SE505975C2 - Förfarande för styrning av en industrirobot med hänsyn till belastning och livslängd - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 505 975 För att inte belastningarna på robotens mekaniska komponenter, exempelvis lager, motorhus och armfästen, ska bli för höga sätts gränser för högsta tillåtna moment och hastighet axlar stag, för var och en av robotens axlar. Dessa gränser sätts före leverans av roboten och begränsar robotens prestanda, dvs axlarnas maxhastigheter och maxmoment, under hela robotens livs- tid. Gränserna för högsta tillåtna axelmoment och axelhastighet beräknas med utgångspunkt från robotens garanterade livslängd och utmattningsdiagram för den mekaniska strukturen. Beräkningen utgår från ett värsta tänkbart fall med onormala rörelsemönster och med onormalt många cykler per tidsenhet.

Den mekaniska belastningen på en mekanisk komponent vid ett visst tillfälle beror av flera olika faktorer, t ex robotens Vhastighet, acceleration, konfiguration och last. Detta betyder att om roboten har en fördelaktig konfiguration eller liten last så kan de uppsatta gränserna för högsta tillåtna axelmoment och axelhastighet överstigas utan att komponentens belastning blir för hög.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att öka robotens utnyttjandegrad så att mekaniken utnyttjas maximalt. Vad som kännetecknar ett förfarande enligt uppfinning framgår av bifogade patentkrav.

Aktuell belastning i minst en mekaniskt kritisk punkt beräknas kontinuerligt med utgångspunkt från utsignalerna från läges- givarna och en matematisk modell för roboten. Med jämna mellan- rum beräknas en utnyttjandefaktor för den kritiska punkten utgående från punktens belastningsspektrum under en förutbestämd observationsperiod. Utgående från utnyttjandefaktorn och robotens livslängd beräknas maximalt tillåten belastning i den kritiska punkten. Livslängden kan antingen vara förutbestämd eller valbar. Maximalt tillåten belastning beräknas kontinuer- ligt under de aktuella robotcyklerna för var och en av de kritiska punkterna. Aktuell belastning och max-tillåten belast- ning jämförs kontinuerligt och om den aktuella belastningen 10 15 20 25 30 35 505 975 överstiger den maximalt tillåtna så begränsas axelhastigheter och axelmoment sà att belastningen i de kritiska punkterna minskar.

Genom att ta hänsyn till storleken hos de belastningar som vissa kritiska mekaniska strukturer utsätts för kan axelhastigheter och axelmoment ökas så att mekaniken utnyttjas maximalt. Där- igenom kommer en robot som utför för mekaniken skonsamma rörelsemönster att erhålla högre prestanda än en robot som körs med ogynnsamma rörelsemönster. Likaledes kommer en robot som hanterar mindre verktygs- och armlaster att erhålla högre prestanda.

I en utföringsform av uppfinningen beräknas maximalt tillåten belastning med hänsyn till den önskade livslängden för roboten.

Maximalt tillåten belastning beräknas då utgående ifrån hela robotens förhistoria. Användaren kan när som helst av styr- systemet få reda på hur lång tid som återstår av robotens livslängd. Om användaren ej är nöjd med återstående livslängd kan han ändra värdet på den återstående livslängden, varefter styrsystemet bestämmer en ny max-tillåten belastning utifrân det nya värdet på livslängden. På så sätt kan användaren själv välja mellan högre prestanda och kortare livslängd eller lägre prestanda och längre livslängd för sin robot.

I en annan utföringsform bestäms en fast livslängd vid installa- tionen av roboten. Styrsystemet beräknar sedan under observa- tionsperioderna maximalt tillåtna belastningar i relation till den fasta livslängden, varvid axelhastigheter och axelmoment justeras så att de maximalt tillåtna belastningarna ej över- skrides. I detta fall behöver inte data om robotens förhistoria lagras, vilket är en fördel vid byte av styrskåp eller vid minnesfel.

FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar ett exempel på en känd industrirobot.

Figur 2a visar ett exempel på ett utmattningsdiagram.

Figur 2b visar ett exempel på en moment-tid funktion. 10 l5 20 25 30 35 _axel A3. Robotarmen 5 består av två delar 5a och 5b, 505 975 Figur 2c visar på ett exempel pà ett belastningsspektra.

Figur 3 visar ett flödesschema för en första utföringsform enligt uppfinningen.

Figur 4 visar ett flödesschema för en andra utföringsform enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Figur 1 visar ett exempel på en känd industrirobot. På ett underlag 1 är robotens fot 2 fast monterad. Roboten har ett basstativ 3, vilket är vridbart i förhållande till foten 2 runt en vertikal axel A1. I basstativets övre ände är en första robotarm 4 lagrad och vridbar i förhållande till basstativet runt en andra axel A2. I armens ytterände är en andra arm 5 lagrad och vridbar i förhållande till den första armen runt en varvid den yttre delen 5b är vridbar i förhållande till den inre delen Sa runt en med armens längdaxel sammanfallande vridaxel A4. Armen 5 uppbär i sin yttre ände en s k robothand 6, vilken är vridbar runt en mot armens längdaxel vinkelrät vridningsaxel A5. Robot- handen innefattar ett verktygsfäste 6a. Robothandens yttre del och därmed verktygsfästet 6a är vridbara i förhållande till robothandens inre del runt en vridningsaxel A6. vridnings- vinklarna i de sex vridningsaxlarna Al...A6 betecknas i figuren med W1_@v För var och en av robotens rörelseaxlar finns en lägesgivare som avger en signal som är ett mått på den aktuella axelns vrid- ningsvinkel. Utsignalerna från lägesgivarna tillförs robotens styrsystem. Styrsystemet är anordnat i ett separat styrskàp 8 och innefattar på känt sätt en datorutrustning med erforderliga minnen för program och andra data, drivorgan för de olika robot- axlarnas drivmotorer samt erforderlig matningsutrustning. Styr- skàpet är förbundet med en programmeringsenhet 9 för program- mering och övrig betjäning av roboten. Styrenheten innefattar en matematisk modell av roboten som används vid beräkningar av olika slag. 10 15 20 25 30 35 505 97.5 Ofta bestäms den mekaniska hállfastheten hos en robot av ett fåtal kritiska belastningspunkter. För dessa belastningspunkter gäller att de vid robotrörelserna uppkomna kraft- eller moment- amplituderna inte får överstiga den nivå som ger utmattnings- brott under robotens livstid.

Med hjälp av en matematisk modell av robotdynamiken och ut- signalerna från lägesgivarna kan belastningen i en kritisk punkt beräknas. Belastningen kan vara moment, kraft, spänning, utböjning eller vridning. Belastningen härrör från sådana dynamiska effekter såsom kopplad masströghet, centrifugalkraft och gravitation. I detta utföringsexempel beräknas belastningen som ett böjmomentet 1: f=M,< -<';'>+v,>-ui>>'+G1< <1) ¶>=q>,,cp,....p6 = robotens position d>=q'),,q'>,.....q'>6 = robotens hastighet Ö=ÖI,Ö,....ÖG = robotens acceleration ßqflqn beskriver kopplingen mellan robotarmarnas accelerationer och böjmomentet i den kritiska punkten. \fl(ø) beskriver kopp- lingen mellan centrifugalkraften hos olika delar av roboten och böjmomentet i den kritiska punkten. Gflflñ beskriver gravita- tionens inverkan på böjmomentet.

Ett materials hållfasthet vid växlande belastningar är beroende av belastningsväxlingarnas amplitud och deras antal under materialets livstid. Ur materialets utmattningsdiagram kan utläsas det antal spänningsväxlingar N med en viss amplitud S som materialet tål under sin livstid. Figur 2a visar ett exempel på ett utmattningsdiagram. Figur 2b visar ett exempel på hur ett böjmoment 1 kan variera under en observationsperiod At i en kritisk punkt i en s k moment-tid funktion. Ur moment-tid funktionen kan amplituderna rij för momentväxlingarna avläsas.

Figur 2c visar ett exempel på ett belastningsspektrum för en kritisk punkt baserat på mätningar under en observationsperiod.

Ett belastningsspektrum visar antalet förekommande moment- 10 15 20 25 30 35 505 975 växlingar ni inom ett amplitudintervall vars medelamplitud är Saij.

I figur 3 visas hur beräkningen av maximal belastning, dvs max- värden för axelhastigheter ån” och axelmoment 1 kan tillgå enligt en utföringsform av uppfinningen. Roboten i detta utföringsexempel har ett antal (i) kritiska punkter. De kritiska punkterna kan vara svaga punkter i robotstrukturen t ex lager, axlar, stag, växellådor eller andra livslängdsbegränsande komponenter. Böjmomenten q beräknas för var och en av punkterna utgående från utsignalerna øpm,x4% från robotens lägesgivare enligt ekvation l, block 10. Beräkningen av böjmomenten sker kontinuerligt, t ex var 24:e us. Vid körning av roboten erhålles därvid en moment-tid funktion för varje punkt.

.För att få fram belastningsspektrum för en punkt måste samtliga momentväxlingar detekteras och deras amplituder beräknas ur moment-tid funktionen för punkten. För moment-tid funktionen detekteras därför kontinuerligt samtliga lokala maxvärden gm! och minvärden fm” och ur dessa max- och minvärden beräknas sedan momentväxlingarnas amplitud: ;“=.¿mL__mu (2) Algoritmer för att söka upp och beräkna relevanta moment- variationer kan utföras på olika kända sätt. Exempelvis kan extremvärdessökning eller beräkning av antalet momentmaxima som överstiger och antalet momentminima som understiger givna momentnivàer göras direkt hos moment-tid funktionen. Ett alternativ till att använda specialalgoritmer i tidsplanet är att använda frekvensanalys, t ex med en EFT-algoritm.

Belastningsspektrum uppdateras under en observationsperiod At.

Observationsperioden bör vara minst en robotcykel, dvs den tid det tar för roboten att utföra aktuellt robotprogram. Det är lämpligt att välja observationsperioden så att variationer i robotens användning under dygnet kommer med. I detta utförings- exempel är observationsperioden ett dygn. 10 l5 20 25 30 35 För att beräkna maximalt tillåten belastning beräknas först en s k utnyttjandefaktor för punkten i. I detta utförandeexempel används delskada Di för beräkning av utnyttjandefaktorn.

D.=2-L <3) Nij är maximalt antal tillåtna belastningscykler i ett intervall [Q4-g], och nij är antalet momentväxlingar med amplituder inom intervallet [Q¶-g]. Antalet inom en observationsperiod uppmätta momentväxlingar Anij med amplituder inom givna momentintervall [34-Q] lagras 1 en tabell för varje kritisk punkts belastnings- spektrum. För varje momentintervall beräknas antalet belast- ningscykler Anij, block 11. Tabellen uppdateras under varje observationsperiod. Exempel på en sådan tabell för en kritisk punkt i: O '- 11 Anil q-Q mug Û4"Ü Anil Tabellen utgör underlag för beräkning av derivatan av delskadan, block 12: At Al 1,, N,- At F, N- fl=*[:i-»ß+~~:f'»]=l'~~ 1 #1 ä 4 Om delskadan ackumuleras under robotens hela livstid blir summan av alla delskadorna 1. Den maximalt tillåtna delskadan Dimax under robotens livstid bör ha ett värde som ligger strax under l, exempelvis kan den väljas till Dimax = 0.9. ADi utgör ökningen av delskadan under tidsperioden At. Delskadeökningen per tidsenhet, ADi/At utgör ett mått på hur mycket närmare 10 15 20 25 30 505 975 utmattning strukturen kommer per tidsenhet. Om robotens livs- längd tlife är känd kan delskadeökningen per tidsenhet användas för att beräkna maximalt tillåten belastning. I detta utförings- exempel är robotens livslängd tlife förutbestämd av robot- tillverkaren. Ur följande samband beräknas den största delskade- ökningen per tidsenhet (%áF) som kan tillåtas för att struktu- ml ren i den kritiska punkten ska hålla under den förutbestämda livstiden: AD. _ At m., IW, Ur detta kan utnyttjandefaktorn QW för punkten i beräknas, block 13: Utnyttjandefaktorn beräknas för var och en av de kritiska punkterna. Robotens utnyttjandefaktor klife är utnyttjande- faktorn för den kritiska punkt som har största hw. kw, = Max{ki,¿,,} (7) Om k%< 1 kan prestanda, dvs axelhastigheter och axelmoment,ökas.

Om km> 1 måste prestanda minskas.

Att utifrån kw beräkna maxvärden för axelhastigheter Om” och axelmoment Qmmm, så att böjmomenten Q erhåller värden så att hV= 1 är ett mycket svårt matematiskt problem. Istället kan en adaptiv metod användas. Eftersom det rör sig om mycket långa tidsförlopp för utmattningsprocessen, så lämpar sig problemet mycket väl för adaptivitet. Adaptiviteten innebär att àm, och tumma, minskas, hålls konstant eller ökas i beroende av om @fi> l, km= l eller &%< 1. De maximala axelhastigheterna ómx och axelmomenten tumma justeras nu av styrsystemet efter varje 10 15 20 25 30 35 m f: m -o \s cr- observationsperiod så att efter ett antal observationsperioder körs roboten med hw=l, block 14.

Relationen mellan ändringarna av de maximala axelhastigheterna ån, och axelmomenten faan” bestämmes av vilka termer i ekvation 1 som ger störst bidrag vid beräkningen av böjmomentet 1 för den begränsande punkten. Om M1(q))0à3+G¿((0) är dominerande så görs största ändringen i I- och om V,MM0($f är dominerande så fllldllll styrs #5” mest.

En nackdel med den ovan beskrivna utföringsformen är att robo- tens livslängd måste bestämmas vid installationen av roboten.

Det går inte att efter några år ändra livslängden för att få ut mera prestanda ur roboten eller för att utsträcka användningen av roboten. I en andra utföringsform av uppfinningen anpassas den maximalt tillåtna belastningen till robotens hela för- historia.

Figur 4 visar ett flödesschema över en andra utföringsform av uppfinningen. Aktuell belastning I i de kritiska punkterna beräknas enligt ekvation 1 på samma sätt som i det första utföringsexemplet, block 10. I block 21 beräknas Anij på samma sätt som i föregående exempel. En skillnad är att i detta utföringsexempel beräknas och lagras antalet momentväxlingar i 'va- olika momentintervall nüzzAnä från det att roboten var ny till IIO robotens aktuella ålder tage: [Tfn-q] nij Ani; o - 11 nu Ann 11-1, mig Anig 12-1, ni3 Ani3 Q*-Q nil Anil 10 15 20 25 30 35 505 975 10 Genom att nij nu finns lagrat sedan roboten var ny kan delskadan Di beräknas enligt ekvation 3, block 22. Pà samma sätt som tidigare beräknas aktuell delskadeökning per tidsenhet luz, I block 12. Resterande livstid gm beräknas ur följande samband: tina: ill a Den punkt som har kortast resterande livstid bestämmer robotens resterande livstid t block 23. nu ' tm, = Minflma.) (9) Om robotens aktuella ålder tage kontinuerligt uppdateras och lagras i styrsystemet kan robotens totala livslängd tlife beräk- nas enligt tlife = tage + trest. Robotens totala livslängd tlife och återstående livstid trest kan presenteras för robotoperatö- ren, som därefter kan välja att minska prestanda och därmed öka resterande livstid, eller höja prestanda på bekostnad av en minskad resterande livstid. Att ändra prestanda innebär att nivåerna för maximalt tillåtna axelhastigheter och axelmoment ändras.

Istället för att operatören styr prestandanivån kan styrsystemet automatiskt ställa in prestanda så att en av operatören inmatad önskad livslängd tlife eller önskad återstående livslängd trestw erhålles. I block 24 beräknas en utnyttjandefaktor klife enligt: k_ = fm... = 'riff-f- ”' z r (10) VII-Il Maxvärden för axelhastigheter och axelmoment kan justeras enligt ovan beskrivna adaptiva metod, block 14.

För att en helautomatisk livslängdsoptimering skall vara möjlig krävs att ackumulerat antal belastningscykler nij och robotens ålder tage alltid finns tillgängliga. Ett problem är om ett styrskåp byts ut utan att roboten följer med styrskâpet. Då 10 15 20 25 11 505 975 màste belastningsspektrum och robotens alder sparas för att sedan läsas in till det nya styrsystemet. Detta problem kan lösas genom att en minnesmodul monteras i robotens fot och som kan skrivas och läsas av styrsystemet.

Som ett alternativ till delskada Di kan konstantekvivalent amplitud Seqai användas för att beräkna resterande livstid: (11) J. sm: = ° sagüfllkll J' i° Njo är antalet momentvàxlingar motsvarande livslängden vid max tillåten ekvivalentbelastning Seqaimax. i l ASqE, :__ zn-(HAI) 'Sali-ll Ihl _ znü(t).sa|_fj| W [At (12) A: ,. '1 NJ., 'f N i iv Saij ár medelmomentet i momentintervall [T,y-Q] och ki är . lutningen i utmattningskurvan. Resterande livstid för kritisk punkt i beräknas: (13) Den kritiska punkt som har den kortast àterstàende livstiden begränsar hela robotens áterstàende álder. Robotens resterande livstid: rm, = Min{z,,,,,.} (14)

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 S05 975 12 PATENTKRAV

1. Förfarande för styrning av en industrirobot, vilken har ett flertal rörelseaxlar med för var och en av nämnda axlar en lägesgivare anordnad att avge en utsignal som definierar axelns aktuella läge, samt ett styrsystem för styrning av robotens axlar, varvid utsignalerna från lägesgivarna tillförs styr- kännetecknat systemet, awr att fortlöpande under robotens drift för åtminstone en mekaniskt kritisk punkt (i) hos roboten, - beräknas aktuell belastning (2) under en förutbestämd tidsperiod (At) med utgångspunkt från robotens position (øhç5".ø6) och en matematisk modell för roboten, AD« - beräknas punktens utmattningshastighet (íK¿) utgående från den z beräknade belastningen och med kännedom om utmattningshåll- fastheten (Nij) i materialet i den kritiska punkten, - robotens prestanda (dgÜmu,f - ) justeras i beroende av IIIJJIIIX utmattningshastigheten och robotens önskade livslängd (tlife).

2. . Förfarande enligt patentkrav l k ä n n e t e c k n a t a v att AD. _ utmattningshastigheten (-Kf) beräknas utgaende från antalet belastningscykler (Anij) inom ett belastningsintervall (r_,-rfi under nämnda tidsperiod (At).

3. Förfarande enligt patentkrav 2 kä n n e t e c k n a t e v att en utnyttjandefaktor (kw) beräknas i beroende av den beräknade AD. . . . utmattningshastigheten (ïš*) och maximalt tillåten utmattnings- I AD. . M hastighet (-4) , för robotens önskade livslangd (tlife). mil

4. . Förfarande enligt patentkrav 3 k ä n n e t e c k n a t e v att AD maximalt tillåten utmattningshastighet (ífšï) ) beräknas som kvoten mellan maximalt tillåten utmattning (Dimax) och robotens önskade livslängd (tlife). 10 15 20 25 30 35 13

5. Förfarande enligt patentkrav 3 eller 4 kinnot o c kn at awr att utnyttjandefaktorn (k,) beräknas för ett flertal kritiska punkter och att robotens prestanda ($gn,r,ßm“) justeras i beroende av den punkt som har det högsta utnyttjandet.

6. Förfarande enligt något av de tidigare patentkraven k ä n n o t o c k n a t a v att robotens önskade livslängd (tlife) bestämmes då roboten är ny.

7. . Förfarande enligt patentkrav 2 k ä n n o t o c k n a t a v att antalet belastningscykler (Anij) inom belastningsintervallet (IH-ri) ackumuleras under hela robotens livslängd och att aktuell utmattning (Di) beräknas i beroende av den ackumulerade belastningen.

8. . Förfarande enligt patentkrav 7 k a n n o t a c k n a t a v att robotens resterande livstid (tresti) beräknas i beroende av utmattningshastigheten (êåä) och skillnaden mellan maximalt tillåten utmattning (Dimax) Och aktuell utmattning (Di) .

9. Förfarande enligt patentkrav 8 k a n n o t o c k n a t a v att robotens resterande livstid (tresti) beräknas för ett flertal kritiska punkter och att den kortaste resterande livstiden bestämmer robotens resterande livstid (trest).

10. . Förfarande enligt patentkrav 1, 7, 8, 9 k i n n o t o c k n a t a v att robotens prestanda ( çbul-nmu fmu-Lmu) justeras i beroende av en valbar önskad livslängd (tlife).

11. Förfarande enligt patentkrav 10 kânnotocknat av att en utnyttjandefaktor (hw) beräknas i beroende av den valbara livslängden (tlife) och beräknad resterande livslängd (trest) och att robotens prestanda (@m,,1umm“) justeras i beroende av utnyttjandefaktorn.

12. Förfarande enligt patentkrav 3-5 eller 11 k ä n n o t o c k n a t a v att i beroende av om utnyttjandefaktorn 10 505 975 14 (k-,) är större eller mindre än ett givet värde ökas respektive minskas robotens prestanda .

13. Förfarande enligt något av de föregående patentkraven k ä n n a t e c k n a t a v att robotens prestanda ändras genom att ändra robotens maximala axelhastigheter (tjämfl) och maximala axe lmoment ( 'r - ala-mm: ) '

14. Förfarande enligt patentkrav 13 kännet acknat av att relationen mellan justeringarna av robotens maximala axelhastigheter (diam) och maximala axelmoment (Tn-Lmu) bestämmes i beroende av relationen mellan accelerationens (Mluphçïi), gravitationens (Gi(ç))) och centrifugalkraftens (V1(¶J)0(d>)2) inverkan på belastningen (1.'¿) .