气动致动器系统和方法

专利名称：气动致动器系统和方法
技术领域：
本发明涉及气动致动器，尤其是，涉及气动致动器系统和方法。
背景技术：
致动器是一种执行某种机械动作的装置。 一种致动器是活塞，其 中该活塞的柱塞以往复的方式运动。因此可将柱塞连接在某种方式的 工作件或其他机械系统。
在某些致动器的应用中，希望在致动器的运动范围内有大于一种 的致动速度和/或大于一种的致动力。例如，在点焊机中，在焊接操作 期间必须将 一 对焊爪 一 起夹在工件上。而且该爪用所需的力夹住工 件。因此，在夹持运动行程的末端必须给焊爪提供相对大的致动力。
但是，提供高水平力的致动器 一般提供相对小范围的致动行程。 在点焊机的爪必须打开很宽以便定位在工件上的情况下这可能是个 问题。因此，点焊机的爪致动器在第1致动间距内需要相对快速地运
动和不需要大的力。在第2致动间距内，爪仅需要运动小的距离，但 必须能够提供大的夹持力。
机器的致动器通常要求精确的控制，使越出的范围最小。对于有 第2致动段跟着第l致动段的2段致动器，这种要求可能更高，其中 第1致动段以更大的速度通过更大的致动间距但给予较小的力。接着 的第2致动段有小的致动间距较小的速度但给予更大的致动力。
但是，有许多其他的机器或装置采用气动致动器。所以，需要灵 活地控制致动速度、力、和/或距离。另外还可能需要执行常规的致动 分布。
此外，在包括致动器的机器中，该机器将不可避免地随着时间磨 损和老化。这将导致在机器中增加阻力。因此，对致动器来说需要可 能补偿磨损或操作条件的其他变化。

发明内容
按照本发明的实施例提供一种气动致动器系统。气动致动器系统 包括有致动部件的气动致动器，构造的气动致动器包括第l致动段和 第2致动段。气动致动器系统还包括一个或多个反馈传感器其构造用
6于提供一个或多个致动反馈值，致动阀它连接和提供第1气动压力和
第2气动压力给气动致动器，和控制器它连接在一个或多个反馈传感 器和致动阀。构造该控制器用于从一个或多个反馈传感器接受一个或 多个致动反馈值，和控制致动阀以便按照致动分布和按照一个或多个 致动反馈值致动该致动部件。
致动器系统的致动方法。该方法包括接受有关致动部件运动的一个或 多个致动反馈值和按照致动分布和按照一个或多个致动反馈值致动 该致动部件。
致动器系统的致动方法。该方法包括接受对应于气动致动器的致动部 件位移的位移信号。该方法还包括由第l压力信号和第2压力信号计 算出计算的致动力值。第1压力信号对应于在活塞装置的气动部分中 的第1气动压力，和第2压力信号对应于液压力倍增器部分中的第2 气动压力。该方法还包括从力传感器接受测量的致动值。测量的致动 力值是由活塞装置产生的致动力的测量值。该方法还包括按照致动分 布和按照位移信号、计算的致动力值、和测量的致动力值致动该致动 部件。
致动器系统的致动方、法。该曰方法包括接受对应于气动致动器:致动部 件位移的位移信号。该方法还包括由第l压力信号和第2压力信号计 算出计算的致动力值。第1压力信号对应于在活塞装置的气动部分中 的第1气动压力和第2压力信号对应于液压力倍增器部分中的第2气 动压力。该方法还包括从力传感器接受测量的致动力值。测量的致动 力值是由活塞装置产生的致动力的测量值。该方法还包括按照致动分 布和按照位移信号、计算的致动力值、和测量的致动力值致动该致动 部件。该方法还包括修正致动分布以便保持计算的致动力值是在测量 的致动力值预定的容许偏差内。 本发明的各个方面
在该系统的 一 个方面中， 一 个或多个反馈传感器包括位移传感器 其构造用于产生对应致动部件位移的位移信号，用控制器按照致动分 布和按照位移信号致动该致动部件。
7在该系统的另 一个方面中， 一个或多个反馈传感器包括力传感器 其构造用于产生测量的致动力值，用控制器按照致动分布和按照测量 的致动力值致动该致动部件。
在该系统的还有另一方面中， 一个或多个反馈传感器包括第l压
的第f2力4号，按照第i:动段用第;s动压;运动:动部件，和
包括第2压力传感器其构造用于产生对应于气动致动器的液压力倍增 器部分中第2气动压力的第2压力信号，按照第2致动段用第2气动 压力运动致动部件，和其中从第1压力信号和第2压力信号得出计算 的致动力值和用控制器按照致动分布和按照计算的致动力值致动该 致动部件。
在该系统的还有另 一 方面中， 一 个或多个反馈传感器包括位移传 感器其构造用于产生对应于致动部件位移的位移信号，力传感器其构 造用于产生测量的致动力值，该值是由致动部件产生的致动力的测量
第i:动压力的i:压^信号，按照第;致动段用第:气动压;运动
致动部件，和第2压力传感器其构造用于产生对应于气动致动器的液 压力倍增器部分中第2气动压力的第2压力信号，按照第2致动段用 第2气动压力运动致动部件，其中从第1压力信号和第2压力信号得 出计算的致动力值和用控制器按照致动分布和按照测量的致动力值、 计算的致动力值、和位移信号致动该致动部件。
在该系统的还有另一方面中，还进一步构造该控制器便于修正致 动分布以便保持计算的致动力值在测量的致动力值预定的容许偏差 内。
在该系统的还有另一方面中，还进一步构造该控制器便于修正致 动分布以便在气动致动器系统的操作寿命内保持计算的致动力值在 测量的致动力值的预定容许偏差内。
在该系统的还有另一方面中，第2致动段的第2行程间距在长度 上基本上是少于第l致动段的第l行程间距。
在该系统的还有另一方面中，使用第l致动力的活塞杆通过第1 行程间距和使用第2致动力的活塞杆通过第2行程间距而第2致动力 是明显大于第1致动力。
8在该系统的还有另一方面中，第2行程间距出现在沿着致动间距 的任何点。
在该系统的还有另一方面中，由致动器的液压力倍增器部分产生 第2行程间距。
在该方法的一个方面中，一个或多个致动反馈值包括从位移传感 器接受的和对应于致动部件位移的位移信号。
在该方法的另一个方面中， 一个或多个致动反馈值包括从力传感 器接受的测量的致动力值，向测量的致动力值是致动部件产生的致动 力的测量值。
在该方法的还有另一方面中， 一个或多个致动反馈值包括由第1 压力信号和第2压力信号产生的计算的致动力值，而第1压力信号对 应于气动致动器的气动部分中的第1气动压力和第2压力信号对应于 液压力倍增器部分中的第2气动压力。
在该方法的还有另一方面中， 一个或多个致动反馈值包括从位移 传感器接受的和对应于致动部件位移的位移信号，从力传感器接受的 测量的致动力值，而测量的致动力值是由气动致动器产生的致动力的 测量值，和由第1压力信号和第2压力信号产生的计算的致动力值， 而第1压力信号对应于气动致动器的气动部分中第1气动压力和第2 压力信号对应于液压力倍增器部分中的第2气动压力。
在该方法的还有另一方面中，该方法还包:^修正致动分布以^便保
持计算的致动力值在测量的致动力值的预定的容许偏差内。
在该方法的还有另 一方面中，该方法进一步包j舌修正致动分布以
便在气动致动器系统的操作寿命内保持计算的致动力值都在测量的
致动力值的预定容许偏差内。


在所有的图中相同的参考数字代表相同的元件。应该理解各图不 一定是按比例画的。
图1表示按照本发明实施例的气动致动器系统。
图2是表示范例致动分布的图。
图3表示按照本发明实施例的气动致动器系统。
图4是气动致动器系统的致动方法的流程图，该系统包括有按照 本发明实施例的致动部件的气动致动器。
9图5是气动致动器系统的致动方法的流程图，该系统包括有按照 本发明实施例的致动部件的气动致动器。
图6是气动致动器系统的致动方法的流程图，该系统包括有按照 本发明实施例的致动部件的气动致动器。
图7表示按照本发明实施例的气动致动器系统。
图8表示按照本发明实施例的气动致动器。
图9A-9C表示在不同伸出位置的致动器。
图IO表示致动器在部分的致动位置。
图11表示已经起动力倍增器时的致动器。
图12表示已经释放力倍增器后的致动器。
具体实施例方式
图1-12和接着的描述说明具体的例子以便给本发明所属技术领 域的普通技术人员讲授怎样制造和使用本发明的最佳模式。为了讲授 发明原理的目的，已经将某些常规的方面简化或省略。本发明所属技 术领域的普通技术人员将能从这些实例体会属于本发明范畴内的变 化。本发明所属技术领域的普通技术人员将能理解下面描述的各部件 可用各种方式组合以便形成本发明的多个变型。因此，本发明并不局 限于下面描述的特定例子，仅由权利要求书和它们的等价条款定义。
图1表示按照本发明实施例的气动致动器系统200。气动致动器 系统200包括气动致动器IOO，它包括有致动部件108的致动气缸102， 致动部件响应加在致动气缸102的气动空气而运动。在表示的实施例 中，致动部件108是从致动气缸102中伸出或缩回到气缸中的杆。另 一种是，在其他的实施例中致动部件108可以是相对致动气缸102外 表面运动的滑架，即气动致动器100包括无杆型的气缸。气动致动器 系统200还包括第1、第2和第3导管207、 208和210,致动阀213, 一个或多个反馈传感器220，和控制器240。与其他实施例一样的部 件用相同的参考数字表示。
致动气缸102接受通过第1导管207由致动阀213供给的第1气 动空气和接受通过第2导管208由致动阀213供给的第2气动空气。 下面与图8-12 —起详细讨论致动气缸102的内部组件。
致动阀213可以包括有一个或多个阀连接到某种方式的气动空气 供给源的阀系统。致动阀213选择性地将加压的气动空气供给第1、
10第2和第3导管207、 208和210。致动阀213可以选择性地供给加压 的气动空气给第和/或第2导管207和208用于致动该致动气缸02 和伸出的致动部件108。致动阀213可以供给加压的气动空气给第1 导管207用于完成第1致动段。致动阀213可以供给加压的气动空气 给第2导管208用于完成第2致动段。致动阀213可以供给加压的气 动空气给第3导管210用于缩回致动部件108。
第1致动段包括通过将气动空气供给第1导管207完成的致动和 第2致动段包括通过将气动空气供给第2导管208完成的致动。第1 和第2致动段可以单个执行或组合执行。第1和第2致动段可以在任 何时间和用任何顺序执行，包括基本上同时执行。当第1和第2两个 致动段同时执行时，致动部件108可以按照第3段运动。另外，可以 实现其他的致动段，如通过改变供给第1和第2导管207和208的空 气压力。可以使用下面讨论的致动分布来规定任何所需的产生致动的 次数、任何所需的致动长度，和任何所需的致动速度和力。
控制器240控制气动致动器系统200的致动。将控制器240连接 到一个或多个反馈传感器220和致动阀213。控制器240控制致动阀 213的操作以便控制致动气缸102的操作。在某些实施例控制器240 可以接受从致动阀213来的阀反馈信息。
控制器240接受从一个或多个反馈传感器220来的一个或多个致 动反馈值。 一个或多个反馈传感器220可以包括与致动部件108的运 动相关的任何形式的反馈传感器(见图3和附带的讨论)。控制器240 使用一个或多个致动反馈值控制致动部件108的致动。
控制器240可以按照致动分布242 (见图2和附带的讨论)执行 和校准各项致动。例如，致动分布242可以规定致动速度、致动距离、 和致动力。致动分布242可以包括致动速度、距离、和力的特殊集合 (和组合)。控制器240可以包括存储器，它存储计算机程序和存储 一个或多个致动分布242。控制器240可以按照致动分布242和按照 从一个或多个反馈传感器220接受的一个或多个致动反馈值执行和校 准致动。
在某些实施例中使用第1气动空气供给源用于气动致动器系统 200的相对小的力、相对高的致动速度的第1致动段。在某些实施例 中使用第2气动空气供给源用于相对大的力，相对低的致动速度的第2致动段。2个致动段可能发生在任何时候和以任何的顺序。致动气 缸102通过第3导管210从致动阀213接受第3气压空气供给。在某 些实施例中使用第3气压空气供给源用于缩回致动部件108。
比先有技术有一个进步是在所需的气压压力方面。有利地，第1 和第2气动空气供给源可以为气动致动器系统200供给相对低的压 力。另外，第1和第2气动空气供给源可以供给相对低的空气体积。
先有技术的2段致动器需要10-12巴的气压压力以便执行致动部 件的致动。与此相反，本发明的气动致动系统200仅需要约6巴的气 压压力。应该理解，如果需要，可以供给更大的压力。但是，产生气 动空气更高的压力和更大的体积需要更大的能量因而更高的成本。因 此气动致动器系统200提供较低的操作成本。
比先有技术有另一个进步是在尺寸方面。气动致动器系统200达 到这种低压、低容积的性能，同时减小了气动致动器系统200的横截 面尺寸。例如，通常使用10-12巴气压压力的先有技术气动致动器其 横截面尺寸约160-200mm (毫米)。与此相反，气动致动器系统200 可以达到这样低压、低容积的致动有横截面尺寸约63mm。因而气动 致动器系统200可以提供有较小的尺寸和较低的材料和制造成本的等 价的致动器。
图2是表示范例的致动分布的图。致动分布可以包括致动器速度 和力值的唯一组合。在该图中，点A表示以相对小的力但在大的距离 上执行的致动。这种致动可以是相对快的。图的B点表示经过小的致 动距离但在较大的力的水平上的致动。这部分可以在较低的致动速度。
但是应该理解这仅是 一 种致动分布的范例和可以设想其他的例 子。另外，应该理解对特殊的应用可以设计致动分布。例如，可以为 点焊机的爪或夹钳设计这个例子中的致动分布。
图3表示按照本发明实施例的气动致动器系统200。在这个实施 例中，一个或多个反馈传感器220包括位移传感器221、力传感器223、 第l压力传感器225、和第2压力传感器226。将控制器240电气连 接在位移传感器221、力传感器223、第1压力传感器225、和第2压 力传感器226。控制器240从位移传感器221接受位移信号。控制器 240从力传感器223接受力信号。控制器240从第1压力传感器225
12接受第1压力信号和从第2压力传感器226接受第2压力信号。
控制器240接受的位移信号指示致动部件108的位移(即相对位 置)。因而当致动部件108运动进和出致动气缸102时控制器240可 以使用位移信号去控制致动部件108的位置和速度。
控制器240接受的测量的致动力值指示由致动部件108产生的致 动力。力传感器223是可选的部件，所以在气动致动器系统200中可 以有或者也可以没有它。控制器240可以使用测量的致动力值来决定 由致动部件108加到工件或工件装置上的实际力。
可将第l和第2压力传感器225和226设置在第l和第2导管207 和208中。另一种是，可将第1和第2压力传感器225和226设置在 致动阀213或致动气缸102的合适区域内。第l和第2压力传感器225 和226测量所采用的致动该致动部件108的第1气动压力和第2气动 压力。第1压力传感器225测量供给致动气缸102中纯气动活塞的加 压空气的第1气动压力和产生第1压力信号。第2压力传感器226测 量供给致动气缸102中液压力倍增器部分的加压空气的第2气动压力 和产生得到的第2压力信号。这里定义的液压包括通过供给的液体的 力使部件产生任何操作或运动。该液体可以包括基本上不可压缩的液 体。
可以计算由于第1气动压力使致动部件108产生的力，如将第1 气动压力乘以纯气动活塞的有效面积得到计算的致动力值。可以计算 由致动部件108产生的力，如将第2气动压力的乘以液压力倍增器部 分的有效面积得到计算的致动力值。如果同时加上第l气动压力和第 2气动压力两个力，那么计算的致动力值是由第1气动压力产生的力 加上由第2气动压力产生的力之和。
应该理解根据由第l压力传感器225供给的第l压力信号和由第 2压力传感器226供给的第2压力信号这样得出的致动力值将非常接 近地跟踪由致动部件108产生的实际的力。因此，计算的致动力值可 能使力传感器223不需要安装。
但是，很多时候计算的致动力值可能偏离由力传感器223产生的 测量的致动力值。这可能是由于被致动部件108致动的工件或工作机 械的尺寸、重量和/或几何形状造成的(即，由气动空气压力所加的某 些力或者被气动致动器IOO或者被工作机械所吸收)。例如，由于气
13动致动器系统200的各个部件中的摩擦力和磨损可能造成各个力值之 差。因此，经过一段时间，计算的致动力值可能偏移如力传感器223 测量到的测量的致动力值。但是，控制器240可以跟踪任何这样的偏 差和可以使用任何偏差来决定是否和什么时候控制器240为了补偿可 以调节致动阀213的操作。所以为了维持所需的致动部件的力控制器 240可以调节供给致动气缸102的第1气动压力。因此，可以构造控 制器240便于修正致动分布242以便保持计算的致动力值在测量的致 动力值预定的容许偏差的。还有，可以构造控制器240便于修正致动 分布以便在气动致动器系统200的操作寿命内保持计算的致动力值在 测量的致动力值预定的容许偏差内。
图4是气动致动器系统的致动方法的流程图400，该系统包括有 按照本发明实施例的致动部件的气动致动器。在步骤401中，接受一 个或多个致动反馈值。该反馈值可以包括任何致动反馈值。在某些实 施例中，致动反馈值可以包括致动速度。在某些实施例中，致动反馈 值可以包括致动间距或距离。在某些实施例中，致动反馈值可以包括 致动力。在某些实施例中，致动反馈值可以包括一个或多个气动压力。 但是，应该理解可以设想其他的反馈值和它们也在本描述和权利要求 书的范围之内。
在步骤402中，按照致动分布和按照一个或多个致动反馈值可以 起动气动致动器。可以使用反馈值与致动分布组合来决定对于气动致 动器所采取的控制作用。
图5是气动致动器系统的致动方法的流程图500，该系统包括有 按照本发明实施例的致动部件的气动致动器。在步骤501中，接受位 移信号。该位移信号对应于气动致动器致动部件的位移。
在步骤502中，由第1压力信号和第2压力信号计算出计算的致 动力值。第I压力信号对应于气动致动器的气动部分中的第1气动压 力。第2压力信号对应于气动致动器的液压力倍增器部分中的第2气 动压力。
在步骤503中，接受测量的致动力值。例如，从力传感器可以接 受测量的致动力值。在某些实施例中，作为由致动部件所加的力可以 测量出测量的致动力值。
在步骤504中，按照致动分布和按照位移信号、计算的致动力值、
14和测量的致动力值可以起动气动致动器。可以使用位移信号、计算的 致动力值、和测量的致动力值，与致动分布组合来决定对于气动致动 器所采取的控制作用。
图6是气动致动器系统的致动方法的流程图600,该系统包括有 按照本发明实施例的致动部件的气动致动器。在步骤601中，如前面 讨论那样，接受位移信号。
在步骤602中，如前面讨论那样，计算出计算的致动力值。 在步骤603中，如前面讨论那样，接受测量的致动力值。 在步骤604中，如前面讨论那样，按照致动分布和按照位移信号、 计算的致动力值、和测量的致动力值可以起动气动致动器。
在步骤605中，可以修正致动分布。可以修正致动分布以便保证 计算的致动力值的连续准确性。如果在计算的致动力值和测量的致动 力值之间的差超过预定的容许偏差，那么可以起动修正工作。可以修 正致动分布以便保持计算的致动力值在测量的致动力值的预定的容 许偏差内。可以修正致动分布以便在气动致动器系统的操作寿命内保 持计算的致动力值在测量的致动力值的预定的容许偏差内。
图7表示按照本发明实施例的气动致动器系统200。在这个实施 例中，阀301、 302、 303和304执行前面各图的致动阀213。阀301 是5/3 ( 5 口 、 3 ^各)电磁驱动比例阀。阀301连4妾到气动空气供给源。 阀302是2/2气动导向起动阀。阀302连接到阀301并进一步连接到 第3导管210和第4导管211。阀302是2/2气动导向起动阀。阀303 同样连接到阀301和进一步连接到第1导管207和第2导管208。阀 304是2/3电磁驱动阀。阀304连接在第2导管208中联机在线。由 控制器(|iC) 240电气控制阀301和304。而阀302和303由导向空 气供给源控制。
阀301的口 1从空气供给源接受气动加压空气。口 1可以可选择 地连接到阀301的口 2或口 4。因此阀301可选择地给岡302和阀303 提供气动空气。阀303可选择地给阀304提供气动空气。
如在图中所示，当将从空气供给源来的气动空气连接到阀301的 口4时，和如果起动阀302，那么将加压空气供给第3导管210和第 4导管211两者。结果，从第4导管211来的加压空气将把活塞160 移动到图中的右边和将缩进活塞160,同时从第3导管210来的加压空气将把活塞120移动到图中的右边和将缩进活塞120 (见图10-12和附带的讨论)。在这种结构中，活塞160将在活塞120缩进之前基本上完全缩进。另一种是，在预定的缩进程序中阀302可以引导气动空气或者到第2导管208或者第3导管210。
与此相反，当将从空气供给源来的气动空气连接在阀301的口 2,和起动阀303时，那么将加压空气供给第1导管207和第2导管208两者。将第1导管207连接在气动致动器IOO的气动部分，同时将第2导管208连接在液压力倍增器部分。供给第1导管207的加压空气将把活塞120移动到图中的左边和将伸出活塞120。但是，阀304进一步控制第2导管208。在某些实施例中，当活塞120被通过第1导管207的气动部分基本上完全伸出时，然后可以起动阀304和将加压空气供给第2导管208。由第2导管208供给的加压空气起动液压力倍增器部分和使活塞160移动到图中的左边。当不起动阀304时，那么阀304把空气排到活塞160的右边，允许活塞160缩回。
第1压力传感器225是与阀301的口 2连通和产生第1压力信号。第2压力传感器226是与阀301的口 4连通和产生第2压力信号。第1压力传感器225和第2压力传感器226两者都电气连接到控制器(pC )240。
在表示的实施例中，可以包括第3压力传感器309。第3压力传感器测量液压力倍增器部分的液压流体压力。第3压力传感器也与控制器(pC) 240电气连接。
这个实施例还包括位移传感器221和力传感器223。位移传感器221和力传感器223两个都与控制器(nC) 240电气连接。
图8表示按照本发明实施例的气动致动器100。该图是近似沿着致动器中心取的剖面图，表示内部的组件。致动器100包括致动器本体102和伸出到致动器本体102之外的活塞杆108。致动器本体102在一个实施例中包括外壳101、上塞103、下塞104、和将上塞103和下塞104固定在外壳101中的一个或多个紧固件106。活塞杆108可移动地从下塞104中伸出，构造的活塞杆108可伸出和缩进。活塞杆108的伸出和缩进可以完成机械工作和可将活塞杆108连接在任何形式的机械装置。按照选择的加压气体如加压空气的引入，气动致动器100可以伸出和缩进活塞杆108。
16图9A-9C表示在不同的伸出位置的致动器100。在一个实施例中致动器100是3位置的致动器。在图9A中，活塞杆108是完全缩进。在图9B中，活塞杆108伸出到第1行程间距。在图9C中，活塞杆108完全伸出经过致动间距(即，全行程)。所以致动间距包括第1行程间距加第2行程间距。第2行程间距可与第1行程间距不同。例如，第2行程间距在长度上可以显著地小于第1行程间距。当致动一个机械装置需要大的致动间距接着小的致动间距或者相反时，这是所希望的。
可以用第1致动速度通过第1行程间距和可以用第2致动速度通过第2行程间距。在一个实施例中第2致动速度是明显低于第1致动速度。
可以使用第l致动力通过第1行程间距和可以使用第2致动力通过第2行程间距。在一个实施例中第2致动力是显著地大于第1致动力。
在一个实施例中致动器100包括力放大器。在一个实施例中，致动器100包括液压-气动力放大器。力放大器可以提供大于仅由供给的气动压力产生的力。在一个实施例中致动器100可在整个致动间距内的任何点处装设力放大器。在致动间距的中间点或者在中间点之前或之后都可以起动力方文大器。
再参考图8，致动器IOO还包括在活塞室126内往复运动的活塞120。将活塞120连接在活塞杆108和使它运动。
致动器IOO还包括内壳109、下内塞131、和上内塞135。内壳109形成活塞室126。将下内塞131设置在活塞室126的底部和将上内塞135设置在活塞室126的上部。另外，下内塞131和上内塞135将内壳109基本上固定在外壳101内的位置中。在一个实施例中，内壳109大体上与外壳101同轴。上内塞135包括上内塞密封136,它基本上使上内塞135对外壳101密封。另外，上内塞135包括液压流体通道137、活塞喉部138、和活塞喉部密封139。活塞喉部138接纳活塞160，用活塞喉部密封139使活塞138对上内塞135密封。因此，阻塞138阻塞活塞喉部138和可以在活塞喉部138内上下往复运动。
致动器IOO还包括活塞环110。活塞环IIO可以包括活塞环密封112。活塞环IIO可以相对外壳101运动和相对活塞杆108运动。活塞
17环110可在活塞环110上和下的加压气体作用下运动。通过口 D和口 E分别从活塞环上和下引入和排出加压气体。
致动器100还包括设置在内壳109和外壳102之间形成的环室147 内的可动的环140。可动环140的上侧接触液压的流体，它也存在于活 塞120上面的活塞室126中。构造可动的环140以^便响应通过口 A引 入和排出气体使其在外壳101和内壳109之间上下往复运动。可动的 环140可以包括可动的环密封144。可动的环密封144基本上使可动的 环140对外壳101密封。另外，可动的环密封144基本上使可动的环 对内壳109密封。
致动器IOO还包括活塞160。活塞160在活塞室161内上下往复运 动。活塞160包括活塞密封163、活塞导管163、和活塞充填腔166。 通过伸展到上塞103和与口 B连接的管子170向活塞充填腔166供给 加压气体。通过气体流过活塞导管163到活塞160下的活塞室161的 一部分，将气体传送到活塞室161的这部分。另外，活塞160与口 C 是连通的。因此，通过将加压气体引入到口 C中可使活塞160向下运 动和通过将加压气体引入到口 B中可使活塞向上运动。
可动环140的向上运动迫使活塞120向下经过第1行程间距，这 是由于液压液体的第1体积从环室147运动进入到活塞室126。活塞 160的向下运,动迫使液压液体的第2体积进入活塞室126,其中活塞160 的向下运动迫使活塞120向下经过第2行程间距。
该图表示致动器100是在完全缩进位置，在该位置活塞杆108是 完全缩进在致动器100内。可将加压气体供给到口 D内以便移动活塞 120到(和保持活塞120在)完全缩进的位置。相应地，释放口 A、 口 B、和口 C以便让活塞120和活塞160移动到完全缩进的向上位置。当 活塞120向上运动时，使活塞120上面的液压流体流出活塞室126和 被迫进入在外壳101和内壳109之间的室，推动可动的环140完全向 下。结果，迫使气体流出口 A。另外，释放口 C和不再保持在活塞160 和上塞103之间的气体。结果，活塞120的向上运动造成活塞160完 全向上运动。
图IO表示致动器IOO是在部分致动位置。已将气体供给到口 A内， 推动可动的环140向上。但是，应注意到可动的环140还没有移动到 它的向上极限位。可动环140的向上运动迫使液压流体/人环室147经过液压液体通道137进入到活塞室126，移动活塞120部分向下。由于 外壳101较大的直径和在内壳109和外壳101之间必然有的体积，可 动环140的运动造成活塞120相对迅速地向下运动(即，第1致动速 度)。在活塞120向下运动期间，通过口 D释放在活塞120下面活塞 室126中的气体。因而可动环140的运动造成活塞120运动通过第1 (大的)行程间距(见图9B)。
图11表示当已经起动力倍增器时的致动器100。该力倍增器起动 造成活塞120运动通过第2 (小的)行程间距(见图9B)。但是，应 注意到在这个图中当可动的环140不在完全向上位置时，活塞杆108 没有完全伸出。
为了起动力倍增器，释放口 B,保持在口 A的压力，和进一步供 给加压气体到口 C。这使活塞160在活塞室161内向下运动，使活塞 160移动完全进入到活塞喉部138。结果，活塞160阻塞住液压流体通 道137和相应地将液压流体密封在活塞室126内。在活塞喉部138内 油活塞160移出的液压流体的体积造成活塞120附加的向下移动。活 塞160上面的大的横截面积，结合活塞160底部的较小的横截面积， 提供力倍增器的效果。活塞160将液压流体压入到活塞室126中。在 一个实施例中在活塞160终端的力约为在活塞160上侧力的6倍。不 需要给致动器IOO提供附加的液压流体。因此在第2 (小的)行程间距 上活塞160提供大的第2致动力。
应该理解在第1 (大的)行程间距的任何点处可以起动力倍增器。 因此，既使活塞杆108仅在第1行程间距的中间点，也可以使活塞160 向下移动和活塞杆108可以通过第2 (小的)行程间距，除了已经通过 的第1行程间距的任何部分之外。
缩进操作基本上与伸出操作相反。为了缩进，释放在口 A和口 C 的加压气体。接着，将加压气体供给口 B，使活塞160向上移动到完 全缩进位置。活塞160的缩进使它不再阻塞液压流体通道137，让液压 流体从活塞室126流到环室147。然后，将加压气体引入到口 E中以使_ 迫使活塞环110完全向上，从而迫使活塞120部分向上(见图12和下 面附带的讨论)。接着将加压气体引入到口 D(同时保持口 E的压力)， 用口 D的加压气体推压活塞120完全向上和迫使可动的环140完全向 下。因而，使第2 (小的)行程间距首先缩回然后缩回第1 (大的)行
19程间距。可选地，接着可以释放在口 E的加压气体，让活塞环110下 落到下塞104上。
图12表示力倍增器已经释放之后的致动器100。这时，口 C已经 释放和加压气体已经加到口 B。由于口 B加上加压气体的结果，活塞 160已经向上运动，不阻塞活塞喉部138和液压液体通道137。现在液 压流体可从活塞室126通过液压流体通道137流到环室147。另外，口 D保持释放和加压气体已经加到口 E。在口 E的加压气体使活塞环110 向上运动。活塞环110向上与活塞120接触，迫使活塞120和活塞杆 108向上。结果，活塞120已经向上返回移动(即缩进)第2 (小的) 行程间距，和至少部分的第1 (大的)行程间距。所以，可动的环140 已经部分向下移动。在缩进顺序中的这一点，加压气体可以保持在口 E 中和现在可将加压气体供给到口 D，其中供给到口 D的加压气体将造 成活塞120 —直向上运动和活塞杆108将通过大的行程间距和完全缩 进。
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权利要求
1.一种气动致动器系统(200)，包括有致动部件(108)的气动致动器(100)，致动器(100)构造成包括第1致动段和第2致动段，气动致动器系统(200)的特征在于一个或多个反馈传感器，构造成提供一个或多个致动反馈值；致动阀(213)，它连接到气动致动器(100)和提供第1气动压力和第2气动压力给气动致动器(100)；控制器(240)，它连接到一个或多个反馈传感器和致动阀(213)，控制器(240)构造成从一个或多个反馈传感器接收一个或多个致动反馈值和控制致动阀(213)以按照致动分布和按照一个或多个致动反馈值来致动该致动部件(108)。
2. 如权利要求1所述的系统(200)，有包括构造成产生对应于致 动部件(108)位移的位移信号的位移传感器(221)的一个或多个反 馈传感器，有按照致动分布和按照位移信号致动该致动部件(108)的 控制器(240)。
3. 如权利要求1所述的系统(200),有包括构造成产生测量的致 动力值的力传感器(223 )的一个或多个反馈传感器，有按照致动分布 和按照测量的致动力值来致动该致动部件(108)的控制器(240)。
4. 如权利要求1所述的系统(200)，有一个或多个反馈传感器包括第1压力传感器(225 ),构造成产生对应于气动致动器(100) 气动部分中第1气动压力的第1压力信号，第1气动压力按照第1致 动段移动致动部件(108);和第2压力传感器(226),构造成产生对应于气动致动器(100) 液压力倍增器部分中第2气动压力的第2压力信号，第2气动压力按 照第2致动段移动致动部件(108);其特征在于从第1压力信号和第2压力信号得到计算的致动力值 和有按照致动分布和按照计算的致动力值来致动该致动部件(108)的 控制器(240)。
5. 如权利要求1所述的系统(200 ),有一个或多个反馈传感器包括位移传感器(221)，构造成产生对应致动部件(108)位移的位移信号；力传感器(223 )，构造成产生包括致动部件(108)产生的致动 力的测量值的测量的致动力值；第1压力传感器(225 ),构造成产生对应于气动致动器(100) 气动部分中第l气动压力的第1压力信号，第1气动压力按照第1致 动^:移动致动部件(108);和第2压力传感器(226),构造成产生对应于气动致动器(100) 液压力倍增器部分中第2气动压力的第2压力信号，第2气动压力按 照第2致动段移动该致动部件(108)，其中从第1压力信号和第2压 力信号得到计算的致动力值和有按照致动分布和按照测量的致动力 值、计算的致动力值、和位移信号来致动该致动部件(108)的控制器 (240)。
6. 如权利要求5所述的系统(200),有进一步构造成修正致动分 布以保持计算的致动力值在测量的致动力值的预定容许偏差内的控制 器(240 )。
7. 如权利要求5所述的系统(200)，有进一步构造成修正致动分 布以在气动致动器系统的操作寿命期间保持计算的致动力值在测量的 致动力值的预定容许偏差内的控制器(240)。
8. 如权利要求1所述的系统(200 )，第2致动段的第2行程间距 在长度上显著小于第1致动段的第1行程间距。
9. 如权利要求8所述的系统(200)，活塞杆(108)用第1致动 力通过第1行程间距和活塞杆(108)用显著大于第1致动力的第2致 动力通过第2行程间距。
10. 如权利要求8所述的系统(200)，在沿着致动间距的任何点 处产生第2行程间距。
11. 如权利要求8所述的系统(200 )，由致动器(100)的液压力 倍增器部分产生第2行程间距。
12. 气动致动器系统的致动方法，该系统包括有致动部件的气动致 动器，该方法包括接收与致动部件运动有关的一个或多个致动反馈值；和 按照致动分布和按照一个或多个致动反馈值来起动致动部件。
13. 如权利要求12所述的方法， 一个或多个致动反馈值包括从位移传感器接收并对应于致动部件位移的位移信号。
14. 如权利要求12所述的方法， 一个或多个致动反馈值包括从力传感器接收的测量的致动力值，测量的致动力值包括致动部件产生的 致动力的测量值。
15. 如权利要求12所述的方法， 一个或多个致动反馈值包括由第 1压力信号和第2压力信号产生的计算的致动力值，第1压力信号对应 于气动致动器的气动部分中的气动压力和第2压力信号对应于液压力 倍增器部分中的液压压力。
16. 如权利要求12所述的方法， 一个或多个致动反馈值包括 从位移传感器接收并对应于致动部件位移的位移信号；从力传感器接收的测量的致动力值，该测量的致动力值包括气动 致动器产生的致动力的测量值；和由第1压力信号和第2压力信号产生的计算的致动力值，第1压 力信号对应于气动致动器的气动部分中的第1气动压力和第2压力信 号对应于液压力倍增器部分中的第2气动压力。
17. 如权利要求16所述的方法，该方法进一步包括》务正致动分布 以将计算的致动力值保持在测量的致动力值的预定的容许偏差内。
18. 如权利要求16所述的方法，该方法进一步包括修正致动分布 以在气动致动器系统的操作寿命期间将计算的致动力值保持在测量的 致动力值的预定的容许偏差内。
19. 包括气动致动器的气动致动器系统的致动方法，该方法包括 接收对应于气动致动器的致动部件的位移的位移信号；从第1压力信号和第2压力信号计算出计算的致动力值，第1压 力信号对应于活塞装置的气动部分中的第1气动压力和第2压力信号 对应于液压力倍增器部分中的第2气动压力；从力传感器接收测量的致动力值，该测量的致动力值包括活塞装 置产生的致动力的测量值；和按照致动分布和按照位移信号、计算的致动力值、和测量的致动 力值来起动致动部件。
20. 如权利要求19所述的方法，该方法进一步包括修正致动分布 以将计算的致动力值保持在测量的致动力值的预定的容许偏差内。
21. 如权利要求19所述的方法，该方法进一步包括修正致动分布以在气动致动器系统的操作寿命期间将计算的致动力值保持在测量的 致动力值的预定的容许偏差内。
22. 包括气动致动器的气动致动器系统的致动方法，该方法包括 接收对应于气动致动器的致动部件的位移的位移信号；从第1压力信号和第2压力信号计算出计算的致动力值，第1压 力信号对应于活塞装置的气动部分中的第1气动压力和第2压力信号 对应于液压力倍增器部分中的第2气动压力；从力传感器接收测量的致动力值，该测量的致动力值包括活塞装 置产生的致动力的测量值；按照致动分布和按照位移信号、计算的致动力值、和测量的致动 力值来起动致动部件；和修正致动分布以将计算的致动力值保持在测量的致动力值的预定 的容许偏差内。
23. 如权利要求22所述的方法，修正致动分布进一步包括修正气 动压力以在气动致动器系统的操作寿命期间将计算的致动力值保持在 测量的致动力值的预定的容许偏差内。
全文摘要
按照本发明提供一种气动致动器系统(200)。该系统(200)包括有致动部件(108)的气动致动器(100)，构造的气动致动器(100)包括第1致动段的第2致动段。该系统(200)还包括一个或多个反馈传感器其构造用于提供一个或多个致动反馈值，致动阀(213)它连接和提供第1气动压力和第2气动压力给气动致动器(100)，和控制器(240)它连接在一个或多个反馈传感器和致动阀(213)。构造控制器(240)用于从一个或多个反馈传感器接受一个或多个致动反馈值和控制致动阀(213)以便按照致动分布和按照一个或多个致动反馈值致动该致动部件(108)。
文档编号F15B9/09GK101688545SQ200780052558
公开日2010年3月31日 申请日期2007年4月13日 优先权日2007年4月13日
发明者F·布劳恩, F·施努尔, H·T·保卢斯, N·吉森 申请人:诺格伦有限责任公司