DE8708844U1 - Vorrichtung zur Lageregelung insbesondere eines Gelenkantriebs eines Industrieroboters mit Führungsgrößenkorrektur - Google Patents

Description

FISW Forsohungs-^ und Ingeriieürgesellschaft für Steuerungstechnik GmbH, Rosenbergsträße 23, 7ÖOÖ Stuttgart I

Vorrichtung zur Lageregelung insbesondere

eines Gelänkantriebes eines Industrieroboters mit

Führungsgrößenkorrektur

Bei bekannten Verfahren zur Lageregelung von Gelenkantrieben ■

wird ein Referenzpunkt üblicherweise über einen inkremen- j

talen Geber auf einer Welle eines Antriebsmotors,, d.h. auf 1

der Eingangsseite eines sich anschließenden Getriebes, |

abgeleitet. Dieser inkrementale Geber erzeugt pro Umdrehung *

einen definierten Impuls als Referenzpunkt sowie eine (

bestimmte Anzahl von inkrementalen Signalen, die einerseits \

zur Drehzahlregelung des Motors verwendet werden, und die |

andererseits über einen Zähler in Absolutwerte bezüglich !

seines Referenzpunktes umgeformt und mit den jeweiligen |

absoluten Wegvorgabe-Sollwerten zu einer Führungsgröße | addiert werden„ Bedingt durch Verformungen und Spiel kann

jedoch die Stellung der Motorwelle auf der Getriebeeingangs- f seite von der entsprechend zugeordneten Stellung auf der

Getriebeausgangsseite abweichen, d.h. eine unzulässige :

Winkelverschiebung am Getriebeausgang auftreten. Durch die j

ausschließlich auf der Motorwelle bzw. am Getriebeeingang ■

angeordnete Wegerfassung werden derartige Abweichungen >

während der Bewegung nachteiligerweise nicht erfaßt, was zu .

Ungenauigkeiten der Bewegung führt. Da außerdem bei bekann- j

Zeppelinstr. 53, D-8000 München 80 „„ i

Telefon (089) 484095-96.Telefax(089) «SisSf,- ·"■ -ü' .;\ : DeutscheB_ankAGMÜnchen(BLZ70070010)7090020 f

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ten Verfahren am Getriebeäüsgarig lediglich ein einziger Referenzpunkt über den gesamten Bewegungsbereich abgeleitet Wird/ ist eine Referenzpunktfahrt oft sehr lang, da aus jeder Lage heraus zunächst der Referenzpunkt angefahren werden muß* Weiterhin geht bei den bisherigen Verfahren mit inkrementalen Gebern bei einem eventuellen Spannungsausfall uJiC 5uSCJ.Uuc &eegr;-i-ITrCczjLLczCpc VSrjOrSH

derzeit nur durch eine Batteriepufferüng vermieden werden, mit der diejenigen inkremente gezählt werden, die eventuell nach dem Abschalten verfahren werden. Diese Art der Absolutwerterfassung ist aber konstruktiv sehr aufwendig und folglich teuer.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der beschriebenen Art anzugeben, womit die Regelung mit einfachen Mittein hinsichtlich der auftretenden Winkelverschiebungen zwischen Getriebeein- und ausgang präzisiert sowie die Referenzpunktfahrt verkürzt werden kann, wobei auftretende Spannungsausfälle unschädlich sein sollen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht,, daß als Referenzpunktgeber ein am Getriebeausgang angeordneter Absolutwertgeber verwendet wird, der in Abhängigkeit von der Stellung des Gelenkes am Getriebeausgang eindeutige, absolute Wegsignale erzeugt, daß die absoluten Wegsignale mit den absoluten, inkrementalen Signalen des inkrementalen Gebers verglichen werden, und daß die Führüngsgröße auf der Basis dieses Vergleichs korrigiert wird. Der Absolutwertgeber weist eine vorgegebene Schrittzahl pro Umdrehung auf. Aus diesen Schritten wird vorteilhafterweise ein Takt abgeleitet, mit dem zur Fühxungsgrößenkorrektur die Abweichung zwischen den inkremental erfaßten Absolutwerten und dem jeweiligen Wert des Absolutwertgebers bestimmt und zur Führungsgröße addiert wird. Der Absolutwertgeber liefert

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vox'teilhafterweise auch eirien Nullimpüls für die Äbsoiütwertbildüng aUö den inkrementalen Werten.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden vorteilhafter*· weise jegliche Abweichungen zwischen Getriebe-Ein- und Ausgang erfaßt und selbsttätig nachgeführt. Aufgrund der

Erfindung auch nach Spannungswiederkehr diejenige Lage exakt wieder angefahren werden, die bei einem Spannungsausfall vorlag. Gegenüber der bekannten Lageregelung wird die Referenzpunktfahrt durch die vorliegende Erfindung erheblich verkürzt, da ja eine wesentlich größere Anzahl von Referenzpunkten über den Bewegungsbereich des Antriebes abgeleitet wird. Hierdurch ist aber weiterhin auch eine permanente Referenzpunktüberwachung möglich.

Zudem wird durch die Erfindung die Möglichkeit geschaffen, eine bei üblichen Absolutwertgebern auftretende Inkonstanz der zeitlichen Länge des Taktes, d.h. des Abstandes zwischen Jeweils zwei Schritten, wodurch auch die Anzahl der irkre-■lentalen Signale des» inkrementalen Gebers pro Takt des Absölutwertgebers inkonstant ist, auszugleichen. Hierzu ist es in einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, die Anzahl der inkrementalen Signale für jeden definierten Takt des Absolutwertgebers zu zählen, tabellenartig zu speichern, als Korrekturwerte durch den Takt jeweils abzurufen und die Führungsgröße entsprechend zu korrigieren. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme ist es möglich, sehr preiswerte Absolutwertgeber trotz deren Ungenauigkeit hinsichtlich der Konstanz der Schrittweite zu verwenden, ohne die Genauigkeit der gesamten erfindungsgemäßen Lageregelung zu reduzieren.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Anspruches 6. Weitere

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Vorteilhafte Äusgestaltüngsmerkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie der folgenden Beschreibung enthalten.

Anhand der Zeichnung soll im folgenden die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden- Dabei zeigen:

iT-ig* 1 ein schematisches Blockschaltbild einer errindungägemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels für einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren korrigierteii Verlauf der Führungsgröße.

Ein Antriebsmotor 2 ist über seine Welle mit dem Eingang eines Getriebes 4 verbunden. Das Getriebe 4 weist im dargestellten Beispiel ein Übersetzungsverhältnis von 100 : 1 auf. Auf der Motorweile ist ein inkrementaler Geber c angeordnet, der eine vorzugsweise einstellbare Auflösung, d.h. Schrittweite, aufweist. Beispielsweise erzeugt der inkrementale Geber 6 pro Umdrehung 1000 bis 2500 Schrittimpulse, die einerseits über eine übliche Rückführung 8, einen Lageregler 9 und einen Verstärker 10 zur Lage- und Drehzahlregelung des Motors 2 verwendet werden. Andererseits werden die Schrittimpulse über einen Zähler 12 in absolute, inkrementale Werte X_{3 T} ur.igeformt, die ihrerseits die absolute Winkellage des Antriebes repräsentieren.

Da diese absolute Winkellage bei einem eventuellen Spannungsausfall verlorengehen würde, sowie um die Präzision der Regelung zu erhöhen, ist nun erfindungsgernäß am Ausgang des Getriebes 4 zusätzlich ein Absolutwertgeber 14 angeordnet, der in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Welle am Ausgang des Getriebes 4 eindeutige, absolute Wegsignale X_i erzeugt. Der Absolutwertgeber 14 weist eine vorgegebene

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Schrittzahl, z.B. 256 Schritte, pro Umdrehung auf, so daß ein Schritt einer definierten Winkeländerung, z.B. 1,-4°, entspricht, und führt ausgehend von einer Null- oder Mittelstellung +/- eine Umdrehung aus, wobei aber aufgrund der Eindeutigkeit der Absolutwerte der Antrieb vorteilhafterweise aus jeder beliebigen Stellung, also nicht nur aus der Nullstellung, gestartet werden kann, da jedes Signal X₁ eine eindeutige Winkelstellung des Getriebeausganges angibt, so daß auch ein Spannungsausfall unschädlich ist. Aus den Schritten des Absolutwertgebers 14 wird erfindungsgemäß ein Takt T abgeleitet, mit dem in einem Vergleicher die Abweichung X_{3 T} - X₁ zwischen den inkremental erfaßten Absolutwerten X_{3 T} und dem ermittelten Viert X₁ des Absolutwertgebers 14 bestimmt und in einem Summierer 18 einer vorläufigen Führungsgröße X₃' aufaddiert wird, wodurch sich die eigentliche Führungsgröße X₃ ergibt, mit der über den Lageregler 9 der Verstärker 10 des Antriebsmotors 2 angesteuert wird.

Eine Eingabe von absoluten Wegvorgabe-Sollwerten S_B, üblicherweise bezogen auf ein definiertes Koordinatensystem, erfolgt über einen Interpolator 20, dem als Referenzpunkt ebenfalls das jeweilige absolute Wegsignal X₁ zugeführt wird. Ausgangsgröße des Interpolators 20 ist die vorläufige Führungsgröße X₃ ', die dem Summierer 18 zugeführt wird.

Erfindungsgemäß wird somit nach Maßgabe der Auflösung (Schrittweite) des Absolutwertgebers 14 für jeden neuen Werteübergang (Schritt) ein Abgleich des inkrementalen Gebers 6 durch Vergleich der beiden Werte X_3x und X₁ und Addition des Differenzwertes X_9T - X₁ zur Führungsgröße des LägeSegelkreises, d₄h,. 3i_ä « X_s ♦ + (X_s1, «= X₁), erzwungen. Hierbei erfolgt ein öJl'ßtör Abgleich des Gesamtsystems vom nächst aftgefahrenön

Der Absolutwertgeber 14 liefert erfindungsgemäß neben dem Referenzpunkt für den Interpolator 20 auch den Nullimpuls für die Absolutwertbildung aus den inkrementalen Signalen in dem Zähler 12.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine zusätzliche Korrektur der absoluten Wegsignale X₁ des Absolutwertgebers 14 vorgesehen (in Fig. 1 innerhalb der Strichpunktlinie dargestellt), die auch eine Verwendung von konstruktiv einfachen und preiswerten Absolutwertgebern gestattet, bei denen allerdings die zeitliche Länge des Taktes T, d.h. der Abstand zwischen jeweils zwei Schritten, möglicherweise inkonstant ist. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Anzahl der inkrementalen Signale X_ST für jeden definierten Takt T zu zählen und tabellenartig in einem Speicher 22 zu speichern. Die Korrekturwerte werden durch den Takt T jeweils aufgerufen, und in einem Korrekturglied 24 wird der jeweilige Wert X₁ anhand der aufgerufenen Korrekturwerte korrigiert.

Aus dem Weg-/Zeit-Diagramm in Fig. 2 wird die Korrektur der Führungsgröße deutlich. Ab dem Zeitpunkt T₁ hat der Vergleich X_3T - X₁ ergeben, daß am Getriebeausgang eine Lageabweichung in die negative Richtung aufgetreten ist, so daß die Führungsgröße X₃' mit dem Wert der Abweichung in die positive Richtung korrigiert w'.rd, wodurch sich die korrigierte Führungsgröße X₃ ergibt. Damit entspricht die Ausgangslage am Getriebe wieder der gewünschten Führungsgröße X₃', d. h. die Lageabweichung ist ausgeglichen.

Im Falle der oben angegebenen Beispiele, wobei der inkrementale Geber 6 1000 bis 2S00 Schrittimpulse pro Umdrehung, der Absölutwertgeber 14 256 Schrittimpulse pro Umdrehung¹ Und das Getriebe 4 ein Übersetzungsverhältnis von 100 : 1 aufweisen/ ergibt Sich, daß der inkrementäle Geber 6 für

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eine Umdrehung des Absolutwertgebers 14 100 Umdrehungen ausführt. 256 Schrittimpulse des Absolutwertgebers 14 entsprechen daher 100.000 bis 250.000 Schrittimpulsen des inkrementalen Gebers 6. Hieraus folgt, daß pro Schrittimpuls oder Takt T des Absolutwertgebers 14 durchschnittlich 390 bis 976 Schrittimpulse des inkrementalen Gebers 6 auftreten.

Die Erfindung ermöglicht durch die Führungsgrößenkorrektur und insbesondere in Verbindung mit der beschriebenen Korrektur der absoluten Wegsignale X₁ eine äußerst präzise Regelung, eine permanente Referenzpunktüberwachung sowie eine Verkürzung der Referenzpunktfahrt. Dabei läßt sich die Erfindung sowohl zur Führungsgrößenkorrektur in räumlichen Koordinatensystemen als auch für Linearachsen anwenden.

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Zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt München &mdash; Wuppertal

Patent Attorneys &mdash; European Patent Attorneys

Patentanwälte

Dr. A. SoIf, Dipl.-Ing. (München)

Chr. Zapf, Dipl.-Ing. (Wuppertal)

Dr. G. Hartmann, Dipl.-Chem. (München)

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FISW Forschungs- und Ingenieurgesellschaft für Steuerungstechnik GmbH, Rosenbergstraße 28, 7000 Stuttgart 1

Schutzansprüche

1. Vorrichtung zur Lageregelung insbesondere eines Gelenkantriebes ei-ies Industrieroboters, wobei der Gelenkantrieb im wesentlichen aus einem Antriebsmotor und einem mit der Motorwelle verbundenen Getriebe besteht, und wobei auf der Motorwelle ein inkrementaler Geber angeordnet ist, der zur Lage- und Drehzahlregelung über einen Lageregler und einen Verstärker elektrisch mit dem Motor verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Getriebes (4) ein Absolutwertgeber (14) angeordnet ist, der mit einem Vergleicher (16) verbunden ist, und daß der inkrementale Geber (6) ebenfalls mit dem Vergleicher (16) sowie der Vergleicher (16) mit einem Führungsgrößen-Summierer (18) verbunden ist.

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Telefon (089) 484095-96, Telefax (009) 484007«' '· j {"{·"{ ^f utsefiö Bank AG München (BLZ 700 70010) 7090020 TeIeX 5214168 sözäd "·· ^: " " " Postglföämt München (BLZ 700100Q0) 74620-809

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der inkrementale Geber (6) über einen Zähler (12) mit dem Vergleicher (16) verbunden ist.

. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Absolutwertgeber (14) über eine aus ?inem Speicher (22) und einem Korrekturglied (24) bestehende Korrektureinrichtung mit dem Vergleicher (16) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsgrößeii-Summierer (18) mit dem Lageregler (9) verbunden ist.

. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Absolutwertgeber (14) mit dem Zähler (12) verbunden ist»

. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Absolutwertgebef (14) mit einem Interpolator (20) sowie der Interpolator (20) mit dem Führungsgremien-Summierer (18) verbunden ist.

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