致動(dòng)器預(yù)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種致動(dòng)器系統(tǒng)包括活塞-氣缸配置，其包括可相對(duì)于氣缸移動(dòng)的活塞。第一流動(dòng)路徑與活塞氣缸配置流體連通且第二流動(dòng)路徑與活塞氣缸配置流體連通?？刂葡到y(tǒng)可作用以將第一流動(dòng)路徑流體連接至高壓流體源并將第二流體路徑連接至排管以沿第一方向移動(dòng)活塞。壓力傳感器流體地連接至第一流動(dòng)路徑并可作用以在活塞移動(dòng)期間測(cè)量足夠的壓力數(shù)據(jù)以產(chǎn)生壓力相對(duì)于時(shí)間曲線?？刂葡到y(tǒng)可作用以將所產(chǎn)生的壓力相對(duì)于時(shí)間曲線與存儲(chǔ)在控制系統(tǒng)中的已知標(biāo)準(zhǔn)壓力相對(duì)于時(shí)間曲線進(jìn)行比較，以確定活塞氣缸配置的狀態(tài)。
【專利說明】致動(dòng)器預(yù)測(cè)系統(tǒng)
[0001]關(guān)聯(lián)申請(qǐng)數(shù)據(jù)
[0002]本申請(qǐng)要求2012年4月20日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/636，431的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過引用結(jié)合于此。

【背景技術(shù)】
[0003]本發(fā)明涉及預(yù)測(cè)氣缸狀態(tài)的系統(tǒng)和方法。更具體地說，本發(fā)明涉及使用壓力或另一參數(shù)確定氣壓缸或液壓缸的狀態(tài)的系統(tǒng)和方法。
[0004]氣壓缸和液壓缸遍及產(chǎn)業(yè)地使用以運(yùn)作生產(chǎn)線上的設(shè)備并提供對(duì)多種組件的原動(dòng)力。隨時(shí)間的流逝，這些氣缸的操作可能劣化。然而，性能的劣化通常不被檢測(cè)到，直到氣缸的最終故障發(fā)生為止。如果用戶對(duì)這類故障沒有防備，則可能導(dǎo)致大量的停機(jī)時(shí)間或成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器以監(jiān)視氣缸的狀態(tài)。該系統(tǒng)包括微處理器/控制器，其將測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)與執(zhí)行已知功能的特定氣缸的已知基準(zhǔn)相比較以確定其操作是否可接受。系統(tǒng)可以是自立的或者是分布式控制系統(tǒng)的一部分。在一些構(gòu)造中，系統(tǒng)可包括檢測(cè)活塞在氣缸內(nèi)的實(shí)際位置的位置傳感器。
[0006]在另一構(gòu)造中，本發(fā)明提供致動(dòng)器系統(tǒng)，該致動(dòng)器系統(tǒng)包括活塞氣缸配置，該活塞氣缸配置包括可相對(duì)于氣缸移動(dòng)的活塞。第一流動(dòng)路徑與活塞氣缸配置流體連通且第二流動(dòng)路徑與活塞氣缸配置流體連通?？刂葡到y(tǒng)可作用以將第一流動(dòng)路徑流體連接至高壓流體源并將第二流體路徑連接至排管以沿第一方向移動(dòng)活塞。壓力傳感器流體地連接至第一流動(dòng)路徑并可作用以在活塞移動(dòng)期間測(cè)量足夠的壓力數(shù)據(jù)以產(chǎn)生壓力相對(duì)于時(shí)間曲線?？刂葡到y(tǒng)可作用以將所產(chǎn)生的壓力相對(duì)于時(shí)間曲線與存儲(chǔ)在控制系統(tǒng)中的已知標(biāo)準(zhǔn)壓力相對(duì)于時(shí)間曲線進(jìn)行比較，以確定活塞氣缸配置的狀態(tài)。
[0007]在另一構(gòu)造中，本發(fā)明提供致動(dòng)器系統(tǒng)，該致動(dòng)器系統(tǒng)包括氣缸，該氣缸限定內(nèi)部空間并包括被設(shè)置在空間的第一端附近的第一流體端口以及在空間的第二端附近的第二流體端口。活塞被設(shè)置在內(nèi)部空間內(nèi)并可工作以將該空間分成第一側(cè)和第二側(cè)，第一側(cè)與第一流體端口流體連通而第二側(cè)與第二流體端口流體連通。工作部件耦合至活塞并可作用以響應(yīng)于活塞的移動(dòng)進(jìn)行工作，而控制系統(tǒng)可作用以選擇地將第一流體端口流體地連接至壓力源和排管之一并將第二流體端口連接至排管和壓力源中的另一個(gè)以選擇地使活塞遠(yuǎn)離第一端口移動(dòng)和朝向第一端口移動(dòng)。壓力傳感器與第一側(cè)流體連通并可作用以測(cè)量活塞移動(dòng)期間的壓力數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)可作用以將測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)與已知標(biāo)準(zhǔn)比較以確定系統(tǒng)的狀態(tài)。
[0008]在又一構(gòu)造中，本發(fā)明提供了預(yù)測(cè)致動(dòng)器系統(tǒng)的故障的方法。該方法包括:使高壓流體通往活塞氣缸配置的第一側(cè)；從活塞氣缸配置的第二側(cè)抽取低壓流體以允許活塞相對(duì)于氣缸朝第二側(cè)移動(dòng)；并在活塞移動(dòng)期間取第一側(cè)附近的流體的多個(gè)壓力測(cè)量值。該方法還包括:將多個(gè)壓力測(cè)量值與一組已知的壓力值相比較并基于多個(gè)壓力測(cè)量值與該組已知的壓力值的比較確定故障是否可能發(fā)生。
[0009]通過參照詳細(xì)說明和附圖，本發(fā)明的其它方面將變得顯而易見。
[0010]附圖簡(jiǎn)述
[0011]圖1是體現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)的一種可能配置的示意圖；
[0012]圖2是示出對(duì)于無(wú)負(fù)載和無(wú)阻尼地處于水平位置的新致動(dòng)器的測(cè)得壓力值相對(duì)于時(shí)間的標(biāo)繪圖；
[0013]圖3是示出與圖2相同配置下的致動(dòng)器的測(cè)得壓力值相對(duì)于時(shí)間的標(biāo)繪圖，其中致動(dòng)器已知是損壞的；
[0014]圖4是示出對(duì)于無(wú)負(fù)載但有阻尼地處于水平位置的新致動(dòng)器的測(cè)得壓力值相對(duì)于時(shí)間的標(biāo)繪圖；
[0015]圖5是示出與圖4相同配置下的致動(dòng)器的測(cè)得壓力值相對(duì)于時(shí)間的標(biāo)繪圖，其中致動(dòng)器已知是損壞的；
[0016]圖6是示出直徑比無(wú)負(fù)載但有阻尼地處于水平位置的圖2-5的致動(dòng)器更大的新致動(dòng)器的測(cè)得壓力值相對(duì)于時(shí)間的標(biāo)繪圖；
[0017]圖7是示出與圖6相同配置下的致動(dòng)器的測(cè)得壓力值相對(duì)于時(shí)間的標(biāo)繪圖，其中致動(dòng)器已知是損壞的；
[0018]圖8是示出對(duì)于有負(fù)載且有阻尼地處于垂直位置的新致動(dòng)器的測(cè)得壓力值相對(duì)于時(shí)間的標(biāo)繪圖；
[0019]圖9是示出與圖8相同配置下的致動(dòng)器的測(cè)得壓力值相對(duì)于時(shí)間的標(biāo)繪圖，其中致動(dòng)器已知是損壞的；
[0020]圖10是圖1的配置的示意圖并進(jìn)一步包括位置測(cè)量系統(tǒng)；
[0021]圖11是包括分布式控制系統(tǒng)的多致動(dòng)器系統(tǒng)的示意圖；
[0022]圖12是用于監(jiān)視一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器的性能和狀態(tài)的監(jiān)視系統(tǒng)的屏幕圖象；
[0023]圖13是用于監(jiān)視一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器的性能和狀態(tài)的圖12的監(jiān)視系統(tǒng)的另一屏幕圖象；
[0024]圖14是已知致動(dòng)器的基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果的圖像；
[0025]圖15是圖14具有帶缺陷的軸或桿密封的已知致動(dòng)器的測(cè)試結(jié)果的圖像；
[0026]圖16是圖14具有帶缺陷的桿側(cè)活塞密封的已知致動(dòng)器的測(cè)試結(jié)果的圖像；以及
[0027]圖17是圖14具有帶缺陷的后端頭(與桿相對(duì))活塞密封的已知致動(dòng)器的測(cè)試結(jié)果的圖像。

【具體實(shí)施方式】
[0028]在詳細(xì)討論本發(fā)明的任何實(shí)施例之前，要理解本發(fā)明的應(yīng)用不僅限于下面的說明中闡述或下面的附圖中示出的組件的構(gòu)造和配置的細(xì)節(jié)。本發(fā)明能勝任其它實(shí)施例并且能以多種方式投入實(shí)踐或執(zhí)行。
[0029]圖1示出適用于預(yù)測(cè)或估計(jì)致動(dòng)器15(例如氣壓、液壓等)或閥的狀態(tài)的系統(tǒng)10。系統(tǒng)10包括氣缸17、第一壓力傳感器20、第二壓力傳感器25和微處理器30。圖示的致動(dòng)器15是典型的雙作用致動(dòng)器15，其具有在氣缸17每一端的端口 35、設(shè)置在端口 35之間的活塞40以及從活塞40延伸并伸出氣缸17 —端的桿45?；钊?0將氣缸17分成第一腔室50和第二腔室55。腔室50、55中的每一個(gè)提供可變體積，該可變體積允許活塞40移動(dòng)。如本領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員將理解的那樣，本文描述的系統(tǒng)10可被應(yīng)用于不同類型的致動(dòng)器(例如無(wú)桿式)并可與通過不同工作流體(例如液壓流體、油、水、燃料、空氣、其它氣體、其它液體等)供能的致動(dòng)器一起使用。另外，盡管圖示的致動(dòng)器不沿任何方向偏壓，然而該系統(tǒng)也可應(yīng)用于彈簧復(fù)位致動(dòng)器。事實(shí)上，致動(dòng)器或閥的實(shí)際設(shè)計(jì)很大程度地不相關(guān)，因?yàn)楸景l(fā)明可適應(yīng)許多設(shè)計(jì)。
[0030]工作流體被導(dǎo)入一個(gè)端口 35并被允許從另一端口 35排出或逸出，從而將活塞40和桿45移離其中正在容納流體的端口 35。由于在活塞40移動(dòng)期間存在大壓力差，因此在活塞40和氣缸17之間提供密封件60。在一些量的使用之后，該密封件60可能磨損或以其它方式劣化，由此產(chǎn)生故障可能發(fā)生的一個(gè)點(diǎn)。第二密封件65被設(shè)置在桿45從中通過的氣缸17—端。該第二密封件65減少了在桿開啟時(shí)逸出的工作流體的量。通過使用，該密封件65可能磨損或以其它方式劣化，由此形成可能出現(xiàn)故障的第二點(diǎn)。
[0031]典型地，使用一個(gè)或多個(gè)閥70來根據(jù)需要引導(dǎo)工作流體去往和離開端口 35以產(chǎn)生期望的移動(dòng)。在一優(yōu)選配置中，三通閥70在第一位置允許第一端口 35向壓力供給75開啟并使第二端口 35向排管80開啟。在第二位置，端口 35被逆反以使第一端口 35向排管80開啟而第二端口 35向壓力供給75開啟。第一位置和第二位置造成活塞40和桿45沿相反方向移動(dòng)。閥70也提供第三工作位置，其中兩端口 35均關(guān)閉，由此將工作流體禁錮在活塞40的兩側(cè)上。第三位置允許活塞40、45被定位并保持在兩極端中間的某一點(diǎn)。另外，可采用可變流率閥或其它流動(dòng)控制設(shè)備以控制進(jìn)入或離開端口 35的流體流的速率，從而在其移動(dòng)時(shí)控制活塞40和桿45的速度、加速度和準(zhǔn)確位置。
[0032]繼續(xù)參見圖1，第一壓力傳感器20被定位以測(cè)量第一腔室50內(nèi)的壓力，而第二傳感器25被定位以測(cè)量第二腔室55內(nèi)的壓力。在圖示構(gòu)造中，第一傳感器20被定位在第一傳感器端口 85內(nèi)，該第一傳感器端口 85與已設(shè)置在氣缸17的第一腔室50內(nèi)的流體端口35間隔開。同樣，第二傳感器25被定位在第二傳感器端口 90內(nèi)，該第二傳感器端口 90與已設(shè)置在氣缸17的第二腔室55內(nèi)的流體端口 35間隔開。在其它構(gòu)造中，壓力傳感器25可共線地連接于與氣缸17或閥70相連的流體管線，或可連接至從饋給管線或氣缸腔室50、55延伸的分接管線，因?yàn)檫@可能是期望的。
[0033]壓力傳感器20、25優(yōu)選地具有超出150psi并具有大約0.0lpsi的精確度的感測(cè)壓力范圍，更高或更低精確度的傳感器也是可能的。當(dāng)然，工作在250psi或更高的傳感器也是可能的。另外，傳感器20、25的尺寸優(yōu)選地被設(shè)計(jì)以提供允許在大約1000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)/秒的速率下的數(shù)據(jù)獲取的響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)然，如果期望，也可采用其它壓力傳感器。例如，在一種構(gòu)造中，采用聲壓傳感器、音頻傳感器或其它振動(dòng)傳感器以測(cè)量致動(dòng)器15期望的工作特性。
[0034]在優(yōu)選構(gòu)造中，壓力傳感器20、25可移除地連接至致動(dòng)器15以使它們可通過后繼的致動(dòng)器15再利用?？商鎿Q地，壓力傳感器20、25可被制造成致動(dòng)器15的一部分并用致動(dòng)器15取代。
[0035]壓力傳感器20、25將它們相應(yīng)腔室內(nèi)的測(cè)得壓力轉(zhuǎn)化成壓力信號(hào)，該壓力信號(hào)被發(fā)送至微處理器/控制器30。在優(yōu)選構(gòu)造中，微處理器/控制器30專門用于捕捉數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)流化和/或分析故障或控制數(shù)據(jù)。另外，可提供數(shù)據(jù)記錄功能以捕捉工作循環(huán)數(shù)、最低和最高溫度、最大壓力等。每個(gè)微處理器/控制器30可包括唯一 ID。在圖1所示的構(gòu)造中，示出有線連接。然而，諸如紅外、射頻之類的無(wú)線連接也是可能的。微處理器/控制30接收壓力信號(hào)并將這些信號(hào)與致動(dòng)器15的已知信號(hào)作比較以作出關(guān)于其連接至的致動(dòng)器15的性能和狀態(tài)的決策。微處理器/控制器30可包括諸如光或音頻設(shè)備之類的指示器，當(dāng)檢測(cè)到特定狀態(tài)時(shí)其可被致動(dòng)。例如，當(dāng)檢測(cè)到對(duì)致動(dòng)器15過度的磨損或損壞時(shí)可提供并發(fā)出紅光。微處理器/控制器30可具有額外的輸入(例如環(huán)境溫度、壓力、控制信號(hào)等)并被提供有多個(gè)輸出選項(xiàng)(例如以太網(wǎng)、RS-485/422，RS-232, USB, RF, IR、LED閃爍代碼等)。如提到的，微處理器/控制器30可執(zhí)行必要的比較并作出關(guān)于致動(dòng)器15的操作、維護(hù)或狀態(tài)的決策，或者能夠?qū)⒃紨?shù)據(jù)或決策信息轉(zhuǎn)移至中央計(jì)算機(jī)，該中央計(jì)算機(jī)隨后將一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器15的信息顯示給用戶。另外，微處理器/控制器可執(zhí)行數(shù)據(jù)記錄功能并存儲(chǔ)關(guān)聯(lián)于實(shí)際上任何測(cè)得參數(shù)的數(shù)據(jù)，例如但不限于循環(huán)數(shù)、最大和中最小壓力或溫度、故障次數(shù)等。
[0036]在操作中,本系統(tǒng)10可被應(yīng)用至實(shí)際上執(zhí)行任何操作的任何致動(dòng)器15。然而,如本領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員將理解的那樣，任何給定致動(dòng)器15的性能將隨著所施加的負(fù)載、致動(dòng)器15和負(fù)載的定位、致動(dòng)器15的尺寸、與壓力源75的距離以及任何數(shù)量的其它變量而改變。因此，優(yōu)選方法是測(cè)量特定應(yīng)用中已知致動(dòng)器15的性能并使用該測(cè)得的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)?；鶞?zhǔn)代表可接受的運(yùn)動(dòng)輪廓并通過微處理器/控制器30與測(cè)得輪廓進(jìn)行比較。然后使用這種比較以確定故障狀態(tài)和報(bào)告。
[0037]圖2示出一個(gè)這種示例性基準(zhǔn)測(cè)量的例子并包括相對(duì)于時(shí)間測(cè)量和繪制的壓力。如所見那樣，壓力在大約1psi和95psi之間變化，其它壓力范圍也是可能的。附加地，活塞40沿第一方向的整個(gè)沖程取大約100ms，更快或更慢的沖程也是可能的。另外，由于桿45造成的減小活塞面積，沿一個(gè)方向的沖程可比相反方向上的沖程更快。
[0038]繼續(xù)參見圖2，這里有兩條曲線95、100，其中每條曲線95、100代表來自壓力傳感器20、25中的一個(gè)的數(shù)據(jù)。第一壓力傳感器20正在測(cè)量略大于1psi的壓力并因此被連接至排管80。第二壓力傳感器25正在測(cè)量略高于90psi并連接至高壓源75。由此，活塞40被位移至最接近第一壓力傳感器20的極端。在第一時(shí)間，控制閥70移動(dòng)至第二位置以使第一腔室50并因此使第一壓力傳感器20暴露于高壓流體75，并且使第二腔室55并因此使第二壓力傳感器25開放于排管80。第二腔室55內(nèi)的壓力立即開始下降，之后是基本指數(shù)曲線。同時(shí)，第一腔室50內(nèi)的壓力基本線形地上升至第一壓力水平。一旦到達(dá)第一壓力水平，由高壓流體在活塞40上產(chǎn)生的力克服活塞的機(jī)械慣性和任何粘著摩擦，并且活塞40開始朝向第二壓力傳感器25移動(dòng)。活塞40的移動(dòng)增加了第一腔室50內(nèi)的體積，由此使得壓力下降至低于第一壓力的水平。同時(shí)，第二腔室55內(nèi)的體積減小并且壓力以一加速度朝向較低水平下降。一旦活塞40到達(dá)其行進(jìn)末端，第一腔室50內(nèi)的壓力增加至大約等于高壓源75的壓力的水平并且第二腔室55內(nèi)的壓力下降至大約等于排管壓力80的水平。
[0039]如圖2所示，相反方向上的移動(dòng)產(chǎn)生具有略為不同的壓力值和持續(xù)時(shí)間的相似曲線。壓力和持續(xù)時(shí)間的變化主要由于腔室50、55的非對(duì)稱配置。例如，克服慣性和粘著摩擦所需的第一壓力沿圖2的第一方向較低，因?yàn)樵诨钊?0的第二腔室側(cè)上省去桿45而導(dǎo)致活塞面積略大?；钊?0上的總作用力沿兩個(gè)方向大致相同。當(dāng)然，如果施加負(fù)載，這種關(guān)系和值將至少部分地基于該負(fù)載而改變。
[0040]圖3示出執(zhí)行與圖2的致動(dòng)器15相同操作的相同類型致動(dòng)器15。然而，圖3的致動(dòng)器15已知是有缺陷的。與圖2的曲線95、100對(duì)應(yīng)的圖3的曲線110、115的比較表現(xiàn)出若干不同點(diǎn)。例如，發(fā)起活塞40的移動(dòng)所需的第一壓力的大小120在圖3中顯著地高于圖2中的大小。另外，一旦活塞移動(dòng)開始，則第一腔室50內(nèi)的壓力比圖2中的致動(dòng)器更為顯著地下降。因此，當(dāng)與圖2的良好致動(dòng)器15相比較時(shí)，對(duì)于圖3的損壞致動(dòng)器15，在活塞運(yùn)動(dòng)期間第一腔室50內(nèi)的壓力變化更大。
[0041]代表由相反壓力傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)的曲線在圖2和圖3之間也是不同的。例如，在移動(dòng)閥70之前維持的高壓值125在圖3中比圖2中更低。另外，當(dāng)向排管開啟時(shí)，與圖2的氣缸相比較，第二腔室55內(nèi)的壓力在圖3的氣缸內(nèi)下降更快。
[0042]兩條曲線110、115之間的差也可以是氣缸可能存在問題的展示。例如，在切換閥70之前第二腔室55內(nèi)的最大壓力與發(fā)起活塞40的移動(dòng)120所需的第一壓力之間的差在圖2和圖3中顯著不同。另外，與圖2的致動(dòng)器15相比較，圖3的致動(dòng)器15在活塞40運(yùn)動(dòng)期間和在活塞沖程結(jié)束時(shí)兩個(gè)腔室50、55之間的壓力差小得多。
[0043]如所提到的，致動(dòng)器15的負(fù)載和定位以及許多其它因素極大地影響到由壓力傳感器20、25采集的壓力數(shù)據(jù)。圖4和圖5分別示出與圖2和圖3的致動(dòng)器15類似的致動(dòng)器15，但其額外具有阻尼以使活塞40的移動(dòng)變慢。同樣，在曲線中存在許多差異，這些差異可被識(shí)別并可用于評(píng)估致動(dòng)器15的狀態(tài)，然而這些曲線與圖2和圖3的那些曲線大為不同。
[0044]圖6和圖7示出在無(wú)負(fù)載和無(wú)阻尼的水平操作期間的同一致動(dòng)器15。致動(dòng)器15具有比用于產(chǎn)生圖2-5的致動(dòng)器15更大的直徑。圖6是來自新致動(dòng)器15的數(shù)據(jù)而圖7示出來自已知損壞的致動(dòng)器15的數(shù)據(jù)。
[0045]圖8和圖9示出具有負(fù)載和阻尼的垂直安裝致動(dòng)器15。圖8是來自新致動(dòng)器15的數(shù)據(jù)，而圖9示出來自已知損壞的致動(dòng)器的數(shù)據(jù)。
[0046]除了測(cè)量第一腔室50和第二腔室55內(nèi)的壓力，系統(tǒng)10也能測(cè)量沖程的總持續(xù)時(shí)間并對(duì)活塞40的總循環(huán)或沖程進(jìn)行計(jì)數(shù)。這些值均可用于維護(hù)循環(huán)目的或評(píng)估致動(dòng)器15的狀態(tài)。例如，微處理器/控制器30可啟動(dòng)彩色光以指示預(yù)定數(shù)量的循環(huán)已發(fā)生并且例行維護(hù)應(yīng)當(dāng)被執(zhí)行或致動(dòng)器15應(yīng)當(dāng)被更換。系統(tǒng)10也可測(cè)量和監(jiān)視最大工作壓力并且如果超出工作壓力中的一個(gè)或多個(gè)則發(fā)出警報(bào)。
[0047]可使用第一傳感器20和第二傳感器25監(jiān)視其它參數(shù)，或者可提供額外的傳感器以監(jiān)視其它參數(shù)。例如，溫度傳感器可耦合至致動(dòng)器15以監(jiān)視工作流體溫度、氣缸金屬溫度或期望的任何其它溫度。溫度數(shù)據(jù)可用來補(bǔ)償溫度對(duì)工作壓力的影響。
[0048]除了前述監(jiān)視功能外，系統(tǒng)10也可用來更直接地控制致動(dòng)器15的操作。例如，微處理器/控制器30可將控制信號(hào)提供至閥70或控制流體流動(dòng)至致動(dòng)器15的閥，以控制活塞40移動(dòng)的速度或由活塞40產(chǎn)生的總作用力。另外，當(dāng)前系統(tǒng)10能夠檢測(cè)行程終點(diǎn)并在該點(diǎn)停止活塞40或根據(jù)需要在該點(diǎn)之前停止活塞40。
[0049]系統(tǒng)150的另一構(gòu)造包括位置測(cè)量系統(tǒng)155，該位置測(cè)量系統(tǒng)155能夠確定活塞40在氣缸17內(nèi)的實(shí)際位置。示意地示出在圖10中的氣缸17與圖1的氣缸相同但包括位置測(cè)量系統(tǒng)155。位置測(cè)量系統(tǒng)155包括沿氣缸17的長(zhǎng)度間隔的多個(gè)磁傳感器160。每個(gè)傳感器160能夠準(zhǔn)確地測(cè)量它和另一磁體170 (例如布置在活塞40內(nèi)或耦合至活塞40的磁體170)之間的角度165。指不角度165的信號(hào)從每個(gè)傳感器160被送至微處理器/控制器30。微處理器/控制器30使用各個(gè)角度進(jìn)行三角測(cè)量并計(jì)算活塞40的精確位置。該位置數(shù)據(jù)隨后可被用來控制閥70以在任何時(shí)間準(zhǔn)確地控制活塞40的位置。該位置信息也可獨(dú)立地使用或作為其它傳感器的附加以實(shí)現(xiàn)控制和/或監(jiān)視目的。
[0050]本文描述的系統(tǒng)10、150可被單獨(dú)使用以監(jiān)視和控制單個(gè)致動(dòng)器15的操作。當(dāng)致動(dòng)器15的狀態(tài)顯著改變時(shí)，當(dāng)需要維護(hù)時(shí)以及當(dāng)需要更換致動(dòng)器15或密封時(shí)，系統(tǒng)可發(fā)信號(hào)。另外，系統(tǒng)可用來控制各致動(dòng)器15的操作。
[0051]在另一配置中，各微處理器/控制器30如圖11所示與中央計(jì)算機(jī)170通信。中央計(jì)算機(jī)170是能夠如期望那樣從一個(gè)位置監(jiān)視和控制各個(gè)致動(dòng)器170的分布式控制系統(tǒng)(DCS)的一部分。
[0052]圖14-17示出處于良好狀態(tài)的已知致動(dòng)器以及具有三個(gè)不同已知缺陷的相同致動(dòng)器的實(shí)際測(cè)試結(jié)果。圖14-17示出其中可采用當(dāng)前系統(tǒng)的一種可能的方式。其它類型的致動(dòng)器可具有不同故障模式并因此可能需要略為不同的分析。另外，本文披露的絕對(duì)壓力、時(shí)間和循環(huán)是示例性的并且可根據(jù)包括應(yīng)用場(chǎng)合或所使用致動(dòng)器的許多因素而改變。然而，圖14-17是系統(tǒng)的一種可能使用的示例。
[0053]圖14示出已知處于良好或可接受狀態(tài)的已知致動(dòng)器的基準(zhǔn)測(cè)量。致動(dòng)器包括軸或桿密封件、桿側(cè)活塞密封件以及位于活塞的與桿側(cè)密封件相對(duì)的一側(cè)上的頭端活塞密封件。這些密封件中的任一個(gè)可能在致動(dòng)器使用過程中出現(xiàn)故障，并且當(dāng)前系統(tǒng)能夠在致動(dòng)器變得不可使用之前檢測(cè)該故障。如所見那樣，系統(tǒng)基于從活塞兩側(cè)取的壓力測(cè)量值產(chǎn)生波形(或曲線)。如圖示那樣，三個(gè)特定數(shù)據(jù)點(diǎn)301、302和303被標(biāo)識(shí)。下面將參照?qǐng)D15-17討論這三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，隨著這些數(shù)據(jù)點(diǎn)響應(yīng)于特定故障移動(dòng)。另外，應(yīng)當(dāng)注意氣缸每側(cè)的最大壓力是基本相等的。這是良好的氣缸的特征，但其因變于可位于流體端口上游的任何壓力或流動(dòng)調(diào)節(jié)器。另外，每個(gè)波形的低壓大約等于大氣壓力，這是良好的致動(dòng)器的特征。
[0054]圖15示出與圖14的致動(dòng)器相同但具有已知缺陷的致動(dòng)器的相似波形。具體地說，桿密封件已知受損。如所見那樣，兩個(gè)波形不再在第一數(shù)據(jù)點(diǎn)301相交。相反，如今在兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)301a、301b之間存在2psi的差，并且它們從原始57psi值向上平移。另外，第二點(diǎn)302從62psi向下平移至53psi并且第三點(diǎn)303從55psi向下平移至48psi。另外，兩個(gè)波形的最大壓力因缺陷而不同。這些差中的任一個(gè)或全部不僅可用來確定致動(dòng)器正在異常工作，而且還可用來確定異常工作的起因可能是帶缺陷的桿密封件。
[0055]圖16示出與圖14的致動(dòng)器相同但具有已知缺陷的致動(dòng)器的相似波形。具體地說，桿側(cè)活塞密封件已知是受損的。如所見那樣，兩個(gè)波形現(xiàn)在包括許多差異。例如，第一點(diǎn)301已向上平移大約3psi。另外，第二點(diǎn)302已從62psi向下平移至55psi并且第三點(diǎn)303已從55psi向下平移至49psi。這些改變類似于參照?qǐng)D15的波形討論的那些。然而，兩個(gè)波形的最大壓力如今具有大約3.5psi的差。這是被視為由于損壞的桿密封件造成的較大差異。此外，與損壞的桿密封件不同，圖16的波形也示出最小壓力之間的壓力差。具體地說，1.5psi的差是清楚可見的。該差不因帶缺陷的桿密封件而出現(xiàn)。由此，這些差不僅可用來確定致動(dòng)器正在異常工作，而且還可用來確定異常工作的起因可能是帶缺陷的桿側(cè)活塞密封件。
[0056]圖17示出與圖14的致動(dòng)器相同但具有已知缺陷的致動(dòng)器的相似波形。具體地說，頭端側(cè)活塞密封件已知是受損的。如所見那樣，與圖14的波形以及與圖15和圖16的波形相比較，兩個(gè)波形現(xiàn)在包括許多差異。例如，第一點(diǎn)301與圖14的波形相比較尚未平移。這不同于圖15和圖16所示的。類似地，當(dāng)與圖14的波形相比較時(shí)，第二點(diǎn)302和第三點(diǎn)303大部分保持不變。由此，僅觀察這三個(gè)點(diǎn)，人們會(huì)推斷出圖17的致動(dòng)器處于良好狀態(tài)。然而，兩個(gè)波形的最大壓力如今具有大于3psi的差。該差在大小上與圖16是近似的但方向是相反的(即相對(duì)的傳感器更高)。
[0057]此外，類似于圖16的波形，圖17的波形示出最小壓力之間的壓力差。具體地說，大約2psi的差是清楚可見的。類似于最大壓力差，該差出現(xiàn)在圖16的波形中，但同樣方向是相反的(即相對(duì)傳感器低)。由此，這些差不僅可用來確定致動(dòng)器正在異常工作，而且還可用來確定異常工作的起因可能是帶缺陷的頭端側(cè)活塞密封件。
[0058]應(yīng)當(dāng)注意，用來產(chǎn)生圖14-17的波形的致動(dòng)器是未加負(fù)載的。因而，存在非常少的因缺陷造成的在循環(huán)時(shí)間(X軸)上的變化。然而，在施加負(fù)載的氣缸內(nèi)，前面討論的缺陷也造成循環(huán)時(shí)間的可測(cè)變化。這些變化可被測(cè)量和報(bào)告，并也可用來評(píng)估致動(dòng)器的狀態(tài)。除了使用時(shí)間變化來確定潛在問題是否已發(fā)生外，一些構(gòu)造利用曲線下的面積來評(píng)估問題是否正在發(fā)生。更具體地說，曲線之間的面積可用于致動(dòng)器工作在變化的壓力或變化的速率的情形。在這些情形下，已發(fā)現(xiàn)在曲線下的總面積保持基本均一。由此，該面積的增加是不想要的滲漏或其它性能故障的指示。在其它應(yīng)用中，曲線之間的面積的變化可單獨(dú)或與其它測(cè)得參數(shù)結(jié)合地作為特定故障模式的指示。
[0059]此外，可容易地檢查和報(bào)告循環(huán)的開始和結(jié)束，以用于控制過程以及訪問致動(dòng)器的狀態(tài)。另外，如果循環(huán)時(shí)間被確定為比需要的更快，或比需要的更慢，則可調(diào)節(jié)壓力以取得要求的循環(huán)時(shí)間，由此提高過程質(zhì)量并可能減少由致動(dòng)器使用的空氣或壓縮流體的量。
[0060]圖12和圖13示出與本文描述的系統(tǒng)一起使用的一種可能監(jiān)視系統(tǒng)的圖像。圖12示出監(jiān)視系統(tǒng)的狀態(tài)頁(yè)。盡管該狀態(tài)頁(yè)包括一個(gè)致動(dòng)器的狀態(tài)，但是可根據(jù)需要將多個(gè)致動(dòng)器編組在一起并展示。所展示的圖像包括三個(gè)性能指示器，其中第一指示器基于前面討論的波形分析提供紅、黃或綠狀態(tài)。第二指示器提供沖程已到達(dá)結(jié)束點(diǎn)的指示。第三指示器對(duì)致動(dòng)器循環(huán)進(jìn)行計(jì)數(shù)并基于循環(huán)數(shù)提供致動(dòng)器壽命的指示。壽命可以是致動(dòng)器的實(shí)際有用壽命，或可針對(duì)特定傳感器被設(shè)定至鏡推薦的維護(hù)間隔。
[0061]狀態(tài)頁(yè)的第二區(qū)域提供致動(dòng)器的多個(gè)工作參數(shù)的數(shù)值數(shù)據(jù)?？筛鶕?jù)需要測(cè)量和顯示其它參數(shù)。狀態(tài)頁(yè)的第三區(qū)域提供效率分析。在該例中，效率基于循環(huán)時(shí)間。被顯示的數(shù)據(jù)是實(shí)際循環(huán)時(shí)間相對(duì)期望的循環(huán)時(shí)間的比較，并提供一空間以基于結(jié)果提供推薦的校正動(dòng)作。在該例中，致動(dòng)器比期望的移動(dòng)更快。由此，流體壓力可被降低以使致動(dòng)器變慢并可能降低操作成本。
[0062]圖13示出一種可能的配置頁(yè)，它提供專門針對(duì)正被檢查的致動(dòng)器的數(shù)據(jù)。在該例中，孔尺寸、沖程長(zhǎng)度和總循環(huán)計(jì)數(shù)可被添加、存儲(chǔ)和顯示。另外，產(chǎn)生基準(zhǔn)波形(圖14)所需的步驟可從該頁(yè)面發(fā)起。最終，可對(duì)于任何測(cè)得參數(shù)設(shè)定警報(bào)設(shè)定點(diǎn)，每個(gè)設(shè)定點(diǎn)具有高警報(bào)、低警報(bào)以及選擇器以激活或禁用警報(bào)。最終，提供固件更新狀態(tài)以當(dāng)需要固件更新時(shí)提醒用戶。
[0063]應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明被描述為與致動(dòng)器(有時(shí)被稱為氣缸、氣壓缸或液壓缸)一起使用。然而，在其它應(yīng)用中，本發(fā)明適用于閥或任何其它流設(shè)備。流設(shè)備可以是控制流體流或響應(yīng)于被引至此的流體流工作的任何設(shè)備。因而，本發(fā)明不應(yīng)僅限于致動(dòng)器。
[0064]由此，本發(fā)明提供系統(tǒng)10、150以測(cè)量和控制致動(dòng)器15的操作。系統(tǒng)10、150包括能夠采集數(shù)據(jù)的壓力傳感器20、25以及能夠分析數(shù)據(jù)以確定致動(dòng)器15的狀態(tài)的微處理器/控制器30。
【權(quán)利要求】
1.一種致動(dòng)器系統(tǒng)，包括: 活塞-氣缸配置，其包括可相對(duì)于氣缸移動(dòng)的活塞； 與所述活塞-氣缸配置流體連通的第一流動(dòng)路徑； 與所述活塞-氣缸配置流體連通的第二流動(dòng)路徑； 控制系統(tǒng)，其可作用以將第一流動(dòng)路徑流體連接至高壓流體源并將第二流體路徑連接至排管以沿第一方向移動(dòng)活塞； 壓力傳感器，其流體連接至第一流動(dòng)路徑并可作用以在活塞移動(dòng)過程中測(cè)量足夠的壓力數(shù)據(jù)以產(chǎn)生壓力相對(duì)于時(shí)間曲線，所述控制系統(tǒng)可作用以將所產(chǎn)生的壓力相對(duì)于時(shí)間曲線與被存儲(chǔ)在控制系統(tǒng)中的已知標(biāo)準(zhǔn)壓力相對(duì)于時(shí)間曲線相比較以確定所述活塞-氣缸配置的狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述氣缸限定內(nèi)部空間并且所述活塞將所述內(nèi)部空間分割成與所述第一流動(dòng)路徑流體連通的第一側(cè)和與所述第二流動(dòng)路徑流體連通的第二側(cè)。
3.如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，還包括耦合至活塞以抑制所述活塞和所述氣缸之間的流體流動(dòng)的活塞密封件，所述控制系統(tǒng)可作用以基于所產(chǎn)生的壓力相對(duì)于時(shí)間曲線與存儲(chǔ)在控制系統(tǒng)中的已知標(biāo)準(zhǔn)壓力相對(duì)于時(shí)間曲線的比較而預(yù)測(cè)所述活塞密封件的故障。
4.如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，還包括軸，所述軸耦合至活塞并包括抑制所述軸和所述氣缸之間的流體流動(dòng)的軸密封件，所述控制系統(tǒng)可作用以基于所產(chǎn)生的壓力相對(duì)于時(shí)間曲線與存儲(chǔ)在控制系統(tǒng)中的已知標(biāo)準(zhǔn)壓力相對(duì)于時(shí)間曲線的比較而預(yù)測(cè)所述軸密封件的故障。
5.如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力傳感器可作用從而以至少每秒1000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的速率測(cè)量數(shù)據(jù)。
6.如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力傳感器可作用從而以±0.0lpsi的精度測(cè)量壓力數(shù)據(jù)。
7.如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述活塞-氣缸配置是氣壓活塞-氣缸配置。
8.如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括微處理器和存儲(chǔ)器設(shè)備，并且所述已知標(biāo)準(zhǔn)壓力相對(duì)于時(shí)間曲線是在一個(gè)或多個(gè)最初工作循環(huán)期間針對(duì)所述活塞-氣缸配置產(chǎn)生的并被存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器設(shè)備中。
9.一種致動(dòng)器系統(tǒng),包括: 氣缸，所述氣缸限定內(nèi)部空間并包括被布置在所述空間的第一端附近的第一流體端口以及在所述空間的第二端附近的第二流體端口； 活塞，所述活塞被設(shè)置在內(nèi)部空間內(nèi)并可作用以將所述空間分成第一側(cè)和第二側(cè)，所述第一側(cè)與第一流體端口流體連通而所述第二側(cè)與第二流體端口流體連通； 工作部件，所述工作部件耦合至活塞并可作用以響應(yīng)于所述活塞的移動(dòng)而進(jìn)行工作； 控制系統(tǒng)，其可作用以選擇性地將所述第一流體端口流體連接至壓力源和排管之一并將所述第二流體端口流體連接至排管和壓力源中的另一個(gè)，以選擇性地將活塞移離所述第一端口以及移向所述第一端口 ；以及 壓力傳感器，與所述第一側(cè)流體連通并可作用以在活塞移動(dòng)期間測(cè)量壓力數(shù)據(jù)，所述控制系統(tǒng)可作用以將測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)與已知標(biāo)準(zhǔn)相比較以確定系統(tǒng)的狀態(tài)。
10.如權(quán)利要求9所述的致動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)被編輯成所產(chǎn)生的壓力相對(duì)于時(shí)間曲線，并且所述已知標(biāo)準(zhǔn)包括被存儲(chǔ)在控制系統(tǒng)中的已知標(biāo)準(zhǔn)壓力相對(duì)于時(shí)間曲線。
11.如權(quán)利要求9所述的致動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，還包括耦合至活塞以抑制所述活塞和所述氣缸之間的流體流動(dòng)的活塞密封件，所述控制系統(tǒng)可作用以基于所述測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)與所述已知標(biāo)準(zhǔn)的比較而預(yù)測(cè)所述活塞密封件的故障。
12.如權(quán)利要求9所述的致動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述工作部件包括延伸穿過所述氣缸的軸以及抑制所述軸和所述氣缸之間的流體流動(dòng)的軸密封件，所述控制系統(tǒng)可作用以基于所述測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)與已知標(biāo)準(zhǔn)的比較預(yù)測(cè)所述軸密封件的故障。
13.如權(quán)利要求9所述的致動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力傳感器可作用從而以至少每秒1000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的速率測(cè)量數(shù)據(jù)。
14.如權(quán)利要求9所述的致動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力傳感器可作用從而以±0.0lpsi的精度測(cè)量壓力數(shù)據(jù)。
15.如權(quán)利要求9所述的致動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述活塞和氣缸限定氣壓活塞-氣缸配置。
16.如權(quán)利要求9所述的致動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括微處理器和存儲(chǔ)器設(shè)備，并且所述已知標(biāo)準(zhǔn)是在一個(gè)或多個(gè)最初工作循環(huán)期間產(chǎn)生的并被存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器設(shè)備中。
17.如權(quán)利要求9所述的致動(dòng)器系統(tǒng)，其特征在于，還包括與所述第二側(cè)流體連通并可作用以在活塞移動(dòng)期間測(cè)量第二組壓力數(shù)據(jù)的第二壓力傳感器，所述控制系統(tǒng)可作用以將測(cè)得的第二組壓力數(shù)據(jù)與第二已知標(biāo)準(zhǔn)相比較以確定系統(tǒng)的狀態(tài)。
18.一種預(yù)測(cè)致動(dòng)器系統(tǒng)中的故障的方法，所述方法包括: 將高壓流體端口接至活塞-氣缸配置的第一側(cè)； 將低壓流體從所述活塞-氣缸配置的第二側(cè)排出以允許所述活塞朝所述第二側(cè)相對(duì)于所述氣缸移動(dòng)； 在所述活塞移動(dòng)期間取所述第一側(cè)附近的流體的多個(gè)壓力測(cè)量值； 將所述多個(gè)壓力測(cè)量值與已知的一組壓力值進(jìn)行比較；以及 基于所述多個(gè)壓力測(cè)量值與所述已知的一組壓力值的比較確定是否可能是故障。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，還包括在所述致動(dòng)器系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)最初工作循環(huán)期間產(chǎn)生所述已知的一組壓力值并將所述已知的一組壓力值存儲(chǔ)在控制系統(tǒng)中。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，還包括在至少每秒1000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的頻率下取所述多個(gè)壓力測(cè)量值。
【文檔編號(hào)】F15B15/28GK104395615SQ201380032344
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2013年4月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月20日
【發(fā)明者】肯特·泰伯 申請(qǐng)人:肯特·泰伯