WO2016141963A1 - Verfahren zur steuerung einer maschine und vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur steuerung einer maschine und vorrichtung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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WO2016141963A1 PCT/EP2015/054816 EP2015054816W WO2016141963A1 WO 2016141963 A1 WO2016141963 A1 WO 2016141963A1 EP 2015054816 W EP2015054816 W EP 2015054816W WO 2016141963 A1 WO2016141963 A1 WO 2016141963A1
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Definitions

  • FA factory automation
  • a gripper which can take only the position "on” or “to” or a track, which stops at a defined number of predetermined positions, at least so between two end positions is movable.
  • a capping station is used in the further course of the description, that is to say a plant which provides a container with a lid.
  • the method is applicable to any FA equipment, this example is not intended to be limiting.
  • To program a new function of an automation system is currently proceeding as follows. After the formal description of a step sequence of the individual steps in the sequence of the function in such an automation system, it is programmed in an automation system, wherein the programmers of the automation system each
  • Step by step so that his diligence in the implementation of the quality of the resulting software decides.
  • the object of the invention to provide a method which makes it possible to describe a function in an automation system, in particular a factory automation, such that the programming of the system and in particular the adaptation of the programming of the system to a changed requirement for the programmer much easier.
  • the inventive method for controlling a machine or a part of a machine wherein the machine or the part of the machine turn of at least one functional
  • Element consists of using a state value for each functional element that describes the current state of the element.
  • the state value is dependent on the type of functional element, it may be, for example, a certain position, a setting of a value, or other. Furthermore, it is not restricted to the state values 0 and 1; further values can be defined if several states exist, for example position
  • a state vector can be formed for the current state of the machine or of the part of the machine.
  • a state transition can be represented by means of a mathematical operator by adding a second state.
  • State vector which corresponds to the state of the machine or the part of the machine after the state transition is calculated.
  • a state matrix may also be formed, consisting of state vectors, representing the sequence of steps for performing a task of the machine or part of the machine.
  • a first state vector describes the start state and each further state vector describes the state after exactly one state transition.
  • the program sequence of the machine or of the part of the machine can be represented by a sequence of operators, which in turn can be mapped in an operator matrix.
  • At least one initialization operation for a functional element which can be used to put the functional element after the application in a defined initial state. If the arm is supposed to be "left" at the beginning of the operation, the arm is initially pushed to the left by surgery, and if the arm is already in the "left” position, the operation will have no further effect here , In the other case, the arm is on the right, or somewhere in between, it is driven by the operation to the desired position. To ensure the defined initial state of the at least one functional element, the associated initialization operation is dependent on the number of possible States of the functional element at least number less executed once.
  • the basic idea for the method according to the invention lies in the use of quantum mechanical notations and calculation methods for describing sequencers in an automation system.
  • Quantum mechanics was developed because classical mechanics was unable to describe the processes in the smallest systems with individual particles (atoms, electrons, ). A detailed description can be found for example on Wikipedia: htt: // de. wikipedia. org / wiki / quantum mechanics.
  • quantum mechanics two essential models have evolved independently: the matrix mechanics from Heisenberg and the shaft mechanics from Schrödinger. The latter later showed the mathematical equivalence of both approaches.
  • the commonality of both notations is the description of the quantum world by means of state vectors, which represent a superposition of all possible individual states of the system. Operators describe the transition from one state to another. The big difference between the two notations is the treatment of time. For Schrödinger, the state vectors are time-dependent and the operators are generally not (special cases such as time-dependent potential are not considered), while in Heisenberg the state vectors are time-independent and the operators describe the time course of a state change.
  • the state vector of the system represents a superposition of all eigenstates of the subsystems.
  • the state vector is written either as a real vector or as a Dirac notation as
  • the operators are matrices that can be mathematically multiplied by the vectors.
  • the result is a new vector that describes a new state.
  • the eigenvectors are n> of the individual components orthonormal.
  • the matrix representation of the operator is diagonal with respect to this basis of eigenvectors.
  • a decisive advantage of the method described is that the possible states of the subsystems and thus of the entire system can be derived automatically and directly from the CAD model. Likewise, mechanical boundary conditions can be considered, such.
  • B. The X-axis may only move when the Z-axis is in the up position.
  • the associated automation program can be created automatically. In this case, no conditions have to be programmed in the sense of "if-then" since the mechanical boundary conditions result directly from the derived matrices.
  • the automation program is thus completely machine-generated and correct in terms of compliance with all boundary conditions. A manual intervention is not necessary.
  • the modified vectors and matrices can be recreated and saved in the program.
  • Another significant advantage of the method according to the invention is the possibility of directly deriving the mathematical calculations from the state model of the plant.
  • the claimed method advantageously shows a special robustness of a state against incorrect operator application. Furthermore, the invention is explained by the figures. It shows
  • Figure la an exemplary system of a so-called
  • FIG. 1b shows the system rotatory gripping unit from FIG. 1a from the side view
  • FIG. 2 shows the representation of the process "concealed” of the system rotary gripping unit
  • FIG. 3 shows the representation of a second process "hood-in" of the system
  • FIG. 4 shows the distribution of the control solution along the kinematic chain of the components of the system
  • Figure 5 shows the distribution of the overall process according to the components
  • FIG. 6 shows the description of the process carried out in the preceding figures in the notation according to the invention.
  • a sequencer in an automation system is a sequence of different state transitions, starting from an initial state
  • the individual components of the exemplary system are shown schematically in FIGS. 1A and 1B. Identical elements are also marked with the same reference numerals.
  • the exemplary system here a Verdeckelungsstation consists of an anchor 100 at the first movement unit with a direction of movement along an axis X is sideways possible.
  • the "0" and the “1” here symbolize the two possible outer positions that movement unit can assume, and at the same time indicate that no further positions of the movement unit in the direction of the X axis are possible in the selected example for the selected functionality or necessary.
  • FIGS. 1 a and 1 b Another direction of movement of the system in the example of FIGS. 1 a and 1 b, in addition to the Z axis, is also an axis of rotation of the rotary gripper unit, R axis.
  • the gripper unit in turn consists of a jaw gripper B 130 and a vacuum gripper V 110.
  • the individual components of the exemplary system can therefore be described as operators X, Z, R, B and V, which can be subdivided again to illustrate individual movement sequences.
  • an operator X "describes • the movement to the lower end position of the x-axis and the operator X + the movement to the upper end position.
  • the x-axis can be moved between the positions x 0 and Xi.
  • ⁇ ⁇ > can thus use the eigenvectors
  • Xi> X + (t)
  • FIG. 6 shows a step sequence with the actions "cover catching up” and “topping up” as well as the return of the system to the initial state on the basis of the example installation described in FIGS. 1a and 1b.
  • FIG. 6 shows this sequence on the basis of the kinematic chain.
  • Each vector describes the condition of the plant after the
  • the first five vectors of Figure 6 describe the inclusion of a lid by the gripper, the other 8 vectors the delivery of the lid, so the application of a lid on the container and close it.
  • Concurrent operators can be combined in a single matrix so that, for example, the x and z axes of a system can be moved not only one after the other but also simultaneously. Only after reaching the resulting intermediate state of the next operator, z. B. on one of the gripper applied.
  • the component x-axis has two endpoints x 0 and Xi, which also represent the possible states of this subsystem.
  • the state vector of this component in vector representation results in:
  • state vectors and operator matrices can be created for the other components.
  • the rotatory gripper unit 11 consists of 3 components, the jaw gripper 131, the vacuum gripper 121 and the rotation axis 111, which are all coordinated , 21, 22, 23.
  • the gripper units 131 and 121 must grip or release the lid, the rotation axis ensures with a rotation of x ° that the lid can be screwed onto the container.
  • FIG. 2b shows the same process as a Gantt chart, whereby the state of the rotary unit is indicated in degrees 112 above, in the center 132 the state of the jaw gripper is plotted and the lower line 122 is the state of the vacuum gripper.
  • Figures 3a and 3b show the representation of an analogous process, with another component, the z-axis
  • Gripping unit, 12, which consists of the rotary gripper unit 11 of Figure 2 and an additional axis, 13.
  • this is by a additional line z shown, which takes on a further movement of the system along the z-axis at the beginning (bottom) and at the end (above) with.
  • the processes of the lower 3 units 112, 132, 122 remain unchanged.
  • the z-axis is also the parent unit of the Gantt chart integrated into this process and displayed in the known manner.
  • FIG. 4 describes the changes of the state vectors of the individual components as well as of the entire state for various actions.
  • the manipulation unit 19 receives the command "top off ()” as a functional call, the x-axis x first executes the command “retrieve cover ()", so move over the cover to position "1.” The Z axis imitates a movement down from, position "1"., then move up, position "2".
  • the rotatory gripping unit ROT which has the suction gripper 129 and the jaw gripper 139, now has to perform the actions “switch on vacuum” and “close gripper”, after which the lid can be brought to the desired position by rotation. Not shown here is the course from this point in time, the gripper opens and returns to the starting position.
  • FIG. 5 clarifies the example again from the aspect of the sub-processes, which are subdivided into the "gripping" and the “topping-in".

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Abstract

Die grundlegende Idee für das erfindungsgemäße Verfahren liegt in der Verwendung von quantenmechanischen Notationen und Berechnungsverfahren zur Beschreibung von Schrittketten in einer Automatisierungsanlage.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Steuerung einer Maschine und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
In der Fertigungsautomatisierung (FA) sind sowohl einzelne Fertigungseinrichtungen wie z. B. Werkzeugmaschinen oder Industrieroboter als auch komplexe Fertigungs- oder Montagesysteme, wie z. B. eine Montagelinie in der Automobilindustrie, Gegenstand der Automatisierung. Die Automatisierungsanlagen sind dabei aus mechanischen Komponenten zusammengefügt, die zumeist nur bestimmte Positionen einnehmen können, z. B. ein Greifer, der nur die Stellung „auf" oder „zu" einnehmen kann oder eine Verfahreinheit, die an einer definierten Zahl an vorgegebenen Positionen anhält, zumindest also zwischen zwei Endpositionen bewegbar ist.
Als Beispiel einer Fertigungs-Automatisierungs-Anlage wird im weiteren Verlauf der Beschreibung eine Verdeckelungsstation verwendet, also eine Anlage, welche einen Behälter mit einem Deckel versieht. Das Verfahren ist aber auf beliebige FA- Anlagen anwendbar, dieses Beispiel soll nicht einschränkend sein . Zur Programmierung einer neuen Funktion einer Automatisierungsanlage wird derzeit wie folgt vorgegangen. Nach der formalen Beschreibung einer Schrittkette der einzelnen Schritte im Ablauf der Funktion in einer solchen Automatisierungsanlage wird diese in einem Automatisierungssystem programmiert, wobei der Programmierer der Automatisierungsanlage jeden
Schritt einzeln ausführen muss, so dass seine Sorgfalt bei der Umsetzung über die Qualität der entstehenden Software entscheidet . Je nach Struktur des so entwickelten Programms ist eine spätere Änderung der Abläufe der Anlage kompliziert, da das Programm jeweils manuell angepasst werden muss. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welche es ermöglicht, eine Funktion in einer Automatisierungsanlage, insbesondere einer Fertigungsautomatisierung, derart zu beschreiben, dass die Programmierung der Anlage und insbesondere die Anpassung der Programmierung der Anlage an eine geänderte Anforderung für den Programmierer deutlich vereinfacht .
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Verfahren und eine Vor- richtung gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche .
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einer Maschine oder eines Teils einer Maschine, wobei die Maschine oder der Teil der Maschine wiederum aus zumindest einem funktionalen
Element besteht verwendet für jedes funktionale Element einen Zustandswert, der den aktuellen Zustand des Elements beschreibt .
Der Zustandswert ist dabei abhängig von der Art des funktio- nalen Elements, es kann sich beispielsweise um eine bestimmte Position handeln, eine Einstellung eines Wertes, oder anderes. Es ist weiterhin nicht eingeschränkt auf die Zustands- werte 0 und 1, es können weitere Werte definiert sein, soweit mehrere Zustände existieren, beispielsweise Position
„rechts", „links" und „mitte", Greifer „auf" oder „zu", Rotation 0° , 90° , 180° , 270° .
Weitere Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen beansprucht .
Wenn die Zustandswerte von mehreren einer Maschine zugehörigen Elemente als Koordinaten untereinander geschrieben werden, kann so ein Zustandsvektor für den aktuellen Zustand der Maschine oder des Teils der Maschine gebildet wird.
Ausgehend von einem Startzustand der Maschine oder des Teils einer Maschine, welcher durch einen ersten Zustandsvektor beschrieben ist, kann ein Zustandsübergang mittels eines mathematischen Operators dargestellt wird, indem ein zweiter Zu- Standsvektor, der dem Zustand der Maschine oder dem Teil der Maschine nach dem Zustandsübergang entspricht, berechnet wird . In einem nächsten Schritt kann auch eine Zustands-Matrix gebildet werden, bestehend aus Zustandsvektoren, indem die Abfolge der Schritte zur Durchführung einer Aufgabe der Maschine oder des Teils der Maschine darstellt wird. Ein erster Zu- standsvektor beschreibt den Startzustand und jeder weitere Zustandsvektor beschreibt den Zustand nach genau einem Zustandsübergang .
Der Programmablauf der Maschine oder des Teils der Maschine kann dargestellt werden durch eine Abfolge von Operatoren, welche ihrerseits in einer Operatoren-Matrix abbildbar ist.
Vorteilhafterweise gibt es jeweils genau einen weiteren Zu- standswert der einen Undefinierten Zustand der beschriebenen Komponente repräsentiert. Das bedeutet, dass dem System gera- de nicht bekannt ist ob der Greifer „auf" oder „zu" ist, oder ob der Arm gerade „links" oder „rechts" steht.
Folgerichtig gibt es für ein funktionales Element vorteilhafterweise zumindest eine Initialisierungs-Operation gibt, welche verwendbar ist um das funktionale Element nach der Anwendung in einen definierten Ausgangszustand zu versetzen. Im Falle, dass der Arm zu Beginn der Operation „links" stehen soll, wird also initialisierend der Arm per Operation nach links geschoben. Steht der Arm in der Situation bereits auf der Position „links", so wird die Operation hier keine weiteren Auswirkungen haben. In dem anderen Fall, dass der Arm rechts, oder irgendwo dazwischen, steht, wird er durch die Operation an die gewünschte Position gefahren. Zur Sicherstellung des definierten Ausgangszustands des zumindest einen funktionalen Elements wird die zugehörige Initialisierungs-Operation abhängig von der Anzahl der möglichen Zustände des funktionalen Elements zumindest Anzahl weniger einmal ausgeführt .
Die grundlegende Idee für das erfindungsgemäße Verfahren liegt in der Verwendung von quantenmechanischen Notationen und Berechnungsverfahren zur Beschreibung von Schrittketten in einer Automatisierungsanlage.
Die Quantenmechanik wurde entwickelt, da die klassische Me- chanik die Vorgänge in kleinsten Systemen mit einzelnen Teilchen (Atome, Elektronen, ... ) nicht beschreiben konnte. Eine ausführliche Beschreibung findet sich beispielsweise auf Wikipedia : htt : //de . wikipedia . org/wiki/Quantenmechanik . In der Quantenmechanik haben sich unabhängig voneinander zwei wesentliche Modelle entwickelt, die Matrizenmechanik von Heisenberg und die Wellenmechanik von Schrödinger. Letztere zeigte später die mathematische Äquivalenz beider Ansätze. Die Gemeinsamkeit beider Notationen ist die Beschreibung der Quantenwelt mittels Zustandsvektoren, die eine Überlagerung aller möglichen einzelnen Zustände des Systems darstellen. Operatoren beschreiben den Übergang von einem Zustand in einen anderen. Der große Unterschied zwischen beiden Notationen ist die Behandlung der Zeit. Bei Schrödinger sind die Zu- Standsvektoren zeitabhängig und die Operatoren im Allgemeinen nicht (Spezialfälle wie zeitabhängiges Potential werden nicht betrachtet) , während bei Heisenberg die Zustandsvektoren zeitunabhängig sind und die Operatoren den zeitlichen Verlauf einer Zustandsänderung beschreiben.
Die mathematische Beschreibung ist ebenfalls unterschiedlich, wenn auch äquivalent in dem Sinn, dass sie gleiche Ergebnisse bei der Berechnung erwarteter Messwerte liefern. Schrödinger verwendet eine zeitabhängige Wellenfunktion zur Beschreibung der Zustände, während Heisenberg mit seiner Matrizen-Notation enger an der Hamilton-Notation der klassischen Mechanik bleibt, siehe auch htt : //de . wikipedia . org/wiki/Matrizenmechanik bzw . http : //de . wikipedia . org/wiki/Hamiltonsche Mechanik .
Im Weiteren wird die Heisenberg-Notation mit Matrizen und Vektoren verwendet, da sie der Beschreibung der Abläufe in einer Automatisierungsanlage ähnelt. Dazu werden zunächst die Analogie-Paare der Begriffe beider vollkommen unterschiedlicher Welten gegenüber gestellt:
Figure imgf000007_0001
In beiden Welten stellt der Zustandsvektor des Systems eine Überlagerung (Superposition) aller Eigenzustände der Teilsysteme dar.
Der Zustandsvektor wird entweder als echter Vektor geschrie- ben oder nach der Dirac-Notation als |ψ>.
http : //de . wikipedia . org/wiki/Dirac-Notation
Im Kern sind die Operatoren Matrizen, die sich mathematisch mit den Vektoren multiplizieren lassen. Das Ergebnis ist ein neuer Vektor, der einen neuen Zustand beschreibt.
Da die mechanischen Komponenten, wie eingangs beschrieben unabhängig voneinander arbeiten (z. B. Bewegungen in x- und z- Achse) , sind die Eigenvektoren | n> der einzelnen Komponenten orthonormal . Die Matrixdarstellung des Operators ist bezüg- lieh dieser Basis an Eigenvektoren diagonal.
Die Beschreibung der mechanischen Möglichkeiten (Operatoren) einer Automatisierungsanlage wird durch die Notation vollkom- men getrennt von dem Programmablauf, der durch eine Operatorsequenz dargestellt wird. Nebenläufige Operatoren können in einer einzigen Matrix zusammengefasst werden, so dass sich beispielsweise die x- und die z-Achse eines Systems nicht nur nacheinander, sondern gleichzeitig bewegen lassen. Erst nach Erreichen des daraus resultierenden Zwischenzustandes wird der nächste Operator, z. B. der Greifer, angewendet.
Ein entscheidender Vorteil des beschriebenen Verfahrens ist, dass die möglichen Zustände der Teilanlagen sowie damit der Gesamtanlage sich automatisch und direkt aus dem CAD-Modell ableiten lassen. Ebenso können mechanische Randbedingungen berücksichtigt werden, wie z. B. die x-Achse darf sich nur bewegen, wenn die Z-Achse in der oberen Position ist.
Wenn die Schrittkette zur Verrichtung einer bestimmten Aufgabe als Gantt-Chart bzw. als Folge von Zustandsvektoren vorliegt, kann das dazugehörige Automatisierungsprogramm automatisch erstellt werden. Darin müssen auch keine Bedingungen im Sinne von „Wenn - Dann" programmiert werden, da sich die me- chanischen Randbedingungen direkt aus den abgeleiteten Matrizen ergeben.
Das Automatisierungsprogramm ist somit vollständig maschinell generierbar und korrekt in Hinblick auf die Einhaltung aller Randbedingungen. Ein manueller Eingriff ist nicht notwendig. Bei Änderungen im CAD-Modell können die geänderten Vektoren und Matrizen neu erstellt und in dem Programm gespeichert werden . Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Ermöglichung einer direkten Ableitung der mathematischen Berechnungen aus dem Zustandsmodell der Anlage.
Das beanspruchte Verfahren zeigt vorteilhafterweise eine be- sondere Robustheit eines Zustands gegen falsche Operator- Anwendung . Im Weiteren wird die Erfindung durch die Figuren erläutert. Dabei zeigt
Figur la ein beispielhaftes System einer sogenannten
rotatorischen Greifeinheit , bestehend aus mehreren Komponenten, in der Aufsicht,
Figur lb das System rotatorische Greifeinheit aus Figur la aus der Seitenansicht,
Figur 2 die Darstellung des Prozesses „verdeckein" des Sys- tems rotatorische Greifeinheit ,
Figur 3 die Darstellung eines zweiten Prozesses „verdeckein" des Systems,
Figur 4 die Aufteilung der Steuerungslösung entlang der kinematischen Kette der Komponenten des Systems,
Figur 5 die Aufteilung des Gesamtprozesses entsprechend auf die Komponenten, und
Figur 6 die Beschreibung des in den vorangegangen Figuren ausgeführten Prozesses in der erfindungsgemäßen Notation. Eine Schrittkette in einem Automatisierungssystem, wie sie in den Figuren, insbesondere Figur 5 später auch noch genauer beschrieben wird, ist eine Aneinanderreihung verschiedener Zustandsübergänge , ausgehende von einem Anfangszustand | ψΑ> und endend in einem Endzustand |ΨΕ> gemäß Dirac Notation.
Die einzelnen Komponenten der beispielhaften Anlage werden in den Figuren 1A und 1B schematisch darstellt. Gleiche Elemente sind auch mit gleichen Bezugszeichen markiert. Das exemplarische System, hier eine Verdeckelungsstation besteht aus einer Verankerung 100 an der eine erste Bewegungseinheit mit Bewegungsrichtung entlang einer Achse X seitwärts möglich ist. Die „0" und die „1" symbolisieren hier die beiden möglichen Außen-Positionen, die Bewegungseinheit einnehmen kann, und zeigen gleichzeitig an, dass in dem ausgewählten Beispiel für die gewählte Funktionalität keine weiteren Positionen der Bewegungseinheit in der Richtung der X-Achse möglich oder notwendig sind. Analoges gilt für die Z-Achse, in der die Bewegungseinheit nach oben und unten verfahren werden kann, z. In dem Fall der Achse Z bedeutet der Wert „0" eine Position oben, und der Wert „1" eine Position unten.
Eine weitere Bewegungsrichtung des Systems ist in dem ausge- führten Beispiel der Figuren la und lb neben der Z- auch eine Rotationsachse der rotatorischen Greifereinheit, R-Achse. Die Greifereinheit besteht wiederum aus einem Backengreifer B 130 und einem Vakuumgreifer V 110. Die einzelnen Komponenten der beispielhaften Anlage lassen sich also als Operatoren X, Z, R, B und V beschreiben, wobei diese nochmals unterteilt werden können, um einzelne Bewegungsabläufe zu verdeutlichen. So beschreibt ein Operator X" •die Bewegung in die untere Endposition der x-Achse und ana- log der Operator X+ die Bewegung in die obere Endposition.
Gleiches gilt somit für Z+ , Z" , R+ , R" , B+, B", V+, V", wobei bei den Greifern mit + und - nicht Positionen sondern „Greifen" und „Loslassen" dargestellt werden. Die Operatoren sind in der Ausführung innerhalb einer Anlage alle zeitabhängig, haben also implizit die für die Bewegung notwendige Zeit enthalten. Für die x-Achse lauten die Operatoren damit X" (t) und X+(t) .
Ein Beispiel erläutert dies genauer:
Die x-Achse kann zwischen den Positionen x0 und Xi bewegt werden. Der Zustandsvektor dieser Komponente |ψχ> kann damit die Eigenvektoren | xo> und |xi> haben. Die Operatoren X- (t) und X+(t) bewirken die Zustandsübergänge , so dass gilt: I x0> = X'(t) I xi > und | Xi > = X+(t) | x0>
Eine Anwendung der Operatoren auf die jeweils anderen Zustände bewirkt keine Veränderung, so dass gilt: | x0> = X'(t) | x0> und | Xi > = X+(t) | Xi >
Es werden nun die Zustandsvektoren und Operator-Matrizen anhand des verwendeten Beispiels näher erläutert. Figur 6 zeigt eine Schrittkette mit den Aktionen „De- ckel_holen" und „verdeckein" sowie der Rückführung der Anlage in den Ausgangszustand anhand der in Figur la und lb beschriebenen Beispielanlage.
Figur 6 zeigt diesen Ablauf anhand der kinematischen Kette. Diese Darstellung dient zwar der vereinfachten Beschreibung solcher Schrittketten, aber diese müssen später in einem Automatisierungssystem umgesetzt werden, das in erster Näherung ein Computer ist und somit nur mathematische Berechnun- gen durchführen kann.
Nimmt man den Ausgangszustandsvektor | ψΑ> , also den ersten Vektor ganz links in der Abbildung, als Startpunkt und den rechten Vektor, also Endzustandsvektor |ψΕ> als Ende, so lässt sich die Schrittkette beschreiben. Dabei ist Zeile 1 der Zustand der Station bezüglich der x-Achse, Zeile 2 zeigt die Z-Achse, Zeile 3 die Rotationsachse des Greifers, Zeile 4 den Zustand des Backengreifers und Zeile 5 den Zustand des Vakuumgreifers. Bis auf den Vakuumgreifer, der in dem Bei- spiel drei mögliche Zustände aufweist, haben alle anderen
Komponenten in dem gewählten Beispiel zwei mögliche Zustände. Auf die Zeitabhängigkeiten wird der Einfachheit der Darstellung wegen verzichtet. |ψΕ> = Z" · FT · V · V · V+ · B- · R+ · Z+ · X- · · B+ · V+ · Z+ |ψΑ>
Jeder Vektor beschreibt den Zustand der Anlage nach der
Durchführung eines Operators . Die ersten fünf Vektoren der Figur 6 beschreiben die Aufnahme eines Deckels durch den Greifer, die weiteren 8 Vektoren die Abgabe des Deckels, also das Aufbringen eines Deckels auf den Behälter und verschließen desselben.
Die Rückführung der Anlage in den Ausgangszustand ohne jegliche Deckelaktion ist deutlich einfacher:
|ψΑ> = X+ |ψΕ> Die Beschreibung der mechanischen Möglichkeiten mittels Operatoren einer Automatisierungsanlage wird dadurch mittels dieser Notation vollkommen getrennt von dem Programmablauf, der durch die obige Operatorsequenz dargestellt wird.
Nebenläufige Operatoren können in einer einzigen Matrix zu- sammengefasst werden, so dass sich beispielsweise die x- und die z -Achse eines Systems nicht nur nacheinander sondern auch gleichzeitig bewegen lassen. Erst nach Erreichen des daraus resultierenden Zwischenzustandes wird der nächste Operator, z. B. auf einen der Greifer, angewendet.
Dieses Verfahren, vor allem die oben beschrieben Immunität eines Zustands gegen falsche Operator-Anwendung, erlaubt so- mit eine effektive Initialisierung einer Anlage nach dem Einschalten. Der Zustand |ψυ> der Anlage des Beispiels beschreibt diesen als unbekannt, da die Stellung der Aktuatoren nicht gemessen werden kann. Die Initialisierungssequenz soll alle Aktuatoren in einen definierten Ausgangszustand |ψΑ> bringen. Dies gelingt bei einer beliebigen Komponente durch mehrfache Anwendung des gleichen Operators . Die genaue Anzahl der Anwendungen des Operators zur Initialisierung kann mit:
(Anzahl_der_möglichen_Zustände_einer_Komponente - 1)
angegeben werden.
In der dargestellten Initialisierungssequenz wird zuerst der Vakuumgreifer ausgeschaltet, der Backengreifer geöffnet, die Rotationsachse auf 0° gefahren sowie danach die Z- und X- Achse auf ihre Ausgangspositionen verfahren. Somit gilt:
|ψΑ> = X' · Z" · R" · B" · V" · V" |ψυ> Durch diese Initialisierungssequenz wird die Überführung einer Anlage/Maschine vom manuellen Betrieb in den Automatik- Betrieb unterstützt, da die Initialisierungssequenz unabhängig vom Zustand der Anlage/Maschine eingesetzt werden kann. Im Folgen wird das obige Beispiel mit Matrixdarstellung weiter ausgeführt.
Die Komponente x-Achse hat zwei Endpunkte x0 und Xi, die auch die möglichen Zustände dieses Teilsystem darstellen. Somit ergibt sich der Zustandsvektor dieser Komponente in Vektordarstellung zu:
!**>=£)={©■(!)}
Die Operatoren X+ und X", lassen sich folglich als Matrizen schreiben :
Figure imgf000013_0001
Wendet man diese Operatoren mittels Matrixmultiplikation auf einen gültigen Zustand an, so wird dieser umgeschaltet bzw. bleibt unverändert, soweit sich das System bereits in dem geforderten Zustand befindet, wie weiter oben beschrie- ben: x*· G)= G): x*· C)= G); x-· G)= G); *-· G)= G):
Analog lassen sich die Zustandsvektoren und Operatormatrizen für die anderen Komponenten erstellen.
Können Operatoren nebenläufig ausgeführt werden, ist eine Zusammenfassung dieser Operatoren in einer Matrix möglich. Dies erlaubt eine gleichzeitige Transformation der Zustände neben- läufiger Komponenten. Für den Fall, dass die Operatoren X und Z nebenläufig sind, ergibt sich ein aggregierter Operator N wie folgt :
Figure imgf000013_0002
Möglich und vorteilhaft ist auch eine bedingungsabhängige Ausführung von Operatoren.
Ist die Ausführung von Operatoren von bestimmten Bedingungen (z. B. Einschaltverriegelungen) abhängig, kann dies ebenfalls mit der Matrixdarstellung umgesetzt werden. Dies soll anhand des Beispiels aus Abschnitt 5.1 exemplarisch dargestellt werden .
Neben dem Zustandsvektor wird ein weiterer Zustan
Figure imgf000014_0001
eingeführt .
Dabei soll dem Zu die Bedeutung und dem Zustand
Figure imgf000014_0002
die Bedeutung „Bedingung erfüllt" zugeordnet werden,
Aus den Z-uussttaannddssvveekkttoorreenn ( °^ sowi'e ^r können vier Zustands- vektoren
Figure imgf000014_0003
gebildet werden.
Nun werden die Operatoren X'+ sowie X' "gesucht, für die gilt
Figure imgf000014_0004
Figure imgf000015_0001
Um diese Forderung immer erfüllen zu können, werden die Zustandsvektoren
Figure imgf000015_0002
in ihrer Dimension um einen Korrekturteil erweitert, wobei die Anzahl der Korrekturdimensionen des Zustandsvektors gleich der Anzahl der Zustandsvektoren ist. Somit ergibt sich der Zustandsvektor
Figure imgf000015_0003
wobei ka den Korrekturdimensionen entspricht
Es resultieren die
Figure imgf000015_0004
Für diese um den Korrekturteil erweiterten Zustandsvektoren lassen sich nun immer Matrizen bilden, die die Anforderungen an den X'+ bzw. an den X'" Operator erfüllen. Für das hier vorgestellte Beispiel kann für den Operator X'+ folgende Matrix angegeben werden:
Figure imgf000016_0001
Für diese gilt nun:
Figure imgf000016_0002
Figur 2a zeigt die Darstellung des Zustandes als Vektor bzw. dessen Änderung bei einer bestimmten Aktion, hier „Deckel holen" . Die Rotatorische Greifereinheit 11 besteht dabei aus 3 Komponenten, dem Backengreifer 131, dem Vakuumggreifer 121 und der Rotationsachse 111, welche alle koordiniert werden, 21, 22, 23.
Die Greifereinheiten 131 und 121 müssen den Deckel greifen bzw. loslassen, dir Rotationsachse sorgt mit einer Rotation um x° dafür, dass der Deckel auf den Behälter aufgeschraubt werden kann.
Figur 2b zeigt den gleichen Vorgang als Gantt-Chart, wobei oben 112 der Zustand der Rotatorischen Einheit in Grad angegeben ist, in der Mitte 132 der Zustand des Backengreifers aufgetragen wird und die untere Linie 122 der Zustand des Vakuumgreifers . Die Figuren 3a und 3b zeigen die Darstellung eines analogen Vorgangs, mit einer weiteren Komponente, der z -Achsigen
Greifeinheit , 12, welche aus der Rotatorischen Greifereinheit 11 aus Figur 2 besteht und einer zusätzlichen Achse, 13. In dem zugehörigen Gantt-Chart von Figur 3b ist dies durch eine zusätzliche Linie z dargestellt, welche eine weitere Bewegung der Anlage entlang der z -Achse am Anfang (unten) und am Ende (oben) mit auf nimmt. Die Abläufe der unteren 3 Einheiten 112, 132, 122 bleiben unverändert. Die Aktion „verdeckein" besteht hier schon aus Zustandsänderungen mehrere Einheiten, die aber zwingend in der richtigen Reihenfolge ausgeführt werden müssen. In dem Gantt-Chart sieht man außerdem wieder den zeitlichen Verlauf der Zustandsänderung . In Figur 3 wird die z-Achse als übergeordnete Einheit in diesen Ablauf integriert und in der bekannten Weise dargestellt.
Figur 4 werden die Änderungen der Zustandsvektoren der einzelnen Komponenten sowie des gesamten Zustandes für verschie- dene Aktionen beschrieben. Die Handhabungseinheit 19 erhält als funktionalen Aufruf den Befehl „Verdeckein ()" . die X- Achse x führt zunächst den Befehl „Deckel_holen ( ) " aus, also Fahre über den Deckel in Position „1". Die Z-Achse führt eine Bewegung nach unten aus, Position „1"., danach fahre nach oben, Position „2".
Die rotatorische Greifeinheit ROT, welche den Sauggreifer 129 und den Backengreifer 139 aufweist, muss nun die Aktionen „schalte Vakuum an" und „schließe Greifer" ausführen, danach kann durch eine Rotation der Deckel an die gewünschte Position gebracht werden. Nicht dargestellt ist hier der Verlauf ab diesem Zeitpunkt, der Greifer öffnet und fährt in die Ausgangsposition zurück.
Figur 5 verdeutlicht das Beispiel nochmal aus dem Aspekt der Teilprozesse, welche sich aufteilen in das „Greifen" und in das „Verdeckein". Durch das Integrieren der einzelnen Teilprozesse in eine logische Abfolge entsteht so der Gesamtpro- zeß, welcher teilweise parallele Ausführungen verlangt oder zulässt . Bezugszeichenliste
10,19 Maschine, Handhabungseinheit, Station
11 rotatorische Greifeinheit
20 Prozeß Verdeckein
21,22,23,27 koordiniert
24,25 Deckel loslassen
26 Rotation um x°
100 Verankerung
110 Rotationseinheit
111 Rotationsachse
120,121,122 Vakuumgreifer
129 Schalte_Vakuum_an
130,131,132 Backengreifer
139 Schließe_Greifer
190 SC: Deckel_holen
191 Fahre_über_Deckel
192 Fahre_nach_unten
193 Rotiere/Deckel_holen/
x, z Bewegungs-Achsen

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung einer Maschine (10) oder eines Teils einer Maschine, wobei die Maschine oder der Teil der Maschine wiederum aus zumindest einem funktionalen Element (110, 120, 130) besteht
dadurch gekennzeichnet, dass
jedes funktionale Element beschreibbar ist durch genau einen Zustandswert , der den aktuellen Zustand des Elements be- schreibt.
2. Verfahren gemäß Patentanspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Zustandsvektor für den aktuellen Zustand der Maschine oder des Teils der Maschine gebildet wird, indem jede Koordinate des Zustandsvektors genau ein funktionales Element der Maschine oder des Teils der Maschine in seinem jeweils aktuellen Zustand abbildet.
3. Verfahren gemäß Patentanspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
ausgehend von einem Startzustand einer Maschine oder eines Teils einer Maschine, welcher beschrieben ist durch einen ersten Zustandsvektor, ein Zustandsübergang dargestellt wird mittels eines mathematischen Operators, mittels dem ein zweiter Zustandsvektor, der dem Zustand der Maschine oder dem Teil der Maschine nach dem Zustandsübergang entspricht, berechenbar ist.
4. Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Zustands-Matrix gebildet wird, bestehend aus Zustands- vektoren
welche die Abfolge der Schritte zur Durchführung einer Aufga- be der Maschine oder des Teils der Maschine darstellt indem ein erster Zustandsvektor den Startzustand und jeder weitere Zustandsvektor den Zustand nach genau einem Zustandsübergang beschreibt .
5. Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Programmablauf der Maschine oder des Teils der Maschine dargestellt werden kann durch eine Abfolge von Operatoren, welche ihrerseits in einer Operatoren-Matrix abbildbar ist.
6. Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
es jeweils genau einen Zustandswert für einen Undefinierten Zustand gibt.
7. Verfahren gemäß Patentanspruch 6 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
es für ein funktionales Element zumindest eine Initialisierungs-Operation gibt, welche verwendbar ist um das funktionale Element nach der Anwendung in einen definierten Ausgangs- zustand zu versetzen.
8. Verfahren gemäß Patentanspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Sicherstellung des definierten Ausgangszustands des zumindest einen funktionalen Elements die zugehörige Initialisierungs-Operation abhängig von der Anzahl der möglichen Zu- stände des funktionalen Elements zumindest Anzahl weniger einmal ausgeführt wird.
9. Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Operator in der Ausführung zeitabhängig ist.
10. Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausführung eines Operators von bestimmten Bedingungen ab- hängig ist.
11. Vorrichtung zur Steuerung einer Maschine (10) oder eines Teils einer Maschine, wobei die Maschine oder der Teil der Maschine wiederum aus zumindest einem funktionalen Element (110, 120, 130) besteht
dadurch gekennzeichnet, dass
jedes funktionale Element beschreibbar ist durch genau einen Zustandswert , der den aktuellen Zustand des Elements beschreibt .
12. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 11
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Zustandsvektor für den aktuellen Zustand der Maschine oder des Teils der Maschine gebildet wird, indem jede Koordinate des Zustandsvektors genau ein funktionales Element der Maschine oder des Teils der Maschine in seinem jeweils aktuellen Zustand abbildet.
13. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
ausgehend von einem Startzustand einer Maschine oder eines Teils einer Maschine, welcher beschrieben ist durch einen ersten Zustandsvektor, ein Zustandsübergang dargestellt wird mittels eines mathematischen Operators, mittels dem ein zweiter Zustandsvektor, der dem Zustand der Maschine oder dem Teil der Maschine nach dem Zustandsübergang entspricht, berechnet wird.
14. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Patentansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Zustands-Matrix bestehend aus Zustandsvektoren gebildet wird,
welche die Abfolge der Schritte zur Durchführung einer Aufgabe der Maschine oder des Teils der Maschine darstellt, indem ein erster Zustandsvektor den Startzustand und jeder weitere Zustandsvektor den Zustand nach genau einem Zustandsübergang beschreibt.
15. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Patentansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Programmablauf der Maschine oder des Teils der Maschine dargestellt werden kann durch eine Abfolge von Operatoren, welche ihrerseits in einer Operatoren-Matrix abbildbar ist.
16. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Patentansprüche 11 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
es jeweils genau einen Zustandswert für einen Undefinierten Zustand gibt.
17. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
für ein funktionales Element zumindest eine Initialisierungs- Operation angewendet wird, welche das funktionale Element nach der Anwendung in einen definierten Ausgangszustand versetzt .
18. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Sicherstellung des definierten Ausgangszustands des zumindest einen funktionalen Elements die zugehörige Initiali- sierungs-Operation abhängig von der Anzahl der möglichen Zustände des funktionalen Elements zumindest Anzahl weniger einmal ausgeführt wird.
19. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Patentansprüche 11 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Operator in der Ausführung zeitabhängig ist.
20. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Patentansprüche 11 bis 18,
die Ausführung eines Operators von bestimmten Bedingungen abhängig ist.
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