补偿弹性相关的位置误差的位置调节控制的制作方法

本发明涉及一种用于机器的控制方法，该机器至少具有一个位置调节轴，

-其中，机器的控制装置预设控制命令的序列，控制命令的序列对于至少一个位置调节轴确定理想位置目标值的序列。

-其中，理想位置目标值的序列具有多个依次连续的部段，

-其中，在理想位置目标值的序列的相应的部段内，理想位置目标值单调上升或者单调下降，

-其中，从理想位置目标值的序列的部段到另一部段，直接依次连续的理想位置目标值的差值变换差值的正负号，

-其中，控制装置对于至少一个位置调节轴实施位置调节器，

-其中，控制装置根据理想位置目标值的序列将结果位置目标值和相应的实际位置值的序列输送至位置调节器，

-其中，根据输送至位置调节器的相应的结果位置目标值和输送至位置调节器的相应的实际位置值，位置调节器得出用于至少一个轴的执行器的相应的第一致动信号并且由此根据相应的结果位置目标值直接或间接地调节至少一个轴的位置，

-其中，通过在相应的理想位置目标值上添加相应的附加目标值来得出相应的结果位置目标值，

-其中，在理想位置目标值的序列的部段内，如果理想位置目标值单调上升，相应的附加目标值为正数，并且如果理想位置目标值单调下降，相应的附加附加值为负数。

此外，本发明涉及一种用于机器的控制装置的控制程序，该控制装置具有至少一个位置调节轴，其中，控制程序包括机器编码，该机器编码由控制装置直接处理，其中，通过控制装置引起机器编码的处理，使得控制装置根据这种控制方法控制至少一个位置调节轴。

此外，本发明涉及一种机器的控制装置，该控制装置具有至少一个位置调节轴，其中，控制装置利用这种控制程序被编程为，其中，控制装置在运行中根据这种控制方法控制至少一个位置调节轴。

此外，本发明涉及一种机器，其中，机器具有至少一个位置调节轴，其中，机器具有这种控制装置，使得控制装置在运行中根据这种控制方法控制至少一个机器的位置调节轴。

背景技术：

在轴的位置调节中，在所有情况中都出现通过摩擦引起的力。为了引起实际的行进运动，必须克服摩擦力。此外，任何机械结构(以及任何机床、机器人或者其他的生产机器的轴)都不具有无限大的刚性。因此会出现(即使比较小)的弹性形变。

一种，该位置传感器检测借助于轴运动的物体的位置(例如tcp＝toolcenterpoint)，该位置传感器准确检测的不是物体的位置而是执行器的位置，即借助于轴运动的物体的驱动器。如果位置传感器表示的位置精确对应于预设的目标位置，借助于轴运动的物体的实际位置由于弹性形变而偏离目标位置。在技术领域中，该效果通常被称为“丢失的运动”或缺失的运动。

然而，为了能够检测物体实际的位置，在一些情况中使用另外的测量系统，该测量系统尽可能地靠近运动的物体(例如提及的tcp)处布置。然而在许多情况下，在运动的物体附近的这种测量系统的布置不可行或者不能被执行。在这种情况中，必须承受所谓的丢失的运动。

在现有技术中，也已经考虑不同种类的补偿。特别地，在包括传动机构的轴上已知，在运动方向变化时出现的齿轮啮合间隙通过附加目标值来补偿，该附加目标值加在位置目标值上(或者以相反的符号加在位置实际值上)。在这种方法中，附加的目标值在理想位置目标值序列的相应的部段内具有恒定值。然而这些方法常常导致比它所解决的问题还要更多的问题。

从ep3208669a1已知一种用于机器的控制方法，该机器具有至少一个位置调节轴。该轴是一个圆轴，使得位置为旋转位置。机器的控制装置预设控制命令的序列，该序列确定了用于至少一个位置调节轴的理想位置目标值的序列。控制装置实施了用于至少一个位置调节轴的位置调节器并且根据理想位置目标值的序列，控制装置将结果位置目标值的序列和相应的位置实际值输送至位置调节器。相应的结果位置目标值通过将修改值添加至相应的理想位置目标值来得出。修改值与位置调节轴的旋转位置和转速有关。

技术实现要素：

本发明的目的在于，实现一种可行性，借助于该可行性不仅在包括传动机构的轴上、而且普遍地在轴上实现丢失的运动的良好的补偿。

本目的通过具有权利要求1的特征的控制方法实现。根据本发明的控制方法的有利的设计方案是从属权利要求2到9的内容。

根据本发明，开头所述种类的控制方法由此设计：

-附加目标值包括第一分量，该第一分量仅仅与位置差值有关，

-位置差值是相应的理想位置目标值与相应的部段的第一理想位置目标值的差值或者是相应的理想位置目标值与相应的位置实际值的差值并且

-随着位置差值绝对值的增加，附加目标值的第一分量的绝对值在开始严格单调上升并且之后至少是单调的上升。

通过附加目标值的接合，因此至少一个位置调节轴能够明显运动超出它的实际目标位置。然而，由于轴的滞后，也就是说，在布置在执行器上的位置传感器的输出信号的后面，在适当的选择附加目标值的情况下，准确地接近所期望的位置。然而，通过在相应的理想位置目标值上，相应的附加目标值的温和的、逐渐的接合来防止突然的目标值跳跃。因此引起的轴的运动变得温和且柔和。

优选地，只要位置差值的绝对值达到了界限，第一分量的绝对值假定为预设的最大值并且随后在理想位置目标值的序列的相应的部段内保持恒定。由此，尤其能够以近乎理想的方式补偿滞后误差。

优选地，第一分量在理想位置目标值的序列的相应的部段的开头具有值为零。通过这种方法，尤其实现了对于滞后误差的补偿的连续的过渡。

此外，有利的是，如果附加目标值包括第二分量，第二分量与至少一个轴的行进速度有关。特别地，第二分量能够与至少一个轴的行进速度成比例。这个方式基于的事实为，摩擦力经常具有与速度相关的分量。因此，除了力相关的丢失的运动还存在速度相关的丢失的运动。通过第二分量，能够以近似理想的方式补偿丢失的运动的速度相关的分量。第二分量的设置原则上能够替代第一分量的设置。但是，通常第二分量附加于第一分量而存在。

控制装置通常实施附属于位置调节器的速度调节器。在这种情况下，位置调节器并不直接将相应的第一致动信号输送至执行器。确切说，位置调节器将具有结果速度目标值且此外具有相应的速度实际值的相应的第一致动信号输送至速度调节器，其中，相应的结果速度目标值与相应的第一致动信号有关。在这种情况下，速度调节器根据相应的结果速度目标值和相应的速度实际值得出用于至少一个轴的执行器的相应的第二致动信号，并且由此，根据相应的结果速度目标值直接或者间接调节至少一个轴的速度。

在最简单的情况下，结果速度目标值与相应的第一致动信号相同。然而通常这会导致更好的控制行为，如果控制装置根据结果位置目标值的序列，在不考虑相应的位置实际值时，控制装置得出相应的第一预控制信号并且通过在相应的理想速度目标值上添加第一预控制信号来得出相应的结果速度目标值。

通常，如果控制装置根据结果位置目标值的序列，在不考虑相应的位置实际值的情况下得出相应的第二预控制信号，并且速度调节器不直接将相应的第二致动信号输送至执行器，而是控制装置通过将相应的第二预控制信号添加在相应的第二致动信号上来得出用于执行器的相应的第三致动信号，则导致了更好的控制行为。在这种情况下，根据相应的第三致动信号或者根据从相应的第三致动信号中导出的相应的第四致动信号来驱控执行器。

如果控制装置根据附加目标值的序列在不考虑其他变化的数值的情况下得出相应的第三预控制信号并且通过将相应的第三预控制信号添加在相应的第三致动信号上来得出用于执行器的相应的第四致动信号，则导致了特别良好的结果。在这种情况下，利用相应的第四致动信号来驱控执行器。

如果相应的第一预控制信号不添加在相应的第一致动信号上和/或第二预控制信号不添加在相应的第二致动信号上，添加相应的第三预控制信号也是可行的。在这种情况下，控制装置通过将相应的第三预控制信号添加在相应的第二致动信号上来得出用于执行器的相应的结果致动信号，利用该结果致动信号来驱控执行器。

此外，目的通过具有权利要求10的特征的控制程序来实现。根据本发明，开头所述种类的控制程序被设计为，通过控制装置引起机器编码的处理，控制装置根据本发明的控制方法来控制至少一个位置调节轴。

此外，目的通过具有权利要求11的特征的控制装置来实现。根据本发明，开头所述种类的控制装置利用根据本发明的控制程序被编程为，使得控制装置在运行中根据本发明的控制方法来控制至少一个位置调节轴。

此外，目的通过具有权利要求12的特征的机器来实现。根据本发明，机器的控制装置根据本发明被设计成，使得控制装置在运行时根据本发明的控制方法来控制至少一个位置调节轴。

附图说明

下面根据结合附图对实施例的描绘，更加详细地解释本发明的上述特性、特征和优点以及这些如何实现他们的方式和方法。在此，在示意图中示出：

图1示出了具有多个位置调节轴的机器，

图2示出了理想位置目标值的序列，

图3示出了单个位置调节轴的位置调节，

图4示出了附加目标值的第一分量的函数分布，

图5示出了对于正数和负数位置差异的图4的函数分布，

图6示出了附加目标值的第二分量的函数分布并且

图7到图9示出了图3的位置调节的修改。

具体实施方式

根据图1，机器具有多个位置调节轴1。根据在图1中的示意图，机器能够例如为机床，使得借助于位置调节轴1，机床的刀具2相对于待处理的工件3平移定位和/或旋转定向。然而，机器替代地还能够为其他机器，例如是有可弯曲手臂的机器人或者处理机或者其他生产机器。至关重要的是，该机器(在数字意义上)具有至少一个位置调节轴1。

机器具有控制装置4，控制装置4控制机器。控制装置4为数字化控制器(cnc)或者运动控制器。运动控制器从它的功能上来看与数字化控制器十分类似。基本上区别仅在应用中，即数字化控制器用于控制机床，运动控制器用于控制机器人或者其他机器。然而在两种情况(即数字化控制器和运动控制器)中实现了至少一个位置调节轴1、通常多个位置调节轴1的位置调节控制。

控制装置4为软件可编程的。因此，控制装置4利用控制程序5被编程为。控制程序5对应于用于控制装置4的系统程序。控制程序5包括机器编码6。机器编码6能够由控制装置4直接处理。通过控制装置4引起机器编码6的处理，使得控制装置4根据控制方法控制至少一个位置调节轴1，该控制方法会在之后被详细阐述。

为了良好的秩序，应该提到的是，根据之后阐述的控制方法，控制装置4根据需要还能够根据下文解释的控制方法来控制机器的所有位置调节轴1或者至少多个位置调节轴1。至关重要的是，这在至少一个位置调节轴1中实现。因此，随后，还仅阐述了用于位置调节轴1之一的控制方法。因此，随后还始终仅谈论“位置调节轴1”。如果实施用于多个或者所有位置调节轴1的控制方法，通常对于所有这种轴1都以同种方法实施。然而这也不是强制性必需的。可行的是，对于各个位置调节轴实施本发明的不同的设计方案。

控制装置4被预设控制命令c的序列。控制命令c确定用于位置调节轴1的理想位置目标值x*的序列。例如，能够借助于子程序7预设控制装置4的控制命令c，子程序7限定了用于机器的多个轴1的相应的位置目标值x*的彼此协调的序列，使得协调的序列限定了刀具2相对于工件3行进的路径并且因此对于轴1分别限定对于相应的轴1彼此紧紧连续的位置目标值x*的序列。

理想位置目标值x*作为以小的、通常恒定的时间间距δt的时间t的函数彼此跟随。理想位置目标值x*的序列根据图2中的示意图具有多个依次连续的部段。部段的边界在图2中通过垂直的虚线示出。显而易见地，在相应的部段的内部，理想位置目标值x*是单调上升或者单调下降的，大多数甚至是严格单调上升或者严格的单调下降的。在各个部段的内部不会实现位置调节轴1的方向反转。相反地，这种方向反转从部段到部段实现。因此，从部段到部段，直接依次连续的理想位置目标值x*之间的差值变换其符号。因此，如果(纯示例性地)在确定的部段中每个位置目标值x*都大于(或者至少不小于)紧接着的前面的位置目标值x*，那么在紧接着的后面的部段中每个位置目标值x*都小于(或者至少不大于)紧接着的前面的位置目标值x*。相反地，理想位置目标值x*(如在图2中所示)是否为正数或者负数或者部分正数和部分负数，在本发明的范畴内并不重要。

控制装置4根据机器编码6的处理(通常在软件中)实施位置调节。下面结合图3对于处理单个理想位置目标值x*详细阐述位置调节的结构和功能。然而，应该再次指出，阐述的步骤分别以时间间距δt以相应的下一个理想位置目标值x*来重复进行。

根据图3，控制装置4输送相应的理想位置目标值x*到节点8和确定块9。确定块9得出相应的附加目标值δx*，该附加目标值同样地输送至节点8。确定块9的作用方式之后详细阐明。在节点8中，相应的附加目标值δx*加在相应的理想位置目标值x*上。由此，得出相应的结果位置目标值x*+δx*。

控制装置4将相应的结果位置目标值x*+δx*输送至另一个节点10。此外，控制装置4将相应的位置实际值x输送至另一个节点10。能够例如借助于传统的位置传感器11来检测相应的位置实际值x，该位置传感器检测执行器12的位置，借助于执行器来调整位置调节轴1。

在节点10中得出相应的结果位置目标值x*+δx*和相应的位置实际值x的差值。相应的差值(在专业领域中大多数被称为调节差值)会被输送到位置调节器13。位置调节器13能够例如根据图3中的示意图被设计为p调节器。然而位置调节器还能够被设计成其他，例如作为pi调节器。位置调节器13根据输送至它的相应的调节差值得出用于执行器12的相应的第一致动信号v*。由此，执行器根据相应的结果位置目标值x*+δx*调节位置调节轴1的位置x。

可行的是，第一致动信号v*直接作用在执行器12上。然而，通常控制装置4根据图3中的示意图实施速度调节器14，速度调节器从属于位置调节器13。在这种情况下，位置调节器13间接地调节位置调节轴1的位置。此外，在这种情况下，相应的第一致动信号v*为相应的理想速度目标值v*。速度调节器14能够例如构造为p调节器或者pi调节器。其他设计方案也是可行的。

在间接调节的情况中，位置调节器13不将相应的第一致动信号v*直接输送至执行器12。确切说，位置调节器13将相应的第一致动信号v*首先输送至另外的节点15。此外，控制装置4输送至另外的节点15相应的速度实际值v。由此，控制装置4能够例如得出相应的速度实际值v，控制装置在微分器16中执行位置实际值x的微分(即得出位置实际值x的时间导数)。然而也给出了其他可行性，例如直接检测速度实际值v。在另外的节点15中，控制装置4形成了相应理想速度目标值v*和相应速度实际值v的差值。这样形成的差值被输送至速度调节器14。

速度调节器14根据相应的理想速度目标值v*和相应的速度实际值v的差值得出用于执行器12的相应第二致动信号i*。因此，速度调节器14根据相应的速度目标值v*调节轴1的速度v。

类似于位置调节器13的作用方式，速度调节器14能够直接或者间接地作用在执行器12上。例如，根据图3中的示意图可行的是，根据相应的第二致动信号i*直接实现执行器12的驱控，例如在电机的情况中实现变频器的驱控。在间接作用的情况中，例如可行的是，另外的调节器、特别是电流调节器附属于速度调节器14。然而，这在图3中未示出。

根据图3中的示意图，相应的附加目标值δx*尤其包括至少一个第一分量δx1*。第一分量δx1*仅仅与位置差值有关。位置差值为相应的理想位置目标值x*与理想位置目标值x*的序列的相应的部段的第一理想位置目标值x*的差值。图4示出了这种关系。将位置差值的绝对值绘制在横坐标上，即为从方法的开始以当前的行进方向或者(等效于)从最近的已经实现的方向反转开始所走过的路径。将第一附加目标值δx1*的附属的绝对值绘制在坐标轴上。根据在图4中的示意图，随着位置差值的绝对值的增加，第一分量δx1*的绝对值单调上升。在第一区域中，即直至位置差值的绝对值达到预定的上极限时，随着位置差值的绝对值的增加，第一分量δx1*的绝对值严格单调上升。上极限自身具有比0要更大的值。

通常，第一分量δx1*的绝对值从较低的上极限起为恒定的。替代地，第一分量δx1*的绝对值能够从较低的上极限直至较高的上极限单调上升。在这种情况下，第一分量δx1*的绝对值从达到较高的上极限起为恒定的。

在理想位置目标值x*的序列的部段内，第一分量δx1*统一的具有相同的符号。特别地，如果理想位置目标值x*单调上升，第一分量δx1*根据图5中的示意图始终为正数。相反地，如果理想位置目标值x*单调下降，相应的附加目标值x*根据图5中的示意图始终为负数。因此，在从理想位置目标值x*的序列的部段到理想位置目标值x*的序列的下一个部段的过渡时，第一分量δx1*变换它的符号。特别地，根据图5中的示意图，在理想位置目标值x*的序列的相应的部段的末尾实现了跳跃到第一分量δx1*上，该第一分量假设在下一个部段的开始处。这在图5中通过两个虚线示出的弯曲箭头表示。

可行的是，第一分量δx1*的绝对值已经在理想位置目标值x*的序列的相应的部段的开头具有确定的、非零的绝对值。然而，优选地，第一分量δx1*在理想位置目标值x*的序列的相应的部段的开头根据图4和图5中的示意图具有值零。此外，根据图4和图5中的示意图，第一分量δx1*的绝对值假定为预定的最大值max，只要位置差值的绝对值达到了预定的极限。之后，第一分量δx1*在理想位置目标值的序列的相应的部段内不再继续提高，而是保持恒定。提及的预定的极限对应于(根据设计方案)较低上极限或者较高上极限。

在上述限制之下，不同方法是可行的。能够实现例如线性的、部分线性的或者连续衰减地增加到最大值max。得出相应的第一分量δx1*的方式和方法在本质上是次要的。例如，能够通过表格或者通过函数来限定功能变化。能够利用数值填写表格或者能够例如根据运行试验来执行函数的参数化。输入变量在表格中或者在函数中是从最近的方向反转起所编程的理想行进路径。输出变量为相应的第一分量δx1*。

可行的是，附加目标值δx*仅包括第一分量δx1*。在这种情况下，立刻且显而易见地得出，随着第一分量δx1*在理想位置目标值x*的序列的部段的内部，如果理想位置目标值x*单调上升，相应的附加目标值δx*也为正数，并且如果理想位置目标值x*单调下降，反之相应的附加目标值为负数。然而优选地，附加目标值δx*包括(通常并且根据图3中的示意图除了第一分量δx1*，在特殊情况中替代地为)第二分量δx2*。第二分量δx2*与至少一个轴1的行进速度有关。特别地，第二分量δx2*能够根据图6中的示意图与至少一个轴1的行进速度成比例。然而在此，根据在图6中的示意图(类似于第一分量δx1*)，如果理想位置目标值x*单调上升时，第二分量δx2*始终为正数，并且反之如果理想位置目标值x*单调下降时，第二分量始终为负数。行进速度能够根据是否行进速度能够由理想位置目标值x*或者由位置实际值x推导出或者直接检测到替代地为目标速度或者实际速度。

根据本发明的设计方案能够以不同的方式和方法进行修改。随后，首先阐述两个设计方案，根据图7中的示意图优选地共同实现了这两个设计方案。然而，原则上这两个设计方案能够相互独立地被实现。然后，结合图8阐述了在根据图7的设计方案的基础上构造的另一个设计方案。然而，根据图8的附加的设计方案能够脱离根据图7的优选的设计方案来实现。

根据图7中的示意图，控制装置4在另外的确定块17中根据结果位置目标值x*+δx*的序列得出相应的第一预控制信号δv*。控制装置4能够在另外的确定块17中例如执行结果位置目标值x*+δx*的微分，即得出它的时间上的导数。在任何情况中，在不考虑相应的位置实际值x的情况下实现得出第一预控制信号δv*。

如果控制装置4得出第一预控制信号δv*，控制装置4通过将相应的第一预控制信号δv*添加在相应的理想速度目标值v*上来得出相应的结果速度目标值v*+δv*。在这种情况下，借助于速度调节器14实现了速度调节到结果速度目标值v*+δv*。相应的结果速度目标值v*+δv*虽然不再与相应的理想速度目标值v*相同，然而还一直与相应的理想速度目标值v*有关。特别地，区别仅在于相匹配的相应的第一预控制信号δv*。

此外，控制装置4根据图7中的示意图根据结果位置目标值x*+δx*的序列得出相应的第二预控制信号δi1*。控制装置4能够例如在另外的确定块18中得出已经得出的相应的第一预控制信号δv*的再次的微分并且随后通过扩大在乘法器19中得出的中间信号来得出相应的第二预控制信号δi1*。然而，在不事先得出相应的第一预控制信号δv*的情况下，直接得出相应的第二预控制信号δi1*也是可行的。在任何情况中，在不考虑相应的位置实际值x的情况下也实现第二预控制信号δi1*的得出。

如果控制装置4得出第二预控制信号δi1*，控制装置4通过将相应的第二预控制信号δi1*添加在相应的第二致动信号i*上来得出相应的第三致动信号i*+δi1*。在这种情况中，速度调节器14不直接将相应的第二致动信号i*输送至执行器12。确切地说，事先得出相应的第三致动信号i*+δi1*。执行器12在这种情况中根据图7中的示意图根据相应的第三致动信号i*+δi1*来驱控。

此外，根据图8的设计方案，控制装置4在另外的确定块20中根据附加目标值δx*的序列得出相应的第三预控制信号δi2*。在不考虑其他变量的情况下实现第三预控制信号的得出。控制装置4将相应的第三预控制信号δi2*(根据图8中的示意图除了相应的第二预控制信号δi1*，但是原则上与此并不相关地)添加在相应的第二致动信号i*上。由此，控制装置4在根据图8的设计方案中得出相应的最终的致动信号，利用该致动信号来驱控执行器12。

到目前为止所阐述的、根据其得出相应的附加目标值δx*的相应的第一分量δx1*的位置差值对应于相应的理想位置目标值x*与相应的部段的第一理想位置目标值x*的差值。然而，替代地可行的是，位置差值对应于相应理想位置目标值x*与相应的位置实际值x的差值。在这种情况下，除了相应的理想位置目标值x*仅还必须将位置实际值x输送至确定块9。剩余的得出能够毫无变化地保留。图9在根据图8的设计方案的相应的修改中示出了这些。然而相应的修改在图3、图6和图7的设计方案中也是可行的。

因此，总的来说本发明涉及以下事实：

机器的控制装置4预设控制命令c，该控制命令c确定理想位置目标值x*的序列用于机器的位置调节轴1。该序列具有依次连续的部段。在部段内，理想位置目标值x*单调上升或者单调下降。从部段到部段变换单调的方向。控制装置4实施位置调节器13并且根据理想位置目标值x*的序列，控制装置4将结果位置目标值x*+δx*和位置实际值x输送至位置调节器13。位置调节器13由此得出用于轴1的执行器12的致动信号v*，并且位置调节器由此调节相应的轴1的位置x。结果位置目标值x*+δx*对应于理想位置目标值x*和附加目标值δx*的总和。在部段内，如果理想位置目标值x*单调上升，附加目标值δx*为正数。如果理想位置目标值x*单调下降，附加目标值δx*为负数。附加目标值δx*包括第一分量δx1*，第一分量δx1*只与位置差值有关。位置差值是相应的理想位置目标值x*与相应的部段的第一理想位置目标值x*的差值或者相应的理想位置目标值x*与相应的位置实际值x的差值。附加目标值δx*的第一分量δx1*的绝对值随着位置差值的绝对值的增加在开始严格单调上升并且之后至少是单调的上升。

本发明具有许多优点。特别地，能够以有效率的方式来补偿变形相关的滞后误差和速度相关的滞后误差。此外，远离执行器12布置的另一个测量系统对于检测至少一个位置调节轴1的(实际的)位置不是必需的。

尽管通过优选的实施例在细节上详细地阐述并描述了本发明，但本发明并不被所公开的实例限制，并且本领域技术人员在不脱离本发明的保护范围内能够推导出其他变体方案。