DE102013206916B4

DE102013206916B4 - Method of controlling actuation with active material using an operating envelope

Info

Publication number: DE102013206916B4
Application number: DE102013206916.2A
Authority: DE
Inventors: Xiujie Gao; Guillermo A. Herrera; Christopher P. Henry; Geoffrey P. McKnight; Lei Hao; Nancy L. Johnson; Alan L. Browne
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2033-04-18
Also published as: CN103375376B; DE102013206916A1; CN103375376A

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern und/oder Voraussagen der verbleibenden verwendbaren Lebensdauer eines Aktuators aus aktivem Material, wie beispielsweise eines Drahts aus einer Formgedächtnislegierung, umfasst, dass historische Betätigungsdaten einer inhärenten Systemvariablen, wie beispielsweise eines elektrischen Widerstands, über einer zweiten Variablen, wie beispielsweise der Zeit, erhalten werden, dass eine Hüllkurve für einen normalen Betrieb mit einer oberen und einer unteren Grenze basierend auf den Daten ermittelt wird, ein gegenwärtiges Profil für einen gegebenen Betätigungszyklus ermittelt wird und die Form des gegenwärtigen Profils mit der Hüllkurve verglichen wird, um ein Ereignis außerhalb der Grenzen zu ermitteln.A method for controlling and/or predicting the remaining useful life of an active material actuator, such as a shape memory alloy wire, includes comparing historical actuation data of an inherent system variable, such as electrical resistance, versus a second variable, such as time , an envelope for normal operation with an upper and a lower limit based on the data is determined, a current profile for a given actuation cycle is determined and the shape of the current profile is compared to the envelope to detect an event outside to determine the limits.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

1. Gebiet der Erfindung1. Field of the Invention

Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Verfahren zum Steuern von Aktuatoren aus aktivem Material und insbesondere ein Verfahren zum Steuern und/oder Voraussagen der verbleibenden verwendbaren Lebensdauer eines Aktuators aus aktivem Material, wie beispielsweise eines Aktuators aus einer Formgedächtnislegierung, unter Verwendung einer Betriebshüllkurve, die basierend auf einer inhärenten Systemvariablen, wie beispielsweise dem Widerstand, über einer sekundären Variablen, wie beispielsweise der Zeit, entwickelt wird (z.B. basierend auf der Änderung des Widerstands, die dem Aktuator über einen Betätigungszyklus inhärent ist).The present disclosure relates generally to methods of controlling active material actuators, and more particularly to a method of controlling and/or predicting the remaining useful life of an active material actuator, such as a shape memory alloy actuator, using an operating envelope that is based on a inherent system variables, such as resistance, over a secondary variable, such as time (eg, based on the change in resistance inherent in the actuator over an actuation cycle).

2. Diskussion des Standes der Technik2. Discussion of the Prior Art

Unter den Aktuatoren aus aktivem Material werden Aktuatoren aus einer Formgedächtnislegierung (SMA-Aktuatoren) in der Martensitphase aktiviert, indem das SMA-Material auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die oberhalb eines vorgeschriebenen Wertes liegt. Dies bewirkt, dass das Material eine Phasenumwandlung von der Martensitphase zur Austenitphase durchläuft, wobei es sich zusammenzieht und bei diesem Prozess eine lineare Verschiebung oder eine Winkelverschiebung liefert. Ein übliches Verfahren zur Aktivierung umfasst eine Widerstandsheizung der SMA, indem ein elektrischer Strom an dieser angelegt wird. Probleme bei der Verwendung von SMA-Aktuatoren umfassen weiterhin eine Überhitzung, d.h. das Anwenden eines Übermaßes an Wärmeenergie oberhalb dessen, was zum Betätigen des Drahts erforderlich ist, und eine Überlastung, d.h. das Ausüben einer übermäßigen Spannungslast, beispielsweise indem der Ausgang blockiert wird. Die Überhitzung und die Überlastung können längere Abkühlzeiten, eine verringerte Bandbreite für das Ansprechen des Systems und in einigen Fällen eine Beschädigung des Drahts bewirken. Es ist daher wünschenswert, ein effektives und robustes Mittel zum Steuern der Drahtbetätigung zur Verfügung zu haben, um eine Überhitzung und eine Überlastung zu verhindern, um eine konsistente Ausgabe und eine optimierte Betätigung über die Lebensdauer des Aktuators zu schaffen und um die verbleibende verwendbare Lebensdauer des Aktuators genau vorauszusagen.Among the active material actuators, martensite phase shape memory alloy (SMA) actuators are activated by heating the SMA material to a temperature higher than a prescribed value. This causes the material to undergo a phase transformation from the martensite phase to the austenite phase, contracting and providing a linear displacement or an angular displacement in the process. A common method of activation involves resistively heating the SMA by applying an electrical current to it. Problems with using SMA actuators also include overheating, i.e. applying excess thermal energy in excess of what is required to actuate the wire, and overloading, i.e. applying an excessive voltage load, for example by blocking the output. The overheating and overloading can cause longer cool down times, reduced bandwidth for system response, and in some cases wire damage. It is therefore desirable to have an effective and robust means of controlling wire actuation to prevent overheating and overloading, to provide consistent output and optimized actuation over the life of the actuator, and to maximize the remaining useful life of the actuator accurately predict the actuator.

Üblicherweise wurden verschiedene externe Sensoren und/oder mechanische Einrichtungen verwendet, wie beispielsweise Temperatur- und Positionssensoren, um die Probleme zu beheben, die mit der Überhitzung, der Überlastung und der Schwankung/Verschlechterung in der Ausgabe in Beziehung stehen. Diese Einrichtungen tragen jedoch zur Komplexität, zu den Kosten und zu den Bauraumanforderungen herkömmlicher Aktuatoren bei. Es wurden Steuerungen entwickelt, die den absoluten Aktuatorwiderstand überwachen, um unter anderem den Beginn der Betätigung, das Ende der Betätigung, eine Überlastung und/oder einen zurückgesetzten Zustand oder einen Zustand zu detektieren, der für den nächsten Betätigungszyklus bereit ist. Diese Verfahren weisen jedoch ihre eigenen Beschränkungen auf. Beispielsweise haben die Hysterese des Widerstands, die relative kleine Änderung im elektrischen Widerstand (5 - 10 %), ein kleiner Wert des intrinsischen Widerstands und externe Faktoren, wie beispielsweise Rausch- und Umgebungsbedingungen, alle die Zuverlässigkeit dieser Ansätze beeinträchtigt.Traditionally, various external sensors and/or mechanical devices, such as temperature and position sensors, have been used to address the problems associated with overheating, overloading, and output variation/degradation. However, these devices add to the complexity, cost, and packaging requirements of conventional actuators. Controllers have been developed that monitor absolute actuator resistance to detect, among other things, start of actuation, end of actuation, overload, and/or a reset condition or a condition ready for the next actuation cycle. However, these methods have their own limitations. For example, resistance hysteresis, relatively small change in electrical resistance (5-10%), small intrinsic resistance value, and external factors such as noise and environmental conditions have all compromised the reliability of these approaches.

In der US 2010 / 0 277 462 A1 ist eine Flüssigkristallanzeige beschreiben, bei deren Betrieb eine obere und eine untere Grenzspannung mit einer Referenzspannung mit verglichen werden, um zu entscheiden, ob eine Entladungseinrichtung zum Entfernen eines Restbildes der Anzeige aktiviert werden soll.US 2010/0 277 462 A1 describes a liquid crystal display during operation of which an upper and a lower limit voltage are compared with a reference voltage in order to decide whether a discharge device for removing a residual image of the display should be activated.

Die US 2011 / 0 012 843 A1 beschreibt Verfahren zum Steuern eines Berührbildschirms, bei dem ermittelt wird, ob eine Berührposition innerhalb eines vorbestimmten Bereichs bzw. innerhalb vorbestimmter Grenzen liegt, um anschließend eine geeignete Maßnahme auszuführen.US 2011/0 012 843 A1 describes a method for controlling a touch screen, in which it is determined whether a touch position is within a predetermined range or within predetermined limits, in order to then carry out a suitable measure.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Sicherheit gegenüber einem Ausfall eines Aktuators aus aktivem Material verbessert wird.It is an object of the invention to provide a method for improving safety against failure of an active material actuator.

KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGBRIEF SUMMARY OF THE INVENTION

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a method having the features of claim 1.

Es wird ein neues Verfahren zum Steuern eines Aktuators aus aktivem Material geschaffen, wie beispielsweise eines Drahtaktuators aus einer Formgedächtnislegierung, welches Verfahren eine Betriebshüllkurve oder ein Betriebsfenster verwendet, die bzw. das anhand von historischen Daten entwickelt wird, um die Form eines gegenwärtigen Profils zu überwachen. Die Erfindung ist unter anderem verwendbar, um eine Überhitzung, eine Überlastung oder andere schädliche Ereignisse während eines Betätigungszyklus zu entdecken und um eine genaue Rückkopplung zu liefern, welche die vorstehend erwähnten Probleme abschwächt. Die Erfindung ist verwendbar, um die Integrität des Aktuators und auch den durch diesen angetriebenen Mechanismus zu schützen, und sie ermöglicht die Erkennung schädlicher Ereignisse bei allen Stufen der Betätigung. Die Erfindung schafft ein Verfahren, das ausschließlich durch Aktualisierungen von Firmware implementiert werden kann, wodurch die Notwendigkeit für zusätzliche Hardware beseitigt wird. Die Ersetzung von Hardware verringert die Anzahl der möglichen Ausfallmodi und verringert ferner die Kosten, das Volumen und die Konstruktionskomplexität der betätigten Systeme. Schließlich ist die Erfindung auch verwendbar, um ein Verfahren zu schaffen, um die verbleibende verwendbare Lebensdauer eines Aktuators aus aktivem Material basierend auf einer Bewertung von historischen Daten vorauszusagen, welche normale Ereignisse und Ereignisse außerhalb von Grenzen umfassen, und um dadurch die Ersetzung von Aktuatoren vor einem katastrophalen Ausfall zu ermöglichen.A new method is provided for controlling an active material actuator, such as a shape memory alloy wire actuator, which method uses an operating envelope or window developed from historical data to monitor the shape of a current profile . The invention is useful, among other things, to detect overheating, overloading or other deleterious events during an actuation cycle and to provide accurate feedback that mitigates the aforementioned problems. The invention can be used to protect the integrity of the actuator and also the mechanism driven by it, and it enables detection prevention of harmful events at all levels of activity. The invention provides a method that can be implemented solely through firmware updates, eliminating the need for additional hardware. The replacement of hardware reduces the number of possible failure modes and also reduces the cost, volume, and design complexity of the systems operated. Finally, the invention can also be used to provide a method for predicting the remaining useful life of an active material actuator based on an assessment of historical data, which includes normal events and out-of-bounds events, and thereby to propose the replacement of actuators allow for a catastrophic failure.

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Steuern und/oder Voraussagen einer verbleibenden verwendbaren Lebensdauer eines Aktuators aus aktivem Material (z.B. eines Drahts aus einer Formgedächtnislegierung), der eine inhärente Systemvariable aufweist. Das Verfahren umfasst, dass historische Daten für die inhärente Systemvariable über einer zweiten Variablen erhalten werden, wobei zumindest ein Teil der Daten während normaler Betätigungsereignisse erzeugt wurde, und dass eine obere sowie eine untere Grenze basierend auf den historischen Daten festgelegt werden. Die Grenzen liefern ein oberes und ein unteres Profil der inhärenten Systemvariablen über der zweiten Variablen, welche jeweils die normale Betätigung angeben. Als Nächstes wird ein Aktivierungssignal auf den Aktuator angewendet, um dadurch einen Startpunkt für die Aktivierung zu definieren und den Aktuator über einen Betätigungszyklus zu aktivieren. Die inhärente Systemvariable wird während des Zyklus über der zweiten Variablen überwacht, um dadurch ein gegenwärtiges Profil zu ermitteln, und das gegenwärtige Profil wird mit dem oberen und dem unteren Profil verglichen, um dadurch ein Ereignis außerhalb der Grenzen zu ermitteln. Wenn ein solches Ereignis ermittelt wird, erzeugt das Verfahren ein Ansprechen, und/oder es führt eine Maßnahme aus.The invention relates generally to a method for controlling and/or predicting a remaining useful life of an active material (e.g., shape memory alloy wire) actuator having an inherent system variable. The method includes obtaining historical data for the inherent system variable over a second variable, at least a portion of the data being generated during normal exercise events, and setting upper and lower bounds based on the historical data. The limits provide an upper and lower profile of the inherent system variable versus the second variable, each indicative of normal exercise. Next, an activation signal is applied to the actuator, thereby defining a starting point for activation and activating the actuator over an actuation cycle. The inherent system variable is monitored over the second variable during the cycle to thereby determine a current profile, and the current profile is compared to the upper and lower profiles to thereby determine an out-of-bounds event. When such an event is detected, the method generates a response and/or takes an action.

Die Offenbarung kann durch Bezugnahme auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung der verschiedenen Merkmale der Offenbarung und der darin umfassten Beispiele leichter verstanden werden.The disclosure may be more readily understood by reference to the following detailed description of the various features of the disclosure and the examples included herein.

Figurenlistecharacter list

Eine bevorzugte Ausführungsform bzw. bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren im Detail beschrieben, wobei:

1 ein schematisches Diagramm eines Betätigungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, welches eine elektrische Leistungsquelle, einen Aktuatordraht aus einer Formgedächtnislegierung, der mit einer Last antreibend gekoppelt ist, einen Controller, der zwischen die Quelle und dem Aktautor dazwischengeschaltet und mit dem Aktuator funktional gekoppelt ist, und eine Überwachungseinrichtung umfasst, die mit dem Controller kommunikativ gekoppelt ist;
2 eine beispielhafte Liniengraphik des Widerstands eines SMA-Aktuators während eines Betätigungszyklus und der ersten Ableitung des Widerstands über der Zeit ist;
3 eine Liniengraphik des Widerstands eines SMA-Aktuators über der Zeit während mehrerer Betätigungszyklen, einer Betriebshüllkurve, die durch eine obere und eine untere Grenze definiert ist, und von sekundären Hüllkurven, bei denen zwei der Zyklusprofile Ereignisse außerhalb der Grenzen definieren, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
4 eine Liniengraphik der Gesamtänderung ΔR des Widerstands eines SMA-Aktuators über Zyklen ist, welche über mehrere Temperaturmesswerte erfasst wurde; und
5 eine Liniengraphik des Widerstands eines SMA-Aktuators über der Zeit ist, welche über mehrere Betätigungszyklen erfasst wurde und mehrere Überlastungs-/Überhitzungszyklen umfasst, die unterschiedliche erreichte Dehnungen aufweisen.

A preferred embodiment or preferred embodiments of the invention are described in detail below with reference to the accompanying drawing figures, in which:

1 Figure 12 is a schematic diagram of an actuation system in accordance with a preferred embodiment of the invention, including an electrical power source, a shape memory alloy actuator wire drivingly coupled to a load, a controller interposed between the source and the actuator and operably coupled to the actuator , and a monitor communicatively coupled to the controller;
2 Figure 12 is an example line graph of the resistance of an SMA actuator during an actuation cycle and the first derivative of resistance versus time;
3 a line graph of a SMA actuator's resistance versus time during multiple actuation cycles, an operating envelope defined by upper and lower bounds, and secondary envelopes where two of the cycle profiles define events outside the bounds, according to a preferred embodiment of the invention is;
4 Figure 12 is a line graph of the total change ΔR in resistance of an SMA actuator over cycles, captured across multiple temperature readings; and
5 Figure 13 is a line graph of resistance versus time of an SMA actuator recorded over multiple actuation cycles and including multiple overload/overheat cycles having different achieved strains.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist nur beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung, ihre Anwendungsmöglichkeit oder Verwendungen einzuschränken. Wie es hierin beschrieben und veranschaulicht ist, wird ein neues Verfahren zum Steuern und/oder Voraussagen der verbleibenden verwendbaren Lebensdauer eines Aktuators 10 aus aktivem Material dargestellt (1 - 5). Allgemein umfasst das Verfahren, dass historische Betätigungsdaten einer inhärenten Systemvariable erhalten werden, wie beispielsweise des Widerstands über der Zeit, dass eine Hüllkurve 12 für den normalen Betrieb (3), die durch eine obere und eine untere Grenze 14u, 1 definiert wird, anhand der Daten ermittelt wird, dass ein gegenwärtiges Profil 16 während eines Betätigungszyklus ermittelt wird und dass das Profil 16 mit der Hüllkurve 12 verglichen wird, um dadurch ein Ereignis außerhalb der Grenzen zu ermitteln. Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann die verbleibende verwendbare Lebensdauer anhand der Anzahl und der Heftigkeit solcher Ereignisse genau vorausgesagt werden. Die vorliegende Erfindung ist zur Verwendung bei einem beliebigen Aktuator 10 aus einem aktiven Material geeignet, der eine messbare Änderung in einem Profil einer inhärenten Variablen während eines normalen Betätigungszyklus durchläuft, sie ist jedoch besonders geeignet zur Verwendung bei der Betätigung mit einer Formgedächtnislegierung, wie nachstehend weiter beschrieben wird.The following description of the preferred embodiments is merely exemplary in nature and is in no way intended to limit the invention, its application, or uses. As described and illustrated herein, a novel method for controlling and/or predicting the remaining useful life of an active material actuator 10 is presented ( 1 - 5 ). In general, the method includes obtaining historical actuation data of an inherent system variable, such as resistance versus time, generating an envelope 12 for normal operation ( 3 ) defined by upper and lower bounds 14u, 1 from which data is determined that a current profile 16 is determined during an actuation cycle and that the profile 16 is compared to the envelope 12 to thereby determine an event outside the determine boundaries. According to another aspect of the invention, the remaining usable lifetime can be accurately predicted based on the number and severity of such events. The present invention is suitable for use with any active material actuator 10 that undergoes a measurable change in an inherent variable profile during a normal actuation cycle, but is particularly suitable for use in shape memory alloy actuation, as further described below is described.

Wie hierin verwendet, ist der Ausdruck „aktives Material“ als ein beliebiges Material oder eine beliebige Zusammensetzung definiert, das bzw. die eine reversible Änderung in einer fundamentalen (z.B. chemischen oder intrinsisch physikalischen) Eigenschaft zeigt, wenn es bzw. sie einem Aktivierungssignal ausgesetzt oder gegenüber diesem verdeckt bzw. von diesem getrennt wird. Formgedächtnislegierungen (SMAs) beziehen sich allgemein auf eine Gruppe von metallischen Materialien, welche die Fähigkeit zeigen, zu einer bestimmten, zuvor definierten Form oder Größe zurückzukehren, wenn sie einer geeigneten thermischen Anregung ausgesetzt werden. Formgedächtnislegierungen sind in der Lage, Phasenumwandlungen zu durchlaufen, bei denen ihre Fließfestigkeit, ihre Steifigkeit, ihre Abmessung und/oder ihre Form als eine Funktion der Temperatur verändert werden. Im Allgemeinen können Formgedächtnislegierungen in der Niedrigtemperatur- oder Martensitphase pseudo-plastisch verformt werden, und sie wandeln sich dann, wenn sie einer bestimmten höheren Temperatur ausgesetzt werden, in eine Austenitphase oder Stammphase um und kehren zu ihrer Form vor der Verformung zurück, wenn sie nicht unter Spannung stehen.As used herein, the term "active material" is defined as any material or composition that exhibits a reversible change in a fundamental (e.g., chemical or intrinsic physical) property when exposed to an activation signal or is covered over this or separated from this. Shape memory alloys (SMAs) generally refer to a group of metallic materials that exhibit the ability to return to a specific, previously defined shape or size when subjected to an appropriate thermal stimulus. Shape memory alloys are capable of undergoing phase transformations in which their yield strength, stiffness, dimension and/or shape are changed as a function of temperature. In general, shape memory alloys can be pseudo-plastically deformed in the low-temperature or martensite phase, and they then transform to an austenite phase or parent phase when exposed to a certain higher temperature and return to their pre-deformation shape when not to be under tension.

Formgedächtnislegierungen existieren in verschiedenen unterschiedlichen, temperaturabhängigen Phasen. Die gebräuchlichsten dieser Phasen sind die Martensitphase und die Austenitphase. In der nachfolgenden Diskussion bezieht sich die Martensitphase im Allgemeinen auf die besser verformbare Phase bei niedrigerer Temperatur, während sich die Austenitphase im Allgemeinen auf die starrere Phase bei höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und aufgeheizt wird, beginnt sie, sich in die Austenitphase zu verändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als eine Austenit-Starttemperatur (As) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen abgeschlossen ist, wird als die Austenit-Endtemperatur (A_f) bezeichnet.Shape memory alloys exist in several different, temperature dependent phases. The most common of these phases are the martensite phase and the austenite phase. In the following discussion, the martensite phase generally refers to the more deformable, lower temperature phase, while the austenite phase generally refers to the more rigid, higher temperature phase. When the shape memory alloy is in the martensite phase and is heated, it begins to change to the austenite phase. The temperature at which this phenomenon begins is often referred to as an austenite start temperature (As). The temperature at which this phenomenon is complete is referred to as the austenite finish temperature (A _f ).

Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensitphase zu verändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird als die Martensit-Starttemperatur (M_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei welcher der Austenit damit aufhört, sich in Martensit umzuwandeln, wird als die Martensit-Endtemperatur (M_f) bezeichnet. Somit ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal mit einer Größe, die ausreicht, um Umwandlungen zwischen der Martensitphase und der Austenitphase zu bewirken.When the shape memory alloy is in the austenite phase and is cooled, it begins to change to the martensite phase, and the temperature at which this phenomenon begins is referred to as the martensite start temperature (M _s ). The temperature at which the austenite stops transforming to martensite is referred to as the martensite finish temperature (M _f ). Thus, a suitable activation signal for use with shape memory alloys is a thermal activation signal of a magnitude sufficient to cause transformations between the martensite phase and the austenite phase.

Formgedächtnislegierungen können in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung und der Bearbeitungshistorie einen Einweg-Formgedächtniseffekt, einen intrinsischen Zweiwegeeffekt oder einen extrinsischen Zweiwege-Formgedächtniseffekt zeigen. Geglühte Formgedächtnislegierungen zeigen typischerweise nur den Einweg-Formgedächtniseffekt. Ein ausreichendes Aufheizen nach einer Verformung des Formgedächtnismaterials bei niedriger Temperatur ruft die Umwandlung von der Martensit- zur Austenitphase hervor, und das Material wird die ursprüngliche, geglühte Form wieder herstellen. Folglich werden Einweg-Formgedächtniseffekte nur beim Aufheizen beobachtet. Aktive Materialien, die Formgedächtnislegierungszusammensetzungen umfassen, die Einweg-Gedächtniseffekte zeigen, wechseln nicht automatisch zwischen zwei Formen hin und zurück, wenn sich die Temperatur ändert, und sie erfordern eine äußere mechanische Kraft, um die Form von der erinnerten oder gelernten Geometrie weg zu verformen.Shape memory alloys can exhibit a one-way shape memory effect, an intrinsic two-way effect, or an extrinsic two-way shape memory effect depending on the alloy composition and processing history. Annealed shape memory alloys typically exhibit only the one-way shape memory effect. Sufficient heating after low temperature deformation of the shape memory material will cause the transformation from the martensite to austenite phase and the material will recover to the original, annealed shape. Consequently, one-way shape memory effects are only observed upon heating. Active materials comprising shape memory alloy compositions that exhibit one-way memory effects do not automatically switch back and forth between two shapes as temperature changes, and they require an external mechanical force to deform the shape away from the remembered or learned geometry.

Intrinsische und extrinsische Zweiwege-Formgedächtnismaterialien sind durch einen Formübergang sowohl beim Aufheizen von der Martensitphase zu der Austenitphase als auch durch einen zusätzlichen Formübergang beim Abkühlen von der Austenitphase zurück zu der Martensitphase charakterisiert. Aktive Materialien, die einen intrinsischen Formgedächtniseffekt zeigen, sind aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung hergestellt, die bewirkt, dass sich die aktiven Materialien automatisch von selbst infolge der vorstehend genannten Phasenumwandlungen umformen. Das intrinsische Zweiwege-Formgedächtnisverhalten muss in dem Formgedächtnismaterial durch Bearbeiten hervorgerufen werden. Solche Prozeduren umfassen eine extreme Verformung des Materials, während es sich in der Martensitphase befindet, ein Aufheizen-Kühlen unter einer Zwangsbedingung oder einer Last oder eine Oberflächenmodifikation, wie beispielsweise durch Laserglühen, Polieren oder Kugelstrahlen. Sobald das Material trainiert wurde, um den Zweiwege-Formgedächtniseffekt zu zeigen, ist die Formänderung zwischen dem Zustand bei niedriger Temperatur und dem Zustand bei hoher Temperatur im Allgemeinen reversibel, und sie bleibt über eine große Anzahl von thermischen Zyklen bestehen. Im Gegensatz dazu sind aktive Materialien, welche den extrinsischen Zweiwege-Formgedächtniseffekt zeigen, Verbundmaterialien oder Mehrkomponentenmaterialien. Diese kombinieren eine Legierung, die einen Einwegeffekt zeigt, mit einem anderen Element, das eine wiederherstellende Kraft liefert, um die ursprüngliche Form zurückzubilden.Intrinsic and extrinsic two-way shape memory materials are characterized by a shape transition both on heating from the martensite phase to the austenite phase and by an additional shape transition on cooling from the austenite phase back to the martensite phase. Active materials exhibiting an intrinsic shape memory effect are made from a shape memory alloy composition that causes the active materials to automatically transform themselves as a result of the aforementioned phase transformations. The intrinsic two-way shape memory behavior must be induced in the shape memory material by processing. Such procedures include extreme deformation of the material while in the martensite phase, heating-cooling under a constraint or load, or surface modification such as by laser annealing, polishing, or shot peening. Once the material has been trained to exhibit the two-way shape memory effect, the shape change between the low temperature state and the high temperature state is generally reversible and persists over a large number of thermal cycles. In contrast, active materials exhibiting the extrinsic two-way shape memory effect are composite or multicomponent materials. These combine an alloy that exhibits a one-way effect with another element that provides restorative power to restore the original shape.

Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Form bei hoher Temperatur erinnert, wenn sie aufgeheizt wird, kann durch leichte Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch eine Wärmebehandlung eingestellt werden. Bei Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann diese beispielsweise von oberhalb ungefähr 100°C bis unterhalb ungefähr -100°C verändert werden. Der Wiederherstellungsprozess für die Form tritt über einen Bereich von nur wenigen Grad auf, und der Beginn oder das Ende der Umwandlung kann in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung und der Legierungszusammensetzung derart gesteuert werden, dass er innerhalb eines Grades oder innerhalb von zwei Grad liegt. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der durch deren Umwandlung aufgespannt wird, und sie verleihen dem System typischerweise Formgedächtniseffekte, superelastische Effekte und eine hohe Dämpfungskapazität.The temperature at which the shape memory alloy remembers its high-temperature shape when heated can be adjusted by slight changes in the composition of the alloy and by heat treatment. In the case of nickel-titanium shape memory alloys, for example, this can be varied from above about 100°C to below about -100°C. The shape recovery process occurs over a range of only a few degrees and the start or finish of the transformation can be controlled to be within one degree or within two degrees depending on the desired application and alloy composition. The mechanical properties of the shape memory alloy vary widely over the temperature range spanned by their transformation, and they typically impart shape memory effects, superelastic effects, and high damping capacity to the system.

Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen auf Nickel-Titan basierte Legierungen, auf Indium-Titan basierte Legierungen, auf Nickel-Aluminium basierte Legierungen, auf Nickel-Gallium basierte Legierungen, kupferbasierte Legierungen (z.B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold-Legierungen und Kupfer-Zinn-Legierungen), auf Gold-Cadmium basierte Legierungen, auf Silber-Cadmium basierte Legierungen, auf Indium-Cadmium basierte Legierungen, auf Mangan-Kupfer basierte Legierungen, auf Eisen-Platin basierte Legierungen, auf Eisen-Palladium basierte Legierungen und dergleichen, ohne auf diese beschränkt zu sein. Die Legierungen können binär, ternär oder von einer beliebigen höheren Ordnung sein, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt zeigt, z.B. eine Änderung in der Formausrichtung, der Dämpfungskapazität und dergleichen.Suitable shape memory alloy materials include nickel-titanium based alloys, indium-titanium based alloys, nickel-aluminum based alloys, nickel-gallium based alloys, copper-based alloys (eg, copper-zinc alloys, copper-aluminum alloys, copper-gold alloys and copper-tin alloys), gold-cadmium based alloys, silver-cadmium based alloys, indium-cadmium based alloys, manganese-copper based alloys, iron-platinum based alloys, iron-palladium based alloys and the like, but not limited to these. The alloys can be binary, ternary, or any higher order as long as the alloy composition exhibits a shape memory effect, e.g., a change in shape orientation, damping capacity, and the like.

Daher ist einzusehen, dass SMAs zu Zwecken dieser Erfindung eine ungefähr 2,5-fache Modulzunahme und eine Abmessungsänderung von bis zu 8 % zeigen (was von dem Ausmaß der Vordehnung abhängt), wenn sie über ihre Phasenübergangstemperatur aufgeheizt werden. Es ist einzusehen, dass dann, wenn die SMA eine solche mit Einwegbetrieb ist, ein Rückstellmechanismus (wie beispielsweise eine Feder) mit einer Vorspannungskraft erforderlich ist, um die SMA in ihre anfängliche Ausbildung zurückzustellen. Schließlich ist einzusehen, dass eine Joulesche Aufheizung verwendet werden kann, um das gesamte System elektronisch steuerbar zu machen.Therefore, it can be appreciated that SMAs, for purposes of this invention, exhibit approximately a 2.5-fold increase in modulus and a dimensional change of up to 8% (depending on the amount of prestrain) when heated above their phase transition temperature. It will be appreciated that if the SMA is a one-way operation, a return mechanism (such as a spring) with a biasing force is required to return the SMA to its initial configuration. Finally, it can be appreciated that Joule heating can be used to make the entire system electronically controllable.

Zum erfindungsgemäßen Verfahren zurückkehrend, werden die historischen Daten für eine inhärente Systemvariable erfasst (z.B. für den Aktuatorwiderstand, eine Ableitung des Aktuatorwiderstands, eine angelegte Spannung, eine gemessene Dehnung usw.), die sich über einer zweiten Variablen ändert (z.B. über der Zeit, der Temperatur, einer Verschiebung usw.), um dadurch ein x-y-Profil während dessen Betätigungszyklus zu definieren. Zumindest ein Teil der Daten wird während normaler Betätigungsereignisse erzeugt, so dass Ziel-Daten oder Daten für das normale Verhalten erfasst werden. Basierend auf den Daten für die normale Betätigung werden eine obere und eine untere Grenze 14u, 1 festgelegt, die ein oberes und ein unteres Profil liefern, wobei die obere und die untere Grenze/das obere und das untere Profil 14u, 1 beispielsweise den maximalen und den minimalen Wert der inhärenten Systemvariablen über der zweiten Variablen umfassen, welche während der normalen Betätigung beobachtet werden. Der Aktuator 10 kann anschließend sicher gesteuert werden, indem ein Aktivierungssignal auf den Aktuator 10 angewendet wird, um dadurch einem Startpunkt für die Aktivierung zu definieren und die inhärente Systemvariable über der zweiten Variablen während des Zyklus zu überwachen. Die gegenwärtigen Werte der Systemvariablen werden zum Entwickeln eines temporären gegenwärtigen Profils 16 verwendet. Als Nächstes wird das gegenwärtige Profil 16 mit der oberen und der unteren Grenze 14u, 1 visuell oder computertechnisch verglichen, um dadurch ein Ereignis außerhalb der Grenzen zu ermitteln. Folglich wird das Profil 16 beobachtet, um zu ermitteln, ob es sich innerhalb der „Betriebshüllkurve“ 12 (2) befindet, die durch die Daten definiert ist. Schließlich wird ein Ansprechen erzeugt, oder es wird autonom eine Maßnahme ergriffen (z.B. zum Modifizieren/Beenden des Aktivierungssignals), wenn ein Ereignis außerhalb der Grenzen ermittelt wird.Returning to the method of the present invention, historical data is collected for an inherent system variable (e.g., actuator resistance, a derivative of actuator resistance, applied stress, measured strain, etc.) that varies over a second variable (e.g., over time, the temperature, displacement, etc.) to thereby define an xy profile during its actuation cycle. At least some of the data is generated during normal exercise events such that target or normal behavior data is collected. Based on the normal actuation data, an upper and lower limit 14u,1 is established which provides an upper and lower profile, where the upper and lower limit/profiles 14u,1 represent, for example, the maximum and include the minimum value of the inherent system variable above the second variable observed during normal operation. The actuator 10 can then be safely controlled by applying an activation signal to the actuator 10, thereby defining a starting point for activation and monitoring the inherent system variable over the second variable during the cycle. The current values of the system variables are used to develop a temporary current profile 16 . Next, the current profile 16 is compared visually or computer to the upper and lower limits 14u, 1 to thereby determine an out-of-bounds event. Consequently, the profile 16 is observed to determine if it is within the "operating envelope" 12 ( 2 ) defined by the data. Finally, a response is generated or an action is taken autonomously (eg, to modify/terminate the activation signal) when an out-of-bounds event is detected.

Ein Ereignis außerhalb der Grenzen wird vorzugsweise ermittelt, wenn das überwachte Profil 16 die obere oder die untere Grenze für eine minimale Zeitdauer überschreitet, so dass Anomalien beispielsweise aufgrund eines momentanen Schlupfs von Befestigungen oder aufgrund von Anstiegen im Strom und auch natürliche Schwankungen in der inhärenten Variablen während des Zyklus berücksichtigt werden. Alternativ oder zusätzlich zu einer minimalen Zeitdauer kann ein Ereignis außerhalb der Grenzen identifiziert werden, wenn das Profil 16 die obere oder die untere Grenze 14 u, 1 über einen speziellen Wert oder einen speziellen Bereich der zweiten Variablen hinaus überschreitet. Bei einer weiteren Alternative kann ein Ereignis außerhalb der Grenzen festgelegt werden, wenn das überwachte Profil 16 die obere oder die untere Grenze um einen minimalen Prozentanteil überschreitet (z.B. um 5 %).An out-of-bounds event is preferably determined when the monitored profile 16 exceeds the upper or lower limit for a minimum period of time, such that anomalies are due, for example, to momentary slippage of fortifications or increases in current, as well as natural fluctuations in the inherent variable be taken into account during the cycle. Alternatively or in addition to a minimum time duration, an out-of-bounds event may be identified when the profile 16 exceeds the upper or lower bound 14 µ,1 beyond a specified value or range of the second variable. In a further alternative, an out-of-bounds event may be specified if the over monitored profile 16 exceeds the upper or lower limit by a minimum percentage (eg, by 5%).

Wie zuvor festgestellt wurde, können die obere und die untere Grenze 14u, 1 basierend auf dem maximalen und dem minimalen Wert festgelegt werden, die für die inhärente Systemvariable bei einem gegebenen Wert der zweiten Variablen beobachtet werden. Alternativ können die obere und die untere Grenze 14u, 1 festgelegt werden, indem ein ideales Profil basierend auf idealen Bedingungen (z.B. einer idealen Spannung, einer idealen Temperatur, einer idealen Konstruktion, einer idealen Vordehnung usw.) ermittelt wird und indem eine Toleranz auf das ideale Profil angewendet wird; oder, wenn die historischen Daten aus dem Profil des vorhergehenden Zyklus bestehen, indem eine Abweichungstoleranz auf das vorhergehende Profil angewendet wird. Die Hüllkurve 12 kann basierend auf einem detektierten Wert einer beeinflussenden Bedingung modifiziert werden, z.B. der Umgebungstemperatur, der Aktuatortemperatur, der Aktuatordehnung, der Lasthistorie, der Verwendung/der Zyklen, der tatsächlichen Spannung und des nominellen Antriebsstroms usw., so dass falsche Positivereignisse vermieden werden. Eine Modifikation kann dadurch erfolgen, dass ein Wert einer detektierten Bedingung in eine vorbestimmte Formel oder in einen vorbestimmten Algorithmus eingegeben wird oder dass eine Nachschlagetabelle bezüglich des Bedingungswerts durchsucht wird, um einen entsprechenden Faktor, eine entsprechende Toleranz, eine entsprechende Abweichung oder eine auf andere Weise resultierende Wirkung zu erhalten. Darüber hinaus werden die bevorzugten Grenzen 14u, 1 durch beliebige Änderungen bezüglich der physikalischen und inhärenten Eigenschaften des Aktuators 10 (z.B. der Länge, der Zusammensetzung, des Durchmessers, der Vordehnung usw.) oder des Typs der Anwendung modifiziert, die ausgeführt werden soll (z.B. kritisch, moderat usw.). Folglich kann die Bedingung für den Aktuator 10 eine externe oder eine interne sein. Es ist einzusehen, dass gemäß einem weiteren Beispiel Grenzen 14u, 1 für das Szenario des schlimmsten Falls für einen gegebenen Satz von Bedingungen verwendet werden können, die auf der Kapazität des Aktuators 10 basieren.As previously stated, the upper and lower bounds 14u,1 can be set based on the maximum and minimum values observed for the inherent system variable given the value of the second variable. Alternatively, the upper and lower limits 14u, 1 can be set by determining an ideal profile based on ideal conditions (e.g. ideal stress, ideal temperature, ideal construction, ideal prestrain, etc.) and adding a tolerance to the ideal profile is applied; or, if the historical data consists of the previous cycle's profile, by applying a deviation tolerance to the previous profile. The envelope 12 can be modified based on a detected value of an influencing condition, eg, ambient temperature, actuator temperature, actuator strain, load history, usage/cycles, actual voltage and nominal drive current, etc. such that false positive events are avoided . A modification may be made by entering a value of a detected condition into a predetermined formula or algorithm, or by searching a look-up table for the condition value by an appropriate factor, tolerance, deviation, or otherwise to get the resulting effect. In addition, the preferred boundaries 14u, 1 are modified by any changes in the physical and inherent properties of the actuator 10 (eg, length, composition, diameter, prestrain, etc.) or the type of application to be performed (eg critical, moderate, etc.). Thus, the condition for the actuator 10 can be external or internal. It will be appreciated that as a further example, worst case scenario limits 14u,1 may be used for a given set of conditions based on actuator 10 capacity.

Sobald die Grenzen 14u, 1 festgelegt sind, kann ein Betätigungszyklus überwacht werden, um dadurch ein gegenwärtiges Profil 16 und ein Ereignis außerhalb der Grenzen zu ermitteln, wenn das gegenwärtige Profil eine der Grenzen 14u, 1 überschreitet (d.h. höher liegt als die obere Grenze oder niedriger als die untere Grenze). Die Abweichungen können als einmalige Ereignisse, als eine Drift von Signalen oder gemäß der Position (z.B. dem Zeitpunkt) des Ereignisses außerhalb der Grenzen kategorisiert werden. Wie vorstehend festgestellt wurde, erzeugt das Verfahren anschließend ein Ansprechen (es alarmiert beispielsweise einen Benutzer, dass sich der Aktuator nicht wie erwartet verhalten hat), oder es führt auf andere Weise eine Maßnahme autonom aus. Das Aktivierungssignal kann beispielsweise in dem Fall eines Überlastungs- oder Überhitzungsereignisses modifiziert, unterbrochen oder beendet werden. 3 stellt sekundäre Hüllkurven 12a dar, bei denen angenommen wird, dass ein Ereignis außerhalb der Grenzen, das während eines Anstiegs kleiner als die untere Grenze oder während eines Abfallens größer als die obere Grenze ist, ein unzureichendes Aktivierungssignal angibt (z.B. bezüglich der Aufheizungsrate oder des Antriebsstroms). Hier ist das System vorzugsweise betreibbar, um autonom eine entsprechende Zunahme in dem Aktivierungssignal zu bewirken.Once the limits 14u, 1 are established, an actuation cycle can be monitored to thereby determine a current profile 16 and an out-of-limits event when the current profile exceeds one of the limits 14u, 1 (i.e. is higher than the upper limit or lower than the lower limit). The deviations can be categorized as one-off events, as a drift of signals, or according to the location (eg, time) of the out-of-bounds event. As noted above, the method then generates a response (e.g., alerts a user that the actuator did not behave as expected), or otherwise performs an action autonomously. The activation signal may be modified, interrupted, or terminated, for example, in the event of an overload or overheating event. 3 12 shows secondary envelopes 12a where an out-of-bounds event, less than the lower limit during a rise or greater than the upper limit during a fall, is assumed to indicate an insufficient activation signal (e.g. in terms of heating rate or drive current ). Here the system is preferably operable to autonomously cause a corresponding increase in the activation signal.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst das bevorzugte Ansprechen ferner, dass eine Aufzeichnung des Ereignisses außerhalb der Grenzen beibehalten wird, um dadurch die historischen Daten zu aktualisieren, und dass das Ereignis in den Daten bevorzugter basierend auf der Heftigkeit kategorisiert wird. Daten außerhalb der Grenzen können bei der Ermittlung der Grenzen 14u, 1 verwendet werden oder auch nicht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Heftigkeit basierend auf dem anfänglichen Wert der zweiten Variable (z.B. der Startzeit) und/oder dem Bereich von Werten für die zweite Variable (z.B. der Periode/der Zeitdauer) für das Ereignis ermittelt. Basierend auf einer bekannten Beziehung zwischen der verwendbaren Lebensdauer und kritischen Ereignissen kann das Ansprechen ferner umfassen, dass die vorausgesagte verbleibende verwendbare Lebensdauer basierend auf den historischen Daten autonom aktualisiert wird, welche die Anzahl der normalen Ereignisse und der Ereignisse außerhalb der Grenzen umfassen, und dass anschließend ein Benutzer alarmiert wird, den Aktuator 10 zu ersetzen, wenn die verbleibende verwendbare Lebensdauer kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist (z.B. kleiner als 5 % der verwendbaren Lebensdauer).According to another aspect of the invention, preferentially responding further includes maintaining a record of the out-of-bounds event to thereby update the historical data, and more preferentially categorizing the event in the data based on severity. Out-of-boundary data may or may not be used in determining the boundaries 14u,1. In a preferred embodiment, the severity is determined based on the initial value of the second variable (e.g., start time) and/or the range of values for the second variable (e.g., period/time duration) for the event. Based on a known relationship between the usable lifespan and critical events, responding may further include autonomously updating the predicted remaining usable lifespan based on the historical data, which includes the number of normal events and the number of out-of-bounds events, and then thereafter alerting a user to replace actuator 10 when the remaining usable life is less than a predetermined threshold (eg, less than 5% of usable life).

Schließlich ist einzusehen, dass die historischen Daten anhand der Verwendung des Aktuators 10 oder bevorzugter anhand der zurückliegenden Verwendung des Aktuators 10 plus anderer äquivalenter Aktuatoren unter vergleichbaren Bedingungen sowie unter einer ähnlichen Belastung zusammengestellt werden können, um dadurch das zukünftige Verhalten vorauszusagen usw. Bezüglich des Letzteren ist einzusehen, dass eine umfassende Datenbank 18 von Aktuatoren, Bedingungen und Belastungen beibehalten und über ein breites Spektrum angewendet werden kann und dass die Hüllkurve 12 in Echtzeit oder periodisch (z.B. nach einem Ereignis außerhalb der Grenzen usw.) aktualisiert werden kann.Finally, it will be appreciated that the historical data can be collated based on the use of the actuator 10, or more preferably based on past use of the actuator 10 plus other equivalent actuators, under comparable conditions and under a similar load, thereby predicting future performance, etc. Regarding the latter It will be appreciated that a comprehensive database 18 of actuators, conditions, and loads can be maintained and applied across a wide spectrum, and that the envelope 12 can be real-time or periodic (e.g., after a out-of-bounds event, etc.) can be updated.

Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Erfindung durch einen Draht 10 aus einer Formgedächtnislegierung verwendet, der mit einer Last 100 antreibend gekoppelt ist (1), um dadurch verwendbare mechanische Arbeit zu verrichten, und der mit einer Aktivierungsquelle 20 (z.B. mit dem Ladungssystem eines Fahrzeugs (nicht gezeigt)) durch eine Verbindung gekoppelt ist, wobei der Ausdruck „Draht“ nicht einschränkend ist und andere, ähnliche geometrische Konfigurationen umfassen soll, die eine Zuglastfestigkeit/Dehnungsfähigkeiten aufweisen, wie beispielsweise Seile, Bündel, Litzen, Leinen, Streifen, Ketten und andere Elemente. Ein Controller 22, der die Datenbank 18 beinhaltet, ist zwischen dem Aktuator 10 und der Quelle 20 dazwischengeschaltet und durch Programmierung ausgebildet, um selektiv zu bewirken, dass der Aktuator 10 aktiviert wird, und um das hierin beschriebene Verfahren zu implementieren. Schließlich ist eine Überwachungseinrichtung 24 durch eine Verbindung mit dem Controller 22 gekoppelt (z.B. drahtlos oder mittels Hardware) und betreibbar, um Daten von dem Aktuator 10 beispielsweise mittels eines Sensors 26 (1) abzurufen. Es ist einzusehen, dass die Überwachungseinrichtung 24, der Controller 22 und/oder der Sensor 26 eine integrierte Einheit darstellen können.In the preferred embodiment, the invention is utilized by a shape memory alloy wire 10 drivingly coupled to a load 100 ( 1 ) to thereby perform useful mechanical work, and coupled to an activation source 20 (eg, to a vehicle's charging system (not shown)) through a connection, the term "wire" being non-limiting and including other similar geometric configurations that have tensile strength/elongation capabilities, such as ropes, bundles, strands, cords, strips, chains, and other elements. A controller 22, which includes the database 18, is interposed between the actuator 10 and the source 20 and configured by programming to selectively cause the actuator 10 to be activated and to implement the method described herein. Finally, a monitor 24 is coupled to the controller 22 through a connection (eg, wirelessly or via hardware) and is operable to collect data from the actuator 10 via, for example, a sensor 26 ( 1 ) to retrieve. It is appreciated that monitor 24, controller 22, and/or sensor 26 may constitute an integrated unit.

Bei dieser Ausbildung können der Aktuator 10, die Quelle 20 und der Controller 22 eine elektrische Schaltung bilden, die betreibbar ist, um den SMA-Aktuator 10 durch Joulesche Heizung zu aktivieren, und der Widerstand, den der Aktuator 10 für eine gegebene Amperezahl zeigt, kann verwendet werden, um historische Daten des Widerstands über der Zeit zu entwickeln. Spezieller ist die bevorzugte inhärente Systemvariable der elektrische Widerstand des Aktuators 10, und die bevorzugte zweite Variable ist die Zeit, um ein Rückgabesignal basierend auf einer Änderung des elektrischen Widerstands zu entwickeln, da einzusehen ist, dass der elektrische Widerstand konsistent mit dem Prozentanteil der Phasenumwandlung und der Temperatur der SMA variiert und mit der Position und der Betriebsfähigkeit des Aktuators 10 korreliert werden kann. Obwohl die Ableitung des Widerstands eine definiertere Angabe über das Betätigungsereignis liefert, einschließlich eines ausgeprägten Minimums für das Ende der Betätigung (2), wie es offensichtlich offenbart wird, ist einzusehen, dass das Fehlen an Komplexität in dem Widerstandsprofil der SMA während der Betätigung Vergleiche von Profilformen relativ gesehen erleichtert.With this configuration, the actuator 10, the source 20 and the controller 22 can form an electrical circuit operable to activate the SMA actuator 10 by Joule heating, and the resistance that the actuator 10 exhibits for a given amperage, can be used to develop historical data of resistance over time. More specifically, the preferred inherent system variable is the electrical resistance of the actuator 10, and the preferred second variable is the time to develop a return signal based on a change in electrical resistance, since it will be appreciated that electrical resistance is consistent with the percentage of phase change and varies with the temperature of the SMA and can be correlated to the position and operability of the actuator 10 . Although the derivative of resistance provides a more defined indication of the actuation event, including a distinct minimum for the end of the actuation ( 2 ), as is evidently disclosed, it is appreciated that the lack of complexity in the resistance profile of the SMA during actuation facilitates comparisons of profile shapes relatively speaking.

In 2 ist gezeigt, dass ein normal aktivierter SMA-Aktuator ein Widerstandsprofil mit einer im Wesentlichen konstanten oder flachen anfänglichen Aufheizungszeitdauer aufweist, gefolgt von einem Anstieg AR_p im Widerstand aufgrund des Beginns der Phasenumwandlung, die an dem Spitzen-SMA-Widerstand R_p kulminiert (was typischerweise kurz nach der Auslösung der Dehnung auftritt), und einem anschließenden ausgedehnten Abfall ΔR_v im Widerstand, bis der Austenit-Widerstand R_v erreicht ist. Wie es in 4 gezeigt ist, wurde gefunden, dass die Gesamtänderung ΔR im Widerstand der Verwendung/den Zyklen des Aktuators 10 entspricht, insbesondere dann, wenn die Verwendung zehntausend Zyklen überschreitet. Darüber hinaus ist einzusehen, dass ΔR umgekehrt proportional zur Temperatur ist, wie es auch in 4 gezeigt ist. Indem ΔR für eine gegebene Temperatur ermittelt wird (und/oder auf eine ähnliche Weise für eine gegebene Amperezahl, eine gegebene Dehnung usw.), kann daher eine genaue Bewertung der Anzahl von vorhergehenden Zyklen durchgeführt werden, und die verbleibende Lebensdauer kann vorausgesagt werden (d.h. die empfohlene Verwendung minus die vorhergehenden Zyklen). Fachleute werden einsehen, dass alternativ die „Miner-Regel“ oder Korrelationsverfahren für die Eigenlebensdauer verwendet werden können, um die verbleibende verwendbare Lebensdauer des Aktuators 10 vorauszusagen.In 2 a normally activated SMA actuator is shown to exhibit a resistance profile with a substantially constant or flat initial heating time period, followed by an increase in resistance AR _p due to the onset of the phase transformation culminating at the peak SMA resistance R _p (which typically occurs shortly after strain initiation), and a subsequent prolonged drop _ΔRv in resistance until the austenite resistance _Rv is reached. like it in 4 1, it has been found that the total change ΔR in resistance corresponds to the use/cycles of the actuator 10, particularly when the use exceeds ten thousand cycles. In addition, it can be seen that ΔR is inversely proportional to temperature, as shown in 4 is shown. Therefore, by determining ΔR for a given temperature (and/or in a similar manner for a given amperage, strain, etc.), an accurate assessment of the number of previous cycles can be made, and the remaining life can be predicted (ie recommended use minus previous cycles). Those skilled in the art will appreciate that alternatively, "Miner's Rule" or self-life correlation methods may be used to predict the remaining useful life of the actuator 10 .

Obgleich einzusehen ist, dass der SMA-Widerstand an dem Startpunkt der Aktivierung aufgrund verschiedener Faktoren schwankt (z.B. aufgrund der vorhergehenden Temperatur und den vorhergehenden Verwendungsbedingungen usw.), wird die Überwachung vorzugsweise an einem vorbestimmten Referenzpunkt (z.B. am Spitzenwiderstand) nach dem Startpunkt der Aktivierung ausgelöst. Bei Anwendungen mit SMA-Drahtaktuator kann das Ereignis außerhalb der Grenzen eine nicht ausreichende Aufheizungsrate, wie sie vorstehend festgestellt wurde, ein Überlastungsereignis, ein Überhitzungsereignis, eine Drahtermüdung, einen Schlupf der Befestigung, eine Verschlechterung der Befestigung und/oder eine Verschlechterung von peripheren Mechanismen (z.B. von Lagerzapfen, Scheiben, gleitenden Führungen usw.) in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Ereignisses angeben. Es ist einzusehen, dass beispielsweise ein Überhitzungsereignis durch ein Minimum 28 gefolgt von einem Anstieg im Widerstand über dem Zeitprofil (5) angegeben wird.Although it is appreciated that the SMA resistance at the starting point of activation will vary due to various factors (e.g., previous temperature and conditions of use, etc.), monitoring is preferably performed at a predetermined reference point (e.g., peak resistance) after the starting point of activation triggered. In SMA wire actuator applications, the out-of-bounds event may include an insufficient heating rate as noted above, an overload event, an overheating event, wire fatigue, fixture slippage, fixture degradation, and/or peripheral mechanism degradation ( e.g. bearing journals, discs, sliding guides, etc.) depending on the characteristics of the event. It can be appreciated that, for example, an overheating event is characterized by a minimum 28 followed by an increase in resistance versus time profile ( 5 ) is specified.

In 5 sind verschiedene Widerstandskurven bei Überlastung für einen SMA-Drahtaktuator 10 gezeigt, wobei Überlastungsereignisse bei unterschiedlichen Dehnungen auftreten. Wie es dargestellt ist, wird die Form der Kurve signifikant beeinflusst, wenn die SMA eine Überlastung erfährt, und die Form kann unter Verwendung der vorgeschlagenen Hüllkurve des Betriebsverfahrens detektiert werden. Indem die Form des Profils 16 identifiziert wird, kann folglich der Typ des Überlastungs-/Überhitzungsereignisses ermittelt werden (z.B. dann, wenn das Blockieren auftritt). Schließlich ist einzusehen, dass verschiedene Überwachungseinrichtungen 24 zum genauen Messen der Widerstandsänderung in dem Draht 10 und Algorithmen zur Ausführung durch den Controller 22 zusätzlich vorgesehen sind. Beispielsweise kann die Einrichtung 24 einen Aufbau mit einer Wheatstone-Brücke, eine Widerstand-Kondensator-Schaltung (RC-Schaltung) und ein überlagertes AC-Signal auf dem regulären Aktivierungssignal umfassen.In 5 Various overload resistance curves are shown for an SMA wire actuator 10, with overload events occurring at different strains. As illustrated, the shape of the curve is significantly affected when the SMA experiences overload, and the shape can be detected using the proposed operating method envelope. Thus, by identifying the shape of the profile 16, the type of overload/overhit tion event (e.g., when the blocking occurs). Finally, it will be appreciated that various monitors 24 for accurately measuring the change in resistance in the wire 10 and algorithms for execution by the controller 22 are additionally provided. For example, device 24 may include a Wheatstone bridge configuration, a resistor-capacitor (RC) circuit, and an AC signal superimposed on the regular activation signal.

Die dargelegte Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung zu offenbaren, welche den besten Ausführungsmodus umfassen, und auch, um einem beliebigen Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen und zu verwenden. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele umfassen, die Fachleuten offensichtlich werden. Beispielsweise liegt es sicherlich innerhalb des Umfangs der Erfindung, dass die Hüllkurve 12 unter einem komplexeren Regime einen dreidimensionalen Raum definiert, wobei sich eine inhärente Systemvariable ändert (z.B. der Widerstand) und gleichzeitig über einer zweiten Variablen (z.B. über der Zeit) und einer dritten Variablen (z.B. über der Dehnung) überwacht wird. Solche andere Beispiele sollen innerhalb des Umfangs der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich nicht von der wörtlichen Sprache der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Abweichungen von der wörtlichen Sprache der Ansprüche umfassen.The written description presented uses examples to disclose the invention, including the best mode, and also to enable any person skilled in the art to make and use the invention. The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples that occur to those skilled in the art. For example, it is certainly within the scope of the invention for the envelope 12 to define a three-dimensional space under a more complex regime where an inherent system variable is changing (e.g. resistance) and simultaneously over a second variable (e.g. over time) and a third variable (e.g. over the elongation) is monitored. Such other examples are intended to be within the scope of the claims if they have structural elements that do not differ from the literal language of the claims, or if they include equivalent structural elements with insubstantial differences from the literal languages of the claims.

Die Ausdrücke „erster“, „zweiter“ und dergleichen bezeichnen ebenso, wenn sie hierin verwendet werden, nicht irgendeine Reihenfolge oder Wichtigkeit, sondern sie werden stattdessen verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Ausdrücke „der“ bzw. „die“ bzw. „das“, „ein“ und „eine“ bezeichnen keine Einschränkung der Quantität, sondern sie bezeichnen stattdessen das Vorhandensein zumindest eines des referenzierten Gegenstands. Alle Bereiche, die auf die gleiche Quantität einer gegebenen Komponente oder eines gegebenen Messwerts gerichtet sind, umfassen die Endpunkte und sind unabhängig kombinierbar.Also, the terms "first", "second" and the like when used herein do not denote any order or importance, but are instead used to distinguish one element from another and the terms "the" and "the" respectively " "the" or "the", "a" and "an" do not denote a limitation of quantity, but instead denote the presence of at least one of the referenced item. All ranges directed to the same quantity of a given component or measurement include the endpoints and are independently combinable.

Claims

A method of controlling and/or predicting a remaining useful life of an active material actuator (10) having an inherent system variable, the method comprising: a. compiling historical data for the inherent system variable over a second variable, at least a portion of the data being generated during normal actuation events without overloading the actuator (10); b. an envelope (12) for normal operation of the actuator (10) is defined by upper and lower limits (14u, 141) of the inherent system variable over the second variable based on the historical data; c. applying an activation signal to the actuator (10), thereby defining a starting point for activation and activating the actuator (10) over an actuation cycle; i.e. monitoring the inherent system variable over the second variable during the cycle to thereby generate a current profile (16), e. comparing the current profile (16) to the upper and lower limits (14u, 141) to thereby determine an out-of-envelope event (12); and f. predicting remaining usable life from the number and severity of events outside the envelope (12) based on a known relationship between usable life and critical events and alerting a user when the remaining usable life is less than a predetermined threshold , and/or taking an action when the event is detected, the action comprising modifying or terminating the activation signal.

procedure after claim 1 wherein the actuator (10) is a shape memory alloy wire, the inherent system variable is the electrical resistance of the wire and the second variable is time, thereby to develop a return signal based on a change in electrical resistance.

procedure after claim 1 , wherein: step e) further comprises the steps of determining an out-of-envelope event (12) if the current profile (16) exceeds the upper limit (14u) or is less than the lower limit (141) for a minimum period of time is; or step e) further comprises the steps of determining an event outside the envelope (12) if the current profile (16) at a predetermined value of the second variable exceeds the upper limit (14u) or is less than the lower limit (141 ) is; or step e) further comprises the steps of determining an event outside the envelope (12) if the current profile (16) exceeds the upper limit (14u) or is less than the lower limit (141) by a minimum percentage, and wherein the minimum percentage is five.

procedure after claim 1 , wherein: step b) further comprises the steps of: a influencing condition is detected external to the actuator (10) and the limits (14u, 141) are set based in part on the condition; or step b) further comprises the steps of detecting an influencing condition within the actuator (10) and setting the boundaries (14u, 141) based in part on the condition; or wherein step b) further comprises the steps of detecting an influencing condition, searching a look-up table based on the condition, and setting the boundaries (14u, 141) based on the look-up table.

procedure after claim 1 wherein step b) further comprises determining an influencing condition selected from the group consisting essentially of ambient temperature, actuator temperature, actuator strain, load history, usage/cycles, instantaneous voltage, and nominal drive current consists.

procedure after claim 1 wherein step f) comprises maintaining a record of the event and categorizing the event.

procedure after claim 1 wherein the event is selected from the group consisting essentially of an overload event, an overheating event, actuator fatigue, a fixture slip, a fixture deterioration, and a peripheral mechanism deterioration.

procedure after claim 7 wherein the event is an overload event and wherein steps e) and f) further comprise the steps of determining a severity for the overload event and adding the overload event and severity to the historical data; wherein step f) further comprises the steps of predicting a remaining usable life based on the historical data; and wherein step e) further comprises determining an initial value of a second variable and a range of values of the second variable during the event and determining the severity based on an initial value of the second variable and a range of values of the second variable .

procedure after claim 1 wherein: step b) further comprises the steps of establishing the upper and lower bounds (14u, 141) by determining an ideal profile based on the historical data and applying a tolerance to the ideal profile; or the historical data consists of a previous current profile (16) and step b) further comprises the steps of setting the upper and lower limits (14u, 141) by applying a deviation tolerance to the previous current profile (16). will.

procedure after claim 1 wherein: step d) further comprises the steps of triggering a monitor at a predetermined reference point after the starting point of activation; and wherein the inherent system variable is selected from the group consisting of an actuator resistance, a derivative of the actuator resistance, and an applied voltage, and the second variable is selected from the group consisting of time, a temperature, and a displacement.