CN218018601U - 多轴机械手组件寿命及信息预警装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种多轴机械手组件寿命及信息预警装置，其包括多轴机械手组件及机械手组件控制单元、状态采集单元、组件主控单元以及报警单元。报警单元与多轴机械手主控单元电性连接，多轴机械手组件控制单元和状态采集单元通过通讯接口与多轴机械手主控单元电性连接。多轴机械手主控单元的存储器预先存储有基准条件，多轴机械手主控单元根据状态采集单元的采集到的信息与基准条件的比对结果来决定是否通过报警单元进行报警。本实用新型通过上述方案，通过对多轴机械手组件的状态监测，并根据预先设置的基准条件进行比对来发现安装及磨损问题，从而实现自动预测预警，可有效的保障多轴机械手可靠工作。

Description

多轴机械手组件寿命及信息预警装置

技术领域

本实用新型涉及信息预警技术领域，尤其是一种多轴机械手组件寿命及信息预警预测装置。

背景技术

随着技术的进步，加工生产能力提高，同时由于人力成本逐年增加的经营压力，多轴机械手的应用范围已经从高端工业制造业向普通商业生产扩展。特别是新零售类跨界行业中也有广泛需求。但低成本要求下设计加工的精密机械及其零件更容易磨损，尤其是像多轴机械手这种处于在高速连续运动的机械组件，其会因为工作负荷不同、工作环境的不同、使用频率的高低以及工作时电动机等驱动源的温度升高等因素而使多轴机械手零件/组件的损耗的情况不同，而且耗损的程度通常情况下无法通过操作人员及时发现。

例如，一套多轴机械手一般通过电动机驱动传动机构(由同步带，导轨，齿轮等组成)，其中组件/零件包括金属，橡胶，塑料等各种材质，而多轴机械手机构高速运转时会依靠电动机等驱动传动机构(同步带，导轨，齿轮等)以达成多轴机械手动作。但电动机等快速的工作会引起高温，传动机构(同步带，导轨，齿轮等橡胶或塑料材质部分)会因高温而逐渐硬化并开始龟裂，运动传动机构(导轨，齿轮、轴承等金属部分)由于受力摩擦而磨损或损坏，但这些情况并不容易被设备使用者提前发现，很可能会在运行期间发生断裂，轻者多轴机械手无法运行，重者发生电动机带动破损组件运动造成组件损毁的情形，甚至可能会发生设备失控而增加设备操作者或是整体工作场所的危险。

在早期实践中，根据基于传动机构(同步带，导轨，齿轮等橡胶或塑料材质部分)累积动作次数所计算出的剩余寿命，确定设备保养更换周期的方法，不同应用场景下，有较大偏差。实际设计中，通过多轴机械手控制单元记录组件/零件工作次数，并在达到基准值时通过控制单元显示组件指示需要进行更换组件/零件消息，同时可将此消息通过控制单元的通讯组件传输给其他设备。对应的，每个组件/零件的工作次数也可以通过特定的方式进行查询。

但是由于多轴机械手具体使用状况不同，可能在预测的基准值之前发生动作不良等故障。例如同样的多轴机械手布置安装在自动化餐盒处理设备(高温加热)内部时，由于较高的工作温度使得故障出现频率比在自动化餐盒存储设备中(低温冷藏)高出数倍。

在当前应用场合中，多轴机械手一般都是经由设备使用者发现多轴机械手故障后联系生产商进行维修，平时由设备使用者或厂商定期检查或是保养，但普通商业生产应用多轴机械手在不同客户应用中场景完全不同，多轴机械手使用频率差异巨大，若只是经由定期保养与设备使用者自行发现故障，是无法有效的保障多轴机械手可靠工作的。同时由于多轴机械手多为定制，现有的多轴机械手保养、检查与维修并没有一个系统的方法来管理，无法有效的预测多轴机械手发生故障与故障部分的可能性。

实用新型内容

在下文中给出了关于本实用新型实施例的简要概述，以便提供关于本实用新型的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本实用新型的穷举性概述。它并不是意图确定本实用新型的关键或重要部分，也不是意图限定本实用新型的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

根据本申请的一个方面，提供一种多轴机械手组件寿命及信息预警装置，包括多轴机械手组件、多轴机械手组件控制单元、状态采集单元、通讯接口、多轴机械手主控单元以及报警单元，通讯接口和报警单元均与多轴机械手主控单元电性连接，多轴机械手组件控制单元和状态采集单元通过通讯接口与多轴机械手主控单元电性连接；所述状态采集单元用于采集多轴机械手组件(或零件)的工作状态，并实时检测各驱动电路和驱动电机的工作负荷，并将其状态信息发送至多轴机械手主控单元；所述状态采集单元至少包括电流互感器以及温度传感器；多轴机械手主控单元包括可编程控制芯片、供电电路、上电复位(POR)电路和Flash存储器(主控制逻辑内部存储)。第一放大器电路、第二放大器电路和滤波调整电路，供电电路的输出端一路通过上电复位电路与Flash存储器的输入端连接，温度传感器的输出端连接Flash存储器的输入端，供电电路的输出端的另一路串接多轴机械手组件控制单元后与电流互感器连接，电流互感器的输出端连接第一放大器电路的输入端，Flash存储器的输出端的第一路连接第一放大器电路，Flash存储器的输出端的第二路连接第二放大器电路，第一放大器电路的输出端串接滤波调整电路后连接第二放大器电路的输入端，第二放大器电路的输出端与可编程控制芯片电性连接，可编程控制芯片与Flash存储器双向连接。

Flash存储器预先存储有基准条件，多轴机械手主控单元根据状态采集单元的采集到的信息与基准条件的比对结果来决定是否通过报警单元进行报警。

进一步的，多轴机械手组件控制单元还包括机电驱动控制电路和运动位置检测传感器处理电路，机电驱动控制电路和运动位置检测传感器处理电路均与所述可编程控制芯片电性连接。

优选的，电流互感器的输出端和第一放大器电路的输入端之间串接有动态偏差消除电路，该动态偏差消除电路可修正连接第一放大器电路的电流互感器因产品不同而变化的偏压电压造成的输出误差，并输出经过修正后的电压。动态偏差消除电路为现有技术，这里不再赘述。

优选的，Flash存储器的输出端的第一路和第一放大器电路之间还串接有灵敏度调整电路。灵敏度调整电路可由电压型的MOS器件实现，该灵敏度调整电路为现有技术，这里不再赘述。

Flash存储器的输出端的第二路和第二放大器电路之间还串接有漂移校准电路，漂移校准电路为现有技术，这里不再赘述。

进一步的，所述多轴机械手组件包括滚珠丝杆、驱动该滚珠丝杆的第一驱动电机和第一驱动电路、直线滚动导轨、驱动该直线滚动导轨的第二驱动电机和第二驱动电路、同步带、驱动该同步带的减速电机和第三驱动电路，其中，所述第一驱动电路、第二驱动电路和第三驱动电路分别与多轴机械手组件控制单元电性连接。

本实用新型通过上述方案，通过对多轴机械手组件(滚珠丝杆，直线滚动导轨，同步带以及驱动电机和驱动电路)的状态监测，并根据预先设置的基准条件进行比对来发现安装及磨损问题，从而实现自动预测预警，可有效的保障多轴机械手可靠工作；同时，针对多轴机械手多为定制的情况，本申请还对多轴机械手主控单元的电路结构进行优化设计，可采用一个系统的方法来管理多轴机械手的日常信号管理，从而实现有效的预测多轴机械手的故障预测。

附图说明

本实用新型可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本实用新型的优选实施例和解释本实用新型的原理和优点。在附图中：

图1为本实用新型的多轴机械手组件寿命及信息预警装置的原理示意图；

图2为本实施例中的驱动电流采样电路的电路原理图；

图3为本实施例中的多轴机械手组件寿命及信息预警装置的工作原理图。

具体实施方式

下面将参照附图来说明本实用新型的实施例。在本实用新型的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本实用新型无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。另外，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型实施例提供一种多轴机械手组件寿命及信息预警装置，包括多轴机械手组件、多轴机械手组件控制单元、状态采集单元、通讯接口、多轴机械手主控单元以及报警单元，通讯接口和报警单元均与多轴机械手主控单元电性连接，多轴机械手组件控制单元和状态采集单元通过通讯接口与多轴机械手主控单元电性连接。状态采集单元用于采集多轴机械手组件(或零件)的工作状态，并实时检测各驱动电路和驱动电机的工作负荷，并将其状态信息发送至多轴机械手主控单元；

参见图1和图2，多轴机械手主控单元包括作为主供电组件(供电电路)、POR(上电复位)电路、霍尔器件驱动、电流互感器(电流采样)、温度传感器、主控制逻辑内部存储(Flash存储器)、可编程控制芯片、灵敏度调整电路、漂移校准电路、动态偏差消除电路、第一放大器电路、第二放大器电路以及滤波调整电路，供电部分的主供电组件的输出端连接POR电路以及霍尔器件驱动，POR电路的输出以及温度传感器的输出连接至主控制逻辑内部存储，主控制逻辑内部存储输出两路，一路通过灵敏度调整电路连接第一放大器电路，另一路通过漂移校准电路连接第二放大器电路；霍尔器件驱动依次与电流互感器、动态偏差消除电路、第一放大器电路、滤波调整电路和第二放大器电路连接，第二放大器电路和主控制逻辑内部存储还与可编程控制芯片连接，第二放大器电路的输出即为测量输出。图2为霍尔器件驱动的驱动电流采样电路的部分电路原理图。

其中，多轴机械手组件控制单元还包括机电驱动控制电路和运动位置检测传感器处理电路，机电驱动控制电路和运动位置检测传感器处理电路均与所述可编程控制芯片电性连接。

其中，电流互感器和温度传感器作为状态采集单元。主控制逻辑内部存储预先存储有基准条件，多轴机械手主控单元根据状态采集单元的采集到的信息与基准条件的比对结果来决定是否通过报警单元进行报警。

本实施例中，多轴机械手组件包括滚珠丝杆、驱动该滚珠丝杆的第一驱动电机和第一驱动电路、直线滚动导轨、驱动该直线滚动导轨的第二驱动电机和第二驱动电路、同步带、驱动该同步带的减速电机和第三驱动电路，其中，所述第一驱动电路、第二驱动电路和第三驱动电路分别与多轴机械手组件控制单元电性连接。

其中，第一驱动电路、第二驱动电路以及第三驱动电路由霍尔器件驱动电路实现。

其中，根据连接设备的不同，通讯接口可根据需要选择串口、网络接口、无线网络接口以及蓝牙接口的一种或者多种。Flash存储主控制逻辑内部存储器预先存储的基准条件可根据实际需要进行修改，其还存储有多轴机械手组件(或零件)的工作参数数据库，用以储存状态采集单元采集到的多轴机械手的各项工作状态信息。此外，主控制逻辑内部存储还可保存多轴机械手的工作历史信息，维护记录以及维修维护基准判断数据。根据状态采集单元的采集到的信息与主控制逻辑内部存储的基准条件进行比对，如果大于预先设定的阈值，则组件发生需要进行维修或维护问题，报警单元发出警告信息。

多轴机械手组件控制单元用于控制各个运动组件分别工作；多轴机械手主控单元具有CPU执行控制逻辑，用于控制协调各个运动组件工作，其可根据接收到的通讯接口的信息来控制多轴机械手组件控制单元驱动对应的机构(滚珠丝杆、直线滚动导轨或者同步带对应的驱动电路)动作。

参见图3，本实用新型的多轴机械手组件寿命及信息预警装置通过上述方案，其具有多轴机械手各个组件和采集该多轴机械手各个组件的状态采集单元，此外，状态采集单元还具有保存这些状态信息的存储单元，状态采集单元可收集关于该组件工作次数、工作时间、工作状态等的实时信息；存储单元可记录关于组件的工作信息，包括工作次数、工作时间、工作状态等。这样，可以做到单个组件更换时，将工作信息以及更换信息记录并向可编程控制芯片发送，该可编程控制芯片，通过主控制逻辑内部存储以及各种接口，对多轴机械手的各功能组件，设定了作为是否需要进行维护或更换的判定基准以及相应的更换基准值；主控制逻辑内部存储的基准条件是可以变更的，可根据应用条件或基于从各个组件取得的工作信息、更换信息以及用户需求，进行变更维护或更换。最终，可编程控制芯片根据多轴机械手组件(滚珠丝杆，直线滚动导轨，同步带以及驱动电机和驱动电路)的各种状态值，通过比较运动阻力的变化与基准值对照关系，对相应波动值分析可发现安装及磨损问题。

由于运动组件承受负荷并运动时，各个机械零件会受到循环应力作用，特别是接触面(滚珠，丝杆，导轨等)，超过临界值，滚动表面会发生疲劳破损，某些部位发生表面剥离，继续工作将会引起刨削(表面)或破碎(滚珠)。而这种情况无法完全使用额定寿命判断。此时可通过实时监测驱动电动机的负荷情况(检测驱动电流)可间接获取功能组件工作状态，增加判断的依据。对于同步带类运动组件，减速电机中齿轮损坏，或同步带松弛或损坏同样可以通过对驱动电动机实时工作负荷的监测间接判断。

使用本申请的信息预警装置时，利用预先存储的多轴机械手各个组件基准条件及系统采集的实时工作状态之间的差异分析多轴机械手零/组件的工作状态，并计算推测多轴机械手零/组件安全使用寿命的期限，在预估零件损坏之前发送警告讯息以提醒设备使用者进行多轴机械手维修保养工作，并同时提供多轴机械手现况信息、预估零件/组件工作寿命信息以便于设备使用者了解。此外，本申请还将多轴机械手组件得功能模块部件化，形成在成本限制条件下的合理解决方案。本实用新型的信息预警预测装置，可分析预测多轴机械手组件寿命并在组件损坏风险时发出信息，给予设备管理者了解其设备工作状态并管理组件寿命的评估方案。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

尽管上面已经通过对本实用新型的具体实施例的描述对本实用新型进行了披露，但是，应该理解，上述的所有实施例和示例均是示例性的，而非限制性的。本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本实用新型的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多轴机械手组件寿命及信息预警装置，其特征在于：包括多轴机械手组件、多轴机械手组件控制单元、状态采集单元、通讯接口、多轴机械手主控单元以及报警单元，通讯接口和报警单元均与多轴机械手主控单元电性连接，多轴机械手组件控制单元和状态采集单元通过通讯接口与多轴机械手主控单元电性连接；

所述状态采集单元至少包括电流互感器以及温度传感器；

所述多轴机械手主控单元包括可编程控制芯片、供电电路、上电复位电路和Flash存储器；

Flash存储器预先存储有基准条件，多轴机械手主控单元根据状态采集单元的采集到的信息与基准条件的比对结果来决定是否通过报警单元进行报警。

2.根据权利要求1所述的多轴机械手组件寿命及信息预警装置，其特征在于：多轴机械手组件控制单元还包括机电驱动控制电路和运动位置检测传感器处理电路，机电驱动控制电路和运动位置检测传感器处理电路均与所述可编程控制芯片电性连接。

3.根据权利要求1所述的多轴机械手组件寿命及信息预警装置，其特征在于：所述电流互感器的输出端和第一放大器电路的输入端之间串接有动态偏差消除电路。

4.根据权利要求1所述的多轴机械手组件寿命及信息预警装置，其特征在于：Flash存储器的输出端的第一路和第一放大器电路之间还串接有灵敏度调整电路。

5.根据权利要求4所述的多轴机械手组件寿命及信息预警装置，其特征在于：所述灵敏度调整电路由电压型的MOS器件实现。

6.根据权利要求1所述的多轴机械手组件寿命及信息预警装置，其特征在于：Flash存储器的输出端的第二路和第二放大器电路之间还串接有漂移校准电路。

7.根据权利要求1所述的多轴机械手组件寿命及信息预警装置，其特征在于：所述多轴机械手组件包括滚珠丝杆、驱动该滚珠丝杆的第一驱动电机和第一驱动电路、直线滚动导轨、驱动该直线滚动导轨的第二驱动电机和第二驱动电路、同步带、驱动该同步带的减速电机和第三驱动电路，其中，所述第一驱动电路、第二驱动电路和第三驱动电路分别与多轴机械手组件控制单元电性连接。

8.根据权利要求7所述的多轴机械手组件寿命及信息预警装置，其特征在于：所述第一驱动电路、第二驱动电路以及第三驱动电路由霍尔器件驱动电路实现。

9.根据权利要求1所述的多轴机械手组件寿命及信息预警装置，其特征在于：所述通讯接口包括串口、网络接口、无线网络接口以及蓝牙接口的一种或者多种。

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