DE68919801T2

DE68919801T2 - Verfahren zur kollisionsermittlung von beweglichen, mittels servomotoren angetriebenen gegenständen.

Info

Publication number: DE68919801T2
Application number: DE68919801T
Authority: DE
Inventors: Masayuki Room - Hamura; Tetsuaki Room - Kato; Yasuo Room - Naito; Nobutoshi Torii
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1988-03-10
Filing date: 1989-03-07
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2009-03-08
Also published as: KR900700247A; EP0365681A1; EP0365681A4; DE68919801D1; US5119006A; EP0365681B1; KR960005985B1; WO1989008538A1; JPH01230107A

Description

Verfahren zur Erfassung eines abnormen Betriebs eines Maschinenbetriebsteils

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kollisionsermittlung, das eine Kollision von durch Servomotoren getriebenen Maschinenbetriebsteilen mit einem Fremdkörper unverzüglich ermitteln kann.
Während des Betriebs einer Maschine tritt, wenn sich ein Fremdkörper, der in den Arbeitsbereich eines Maschinenbetriebsteils gerät, gegenseitig mit diesem Betriebsteil stört, die Möglichkeit einer Behinderung des normalen Betriebs oder einer Beschädigung der Maschine auf. Herkömmlicherweise sind verschiedene Verfahren eingesetzt worden, um eine derartige Schwierigkeit zu vermeiden.
Beispielsweise wird eine Kollision eines Maschinenbetriebsteils mit einem Fremdkörper durch Benutzung eines Berührungssensors, der auf der äußeren Oberfläche des Maschinenbetriebsteils montiert ist, erfaßt. Die Benutzung des Sensors bringt indessen eine Erhöhung der Kosten der Maschine mit sich, und es ist nicht möglich, eine Kollision des Maschinenbetriebsteils mit einem Fremdkörper zu erfassen, die außerhalb des Erfassungsbereichs des Sensors auftritt.
Bei derartigen Maschinen, in denen die Maschinenbetriebsteile derselben durch Servomotoren getrieben werden, ist bekannt, eine Kollision eines Maschinenbetriebsteils mit einem Fremdkörper durch Erfassen eines Ansteigens des Treiberstroms für den entsprechenden Servomotor bei Überschreitung eines vorbestimmten Unterscheidungswerts aufgrund der Kollision zu ermitteln. Indessen verstreicht Zeit von der Erfassung der Kollision an, bis der Treiberstrom des Servomotors tatsächlich den Unterscbeidungswert erreicht, und daher ist eine zeitliche Verzögerung bei der Kollisionsermittlung unvermeidlich. Demzufolge kann die Kollision eine größere Beschädigung mit sich bringen.
Bei anderen Arten von Maschinen, z. B. industriellen Robotern, wird ein Kollisionsermittlungs-Prozeß durch einen eingebauten Computer in Übereinstimmung mit einem Sensorausgangssignal oder dem erfaßten Wert des Servomotor-Treiberstroms ausgeführt. Das bedeutet, daß bei Maschinen dieser Art der Kollisionsermittlungs-Prozeß durch den Computer ausgeführt wird, der für die Roboter-Steuerung benutzt wird. In anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß sowohl der Kollisionsermittlungs-Prozeß als auch die Roboter-Steuerung durch denselben Computer ausgeführt werden. Die Roboter-Steuerung enthält indessen eine Vielfalt von komplizierten Datenverarbeitungs-Vorgängen, und dementsprechend werden die Perioden des Steuerungsprozesses und des Kollisionsermittlungs-Prozesses unvermeidbar lang. Infolgedessen ist eine Zeit zwischen der Kollisionsermittlung und der Beendigung des Kollisionsermittlungs-Prozesses erforderlich, und demzufolge ergibt sich eine weitere Vergrößerung der zeitlichen Verzögerung der Kollisionsermittlung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das in der Lage ist, unverzüglich eine Kollision von durch Servomotoren getriebenen Maschinenbetriebsteilen mit einem Fremdkörper zu ermitteln und eine Beschädigung der Maschine aufgrund der Kollision zu verhindern oder gering zu halten usw..
Gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist es bereits bekannt, einen abnormen Betrieb eines Maschinenbetriebsteils, das durch einen Motor getrieben wird, zu erfassen, hierzu vergl. US-A-4,698,773 u. GB-A-2,140,951.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen zur Erfassung eines abnormen Betriebs eines Maschinenbetriebsteils, das durch einen Servomotor getrieben wird, mit Schritten zum
(a) Erfassen eines vorbestimmten Parameters, der sich auf eine Antriebskraft des Servomotors bezieht, in ersten vorbestimmten Perioden und
(b) Entscheiden, daß ein abnormer Betrieb des Maschinenbetriebsteils aufgetreten ist, wenn der erfaßte vorbestimmte Parameter größer als ein vorbestimmter Wert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der abnorme Betrieb des Maschinenbetriebsteils eine Kollision desselben ist und der erfaßte vorbestimmte Parameter der Betrag der Anderung eines Parameters über eine zweite vorbestimmte Periode hinweg ist, wobei dieser Parameter entweder einen Drehmomentbefehlswert, welcher dem Servomotor zugeführt wird, oder eine Abweichung zwischen einem Geschwindigkeitsbefehl, der dem Servomotor zugeführt wird, und einer Istgeschwindigkeit des Servomotors enthält.
Vorzugsweise wird die erste vorbestimmte Periode, in welcher der vorbestimmte Parameter erfaßt wird, auf einen Wert eingestellt, der kürzer als eine Periode des Maschinensteuervorgangs ist. Ferner ist der erfaßte vorbestimmte Parameter vorzugsweise die Differenz zwischen Werten des Drehmomentbefehls oder der Geschwindigkeitsabweichung, die in einer vorhergehenden Periode und einer augenblicklichen Periode erfaßt sind, wobei der Wert der zweiten vorbestimmten Periode gleich demjenigen der ersten vorbestimmten Periode ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Kollision des Maschinenbetriebsteils, das durch den Servomotor getrieben wird, erfaßt, wenn der Betrag der Änderung eines Kollisionsunterscheidungs-Parameters, der in vorbestimmten Perioden erfaßt wird, größer als der vorbestimmte Wert wird. Daher kann eine Kollision des Maschinenbetriebsteils unverzüglich ohne die Notwendigkeit der Benutzung eines speziellen Sensors erfaßt werden, und eine Beschädigung der Maschine usw. aufgrund der Kollision kann dementsprechend verhindert werden oder klein gehalten werden.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild, das einen wesentlichen Teil eines industriellen Roboters darstellt, auf den das Verfahren zur Kollisionsermittlung gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet ist.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild in Form einer Darstellung von Übergangsfunktionen der Charakteristik eines Servosystems für eine Achse des Roboters.
Gemäß Fig. 1 hat ein industrieller Koboter eine Anordnung, die grundsätzlich einer betreffenden herkömmlichen ähnlich ist und einen Robotermechanismus 13 zum Erfüllen vorbestimmter Aufgaben an einem Gegenstand, der verschiedene Sensoren (nicht gezeigt) hat, eine Steuereinheit, die verschiedene später zu beschreibende Elemente hat, zum Steuern des Robotermechanismus 13 sowie verschiedene Sensoren (nicht gezeigt) umfaßt.
Der Robotermechanismus 13 hat vexschiedene Betriebsteile, z. B. einen Satz von Armen, und ein Endwirkorgan, das auf dem körperfernen Ende des Arms montiert ist. Jedes der Betriebsteile (wovon nur eines mit dem Bezugszeichen 13a gezeigt ist) wird geradlinig bewegt oder relativ zu einer oder mehreren Achsen derselben durch einen zugeordneten Aktor oder zugeordnete Aktoren gedreht. Die Aktoren umfassen jeweils einen Servomotor (nur einer davon ist mit dem Bezugszeichen 13b gezeigt), der vorzugsweise mit einem Geschwindigkeitsdetektor 13c versehen ist.
Die Steuereinheit umfaßt einen Haupt-Computer 1 für die Roboter-Steuerung, welcher einen Mikroprozessor, einen ROM, der ein Steuerprogramm gespeichert hat, das durch den Mikroprozessor ausgeführt wird, und einen RAM zum vorübergehenden Speichern von Daten usw. enthält und ist vorgesehen, um einen Bewegungsbefehl für die einzelnen Achsen des Roboters aus zugeben.
Eine Achsensteuereinrichtung 2 arbeitet mit den einzelnen Servomotoren des Roboters und Servoverstärkern, die diesen zugeordnet sind (nur einer davon ist mit dem Bezugszeichen 12 gezeigt) zusammen, um digitale Servosysteme für die betreffende. Achsen, d. h. Software-Systeme, zu bilden. Im einzelnen hat die Achsensteuereinrichtung 2 einen digitalen Signalprozessor (nicht gezeigt), der eine Positionssteuerfunktion 21, eine Geschwindigkeitsregelfunktion 22 und eine Integrationsfunktion 24 hat, die in Fig. 2 gezeigt sind, und vorgesehen ist, um einen Drehmomentbefehl in Übereinstimmung mit dem Bewegungsbefehl aus zugeben, der von dem Haupt-Computer 1 an einen Servoverstärker ausgegeben wird, welcher mit dem zugeordneten Servomotor zusammenarbeitet, um eine Steuercharakteristik 23, die in Fig. 2 gezeigt ist, zu schaffen. In Fig. 2 bezeichnen Kp u. Kv jeweils den Positions-Gegenkopplungsgrad und den Geschwindigkeits-Gegenkopplungsgrad der Achsensteuereinrichtung 2. Kt bezeichnet die Drehmomentkonstante des Servomotors, und J bezeichnet das Gesamtträgheitsmoment, welches auf die Ausgangswelle des Servomotors einwirkt.
Die Steuereinheit 1 umfaßt ferner eine Eingabe/Ausgabe- Einheit 3, die mit den verschiedenen Sensoren des Roboters, den verschiedenen Aktoren und den verschiedenen Sensoren des Werstücks 14 verbunden ist, eine serielle Schnittstelle 4, die mit einer Lerneinrichtung 7 und einem Bedienungsfeld 9 verbunden ist, einen RAM 5 als einen Datenspeicher mit einer Stützbatterie 8, und eine Stromversorgungsschaltung 6, der elektrische Energie durch einen Eingangstransformator 11 und eine Eingangseinheit 10 zugeführt wird. Ferner ist die Steuereinheit derart ausgeführt, daß dem Haupt-Computer 1 und den zuvor angegebenen Elementen 2 bis 5, die mit dem Computer 1 verbunden sind, durch die Stromversorgungsschaltung 6 und dem Robotermechanismus 13 durch die Eingangseinheit 10 elektrische Energie zugeführt wird und daß außerdem den Servoverstärkern 12 durch die Eingangseinheit 10 und einen Servotransformator 15 elektrische Energie zugeführt wird.
Im folgenden wird die Arbeitsweise des Roboters, der wie zuvor beschrieben aufgebaut ist, beschrieben.
Vor dem Starten des Roboters betätigt die Bedienungsperson die Lerneinrichtung 7 und das Bedienungsfeld 9, um den Roboter in ejner herkömmlichen Art und Weise zu unterweisen, wodurch in dem RAM 5 Unterweisungsdaten gespeichert werden.
Wenn der Roboter betrieben wird, führt der Haupt-Computer 1 nacheinander verschiedene Steuervorgänge in vorbestimmten Perioden aus. Die Steuervorgänge enthalten z. B. einen Prozeß zum Berechnen von Bewegungsbefehlen für die einzelnen Achsen des Roboters in Übereinstimmung mit den Unterweisungsdaten, die in dem RAM 5 gespeichert sind.
Der digitale Signalprozessor der Achsensteuereinrichtung 2 führt eine Positionssteuerung, eine Geschwindigkeitsregelung und eine Drehmomentregelung (Servoregelvorgang) für die einzelnen Achsen des Roboters sowie einen Kollisionsermittlungsvorgang, der später zu beschreiben sein wird, in Perioden, die kürzer als diejenigen der Steuer- und Regelvorgänge sind, mittels des Haupt-Computers 1 aus. Das bedeutet, daß der digitale Signalprozessor in einer Steuervorgangsperiode das Ausgangssignal des Geschwindigkeitsdetektors 13c, der auf einen Servomotor 13b montiert ist, wie dies durch ein Bezugszeichen 24 in Fig. 2 angegeben ist, integriert, welches Ausgangssignal sich auf die zuvor Steuervorgangsperiode bezieht und die Geschwindigkeit V dieses Servomotors repräsentiert, um so eine Ist-Drehposition Pf des Servomotors 13b zu berechnen, und dann einen Geschwindigkeitsbefehl Vc für diesen Servomotor in Übereinstimmung mit der Differenz (Positionsabweichung) &epsi;p zwischen der Soll-Position (Bewegungsbefehl) Pc aus dem Haupt-Computer 1 und der Ist- Motorposition Pf berechnet. Der digitale Signalprozessor berechnet dann einen Drehmomentbefehl Tqc in Übereinstimmung mit der Differenz (Geschwindigkeitsabweichung) &epsi;v zwischen dem berechneten Geschwindigkeitsbefehl Vc und der Ist-Motorgeschwindigkeit V, unterzieht den berechneten Drehmomentbefehl Tqc einer D/A-Wandlung und gibt das Ergebnis an den Servoverstärker 12 aus. Der Servoverstärker 12 veranlaßt, daß ein Treiberstrom entsprechend dem Drehmomentbefehl Tqc durch den Servomotor 13b fließt, um den Servomotor bei der Geschwindigkeit V zu drehen, um dadurch das zugeordnete Roboter-Betriebsteil 13a zu treiben.
Während des Betriebs des Roboters führt der digitale Signalprozessor der Achsensteuereinrichtung 2 den Kollisionsermittlungsvorgang vorzugsweise in jeder der zuvor genannten Perioden des Servosteuervorgangs (im allgemeinen einmal über mehrere Perioden des Servosteuervorgangs hinweg) aus. Das bedeutet, daß die Differenz &epsi;v - &epsi;v' zwischen der Geschwindigkeitsabweichung &epsi;v', die in der vorhergehenden Periode berechnet ist (im allgemeinen mehrere Perioden vorher berechnet) und der Geschwindigkeitsabweichung &epsi;v, die in der augenblicklichen Periode berechnet ist oder die Differenz Tqc - Tqc' zwischen dem Drehmomentbefehl Tqc', der in der vorhergehenden Periode berechnet ist, und dem Drehmomentbefehl Tqc, der in der augenblicklichen Periode berechnet ist (im allgemeinen der Betrag der Änderung der Geschwindigkeitsabweichung oder ein äquivalenter Drehmomentbefehl innerhalb einer Vielzahl von Perioden des Servosteuervorgangs) gewonnen wird. Dann wird bestimmt, ob die gewonnene Differenz (der Betrag der Änderung) größer als der entsprechende vorbestimmte Wert ist, welcher auf einen Wert gesetzt ist, der größer als der Maximalwert ist, welcher während eines normalen Betriebs des Roboters angenommen werden kann. Falls die Differenz (der Betrag der Änderung) &epsi;v - &epsi;v' oder Tqc - Tqc' kleiner als der entsprechende vorbestimmte Wert ist, wird entschieden, daß keine Kollision zwischen dem Roboter-Betriebsteil 13a und einem Fremdkörper stattgefunden hat, und die Geschwindigkeitsabweichung &epsi;v oder Tqc, die in der augenblicklichen Periode berechnet ist, wird in einem entsprechenden Register in dem digitalen Signalprozessor gespeichert, um auf diese Weise den Kollisionsermittlungsvorgang für die augenblickliche Periode zu beenden.
Wenn das Roboter-Betriebsteil 13a kollidiert, z. B. mit einem Fremdkörper, der in den Arbeitsbereich des Betriebsteils geraten ist, sinkt die Ist-Drehgeschwindigkeit V des Servomotors 13b ab. In einem solchen Fall wird die Geschwindigkeitsabweichung &epsi;v (= Vc - V), die durch den digitalen Signalprozessor in der Periode des Servosteuervorgangs unmittelbar nach der Kollision berechnet ist, plötzlich erhöht, und demzufolge wird der Drehmomentbefehl Tqc, der durch den Prozessor ausgegeben wird, ebenfalls plötzlich erhöht. Dementsprechend wird in dieser Periode des Servosteuervorgangs (im allgemeinen eine bis mehrere Peri - oden später) die Differenz (der Betrag der Änderung) &epsi;v - &epsi;v' oder Tqc - Tqc' größer als der entsprechende vorbestimmte Wert, wodurch der digitale Signalprozessor bestimmt, daß eine Kollision stattgefunden hat. In diesem Fall setzt der Prozessor den Wert Tqc des Drehmomentbefehlsregisters z. B. auf "O", so daß dem Servomotor 13b kein Treiberstrom zugeführt wird und demzufolge die Motordrehung gestoppt wird.
Durch die Kollisionsermittlung, die zuvor beschrieben ist, kann eine Kollision in einer Periode des Servosteuervorgangs unmittelbar nach dem Auftreten der Kollision (im allgemeinen mehrere Perioden später) erfaßt werden, und dementsprechend ist die zeitliche Verzögerung maximal gleich einer Periode des Servosteuervorgangs (im allgemeinen mehrere Perioden) des digitalen Signalprozessors, wodurch die Kollisionsermittlung schneller als in dem Fall der Benutzung des Haupt-Computers 1 für diesen Zweck ist.

Claims

1. Verfahren zur Erfassung eine abnormen Betriebs eines Maschinenbetriebsteils, das durch einen Servomotor getrieben wird, mit Schritten zum

(a) Erfassen eines vorbestimmten Parameters, der sich auf eine Antriebskraft des Servomotors bezieht, in ersten vorbestimmten Perioden und

(b) Entscheiden, daß ein abnormer Betrieb des Maschinenbetriebsteils aufgetreten ist, wenn der erfaßte vorbestimmte Parameter größer als ein vorbestimmter Wert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der abnorme Betrieb des Maschinenbetriebsteils eine Kollision desselben ist und der erfaßte vorbestimmte Parameter ( &epsi;v - &epsi;v' oder Tqc - Tgc' ) der Betrag der Änderung eines Parameters (&epsi;v oder Tqc) über eine zweite vorbestimmte Periode hinweg ist, wobei dieser Parameter (&epsi;v oder Tqc) entweder einen Drehmomentbefehlswert (Tqc), welcher dem Servomotor zugeführt wird, oder eine Abweichung (&epsi;v) zwischen einem Geschwindigkeitsbefehl (Vc), der dem Servomotor zugeführt wird, und einer Istgeschwindigkeit (V) des Servomotors enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste vorbestimmte Periode auf einen Wert eingestellt ist, der kürzer als eine Periode ist, in welcher verschiedene Regelungsvorgänge einschließlich einer Ausgabe eines Bewegungsbefehls an den Servomotor durch einen Hauptcomputer einer Maschine, auf die das Verfahren angewendet wird, ausgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite vorbestimmte Periode auf einen Wert eingestellt ist, der gleich dem der ersten vorbestimmten Periode ist, und der Betrag der Parameter-Änderung die Differenz ist zwischen einem Wert des Kollisionserkennungs-Parameters, der in einer vorhergehenden Periode erfaßt ist, und einem Wert desselben Parameters, der in einer augenblicklichen Periode erfaßt ist.