DE102004018213A1 - Supply line for an industrial robot has a number of cables and pipes within a hose sleeve and an optical fiber sensor held in a loose envelope within the hose sleeve so that deformation presses it against the side of the envelope - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Verformung einer Versorgungsleitung sowie eine Versorgungsleitung, die für eine derartige Überwachung ausgebildet ist und eine Vorrichtung mit einer derartigen Versorgungsleitung.The The invention relates to a method for monitoring the deformation of a Supply line and a supply line for such monitoring is formed and a device with such a supply line.
In vielen technischen Bereichen werden Versorgungsleitungen in zum Teil hoch belasteten Bereichen eingesetzt und geführt, sind also mitunter extremen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Insbesondere bei der Anbindung von sich bewegenden Maschinenteilen muss die Versorgungsleitung eine ausreichend hohe Elastizität oder Biegeschlaffheit aufweisen, um den Bewegungen des Maschinenteils folgen zu können.In many technical areas will be supplying power in Part of heavily loaded areas are used and guided So sometimes exposed to extreme environmental conditions. Especially when connecting moving machine parts, the supply line a sufficiently high elasticity or Biegeschlaffheit to the movements of the machine part to be able to follow.
Ein derartiger hoch belastender Einsatzbereich liegt beispielsweise bei einem insbesondere mehrarmigen Industrieroboter vor, wie er in vielen Industriebereichen zu Automatisierungszwecken eingesetzt wird. Bei einem Industrieroboter wird die Versorgungsleitung, die als so genanntes Schlauchpaket mit einer Vielzahl von einzelnen Leitungskomponenten ausgestattet ist, über mehrere relativ zueinander bewegbare Roboterarme zu einem Werkzeugkopf, beispielsweise ein Schweißapparat, geführt. In dem Schlauchpaket sind üblicherweise elektrische Versorgungs- und Datenkabel, optische Kabel sowie Fluidleitungen zur Zuführung von Gasen oder Flüssigkeiten angeordnet. Der Ausfall eines Industrieroboters, beispielsweise aufgrund eines Adernbruches in einem elektrischen Kabel, kann zu hohen Stillstandszeiten und damit zu hohen Kosten führen. Ein derartiger Adernbruch tritt beispielsweise bei einer unzulässigen Biegebelastung des Schlauchpakets auf, bei der das elektrische Kabel über eine erlaubte Streckgrenze gedehnt wird. Eine derartige unzulässige Biegung stellt daher eine unzulässige Verformung des elastischen, biegeschlaffen Schlauchpakets dar.One such high-stress area of application is, for example in a particular multi-arm industrial robot before, as he used in many industries for automation purposes becomes. In an industrial robot, the supply line, the as so-called hose package with a variety of individual Line components is equipped, over several relative to each other movable robot arms to a tool head, for example a Welding machine, guided. In the hose package are usually electrical supply and Data cables, optical cables and fluid lines for the supply of Gases or liquids arranged. The failure of an industrial robot, for example due to a wire break in an electrical cable, may cause high downtime and thus lead to high costs. Such a Wire break occurs, for example, in the case of an impermissible bending load of the hose package, when the electrical cable over an allowed yield strength is stretched. Such an impermissible bend therefore constitutes an inadmissible Deformation of the elastic, limp hose package is.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige unzulässige Verformung mit einfachen Mitteln erfassen zu können.Of the Invention is based on the object such an impermissible deformation to capture with simple means.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Danach ist vorgesehen, dass in die elastische oder biegeschlaffe Versorgungsleitung ein Überwachungssensor zur Detektion einer unzulässigen Verformung integriert ist. Zur Ausbildung des Überwachungssensors ist hierbei in die Versorgungsleitung eine claddingfreie Lichtleiterfaser integriert, von einer Ummantelung umgeben ist. Beim Betrieb wird durch die Lichtleiterfaser Licht geleitet, so dass sich an der Außenoberfläche der Lichtleiterfaser das so genannte Evanescent-Feld ausbildet. Bei einer unzulässigen Verformung wird auf die Ummantelung ein Druck ausgeübt, so dass die Ummantelung gegen die Faser gepresst wird, wodurch das Evanescent-Feld und damit die Lichtausbreitung gestört wird. Diese Störung wird als Intensitätsänderung erfasst und bei Bedarf ausgewertet.The Task is according to the invention solved by a method according to claim 1. Thereafter, it is envisaged that in the elastic or pliable Supply line a monitoring sensor for the detection of an impermissible Deformation is integrated. To form the monitoring sensor is here integrated into the supply line a cladding-free optical fiber, surrounded by a shell. In operation, the fiber optic fiber Led light, so that on the outer surface of the optical fiber so-called evanescent field trains. In case of impermissible deformation a pressure is applied to the sheath so that the sheath pressed against the fiber, causing the evanescent field and thus the light propagation disturbed becomes. This disorder will as a change in intensity recorded and evaluated as needed.
Diese Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, dass bei der Lichtausbreitung in einer Lichtleiterfaser sich im oberflächennahen Bereich das Evanescent-Feld ausbildet, dass also die elektromagnetischen Wellen sich in diesem oberflächennahen Bereich ausbreiten. Herkömmliche Lichtwellenleiter sind von einem so genannten Cladding umgeben, welches einen Mantel oder eine Beschichtung der optischen Faser (Lichtleiterfaser) darstellt und die gewünschte Totalreflexion durch die Wahl eines Brechungsindex kleiner dem der Lichtleiterfaser gewährleistet. Die Erfindung beruht weiterhin auf der Erkenntnis, dass eine Störung der Lichtwellenausbreitung im Bereich des Evanescent-Feldes zu einer messbaren Intensitätsveränderung führt, die ausgewertet werden kann. Ausgehend hiervon ist zur Ausgestaltung des Überwachungssensors wesentlich, dass die Lichtleiterfaser claddingfrei ist, um bei einer Druckbeaufschlagung zu ermöglichen, dass die Ummantelung gegen die claddingfreie Lichtleiterfaser gepresst wird, so dass das Evanescent-Feld gestört wird.These Embodiment is based on the knowledge that in the light propagation in an optical fiber near the near surface, the evanescent field forms, so that the electromagnetic waves are in this shallow Spread out area. conventional Optical fibers are surrounded by a so-called cladding, which a cladding or coating of the optical fiber (optical fiber) represents and the desired Total reflection by choosing a refractive index smaller than that of Optical fiber ensures. The invention is further based on the finding that a disorder of the Light wave propagation in the area of the evanescent field to a measurable intensity change leads, which can be evaluated. Starting from this is the embodiment of the monitoring sensor essential that the optical fiber fiber is cladding free to pressurize to enable that the sheath pressed against the cladding-free optical fiber becomes so that the Evanescent field is disturbed.
Ausgehend von diesem Sensorprinzip ist bei der vorliegenden Erfindung die Integration eines derartig ausgebildeten Überwachungssensors in eine Versorgungsleitung vorgesehen. Wird die Versorgungsleitung unzulässig verformt, so führt dies nämlich dazu, dass die Ummantelung gegen die Lichtleiterfaser gedrückt wird, so dass eine Intensitätsveränderung erfasst und ausgewertet werden kann. Ein wesentlicher Vorteil des Überwachungssensors ist darin zu sehen, dass er bereits ohne Verformung der Lichtleiterfaser sensitiv ist. Es genügt daher, wenn die Ummantelung zum Anliegen an die Lichtleiterfaser kommt.outgoing from this sensor principle is in the present invention, the Integration of such a trained monitoring sensor in a supply line intended. If the supply line is deformed impermissibly, this leads namely causing the sheath to be pressed against the optical fiber, so that a change in intensity recorded and evaluated. A significant advantage of the monitoring sensor is to be seen in that he already without deformation of the optical fiber is sensitive. It is sufficient therefore, when the sheath for abutment with the optical fiber comes.
Bei dem Überwachungssensor handelt es sich daher um einen drucksensitiven Sensor. Für dessen Wirkung ist von entscheidender Bedeutung, dass durch das Andrücken der Ummantelung gegen die Lichtleiterfaser die Lichtausbreitung beeinträchtigt wird. Dies erfolgt dadurch, dass die Ummantelung vorzugsweise einen Brechungsindex aufweist, der größer ist als der der Lichtleiterfaser, so dass die Bedingung für Totalreflektion bei anliegender Ummantelung unterbrochen ist. Alternativ weist die Ummantelung ein hohes Dämpfungs- oder Absorptionsvermögen auf, so dass – selbst wenn die Bedingung für die Totalreflexion gegeben ist – das Licht sich im oberflächennahen Bereich durch die eine hohe Dämpfung aufweisende Ummantelung ausbreiten muss und dadurch geschwächt wird.at the monitoring sensor it is therefore a pressure-sensitive sensor. For his Effect is crucial that by pressing the Sheathing against the optical fiber, the light propagation is impaired. This is done by the sheath preferably having a refractive index which is larger than the fiber optic, so the condition for total reflection is interrupted when the jacket is applied. Alternatively, the Sheathing a high damping or absorbency on, so that - yourself if the condition for the total reflection is given - that Light in the near-surface Range through which a high attenuation Shroud must spread and thereby weakened.
Um im normalen, also unbelasteten Zustand eine weitgehend störungsfreie Lichtausbreitung zu ermöglichen, ist vorzugsweise die Lichtleiterfaser unter Freilassung eines Zwischenraums von der Ummantelung umgeben. Zweckdienlicherweise wird bei der Versorgungsleitung eine unzulässige Biegung erfasst und der Überwachungssensor ist außerhalb einer neutralen Faser der Versorgungsleitung angeordnet.In the normal, so unloaded condition to allow a largely trouble-free propagation of light, the optical fiber is preferably surrounded by the gap leaving a gap. Conveniently, an impermissible bend is detected in the supply line and the monitoring sensor is located outside a neutral fiber of the supply line.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird der Intensitätsverlauf des erfassten Lichts in einer Auswerteeinrichtung gespeichert. Durch das Abspeichern besteht die Möglichkeit, auch zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt Ursachen für eine Beschädigung der Versorgungsleitung nachzuvollziehen. Aufgrund des teilweise hohen wirtschaftlichen Schadens bei Ausfall einer Produktionsanlage aufgrund einer schadhaften Versorgungsleitung ist dies besonders relevant im Hinblick auf Garantie- und Gewährleistungsansprüche. Durch diese Maßnahme hat nämlich der Hersteller oder Lieferant der Versorgungsleitung die Möglichkeit, eine unzulässige und nicht mehr unter die Gewährleistung fallende Benutzung nachzuweisen. Die abgespeicherten Intensitätsverläufe werden hierzu bei Bedarf aus dem Speicher ausgelesen und ausgewertet. Hierzu ist vorzugsweise auch eine Ferndiagnose vorgesehen.According to one preferred development is the intensity profile of the detected light stored in an evaluation device. By saving it is possible, also to any later Time causes for a damage to understand the supply line. Due to the partial high economic damage in case of failure of a production plant This is special due to a faulty supply line relevant with regard to guarantee and warranty claims. By this measure has namely the manufacturer or supplier of the supply line has the option an invalid and not under the warranty prove falling use. The stored intensity gradients are if necessary, read out of the memory and evaluated. For this Preferably, a remote diagnosis is also provided.
Da abhängig von dem jeweiligen Einsatzgebiet der Versorgungsleitung diese einen komplexen Aufbau aufweist und zudem für unterschiedliche Anwendungen vorgesehen sein kann, wird der Überwachungssensor gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung, zunächst geeicht. Hierzu wird die Versorgungsleitung mit dem integrierten Überwachungssensor den beim Einsatz der Versorgungsleitung jeweils erlaubten Belastungen ausgesetzt. Die hierbei zwangsläufig auftretenden Intensitätsänderungen des erfassten Lichts werden als zulässige Referenzkurven gespeichert. Hierbei werden zweckdienlichereweise in einer Tabelle für unterschiedliche Betriebsarten unterschiedliche Referenzverläufe gegebenenfalls mit Toleranzabweichungen abgespeichert, so dass die gesamten Arbeitsprofile und das gesamte Arbeitsspektrum beispielsweise eines Industrieroboters abgedeckt sind. Zur Ermittlung, ob eine unzulässige Belastung stattgefunden hat, werden dann die im Betrieb erfassten Intensitätsverläufe mit den Referenzverläufen verglichen. Eine Abweichung oberhalb vorgegebener Schwellwerte wird dann als unzulässige Belastung ausgewertet.There dependent from the respective application of the supply line this one complex structure and also for different applications may be provided, the monitoring sensor according to a appropriate training, initially calibrated. For this purpose, the Supply line with the integrated monitoring sensor at the Use of the supply line is exposed to any permitted loads. The inevitable occurring intensity changes of detected light are considered admissible Reference curves saved. This will be zweckereienlichereweise in a table for different operating modes different reference curves, if necessary stored with tolerance deviations, so that the entire work profiles and the entire work spectrum of, for example, an industrial robot are covered. To determine whether an inadmissible charge took place has, then recorded in the operation intensity characteristics the reference curves compared. A deviation above predetermined thresholds then becomes as inadmissible Load evaluated.
Um einen störungsfreien Betrieb eines Anlagenprozesses zu gewährleisten, ist der Überwachungssensor zweckdienlicherweise mit einer Prozessüberwachung verbunden und bei Auftreten einer unzulässigen Belastung wird von der Prozessüberwachung ein Fehlersignal abgegeben. Als Fehlersignal wird hierbei ein optisches, akustisches oder auch ein Abschaltsignal abgegeben, welches zu einer Zwangsabschaltung der Anlage führt, um weitere Schäden zu vermeiden. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Überwachungssensor bei einem so genannten Schlauchpaket eines Industrieroboters eingesetzt.Around a trouble-free Ensuring operation of a plant process is the monitoring sensor Conveniently connected to a process monitoring and at Occurrence of an impermissible Loading is by process monitoring an error signal is issued. As an error signal here is an optical, acoustic or a shutdown signal delivered, which is a forced shutdown leads the plant, for more damage to avoid. In a preferred embodiment, the monitoring sensor used in a so-called hose package of an industrial robot.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch eine Versorgungsleitung nach Anspruch 8, die zur Überwachung auf unzulässige Verformung den Überwachungssensor aufweist.The Task is according to the invention still solved by a supply line according to claim 8, for monitoring on impermissible Deformation of the monitoring sensor having.
Um eine einfache Herstellung zu ermöglichen, ist zweckdienlicherweise die Versorgungsleitung oder eine Leitungskomponente von ihr gemeinsam mit der Lichtleiterfaser extrudiert. D.h. die Versorgungsleitung und die Lichtleiterfaser werden kostengünstig als Meterware hergestellt.Around to allow a simple production is expediently the supply line or a line component extruded from it together with the optical fiber. That the Supply line and the optical fiber are inexpensive than Manufactured by the meter.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist der Überwachungssensor, umfassend die Lichtleiterfaser und die Ummantelung, mit weiteren Leitungskomponenten zur Ausbildung der Versorgungsleitung verseilt.According to one alternative embodiment is the monitoring sensor, comprising the fiber optic cable and the sheath, with further line components stranded to form the supply line.
Zweckdienlicherweise ist die Lichtleiterfaser in einem Mantel der Versorgungsleitung integriert. Dies hat den Vorteil, dass die Lichtleiterfaser im Außenbereich angeordnet ist, in dem die Verformung und damit die Druckeinwirkung auf den Überwachungssensor am größten ist. Vorzugsweise bildet hierbei der Mantel zugleich auch die Ummantelung der Faser. Der Mantel und die Lichtleiterfaser werden hierbei insbesondere koextrudiert.Conveniently, is the fiber optic fiber in a sheath of the supply line integrated. This has the advantage that the optical fiber in the outdoor area is arranged, in which the deformation and thus the pressure on the monitoring sensor is greatest. Preferably, the jacket at the same time also forms the sheath of the Fiber. The sheath and the optical fiber are in this case in particular coextruded.
Um eine hohe Sensibilität zu gewährleisten ist die Ummantelung insbesondere leicht verformbar ausgebildet und weist eine nur geringe Eigensteifigkeit auf. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Ummantelung hierbei als ein die Lichtleiterfaser umgebender Schlauch ausgebildet, in dem diese insbesondere lose einliegend geführt ist. Die Ausgestaltung mit der lose einliegenden Faser ist aufgrund ihrer einfachen Herstellbarkeit sehr kostengünstig. Die Faser ist hierbei in etwa schlangenlinienartig innerhalb des Schlauches geführt und schmiegt sich an den Umkehrpunkten an der Ummantelung an. Bei Druckbelastung kommen größere Teilbereiche der Lichtleiterfaser mit der Ummantelung in Berührung.Around a high sensitivity is to ensure the sheath in particular easily formed deformable and has a low inherent rigidity. According to a preferred embodiment the cladding is here as a surrounding the optical fiber Hose formed in which this particular loose fitting guided is. The design with the loose-fitting fiber is due their ease of manufacture very inexpensive. The fiber is here guided in a somewhat serpentine inside the tube and clings to the reversal points on the shell. At pressure load come larger sections the optical fiber with the sheath in contact.
Alternativ hierzu wird zur Ausbildung der Ummantelung die Faser umschäumt. Insbesondere bildet hierbei die Umschäumung zugleich auch den Mantel der Versorgungsleitung oder einer Leitungskomponente der Versorgungsleitung. Zweckdienlicherweise wird hierbei ein offenporiger Schaum verwendet, so dass die Ummantelung sich nicht vollflächig an der Lichtleiterfaser abstützt. Ein geschlossenporiger Schaum kann verwendet werden, wenn der Brechungsindex des Schaummaterials kleiner ist als der der Lichtleiterfaser. In diesem Fall wird bei einer Druckausübung, also dem Anpressen der Ummantelung gegen die Lichtleiterfaser, der Schaum komprimiert, wodurch sein Dämpfungsverhalten stark verändert wird, was zu der Intensitätsveränderung führt.Alternatively, the fiber is foamed to form the sheath. In particular, this forms the foam at the same time also the jacket of the supply line or a line component of the supply line. Conveniently, in this case an open-pore foam is used, so that the casing is not fully supported on the fiber optic fiber. A closed cell foam can be used if the refractive index of the foam material is smaller than that of the optical fiber. In this case, at ei ner pressure, so the pressing of the sheath against the optical fiber, the foam compresses, whereby its damping behavior is greatly changed, which leads to the change in intensity.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung, insbesondere ein Industrieroboter gemäß Patentanspruch 17. Die Vorrichtung ist hierbei insbesondere eine Maschine oder eine Anlage, bei der zwei relativ zueinander bewegbare Maschinenteile vorgesehen sind und die Versorgungsleitung über diese hinweg – oder an diesen entlang geführt ist. Die im Hinblick auf das Verfahren und die Versorgungsleitung angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die Vorrichtung zu übertragen.The Task is according to the invention still solved by a device, in particular an industrial robot according to claim 17. The device is in this case in particular a machine or a plant in which two relatively movable machine parts are provided and the supply line over this time - or on this led along is. Those with regard to the procedure and the supply line cited Advantages and preferred embodiments are mutatis mutandis to transfer the device.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen und teilweise stark vereinfachten Darstellungen:embodiments The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. It show each in schematic and sometimes greatly simplified representations:
In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures are the same acting parts with the same reference numerals Mistake.
Die
in
Die
dargestellte Versorgungsleitung
In
Beispiele
für die
Ausbildung der Überwachungssensoren
sind in den
Bei
den beiden Überwachungssensoren
gemäß den
Gemäß
Bei
der dritten Ausführungsvariante
des Überwachungssensors
Für die Wirksamkeit
des Überwachungssensors
bei der Einwirkung eines Druckes, hervorgerufen durch eine Verformung
der Versorgungsleitung
Eine
Intensitätsveränderung
wird in einer zweiten Alternative dadurch hervorgerufen, dass lediglich
eine Dämpfung
des Evanescent-Feldes und damit der Lichtausbreitung erfolgt. Auf
diesem Effekt beruht die Ausgestaltung gemäß
Im
Unterschied zu den Ausführungsvarianten
gemäß den
In
In
Die
Intensitätsänderung
des erfassten Lichts bei einer Verformung der Versorgungsleitung
Im
Betrieb wird zur Überwachung
einer unzulässigen
Verformung der Versorgungsleitung
Bevorzugt
ist eine online-Überwachung
während
des Betriebs im Rahmen einer Prozessüberwachung vorgesehen, um Beschädigungen
frühzeitig
zu erkennen. In diesem Fall werden die Intensitätsverläufe kontinuierlich oder in
regelmäßigen Abständen ausgewertet.
Wird eine unzulässige
Belastung festgestellt, so wird ein Fehlersignal F von der Auswerteeinheit
Die Überwachung
einer Versorgungsleitung
- 22
- Versorgungsleitungsupply line
- 44
- Mantelcoat
- 6A, B6A, B
- elektrisches Kabelelectrical electric wire
- 8A, B8A, B
- Fluidleitungfluid line
- 1010
- Füllstrangfilling strand
- 1212
- Überwachungssensormonitoring sensor
- 1414
- LichtleiterfaserOptical fiber
- 1616
- Ummantelungjacket
- 1818
- neutrale Faserneutral fiber
- 2020
- Zwischenraumgap
- 2222
- Stützstegsupporting web
- 2626
- Schlauchmantelhose mantle
- 2828
- Einspeisestelleinfeed
- 3030
- Auskoppelelementoutcoupling
- 3232
- Auswerteeinrichtungevaluation
- 3333
- Signalleitungsignal line
- 3434
- SpeicherStorage
- 3636
- DatenschnittstelleData Interface
- 3838
- externe Auswerteeinheitexternal evaluation
- 4040
- Industrieroboterindustrial robots
- 4242
- Roboterarmrobot arm
- 4444
- Anschluss-SchnittstelleConnection Interface
- FF
- Fehlersignalerror signal
Claims (17)
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