DE2806127A1 - Control circuit for arm of industrial robot - has acceleration or deceleration of motor regulated for each direction of motion - Google Patents

Abstract

The movement of the arm of an industrial robot is controlled simultaneously in three mutually perpendicular directions. The required position in each direction is fed into a computer which transmits a signal to common interpolator for all three directions. A profile generator the transmits a signal to control the movement in one particular direction. This signal is determined by the instantaneous position of the robot arm from the indicator and the speed of the motor as measured by the tachometer. This signal gives the required acceleration or deceleration of the motor.

Description

Steuerschaltung zum Steuern der Control circuit for controlling the

Antriebsmotoren eines Roboters Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zum Steuern der Antriebsmotoren für die Achsantriebe eines in mehrere Raumkoordinaten bewegbaren Roboters, wobei beim Bewegen der Roboterhand von einem Raumpunkt zu einem anderen Raumpunkt mehr als ein Antriebsmotor bet-ätigt wird und hierbei alle betätigten Antriebsmotoren gleich lang betätigt werden, unter Verwendung von Soliwertgebern für jede Achse des Roboters, die an einen Interpolator angeschlossen sind und in diesen die Sollposition eingeben, die jede der zu betätigenden Achsen am anderen Raumpunkt einnehmen soll, und der die Bewegungen jeder betätigten Achse auf der Grundlage der Beschleunigungen und der maximalen Geschwindigkeit der am weitesten zu betätigenden Achse über die Zeit interpoliert, wodurch alle bewegten Achsen zum gleichen Zeitpunkt am anderen Raumpunkt positioniert werden, mit jeweils einem Lageregelkreis und einem Drehzahlregelkreis für jeden Motor. Drive motors of a robot The invention relates to a control circuit to control the drive motors for the axis drives one in several spatial coordinates movable robot, whereby when moving the robot hand from one point in space to one other point in space more than one drive motor is actuated and all actuated Drive motors are operated for the same length of time, using fixed value encoders for each axis of the robot that is connected to an interpolator and in Enter the target position for each of the axes to be actuated on the other To occupy a point in space, and the movements of each actuated axis on the Basis of the accelerations and the maximum speed of the furthest axis to be actuated interpolated over time, whereby all axes moved to the positioned at the same point in time at the other point in space be with one position control loop and one speed control loop for each motor.

Bei Industrierobotern werden, wenn die Roboterhand auf einen neuen Raumpunkt verfahren wird, mehrere Achsbewegungen einander überlagert. Es ist hierbei bekannt, die Antriebsmotoren zum Antrieb der Achsen mit voller Beschleunigung auf deren Maximaldrehzahl hochzufahren, vor Erreichen des neuen Raumpunktes abzubremsen und mit Kriechdrehzahl in einer Positionierphase den neuen Raumpunkt anzufahren. Hierbei wird also jeder neue Raumpunkt mit der geringstmöglichen Verfahrenszeit angesteuert. Diese Art der Steuerung ist jedoch nicht gangbar bei sich einander überlagerten Achsbewegungen. Befindet sich nämlich eine der Achsen in der Positionierphase und eine andere Achse ändert gleichzeitig ihren Bewegungszustand (Start aus der Ruhelage, übergang von Beschleunigen in konstante Geschwindigkeit, Übergang in den Bremszustand, Übergang vom Bremsen in die Positionierphase), bewirkt diese Bewegungsänderung eine Kraftübertragung auf die in Positionierphase befindliche Achse, führt also zu einer Störung beim Positionieren, die infolge der Trägheit der Mechanik und die dadurch bedingte Regelzeitkonstante nicht ausgeregelt wird.In the case of industrial robots, when the robotic hand is on a new one Point in space is moved, several axis movements are superimposed on one another. It is here known, the drive motors to drive the axles at full acceleration to increase their maximum speed, to brake before reaching the new spatial point and to approach the new point in space at slow speed in a positioning phase. This means that each new point in space is processed in the shortest possible time controlled. However, this type of control is not mutually feasible superimposed axis movements. This is because one of the axes is in the positioning phase and another axis changes its state of motion at the same time (start from the Rest position, transition from accelerating to constant speed, transition to Braking state, transition from braking to the positioning phase), causes this change in movement a power transmission to the axis in the positioning phase, so leads to a disturbance in positioning, which is due to the inertia of the mechanics and the the resulting control time constant is not regulated.

Die in Positionierphase befindliche Achse überschwingt damit ihre Sollposition, d. h. es ist eine Rückregelung erforderlich.The axis in the positioning phase thus overshoots its own Target position, d. H. a back regulation is necessary.

Zur Steuerung von Werkzeugmaschinen ist es bekannt, alle Bewegungsachsen so zu verfahren, daß diese zum gleichen Zeitpunkt ihren Raumpunkt erreichen. Die Sollpositionen aller Achsen werden in einen Interpolator eingegeben, der diejenige Achse ermittelt, welche bei maximaler Geschwindigkeit und Beschleunigung ihres Antriebs die längste Zeit benötigt, um in die neue Sollposition zu gelangen. Die Geschwindigkeiten der anderen Achsen werden nun so eingestellt, daß diese bei gleicher Zeitdauer ihre jeweilige neue Sollposition erreichen.To control machine tools, it is known to have all axes of motion to proceed in such a way that they reach their point in space at the same time. the Target positions of all axes are entered in an interpolator, the that axis is determined which is at maximum speed and acceleration your drive needs the longest time to get to the new target position. The speeds of the other axes are now set so that these at reach their respective new target position for the same period of time.

Dieses Prinzip ist jedoch auf Roboter mit einander überlagerten Achsbewegungen nicht direkt anwendbar, da die Roboterachsen stark unterschiedlich und zum Teil stoßweise belastet sind, je nachdem, ob der Roboter eine schwere Last oder keine Last transportiert. Man müßte nämlich Antriebe mit sehr großen Leistungen verwenden, deren Leistungen erheblich über das hinausgehen, was zum Transportieren der eigentlichen Maximallast erforderlich ist, um eine ausreichende Regelreserve zu haben.However, this principle applies to robots with superimposed axis movements not directly applicable because the robot axes are very different and in part are loaded intermittently, depending on whether the robot is carrying a heavy load or not Load transported. One would have to use drives with very high powers, whose services go well beyond what is needed to transport the actual Maximum load is required to have a sufficient control reserve.

Dieses Vorgehen ist unwirtschaftlich.This approach is uneconomical.

Werden dagegen leistunggerechte Antriebe eingesetzt, dann ist meist keine Regelreserve vorhanden, d. h. die Regler befinden sich in Sättigung und machen ein genaues Positionieren unmöglich.If, on the other hand, high-performance drives are used, then it is usually no control reserve available, d. H. the controls are in saturation and are doing precise positioning is impossible.

Um gegenseitige Störungen überlagerter Achsen zu beherrschen, geht die vorliegende Erfindung davon aus, die Antriebe nicht mit voller Beschleunigung auf Maximaldrehzahl hochzufahren und sodann mit voller Beschleunigung abzubremsen, sondern die Antriebe werden vielmehr gesteuert positiv und negativ beschleunigt. Um ein exaktes Positionieren zu ermöglichen, werden bei Störungen in erster Linie die Regelreserven bei diesem positiven und negativen Beschleunigen ausgenutzt.In order to control mutual interference of superimposed axes, it is possible The present invention assumes the drives are not at full acceleration to accelerate to maximum speed and then to brake with full acceleration, rather, the drives are accelerated positively and negatively in a controlled manner. In order to enable exact positioning, in the event of malfunctions, first and foremost the control reserves are used in this positive and negative acceleration.

Es besteht die Aufgabe, eine Steuerschaltung, bei der alle Achsen so gesteuert sind, daß sie zum gleichen Zeitpunkt ihre anzufahrenden Raumkoordinaten erreichen, so auszubilden, daß auf die Achsen wirkende Störungen leicht ausregelbar sind.The task is to create a control circuit in which all axes are controlled in such a way that they reach their spatial coordinates at the same time achieve to be trained so that disturbances acting on the axes can be easily compensated for are.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches.This problem is solved with the features of the claim.

In Abhängigkeit der Lageregelabweichung, nachfolgend auch Schleppfehler genannt, wird die positive oder negative Beschleunigung so verändert, daß dieser Schleppfehler zu Null wird. Beim Anfahren wird zum Beispiel die Beschleunigung so weit erhöht, bis ein maximal zulässiger Schleppfehler erreicht ist, d.h. die gesteuerte Achse eilt mit ihrer jeweiligen Istposition der jeweiligen Sollposition voraus. Störungen, die nachfolgend auf die Achse wirken und zu Schleppfehlern führen, werden ausgeregelt durch Verändern der Beschleunigung oder der Verzögerung. Treten während des linearen Bewegungszustandes Störungen auf, die zu einem Schleppfehler im Sinne eines Voreilens der gesteuerten Achse führen, wird als zusätzliche Regelreserve die Antriebsgeschwindigkeit der Achse reduziert. Führen Jedoch während dieses Bewegungszustandes Störungen zu einem Schleppfehler im Sinne eines Hacheilens der gesteuerten Achse, wird dieser Fehler ausgeregelt während der negativen Beschleunigung des Antriebs, d.h. während der Bremsphase, gegebenenfalls durch Verändern der Rampenneigung im Geschwindigkeits-Zeitdiagramm, Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild der Steuerschaltung; Fig. 2 ein Weg-Zeit-, ein Geschwindigkeit-Zeitbis 4 und ein Beschleunigungs-Zeit-Diagramm zur Erläuterung eines Beispiels eines Regelvorganges.Depending on the position control deviation, subsequently also following error called, the positive or negative acceleration is changed so that this Following error becomes zero. When starting, for example, the acceleration is like this far increased until a maximum permissible following error is reached, i.e. the controlled Axis leads the respective target position with its respective actual position. Faults that subsequently affect the axis and lead to lag errors regulated by changing the acceleration or deceleration. Kick during of the linear state of motion disturbances that lead to a following error in the sense lead to a leading of the controlled axis is used as an additional control reserve the drive speed of the axis is reduced. However, lead during this state of motion Disturbances to a following error in the sense of the controlled axis hurrying up, this error is corrected during the negative acceleration of the drive, i.e. during the braking phase, if necessary by changing the ramp slope in Speed-time diagram, An embodiment is shown below explained in more detail with reference to the drawings. 1 shows a block diagram of FIG Control circuit; Fig. 2 shows a path-time diagram, a speed-time diagram to 4 and an acceleration-time diagram to explain an example of a control process.

Die Koordinaten, die jede Achse des Roboters ansteuern sollcn,sind in den Sollwertgebern 1 gespeichert. Diese Sollwerte werden in einen Interpolator 2 eingegeben, der diejenige Achse ermittelt, die am längsten braucht, um von einem Raumpunkt zu einem anderen Raum punkt zu gelangen. In Abhängigkeit dieser ermittelten Zeitdauer werden die Bewegungen der anderen Achsen auf diese Zeitdauer angepaßt, so daß alle Achsen zum gleichen Zeitpunkt ihre Endstellung einnehmen. Die auf diese Weise ermittelten Weg-Zeitprofile werden für jede Achse in einen Profilgenerator 3 eingegeben. Jeder Profilgenerator 3 gibt an einen Komparator 4 eines Lageregelkreises einen augenblicklichen Lagesollwert. Der Lageistwert, der ebenfalls dem Komparator zugeführt wird, wird von einem Weggeber 5 abgegriffen, welcher mit dem Antriebsmotor 6 mechanisch verbunden ist. Die im Komparator 4 ermittelte Lageabweichung, d. h. also die Differenz zwischen Lagesollwert und Lageistwert wird an den Profilgenera-tor 3 zurückgeführt. Der nachfolgende Wert der Sollposition, den der Profilgenerator 3 an den Komparator 4 gibt, wird in Abhängigkeit der Lageabweichung modifiziert.The coordinates that each axis of the robot should control are saved in setpoint adjuster 1. These setpoints are fed into an interpolator 2 is entered, which determines the axis that takes the longest to move from a Point in space to get to another point in space. Depending on this determined Duration, the movements of the other axes are adapted to this duration, so that all axes assume their end position at the same time. The on this Path-time profiles determined in this way are entered into a profile generator for each axis 3 entered. Each profile generator 3 outputs to a comparator 4 of a position control loop an instantaneous position setpoint. The actual position value, which is also sent to the comparator is supplied, is picked up by a displacement encoder 5, which is connected to the drive motor 6 is mechanically connected. The positional deviation determined in the comparator 4, i. H. i.e. the difference between the position setpoint and the actual position value is sent to the profile generator 3 returned. The subsequent value of the set position that the profile generator 3 to the comparator 4 is modified depending on the positional deviation.

Diese nachfolgende Sollposition wird von der augenblicklichen Sollposition in einem Subtrahierer subtrahiert, der mit dem Komparator 4 vereinigt sein kann. Die dabei ermittelte Differenz wird in einem Differentiator differenziert, der ebenfalls mit dem Komparator 4 vereinigt sein kann. Das sich ergebende Differential wird als Drehzahlsollwert einem Komparator 7 zugeführt, der Teil des Drehzahlregelkreises ist.This subsequent target position is derived from the current target position subtracted in a subtracter, which can be combined with the comparator 4. The difference thus determined is differentiated in a differentiator, which also can be combined with the comparator 4. The resulting differential is called Speed setpoint fed to a comparator 7, which is part of the speed control loop is.

Der Drehzahlsollwert wird im Komparator 7 verglichen mit dem Drehzahlistwert eines Tachometers 8, der mit dem Motor 6 verbunden ist. Dine Drehzahlabweichung, die sich in einer Veränderung der positiven oder negativen Beschleunigung auswirkt oder in einer Rücknahme der Drehzahl, wenn der Motor 6 mit maximaler Drehzahl dreht, steuert den Stromregelkreis 9 des Motors 6.The speed setpoint is compared with the actual speed value in the comparator 7 a speedometer 8 connected to the engine 6. Dine speed deviation, which results in a change in the positive or negative acceleration or in a reduction in speed when the motor 6 rotates at maximum speed, controls the current control circuit 9 of the motor 6.

Die Kurve 10 nach Fig. 2 zeigt das Weg-Zeitverhalten einer wie vorerwähnt gesteuerten Achse eines Industrieroboters. Das Weg-Zeitverhalten ist eingeteilt in eine Bewegungsphase Beschleunigen 11, Bewegungsphase lineare Geschwindigkeit 12, Bewegungsphase Verzögern 13 und Bewegungszustand Kriechgang 14.The curve 10 according to FIG. 2 shows the path-time behavior as mentioned above controlled axis of an industrial robot. The path-time behavior is divided Accelerate into a movement phase 11, movement phase linear speed 12, motion phase deceleration 13 and motion state creep speed 14.

Bei den Zeitpunkten 15 und 16 traten gemäß dem Geschwindigkeits-Zeitdiagramm 17 nach Fig. 3 Störungen auf, die zu einem Voreilen der Achse gegenüber der Sollposition führten. Hierdurch bedingt wurden negative Beschleunigungen 18, 19 erzeugt, welche zum Ausregeln der Störungen führten.At times 15 and 16 occurred according to the speed-time diagram 17 according to FIG. 3 disturbances which lead to an advance of the axis relative to the target position led. As a result, negative accelerations 18, 19 were generated, which led to the correction of the disturbances.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims (2)

Patentansprüche Steuerschaltung zum Steuern der Antriebsmotoren für die Achsantriebe eines in mehrere Raumkoordinaten bewegbaren Roboters, wobei beim Bewegen der Roboterhand von einem Raumpunkt zu einem anderen Raumpunkt mehr als ein Antriebsmotor betätigt wird und hierbei alle betätigten Antriebsmotoren gleich lang betätigt werden, -unter Verwendung von Sollwertgebern für jede Achse des Roboters, die an einen Interpolator angeschlossen sind undin diesen die Sollposition eingeben, die jede der zu betätigenden Achsen am anderen Raumpunkt einnehmen sollen und der die Bewegungen jeder betätigten Achse auf der Grundlage der Beschleunigungen und der Maximalgeschwindigkeit der am weitesten zu betätigenden Achse über die Zeit interpoliert, wodurch alle bewegten Achsen zum gleichen Zeitpunkt am anderen Raumpunkt positioniert werden, mit jeweils einem Lageregelkreis und einem Drehzahlregelkreis für jeden Motor, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen jeden Lageregelkreis und dem Interpolator-ein Profilgenerator geschaltet ist, der mit dem Komparator des Lageregelkreises verbunden ist und dessen Lageregelabweichung übernimmt und der bei einer Lageregelabweichung die Beschleunigung. des Antriebsmotors verändert oder bei erreichter Maximaldrehzahl des Motors die Drehzahl reduziert. Control circuit for controlling the drive motors for the axis drives of a robot that can be moved in several spatial coordinates, with the Moving the robot hand from one point in space to another point in space more than a drive motor is actuated and all actuated drive motors are the same be operated for a long time - using setpoint generators for each axis of the robot, which are connected to an interpolator and enter the target position in this, which should occupy each of the axes to be actuated at the other point in space and the the movements of each actuated axis based on the accelerations and the maximum speed of the axis to be actuated the furthest over time interpolated, whereby all moving axes at the same point in time at the other point in space be positioned, each with a position control loop and a speed control loop for each motor, by noting that between each position control loop and the interpolator-a profile generator is connected to the comparator of the position control loop is connected and takes over its position control deviation and the acceleration in the event of a position control deviation. of the drive motor changed or when the maximum speed of the motor is reached, the speed is reduced. 2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß in Abhängigkeit der Lageregelabweichung die nachfolgende Sollposition, die der Profilgenerator an den Komparator des Lageregelkreises gibt, verändert wird, die nachfolgende von der augenblicklichen Sollposition in einem Subtrahierer subtrahiert und diese Differenz in einem Differentiator differenziert wird und der Differenziator mit dem Komparator des Drebzahiregeikreises verbunden ist.2. Control circuit according to claim 1, characterized in that g e -k e n n z e i c h n e t that, depending on the position control deviation, the following setpoint position, which the profile generator sends to the comparator of the position control loop is changed, the following is subtracted from the current target position in a subtracter and this difference is differentiated in a differentiator and the differentiator is connected to the comparator of the Drebzahiregeikreises.