JP4792472B2

JP4792472B2 - 機械の可動要素の位置決めのための方法および装置、ならびに工作機械、生産機械および／またはロボット

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Publication number: JP4792472B2
Application number: JP2007557492A
Authority: JP
Inventors: クラム、ライムント; グランマトケ、カイ; ヘーバー、ティノ
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: WO2006092400A1; DE102005010089B4; US7729788B2; US20080281441A1; DE102005010089A1; JP2008532155A

Description

本発明は、機械の可動要素の位置決めのための方法および装置、ならびに工作機械、生産機械および／またはロボットに関する。

例えばロボット、工作機械および／または生産機械のような機械においては、例えば工具または工作物のような機械の可動要素が正確に位置決めされるべきである。要素の位置決めのために、市販の機械においては、例えば要素が、定められた目標位置、すなわち特定位置までどのように移動されるべきかという位置決め指令が基準量発生ユニットに入力量として送られる。基準量発生ユニットは位置指令から相応の位置目標量を発生し、この位置目標量は個別の位置目標値の形で目標量として要素の位置決めのための制御装置に伝達される。制御装置は機械軸の駆動装置を制御し、その際に機械軸が要素を位置目標量に応じて移動させることにより位置決めをする。プラスチック機械またはプレスにおけるように多くの機械では、しばしば、移動過程中に発生する物理量、例えば発生する圧力および／または発生する力を制限することが必要である。このために市販の機械ではいわゆる制限調節器が使用される。制限調節器は目標値（例えば、最大許容圧力および／または力）の超過時に介入して制限量を出力する。位置目標量が制御装置に制御のための目標量として伝達される前に、基準量発生ユニットによって発生させられる位置目標量がその制限量の付近に低減される。制御装置は、もはや本来の位置目標量ではなくて、そのように変更された（低減された）目標量を入力量として受け取ることから、移動させるべき要素の正確な位置決めがもはや行なわれない。したがって、移動させるべき要素が位置決め指令によって規定された目標位置に正確に位置決めされないで、要素の移動の動きが早まって停止されるので、目標位置がもはや到達されない。

このような場合、従来の市販の機械では、機械の操縦者が手動制御により要素を所望の位置へ、すなわち目標位置へ移動させなければならなかった。あるいは、次のように要素の移動速度が低下させられなければならなかった。すなわち、例えば移動時に発生する力が少なくて制限調節器がもはや介入しないことにより、位置目標量が制御装置に制御のための目標量として伝達される前に位置目標量が低減されるということがなくなるように移動速度が低下させられる。しかしながら、これらの従来のやり方は加工時間の増加およびそれにともなうコスト上昇という結果に帰着する。

本発明の課題は、適切な方法および適切な装置により機械の要素の正確な位置決めを可能にすることにある。

この課題は、次の如き特徴を有する機械の要素の位置決めのための方法によって解決される。すなわち、
位置目標量が発生させられ、
位置目標量が制限量によって低減されることにより変更位置目標量が形成され、変更位置目標量が要素の位置決めのための制御装置に目標量として伝達され、
変更位置目標量から予測位置目標量が求められ、
予測位置目標量から要素の制動距離が求められ、
制動距離が、予測位置目標量だけ低減された目標位置に一致したときに、要素の制動過程が開始される。

更に、この課題は、次の手段を有する機械の要素の位置決めのための装置によって解決される。すなわち、
位置目標量を発生するための手段と、
位置目標量が制限量によって低減されることにより変更位置目標量が形成され、変更位置目標量が目標量として要素の位置決めのための制御装置に伝達されるように、制限量を発生するための手段と、
変更位置目標量から予測位置目標量を求めるための手段と、
予測位置目標量から要素の制動距離を求めるための手段と、
制動距離が、予測位置目標量だけ低減された目標位置に一致したときに、制動過程を開始させる要素の制動過程の開始のための手段とを有する。

予測位置目標量から要素の予測目標速度が求められることによって予測位置目標量から要素の制動距離が求められること、および／または予測目標加速度が求められかつ予測位置目標量および／または予測目標速度および／または予測目標加速度に基づいて制動距離が求められることが有利であることが分かった。これによって、制動過程の正確な算定が可能である。

更に、変更位置目標量から予測位置目標量が外挿推定により求められることが有利であることが分かった。この措置によって予測位置目標量の非常に正確な算定が可能にされる。

更に、制限量が力および／または圧力を制限する量の形で与えられていることが有利であることが分かった。力および／または圧力のような物理量は、市販の機械において、通常、制限する量である。

更に、発生させられる位置目標量が制動過程に応じて調整されることによって制動過程が開始させられることが有利であることが分かった。これによって制動過程の簡単な制御が可能にされる。

更に、位置目標量を発生するための手段としてインタポレータが設けられていることが有利であることが分かった。インタポレータは位置目標量を発生するための通常の手段である。

更に、制限量を発生するための手段として制限調節器が設けられていることが有利であることが分かった。制限調節器は制限量を発生するための通常の手段である。

更に、変更位置目標量から予測位置目標量を求めるための手段として外挿推定ユニットが設けられていることが有利であることが分かった。外挿推定ユニットにより予測位置目標量が変更位置目標量から特に正確に算定可能である。

更に、要素の制動過程の開始のための手段は、この手段が位置目標量を発生するための手段に作用することによって制動過程を開始させ、位置目標量を発生するための手段が位置目標量を制動過程に応じて調整することが有利であることが分かった。これによって、制動過程の特に簡単な開始が可能にされる。

工作機械、生産機械および／またはロボットは、例えば工具および／または加工物が正確に位置決めされなければならない普通の機械である。しかしながら、本発明は他の機械における要素の位置決めのためにも適していることは自明のことである。

本発明の実施例を図面に示し、以下において詳細に説明する。図１は機械の要素の位置決めのための本発明による方法および本発明による装置を示し、図２は目標速度ならびに変更目標速度の時間的経過を示す。

図１には、ブロック図の形式にて本発明による方法および本発明による装置が一実施例の形で示されている。目標位置ｘ_Z、すなわち要素８が移動されるべき位置が、基準量発生ユニット１の入力量として用いられる。基準量発生ユニット１は市販の機械ではインタポレータの形で存在する。したがって、目標位置ｘ_Zに応じて基準量発生ユニット１は時間ｔに依存した位置目標量ｘ_sollを発生する。センサを介して、要素８の移動時に発生する力Ｆ_istが測定され、減算器３に入力量として供給される。測定された力Ｆ_istは、減算器３により予め与えられた目標力Ｆ_soll（一般に、これは移動過程のための最大許容力である。）から減算され、入力量として制限調節器２に供給される。測定された力Ｆ_istが目標力Ｆ_sollを上回る場合には制限調節器２が制限量Ｂを発生し、制限量Ｂが減算器４により位置目標量ｘ_sollから減算される。位置目標量ｘ_sollはそのようにして制限量Ｂによって減少させられ、減算結果として、減算器４から変更位置目標量ｘ_sollMが出力される。要素８の現在位置が実施例では位置発信器により測定され、その位置発信器が要素の現在位置ｘ_istを出力し、入力量として減算器５に導く。変更位置目標量ｘ_sollMは、実施例においては減算器５および位置調節器６を含む制御装置に伝達される。変更位置目標量ｘ_sollMと現在位置ｘ_istとの差が位置調節器６に入力量として供給され、位置調節器６は機械の機械軸の移動のための駆動装置７を制御する。駆動装置７により機械要素８が、制御装置の目標量としての変更位置目標量ｘ_sollMによって予め与えられる姿勢、すなわち位置へ移動される。

既に冒頭に述べたように、要素８の位置決めの際に、要素８の移動過程の最中に目標力Ｆ_sollが超過されたために制限調節器２が制限量Ｂを発生したときに、変更位置目標量ｘ_sollMの値がもはや位置目標量ｘ_sollと一致せず、制限量Ｂだけ減少させられるという問題が発生する。基準値発生ユニット１は、市販の機械の場合に、制限調節器２がちょうど介入しているか否かの認識を持たない。制限調節器２の介入時には変更位置目標量ｘ_sollMの値が位置目標量ｘ_sollよりも小さいことから、目標位置ｘ_Z、すなわち到達しようと努められる位置は要素８によって移動過程の終端で到達されず、要素８は到達しようと努められる位置の前において既に留まった状態になる。プラスチック機械の場合、これは所望の生産物が欠陥をもって製造されるという結果となる。

図２には要素８の移動経過がもう一度グラフで示されている。ここには、位置目標量ｘ_sollを時間ｔで微分した量である目標速度ｖ_sollと、変更位置目標量ｘ_sollMを時間ｔで微分した量である変更目標速度ｖ_sollMとが示されている。移動経過中に制限調節器２が介入しない場合、すなわち制限量Ｂが０の値を有する場合には、実線の目標曲線が通過する。すなわち、第１の区間において加速が行なわれ、他の区間において一定の目標速度による移動が行なわれ、そして更なる区間において一定の減速度でもって目標速度が０になって要素８が目標位置に到達するまで制動される。目標速度経過の下方に生じる面積は、要素８が進んだ移動距離である。基準量発生ユニット１は、どの減速度ａ_Vでもって要素８の移動経過に制動をかけるとよいか分かっているので、基準量発生ユニット１は、要素８を目標位置に停止させようとするならば、時点ｔ２で制動過程を開始しなければならない。

しかしながら、移動過程において発生する力が過大であるために時点ｔ１で制限調節器２が介入する場合には、位置目標量ｘ_sollが制限量Ｂだけ低減されるので、変更位置目標量ｘ_sollMが位置目標量ｘ_sollよりも小さく、それによって変更目標速度ｖ_sollM（位置目標量ｘ_sollの時間微分）が時点ｔ１から同様に目標速度ｖ_sollよりも小さい。ここで再び市販の機械の場合に普通であるように、時点ｔ２で制動過程が開始させられるならば、要素８の到達しようと努められる位置、すなわち目標位置ｘ_Zは到達されず、要素８がそれより前に停止する結果となる。ここで本発明が投入される。

変更位置目標量ｘ_sollMが、予測位置目標量ｘ_sollEを求める外挿推定ユニット２１に入力量として供給される。予測位置目標量ｘ_sollEは、基準量発生ユニット１によって最も近い補間クロックにおいて発生させられた位置目標量ｘ_sollに対応することが好ましい（補間クロックの補間クロック周期Ｔは、とりわけ位置目標量ｘ_sollの相前後して発生させられた２つの位置目標値の間における時間の長さである。補間クロック周期Ｔは、例えばミリ秒であるとよい。）。変更位置目標量ｘ_sollMは、このために外挿推定ユニット２１の内部において先ず相前後して２度、両微分器１０および１１により微分され（時間ｔによる２次微分に相当する。）、このようにして変更目標加速度ａ_sollMが算定される。次に、変更目標加速度ａ_sollMが乗算器１２に入力量として供給され、乗算器１２が変更目標加速度ａ_sollMと補間クロック周期Ｔとの乗算を実行する。次に、乗算器１２の出力信号が乗算器１３に入力量として供給され、乗算器１３が補間クロック周期Ｔとの更なる乗算を実行する。乗算の結果は加算器１７に入力量として供給される。更に、変更目標加速度ａ_sollMは、１度、微分器９により微分され（時間ｔによる微分に相当する。）、このようにして変更目標速度ｖ_sollMが求められ、変更目標速度ｖ_sollMが乗算器１５に入力量として供給され、乗算器１５が変更目標速度ｖ_sollMと補間クロック周期Ｔとの乗算を実行する。乗算の結果は、加算器１７に入力量として供給される。更に、変更位置目標量ｘ_sollMが加算器１７に直接的に入力量として供給される。３つの信号の加算の結果として出力側に予測位置目標量ｘ_sollEが発生する。このやり方で変更位置目標量ｘ_sollMから外挿推定によって予測位置目標量ｘ_sollEが求められる。

予測位置目標量ｘ_sollEが減算器１８に入力量として供給され、減算器１８が予測位置目標量ｘ_sollEから目標位置ｘ_Zを減算し、このようにして予測位置目標量ｘ_sollEが低減される。減算の結果が比較器１９に供給される。更に、予測位置目標量ｘ_sollEから、実施例では制動距離算定ユニット２０の形で存在する制動距離決定のための手段により現在の制動距離ｘ_Bが求められる。全ての最も簡単なケースにおいては、このために実線で示されているように、予測位置目標量ｘ_sollEが微分器２１により１度微分され、すなわち時間ｔにより微分され、このようにして予測目標速度ｖ_sollEが求められ、制動距離算定ユニット２０に入力量として供給される。制動距離算定ユニット２０は、最も簡単な場合、予め与えられた減速度ａ_Vを考慮して、
ｘ_B＝ｖ_sollE ²／２・ａ_V （１）
なる関係にしたがって、制動距離ｘ_Bを算定する。もちろん、例えば次のやり方によって制動距離ｘ_Bを非常に複雑に計算することも可能である。すなわち、付加的に２つの破線で示された微分器２２および２３により予測目標加速度ａ_sollEが算定され、これが予測位置目標量ｘ_sollEと一緒に制動距離算定ユニット２０に供給され、制動距離算定ユニット２０が３つの入力量の全てを考慮して制動距離ｘ_Bを求めるやり方である。更に、減速度ａ_Vが実施例におけるように無条件に一定である必要はなく、同様に制動距離算定ユニット２０の１つ以上の入力量に依存してもよい。

制動距離ｘ_Bが予測位置目標量ｘ_sollEだけ減少させられた目標位置ｘ_Zと一致したときに、実施例においては比較器１９の形で存在する制動過程開始手段が、実施例においては位置目標量発生手段である基準量発生ユニット１に信号が送られることによって制動過程が開始させられる。基準量発生ユニット１が信号を比較器１９から受信すると、発生すべき位置目標量ｘ_sollが制動過程に応じて調整される。この場合に位置目標量ｘ_sollは、要素８が予め与えられた減速度ａ_Vでもってブレーキをかけられるように基準量発生ユニット１によって発生させられる。

その際に要素８は正確に所望の目標位置ｘ_Z、すなわち所望の位置に停止する。

図２においては、時点ｔ３で制動距離ｘ_Bが、予測位置目標量ｘ_sollEと目標位置ｘ_Zとの差に一致するので、比較器１９は信号を基準量発生ユニット１に送り、それにしたがって基準量発生ユニット１が一定の減速度ａ_Vを有する制動過程を開始させ、その結果、図２に破線で示された速度経過が生じる。この場合に、図２においてハッチングで示された面積ＡおよびＢは同じである。

更に、例えば計算能力を節約するために、外挿推定ユニット２１、比較器１９、減算器１８および制動距離算定ユニット２０、ならびに微分器２１，２２および２３を、常に動作させるのではなくて、制限調節器２が介入するときのみ動作させることも可能である。

機械の要素の位置決めのための本発明による方法および本発明による装置を示すブロック図目標速度ならびに変更目標速度の時間的経過を示すダイアグラム

符号の説明

１基準量発生ユニット
２制限調節器
３減算器
４減算器
５減算器
６位置調節機
７駆動装置
８要素
９微分器
１０微分器
１１微分器
１２乗算器
１３乗算器
１５乗算器
１７加算器
１８減算器
１９比較器
２０制動距離算定ユニット
２１微分器
２２微分器
２３微分器
ａ_sollE 予測目標加速度
ａ_sollM 変更目標加速度
ａ_V 減速度
Ｂ制限量
Ｆ_soll 目標力
Ｆ_ist 測定された力
ｔ時間
ｔ１時点
ｔ２時点
Ｔ補間クロック周期
ｖ_soll 目標速度
ｖ_sollE 予測目標速度
ｖ_sollM 変更目標速度
ｘ_B 現在制動距離
ｘ_ist 現在位置
ｘ_soll 位置目標量
ｘ_sollE 予測位置目標量
ｘ_sollM 変更位置目標量
ｘ_Z 目標位置

Claims

機械の可動要素（８）の位置を、最終的に位置決めされる位置である目標位置（ｘ _Z ）に向かって移動させて行く、機械の可動要素の位置決めのための方法であって、所定のサンプリング周期毎にサンプリングを行って、当該各サンプリング周期毎に、前記可動要素（８）を移動させる目標の位置（地点）を示す値である位置目標量（ｘ_soll）を、前記目標位置（ｘ _Z ）に基づいて発生させ、前記位置目標量（ｘ_soll）を低減させるように介入的な補正をすることが必要となった場合には、当該介入的な補正のための制限量（Ｂ）を発生させ、当該制限量（Ｂ）によって前記位置目標量（ｘ _soll ）を介入的に補正して低減させることにより変更位置目標量（ｘ_sollM ＝ｘ _soll −Ｂ）を形成し、当該変更位置目標量（ｘ_sollM）を、前記可動要素（８）の位置決めのための制御装置（５，６）に、当該位置決めの目標量として伝達し、もしくは前記介入的な補正をする必要がない場合には、前記位置目標量（ｘ _soll ）を前記可動要素（８）の位置決めのための制御装置（５，６）に対して当該位置決めの目標量として伝達して、前記サンプリング周期毎に前記変更位置目標量（ｘ _sollM ）または前記位置目標量（ｘ _soll ）に従って前記可動要素（８）の位置を機械的に移動させて行く、機械の可動要素の位置決めのための方法において、
前記変更位置目標量（ｘ_sollM）に基づいて、外挿推定によって、実際上到達することが予測される前記可動要素（８）の位置を、前記サンプリング周期よりも短い時間に設定された所定の補間クロック周期Ｔ毎に予測位置目標量（ｘ_sollE）として求め、
前記目標位置（ｘ _Z ）から前記外挿推定によって得られた前記予測位置目標量（ｘ_sollE）を減算してなる値（ｘ _Z −ｘ _sollE ）と、前記可動要素（８）を前記目標位置（ｘ _Z ）に停止させるのに要する距離である制動距離（ｘ_B）とを、前記補間クロック周期Ｔ毎に比較して、両者が一致したときに、前記可動要素（８）の前記制動距離（ｘ _B ）に亘る制動過程を開始することで、前記制限量（Ｂ）による前記位置目標量（ｘ _soll ）の前記介入的な補正が行われた場合でも、当該介入的な補正が行われなかった場合でも、最終的に前記可動要素（８）を必ず前記目標位置（ｘ _Z ）に停止させるようにした
ことを特徴とする、機械の可動要素の位置決めのための方法。
請求項１記載の、機械の可動要素の位置決めのための方法において、
前記変更位置目標量（ｘ_sollM）の時間的変化（ｄｘ _sollM ／ｄｔまたはｄ ² ｘ _sollM ／ｄｔ ² のうちの少なくともいずれか一種類）に基づいて、前記予測位置目標量（ｘ_sollE）を、前記外挿推定によって求める
ことを特徴とする、機械の可動要素の位置決めのための方法。
請求項１または２記載の、機械の可動要素の位置決めのための方法において、
前記制限量（Ｂ）による前記位置目標量（ｘ _soll ）の前記介入的な補正は、前記可動要素（８）に掛かる力Ｆ _istまたは圧力が予め定められた目標力Ｆ _soll または圧力を上回らないように制限するために、前記力Ｆ _ist または前記圧力に対応して前記可動要素（８）の位置移動量を減少せしめるように前記制限量（Ｂ）を算定し、当該制限量（Ｂ）を前記位置目標量（ｘ _soll ）から減算することを以て、行われるものである
ことを特徴とする、機械の可動要素の位置決めのための方法。
請求項１から３のうちいずれか１項に記載の、機械の可動要素の位置決めのための方法において、
前記位置目標量（ｘ_soll）を、前記制動過程が開始されてから以降は、前記可動要素（８）を前記目標位置（ｘ_Z）に停止させるのに要する制動距離（ｘ_B）および所定の望ましい加速度ａ_Vに対応したものとなるように、再調整する
ことを特徴とする、機械の可動要素の位置決めのための方法。
機械の可動要素（８）の位置を、最終的に位置決めされる位置である目標位置（ｘ _Z ）に向かって移動させて行く、機械の可動要素の位置決めのための装置であって、所定のサンプリング周期毎にサンプリングを行って、当該各サンプリング周期毎に、前記可動要素（８）を移動させる目標の位置（地点）を示す値である位置目標量（ｘ_soll）を発生するための要素（１）と、前記位置目標量（ｘ_soll）を低減させるように介入的な補正をすることが必要となった場合には、当該介入的な補正のための制限量（Ｂ）を発生させる要素（２）とを有し、前記制限量（Ｂ）によって前記位置目標量（ｘ _soll ）を介入的に補正して低減させることにより変更位置目標量（ｘ_sollM ＝ｘ _soll −Ｂ）を形成し、当該変更位置目標量（ｘ_sollM）を前記要素（８）の位置決めのための制御装置（５，６）に対して当該位置決めの目標量として伝達し、もしくは前記介入的な補正をする必要がない場合には、前記位置目標量（ｘ _soll ）を前記可動要素（８）の位置決めのための制御装置（５，６）に対して当該位置決めの目標量として伝達して、前記サンプリング周期毎に前記変更位置目標量（ｘ _sollM ）または前記位置目標量（ｘ _soll ）に従って前記可動要素（８）の位置を機械的に移動させて行く、機械の可動要素の位置決めのための装置において、
前記変更位置目標量（ｘ_sollM）に基づいて、外挿推定によって、実際上到達することが予測される前記可動要素（８）の位置を、前記サンプリング周期よりも短い時間に設定された所定の補間クロック周期Ｔ毎に予測位置目標量（ｘ_sollE）として求める要素（２１）と、
前記目標位置（ｘ _Z）から前記予測位置目標量（ｘ_sollE）を減算してなる値（ｘ _Z −ｘ _sollE ）と、前記可動要素（８）を前記目標位置（ｘ _z ）に停止させるのに要する距離である制動距離（ｘ _B ）とを、前記補間クロック周期Ｔ毎に比較する要素（１９）とを備えて、
前記制動距離（ｘ_B）と、前記目標位置（ｘ _Z ）から前記予測位置目標量（ｘ_sollE）を減算してなる値（ｘ _Z −ｘ _sollE ）とが一致したときに、前記位置目標量（ｘ _soll ）を発生するための要素（１）が、前記可動要素（８）の前記制動距離（ｘ _B ）に亘る制動過程を開始することで、前記制限量（Ｂ）による前記位置目標量（ｘ _soll ）の前記介入的な補正が行われた場合でも、当該介入的な補正が行われなかった場合でも、最終的に前記可動要素（８）を必ず前記目標位置（ｘ _Z ）に停止させるようにした
ことを特徴とする、機械の可動要素の位置決めのための装置。
請求項５記載の、機械の可動要素の位置決めのための装置において、
前記位置目標量（ｘ _soll ）を発生するための要素（１）が、インタポレータである
ことを特徴とする、機械の可動要素の位置決めのための装置。
請求項５または６記載の、機械の可動要素の位置決めのための装置において、
前記制限量（Ｂ）を発生させる要素（２）として、制限調整器が設けられている
ことを特徴とする、機械の可動要素の位置決めのための装置。
請求項５ないし７のうちいずれか１項に記載の、機械の可動要素の位置決めのための装置において、
前記予測位置目標量（ｘ _sollE ）を求める要素（２１）が、前記予測位置目標量（ｘ _sollE ）を前記変更位置目標量（ｘ _sollM ）の時間的変化に基づいて外挿推定によって求める、外挿推定ユニットである
ことを特徴とする、機械の可動要素の位置決めのための装置。
請求項５ないし８のうちいずれか１項に記載の、機械の可動要素の位置決めのための装置において、
前記目標位置（ｘ _Z ）から前記予測位置目標量（ｘ _sollE ）を減算してなる値（ｘ _Z −ｘ _sollE ）と前記可動要素（８）を前記目標位置（ｘ _Z ）に停止させるのに要する制動距離（ｘ _B ）とを前記補間クロック周期Ｔ毎に比較する要素（１９）は、前記位置目標量を発生するための要素（１）に作用することによって、前記制動過程を開始させ、
前記位置目標量（ｘ_soll）を発生するための要素（１）は、前記位置目標量（ｘ_soll）を前記制動過程に応じて調整する
ことを特徴とする、機械の可動要素の位置決めのための装置。
請求項５ないし９のうちいずれか１項に記載の装置を、前記可動要素（８）の位置決めのための装置として備えた
ことを特徴とする、工作機械、生産機械および／またはロボット。