DE3586563T2

DE3586563T2 - Regelsystem fuer beschleunigung-verlangsamung.

Info

Publication number: DE3586563T2
Application number: DE8585903379T
Authority: DE
Inventors: Seiichiro Nakashima; Shinsuke Sakakibara; Kenichi Toyoda
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1984-07-04
Filing date: 1985-07-04
Publication date: 1993-02-25
Anticipated expiration: 2005-07-05
Also published as: JPS6118009A; WO1986000730A1; EP0187864A4; EP0187864A1; EP0187864B1; DE3586563D1; US4706003A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem, das ein Beschleunigungs- und Verzögerungssystem aufweist und genauer, aber nicht unbedingt ausschließlich, bezieht es sich auf ein Beschleunigungs- und Verzögerungssystem für einen elektrischen Motor, der benutzt wird, um ein bewegbares Teil einer Maschinen-Werkzeugs, einer Roboterhand oder dergl. anzutreiben.
Bewegbare Teile von Maschinen-Werkzeugen, Roboterhänden oder dergl. werden im allgemeinen durch elektrische Motoren wie Servomotoren angetrieben. Beim Antrieb eines bewegbaren Teiles eines Maschinen-Werkzeugs oder beim Bewegen einer Roboterhand wird der elektrische Motor im allgemeinen in solch einer Weise beschleunigt oder verzögert, so daß das mechanische System keinen Erschütterungen oder Vibrationen im Zeitpunkt, wenn der Motor zu rotieren beginnt oder angehalten wird, ausgesetzt wird. Es ist als ein Beschleunigungs- und Verzögerungssystem ein System bekannt, bei dem die Rate von Pulsen zur Steuerung des Servomotors exponentiell erhöht oder erniedrigt wird, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.
Bei solch einem exponentiellen Beschleunigungs- und Verzögerungssystem können die Beschleunigungs- und Verzögerungssteuerung völlig unabhängig von einer Interpolation ausgeführt werden, und wenn die Interpolation einfach gestartet wird, verursacht dies eine Beschleunigung, während, wenn die Interpolation beendet wird, daraus eine Verzögerung resultiert. Das exponentielle Beschleunigungs- und Verzögerungssystem hat seinen Vorzug darin, daß der Interpolator und die Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung einfach aufgebaut sind. Weil jedoch dieses System eine inhärente Verschiebung bei Beschleunigung und Verzögerung beinhaltet, können die Verschiebungen der Achsen nicht bei einer zirkularen Interpolation durch eine Zwei-Achsen-Steuerung angeglichen werden, was zu dem Nachteil führt, daß ein Pfad nach der Beschleunigung und Verzögerung einem Fehler ausgesetzt ist.
Um solch eine Schwierigkeit zu beseitigen, wurde ein Beschleunigungs- und Verzögerungssystem zur Reduzierung von Pfadfehlern nach der Beschleunigung und Verzögerung bei der zirkularen Interpolation vorgeschlagen zur Bewirkung einer linearen Beschleunigung und Verzögerung während einer Zeit, die durch eine Zeitkonstante gegeben ist, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist (z. B. jap. Patent-Anmeldung Nr. 57-172863).
Jedoch ist, wie dies aus Fig. 3 offensichtlich ist, das lineare Beschleunigungs- und Verzögerungssystem dadurch mit Problemen behaftet ist, daß die gesteuerte Geschwindigkeit nicht geglättet ist und im Vergleich zur exponentiellen Beschleunigung- und Verzögerungssteuerung abrupten Änderungen unterworfen ist; das mechanische System leidet unter Erschütterungen und Vibrationen, wenn die Geschwindigkeit einer abrupten Änderung unterworfen ist, wenn eine Achse sich zu bewegen beginnt oder verzögert wird.
Ein früherer Versuch ein Beschleunigungs- und Verzögerungssystem zur Verfügung zu stellen, das ein mechanisches System stoßfrei ("sanft") und genau antreibt, ist in der US-A-35 12 066 offenbart, das ein Antriebssystem entsprechend der Oberbegriffe der angefügten Ansprüche 1 und 2 zur Verfügung stellt. In der US-A- 35 12 066 runden die signalformenden Schaltungen Ecken der eingehenden Pulse ab, jedoch werden die Pulse nachteilig verkürzt.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Antriebssystem für ein bewegbares Teil zur Verfügung gestellt, das aufweist: einen Elektromotor, eine lineare Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung, die einen Eingang zum Empfang von Motorsteuerdaten auf der Grundlage eines zugeführten Geschwindigkeitsführungssignals und eines Verschiebungsführungssignals zur Steuerung des bewegbaren Teiles aufweist und eine signalformende Schaltung, die mit dem Ausgang der linearen Schaltung verbunden ist, wobei die Schaltungen zusammenwirken können, um die zugeführte Geschwindigkeit des bewegbaren Teiles bis zu der Führungsgeschwindigkeit zunehmend zu erhöhen und dann die zugeführte Geschwindigkeit zunehmend zu erniedrigen, wobei der Betrag der Zunahme und Abnahme von der Betriebskennlinie der signalformenden Schaltung abhängen, die betreibbar ist, um kantige Ecken der Pulse von der linearen Schaltung abzurunden, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein durch eine Servoschaltung gesteuerter Servomotor ist, der mit dem Ausgang der signalformenden Schaltung verbunden ist, wobei der Eingang der linearen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung so geschaltet ist, daß diese das Geschwindigkeitsführungssignal von einem Pulsverteiler empfängt, und die signalformende Schaltung eine exponentielle Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung ist, die betreibbar ist, um eckige Kanten so exponentiell abzurunden, daß die hintere Flanke des Pulses von der linearen Schaltung von der signalformenden Schaltung bevor sie der Servoschaltung zugeführt wird so geformt wird, daß sie zunächst steil und dann weniger steil exponentiell abfällt.
Entsprechend einem Antriebssystem der Erfindung werden abrupte Änderungen der gesteuerten Geschwindigkeit, welche einen Nachteil bei den früheren linearen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltungen darstellten, durch eine exponentielle Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung der vorliegenden Erfindung reduziert, um die Erzeugung von Erschütterungen zu verhindern, wenn eine Achse sich zu bewegen beginnt oder verzögert wird und um eine stoßfreie und genaue Beschleunigungs- und Verzögerungssteuerung auszuführen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Antriebssystems entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm einer linearen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Betriebskennlinie der linearen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung zeigt;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm einer exponentielle Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Betriebskennlinie der exponentiellen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung zeigt;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Betriebskennlinie des Beschleunigungs- und Verzögerungssystems der vorliegenden Erfindung darstellt; und
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform, bei der die vorliegende Erfindung bei einer Zwei-Achsen-Steuerungsservoschaltung angewandt wird.
Ein Beispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform ausführlich beschrieben.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung in einem Antriebssystem entsprechend der vorliegenden Erfindung erläutert. Mit 3 ist eine lineare Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung bezeichnet und mit 4 eine exponentielle Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung. Entsprechend der vorliegenden Erfindung folgt der linearen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 3 die exponentielle Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 4; diese sind miteinander in Serie verbunden. Z.B. ist in einem Servosystem ein Pulsverteiler 5, zur Ausgabe eines Signals wie etwa eine Geschwindigkeitsführung mit dem Eingangsanschluß der linearen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 3 in Serie geschaltet, und der Ausgangsanschluß der exponentiellen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung ist mit einer Servoschaltung 6 verbunden. Ein Servomotor 7 wird durch die Servoschaltung 6 gesteuert.
Wie in Fig. 2 gezeigt wird der linearen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 3 ein Signal ΔX als eine Geschwindigkeitsführung (oder -befehl), die durch den Pulsverteiler 5 erzeugt wird, zugeführt. Die lineare Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 3 weist ( ist gleich τL/T, wobei τL eine Zeitkonstante und T eine Abtastzeit sind) Pufferregister #1, #2 . . . #( - 1), # , einen Addierer ADD, einen Akkumulator ACC zur temporären Speicherung der Summe des Addierers ADD, ein Register SUM zur Übertragung der Summe und einen Dividierer DIV zum bividieren der Summe durch auf. Die Pufferregister #1 bis # sind in Serie geschaltet. Bei jedem Abtastzyklus werden die letzten Interpolationsdaten ΔX einem Pufferregister #1 gespeichert und der Inhalt eines jeden Pufferregisters wird zu einem nächsten Pufferregister übertragen, während der Inhalt ΔXo des letzten Pufferregisters # dem Addierer ADD zugeführt wird.
Zu einer bestimmten Abtastzeit bewirkt der Addierer ADD die Berechnung:
ΔXn-ΔXo+St→St
wobei St der Inhalt des Registers SUM ist, und das Ergebnis wird in dem Akkumulator ACC gespeichert. Der Inhalt des Akkumulators ACC wird durch den Dividierer DIV durch dividiert, und der Quotient wird als Pulse XP ausgegeben. Zur gleichen Zeit wird der Inhalt eines jeden Pufferregisters #1 bis # in das nächste Pufferregister geschoben; ΔX wird in dem ersten Pufferregister #1 gespeichert und der Inhalt St des Akkumulators ACC wird zum Register SUM übertragen. Die lineare Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 3 selbst weist Beschleunigungs- und Verzögerungsbetriebskennlinien wie in Fig. 3 gezeigt auf.
Wie in Fig. 4 dargestellt weist die exponentielle Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 4 eine Kombinationsschaltung 4a zur Kombination der Pulse XP, die von der linearen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 3 erzeugt werden, und Ausgangspulsen XCP von der exponentiellen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 4 selbst, ein Register 4b zur Akkumulierung von Pulsen, die von der Kombinationsschaltung 4a ausgegeben werden, einen Akkumulator 4c und einen Addierer 4d zum Addieren des Inhalts E des Registers 4b und des Inhalts des Akkumulators 4c, jedesmal, wenn ein Puls P einer festen Rate Fc erzeugt wird und zum Schreiben der Summe in den Akkumulator 4c, auf.
Der Betrieb der exponentiellen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 4 wird nachfolgend beschrieben.
Unter der Annahme, daß die Rate der Pulse XP, die der exponentiellen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 4 zugeführt werden, F ist und die Rate deren Ausgangspulse XCP Fo ist, ergeben sich die folgenden Gleichungen:
dE/dt = F-Fo . . . (1)
Fo = (Fc/2n·E . . . (2)
Die Anzahl der Bits in dem Akkumulator 4 ist . Die Gleichung (1) zeigt das Inkrement pro Zeiteinheit in dem Register 4b an, und die Gleichung (2) repräsentiert die Anzahl von Übertragungspulsen (Ausgangspulse XCP) die pro Zeiteinheit von dem Akkumulator 4c ausgegeben werden. Aus diesen Gleichungen (1), (2) bestimmt sich die Pulsgeschwindigkeit Fo zu:
Fo = F [1 - exp ( -Kt)] . . . (3)
wobei K = ein Konstante.
Die Ausgangspulsgeschwindigkeit Fo wird beim Anlaufen exponentiell erhöht und wird beim Anhalten exponentiell erniedrigt wie in Fig. 5 gezeigt. Wenn die Zeitkonstante E ist, ist die Konstante K gleich 1/τE.
Der Ausgangsanschluß der exponentiellen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 4 ist mit der Servoschaltung 6 verbunden, um die Ausgangspulse XCP der Servoschaltung 6 zuzuführen. Die Servoschaltung 6 treibt den Servomotor 7 abhängig von den Ausgangspulsen XCP der exponentiellen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 4 an.
Der Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Beschleunigungs- und Verzögerungssystems wird nachfolgend erklärt. Pulse auf der Grundlage von Daten eines jeden Abtastzyklus, die von dem Pulsverteiler 5 ausgegeben werden, werden der linearen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 3 zugeführt, welche dann, wie in Fig. 3 gezeigt, die lineare Beschleunigungs- und Verzögerungssteuerung bewirkt. Der Ausgangspuls, der der linearen Beschleunigungs- und Verzögerungssteuerung unterworfen wurde, wird der exponentiellen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 4 zugeführt. Wie in Fig. 5 gezeigt wird die variierende Rate der exponentiellen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 4 bei der Beschleunigung und Verzögerung nicht abrupt geändert. Deswegen werden, wie in Fig. 6 dargestellt, die Beschleunigungs- und Verzögerungskennlinien der Pulse XCP, die von der exponentiellen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 4 ausgegeben werden, so gesteuert, daß die kantigen Ecken der Pulsform abgerundet werden.
Das Beschleunigungs- und Verzögerungssystem entsprechend der vorliegenden Erfindung kann eine Positionierungszeit verkürzen durch Auswahl der Zeitkonstante τE der exponentiellen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 4, so daß diese im Vergleich zu der Zeitkonstanten τL der linearen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung klein 3 ist.
Eine Ausführungsform, bei welcher die vorliegende Erfindung bei einer X-Y-Achsen- oder Zwei-Achsen-Geschwindigkeitssteuerschaltung in einer numerischen Steuervorrichtung angewandt wird, wird nachfolgend beschrieben.
In Fig. 7 ist ein Interpolator mit 10 bezeichnet für die Verschiebungskomponenten ΔX, ΔY in die Richtung der X- und Y-Achsen unter Benutzung einer eingespeisten Geschwindigkeit F, die durch ein Steuersignal von der numerischen Steuervorrichtung (nicht gezeigt) angegeben wird, einer Verschiebung X entlang der X- Achse und einer Verschiebung Y entlang der Y-Achse. Die Interpolationsdatensignale ΔX, ΔY werden einer linearen X-Achsen- Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 20 bzw. einer linearen Y-Achsen-Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 30 zugeführt. Die linearen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltungen 20, 30 sind mit der in Fig. 2 gezeigten linearen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 3 identisch und arbeiten in der gleichen Weise. Mit 40, 50 sind exponentielle Beschleunigungsund Verzögerungsschaltungen bezeichnet, die mit der in Fig. 1 gezeigten exponentiellen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung 4 identisch sind und in der gleichen Weise arbeiten. Die von den exponentiellen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltungen 40, 50 ausgegebenen Ausgangspulse XCP, YCP werden einer X- bzw. Y-Achsen-Servoschaltung 60 bzw. 70 zugeführt, die die Servomotoren 80 bzw. 90 auf der Grundlage der zugeführten Führungssignale in Form der Ausgangspulse XCP, YCP steuert. Die Geschwindigkeitssteuersignale, die die von dem Interpolator 10 für die X- und Y-Achsenrichtungen ausgegebenen Pulse ΔX, ΔY beinhalten, werden so gesteuert, daß sie im wesentlichen die gleichen Beschleunigungs- und Verzögerungskennlinien wie in Fig. 3 gezeigt, aufweisen. Die Pulse XP, YP, die von den linearen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltungen 20, 30 erzeugt werden, werden den exponentiellen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltungen 40, 50 zugeführt. Die exponentiellen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltungen 40, 50 arbeiten so, daß sie nur die kantigen Bereiche der Beschleunigungs- und Verzögerungskennlinien abrunden, so daß die Beschleunigungs- und Verzögerungskennlinien nicht abrupt geändert werden, wenn die Servomotoren 80, 90 beschleunigt und verzögert werden. Bei dieser Ausführungsform, bei der die zirkulare Interpolation durch eine Zwei-Achsensteuerung bewirkt wird, wird das Auftreten von Fehlern bei der zirkularen Interpolation, welche einen Nachteil bei exponentiellen Beschleunigungs- und Verzögerungssteuersystemen darstellen, verhindert, und Erschütterungen, die ein Nachteil des linearen Beschleunigungs- und Verzögerungssystems sind, werden nicht verursacht, wenn eine Achse anfängt sich zu bewegen und verzögert wird, mit der Folge, daß eine stoßfreie und genaue Beschleunigungs- und Verzögerungssteuerung ausgeführt werden kann.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann die Beschleunigungs- und Verzögerungssteuerung eines elektrischen Motors wie oben beschrieben stoßfrei durchgeführt werden, und der Motor kann angetrieben werden, ohne ein mechanisches System Erschütterungen und Vibrationen auszusetzen. Die vorliegende Erfindung wird vorzugsweise in Beschleunigungs- und Verzögerungssteuerungen von elektrischen Motoren zur Verwendung in Maschinenwerkzeugen, die durch numerische Steuereinrichtungen gesteuert werden, und in Robotern, eingesetzt.

Claims

1. Ein Antriebssystem für ein bewegbares Teil, das aufweist, einen Elektromotor (7),

eine lineare Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung (3), die einen Eingang zum Empfang von Motorsteuerdaten auf der Grundlage eines zugeführten Geschwindigkeitsführungssignals und eines Verschiebungsführungssignals zur Steuerung des bewegbaren Teiles aufweist und

eine signalformende Schaltung (4), die mit dem Ausgang der linearen Schaltung (3) verbunden ist,

wobei die Schaltungen (3, 4) zusammenwirken können, um die zugeführte Geschwindigkeit des bewegbaren Teiles bis zu der Führungsgeschwindigkeit zunehmend zu erhöhen und dann die zugeführte Geschwindigkeit zunehmend zu erniedrigen,

wobei der Betrag der Zunahme und Abnahme von der Betriebskennlinie der signalformenden Schaltung (4) abhängen, die betreibbar ist, um kantige Ecken der Pulse von der linearen Schaltung (3) abzurunden,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Motor (7) ein durch eine Servoschaltung (6) gesteuerter Servomotor ist, der mit dem Ausgang der signalformenden Schaltung (4) verbunden ist,

wobei der Eingang der linearen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung (3) so geschaltet ist, daß diese das Geschwindigkeitsführungssignal von einem Pulsverteiler (5) empfängt, und die signalformende Schaltung (4) eine exponentielle Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung ist, die betreibbar ist, um eckige Kanten so exponentiell abzurunden, daß die hintere Flanke des Pulses von der linearen Schaltung (3) von der signalformenden Schaltung (4) bevor sie der Servoschaltung (6) zugeführt wird so geformt wird, daß sie zunächst steil und dann weniger steil exponentiell abfällt.

2. Ein Zwei-Achsen-Antriebssystem für ein bewegbares Teil, das für jede Achse ein entsprechendes Antriebssystem entsprechend Anspruch 1 aufweist,

und bei welchem die Eingänge der beiden linearen Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltungen (20, 30) so geschaltet sind, daß sie Interpolationsdaten der entsprechenden Achse von einem Interpolator (10) empfangen.

3. Ein Antriebssystem für ein bewegbares Teil entsprechend Anspruch 1 oder 2, bei dem die oder jede lineare Beschleunigungs- und Verzögerungsschaltung (3, 20, 30) aufweist:

einen Eingang, der an einen Addierer (ADD) sowohl direkt als auch invertiert über eine Serienschaltung aus mehreren Pufferregistern 1 bis n gekoppelt ist, wobei der Addierer (ADD) das Ausgangssignal der Schaltung über einen Akkumulator (ACC) zur temporären Speicherung der Summe des Addierers (ADD) gefolgt von einem Dividierer (DIV) zur Division der Summe durch n zur Verfügung stellt,

wobei die Schaltung weiterhin ein Register (SUM) aufweist, das den Ausgang des Akkumulators (ACC) mit dem Addierer (ADD) verbindet.

4. Ein Antriebssystem für ein bewegbares Teil entsprechend einem der vorangehenden Ansprüche,

wobei die oder jede signalformende Schaltung (4, 40, 50) aufweist:

einen Eingang, der an eine Kombinationsschaltung (4a) gekoppelt ist, die einen Ausgang aufweist, der mit einem Register (4b) verbunden ist zum Akkumulieren von Pulsen, die von der Kombinationsschaltung (4a) ausgegeben werden,

einen Akkumulator (4c), der das Ausgangssignal der signalformenden Schaltung zur Verfügung stellt, und

einen Addierer (4d) zum Addieren der Inhalte des Registers (4b) und des Akkumulators (4c), wobei jedesmal, wenn ein Puls mit fester Rate (P) erzeugt wird, die Summe in den Akkumulator (4c) geschrieben wird und dabei der Ausgang des Akkumulators (4c) invertiert zu der Kombinationsschaltung (4a) zurückgeführt wird.