用于优化成型机组件或操纵设备的运动过程的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1和/或权利要求2的前序部分的特征的方法和一种具有权利要求8的前序部分的特征的系统。
背景技术
DE 10 2006 037 976 B4描述了一种用于使配置给成型机的操纵设备的运动与成型机的至少一个所选组件的运动同步的方法。这得出对循环时间在一定程度上的缩短。该方法限于成型机的以模具夹紧板形式的所选组件和对循环时间的缩短。
发明内容
本发明的目的是提供一种同类型的方法和一种配置为用于实施所述方法的系统，在所述方法中可以选择应该参考什么样质量函数 (Gütefunktional)来进行优化，并且所述方法能关于成型机的所选组件更普遍地使用。
所述目的通过一种具有权利要求1和/或权利要求2的特征的方法和一种具有权利要求8的特征的系统来解决。在从属权利要求中定义了本发明有利的实施方式。
本发明的基本思想在于，使操纵设备的运动过程的轨迹与成型机的至少一个所选组件的运动过程的轨迹参照质量函数以优化的方式同步地实施，更确切地说，不是使得每个运动过程本身被优化，而是使优化考虑到所述两个待优化的运动过程的整个系统。由此，能够避免在各个运动过程中的静止时间和等待时间。
对整个系统的考虑通过涉及所述整个系统的质量函数或者通过仅涉及所述两个待优化的运动过程之一的质量函数来进行。在后一种情况下，对整个系统的参考通过其它运动过程对要选择的限制的影响来进行。
不仅确认(即查明或计算)各个运动过程的开始时刻、而且确认各个运动过程的轨迹(亦即、从起始点直至终止点连同位于这些点之间的各点的所经过的径迹作为整体)
代替起始点可以定义起始范围，亦即速度和位置可以以一定的形式变化，但是(并非事先地)已知。所述起始点本身可以是优化变量。所述终止点优选是定义在相对于模具(也称为“模型”)固定的坐标系中并且可以相对于空间具有可变位置和速度。
起始参数组可以来自事先经优化的轨迹或者在工作循环中所测得的轨迹。
为了优化，需要定义关于所述操纵设备的运动过程和/或成型机的所述至少一个所选组件的运动过程的在几何上和/或在运动学上和/或在动力学上和/或在过程技术上的限制。
对于操纵设备的运动过程和/或成型机的所述至少一个所选组件的运动过程所得出的轨迹的计算可以以本身已知的方式通过在考虑所述限制的情况下对所述质量函数进行极限化来进行。
所述操纵设备例如可以以操作设备(机器人)的形式来构造，其中，在操作设备的终止点(TCP——tool center point模具中心点)上可以设置相对于操作设备可运动的夹具。
作为例子将讨论对于包括夹具、操作设备(例如配置给成型机的操纵设备)以及成型机的模具(例如成型机的所述至少一个所选组件) 的整个系统的优化。
所述示例包括以下步骤：
-为两个多体系统(一方面是操作设备和夹具并且另一方面是具有
模具的成型机)提供数学模型
-确定限制(约束条件)，例如：
■在操作设备和夹具与模具之间的最小距离
■即使在紧急停止的情况下也保持该最小距离
-确认起始条件/边界条件
-为操作设备、夹具和模具选择共同的质量函数，例如参考：
■循环时间、特别是通过操作设备和夹具进行取出所延长的时间
■对于运动的能量需求
-对轨迹进行参数化(点对点优化)作为径迹参数的函数
-通过解决优化问题或者替代地通过基于仿真数据或测量数据迭代
适配运动过程来在线或离线地实施优化
如果已经确认操纵设备或成型机的所选组件的运动过程，则可以借助于本发明在所述运动过程之一改变时进行对其它运动过程的优化适配。为此，参考经改变的运动过程提供轨迹。
必须考虑通过成型机预先规定的(包括在硬件技术上或在安全技术上)对于两个运动过程的限制。附加地，可以通过操作者输入对于一个或两个运动过程可变的(与过程相关的)限制。
可以参考包括所述操纵设备和成型机的所述至少一个所选组件的整个系统来提供质量函数。
通过在考虑所述限制的情况下对所述质量函数进行极限化来计算对于其它运动得出的轨迹。
对于限制的示例是(例如在动力学上的)干扰轮廓
所述质量函数可以涉及成型机的工作循环的整个循环时间或者成型机的整个循环时间的部分时间。备选地或附加地，所述质量函数可以涉及对两种运动的能量需求。这可能取决于整个系统的电气架构(例如，反馈单元的与工作点相关的效率)。
所述成型机优选是塑料注塑成型机。
所述操纵设备优选地是具有一个臂或多个臂并且必要时包括夹具的操作设备。
所述优化可以在唯一的步骤中这样进行，使得优化问题被优化工具解决。备选地，所述优化可以迭代地这样进行，使得首先进行操纵装置和/或成型机的第一运动过程，并且计算对于所述一个或多个运动过程得出的质量函数，并且随后这样进行对所述一个或多个运动过程的修改，使得对于经修改的所述一个或多个运动过程得出的质量函数更大或更小(视优化问题而定)。这一直被执行，直到不再得到质量函数的显著变化。在此，该迭代适配既可以基于实际的测量数据也可以借助于仿真结果来进行。实施例：
作为例子，列举通过设置在操作设备的TCP上的夹具取出在成型机的模具的模具部件中经成型的部件，其中，所述模具部件设置在成型机的可运动模具夹紧板上：
-在此提供了对优化问题的划分：
■操作设备和夹具到取出点(移入和脱模)的轨迹以及模具部件的打开轨迹和模具的脱模轨迹
■操作设备和夹具从取出点(移出)的轨迹以及必要时模具部件的闭合轨迹
-优化的初始情况：
■操作设备和夹具的轨迹是优化的一部分并且未被预先规定(仅预先规定边界条件、如起始点和终止点或者起始区域或终止区域)
■操作设备、夹具和成型机在动力学上的模型是已知的(可能甚至是除了刚体运动之外也包含弹性运动的弹性模型)：
■其中，矢量s代表操作设备、夹具和成型机的位置，矢量v代表操作设备、夹具和成型机的速度，质量矩阵M表示操作设备、夹具和成型机的质量，矢量F代表输入力(例如系统输入或马达力矩)，并且矢量G代表其它在动力学上的(干扰)影响。
■操作设备和夹具的最大力矩、加速度、速度……是已知的(对于紧急停止情况也是已知的)
■成型机的最大力矩、加速度、速度、...是已知的(对于紧急停止情况也是如此)
■成型机的当前实际值可以是已知的
-对用于计算优化轨迹的优化问题进行公式化：
上述条件可被如下公式化为优化问题：
考虑到：
g(x(te))＝0
h(x(t)，u(t))≤0
待最小化的质量函数J——通常也称为博尔查(Bolza)质量函数——包括最终状态的函数(迈尔(Mayer)项M(x(te)，不与质量矩阵混淆)和积分部分(拉格朗日项L(x(t)，u(t))。在此，后者不仅可以是控制参量/优化变量u(t)的函数而且可以是系统状态x(t)的函数。te是轨迹持续时间。
在此，约束和限制可以以在动力学上的系统的形式
-用于计算优化轨迹的处理过程：
■拟定问题描述
■定义优化变量
■定义限制
■提供质量函数
问题描述：
-到取出点的轨迹：
■确认起始点或起始区域(无时刻)，操作设备和夹具位于成型机的闭合区域(即运动区域)之外
■确认取出点或取出区域。在此有不同的可能性，例如：
■固定的位置、固定的速度、固定的时刻
■位置的范围、速度的范围、时刻的范围
■可运动模具夹紧板的轨迹可变但在时间上是事先已知的→使操作设备和夹具的径迹与可运动模具夹紧板的径迹同步
■可运动模具夹紧板的轨迹可变但是实时已知的→使操作设备和夹具的径迹与可运动模具夹紧板的径迹同步
■确认操作设备和夹具与成型机的接收头或模具组件的接触点。在此有不同的可能性，例如：
■固定的或可计算的位置、关于(通过使可运动模具夹紧板运动) 释放的时刻是可改变的
■作为位置和时间的函数的接触点通过使可运动模具夹紧板运动事先已知
■作为位置和时间的函数的接触点通过使可运动模具夹紧板运动实时已知
-从取出点开始的轨迹：
■确认终止点(夹具的固定位置，无时刻)或结束区域，操作设备和夹具位于成型机的闭合区域之外
■确认取出点或终止区域。在此有不同的可能性，例如：
■固定的位置、固定的速度、时刻固定并且已知
■位置的范围、速度的范围、时刻的范围(时间段)
■位置可变但在时间上事先已知，速度可变但在时间上事先已知，时刻固定并且已知
■位置可变并且部分优化(或者等效地：夹具和操作设备相对于可运动模具夹紧板的绝对位置的差)
优化变量：
-版本1a：
■操作设备和夹具的轨迹的在时间上和在几何上的变化曲线通过优化来确定。
■成型机的可运动模具夹紧板和顶料器的理论径迹是事先已知的。
■取出点在时间上和在位置上是已知的。不存在取出点对实际轨迹的适配。
■假定：成型机理想地遵循其轨迹。
■操作设备和夹具的起始点和终止点或相关区域是固定的。
-版本1b：
■夹具和操作设备的轨迹在时间上和在几何上的变化曲线通过优化来确定。
■成型机的可运动模具夹紧板和顶料器的理论径迹是事先已知的。
■计算成型机的可运动模具夹紧板和顶料器的理想的(按照机电模型计算出的)实际径迹。
■取出点在时间上和位置上是已知的。不存在取出点对实际径迹的适配。
■假定：成型机以计算出的物理上的行为遵循其轨迹，从而使计算出的实际轨迹与实际上的轨迹良好地一致。
■操作设备和夹具的起始点和终止点或相关区域是固定的。
-版本1c：
■附加于版本1a和/或1b
■如果没有实施影响模具运动的改变，则可以使用来自先前循环的优化结果。这种处理过程也可以在以下讨论的版本2至5中进行。
-版本2：
■夹具和操作设备的轨迹在时间上和在几何上的变化曲线通过优化来确定。
■成型机的可运动模具夹紧板和顶料器的轨迹是事先已知的(总是相同)。
■取出点在在时间上和在位置上由优化来确定。在所述取出点上，夹具和操作设备在与可运动模具夹紧板具有相同速度的意义上是运动同步的。
■假定：成型机理想地遵循其轨迹。
■夹具和操作设备的起始点和终止点或相关区域是固定的。
-版本3：
■夹具和操作设备的轨迹在时间上和在几何上的变化曲线通过优化来确定。
■成型机的可运动模具夹紧板和顶料器的轨迹是事先未知的并且对夹具和操作设备的运动控制被实时地知晓。
■取出点在时间上和在位置上由优化来确定。在所述取出点上，夹具和操作设备在与可运动模具夹紧板具有相同速度的意义上是(实时地)运动同步的。
■夹具和操作设备的起始点和终止点或相关区域是固定的。
-版本4：
■夹具和操作设备的轨迹在时间上和在几何上的变化曲线通过优化来确定。
■成型机的可运动模具夹紧板和顶料器的轨迹的在时间上的变化曲线通过优化来确定。
■取出点在时间上和在位置上由优化确定。在所述取出点上，夹具和操作设备在与可运动模具夹紧板具有相同速度的意义上是运动同步的。
■夹具和操作设备的起始点和终止点或相关区域是固定的。
-版本5：
■夹具和操作设备的轨迹在时间上和在几何上的变化曲线通过优化来确定。
■成型机的可运动模具夹紧板和顶料器的轨迹在时间上的变化曲线通过优化来确定。
■取出点在时间上和在位置上由优化确定。在所述取出点上，夹具和操作设备在与可运动模具夹紧板具有相同的速度的意义上是(实时地)运动同步的。
■夹具和操作设备的起始点和终止点或相关区域是固定的。
附加条件：
-在夹具、操作设备与成型机之间没有碰撞：
■不会侵犯操作设备、夹具和成型机的在时间上可变的工作空间。
■在紧急停止成型机和/或操作设备的情况下不会侵犯操作设备和成型机的在时间上可变的工作空间。
-不允许超过成型机和操作设备以及夹具的在运动学上极限值。
-不允许超过(非线性)成型机和操作设备以及夹具在动力学上的极限值。
-(也可以可变地)定义取出点：
■时刻或持续时间
■成型机的模具的顶料器、操作设备和夹具的绝对位置至少近似相等的时刻
■成型机的模具的速度与夹具和操作设备的速度之间的差不超过预定程度
-打开行程>脱模行程
-不允许超过在操作设备中的最大振动或弯矩。
质量函数(不同的可能性)：
-时间优化：
■相比于在不干预操作设备和夹具的情况下的打开时间，通过干预操作设备和夹具使取出时间的延长最小化。
■事件可以包括弹性模型被一起计算并输入到优化中，以便使整个系统的振荡和因此振荡持续时间最小化。
-能量优化
-关于操作设备振动的稳定性(径迹、动力性、摩擦、碰撞等)
-在电气组件(开关柜、调节器……)中的放热
-关于操作设备和/或成型机的峰值负荷的优化
-不同准则(时间、能量、峰值等)的加权
-关于不同准则、例如总循环时间的过程稳定性。
备选地或附加地，可以以类似的方式通过操作设备和(作为配置给成型机的操纵设备的)夹具来处理将置入件置入到成型机的(作为成型机的所选组件的)模具中。
为了本发明的目的，只要成型机的组件位于成型机的区域中、特别是与所述成型机运动耦合，则所制造的成型件等(例如浇注口)就被理解为该成型机的组件。
备选地或附加地，可以以类似的方式地通过操作设备和夹具(作为配置给成型机的操作设备)来处理浇注口的移除。
在按照本发明的成型机中，可以通过操作者如下进行对优化的实施：
-例如，可以在组合列表框(下拉菜单)和/或直观的符号图中方便地进行对上面讨论的变型方案1-5的优化变量的选择。
-同样可以方便地进行对质量函数的选择。
-操作设备的起始位置可以被训导(或者有利地也可以被优化)。
-可以训导(或自动地查明)成型机和操作设备的极限位置：
■成型机的模具区域打开
■操作设备的夹具移动到成型机中到最小位置中，从而使所述成型机可以尽可能远地闭合
■成型机直至与夹具即将碰撞前闭合
■夹具从成型机中移出，使得所述成型机可以闭合。
-取出位置
■操作设备的取出位置可以被训导(或者有利地也可以被优化)。
■可以在形状固定的坐标系中在位置、速度、加速度……方面固定。
■可以借助于外部传感器设备、例如相机系统或具有RFID
或NFS系统的定位装置来自动地查明。
对于具体的应用情况例如可以提供以下质量函数：
考虑到：
x(te)＝xe
Fmin≤F≤Fmax
v≤vmax
在此，迈尔项例如选择为M(x(te))＝0。利用加权因子k1和k2在时间优化与能量优化之间进行加权。特殊情况k1＝1和k2＝0提供时间优化的解决方案。te是轨迹持续时间。第一附加条件描述具有状态s(位置) 和v(速度)的动力学系统。M表示质量矩阵，G(s，v)项包含所有其余的可能非线性的项、例如摩擦或重力项。系统的起始状态以位置 s(t＝0)＝s0和速度v(t＝0)＝v0的初始条件的形式来确认。通过等式条件 x(te)＝xe连同xe＝[seve]T来要求定义的最终状态的达到。
调整参量限制以及状态限制可以以不等式条件的形式来考虑 (Fmin≤F≤Fmax，v≤vmax)。
整体上的优化的优点将通过以下示例性信号走势来阐明。
附图说明
图1a示出了按照现有技术的标准循环与时间优化的解决方案的对比。
图1b示出了机器人和模具运动的总体能量消耗E。
图2a示出了取出时间的降低。
图2b示出了能量耗费的最小化。
具体实施方式
图1a示出了按照现有技术的标准循环与时间优化的解决方案的对比：
一旦模型(qF)到达最终位置(细线，轨迹持续时间te1)，机器人就开始运动(q1和q2)——利用时间优化的解决方案——机器人获得提前开始信号，并且尽可能快地与模具(粗线，轨迹持续时间te2)同步，其中，可以明显地看出周期时间Δte的降低。此外，示出了机器人和模具运动的总体能量消耗E(参见图1b)(时间优化：粗线，未优化：细线)。
在单个组件的时间优化的径迹规划中，每个组件自身尽可能快地移动。已经表明，单个运动的优化不会必然导致整个系统的优化，这一方面可能导致单个组件的不必要的停止时间，另一方面可能导致可避免的高能量消耗。
然而，通过整体上的考虑可能的是，将取出时间降低到技术上可能的最小值并且同时将能量耗费最小化(参见图2a和图2b)。
如图2a示例性示出的那样，模具qF在时刻tFe1到达最终位置，并且因此比机器人(q1和q2)更快，并且必须在那里等待(细线)。通过整体上的优化(粗线)虽然模具的轨迹持续时间提高到tFe2，然而这对取出的总持续时间没有影响。通过降低的模具动态性得到能量节省(参见在图2b中的较低的粗线)。
对优化的计算可以在成型机和/或操作设备的局部控制装置中或者通过在远程计算机中的数据远程连接进行。
优选地，计算出的经优化的轨迹是用于具体的成型机和成型机的具体的所选组件的部分数据组的一部分。
