DE10297057T5

DE10297057T5 - Verfahren zur thermischen Optimierung

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Publication number: DE10297057T5
Application number: DE10297057T
Authority: DE
Inventors: Torgny Brogardh; Magnus Ahlbäck; Jesper BERGSJÖ; Staffan Elfving; Andrer Lager; Stig Moberg; Mats Myhr; Dan Rylander
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 2001-03-20
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2004-11-25
Also published as: WO2002074501A1; SE0100974D0; JP2004522602A; US7084595B2; US20040124802A1

Abstract

Verfahren zur Optimierung der Bewegungsleistung eines Industrieroboters für einen laufenden Bewegungspfad, in Bezug auf Leistungsverluste in dem Antriebssystem des Roboters, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
– für mindestens eine Komponente in dem Antriebssystem wird der Leistungsverlust für den ganzen oder Teile des Bewegungspfads berechnet;
– der berechnete Leistungsverlust wird mit einem maximal erlaubten Leistungsverlust für die Komponente verglichen; und
– abhängig von diesem Vergleich wird ein Verlauf von Beschleunigungen und Geschwindigkeiten für den derzeitigen Bewegungspfad angepasst.

Description

TECHNISCHES GEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren der Bewegungsleistung eines Industrieroboters für einen laufenden Bewegungspfad in Bezug auf Leistungsverluste in dem Antriebssystem des Roboters. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Computerprogrammprodukt, das ihn, wenn es durch einen Prozessor ausgeführt wird, steuert, so dass die Schritte des Verfahrens ausgeführt werden.
Ein Industrieroboter umfasst eine Anzahl von Armen, die um eine Anzahl von Bewegungsachsen relativ zueinander drehbar sind. Die Geschwindigkeiten und die Beschleunigungen der Achsen werden durch das Steuersystem des Roboters gesteuert, das Steuersignale an das Antriebssystem des Roboters ausgibt. Das Antriebssystem umfasst einen Motor und eine Antriebsvorrichtung pro Bewegungsachse. Wenn der Roboter in Betrieb ist, findet aufgrund von Leistungsverlusten, die aus der elektromechanischen Energieumwandlung entstehen, eine Erwärmung der Motoren und der Antriebsvorrichtungen statt. Die maximal erlaubte Erwärmung wird durch die elektronischen Schaltungen in den Antriebsvorrichtungen und das Isolationsmaterial in den Windungen des Motors bestimmt. Der Leistungsgewinn der Motoren des Roboters ist normalerweise von der maximal erlaubten Erwärmung des Antriebssystems abhängig.
Ein Industrieroboter hat eine große Bandbreite von Anwendungen. Verschiedene Anwendungen stellen Anforderungen an die thermische Belastung in dem Antriebssystem, d. h. wie groß die Leistungsverluste in dem Antriebssystem sein können. Für jede Anwendung wird der Roboter programmiert, um einem bestimmten Bewegungspfad mit gegebenen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen zu folgen. Wie groß die thermische Belastung in dem Antriebssystem werden wird, d. h. wie groß die Erwärmung der Antriebsvorrichtungen und der Motoren werden wird, hängt von der Struktur des Bewegungspfads ab, einem Bewegungspfad, für den das Antriebssystem während vergleichsweise kurzer Zeitabschnitte stark belastet wird und für die Zeitabschnitte mit kleiner thermischer Belastung in dem Antriebssystem. Andererseits kann ein Bewegungspfad mit langen Zeitabschnitten mit mittlerer Belastung und keinen oder einer kleinen Anzahl von kurzen Zeitabschnitten mit einer kleinen Belastung eine höhere thermische Belastung des Antriebssystems bewirken.
Heute wird die thermische Dimensionierung des Antriebssystems eines Roboters ausgehend von dem aus Sicht der thermischen Belastung schlechtesten vorstellbaren Bewegungspfad begonnen. Das heisst, dass von der vollen Leistung des Roboters nur in einer kleinen Zahl von Anwendungen ein Nutzen gezogen wird.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zum Optimieren der Bewegungsleistung eines Roboters in Bezug auf die Leistungsverluste in dem Antriebssystem des Roboters zu erhalten.
Diese Aufgabe wird mit dem in Anspruch 1 definierten Verfahren gelöst. Eine Optimierung der Bewegungsleistung eines Roboters für einen derzeitigen Bewegungspfad betrifft eine Optimierung der Beschleunigungen und Geschwindigkeiten der Roboterachsen für den Bewegungspfad. Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens wird diese Optimierung durch Anpassung der Beschleunigungen und der Geschwindigkeiten für den Bewegungspfad durchgeführt, bis eine maximale thermische Ausnutzung des Antriebssystems des Roboters erreicht worden ist. Eine maximale thermische Ausnutzung bezieht sich darauf, dass der Leistungsverlust in dem Antriebssystem so nahe wie möglich an dem maximal erlaubten Leistungsverlust in dem Antriebssystem liegt, ohne ihn zu überschreiten. Natürlich können andere Grenzen abgesehen von der thermischen vorliegen, zum Beispiel elektrische und mechanische Grenzen, was dazu führt, dass es nicht immer möglich ist, das Antriebssystem nahe seiner äußersten thermischen Grenze zu betreiben. Um die thermische Belastung in dem Antriebssystem mit der maximal erlaubten Belastung zu vergleichen, wird der Leistungsverlust in dem Antriebssystem über den ganzen oder Teile des Pfads berechnet. Ein Vorteil bei diesem Verfahren gemäß der Erfindung ist, dass die thermische Belastung in Abhängigkeit von einer derzeitigen Belastung für den derzeitigen Bewegungspfad gesetzt bzw. vorgegeben wird, und daher die volle Leistung des Roboters in jeder einzelnen Anwendung ausgenutzt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Verläufe von Beschleunigungen und Geschwindigkeiten indirekt angepasst, durch Anpassung von einem oder mehreren Parametern des Antriebssystems nach oben oder nach unten, bis eine maximale thermische Ausnutzung des Antriebssystems des Roboters erhalten worden ist. Als Parameter des Antriebssystems sind hauptsächlich Motordrehmoment, Motorströme, Motordrehzahlen und Antriebsvorrichtungsströme gedacht.
Ein anderer Weg, um die Anpassung der Parameter des Antriebssystems auszuführen, ist es, sie durch Verwendung eines konstanten oder positionsabhängigen Faktors über den Bewegungspfad nach oben oder nach unten anzupassen. Ein anderer Weg ist es, stattdessen Anfangswerte für maximal erlaubte Parameter des Antriebssystems vorzugeben, zum Beispiel für maximales Motordrehmoment, maximale Motordrehzahl und/oder maximale Antriebsvorrichtungsströme, und die Anfangswerte anzupassen, wenn der Leistungsverlust von dem maximal erlaubten abweicht. Danach wird eine neue Ausführung mit den neuen, angepassten Anfangswerten ausgeführt. In dieser Ausführungsform werden die Werte für das Motordrehmoment, die Motordrehzahl und die Antriebsvorrichtungsströme für den Hauptteil des Bewegungspfads beibehalten und nur die Spitzenwerte werden angepasst.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Anfangswerte nach unten angepasst, wenn der Leistungsverlust eine maximale Belastung überschreitet, und die Anfangswerte werden nach oben angepasst, wenn der Leistungsverlust unter dem maximal erlaubten liegt, mit einem vorbestimmten Wert. Dies bedeutet, dass die Optimierung aus zwei Richtungen erfolgen kann, anhängig davon, ob die Anfangswerte einen Leistungsverlust oberhalb oder unterhalb des maximal erlaubten ergeben.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Anfangswerte im Wesentlichen durch elektrisch maximal begrenzte Antriebssystemparameter gebildet und die Anfangswerte werden nach unten angepasst, wenn der Leistungsverlust den maximal erlaubten überschreitet. Die Werte für die elektrisch maximal begrenzten Antriebssystemparameter sind in den meisten Fällen höher als die thermisch begrenzten, und sind unabhängig davon, wie intensiv der Roboter betrieben wird. Indem elektrisch maximal begrenzte Anfangswerte gewählt werden, ist es ausreichend, in einer Richtung zu optimieren, d. h. die Anfangswerte werden nach unten angepasst, wenn der Leistungsverlust den maximal erlaubten überschreitet.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Berechnung des Leistungsverlusts den Schritt, dass die Antriebssystemparameter für den Roboter für den derzeitigen Bewegungspfad durch Ausführen des derzeitigen Bewegungspfads in dem Steuersystem des Roboters bestimmt werden. Die Vorteile davon, den Bewegungspfad in dem Steuersystem des Roboters auszuführen sind, dass die Berechnungen genau werden, und dass kein Modell der Software des Steuersystems benötigt wird. Die Software kann entweder durch die Hardware in dem realen Steuersystem des Roboters ausgeführt werden, oder kann in einem virtuellen Steuersystem ausgeführt werden, was bedeutet, dass es auf einer anderen Hardware außerhalb des Roboters ausgeführt wird, zum Beispiel auf einem PC. Um die Antriebssystemparameter des Roboters zu entscheiden ist es ebenso erforderlich, das Verhalten des Roboters während der Ausführung zu kennen. Zu diesem Zweck kann entweder der reale Roboter betrieben werden, oder ein Modell des Roboters kann verwendet werden, das thermische Modelle des Antriebssystems umfasst.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Berechnung des Leistungsverlusts den Schritt, dass die Antriebssystemparameter des Roboters für den Bewegungspfad bestimmt werden, indem der derzeitige Bewegungspfad simuliert wird, beginnend mit einem Modell der Kinematik, Dynamik und der thermischen Eigenschaften des Roboters. Ein Vorteil bei der Verwendung von Modellen für das Steuersystem und den Roboter ist, dass der ganze Optimierungsvorgang offline in einem externen Computer erfolgen kann. Da die Entwicklung des Roboterprogramms für den Bewegungspfad offline erfolgt, ist es praktisch, wenn die Optimierung ebenfalls in dem gleichen Computer erfolgen kann, zum Beispiel wenn eine Neuprogrammierung sich als nötig erweisen würde.
Das Antriebssystem des Roboters umfasst mehrere Komponenten, zum Beispiel Motoren, Antriebsvorrichtung, Gleichrichter, Transformatoren und Kabel. Gemäß der Erfindung wird der Leistungsverlust für mindestens eine dieser Komponenten berechnet und die Optimierung basiert darauf, wie die thermische Belastung in der Komponente von einer maximal erlaubten abweicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Leistungsverluste für die Antriebsvorrichtung und für den Motor berechnet, wobei der Leistungsverlust für den Motor als die Summe der Leistungsverluste berechnet wird, abhängig von dem Drehmoment des Motors und abhängig von der Drehzahl des Motors. Da Motoren und Antriebsvorrichtungen die Komponenten in dem Antriebssystem sind, die die größten Leistungsverluste entwickeln, und daher in der größten Gefahr sind, sich zu überhitzen, ergibt eine Optimierung in Bezug auf diese zwei Komponenten ein ausreichend genaues Ergebnis.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden das Motordrehmoment, die Drehzahl des Motors und/oder die Ströme der Antriebsvorrichtungen, oder deren maximal erlaubte Werte, für den gesamten Pfad angepasst. Der Vorteil darin, die Werte entlang des gesamten Pfads anzupassen ist, dass es einfach auszuführen ist. Wenn Leistungsfähigkeiten in allen Teilen des Bewegungspfads gleich wichtig sind, ist dieses Verfahren normalerweise ausreichend.
Jedoch ist es üblich, dass die Leistungen in einigen Teilen des Pfads wichtiger sind als die Leistung in anderen Teilen des Pfads. In einer Ausführungsform der Erfindung werden das Motordrehmoment und/oder die Motordrehzahl und/oder die Ströme der Antriebsvorrichtungen in verschiedenen Teilen des Bewegungspfads in verschiedenen Ausmaßen angepasst. Indem verschiedene Teile des Pfads für sich allein optimiert werden, kann man eine höhere Leistung in ausgewählten kritischen Teilen des Pfads erhalten, auf Kosten der Leistung in anderen, weniger kritischen Teilen des Pfads.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird mindestens einer der Antriebssystemparameter in mindestens einem Teil des Bewegungspfads angepasst, und die Antriebssystemparameter werden in mindestens einem Teil des Pfads beibehalten. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft in Anwendungen, die maximale Leistung während eines oder mehrerer kurzer Teile des Pfads erfordern, und worin der Pfad einen oder mehrere kurze Teile mit einer niedrigen Leistungserfordernis aufweist.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Programmcode, der den Bewegungspfad steuert, mit einer Markierung versehen, die markiert, welche Teile des Pfads kritisch sind und welche Teile nicht kritisch sind, und während der Optimierung des maximalen Drehmoments wird die Optimierung in erster Linie in den kritischen Teilen des Bewegungspfads durchgeführt. Eine solche Markierung, die aussagt, auf welchen Teilen des Pfads es wichtig ist, die maximale Leistung beizubehalten, kann bereits während der Optimierung des Pfads in Anbetracht des Herstellungsvorgangs, den der Roboter ausführen soll, eingeführt werden. Diese Markierung kann entweder automatisch ausgeführt werden, indem ein Zeiger (flag) von dem Vorgangsbefehl in dem Roboterprogramm gesetzt wird oder manuell durch einen Bediener, der angibt, wo die Leistung in dem Pfad wichtig ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein thermisches Modell der Komponente in dem Antriebssystem verwendet, um zu bestimmen, ob die thermische Belastung in der Komponente die maximal erlaubte Belastung überschreitet oder wesentlich davon abweicht. Mit einem solchen thermischen Modell können sowohl der maximal erlaubte Leistungsverlust der Komponente als auch der Temperaturanstieg der Komponente für einen bestimmten Leistungsverlust berechnet werden. Dies bedeutet, dass zwei Verfahren existieren, um zu bestimmen, ob die thermische Belastung in de Komponente die maximal erlaubte Belastung überschreitet oder wesentlich davon abweicht.
Ein Verfahren beinhaltet, den maximal erlaubten Leistungsverlust für die Komponenten in Abhängigkeit von dem thermischen Modell zu berechnen, und dass dieses ihn mit dem berechneten Leistungsverlust in den Komponenten für den tatsächlichen Pfad vergleicht. Der Vorteil, die Leistungsverluste miteinander zu vergleichen, liegt darin, dass es ausreichend ist, den maximal erlaubten Leistungsverlust für die Komponenten ein Mal zu berechnen. Daher benötigt man das thermische Modell in den nachfolgenden Optimierungsschritten nicht.
Das zweite Verfahren, um zu bestimmen, ob die thermische Belastung in den Komponenten die maximal erlaubte Belastung überschreitet oder wesentlich davon abweicht, umfasst den Schritt, dass die Temperatur in der Komponente in Abhängigkeit von dem berechneten Leistungsverlust für die Komponente und dem thermischen Modell berechnet wird, und dass die Temperatur mit der maximal erlaubten Temperatur für die Komponente verglichen wird.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist in der Form von Befehlen geeignet in einem Computerprogramm implementiert, das durch einen Prozessor ausgeführt wird. Der Prozessor kann entweder zu dem Steuersystem des Roboters selbst oder zu einem von dem Roboter separaten Computer gehören.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die vorliegende Erfindung soll nun näher erklärt werden, mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen, die als Beispiele beschrieben werden.
1 zeigt ein Flußdiagramm für eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Optimierung der Bewegungsleistung eines Roboters.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Für eine bestimmte Roboteranwendung wird ein geeigneter Bewegungspfad bestimmt, angefangen bei einer Anzahl von Wünschen, die der Pfad erfüllen soll, um für die Anwendung geeignet zu sein. Diese Wünsche werden üblicherweise in der Form von Positionen, Geschwindigkeiten, und Beschleunigungen in kartesischen Koordinaten dargestellt. Um den Roboter zu steuern, muss der Bewegungspfad in Winkelkoordinaten umgerechnet werden. Der Verlauf von Geschwindigkeiten und Beschleunigungen wird daher als Winkelgeschwindigkeiten und Winkelbeschleunigungen für Roboterachsen beschrieben. Die Arbeit, einen Bewegungspfad für eine Anwendung zu erhalten, führt zu einem Roboterprogramm, das steuert, wie der Roboter sich entlang des Pfads bewegen soll. Wenn das Roboterprogramm ausgeführt wird, werden Steuersignale an das Antriebssystem des Roboters gesendet, das die Achsen des Roboters antreibt. Das Antriebssystem umfasst zum Beispiel einen Motor und eine Antriebsvorrichtung. Die Steuersignale an das Antriebssystem bestimmen, welches Motordrehmoment, welche Motorgeschwindigkeit, und welche Antriebsvorrichtungsströme, die für jede Achse erhalten werden.
In 1 ist ein Flußdiagramm für eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt. In dieser Ausführungsform wird der Pfad optimiert, indem optimale Werte für maximalen Antriebsvorrichtungsstrom, das maximale Motordrehmoment, und die maximale Zahl von Umdrehungen des Motors unter Berücksichtigung der thermischen Grenzen erzeugt werden. Die Startwerte für maximalen Antriebsvorrichtungsstrom und maximales Motordrehmoment werden durch die aus elektrischer Sicht höchsten erlaubten Werte vorgegeben. In einer anderen Ausführungsform ist es ebenso vorstellbar, dass die Startwerte durch den maximalen Antriebsvorrichtungsstrom, das maximale Motordrehmoment, und die maximale Anzahl von Umdrehungen des Motors für den bevorzugtesten Bewegungspfad des Roboters gebildet werden. Das maximale Motordrehmoment, das das Antriebssystem erzeugen kann, wird teilweise bestimmt durch das maximale Drehmoment, das der Motor aushalten kann, und teilweise durch den maximalen Antriebsstrom, den die Antriebsvorrichtung zu liefern fähig ist. Das maximale Motordrehmoment für eine Achse (i) wird daher gegeben durch den kleinsten Weit des maximal erlaubten Motordrehmoment (τ_imax) und des maximal erlaubten Antriebsvorrichtungsstroms (I_max), multipliziert mit der Drehmomentkonstante (k_Ti) der Achse. (1) τimax = Min {τimax, kTi·Iimax}
In einem ersten Schritt, Block 1, wird der Bewegungspfad simuliert mit den Startwerten für maximales Motordrehmoment, die entsprechend der Gleichung (1) bestimmt werden, und mit der maximal erlaubten Anzahl von Umdrehungen des Motors. Die Simulation wird mit einem Modell der Bewegungssteuersoftware des Steuersystems ausgeführt. Die Simulation wird offline in einem von dem Steuersystem des Roboters separaten Computer ausgeführt. Während der Simulation werden die Stromereignisse (I_i(t)), Drehmomentereignisse (τ_i(t)), und Geschwindigkeitsereignisse (ω_i(t)) für alle Achsen, die das Antriebssystem erzeugen muss, um den Bewegungspfad auszuführen, erhalten.
Wenn der Verlauf des Drehmoments, Stroms, und der Geschwindigkeiten für den Pfad bekannt ist, kann die Größenordnung der Leistungsverluste, die in dem Motor und der Antriebsvorrichtung entwickelt werden, für den Bewegungspfad berechnet werden, Block 2. Für jede Achse wird der Leistungsverlust in der Antriebsvorrichtung (P_Ii) als das Quadratmittel der Ströme für den Bewegungspfad berechnet, der Drehmoment-abhängige Leistungsverlust des Motors (P_τi) wird als das Quadratmittel des Drehmoments des Bewegungspfads berechnet, und der von der Anzahl der Umdrehungen abhängige Leistungsverlust des Motors (Pω_i) wird als das Quadratmittel der Anzahl von Umdrehungen für den Bewegungspfad berechnet.
t_c = die Zeit zum Ausführen des Bewegungspfads (= die Zykluszeit)
k_Ii, k_τi, K_ωi = Proportionalitätskonstanten
Wenn die Zykluszeit des Pfads länger ist als die thermischen Zeitkonstanten, sollte die Zykluszeit in Teilzyklen mit einer durch die thermische Zeitkonstante entschiedenen Länge aufgeteilt werden. Dadurch können die Teilzyklen jeder für sich optimiert werden, was die thermische Ausnutzung des Antriebssystems weiter erhöht.
Bei einer gegebenen Temperatur der Umgebung (T_omg), die kontinuierlich gemessen wird, oder als ein Konfigurationsparameter vorgegeben wird, und bei einer gegebenen Maximaltemperatur der Antriebsvorrichtung und des Motors, kann eine maximal erlaubte Temperaturerhöhung des Motors Δt_mimax und der Antriebsvorrichtung ΔT_dimax berechnet werden. Die maximal erlaubte Temperaturerhöhung wird als die Differenz zwischen der maximal erlaubten Temperatur und der Temperatur der Umgebung berechnet. Wenn die maximal erlaubte Temperaturerhöhung bekannt ist, und mit der Hilfe eines thermischen Modells der Funktion des Motors F_mi und der Funktion der Antriebsvorrichtung F_di, kann eine maximale Kühleffizienz für den Motor P_mimax und für die Antriebsvorrichtung P_dimax bestimmt werden, Block 3. Das thermische Modell nimmt an, dass die Kühlkapazität von Motor und Antriebsvorrichtung, d. h. Größen wie Wärmeabstrahlbereich, Wärmeleitkonstanten, und Wärmeübertragungskonstanten bekannt sind. (5) Pdi max = Fdi(ΔTdi max) (6) Pmi max = Fmi(ΔTmi max)
Damit die Antriebsvorrichtungen und Motoren für den derzeitigen Pfad nicht überhitzt werden, muss der Leistungsverlust in der Antriebsvorrichtung (P_di) weniger als oder der gleiche wie die maximale Kühleffizienz für die Antriebsvorrichtung (P_dimax) sein, und die Summe des Leistungsverlusts des Motors abhängig vom Drehmoment (P_τi) und des Leistungsverlusts des Motors abhängig von der Anzahl von Umdrehungen (P_ωi) muss weniger als oder die gleiche wie die maximale Kühleffizienz für den Motor (P_m _imax) sein. (7) Pdi ≤ Pdi max (8) Pτi + Pωi ≤ Pmi max
Die berechneten Leistungsverluste für den Motor und die Antriebsvorrichtung werden mit dem maximal erlaubten Leistungsverlust verglichen, Block 4. Wenn diese Leistungsbedingungen erfüllt sind, wird die Optimierung im Bezug auf die thermische Belastung beendet, Block 5, andernfalls muss mit dem nächsten Schritt in der Optimierung fortgefahren werden. Wenn die Leistungsbedingungen nicht erfüllt sind, ist es notwendig, die gegebenen Startwerte für maximalen Antriebsvorrichtungsstrom, maximales Motordrehmoment, und möglicherweise ebenfalls die maximale Anzahl von Umdrehungen, zu reduzieren, Block 6. Der einfachste Weg, um dies zu erreichen, ist es, die Maximalwerte für den gesamten Bewegungspfad zu senken, Block 6. Dann wird das vorstehend beschriebene Verfahren mit den neuen, reduzierten Werten für maximalen Antriebsvorrichtungsstrom, maximales Motordrehmoment, und maximale Anzahl von Umdrehungen wiederholt. Das Verfahren wird wiederholt, bis die Leistungsbedingungen, d. h. die Gleichungen 7 und 8, erfüllt sind. Die Maximalwerte, die auf diese Weise für den Antriebsvorrichtungsstrom, das Motordrehmoment, und die Anzahl von Umdrehungen erhalten werden, sind aus thermischer Sicht optimiert und können dann als Startpunkt für eine weitere Optimierung verwendet werden, zum Beispiel im Bezug auf mechanische Beschränkungen. Die optimierten Maximalwerte werden dann verwendet, um die optimalen Winkelgeschwindigkeiten und Winkelbeschleunigungen für den Bewegungspfad in dem Pfad-Interpolator des Steuersystems zu berechnen.
Häufig gibt es Teile des Pfads, die wichtiger für die Leistung sind als andere Teile. Wenn der Roboter zum Beispiel eine Funktion an einem Objekt ausführen soll, ist es wichtiger mit einer höheren Leistung während der Funktion selbst, als während der Bewegung zu und von dem Objekt. Indem bereits in dem Programmcode die Teile des Pfads markiert werden, die eine höhere Leistung erfordern, d. h. kritisch für den Vorgang sind, und für die, die keine höheren Anforderungen an die Leistung aufweisen, d.h. nicht kritisch für den Vorgang sind, kann eine selektive Leistungsoptimierung während der thermischen Optimierung durchgeführt werden. Die Leistungsverluste können jetzt selektiv in nicht kritischen Teilen des Pfads verringert werden, und in den kritischen Teilen des Pfads beibehalten werden.
Wenn die Leistungsverluste für die erste Simulation größer sind als die maximal erlaubten, wird eine neue Simulation und Leistungsberechnung ausgeführt. Für die zweite Runde der Simulation werden die Leistungsverluste gemäß der Gleichungen 2–4 in einen kritischen und einen nicht kritischen Teil aufgeteilt. Die Optimierung der Verteilung der Leistung wird durchgeführt, indem das maximale Motordrehmoment und möglicherweise die maximale Anzahl von Umdrehungen verringert werden, in den nicht kritischen Teilen des Pfads mit einem bestimmten Faktor, wonach eine neue Simulation und eine neue Leistungsberechnung durchgeführt werden. Dieses Verfahren wird wiederholt, bis die Leistungsbedingungen gemäß den Gleichungen 7 und 8 erfüllt sind. Damit die nicht kritischen Teile des Pfads nicht unter zu großen Verringerungen in der Leistung leiden, muss eine Beschränkung der Verringerung des maximalen Motordrehmoments eingeführt werden. Wenn die Verringerung in dem maximalen Motordrehmoment für die nicht kritischen Teile zu groß geworden ist, kann stattdessen fortgefahren werden, indem die maximale Anzahl von Umdrehungen ebenfalls in den nicht kritischen Teilen verringert wird. Auf die gleiche Weise wie für das maximale Motordrehmoment muss ebenfalls eine Beschränkung, wie groß die Verringerung indem maximalen Motordrehmoment sein darf, gesetzt werden.
Wenn die Leistungsbedingungen gemäß den Gleichungen 7 und 8 immer noch nicht erfüllt sind, wenn die maximale Anzahl von Umdrehungen und das Motordrehmoment für die nicht kritischen Teile des Pfads verringert worden sind, müssen Leistungsverringerungen auch für die kritischen Teile des Pfads durchgeführt werden. Auf die gleiche Weise wie für die nicht kritischen Teile des Pfads wird das maximale Motordrehmoment verringert, und die Simulation und die Leistungsberechnung wird wiederholt, bis die Leistungsbedingungen erfüllt sind. Wenn die Leistungsbedingungen immer noch nicht erfüllt sind, wenn das maximale Motordrehmoment unter einen minimal erlaubten Wert fällt, wird die maximale Anzahl von Umdrehungen verringert.
Wenn die maximal erlaubte Kühleffizienz für den Motor (P_mimax) und die Antriebsvorrichtung (P_dimax) nicht bekannt sind, aber Nominalströme, -drehmomente und Anzahl von Umdrehungen verfügbar sind, kann die Optimierung stattdessen in Bezug auf diese Größen ausgeführt werden. Die Nominalanzahl von Umdrehungen wird als der Quadratmittelwert der Winkelgeschwindigkeit für den Bewegungspfad berechnet, und das Nominalmotordrehmoment kann aus den Charakteristiken der Anzahl von Umdrehungen für die betreffenden Motoren erhalten werden. Alternativ können die Nominalwerte für den Pfad aus der Abhängigkeit der Antriebsvorrichtungsströme, des Motordrehmoments, und der Anzahl von Umdrehungen des Motors berechnet werden. Die Optimierung ist dann darauf gerichtet, darauf zu achten, dass das Nominalmotordrehmoment weniger als das maximal erlaubte Motordrehmoment ist, und dass der Nominalstrom weniger als der maximal erlaubte Strom ist. Nominalwerte von Strömen und Drehmomenten werden während der Simulation erhalten.
Anstatt die Leistungsbedingungen in den Gleichungen 7 und 8 zu verwenden, kann stattdessen eine Temperaturbedingung verwendet werden. Die maximal erlaubte Temperatur für Motoren T_mmax und Antriebsvorrichtungen T_dmax wird mit berechneten Temperaturen T_m, T_d verglichen, wobei die Verringerung des maximalen Motordrehmoments in Abhängigkeit von diesem Vergleich ausgeführt wird. Die Temperaturen der Motoren und der Antriebsvorrichtungen für den Bewegungspfad werden aus den in den Gleichungen 2–4 berechneten Leistungen, der Temperatur der Umgebung T_omg und mit Hilfe des vorher erwähnten thermischen Modells berechnet. Die neuen Bedingungen, die jetzt erfüllt werden sollen, sind, dass die Motortemperatur und die Temperatur der Antriebsvorrichtung niedriger als die maximal erlaubten Temperaturen sein müssen: (9) Tm = fmi(Pm,Tomg) < Tmmax (10) Tm = fdi(Pd,Tomg) < Tdmax worin f_mi und f_di Funktionen sind, die die thermischen Eigenschaften des Motors bzw. der Antriebsvorrichtung beschreiben.
Die Optimierung von maximalem Motordrehmoment und Anzahl von Umdrehungen wird in einer entsprechenden Weise ausgeführt, wie vorstehend beschrieben, bis die berechneten Temperaturen geringer sind als die maximal erlaubten.
Um die Optimierung zu beschleunigen, durch Finden der optimalen Werte für die Antriebssystemparameter, so schnell wie möglich, kann es geeignet sein, ein Gradientensuchverfahren zu verwenden. In dem Folgenden wird ein einfaches Gradientensuchverfahren beschrieben, in dem die Ableitung des maximalen Motordrehmoments bezüglich des Leistungsverlusts
verwendet wird, um neue Startwerte für das maximale Motordrehmoment P_mmax zu berechnen. In dieser Ausführungsform wird gewünscht, die Temperatur des Motors zu verringern, indem der Startwert nur auf dem maximalen Motordrehmoment verringert wird. Bevor die Ableitung für das maximale Motordrehmoment bezüglich des Leistungsverlusts berechnet werden kann, müssen mindestens zwei Simulationen (Anzahl n–1 und n) mit verschiedenen Startwerten auf maximales
Motordrehmoment ausgeführt werden, und die Leistungsverluste müssen für beide Simulationen P n–1 / m, P n / m berechnet werden. Wenn die Temperatur des Motors immer noch höher ist als die in der zweiten Simulation maximal erlaubte, wird die Ableitung
gemäß der Gleichung 11 berechnet, in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den Startwerten für das maximale Motordrehmoment in beiden vorhergehenden Simulationen
als auch der Differenz zwischen den vorhergehenden Leistungsverlusten von beiden vorhergehenden P n / m–P n–1 / m. Danach wird ein neuer Startwert des maximalen Motordrehmoments
gemäß der Gleichung 12 berechnet, beginnend mit dem maximalen Motordrehmoment in den vorhergehenden Simulationen
die berechnete Ableitung
und die Differenz zwischen dem maximal erlaubten Leistungsverlust P_mmax und der berechnete Leistungsverlust P n / m in der vorhergehenden Simulation:
Die Iteration wird wiederholt, bis die Differenz zwischen dem maximal erlaubten Leistungsverlust P_mmax und dem berechneten Leistungsverlust P n + k / m kleiner als ein vorbestimmter niedrigster Wert ε ist. (13) |P_mmax – P n + k / m| < ε
Allgemein ist n = 2 und k ≤ 5, wobei n die Zahl der Simulationen zum Berechnen des Suchgradienten ist, und k die Zahl von Simulationen während der Iteration ist.
Wenn die Temperaturen in der Antriebsvorrichtung und in dem Motor stattdessen niedriger sind als die maximal erlaubten Temperaturen, wird das Motordrehmoment in einer entsprechenden iterativen Weise erhöht, bis Bedingung 13 erfüllt ist. Das Vorzeichen der Ableitung in Gleichung 11 entscheidet, ob das maximale Motordrehmoment erhöht oder verringert werden soll. Unter Verwendung dieses Verfahrens kann ein willkürlicher Wert als Startwert des maximalen Motordrehmoments gesetzt werden, und der Wert wird später nach oben oder unter angepasst, bis ein optimaler Wert gefunden worden ist. Mit einem optimalen Wert ist ein Wert des maximalen Motordrehmoments beabsichtigt, bei dem die Temperatur der Komponenten in dem Antriebssystem niedriger ist als die maximal erlaubte Temperatur, aber dass die Temperatur so nahe an der maximal erlaubten liegt wie möglich. Wie nahe an die maximal erlaubte Temperatur die Optimierung geleitet werden kann, hängt von der Genauigkeit des thermischen Antriebssystemmodells ab. Ein geeigneter Wert ist 5°C.
Wenn es eine elektrische Beschränkung und nicht eine thermische Beschränkung des Motordrehmoments und der Antriebsvorrichtungsströme ist, die die Beschränkung der Leistung ergibt, kann immer noch eine verbesserte Roboterleistung erhalten werden, indem die maximale Anzahl von Umdrehungen erhöht wird. In diesem Fall sind das maximale Motordrehmoment und maximaler Antriebsvorrichtungsstrom durch die elektrischen Beschränkungen gegeben, und der Bewegungspfad wird mit diesen Werten simuliert. Auf die gleiche Weise wie vorher wird der Leistungsverlust berechnet und mit einem maximal erlaubten Leistungsverlust verglichen. Wenn der Leistungsverlust geringer als der aus thermischer Sicht maximal erlaubte ist, kann die maximale Anzahl von Drehungen erhöht werden, so dass der Leistungsverlust erhöht wird, ohne die elektrische Beschränkung zu überschreiten, was wiederum eine kürzere Zykluszeit ergeben kann.
Es sollte bemerkt werden, dass, ausgenommen die Optimierung des Motordrehmoments, die Anzahl der Umdrehungen des Motors, und die Antriebsvorrichtungsströme entlang eines programmierten Pfads, eine Optimierung mit dem beschriebenen Verfahren ebenfalls den für Gleichrichterstrom und den Transformatorstrom bei gegebenen Spannungsniveaus ausgeführt werden kann. Es ist insbesondere interessant, die thermische Ausnutzung des Gleichrichters zu optimieren. Indem der Leistungsverlust für den Gleichrichter berechnet wird, und die Bewegungen des Roboters optimiert werden, so dass der Gleichrichter so nahe wie möglich an der maximal erlaubten Leistung arbeitet, kann er in einer besseren Weise kostenoptimiert werden.
Es sollte ebenso bemerkt werden, dass, anstatt das Motordrehmoment, die Motorgeschwindigkeiten, und/oder die Antriebsvorrichtungsströme des Antriebssystemmodells iterativ zu steuern, die direkte Pfadbeschleunigung und Pfadgeschwindigkeit angepasst werden können, bis eine optimale thermische Ausnutzung des Antriebssystems erhalten wird.
Zusammenfassung
Verfahren zum Optimieren der Bewegungsleistung eines Industrieroboters für einen derzeitigen Bewegungspfad, in Anbetracht der thermischen Belastung des Antriebssystems der Roboters, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

– für mindestens eine Komponente in dem Antriebssystem wird die thermische Belastung für den ganzen oder Teile des Bewegungspfads berechnet, wenn die berechnete thermische Belastung mit einer maximal erlaubten Belastung für die Komponente verglichen wird; und
– abhängig von dem Vergleich wird ein Verlauf von Beschleunigungen und Geschwindigkeiten für den derzeitigen Bewegungspfad angepasst.

(1)

Claims

Verfahren zur Optimierung der Bewegungsleistung eines Industrieroboters für einen laufenden Bewegungspfad, in Bezug auf Leistungsverluste in dem Antriebssystem des Roboters, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – für mindestens eine Komponente in dem Antriebssystem wird der Leistungsverlust für den ganzen oder Teile des Bewegungspfads berechnet; – der berechnete Leistungsverlust wird mit einem maximal erlaubten Leistungsverlust für die Komponente verglichen; und – abhängig von diesem Vergleich wird ein Verlauf von Beschleunigungen und Geschwindigkeiten für den derzeitigen Bewegungspfad angepasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Leistungsverlust über den ganzen oder Teile des Pfads berechnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, worin die Verläufe der Beschleunigungen und der Geschwindigkeiten angepasst werden, indem ein oder mehrere Parameter (ω, τ, I) des Antriebssystems angepasst werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei Startwerte für die Antriebssystemparameter (ω, τ, I) gesetzt werden, und die Startwerte angepasst werden, wenn der Leistungsverlust von dem maximal erlaubten abweicht, wonach das Verfahren mit den neuen, angepassten Startwerten wiederholt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Startwerte nach unten angepasst werden, wenn der Leistungsverlust den maximal erlaubten überschreitet, und die Startwerte noch oben angepasst werden, wenn der Leistungsverlust unter dem maximal erlaubten liegt, mit einem vorbestimmten Wert (ε).
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Startwerte im Wesentlichen durch elektrisch begrenzte Antriebssystemparameter (ω_imax, τ_imax, I_imax) gebildet werden, und die Startwerte nach unten angepasst werden, wenn die thermische Belastung die maximal erlaubte überschreitet.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebssystemparameter des Roboters für den Bewegungspfad bestimmt werden, und die Leistungsverluste in Abhängigkeit von den bestimmten Antriebssystemparametern berechnet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Antriebssystemparameter für den Bewegungspfad durch Ausführen des derzeitigen Bewegungspfads unter Verwendung der Software des Steuersystems des Roboters bestimmt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Antriebssystemparameter für den Bewegungspfad durch Simulation des derzeitigen Bewegungspfads basierend auf einem Modell des Roboters und seines Steuersystems simuliert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 7, wobei die Antriebssystemparameter ein Motordrehmoment (τ), eine Motorumdrehungszahl (ω), und Antriebsvorrichtungsströme (I) für den Bewegungspfad umfassen.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 2–10, wobei das Antriebssystem eine Antriebsvorrichtung und einen Motor umfasst, und dass die Leistungsverluste für die Antriebsvorrichtung (P_Ii) und den Motor berechnet werden, wobei der Leistungsverlust für den Motor als die Summe der von dem Motordrehmoment (P_τi) abhängigen Leistungsverluste und der von der Anzahl der Umdrehungen (P_ωi) des Motors abhängigen Verluste berechnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Leistungsverluste in der Antriebsvorrichtung (P_Ii) in Abhängigkeit von dem Quadratmittelwert des Stroms für den ganzen oder Teile des Bewegungspfads berechnet werden, der Drehmoment-abhängige Leistungsverlust (P_τi) des Motors als der Quadratmittelwert des Drehmoments für den ganzen oder Teile des Bewegungspfads berechnet wird, und der von der Anzahl der Umdrehungen abhängige Leistungsverlust (P_ωi) des Motors als der Quadratmittelwert der Anzahl von Umdrehungen für den ganzen oder Teile des Bewegungspfads berechnet wird.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 3–12, wobei einer oder mehre der Antriebssystemparameter für den ganzen Pfad angepasst werden.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 3–12, wobei einer oder mehre der Antriebssystemparameter in unterschiedlichen Teilen des Bewegungspfads unterschiedlich angepasst werden.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 3–12, wobei mindestens einer der Antriebssystemparameter in mindestens irgendeinem Teil des Bewegungspfads angepasst wird, und die Antriebssystemparameter in mindestens irgendeinem Teil des Pfads beibehalten werden.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei der Programmcode, der den Bewegungspfad steuert, mit einer Markierung versehen ist, die anzeigt, welche Teile des Pfads kritisch sind und welche nicht kritisch sind, und dass während der Optimierung der Steuersystemparameter die Optimierung primär für die kritischen Teile des Bewegungspfads ausgeführt wird.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein thermisches Modell der Komponente verwendet wird, um zu bestimmen, ob die Temperatur der Komponente die maximal erlaubte Temperatur der Komponente überschreitet oder wesentlich davon abweicht.
Verfahren gemäß Ansprüchen 2 und 17, wobei ein maximal erlaubter Leistungsverlust (P_dimax, P_mimax) die Komponente in Abhängigkeit von dem thermischen Modell berechnet wird, wobei der Leistungsverlust mit dem maximal erlaubten Leistungsverlust verglichen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei die Temperatur in der Komponente in Abhängigkeit von dem berechneten Leistungsverlust für die Komponente und dem thermischen Modell berechnet wird, wobei die Temperatur mit einer maximal erlaubten Temperatur für die Komponente verglichen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei ein Gradientensuchverfahren verwendet wird, um optimale Werte der Antriebssystemparameter zu finden.
Ein Computerprogrammprodukt, umfassend sequenzielle Befehle für einen Prozessor und das direkt in einen internen Speicher in Verbindung mit dem Prozessor heruntergeladen werden kann, das Softwarecodeabschnitte zum Ausführen der Schritte in irgendeinem der Ansprüche 1–20 umfasst, wenn es durch den Prozessor ausgeführt wird.
Ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 21, bereitgestellt auf einem Computerlesbaren Medium.
Ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 21, mindestens teilweise durch ein Netzwerk, so wie das Internet, bereitgestellt.