JP2005526942A - サーボ制御の液圧ピストンで使用するためのサーボ制御の一体型の止め具 - Google Patents

Abstract

第１（作動）および第２（停止）のサーボ制御の液圧ピストン（３１０、３１３；４１０、４１３）を利用し、停止ピストンが作動ピストンに対し制御された機械的な止め具として作用する装置とそこで用いるための付随する方法を提供する。当該ピストンは共に共通のシャフト（３１２；４１２）に沿って間隔をあけて配置され、その周りに同軸に配置され、各ピストンは別個のシリンダ（３０８、３１７；４０８、４１７）内で移動する。作動ピストンはシャフトに固定して装着され、シャフトは停止ピストンの中央の長手方向を向くボア（３５０；４５０）を通って移動する。停止ピストンはそのシリンダ内で事実上「浮動し」、作動ピストンよりも大きな力を生成する。シャフト上に位置し半径方向に伸長する停止要素（３２１；４２１）は、停止ピストンが適切に位置決めされると、装置にひずみを殆どもたらさずに極短時間で極短距離に亘る作動ピストンの連続した移動を制御可能に停止させるように停止ピストン上において相補形の面（３２３；４２３）と当接して係合するよう構成される面（３２２；４２２）を有する。

Description

発明の背景
１．発明の分野
この発明は、第１（作動）および第２（停止）のサーボ制御の液圧ピストンを利用する装置とそこで用いるための付随する方法とに関し、第２のピストンは第１のピストンに対する制御された機械的な止め具として作用する。有利には、当該装置は、弾性ひずみを、たとえあったとしてもほんのわずかしか装置にもたらさずに、極めて短時間に極めて短距離を比較的高速で移動する第１のピストンを制御可能に停止させることができる。

２．先行技術の説明
金属材料は多数のさまざまな製品の本質的な構成要素として必要不可欠な役割を果たす。このような材料は典型的には大きなインゴットまたは他の形状で製造され、たとえば圧延、鍛造または押出成形することにより、容易に使用可能な従来のシート、プレート、コイルまたはワイヤの形に制御可能に変形されて、その後機械加工または成形される。これらの変形は、典型的には、たとえば連続した対のロールの中を材料が繰返し通されるマルチスタンドの圧延機を介して繰返し漸進的に行われる。材料が通過するたびにこの材料を漸進的に圧縮、すなわち変形して、より薄い素材にする。典型的には、ロールの対は各々、次の対から等しい距離を空けて配置されているが、ロール間の間隔（「ロール間隙」）が次の対よりも狭くなっている。したがって、材料は薄くなるにつれ、連続したロールの対を通ってより高速で移動し、これにより各圧縮の間に発生する時間が短くなる。押出成形、鍛造およびブレーキ動作はまた、典型的には、材料が適切な寸法にされるまで漸進的な変形を必要とする。

製造環境においては、わずかな漸進的な変形は典型的には高速でもたらされる。しかしながら、現在、製造素材を適切に変形し、他の物理的／金属的特徴とともに材料に所望の量のひずみを与えるよう圧延機、鍛造機械またはブレーキを正確に構成することは、面倒で時間と費用とがかかるプロセスとなる可能性がある。というのも、特に、このような機械は、その動作パラメータを適切に調整するために長期間にわたって生産用途から取外される必要があるからである。結果として、費用のかかるダウンタイムの必要性をなくすために、熱力学的材料試験システムを用いて、比較的小さな金属試料上で圧延、押出成形、ブレーキおよび鍛造プロセスをシミュレートする。結果として得られるシミュレーションデータを用いて製造機器のさまざまな動作パラメータを適切に設定し、そうすることによりその非生産的なダウンタイムを最小限にする。この種類の例示的なシミュレータは、本願の譲受人であり、ニューヨーク（New York）、ポエステンキル（Poestenkill）のダイナミック・システムズ・インコーポレイテッド（Dynamic Systems Inc.）（ＤＳＩ）によって製造される「グリーブル」（「Gleeble」）および「ハイドラウェッジ」（「Hydrawedge」）システムを含む（「Gleeble」および「Hydrawedge」はＤＳＩが所有する登録商標である）。

金属材料を変形するシステムは、特に材料試験システムを含むが、しばしば、サーボ制御の液圧システムと、特に極めて高速でピストンを加速しかつ停止させるシステムとによってもたらされるピストン／アンビルの組合せの直線運動を利用する。このような運動は、結果として得られる可能な限り多くの量の変形を上回る所望の量の変形を、所望のひずみ速度で、たとえば１対のアンビル間に位置する材料に与えるのに必要である。これらの環境においては、毎秒最高１０メートルまでの速度で移動する直線ピストンシステムがし
ばしば使用されるが、毎秒１〜２メートルの速度が極めて一般的である。

特に、このような試験システムにおいては、ピストンがしばしば、このように比較的高速で移動しつつ、わずかな距離でもその速度が下がらない態様で本質的に即時に停止させられる必要があり、さもなければ、試料に与えられるひずみ速度がピストンの停止距離にわたって下がることとなるという点で根本的な問題が生じる。さらに、それらのシステムは典型的には、ピストンを停止させるために何らかの機械的な機構を利用し、これにより、ピストンを停止させている間にシステム自体のさまざまな構造部材にいくらかのひずみを不利に生じさせる。システムのフレームを有効に圧縮することによって生じるこの付加的なひずみにより停止距離がわずかに長くなる傾向があり、こうして、結果として得られる試料の変形に悪影響を及ぼす。

高速の変形がますます重要になりつつある別の分野は金属薄板加工である。ここでは、製造費用を減ずる必要があるので、金属材料を変形する、すなわち金属薄板を曲げるのに用いられるプレスブレーキが次第に速度を増して動作することが必要とされる。従来の曲げ機械は１組の成形されたダイを有し、そこで材料が保持され、そして形成されるかまたは曲げられる。ダイは幾分大きく重量のある梁構造に装着される。通常、１つの梁は固定して装着され、別の梁は直線的に摺動するように装着される。従来のブレーキは、大きなフライホイールと、１つの梁と当該フライホイールとの間に装着された好適な接続／回動アームとを通る道筋に対する直線運動を発生させることに依拠する。比較的最新のブレーキは、液圧サーボ制御のピストン／シリンダシステムを用いてダイ／梁の運動を制御する。材料を曲げることのできる精度は、ダイをそのストローク（移動距離）の下死点でいかに急速に停止させることができるかに依存する。ダイの速度が増すにつれてその停止距離は次第に不定となる。このことを考慮すれば、ダイを一貫して正確な位置で停止させるために、ストロークはしばしば速度を下げて不利に実行されなければならない。加えて、変形されている金属はしばしばダイに変動荷重を与える。この変動荷重は、ダイが所望の位置で停止させられている間に制御システムの補償を引起こすが、正確な曲げを別個に達成して処理するのに速度の低下を利用することも概して必要とする。このような速度の低下は材料のスループットを不利に低下させる。したがって、材料を比較的高速で一貫して変形させてスループットを上げるために、ストロークは、ストロークの長さ全体にわたるその速度ならびにその停止距離の両方の点において正確に制御されなければならない。

材料が高速で変形されている材料試験システムまたは製造機器における状況では、しばしば機械的な止め具を用いて、高速のアンビル、ラムまたはダイを正確な位置で停止させる。残念ながら、このような機械的な止め具の位置は所望される移動の量が変わるたびに変更されなければならない。

したがって、一貫した結果を与えるために、たとえばアンビル、ラムまたはダイの運動を正確な位置で、さらには極めて高速で停止させるための装置が必要とされる。このような止め具は、ひずみを、たとえあったとしてもほんのわずかしか装置に与えないはずであり、このため、荷重の変化にかかわらず停止位置が同じままで変形が行われる。これに必要なことは、高速のストロークの終端が正確に制御されなければならず、さらに容易かつ迅速に変更可能でなければならないことである。

（１９９２年３月３日にＨ．Ｓ．ファーガソン（H.S. Ferguson）に対して発行された）米国特許第５，０９２，１７９号は、このような１つの熱力学的材料試験システムを説明する。その図５に示されるように、ピストン５０９ならびにシャフト５４０および５４５のストロークはストップディスク５４３によって停止させられる。変形されている試料物質５７０の位置は液圧シリンダ５９０、ピストン５９２、楔の組合せ５８５／５８２、シャフト５７５、ロードセル５７４、プレート５６８、アンビル基部５６５およびアンビ
ル５６０′によって進められる。試料５７０が楔の組合せによって左方に進められるたびにアンビル５６０が格納され、次いで高速で右方に進められ、こうして、止め板５４３がクロスストップ５５０に当るまで試料５７０が変形される。このシステムに固有の欠点は、当るたびに、試料の右側（ロードセル側）で負荷を支える楔アセンブリ全体に或る量のひずみが弾力的に生じることである。この弾性ひずみにより、アンビル５６０が変形方向に移動することが可能となり、こうして試料の変形する量が減り、各変形の後の試料の最終的な厚さをわずかに損なうこととなる。当該システムを用いて特定の試料を或る温度で変形させると、システムを制御するコンピュータ制御の変形スケジュール（変形プログラム）に変更を加えることにより、弾性ひずみに起因する変形における予期される損失（材料の厚さの増大）に対応することができる。しかしながら、そのようにすることは受動的な修正であり決して正確ではない。試料に３回以上当ることを必要とする複数回の変形については、プログラムに対する適切な修正は決定に時間と手間がかかるものとなる。さらに、当る回数が増えると、当るたびに精度が低くなる。したがって、当るたびにひずみを、たとえあったとしてもほんのわずかしかシステム自体の構造部材に与え返さない停止機構が、熱力学的材料試験システムにおいて用いるために直ちに所望される。

したがって、サーボ制御の液圧システムで用いるための停止機構が当該技術分野において依然として必要とされるが、これは材料試験システムにおいて用いられるようなものであり、ピストンが過度に移動せずかつその停止の瞬間まで速度を実質的に下げずに極めて高速から正確な位置に停止させられ得る。当該システムは、ピストンの速度にかかわらず予め定められた位置で各々の最終停止位置に繰返し当ることが可能なはずである。停止システムは、ひずみを、たとえあったとしてもほんのわずかしかもたらさないはずである。

以下の記載からこのような停止機構の必要性についてのさらなる証拠が理解され得るだろう。現代の高速のサーボ弁は、それが８０％開いた状態から典型的には０．００３秒で閉じることができる。その弁によって制御されるピストンが毎秒１メートルで移動している場合、これはしばしば製造機器および材料試験システムにおいて起こることであるが、ピストンが停止中に約１．５ｍｍ移動するだろう。この距離は、試験システムおよび高速のプレスブレーキにおいて距離を０．０５ｍｍ未満に制御することが望ましい場合には明らかに容認できないものである。既存の停止機構のリンク機構、シャフトおよび楔は、予期される動作負荷を受けた状態で０．３〜０．４ｍｍのひずみを受ける可能性がある。これらの低減したひずみは停止機構を全く使用しないことに起因するひずみよりもはるかに望ましいものであるが、機構自体に生じるひずみがはるかに少ない停止機構が依然として必要とされる。

発明の概要
この発明は、停止機構において生じるひずみがたとえあったとしても本質的にわずかである極めて急速な停止が必要とされる当該技術において公知のサーボ制御の液圧システムを高速で用いることに伴う欠点を有利に克服する。この発明により、第１の高速（作動）ピストンは、この作動ピストンに同軸に位置する第２の（停止）ピストンで形成される調整可能な機械的な止め具によって停止させられる。

有利には、この発明により、作動ピストンの停止位置を急に変えることが可能となる。さらに、この発明は、その停止特性と停止機構に結果としてもたらされるひずみを最小限にすることとにより、サーボシステムがそのピストンの速度にかかわらず毎回ほぼ理想的な停止位置で何度も作動ピストンを繰返しかつ急速に作動させることを可能にする。高速での停止は極めて短い停止距離にわたって起こり、本質的に即時的である。

この発明の教示に従うと、作動ピストンおよび停止ピストンは別個のサーボ制御の液圧システムによって制御され、ともに作動ピストンのための共通のピストンシャフト上に同軸に位置し、これらのピストンはシャフト上で長手方向に間隔をあけて配置される。当該ピストンはともに別個の対応するピストンシリンダ内で制御可能に移動する。停止ピストンはピストンシャフト上で摺動し、当該シャフトは停止ピストン上における中央の長手方向を向くボアを通って伸長する。作動ピストンのさらなる移動を止めるために、停止ピストンは、相補形の面を介して、シャフト上の放射状に伸長する円形の停止要素、たとえば当該シャフトから外方向に伸長しかつ当該シャフトと同心である肩部、と当接して係合する。好ましくは、積極的な停止作用を与えるために、当該停止ピストンは、作動ピストンよりも大きな力を与えるように寸法決めされかつ十分な液圧で動作させられる。具体的には、作動ピストンは最大４０トンの力を供給し得、停止ピストンは最大８０トン以上の力を供給し得る。

動作の際に、停止ピストンは、そのサーボ制御の液圧システムの適切なコンピュータ制御により、作動ピストンのための所望の停止位置へプログラム可能に動かされる。作動ピストンは（停止ピストンが動かされる前、動かされるのと同時にまたは動かされた後に）格納され、停止ピストンが適切な位置にあれば高速で伸ばされる。作動ピストンは、ピストンシャフト上の停止要素の面が停止ピストンの上側に位置する相補形の面と当接して係合するたびにその伸長を止める。停止位置を変えるために、停止ピストンは、さらにサーボ制御の液圧システムを適切に制御することにより簡単に動かされ、複数回当るようそのプロセスが繰返されたりする。

停止機構は、停止ピストンと、そのピストンを位置決めするのに用いられる作動油とだけで構成されている。変化する荷重を受けて寸法を変え得る停止リンク機構、楔、シャフトまたは他の機械的な部分は存在しない。したがって、停止機構に生じるひずみの量は著しく低減される。

この発明の特徴に従うと、２つの停止要素（すなわち、上方および下方の停止要素）はピストンシャフト上に位置決めされてもよく、停止ピストンの両側に対応する停止要素が位置し得る。この態様では、そのピストンの上面および下面上に相補形の面が形成された状態で、当該停止ピストンは、下方向だけではなく、その上方向および下方向（格納および伸長）の両方への作動ピストンの移動を停止させることができる。

この発明の教示は、添付の図面に関連して以下の詳細な説明を考慮することにより容易に理解され得る。

詳細な説明
以下の説明を考慮すると、停止機構に（かつそれを通じて、たとえば、それに相互接続された機械的な装置の構造部材の中に）過度のひずみをもたらさずに最短距離で確実に一貫して正確に停止させなければならないような液圧ピストンの高速運動に依拠する多種多様な応用例のいずれかに関連してこの発明の広範な教示を容易に利用し得ることを当業者は明確に理解するだろう。このような応用例は、具体的には、たとえば圧延機、押出成形機およびハンマー鍛造機械をシミュレートする高速プレスブレーキおよび熱力学的材料試験システムを含む。

図１は、典型的にはプレスブレーキまたは熱力学的材料試験システムにおいて生じるような比較的低速および高速移動中のピストン（特に図示せず）の経路をそれぞれ表わす典型的な曲線１０１および１０５を図示する。

図示のとおり、曲線１０１は、（ミリ秒での）時間の関数として、サーボ制御の液圧ピストンの比較的低速の移動経路を（ミリメートルで）示す。湾曲部分１０２および１０３は、ピストンを動かし始めたり停止させたりするのにそれぞれ必要とされる時間間隔の結果として生じる。サーボシステムの開始時間および停止時間は、液圧サーボ弁の応答、システムの慣性、ならびにシステム内に含まれるサーボループの従来のＰＩＤ（比例、積分および微分）設定の調整に依存している。当該ＰＩＤ設定は、ピストンの最高速度が上がるとしばしば調整される必要がある。

破線１０４および１０４ａは、ピストンの停止位置について予測される起こり得る最初の位置のずれを示す。特に、破線１０４は起こり得る位置的なアンダーシュートを表わし、破線１０４ａは起こり得るピストンの位置的なオーバーシュートを表わす。ピストンが最終的にその位置を所望の値に修正する限り、明らかに、アンダーシュートは変形プロセスにおいてそれほど重要ではない。ピストンが所望の正確な位置に到達するであろう精度は、ＰＩＤタームのＰ（比例またはシステムゲイン）設定の値に依存する。通常、Ｐタームの値が増すとピストンの最終的な位置が所望の値により近くなるだろう。しかしながら、Ｐの値が増すと、サーボシステムが振動する可能性も高くなるだろう。結果として、Ｐタームの最終的な設定は通常妥協点となる。したがって、一方では、比較的低速の移動中に、最終的なピストン位置はそのプログラムされた移動距離の終端においてその所望の値に極めて近くなり得る。他方では、高速の移動中に最終的なピストン位置がそのプログラムされた最終的な値に極めて近くなる可能性があるが、それに全く等しくなることは稀である。その点について、高速の移動中には、ピストンが所望の位置に到達するのに比較的わずかな時間とこれにより距離とが必要とされるが、液圧サーボシステムの機械的な遅れおよび他の機械的な応答特性のために、ピストンは典型的には（破線部分１０４ａによって示されるように）その所望の最終的な位置を行き過ぎることとなるだろう。

曲線１０５は、サーボ制御のピストンの比較的高速の移動経路を時間の関数として示す。位置的なアンダーシュート１０６および位置的なオーバーシュート１０６ａは、曲線で示される低速の移動の場合よりも大きく、オーバーシュートはいくらかの変動を含む可能性がある（これも図示されないが周知である）。試料を圧縮して変形させるためにピストンを用いてラムまたはアンビルを移動させる場合、熱力学的材料試験システムの場合と同様に、位置的なオーバーシュートにより不所望な試料の変形がもたらされ、試料に過度のひずみが与えられる。ピストンがたとえばハンマーブレーキ上でダイを移動させる場合、次に金属薄板を曲げる際に、オーバーシュートによりその金属が過度に曲げられることとなる。

図２には曲線２０１が図示される。この曲線２０１は図１に示される曲線１０１に対応しているが、移動速度が著しく上昇し、停止距離がかなり低減したものであり、これらはともにこの発明の機械的な止め具を用いることによって実現可能である。

ここで、図２は、ピストンに対する（ミリ秒での）時間の関数として比較的高速の移動経路２０１を（ミリメートルで）示し、この発明によって教示されるように高速（第１）のピストンが第２の（停止）ピストンによって実現される機械的な止め具に当る急速停止位置２０２をさらに示す。位置２０２に達した後には第１のピストンのサーボ制御は必要とされない。というのも、第２のピストンが第１のピストンのさらなる移動を防ぐからである。第１のピストンの移動を制御するサーボシステムのＰＩＤ設定の重要性はここでははるかに低い。というのも、サーボシステムは、一旦第２のピストンに当るとこの第１のピストンをもはや制御しないからである。第２のピストンは第１のピストンのさらなる移動を抑えて、実際にはこれを直ちに停止させる。というのも、第２のピストンは第１のピストンよりもはるかに大きな力を与えるからである。

（線２０２で示されるように）有効に即時かつ急に停止させることにより、この発明は、第１のピストンが、図１に示される曲線１０１の上方向に傾斜した中間部分に関連付けられる速度を超える（曲線２０１のほぼ垂直な部分によって示されるように）かなり速い移動速度で有利に動作することを可能にする。

図３には、作動ピストン３０１のその下方向（伸長）への移動を停止させるためのこの発明の第１の実施例３００が分かりやすいように切断面図で示される。

ハウジング３４０は、タンデム構成に向けられた２つの液圧シリンダ３０８および３１７を含む。簡単にするために、当該ハウジングは図３および図４に示される実施例の各々についてはいくつかの構造部品で形成されているが、これらの部品をすべての適切な封止とともに一緒に固定するのに用いられる（当業者には容易に明らかな）締結具は簡略化のために意図的に省かれている。

第１の（作動）ピストン３０１は、シリンダ３０８内で、矢印３００で示される方向（伸長および格納）に双方向に制御可能に移動する。このピストンは、端部位置３０２から３０３に伸長するピストンシャフト３１２に一体化している。シャフト３１２は組立てやすくするために（具体的には明示されない）２つの部品で形成される。これらの２つの部品は、アライメントリング（図示せず）を用いて大きなねじおよびねじ山により継目３０２ａで一緒に（具体的にはねじ留めされて）組立てられる。シャフト３１２と特に端部位置３０３とから出て来るねじを切られた延長ねじ３０４は、好適な従来の直線変位変換器（図示せず）に延在してピストン３０１の現在の位置を測定する。この変換器は（従来的なものであり、同様に図示されない）サーボコントローラおよびプログラマに接続される。サーボコントローラおよびプログラマはともに従来的であり当該技術において周知であるので、いずれも以後さらに詳細には説明されない。変換器からの位置信号は位置フィードバック信号としてサーボコントローラに供給され、これがサーボ弁３０５を制御する。

弁３０５は、好適な従来の液圧ポンプ（図示せず）によって供給される加圧された作動液（作動油）を導管３０６および３０７を介してシリンダ領域３０８ａおよび３０８ｂのうち一方に導き入れ、他方から導き出す。図示されるように、シリンダ３０８内においては、領域３０８ａは作動ピストン３０１の上方にあり、シリンダ領域３０８ｂはその下方にある。液体を受取る特定の領域（および相関的に液体を失う領域）と、これにより導管を通る液体の流れの方向とは、作動ピストン３０１が伸長される（上方に動かされる）かまたは格納される（下方に動かされる）かに基づきサーボコントローラによって決定される。弁の開き具合により、液体が一方のシリンダ領域に入り他方のシリンダ領域から出る速度と、これにより作動ピストン３０１が移動する速度とが決定される。弁が開いたままである時間から、弁の開口寸法に関連して、シリンダ内のピストンの最終的な位置が決定される。シリンダ３０８は好適な封止ならびに軸受３０９および３１０によって両端が封止される（具体的には明示されないが、同一の封止および軸受がシリンダ３１７の末端部においても用いられる）。ピストン３０１はシリンダ領域３０８ａおよび３０８ｂを互いから隔てるのに好適な封止３１１を有する。

第２の（停止）ピストン３１３は中央の長手方向を向くボア３５０を有し、ここを通ってこのピストンが同軸に装着され、ピストンシャフト３１２に沿って矢印３３２が示す方向に制御可能に移動する（具体的には摺動する）。このピストンは、シリンダ領域３１７ａおよび３１７ｂを含むシリンダ３１７内で移動する。図示のとおり、領域３１７ａおよび３１７ｂは停止ピストン３１３の上方および下方にそれぞれ位置している。軸受３１４ならびに封止３１５および３１５ａによって、シリンダ領域３１７ａおよび３１７ｂが互いから隔てられる。

シリンダ領域３１７ａおよび３１７ｂは、サーボ弁３２０に至る導管３１９および３１８を介してそれぞれサーボ弁３２０に接続される。サーボ弁３２０はまた、好適な液圧ポンプと第２の（停止位置）サーボコントローラ（図示せず）とに接続される。シリンダ要素３０８ａおよび３０８ｂと同様に、液体を受取る特定の領域３１７ａまたは３１７ｂ（および相関的に液体を失う領域）と、これにより導管を通る液体の流れの方向とは、停止位置３１３が伸長される（上方に動かされる）かまたは格納される（下方に動かされる）かに基づいて停止位置サーボコントローラによって決定される。弁３２０の開き具合により、液体が一方のシリンダ領域に入り他方のシリンダ領域から出る速度と、これにより停止ピストン３１３が移動する速度とが決定される。弁が開いたままである時間から、弁の開口寸法に関連して、シリンダ内のピストンの最終的な位置が決定される。

停止ピストン３１３に接続されたシャフト３２４はそれ自体が、ねじを切られた延長ねじ３２５によって好適な（第２の）直線変位変換器（図示せず）に接続され、これが、停止ピストン３１３の現在の位置を示すフィードバック信号を与える。この位置情報は、停止ピストン３１３の現在の位置を制御する第２の（停止位置）サーボコントローラ／プログラマに供給される。

圧縮仕事に対する荷重、たとえばラムまたはアンビルがシャフト３１２の端部３０２に取付けられる。停止ピストン３１３はいかなる外部仕事にも接続されず、ピストンシャフト３１２を予め定められた所望の位置で停止させるためにのみ用いられ、このため、出力される作動力をたとえばアンビル、ラムもしくはダイまたは類似の装置にもたらさない。停止ピストンは基本的にはシリンダ３１７において「浮動する」。

円形で同軸の放射状に拡張された部分（要素）３２１（ここで肩部を形成する）は、下面３２２を有しており、停止要素として不動にしっかりと一体的にシャフト３１２上に形成される。この部分は、停止ピストン３１３の中央のボア３５０を通過できないほどに意図的に大きく形作られるので、要素３２１の（ここでは下面である）肩部３２２が停止ピストン３１３の上面３２３に当接するたびに停止するはずである。下面３２２および上面３２３は互いに対して相補的に形作られる。停止ピストン３１３は、作動ピストン３０１およびシャフト３１２の移動を抑えて正確に制限するために、通常ピストン３０１よりも寸法が大きくされる。たとえば、シリンダ３０８および３１７がともに作動液で均等に加圧されると、作動ピストン３０１は最大４０トンの力を発生させ得るが、作動ピストン３０１の移動を停止させる停止ピストン３１３は最大８０トン以上の力を発生させ得る。有利には、停止ピストン３１３の力性能の上限が高ければ高いほど、止め具がより堅固になり、これに応じて作動ピストン３０１の停止位置がより正確になるだろう。さらに、停止ピストン３１３を支持する或る量の作動油も、その油の圧縮性のために、エラーを阻止するのに寄与する。したがって、その量は最小限にされるはずである。しかし、以下の記載から分かるように、停止機構はこのエラーを補償するよう容易に設定することができる。

ピストン３０１および３１３がともにそれらの位置に応じて個々に制御されるので、停止ピストン３１３の位置はいつでも変更することができる。作動ピストン３０１が格納される（ピストン３１３から末端方向に上方に移動する）場合、停止ピストン３１３は作動ピストンから独立して移動し得る。作動ピストンが面３２２および３２３に沿って停止ピストンに当接している場合、停止ピストン３１３を上方に移動させることにより、作動ピストン３０１も同じ態様で同じ量だけ動かされるだろう。逆に、停止ピストンをその現在の位置で保持しつつ作動ピストン３０１を下方向に移動させようとする試みは実現不可能であるだろう。というのも、停止ピストン３１３は作動ピストンよりも大きく、相関的により大きな力を生ずるので、作動ピストンでは抑えることができないからである。通常の動作においては、作動ピストン３０１が停止ピストン３１３から離れるよう格納されてから、後者のピストンが再度位置決めされる。その後、停止要素３２１が停止ピストン３１
３に直接当るまで作動ピストン３０１が下方向に伸長して駆動され、面３２２および３２３が互いに対して係合しかつ当接し、この時点で作動ピストン３０１およびシャフト３１２のさらなる下方向への移動が実際には直ちに止まる。

図示のとおり、停止要素３２１の面（停止面）３２２はその停止面として傾斜した面を有する。この傾斜により、面３２２の傾斜と適合するように同様に傾斜した面（停止面）３２３に接触する（ピストンシャフト３１２の長手方向軸に対して垂直な面にわたる）表面積が増大する。これらの停止面の実際の傾斜すなわち角度の付いた傾きは予め規定されているが、係わる衝撃力を考慮すると、十分な接触面積を設けるのに十分に大きなものである限り臨界ではなく、この十分な接触面積とは、停止中に結果として生じる接触圧をいずれの面も損なわない程度にまで十分に減じるが、有効な停止作用を与えるのには十分なものである。

示されるように、停止ピストン３１３はピストンシャフトを持たないので力の出力を有さない。したがって、停止ピストンは、シリンダ領域３１７ａおよび３１７ｂにおいて単に制御下で移動するだけであるがいかなる力の出力ももたらさないという点で「浮動している」と考えられてもよい。ねじ３２５によって直線位置変換器（図示せず）に結合されるシャフト３２４だけを用いて、対応する位置フィードバック信号を供給し、こうして、停止ピストン３１３の現在の位置を測定することのできるモダリティを与える。

動作の際に、サーボ弁３２０は、その対応するサーボコントローラにより、プログラムされた態様で制御されて、正確な所望の位置でピストンシャフト３１２を停止させるよう停止ピストン３１３を位置決めする。サーボ弁３０５はその対応するサーボコントローラの制御下で動作するが、面３２２および３２３が互いに対して当接するまで、プログラム可能に作動ピストン３０１およびピストンロッド３１２を所望の速度で下方に移動させるだろう。作動ピストン３０１を制御して比較的高速で、たとえば毎秒１メートル以上の速度で移動させる場合、面３２２および３２３に対する衝撃力が大きくなる可能性がある。

現在、市販の高速サーボ弁は３〜６ミリ秒で動作し得る（すなわち８０％の開閉で位置を変え得る）。ピストンシャフト３１２が毎秒１メートルで移動していた場合、ちょうど３ミリ秒で移動する距離は３ミリメートルとなるだろう。応用例の中には、作動ピストンたとえば作動ピストン３０１が毎秒１メートル以上で移動している間に、これをわずか数分の１ミリメートル以内（しばしば０．１ｍｍ以下）で停止させることを必要とするものもある。このような高速サーボ弁の比較的遅い動作は、極めて短い距離をこのような高速で移動するピストンを正確に停止させるための要件と比べて、この発明の調整可能な止め具を必要とする。この発明の停止機構はその必要性を有利に満たす。さらに、止め具の位置すなわち停止ピストン３１３の位置は、その対応する停止位置サーボコントローラを用いて完全に調整することができる。この調整は適切な高速のサーボ制御システムを用いて迅速に達成することができ、これにより、ピストン３０１および３１３の両方の高速の動作と、特に比較的短時間での複数回停止される作動ピストン３０１の格納−伸長サイクルとが可能となり得る（こうして、たとえば、ピストンシャフト３１２の端部３０２が典型的に接続されるラムまたはアンビルが、熱力学的材料試験システムにおいて、高速で連続して試料に当ってこの試料を変形させることが可能となり得る）。

図４は、作動ピストン４０１の上方向および下方向（格納および伸長）の両方への移動を停止させるためのこの発明の第２の実施例４００を示す切断面図である。

理解しやすくするために、最初の一桁を変更しただけのごく類似した参照番号を図３および図４において用いて、これら２つの図における、同一ではないとしても類似した対応する要素を示す。図示される構造間の共通点を考慮して、それらの間の相違点のみを特に
説明する。双方向の停止を実現するために２つの別個の停止要素がピストンシャフト４１２において形成されており、要素４２１は停止ピストン４１３の上方に位置し、要素４２６はその下方に位置している。当該要素はともに、ピストンシャフト４１２の放射状に伸長した部分として形成され、停止ピストン４１３の中央のボア４５０を通るシャフトのその部分よりも十分に大きな半径を有し、傾斜した面４２２および４２８をそれぞれ備えている。これらの面は、作動ピストン４０１が下方向または上方向に移動すると、停止ピストン４１３の相補形の傾斜した上面４２３および下面４２７とそれぞれ当接して係合する。シャフト３１２と同様に、シャフト４１２は部品ごとに製造され、ねじ部分を用いて適切にねじで留められる。

したがって、停止ピストン４１３は、面４２２および４２３または面４２７および４２８に沿って当接することにより作動ピストン４０１およびピストンシャフト４１２を停止させることができる。これにより、作動ピストン４０１およびシャフト４１２を、いずれの方向に移動する場合においても高速停止させることが可能となる。

高速停止中に作動ピストン４０１の力が停止ピストン４１３に突然伝わると、（作動ピストン４０１の力および移動方向に応じて）シリンダ領域４１７ａおよび４１７ｂにおける作動油に圧縮がいくらか発生するだろう。

図３および図４に示される実施例３００および４００の両方においては、既知の力がかかった状態では、反対方向へのオフセットの量をプログラムすることにより、作動油の圧縮の量と、負荷のかかった状態でシステムの部品に結果としてもたらされるひずみとを、停止ピストン３１３または４１３の位置に進む作動ピストン３０１または４０１の移動方向に訂正して、この作用を相殺するかまたは打消すことができる。

この発明は単一の停止ピストンを用いて作動ピストンを双方向に停止させる点について記載されているが、この発明の停止機構はそのように限定されるものではない。その点については、（各々がそれ自体のシリンダにおいて移動する）別個に制御可能な２つの上方の停止ピストンおよび下方の停止ピストンがまたタンデム式に配置され（各々がそれ自体の位置フィードバック変換器を備え）ているが、これを、図４に示される単一の停止ピストン４１３（およびそのシリンダ４１７）の代わりに用いてもよい。ここでは、（図３または図４に示される、停止ピストン３１３または４１３に対するそれぞれの停止要素３２１または４２１の位置と同様に）上方の停止要素は上方の停止ピストンより上、すなわちその外側に位置してもよく、下方の停止要素は（図４に示される、停止ピストン４１３に対する停止要素４２６の位置と同様に）下方の停止ピストンより下（その外側）に位置してもよい。当該停止ピストンはともに、作動ピストンと同じピストンシャフトの上に位置し、かつそれに沿って移動可能であるだろう。このような構成により、作動ピストンの格納および伸長の両方に対する止め具を別個に互いに対して設定することが可能となる。代替的には、停止要素は、２つの停止ピストンの外側ではなく内側で（すなわち間に挟まれた状態で）ピストンシャフト上に適切に位置してもよい。特定の応用例に応じて、停止ピストンおよび作動ピストンのために図示および説明される以外の、たとえば隣接していないといったシリンダに対する他の向きを用いてもよい。

さらに、図３に示される実施例については、単一の停止要素がピストンシャフト上に位置し、かつ停止ピストンの上方ではなく下方に位置して、作動ピストンの上方向（格納）への移動を停止させ得る。

加えて、当該実施例はともに、簡略化のために、作動ピストンおよび停止ピストンの両方に対して共通のピストンシャフトを利用するが、このような共通のシャフトは必要ではない。他の構成を用いてもよく、実際には、作動ピストンから停止ピストンに向かって伸
長するシャフトが作動ピストンから上向きに伸長するシャフトとは異なる可能性がある。さらに、前者のシャフトは停止ピストンの中央のボアの中を通る単一のシャフトである必要はないが、代わりに１つ以上のシャフトで形成される可能性があり、この場合、各シャフトは、これらのシャフトのうちの１つ以上のシャフトの上に適切な停止要素が位置しているとすれば、停止ピストンにおける別のボアの中を通る。

この発明の教示を組込んださまざまな好ましい実施例をこの明細書中において別々にかなり詳細に図示しかつ記載してきたが、当業者であれば、この発明の教示をさらに組込んだ他の多くのさまざまな実施例を容易に考案することができるだろう。

図示のように、正確な移動距離および停止位置を達成するためにピストン移動の終端において移動速度が低減するプレスブレーキまたは熱力学的材料試験システムにおいて発生し得るような比較的低速および高速の移動中におけるそれぞれのピストンの経路を表わした典型的な曲線１０１および１０５を示す図である。 図１に示される曲線１０１に対応するが、この発明の機械的な止め具を用いることによって移動速度が著しく上昇しかつ停止距離がかなり低減した曲線２０１を示す図である。 作動ピストン３０１のその下方向（伸長）への移動を停止させるためのこの発明の第１の実施例３００を示す切断面図である。 作動ピストン４０１のその上方向および下方向（伸長および格納）の両方向への移動を停止させるためのこの発明の第２の実施例４００を示す切断面図である。

Claims (14)

1. 第１の液圧ピストン（３０１；４０１）のさらなる移動を停止させる制御された機械的な止め具を提供するための装置（３００；４００）であって、前記装置は、
   第１のピストンシリンダ（３０８；４０８）において制御可能に移動することのできる前記第１の液圧ピストンを含み、前記第１のピストンは、該第１のピストンに取付けられ、そこから外方向に伸長するピストンシャフト（３１２；４１２）を有しており、前記装置はさらに、
   第２のピストンシリンダ（３１７；４１７）において所望の停止位置に制御可能に位置決めすることのできる第２の液圧ピストン（３１３；４１３）を含み、前記第２のシリンダは前記第１のピストンシリンダとは別個であり、前記第２のピストンは前記第１のピストンよりも大きな力を生成し、前記装置はさらに、
   前記シャフトを含み、前記シャフトは第２のピストンを通って摺動可能に第２のピストンにおけるボア（３５０；４５０）を通って長手方向に伸長し、前記装置はさらに、
   停止要素（３２１；４２１）を含み、前記停止要素（３２１；４２１）は、前記第１のピストンおよび前記シャフトの予め規定された方向への移動中に、前記第２のピストンが前記シャフトおよび前記第１のピストンの予め規定された方向へのさらなる移動を抑えて停止させるように前記停止要素が前記停止位置において前記第２のピストンと当接して係合するように前記シャフト上に位置する、装置。
2. 前記第１のピストンは、前記シャフトの端部（３０２；４０２）に位置する機器に対し、出力される作動力を与える、請求項１に記載の装置。
3. 前記シャフトは前記第１および前記第２のピストンの両方に対して共通であり、前記第２のピストンの中央の長手方向を向くボアを通って伸長する、請求項２に記載の装置。
4. 前記第１および前記第２のピストンは前記シャフト上に同軸に配置され、互いから間隔をあけて配置される、請求項３に記載の装置。
5. 前記第１および前記第２のシリンダは、前記第１のシリンダが前記第２のシリンダの上方にある状態で前記シャフト上でタンデム式に配置され、前記停止要素は前記第１のピストンと前記第２のピストンとの間または前記第２のピストンの下方において前記シャフト上に位置する、請求項４に記載の装置。
6. 前記停止要素は予め規定された向きの第１の停止面（３１３；４２３、４２７）を有し、前記第２のピストンは前記第１の停止面の前記予め規定された向きに対して相補形の向きである第２の停止面（３２２；４２２、４２８）を含み、前記第１および前記第２の停止面は停止位置において互いに当接して係合する、請求項５に記載の装置。
7. 前記第１および前記第２の停止面は各々、前記シャフトの長手方向軸に対し予め規定された傾斜に傾けられている、請求項６に記載の装置。
8. 前記機器はラム、アンビルまたはダイである、請求項７に記載の装置。
9. 前記第１および前記第２のシリンダは別個の対応する第１および第２のサーボ液圧弁（３０５、３２０；４０５、４２０）に接続され、前記第１および前記第２の弁は別個の第１および第２の対応するサーボコントローラに接続され、これらによって制御されており、前記第２のサーボコントローラは、前記第２のピストンを停止位置に位置決めし、前記第２のピストンを前記停止位置に保持するように前記第２の弁を作動させ、
   前記第２のピストンがそのように保持されている間に、前記第２のピストンが前記第１
   のピストンの連続した移動を抑えてさらなる伸長または格納動作をそれぞれ停止させるように前記第１の停止面が前記第２の停止面と当接して係合するようなときまで、前記第１のサーボコントローラが前記第１の弁を作動させて予め定められた速度で前記第１のピストンを制御可能に伸長または格納する、請求項６に記載の装置。
10. 前記第１および前記第２の停止面は、前記シャフトの長手方向軸に対し予め規定された傾斜で傾けられている、請求項９に記載の装置。
11. 前記機器はラム、アンビルまたはダイである、請求項１０に記載の装置。
12. 第１の液圧ピストン（３０１；４０１）のさらなる移動を停止させる制御された機械的な止め具を提供するための装置（３００；４００）において、前記装置は、
    第１のピストンシリンダ（３０８；４０８）において制御可能に移動することのできる前記第１の液圧ピストンを含み、前記第１のピストンは、該第１のピストンに取付けられ、そこから外方向に伸長するピストンシャフト（３１２；４１２）を有しており、前記装置はさらに、
    第２のピストンシリンダ（３１７；４１７）において所望の停止位置に制御可能に位置決めすることのできる第２の液圧ピストン（３１３；４１３）を含み、前記第２のシリンダは前記第１のピストンシリンダとは別個であり、前記第２のピストンは前記第１のピストンよりも大きな力を生成し、前記装置はさらに、
    前記シャフトを含み、前記シャフトは前記第２のピストンを通って摺動可能に第２のピストンにおけるボア（３５０；４５０）を通って長手方向に伸長し、前記装置はさらに、
    前記シャフト上に位置する停止要素（３２１；４２１）を含み、前記装置はさらに、
    以下のステップを含む方法を含み、前記以下のステップは、
    前記第２のピストンを前記停止位置に移動させ、その後前記第２のピストンを前記停止位置において保持するステップと、
    前記第２のピストンが前記第１のピストンの連続した移動を抑えて、予め規定された方向へのそのさらなる移動を停止させるように前記停止要素の前記第１の停止面が前記第２のピストンと当接して係合するようなときまで、予め定められた速度で予め規定された方向に前記第１のピストンを移動させるステップとを含む、装置。
13. 前記第１および前記第２のシリンダは別個の対応する第１および第２のサーボ液圧弁（３０５、３２０；４０５、４２０）に接続され、前記第１および前記第２の弁は別個の第１および第２の対応するサーボコントローラに接続され、これらによって制御されており、前記方法は、
    前記第２のピストンを前記停止位置に位置決めし、次いで前記第２のピストンを前記停止位置で保持するように前記第２のサーボコントローラによって前記第２の弁を作動させるステップと、
    前記第２のピストンがそのように保持されている間に、前記第２のピストンが前記第１のピストンの連続した移動を抑えて、そのさらなる伸長または格納動作をそれぞれ停止させるように前記第１の停止面が前記第２の停止面と当接して係合するようなときまで、前記第１のサーボコントローラによって前記第１の弁を作動させて前記第１のピストンを予め定められた速度で制御可能に伸長または格納するステップとをさらに含む、方法。
14. 前記第１のピストンの移動によって、前記シャフトの端部（３０２；４０２）に位置する機器に対し、出力される作動力を与えるステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。

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