JP2015514947A - アクチュエータ予測システム - Google Patents

Abstract

アクチュエータシステムは、シリンダに対して移動可能であるピストンを含むピストン−シリンダ構成を含む。第１の流路がピストン−シリンダ構成と流体連絡し、第２の流路がピストン−シリンダ構成と流体連絡する。制御システムが第１の流路を高圧流体源に流体的に接続するよう動作可能であり、ピストンを第１の方向に移動させるために、第２の流路を排出源に接続するよう動作可能である。圧力センサが第１の流路に流体的に接続され、圧力対時間曲線を生成するために、ピストンの動作中に十分な圧力データを測定するよう動作可能である。制御システムは、生成される圧力対時間曲線を制御システム内に記憶させられる既知の標準的な圧力対時間曲線と比較し、ピストン−シリンダ構成の状態を決定する。

Description

（関連出願の参照）
この出願は、２０１２年４月２０日に出願された米国仮特許出願第６１／６３６，４３１号の優先権を主張し、その全文をここに参照として援用する。

本出願はシリンダの状況を予測するシステム及び方法に関する。より具体的には、本発明は空圧又は液圧シリンダの状況を決定するために圧力又は他のパラメータを用いるシステム及び方法に関する。

製造ラインにおいて機器を作動させ且つ様々の構成部品のための推進力をもたらすために空圧及び液圧シリンダが産業の至る所で用いられている。時間の経過と共に、これらのシリンダの動作は劣化し得る。しかしながら、性能の劣化はシリンダの最終的な故障が起こるまで検出されないことが多い。使用者が故障に対する準備をしていないならば、それは相当な休止時間又はコストを招き得る。

本願発明の目的は、従来技術の上記問題を解決することである。

１つの実施態様において、本発明はシリンダの状態を監視するために１つ又はそれよりも多くの圧力センサを用いるシステムを提供する。システムはマイクロプロセッサ／コントローラを含み、マイクロプロセッサ／コントローラは、測定される圧力データを、既知の機能を遂行する特定のシリンダのための既知の基準と比較して、動作が許容し得るか否かを決定する。システムは独立型（スタンドアローン）であり得るし、或いは分散制御系の一部であり得る。一部の実施態様において、システムはシリンダ内のピストンの実際の位置を検出する位置センサを含み得る。

他の構成において、本発明はシリンダに対して移動可能であるピストンを含むピストン−シリンダ構成を含む、アクチュエータシステムを提供する。第１の流路がピストン−シリンダ構成と流体連絡し、第２の流路がピストン−シリンダ構成と流体連絡する。制御システムが第１の流路を高圧流体源に流体的に接続するよう動作可能であり、ピストンを第１の方向に移動させるために第２の流路を排出源に接続するよう動作可能である。圧力センサが第１の流路に流体的に接続され、圧力対時間曲線を生成するためにピストンの動作中に十分な圧力データを測定するよう動作可能である。制御システムは、生成される圧力対時間曲線を制御システム内に記憶させられる既知の標準的な圧力対時間曲線と比較し、ピストン−シリンダ構成の状態を決定する。

他の構成において、本発明はシリンダを含むアクチュエータシステムを提供し、シリンダは内部空間を定め、内部空間の第１の端に隣接して配置される第１の流体ポートと、内部空間の第２の端に隣接して配置される第２の流体ポートとを含む。ピストンが内部空間内に配置され、内部空間を第１の側と第２の側とに分割するよう動作可能であり、第１の側は第１の流体ポートと流体連絡し、第２の側は第２の流体ポートと流体連絡する。作動部材がピストンに結合され、ピストンの移動に応答して仕事を行うよう動作可能である。制御システムが第１の流体ポートを圧力源及び排出部の一方に選択的に流体的に接続するよう動作可能であり、ピストンを第１のポートから離れる方向及び第１のポートに向かう方向に選択的に移動させるために第２の流体ポートを排出部及び圧力源の他方に接続するよう動作可能である。圧力センサが第１の側と流体連絡し、ピストンの移動中に圧力データを測定するよう動作可能である。制御システムは、システムの状態を決定するために、測定される圧力データを既知の基準と比較するよう動作可能である。

他の構成において、本発明はアクチュエータシステムにおける故障を予測する方法を提供する。方法は、ピストン−シリンダ構成の第１の側に高圧流体を入れる(porting)こと、ピストンがシリンダに対してピストン−シリンダ構成の第２の側に向かって移動するのを可能にするよう第２の側から低圧流体を排出する(draining)こと、及びピストンの移動中に第１の側に隣接する流体の複数の圧力測定値を取ることを含む。方法は、複数の圧力測定値を既知の組の圧力値と比較することや、複数の圧力測定値と既知の組の圧力値との比較に基づき故障が起こりそうであるか否かを決定することも含む。

本発明の他の特徴は、詳細な記載及び添付の図面を検討することによって明らかになるであろう。

本発明を具現するシステムの１つの可能な構成を示す概略図である。 荷重及び制動を伴わない水平位置における新しいアクチュエータのための時間に対して測定された圧力値を示すプロット図である。 図２の構成と同じ構成におけるアクチュエータのための時間に対して測定された圧力値を示すプロット図であり、アクチュエータは損傷していることが知られている。 荷重を伴わないが制動を伴って水平位置における新しいアクチュエータのための時間に対して測定された圧力値を示すプロット図である。 図４の構成と同じ構成におけるアクチュエータのための時間に対して測定された圧力値を示すプロット図であり、アクチュエータは損傷していることが知られている。 荷重を伴わないが制動を伴って水平位置に配置された図２−５のアクチュエータよりも大きい直径を有する新しいアクチュエータのための時間に対して測定された圧力値を示すプロット図である。 図６の構成と同じ構成におけるアクチュエータのための時間に対して測定された圧力値を示すプロット図であり、アクチュエータは損傷していることが知られている。 荷重及び制動を伴う垂直位置における新しいアクチュエータのための時間に対して測定された圧力値を示すプロット図である。 図８の構成と同じ構成におけるアクチュエータのための時間に対して測定された圧力値を示すプロット図であり、アクチュエータは損傷していることが知られている。 ピストン測定システムを更に含む図１の構成を示す概略図である。 分散制御系を含むマルチアクチュエータシステムを示す概略図である。 １つ又はそれよりも多くのアクチュエータの性能及び状態を監視することにおける使用のためのモニタリングシステムのスクリーン画像である。 １つ又はそれよりも多くのアクチュエータの性能及び状態を監視することにおける使用のための図１２のモニタリングシステムの他のスクリーン画像である。 既知のアクチュエータのための基準試験結果を示す画像である。 欠陥シャフト又はロッドシールを備える図１４の既知のアクチュエータのための試験結果を示す画像である。 欠陥ロッド側ピストンシールを備える図１４の既知のアクチュエータのための試験結果を示す画像である。 欠陥後方ヘッド（ロッドの反対側）ピストンシールを備える図１４の既知のアクチュエータのための試験結果を示す画像である。

本発明のいずれかの実施態様を詳細に説明する前に、本発明がその適用において以下の記述中に記載され或いは以下の図面中に例示される本発明の構造の詳細及び構成部品の配置に限定されないことが理解されなければならない。本発明は他の実施態様が可能であり、様々の方法において実施され或いは実行されることが可能である。

図１は、アクチュエータ１５（例えば、空圧、液圧等）又は弁（バルブ）の状態を予測する或いは評価することにおける使用に適したシステム１０を例示している。システム１０は、シリンダ１７と、第１の圧力センサ２０と、第２の圧力センサ２５と、マイクロプロセッサ３０とを含む。例示のアクチュエータ１５は、典型的な二重作動アクチュエータ１５であり、シリンダ１７の両側にあるポート３５と、ポート３５の間に配置されるピストン４０と、ピストン４０から延びてシリンダ１７の１つの端から出るロッド４５とを有する。ピストン４０はシリンダ１７を第１のチャンバ５０と第２のチャンバ５５とに分割する。第１及び第２のチャンバ５０，５５の各々は、ピストン４０の移動を可能にする可変容積をもたらす。当業者が理解するように、ここに記載するシステム１０を異なる種類のアクチュエータ（例えば、ロッドレス）に適用し得るし、異なる作動流体（例えば、液圧流体、オイル、水、燃料、空気、他の気体、他の液体等）で動力供給されるアクチュエータと共に用い得る。加えて、例示のアクチュエータは如何なる方向にも付勢されていないが、このシステムをバネ復帰アクチュエータにも適用し得る。実際には、本発明を多くの設計に適合させ得るので、アクチュエータ又はバルブの実際の設計は概ね無関係である。

ピストン４０及びロッド４５を作動流体が入れられるポート３５から離れる方向に移動させるために、作動流体は１つのポート３５内に入ることが許され、他のポート３５から排出され或いは漏れ出ることが許される。ピストン４０の動作中に大きな圧力差が存在するので、ピストン４０とシリンダ１７との間にシール６０が設けられる。幾らかの量の使用後、このシール６０は摩耗し或いはその他の方法で劣化して、故障が起こり得る１つの地点を創り出し得る。ロッド４５が通じるシリンダ１７の端に第２のシール６５が設けられる。この第２のシール６５はロッド開口で漏れる作動流体の量を減少させる。使用を通じて、このシール６５は摩耗し或いはその他の方法で劣化し、可能な故障の第２の地点を創り出し得る。

典型的には、所望の動作をもたらすよう、必要に応じてポート３５に出入りするよう作動流体を方向付けるために、１つ又はそれよりも多くの弁７０が用いられる。好適な構成では、三方向弁７０は、第１の位置において、第１のポート３５が圧力供給源７５に対して開放されることを可能にし、第２のポート３５が排出部８０に対して開放されることを可能にする。第２の位置では、第１のポート３５が排出部８０に対して開放され且つ第２のポート３５が圧力供給源７５に対して開放されるよう、ポート３５は逆にされる。第１の位置及び第２の位置は反対方向においてピストン４０及びロッド４５の動作をもたらす。弁７０は両方のポート３５が閉塞される第３の位置ももたらし、それにより、作動流体をピストンの両側で捕捉する。第３の位置は、ピストン４０及びロッド４５が２つの末端の中間の何らかの位置に位置付けられ且つ保持されることを可能にする。加えて、ピストン４０及びロッド４５の速度、加速度、及び正確な位置を制御するよう、流体が移動するときに、ポート３５に出入りする流体の流れの速度を制御するために、可変流速弁又は他の流れ制御装置を利用し得る。

図１を引き続き参照すると、第１の圧力センサ２０は、第１のチャンバ５０内の圧力を測定するために位置付けられ、第２の圧力センサ２５は、第２のチャンバ５５内の圧力を測定するために位置付けられる。例示の構成において、第１のセンサ２０は、シリンダ１７の第１のチャンバ５０内に既に設けられている流体ポート３５から離間する第１のセンサポート８５内に位置付けられている。同様に、第２のセンサ２５は、シリンダ１７の第２のチャンバ５５内に既に設けられている流体ポート３５から離間する第２のセンサポート９０内に設けられている。他の構成では、圧力センサ２５を、シリンダ１７及び弁７０に接続される流体ラインと直列に接続し得るし、或いは、望まれ得るに応じて供給ライン又はシリンダチャンバ５０，５５から延びるタップラインに接続し得る。

圧力センサ２０，２５は、好ましくは、ある範囲の感知される圧力を有し、それは約０．０１ｐｓｉの精度を伴って１５０ｐｓｉを超え、より多くの或いはより少ない精度のセンサも可能である。もちろん、２５０ｐｓｉ以上で動作するセンサも可能である。加えて、センサ２０，２５は、毎秒約１０００データポイントの速度でのデータ取得を可能にする応答時間をもたらすような大きさとされるのが好ましい。もちろん、望ましいならば、他の圧力センサを利用し得る。例えば、１つの構成では、アクチュエータ１５の所望の動作特性を測定するために、音圧センサ、音声センサ、又は他の振動センサが利用される。

好適な構成では、圧力センサ２０，２５を後続のアクチュエータ１５と共に再使用し得るよう、圧力センサ２０，２５はアクチュエータ１５に取り外し可能に接続される。代替的に、圧力センサ２０，２５をアクチュエータ１５の一部として製造し、アクチュエータ１５と共に交換し得る。

圧力センサ２０，２５は、それらのそれぞれのチャンバ内で測定される圧力をマイクロプロセッサ／コントローラ３０に送信される圧力信号に変換する。好適な構成において、マイクロプロセッサ／コントローラ３０は、データを取り込み、データを流し、且つ／或いは故障を分析し又は値を制御することに専念する。動作サイクルの数、最小及び最大温度、最大圧力等を取り込むために、データロガー機能も設け得る。各マイクロプロセッサ／コントローラ３０は、特異なＩＤを含み得る。図１に例示される構成では、有線接続が例示されている。しかしながら、赤外線、無線周波数等のような、無線接続も可能である。マイクロプロセッサ／コントローラ３０は圧力信号を受信し、圧力信号をアクチュエータ１５のための既知の信号と比較し、マイクロプロセッサ／コントローラを接続するアクチュエータ１５の性能及び状態に関する決定を行う。マイクロプロセッサ／コントローラ３０は、特定の状態が検出されるときに作動させ得る光源又は音声装置のような表示器を含み得る。例えば、アクチュエータ１５の過剰な摩耗又は損傷が検出されるときに、赤色光をもたらし且つ照明し得る。マイクロプロセッサ／コントローラ３０は、追加的な入力（例えば、周囲温度、圧力、制御信号等）を有し、多数の入力オプション（例えば、イーサネット（登録商標）、ＲＳ−４８５／４２２、ＲＳ−２３２、ＵＳＢ、ＲＦ、ＩＲ、ＬＥＤ点滅コード等）を備え得る。既に述べたように、マイクロプロセッサ／コントローラ３０は必要な比較を行い、アクチュエータ１５の動作、保守、又は状態に関する決定を行い得るし、或いは生データ又は決定情報を中央コンピュータに移転し、次に、中央コンピュータは１つ又はそれよりも多くのアクチュエータ１５のための情報を使用者に表示し得る。加えて、マイクロプロセッサ／コントローラ３０はデータロギング機能を行い、サイクルの数、最大及び最小の圧力又は温度、故障の数等のような、実質的に如何なる測定されるパラメータに関するデータをも記憶し得る。

動作中、任意の動作を行う実質的に如何なるアクチュエータ１５にも本システム１０を適用し得る。しかしながら、当業者が認識するように、任意の所与のアクチュエータ１５の性能は、適用される荷重(load)、アクチュエータ１５及び荷重の位置付け、アクチュエータ１５の大きさ、圧力源７５からの距離、及び任意の数の他の変数に伴って変化する。よって、好適なアプローチは、特定の用途において既知のアクチュエータ１５の性能を測定し、その測定されるデータを基準（ベースライン）として用いることである。基準は、許容し得る運動プロファイルを表し、マイクロプロセッサ／コントローラ３０によって、測定されるプロファイルと比較される。次に、この比較は、故障状況を決定し且つ報告するために用いられる。

図２は、１つのそのような基準測定の実施例を例示し、それは例示的であり、測定され且つ時間に対してプロットされる圧力を含む。図に示すように、圧力は約１０ｐｓｉから９５ｐｓｉの間で変化するが、他の圧力範囲も可能である。加えて、第１の方向におけるピストン４０の全ストロークは約１００ｍｓかかるが、より速い又はより遅いストロークも可能である。加えて、ロッド４５によって引き起こされるピストン面積の減少の故に、１つの方向におけるストロークは、反対方向におけるストロークよりも速くあり得る。

図２を引き続き参照すると、２つの曲線９５，１００があり、各曲線９５，１００は、圧力センサ２０，２５の１つからのデータを表している。第１の圧力センサ２０は、１０ｐｓｉよりも僅かに多い圧力を測定しており、従って、排出部８０に接続される。第２の圧力センサ２５は、９０ｐｓｉよりも僅かに上を測定しており、高圧源７５に接続される。よって、ピストン４０は、第１の圧力センサ２０に最も近い末端に変位される。初回には、第１のチャンバ５０、従って、第１の圧力センサ２０が高圧流体７５に晒され、第２のチャンバ５５、従って、第２の圧力センサ２５が排出部８０に対して開放されるよう、制御弁７０は第２の位置まで移動させられる。第２のチャンバ５５内の圧力は直ぐに降下し始め、実質的に指数関数的な曲線が続く。同時に、第１のチャンバ５０内の圧力は実質的に直線的に第１の圧力レベルまで増大する。第１の圧力に達するや否や、ピストン４０に対する高圧流体によって生成される力は、ピストンの機械的慣性及び如何なる付着摩擦にも打ち勝ち、ピストン４０は第２の圧力センサ２５に向かって移動し始める。ピストン４０の移動は、第１のチャンバ５０内の容積を増大させ、それにより、第１の圧力より下のレベルまでの圧力の降下を引き起こす。同時に、第２のチャンバ５５内の容積は減少させられ、圧力は加速的な速度で下方レベルに向かって降下する。ピストン４０がその進行の端に達するや否や、第１のチャンバ５０内の圧力は、高圧源７５の圧力とほぼ等しいレベルまで増大し、第２のチャンバ５５内の圧力は、排出圧力８０とほぼ等しいレベルまで降下する。

図２に例示されるように、反対方向における移動は、僅かに異なる圧力値及び継続時間を伴う類似の曲線をもたらす。圧力及び継続時間の変動は、チャンバ５０，５５の非対称的な構成に主に起因する。例えば、慣性及び付着摩擦に打ち勝つために必要とされる第１の圧力は、図２の１つの方向においてより低い。何故ならば、ピストン４０の第２のチャンバ側でのロッド４５の省略の故に、ピストン面積が僅かにより大きいからである。ピストン４０の対する全体的な力は、両方の方向においてほぼ同じである。もちろん、荷重が適用されるならば、この関係及び値は、少なくとも部分的にその荷重に基づき変化する。

図３は、図２のアクチュエータ１５と同じ動作を行う同じ種類のアクチュエータ１５を例示している。しかしながら、図３のアクチュエータ１５は、欠陥があることが知られている。図２の曲線９５，１００に対応する図３の曲線１１０，１１５の比較が、幾つかの相違を例示している。例えば、ピストン４０の動作を開始するのに必要とされる第１の圧力は、図２におけるよりも、図３において顕著により高い。加えて、ピストン動作が始まるや否や、第１のチャンバ５０内の圧力は、図２のアクチュエータで圧力が降下するよりも有意に降下する。よって、ピストン運動中の第１のチャンバ５０内の圧力変動は、図２の良好なアクチュエータ１５と比べるとき、図３の損傷したアクチュエータ１５でよりも大きい。

反対の圧力センサによって測定されるデータを表す曲線も図２と図３との間で異なる。例えば、弁７０を移動させる前に維持される高圧弁１２５は、図２におけるよりも図３においてより低い。加えて、排出部に対して開放されるとき、第２のチャンバ５５内の圧力は、図２のシリンダと比べられるとき、図３のシリンダ内でより速く降下する。

２つの曲線１１０，１１５の間の相違は、シリンダの可能な問題の例示でもあり得る。例えば、弁７０を切り換える前の第２のチャンバ５５内の最大圧力とピストン４０の動作１２０を開始するために必要とされる第１の圧力との間の差は、図２と図３との間で有意に異なる。加えて、ピストン４０の運動中及びとピストンのストロークの終わりでの２つのチャンバ５０，５５の間の圧力差は、図２のアクチュエータ１５と比べられるとき、図３のアクチュエータ１５のためよりもずっと小さい。

既述のように、アクチュエータ１５の装荷(loading)及び位置決めは、多くの他の要因と共に、圧力センサ２０，２５によって収集される圧力データに大いに影響を与える。図４及び５は、図２及び３のアクチュエータ１５と類似するが、ピストン４０の動作を遅くする制動の追加を伴う、アクチュエータ１５をそれぞれ例示している。再び、特定可能であり且つアクチュエータ１５の状態を評価するために用い得る曲線における相違があるが、それらの曲線は図２及び３の曲線と極めて異なる。

図６及び７は、荷重及び制動を伴わない水平動作中の同じアクチュエータ１５を例示している。アクチュエータ１５は、図２−５をもたらすために用いられたアクチュエータ１５よりも大きい直径である。図６は新しいアクチュエータ１５からのデータであり、図７は損傷していることが知られているアクチュエータからのデータを例示している。

図８及び９は、荷重及び制動を伴う垂直に取り付けられたアクチュエータ１５を例示している。図８は新しいアクチュエータ１５からのデータであり、図９は損傷していることが知られているアクチュエータからのデータを例示している。

第１のチャンバ５０及び第２のチャンバ５５内の圧力を測定することに加えて、システム１０は、ストロークの全時間期間を測定し得るし、ピストン４０の全サイクル又はストロークを計数し得る。保守サイクル目的のために或いはアクチュエータ１５の状態を評価するために、これらの値の両方を用い得る。例えば、マイクロプロセッサ／コントローラ３０は着色光を作動し、所定数のサイクルが起こったこと並びに定例の保守が行われるか或いはアクチュエータ１５が交換されるべきことを示す。システム１０は最大動作圧力も測定及び監視し、動作圧力の１つ又はそれよりも多くを超えているならば、警報（アラーム）を発し得る。

第１のセンサ２０及び第２のセンサ２５を用いて他のパラメータを監視し得るし、或いは他のパラメータを監視するために追加的なセンサを設け得る。例えば、作動流体温度、シリンダ金属温度、又は所望の任意の他の温度を監視するために、温度センサをアクチュエータ１５に結合し得る。動作圧力に対する温度の影響を補償するために温度データを用い得る。

上述の機能を監視するのに加えて、アクチュエータ１５の動作をより直接的に制御するためにもシステム１０を用い得る。例えば、マイクロプロセッサ／コントローラ３０は、弁７０又はピストン４０が移動する速度又はピストン４０によって生成される全体的な力を制御するためにアクチュエータ１５への流体の流れを制御する弁に制御信号を提供し得る。加えて、本システム１０は進行の終わりを検出し得るし、その地点で或いは所望であればその地点の前にピストン４０を停止させ得る。

システム１５０の他の構成は、シリンダ１７内のピストン４０の実際の位置を決定し得る位置測定システム１５５を含む。図１０に概略的に例示されるシリンダ１７は、図１のシリンダと同じであるが、位置測定システム１５５を含む。位置測定システム１５５は、シリンダ１７の長さに沿って離間する複数の磁気センサ１６０を含む。各センサ１６０は、各センサとピストン４０内に配置される或いはピストン４０に結合される磁石１７０のような他の磁石１７０との間の角度１６５を正確に測定し得る。角度１６５を示す信号が各センサ１６０からマイクロプロセッサ／コントローラ３０に送信される。マイクロプロセッサ／コントローラ３０は、ピストン４０の精密な位置を三角測量し且つ計算するために、様々の角度を用いる。次に、ピストン４０の位置を常に正確に制御するよう弁７０を制御するために、この位置データを用い得る。この位置情報を独立して用いても良いし、或いは制御及び／又はモニタリング目的のために他のセンサに加えて用いても良い。

単一のアクチュエータ１５の動作を監視し且つ制御するために、ここに記載するシステム１０，１５０を単独で用い得る。システムはアクチュエータ１５の状態が有意に変化するときに信号を出し得るし、保守が必要とされるときに信号を出し得るし、交換アクチュエータ１５又はシールが必要とされるときに信号を出し得る。

他の配置において、様々のマイクロプロセッサ／コントローラ３０は、図１１に例示されるような中央コンピュータ１７０と通信する。中央コンピュータ１７０は、必要に応じて１つの場所から個々のアクチュエータ１５を監視し且つ制御し得る分散制御系（ＤＣＳ）の一部である。

図１４−１７は、良好な状態にある既知のアクチュエータと３つの異なる既知の欠陥を伴う同じアクチュエータのための実際の試験結果を例示している。図１４−１７は、本システムを利用し得る１つの可能な方法を例示している。他の種類のアクチュエータは異なる故障モードを有し、従って、僅かに異なる分析を必要とし得る。加えて、ここに開示する絶対圧力、時間、及びサイクルは例示的であり、用途又は使用されるアクチュエータを含む多くの要因に依存して異なり得る。しかしながら、図１４−１７は、システムのための１つの可能な使用の例示である。

図１４は、良好であると知られる或いは許容し得る状態にある既知のアクチュエータの基準測定値を例示している。アクチュエータは、シャフト又はロッドシールと、ロッド側ピストンシールと、ロッド側シールとは反対のピストンの側に位置付けられるヘッドピストンシールとを含む。これらのシールのうちのいずれか１つがアクチュエータの使用中に故障し得る。本システムはアクチュエータが使用不能になる前にその故障を検出し得る。図示されるように、システムはピストンの両側から取られる圧力測定値に基づき波形（又は曲線）を生成する。例示されるように、３つの特定のデータ地点３０１，３０２，３０３が特定される。これらのデータ地点は特定の故障に応答して移動するので、これらのデータ地点を図１５−１７に関して議論する。加えて、シリンダの各側の最大圧力は実質的に等しいことを記さなければならない。これは良好なシリンダに典型的であるが、流体ポートの上流に位置付け得る人の圧力又は流れ調整器（レギュレータ）の機能である。追加的に、各波形の低い圧力は、良好なアクチュエータにおいて典型的であるように、大気圧とほぼ等しい。

図１５は、図１４のアクチュエータと同一であるが既知の欠陥を備えるアクチュエータのための類似の波形を例示している。具体的には、ロッドシールが損傷していることが知られている。図示されるように、２つの波形はもはや第１のデータ地点３０１で交差しない。むしろ、２つの地点３０１ａと３０１ｂとの間には今や２ｐｓｉの差があり、それらは当初の５７ｐｓｉ値から上方にシフトしている。加えて、第２の地点３０２は、６２ｐｓｉから５３ｐｓｉに下方にシフトし、第３の地点３０３は、５５ｐｓｉから４８ｐｓｉに下方にシフトしている。加えて、２つの波形の最大圧力は、欠陥の結果として異なる。アクチュエータが異常に動作していることを決定するためだけでなく、異常な動作の原因が欠陥ロッドシールでありそうであることを決定するためにも、これらの差のいずれか又は全てを用い得る。

図１６は、図１４のアクチュエータと同一であるが既知の欠陥を備えるアクチュエータのための類似の波形を例示している。具体的には、ロッド側ピストンシールは損傷していることが知られている。図示されるように、２つの波形は今や多くの差を含む。例えば、第１の地点３０１は、約３ｐｓｉだけ上方にシフトしている。加えて、第２の地点３０２は、６２ｐｓｉから５５ｐｓｉに下方にシフトし、第３の地点３０３は、５５ｐｓｉから４９ｐｓｉに下方にシフトしている。これらの変化は図１５の波形に関して議論したものと類似している。しかしながら、２つの波形の最大圧力は、今や約３．５ｐｓｉの差を有する。これは損傷したロッドシールの結果として見られるものよりも大きい差である。更に、損傷ロッドシールを備えるものと異なり、図１６の波形は、最小圧力の間の圧力差も示している。具体的には、１．５ｐｓｉの差が明らかに見られる。この差は欠陥ロッドシールの結果として存在しなかった。よって、アクチュエータが異常に動作していることを決定するためだけでなく、異常な動作の原因が欠陥ロッド側ピストンシールでありそうであることを決定するためにも、これらの差を用い得る。

図１７は、図１４のアクチュエータと同一であるが既知の欠陥を備えるアクチュエータのための類似の波形を例示している。具体的には、ヘッド側ピストンシールは損傷していることが知られている。図示されるように、２つの波形は、図１４の波形並びに図１５及び１６の波形と比べられると、今や多くの差を含む。例えば、第１の地点３０１は、図１４の波形と比べられると、シフトしていない。これは図１５及び１６にみられるものと異なる。同様に、第２の地点３０２及び第３の地点３０３は、図１４の波形と比べると、概ね不変のままである。よって、これらの３つの地点だけを見るならば、人は図１７のアクチュエータが良好な状態にあると結論付けるであろう。しかしながら、２つの波形の最大圧力は、今や３ｐｓｉよりも大きい差を有する。この差は図１６の差と類似の大きさであるが、方向は逆転させられている（即ち、反対のセンサがより高い）。

更に、図１６の波形と同様に、図１７の波形は、最小圧力の間の圧力差を示している。具体的には、約２ｐｓｉの差が明らかに見られる。最大圧力差と同様に、この差は図１６の波形中に存在したが、方向は再び逆である（即ち、反対のセンサは低い）。よって、アクチュエータが異常に動作していることを決定するためだけでなく、異常な動作の原因が欠陥ヘッド側ピストンシールにありそうであることを決定するためにも、これらの差を用い得る。

図１４−１７の波形を生成するために用いられるアクチュエータは荷重されなかったことを記さなければならない。よって、欠陥の結果としてのサイクル時間（Ｘ軸）における変動は実に少ない。しかしながら、荷重シリンダにおいて、上記で議論した欠陥はサイクル時間内に測定可能な変動も引き起こす。アクチュエータの状態を評価するために、これらの変動を測定し、報告し、且つ用い得る。潜在的な問題が起こったか否かを決定するために時間変動を用いることに加えて、一部の構成は、問題が起こっているか否か評価するために、曲線より下の領域を利用する。より具体的には、アクチュエータが可変圧力で又は可変速度で動作させられる状況において、曲線の間の領域を用い得る。これらの状況においては、曲線より下の全体的な領域は実質的に均一なままであることが分かった。よって、この領域の増大は、望ましくない漏れ又は他の性能不全を示す。他の用途において、曲線の間の領域における変動は、単独で或いは他の測定されるパラメータとの組み合わせにおいて、特定の故障モードを示し得る。

更に、プロセスを制御すること及びアクチュエータの状態を評価することの両方における使用のために、サイクルの開始及び終了を容易に検出し且つ報告し得る。加えて、サイクル時間が必要よりも速いか必要よりも遅いことが決定されるならば、所望のサイクル時間を達し、それにより、プロセスの品質を強化し、可能であれば、アクチュエータによって用いられる空気又は圧縮流体の量を減少させるよう、圧力を調節し得る。

図１２及び１３は、ここで議論するシステムと共に使用するための１つの可能なモニタリングシステムのイメージを例示している。図１２は、モニタリングシステムのための状態ページを例示している。状態ページは１つのアクチュエータの状態を含むが、多数のアクチュエータを一緒にして所望に例示し得る。例示されるイメージは３つの性能インジケータを含み、第１のインジケータは、上記で議論した波形分析に基づき赤色、黄色、又は緑色状態を提供する。第２のインジケータは、ストロークの終わりに達したことの表示を提供する。第３のインジケータは、サイクルの数に基づきアクチュエータ寿命の表示を提供する。寿命はアクチュエータの実際の耐用年数であり得るし、或いは特定のセンサのための推奨保守間隔を反映するよう設定され得る。

状態ページの第２の領域は、アクチュエータの様々の動作パラメータのための数多くのデータを提供する。他のパラメータを測定して所望に表示し得る。状態ページの第３の領域は、効率分析を提供する。この実施例において、効率はサイクル時間に基づく。表示されるデータは、所望のサイクル時間に対する実際のサイクル時間の比較であり、その結果に基づく推奨矯正作業を提供するよう設けられる空間を備える。この実施例では、アクチュエータは所望よりも速く動いている。よって、アクチュエータを遅くして操作コストを潜在的に減少させるために、流体の圧力を下げ得る。

図１３は、検討されているアクチュエータに特異なデータを提供する１つの可能な構成ページを例示している。この実施例では、ボアの大きさ、ストローク長、及び全サイクル数を追加し、記憶させ、且つ表示し得る。加えて、基準波形（図１４）を生成するために必要とされるステップをこのページから開始し得る。最後に、任意の測定パラメータのためのアラーム設定地点を設定し得る。各アラーム設定地点は、高いアラームと、低いアラームと、アラームを活性し或いは非活性化するセレクタ（選別器）とを有する。最後に、ファームウェア更新が必要とされるときに使用者に警報を発するために、ファームウェア更新状態が提供される。

本発明は（シリンダ、空圧シリンダ、又は液圧シリンダと呼ぶこともある）アクチュエータと共に使用されるように記載されていることを記さなければならない。しかしながら、他の用途において、本発明は弁又は任意の他の流れ装置に適用される。流れ装置は、流体の流れを制御し或いは流れ装置に向けられる流体の流れに応答して動作する任意の装置である。よって、本発明はアクチュエータだけに限定されてはならない。

よって、本発明は、アクチュエータ１５の動作を測定し且つ制御するためのシステム１０，１５０を提供する。システム１０，１５０は、データを収集し得る圧力センサ２０，２５と、アクチュエータ１５の状態を決定するためにデータを分析し得るマイクロプロセッサ／コントローラ３０とを含む。

Claims (20)

1. シリンダに対して移動可能であるピストンを含むピストン−シリンダ構成と、
   該ピストン−シリンダ構成と流体連絡する第１の流路と、
   前記ピストン−シリンダ構成と流体連絡する第２の流路と、
   前記第１の流路を高圧流体源に流体的に接続するよう動作可能であり且つ前記ピストンを第１の方向に移動させるために前記第２の流路を排出源に接続するよう動作可能である制御システムと、
   前記第１の流路に流体的に接続され且つ圧力対時間曲線を生成するために前記ピストンの動作中に十分な圧力データを測定するよう動作可能である圧力センサとを含み、
   前記制御システムは、前記生成される圧力対時間曲線を前記制御システム内に記憶させられる既知の標準的な圧力対時間曲線と比較し、前記ピストン−シリンダ構成の状態を決定する、
   アクチュエータシステム。
2. 前記シリンダは、内部空間を定め、前記ピストンは、前記内部空間を、前記第１の流路と流体連絡する第１の側と、前記第２の流路と流体連絡する第２の側とに分割する、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
3. 前記ピストンと前記シリンダとの間の流体の流れを抑制するために前記ピストンに結合されるピストンシールを更に含み、前記制御システムは、前記生成される圧力対時間曲線と前記制御システム内に記憶させられる前記既知の標準的な圧力対時間曲線との比較に基づき、前記ピストンの故障を予測するよう動作可能である、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
4. 前記ピストンに結合されるシャフトを更に含み、該シャフトと前記シリンダとの間の流体の流れを抑制するシャフトシールを含み、前記制御システムは、前記生成される圧力対時間曲線と前記既知の標準的な圧力対時間曲線との比較に基づき、前記シャフトシールの故障を予測するよう動作可能である、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
5. 前記圧力センサは、少なくとも毎秒１０００データポイントの速度でデータを測定するよう動作可能である、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
6. 前記圧力センサは、＋０．０１ｐｓｉ又は−０．０１ｐｓｉの精度で圧力データを測定するよう動作可能である、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
7. 前記ピストン−シリンダ構成は、空圧ピストン−シリンダ構成である、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
8. 前記制御システムは、マイクロプロセッサと、メモリ装置とを含み、前記既知の標準的な圧力対時間曲線は、１つ又はそれよりも多くの初期動作サイクル中に前記ピストン−シリンダ構成のために生成され、前記メモリ装置内に記憶させられる、請求項１に記載のアクチュエータシステム。
9. 内部空間を定め、該内部空間の第１の端に隣接して配置される第１の流体ポートと、前記内部空間の第２の端に隣接して配置される第２の流体ポートとを含む、シリンダと、
   前記内部空間内に配置され、前記内部空間を前記第１の流体ポートと流体連絡する第１の側と前記第２の流体ポートと流体連絡する第２の側とに分割するよう動作可能である、ピストンと、
   前記ピストンに結合され、前記ピストンの移動に応答して仕事を行うよう動作可能である、作動部材と、
   前記第１の流体ポートを圧力源及び排出部の一方に選択的に流体的に接続するよう動作可能であり、前記ピストンを前記第１のポートから離れる方向及び前記第１のポートに向かう方向に選択的に移動させるために、前記第２の流体ポートを前記排出部及び前記圧力源の他方に接続するよう動作可能である、制御システムと、
   前記第１の側と流体連絡し、前記ピストンの移動中に圧力データを測定するよう動作可能である、圧力センサとを含み、
   前記制御システムは、前記システムの状態を決定するために、前記測定される圧力データを既知の基準と比較するよう動作可能である、
   アクチュエータシステム。
10. 前記測定される圧力データは、生成される圧力対時間曲線に編集され、前記既知の基準は、前記制御システム内に記憶させられる既知の標準的な圧力対時間曲線を含む、請求項９に記載のアクチュエータシステム。
11. 前記ピストンと前記シリンダとの間の流体の流れを抑制するために前記ピストンに結合されるピストンシールを更に含み、前記制御システムは、前記測定される圧力データと前記既知の基準との比較に基づき、前記ピストンシールの故障を予測するよう動作可能である、請求項９に記載のアクチュエータシステム。
12. 前記作動部材は、前記シリンダを通じて延びるシャフトと、該シャフトと前記シリンダとの間の流体の流れを抑制するシャフトシールとを含み、前記制御システムは、前記測定される圧力データと前記既知の基準との比較に基づ、き前記シャフトシールの故障を予測するよう動作可能である、請求項９に記載のアクチュエータシステム。
13. 前記圧力センサは、少なくとも毎秒１０００データポイントの速度でデータを測定するよう動作可能である、請求項９に記載のアクチュエータシステム。
14. 前記圧力センサは、＋０．０１ｐｓｉ又は−０．０１ｐｓｉの精度で圧力データを測定するよう動作可能である、請求項９に記載のアクチュエータシステム。
15. 前記ピストン及びシリンダは、空圧ピストン−シリンダ構成を定める、請求項９に記載のアクチュエータシステム。
16. 前記制御システムは、マイクロプロセッサと、メモリ装置とを含み、前記既知の基準は、１つ又はそれよりも多くの初期動作サイクル中に生成され、前記メモリ装置内に記憶させられる、請求項９に記載のアクチュエータシステム。
17. 前記第２の側と流体連絡し且つ前記ピストンの移動中に第２の組の圧力データを測定するよう動作可能である第２の圧力センサを更に含み、前記制御システムは、前記システムの状態を決定するために、前記第２の組の測定される圧力データを第２の既知の基準と比較するよう動作可能である、請求項９に記載のアクチュエータシステム。
18. アクチュエータシステムにおける故障を予測する方法であって、
    ピストン−シリンダ構成の第１の側に高圧流体を入れること、
    前記ピストンが前記シリンダに対して前記ピストン−シリンダ構成の第２の側に向かって移動するのを可能にするよう前記第２の側から低圧流体を排出すること、
    前記ピストンの移動中に前記第１の側に隣接する前記流体の複数の圧力測定値を取ること、
    前記複数の圧力測定値を既知の組の圧力値と比較すること、及び
    前記複数の圧力測定値と前記既知の組の圧力値との比較に基づき、故障が起こりそうであるか否かを決定することを含む、
    方法。
19. 前記アクチュエータシステムの１つ又はそれよりも多くの初期動作サイクル中に前記既知の組の圧力値を生成すること、及び前記既知の組の圧力値を制御システム内に記憶させることを更に含む、請求項１８に記載の方法。
20. 少なくとも毎秒１０００データポイントの頻度で前記圧力測定値を取ることを更に含む、請求項１８に記載の方法。

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