DE3839030A1 - Verfahren zur verbesserung der absoluten positioniergenauigkeit von mit mindestens einem getriebe angetriebenen positionierantrieben, insbesondere von robotern, sowie positionierantrieb, insbesondere roboter, mit einer vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Positioniergenauigkeit von mit mindestens einem Getriebe angetriebenen Positionierantrieben, insbeson­ dere von Robotern, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und außerdem befaßt sich die Erfindung mit einem Po­ sitionierantrieb, insbesondere einem Roboter, mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Roboter werden bekanntlich in erheblichem Umfang als Handhabungsgehilfen für Fertigungsarbeiten einge­ setzt. Der steigenden Nachfrage und wachsenden Be­ deutung von Robotern (Industrierobotern) stehen aller­ dings in der Praxis immer noch Unzulänglichkeiten entgegen.

Für eine effiziente Integration von Robotern in flexible Fertigungsprozesse wird eine hohe Positio­ niergenauigkeit gefordert, die sich mit bekannten Robotern nicht ohne weiteres erzielen läßt. Die hohe Positioniergauigkeit bedeutet, daß der Roboter mit seinem Roboterarm bzw. dem daran befindlichen Greifer einen gewünschten Punkt möglichst genau er­ reicht. Erst eine hinreichende Genauigkeit ermög­ licht den fehlerfreien Einsatz der Off-line-Pro­ grammierung, bei der die gewünschten Positionen in Koordinatenform eingegeben werden, und ferner gewährleisten erst die ausreichenden Genauigkeits­ werte die Durchführung von hochgenauen Bearbeitungs­ verfahren, wie beispielsweise eine Laserbearbeitung.

Im Gegensatz zu Robotern mit Teach-in-Programmierung wer­ den Roboter mit einer Off-line-Programmierung übri­ gens deshalb bevorzugt, weil der Programmiervorgang innerhalb kurzer Zeit durchgeführt werden kann, so daß der Roboter zum Zwecke der Programmierung nur kurzfristig ausfällt. Demgegenüber liegen die Aus­ fallzeiten bei frei programmierbaren Robotern im Falle einer Neuprogrammierung bedeutend höher, was zu Lasten des wirtschaftlichen Einsatzes der Roboter geht.

Die mangelhafte Positioniergenauigkeiten von Robotern sind auf den mechanischen Aufbau der mehrachsigen Roboter zurückzuführen, die mehrere Gelenke mit zu­ geordneten Antriebseinheiten sowie Gelenkverbindungs­ elemente, also die eigentlichen Roboterarme, umfassen. Während sich die Roboterarme relativ steif ausbilden lassen, so daß sie als starr bezeichnet werden können, stellen die Getriebe der Antriebseinheiten bezüglich des lastabhängigen Verformungsverhaltens eine wesent­ liche Schwachstelle der Roboter dar. Je nach konstruk­ tiver Ausführung kann die Gelenklagerung durch ihre Elastizität einen weiteren negativen Einfluß ausüben.

Insgesamt führt das weiche Verhalten bzw. die Nach­ giebigkeit der Mechanik zu dem erwähnten Nachteil einer ungenügenden Positioniergenauigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zur Verbesserung der absoluten Positionier­ genauigkeit von Positionierantrieben, insbesondere Robotern zu schaffen, und außerdem soll durch die Erfindung ein Positionierantrieb, insbesondere ein Roboter mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaf­ fen werden.

Verfahrensmäßig wird die Aufgabe bei dem im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Verfah­ ren durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils ge­ löst, und hinsichtlich des Positionierantriebs selbst erreicht die Erfindung das Ziel durch die Merkmale des Patentanspruchs 7.

Zur Erzielung einer hohen Positioniergenauigkeit konzentriert sich die Erfindung ausschließlich auf das bezüglich des Verformungsverhaltens deß Roboters schwächste Glied, also auf das Getriebe. Die Erfin­ dung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß etwa 50% bis 90% der lastabhängigen Tool-Center-Point-Abwei­ chung - sei sie statisch oder dynamisch - durch eine Korrekturwertaufschaltung der Getriebeverdrehung auf die Lageregelung zu kompensieren sind.

Der grundlegende Gedanke der Erfindung besteht nun darin, an dem Getriebe das lastabhängige Moment zu messen und den Drehwinkel des Getriebes entsprechend seiner Nachgiebigkeitskennlinie nachzuregeln. Die Nachgiebigkeitskennlinie gibt den Verdrehwinkel als Funktion des Moments wieder und kann für die einzel­ nen Getriebe individuell bestimmt werden.

Es werden also in neuartiger Weise erstmals die last­ abhängigen Abweichungen des TCP (Tool-Center-Point) durch Getriebespiel und Getriebenachgiebigkeit be­ rücksichtigt, welche in der Hauptsache Einfluß auf die Positioniergenauigkeit haben. Der Getriebeein­ fluß wird durch die Korrektur entsprechend der Nach­ giebigkeitskennlinie weitgehend kompensiert, so daß sich bisher nicht erreichbare Positioniergenauigkei­ ten erzielen lassen.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung wird das Drehmoment durch Messung und Auswertung des Stromes des Elektromotors ermittelt. Da der Strom des Elek­ tromotors in einem Zusammenhang mit dem Moment steht, ist dadurch eine einfache Möglichkeit geschaffen wor­ den, das für die Kompensätion bzw. Korrektur benötig­ te Moment zu bestimmen.

Gemäß einer anderen zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung besteht auch die Möglichkeit, das Moment mit Hilfe einer an sich bekannten Drehmomentenmeß­ welle zu ermitteln, oder über zweckmäßig angebrachte Dehnmeßstreifen, z.B. am Roboterarm, auf das Moment zu schließen.

Der neue Roboter mit einer Vorrichtung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens besitzt als wesentliche Komponen­ te einen Korrekturwertspeicher zur Speicherung einer Nachgiebigkeitskennlinie des Getriebes. Ferner ist in vorteilhafter Weise ein Amperemeter vorgesehen, um die lastmomentabhängige Größe, hier nämlich den Motorstrom, meßtechnisch zu erfassen und das ent­ sprechende Moment zu ermitteln.

Aus der digital gespeicherten Nachgiebigkeitskenn­ linie läßt sich aus dem Korrekturwertspeicher ein dem Moment entsprechender Verdrehwinkel auslesen, der mit der Getriebeübersetzung in einen Antriebs­ drehwinkel umgerechnet und der Lageregelung als Korrekturwert aufgeschaltet wird. Der Elektromotor führt dann die Mechanik entsprechend nach, wodurch die sehr hohe Positioniergenauigkeit erreicht wird.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind nach­ folgend aufgeführt. Das neue Verfahren arbeitet sehr schnell, da es direkt in die Lageregelung ein­ greift und den Umweg über eine langsame Koordinaten­ transformationsebene vermeidet. Daher sind auch dy­ namische Abweichungen (Bahnfolgeverhalten) kompen­ sierbar.

Das Verfahren ist sehr genau, da die individuelle, meßtechnisch erfaßte Getriebe-Nachgiebigkeitskenn­ linie benutzt werden kann.

Die Erfindung ist darüber hinaus universell einsetz­ bar, d.h., bauart- bzw. kinematikunabhängig, da das jeweilige Lastmoment direkt oder indirekt meßtech­ nisch erfaßt wird.

Die Erfindung schafft auch die Möglichkeit einer Nachrüstung, da mit dem Verfahren die übliche ein­ fache Regelung für Starrkörpersysteme in Kaskaden­ struktur ergänzt wird. Schließlich wird mit der Er­ findung auch ein sehr kostengünstiger Weg beschrit­ ten, da im einfachsten Fall der Motorstrom meßtech­ nisch erfaßt wird, wozu nur ein geringer Aufwand nötig ist. Die Kennlinienspeicherung der Nachgiebig­ keitskennlinie läßt sich ebenfalls kostengünstig realisieren.

Vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausge­ staltungen der Erfindung sind in den Unteransprü­ chen angegeben und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.

Zum besseren Verständnis wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstel­ lung eines Knickarmroboters mit fliegenden Achslagerun­ gen in der horizontalen Ebene,

Fig. 2-4 unterschiedliche Nachgiebig­ keitskennlinien von Getrieben in Robotern,

Fig. 5 ein schematisches Blockschalt­ bild einer bekannten Steuerungs­ struktur eines Roboters, und

Fig. 6 ein schematisches Blockschalt­ bild einer Steuerungsstruktur gemäß der Erfindung zur Kom­ pensation des Getriebeeinflus­ ses auf die Positioniergenau­ igkeit.

In Fig. 1 ist ein mehrachsiger Knickarmroboter 10 mit Gelenken 12 und zugeordneten Drehachsen 14 sowie mit Roboterar­ men 16 dargestellt. Am Ende des rechten Roboterar­ mes befindet sich in üblicher Weise ein Greifer 18. Der Aufbau dieses Knickarmroboters ist dem mensch­ lichen Arm mit seinen drei Gelenken nachempfunden.

In den Gelenken 12 befinden sich jeweils Antriebs­ einheiten, dessen wesentliche Bestandteile ein Elek­ tromotor und ein davon angesteuertes Getriebe mit bestimmten Getriebeübersetzungen sind. In der soweit beschriebenen Art ist der Knickarmroboter 10 für sich gesehen bekannt.

Die Roboterarme 16 sind möglichst starr ausgebildet. Demgegenüber ist an den Gelenken 12 aufgrund des mechanischen Aufbaus eine gewisse Nachgiebigkeit vorhanden, die zu einer unbefriedigenden Positio­ niergenauigkeit des Greifers 18 führt, da eine TCP- Verlagerung - abhängig von der Last - eintritt.

Die wesentlichen Schwachstellen des Knickarmroboters 10 sind die Getriebe der Gelenke 12, und in Fig. 2-4 sind unterschiedliche Nachgiebigkeitskennli­ nien 20, 22 und 24 dargestellt. Die Nachgiebigkeits­ kennlinien 20, 22 und 24 zeigen die Abhängigkeit des Winkels Phi von dem Moment M.

Die Nachgiebigkeitskennlinien 20-24 lassen sich individuell für unterschiedliche Getriebe aufnehmen. Dabei wird die Antriebsseite des Getriebes mecha­ nisch festgespannt, während die Abtriebsseite be­ lastet wird. Aufgrund dieser Belastung erfolgt eine Verdrehung am Abtrieb, die als Winkel Phi gemessen wird, so daß sich eine Funktion des Winkels Phi in Abhängigkeit von dem Moment M ergibt.

Fig. 2 zeigt eine Nachgiebigkeitskennlinie 20 für ein spielfreies Getriebe, während die Darstellung gemäß Fig. 3 eine Reststeifigkeit bei kleinen Be­ lastungsmomenten erkennen läßt. Der Nachgiebigkeits­ kennlinie 24 in Fig. 4 liegt ein Getriebe mit einem Zahnflankenspiel zugrunde.

In Fig. 5 ist zunächst eine übliche Steuerungsstruk­ tur eines Roboters als schematisches Blockschaltbild bzw. Flußdiagramm dargestellt. Diese Struktur umfaßt eine Bewegungssteuerung 26, einen Summenpunkt 28, sowie einen Lageregler 30. Auf den Lageregler 30 folgt ein Servomotor 32, dessen Motorwelle 34 (Ab­ triebsseite) zur eigentlichen Mechanik 36 führt, die ein Getriebe 38 und einen Roboterarm 40 zur Durch­ führung der gewünschten Bewegung umfaßt.

Von der Motorwelle 34 wird der gemessene Drehwinkel Phi zum Summenpunkt 28 zurückgeführt und mit der Eingabe bzw. mit dem Winkel am Ausgang der Bewegungs­ steuerung 26 (Sollwert) verglichen. Bei Abweichungen erfolgt über den Lageregler 30 eine Nachregelung, bis der gewünschte Winkel Phi an der Motorwelle 34 erreicht ist. Mit dieser Regelung über die Rückführung 42 läßt sich jedoch kein Einfluß auf die Mechanik 36 nehmen.

In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung zur Kompensation des Getriebeeinflusses auf die Positioniergenauigkeit dargestellt. Dabei sind die in Fig. 5 schon vorhandenen Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In neuartiger Weise wird nun in Fig. 6 ein Korrek­ turwertspeicher 46 vorgesehen, der in Form eines Personal-Computers ausgebildet sein kann, und in dem mindestens eine Nachgiebigkeitskennlinie des Getriebes 38 digital gespeichert ist.

Mit Hilfe eines Amperemeters 44 wird der Motoren­ strom des Servomotors 32 gemessen, der ein Maß für das Moment M bildet. Aus dem gemessenen Strom I läßt sich also das entsprechende Moment M ermitteln. Die­ se Ermittlung kann innerhalb des Korrekturwertspei­ chers 46 durch einen gesonderten Schaltungsteil er­ folgen. Somit wird eine lastmomentenabhängige Größe - hier der Motorstrom I - meßtechnisch erfaßt, und daraus wird das entsprechende Moment ermittelt.

Aufgrund der digital gespeicherten Nachgiebigkeits­ kennlinie (vgl. Fig. 2-4) wird dann aus dem Korrek­ turwertspeicher 46 ein dem Moment M entsprechender Verdrehwinkel ausgelesen und mit der Getriebeüber­ setzung in einen Antriebsdrehwinkel Δ _{ϕ K} umgerech­ net und über den Summenpunkt 28 der Lageregelung 30 als Korrekturwert aufgeschaltet. Der Servomotor 33 führt dann die Mechanik 36 entsprechend nach, wodurch die Positioniergenauigkeit entscheidend verbessert wird.

Die Verbesserung der Positioniergenauigkeit ist also darauf zurückzuführen, daß durch eine Korrek­ turwertaufschaltung der Getriebeeinfluß mit Hilfe der Nachgiebigkeitskennlinie weitgehend kompensiert wird.

Durch die gestrichelte Linie 50 ist eine weitere Aus­ führungsform der Erfindung angedeutet, bei der das Moment M mit Hilfe einer an sich bekannten Drehmo­ mentenmeßwelle 48 ermittelt wird. In diesem Fall kann auf das Amperemeter 44 verzichtet werden.

In Versuchen hat sich gezeigt, daß mit der Erfin­ dung 50% bis 90% der lastabhängigen Tool-Center- Point-Abweichung (statisch oder dynamisch) durch die Korrekturwertaufschaltung der Getriebeverdre­ hung auf die Lageregelung kompensiert werden kann.

Der Kern des Kompensationssystems ist in dem elek­ tronischen Korrekturwertspeicher 46 für die nicht­ linearen Nachgiebigkeitskennlinien der Getriebe so­ wie in der Meßeinrichtung - Amperemeter 44 oder Dreh­ momentenmeßeinrichtung 48 - für eine abtriebsmomenten­ proportionale Meßgröße zu sehen.

Claims (13)

1. Verfahren zur Verbesserung der absoluten Positioniergenauigkeit von mit mindestens einem Ge­ triebe angetriebenen Positionierantrieben, insbe­ sondere von Robotern, welche in den Gelenken An­ triebseinheiten besitzen, die einen Motor und ein Getriebe umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens einem Getriebe das lastabhängige Moment gemessen wird, und daß der Drehwinkel des Getriebes entsprechend seiner Nachgiebigkeitskennlinie, welche den Verdrehwinkel als Funktion des Moments darstellt, nachgeregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Motor ein Elektromotor verwendet wird, und daß das Moment durch Messung und Auswer­ tung des Stromes des Elektromotors ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Motor ein Hydraulikmotor verwendet wird, und daß das Moment durch Messung und Auswertung des Druckes des Hydraulikmotors ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Motor ein Pneumatikmotor verwendet wird, und daß das Moment durch Messung und Auswer­ tung des Druckes des Pneumatikmotors ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Moment mit Hilfe einer Drehmomenten­ meßeinrichtung ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Moment bei Schneckengetrieben durch Messung der Axialkraft auf die Schnecke per Kraftmeß­ zelle ermittelt wird.

7. Positionierantrieb, welcher mit mindestens einem Getriebe angetrieben ist, insbesondere Roboter mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens, mit einer Eingabe für eine Bewegungssteuerung, einem Summenpunkt, einem nachgeschalteten Lageregler, mindestens einem Motor, sowie mit einer davon ange­ steuerten Mechanik mit einem Getriebe zur Ausführung einer entsprechend der Eingabe gewünschten Bewegung, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Korrekturwertspeicher (46) umfaßt, in dem mindestens eine Nachgiebigkeitskennlinie (20; 22; 24) des Getrie­ bes (38) gespeichert ist, daß ferner eine Meßvorrich­ tung (44; 48) zur Ermittlung des lastabhängigen Dreh­ moments (M) des Getriebes (38) vorgesehen ist, wobei der Wert des Moments (M) dem Korrekturwertspeicher (46) zugeführt wird, wobei der Korrekturwertspeicher (46) dem Moment entsprechend der Nachgiebigkeits­ kennlinie (20; 22; 24) einen Winkel zuordnet, der als Antriebsdrehwinkel dem Summenpunkt (28) als Korrekturgröße zugeführt ist.

8. Positionierantrieb nach Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, daß aus dem Strom (I) nach Maßgabe der Motoreigenschaft das Moment (M) ermit­ telt wird.

9. Positionierantrieb nach Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung durch eine Drehmomentenmeßeinrichtung (48) gebildet ist.

10. Positionierantrieb nach Anspruch 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Drehmomentenmeßein­ richtung (48) an der Abtriebsseite des Getriebes (38) angeordnet ist.

11. Positionierantrieb nach Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Nachgiebigkeitskenn­ linie (20; 22; 24) des Getriebes (38) digital ge­ speichert ist.

12. Positionierantrieb nach Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Korrekturwertspeicher (46) durch einen Personal-Computer gebildet ist.

13. Positionierantrieb nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche 7-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor durch einen Servomotor gebil­ det ist.