JP6694016B2 - 寿命評価装置およびロボットシステム - Google Patents
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Description
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、潤滑材の寿命を精度よく評価することができる寿命評価装置およびロボットシステムを提供することを目的としている。
本発明の一態様は、
モータと、潤滑材により潤滑され前記モータの動力を可動部に伝達する伝達機構とを備える機械における前記潤滑材の寿命を評価する寿命評価装置であって、
前記モータの電流値に基づいてモータ発熱量を算出するモータ発熱量算出部と、
前記モータの回転速度と、前記伝達機構の摩擦係数とに基づいて、該伝達機構における摩擦発熱量を算出する摩擦発熱量算出部と、
該摩擦発熱量算出部により算出された前記摩擦発熱量および前記モータ発熱量算出部により算出された前記モータ発熱量とに基づいて、前記潤滑材の温度を推定する潤滑材温度推定部と、
該潤滑材温度推定部により推定された前記潤滑材の温度と、前記潤滑材に含まれる不純物の情報とに基づいて該潤滑材の寿命を推定する寿命推定部とを備える寿命評価装置を提供する。
摩擦係数のみに基づいて潤滑材の温度を推定していた従来の寿命評価装置と比較して、潤滑材の温度上昇に大きく寄与しているモータの発熱量と、潤滑材の寿命に寄与している不純物の情報とを加味しているので、潤滑材の寿命を精度よく評価することができる。
このようにすることで、モータの電流値のみにより算出する場合と比較して、モータの回転速度による発熱が大きい場合には、モータ発熱量を精度よく算出することができる。
このようにすることで、伝達機構が可動部に配置されていて移動させられる場合に、移動によって強制的な空気冷却が実施されるので、伝達機構の移動速度に基づいて空冷放熱量算出部により空冷放熱量が算出され、潤滑材温度推定部は空冷放熱量に基づいて潤滑材の温度が推定される。これにより、より実機に即した潤滑材の温度を推定することができ、潤滑材の寿命を精度よく評価することができる。
このようにすることで、残存寿命算出部により残存寿命が算出されるので、交換時期を予め確認することができる。
このようにすることで、交換日算出部により算出された推定交換日により、交換時期をより明確に認識することができる。
ここで、Tは前記潤滑材の推定温度、T0は室温、iは目標軸を含む目標軸潤滑材温度に影響を与える軸、D1,D2,D3,D4,D5,D6は、予め実験により、種々のパターンの動作を実行し、各パターンにおける前記潤滑材の温度、室温、発熱量、減速機の移動速度および他の発熱源の発熱量のデータを取得して同定した係数、W3は空冷放熱量、W4は他の発熱源の発熱量、Eiは前記モータ発熱量W1iの係数、Fiは前記摩擦発熱量W2iの係数であり、EiおよびFiのそれぞれは、予め実験により、種々のパターンの動作を実行し、各パターンにおける前記潤滑材温度、室温、発熱量、減速機の移動速度および他の発熱源の発熱量のデータを取得して同定した係数または予め設定した定数である。
Sg=m∫Akdt
ここで、Sgは前記潤滑材の寿命使用量、Aは予め設定した定数、kは前記潤滑材の推定温度T>T0において(T−T0)/Δ,推定温度T≦T0において0、Δは寿命使用量SgがA倍になる温度T0からの差分であり、mは前記潤滑材に含まれる前記不純物の量に応じて設定する係数である。
このようにすることで、種々のパターンの摩擦発熱量およびモータ発熱量のデータに基づく学習済みモデルを用いて潤滑材の温度を精度高く推定することができる。
このようにすることで、記憶部に記憶された学習済みモデルを用いた潤滑材の温度推定がされることにより、一から学習済みモデルを生成しなくても、潤滑材の温度を精度高く推定できる。
このようにすることで、潤滑材の温度の実測値を正解として用いることにより、入力データに対応する潤滑材の温度を精度高く推定できる。
本実施形態に係るロボットシステム1は、図1に示されるように、ロボット2と、該ロボット2を制御する制御装置3と、該制御装置3に接続された表示部4とを備えている。
図2にロボット2の関節部分6の一例を示す。関節部分6は、ベース7と、該ベース7に対して軸線回りに揺動可能に支持されるリンク5と、該リンク5とベース7との間に配置された減速機(伝達機構)8と、該減速機8に入力する動力を発生するモータ9とを備えている。
モータ9が作動させられると、モータ9の回転は減速機8により減速されて、ベース7に対してリンク5が回転させられるようになっている。
寿命評価装置12は、図3に示されるように、室温を入力する室温入力部13と、モータ発熱量を算出するモータ発熱量算出部14と、減速機8における摩擦発熱量を算出する摩擦発熱量算出部15と、空冷放熱量算出部16と、これらの算出部14,15,16により算出された熱量に基づいてグリース10の温度を推定する潤滑材温度推定部17と、センサ21によって測定された鉄粉濃度を入力する濃度入力部22と、入力された鉄粉濃度と潤滑材温度推定部17によって推定された温度とに基づいてグリース10の寿命を算出する寿命算出部(寿命推定部)18とを備えている。
本実施形態では、センサ21によって測定された鉄粉濃度が作業者によって入力されるが、他の実施形態では、減速機8内部に配置されたセンサ21の測定情報が自動的に寿命算出部18に送信されてもよい。
モータ発熱量算出部14は、ロボット制御部11から入力されたモータ状態量、すなわち、モータ9の電流値(モータ電流値)およびモータ9の回転速度(モータ回転速度)に基づいて式(1)によりモータ発熱量を算出するようになっている。
ここで、
W1はモータ発熱量、
A1,A2,A3は係数、
IMはモータ電流値、
SMはモータ回転速度
である。
式(1)において右辺第1項はモータ9における銅損を示し、第2項は鉄損を示している。
W2=T×SM
=(B1+B2×TM+B3×SM)×SM (2)
ここで、
W2は摩擦発熱量、
Tは摩擦トルク、
B1,B2,B3は予め同定された摩擦係数、
TMは摩擦が存在しない場合のロボット2のリンク5を駆動する際に必要とするトルク
である。
トルクTMは、リンク5の位置、加速度、質量情報等を用いて、一般的に、ラグランジュ法、ニュートン・オイラー法等の公知の計算方法により計算される。
W3=C1×SR (3)
ここで、
W3は空冷放熱量、
C1はモータ発熱量W1と摩擦発熱量W2の和で計算された値、
SRは減速機8の位置におけるロボット2の移動速度
である。
ここで、
Tはグリース10の推定温度、
T0は室温、
iは目標軸を含む目標軸潤滑材温度に影響を与える軸、
D1,D2,D3,D4,D5,D6は、予め実験により、種々のパターンの動作を実行し、各パターンにおけるグリース温度、室温、発熱量、減速機8の移動速度および他の発熱源の発熱量のデータを取得して同定した係数、
W4は他の発熱源の発熱量、
Eiは予め実験により、種々のパターンの動作を実行し、各パターンにおける前記潤滑材温度、室温、発熱量、減速機8の移動速度および他の発熱源の発熱量のデータを取得して同定したモータ発熱量W1iの係数、
Fiは予め実験により、種々のパターンの動作を実行し、各パターンにおける前記潤滑材温度、室温、発熱量、減速機8の移動速度および他の発熱源の発熱量のデータを取得して同定した摩擦発熱量W2iの係数
である。
また、式(4)に加えて、熱輻射を考慮してもよい。
そして、本実施形態においては、グリース10の推定温度Tは、ロボット2動作時には式(4)により計算し、ロボット2が停止しているときには室温と同じとする。
E5はJ5軸のモータ発熱量W15の係数、
E6はJ6軸のモータ発熱量W16の係数、
F4はJ4軸の摩擦発熱量W24の係数、
F5はJ5軸の摩擦発熱量W25の係数、
F6はJ6軸の摩擦発熱量W26の係数
である。
また、式(5)において、J4軸およびJ5軸がJ6軸に影響を与える場合を例示したが、J4軸およびJ5軸がJ1軸,J2軸およびJ3軸同様にJ6軸に影響を与えない場合には、W14,W15,W24,W25(あるいは、E4,E5,F4,F5)は0である。
ここで、
Sgはグリース10の寿命使用量、
Aは定数、
kは、T>T0において(T−T0)/Δ、T≦T0において0、
Δは寿命使用量がA倍となる温度のT0からの差分
mは鉄粉濃度が閾値以下の場合に1,鉄粉濃度が閾値を超える場合に1よりも大きい定数である。
式(6)においては、ロボット2の動作時の時間およびロボット2の停止時の時間の両方について算出されて合計される。
また、本実施形態においては、図3に示されるように、寿命評価装置12は、残存寿命算出部19を備えている。
残存寿命=(1−Sg/Sg0)×100% (7)
また、モータ発熱量をモータ電流およびモータ回転速度に基づいて算出しているので、モータ回転速度による発熱が大きい場合には、モータ発熱量を精度よく算出することができ、グリース10の寿命を精度よく評価することができるという利点がある。モータ9の回転速度による発熱量が小さい場合には、式(1)における右辺第2項の鉄損については省略することにしてもよい。
また、本実施形態によれば、算出された寿命使用量を表示するのではなく、残存寿命を算出して表示するので、作業者が交換時期を予め確認することができるという利点がある。
交換日算出部20は、直近の数日のグリース10の寿命使用量のデータを用いて、式(8)により、図6に示されるように、最小二乗法を用いて寿命使用量の積算値の増加率を算出し、算出された増加率を用いて、寿命使用量の積算値が定格寿命に達する時期を予測するようになっている。一例として、直近20日間の寿命使用量積算値を利用する推奨交換日(推定交換日)の計算式を下記の式(8)に示す。
ここで、
dは最新のSgを計算した日付
である。
すなわち、直近の数日のロボット2の使用状況がそのまま継続される場合に、寿命を使い切ることとなる日付が予測され、関節毎に表示部4に、図7に示されるように表示される。
このように交換日算出部20により算出された推定交換日が表示部4に表示されることにより、交換時期をより明確に認識することができるという利点がある。式(8)においては最小二乗法を例示したが、これに限定されるものではなく、他の任意の近似計算法を採用してもよい。
2 ロボット
5 リンク(可動部)
8 減速機(伝達機構)
9 モータ
10 グリース(潤滑材)
11 ロボット制御部(制御装置)
12 寿命評価装置
14 モータ発熱量算出部
15 摩擦発熱量算出部
16 空冷放熱量算出部
17 潤滑材温度推定部
18 寿命算出部(寿命推定部)
19 残存寿命算出部
20 交換日算出部
23 記憶部
Claims (11)
- モータと、潤滑材により潤滑され前記モータの動力を可動部に伝達する伝達機構とを備える機械における前記潤滑材の寿命を評価する寿命評価装置であって、
前記モータの電流値に基づいてモータ発熱量を算出するモータ発熱量算出部と、
前記モータの回転速度と、前記伝達機構の摩擦係数とに基づいて、該伝達機構における摩擦発熱量を算出する摩擦発熱量算出部と、
該摩擦発熱量算出部により算出された前記摩擦発熱量および前記モータ発熱量算出部により算出された前記モータ発熱量とに基づいて、前記潤滑材の温度を推定する潤滑材温度推定部と、
該潤滑材温度推定部により推定された前記潤滑材の温度と、前記潤滑材に含まれる不純物の情報とに基づいて該潤滑材の寿命を推定する寿命推定部とを備える寿命評価装置。 - 前記モータ発熱量算出部が、前記モータの電流値および前記モータの回転速度に基づいて前記モータ発熱量を算出する請求項1に記載の寿命評価装置。
- 前記伝達機構の移動速度に基づいて空冷放熱量を算出する空冷放熱量算出部を備え、前記潤滑材温度推定部が、前記空冷放熱量算出部により算出された空冷放熱量に基づいて前記潤滑材の温度を推定する請求項1または請求項2に記載の寿命評価装置。
- 前記寿命推定部により推定された寿命に基づいて残存寿命を算出する残存寿命算出部を備える請求項1から請求項3のいずれかに記載の寿命評価装置。
- 前記寿命推定部により推定された寿命に基づいて推定交換日を算出する交換日算出部を備える請求項1から請求項4のいずれかに記載の寿命評価装置。
- 前記潤滑材温度推定部が、下式により前記潤滑材の温度を推定する請求項1から請求項5のいずれかに記載の寿命評価装置。
ここで、Tは前記潤滑材の推定温度、T0は室温、iは目標軸を含む目標軸潤滑材温度に影響を与える軸、D1,D2,D3,D4,D5,D6は、予め実験により、種々のパターンの動作を実行し、各パターンにおける前記潤滑材の温度、室温、発熱量、減速機の移動速度および他の発熱源の発熱量のデータを取得して同定した係数、W3は空冷放熱量、W4は他の発熱源の発熱量、Eiは前記モータ発熱量W1iの係数、Fiは前記摩擦発熱量W2iの係数であり、EiおよびFiのそれぞれは、予め実験により、種々のパターンの動作を実行し、各パターンにおける前記潤滑材温度、室温、発熱量、減速機の移動速度および他の発熱源の発熱量のデータを取得して同定した係数または予め設定した定数である。 - 前記寿命推定部が、下式により前記潤滑材の寿命量を推定する請求項1から請求項6のいずれかに記載の寿命評価装置。
Sg=m∫Akdt
ここで、Sgは前記潤滑材の寿命使用量、Aは予め設定した定数、kは前記潤滑材の推定温度T>T0において(T−T0)/Δ,推定温度T≦T0において0、Δは寿命使用量SgがA倍になる温度T0からの差分であり、mは前記潤滑材に含まれる前記不純物の量に応じて設定する係数である。 - 前記潤滑材温度推定部が、前記摩擦発熱量および前記モータ発熱量を用いた機械学習により、前記摩擦発熱量および前記モータ発熱量から前記潤滑材の温度を推定するための学習済みモデルを生成する請求項1から請求項7のいずれかに記載の寿命評価装置。
- 前記摩擦発熱量および前記モータ発熱量を用いた機械学習により生成された学習済みモデルを記憶する記憶部を備え、
前記潤滑材温度推定部が、前記摩擦発熱量および前記モータ発熱量に基づいて、前記学習済みモデルを用いて前記潤滑材の温度を推定する請求項1から請求項7のいずれかに記載の寿命評価装置。 - 前記機械学習は、前記摩擦発熱量および前記モータ発熱量を入力データとし、前記潤滑材の温度の実測値をラベルとしてお互いに関連付けた教師データを用いた教師あり学習である請求項8または請求項9に記載の寿命評価装置。
- 1以上の前記モータと、
1以上の可動部と、
前記潤滑材により潤滑され各前記モータの動力を各前記可動部に伝達する1以上の前記伝達機構とを備えるロボットと、
該ロボットの前記モータを制御する制御装置と、
請求項1から請求項10のいずれかに記載の寿命評価装置とを備えるロボットシステム。
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