用于平衡包括气弹簧的两个相互移动部件的平衡装置及其方法

摘要

一种用于平衡两个相互移动部件的平衡装置和方法，其被布置为抵消移动部件中至少一个的重力。平衡装置包括气弹簧和压缩机系统。压缩机系统设计为感测气弹簧中的压力并且如果该压力偏离预定值调节该压力。平衡装置可用于平衡工业机器人臂，且能够维持其工作能力不受任何气体泄漏和环境温度变化的影响，因而由检修平衡装置的平衡弹簧的需要引起的不必要的中断发生得非常少。

说明书

本发明要求于2009年2月26日提交的瑞典专利申请0950104-0的优先权， 并且在此完全引入以作参考。

技术领域

本发明涉及一种用于平衡两个相互移动部件的平衡装置及其方法。该平衡 装置包括气弹簧和压缩机系统，其中压缩机系统检测气弹簧中的压力，并且如 果压力偏离预定值，就调节该压力。

背景技术

在很多应用场合，如液压和机械系统中，用于平衡重量的平衡弹簧的使用， 意味着部件可制造得更小、更便宜，且在某些情况下，可整个去掉。

平衡弹簧应用的一个普通领域是在工业机器人臂的平衡中，其中弹簧抵消 相互移动的机械人部件的重力。依靠平衡弹簧弥补机器人臂自重的事实，机器 人臂可被优化，以能够提升大且重的达到最大的负载，且用于机器人的驱动组 件可以是更小而更紧凑的设计。

各种形式的平衡弹簧被用于平衡工业机器人，例如液压缸型弹簧、机械弹 簧和气弹簧。

使用基于气弹簧技术的平衡弹簧，与机械弹簧和液压缸型弹簧相比，具有 许多优势。除了其他方面，平衡气弹簧比类似的液压弹簧具有更高的效率。气 弹簧比机械弹簧能够以最小的固定尺寸产生更大的力。此外，气弹簧的平衡压 力可通过调节气弹簧中的填充压力以简单的方式调节。

随着时间的推移，所有气弹簧都会发生气体泄漏，即便它们是密封的。这 种气体泄漏导致弹簧中气体压力减小。在许多工业应用中，如用于钢成型的冲 压工具，这是气弹簧应用最常见的领域，气体泄漏不是问题，因为气弹簧差不 多定期检修并在需要时修理。

气弹簧也对环境温度的变化敏感。当温度变化时，弹簧中的气体压力也变 化。弹簧中的压力随着温度升高而增大，而弹簧中的压力随着温度降低而降低。

由于上述的弊端，认为气弹簧在工业机器人中用作平衡弹簧是不理想的。 免维修的气弹簧有表达性需求，即在任何给定时刻无论环境温度怎样，其在弹 簧中保持恰当的气压，因此可以避免机器人的以及因此由检修弹簧的需要引起 的生产的不必要的中断。

EP 1905551公开了一种用于工业机器人的平衡单元，其中平衡弹簧是机 械弹簧。供给弹簧加压空气以防止湿气和污垢穿透渗入弹簧单元。然而，该机 械弹簧的运行就像气弹簧的运行一样，受到温度变化的妨碍，且考虑到冷却， 在高温时运行必须中断，这导致不必要的生产中断。

US 6,408,225公开了一种用于平衡具有气弹簧的机器人臂的重量的装置。 测量弹簧中的压力并用来控制机器人的运动，以及在由于温度变化或气体泄漏 导致的压力超过/低于预定压力界限的情况下自动断开机器人驱动，从而避免 损坏机器人。于是在其返回到运行之前，为了恢复弹簧中的气压必须检修机器 人。根据这个系统，该单元必须中断以恢复弹簧中的压力，这对生产产生负面 影响。

因此，需要改进的平衡弹簧，其作用是不受运行环境中的温度变化的影响， 且是免维修的，从而使不必要的生产中断可以减少到最小。

发明内容

本发明公开了一种平衡装置，其是坚固的，且能够维持其工作能力不受环 境中温度变化的影响，以及一种用于平衡的方法，其中与现有技术的气弹簧相 比，较少需要由于维修平衡装置的平衡弹簧而导致的不必要的中断。

本发明更具体的目的包括提供一种平衡装置和一种使用气弹簧型免维修 平衡弹簧用于平衡的方法，其中气弹簧中的压力可以在任一给定时刻保持，而 不管弹簧中的任何气体泄漏和环境温度的变化，无需为了维修气弹簧而中断生 产。

本发明的实施例在接下来的说明书和附图中示出。

根据本发明的第一方面，提供用于平衡两个相互移动部件的平衡装置，其 中平衡装置布置成抵消至少一个移动部件的重力，平衡装置包括气弹簧，其作 用在两个移动部件之间；和压缩机系统，其被布置成感应气弹簧中的压力，如 果压力偏离预定值，并调节该压力。此处“两个相互移动部件”的含义为，例如， 工业机器人的两个部件。当由于气体泄漏或环境温度变化导致弹簧中压力发生 变化时，该平衡装置通过压缩机系统提供气弹簧的自动压力补偿。压力补偿的 目的不是产生单元的运动，而是为了在每一个给定时刻保证气弹簧中恰当的压 力。压力补偿可在通过平衡装置平衡的单元的运行过程中发生，其结果是形成 基本免维修平衡弹簧，并且使得用于维修平衡装置的弹簧的不必要生产中断的 次数最小化。

根据本发明的另一方面，平衡装置的压缩机系统可包括压缩机和自动控制 系统，其包括压力传感器和压力控制阀，自动控制系统基于来自压力传感器的 信号适于控制压缩机和/或压力控制阀。

根据本发明的另一方面，平衡装置的自动控制系统可存储压缩机系统的运 行数据，并基于运行数据生成检修指示。例如，检测指示可在压缩机系统已经 进行了预定次数的压力补偿后给出。另外，检测指示可在某一运行时间已结束 后、或在其他适当参数的测量后被给出。

根据本发明的另一方面，压力传感器可测量平衡气弹簧中的气体压力，如 果压力降低到预定的限定值以下，向自动控制系统给出信号以开启压缩机，目 的是增加弹簧中的压力。当达到所需的压力时，压缩机可关闭。另一方面，如 果气体传感器测出的压力超过预定的限定值，压力控制阀能够打开，目的是降 低气弹簧中的压力。

根据本发明的另一方面，压缩机系统可以与气弹簧一体，这意味着其可被 固定地布置在气弹簧上，且能封入同一壳体中。这样，可得到紧凑的压缩机系 统。

根据本发明的另一方面，可以想到不同类型的压缩机用在本发明平衡装置 的压缩机系统中。压缩机可以由电力驱动、气动驱动或由气缸驱动。压缩机也 可以由平衡弹簧的相对运动驱动。

根据本发明的另一方面，移动部件可连接，例如，两个各自相互移动的压 缩机部件随着他们相对彼此移动，适于在压缩机的加压腔中产生压力增加。

根据本发明的另一方面，平衡气弹簧中充入的流体和从压缩机系统中提供 给弹簧以确保其中正确压力的流体，可以大体上是惰性气体，如空气和/或氮 气。

根据本发明的另一方面，膜和/或过滤器可布置在压缩机入口的前方，以 阻止湿气和污垢渗透进入压缩机系统和气弹簧中。

根据本发明的另一方面，用于提供气体到气弹簧的外部压力源可连接到压 缩机的入口。外部压力源可包括现有的气体管道系统，其安装在平衡装置使用 的位置，其中气体管道系统可联接在压缩机的入口上。用于提供气体到气弹簧 的外部压力源可包括连接到平衡装置的气罐。气罐可安装在平衡装置上。另外 地，气罐可放置在平衡装置的边上。气罐应充气到预定压力水平，其低于气弹 簧中的压力。

根据本发明的另一方面，如果平衡气弹簧中发生了过大的压力，气体可回 到气罐，只要气罐中的压力低于弹簧中的压力。

根据本发明的另一方面，在外部氮气源的位置，可在压缩机入口的前方设 置膜，用于从空气中分离氮气，使得只有氮气进入压缩机。

根据本发明的另一方面，提供一种用于平衡两个相互移动部件的方法，其 用于抵消移动部件中的至少一个的重力，其中平衡是由包括作用在移动部件之 间的气弹簧的平衡装置进行，其方法包括感测气弹簧中的压力，并且如果压力 偏离预定值，就调节该压力。凭借用于平衡的方法包括对气弹簧中气体压力变 化的感测和补偿的事实，该变化是气体泄漏和环境温度变化导致的，可在任何 给定时刻确保气弹簧中适当的压力。压力补偿可发生在运行中，其结果是减少 检修平衡弹簧的需要并使得不必要的生产中断的次数最少。

根据本发明的另一方面，该方法包括基于包含在自动控制系统中的压力传 感器的信号控制含在压缩机系统中的压缩机。

根据本发明的另一方面，该方法包括通过所述两个部件之间的相对运动来 驱动压缩机。

根据本发明的另一方面，该方法包括存储自动控制系统中的压缩机生成的 运行数据，并基于该运行数据生成检修指示。

根据本发明的另一方面，该方法包括通过联接在压缩机入口的外部压力源 提供气体到压缩机。该外部压力源可包括连接到平衡装置的气罐。

根据本发明的另一方面，该方法包括在气弹簧中发生过高压力时将气体返 回到气罐。

根据本发明的另一方面，该方法包括通过在压缩机入口的前方设置的膜从 空气中分离氮气，使得只有氮气进入压缩机。

根据该平衡方法，可以得到上述优点和与平衡装置有关的替代实施例。结 合附图阅读和理解如下优选实施例的详细描述，本发明的这些和其他方面对本 领域技术人员来说是显而易见的。

附图说明

现参考附图，其示出本发明可能采用的物理形状和某些部件以及部件的装 置的几种非限定实施例，其中：

图1是平衡装置的示意图，其平衡两个相互移动部件；

图2是具有压缩机系统和平衡弹簧的平衡装置的示意图。

图3是平衡装置的三维示意图；

图4是具有用于气体压缩的系统的平衡装置的示意图；

图5是具有电力驱动的压缩机的示意图；

图6以四个步骤示出了图5中电力驱动压缩机的基本功能；

图7是具有气动直接驱动的压缩机的示意图；

图8以四个步骤示出了图7中示出的具有气动直接驱动的压缩机的基本功 能；

图9是气动压力开关的示意图；

图10是由气缸驱动的压缩机的示意图；和

图11是由平衡弹簧的相对移动驱动的压缩机的示意图。

具体实施方式

现参考附图，其中示出的仅是为了示出本发明非限制实施例，而不是限定 它们，图1示出了平衡装置1，其平衡两个相互移动部件2、3。

图2和图3示出了平衡装置1，其包括平衡气弹簧4和压缩机系统5。该 压缩机系统可包括压缩机6和自动控制系统7。该自动控制系统7可包括压力 传感器8和压力控制阀9。基于来自压力传感器8的信号，压缩机6和/或压力 控制阀9可被控制，从而使气弹簧4中的压力可调节。

该自动控制系统7可设计为将平衡弹簧4中的气体压力维持在预定限定 值。该压力传感器8测量气弹簧4中的气体压力以及，如果压力降到预定限定 值以下，自动控制系统7向压缩机6发出启动信号，使得气弹簧4中的气体压 力升高。当达到所需的压力时，压缩机6关闭。另一方面，如果压力传感器8 测出的压力超过预定的限定值，压力控制阀9打开，目的是降低气弹簧4中的 压力。用于维持平衡装置1中的压力的流体可以是惰性气体，如空气和/或氮 气。流体可从任意形式的外部压力源供应到该装置。基于一定前提安装且适应 于例如使用氮气的任意现有的管道系统，可直接联接到压缩机的入口10，如 图4所示。另一种替代装置是使用气罐11形式的外部压力源。该气罐11可充 气体到预定压力水平，且可联接到压缩机的入口10。如在平衡系统中发生了 过高的压力且压力控制阀9被触发的情况下，气体能够通过联接到压力控制阀 9出口的管道返回到气罐11。这样的配置需要平衡系统中的压力高于气罐11 中的压力。该外部压力源可安装在平衡装置1的附近或直接安装在其上。

在另一个实施例中，膜(未示出)，其在压缩机入口10把氮气从空气中过 滤出，用来替代外部压力源。这样，只有氮气能进入压缩机6，该压缩机压缩 氮气。

不同类型的压缩机6可用在平衡装置1中。在第一实施例中，电力驱动压 缩机6示于图5。该电力压缩机包括如下主要组件：

·缸筒12，其具有两个直径以及止回阀13；

·活塞14，其具有两个密封直径以及内置止回阀15；

·底部部件16，其具有止回阀17；

·螺杆18；和，

·电动马达19，其具有变速箱20。

电动压缩机的活塞14由电动马达19驱动。电动马达的变速箱20的输出 轴21联接到螺杆18，螺杆转而通过螺纹孔22与活塞14连接。电动马达19 的旋转运动通过螺杆18传递到活塞14，活塞在缸筒12中沿直线路径运动。

电动驱动压缩机的基本功能在图6中以四个步骤示出：

步骤1-压缩机的起始位置。

步骤2-活塞14开始在缸筒12中沿直线路径运动。缸筒12的第一腔23 中的流体通过活塞14中的内置止回阀15流到缸筒12中的第二腔24。

步骤3-活塞14继续运动，直到其接触到底部部件16并且所有流体已从 第一腔23输送到第二腔24。

步骤4-接着电动马达19反转，螺杆18改变转动方向。因此，活塞14 开始以与步骤2中相反的方向直线运动。第二腔24中的流体从而被压缩，并 从第二腔24通过出口，缸筒的止回阀13，输出到平衡弹簧4的腔中或到气罐 11中。与此同时，新的流体通过底部部件16的止回阀17吸入到第一腔23中。 当活塞14在上部位置时，电动马达19再次改变转动方向，且压缩机准备开始 一个新的循环。该过程反复进行，直到当平衡弹簧4中达到适当的压力时，自 动控制系统7切断电动马达19的电流。

为了使得流体压缩效率最大，活塞14应在电动马达19改变方向之前已到 达端部位置，使活塞14能在相反的方向继续运动。解决这个问题有各种方法。 解决这个问题最简单的方法是用电流控制电动马达19旋转的反向。当活塞14 到达端部位置时，电动马达19开始更努力工作，且经过马达的电流增大。当 电流超出一预定值时，向电动马达19发出信号以改变旋转方向，活塞14以反 方向运动。

另一种方式可以是使用限位开关来实现电动马达19方向的改变。进一步 的另一种方式使用定时循环作为改变马达19旋转方向的手段。

在进一步的实施例中，具有气动直接驱动的压缩机用在平衡装置1中。这 种压缩机包括如下主要部件，如图7所示：

·具有两个不同的直径的缸筒26，其包括两个软管27、28和止回阀29；

·活塞30，其具有两个不同的直径和内置止回阀31；

·上部压力控制阀32；

·下部压力控制阀33；

·高压阀34；

·调节阀35；和

·压力开关36。

具有气动直接驱动的压缩机6与具有电力驱动的压缩机非常相似。当系统 中的压力降低到低于较低的预定压力水平时，压力开关36允许流体流过调节 阀35且通过其上部软管27流入缸筒26中，如图8中的步骤1所示。接着活 塞30开始向下运动，同时流体通过活塞的止回阀31从缸筒三个腔中的第一个 37流向第二腔38，所述腔由活塞30和缸筒26之间的空间构成。当活塞30 到达其端部位置中的一个时，第一腔37中的压力增加，且上部压力控制阀32 被激发以允许流体流向调节阀35，其从而发出改变方向的信号。此时，可以 开始向第三腔39充入流体。当调节阀35收到改变方向的信号时，流体流过缸 筒的下部软管28到第三腔39且活塞30开始以相反的方向移动。流体在第二 腔38中的压缩现在开始并且压力增加，从而导致流体开始通过其止回阀29 从缸筒的第二腔38流向平衡弹簧4的腔(未示出)。当活塞30到达其另一端 部位置时，第三腔39中的压力增加且低压控制阀33被激活以允许流体流向调 节阀35，其从而发出改变方向的信号，压缩机6准备开始新的循环。此过程 反复进行直到当平衡弹簧4中的适当压力已达到时，压力开关36关闭流体流 动。如果平衡弹簧4中的压力过高，高压阀34被激活以排除气体直到达到适 当的压力。气动控制调节阀35可用电力控制调节阀35代替。电力控制调节阀 35可设置为例如通过定时循环切换位置。

由于为此目的设计的压力开关36是非常少见的，这种开关可根据图9设 计。该压力开关包括如下主要组件：

·阀外壳40；

·滑动件41；

·弹簧42；

·可调弹簧螺旋件43；

·平衡弹簧连接件44；

·流体入口45；和

·流体出口46。

当平衡弹簧4中的压力降低到低于预定水平时，开关36的弹力将是主要 的且滑动件41将向下运动。这允许流体从入口45流向出口46。当平衡弹簧 44中的压力增加到足够大，滑动件41向上运动以中断流体流动。

在第三个替代的实施例中，如图10所示，压缩机6由气压缸47驱动。其 空气压缩的基本原理与如图5和6所示的电力驱动压缩机相同。不同的是使用 了气压缸47代替具有螺杆18的电力马达19以产生活塞48的运动。为了使气 压缸47改变方向，使用换向阀49，其可以是电力或气动控制。气动控制的变 体通过与如图7和8所示的气动直接驱动的压缩机同样的原理控制，且电力控 制变体可设置为例如通过定时循环改变开关位置。

在进一步的实施例中，压缩机6通过如图11所示的平衡弹簧4的相对运 动驱动。压缩机6的压缩循环的基本原理与之前实施例的相同。当平衡弹簧4 被激活时，活塞杆50常位于基本相同的位置并仅进行小的往复运动。这些运 动通过弹簧安装座51和弹簧52传递到压缩机6，因此需要提供所需的电力以 进行其压缩。如果平衡气弹簧41，在某些阶段，应进行较大运动，那么弹簧 52将压缩或拉伸以能够实现整个冲程。弹簧安装座51可垂直调节，其意味着 压缩机6的运行位置可根据平衡气弹簧4的活塞杆50的典型工作行程调节。 弹簧52可以是螺旋弹簧、气弹簧或其他弹簧元件。

也有一些时候，平衡弹簧4在整个冲程运行。在这种情况下，上述实施例 中的弹簧52可省略并替换为固定元件。

参考优选的实施例，该发明已被描述。本发明优选实施例的这些和其他改 变以及其他实施例根据在此的公开是显而易见的，其中之前描述事项应被解读 为仅仅是本发明的示例，而不是限制。希望是包括在所附权利要求中的范围中 所有如此的改动和改变。