许多建筑和地面移动机械使用液压和气压缸来移动诸如反铲挖掘机、装载 机和挖掘机上的铲斗之类的工作工具。气缸可包括至少部分填充有液压流体的 气缸室。可将气缸杆构造成沿气缸室的轴线滑动，且可将液压流体引入或引出 气缸室以延伸和收缩气缸杆。通常，必须知道气缸杆的位置，从而可监视和控 制工作工具的运动。
诸如条形码的气缸杆表面记号可帮助确定气缸杆的位置。这些表面记号可 沿气缸杆以预定的间隔定位，且每个记号可与气缸杆上的一个不同的位置相 应。在工作中，位于气缸杆附近的一传感器可识别一具体的位置记号，该记号 可与一给定的气缸杆位置相应。
随着时间的流逝，任何材料上的表面记号会由于摩擦、受热和/或腐蚀而 磨损或褪色。另外，一定程度的磨损会使传感器无法识别表面记号，从而不能 精确确定气缸杆的位置。这样，就需要更能抗磨损和腐蚀的表面记号。
1997年5月27日授予Lappalainen的美国专利5632916(以下称‘916专利) 揭示了一种在一种材料上生成表面记号的方法。‘916专利描述了一种用于在 镀铬金属棒上作记号的方法。该方法包括通过将金属棒暴露在连续的激光脉冲 中，从而在金属棒上生成一系列重叠、彩色的斑点。
虽然‘916专利可为某些应用场合生成合适的记号，该方法还是有一些缺 点。用‘916专利的方法生成的表面记号无法承受反复暴露于作用于液压缸气 缸杆上的摩擦和磨损。另外，与其它的材料相比，金属棒的镀铬表面会在气缸 盖密封上造成更多的磨损。此外，操作标记激光成本较高且费时。
本发明旨在解决已有技术气缸杆表面记号的一个或多个问题。

本发明的一个方面包括一种带有抗磨损表面记号的气缸杆。该气缸杆可包 括：一气缸杆基体；一热喷涂层，该热喷涂层被置于基体的表面上；以及一个 或多个表面记号，这些表面记号被置于涂层上沿气缸杆的长度的预定位置处。
本发明的第二个方面包括一种在一气缸杆上生成表面记号的方法。该方法 可包括：生成一气缸杆基体；使用一种热喷涂工艺向气缸杆基体施加一涂层材 料；以及在涂层材料上生成一个或多个记号。
本发明的第三个方面包括一种工作机械。该工作机械可包括：至少一个液 压系统，该液压系统具有一气缸室；至少一根气缸杆，该气缸杆被构造成沿气 缸室的纵轴线运动；一热喷涂层，该热喷涂层被置于气缸杆的一表面上；以及 一个或多个表面记号，这些表面记号在热喷涂层上生成并位于沿气缸杆的长度 的诸预定位置上。该工作机械还可包括一传感器，该传感器被构造成用来识别 该一个或多个表面记号。
附图说明
图1示出了根据一个示例性实施例的工作机械；
图2示出了根据一个示例性实施例的液压缸系统，它包括一个用于确定气 缸杆的冲程循环位置的系统；
图3示出了根据一个所揭示的示例性实施例的在一气缸杆上生成表面记 号的方法。

图1示出了本发明的工作机械10。虽然显示工作机械10为一挖掘机， 但工作机械10也可为包括一个或多个液压系统的任意类型的工作机械。这 样的工作机械可包括例如履带式拖拉机、自动倾卸卡车、单轮滑转转向车 辆(skid-steer)、飞机、船舶、起重机等。如图所示，工作机械10可包括数 个液压缸系统12、14、16，它们可控制挖掘臂18和/或铲斗20。
液压缸系统12、14、16可包括气缸杆22和气缸24。在工作中，气缸 杆22可在气缸24的一腔室中纵向滑动(如图2所示)。气缸杆22和/或气缸 24可与工作机械10的一个或多个元件机械连接，包括挖掘臂18。气缸杆 22在气缸24中的运动可向工作机械10的一个或多个元件提供动力并控制 它们的运动。
图2示出了根据一个示例性实施例的液压缸系统12的更详细的视图。 气缸24可包括一气缸室26，该气缸室中可至少部分填充有液压流体28。 可将流体泵30构造成用来控制气缸室26中的液压流体28的量，气缸杆22 和连接有工作机械10的一个元件(如图1所示)，比如挖掘臂18。此外，阀 门系统31可控制从泵30流向气缸室26的流体流量，从而使气缸杆22伸 展和收缩。另外，气缸系统12可包括多个泵和/或气缸杆，且每个泵可控制 流向多个气缸系统的液压流体28流量。
在工作中，会需要监视气缸杆22在气缸24中的位置。气缸系统12还 可包括用于确定气缸杆22在气缸24中的冲程循环位置的系统，该系统包 括一个或多个置于气缸杆22的表面上的表面记号32以及至少一个相对于 气缸系统12位于一预定位置的传感器34。传感器34可被构造成用来识别 气缸杆22上的一个或多个表面记号32。另外，在一个实施例中，表面记号 32可生成在置于气缸杆22表面上的热喷涂层40上(如图3所示)。
如图所示，气缸系统12为液压缸系统。然而，气缸系统12可以同表 面记号32和传感器34一起包括在任何需要监视气缸杆在气缸中的位置的 系统中。这样的系统可包括例如支柱、钻油装置、核燃料棒、发动机活塞、 锁和/或阀门。
可以从许多记号类型中选取表面记号32。例如，可选择任何类型的可 以光、电或磁识别的数据用作表面记号32。可将表面记号32构造成包括表 面颜色、表面组织结构和/或气缸杆22的表面上的反光性的变化。另外，表 面记号32可包括任何可机械识别的数据组，例如条形码、字母、数字或任 何其它合适的表面图案。此外，单根气缸杆可包括多种类型的表面记号32。
再参见图2，可将传感器34构造成用来识别气缸杆22上的一个或多 个表面记号32的每一个。传感器34可被构造成用来检测从表面记号32中 选出的具体的记号类型，比如条形码、字母、数字或任何其它合适的数据 记号。另外，可将传感器34构造成用来一次识别一个表面记号32，或同时 识别多个表面记号32。
传感器34可从多种合适的传感器类型中选出。例如，传感器34可包 括激光扫描仪、电荷耦合器件(CCD)扫描仪、互补型金属氧化物半导体 (CMOS)扫描仪、无线电频率传感器、定焦光学装置、或其它任何可被构造 成用来检测表面记号32的传感器34。
在一个实施例中，传感器34可包括一CCD扫描仪或一CMOS扫描仪， 它们可被构造成用来识别表面记号32。CCD扫描仪和CMOS扫描仪可使 用一种技术，由此表面记号32可由内置式光检测器照相、数字化以及电子 采样。可将光检测器构造成用来检测并处理表面记号32的对比色和/或表面 变化，传感器34将对比色和/或表面变化转换成已知的代码语言，它可与一 个具体的记号位置相关。
在另一个实施例中，传感器34可包括激光扫描仪，该扫描仪可被构造 成用来识别表面记号32。激光扫描仪可从一摇摆镜面或旋转棱镜射出一束 光线，并产生由迅速运动的激光光斑生成的扫描线。与CCD和CMOS扫 描仪类似，激光扫描仪可检测对比色和/或表面变化并将所检测到的信息转 换为已知的代码语言。
传感器34可相对于气缸杆22位于许多位置，并且可使用多个传感器 34。一些传感器可具有预定的视线和景深。传感器34的视线和景深可形成 与一立体相应的方向和距离，在该立体中一目标或表面记号32可由传感器 34来识别。可对传感器34的视线和景深进行选择和控制。另外，根据所选 择的视线和景深，传感器34可相对于气缸杆22离开一定距离并处在一个 适合的方位上。
可将表面记号32置于气缸杆22上预定的段上。每一段可与气缸杆22 上的给定位置相应。另外，当气缸杆22上的一给定段在传感器34的视线 和景深范围内运动，传感器34可检测位于气缸杆22上的一给定段上的表 面记号32，并可根据气缸杆22的位置生成一输出量。
传感器34可与工作机械10的其它元件或子系统联系，以便于工作机 械10的工作。例如，传感器34可生成一表示气缸杆22的位置的输出量。 该输出量可包括一电子或可听得到的信号，该信号可与工作机械10的一子 系统或与人工操作的工作机械10联系。
在一个实施例中，传感器34可与工作机械控制单元36。控制单元36 可包括例如车辆或工作机械的电子控制单元(ECU)。作为替代或附加方案， 控制单元36可包括一工作人员控制面板，该面板可被构造成用来提供信息， 以人工控制工作机械10的运动。另外，控制单元36可包括一个或多个机 械致动的传感器或致动器。
可将传感器34和/或控制单元36构造成用来监视和/或根据所感应到的 气缸杆22的位置来控制气缸杆22的运动。例如，传感器34和/或控制单元 36可调整数个液压缸系统12、14、16的运动，以产生挖掘臂18的预定运 动类型。另外，传感器34和/或控制单元36可被构造成用来将气缸杆22 的运动限制在一定的方位内。
流体泵30可从许多合适的流体泵类型中选取，并且可以使用多个泵。 例如，流体泵30可包括固定排量泵、变排量泵、和/或齿轮泵。可根据工作 机械的类型、所需的动力输出、燃料效率、泵的尺寸以及成本来选取泵的 具体类型。流体泵30可与工作机械10的其它元件联系，比如传感器34、 工作机械ECU和/或操作人员控制面板。此外，单个泵可向液压缸系统12、 14、16提供动力。
在一个示例性实施例中，表面记号32可生成在置于气缸杆22的表面 上的涂层40上。如图3所示，气缸杆22和表面记号32的制造可包括选择 适当的气缸杆基体38(步骤1)，可有选择地对该气缸杆基体进行清理和去 污。接下来，可对基体38施加一种涂层材料(步骤2)以形成涂层40，以及 可对涂层40抛光并/或进行后续加热处理(步骤3)。最后，可使用记号形成 系统42在涂层40上形成表面记号32(步骤4)。
气缸杆基体38可从许多合适的材料中选取。这样的材料可从许多不同 的材料中选取，包括例如许多不同的钢材、陶瓷和合成材料中的一种。在 一个实施例中，气缸杆22可由中碳钢、工具钢和/或不锈钢制成。根据所需 的应用场合以及诸如强度、刚度、粗糙度和/或密度的物理特性也可选用其 它的材料。
在施加涂层材料之前清洁基体38的表面可提高涂层材料对基体38的 粘合度从而延长涂层40和表面记号的寿命。清理可包括许多步骤。例如， 可首先用一种比如丙酮的化学溶剂对基体38去污。作为替代或附加方案， 可用机械和/或电化学工艺来清洁基体38，比如喷铁砂、碱洗和/或酸洗、 喷水打磨(water-jet roughening)、激光引爆(laser blasting)和/或其它适合的技 术或技术组合。
可使用许多适合的应用工艺将涂层材料施加到基体38上。在一个实施 例中，可使用热喷涂工艺来施加涂层材料。适合的热喷工艺包括等离子喷 涂、火焰喷涂、高速氧气-燃料(HVOF)、高速空气-燃料(HVAF)、爆破枪 (detonation gun)喷涂、燃烧火焰喷涂、双线电弧喷涂、非转移电弧(non- transferred electric-arc)喷涂、动力喷涂以及冷喷涂。此外，可使用诸如激光 辅助热喷涂或带弧光灯加热的热喷涂之类的混合工艺。可以选择任何适合 的热喷涂工艺来向基体38施加涂层材料。
热喷涂工艺可包括将材料喷涂到基体上。在一些热喷涂工艺中，所有 或部分的材料可被加热和/或熔化。在这些工艺中，可由电弧/等离子或氧气 —燃料燃烧工艺来加热粉末或金属丝原材料，被加热的材料可通过火焰而 加速喷向基体38。所造成的材料和基体38之间的碰撞可在基体38的表面 产生一材料层。可以根据成本和包括硬度、抗磨损性、孔隙率和/或对其它 元件的影响在内的所需的物理性能来选择具体的热喷涂工艺、工艺参数以 及涂层材料。
热喷涂工艺还可包括冷喷涂工艺。冷喷涂工艺可包括使用高速气嘴来 喷涂材料，其中材料处于室温或略微加热。在这些工艺中，所喷涂的材料 可接触基体38的表面，在该表面上材料会物理变形并与下面的基体38粘 合在一起。可以选择任何适合的热喷涂工艺。
许多适合的喷涂材料可用于在气缸杆22上生成涂层40和表面记号32。 例如适合的喷涂材料可包括各种金属、合金、陶瓷和/或金属基质的合成材 料。可以根据所需的抗磨损性、孔隙率、硬度、与相邻元件之间的摩擦系 数、抗腐蚀性、成本、与基体材料的兼容性和/或与表面记号工艺的兼容性 来选择具体的涂层材料。在一个实施例中，涂层40可由铬合成材料制成。 在另一个实施例中，涂层40可由至少包括以下的一种的合成物制成：碳化 物、硼化物和氮化物。在再一个实施例中，涂层40可由一种或多种单体材 料制成。
合适的铬合成材料可包括一系列的合成物和合成材料。在一个实施例 中，铬合成材料可包括铬铁合金-镍合成物。在另一个实施例中，铬合成 材料可包括碳化铬-硼化物结构。
可使用许多工艺来制造铬合成物。例如，一种铬合成物可由一种铬铁 合金和镍类材料的混合物制成。适合的碳化铬-硼化物合成材料可由铬铁 合金材料、镍类材料和含硼材料的混合物制成。这样的材料可由一系列合 成物混合而成。另外，可使用各种用来产生合成材料的方法，这包括：例 如喷雾干燥和烧结、雾化、气体雾化、烧结和粉碎、化学汽相淀积以及喷 镀。
铬铁合金可从许多材料中选取，这些材料包括铁、铬和/或碳中的至少 一些。例如，在一个实施例中，铬铁合金材料可包括(CrFe)7C3、(CrFe)23C6 和(CrFe)3C2中至少一种。另外，可以粉末形式、块锭形式或其它任何适合 的形式来提供铬铁合金材料，从而得到铬铁合金母体材料。
类似地，可以多种形式和合成物来提供镍类材料和含硼材料。适合的 镍类材料可从多种作为镍源的化合物中选取。在一个实施例中，镍类材料 可以基本为纯镍(即纯度大于90％)的形式提供。同样，可以许多形式来提 供含硼材料，包括例如硼铁合金、硼化铁和/或硼化镍。另外，可以粉末形 式、块锭形式或其它任何适合的形式来提供镍类材料和/或含硼材料，从而 得到镍类材料或含硼材料母体材料。
可用许多方式来混合铬铁合金材料、镍类材料和/或含硼材料，以生成 铬合成物和/或碳化-硼化铬合成物。例如，每种材料可成粉末来提供，可 以将该粉末以干粉末的形式混合或混合在溶剂中以形成浆料。或者，可将 母体材料从粉末或块锭的形式熔化并在熔化物中混合。
合成材料中各成分的重量百分比可通过选择适当的母体材料的组合来 控制。铬合成物和/或碳化物-硼化物合成物可具有重量百分比约为14的碳 组分和重量百分比超过大约65的铬组分。可以包括重量百分比超过大约65 的铁，而所存在的镍的重量百分比可超过大约40。在碳化-硼化铬合成物 的情况下，所包含的铬的重量百分比可超过大约19。
另外，可以在铬铁合金、镍和/或硼材料中加入多种附加材料。例如可 在混合物中加入活性碳和/或石墨。类似地，在一些实施例中，可以加入硅、 钛、铌、钒、钽、钼、钨和锰中的一种或多种。对于某些应用场合，这些 材料中的任何一种应限制在不超过合成材料的重量的5％，而这些材料的组 合应限制在不超过合成材料的重量的10％。
所揭示的铬材料可具有合成结构。特别是在一个实施例中，合成铬粉 末中的至少一些颗粒可包括散布在镍、镍一铬或铁-铬基质中至少一种中 的碳化铁-铬颗粒。为了制造这种合成粉末，可使用多种生产工艺来由铬铁 合金粉末混合成一种金属粉末。然而，也可生成其它的合成结构。例如， 铬合成粉末可包括具有铬铁核心材料的颗粒。在铬铁核心材料上可施加镍 层和/或镍-铬层以形成合成结构。
可以通过将金属和铬铁合金粉末结合来形成合成结构。例如，如果一 种金属粉末(例如镍(Ni)或铬(Cr))与含碳铬铁合金粉末混合并随后喷雾干 燥，则可生成一种合成结构。该合成结构可包括相对均匀地分布在较软、 较坚固的Ni基质中的硬碳化铁-铬颗粒。
如上所注意到的，可使用许多生产工艺来根据所需的应用场合生成各 种合成结构。例如在一个实施例中，可使用烧结、喷雾干燥、烧结和粉碎、 铬、喷镀和/或喷雾来制成合成材料。或者，可选择所需的铬铁合金、镍类 和含硼材料的组合，且可用一种喷涂工艺单独或同时施加这些材料，比如 用热喷涂工艺。热喷涂工艺可至少部分地将各组分混合并生成合成铬结构。
涂层40可由任何其它适合的材料制成。这种材料可包括各种：碳化物， 硼化物，氮化物，以及/或者碳化物、硼化物和/或氮化物的混合物。例如， 合适的碳化物材料进而包括碳化钛、碳化铬以及碳化钨。另外，合适的硼 化物和氮化物可包括散布在包括例如Ni、Ni-Cr或钴在内的基质材料中的 例如硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化镍、氮化钛和/或氮化铬。
涂层40还可由许多适合的单体材料制成。不同于合成物，单体材料不 包括明显分布在基质中的颗粒。这样的材料可包括例如铁或镍类材料。这 些材料还可包括硼、硅、铬、钼、钨和/或任何其它合适的材料中的一种或 多种。
涂层40可具有一系列合适的厚度。可根据许多因素来选择涂层40的 厚度，这些因素包括例如材料成本、生产时间、所需的应用和/或所需的使 用寿命。在一个实施例中，涂层40可具有约10微米到约400微米之间的 厚度。
在施加涂层材料之后，可用抛光和/或加热进一步处理涂层40。抛光可 在气缸杆22上产生一光滑、低摩擦的表面。另外，表面抛光的程度可根据 实际的应用来选择。例如，为了减少与某些运动部件的摩擦，会需要光滑 抛光。然而，会需要一定程度的粗糙度，从而可在气缸杆22上保持一层润 滑油或油脂。
可使用许多热处理工艺来加热涂层40。这样的工艺可包括例如感应加 热、分层式烘炉加热、弧光灯加热和/或激光处理。加热处理可加强涂层40 和基体38之间的联结。另外，加热处理可减少涂层40和基体38之间或40 中的压力，同时有助于可提高涂层40的硬度和抗磨损性的的结构变化。
可使用许多不同的适合的技术来生成表面记号32。例如，可使用许多 电、机械、热和/或化学技术来生成表面记号32。可选择记号标记工艺，在 涂层40上产生颜色变化和/或蚀刻预定的图案。另外，可以使用任何合适的 记号标记工艺，例如蚀刻、雕刻、压花、表面退火和/或打印。
在一个实施例中，表面记号32可通过蚀刻或雕刻涂层40来生成。蚀 刻和/或雕刻可包括用汽化、熔化、化学降解和/或机械磨损将少量材料从涂 层40上的预定部分上去除。可使用许多适合的蚀刻或雕刻工艺。例如，可 使用激光蚀刻、等离子束蚀刻、化学蚀刻和/或机械雕刻技术来蚀刻涂层40。 可根据成本、涂层特性、生产时间和/或所要生成的表面记号32来选择具体 的蚀刻或雕刻工艺。
在另一个实施例中，可通过在涂层40上产生颜色变化来生成表面记号 32。可使用包括激光退火、合金沉积、化学反应、平版刻印和/或热处理在 内的多种工艺来产生颜色变化。例如，在一个实施例中，涂层40可具有一 定的颜色。可使用诸如激光印记的一种记号标记工艺，以在涂层40的某些 部分上产生颜色变化，从而表面记号32可包括具有不同于周围的涂层40 部分的颜色的图案。
在再一个实施例中，可选择记号标记工艺，从而同时在涂层40的部分 上进行蚀刻和产生颜色变化。例如，可选择激光蚀刻工艺以部分蚀刻涂层 40，并使其退火。激光蚀刻可使某些量的材料从预定的涂层40部分上汽化， 同时退火工艺可在被蚀刻的区域中产生颜色变化。
可使用许多种不同的激光标记工艺来生成表面记号32。例如，记号标 记系统42可包括不同的激光类型，包括例如钕-钇铝柘榴石(Nd:YAG) 激光、二氧化碳(CO2)激光和/或兰宝石激光。另外，可根据所需的表面记 号32的类型以及所使用的喷涂材料来选择具体的激光能量和工艺参数。另 外，涂层40的具体部分可暴露于激光能量中以在与所需的表面记号32相 应的涂层40上产生颜色变化和/或进行蚀刻。
在另一个实施例中，记号标记工艺可包括合金沉积工艺。合金沉积工 艺可包括在涂层40的预定部分上沉积化学物质。随后可将所沉积的化学物 质用激光、分层式烘炉、弧光灯和/或感应加热，以与涂层40的部分反应， 从而产生与所沉积的化学物质的位置相应的图案。另外，合金沉积工艺可 与蚀刻和/或表面染色工艺结合使用。
应该注意的是，可在生成表面记号32之前、之后或之中对涂层40进 行加热处理和/或抛光。例如，在一个实施例中，可将涂层40制造成具有一 定的物理特性，包括一定的硬度和/或熔点。加热处理可改变这些物理特性。 在一个实施例中，会需要在热处理之前生成表面记号32，因为由于热处理 因其的物理性质的改变会使表面记号更难以生成。在另一个实施例中，会 需要在生成表面记号32之前进行加热处理和/或抛光，以防止在表面记号 32上由于对涂层40进行加热处理和/或抛光而产生不为人所希望的变化。 在再一个实施例中，会需要在生成表面记号32之前和之后对涂层40进行 加热处理和/或抛光。
工业可用性
本发明提供了一种带有抗磨损表面记号32的气缸杆。表面记号32可 便于对气缸杆冲程循环位置的监视。该系统可用于任何具有一个或多个液 压系统的类型的机械中。该系统还可应用于任何需要确定可移动杆的位置 的装置中。
该系统可包括许多雕刻在液压系统气缸杆22的抗磨损的热喷涂涂层 40上的表面记号32。表面记号32形成在抗磨损涂层40上，可提供几个优 于生成在铬、钢或其它材料上的表面记号的优点。涂层40可具有提高了的 抗磨损性，从而生成在涂层40上的表面记号32因此可持续更长时间并可 减少替换和修理成本。涂层40和表面记号32还可更好地抵抗诸如开裂和/ 或刮擦之类的损坏，这些损坏是因与其它的装置或碎片的接触而产生的。 此外，由于表面记号32可持续更长时间，与铬、钢或其它材料上的记号相 比，表面记号32可刻在较浅的深度。通过减少用激光、电、化学和/或机械 工艺制造表面记号32的周期时间，这一较浅的深度可减少生产成本。另外， 较浅的表面记号32可使液压缸缸盖密封的磨损较少，从而减少密封失灵的 概率。
涂层40还提高了对气缸杆基体38的保护。所施加的热喷涂涂层可以 较厚，可具有较低的导热性，且与其它材料相比具有较高的抗腐蚀可抗磨 损性。较厚、抗腐抗磨性较好的涂层40较不容易失灵，并可更好地承受可 能造成表面开裂的记号标记工艺。此外，较低的导热性可减少由某些记号 标记工艺引起的基体热效应。最后，与铬或钢涂层相比，涂层40可有较大 的孔隙率。在使用合金沉积法来生成表面记号32时，增加的孔隙率可提高 材料的分散性。另外，增加的孔隙率可帮助在涂层40的表面上保持一薄层 润滑油，这可减少涂层40以及气缸盖密封体上的磨损。
对于熟悉本领域技术的人员来说，显然可以对所揭示的系统和方法进 行多种修改和变型而不会超出本发明的范围。在阅读了此处所揭示的说明 书和对实施例的实施之后，所揭示的系统和方法的其它实施方式对于熟悉 本领域技术的人员来说是显而易见的。应该认为本说明书和例子只是示例 性的，本发明的实际范围由所附权利要求及其等效内容来限定。