SE454657B - Forfarande och anordning for optimal styrning av reglerparametrar hos en industrirobot - Google Patents

Description

454 657 2 gravitationen samt inverkan på axeln av rörelser i övriga axlar variera inom vida gränser i beroende av samtliga axlars aktuella lägen samt av massan av den av roboten burna lasten. Vid konstruktion och intrimning av varje axels lägesreglersystem måste reglerparametrarna begränsas så att snabb och stabil drift erhålles även i det ur reglersynpunkt mest ogynn- samma driftfallet. Detta medför att acceleration och retardation hos axelrörelsen i allmänhet kommer att ligga långt under de optimala värdena.

Detta medför i sin tur att tidsåtgången för en rörelse mellan två punkter kommer att bli onödigt lång, och speciellt gäller detta vid rörelser över korta sträckor. Vid många tillämpningar, t ex punktsvetsning och monte- ring, består robotens arbetsprogram av ett stort antal relativt korta rörelser. Den s k cykeltiden, dvs tiden för programmets genomförande, kommer speciellt för dessa tillämpningar att vara lång, vilket är en allvarlig ekonomisk och produktionsteknisk nackdel.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Uppfinningen avser att åstadkomma ett förfarande och en anordning för styrning av en industrirobot, vid vilka cykeltiden kan nedbringas kraftigt i jämförelse med tidigare kända robotar. Uppfinningen avser vidare att åstadkomma ett förfarande och en anordning där dessa fördelar kan erhållas med måttlig beräkningskapacitet hos en i robotens styrutrustning ingående dator.

Vad som kännetecknar ett förfarande och en anordning enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

FIGURBESKRIVNING Ett exempel på en utföringsform av uppfinningen skall nedan beskrivas i anslutning till bifogade figurer 1-8. Pig 1 visar schematiskt en industri- robot, hos vilken uppfinningen kan tillämpas. Fig 2 visar schematiskt uppbyggnaden av robotens styrsystem och dess anslutning till robotens manöverenhet och robotens drivmotorer. Fig 3 visar funktionen hos en robotaxels regulator. Fig 4 visar beräkningsgång och dataflöde vid ett förfarande och en anordning enligt uppfinningen. Fig 5 visar hur enligt en föredragen utföringsform beräkningarna av robotens rörelsedynamik görs under antagandet att massorna hos robotens rörliga delar och hos robotens last approximeras med ett antal diskreta punktmassor. Pig 6 visar struk- L. 3 454 657 turen av för uppfinningen relevanta delar av robotens datorutrustning. Fig 7 visar exempel på hur enligt uppfinningen tiden för en rörelse mellan två punkter kan förkortas. Fig 8 visar i generell form de ingående funktio- nerna vid ett förfarande eller en robot enligt uppfinningen.

BESKRIVNING Av uTFöRINcsaxanæEL Fig 1 visar schematiskt en industrirobot vid vilken uppfinningen kan till- lämpas. Robotens mekaniska del 1 innefattar en basplatta 11, vilken kan vara fast anbringad på ett golv eller annat underlag. En pelare 12 är vridbar runt en vertikal axel. En underarm 13 är vridbar runt en horison- tell axel genom pelarens 12 övre del. En överarm 14 är vridbar runt en horisontell axel genom underarmens 13 yttre ände. Överarmen lß består av två delar, läa och lfib, där delen lüb är vridbar relativt delen lüa runt en axel som sammanfaller med armens 14 längdaxel. Armen 14 uppbär en robothand 15, vilken är vridbar runt en axel genom armens 14 yttre ände.

Robothanden består av två delar, l5a och l5b, där delen l5b är vridbar i förhållande till delen 15a runt en med handens längsaxel sammanfallande axel. Handens ytterdel 15b uppbär ett gripdon 16, vilket i sin tur uppbär ett föremål L. Robothanden 15 kan alternativt eller dessutom, beroende på tillämpningsområde, uppbära ett arbetsverktyg, t ex en skruvdragare, en punktsvetsutrustning eller en färgspruta.

Industrirobotens styrenhet 2 innehåller matningsdon för erforderliga elektriska spänningar, drivdon för drivmotorerna i de olika robotaxlarna, en datorutrustning för utförande av de beräkningar, logiska beslut etc som erfordras för styrning av roboten under programmering och drift, ett pro- gramminne för inlagring av koordinaterna för ett antal lägen som bestämmer robotens rörelse och robothandens orientering under automatisk drift och för inlagring av de instruktioner som roboten programmeras att verkställa i de olika lägena. Styrenheten innehåller vidare erforderliga kommunika- tionsenheter, digital-analogomvandlare etc.

Industriroboten har vidare en manöverenhet 3 i huvudsak avsedd för betjä- ning av roboten under programmeringsfasen. Enheten är försedd med en styr- spak 31, vilken är rörlig i tre frihetsgrader och med vars hjälp robot- handens läge och orientering kan styras under programmeringen. Manöver- enheten har vidare en presentationsenhet 32 samt ett antal manöverknappar 33 för inmatning av instruktioner, kommandon, numeriska data etc. 454 657 “ Styrenheten 2 är förbunden med den mekaniska delen 1 och med manöver- enheten 3 med hjälp av elektriska kablar.

Fig 2 visar schematiskt vissa av de i styrenheten 2 ingående enheterna och deras förbindelser till den mekaniska delen och till manöverenheten. Styr- enheten innefattar en databuss 26, med vars hjälp enheterna 21-ZÄ står i förbindelse med varandra. Manöverenheten 3 är ansluten till databussen via en interfaceenhet 21. Vidare är en datorutrustning 22 förbunden med data- bussen. Datorutrustningen styr roboten under programmeringsfasen och under automatisk drift och verkställer för styrningen erforderliga beräkningar, exempelvis på i och för sig känt sätt interpolationen av ett antal mellan- lägen melllan varje par av inprogrammerade lägen. Datorutrustningen verk- ställer även de beräkningar som enligt uppfinningen företas för styrning av axelregulatorernas parametrar.

Till databussen är vidare anslutet ett minne 23. I minnet finns en gång för alla inlagrade de för styrning av roboten erforderliga generella programmen. Vidare lagras vid programmeringen av roboten i minnet koordi- naterna för de punkter som definierar robotens önskade rörelse och orientering under automatisk drift. I minnet lagras vidare de data som enligt den följande beskrivningen erfordras för parameterstyrningen enligt uppfinningen.

Enheterna 22 och 23 anger endast funktioner, och de båda enheterna behöver ej vara fysiskt separerade. Datorutrustningen kan vidare vara uppdelad på en eller flera datorer och på ett eller flera minnen.

I fig 2 visas drivutrustningen för en av robotens axlar och den till denna axel hörande specifika styrutrustningen. Robotaxeln har en drivmotor M0, vilken driver rörelsen i axeln, och till vilken är kopplad en resolver RE och en tachometergenerator TG. Motorn MO kan exempelvis vara en växel- strömsmotor, vilken matas från ett drivdon 25, som kan utgöras av en pulsbreddmodulerad växelriktare. Drivdonet avger då en växelspänning vars frekvens, amplitud och fasläge styrs av styrenhetens datorutrustning via ett interface Zfl på sådant sätt att önskat motormoment erhålles i varje ögonblick. Alternativt kan drivmotorn utgöras av en likströmsmotor, varvid 5 454 657 den motorns arbetslindning tillförda likströmmen styrs av drivdonet 25. vilket då exempelvis kan vara en styrbar likriktare eller en likspännings- omvandlare.

En resolver RE är mekaniskt kopplad till motoraxeln och avger en signal 6 som är ett mått på den momentana vridningen i robotaxeln relativt ett nolläge (synkroniseringsläge). Vidare kan en tachometergenerator TG vara mekaniskt kopplad till robotaxeln och avge en signal é som utgör ett mått på den aktuella rotationshastigheten i axeln i fråga. I andra utförings- former kan rotationshastigheten beräknas ur resolversignalen. Interface- enheten 24 innehåller erforderlig matningsutrustning för resolvern samt erforderliga omvandlare för omvandling till digital form av signalerna från resolvern och tachometergenertorn.

I fig 2 har för enkelhets skull endast utrustningen för en enda av robo- tens axlar visats. Driv- och styrutrustningen (ZÄ, 25, 1) för de övriga axlarna är utformade på samma sätt som den i fig 2 visade, varvid digital och analog multiplexing av signaler göres.

Fig 3 visar utformningen av lägesreglersystemet för robotaxeln. De inom rutan 22 + 23 + ZÄ visade funktionerna utförs av robotdatorn. men beskrivs i det följande för enkelhets skull som om funktionerna utfördes av hård- varukretsar.

En interpolator IP interpolerar fram ett antal lägen och handledsrikt- ningar mellan varje par av i programmet lagrade lägen och riktningar. De framinterpolerade lägena och riktningarna är uttryckta i robotens bas- koordinatsystem och transformeras till koordinater i robotens axelsystem, och matas i form av lägesbörvärden (vinkelbörvärden) till de olika axlar- nas lägesregulatorer. Det för en axel erhållna lägesbörvärdet betecknas med Gr. I en summeringskrets S1 jämförs börvärdet med det från resolvern RE erhållna ärvärdet 6. Skillnaden tillförs en lägesregulator PR. Denna kan vara en ren proportionell regulator, och i så fall matas lämpligen lägesbörvärdena in till lägesregulatorn i en sådan takt att axelläget 6 under acceleration och retardation följer ett paraboliskt förlopp i bero- ende av tiden, och detta pà sådant sätt att accelerationen respektive retardationen är konstanta. Alternativt kan lägesregulatorn vara försedd med en parabolisk förstärkningsfunktion så avpassad att regulatorns ut- signal är en parabolisk funktion av dess insignal. Även härigenom 454 657 s erhålles konstant acceleration (strömgräns) respektive retardation (reglerad linjär hastighetsramp) hos robotrörelsen. Lägesregulatorns förstärkning Kp är varierbar och styrs på det sätt som nedan skall beskrivas.

Lägesregulatorns utsignal år utgör systemets hastighetsbörvarde och jäm- förs i summatorn S2 med det från tachometergeneratorn TG erhållna hastig- hetsärvärdet é (alternativt med det från resolversignalen beräknade hastighetsvärdet å). Felsignalen tillförs en hastighetsregulator VR, vars förstärkning Kv kan vara konstant eller varierbar (se nedan). Hastighets- regulatorns utsignal utgör strömreferensen Ir för drivdonet 25. Ström- referensen jämförs i en summator S3 med det från ett mätdon IM erhållna ärvärdet I hos motorströmmen. Avvikelsen mellan strömmarna styr drivdonets 25 spänning på sådant sätt att motorströmmen kommer att följa börvärdet Ir.

Fig 4 visar schematiskt beräknings- och beslutsförloppet för bestämning och inställning av lägesregulatorns PR förstärkning. I blocket MODEL beräknas för robotens olika axlar (i är ett index som är 1 för axel 1, 2 för axel 2 etc) axlarnas masströghetsmoment Ji, de kopplade tröghets- momenten Jij mellan axlarna (Jij är det kopplade tröghetsmomentet mellan axeln i och axeln j) samt de av gravitationen orsakade momenten Mgi.

Beräkningen görs på sätt som nedan närmare skall beskrivas i beroende av de olika axlarnas lägen ei, vridningshastigheter êi samt av massan mL hos den av roboten för tillfället burna lasten L. Beräkningen görs med hjälp av en på förhand uppställda matematisk modell, vilken kan vara mer eller mindre approximativ beroende på robotmekanik och tillgänglig processorkapacitet.

I blocket PARCALC finns ett ekvationssystem uppställt, vilket för varje robotaxel anger sambandet mellan acceleration, motormoment, friktions- moment, gravitationsmoment, masströghetsmoment, kopplade masströghets- moment samt rörelseriktning. Information om rörelseriktningen erhålles från blocket MON, vars utsignal SGN(éi) anger rörelseriktningen i axeln.

Ekvationssystemet löses under antagande av maximalt tillgängligt motormoment i varje axel och som resultat erhålles för varje axel dess maximalt tillgängliga acceleration Iëil under det ovan angivna antagandet. För varje axel jämförs det sistnämnda värdet med den för axeln maximala acceleration/retardation som kan tillåtas med bibehållande av 454 657 tillfredsställande regleregenskaper. Det av de båda jämförda värdena som har det lägre absolutvärdet används för inställning av lägesregulatorns förstärkning Kpi.

Eftersom de dynamiska beräkningarna måste utföras i realtid är det väsentligt att man väljer en lämplig matematisk modell för robotens mekaniska egenskaper. Om inte en lämplig matematisk modell väljs kommer nämligen beräkningsvolymen att bli så stor att det blir svårt eller omöjligt att utföra den med rimliga insatser av datorkapacitet. Det är vidare lämpligt att den med nödvändighet approximativa modellen väljs på ett sådant sätt att den enkelt kan kompletteras för att öka dess noggrannhet. Den bör vidare vara sådan att den utan omfattande modifikationer kan användas för att beskriva nya robotstrukturer.

Nedan skall en matematisk modell beskrivas där dessa fördelaktiga egenskaper har uppnåtts genom lämpligt val av approximationer. Den första approximationen består i att fysikaliska fenomen av mindre inflytande i det aktuella fallet, såsom t ex centripetalkrafter. har försummats. Den andra approximationen består i att robotens mekaniska egenskaper i huvudsak har beskrivits med hjälp av punktmassor på det sätt som nedan skall beskrivas i anslutning till fig 5. Den tredje approximationen består i valet av lämpliga geometriska approximationer för att beskriva punktmassornas lägen som funktioner av aktuell robotkonfiguration, Fig 5 visar schematiskt robotens olika delar, vilka har samma beteckningar som i fig 1. Rörelserna i samtliga robotaxlar består av rotationer, och ei (i = 1. 2 ... 6) betecknar varje axels läge (vridningsvinkel relativt ett synkroniserings- eller referensläge). De valda punktmassorna betecknas med ml-m9. Massorna ml, mä och m7 används för beräkning av de moment som alstras av gravitationens inverkan på axlarna 2-6 från armarna 13 och 14, handen 16 och lasten L. Massan m2 används för beräkning av masströgheten hos armen 13, massorna m3 och m5 används för beräkning av masströgheterna hos armdelarna 14a och lüb, och massorna m8 och m9 används för beräkning av masströgheten hos lasten L. Genom denna relativt enkla modell kan genom lämpligt val av punktmassornas storlekar och lägen en god approximation erhållas av den aktuella robotens dynamiska egenskaper.

Kopplade masströgheten beräknas antingen ur masströghetsmassorna eller gravitationsmassorna i beroende av axeltransmissionernas utförande. T ex 454 657 8 användes gravitationsmassorna för den kopplade masströgheten mellan axel 2 och 3 på grund av parallellstagstransmission hos axel 3 medan t ex kopplad masströghet mellan axel 5 och 6 beräknas med masströghetsmassorna.

Massan m6 är en tilläggsmassa som används för beräkning av gravitations- moment och masströghet orsakade av en eventuell, av armen lä uppburen extra belastning (exempelvis en rulle svetstràd eller ett strömmatnings- aggregat för en punktsvetstâng). I och med att den matematiska modellen sålunda är vald kan de ekvationer som beskriver robotens dynamik uppställas ur kända mekaniska samband. Som ett exempel visas nedan uttrycken för axelns 3 masströghet J3 och för det av gravitationens inverkan på axeln 3 orsakade momentet Mg3: J = J + m - (1 2 2 2 3 33) + ms _ (135) + m6 . (136) + . + . _ 2 > *m7 (Las. 157 “Sms 93" U Mg3 = mq - g - l3u - sin(e3 + esu) + m6 - g - 136 - sin(e3 + 936) + * m1 ' g ' (Las ' sinæa) * 157 ' “mas " 63) ' °°S°3 ' - l - sin(6 57 'e ) . Cggeu) (2) 5 3 där Ji: total masströghet hos axel i Jio: tröghetsmoment hos motor och växel i axel i mi: punktmassans i massa lij: avståndet mellan axel i och punktmassan j Lij: avståndet mellan axel i och axel j ei: läge (vinkel) hos axel i Mgi: gravitationsmoment på axel i g: gravitationskonstanten Qij: läget hos punktmassan j uttryckt som vinkelläge relativt axel i 454 657% Följande geometriska approximationer har härvid gjorts: Avståndet från handledskoordinatsystemets x-axel hos den punktmassa som representerar lasten har försummats Lastens masströghet har beräknats med användande av gravitations- massan i stället för de ekvivalenta tröghetsmassorna Inflytandet på axel U i de fall då läget i axel 5 avviker från referensläget har försummats.

Eftersom axlarna påverkar varandra mäste samband uppställas som anger kopplingen mellan de olika axlarna. Som ett exempel visas det uttryck som anger den kopplade masströgheten J65 mellan axlarna 5 och 6: = "' m8 ' ' ' + ' COS(658) ' Sin(e6 4* "' _ . _ . . . (3) m9 169 (G65 169 + 159 cos(659) sin(e6 + 969)) där Jij: den kopplade masströgheten mellan axlarna i och j Gij: utväxlingsförhàllandet mellan axlarna i och j.

När masströghet. gravitationsmoment och kopplad masströghet har beräknats kan dessa parametrar användas för att uppdatera de dynamiska ekvationer som kan uppställas för varje axel: J.'e'.=M:F_+M.+Z .L-ë W 1 1 där ëi och ëj: accelerationen hos axel i resp axel J Mi: motormoment hos axel i Fi: friktionsmoment hos axel i. .inn 454 657 1° Vid uppställande av det ovan beskrivna ekvationssystemet som beskriver axlarnas dynamik har det antagits att robotens olika delar är styva och saknar glapp. vilket ger en modell som är tillfredsställande för bestämning av de reglerparametrar som ger optimal acceleration respektive retardation. Givetvis kan, om så anses motiverat, modellen förfinas genom att exempelvis ta hänsyn till elasticitet och befintliga glapp.

Den önskade optimala accelerationen respektive retardationen i varje axel kan som ovan nämnts erhållas på två olika sätt. Enligt det första kan lägesregulatorn PR anordnas med en parabolisk överföringsfunktion och enligt det andra sättet kan lägesreferensen er beräknas på sådant sätt att läget vid acceleration och retardation följer ett paraboliskt förlopp som funktion av tiden. Uppfinningen anger ett förfarande som kan användas för båda dessa alternativa utformningar av lägesregleringen. Den följande delen av förfarandet består av två steg.

I det första steget beräknas de maximala accelerations- och retardations- värden vilka erhålles under antagandet av att maximalt tillgängligt motormoment användes i varje axel. För varje axel används därvid det ovan uppställda dynamiska sambandet (ekvation 4). Ett ekvationssystem uppställes därvid för accelerationsfallet. där ekvation 4 får följande form: Ji' 'esfl = HMimaX' ' Fi' * "gi ' Scmeir) " + X Jji - |e¿| - sameir) - scmejr) (s) 3.1 där lëilz maximalt möjligt accelerationsvärde Mimax: maximalt tillgängligt motormoment (êir): hastighetsreferens +l om éirš 0 ~ SGN(åir) = -1 om èir < 0 H 454 657 Vid retardation kan ekvation 4 skrivas på följande sätt: IlMimaxl + Fil ' -M -ssN(éi) + I J -|ë (6) 31 I - soN(ài) - scN(é jfii si 1 1) där êi: hastighetens ärvärde +1 om éi L 0 scmëi) = -1 om ëi < O De båda sålunda uppställda ekvationssystemen för acceleration respektive retardation kan lösas, varigenom maximalt uppnåeliga absolutvärden hos acceleration respektive retardation erhålles för de olika axlarna. Som ett exempel anges nedan det sålunda erhållna uttrycket för retardationen hos axel 2 under antagandet av att den enda till axel 2 kopplade trögheten härrör från axel 3: lëzi = {1|M2max| + FZ: - Mgz - scruéz) + 132- (lzn3maxz + + F31 - sençéß) - MSS) . scN(è2) / J3 } / (az - J23 - J23/J3> Med hjälp av det nu beskrivna förfarandet kommer Iëil att kontinuerligt uppdateras enligt de uttryck för de olika axlarna som motsvarar ekvation 7 ovan. Eftersom bade Ji, Mgi och Jij beror på de olika axlarnas lägen kommer lëil att i varje ögonblick bero av den aktuella robotkonfigurationen.

För höga beräknade värden pà absolutvärdet lëil kommer eventuellt i vissa fall lägesregulatorernas regleregenskaper inte att vara tillfredsställande, och därför görs enligt det andra steget i förfarandet ett val enligt följande: 454 657 12 lëileflun {|ë1|. |ë1|max} (a) där Iëilc: det accelerations-/retardationsvärde som användes vid den följande inställningen av reglerparameter. lëil: det enligt ekvationerna exemplifierade av ekvation 7 ovan beräknade accelerations-/retardationsvärdet iëilmaxz det under bibehållande av tillfredsställande regleregenskaper maximalt möjliga accelerations-/retardationsvärdet.

Värdet Iëilmax beror av masströgheterna och av intrimningen av läges- och hastighetsregulatorerna (se fig 3). lëilmax bestämmes lämpligen experimentellt, eller med hjälp av simuleringar, som funktioner av masströgheterna.

När det optimala accelerations-/retardationsvärdet har bestämts i enlighet med ekvation 8 ovan kan reglerparametrarna instållas för att ge , reglerprestanda i enlighet med det enligt ekvation 8 bestämda värdet. Hur detta görs beror på vilket av de båda ovan nämnda alternativa reglerförfarandena som används.

I det fall lägesregulatorn PR har en parabolisk förstärkningsfunktion kan hastighetsreferensen åir skrivas som: . ff 1 (c - Kpi - es - Kp - eeo S) /n; Sir > Gi if <9) offs 1/n - (c - Kpi - ee - Kp - ee ) : 61 > Bir där ee är lägesregulatorns eftersläpning (felsignal) n är en konstant z 2 454 657 13 Kpi är en proportionalitetskonatant (lägesregulatorns förstärkning) c är en parabelkonstant offs e 6 är en offsetsignal.

Parameteroptimeringen kan nu göras som en justering av Kpi enligt följande uttryck: Kp: = Fuëuc. éi. än) (10) där F är en kontinuerlig funktion som kan härledas ur den icke linjära lägesregulatorns karakteristik.

Funktionen F kan i ett typiskt fall med sambandet 9 øvan ha följande utseende: n ' = . n - ..

Kul _ 1_n ' (leilc eei) c - (Sir) - (eir - eéi) där n och c är konstanter som definierar lägesregulatorns paraboliska överföringsfunktion. eéi = éir - éi éëi: tidsderivatan av eåi Vid det andra lägesreglerförfarandet med dynamisk banplanering, där lägesbörvärdet för en lägesregulator genereras som en parabolisk funktion av tiden, kan justeringen av lägesreglersystemets reglerparametrar göras på följande sätt, varvid det förutsätts att robotdatorn periodiskt samplar och beräknar de angivna värdena: _ ' . " . 2 (12) air (t+Ts) _ eir (t) + air (t) l Ts + 1/2 Ieilc Ts 454 657 u* I I ,| Bit (t+Ts) = air (t) + |8iIc - T; (13) där TS: samplingsintervall Ovan har beskrivits hur endast lägesregulatorns förstärkning respektive lutningen hos den rampfunktion som bildas av de lägesregulatorn tillförda lägesreferensvärdena påverkats för att erhålla optimala reglerprestanda.

Den önskade variationen av lägesreglerslingans förstärkning kan alternativt erhållas genom samtidig påverkan av förstärkningarna Kp respektive Kv hos läges~ och hastighetsregulatorerna.

Fig 6 visar schematiskt hur data och beräkningsfunktioner kan vara organiserade vid förfarandet enligt uppfinningen. Den dynamiska robotmodellen utgöres av blocket DYNCALC. Valet av accelerationsvärden för de olika axlarna. bestämningen av optimalt värde på reglerparametrarna samt inställningen av dessa är implementerade i blocket PARCALC. För att minimera det erforderliga beräkningsarbetet genom att undvika onödigt upprepande av beräkningar lagras fortlöpande i en databas COMMON sådana mellanresultat av beräkningarna som kan utnyttjas vid följande beräkningar. I blocket INITCALC utföres vid start av systemet så stor del som möjligt av de erforderliga beräkningarna. dvs sådana beräkningar vars resultat inte påverkas av de konfigurationsändringar som roboten utsätts för under driften. Dessa beräkningar styrs av blocket INIT. Sådana funktioner som kräver omfattande beräkningar, t ex trigonometriska funktioner, kan lämpligen för att reducera erforderlig beräkningskapacitet implementeras i form av tabeller. vilka befinner sig i modulen TAB.

Funktionsblocket för parameterinställning kommunicerar även med en dataarea GLOBAL. vilken innehåller sådana data som parameter- installningsfunktionerna har gemensamt med övriga robotstyrsystem- funktioner. En modul LOAD & CONTR innehåller erforderliga data och funktioner för start och styrning av parameterinstallningsfunktionerna.

Dessa funktioner kommunicerar även med en dataarea POS. vilken innehåller läges- och hastighetsvärden för de olika robotaxlarna etc. De av parameterberäkningsfunktionen PARCALC beräknade optimala värdena på reglerparametrarna tillförs en dataarea PARDATA, från vilken de under robotens drift fortlöpande hämtas och utnyttjas för påverkan av lägesregulatorernas reglerparametrar.

L... 15 454 657 En parameteroptimering enligt uppfinningen ger väsentliga reduktioner av cykeltiderna, särskilt för sådana korta rörelser där retardationen följer omedelbart på accelerationen. Detta åskådliggöra i fig 7. Figuren visar tre olika fall. I-III. För varje fall visas som funktioner av tiden överst hastigheten. därunder accelerationen och underst momentet. Samtliga tre fall avser axel 2. I fig 7 betecknar å: hastighet ëz acceleration M: motormoment Mg: av gravitationen orsakat moment J: tröghetsmoment Fallet I längst till vänster avser det fall då gravitationsmomentet har sitt maximala värde. Under accelerationen åstadkommer lägesregulatorns paraboliska förstärkningsfunktion att drivmotorn ger sitt maximala moment. vartill i detta fall gravitationsmomentet adderas. Under retardationsfasen ger likaså lägesregulatorns paraboliska förstärkningsfunktion ett motormoment nära maximalvärdet. men eftersom gravitationsmomentet nu har motsatt riktning kommer retardationen att vara väsentligt långsammare än accelerationen. Med worst case trimning sattes Kp till ett värde som motsvarar retardationen i fallet I.

I fall II antas lägesreglersystemets parametrar vara injusterade för worst case enligt fall I. I fall II antas robotkonfigurationen vara sådan att gravitationsmomentet är noll. De heldragna kurvorna i fall II avser detta fall medan de streckade kurvorna som jämförelse visar förloppen vid fall I. Som synes erhålles maximalt motormoment under accelerationsfasen, medan under retardationsfasen retardationen har det för fall I intrimmade värdet. Retardationen tar därför onödigt lång tid relativt tillgängligt motormoment. Tiden för rörelsen blir tl. vilken med 6 X överstiger motsvarande tid t0 i fall I. Fall III åskådliggör den förbättring som vid samma förutsättningar som i fall II erhålles med hjälp av uppfinningen.

Drivmotorn kommer såväl under acceleration som under retardation att arbeta med maximalt moment. Den totala tiden t2 för rörelsen blir 25 Z kortare än i fall II.

De i fig 7 visade driftfallen bygger på kraftigt förenklade antaganden och exempelvis har där hänsyn tagits endast till den egna axelns gravitation, lat. 454 657 16 En mera fullständig beräkning under hänsynstagande även till kopplade tröghetsmoment och till variationer i masströgheterna visar att det är möjligt att reducera tiden för en viss rörelse med upp till 40 X. En reduktion av denna storleksordning har utomordentlig ekonomisk och praktisk betydelse i sådana robottillämpningar som punktsvetsning, montering, limning etc. Förutom denna väsentligt ökade snabbhet i robotens arbete erhålles med hjälp av parameteroptimeringen enligt uppfinningen också en reduktion av det genomsnittliga lägesfelet under rörelsen.

Fig 8 visar schematiskt hur parameteroptimeringen enligt uppfinningen kan integreras i ett robotstyrsystem. Blocken DYNCALC och PARCALC har de tidigare beskrivna funktionerna, nämligen utförandet av de dynamiska beräkningarna respektive beräkning av optimala parametervärden. De beräknade parametervärdena PAR tillförs axelregulatorerna AXREG. De dynamiska beräkningarna ger de maximalt uppnåbara accelerationsvärdena ëlim för de olika axlarna. Dessa värden tillförs ett funktonsblock PATHPLAN, där det som regel av en axel begränsade accelerationsvärdet översätts till sådana accelerationsvärden i övriga axlar att roboten kommer att följa den önskade banan. Funktionsblocket PATHPLAN ger lägesreferensvärdena Gr vilka tillförs axelregulatorerna. Dessa matar robotens drivmotorer med strömmar I och erhåller från roboten uppgifter om lagen e och hastigheter à i de olika axlarna.

De dynamiska beräkningarna är som ovan nämnts approximativa, vilket kan medföra att de optimerade parametervärdena blir för låga. För att kompensera för detta kan adaptiva beräkningar utföras för att med ledning av den verkliga robotens uppförande korrigera de gjorda parameter- beräkningarna. Denna funktion utföres av funktionsblocket ADCALC.

Exempelvis kan i detta block en mätning av axlarnas dynamiska utstyrning under retardationsförloppen göras och användas för kompensation av approximationsfelen i robotmodellen. Exempelvis kan motorströmmarnas avvikelser från de önskade värdena mätas och kompenseringen ske genom en justering av de av parameterstyrningen genererade förstärkningarna.

Claims (12)

17 454 657 PATENTKRAV

1. Förfarande för optimal parameterstyrning av axelregulatorer hos en industrirobot (1-3), vilken har ett flertal rörelseaxlar (1-6) och för varje axel en drivmotor (M0) och axelregulator (PR. VR) för styrning av axelrörelsen i enlighet med regulatorn tillförda börvärden (er) samt en datorutrustning (22, 23) för styrning av roboten, k E n n e t e c k - n a t a v att med hjälp av en matematisk modell, som beskriver robotens statiska och dynamiska egenskaper. beräknas fortlöpande under robotens drift accelerations- och retardationsvärden (ëi) för åtminstone vissa axlar med antaget maximalt värde hos drivmotormomentet hos varje axel. varefter minst en reglerparameter (Kp) och/eller en banplaneringsparameter (lëilc) vid minst en axelregulator väljes i beroende av beräkningen.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att för varje axel med ledning av den matematiska modellen ett matematiskt samband uppställes som beskriver axelns dynamik med antaget maximalt motormoment, samt ur dessa samband den maximalt uppnàeliga accelerationen respektive retardationen för varje axel (ëi) beräknas.

3. Förfarande enligt patentkrav 2. k ä n n e t e c k n a t a v att för åtminstone vissa axlar det beräknade maximala accelerations- respektive retardationsvärdet jämförs med ett förutbestämt värde (lëilmax), så valt att det för den aktuella robotkonfigurationen anger den maximalt möjliga acceleration respektive retardation som kan användas med bibehållande av tillfredsställande regleregenskaper hos axelns reglersystem, varefter en reglerparameter (Kp) och/eller bangenereringsparameter (|6|c) hos axelregulatorn väljas i enlighet med det av de båda nämnda värdena som har det lägre absolutvärdet. 454 657 18

N. Förfarande enligt något av föregående patentkrav. k ä n n e t e c k- n a t a v att den matematiska modellen är utformad under hänsynstagande till minst en av följande storheter: masströghet. gravitation. kopplad masströghet, centrifugalkraft och Corioliskraft.

5. Förfarande enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a t a v att en robotmodell bestäms med minst en punktmassa (mi) per robotarm och minst en punktmassa för den av roboten burna lasten, varvid lägena hos dessa massor beräknas med ledning av experimentellt uppmätta värden på robotens accele- rationer och motormoment vid ett antal olika robotkonfigurationer. var- efter masströgheterna beräknas ur robotmodellen.

6. Förfarande enligt något av patentkraven Ä och 5, k ä n n e - t e c k n a t a v att en robotmodell bestäms med minst en punktmassa per robotarm och minst en punktmassa för den av roboten burna lasten, varvid lägena hos dessa massor beräknas med ledning av experimentellt uppmätta värden på robotens motormoment vid olika konfigurationer, varefter inverkan av gravitation samt ömsesidig påverkan mellan axlarna beräknas ur robotmodellen.

7. Förfarande enligt något av föregående patentkrav vid en industri- robot, där en axels axelregulator innefattar en lägesregulator (PR), k ä n n e t e c k n a t a v att de ur den matematiska modellen beräknade accelerations- respektive retardationsvärdena efter skalning direkt får utgöra lägesregulatorns förstärkning.

8. Förfarande enligt patentkrav 7. k ä n n e t e c k n a t a v att lägesregulatorns förstärkning varieras i beroende av skillnaden mellan aktuell motorström och maximalt tillåten motorström för optimalt utnyttjande av tillgängligt motormoment.

9. Förfarande enligt något av föregående patentkrav vid en industri- robot, innefattande organ anordnade att under acceleration respektive retardation tillföra en axelregulator lägesbörvärden (er) på sådant sätt att konstant acceleration respektive retardation erhålles, k ä n n e - t e c k n a t a v att accelerations- respektive retardationsvärdet sätts lika med det ur den matematiska modellen beräknade accelerations- respek- tive retardationsvärdet. 19 454 657

10. Förfarande enligt patentkrav 9, k E n n e t e c k n a t a v att accelerationsvärdet varieras i beroende av skillnaden mellan aktuell ström och maximalt tillåten motorström för optimal utnyttjning av tillgängligt IIIOtOÅPNONEDÜ .

11. Förfarande enligt något av föregående patentkrav vid vilken axel- regulatorn innefattar en hastighetsregulator (VR), k ä n n e t e c k - n a t a v att en reglerparameter (Kv) hos hastighetsregulatorn varieras i beroende av robotkonfigurationen och den matematiska modellen för kompensering av dämpningsvariationer orsakade av variationer i masströghet och effektiv fjäderkonstant.

12. Anordning för optimal parameterstyrning av axelregulatorer vid en industrirobot (1-3), vilken har ett flertal rörelseaxlar, för varje axel en drivmotor (M0) och en axelregulator (PR, VR) för styrning av axel- rörelsen i enlighet med regulatorn tillförda lagesbörvärden (er), samt en datorutrustning (22, 23) för styrning av roboten, k Å n n e t e c k n a d a v att den innefattar beräkningsorgan anordnade att ur förutbestämda data och samband, vilka beskriver robotens statiska och dynamiska egenskaper, beräkna de accelerations- och retardationsvärden som erhålles för robotens axlar med antaget maximalt motormoment i axlarna samt organ anordnade att åtminstone för vissa axlar välja en regler- parameter (Kp) och/eller bangenereringsparameter (lëlc) hos axel- regulatorn i beroende av beräkningen. L...