DE68909574T2

DE68909574T2 - Roboterachsensteuerung mit und ohne rückkuppelung.

Info

Publication number: DE68909574T2
Application number: DE89904480T
Authority: DE
Inventors: Daniel Evans
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1988-04-04
Filing date: 1989-03-27
Publication date: 1994-05-05
Anticipated expiration: 2009-03-28
Also published as: US4912753A; IL89756A0; DE68909574D1; EP0375749B1; WO1989009953A1; IL89756A; EP0375749A1; JPH03500101A

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Erzeugen van Steuersignalen für die Positionierung eines mechanischen Geräts und insbesondere auf eine Achsensteuerung zur Positionierung von Roboter-Gliedern.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Herkömmliche Roboter-Steueralgorithmen basieren typischerweise auf der Rückkopplung des Fehlers zwischen der Zielposition, in die sich der Roboter bewegen soll, und der tatsächlichen Achsenposition, in die er sich bewegt. Folgefehler bzw. Verfolgungsfehler sind bei Systemen mit reiner Rückkopplungssteuerung bzw. Regelung inhärent, da Fehler erforderlich sind, um ein Rückkopplungstreibersignal zu erzeugen.
Herkömmliche Roboter-Steueralgorithmen unterscheiden sich in Einzelheiten, basieren jedoch übereinstimmend auf der Tatsache, daß sie auf einer Rückkopplung von Fehlern (und Ableitungen) basieren. Solche fehlerbetriebenen Steuerungen führen zu großen dynamischen Folgefehlern, die ungefähr proportional zu der befohlenen Geschwindigkeit sind. Damit führen traditionelle Steueralgorithmen zu einem Kompromiß zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit für jeden Achsenmotor, der bei dem Roboter eingesetzt wird. Die Achsenkoordination wird dadurch erzielt, daß Achsensollpfade geplant werden, die zus ammengefaßt zur Erzeugung der erwünschten Bewegungslinie führen. Da sich Achsen typischerweise mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, sind Achsenfehler nicht koordiniert. Demgemäß verschlechtert sich die Koordination eines Roboterarms bei einer Vergrößerung der Geschwindigkeit. Es wird daher bei der herkömmlichen Steuerung ein Fehler-"Budget" bestimmt, das einen maximalen akzeptablen Fehler bestimmt, und die Robotergeschwindigkeit wird derart begrenzt, daß der Fehler innerhalb der vorbestimmten Grenzen bleibt.
Auch wenn jeder Handels- bzw. Industrieroboter mit seiner eigenen, spezifischen Bewegungssteuerung ausgestattet ist, besteht ein universeller Gesichtspunkt der Robotersteuerung darin, daß die Eingangsgröße des Motors, der die Roboterbewegung entlang einer Achse steuert, eine Spannung ist. Von Roboter zu Roboter ist unterschiedlich, wie diese Spannung erzeugt wird. Typischerweise ist die Spannung das Ausgangssignal eines Leistungsverstärkers, der zur Umsetzung von digitalen Steuerbefehlen in ein analoges Spannungssignal für den Motoreingang dient. Die spezielle Wahl des Leistungsverstärkers, strom- oder spannungsbetrieben, bestimmt die Natur dieser Umsetzung und damit die Natur des digitalen Befehls. Folglich ist die Auswahl eines Leistungsverstärkers ein Teil des Entwurfs des Steueralgorithmus selbst.
Ein Leistungsverstärker ist auch ein Leistungsregler dahingehend, daß er die Funktion der Steuerung eines Aspekts der Motorleistung auf einen bestimmten Pegel ausübt. Dieser besondere, gesteuerte Aspekt hängt von der spezifizierten Motorcharakteristik ab, die rückgekoppelt wird. Ein sog. Strombetriebs-Verstärker koppelt den Motorankerstrom zurück und verändert die Ankerspannung in einer solchen Weise, daß versucht wird, den Ankerstrom i gleich einem durch die Computersteue rung berechneten Befehlsstrom bzw. Sollstrom ic zu machen. Dies ist die üblichste Form eines Bewegungssteuerungsverstärkers.
Bei der Positionssteuerung sind mehrere Nachteile von Strombetriebs-Verstärkern vorhanden. Einer der Nachteile besteht darin, daß das Motorbefehlssignal hauptsächlich für die Bewegung im Gegensatz zur Steuerung mit konstanter Geschwindigkeit ausgelegt werden muß. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Strom gegenüber Drehmomenten empfindlicher ist, die nicht linear sind und berechnungsmäßig schwierig vorherzusagen sind.
Ein Spannungsbetriebs-Verstärker koppelt die Motorspannung zurück und hält diese proportional zu der Eingangsspannung. Es gibt mehrere Vorteile von Spannungsbetriebs-Verstärkern bei der Positionssteuerung. Ein Vorteil besteht darin, daß das Eingangssignal proportional zu einer Motorspannung ist, die proportional zu der Motordrehzahl ist. Diese Proportionalität führt dazu, daß die Spannungsbetriebs-Verstärkung bei Positionssteuersystemen inhärent stabiler als Strombetriebsarten sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Bereich des Motorbefehlssignals der Steuerung konstanter Geschwindigkeit gewidmet werden kann.
Eine weitere Überlegung, die der Gestaltung von Steueralgorithmen für Industrieroboter gemeinsam ist, besteht in dem Grad der Glätte der Sollpfade. Die meisten Sollpfade haben kontinuierliche Positions- und Geschwindigkeitsprofile mit sprunghaften Unstetigkeiten bei der Beschleunigung. Andere Arten von Sollpfaden enthalten ebenfalls kontinuierliche Beschleunigungs-Profile. Die vorliegende Erfindung betrifft Steuerpfade des ersteren Typs, d. h. solche mit sprunghaften Unstetigkeiten im Beschleunigungsprofil, funktioniert aber auch bei kontinuierlicher Beschleunigung. Das Steuersignal, das für die Verfolgung der bzw. das Einlaufen in die Sollpositionen notwendig ist, wird beispielsweise an einen Leistungsverstärker durch eine digitale Servoeinrichtung angelegt, sowie Daten, die einen gewünschten Sollpfad beschreiben, der für den Betrieb des Roboters wesentlich ist. Wie festgestellt, enthält das Verfolgen bzw. Ansteuern der Sollpositionen inhärente Fehler, wenn herkömmliche Rückkopplungsalgorithmen eingesetzt werden.
Ein weiterer Ansatz für Steueralgorithmen besteht in der sog. Vorwärtsspeisungssteuerung oder "Offenschleifen"-Steuerung bzw. in der Steuerung ohne Rückkopplung. Bei der Simulation und in der Theorie kann eine Steuerung ohne Rückkopplung einen glatten Sollpfad verfolgen bzw. sich entlang dessen bewegen, und zwar ohne Fehler, falls die dynamischen Robotereigenschaften bekannt sind. Jedoch sind diese dynamischen Eigenschaften aufgrund von unbekannten Lasten, Herstellungsabweichungen und anderen Faktoren niemals mit absoluter Genauigkeit bekannt. Bei einer reinen Steuerung ohne Rückkopplung führen diese Ungewißheiten bezüglich der dynamischen Robotereigenschaften zu Positionsfehlern während der Bewegung des Roboters.
Somit zeigen Steueralgorithmen sowohl mit Rückkopplung als auch ohne Rückkopplung Nachteile, die zu Fehlern bei der Positionierung von Roboterelementen beitragen.

Kurzfassung der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, Roboter-Steuermechanismen zu verbessern;
es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Steueransatz für ein mechanisches Positioniergerät zu schaffen;
darüberhinaus besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen Steuermechanismus für die Spurverfolgung von Sollpfadpositionen zu schaffen, das genauer ist als Regelungssysteme oder Systeme ohne Rückkopplung, wenn diese allein benutzt werden; und
es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine derartige Steuereinrichtung bereitzustellen, bei der der Einsatz von Strombetriebs-Verstärkern vermieden ist.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Achsensteuerung bereitgestellt, die für eine Roboteranlage geeignet ist und derart ausgelegt ist, daß sie mit Zielpfad-Positionsinformation für die Erzeugung eines Positionssteuersignals zur Erzielung bzw. Erfassung einer aktuellen Achsenposition gespeist wird, wobei die Steuerung aufweist:
eine Einrichtung zum Erzeugen eines Offenschleifen-positionssteuersignals für die Zielpfad-Positionsinformation, wobei die Zielpfad-Positionsinformation das einzige positionsbezogene Signal ist, das zur Erzeugung des Offenschleifen-Positionssteuersignals eingesetzt wird;
eine Einrichtung, die auf die aktuelle Achsenposition und die Zielpfad-Positionsinformation anspricht und zur Erzeugung eines Rückkopplungssteuersignals dient;
eine Einrichtung zum Erzeugen eines Positionssteuersignals aus dem Offenschleifen-Positionssteuersignal und dem Rückkopplungssteuersignal;
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Offenschleifen-Positionssteuersignals die Zielpfad-Positionsinformation einer Übertragungsfunktion unterzieht, um das Offenschleifen-Positionssteuersignal zu erzeugen, wobei die Übertragungsfunktion das inverse bzw. die Umkehrfunktion der Übertragungsfunktion eines Modells der Anlage ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, das zur Steuerung von Achsenpositionen bei Roboteranlagen geeignet ist, wobei bei dem Verfahren ein aktuelles Achsensteuersignal aus der Zielpfad-Positionsinformation erzeugt wird, wobei das Verfahren die Schritte enthält:
Erzeugen eines Offenschleifen-Positionssteuersignals aus der Zielpfad-Positionsinformation, wobei die Zielpfad-Positionsinformation die einzige positionsbezogene Information ist, die zur Erzeugung des Offenschleifen-Positionssteuersignals eingesetzt wird;
Erzeugen eines Rückkopplungssteuersignals aus der aktuellen Achsenposition und aus der Zielpfad-Positionsinformation; Erzeugen eines Positionssteuersignals aus dem Offenschleifen-Positionssteuersignal und aus dem Rückkopplungssteuersignal,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Erzeugung des Offenschleifen-Positionssteuersignals die Anwendung einer Übertragungsfunktion auf die Zielpfad-Positionsinformation zur Erzeugung des Offenschleifen-Positionssteuersignals enthält, wobei die Übertragungsfunktion die Umkehrfunktion der Übertragungsfunktion eines Modells der Anlage ist.
Beispiele allgemeiner Steuersysteme gemäß dem Stand der Technik sind in "Control System Principles and Design" (1985) von Ernest O. Doebelin, siehe insbesondere Seiten 5-9, beschrieben. Auch die EP-A-0143088 beschreibt ein Steuersystem zum Unterdrücken von störenden Einflüssen. In der EP-A-0258641 ist ein Motorgeschwindigkeitssteuersystem mit einer Fehlerkorrektur auf der Grundlage der erwarteten und tatsächlichen Positionen des Motors beschrieben.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel digitale Servobahnverfolgungsfehler erheblich durch Einsatz einer Rückkopplungs-Steuerung (Regelung) in Kombination mit einer Steuerung mit offener Schleife verringert. Die Steuerung mit offener Schleife wird durch Erzeugung eines Offenschleifen-Steuersignals auf der Grundlage eines Modells des Anlagesystems mit offener Schleife und den Zielpfadpositionen realisiert. Das Steuersignal wird als "Offenschleife" bezeichnet, da es allein auf der Grundlage des gewünschten Pfads bzw. der gewünschten Bahn berechnet wird und nicht von irgendwelchen Verfolgungsfehlern abhängt, die bei dem aktuellen System vorhanden sein können. Das gesamte Befehlssignal wird durch Aufsummieren des Offenschleifen-Steuersignals und eines Rückkopplungssteuersignals berechnet. Das Offenschleifen-Steuersignal steuert das System auf einen Verfolgungsfehler von nahezu Null, wodurch der Rückkopplungssteuerung ermöglicht wird, lediglich mit Fehlern zu arbeiten, die aus äußeren Störungen und Modellungenauigkeiten resultieren. Die Kombination aus der Steuerung mit offener Schleife (Vorwärtsspeisung) und der Rückkopplungssteuerung hat die Systemfehler in der Praxis beträchtlich reduziert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein Systemblockschaltbild des bevorzugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 2 veranschaulicht eine bestimmte Anlagen-Übertragungsfunktion in Übereinstimmung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 zeigt eine funktionelle Blockdarstellung der Schaltung zur Realisierung des bevorzugten Ausführungsbeispiels;
Fign. 4 und 5 veranschaulichen ein Ablaufdiagramm zur Realisierung des digitalen Filters gemäß Fig. 3 in einem Mikroprozessor;
Fign. 6 und 7 veranschaulichen ein typisches trapezförmiges Geschwindigkeitsprofil mit den entsprechenden Positionen und Beschleunigungen;
Fig. 8 veranschaulicht eine durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel ausführbare Bewegung in XYZ-Koordinaten;
Fig. 9 veranschaulicht die Bewegung gemäß Fig. 8 in einem ZR-Koordinatensystem; und
Fign. 10 und 11 veranschaulichen Schritte bei der Ausführung der Bewegung gemäß den Fign. 8 und 9.

Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Das mit Vorwärtsspeisung arbeitende System gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 gezeigt. Es enthält einen Pfad- bzw. Bahngenerator 13, der über jeweilige Ausgangsleitungen 14, 15 gewünschte Pfad- bzw. Bahnpositionsdaten Xk-1, Xk, Xk+1 und Xk abgibt. Die Bahn-Daten Xk-n sind die Bahnpositionsdaten für eine eindimensionale Bahnbewegung.
Die Ausgangsleitung 14 des Bahngenerators 13 ist mit dem Eingang eines Berechnungselements 17 verbunden, das eine Übertragungsfunktion 1/G(Z) auf die Bahn-Daten anwendet und eine Offenschleifen-Steuerspannung Uopen loop (k) auf einer Leitung 18 abgibt. Die Leitung 15 ist als ein Eingang eines Summierers 27 verschaltet, der ein Fehlersignal Ek auf einer Leitung 16 an ein Berechnungselement 21 abgibt. Das Berechnungselement 21 wendet eine Rückkopplungssteuerungs-Übertragungsfunktion D(Z) auf den Eingang Ek an und gibt eine Rückkopplungs-Steuerspannung Ufeedback (k) auf einer Leitung 19 ab. Die Leitungen 18 und 19 sind mit einem Summierer 29 verbunden, der die Offenschleifen- und Rückkopplungssteuerspan nungen Uopen loop, Ufeedback (k) zur Erzeugung einer gesamten Ausgangssteuerspannung Utotal (k) auf einer Leitung 23 addiert. Die Leitung 23 ist an die aktuelle Anlage 25 angelegt, was zu einer aktuellen Bahnstellung oder Position Yk führt, die auf einer Leitung 26 abgegeben wird. Die tatsächliche Bahnstellung Yk wird auch zu dem ersten Summierer 27 rückgekoppelt und von dem gewünschten Bahnsignal Xk subtrahiert, um das Rückkopplungsfehlersignal Ek, Ek = Xk - Yk zu erzeugen. Die Übertragungsfunktion der aktuellen Anlage 25 ist durch G*(z) repräsentiert.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer aktuellen Anlage 33, wobei eine Eingangsspannung U(Z) zu einer Ausgangsposition X(Z) führt. Die digitale Übertragungsfunktion dieser Anlage 33 ist
Hierbei repräsentiert G*(Z) eine Anlage einschließlich des Spannungsbetriebs-Verstärkers, Motors, Last und Kodierer, wie sie beispielsweise in Fig. 3 dargestellt und im weiteren Text in Einzelheiten beschrieben sind.
Bei dem Einsatz der beschriebenen Steuerung mit Offenschleife und Rückkopplung bei einem digitalen Servopositioniersystem für ein Drahtbondgerät ist die Rückkopplungssteuerung D(z) eine standardmäßige Voreilungs-Nacheilungs-Steuerung, die auf dem gegenwärtigen Fehler basiert, und wird durch eine Differenzgleichungsform realisiert, d. h. (Ufeedback (k) = (A&sub1;) Fehlerk - (A&sub2;) Fehlerk-1 + (A&sub3;) Ufeedback (k-1)), wobei die Parameter A&sub1;, A&sub2; und A&sub3; so gewählt sind, daß ein stabiles System erzielt wird. Während in diesem Fall eine Voreilungs-Nacheilungs-Steuerung eingesetzt wird, kann die Rückkopplungssteuerung auf irgendeine beliebige der vielen herkömmlichen, in der Industrie eingesetzten Formen sein.
Die Offenschleifen-Steuerung wird durch Lösen einer Differenzgleichung erzeugt, die aus dem Anlagenmodell G(z) abgeleitet bzw. gewonnen wird, das die dynamischen Eigenschaften eines Gleichstrommotors, Verstärkers, Führungsschraube bzw. Spindel, Last und Kodierer repräsentiert. Die Offenschleifen- Differenzgleichung wird für Uopen loop (k) = (B&sub1;) Xk+1 - (B&sub2;) Xk + (B&sub3;) Xk-1 + (B&sub4;) Uopen loop (k-1) gelöst. Eine Gleichung dieser Form wird nicht kausal genannt, da die Berechnung der gegenwärtigen Steuerung Uopen loop (k) die Kenntnis eines zukünftigen Ereignisses, nämlich Xk+1 erfordert. Nichtkausale Gleichungen sind bei einer Rückkopplungssteuerung nicht möglich, da ein zukünftiger Fehler Ek+1 nicht bekannt ist. Jedoch erfordert die Offenschleifen-Berechnung den zukünftigen Zielpunkt Xk+1 entlang der Bahn. Bei einem digitalen Positioniersystem wie etwa dem hier diskutierten, werden die Zielpositionen vorab unter Heranziehung des bekannten trapezförmigen Geschwindigkeitsprofils berechnet und stehen somit zur Verfügung. Falls die Zielpositionen nicht vorab bekannt sind, könnte der Soll- bzw. Zielbefehl um eine Abtastperiode verzögert werden. Daher wäre das nächste Ziel eine Abtastperiode vor seiner Befehlsvorgabe bekannt.
Zur Erläuterung kann eine Differenzgleichung gefunden werden, die Uk für Xk+1 bei der in Fig. 2 gezeigten Anlage vorhersagt. Die Übertragungsfunktion G*(Z) wird wie folgt invertiert:
Eine Vereinfachung dieser Gleichung (2) führt zu:
Somit ist Uk ein Vorratsspeisungswert, der von den Anlagenparametern (dynamischen Eigenschaften) und der nächsten gewünschten Position Xk+1 abhängt. Die Gleichung (3) wird durch das Berechnungselement 17 in Fig. 1 realisiert. Die Gleichung (3) kann auch unter Bezugnahme auf Geschwindigkeiten Vn wie folgt umgeschrieben werden:
Eine hardwaremäßige Ausführungsform des bevorzugten Ausführungsbeispiels ist in Fig. 3 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel enthält einen Bahngenerator 13, einen Puffer 39, eine digitale Steuerkarte 28, einen Verstärker 29, einen Motor 34 und einen Kodierer 35. Der Motor 34 steuert die Bewegung eines Roboterelements bzw. -glieds 36 wie etwa eines mechanischen Arms entlang einer gewählten Achse, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
Die digitale Steuerkarte oder der Steuerabschnitt 28 enthält ein Digitalfilter 37, das beispielsweise in einem Mikroprozessor Motorola 68000, der mit 12-1/2 MHz arbeitet, verkörpert ist. Das Digitalfilter 37 kann auch in unterschiedlichen Formen von digitalen logischen, anders programmierten Prozessoren oder durch eine Signalprozessorschaltung für speziellen Zweck verkörpert sein.
Das digitale Filter 37 führt die Funktion des Filters 17, des Filters 21 und der Summierverknüpfungen 27 und 29 in Fig. 1 durch. Das Digitalfilter 37 empfängt die Bahn- oder Trajektorieninformation bzw. Bewegungslinieninformation, die durch den Bahngenerator 13 erzeugt und in dem Puffer 39 gespeichert wird. Das Digitalfilter 37 gibt das gesamte Steuersignal Utotal an den Digital/Analog-Wandler 27 ab. Der Digital/Analog- Wandler 27 gibt seinerseits ein analoges Steuersignal an den Verstärker 29 für die Steuerung des Motors 34 ab. Der Kodierer 35 verfolgt die aktuelle Motorposition und stellt ein Rückkopplungssignal auf der Leitung 31 für das Digitalfilter 37 zur Verfügung. Der Digital/Analog-Wandler 27, der Verstärker 29, der Motor 34, der Kodierer 35 und die Last 36 enthalten die Anlage 25, die in Fig. 1 dargestellt ist und die Übertragungsfunktion G*(Z) besitzt.
Wie schematisch durch Karten 40, ...41 veranschaulicht ist, können bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel 7 zusätzliche Karten und entsprechende Digitalfilter, Verstärker, Motoren und Kodiererschaltungen vorgesehen sein, um eine Bewegung bis zu acht Dimensionen zu steuern. Jede zusätzliche Karte 40, ...41 enthält ihren eigenen Puffer 39, jeder Puffer 39 empfängt Bahn-Daten zur Steuerung der Bewegung in seiner bestimmten Dimension. Der Puffer 39 der Karte 28 kann X-Bahn- Daten empfangen, der Puffer 39 der Karte 40 kann Y-Bahn-Daten erhalten und der Puffer 39 der Karte 41 kann Z-Bahn-Daten empfangen. Andere Dimensionen enthalten Rollen, Nickschwingung, Gieren usw., wie es in der Robotertechnik bekannt ist.
Bei einem tatsächlichen Ausführungsbeispiel wurde ein Gleichstromservomotor 2VM-62020-7 von Pacific Scientific als der Motor 34 eingesetzt und ein optischer Drehkodierer M-98A- 1000-ICLP von Disk Instruments, der 4000 Zielwerte je Umdrehung mit Quadratur erzeugte, wurde als Kodierer 35 benutzt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Verstärker 29 ein linearer Spannungsbetrieb-Verstärker mit 40 Volt und 12 Ampere von Glentek GA45555. Der Digital/Analog-Wandler 27 ist ein AD667 von Burr-Brown.
Ein Ablaufdiagramm zum Programmieren des Mikroprozessors Motorola 68000 zur Durchführung der digitalen Filterfunktionen des Digitalfilters 37 ist in den Fign. 4 und 5 dargestellt. Die Durchführung des Programms startet bei dem Beginn jeder Abtastperiode mit dem Schritt 51. Die Abarbeitung des Filteralgorithmus dauert sequentiell mit den Schritten 57, 59, 61 usw. gemäß den Fign. 4 und 5 an. Der gesamte Algorithmus wird innerhalb der Abtastperiode berechnet. Der Algorithmus wird autonom durch jedes Digitalfilter 37 auf jeder Karte 28, 40, ...41 für die jeweilige Dimension durchgeführt, deren Bahn-Daten der betreffenden Karte durch den zugeordneten Puffer 39 zugeführt werden.
Die aktuelle Position des Motors 34 wird über die Leitung 31 angezeigt und bei dem Schritt 47 gelesen. Im Schritt 59 wird der Positionsfehler Ek = Xk - Yk in Übereinstimmung mit der Summierverknüpfung 27 in Fig. 1 bestimmt. Im Schritt 61 wird die Rückkopplungssteuerung D(z) berechnet. Dieser Ausdruck D(z) wird durch Multiplizieren einer Konstante A&sub1; mit dem Fehlersignal Ek und durch Hinzuaddieren einer Menge bzw. Größe berechnet, die als Prec 1 bezeichnet und eine vorab berechnete Menge bzw. Größe ist, wie im folgenden beschrieben wird. Im Schritt 63 wird das nächste Ziel Xk+1 aus dem Puffer 39 in den Prozessor eingelesen. Wie im Schritt 65 veranschaulicht ist, wird der Offenschleifen-Steuerparameter durch Multiplizieren einer Konstante B&sub1; mit Xk+1 und durch Hinzuaddieren eines zweiten vorab berechneten Wertes Prec 2, der nachstehend beschrieben wird, berechnet. Im nächsten Schritt 67 wird das gesamte Steuersignal in Übereinstimmung mit der Summierverknüpfung 29 in Fig. 1 bestimmt.
Im Schritt 69 wird das gesamte Steuersignal Utotal einem Grenztest unterzogen. Das Signal Utotal wird mit Parametern, die als DACMAX und als DACMIN bezeichnet sind, verglichen und notfalls beschnitten. Diese Parameter sind zur Begrenzung des Eingangsspannungssignals auf einen Bereich gewählt, der an den Verstärker 29 angepaßt ist. Das Steuersignal Utotal wird dann im Schritt 71 an den Digital/Analog-Wandler DAC 27 und danach an den Verstärker 29 und den Motor 34 abgegeben. Die während dieser Servoaktualisierung bestimmten Parameter werden im Schritt 73 für die nächste Servoaktualisierung gesichert. Das Programm schreitet dann zu einem Block 75 weiter, bei dem alle möglichen Ausdrücke für die nächste Servoaktualisierung 51 berechnet werden, um die Zeit zwischen dem Beginn der Abtastperiode, Schritt 51 und der Abgabe von Utotal an den DAC/Verstärker/Motor, Schritt 73, zu minimieren. In diesem Schritt 75 werden die beiden zuvor als Prec 1 und Prec 2 bezeichneten Parameter in Übereinstimmung mit den festgelegten Gleichungen berechnet.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden alle Historie-Ausdrücke anfänglich auf Null gesetzt. Die Abtastperiode ist 1 Millisekunde und erzeugt einen Interrupt hoher Priorität für den Prozessor, so daß der Beginn des digitalen Servoalgorithmus mit dem Beginn jeder Abtastperiode synchronisiert ist. Der Bahngenerator 13 kann vor dem Beginn der Bewegung oder gleichzeitig hiermit zum Laufen gebracht bzw. aktiviert werden. Der Bahngenerator 13 kann vorab gespeicherte Bahninformation aus lesen oder kann je nach Wunsch ein Computer sein, der detaillierte Belegungsbahn-Daten für einen Zielpfad als Reaktion auf allgemeine Positionsbefehle berechnet.
In den Fign. 6 und 7 sind typische Profile dargestellt, bei denen das bevorzugte Ausführungsbeispiel einsetzbar ist. Fig. 6 zeigt die Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungs-Profile für eine einzelachsige Punkt-zu-Punkt-Bewegung bei trapezförmigen Beschränkungen des Geschwindigkeitsprofils. Ein trapezförmiges Geschwindigkeitsprofil besitzt in Fig. 6 gezeigte, inhärente Positions- und Beschleunigungs- Profile mit Bezug zur Zeit. Es ist festzustellen, daß die Beschleunigung sprungförmige Unstetigkeiten bei den Zeitpunkten a, b, c und d besitzt.
Fig. 7 veranschaulicht die Geschwindigkeits-Profile von zwei Koordinatenachsen, die jeweils um eine Strecke bewegt werden, die gleich der Fläche unterhalb ihrer entsprechenden Geschwindigkeitskurven ist. Es ist festzustellen, daß die Zeitintervalle der Beschleunigung, Verzögerung und konstanter Geschwindigkeit für wahre bzw. korrekte Koordination gleich groß festgelegt werden müssen. Das Verhältnis der Spitzengeschwindigkeiten, Beschleunigungen und Verzögerungen ist gleich groß festgelegt wie das Verhältnis der Bewegungsstrecken zwischen Achsen. Zur Erzielung einer Spitzenleistung wird die Achse, die die Verringerung der Bewegungszeit begrenzt, mit Spitzenbeschleunigung, -verzögerung und -geschwindigkeit bewegt. Die anderen Achsenparameter werden entsprechend den vorstehend beschriebenen Positionsverhältnissen herabgeteilt. Damit ist die Bewegung von bzw. entlang mehreren Achsen in Übereinstimmung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch Steuerung der Position und Geschwindigkeit über den gesamten Bereich der Bewegung koordiniert.
Die Fign. 8 und 9 veranschaulichen eine typische dreidimensionale Bewegung, die in Übereinstimmung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel erzielt wird. Die speziell dargestellte Bewegung ist die Bewegung eines Drahts durch ein Drahtbondgerät mit Bezug zu einem Teil 77.
Fig. 8 zeigt die dreidimensionale Bewegung in den Koordinaten X, Y, Z, während Fig. 9 die entlang einer Z- und einer "R"- Achse aufgetragene Bewegung veranschaulicht, wobei die Achse R aus X und Y zusammengesetzt ist und eine gerade Linie von "a" bis "h" in der Ebene XY bildet. Die Fign. 10 und 11 veranschaulichen als Beispiel dienende Schritte zur Ausführung der in den Fign. 8 und 9 dargestellten Bewegungen. Die Bewegungen enthalten sieben Segmente gemäß der nachstehenden Auflistung: Segment Beschreibung Achse Z teilweise abheben. XY-Achsenbewegung, die beginnen kann, sobald Z oberhalb einer Höhe ist, die mit Zflag bezeichnet ist. Z-Achse bewegen, wobei Nachricht angefordert wird, sobald Z sich oberhalb einer Höhe ZI1 befindet. XYZ bewegen, um einen ersten Teil eines Bogens dg anzunähern. XYZ bewegen, um einen zweiten Teil des Bogens dg anzunähern. XYZ bewegen, um einen dritten Teil des Bogens dg anzunähern. Spezielle Achsenbewegung, die sich nach unten für die Berührung mit einer Oberfläche tastet. Eine Nachricht wird angefordert, sobald die Z- Suche bzw. Abtastung abgeschlossen ist.
In dem ersten Schritt 101 ist der Bahngenerator 13 das Digitalfilter 37 für die Achse Z mit der Zielpositionsanordnung, die zur Bewegung der Achse Z zu Zb erforderlich ist. Der mit "GO Z BEL Z > Zflag" bezeichnete Befehl 103 wird dann abgearbeitet, wobei das Digitalfilter 37 die in den Fign. 4 und 5 dargestellte Routine abarbeitet, um das Roboterglied in die Position b auf der Achse Z zu bringen. Die Glockenbedingung bzw. Nachrichtenbedingung BEL Z > Zflag wird im Schritt 103 aufgebaut bzw. eingerichtet, um anzuzeigen, wenn der aktuelle Wert Z größer ist als Zflag, so daß die XY-Bewegung zu Xc,Yc beginnen kann, sobald Z oberhalb eines Hindernisses ist, das bei der mit Zflag bezeichneten Höhe angeordnet ist.
Der Ablauf schaltet dann zum Schritt 105 weiter, bei dem die Positionsanordnungen, die zur Bewegung der Achse X zu Xc und der Achse Y zu Yc erforderlich sind, der Bahnsteuerungs-Hardware durch den Bahngenerator 13 zugeführt werden. Im Schritt 107 wird nach Erfüllung der Nachrichtbedingung Z > Zflag ein Befehl "GO XY" ausgeführt, um X und Y zu Xc, Yc zu bringen, wodurch das Segment bc beendet ist.
Um das Segment cd zu erzeugen, wird ein Schritt 111 abgearbeitet, bei dem die Positionsanordnung bzw. Positionsinformation zur Bewegung von Z zu Zd durch den Bahngenerator 13 an die Positionssteuerung abgegeben wird. Entsprechend dem Befehl "GO Z PENDINC XY" im Schritt 113 beginnt die Positionssteuerung die Bewegung zu Zd als Reaktion auf die Anordnung bzw. Information, die durch den Bahngenerator bereitgestellt wird, sobald X und Y zu Xc, Yc befohlen wurden. Zusätzlich kann im Schritt 113 eine Glocke bzw. ein Hinweissignal zur Signalgabe dann, wenn die aktuelle Z-Position größer ist als ein gewählter Höhenwert ZI1, aktiviert werden.
Im Schritt 115 wird ein Interrupt angezeigt, um dem zugeordneten Drahtbondgerät zu signalisieren, daß ZI1 durchlaufen wurde. Das zugehörige Drahtbondgerät kann dann irgendeinen externen Prozeß wie etwa das Schließen einer Drahtklemme beginnen.
Der Bogen, der von dem Punkt d bis zum Punkt g gezeigt ist, wird durch die Schritte 119, 121, 125, 127, 131 und 133 ausgeführt. Die Befehle in diesen Schritten führen dem Positionssteuergerät aufeinanderfolgend die Informationen zu, die zur aufeinanderfolgenden Bewegung von X, Y und Z zu Xe, Ye, Ze,; Xf, Yf, Zf; und Xg, Yg, Zg erforderlich sind. Die jeweiligen GO-Befehle 121, 127 und 133 leiten das in den Fign. 4 und 5 gezeigte Positionssteuerprogramm für jede Dimension ein, um das Roboterglied aufeinanderfolgend zu den entsprechenden Positionen zu bewegen.
Der Befehl 139 "Search Z (Z suchen)" (Fig. 11) zeigt die Erzeugung einer speziellen Bewegungsbahninformation für Z an. Diese Information besitzt eingebettete Befehle zum Suchen der Achse Z in der Abwärtsrichtung mit einer gegebenen Geschwindigkeit, bis "Berührung" erfaßt wird. Im Schritt 141 startet "GO Z PENDINM XY" eine "Suche Z", sobald X und Y vollständig bei Xg, Yg angelangt sind. Diese spezielle Bewegungsbahninformation wird wiederum dem Positionssteuergerät zugeführt, das die in den Fign. 4 und 5 dargestellten Operationen durchführt, um das Roboterglied zu der gewünschten Position zu bringen. Der GO-Befehl 143 erzeugt einen Interrupt für das zugeordnete Gerät, sobald ein Aufsetzen bzw. eine Berührung bei der Bewegung nach unten aufgetreten ist.
Das vorstehende bevorzugte Ausführungsbeispiel erreicht die Kombination aus offenschleifiger und rückgekoppelter Steuerung, um einen Roboter oder ein anderes Element genauer zu positionieren. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel koordiniert die Bewegung von mehreren Achsen durch Steuerung der Position und Geschwindigkeit während des gesamten Bereichs der Bewegung, wie in Verbindung mit Fig. 7 dargestellt ist. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß verschiedene Modifikationen und Anpassungen des offenbarten bevorzugten Ausführungsbeispiels getroffen werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Es versteht sich daher, daß die Erfindung innerhalb des Rahmens der beigefügten Ansprüche auch in anderer Weise als hier speziell beschrieben in die Praxis umgesetzt werden kann.

Claims

1. Für eine Roboteranlage geeignete Achsensteuerung, die für eine Speisung mit einer Zielpfad-Positionsinformation (XK-1, XK, XK+1) für die Erzeugung eines Positionssteuersignals zur Feststellung einer aktuellen Achsenposition ausgelegt ist und aufweist:

eine Einrichtung (17; 37) zum Erzeugen eines Offenschleifen-Positionssteuersignals (UOPENLOOP(K)) aus der Zielpfad-Positionsinformation, die das einzige positionsbezogene Signal ist, das zur Erzeugung des Offenschleifen-Positionssteuersignals eingesetzt wird,

eine Einrichtung (27, 21; 37) die auf die aktuelle Achsenposition und auf die Zielpfad-Positionsinformation (XK) zur Erzeugung eines Rückkopplungssteuersignals (UFEEDBACK(K)) anspricht,

eine Einrichtung (29; 37, 27) zur Erzeugung eines Positionssteuersignals (UTOTAL(K)) aus dem Offenschleifen-Positionssteuersignal und dem Rückkopplungssteuersignal,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (17; 37) zur Erzeugung des Offenschleifen-Positionssteuersignals eine Übertragungsfunktion (1/G(Z)) auf die Zielpfad-Positionsinformation anwendet, um das Offenschleifen-Positionssteuersignal zu erzeugen, wobei die Übertragungsfunktion die Inversion der Übertragungsfunktion (G*(Z)) eines Modells der Anlage ist.

2. Achsensteuerung nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung (17; 37) zur Erzeugung des Offenschleifen-Positionssteuersignals ein Filter zur Anwendung der Übertragungsfunktion auf die Zielpfad-Positionsinformation aufweist.

3. Achsensteuerung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Einrichtung (27, 21; 37) zur Erzeugung des Rückkopplungssteuersignals eine Einrichtung (27) zum Subtrahieren eines die Zielpfad-Positionsinformation repräsentierenden Signals von einem die aktuelle Achsenposition repräsentierenden Signal für die Erzeugung eines Fehlersignals (E(K)), und eine Einrichtung (21) zum Anwenden einer Rückkopplungssteuerungs-Übertragungsfunktion (D(Z)) auf das Fehlersignal (E(K)) zur Erzeugung des Rückkopplungssteuersignals aufweist.

4. Achsensteuerung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Einrichtung (29, 37, 27) zur Erzeugung des Positionssteuersignals eine Einrichtung (29) zur Addition des Rückkopplungssteuersignals und des Offenschleifen-Steuersignals zur Erzeugung des Positionssteuersignals umfaßt.

5. Achsensteuerung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei der die Einrichtung zur Erzeugung des Offenschleifen-Positionssteuersignals, die Einrichtung zur Erzeugung des Rückkopplungssteuersignals und die Einrichtung zur Erzeugung des Positionssteuersignals eine digitale Verarbeitungseinrichtung (28; 40; 41) aufweisen, wobei die Zielpfad-Positionsinformation in digitaler Form bereitgestellt wird.

6. Achsensteuerung nach Anspruch 5, bei der die Einrichtung (29; 37, 27) zur Erzeugung des Positionssteuersignals eine Digital/Analog-Wandlereinrichtung (27) zur Erzeugung eines analogen Positionssteuer-Ausgangssignals aufweist.

7. Roboteranlage mit einer Achsensteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anlage weiterhin

eine Verstärkereinrichtung (29) zum Verstärken des abgegebenen Positionssteuersignals,

eine Motoreinrichtung (34) zur Bereitstellung einer positionsmäßigen Bewegung in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Verstärkereinrichtung und

eine Kodiereinrichtung (35) zum Verfolgen der Positionsbewegung der Motoreinrichtung für die Bestimmung der aktuellen Position der Anlage aufweist.

8. Roboteranlage nach Anspruch 7, bei der die Verstärkereinrichtung (27) eine spannungsgesteuerte Verstärkereinrichtung aufweist.

9. Zur Steuerung von Achsenpositionen in einer Roboteranlage geeignetes Verfahren, bei dem ein aktuelles Achsensteuersignal aus der Zielpfad-Positionsinformation (XK-1, X(K) XK+1) erzeugt wird und das die Schritte aufweist:

Erzeugen eines Offenschleifen-Positionssteuersignals (UOPENLOOP(K)) aus der Zielpfad-Positionsinformation, wobei die Zielpfad-Positionsinformation die einzige positionsbezogene Information ist, die zur Erzeugung des Offenschleifen-Positionssteuersignals eingesetzt wird,

Erzeugen eines Rückkopplungssteuersignals (UFEEDBACK(K)) aus der aktuellen Achsenposition und aus der Zielpfad-Positionsinformation (XK),

Erzeugen eines Positionssteuersignals (UTOTAL(K)) aus dem Offenschleifen-Positionssteuersignal und aus dem Rückkopplungssteuersignal,

dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Erzeugung des Offenschleifen-Positionssteuersignals das Anwenden einer Übertragungsfunktion (1/G(Z)) auf die Zielpfad-Positionsinformation zur Erzeugung des Offen

schleifen-Positionssteuersignals enthält, wobei die Übertragungsfunktion die Umkehrung der Übertragungsfunktion (G*(Z)) eines Modells der Anlage ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt der Erzeugung des Offenschleifen-Positionssteuersignals das Filtern der Zielpfad-Positionsinformation (XK1, XK, KK+1) für die Anwendung der Übertragungsfunktion (1/G(Z)) auf diese umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der Schritt der Erzeugung des Rückkopplungssteuersignals das Subtrahieren eines die Zielpfad-Positionsinformation repräsentierenden Signals von einem die aktuelle Achsenposition repräsentierenden Signal für die Erzeugung eines Fehlersignals (EK) und das Anwenden einer Rückkopplungssteuer-Übertragungsfunktion (D(Z)) auf das Fehlersignal (EK) zur Erzeugung des Rückkopplungssteuersignals umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, bei dem die Schritte der Erzeugung des Offenschleifen-Positionssteuersignals, der Erzeugung des Rückkopplungssteuersignals und der Erzeugung des Positionssteuersignals auf der Basis digitaler Daten durchgeführt werden.