专利名称：采用弹性橡胶的气压缸及控制该气压缸的位置的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于板的对准设备(aligning apparatus)或对中心设备(centering apparatus)的气压缸，以及控制该气压缸的位置的系统和方法。更具体地说，本发明涉及采用弹性橡胶的气压缸和控制该气压缸位置的系统和方法，该弹性橡胶能通过将摩擦力减到最小和将供给的空气压力控制为低压，而用较小的力量精确地执行位置控制。
背景技术：
图1示出了传统气压缸和控制该气压缸位置的系统。参见图1，传统气压缸具有由圆柱筒12和活塞头13分隔的两个腔室。两腔室中的压力差使活塞头13运动，随着与活塞头13连接的活塞杆10的运动，执行预定作业。
活塞头盖11和气缸前盖14保持活塞杆10移动的冲程距离。活塞头盖11和气缸前盖14分别设置有空气注入孔11a和14a。因此，压缩空气通过空气注入孔11a和14a注入两气缸或从两气缸排出。因此，在该两腔室之间产生压力差，因而使活塞头13移动。
一对限位开关15a和15b用于检测活塞头13是否到达预期位置。当限位开关15a和15b经由输入端口16b通过控制器16的预置程序向控制器16输入信号时，如果活塞头13位于气缸前盖14的一端，就会产生限位开关15a的信号；如果活塞头13位于活塞头盖11的一端，就会产生限位开关15b的信号。因此，活塞头13的位置可根据信号被识别，这样通过输出端口16a，输出5-端口、2-位置的电磁阀17的控制信号。
当活塞头13位于气缸前盖14一端时，电磁阀17被操作以通过气缸前盖14的空气注入孔14a供应压缩空气19。与活塞头盖11的空气注入孔11a连通的腔室内的压缩空气通过速度控制阀18a排除至外部。活塞杆10推进的速度由速度控制阀18a根据空气的量控制。
当信号被输入至限位开关15a时，活塞头13被识别为朝活塞杆10移动。压缩空气19通过活塞头盖11的空气注入孔11a被注入，因此通过关闭电磁阀17可使活塞杆10后退。与气缸前盖11的注入孔14a相连通的腔室内的空气通过速度控制阀18b排出至外部。因此，活塞杆10的后退速度通过速度控制阀18b控制。
如上所述，活塞杆10往复由气缸结构确定的冲程距离，通过活塞头盖11和气缸前盖14使活塞杆10停止。用于防止汽缸筒12和活塞头13之间的空气泄漏的材料如油环产生摩擦力。摩擦力使位置难以控制，因此活塞头13的运动需要用制动器机械地制动。因此，传统气压缸广泛用于冲程固定或需要简单重复的系统中。
尽管传统气压缸广泛作为自动化系统的构成元件使用，但由于活塞头和气缸筒之间的摩擦作用，不可能实现将活塞头确定或保持在预期位置的精确位置控制。因此，传统气压缸虽然具有通过控制空气压力而易于以较小的力进行控制的特点，但难以应用于需要直接操作的板的对准设备或对中心设备。
发明内容
技术问题为解决上述和/或其它问题，本发明提供这样一种气压缸以及控制该气压缸位置的系统和方法，该气压缸使用弹性橡胶以减少用于板对准设备或对中心设备的摩擦力，从而通过较小的力直接推、拉板，以实现精确的位置控制，并且检验的废品率下降，处理步骤得到改进，生产率得到提高。
技术解决方案按照本发明的一个方面，一种采用弹性橡胶的气压缸，其用于板的对准设备和定心设备，包括气缸盖，其保护气缸头；固定支架，具有用于注入空气的空气注入孔；具有半球形形状的弹性橡胶，其相对于所述固定支架的所述空气注入孔固定于所述气缸盖内，并根据通过所述空气注入孔被供给和排出的压缩空气量的变化膨胀和收缩；活塞杆，穿过所述气缸盖，并根据所述弹性橡胶的膨胀和收缩的改变量前进和后退；弹簧，安装于所述活塞杆，并允许所述活塞杆根据所述弹性橡胶的膨胀和收缩前进和后退；滑动轴承，引导所述活塞杆的线性运动；滑动轴承支架，支撑所述滑动轴承；位移传感器，测量所述活塞杆的位移；检测狗，传递所述活塞杆位移至所述位移传感器，以及固定板，所述固定支架、气缸盖和滑动支撑架被固定地设置于所述固定板上。
按照本发明的另一方面，控制上述采用弹性橡胶的气压缸的位置的系统，该系统包括空气输入阀模块，通过所述空气注入孔供应压缩空气，以允许所述活塞杆前进；空气输出阀模块，通过所述空气注入孔将由弹性橡胶和固定支架限定的腔室内的压缩空气排出至外部，以允许活塞杆后退；控制单元，具有控制器，所述控制器通过输入端口接收所述位移传感器的信号，将从该信号获得的信息与目标值进行比较，以产生位置误差，并利用位置误差的值计算电磁阀打开和关闭的时间，通过输出端口输出控制器的控制信号；以及阀驱动单元，接收控制器的控制信号，并控制所述空气输入阀模块和所述空气输出阀模块。
按照本发明的还另一方面，一种控制上述采用弹性橡胶的气压缸的位置的方法，包括(a)测量所述活塞杆的位移，所述活塞杆的位移根据供给所述弹性橡胶的压缩空气的量的变化而变化，使用与所述检测狗接触的所述位移传感器，通过信号处理器向包括于控制单元中的输入端口输入测量的位移，以及通过A/D转换器将所述测量的位移转换为数字值；(b)通过将经过测量部分的、转换的所述数字值和用户预先设定的目标值进行比较产生位置误差；(c)确定所产生的位置误差具有正值还是负值，以操作空气输出阀模块的电磁阀和空气输入阀模块的电磁阀；以及(d)当产生所述位置误差时，使用所述位置误差计算所述电磁阀的操作时间，通过输出端口将计算的电磁阀的操作时间传输至所述阀驱动单元，以及在所述阀驱动单元根据由所述位置误差的符号确定的空气输入和输出，向各个所述电磁阀传输空气输入信号或空气输出信号，从而控制所述电磁阀。
图1是传统的气压缸及其位置控制系统的剖视图；图2是按照本发明一种实施方案的、采用弹性橡胶的气压缸的剖视图；图3示出了图2所示的气压缸的位置控制系统；以及图4是图3所示系统的信号流向图。
发明模式图2是按照本发明一种实施方案的采用弹性橡胶的气压缸的剖视图。参见图2，提供有由弹性橡胶27形成的腔室、和用于固定弹性橡胶27的固定支架25，以消除在活塞头和气缸筒之间产生摩擦力的作用。即，通过空气注入孔25a的压缩空气使弹性橡胶27变形，因而产生使活塞杆31前进的力。前进了的活塞杆31由设置于弹性橡胶27和气缸盖23之间的活塞杆31的弹性复位。
按照本发明的气压缸可通过固定板26安装于其它元件上，固定板26上固定地安装有固定支架25、气缸盖23和滑动轴承支架34。随着弹性橡胶27的变形，活塞杆31重复地前进和后退，因此而产生的位移由检测狗(sensor dog)22传输至位移检测杆(sensor rod)21c。根据检测杆21c的动作，位移传感器21a产生与位移检测杆21c相对应的电压信号。
由于位移传感器21a的电压信号对应于活塞杆31的运动距离，因而通过将电压转换为位置，并将转换的电压与目标值相比较，就产生位置误差，这样就可能通过执行位置伺服控制确定精确位置。由于弹性橡胶27使活塞杆31前进，弹簧29使活塞杆31后退，因此会由于粘性摩擦系数不足而产生振动。为减小振动，固定板26上安装有流体阻尼器30，检测狗22的下部分被浸入到粘性流体中。
在某些情况下，不使用流体阻尼器30，而通过增加微分(differential)控制功能，通过调节粘性摩擦系数而减小在位置控制过程中产生振动的特性。微分控制功能通过对由目标值和由位于控制器50c内的位移传感器测量的实际位移之间差别产生的位置误差进行微分实现。
活塞杆31由安装在滑动轴承支撑架34上的滑动轴承32引导执行线性运动。在活塞杆31运动过程中产生的摩擦力仅仅是来自于滑动轴承32和活塞杆31之间的接触表面产生的摩擦力，因此只有很小的摩擦力被施加。
因此，按照本发明的低摩擦气压缸，由于活塞杆31被通过向弹性橡胶27和固定支架25形成的腔室注入或排出空气在弹性橡胶27内部产生的压力和由弹性橡胶27的内表面产生的驱动力推进，并且活塞杆31被弹簧29的回复力返回，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决于弹性橡胶27和弹簧29的特性，因此这些元件的选择非常重要。位置确定的准确性根据位移传感器21a和提供于控制单元50内的控制器50c(请参见图3)的分辩度而变化，因此为了提高位置确定的准确性，需要谨慎地设计控制器50c。
图3示出了图2所示气压缸的位置控制系统。该系统被配置成控制图1所示的采用弹性橡胶的气压缸的位置。该系统包括空气输入阀模块40b，用于通过注入孔25a供应压缩空气，从而使活塞杆31前进；空气输出阀模块40a，用于通过空气注入孔25a排出由弹性橡胶27和固定支架25限定的腔室内的压缩空气，从而使活塞杆31后退；控制器50c，其通过输入端口50a接收位移传感器21a的信号，将该信息与目标值进行比较，产生位置误差，并利用所生成的位置误差计算电磁阀(未示)的打开和关闭时间；以及阀驱动单元46，用于控制控制单元50，控制单元50通过输出端口50b输出控制器50c的控制信号，以及通过接收控制单元50的控制信号控制空气输入和输出阀模块40a和40b。
图4是图3所示系统的信号走向示图。参见图4，示出了控制上述利用弹性橡胶结构的气压缸的位置的方法。
首先，安装于气压缸20的位移传感器21a测量活塞杆31的位移。
第二，由从活塞杆31的位移测量获得的信号传递到信号处理器51，并通过输入端口50a输入至A/D转换器(未示)。位置传感器21a的模拟信号由A/D转换器转换为数字信号，然后再由测量部分(未示)转换为位置信息。采用微处理器的控制单元50将由用户设置的给定目标位置，与由测量部分通过将位移传感器的信号转换为位置信息获得的输出进行比较，以确定是否达到目标值，并产生相对于目标值的位置误差。
第三，通过确定目标位置误差是正值还是负值，对空气输入阀模块40b的电磁阀403和404和空气输出阀模块40a的电磁阀401和402进行操作。
当具有正值的位置误差大于任意的设置值时，电磁阀403被操作。当具有正值的位置误差小于设定值时，电磁阀404被操作，以供给少量空气至气压缸20。采用速度控制阀43和44控制供给电磁阀403和404的压缩空气。速度控制阀43被调节以具有比速度控制阀44的截面尺寸更大的截面尺寸。因此，当位置误差大于设定值时，压缩空气通过速度控制阀43被供应至气压缸20。当位置误差小于设定值时，压缩空气通过具有减小的截面尺寸的速度控制阀44在经过电磁阀404后，被供应到气压缸20，这样可能实现细微的运动。
当具有负值的位置误差小于设定值时，由于实际位移已经远远超过目标位置，因此气压缸20内的压缩空气通过具有增加的截面尺寸的速度控制阀41，经由电磁阀401进入外界空气。当位置误差大于预定值时，由于实际位移接近目标位置，因此，为了实现细微的运动，气压缸20内的压缩空气通过具有减小的截面尺寸的速度控制阀42，经由电磁阀402进入外界空气。因此，实现了精确的位置确定。
第四，当产生位置误差时，利用该位置误差计算控制输入，在控制输入中用电磁阀的操作时间作为控制信号。通过在控制单元50中写入程序而对数字控制器50c进行设计。由控制部分计算的、电磁阀的操作时间通过输出端口50b被传递至阀驱动单元46。阀驱动单元46根据由位置误差确定的空气输入或输出，将空气输入或输出信号传输至各自电磁阀，从而控制电磁阀。
当位置误差是正值时，由压缩机(未示)供给的压缩空气45被输入至各电磁阀403和404的端口P，并通过端口A输出至气压缸20。因此，弹性橡胶27膨胀，活塞杆31前进。当位置误差是负值时，存在于气压缸20内的压缩空气被输入至各电磁阀401和402的端口P，并通过端口A输出至空气。因此，在弹簧29的回复力作用下，弹性橡胶27收缩，活塞杆31后退。
虽然本发明被以其优选实施方案具体地示出和描述，但本领域技术人员可以理解，在其中可以作出各种形式和细节上的改变，而不会偏离由附后的权利要求限定本发明的精神和范围。
如上所述，按照本发明，在用于加工和检验轻薄板的装置中，当通过直接操作该板使其对中或对准时，通过以较小的力量操作该板，就可确定精确的位置，而不会由于向板体施加过大的力量使其产生变形。
并且，当位移误差的绝对值大时，通过调节速度控制阀的截面尺寸使其变大，使大量的空气供给到电磁阀，从而很快接近目标值。当位置误差的绝对值小时，通过调节速度控制阀的截面尺寸使其变小，使少量空气供给到电磁阀，从而可能确定精确的位置。
此外，由于气压缸被配置成能够利用弹性橡胶的膨胀和收缩使活塞杆前进和后退，因此滑动摩擦力被减到最小，弹性橡胶根据供给气压缸的空气量的变化而变化。因此，通过利用具有不同地调节的截面尺寸的速度控制阀，能够获得精确的气流量控制技术。
权利要求
1.一种采用弹性橡胶的气压缸，用于板的对准设备和对中心设备，该气压缸包括气缸盖，其保护气缸头；固定支架，具有用于注入空气的空气注入孔；具有半球形形状的弹性橡胶，其相对于所述固定支架的所述空气注入孔固定于所述气缸盖内，并根据通过所述空气注入孔被供给和排出的压缩空气量的变化膨胀和收缩；活塞杆，穿过所述气缸盖，并根据所述弹性橡胶的膨胀和收缩的改变量前进和后退；弹簧，安装于所述活塞杆，并允许所述活塞杆根据所述弹性橡胶的膨胀和收缩前进和后退；滑动轴承，引导所述活塞杆的线性运动；滑动轴承支架，支撑所述滑动轴承；位移传感器，测量所述活塞杆的位移；检测狗，传递所述活塞杆位移至所述位移传感器，以及固定板，所述固定支架、气缸盖和滑动支撑架被固定地设置于所述固定板上。
2.根据地权利要求1所述的气压缸，进一步包括流体阻尼器，所述流体阻尼器增加所述活塞杆在运动过程中的粘性摩擦系数。
3.根据地权利要求2所述的气压缸，其中所述检测狗的下端部分浸没于所述流体阻尼器中。
4.一种控制按权利要求1配置的采用弹性橡胶的气压缸的位置的系统，该系统包括空气输入阀模块，通过所述空气注入孔供应压缩空气，以允许所述活塞杆前进；空气输出阀模块，通过所述空气注入孔将由弹性橡胶和固定支架限定的腔室内的压缩空气排出至外部，以允许所述活塞杆后退；控制单元，具有控制器，所述控制器通过输入端口接收所述位移传感器的信号，将从该信号获得的信息与目标值进行比较，以产生位置误差，并利用所述位置误差的值计算电磁阀打开和关闭的时间，以及通过输出端口输出所述控制器的控制信号；以及阀驱动单元，接收所述控制单元的控制信号，并控制所述空气输入阀模块和所述空气输出阀模块。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述空气输入阀模块包括一对电磁阀，与所述空气注入孔相连并供应压缩空气；以及一对速度控制阀，具有不同的截面尺寸，以调节所述电磁阀的流量；以及所述空气输出阀模块包括一对电磁阀，排出所述气压缸内存在的压缩空气；以及一对速度控制阀，具有不同的截面尺寸，以调节所述电磁阀的流量。
6.一种控制按权利要求1配置的采用弹性橡胶的气压缸的位置的方法，该方法包括(a)测量所述活塞杆的位移，所述活塞杆的位移根据供给所述弹性橡胶的压缩空气的量的变化而变化，使用与所述检测狗接触的所述位移传感器，通过信号处理器向包括于控制单元中的输入端口输入测量的位移，以及通过A/D转换器将所述测量的位移转换为数字值；(b)通过将经过测量部分的、转换的所述数字值和用户预先设定的目标值进行比较产生位置误差；(c)确定所产生的位置误差具有正值还是负值，以操作空气输出阀模块的电磁阀和空气输入阀模块的电磁阀；以及(d)当产生所述位置误差时，使用所述位置误差计算所述电磁阀的操作时间，通过输出端口将计算的电磁阀的操作时间传输至所述阀驱动单元，以及在所述阀驱动单元根据由所述位置误差的符号确定的空气输入和输出，向各个所述电磁阀传输空气输入信号或空气输出信号，从而控制所述电磁阀。
7.根据权利要求6所述的方法，其中步骤(c)还包括(c1)当具有负值的位置误差小于任意的设定值时，所述气压缸内的压缩空气通过具有增加的截面尺寸的第一速度控制阀由所述电磁阀进入外界空气；当具有负值的位置误差大于所述设定值时，由于实际位移接近于目标位置，因此为了实现细微的运动，位于所述气压缸内的压缩空气通过具有减小的截面尺寸的第二速度控制阀由所述电磁阀进入外界空气，以及；(c2)当具有正值的位置误差大于任意的设置值时，由具有增加的截面尺寸的第三速度控制阀调节的压缩空气操作所述电磁阀、并被供给至所述气压缸；当具有正值的位置误差小于所述设定值时，由具有减小的截面尺寸的第四速度控制阀调节的压缩空气操作所述电磁阀、并被供给至所述气压缸。
全文摘要
提供的是一种采用弹性橡胶的气压缸，用于板的对准设备和定心设备。该气压缸包括气缸盖，其保护气缸头；固定支架，具有供注入空气的空气注入孔；弹性橡胶，具有半球形形状，其对应于固定支架的空气注入孔固定于气缸盖内，并根据通过空气注入孔被供给和排出的压缩空气量的变化膨胀或收缩；活塞杆，穿过气缸盖，并根据弹性橡胶的膨胀和收缩前进和后退；弹簧，安装于活塞杆上，允许活塞杆根据弹性橡胶的膨胀和收缩前进和后退；滑动轴承，引导活塞杆的线性运动；滑动轴承支架，支撑滑动轴承；位移传感器，测量活塞杆的位移；检测狗，传递活塞杆的位移至位移传感器，以及固定板，固定支架、气缸盖和滑动支撑架被固定地设置于其上。
文档编号G05D3/00GK101061445SQ200580039889
公开日2007年10月24日 申请日期2005年11月10日 优先权日2004年12月30日
发明者金凤石, 朴晸圭 申请人:Z.Tec有限公司