TW201721034A - 智能液靜壓節流模組及方法 - Google Patents

Abstract

一種智能液靜壓節流模組，可即時監測油腔壓力並回饋信號，使一直線致動器主動調整節流液阻、補償油腔壓力。模組包括一監控單元與一節流單元；節流單元包括前述的直線致動器與一節流結構。節流結構內定義一節流腔室、以及可在節流腔室內移動的一工作段。監控單元包括互相電連接的一驅動器、一油壓感測器、與一主控元件。驅動器驅使直線致動器之動子，工作段因結合至動子上而可與動子同步移動。油壓感測器設在節流腔室並取得一油壓訊號回饋至主控元件，主控元件則根據油壓與電壓的對應關係決定出一驅動訊號傳送至驅動器，驅動器根據驅動訊號驅動動子，以此周而復始，達到自動調整節流液阻與油腔壓力。

Description

智能液靜壓節流模組及方法

本發明涉及一種液靜壓軸承或支承系統；特別是涉及一種應用在軸承或支承系統之節流模組。

定壓力供油的液靜壓軸承系統主要由軸承本體、節流器、供油系統三大部分所組成。供油系統是由外部提供一加壓流體，液壓油進入節流器調節壓力後，再進入軸承面與被承載工件的間隙中，藉由液體靜壓力來承受荷重；因此，節流器對軸承系統的剛性、載重與穩定性具有很重要的作用。目前採用節流器的液靜壓軸承系統，其節流器大致可區分為可變式與固定式兩大類：固定式節流器則呈流阻固定(不會隨油腔壓力變化)；而主動式節流器的流阻可隨外加負載(油腔壓力)變化而主動改變，來進行油腔壓力的調壓作用，因此裝配可變節流器的靜壓軸承會比使用固定式節流器具有更高的油膜剛性。

常用的可變節流器包含薄膜節流器與滑閥節流器，以使用較多的薄膜節流器為例，顧名思義是利用薄膜本身變形造成節流器液阻變化來調節油腔壓力，其剛性較佳，但薄膜厚度和節流器尺寸設計必須掌控很精確，若設計不佳時容易產生軸承系統的負剛性現象導致系統振盪而無法工作。由於這些可變式節流器設計理論繁複，加工組裝的精度要求高，且 每顆節流器需具備良好的可靠性與性能穩定性，因而售價高昂，僅有德國等少數靜壓軸承技術先進國家採用此類型節流器應用於高精密工具機靜壓軸承設備，大多數的定壓力供油液靜壓軸承系統仍採用固定式節流器。

固定式節流器則包含毛細管節流器、縫隙節流器與小孔節流器等，主要是透過高壓流體流入節流器時，藉由節流器的幾何型態(如毛細管的細長內孔、縫隙節流器的微小間隙，小孔節流器的微孔等)對流體形成摩擦阻力，形成壓降，並透過油膜間隙變化而達成調節油腔壓力的目的。由於其結構簡單，製造相較於可變節流器容易，各類型固定式節流器在液靜壓軸承系統中應用相當廣泛。然而也由於固定式節流器其流阻固定的限制，當油腔壓力升高(油膜間隙變小)後，由於節流前後的壓力差減小，導致進入油腔的油液減少，因而液靜壓軸承的承載能力和剛性的提升因而受限，其剛性較可變節流器為低，在面臨較大的負載變化等場合，容易造成液靜壓軸承的性能表現不如預期。

請參閱第1圖，習用可調式節流器是採用手動操作螺旋形毛細管的節流栓100a：裝設前述節流栓100a時，先調整節流栓100a的工作長度Lw以達到所要求的液阻再將螺栓200a固定前述節流栓100a，此後發生液阻調節之需求時，則須先取下螺栓200a，其缺失在於僅能以人工察覺調整需求且手動操作，完全無法即時補償。另外一種節流系統，如中國大陸發明專利第CN103383295A號所公開的「靜壓支承系統全方位次級壓力監控裝置方法」，其將監控元件與靜壓支承系統中的靜壓油腔連接，直接測得靜壓油腔內的壓力資訊和預設的監控數值進行比較，及時發出報警信號，並通過PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)程式編制顯示在螢 幕上，當壓力出現異常時發出警告通知使用者，但僅單純檢測油腔壓力變化而未能產生任何調整與補償。此外，中國大陸發明專利第CN101581338B號公開了一種「液壓伺服控制節流裝置」，先以微處理機預先設置主軸在平衡位置的電壓信號，並與主軸的位置感測器傳回的主軸位置電壓信號進行比較，再控制伺服閥的閥心產生位移，從而調整伺服閥出口端的油液壓力，藉由供油壓力變化調整使主軸的受力狀況發生變化，反覆修正而到達平衡位置；但能監測主軸位置變化的精密位置感測器價格昂貴，且液壓伺服閥控制壓力後，油液還需再經節流器節流調壓，並非如預期般快速調整油腔壓力，此外尚有供油系統之油路配置複雜等因素。

為解決前述習用等缺失，本發明提供一種智能液靜壓節流模組、系統及方法，即時監測油腔壓力並回饋信號後，可主動(或允許人為控制)以調整節流液阻、補償油腔壓力。

為此，本發明提供一種智能液靜壓節流模組，其包括一節流單元與一監控單元。節流單元包括同軸接設之一直線致動器與一節流結構；直線致動器具有一本體、與位於本體內之一動子；動子與本體同軸且相對該本體呈直線移動。其中，節流結構具有一殼體、與位於殼體內之一節流件；殼體同軸接設本體，且殼體與本體連通；節流件同軸接設動子而可與動子同步移動。其中，殼體設有一液壓油入口、一液壓油監測口、以及與一油壓腔室連通之一液壓油出口，並定義液壓油入口至液壓油出口之間為一節流腔室；節流件隨動子於殼體內呈直線移動，並定義節流件位於節流腔室之疊合區段為一工作段、而連接工作段與動子為一連接段。監控 單元包括一驅動器、一油壓感測器、以及電連接該油壓感測器與該驅動器之一主控元件。其中，油壓感測器設於節流結構之液壓油監測口而取得該節流腔室之一油壓訊號；監控單元之主控元件對應油壓訊號決定一驅動訊號，使驅動器根據驅動訊號驅動直線致動器之動子。

為此，本發明提供一種智能液靜壓節流系統，其包括至少一個前述的智能液靜壓節流模組、與一液靜壓主系統。至少一個前述的油壓腔室是設於該液靜壓系統上；各該油壓腔室連通之各該智能液靜壓節流模組之該液壓油出口。

為此，本發明提供一種智能液靜壓節流方法，其包括下列步驟：準備一智能液靜壓節流模組；其中，該智能液靜壓節流模組包括同軸接設之一直線致動器與一節流結構、以及互相電連接之一驅動器、一油壓感測器與一主控元件；該油壓感測器位於該節流結構之一節流腔室，而該驅動器可驅動該直線致動器之一動子；該節流結構內具有與該動子連動的節流件；取得該節流腔室之一油壓訊號；其中，該油壓訊號係由該油壓感測器偵測；對應該油壓訊號決定並轉換出一驅動訊號；其中，該油壓訊號轉換為驅動訊號係由該主控元件處理，且該驅動訊號係傳送到該驅動器；以及根據該驅動訊號輸出一供給電壓，以驅動該動子；其中，該供給電壓係由該驅動器輸出，該動子受驅動以移動該節流裝置內的節流件。

100a‧‧‧節流栓

200a‧‧‧螺栓

Lw‧‧‧工作長度

10‧‧‧監控單元

12‧‧‧驅動器

14‧‧‧油壓感測器

16‧‧‧主控元件

162‧‧‧油壓電壓轉換程式

164‧‧‧資料處理單元

166‧‧‧決策單元

20‧‧‧節流單元

30‧‧‧直線致動器

32‧‧‧本體

34‧‧‧動子

40‧‧‧節流結構

42‧‧‧殼體

422‧‧‧液壓油入口

424‧‧‧液壓油出口

426、426b‧‧‧節流腔室

428‧‧‧液壓油監測口

44、44a、44b‧‧‧節流件

442、442a、442b‧‧‧工作段

444‧‧‧連接段

46‧‧‧密封環

60‧‧‧供油系統

70‧‧‧軸承系統

71‧‧‧通道

72、92‧‧‧油壓腔室

80‧‧‧承載工件

90‧‧‧液靜壓主系統

S1‧‧‧疊合區段

L₁、L₂‧‧‧有效節流長度

F_Max‧‧‧最大承載力

F‧‧‧承載力

G‧‧‧油膜間隙

S‧‧‧油膜剛性

P_r‧‧‧預定油壓

P_s‧‧‧供油壓力

S_v‧‧‧驅動訊號

S_o‧‧‧油壓訊號

P_o‧‧‧油壓

S100、S200、S202、S204、S300、S400‧‧‧步驟

第1圖為習用可調式節流器之結構示意圖；第2圖為本發明之智能液靜壓節流模組之方塊示意圖；第3圖為本發明之智能液靜壓節流模組第一實施例之結構示意圖；第4圖為第3圖之剖視示意圖；第5圖為第4圖應用於一液靜壓軸承主系統之方塊示意圖；第6圖為本發明之智能液靜壓節流模組第二實施例之剖視示意圖；第7圖為本發明之智能液靜壓節流模組第三實施例之剖視示意圖；第8圖為本發明之智能液靜壓系統之方塊示意圖；第9圖為本發明之智能液靜壓節流模組第四實施例之方塊示意圖；以及第10圖為本發明之智能液靜壓節流方法之流程圖。

請參閱第2圖為本發明之智能液靜壓節流模組，包括一監控單元10與一節流單元20。監控單元10包括一驅動器12、一油壓感測器14、以及電連接驅動器12與油壓感測器14之一主控元件16。

以下一併參閱第3~5圖。如第3圖所示，節流單元20包括同軸接設之一直線致動器30與一節流結構40。直線致動器30具有一本體32、與設於本體32內之一動子34；動子34與本體32同軸且相對本體32呈直線移 動。節流結構40具有一殼體42、位於殼體42內之一節流件44、與至少一密封環46；殼體42同軸接設直線致動器30之本體32，並與本體32連通；節流件44同軸接設動子34而與動子34同步移動；其中，本體32外繞設有驅動線圈(圖未示)，可生電磁效應而驅動前述動子34。

節流結構40將進一步配合一軸承或一支承系統運作，因此殼體42亦如第5圖所示之液靜壓軸承系統，經過固定至靜壓軸承70之一通道71與一油壓腔室72相連通後，殼體42內部之一節流腔室426與前述軸承系統70的通道71與油壓腔室72保持均一的油壓。殼體42設有一液壓油入口422、與一油壓腔室連通之一液壓油出口424；液壓油入口422係與一供油系統60連接，供油系統60定壓輸出油體，使油體進入液壓油入口422時保持穩定的供油壓力P_s。殼體42內部進一步定義由液壓油入口422至液壓油出口424之間的區段定義出一所述及的節流腔室426、以及殼體42進一步設有與前述節流腔室426連通的一液壓油監測口428。可以理解的是，殼體42內部的節流腔室426與前述系統的油壓腔室72的油壓應呈均一，液壓油監測口428開設於節流腔室426任一點所取得的油壓應為相同；需要說明的是，液壓油監測口428鄰近液壓油出口424，可避免干涉節流件44的移動範圍。

由於影響節流件44的有效節流長度L1至少包括節流件44停留在節流腔室426的區段長度、以及節流件44本身預定的幾何構形等因素。一旦節流件44本身的幾何構形被決定，則節流件44的有效節流長度L1則隨節流件44在節流腔室426內停留而與節流腔室426重疊的疊合區段S1的浮動而浮動。如第4圖，節流件44的有效節流長度L1是節流件44於疊合區段S1中的螺紋長度。為便於說明，本發明定義節流件44與節流腔室426重疊部分 為一工作段442，即節流件44位於疊合區段S1的區段定義為工作段442，而連接工作段442與動子34之間的區段則定義為一連接段444。值得注意的是，節流件44的工作段442的區段長度是根據所需要的有效節流長度L1所決定的，而連接段444的區段長度則相對工作段442決定，即工作段442與連接段444的長度總和應為一定。

油壓感測器14設於節流結構40之液壓油監測口428而可取得節流腔室426之一油壓訊號S_o，監控單元10之主控元件16對應油壓訊號S_o確認其油壓P_o，並對應前述油壓P_o決定一驅動訊號S_v傳送至驅動器12，驅動器12根據驅動訊號S_v而對直線致動器30的驅動線圈(圖未示)施予供給電壓V，動子34因電磁感應而受驅動。

習用固定式節流器最大的缺失就是流阻固定，導致進入油腔的油液、油腔裡形成的油腔壓力、在外加負載的變動下，其最後提供的油膜剛性較差，但於本發明的智能液靜壓節流模組，前述缺失均可獲得改善：本發明的智能液靜壓節流裝置是為配合液靜壓主軸、液靜壓迴轉工作台、液靜壓導軌、液靜壓尾座與液靜壓支撐系統等等的一液靜壓主系統內能提供穩定的承載力或剛性，如第5圖所示的液靜壓軸承系統，在使靜壓軸承具有最大承載力F_Max下，保持靜壓軸承70與一承載工件80間的一油膜間隙G、及其一油膜剛性S。對應前述的油膜剛性S，在油壓腔室72、通道71、節流腔室426均一致達到一預定油壓P_r。本發明的動子34無須特定也不必界定初始位置，僅須受根據油壓感測器14所測得的油壓P_o所轉換的供給電壓V所驅動，帶動節流件44調整有效節流長度L1，即可維持靜壓軸承70的最大承載力F_Max。

值得說明的是，本發明的智能液靜壓節流裝置特別能適用在多個軸承的液靜壓系統中，使本發明的智能液靜壓節流裝置與軸承的油壓腔室以一對一配設。當系統承受偏心負荷時，個別的軸承的油壓腔室產生與其他的軸承的油壓腔室不同的油膜間隙G時，表示此時工件發生傾斜，於是個別的智能液靜壓節流裝置或可獨立運作、或集中以一處理中心來調配，以回復所要求的油膜間隙G及其油膜剛性S，自動且即時矯正工件傾斜的問題。

請參閱第6、7圖，分別是本發明智能液靜壓節流模組之第二、第三實施例，其具體變化在於節流件44之工作段442的幾何構形有所不同：如第6圖，節流件44a之工作段442a表面設有縫隙，取代前一實施例的螺紋，即使同為疊合區段S1，仍舊形成不同的有效節流長度L2。如第6圖，節流件44b則將工作段442b製成呈錐狀漸縮，使節流腔室426b配合該工作段442b亦呈錐狀漸縮，本實施例有利於對節流腔室426b的加壓，在疊合區段S1的情況下，軸向沿著工作段442b錐狀漸縮表面的長度為有效節流長度L3。

復參閱第5圖，亦同時揭露本發明的其中一種智能液靜壓節流系統，包括：至少一個前述的智能液靜壓節流模組、以及一液靜壓主系統。其中，液靜壓系統包括了液靜壓主軸承系統70、液靜壓支承、液靜壓迴轉工作台、液靜壓導軌、液靜壓尾座或液靜壓支撐架系統等等，此等液靜壓系統至少包括了一個與節流腔室426連通的油壓腔室72。第8圖則揭露本發明另一種的智能液靜壓節流系統，包括複數個智能液靜壓節流模組，以及一液靜壓系統90。液靜壓系統90中具有複數個與智能液靜壓節流模組個別對應的油壓腔室92，以供裝設，藉此第8圖的系統，可呼應前述自動且 即時矯正工件傾斜的敘述。

請參閱第9圖，主控元件16更進一步預載有一油壓電壓轉換程式162、一資料處理單元164、與一決策單元166。顧名思義，油壓電壓轉換程式162處理節流腔室426的油壓P_o與動子34的供給電壓V間的轉換關係，因此主控元件16可根據前述關係決定所輸出的驅動訊號S_v。此外，油壓電壓轉換程式162可被強制介入，而以人為操控的方式調整轉換結果。所謂的資料處理單元164與決策單元166則是為配合行政院生產力4.0科技發展(相當於工業4.0)，使資料處理單元164蒐集資料而能進一步地分析資料(例如：承載力F、油膜間隙G、油膜剛性S、油壓P_r、供油壓力P_s、有效節流長度、以及與節流腔室426與節流件44之工作段442幾何構形的關係等等)；決策單元166根據前述的資料自行決策(例如：加工工件的負載與智能液靜壓節流模組的最適關係)等。

請參閱第10圖為本發明之智能液靜壓節流方法，係包括步驟S100、S200、S300、S400。步驟S100為置備程序，意在準備本發明的智能液靜壓節流模組；其至少包括同軸接設之直線致動器30與節流結構40、以及互相電連接之驅動器12、油壓感測器14與主控元件16。油壓感測器14位於節流結構40之節流腔室426，而驅動器12驅動該直線致動器30之動子34。節流結構40內具有與動子34連動的節流件44，節流件44定義一可調整的有效節流長度。

步驟S200則至少包含不拘束順序的兩步驟：步驟S202，取得節流腔室426之油壓訊號S_o；以及步驟S204，決定預定油壓P_r(相當於決定預定的承載力F)。步驟S202中，取得節流腔室426之油壓訊號S_o係由油壓感 測器14所偵測。步驟S204中：決定預定油壓P_r(相當於決定預定承載力F)在主控元件16設定，主控元件16可對比預定油壓P_r與取得的油壓訊號S_o。

步驟S300：使主控元件16對應油壓訊號S_o決定所轉換的驅動訊號S_v，並將驅動訊號S_v係傳送到驅動器12。

步驟S400：使驅動器12根據所接收的驅動訊號S_v輸出供給電壓V，以驅動動子34。此時，節流裝置44的有效節流長度將被調節。

綜上所述，本發明之智能液靜壓節流模組、系統及其方法，其監測油腔壓力並回饋信號後，可主動調整節流液阻、補償油腔壓力。其監測資訊更能進一步智慧化地整合於機台，而更能符合工業4.0(或生產力4.0)之作業需求。此外，由於本發明採用幾何型態固定、節流穩定的智能節流器，即能在節流器的液壓油出口附近即時監測並同時兼顧主動與手動補償油腔壓力的需求，且無傳統薄膜節流器不穩定之問題。本發明之智能液靜壓節流模組、系統及其方法，可使達到更廣泛的產業利用。

10‧‧‧監控單元

12‧‧‧驅動器

14‧‧‧油壓感測器

16‧‧‧主控元件

20‧‧‧節流單元

30‧‧‧直線致動器

32‧‧‧本體

34‧‧‧動子

40‧‧‧節流結構

42‧‧‧殼體

44‧‧‧節流件

Claims (15)

1. 一種智能液靜壓節流模組，係包括：一節流單元，包括同軸接設之一直線致動器與一節流結構；其中，該直線致動器具有一本體、與位於該本體內之一動子；該動子與該本體同軸且相對該本體呈直線移動；其中，該節流結構具有一殼體、與位於該殼體內之一節流件；該殼體同軸接設該本體，且該殼體與該本體連通；該節流件同軸接設該動子而可與該動子同步移動；其中，該殼體設有一液壓油入口、一液壓油監測口、以及與一油壓腔室連通之一液壓油出口，並定義該液壓油入口至該液壓油出口之間為一節流腔室；該節流件隨該動子於該殼體內呈直線移動，並定義該節流件位於該節流腔室之疊合區段為一工作段、而連接該工作段與該動子為一連接段；以及一監控單元，包括一驅動器、一油壓感測器、以及電連接該油壓感測器與該驅動器之一主控元件；其中，該油壓感測器設於該節流結構之該液壓油監測口而取得該節流腔室之一油壓訊號；該監控單元之該主控元件對應該油壓訊號決定一驅動訊號，使該驅動器根據該驅動訊號驅動該直線致動器之該動子。
2. 如請求項1之智能液靜壓節流模組，更具有至少一個密封環，套設於該節流結構之該殼體外。
3. 如請求項1之智能液靜壓節流模組，其中：該驅動器具有套設該動子之至 少一組線圈，藉由根據該驅動訊號給予該組線圈電壓，以驅動該動子。
4. 如請求項1之智能液靜壓節流模組，其中：該主控元件預載有一油壓電壓轉換程式；該主控元件根據該油壓電壓轉換程式而決定該驅動訊號。
5. 如請求項4之智能液靜壓節流模組，其中：該主控元件進一步預載有可干涉該油壓電壓轉換程式之一人控程式。
6. 如請求項1之智能液靜壓節流模組，其中：該液壓油監測口係鄰近於該液壓油出口。
7. 如請求項1之智能液靜壓節流模組，其中：該節流件之該工作段具固定幾何構形；該節流件之該工作段之幾何構形定義一有效節流長度。
8. 如請求項7之智能液靜壓節流模組，其中：節流件之該工作段表面設螺旋紋。
9. 如請求項7之智能液靜壓節流模組，其中：節流件之該工作段表面設縫隙。
10. 如請求項7之智能液靜壓節流模組，其中：節流件之該工作段係呈錐狀漸縮，且該節流腔室配合該工作段亦呈錐狀漸縮。
11. 一種智能液靜壓節流系統，係包括：至少一如請求項1~10任一項之智能液靜壓節流模組、以及一液靜壓主系統；其中，至少一該油壓腔室設於該液靜壓主系統；各該油壓腔室連通之各該智能液靜壓節流模組之該液壓油出口。
12. 如請求項11之智能液靜壓節流系統，其中：該主控元件具有一資料處理單元與一決策單元。
13. 一種智能液靜壓節流方法，係包括下列步驟：準備一智能液靜壓節流模組；其中，該智能液靜壓節流模組包括同 軸接設之一直線致動器與一節流結構、以及互相電連接之一驅動器、一油壓感測器與一主控元件；該油壓感測器位於該節流結構之一節流腔室，而該驅動器可驅動該直線致動器之一動子；該節流結構內具有與該動子連動的節流件；取得該節流腔室之一油壓訊號；其中，該油壓訊號係由該油壓感測器偵測；對應該油壓訊號決定並轉換出一驅動訊號；其中，該油壓訊號轉換為驅動訊號係由該主控元件處理，且該驅動訊號係傳送到該驅動器；以及根據該驅動訊號輸出一供給電壓，以驅動該動子；其中，該供給電壓係由該驅動器輸出，該動子受驅動以移動該節流裝置內的節流件。
14. 如請求項13之智能液靜壓節流方法，其中：在驅動該動子之步驟後，再回到取得油壓訊號步驟。
15. 如請求項13之智能液靜壓節流方法，更進一步：在取得油壓訊號步驟之前或之後，包括：決定一預定油壓。