[发明专利]线缆疲劳监控器及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及线缆疲劳监控器及其方法，更具体地说，涉及针对由弯折和/或扭曲引起的线缆疲劳的线缆疲劳监控器及其方法。

背景技术

线缆广泛地应用于工业设备或装置中来传输工作负载。工作负载可以为功率、模拟数据或数字数据。当线缆发生疲劳时，其无法正常地传输并且可能引起设备或装置故障。

线缆疲劳由发生在诸如工业机器人一样的运动系统中的线缆弯折和/或线缆扭曲导致。工业机器人（机械臂）具有多个关节。当其工作时，其关节快速旋转，由此在关节中的或与关节连接的线缆快速地弯折或扭曲。因此，工业机器人容易产生线缆疲劳，进而发生故障的可能性较高。

传统的解决方案是线缆疲劳预测，即估计线缆的疲劳寿命并且在其不能工作之前更换。由于如下原因，上述估计可能是不精确的：

1.根据S-N曲线（S表示应力，N表示在部件发生故障之前弯折/扭曲的次数，S-N曲线是描述施加到部件的应力和部件疲劳寿命之间关系的曲线），应力的小改变可以导致疲劳寿命的大改变。例如，3%的应力的变化引起30%的疲劳寿命的变化。然而，对应力足够精确的仿真的成本是高的，由此就实际应用而言较高的疲劳寿命的误差是难以避免的。

2.尽管两条线缆来自相同的批次、由同一厂家生产，任何两条线缆的抗疲劳性能（应力和疲劳寿命之间的关系）是不同的。如果两条线缆由不同的厂家生产，则其差异将更大。机器人生产商频繁地进行线缆抗疲劳性能测试是不实际的。因此，由于线缆来自不同批次或由不同厂家生产，机器人生产商无法准确地知道其抗疲劳性能。其结果是即使对应力进行非常精确的仿真，仍无法精确地预测疲劳寿命。

其他现有解决方案是监控线缆疲劳并且当其无法正常工作时进行更换。相对于预测而言，其更为实际并且也已经有许多尝试。题为“带有功率线缆监视器的弧焊方法及装置”的专利（专利号：US005911893A）提出监控线缆疲劳的方法，即监控在功率线缆上的压降。当压降超过一定的阈值时，功率线缆应当更换。该专利的不足之处是：

1.当线缆的电阻较小时，可测量的压降需要非常大的电流。然而，在一般的线缆上难以传输如此之大的电流。因此，该专利仅适用于弧焊功率线缆。其不适于诸如数据线缆或电机功率线缆一样的大多数应用。

2.该专利引入新线缆（见图7和部件66和67）来测量压降，这增加了疲劳的风险。

题为“弧焊线缆监控器”（专利号：US005637241A）与前述专利相同。

现有一些专利描述利用机械性能来监控。当然，部件可以是线缆。如下是其中的一些：

题为“远程及无功率最小疲劳监控器及其方法”（公开号：US5531123A）；

题为“用于小直径管道节点的疲劳监控器”（公开号：JP61110029A）；

题为“用于测量疲劳损害程度的监控器材料、方法以及采用监控器材料的机器部件”（公开号：JP2001201432A）；

题为“疲劳损害监控器测量和疲劳损害监控器装置”（公开号：JP10111267A）；

题为“用于检测疲劳损害监控的监控器”（公开号：JP5113390A）；题为“旋转轴的疲劳监控器”（公开号：JP54116986A）；和

题为“具有疲劳老化监控器双功能的应变计”（公开号：JP7218214A）。

这些专利仍然具有不足，其原因为：

1.他们监控的是机械性能，而非电气性能。通常在疲劳过程中，在失去其机械性能之前，线缆失去其电气性能，即其不再适于传输功率/数据，但是其机械系能的变化是非常小的。因此，根据这些专利线缆仍可以使用，当时实际上其应当更换。

2.这些专利中的一些将监控器材料与被监控的部件连接。该监控器材料是用于估计被监控部件上的疲劳损害的参考值。然而，机器人没有太多安放监控器材料的空间。因为机器人总是很忙，所以拆卸监控器材料用于测试也是不适用的。此外，在监控器材料和被监控的部件之间的差引入新的误差。此外，如果机器人制造商应用这些专利，则其必须从线缆提供商得到监控器材料。因此，机器人制造商会失去商机。

根据其他现有技术，通过比较线缆的初始电阻值和弯折和/或扭曲之后的值来测试线缆的疲劳寿命。足够大到的退化意味着该线缆是疲劳的。例如，线缆的初始电阻值为0.493欧姆。在弯折和/或扭曲3,818,090次之后其电阻值变为0.702欧姆。因此，可以知道该批次的线缆的疲劳寿命大约为380万周期。然而，在线缆样本上没有工作负载并且可以使用万用表来测量电阻。对于安装在机器人中的线缆，工作负载将干扰万用表以至于电阻无法测量。

发明内容