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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der zu erwartenden Lebensdauer auf Basis eines Schadensmaßes in Bezug auf eine Komponente eines mechatronischen Systems, wie insbesondere eines Roboters.
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Mechatronische Systeme bestehen aus mehreren, funktional zusammenwirkenden Komponenten und Bauteilen, wie Antriebseinheiten, Steuereinheiten und einer entsprechenden Sensorik. So weisen beispielsweise Leichtbauroboter, die aus mehreren miteinander gelenkig verbundenen und relativ zueinander beweglichen Armgliedern bestehen, Antriebseinheiten auf mit einem Motor, einem Getriebe, einer Steuerplatine und diversen Sensoren, insbesondere Drehmomentsensoren, wie diese beispielsweise in den Deutschen Patentanmeldungen Nr.
10 2016 004 787 und Nr.
10 2016 012 324 beschrieben sind. Weitere Komponenten können diverse Endeffektoren umfassen, wie Greifeinheiten, Werkzeuge usw., mit denen die Roboter mit einem Objekt im Zuge der dem Roboter gestellten und von diesem auszuführenden Aufgabe interagieren. Hinzu kommen mobile Plattformen, auf denen ein solcher Roboterarm angeordnet sein kann und mit Hilfe von diesen der Roboter im Raum, beispielsweise einer Produktionsstätte, bewegt werden kann. Die vorliegende Erfindung richtet sich vorzugsweise an derartige Leichtbauroboter, jedoch nicht ausschließlich, sondern kann allgemein in jeder mechatronischen Einheit von beliebiger Ausgestaltung und für jeden beliebigen Zweck zum Einsatz kommen.
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Um eine einwandfreie Funktion von mechatronischen Einheiten und um einen fehlerfreien Ablauf insbesondere im Umfeld von Fertigungsstätten, wie einer „Roboterstrasse“, zu gewährleisten, ist es aus wirtschaftlichen, aber auch aus sicherheitsrelevanten Überlegungen heraus, wie z.B. bei Flugzeugtriebwerken, von Vorteil, wenn Ausfälle im Betrieb rechtzeitig antizipiert werden können. Hierfür kommt bereits vermehrt die sogenannte prädiktive Instandhaltung (oder „Predictive Maintenance“) zum Einsatz, bei der es darum geht, aus historischen und gegebenenfalls in Echtzeit verfügbaren instandhaltungsrelevanten Daten, die aus Komponenten der mechatronischen Einheiten gewonnen werden, zu lernen und dadurch eine Prognose von zukünftigen Ereignissen bzw. in Bezug auf deren Wahrscheinlichkeit abgeben zu können. Ziel von derartigen, in der Regel über eine entsprechende Sensorik automatisch im Rahmen einer Ferndiagnose durchgeführten prädiktiven Instandhaltungstechniken ist es, den Zustand von in Betrieb befindlichen Maschinen zu bestimmen und aus diesen Zuständen abzuschätzen, wann bspw. eine Wartung durchgeführt werden sollte, weil ein Ausfall droht. Dieser Ansatz verspricht Kosteneinsparungen gegenüber routinemäßigen oder zeitbasierten vorbeugenden Instandhaltungsüberwachungen, da Wartungs- oder Austauschmaßnahmen nur dann ausgeführt werden, wenn dies gerechtfertigt ist. Mit anderen Worten, bei der zustandsorientierten Instandhaltung wird ein einsatzzeitdauer- und damit verschleißbedingter Verschlechterungszustand eines Gegenstands bzw. einer Maschine erfasst und/oder geschätzt und daraus ein Ausfallzeitpunkt dieses Gegenstands bzw. dieser Maschine vorhergesagt.
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Um eine entsprechende Vorhersage treffen zu können, was die Lebensdauer eines Bauteils, wie beispielweise einer Getriebewelle, betrifft, ist es gängige Praxis, die sogenannte Wöhlerkurve in Bezug auf ein solches Bauteil heranzuziehen, die aus einem Dauerschwingversuch resultiert, bei dem die Schwingfestigkeit, genauer gesagt die Zeit- und Dauerfestigkeit von Werkstoffen oder Bauteilen ermittelt wird, wobei als Belastungen nicht nur Zug und Druck, sondern auch Biegung, Torsion oder Querkraftschub in Frage kommen können. Zur Ermittlung der Wöhlerkurve werden verschiedene Versuchskörper auf verschiedenen Lasthorizonten geprüft. Jeder Wöhlerversuch läuft, bis ein definiertes Versagen durch Bruch oder Anriss der Probe infolge Materialermüdung eintritt oder eine festgelegte Anzahl von Schwingungen durch die Probe überstanden wird.
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Für jede Komponente eines mechatronischen Systems, wie beispielsweise einem Sensorflansch einer Antriebseinheit eines Roboters, aber auch für eine aus mehreren Komponenten zusammengebaute Einheit, wie der Antriebseinheit selbst, lassen sich so aus experimentellen Versuchen individuelle, komponenten- bzw. einheitsbezogene Wöhlerkurven oder Wöhlerdiagrame ermitteln. Im Betrieb werden aus dem überwachten mechatronischen System dann diejenigen Daten erfasst, die sich auf die vorab experimentell bestimmten Wöhlerkurven beziehen, um dann über empirisch basierte Schadensakkumulationsmaßnahmen ein mögliches Schadensmaß bestimmen zu können.
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Die im Rahmen der vorbeugenden Instandhaltungsüberwachung erfassten Daten werden in der Regel in einer externen, zentralen Steuerung gesammelt und ausgewertet. Geschieht dies in Echtzeit, werden kontinuierlich Daten gesammelt und anhand vorgegebener Algorithmen ausgewertet. Bei Unterbrechungen des Betriebs der so überwachten Einheiten müssen die Daten aus der übergeordneten Steuerung wieder der zu überwachenden Einheit, bspw. dem mechatronischen System, neu zugeordnet werden, was aufwändig ist.
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Leichtbauroboter, die u.a. für eine Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) gedacht sind, lassen sich heutzutage einfach und schnell programmieren, so dass diese im Laufe ihres Einsatzes, mehrere, unterschiedliche Tätigkeiten verrichten können, was mit unterschiedlichen Bewegungsabläufen, d.h. unterschiedlichen Kraft- und Drehmomentverläufen und damit Belastungsprofilen einhergeht. Die dabei generierten Daten und erfassten Parameter in Bezug auf einzelne Komponenten, die in einem solchen Roboter faktisch überwacht werden könnten, müssten von einer zentralen Steuerung stets richtig verarbeitet und zur Berechnung des Schadensmaßes richtig zugeordnet werden. Dies erfordert einen entsprechenden Rechenaufwand und eine erhöhte Speicherkapazität.
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Ausgehend davon ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, bei der mechatronische Systeme, wie insbesondere Roboter oder zumindest Komponenten und Komponenteneinheiten davon, im Rahmen einer voraussagenden Instandhaltungsstrategie auf einfache Art und Weise überwacht werden können.
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Gelöst wird diese Aufgabe in einem ersten Aspekt mit einer Vorrichtung zur Bestimmung der zu erwartenden Lebensdauer auf Basis eines Schadensmaßes in Bezug auf eine Komponente eines mechatronischen Systems, wobei die Komponente ausgebildet ist, infolge des Betriebs des mechatronischen Systems eine Zustandsänderung zu erfahren, aufweisend
- a) eine Einrichtung zur Erfassung von Werten zumindest eines Parameters, der einen Zustand der Komponente im Betrieb des mechatronischen Systems wiedergibt,
- b) einen nicht-flüchtigen Speicher, der der Komponente zugeordnet ist,
- c) eine Bewertungseinheit, die ausgebildet ist,
- - die Einrichtung zu steuern, um im Betrieb des mechatronischen Systems die Werte des Parameters kontinuierlich oder nach vorgegebenen Zeitabtastregeln zu erfassen,
- - unter Berücksichtigung zumindest einer vorgegebenen Funktion in Bezug auf den Parameter ein aktuelles Schadensmaß aus den erfassten Werten des Parameters zu bestimmen, und
- - das bestimmte aktuelle Schadensmaß in dem nicht-flüchtigen Speicher abzulegen.
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Unter einer Zustandsänderung, die die Komponente im Zuge des Betriebs des zu überwachenden mechatronischen Systems erfahren soll, kann jegliche physikalisch basierte Änderung verstanden werden. So sind im Sinne der Erfindung davon beispielsweise umfasst Umdrehungen bzw. Überrollungen eines Motors oder Getriebes, Winkelstellungen von Antriebs- und/oder Abtriebselementen, Drehmomente an einem drehmomenterfassenden Glied, Temperaturverläufe an einer elektronischen Steuereinheit, Frequenzverläufe von vibrationsbedingten Schwingungen, Motorstromverläufe, ausgeübte Greiferkräfte, Häufigkeit und/oder Richtungen von durchgeführten Bewegungen usw.. Mit anderen Worten, eine Zustandsänderung der Komponente ist von einer solchen Natur, die das Erfassen eines physikalischen Parameters grundsätzlich zulässt.
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Indem das bestimmte aktuelle Schadensmaß in einem nicht-flüchtigen Speicher abgelegt wird, der der konkret überwachten Komponente funktional zugeordnet ist, kann dieses aktuelle Schadensmaß jederzeit, insbesondere bei einem Neustart des mechatronischen Systems, und zwar insbesondere unabhängig von der Art der danach beim Neustart durch das System durchzuführenden Tätigkeit, der Steuerung, insbesondere der Bewertungseinheit, wieder zur Verfügung gestellt werden. Dies hat den Vorteil, dass das vorab akkumulierte und abgespeicherte Schadensmaß von der Steuerung wieder herangezogen werden kann, um das Schadensmaß fortlaufend im weiteren Betrieb aufzusummieren. Mit anderen Worten, das aus dem nicht-flüchtigen Speicher wieder ausgelesene aufsummierte Schadensmaß dient gemäß der Erfindung als Basis bzw.
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Berechnungsgrundlage für das weitere Akkumulieren des Schadensmaßes im anschließenden Betrieb. Hierdurch vereinfacht sich die Berechnung, es wird weniger Rechenleistung benötigt und die Sicherheit der prädiktiven Überwachungsstrategie erhöht.
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Gemäß der Erfindung ist die vorgegebene Funktion experimentell in Bezug auf die Komponente vorab festgelegt worden. Dies kann, wie vorhergehend erwähnt, mittels Wöhlerversuchen erfolgt sein, d.h. die vorgegebene Funktion basiert auf bzw. ergibt sich aus den bauteilbezogenen Wöhlerkurven. Grundsätzlich können mehrere vorgegebene Funktionen zur Anwendung kommen. Eine vorgegebene Funktion ist in der Regel auf die Art des physikalischen Parameters abgestimmt, der zur Bestimmung des Schadensmaßes herangezogen werden soll. Werden mehrere, ggfs. unterschiedliche Parameter unter Umständen gleichzeitig überwacht, können sich die vorgegebenen Funktionen in entsprechender Weise unterscheiden.
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Vorteilhaft kann dies im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen bei der aus der genannten Deutschen Patentanmeldung Nr.
10 2016 004 787 bekannten Antriebseinheit für ein Robotergelenk eines Leichtbauroboters, die einen Sensorflansch als Drehmomentsensor zur Bestimmung der in der Antriebseinheit im Betrieb des Roboters auftretenden Drehmomente aufweist, wie dieser beispielsweise aus der genannten Deutschen Patentanmeldung Nr.
10 2016 012 324 bekannt ist und in die Antriebseinheit integriert ist, wie dies wiederum beispielsweise in der nicht veröffentlichten Deutschen Patentanmeldung Nr.
10 2019 000 299.7 der Anmelderin beschrieben ist. Auf den Offenbarungsgehalt aller vorgenannten Patentanmeldungen soll im Rahmen dieser Erfindung ausdrücklich Bezug genommen werden.
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Der Sensorflansch als Komponente der Antriebseinheit als das mechatronische System, oder auch die Antriebseinheit mit dem integrierten Sensorflansch als eine Komponenteneinheit des Roboters sozusagen als ein übergeordnetes mechatronisches System können folglich gemäß der Erfindung überwacht werden, wobei der hier in Frage kommende Parameter das auftretende Drehmoment bzw. die auftretenden Drehmomentverläufe sind. Genau genommen handelt es sich hierbei um die Drehmomentamplituden und die sich daraus ergebenden Drehmomentmittelwerte, die für eine weitere Berechnung gemäß den in der Bewertungseinheit hinterlegten Algorithmen, ggfs. in Verbindung mit einer Filterung, herangezogen werden.
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Entweder für einen solchen Sensorflansch als eine Einzelkomponente oder für eine solche Antriebseinheit mit Sensorflansch als ein Modul wurde vorab durch entsprechend konfigurierte Wöhlerversuche zumindest eine vorgegebene Funktion experimentell bestimmt, die erst ein Aufsummieren des Schadensmaßes im Betrieb gestattet. Diese Funktion resultiert im vorliegenden Fall in Bezug auf die Erfassung der Drehmomente aus den hieraus resultierenden Wöhlerkurven, aus denen sich der empirische Zusammenhang von Belastungsamplituden bzw. -profilen und dem möglichen Schadensmaß ergibt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung erfolgt dann die Bestimmung eines aktuellen Schadensmaßes auf Basis von zumindest einem vorgegebenen empirischen Schätzverfahren. Denkbar im Rahmen der Erfindung ist für ein derartiges Schätzverfahren z.B. die vorzugsweise zum Einsatz kommende Rainflow-Analyse, mit der sich Wöhlerlinienverläufe in an sich bekannter Weise iterativ bestimmen lassen. Andere bekannte mathematische Schätzverfahren können jedoch ebenso zum Einsatz kommen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll die Bewertungseinheit so ausgebildet sein, dass beim Ausschalten des mechatronischen Systems das zuletzt bestimmte aktuelle Schadensmaß dem nicht-flüchtigen Speicher übergeben und dort gespeichert wird. Des Weiteren kann die Bewertungseinheit ausgebildet sein, bei jedem Start des mechatronischen Systems das in dem nicht-flüchtigen Speicher abgelegte zuletzt bestimmte aktuelle Schadensmaß abzufragen, und kann darüber hinaus ausgebildet sein, ein weiteres aktuelles Schadensmaß auf Grundlage des abgefragten zuletzt bestimmten aktuellen Schadensmaßes zu bestimmen.
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Vorzugsweise ist dieser nicht-flüchtige Speicher im Roboter selbst, bspw. in der Elektronik der Antriebseinheit der ersten Achse zwischen dem ersten und dem zweiten Armglied vorgesehen, kann jedoch in der Steuerelektronik, die meistens in der Form von gedruckten Leiterplatinen vorliegt, einer jeden Antriebseinheit oder auch als eigenständig im Roboter angeordnete Speichereinheit vorgesehen sein.
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Aktuelle Schadensmaße, die aus Daten bzw. Parametern, die in Bezug auf jede Antriebseinheit erfasst werden, durch das erfindungsgemäße Verfahren aufsummiert werden, können in einem nicht-flüchtigen Speicher, der dieser Antriebseinheit individuell zugeordnet ist, abgelegt werden. Dies hat den Vorteil, dass Antriebseinheiten, die aus dem Roboter aus irgendwelchen Gründen ausgebaut werden müssen, bspw. für einen Einbau in einem weiteren, baugleichen Roboterarm, ihre Lebensdauerdaten sozusagen mitnehmen können, so dass eine Mastersteuerung des neuen Roboterarms das zuletzt vorhandene Schadensmaß aufnehmen und als Grundlage für die im Betrieb dann durchzuführenden weiteren Aufsummierungsschritte heranziehen kann.
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Vorzugsweise soll jedoch nur ein einziger nicht-flüchtiger Speicher pro mechatronischem System zur Anwendung kommen. Dies hat den Vorteil, dass sich die Mastersteuerung und das mechatronische System getrennt voneinander beliebig austauschen lassen. Mit anderen Worten dient die Mastersteuerung nur als Recheneinheit in Bezug auf die Laufzeit bzw. Lebensdauer des mechatronischen Systems, während dieses selbst die hierfür relevanten Daten, nämlich das jeweils aktuelle Schadensmaß durch den implementierten nicht-flüchtigen Speicher bei sich trägt. Dadurch wird es möglich, ein mechatronisches System, wie einen Roboter, auch jederzeit aus der Ferne, beispielsweise über ein entsprechend ausgestaltetes Netzwerk, zu steuern, ohne dass die Daten für das aktuelle Schadensmaß über dieses Netzwerk übermittelt werden müssen. In Bezug auf das Schadensmaß ist das mechatronische System quasi autark.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die Bewertungseinheit ausgebildet ist, das bestimmte aktuelle Schadensmaß zu vorgegebenen Zeitpunkten während dem Betrieb des mechatronischen Systems dem nicht-flüchtigen Speicher zu übergeben.
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D.h., während der Laufzeit des mechatronischen Systems kann ein zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. Zeitintervall vorliegendes aktuelles Schadensmaß, sozusagen als eine Art Sicherungskopie, in dem nicht-flüchtigen Speicher abgelegt werden. Kommt es beispielsweise infolge eines Stromausfalls zu einem Stillsetzen des mechatronischen Systems, gehen daher maximal nur die Daten bis zu der Erstellung der letzten Sicherungskopie verloren.
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Wie bereits erwähnt, werden die letzten aktuellen akkumulierten Schadensmaße in Bezug auf die überwachten Komponenten bzw. Bauteile von dem jeweiligen nicht-flüchtigen Speicher ausgelesen und der Mastersteuerung zur Verfügung gestellt. Bei einem Roboterarm kann dies für jedes einzelne Gelenk durchgeführt werden, beispielsweise für die jeweiligen Drehmomentsensoren eines jeden Gelenks.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist des Weiteren ausgebildet, das mechatronische System stillzusetzen und/oder eine Information an einen Benutzer zu generieren, wenn das bestimmte aktuelle Schadensmaß einen vorgegebenen Grenzwert erreicht hat oder wenn zu erwarten ist, dass das bestimmte aktuelle Schadensmaß im laufenden Betrieb des mechatronischen Systems einen vorgegebenen Grenzwert erreichen wird.
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Nimmt man den bevorzugten Anwendungsfall für einen Roboterarm, so wird dieser folglich dann abgeschaltet, wenn nach einem ausreichend großen Schadensmaß, was sich durch vorab definierte Grenzwerte aus den Ergebnissen bspw. der Wöhlerversuche bestimmen lässt, eine mechanische Stabilität bspw. von Getriebe oder Drehmomentsensor nicht mehr gewährleistet werden kann. Bevor es zu einem irreparablen Schaden kommen kann, z.B. einem Brechen eines Bauteils zwischen Antriebseite und Abtriebsseite, was in einem Betrieb des Roboters im Rahmen einer MRK auch Menschen gefährden könnte, wird das System insgesamt angehalten und lässt sich auch nicht mehr starten.
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Bei einem Roboter lässt sich die Überwachung im Rahmen der Aufsummierung des aktuellen Schadensmaßes auch heranziehen, um einem Benutzer mitzuteilen, dass die für eine vom Roboter auszuführende Tätigkeit vorgesehene programmierte Trajektorie, die der Effektor hierfür abfährt, bzw. die dabei auftretende Belastung (Kraft- oder Drehmomentverlauf) nicht optimal ist und entsprechend angepasst werden sollte. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet daher auch Möglichkeiten in Bezug auf eine Früherkennung von Fehlfunktionen, was eine eigenständige erfinderische Bedeutung besitzt.
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Vorzugsweise ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung ausgebildet, dass die Einrichtung zur Erfassung von Werten des zumindest einen Parameters ein Sensor des mechatronischen Systems ist, der in Bezug auf die Komponente ausgestaltet ist. Mit anderen Worten, der Sensor ist Bestandteil des mechatronischen Systems, wie bspw. der bereits erwähnte Sensorflansch der Antriebseinheit bei einem Roboter.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann jedoch auch derart ausgestaltet sein, dass die Einrichtung zur Erfassung von Werten des zumindest einen Parameters eine Steuerung einer Bewegung des mechatronischen Systems und/oder eine Steuerung einer Kraftapplikation durch das mechatronische System ist.
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Beispielsweise bei Robotern werden die auszuführenden Tätigkeiten und hierfür abzufahrenden Trajektorien vorab programmiert. Die Steuerung des Roboters kennt folglich die auszuübenden Drehmomente und/oder die durch den Roboter oder seinen Effektor auszuführenden Kräfte, die dann im Betrieb ebenfalls entsprechend ausgelesen und, ggfs. zusätzlich zu den über Sensoren erfassten Werten, zur Akkumulierung des Schadensmaßes herangezogen werden können.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem mechatronischen System, das die Vorrichtung gemäß der Erfindung implementiert hat, um einen Manipulator eines Roboters jeglicher Ausgestaltung, einen Effektor eines Manipulators eines Roboters, einen Greifmechanismus eines Manipulators eines Roboters oder eine mobile Plattform, die zumindest einen Manipulator eines Roboters aufweist, wobei es sich bei dem Roboter vorzugsweise um einen mehrachsigen, nachgiebig geregelten Roboterarm der Leichtbauweise mit 7 Freiheitsgraden handelt.
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Die Erfindung richtet sich schwerpunktmäßig, jedoch nicht ausschließlich, an einen solchen Roboter mit einem Manipulator, der aus mehreren Armgliedern besteht, die jeweils über einen Gelenkmechanismus miteinander antreibend verbunden sind, und der eine Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehend geschilderten Ausgestaltungen aufweist.
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Der Gelenkmechanismus des Roboters kann zumindest einen Drehmomentsensor aufweisen und die Vorrichtung ist in diesem Zusammenhang eingerichtet, das aktuelle Schadensmaß in Bezug auf die auftretenden Drehmomentamplituden zu bestimmen.
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Des Weiteren kann der Gelenkmechanismus des Roboters einen Antriebsmotor und ein Getriebe aufweisen und die Vorrichtung ist in diesem Zusammenhang eingerichtet, das aktuelle Schadensmaß in Bezug auf die auftretenden Motor- und/oder Getriebeumdrehungen zu bestimmen.
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Der Gelenkmechanismus des Roboters kann eine elektronische Steuerung aufweisen und die Vorrichtung ist in diesem Zusammenhang eingerichtet, das aktuelle Schadensmaß in Bezug auf die auftretenden Temperaturen zu bestimmen.
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In einem solchen Roboter kann der nicht-flüchtige Speicher in dem Manipulator und/oder in einer elektronischen Steuerung eines Gelenkmechanismus angeordnet sein.
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Des Weiteren kann in einem solchen Roboter die Bewertungseinheit in dem Manipulator oder in einer Steuerung, vorzugsweise außerhalb des Manipulators befindlichen Mastersteuerung, angeordnet sein.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der zu erwartenden Lebensdauer auf Basis eines Schadensmaßes in Bezug auf eine Komponente eines mechatronischen Systems, wobei die Komponente ausgebildet ist, infolge des Betriebs des mechatronischen Systems eine Zustandsänderung zu erfahren, aufweisend
- a) Erfassen von Werten zumindest eines Parameters, der einen Zustand der Komponente im Betrieb des mechatronischen Systems wiedergibt,
- b) Bestimmen eines aktuellen Schadensmaßes aus den erfassten Werten des Parameters unter Berücksichtigung zumindest einer vorgegebenen Funktion in Bezug auf den Parameter;
- c) Ablegen des bestimmten aktuellen Schadensmaßes in einem nicht-flüchtigen Speicher, der der Komponente zugeordnet ist.
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Hierbei kann es vorgesehen sein, dass die Werte des Parameters im Betrieb des mechatronischen Systems kontinuierlich oder nach vorgegebenen Zeitabtastregeln erfasst werden.
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Des Weiteren kann es vorgesehen sein, dass die vorgegebene Funktion experimentell in Bezug auf die Komponente vorab festgelegt ist, wie vorhergehend beispielsweise im Zusammenhang mit einer Ausführung in Bezug auf die Wöhlerkurven bereits erläutert wurde.
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Die Bestimmung eines aktuellen Schadensmaßes kann auf Basis von zumindest einem vorgegebenen empirischen Schätzverfahren erfolgen, wie vorhergehend beispielsweise im Zusammenhang mit einer Ausführung in Bezug auf die Rainflow-Analyse bereits erläutert wurde.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung kann dieses den Schritt aufweisen:
- - Ablegen des bestimmten aktuellen Schadensmaßes in dem nicht-flüchtigen Speicher beim Ausschalten des mechatronischen Systems.
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Darüber hinaus kann das Verfahren die Schritte aufweisen:
- - Auslesen des in dem nicht-flüchtigen Speicher abgelegten zuletzt bestimmten aktuellen Schadensmaßes bei jedem Start des mechatronischen Systems, sowie
- - Bestimmen eines weiteren aktuellen Schadensmaßes auf Grundlage des abgefragten zuletzt bestimmten aktuellen Schadensmaßes.
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Für eine permanente Backup-Kontrolle kann es auch vorgesehen sein, das bestimmte aktuelle Schadensmaß in dem nicht-flüchtigen Speicher zu vorgegebenen Zeitpunkten während dem Betrieb des mechatronischen Systems abzulegen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich weiter durch den Schritt aus:
- - Stillsetzen des mechatronischen Systems oder Generieren einer Information an einen Benutzer, wenn das bestimmte aktuelle Schadensmaß einen vorgegebenen Grenzwert erreicht hat oder wenn zu erwarten ist, dass das bestimmte aktuelle Schadensmaß im laufenden Betrieb des mechatronischen Systems einen vorgegebenen Grenzwert erreichen wird.
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In diesem Zusammenhang betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Computersystem mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass ein Verfahren nach einem der vorhergehend geschilderten Ausführungsformen auf der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden kann, sowie ein digitales Speichermedium mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen, wobei die Steuersignale so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass ein Verfahren nach einem der vorhergehend geschilderten Ausführungsformen ausgeführt werden kann, ebenso wie ein Computer-Programm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehend geschilderten Ausführungsformen, wenn der Programmcode auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird, und schließlich auch ein Computer-Programm mit Programmcodes zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehend geschilderten Ausführungsformen, wenn das Programm auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung abläuft.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen
- 1 schematisch einen Roboter als ein mechatronisches System gemäß der Erfindung;
- 2 ein Ablaufdiagramm in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren; und
- 3 ein weiteres Ablaufdiagramm in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren.
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In der 1 ist exemplarisch ein mechatronisches System in der Form eines Roboters R gezeigt, der einen mehrachsigen Manipulator aufweist, dessen Achsen durch Antriebseinheiten gelenkig miteinander verbunden sind.
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Der Roboter R ist mit einer externen Mastersteuerung C verknüpft, die eine Bewertungseinheit A aufweist, die als ein entsprechendes Softwaremodul implementiert sein kann. In der Bewertungseinheit A ist gemäß der Erfindung zumindest eine vorgegebene Funktion hinterlegt, die eine Bestimmung eines aktuellen Schadensmaßes gestattet, das in Bezug auf eine Komponente K des Roboters R, hier der Antriebseinheit und hier insbesondere eines Drehmomentsensors der Antriebseinheit, über entsprechende Algorithmen errechnet werden kann. Die vorgegebenen Funktionen und damit zusammenhängenden Algorithmen stützen sich auf Wöhlerkurven, die in Bezug auf den Typ des zum Einsatz kommenden Drehmomentsensors K vorab experimentell ermittelt wurden.
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Die Bewertungseinheit A ist gemäß der Erfindung ausgebildet, dass sie aus kontinuierlich oder in Zeitintervallen vom Drehmomentsensor K abgefragten Drehmomentamplituden über in der Bewertungseinheit A bzw. der Software implementierte empirische Schätzverfahren, wie vorzugweise einer Rainflow-Analyse, ein jeweiliges aktuelles Schadensmaß aufsummiert.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass dieses jeweilige, so bestimmte aktuelle Schadensmaß in zumindest einen nicht-flüchtigen Speicher M des Roboters R gelesen wird, der dem Drehmomentsensor als der überwachten Komponente K des mechatronischen Systems zugeordnet ist. Gemäß der Erfindung ist dieser nicht-flüchtige Speicher M im Roboter R selbst angeordnet, beispielsweise auf einer Steuerplatine einer Antriebseinheit eines ersten Gelenks des Manipulators, also von der Mastersteuerung C und damit auch der Bewertungseinheit A faktisch räumlich getrennt.
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Die geschilderte Vorgehensweise ist nochmals im Ablaufdiagramm der 2 veranschaulicht.
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In einem ersten Schritt S1 des erfindungsgemäßen Verfahrens werden von dem Drehmomentsensor laufend Werte in Bezug auf die Drehmomente bzw. auf deren Amplituden erfasst. Ausgehend von zumindest einer vorgegebenen Funktion F in Bezug auf die Drehmomente, sprich aus entsprechenden komponentenspezifischen Wöhlerkurven, wird in einem anschließenden Schritt S2 auf der Grundlage von empirischen Schätzverfahren E, wie der Rainflow-Analyse, das aktuelle Schadensmaß aufsummiert bzw. bestimmt. In einem anschließenden Schritt S3 werden diese akkumulierten Schadensmaße jeweils in dem nicht-flüchtigen Speicher M des Roboters R abgespeichert.
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Der erfindungsgemäße Aufbau, wonach sich der nicht-flüchtige Speicher M im Roboter R selbst befindet, gestattet es in vorteilhafter Weise gemäß der Erfindung, dass ein akkumuliertes Schadensmaß immer in Bezug auf die Komponente K, im vorliegenden Fall auf den Drehmomentsensor, vorliegt und mit dieser unmittelbar verknüpft ist.
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Wie das Ablaufdiagramm der 3 veranschaulicht, wird bei einem Start (Schritt S4) des Roboters R ein in dem nicht-flüchtigen Speicher M bei Ende des vorherigen Betriebs abgespeichertes aufakkumuliertes Schadensmaß von diesem in die Mastersteuerung C bzw. in die Bewertungseinheit A geladen (Schritt S5).
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Im laufenden Betrieb des Roboters R wird über die erwähnten empirischen Schätzverfahren das Schadensmaß zur jeweiligen Laufzeit des anhaltenden, aktuell durchgeführten Betriebs kontinuierlich angepasst (Schritt S6).
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Wird der Roboter R angehalten, wird in einem weiteren Schritt S7 das dann, sozusagen aktualisierte Schadensmaß, in den nicht-flüchtigen Speicher M, geschrieben, so dass es dann nach einem Neustart des Roboters R wieder als Grundlage für eine weitere Berechnung herangezogen werden kann (Schritt S5).
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Das geschilderte erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auf jede Komponente oder jedes Bauteil eines wie auch immer gearteten mechatronischen Systems anwenden, die bzw. das zur Bestimmung eines aktuellen Schadensmaßes im Betrieb überwacht werden soll.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016004787 [0002, 0014]
- DE 102016012324 [0002, 0014]
- DE 102019000299 [0014]
