JP2005069907A - 寿命評価装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 モータ9の位置指令に基づいて機械要素11の位置、速度、加速度を求めて運動方程式に基づいて機械要素11に作用するトルクを求めてトルク信号を発生するトルク算出部11と、モータ9の位置指令に基づいて機械要素11の速度を求めて速度信号を発生する速度算出部19と、寿命評価装置の動作時間を検出して動作時間信号を発生する動作時間検出部17と、予め定められた基本寿命からトルク信号、速度信号、動作時間信号に基づいて機械要素11の寿命減少量を求める寿命算出部21と、寿命減少量の累積値と予め定められた寿命値とを比較して機械要素11の寿命が尽きた否かを判断すると共に、該寿命が尽きたと判断することにより寿命終了信号を発生する寿命判断部23と、を備えたものである。
【選択図】 図1
Description
本発明の一実施の形態を図1によって説明する。図1は寿命評価装置のブロック図である。実施の形態1ではメカニカルシステムとしてロボットを例にし、機械要素としてハーモニックドライブ減速機(以下、適宜減速機という)を例にして説明する。
図1において、寿命評価装置は、ロボットの動作プログラムを解析するプログラム解析部3と、プログラム解析部3の解析結果にしたがってモータ9の位置指令値を生成する指令値生成部5と、該位置指令値にしたがってモータ9に対する制御量(例えば、モータ電流、モータ速度)を更新し、モータ9の電流や速度等を制御するモータ制御部7と、モータ9の回転位置を検出して位置検出信号を発生する位置検出器13と、位置検出器13からの位置検出信号に応じてモータ9に対するロボットの減速機11に作用するトルク又は力の少なくとも一方を算出してトルク信号を発生するトルク算出部15と、寿命評価装置を動作させる電源(図示せず)オン・オフによって連動する電源スイッチ16のオン・オフにより検出して動作時間信号taを発生する動作時間検出部17と、位置検出信号により減速機11の速度を算出して速度信号を発生する速度算出部19と、動作時間検出部17からの動作時間信号ta、トルク算出部15からのトルク信号、速度算出部19の速度信号を用いて、平均負荷トルク又は平均負荷力の少なくとも一方と平均速度を算出し、今回の寿命減少度演算期間における減速機11の寿命減少量(寿命減少時間)を算出し、さらに今回の寿命減少度演算期間における減速機11の動作時間と上記算出した寿命減少時間の比から、今回の期間における減速機11の寿命減少量を算出する寿命算出部21と、寿命算出部21から出力される寿命減少量を累積し、累積値が所定値以上になった減速機11が寿命に達したと判別して、該寿命が尽きたこと判断すると、寿命終了信号を発生する寿命判断部23とを備えている。
まず、ハーモニックドライブ減速機11は、周知のようにウェーブジェネレータ、フレクスプライン、サーキュラスプラインから成り、フレクスプラインとサーキュラスプラインとにクロスローラベアリングが介在されている。
上記トルク算出部15の詳細を説明する。予めニュートンオイラー法によりロボットの運動方程式を導入しておいて、ロボットの第i軸の駆動トルクをτiとし、第i軸の位置をθi、第i軸の速度をvi、第i軸の加速度をaiとし、各軸の駆動トルクτiを縦に並べたベクトルをτ、各軸の位置θiを縦に並べたベクトルをθ、各軸の速度viを縦に並べたベクトルをv、各軸の加速度aiを縦に並べたベクトルをaとする。
τ=M(θ)a+h(θ,v)+g(θ) ・・・・(1)
ここに、M(θ):慣性行列、h(θ,v):遠心・コリオリ力、g(θ):重力
さらに、各軸の回転軸上に原点があり、かつ、Z軸が回転軸と一致する座標系でのX軸方向の力をFxi、Y軸方向の力Fyi、Z軸方向の力をFziとし、Fxiを縦に並べたベクトルをFx、Fyiを縦に並べたベクトルFy、Fziを縦に並べたベクトルをFzとすると、各軸の駆動トルクの演算と同様に、ニュートンオイラー法で求めたロボットの運動方程式を用いて、Fx,Fy,Fzを下式により求める。
Fx= Mx(θ)a+hx(θ,v)+gx(θ) ・・・・(2)
Fy= My(θ)a+hy(θ,v)+gy(θ) ・・・・(3)
Fz= Mz(θ)a+hz(θ,v)+gz(θ) ・・・・(4)
減速機11の場合、第i軸の減速機の出力トルクは(1)式のτの第i要素になり、第i軸の減速機11のクロスローラベアリングに作用するラジアル荷重Fri及びアキシャル荷重Faiは下式により算出する。
Fri=(Fxi2+Fyi2)1/2 ・・・・(5)
Fai=Fzi ・・・・(6)
(1)〜(6)式で算出した減速機11の出力トルクとクロスローラベアリングに作用するラジアル荷重及びアキシャル荷重をトルク信号として寿命算出部21へ出力する。
寿命算出部21は、入力された動作時間検出部17からの動作時間信号taと共にトルク算出部15から出力される減速機11の出力トルクとクロスローラベアリングに作用するラジアル荷重及びアキシャル荷重から、減速機11の平均負荷トルクとクロスローラベアリングに作用する平均ラジアル荷重、平均アキシャル荷重、動等価ラジアル荷重を演算すると共に、速度算出部19から出力される入力回転数から、平均入力回転数Tavi及び平均出力回転数Naviを演算する。
Tavai[k]=Tavai[k-1]+ni[k]×△t×Ti[k]ak ・・・・(7)
Tavbi[k]=Tavbi[k-1]+ni[k]×△t ・・・・(8)
Navbi[k]=Navbi[k-1]+△t ・・・・(9)
ここに、△t:寿命算出部21の演算周期、ak:機械要素ごとに定まる定数で、減速機のウエーブ・ジェネレータ・ベアリング等の玉軸受けの場合はak=3、ころ軸受けの場合はak=10/3 となる。
Tavi[k]=b×(Tavai[k]/Tavbi[k])1/ak ・・・(10)
Navi[k]=Tavbi[k]/Navbi[k] ・・・・(11)
次に、出力回転数の絶対値miを入力回転数の絶対値niと減速比から演算する。アキシャル荷重Faiの絶対値をFaaiとし、平均出力回転数Mavi、平均ラジアル荷重Fravi、平均アキシャル荷重Faaviを算出する。
Fravai[k]=Fravai[k-1]+mi[k]×△t×Fri[k]ak ・・・・(12)
Faavai[k]=Faavai[k-1]+mi[k] ×△t×Faai[k]ak ・・・・(13)
Tavci[k]=Tavci[k-1]+mi[k]×△t ・・・・(14)
Fravi[k]=(Frvai[k]/Tavci[k])1/ak ・・・・(15)
Faavi[k]=(Favai[k]/Tavci[k])1/ak ・・・・(16)
Mavi[k]=Tavci[k]/Navbi[k] ・・・・(17)
ここに、クロスローラベアリングの場合はak=10/3である。上記(7)式〜(17)式の演算は寿命算出部21の演算周期毎に実施する。この周期の累積が動作時間検出部17からの動作時間信号と一致する。すなわち、動作時間検出部17からの動作時間信号に基づいて寿命を判断することになる。
Lwi=L10i×(Tri/Tavi[k])ak×(Nri/Navi[k])・・・・(18)
ここに、Tri:定格負荷トルク、Nri:定格回転数
動等価ラジアル荷重Pci、クロスローラベアリングの寿命Lciを下式により求める。
Pci=Xi×(Fravi[k]+2*( Fravi[k]×lbi+ Faavi[k]×lai)/dpi)+Yi×+ Faavi[k]・(19)
Lci=106×(Ci/fwi/Pci)10/3/60/Mavi[k] ・・・・(20)
ここに、L10i、Tri、Nri、Xi、Yi、lbi、lai、dpi、Ci、fwi、はそれぞれウェーブジェネレータのL10寿命(10%破壊確率寿命)、定格トルク、定格回転数、クロスローラベアリングのラジアル荷重係数、アキシャル荷重係数、ラジアル荷重作用距離、アキシャル荷重作用距離、コロのピッチ円径、基本動定格荷重、荷重係数である。
shwi=Navbi[k]/Lwi ・・・・(21)
shci=Navbi[k]/Lci ・・・・(22)
寿命判断部23は、寿命算出部21から出力される寿命減少量を累積し、該減少量が所定値として例えば0.9を超えたら、減速機11が寿命に達したとして交換を促すメッセージを発生する。ここで、減速機11が交換された場合は、寿命判断部23の累積した減少量をリセットする。
モータ制御部7は、指令値生成部5により生成された指令値にしたがってモータ9を制御して減速機11を駆動する。即ち、指令値生成部5により生成された位置指令値に応じてモータ9に対する制御量(例えば、モータ電流やモータ速度の制御量)を更新し、モータ9の電流や速度等を制御する。これにより、モータ9の駆動力が減速機11を介してロボットに伝達され、ロボットが所定の動作をする。位置検出器13は、モータ9の回転位置を検出して位置検出信号を速度検出部19に入力する。
寿命算出部21は、上記トルク信号、動作時間信号、位置検出信号に基づいて、減速機11の寿命減少量を求める。寿命判断部23は、寿命減少量の累積値と予め定められた寿命値とを比較することにより減速機11の寿命が尽きた否かを判断すると共に、該寿命が尽きたと判断することにより寿命終了信号を発生し、該寿命終了信号に基づいて減速機11が寿命に達したことを画面上(図示せず)に表示したり、音声を発したりする。
さらに、寿命評価装置1はモータ9の電流を用いず、モータ9の現在位置から減速機11に作用するトルクを直接算出するため、摩擦変動が大きい場合も正確なトルクの算出が行えるため正確な寿命評価が行える。
また、減速機11に作用するトルクだけでなく、速度算出部19からの速度信号も用いて寿命評価を行うため、メーカ等から一般に提供される演算式に基づいた正確な寿命予測が行えるものである。
さらに、動作開始からの累積データから直接寿命を評価するのではなく、寿命算出部21において期間ごとの寿命評価を行い、寿命算出部21での評価結果を寿命判断部23で累積して評価するため、寿命評価のための累積値を記憶するメモリを少なくできる。また、期間ごとに寿命算出部21で寿命減少量を求めるため、動作パターンが期間ごとに大きく変動するメカニカルシステムの機械要素11の寿命評価も正確に行えるものである。
また、上記実施の形態では、寿命算出部21は上記(7)〜(17)式及び(18)〜(22)式の演算を動作時間が予め定められた減少度算出周期(減少度算出期間)に達する毎に実施していた 。
しかし、上記(18)〜(22)式の演算を、電源投入回数が規定の回数に達するたびに電源投入直後に実行しても良い。さらに、上記(18)〜(22)式の演算を、Tavai[k], Tavbi[k], Navbi[k], Fravai[k], Faavai[k], Tavci[k]の中で少なくとも1つの値が予め規定された値に達するたびに実行しても良い。
また、上記(7)〜(17の演算結果と演算周期kは(18)〜(22)式の演算を実施後リセットしても上記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
本発明の他の実施の形態を図3によって説明する。図3は、寿命評価装置のブロック図である。図3中、図1と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を省略する。
上記実施の形態1では、機械要素11が減速機の例について説明したが、歯付ベルトを対象としても良い。
かかる歯付ベルトの場合、トルク算出部15は、ベルトの張力Tを演算する。ベルト張力Tはベルトまでの減速比をgb、プーリー径をrp、運動方程式を用いて算出したメカニカルシステムの駆動トルクをτとすれば、下式として求める。
T=τ/gb/rp ・・・・(23)
速度算出部19は、モータ制御部7から出力されるモータ9の現在位置から、モータ9の現在速度を演算し、モータ9の現在速度から歯付ベルトが掛けられているプーリーの回転数を求める。なお、原動プーリーと従動プーリーでプーリー径が異なる場合は、径の小さいほうのプーリーの回転数を算出する。
したがって、上記のように本実施の形態によれば、補正移動量算出部121は平均張力に応じて屈曲回数を補正して寿命を評価するので、ベルト11のように作用するトルクに応じて、寿命が尽きるまでに動作可能な移動量が異なる機械要素11の寿命評価ができるという効果がある。さらに、実施の形態1と同様の効果を有する。
本発明の他の実施の形態を図4によって説明する。図4は寿命評価装置のブロック図である。図4中、図1と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を省略する。
図4において、寿命評価装置のトルク算出部115は、機械要素が歯付ベルトの場合、ベルトの張力を算出すると共に、動作時間検出部17からの動作時間信号taを入力してベルトの平均張力Taも算出する。
速度算出部119は、上記のように歯付ベルトが掛けられているプーリーの回転数を演算する速度算出部19の機能を有すると共に、動作時間検出部17からの動作時間信号taを入力してプーリーの平均回転数Vaも演算する。ここで、上記平均張力、平均回転数は、ベルトが交換されるまでの時間、又はロボットの動作開始からの時間で平均張力、平均回転数とし、具体的な時間は、動作時間検出部17の動作時間信号とする。
基準トルク算出部221は、速度算出部115から出力される平均回転数Vaにおける基準張力Trを演算して寿命判断部23に出力する。ここで、基準張力Trとは、平均回転数Vaで回転し続けたとき基準屈曲回数C0でベルトが寿命に達する張力をいい、予めプーリー径、回転数から基準張力Trを算出する関係式を求めておいて基準張力Trを求める。
本実施形態によれば、基準トルク算出部221で回転数に応じた基準張力を算出して寿命判断部223に出力して、寿命判断部223が基準張力も考慮して機械要素の寿命を判断するので、回転数に応じて基準張力が異なる機械要素の寿命も正確に判断できる。
本発明の他の実施の形態を図5によって説明する。図5は他の実施の形態による寿命評価装置を示すブロック図である。図5中、図1と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を省略する。
図5において、基準トルク算出部321は、速度算出部5から出力される平均回転数Vbにおける基準張力Trを算出して、基準張力Trを寿命算出部321に出力する。なお、基準張力Trの定義及びその求め方は実施の形態3と同一である。
寿命算出部421は、入力された基準張力Trとトルク算出部115から入力された平均張力Tbから許容屈曲回数Cmを演算し、速度算出部119から出力される平均回転数Vbと減少度算出周期から今回の屈曲回数Ckを求め、今回の減少度算出周期における減少度Ck/Cmを算出し、寿命判断部323に出力する。
なお、寿命算出部421と寿命判断部323とにより第4の寿命算出手段を成している。
本実施の形態によれば、基準トルク算出部321で回転数に応じた基準張力を算出するので、回転数に応じて基準張力が異なる機械要素の寿命も正確に評価きるものである。
なお、上記実施の形態4において、速度算出部119、基準トルク算出部321、寿命算出部421の動作を以下のようにしても良い。
速度算出部119は、位置検出器13から出力されるモータ9の現在位置からモータ9の現在速度を演算し、モータ9の現在速度から歯付ベルトが掛けられているプーリーの回転数を演算すると共に、プーリーの平均回転数も算出する。平均回転数はベルト交換を実施するまでリセットせず、ベルト交換又はロボットの動作開始からの平均回転数であるVaと今回の減少度算出周期での平均回転数Vbとの二通りを算出する。
基準トルク算出部321は、速度算出部19から入力された平均回転数Vaにおける基準張力Trを算出して寿命算出部421に出力する。
寿命算出部421は、基準トルク算出部321から入力された基準張力Trとトルク算出部115から入力された平均張力Tbから許容屈曲回数Cmを演算すると共に、速度算出部119から入力された平均回転数Vbと減少度算出周期から今回の屈曲回数Ckを算出し、今回の減少度算出周期における減少度Ck/Cmを算出し、寿命判断部23に出力する。
トルク算出部115は、モータ制御部7から出力される出力されるモータ9の現在位置からモータ9の現在位置、現在速度、現在加速度を演算し、該現在位置、現在速度、現在加速度を用いてロボットの運動方程式の演算を行うことにより歯付ベルトの場合、ベルトの張力を算出し、ベルトの平均張力Tbも算出して寿命算出部421に出力して、平均張力Tbをリセットする。
また現在のベルトの張力Tkも平均張力の出力周期よりも短い一定の周期ごとに寿命算出部421に出力する。
速度算出部119は、位置検出器13から出力されるモータの現在位置からモータの現在速度を演算し、該現在速度からベルトが掛けられているプーリーの回転数を演算し、プーリーの平均回転数Vbも求める。
なお、原動プーリーと従動プーリーでプーリー径が異なる場合は、径の小さいほうのプーリーの回転数を算出する。
ここで、平均回転数を寿命判断部323に出力するとリセットすると共に、現在のプーリー回転数Vkも平均回転数の出力周期よりも短い一定の周期ごとに寿命判断部323に出力する。
寿命算出部421では、基準トルク算出部321から出力された基準張力Trとトルク算出部115から出力された張力Tkから許容屈曲回数Cmを演算し、速度算出部119から出力された回転数Vkと回転数の出力周期から今回の屈曲回数Ckを演算し、今回の回転数の出力周期における減少度Ck/Cmを算出し、寿命判断部323に出力する。
Claims (5)
- モータによって駆動される機械要素を有するメカニカルシステムの前記機械要素の寿命が尽きたか否かを判断する寿命評価装置であって、
前記モータの位置指令に基づいて前記機械要素の位置、速度、加速度を求めて運動方程式に基づいて前記機械要素に作用するトルクまたは力を求めてトルク信号を発生する第1のトルク算出手段と、
前記モータの位置指令に基づいて前記機械要素の速度を求めて速度信号を発生する第1の速度算出手段と、
前記機械要素の動作時間又は前記寿命評価装置の動作時間を検出して動作時間信号を発生する動作時間検出手段と、
予め定められた基本寿命から前記トルク信号、前記速度信号、前記動作時間信号に基づいて前記機械要素の寿命減少量を求める寿命算出手段と、
前記寿命減少量の累積値と予め定められた寿命値とを比較することにより前記機械要素の寿命が尽きた否かを判断すると共に、該寿命が尽きたと判断することにより寿命終了信号を発生する第1の寿命判断手段と、
を備えたことを特徴とする寿命評価装置。 - モータによって駆動される機械要素を有するメカニカルシステムの前記機械要素の寿命が尽きたか否かを判断する寿命評価装置であって、
前記モータの位置指令に基づいて前記機械要素の位置、速度、加速度を求めて運動方程式に基づいて前記機械要素に作用するトルクまたは力を求めてトルク信号を発生する第1のトルク算出手段と、
前記モータの位置指令に基づいて前記機械要素の速度を求めて速度信号を発生する第1の速度算出手段と、
前記機械要素の動作時間又は前記寿命評価装置の動作時間を検出して動作時間信号を発生する動作時間検出手段と、
前記速度信号、前記動作時間信号に基づいて前記機械要素の移動量を求めると共に、前記トルク信号に基づいて該移動量を補正した補正移動量を求める補正移動量算出手段と、
前記補正移動量の累積値と予め定められた移動量とを比較することにより前記機械要素の寿命が尽きた否かを判断すると共に、該寿命が尽きたと判断することにより寿命終了信号を発生する第2の寿命判断手段と、
を備えたことを特徴とする寿命評価装置。 - モータによって駆動される機械要素を有するメカニカルシステムの前記機械要素の寿命を判断する寿命評価装置であって、
前記機械要素の動作時間又は前記寿命評価装置の動作時間を検出して動作時間信号を発生する動作時間検出手段と、
前記モータの位置指令に基づいて前記機械要素の速度を求めると共に、前記動作時間信号に基づいて平均速度を求めて平均速度信号を発生する第2の速度算出手段と、
前記モータの位置指令に基づいて前記機械要素の位置、速度、加速度を求めて運動方程式に基づいて前記機械要素に作用するトルクまたは力を求めると共に、前記動作時間信号に基づいて平均トルク信号を発生する第2のトルク算出手段と、
前記平均速度信号に基づいて基準となるトルク又は力を求めて基準トルク信号を発生する基準トルク算出手段と、
予め定められた基本寿命から前記平均トルク信号、前記基準トルク信号、前記動作時間信号に基づいて前記機械要素の寿命減少量を求めると共に、前記寿命減少量と予め定められた所定値とを比較することにより前記機械要素の寿命が尽きた否かを判断すると共に、該寿命が尽きたと判断することにより寿命終了信号を発生する第3の寿命判断手段と、
を備えたことを特徴とする寿命評価装置。 - 請求項3における第3の寿命判断手段の代りに、
予め定められた基本寿命から前記平均トルク信号、前記基準トルク信号、前記動作時間信号に基づいて前記機械要素の寿命減少量を求めると共に、前記寿命減少量の累積値と予め定められた所定値とを比較することにより前記機械要素の寿命が尽きた否かを判断すると共に、該寿命が尽きたと判断することにより寿命終了信号を発生する第4の寿命判断手段を、
備えたことを特徴とする請求項3に記載の寿命評価装置。 - 前記位置指令に基づいて前記モータが動作することにより前記モータの回転位置を検出して位置検出信号を発生する位置検出手段を備え、
請求項1ないし4における第1又は第2のトルク算出手段の位置指令に基づいてとは、前記位置検出信号に基づくことであり、
請求項1ないし4における第1又は第2の速度算出手段の位置指令に基づいてとは、前記位置検出信号に基づくことである、
ことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の寿命評価装置。
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