JP2004308736A - 液圧装置及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】液圧装置を小型化することができ、流体システムを瞬時に作動開始させることができ、エネルギー消費及びロスが少なくでき、精度のよい速度、圧力制御が実現でき、更に動作の方向の切換えを迅速に行うことが出来る液圧装置及びその制御方法を提供すること。
【解決手段】回転数指令信号に基づいて回転数を変更するサーボモータ１３と、サーボモータ１３により駆動されるポンプ１２と、該ポンプ１２から吐出される高圧流体を供給ポートに導入し弁開度指令信号に基づいて弁開度を変更して制御ポートからの流量及び圧力を制御する制御弁１４を備え、該制御弁１４の制御ポートからの流路に該流路を開閉する切換弁１５を設けた液圧装置である。
【選択図】 図１
【解決手段】回転数指令信号に基づいて回転数を変更するサーボモータ１３と、サーボモータ１３により駆動されるポンプ１２と、該ポンプ１２から吐出される高圧流体を供給ポートに導入し弁開度指令信号に基づいて弁開度を変更して制御ポートからの流量及び圧力を制御する制御弁１４を備え、該制御弁１４の制御ポートからの流路に該流路を開閉する切換弁１５を設けた液圧装置である。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリンダの速度や圧力を制御するための液圧装置及びその制御方法に関するものであり、特に高精度の速度や圧力などの制御が要求される液圧装置及びその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリンダの速度や圧力を制御するための液圧装置としては、ポンプを一定回転で駆動し制御弁によってシリンダの速度や圧力を制御する方式と、制御弁は使用せずにサーボモータやインバータを用いてポンプの回転数を制御してシリンダの速度や圧力を制御する方式があった。
【０００３】
また、特許文献１にはポンプ回転数を変更してポンプ吐出圧力を変更し、制御弁の切り換えを行う流体圧装置が記載されている。
【０００４】
従来技術において、ポンプを一定回転数で駆動する場合、エネルギーロスが大きいという問題があった。制御弁を使用せずにポンプ回転数で制御する場合、シリンダの移動方向、加圧方向に対して逆向きの制御に切り換える場合に時間がかかるという問題があった。また、ポンプ回転数制御による速度制御や圧力制御の精度は制御弁による制御よりも劣る。さらに、サーボモータの回転数は指令信号に対して高い応答性を有するが、ポンプの吐出圧力に反映するまでに遅れを有するため、高速な応答性を必要とする圧力制御を実現するには限界があった。
【０００５】
特許文献１の流体圧装置では、常にポンプ吐出圧力を定常圧力に維持するポンプが設けられ駆動されているため、ポンプが２つ必要になる。また、アクチュエータの非稼動時にもエネルギーを消費してしまう。また、制御弁とアクチュエータが直接接続されているため、複数のアクチュエータを制御する場合には制御弁が複数必要になる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−１７３９０３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、上記問題を除去し、液圧装置を小型化することができ、流体システムを瞬時に作動開始させることができ、エネルギー消費及びロスが少なくでき、精度のよい速度、圧力制御が実現でき、更に動作の方向の切換えを迅速に行うことが出来る液圧装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の液圧装置においては、基本的にサーボモータと制御弁とを同時に備え、且つそれらを互いに独立して制御できる構成とすることによって前記課題を解決しようとするものである。即ち、請求項１に記載の発明は、回転数指令信号に基づいて回転数を変更するサーボモータと、該サーボモータにより駆動される液圧ポンプと、該液圧ポンプから吐出される高圧流体を供給ポートに導入し弁開度指令信号に基づいて弁開度を変更して制御ポートからの流量及び圧力を制御する制御弁を備え、該制御弁の制御ポートからの流路に該流路を開閉する切換弁を設けたことを特徴とする液圧装置にある。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の液圧装置において、制御弁の制御ポートを液圧アクチュエータに接続したことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の液圧装置において、前記アクチュエータの変位量を検知するセンサ及び／又は該アクチュエータの発生力を検知するセンサを設けたことを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の液圧装置において、前記制御弁の制御ポートに、該制御ポートの圧力を検出するセンサを設けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の液圧装置において、前記センサによって検出された値に基づいて操作量を演算するコントローラを備え、該コントローラは該センサの出力信号を入力する入力器と、前記制御弁へ弁開度指令信号を出力する第一の出力器と、前記サーボモータへ回転数指令信号を出力する第二の出力器と、前記切換弁の切換信号を出力する出力器とを備え、前記センサの信号を前記入力器に接続し、前記第一及び第二の出力器からの信号をそれぞれ前記制御弁と前記サーボモータに接続し前記出力器からの切換信号を前記切換弁に接続したことを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、回転数指令信号に基づいて回転数を変更するサーボモータと、該サーボモータにより駆動される液圧ポンプと、該液圧ポンプから吐出される高圧流体を供給ポートに導入し弁開度指令信号に基づいて弁開度を変更して制御ポートからの流量及び圧力を制御する制御弁を備え、該制御弁の制御ポートからの流路に該流路を開閉する切換弁を設けるとともに、該制御ポートを液圧アクチュエータに接続した液圧装置の制御方法であって、前記液圧アクチュエータの変位量を検知するセンサ及び／又は該アクチュエータの発生力を検知するセンサの出力値、又は前記制御ポートの圧力を検出するセンサの出力値をコントローラにフィードバックして制御弁の操作量を該コントローラにより演算し、該操作量を第一の出力器から制御弁に出力するとともに、目標速度、目標圧力に応じたサーボモータの回転数操作量を前記コントローラにより演算し、サーボモータの回転数操作量を第二の出力器からサーボモータへ出力することを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の液圧装置の制御方法において、前記目標速度、目標圧力に応じたサーボモータの回転数は、所定のオフセット回転数と前記目標速度に所定の係数を乗じた回転数を加算した回転数、又は所定のオフセット回転数と前記目標圧力に所定の係数を乗じた回転数を加算した回転数にすることを特徴とする。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の液圧装置の制御方法において、前記目標速度に応じたサーボモータの回転数は、所定のオフセット回転数と前記制御弁への操作量に所定の係数を乗じた回転数を加算した回転数にすることを特徴とする。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、請求項６に記載の液圧装置の制御方法において、前記第二出力器の出力時刻に対し、切換弁の出力器の出力時刻と第一出力器の出力時刻とを所定の時間遅らせることを特徴とする。
【００１７】
請求項１０に記載の発明は、回転数指令信号に基づいて回転数を変更するサーボモータと、該サーボモータにより駆動される液圧ポンプと、該液圧ポンプから吐出される高圧流体を供給ポートに導入し弁開度指令信号に基づいて弁開度を変更して制御ポートからの流量及び圧力を制御する制御弁を備え、該制御弁の制御ポートからの流路に該流路を開閉する切換弁を設け、該制御ポートを液圧アクチュエータに接続し、該アクチュエータの変位量を検知するセンサ及び／又は該アクチュエータの発生力を検知するセンサを設け、入力器と第一及び第二の出力器とを備えたコントローラを設け、前記センサの出力信号値を該コントローラの入力器にフィードバックして該制御弁の操作量を該コントローラにより演算し、該制御弁の操作量を第一の出力器から制御弁に出力するとともに、該コントローラにより目標速度、目標圧力に応じたサーボモータの回転数操作量を演算し、該サーボモータの回転数操作量を第二の出力器から該サーボモータへ出力するように構成したことを特徴とする。
【００１８】
請求項１１に記載の発明は、回転数指令信号に基づいて回転数を変更するサーボモータと、該サーボモータにより駆動される液圧ポンプと、該液圧ポンプから吐出される高圧流体を供給ポートに導入し弁開度指令信号に基づいて弁開度を変更して制御ポートからの流量及び圧力を制御する制御弁を備え、該制御弁の制御ポートからの流路に該流路を開閉する切換弁を設け、該制御ポートの圧力を検出するセンサを設け、入力器と第一及び第二の出力器を備えたコントローラを設け、前記センサの出力信号値を該コントローラの入力器にフィードバックして該制御弁の操作量を該コントローラにより演算し、該制御弁の操作量を第一の出力器から該制御弁に出力するとともに、該コントローラで目標速度、目標圧力に応じたサーボモータの回転数操作量を演算し、該サーボモータの回転数操作量を第二の出力器から該サーボモータへ出力するように構成したことを特徴とする。
【００１９】
上記のように各請求項に記載の発明は、液圧装置にサーボモータを採用することにより液圧装置の小型化が可能で、サーボモータの応答性が速いので、動作開始時からポンプの回転を開始しても流体利用システムを瞬時に動作開始させることが可能となる。
【００２０】
また、制御弁の制御ポートからの流路上に切換弁を設けることにより、動作停止時には切換弁を閉じて位置保持や圧力保持ができ、サーボモータを停止してエネルギー消費を小さくすることも可能となる。また、切換弁を設けることにより、液圧システムの流体制御部と流体利用システムの動作を独立させることができ、複数の流体利用システムにおいて、一方のシステムが非稼動時に他のシステムを駆動することが可能となる。
【００２１】
ポンプの回転数を目標速度、目標圧力に応じた必要最低限の回転数にすることにより、エネルギーロスを抑えることが可能となる。また、制御弁を採用することにより精度のよい速度、圧力制御を実現することができる。
【００２２】
また、動作の方向の切換を迅速に行うことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る液圧装置の構成を示す図である。液圧装置１０は圧力媒体である液体を貯めておくタンク１１、高圧流体を発生するポンプ１２、該ポンプ１２を駆動するサーボモータ１３、流体の流量・圧力を制御する制御弁１４、流体の流れを切り換える切換弁１５、そして高圧フィルター１６、液面スイッチ１７、温度スイッチ１８、圧力スイッチ１９などの補器類から構成されている。
【００２４】
ポンプ１２は駆動軸（シャフト）２０を上方に向けてポンプフランジ２１に取り付けられ、ポンプ１２をタンク１１内に収容するようにポンプフランジ２１がタンク１１上面に固定されている。また、モータフランジ２２に取り付けられたサーボモータ１３が回転軸２３を下方に向けて配置されている。サーボモータ１３の回転軸２３とポンプ１２の駆動軸２０は軸心を同一とし対向するように配置され、ポンプフランジ２１とモータフランジ２２が支柱２４により固定されている。また、ポンプ１２の駆動軸２０とサーボモータ１３の回転軸２３はカップリング２５により連結されている。
【００２５】
ポンプ１２の吐出し口２６から配管でタンク１１外に設置した高圧フィルター１６に導入され、濾過された高圧流体を制御弁１４や切換弁１５を取り付けるためのバルブブロック３０へ導入するように高圧配管２７が接続されている。バルブブロック３０には高圧流体を導入して制御弁１４へ連通させる流路や制御弁１４の出力である制御ポートを切換弁１５へ連通させる流路などが加工されており、後述する液圧回路の流路を構成すると共に、バルブを取り付ける架台として設けられている。なお、２９はサーボモータ１３の回転軸２３の回転角信号Ａ１を検出するエンコーダである。
【００２６】
タンク１１の側面には内部の流体の液面と温度を検知する液面スイッチ１７と、温度スイッチ１８が取り付けられている。また、高圧配管２７を分岐して圧力スイッチ１９が取り付けられている。また、制御弁１４の制御ポートから切換弁１５を介して流体利用システム４０へ配管２８が取り付けられており、その配管２８を分岐して圧力センサ３１が設けられている。
【００２７】
ポンプ１２は可変容量式ポンプと固定容量式ポンプと呼ばれるものがあるが、本実施形態におけるポンプ１２には固定容量式ポンプを用いている。固定容量式ポンプは一回転当りの吐出量が構造的に一定のポンプであるが、ここでは回転数を変更することにより単位時間当りの吐出し流量を可変にし、また、ポンプ吐出側の抵抗と回転数に応じて吐出圧力を可変にしている。
【００２８】
また、本実施形態のポンプ１２は回転方向が一方向のみで、吸込口（図示せず）と吐出し口２６が構造的に決まっているもので、回転方向によって吸込口と吐出し口２６が切り換るものではない。したがって、サーボモータ１３の回転も一方向の回転のみ行うようにしている。
【００２９】
図２は液圧回路の構成を示す図である。サーボモータ１３に接続され、タンク１１内の流体を吸い込み高圧流体を吐出するポンプ１２からチェック弁３２を介して高圧フィルター１６へ接続されている。チェック弁３２と高圧フィルター１６の間の流路は分岐して安全弁３３を介してタンク１１へ戻される。高圧フィルター１６で濾過された流体は制御弁１４の供給ポートＰへ導かれる。制御弁１４は４つのポート（供給ポートＰ、タンクポートＴ、制御ポートＡ、制御ポートＢ）を備え、制御ポートＡ、Ｂはそれぞれ切換弁１５−１、１５−２を介して流体利用システム４０へ連通し、タンクポートＴはタンク１１へ連通している。
【００３０】
制御弁１４の制御ポートＡ、Ｂに接続された切換弁１５−１、１５−２は流路の開閉を行い、制御弁１４と流体利用システム４０との切換を行う。制御ポートＡに接続された切換弁１５−１から外部への配管２８は分岐して圧力センサ３１が取り付けられている。
【００３１】
次に、上記構成の液圧回路の作用について説明する。サーボモータ１３に指令信号を与え、サーボモータ１３の回転軸２３を回転することによりカップリング２５で連結されているポンプ１２の駆動軸２０を回転させると、ポンプ１２下面の吸込口（図示せず）からタンク１１内の流体を吸込み、吐出し口２６から高圧の流体を吐出する。高圧の流体はタンク１１内の高圧配管２７でタンク１１外の高圧フィルター１６へ導かれる。高圧フィルター１６への高圧配管２７は途中で分岐して安全弁３３を介して一方はタンク１１へ戻るようになっている。安全弁３３はポンプ１２の吐出し側の圧力を制限するもので、高圧配管２７やポンプ１２を保護するために設けられている。
【００３２】
高圧フィルター１６で濾過された流体は制御弁１４の供給ポートＰに導入され、制御弁１４へ外部から信号を与えることにより供給ポートＰから制御ポートＡ、Ｂへの流れを制御し、同時に制御ポートＡ、ＢからタンクポートＴへの流れを制御する。制御弁１４は各ポートを切り換えるのと同時に弁開度を調整し、制御ポートＡ、Ｂへの流量や圧力を制御する。
【００３３】
本実施形態例の液圧装置に流体利用システム４０として、例えば流体加圧成形装置（ハイドロフォーミング装置）に接続し、流体圧力を制御して成形を行う装置などに応用することができる。
【００３４】
図３は上記構成の液圧装置１０を流体加圧成形装置（ハイドロフォーミング装置）に用いる構成例を示す図である。図３中の左側の液圧装置１０は上記液圧装置１０と同一の構成である。流体利用システム４０である流体加圧成形装置は上下二つ割りの金型４１であって、該金型４１は互いに係合した状態で空孔４２が形成されるようになっており、管材４３を金型４１にはさみ込んだ状態で金型４１を相互に係合している。
【００３５】
管材４３の内側に流体が流れるように液圧装置１０を接続している。この状態において、液圧装置１０の制御ポートＢ（図２参照）に接続された切換弁１５−２を閉じ、制御ポートＡに接続された切換弁１５−１を開とする。そして液圧装置１０により高圧流体を管材４３に供給すると共に、圧力センサ３１で検出した圧力をフィードバックして制御弁１４およびサーボモータ１３を制御する。管材４３は内部圧力によって金型４１の空孔４２の形に拡張することで、管材４３を成形する。
【００３６】
上記構成の液圧装置１０はこの他、流体利用システム４０として流体の圧力を回転運動に変換するモータや、直線運動に変換するシリンダを接続することにより様々なシステムに応用することができる。
【００３７】
流体利用システム４０の他の具体例として流体の圧力を利用して直線運動・加圧を行うシリンダを有する加圧部を備えた液圧装置を説明する。図４は上記液圧装置１０を加圧装置に用いた構成例を示す図である。加圧部５０はアクチュエータをシリンダとしてその動作方向、速度、発生力を制御し、対象物５２を成形するものであり、高圧流体を発生する液圧装置１０は図１及び図２で示した液圧装置と同じ構成である。
【００３８】
下定盤５３と上定盤５４が支柱６１によって連結されており、垂直に配置された復動シリンダ５１のチューブ５６側が下定盤５３に固定されている。上定盤５４には上金型５７が取り付けられ、復動シリンダ５１のロッド５５の先端には下金型５８が取り付けられている。復動シリンダ５１を上下動及び上方に加圧することにより、下金型５８を上下動及び下金型５８を上金型５７に加圧する。
【００３９】
また、下金型５８の位置を検出する変位センサ５９が上定盤５４と下金型５８に取り付けられ、復動シリンダ５１内部の圧力を検出する圧力センサ６０が切換弁１５と復動シリンダ５１を接続する配管（ホース）２８に設けられている。本実施形態例において、変位センサ５９としてリニアエンコーダを用い、圧力センサ６０として動歪式圧力センサが採用されている。圧力センサ６０は圧力を検出することにより、復動シリンダ５１の発生力を検知している。
【００４０】
そして、前述した液圧装置１０の制御弁１４の制御ポートＡ、Ｂ（図２参照）が復動シリンダ５１に接続されている。ここで、先に説明したサーボモータ１３、ポンプ１２、制御弁１４、切換弁１５などから構成される部分を流体制御部４９とし、復動シリンダ５１や上下定盤５４、５３、上下金型５７、５８などから構成される部分を加圧部５０とし、全体として液圧装置１０を構成している。
【００４１】
図４に示す構成の液圧装置において、制御弁１４の制御ポートＡ、Ｂからの流量を制御することで復動シリンダ５１の上昇速度を制御し、圧力を制御することで復動シリンダ５１の発生力を制御する。また、供給ポートＰからの圧力流体を制御ポートＡへ導入し制御ポートＢから排出することにより、復動シリンダ５１を上昇させ、逆に制御ポートＢへ導入し制御ポートＡから排出することにより復動シリンダ５１を下降させることができる。すなわち、制御弁１４により復動シリンダ５１の移動方向を切り換えている。
【００４２】
図５は図４に示す液圧装置の液圧回路の構成例を示す図である。切換弁１５−１、１５−２までの構成は図２と同様であり、制御弁１４の制御ポートＡ、Ｂが切換弁１５−１、１５−２を介して復動シリンダ５１のピストン５１ａによって分割された空間に接続されている。この空間の流体を導入・排出することにより、ピストン５１ａに接続されたロッド５５の速度や位置を制御し、導入・排出する圧力を制御することによりロッド５５からの発生力を制御する。切換弁１５−１、１５−２は制御弁１４と復動シリンダ５１を連通するか、閉鎖するかを選択的に行うとともに、ポンプ１２停止時に復動シリンダ５１の位置を保持することや、復動シリンダ５１へ導入した圧力を保持する。
【００４３】
また、液面スイッチ１７、温度スイッチ１８、圧力スイッチ１９等の補器類はシステムの状態異常を検知して、機器を保護するとともに、装置を安全に運転するために設けられており、スイッチとして作用する。例えば、タンク１１内の水位が低下し液面スイッチ１７の接点が切れると水位異常として液圧装置を停止させるようにプログラムされている。また、圧力スイッチ１９は異常な高圧の時に接点が入るスイッチ機能と同時に、現在の圧力を目視できるように表示器が付いている。
【００４４】
次に本液圧装置のコントローラの入出力及び電気機器について説明する。図６はコントローラまわりの各種信号の接続構成を示す図である。装置に設けられた復動シリンダ５１の変位を検出する変位センサ（リニアエンコーダ）５９と、復動シリンダ５１内部の圧力を検出する圧力センサ６０がコントローラ７０の入力器７１、７２にそれぞれ接続されている。入力器７１は変位センサ（リニアエンコーダ）５９のパルス信号をコントローラ７０に取り込むための第一の入力器としてのパルスカウンタ、入力器７２は圧力センサ６０のアナログ電圧値を取り込むための第二の入力器としてのアナログ・デジタル変換器（以下ＡＤ変換器と称す）である。
【００４５】
また、液圧装置１０に取り付けられている液面スイッチ１７、温度スイッチ１８、圧力スイッチ１９等のスイッチのＯＮ、ＯＦＦ状態を入力するための入力器７３を備えている。なお、図６では１つの入力として代表しているが、実際にはこれらのスイッチの数に相当する接点数を備えている。装置を操作する操作パネルを設ける場合、制御開始スイッチや緊急停止などもこの入力器７３に接続される。
【００４６】
また、コントローラ７０に目標圧力や目標速度などの装置を制御するための値を設定するために設定器６３が接続可能になっている。設定器６３はパソコンやタッチパネルなどであり、設定器６３をインターフェースとしてコントローラ７０に設定値を設定する。このような設定器６３はシリアル通信で接続されるのが一般的である。
【００４７】
出力器としてコントローラ７０内部で演算された制御弁１４の操作量Ｓ１を出力する第一出力器７４と、サーボモータへの操作量Ｓ２を出力する第二出力器７５を備えている。制御弁１４、サーボモータ１３はそれぞれアナログ信号で制御するようになっているため、出力器７４、７５はデジタル・アナログ変換器（ＤＡ変換器）である。また、切換弁１５を開閉するＯＮ、ＯＦＦ信号Ｓ３を出力する出力器７６を備えている。さらに、制御時のデータや現在値を表示する表示器７９が接続できるようになっている。
【００４８】
コントローラ７０は入出力用の基板を取り付けたＰＣ（パーソナルコンピュータ）や、入出力モジュールを取り付けたＰＬＣ（プログラム・ロジック・コントローラ）により実現することができる。ここで、速度制御や圧力制御に関して、制御すべき対象の、例えば圧力・位置などの状態を検出するセンサからの信号を制御量Ｃ１、Ｃ２と呼び、コントローラ７０によって演算され外部へ出力される信号を操作量Ｓ１、Ｓ２と呼ぶ。
【００４９】
制御弁１４のアンプ８０は制御弁１４の弁開度を制御するもので、制御弁１４の弁開度（弁の変位量）Ｖ１をフィードバックして駆動電力Ｐ１を出力するようになっている。このような制御弁１４を一般的に電気フィードバック方式の制御弁と称している。アンプ８０に外部から操作量（アナログ信号）Ｓ１を入力することにより操作量Ｓ１に応じた制御弁１４の弁開度を得るようにアンプ８０が駆動電力Ｐ１を出力するようになっている。
【００５０】
図７は電気フィードバック方式の制御弁の一例を示す制御弁１４の略断面図である。弁本体１４−１に固定され流路が形成されたスリーブ１４−２と、該スリーブ１４−２内を図中左右に移動するスプール１４−３を備え、該スプール１４−３が静圧軸受１４−７で支持され左右に移動することにより供給ポートＰに導入された圧力流体を制御ポートＡ、Ｂのいずれか一方に供給し、もう一方をタンクポートＴへ連通させる。そして、スプール１４−３の移動量を変化させることにより弁の開度を調整する。
【００５１】
スプール１４−３の左側には変位センサ（差動変圧器）１４−４が取り付けられており、スプール１４−３と連結されたセンサコア１４−４ａの変位量を検出する。ここで検出されたスプール１４−３の変位をフィードバックし、外部からの指令信号との偏差に基づいてトルクモータ部１４−５を駆動するようになっている。
【００５２】
トルクモータ部１４−５はコイル１４−５ａに電流を流すことにより電磁力によりアーマチュア１４−５ｂを継鉄１４−５ｃに吸引し、フラッパ１４−５ｄを微少量だけ傾倒させ、ノズル１４−６とフラッパ１４−５ｄ間の距離を変更させる。ノズル１４−６とフラッパ１４−５ｄ間の距離が変わるとノズル１４−６からの流れ抵抗が変化し、その結果、左右のノズル上流の圧力が変化する。この圧力差によってスプール１４−３が左右に駆動される。
【００５３】
制御弁１４のアンプ８０内には変位センサの信号処理を行うオシレータ／デモジュレータ８０ａ、該オシレータ／デモジュレータ８０ａの出力であるフィードバック信号８０ｂと指令信号との偏差を演算する演算回路８０ｃ、偏差信号に基づいてコイルの駆動電流を発生する増幅回路８０ｄが内蔵されている。
【００５４】
また、図６に示すように、サーボモータ１３のドライバ８１も同様にサーボモータ１３の回転軸２３の回転角度を検出するエンコーダ２９からの回転角信号Ａ１をフィードバックしてサーボモータ１３の駆動電力Ｐ２を出力しサーボモータ１３の角度、速度を制御する機能を備えている。エンコーダ２９は図１に示すようにサーボモータ１３上部に回転軸２３と同軸に取り付けられている。エンコーダ２９からの回転角信号Ａ１をフィードバックすることにより外部から作用するトルクが変化しても回転数を精度良く指令回転数に追従するようにしている。
【００５５】
ドライバ８１に外部からアナログ信号（操作量）Ｓ２を入力することにより、信号に応じた回転数に制御するようになっている。ドライバ８１は位置制御モード、速度制御モード、トルク制御モードが選択できるようになっているが、本実施形態例においては速度制御モードを選択し、外部からのアナログ信号に対して回転数を対応させるようにしている。
【００５６】
ここで、外部信号によって回転数を変更する方法として誘導電動機をインバータ制御することが知られているが、インバータ方式では信号入力時刻から指令回転数に回転数が上昇するまでに時間がかかるため、本発明の液圧装置には適していない。具体的には停止状態から定格回転数２０００〔ｒｐｍ〕に立ち上がるまでの時間が２００〔ｍｓ〕以下の応答性があるサーボモータが望ましい。
【００５７】
上記のように、制御弁１４のアンプ８０、サーボモータ１３のドライバ８１は、制御弁１４やサーボモータ１３の仕様に調整された制御機能と電力増幅機能を備えており、ユーザーは内部の制御パラメータを操作することなく、外部から信号を入力することでその信号に応じた弁開度あるいは回転数にするようになっている。
【００５８】
このように制御弁１４のアンプ８０とサーボモータ１３のドライバ８１は内部信号をフィードバックして制御するコントローラになっているが、ここでは信号処理や制御演算などの内部処理については触れず、外部信号に応じた弁開度及び回転数するものとして扱う。例えば、サーボモータ１３の回転数０〜２０００〔ｒｐｍ〕を０〜１０〔Ｖ〕の電圧に対応させ、アナログ入力に対して２００〔ｒｐｍ／Ｖ〕の割り合いの回転数で駆動する。また、制御弁１４は弁開度±１００〔％〕を±１０〔Ｖ〕に対応させ、アナログ入力により弁開度を変更する。
【００５９】
次に、コントローラ７０内部の詳細を説明する。図８は速度制御と圧力制御に関わるコントローラ７０内部の構成例を示す図である。コントローラ７０の内部は速度制御演算部８３と圧力制御演算部８４があり、それぞれで演算された操作量Ｓ１、Ｓ２を選択的に切り換える制御切換部８２を備えている。
【００６０】
速度制御演算部８３では、入力器７１であるカウンタによってカウントされている変位センサ（リニアエンコーダ）５９のパルス数をシリンダ変位に換算し、変化量をシリンダ速度に換算する速度演算を行う。このシリンダ速度と設定器６３−１によって予め設定された目標速度との偏差に基づく制御演算を行う。制御演算は比例演算、積分演算、微分演算からなる一般的なＰＩＤ制御演算である。この演算によって計算された制御弁操作量Ｓ１を制御切換部８２へ出力する。
【００６１】
また同時に、目標速度に基づく回転数演算を行いその結果であるサーボモータ操作量Ｓ２を制御切換部８２へ出力する。回転数演算は所定のオフセット回転数＋目標速度×係数の演算を行う。オフセット回転数をＲｖｏ、目標速度をｖｒ、係数をαとすると、回転数Ｒｖは次式で与えられる。
Ｒｖ＝Ｒｖｏ＋ｖｒ×α
【００６２】
例えば、オフセット回転数１００〔ｒｐｍ〕、目標速度１００〔ｍｍ／ｓ〕、係数１０〔ｒｐｍ・ｓ／ｍｍ〕とすると回転数指令値は１００＋１００×１０＝１１００〔ｒｐｍ〕となる。係数αは固定値としている。ここで、オフセット回転数を設定するのは、復動シリンダ５１が垂直に配置されてロッド５５に負荷がかかっているため、これを保持するために圧力を発生させるためである。オフセット回転数は自重を保持するのに必要な圧力を発生する回転数に設定することが望ましい。
【００６３】
先に述べたように本実施形態のポンプ１２は一方向の回転のみ行うものであるため、復動シリンダ５１を下降させる場合などに速度の値をマイナスで扱う場合にはその絶対値に係数を乗じるものとする。
【００６４】
また、圧力制御演算部８４では圧力センサ６０から入力された値をシリンダ圧力へ換算し、設定器６３−２によって設定された目標圧力との偏差を計算してＰＩＤ制御演算を行い操作量Ｓ１とする。操作量Ｓ１は制御切換部８２へ出力する。また、圧力制御の場合も目標速度に応じて、所定のオフセット回転数＋目標圧力×係数の演算を行い第二のアナログ出力からサーボモータ１３のドライバ８１へ回転数指令値を出力する。オフセット回転数をＲｐｏ、目標圧力をｐｒ、係数をβとすると、回転数Ｒｐは次式で与えられる。
Ｒｐ＝Ｒｐｏ＋ｐｒ×β
【００６５】
圧力制御の場合、オフセット回転数はポンプ１２の安定最低回転数に設定することが望ましい。ポンプ１２の安定最低回転数とはポンプ１２の出力圧力が制御精度に影響を与えるような脈動がなく、ポンプ１２の回転に対する摩擦に対して回転数が安定する回転数であり、選定されたポンプ性能に依存する値であるが、本実施形態例では１００〔ｒｐｍ〕程度としている。そして、速度制御を行うか圧力制御を行うかを制御切換部８２によって切り換え、制御弁操作量Ｓ１を第一出力器７４へ、サーボモータ操作量Ｓ２を第二出力器７５へ出力する。制御弁操作量Ｓ２とサーボモータ操作量Ｓ２は第一出力器７４、第二出力器７５からそれぞれ制御弁１４、サーボモータ１３へ出力される。
【００６６】
各制御演算におけるＰＩＤ定数や回転数計算のための係数、オフセット回転数はそれぞれ独立して設定できるようになっており、各制御に応じて最適な値が設定できるようになっている。
【００６７】
次に、２つのアナログ出力と切換弁１５を操作する信号の出力タイミングについて説明する。図９は各信号の出力タイミングを示す図である。サーボモータ１３の停止状態から制御開始信号が入ると同時にサーボモータ操作量Ｓ２を第二出力器（アナログ出力器）７５から出力する。その後、所定の遅れ時間ｔｄを設けて制御演算を開始し、その演算により計算された操作量を第一出力器（アナログ出力器）７４から制御弁１４へ出力する。また、制御弁１４への出力と同じタイミングで切換弁１５の切換信号と出力する。
【００６８】
この遅れ時間ｔｄの間は復動シリンダ５１の制御をせず、サーボモータ１３を回転させて液体の圧力が上昇するまでの待ち時間としている。この遅れ時間ｔｄを設けることにより復動シリンダ５１を滑らかに動作開始させることができ、本実施形態例のように復動シリンダ５１と負荷が垂直に配置され、圧力がかかっていない状態で自重落下するような装置に対して特に有効である。なお、この遅れ時間ｔｄは第二出力器７５の出力時刻から数１０ミリ秒〔ｍｓ〕程度でよい。
【００６９】
次に本液圧装置の動作の一例を図１０に基づいて説明する。図１０は復動シリンダ５１の変位量、すなわち下金型５８の高さを示すグラフと、復動シリンダ５１の発生力を示すグラフを同一時間軸上に示したものである。下金型５８が上金型５７から離間した状態、すなわち、復動シリンダ５１が引き側にある状態を初期位置として、この位置で対象物５２を下金型５８に載置する。そして、コントローラ７０により速度制御を開始し、復動シリンダ５１を上方へ移動させる。速度は衝撃なく動作開始させるために動作開始時を低速にし、対象物５２が上金型５７に接触するまでは高速に設定し、対象物５２が上金型５７に接触する直前に速度を低速に設定する。接触する位置は対象物５２の高さから設定でき、コントローラ７０に速度切換位置を設定し、変位センサ（リニアエンコーダ）５９でこの位置を検出した時に目標速度の設定を高速から低速に切り換える。
【００７０】
この時、速度制御を連続して行い、切換位置で設定速度のみを切り換えることで、移動を停止することなく連続して行うことができる。そして、低速上昇を続けていくと、上下の金型が接触し、シリンダ内部の圧力が急激に上昇する。速度制御中にも圧力を検知しておき、所定の圧力を検知した時点で速度制御から圧力制御に制御切換により制御を切り換える。例えば、目標圧力１０〔ＭＰａ〕の場合、この圧力より低い２〔ＭＰａ〕に切換圧力を設定する。
【００７１】
圧力制御に切り換え、圧力を目標圧力に制御し、実圧力が目標圧力に安定したら、切換弁１５−１を閉にして圧力を保持する。この時、サーボモータ１３を停止させるようにすれば、エネルギーを消費せずに圧力保持を行うことができる。そして、所定の時間圧力保持をした後、切換弁１５−１を開け、圧抜きを行った後、再び制御を開始し、速度制御により復動シリンダ５１を初期位置へ下降させる。この時も速度切換位置を設定して動作開始時と停止時を低速にすることにより復動シリンダ５１の動作を滑らかに衝撃なく動作させるようにしている。復動シリンダ５１が初期位置への移動が完了したら、成形された対象物５２を下金型５８から取り外し、次の対象物５２を下金型５８に載置する。
【００７２】
次に、コントローラ７０の演算部における他の実施形態例を説明する。図１１は速度制御と圧力制御に関わるコントローラ内部の構成例を示す図である。本方法は前述の実施形態例において、速度制御演算部８３の回転数演算部を変更したもの（図８の速度制御演算部８３を参照）で、液圧装置、液圧回路、電気回路はなんら変更はない。
【００７３】
本方法の回転数演算は速度制御演算部８３において、制御弁１４の操作量Ｓ１に基づいてサーボモータ１３の回転数を演算するようにしている。演算はオフセット回転数＋制御弁への操作量×係数とし、回転数を制御弁１４の操作量Ｓ１に応じて変更するものである。このように制御弁１４の操作量Ｓ１に応じてサーボモータ１３の回転数を変更することにより、よりエネルギーロスを少なくすることができる。この場合、第一出力器７４と第二出力器７５の２つのアナログ出力器からの出力と切換弁１５を操作する信号の出力タイミングに時間遅れの間のサーボモータ１３の回転数は、第一の方式（図８参照）と同じく目標速度、目標圧力に応じた回転数を設定し、制御開始と同時に制御弁の操作量に基づいた回転数演算を行い、この値を出力するようにする。あるいは、最低安定回転数としてもよい。
【００７４】
次に、複数の加圧部を制御する場合の実施形態例を説明する。図１２は加圧装置を２つ備えた液圧装置の構成を示す図、図１３はその液圧回路の構成を示す図である。それぞれの加圧装置は先の実施例（図４参照）と同様である。制御弁１４の制御ポートＡ、Ｂに接続されている２つの切換弁１５−１、１５−２、切換弁１５−３、１５−４を備えたバルブブロック３０−１、３０−２をそれぞれ加圧部５０−１、５０−２の近傍に設け、制御弁１４の制御ポートＡ、Ｂからの配管２８、２８を途中で分岐してそれぞれのバルブブロック３０−１、３０−２に接続している。このように複数の流体利用システム（加圧部５０−１、５０−２）を接続した場合、それぞれのシステムに圧力センサ６０−１、６０−２や変位センサ５９−１、５９−２が設けられる。
【００７５】
先の実施形態例で説明した動作と同様に、まず加圧部５０−１の復動シリンダ５１−１を速度制御で上昇させ加圧した後、バルブブロック３０−１の切換弁１５−１および１５−２を閉じて加圧状態を保持する。加圧部５０−１が加圧保持状態でサーボモータ１３、ポンプ１２は作動しないため、この時間を利用して加圧部５０−２も同様に復動シリンダ５１を速度制御して上昇させ、加圧状態を保持する。そして加圧部５０−２を保持している間に、加圧部５０−１の復動シリンダ５１−１を下降させて対象物５２−１を取り出し、次の対象物５２−１を下金型５８−１内に投入し、再度上昇させて加圧保持を行う。このように切換弁１５−１、１５−２により流体制御部（液圧装置１０）と流体利用システム部（加圧部５０−１、５０−２）を接続、遮断することにより、流体制御部を複数の流体利用システムで利用することができる。すなわち１つのサーボモータ１３、ポンプ１２、制御弁１４を利用して複数の流体利用システムを駆動制御することができる。
【００７６】
上記実施形態例においては、コントローラ７０にはそれぞれの加圧部に設けられたセンサの種類と数だけ入力器が設けられるが、出力器は制御弁１４への出力用として第一出力器７４とサーボモータ１３への出力用として第二出力器７５があればよい。なお、切換弁１５−１、１５−２、１５−３、１５−４をＯＮ，ＯＦＦする接点出力の数はそれぞれの加圧部分だけ増加する。また、コントローラ７０内部の演算もそれぞれのセンサ信号に基づいた速度制御、圧力制御の演算を行い、それぞれの動作に基づいて制御の切換を行う。
【００７７】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、各請求項に記載の発明によれば下記のような優れた効果を有する液圧装置及びその制御方法を提供することができる。
【００７９】
（１）サーボモータを採用することにより液圧装置を小型にすることができる。また、サーボモータの応答性が速いので、動作開始時からポンプの回転を開始しても流体利用システムを瞬時に動作開始させることができる。
【００８０】
（２）制御弁の制御ポートからの流路上に切換弁を設けたので、動作停止時には切換弁を閉じて位置保持や圧力保持ができ、サーボモータを停止してエネルギー消費を小さくすることができる。また、切換弁を設けたので、液圧システムの流体制御部と流体利用システムの動作を独立させることができ、複数の流体利用システムにおいて、一方のシステムが非稼動時に他のシステムを駆動することができる。
【００８１】
（３）ポンプの回転数を目標速度、目標圧力に応じた必要最低限の回転数にすることにより、エネルギーロスを抑えることができる。
【００８２】
（４）制御弁を採用することにより精度のよい速度、圧力制御を実現することができる。また、動作の方向の切換を迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る液圧装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明に係る液圧装置の液圧回路の構成例を示す図である。
【図３】本発明に係る液圧装置の構成例を示す図である。
【図４】本発明に係る液圧装置の構成例を示す図であってシリンダを用いた加圧部を備えた例である。
【図５】図４に係る液圧装置の液圧回路の構成を示す図である。
【図６】本発明に係る液圧装置のコントローラまわりの各種信号の入出力構成例を示す図である。
【図７】電気フィードバック方式の制御弁の構成例を示す断面図である。
【図８】本発明に係る液圧装置のコントローラの内部構成例を示す図である。
【図９】本発明に係る液圧装置の各信号の出力タイミングを示す図である。
【図１０】本発明に係る液圧装置であってアクチュエータとしてシリンダを備える装置において該シリンダ変位とシリンダ発生圧力の変化例を示す図である。
【図１１】本発明に係る液圧装置のコントローラの内部構成例を示す図である。
【図１２】本発明に係る液圧装置の構成例であって加圧部を２つ備えた液圧装置の例を示す図である。
【図１３】図１２に係る液圧装置の液圧回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０ 液圧装置
１１ タンク
１２ ポンプ
１３ サーボモータ
１４ 制御弁
１５ 切換弁
１６ 高圧フィルター
１７ 液面スイッチ
１８ 温度スイッチ
１９ 圧力スイッチ
２０ 駆動軸
２１ ポンプフランジ
２２ モータフランジ
２３ 回転軸
２４ 支柱
２５ カップリング
２６ 吐出し口
２７ 高圧配管
２８ 配管
２９ エンコーダ
３０ バルブブロック
３１ 圧力センサ
３２ チェック弁
３３ 安全弁
４０ 流体利用システム
４１ 金型
４２ 空孔
４３ 管材
４９ 流体制御部
５０ 加圧部
５１ 復動シリンダ
５２ 対象物
５３ 下定盤
５４ 上定盤
５５ ロッド
５６ チューブ
５７ 上金型
５８ 下金型
５９ 変位センサ
６０ 圧力センサ
６１ 支柱
６３ 設定器
７０ コントローラ
７１ 入力器
７２ 入力器
７３ 入力器
７４ 第一出力器
７５ 第二出力器
７６ 出力器
７９ 表示器
８０ アンプ
８１ ドライバ
８２ 制御切換部
８３ 速度制御演算部
８４ 圧力制御演算部
【発明の属する技術分野】
本発明はシリンダの速度や圧力を制御するための液圧装置及びその制御方法に関するものであり、特に高精度の速度や圧力などの制御が要求される液圧装置及びその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリンダの速度や圧力を制御するための液圧装置としては、ポンプを一定回転で駆動し制御弁によってシリンダの速度や圧力を制御する方式と、制御弁は使用せずにサーボモータやインバータを用いてポンプの回転数を制御してシリンダの速度や圧力を制御する方式があった。
【０００３】
また、特許文献１にはポンプ回転数を変更してポンプ吐出圧力を変更し、制御弁の切り換えを行う流体圧装置が記載されている。
【０００４】
従来技術において、ポンプを一定回転数で駆動する場合、エネルギーロスが大きいという問題があった。制御弁を使用せずにポンプ回転数で制御する場合、シリンダの移動方向、加圧方向に対して逆向きの制御に切り換える場合に時間がかかるという問題があった。また、ポンプ回転数制御による速度制御や圧力制御の精度は制御弁による制御よりも劣る。さらに、サーボモータの回転数は指令信号に対して高い応答性を有するが、ポンプの吐出圧力に反映するまでに遅れを有するため、高速な応答性を必要とする圧力制御を実現するには限界があった。
【０００５】
特許文献１の流体圧装置では、常にポンプ吐出圧力を定常圧力に維持するポンプが設けられ駆動されているため、ポンプが２つ必要になる。また、アクチュエータの非稼動時にもエネルギーを消費してしまう。また、制御弁とアクチュエータが直接接続されているため、複数のアクチュエータを制御する場合には制御弁が複数必要になる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−１７３９０３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、上記問題を除去し、液圧装置を小型化することができ、流体システムを瞬時に作動開始させることができ、エネルギー消費及びロスが少なくでき、精度のよい速度、圧力制御が実現でき、更に動作の方向の切換えを迅速に行うことが出来る液圧装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の液圧装置においては、基本的にサーボモータと制御弁とを同時に備え、且つそれらを互いに独立して制御できる構成とすることによって前記課題を解決しようとするものである。即ち、請求項１に記載の発明は、回転数指令信号に基づいて回転数を変更するサーボモータと、該サーボモータにより駆動される液圧ポンプと、該液圧ポンプから吐出される高圧流体を供給ポートに導入し弁開度指令信号に基づいて弁開度を変更して制御ポートからの流量及び圧力を制御する制御弁を備え、該制御弁の制御ポートからの流路に該流路を開閉する切換弁を設けたことを特徴とする液圧装置にある。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の液圧装置において、制御弁の制御ポートを液圧アクチュエータに接続したことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の液圧装置において、前記アクチュエータの変位量を検知するセンサ及び／又は該アクチュエータの発生力を検知するセンサを設けたことを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の液圧装置において、前記制御弁の制御ポートに、該制御ポートの圧力を検出するセンサを設けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の液圧装置において、前記センサによって検出された値に基づいて操作量を演算するコントローラを備え、該コントローラは該センサの出力信号を入力する入力器と、前記制御弁へ弁開度指令信号を出力する第一の出力器と、前記サーボモータへ回転数指令信号を出力する第二の出力器と、前記切換弁の切換信号を出力する出力器とを備え、前記センサの信号を前記入力器に接続し、前記第一及び第二の出力器からの信号をそれぞれ前記制御弁と前記サーボモータに接続し前記出力器からの切換信号を前記切換弁に接続したことを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、回転数指令信号に基づいて回転数を変更するサーボモータと、該サーボモータにより駆動される液圧ポンプと、該液圧ポンプから吐出される高圧流体を供給ポートに導入し弁開度指令信号に基づいて弁開度を変更して制御ポートからの流量及び圧力を制御する制御弁を備え、該制御弁の制御ポートからの流路に該流路を開閉する切換弁を設けるとともに、該制御ポートを液圧アクチュエータに接続した液圧装置の制御方法であって、前記液圧アクチュエータの変位量を検知するセンサ及び／又は該アクチュエータの発生力を検知するセンサの出力値、又は前記制御ポートの圧力を検出するセンサの出力値をコントローラにフィードバックして制御弁の操作量を該コントローラにより演算し、該操作量を第一の出力器から制御弁に出力するとともに、目標速度、目標圧力に応じたサーボモータの回転数操作量を前記コントローラにより演算し、サーボモータの回転数操作量を第二の出力器からサーボモータへ出力することを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の液圧装置の制御方法において、前記目標速度、目標圧力に応じたサーボモータの回転数は、所定のオフセット回転数と前記目標速度に所定の係数を乗じた回転数を加算した回転数、又は所定のオフセット回転数と前記目標圧力に所定の係数を乗じた回転数を加算した回転数にすることを特徴とする。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の液圧装置の制御方法において、前記目標速度に応じたサーボモータの回転数は、所定のオフセット回転数と前記制御弁への操作量に所定の係数を乗じた回転数を加算した回転数にすることを特徴とする。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、請求項６に記載の液圧装置の制御方法において、前記第二出力器の出力時刻に対し、切換弁の出力器の出力時刻と第一出力器の出力時刻とを所定の時間遅らせることを特徴とする。
【００１７】
請求項１０に記載の発明は、回転数指令信号に基づいて回転数を変更するサーボモータと、該サーボモータにより駆動される液圧ポンプと、該液圧ポンプから吐出される高圧流体を供給ポートに導入し弁開度指令信号に基づいて弁開度を変更して制御ポートからの流量及び圧力を制御する制御弁を備え、該制御弁の制御ポートからの流路に該流路を開閉する切換弁を設け、該制御ポートを液圧アクチュエータに接続し、該アクチュエータの変位量を検知するセンサ及び／又は該アクチュエータの発生力を検知するセンサを設け、入力器と第一及び第二の出力器とを備えたコントローラを設け、前記センサの出力信号値を該コントローラの入力器にフィードバックして該制御弁の操作量を該コントローラにより演算し、該制御弁の操作量を第一の出力器から制御弁に出力するとともに、該コントローラにより目標速度、目標圧力に応じたサーボモータの回転数操作量を演算し、該サーボモータの回転数操作量を第二の出力器から該サーボモータへ出力するように構成したことを特徴とする。
【００１８】
請求項１１に記載の発明は、回転数指令信号に基づいて回転数を変更するサーボモータと、該サーボモータにより駆動される液圧ポンプと、該液圧ポンプから吐出される高圧流体を供給ポートに導入し弁開度指令信号に基づいて弁開度を変更して制御ポートからの流量及び圧力を制御する制御弁を備え、該制御弁の制御ポートからの流路に該流路を開閉する切換弁を設け、該制御ポートの圧力を検出するセンサを設け、入力器と第一及び第二の出力器を備えたコントローラを設け、前記センサの出力信号値を該コントローラの入力器にフィードバックして該制御弁の操作量を該コントローラにより演算し、該制御弁の操作量を第一の出力器から該制御弁に出力するとともに、該コントローラで目標速度、目標圧力に応じたサーボモータの回転数操作量を演算し、該サーボモータの回転数操作量を第二の出力器から該サーボモータへ出力するように構成したことを特徴とする。
【００１９】
上記のように各請求項に記載の発明は、液圧装置にサーボモータを採用することにより液圧装置の小型化が可能で、サーボモータの応答性が速いので、動作開始時からポンプの回転を開始しても流体利用システムを瞬時に動作開始させることが可能となる。
【００２０】
また、制御弁の制御ポートからの流路上に切換弁を設けることにより、動作停止時には切換弁を閉じて位置保持や圧力保持ができ、サーボモータを停止してエネルギー消費を小さくすることも可能となる。また、切換弁を設けることにより、液圧システムの流体制御部と流体利用システムの動作を独立させることができ、複数の流体利用システムにおいて、一方のシステムが非稼動時に他のシステムを駆動することが可能となる。
【００２１】
ポンプの回転数を目標速度、目標圧力に応じた必要最低限の回転数にすることにより、エネルギーロスを抑えることが可能となる。また、制御弁を採用することにより精度のよい速度、圧力制御を実現することができる。
【００２２】
また、動作の方向の切換を迅速に行うことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る液圧装置の構成を示す図である。液圧装置１０は圧力媒体である液体を貯めておくタンク１１、高圧流体を発生するポンプ１２、該ポンプ１２を駆動するサーボモータ１３、流体の流量・圧力を制御する制御弁１４、流体の流れを切り換える切換弁１５、そして高圧フィルター１６、液面スイッチ１７、温度スイッチ１８、圧力スイッチ１９などの補器類から構成されている。
【００２４】
ポンプ１２は駆動軸（シャフト）２０を上方に向けてポンプフランジ２１に取り付けられ、ポンプ１２をタンク１１内に収容するようにポンプフランジ２１がタンク１１上面に固定されている。また、モータフランジ２２に取り付けられたサーボモータ１３が回転軸２３を下方に向けて配置されている。サーボモータ１３の回転軸２３とポンプ１２の駆動軸２０は軸心を同一とし対向するように配置され、ポンプフランジ２１とモータフランジ２２が支柱２４により固定されている。また、ポンプ１２の駆動軸２０とサーボモータ１３の回転軸２３はカップリング２５により連結されている。
【００２５】
ポンプ１２の吐出し口２６から配管でタンク１１外に設置した高圧フィルター１６に導入され、濾過された高圧流体を制御弁１４や切換弁１５を取り付けるためのバルブブロック３０へ導入するように高圧配管２７が接続されている。バルブブロック３０には高圧流体を導入して制御弁１４へ連通させる流路や制御弁１４の出力である制御ポートを切換弁１５へ連通させる流路などが加工されており、後述する液圧回路の流路を構成すると共に、バルブを取り付ける架台として設けられている。なお、２９はサーボモータ１３の回転軸２３の回転角信号Ａ１を検出するエンコーダである。
【００２６】
タンク１１の側面には内部の流体の液面と温度を検知する液面スイッチ１７と、温度スイッチ１８が取り付けられている。また、高圧配管２７を分岐して圧力スイッチ１９が取り付けられている。また、制御弁１４の制御ポートから切換弁１５を介して流体利用システム４０へ配管２８が取り付けられており、その配管２８を分岐して圧力センサ３１が設けられている。
【００２７】
ポンプ１２は可変容量式ポンプと固定容量式ポンプと呼ばれるものがあるが、本実施形態におけるポンプ１２には固定容量式ポンプを用いている。固定容量式ポンプは一回転当りの吐出量が構造的に一定のポンプであるが、ここでは回転数を変更することにより単位時間当りの吐出し流量を可変にし、また、ポンプ吐出側の抵抗と回転数に応じて吐出圧力を可変にしている。
【００２８】
また、本実施形態のポンプ１２は回転方向が一方向のみで、吸込口（図示せず）と吐出し口２６が構造的に決まっているもので、回転方向によって吸込口と吐出し口２６が切り換るものではない。したがって、サーボモータ１３の回転も一方向の回転のみ行うようにしている。
【００２９】
図２は液圧回路の構成を示す図である。サーボモータ１３に接続され、タンク１１内の流体を吸い込み高圧流体を吐出するポンプ１２からチェック弁３２を介して高圧フィルター１６へ接続されている。チェック弁３２と高圧フィルター１６の間の流路は分岐して安全弁３３を介してタンク１１へ戻される。高圧フィルター１６で濾過された流体は制御弁１４の供給ポートＰへ導かれる。制御弁１４は４つのポート（供給ポートＰ、タンクポートＴ、制御ポートＡ、制御ポートＢ）を備え、制御ポートＡ、Ｂはそれぞれ切換弁１５−１、１５−２を介して流体利用システム４０へ連通し、タンクポートＴはタンク１１へ連通している。
【００３０】
制御弁１４の制御ポートＡ、Ｂに接続された切換弁１５−１、１５−２は流路の開閉を行い、制御弁１４と流体利用システム４０との切換を行う。制御ポートＡに接続された切換弁１５−１から外部への配管２８は分岐して圧力センサ３１が取り付けられている。
【００３１】
次に、上記構成の液圧回路の作用について説明する。サーボモータ１３に指令信号を与え、サーボモータ１３の回転軸２３を回転することによりカップリング２５で連結されているポンプ１２の駆動軸２０を回転させると、ポンプ１２下面の吸込口（図示せず）からタンク１１内の流体を吸込み、吐出し口２６から高圧の流体を吐出する。高圧の流体はタンク１１内の高圧配管２７でタンク１１外の高圧フィルター１６へ導かれる。高圧フィルター１６への高圧配管２７は途中で分岐して安全弁３３を介して一方はタンク１１へ戻るようになっている。安全弁３３はポンプ１２の吐出し側の圧力を制限するもので、高圧配管２７やポンプ１２を保護するために設けられている。
【００３２】
高圧フィルター１６で濾過された流体は制御弁１４の供給ポートＰに導入され、制御弁１４へ外部から信号を与えることにより供給ポートＰから制御ポートＡ、Ｂへの流れを制御し、同時に制御ポートＡ、ＢからタンクポートＴへの流れを制御する。制御弁１４は各ポートを切り換えるのと同時に弁開度を調整し、制御ポートＡ、Ｂへの流量や圧力を制御する。
【００３３】
本実施形態例の液圧装置に流体利用システム４０として、例えば流体加圧成形装置（ハイドロフォーミング装置）に接続し、流体圧力を制御して成形を行う装置などに応用することができる。
【００３４】
図３は上記構成の液圧装置１０を流体加圧成形装置（ハイドロフォーミング装置）に用いる構成例を示す図である。図３中の左側の液圧装置１０は上記液圧装置１０と同一の構成である。流体利用システム４０である流体加圧成形装置は上下二つ割りの金型４１であって、該金型４１は互いに係合した状態で空孔４２が形成されるようになっており、管材４３を金型４１にはさみ込んだ状態で金型４１を相互に係合している。
【００３５】
管材４３の内側に流体が流れるように液圧装置１０を接続している。この状態において、液圧装置１０の制御ポートＢ（図２参照）に接続された切換弁１５−２を閉じ、制御ポートＡに接続された切換弁１５−１を開とする。そして液圧装置１０により高圧流体を管材４３に供給すると共に、圧力センサ３１で検出した圧力をフィードバックして制御弁１４およびサーボモータ１３を制御する。管材４３は内部圧力によって金型４１の空孔４２の形に拡張することで、管材４３を成形する。
【００３６】
上記構成の液圧装置１０はこの他、流体利用システム４０として流体の圧力を回転運動に変換するモータや、直線運動に変換するシリンダを接続することにより様々なシステムに応用することができる。
【００３７】
流体利用システム４０の他の具体例として流体の圧力を利用して直線運動・加圧を行うシリンダを有する加圧部を備えた液圧装置を説明する。図４は上記液圧装置１０を加圧装置に用いた構成例を示す図である。加圧部５０はアクチュエータをシリンダとしてその動作方向、速度、発生力を制御し、対象物５２を成形するものであり、高圧流体を発生する液圧装置１０は図１及び図２で示した液圧装置と同じ構成である。
【００３８】
下定盤５３と上定盤５４が支柱６１によって連結されており、垂直に配置された復動シリンダ５１のチューブ５６側が下定盤５３に固定されている。上定盤５４には上金型５７が取り付けられ、復動シリンダ５１のロッド５５の先端には下金型５８が取り付けられている。復動シリンダ５１を上下動及び上方に加圧することにより、下金型５８を上下動及び下金型５８を上金型５７に加圧する。
【００３９】
また、下金型５８の位置を検出する変位センサ５９が上定盤５４と下金型５８に取り付けられ、復動シリンダ５１内部の圧力を検出する圧力センサ６０が切換弁１５と復動シリンダ５１を接続する配管（ホース）２８に設けられている。本実施形態例において、変位センサ５９としてリニアエンコーダを用い、圧力センサ６０として動歪式圧力センサが採用されている。圧力センサ６０は圧力を検出することにより、復動シリンダ５１の発生力を検知している。
【００４０】
そして、前述した液圧装置１０の制御弁１４の制御ポートＡ、Ｂ（図２参照）が復動シリンダ５１に接続されている。ここで、先に説明したサーボモータ１３、ポンプ１２、制御弁１４、切換弁１５などから構成される部分を流体制御部４９とし、復動シリンダ５１や上下定盤５４、５３、上下金型５７、５８などから構成される部分を加圧部５０とし、全体として液圧装置１０を構成している。
【００４１】
図４に示す構成の液圧装置において、制御弁１４の制御ポートＡ、Ｂからの流量を制御することで復動シリンダ５１の上昇速度を制御し、圧力を制御することで復動シリンダ５１の発生力を制御する。また、供給ポートＰからの圧力流体を制御ポートＡへ導入し制御ポートＢから排出することにより、復動シリンダ５１を上昇させ、逆に制御ポートＢへ導入し制御ポートＡから排出することにより復動シリンダ５１を下降させることができる。すなわち、制御弁１４により復動シリンダ５１の移動方向を切り換えている。
【００４２】
図５は図４に示す液圧装置の液圧回路の構成例を示す図である。切換弁１５−１、１５−２までの構成は図２と同様であり、制御弁１４の制御ポートＡ、Ｂが切換弁１５−１、１５−２を介して復動シリンダ５１のピストン５１ａによって分割された空間に接続されている。この空間の流体を導入・排出することにより、ピストン５１ａに接続されたロッド５５の速度や位置を制御し、導入・排出する圧力を制御することによりロッド５５からの発生力を制御する。切換弁１５−１、１５−２は制御弁１４と復動シリンダ５１を連通するか、閉鎖するかを選択的に行うとともに、ポンプ１２停止時に復動シリンダ５１の位置を保持することや、復動シリンダ５１へ導入した圧力を保持する。
【００４３】
また、液面スイッチ１７、温度スイッチ１８、圧力スイッチ１９等の補器類はシステムの状態異常を検知して、機器を保護するとともに、装置を安全に運転するために設けられており、スイッチとして作用する。例えば、タンク１１内の水位が低下し液面スイッチ１７の接点が切れると水位異常として液圧装置を停止させるようにプログラムされている。また、圧力スイッチ１９は異常な高圧の時に接点が入るスイッチ機能と同時に、現在の圧力を目視できるように表示器が付いている。
【００４４】
次に本液圧装置のコントローラの入出力及び電気機器について説明する。図６はコントローラまわりの各種信号の接続構成を示す図である。装置に設けられた復動シリンダ５１の変位を検出する変位センサ（リニアエンコーダ）５９と、復動シリンダ５１内部の圧力を検出する圧力センサ６０がコントローラ７０の入力器７１、７２にそれぞれ接続されている。入力器７１は変位センサ（リニアエンコーダ）５９のパルス信号をコントローラ７０に取り込むための第一の入力器としてのパルスカウンタ、入力器７２は圧力センサ６０のアナログ電圧値を取り込むための第二の入力器としてのアナログ・デジタル変換器（以下ＡＤ変換器と称す）である。
【００４５】
また、液圧装置１０に取り付けられている液面スイッチ１７、温度スイッチ１８、圧力スイッチ１９等のスイッチのＯＮ、ＯＦＦ状態を入力するための入力器７３を備えている。なお、図６では１つの入力として代表しているが、実際にはこれらのスイッチの数に相当する接点数を備えている。装置を操作する操作パネルを設ける場合、制御開始スイッチや緊急停止などもこの入力器７３に接続される。
【００４６】
また、コントローラ７０に目標圧力や目標速度などの装置を制御するための値を設定するために設定器６３が接続可能になっている。設定器６３はパソコンやタッチパネルなどであり、設定器６３をインターフェースとしてコントローラ７０に設定値を設定する。このような設定器６３はシリアル通信で接続されるのが一般的である。
【００４７】
出力器としてコントローラ７０内部で演算された制御弁１４の操作量Ｓ１を出力する第一出力器７４と、サーボモータへの操作量Ｓ２を出力する第二出力器７５を備えている。制御弁１４、サーボモータ１３はそれぞれアナログ信号で制御するようになっているため、出力器７４、７５はデジタル・アナログ変換器（ＤＡ変換器）である。また、切換弁１５を開閉するＯＮ、ＯＦＦ信号Ｓ３を出力する出力器７６を備えている。さらに、制御時のデータや現在値を表示する表示器７９が接続できるようになっている。
【００４８】
コントローラ７０は入出力用の基板を取り付けたＰＣ（パーソナルコンピュータ）や、入出力モジュールを取り付けたＰＬＣ（プログラム・ロジック・コントローラ）により実現することができる。ここで、速度制御や圧力制御に関して、制御すべき対象の、例えば圧力・位置などの状態を検出するセンサからの信号を制御量Ｃ１、Ｃ２と呼び、コントローラ７０によって演算され外部へ出力される信号を操作量Ｓ１、Ｓ２と呼ぶ。
【００４９】
制御弁１４のアンプ８０は制御弁１４の弁開度を制御するもので、制御弁１４の弁開度（弁の変位量）Ｖ１をフィードバックして駆動電力Ｐ１を出力するようになっている。このような制御弁１４を一般的に電気フィードバック方式の制御弁と称している。アンプ８０に外部から操作量（アナログ信号）Ｓ１を入力することにより操作量Ｓ１に応じた制御弁１４の弁開度を得るようにアンプ８０が駆動電力Ｐ１を出力するようになっている。
【００５０】
図７は電気フィードバック方式の制御弁の一例を示す制御弁１４の略断面図である。弁本体１４−１に固定され流路が形成されたスリーブ１４−２と、該スリーブ１４−２内を図中左右に移動するスプール１４−３を備え、該スプール１４−３が静圧軸受１４−７で支持され左右に移動することにより供給ポートＰに導入された圧力流体を制御ポートＡ、Ｂのいずれか一方に供給し、もう一方をタンクポートＴへ連通させる。そして、スプール１４−３の移動量を変化させることにより弁の開度を調整する。
【００５１】
スプール１４−３の左側には変位センサ（差動変圧器）１４−４が取り付けられており、スプール１４−３と連結されたセンサコア１４−４ａの変位量を検出する。ここで検出されたスプール１４−３の変位をフィードバックし、外部からの指令信号との偏差に基づいてトルクモータ部１４−５を駆動するようになっている。
【００５２】
トルクモータ部１４−５はコイル１４−５ａに電流を流すことにより電磁力によりアーマチュア１４−５ｂを継鉄１４−５ｃに吸引し、フラッパ１４−５ｄを微少量だけ傾倒させ、ノズル１４−６とフラッパ１４−５ｄ間の距離を変更させる。ノズル１４−６とフラッパ１４−５ｄ間の距離が変わるとノズル１４−６からの流れ抵抗が変化し、その結果、左右のノズル上流の圧力が変化する。この圧力差によってスプール１４−３が左右に駆動される。
【００５３】
制御弁１４のアンプ８０内には変位センサの信号処理を行うオシレータ／デモジュレータ８０ａ、該オシレータ／デモジュレータ８０ａの出力であるフィードバック信号８０ｂと指令信号との偏差を演算する演算回路８０ｃ、偏差信号に基づいてコイルの駆動電流を発生する増幅回路８０ｄが内蔵されている。
【００５４】
また、図６に示すように、サーボモータ１３のドライバ８１も同様にサーボモータ１３の回転軸２３の回転角度を検出するエンコーダ２９からの回転角信号Ａ１をフィードバックしてサーボモータ１３の駆動電力Ｐ２を出力しサーボモータ１３の角度、速度を制御する機能を備えている。エンコーダ２９は図１に示すようにサーボモータ１３上部に回転軸２３と同軸に取り付けられている。エンコーダ２９からの回転角信号Ａ１をフィードバックすることにより外部から作用するトルクが変化しても回転数を精度良く指令回転数に追従するようにしている。
【００５５】
ドライバ８１に外部からアナログ信号（操作量）Ｓ２を入力することにより、信号に応じた回転数に制御するようになっている。ドライバ８１は位置制御モード、速度制御モード、トルク制御モードが選択できるようになっているが、本実施形態例においては速度制御モードを選択し、外部からのアナログ信号に対して回転数を対応させるようにしている。
【００５６】
ここで、外部信号によって回転数を変更する方法として誘導電動機をインバータ制御することが知られているが、インバータ方式では信号入力時刻から指令回転数に回転数が上昇するまでに時間がかかるため、本発明の液圧装置には適していない。具体的には停止状態から定格回転数２０００〔ｒｐｍ〕に立ち上がるまでの時間が２００〔ｍｓ〕以下の応答性があるサーボモータが望ましい。
【００５７】
上記のように、制御弁１４のアンプ８０、サーボモータ１３のドライバ８１は、制御弁１４やサーボモータ１３の仕様に調整された制御機能と電力増幅機能を備えており、ユーザーは内部の制御パラメータを操作することなく、外部から信号を入力することでその信号に応じた弁開度あるいは回転数にするようになっている。
【００５８】
このように制御弁１４のアンプ８０とサーボモータ１３のドライバ８１は内部信号をフィードバックして制御するコントローラになっているが、ここでは信号処理や制御演算などの内部処理については触れず、外部信号に応じた弁開度及び回転数するものとして扱う。例えば、サーボモータ１３の回転数０〜２０００〔ｒｐｍ〕を０〜１０〔Ｖ〕の電圧に対応させ、アナログ入力に対して２００〔ｒｐｍ／Ｖ〕の割り合いの回転数で駆動する。また、制御弁１４は弁開度±１００〔％〕を±１０〔Ｖ〕に対応させ、アナログ入力により弁開度を変更する。
【００５９】
次に、コントローラ７０内部の詳細を説明する。図８は速度制御と圧力制御に関わるコントローラ７０内部の構成例を示す図である。コントローラ７０の内部は速度制御演算部８３と圧力制御演算部８４があり、それぞれで演算された操作量Ｓ１、Ｓ２を選択的に切り換える制御切換部８２を備えている。
【００６０】
速度制御演算部８３では、入力器７１であるカウンタによってカウントされている変位センサ（リニアエンコーダ）５９のパルス数をシリンダ変位に換算し、変化量をシリンダ速度に換算する速度演算を行う。このシリンダ速度と設定器６３−１によって予め設定された目標速度との偏差に基づく制御演算を行う。制御演算は比例演算、積分演算、微分演算からなる一般的なＰＩＤ制御演算である。この演算によって計算された制御弁操作量Ｓ１を制御切換部８２へ出力する。
【００６１】
また同時に、目標速度に基づく回転数演算を行いその結果であるサーボモータ操作量Ｓ２を制御切換部８２へ出力する。回転数演算は所定のオフセット回転数＋目標速度×係数の演算を行う。オフセット回転数をＲｖｏ、目標速度をｖｒ、係数をαとすると、回転数Ｒｖは次式で与えられる。
Ｒｖ＝Ｒｖｏ＋ｖｒ×α
【００６２】
例えば、オフセット回転数１００〔ｒｐｍ〕、目標速度１００〔ｍｍ／ｓ〕、係数１０〔ｒｐｍ・ｓ／ｍｍ〕とすると回転数指令値は１００＋１００×１０＝１１００〔ｒｐｍ〕となる。係数αは固定値としている。ここで、オフセット回転数を設定するのは、復動シリンダ５１が垂直に配置されてロッド５５に負荷がかかっているため、これを保持するために圧力を発生させるためである。オフセット回転数は自重を保持するのに必要な圧力を発生する回転数に設定することが望ましい。
【００６３】
先に述べたように本実施形態のポンプ１２は一方向の回転のみ行うものであるため、復動シリンダ５１を下降させる場合などに速度の値をマイナスで扱う場合にはその絶対値に係数を乗じるものとする。
【００６４】
また、圧力制御演算部８４では圧力センサ６０から入力された値をシリンダ圧力へ換算し、設定器６３−２によって設定された目標圧力との偏差を計算してＰＩＤ制御演算を行い操作量Ｓ１とする。操作量Ｓ１は制御切換部８２へ出力する。また、圧力制御の場合も目標速度に応じて、所定のオフセット回転数＋目標圧力×係数の演算を行い第二のアナログ出力からサーボモータ１３のドライバ８１へ回転数指令値を出力する。オフセット回転数をＲｐｏ、目標圧力をｐｒ、係数をβとすると、回転数Ｒｐは次式で与えられる。
Ｒｐ＝Ｒｐｏ＋ｐｒ×β
【００６５】
圧力制御の場合、オフセット回転数はポンプ１２の安定最低回転数に設定することが望ましい。ポンプ１２の安定最低回転数とはポンプ１２の出力圧力が制御精度に影響を与えるような脈動がなく、ポンプ１２の回転に対する摩擦に対して回転数が安定する回転数であり、選定されたポンプ性能に依存する値であるが、本実施形態例では１００〔ｒｐｍ〕程度としている。そして、速度制御を行うか圧力制御を行うかを制御切換部８２によって切り換え、制御弁操作量Ｓ１を第一出力器７４へ、サーボモータ操作量Ｓ２を第二出力器７５へ出力する。制御弁操作量Ｓ２とサーボモータ操作量Ｓ２は第一出力器７４、第二出力器７５からそれぞれ制御弁１４、サーボモータ１３へ出力される。
【００６６】
各制御演算におけるＰＩＤ定数や回転数計算のための係数、オフセット回転数はそれぞれ独立して設定できるようになっており、各制御に応じて最適な値が設定できるようになっている。
【００６７】
次に、２つのアナログ出力と切換弁１５を操作する信号の出力タイミングについて説明する。図９は各信号の出力タイミングを示す図である。サーボモータ１３の停止状態から制御開始信号が入ると同時にサーボモータ操作量Ｓ２を第二出力器（アナログ出力器）７５から出力する。その後、所定の遅れ時間ｔｄを設けて制御演算を開始し、その演算により計算された操作量を第一出力器（アナログ出力器）７４から制御弁１４へ出力する。また、制御弁１４への出力と同じタイミングで切換弁１５の切換信号と出力する。
【００６８】
この遅れ時間ｔｄの間は復動シリンダ５１の制御をせず、サーボモータ１３を回転させて液体の圧力が上昇するまでの待ち時間としている。この遅れ時間ｔｄを設けることにより復動シリンダ５１を滑らかに動作開始させることができ、本実施形態例のように復動シリンダ５１と負荷が垂直に配置され、圧力がかかっていない状態で自重落下するような装置に対して特に有効である。なお、この遅れ時間ｔｄは第二出力器７５の出力時刻から数１０ミリ秒〔ｍｓ〕程度でよい。
【００６９】
次に本液圧装置の動作の一例を図１０に基づいて説明する。図１０は復動シリンダ５１の変位量、すなわち下金型５８の高さを示すグラフと、復動シリンダ５１の発生力を示すグラフを同一時間軸上に示したものである。下金型５８が上金型５７から離間した状態、すなわち、復動シリンダ５１が引き側にある状態を初期位置として、この位置で対象物５２を下金型５８に載置する。そして、コントローラ７０により速度制御を開始し、復動シリンダ５１を上方へ移動させる。速度は衝撃なく動作開始させるために動作開始時を低速にし、対象物５２が上金型５７に接触するまでは高速に設定し、対象物５２が上金型５７に接触する直前に速度を低速に設定する。接触する位置は対象物５２の高さから設定でき、コントローラ７０に速度切換位置を設定し、変位センサ（リニアエンコーダ）５９でこの位置を検出した時に目標速度の設定を高速から低速に切り換える。
【００７０】
この時、速度制御を連続して行い、切換位置で設定速度のみを切り換えることで、移動を停止することなく連続して行うことができる。そして、低速上昇を続けていくと、上下の金型が接触し、シリンダ内部の圧力が急激に上昇する。速度制御中にも圧力を検知しておき、所定の圧力を検知した時点で速度制御から圧力制御に制御切換により制御を切り換える。例えば、目標圧力１０〔ＭＰａ〕の場合、この圧力より低い２〔ＭＰａ〕に切換圧力を設定する。
【００７１】
圧力制御に切り換え、圧力を目標圧力に制御し、実圧力が目標圧力に安定したら、切換弁１５−１を閉にして圧力を保持する。この時、サーボモータ１３を停止させるようにすれば、エネルギーを消費せずに圧力保持を行うことができる。そして、所定の時間圧力保持をした後、切換弁１５−１を開け、圧抜きを行った後、再び制御を開始し、速度制御により復動シリンダ５１を初期位置へ下降させる。この時も速度切換位置を設定して動作開始時と停止時を低速にすることにより復動シリンダ５１の動作を滑らかに衝撃なく動作させるようにしている。復動シリンダ５１が初期位置への移動が完了したら、成形された対象物５２を下金型５８から取り外し、次の対象物５２を下金型５８に載置する。
【００７２】
次に、コントローラ７０の演算部における他の実施形態例を説明する。図１１は速度制御と圧力制御に関わるコントローラ内部の構成例を示す図である。本方法は前述の実施形態例において、速度制御演算部８３の回転数演算部を変更したもの（図８の速度制御演算部８３を参照）で、液圧装置、液圧回路、電気回路はなんら変更はない。
【００７３】
本方法の回転数演算は速度制御演算部８３において、制御弁１４の操作量Ｓ１に基づいてサーボモータ１３の回転数を演算するようにしている。演算はオフセット回転数＋制御弁への操作量×係数とし、回転数を制御弁１４の操作量Ｓ１に応じて変更するものである。このように制御弁１４の操作量Ｓ１に応じてサーボモータ１３の回転数を変更することにより、よりエネルギーロスを少なくすることができる。この場合、第一出力器７４と第二出力器７５の２つのアナログ出力器からの出力と切換弁１５を操作する信号の出力タイミングに時間遅れの間のサーボモータ１３の回転数は、第一の方式（図８参照）と同じく目標速度、目標圧力に応じた回転数を設定し、制御開始と同時に制御弁の操作量に基づいた回転数演算を行い、この値を出力するようにする。あるいは、最低安定回転数としてもよい。
【００７４】
次に、複数の加圧部を制御する場合の実施形態例を説明する。図１２は加圧装置を２つ備えた液圧装置の構成を示す図、図１３はその液圧回路の構成を示す図である。それぞれの加圧装置は先の実施例（図４参照）と同様である。制御弁１４の制御ポートＡ、Ｂに接続されている２つの切換弁１５−１、１５−２、切換弁１５−３、１５−４を備えたバルブブロック３０−１、３０−２をそれぞれ加圧部５０−１、５０−２の近傍に設け、制御弁１４の制御ポートＡ、Ｂからの配管２８、２８を途中で分岐してそれぞれのバルブブロック３０−１、３０−２に接続している。このように複数の流体利用システム（加圧部５０−１、５０−２）を接続した場合、それぞれのシステムに圧力センサ６０−１、６０−２や変位センサ５９−１、５９−２が設けられる。
【００７５】
先の実施形態例で説明した動作と同様に、まず加圧部５０−１の復動シリンダ５１−１を速度制御で上昇させ加圧した後、バルブブロック３０−１の切換弁１５−１および１５−２を閉じて加圧状態を保持する。加圧部５０−１が加圧保持状態でサーボモータ１３、ポンプ１２は作動しないため、この時間を利用して加圧部５０−２も同様に復動シリンダ５１を速度制御して上昇させ、加圧状態を保持する。そして加圧部５０−２を保持している間に、加圧部５０−１の復動シリンダ５１−１を下降させて対象物５２−１を取り出し、次の対象物５２−１を下金型５８−１内に投入し、再度上昇させて加圧保持を行う。このように切換弁１５−１、１５−２により流体制御部（液圧装置１０）と流体利用システム部（加圧部５０−１、５０−２）を接続、遮断することにより、流体制御部を複数の流体利用システムで利用することができる。すなわち１つのサーボモータ１３、ポンプ１２、制御弁１４を利用して複数の流体利用システムを駆動制御することができる。
【００７６】
上記実施形態例においては、コントローラ７０にはそれぞれの加圧部に設けられたセンサの種類と数だけ入力器が設けられるが、出力器は制御弁１４への出力用として第一出力器７４とサーボモータ１３への出力用として第二出力器７５があればよい。なお、切換弁１５−１、１５−２、１５−３、１５−４をＯＮ，ＯＦＦする接点出力の数はそれぞれの加圧部分だけ増加する。また、コントローラ７０内部の演算もそれぞれのセンサ信号に基づいた速度制御、圧力制御の演算を行い、それぞれの動作に基づいて制御の切換を行う。
【００７７】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、各請求項に記載の発明によれば下記のような優れた効果を有する液圧装置及びその制御方法を提供することができる。
【００７９】
（１）サーボモータを採用することにより液圧装置を小型にすることができる。また、サーボモータの応答性が速いので、動作開始時からポンプの回転を開始しても流体利用システムを瞬時に動作開始させることができる。
【００８０】
（２）制御弁の制御ポートからの流路上に切換弁を設けたので、動作停止時には切換弁を閉じて位置保持や圧力保持ができ、サーボモータを停止してエネルギー消費を小さくすることができる。また、切換弁を設けたので、液圧システムの流体制御部と流体利用システムの動作を独立させることができ、複数の流体利用システムにおいて、一方のシステムが非稼動時に他のシステムを駆動することができる。
【００８１】
（３）ポンプの回転数を目標速度、目標圧力に応じた必要最低限の回転数にすることにより、エネルギーロスを抑えることができる。
【００８２】
（４）制御弁を採用することにより精度のよい速度、圧力制御を実現することができる。また、動作の方向の切換を迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る液圧装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明に係る液圧装置の液圧回路の構成例を示す図である。
【図３】本発明に係る液圧装置の構成例を示す図である。
【図４】本発明に係る液圧装置の構成例を示す図であってシリンダを用いた加圧部を備えた例である。
【図５】図４に係る液圧装置の液圧回路の構成を示す図である。
【図６】本発明に係る液圧装置のコントローラまわりの各種信号の入出力構成例を示す図である。
【図７】電気フィードバック方式の制御弁の構成例を示す断面図である。
【図８】本発明に係る液圧装置のコントローラの内部構成例を示す図である。
【図９】本発明に係る液圧装置の各信号の出力タイミングを示す図である。
【図１０】本発明に係る液圧装置であってアクチュエータとしてシリンダを備える装置において該シリンダ変位とシリンダ発生圧力の変化例を示す図である。
【図１１】本発明に係る液圧装置のコントローラの内部構成例を示す図である。
【図１２】本発明に係る液圧装置の構成例であって加圧部を２つ備えた液圧装置の例を示す図である。
【図１３】図１２に係る液圧装置の液圧回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０ 液圧装置
１１ タンク
１２ ポンプ
１３ サーボモータ
１４ 制御弁
１５ 切換弁
１６ 高圧フィルター
１７ 液面スイッチ
１８ 温度スイッチ
１９ 圧力スイッチ
２０ 駆動軸
２１ ポンプフランジ
２２ モータフランジ
２３ 回転軸
２４ 支柱
２５ カップリング
２６ 吐出し口
２７ 高圧配管
２８ 配管
２９ エンコーダ
３０ バルブブロック
３１ 圧力センサ
３２ チェック弁
３３ 安全弁
４０ 流体利用システム
４１ 金型
４２ 空孔
４３ 管材
４９ 流体制御部
５０ 加圧部
５１ 復動シリンダ
５２ 対象物
５３ 下定盤
５４ 上定盤
５５ ロッド
５６ チューブ
５７ 上金型
５８ 下金型
５９ 変位センサ
６０ 圧力センサ
６１ 支柱
６３ 設定器
７０ コントローラ
７１ 入力器
７２ 入力器
７３ 入力器
７４ 第一出力器
７５ 第二出力器
７６ 出力器
７９ 表示器
８０ アンプ
８１ ドライバ
８２ 制御切換部
８３ 速度制御演算部
８４ 圧力制御演算部
Claims (11)
- 回転数指令信号に基づいて回転数を変更するサーボモータと、該サーボモータにより駆動される液圧ポンプと、該液圧ポンプから吐出される高圧流体を供給ポートに導入し弁開度指令信号に基づいて弁開度を変更して制御ポートからの流量及び圧力を制御する制御弁を備え、該制御弁の制御ポートからの流路に該流路を開閉する切換弁を設けたことを特徴とする液圧装置。
- 請求項１に記載の液圧装置において、
前記制御弁の制御ポートを液圧アクチュエータに接続したことを特徴とする液圧装置。 - 請求項２に記載の液圧装置において、
前記アクチュエータの変位量を検知するセンサ及び／又は該アクチュエータの発生力を検知するセンサを設けたことを特徴とする液圧装置。 - 請求項１に記載の液圧装置において、
前記制御弁の制御ポートに、該制御ポートの圧力を検出するセンサを設けたことを特徴とする液圧装置。 - 請求項３又は４に記載の液圧装置において、
前記センサによって検出された値に基づいて操作量を演算するコントローラを備え、該コントローラは該センサの出力信号を入力する入力器と、前記制御弁へ弁開度指令信号を出力する第一の出力器と、前記サーボモータへ回転数指令信号を出力する第二の出力器と、前記切換弁の切換信号を出力する出力器とを備え、前記センサの信号を前記入力器に接続し、前記第一及び第二の出力器からの信号をそれぞれ前記制御弁と前記サーボモータに接続し前記出力器からの切換信号を前記切換弁に接続したことを特徴とする液圧装置。 - 回転数指令信号に基づいて回転数を変更するサーボモータと、該サーボモータにより駆動される液圧ポンプと、該液圧ポンプから吐出される高圧流体を供給ポートに導入し弁開度指令信号に基づいて弁開度を変更して制御ポートからの流量及び圧力を制御する制御弁を備え、該制御弁の制御ポートからの流路に該流路を開閉する切換弁を設けるとともに、該制御ポートを液圧アクチュエータに接続した液圧装置の制御方法であって、
前記液圧アクチュエータの変位量を検知するセンサ及び／又は該アクチュエータの発生力を検知するセンサの出力値、又は前記制御ポートの圧力を検出するセンサの出力値をコントローラにフィードバックして制御弁の操作量を該コントローラにより演算し、該操作量を第一の出力器から制御弁に出力するとともに、目標速度、目標圧力に応じたサーボモータの回転数操作量を前記コントローラにより演算し、サーボモータの回転数操作量を第二の出力器からサーボモータへ出力することを特徴とする液圧装置の制御方法。 - 請求項６に記載の液圧装置の制御方法において、
前記目標速度、目標圧力に応じたサーボモータの回転数は、所定のオフセット回転数と前記目標速度に所定の係数を乗じた回転数を加算した回転数、又は所定のオフセット回転数と前記目標圧力に所定の係数を乗じた回転数を加算した回転数にすることを特徴とする液圧装置の制御方法。 - 請求項６に記載の液圧装置の制御方法において、
前記目標速度に応じたサーボモータの回転数は、所定のオフセット回転数と前記制御弁への操作量に所定の係数を乗じた回転数を加算した回転数にすることを特徴とする液圧装置の制御方法。 - 請求項６に記載の液圧装置の制御方法において、
前記第二出力器の出力時刻に対し、切換弁の出力器の出力時刻と第一出力器の出力時刻とを所定の時間遅らせることを特徴とする液圧装置の制御方法。 - 回転数指令信号に基づいて回転数を変更するサーボモータと、該サーボモータにより駆動される液圧ポンプと、該液圧ポンプから吐出される高圧流体を供給ポートに導入し弁開度指令信号に基づいて弁開度を変更して制御ポートからの流量及び圧力を制御する制御弁を備え、該制御弁の制御ポートからの流路に該流路を開閉する切換弁を設け、該制御ポートを液圧アクチュエータに接続し、該アクチュエータの変位量を検知するセンサ及び／又は該アクチュエータの発生力を検知するセンサを設け、入力器と第一及び第二の出力器とを備えたコントローラを設け、前記センサの出力信号値を該コントローラの入力器にフィードバックして該制御弁の操作量を該コントローラにより演算し、該制御弁の操作量を第一の出力器から制御弁に出力するとともに、該コントローラにより目標速度、目標圧力に応じたサーボモータの回転数操作量を演算し、該サーボモータの回転数操作量を第二の出力器から該サーボモータへ出力するように構成したことを特徴とする液圧装置。
- 回転数指令信号に基づいて回転数を変更するサーボモータと、該サーボモータにより駆動される液圧ポンプと、該液圧ポンプから吐出される高圧流体を供給ポートに導入し弁開度指令信号に基づいて弁開度を変更して制御ポートからの流量及び圧力を制御する制御弁を備え、該制御弁の制御ポートからの流路に該流路を開閉する切換弁を設け、該制御ポートの圧力を検出するセンサを設け、入力器と第一及び第二の出力器を備えたコントローラを設け、前記センサの出力信号値を該コントローラの入力器にフィードバックして該制御弁の操作量を該コントローラにより演算し、該制御弁の操作量を第一の出力器から該制御弁に出力するとともに、該コントローラで目標速度、目標圧力に応じたサーボモータの回転数操作量を演算し、該サーボモータの回転数操作量を第二の出力器から該サーボモータへ出力するように構成したことを特徴とする液圧装置。
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| JP2003101576A JP2004308736A (ja) | 2003-04-04 | 2003-04-04 | 液圧装置及びその制御方法 |
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