精确流体操作的气缸定位系统技术方案

一种位置控制系统被用于控制流体操作的气缸（１２），该气缸具有至少一个由活塞（１８）限定的在外壳（２０）内的流体腔室（１４）以便在冲程的第一和第二端限（２２，２４）之间移动。该系统包括至少两个连接至气缸的每个端口的电气致动的按比例流动控制阀门（２６，３０）以便选择性地和按比例地控制流体流进和流出至少一个腔室。至少一个压力传感器（３８，４０）被提供用来测量关于每个腔室的流体压力。至少一个分立位置传感器（４２）位于气缸中点的附近以便感测活塞的分立居中的位置。控制器（４４）包括程序并可操作地连接以便响应由至少一个压力传感器测量的压力和由至少一个位置传感器测量的位置控制至少两个阀门的致动。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于流体操作的气缸的精确单位系统，该气缸具有由外壳和可移动活塞限定的至少一个可膨胀腔室。
技术介绍
市售的气缸定位系统一般为两类，简单的和复杂的。简单系统廉价且通常使用时序或限位阀门实现控制。虽然该类型系统具有显著的成本优势，但其具有性能缺陷。限位阀门系统缺少动态改变气缸停止点的能力，且时序控制的系统要求恒定压力，负载，和磨损。复杂系统更耐受压力，负载，和磨损变化，但具有成本和复杂性的缺陷。复杂系统成本为简单系统的10到20倍之间。复杂系统通常使用脆弱或昂贵的传感器技术，并要求受训的，有经验的人员安装。
技术实现思路
本专利技术中将提供廉价的且精确的流体操作的气缸定位系统。有必要提供一种系统，其具有相对耐受压力，负载，和磨损变化同时保持低成本和简单性。因此，本专利技术揭示一种精确的和廉价的流体操作的气缸定位系统和方法。按照本专利技术基于不同压力的定位气缸或阀门主级(mainstage)是可行的控制方法，其更有效且完全不同于工业领导商当前提供的产品。本专利技术使用标准的，廉价的元件和技术以实现接近昂贵系统的控制精度，和可比得上简单系统的成本。按照本专利技术的位置控制系统被用于控制流体操作的气缸，其具有至少一个由位于外壳内的活塞限定的流体腔室用于在移动的第一和第二端限之间移动。系统包括至少两个电致动的成比例流量阀门，它们连接到要控制的流体操作的气缸的每个端口，以便选择性地和成比例地控制流进或流出至少一个要控制的流体操作的气缸的流体腔室的流体。至少一个压力传感器是为测量关于每个要控制的流体操作的气缸的腔室的流体压力提供的。至少一个智能(discreet)位置传感器位于要控制的流体操作的气缸的中点附近以便检测气缸内活塞分立的(discrete)居中的位置。按照本专利技术的控制程序是可操作地连接至至少两个阀门，至少一个压力传感器，和至少一个用于响应由至少一个压力传感器测量的压力和由至少一个位置传感器测量的位置控制至少两个阀门致动的位置传感器。当结合附图阅读了为实施本专利技术而考虑的最佳模式的描述后，本专利技术的其它应用将对本领域的技术人员。附图说明这里的描述是参考附图做出的，其中几个视图中类似的标识数字指相似部件，且其中图1是按照存储在存储器中的控制程序，用于控制关于至少一个流体操作的气缸的可膨胀腔室的流体流的阀门配置的简化的示意图；和图2是按照本专利技术用于控制程序的流程图的简化的示意图。具体实施例方式本专利技术用与简单系统可比拟的成本执行气压缸控制方案，但性能接近复杂系统的性能。按照本专利技术的控制方案是硬件和软件的组合。硬件是必须功能的支持。然而，实际操作由软件确定。进一步，软件是以这样的方式构造的，即变量确定时间的最终操作。该方法允许例如，多种移动概貌，即加速/减速概貌，速度，时序，力，重复等。此外，该控制方案允许双作用(dual acting)气缸或单作用(single acting)气缸的操作。换句话说，本专利技术可操作带有在两侧流体控制的气缸，或在一侧流体控制的气缸和如弹簧的机构以引起在另一侧返回。虽然这里的说明是基于气动操作的气缸，按照本专利技术的所述控制方案也可应用至其它流体如水压或其它液体。在该控制方案的另一个应用中，气缸可由主级阀门取代。这些通常是非常大的阀门。在该情形中，对于主级控制方案用作比例先导(proportional pilot)，允许主级阀门的按比例定位。历史上，阀门工业使用复杂的方法如带有精确反馈以便控制这样的主级阀门的扭矩马达或比例阀。用于该应用的装置被称为阀门定位器控制。这里描述的按照本专利技术的控制方案因此可用于取代已有的定位器控制。借助气缸，主级阀门可用不同流体操作并可作为双作用或作为单作用主级定位器操作。按照本专利技术，可通过监视并改变活塞两侧的压力而形成一种具有合理精度的控制标准气压缸的方法。该类气缸背后的基本理论是如果已知的体积，即气缸腔室内具有给定量的空气压力，其将施加已知的力于腔室上。这由基本公式表示力＝压强×面积(1)借助已知的负载和某些关于摩擦的合理假定，可以计算气压缸中活塞每侧的力。这些力将直接等同活塞移动已知的距离。该假定背后的理论将在下一部分证明。为了执行该类控制，要监视三个变量。首先，要求相应于气缸的两个腔室中压力的信号。这是通过在气缸的每个入口处的压力传感器实现的。附加赫尔效应传感器，和其它类型分立位置传感器，被用在中间冲程以不时地再校准系统，因此保持系统精度。对于初始概念，某些变量被假定为是已知的并且是常数。这些变量包括气缸负载，摩擦，和磨损。在本专利技术中，如果需要，这些常数可被确定和补偿以便实时使用通用测量和控制方法如适应算法。为了解释的目的，低效率如压缩热，摩擦热，和由于空气方向改变导致的损耗可被忽略。该描述应用至双作用气缸，其中具有支杆的端被称为“负载”端而相对的端是“盖”端。决定两个腔室内压力差间关系的等式为PC-VCTC=Pl-VlTl---(2)]]>其中Pc，Vc和Tc是腔室1(或盖端)的压力，体积，和温度，而Pl，Vl，和Tl是腔室2(或负载端)的压力，体积，和温度。如果我们假定温度相等，等式被简化为Pc·Vc＝Pl·Vl(3)如上面所描述的那样F＝P·A (4)其中F，P，和A分别代表力，压强，和面积。这证明施加在气缸内的力是在活塞端上的压强乘以有效面积。活塞帽端的有效面积是气缸的内部面积，且由下式表示Dl·π4=Ac---(5)]]>Di是气缸内径而Ac是气缸帽端的面积。用于活塞负载端的面积是上面的等式减去支杆的面积(Di2-Dr2)4=Ai---(6)]]>既然活塞的面积是已知的，其遵循如下表达的腔室体积对于帽端Vc＝Ac·Lc(7)Lc是从帽端的内端到活塞表面的长度。对于负载端Vl＝Al·Ll(8)Lc是从帽端的内端到活塞表面的长度。因此，在气缸帽端的空气体积是Vc=Di2·π4·Lc---(9)]]>且在气缸负载端的空气体积是 Vl=(Di2-Dr2)·π4·Ll---(10)]]>将其与等式2合并，产生Pc·Di2·π4·Lc·Lc=Pl·(Di2-Dr2)·π4·Ll---(11)]]>最终，移动气缸一定距离的压力为PcDi2·LcLl(Di2-Dr2)=Pl---(12)]]>Pl·Ll(Di2-Dl2)Di2·Lc=Pc---(13)]]>参考图1，按照本专利技术的控制方法的执行可用多阀配置执行，如四阀容器(four-valve pack)，它们连接至两个压力传感器；即流体操作的气缸的每个端口一个传感器。传感器可以是现货部件，其可从销售商如DigiKey处买到。OpAmps可用在标准电路配置中调节信号，并馈进阀门容器的模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于流体操作的气缸的位置控制系统，该气缸具有至少一个由位于外壳内的活塞限定的流体腔室以便在冲程的第一和第二端限之间移动，该系统包括：至少两个电气致动的比例流量阀门，它们连接至要被控制的流体操作的气缸的每个端口以便选择性地和按比例 地控制流进和流出要控制的流体操作的气缸的至少一个流体腔室的流体流量；至少一个压力传感器，其用于测量关于要控制的流体操作的气缸的每个腔室的流体压力；至少一个分立位置传感器，其位于邻近要控制的流体操作的气缸的中点以便感测气缸中活 塞的分立居中的位置；和控制程序，其可操作地连接至至少两个阀门、至少一个压力传感器、和至少一个位置传感器，用于响应由至少一个压力传感器测量的压力和由至少一个位置传感器测量的位置控制至少两个阀门的致动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰夫莫勒，麦克艾里克希，马克奥德肖恩，
申请(专利权)人：瓦伊金技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]