CN107448439B - 可程式气动伺服马达的装置与控制系统 - Google Patents

Abstract

一种可程式气动伺服马达的装置与控制系统，由气动伺服马达与气动伺服马达驱动器组成且以通讯单元做双向通讯。气动伺服马达包含气动马达、刹车模块及感测模块。刹车模块常处于闭锁状态，其依气动伺服马达驱动器的指令作开启或闭锁。气动伺服马达驱动器包含控制模块、作动模块及通讯模块。气动伺服马达驱动器启动气动伺服马达后持续接收感测模块输出的扭力、转速及角度讯号，作动模块则驱动气动伺服马达做紧急停止、正逆转向切换、加减速、角度定位、寸动及扭力控制等动作，使气动马达不需编码器却具备如同电动伺服马达的功能与特性。

Description

可程式气动伺服马达的装置与控制系统

技术领域

本发明提供一种可程式气动伺服马达的装置与控制系统，尤指一种具有电动伺服马达特性，不需编码器却可做紧急停止、正逆转切换、加减速、角度定位及扭力控制等动作控制的气动马达。

背景技术

目前电动工具或设备的扭力、转速与角度的控制，主要是使用电动伺服马达或无刷马达，其扭力、转速与角度讯号主要经由编码器侦测并回馈讯号到电动伺服马达驱动器内部，进行讯号分析后，再经由数学程序编写出所需的控制方程式以达到扭力、转速、角度等控制。然而，在气动工具产业中并无类似伺服功能的气动马达。

另外，一般气动马达的选用，主要是基于操作环境的考虑。气动马达的应用面可扩及所有石化工厂、高粉尘场所、矿坑、海上钻油平台、下水道、潮湿环境作业等…相关产业应用，主要是在于气动马达的独特优点：一、过载不升温、运转没火花、没有触电和短路的风险；二、体积小且重量轻～气动马达较相同体积的电动马达输出扭力更高。

然而，气动马达的缺点在于：一、气体具可压缩性、高摩擦力、易于泄漏、非线性以至于不易控制；二、气动马达在气源切断后气压会残留在管线内，余压会造成气动马达无法马上停止，因此无法精确控制其动作；三、气动马达的转速极高，至少6000RPM以上甚至超过每分钟万转以上，因此无法使用编码器做控制。目前所有的气动马达都难以控制转速、转动角度、扭力，仅能做简单的正逆转切换动作。由于有不少工作环境还是无法使用电动伺服马达做动作控制，因此造成产业界对气动马达伺服控制相关产品的需求越来越高。

因此，如何设计出一种具有电动伺服马达特性，可做紧急停止、正反转、加减速、角度定位、寸动及扭力控制等作业的气动伺服马达，将是本发明所欲积极揭露之处。

发明内容

有鉴于上述现有技术的缺陷，发明人有感其未臻于完善，遂竭其心智悉心研究克服，进而研发出一种可以程序编码控制其动作的气动伺服马达的装置与控制系统，以期达到不需编码器即可做急停、正反转、加减速、角度定位、寸动及扭力控制等作业的目的。

为达上述目的及其他目的，本发明提供一种可程式气动伺服马达的装置与控制系统，其包含：一气动伺服马达及一气动伺服马达驱动器；其中，该气动伺服马达包含：一气动马达，其具有一输出轴；一刹车模块，其连接于该输出轴；以及一感测模块，其连接于该输出轴且具有一扭力、转速及角度感测单元、一第一中央处理单元、一第一通讯单元、一第一输入与输出单元及一供电单元，该扭力、转速及角度感测单元电性连接该第一中央处理单元以感测该气动马达的输出轴的输出端以输出一扭力讯号、一转速讯号及一角度讯号，该第一通讯单元电性连接该第一中央处理单元以对外传输该扭力讯号、该转速讯号及该角度讯号，该第一输入与输出单元及该供电单元电性连接该第一中央处理单元；该气动伺服马达驱动器包含：一作动模块、一控制模块及一通讯模块，该控制模块具有一第二中央处理单元，该通讯模块具有电性连接该第二中央处理单元的一第二通讯单元及一有线通讯单元，该作动模块具有电性连接该第二中央处理单元的一供气压力监控模块、一气压调节模块、一第三气压感测单元、一正反转电磁阀及一刹车电磁阀，该作动模块经由一正转供气管路及一反转供气管路连接该气动马达，及经由一刹车供气管路连接该刹车模块，及用以经由一供气管路连接一供气单元，该第二通讯单元接收该扭力讯号、该转速讯号及该角度讯号至该第二中央处理单元以控制该作动模块，该有线通讯单元用以电性连接一外部控制器以控制该作动模块。

上述的可程式气动伺服马达的装置与控制系统中，该供电单元为利用有线充电方式或无线充电方式。

上述的可程式气动伺服马达的装置与控制系统中，该气动伺服马达驱动器具有电性连接该第二中央处理单元的一第二输入输出模块及一供电模块，该供电模块为利用有线充电方式或无线充电方式。

上述的可程式气动伺服马达的装置与控制系统中，该控制模块具有电性连接该第二中央处理单元的一记忆单元、一输入单元、一显示单元、一警示单元或其任意组合。

上述的可程式气动伺服马达的装置与控制系统中，该第三气压感测单元连接该正转供气管路及该反转供气管路。

上述的可程式气动伺服马达的装置与控制系统中，该供气压力监控模块为一气压限制阀或一第一气压感测单元且用以连接该供气管路。

上述的可程式气动伺服马达的装置与控制系统中，该气压调节模块具有一第二气压感测单元、一气压比例控制阀及一气压压力控制阀。

上述的可程式气动伺服马达的装置与控制系统中，该气压调节模块的第二气压感测单元连接该供气压力监控模块及该气压比例控制阀，该气压比例控制阀连接该气压压力控制阀，该气压压力控制阀连接该正反转电磁阀。

上述的可程式气动伺服马达的装置与控制系统中，该第二中央处理单元控制该供气压力监控模块直接提供最大进气压力于该刹车模块以急刹即停，或该第二中央处理单元控制该刹车电磁阀以瞬间启/闭点放方式进气以控制该刹车模块。

上述的可程式气动伺服马达的装置与控制系统中，该正反转电磁阀为相互独立的一正转电磁阀及一反转电磁阀以配合该气压调节模块，以供该第二中央处理单元控制该气动马达正转或反转的输出扭力。

由此，本发明的可程式气动伺服马达的装置与控制系统，不需编码器即可驱动气动马达做紧急停止、正反转、加减速、角度定位及扭力控制等类似电动伺服马达的动作。

附图说明

图1系本发明较佳具体实施例可程式气动伺服马达的装置与控制系统的示意图。

图2系本发明较佳具体实施例可程式气动伺服马达的装置与控制系统控制流程的示意图。

附图标记为：1 气动伺服马达；11 气动马达；111 正转供气管路；112 反转供气管路；113 输出轴；12 刹车模块；121 刹车供气管路；13感测模块；131 第一中央处理单元；132 扭力、转速及角度感测单元；1321扭力讯号；1322 转速讯号；1323 角度讯号；133 第一通讯单元；134第一输入输出单元；135 供电单元；136 记忆单元；137 输出端；14 传动模块；2 气动伺服马达驱动器；21 作动模块；211 供气压力监控模块；2111 第一气压感测单元；2112 气压限制阀；212 气压调节模块；2121 第二气压感测单元；2122 气压比例控制阀；2123 气压压力控制阀；213 第三气压感测单元；214 正反转电磁阀；2141 正转电磁阀；2142 反转电磁阀；215 刹车电磁阀；22 控制模块；221 第二中央处理单元；222 记忆单元；223 输入单元；224 显示单元；225 警示单元；23 通讯模块；231 第二通讯单元；232 有线通讯单元；24 第二输入输出模块；25 供电模块；3 供气单元；31 供气管路；4 外部控制器。

具体实施方式

为充分了解本发明的目的、特征及效果，现通过下述具体的实施例，并配合附图，对本发明做一详细说明，说明如后：

请参考图1及图2，如图所示，本发明提供一种可程式气动伺服马达的装置与控制系统，其包含一气动伺服马达1及一气动伺服马达驱动器2，该气动伺服马达1为可程式气动伺服马达的装置，该气动伺服马达驱动器2为可程式气动伺服马达的控制系统。该气动伺服马达1包含一气动马达11、一刹车模块12及一感测模块13。其中，该气动马达11具有一输出轴113，该输出轴113的自由端为一输出端连接该感测模块13以感测该气动马达11输出的扭力、转速及旋转角度。感测模块13的输出端137可连接一传动模块14；该刹车模块12连接于该气动马达11的输出轴113的另一自由端，以使该输出轴113停止或转动，该刹车模块12可装设于该气动马达11轴心延伸的传动轴上，且该刹车模块12可为鼓式或碟式；该感测模块13具有一第一中央处理单元131、一扭力、转速及角度感测单元132、一第一通讯单元133、一第一输入输出单元134、一供电单元135及一记忆单元136，该扭力、转速及角度感测单元132电性连接该第一中央处理单元131，由此以感测该气动马达11的输出轴113的一扭力讯号1321、一转速讯号1322及一角度讯号1323，该扭力、转速及角度感测单元132可通过一应变规(图未示)或其他扭力感测组件侦测该气动马达11输出轴113的扭力讯号1321以及可通过一陀螺仪(图未示)或其他转速感测组件侦测该气动马达11输出轴113的转速讯号1322及角度讯号1323。该第一中央处理单元131可为一微处理器且以电性连接该记忆单元136(例如内存、随身碟或记忆卡)以记忆该扭力讯号1321、该转速讯号1322及该角度讯号1323，该第一通讯单元133电性连接该第一中央处理单元131，以对外传输该扭力讯号1321、该转速讯号1322及该角度讯号1323，该第一通讯单元133可利用蓝芽、红外线、无线电波或WiFi…等以无线通信方式传输数据或透过集电滑环(Slip Ring/Rotary Joint)(图未示)连同该供电单元135与外部做有线通讯方式传输数据。另外，该集电滑环亦可提供该供电单元135采有线方式充电。由此，本发明的气动伺服马达1可经由该刹车模块12以使该气动马达11的输出轴113紧急停止；再者，本发明的气动伺服马达1结合该刹车模块12及经由该扭力、转速及角度感测单元132所测得的角度讯号1323，可使该气动马达11的输出轴113定位于特定角度，或使该气动马达11做寸动；再者，本发明的气动伺服马达1可经由该扭力、转速及角度感测单元132所测得的扭力讯号1321以控制该气动马达11的输出轴113的输出扭力。

请再参考图2，如图所示，上述的气动伺服马达1中，该供电单元135可利用无线充电方式充电以便持续供电于该扭力、转速及角度感测单元132、该第一中央处理单元131、该第一通讯单元133、该第一输入输出单元134及该记忆单元136。另外，该供电单元135亦可利用有线充电方式充电。

请再参考图1及图2，如图所示，该气动伺服马达驱动器2具有一作动模块21、一控制模块22及一通讯模块23，该控制模块22具有一第二中央处理单元221，该第二中央处理单元221可为一微处理器；该通讯模块23以电性连接该第二中央处理单元221，其内含一第二通讯单元231及一有线通讯单元232(例如USB或其他电端口)；该作动模块21以电性连接该第二中央处理单元221，其内含一供气压力监控模块211、一气压调节模块212、一第三气压感测单元213、一正反转电磁阀214及一刹车电磁阀215，该作动模块21经由一正转供气管路111及一反转供气管路112连接该气动马达11，及经由一刹车供气管路121连接该刹车模块12，及用以经由一供气管路31连接一供气单元3。该第二通讯单元231自该第一通讯单元133接收该扭力讯号1321、该转速讯号1322及该角度讯号1323再传递至该第二中央处理单元221以控制该作动模块21，该第二通讯单元231可利用蓝芽、红外线、无线电波或WiFi…等以无线通信方式接收数据或以有线通讯方式接收数据。另外，该气动伺服马达驱动器2亦可经由该有线通讯单元232电连接一外部控制器4(例如个人计算机或可程控器)以控制该作动模块21，此时该第二中央处理单元221便可辅助该外部控制器4控制该作动模块21并与外部控制系统做链接。由此，本发明的气动伺服马达1可经由该气动伺服马达驱动器2控制该刹车模块12以使该气动马达11的输出轴113紧急停止或减速，而该气动马达11亦可通过控制该正转供气管路111或该反转供气管路112的反向供气而提升刹车效率；亦可由该第二中央处理单元221控制该供气压力监控模块211直接提供最大进气压力于该刹车模块12做急刹即停，或由该第二中央处理单元221控制该刹车电磁阀215做瞬间启/闭点放方式进气以控制该刹车模块12。另外，本发明的气动伺服马达1可经由该气动伺服马达驱动器2控制该气动马达11正转或反转，或加速或减速；再者，如该第二中央处理单元221需分别控制该气动马达11正转或反转的输出扭力，则该正反转电磁阀214亦可为相互独立的一正转电磁阀2141及一反转电磁阀2142以配合该气压调节模块212。

如上所述，本发明的气动伺服马达1不需编码器即可做紧急停止、正反转、加减速、扭力控制及角度定位等作业。另外，由于本发明的气动伺服马达1具备电动伺服马达的功能，因此本发明的气动伺服马达1可扩大应用于有安全防爆需求的伺服控制机构，例如：石化产业设备(如化学搅拌槽控制)或防爆排风扇控制或采矿设备等，其中使用在石化工厂、高粉尘场所、矿坑、海上钻油平台、下水道场所等产业尤可降低工安事故发生；再者，本发明的气动伺服马达1也可加上减速机构而成为一台高阶具有伺服马达功能的气动静力式板手，其将可取代传统的气动静力式板手做更精准的扭力感测甚至是可控制螺栓贴面后锁紧角度等后续衍生性功能，进而使未来螺丝锁固安全性达到各国法规标准的需求；再者，本发明的可程式气动伺服马达的装置与控制系统可以模块型式扩大应用于各式气动马达，以有效提升其控制精度与产品价值。

请再参考图1及图2，如图所示，上述的气动伺服马达驱动器2中，该气动伺服马达驱动器2具有电性连接该第二中央处理单元221的一第二输入输出模块24(例如USB或其他电端口)及一供电模块25(例如市电)。由此，该气动伺服马达驱动器2可经由该第二输入输出模块24扩充连接其他外部电子装置以对内传输数据或对外传输数据，该气动伺服马达驱动器2可经由该供电模块25供电，该供电模块25可利用有线充电方式充电或无线充电方式充电。

请再参考图2，如图所示，上述的气动伺服马达驱动器2中，该控制模块22具有电性连接该第二中央处理单元221的一记忆单元222(例如内存、随身碟或记忆卡)、一输入单元223(例如键盘或触控屏幕)、一显示单元224(例如液晶显示器)、一警示单元225(例如警示灯或警示喇叭)或其任意组合。其中，该警示单元225可警示本发明的气动伺服马达1是否发生异常，该显示单元224可显示各种数据或讯息，该输入单元223可输入刹车命令、正转或反转命令、加速或减速命令、特定转速命令、特定角度命令、寸动命令及特定扭力命令…等，该记忆单元222可记忆该扭力讯号1321、该转速讯号1322及该角度讯号1323等控制相关的程序。

请再参考图2，如图所示，上述的气动伺服马达驱动器2中，该供气压力监控模块211连接该气压调节模块212且用以经由该供气管路31连接该供气单元3，该供气压力监控模块211可通过一第一气压感测单元2111或一气压限制阀2112监控该供气单元3所提供的气压是否合乎正常值，如发生异常，该供气压力监控模块211可经由该第二中央处理单元221或该外部控制器4控制该正反转电磁阀214及该刹车电磁阀215关闭或控制该警示单元225发出警示灯光或警示声响；该气压调节模块212可具有一第二气压感测单元2121、一气压比例控制阀2122及一气压压力控制阀2123，该第二气压感测单元2121可为一气压压力传感器，该第二气压感测单元2121、该气压比例控制阀2122及该气压压力控制阀2123电性连接该第二中央处理单元221，该第二气压感测单元2121连接该供气压力监控模块211及该气压比例控制阀2122，该气压比例控制阀2122连接该气压压力控制阀2123，该气压压力控制阀2123连接该正反转电磁阀214及该刹车电磁阀215。由此，该气压比例控制阀2122可根据该第二中央处理单元221的指令与该第二气压感测单元2121感测的气压，将该第二中央处理单元221输入的电压(或电流)依成比例(Proportional)的方式，将来自该供气单元3的气压以增压或泄压的方式调节该气压压力控制阀2123输出至该正反转电磁阀214及该刹车电磁阀215的气压，而达到调节气压的目的；第二中央处理单元221接收来自气动伺服马达1的感测模块13所侦测的扭力讯号1321、转速讯号1322、角度讯号1323，以获取气动伺服马达的实时状况，并根据该实时状况进行自动调节供气压力，以提高扭力、转速、角度控制精准度。该气压调节模块212连接该正反转电磁阀214及该刹车电磁阀215以调节该正反转电磁阀214及该刹车电磁阀215的输出气压，该正反转电磁阀214经由该第三气压感测单元213、该正转供气管路111及该反转供气管路112连接该气动马达11以使该气动马达11正转或反转，该刹车电磁阀215则经由该刹车供气管路121连接该刹车模块12以使该气动马达11的输出轴113紧急停止或减速。由此，本发明的气动伺服马达1可经由该作动模块21及该控制膜组22或该外部控制器4使该气动马达11的输出轴113做正确的转速、扭力、转向、角度控制，或使该气动马达11的输出轴113停止。

请再参考图2，如图所示，上述的气动伺服马达驱动器2中，该第三气压感测单元213连接该正转供气管路111及该反转供气管路112，该第三气压感测单元213可为一气压压力传感器。由此，本发明的气动伺服马达1可经由该第三气压感测单元213感测输入至该气动马达11的气压是否在容许范围内。

请再参考图2，如图所示，上述的气动伺服马达驱动器2中，该供气压力监控模块211可为一第一气压感测单元2111或一气压限制阀2112，以监控该供气单元3所提供的气压是否合乎正常值，该第一气压感测单元2111可为一气压压力传感器；该气压调节模块212可具有一第二气压感测单元2121、一气压比例控制阀2122及一气压压力控制阀2123，该第二气压感测单元2121可为一气压压力传感器，该第二气压感测单元2121、该气压比例控制阀2122及该气压压力控制阀2123电性连接该第二中央处理单元221，该第二气压感测单元2121连接该供气压力监控模块211及该气压比例控制阀2122，该气压比例控制阀2122连接该气压压力控制阀2123，该气压压力控制阀2123连接该正反转电磁阀214及该刹车电磁阀215。由此，该气压比例控制阀2122可根据该第二中央处理单元221的指令与该第二气压感测单元2121感测的气压，将该第二中央处理单元221输入的电压(或电流)依成比例(Proportional)的方式，将来自该供气单元3的气压以增压或泄压的方式调节该气压压力控制阀2123输出至该正反转电磁阀214及该刹车电磁阀215的气压，而达到调节气压的目的；该第二中央处理单元221接收来自该气动伺服马达1的感测模块13所侦测的扭力讯号1321、转速讯号1322、角度讯号1323，以获取气动伺服马达1的实时状况，并根据该实时状况进行自动调节供气压力，以提高扭力、转速、角度控制精准度。

本发明在上文中已以较佳实施例公开，然本领域技术人员应理解的是，该实施例仅用于描绘本发明，而不应解读为限制本发明的范围。应注意的是，举凡与该实施例等效的变化与置换，均应落入本发明的范畴内。因此，本发明的保护范围当以权利要求书限定。

Claims (9)

1.一种可程式气动伺服马达的装置与控制系统，其包含：一气动伺服马达及一气动伺服马达驱动器；其特征在于，

该气动伺服马达包含：

一气动马达，具有一输出轴；

一刹车模块，连接于该输出轴；以及

一感测模块，连接于该输出轴，且具有一扭力、转速及角度感测单元、一第一中央处理单元、一第一通讯单元、一第一输入与输出单元及一供电单元，该扭力、转速及角度感测单元电性连接该第一中央处理单元以感测该气动马达的输出轴的输出端以输出一扭力讯号、一转速讯号及一角度讯号，该第一通讯单元电性连接该第一中央处理单元以对外传输该扭力讯号、该转速讯号及该角度讯号，该第一输入与输出单元及该供电单元电性连接该第一中央处理单元；

该气动伺服马达驱动器包含：

一作动模块、一控制模块及一通讯模块，该控制模块具有一第二中央处理单元，该通讯模块具有电性连接该第二中央处理单元的一第二通讯单元及一有线通讯单元，该作动模块具有电性连接该第二中央处理单元的一供气压力监控模块、一气压调节模块、一第三气压感测单元、一正反转电磁阀及一刹车电磁阀，该作动模块经由一正转供气管路及一反转供气管路连接该正反转电磁阀及该气动马达，及经由一刹车供气管路连接该刹车电磁阀及该刹车模块，及用以经由一供气管路连接一供气单元，该第二通讯单元接收该扭力讯号、该转速讯号及该角度讯号至该第二中央处理单元以控制该作动模块，该有线通讯单元用以电性连接一外部控制器以控制该作动模块，该供气压力监控模块为一气压限制阀或一第一气压感测单元且用以连接该供气管路。

2.如权利要求1所述的可程式气动伺服马达的装置与控制系统，其特征在于，该供电单元为利用有线充电方式或无线充电方式。

3.如权利要求1所述的可程式气动伺服马达的装置与控制系统，其特征在于，该气动伺服马达驱动器具有电性连接该第二中央处理单元的一第二输入输出模块及一供电模块，该供电模块为利用有线充电方式或无线充电方式。

4.如权利要求1所述的可程式气动伺服马达的装置与控制系统，其特征在于，该控制模块具有电性连接该第二中央处理单元的一记忆单元、一输入单元、一显示单元、一警示单元或其任意组合。

5.如权利要求1所述的可程式气动伺服马达的装置与控制系统，其特征在于，该第三气压感测单元连接该正转供气管路及该反转供气管路。

6.如权利要求1所述的可程式气动伺服马达的装置与控制系统，其特征在于，该气压调节模块具有一第二气压感测单元、一气压比例控制阀及一气压压力控制阀。

7.如权利要求6所述的可程式气动伺服马达的装置与控制系统，其特征在于，该气压调节模块的第二气压感测单元连接该供气压力监控模块及该气压比例控制阀，该气压比例控制阀连接该气压压力控制阀，该气压压力控制阀连接该正反转电磁阀。

8.如权利要求1所述的可程式气动伺服马达的装置与控制系统，其特征在于，该第二中央处理单元控制该供气压力监控模块直接提供最大进气压力于该刹车模块以急刹即停，或该第二中央处理单元控制该刹车电磁阀以瞬间启/闭点放方式进气以控制该刹车模块。

9.如权利要求1所述的可程式气动伺服马达的装置与控制系统，其特征在于，该正反转电磁阀为相互独立的一正转电磁阀及一反转电磁阀以配合该气压调节模块，以供该第二中央处理单元控制该气动马达正转或反转的输出扭力。