致动器诊断和预测制造技术

一种系统(10、14)，包括：一个或多个传感器，被配置用于采集与电机致动器(12)的操作状况有关的数据；处理器(62)，被配置用于分析数据以确定电机致动器(12)的状态；和用于存储表示操作状况的数据的存储器(64)。状态指示符基于对操作状况的分析而生成，例如以表示电机致动器(12)的系统功能、正常操作模式和故障模式。系统(10、14)可以被配置为将状态指示符传送给用户界面(21、66)或更高级别的控制器(20、22)。

Diagnosis and prediction of actuators

A system (10, 14), including one or more sensors configured to collect data related to the operating condition of the motor actuator (12); the processor (62) is configured to analyze the data to determine the state of the motor actuator (12); and a memory (64) for storing data indicating the operating conditions of the table. The status indicator is generated based on the analysis of the operation state, such as the system function, the normal operation mode and the failure mode representing the motor actuator (12). Systems (10, 14) can be configured to transmit state indicators to user interfaces (21, 66) or higher level controllers (20, 22).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】致动器诊断和预测相关申请的交叉引证本申请要求在2015年9月14日提交的美国临时申请序列号62/218,222“致动器诊断和预测(ActuatorDiagnosticsandPrognostics)”的优先权，出于所有目的，该专利申请通过引证整体并入本文。
技术介绍
本申请涉及致动器系统，并且更一般地涉及致动器诊断和预测。具体地，本申请涉及用于自动化致动器系统，包括但不限于在焊接、加工和其他工业过程中使用的致动器的高级诊断和预测技术。致动器系统包括线性和旋转设计，不同的驱动机构包括电动机、旋转螺杆、皮带传动和气动缸。杆式致动器包括在焊接、加工和其他制造过程中使用的短冲程螺杆驱动装置。螺杆驱动致动器也可以被配置用于增加的加载和延伸，而气动缸和无杆(例如导轨和滑架)系统通常用于速度、冲程长度和节省空间是设计考虑的地方。主要设计考虑因素包括致动器重量、大小和系统复杂程度。可靠性和使用寿命也是重要因素，特别是在机器人焊接和其他大规模工业应用中，非计划维护和停机时间可能导致生产率大幅下降和相关成本。因此，对于现有技术所没有达到的更高级的致动器诊断和预测技术有持续的需求。
技术实现思路
本申请涉及用于电机致动器的监控器。监控器被配置为通过使用存储在存储器中并在机载计算装置或处理器中执行的传感器数据分析传感器数据以生成系统状态和健康指示符来执行致动器诊断和预测。传感器提供表征具有已知系统功能、正常工作模式和系统故障模式的致动器部件的数据。监控器被配置为将集成式电机致动器的当前状态和健康状况传送给更高级别的监控器，例如致动器控制器或用户界面。数据也可以被转换为更低级别的维护控制器。利用这种监控器的电机致动器系统包括被配置为将螺杆轴和螺母组件驱动为围绕轴线相对旋转的电机。推力杆被耦接至螺母组件，其中推力杆被配置为响应于螺杆轴和螺母组件的相对旋转而沿轴线执行往复运动。一个或多个传感器可以被配置为采集表征电机致动器的操作状况的传感器数据。存储器被配置用于存储表示操作状况的模型数据，例如用于电机致动器系统的正常操作模式和故障模式。处理器被配置为基于由传感器数据表征的操作状况相对于模型数据的分析来生成状态指示符。界面被配置为将状态指示符传送到被配置为或适用于操作电机致动器的控制装置。附图说明图1为具有诊断监控的机器人致动器系统的示意图。图2为具有外部诊断监控器封装的致动器系统的剖视图。图3为具有内部诊断监控器的集成控制杆配置中的致动器系统的剖视图。图4为具有集成编码器和诊断监控器封装的集成电动机致动器配置中的致动器系统的剖视图。图5为具有诊断监控的致动器系统的框图。图6为示出用于致动器系统的诊断和预测监控的方法的框图。具体实施方式图1为机器人致动器系统10的示意图，机器人致动器系统10包括具有外部诊断监控器14的(例如，线性的)致动器12。在该特定示例中，线性致动器12被配置为用在自动化机器操作，如机器人焊接或其他工业任务中。如本文所述，监控系统14被配置为执行致动器12的高级诊断和预测功能，包括生成适于减少停机时间和非计划维护的健康状态和预测指示符。诊断监控器14可以被安装到或密闭在致动器12的保护外壳内，或者设置在机器人设备16上或其他地方。例如，如图1所示，监控器14可以与被安装或密闭在致动器外壳内的“第七轴”反馈装置或其他反馈/控制子系统集成在一起。另选地，监控器14可以作为独立的模块或硬件包提供，并连接到外部用户界面或更高级别的控制器。如下所述，监控器14也可以与机器人控制器集成在一起，例如与设置在机器人控制器内部的第七轴控制系统集成在一起，并且被配置为允许机器人控制器控制并与致动器12通信，或者在单独的致动器/执行器控制子系统中。在机器人系统10的操作中，机器人设备16操纵机器人臂17以将焊枪或其他端部执行器18相对于工件定位，并且致动器12被操作以执行对应的功能(例如，在汽车组装工艺中的焊接操作或其他工业任务)。如图1所示，机器人系统10包括具有示教盒或其他手动界面21的机器人控制器20，示教盒或其他手动界面21适于编程和控制机器人设备16以与致动器12和焊枪型执行器18一起定位机器人臂17。单独的控制器22被配置为例如通过利用机器人缆线包或类似的缆线24通过用于电力的附加连接28、电机控制以及分别来自致动器12和监控器14的反馈在焊枪或执行器(或其他机器工具部件)18上操作变压器26以控制执行器的操作。机器人焊接和其他自动化机器工艺相对于手动方法具有许多优点，包括精确定位、一致质量、节能以及对设计变更和其他工业需求的适应性。例如，在机器人焊接中，有效性取决于焊嘴的精确和可靠的定位，并且合适的电动机驱动器线性致动器12可以提高操作速度和定位精度以用于每分钟更一致、高质量的焊接，并具有更少的焊穿和更长的焊嘴寿命。在数周、数月和数年的过程中，致动器12和端部执行器18的部件被暴露于磨损、应力和其他操作效果。可以安排例行维护以取代焊嘴和其他磨损部件，但解决其他可预测性较差的服务要求，特别是在不同应用中操作状况可能变化很大的情况下，更高级的监控可能是必要的。为了解决这些问题，可以利用监控器14来提供高级的诊断和预测功能，包括针对一系列不同操作状况和潜在故障模式的自适应和预测功能。通过合适的传感器布置，可以利用这些功能来增加致动器12的有用使用寿命，减少机器人系统10的停机时间和意外的维护要求。图2为具有外部监控器(或监控器封装)14的致动器系统12的剖视图。在该特定示例中，监控器14通过一个或多个连接器30安装到致动器外壳32。另选地，监控器14可以被安装到机器人臂或者集成到另一控制或反馈系统中，例如作为焊接控制器或其他更高阶的过程级装置的硬件或软件模块。如图2所示，致动器系统12包括安装到外壳32的监控器封装14，致动器系统12具有内部电机系统34，该内部电机系统34包括中空转子35，该中空转子35邻近定子(或定子绕组)36围绕螺杆轴40同轴地延伸。转子35被支撑在一个或多个轴承38上，并且旋转地耦接至螺纹螺杆或螺杆轴40。取决于冲程末端处杆顶端位置的期望转矩和重复性特性，定子36可以以分段或偏斜设计提供。螺母42(例如滚珠或滚柱螺母)在致动器外壳32内部的后(远端)端处耦接至推力管44。推力管44也被支撑到位于外壳32的前端(近端)处的一个或多个末端轴承或套管元件46上。响应于转子35对螺杆轴40的旋转，螺母42接合致动器12的螺纹螺杆轴(或动力螺杆)40以使推力管44和杆端48在直线方向上沿轴线A来回移动。在一些设计中，使用伺服电机34来驱动耦接至螺杆轴40的转子35(参见例如图3)。另选地，螺纹轴40可以耦接至推力管44，螺母42在轴向固定的位置与转子35可旋转地耦接，使得轴40和推力管44响应于螺母42的旋转沿轴线A来回移动。这些示例仅仅为代表性的，并且其他构造也包含在内。这些构造包括但不限于如本领域已知的滚柱螺杆组件、滚珠螺杆组件、倒置滚柱螺杆组件、倒置滚珠螺杆组件和其他致动器构造。高分辨率数字编码器50用于确定螺杆轴40的旋转位置，并因此控制推力管44和杆端48的线性位置。杆端48可以为多个应用提供共同的接口，例如通过螺纹耦接至焊帽或其他工作元件，从而允许致动器12在焊接过程或其他自动化工业操作期间控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电机致动器系统，包括：电机，配置为驱动螺杆轴和螺母组件围绕轴线相对旋转；推力杆，耦接至所述螺母组件，所述推力杆配置为响应于所述相对旋转而沿所述轴线进行往复运动；一个或多个传感器，配置为采集表征所述电机致动器的操作状况的传感器数据；存储器，配置为存储模型数据，所述模型数据表示用于所述电机致动器系统的正常操作模式和故障模式的所述操作状况；处理器，配置为基于对由所述传感器数据表征的所述操作状况相对于所述模型数据的分析来生成状态指示符；以及界面，配置为将所述状态指示符传送到被配置为用于操作所述电机致动器的控制装置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.14 US 62/218,2221.一种电机致动器系统，包括：电机，配置为驱动螺杆轴和螺母组件围绕轴线相对旋转；推力杆，耦接至所述螺母组件，所述推力杆配置为响应于所述相对旋转而沿所述轴线进行往复运动；一个或多个传感器，配置为采集表征所述电机致动器的操作状况的传感器数据；存储器，配置为存储模型数据，所述模型数据表示用于所述电机致动器系统的正常操作模式和故障模式的所述操作状况；处理器，配置为基于对由所述传感器数据表征的所述操作状况相对于所述模型数据的分析来生成状态指示符；以及界面，配置为将所述状态指示符传送到被配置为用于操作所述电机致动器的控制装置。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器中的至少一个被配置为采集表征所述电机致动器的部件温度的传感器数据，所述状态指示符表示与所述正常操作模式中的至少一个相关的部件温度，并且基于与所述故障模式中的至少一个相关的温度来交替地预测部件故障。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器中的至少一个被配置为采集表征输送到所述电机的电机电流的传感器数据，并且所述处理器被配置为估算以下项中的一个或多个：所述推力杆的基于所述电机电流的循环计数的行进距离；由所述致动器系统基于所述电机电流的幅值产生的转矩或推力；以及所述推力杆的基于所述电机电流的频率的速度。4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述状态指示符基于与所述正常操作模式中的至少一个相关的所述电机电流来表示所述致动器系统上的压力，并且基于与所述故障模式中的至少一个相关的所述电机电流交替地预测部件故障。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器中的至少一个被配置为采集表征所述推力杆的位置的传感器数据，并且所述处理器被配置为确定以下项中的一个或多个：所述推力杆的基于所述位置的行进距离；由所述致动器系统做的基于所述行进距离和所述电机电流的功；以及所述推力杆的基于所述位置以及对应的定时数据的速度或加速度。6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述状态指示符基于所述行进距离、所做的功、所述速度和所述加速度中的至少一个来表示所述电机致动器的部件上的磨损。7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器中的至少一个被配置为采集表征所述电机致动器的部件的机械振动的传感器数据，所述状态指示符基于所述机械振动的与所述正常操作模式中的至少一个相关的频率或振幅来表示部件的磨损，并且基于所述机械振动的与所述故障模式中的至少一个相关的频率或振幅中的变化来交替地预测机械部件的故障。8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述传感器中的至少一个包括声学传感器，所述声学传感器被配置为采集表征所述机械振动的音频信号。9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器和所述存储器与所述电机致动器系统集成在一起，并且所述存储器被配置为存储所述电机致动器系统的操作的记录，所述记录包括：所述电机致动器在各种电机电流电平和温度下操作的时间段的直方图数据；以及由所述传感器采集的具有用于确定所述状态指示符的相关联的定时数据和信息的所述传感器数据的至少一部分；其中，所述状态指示符表示所述电机致动器系统的估算剩余使用寿命并且交替地预测所述电机致动器系统的故障事件。10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器被配置为使用经选择用于生成所述模型数据并随时间跟踪所述电机致动器系统的健康状况的一个或多个算法来分析由所述传感器采集的所述传感器数据，所述处理器还被配置为生成选自下列各项的具体的健康状况和状态警告或关键部件级别的故障信息：所述电机致动器系统的剩余可用使用寿命；所述电机致动器系统的润滑间隔；由于所述电机的高时间平均速度造成的所述电机致动器系统的过热；以及由于输送给所述电机的高时间平均电流造成的所述电机致动器系统的过热。11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述状态指示符还包括基于用于配置所述系统以进行诊断和预测计算的应用数据的健康或预测信息，所述应用数据包括用于所述电机致动器的规范和用于生成所述状态指示符和以下一项或多项的部件级别的统计信息：诊断所述电机致动器系统的部件或系统故障；预测所述电机致动器系统内的部件的故障；以及估算所述电机致动器系统的剩余可用使用寿命。12.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括位置反馈装置，所述位置反馈装置具有用于所述传感器中的一个或多个的电输入连接部，所述传感器中的一个或多个被配置为采集表征基于物理参数的所述操作状况的传感器数据，所述物理参数选自部件温度、电机电流、机械振动和由所述电机致动器系统发出的声音。13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述位置反馈装置包括编码器，所述编码器包括所述处理器并且被配置为执行存储在所述存储器中的一个或多个算法以生成传送给所述控制装置的状态指示符。14.根据权利要求12所述的系统，所述系统还包括绝对式或增量式光学数字位置编码器、基于磁性或基于电容的数字位置编码器以及连接到所述位置反馈装置以用于确定所述推力杆的位置的解算器中的一个或多个，所述位置反馈装置能操作为用于执行所述算法的计算平台、用于存储所述电机致动器系统的装置和应用参数的操作历史的数据存储平台以及用于发送将所述状态指示符传送到所述控制装置的消息的通信界面。15.一种系统，包括：电机，配置为操作致动器；一个或多个传感器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂芬·贝瑟，加里·W·罗森格伦，帕特里克·霍巴特，罗伯特·舒尔茨，史蒂芬·迪·马尔科，阿龙·迪特里克，
申请(专利权)人：拓诺麦公司，
类型：发明
国别省市：美国,US