專利名稱：采用彈性橡膠的氣壓缸及控制該氣壓缸的位置的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于板的對準設(shè)備(aligning apparatus)或?qū)χ行脑O(shè)備(centering apparatus)的氣壓缸，以及控制該氣壓缸的位置的系統(tǒng)和方法。更具體地說，本發(fā)明涉及采用彈性橡膠的氣壓缸和控制該氣壓缸位置的系統(tǒng)和方法，該彈性橡膠能通過將摩擦力減到最小和將供給的空氣壓力控制為低壓，而用較小的力量精確地執(zhí)行位置控制。
背景技術(shù)：
圖1示出了傳統(tǒng)氣壓缸和控制該氣壓缸位置的系統(tǒng)。參見圖1，傳統(tǒng)氣壓缸具有由圓柱筒12和活塞頭13分隔的兩個腔室。兩腔室中的壓力差使活塞頭13運動，隨著與活塞頭13連接的活塞桿10的運動，執(zhí)行預定作業(yè)。
活塞頭蓋11和氣缸前蓋14保持活塞桿10移動的沖程距離?；钊^蓋11和氣缸前蓋14分別設(shè)置有空氣注入孔11a和14a。因此，壓縮空氣通過空氣注入孔11a和14a注入兩氣缸或從兩氣缸排出。因此，在該兩腔室之間產(chǎn)生壓力差，因而使活塞頭13移動。
一對限位開關(guān)15a和15b用于檢測活塞頭13是否到達預期位置。當限位開關(guān)15a和15b經(jīng)由輸入端口16b通過控制器16的預置程序向控制器16輸入信號時，如果活塞頭13位于氣缸前蓋14的一端，就會產(chǎn)生限位開關(guān)15a的信號；如果活塞頭13位于活塞頭蓋11的一端，就會產(chǎn)生限位開關(guān)15b的信號。因此，活塞頭13的位置可根據(jù)信號被識別，這樣通過輸出端口16a，輸出5-端口、2-位置的電磁閥17的控制信號。
當活塞頭13位于氣缸前蓋14一端時，電磁閥17被操作以通過氣缸前蓋14的空氣注入孔14a供應壓縮空氣19。與活塞頭蓋11的空氣注入孔11a連通的腔室內(nèi)的壓縮空氣通過速度控制閥18a排除至外部?；钊麠U10推進的速度由速度控制閥18a根據(jù)空氣的量控制。
當信號被輸入至限位開關(guān)15a時，活塞頭13被識別為朝活塞桿10移動。壓縮空氣19通過活塞頭蓋11的空氣注入孔11a被注入，因此通過關(guān)閉電磁閥17可使活塞桿10后退。與氣缸前蓋11的注入孔14a相連通的腔室內(nèi)的空氣通過速度控制閥18b排出至外部。因此，活塞桿10的后退速度通過速度控制閥18b控制。
如上所述，活塞桿10往復由氣缸結(jié)構(gòu)確定的沖程距離，通過活塞頭蓋11和氣缸前蓋14使活塞桿10停止。用于防止汽缸筒12和活塞頭13之間的空氣泄漏的材料如油環(huán)產(chǎn)生摩擦力。摩擦力使位置難以控制，因此活塞頭13的運動需要用制動器機械地制動。因此，傳統(tǒng)氣壓缸廣泛用于沖程固定或需要簡單重復的系統(tǒng)中。
盡管傳統(tǒng)氣壓缸廣泛作為自動化系統(tǒng)的構(gòu)成元件使用，但由于活塞頭和氣缸筒之間的摩擦作用，不可能實現(xiàn)將活塞頭確定或保持在預期位置的精確位置控制。因此，傳統(tǒng)氣壓缸雖然具有通過控制空氣壓力而易于以較小的力進行控制的特點，但難以應用于需要直接操作的板的對準設(shè)備或?qū)χ行脑O(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題為解決上述和/或其它問題，本發(fā)明提供這樣一種氣壓缸以及控制該氣壓缸位置的系統(tǒng)和方法，該氣壓缸使用彈性橡膠以減少用于板對準設(shè)備或?qū)χ行脑O(shè)備的摩擦力，從而通過較小的力直接推、拉板，以實現(xiàn)精確的位置控制，并且檢驗的廢品率下降，處理步驟得到改進，生產(chǎn)率得到提高。
技術(shù)解決方案按照本發(fā)明的一個方面，一種采用彈性橡膠的氣壓缸，其用于板的對準設(shè)備和定心設(shè)備，包括氣缸蓋，其保護氣缸頭；固定支架，具有用于注入空氣的空氣注入孔；具有半球形形狀的彈性橡膠，其相對于所述固定支架的所述空氣注入孔固定于所述氣缸蓋內(nèi)，并根據(jù)通過所述空氣注入孔被供給和排出的壓縮空氣量的變化膨脹和收縮；活塞桿，穿過所述氣缸蓋，并根據(jù)所述彈性橡膠的膨脹和收縮的改變量前進和后退；彈簧，安裝于所述活塞桿，并允許所述活塞桿根據(jù)所述彈性橡膠的膨脹和收縮前進和后退；滑動軸承，引導所述活塞桿的線性運動；滑動軸承支架，支撐所述滑動軸承；位移傳感器，測量所述活塞桿的位移；檢測狗，傳遞所述活塞桿位移至所述位移傳感器，以及固定板，所述固定支架、氣缸蓋和滑動支撐架被固定地設(shè)置于所述固定板上。
按照本發(fā)明的另一方面，控制上述采用彈性橡膠的氣壓缸的位置的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括空氣輸入閥模塊，通過所述空氣注入孔供應壓縮空氣，以允許所述活塞桿前進；空氣輸出閥模塊，通過所述空氣注入孔將由彈性橡膠和固定支架限定的腔室內(nèi)的壓縮空氣排出至外部，以允許活塞桿后退；控制單元，具有控制器，所述控制器通過輸入端口接收所述位移傳感器的信號，將從該信號獲得的信息與目標值進行比較，以產(chǎn)生位置誤差，并利用位置誤差的值計算電磁閥打開和關(guān)閉的時間，通過輸出端口輸出控制器的控制信號；以及閥驅(qū)動單元，接收控制器的控制信號，并控制所述空氣輸入閥模塊和所述空氣輸出閥模塊。
按照本發(fā)明的還另一方面，一種控制上述采用彈性橡膠的氣壓缸的位置的方法，包括(a)測量所述活塞桿的位移，所述活塞桿的位移根據(jù)供給所述彈性橡膠的壓縮空氣的量的變化而變化，使用與所述檢測狗接觸的所述位移傳感器，通過信號處理器向包括于控制單元中的輸入端口輸入測量的位移，以及通過A/D轉(zhuǎn)換器將所述測量的位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字值；(b)通過將經(jīng)過測量部分的、轉(zhuǎn)換的所述數(shù)字值和用戶預先設(shè)定的目標值進行比較產(chǎn)生位置誤差；(c)確定所產(chǎn)生的位置誤差具有正值還是負值，以操作空氣輸出閥模塊的電磁閥和空氣輸入閥模塊的電磁閥；以及(d)當產(chǎn)生所述位置誤差時，使用所述位置誤差計算所述電磁閥的操作時間，通過輸出端口將計算的電磁閥的操作時間傳輸至所述閥驅(qū)動單元，以及在所述閥驅(qū)動單元根據(jù)由所述位置誤差的符號確定的空氣輸入和輸出，向各個所述電磁閥傳輸空氣輸入信號或空氣輸出信號，從而控制所述電磁閥。


圖1是傳統(tǒng)的氣壓缸及其位置控制系統(tǒng)的剖視圖；圖2是按照本發(fā)明一種實施方案的、采用彈性橡膠的氣壓缸的剖視圖；圖3示出了圖2所示的氣壓缸的位置控制系統(tǒng)；以及圖4是圖3所示系統(tǒng)的信號流向圖。
發(fā)明模式圖2是按照本發(fā)明一種實施方案的采用彈性橡膠的氣壓缸的剖視圖。參見圖2，提供有由彈性橡膠27形成的腔室、和用于固定彈性橡膠27的固定支架25，以消除在活塞頭和氣缸筒之間產(chǎn)生摩擦力的作用。即，通過空氣注入孔25a的壓縮空氣使彈性橡膠27變形，因而產(chǎn)生使活塞桿31前進的力。前進了的活塞桿31由設(shè)置于彈性橡膠27和氣缸蓋23之間的活塞桿31的彈性復位。
按照本發(fā)明的氣壓缸可通過固定板26安裝于其它元件上，固定板26上固定地安裝有固定支架25、氣缸蓋23和滑動軸承支架34。隨著彈性橡膠27的變形，活塞桿31重復地前進和后退，因此而產(chǎn)生的位移由檢測狗(sensor dog)22傳輸至位移檢測桿(sensor rod)21c。根據(jù)檢測桿21c的動作，位移傳感器21a產(chǎn)生與位移檢測桿21c相對應的電壓信號。
由于位移傳感器21a的電壓信號對應于活塞桿31的運動距離，因而通過將電壓轉(zhuǎn)換為位置，并將轉(zhuǎn)換的電壓與目標值相比較，就產(chǎn)生位置誤差，這樣就可能通過執(zhí)行位置伺服控制確定精確位置。由于彈性橡膠27使活塞桿31前進，彈簧29使活塞桿31后退，因此會由于粘性摩擦系數(shù)不足而產(chǎn)生振動。為減小振動，固定板26上安裝有流體阻尼器30，檢測狗22的下部分被浸入到粘性流體中。
在某些情況下，不使用流體阻尼器30，而通過增加微分(differential)控制功能，通過調(diào)節(jié)粘性摩擦系數(shù)而減小在位置控制過程中產(chǎn)生振動的特性。微分控制功能通過對由目標值和由位于控制器50c內(nèi)的位移傳感器測量的實際位移之間差別產(chǎn)生的位置誤差進行微分實現(xiàn)。
活塞桿31由安裝在滑動軸承支撐架34上的滑動軸承32引導執(zhí)行線性運動。在活塞桿31運動過程中產(chǎn)生的摩擦力僅僅是來自于滑動軸承32和活塞桿31之間的接觸表面產(chǎn)生的摩擦力，因此只有很小的摩擦力被施加。
因此，按照本發(fā)明的低摩擦氣壓缸，由于活塞桿31被通過向彈性橡膠27和固定支架25形成的腔室注入或排出空氣在彈性橡膠27內(nèi)部產(chǎn)生的壓力和由彈性橡膠27的內(nèi)表面產(chǎn)生的驅(qū)動力推進，并且活塞桿31被彈簧29的回復力返回，因此摩擦力的效果可以被忽略。然而，由于位置控制特性可能取決于彈性橡膠27和彈簧29的特性，因此這些元件的選擇非常重要。位置確定的準確性根據(jù)位移傳感器21a和提供于控制單元50內(nèi)的控制器50c(請參見圖3)的分辯度而變化，因此為了提高位置確定的準確性，需要謹慎地設(shè)計控制器50c。
圖3示出了圖2所示氣壓缸的位置控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)被配置成控制圖1所示的采用彈性橡膠的氣壓缸的位置。該系統(tǒng)包括空氣輸入閥模塊40b，用于通過注入孔25a供應壓縮空氣，從而使活塞桿31前進；空氣輸出閥模塊40a，用于通過空氣注入孔25a排出由彈性橡膠27和固定支架25限定的腔室內(nèi)的壓縮空氣，從而使活塞桿31后退；控制器50c，其通過輸入端口50a接收位移傳感器21a的信號，將該信息與目標值進行比較，產(chǎn)生位置誤差，并利用所生成的位置誤差計算電磁閥(未示)的打開和關(guān)閉時間；以及閥驅(qū)動單元46，用于控制控制單元50，控制單元50通過輸出端口50b輸出控制器50c的控制信號，以及通過接收控制單元50的控制信號控制空氣輸入和輸出閥模塊40a和40b。
圖4是圖3所示系統(tǒng)的信號走向示圖。參見圖4，示出了控制上述利用彈性橡膠結(jié)構(gòu)的氣壓缸的位置的方法。
首先，安裝于氣壓缸20的位移傳感器21a測量活塞桿31的位移。
第二，由從活塞桿31的位移測量獲得的信號傳遞到信號處理器51，并通過輸入端口50a輸入至A/D轉(zhuǎn)換器(未示)。位置傳感器21a的模擬信號由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后再由測量部分(未示)轉(zhuǎn)換為位置信息。采用微處理器的控制單元50將由用戶設(shè)置的給定目標位置，與由測量部分通過將位移傳感器的信號轉(zhuǎn)換為位置信息獲得的輸出進行比較，以確定是否達到目標值，并產(chǎn)生相對于目標值的位置誤差。
第三，通過確定目標位置誤差是正值還是負值，對空氣輸入閥模塊40b的電磁閥403和404和空氣輸出閥模塊40a的電磁閥401和402進行操作。
當具有正值的位置誤差大于任意的設(shè)置值時，電磁閥403被操作。當具有正值的位置誤差小于設(shè)定值時，電磁閥404被操作，以供給少量空氣至氣壓缸20。采用速度控制閥43和44控制供給電磁閥403和404的壓縮空氣。速度控制閥43被調(diào)節(jié)以具有比速度控制閥44的截面尺寸更大的截面尺寸。因此，當位置誤差大于設(shè)定值時，壓縮空氣通過速度控制閥43被供應至氣壓缸20。當位置誤差小于設(shè)定值時，壓縮空氣通過具有減小的截面尺寸的速度控制閥44在經(jīng)過電磁閥404后，被供應到氣壓缸20，這樣可能實現(xiàn)細微的運動。
當具有負值的位置誤差小于設(shè)定值時，由于實際位移已經(jīng)遠遠超過目標位置，因此氣壓缸20內(nèi)的壓縮空氣通過具有增加的截面尺寸的速度控制閥41，經(jīng)由電磁閥401進入外界空氣。當位置誤差大于預定值時，由于實際位移接近目標位置，因此，為了實現(xiàn)細微的運動，氣壓缸20內(nèi)的壓縮空氣通過具有減小的截面尺寸的速度控制閥42，經(jīng)由電磁閥402進入外界空氣。因此，實現(xiàn)了精確的位置確定。
第四，當產(chǎn)生位置誤差時，利用該位置誤差計算控制輸入，在控制輸入中用電磁閥的操作時間作為控制信號。通過在控制單元50中寫入程序而對數(shù)字控制器50c進行設(shè)計。由控制部分計算的、電磁閥的操作時間通過輸出端口50b被傳遞至閥驅(qū)動單元46。閥驅(qū)動單元46根據(jù)由位置誤差確定的空氣輸入或輸出，將空氣輸入或輸出信號傳輸至各自電磁閥，從而控制電磁閥。
當位置誤差是正值時，由壓縮機(未示)供給的壓縮空氣45被輸入至各電磁閥403和404的端口P，并通過端口A輸出至氣壓缸20。因此，彈性橡膠27膨脹，活塞桿31前進。當位置誤差是負值時，存在于氣壓缸20內(nèi)的壓縮空氣被輸入至各電磁閥401和402的端口P，并通過端口A輸出至空氣。因此，在彈簧29的回復力作用下，彈性橡膠27收縮，活塞桿31后退。
雖然本發(fā)明被以其優(yōu)選實施方案具體地示出和描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在其中可以作出各種形式和細節(jié)上的改變，而不會偏離由附后的權(quán)利要求限定本發(fā)明的精神和范圍。
如上所述，按照本發(fā)明，在用于加工和檢驗輕薄板的裝置中，當通過直接操作該板使其對中或?qū)蕰r，通過以較小的力量操作該板，就可確定精確的位置，而不會由于向板體施加過大的力量使其產(chǎn)生變形。
并且，當位移誤差的絕對值大時，通過調(diào)節(jié)速度控制閥的截面尺寸使其變大，使大量的空氣供給到電磁閥，從而很快接近目標值。當位置誤差的絕對值小時，通過調(diào)節(jié)速度控制閥的截面尺寸使其變小，使少量空氣供給到電磁閥，從而可能確定精確的位置。
此外，由于氣壓缸被配置成能夠利用彈性橡膠的膨脹和收縮使活塞桿前進和后退，因此滑動摩擦力被減到最小，彈性橡膠根據(jù)供給氣壓缸的空氣量的變化而變化。因此，通過利用具有不同地調(diào)節(jié)的截面尺寸的速度控制閥，能夠獲得精確的氣流量控制技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種采用彈性橡膠的氣壓缸，用于板的對準設(shè)備和對中心設(shè)備，該氣壓缸包括氣缸蓋，其保護氣缸頭；固定支架，具有用于注入空氣的空氣注入孔；具有半球形形狀的彈性橡膠，其相對于所述固定支架的所述空氣注入孔固定于所述氣缸蓋內(nèi)，并根據(jù)通過所述空氣注入孔被供給和排出的壓縮空氣量的變化膨脹和收縮；活塞桿，穿過所述氣缸蓋，并根據(jù)所述彈性橡膠的膨脹和收縮的改變量前進和后退；彈簧，安裝于所述活塞桿，并允許所述活塞桿根據(jù)所述彈性橡膠的膨脹和收縮前進和后退；滑動軸承，引導所述活塞桿的線性運動；滑動軸承支架，支撐所述滑動軸承；位移傳感器，測量所述活塞桿的位移；檢測狗，傳遞所述活塞桿位移至所述位移傳感器，以及固定板，所述固定支架、氣缸蓋和滑動支撐架被固定地設(shè)置于所述固定板上。
2.根據(jù)地權(quán)利要求1所述的氣壓缸，進一步包括流體阻尼器，所述流體阻尼器增加所述活塞桿在運動過程中的粘性摩擦系數(shù)。
3.根據(jù)地權(quán)利要求2所述的氣壓缸，其中所述檢測狗的下端部分浸沒于所述流體阻尼器中。
4.一種控制按權(quán)利要求1配置的采用彈性橡膠的氣壓缸的位置的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括空氣輸入閥模塊，通過所述空氣注入孔供應壓縮空氣，以允許所述活塞桿前進；空氣輸出閥模塊，通過所述空氣注入孔將由彈性橡膠和固定支架限定的腔室內(nèi)的壓縮空氣排出至外部，以允許所述活塞桿后退；控制單元，具有控制器，所述控制器通過輸入端口接收所述位移傳感器的信號，將從該信號獲得的信息與目標值進行比較，以產(chǎn)生位置誤差，并利用所述位置誤差的值計算電磁閥打開和關(guān)閉的時間，以及通過輸出端口輸出所述控制器的控制信號；以及閥驅(qū)動單元，接收所述控制單元的控制信號，并控制所述空氣輸入閥模塊和所述空氣輸出閥模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述空氣輸入閥模塊包括一對電磁閥，與所述空氣注入孔相連并供應壓縮空氣；以及一對速度控制閥，具有不同的截面尺寸，以調(diào)節(jié)所述電磁閥的流量；以及所述空氣輸出閥模塊包括一對電磁閥，排出所述氣壓缸內(nèi)存在的壓縮空氣；以及一對速度控制閥，具有不同的截面尺寸，以調(diào)節(jié)所述電磁閥的流量。
6.一種控制按權(quán)利要求1配置的采用彈性橡膠的氣壓缸的位置的方法，該方法包括(a)測量所述活塞桿的位移，所述活塞桿的位移根據(jù)供給所述彈性橡膠的壓縮空氣的量的變化而變化，使用與所述檢測狗接觸的所述位移傳感器，通過信號處理器向包括于控制單元中的輸入端口輸入測量的位移，以及通過A/D轉(zhuǎn)換器將所述測量的位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字值；(b)通過將經(jīng)過測量部分的、轉(zhuǎn)換的所述數(shù)字值和用戶預先設(shè)定的目標值進行比較產(chǎn)生位置誤差；(c)確定所產(chǎn)生的位置誤差具有正值還是負值，以操作空氣輸出閥模塊的電磁閥和空氣輸入閥模塊的電磁閥；以及(d)當產(chǎn)生所述位置誤差時，使用所述位置誤差計算所述電磁閥的操作時間，通過輸出端口將計算的電磁閥的操作時間傳輸至所述閥驅(qū)動單元，以及在所述閥驅(qū)動單元根據(jù)由所述位置誤差的符號確定的空氣輸入和輸出，向各個所述電磁閥傳輸空氣輸入信號或空氣輸出信號，從而控制所述電磁閥。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中步驟(c)還包括(c1)當具有負值的位置誤差小于任意的設(shè)定值時，所述氣壓缸內(nèi)的壓縮空氣通過具有增加的截面尺寸的第一速度控制閥由所述電磁閥進入外界空氣；當具有負值的位置誤差大于所述設(shè)定值時，由于實際位移接近于目標位置，因此為了實現(xiàn)細微的運動，位于所述氣壓缸內(nèi)的壓縮空氣通過具有減小的截面尺寸的第二速度控制閥由所述電磁閥進入外界空氣，以及；(c2)當具有正值的位置誤差大于任意的設(shè)置值時，由具有增加的截面尺寸的第三速度控制閥調(diào)節(jié)的壓縮空氣操作所述電磁閥、并被供給至所述氣壓缸；當具有正值的位置誤差小于所述設(shè)定值時，由具有減小的截面尺寸的第四速度控制閥調(diào)節(jié)的壓縮空氣操作所述電磁閥、并被供給至所述氣壓缸。
全文摘要
提供的是一種采用彈性橡膠的氣壓缸，用于板的對準設(shè)備和定心設(shè)備。該氣壓缸包括氣缸蓋，其保護氣缸頭；固定支架，具有供注入空氣的空氣注入孔；彈性橡膠，具有半球形形狀，其對應于固定支架的空氣注入孔固定于氣缸蓋內(nèi)，并根據(jù)通過空氣注入孔被供給和排出的壓縮空氣量的變化膨脹或收縮；活塞桿，穿過氣缸蓋，并根據(jù)彈性橡膠的膨脹和收縮前進和后退；彈簧，安裝于活塞桿上，允許活塞桿根據(jù)彈性橡膠的膨脹和收縮前進和后退；滑動軸承，引導活塞桿的線性運動；滑動軸承支架，支撐滑動軸承；位移傳感器，測量活塞桿的位移；檢測狗，傳遞活塞桿的位移至位移傳感器，以及固定板，固定支架、氣缸蓋和滑動支撐架被固定地設(shè)置于其上。
文檔編號G05D3/00GK101061445SQ200580039889
公開日2007年10月24日 申請日期2005年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月30日
發(fā)明者金鳳石, 樸晸圭 申請人:Z.Tec有限公司