(57)【要約】  本発明は機械の要素の位置決めのための方法および装置に関し、位置目標量（ｘsoll）が発生させられ、位置目標量（ｘsoll）が制限量（Ｂ）によって低減されることにより変更位置目標量（ｘsollM）が形成され、変更位置目標量（ｘsollM）が要素（８）の位置決めのための制御装置（５，６）に目標量として伝達され、変更位置目標量（ｘsollM）から予測位置目標量（ｘsollE）が求められ、予測位置目標量（ｘsollE）から要素（８）の制動距離（ｘB）が求められ、制動距離（ｘB）が、予測位置目標量（ｘsollE）だけ低減された目標位置（ｘZ）に一致したときに、要素（８）の制動過程が開始される。本発明は機械の要素（８）の正確な位置決めを可能にする。
2008532155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械の要素（８）の位置決めのための方法において、
位置目標量（ｘsoll）が発生させられ、
位置目標量（ｘsoll）が制限量（Ｂ）によって低減されることにより変更位置目標量（ｘsollM）が形成され、変更位置目標量（ｘsollM）が要素（８）の位置決めのための制御装置（５，６）に目標量として伝達され、
変更位置目標量（ｘsollM）から予測位置目標量（ｘsollE）が求められ、
予測位置目標量（ｘsollE）から要素（８）の制動距離（ｘB）が求められ、
制動距離（ｘB）が、予測位置目標量（ｘsollE）だけ低減された目標位置（ｘZ）に一致したときに、要素（８）の制動過程が開始されることを特徴とする方法。
【請求項２】
予測位置目標量（ｘsollE）から要素の予測目標速度（ｖsollE）が求められることによって予測位置目標量（ｘsollE）から要素（８）の制動距離（ｘB）が求められること、および／または予測目標加速度（ａsollE）が求められかつ予測位置目標量（ｘsollE）および／または予測目標速度（ｖsollE）および／または予測目標加速度（ａsollE）に基づいて制動距離（ｘB）が求められることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
変更位置目標量（ｘsollM）から予測位置目標量（ｘsollE）が外挿推定により求められることを特徴とする請求項１乃至２の１つに記載の方法。
【請求項４】
制限量（Ｂ）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を特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
【請求項５】
発生させられる位置目標量（ｘsoll）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を特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
【請求項６】
機械の要素の位置決めのための装置において、
位置目標量（ｘsoll）を発生するための手段（１）と、
位置目標量（ｘsoll）が制限量（Ｂ）によって低減されることにより変更位置目標量（ｘsollM）が形成され、変更位置目標量（ｘsollM）が目標量として要素の位置決めのための制御装置（５，６）に伝達されるように、制限量（Ｂ）を発生するための手段（２）と、
変更位置目標量（ｘsollM）から予測位置目標量（ｘsollE）を求めるための手段（２１）と、
予測位置目標量（ｘsollE）から要素（８）の制動距離（ｘB）を求めるための手段（２０）と、
制動距離（ｘB）が、予測位置目標量（ｘsollE）だけ低減された目標位置（ｘZ）に一致したときに制動過程を開始させる要素（８）の制動過程の開始のための手段（１９）とを有することを特徴とする装置。
【請求項７】
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（１）が設けられていることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
制限量を発生するための手段として制限調節器（２）が設けられていることを特徴とする請求項６又は７記載の装置。
【請求項９】
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（２１）が設けられていることを特徴とする請求項６乃至８の１つに記載の装置。
【請求項１０】
要素（８）の制動過程の開始のための手段（１９）は、この手段が位置目標量を発生するための手段（１）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（ｘsoll）を発生するための手段（１）は、位置目標量（ｘsoll）を制動過程に応じて調整することを特徴とする請求項６乃至９の１つに記載の装置。
【請求項１１】
請求項６乃至１０の１つに記載の装置を備えた工作機械、生産機械および／またはロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械の要素の位置決めのための方法および装置に関する。
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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ｘZ、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ｘZ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ｘsoll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Ｆist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Ｆistは、減算器３により予め与えられた目標力Ｆsoll（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Ｆistが目標力Ｆsoll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ｘsollから減算される。位置目標量ｘsoll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ｘsollM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ｘistを出力し、入力量として減算器５に導く。変更位置目標量ｘsollM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ｘsollMと現在位置ｘist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ｘsollM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。
【００１８】
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Ｆsoll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ｘsollMの値がもはや位置目標量ｘsoll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ｘsollMの値が位置目標量ｘsollよりも小さいことから、目標位置ｘZ、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。
【００１９】
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ｘsollを時間ｔで微分した量である目標速度ｖsollと、変更位置目標量ｘsollMを時間ｔで微分した量である変更目標速度ｖsollM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ａV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。
【００２０】
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ｘsollが制限量Ｂだけ低減されるので、変更位置目標量ｘsollMが位置目標量ｘsollよりも小さく、それによって変更目標速度ｖsollM（位置目標量ｘsollの時間微分）が時点ｔ１から同様に目標速度ｖsoll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ｘZ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。
【００２１】
変更位置目標量ｘsollMが、予測位置目標量ｘsollE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ｘsollE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ｘsoll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ｘsoll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ｘsollM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ａsollMが算定される。次に、変更目標加速度ａsollM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ａsollM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ａsollM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ｖsollMが求められ、変更目標速度ｖsollM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ｖsollM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ｘsollM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ｘsollEが発生する。このやり方で変更位置目標量ｘsollMから外挿推定によって予測位置目標量ｘsollEが求められる。
【００２２】
予測位置目標量ｘsollE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ｘsollEから目標位置ｘZを減算し、このようにして予測位置目標量ｘsollE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ｘsollE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ｘB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ｘsollE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ｖsollE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ａVを考慮して、
ｘB＝ｖsollE2／２・ａV                                  （１）
なる関係にしたがって、制動距離ｘB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ｘB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ａsollEが算定され、これが予測位置目標量ｘsollE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ｘBを求めるやり方である。更に、減速度ａV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。
【００２３】
制動距離ｘBが予測位置目標量ｘsollEだけ減少させられた目標位置ｘZ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ｘsollが制動過程に応じて調整される。この場合に位置目標量ｘsollは、要素８が予め与えられた減速度ａV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。
【００２４】
その際に要素８は正確に所望の目標位置ｘZ、すなわち所望の位置に停止する。
【００２５】
図２においては、時点ｔ３で制動距離ｘBが、予測位置目標量ｘsollEと目標位置ｘZ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ａV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。
【００２６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】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
【図２】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】
【００２８】
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
ａsollE    予測目標加速度
ａsollM    変更目標加速度
ａV          減速度
Ｂ            制限量
Ｆsoll      目標力
Ｆist        測定された力
ｔ            時間
ｔ１          時点
ｔ２          時点
Ｔ            補間クロック周期
ｖsoll      目標速度
ｖsollE    予測目標速度
ｖsollM    変更目標速度
ｘB          現在制動距離
ｘist        現在位置
ｘsoll      位置目標量
ｘsollE    予測位置目標量
ｘsollM    変更位置目標量
ｘZ          目標位置
【図１】
2008532155.tif 000003
【図２】
2008532155.tif 000004
【国際調査報告】
2008532155.tif 000005
2008532155.tif 000006
2008532155.tif 000007
2008532155.tif 000008
2008532155.tif 000009
2008532155.tif 000010