DE102019005195A1

DE102019005195A1 - Anomalienüberwachungsvorrichtung, anomalienüberwachungsverfahren und steuervorrichtung

Info

Publication number: DE102019005195A1
Application number: DE102019005195.5A
Authority: DE
Inventors: Keitarou INAGAKI; Kazunori Iijima; Kazuhiro Satou
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-08-03
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2020-02-06
Also published as: US11536627B2; CN110793792B; JP2020022329A; US20200041381A1; JP6856585B2; CN110793792A

Abstract

Es wird eine Anomalienüberwachungsvorrichtung 110 bereitgestellt, die zur Verringerung der Größe einer montierten Vorrichtung geeignet ist, eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit ermöglicht und eine hohe Genauigkeit bei der Erfassung einer Anomalie erzielt. Die Anomalienüberwachungsvorrichtung 110 umfasst: mindestens ein Filter 111, das Zustandsinformationen, die den Antrieb eines Mechanismus 30 einer Industriemaschine betreffen, bei der ein Motor verwendet wird, als Signal mit mindestens einem Frequenzband extrahiert; eine Integriervorrichtung 112, die einen Ausgang des Filters 111 auf jedem Frequenzband integriert; und eine Anomalienerfassungseinheit 114, die anhand eines von der Integriervorrichtung 112 integrierten integrierten Werts eine Anomalie erfasst. Die Zustandsinformationen können Steuerinformationen der Steuerung 10, die den Motor 20 steuert, oder Erfassungsinformationen von mindestens einem Detektor 40 sein, der an dem Mechanismus 30 angebracht ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anomalienüberwachungsvorrichtung, ein Anomalienüberwachungsverfahren und eine Steuervorrichtung.
Verwandte Technik
Eine Anomalienüberwachungsvorrichtung zur Verwendung für eine Industriemaschine ist z.B. in den Patentschriften 1 bis 3 offenbart. In Patentschrift 1 ist eine Anomaliendiagnosevorrichtung zur Verwendung in Maschinen und Geräten offenbart, die mit einer Komponente versehen sind, die sich in Bezug auf ein stationäres Element dreht oder gleitet. Die Anomaliendiagnosevorrichtung umfasst: eine Erfassungseinheit, die an einer rotierenden oder gleitenden Komponente oder an einem stationären Element befestigt ist und einen Vibrationssensor und einen Temperatursensor aufweist; und eine Signalverarbeitungseinheit zur Bestimmung eines Zustands der Komponente anhand eines von der Erfassungseinheit ausgegebenen Erfassungssignals. Die Signalverarbeitungseinheit umfasst: eine Vergleichs-/Sortiereinheit zum Vergleichen einer anhand eines sich aus einem Defekt an der Komponente ergebenden Drehzahlsignals berechneten Frequenzkomponente mit einer Frequenzkomponente anhand des von dem Vibrationssensor erfassten Signals tatsächlich gemessener Daten; und eine Anomalienbestimmungseinheit zur Bestimmung des Vorliegens oder Nichtvorliegens einer Anomalie der Komponente oder zur Identifikation eines beschädigten Abschnitts anhand eines Ergebnisses des Vergleichs durch die Vergleichs-/Sortiereinheit.
In Patentschrift 2 ist eine Magnetlagervorrichtung für ein mit einer Anomalienüberwachungsvorrichtung versehenes Bearbeitungswerkzeug offenbart. Die Magnetlagervorrichtung ist eine Magnetlagervorrichtung für ein Bearbeitungswerkzeug, bei dem eine Hauptwelle auf einer befestigten Seite mittels einer magnetischen Radiallagereinrichtung und einer magnetischen Axiallagereinrichtung magnetisch gelagert ist; die Hauptwelle mittels einer Motoreinrichtung drehend angetrieben wird und die Werkstückbearbeitung mittels eines Bearbeitungswerkzeugs ausgeführt wird, das an einem Endabschnitt der Hauptwelle angebracht ist; wobei die Magnetlagervorrichtung umfasst: eine Vibrationserfassungseinrichtung zur Erfassung einer Vibration der Hauptwelle; ein Frequenzkenngrößenvariablenfilter zum Extrahieren einer mit einer Drehung synchronisierten Vibrationskomponente aus einem Ausgangssignal der Vibrationserfassungseinrichtung und eine Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung eines anomalen Zustands, wenn der Pegel eines Ausgangssignals des Frequenzkenngrößenvariablenfilters einen vorgegebenen Pegel übersteigt.
In Patentschrift 3 ist eine als Anomalienüberwachungsvorrichtung dienende Werkzeugdefekterfassungsvorrichtung offenbart. Die Werkzeugdefekterfassungsvorrichtung umfasst: eine Werkzeuglasterfassungsschaltung zur Ermittlung von Informationen zu einer Schwankung einer auf ein Werkzeug aufgebrachten Last, wobei die Informationen eine Schwankung aufgrund einer Neigung eines Werkstücks in Bezug auf eine Bezugsfläche, eine Schwankung bei einer relativ niedrigen Frequenz wie eine Schwankung aufgrund einer Änderung einer Abtragtiefe, eine Schwankung bei der Erzeugung von Spänen durch eine Schneidkante, eine unvermittelte Schwankung der Leistung aufgrund eines anomalen Phänomens wie eines Defekts an einem Werkzeug und eine Schwankung bei einer relativ hohen Frequenz wie eine Schwankung aufgrund eines Widerstands eines Hauptwellenabschnitts einer mit der Drehung des Werkzeugs befassten Bearbeitungsmaschine umfassen; und eine Signalverarbeitungsschaltung zur Erfassung eines Abschnitts mit einem hohen Spitzenwert der Schwankung mit einer relativ hohen Frequenz anhand des Ausgangs der Werkzeuglasterfassungsschaltung und zur Ausgabe eines Signals, das das Auftreten einer Anomalie wie eines Werkzeugdefekts anzeigt. Darin ist auch offenbart, dass die Signalverarbeitungsschaltung umfasst: eine Mittelwertbildungsschaltung, die nur eine Schwankung bei einer relativ niedrigen Frequenz weiterleitet; eine Subtrahierschaltung, die einen Ausgang der Mittelwertbildungsschaltung von einem Ausgang der Werkzeuglasterfassungsschaltung subtrahiert; und eine Vergleichsschaltung, die einen Ausgang der Subtrahierschaltung mit einem eingestellten Bezugswert für die Erfassung eines Werkzeugdefekts vergleicht und bestimmt, ob der Ausgang der Subtrahierschaltung den eingestellten Bezugswert für die Erfassung eines Werkzeugdefekts übersteigt. Darin ist auch offenbart, dass eine Integrierschaltung zur Ermittlung eines Mittelwerts von Schwankungen bei der Erzeugung von Spänen durch die Schneidkante zwischen der Subtrahierschaltung und der Vergleichsschaltung vorgesehen sein kann.

Patentschrift 1: Druckschrift der internationalen PCT-Veröffentlichung Nr. W02006/030786
Patentschrift 2: ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. 2001-259972
Patentschrift 3: ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. S60-232853

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Wenn bei der Steuerung der Drehung eines Motors durch eine Steuervorrichtung Steuerinformationen wie ein Drehmomentbefehl oder Erfassungsinformationen von einem Vibrationssensor, der eine Vibration erfasst, die die Folge des Verschleißes eines Lagers ist, das eine Spindel hält, direkt zur Feststellung einer Anomalie an einem von einem Servomotor angetriebenen Mechanismus herangezogen werden, nimmt der Umfang einer montierten Vorrichtung zu, da ein großformatiger Speicher und eine umfangreiche Berechnungsschaltung erforderlich sind.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anomalienüberwachungsvorrichtung, ein Anomalienüberwachungsverfahren und ein Steuergerät bereitzustellen, die eine Verkleinerung einer montierten Vorrichtung ermöglichen, eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit möglich machen und eine hohe Genauigkeit bei der Erfassung einer Anomalie erzielen.

(1) Eine Anomalienüberwachungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Anomalienüberwachungsvorrichtung, die umfasst: mindestens ein Filter, das Zustandsinformationen, die den Antrieb eines Mechanismus einer Industriemaschine betreffen, bei der ein Motor verwendet wird, als Signal mit mindestens einem Frequenzband extrahiert; eine Integriervorrichtung, die einen Ausgang auf jedem Frequenzband des Filters integriert; und eine Anomalienerfassungseinheit, die anhand eines von der Integriervorrichtung integrierten integrierten Werts eine Anomalie erfasst.
(2) Bei der Anomalienüberwachungsvorrichtung gemäß (1) können die Zustandsinformationen Steuerinformationen der Steuervorrichtung sein, die den Motor steuert.
(3) Bei der Anomalienüberwachungsvorrichtung gemäß (1) können die Zustandsinformationen Erfassungsinformationen von mindestens einem Detektor sein, der an dem Mechanismus angebracht ist.
(4) Bei der Anomalienüberwachungsvorrichtung gemäß (3) kann die Anomalienerfassungseinheit einen Anomaliewert anhand des integrierten Werts und der Steuerdaten der Steuervorrichtung erfassen, die den Motor steuert.
(5) Eine Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Steuervorrichtung, die einen Motor steuert, der einen Mechanismus einer Industriemaschine antreibt, wobei die Steuervorrichtung die unter (2) beschriebene Anomalienüberwachungsvorrichtung umfasst.
(6) Ein Anomalienüberwachungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Anomalienüberwachungsverfahren, das das Extrahieren von Zustandsinformationen, die den Antrieb eines Mechanismus einer Industriemaschine betreffen, bei der ein Motor verwendet wird, als Signal mit mindestens einem Frequenzband unter Verwendung eines Filters; das Integrieren eines Ausgangs auf jedem Frequenzband des Filters unter Verwendung einer Integriervorrichtung und das Erfassen einer Anomalie anhand eines von der Integriervorrichtung integrierten integrierten Werts umfasst.

Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Größe einer montierten Vorrichtung verringert werden, es wird eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit ermöglicht, und es kann eine hohe Genauigkeit bei der Erfassung einer Anomalie erzielt werden.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Servosteuervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Anomalienüberwachungseinheit zeigt;
3 ist ein Schwingungsformdiagramm, das eine Schwingungsform fs(t) eines Drehmomentbefehls zeigt;
4 ist ein erläuterndes Diagramm, das einen Zustand zeigt, in dem ein Drehmomentbefehlswert in n Frequenzbänder unterteilt ist;
5 ist ein Kenngrößendiagramm, das jeweils integrierte Werte zu n Frequenzbändern zeigt;
6 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine Konfiguration eines Autoencoders zeigt;
7 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Arbeitsablauf der Anomalienüberwachungseinheit zeigt; und
8 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Anomalienüberwachungssystems mit einer Servosteuervorrichtung und einer Anomalienüberwachungsvorrichtung zeigt.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Servosteuervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Servosteuervorrichtung 10 steuert die Drehung eines Servomotors 20; und der Servomotor 20 ist in eine Industriemaschine eingebaut und treibt einen Mechanismus 30 der Industriemaschine an. Die Servosteuervorrichtung 10 dient als Steuervorrichtung zur Steuerung eines Motors zum Antreiben des Mechanismus der Industriemaschine. Die Industriemaschine ist eine Werkzeugmaschine, ein Industrieroboter, eine Schmiedemaschine wie eine elektrische Pressmaschine, eine Spritzgießmaschine oder dergleichen. Die Servosteuervorrichtung 10 kann zusammen mit dem Servomotor 20 in die Industriemaschine eingebaut sein.
Die Servosteuervorrichtung 10 umfasst eine Positionsbefehlserzeugungseinheit 101, eine Subtrahiervorrichtung 102, eine Positionssteuereinheit 103, eine Subtrahiervorrichtung 104, eine Geschwindigkeitssteuereinheit 105, eine Subtrahiervorrichtung 106, eine Stromsteuereinheit 107, eine Integriervorrichtung 108, eine Steuerinformationsabrufeinheit 109 und eine Anomalienüberwachungseinheit 110. Die Anomalienüberwachungseinheit 110 dient als Anomalienüberwachungsvorrichtung. Die Steuerinformationsabrufeinheit 109 und die Anomalienüberwachungseinheit 110 sind hier als Teil der Servosteuervorrichtung 10 vorgesehen, können jedoch getrennt von der Servosteuervorrichtung 10 vorgesehen sein.
Die Positionsbefehlserzeugungseinheit 101 erzeugt einen Positionsbefehlswert; und die Subtrahiervorrichtung 102 ermittelt eine Differenz zwischen dem erzeugten Positionsbefehlswert und dem zurückgemeldeten Positionserfassungswert und gibt die Differenz als Positionsfehler an die Positionssteuereinheit 103 aus.
Die Positionsbefehlserzeugungseinheit 101 erzeugt entsprechend einem Verarbeitungsprogramm zum Betreiben des Servomotors 20 einen Positionsbefehlswert. Wenn der Servomotor 300 eine Werkzeugmaschine als Industriemaschine antreibt, ist der Mechanismus 30 beispielsweise ein Koppelmechanismus zum Antreiben einer Spindel oder eines Tischs, auf dem ein Werkstück (zu bearbeitendes Element) montiert ist. Der Verbindungsmechanismus ist eine mit dem Servomotor 20 verbundene Kopplung, eine an der Kopplung befestigte Kugelrollspindel und eine auf die Kugelrollspindel geschraubte und mit dem Tisch verbundene Mutter. Die Positionsbefehlserzeugungseinheit 101 erzeugt einen Positionsbefehlswert durch derartiges Einstellen einer Vorschubgeschwindigkeit, dass die Bearbeitungsform der durch das Bearbeitungsprogramm vorgegebenen entspricht.
Die Subtrahiervorrichtung 102 ermittelt eine Differenz zwischen dem Positionsbefehlswert und dem zurückgemeldeten Positionserfassungswert und gibt die Differenz als Positionsfehler an die Positionssteuereinheit 103 aus. Die Positionssteuereinheit 103 gibt einen durch Multiplizieren des Positionsfehlers mit einer Positionsverstärkung Kp ermittelten Wert als Geschwindigkeitsbefehlswert an die Subtrahiervorrichtung 104 aus.
Die Subtrahiervorrichtung 104 ermittelt eine Differenz zwischen dem Geschwindigkeitsbefehlswert und dem zurückgemeldeten Geschwindigkeitserfassungswert und gibt die Differenz als Geschwindigkeitsfehler an die Geschwindigkeitssteuereinheit 105 aus. Die Geschwindigkeitssteuereinheit 105 addiert einen durch Multiplizieren des Geschwindigkeitsfehlers mit der Integrationsverstärkung K1v ermittelten Wert und einen durch Multiplizieren des Geschwindigkeitsfehlers mit der Proportionalverstärkung K2v ermittelten Wert und gibt die Summe als Drehmomentbefehlswert an die Subtrahiervorrichtung 106 und die Steuerinformationsabrufeinheit 109 aus.
Die Subtrahiervorrichtung 106 ermittelt eine Differenz zwischen dem Drehmomentbefehlswert und dem zurückgemeldeten Stromerfassungswert und gibt die Differenz als Stromfehler an die Stromsteuereinheit 107 aus. Die Stromsteuereinheit 107 ermittelt anhand des Stromfehlers einen Strombefehlswert, gibt den Strombefehlswert an den Servomotor 20 aus und treibt den Servomotor 20 an.
Eine Drehwinkelposition des Servomotors 20 wird von einem Drehwertgeber erfasst, der dem Servomotor 20 zugeordnet ist und als Positionserfassungseinheit dient; und der Geschwindigkeitserfassungswert wird als Geschwindigkeit-Feedback in die Subtrahiervorrichtung 104 eingegeben. Der Geschwindigkeitserfassungswert wird von der Integriervorrichtung 108 integriert, wodurch er zu einem Positionserfassungswert wird; und der Positionserfassungswert wird als Positions-Feedback in die Subtrahiervorrichtung 102 eingegeben. Der durch den Servomotor 20 fließende Stromwert wird von einem Stromsensor erfasst; und der Stromerfassungswert wird als Strom-Feedback in die Subtrahiervorrichtung 106 eingegeben. Wenn die Industriemaschine eine Werkzeugmaschine ist und der Servomotor 20 den Tisch antreibt, kann eine lineare Skala 304 am Ende einer Kugelrollspindel 3023 angebracht sein, die lineare Skala 304 kann eine Bewegungsstrecke der Kugelrollspindel 3023 erfassen, und die erfasste Strecke kann als Positions-Feedback verwendet werden.
Die Steuerinformationsabrufeinheit 109 ruft einen Drehmomentbefehl als Steuerdaten von der Subtrahiervorrichtung 106 ab und sendet den Drehmomentbefehl an die Anomalienüberwachungseinheit 110. Die Steuerinformationen dienen als eine der Zustandsinformationen, die einen Zustand aufzeigen, der den Antrieb des Mechanismus der Industriemaschine betrifft, bei der der Motor verwendet wird. Die Zustandsinformationen, die einen Zustand aufzeigen, der den Antrieb des Mechanismus der Industriemaschine betrifft, bei der der Motor verwendet wird, sind nicht auf einen Drehmomentbefehl beschränkt. So können beispielsweise Strominformationen wie ein Strombefehlswert, Positions-Feedback-Informationen wie ein Positionsfehler und dergleichen einbezogen werden. Hinsichtlich der von der Steuerinformationsabrufeinheit 109 abgerufenen Steuerinformationen können zusätzlich zu dem Drehmomentbefehl beispielsweise Strominformationen wie ein Strombefehlswert, Positions-Feedback-Informationen wie ein Positionsfehler oder dergleichen abgerufen werden. Die Anomalienüberwachungseinheit 110 bestimmt unter Verwendung des von der Subtrahiervorrichtung 106 ausgegebenen Drehmomentbefehls eine Anomalie. 2 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration der Anomalienüberwachungseinheit zeigt. Wie in 2 gezeigt, umfasst die Anomalienüberwachungseinheit 110 Filter 111-1 bis 111-n (n ist eine natürliche Zahl), Integriervorrichtungen 112-1 bis 112-n, Integralwertabrufeinheiten 113-1 bis 113-n und eine Anomalienerfassungseinheit 114.
Die Filter 111-1 bis 111-n unterteilen den eingegebenen Drehmomentbefehl in n Frequenzbänder und geben die unterteilten Drehmomentbefehle aus. 3 ist ein Schwingungsformdiagramm, das eine Schwingungsform fs(t) des (als ursprüngliches Signal dienenden) Drehmomentbefehls zeigt. 4 ist ein erläuterndes Diagramm, das einen Zustand zeigt, in dem der Drehmomentbefehlswert in n Frequenzbänder unterteilt ist. Die Ausgänge der Filter 111-1 bis 111-n werden von den Integriervorrichtungen 112-1 bis 112-n in einem vorgegebenen Intervall integriert. Die Integralwertabrufeinheiten 113-1 bis 113-n rufen die integrierten Werte von den Integriervorrichtungen 112-1 bis 112-n ab und senden die integrierten Werte an die Anomalienerfassungseinheit 114. 5 ist ein Kenngrößendiagramm, das die jeweiligen integrierten Werte (die Energie) zu den n Frequenzbändern zeigt.
Die Anomalienerfassungseinheit 114 erfasst anhand einer Differenz zwischen einer unter einer normalen Bedingung durch integrierte Werte auf n Frequenzbändern ermittelten (als Bezugskurve bezeichneten) Kurve und einer zum Zeitpunkt der Überwachung durch integrierte Werte auf n Frequenzbändern ermittelten Kurve (wie in 5 gezeigt), ob eine Anomalie vorliegt. Bei der Erfassung eines anomalen Signals gibt die Anomalienerfassungseinheit 114 ein Anomalieerfassungssignal aus.
Für die Anomalienerfassungseinheit 114 kann ein Autoencoder verwendet werden. Druckschriften, in denen ein Autoencoder offenbart ist, umfassen beispielsweise „Detection of Tool Wear Using Autoencoder“, Forschungsbericht des Industrietechnikzentrums der Präfektur Nagano, Nr. 12, S. 41-44 (2017). Wie in 6 gezeigt, umfasst der Autoencoder eine Eingangsebene, eine Zwischenebene und eine Ausgangsebene und reproduziert ein in die Eingangsebene eingegebenes Signal auf der Ausgangsebene. 6 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine Konfiguration des Autoencoders zeigt. Die Anzahl an Knotenpunkten auf der Eingangsebene entspricht der auf der Ausgangsebene, während die Anzahl der Knotenpunkte auf der Zwischenebene geringer als die auf der Eingangsebene ist. Auf der Zwischenebene wird zur Extraktion charakteristischer Punkte, die die Kenngrößen des eingegebenen Signals am geeignetsten repräsentieren, eine Dimensionskompression ausgeführt. Die Ausgangsebene führt auf der Grundlage der extrahierten Kenngrößenpunkte eine Dimensionsdekompression aus. Das Verfahren zur Dimensionskompression und - dekompression wird durch Wiederholung eines Lernens unter Verwendung der integrierten Werte auf n Frequenzbändern während des normalen Betriebs der Industriemaschine entwickelt. Die Bezugskurve unter der normalen Bedingung kann durch Lernen durch den Autoencoder zum Zeitpunkt der Lieferung der Industriemaschine ermittelt werden. Wenn Daten unter einer normalen Bedingung in den Autoencoder eingegeben werden, der gelernt hat, wird die Dekompression geeignet ausgeführt, da die charakteristischen Punkte und das Dekompressionsverfahren anpassungsfähig sind. Wenn andererseits anomale Daten eingegeben werden, die sich von normalen Daten unterscheiden, kann keine erfolgreiche Dekompression ausgeführt werden, da die charakteristischen Punkte, die im Wesentlichen extrahiert werden sollten, und das Dekompressionsverfahren ebenfalls anders sind.
Die in 6 gezeigte Gleichung für die Zwischenebene des Autoencoders ist als Gleichung 1 aufgeführt. In Gleichung 1 repräsentiert W einen Gewichtungsfaktor, und b repräsentiert eine Ausrichtung. f(x) ist eine Aktivierungsfunktion, für die die ReLU-Funktion verwendet wird. f(x) = max(0, x) ergibt den Ausgang 0, wenn der eingegebene Wert 0 oder weniger beträgt, und die unveränderte Ausgabe des Eingangs, wenn der eingegebene Wert größer als 1 ist. $a_{i} = f (\sum_{j = 1}^{n} W_{i j} x_{j} + b_{i})$
Der Autoencoder lernt unter Verwendung der Lerndaten durch Verändern des Gewichtungsfaktors W und der Ausrichtung b dergestalt, dass die Differenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang minimiert wird, wobei ein integrierter Wert (eine Energie) auf jedem der n Frequenzbänder eingegeben und ausgegeben wird.
Auf diese Weise kann durch Überwachen einer Abweichung bei der Dekompression unter Verwendung des durch Lernen unter Verwendung normaler Daten erzeugten Autoencoders eine Anomalie des Mechanismus der Industriemaschine erfasst werden. Hier wird die Anomalie mittels eines Grads der Anomalie E gemäß der Gleichung 2 erfasst. Wenn der Grad der Anomalie E einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, kann bestimmt werden, dass eine Anomalie vorliegt. Wenn die Differenz zwischen dem eingegebenen Wert und dem ausgegebenen Wert groß ist, erhält der Grad der Anomalie E einen großen Wert. In Gleichung 2 repräsentiert xi einen eingegebenen Wert, und xi' repräsentiert einen ausgegebenen Wert. $E = \sqrt{\sum_{i = 1}^{n} {(x i' - x i)}^{2}}$
Bei der Erfassung einer Anomalie der Industriemaschine kann die Anomalienüberwachungseinheit 110 anstelle eines integrierten Werts eines Drehmomentbefehls einen integrierten Wert eines Strombefehls verwenden. Ein integrierter Wert eines Drehmomentbefehls kann mit einem integrierten Wert eines Strombefehls und/oder eines als Positions-Feedback-Informationen dienenden Positionsfehlers kombiniert werden. In diesem Fall können die Steuerinformationen mit einem in einem vorgegebenen Intervall mittels einer vorgegebenen Bewertungsfunktion berechneten Bewertungswert kombiniert werden. Dies bedeutet, dass die Anomalienüberwachungseinheit 110 eine Anomalie unter Verwendung von Steuerdaten wie eines Drehmomentbefehls, eines Strombefehls oder eines Positionsfehlers der Servosteuervorrichtung 10 erfassen kann. Gemäß 1 ist ein Strombefehl ein Ausgang der Stromsteuereinheit 107; und ein Positionsfehler ist ein Ausgang der Subtrahiervorrichtung 102. Obwohl es schwierig sein kann, Normalität oder Anomalie nur mittels eines Integralwerts eines Drehmomentbefehls zu bestimmen, kann die Genauigkeit der Anomalienbestimmung durch Bestimmen einer Anomalie durch Kombinieren eines Integralwerts eines Strombefehls und/oder eines als Positions-Feedback-Informationen dienenden Positionsfehlers zusätzlich zu einem Integralwert eines Drehmomentbefehls verbessert werden, wie vorstehend beschrieben.
7 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Arbeitsablauf der Anomalienüberwachungseinheit zeigt. In Schritt S101 ruft die Anomalienüberwachungseinheit 110 einen Drehmomentbefehl als Steuerdaten ab. In Schritt S102 unterteilen die Filter 111-1 bis 111-n den Drehmomentbefehl in n Frequenzbänder.
Als nächstes führen in Schritt S103 die Integriervorrichtungen 112-1 bis 112-n in einem vorgegebenen Intervall eine Integration an jedem der n Frequenzbänder aus. Die Anomalienerfassungseinheit 114 erfasst in Schritt S104 anhand der Bezugskurve und der Kurve zum Zeitpunkt der Überwachung, ob eine Anomalie vorliegt, bestimmt in Schritt S105, ob eine Anomalie vorliegt, und gibt in Schritt S106 ein Anomalieerfassungssignal aus, wenn bestimmt wird, dass eine Anomalie vorliegt. Wenn bestimmt wird, dass keine Anomalie vorliegt, wird die Verarbeitung auf Schritt S101 zurückgesetzt.
Als nächstes wird nach der Ausgabe des Anomalieerfassungssignals in Schritt S107 bestimmt, ob die Bearbeitungsverarbeitung der Industriemaschine fortgesetzt werden sollte; wenn sie fortgesetzt wird, wird die Verarbeitung auf Schritt S101 zurückgesetzt, und wenn sie nicht fortgesetzt wird, wird der Anomalienüberwachungsvorgang beendet.
Wenn bei der Erfassung einer Anomalie der Industriemaschine unter Verwendung von Steuerinformationen eine Anomalie durch direktes Heranziehen von Steuerinformationen erfasst wird, wird der Maßstab einer zur Realisierung der Anomalienüberwachungsvorrichtung montierten Vorrichtung groß (der Maßstab von AD, Kommunikationswegband, Speicher, CPU, GPU, etc. wird groß). Wie bei der vorliegenden Ausführungsform kann durch Unterteilen der Steuerinformationen in eine vorgegebene Anzahl an Frequenzbändern und Ausführen einer Integration in einem vorgegebenen Intervall auf jedem Frequenzband die Menge an Informationen ohne eine Beeinträchtigung des Inhalts der Informationen komprimiert werden. Eine großformatiger Speicher oder umfangreiche Berechnungsschaltungen erübrigen sich, und die Vorverarbeitung wird durch kleine Substrate und Mikrocomputer realisiert; dadurch kann das gesamte System verkleinert werden und wird sehr reaktionsschnell, wobei eine hohe Genauigkeit bei der Erfassung einer Anomalie aufrechterhalten wird.
(Zweite Ausführungsform)
Bei der ersten Ausführungsform wird eine Anomalie der Industriemaschine unter Verwendung von Steuerdaten wie einem Drehmomentbefehlswert, einem Strombefehlswert oder einem Positionserfassungswert der Servosteuervorrichtung 10 erfasst. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Ausführungsform wird ein Anomalienüberwachungssystem mit einer Anomalienüberwachungsvorrichtung zur Erfassung einer Anomalie unter Verwendung von Steuerinformationen einer Servosteuervorrichtung und Erfassungsinformationen von einem Detektor beschrieben. Die Steuerinformationen und die Erfassungsinformationen dienen als Zustandsinformationen, die einen Zustand aufzeigen, der den Antrieb des Mechanismus der Industriemaschine betrifft, bei der der Motor verwendet wird.
8 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Anomalienüberwachungssystems zeigt, das eine Servosteuervorrichtung und eine Anomalienüberwachungsvorrichtung umfasst. Wie in 8 gezeigt, umfasst das Anomalienüberwachungssystem eine Servosteuervorrichtung 10A, eine Steuerinformationsabrufeinheit 109, eine als Anomalienüberwachungsvorrichtung dienende Anomalienüberwachungseinheit 110A, einen Servomotor 20, einen Mechanismus 30 einer Industriemaschine und einen Detektor 40. Obwohl die in 1 gezeigte Servosteuervorrichtung 10 die Steuerinformationsabrufeinheit 109 und die Anomalienüberwachungseinheit 110 intern umfasst, umfasst die Servosteuervorrichtung 10A gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Steuerinformationsabrufeinheit 109 und die Anomalienüberwachungseinheit 110 nicht. Die Anomalienüberwachungseinheit 110A weist die gleiche Konfiguration wie die in 2 gezeigte Anomalienüberwachungseinheit 110 auf, mit der Ausnahme, dass ein Ausgang des Detektors 40 in die Filter 111-1 bis 111-n eingegeben wird und dass zusätzlich zu dem Ausgang der Integralwertabrufeinheiten 113-1 bis 113-n von der Steuerinformationsabrufeinheit 109 Steuerinformationen wie ein Drehmomentbefehl in die Anomalienerfassungseinheit 114A eingegeben werden. Die Steuerinformationsabrufeinheit 109 kann in der Servosteuervorrichtung 10A vorgesehen sein.
Der Detektor 40 ist ein Sensor zur Beobachtung des Zustands des Mechanismus 30 oder des Servomotors 20 der Industriemaschine, beispielsweise ein Schallemissionssensor (AE-Sensor), ein Vibrationssensor oder ein Temperatursensor. Der AE-Sensor ist ein Sensor zur Erfassung einer elastischen Schwingung, die erzeugt wird, wenn eine externe Kraft auf ein Material einwirkt und dieses bricht oder wenn Reibung oder eine Kollision an einer Berührungsfläche von Materialien auftreten, und erfasst beispielsweise einen Fall, in dem ein Abtragen aufgrund eines Haftens eines Werkstücks an einer Schneidkante eines Werkzeugs instabil wird. Der Vibrationssensor erfasst eine Vibration aufgrund des Verschleißes einer Komponente, beispielsweise des Verschleißes eines Lagers, das eine Hauptwelle hält. Der Temperatursensor misst eine Temperatur in der Nähe der Hauptwelle oder des Motors und gibt sie aus.
Die von dem Detektor 40 erfassten Informationen werden in die Filter 111-1 bis 111-n eingegeben. Der Ausgang der Filter 111-1 bis 111-n wird von den Integriervorrichtungen 112-1 bis 112-n in einem vorgegebenen Intervall integriert; und die integrierten Werte werden über die Integralwertabrufeinheiten 113-1 bis 113-n in die Anomalienerfassungseinheit 114A eingegeben. Steuerdaten wie ein Drehmomentbefehlswert von der Steuerinformationsabrufeinheit 109 werden in die Anomalienerfassungseinheit 114A eingegeben. Ähnlich wie die Anomalienerfassungseinheit 114 erfasst die Anomalienerfassungseinheit 114A anhand einer Differenz zwischen der unter einer normalen Bedingung anhand der integrierten Werte auf n Frequenzbändern ermittelten (als Bezugskurve bezeichneten) Kurve und einer zum Zeitpunkt der Überwachung anhand der integrierten Werte auf n Frequenzbändern ermittelten Kurve, ob eine Anomalie vorliegt, und ermittelt ein erstes Erfassungsergebnis. Die Anomalienerfassungseinheit 114 erfasst anhand von Steuerdaten wie einem Drehmomentbefehlswert, ob eine Anomalie vorliegt, und ermittelt ein zweites Erfassungsergebnis. Wenn sowohl das erste und als auch das zweite Erfassungsergebnis anomal sind, gibt die Anomalienerfassungseinheit 114 ein Anomalieerfassungssignal aus. Der Ablauf eines Betriebs der Anomalienüberwachungseinheit stimmt mit dem Ablauf des Betriebs gemäß 7 überein, bei dem der Drehmomentbefehl durch die Erfassungsdaten des Detektors 40 ersetzt wird.
Die Überwachung auf eine Anomalie des Mechanismus der Industriemaschine kann unter Verwendung von Erfassungsinformationen (Sensorinformationen) von einem AE-Sensor, einem Vibrationssensor oder einem Temperatursensor ausgeführt werden. Wird die Anomalienüberwachung jedoch unter Verwendung nur der Daten eines Sensors ausgeführt, besteht die Möglichkeit, dass aufgrund des Einflusses eines Sensorrauschens oder dergleichen eine fehlerhafte Bestimmung auftreten kann. Die Überwachung auf eine Anomalie des Mechanismus der Industriemaschine kann auch unter Verwendung von Steuerinformationen der Steuervorrichtung (eines Drehmomentbefehls, eines Strombefehls, von Positions-Feedback-Informationen, etc.) ausgeführt werden, die relativ leicht als genaue Informationen ermittelt werden können. Obwohl beispielsweise ein Fall wie ein Anstieg des Drehmomentbefehlswerts als anomal eingestuft werden kann, kann es schwierig sein, einen Fall wie einen Anstieg der Bearbeitungslast als normal oder anomal einzustufen.
Daher kann die Genauigkeit der Anomalienbestimmung durch Abrufen von Steuerinformationen der Steuervorrichtung und die Überwachung auf eine Anomalie des Mechanismus in Kombination mit den Sensorinformationen beispielsweise von dem AE-Sensor verbessert werden. Obwohl der AE-Sensor beispielsweise auch eine Anomalie erfasst, wenn die Bearbeitungslast zunimmt, kann der AE-Sensor genau bestimmten, dass eine Anomalie (eine Kollision oder dergleichen) aufgetreten ist, die eine Deformation einer Maschine, eines Werkzeugs oder dergleichen verursacht.
Wenn bei der vorliegenden Ausführungsform Erfassungsinformationen direkt zur Bestimmung herangezogen werden, wird der Maßstab einer zur Realisierung der Anomalienbestimmungsvorrichtung montierten Vorrichtung groß. Daher kann, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, auch bei der vorliegenden Ausführungsform die Menge an Informationen durch Unterteilen der Erfassungsinformationen in eine vorgegebene Anzahl an Frequenzbändern und Ausführen einer Integration in einem vorgegebenen Intervall auf jedem Frequenzband ohne eine Beeinträchtigung des Inhalts der Informationen komprimiert werden. Wenn die Steuerinformationen und die Erfassungsinformationen kombiniert verwendet werden, wird bei einer direkten Heranziehung der Steuerinformationen für die Bestimmung der Maßstab einer zur Realisierung der Anomalienbestimmungsvorrichtung montierten Vorrichtung groß. Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform kann auch bei der vorliegenden Ausführungsform durch Unterteilen der Steuerinformationen in eine vorgegebene Anzahl an Frequenzbändern und Ausführen einer Integration in einem vorgegebenen Intervall auf jedem Frequenzband die Menge an Informationen ohne eine Beeinträchtigung des Inhalts der Informationen komprimiert werden. Wie vorstehend beschrieben, kann durch Berechnen eines Bewertungswerts für sämtliche Steuerinformationen in einem vorgegebenen Intervall unter Verwendung einer vorgegebenen Bewertungsfunktion der Bewertungswert verwendet werden. Ein großformatiger Speicher oder umfangreiche Berechnungsschaltungen erübrigen sich, und die Vorverarbeitung wird durch kleine Substrate und Mikrocomputer realisiert; daher kann das gesamte System verkleinert werden und wird sehr reaktionsschnell, wobei eine hohe Genauigkeit bei der Erfassung einer Anomalie aufrechterhalten wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Anomalie der Industriemaschine unter Verwendung der Erfassungsinformationen von dem Detektor und der Steuerinformationen der Servosteuervorrichtung 10 erfasst; eine Anomalie der Industriemaschine kann jedoch ohne die Verwendung der Steuerinformationen der Servosteuervorrichtung 10 unter Verwendung nur der Erfassungsinformationen von dem Detektor erfasst werden.
Die funktionalen Blöcke, die die Servosteuervorrichtung 10, 10A und die Anomalienüberwachungseinheit 110A umfassen, wurden vorstehend beschrieben. Zur Realisierung dieser funktionalen Blöcke umfassen sowohl die Servosteuervorrichtung 10, 10A als auch die Anomalienüberwachungseinheit 110A eine Verarbeitungseinheit wie eine Zentraleinheit (eine CPU). Sowohl die Servosteuervorrichtung 10, 10A als auch die Anomalienüberwachungseinheit 110A umfassen auch eine sekundäre Speichervorrichtung wie ein Festplattenlaufwerk (HDD), in der unterschiedliche Steuerprogramme wie Anwendungssoftware und ein Betriebssystem (OS) gespeichert sind, und eine Hauptspeichervorrichtung wie einen Direktzugriffsspeicher (RAM) zum temporären Speichern von Daten, die zum Ausführen des Programms durch die Verarbeitungseinheit erforderlich sind.
Sowohl bei der Servosteuervorrichtung 10, 10A als auch bei der Anomalienüberwachungseinheit 110A liest die Verarbeitungseinheit die Anwendungssoftware und das OS aus der sekundären Speichervorrichtung und führt entsprechend der Anwendungssoftware und dem OS Berechnungen aus, während die so gelesene Anwendungssoftware und das OS in der Hauptspeichervorrichtung bereitgestellt werden. Entsprechend einem Ergebnis der Berechnung werden unterschiedliche Typen von in jeder Vorrichtung enthaltener Hardware gesteuert. Dadurch werden die funktionalen Blöcke gemäß der vorliegenden Ausführungsform realisiert. Dies bedeutet, dass die vorliegende Ausführungsform durch das Zusammenwirken von Hardware und Software realisiert werden kann.
Da ein hoher Rechenaufwand mit dem maschinellen Lernen in Bezug auf die Anomalienüberwachungseinheit 110 und 110A einhergeht, kann beispielsweise durch die Montage von Grafikverarbeitungseinheiten (GPUs) in einem Personal Computer und die Verwendung der GPUs für Berechnungen im Zusammenhang mit dem maschinellen Lernen mittels einer als Allzweck-Berechnung auf Grafikprozessoreinheiten (GPGPU, General-Purpose Computing on Graphics Processing Units) bezeichneten Technik vorzugsweise eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung erzielt werden. Ferner kann zum Ausführen einer Verarbeitung mit höherer Geschwindigkeit unter Verwendung mehrerer Computer mit derartigen darin montierten GPUs ein Computercluster konstruiert werden, und durch die mehreren in den Computercluster einbezogenen Computer kann eine parallele Verarbeitung ausgeführt werden.
Jede in einer Servosteuereinheit und einer Vorrichtung für maschinelles Lernen der vorstehend beschriebenen Servosteuervorrichtung enthaltene Konfiguration kann durch Hardware, Software oder eine Kombination dieser realisiert werden. Ein von den jeweiligen in die vorstehend beschriebene Servosteuervorrichtung eingebundenen Komponenten gemeinsam ausgeführtes Servosteuerverfahren kann ebenfalls durch Hardware, Software oder eine Kombination dieser realisiert werden. Hier bezeichnet eine Realisierung durch Software eine Realisierung durch einen Computer, der ein Programm liest und ausführt.
Das Programm kann unter Verwendung unterschiedlicher Typen nicht flüchtiger computerlesbarer Medien gespeichert und dem Computer zugänglich gemacht werden. Die nicht flüchtigen computerlesbaren Medien umfassen unterschiedliche Typen konkreter Speichermedien. Beispiele nicht flüchtiger computerlesbarer Medien umfassen magnetische Aufzeichnungsmedien (z.B. ein Festplattenlaufwerk), magneto-optische Aufzeichnungsmedien (z.B. eine magneto-optische Platte), eine CD-ROM (einen Festspeicher), eine CD-R, eine CD-R/W, einen Halbleiterspeicher (z.B. ein Mask-ROM, ein PROM (ein programmierbares ROM), ein EPROM (ein überschreibbares PROM), ein Flash-ROM und ein RAM (einen Direktzugriffsspeicher). Die Programme können dem Computer auch mittels unterschiedlicher Typen flüchtiger computerlesbarer Medien zugänglich gemacht werden.
Obwohl die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann in Form unterschiedlicher Modifikationen implementiert werden, ohne dass vom Grundgedanken der der vorliegenden Erfindung abgewichen würde. So kann beispielsweise bei der ersten Ausführungsform die Anomalienüberwachungseinheit 110 getrennt von der Servosteuervorrichtung 1 vorgesehen sein und über ein Netzwerk mit der Servosteuervorrichtung 1 in Kommunikationsverbindung stehen. Bei der zweiten Ausführungsform kann die Anomalienüberwachungseinheit 110A über ein Netzwerk mit dem Detektor 40 und der Steuerinformationsabrufeinheit 109 in Kommunikationsverbindung stehen. Das Netzwerk kann beispielsweise eine lokales Netzwerk (Local Area Network), das innerhalb einer Fabrik besteht, das Internet, ein öffentliches Telefonnetz oder eine Kombination dieser sein. Hinsichtlich eines bestimmten Kommunikationsverfahrens innerhalb des Netzwerks und hinsichtlich einer kabelgebundenen oder drahtlosen Verbindung oder dergleichen bestehen keine besonderen Beschränkungen.
Bezugszeichenliste

10: Servosteuervorrichtung
20: Servomotor
30: Mechanismus
40: Detektor
101: Positionsbefehlserzeugungseinheit
102: Subtrahiervorrichtung
103: Positionssteuereinheit
104: Subtrahiervorrichtung
105: Geschwindigkeitssteuereinheit
106: Subtrahiervorrichtung
107: Stromsteuereinheit
108: Integriervorrichtung
109: Steuerinformationsabrufeinheit
110, 110a: Anomalienüberwachungseinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2001259972 [0004]
JP S60232853 [0004]

Claims

Anomalienüberwachungsvorrichtung (110), die umfasst: mindestens ein Filter (111), das Zustandsinformationen, die Antrieb eines Mechanismus (30) einer Industriemaschine betreffen, bei der ein Motor (20) verwendet wird, als Signal mit mindestens einem Frequenzband extrahiert; eine Integriervorrichtung (112), die einen Ausgang auf jedem Frequenzband des Filters integriert; und eine Anomalienerfassungseinheit (114), die anhand eines von der Integriervorrichtung integrierten integrierten Werts eine Anomalie erfasst.
Anomalienüberwachungsvorrichtung (110) nach Anspruch 1, wobei die Zustandsinformationen Steuerinformationen der Steuervorrichtung (10) sind, die den Motor (20) steuert.
Anomalienüberwachungsvorrichtung (110) nach Anspruch 1, wobei die Zustandsinformationen Erfassungsinformationen von mindestens einem Detektor (40) sind, der an dem Mechanismus (30) angebracht ist.
Anomalienüberwachungsvorrichtung (110) nach Anspruch 3, wobei die Anomalienerfassungseinheit (114) einen Anomaliewert anhand des integrierten Werts und der Steuerdaten der Steuervorrichtung (10) erfasst, die den Motor (20) steuert.
Steuervorrichtung (10), die einen Motor (20) steuert, der einen Mechanismus einer Industriemaschine antreibt, wobei die Steuervorrichtung umfasst: die Anomalienüberwachungsvorrichtung (110) nach Anspruch 2.
Anomalienüberwachungsverfahren, das umfasst: das Extrahieren von Zustandsinformationen, die den Antrieb eines Mechanismus (30) einer Industriemaschine betreffen, bei der ein Motor (20) verwendet wird, als Signal mit mindestens einem Frequenzband unter Verwendung eines Filters (111); das Integrieren eines Ausgangs auf jedem Frequenzband des Filters (111) unter Verwendung einer Integriervorrichtung (112); und das Erfassen einer Anomalie anhand eines von der Integriervorrichtung (112) integrierten integrierten Werts.