KR102045075B1 - 건설기계의 메인 컨트롤 밸브용 전자제어 밸브블록 - Google Patents

Abstract

건설기계의 메인 컨트롤 밸브(MCV)에 연결되며, 작업 자동화에 적합한 전자제어 밸브블록과 관련되며 실시예로, 각 제어 대상에 작동유를 공급하도록 메인 컨트롤 밸브에 파일럿 신호압을 제공하는 밸브블록에 있어서, 상기 각 제어 대상별로 개별제어회로가 구비되고, 상기 개별제어회로는 작업자의 수동조작에 따라 발생한 유압을 공급받는 제1 유입라인, 상기 메인 컨트롤 밸브에 파일럿 신호압을 송출하는 신호유출라인, 메인 유압 펌프와 연결된 작동유압라인과 연결되어 유압을 공급받는 제2 유입라인, 상기 제1 유입라인과 상기 신호유출라인을 연결 또는 연결 해제하고, 연결 해제 시에는 상기 신호유출라인과 상기 제2 유입라인을 연결시키는 솔레노이드밸브 및 상기 제2 유입라인을 흐르는 유량을 제어하는 비례제어밸브를 포함하며, 작업자의 수동조작 모드에서는, 상기 솔레노이드밸브가 상기 제1 유입라인과 상기 신호유출라인을 연결하고, 미리 설정된 작업 패턴에 따라 제어 대상을 순차적으로 제어하는 자동화 모드에서는 상기 솔레노이드밸브가 상기 제1 유입라인과 상기 신호유출라인의 연결을 해제하고, 상기 작업 패턴에 따른 상기 비례제어밸브의 작동에 따라 파일럿 신호압이 상기 신호유출라인으로 제공되는 건설기계의 메인 컨트롤 밸브용 전자제어 밸브블록을 제시한다.

Description

건설기계의 메인 컨트롤 밸브용 전자제어 밸브블록{Electronic control valve blocks for main control valves of construction machinery}

본 발명은 건설기계의 메인 컨트롤 밸브(MCV)에 연결되며, 작업 자동화에 적합한 전자제어 밸브블록과 관련된다.

일부의 건설기계는 작업성 향상과 작업 부하를 견디기 위하여 유압으로 작동하는 다관절을 구비한다. 예를 들어 굴삭기는 붐, 암 및 포크의 작동, 스윙과 주행이 유압에 의해 이루어진다.

메인 컨트롤 밸브(MCV)는 건설기계의 엔진 동력으로 얻어진 유압을 각부에 공급함으로써 건설기계를 실제로 작동시키는 유압장치이다. 메인 컨트롤 밸브를 작동시키기 위한 파일럿 신호압은 밸브블록에서 제공되며, 작업자의 조작레버의 작동을 밸브블록이 받아들여 파일럿 신호압을 생성하게 된다.

종래의 기술에서 밸브블록은 조작레버에 의해 온/오프 작동하는 솔레노이드 밸브들로 구성되었다. 작업자가 붐의 상승과 연관된 조작레버를 작동하였을 때에 밸브블록의 해당 솔레노이드 밸브가 개방 작동하면서, 밸브블록에서 파일럿 신호압이 메인 컨트롤 밸브로 유입되고, 메인 컨트롤 밸브에서 제공하는 유압에 의해 붐이 상승하는 작동을 하는 방식이다.

이와 같이 솔레노이드 밸브를 기반으로 한 밸브블록은 작업자의 미세한 조작을 어렵게 하는 원인으로 작용하였다. 그에 따라 조작레버의 움직임 정도를 반영하여 제어 밸브에서 파일럿 신호압의 강도를 조절하는 기술이 개발되었다. 이로써 조작레버를 통한 민감한 작동이 어느 정도 가능하게 되었으나, 미리 프로그램된 자동화 방식에 의한 밸브블록의 자동 제어에서는 활용할 수 없는 한계가 있다.

대한민국 등록특허 제10-0953808호 (2010.04.12) 대한민국 등록특허 제10-0640538호 (2006.10.24) 대한민국 등록특허 제10-1401243호 (2014.05.22) 대한민국 등록특허 제10-0601458호 (2006.07.07)

본 발명은 작업자의 직접 조작이 가능하면서도, 작업 자동화에 따라 미세한 작업 수행이 가능하게 한 밸브블록을 제공하고자 한다.

그 외 본 발명의 세부적인 목적은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여 이 기술분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.

위 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 실시예로, 각 제어 대상에 작동유를 공급하도록 메인 컨트롤 밸브에 파일럿 신호압을 제공하는 밸브블록에 있어서, 상기 각 제어 대상별로 개별제어회로가 구비되고, 상기 개별제어회로는 작업자의 수동조작에 따라 발생한 유압을 공급받는 제1 유입라인, 상기 메인 컨트롤 밸브에 파일럿 신호압을 송출하는 신호유출라인, 메인 유압 펌프와 연결된 작동유압라인과 연결되어 유압을 공급받는 제2 유입라인, 상기 제1 유입라인과 상기 신호유출라인을 연결 또는 연결 해제하고, 연결 해제 시에는 상기 신호유출라인과 상기 제2 유입라인을 연결시키는 솔레노이드밸브 및 상기 제2 유입라인을 흐르는 유량을 제어하는 비례제어밸브를 포함하며, 작업자의 수동조작 모드에서는, 상기 솔레노이드밸브가 상기 제1 유입라인과 상기 신호유출라인을 연결하고, 미리 설정된 작업 패턴에 따라 제어 대상을 순차적으로 제어하는 자동화 모드에서는 상기 솔레노이드밸브가 상기 제1 유입라인과 상기 신호유출라인의 연결을 해제하고, 상기 작업 패턴에 따른 상기 비례제어밸브의 작동에 따라 파일럿 신호압이 상기 신호유출라인으로 제공되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 메인 컨트롤 밸브용 전자제어 밸브블록을 제시한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 제안하는 밸브블록은 작업자의 수동조작과, 일련의 작업을 반복 수행하는 자동화 모드 모두를 지원할 수 있다. 특히 자동화 모드에서 비례제어밸브를 채택함으로써 정밀한 작동 제어가 가능하여, 미세한 조작이 요구되는 고난이도 작업을 자동화 모드에서 구현할 수 있다. 그에 따라 작업자의 숙련도가 다소 낮더라도 고난이도의 작업이 가능한 장점이 있다.

한편 공급유제어밸브를 구비함으로써 밸브블록을 운영하는데 소요되는 에너지를 줄일 수 있다.

그 외 본 발명의 효과들은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여, 또는 본 발명을 실시하는 과정 중에 이 기술분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 건설기계의 메인 컨트롤 밸브용 전자제어 밸브블록의 개략적인 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 실시예에 따른 전자제어 밸브블록의 제어관계를 나타낸 블록도.
도 3은 도 1에 도시된 실시예의 유압 회로를 나타낸 도면.
도 4는 도 3에 도시된 실시예의 일부분의 사용 상태를 나타낸 도면.
도 5는 도 4에 도시된 실시예의 다른 사용 상태를 나타낸 도면.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 건설기계의 메인 컨트롤 밸브용 전자제어 밸브블록의 구성, 기능 및 작용을 설명한다. 단, 도면들에 걸쳐 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 도면번호는 통일하여 사용하기로 한다.

또한 이하의 설명에서 '제1', '제2' 등의 용어는 기술적 의미가 동일성 범위에 있는 구성요소를 편의상 구별하기 위하여 사용된다. 즉, 어떠한 하나의 구성은 임의적으로 '제1구성' 또는 '제2구성'으로 명명될 수 있다.

첨부된 도면은 본 발명의 적용된 실시예를 나타낸 것으로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 통하여 제한 해석해서는 아니된다. 이 기술분야에 속하는 전문가의 견지에서 도면에 도시된 일부 또는 전부가 발명의 실시를 위하여 필연적으로 요구되는 형상, 모양, 순서가 아니라고 해석될 수 있다면, 이는 청구범위에 기재된 발명을 한정하지 아니한다.

도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전자제어 밸브블록과 관련된다.

본 발명의 실시예에 따른 밸브블록(100)은 유압을 사용하는 기계장치의 메인 컨트롤 밸브에 파일럿 신호압을 전송하는 것으로, 해당 기계장치의 제어 대상에 따른 개별제어회로를 구비한다.

여기서 기계장치는 굴삭기가 될 수 있다. 이와 달리 기계장치는 크레인, 지게차와 같은 건설 기계장치뿐 아니라 유압을 사용하는 다양한 기계장치에 적용될 수 있다.

한편 제어 대상은 유압을 이용하여 작동하는 실린더, 유압모터 등의 기계 요소로, 작동을 위한 유압 공급의 대상이다. 구체적으로 기계 장치가 굴삭기인 경우, 제어 대상은 붐(Boom) 실린더, 버킷(bucket) 실린더, 상부구조체의 스윙(회전) 모터, 하부주행체의 전진 주행 모터, 하부주행체의 좌측 트랙의 주행 모터와 우측 트랙의 주행 모터, 암(Arm) 실린더 등이 해당된다.

도 3에 도시한 유압회로는, 한 쌍의 붐 실린더와 한 쌍의 암 실린더가 구비된 굴삭기에 해당되는 밸브블록에 대응하는 것으로, 각 붐 실린더와 각 암 실린더 마다 개별제어회로가 구비되어 있다. 또한 유압 구동식 어태치먼트에 대비하여 옵션으로 추가 개별제어회로를 더 구비하고 있다.

도면에 도시하지 아니하였으나, 굴삭기의 설계에 따라 제어 대상은 늘어나거나 줄어들 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전자제어 밸브블록은 수동조작 모드와 자동화 모드를 지원한다.

여기서 수동조작 모드는 작업자가 레버, 조이스틱, 버튼을 조작하여 굴삭기의 각부를 직접 조정하는 모드이다.

한편, 자동화 모드는 미리 설정된 일련의 작업 순서에 따라 제어 대상이 작동 제어되는 것으로 작업자의 관여를 배제한 상태에서 작업이 이루어지는 모드이다. 여기서 미리 설정된 일련의 작업들을 작업 패턴이라 한다.

도 2는 자동화 모드를 지원하는 작업 패턴 모듈(M)과 밸브블록(100)과의 관계를 간략히 나타내고 있다.

다만, 도 2에서 자동화 모드에서 수동조작 모드로 긴급 전환하는 기능을 수행하는 구성이나 수동조작 모드에서 최근에 이루어진 몇몇의 작업을 작업 패턴으로 저장하여 데이터베이스에 저장하는 메모리 가능을 수행하기 위한 구성 등 일부의 추가 구성들은 도시를 생략하였다. 또한 본 발명의 설명과 직접적인 연관이 적은, 메인 컨트롤 밸브의 스풀 전환 수단을 비롯한 다른 추가 구성들과 연계된 추가 구성들에 대해서도 생략하였다.

작업 패턴 모듈은 작업자가 조작부를 작업 패턴을 설정하고 시작을 명령하면 활성화된다.

자동화 모드에서는 외부 환경의 변화를 수용하기 위하여 다양한 정보를 센서들로부터 취득할 수 있는데, 여기에서는 밸브블록의 각 개별제어회로에 장착된 압력 센서들로 한정하여 설명한다. 이러한 압력 센서들은 정상 작동 유무와 작동 부하를 감시하는 데에 주로 사용된다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.

데이터베이스는 미리 설정된 작업 패턴이 저장되어 있으며, 작업패턴로딩부는 작업자가 선택한 작업 패턴 데이터를 데이터베이스로부터 메인 메모리에 로딩시킨다.

밸브블록(100)에는 하나의 공급유제어밸브(80)와, 개별제어회로(101)마다 솔레노이드밸브(40)와 비례제어밸브(50)를 구비하는데, 작업 패턴 모듈의 요구유량산출부, 솔레노이드밸브 제어부 및 작업패턴신호송출부가 각 밸브들을 작동 제어한다.

한편 압력 센서들의 측정치는 부하판단부로도 전달되며, 부하판단부는 각 개별제어회로에서 작업 부하가 기준치 이상인지 여부를 연산하여, 기준치를 초과하면 해당 제어 대상이 부하 걸린 상태로 인지하고 요구유량산출부로 부하 상태임을 전송한다.

요구유량산출부는 부하 상태를 해소하기 위한 추가 고압유량 결정하여 공급유제어밸브를 추가 개방시킨다. 부하판단부가 압력 센서들로부터 입력된 측정치로부터 부하 상태가 해제된 것으로 판단하면 이를 요구유량산출부로 전송하고, 요구유량산출부는 추가로 늘렸던 고압유 공급량을 줄이게 된다.

도 3은 밸브블록의 전반적인 내부 유로를 나타내고 있다.

밸브블록 유압유로의 하측에는 메인 유압 펌프(도시 생략)와 연결되어 고압유를 공급받는 작동유압라인(60)과, 회수라인(70)이 도시되어 있다. 작동유압라인(60)과 회수라인(70)은 모든 개별제어회로(101)가 공유하며, 메인 유압 펌프에 의해 가압된 고압유가 작동유압라인(60)에 대기하게 된다.

메인 유압 펌프와 작동유압라인(60) 사이에는 작동유압라인으로 공급되는 고압유의 유량을 제어하는 공급유제어밸브(80)가 장착된다. 이 공급유제어밸브(80)는 비례 제어 밸브이다.

공급유제어밸브(80)의 작동은 요구유량산출부에 의해 제어된다.

요구유량산출부는 선정된 작업 패턴의 작업 순서에 따라 작동유압라인에 필요한 고압유 유량을 산출한다. 예를 들어, 붐의 상승, 상부구조체의 좌측 스윙, 버킷의 젖힘이 한 스텝으로 이루어지고, 다음 스텝으로는 붐의 하강만이 예정된 작업 패턴에서 각 스텝별로 작동할 개별제어회로의 수, 파일럿 신호압의 유량, 압력치 등을 근거로 요구되는 고압유 유량을 산출할 수 있다.

요구유량산출부는 부하판단부에서 어느 개별유압회로가 부하 상태로 판단됨을 전송받고, 적정 압력으로 회복하기 위하여 필요한 고압유 유량을 산출하고, 그에 따라 공급유제어밸브를 추가 개방 작동시킨다.

한편, 각 개별제어회로(101)는 사실상 동일하게 구성되며, 밸브블록(100)의 가로 방향으로 복수가 나열된다. 이는 추가 개별제어회로(101)가 나란히 배치되는 방식으로 추가될 수 있음을 시사한다.

도 4와 도 5는 어느 한 개별제어회로(101)를 나타내고 있다. 도 4는 수동조작 모드의 예시이고, 도 5는 자동화 모드의 예시이다.

개별제어회로(101)는 제1 유입라인(10), 신호유출라인(20), 제2 유입라인(30), 솔레노이드밸브(40) 및 비례제어밸브(50)를 포함한다.

제1 유입라인(10)은 작업자가 조작부(조작 레버나 조이스틱)를 수동 조작함에 따라 발생한 유압을 공급받는 라인이고, 신호유출라인(20)은 메인 컨트롤 밸브(MCV)에 파일럿 신호압을 송출하는 라인이다. 한편, 제2 유입라인(30)은 작동유압라인(60)과 연결되어 유압을 공급받는 라인이다.

솔레노이드밸브(40)는 제1 유입라인(10), 신호유출라인(20) 및 제2 유입라인(30)과 연결된다. 비례제어밸브(50)는 제2 유입라인(30)에 구비되어, 제2 유입라인(30)의 고압유 유량을 제어한다.

도 4를 참고하면, 솔레노이드밸브(40)는 제1 상태에서 제1 유입라인(10)과 신호유출라인(20)을 연결시키고 동시에 제2 유입라인(30)과 신호유출라인(20)의 연결을 해제 시킨다. 이 제1 상태는 수동조작 모드에서 활성화되며, 솔레노이드밸브(40)는 평상시에 제1 상태를 유지한다.

도 5를 참고하면, 솔레노이드밸브(40)의 제2 상태는 제2 유입라인(30)과 신호유출라인(20)을 연결하고, 동시에 제1 유입라인(10)과 신호유출라인(20)의 연결을 해제 시킨다. 이때, 제2 유입라인(30)에는 비례제어밸브(50)가 유량을 제어함으로써, 신호유출라인(20)으로 제공되는 파일럿 신호압은 비례제어밸브(50)가 관여하게 된다.

솔레노이드밸브(40)의 제2 상태는 자동화 모드에서 활성된다. 즉 자동화 모드로 진입하면 솔레노이드밸브 제어부가 관여하여 솔레노이드밸브(40)를 제1 상태에서 제2 상태로 전환시키게 된다. 자동화 모드가 해제되면 솔레노이드밸브(40)가 원래로 되돌아가면서 제1 상태가 회복되어 작업자의 수동 조작이 가능하게 된다.

자동화 모드에서 비례제어밸브(50)의 작동은 작업패턴신호송출부의 전기 신호로 이루어진다. 작업 패턴에 따라 비례제어밸브(50)가 순차적으로 제어됨으로써, 미리 설계된 바와 같이 파일럿 신호압을 메인 컨트롤 밸브로 송출하게 된다.

다시 도 4를 참고하면, 수동조작 모드에서 작업자의 조작의 결과로 유압송출유닛(u)은 제1 유입라인(10)으로 고압유를 제공하고, 제1 상태인 솔레노이드밸브(40)를 통과하여 파일럿 신호압으로 송출된다.

여기서 유압송출유닛(u)은 다양하게 구성할 수 있다. 예를 들어 조작 레버의 작동 여부에 따라 작동하는 솔레노이드 밸브로 구성될 수 있다. 다른 예로, 조작 레버에 가해진 힘을 레버 컨트롤러가 산출하고, 이 레버 컨트롤러로부터 전기 신호를 받아들여 고압유를 송출하는 유압 발생 장치로 구성되어 작업자의 미세 조작을 반영하도록 할 수 있다. 또한 도시하지 아니하였으나, 이러한 유압송출유닛은 밸브블록 내부에 설치될 수 있다.

도 5를 참고하면, 자동화 모드에서는 솔레노이드밸브(40)가 제2 상태로 전환됨으로써 비례제어밸브(50)에 의한 파일럿 신호압이 메인 컨트롤 밸브에 전달된다.

여기서 비례제어밸브(50)를 채택함으로써 파일럿 신호압의 정밀한 제어가 가능하게 되고, 그에 따라 해당 작업을 매우 정밀하게 제어할 수 있다. 작업 패턴은 비숙련 작업자가 고난이도의 일련의 작업을 수행할 수 있게 도움으로써, 전체적인 작업 효율을 크게 증진시킬 수 있다.

이러한 수동조작모드와 자동화 모드의 전환은 각 개별제어회로(101)에서 개별적으로 적용될 수 있다. 예를 들어 스윙(상부구조체), 붐, 주행(전진 또는 후진)의 반복적인 작업은 패턴화하여 자동화 모드로 실행하여 두고, 암과 버킷의 작동은 수동조작 모드로 하여 작업자가 직접 조작할 수 있다. 이와 같이, 일부 제어 대상에 한정한 자동화 모드의 설정은 다양한 변수가 존재하는 실제 작업 환경에서 작업자의 피로를 덜고 일부 작업에만 주의를 집중할 수 있게 하는 장점이 있다.

다시 도 4 또는 도 5를 참고하면, 압력 센서들(s)은 제1 유입라인(10), 신호유출라인(20) 및 제2 유입라인(30) 각각에 구비된다. 각 압력 센서(s)는 해당 라인에서 의도한 유압이 발생하였는지를 감지할 수 있게 한다. 또한 압력 센서(s)의 측정치를 조합하여 솔레노이드밸브(40)의 상태 전환이 이루어졌는지 여부의 평가와, 자동화 모드에서 의도한 바에 따라 파일럿 신호압 제어가 이루어지고 있는지에 대한 신뢰성 평가에 활용된다. 또한 압력 센서들(s)의 압력치로부터 개별제어회로가 부하 상태인지 여부를 판단할 수 있게 한다.

한편, 작동유압라인(60)에 공급되는 공급유제어밸브(80)를 구비함으로써, 자동화 모드에서 밸브블록(100)의 운영에 소요되는 에너지를 절감할 수 있다. 요구되는 유량에 맞춰 고압유를 제공함으로써 전체 에너지 소비를 줄여 기계장치의 친환경적인 운영을 가능케 한다.

100 : 밸브블록 101 : 개별제어회로
10 : 제1 유입라인 20 : 신호유출라인 30 : 제2 유입라인
40 : 솔레노이드밸브 50 : 비례제어밸브
60 : 작동유압라인 70 : 회수라인 80 : 공급유제어밸브
s : 압력 센서 u : 유압송출유닛 M : 작업 패턴 모듈

Claims (2)

1. 각 제어 대상에 작동유를 공급하도록 메인 컨트롤 밸브에 파일럿 신호압을 제공하는 밸브블록에 있어서,
   상기 각 제어 대상별로 개별제어회로가 구비되고,
   
   상기 개별제어회로는
   작업자의 수동조작에 따라 발생한 유압을 공급받는 제1 유입라인,
   상기 메인 컨트롤 밸브에 파일럿 신호압을 송출하는 신호유출라인,
   메인 유압 펌프와 연결된 작동유압라인과 연결되어 유압을 공급받는 제2 유입라인,
   상기 제1 유입라인과 상기 신호유출라인을 연결 또는 연결 해제하고, 연결 해제 시에는 상기 신호유출라인과 상기 제2 유입라인을 연결시키는 솔레노이드밸브 및
   상기 제2 유입라인을 흐르는 유량을 제어하는 비례제어밸브를 포함하며,
   
   작업자의 수동조작 모드에서는,
   상기 솔레노이드밸브가 상기 제1 유입라인과 상기 신호유출라인을 연결하고,
   미리 설정된 작업 패턴에 따라 제어 대상을 순차적으로 제어하는 자동화 모드에서는,
   상기 솔레노이드밸브가 상기 제1 유입라인과 상기 신호유출라인의 연결을 해제하고, 상기 작업 패턴에 따른 상기 비례제어밸브의 작동에 따라 파일럿 신호압이 상기 신호유출라인으로 제공되고,
   
   상기 자동화 모드에서 활성되며, 상기 작업 패턴에 따라 상기 작동유압라인에서 요구되는 유량을 산출하는 요구유량산출부와,
   상기 메인 유압 펌프와 상기 작동유압라인 사이에 구비되며 상기 요구유량산출부에 의해 상기 작동유압라인의 고압유 공급 유량을 제어하는 공급유제어밸브를 포함하는
   건설기계의 메인 컨트롤 밸브용 전자제어 밸브블록.
2. 삭제

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