專利名稱：超高壓泵的制作方法
超局壓栗本發(fā)明涉及一種特別用在水射流切割裝置中的超高壓泵。
背景技術(shù)：
水射流切割裝置已使用一些年，其用來切割各種材料，例如鋼、鋁、玻璃、大理石、塑料、橡膠、軟木和木材。工件放置在淺水槽上方，排出切割射流的刀頭橫過工件精確地放置，以完成希望的切割。由攜帶有細(xì)顆粒研磨材料的非常高壓力的水射流(高達(dá)90，OOOpsi)的組合執(zhí)行切割動(dòng)作，細(xì)顆粒研磨材料通常是沙子，其起切割作用。離開刀頭的水和沙子在工件下面收集在水槽中。在與水射流切割相關(guān)的行業(yè)中，用語“超高壓”(UHP)水射流用來定義水加壓到50, OOOpsi以上，然后用作切割工具的過程。高壓水被迫壓通過通常是紅寶石、藍(lán)寶石或鉆石的寶石中的直徑典型地在0.1mm與0.5mm之間的非常小的孔。雖然大于50，OOOpsi的壓力被定義為超高壓，但設(shè)想這些壓力可以是100，OOOpsi
那樣大。在我們的待審專利申請(qǐng)W02009/117765中，我們公開了 一種超高壓泵，其特別設(shè)計(jì)為與特定類型的水射流切割裝置一起使用。對(duì)這種泵來說，緊湊性和效率的問題是至關(guān)重要的，并需要在超高壓下可靠操作的泵。還需要以它們可容易地裝配到許多類型現(xiàn)有水射流切割機(jī)的方式設(shè)計(jì)的泵。還需要以最小壓力變化精確調(diào)節(jié)壓力的泵。這些問題導(dǎo)致了本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供一種超高壓泵，其包括連接到活塞的伺服馬達(dá)，活塞具有布置在汽缸內(nèi)的頭部，以限定泵室，由此伺服馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)使活塞往復(fù)移動(dòng)，以使泵室中的流體加壓到大于50，OOOpsi的壓力，伺服馬達(dá)具有連接到計(jì)算機(jī)的反饋回路，所述反饋回路包括壓力反饋信號(hào)，以實(shí)時(shí)控制泵壓力。根據(jù)本發(fā)明的另外方面，提供一種超高壓泵，其包括伺服馬達(dá)，所述伺服馬達(dá)適于使中空轉(zhuǎn)子軸沿交替方向軸向旋轉(zhuǎn)，伺服馬達(dá)具有定子，所述定子繞中空轉(zhuǎn)子軸同軸定位，轉(zhuǎn)子軸的內(nèi)部同軸連接到驅(qū)動(dòng)裝置，以將軸向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成往復(fù)移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置具有相對(duì)的端部，每個(gè)端部都連接到活塞，所述活塞具有布置在汽缸內(nèi)的頭部，以在活塞頭部與汽缸之間限定泵室，由此轉(zhuǎn)子軸的交替旋轉(zhuǎn)使活塞往復(fù)線性移動(dòng)，以使泵室中的流體加壓到大于50，OOOpsi的壓力，伺服馬達(dá)包括監(jiān)控驅(qū)動(dòng)裝置位置或速度的編碼器、監(jiān)控流經(jīng)定子的電流的裝置以及連接到泵室輸出部的壓力傳感器，由此來自編碼器、壓力傳感器和定子的信號(hào)反饋到計(jì)算機(jī)控制單元，以確保泵以選定的壓力操作。優(yōu)選地，泵室的輸出部連接到壓力傳感器。


現(xiàn)在將參照附圖并僅通過舉例方式說明本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中:
圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的超高壓泵的截面圖，圖2是沿圖1的線B-B截取的截面圖，圖3是由軌道和線性軸承支撐的滾珠絲杠的立體圖，圖4是滾珠絲杠的立體圖，圖5是用于滾珠絲杠的支撐件的立體圖，以及圖6是示出連接到水射流切割機(jī)的泵并展示操作控制的流程圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，超高壓泵10包括圓柱形殼體11，水冷夾套12嵌入殼體11中。殼體11具有端蓋16、17，端蓋16、17在伺服馬達(dá)繞組19附近支撐中空轉(zhuǎn)子軸15。轉(zhuǎn)子軸15的一個(gè)端部13由位于殼體11與轉(zhuǎn)子軸15之間的環(huán)形軸承14A、14B支撐。轉(zhuǎn)子軸15的另一端部18和端蓋16由軸承28支撐。端部18還支撐由端蓋16容納的編碼器80。編碼器80監(jiān)控轉(zhuǎn)子軸15的位置或速度。轉(zhuǎn)子軸15容納滾珠絲杠螺母30，滾珠絲杠螺母30進(jìn)而以螺紋方式接合在細(xì)長(zhǎng)的滾珠絲杠31上。滾珠絲杠螺母30與轉(zhuǎn)子軸15的內(nèi)部直接接合，并被限制線性移動(dòng)，以與轉(zhuǎn)子軸15 —起旋轉(zhuǎn)。絲杠31具有有螺紋的外部20，一個(gè)端部22被加工成正方形。正方形端部22裝配在相對(duì)的線性軸承23、24之間，線性軸承23、24在細(xì)長(zhǎng)的相對(duì)軌道25、26上行進(jìn)(圖3)。軌道25、26延伸超過殼體11的端蓋17。如圖3至5所示，滾珠絲杠31的正方形端部22由線性軸承23、24支撐，線性軸承23,24接合相對(duì)的表面。每個(gè)線性軸承23、24都具有外表面，所述外表面具有槽38、39，以容納細(xì)長(zhǎng)的軌道25、26，軌道25、26進(jìn)而緊固在位于轉(zhuǎn)子軸15內(nèi)的圓柱形軌道支撐件42中的槽41內(nèi)。設(shè)置適合的油路(未示出)以為線性軸承23、24和軌道25、26提供油通道，并且布置為線性軸承23、24通過接合滾珠絲杠31的正方形端部22防止?jié)L珠絲杠31的旋轉(zhuǎn)，但仍便于滾珠絲杠的縱向移動(dòng)。線性軌道25、26固定到軌道支撐件42的內(nèi)部，并且每個(gè)軌道25或26的鳩尾狀截面提供了平穩(wěn)行進(jìn)，但在軸承23或24與軌道25或26之間仍具有高度公差配合。如圖1所示，滾珠絲杠的相對(duì)的端部連接到活塞/汽缸泵組件48、49。每個(gè)組件48、49都包括具有狹小內(nèi)孔53的缸體52，在內(nèi)孔53中，連接到滾珠絲杠端部的活塞50、51布置為往復(fù)運(yùn)動(dòng)。活塞50、51在頭部中終止，頭部攜帶適合的密封環(huán)(未示出)，以和汽缸一起限定壓力室58、59。每個(gè)汽缸52都進(jìn)而由固定套60支撐，固定套60經(jīng)由凸緣61保持在泵的端部上，凸緣61栓接到適配器62，適配器62進(jìn)而栓接到殼體的端蓋16或17。每個(gè)汽缸固定套60的端部都支撐閥組件，所述閥組件結(jié)合有端塊71，進(jìn)水口 72經(jīng)由內(nèi)部低壓止回閥73流進(jìn)端塊71中，流到狹窄直徑的出口管74，出口管74進(jìn)而由高壓止回閥75控制。伺服馬達(dá)使轉(zhuǎn)子軸15旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使?jié)L子螺母30旋轉(zhuǎn)，滾子螺母30被限制軸向移動(dòng)，因此意味著滾珠絲杠31在滾子螺母30內(nèi)線性移動(dòng)。通過使轉(zhuǎn)子軸15的旋轉(zhuǎn)方向反向，可使絲杠31因此來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以使活塞50、51往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使經(jīng)由進(jìn)水口 72引入壓縮室58、59中的水加壓，以實(shí)現(xiàn)以大于50，OOOpsi并高達(dá)100，OOOpsi的壓力從出口 74高壓供水。每個(gè)閥組件都具有由止回閥73控制的低壓進(jìn)水口 72，止回閥73以與汽缸軸線成45°的角與壓縮室58、59連通。高壓出口 74同軸定位到具有內(nèi)高壓止回閥75的汽缸的端部，并在高壓下將水輸送到減壓器(未示出)。高壓密封件定位在汽缸52的內(nèi)端部與活塞50、51之間，以防止回壓。用在優(yōu)選實(shí)施例中的伺服馬達(dá)是在大約600伏的DC電壓操作的無刷DC馬達(dá)。這是通常用在機(jī)床，并在傳統(tǒng)上是非常可控的以提供這種機(jī)床應(yīng)用中所需要的精度的馬達(dá)?；钊哂?00與200mm之間(優(yōu)選168mm)的沖程，并以大致每分鐘60至120的沖程往復(fù)運(yùn)動(dòng)。活塞沿一個(gè)方向的移動(dòng)持續(xù)大約0.8秒。泵被設(shè)計(jì)為以每分鐘2L與每分鐘8L之間供水量的最有效的方式操作。圖6是示出連接到高壓水切割機(jī)W的泵10的流程圖，高壓水切割機(jī)W具有刀頭H并由CNC控制器控制。CNC控制器僅控制切割機(jī)W的操作，而不控制高壓泵10的操作。如圖1和6所示，超高壓泵10以任一端部連接到進(jìn)口 72處的水源。高壓出水口74經(jīng)由減壓器(未示出)連接到高壓給水器(F)，高壓給水器(F)連接到水射流切割機(jī)W的刀頭H。壓力傳感器T提供與出口壓力成比例的信號(hào)，所述信號(hào)反饋到與泵10相關(guān)聯(lián)的計(jì)算機(jī)C。泵10還包括來自位置或速度編碼器80和定子電流監(jiān)控器90的反饋信號(hào)。計(jì)算機(jī)C允許操作員選擇通常在50，OOOpsi與100，OOOpsi之間的壓力，然后實(shí)時(shí)操作泵，以保持該壓力。如圖6所示，壓力傳感器T定位在高壓止回閥75與刀頭H之間的高壓水線中。然后這一信息直接送入驅(qū)動(dòng)器的計(jì)算機(jī)C中，以能夠?qū)崟r(shí)精確控制壓力，而不需要知道何時(shí)和多少水從刀頭分散。已知的系統(tǒng)需要位置、速度和送入CNC控制器中的電流的反饋，此時(shí)通過修改速度進(jìn)行壓力調(diào)整，以適合給定的壓力和流量。這種形式的閉合回路典型地需要約0.1s的時(shí)間來進(jìn)行信息接收、處理和返回到驅(qū)動(dòng)器。這對(duì)于允許系統(tǒng)在沒有警告的情況下嘗試響應(yīng)刀頭打開或關(guān)閉，并需要知道所需要的流量以應(yīng)用正確速度過于緩慢。在計(jì)算機(jī)C處的閉合回路運(yùn)行實(shí)時(shí)控制算法，實(shí)時(shí)控制算法每隔0.0025s接收并處理信息，這意味著，在沒有刀頭打開或關(guān)閉、或刀頭中是什么尺寸的孔(確定給定壓力下的流量)的任何預(yù)備知識(shí)的情況下，其可完全不受機(jī)械的限制。當(dāng)由于高度緊湊的設(shè)計(jì)結(jié)合有快速加速/減速時(shí)，這個(gè)特征意味著，泵可連接到任何機(jī)械，并以最小壓力變化提供具有恒定壓力的高壓水。壓力變化典型地是由于汽缸內(nèi)的柱塞換向時(shí)間和水的壓縮(壓力脈沖)、以及刀頭打開之后加速或當(dāng)?shù)额^關(guān)閉(刀頭塞住(dead head spike))時(shí)減速的滯后時(shí)間。在此描述的泵具有非常高的功率密度，這允許機(jī)械所需要的快速響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)水射流切割所需要的恒定壓力。汽缸內(nèi)的壓力基于汽缸內(nèi)的水的壓縮和解壓縮變化。水在20°C、60，OOOpsi下大致可壓縮15%，并且汽缸膨脹并在這些極端壓力下密封壓縮。這意味著，柱塞必須行進(jìn)其沖程的大致20%，以積累60，OOOpsi壓力，打開高壓止回閥75。在位置和速度控制系統(tǒng)中，這個(gè)壓縮階段會(huì)比用以上描述的壓力反饋系統(tǒng)需要更長(zhǎng)的時(shí)間。這是因?yàn)?，使用壓力反饋系統(tǒng)，當(dāng)柱塞減慢并開始換向時(shí)，系統(tǒng)看到壓力開始下降(因?yàn)楫?dāng)水通過刀頭中的孔不斷漏出時(shí)沒有額外的水進(jìn)入系統(tǒng))，并隨著壓力下降開始越來越快地加速。這種加速在整個(gè)壓縮階段持續(xù)，直到止回閥打開，并且額外的水使系統(tǒng)重新加壓到目標(biāo)壓力，然后此時(shí)減速到所需要的速度，以保持希望的壓力。結(jié)果是在柱塞的反向(稱為“壓力脈沖”)過程中經(jīng)歷了壓力下降的顯著減少。減少的壓力脈沖(或恒定壓力)在水射流切割應(yīng)用中是非常希望的，因?yàn)樗试S更快的切割速度，由于減少的條紋具有更高質(zhì)量的邊緣光潔度。減少的壓力脈沖還導(dǎo)致如軟管、配件和減壓器的高壓組件的更長(zhǎng)壽命。以上描述的伺服驅(qū)動(dòng)泵比增壓泵更有效，同時(shí)還提供了在不切割時(shí)能夠存儲(chǔ)和保持壓力的希望的能力，因此僅使用最小的功率。轉(zhuǎn)子軸被設(shè)計(jì)為以大約1500rpm運(yùn)行，并且活塞在孔中行進(jìn)的長(zhǎng)度是大約180_，頭直徑在14mm與22mm之間。這使整個(gè)組件體積小重量輕，并比增壓泵更安靜。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還非常靈敏，并且可無限控制在毫秒內(nèi)調(diào)整壓力。壓力反饋回路還能容易地診斷系統(tǒng)內(nèi)的泄露。通過電流、位置/速度和壓力的組合，可確定也被稱為進(jìn)口止回閥的低壓止回閥73的泄露。這些都是超高壓泵的定期維護(hù)項(xiàng)目，并定期得到密封表面之間的磨損組件的小碎片，允許水回到供水入口而不累積壓力。這意味著，在高壓止回閥75與刀頭之間無壓力傳感器的系統(tǒng)不能確定是否存在泄露的低壓止回閥或漏氣的高壓軟管或泄露的高壓配件，因?yàn)樵谶@兩種情況下，電流控制器的反饋(或高壓止回閥之前的任何其他測(cè)量)將讀數(shù)相同，而事實(shí)是每種情況都需要完全不同的響應(yīng)。泄露的低壓止回閥需要增加的速度，以補(bǔ)償泄漏，而漏氣的高壓軟管或泄露的高壓配件需要緊急停止，以避免可能的損傷。存在許多使用電流反饋(或高壓止回閥之前的任何其他測(cè)量)確定壓力不能正確診斷問題的情況，這些包括:斷裂的導(dǎo)套、斷裂的密封墊環(huán)、破裂的或失效的汽缸、卡住的軸承或絲杠、以及失效的止回閥。在下面的權(quán)利要求和本發(fā)明的以上說明中，除了由于表達(dá)語言或必要含義而在上下文中另有要求外，措詞“包括”用于表達(dá)包含在內(nèi)的意思，即闡明存在所述特征，但不排除本發(fā)明各種實(shí)施例中存在的或附加的其他特征。應(yīng)理解，如果在此涉及任何現(xiàn)有技術(shù)公開文獻(xiàn)，這樣的引用不構(gòu)成對(duì)公開文獻(xiàn)形成澳大利亞或任何其他國(guó)家現(xiàn)有技術(shù)的公知常識(shí)的一部分的承認(rèn)。
權(quán)利要求
1.一種超高壓泵，包括連接到活塞的伺服馬達(dá)，所述活塞具有布置在汽缸內(nèi)的頭部，以限定泵室，由此所述伺服馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)使所述活塞往復(fù)移動(dòng)，以使所述泵室中的流體加壓到大于50，OOOpsi的壓力，所述伺服馬達(dá)具有連接到計(jì)算機(jī)的反饋回路，所述反饋回路包括壓力反饋信號(hào)，以實(shí)時(shí)控制泵壓力。
2.如權(quán)利要求1所述的超高壓泵，其中，所述伺服馬達(dá)包括編碼器，以監(jiān)控所述馬達(dá)的位置和/或速度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的超高壓泵，包括監(jiān)控流經(jīng)所述馬達(dá)的電流的裝置。
4.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的超高壓泵，其中，所述泵室的出口連接到壓力傳感器，所述壓力傳感器提供所述壓力反饋信號(hào)。
5.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的超高壓泵，其中，所述伺服馬達(dá)的輸出部是具有相對(duì)的端部的往復(fù)驅(qū)動(dòng)裝置，每個(gè)端部都連接到限定泵室的活塞汽缸。
6.一種超高壓泵，包括伺服馬達(dá)，所述伺服馬達(dá)適于使中空轉(zhuǎn)子軸沿交替方向軸向旋轉(zhuǎn)，所述伺服馬達(dá)具有定子，所述定子繞所述中空轉(zhuǎn)子軸同軸地定位，所述轉(zhuǎn)子軸的內(nèi)部同軸地連接到驅(qū)動(dòng)裝置，以將軸向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成往復(fù)移動(dòng)，所述驅(qū)動(dòng)裝置具有相對(duì)的端部，每個(gè)端部都連接到活塞，所述活塞具有布置在汽缸內(nèi)的頭部，以在所述活塞頭部與所述汽缸之間限定泵室，由此所述轉(zhuǎn)子軸的交替旋轉(zhuǎn)使所述活塞往復(fù)線性移動(dòng)，以使所述泵室中的流體加壓到大于50，OOOpsi的壓力，所述伺服馬達(dá)包括監(jiān)控所述驅(qū)動(dòng)裝置位置或速度的編碼器、監(jiān)控流經(jīng)所述定子的電流的裝置以及連接到所述泵室輸出部的壓力傳感器，由此來自所述編碼器、壓力傳感器和定子的信號(hào)反饋到計(jì)算機(jī)控制單元，以確保所述泵以選定的壓力操作。
7.一種水射流切割機(jī)，包括由計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)的控制器驅(qū)動(dòng)的刀頭，所述刀頭連接到如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的超高壓泵，由此所述泵的壓力控制獨(dú)立于所述刀頭的控制。
8.一種操作水射流切割機(jī)的方法，包括以大于50，OOOpsi的壓力從由具有反饋回路的伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的泵提供切割介質(zhì)，通過監(jiān)控所述伺服馬達(dá)的位置或速度、提供給所述伺服馬達(dá)的電流和所述泵的輸出壓力，使用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制所述提供的壓力。
全文摘要
一種超高壓泵，包括連接到活塞的伺服馬達(dá)，活塞具有布置在汽缸內(nèi)的頭部，以限定泵室，由此伺服馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)使活塞往復(fù)移動(dòng)，以使泵室中的流體加壓到大于50,000psi的壓力，伺服馬達(dá)具有連接到計(jì)算機(jī)的反饋回路，所述反饋回路包括壓力反饋信號(hào)，以實(shí)時(shí)控制泵壓力。
文檔編號(hào)F15B3/00GK103154532SQ201180043372
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月13日
發(fā)明者達(dá)倫·J.·雷尤克斯 申請(qǐng)人:泰克鈮水刀有限公司