CN103945954B - 用于管端部成形设备的伺服电机控制的液压泵单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于提供管端部成形设备或机器的系统和方法，所述管端部成型设备或机器在不具有与传统液压动力单元相关联的恒定噪音、热量和能量使用的情况下利用液压动力的优点。所述端部成形机器包括液压泵，其仅在存在来自所述系统的油压/流量的要求时操作。这通过提供耦接到固定排量液压泵的同步伺服电机和伺服驱动器来完成。所述系统的油压被监测以在所述压力下降到低于预设值时进行检测以提供所述伺服电机的闭环控制。所述伺服电机被控制以在必要时以所需速度转动所述液压泵(上达电机/泵组合的最大RPM)以在所述管端部成形过程中获得所需系统压力。

Description

用于管端部成形设备的伺服电机控制的液压泵单元
技术领域
本发明一般涉及用于成形管件的系统和方法，并且更具体地涉及用于在系统(诸如车辆排气系统或利用管的其它系统)中使用的端部成形管的系统和方法。
背景技术
许多管道应用需要管端部成形。一般而言，管端部成形被用来对其它管、软管、块等提供某些类型的连接。具有可被应用于管的端部的几种类型的成形。这些类型包括缩径、膨胀、外扩、形成珠状、冲击(或增厚)等。端部成形的一种流行过程被称为“冲压型端部成形”。冲压型端部成形是冷工作过程，通过该冷工作过程，待成形的管被牢固地保持在一组夹紧块中。在定位为与管的目标端对准的一个或多个端部成形工具(例如冲头)被“冲压”或压制在管端部上时完成成形。除了应用于目标端部的轴向力之外或作为其的替代，膨胀冲头可被用于对管的内部或外部表面提供径向力。
为了便于成形工具和/或夹紧块的移动，端部成形机器通常包括一个或多个机械致动器。在一些机器中，液压缸被用作致动器。用于端部成形机器的传统液压系统利用交流(AC)电机驱动液压泵，使得液压压力可不断地用于系统。通常使用电磁操作阀来控制油到机器的运动部件的实际流量以根据所需机器周期来引导油的流量。即使当机器不运动且不需要油压力和/或流量时，AC电机连续驱动液压泵。如可理解的，恒定噪音、热量和能量使用都与使用传统液压动力单元的端部成形机器相关联。
附图说明
图1描绘了包括根据本发明的一个实施方案的伺服电机控制的液压泵单元的管端部成形机器的方框图。
图2描绘了示出在管上形成扩大端部的过程的第一阶段的剖视图，其中管被定位开放夹紧块之间。
图3描绘了示出在管上形成扩大端部的过程的第二阶段的剖视图，其中管被固定夹持在夹紧块之间。
图4描绘了示出在管上形成扩大端部的过程的第三阶段的剖视图，其中膨胀冲头已进入管的端部且已经将其膨胀以形成膨胀端部分。
图5描绘了示出在管上形成扩大端部的过程的第四阶段的剖视图，其中膨胀冲头已从管端部退出且管已被从夹紧块上释放。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及用于提供管端部成形设备或机器的系统和方法，所管端部成形设备或机器述在不具有与传统液压动力单元相关联的恒定噪音、热量和能量使用的情况下利用液压动力的优点。本发明的实施方案被设计为使得仅在存在来自系统的油压/流量的要求时操作液压泵单元。在一些实施方案中，这通过提供耦接到液压泵(例如固定或可变排量液压泵)的同步伺服电机和伺服驱动器来完成。系统的油压被监测以在压力下降到低于预设值时检测以提供伺服电机的闭环控制。伺服电机被控制以在必要时以所需速度转动液压泵(上达电机/泵组合的最大RPM)以获得所需系统压力。
参考图1，示出管端部成形机器10的一个实施方案，所述管端部成形机器包括由伺服电机14(例如同步伺服电机)控制的液压泵单元12。端部成形机器10包括伺服驱动器16，其可操作以将动力提供至伺服电机14并控制其转速和/或转矩。伺服电机14基于从伺服驱动器16接收的控制信号将旋转运动提供至液压泵单元12。
在一些实施方案中，液压泵单元12是被构造为在液压回路中产生油流量和/或压力的固定排量液压泵，所述液压回路包括通过液压阀门20耦接到液压泵单元12的致动器18(例如液压缸)。在其它实施方案中，可使用可变排量液压泵。伺服电机14的可变速度和/或转矩控制端部成形机器10的液压回路的流速和压力。如图1所示，致动器18可操作地耦接到端部成形工具22且可操作以提供端部成形工具的物理运动(例如轴向运动)以改变管的端部(“管端部”)的形状。在一些实施方案中，可提供额外的液压阀门24和26，其类似地耦接到液压泵单元12和其它致动器和与端部成形机器10一起使用的端部成形工具。
端部成形机器10还包括控制器28，诸如可编程逻辑控制器(PLC)(例如数字计算机)，其可操作以控制用于端部成形过程的操作顺序和端部成形工具22的位置(参见图2至图5)。控制器28还被构造为优化用于端部成形过程的液压压力和流量并在不需要时通过减少或消除油流量来减少或消除动力使用、热量产生和噪音产生。在这方面，控制器28可操作以将关于系统压力要求的指示提供至伺服驱动器16并将控制命令提供至液压阀门20(和使用时的液压阀门24和26)以控制往返于致动器18输送的油的流量。控制器28分别通过通信线30和32可操作地耦接到伺服驱动器16和液压阀门20。控制器28还经由通信线34从致动器18接收位置反馈信息，其允许控制器精确地控制端部成形过程。
端部成形机器10还包括定位在液压泵单元12和液压阀门20之间的液压回路中的压力转换器36(或传感器)。压力转换器36被构造为监测在操作过程中系统中的液压压力。压力转换器36通过反馈通信线38可操作地耦接到伺服驱动器16并被构造为将压力反馈信息提供至伺服驱动器。利用从压力转换器38接收的反馈信息，伺服驱动器16可操作以根据需要调整伺服电动机14的速度和/或扭矩以保持控制器28要求的液压压力来控制端部成形过程。
图2至图5示出可使用上面描述的图1的端部成形机器10以膨胀管的端部52而在管50上实现的管端部成形过程的各个阶段。首先参考图2，致动器18采取液压缸-活塞装置54的形式，所述液压缸-活塞装置包括工作缸56，其包括分别具有形成由活塞构件64划分的圆柱形内部容积的左和右端部分60和66的圆柱形主体部分58。活塞构件64可自由地在左和右的轴向方向上移动，如图2至图5所示。活塞构件64耦接到活塞杆62或与其整体形成，所述活塞构件在朝向工作缸56的右端部分66的方向上从活塞构件64轴向延伸。活塞构件64朝向图2至图5中的右边突出超过工作缸56的右端部分66。
活塞构件64限定两个工作压力室：活塞构件64的左端70和气缸56的左端部分60之间的第一压力室68，和活塞构件的右端74和气缸56的右端部分66之间的第二压力室72。液压流体(例如油)可通过液压流体口或通道76被选择地供应至第一压力室68，使得当液压流体被供应至该第一压力室时，活塞构件64与活塞杆62一起被驱动到图2至图5中的右边。类似地，液压流体可通过液压流体口或通道78被选择地供应至第二压力室72，使得当液压流体被供应至第二压力室时，活塞构件64与活塞杆62一起被驱动到左边。液压流体通道76和78可操作地耦接到液压泵和液压阀，诸如图1中所示的液压泵12和液压阀门20。
在图2至图5中，图1的端部成形工具22采取端部成形工具80的形式，所述端部成形工具选择地耦合在活塞杆62的右端部。端部成形工具80包括膨胀冲头82，其以膨胀冲头与活塞杆62同轴的方式从端部成形工具向右延伸(如图所示)。膨胀冲头82在其顶端设有锥形部分84并具有与管50的端部52的所需放大内径一样的直径DE。应理解，端部成形工具80可包括其它类型的冲头，包括但不限于缩径冲头、模锻冲头、扩口冲头和压顶冲头。
如图2所示，活塞构件64通过通过液压流体通道78将液压流体供应至第二压力室72初始移动到左边。管50被定位在上夹紧块88和下夹紧块90之间的夹紧装置86中。如图3所示，上夹紧块88和下夹紧块90相对彼此移动到管50被固定在夹紧块之间的夹紧装置86中且与膨胀冲头82轴向对准的位置中。
接下来，如图4所示，压力下的液压流体通过液压流体通道76被供应至第一压力室68，压力下的液压流体至第二压力室72的供应已经被停止且其中的流体可自由地通过液压流体通道78排出。该动作使活塞构件64被驱动到右边，使得膨胀冲头82进入管50的端部52并在冲头移动时膨胀管50，使得膨胀部分92形成于管的端部。
当膨胀冲头82已被插入管50的端部52达所需量时，液压流体至第一压力腔68的供应被停止，且压力下的液压流体被供应至第二压力室72，其中第一压力室中的流体自由地通过液压流体通道76排出。因此，如图5所示，活塞构件64被退出到左边且膨胀冲头82完全从管50的端部52退出。作为这个过程的结果，产生了带有具有膨胀直径DE的膨胀部分92的管50。
下表1比较在四个不同机器条件下利用伺服电机控制的液压泵单元的端部成形机器与使用AC电机的传统液压端部成形机器的操作状态。
表1
机器状态 伺服/泵状态 传统泵状态
机器闲置 不转动 全RPM
致动器在50％速度下移动 50％的最大RPM 全RPM
致动器在100％速度下移动 100％的最大RPM 全RPM
致动器保持压力 克服任何系统损失所需的RPM 全RPM
如上表1所示，在端部成形机器处于闲置条件下时，伺服电机(例如图1的伺服电机14)不转动，在致动器(例如液压缸)以50％的速度移动时以50％的最大RPM转动，且在致动器保持压力且不移动时仅在克服任何系统损失所需的RPM(即非常缓慢RPM)下转动。与此相反，在传统端部成形机器中使用的泵单元不断在全RPM下运行，而不管机器的操作状态如何。
本文所公开的实施方案允许通过使用伺服电机/泵装置的可变速度增强机械运动控制来控制油流速并因此控制致动器的速度。这与传统液压端部成形机器相反，其中油从阀口以可用的全流速(如阀门口尺寸和流体管线所允许的)流动。为了完成对这些传统机器降低运动速度，必须以流量控制阀的形式将限制放置到流体管线中以降低油流速并因此减缓机器运动。虽然这种方法确实完成了所需速度控制，但是引入流体管线的限制产生热量，该热量作为流体管线限制的副产物，从而导致更高能量消耗和更高热量产生。
本发明的实施方案还允许增强操作人员的安全。自从液压泵单元在不需要时不产生压力或流量起，在机器处于闲置时，端部成形机器自然处于低能量状态。这只能通过在回路中使用阻断阀门和/或排放阀门在传统系统上完成，这不期望引起额外的热量和噪音排放。
应理解，本发明的实施方案对利用传统液压回路和AC电机的端部成形机器提供了几个优点。即，由于液压泵单元上的显著减小的占空比，本文公开的实施方案使用更少能量，并需要更少液压系统维修，这两个优点减小了运营成本。本文呈现的实施方案也产生更少热量、产生更少噪音排放、需要更小液压油箱并因此需要更少油来操作、在液压回路中没有额外组件的情况下具有控制机器动作的速度的能力，并在液压回路中无需额外组件(这可增加成本以及热噪声和排放)的情况下机器处于闲置时实现安全、低能量状态。
前面描述的实施方案描绘了包含在不同的其它组件中或与其连接的不同其它部件。应理解，这样描绘的体系结构仅是示例性的，且事实上可实现许多其它体系结构(其可实现相同的功能)。在概念的意义上，实现相同功能的组件的任何布置都被有效地“关联”，使得实现所需功能。因此，实现特定功能的本文中组合的任何两个组件可被看作彼此“关联”，使得实现所需功能，而不管体系结构或中间组件如何。同样地，如此关联的任何两个组件也可被视为彼此“可操作地连接”或“可操作地耦接”以实现所需功能。
虽然已经示出和描述了本发明的特定实施方案，但是对于本领域技术人员将是显而易见的是，基于本文的教导，在不脱离本发明和其更宽方面的情况下可作出变化和修改，因此所附权利要求会包含在其范围内，所有这样的变化和修改都在本发明的真实精神和范围内。
此外，应理解，本发明仅由所附权利要求限定。本领域技术人员应理解，一般而言，本文(尤其是在所附权利要求(例如，所附权利要求的主体))中使用的术语通常意指“开放式”术语(例如，术语“包括(including)”应被解释为“包括但不限于”，术语“具有(having)”应被解释为“具有至少”，术语“包括(includes)”应被解释为“包括但不限于”，等等)。
本领域技术人员还应理解，如果所引入的权利要求陈述的特定数量是预期的，则这样的预期将明确地记载在权利要求中，且在不存在这样的陈述时，不存在这样的预期。例如，作为对理解的帮助，下面的所附权利要求可包含引导短语“至少一个”和“一个或多个”的使用以引入权利要求陈述。然而，这类短语的使用不应被解释为暗示由不定冠词(″a″或″an″)引入的权利要求陈述将包含这样引入的权利要求陈述的任何特定权利要求限于仅包含一个这样陈述的发明，即使相同的权利要求包括引导短语“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词(诸如″a″或″an″(例如，″a″和/或″an″通常应被解释为是指“至少一个”或“一个或多个”)；同样对于用于引入权利要求陈述的定冠词的使用也一样。此外，即使所引入的权利要求陈述的特定数量被明确记载，本领域技术人员也将认识到，这样的陈述应通常被解释为是指至少所陈述的数量(例如，没有其它修饰的“两个陈述”的裸陈述通常是指至少两个陈述或两个或更多个陈述)。

Claims (15)

1.一种用于使用端部成形工具改变管的端部的形状的装置，所述装置包括：
液压致动器，其可操作地耦接到所述端部成形工具并被构造为移动所述端部成形工具与所述管的所述端部接触以改变其形状；
液压泵，其通过包括液压阀门和液压流体的液压回路可操作地耦接到所述液压致动器，所述液压回路被构造为驱动所述液压致动器；
伺服电机，其可操作地耦接到所述液压泵并被构造为驱动所述液压泵以在所述液压泵中加压液压流体；
伺服驱动器，其耦接到所述伺服电机且可操作以控制所述伺服电机的速度或转矩，其继而控制所述液压回路中的所述液压流体的流速或压力；
压力转换器，其可操作地耦接到所述液压回路和所述伺服驱动器，所述压力转换器被构造为监测在所述液压回路中的液压流体的液压压力并将指示被测量的液压流体压力的压力反馈信息提供至所述伺服驱动器；和
控制器，其可操作地耦接到所述伺服驱动器、所述液压阀门和所述液压致动器，所述控制器被构造为通过从所述液压致动器接收位置反馈信息并发送(1)阀门控制命令至液压阀门以控制在液压阀门和液压致动器之间的被加压液压流体的流动；和发送(2)指示液压泵的目标液压流体压力的伺服控制信号到所述伺服驱动器，来控制所述端部成形工具的位置和运动，所述伺服驱动器被配置为响应于接收压力反馈信息和伺服控制信号来控制伺服电机的速度或转矩。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述伺服电机是同步伺服电机。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述液压泵是固定排量液压泵。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述液压阀门定位在所述液压泵和所述液压致动器之间的所述液压回路中，所述液压阀门可操作以通过所述液压回路控制所述液压流体的流动的方向。
5.根据权利要求1所述的装置，其还包括多个液压致动器和多个液压阀门，其中每个所述液压阀门都定位在所述液压泵和所述多个液压致动器中的对应一个之间的所述液压回路中，所述液压阀门中的每个都被构造为控制往返于对应于所述液压致动器中的一个的所述液压阀门的液压流体的 流动。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述液压致动器包括液压缸-活塞装置，其包括工作缸、活塞构件和耦接到所述活塞构件的活塞杆，所述活塞杆可拆卸地耦接到所述端部成形工具。
7.一种用于使用端部成形工具改变管的端部的形状的装置，所述装置包括：
液压缸-活塞装置，其可操作地耦接到所述端部成形工具并被构造为移动所述端部成形工具与所述管的所述端部接触以改变其形状；
固定排量液压泵，其通过包括液压阀门和液压流体的液压回路可操作地耦接到所述液压缸-活塞装置，所述液压回路被构造为驱动所述液压缸-活塞装置；
同步伺服电机，其可操作地耦接到所述固定排量液压泵并被构造为在所述固定排量液压泵中加压液压流体；
伺服驱动器，其耦接到所述同步伺服电机且可操作以控制所述同步伺服电机的速度或转矩，其继而控制所述液压回路中的所述液压流体的流速或压力；
压力转换器，其可操作地耦接到所述液压回路和所述伺服驱动器，所述压力转换器被构造为监测在所述液压回路中的液压流体的液压压力并将指示被测量的液压流体压力的压力反馈信息提供至所述伺服驱动器，定位在所述液压回路中的液压阀门被定位在所述固定排量液压泵和所述液压缸-活塞装置之间，所述液压阀门可操作以通过所述液压回路控制所述液压流体的流动的方向；和
数字计算机，其可操作地耦接到所述伺服驱动器、所述液压阀门和所述液压缸-活塞装置，所述数字计算机被构造为通过从所述液压缸-活塞装置接收位置反馈信息、将指示固定排量液压泵的目标液压流体压力的伺服控制信号发送至所述伺服驱动器并将阀门控制命令发送至所述液压阀门以通过所述液压回路来控制被加压的液压流体的流动的方向来控制所述端部成形工具的位置和运动，所述伺服驱动器被配置为响应于接收压力反馈信息和伺服控制信号来控制同步伺服电机的速度或转矩。
8.一种用于改变管的端部的形状的方法，所述方法包括：
提供管端部成形机器，其包括：
端部成形工具；
液压致动器，其可操作地耦接到所述端部成形工具并被构造为移动所述端部成形工具与所述管的所述端部接触以改变其形状；
液压泵，其通过包括液压阀门和液压流体的液压回路可操作地耦接到所述液压致动器，所述液压回路被构造为驱动所述液压致动器；
伺服电机，其可操作地耦接到所述液压泵并被构造为驱动所述液压泵以在所述液压泵中加压液压流体；和
伺服驱动器，其耦接到所述伺服电机且可操作以控制所述伺服电机的速度或转矩，其继而控制所述液压回路中的所述液压流体的流速或压力；
通过执行以下步骤控制端部成形工具的位置和运动：
监测所述液压回路中的液压流体的液压压力；
响应于监测液压流体的液压压力，将指示被测量的液压流体压力的压力反馈信息发送至所述伺服驱动器；
从所述液压致动器接收位置反馈信息；
将指示液压泵的目标液压流体压力的伺服控制信号到发送到所述伺服驱动器；
响应于接收压力反馈信息和伺服控制信号来控制伺服电机的速度或转矩；
通过发送阀门控制命令至液压阀门以控制在液压阀门和液压致动器之间的被加压液压流体的流动方向。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述管端部成形机器的所述伺服电机是同步伺服电机。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述管端部成形机器的所述液压泵是固定排量液压泵。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述液压阀门定位在所述液压泵和所述液压致动器之间的所述液压回路中，且所述方法还包括控制所述液压阀门的操作以控制通过所述液压回路的所述液压流体的流动的方向。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述管端部成形机器还包括多个 液压致动器和多个液压阀门，其中每个所述液压阀门都定位在所述液压泵和所述多个液压致动器中的对应一个之间的所述液压回路中，所述方法还包括控制所述多个液压阀门的操作以控制往返于所述多个液压致动器中的每个的液压流体的流动。
13.根据权利要求8所述的方法，其中所述管端部成形机器的所述液压致动器包括液压缸-活塞装置，其包括工作缸、活塞构件和耦接到所述活塞构件的活塞杆，所述管端部成形机器可拆卸地耦接到所述活塞杆。
14.根据权利要求8所述的方法，其中所述端部成形工具包括膨胀冲头。
15.一种用于改变管的端部的形状的方法，所述方法包括：
提供管端部成形机器，其包括：
端部成形工具；
液压缸-活塞装置，其可操作地耦接到所述端部成形工具并被构造为移动所述端部成形工具与所述管的所述端部接触以改变其形状；
固定排量液压泵，其通过包括液压阀门和液压流体的液压回路可操作地耦接到所述液压缸-活塞装置，所述液压回路被构造为驱动所述液压缸-活塞装置；
同步伺服电机，其可操作地耦接到所述固定排量液压泵并被构造为在所述固定排量液压泵中加压液压流体；
伺服驱动器，其耦接到所述同步伺服电机且可操作以控制所述同步伺服电机的速度或转矩，其继而控制所述液压回路中的所述液压流体的流速或压力；和
液压阀门，其定位在所述固定排量液压泵和所述液压缸-活塞装置之间的所述液压回路中，所述液压阀门可操作以控制通过所述液压回路的所述液压流体的流动的方向；
通过执行以下步骤控制端部成形工具的位置和运动：
测量在所述液压回路中的液压流体的液压压力；
响应于测量液压流体的液压压力，将指示被测量的液压流体压力的压力反馈信息发送至所述伺服驱动器；
从所述液压缸-活塞装置接收位置反馈信息；
将指示液压泵的目标液压流体压力的伺服控制信号到发送到所述伺服驱动器；
响应于接收压力反馈信息和伺服控制信号来控制伺服电机的速度或转矩；和
通过发送阀门控制命令至液压阀门以控制在液压回路中的被加压液压流体的流动方向。
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