen elektronischen Schalter 14 mit einer bestimmten Taktfrequenz beaufschlagt. Die Taktfrequenz erhält man über eine Schmitt-Trigger-Schaltung 13, deren Schaltpunkte ein von einem Strommeßwiderstand 15 kommendes Signal liefert. Der Strommeßwiderstand 15 befindet sich im Leistungsteil 9 der Motorkarte und ist mit dem Antriebsmotor 10 für den Greifer in Serie geschaltet.
c) Motorstromregelung.Incorrect programming and the risk of the gripper mechanism becoming jammed make motor current limitation necessary. This can be achieved in a simple manner by applying a certain clock frequency to an electronic switch 14 . The clock frequency is obtained via a Schmitt trigger circuit 13 , the switching points of which provide a signal coming from a current measuring resistor 15 . The current measuring resistor 15 is located in the power section 9 of the motor card and is connected in series with the drive motor 10 for the gripper.
c) Motor current control.

Der Motorstrom wird über einen weiteren, vorzugsweise 8 bit-Digitalwert 2 geregelt. Dies geschieht dadurch, daß der analog gewandelte Digitalwert 2 auf die oben erwähnte Schmitt-Trigger-Schaltung 13 einwirkt und deren Schaltschwellen nach oben oder unten verschiebt.
d) Not-Aus/Tot-Mann.The motor current is regulated via a further, preferably 8-bit digital value 2 . This is done in that the analog converted digital value 2 acts on the above-mentioned Schmitt trigger circuit 13 and shifts its switching thresholds up or down.
d) Emergency stop / dead man.

Über einen separaten Eingang, der auf den shut-down- Zweig 20 des Motor-IC's 8 wirkt, läßt sich je nach äußerer Beschaltung eine Not-Aus- oder eine Tot-Mann- Funktion realisieren, was oben als Sicherheitseinrichtung erwähnt ist.
e) Analoge Überwachung der Greiferposition.Via a separate input, which acts on the shut-down branch 20 of the motor IC 8 , depending on the external wiring, an emergency stop or a dead man function can be implemented, which is mentioned above as a safety device.
e) Analog monitoring of the gripper position.

Durch eine Beschaltung der Soll-Istwert-Vergleichsstufe am Motor-IC 8 als Differenzverstärker wird erreicht, daß die Signale für den Sollwert und den Istwert annähernd dem gleichen Potential entsprechen. Dies ermöglicht einfaches Programmieren des Servogreifers durch die übergeordnete Steuerung (keine Transformation zwischen ausgegebenem Sollwert und empfangenem Istwert notwendig).
f) Schwellwertgeber.By wiring the setpoint / actual value comparison stage on the motor IC 8 as a differential amplifier, it is achieved that the signals for the setpoint and the actual value correspond approximately to the same potential. This enables simple programming of the servo gripper by the higher-level control system (no transformation between the output setpoint and the received actual value necessary).
f) threshold value transmitter.

Über einen unabhängig von der Gesamtsteuerung auf der Karte realisierten Schwellwertgeber 18 sind zahlreiche Schaltungs- und Verwendungsmöglichkeiten gegeben. So kann beispielsweise über ein weiteres Potentiometer auf dem Greifer (taktiler Sensor usw.) ein Signal (Not-Aus, Anzeige, Programmsprung, Interrupt usw.) ausgegeben werden. Den Schaltpunkt des Schwellwertgebers 18 zeigt eine rote Leuchtdiode 21 auf der Motorkarte an. Der Schwellwert ist über ein ebenfalls neben der Leuchtdiode sich befindendes Potentiometer 22 einzustellen.
g) Anpaßteil.Numerous switching and use options are provided via a threshold value transmitter 18 which is implemented independently of the overall control on the card. For example, a signal (emergency stop, display, program jump, interrupt, etc.) can be output via another potentiometer on the gripper (tactile sensor, etc.). The switching point of the threshold value transmitter 18 is indicated by a red light-emitting diode 21 on the motor card. The threshold value is set via a potentiometer 22 , which is also located next to the light-emitting diode.
g) adapter.

Auf dem Anpaßteil befinden sich zwei Verstärkerstufen 5, 6, die zum einen als Impedanzwandler 5, zum andern der Signalkorrektur 6 für ein zu normierendes Signal dienen.There are two amplifier stages 5, 6 on the adapter part, which serve on the one hand as an impedance converter 5 and on the other hand the signal correction 6 for a signal to be standardized.

Ein Anschlußbeispiel ist aus dem oberen Teil der rechten Seite der Figur zu entnehmen. Dabei wird gezeigt, daß bei einem beliebig über die Schnittstelle vorgegebenen Positionssollwert der Greifermotor 10 angesteuert wird, was ein Bewegen der Greifermechanik zur Folge hat. Dies geschieht solange, bis der rückgekoppelte Istwert 12 annähernd denselben Wert wie der vorgegebene Sollwert 1 einnimmt. Dann ist das System in Ruhe und der Greifer hat auf die gewünschte Stellung positioniert. Beim Eingeben eines neuen Sollwertes wiederholt sich der Betriebsablauf.A connection example can be seen from the upper part of the right side of the figure. It is shown that the gripper motor 10 is actuated at a position setpoint arbitrarily predetermined via the interface, which results in the gripper mechanism being moved. This continues until the feedback actual value 12 assumes approximately the same value as the predetermined target value 1 . Then the system is at rest and the gripper has positioned itself in the desired position. The operating sequence is repeated when a new setpoint is entered.

Durch die hardwaremäßige Strukturierung ermöglicht das erfindungsgemäße System eine erhebliche Reduzierung des technischen Aufwandes und der Kosten. Im einzelnen ist sie - noch einmal zusammenfassend - durch folgende Merkmale gekennzeichnet:
- Logik- 8 und Leistungsteil 9 auf einer Europakarte,
- getrennte Spannungsversorgung für Steuer- und Arbeitsstromkreis,
- vorzugsweise 2 × 8 bit-Digitalschnittstelle in 24 V- Technik,
- einfache aber wirkungsvolle Stromregelung über Schmitt- Trigger-Schaltung 13,
- hardwaremäßige Strombegrenzung zum Schutz des Motors,
- softwaremäßige Kraftregelung über Motorstrom,
- sicheres Regelverhalten, hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit durch Pulsbreitenmodulation 8,
- 2 Quadranten-Regelung,
- Beschaltung wahlweise Not-Aus oder Tot-Mann 19,
- unabhängiger Schwellwertgeber 18 für verschiedene Schalt- und Steuerzwecke.Due to the hardware structuring, the system according to the invention enables a considerable reduction in the technical effort and costs. In detail, it is characterized again by the following features:
- Logic 8 and power section 9 on a map of Europe,
- separate power supply for control and working circuit,
- preferably 2 × 8 bit digital interface in 24 V technology,
simple but effective current control via Schmitt trigger circuit 13 ,
- hardware current limitation to protect the motor,
- software-based force control via motor current,
- Safe control behavior, high precision and repeatability thanks to pulse width modulation 8 ,
- 2 quadrant control,
- wiring either emergency stop or dead man 19 ,
- Independent threshold value transmitter 18 for various switching and control purposes.

Die eventuell notwendige Abfrage des Istwertes über eine Analogschnittstelle der übergeordneten Steuerung macht ein normiertes Istwertsignal erforderlich. Dieses Signal liefert bei beliebiger Greifergeometrie ein Anpaßteil 5, 6, das ebenfalls auf der Motorkarte integriert ist.The possibly necessary query of the actual value via an analog interface of the higher-level control system requires a standardized actual value signal. With any gripper geometry , this signal is provided by an adapter 5, 6 , which is also integrated on the motor card.

Claims (9)

1. Steuerung und Regelung von Greifern und Greifersystemen an Industrierobotern und modularen Handhabungsgeräten, dadurch gekennzeichnet, daß ein an sich bekannter Motor-Steuer-IC (8) mit shut- down über zwei Quadranten-Regelung mittels Pulsbreitenmodulation vorgesehen ist und mit Logik-(Positions- und Kraftregelung) und Leistungsteil (9) über eine Schnittstelle (digital und analog) mit einer Steuereinheit sowie mit einem Greifer bzw. Greifersystem mit Wegmeßsystem (12) und zugehörigem Antriebsmotor (10) über ein Anpaßteil verbunden ist.1. Control and regulation of grippers and gripper systems on industrial robots and modular handling devices, characterized in that a known motor control IC ( 8 ) is provided with shutdown via two quadrant control by means of pulse width modulation and with logic (positions - and force control) and power unit ( 9 ) via an interface (digital and analog) with a control unit and with a gripper or gripper system with position measuring system ( 12 ) and associated drive motor ( 10 ) via an adapter part. 2. Steuerung und Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Komponenten auf einer Europakarte untergebracht sind.2. Control and regulation according to claim 1, characterized characterized that all components are accommodated on a map of Europe. 3. Steuerung und Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Logikteil für die Positionsregelung (Sollwert) aus einem Digital-Analog-Wandler (1) besteht und über den Motor-Steuer-IC (8) mit dem Anpaßteil verbunden ist.3. Control and regulation according to claim 1, characterized in that the logic part for position control (setpoint) consists of a digital-to-analog converter ( 1 ) and is connected to the adapter part via the motor control IC ( 8 ). 4. Steuerung und Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Logikteil für die Kraftregelung ebenfalls aus einem DA-Wandler (2) besteht und über verschiedene Anpaßeinheiten mit dem Leistungsteil (9) verbunden ist.4. Control and regulation according to claim 1, characterized in that the logic part for the force control also consists of a DA converter ( 2 ) and is connected to the power section ( 9 ) via various adaptation units. 5. Steuerung und Regelung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpaßeinheiten aus Operationsverstärkerschaltungen aufgebaut sind.5. Control and regulation according to claim 4, characterized characterized that the adapter units are constructed from operational amplifier circuits. 6. Steuerung und Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über den Analogbereich der Schnittstelle mittels eines rechnergesteuerten Systems wahlweise der Positions- und Kraftistwert zu erfassen ist.6. Control and regulation according to claim 1, characterized characterized that over the analog range the interface by means of a computer-controlled system  optionally to record the actual position and force value is. 7. Steuerung und Regelung nach Anspruch 1 mit taktilen Sensoren, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Sensor, wahlweise mittels einer übergeordneten Steuerung, ein beliebiges taktiles Signal erfaßbar ist.7. Control and regulation according to claim 1 with tactile Sensors, characterized, that by the sensor, optionally by means of a parent Control, any tactile signal can be detected is. 8. Steuerung und Regelung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Schwellwertgeber (18) bei einer bestimmten Stellung des taktilen Sensors ein Schaltsignal ausgegeben wird.8. Control and regulation according to claim 7, characterized in that a switching signal is output via a threshold value transmitter ( 18 ) at a certain position of the tactile sensor. 9. Steuerung und Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gefahrenfall die Greifermechanik über Schaltmittel durch shut-down (20) kraftlos geschaltet wird.9. Control and regulation according to claim 1, characterized in that in the event of danger, the gripper mechanics via switching means is switched off by shut-down ( 20 ).
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