CN102755858A - 一种带电驱动的金刚石压机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带电驱动的金刚石压机，其电动装置(11)通过机械连接装置(12)推动精确动力活塞缸(14)的柱塞(30)做伸缩运动，挤出其缸体中的流体介质进入压机主油缸(23)的动力腔(25)，给负载对象(20)施力。控制器(31)依据外部指令信号、传感***(13、19、24、29)的信号和内置的控制算法生成驱动器(32)的控制信号，驱动器(32)据此提供相应的电流或电压驱动电动装置(11)，切换装置(27)切换液压动力装置(16)和精确动力活塞缸(14)与压机主油缸(23)的联通。常规液压动力装置负责粗定位，电驱动执行压力精确控制，实现压力曲线的跟踪和平稳的保压，提供精确的高压或超高压。

Description

一种带电驱动的金刚石压机

技术领域

无论是热等静压、冷等静压材料制造装备中，以及静压法制备金刚石等超硬材料的合成都离不开压机，无论是二面顶金刚石压机，还是六面顶金刚石压机，其压力控制精度决定了压机的性能。本发明正是针对材料制备提出了一种高精度压机，特别是一种带有电动驱动的金刚石压机。

背景技术

自1963年12月6日我国合成第一颗人造金刚石以来，目前国内生产厂家已有数百家以上，2010年产能力达50多亿克拉，人造金刚石总产量和出口量已位居世界第一。

世界金刚石的生产量与消耗量每年均以高于10％的速度增长，特别是高档、优质、高强度、粗颗粒的人造金刚石需求量增长更快。然而据海关统计，我国每年仍有数亿克拉的高品级人造金刚石依赖进口，主要因为国内金刚石合成工艺及其装备水平较低，生产的金刚石多为低品级金刚石。数年来，独具中国特色的六面顶压机及合成工艺取得了很大发展，但我国人造金刚石行业的整体技术水平与国外先进水平有较大差距和有逐步拉大的趋势。

国外的De Beers公司(英国)、GE公司(美国)、德国的Winter公司、日本的东明公司和住友公司、韩国的ILJIN和SANMEI公司等国外公司仍占据着主导地位。国外的主流的金刚石合成压机采用的是美国的单压源三柱式两面顶压机，大多采用了先进的计算机自动控制***，较好地实现了压机超高压和超高温的稳定性与重复性，保证了压力、温度等工艺参数多段连续变化的自动控制。除了在模具技术、合成工艺水平等方面的较大优势外，金刚石压机及控制技术起了决定性作用。GE公司和De Beers基本垄断了世界高档金刚石的市场。

典型的六面顶、两面顶人造金刚石压机的基本原理是相同的，都是由主机***、电控***、液压***、辅助***组成的，动力由液压***提供，流体压力由液压***到增压器、主油缸，再由主油缸传递到顶锤后，再作用到合成腔的合成块上形成合成腔内的金刚石合成的压力条件。

在满足温度条件下，合成腔体内的超高压的压力精度的高低和长时间的平稳决定了高品质金刚石的产量。

典型的六面顶人造金刚石压机的液压***由轴向柱塞泵、增压器、二位七通阀、六只主油缸等组成，实现保压、补压、进给的控制精度(参考文献：[1]方啸虎.中国超硬材料新技术与发展.合肥：中国科技大学出版社，2004；[2]秦宇，院兴国.中国超硬材料及其制品的进出口态势.金刚石与磨料磨具工程.2003，(6)：70-74)。

国内、外的专和和研究大多围绕相关的电气控制***、自动控制策略、液压元器件和液压***等许多方面做了很多的探索。特别是在人造金刚石压机最重要的压力稳定环节——保压环节，采取了各种措施和方法。比如：改进密封结构和材料减少泄漏量和增大密封的可靠性；采用大、小泵配置，用小泵补油来减少压力波动幅值；直接用超高压泵来代替增压缸减少泄漏环节；采用先进控制***和先进控制策略来控制压力的精确度等措施，使得目前的人造金刚石压机增压器入口端的压力精度达到0.1MPa。

但是，金刚石压机使用的都是常规液压***，是基于密封、节流控制、容积式泵的液压传动原理建立起来的。容积式的液压泵的压力输出有压力脉动，密封有泄漏和失效，节流有发热和噪音。经过压力放大后，合成腔体内的压力波动会更大。如果金刚石压机的动力完全来源于常规液压***，从原理上就不能彻底解决保压不可靠、补压波动、压力漂移、精确控制困难、能耗大、噪音大、发热多等一系列问题。

本发明正是针对常规金刚石压机的液压***存在的问题，提出一种新型的电驱动的高精度压力生成方式，在粗定位、大行程时充分和用已有的液压***的动力，而在高精度的保压阶段、压力跟踪阶段使用电驱动，并通过机械装置带动精确动力活塞缸的活塞位移，挤压出高压流体给压机主油缸的活塞加压。从而快速相应压力变化，维持压力腔体内的稳定的、保持高精度的超高压压力条件，整体提高液压***效率，减少能耗。

本发明有望使目前的人造金刚石压机所要求的压力条件得到大幅改善，实现更精确的超高压力控制，为人造金刚石合成提供新的工艺条件。为我国目前现有金刚石压机的改造、升级换代提供可能的技术储备，具有广阔的应用前景。

发明内容

针对常规金刚石压机的液压***存在的问题，本发明提出一种新型的带电驱动的金刚石压机，将现有技术的全部由液压驱动的方式，改为大行程的粗定位阶段由常规液压动力装置来驱动，而保压和压力曲线跟踪的精确压力控制阶段由电驱动来执行，从而使得压机主油缸的压力控制更加精细，同时能够快速地响应和跟踪工艺要求的压力曲线。

本发明的一种带电驱动的金刚石压机，包括主机、压机主油缸、精确动力活塞缸、切换装置、电动装置、机械连接装置、驱动器、传感***、控制器、液压动力装置，压机主油缸安装在主机中，并通过切换装置和油路与精确动力活塞缸和液压动力装置连接，电动装置通过机械连接装置与精确动力活塞缸的柱塞连接，控制器依据外部控制指令和传感***的信号，以及内置的控制算法生成控制量，驱动器接收控制量并提供相应的电流或电压驱动电动装置，切换装置导通和切断压机主油缸与液压动力装置和精确动力活塞缸的联通。

本发明的一种带电驱动的金刚石压机，其电动装置通过机械连接装置推动精确动力活塞缸的柱塞做伸、缩运动。

本发明的一种带电驱动的金刚石压机，至少有一个压机主油缸，液压动力装置提供的流体动力完成压机主油缸的粗定位。

本发明的一种带电驱动的金刚石压机的精确动力活塞缸，其缸体上安装有一个或多个柱塞，柱塞与缸体之间有动密封，所有柱塞的一端端部与机械连接装置连接，其缸体内部的容腔经过缸体上的出油口和油管并通过切换装置与压机主油缸联通。

本发明的一种带电驱动的金刚石压机，压机主油缸的动力腔的压力信号作为***控制的反馈信号来构成压力闭环控制***。

常规的金刚石压机，除基本的机械主机的机体以外，一般构成都是由压机主油缸、油路***、泵站、传感***、控制***组成，还要有增压器来产生超高压，或者用超高压补油泵生成超高压。

本发明的一种带电驱动的金刚石压机，除主机外，包括压机主油缸、精确动力活塞缸、电动装置、机械连接装置、驱动器、传感***、控制器、切换装置、液压动力装置，以及管路等其它辅助装置。金刚石压机的主机主要由包括机体、基座、铰链梁等构成，基座上安装着机体，机体上安装有铰链梁，每个压机主油缸安装在铰链梁中，铰链梁的耳朵通过销子将力量传递给机体。本发明的一种带电驱动的金刚石压机，至少有一个压机主油缸。

压机主油缸是金刚石压机的主作用油缸，它负责实现压力***的压力输出，压机主油缸的活塞驱动负载对象。在负载对象运动的开始前和结束后，压机主油缸的活塞与负载对象一般是要分开一段距离的，便于负载对象的安装和拆卸。这种压机主油缸的活塞从负载对象运动开始前的停止位置移动到与负载对象的接触位置，以及再从与负载对象的接触位置退回到原先的开始位置，这一段的活塞行程对于压机主油缸是低功率输出的空行程，也称之为粗定位它是由压机***的液压动力装置直接驱动的。

压机主油缸的头部一般通过压环压装有硬质合金的顶锤，再通过顶锤作用于合成块的。

负载对象是指压机***的压机主油缸输出的力所作用的物体，比如金刚石压机的合成块组件，而负载是指***所有功率消耗作功的环节中所克服的阻力，常见的有惯性负载、摩擦负载、弹性负载、粘性负载等。

液压动力装置包括了常规的液压***的泵、阀、电动机、油箱、滤油器、管路、阀块等辅助装置。本发明中的液压动力装置只需要提供压机主油缸的空行程时的动力，此时压机主油缸的活塞的定位是粗定位。此时粗定位动作：压机主油缸的活塞头部从起始位置运动到与负载对象的位置很接近，或刚刚接触，或大致接触的位置，粗定位的另外的动作是压机主油缸的活塞头部从与负载对象接触位置退回到起始位置的动作，压机主油缸活塞的粗定位有一来一回的两个过程。

粗定位动作是大行程的，没有较高的定位精度的要求。完成粗定位的液压动力装置的功率可以设计得较小，结构也简单很多，不需要完成保压、压力曲线跟踪这样高压下的精确动作。

液压动力装置通过油管和切换装置与压机主油缸连接，切换装置负责在粗定位完成后切断液压动力装置与压机主油缸的油路联通，同时接通精确动力活塞缸和压机主油缸的油路联通。液压动力装置和精确动力活塞缸中的流体介质与压机主油缸的液压介质通过管路相连接，并通过切换装置在通路之间选择油路的通、断。切换装置的动作由压机***的控制器来指定。

液压动力装置通过油管和切换装置与压机主油缸直接连接，切换装置负责在空行程完成后切断液压动力装置与压机主油缸的油路联通，同时接通精确动力活塞缸和压机主油缸的油路联通。液压动力装置和精确动力活塞缸中的流体介质分别独立地与压机主油缸的液压介质通过管路联通，并通过切换装置在通路之间选择油路的通、断。切换装置的动作由压机***的控制器来指定。

精确动力活塞缸的缸体和柱塞之间可以相互运动并且有动密封，其柱塞可以在缸体中伸出、缩进。精确动力活塞缸的缸体内部是容腔，其缸体上有出油口将容腔通过油管和切换装置与压机主油缸联通，其缸体上有一个或多个精确动力活塞缸的柱塞，所有柱塞的一端端部与机械连接装置的一端连接，机械连接装置的另一端连接电动装置。精确动力活塞缸的所有柱塞的伸缩动作都是由电动装置通过机械连接装置驱动的，机械连接装置传递电动装置输出的力或力矩，并产生推力推动精确动力活塞缸的柱塞做伸、缩运动。

精确动力活塞缸在结构和功能上不同于常规的液压增压器，不是常规的液压增压器的流体驱动的液压力的放大装置，其内部的液压容腔只要能有足够的空间容纳精确动力活塞缸的柱塞的伸缩运动即可，精确动力活塞缸的容腔和外部结构的形状不限，但在其缸体的外部有出油口。

在切换装置将精确动力活塞缸与压机主油缸联通后，精确动力活塞缸的柱塞在精确动力活塞缸中做伸、缩运动，其柱塞在精确动力活塞缸的固定容积的缸体容腔中的所占的体积随之变化。柱塞伸出精确动力活塞缸时，柱塞在精确动力活塞缸的缸体中的所占的体积减小，精确动力活塞缸的缸体中被挤出的压力油就相应减少，输入到压机主油缸中的动力腔中的流体介质也相应减少，压机主油缸动力腔中的压力也随之下降；柱塞缩进精确动力活塞缸的缸体时，柱塞在精确动力活塞缸的缸体中的所占的体积增大，精确动力活塞缸的缸体中的压力油被挤出的量就相应增加，输入到压机主油缸动力腔中的流体介质也相应增加，压机主油缸动力腔中的压力也随之升高。

压机主油缸动力腔是指压力油进入后，推动压机主油缸的活塞向负载对象方向运动的油缸腔体，此腔体中的流体介质推动活塞向前运动给负载对象施加力。

这种压机主油缸动力腔中的压力随精确动力活塞缸的柱塞的伸、缩而变化，精确控制精确动力活塞缸的柱塞的伸、缩的位移量即可精确控制压机主油缸动力腔中的压力，这就是本发明的压力精确控制的基本原理。

精确动力活塞缸的柱塞在精确动力活塞缸中做伸、缩运动，在负载不变或变化较小时，运动的快慢决定了***压力输出的变化的快慢，运动的位移的大小可以改变压力变化的幅值，运动的位移的控制精度决定了***压力输出的控制精度。

精确动力活塞缸的柱塞直径和行程可以根据***保压时间的长短、控制精度的要求，以及***功率的大小综合设计。保压是指压机主油缸中的压力保持在某一恒定值。

精确动力活塞缸的个数依据***的结构布局、功率大小，以及***对控制精度和频响的要求综合设计，同时还要考虑到***精确压力调整时的最大流量的需求。

精确动力活塞缸的活塞是由电动装置通过机械连接装置推动的，控制器依据外部指令信号和传感***的反馈信号和控制算法生成驱动器的控制信号，驱动器依据控制信号提供相应的电流或电压驱动电动装置。

传感***包括精确动力活塞缸柱塞和压机主油缸活塞的位移传感器、精确动力活塞缸和压机主油缸动力腔中的压力传感器，以及相应的信号处理与信号传输***。同时，还包括***的温度、振动、噪音等其它信号的采集处理。

特别是，压机***的压机主油缸的动力腔的压力信号作为***控制的反馈信号，来构成压力闭环控制***。这一闭环控制***的组成：输入是外部控制指令，输出是压机主油缸的压力腔的压力，执行机构是‘电动装置+精确动力活塞缸+压机主油缸’，还有内置了控制算法的控制器，以及驱动电动装置的驱动器，反馈信号是压机主油缸的动力腔的压力信号。

控制器是压力闭环控制***的控制部分，具有连接传感***和外部控制指令的接口，同时有传输控制量给驱动器的接口。控制器依据外部指令信号和传感***的反馈信号和控制算法生成驱动器的控制信号，驱动器依据控制信号提供相应的电流或电压驱动电动装置。

外部控制指令是根据金刚石压机***的工艺要求所确定的压力曲线而生成的压力控制的目标值，以及金刚石压机***外部的其它动作指令。控制器内置的控制算法在接受到外部控制指令后能完成：比较反馈信号与外部控制指令的大小，生成相应的驱动器的控制量，指定切换装置的切换动作和压机***的其它动作。

压力曲线是金刚石压机设备的加工工艺所要求的，在金刚石压机整个工作周期中的压机主油缸动力腔的压力与时间的函数关系曲线。

驱动器根据控制器给定的控制量的大小，提供给电动装置相应的功率输出所需的电能，这种电能是通过电流或电压的变化体现的，改变电流或电压的波形即可改变驱动功率的大小。驱动器要满足电动装置在额定功率内的各种运动的功率需求，并控制电动装置的运动方式和运动参数。电动装置的启动、加速、减速、匀速、停止等运动方式，以及相应的运动参数(加速度、速度、力、力矩、扭矩等)的实现都是驱动器给定和控制的。

电动装置，它是能够将电能转化为机械能的装置。本发明中的电动装置可以是旋转电机、直线电机、电磁驱动装置等形式的电力驱动装置，其输出端与机械连接装置连接，并通过机械连接装置将动力传递给精确动力活塞缸的柱塞，驱动精确动力活塞缸的柱塞在缸体中做相应的伸、缩运动。

本发明的带电驱动的金刚石压机，在***粗定位时用液压动力装置驱动，在压力精确控制阶段用电驱动方式驱动，能够快速响应负载的变化，保持压力平稳，这就是本发明的压机的工作特点。

由于本发明提出了一种新型的电驱动的金刚石压机的高精度压力生成方式，彻底改变了传统金刚石压机的单一的液压传动方式，实现了较快响应***压力、位移等信息的变化，从而整体提高金刚石压机的效率，减少能耗，并达到维持金刚石压机高精度的压力条件，有望使目前的金刚石压机所要求的压力条件得到大幅改善，实现更精确的压力控制，为金刚石压机的改造、升级换代提供可能的技术储备，具有广阔的应用前景。

附图说明

附图1为带电驱动的金刚石压机***的结构示意图。

附图2为一种金刚石压机的工作周期的压力曲线图。

具体实施方式

下面结合附图说明具体实施方案。

附图1中的电动装置11为将电能转化为机械能的装置，可选择选装旋转电机、直线电机、电磁铁驱动装置等，如果电动装置11为旋转电机，相应的机械连接装置12就可以选择滚珠丝杠等能将旋转运动转化为直线运动的装置，如果电动装置11为直线电机或其它直线电磁铁驱动装置，机械连接装置12可设计成可靠的机械连接即可。机械连接装置12将电动装置11传递过来的机械能转化为直线运动的能量。机械连接装置12的一端与电动装置11连接，另一端与精确动力活塞缸14的柱塞30的头部连接。

滚珠丝杠要调整到无间隙或间隙很小，机械连接装置12与精确动力活塞缸14的柱塞30的头部连接、与电动装置11的连接都要可靠。通过机械设计和加工，可靠连接是可以容易实现的。

精确动力活塞缸14的缸体的内部有一个容腔，该容腔与精确动力活塞缸14的缸体的一侧的压力油的出口，通过油路28与切换装置27连接，切换装置27还通过油路15与液压动力装置16连接，切换装置27还通过油路17、18分别与被压机主油缸23的活塞21隔开的前腔22、后腔25连接。后腔25为压机主油缸23的动力腔，由此腔中的流体介质推动压机主油缸的活塞向前运动，并给负载对象20施加力F。压机主油缸23的动力腔25通过油管26与切换装置27连接。

当压机***进行粗定位，压机主油缸23的活塞21要向前运动时，切换装置27联通液压动力装置16和压机主油缸23的后腔25间的油路，同时切断压机主油缸23的后腔25与精确动力活塞缸14间的油路，同时让压机主油缸23的前腔22的回油能通过油路18回到液压动力装置16中。此时液压动力装置16提供的液压动力推动压机主油缸23的活塞21向前运动，靠近负载对象20，直至接触或很接近负载对象20，完成压机主油缸23的向前的粗定位动作。

压机***卸载时，压机***需完成压机主油缸23的活塞21向后的粗定位动作。此时，切换装置27联通液压动力装置16和压机主油缸23的前腔22间的油路，让液压动力装置16提供流体动力反推压机主油缸23的活塞21，同时切换装置27联通压机主油缸23的后腔25与精确动力活塞缸14间的油管26，让精确动力活塞缸14的柱塞30向后伸出归位，切换装置27还要联通压机主油缸23的后腔25与液压动力装置16，使得部分多余流量的液压油回油箱。这时，在液压动力装置16提供流体动力推动下，压机主油缸23的的活塞21又回到开始位置，为下一次加载做准备，整个压机***完成向前、向后的粗定位的全过程。

当压机***进行向前的粗定位完成后，压机***依据工艺要求需要加压、保压或跟踪压力曲线进行精确压力控制时，切换装置27切断液压动力装置16和压机主油缸23的后腔25间的油路，同时联通压机主油缸23的后腔25与精确动力活塞缸14间的油路26，同时继续让压机主油缸23的前腔22的回油能通过油路18回到液压动力装置16中。

精确压力控制时，控制器31接收包括精确动力活塞缸14的柱塞30的位移传感器13的信号、压机主油缸23的活塞21的位移传感器19的信号、精确动力活塞缸14的压力传感器29的信号、压机主油缸23的后腔25的压力传感器24的信号，以及压机***的其它传感器信号。同时，还接收外部控制指令，并依据内置的控制算法，给出控制量并传输给驱动器32。驱动器32根据控制量的大小提供相应大小的电流或电压来驱动电动装置11，电动装置11通过机械连接装置12带动精确动力活塞缸14的柱塞30进行伸、缩运动，从而挤压出精确动力活塞缸14的腔体中的相应流量的流体介质，并通过油管28和切换装置27进入压机主油缸23的后腔25，进而推动压机主油缸23的活塞21，并施加力F给负载对象20。

负载对象所承受的力与压力传感器24所传输的压机主油缸23的后腔25的压力信号相对应，压力传感器24所传输的压力信号作为整个***压力控制的反馈信号。

附图1中的文字“所有传感器的信号”为控制器31接收的所有传感***的信号，包括精确动力活塞缸14的柱塞30的位移传感器13的信号、压机主油缸23的活塞21的位移传感器19的信号、精确动力活塞缸14的压力传感器29的信号、压机主油缸23的后腔25的压力传感器24的信号，以及压机***的温度、噪音、振动等其它传感器信号(不是必需的主要信号，图中没有标注)。

控制器31对接收的压力传感器24所传输的反馈信号同外部指令进行比较，并作为控制算法生成下一个控制量的依据。这样不断的接收反馈信号并与外部指令进行比较，再生成控制量，压机主油缸23的后腔25的压力再调节，反复进行下去，就可以连续跟踪工艺要求的压力曲线，实现压力的闭环控制。反馈信号的准确度和控制算法的优劣，以及外部干扰的强弱决定了跟踪精度和跟踪的快速性。

附图1中的文字“外部控制指令”是指：根据压机***的工艺要求所确定的压力曲线而生成的压力控制的目标值，以及压机***外部的其它动作指令。而这种外部的其它动作指令包括像指定切换装置27的切换动作或压机***的其它动作，如：压机预热、升温、急停、报警等相应动作。

附图2给出了一种金刚石压机的压力曲线。横坐标为时间坐标，用T表示，单位可以为毫秒、秒、分钟或小时；纵坐标为压机主油缸后腔的流体压力，用P表示，单位为大气压(kg/cm²)、千帕(KPa)、兆帕(MPa)。

附图2中的0～t₀时段，金刚石压机主油缸内的压力为较小的p₀，此时为粗定位阶段，压机主油缸23的活塞21在液压动力装置16提供的动力下向接近负载对象方向运动，负载较小。t₀～t₁段，压机主油缸23内的压力不断增加，直到达到设定压力p₁值，此时的压力改由电动装置11控制。t₁～t₂段，压机主油缸23内的压力维持在恒定值p₁，此段为压机保压阶段，要求精确控制在恒定值附近，此时的压力由电动装置11控制的。t₂～t₃段，压机主油缸内的压力不断降低，直至为p₀，***处于卸载状态。t₃～t₄段，压机主油缸内的压力为p₀，负载较小，压机主油缸23的活塞21在液压动力装置16提供的动力下向接近负载对象反方向运动，向初始位置运动，此时为粗定位的另一个定位阶段。

附图2中的时刻0到时刻t₄的整个时段，***的压力控制的目标值是按照工艺设定的起始压力、保压压力、卸载压力的曲线设定的，压力的曲线就是目标值设定的依据。金刚石压机***要跟踪这种压力曲线才能保证工艺的实现，跟踪的精度高，意味着金刚石压机主油缸动力腔中的压力是按照压力曲线的要求一致变化的。

Claims (6)

1.本发明的一种带电驱动的金刚石压机，包括主机、压机主油缸、精确动力活塞缸、切换装置、电动装置、机械连接装置、驱动器、传感***、控制器、液压动力装置，压机主油缸安装在主机中，并通过切换装置和油路与精确动力活塞缸和液压动力装置连接，电动装置通过机械连接装置与精确动力活塞缸的柱塞连接，控制器依据外部控制指令和传感***的信号，以及内置的控制算法生成控制量，驱动器接收控制量并提供相应的电流或电压驱动电动装置，其特征在于：切换装置导通和切断压机主油缸与液压动力装置和精确动力活塞缸的联通。

2.如权利要求1所述的一种带电驱动的金刚石压机，其特征在于：电动装置通过机械连接装置推动精确动力活塞缸的柱塞做伸、缩运动。

3.如权利要求1所述的一种带电驱动的金刚石压机，其特征在于：至少有一个压机主油缸。

4.如权利要求1所述的一种带电驱动的金刚石压机，其特征在于：液压动力装置提供的流体动力完成压机主油缸的粗定位。

5.如权利要求1所述的一种带电驱动的金刚石压机的精确动力活塞缸，其特征在于：缸体上安装有一个或多个柱塞，柱塞与缸体之间有动密封，所有柱塞的一端端部与机械连接装置连接，其缸体内部的容腔经过缸体上的出油口和油管并通过切换装置与压机油缸联通。

6.如权利要求1所述的一种带电驱动的金刚石压机，其特征在于：压机主油缸的动力腔的压力信号作为***控制的反馈信号来构成压力闭环控制***。

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