CN112643711A - 气弹簧的维护管理装置、机器人系统以及气弹簧的维护管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种维护管理装置(1)、机器人系统以及气弹簧的维护管理方法，能够基于气体压力的减少量来判断适当的维护。该维护管理装置(1)管理设置在多关节型机器人的臂上的气弹簧的维护，该维护管理装置具备：气体压力测量部(11)，其定期地测量气弹簧内部的气体压力；维护判断部(12)，其基于每单位时间或每单位工作距离的气体压力的降低量，判断气弹簧有无异常；以及通知部(13)，其向作业人员进行基于维护判断部的判断结果的通知。

Description

气弹簧的维护管理装置、机器人系统以及气弹簧的维护管理 方法

技术领域

本发明涉及气弹簧的维护管理装置、机器人系统以及气弹簧的维护管理方法。

背景技术

目前已知如下机器人：其具备作为气动平衡器的气弹簧(例如，参照专利文献1、2)。用于驱动围绕水平的轴线旋转的机器人臂的伺服马达上作用有负荷，该负荷是由作用在机器人臂上的重力引起的。气动平衡器是用于减轻由重力引起的伺服马达的负荷而设置的。气弹簧具有封入气体的气缸、以及压缩气缸内的气体的活塞杆，该气弹簧通过压缩气体而产生反弹力。随着活塞杆相对于气缸的动作，气缸内部的气体压力逐渐降低。

已经提出了用于检测气体压力的降低的各种方法(例如，参照专利文献1～4)。例如，在专利文献2中，基于伺服马达的电流值与基准电流值的差值，推定气缸内的气体压力的减少量。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-159402号公报

专利文献2：日本特开2014-195849号公报

专利文献3：日本特开2007-098494号公报

专利文献4：日本特开平08-313322号公报

发明内容

发明要解决的问题

如上所述，通常，即使在正常的气弹簧中，气体压力也会逐渐降低。因此，作为常规维护，气弹簧需要定期地向气缸内填充气体。另一方面，存在由于气弹簧的异常而引起气体压力降低的情况。在该情况下，需要更换气弹簧，而不是向气缸内填充气体。这样，虽然根据气弹簧的状态，适当的维护不同，但难以基于气体压力的减少量来判断适当的维护。

用于解决问题的方案

本发明的一个方案是一种维护管理装置，其管理设置在多关节型机器人的臂上的气弹簧的维护，该维护管理装置具备：气体压力测量部，其定期地测量所述气弹簧内部的气体压力；维护判断部，其基于每单位时间或每单位工作距离的所述气体压力的降低量，判断所述气弹簧有无异常；以及通知部，其向作业人员进行基于该维护判断部的判断结果的通知。

附图说明

图1是一个实施方式的机器人系统的整体结构图。

图2是对由气弹簧产生的转矩Tg与由伺服马达产生的转矩Ts之间的关系进行说明的曲线图。

图3是一个实施方式的维护管理装置的结构图。

图4中(a)是示出气体压力相对于气弹簧的工作距离的变化的曲线图，(b)是(a)的区域E的放大曲线图。

图5是示出气弹簧的一个结构例的剖视图。

图6是示出气弹簧的维护管理方法的流程图。

附图标记说明：

1：维护管理装置

2：多关节型机器人

3：气弹簧

4：机器人机构部

4c：下部臂

5：控制装置

6：伺服马达

10：机器人系统

11：气体压力测量部

12：维护判断部

13：通知部

具体实施方式

以下参照附图对本发明的一个实施方式的气弹簧的维护管理装置1以及机器人系统10进行说明。

如图1所示，机器人系统10具备多关节型机器人2以及维护管理装置1，该维护管理装置1管理设置在多关节型机器人2上的气弹簧3的维护。

多关节型机器人2具备：机器人机构部4，其具有至少一个臂；气弹簧3，其与至少一个臂连接；以及控制装置5，其控制机器人机构部4。维护管理装置1设置在控制装置5中。

机器人机构部4的一个例子是垂直多关节型机器人，其具有：底座4a；旋转部4b，其以能够旋转的方式设置在底座4a上；下部臂4c，其以能够旋转的方式设置在旋转部4b上；上部臂4d，其以能够旋转的方式设置在下部臂4c上；以及手腕部4e，其设置在上部臂4d的前端。在本实施方式中，机器人机构部4是焊接机器人，手腕部4e上安装有焊接工具4f。

在机器人机构部4设置有伺服马达，该伺服马达用于驱动旋转部4b以及臂4c、4d。控制装置5利用供电电缆7与机器人机构部4连接，并控制各伺服马达的动作。

围绕水平的轴线旋转的下部臂4c用的伺服马达6上施加有由作用于下部臂4c的重力引起的负荷。气弹簧3用作减轻由重力引起的伺服马达6的负荷的气动平衡器。

如图1和图5所示，气弹簧3具有气缸3a和活塞杆3b。气缸3a内部封入有惰性且压缩性的气体。活塞杆3b能够在气缸3a内滑动，并对气缸3a内部的气体进行压缩。气缸3a以能够旋转的方式安装在下部臂4c上，活塞杆3b以能够旋转的方式安装在旋转部4b上。随着下部臂4c的旋转，活塞杆3b向气缸3a内的插入量发生变化，随着活塞杆3b向气缸3a内的插入量的增加，气缸3a内部的气体压力增加。

图2说明了在预定条件下控制下部臂4c的位移以及速度时所需要的转矩。曲线图(A)示出了气弹簧3中填充有适量的气体的状态，曲线图(B)示出了气弹簧3的气体泄漏而气体压力降低的状态。由于气弹簧作为气动平衡器使用，因此驱动下部臂4c所需的转矩Tr是由伺服马达6产生的转矩Ts和由气弹簧3产生的转矩Tg的总和。气弹簧3的气体压力越高，转矩Tg越大。在(B)中，由于气体的泄漏而导致气弹簧3的转矩Tg降低了ΔTs，因此为了得到预定的转矩Tr，需要将伺服马达6的转矩Ts增大ΔTs。

如图3所示，维护管理装置1具备：气体压力测量部11，其定期地测量气弹簧3内部的气体压力；维护判断部12，其基于每单位时间或每单位工作距离的气体压力的降低量，判断气弹簧3有无异常；通知部13，其向作业人员进行基于维护判断部12的判断结果的通知；以及存储部14，其具有RAM、ROM以及其他的任意的存储装置。维护管理装置1具有处理器，气体压力测量部11、维护判断部12以及通知部13的下述处理由处理器执行。

如上所述，伺服马达6的转矩Ts与气弹簧3内部的气体压力之间具有相关关系。气体压力测量部11从控制伺服马达6的控制装置5内的控制部获取伺服马达6的电流值。接下来，气体压力测量部11基于伺服马达6的电流值和气体压力之间的预定关系，将伺服马达6的电流值换算成气体压力，由此根据电流值间接地测量气体压力。所测量的气体压力值按时间序列存储在存储部14中。

图4(a)示出了气体压力随时间变化的一个例子。在图4(a)的曲线图中，左半部分(气体填充前)示出了气弹簧3正常时的气体压力的正常降低，右半部分(气体填充后)示出了气弹簧3发生密封性能异常时的气体压力的降低。由于即使在正常的情况下，气弹簧3内的气体也会随着使用而泄漏，因此随着气弹簧3的工作距离的增加，气体压力从初始值Pi逐渐降低。

气体压力根据机器人机构部4的位置以及姿态而变化。因此，优选地，气体压力测量部11在机器人机构部4配置在预定位置以及预定姿态的状态下测量气体压力。例如，在气体压力测量部11执行气体压力的测量时，控制装置5可以控制机器人机构部4，以将机器人机构部4配置在预定位置以及预定姿态。

气体压力的测量频率根据多关节型机器人2的工作状况而适当设定。例如，气体压力测量部11一周或一个月测量一次气体压力。或者，气体压力测量部11每当工作距离增加预定距离时，就测量气体压力。

每次由气体压力测量部11测量气体压力时，维护判断部12计算每单位时间或每单位工作距离的气体压力的降低量即降低率ΔP/ΔD。单位时间的一个例子是机器人机构部4的预定工作时间的长度，单位工作距离的一个例子是气弹簧3的预定工作距离。气弹簧3的工作距离根据下部臂4c的总移动量计算出。例如，ΔP是本次测量的气体压力与上次测量的气体压力的差值，而ΔD是本次测量时的工作距离与上次测量时的工作距离的差值。

接下来，维护判断部12通过将降低率ΔP/ΔD与预定阈值C进行比较，来判断气弹簧3有无异常。而且，维护判断部12基于有无异常的判断结果，判断对气弹簧3应进行的维护。

阈值C是基于由于正常的气体泄漏而引起的气体压力的降低率而设定的值。如图4(a)的左半部分所示，在仅由于正常的气体泄漏而引起气体压力降低的情况下，气体压力相对于工作距离以大致恒定的降低率ΔP/ΔD降低，并且降低率ΔP/ΔD为阈值C以下。另一方面，如图4(a)的右半部分所示，在气弹簧3的密封性能发生异常时，随着工作距离的增加，气体压力的降低加速，降低率ΔP/ΔD逐渐增大，并且降低率ΔP/ΔD变得大于阈值C。图4(b)是图4(a)的区域E的放大图。

在降低率ΔP/ΔD为阈值C以下时，维护判断部12判断气弹簧3没有异常，而且，判断应进行的维护是填充气体。接下来，假设气体压力以降低率ΔP/ΔD持续降低时，维护判断部12计算至气体压力降低到预定阈值Pth为止的剩余时间。阈值Pth是能够输出气弹簧3作为气动平衡器所需要的转矩Tg的气体压力的下限值。剩余时间可以是至气体压力降低到阈值Pth为止的气弹簧3的工作距离或机器人机构部4的工作时间。

另一方面，在降低率ΔP/ΔD大于阈值C时，维护判断部12判断气弹簧3有异常，而且判断应进行的维护是更换气弹簧3。

图5示出了气弹簧3的一个结构例。气缸3a内部的密封性能主要由杆密封3c达成。由于活塞杆3b的表面的伤痕、或者活塞杆3b与杆密封3c之间咬入的异物等，导致活塞杆3b与杆密封3c之间的密封性能降低，由此，气弹簧3的密封性能发生异常。

例如，露出于外部的活塞杆3b的表面上有时会附着有由机器人机构部4的作业产生的异物，例如由焊接产生的溅射物。通常，异物向气弹簧3内部的侵入由防尘密封3d防止。然而，异物有时会经过防尘密封3d而侵入活塞杆3b与杆引导件3e之间，并划伤活塞杆3b的表面。另外，由气弹簧3的部件彼此滑动产生的磨损粉等异物有时会咬入到活塞杆3b与杆密封3c之间。

除此以外，常年老化、由热引起的劣化、或者由异物引起的化学侵蚀等原因也可能使杆密封3c的密封性能降低。

在图5中，附图标记3f是引导活塞杆3b在气缸3a内滑动的活塞导承，附图标记3g是用于向气缸3a内填充气体的单向阀，附图标记3h表示润滑油。

在判断气弹簧3没有异常时，通知部13向作业人员进行关于剩余时间的通知。例如，通知部13使控制装置5的操作盘5a显示在剩余时间内向气弹簧3填充气体的指示。另一方面，在判断气弹簧有异常时，通知部13向作业人员进行关于更换气弹簧3的通知。例如，通知部13使操作盘5a显示迅速更换气弹簧3的指示。取代操作盘5a，通知部13还可以使控制装置5的便携式示教操作盘(省略图示)的显示器显示上述指示。

接下来，参照图6针对由维护管理装置1进行的气弹簧3的维护管理方法进行说明。

由气体压力测量部11定期地测量气弹簧3内部的气体压力(步骤S1)。在测量气体压力之后，由维护判断部12计算每单位时间或每单位工作距离的气体压力的降低量即降低率ΔP/ΔD(步骤S2)，基于降低率ΔP/ΔD，判断气弹簧3有无异常以及对气弹簧3应进行的维护(步骤S3)。

具体地，在降低率ΔP/ΔD为阈值C以下时(步骤S3中的是)，由维护判断部12判断气弹簧3没有异常以及应进行的维护是填充气体(步骤S4)，计算至气体压力降低到阈值Pth为止的剩余时间(步骤S5)。然后，由通知部13向作业人员进行关于剩余时间的通知(步骤S6)。

作业人员基于通知，在剩余时间内从单向阀3g向气缸3a内填充气体，直到气缸3a内部的气体压力恢复到初始值Pi。

另一方面，在降低率ΔP/ΔD大于阈值C时(步骤S3中的否)，由维护判断部12判断气弹簧3有异常以及应进行的维护是更换气弹簧3(步骤S7)。然后，由通知部13向作业人员进行关于更换气弹簧3的通知(步骤S8)。

作业人员基于通知，迅速将气弹簧3更换为新的气弹簧3。

如上所述，由于气弹簧3的气体压力随着机器人机构部4的工作逐渐降低，因此作为气弹簧3的常规维护，需要定期地填充气体。因此，假设在气体压力降低的事实或降低量通知到作业人员时，作业人员首先向气弹簧3内填充气体。但是，在气弹簧3的密封性能发生异常的情况下，在机器人机构部4重新工作后，尽管刚刚填充了气体，气体压力也会由于急剧的气体泄漏而马上降低。此时，作业人员会注意到气弹簧3有异常，并更换气弹簧3。在该情况下，产生了工时和维护的浪费，并且拖长了由于多关节型机器人2的维护而导致的生产线的停机时间。

与此相对，根据本实施方式，基于气体压力的降低率ΔP/ΔD，判断气体压力的降低是由正常的气体泄漏引起的、还是由气弹簧3的密封性能的异常引起的。并且，将与气体压力的降低的原因相应的适当的维护通知给作业人员。作业人员基于通知，能够识别气体压力的降低方式是正常的还是异常的，并且能够毫不犹豫地对气弹簧3进行适当的维护。

另外，在气弹簧3发生密封性能异常时，能够基于降低率ΔP/ΔD，提前发现气弹簧的异常，并且将气弹簧3更换的必要性提前通知作业人员。

另外，在气弹簧正常时，将多关节型机器人2能够正常工作的剩余时间通知给作业人员。作业人员基于所通知的剩余时间，能够有计划地进行气弹簧3的维护。

由气体压力测量部11测量的气体压力根据气缸3a内部的温度而变化。因此，维护判断部12也可以将所测量的气体压力换算成预定温度下的气体压力，并使用预定温度下的气体压力计算降低率ΔP/ΔD。

例如，维护判断部12从设置在气弹簧3上的温度传感器获取气弹簧3周围的温度T，根据以下公式，将所测量的气体压力P换算成20℃下的气体压力P(20)。

P(20)＝P×(273.15+T)/(273.15+20)

在上述的实施方式中，气体压力测量部11根据伺服马达6的电流值间接地测量气体压力，取而代之，还可以使用其他的手段测量气体压力。例如，气体压力测量部11还可以具备配置在气缸3a内部的压力传感器，利用压力传感器直接测量气体压力。

在上述的实施方式中，维护管理装置1设置在控制装置5中，取而代之，维护管理装置1还可以是与控制装置5分开的装置。例如，维护管理装置1还可以是与控制装置5连接的计算机。

或者，还可以维护管理装置1的一部分功能设置在与多个多关节型机器人2连接的上位控制系统中。例如，还可以气体压力测量部11设置在各多关节型机器人2上，维护判断部12以及通知部13设置在上位控制系统中。

上位控制系统从多个多关节型机器人2中的每一个接收气体压力的数据，并进行各多关节型机器人2的气弹簧3的有无异常以及维护的判断。

这样，通过由一个上位控制系统统一管理设置在多个多关节型机器人2上的气弹簧3的维护信息，作业人员能够更有计划地进行多个气弹簧3的维护，例如，同时向多个气弹簧3填充气体等。

Claims (6)

1.一种维护管理装置，其特征在于，

所述维护管理装置管理设置在多关节型机器人的臂上的气弹簧的维护，所述维护管理装置具备：

气体压力测量部，其定期地测量所述气弹簧内部的气体压力；

维护判断部，其基于每单位时间或每单位工作距离的所述气体压力的降低量，判断所述气弹簧有无异常；以及

通知部，其向作业人员进行基于该维护判断部的判断结果的通知。

2.根据权利要求1所述的维护管理装置，其特征在于，

所述维护判断部基于所述有无异常的判断结果，判断对所述气弹簧应进行的维护。

3.根据权利要求2所述的维护管理装置，其特征在于，

所述维护判断部在所述气体压力的降低量大于预定阈值时，判断所述气弹簧有异常，并且判断对所述气弹簧应进行的维护是更换所述气弹簧，

所述通知部进行关于更换所述气弹簧的通知。

4.根据权利要求2所述的维护管理装置，其特征在于，

所述维护判断部在所述气体压力的降低量为预定阈值以下时，判断所述气弹簧没有异常，并且判断对所述气弹簧应进行的维护是填充气体，并计算至所述气体压力降低到预定阈值为止的剩余时间，

所述通知部进行关于所述剩余时间的通知。

5.一种机器人系统，其特征在于，具备：

多关节型机器人，其具备：机器人机构部，其具有至少一个臂；气弹簧，其设置在所述臂上；以及控制装置，其控制所述机器人机构部，所述气弹簧用作减轻驱动所述臂的伺服马达的负荷的气动平衡器；以及

权利要求1～4中任一项所述的维护管理装置，其管理所述气弹簧的维护。

6.一种维护管理方法，其特征在于，

所述维护管理方法管理设置在多关节型机器人的臂上的气弹簧的维护，所述维护管理方法包括以下步骤：

定期地测量所述气弹簧内部的气体压力；

基于每单位时间或每单位工作距离的所述气体压力的降低量，判断所述气弹簧有无异常；

向作业人员进行基于判断结果的通知。

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