IT201900011334A1

IT201900011334A1 - "Procedimento e sistema per monitorare il backlash in un ingranaggio di un giunto di un robot industriale"

Info

Publication number: IT201900011334A1
Application number: IT102019000011334A
Authority: IT
Inventors: Eliana Giovannitti; Nicola Campagna
Original assignee: Comau Spa
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2021-01-10
Also published as: US11602838B2; BR102020014063A2; CN112207856A; EP3763490A1; CA3085040A1; US20210008712A1

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:

“Procedimento e sistema per monitorare il backlash in un ingranaggio di un giunto di un robot industriale”

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda una soluzione per monitorare il backlash della trasmissione di un giunto di un robot industriale.

Come è noto, il backlash è il gioco angolare fra i denti di due ruote dentate in reciproco impegno, ovvero, in altre parole, è la distanza con cui lo spazio fra i denti di una prima ruota supera lo spessore dei denti della seconda ruota.

In generale, una minima quantità di backlash viene comunemente prevista negli ingranaggi per assicurare movimenti fluidi. Tuttavia, tale quantità di backlash tende ad aumentare nel corso dell'utilizzo dell'ingranaggio a causa dell'usura dei fianchi dei denti determinata dai ripetuti urti e strisciamenti cui essi sono soggetti.

Al di sopra di un dato limite, il backlash può determinare un degrado delle prestazioni e può eventualmente anche portare ad inceppamenti e rotture.

Con riferimento ora al campo dei robot industriali, sono già state proposte soluzioni per monitorare il backlash negli ingranaggi dei giunti di robot, le quali prevedono l'installazione a bordo del robot di sensori appositamente previsti per misurare direttamente gli effetti del backlash, e dunque la sua entità, nel movimento del giunto, ad esempio misurare lo scarto fra la posizione reale del corpo mobile del giunto e la posizione teorica prevista dall'unità di controllo del robot.

In tale contesto, la presente invenzione propone una soluzione per monitorare il backlash che risulta migliorata rispetto alle soluzioni note indicate, non prevedendo sensori addizionali da installare a bordo del robot.

La soluzione qui descritta prevede dunque un apparato più semplice, e può essere applicata facilmente anche su robot industriali già installati e operativi.

In particolare, la presente invenzione riguarda un procedimento di monitoraggio secondo la rivendicazione 1, e un sistema di monitoraggio secondo la rivendicazione 8.

Le rivendicazioni fornite nel seguito formano parte integrante dell'insegnamento tecnico qui somministrato.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione che segue con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

- la figura 1 rappresenta in maniera schematica un esempio di sistema di monitoraggio del backlash secondo la soluzione qui descritta;

- la figura 2 illustra un esempio di giunto di robot industriale;

- la figura 3 illustra un diagramma di flusso rappresentativo di un esempio di procedimento di monitoraggio del backlash secondo la soluzione qui descritta;

- la figura 4 rappresenta un andamento caratteristico di oscillazione utilizzato dal procedimento di monitoraggio del backlash secondo la soluzione qui descritta; e

- la figura 5 rappresenta un diagramma illustrativo di elaborazioni di segnale eseguite nel procedimento di monitoraggio secondo la soluzione qui descritta.

Nella seguente descrizione sono illustrati vari dettagli specifici finalizzati ad una approfondita comprensione delle forme di attuazione. Le forme di attuazione possono essere realizzate senza uno o più dei dettagli specifici, o con altri metodi, componenti o materiali ecc. In altri casi, strutture materiali o operazioni noti non sono mostrati o descritti in dettaglio per evitare di rendere oscuri vari aspetti della forma di attuazione.

I riferimenti qui utilizzati sono soltanto per comodità e non definiscono dunque l'ambito di tutela o la portata delle forme di attuazione.

A titolo esemplificativo, la figura 1 illustra un robot industriale costituito da un braccio di robot articolato 10 a sei assi di rotazione A1-A6.

In particolare, il braccio di robot 10 comprende una serie di corpi 1-6 reciprocamente accoppiati, in cui ciascun corpo della serie successivo ad un altro corpo è montato su questo in maniera girevole attorno ad uno dei suddetti assi. Ciascuna coppia dei corpi 1-6 costituisce un giunto del braccio 10.

Il robot illustrato nelle figure presenta giunti rotativi, ma si noti che la soluzione qui descritta può essere adottata anche per il monitoraggio di giunti traslanti, come sono ad esempio i giunti di un robot cartesiano.

Sempre con riferimento alla figura 1, un'unità di controllo 20 è collegata al braccio di robot 10 per pilotare i relativi motori di azionamento dei giunti del robot. Tramite il controllo coordinato dei diversi giunti, il punto di riferimento dell'utensile del robot (TCP), posizionato sull'ultimo corpo 6, può essere spostato lungo una traiettoria predefinita e secondo orientamenti predefiniti per ciascuno punto della traiettoria.

Sempre a titolo esemplificativo, la figura 2 rappresenta la struttura di un giunto di robot industriale, che potrebbe essere adottata per ciascuno dei giunti del braccio articolato 10 illustrato in figura 1.

Il giunto illustrato, complessivamente indicato con il numero di riferimento 50, comprende un primo corpo 52 e un secondo corpo 54, quest'ultimo essendo montato sul primo corpo 52 in maniera girevole attorno ad un asse di rotazione Ai.

Il giunto 50 comprende, inoltre, un motore 51, che è portato dal corpo 52, e un gruppo di trasmissione atto a trasmettere la coppia generata dal motore 51 al corpo 54, che comprende un riduttore di velocità 53, posizionato nella zona di accoppiamento dei due corpi 52 e 54, e un gruppo di trasmissione a cinghia 55, che collega l'albero di uscita del motore 51 all'albero di ingresso del riduttore 53.

Sul motore 51 è predisposto un encoder 56 per misurare la posizione angolare e la velocità di rotazione dell'albero di uscita del motore medesimo.

L'unità di controllo 20 illustrata in figura 1, impiega il segnale dell'encoder 56 per realizzare un controllo ad anello chiuso dell'azionamento del giunto.

Le problematiche discusse all’inizio legate all’ aumento di backlash riguardano evidentemente gli ingranaggi del riduttore 53 del giunto di figura 2.

Queste si ripercuotono sulla precisione ed efficienza di funzionamento del giunto.

Con riferimento alla figura 1, ciascuno dei giunti del braccio articolato 10 può subire effetti negativi dovuti all’aumento di backlash negli ingranaggi della sua unità di trasmissione del moto, e fra l’altro in maniera essenzilamente indipendente dallo stato degli altri giunti.

La soluzione qui descritta serve appunto per monitorare l'aumento di backlash in un giunto di robot industriale, e si caratterizza per il fatto di impiegare lo stesso encoder che è associato al motore di azionamento del giunto, senza prevedere alcun sensore aggiuntivo specificatamente dedicato al monitoraggio del backlash.

Con riferimento alla figura 3, secondo la soluzione qui descritta il procedimento per monitorare il backlash in un ingranaggio di un giunto di un robot industriale comprende le fasi di:

- azionare (101) tramite il motore del giunto un movimento del secondo corpo di giunto rispetto al primo corpo di giunto;

- durante tale movimento, acquisire (102) un segnale dell'encoder;

- ricevere (103) un andamento caratteristico di oscillazione;

- elaborare (104) il segnale dell’encoder per identificare un andamento di oscillazione in tale segnale, corrispondente al suddetto andamento caratteristico di oscillazione;

- determinare (105) un parametro dell'andamento di oscillazione identificato, indicativo di un'ampiezza di oscillazione;

- determinare (106) una condizione di backlash sulla base del parametro determinato.

La soluzione qui descritta nasce dall'osservazione che la presenza di backlash determina vibrazioni meccaniche che si propagano lungo l'intera catena cinematica del giunto, e che si riflettono anche nel segnale generato dall'encoder associato al motore di azionamento del giunto, sotto forma di un’oscillazione presentante un andamento caratteristico.

Tale andamento, o profilo, di oscillazione caratteristico, è definibile tramite uno o più parametri che variano con l'aumentare del valore di backlash secondo una correlazione determinata.

Pertanto, monitorando il segnale dell'encoder e, in particolare l'evoluzione del suddetto andamento di oscillazione caratteristico è possibile monitorare lo stato di backlash degli ingranaggi del giunto.

Il segnale dell’encoder può essere proporzionale alla posizione angolare dell’albero di uscita del motore oppure proporzionale alla sua velocità di rotazione.

Preferibilmente, il procedimento qui descritto utilizza un segnale proporzionale alla velocità di rotazione.

Pertanto, nel caso in cui il segnale dell’encoder sia un segnale proporzionale alla posizione angolare del motore il procedimento prevede di eseguire un’operazione di derivata del segnale dell’encoder per ottenere appunto un segnale proporzionale alla velocità di rotazione. Nella seguente trattazione anche il segnale ottenuto dall’operazione di derivata viene considerato come segnale dell’encoder.

La figura 4 illustra un esempio dell'andamento di oscillazione caratteristico sopra discusso. In generale, tale andamento corrisponde ad una oscillazione smorzata, che può essere definita dalla seguente formula:

in cui:

- db è l’oscillazione indotta dal backlash;

- A è la massima ampiezza di oscillazione;

- t1 è l’istante di inizio dell’oscillazione;

- t2 è l’istante di fine dell’oscillazione;

- τ� è un fattore di smorzamento dell’oscillazione.

Ciò può essere spiegato dal fatto che le vibrazioni meccaniche sopra discusse, determinate dal backlash, sono di fatto causate dagli urti che avvengono fra i denti delle ruote dentate dell'ingranaggio.

Le vibrazioni meccaniche generate da tali urti presentano un andamento vibratorio di tipo smorzato e si riflettono, dunque, come oscillazione smorzata nel segnale dell’encoder.

Per identificare l’ andamento caratteristico nel segnale dell’encoder è possibile utilizzare le comuni tecniche di analisi statistica multivariata. Ad esempio, la Richiedente ha individuato l’algoritmo CMA-ES (Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy) come tecnica adatta allo scopo. Al tal proposito, la figura 5 illustra a titolo esemplificativo un diagramma che sovrappone al segnale dell’encoder ottenuto durante prove sperimentali condotte su un giunto del tipo illustrato in Figura 2, l’andamento di oscillazione caratteristico individuato attraverso l’algoritmo CMA-ES.

Con riferimento alla formula sopra riportata, il parametro dell’andamento di oscillazione caratteristico, correlabile con il backlash, è rappresentato dal parametro A, corrispondente all’ampiezza massima dell'oscillazione. La correlazione in questione può essere derivata sperimentalmente.

Ad esempio, è possibile allestire un banco di prova che riproduca la struttura del giunto del robot, e sottoporre il giunto ricreato a diversi cicli di lavoro per ciascuno dei quali, da un lato, si analizza l'oscillazione dell'encoder come sopra indicato, e dall'altro, si misura direttamente l'entità del backlash sull’ingranaggio.

Sulla base dei parametri A determinati e delle misure dirette del backlash, è possibile individuare una correlazione fra le due entità attraverso, ad esempio, un'analisi della regressione.

A puro titolo di esempio, sempre con riferimento alle prove sperimentali, sopra menzionate, condotte per un giunto del tipo illustrato in figura 2, la Richiedente ha individuato la seguente funzione:

in cui � è il valore del backlash e A è il parametro della formula sopra riportata.

In vista di quanto sopra, per l'implementazione della soluzione qui descritta è sufficiente predisporre mezzi per la memorizzazione e l'elaborazione del segnale dell'encoder, e quindi non è necessario intervenire sul robot.

Fra l’altro, dal momento che l'unità di controllo del robot già impiega normalmente il segnale dell'encoder per pilotare il motore del giunto, può essere sufficiente programmare l'unità di controllo del robot in modo che essa memorizzi ed, eventualmente, elabori tale segnale.

L'elaborazione del segnale può comunque anche essere realizzata da un’unità di elaborazione del tutto indipendente dall'unità di controllo del robot.

Ad esempio, tale unità di elaborazione può appartenere ad un centro remoto di analisi.

In generale, l'unità di controllo del robot può essere predisposta per trasmettere i dati memorizzati all'unità di elaborazione attraverso una rete di comunicazione, ad esempio Internet.

Secondo una forma di attuazione preferita, la soluzione qui descritta prevede una modalità test per l'azionamento del giunto durante l'acquisizione del segnale dell'encoder.

Tale modalità prevede di pilotare il motore per realizzare un movimento di rotazione a velocità costante. Inoltre, secondo una forma di attuazione ancora più preferita, tale modalità test prevede di disporre il giunto in modo che gli assi di rotazione degli ingranaggi da testare siano orientati orizzontalmente. Questo fa sì che la forza di gravità possa contribuire all'induzione degli urti fra i denti delle ruote dell'ingranaggio, determinando un segnale dell'encoder in cui è possibile identificare l'andamento di oscillazione caratteristico con maggiore precisione.

Secondo questa forma di attuazione preferita, l'unità di controllo del robot può essere configurata per pilotare il motore del giunto da testare, ed eventualmente anche i motori degli altri giunti del robot, in modo da realizzare l’azionamento del giunto secondo la modalità test.

È chiaro che in questo caso l'acquisizione del segnale dell’encoder può essere realizzata solamente durante l’azionamento del giunto in tale modalità test.

Come visto sopra, ciascun giunto del robot può subire effetti negativi dovuti all’aumento di backlash nei suoi ingranaggi, e dunque ciascun giunto del robot deve essere testato.

In forme di attuazione preferite, l’unità di controllo del robot può essere configurata per realizzare la modalità test per i diversi giunti del robot in successione, in modo che si possa prevedere un unico tempo di fermo macchina durante il quale vengono testati tutti i giunti del robot.

Peraltro, l’unità di controllo può essere configurata in modo da condurre il test dei giunti del robot in maniera programmata, ad esempio dopo un dato numero di cicli di lavoro.

In vista di quanto sopra, appare chiaro che la soluzione qui descritta è facilmente applicabile per robot industriali di qualsiasi tipo, e anche per robot già installati e operativi, e permette di realizzare un monitoraggio del backlash efficace, affidabile e facilmente adattabile alle diverse esigenze dei vari contesti in cui può operare un robot industriale.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno variare, anche in modo significativo, rispetto a quanto qui illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione, così come definito dalle rivendicazioni annesse.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per monitorare il backlash in un ingranaggio di un giunto (50) di un robot industriale (10), in cui detto giunto comprende: un primo corpo di giunto (52) e un secondo corpo di giunto (54) reciprocamente accoppiati con la possibilità di muoversi l’uno rispetto all’altro, un motore (51) dotato di encoder (56), un gruppo (53, 55) di trasmissione del moto atto a trasmettere la coppia generata da detto motore (51) a detto secondo corpo di giunto (54) per determinare un movimento di detto secondo corpo di giunto (54) rispetto a detto primo corpo di giunto (52), detto gruppo (53, 55) di trasmissione comprendendo detto ingranaggio, detto procedimento comprendendo le fasi di: - azionare (101) tramite detto motore (51) un movimento di detto secondo corpo di giunto (54) rispetto a detto primo corpo di giunto (52); - durante detto movimento, acquisire (102) un segnale di detto encoder; - ricevere (103) un andamento caratteristico di oscillazione; - elaborare (104) detto segnale per identificare un andamento di oscillazione in detto segnale, corrispondente a detto andamento caratteristico di oscillazione; - determinare (105) un parametro (A) dell’andamento di oscillazione identificato, indicativo di un’ampiezza di oscillazione; - determinare (106) una condizione di backlash sulla base di detto parametro determinato.
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detto andamento caratteristico di oscillazione è un’oscillazione smorzata.
3. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui azionare detto movimento di detto secondo corpo di giunto include azionare detto movimento secondo una modalità test in cui la velocità di movimento è costante e in cui, inoltre, preferibilmente, le ruote dentate di detto ingranaggio sono disposte con i propri assi di rotazione orientati orizzontalmente.
4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, per determinare la condizione di backlash di una pluralità di giunti di detto robot industriale, in cui detto azionamento in modalità test viene realizzato per i singoli giunti di detta pluralità in successione.
5. Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detto segnale di detto encoder è un segnale proporzionale alla velocità di rotazione dell’albero di uscita di detto motore.
6. Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, per monitorare il backlash in una pluralità di giunti di detto robot industriale (10), in cui detta fase di azionare detto movimento include azionare detto movimento secondo una modalità test, e in cui detto azionamento in modalità test viene realizzato per i singoli giunti di detta pluralità di giunti in successione.
7. Sistema per monitorare il backlash in un ingranaggio di un giunto di un robot industriale, comprendente: - un robot industriale comprendente almeno un giunto (50), in cui detto giunto comprende un primo corpo di giunto (52) e un secondo corpo di giunto (54) reciprocamente accoppiati con la possibilità di muoversi l’uno rispetto all’altro, un motore (51) dotato di encoder (56), un gruppo (53, 55) di trasmissione del moto atto a trasmettere la coppia generata da detto motore (51) a detto secondo corpo di giunto (54) per determinare un movimento di detto secondo corpo di giunto (54) rispetto a detto primo corpo di giunto (52), detto gruppo di trasmissione (53, 55) comprendendo detto ingranaggio, - un’unità di controllo (20) per pilotare detto motore (51) secondo una modalità test per monitorare il backlash di detto ingranaggio; un’unità di elaborazione configurata per: - ricevere, direttamente o attraverso detta unità di controllo, un segnale di detto encoder relativo alla fase di pilotaggio in modalità test di detto motore; - ricevere un andamento caratteristico di oscillazione; - elaborare detto segnale per identificare un andamento di oscillazione in detto segnale, corrispondente a detto andamento caratteristico di oscillazione; - determinare un parametro (A) dell’andamento di oscillazione identificato, indicativo di un’ampiezza di oscillazione; - determinare una condizione di backlash sulla base di detto parametro determinato.
8. Sistema secondo la rivendicazione 7, in cui detta unità di controllo è configurata per memorizzare il segnale di detto encoder (56) relativo alla fase di pilotaggio in modalità test di detto motore (51).
9. Sistema secondo la rivendicazione 6 o 7, in cui detta unità di controllo (20) è configurata per trasmettere i dati memorizzati di detto segnale a detta unità di elaborazione attraverso una rete di comunicazione.