DE112019002515T5

DE112019002515T5 - Zustands- bzw. gesundheitsmanagement eines bewegungssystems unter verwendung vorhandener servoantriebsvariablen

Info

Publication number: DE112019002515T5
Application number: DE112019002515.5T
Authority: DE
Inventors: Christopher C. Chang
Original assignee: Arcus Technology Inc
Current assignee: Arcus Technology Inc
Priority date: 2018-05-17
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2021-02-25
Also published as: KR20210040836A; US20190354077A1; JP2021524726A; CN112424714A; JP7385298B2; WO2019222542A1; US10935954B2

Abstract

Ein Bewegungssystem und Verfahren zur Verwaltung des Zustands bzw. Gesundheitszustands des Bewegungssystems verwendet ausschließlich Bewegungsvariablen, die von einem Servoantrieb des Bewegungssystems verwendet werden, um mindestens einen Gesundheitsindikationswert für das Bewegungssystem zu berechnen. Der Gesundheitsindikationswert wird verwendet, um eine Benachrichtigung für die Wartung des Bewegungssystems zu generieren.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Dieser Antrag ist berechtigt, von der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 62.672.751 zu profitieren, die am 17. Mai 2018 eingereicht wurde und durch Bezugnahme aufgenommen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein typisches Servomotor-Antriebssystem 100 ist in 1 dargestellt. Wie in 1 dargestellt, umfasst das Servomotor-Antriebssystem 100 einen Motor 102 mit einem Positionssensor 104, wie z.B. einen Encoder bzw. Codierer, einen Servoantrieb 106, der einen Mikroprozessor und einen Stromkreis (nicht dargestellt) zur Ansteuerung des Motors enthält, und einen Master-Controller 108, der Bewegungsbefehle an den Servoantrieb ausgibt. Der Encoder 104 liefert Rückkopplungssignale an den Servoantrieb 106, um Abweichungen von der erwarteten Bewegung zu korrigieren.
Die Bewegungsbefehle werden von der Master-Steuerung 108 an den Servoantrieb 106 über einige Kommunikationsmittel, wie z.B. eine serielle oder Ethernet-Verbindung, ausgegeben. Beispiele für Bewegungsbefehle, die von der Master-Steuerung 108 an den Servoantrieb 106 gesendet werden können, sind (1) das Anfahren einer bestimmten Position, z.B. Position A, mit einer bestimmten Geschwindigkeit und Beschleunigung und (2) das Joggen bzw. Laufen mit einer bestimmten Geschwindigkeit für eine bestimmte Zeitdauer und das Anhalten.
Typischerweise ist der Motor eines Servomotor-Antriebssystems an ein Übertragungs- bzw. Getriebesystem angeschlossen, das eine Last bewegt, um gewünschte Aktionen auszuführen. Ein Beispiel für ein Getriebesystem 200, das mit dem Motor 102 des Servomotor-Antriebssystems 100 verbunden ist, ist in 2 dargestellt. In dem dargestellten Beispiel ist das Getriebesystem 200 ein Linearantrieb mit Kugelumlaufspindel, der einen beweglichen Tisch 202 auf Linearführungen 204 für eine Last und eine Spindel 206, die den beweglichen Tisch verschiebt, umfasst. Der Motor 102 ist über ein Motorkabel 208 mit dem Servoantrieb 106 verbunden, um Antriebssignale vom Servoantrieb zu empfangen. Der Encoder 104 ist über ein Encoderkabel 210 mit dem Servoantrieb 106 verbunden, um Rückkopplungssignale an den Servoantrieb zu übertragen. Der Servoantrieb 106 steht in Kommunikation mit dem Master-Controller 108, um Bewegungsbefehle vom Master-Controller zu empfangen. Das gesamte System, bestehend aus dem Servomotor-Antriebssystem und dem Getriebesystem, kann als ein Bewegungssystem betrachtet werden.
In einem Servoantrieb eines Servomotor-Antriebssystems wird ein Servoalgorithmus mit geschlossenem Regelkreis verwendet, um die gewünschten Bewegungen auszuführen. Theorie und Implementierung des Servo-Algorithmus mit geschlossenem Regelkreis sind gut bekannt und werden daher hier nicht im Detail beschrieben. 3 veranschaulicht den Servoalgorithmus mit geschlossenem Regelkreis. Wie in 3 dargestellt, werden ein Referenzeingang 302 und ein Rückkopplungssignal 304 auf einem Rückkopplungskreis 306 an einem Fehlerdetektor 308 empfangen, der als Reaktion auf die beiden Eingänge ein Fehlersignal 310 erzeugt. Der Referenzeingang 302 repräsentiert eine Ziel- oder Sollposition einer geregelten Einrichtung 316 und das Rückkopplungssignal 304 die Ist-Position der geregelten Einrichtung. Das Fehlersignal 310 stellt den Positionsfehler zwischen der Sollposition und der Ist-Position dar. Das Fehlersignal 310 wird an einem Verstärker 312 empfangen, der auf der Grundlage des empfangenen Fehlersignals einen Strom zum Antrieb eines Servomotors 314 erzeugt, um den Positionsfehler zu reduzieren. Als Reaktion darauf bewegt der Servomotor 314 das geregelte Gerät 316 entsprechend.
Da ein Bewegungssystem die Arbeit des Bewegens der Last in verschiedenen Zyklen ausführt, kommt es schließlich aus verschiedenen Gründen zu Ausfällen. Beispiele für Ausfälle sind (1) Lagerverschleiß aufgrund von Lastwechseln, (2) Reibungszunahme aufgrund von Schmiermittelverlust oder zunehmender Verschmutzung und (3) Verbindungs- bzw. Gestängebrüche aufgrund starker Stoßbewegungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Bewegungssystem und Verfahren zur Verwaltung des Zusatnds bzw. Gesundheitszustands des Bewegungssystems verwendet ausschließlich Bewegungsvariablen, die von einem Servoantrieb des Bewegungssystems verwendet werden, um mindestens einen Gesundheitsindikationswert für das Bewegungssystem zu berechnen. Der Gesundheitsindikationswert wird verwendet, um eine Benachrichtigung für die Wartung des Bewegungssystems zu generieren.
Verfahren zum Verwalten des Zustands eines Bewegungssystems mit einem Servoantrieb in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung, umfassend das Sammeln von Bewegungsvariablen, die von dem Servoantrieb verwendet werden, um einen Motor des Bewegungssystems als Reaktion auf Bewegungsbefehle anzutreiben, das Berechnen eines Zustandsindikationswertes für das Bewegungssystem ausschließlich unter Verwendung der gesammelten Bewegungsvariablen, und als Reaktion auf den Zustandsindikationswert das Erzeugen einer Meldung zur Wartung bzw. Aufrechterhaltung des Bewegungssystems.
Ein Bewegungssystem in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Motor und einem Servoantrieb, der so konfiguriert ist, dass er den Motor antreibt. Der Servoantrieb umfasst einen Speicher und mindestens einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er Bewegungsvariablen sammelt, die vom Servoantrieb verwendet werden, um den Motor des Bewegungssystems als Reaktion auf Bewegungsbefehle anzutreiben, einen Zustandsindikationswert für das Bewegungssystem ausschließlich unter Verwendung der gesammelten Bewegungsvariablen zu berechnen und als Reaktion auf den Zustandsindikationswert eine Meldung zur Wartung des Bewegungssystems zu erzeugen.
Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die als Beispiel für die Prinzipien der Erfindung dienen.
Figurenliste

1 ist ein BlockschaltFig. eines typischen Servomotor-Antriebssystems nach dem Stand der Technik.
2 ist ein BlockschaltFig. eines Getriebesystems, das nach dem Stand der Technik an einen Motor des Servomotor-Antriebssystems angeschlossen ist.
3 veranschaulicht den in einem Servoantrieb des Servomotor-Antriebssystems nach dem Stand der Technik ausgeführten Closed-Loop-Servoalgorithmus bzw. Servoalgorithmus mit geschlossenem Regelkreis.
4 ist ein Blockdiagramm eines Bewegungssystems mit Zustands- bzw. Gesundheitsmanagement-Fähigkeiten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
5 veranschaulicht ein dreidimensionales Drehmomentmodell, das vom Bewegungssystem entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.
6 veranschaulicht Abstands-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofile eines Bewegungssystems entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt ein Beispiel für eine Beschleunigungskurve, die zur Berechnung der Gesamtwirkungsmenge bzw. des Total-Impact in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann.
8 ist ein Flussdiagramm der Funktionsweise des Bewegungssystems mit Gesundheitsmanagement-Fähigkeiten in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung.
9 ist ein Prozessflussdiagramm einem Verfahren zur Verwaltung des Zustands bzw. der Gesundheit eines Bewegungssystems mit einem Servoantrieb in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf 4 wird ein Bewegungssystem 400 mit Zustands- bzw. Gesundheitsmanagement-Fähigkeiten entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Das Bewegungssystem 400 ähnelt dem in 2 dargestellten Bewegungssystem. Im Gegensatz zu einem konventionellen Bewegungssystem implementiert das Bewegungssystem 400 jedoch ein Verfahren zur Überwachung des umfassenden Echtzeit-Bewegungsgesundheitszustands des Bewegungssystems und zur Vorhersage verschiedener Arten von mechanischen Ausfällen im Bewegungssystem, so dass die präventive Wartung durchgeführt werden kann. Dieses Verfahren verwendet Bewegungsvariablen, die üblicherweise in einem geschlossenen Regelkreis-Algorithmus eines Servoantriebs verwendet werden, und erfordert keine externen Geräte oder Sensoren, wie im Folgenden ausführlich erläutert wird.
Wie in 4 dargestellt, beinhaltet das Bewegungssystem 400 eine übergeordneten Steuerung bzw. einen Master-Controller 402, einen Servoantrieb 404, einen Elektromotor 406 mit einen Positionssensor 408, z.B. einen Encoder, und ein Übertragungs- bzw. Getriebesystem 410 in Form eines Kugelrollspindel-Linearantriebs. In anderen Ausführungsformen kann das Getriebesystem 410 jedoch ein anderer Typ eines Bewegungsaktuators sein, z.B. ein Linearantrieb mit Riemenantrieb.
Der Master-Controller 402 dient zur Steuerung des Bewegungssystems 400. Bei der Master-Steuerung 402 kann es sich um ein Computersystem mit einem oder mehreren Programmen zur Steuerung des Bewegungssystems über den Servoantrieb 404 mit an den Servoantrieb übertragenen Bewegungsbefehlen handeln. Somit kann der Master Controller 402 Komponenten enthalten, die üblicherweise in einem Computer zu finden sind, wie z.B. CPU, Speicher, nichtflüchtige Speicher und Eingabegeräte, z.B. Maus und Tastatur. Der Master-Controller 402 kommuniziert mit dem Servoantrieb 404 über typische Kommunikationsmittel, wie z.B. ein USB-, serielles oder Ethernet-Kommunikationskabel 412.
Der Servoantrieb 404 steuert den Elektromotor 406, indem er Bewegungsdaten vom Encoder 408, die Position und/oder Geschwindigkeit umfassen können, über ein Encoderkabel 414 liest und den Elektromotor über ein Motorkabel 416 mit der entsprechenden Energie bzw. Leistung versorgt, um den Elektromotor anzutreiben. Um den Motor 406 mit der entsprechenden Leistung zu versorgen, führt der Servoantrieb 404 einen Servoalgorithmus mit geschlossenem Regelkreis unter Verwendung des Bewegungsbefehls vom Master-Controller 402 und der Bewegungsdaten vom Encoder 408 aus. Der Servoantrieb 404 enthält Komponenten, die üblicherweise in einem typischen Servoantrieb zu finden sind, wie z.B. Speicher, einen Prozessor, z.B. einen Mikroprozessor, und eine Leistungsschaltung zur Bereitstellung der Antriebsleistung oder des Stroms (nicht abgeFig.et).
Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Servoantrieb enthält der Servoantrieb 404 jedoch ein Modul 418 zur Überwachung des Gesundheitszustands des Bewegungssystems in Echtzeit und zur Vorhersage verschiedener Arten von mechanischen Fehlern im Bewegungssystem. Wie unten im Detail erläutert, berechnet das Modul 418 die Werte für die Zustandsanzeige bzw. -indikation, um den Zustand des Bewegungssystems 400 zu bestimmen und festzustellen, ob eine Wartung des Bewegungssystems erforderlich ist, z.B. Reparatur, Schmierung und Austausch mechanischer Teile. Das Gesundheitsmanagementmodul 418 kann in jeder beliebigen Kombination von Hardware und Software implementiert werden. In einer bestimmten Implementierung kann das Gesundheitsmanagementmodul 418 aus einer oder mehreren Software(s) bestehen, die vom Prozessor des Servoantriebs 404 ausgeführt wird bzw. werden. Das Gesundheitsmanagementmodul 418 wird nachstehend ausführlicher beschrieben.
Der Motor 406 enthält eine Welle (nicht abgeFig.et), die mit einer Spindel 420 des Kugelrollspindel-Linearantriebs 410 verbunden ist. Wenn die Motorwelle gedreht wird, bewegt die Spindel eine an einer Lastplatte 422 befestigte Last, um eine oder mehrere gewünschte Bewegungen auszuführen.
Das Gesundheitsmanagementmodul 418 im Servoantrieb 404 ist so konfiguriert, dass es das Verfahren ausführt, um den umfassenden Echtzeit-Bewegungszustand des Bewegungssystems zu überwachen und verschiedene Arten von mechanischen Fehlern im Bewegungssystem vorherzusagen. Wie oben erwähnt, verwendet dieses Verfahren Bewegungsvariablen, die üblicherweise in einem geschlossenen Regelkreis-Algorithmus eines Servoantriebs verwendet werden. Insbesondere verwendet das Verfahren Variablen, die für den Antrieb des Motors 406 verwendet werden.
Die Bewegungsvariablen, die in dem Verfahren verwendet werden, werden von zwei Haupttypen von Variablen abgeleitet, die üblicherweise in Servoantrieben verwendet werden: (1) P - Position und (2) I - Strom. Es werde beachtet, dass Geschwindigkeit (V) und Beschleunigung (A) aus der Position durch bekannte Abtastzeit Δt wie folgt abgeleitet werden können: $\begin{array}{l} V = P / Δ t \\ A = V / Δ t = P / Δ t 2 \end{array}$
Unter Verwendung der oben erwähnten vorhandenen Variablen, die in einem typischen Servoantrieb verwendet werden, können die folgenden drei Bewegungszustandsparameter aus den vorhandenen Servovariablen berechnet werden:

1. Reibungskoeffizientenwerte - Coulomb und viskos
2. Positions- und geschwindigkeitsbasiertes Drehmomentmodell
3. Gesamtwert der Wirkung bzw. des Auftreffens

Diese drei Bewegungszustandsparameter geben einen guten Hinweis auf den Gesundheitszustand des Bewegungssystems 400 und erlauben eine Vorhersage der zukünftigen Ausfälle, die am Bewegungssystem auftreten können. Wenn beispielsweise ein Anstieg des Reibungskoeffizienten festgestellt wird, kann festgestellt werden, dass die Reibung zunimmt und dass ein gewisser Verschleiß im Lager oder ein Verlust in der Schmierung vorliegt. Außerdem kann bei einer Abweichung vom normalen Drehmomentmodell festgestellt werden, dass mehr Drehmoment erforderlich ist, um die gleiche Arbeit auszuführen. Eine Zunahme der Drehmomentabweichung kann auf eine Art von Ausfall oder Verschlechterung des Systems hinweisen, so dass eine Erhöhung des Drehmoments erforderlich ist, um die gleiche Arbeit zu leisten. Ein weiteres Beispiel: Mit zunehmendem Gesamtwert des Stoßes bzw. Impacts bzw. der Gesamtwirkung nimmt die Belastung des mechanischen Systems zu und kann auf das Ende der Lebensdauer von Gestängen oder Getrieben bzw. Zahnrädern oder Riemen hinweisen.
In einer Ausführungsform ist das Gesundheitsmanagementmodul 418 so konfiguriert, dass es Reibungskoeffizientenwerte berechnet. Die Berechnung der Reibungskoeffizientenwerte basiert auf der folgenden bekannten Gleichung aus dem Bereich der Bewegungssteuerung: $T = J * A + B * w + C * (dw),$
wobei T das Drehmoment, J die Trägheit, A die Beschleunigung, B der viskose Reibungskoeffizient, w die Geschwindigkeit, C der Coulomb-Reibungskoeffizient und dw die Richtung der Geschwindigkeit ist.
In der obigen Gleichung ist das Drehmoment gleich dem Strom multipliziert mit der Drehmomentkonstante as: $T = Kt * I,$
wobei T das Drehmoment, Kt die Drehmomentkonstante und I der Antriebsstrom ist. Somit kann Gleichung 1 wie folgt ausgedrückt werden: $Kt * I = J*A + B * w + C * (dw)$
Beschleunigung ist die Veränderung der Geschwindigkeit über die Deltazeit oder die Veränderung in der Zeit. Geschwindigkeit ist die Änderung der Position über die Deltazeit. Somit können Geschwindigkeit und Beschleunigung wie folgt ausgedrückt werden: $\begin{array}{l} V = P / Δ t \\ A = V / Δ t = P / Δ t 2 \end{array}$
Somit kann Gleichung 2 wie folgt ausgedrückt werden: $Kt * I = J* (P / Δ t 2) + B * P / Δ t + C * (dw),$
In Gleichung 3 ist die Motorträgheit J bekannt. Somit sind zwei unbekannte Werte C (Coulomb-Reibungswert) und B (Viskositätskoeffizientenwert). Alle anderen Variablen in der Gleichung sind bekannt: Kt, I, P, J, Δt, und dw. Durch Entnahme vieler Probenwerte und mit Hilfe einer Regressionsanalyse können die Viskositäts- und Coulomb-Reibungskoeffizientenwerte B und C bestimmt werden. Die Viskositäts- und Coulomb-Reibungskoeffizientenwerte B und C sind zustands- bzw. gesundheitsindikative Werte für das Bewegungssystem 400.
Das Gesundheitsmanagementmodul 418 generiert auch ein dreidimensionales (3D) Drehmomentmodell. Durch das Sammeln von Sätzen von Positions-, Geschwindigkeits- und Stromwerten kann ein 3D-Drehmomentmodell generiert werden. Das Gesundheitsmanagementmodul 418 sammelt wiederholt Positions-, Geschwindigkeits- und Stromwerte im gleichen Moment, die beim Betrieb des Bewegungssystems erzeugt werden. Mit diesen Werten kann ein gutes Leistungsmodell in Bezug auf das Drehmoment für das Bewegungssystem erstellt werden. In einer Ausführungsform können für jeden 3D-Punkt (Position, Geschwindigkeit und Drehmoment) Maximal-, Minimal- und Durchschnittswerte bestimmt werden. Diese Werte können verwendet werden, um ein Maximal- und Minimal-Extremmodell für die Drehmomentwerte oder ein Durchschnittspunktmodell für die Drehmomentwerte unter Verwendung der Durchschnittswerte zu erstellen.
Ein Beispiel für ein 3D-Drehmomentmodell 500 ist in 5 dargestellt. Wie in 5 dargestellt, wird das 3D-Drehmomentmodell 500 unter Verwendung von Positions-, Geschwindigkeits- und Stromwerten erzeugt, die über einen Zeitraum gesammelt wurden, in dem das Bewegungssystem in Betrieb war. Wie in 5 dargestellt, ist das 3D-Drehmomentmodel 500 ein 3D-Modell in einem durch Geschwindigkeit, Position und Drehmoment definierten Raum.
Sobald das 3D-Drehmomentmodell erstellt ist, kann das Echtzeit-Drehmoment mit dem Modell verglichen werden, wobei minimale, maximale und/oder durchschnittliche Drehmomentwerte im Modell verwendet werden können. Drehmomentabweichungswerte werden an jeder gegebenen Position und an jedem Geschwindigkeitspunkt bestimmt. Jeder Drehmomentabweichungswert stellt den Unterschied in der Kraft bzw. Kraftmenge dar, die erforderlich ist, um die gleiche Art von Arbeit an der gegebenen Position und am gegebenen Geschwindigkeitspunkt auszuführen. Somit ist der Wert der Drehmomentabweichung ein weiterer Zustandsindikatorwert für das Bewegungssystem 400.
Das Gesundheitsmanagementmodul 418 berechnet auch einen Gesamtwirkungswert bzw. Gesamtaufprallwert (Total Impact Wert). Typische Bewegungsprofile für ein Bewegungssystem sind in 6 dargestellt, in der die Abstands-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofile dargestellt sind. Es folgt die Kraft- (oder Drehmoment in Winkelform) Gleichung in Bezug auf die Beschleunigung: $F = M * A,$
wobei F die Kraft, M die Masse und A die Beschleunigung ist.
Die Wirkung bzw. der Impact ist definiert als die Änderung der Kraft, die auf das System ausgeübt wird, und kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden: $Δ F = M * Δ A$
Die obige Gleichung definiert, dass die Änderung der Kraft proportional zur Änderung der Beschleunigung ist.
Durch die Bestimmung des Ausmaßes der Veränderung der Beschleunigung kann das Ausmaß der Wirkung bestimmt werden. Ein Beispiel für eine Beschleunigungskurve ist in 7 dargestellt, die zur Berechnung des Gesamtausmaßes der Wirkung verwendet werden kann. Das Beschleunigungsdiagramm zeigt fünf Vorkommnisse bzw. Beispiele 702, 704, 706, 708 und 710 der Beschleunigungsänderung. Im ersten Fall 702 hat sich die Beschleunigung um vier (4) von vier (4) auf null (0) verändert. Im zweiten Fall 704 hat sich die Beschleunigung um zwei (2) von Null (0) auf minus zwei (-2) verändert. Im dritten Fall 706 hat sich die Beschleunigung um zwei (2) von minus zwei (-2) auf null (0) geändert. Im vierten Fall 708 hat sich die Beschleunigung um vier (4) von null (0) auf vier (4) verändert. Im fünften Fall 710 hat sich die Beschleunigung um vier (4) von vier (4) auf null (0) geändert. Der Gesamtbetrag der Wirkung wird also wie folgt berechnet:
$Gesamtwirkung = J * (4 + 2 + 2 + 2 + 4 + 4),$
wobei J Trägheit ist (Winkelersatz für M).
Der Gesamtwert der Wirkungen wird über die Lebensdauer des Bewegungssystems 400 summiert und als Gesamtbetrag der Belastung und Beanspruchung und des Verschleißes bestimmt, die auf das Bewegungssystem einwirken. Auf diese Weise kann der kumulierte Gesamtwirkungswert zur Bestimmung der Restlebensdauer des mechanischen Systems und zur Bestimmung des Austausch- oder Wartungsplans für das Bewegungssystem verwendet werden. Somit ist der Gesamtwirkungswert ein weiterer Gesundheitsindikatorwert für das Bewegungssystem 400.
Der Betrieb des Bewegungssystems 400 mit Gesundheitsmanagement-Fähigkeiten gemäß einer Aus führungs form der Erfindung wird anhand eines Verfahrensablaufdiagramms in 8 beschrieben. Im Block 802 werden einige der Bewegungsvariablen, die im Servoantrieb 404 zum Antrieb des Motors 406 verwendet werden, vom Gesundheitsmanagementmodul 418 ausgewählt, um ein 3D-Drehmomentmodell für das Bewegungssystem 400 aufzubauen. In einer Ausführungsform können diese Bewegungsvariablen unter anderem den Strom I umfassen, der zum Antrieb des Motors 406 verwendet wird, sowie die tatsächliche Position P und Geschwindigkeit V des Motors 406 zu einem bestimmten Zeitpunkt. Die Ist-Position P und die Ist-Geschwindigkeit V werden von dem an den Motor 406 angeschlossenen Encoder 408 geliefert. Wenn die Geschwindigkeit V nicht vom Enkoder 408 geliefert wird, kann die Geschwindigkeit V aus mehreren Positionswerten P über eine Zeitspanne berechnet werden.
Als nächstes wird gemäß Block 804 der Motor 406 so angetrieben, dass er mindestens eine Bewegungssequenz ausführt, um das 3D-Drehmomentmodell aufzubauen, indem dem Motor ein geeigneter Strom I zugeführt wird. Die Bewegungssequenz kann eine oder mehrere Bewegungen umfassen, die über den Motor 406 ausgeführt werden sollen, um die Lastplatte 422 des Kugelumlaufspindel-Linearantriebs 410 zu bewegen.
Als nächstes werden im Block 806, während der Motor 406 angetrieben wird, die ausgewählten Bewegungsvariablen zum gleichen Zeitpunkt vom Gesundheitsmanagementmodul 418 für verschiedene Bewegungen gesammelt, die vom Bewegungssystem 400 ausgeführt werden. In der Ausführungsform, in der der aktuelle Strom I, die Position P und die Geschwindigkeit V ausgewählt werden, werden der aktuelle Strom I und die resultierende Position P und die Geschwindigkeit V für jede Bewegung gleichzeitig gesammelt.
Als nächstes wird im Block 808 das entsprechende Drehmoment für jeden Satz gesammelter Bewegungsvariablen durch das Gesundheitsmanagement-Modul 418 berechnet. Insbesondere wird jeder Drehmomentwert unter Verwendung der Gleichung T = Kt * I berechnet, wobei T das Drehmoment, Kt die Drehmomentkonstante und I der Antriebsstrom ist.
Als nächstes wird im Block 810 ein 3D-Drehmomentmodell für das Bewegungssystem 400 durch das Gesundheitsmanagementmodul 418 unter Verwendung der gesammelten Bewegungsvariablen und der berechneten Drehmomentwerte erstellt. In einer Ausführungsform wird das 3D-Drehmomentmodell unter Verwendung der Werte für Position P und Geschwindigkeit V und der entsprechenden Drehmomentwerte erstellt. Das 3D-Drehmomentmodell kann nun in Echtzeit verwendet werden, um den Zustand des Bewegungssystems zu erkennen.
Als nächstes wird im Block 812 der Motor angetrieben, um eine oder mehrere Bewegungen für den normalen Betrieb auszuführen. Der Motor wird angetrieben, indem dem Elektromotor als Reaktion auf einen oder mehrere Bewegungsbefehle vom Master-Controller 402 des Bewegungssystems 400 der entsprechende Strom I vom Servoantrieb 404 zugeführt wird.
Als nächstes werden im Block 814, während der Motor 406 angetrieben wird, einige der Bewegungsvariablen, die im Servoantrieb 404 zum Antrieb des Motors verwendet werden, vom Gesundheitsmanagementmodul 418 erfasst. In einer Ausführungsform können diese Bewegungsvariablen wiederum den Strom umfassen, den ich zum Antrieb des Motors 406 verwendet habe, sowie die tatsächliche Position P und Geschwindigkeit V des Motors zu einem bestimmten Zeitpunkt. Wenn die Geschwindigkeit V nicht vom Encoder 408 bereitgestellt wird, kann die Geschwindigkeit V aus mehreren Positionswerten P über einen bestimmten Zeitraum berechnet werden.
Als nächstes werden im Block 816 ein oder mehrere Reibungskoeffizienten im Bewegungssystem 400 unter Verwendung der gesammelten Bewegungsvariablen durch das Gesundheitsmanagement-Modul 418 berechnet. In einer Ausführungsform werden der Coulomb-Reibungskoeffizientenwert C und der Viskositätskoeffizientenwert B berechnet. Diese Reibungskoeffizientenwerte können mit Gleichung 3 berechnet werden, d.h,
$Kt * I = J* (P / Δ t 2) + B * P / Δ t + C * (dw),$
da alle Variablen, mit Ausnahme des Coulomb-Reibungswertes C und des Viskositätskoeffizientenwertes B, entweder bekannt sind oder aus bekannten Werten abgeleitet werden können.
Als nächstes werden im Block 818 die aktuellen Reibungskoeffizienten mit zuvor berechneten Reibungskoeffizienten durch das Gesundheitsmanagement-Modul 418 verglichen, um den Trend der Reibungskoeffizienten zu bestimmen, z.B. ob die Reibungskoeffizienten ansteigen, abfallen oder annähernd auf gleichem Niveau bleiben. Wie bereits erwähnt, kann ein Anstieg der Reibungskoeffizientenwerte auf einen gewissen Verschleiß des Lagers oder einen Verlust der Schmierung hindeuten, was einen Austausch, eine Reparatur oder Schmierung erforderlich machen kann.
Als nächstes wird im Block 820 der aktuelle Wert der Drehmomentabweichung durch das Gesundheitsmanagement-Modul 418 unter Verwendung des 3D-Drehmomentmodells und des aktuellen Drehmomentwerts berechnet. Der Wert der Drehmomentabweichung wird berechnet, indem die Differenz zwischen dem Drehmomentwert (Minimum, Maximum oder Mittelwert) aus dem 3D-Drehmomentmodell für die aktuelle Ist-Position P und Geschwindigkeit V und dem aktuellen Drehmomentwert, der unter Verwendung des entsprechenden Antriebsstroms I berechnet wurde.
Als nächstes wird im Block 822 der aktuelle Beschleunigungswert A durch das Gesundheitsmanagement-Modul 418 unter Verwendung des gesammelten Geschwindigkeitswertes V und der zuvor gesammelten Geschwindigkeitswerte berechnet. Auf diese Weise kann die Änderung der Beschleunigung über die Zeit berechnet werden.
Als nächstes wird im Block 824 der aktuelle Gesamtwirkungswert durch das Gesundheitsmanagement-Modul 418 unter Verwendung des aktuellen Beschleunigungswertes berechnet. Wenn der aktuelle Beschleunigungswert A gleich dem vorherigen Beschleunigungswert ist, dann ist der aktuelle Gesamtwirkungswert gleich dem vorherigen Gesamtwirkungswert. Wenn der aktuelle Beschleunigungswert A jedoch nicht gleich dem vorherigen Beschleunigungswert ist, wird die Größe der Differenz zum vorherigen Gesamtwirkungswert addiert, um den aktuellen Gesamtwirkungswert abzuleiten. Der Gesamtwirkungswert ist also ein akkumulierender Wert.
Als nächstes wird in Block 826 durch das Gesundheitsmanagement-Modul 418 ermittelt, ob einer oder mehrere der berechneten Reibungskoeffizienten, der aktuelle Wert der Drehmomentabweichung und der aktuelle Gesamtwirkungswert eine Wartung erforderlich machen. Ist dies nicht der Fall, wird der Vorgang in Block 812 fortgesetzt. Wenn ja, dann geht der Vorgang jedoch zu Block 828 weiter, wo eine Meldung erzeugt wird, die anzeigt, dass eine Wartung erforderlich ist. Die Meldung kann unter anderem die Notwendigkeit einer Reparatur, eines Austauschs oder einer Schmierung mechanischer Komponenten im Motorsystem 400 enthalten. Die Meldung kann dem Benutzer auf beliebige Weise angezeigt werden, z.B. auf einem Anzeigegerät, das an die Hauptsteuerung 402 angeschlossen ist. Anschließend geht der Vorgang zurück zu Block 812, um den Zustand des Motorsystems weiter zu überwachen.
Die Feststellung, ob eine Wartung des Bewegungssystems 400 erforderlich ist, kann durch Vergleich der berechneten Reibungskoeffizienten, des aktuellen Drehmoment-Differenzwertes und des aktuellen Gesamtwirkungswertes mit Schwellenwerten erfolgen, die empirisch oder theoretisch ermittelt werden können. In einer Ausführungsform können bestimmte Arten von Ausfällen durch Testen verschiedener Szenario-Fälle vorhergesagt werden. Beispielsweise kann ein Szenariofall aufgebaut werden, bei dem ein Schmierungsverlust auftritt, der eine Wartung erfordert. Um diesen Fall zu konstruieren, kann die Schmierung manuell herausgedrückt werden und beobachtet werden, wie sich das Muster der Reibungskoeffizienten und das Drehmomentmodell während des Betriebs des Bewegungssystems ändern. Sobald der Fall aufgebaut ist, können die überwachten Werte mit den beobachteten Werten verglichen werden, um festzustellen, wann die Schmierung gering ist und gewartet werden muss. Zu den Fällen, die gebaut bzw. dargestellt werden können, gehören unter anderem geringer Schmiermittelverbrauch, Riemen- oder Zahnradverschleiß, Lockerung der Baugruppe usw. Diese Fälle können gebaut und verwendet werden, um die Art von Ausfällen zu bestimmen, die für das Bewegungssystem 400 vorhergesagt werden können.
Wie oben erwähnt, werden die Überwachung der Bewegungsvariablen und verschiedene Berechnungen für Gesundheitsindikationswerte durch das Gesundheitsmanagementmodul 418 im Servoantrieb 404 ausgeführt. Es besteht also keine Notwendigkeit, Rohdaten an den Master-Controller 402 oder an eine andere Stelle, wie z.B. die Cloud, zu senden, was zu Verzögerungen und übermäßigem Datenverkehr führen kann.
In einer Ausführungsform kann das oben beschriebene Verfahren nicht nur zur Bestimmung des Gesundheitszustands eines einzelnen motorischen Systems verwendet werden, sondern auch zur Bestimmung des Gesundheitszustands einer Gruppe von Bewegungssystemen, sogar auf Anlagenebene. Somit kann das Verfahren verwendet werden, um den Gesundheitszustand und die Gesundheitstrends eines einzelnen Bewegungssystems und/oder einer Gruppe von Bewegungssystemen zu überwachen.
In einer anderen Ausführungsform kann das oben beschriebene Verfahren mit Techniken verwendet werden, die in der U.S. Patentanmeldung Seriennummer 15/865,088 mit dem Titel „MULTI-DIMENSIONAL MOTION PERFORMANCE MODELING AND REAL-TIME MONITORING OF A MOTION SYSTEM“ beschrieben sind, die hier durch Verweis aufgenommen wird.
Ein Verfahren zur Verwaltung des Zustands bzw. der Gesundheit eines Bewegungssystems mit einem Servoantrieb in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung wird anhand eines Prozessablaufdiagramms in 9 beschrieben. In Block 902 werden Bewegungsvariablen gesammelt, die vom Servoantrieb verwendet werden, um einen Motor des Bewegungssystems als Reaktion auf Bewegungsbefehle anzutreiben. In Block 904 wird ein Zustandsindikationswert für das Bewegungssystem ausschließlich unter Verwendung der gesammelten Bewegungsvariablen berechnet. In Block 906 wird als Antwort auf den Zustandsindikationswert eine Benachrichtigung für die Wartung des Bewegungssystems generiert.
Die Bestandteile der Ausführungsformen, wie sie in diesem Dokument allgemein beschrieben und in den beigefügten Figuren veranschaulicht werden, könnten in einer Vielzahl unterschiedlicher Konfigurationen angeordnet und gestaltet werden. Die folgende detailliertere Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen, wie sie in den Figuren dargestellt sind, soll daher den Umfang der vorliegenden Offenlegung nicht einschränken, sondern ist lediglich repräsentativ für verschiedene Ausführungsformen. Während die verschiedenen Aspekte der Ausführungsformen in Zeichnungen dargestellt werden, sind die Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet, es sei denn, es wird ausdrücklich darauf hingewiesen.
Die vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen verkörpert werden, ohne von ihrem Geist oder ihren wesentlichen Merkmalen abzuweichen. Die beschriebenen Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht nur zur Veranschaulichung und nicht einschränkend zu betrachten. Der Umfang der Erfindung wird daher durch die beigefügten Ansprüche und nicht durch diese detaillierte Beschreibung angegeben. Alle Änderungen, die in die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sind in ihren Anwendungsbereich einzubeziehen.
Die Bezugnahme in dieser Offenbarung auf Merkmale, Vorteile oder ähnliche Formulierungen bedeutet nicht, dass alle Merkmale und Vorteile, die mit der vorliegenden Erfindung realisiert werden können, in einer einzigen Ausführungsform der Erfindung enthalten sein sollten oder sind. Vielmehr wird unter einer Bezugnahme auf die Merkmale und Vorteile verstanden, dass ein bestimmtes Merkmal, ein Vorteil oder eine Eigenschaft, die im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben werden, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Daher können sich Diskussionen über die Merkmale und Vorteile und ähnliche Formulierungen in dieser Offenbarung auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen sich aber nicht unbedingt auf dieselbe Ausführungsform beziehen.
Darüber hinaus können die beschriebenen Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen in jeder geeigneten Weise kombiniert werden. Ein Fachmann auf dem betreffenden Gebiet der Technik wird im Lichte der vorliegenden Beschreibung erkennen, dass die Erfindung ohne eine oder mehrere der spezifischen Merkmale oder Vorteile einer bestimmten Ausführungsform ausgeübt werden kann. In anderen Fällen können zusätzliche Merkmale und Vorteile in bestimmten Ausführungsformen anerkannt werden, die möglicherweise nicht in allen Ausführungsformen der Erfindung vorhanden sind.
Bezugnahme in dieser Offenbarung auf „eine bestimmte Ausführungsform“, „eine Ausführungsform“ oder eine ähnliche Sprache bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder ein bestimmtes Merkmal, das im Zusammenhang mit der angegebenen Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Daher können sich die Ausdrücke „in einer bestimmten Ausführungsform“, „in einer Ausführungsform“ und ähnliche Formulierungen in dieser Offenbarung auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen sich aber nicht unbedingt alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen.
Obwohl die Operationen bzw. Schritte des bzw. der Verfahren(s) hier in einer bestimmten Reihenfolge gezeigt und beschrieben werden, kann die Reihenfolge der Operationen jeder Verfahren geändert werden, so dass bestimmte Operationen in umgekehrter Reihenfolge oder so durchgeführt werden können, dass bestimmte Operationen zumindest teilweise gleichzeitig mit anderen Operationen durchgeführt werden können. In einer anderen Ausführungsform können Anweisungen oder Unteroperationen verschiedener Operationen intermittierend und/oder alternierend ausgeführt werden.
Es ist auch zu beachten, dass zumindest einige der Operationen für die Verfahren mit Hilfe von Software-Anweisungen implementiert werden können, die auf einem computerverwendbaren Speichermedium zur Ausführung durch einen Computer gespeichert sind. Beispielsweise umfasst eine Ausführungsform eines Computerprogrammprodukts ein computerverwendbares Speichermedium zur Speicherung eines computerlesbaren Programms, das, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird, bewirkt, dass der Computer die hier beschriebenen Operationen ausführt.
Darüber hinaus können Ausführungsformen zumindest von Teilen der Erfindung die Form eines Computerprogrammprodukts annehmen, das von einem computerbenutzbaren oder computerlesbaren Medium zugänglich ist, das Programmcode zur Verwendung durch oder in Verbindung mit einem Computer oder einem beliebigen Befehlsausführungssystem bereitstellt. Für die Zwecke dieser Beschreibung kann ein computerverwendbares oder computerlesbares Medium jede Vorrichtung sein, die das Programm zur Verwendung durch oder in Verbindung mit dem Befehlsausführungssystem, der Vorrichtung oder dem Gerät enthalten, speichern, kommunizieren, propagieren oder transportieren kann.
Das computerverwendbare oder computerlesbare Medium kann ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, Infrarot- oder Halbleitersystem (oder ein Apparat oder Gerät) oder ein Ausbreitungsmedium sein. Beispiele für ein computerlesbares Medium sind ein Halbleiter- oder Festkörperspeicher, ein Magnetband, eine austauschbare Computerdiskette, ein Direktzugriffsspeicher (RAM), ein Nur-Lese-Speicher (ROM), eine starre Magnetplatte und eine optische Platte. Zu den aktuellen Beispielen für optische Disks gehören eine Compact Disk mit Festwertspeicher (CD-ROM), eine Compact Disk mit Lese-/Schreibzugriff (CD-R/W), eine digitale Videodisk (DVD) und eine Blu-Ray-Disk.
In der obigen Beschreibung sind spezifische Einzelheiten zu verschiedenen Ausführungsformen enthalten. Einige Ausführungsformen können jedoch auch mit weniger als all diesen spezifischen Details praktiziert werden. In anderen Fällen werden aus Gründen der Kürze und Klarheit bestimmte Verfahren, Verfahren, Komponenten, Strukturen und/oder Funktionen nicht detaillierter beschrieben, als dies für die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung möglich ist.
Obwohl spezifische Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und illustriert wurden, soll die Erfindung nicht auf die spezifischen Formen oder Anordnungen der so beschriebenen und illustrierten Teile beschränkt werden. Der Umfang der Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente zu definieren.

Claims

Verfahren zum Verwalten des Zustands bzw. der Gesundheit eines Bewegungssystems mit einem Servoantrieb, wobei das Verfahren umfasst: Sammeln von Bewegungsvariablen, die vom Servoantrieb verwendet werden, um einen Motor des Bewegungssystems als Reaktion auf Bewegungsbefehle anzutreiben; Berechnung eines Zustands- bzw. Gesundheitsindikationswertes für das Bewegungssystem ausschließlich unter Verwendung der gesammelten Bewegungsvariablen; und als Reaktion auf den Gesundheitsindikationswert, Generierung einer Benachrichtigung zur Wartung des Bewegungssystems.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sammeln von Bewegungsvariablen, die von dem Servoantrieb verwendet werden, das Sammeln mindestens eines von einem Positionswert, einem Geschwindigkeitswert und einem Antriebsstromwert umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Gesundheitsindikationswert ein Wert des Reibungskoeffizienten ist, der nur unter Verwendung der gesammelten Bewegungsvariablen berechnet wird, die vom Servoantrieb verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Reibungskoeffizientenwert ein Wert des viskosen Reibungskoeffizienten bzw. Viskositäts-Reibungskoeffizientwert oder ein Coulomb-Reibungskoeffizientenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei mindestens einer der Werte des viskosen Reibungskoeffizienten und des Coulomb-Reibungskoeffizienten unter Verwendung der Gleichung abgeleitet wird: $T = J * A + B * w + C * (dw),$
wobei T das Drehmoment, J die Trägheit, A die Beschleunigung, B der Wert des viskosen Reibungskoeffizienten, w der Wert der Geschwindigkeit, C der Wert des Coulomb-Reibungskoeffizienten und dw die Richtung der Geschwindigkeit ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Gesundheitsindikationswert ein Drehmomentabweichungswert ist, der unter Verwendung eines aktuellen Drehmomentwerts und eines Modelldrehmomentwerts aus einem Drehmomentmodell auf der Grundlage der gesammelten Bewegungsvariablen berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Drehmomentmodell ein dreidimensionales Modell ist, das durch Geschwindigkeits-, Positions- und Drehmomentwerte definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Gesundheitsindikationswert ein Gesamtwirkungswert bzw. Total-Impact-Wert ist, der unter Verwendung von Änderungen der Beschleunigung auf der Grundlage der gesammelten Bewegungsvariablen berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner die Berechnung von Beschleunigungswerten über die Zeit auf der Grundlage der gesammelten Bewegungsvariablen umfasst.
Bewegungssystem, umfassend: einen Motor, und einen Servoantrieb, der derart konfiguriert ist, dass er den Motor antreibt, wobei der Servoantrieb aufweist Speicher, und mindestens einen Prozessor, der derart konfiguriert ist, dass er: Bewegungsvariablen sammelt, die vom Servoantrieb verwendet werden, um den Motor des Bewegungssystems als Reaktion auf Bewegungsbefehle anzutreiben; einen Zustands- bzw. Gesundheitsindikationswert für das Bewegungssystem ausschließlich unter Verwendung der gesammelten Bewegungsvariablen berechnet; und als Reaktion auf den Gesundheitsindikationswert eine Benachrichtigung zur Wartung des Bewegungssystems generiert.
Bewegungssystem nach Anspruch 10, wobei der mindestens eine Prozessor so konfiguriert ist, dass er mindestens einen Positionswert, einen Geschwindigkeitswert oder einen Antriebsstromwert sammelt bzw. erfasst.
Bewegungssystem nach Anspruch 10, wobei der Gesundheitsindikationswert ein Reibungskoeffizientenwert ist, der nur unter Verwendung der gesammelten, vom Servoantrieb verwendeten Bewegungsvariablen berechnet wird.
Bewegungssystem nach Anspruch 12, wobei der Wert des Reibungskoeffizienten ein Wert des viskosen Reibungskoeffizienten oder ein Wert des Coulomb-Reibungskoeffizienten ist.
Bewegungssystem nach Anspruch 13, wobei mindestens einer der Werte des viskosen Reibungskoeffizienten und des Coulomb-Reibungskoeffizienten unter Verwendung der Gleichung abgeleitet wird: $T = J * A + B * w + C * (dw),$
wobei T das Drehmoment, J die Trägheit, A die Beschleunigung, B der Wert des viskosen Reibungskoeffizienten, w der Wert der Geschwindigkeit, C der Wert des Coulomb-Reibungskoeffizienten und dw die Richtung der Geschwindigkeit ist.
Bewegungssystem nach Anspruch 10, wobei der Gesundheitsindikationswert ein Drehmomentabweichungswert ist, der unter Verwendung eines aktuellen Drehmomentwerts und eines Modell-Drehmomentwerts aus einem Drehmomentmodell auf der Grundlage der gesammelten Bewegungsvariablen berechnet wird.
Bewegungssystem nach Anspruch 15, wobei das Drehmomentmodell ein dreidimensionales Modell ist, das durch Geschwindigkeits-, Positions- und Drehmomentwerte definiert ist.
Das Bewegungssystem nach Anspruch 10, wobei der Gesundheitsindikationswert ein Gesamtwirkungswert bzw. Total-Impact-Wert ist, der unter Verwendung von Änderungen der Beschleunigung auf der Grundlage der gesammelten Bewegungsvariablen berechnet wird.
Bewegungssystem nach Anspruch 17, wobei der mindestens eine Prozessor so konfiguriert ist, dass er auf der Grundlage der gesammelten Bewegungsvariablen Beschleunigungswerte über die Zeit berechnet.