CN103201641B - 线缆疲劳监控器及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于判定至少一条遭受弯折和/或扭曲并且构成电气回路的线缆的工作状态的监控器及其方法。监控器包括：测试电气信号发生器(5)，用于产生可识别的测试电气信号并且将所述测试电气信号注入所述至少一条线缆的第一点；测试电气信号滤波器(7)，用于从所述至少一条线缆的第二点提取所述注入的测试电气信号；和比较器(8)，用于将预定的阈值与注入的测试电气信号的电气状态和提取的测试电气信号的电气状态之差比较，如果所述差超过所述预定的阈值，则产生表示线缆疲劳的提醒信号。带来如下优点：其仅监控电气性能，而非线缆的机械性能；其监控线缆本身，而非监控器材料；其可是用于任何种类的线缆，包括但不局限于大电流线缆；其无需引入新的线缆；其为在线监控，即为监控线缆疲劳无需暂停机电系统的运行。

Description

线缆疲劳监控器及其方法
技术领域
本发明涉及线缆疲劳监控器及其方法，更具体地说，涉及针对由弯折和/或扭曲引起的线缆疲劳的线缆疲劳监控器及其方法。
背景技术
线缆广泛地应用于工业设备或装置中来传输工作负载。工作负载可以为功率、模拟数据或数字数据。当线缆发生疲劳时，其无法正常地传输并且可能引起设备或装置故障。
线缆疲劳由发生在诸如工业机器人一样的运动系统中的线缆弯折和/或线缆扭曲导致。工业机器人（机械臂）具有多个关节。当其工作时，其关节快速旋转，由此在关节中的或与关节连接的线缆快速地弯折或扭曲。因此，工业机器人容易产生线缆疲劳，进而发生故障的可能性较高。
传统的解决方案是线缆疲劳预测，即估计线缆的疲劳寿命并且在其不能工作之前更换。由于如下原因，上述估计可能是不精确的：
1.根据S-N曲线（S表示应力，N表示在部件发生故障之前弯折/扭曲的次数，S-N曲线是描述施加到部件的应力和部件疲劳寿命之间关系的曲线），应力的小改变可以导致疲劳寿命的大改变。例如，3%的应力的变化引起30%的疲劳寿命的变化。然而，对应力足够精确的仿真的成本是高的，由此就实际应用而言较高的疲劳寿命的误差是难以避免的。
2.尽管两条线缆来自相同的批次、由同一厂家生产，任何两条线缆的抗疲劳性能（应力和疲劳寿命之间的关系）是不同的。如果两条线缆由不同的厂家生产，则其差异将更大。机器人生产商频繁地进行线缆抗疲劳性能测试是不实际的。因此，由于线缆来自不同批次或由不同厂家生产，机器人生产商无法准确地知道其抗疲劳性能。其结果是即使对应力进行非常精确的仿真，仍无法精确地预测疲劳寿命。
其他现有解决方案是监控线缆疲劳并且当其无法正常工作时进行更换。相对于预测而言，其更为实际并且也已经有许多尝试。题为“带有功率线缆监视器的弧焊方法及装置”的专利（专利号：US005911893A）提出监控线缆疲劳的方法，即监控在功率线缆上的压降。当压降超过一定的阈值时，功率线缆应当更换。该专利的不足之处是：
1.当线缆的电阻较小时，可测量的压降需要非常大的电流。然而，在一般的线缆上难以传输如此之大的电流。因此，该专利仅适用于弧焊功率线缆。其不适于诸如数据线缆或电机功率线缆一样的大多数应用。
2.该专利引入新线缆（见图7和部件66和67）来测量压降，这增加了疲劳的风险。
题为“弧焊线缆监控器”（专利号：US005637241A）与前述专利相同。
现有一些专利描述利用机械性能来监控。当然，部件可以是线缆。如下是其中的一些：
题为“远程及无功率最小疲劳监控器及其方法”（公开号：US5531123A）；
题为“用于小直径管道节点的疲劳监控器”（公开号：JP61110029A）；
题为“用于测量疲劳损害程度的监控器材料、方法以及采用监控器材料的机器部件”（公开号：JP2001201432A）；
题为“疲劳损害监控器测量和疲劳损害监控器装置”（公开号：JP10111267A）；
题为“用于检测疲劳损害监控的监控器”（公开号：JP5113390A）；题为“旋转轴的疲劳监控器”（公开号：JP54116986A）；和
题为“具有疲劳老化监控器双功能的应变计”（公开号：JP7218214A）。
这些专利仍然具有不足，其原因为：
1.他们监控的是机械性能，而非电气性能。通常在疲劳过程中，在失去其机械性能之前，线缆失去其电气性能，即其不再适于传输功率/数据，但是其机械系能的变化是非常小的。因此，根据这些专利线缆仍可以使用，当时实际上其应当更换。
2.这些专利中的一些将监控器材料与被监控的部件连接。该监控器材料是用于估计被监控部件上的疲劳损害的参考值。然而，机器人没有太多安放监控器材料的空间。因为机器人总是很忙，所以拆卸监控器材料用于测试也是不适用的。此外，在监控器材料和被监控的部件之间的差引入新的误差。此外，如果机器人制造商应用这些专利，则其必须从线缆提供商得到监控器材料。因此，机器人制造商会失去商机。
根据其他现有技术，通过比较线缆的初始电阻值和弯折和/或扭曲之后的值来测试线缆的疲劳寿命。足够大到的退化意味着该线缆是疲劳的。例如，线缆的初始电阻值为0.493欧姆。在弯折和/或扭曲3,818,090次之后其电阻值变为0.702欧姆。因此，可以知道该批次的线缆的疲劳寿命大约为380万周期。然而，在线缆样本上没有工作负载并且可以使用万用表来测量电阻。对于安装在机器人中的线缆，工作负载将干扰万用表以至于电阻无法测量。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种用于判定至少一条遭受弯折和/或扭曲并且构成电气回路的线缆的工作状态的监控器，包括：测试电气信号发生器，用于产生可识别的测试电气信号并且将所述测试电气信号注入所述至少一条线缆的第一点；测试电气信号滤波器，用于从所述至少一条线缆的第二点提取所述注入的测试电气信号；和比较器，用于将预定的阈值与注入的测试电气信号的电气状态和提取的测试电气信号的电气状态之差比较，如果所述差超过所述预定的阈值，则产生表示线缆疲劳的提醒信号。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于判定至少一条遭受弯折和/或扭曲并且构成电气回路的线缆的工作状态的方法，包括：（a）产生可识别的测试电气信号并且将所述测试电气信号注入所述至少一条线缆的第一点；（b）从所述至少一条线缆的第二点提取所述注入的测试电气信号；和（c）将预定的阈值与注入的测试电气信号的电气状态和提取的测试电气信号的电气状态之差比较，如果所述差超过所述预定的阈值，则产生表示线缆疲劳的提醒信号。
通过采用如上结构的监控器和/或方法，本发明至少带来如下优点：
1.其仅监控电气性能，而非线缆的机械性能；
2.其监控线缆本身，而非监控器材料；
3.其可是用于任何种类的线缆，包括但不局限于大电流线缆；
4.其无需引入新的线缆；
5.其为在线监控，即为监控线缆疲劳无需暂停机电系统的运行。
附图说明
本发明的发明主题将结合附图参照具体实施方式的文字说明。
图1A示出根据本发明的实施例的机电系统；
图1B示出根据本发明的另一实施例的机电系统；
图1C示出根据本发明的另一实施例的机电系统；
图2A示出根据本发明的实施例的监控器的电气结构；
图2B示出根据本发明的实施例的、根据工作负载的频谱选择测试电气信号的频率；
图2C示出根据本发明的另一实施例的监控器的电气结构；
图3示出测试电气信号和提取的测试电气信号之差；
图4A示出作为例子的频域中的数字解决方案；
图4B示出所述两个频谱之差；
图5示出根据本发明的实施例的线缆疲劳监控方法的流程图；和
图6示出根据本发明的实施例的判定线缆的疲劳工作状态方法的流程图。
具体实施方式
图1A示出根据本发明的实施例的机电系统。具体来说，该机电系统可以是包括电气回路的工业机器人，电气回路包括串联连接的第一线缆1、第一电气部分3、第二线缆2和第二电气部分4。
例如，第一电气部分3可以是控制器或者电源，并且第二电气部分4可以是传感器或电机，并且第一电气部分3和第二电气部分4位于关节6的不同侧。通过采用上述相对于关节6的布置，在第一电气部分和第二电气部分之间存在相对转动，因此随着相对转动，在电气连接第一电气部分3和第二电气部分4的第一线缆1和第二线缆2中发生弯折和/或扭曲。在图1A中该弯折和/或扭曲由箭头B和箭头T表示。
图1B示出根据本发明的另一实施例的机电系统。可替代的，在第一电气部分3和第二电气部分4之间存在多于一个关节6，这具有多于两个旋转自由度。通过采用多于一个关节的布置，与其电气连接的第一线缆1和第二线缆2发生弯折和/或扭曲。
图1C示出根据本发明的另一实施例的机电系统。具体来说，该机电系统可以是包括电气回路的电动车，电气回路包括串联连接的第一线缆1、第一电气部分3、第二线缆2和第二电气部分4。
例如，第一电气部分3可以是控制器或者电源，并且第二电气部分4可以是传感器或电机，并且第一电气部分3和第二电气部分4位于关节6的不同侧。通过采用上述相对于关节6的布置，在电气连接第一电气部分3和第二电气部分4的第一线缆1中发生弯折和/或扭曲。工作负载回路包括第一线缆1、第一电气部分3、地、第二线缆2和第二电气部分4。用于判定遭受弯折和/或扭曲的第一线缆1的工作状态的监控器包括：测试电气信号发生器5、测试电气信号滤波器7和比较器8。并且，测试电气信号滤波器7和比较器8通过无线耦合。
如图1A和1B所示，测试电气信号发生器5与第一线缆1的第一点I电气连接，其产生可识别的测试电气信号并且将测试电气信号注入第一线缆1的第一点I，并且将测试电气信号向比较器8输出。测试电气信号可以通过其特殊的电气参数来识别，比如频率。测试电气信号滤波器7与第二线缆2的第二点E电气连接，从第二线缆2的第二点E提取注入的测试电气信号，并且将提取的测试电气信号向比较器8输出。比较器8将预定的阈值与注入的测试电气信号的电气状态和提取的测试电气信号的电气状态（诸如电压或电流，或其衰减和/或抖动）之差比较，如果所述差超过所述预定的阈值，则产生表示线缆疲劳的提醒信号。
通过采用上述用于判定线缆疲劳的监控器的配置，本发明至少提供如下优点：
1.其仅监控电气性能，而非线缆的机械性能；
2.其监控线缆本身，而非监控器材料；
3.其可是用于任何种类的线缆，包括但不局限于大电流线缆；
4.其无需引入新的线缆；
5.其为在线监控，即为监控线缆疲劳无需暂停机电系统的运行。
如图1A和1B所示，相对于关节6（线缆弯折和/或扭曲的位置）而言，测试电气信号发生器5、测试电气信号滤波器7和比较器8布置在同侧，例如在第一电气部分处。
通过采用上述布置，当第一线缆1和第二线缆2弯折和/或扭曲时，连接测试电气信号发生器5、测试电气信号滤波器7和比较器8的导线不会弯折和/或扭曲。由于不弯折和/或不扭曲，该导线具有相对长的寿命。
如图1C所示，测试电气信号发生器5与第一线缆1的第一点I电气连接，其产生可识别的测试电气信号并且将测试电气信号注入第一线缆1的第一点I，并且将测试电气信号向比较器8输出。测试电气信号可以通过其特殊的电气参数来识别，比如频率。测试电气信号滤波器7与第二线缆2的第二点E电气连接，从第二线缆2的第二点E提取注入的测试电气信号，并且将提取的测试电气信号向比较器8输出。比较器8将预定的阈值与注入的测试电气信号的电气状态和提取的测试电气信号的电气状态（诸如电压或电流，或其衰减和/或抖动）之差比较，如果所述差超过所述预定的阈值，则产生表示线缆疲劳的提醒信号。
根据图1C的配置带来与上述类似的优势。
在优选实施例中，为了避免连接监控器部件的导线弯折和/或扭曲，相对于关节6而言，第一点I和第二点E选在同侧。
图2A示出根据本发明的实施例的监控器的电气结构。相同的附图标记表示相同的部件。如图2A所示，第一线缆1和第二线缆2布置在第一电气部分3和第二电气部分4之间。当机器人工作时，第一线缆1和第二线缆2弯折并扭曲。第一电气部分3和第二电气部分4向第一线缆1和第二线缆2施加工作负载。虚线箭头表示工作负载的方向。数据存储部件9电气连接至比较器8。
可替代地，相应于上述说明，地可以替换第二线缆2。
图2B示出根据本发明的实施例的、根据工作负载的频谱选择测试电气信号的频率。
如图2B所示，电气回路所承载的工作负载覆盖频谱F，其是可测量的。为了保证测试电气信号是可识别的，即防止测试电气信号与工作负载相互干扰，测试电气信号的频率设为fT并且相对于测试电气信号在频率fT的分量，工作负载在频率fT的分量足够小。中心频率设为fT的测试电气信号滤波器可以没有噪声或者较小噪声抽取频率为fT的测试电气信号。例如，测试电气信号的频率fT位于频谱F之外或者在频谱F中的间隔内。
图2C示出根据本发明的另一实施例的监控器的电气结构。监控器还包括中心频率为fT的陷波滤波器10。陷波滤波器10位于电气回路中，用于防止工作负载对测试电气信号的干扰。即使在F中在频率fT处存在显著的分量，该分量可由陷波滤波器抑制并不会对测试电气信号干扰。因此提高了比较器的精度。
图3示出测试电气信号和提取的测试电气信号之差。该差可以为所注入的测试电气信号（参考信号）的电压幅值和/或抖动和所提取的测试电气信号（测试信号）之间的差。通过测量所提取的测试信号相对于所注入的测试电气信号的衰减和/或抖动监控线缆的电气性能。当线缆疲劳时在线缆中存在许多微观损害，这降低了导电性。由此，测试信号衰减更多，即其幅值较小。另一方面，当由于机器人工作线缆弯折或扭曲时，这些微观损害的移位和变形也改变导电性。因此，测试信号抖动，即其不平滑。衰减和抖动是判断是否更换线缆的条件。另一方面，在输入比较器8之前，由于其经过较长的传输路径所述测试信号的相位滞后于所述参考信号的相位。
为了避免在被监控的线缆上与工作负载（功率或数据）相互干扰，测试信号工作在选择的频率（测试频率fT），根据如下条件选择测试频率：在测试频率的工作负载的能量足够弱。滤波器提取测试频率的信号用于测量。因为在测试频率处的工作负载的能量足够弱，所以有理由将所提取的信号视为测试信号。也可以通过中心频率为测试频率的陷波滤波器抑制工作负载的能量来达到更高的精度。所述测试信号的幅值不如所述参考信号的大（衰减）。所述测试信号不如参考信号平滑（抖动）。所述衰减和所述抖动之一或二者构成所述测试信号和所述参考信号之间的差。另一方面，在输入比较器8之前，由于其经过较长的传输路径所述测试信号的相位滞后于所述参考信号的相位。
比较器8可由数字或模拟器件在时域或频域中实现。任何数字/模拟和时间/频率的组合是可行的。图4A示出作为例子的频域中的数字解决方案。比较器8包括连个傅里叶变换模块（FT）81，83和其间的数字计算单元82。R是所述参考信号的输入。S是所述测量信号的输入。M是到数据存储部件9的连接。图5示出根据本发明的实施例的线缆疲劳监控方法的流程图。FT81得到所述参考信号（图3）的频谱并且将其馈送至数字计算单元82。FT83得到所述测试信号（图3）的频谱并且将其馈送至数字计算单元82。图4B示出所述两个频谱之差。数字计算单元82通过计算dA测量衰减并且通过计算dF测量抖动：
dA=(fT处所述测试信号的分量)/(fT处所述参考信的分量)
dF=(fT处所述测试信号的分量)/(所述测试信号的全部能量)
因此，向量（dA，dF）足以描述所述测试信号和所述参考信号之差。
就在被监控的线缆安装到机器人内之后，由于被监控的线缆是新的，比较器8将所述差以名称“初始差”(IniDif)存储至数据存储部件9。通常，IniDif中的dA和dF应当几乎为一。直到将被监控的线缆更换为新的，IniDif保持不变。
当机器人工作时，比较器8测量当前差并且将其与存储在数据存储部件9中的IniDif比较。当所述被监控的线缆的电气性能逐渐降低时，dA和dF逐渐变小。向量(EA,EF)足够用于描述在当前差和IniDif之间的误差：
EA=(当前dA)/(IniDef中的dA)
EF=(当前dF)/(IniDef中的dF)
当时EA和/或EF小于一阈值，例如0.8，比较器8给出提醒信号表示被监控的线缆需要更换。
图6示出根据本发明的实施例的判定线缆的疲劳工作状态方法的流程图。基于上述机电系统实现该方法。步骤a，产生可识别的测试电气信号并且将所述测试电气信号注入所述至少一条线缆的第一点；步骤b，从至少一条线缆的第二点提取注入的测试电气信号；和步骤c，将预定的阈值与注入的测试电气信号（参考信号）的电气状态和提取的测试电气信号（测试信号）的电气状态之差比较，如果所述差超过所述预定的阈值，则产生表示线缆疲劳的提醒信号。如果需要持续监控线缆疲劳，则返回步骤a，否则结束。
处于上面提到的优点，测试电气信号的频率设为fT；测试电气信号滤波器的中心频率设为fT；电气回路承载分布在频谱F的工作负载；并且相对于测试电气信号在频率fT的分量，工作负载在频率fT的分量足够小。例如，测试电气信号的频率fT位于所述频谱F之外或者位于频谱F的间隔中。
防止所述工作负载对所述测试电气信号的干扰，在步骤a之前插入步骤d：以中心频率为fT对电气回路进行陷波滤波来。即使在F中在频率fT处存在显著的分量，该分量可由陷波滤波器抑制并不会对测试电气信号干扰。因此提高了比较器的精度。
虽然已参照本发明的某些优选实施例示出并描述了本实用新型，但本领域技术人员应当明白，在不背离由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式上和细节上对其做出各种变化。

Claims (16)

1.一种用于判定至少一条遭受弯折和/或扭曲并且构成电气回路的线缆的工作状态的监控器，包括：
测试电气信号发生器，用于产生可识别的测试电气信号并且将所述测试电气信号注入所述至少一条线缆的第一点；
测试电气信号滤波器，用于从所述至少一条线缆的第二点提取所述注入的测试电气信号；和
比较器，用于将预定的阈值与注入的测试电气信号的电气状态和提取的测试电气信号的电气状态之差比较，如果所述差超过所述预定的阈值，则产生表示线缆疲劳的提醒信号。
2.如权利要求1所述的监控器，其中：
所述测试电气信号的频率设为fT；
所述测试电气信号滤波器的中心频率设为fT；
所述电气回路承载分布在频谱F的工作负载；并且
相对于所述测试电气信号在频率fT的分量，所述工作负载在频率fT的分量足够小。
3.如权利要求2所述的监控器，其中；
所述测试电气信号的频率fT位于所述频谱F之外。
4.如权利要求1或2所述的监控器，其中；
所述电气回路包括：所述至少一条线缆之一、第一电气部分、地和第二电气部分；并且
所述第一点和所述第二点位于所述电气回路中。
5.如权利要求1或2所述的监控器，其中：
所述至少一条线缆的第一线缆、第一电气部分、所述至少一条线缆的第二线缆和第二电气部分构成所述电气回路；并且
所述第一点和所述第二点分别位于所述第一线缆和所述第二线缆并且位于相对于所述线缆的弯折和/或扭曲部分的同侧。
6.如权利要求2所述的监控器，还包括：
中心频率为fT的陷波滤波器，其位于所述电气回路中，用于防止所述工作负载对所述测试电气信号的干扰。
7.如权利要求2所述的监控器，其中：
所述工作负载为功率和/或数字数据和/或模拟数据。
8.如权利要求1或2所述的监控器，其中：
所述差为所提取的测试电气信号相对于所注入的测试电气信号的衰减和/或抖动。
9.一种用于判定至少一条遭受弯折和/或扭曲并且构成电气回路的线缆的工作状态的方法，包括：
(a)产生可识别的测试电气信号并且将所述测试电气信号注入所述至少一条线缆的第一点；
(b)从所述至少一条线缆的第二点提取所述注入的测试电气信号；和
(c)将预定的阈值与注入的测试电气信号的电气状态和提取的测试电气信号的电气状态之差比较，如果所述差超过所述预定的阈值，则产生表示线缆疲劳的提醒信号。
10.如权利要求9所述的方法，其中：
所述测试电气信号的频率设为fT；
所述测试电气信号滤波器的中心频率设为fT；
所述电气回路承载分布在频谱F的工作负载；并且
相对于所述测试电气信号在频率fT的分量，所述工作负载在频率fT的分量足够小。
11.如权利要求10所述的方法，其中；
所述测试电气信号的频率fT位于所述频谱F之外。
12.如权利要求9或10所述的方法，其中；
所述电气回路包括：所述至少一条线缆之一、第一电气部分、地和第二电气部分；并且
所述第一点和所述第二点位于所述电气回路中。
13.如权利要求9或10所述的方法，其中：
所述至少一条线缆的第一线缆、第一电气部分、所述至少一条线缆的第二线缆和第二电气部分构成所述电气回路；并且
所述第一点和所述第二点分别位于所述第一线缆和所述第二线缆并且位于相对于所述线缆的弯折和/或扭曲部分的同侧。
14.如权利要求10所述的方法，还包括在步骤(a)之前的步骤(d)：
以中心频率为fT对所述电气回路进行陷波滤波来防止所述工作负载对所述测试电气信号的干扰。
15.如权利要求10所述的方法，其中：
所述工作负载为功率和/或数字数据和/或模拟数据。
16.如权利要求9或10所述的方法，其中：
所述差为所提取的测试电气信号相对于所注入的测试电气信号的衰减和/或抖动。
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