DE102010061949A1

DE102010061949A1 - Verfahren und Anordnung zur Überwachung von motorisch bewegbaren Anlageteilen

Info

Publication number: DE102010061949A1
Application number: DE201010061949
Authority: DE
Inventors: Joachim Kaiser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2012-05-31
Also published as: CN102564780A; US9132549B2; US20120297872A1; CN102564780B

Abstract

Die Erfindung gibt ein Verfahren und eine zugehörige Anordnung zur Überwachung von motorisch bewegbaren Anlageteilen (7) an. Das Verfahren umfasst die Schritte: – Ermitteln (100) von ersten Beschleunigungswerten (A1) mindestens eines Anlageteils (7) bei mindestens einem kodierten vorgebbaren Bewegungsablauf der Anlageteile (7) zu einem ersten Zeitpunkt, – Ermitteln (101) von zweiten Beschleunigungswerten (A2) des Anlageteils (7) bei dem mindestens einem vorgebbaren und kodierten Bewegungsablauf der Anlageteile (7) zu einem zweiten Zeitpunkt und – Ausgeben (102) eines Fehlersignals (E), wenn eine vorgebbare Anzahl von zweiten Beschleunigungswerten (A2) außerhalb eines vorgebbaren Toleranzbereichs (T) der ersten Beschleunigungswerte (A1) liegt. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch Verschleiß an mechanischen Teilen verursachte Abweichungen in Bewegungsabläufen von Anlageteilen, beispielsweise unerwünschte Vibrationen, frühzeitig erkannt werden und entsprechende Servicemaßnahmen rechtzeitig durchgeführt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung von motorisch bewegbaren Anlageteilen durch eine Ermittlung von Beschleunigungswerten.
In der 1 ist als Beispiel einer Anlage nach dem Stand der Technik ein bekannter an einem Roboter angeordneter C-Bogen 7 mit sechs Drehachsen in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. An einem Grundgestell 1, das beispielsweise auf einem Boden fest montiert steht, ist drehbar um eine erste Drehachse ein Karussell 2 aufgenommen. An dem Karussell 2 ist schwenkbar um eine zweite Drehachse eine Schwinge 3 angebracht. An der Schwinge 3 ist drehbar um eine dritte Drehachse ein Arm 4 befestigt. Am Ende des Arms 4 ist drehbar um eine vierte Drehachse eine Hand 5 angeordnet. Die Hand 5 weist ein Befestigungselement 6 auf, das um eine Rotationsachse rotierbar und um eine senkrecht dazu verlaufende fünfte Drehachse schwenkbar ist. Der C-Bogen 7 ist am Befestigungselement 6 der Hand 5 angekuppelt. An einem ersten Ende des C-Bogens 7 ist ein Röntgendetektor 8 und an einem zweiten Ende eine Röntgenquelle 9 in gegenüberliegender Anordnung angebracht.
Bei einem langjährigen Betrieb dieser C-Bogen Anordnung kann durch Verschleiß von Getrieben, Lagern, Bremsen oder Zahnriemen die Genauigkeit einer Positionseinstellung als auch der sichere Betrieb gefährdet sein.
Andererseits führt bei nicht medizinischen Roboteranlagen ein Auftreten von Ungenauigkeiten in den Bewegungsabläufen der motorisch angetriebenen Anlageteile zu Ungenauigkeiten in den mit den Roboterarmen bzw. bewegten Achsen ausgeführten Bewegungsabläufen oder Tätigkeiten. Beispielweise können ungenauen Schweißnähte die Folge sein.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, die Ungenauigkeiten bei Bewegungsabläufen von motorisch bewegten Anlageteilen rechtzeitig erkennen.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit dem Verfahren und der Anordnung der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, Beschleunigungen zu messen, um bewegte Anlagenteile zu überwachen. Im allgemeinen Sinn bezeichnet die Beschleunigung jede Änderung eines Geschwindigkeitsvektors, also auch eine Abnahme des Betrags oder auch eine Richtungsänderung bei gleich bleibendem Geschwindigkeitsbetrag. Die Beschleunigung ist daher die zeitliche Ableitung des Geschwindigkeitsvektors oder die zweite zeitliche Ableitung des Ortsvektors.
Neben der linearen Beschleunigung gibt es auch den physikalischen Begriff der Winkelbeschleunigung. Die Winkelbeschleunigung bezeichnet die zeitliche Änderung der Winkelgeschwindigkeit eines sich drehenden Objekts. Mathematisch gesprochen ist sie die Ableitung der Winkelgeschwindigkeit nach der Zeit.
Die Erfindung beansprucht ein Verfahren zur Überwachung von motorisch bewegbaren Anlageteilen, beispielsweise Anlagenteile eines Roboters, mit den Schritten:

– Ermitteln von ersten Beschleunigungswerten mindestens eines Anlageteils bei einem vorgebbaren Bewegungsablauf der Anlageteile zu einem ersten Zeitpunkt,
– Ermitteln von zweiten Beschleunigungswerten des Anlageteils bei dem vorgebbaren Bewegungsablauf der Anlageteile zu einem zweiten Zeitpunkt und
– Ausgeben eines Fehlersignals, wenn eine vorgebbare Anzahl von zweiten Beschleunigungswerten außerhalb eines vorgebbaren Toleranzbereichs der ersten Beschleunigungswerte liegt.

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch Verschleiß an mechanischen Teilen verursachte Abweichungen in Bewegungsabläufen von Anlageteilen, beispielsweise unerwünschte Vibrationen, frühzeitig erkannt und entsprechende Servicemaßnahmen rechtzeitig durchgeführt werden können.
In einer Weiterbildung des Verfahrens kann der Toleranzbereich aus einem wiederholten Ermitteln der ersten Beschleunigungswerte z. B. durch statistische Methoden ermittelt werden. Dadurch werden toleranzbedingte Abweichungen berücksichtigt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann der Toleranzbereich durch die maximalen und minimalen ersten Beschleunigungswerte gebildet werden.
Des Weiteren können die ersten und zweiten Beschleunigungswerte lineare Beschleunigungen und/oder Winkelbeschleunigungen umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens können die ersten und zweiten Beschleunigungswerte an mehreren Anlageteilen gleichzeitig ermittelt werden.
In einer Weiterbildung können während der Ermittlung der ersten und zweiten Beschleunigungswerte zusätzlich Anlageparameter erfasst werden.
Bevorzugt können die Anlageparameter Motorströme und/oder Drehgebersignale umfassen.
Die Erfindung beansprucht auch eine Anordnung zur Überwachung von motorisch bewegten Anlageteilen mit mindestens einem an einem Anlageteil angeordneten Beschleunigungssensor, der erste Beschleunigungswerte zu einem ersten Zeitpunkt und zweite Beschleunigungswerte zu einem zweiten Zeitpunkt ermittelt, und mit einer Erfassungseinheit, die mit dem Beschleunigungssensor Daten austauschen kann und die ein Fehlersignal abgibt, wenn eine vorgebbare Anzahl von zweiten Beschleunigungswerten außerhalb eines vorgebbaren Toleranzbereichs der ersten Beschleunigungswerte liegt.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Erfassungseinheit den Toleranzbereich aus einem wiederholten Ermitteln der ersten Beschleunigungswerte mit z. B. statistischen Methoden ermitteln.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Erfassungseinheit den Toleranzbereich durch die maximalen und minimalen ersten Beschleunigungswerte bilden.
Des Weiteren können bei der Anordnung die ersten und zweiten Beschleunigungswerte lineare Beschleunigungen und/oder Winkelbeschleunigungen umfassen.
Bevorzugt können die Beschleunigungssensoren an unterschiedlichen Anlageteilen der Anordnung angeordnet sein.
In einer Weiterbildung kann der Beschleunigungssensor, eine Datenerfassungseinheit, eine Auswerteeinheit und eine Kommunikationseinheit umfassen. Hierdurch können die gemessenen Beschleunigungswerte gespeichert, überprüft, das Überprüfungsergebnis anzeigt, auf externe Signale reagiert, Signale an externe Einheiten weitergegeben und Daten mit externen Einheiten z. B. Erfassungs- oder Steuereinheiten ausgetauscht werden.
Bevorzugt kann die Anordnung eine Steuereinheit (13) umfassen, die die Bewegung der Anlagenteile steuert und die mit der Erfassungseinheit elektrisch oder elektromagnetisch verbunden ist.
Vorzugsweise kann die Anordnung einen Röntgen-C-Bogen umfassen.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
1: einen nach dem Stand der Technik bekannten an einem Roboter angeordneten C-Bogen in perspektivischer Ansicht,
2: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung von motorisch bewegbaren Anlageteilen und
3: eine C-Bogen-Anordnung mit einer Überwachung von motorisch bewegbaren Anlageteilen.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung von motorisch bewegbaren Anlageteilen. In einer Initialisierungsphase 100 wird zu einem ersten Zeitpunkt ein Bewegungszyklus der bewegbaren Anlageteile beispielsweise einer C-Bogen Anordnung gemäß 3 durchgeführt. Der Bewegungszyklus umfasst eine Abfolge von unterschiedlichen, vorgebbaren und geeignet codierten Bewegungsabläufen der Anlageteile, sogenannten Teilzyklen. Hierbei werden die einzelnen Achsen der Anlageteile separat oder synchron bewegt. Mehrere dieser Bewegungszyklen werden in gleicher Weise mit identischen Anlageparametern wiederholt durchgeführt. Bei allen Bewegungszyklen werden erste Beschleunigungswerte A1 ermittelt. Aus den gemessenen Beschleunigungswerten A1 werden zulässige Toleranzbereiche T für die ersten Beschleunigungswerte A1 für jeden Teilzyklus ermittelt. Beispielsweise ergibt sich der Toleranzbereich T durch die ermittelten maximalen ersten Beschleunigungswerte A1.
In einer Testphase 101 werden zu einem zweiten Zeitpunkt, der nach der Initialisierungsphase 100 liegt, der Bewegungszyklus als gesamtes oder einzelne Teilzyklen ausgeführt und zweite Beschleunigungswerte A2 ermittelt und mit den gespeicherten Toleranzberiechen T für jeden Teilzyklus verglichen. Liegen eine vorgebbare Anzahl von zweiten Beschleunigungswerten A2 außerhalb der Toleranzbereiche T kann auf eine unzulässige Abweichung in den Bewegungsabläufen geschlossen werden und im Schritt 102 wird ein entsprechendes Fehlersignal E ausgegeben. Aufgrund des Fehlersignals E kann beispielsweise ein fehlerhafter Antrieb oder ein fehlerhaftes Getriebe identifiziert und eine entsprechende Servicemaßnahme eingeleitet werden.
Alternativ können im normalen Betrieb der Anlage die zweiten Beschleunigungswerte A2 ermittelt werden und wenn ein Bewegungsablauf mit einem hinterlegten Teilzyklus übereinstimmt, wird die Überwachung des Toleranzbereichs T durchgeführt. Dadurch kann eine separate Testphase vermieden werden.
3 zeigt eine C-Bogen-Anordnung mit einer Überwachung von motorisch bewegbaren Anlageteilen in einer perspektivischen Ansicht. Dargestellt ist ein C-Bogen 7 an dessen einem Ende eine Röntgenquelle 9 und an dessen anderem Ende ein Röntgendetektor 8 angebracht ist. Auf dem C-Bogen sind erfindungsgemäß Beschleunigungssensoren 12 angeordnet, zwei an jeweils einem Ende und einer in der Winkelhalbierenden. Die drei Beschleunigungssensoren 12 sind über Verbindungsleitungen 10 elektrisch mit einer Erfassungseinheit 11 verbunden. Bei Bewegungen des C-Bogens 7 messen die Beschleunigungssensoren 12 zweite Beschleunigungswerte A2, die an die Erfassungseinheit 11 weitergeleitet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden Beschleunigungssensoren 12 auf dem C-Bogen angeordnet, welche die Beschleunigungswerte zunächst selbst zwischenspeichern und nach beendeter Bewegung des C-Bogens an eine weitere Erfassungseinheit 11 weiterleiten.
Dort werden die zweiten Beschleunigungswerte A2 mit einem vorab ermittelten Toleranzbereich T verglichen. Liegt eine vorgebbare Anzahl von zweiten Beschleunigungswerten A2 außerhalb des Toleranzbereichs T, wird ein Fehlersignal abgegeben.
Die Erfassungseinheit 11 ist mit einer Steuereinheit 13 verbunden, die die Bewegung des C-Bogens steuert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die erlaubten Toleranzbereiche direkt auf dem Beschleunigungssensor vorgehalten und mit den Messdaten der Beschleunigungssensoren je nach Codierung des Bewegungsablaufes verglichen. Über die Kommunikationseinheit des Beschleunigungssensors kann eine Signal- und/oder Datenweiterleitung an die Erfassungseinheit 11 erfolgen.
Der Toleranzbereich T wird in einer Initialisierungsphase bei Errichtung der C-Bogen-Anlage ermittelt, indem gemäß den Ausführungen zu 2 Testbewegungszyklen des C-Bogens 7 gefahren werden und dazu erste Beschleunigungswerte A1 gemessen werden. Die dabei z. B. maximal auftretenden ersten Beschleunigungswerte A1 ergeben den Toleranzbereich T für jeden zugehörigen Bewegungszyklus. Alternativ können die Toleranzbereiche durch geeignete mathematische Algorithmen aus den Beschleunigungswerten A1 ermittelt werden wobei zur Ermittlung mathematische Funktionen z. B. zur Rauschreduzierung, Glättung, Mittelung usw. als auch z. B. statistische Methoden angewendet werden können.
Die Abfolge der Bewegungsabläufe und die hierfür erforderlichen Parameter für eine Motorsteuerung des C-Bogens 7 sind in der Steuereinheit 13 gespeichert. In der Initialisierungsphase und in der Testphase gemäß 2 wird ein Code für den nachfolgenden Bewegungsablauf von der Steuereinheit 13 an die Erfassungseinheit 11 übermittelt. Dadurch kann in der Initialisierungsphase die Beschleunigungsmesswertaufnahme geordnet und die Ermittlung der zulässigen Toleranzbereiche T für jeden codierten Bewegungsablauf durchgeführt werden. In der Testphase kann so der passende Satz an Toleranzbereichsdaten ausgewählt werden. Der Vergleich der Toleranzbereichsdaten mit den aktuell erfassten zweiten Beschleunigungswerten A2 kann entweder in der Erfassungseinheit 11 oder direkt in den Beschleunigungssensoren 12 durchgeführt werden. Eine Verletzung des Toleranzbereichs T wird zusammen mit dem Code des Bewegungsablaufs an die Steuereinheit 13 des C-Bogens übermittelt und dort beispielsweise in einem Fehlerbericht erfasst.
Während des Bewegungszyklus können auch weitere Anlagenparameter, wie Motorströme und Drehgebersignale, aufgenommen und in das Toleranzbereichsmodell einbezogen werden.
Die Beschleunigungssensoren 12 sind derart ausgebildet, dass sie in drei unterschiedlichen Richtungen lineare Beschleunigungen und/oder Winkelbeschleunigungen erfassen. Die Beschleunigungssensoren befinden sich zusammen mit einer nicht dargestellten Datenerfassungseinheit und einer nicht dargestellten Auswerteeinheit auf einer Baugruppe. Die Sensoren umfassen auch ein in 3 nicht dargestelltes Kommunikationsmodul zum Datenaustausch mit der Erfassungseinheit 11.
Bezugszeichenliste

1: Grundgestell
2: Karussell
3: Schwinge
4: Arm
5: Hand
6: Befestigungselement
7: C-Bogen
8: Röntgendetektor
9: Röntgenquelle
10: Verbindungsleitung
11: Erfassungseinheit
12: Beschleunigungssensor
13: Steuereinheit
100: Initialisierungsphase
101: Testphase
102: Ausgabe Fehlersignal
A1: Erste Beschleunigungswerte
A2: Zweite Beschleunigungswerte
E: Fehlersignal
T: Toleranzbereich

Claims

Verfahren zur Überwachung von motorisch bewegbaren Anlageteilen (7), gekennzeichnet durch: – Ermitteln (100) von ersten Beschleunigungswerten (A1) mindestens eines Anlageteils (7) bei mindestens einem kodierten vorgebbaren Bewegungsablauf der Anlageteile (7) zu einem ersten Zeitpunkt, – Ermitteln (101) von zweiten Beschleunigungswerten (A2) des Anlageteils (7) bei dem mindestens einen vorgebbaren und kodierten Bewegungsablauf der Anlageteile (7) zu einem zweiten Zeitpunkt und – Ausgeben (102) eines Fehlersignals (E), wenn eine vorgebbare Anzahl von zweiten Beschleunigungswerten (A2) außerhalb eines vorgebbaren Toleranzbereichs (T) der ersten Beschleunigungswerte (A1) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Toleranzbereich (T) aus einer Vielzahl der ersten Beschleunigungswerte (A1) ermittelt wird, die durch wiederholten Ablauf des Bewegungsablaufes gewonnen wurden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Toleranzbereich (T) durch die maximalen und minimalen ersten Beschleunigungswerte gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Beschleunigungswerte (A1, A2) lineare Beschleunigungen und/oder Winkelbeschleunigungen umfassen und/oder sowohl zeitlich statische Lagewerte als auch dynamische Beschleunigungswerte umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Beschleunigungswerte (A1, A2) an mehreren Anlageteilen (7) gleichzeitig ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Ermittlung (100, 101) der ersten und zweiten Beschleunigungswerte (A1, A2) zusätzliche Anlagenparameter erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Anlagenparameter Motorströme und/oder Drehgebersignale umfassen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Bewegungsabläufe je nach Art des Bewegungsablaufes entsprechend kodiert sind.
Anordnung zur Überwachung von motorisch bewegbaren Anlageteilen (7), gekennzeichnet durch: – mindestens einen an einem Anlageteil (7) angeordneten Beschleunigungssensor (12), der erste Beschleunigungswerte (A1) zu einem ersten Zeitpunkt und zweite Beschleunigungswerte (A2) zu einem zweiten Zeitpunkt ermittelt, und – eine Erfassungseinheit (11), die mit dem Beschleunigungssensor (12) Daten austauscht und die ein Fehlersignal (E) abgibt, wenn eine vorgebbare Anzahl von zweiten Beschleunigungswerten (A2) außerhalb eines vorgebbaren Toleranzbereichs (T) der ersten Beschleunigungswerte (A1) liegt.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (11) oder daran angeschlossene Einheiten den Toleranzbereich (T) ermitteln, wobei die hierzu verwendeten Daten aus einer Vielzahl der ersten Beschleunigungswerte (A1) bestehen, die durch wiederholten Ablauf des Bewegungsablaufes gewonnen wurden und je nach Art des Bewegungsablaufes codiert sind.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (11) den Toleranzbereich (T) durch die maximalen und minimalen ersten Beschleunigungswerte bildet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Beschleunigungswerte (A1, A2) lineare Beschleunigungen und/oder Winkelbeschleunigungen umfassen und/oder sowohl zeitlich statische Lagewerte als auch dynamische Beschleunigungswerte umfassen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungssensoren (12) an unterschiedlichen Anlageteilen (7) angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (12) eine Datenerfassungseinheit, eine Auswerteeinheit und eine Kommunikationseinheit umfasst, die die Daten mit der Erfassungseinheit (11) austauscht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch: – eine Steuereinheit (13), die die Bewegung der Anlageteile (7) steuert und die mit der Erfassungseinheit (11) elektrisch oder elektromagnetisch verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen Röntgen-C-Bogen (7) umfasst.