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具有至少一根液壓軸的設(shè)備的制作方法

文檔序號(hào):4485180閱讀:217來(lái)源:國(guó)知局
專(zhuān)利名稱(chēng):具有至少一根液壓軸的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種具有可控式軸傳動(dòng)裝置的設(shè)備,該軸傳動(dòng)裝置具有控制/調(diào)整智能裝置以及至少一根在開(kāi)式液壓回路中運(yùn)動(dòng)的軸。
現(xiàn)有技術(shù)在控制/調(diào)整傳動(dòng)軸時(shí)至少提出三項(xiàng)基本任務(wù)首先,軸的傳動(dòng)裝置必須與所要求的是直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)還是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)地產(chǎn)生所需要的力或功率。
第二,運(yùn)動(dòng)過(guò)程必須是完全可以控制的,為此需要一種高靈敏度的控制/調(diào)整系統(tǒng)。
第三,在許多實(shí)際使用場(chǎng)合必須協(xié)調(diào)不同的功能或運(yùn)動(dòng),這一任務(wù)借助于所謂電子智能裝置實(shí)現(xiàn)。
機(jī)器設(shè)計(jì)者應(yīng)用可調(diào)整的傳動(dòng)裝置,它可以將力學(xué)參數(shù)(力和/或位置)加到各根軸或機(jī)器的自由度上。在這方面處于重要地位的是電氣和液壓傳動(dòng)裝置。這在性質(zhì)上屬于兩個(gè)分支,每一個(gè)分支要分別研究。在專(zhuān)業(yè)博覽會(huì)上表明了這一點(diǎn),在那里人們將液壓傳動(dòng)技術(shù)與電氣傳動(dòng)技術(shù)分開(kāi);這也反映在專(zhuān)家的培養(yǎng)教育上。液壓傳動(dòng)更趨向于屬于機(jī)械工程技術(shù),而電氣傳動(dòng)則屬于電氣工程師的知識(shí)領(lǐng)域。這種區(qū)分貫串在全部工業(yè)中。不同的公司和行業(yè)或從事液壓傳動(dòng)或從事電氣傳動(dòng)。傳動(dòng)專(zhuān)家只是在市場(chǎng)上彼此相遇,在那里他們各自宣傳其方案的優(yōu)點(diǎn)。存在著兩個(gè)分支這一事實(shí)本身證明,并非所有論據(jù)只能為一方所占有。電機(jī)控制傳動(dòng)裝置在將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí),尤其在傳遞大力時(shí)是有缺點(diǎn)的。液壓傳動(dòng)裝置的主要缺點(diǎn)是,到目前為止它的能量效率低,這種爭(zhēng)論的一個(gè)有代表性的例子表現(xiàn)在壓鑄機(jī)市場(chǎng)中。以電子技術(shù)為背景的公司試圖在市場(chǎng)上推出一種“全電”的機(jī)器,而其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手則以“全液壓”的與之對(duì)抗。雙方都有一個(gè)正確的理由在各自的一方。人們不帶偏見(jiàn)地分析了這兩種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),得出了一些值得注意的差別。對(duì)于液壓傳動(dòng)裝置,眾所周知,它有非常高的功率和力或力矩濃度(相應(yīng)構(gòu)件每單位重量或體積產(chǎn)生的功率、力或力矩)。這一情況便是為什么液壓系統(tǒng)在需要大的傳動(dòng)力時(shí)具有其優(yōu)勢(shì)的原因,這種大的傳動(dòng)力例如在壓力機(jī)和壓鑄機(jī)中是必要的。在這一領(lǐng)域內(nèi),液壓傳動(dòng)裝置還有出色的機(jī)械效率和極高的堅(jiān)固性。此外,在不考慮伺服閥或調(diào)節(jié)閥時(shí),用于液壓參數(shù)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和傳感器價(jià)格低廉。在液壓傳動(dòng)裝置中的功率控制(壓力或流量),借助于耗能的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如伺服閥或比例閥進(jìn)行。在這種情況下,根據(jù)傳動(dòng)裝置所需要的功率,或多或少的液壓功率通過(guò)閥的節(jié)流孔邊緣不可逆地轉(zhuǎn)變成熱量。這就意味著不僅能量損失(更確切地說(shuō)是能量耗散)而且還有會(huì)造成干擾的熱量,這種熱量必須通過(guò)附加的設(shè)備導(dǎo)出。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的反應(yīng)比較緩慢,并需要高的能量進(jìn)行操縱。液壓傳動(dòng)技術(shù)試圖通過(guò)采用調(diào)節(jié)泵找到一條出路。盡管這樣可以降低功率損失,然而在系統(tǒng)中仍保留有帶來(lái)?yè)p失的設(shè)備,例如泵的可調(diào)式傳動(dòng)裝置或用于保持調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所需壓力的備用泵。
在絕大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中,這兩種傳動(dòng)技術(shù)還都發(fā)展了一些各自的特色,這例如可以通過(guò)最近發(fā)表的兩個(gè)例子來(lái)說(shuō)明。DE-PS4303760介紹了一種具有一個(gè)開(kāi)式液壓回路的液壓傳動(dòng)裝置。其中,泵直接從油箱吸油。泵將此介質(zhì)通過(guò)壓力調(diào)節(jié)器輸送,這種壓力調(diào)節(jié)器由安全閥和作為控制閥的調(diào)壓閥(電控比例式壓力調(diào)整閥)組成。控制閥由智能裝置或計(jì)算機(jī)通過(guò)信號(hào)線(xiàn)操縱。在閥與具有要運(yùn)動(dòng)的軸或質(zhì)量的工作缸之間,有一個(gè)定向邏輯裝置。它同樣通過(guò)計(jì)算機(jī)電控。真正的調(diào)整通過(guò)在計(jì)算機(jī)中處理速度和位置信號(hào),以及比較相應(yīng)的實(shí)際值與額定值,并相應(yīng)地操縱閥門(mén)組來(lái)進(jìn)行。由此最簡(jiǎn)短的說(shuō)明可知,對(duì)于一個(gè)開(kāi)式液壓傳動(dòng)裝置,控制/調(diào)整通過(guò)智能閥完成。作為對(duì)立面,源出于同一些發(fā)明者的EPA643472公開(kāi)了一種所謂智能傳動(dòng)裝置,用于電機(jī)傳動(dòng)一根或多根軸。兩種方案都達(dá)到了目的,即高水平地掌握控制/調(diào)整過(guò)程,并在同一臺(tái)機(jī)器上提供了實(shí)際的使用證明。這些發(fā)明人可以提供證明,全電的壓鑄機(jī)(按WO94/22655)只需要先有技術(shù)的相應(yīng)的液壓式機(jī)器傳動(dòng)能量的20%至30%。液壓系統(tǒng)的一個(gè)突出的缺點(diǎn)在于,與電子系統(tǒng)相比液壓系統(tǒng)只有付出極大的耗費(fèi)才能達(dá)到設(shè)定的參數(shù)。這給液壓系統(tǒng)帶來(lái)了不同的特殊解決方案。這一情況便是有大量各式各樣的不能一目了然的液壓調(diào)節(jié)閥的原因。在液壓傳動(dòng)的機(jī)器中,往往傳動(dòng)裝置極低的成本起了決定性作用,尤其是在設(shè)計(jì)新的需要大的力量的機(jī)器時(shí)。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是提出一種新型高動(dòng)態(tài)和可最大可能廣泛應(yīng)用的傳動(dòng)方案,它盡最大可能地將液壓與電氣的傳動(dòng)裝置的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái),避免各自相應(yīng)的缺點(diǎn)。本發(fā)明人認(rèn)識(shí)到,盡管“或這一種/或那一種”有許多優(yōu)點(diǎn),但實(shí)際上這往往可能對(duì)發(fā)展最佳方案甚至恰恰是障礙。發(fā)明者為自己提出的任務(wù)是從這兩種傳動(dòng)方案中取其精華。在這兩者之間找到最優(yōu)“結(jié)合點(diǎn)”,尤其用于具有以秒計(jì)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)的傳動(dòng)裝置,也就是說(shuō)尤其是用于具有高的加速度/減速度的傳動(dòng)裝置。
按本發(fā)明的方案的特點(diǎn)在于,力學(xué)參數(shù)(P/Q)無(wú)能耗地傳入開(kāi)式液壓回路中,以及,功率的控制/調(diào)整通過(guò)功率電子調(diào)整機(jī)構(gòu)完成。
人們知道,功率調(diào)整必須在電氣/電子系統(tǒng)方面進(jìn)行,因?yàn)樵陔姎庠O(shè)備中這可以損失極小地完成。但這樣一來(lái)到取消了在液壓系統(tǒng)中主要的損失點(diǎn),因?yàn)閾?jù)證實(shí)這些損失點(diǎn)正是通過(guò)伺服閥的降壓造成的。并不是因定向邏輯裝置的開(kāi)/關(guān)功能而是通過(guò)節(jié)流閥被節(jié)流,導(dǎo)致壓力能轉(zhuǎn)化為熱能。大多數(shù)工作過(guò)程所涉及的熱能是不可回收的能量。將熱能恢復(fù)成一種能作功的技術(shù)上可利用的能量是極不經(jīng)濟(jì)的。本新發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)在于,液壓功率通過(guò)控制/調(diào)整泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī),根據(jù)瞬時(shí)所需要的形式上為供油量(Q)和油壓(P)的數(shù)量精確地產(chǎn)生。這樣一來(lái),迄今在液壓系統(tǒng)方面同時(shí)帶來(lái)的所有的節(jié)流損失完全不再發(fā)生,因?yàn)樵谡G闆r下根本就不需要任何節(jié)流閥。油路系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為無(wú)節(jié)流的,至少在涉及功率流的地方。此外,人們認(rèn)識(shí)到,在許多應(yīng)用場(chǎng)合,最佳方案只能是兩種傳動(dòng)技術(shù)的組合。在IGBT技術(shù)中的當(dāng)代大功率半導(dǎo)體,有能力在幾個(gè)毫微秒(10-9秒)的時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)大的功率。在這方面,電子技術(shù)至少優(yōu)于液壓技術(shù)五個(gè)數(shù)量級(jí)。這一優(yōu)勢(shì)主要是由于電能和液壓能存在不同的信號(hào)傳播速度,它們的信號(hào)傳播速度同樣差五個(gè)數(shù)量級(jí)。與液壓閥所需要的開(kāi)關(guān)能量相比,開(kāi)關(guān)晶體管所需要的能量比較低。半導(dǎo)體快速開(kāi)關(guān)過(guò)程有可能使功率在全部四個(gè)象限內(nèi)的功率控制都是無(wú)損失或損失極小的。有關(guān)的開(kāi)關(guān)電路和技術(shù)(例如脈沖寬度調(diào)制)是一般已知的。例如,尤其在機(jī)器制動(dòng)期間,可將制動(dòng)能量控制地輸入電容器或回授到電網(wǎng)中。電氣傳動(dòng)裝置在空載或停車(chē)時(shí)的功率損失比液壓的小得多。但是純粹的電氣傳動(dòng)裝置也有一些缺點(diǎn)電機(jī)功率轉(zhuǎn)化為大力量的運(yùn)動(dòng)只有通過(guò)昂貴的變速器才有可能。這尤其發(fā)生在用于直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。力和力矩只能不準(zhǔn)確地通過(guò)電的參量電流和電壓來(lái)測(cè)定。為了有高的控制質(zhì)量必須設(shè)計(jì)專(zhuān)用的傳感器,用以測(cè)量大的終端力。在荷載變換時(shí),變速器給位置參數(shù)造成明顯的滯后。這在控制過(guò)程中會(huì)在零點(diǎn)附近帶來(lái)很大的干擾。
本新發(fā)明可以有許許多多特別有利的設(shè)計(jì)。這種設(shè)備有一臺(tái)液壓泵,最好是恒容量泵,其中,泵的傳動(dòng)通過(guò)一臺(tái)轉(zhuǎn)速可變的驅(qū)動(dòng)電機(jī)尤其是一臺(tái)伺服電機(jī),以及,控制/調(diào)整通過(guò)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行。泵可以設(shè)計(jì)為內(nèi)齒或外齒式有補(bǔ)償或無(wú)補(bǔ)償?shù)凝X輪泵、恒定或可調(diào)式軸向或徑向活塞泵、恒定或可調(diào)葉片泵、螺旋泵或其他靜壓容積式部件。泵最好設(shè)計(jì)為液壓式內(nèi)齒輪泵。內(nèi)齒輪泵具有有利的運(yùn)動(dòng)學(xué),它在抽吸口中的流體加速度很小,從而為良好的抽吸性能和有大的氣蝕裕度奠定了基礎(chǔ)。本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例由轉(zhuǎn)速可調(diào)的電機(jī)或伺服電機(jī)組成,它驅(qū)動(dòng)定流量泵。泵與一個(gè)液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相連,例如油缸或液壓馬達(dá),并直接從油箱抽吸工作流體,后者具有一種開(kāi)式液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)。本發(fā)明人認(rèn)為,對(duì)于動(dòng)態(tài)特性非常好的電機(jī)例如伺服電機(jī),由于流體柱的加速度會(huì)在抽吸管路內(nèi)造成大的真空度。當(dāng)要求嚴(yán)格時(shí),必須使用這樣一些泵,即它們具有良好的抽吸能力,即使在高壓情況下也能經(jīng)受得住轉(zhuǎn)速變化地工作。為此,帶齒環(huán)支座的內(nèi)齒輪泵特別適用。若所采用泵的抽吸能力不足,則必須采取對(duì)油箱增壓的附加措施進(jìn)行補(bǔ)償。按本發(fā)明的傳動(dòng)裝置作為四象限傳動(dòng)裝置(4-Quadrant-Antrieb)特別適合于用于在第一和第二象限中執(zhí)行傳動(dòng)任務(wù),換句話(huà)說(shuō)只須沿一個(gè)方向調(diào)整力。為了滿(mǎn)足四象限傳動(dòng)裝置的要求,液壓的背壓側(cè)加一個(gè)勢(shì)能。這例如可以通過(guò)蓄壓器、彈簧或一個(gè)質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn),上述質(zhì)量受到重力場(chǎng)的作用。勢(shì)能對(duì)距離的導(dǎo)數(shù)定義為力,這個(gè)力可以沿另一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向控制/調(diào)整新的傳動(dòng)裝置,亦即在象限三和四中。這一由電機(jī)/泵構(gòu)成的系統(tǒng)在沿正方向運(yùn)動(dòng)時(shí)的工作,不僅要克服外力,而且與此同時(shí)要克服勢(shì)能力。在這種情況下附加地作出的功作為勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái),并在沿負(fù)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)提供使用。這種傳動(dòng)裝置的特點(diǎn)在于,泵本身仍只在二個(gè)象限工作。盡管旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化,但在液壓泵中或在電機(jī)與泵之間的離合器內(nèi)的負(fù)荷沒(méi)有變換。這一點(diǎn)從控制技術(shù)的理由而言有重要意義,因?yàn)橐蝗浑S著每一次的負(fù)荷變換產(chǎn)生一次不連續(xù)性,這種間斷會(huì)帶來(lái)顯著的干擾(位置參數(shù)的滯后)。開(kāi)式液壓回路最好設(shè)計(jì)用于無(wú)控制閥的至少一根液壓軸。按照另一種設(shè)計(jì),控制/調(diào)整人工智能裝置有計(jì)算機(jī)/存儲(chǔ)器,泵的特性值(尤其是作為轉(zhuǎn)速、壓力和溫度、液壓介質(zhì)粘度的函數(shù)的漏流)可儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)/存儲(chǔ)器中,并作為附加的給定的額定值有效地用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。此新的方案是由電和液壓元件組成的四象限傳動(dòng)裝置,用于控制和調(diào)整機(jī)器的一根或幾根軸。為了盡可能廣泛地作為傳動(dòng)部件應(yīng)用,建議此傳動(dòng)裝置可在全部四個(gè)象限中控制/調(diào)整,也就是說(shuō),在傳動(dòng)裝置上可沿被傳動(dòng)機(jī)器的兩個(gè)運(yùn)行方向施加力學(xué)參數(shù),尤其是力、力矩、位置、轉(zhuǎn)角、位置與力的關(guān)系(特性曲線(xiàn))或這些參數(shù)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)。
按照另一種十分有利的設(shè)計(jì),液壓回路有一個(gè)致動(dòng)器,它的背壓側(cè)通過(guò)蓄能器(或勢(shì)能)加壓,它可作為彈簧儲(chǔ)力器工作。也可以有多個(gè)致動(dòng)器通過(guò)一個(gè)蓄能器網(wǎng)絡(luò)與一個(gè)公共的蓄能器相連。此外,可以通過(guò)開(kāi)式液壓回路傳動(dòng)一根以上的軸,其中,至少一根或多根或所有的軸仍都可在無(wú)控制閥的情況下工作。因此,本發(fā)明提供了一些全新的組合,例如可以將受控制的功率部件的功率,以電的、機(jī)械的或液壓的方式,切換到多個(gè)致動(dòng)器上。多根傳動(dòng)軸或自由度可只借助于一個(gè)可控制的功率部件(調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu))提供。在開(kāi)式液壓回路中可至少設(shè)一個(gè)安全閥作為開(kāi)關(guān)閥或限壓閥或緊急切斷閥。同樣地,作用在致動(dòng)器上的力可通過(guò)液壓系統(tǒng)的壓力或電機(jī)的輸入電流加以測(cè)量和儲(chǔ)存,并對(duì)此確定一個(gè)用于控制或監(jiān)測(cè)致動(dòng)器的公差帶,此時(shí),若超過(guò)公差帶,致動(dòng)器停止和/或反向運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明人所提出的任務(wù)是,吸收水力學(xué)和機(jī)電學(xué)領(lǐng)域的精華,統(tǒng)一在一種所謂液電式傳動(dòng)裝置中,這種裝置可以低損失地控制和調(diào)整機(jī)械功率,并可回收引入的能量。其目的是使力和功率濃度、耐用性和低成本,能與液壓傳動(dòng)裝置的性能一致。本設(shè)備允許構(gòu)成混合式傳動(dòng)系統(tǒng),其中,通過(guò)功率電子元件以及過(guò)程控制計(jì)算機(jī)至少可以無(wú)能耗地液壓傳動(dòng)或運(yùn)動(dòng)一根最好直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的軸,以及可通過(guò)電機(jī)和/或傳統(tǒng)的閥門(mén)控制,傳動(dòng)或運(yùn)動(dòng)至少另一根軸。
另一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)思想是,將設(shè)備設(shè)計(jì)為混合式傳動(dòng)系統(tǒng),其中,可通過(guò)功率電子元件和過(guò)程控制計(jì)算機(jī),借助于相應(yīng)的控制/計(jì)算機(jī)智能裝置,無(wú)能耗地液壓傳動(dòng)或運(yùn)動(dòng)至少一根最好直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的軸,以及,可電機(jī)傳動(dòng)或運(yùn)動(dòng)至少另一根軸。這樣就能做到,借助于同一個(gè)控制/調(diào)整智能裝置,可順序地通過(guò)液壓系統(tǒng)控制/調(diào)整多根軸,以及,可與時(shí)間無(wú)關(guān)地控制/調(diào)整一根或多根電機(jī)軸。這樣一來(lái)便第一次給機(jī)器的設(shè)計(jì)師以完全的自由,與傳動(dòng)技術(shù)無(wú)關(guān)地選擇用于有關(guān)功能的最佳傳動(dòng)裝置。僅僅通過(guò)唯一的一個(gè)控制/調(diào)整系統(tǒng),或只是一種控制/調(diào)整基本原理用于有關(guān)的系統(tǒng)部分,便可以把機(jī)器的質(zhì)量提高到一個(gè)新的水平。液壓介質(zhì)失去了它迄今為止作為流體壓力調(diào)節(jié)器的功能,而成為一種近似剛性的液壓傳動(dòng)裝置,它幾乎可以用在各種地方。根據(jù)特別的準(zhǔn)則,例如所有的旋轉(zhuǎn)軸可以電機(jī)傳動(dòng),所有的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的軸可通過(guò)液壓介質(zhì)傳動(dòng)?;蛟诳臻g特別狹窄的情況下,對(duì)于個(gè)別軸優(yōu)先選擇液壓系統(tǒng)。聯(lián)系“全電”傳動(dòng)的壓鑄機(jī)(WO94/22655),眾所周知,在過(guò)程控制計(jì)算機(jī)中可設(shè)有程序控制部分,用于非線(xiàn)性壓力控制,其中,控制信號(hào)例如在小的調(diào)節(jié)系統(tǒng)誤差時(shí)可以是線(xiàn)性的,而在大的調(diào)節(jié)系統(tǒng)誤差時(shí)則可以是此調(diào)節(jié)系統(tǒng)偏差的根函數(shù)。過(guò)程控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)為多軸傳動(dòng)計(jì)算機(jī),并最好有模塊式結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計(jì)部分,它們可有選擇地使用并可被上一級(jí)驅(qū)動(dòng)智能裝置選擇。此外,過(guò)程控制計(jì)算機(jī)可設(shè)計(jì)用于一根或多根軸作為多參量控制器,在此多參量控制器中可輸入作為目標(biāo)參數(shù)的控制參數(shù)極限值(例如力和/或速度和/或行程)。多參量控制器設(shè)計(jì)為串聯(lián)控制器,并有一個(gè)與數(shù)據(jù)總線(xiàn)或直接與機(jī)器計(jì)算機(jī)的接口,其中,在多參量控制器中可以確定具有不同額定值或目標(biāo)參數(shù)(例如力或速度或行程、)的多個(gè)工作階段。電機(jī)傳動(dòng)裝置可以是持久激勵(lì)式伺服電機(jī)、矢量控制式異步電機(jī)、可調(diào)直流電機(jī)、無(wú)電刷式直流電機(jī)或開(kāi)關(guān)式磁阻電機(jī)或調(diào)頻電機(jī)。
按照另一種最佳設(shè)計(jì),此設(shè)備設(shè)計(jì)為機(jī)器人/機(jī)床,尤其是設(shè)計(jì)為注塑機(jī)、壓鑄機(jī)、壓機(jī)、測(cè)試設(shè)備或工作平臺(tái)(它們?nèi)加懈叨葎?dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程),其中一根或多根軸設(shè)計(jì)為液壓運(yùn)動(dòng)的軸。此設(shè)備可以設(shè)計(jì)為這樣的鑄造機(jī),即將液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為使模具運(yùn)動(dòng)和產(chǎn)生模具閉合力。在一種方案中,此設(shè)備可設(shè)計(jì)為鑄造機(jī),其中,過(guò)程控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)用于順序控制/調(diào)整液壓傳動(dòng)裝置,例如模具夾緊軸和/或注射軸和/或螺旋擠壓機(jī)旋轉(zhuǎn)軸。在兩種情況下過(guò)程控制計(jì)算機(jī)都可以設(shè)計(jì)為多軸傳動(dòng)計(jì)算機(jī),用于控制/調(diào)整別的伺服電機(jī),這些伺服電機(jī)用于機(jī)組移動(dòng)和/或推料和/或螺旋擠壓機(jī)旋轉(zhuǎn)和/或注射的機(jī)電式傳動(dòng)裝置。
此設(shè)備還可設(shè)計(jì)為這樣的鑄造機(jī),其中,通過(guò)一根或多根軸,將力學(xué)參數(shù)(P/Q)無(wú)能耗地傳入開(kāi)式液壓回路中,和可借助于一個(gè)調(diào)壓閥或比例閥控制注射軸和/或模具閉合軸。
本發(fā)明另一種非常有利的設(shè)計(jì)是,它有一個(gè)調(diào)速裝置以及一個(gè)帶一臺(tái)或多臺(tái)內(nèi)部信號(hào)計(jì)算機(jī)的控制和調(diào)整設(shè)備,一臺(tái)或多臺(tái)內(nèi)部信號(hào)計(jì)算機(jī)主要包括下列功能相位角調(diào)節(jié)器(j),電流調(diào)節(jié)器(I)和速度調(diào)節(jié)器(V),其中設(shè)有與機(jī)器計(jì)算機(jī)無(wú)關(guān)可分開(kāi)聯(lián)裝的模塊,用于自主控制或調(diào)整多根軸,除了一臺(tái)或多臺(tái)信號(hào)計(jì)算機(jī)外,還有一臺(tái)在它或它們之上的上級(jí)過(guò)程控制計(jì)算機(jī),它設(shè)計(jì)為無(wú)滯后地控制或調(diào)整這些軸,以及,它所需要的信息取自設(shè)于模塊內(nèi)的存儲(chǔ)器。在這種情況下,至少其中一根軸可液壓傳動(dòng),而至少其中一根軸由電機(jī)傳動(dòng)。因此,本發(fā)明另一種設(shè)計(jì)的特征在于,此設(shè)計(jì)有一個(gè)用于控制一根機(jī)器軸的參數(shù)的可調(diào)傳動(dòng)裝置,它具有一個(gè)帶內(nèi)部信號(hào)計(jì)算機(jī)的控制和調(diào)整設(shè)備,信號(hào)計(jì)算機(jī)主要包括下列控制和/或調(diào)整調(diào)節(jié)參數(shù)的功能相位角調(diào)節(jié)器(j),電流調(diào)節(jié)器(I),速度調(diào)節(jié)器(V),壓力(P)和軸向位置(X),其中設(shè)有與機(jī)器計(jì)算機(jī)無(wú)關(guān)的可分開(kāi)聯(lián)裝的多參量控制器,用于自主控制或調(diào)整調(diào)節(jié)參數(shù),除了信號(hào)計(jì)算機(jī)外,它還有一個(gè)在信號(hào)計(jì)算機(jī)之上的過(guò)程控制計(jì)算機(jī),設(shè)計(jì)用于無(wú)滯后有選擇地控制或調(diào)整調(diào)節(jié)參數(shù),以及,它所需要的信息取自設(shè)于多參量控制器內(nèi)的存儲(chǔ)器。
發(fā)明簡(jiǎn)述下面借助于一些實(shí)施例更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明。其中

圖1 新發(fā)明的基本結(jié)構(gòu);圖2和2a 先有技術(shù)的開(kāi)式調(diào)節(jié)回路和壓力變化曲線(xiàn);圖3和3a 示意表示新發(fā)明和壓力變化曲線(xiàn);圖4 作為舉例說(shuō)明一個(gè)工作循環(huán)期間的往復(fù)運(yùn)動(dòng);圖5和5a 新發(fā)明的系統(tǒng)圖和曲線(xiàn)圖;圖6 新發(fā)明的P/Q隨時(shí)間的變化曲線(xiàn);圖7 具有多參量控制器的應(yīng)用舉例;圖8 具有一臺(tái)泵和若干致動(dòng)器的應(yīng)用舉例;圖9 具有液電式傳動(dòng)裝置的注塑部件;圖10 作為應(yīng)用舉例的工作平臺(tái);圖11 注塑機(jī);圖12 用于混合式方案的控制/調(diào)整原理圖。
實(shí)施本發(fā)明的途徑下面參見(jiàn)圖1,圖中表示了新發(fā)明的核心部件。液壓泵1經(jīng)抽吸管4從油箱2吸出液壓介質(zhì)3,例如油,并通過(guò)壓力接頭5以及壓力管6將液壓介質(zhì)3輸往軸7。軸7意味著是一個(gè)簡(jiǎn)單的致動(dòng)器,它有簡(jiǎn)單的液壓缸8、活塞9和活塞桿10,并通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)鉸鏈11和支板12支承在設(shè)備或機(jī)器部分或者說(shuō)底座13上?;钊麠U10直接與一個(gè)要運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件或工作構(gòu)件14連接。在泵側(cè)壓力介質(zhì)15的對(duì)面有可壓縮的背壓介質(zhì)16例如氮?dú)猓獨(dú)庠诒纠凶詈檬侨芤?,可?jīng)過(guò)交換管17在儲(chǔ)罐18中膨脹。液壓泵1的傳動(dòng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)20進(jìn)行,驅(qū)動(dòng)電機(jī)20通過(guò)離合器19在機(jī)械上與泵1相應(yīng)的傳動(dòng)軸直接連接起來(lái)。用1′表示的點(diǎn)劃線(xiàn)勾畫(huà)了整個(gè)增壓器,它設(shè)計(jì)為有如先有技術(shù)那樣的工作能力。點(diǎn)劃線(xiàn)20′表示泵的傳動(dòng)裝置和調(diào)整裝置以及有關(guān)的功能構(gòu)件。點(diǎn)劃線(xiàn)方框21包括功率電子調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)24以及控制/調(diào)整智能裝置、換流器和/或蓄能器,后者包括在方框22中。電網(wǎng)的交流電變換為直流電按傳統(tǒng)的方法進(jìn)行。其中,蓄能也可以是從回流的能量?jī)?chǔ)入電蓄能器中或電容器中。控制/調(diào)整智能裝置控制功率晶體管的網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)信號(hào)線(xiàn)23實(shí)施調(diào)節(jié)參數(shù)和測(cè)量參數(shù)的輸入/輸出,例如電機(jī)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、電流或電壓。C表示輸入/輸出設(shè)備,它可以設(shè)計(jì)為計(jì)算機(jī)或例如設(shè)計(jì)為PC機(jī)。在所表示的實(shí)施例中進(jìn)行了多次能量轉(zhuǎn)換。第一次從市電接頭25(作為交流電)轉(zhuǎn)換成直流電。基本上與此同時(shí),通過(guò)功率電子調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)24,根據(jù)給定的調(diào)節(jié)參數(shù),在驅(qū)動(dòng)電機(jī)中產(chǎn)生電磁場(chǎng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)將此能量轉(zhuǎn)換成在泵1傳動(dòng)軸上的相應(yīng)的機(jī)械能,機(jī)械能再次在泵1的壓力接頭5處產(chǎn)生液壓能。電機(jī)作用在泵1上,泵1從油箱吸油,并可準(zhǔn)確控制地直接供入液壓缸。這一傳動(dòng)裝置可在沒(méi)有控制閥的情況下在所有四個(gè)象限控制和調(diào)整全部力學(xué)參數(shù)。此外沒(méi)有任何液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)或開(kāi)關(guān)元件。所有的控制/調(diào)整任務(wù)在電的一方完成,并以可改變的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)帶動(dòng)等容積式泵。
圖2表示先有技術(shù)的開(kāi)式液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡(jiǎn)化后的例子。所產(chǎn)生的例如120巴的壓力,實(shí)際上通過(guò)節(jié)流(控制閥)降到50巴。圖3表示了沒(méi)有控制閥的新方案舉例,亦即在調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)沒(méi)有任何控制閥。在這里功率控制完全在電的一方進(jìn)行。因此,這一系統(tǒng)是完全不耗能的。在圖3a中和在圖2a中對(duì)比了按本發(fā)明方案和先有技術(shù)的力和壓力隨行程的變化。其中,曲線(xiàn)sth是先有技術(shù)的,而曲線(xiàn)Eh是新發(fā)明的。
在先有技術(shù)中顯然看出有大的能量損失,這一損失是作往復(fù)運(yùn)動(dòng)所必須的(用2×120巴代表)。因?yàn)樵谛路桨钢袩o(wú)論是勢(shì)能還尤其是運(yùn)動(dòng)質(zhì)量m的動(dòng)能都是可以回收的,因此為了移動(dòng)此質(zhì)量只需克服很小的摩擦力(作用在滑塊上)。在新發(fā)明的最大設(shè)計(jì)狀態(tài),若沿整個(gè)循環(huán)(前進(jìn)→1,后退→2)最佳化(圖3a和圖4),只剩小部分(20巴)不能回收的能量。
下面參見(jiàn)圖5,它表示了伺服泵控制器的控制方案。伺服泵控制器的壓力調(diào)節(jié)分為三個(gè)串聯(lián)式套疊的控制回路(圖5)。中央硬件設(shè)備由軸傳動(dòng)裝置構(gòu)成(A-Drive),并包括扭矩控制和轉(zhuǎn)速控制的兩個(gè)內(nèi)部回路(RN,RMd)。其中,轉(zhuǎn)速控制(RN)置于扭矩控制(RMd)之上。在扭矩控制部件的入口,數(shù)字調(diào)節(jié)信號(hào)被上一級(jí)的轉(zhuǎn)速控制器按照電機(jī)轉(zhuǎn)角(整流),分為兩個(gè)數(shù)字的電流調(diào)節(jié)信號(hào),并輸入兩個(gè)脈沖寬度調(diào)制的電流控制回路中。如已提及的那樣,同樣處在傳動(dòng)裝置中的外部的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器,設(shè)計(jì)為數(shù)字的PID控制器。此控制器從上一級(jí)的壓力控制組件得到額定值,它提供每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的數(shù)字信號(hào)。轉(zhuǎn)速的實(shí)際值按照電機(jī)絕對(duì)轉(zhuǎn)角通過(guò)差分分解器信號(hào)得出。以例如3Khz的頻率對(duì)此進(jìn)行掃描。
由圖7和8所示的應(yīng)用舉例可以看出,在至少加入其他一些設(shè)計(jì)思想的情況下,本新發(fā)明可以把電傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)的所有重要優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。在電氣/電子系統(tǒng)方面有下列基本要素機(jī)器計(jì)算機(jī)30,指令儀31,數(shù)據(jù)總線(xiàn)32,傳感器或傳感器接口33,控制器34,控制/調(diào)整部件35,傳動(dòng)裝置計(jì)算機(jī)36及控制器Re,傳動(dòng)裝置智能裝置37,特征曲線(xiàn)/方案存儲(chǔ)器38及控制器40,它們共同構(gòu)成一個(gè)多參量過(guò)程控制器39。因此提供了一種將電的和液壓的傳動(dòng)裝置的特性組合起來(lái)的傳動(dòng)裝置,從而形成一種新的動(dòng)態(tài)的四象限傳動(dòng)裝置。這種新的組合又具有新的特性。由液壓傳動(dòng)裝置可使此新的方案尤其是獲得下列優(yōu)點(diǎn)高的功率濃度(致動(dòng)器單位體積的功率或致動(dòng)器單位重量的功率);高的力或力矩濃度(致動(dòng)器單位體積和/或單位重量的力);小的結(jié)構(gòu)體積;在功率較小必須產(chǎn)生大的力或力矩時(shí)傳動(dòng)裝置有高的機(jī)械效率(在機(jī)械式變速器中高減速比帶來(lái)?yè)p失);價(jià)廉并可借助于開(kāi)關(guān)閥方便地接通高功率;采用價(jià)廉的傳感器可以堅(jiān)固耐用和準(zhǔn)確地測(cè)量大的壓力以及力(力的控制)。與傳動(dòng)裝置的尺寸或功率無(wú)關(guān)地總是可以采用相同的傳感器,因?yàn)榈湫偷膲毫偸窍嗤?。?duì)于全體機(jī)器制造商而言,這意味著用少量類(lèi)型的更多的件數(shù)代替多種多樣不同的零件(減少管理費(fèi)用,改善購(gòu)買(mǎi)條件);提高致動(dòng)器和泵的使用壽命(耐磨);采用限壓閥可以建立防止過(guò)載的準(zhǔn)確、可靠和價(jià)廉的安全性功能;總之,通過(guò)力學(xué)參數(shù)壓力和體積流量,采用閥可以建成開(kāi)關(guān)邏輯裝置。在電氣設(shè)備的情況下這只有在電氣方面才有可能,而不是在力學(xué)方面(力和速度)。
由電傳動(dòng)裝置可以吸收下列優(yōu)點(diǎn)在IGBT技術(shù)中當(dāng)代的大功率半導(dǎo)體可以在幾毫微秒(10-9秒)的時(shí)間內(nèi)接通高的功率。在這方面電子技術(shù)優(yōu)于液壓系統(tǒng)至少五個(gè)數(shù)量級(jí);以光速3×108m/s進(jìn)行信號(hào)傳播,這同樣比液壓系統(tǒng)(2-3×103m/s)快五個(gè)數(shù)量級(jí);與液壓閥所需的開(kāi)關(guān)能量相比,開(kāi)關(guān)晶體管所需能量比較低;大功率半導(dǎo)體快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程可以在全部四個(gè)象限內(nèi)無(wú)損失或低損失地控制功率;最通用的控制方法是脈沖寬度調(diào)制(PWM);這種大功率半導(dǎo)體傳統(tǒng)已知的電路可以有控制地回收機(jī)械運(yùn)動(dòng)能量,只要在被傳動(dòng)的機(jī)器制動(dòng)時(shí)將能量輸入電容器,或作為三相交流電回授到電網(wǎng)中;實(shí)際上空載功率可忽略不計(jì);實(shí)際工作中可提供任何生產(chǎn)廠(chǎng)使用的寬分支的世界變電網(wǎng),既可用于供能,亦可用于儲(chǔ)能。因此取消了機(jī)器中相應(yīng)器件的投資費(fèi)用,如電容器或蓄壓器。
這樣就做到了各自避免另一種系統(tǒng)的缺點(diǎn)。尤其在將新方案設(shè)計(jì)為智能型四象限傳動(dòng)裝置時(shí)獲得了許多優(yōu)點(diǎn),其中有些是出人意料的,例如取消了耗能的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu);由于取消了伺服和/或比例閥降低了對(duì)過(guò)濾的要求。在許多情況下可以取消過(guò)濾器。減少維護(hù)量,良好的時(shí)間特性曲線(xiàn)(磨損實(shí)際上只取決于泵);低噪聲(使用低噪聲的定量泵(IZP),沒(méi)有嘈雜的可控泵或機(jī)械變速器);蓄壓器壓力可以監(jiān)測(cè),漏泄可以發(fā)現(xiàn)(行程-壓力測(cè)量);泵和電機(jī)在二個(gè)象限工作,四象限的傳動(dòng)裝置;外負(fù)荷變換時(shí)滯后很??;高動(dòng)態(tài)特性;開(kāi)式系統(tǒng),亦即介質(zhì)更替,沒(méi)有輔助裝置,如用于可控泵的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),用于控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)或增壓的輔助泵;非常簡(jiǎn)單并因而價(jià)廉的結(jié)構(gòu);在低輸出功率時(shí)功率損失很小,緊湊、輕而價(jià)廉的致動(dòng)器;可以與純電的傳動(dòng)裝置組合;同樣的傳動(dòng),接口,用于液壓和電傳動(dòng)裝置的靈巧的多軸控制器;采用智能型傳動(dòng)裝置可以綜合整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。上一級(jí)的控制可例如簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào),它引發(fā)全部運(yùn)動(dòng);通過(guò)轉(zhuǎn)換供應(yīng)多根液壓軸;停車(chē)時(shí)的損失功率限制為最低功率,用于向傳動(dòng)裝置電子設(shè)備供電。電機(jī)、泵和液壓缸不產(chǎn)生任何損失。
通過(guò)按本發(fā)明具有四象限傳動(dòng)裝置的伺服泵機(jī)組控制力、位置和速度,得到各種有關(guān)液壓系統(tǒng)特性的新知識(shí)。申請(qǐng)人認(rèn)識(shí)到,同時(shí)控制上述參數(shù)是絕對(duì)重要的。在許多應(yīng)用中(例如在壓鑄機(jī)的壓入過(guò)程中),實(shí)際上不上沖的壓力控制是特別重要的。在液壓傳動(dòng)裝置中,廣泛采用壓力控制以保證力不超過(guò)預(yù)定值或允許值??刂埔簤旱囊粋€(gè)明顯的可能性是調(diào)制扭矩信號(hào)。但根據(jù)申請(qǐng)人的研究,通過(guò)扭矩調(diào)節(jié)信號(hào)直接影響壓力,大多導(dǎo)致難以阻尼的低頻的調(diào)節(jié)振蕩,因?yàn)殡姍C(jī)和泵的質(zhì)量慣性再加上液壓系統(tǒng)中的彈性,傾向于發(fā)生這種難以阻尼的低頻固有振蕩。一方面人們認(rèn)識(shí)到,通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)泵的體積流量(作為特征曲線(xiàn)補(bǔ)償值)進(jìn)行壓力控制,顯著提高了控制質(zhì)量。這里提出了一個(gè)問(wèn)題,即受壓縮的容積或系統(tǒng)中的彈性,對(duì)控制品質(zhì)或傳動(dòng)特性究竟有什么影響。有關(guān)壓力控制尤其采用壓力控制閥的論述,發(fā)表在1979年出版的教授博士工學(xué)士W.Backe′的教科書(shū)240頁(yè)中。書(shū)中闡明了,在體積流量影響元件,例如一個(gè)連接閥的液壓回路中,受壓縮的體積越小,則控制特性尤其是控制阻尼就越好。申請(qǐng)人有與上述論述不同的看法,通過(guò)伺服泵的壓力控制,與受壓縮體積的大小有很大的關(guān)系,亦即受壓縮體積越大,越能更好地控制住預(yù)定的壓力值(5a)。一種解釋是,可供使用于改變體積流量的時(shí)間長(zhǎng)得多,因?yàn)樵谙嗤捏w積流量時(shí)壓力的變化速度低。為了獲得最佳結(jié)果,本發(fā)明人認(rèn)為,調(diào)節(jié)參數(shù)體積流量,主要按下列與受壓縮體積和額定/實(shí)際值之間偏差的函數(shù)關(guān)系,受液壓系統(tǒng)壓力的限制或調(diào)整Qsoll=+/-k*|(psoll-pist)*(Vo*kc)|]]>k=|MM|*q/(IT*π))]]>MM電機(jī)的尤其取決于液壓系統(tǒng)壓力的可供使用的加速和減速扭矩最大值q每轉(zhuǎn)一圈泵的輸送體積IT電機(jī)和泵的總質(zhì)量慣性Qsoll泵額定體積流量(=消耗流量-漏流)psoll液壓系統(tǒng)額定壓力pist液壓系統(tǒng)實(shí)際壓力ch=Vo*KC“液壓系統(tǒng)容量”Vo受壓縮體積KC壓縮系數(shù)另一方面模擬結(jié)果證明,這一方法給出了很好的結(jié)果,以及,采用按本發(fā)明對(duì)系統(tǒng)中受壓縮體積或彈性的考慮,可以獲得最佳的亦即無(wú)上沖的壓力變化過(guò)程。試驗(yàn)(圖6)證明,這導(dǎo)致極為準(zhǔn)確和快速的壓力控制。為了保證在零位區(qū)如此構(gòu)成的控制回路的穩(wěn)定性,這一方程在小信號(hào)范圍過(guò)渡為相應(yīng)的直線(xiàn)方程。若在運(yùn)動(dòng)中消耗的流量在下面的例子中減少到零,則按新的方法隨著達(dá)到預(yù)定的額定壓力,泵(除為了輸送漏流之外)將停車(chē)。在這里重要的是,供入液壓回路中的流量(體積流量),在達(dá)到預(yù)定壓力值的那一時(shí)刻,就已經(jīng)達(dá)到了必要的低的體積流量值或轉(zhuǎn)速值,因此,以后沒(méi)有試圖將它們盡最快可能降到接近零。這一發(fā)現(xiàn)聽(tīng)起來(lái)很空洞,但帶來(lái)的重要結(jié)果是,有必要與受壓縮體積間接地成正比或與泵/電機(jī)機(jī)組的制動(dòng)時(shí)間成比例地在一定程度上提前開(kāi)啟壓力,以避免不可允許的動(dòng)態(tài)壓力超高。在大信號(hào)區(qū)穩(wěn)態(tài)的控制特性線(xiàn),在理想狀態(tài)如數(shù)學(xué)上已詳細(xì)論證過(guò)的那樣,必然是拋物線(xiàn)形狀的。在小信號(hào)區(qū),調(diào)節(jié)器放大系數(shù)必須比較小,以保證回路的總放大系數(shù)小于Kp=2*d*wo。在此總放大系數(shù)中,再次出現(xiàn)作為因子的1/(Vo*KC)。通過(guò)測(cè)試和理論分析證明,可方便地將控制回路控制成基本上與受壓縮的體積直接成正比。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖5a。通常,在液壓軸運(yùn)動(dòng)時(shí),通過(guò)調(diào)整流向致動(dòng)器例如液壓缸的體積流量來(lái)控制速度。與盛行的許多觀(guān)點(diǎn)不同,在那里將液壓傳輸介質(zhì)看作實(shí)際上不可壓縮的,但對(duì)于具有較重運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的軸,介質(zhì)的可壓縮性尤其應(yīng)當(dāng)加以考慮,因?yàn)閺椥缘挠椭偌由线\(yùn)動(dòng)的質(zhì)量,傾向于產(chǎn)生比較低頻的固有振蕩。本申請(qǐng)人認(rèn)為,這同樣適用于壓鑄機(jī)中用于模具閉合軸的特殊質(zhì)量中。對(duì)此可參見(jiàn)DE-PS4307760全文。事實(shí)尤其是,在過(guò)去的20年中,液壓系統(tǒng)的壓力總體上提高了,為的是有更高的功率密度,但在另一方面這樣做的結(jié)果是,顯著惡化了這種液壓傳動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)傳輸特性。換句話(huà)說(shuō),由于與此相關(guān)地減小了液壓缸的直徑,使固有頻率的值進(jìn)一步降低。本發(fā)明人認(rèn)為,這種引起干擾的低的固有頻率可以被徹底消除,只要在按本發(fā)明的傳動(dòng)裝置中采用被調(diào)整的壓力作為調(diào)節(jié)參數(shù),來(lái)代替按上面所介紹的方法中用體積流量作為調(diào)節(jié)參數(shù),用以控制速度(還可是DE-PS4303760)。為此在受控制的軸上尤其還設(shè)有一個(gè)行程測(cè)量裝置(圖8),它一方面用于測(cè)量速度,以及在必要時(shí)用作上一級(jí)的位置控制,在這種情況下所有的三個(gè)參數(shù)亦即壓力,速度和行程,被一起同樣地最好以多參量控制器(圖7)的方式加以控制?;蛟S對(duì)于特殊的軸,如模具閉合軸,也可以完全取消壓力的控制,只要在液壓缸到達(dá)終端位置前行程的反饋可實(shí)現(xiàn)可靠的制動(dòng)(多參量控制器)。對(duì)于壓鑄機(jī)和注塑機(jī)的模具閉合的另一項(xiàng)措施是,同樣可以按適當(dāng)?shù)姆绞桨惭b合模保險(xiǎn)裝置。
圖8表示新發(fā)明用于模具運(yùn)動(dòng)的基本方案圖。此液壓傳動(dòng)系統(tǒng)按照?qǐng)D1有一臺(tái)泵,一臺(tái)帶傳動(dòng)裝置的伺服電機(jī),一個(gè)傳動(dòng)計(jì)算機(jī)和上一級(jí)其他智能裝置或存儲(chǔ)器以及任何必要的連接總線(xiàn)。對(duì)此可參閱EP-PS643472的內(nèi)容。另一個(gè)重要的元件是壓力傳感器50,它與相應(yīng)的信號(hào)處理裝置包括傳動(dòng)裝置計(jì)算機(jī)-傳動(dòng)裝置-伺服電機(jī)組成一個(gè)壓力控制單元51。通過(guò)壓力管52和定向邏輯裝置53,將油輸往一個(gè)液壓缸54?;钊麠U55在液壓缸54中根據(jù)壓力控制固定或移動(dòng),活塞桿55并相應(yīng)地連接在模具57的閉合機(jī)構(gòu)56上。位置或行程和速度可通過(guò)位置傳感器58以及信號(hào)線(xiàn)59傳輸給傳動(dòng)裝置計(jì)算機(jī),用于例如相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)零件的多參量控制。與背壓設(shè)備60一起,確定合成的加速度壓力,尤其用作調(diào)節(jié)參數(shù)。模具閉合機(jī)構(gòu)可以是某種鑄造機(jī)的,如注塑機(jī)或壓鑄機(jī)或也可以例如是吹塑機(jī)。作為液壓系統(tǒng)參數(shù)主要測(cè)量壓力和運(yùn)動(dòng)機(jī)械的位置,并將它們輸入控制/調(diào)整智能裝置。定向邏輯裝置可將液壓功率輸往多個(gè)分開(kāi)工作的液壓致動(dòng)器。PC機(jī)可以跟蹤控制/調(diào)整智能裝置的測(cè)量數(shù)據(jù),或?qū)⒂糜谝桓蚨喔S的運(yùn)動(dòng)程序裝入控制/調(diào)整智能裝置。在傳動(dòng)裝置另一種設(shè)計(jì)中,也可以將壓力和液壓缸的伸出長(zhǎng)度輸入控制/調(diào)整智能裝置,以提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量。圖8表示得很清楚,采用本發(fā)明可以利用開(kāi)式回路中液壓傳動(dòng)裝置的最突出優(yōu)點(diǎn)之一。人們只需要一個(gè)控制/調(diào)整智能裝置、一臺(tái)泵以及一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。然而通過(guò)壓力管網(wǎng)52′、52″、52,可以用于許多順序工作的軸A1,A2……Ax。它們有所有由緊湊的當(dāng)?shù)匾簤焊谆蛞簤厚R達(dá)提供的優(yōu)點(diǎn)。功率的傳輸通過(guò)定向邏輯裝置按時(shí)間順序進(jìn)行。
與圖8類(lèi)似地圖9表示通過(guò)液壓缸70使一個(gè)注射螺桿71直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或固定。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)液壓馬達(dá)72實(shí)現(xiàn)。73表示壓緊機(jī)構(gòu),74的蓄壓器。采用如圖所示的蓄壓器74,可以只用一個(gè)馬達(dá)同時(shí)驅(qū)動(dòng)一些軸。圖9表示了一種傳動(dòng)方案,其中,由于對(duì)軸的動(dòng)力學(xué)要求很高,可以使用一個(gè)耗能的伺服閥?,F(xiàn)在,此設(shè)有蓄壓器的傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng),可采用按本發(fā)明的傳動(dòng)裝置,通過(guò)一個(gè)定向邏輯裝置控制或供應(yīng)能量。在循環(huán)階段,此時(shí)蓄壓器是充滿(mǎn)的,可應(yīng)用按本發(fā)明的相同的傳動(dòng)裝置,控制/調(diào)整螺桿的傳動(dòng)裝置,或控制/調(diào)整其他一些動(dòng)態(tài)過(guò)程,例如壓緊機(jī)構(gòu)73,它與定向邏輯裝置的連接在圖中沒(méi)有表示。
圖10示意表示一種混合式方案,作為混合式電機(jī)一液壓傳動(dòng)的機(jī)器。在圖10中表示了另一個(gè)用于注塑螺桿71旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)80。伺服電機(jī)80通過(guò)信號(hào)線(xiàn)81由傳動(dòng)裝置計(jì)算機(jī)控制/調(diào)整。因此圖10以附加的方式表示了一種組合式的電機(jī)-液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。但也可以選擇任意的組合。哪些軸由液壓傳動(dòng)和哪些軸由電機(jī)傳動(dòng),取決于每種情況的具體邊界條件。這一設(shè)計(jì)思想允許逐步地將現(xiàn)有的液壓設(shè)備改造為電機(jī)傳動(dòng)裝置。
下面參見(jiàn)圖11,其中表示了一個(gè)工作平臺(tái)90,它可通過(guò)6根可控制的軸91至96運(yùn)動(dòng)。圖11表示了機(jī)器人方案的一種具體情況,例如應(yīng)用于模擬器。作為傳動(dòng)方案,為6根軸各使用一個(gè)按本發(fā)明的傳動(dòng)裝置。為了降低設(shè)備費(fèi)用,在相應(yīng)的總線(xiàn)中合并相同的參數(shù)。唯一的一個(gè)蓄電器/電源通過(guò)DC總線(xiàn)提供給所有的傳動(dòng)裝置使用。圖中沒(méi)有表示每一個(gè)傳動(dòng)裝置的控制/調(diào)整智能裝置的數(shù)據(jù)連接技術(shù)。它們?cè)试S所有被連接的軸同步和協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。按本發(fā)明所有的軸作用在一個(gè)公共的蓄壓器網(wǎng)絡(luò)上,這一網(wǎng)絡(luò)在所有的軸上施加后座或反作用的潛在力。泵的抽吸管也可以通過(guò)一根公共的抽吸管引出(圖中沒(méi)有表示)。最后,傳動(dòng)裝置所有必要的傳感器/致動(dòng)器數(shù)據(jù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)場(chǎng)總線(xiàn)輸入軸的計(jì)算機(jī),或從計(jì)算機(jī)送往外圍設(shè)備(例如用于校準(zhǔn)傳感器)。這些測(cè)量數(shù)據(jù)可例如為壓力、液壓缸伸出位置、可變轉(zhuǎn)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速或系統(tǒng)中的溫度。
傳動(dòng)裝置組件當(dāng)然可以含有自己的“智能裝置”,所以下列任務(wù)都可以在當(dāng)?shù)亟鉀Q座標(biāo)轉(zhuǎn)換(工作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué));安全性監(jiān)控;尤其用于控制的參數(shù)的匹配;全過(guò)程的規(guī)定的運(yùn)動(dòng);數(shù)據(jù)分析;通過(guò)人-機(jī)接口或其他外圍設(shè)備的信息交流。所有這些減輕了上一級(jí)控制/調(diào)整設(shè)備的任務(wù),在極限情況下可以完全取代它們。
圖12簡(jiǎn)化表示了一種具有混合式傳動(dòng)系統(tǒng)的控制/調(diào)整方案。它能控制一根或多根液壓軸A′、A″、Ax并與此同時(shí)控制一根或多根電機(jī)軸M2、M3。因?yàn)樗械妮S都通過(guò)一個(gè)當(dāng)?shù)乜刂撇考刂?,所以工作過(guò)程可最佳地進(jìn)行,因?yàn)榭梢岳帽M可能短的通訊路程。圖12的方案建立在按圖7所示的方案的基礎(chǔ)之上,圖7的方案表示了一個(gè)多參數(shù)過(guò)程控制器。在圖12中,每一個(gè)自主的傳動(dòng)裝置M1、M2和M3有一個(gè)多參數(shù)過(guò)程控制器39、39″、39。在它們上面有一臺(tái)帶內(nèi)插補(bǔ)器100的傳動(dòng)裝置計(jì)算機(jī)104、一臺(tái)信號(hào)計(jì)算機(jī)101以及一個(gè)傳動(dòng)裝置的智能裝置102。作為控制器34各組合有一個(gè)V調(diào)節(jié)器,一個(gè)I調(diào)節(jié)器(Md)以及一個(gè)I控制器。此外,此設(shè)備還有一個(gè)特征曲線(xiàn)/方案存儲(chǔ)器105。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合,需要一個(gè)上一級(jí)的機(jī)器計(jì)算機(jī)106,其中,在計(jì)算機(jī)/存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器107中,儲(chǔ)存所有需要的數(shù)據(jù),如程序儲(chǔ)存器,額定曲線(xiàn),特征曲線(xiàn)補(bǔ)償,起動(dòng)程序,運(yùn)行程序等。
在鑄造機(jī)的情況下,最好還使用一條數(shù)據(jù)交換用的傳感器/致動(dòng)器總線(xiàn)108。但這也適用于其他類(lèi)似的具有同類(lèi)傳動(dòng)問(wèn)題的場(chǎng)合。
權(quán)利要求
1.具有可控式軸傳動(dòng)裝置和控制/調(diào)整智能裝置以及至少一根液壓軸的設(shè)備,其特征為力學(xué)參數(shù)(P/Q)無(wú)能耗地傳入開(kāi)式液壓回路中,以及,功率的控制/調(diào)整通過(guò)功率電子調(diào)整機(jī)構(gòu)完成。
2.按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備,其特征為它有一臺(tái)液壓泵,尤其是恒容量泵,其中,泵的傳動(dòng)通過(guò)一臺(tái)轉(zhuǎn)速可變的驅(qū)動(dòng)電機(jī)尤其是一臺(tái)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn),以及,轉(zhuǎn)數(shù)或轉(zhuǎn)速的控制/調(diào)整通過(guò)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備,其特征為開(kāi)式液壓回路設(shè)計(jì)為無(wú)控制閥的,以及至少一根液壓軸設(shè)計(jì)為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的軸。
4.按照權(quán)利要求1至3之一所述的設(shè)備,其特征為控制/調(diào)整智能裝置有一臺(tái)計(jì)算機(jī)/存儲(chǔ)器,其中,泵的特征值(尤其是作為轉(zhuǎn)速、壓力和溫度的函數(shù)的液壓漏流)可儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)/存儲(chǔ)器中,并在調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)可有效地用作特征曲線(xiàn)補(bǔ)償。
5.按照權(quán)利要求1至4之一所述的設(shè)備,其特征為它有一臺(tái)液壓泵,尤其是內(nèi)齒輪泵,并設(shè)計(jì)四或二象限傳動(dòng)裝置。
6.按照權(quán)利要求1至3之一所述的設(shè)備,其特征為此液壓回路配備有一個(gè)致動(dòng)器,它的背壓側(cè)有一個(gè)蓄能器(或勢(shì)能源),尤其是一個(gè)儲(chǔ)罐,它可作為彈簧儲(chǔ)力器工作。
7.按照權(quán)利要求1至6之一所述的設(shè)備,其特征為可通過(guò)開(kāi)式液壓回路驅(qū)動(dòng)一根以上的軸,其中,至少一根或幾根或所有的軸都可在無(wú)控制閥的情況下工作。
8.按照權(quán)利要求1至7之一所述的設(shè)備,其特征為多個(gè)致動(dòng)器有一個(gè)公共的背壓網(wǎng)絡(luò)。
9.按照權(quán)利要求1至8之一所述的設(shè)備,其特征為在開(kāi)式液壓回路中至少設(shè)有一個(gè)安全閥,此安全閥設(shè)計(jì)為開(kāi)關(guān)閥、限壓或緊急切斷閥,和/或作用在致動(dòng)器上的力通過(guò)液壓或電機(jī)輸入電流加以測(cè)量和儲(chǔ)存,并對(duì)此確定一個(gè)用于控制或監(jiān)測(cè)致動(dòng)器的公差帶,此時(shí),當(dāng)超過(guò)公差帶時(shí)致動(dòng)器停止和/或反向運(yùn)動(dòng)。
10.按照權(quán)利要求1至9之一所述的設(shè)備,其特征為它被設(shè)計(jì)為混合式傳動(dòng)系統(tǒng),其中,通過(guò)功率電子元件和過(guò)程控制計(jì)算機(jī),至少一根最好作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的軸可通過(guò)液壓傳動(dòng)或運(yùn)動(dòng),以及至少另一根軸可由電機(jī)和/或按常規(guī)在閥控制下傳動(dòng)或運(yùn)動(dòng)。
11.按照權(quán)利要求10所述的設(shè)備,其特征為多根軸借助于控制/調(diào)整智能裝置可順序地由無(wú)能耗液壓系統(tǒng)控制/調(diào)整,以及,除此之外,一根或多根電機(jī)軸可與時(shí)間無(wú)關(guān)地控制/調(diào)整。
12.按照權(quán)利要求1至11之一所述的設(shè)備,其特征為在過(guò)程控制計(jì)算機(jī)內(nèi)有程序控制部分,用于非線(xiàn)性壓力控制,其中,過(guò)程控制計(jì)算機(jī)最好設(shè)計(jì)為多軸傳動(dòng)計(jì)算機(jī),并具有模塊式結(jié)構(gòu)的程序控制部分,它們可有選擇地使用并可被上一級(jí)的驅(qū)動(dòng)智能裝置選擇;其中,過(guò)程控制計(jì)算機(jī)最好設(shè)計(jì)用于一根或多根軸作為多參量控制器,在此多參量控制器中可輸入作為目標(biāo)參數(shù)的調(diào)節(jié)參數(shù)極限值(例如力和/或速度和/或行程);此外,最好將此多參量控制器尤其是設(shè)計(jì)為串聯(lián)控制器,并有一個(gè)與數(shù)據(jù)總線(xiàn)或直接與機(jī)器計(jì)算機(jī)的接口;在多參量控制器中可以確定有不同額定值或目標(biāo)參數(shù)(例如力、速度或行程)的多個(gè)工作階段。
13.按照權(quán)利要求1至10之一所述的設(shè)備,其特征為電機(jī)傳動(dòng)裝置可以是持久激勵(lì)式伺服電機(jī),矢量控制式異步電機(jī),可調(diào)直流電機(jī),無(wú)電刷式直流電機(jī)或開(kāi)關(guān)式磁阻電機(jī)或調(diào)頻電機(jī)。
14.按照權(quán)利要求1至13之一所述的設(shè)備,其特征為此設(shè)備設(shè)計(jì)為機(jī)器人,機(jī)床,尤其是注塑機(jī),壓鑄機(jī),壓力機(jī),測(cè)試設(shè)備或工作平臺(tái),其中,至少一根或多根軸設(shè)計(jì)作為無(wú)能耗地在開(kāi)式回路中的液壓式運(yùn)動(dòng)的軸。
15.按照權(quán)利要求1至14之一所述的設(shè)備,其特征為它設(shè)計(jì)為鑄造機(jī),其中,通過(guò)一根或多根軸,將力學(xué)參數(shù)(P/Q)無(wú)能耗地傳入開(kāi)式液壓回路中和/或可借助于一個(gè)耗能閥控制注射軸和/或模具閉合軸;最好所有的致動(dòng)器可連接在蓄能器網(wǎng)絡(luò)上。
16.按照權(quán)利要求1至5之一所述的設(shè)備,其特征為可采用內(nèi)齒或外齒式有補(bǔ)償或無(wú)補(bǔ)償?shù)凝X輪泵、恒定或可調(diào)式軸向或徑向活塞泵、恒定或可調(diào)葉片泵、螺旋泵或其他靜壓容積式部件。
17.按照權(quán)利要求1至16之一所述的設(shè)備,用于借助作用在泵側(cè)和背壓側(cè)的壓力,控制一根或多根軸,例如壓鑄機(jī)模具閉合軸的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的速度分布和/或行程分布,其特征為采用考慮了壓力側(cè)和背壓側(cè)壓力的流體液壓作為調(diào)節(jié)參數(shù),其中,控制器最好設(shè)計(jì)為用于壓力、速度和位置的多參量控制器,或用于控制軸的多參量控制器。
全文摘要
本新發(fā)明建議,對(duì)于液壓軸的功率控制不再在液壓系統(tǒng)方面進(jìn)行,而是通過(guò)功率電子設(shè)備在電氣系統(tǒng)方面進(jìn)行。這就允許液壓系統(tǒng)按開(kāi)式回路運(yùn)行,并尤其是可以用唯一的一臺(tái)泵順序傳動(dòng)任意數(shù)量的軸。突出的優(yōu)點(diǎn)在于,一方面可以達(dá)到單純電機(jī)傳動(dòng)的軸的調(diào)節(jié)質(zhì)量,而尤其是迄今的能量損失不再產(chǎn)生。此新傳動(dòng)裝置起特別有利的作用是在它與一個(gè)勢(shì)能處于相互作用的情況下,這一勢(shì)能確定作用在傳動(dòng)裝置上的回行力。內(nèi)齒輪泵最為有利。盡管整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)四象限傳動(dòng)裝置,但在泵傳動(dòng)裝置一側(cè)作為二個(gè)象限的傳動(dòng)裝置工作。采用此新發(fā)明可以做到將電氣系統(tǒng)的眾所周知的“控制/調(diào)整思想”尤其用于在液壓傳動(dòng)技術(shù)中的功率控制和調(diào)整。
文檔編號(hào)B29C45/82GK1159219SQ96190715
公開(kāi)日1997年9月10日 申請(qǐng)日期1996年5月17日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月16日
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