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Dokumentenidentifikation DE69714015T2 13.02.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 0877660
Titel VERFAHREN ZUR STEUERUNG EINES INDUSTRIELLEN ROBOTERS
Anmelder ABB AB, Västeras, SE
Erfinder BROGARDH, Torgny, S-724 79 Västeras, SE;
DAHLQUIST, Hakan, S-165 72 Hässelby, SE;
ELFVING, Staffan, S-722 45 Västeras, SE;
HENRIKSSON, Tord, S-722 40 Västeras, SE
Vertreter Becker, Kurig, Straus, 80336 München
DE-Aktenzeichen 69714015
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 22.01.1997
EP-Aktenzeichen 979027778
WO-Anmeldetag 22.01.1997
PCT-Aktenzeichen PCT/SE97/00094
WO-Veröffentlichungsnummer 0009727978
WO-Veröffentlichungsdatum 07.08.1997
EP-Offenlegungsdatum 18.11.1998
EP date of grant 17.07.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.02.2003
IPC-Hauptklasse B25J 9/16

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Industrieroboters, welcher aufweist, mehrere Bewegungsachsen mit einer Stellungs-Erfassungseinrichtung für jede der Achsen, welche zum Liefern eines die gegenwärtige Stellung des Roboters definierenden Signals angepasst ist, und ein Steuersystem zur Steuerung der Achsen des Roboters, wobei die Output- Signale von den Stellungs-Erfassungseinrichtungen dem Steuersystem zugeführt werden.

STAND DER TECHNIK

Die Dienstlebensdauer eines Industrieroboters wird dadurch bestimmt, wie dessen mechanische Struktur und dessen Komponenten während den durch den Roboter während seiner Dienstlebensdauer ausgeführten Bewegungen belastet werden. Die Mechanik von heutigen Robotern ist derart dimensioniert, daß der Roboter während seiner gesamten angegebenen Dienstlebensdauer die schwersten erdenklichen Bewegungsmuster ausführen kann. Lediglich eine geringe Anzahl an Robotern werden mit derartigen, für die mechanische Struktur ungünstigen Bewegungsprogrammen betrieben und deshalb sind nahezu alle heutigen Roboter in Bezug auf ihre angegebene Dienstlebensdauer mechanisch überdimensioniert.

Ein typischer Industrieroboter umfasst eine Anzahl an Roboterarmen, die in Bezug zueinander drehbar sind und eine mit einer Vorrichtungsbefestigung bereitgestellte Hand. Die Roboter-Hand ist in Bezug auf den die Hand tragenden Arm in zwei oder drei Freiheitsgraden drehbar. Der Roboter wird mit einem Steuersystem bereitgestellt, welches die Stellung und Ausrichtung der Roboter-Hand steuert. Für jede der Bewegungsachsen des Roboters ist eine Servo-Ausstattung bereitgestellt, die einen Antriebsmotor und eine Stellungs-Erfassungseinrichtung umfasst. Die Stellungs-Erfassungseinrichtung liefert ein Signal, das ein Maß bzw. eine Erfassung des Drehwinkels der fraglichen Achse ist. Dem Servo-System jeder Achse wird ein Referenzwert für den Drehwinkel der Achse zugeführt und der Antriebsmotor der Achse bringt den Roboter dazu eine Bewegung in der fraglichen Achse durchzuführen, bis die durch die Stellungs- Erfassungseinrichtung der Achse angezeigte Achsstellung mit dem, dem Servo-System zugeführten Referenzwert übereinstimmt.

Um zu verhindern, daß die Lasten auf den mechanischen Komponenten des Roboters, beispielsweise Lagern, Wellen, Stützen bzw. Bügeln bzw. Stegen, Motor-Gehäuse und Armbefestigungen zu hoch werden, werden für jede der Achsen des Roboters Grenzen für die maximal zulässigen Drehmomente bzw. Drehkräfte und die maximal zulässige Geschwindigkeit festgelegt. Diese Grenzen werden vor der Auslieferung des Roboters festgelegt und begrenzen das Leistungsverhalten bzw. die Leistung des Roboters, das heißt die Maximai- Geschwindigkeiten und die Maximal-Drehmomente der Achsen, während der gesamten Dienstlebensdauer des Roboters. Die Grenzen für das maximal zulässige Achsdrehmoment und die maximal zulässige Achsgeschwindigkeit werden auf Basis der garantierten Dienstlebensdauer des Roboters und von Ermüdungsdiagrammen für die mechanische Struktur berechnet. Die Berechnung geht von einem vorstellbaren ungünstigsten Fall mit abnormen Bewegungsmustern und einer abnormen Anzahl von Zyklen pro Zeiteinheit aus.

Die mechanische Last auf einer, mechanischen Komponente zu einem bestimmten Zeitpunkt hängt von verschiedenen unterschiedlichen Faktoren ab, beispielsweise der Geschwindigkeit, der Beschleunigung, der Konfiguration und der Last des Roboters. Dies bedeutet, daß die für das maximal zulässige Achsdrehmoment und die maximal zulässige Achsgeschwindigkeit festgelegten Grenzen überschritten werden können, falls der Roboter eine vorteilhafte Konfiguration oder eine geringe Last aufweist, ohne daß die Last der Komponente zu hoch wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der Erfindung ist es, den Nutzungsgrad des Roboters zu erhöhen, derart daß die Mechanik bis zu ihrem Maximum genutzt wird. Aus den beigefügten Ansprüchen wird klar werden, was ein erfindungsgemäßes Verfahren kennzeichnet.

Die gegenwärtige Last an mindestens einem mechanisch kritischen Punkt wird auf Basis der Output-Signale von den Stellungs-Erfassungseinrichtungen und eines mathematischen Modells für den Roboter kontinuierlich berechnet. In regelmäßigen Intervallen wird ein Nutzungsfaktor für den kritischen Punkt auf Basis des Lastspektrums bzw. der Beanspruchungscharakteristik des Punkts während einer vorbestimmten Beobachtungszeitspanne berechnet. Auf Basis des Nutzungsfaktors und der Dienstlebensdauer des Roboters, wird die maximal zulässige Last an dem kritischen Punkt berechnet. Die Dienstlebensdauer kann entweder vorbestimmt oder wahlweise bzw. optional sein. Die maximal zulässige Last wird kontinuierlich während der fraglichen Roboter-Zyklen für jeden der kritischen Punkte berechnet. Die gegenwärtige Last und die maximal zulässige Last werden kontinuierlich verglichen und falls die gegenwärtige Last die maximal zulässige Last überschreitet, werden Achsgeschwindigkeiten und Achsdrehmomente derart begrenzt, daß die Last an dem kritischen Punkt verringert wird.

Durch Berücksichtigung der Größe der Lasten, denen bestimmte mechanische Strukturen unterworfen sind, können Achsgeschwindigkeiten und Achsdrehmomente derart erhöht werden, daß die Mechanik bis zu ihrem Maximum genutzt wird. Auf diese Weise wird ein Roboter, der Bewegungsmuster ausführt, die für die Mechanik günstig sind, ein höheres Leistungsverhalten als ein Roboter aufweisen, der mit ungünstigen Bewegungsmustern betrieben wird. Ebenso wird ein Roboter, der geringe Vorrichtungs- bzw. Werkzeug- und Arm-Lasten handhabt, ein höheres Leistungsverhalten aufweisen.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die maximal zulässige Last hinsichtlich der erwünschten Dienstlebensdauer des Roboters berechnet. Die maximal zulässige Last wird dann auf der Basis der gesamten Vorgeschichte des Roboters berechnet. Zu irgendeinem Zeitpunkt kann der Nutzer durch das Steuersystem über die Zeit informiert werden, die von der Dienstlebensdauer des Roboters verbleibt. Falls der Nutzer nicht mit der verbleibenden Dienstlebensdauer zufrieden ist, kann er den Wert der verbleibenden Dienstlebensdauer ändern, wonach das Steuersystem eine neue maximal zulässige Last auf der Basis des neuen Werts der Dienstlebensdauer bestimmt. Auf diese Weise kann der Nutzer selbst zwischen einem höheren Leistungsverhalten und einer kürzeren Dienstlebensdauer oder einem niedrigeren Leistungsverhalten und einer längeren Dienstlebensdauer seines Roboters wählen.

In einer anderen Ausführungsform wird eine festgesetzte Dienstlebensdauer bei Installation des Roboters bestimmt. Das Steuersystem berechnet dann während der Beobachtungszeitspannen die maximal zulässigen Lasten in Bezug auf die festgesetzte Dienstlebensdauer, wobei die Achsgeschwindigkeiten und Achsdrehmomente derart angepasst werden, daß die maximal zulässigen Lasten nicht überschritten werden. In diesem Fall ist nicht notwendig, daß Daten über die Vorgeschichte des Roboters gespeichert werden, was bei einem Ersetzen des Steuerungsgehäuses oder im Falle von Speicherausfällen von Vorteil ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines vorbekannten Industrieroboters.

Fig. 2a zeigt ein Beispiel eines Ermüdungsdiagramms.

Fig. 2b zeigt ein Beispiel einer Drehmoment-Zeit-Funktion.

Fig. 2c zeigt ein Beispiel eines Last-Spektrums.

Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm für eine erste erfindungsgemäße Ausrührungsform.

Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm für eine zweite erfindungsgemäße Ausrührungsform.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines vorbekannten Industrieroboters. Der Roboter-Fuß 2 ist auf einer Basis 1 fest angebracht. Der Roboter weist eine Basis-Standeinrichtung 3 auf, die in Bezug auf den Fuß 2 um eine vertikale Achse A1 drehbar ist. Ein erster Roboter-Arm 4 ist am oberen Ende der Basis-Standeinrichtung gelagert bzw. drehbar gelagert bzw. mit Zapfen gelagert (journalled) und ist in Bezug auf die Basis-Standeinrichtung um eine zweite Achse A2 drehbar. Am äußeren Ende des Arms ist ein zweiter Arm 5 gelagert und in Bezug auf den ersten Arm um eine Achse A3 drehbar. Der Roboter-Arm 5 umfasst zwei Teile 5a und 5b, wobei das äußere Teil 5b in Bezug auf das innere Teil 5a um eine Drehachse A4 drehbar ist, welche mit der Längsachse des Arms zusammenfällt. Der Arm 5 trägt an seinem äußeren Ende eine sogenannte Roboter-Hand 6, die um eine Drehachse A5 drehbar ist, welche senkrecht zu der Längsachse des Arms verläuft. Die Roboter-Hand weist eine Vorrichtungsbefestigung 6a auf. Das äußere Teil der Roboter-Hand und folglich die Vorrichtungsbefestigung 6a sind in Bezug auf das innere Teil der Roboter-Hand um eine Drehachse A6 drehbar. Die Drehwinkel an den sechs Drehachsen A1...A6 werden in der Figur mit φ&sub1;-φ&sub6; bezeichnet.

Für jede der Bewegungsachsen des Roboters ist eine Stellungs-Erfassungseinrichtung vorhanden, welche ein Signal liefert, das ein Maß des Drehwinkels der fraglichen Achse ist. Die Output- Signale von den Stellungs-Erfassungseinrichtungen werden dem Steuersystem des Roboters zugeführt. Das Steuersystem ist in einem separaten Steuerungsgehäuse 8 angeordnet und umfasst in bekannter Weise Computerausstattung mit den notwendigen Speichern für Programme und andere Daten, Antriebseinrichtungen für die Antriebsmotoren der unterschiedlichen Roboterachsen und die notwendige Zuführ- bzw. Versorgungsausstattung. Das Steuerungsgehäuse ist mit einer Programmiereinheit 9 zum Programmieren und anderweitigen Betreiben des Roboters verbunden. Die Steuerungseinheit umfasst ein mathematisches Modell des Roboters, das für Berechnungen verschiedener Art verwendet wird.

Die mechanische Festigkeit bzw. Stärke eines Roboters wird häufig durch eine kleine Anzahl an kritischen Last-Punkten bestimmt. Bei diesen Last-Punkten ist wichtig, daß die Kraft- oder Drehmoment-Amplituden, die während der Roboter-Bewegungen entstehen, nicht das Niveau überschreiten dürfen, das einen Ermüdungszusammenbruch während der Dienstlebensdauer des Roboters hervorruft bzw. bereitstellt.

Mit der Hilfe eines mathematischen Modells der Roboter-Dynamik und der Output-Signale von den Stellungs-Erfassungseinrichtungen kann die Last an einem kritischen Punkt berechnet werden. Bei der Last kann es sich um Drehmoment, Kraft, Beanspruchung bzw. Spannung, Durchbiegung oder Drehung handeln. Die Last wird von derartigen dynamischen Effekten bzw. Wirkungen, wie gekoppelte Massenträgheit, Zentrifugalkraft und Gravitation abgeleitet. Bei dieser Ausrührungsform wird die Last als Biegemoment τ berechnet:

τ = Mi(φ)·φ + Vi(φ)·(φ)² + Gi(φ) (1)

φ = φ&sub1;, φ&sub2; ... φ&sub6; = Stellung des Roboters

φ = φ&sub1;, φ&sub2; ... φ&sub6; = Geschwindigkeit des Roboters

φ = φ&sub1;, φ&sub2; ... φ&sub6; = Beschleunigung des Roboters

Mi(φ) beschreibt den Zusammenhang zwischen den Beschleunigungen der Roboter-Arme und dem Biegemoment an dem kritischen Punkt, Vi(φ) beschreibt den Zusammenhang zwischen der Zentrifugalkraft von allen Teilen des Roboters und dem Biegemoment an dem kritischen Punkt. Gi(φ) beschreibt den Effekt der Gravitation auf das Biegemoment.

Die Festigkeit eines Materials bei variierenden Lasten ist von der Amplitude der Laständerungen und deren Anzahl während der Dienstlebensdauer des Materials abhängig. Aus dem Ermüdungsdiagramm des Materials kann die Anzahl an Beanspruchungsänderungen N mit einer bestimmten Amplitude S abgelesen werden, die das Material während seiner Dienstlebensdauer erfährt. Fig. 2a zeigt ein Beispiel eines Ermüdungsdiagramms. Fig. 2b zeigt ein Beispiel dafür, wie ein Biegemoment τ während einer Beobachtungszeitspanne Δt an einem kritischen Punkt in einer sogenannten Drehmoment-Zeit-Funktion variieren kann. Aus der Drehmoment- Zeit-Funktion können die Amplituden τij für die Drehmomentänderungen abgelesen werden. Fig. 2c zeigt ein Beispiel eines Last-Spektrums für einen kritischen Punkt basierend auf Erfassungen während einer Beobachtungszeitspanne. Ein Last-Spektrum zeigt die Anzahl an Drehmomentänderungen ni, die innerhalb eines Amplitude-Intervalls auftreten, dessen mittlere Amplitude Saij ist.

Fig. 3 zeigt, wie die Berechnung von Maximallast, das heißt von Maximalwerten für Achsgeschwindigkeiten φmax und Achsdrehmoment τachs,max gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ausgeführt werden kann. Der Roboter in dieser Ausführungsform weist eine Anzahl (i) an kritischen Punkten auf. Die kritischen Punkte können schwache Punkte in der Roboter-Struktur sein, beispielsweise Lager, Wellen, Verbindungseinrichtungen, Getriebe oder andere Lebensdauer-begrenzenden Komponenten. Die Biegemomente τi werden für jeden der Punkte ausgehend von den Output-Signalen φ&sub1;, φ&sub2; ... φ&sub6; von der Stellungs-Erfassungseinrichtung des Roboters gemäß Gleichung 1, Block 10, berechnet. Die Berechnung der Biegemomente erfolgt kontinuierlich, beispielsweise jede 24-te us. Beim Betreiben des Roboters wird anschließend eine Drehmoment-Zeit-Funktion für jeden Punkt erhalten.

Zum Erhalten des Last-Spektrums für einen Punkt, müssen, alle Drehmomentänderungen erfasst und ihre Amplituden aus der Drehmoment-Zeit-Funktion für den Punkt berechnet werden. Für die Drehmoment-Zeit-Funktion werden deshalb alle lokalen Maximalwerte τmax und Minimalwerte τmin deshalb gleichzeitig erfasst, und aus diesen Maximal- und Mimmalwerten wird dann die Amplitude der Drehmomentänderungen berechnet

Algorithmen zum Erfassen und Berechnen relevanter Drehmomentveränderungen können auf verschiedene bekannte Weisen durchgeführt werden. Beispielsweise kann eine Extremwert- Suche oder eine Berechnung der Anzahl an Drehmomentmaxima, welche über, und der Drehmomentminima, welche unter gegebenen Drehmomentniveaus liegen, direkt aus der Drehmoment-Zeit-Funktion erstellt werden. Eine Alternative zur Verwendung spezieller Algorithmen in der Zeitebene ist die Verwendung einer Frequenzanalyse, beispielsweise eines FFT-Algorithmus.

Das Lastspektrum wird während eines Beobachtungszyklus Δt aktualisiert. Die Beobachtungszeitspanne sollte mindestens einen Roboter-Zyklus betragen, das heißt die Zeit, die der Roboter zum Ausführen des fraglichen Roboter-Programms in Anspruch nimmt. Geeigneterweise wird die Beobachtungszeitspanne derart ausgewählt, daß Veränderungen in der Verwendung des Roboters während des Tages eingeschlossen sind. Bei dieser Ausführungsform beträgt die Beobachtungszeitspanne 24 Stunden.

Zum Berechnen der maximal zulässigen Last wird zunächst ein sogenannter Nutzungsfaktor für den Punkt i berechnet. Bei dieser Ausrührungsform wird ein Teilschaden bzw. ein partieller Schaden Di zum Berechnen des Nutzungsfaktors verwendet.

Nij ist die Maximalzahl an zulässigen Lastzyklen in einem Intervall [τj-1 - τj] und nij ist die Anzahl an Drehmomentänderungen mit Amplituden in dem Intervall [τj-1 - τj]. Die Anzahl an Drehmomentänderungen An« mit Amplituden in gegebenen Drehmomentintervallen [τj-1 - τj], welche innerhalb einer Beobachtungszeitspanne erfasst werden, sind in einer Tabelle für das Last-Spektrum von jedem kritischen Punkt gespeichert. Für jedes Drehmomentintervall wird die Anzahl an Last-Zyklen Δnij berechnet, Block 11. Die Tabelle wird während jeder Beobachtungszeitspanne aktualisiert. Nachstehend wird ein Beispiel einer derartigen Tabelle für einen kritischen Punkt i angegeben:

[τj-1 - τj] Δnij

0 - τ&sub1; Δni1.

τ&sub1; - τ&sub2; Δni2

τ&sub2; - τ&sub3; Δni3

...

τl-1 - τl Δni1

Die Tabelle dient als eine Basis zum Berechnen der Änderungs-Rate des Teilschadens, Block 12:

Falls der Teilschaden während der gesamten Dienstlebensdauer des Roboters akkumuliert wird, so ist die Summe allen Teilschadens 1. Der maximal zulässige Teilschaden Dimax während der Dienstlebensdauer des Roboters sollte einen Wert aufweisen, der unmittelbar unter 1 liegt, beispielsweise kann Dimax = 0,9 gewählt werden. ΔDi bildet die Zunahme des Teilschadens während der Zeitspanne Δt. Die Zunahme an Teilschaden pro Zeiteinheit, ΔDi/Δt, bildet ein Maß der Rate, bei der sich die Struktur einer Ermüdung pro Zeiteinheit nähert. Falls die Dienstlebensdauer tleben des Roboters bekannt ist, so kann die Zunahme an Teilschaden pro Zeiteinheit zum Berechnen der maximal zulässigen Last verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform wird die Dienstlebensdauer tleben des Roboters durch den Roboter-Hersteller vorbestimmt. Aus der folgenden Beziehung wird die größte Zunahme an Teilschaden pro Zeiteinheit (ΔDi/Δt)max berechnet, deren Andauern für die Struktur an dem kritischen Punkt während der vorbestimmten Dienstlebensdauer zugelassen werden kann:

Hieraus kann der Nutzungsfaktor kileben für den Punkt i berechnet werden, Block 13:

Der Nutzungsfaktor wird für jeden der kritischen Punkte berechnet. Der Nutzungsfaktor kleben des Roboters ist der Nutzungsfaktor für den kritischen Punkt, der den größten kileben aufweist.

kleben = Max{kileben} (7)

Falls kleben < 1, kann das Leistungsverhalten, d. h. Achsgeschwindigkeiten und Achsdrehmomente erhöht werden.

Falls kleben > 1, muß das Leistungsverhalten verringert werden.

Ein Berechnen von Maximalwerten von Achsgeschwindigkeiten φmax und Achsdrehmomenten τachs,max auf Basis von kleben derart daß die Biegemomente τi Werte erreichen, derart daß kleben = 1, ist eine schwierige mathematische Aufgabe. Statt dessen kann ein adaptives bzw. anpassungsfähiges Verfahren verwendet werden. Da es sich um eine Frage von sehr langen Zeitspannen bei dem Ermüdungsvorgang handelt, ist die Aufgabe für eine Adaptivität bzw. Anpassungsfähigkeit (adaptivity) höchst geeignet. Die Anpassungsfähigkeit bedeutet, daß in Abhängigkeit davon, ob kleben > 1, kleben = 1 oder kleben < 1 ist, φmax und τachs,max verringert, konstant gehalten oder vergrößert werden. Die Maximai-Achsgeschwindigkeiten φmax und -Achsdrehomente τachs,max werden nun nach jeder Beobachtungszeitspanne derart durch das Steuersystem angepasst, daß nach einer Anzahl von Beobachtungszeitspannen der Roboter mit kleben = 1 läuft, Block 14.

Das Verhältnis zwischen den Änderungen der Maximal-Achsgeschwindigkeiten φmax und -Achsdrehmomente τachs,max wird dadurch bestimmt, welche Tenne in Gleichung 1 den größten Beitrag bei der Berechnung des Biegemoments r für den begrenzenden Punkt liefern. Falls Mi(φ)·φ + Gi(φ) überwiegend ist, erfolgt die größte Änderung in τachs,max und falls Vi(φ)·(φ)² überwiegend ist, wird φmax am stärksten gesteuert.

Ein Nachteil der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist, daß die Dienstlebensdauer des Roboters bei der Installation des Roboters bestimmt werden muß. Es ist nicht möglich die Dienstlebensdauer nach einigen Jahren zu ändern, um ein höheres Leistungsverhalten von dem Roboters zu erhalten oder um die Verwendung des Roboters zu verlängern. In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die maximal zulässige Last an die gesamte Vorgeschichte des Roboters angepasst.

Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Die relevante Last τ an den kritischen Punkten wird gemäß Gleichung 1 in der gleichen Weise wie in der ersten Ausführungsform berechnet, Block 10. In Block 21 wird Δnij in der gleichen Weise wie in den vorstehenden Beispielen berechnet. Ein Unterschied ist, daß bei dieser Ausführungsform die Anzahl an Drehmomentänderungen in unterschiedlichen Drehmomentintervallen

vom Zeitpunkt, an dem der Roboter neu war, bis hin zum gegenwärtigen Alter talter des Roboters berechnet und gespeichert werden:

Da nij nun seit der Roboter neu war gespeichert wird, kann der Teilschaden Di gemäß Gleichung 3 berechnet werden, Block 22. In gleicher Weise wie zuvor wird die relevante Teilschadenszunahme pro Zeiteinheit, ΔDi/Δt, berechnet, Block 12. Die verbleibende Dienstlebensdauer tirest wird aus der folgenden Beziehung berechnet:

Der Punkt, der die kürzeste verbleibende Dienstlebensdauer aufweist, bestimmt die verbleibende Dienstlebensdauer trest des Roboters, Block 23.

trest = Min(tresti) (9)

Falls das gegenwärtige Alter talter des Roboters kontinuierlich aktualisiert und in dem Steuersystem gespeichert wird, so kann die gesamte Dienstlebensdauer tleben des Roboters gemäß tleben = talter + trest berechnet werden. Die gesamte Dienstlebensdauer tleben und die verbleibende Dienstlebensdauer trest des Roboters kann dem Roboter-Operator bzw. Roboter-Betreiber angezeigt werden, welcher dann wählen kann, ob das Leistungsverhalten verringert und folglich die verbleibende Dienstlebensdauer vergrößert wird oder ob das Leistungsverhalten zu Lasten einer verringerten verbleibenden Dienstlebensdauer erhöht wird. Ein Ändern des Leistungsverhaltens bedeutet, daß die Niveaus der maximal zulässigen Achsgeschwindigkeiten und Achsdrehmomente geändert werden.

Anstelle daß der Operator das Leistungsverhaltensniveau steuert, kann das Steuersystem automatisch das Leistungsverhalten derart anpassen, daß eine erwünschte Dienstlebensdauer tleben oder eine durch den Operator eingegebene, erwünschte verbleibende Dienstlebensdauer trestw erhalten wird. In Block 24 wird der Nutzungsfaktor kleben berechnet, gemäß:

Maximalwerte für Achsgeschwindigkeiten und Achsdrehmomente können gemäß dem vorstehend beschriebenen adaptiven Verfahren angepasst werden, Block 14.

Um eine vollständig automatisierte Dienstlebensdauer-Optimierung zu ermöglichen, ist erforderlich, daß die akkumulierte Anzahl an Last-Zyklen nij und das Alter talter des Roboters stets verfügbar sind. Ein Problem liegt vor, falls ein Steuerungsgehäuse ohne den, das Steuerungsgehäuse begleitenden Roboter ersetzt wird. Dann müssen das Last-Spektrum und das Alter des Roboters gesichert werden, um diese später in das neue Steuersystem einzulesen. Dieses Problem kann gelöst werden, indem ein Speicher-Modul in dem Fuß des Roboters angebracht wird, das dann von dem Steuersystem beschrieben und gelesen werden kann.

Als eine Alternative zu einem Teilschaden Di kann eine konstante äquivalente Amplitude Seqai zum Berechnen der verbleibenden Dienstlebensdauer verwendet werden:

Njo ist die Anzahl an Drehmomentänderungen entsprechend der Dienstlebensdauer bei einer maximal zulässigen äquivalenten Last Seqaimax.

Saij ist das mittlere Drehmoment in dem Drehmoment-Intervall [τj-1 - τj] und ki ist die Neigung in der Ermüdungskurve. Die verbleibende Dienstlebensdauer für einen kritischen Punkt i wird berechnet:

Der kritische Punkt, welcher die kürzeste verbleibende Dienstlebensdauer aufweist, begrenzt das gesamte verbleibende Alter des Roboters. Die verbleibende Dienstlebensdauer des Roboters ist:

trest = Min{tresti} (14)


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Steuerung eines Industrieroboters, welcher aufweist, mehrere Bewegungsachsen mit einer Stellungs-Erfassungseinrichtung für jede Achse zum Zufahren eines die gegenwärtige Stellung der Achse definierenden Output-Signals an ein Steuersystem zur Steuerung der Achsen des Roboters, dadurch gekennzeichnet, daß während eines Betriebs des Roboters für mindestens einen mechanisch kritischen Punkt (i) des Roboters, kontinuierlich die folgenden Schritte durchgeführt werden:

- Berechnung der relevanten Last (τi) während einer vorbestimmten Zeitspanne (Δt) auf der Basis der Stellung (φ&sub1;, φ&sub2; ... φ&sub6;) des Roboters und eines mathematischen Modells des Roboters,

- Berechnung der Ermüdungsrate, nämlich der Teilschadensrate, (ΔDi/Δt) des Punkts auf der Basis der berechneten Last und in Kenntnis der Ermüdungsfestigkeit (Nij) des Materials an dem kritischen Punkt,

- Anpassung des Leistungsverhaltens (φachs,max, τachs,max) des Roboters in Abhängigkeit von der Ermüdungsrate und einer erwünschten Dienstlebensdauer (tleben) es Roboters.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermüdungsrate (ΔDi/Δt) ausgehend von der Anzahl von Lastzyklen (Δnij) in einem Last-Intervall (τj-1 - τj) während der Zeitspanne (Δt) berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nutzungsfaktor (kleben) in Abhängigkeit von der berechneten Ermüdungsrate (ΔDi/Δt) und der maximal zulässigen Ermüdungsrate (ΔDi/Δt)max für die erwünschte Dienstlebensdauer (tleben) des Roboters berechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die maximal zulässige Ermüdungsrate ((ΔDi/Δt)max) als der Quotient zwischen der maximal zulässigen Ermüdung (Dimax) und der erwünschten Dienstlebensdauer (tleben) des Roboters berechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutzungsfaktor (kleben) für mehrere kritische Punkte berechnet wird und daß das Leistungsverhalten (φmax, τachs,max) des Roboters in Abhängigkeit von dem die höchste Nutzung aufweisenden Punkt angepasst wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erwünschte Dienstlebensdauer (tleben) des Roboters bestimmt wird, wenn der Roboter neu ist.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Lastzyklen (Δnij) in dem Last-Intervall (τj-1 - τj) während der gesamten Dienstlebensdauer des Roboters akkumuliert werden und daß die relevante Ermüdung (Di) in Abhängigkeit von der akkumulierten Last berechnet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die verbleibende Dienstlebensdauer (tresti) des Roboters in Abhängigkeit von der Ermüdungsrate (ΔDi/Δt) und der Differenz zwischen der maximal zulässigen Ermüdung (Dimax) und der relevanten Ermüdung (Di) berechnet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die verbleibende Dienstlebensdauer (tresti) des Roboters für mehrere kritische Punkte berechnet wird und daß die kürzeste verbleibende Dienstlebensdauer die verbleibende Dienstlebensdauer (trest) des Roboters bestimmt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, 7, 8, 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungsverhalten (φachs,max, τachs,max) des Roboters in Abhängigkeit von einer wahlweisen, erwünschten Dienstlebensdauer (tleben) angepasst wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nutzungsfaktor (kleben) in Abhängigkeit von der wahlweisen Dienstlebensdauer (tleben) und der berechneten verbleibenden Dienstlebensdauer (trest) berechnet wird und daß das Leistungsverhalten (φmax, τachs,max) des Roboters in Abhängigkeit von dem Nutzungsfaktor angepasst wird.

12. Verfahren nach Anspruch 3-5 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit davon, ob der Nutzungsfaktor (kleben) größer oder kleiner als ein gegebener Wert ist, das Leistungsverhalten des Roboters vergrößert oder verringert wird.

13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungsverhalten des Roboters verändert wird, indem die Maximai-Achsgeschwindigkeiten (φmax) und die Maximai-Achsdrehmomente (τachs,max) des Roboters verändert werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet daß das Verhältnis zwischen den Anpassungen der Maximai-Achsgeschwindigkeiten (φmax) und der Maximai- Achsdrehmomente (τachs,max) des Roboters in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen der Wirkung der Beschleunigung, (Mi(φ)·φ) der Gravitation (Gi(φ)) und der Zentrifugalkraft {Vi(φ)·(φ)²) auf die Last (τi) bestimmt wird.







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