DE102009060819A1

DE102009060819A1 - Verfahren zur Zustandsüberwachung von Robotern mittels Sensoren

Info

Publication number: DE102009060819A1
Application number: DE102009060819A
Authority: DE
Inventors: Edwin Dr. Becker
Original assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Current assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2010-07-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Zustandsüberwachung von Robotern. Dabei werden hochgenaue Inklinometer oder Positionssensoren eingesetzt, um Abweichungen im Bewegungsablauf, z.B. durch Spiel der Roboter zu überwachen. Aus diesen Abweichungen werden Kennzahlen ermittelt, die eine Aussage über den Zustand einer Komponente wie eines Getriebes oder eines Lagers enthalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Verschleiß und Schäden an Robotern.
Es ist bekannt, dass insbesondere die Lebensdauer der Robotergetriebe und anderer Komponenten, wie z. B. Lager, begrenzt ist und sich vor allem bei Robotergetrieben frühzeitiger Verschleiß einstellt. Als Resultat ergeben sich Positionsänderungen im Vergleich zur erwarteten Position, was die Arbeitsqualität beeinflusst. Dieser Verschleiß läßt sich z. B. durch manuelle Spielprüfung am Roboter erkennen. Man hebt den Roboterarm an, überwindet die Lose und kann so bei z. B. Farbspritzrobotern bis zu 80 mm Spiel erkennen. Derartige Prüfungen erfordern einen Anlagenstillstand. Zugleich besteht die Gefahr, dass schon viele Teile mit Qualitätsabweichungen produziert wurden, wenn bei einem Anlagenstillstand eine Prüfung des Spiels nach der oben beschriebenen Methode erfolgt. In manchen Anwendungen wurden deshalb Kalibrierabläufe eingefügt. Dies bedeutet, dass gewisse Fixpunkte anzufahren sind, ein Soll/Istvergleich der Position stattfindet und entsprechend korrigiert wird, wenn eine Positionsänderung durch Verschleiß vorliegt.
Aus der EP 1 284 414 A2 ist ein Verfahren zur Diagnose an Robotergetrieben bekannt. Dabei dient ein Schwingungssensor zur Analyse und Früherkennung von Schäden an Getrieben. Es wird wiederholt ein Messzyklus durchfahren. Die Daten, die in diesen Messzyklus gewonnen werden, werden in einer Recheneinheit erfasst und ausgewertet, durch Transformationen und Vergleich so erhaltener Kennwerte mit historischen Daten. Diese Recheneinheit meldet die Ergebnisse an eine übergeordnete Leitebene.
In der US 5 049 797 werden zur Regelung eines Roboters nicht nur die vorhandenen Winkelencoder und Tachometer eingesetzt, sondern auch ein spezieller Sensor für die elastische Verbiegung eines Roboterarms. Bei diesem Sensor handelt es sich um einen Laser, dem an einem entfernten Ende des Roboterarms ein PSD (position sensitive device, eine ortsauflösende Fotodiode) gegenübersteht. Mit einem einfachen Regelkreis wird die das Signal dieses PSD ausgewertet und in den Steuerungsrechner eingespeist, um Schwingungen des in Leichtbauweise gefertigten Roboterarms zu reduzieren.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese bekannten Verfahren zur Diagnose von Robotern, ihrer Getriebe und anderer Komponenten zu verbessern, indem hochauflösende, ggf. mehrdimensionale Inklinometer oder Verschiebungsmessgeräte am Roboterarm angebracht werden, um Winkel- bzw. Positionsänderungen schon im Produktionsprozess zu erkennen und so eine vorbeugende Instandhaltung zu ermöglichen.
Diese Sensoren erleichtern des weiteren die Lagebestimmung bzw. gestatten es, verschleiss- und schadensbedingte Zusatzverlagerungen, Zusatzbewegungen und niederfrequente Zusatzschwingungen des Roboterarms schon im laufenden Produktionsprozess zu erkennen. In die Steuerung des Roboters lassen sich damit sogar Abläufe automatisiert integrieren, um die Soll/Ist-Lage auf Basis der Messwerte der Sensoren zu korrigieren, wobei auch zusätzliches Spiel durch beginnenden oder fortgeschrittenen Verschleiß von Lager und Getrieben berücksichtigt wird. So entsteht auch eine weitere Möglichkeit, eine zustandsorientierte Instandhaltung durchzuführen.
Geeignete Inklinometer können als MEMS-Inklinometer ausgeführt sein. Andere Messgeräte für den Winkel zur Gravitationsrichtung oder für die Verschiebung sind ebenfalls möglich, zum Beispiel faseroptische Inklinometer oder Verschiebungsmessgeräte, wie sie z. B. in der JP 2003-287411 oder der US 2005/169568 A1 beschrieben sind. Mit Ausrichtmessgeräten, die aus einer Leuchtdiode oder einem Laser und einem positionsempfindlichen Detektor bestehen, wie sie in der US 5 049 797 beschrieben sind, können Winkel- und Positionsänderungen von Roboterarmen ebenfalls erfasst werden. Die Verwendung anderer Ausrichtgeräte, wie sie zum Beispiel aus der DE 39 11 307 A1 bekannt sind, kann ebenfalls erfolgen.
Die einzige 1 zeigt einen Roboter 1 und seine Steuerung 2, die über Verbindungen 5, 6, 7 Gelenke 8, 9, 10 zur Bewegung ansteuert. In diesen Gelenken können harmonic drive Getriebe, Planetengetriebe oder Cyclo-Getriebe sein, die von Motoren angetrieben werden. An der angetriebenen Seite der Gelenke befinden sich Sensoren 14, 15, 16, deren Genauigkeit im allgemeinen höher ist als die der an den Gelenken angebrachten Encoder oder ähnlicher Sensoren zur Steuerung der Roboter. Diese Sensoren 14, 15, 16 übermitteln Messwerte über Verbindungen 11, 12, 13 an die Auswerteeinheit 3.
Diese Auswerteeinheit 3 erhält Sollwerte für die Bewegung des Roboters 1 über die Verbindung 17 von der Steuerung 2, vergleicht die erhaltenen Sollwerte mit den Messwerten der Sensoren 14, 15, 16 und übermittelt eventuelle Abweichungen über die Verbindung 17 zurück an die Steuerung 2, die eventuell Korrekturen an der Position des Roboters vornimmt. Besonders wichtig ist dabei, dass die Auswerteeinheit 3 nicht nur die aktuelle Position des Roboters erfasst, sondern auch die Abweichungen zwischen Sollwerten und Istwerten berücksichtigt und daraus eine Aussage über den Zustand von Komponenten wie Lager oder Getrieben am Roboterarm ableitet. Diese Aussage wird berücksichtigt, um einen geeigneten Zeitpunkt zum Auswechseln beschädigter Komponenten zu finden. Ein solcher Zeitpunkt liegt bevorzugt in einem Zeitraum ohnehin geplanten Produktionsstillstands. Am Roboterarm 19 ist hier ein Werkzeug 4 angebracht.
Der Sensor 16, der hier beispielhaft ausgewählt wurde und als Laser ausgeführt ist, kann als zweite Komponente einen Empfänger 20 haben, der am entfernten Ende des Roboterarms 19 angebracht ist. Hier bildet das Paar 16, 20 ein Ausrichtgerät. Andere Ausführungsformen von Ausrichtgeräten sind in der DE 39 11 307 A1 enthalten und können ebenfalls eingebaut sein.
Weitere Ausführungsformen der Sensoren 14, 15, 16 sind Inklinometer. Insbesondere sind MEMS-Inklinometer für die Erfindung von Nutzen. Es kann sich aber auch um Verschiebungssensoren 14, 15, 16 handeln. Eine weitere Möglichkeit erfindungsgemäßer Sensoren besteht in faseroptischen Sensoren, die als Inklinometer oder Verschiebungssensoren ausgeführt sein können.
Die Verbindungen 5, 6, 7; 11, 12, 13 sowie 17 können mittels drahtgebundener Leitungen oder auch drahtlos verwirklicht sein.
Sind die Sensoren 14, 15, 16 als Inklinometer ausgeführt, so kann es sich um eindimensionale, zweidimensionale oder dreidimensionale Inklinometer handeln.
In der Auswerteeinheit 3 erfolgt ein Vergleich der Messwerte der Sensoren 14, 15, 16 mit den von der Steuerung 2 erhaltenen Sollwerten für die jeweilige vorgegebene Verfahrstrecke für den Roboter. Typischerweise erfolgt dieser Vergleich durch Differenzbildung, also durch Feststellung von Abweichungen im Bewegungsablauf. Wenn diese Differenzen über die Verbindung 17 an die Steuerung 2 übermittelt werden, dann ist es möglich, dass die Steuerung 2 anhand dieser Differenzen Korrekturen vornimmt.
Weiter ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass entweder in der Auswerteeinheit 3 oder aber in der Steuerung 2 anhand der ermittelten Vergleichsdaten Kennwerte gebildet werden, die den Zustand des Gelenks 8, 9, 10 oder anderer den Gelenken zugeordneter Komponenten wie Getriebe oder Lager beschreiben. Anhand dieser Kennwerte kann zustandsbezogen entschieden werden, ob und wann eine Wartung des Roboters zum Beispiel durch Wechsel eines Getriebes oder eines Lagers notwendig ist. Eine vorgegebene Verfahrstrecke kann entweder eine separate Kalibrierungsfahrt sein oder aber eine ausgewählte Fahrt während des normalen Roboterbetriebs.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1284414 A2 [0003]
- US 5049797 [0004, 0007]
- JP 2003-287411 [0007]
- US 2005/169568 A1 [0007]
- DE 3911307 A1 [0007, 0010]

Claims

Verfahren zur Durchführung der Zustandsdiagnose an einem Roboter oder einer Roboterkomponente, bei dem der Roboter eine vorgegebene Strecke durchfährt, die Messwerte eines Sensors mit dem Sollwert für die vorgegebene Strecke verglichen werden, durch Differenzbildung zwischen Messwert und Sollwert Abweichungen des Bewegungsablaufs einer Roboterkomponente ermittelt werden und dass aus den Abweichungen des Bewegungsablauf einer Roboterkomponente Kennzahlen ermittelt werden, die eine Aussage über den Zustand einer Roboterkomponente enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor ein Sensor zur Erfassung von Positionen oder Winkeln verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die von dem Roboter durchfahrene vorgegebene Strecke aus den während des normalen Betriebes vorgegebenen Strecken ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kennzahlen dazu dienen, den optimalen Zeitpunkt zum Wechseln einer Roboterkomponente zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor ein Inklinometer verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor ein MEMS-Inklinometer verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Inklinometer um ein zweidimensionales Inklinometer handelt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Inklinometer um ein dreidimensionales Inklinometer handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor um ein Ausrichtgerät (16, 20) handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor um einen faseroptischen Sensor handelt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor um einen FBG-Sensor handelt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor um ein faseroptisches Inklinometer handelt.