DE3721028A1 - Verfahren und vorrichtung zur lageregelung insbesondere eines gelenkantriebes eines industrieroboters mit fuehrungsgroessenkorrektur - Google Patents

Description

Bei bekannten Verfahren zur Lageregelung von Gelenkantrieben wird ein Referenzpunkt üblicherweise über einen inkreme talen Geber auf einer Welle eines Antriebsmotors, d.h. auf 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 seite von der entsprechend zugeordneten Stellung auf der Getriebeausgangsseite abweichen, d.h. eine unzulässige Winkelverschiebung am Getriebeausgang auftreten. Durch die ausschießlich 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 ten Verfahren am Getriebeausgang 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 die absolute Winkellage verloren. Dieser Nachteil kann derzeit nur durch eine Batteriepufferung 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, ein Verfahren und eine Vorrichtung der beschriebenen Art anzugeben, womit die Regelung mit einfachen Mitteln hinsichtlich der auftre­ tenden 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 Refe­ renzpunktgeber ein am Getriebeausgang angeordneter Absolut­ wertgeber 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 Führungsgröße auf der Basis dieses Vergleichs korrigiert wird. Der Absolut­ wertgeber weist eine vorgegebene Schrittzahl pro Umdrehung auf. Aus diesen Schritten wird vorteilhafterweise ein Takt abgeleitet, mit dem zur Führungsgrößenkorrektur die Ab­ weichung zwischen den inkremental erfaßten Absolutwerten und dem jeweiligen Wert des Absolutwertgebers bestimmt und zur Führungsgröße addiert wird. Der Absolutwertgeber liefert vorteilhafterweise auch einen Nullimpuls für die Absolut­ wertbildung aus den inkrementalen Werten.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden vorteilhafter­ weise jegliche Abweichungen zwischen Getriebe-Ein- und Ausgang erfaßt und selbsttätig nachgeführt. Aufgrund der eindeutigen Absolutwertgeber-Information kann durch die 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 Referenz­ punkten 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 inkre­ mentalen Signale des inkrementalen Gebers pro Takt des Absolutwertgebers 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 erfindungsge­ mäßen Lageregelung zu reduzieren.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Anspruches 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie der folgenden Beschreibung enthal­ ten.

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

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels für einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren korrigier­ ten 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 Motorwelle ist ein inkrementaler Geber 6 angeordnet, der eine vorzugsweise einstellbare Auflösung d.h. Schrittweite, aufweist. Beispielsweise erzeugt der inkrementale Geber 6 pro Umdrehung 1000 bis 2500 Schritt­ impulse, die einerseits über eine übliche Rückführung 8, einen Lageregler 9 und einen Verstärker 10 zur Lage- und Drehzahlregelung des Motors 2 verwendet werden. Anderer­ seits werden die Schrittimpulse über einen Zähler 12 in absolute, inkrementale Werte X _ST umgeformt, 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 erfindungsgemäß am Ausgang des Getriebes 4 zusätzlich ein Absolutwertgeber 14 angeord­ net, 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 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 vorteil­ hafterweise aus jeder beliebigen Stellung, also nicht nur aus der Nullstellung, gestartet werden kann, da jedes Signal X _i eine eindeutige Winkelstellung des Getriebeausganges angibt, so daß auch ein Spannungsausfall unschädlich ist. Aus den Schritten des Absolutwertgebers 14 wird erfindungs­ gemäß ein Takt T abgeleitet, mit dem in einem Vergleicher 16 die Abweichung X _ST -X _i zwischen den inkremental erfaßten Absolutwerten X _ST und dem ermittelten Wert X _i des Absolut­ wertgebers 14 bestimmt und in einem Summierer 18 einer vorläufigen Führungsgröße X _S ′ aufaddiert wird, wodurch sich die eigentliche Führungsgröße X _S ergibt, mit der über den Lageregler 9 der Verstärker 10 des Antriebsmotors 2 ange­ steuert wird.

Eine Eingabe von absoluten Wegvorgabe-Sollwerten S _E , üblicherweise bezogen auf ein definiertes Koordinatensystem, erfolgt über einen Interpolator 20, dem als Referenzpunkt ebenfalls das jeweilige absolute Wegsignal X _i zugeführt wird. Ausgangsgröße des Interpolators 20 ist die vorläufige Führungsgröße X _S ′, 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 _ST und X _i und Addition des Differenzwertes X _ST -X _i zur Führungsgröße des Lageregelkreises, d.h. X _S = X _S ′ + (X _ST -X _i ), erzwungen. Hierbei erfolgt ein erster Abgleich des Gesamtsystems vom nächst angefahrenen Werteübergang.

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 X _i 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 Korrektur­ glied 24 wird der jeweilige Wert X _i anhand der aufgerufenen Korrekturwerte korrigiert.

Aus dem Weg-/Zeit-Diagramm in Fig. 2 wird die Korrektur der Führungsgröße deutlich. Ab dem Zeitpunkt T ₁ hat der Ver­ gleich X _ST -X _i ergeben, daß am Getriebeausgang eine Lageabweichung in die negative Richtung aufgetreten ist, so daß die Führungsgröße X _S ′ mit dem Wert der Abweichung in die positive Richtung korrigiert wird, wodurch sich die korri­ gierte Führungsgröße X _S ergibt. Damit entspricht die Ausgangslage am Getriebe wieder der gewünschten Führungs­ größe X _S ′, d. h. die Lageabweichung ist ausgeglichen.

Im Falle der oben angegebenen Beispiele, wobei der inkremen­ tale Geber 6 1000 bis 2500 Schrittimpulse pro Umdrehung, der Absolutwertgeber 14 256 Schrittimpulse pro Umdrehung und das Getriebe 4 ein Übersetzungsverhältnis von 100 : 1 aufweisen, ergibt sich, daß der inkrementale Geber 6 für 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 Schritt­ impuls 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 X _i 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.

Claims (11)

1. Verfahren zur Lageregelung insbesondere eines Gelenkan­ triebes eines Industrieroboters, der einen Antriebs­ motor und ein mit der Motorwelle verbundenes Getriebe umfaßt, wobei aus vorgegebenen, absoluten Weg-Soll­ werten und mindestens einem erfaßten Referenzpunkt eine Führungsgröße zur Regelung des Antriebsmotors ermittelt wird, wobei die Führungsgröße über einen auf der Motorwelle angeordneten, inkrementalen Geber geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzpunktgeber ein am Getriebeausgang angeordneter Absolutwertgeber verwendet wird, der in Abhängigkeit von der Stellung des Gelenkes am Getriebe­ ausgang eindeutige, absolute Wegsignale erzeugt, daß die absoluten Wegsignale mit absoluten, inkrementalen Signalen des inkrementalen Gebers verglichen werden, und daß die Führungsgröße auf dar Basis dieses Ver­ gleichs korrigiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führungsgrößenkorrektur die Abweichung zwischen den inkremental erfaßten Absolutwerten und dem jewei­ ligen Wert des Absolutwertgebers bestimmt und zur Führungsgröße addiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsgrößenkorrektur in einem bestimmten, durch eine vorgegebene Schrittzahl pro Umdrehung des Absolutwertgebers festgelegten Takt durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Absolutwertbildung aus den inkrementalen Werten anhand eines Nullimpulses des Absolutwertgebers durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führungsgrößenkorrektur die Anzahl der inkre­ mentalen Signale für jeden definierten Takt des Absolutwertgebers gezählt, tabellenartig gespeichert und als Korrekturwert durch den Takt jeweils abgerufen wird.

6. Vorrichtung zur Lageregelung insbesondere eines Gelenkantriebes eines Industrieroboters, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 5, wobei der Gelenkantrieb im wesent­ lichen 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 Lagereg­ ler 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 Ver­ gleicher (16) mit einem Führungsgrößen-Summierer (18) verbunden ist.

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

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Absolutwertgeber (14) über eine aus einem Speicher (22) und einem Korrekturglied (24) bestehende Korrektureinrichtung mit dem Vergleicher (16) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsgrößen-Summierer (18) mit dem Lage­ regler (9) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Absolutwertgeber (14) mit dem Zähler (12) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Absolutwertgeber (14) mit einem Interpolator (20) sowie der Interpolator (20) mit dem Führungs­ größen-Summierer (18) verbunden ist.