KR20210040836A

KR20210040836A - 기존 서보 드라이브 변수를 사용한 모션 시스템 건강 관리

Info

Publication number: KR20210040836A
Application number: KR1020207036269A
Authority: KR
Inventors: 크리스토퍼 씨. 창
Original assignee: 아쿠스 테크놀로지, 아이엔씨.
Priority date: 2018-05-17
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2021-04-14
Also published as: US20190354077A1; JP2021524726A; CN112424714A; JP7385298B2; WO2019222542A1; DE112019002515T5; US10935954B2

Abstract

모션 시스템 및 모션 시스템의 건강을 관리하는 방법은 모션 시스템의 서보 드라이브에 의해 사용되는 모션 변수만을 사용하여 모션 시스템에 대한 적어도 하나의 건강 표시 값을 계산한다. 건강 표시 값은 모션 시스템의 유지 관리를 위한 알림을 생성하는 데 사용된다.

Description

기존 서보 드라이브 변수를 사용한 모션 시스템 건강 관리

본 발명은 기존 서보 드라이브 변수를 사용한 모션 시스템 건강 관리에 관한 것이다. 본 출원은 2018 년 5 월 17 일에 출원된 미국 가 특허 출원 일련 번호 62,672,751의 혜택을 받을 자격이 있으며, 이는 여기에 참조로 포함된다.

전형적인 서보 모터 구동 시스템(servo motor drive system)(100)이 도 1에 도시되어 있다. 도 1과 같이, 서보 모터 구동 시스템(100)은 인코더(master controller)와 같은 위치 센서(position sensor)(104)를 갖는 모터(102)를 포함하고, 마이크로 프로세서와 모터를 구동하기 위한 전원 회로(도시되지 않음)를 포함하는 서보 드라이브(servo drive)(106), 및 모션 명령을 서보 드라이브에 발행하는 마스터 제어기(master controller)(108)를 포함한다. 인코더(104)는 예상 모션으로부터의 편차를 보정하기 위해 피드백 신호를 서보 드라이브(106)에 제공한다.

모션 명령(motion command)은 직렬 또는 이더넷 연결과 같은 일부 통신 수단을 통해 마스터 제어기(master controller)(108)로부터 서보 드라이브(servo drive)(106)로 발행된다. 마스터 제어기(108)로부터 서보 드라이브(106)로 보내질 수 있는 모션 명령의 예는(1) 특정 위치, 예를 들어 위치 A로 특정 속도 및 가속도로 이동, 및(2) 일정 시간 동안 일정 속도로 밀치고 정지하는 것을 포함한다.

일반적으로 서보 모터 구동 시스템의 모터는 원하는 작업을 수행하기 위해 부하를 이동하는 전송 시스템에 연결된다. 서보 모터 구동 시스템(servo motor drive system)(100)의 모터(102)에 연결된 전송 시스템(200)의 예가 도 2에 도시되어 있다. 예시된 예에서, 전송 시스템(transmission system)(200)은 부하를 위한 선형 가이드(linear guide)(204) 상의 이동 스테이지(moving stage)(202) 및 이동 스테이지를 변위시키는 스크류(screw)(206)를 포함하는 볼 스크류 선형 액추에이터이다. 모터(102)는 모터 케이블(208)을 통해 서보 드라이브(servo drive)(106)에 연결되어 서보 드라이브로부터 구동 신호를 수신한다. 인코더(encoder)(104)는 인코더 케이블(encoder cable)(210)을 통해 서보 드라이브(106)에 연결되어 피드백 신호를 서보 드라이브로 전송한다. 서보 드라이브(106)는 마스터 제어기로부터 모션 명령을 수신하기 위해 마스터 제어기(108)와 통신한다. 서보 모터 구동 시스템과 전송 시스템을 구성하는 전체 시스템은 모션 시스템으로 볼 수 있다.

서보 모터 구동 시스템의 서보 드라이브에서 폐 루프 서보 알고리즘(closed loop servo algorithm)은 원하는 모션을 수행하는 데 사용된다. 폐 루프 서보 알고리즘의 이론과 구현은 잘 알려져 있으므로 여기서는 자세히 설명하지 않는다. 도 3은 폐 루프 서보 알고리즘을 보여준다. 도 3에 도시된 바와 같이, 피드백 루프(feedback loop)(306)상의 기준 입력(reference input)(302) 및 피드백 신호(feedback signal)(304)는 2 개의 입력에 응답하여 에러 신호(error signal)(310)를 생성하는 에러 검출기(error detector)(308)에서 수신된다. 기준 입력(302)은 피 제어 장치(controlled device)(316)의 목표 또는 원하는 위치를 나타내고, 피드백 신호(304)는 피 제어 장치의 실제 위치를 나타낸다. 에러 신호(310)는 목표 위치와 실제 위치 사이의 위치 에러를 나타낸다. 에러 신호(310)는 증폭기(amplifier)(312)에서 수신되고, 이는 수신된 에러 신호에 기초하여 서보 모터(servo motor)(314)를 구동하는 전류를 생성하여 위치 에러를 감소시킨다. 이에 응답하여, 서보 모터(314)는 피 제어 장치(316)를 그에 따라 이동시킨다.

모션 시스템(motion system)이 다양한 주기로 부하를 이동하는 작업을 수행함에 따라 결국 여러 가지 이유로 고장(failure)이 발생한다. 고장의 예는 (1) 하중 변화로 인한 베어링 마모, (2) 윤활유 손실 또는 먼지 증가로 인한 마찰 증가, 및(3) 높은 충격 모션으로 인한 연결 끊김을 포함한다.

모션 시스템 및 모션 시스템의 건강을 관리하는 방법은 모션 시스템에 대한 적어도 하나의 건강 표시 값(health indication value)을 계산하기 위해 모션 시스템의 서보 드라이브에 의해 사용되는 모션 변수만을 사용하여 건강 표시 값은 모션 시스템의 유지 관리를 위한 알림(notification)을 생성하는 데 사용된다.

본 발명의 실시예에 따른 서보 드라이브로 모션 시스템의 건강을 관리하는 방법은 모션 명령에 응답하여 모션 시스템의 모터를 구동하기 위해 서보 드라이브가 사용하는 모션 변수 수집하는 단계, 수집된 모션 변수만을 사용하여 모션 시스템에 대한 건강 표시 값을 계산하는 단계, 및 건강 표시 값에 응답하여, 모션 시스템의 유지 관리를 위한 알림을 생성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 모션 시스템은 모터, 및 모터를 구동하도록 구성된 서보 드라이브를 포함한다. 서보 드라이브는 메모리, 및 모션 명령에 응답하여 모션 시스템의 모터를 구동하기 위해 서보 드라이브가 사용하는 모션 변수를 수집하고, 수집된 모션 변수만을 사용하여 모션 시스템에 대한 건강 표시 값을 계산하고, 및 건강 표시 값에 응답하여, 모션 시스템의 유지 관리를 위한 알림을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함한다.

본 발명의 다른 측면 및 이점은 본 발명의 원리의 예로서 예시된 첨부 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 전형적인 서보 모터 구동 시스템의 블록도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 서보 모터 구동 시스템의 모터에 연결된 전송 시스템의 블록도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 서보 모터 구동 시스템의 서보 구동에서 실행되는 폐 루프 서보 알고리즘을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 건강 관리 능력을 갖는 모션 시스템의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 시스템에 의해 사용되는 3 차원 토크 모델을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 시스템의 거리, 속도 및 가속도 프로파일을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 총 충격량을 계산하는 데 사용될 수 있는 가속 그래프의 예를 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 건강 관리 능력을 갖는 모션 시스템의 동작의 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 서보 드라이브를 이용한 모션 시스템의 건강을 관리하는 방법의 프로세스 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 건강 관리 능력을 갖는 모션 시스템(400)이 설명된다. 모션 시스템(motion system)(400)은 도 2에 도시된 모션 시스템과 유사하다. 그러나, 모션 시스템(400)은 기존의 모션 시스템과 달리 모션 시스템의 종합적인 실시간 모션 건강 상태를 모니터링 하고 모션 시스템의 다양한 유형의 기계적 고장을 예측하는 방법을 구현하여 예방적 유지 관리를 수행할 수 있다. 이 방법은 서보 드라이브의 폐 루프 알고리즘(closed loop servo algorithm)에서 일반적으로 사용되는 모션 변수를 사용하며 아래에서 자세히 설명하는 것처럼 외부 장치나 센서가 필요하지 않다.

도 4와 같이, 모션 시스템(400)은 마스터 제어기(402), 서보 드라이브(404), 위치 센서(position sensor)(408)를 갖는 전기 모터(electric motor)(406), 예를 들어 인코더, 및 볼 스크류 선형 액추에이터 형태의 전송 시스템(transmission system)(410)을 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서, 전송 시스템(410)은 선형 벨트 구동 액추에이터와 같은 다른 유형의 모션 액추에이터 일 수 있다.

마스터 제어기(402)는 모션 시스템(400)을 제어하도록 동작한다. 마스터 제어기(402)는 서보 드라이브로 전송된 모션 명령을 사용하여 서보 드라이브(404)를 통해 모션 시스템을 제어하는 하나 이상의 프로그램을 갖는 컴퓨터 시스템 일 수 있다. 따라서, 마스터 제어기(402)는 CPU, 메모리, 비 휘발성 저장 및 입력 장치, 예를 들어 마우스 및 키보드와 같이 컴퓨터에서 일반적으로 발견되는 구성 요소를 포함할 수 있다. 마스터 제어기(402)는 USB, 직렬 또는 이더넷 통신 케이블(Ethernet communication cable)(412)과 같은 일반적인 통신 수단을 통해 서보 드라이브(404)와 통신한다.

서보 드라이브(404)는 인코더 케이블(encoder cable)(414)을 통해 위치 및/또는 속도를 포함할 수 있는 인코더(encoder)(408)로부터 모션 데이터를 판독하고 전기 모터를 구동하기 위해 모터 케이블(motor cable)(416)을 통해 전기 모터에 적절한 전력을 공급함으로써 전기 모터(406)를 제어한다. 모터(406)에 적절한 전원을 공급하기 위해, 서보 드라이브(404)는 마스터 제어기(402)로부터의 모션 명령 및 인코더(408)로부터의 모션 데이터를 사용하여 폐 루프 서보 알고리즘을 실행한다. 서보 드라이브(404)는 메모리, 프로세서, 예를 들어 마이크로 프로세서 및 구동 전력 또는 전류(도시되지 않음)를 공급하기 위한 전력 회로와 같은 전형적인 서보 드라이브에서 일반적으로 발견되는 구성 요소를 포함한다.

그러나 기존의 서보 드라이브와 달리, 서보 드라이브(404)는 모션 시스템의 포괄적인 실시간 모션 건강을 모니터링 하고 모션 시스템에서 다양한 유형의 기계적 고장을 예측하기위한 건강 관리 모듈(health managing module)(418)을 포함한다. 아래에서 자세히 설명했듯이, 건강 관리 모듈(418)은 모션 시스템(400)의 건강을 결정하고 기계 부품의 수리, 윤활유 도포 및 교체와 같은 유지 관리가 모션 시스템에 필요한지 여부를 결정하기 위해 건강 표시 값(health indication value)을 계산하도록 동작한다. 건강 관리 모듈(418)은 하드웨어 및 소프트웨어의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 특정 구현에서, 건강 관리 모듈(418)은 서보 드라이브(404)의 프로세서에 의해 실행되는 하나 이상의 소프트웨어 일 수 있다. 건강 관리 모듈(418)은 아래에서 더 상세히 설명된다.

모터(406)는 볼 스크류 선형 액추에이터(ball screw linear actuator)(410)의 스크류(screw)(420)에 연결된 샤프트(미도시)를 포함한다. 모터 축이 회전함에 따라, 스크류는 로드 플레이트(load plate)(422)에 부착된 로드를 이동시켜 하나 이상의 원하는 모션을 수행한다.

서보 드라이브(404)의 건강 관리 모듈(418)은 모션 시스템의 포괄적인 실시간 모션 건강 상태를 모니터링 하고 모션 시스템에서 다양한 유형의 기계적 고장을 예측하는 방법을 실행하도록 구성된다. 위에서 언급했듯이, 이 방법은 서보 드라이브의 폐 루프 알고리즘에서 일반적으로 사용되는 모션 변수를 사용한다. 특히, 방법은 모터(406)를 구동하는 데 사용되는 변수를 사용한다.

이 방법에 사용되는 모션 변수는 서보 드라이브에서 일반적으로 사용되는 두 가지 주요 유형 변수에서 파생된다.

(1) P - 위치 및

(2) I - 전류. 속도(V) 및 가속도(A)는 다음과 같이 알려진 샘플링 시간 △t에 의해 위치에서 파생될 수 있다.

V = P/△t

A = V/△t = P/t ^ 2

일반적인 서보 드라이브에서 사용되는 위에서 언급한 기존 변수를 사용하여 기존 서보 변수에서 다음 세 가지 모션 상태 파라미터를 계산할 수 있다.

1. 마찰 계수 값(Friction coefficient value) - 쿨롱 및 점성(Coulomb and viscous)

2. 위치 및 속도 기반 토크 모델

3. 총 충격 값(Total impact value)

이들 3 개의 모션 상태 파라미터는 모션 시스템(400)의 상태에 대한 양호한 표시를 제공하고 모션 시스템에서 발생할 수 있는 미래의 고장(failure)를 예측할 수 있게 한다. 예를 들어, 마찰 계수의 상승이 감지되면 마찰이 증가하고 베어링에 약간의 마모가 있거나 윤활 손실이 있음을 확인할 수 있다. 또한 정상 토크 모델(normal torque model)에서 편차가 있을 경우, 동일한 작업을 수행하려면 더 많은 토크가 필요하다. 토크 편차(torque deviation)의 증가는 동일한 작업을 수행하기 위해 토크를 증가시켜야 하는 시스템의 일부 유형의 고장(failure) 또는 성능 저하를 나타낼 수 있다. 또 다른 예로, 총 충격 값이 증가함에 따라, 기계 시스템에 대한 응력이 증가하고 링키지(linkage) 또는 기어 또는 벨트의 수명이 다했음을 나타낼 수 있다.

일 실시예에서, 건강 관리 모듈(418)은 마찰 계수 값을 계산하도록 구성된다. 마찰 계수 값 계산은 모션 제어 분야에서 잘 알려진 다음 수식을 기초로 한다.

T = J * A + B * w + C *(dw),(수식1)

여기서 T는 토크, J는 관성, A는 가속도, B는 점성 마찰 계수, w는 속도, C는 쿨롱 마찰 계수, 및 dw는 속도의 방향이다.

위의 수식에서 토크는 다음과 같이 토크 상수에 전류를 곱한 것과 같다.

T = Kt * I,

여기서 T는 토크, Kt는 토크 상수, I는 구동 전류이다. 따라서, 수식1은 다음과 같이 표현할 수 있다.

Kt * I = J * A + B * w + C *(dw)(수식2)

가속은 델타 시간에 따른 속도 변화 또는 시간 변화이다. 속도는 델타 시간에 따른 위치 변화이다. 따라서, 속도(속도) 및 가속도는 다음과 같이 표현할 수 있다.

V = P/△t

A = V/△t = P/△t ^ 2

따라서 수식2는 다음과 같이 표현할 수 있다.

Kt * I = J *(P/△t ^ 2) + B * P/△t + C *(dw) (수식3)

수식3에서 모터 관성(motor inertia) J는 알려져 있다. 따라서, 두 가지 알려지지 않은 값은 C(쿨롱 마찰 값(Coulomb friction value))와 B(점성 계수 값(viscous coefficient value))이다. 수식의 다른 모든 변수는 Kt, I, P, J, △t 및 dw로 알려져 있다. 많은 샘플 값을 취하고 회귀 분석(regression analysis)을 사용하여 점성 및 쿨롱 마찰 계수 값(B와 C)을 결정할 수 있다. 점성 및 쿨롱 마찰 계수 값(B 및 C)는 모션 시스템(400)에 대한 건강 표시 값(health indication value)이다.

건강 관리 모듈(418)은 또한 3 차원(3D) 토크 모델을 생성한다. 위치, 속도 및 현재 값 세트를 수집하여 3D 토크 모델을 생성할 수 있다. 건강 관리 모듈(418)은 모션 시스템이 동작함에 따라 생성되는 위치, 속도 및 현재 값을 반복적으로 동시에 수집한다. 이러한 값을 사용하여 모션 시스템의 토크와 관련하여 좋은 성능 모델을 만들 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 3D 포인트(위치, 속도 및 토크)에 대해, 최대, 최소 및 평균 값이 결정될 수 있다. 이 값은 토크 값에 대한 최대 및 최소 극단 모델을 만들거나 평균 값을 사용하여 토크 값에 대한 평균 포인트 모델을 만드는 데 사용할 수 있다.

3D 토크 모델(3D torque model)(500)의 예가 도 5에 예시되어 있다. 도 5와 같이, 3D 토크 모델(500)은 모션 시스템이 동작 중일 때 일정 기간 동안 수집된 위치, 속도 및 현재 값을 사용하여 생성된다. 도 5와 같이, 3D 토크 모델(500)은 속도, 위치 및 토크에 의해 정의된 공간의 3D 모델이다.

3D 토크 모델이 구축되면 모델의 최소, 최대 및/또는 평균 토크 값을 사용하여 실시간 토크를 모델과 비교할 수 있다. 토크 편차 값은 지정된 각 위치 및 속도 지점에서 결정된다. 각 토크 편차 값은 주어진 위치 및 속도 지점에서 동일한 유형의 작업을 수행하는 데 필요한 힘의 차이를 나타낸다. 따라서, 토크 편차 값은 모션 시스템(400)에 대한 또 다른 건강 표시 값이다.

건강 관리 모듈(418)은 또한 총 충격 값을 계산한다. 모션 시스템의 일반적인 모션 프로필은 거리, 속도 및 가속도 프로필을 나타내는 도 6에 나와 있다. 다음은 가속도와 관련된 힘(또는 각도의 토크) 수식이다.

F = M * A,

여기서 F는 힘, M은 질량 및 A는 가속도이다.

충격은 시스템에 적용되는 힘의 변화로 정의되며 다음 수식으로 나타낼 수 있다.

F = M * △A

위의 수식은 힘의 변화가 가속도의 변화에 비례함을 정의한다.

가속도 변화의 크기를 결정함으로써, 충격의 정도를 결정할 수 있다. 가속도 그래프의 예는 도 7에 나와 있으며 총 충격량을 계산하는 데 사용할 수 있다. 가속 그래프는 가속 변화의 5 개의 인스턴스(702, 704, 706, 708 및 710)를 보여준다. 첫 번째 경우(702)에서, 가속도가 4에서 0으로 4만큼 변경되었다. 두 번째 경우(704)에서, 가속도가 0에서 -2로 2만큼 변경되었다. 세 번째 경우(706)에서, 가속도는 -2(-2)에서 0(0)으로 2만큼 변경되었다. 네 번째 경우(708)에서, 가속도가 0에서 4로 4만큼 변경되었다. 다섯 번째 경우(710)에서, 가속도가 4에서 0으로 4만큼 변경되었다. 따라서 총 충격은 다음과 같이 계산된다.

총 충격 = J *(4 + 2 + 2+ 4 + 4),

여기서 J는 관성이다(M의 각도 대체).

총 충격 값(total impact value)은 모션 시스템(400)의 수명에 걸쳐 합산되고 모션 시스템에 적용된 응력 및 변형 및 마모의 총량으로 결정된다. 그러므로, 누적된 총 충격 값은 기계 시스템의 남은 수명을 결정하는 데 사용할 수 있으며 모션 시스템의 교체 또는 유지 관리 일정을 결정하는 데 사용할 수 있다. 이와 같이, 총 충격 값은 모션 시스템(400)에 대한 또 다른 건강 표시 값이다.

본 발명의 실시예에 따른 건강 관리 능력을 갖는 모션 시스템(400)의 동작은 도 8의 프로세스 흐름도를 참조하여 설명된다. 블록 802에서, 모터(406)를 구동하기 위해 서보 드라이브(404)에서 사용되는 일부 모션 변수는 모션 시스템(400)을 위한 3D 토크 모델을 구축하기 위해 건강 관리 모듈(418)에 의해 선택된다. 일 실시예에서, 이러한 모션 변수는 모터(406)를 구동하기 위해 사용된 전류 I 및 특정 시간에 모터(406)의 실제 위치 P 및 속도 V를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 실제 위치 P 및 속도 V는 모터(406)에 부착된 인코더(408)에 의해 제공된다. 속도 V가 인코더(408)에 의해 제공되지 않는 경우, 속도 V는 일정 기간 동안 다수의 위치 P 값으로부터 계산될 수 있다.

다음으로, 블록 804에서, 모터(406)는 모터에 적절한 전류 I를 공급함으로써 3D 토크 모델을 구축하기 위해 적어도 하나의 모션 시퀀스를 수행하도록 구동된다. 일련의 모션은 볼 스크류 선형 액추에이터(ball screw linear actuator)(410)의 로드 플레이트(load plate)(422)를 이동시키기 위해 모터(406)를 통해 실행될 하나 이상의 모션을 포함할 수 있다.

다음으로, 블록 806에서, 모터(406)가 구동됨에 따라, 선택된 모션 변수는 모션 시스템(400)에 의해 수행되는 다양한 모션에 대해 건강 관리 모듈(418)에 의해 동시에 수집된다. 전류 I가 있는 실시예에서, 위치 P와 속도 V를 선택하면 전류 I와 결과 위치 P와 속도 V가 각 모션에 대해 동시에 수집된다.

다음으로, 블록 808에서, 건강 관리 모듈(418)에 의해 수집된 모션 변수들의 각 세트에 대해 대응하는 토크가 계산된다. 특히, 각 토크 값은 수식 T = Kt * I를 사용하여 계산되고, 여기서 T는 토크, Kt는 토크 상수, I는 구동 전류이다.

다음으로, 블록 810에서, 모션 시스템(400)에 대한 3D 토크 모델은 수집된 모션 변수 및 계산된 토크 값을 사용하여 건강 관리 모듈(418)에 의해 구축된다. 일 실시예에서, 3D 토크 모델은 위치 P 및 속도 V 값과 해당 토크 값을 사용하여 구축된다. 이제 3D 토크 모델을 실시간으로 사용하여 모션 시스템의 상태를 감지할 수 있다.

다음으로 블록 812에서, 모터는 정상 동작을 위해 하나 이상의 모션을 수행하도록 구동된다. 모터는 모션 시스템(400)의 마스터 제어기(402)로부터의 하나 또는 모션 명령에 응답하여 서보 드라이브(404)로부터 전기 모터로 적절한 전류 I를 공급함으로써 구동된다.

다음으로, 블록 814에서, 모터(406)가 구동될 때, 모터를 구동하기 위해 서보 드라이브(404)에서 사용되는 일부 모션 변수는 건강 관리 모듈(418)에 의해 수집된다. 일 실시예에서, 이러한 모션 변수는 모터(406)를 구동하기 위해 사용된 전류 I 및 특정 시간에 모터의 실제 위치 P 및 속도 V를 다시 포함할 수 있다. 속도 V가 인코더(408)에 의해 제공되지 않는 경우, 속도 V는 일정 기간 동안 다수의 위치 P 값으로부터 계산될 수 있다.

다음으로, 블록 816에서, 모션 시스템(400) 내의 하나 이상의 마찰 계수는 건강 관리 모듈(418)에 의해 수집된 모션 변수를 사용하여 계산된다. 일 실시예에서, 쿨롱 마찰 계수 값 C와 점성 계수 값 B가 계산된다. 이러한 마찰 계수 값은 수식 3을 사용하여 계산할 수 있으며, 즉, Kt * I = J *(P/△t ^ 2) + B * P/△t + C *(dw),

쿨롱 마찰 값 C와 점성 계수 값 B를 제외한 모든 변수는 알려진 값이거나 알려진 값에서 파생될 수 있기 때문이다.

다음으로, 블록 818에서, 현재 마찰 계수는 마찰 계수의 경향을 결정하기 위해 건강 관리 모듈(418)에 의해 이전에 계산된 마찰 계수와 비교되어, 예를 들어 마찰 계수가 거의 동일한 수준으로 증가, 감소 또는 유지되는지 여부를 결정한다. 앞서 언급했듯이, 마찰 계수 값의 증가는 베어링의 일부 마모 또는 윤활 손실을 나타낼 수 있으며, 교체, 수리 또는 윤활이 필요할 수 있다.

다음으로, 블록 820에서, 현재 토크 편차 값은 3D 토크 모델 및 현재 토크 값을 사용하여 건강 관리 모듈(418)에 의해 계산된다. 토크 편차 값은 현재 실제 위치 P 및 속도 V에 대한 3D 토크 모델의 토크 값(최소, 최대 또는 평균)과 해당 구동 전류 I를 사용하여 계산된 현재 토크 값 간의 차이를 사용하여 계산된다.

다음으로, 블록 822에서, 현재 가속도 값 A는 수집된 속도 값 V 및 이전에 수집된 속도 값을 사용하여 건강 관리 모듈(418)에 의해 계산된다. 따라서 가속도의 변화는 시간이 지남에 따라 계산될 수 있다.

다음으로, 블록 824에서, 현재 총 충격 값은 현재 가속 값을 사용하여 건강 관리 모듈(418)에 의해 계산된다. 현재 가속도 값 A가 이전 가속 값과 동일하면 현재 총 충격 값은 이전 총 충격 값과 동일하다. 그러나 현재 가속도 값 A가 이전 가속 값과 같지 않으면, 차이의 크기는 이전 총 충격 값에 더해져 현재 총 충격 값을 도출한다. 따라서 총 충격 값은 누적 값이다.

다음으로, 블록 826에서, 계산된 마찰 계수, 현재 토크 편차 값 및 현재 총 충격 값 중 하나 이상이 유지 관리가 필요함을 나타내는 지 건강 관리 모듈(418)에 의해 결정이 이루어진다. 그렇지 않다면, 동작은 블록 812로 되돌아 간다. 그러나 만약 그렇다면, 동작은 블록 828로 진행하여 유지 관리가 필요하다는 것을 표시하는 알림(notification)이 생성된다. 알림은 모터 시스템(400)의 기계 부품의 수리, 교체 또는 윤활에 대한 필요성을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 알림은 마스터 제어기(402)에 연결된 디스플레이 장치에 표시되는 것과 같은 임의의 수단으로 사용자에게 제시될 수 있다. 다음으로, 동작은 모터 시스템의 상태를 추가로 모니터링 하기 위해 블록 812로 되돌아 간다.

모션 시스템(400)의 유지 관리가 필요한지 여부에 대한 결정은 계산된 마찰 계수, 현재 토크 편차 값 및 현재 총 충격 값을 경험적으로 또는 이론적으로 결정될 수 있는 임계 값과 비교함으로써 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 특정 유형의 실패는 다양한 시나리오 사례를 테스트하여 예측할 수 있다. 예를 들면, 유지 관리가 필요한 윤활유 손실이 있는 경우 시나리오 케이스를 구축할 수 있다. 이 케이스를 구축하려면, 윤활(lubrication)은 수동으로 힘을 빼고 모션 시스템이 동작함에 따라 마찰 계수 및 토크 모델이 변경되는 패턴을 관찰할 수 있다. 케이스가 구축되면, 모니터링 된 값을 관찰된 값과 비교하여 윤활이 낮고 서비스가 필요한 시기를 결정할 수 있다. 제작할 수 있는 경우에는 윤활유 부족, 벨트 또는 기어 마모, 조립 풀림 등이 포함되지만, 이에 제한되지는 않는다. 이러한 케이스는 모션 시스템(400)에서 예측될 수 있는 실패 유형을 결정하기 위해 구축되고 사용될 수 있다.

위에서 언급했듯이, 모션 변수의 모니터링 및 건강 표시 값에 대한 다양한 계산은 서보 드라이브(404)의 건강 관리 모듈(418)에 의해 실행된다. 따라서, 원시 데이터(raw data)를, 지연 및 압도된 데이터 트래픽을 초래할 수 있는, 마스터 제어기(402) 또는 클라우드와 같은 다른 곳으로 전송할 필요가 없다.

일 실시예에서, 위에서 설명된 방법은 단일 모터 시스템의 건강을 결정하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 심지어 식물 수준에서도 모션 시스템 그룹의 건강을 결정하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 방법은 개별 모션 시스템 및/또는 모션 시스템 그룹의 건강 상태 및 건강 경향을 모니터링 하는 데 사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 위에서 설명된 방법은 미국 특허 출원 일련 번호 15/865,088("다차원 모션 성능 모델링 및 모션 시스템의 실시간 모니터링"이라는 제목으로 여기에 참조로 포함됨)에 설명된 기술과 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 서보 드라이브로 모션 시스템의 건강을 관리하는 방법이 도 9의 프로세스 흐름도를 참조하여 설명된다. 블록 902에서, 모션 명령에 응답하여 모션 시스템의 모터를 구동하기 위해 서보 드라이브에 의해 사용되는 모션 변수가 수집된다. 블록 904에서, 모션 시스템에 대한 건강 표시 값이 수집된 모션 변수를 사용하여 배타적으로 계산된다. 블록 906에서, 건강 표시 값에 응답하여, 모션 시스템의 유지 관리를 위한 알림이 생성된다.

본 문서에서 일반적으로 설명되고 첨부된 도면에 예시된 실시예의 구성 요소는 매우 다양한 상이한 구성으로 배열 및 설계될 수 있다. 따라서, 도면에 나타낸 바와 같이, 다양한 실시예에 대한 다음의 보다 상세한 설명은 본 개시의 범위를 제한하려는 것이 아니라 단지 다양한 실시예를 대표하는 것이다. 실시예의 다양한 측면이 도면에 제시되어 있지만, 도면은 특별히 지시하지 않는 한 반드시 일정한 비율로 그려지지는 않는다.

본 발명은 그 정신 또는 본질적인 특성에서 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다. 설명된 실시예는 모든 측면에서 제한적이지 않고 단지 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 이 상세한 설명보다는 첨부된 청구 범위에 의해 표시된다. 청구 범위와 동등한 의미 및 범위 내에 있는 모든 변경은 그 범위 내에 포함되어야 한다.

본 명세서 전반에 걸쳐 특징, 이점 또는 유사한 언어에 대한 언급은 본 발명으로 실현될 수 있는 모든 특징 및 이점이 본 발명의 임의의 단일 실시예거나 그 안에 있어야 함을 의미하지는 않는다. 오히려, 특징 및 이점을 언급하는 언어는 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 이점 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸친 특징 및 이점 및 유사한 언어에 대한 논의는 동일한 실시예를 참조할 수 있지만 반드시 그런 것은 아니다.

더욱이, 본 발명의 설명된 특징, 장점 및 특징은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다. 당업자는 본 명세서의 설명에 비추어 본 발명이 특정 실시예의 특정 특징 또는 이점 중 하나 이상이 없는 상태로 실시될 수 있음을 인식할 것이다. 다른 경우에, 본 발명의 모든 실시예에 존재하지 않을 수 있는 특정 실시예에서 추가적인 특징 및 이점이 인식될 수 있다.

본 명세서 전체에 걸쳐 "일 실시예", "실시예" 또는 유사한 언어에 대한 언급은 표시된 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, "하나의 예에서", "일 실시예에서" 및 본 명세서 전반에 걸친 유사한 언어는 모두 동일한 실시예를 지칭할 수 있지만 반드시 그런 것은 아니다.

여기에서 방법(들)의 동작이 특정 순서로 표시되고 설명되었지만, 각 방법의 동작의 순서는 특정 동작이 역순으로 수행될 수 있도록 변경되거나, 특정 동작이 적어도 부분적으로 다른 동작과 동시에 수행될 수 있도록 변경될 수 있다. 다른 실시예에서, 별개의 동작의 명령 또는 하위 동작은 간헐적 및/또는 교대로 구현될 수 있다.

또한, 방법에 대한 동작의 적어도 일부는 컴퓨터에 의한 실행을 위해 컴퓨터 사용 가능한 저장 매체에 저장된 소프트웨어 명령을 사용하여 구현될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예로서, 컴퓨터 프로그램 제품의 실시예는 컴퓨터에서 실행될 때 여기에 설명된 바와 같이, 컴퓨터로 하여금 동작을 수행하게 하는 컴퓨터 판독 가능 프로그램을 저장하기 위한 컴퓨터 사용 가능 저장 매체를 포함한다.

또한, 본 발명의 적어도 일부의 실시예는 컴퓨터 또는 임의의 명령 실행 시스템에 의해 또는 이와 관련하여 사용하기위한 프로그램 코드를 제공하는 컴퓨터 사용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 매체로부터 액세스 가능한 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 취할 수 있다. 이 설명의 목적을 위해, 컴퓨터 사용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 매체는 명령 실행 시스템, 장치 또는 장치에 의해 또는 이와 관련하여 사용하기 위해 프로그램을 포함, 저장, 통신, 전파 또는 전송할 수 있는 임의의 장치 일 수 있다.

컴퓨터 사용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 매체는 전자, 자기, 광학, 전자기, 적외선 또는 반도체 시스템(또는 장치 또는 장치) 또는 전파 매체 일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체의 예로는 반도체 또는 솔리드 스테이트 메모리(solid state memory), 자기 테이프, 이동식 컴퓨터 디스켓, 랜덤 액세스 메모리(Random Access Memory)(RAM), ROM(읽기 전용 메모리), 강성 자기 디스크 및 광 디스크. 현재 광 디스크의 예로는 읽기 전용 메모리(CD-ROM)가 있는 컴팩트 디스크, 읽기/쓰기가 가능한 컴팩트 디스크(CD-R/W), 디지털 비디오 디스크(DVD) 및 Blu-ray 디스크가 있다.

위의 설명에서, 다양한 실시예의 특정 세부 사항이 제공된다. 그러나, 일부 실시예는 이러한 특정 세부 사항 모두보다 적게 실시될 수 있다. 다른 경우에는, 특정 방법, 절차, 구성 요소, 구조 및/또는 기능은 간결성과 명확성을 위해 본 발명의 다양한 실시예를 가능하게 하는 것보다 더 상세하게 설명되지 않는다. 본 발명의 특정 실시예가 설명되고 예시되었지만, 본 발명은 그렇게 설명되고 예시된 부분의 특정 형태 또는 배열로 제한되지 않는다. 본 발명의 범위는 여기에 첨부된 청구 범위 및 그 균등물에 의해 정의되어야 한다.

Claims

서보 드라이브로 모션 시스템의 건강을 관리하는 방법에 있어서,
모션 명령에 응답하여 상기 모션 시스템의 모터를 구동하기 위해 상기 서보 드라이브에 의해 사용되는 모션 변수를 수집하는 단계;
수집된 상기 모션 변수만을 사용하여 상기 모션 시스템에 대한 건강 표시 값을 계산하는 단계; 및
상기 건강 표시 값에 응답하여, 상기 모션 시스템의 유지 관리를 위한 알림을 생성하는 단계
를 포함하는
방법.
제1항에 있어서,
상기 서보 드라이브에 의해 사용되는 상기 모션 변수를 수집하는 단계는 위치 값, 속도 값 및 구동 전류 값 중 적어도 하나를 수집하는 단계
를 포함하는
방법.
제1항에 있어서,
상기 건강 표시 값은 상기 서보 드라이브에 의해 사용되는 수집된 상기 모션 변수만을 사용하여 계산된 마찰 계수 값인
방법.
제3항에 있어서,
상기 마찰 계수 값은 점성 마찰 계수 값 또는 쿨롱 마찰 계수 값인
방법.
제4항에 있어서,
상기 점성 마찰 계수 값과 상기 쿨롱 마찰 계수 값 중 적어도 하나는:
T = J * A + B * w + C *(dw)
의 수식을 사용하여 파생되고,
여기서, T는 토크, J는 관성, A는 가속도, B는 점성 마찰 계수 값, w는 속도 값, C는 쿨롱 마찰 계수 값, dw는 속도 방향인
방법.
제1항에 있어서,
상기 건강 표시 값은 수집된 상기 모션 변수에 기초한 토크 모델로부터 현재 토크 값과 모델 토크 값을 사용하여 계산된 토크 편차 값인
방법.
제6항에 있어서,
상기 토크 모델은 속도, 위치 및 토크 값에 의해 정의되는 3 차원 모델인
방법.
제1항에 있어서,
상기 건강 표시 값은 수집된 상기 모션 변수에 기초한 가속도의 변화를 사용하여 계산된 총 충격 값인
방법.
제8항에 있어서,
수집된 상기 모션 변수에 기초하여 시간에 따른 가속도 값을 계산하는 단계
를 더 포함하는
방법.
모션 시스템에 있어서,
모터, 및
상기 모터를 구동하도록 구성된 서보 드라이브를 포함하고,
상기 서보 드라이브는,
메모리; 및
모션 명령에 응답하여 상기 모션 시스템의 상기 모터를 구동하기 위해 상기 서보 드라이브가 사용하는 모션 변수를 수집하고, 수집된 상기 모션 변수만을 사용하여 상기 모션 시스템에 대한 건강 표시 값을 계산하고, 및 상기 건강 표시 값에 응답하여, 상기 모션 시스템의 유지 관리를 위한 알림을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함하는
모션 시스템.
제10항에 있어서,
적어도 하나의 상기 프로세서는 위치 값, 속도 값 및 구동 전류 값 중 적어도 하나를 수집하도록 구성된
모션 시스템.
제10항에 있어서,
상기 건강 표시 값은 상기 서보 드라이브에서 사용하는 수집된 상기 모션 변수 만 사용하여 계산되는 마찰 계수 값인
모션 시스템.
제12항에 있어서,
상기 마찰 계수 값은 점성 마찰 계수 값 또는 쿨롱 마찰 계수 값인
모션 시스템.
제13항에 있어서,
상기 점성 마찰 계수 값과 상기 쿨롱 마찰 계수 값 중 적어도 하나는:
T = J*A + B*w + C*(dw)
의 수식을 사용하여 파생되고,
여기서, T는 토크, J는 관성, A는 가속도, B는 점성 마찰 계수 값, w는 속도 값, C는 쿨롱 마찰 계수 값, dw는 속도 방향인
모션 시스템.
제10항에 있어서,
상기 건강 표시 값은 수집된 상기 모션 변수에 기초한 토크 모델로부터 현재 토크 값과 모델 토크 값을 사용하여 계산된 토크 편차 값인
모션 시스템.
제15항에 있어서,
상기 토크 모델은 속도, 위치 및 토크 값에 의해 정의되는 3 차원 모델인
모션 시스템.
제10항에 있어서,
상기 건강 표시 값은 수집된 상기 모션 변수에 기초한 가속도의 변화를 사용하여 계산된 총 충격 값인
모션 시스템.
제17항에 있어서,
적어도 하나의 상기 프로세서는 수집된 상기 모션 변수에 기초한 시간에 따른 가속도 값을 계산하도록 구성된
모션 시스템.