CN1161941A - 伺服冲头机构 - Google Patents

Abstract

在“小口压吹法工艺”操作中制成中空玻璃器皿的一种冲头机构，其中使用电伺服驱动导杆来启动它。使用位置传感解算器决定冲头在它整个冲程范围内的位置，可以用位置信息作为反馈来控制冲头在接触模腔中熔融玻璃料块之前的位置。然后由压制压力控制冲头穿透熔融料块的深度，压制压力是马达转矩和螺纹机构的一个函数。通过控制马达所加转矩可以控制施加在熔融玻璃料块上的压力。因为通过精密监测冲头穿入料块的深度可以决定料块重量的变化。

Description

伺服冲头机构

本发明涉及适合用于玻璃成形机的一种冲头，例如在I.S.型成形机中，它将熔融的玻璃料块制成雏形坯，以便接着将其制成中空的玻璃器皿。冲头由电伺服-驱动的导杆操纵，导杆与位置-传感解算器一起工作以提供冲头位置信息。尽管它主要直接应用在玻璃制造的“小口压吹”(“NNPB”)法工艺，如将进一步描述的那样，在其它类型的加工方法中，如“压吹法工艺”(“P&B”)或“吹-吹法成形”(“B&B”)中，它也得到明显的应用。

I.S.型玻璃成形机在该工业中是众所周知的。这些机器有许多独立的成形单元或部分，每个从一共同源接受熔融的玻璃料块，并把它们的产品送到一共同的传送机上。对“NNPB”方法来说，每个部分至少有一个制成雏型坯的雏型模，在其中将熔融的玻璃料块制成雏型坯，并至少有一个成形模，在成形模中雏型坯被吹制成所需的形状。

在“NNPB”方法中当熔融的玻璃料块被送到压模的模腔中，然后由冲头机构对模腔的壁加压时制成雏型坯，同时形成雏型坯的内表面(由冲头的头部形状决定)和雏型坯的外表面(由模腔的形状决定)。一种常规的冲头通常是由位于压模下的一缸体和一在该缸体中的活塞构成，通过将加压流体引入到缸体中可使活塞移向和离开模腔。从活塞向该模腔突出一活塞杆，用于带动一冲头，从而使活塞的运动引起冲头移向和离开模腔的运动。

在常规的NNPB方法中，活塞通常使用气压使冲头移动到模腔中，从而使固定在冲头上的冲头头部把熔融的玻璃料块压成模腔的形状。在料块压制完成之后，接着用相同的压缩空气将冲头全部移出该模腔到“冲头下”位置，以便使雏型坯可以移到下一站。雏型坯被移到下一站以备吹制成中空玻璃器皿之后，冲头被移到中间的“负荷”位置，接着下一块玻璃料就送到模腔中并重复该加工过程。

这样一种系统的缺点涉及下列因素，如驱动气压的精确控制，液态玻璃的特性(它是经常变化的)，由于每个冲头各自的特征所生产的雏型坯的质量。例如，在常规气动系统中玻璃压制的压力通常由一压力调节器控制。控制气压一磅的变化会造成压制压力12磅的变化。因此任何控制气压的误差也被放大12倍。

还有，与冲头运动有关的各变量，如玻璃料块上的静态压力和冲头的速度通常取决于时间轴。也就是说在常规的方法中，冲头在计算好的一段时间内维持在某一位置，然后移到下一位置，这与系统的动态特性无关。它要求达到料块传送，冲头运动和雏型坯运输之间的精确的同步控制，这很难做到，并且在操作中也没有为系统校正提供反馈信息。

以前的诸多发明，例如美国专利5,236,485号企图通过使用该冲头的位置控制代替取决于时间变量的冲头气动控制的运动来解决这些问题。在那个专利中，刘易林豪斯(Leweringhaus)介绍了由“电-液压功率驱动”操纵的冲头。使用一活塞和液压缸装置，并由液压流体控制冲头的运动。电动控制阀门以在活塞两端增加或减少规定的液压流体量，从而使冲头可以停留在前进和后退的所有中间位置上。对相对该液压缸的冲头的实际位置进行监测，并与预先决定的存储值，即所希望的位置比较，这样就可以反馈以便确定液压控制阀的作用和最终确定冲头的位置。这就消除了在方程式中的时间变量，为更精确和有效的进行玻璃成形创造了条件。

使用液压驱动的冲头致力于解决以前技术中固有的时间依赖性问题，而任何依赖于冲头位置的系统决定性地依赖于该装置的位置检测元件的精度，这些元件不可能总是最准确的。刘易林豪斯的发明仍然依赖于传统的冲头位置的检测和指示，即线圈-铁芯型传感器。在发布的曼尼弗雷德·克鲁米(Mannfred Krumme)美国专利4,613,352号中公开的就是这一种线圈-铁芯型传感器。

在克鲁米的专利中，安装在玻璃成形机冲头上的活塞杆带动一个圈形的铁芯。铁芯构成改变线圈感应性的激励元件，线圈设置在液压缸和冲头引导圆筒之间的圈形框架内。在冲头的每个工作冲程中，测量在模具中的最大插入深度，并用它来产生一个模拟电信号。然后将该信号与一参考值比较，依次提供一调整值以在落料之前调整玻璃料质量。但是线圈-铁芯型传感器的一个缺点是，在冲头的整个冲程中不能测量冲头的线性位置。

这里插入上述公开的美国专利5,236,485和4,613,352作为参考。

本发明避免了任何与下述现象有关的固有问题，即使用液压和/或气压控制冲头的运动而同时增加冲头位移测量的精度。这里公开的装置对冲头的运动提供更多的控制方法，并增加对现有的各类操作的通用性。

本发明的一个特点是与冲头的运动相关。在优选实施例中，由伺服驱动导杆代替液压控制系统使冲头移动，导杆位于现有的冲头缸体的内部。通过使用包绕在“反结构(“inside-out”)”导杆上的马达，可以将该装置做得相当小，并可以装入为标准冲头缸体而准备的空间。这类伺服驱动导杆，也称为线性操作机构，是在美国专利申请系列号08/125,495中公开的，最近转让给明尼苏达州昌哈森的埃克斯拉公司(Exlar Corp.of Chanhassen，Minnesota)，这里插入作为参考。

本发明的另一特点是使用一位置传感器来决定冲头的位置并将位置信息反馈给系统控制器。通过使用位置信息作为反馈，可以按照系统的动态特征调节冲头的位置。这样使用位置信息极大地增加了常规系统的转变，常规系统只使用时间因子控制冲头的位置，在工作周期内不进行任何调节。用一种解算器提供两个关于马达和精确的冲头位置的信息的转换信息。与导杆耦合时这种装置的有效分辨率至少比目前该工业中使用的铁芯-线圈传感器高一个数量级。还有，由于大多数线圈-线圈传感器仅对冲头冲程的有限区域性能发挥较好，该解算器提供缸体运动整个范围内的信息。本发明的玻璃冲头利用上述的特点，可以在它操作周期的不同部分中以多种不同的模式进行操作。

在模室中没有玻璃时利用增强的冲头位置控制能力在略短于缸体机械行程极限之处停止冲头的向前运动。当冲头到达预先决定的安全给定点(如位置信息所指示那样)，系统控制器对冲头发出停止信号。这就防止了如果允许缸体自身驱动向前进入到模室壁时可能造成的损坏。

在正常操作中(当模室中有玻璃时)，冲头将停在比位置给定点要短的地方，因为冲头首先与熔融的玻璃料接触。当冲头开始穿透料块时，在模室内熔融玻璃的体积将限制冲头的运动。冲头穿透到玻璃中的深度将取决于模室中玻璃的量(特别是，深度与玻璃量成反比)。马达的转矩和螺纹机构决定压制的压力(因为由导杆加在冲头上的力是马达产生转矩的产物，有可能通过控制马达加在导杆(leadscrew)上的转矩来控制压力)。虽然不能直接测量料块的重量，但通过精密监测冲头穿透的深度可以测量料块重量的变化。从而可以用这个信息作为反馈信号来控制料块的重量。精确控制压制压力的能力转变成从一周期到另一周期之间更加精确的测量，因为已经最大程度地减小了压制压力的变化。

在计算好的一段时间内维持压制的压力。当有指令时，冲头向下运动到一位置，在那里冲头与模腔和瓶颈模完全分离。在雏型坯被运走后冲头移到“负荷”位置。这两次冲头运动完全由位置控制支配。只有当冲头向上运动与玻璃接触时才采用转矩控制。

“冲头下”位置和“负荷”位置可由电子控制。对工作的变化，即使在操作过程中，操作者只需将新的冲头位置输入到系统中。由于负荷位置不需由夹头决定，则可以简化冲头夹头的结构。事实上对于“压吹”和“小口压吹法工艺”，夹头仅仅变为一套筒以控制冲头对直。但是对于“吹-吹”方法，夹头还必须包括气动特性以把雏型坯吹制成模腔的形状。

相应地本发明的目的是提供一种玻璃成形机冲头，它由导杆和附带的马达准确控制。

本发明的另一目的是提供一种更精确的位置-传感装置，即足够精确地提供冲头行程整个范围内的信息并可以实现料块重量控制。

为进一步理解本发明和它的各项目的，请注意附图和下面它的简单描述，以及优选实施例的详细描述，和所附的权利要求书。

图1是按照本发明优选实施例的冲头机构的横剖面图。

图2是图1冲头机构下部的放大横剖面图。

图1中显示的冲头组件100包括主腔110，它由圆筒形外壁130和基座140组成。夹头176内装冲头头部171和冲头175。将熔融的玻璃料送到模腔(未显示)，模腔是标准结构，固定在夹头176的上部。冲头头部171通过锁紧环172固定到冲头175上，锁紧环可由分离的两件构成。冲头头部171还使用固定螺母180连接到杆160上。冲头组件100包括由磁性材料组成的内圆筒210，它可转动地支撑在外壁130上。轴承150可以使内圆筒210在操作中平稳地在外壁130内转动。冲头滚子如图2清楚显示，固定在杆160上。马达组件200包括马达定子205和磁铁206，磁铁安装在内圆筒210的外表面，与内圆筒210一起组成电枢。马达定子205固定在外壁130并由外壁支撑，定子围绕内圆筒210。系统控制器(未显示)是常规结构，可选择地激励马达定子使电枢在一个方向或相反方向转动，这取决于所需的功能。

内圆筒210有带螺纹的内膛211，它的螺纹与冲头滚子190啮合。杆160与冲头滚子190联合，因此内圆筒210的转动可以使杆160在内圆筒210内作轴向移动。这里描述的冲头组件100用一种渐开线螺旋螺纹将转动输入转换为线性运动，一般称为“反结构导杆(inside-outlead-screw)”，这与美国专利4,048,867和4,576,057号公开的那种相似，这里引证这两专利作为参考。

伺服马达200和位置传感解算器220通过内部接线240，连接器230和外部接线241与系统控制器(未显示)连接。

在冲头组件100的正常操作中冲头175有三个主要的位置。第一位置称为“负荷”位置，如图1所示。负荷位置位于冲头175的最前位置(那里冲头175将与未显示的模腔的前壁实际接触，此时腔中无料)和最后位置之间。第二位置是“压制”位置，它是冲头175前进到与熔融物料直接接触的位置，它最接近于冲头175的最前位置(取决于熔融玻璃在模腔中的量)。最后的位置是“冲头下”位置，即冲头175的最后位置。冲头组件100的操作和它三个主要位置的应用如下所述。

NNPB方法与本发明有关的部分从冲头175在图1所示的“负荷”位置开始。一块熔融的玻璃料(未显示)被传送到雏型坯成形模腔(未显示)，然后模腔盖(未显示)关闭。从系统控制器通过外部接线241，连接器230，内部接线240发出一信号，使伺服马达组件200激励，并使内圆筒210转动。内圆筒210的螺纹内膛211与固定在杆160的冲头滚子190啮合，从而使冲头175朝装在模腔(未显示)内的熔融玻璃料(未显示)移动。解算器220连续地将有关冲头175轴向位置的信息转发给系统控制器(未显示)。随着冲头175向前移动，它最终与模腔(未显示)中的熔融玻璃接触。这是第二位置，已知为“压制”位置。

当冲头175开始穿透玻璃料(未显示)时，冲头175的位置控制中断，并使用转矩控制。为了避免因模腔(未显示)中熔融玻璃的量可能变化所产生的潜在问题，从位置控制转换到转矩控制是必要的。模腔中熔融玻璃较少会引起成品缺损，而模腔中熔融玻璃较多会由于压力过高导致模腔破裂。

在该加工方法的压制阶段中冲头175插入到玻璃中的深度取决于压制的压力和玻璃在模腔中的数量。压制压力是从马达转矩和螺纹机构推导出来的一个量。计算压力的公式是 $W=\frac{2\mathrm{\π}{T}_m}{\mathrm{p\ϵ}}$

方程式中W是压制压力，T_m是马达转矩，p是螺纹的导程和ε是螺纹的效率。另一种，将应变仪与杆160相连，可以直接测量压制的压力。

随着轴向位置监测的增加，可以达到控制玻璃料重。因料重不能直接测量，而通过精密监测冲头175的位置就可以测量料重的变化。因为模腔(未显示)的体积是固定的并且是已知的量，冲头175的位置可以指示出现有玻璃量，相应地指示出现有玻璃的重量。如果冲头175进一步向前穿透，那末在模腔中现有熔融玻璃的量就较少；如果穿透较短，逻辑上讲现有玻璃量就较多。

冲头175(固定在杆160上)继续压入到熔融玻璃中。当达到足够形成雏型坯的所需转矩时，将冲头175保持在该位置一段很短的时间，通常以毫秒测量。系统控制器(未显示)然后触发出另一个信号，指示马达组件200在相反方向上激励，使内圆筒210向相反方向转动，并将冲头175脱离形成的雏型坯，直到它回到第三位置，即“冲头下”位置，这是离模腔(未显示)最远的位置。这个第三冲头位置允许雏型坯从模腔移到它的下一站而不会受到冲头头部的阻碍。一旦雏型坯被移到它的下一站，它就被吹成所需的中空玻璃器皿。一旦雏型坯从模腔移开，冲头175就回复到“负荷”(中间)位置。接着下一块熔融玻璃料传送到模腔，重复该过程。

虽然在这里已经显示并介绍了发明者到申请日为止为了实现本发明仔细考虑的最佳模式，但很显然对熟悉本工艺的人来说，可以进行各种合适的修改，变化和等价物而不会背离本发明的宗旨，这宗旨仅有下述权利要求书和它的等价物的条款所限定。

Claims (23)

1.一种将熔融玻璃料块制成中空器皿的设备，包括：

具有玻璃料块接触端的冲头，以接触熔融玻璃料块并使其成为中空器皿形状；

与该冲头相连的电伺服驱动导杆，以便沿着一个直线冲程移动该冲头移向和离开玻璃料块，使该冲头的玻璃料块接触端与该玻璃料块接触和脱离接触；和

控制装置，通过控制该电伺服驱动导杆的操作来控制移向和离开玻璃料块的直线冲程，该控制机构包括冲头位置传感解算器，它用于检测该冲头沿上述冲程所有地方的位置。

2.按照权利要求1所述的设备，其特征在于，上述控制装置还包括决定由电伺服驱动导杆施加转矩大小的装置。

3.按照权利要求2所述的设备，其特征在于，决定由电伺服驱动导杆施加转矩大小的上述装置包括系统控制器。

4.按照权利要求3所述的设备，其特征在于，还包括控制要制成雏型坯的熔融玻璃料块重量的装置。

5.按照权利要求4所述的设备，其特征在于，控制上述料块重量的上述装置包括上述系统控制器，上述系统控制器使用由上述冲头位置传感解算器所检测的上述冲头的位置。

6.按照权利要求3所述的设备，其特征在于，上述系统控制器使用由上述电伺服驱动导杆施加的转矩大小，来控制由上述玻璃料块接触端施加到上述熔融玻璃料块的压制压力。

7.按照权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括有杆，上述杆将上述冲头有效地与上述电伺服驱动导杆相连接。

8.按照权利要求7所述的设备，其特征在于，还包括有应变仪，上述应变仪与上述杆连接，上述应变仪用于测量玻璃料块接触端加到上述熔融玻璃料块上的压制压力的大小。

9.按照权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括安全装置，上述安全装置用于防止上述玻璃料块接触端受到损害，即由于沿直线冲程向上述玻璃料块极度运动造成的损害。

10.将熔融玻璃料块制成中空器皿的一种方法，上述方法包括以下步骤：

把熔融的玻璃料块送到打开的模腔；

关闭该模腔；

启动马达，上述马达与导杆相连，上述导杆与冲头相连，从而使上述冲头从第一位置向前沿线性方向前进，直到上述冲头与料块在第二位置接触；

用上述冲头压制上述料块，从而使该料块成为雏型坯；

将上述冲头沿与上述向前方向正好相反的向后线性方向移动，从而使上述冲头与上述雏型坯脱离接触；

将上述冲头停在第三位置；

连续检测上述冲头通过上述冲头整个行程的线性位置；和

将上述雏型坯从上述模腔移走。

11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，它还包括决定由上述冲头加在上述熔融玻璃料块上压力大小的步骤。

12.按照权利要求11所述的方法，其特征在于，它还包括使用由马达加在上述导杆上的转矩大小控制上述冲头对上述料块的深度和压力的步骤。

13.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，检测上述冲头线性位置的上述步骤是通过使用位置-传感解算器完成的。

14.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，它还包括防止上述冲头由于与上述模腔的壁接触造成伤害的步骤。

15.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，它还包括控制送到上述模腔的上述熔融玻璃料块重量的步骤。

16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，控制上述料块重量的上述步骤包括使用上述冲头的线性位置的上述系统控制器。

17.把熔融的玻璃料块制成中空器皿的一种设备，它包括：

包含上述熔融玻璃料块的雏型坯成型模，上述雏型坯成型模有上部和下部；

中空的夹头，上述中空的夹头与上述雏型坯成型模的上述下部相连接；

壳体，上述壳体与上述夹头相连；

马达，马达装在上述壳体内；

反结构导杆，上述反结构导杆有螺纹，上述反结构导杆位于该马达内，上述反结构导杆相对于上述马达和上述壳体可以转动；

一组滚子，上述一组滚子与上述反结构导杆的上述螺纹啮合；

杆，上述杆有前端和后端，上述杆部分包含在上述壳体内，上述杆的上述前端伸入到上述夹头内，上述杆固定在上述杆前端和上述杆后端之间的上述一组滚子上，从而可以将上述反结构导杆的转动转换为上述杆的线性运动；

冲头，上述冲头与上述杆的前端相连，上述冲头位于上述夹头之内；和，

用于监测和控制上述杆线性运动的装置，从而允许上述冲头与包含在上述雏型坯成型模中的上述熔融玻璃料块接触或脱离接触。

18.按照权利要求17所述的设备，其特征在于，上述监测和控制装置包括：

冲头位置传感解算器，上述冲头位置传感解算器位于上述壳体内，并与马达电气联接；

系统控制器，上述系统控制器与上述解算器和该马达电气联接，上述系统控制器处理从上述解算器来的信号，并接着向上述马达发出启动信号。

19.按照权利要求18所述的设备，其特征在于，上述控制装置还包括决定上述冲头施加压力的装置。

20.按照权利要求18所述的设备，其特征在于，它还包括控制要制成雏型坯的上述熔融玻璃料块重量的装置。

21.按照权利要求20所述的设备，其特征在于，控制上述料块重量的上述装置包括使用检测到的上述冲头位置的上述系统控制器。

22.按照权利要求17所述的设备，其特征在于，它还包括防止由于上述冲头和上述雏型坯成型模之间的接触伤害上述冲头的装置。

23.按照权利要求22所述的设备，其特征在于，上述防止伤害冲头的上述装置包括编程到上述系统控制器中的安全停止器。