專利名稱：采用伺服控制液壓活塞的伺服控制整體制動(dòng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用第一(工作)和第二(制動(dòng))伺服控制水壓活塞的裝置及其中所使用的方法，其中第二活塞作為第一活塞的受控機(jī)械制動(dòng)。有利的是，該裝置可控制在非常短的時(shí)間和非常短的距離內(nèi)制動(dòng)以相對(duì)高的速度移動(dòng)的第一活塞，同時(shí)有利的是，在該裝置中誘生非常小的彈性應(yīng)變。
背景技術(shù)：
金屬材料作為許多不同的產(chǎn)品中的必要部件起到不可缺少的作用。這些材料通常被制成大的鑄塊并通過(guò)如滾軋、鍛造或模壓變形成為后續(xù)的機(jī)械加工或成形中易于使用的和常規(guī)的薄片、金屬板、盤條或線材形式。這些變形通?；谥貜?fù)增加而發(fā)生，比如通過(guò)多機(jī)架滾軋機(jī)(multi-stand rolling mill)，其中材料重復(fù)通過(guò)連續(xù)的軋輥對(duì)。每通過(guò)一次就進(jìn)一步擠壓，即變形，材料成為更薄的料。典型地，每對(duì)軋輥與下一對(duì)間隔相等但具有比下一對(duì)更小的輥間間隔(“輥距”)。因此，隨著該材料變得更薄，它將更快地通過(guò)連續(xù)的軋輥對(duì)并縮短每次擠壓之間的時(shí)間。模壓、鍛造和壓彎成形操作也通常涉及逐漸增加的變形直到材料達(dá)到適當(dāng)?shù)某叽纭?br> 在生產(chǎn)條件下，小的增量變形通常以較高的速率產(chǎn)生。然而，正確地配置軋機(jī)、鍛壓機(jī)或壓彎成形機(jī)以適當(dāng)?shù)刈冃紊a(chǎn)原料并賦予該材料所需要的應(yīng)變及其它物理的/冶金學(xué)的特性可能是繁重的、耗時(shí)且代價(jià)高昂的過(guò)程，特別是由于這種機(jī)器在生產(chǎn)應(yīng)用中需要長(zhǎng)時(shí)間來(lái)適當(dāng)調(diào)整其操作參數(shù)。結(jié)果，為了避免高成本的停工期，熱力學(xué)材料測(cè)試系統(tǒng)被用來(lái)在相對(duì)小的金屬樣本上模擬滾軋、模壓，壓彎成形和鍛造過(guò)程。所得到的模擬數(shù)據(jù)用于適當(dāng)?shù)卦O(shè)置生產(chǎn)設(shè)備的各種操作參數(shù)，并如此縮短非生產(chǎn)的停工期。這種模擬器的例子包括目前的受讓人(“Gleeble”和“Hydrawedge”是DSI的專用注冊(cè)商標(biāo))紐約，Poestenkill動(dòng)態(tài)系統(tǒng)公司(DSI)制造的“Gleeble”和“Hydrawedge”系統(tǒng)。
使金屬材料變形的系統(tǒng)，特別包括材料測(cè)試系統(tǒng)，通常利用由伺服控制的液壓系統(tǒng)所產(chǎn)生的活塞/砧組合的線性運(yùn)動(dòng)，特別是以較高的速度加速和制動(dòng)活塞的。這種運(yùn)動(dòng)對(duì)于以希望的應(yīng)變率和經(jīng)過(guò)盡可能多的得到的變形賦予如被置于兩砧之間的材料所需的變形量是必要的。在這此情況中，運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到10米每秒的線性活塞系統(tǒng)被經(jīng)常使用，以每秒1或2米的速度移動(dòng)的線性活塞系統(tǒng)是很常見(jiàn)的。
特別是，在這樣的測(cè)試系統(tǒng)中，根本的問(wèn)題在于以如此高的速度運(yùn)行的活塞通常必須以基本上立即停止的方式被制動(dòng)，其間即使在很短的距離上其速度也不降低，否則給予該樣本的應(yīng)變率將在活塞的制動(dòng)距離上降低。另外，這些系統(tǒng)通常還利用一種或另一種機(jī)械裝置來(lái)制動(dòng)活塞，在活塞被制動(dòng)時(shí)，一些應(yīng)變被不利地引入到系統(tǒng)的各種結(jié)構(gòu)組件。通過(guò)有效地?cái)D壓系統(tǒng)的框架所增加的應(yīng)變，傾向于輕微地延長(zhǎng)制動(dòng)距離從而對(duì)測(cè)試樣本的最終變形產(chǎn)生不利影響。
高速變形正變得更為重要的另一領(lǐng)域是金屬薄板加工。其中，降低生產(chǎn)成本的需要要求用于使金屬材料變形，即，彎曲金屬薄片，的彎板機(jī)以愈加高速進(jìn)行操作。傳統(tǒng)的彎板機(jī)具有一套控制材料并使其成形或彎曲的異形模。這些壓模被安裝在相當(dāng)大、重的梁結(jié)構(gòu)中。通常，一個(gè)梁固定安裝，而另一個(gè)則以線性滑動(dòng)方式安裝。傳統(tǒng)的制動(dòng)裝置依靠通過(guò)大的飛輪和安裝在一個(gè)梁與飛輪之間的合適的連接臂/樞桿為這種線性滑動(dòng)方式產(chǎn)生線性運(yùn)動(dòng)。相對(duì)現(xiàn)代的壓彎成形機(jī)利用液壓伺服控制活塞/油缸系統(tǒng)控制壓模/梁運(yùn)動(dòng)。材料可被彎曲的精確取決于壓模在其沖程(行程)的底部可以多快被制動(dòng)。隨著壓模的速度增加，其制動(dòng)距離變得愈加不定。在這種情況下，沖程通常必須不利地以降低的速度進(jìn)行從而一致地在精確的位置制動(dòng)壓模。另外，被變形的金屬通常提供變化的負(fù)載給壓模。這些變化的負(fù)載導(dǎo)致控制系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償盡管壓模被制動(dòng)在所希望的位置，而通常又必要降低的速度用于得到隨后被處理的塊的精確的彎曲。如此降低的速度不利地減小了物料通過(guò)量。因此，為了以較高的速度一致地使材料變形并增加物料通過(guò)量，沖程必須在其整個(gè)沖程長(zhǎng)度中的速度和其制動(dòng)距離兩個(gè)方面進(jìn)行精確控制。
在這種情形下，如果是在材料被高速變形的材料測(cè)試系統(tǒng)或生產(chǎn)設(shè)備中，通常采用機(jī)械制動(dòng)以使高速的砧、錘或壓模停止在精確的位置。遺憾地是，每次所需的行程的量發(fā)生變化，這種機(jī)械制動(dòng)的位置也必須改變。
因此，為了提供始終一致的結(jié)果，需要即使在非常高的速度下在準(zhǔn)確的位置使得如砧、錘或壓模停止運(yùn)動(dòng)的裝置。這樣的制動(dòng)應(yīng)該在該裝置中產(chǎn)生非常小，如果有的話，的應(yīng)變以使得制動(dòng)位置保持相同而不管隨后被變形的負(fù)載的變化。這需要高速?zèng)_程的末端必須被精確地控制及可方便和快速地進(jìn)行改變。
美國(guó)專利5,092,179(在1992年3月3日授權(quán)給H.S Ferguson)描述了一種這樣的熱力學(xué)的材料測(cè)試系統(tǒng)。如其圖5所示，活塞509以及軸540和545的沖程通過(guò)制動(dòng)盤543停止。被變形的樣本材料570的位置被液壓油缸590、活塞592、楔組件585/582、軸575、負(fù)載單元574，盤568、砧座565以及砧560’推進(jìn)。每次樣本570被楔組件向左推進(jìn)，砧560縮回，然后再快速推進(jìn)到右側(cè)，從而使樣本570變形直到制動(dòng)盤543撞擊橫的制動(dòng)器(cross-stop)550。該系統(tǒng)固有的缺陷是在每次撞擊過(guò)程中，在樣本的右側(cè)(負(fù)載單元側(cè))支撐負(fù)載的整個(gè)楔組件彈性地發(fā)生一定量的應(yīng)變。這種彈性應(yīng)變使得砧560沿變形的方向移動(dòng)，從而在每次變形之后減小樣本變形的量并慢慢損害到樣本的最終厚度。一旦系統(tǒng)被用于以特定的溫度使特殊材料變形，控制該系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制的變形工藝流程(變形程序)可被改變以適應(yīng)由彈性應(yīng)變產(chǎn)生的變形的預(yù)期損耗(增加的材料厚度)。然而，這樣做是一種被動(dòng)的修正且決不可能精確。對(duì)于涉及3次或更多次撞擊材料的復(fù)合變形，適當(dāng)?shù)匦薷某绦驅(qū)⒆兊煤苜M(fèi)時(shí)且確定起來(lái)很麻煩。另外，隨著撞擊次數(shù)的增加，每次撞擊變得更不精確。因此，很需要用于熱力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的制動(dòng)機(jī)械裝置，在每次撞擊時(shí)對(duì)該系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)組件產(chǎn)生非常小的，如果有的話，應(yīng)變。
因而，在伺服控制的液壓系統(tǒng)的制動(dòng)機(jī)構(gòu)的技術(shù)中仍存在這種需要，如用于材料測(cè)試系統(tǒng)中，其中活塞可以從高速被制動(dòng)在精確的位置而不會(huì)行進(jìn)過(guò)頭且在正好達(dá)到停止時(shí)速度沒(méi)有實(shí)質(zhì)的減小。不管活塞的速度如何，該系統(tǒng)能夠反復(fù)地撞擊而每次停止在預(yù)定的位置。這種制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該產(chǎn)生非常小的，如果有的話，應(yīng)變。
另一個(gè)需要這種制動(dòng)裝置的依據(jù)可從下面得出?，F(xiàn)代的高速伺服閥可從其最大開(kāi)口的80％，通常在0.003秒內(nèi)關(guān)閉。若該閥控制的活塞以每秒1米的速度移動(dòng)，這在生產(chǎn)設(shè)備和材料測(cè)試系統(tǒng)中是經(jīng)常發(fā)生的，那么活塞將在制動(dòng)期間行進(jìn)大約1.5mm。這個(gè)距離在需要將該距離控制在0.005mm以內(nèi)的測(cè)試系統(tǒng)和高速?gòu)澃鍣C(jī)中是明顯不能被接受的?，F(xiàn)有制動(dòng)裝置的聯(lián)動(dòng)部件、軸以及楔在預(yù)期的負(fù)載時(shí)可能具有0.3mm或0.4mm的應(yīng)變。盡管這些減小的應(yīng)變顯著優(yōu)于完全未采用制動(dòng)裝置的結(jié)果，但在裝置本身中產(chǎn)生更小的應(yīng)變的制動(dòng)機(jī)械裝置仍然是需要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于克服了現(xiàn)有技術(shù)中與高速使用伺服控制液壓系統(tǒng)相關(guān)的缺陷，其中需要以制動(dòng)機(jī)械裝置中相當(dāng)小的，如果有的話，應(yīng)變實(shí)現(xiàn)非?？焖俚闹苿?dòng)。通過(guò)本發(fā)明，第一高速(工作)活塞被與該工作活塞同軸的第二(制動(dòng))活塞形成的可調(diào)機(jī)械制動(dòng)停止。
有利的是，本發(fā)明允許工作活塞的停止位置被快速地改變。另外，該發(fā)明通過(guò)其制動(dòng)特性和在制動(dòng)機(jī)械裝置中產(chǎn)生的最小的應(yīng)變，允許該伺服系統(tǒng)每次以接近于理想的制動(dòng)位置反復(fù)和快速地驅(qū)動(dòng)工作活塞多次而不管該活塞的速度快慢。高速制動(dòng)發(fā)生在極短的制動(dòng)距離上并且基本上是即時(shí)的。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，所述工作和制動(dòng)活塞受分離的伺服控制液壓系統(tǒng)控制且都被同軸設(shè)置在公用的工作活塞軸上，這些活塞在該軸上縱向分隔開(kāi)。兩個(gè)活塞在分離的相應(yīng)活塞油缸內(nèi)受控地移動(dòng)。所述制動(dòng)活塞在活塞軸上滑動(dòng)，該軸通過(guò)制動(dòng)活塞的縱向中心孔延伸。為了停止工作活塞的進(jìn)一步移動(dòng)，制動(dòng)活塞通過(guò)互補(bǔ)表面與在軸上徑向地延伸的圓形的制動(dòng)部件，如從該軸向外延伸并與該軸同心的凸肩，對(duì)接嚙合。優(yōu)選地及為了提供確定的制動(dòng)動(dòng)作，所述制動(dòng)活塞被設(shè)計(jì)為一定尺寸并以充分的水壓操作以提供比工作活塞更大的力。例如，工作活塞可提供最大40噸的力而制動(dòng)活塞可提供最大80噸或更大的力。
在操作過(guò)程中，所述制動(dòng)活塞通過(guò)對(duì)伺服控制水壓系統(tǒng)的適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)控制，按程序移動(dòng)到需要的工作活塞的制動(dòng)位置。工作活塞收回(在制動(dòng)活塞移動(dòng)之前、同時(shí)或之后)并且，一旦該制動(dòng)活塞被適當(dāng)?shù)囟ㄎ?，則工作活塞高速伸出。只要活塞軸上的制動(dòng)部件的表面對(duì)接嚙合位于制動(dòng)活塞上側(cè)的互補(bǔ)表面，工作活塞停止伸出。為了改變制動(dòng)位置，該制動(dòng)活塞再次通過(guò)對(duì)伺服控制的液壓系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)控制而簡(jiǎn)單地移動(dòng)，對(duì)于多重撞擊，重復(fù)該步驟。
制動(dòng)機(jī)械裝置僅包括制動(dòng)活塞和用于定位該活塞的液壓油。在負(fù)載變化時(shí)不需改變制動(dòng)連接部件、楔、軸或其它機(jī)械部件的尺寸。因此，制動(dòng)裝置中所產(chǎn)生的應(yīng)變顯著地減小。
根據(jù)本發(fā)明的特性，兩個(gè)制動(dòng)部件(即，上和下制動(dòng)部件)可被定位在活塞軸上，使相應(yīng)的制動(dòng)部件位于制動(dòng)活塞兩側(cè)中的一側(cè)。以這種方式，互補(bǔ)表面在該活塞的上表面和下表面上形成，該制動(dòng)活塞可在向上或向下(收回和伸出)的方向，而不僅是向下的方向上制動(dòng)工作活塞的運(yùn)動(dòng)。


通過(guò)下面結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)描述可以很容易地理解本發(fā)明的原理，其中圖1示出了分別表示在較低和較高速行進(jìn)過(guò)程中活塞路徑的典型曲線101和105，比如在彎板機(jī)或熱力學(xué)材料測(cè)試系統(tǒng)中發(fā)生的，在活塞行程的終端時(shí)，如圖所示，行進(jìn)速度降低以獲得正確的行進(jìn)距離和制動(dòng)位置；圖2示出了對(duì)應(yīng)于圖1所示曲線101的曲線201，但具有明顯提高的行進(jìn)速度并適當(dāng)減小的制動(dòng)距離，兩者都可通過(guò)使用本發(fā)明的機(jī)械制動(dòng)實(shí)現(xiàn)；圖3所示為本發(fā)明的第一實(shí)施例300的剖視圖，顯示工作活塞301在向下方向(伸出)的制動(dòng)運(yùn)動(dòng)；以及圖4所示為本發(fā)明的第二實(shí)施例400的剖視圖，顯示工作活塞401在向上和向下兩個(gè)方向(伸出和收回)的制動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
具體實(shí)施例方式
在仔細(xì)閱讀下面的描述后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可清楚地理解本發(fā)明的主要技術(shù)可易于與基于液壓活塞高速運(yùn)動(dòng)的各種應(yīng)用中的任何一種結(jié)合利用，這樣一種活塞須穩(wěn)定可靠地、始終如一且精確地在最小的距離內(nèi)制動(dòng)而在制動(dòng)裝置不需引起過(guò)度的應(yīng)變(并且，通過(guò)它，在例如，與其互連的機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)組件中產(chǎn)生應(yīng)變)。這些應(yīng)用例如包括高速?gòu)澃鍣C(jī)和模擬如，滾軋機(jī)、模壓機(jī)和錘鍛機(jī)的熱力學(xué)材料測(cè)試系統(tǒng)。
圖1示出了在彎板機(jī)或熱力學(xué)材料測(cè)試系統(tǒng)中典型產(chǎn)生的，分別表示在相對(duì)低和高速的行進(jìn)過(guò)程中活塞(未專門示出)路徑的典型曲線101和105。
如圖所示，曲線101表示伺服控制的液壓活塞的相對(duì)較慢的行進(jìn)路徑(mm)隨時(shí)間(ms)變化的曲線。彎曲的部分102和103分別由于啟動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)和制動(dòng)活塞所需要的時(shí)間間隔而產(chǎn)生。伺服系統(tǒng)的啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)間取決于液壓伺服閥的響應(yīng)、系統(tǒng)的慣性和包含在系統(tǒng)中的伺服回路的常規(guī)PID(比例的，積分的和微分的)設(shè)置的調(diào)整。該P(yáng)ID設(shè)置通常須隨著活塞的最大速度提高而進(jìn)行調(diào)整。
虛線104和104a表示該活塞的制動(dòng)位置預(yù)期的可能初始位置偏差。具體地說(shuō)，虛線104表示該活塞的可能的位置不足量(under-shoot)，而虛線104a表示該活塞的可能的位置過(guò)沖量(over-shoot)。明顯地，只要該活塞實(shí)際修正其位置到所希望的值，位置不足對(duì)變形處理具有很小的影響?；钊_(dá)到所希望的準(zhǔn)確位置的精度度取決于PID項(xiàng)的P(比例的或系統(tǒng)增益)設(shè)置。通常，隨著P項(xiàng)的值的增加，活塞的最終位置更靠近所希望的值。然而，隨著P值的增加，伺服系統(tǒng)擺動(dòng)的可能性也增加。結(jié)果，P項(xiàng)的最終設(shè)定通常是一折衷。如此一方面，在相對(duì)低速的行進(jìn)過(guò)程中，活塞的最終位置在其程序化的行程結(jié)束時(shí)可非?？拷Ｍ闹?。另一方面，在相對(duì)高速的行進(jìn)過(guò)程中，活塞的最終位置可能非?？拷渥詈蟪绦蛟O(shè)定值，但很少，若有，精確等于該值。在這方面，在高速行進(jìn)時(shí)，活塞需要較短的時(shí)間和距離達(dá)到所希望的位置，但是，由于液壓伺服系統(tǒng)的機(jī)械延遲以及其它的機(jī)械響應(yīng)特性，通常活塞將超出希望的最后位置(如虛線104a所示)。
曲線105表示隨時(shí)間變化的伺服控制活塞的相對(duì)高速行進(jìn)路徑。位置不足量106和位置過(guò)沖量106a大于曲線所示的較低速度行進(jìn)路徑，并且位置過(guò)沖可能包括一些擺動(dòng)(也未示出，但是公知的)。若該活塞用于移動(dòng)撞錘或砧，以壓縮變形樣本，如在熱力學(xué)材料測(cè)試系統(tǒng)中的情況，則位置過(guò)沖將使得樣本發(fā)生不希望的變形并在樣本中產(chǎn)生過(guò)度的應(yīng)變。如果活塞移動(dòng)，如，錘壓彎成形機(jī)上的壓模，則在彎折金屬薄片過(guò)程中，過(guò)沖將使金屬過(guò)度彎曲。
圖2示出了曲線201，對(duì)應(yīng)于圖1中所示曲線101，但具有明顯提高的行進(jìn)速度和適當(dāng)減小的制動(dòng)距離，兩者都可通過(guò)利用本發(fā)明的機(jī)械制動(dòng)獲得。
在此，圖2表示活塞的隨時(shí)間(ms)變化的相對(duì)高速的行進(jìn)路徑201(mm)以及快速制動(dòng)的位置202，其中根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，高速(第一)活塞撞擊由第二(制動(dòng))活塞實(shí)現(xiàn)的機(jī)械制動(dòng)器。在達(dá)到位置202之后不需要第一活塞的伺服控制，這是因?yàn)榈诙钊乐沟谝换钊^續(xù)行進(jìn)。控制第一活塞移動(dòng)的伺服系統(tǒng)的PID設(shè)置重要性小得多，因?yàn)橐坏┰摶钊矒舻诙钊?，伺服系統(tǒng)不再控制該活塞。第二活塞克服，并且實(shí)際上，立即停止第一活塞的繼續(xù)移動(dòng)，因?yàn)榈诙钊峁┝吮鹊谝换钊蟮枚嗟牧Α?br> 通過(guò)有效提供即時(shí)的而突然的制動(dòng)(線202所示)，本發(fā)明允許第一活塞有利地以比圖1中的曲線101向上傾斜的中間部分相應(yīng)的速度明顯提高的行進(jìn)速度(如曲線201的接近垂直的部分所示)運(yùn)行。
圖3所示為本發(fā)明的第一實(shí)施例300，為清楚起見(jiàn)采用剖視圖，顯示工作活塞301的制動(dòng)運(yùn)動(dòng)在向下方向(伸出)。
機(jī)箱340包含串聯(lián)配置的兩個(gè)液壓缸308和317。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，盡管圖3和圖4所示的實(shí)施例的各機(jī)箱由數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)塊構(gòu)成，與所有適當(dāng)?shù)姆饪谝黄鹩糜趯⑦@些塊固定在一起的緊固件(這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的)為簡(jiǎn)要起見(jiàn)在此特意省略。
第一(工作)活塞301在油缸308內(nèi)按照箭頭330所指示的方向(伸出和收回)受控地雙向移動(dòng)。這個(gè)活塞與從末端位置302延伸到末端位置303的活塞軸312形成一個(gè)整體。軸312由兩塊(未特別標(biāo)明)易于裝配的組件構(gòu)成。這兩塊是通過(guò)螺釘和螺絲組裝在一起(具體地說(shuō)，用螺絲擰緊)使在接縫302a處具有一定位環(huán)(未示出)。從軸312，具體地從末端位置303引出的具有螺紋的螺旋延長(zhǎng)部304延伸到適當(dāng)?shù)?、常?guī)的線性位移傳感器(未示出)以測(cè)量活塞301的當(dāng)前位置。該傳感器與伺服控制器和程序器(常規(guī)的，也未示出)相連接。由于伺服控制器和程序器都是常規(guī)的且在本領(lǐng)域中是公知的，因而在此不進(jìn)行詳細(xì)描述。從傳感器來(lái)的位置信號(hào)作為位置反饋信號(hào)被送到伺服控制器，伺服控制器再控制伺服閥305。
閥305指引通過(guò)導(dǎo)管306和307由適當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)液壓泵(未示出)提供的加壓液流(液壓油)進(jìn)入到油缸區(qū)域308a和308b中的一個(gè)并流出另一個(gè)。如圖所示在油缸308內(nèi)，區(qū)域308a位于工作活塞301之上；而油缸區(qū)域308b位于工作活塞301之下。將接收液體的特定區(qū)域(以及相關(guān)地將失去液體的區(qū)域)，及因此液體通過(guò)導(dǎo)管流動(dòng)的方向由伺服控制器根據(jù)工作活塞301是否將伸出(向上移動(dòng))或收回(向下移動(dòng))來(lái)確定。閥門的開(kāi)啟確定液體流入一油缸區(qū)域和流出另一油缸區(qū)域的速率，并因此確定工作活塞301的移動(dòng)速度。閥門保持開(kāi)啟的時(shí)間與閥門開(kāi)啟的大小結(jié)合確定活塞在油缸內(nèi)的最終位置。油缸308在兩端用適當(dāng)?shù)拿芊庋b置和軸承309和310予以密封(相同的密封裝置和軸承也被用于油缸317的遠(yuǎn)端，未特別標(biāo)明)?；钊?01具有適當(dāng)?shù)拿芊庋b置311以使油缸區(qū)域308a和308b相互隔離。
第二(制動(dòng))活塞313具有縱向中心孔305，通過(guò)該孔該活塞被同軸安裝在活塞軸312上并按箭頭332所指方向沿活塞軸312受控地移動(dòng)(具體地說(shuō)，滑行)。該活塞在包括油缸區(qū)域317a和317b的油缸317中移動(dòng)。如圖所示，區(qū)域317a和317b分別位于制動(dòng)活塞313的上面和下面。軸承314以及密封裝置315和315a將油缸區(qū)域307a和307b相互分開(kāi)。
油缸區(qū)域307a和307b通過(guò)導(dǎo)管319和318分別與伺服閥320相連接。伺服閥320還與適當(dāng)?shù)囊簤罕靡约暗诙?制動(dòng)位置)伺服控制器(未示出)相連接。和油缸單元308a和308b的情況一樣，將接收液體的特定區(qū)域317a或317b(以及相應(yīng)地將失去液體的區(qū)域)，及因此液體通過(guò)導(dǎo)管流動(dòng)的方向由制動(dòng)位置伺服控制器根據(jù)制動(dòng)活塞313是否伸出(向上移動(dòng))或收回(向下移動(dòng))來(lái)確定。閥門320的開(kāi)啟確定液體流入一油缸區(qū)域以及流出另一油缸區(qū)域的速率和因此確定制動(dòng)活塞313的移動(dòng)速度。閥門保持開(kāi)啟的時(shí)間與閥門開(kāi)啟的大小結(jié)合確定活塞在油缸內(nèi)的最終位置。
與制動(dòng)活塞313相連接的桿件324本身通過(guò)帶螺紋的螺旋延長(zhǎng)部325連接到提供表示制動(dòng)活塞313當(dāng)前位置的反饋信號(hào)的適當(dāng)?shù)?第二)線性位移傳感器(未示出)。該位置信息輸入到第二(制動(dòng)位置)伺服控制器/程序器以控制制動(dòng)活塞313的當(dāng)前位置。
用于壓縮工件的負(fù)載，如撞錘或砧，在末端302被連接到軸32上。制動(dòng)活塞313不與任何外部工件連接而僅用于在預(yù)期的位置制動(dòng)活塞軸312，因此不向如撞錘、砧或壓模等類似裝置產(chǎn)生輸出作用力。該制動(dòng)活塞基本上是“漂浮”在油缸317中。
具有下支撐面322的圓形同軸、徑向擴(kuò)展的部分(部件)321(這里形成凸肩)被剛性地、牢固地和整體地在軸312上形成作為制動(dòng)部件。該部件有意地制成大的形狀以致于不能通過(guò)制動(dòng)活塞313的中心孔350，因此只要部件321的凸肩322(在此為下支撐面)緊靠制動(dòng)活塞313的上支撐面323，該部件必然停止。下支撐面322和上支撐面323形成為彼此互補(bǔ)的形式。制動(dòng)活塞313的尺寸通常大于活塞301以克服并精確地限制工作活塞301和軸312的行進(jìn)。例如，當(dāng)油缸308和317同樣以液壓油加壓時(shí)，工作活塞301可產(chǎn)生最大40噸的力，而制動(dòng)工作活塞301的行進(jìn)的制動(dòng)活塞313可產(chǎn)生最大80噸或更大的力。更適宜地，制動(dòng)活塞313的可達(dá)到的力越大，制動(dòng)將越強(qiáng)烈而因此工作活塞301的制動(dòng)位置將更精確。另外，由于油的壓縮，支持制動(dòng)活塞313的液壓油的量也對(duì)制動(dòng)誤差有影響。因此，油的量應(yīng)該最小化。但是從下面可看出，制動(dòng)機(jī)械裝置可很容易地設(shè)定以補(bǔ)償該誤差。
由于活塞301和313的位置是各自獨(dú)立控制的，制動(dòng)活塞313的位置可隨時(shí)改變。若工作活塞301收回(沿活塞313的遠(yuǎn)端方向向上移動(dòng))，制動(dòng)活塞313可獨(dú)立于工作活塞移動(dòng)。若工作活塞301沿面322和323與制動(dòng)活塞對(duì)接接觸，則向上移動(dòng)制動(dòng)活塞313也將以同樣的方式使工作活塞301移動(dòng)相同的量。相反，當(dāng)制動(dòng)活塞此時(shí)處于當(dāng)前的位置，試圖使工作活塞301向下移動(dòng)是不可能的，因?yàn)榇笥诠ぷ骰钊⑾鄳?yīng)地產(chǎn)生更大的力的制動(dòng)活塞不可能被工作活塞壓倒。在正常操作中，在制動(dòng)活塞被重新定位之前，工作活塞301收回離開(kāi)制動(dòng)活塞313。然后，工作活塞301被可擴(kuò)展地驅(qū)動(dòng)向下直到制動(dòng)部件321直接撞上制動(dòng)活塞313，且面322和323嚙合并相互緊靠，此時(shí)工作活塞301和軸312繼續(xù)向下移動(dòng)實(shí)際上立即停止。
如圖所示，制動(dòng)部件321的面(制動(dòng)表面)322更適宜具有斜面作為其制動(dòng)表面。該斜面增加與面(制動(dòng)表面)323接觸的表面面積(超過(guò)與活塞軸312縱軸線垂直的表面)，面323具有相同的斜度以匹配面322的斜面。這些制動(dòng)表面的實(shí)際的斜度，即傾斜角是預(yù)先確定的，但并不是關(guān)鍵的，在給定的沖擊力下，只要它足夠大以提供足夠的接觸面積從而在制動(dòng)過(guò)程中充分減小產(chǎn)生的接觸壓到不會(huì)損傷任一表面而仍然起到有效的制動(dòng)作用的水平。
如上所述，由于沒(méi)有活塞軸，制動(dòng)活塞313沒(méi)有力輸出。制動(dòng)活塞因而可認(rèn)為是“漂浮”的，因?yàn)樗皇窃诳刂葡略谟透讌^(qū)域317a和317b中移動(dòng)，而不輸出任何力。通過(guò)螺紋325與線性位置傳感器(未示出)結(jié)合的桿件324僅用于提供相應(yīng)的位置反饋信號(hào)并因此提供可測(cè)量制動(dòng)活塞313當(dāng)前位置的特性。
在操作中，伺服閥320被相應(yīng)的伺服控制器以程序化方式控制以定位制動(dòng)活塞313從而在精確的預(yù)期位置制動(dòng)活塞軸312。然后在相應(yīng)的伺服控制器控制下運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服閥305將按程序使工作活塞301和活塞桿312以所需的速度向下行進(jìn)直到面322和323相互緊靠。若工作活塞301受控以較高速度，如每秒1米或以上的速度移動(dòng)，面322和323上的沖擊力可能很大。
目前，已商用的高速伺服閥可以在3至6ms內(nèi)操作(即，改變80％的位置，開(kāi)啟或關(guān)閉)。若活塞軸312以每秒1米的速度行進(jìn)，則僅在3毫秒內(nèi)將行進(jìn)3毫米。有些應(yīng)用要求工作活塞，如工作活塞301，當(dāng)以每秒1米或更快的速度行進(jìn)時(shí)，在1毫米的一小段內(nèi)停止(經(jīng)常0.1mm或更短)。與在極短的距離內(nèi)精確地制動(dòng)以如此高速行進(jìn)的活塞的要求相比，這種高速伺服閥的相對(duì)慢的操作顯示了對(duì)本發(fā)明的可調(diào)整的制動(dòng)的需要。本發(fā)明的制動(dòng)機(jī)械裝置可有利地滿足這個(gè)要求。而且，該制動(dòng)的位置，即制動(dòng)活塞313的位置，完全可利用相應(yīng)的制動(dòng)位置伺服控制器調(diào)整。利用適當(dāng)?shù)母咚偎欧刂葡到y(tǒng)，調(diào)整可快速完成，以允許活塞301和313高速運(yùn)轉(zhuǎn)，特別是在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)工作活塞301的多重制動(dòng)的收回-伸出循環(huán)(為了使在熱力學(xué)材料測(cè)試系統(tǒng)中通過(guò)連接到活塞軸312的末端302的，如撞錘或砧施加一系列快速撞擊給需變形的樣本)。
圖4所示為本發(fā)明的第二實(shí)施例400的剖視圖，顯示工作活塞401在向上和向下方向(收回和伸出)的制動(dòng)動(dòng)作。
為了便于理解，在圖3和圖4中采用極其相似的附圖標(biāo)記標(biāo)示相似(如果不是完全相同)的相應(yīng)部件，僅第一位數(shù)字有所變化。如果所示的結(jié)構(gòu)之間具有共同之處，只對(duì)其區(qū)別部分進(jìn)行具體描述。為了實(shí)現(xiàn)雙向制動(dòng)，在活塞軸412上設(shè)置兩個(gè)分離的制動(dòng)部件部件421位于制動(dòng)活塞413上方而部件426位于制動(dòng)活塞413下方。兩部件分別形成為活塞軸412的徑向擴(kuò)展部分，具有大于穿過(guò)制動(dòng)活塞413的中心孔450的軸部分的半徑的足夠擴(kuò)大的半徑，并具有斜面422和428。當(dāng)工作活塞401向下或向上移動(dòng)時(shí)，這些面分別與制動(dòng)活塞413的具有互補(bǔ)形狀的傾斜的上表面423和下表面427對(duì)接嚙合。與軸312類似，軸412制成多個(gè)段，并且利用螺紋段適當(dāng)?shù)財(cái)Q在一起。
因此，制動(dòng)活塞413通過(guò)沿面422和423或面427和428的緊密接觸可制動(dòng)工作活塞401和活塞軸412。這使得工作活塞401和軸412的高速制動(dòng)發(fā)生在任一行進(jìn)方向。
在高速制動(dòng)期間，當(dāng)工作活塞401的力被突然傳遞到制動(dòng)活塞413時(shí)在油缸區(qū)域417a和417b(取決于力和工作活塞401行進(jìn)的方向)中液壓油將發(fā)生一些壓縮。
在圖3和圖4中所示的實(shí)施例300和400，在已知力的條件下，液壓油被壓縮的量以及產(chǎn)生的引入到負(fù)載的系統(tǒng)的各部件的應(yīng)變可通過(guò)在與工作活塞301或401行進(jìn)方向相反的方向上分別程序設(shè)置補(bǔ)償量到制動(dòng)活塞313或413的位置得到修正，以彌補(bǔ)或消除這種影響。
盡管本發(fā)明以利用單個(gè)制動(dòng)活塞雙向制動(dòng)工作活塞的方式進(jìn)行描述，本發(fā)明的制動(dòng)機(jī)械裝置不限于此。在這一點(diǎn)上，兩個(gè)可分別控制的上和下制動(dòng)活塞(各在其自己的油缸內(nèi)移動(dòng))并再串聯(lián)排列(且各具有各自的位置反饋傳感器)可代替圖4中所示的單制動(dòng)活塞413(以及其油缸417)。在此，上制動(dòng)部件可位于上制動(dòng)活塞的上方，即向外(類似于分別在圖3或圖4中所示的制動(dòng)部件321或421相對(duì)于制動(dòng)活塞313或413的位置)，而下制動(dòng)部件位于下制動(dòng)活塞的下方(也向外)(類似于圖4中所示的制動(dòng)部件426相對(duì)于制動(dòng)活塞413的位置)。兩個(gè)制動(dòng)活塞位于工作活塞的同一活塞軸并可沿該活塞軸移動(dòng)。如此設(shè)置允許兩個(gè)工作活塞收回和伸出的制動(dòng)被相互分開(kāi)設(shè)置?；蛘撸撝苿?dòng)部件可被適當(dāng)?shù)囟ㄎ辉诨钊S上兩制動(dòng)活塞的內(nèi)側(cè)(夾入其間)，而不是向外。根據(jù)具體的應(yīng)用，不同于所示的和所描述的制動(dòng)和工作活塞的油缸的其它方向，比如不鄰接的，也可使用。
另外，對(duì)于如圖3所示的實(shí)施例，為了僅在其向上(收回)時(shí)使工作活塞停止移動(dòng)，單制動(dòng)部件可定位在活塞軸上制動(dòng)活塞的下方，而不是上方。
再者，盡管為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，所述兩實(shí)施例采用工作和制動(dòng)活塞，共同的軸不是必須的?？捎闷渌O(shè)置，實(shí)際上從工作活塞向制動(dòng)活塞延伸的軸可不同于從工作活塞向上延伸的軸。另外，從工作活塞向制動(dòng)活塞延伸的軸不須是通過(guò)制動(dòng)活塞的中心孔的單軸，而可以是由一個(gè)或多個(gè)軸形成，這些軸每個(gè)通過(guò)制動(dòng)活塞的不同的孔，只要這些軸中的一個(gè)或多個(gè)具有適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)部件設(shè)置在其上。
雖然在此對(duì)包括本發(fā)明的教導(dǎo)的各種優(yōu)選實(shí)施例分別示出并進(jìn)行了詳細(xì)描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易作出其它許多包括本發(fā)明的教導(dǎo)的不同的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.提供停止第一液壓活塞(301；401)的繼續(xù)移動(dòng)的受控機(jī)械制動(dòng)的裝置(300；400)，該裝置包括可在第一活塞油缸(308；408)中受控地移動(dòng)的第一液壓活塞，該第一液壓活塞具有連接到第一活塞并由此向外伸展的活塞軸(312；412)；可在第二活塞油缸(307；407)中受控地定位在所需制動(dòng)位置的第二液壓活塞(313；413)，所述第二油缸與第一活塞油缸分隔而所述第二活塞產(chǎn)生比第一活塞更大的力；縱向伸展穿過(guò)第二活塞的孔(350；450)的軸以使得該軸可穿過(guò)第二活塞平滑移動(dòng)；以及位于所述軸上的制動(dòng)部件(321；421)以使得在第一活塞和該軸沿預(yù)定方向移動(dòng)的過(guò)程中，制動(dòng)部件與在制動(dòng)位置的第二活塞對(duì)接嚙合，如此第二活塞將克服并停止軸和第一活塞沿預(yù)定方向的繼續(xù)移動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一活塞給予位于該軸末端(302；402)的器件輸出作用力。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述軸是第一和第二活塞公用的并延伸穿過(guò)第二活塞的縱向中心孔。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中第一和第二活塞同軸設(shè)置在軸上并相互分隔開(kāi)。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中第一油缸和第二油缸串聯(lián)設(shè)置在軸上，第一油缸在第二油缸上方，而制動(dòng)部件位于第一和第二活塞之間或第二活塞下方的軸上。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中制動(dòng)部件具有帶有預(yù)定取向的第一制動(dòng)表面(323；423，427)，且第二活塞包含具有與第一制動(dòng)表面的預(yù)定取向互補(bǔ)的取向的第二制動(dòng)表面(322；422，428)，其中第一和第二制動(dòng)表面在制動(dòng)位置相互對(duì)接嚙合。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中第一和第二制動(dòng)表面各自以預(yù)定的斜度相對(duì)于軸的縱向軸線傾斜。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述器件為錘、砧或壓模。
9.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中第一和第二油缸連接到分離的相應(yīng)第一和第二伺服液壓閥(305，320；405，420)，使該第一和第二閥與分離的相應(yīng)第一和第二伺服控制器相連接并受其控制，其中第二伺服控制器驅(qū)動(dòng)第二閥以使第二活塞定位在制動(dòng)位置并使第二活塞保持在制動(dòng)位置；以及當(dāng)?shù)诙钊蝗绱吮３?，第一伺服控制器?qū)動(dòng)第一閥以使第一活塞受控以預(yù)定的速率伸出或收回直到第一制動(dòng)表面與第二制動(dòng)表面對(duì)接嚙合，從而第二活塞克服第一活塞的繼續(xù)移動(dòng)并分別停止其伸出或收回運(yùn)動(dòng)。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中第一和第二制動(dòng)表面以預(yù)定的斜度相對(duì)于軸的縱向軸線傾斜。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述器件為錘、砧或壓模。
12.在提供停止第一液壓活塞(301；401)的繼續(xù)移動(dòng)的受控機(jī)械制動(dòng)的裝置(300；400)中使用的方法，該裝置包括可在第一活塞油缸(308；408)中受控地移動(dòng)的第一液壓活塞，該第一活塞具有連接到第一活塞并由此向外伸展的活塞軸(312；412)；可在第二活塞油缸(317；417)中受控地定位在其所需制動(dòng)位置的第二液壓活塞(313；413)，所述第二油缸與第一活塞油缸分離且所述第二活塞產(chǎn)生比第一活塞更大的力；縱向伸展穿過(guò)第二活塞的孔(350；450)的軸，以使得該軸可穿過(guò)第二活塞平滑移動(dòng)；以及位于所述軸上的制動(dòng)部件(321；421)；該方法包括如下步驟移動(dòng)第二活塞到制動(dòng)位置并隨后保持第二活塞在所述制動(dòng)位置；以及再以預(yù)定的速率和預(yù)定的方向移動(dòng)第一活塞直到制動(dòng)部件的第一制動(dòng)表面與第二活塞對(duì)接嚙合，從而第二活塞克服第一活塞的繼續(xù)移動(dòng)并停止其按預(yù)定方向的繼續(xù)移動(dòng)。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中第一和第二油缸連接到分離的相應(yīng)第一和第二伺服液壓閥(305，320；405，420)，使該第一和第二閥與分離的相應(yīng)第一和第二伺服控制器相連接并受其控制，該方法還包括以下步驟第二伺服控制器驅(qū)動(dòng)第二閥以使第二活塞定位在制動(dòng)位置并使第二活塞保持在制動(dòng)位置；以及當(dāng)?shù)诙钊蝗绱吮３謺r(shí)，第一伺服控制器驅(qū)動(dòng)第一閥以使第一活塞受控以預(yù)定的速率伸出或收回直到第一制動(dòng)表面與第二制動(dòng)表面對(duì)接嚙合，從而第二活塞克服第一活塞的繼續(xù)移動(dòng)并分別停止其伸出或收回運(yùn)動(dòng)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括通過(guò)第一活塞的移動(dòng)給予位于軸末端(302；402)的器件輸出作用力的步驟。
全文摘要
利用第一(工作)和第二(制動(dòng))伺服控制的液壓活塞(310，313；401，413)的裝置及其中使用方法，其中制動(dòng)活塞控制工作活塞的機(jī)械制動(dòng)，兩個(gè)活塞同軸設(shè)置在共同的軸(312；412)上并相互分開(kāi)，各活塞在分隔的油缸中移動(dòng)。工作活塞牢固地附著在該軸上，而該軸穿過(guò)制動(dòng)活塞的縱向中心孔(350；450)上。制動(dòng)活塞“漂浮”在其油缸內(nèi)并產(chǎn)生比工作活塞大的力。位于該軸上的徑向擴(kuò)展的制動(dòng)部件(321；421)具有與制動(dòng)活塞的互補(bǔ)表面(323；423)對(duì)接嚙合的表面(322；422)，以致于一旦制動(dòng)活塞適當(dāng)?shù)囟ㄎ唬瑢⒃跇O短的時(shí)間和極短的距離內(nèi)以該裝置中引起的很小應(yīng)變可控制地制動(dòng)工作活塞的連續(xù)移動(dòng)。
文檔編號(hào)G01N3/36GK1650158SQ03809988
公開(kāi)日2005年8月3日 申請(qǐng)日期2003年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月22日
發(fā)明者胡戈·S·弗格森, 衛(wèi)成·陳 申請(qǐng)人:動(dòng)態(tài)系統(tǒng)公司