TWI420090B - 油壓致動器及油壓振動試驗裝置 - Google Patents

Description

油壓致動器及油壓振動試驗裝置

本發明有關一種能高速反轉驅動的油壓致動器及油壓式振動試驗裝置。

有關藉由油壓缸使被檢體振動的振動試驗裝置，例如已知記載於特開2000-2617、使用容積式泵(positive displacement pump)及伺服閥的裝置。這種振動試驗裝置能將大負荷施加給被檢體，同時以高頻率使被檢體振動。將使用伺服閥之油壓振動試驗裝置之迴路圖之一例繪示於第五圖。

第五圖所示之油壓振動試驗裝置101具有泵組件110、作動油槽120、油壓缸組件130、伺服閥140、及振動工作台150。振動工作台150上固定著工件W，使振動工作台150往復移動藉此對工件W施加振動。

泵組件110利用馬達112驅動容積式泵本體111，在作動油槽120與伺服閥140之間連接到油壓迴路。此外，馬達112之旋轉方向限定於單方向，亦即馬達112僅能正轉。此外，馬達112之旋轉速度大致保持一定。泵組件110只具有將作動油從作動油槽120送到伺服閥140的機能，且其流量大致保持一定。

油壓缸組件130具有套筒131、在該套筒131內能移動的活塞132以及從活塞132之一側突出到套筒131外部的活塞桿133。於活塞桿133之末端固定著振動工作台150。套筒131之內部被活塞132劃分為第一壓力室131a及第二壓力室131b。第一壓力室131a及第二 壓力室131b填充著作動油。此外，第一壓力室131a及第二壓力室131b分別透過配管161,162連接到伺服閥140。

伺服閥140用以切換將從泵組件110送來的作動油送到配管161,162其中之一，並且控制送到配管之作動油之油壓。此外，伺服閥140將未傳遞作動油的配管連接到通到作動油槽120之配管164。伺服閥140之切換動作及油壓調整動作受到控制器102的控制。

當油壓迴路架構成作動油從泵組件110送往配管161時，作動油供給到第一壓力室131a，第一壓力室131a之內壓上昇。因此，活塞132朝向第二壓力室131b被往下推，振動工作台150下降。此時，第二壓力室131b內之作動油透過配管162及伺服閥140送回到作動油槽120。另一方面，當油壓迴路架構成作動油從泵組件110送往配管162時，作動油供給到第二壓力室131b，第二壓力室131b之內壓上昇。因此，活塞132朝向第一壓力室131a被往上推，振動工作台150上昇。此時，第一壓力室131a內之作動油透過配管161及伺服閥140送回到作動油槽120。

此外，如第五圖所示，從泵組件110前往伺服閥140之配管163、與從伺服閥140前往作動油槽120之配管164藉由旁通管165而連結著。泵組件110所供給之作動油不會全部前往油壓缸組件130，有一部分是透過該旁通管165送回到作動油槽120。此外，為了在配管163及164內防止作動油逆流，於各配管分別設有止回閥166,167。

如此，在伺服閥式振動試驗裝置中，控制器102 控制伺服閥140，周期性切換將作動油送到第一壓力室131a及第二壓力室131b其中之一，使振動工作台150往復移動。伺服閥式油壓振動試驗裝置，由於利用伺服閥140將以高壓、大流量循環之作動油之一部分送到油壓缸組件130，所以當進行切換將作動油送到第一壓力室131a與第二壓力室131b其中之一時，作動油送來之壓力室之壓力瞬間上升到高壓，振動工作台150之移動方向沒有時間延遲地切換。因此，能以高頻率對振動工作台施加振動。

於振動工作台150設有加速度感測器103，表示加速度感測器103檢測到的加速度的信號供給到控制器102。控制器102能根據加速度感測器103之檢測結果，計算振動工作台150之位移、速度或加速度，並控制伺服閥140，使得振動工作台150以所期望之位移、速度或加速度波形振動。

使用伺服閥之油壓致動器為了將所期望之壓力瞬間且穩定地供給到油壓缸，所以採用一種結構，以連續驅動流量充分大的泵，同時僅將泵所供給的油壓能量之一部分供給到油壓缸。因此，使用這種油壓致動器之振動試驗裝置所需之能量消耗量遠超過對被檢體施加振動所需要之能量，浪費能量。此外，為了藉由那樣的泵使作動油循環而需要大容量之作動油槽。

本發明係為了解決上述問題而創作，其目的在於提供一種油壓致動器，不需要大型泵或作動油槽，有高輸出且能高速反應，還提供一種振動試驗裝置，能 對被檢體施加大負荷，同時以高頻對被檢體施加振動。

依據本發明之實施形態提供一種致動器，具備能反轉作動的油壓泵、油壓缸組件、第一配管及第二配管，該油壓缸組件具備活塞、內部空間被活塞劃分為第一壓力室及第二壓力室的套筒以及和活塞連結並且末端突出到套筒外部的活塞桿，該第一配管將第一壓力室連接到第一吸排口，第二配管將第二壓力室連接到第二吸排口，油壓泵反轉作動，藉此對於第一及第二壓力室交替施加油壓，使活塞上下移動。該致動器更具備將第一及第二配管連結之旁通管、以及蓄壓器(accumulator)，該蓄壓器設於旁通管中途，對第一及第二壓力室施加規定之壓力。

本發明之實施形態之致動器中使用往正反兩方向反轉作動的油壓泵。該油壓泵並不會透過伺服閥連接，而是直接連接到油壓缸組件，以驅動油壓缸組件。本發明實施形態之致動器，由於根據從泵輸出之作動油之流量及方向驅動油壓缸組件，所以不像伺服閥式致動器須使用大型泵或作動油槽。此外，依據上述之理由，本發明實施形態之致動器所需的能量消耗量相較於對被檢體施加振動所需的能量並不那樣大，所以相較於伺服閥式致動器能夠大幅抑制能量消耗量。

反轉作動之油壓泵之特徵之一，是使泵之作動方向反轉時，作動油之壓力降低，該壓力充分上昇之前會發生數十毫秒左右的時間延遲。因此，如果單純只有將泵連接到油壓缸組件，則使泵之驅動方向反轉以切換振動工作台之移動方向時，上述之時間延遲會發生，在這期間無法移動上述振動工作台。因此，不能 以高頻率(數十Hz以上)使被檢體振動，在該高頻率下的時間延遲會造成不能忽視的影響。然而，本發明實施形態之致動器，由於蓄壓器透過旁通管對於油壓缸組件之第一壓力室及第二壓力室施加規定之壓力，所以即使使泵之作動方向反轉，作動油壓力幾乎不會降低，上述之時間延遲非常小。因此，本發明實施形態之致動器能夠以高頻使被檢體振動。

蓄壓器對第一壓力室及第二壓力室施加之規定壓力之大小較佳為設定為比油壓缸組件之驅動所需要之最低壓力更大。在此情況，幾乎沒有油壓系統所引起之回應延遲。

本發明實施形態之油壓致動器所使用之典型油壓泵是活塞式泵。致動器較佳為更具備伺服馬達以作為油壓泵之驅動源。

此外，本發明實施形態之油壓致動器也可以更具備檢測油壓致動器可動部(或油壓致動器之驅動對象)之動作的感測器、以及控制伺服馬達之控制器。在此情況，控制器能夠根據感測器之檢測結果來控制伺服馬達。此外，感測器較佳為包括位移感測器、速度感測器、加速度感測器及負荷感測器其中之一。在此情況，控制器能根據感測器之檢測結果控制伺服馬達，藉以依照規定之位移、速度或加速度之波形驅動活塞。感測器也可以從油壓致動器(具體來說是控制器)拆下或安裝於該油壓致動器。

感測器也可以包括負荷感測器。在此情況，控制器能根據感測器之檢測結果來控制伺服馬達，使得由負荷感測器檢測之負荷依照規定之波形改變。

此外，依據本發明之實施形態，又提供一種振動試驗裝置，具備上述之油壓致動器、以及設於活塞桿末端之振動工作台。

本發明實施形態之振動試驗裝置較佳為更具備設於振動工作台之感測器、以及控制伺服馬達之控制器。

此外，設於振動工作台之感測器也可以包括測量振動工作台之位移、速度或加速度的感測器。在此情況，控制器能根據感測器之檢測結果控制伺服馬達，以便依照位移、速度或加速度之規定波形驅動振動工作台。

此外，感測器也可以包括測量施加於被檢體之負荷的負荷感測器。在此情況，控制器能根據感測器之檢測結果控制伺服馬達，以便依照規定之波形對被檢體施加負荷。

以下，使用圖式說明本發明之實施形態。第一圖是本實施形態之振動試驗裝置之迴路圖。如第一圖所示，本實施形態之振動試驗裝置1具有泵組件10、作動油槽20、油壓缸組件30、振動工作台50及蓄壓器70。對油壓缸組件30供給的油壓使得振動工作台50上下移動，因此固定於振動工作台50上之被檢體W被施加振動。

泵組件10具有泵本體11及伺服馬達12。伺服馬達12被從伺服放大器4輸出之交流電流所驅動。伺服馬達12架構成能使其驅動軸12a往正反兩方向旋轉，且能精密調整驅動軸12a之旋轉速度。此外，伺服馬達 12是低慣性AC伺服馬達，這種馬達有高輸出，能進行高重複率之反轉驅動。

此外，泵本體11是活塞式泵，能將作動油從第一吸排口11a送往第二吸排口11b，或是將作動油從第二吸排口11b送往第一吸排口11a。藉由伺服馬達12來驅動泵本體11，藉此能改變泵本體11所供給的作動油之流量及方向。例如：當以一定的周期反轉驅動伺服馬達12時，流過第一吸排口11a與第二吸排口11b之間的作動油之流量及方向會周期性地改變化。

油壓缸組件30具有套筒31、能在套筒31內移動的活塞32、以及從活塞32之一面突出到套筒31外部的活塞桿33。於活塞桿33之末端固定著振動工作台50。套筒31之內部被活塞32劃分為第一壓力室31a及第二壓力室31b。於第一壓力室31a及第二壓力室31b填充著作動油。此外，第一壓力室31a及第二壓力室31b分別透過配管61,62連接到泵本體11之第一吸排口11a及第二吸排口11b。此外，使用高壓軟管等作為配管61,62，該高壓軟管等能夠抵抗在使振動工作台50移動時發生的作動油之壓力上昇(約數十MPa)(不引起彈性變形)。

作動油槽20分別透過止回閥63,64連接到第一壓力室31a及第二壓力室31b。各止回閥63,64分別在第一壓力室31a及第二壓力室31b之內壓比作動油槽20內之油壓(例如大氣壓)小的情況打開，將作動油從作動油槽20供給到配管61,62。本實施形態中，對第一壓力室31a(或第二壓力室31b)填充作動油時，止回閥63(或止回閥64)打開，作動油從作動油槽20移動到壓 力室31a(或壓力室31b)。

具體來說，作動油對各壓力室31a,31b之填充是以如下方式進行。於第一壓力室31a及第二壓力室31b設有抽空氣用的未繪示的閥。首先，打開第一壓力室31a之閥且關閉第二壓力室31b之閥，在此狀態，將泵組件10驅動以使作動油及空氣從第二吸排口11b送到第一吸排口11a。於是，第二壓力室31b及配管62內之空氣透過配管61從第一壓力室31a之閥洩漏。不久，第二壓力室31b及配管62之壓力變得比作動油槽20內之壓力更低，所以止回閥64打開，作動油槽20內之作動油透過配管62,61填充到第一壓力室31a。

作動油填充到第一壓力室31a後，關閉第一壓力室31a之閥，打開第二壓力室31b之閥，將泵組件10驅動以使作動油從第一吸排口11a送到第二吸排口11b。於是，第二壓力室31b及配管62內之空氣從第二壓力室31b之閥跑出去，此外，活塞32上昇，填充於第一壓力室31a側之作動油被擠出到配管61。活塞32上昇到上死點時，第一壓力室31a及配管61內之作動油之壓力變得比作動油槽20內之壓力更低，所以止回閥63打開，作動油槽20內之作動油透過配管61,62移動到第二壓力室31b。作動油填充於第二壓力室31b後，關閉第二壓力室31b之閥。

其次，說明本實施形態之振動試驗裝置1中使振動工作台50振動的機構。在使振動工作台50上昇時，將泵組件10驅動以使作動油從第一吸排口11a移動到第二吸排口11b。於是，作動油透過配管62供給到第二壓力室31b，活塞32被推到第一壓力室31a側，活 塞桿33及振動工作台50上昇。第一壓力室31a內之作動油隨著活塞32之移動透過配管61移動到泵組件10，從泵組件10透過配管62送到第二壓力室31b。

使振動工作台50下降時，將泵組件10驅動以使作動油從第二吸排口11b往第一吸排口11a移動。此時，作動油透過配管61供給到第一壓力室31a，所以活塞32被推到第二壓力室31b側，活塞桿33及振動工作台50下降。第二壓力室31b內之作動油隨著活塞32之移動透過配管62往泵組件10移動，再從泵組件10透過配管61送往第一壓力室31a。

如第一圖所示，於本實施形態之振動試驗裝置1之振動工作台50安裝有加速度感測器3。加速度感測器3連接到控制器2，加速度感測器3所檢測出表示加速度之信號供給到控制器2。控制器2根據加速度感測器3之檢測結果來計算振動工作台50之位移、速度或加速度，根據該計算結果來設定對伺服放大器4提供之目標值，將此目標值送到伺服放大器4。伺服放大器4從電源5所供給之電力生成具有根據控制器2指定的目標值所設定之周期及振幅的交流電流，將此交流電流輸出到伺服馬達12。能藉由上述之處理以例如規定之位移、速度或加速度振幅對振動工作台50施加振動。此外，也可以使用位移感測器或速度感測器來代替加速度感測器3。

如此，本實施形態之振動試驗裝置1架構成，藉由往正反兩方向能驅動的泵組件10將作動油供給到油壓缸組件30之第一壓力室31a或第二壓力室31b，藉此使振動工作台50往上下方向移動，使固定於該振動 工作台50上之被檢體W振動。

再者，本實施形態之振動試驗裝置1具備使配管61及62迂迴繞道的旁通管65、以及設於旁通管65中途之蓄壓器70。蓄壓器70是壓力容器，其內部形成有規定壓力之氣體(乾燥氮氣等)層，蓄壓器70透過配管61及62以一定之壓力加壓油壓缸組件30之第一壓力室31a或第二壓力室31b。

有關不具備旁通管65及蓄壓器70之結構，不供給作動油的這一側之配管(振動工作台50上昇時是配管61，下降時是配管62)成為接近大氣壓程度的低壓力。因此，振動工作台50之上昇及下降切換後不久，使供給作動油之這一側之配管及壓力室之壓力從該低壓力上昇到足以移動活塞32的高壓力(十~數十MPa)，需要數十毫秒左右的時間。此期間成為振動工作台50不移動的時間延遲。該時間延遲成為相對於振動周期來說無法忽視的大小，所以在這樣結構之油壓系統，無法以數十Hz以上之高頻率對振動工作台50施加振動。

本實施形態之振動試驗裝置1中，蓄壓器70進行加壓，以使配管61,62及壓力室31a,31b之壓力經常維持在一高壓力，在該高壓力下，作動油能將足夠的驅動力傳遞給活塞32。亦即，蓄壓器70對第一壓力室31a及第二壓力室31b提供規定之高壓力，藉此使壓力室31a,31b及配管61,62內之作動油經常保持於可傳遞必要負荷的狀態。因此，沒有蓄壓器70之結構之情況下之時間延遲幾乎不發生，能以數十Hz以上之頻率對振動工作台50施加振動。此外，為了盡可能縮短時間 延遲，將蓄壓器70之氣體層之壓力亦即蓄壓器70對作動油施加之壓力之大小是設定成比活塞32之移動所需之最低壓力更大。此外，使用高壓軟管等作為旁通管65，該高壓軟管等能充分抵抗蓄壓器70對作動油施加之壓力。

此外，使用於泵組件10泵本體11之活塞式泵在驅動時容易發生脈動。本實施形態中，藉由設於泵組件10與油壓缸組件30之間的蓄壓器70來吸收脈動。這個特徵在進行第二圖(a)所示之壓縮試驗時是有用的，在該壓縮試驗中，在支架52與振動工作台50之間夾著被檢體W使振動工作台50上昇，對被檢體W施加上下方向之壓縮靜負荷。上述特徵同樣地在第二圖(b)所示之拉伸試驗時也是有用的，該拉伸試驗中，將安裝於振動工作台50及支架52’之治具53,54固定於被檢體W，使振動工作台50下降，對被檢體W施加上下方向之拉伸靜負荷。

此外，也可以進行一種振動試驗，其中如第二圖(a)及(b)之結構，於支架與振動工作台之間配置被檢體W，使振動工作台往復移動，周期性地改變對被檢體W施加之負荷。在此情況，也可以於支架或振動工作台設置測力器(load cell)等負荷感測器，控制器2根據該負荷感測器之測量結果來控制泵組件。例如：可以進行疲勞試驗，是對被檢體W施加週期性負荷，且對被檢體W施加之負荷之振幅是不變的。

[實施例]

其次，有關使用以上說明之本實施形態之振動試驗裝置1進行振動試驗得到的結果、以及使用不具備 蓄壓器之振動試驗裝置進行振動試驗得到的結果，說明如下。第三圖係測量到的振動工作台之加速度及位移之曲線圖，該測量是在對本實施形態之振動試驗裝置1(實施例)提供頻率50Hz之正弦波之目標波形，使被檢體W振動時進行的。此外，第四圖是測量到的振動工作台之加速度及位移的曲線圖，該測量是在對不具備蓄壓器之振動試驗裝置(比較例)提供頻率50Hz之正弦波之目標波形，使被檢體W振動時進行的。此外，實施例之振動試驗裝置與比較例之振動試驗裝置，除了蓄壓器之有無以外在結構上並沒有差異。此外，從伺服放大器4送到伺服馬達12之交流電流之振幅及頻率在實施例與比較例之間也沒有差異。

如第三圖所示，實施例中，測量得到的振動工作台之加速度及位移之波形呈現正弦波狀，因而得知已忠實依照50Hz之目標波形對工件W施加振動。另一方面，如第四圖所示，比較例中，測量得到的振動工作台之加速度波形和正弦波大不相同，此外，其振幅也不到實施例之十分之一。此外，比較例中，振動工作台之位移幾乎未改變。

如此，本實施形態之振動試驗裝置能以高頻率對被檢體施加振動。

本發明之技術範圍不限定於上述之例示的實施形態及實施例之具體態樣。上述實施形態中是使用活塞式泵作為致動器之油壓泵，但是能使用活塞式泵以外之各種方式之油壓泵來實施本發明。本發明之幾個實施形態中，例如使用齒輪泵或葉片泵等旋轉式泵。

此外，上述例示的實施形態是一個例子，其中將 在本發明具有特徵結構之致動器搭載於振動試驗裝置，但是這種致動器可以搭載於各種油壓裝置及系統，該各種油壓裝置及系統要求高頻率反應性或低振動及低噪音。例如：可以將本發明之結構使用於材料試驗裝置、機械臂等。

1‧‧‧振動試驗裝置

2‧‧‧控制器

3‧‧‧加速度感測器

4‧‧‧伺服放大器

5‧‧‧電源

10‧‧‧泵組件

11‧‧‧泵本體

11a‧‧‧第一吸排口

11b‧‧‧第二吸排口

12‧‧‧伺服馬達

20‧‧‧作動油槽

30‧‧‧油壓缸組件

31‧‧‧套筒

31a‧‧‧第一壓力室

31b‧‧‧第二壓力室

32‧‧‧活塞

33‧‧‧活塞桿

50‧‧‧振動工作台

65‧‧‧旁通管

70‧‧‧蓄壓器

第一圖係本發明實施形態之振動試驗裝置之概略迴路圖。

第二圖繪示本發明實施形態之振動試驗裝置用以對被檢體施加靜負荷的概略結構。

第三圖係本發明實施例之振動工作台之加速度及位移之曲線圖。

第四圖係比較例之振動工作台之加速度及位移之曲線圖。

第五圖係使用伺服閥之習知油壓式振動試驗裝置之概略迴路圖。

1‧‧‧振動試驗裝置

2‧‧‧控制器

3‧‧‧加速度感測器

4‧‧‧伺服放大器

5‧‧‧電源

10‧‧‧泵組件

11‧‧‧泵本體

11a‧‧‧第一吸排口

11b‧‧‧第二吸排口

12‧‧‧伺服馬達

12a‧‧‧驅動軸

20‧‧‧作動油槽

30‧‧‧油壓缸組件

31‧‧‧套筒

31a‧‧‧第一壓力室

31b‧‧‧第二壓力室

32‧‧‧活塞

33‧‧‧活塞桿

50‧‧‧振動工作台

61,62‧‧‧配管

63,64‧‧‧止回閥

65‧‧‧旁通管

70‧‧‧蓄壓器

Claims (12)

1. 一種油壓致動器，具備：能反轉作動的油壓泵，具有第一吸排口及第二吸排口；油壓缸組件，具備活塞、內部空間被該活塞劃分為第一壓力室及第二壓力室之套筒、以及和該活塞連結並且末端突出到該套筒外部的活塞桿；第一配管，連接前述第一壓力室及前述第一吸排口；及第二配管，連接前述第二壓力室及前述第二吸排口；前述油壓泵反轉作動，藉此將油壓交替施加給前述第一及第二壓力室，使前述活塞上下移動；該油壓致動器之特徵為更具備：旁通管，連結前述第一及第二配管；及蓄壓器，設於前述旁通管之中途，以對前述第一及第二壓力室施加規定之壓力；其中前述蓄壓器對前述第一壓力室及第二壓力室施加之規定壓力之大小設定為比前述油壓缸組件之驅動所需之最低壓力更大。
2. 如申請專利範圍第1項之油壓致動器，其中前述油壓泵係活塞式泵。
3. 如申請專利範圍第1或2項之油壓致動器，其中更具備驅動前述油壓泵的伺服馬達。
4. 如申請專利範圍第3項之油壓致動器，其中更具備設於油壓致動器可動部之感測器、以及控制前述伺服馬達之控制器，前述控制器根據前述感測器之檢測結果來控制前述伺服馬達。
5. 如申請專利範圍第4項之油壓致動器，其中前述感測器包括位移感測器、速度感測器、加速度感測器及負荷感測器其中之一，前述控制器根據前述感測器之檢測結果來控制前述伺服馬達，以便依照規定之位移、速度或加速度之波形來驅動前述活塞。
6. 如申請專利範圍第4項之油壓致動器，其中前述感測器包括負荷感測器，前述控制器根據前述感測器之檢測結果來控制前述伺服馬達，以使由前述負荷感測器檢測之負荷依照規定之波形改變。
7. 一種振動試驗裝置，具備申請專利範圍第1項之油壓致動器、以及設於前述活塞桿末端之振動工作台。
8. 如申請專利範圍第7項之振動試驗裝置，其中前述油壓泵係活塞式泵。
9. 如申請專利範圍第7或8項之振動試驗裝置，其中更具備驅動前述油壓泵之伺服馬達。
10. 如申請專利範圍第9項之振動試驗裝置，其中更具備設於前述振動工作台之感測器、以及控制前述伺服馬達之控制器，前述控制器根據前述感測器之檢測結果來控制前述伺服馬達。
11. 如申請專利範圍第10項之振動試驗裝置，其中前述感測器包括測量振動工作台之位移、速度或加速度的感測器，前述控制器根據前述感測器之檢測結果來控制前述伺服馬達，以便依照位移、速度或加速度之規定波形來驅動前述振動工作台。
12. 如申請專利範圍第10項之振動試驗裝置，其中前述感測器包括測量施加於被檢體之負荷的負荷感測器，前述控制器根據前述感測器之檢測結果來控制前 述伺服馬達，以便依照規定之波形來對前述被檢體施加負荷。