CN114593111A - 一种具失效自我预知功能的致动器 - Google Patents

一种具失效自我预知功能的致动器 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种具失效自我预知功能的致动器。该致动器具有互相电气连接的感测器组件及控制器。感测器组件用以输出关联于致动器的一操作参数随着致动器运作过程中时间变化而变化的依时间感测信号。控制器具有储存单元、计算单元及通知单元。计算单元用以计算出储存单元储存的最后多个操作参数的依时间感测信号对应的操作参数趋势线以及操作参数的临界值和操作参数趋势线的交点对应的致动器的累计时间临界值。通知单元用以输出累计时间临界值至致动器的远端控制中心。

Description

一种具失效自我预知功能的致动器
技术领域
本申请属于致动器领域，具体地说，涉及一种具失效自我预知功能的致动器。
背景技术
致动器(actuator)包括气动式致动器(pneumatic actuator)、液动式致动器(hydraulic actuator)及电动式致动器(electric actuator)，常用于流体阀(fluidvalve)的阀门运动控制(valve motion control)。气动式或液动式致动器利用压缩气体或液体的压力带动特定机构的运动以提供被驱动装置所需的直线运动或旋转运动，而电动式致动器则利用电能转换成机械能的方式提供被驱动装置所需运动。无论是哪种型式的致动器，当致动器失效(failure)而无法即时修复时，将因为需要更换新的致动器而停止和致动器连接的被驱动装置及其他机件的运作，进而造成应用整个致动器系统的制程或产线的停摆，不符经济效益。
随着制造业的电脑化、数位化和智慧化的发展，致动器应该具有运作自我管理及失效自我预知的功能，让致动器的操作人员或致动器的远端控制中心可以事先预测致动器的可能失效时间，进而提前做出应对，避免在致动器系统运作的过程中才发现致动器失效。这个技术问题是本申请案想要解决的。
因此，本申请案的发明人在此提出一种具失效自我预知功能的致动器。
发明内容
有鉴于上述问题，本申请提出一种具失效自我预知功能的致动器，致动器在运作过程中可通过感测器得到的致动器的操作参数来进行累计时间临界值或累计时间目标值的预知计算，进而实现即时性的失效自我预知及自我控制，并能够在致动器即将失效或毁损之前，将自我预知出的使用寿命或停止使用时间立即传送到远端控制中心或致动器的操作人员，以利失效的致动器提早更换。
一实施例中，所提出的具失效自我预知功能的致动器具有一致动器本体及贯穿致动器本体的一动力输出轴。致动器包括一感测器组件及一控制器。感测器组件具有装设于致动器本体上或动力输出轴上的感测器，用以输出关联于致动器的一操作参数在致动器的运作过程中随着时间变化而变化的依时间感测信号。控制器装设于致动器本体的附近，和感测器组件彼此间电气连接或通信连接，具有一储存单元、一计算单元及一通知单元。储存单元用以接收并储存操作参数的依时间感测信号。计算单元和储存单元电气连接，用以计算出所储存的操作参数的最后多个依时间感测信号对应的操作参数趋势线，以及计算出操作参数的临界值和操作参数趋势线的交点所对应的致动器的累计时间临界值。通知单元和计算单元电气连接，用以输出累计时间临界值。操作参数可以是动力输出轴的承受扭力或致动器的工作气压。
一实施例中，计算单元还用以计算出操作参数的一设定值和操作参数趋势线的交点所对应的一累计时间目标值，且通知单元还用以输出此累计时间目标值，操作参数的设定值大于操作参数的临界值。
一实施例中，计算单元还用以判断储存的操作参数的依时间感测信号的大小是否低于操作参数的设定值。
一实施例中，致动器为气动式时，感测器组件还包括用以输出致动器的排气压力的感测信号的感测器，计算单元还用以判断致动器的排气压力的变化是否为正常，且通知单元还用以依据计算单元的判断结果输出致动器的故障造成原因。
一实施例中，致动器为气动式时，致动器还包括一气压调节装置，连接至致动器本体上，用以调节致动器的进气压力。
一实施例中，致动器为气动式时，控制器还具有一控制单元，其和计算单元电气连接，储存单元还用以储存操作参数的依时间感测信号和致动器的临界值之间的差距大小，控制单元用以依据此差距大小控制气压调节装置以增加或降低或维持致动器的进气压力。
一实施例中，致动器为气动式时，计算出的累计时间临界值为动力输出轴的累计转动次数或累计转动时间。
一实施例中，操作参数是动力输出轴的承受扭力。
一实施例中，感测器组件还具有用以输出动力输出轴的转动位置的感测信号的位置感测器；感测器组件还用以输出动力输出轴的承受扭力在致动器的运作过程中随着动力输出轴的转动位置变化而变化的依位置感测信号；储存单元还用以接收并储存动力输出轴的承受扭力的依位置感测信号；计算单元还用以判断所储存的动力输出轴的承受扭力的依位置感测信号的大小是否低于致动器的一设定扭力。
一实施例中，当操作参数为致动器的承受扭力时，累计时间临界值为动力输出轴的累计转动次数或累计转动时间。
综上所述，本案提出的致动器具有失效自我预知功能，符合包括致动器系统的产线及制程的智能化控制需求。本案内容未曾于国内或国外公开或揭露，所提出的致动器利用了所搭载设置的控制器中的计算单元计算出致动器于一段运作时间后将失效的时间点，并预先通知操作人员或远端控制中心，让操作人员可以提早更换即将失效的致动器，避免致动器的失效影响整个致动器系统的运作乃至于造成应用致动器系统的产线或制程的停摆。所提方案具体改进了现有致动器无法进行失效的自我预知及发出即将失效通知的缺失，具有功效的增进。
为让本申请的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1是本申请一实施例的具失效自我预知功能的致动器的平面示意图。
图2是图1中的致动器的控制器的功能方块图。
图3是本申请一实施例中的致动器的操作参数在致动器的运作过程中随着时间变化而变化的依时间感测信号、操作参数趋势线及累计时间临界值的关系示意图。
图4是本申请一实施例中的致动器的动力输出轴的承受扭力在致动器的运作过程中随着动力输出轴的转动位置变化而变化的依位置感测信号的曲线示意图。
图5是本申请一实施例中的气动式致动器的排气压力在致动器的运作过程中随着时间变化而变化的依时间感测信号的曲线示意图。
具体实施方式
本申请揭示一种具失效自我预知功能的致动器(也称具有失效自我预知功能的致动器)，以下文中所叙及的已为所属技术领域的通常知识者所能明了者，将不再作完整描述，例如致动器的基本操作原理。另外，以下文中所叙及的技术用语的意思如有与所属技术领域的通常用语的意思不同时，以文中的意思为准，而文中所对照的图示意在表达与本申请特征有关的含义，并未依据实际尺寸完整绘制，亦先行叙明。
图1是本申请一实施例的具失效自我预知功能的致动器的平面示意图。请参照图1，一实施例中，所提出的致动器104可为气动式、液动式或电动式，包括一致动器本体1041、一动力输出轴1042及一位置指示器1043。致动器本体1041的内部具有将气体压力、流体压力或电能转换成机械能的机构。动力输出轴1042贯穿致动器本体1041，利用转换而来的机械能进行转动。动力输出轴1042的一端10421套接位置指示器1043，使得位置指示器1043和动力输出轴1042连动而可利用位置指示器1043读取动力输出轴1042在运作过程中的转动位置。动力输出轴1042的另一端10422可以是公接头或母接头，用以承接致动器104所要驱动的一装置的旋转轴，例如是流体阀的心轴(spindle)。此外，所提出的致动器104还进一步包括一控制器(controller)106a及一感测器组件108，感测器组件108具有一个或二个以上装设于致动器本体1041上或动力输出轴(power output shaft)1042上的感测器，例如是压电感测器(piezoelectric sensor)、扭力感测器、应力感测器、应变感测器或压力感测器，控制器106a和感测器组件108之间互相电气连接或通信连接，亦即控制器106a和感测器组件108所具有的感测器之间电气连接或通信连接。所称的通信连接是利用有线或无线的通信方式进行信号传输。图2是图1中的致动器的控制器的功能方块图。请参照图2，控制器106a具有一储存单元1061、一计算单元1062、一通知单元1063及一控制单元1064，储存单元1061、通知单元1063及控制单元1064均和计算单元1062电气连接。控制器106a主要具有计算功能、储存功能和控制功能，可以是一以积体电路(IC)形式存在的处理器(processor)和其他电子零件所组成的系统，也可以是一微控制器(Micro Processing Unit；MCU)。请继续参照图1，一实施例中，感测器组件108包括扭力感测器，其装设于动力输出轴1042的一端10421附近或另一端10422附近用以感测动力输出轴1042的承受扭力。较佳地，扭力感测器装设于动力输出轴1042的用于承接被驱动装置的旋转轴的另一端10422。当致动器104为气动式致动器时，感测器组件108可具有装设于致动器104的气体输入埠(input port)1045或气体输出埠(output port)1046附近用以感测致动器104的进气压力(inlet pressure)或排气压力(exhaust pressure)的感测器，进气压力和排气压力的调节可用来改变致动器104的工作气压。当致动器104为气动式致动器时，致动器104还可进一步包括一气压调节装置(pressure regulating device)1044，例如是螺栓及螺母的组合。气压调节装置1044连接至致动器本体1041内部的机构，用以调节致动器104的进气压力。所称的承受扭力是动力输出轴1042在致动器104的运作过程中所承受的扭力，包含动力输出轴1042的输出扭力和动力输出轴所连接的负载装置所给予的扭力，当动力输出轴1042没有连接负载装置时，承受扭力相等于动力输出轴1042的输出扭力。所称的工作气压是气动式致动器在致动器的运作过程中的气体压力，和气动式致动器的进气压力及排气压力有关。其他实施例中，致动器104的动力输出轴1042的运动形式也可以是直线运动，本申请不在此设限。
图3是本申请一实施例中的致动器的操作参数在致动器的运作过程中随着时间变化而变化的依时间感测信号、操作参数趋势线及累计时间临界值的关系示意图。通常情况下，致动器的操作参数的感测信号随着致动器的运作过程时间的增加而有不同程度的递减。如图1、2及3所示，一实施例中，本申请所揭露的致动器104的控制器106a装设于致动器本体1041附近，用以输出致动器104的一操作参数(operation parameter)A5在致动器104的运作过程中随着时间变化而变化的依时间感测信号SA5，亦即图3中的黑点，藉以对致动器104的运作过程进行监控。所称的致动器104的运作过程是致动器104从运作开始到运作结束的整个过程，也是动力输出轴1042从转动开始到转动结束的整个过程。操作参数A5例如是动力输出轴1042的承受扭力，而当致动器104是气动式时，操作参数A5可以是致动器104的工作气压，当致动器104是电动式时，操作参数A5可以是致动器104的工作电压。图3中的操作参数A5的依时间感测信号SA5是以动力输出轴1042的承受扭力为示例。本实施例中，计算单元1062和储存单元1061电气连接，储存单元1061用以即时接收并储存操作参数A5的依时间感测信号SA5，计算单元1062用以单独或同时即时判断所储存的操作参数A5的最后多个依时间感测信号SA5的操作参数趋势线(trendline)205(见图3)。如图3所示，所称的操作参数A5的最后多个依时间感测信号SA5是在累计时间tN5-K5至tN5所对应的操作参数A5的依时间感测信号SA5，其中累计时间tN5所对应的操作参数A5的依时间感测信号SA5为储存单元1061所储存的操作参数A5的最后一个依时间感测信号SA5，累计时间tN5-K5所对应的操作参数A5的依时间感测信号SA5为储存单元1061所储存的操作参数A5的自最后一个往前算第K5个的依时间感测信号SA5，N5及K5均为整数，K5小于N5。一实施例中，N5至少为30，K5至少为1。此外，计算单元1062用以单独或同时即时计算出操作参数A5的最小临界值Emin和操作参数趋势线205的交点所对应的致动器104的累计时间临界值tL5，且通知单元1063用以输出或传送此一累计时间临界值tL5至操作人员或远端控制中心。又，计算单元1062还用以单独或同时即时计算出操作参数A5的一设定值Eth和操作参数趋势线205的交点所对应的致动器104的一累计时间目标值tG5，且通知单元1063还用以输出或传送此一累计时间目标值tG5至操作人员或远端控制中心，操作参数A5的设定值Eth大于操作参数的最小临界值Emin。这里的累计时间临界值tL5和累计时间目标值tG5可以用动力输出轴1042的累计转动时间或累计转动次数来表示，例如动力输出轴1042的累计转动次数的第5000次，或者动力输出轴1042的累计转动时间的第10000小时。一实施例中，当累计时间临界值tL5和累计时间目标值tG5被计算出来后，控制器106a可用以进一步判断当前的动力输出轴1042的累计转动时间或累计转动次数是否到达累计时间目标值tG5，若否，通知单元1063将当前的动力输出轴1042的累计转动时间或累计转动次数和累计时间目标值tG5之间的差距输出，以提醒致动器系统的远端控制中心或操作人员发生致动器即将到达累计时间目标值tG5的事件；若是，通知单元1063将当前的动力输出轴1042的累计转动时间或累计转动次数和累计时间临界值tL5之间的差距输出，以提醒致动器系统的远端控制中心或操作人员发生致动器即将到达累计时间临界值tL5的事件。此外，计算单元1062还用以单独或同时即时判断储存单元1061所储存的操作参数A5的依时间感测信号SA5的大小是否低于操作参数A5的设定值Eth。
如图1至图3所示，一实施例中，储存单元1061还用以即时储存操作参数A5的依时间感测信号SA5和操作参数A5的最小临界值Emin之间的差距大小|SA5-Emin|。当致动器104为气动式且操作参数A5是动力输出轴1042的承受扭力时，操作参数A5的最小临界值Emin可以是致动器104的最小输出扭力Tmin，控制单元1064还用以依据此差距大小即时控制气压调节装置1044以调节致动器104的进气压力。举例而言，当此差距大小开始低于一设定值时，可能意味着动力输出轴1042在致动器的运作过程中遭遇到的负载大到一个限度而进一步的运作即将造成动力输出轴1042的损坏，为了避免动力输出轴1042受到损坏，这时致动器104可以透过控制单元1064控制气压调节装置1044来降低致动器104的进气压力。
如图1至图3所示，一实施例中，操作参数A5可以是动力输出轴1042的承受扭力，而操作参数A5的最大临界值Emax及最小临界值Emin可以是致动器104的最大输出扭力Tmax及最小输出扭力Tmin。在此情况下，计算单元1062可用以即时判断所储存的动力输出轴1042的承受扭力的依时间感测信号SA5的大小是否低于致动器的一设定扭力τth，此设定扭力τth大于致动器104的最小输出扭力Tmin。当动力输出轴1042的承受扭力大于设定扭力τth时，表示动力输出轴1042仍处于堪用状态，如致动器104为气动式，为了让动力输出轴1042的转动保持顺畅，可透过控制单元1064控制气压调节装置1044来适时增加致动器104的进气压力以提高动力输出轴1042的输出扭力。当动力输出轴1042的承受扭力小于设定扭力τth但大于最小输出扭力Tmin时，表示致动器104的进一步运作可能造成动力输出轴1042的损坏，如致动器104为气动式，为了保护动力输出轴1042免于损坏，可透过控制单元1064控制气压调节装置1044来降低致动器104的进气压力以减轻动力输出轴1042的施加扭力。
图4是本申请一实施例中的致动器的动力输出轴的承受扭力在致动器的运作过程中随着动力输出轴的转动位置变化而变化的依位置感测信号的曲线示意图。如图4所示，一实施例中，感测器组件108还包括了位置感测器，用以输出动力输出轴1042的转动位置的感测信号，例如从角度Φ的转动位置到角度Φ+360°的转动位置，其中Φ可为任意角度。如此一来，感测器组件108所包括的扭力感测器可输出动力输出轴1042的承受扭力在致动器104的运作过程中随着动力输出轴1042的转动位置变化而变化的依位置感测信号，并由储存单元1061即时储存这些承受扭力的依位置感测信号，而计算单元1062还用以即时判断所储存的动力输出轴1042的承受扭力的依位置感测信号的大小是否低于如图3所示的致动器104的设定扭力τth，以及致动器104可如前所述透过控制单元1064及气压调节装置1044来增加或降低致动器104的进气压力进而调整动力输出轴1042的施加扭力。
图5是本申请一实施例中的气动式致动器的排气压力在致动器的运作过程中随着时间变化而变化的依时间感测信号的曲线示意图。如图5所示，气动式的致动器的排气压力随着致动器的运作过程时间的增加而递减。一实施例中，当致动器104是气动式时，操作参数A5可以是致动器104的工作气压，而感测器组件108可以包括用以感测排气压力的感测信号SP的感测器，排气压力的最大临界值为Pmax。此情况下，储存单元1061可用以即时接收并储存此一排气压力的感测信号SP，计算单元1062可用以单独或同时即时判断此一排气压力的变化是否为正常。如图5所示，曲线401至403分别表示气动式致动器的排气正常表现、排气不良表现及泄漏发生表现。因此，本实施例中，在感测器组件108的帮助下，控制器106a可以依据感测器组件108输出的致动器排气压力的感测信号SP，判断致动器的排气压力是否落在正常的排气压力输出曲线401，若否，可通过判断排气压力及曲线402或403的关系，得到气动式致动器的故障造成原因，例如排气不良或泄漏发生(例如致动器活塞封环损坏引起)，并利用通知单元1063输出或传送这些故障造成原因至操作人员或远端的控制中心(图未示)，使得气动式致动器的损坏零件维修或整个气动式致动器的更换可以提早实施，以早期避免致动器104的失效造成应用整个致动器系统的产线或制程运作上的失效。此外，当致动器104为气动式时，由于致动器104还可进一步包括一气压调节装置1044，用以调节致动器104的进气压力，因此，可利用储存单元1061即时储存致动器的工作气压的依时间感测信号和工作气压的一设定值之间的差距大小，并利用控制单元1064依据此差距大小即时控制气压调节装置1044以调节致动器的进气压力。
上述各实施例中，由于动力输出轴1042的承受扭力或致动器104的工作气压直接关联于致动器104的运作，因此在具失效自我预知功能的致动器的累计时间临界值及累计时间目标值的预知上的重要性大于其他参数。在其他实施例中，和致动器的运作有关的其他操作参数也可以作为致动器的累计时间临界值或累计时间目标值的预知计算的参考，例如电动式致动器的工作电压或工作电流或致动器本体内部机件之间的磨擦力，本申请不在此设限。
图3中，计算单元1062所计算出的操作参数趋势线205系利用储存单元1061所储存的操作参数的最后多个依时间感测信号SA5进行多项式回归所得到。这样做的理由是，随着致动器运作过程时间的累计，操作参数的最后多个依时间感测信号最贴近致动器104的当下运作状态，依据这些感测信号所计算出的趋势线最能准确反映出致动器104的未来失效时间。另一方面，图3中的操作参数趋势线205及其线型仅是示例，这些趋势线的真实线型取决于储存单元1061所储存的最后多个依时间感测信号的分布状况以及计算单元1062计算出这些趋势线时所利用的回归模型，本申请不在此设限。再一方面，储存单元1061所储存的操作参数的依时间感测信号的增加，有助于提升计算单元1062计算得到的累计时间临界值对于致动器的失效自我预知的准确性。此外，所提出的致动器104可能还连接其他零组件，而这些零组件的操作参数也可以视为关联于致动器104的操作参数，本申请不在此设限。无论如何，只要是对于致动器本身及其周边零组件的运作相关联的操作参数进行感测，并进一步以设置于致动器上的控制器计算出这些感测信号的趋势线和基于计算得到的趋势线计算得到致动器的累计时间临界值或累计时间目标值以做出致动器的失效时间预知，均属本申请的精神和范围内的应用。
综上所述，本案提出的致动器具有失效自我预知功能，符合包括致动器系统的产线及制程的智能化控制需求。本申请内容未曾于国内或国外公开，所提出的致动器利用了所搭载设置的控制器中的计算单元计算出致动器于一段运作时间后将失效的时间点，并预先通知操作人员或远端控制中心，让操作人员可以提早更换即将失效的致动器，避免致动器的失效影响整个致动器系统的运作乃至于造成应用致动器系统的产线或制程的停摆。
上列详细说明为针对本申请的一可行实施例的具体说明，上述实施例并非用以限制本申请的专利范围，凡未脱离本申请技艺精神所为的等效实施或变更，均应包括于本申请的专利范围中。

Claims (10)

1.一种具失效自我预知功能的致动器，所述致动器具有致动器本体及贯穿所述致动器本体的动力输出轴，所述动力输出轴的一端用以连接被所述致动器驱动的一装置的旋转轴，其特征在于，所述致动器包括：
一感测器组件，具有装设于所述致动器本体上或所述动力输出轴上的感测器，用以输出所述致动器的一操作参数在所述致动器的运作过程中随着时间变化而变化的依时间感测信号；及
一控制器，装设于所述致动器本体的附近，和所述感测器组件彼此间电气连接或通信连接，所述控制器具有：
一储存单元，用以接收并储存所述操作参数的所述依时间感测信号；
一计算单元，和所述储存单元电气连接，用以计算出所储存的所述操作参数的最后多个所述依时间感测信号对应的一操作参数趋势线，以及计算出所述操作参数的一临界值和所述操作参数趋势线的交点所对应的所述致动器的累计时间临界值；及
一通知单元，和所述计算单元电气连接，用以输出所述累计时间临界值；
其中，所述操作参数包括所述动力输出轴的承受扭力及所述致动器的工作气压其中之一。
2.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述计算单元还用以计算出所述操作参数的一设定值和所述操作参数趋势线的交点所对应的一累计时间目标值，且所述通知单元还用以输出所述累计时间目标值，所述操作参数的所述设定值大于所述操作参数的所述临界值。
3.根据权利要求2所述的致动器，其特征在于，所述计算单元还用以判断储存的所述操作参数的所述依时间感测信号的大小是否低于所述操作参数的所述设定值。
4.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述致动器为气动式致动器，所述感测器组件还包括用以输出所述致动器的排气压力的感测信号的感测器，所述计算单元还用以判断所述致动器的所述排气压力的变化是否为正常，且所述通知单元还用以依据所述计算单元的判断结果输出所述致动器的故障造成原因。
5.根据权利要求4所述的致动器，其特征在于，所述致动器还包括：
一气压调节装置，连接至所述致动器本体上，用以调节所述致动器的进气压力。
6.根据权利要求5所述的致动器，其特征在于，所述控制器还具有一控制单元，所述控制单元和所述计算单元电气连接，所述储存单元还用以储存所述操作参数的所述依时间感测信号和所述致动器的所述临界值之间的差距大小，所述控制单元用以依据所述差距大小控制所述气压调节装置以增加或降低或维持所述致动器的所述进气压力。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的致动器，其特征在于，所述累计时间临界值为所述动力输出轴的累计转动次数或累计转动时间。
8.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述操作参数是所述动力输出轴的所述承受扭力。
9.根据权利要求8所述的致动器，其特征在于，所述感测器组件还具有一位置感测器，所述位置感测器用以输出所述动力输出轴的转动位置的感测信号；所述感测器组件还用以输出所述动力输出轴的所述承受扭力在所述致动器的运作过程中随着所述动力输出轴的转动位置变化而变化的依位置感测信号；所述储存单元还用以接收并储存所述动力输出轴的所述承受扭力的依位置感测信号；所述计算单元还用以判断所储存的所述动力输出轴的所述承受扭力的依位置感测信号的大小是否低于所述致动器的一设定扭力。
10.根据权利要求8或9所述的致动器，其特征在于，所述累计时间临界值为所述动力输出轴的累计转动次数或累计转动时间。
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