CN101116042A - 用于工作机的故障监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于工作机的故障监测方法。公开了一种用于机器人(10)或其它工作机(30)的故障监测方法，其中将以机器人或工作机开始运动为起点并以工作机停止运动为终点的时间段设定为一个单元，将该单元内的最大转矩与最小转矩之间的差值设定为最大波动范围，基于该最大波动范围设定波动范围控制值，在运行期间的多个点处取最大波动范围的平均，确定第二平均值(t1，t10，t100)，并且在第二平均值超过波动范围控制值时确定已经发生故障。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于使用伺服马达作为驱动源的机器人或其它工作机的故障监测方法。
背景技术
伺服马达是一种控制马达，其特征在于具有优越的转速控制和位置控制。伺服马达安装在各种工作机中，特别是广泛用作机器人的驱动源。
伺服马达能够直接驱动负载。然而，负载常常通过减速器或其它动力传输机构驱动。这是由于当负载通过减速器驱动时可明显增大来自伺服马达的输出转矩的原因。此外，如果减速器包括带、链或驱动轴，就有这样的好处，即，可将运动传输到远离伺服马达的地点。
必须考虑这样的事实，即，在工作机中的伺服马达和动力传输机构中会发生故障。
在工作机中发生的故障的范围有：危险到足以必需紧急关闭机器的严重故障；即使继续运行直到下一次修理时间也不会产生妨碍的轻微故障；以及严重程度在严重故障与轻微故障之间的中等故障。
可通过监测电流值或者进行其它电监测来检测异常，从而确定伺服马达自身中是否存在故障。另一方面，当伺服马达正常运行但在动力传输机构中已经发生故障时难以检测到异常。已经要求诸如在JP-5-346812A和JP-11-129186 A中公开的检测技术。
在JP-5-346812 A公开的异常检测装置中，当通过控制装置经由反馈来控制伺服马达时，对后反馈(post-feedback)指令信号进行积分。对得到的积分值达到饱和所需的时间进行监测。例如，伺服马达通过一带驱动作为负载的臂。然而，如果该带断裂，负载就突然改变，从而积分值显著改变。具体地说，负载减小，这导致负载中的波动变得不明显并且后反馈指令信号的幅度减小。在发生这种情况时，积分值达到饱和所需的时间(饱和时间)增加。如果使用在饱和时间超过基准时间时确定异常的构造，就可以检测带的断裂或其它异常。然而，如果负载波动的变化较小，就不能检测到异常。换言之，JP-5-346812 A公开的异常检测装置旨在发现诸如带断裂的严重故障，而不能识别轻微故障。
在JP-11-129186 A公开的工作机器人中，基于伺服马达的驱动电流Ii和实际角θi计算驱动轴的驱动侧的功率W1。另外，基于实际角θi和与机器人机构部件的具体模式相关的运动方程计算驱动轴的负载侧的功率W0。将得到的功率W1和功率W0之间的差值或比例与建立的标准对比。如果齿轮等由于随着时间的变化而磨损，那么在加速期间功率W1一般就会比功率W0大。随着齿轮或其它部件上的磨损增加，这时的差值或比例会逐渐变得更加明显。换言之，在小规模磨损的情况下不会产生可检测到的差值或比例。该方法适于在功率之间产生差值的严重故障，但不适于在功率之间不可能产生差值的轻微故障。
在JP-5-346812 A或者JP-11-129186 A中，出现的第一个问题在于没有建立与轻微故障对应的监测技术。
还可以这样，例如使一转台和一机器人占据单个工作区。该转台使用伺服马达作为驱动源，将通过JP-5-346812 A中公开的异常检测装置进行监测，并且通过JP-11-129186 A中公开的工作机器人的异常传感器监测所述机器人。将使用不同的故障监测系统来检测转台和机器人中的故障。
换言之，当存在由不同制造商制造的多种类型的工作机时，安装在用于驱动工作机的伺服马达上的故障监测系统往往具有各种功能。在这种情况下，必须在工作区(生产地点或周围区域)中布置各种故障监测系统，维持这些系统的控制需要大量的努力，并且需要更大的空间来容纳系统。
换言之，出现的第二个问题在于这样的事实，即，没有建立用于在存在多种工作机时允许对多种伺服马达进行中央控制的技术。
因此产生了对于一种可以实现与轻微故障对应的监测技术并且可以中央控制多种伺服马达的技术的需求。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于机器人或其它工作机的故障监测方法，在所述机器人或其它工作机中通过减速器或其它动力传输机构传输来自伺服马达的输出并且驱动负载，所述方法包括以下步骤：在均以所述伺服马达开始运行为起点并以所述伺服马达停止运行为终点的单元中获取从所述伺服马达生成的第一转矩数据；选择最大第一转矩波动范围，该最大第一转矩波动范围由从所获取的第一转矩数据获得的各单元的最大转矩与最小转矩之间的差值来表示；多次收集所述第一转矩的最大波动范围并获得第一平均值；通过将所述第一平均值乘以大于1.0的系数而选择波动范围控制值；在已经选择所述波动范围控制值之后，在均以所述伺服马达开始运行为起点并以所述伺服马达停止运行为终点的单元中获取从所述伺服马达生成的第二转矩数据；选择最大第二转矩波动范围，该最大第二波动转矩范围由从所获取的第二转矩数据获得的单元中的最大转矩与最小转矩之间的差值来表示；多次收集第二最大波动范围并获得第二平均值；进行比较以确定所述第二平均值是否超过所述波动范围控制值；并且当在比较中所述第二平均值超过所述波动范围控制值时确定已经发生故障。
所述转矩的所述最大波动范围的平均值用作控制值和监测值。
每个单元的所述最大转矩与最小转矩之间的差值是波动范围。当温度或其它外部因素改变并且最大转矩增大时，最小转矩也会增大。换言之，即使温度或其它外部因素改变，所述波动范围也会保持稳定而不会显著改变。为此对转矩波动范围的使用是有益的。
然而，存在这样的情况，即，在信号系统中混入噪音信号或者发生其它情况，并且波动范围瞬间发生极大改变。在这种情况下将所述平均值用作控制值。因此可减小瞬时波动的影响。
从而忽略了瞬时变化。因此，该构造在监测仅逐渐恶化的轻微故障时是有利的，并且为使用伺服马达作为驱动源的机器人或其它工作机提供了一种允许识别轻微故障的技术。
优选的是，设置多个伺服马达，为各个所述伺服马达设定波动范围控制值，并通过单个检查单元统一管理所述伺服马达。换言之，利用转矩提供控制，该转矩是表示不同类型的伺服马达的特征的联合指数。结果，可以通过单个检查单元对所述伺服马达进行中央控制。如果提供统一控制，就更容易控制所述马达，仅一个故障监测系统就足够了，并且可减小系统的安装空间。
理想的是，从用于控制所述伺服马达的马达驱动器或马达控制器获取所述第一转矩数据和第二转矩数据。不需要重新制备和安装转矩传感器。因此，本发明可容易地应用于现有的工作机，并且即使在新型工作机中也可以降低安装成本。
优选的是，通过数据转换器将所述获取的转矩数据转换成统一(consolidated)的数据，然后将其发送至所述检查单元。通过所述数据转换器将数据统一可以有效地处理多组转矩数据并将它们发送至输入单元。
在优选形式中，当在故障确定步骤期间确定存在故障时，从告警单元生成告警信号。如果灯被点亮，则发出警报声，或者基于告警信号进行其它操作，工人就被警告，从而可避免严重事故。
附图说明
下面将参照附图仅以实施例的形式更加详细地描述本发明的优选实施方式，附图中：
图1是表示执行根据本发明的故障监测方法的工作机的框图；
图2是表示在图1的工作机中采用的马达驱动器的框图；
图3A和图3B是表示马达驱动器的转速和相关转矩的曲线图；
图4是以放大比例表示转矩的最大波动范围的曲线图；
图5是最大波动范围的第一平均值的图；
图6是表示基础数据获取阶段的步骤的流程图；
图7是表示在选择波动范围控制值之后的步骤的流程图；
图8是在正常运行期间的稳定转矩的波形图；
图9是描述对故障的测试的图；
图10是执行根据本发明的故障监测方法的故障监测装置的框图。
具体实施方式
在图1中，示出作为工作机的具体实施例的机器人10和转台30。
用作工作机的机器人10是多关节型机器人，包括：第一构件13，其通过第一轴12可旋转地支撑在底座11上；第二构件15，其通过第二轴14沿垂直方向可摆动地支撑在第一构件13上；第三构件17，其通过第三轴16沿垂直方向可摆动地支撑在第二构件15上；以及第四构件19，其通过第四轴18可旋转地支撑在第三构件17上。机器人10在第四构件19是焊枪时称作焊接机器人，而在第四构件19是喷枪时称作喷涂机器人。
在该实施例中，第二减速器21连接到第二轴14，作为动力传输件，并且第二伺服马达22连接到第二减速器21。通过第二马达驱动器23控制第二伺服马达22的转速和其它方面。
第三减速器24以类似方式连接到第三轴16，作为动力传输件，并且第三伺服马达25连接到第三减速器24。通过第三马达驱动器26控制第三伺服马达25的转速和其它方面。
第一轴12和第四轴18以类似方式构成，不过省略了动力传输件、伺服马达和马达驱动器。
机器人中的马达驱动器23、26和其它马达驱动器与控制器27一起容纳在机器人控制板28中。
在用作工作机的转台30中，摆动件33通过摆动轴32安装到固定件31，下板34固定到摆动件33，并且旋转板36通过旋转轴35可旋转地安装到下板34。安装到旋转板36的工件37围绕摆动轴32倾斜并围绕旋转轴3 5旋转。因此，工件37的取向可自由改变。
摆动减速器38连接到摆动轴32，作为动力传输件，并且摆动伺服马达39连接到摆动减速器38。通过摆动马达驱动器41控制摆动伺服马达39的摆动速度和其它方面。
旋转轴35以类似方式构成，不过省略了动力传输件、伺服马达和马达驱动器。
转台中的马达驱动器39和其它马达驱动器与控制器42一起容纳在转台控制板43中。
优选的是，在机器人10和转台30的附近布置故障监测装置50，并且信号线51、52连接到机器人控制板28和转台控制板43。通过这些信号线将转矩数据从控制器27和马达驱动器41引入故障监测装置50。
下面详细描述第二马达驱动器23、第三马达驱动器26和摆动马达驱动器41。
第二马达驱动器23具有位置控制器54、速度控制器55、电流放大器56、速度转换器57和三个加法器58、59、61，如图2所示。通过旋转编码器62监测第二伺服马达22的转速，将该转速以位置反馈信号Xf的形式反馈给加法器58，并将该转速用于位置控制。
当从上位控制器向第二马达驱动器23发送指令Xs时，通过加法器58添加位置反馈信号Xf。已经接收到所得信号的位置控制器54生成速度指令Vs。
通过速度转换器57将第二伺服马达22的转速转换成速度反馈信号Vf，然后将该转速反馈给加法器59，并将该转速用于位置控制。换言之，通过加法器59向速度指令Vs添加速度反馈信号Vf。已经接收到所得信号的速度控制器55生成转矩指令Ts。
然后通过加法器61向转矩指令Ts添加转矩信号Tf。已经接收到所得信号的电流放大器56输出驱动电流并驱动第二伺服马达22。
电流放大器56的转矩指令信号Ts和反馈给转矩指令信号Ts的反馈信号Tf都是电流值。然而，在本实施例中，两者都指示第二伺服马达22的转矩的大小，因此与“转矩”对应。
这样构成的第二马达驱动器23可作为可买到的普通产品而获得，并包括能够提取速度信号的速度端子63、以及能够提取转矩数据(下面称为“转矩信号”)的转矩端子64。
图1所示的第三马达驱动器26、摆动马达驱动器41和其它马达驱动器具有与第二马达驱动器23相同的构造，因此省略对它们的描述。
在图3A中描述了从图2的速度端子63提取出的速度信号。如图3A所示，在图中将转速的变化记录为曲线，其中水平轴表示时间，垂直轴表示转速的速度信号Vf。在图3A中，在点P1开始运动，在点P2达到控制速度，在点P3开始减速，在点P4马达停止。以开始运动为起点并以结束运动为终点的周期称为“单元”。图3A中有两个单元。
在图3B中描述了从图2的转矩端子64提取出的转矩。在图3B中，与图3A所示的点P1至P4对应的点用点P11至P14表示。
在图3B中，在图中通过曲线记录转矩的变化，其中水平轴表示时间，垂直轴表示转矩信号Tf。在图3B中，转矩在点P11处开始突然减小。在达到控制速度时，转矩逐渐减小并朝点P12处的最小值移动。从点P13开始生成反转矩，并进行制动。在点P14附近，马达的转速变为零并且转矩接近零。
通常，紧接在点P11之后的转矩称为起动转矩，点P12之后的转矩称为正常转矩，紧接在点P13之后的转矩称为制动转矩。随着起动转矩和制动转矩的大小增加，响应性得到改善，并且可非常精确地控制位置和速度。
同时，将未受到起动转矩和制动转矩的影响的区域L1当作正常转矩的稳定区域。
包含一个这样的区域L1的范围与图3A所示的“单元”对应。在重复控制时，将出现下一区域L2。下面将描述区域L1的放大图。
区域L1是波形的曲线，如图4所示。第一转矩数据的区域L1包含一个最大转矩和一个最小转矩。最大转矩称为T1max，最小转矩称为T1min。将最大转矩T1manx-最小转矩T1min定义为第一转矩数据的区域L1中的最大波动范围ΔT1。以类似方式从第一转矩的区域L2(见图3)获得最大波动范围ΔT2。从第一转矩数据的剩余区域(L3至Lm)获得第一转矩的最大波动范围(ΔT3至ΔTm)。
图5中示出了第一平均值。在图5中，水平轴表示次数(n)，垂直轴表示最大波动范围。在图中，绘制了第一转矩数据的最大波动范围ΔT1至ΔTm，它们具有沿垂直方向变化的数据点。水平线是通过将第一转矩数据的最大波动范围ΔT1至ΔTm进行平均而获得的第一平均值。
下面基于以上描述来描述根据本发明的基础数据获取阶段的步骤。
基础数据获取阶段构成如下。
当工作机首次用于生产时，完成试运行的点优选是基础数据获取阶段。在修理工作机的动力传输机构或者替换部件时，可进行正常运行的点优选是基础数据获取阶段。换言之，在工作机，特别是动力传输机构不处于随着时间推移而进行劣化的状态下时，获取基础数据。只要没有随着时间劣化，就可以在任意点获取基础数据，因此不需要严格设定基础数据获取阶段。
图6是表示基础数据获取阶段的步骤的流程图。
步骤(下面简称为ST)01：对n输入1。
ST02：从第一转矩数据获取区域L1(图4)中的T1max和T1min。
ST03：计算区域L1(图4)中的第一转矩的最大波动范围ΔT1。
ST04：保存ΔT1。
ST05：判断n是否达到预定重复数(最大值)m。
ST06：如果没有，即如果n＜m，则n加上1，并且处理返回ST02。
ST07：一旦已经获取了必需的ΔT1至ΔTm，就确定平均值，并将该平均值设定为第一平均值。第一平均值不受图5所示的ΔT5太大影响。
ST08：将第一平均值乘以K(其中K是大于1.0的值)，从而设定波动范围控制值。考虑到工作机能够以稳定方式继续运行的程度来设定K。
这样完成了对正常运行的准备。因此下面将描述在正常运行期间的故障观察(“故障监测”)。
图7是表示在选择波动范围控制值之后的步骤的流程图。
ST11：检索波动范围控制值(图6，ST08)。
ST12：输入1作为n。
下面将参照图8描述在正常运行期间的规则转矩的波形图，即第二转矩数据。在图8中，AL1对应于正常运行期间的区域(对应于图4所示的区域L1)。第二转矩数据的区域AL1包含一个最大转矩和一个最小转矩。最大转矩称为AT1max，最小转矩称为AT1min。将最大转矩AT1manx一最小转矩AT1min定义为第二转矩数据的区域AL1中的最大波动范围ΔAT1。
回到图7：
ST13：从第二转矩数据获取AT1max和AT1min(图8)。
ST14：计算第二转矩的最大波动范围ΔAT1(图8)。
ST15：保存ΔAT1。
ST16：判断n是否达到预定重复计数(最大值)M。
ST17：如果没有，即如果n＜M，则n加上1，并且处理返回ST13。
ST18：一旦已经获取了必需的ΔAT1至ΔATM，就确定平均值，并将该平均值设定为第二平均值。
下面将参照图9描述第二平均值的变化。水平轴表示时间，垂直轴表示第二平均值。图中，包括作为水平线的在基础数据获取阶段中设定的第一平均值，并且包括作为水平线的是第一平均值的值的两倍(即K＝2.0)的波动范围控制值。
条形图的一个条表示在给定时间点处的第二平均值。条t1是紧接着正常运行起动之后的第二平均值。该第二平均值基本与水平线表示的“第一平均值”相齐。
条t10代表在自正常运行起动以来经过短时间(例如，六个月)之后的第二平均值，该值大于条t1。换言之，条t10表示波动范围已经增大。
条t100代表在自正常运行起动以来经过相当长的时间(例如，二十四个月)之后的第二平均值，该值明显大于条t1。条t100表示已经超过波动范围控制值。在出现条t100的点处确定已经发生故障。
回到图7：
ST19：判断第二平均值是否已经超过波动范围控制值。
ST20：如果在ST19中的响应是“NO”，那么机器处于图9中的条t1或t10所示的状态下，因此是正常的。
ST21：如果在ST19中的响应是“YES”，那么机器处于图9中的条t100所示的状态下，因此生成告警信号。
在工作机中可能会出现多种故障。
例如，在齿轮式减速器中，齿轮齿的表面上的磨损和支撑旋转轴的轴承的辊表面上的磨损随着时间而加重。这种现象称为老化。如图9所示，老化是逐渐产生的。
应该对作为现有技术的实施例的故障监测方法的适合性进行检查，其中持续监测最大转矩并且在转矩超过阈值时确定发生故障。
在工作机的伺服马达中，可能由于各种原因而瞬时产生高转矩。如果在选择阈值时考虑这种高转矩，在磨损和其它参数不在进行状态下就不可能(利用现有技术)检测故障。使用利用阈值来监测最大转矩的方法不能检测逐渐产生劣化的轻微故障。
为此，在本发明中对于正常运行期间的各个单元都获得了最大波动范围。该最大波动范围存储在一组时间段(例如七天或一个星期)中，并被平均以获得第二平均值。将该第二平均值与波动范围控制值比较。采用被监测的目标值的平均值会使瞬时波动的影响最小。换言之，忽略瞬时波动，从而可以有效地检测由逐渐劣化导致的轻微故障。
下面将描述对于多个伺服马达提供统一控制的技术。
故障监测装置50包括数据转换器65、检查单元66、波动范围控制值存储器67和告警单元68，如图10所示。
故障监测装置50集中监测例如由公司A制造的用于机器人(例如包括减速器21A、24A和伺服马达22A、25A)的机器人控制板28A、由公司B制造的用于机器人(例如包括减速器21B、24B和伺服马达22B、25B)的机器人控制板28B、由公司C制造的用于通用装置(例如包括减速器38C和伺服马达39C)的通用装置控制板43C以及其它控制板。
数据转换器65从机器人控制板28A的转矩端子64A、机器人控制板28B的转矩端子64B、通用装置控制板43C的转矩端子64C、和其他控制板的转矩端子获取多组转矩数据，在需要时将获取的数据转换成统一的数据，并按所述的顺序将数据输出至检查单元66。
在波动范围控制值存储器67中存储用于第二伺服马达的波动范围控制值、用于第三伺服马达的波动范围控制值以及用于摆动伺服马达的波动范围控制值。这些波动范围控制值经由键盘或其它输入装置69被输入或修改。
通过单个检查单元66对多个(本实施例中为三个)伺服马达22A、22B、39C并行进行图7所示的操作顺序。在检测到故障时，告警单元68生成告警信号，并且灯71点亮。可以同时发出警报声。如果灯点亮，发出警报声，或者基于告警信号进行其它操作，工人就被警告，从而可避免严重事故。
本发明的特征在于，将转矩数据引入检查单元66。通常为马达驱动器23、26、41(图1)、用于控制马达驱动器的控制器27、42或者用于容纳控制器的控制板28A、28B、43C(图10)设置转矩端子64A、64B、64C。即使伺服马达22A、22B、39C的型号或特性不同，也可以在共同单元中获得转矩。
本发明的特征在于，在基础数据获取阶段中为工作机的每个伺服马达设定与阈值对应的波动范围控制值，并将多组转矩数据引入单个检查单元66。因此对故障进行监测。
结果，可通过单个检查单元对多个伺服马达进行中央控制。在对伺服马达进行中央控制时，马达更容易控制，单个故障监测系统就足够了，并且可减少安装系统的空间。
在采用本发明的工作机类型方面没有任何限制，只要该机器配备有伺服马达和用于传输伺服马达的输出的动力传输机构即可。
动力传输机构可以是减速器、带、齿轮、连杆、链条或驱动轴，对该机构的类型没有限制。
工业应用性
本发明可用于在包括伺服马达和减速器或其它动力传输机构的工作机中监测故障。
Claims (5)
1.一种用于机器人或其它工作机的故障监测方法，在所述机器人或其它工作机中通过减速器或其它动力传输机构传输来自伺服马达的输出并且驱动负载，所述方法包括以下步骤：
在均以所述伺服马达开始运行为起点并以所述伺服马达停止运行为终点的单元中获取从所述伺服马达生成的第一转矩数据；
选择最大第一转矩波动范围，该最大第一转矩波动范围由从所获取的第一转矩数据获得的各单元的最大转矩与最小转矩之间的差值来表示；
多次收集所述第一转矩的最大波动范围并获得第一平均值；
通过将所述第一平均值乘以大于1.0的系数来选择波动范围控制值；
在已经选择所述波动范围控制值之后，在均以所述马达开始运行为起点并以所述马达停止运行为终点的各个单元中获取从所述伺服马达生成的第二转矩数据；
选择最大第二转矩波动范围，该最大第二转矩波动范围由从所获取的第二转矩数据获得的单元中的最大转矩与最小转矩之间的差值来表示；
多次收集第二最大波动范围并获得第二平均值；
进行比较以判断所述第二平均值是否超过所述波动范围控制值；以及
当在比较中所述第二平均值超过所述波动范围控制值时确定已经发生故障。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，设置多个伺服马达，为各个所述伺服马达设定波动范围控制值，并通过单个检查单元对所述伺服马达进行中央控制。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，从用于控制所述伺服马达的马达驱动器或马达控制器获取所述第一转矩数据和第二转矩数据。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，通过数据转换器将所述获取的转矩数据转换成统一的数据，然后将该统一的数据发送至所述检查单元。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，当在用于确定存在故障的步骤中确定发生故障时，从告警单元生成告警信号。
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