DE102010044644B4 - Verfahren zur Kollisionserkennung für eine Antriebseinheit - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Kollisionserkennung für eine Antriebseinheit (100) umfassend einen elektrischen Antriebsmotor (110) und ein davon angetriebenes bewegliches Bauteil (160), wobei ein Ist-Drehmoment (M) und eine Ist-Beschleunigung (a) des elektrischen Antriebsmotors (110) erfasst werden (201) und eine Kollision des beweglichen Bauteils (160) anhand einer Bewertung einer vorgebbaren mathematischen Verknüpfung (M·a) von Ist-Drehmoment (M) und Ist-Beschleunigung (a) erkannt wird (204).

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kollisionserkennung für eine Antriebseinheit umfassend einen elektrischen Antriebsmotor und ein davon angetriebenes bewegliches Bauteil.
• Derartige Antriebssysteme sind insbesondere in der Automatisierungstechnik weit verbreitet und werden vielfältig, bspw. in Robotern, Bearbeitungs- oder Transportmaschinen usw., eingesetzt. Bei diesen Einsätzen können Kollisionen des beweglichen Bauteils mit festen oder beweglichen Hindernissen, wie z.B. Transport- oder Bearbeitungsgütern, Wänden, Gehäusen, anderen Maschinenbauteilen oder sogar Personen usw., nicht ausgeschlossen werden. Um Schäden an Mensch und Maschine zu vermeiden, ist es erforderlich, Kollisionen zu erkennen, um bspw. geeignete Reaktionen einzuleiten.
• Aus der DE 102 45 594 A1 ist ein Verfahren zur Kollisionserkennung bekannt, bei dem antriebsseitige und abtriebsseitige Größen erfasst und verglichen werden, um eine Kollision zu erkennen. Eine solche Lösung erfordert jedoch zumindest abtriebsseitig aufwendige Sensorik.
• Aus der DE 10 2008 054 312 A1 ist ein Verfahren zur sicheren Erfassung einer kinematischen Größe, wie bspw. die Position bzw. Positionsdifferenz oder die Geschwindigkeit bzw. Geschwindigkeitsdifferenz, eines Manipulators bekannt, bei dem zunächst die kinematische Größe des Manipulators zu verschiedenen Zeitpunkten abtriebsseitig durch einen Sensor erfasst wird. Anschließend wird eine zeitliche Änderung der erfassten kinematischen Größe bestimmt, welche numerisch ermittelt wird. Durch Prüfung, ob die zeitliche Änderung in einem vorgegebenen Bereich liegt, kann die Plausibilität der erfassten kinematischen Größe bestimmt werden.
• Aus der DE 10 2007 050 232 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Handhabungsroboters bekannt. Der Handhabungsroboter weist eine Roboterbasis, mit einem darauf beweglichen Manipulator auf. Der Manipulator weist mehrere Bewegungssachsen auf, denen jeweils ein Aktor und mindestens ein Achsensensor zugeordnet ist, wobei eine mehrachsige Redundanz-Sensoranordnung vorgesehen ist, die mehrere Redundanzsensoren aufweist. Die Redundanz-Sensoranordnung erfasst an einem einzigen Ort des Handhabungsroboters mehrachsig die in dem betreffenden Teil auftretenden Kräfte bzw. Drehmomente. Wird eine unerwartete Abweichung der von der Redundanz-Sensoranordnung erfassten Messwerte von den zu erwartenden Messwerten festgestellt, kann auf einen Fehler des oder der Achsensensoren oder der Redundanz-Sensoranordnung, oder aber auf eine unerwartete oder erwartete Kollision des Handhabungsroboter-Manipulators mit der Umgebung geschlossen werden. Durch die Redundanz lässt sich feststellen, ob es sich um einen Sensorfehler oder um eine Kollision handelt.
• Aus der DE 698 29 559 T2 ist ein Verfahren zur Überwachung der Bewegungssteuerung eines Manipulators bekannt. Das Verfahren überwacht die Position, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die Last, das Achsendrehmoment und Stördrehmomente. Dies geschieht durch Bilden einer Alarmbedingung, die einen Alarmwert und einen Alarmgrenzwert umfasst, wobei der Alarmgrenzwert entweder aus einer Konstanten oder aber aus einem modellbasierten Alarmgrenzwert besteht. Die Alarmbedingungen sind dabei sehr sensitiv und können zur Erfassung von Kollisionen verwendet werden.
• Aus der DE 100 85 405 T1 ist eine Mechanische-Konstante-Abschätzungseinrichtung zum Abschätzen einer mechanischen Konstante, wie ein Trägheitsmoment, in einer Antriebsmaschine, wie eine Werkzeugmaschine oder ein Roboter, die einen Stellantrieb, wie einen Motor, gebrauchen, bekannt.
• Aus der EP 1 762 917 B1 ist ein Kollisionsdetektor für eine Maschine mit einer beweglichen Einheit bekannt, wobei die Maschine eine Funktion zur Erfassung der Kollision der beweglichen Einheit mit anderen Elementen aufweist. Die Erfassung basiert auf einem geschätzten Störlastmoment, das durch Schätzen eines Stördrehmomentes mittels eines Beobachters oder eines Antriebsstromwertes des Servomotors erhalten wird. Bei Überschreitung eines Schwellenwertes wird eine anormale Belastungsermittlung durchgeführt. Eine abnormale Lastbestimmung wird zum Vergleich mit der geschätzten Last verwendet, bis eine vorbestimmte Zeitspanne vergeht, nachdem die dem Motor zu befehlende Beschleunigung, die einmal den Schwellenwert überschritten hat, abfällt. In anderen Fällen wird die geschätzte Belastung mit der abnormalen Belastungsermittlung verglichen. Übersteigt die geschätzte Belastung den Vergleichswert für die Ermittlung der abnormalen Belastung, wird eine Kollision festgestellt.
• Es ist wünschenswert, Möglichkeiten zur Kollisionserkennung anzugeben, die einfach zu implementieren sind, aber dennoch sicher und zuverlässig arbeiten.
• Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Kollisionserkennung für eine Antriebseinheit umfassend einen elektrischen Antriebsmotor und ein davon angetriebenes bewegliches Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Recheneinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
• Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die antriebsseitigen Größen Drehmoment (bei rotatorischen Antriebsmotoren) bzw. Antriebskraft (bei translatorischen Antriebsmotoren) und Beschleunigung mathematisch verknüpft, insbesondere multipliziert, zur einfachen, aber dennoch sicheren und zuverlässigen Kollisionserkennung taugen. Die Verwendung dieser Größen ist besonders vorteilhaft, da sie von modernen Antriebssteuergeräten ohnehin ausgebbar sind. Zusätzliche Sensorik ist nicht notwendig, insbesondere kann auf abtriebsseitige Sensorik verzichtet werden. Die Erfindung hat die Schwierigkeit überwunden, geeignete Bewegungsgrößen und eine zugehörige geeignete mathematische Verknüpfung zu finden, die eine zuverlässige Kollisionserkennung erlauben. Insbesondere hat sich nämlich in der Praxis eine Kollisionserkennung bei einem Betrieb des Antriebsmotors an der Drehmoment- bzw. Kraftgrenze als schwierig erwiesen, da dann bei sämtlichen bisher erprobten Antriebsgrößen eine Unterscheidung zwischen einer Kollision und einer normalen Beschleunigungs- oder Abbremsphase nicht möglich war.
• Die mathematische Verknüpfung kann fest vorgegeben oder auch vom Anwender einstellbar sein. Dies ermöglicht eine optimale Anpassung an besondere Gegebenheiten. Es hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, das Produkt aus Drehmoment bzw. Antriebskraft und Beschleunigung zur Auswertung, bspw. durch Schwellwertvergleich, heranzuziehen. Es sind jedoch auch andere Auswertemethoden angedacht, wobei bspw. ein zeitliches Verhalten bewertet wird, eine Integration oder Differentiation stattfindet u.ä.
• Bevorzugterweise wird das Ergebnis der mathematischen Verknüpfung mit einem Schwellwert verglichen, der während der Erfassung von Drehmoment bzw. Antriebskraft und Beschleunigung, d.h. „online“, unter Verwendung eines innerhalb eines ersten Zeitraums erfassten maximalen Drehmoments bzw. Antriebskraft und einer innerhalb eines zweiten Zeitraums erfassten maximalen Beschleunigung des elektrischen Antriebsmotors bestimmt wird, wobei der erste und der zweite Zeitraum insbesondere gleich sein und insbesondere die gesamte Betriebsdauer umfassen können. Ebenso vorteilhaft wird ein mitwandernder Zeitraum vorgeschlagen. So kann der Schwellwert laufend an die aktuellen Gegebenheiten, bspw. an veränderte Lagerreibung, veränderte Lasten usw., angepasst werden. In den Schwellwert geht zweckmäßigerweise ein Gewichtungsfaktor ein, um einen ausreichenden Abstand zwischen den erfassten Maximalwerten und dem Schwellwert zu schaffen. Es hat sich gezeigt, dass das Produkt aus Drehmoment bzw. Antriebskraft und Beschleunigung bei einer Kollision negativ wird, so dass der Gewichtungsfaktor in diesem Fall zweckmäßigerweise ebenfalls negativ ist.
• In besonders bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird das Produkt aus Drehmoment bzw. Antriebskraft und Beschleunigung überwacht. Das Produkt zeigt nämlich im Normalbetrieb einen positiven Verlauf und bei einer Kollision einen betragsmäßig hohen negativen Wert, so dass eine Kollisionserkennung hier besonders einfach ist. Es hat sich gezeigt, dass das Produkt aus Drehmoment bzw. Antriebskraft und Beschleunigung in besonderen Fällen, bspw. bei großem Spiel zwischen Antriebsmotor und Bauteil, auch im Normalbetrieb negative Werte annimmt. Zur Abgrenzung dient in diesen Fällen eine geeignete Vorgabe des Gewichtungsfaktors.
• Erfindungsgemäß kann ein sicheres Kollisionserkennungsverfahren geschaffen werden, das äußerst breit anwendbar ist und sich auch in bestehenden Antriebseinrichtungen nachträglich einfach implementieren lässt.
• Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Antriebssystems, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
• Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
• Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
• Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
• 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäß überwachbare Antriebseinheit,
• 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kollisionserkennungsverfahrens anhand eines Ablaufplans,
• 3 zeigt Erfassungs- und Auswertesignale einer Antriebseinheit bei Beschleunigung in unterschiedlichen Situationen.
• 4 zeigt Auswertesignale für unterschiedliche Antriebseinheiten und Situationen.
• In 1 ist eine erfindungsgemäß überwachbare Antriebseinheit 100 schematisch in einer Seitenansicht dargestellt. Die Antriebseinheit 100 weist einen elektrischen Antriebsmotor 110 auf, der über eine üblicherweise dreiphasige Stromverbindung 120 mit einem Leistungsteil 130 verbunden ist. Neben der Stromverbindung 120 sind zweckmäßigerweise auch eine oder mehrere Datenverbindungen 121, beispielsweise für Drehzahl, Temperatur, Position usw., vorgesehen. Das Leistungsteil 130 wiederum ist über eine Verbindung 140, üblicherweise eine Feldbusverbindung, mit einem Steuerteil 150 verbunden, welches zur Ansteuerung und Überwachung der Antriebseinheit dient. Von dem elektrischen Antriebsmotor wird ein bewegbares Bauteil 160 angetrieben, welches in der hier dargestellten einfachen Ausführungsform als an der Welle 111 des Antriebsmotors 110 befestigtes Rad 160 ausgebildet ist.
• Eine Kollisionserkennung im Rahmen der Erfindung soll nun im Folgenden unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 näher erläutert werden. Bei einer zu erkennenden Kollision stößt das Rad 160 bzw. ein mit diesem verbundenes Bauteil, wie z.B. ein Bearbeitungs- oder Fördermechanismus, an ein Hindernis, wodurch es in seiner Bewegung gehemmt wird. Die Rückwirkung dieser Hemmung auf den Antriebsmotor 110 kann in besonders bevorzugter Ausführungsform der Erfindung auf besonders einfache Weise durch Überwachung der ausgewählten Antriebsparameter Drehmoment M und Beschleunigung a erkannt werden. Wenngleich in 1 ein rotatorischer Antriebsmotor abgebildet ist, bei dem erfindungsgemäß Drehmoment und Beschleunigung überwacht werden, ist die Erfindung selbstverständlich auch bei translatorischen Motoren anwendbar, bei denen dann Antriebskraft und Beschleunigung überwacht werden.
• In 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kollisionserkennungsverfahrens anhand eines Ablaufplans schematisch dargestellt. Das Verfahren findet parallel zu einem Betrieb 200 der Antriebseinheit statt. Während der Kollisionserkennung werden dazu in einem Schritt 201 das Drehmoment M sowie die Beschleunigung a des Antriebsmotors 110 überwacht, wobei die Kollisionserkennung vorzugsweise in dem dem Antriebsmotor 110 zugeordneten Steuerteil 150 stattfindet.
• Während der Überwachung wird das Produkt M · a aus Drehmoment und Beschleunigung in einem Schritt 202 mit einem Schwellwert L verglichen. Ist das Produkt größer als der Schwellwert (welcher negativ ist), so wird keine Kollision erkannt und das Verfahren kehrt zum Erfassungsschritt 201 zurück. Wird hingegen festgestellt, dass das Produkt M · a kleiner als der Schwellwert L (d.h. negativer) ist, wird in einem Schritt 204 fortgefahren.
• In dem Schritt 204 werden die Antriebseinheit schützende Maßnahmen eingeleitet und/oder Betriebszustände zur späteren Analyse abgespeichert. Zweckmäßigerweise findet eine Speicherung von Betriebszuständen wie Betriebsdauer (z.B. Betriebsstunden von Motor, Leistungsteil und Steuerteil), Lage, Geschwindigkeit und Moment bzw. Kraft des Motors im Zeitpunkt der Kollision u.ä., vorzugsweise in einem Speicher des Steuerteils, statt. Die abgespeicherten Daten können später zur Auswertung herangezogen werden.
• Der Schwellwert L kann beispielsweise bei der Inbetriebnahme der Antriebseinheit vorgegeben werden oder, wie in der Figur durch einen optionalen Schritt 203 dargestellt, ebenfalls während des Betriebs bestimmt werden. Dazu wird das über einen ersten Zeitraum erfasst maximale Drehmoment M_max mit der über einen zweiten Zeitraum erfassten maximalen Beschleunigung a_max und einem negativen Gewichtungsfaktor -c multipliziert, wobei der erste und der zweite Zeitraum zweckmäßigerweise gleich sind und beispielsweise mit dem Erfassungszeitpunkt mitwandern. So werden zweckmäßigerweise zur Schwellwertbestimmung die Maximalwerte der letzten 30, 60, 90, 120 u.ä. Sekunden herangezogen.
• In 3 sind in einem Diagramm 300 eine erfasste Beschleunigung a in einem Graph 301, ein erfasstes Drehmoment M in einem Graph 302 und das aus Beschleunigung a und Drehmoment M gebildete Produkt a · M in einem Graph 303 gegen die Zeit t auf der Abszisse aufgetragen. Während der Erfassung wurde die Antriebseinheit zu Zeitpunkten t₁ und t₂ beschleunigt und zu einem Zeitpunkt t₃ fand eine Kollision mit einem feststehenden Hindernis statt. Es ist deutlich erkennbar, dass sich das auszuwertende Signal 303 bei einer Kollision signifikant anders verhält als bei einer Beschleunigung. Insbesondere treten bei einer Beschleunigung kleinere Ausschläge nach oben auf, wohingegen bei einer Kollision ein großer Ausschlag nach unten auftritt. Auf diese Weise kann eine Kollision mit der erfindungsgemäßen Lösung besonders einfach erkannt werden. Der langfristige Durchschnitt dient als Nulllinie, in Verhältnis zu der die Maximalwerte und der Schwellwert bestimmt werden.
• In 4 sind in einem Diagramm 400 unterschiedliche Auswertesignale M · a gegen die Zeit t auf der Abszisse aufgetragen. Graph 401 zeigt das Auswertesignal bei Betrieb einer Antriebseinheit mit konstanter Geschwindigkeit, wobei ein merkliches Spiel zwischen Antriebsmotor und angetriebenem Bauteil besteht. Graph 402 zeigt das Auswertesignal für dieselbe Antriebseinheit, wobei eine Beschleunigung stattfindet. Es ist erkennbar, dass in diesem Fall nach Durchlaufen des Spiels, d.h. wenn der Antriebsmotor das Bauteil mitnimmt (Zeitpunkt t₄ ), deutliche Ausschläge nach oben und unten im Auswertesignal auftreten.
• Graph 403 zeigt das Auswertesignal für eine Antriebseinheit, die im mittleren Drehmomentbereich betrieben wird, bei einer Kollision (Zeitpunkt t₅ ) und Graph 404 zeigt das Auswertesignal für eine Antriebseinheit, die an der Drehmomentgrenze betrieben wird, bei einer Kollision (Zeitpunkt t₆ ).
• Durch Vergleich der Graphen wird deutlich, dass eine Kollision (Graph 403 und 404) durch geeignete Vorgabe des Gewichtungsfaktors besonders leicht von einem beschleunigten Antriebssystem mit Spiel (Graph 402) unterschieden werden kann.

Claims (9)

1. Verfahren zur Kollisionserkennung für eine Antriebseinheit (100) umfassend einen elektrischen Antriebsmotor (110) und ein davon angetriebenes bewegliches Bauteil (160), wobei ein Ist-Drehmoment (M) und eine Ist-Beschleunigung (a) des elektrischen Antriebsmotors (110) erfasst werden (201) und eine Kollision des beweglichen Bauteils (160) anhand einer Bewertung einer vorgebbaren mathematischen Verknüpfung (M·a) von Ist-Drehmoment (M) und Ist-Beschleunigung (a) erkannt wird (204).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mathematische Verknüpfung ein Produkt (M·a) aus Ist-Drehmoment und Ist-Beschleunigung umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die mathematische Verknüpfung ein Produkt (M·a) aus Ist-Drehmoment und Ist-Beschleunigung ist.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ergebnis (M·a) der mathematischen Verknüpfung von Ist-Drehmoment und Ist-Beschleunigung mit einem vorgebbaren Schwellwert (L) verglichen wird (202) und eine Kollision anhand des Vergleichsergebnisses erkannt wird (204).
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schwellwert (L) während der Erfassung von Ist-Drehmoment (M) und Ist-Beschleunigung (a) unter Verwendung eines innerhalb eines ersten Zeitraums erfassten maximalen Ist-Drehmoments (M_max) und einer innerhalb eines zweiten Zeitraums erfassten maximalen Ist-Beschleunigung (a_max) des elektrischen Antriebsmotors (110) bestimmt wird (203).
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schwellwert (L) ein Produkt aus einem Gewichtungsfaktor (-c), des innerhalb des ersten Zeitraums erfassten maximalen Ist-Drehmoments (M_max) und der innerhalb des zweiten Zeitraums erfassten maximalen Ist-Beschleunigung (a_max) des elektrischen Antriebsmotors (110) umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Gewichtungsfaktor (-c) negativ ist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Falle einer erkannten Kollision die Antriebseinheit (100) schützende Maßnahmen ergriffen werden und/oder Betriebszustandsgrößen in einer Speichereinrichtung abgespeichert werden (204).
9. Recheneinheit (150), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.

Images