JP2008151299A

JP2008151299A - サーボ弁による油圧シリンダの制御装置

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Publication number: JP2008151299A
Application number: JP2006341545A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Igarashi; 秀一五十嵐
Original assignee: RIKEN KIKI KK
Current assignee: RIKEN KIKI KK
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2008-07-03

Abstract

【課題】本発明の目的は、油圧シリンダの変位が設定された変位の許容範囲にあるときには、油圧源をオフロード状態とすることができ、また、油圧源をオンロード状態とした直後に、油圧シリンダ内の圧力と異なる圧油が、油圧源から油圧シリンダに一気に流れ込むことのない、サーボ弁による油圧シリンダの制御装置を得ることにある。
【解決手段】油圧シリンダ１０はサーボ弁１２を制御することよってにその変位が制御される。前記油圧シリンダ１０のヘッド側圧力室１０ａとサーボ弁１２との間の油路３２，３３に流量制御弁１５と開閉弁１４とからなる流量制御回路１３と、開閉弁１７とが並列に設けられており、ロッド側圧力室１０ｂとサーボ弁１２との間の油路３４，３５に、流量制御弁２０と開閉弁１９とからなる流量制御回路１８と、開閉弁２２とが並列に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、油圧シリンダの荷重又は変位を制御するサーボ弁を用いた油圧シリンダの制御装置に関し、特に、油圧ジャッキ等の高負荷用の油圧シリンダを制御するサーボ弁を用いた油圧シリンダの制御装置に関するものである。

従来から、油圧シリンダにおける荷重制御又は位置（変位）制御において、サーボ弁は応答性がよく、また、アナログ指令に対する円滑な制御が可能であることから広く使用されている。そして、サーボ弁の高い応答性を維持するために油圧ポンプ等の油圧源を常時駆動し、油圧シリンダの制御に必要な吐出量が瞬時に供給できるようにしている。油圧ポンプ等の油圧源を常時駆動すると、リリーフ弁から噴出する油や摺動部の摩擦等により油温が上昇し、液圧エネルギーが熱エネルギーに変わり動力損失を生じると共に、また、油圧機器の耐久性を損なうことになる。

油圧ジャッキはコンパクトさに特徴があり、その油圧シリンダの作動には高圧（例えば、７０ＭＰａ）の圧油が使用される。この油圧シリンダの作動制御にサーボ弁を使用した場合、この高圧の圧油を発生するために油圧ポンプ等を常時連続運転すると、油圧機器の耐久性を一層損なうことになるし、多くのエネルギーを一層無駄にすることになるという問題がある。

また、油圧シリンダを確実に所定の位置に保持するために切換弁と油圧シリンダとの間にパイロットチェックバルブによるロッキング回路を設けることが知られている（非特許文献１）。そこで、サーボ弁によって制御する油圧シリンダの変位速度が低速の場合において、図４に示すようにサーボ弁５１と油圧シリンダ５０との間の油路に電磁切換弁によるロッキング回路５３，５４を設け、油圧シリンダ５０の荷重や変位が、設定した荷重や変位の許容範囲内にあって油圧シリンダ５０を作動させる必要のないときには、ロッキング回路５３，５４の電磁切換弁を閉じるとともに、油圧ポンプ５２をアンロード状態とし、油圧シリンダ５０から圧油が流出しないようにして油圧シリンダ５０の位置を保持することが考えられている。このように油圧シリンダを作動させる以外のときは油圧ポンプ５２をオフロード状態にすることで、油圧機器の劣化を抑え、エネルギーの無駄をなくしている。

「新版知りたい油圧／応用編（５版）」著者不二越油圧研究グループ、１９９０年９月２０日株式会社ジャパンマシニスト社発行、１４１〜１４３ページ

図４に示すロッキング回路によって油圧シリンダ５０を所定位置に保持している間に、油圧シリンダ５０からの圧油の漏れや負荷の変動により、油圧シリンダの荷重や変位が設定した荷重や変位の許容範囲から外れた場合や、油圧シリンダ５０の荷重や変位を変更する必要が生じた場合には、油圧シリンダ５０を作動させて設定する位置に戻す必要がある。そこで、再び油圧ポンプをオンロード状態とし、油圧の上昇をまって油圧シリンダ５０を設定した荷重や変位に作動させるべくサーボ弁５１と電磁切換弁５３，５４を開に作動させる。しかし、サーボ弁５１と電磁切換弁５３，５４を開に作動させたとき、油圧ポンプ５２から供給される圧油の圧力が油圧シリンダ５０内の圧油の圧力と相違していて圧油が油圧シリンダ５０内に一気に流れ、そのため、油圧シリンダ５０の荷重や変位が変動し、一時的に油圧シリンダの荷重や変位が設定した荷重や変位からずれる場合がある。

本発明は、上記のような問題点を解決することを目的とし、油圧シリンダの荷重や変位が設定された荷重や変位の許容範囲にあるときには、油圧源をオフロード状態とすることができ、また、油圧源をオンロード状態としたときに、油圧シリンダ内の圧力と異なる圧油が、油圧源から油圧シリンダに一気に流れ込むことのない、サーボ弁による油圧シリンダの制御装置を得ることにある。

上記目的を達成するため、本発明のサーボ弁による油圧シリンダの制御装置は、油圧シリンダをサーボ弁によって制御するものであって、前記油圧シリンダのヘッド側圧力室とサーボ弁との間の油路と、ロッド側圧力室とサーボ弁との間の油路とのそれぞれに、流量制御弁と開閉弁とからなる流量制御回路と、開閉弁とが並列に設けられていることを特徴としている。

本発明では、油圧シリンダの変位が設定された変位の許容範囲にあるときには、流量制御回路の開閉弁と開閉弁とを閉とすることにより、油圧源をオフロード状態とし、油圧シリンダを作動するときだけ油圧源をオンロード状態とすればよいので、エネルギーを無駄にすることがなく、また、油圧機器の劣化を抑えることができる。さらに、油圧源をオンロード状態としたときには、流量制御回路の開閉弁を開とし、圧油の流量を流量制御弁により制御して油圧シリンダに供給するので、油圧シリンダ内の圧力と異なる圧油が、油圧シリンダに一気に流れることによる油圧シリンダの急激な変動を防止でき、その後に、開閉弁から供給される圧油によって油圧シリンダを応答良く作動することができる。

また、本発明のサーボ弁による油圧シリンダの制御装置は、油圧シリンダのヘッド側圧力室に連通された油路には、ヘッド側圧力室の圧力を検知する圧力センサが設けられており、ロッド側圧力室に連通された油路には、ロッド側圧力室の圧力を検知する圧力センサが設けられており、サーボ弁が前記ヘッド側圧力室の圧力とロッド側圧力室との圧力との差圧に基づいて制御されることを特徴としている。

本発明では、サーボ弁が、検知されたヘッド側圧力室の圧力とロッド側圧力室の圧力との差圧に基づいて制御されるので、油圧源をオンロード状態としたときにサーボ弁から油圧シリンダに供給される圧油の差圧を、油圧シリンダ内の差圧に一層近い圧力にすることができ、油圧源から油圧シリンダに一気に流れることを一層少なくして油圧シリンダが設定した位置から変動することを防止できる。

さらに、本発明のサーボ弁による油圧シリンダの制御装置は、サーボ弁の圧力ゲイン特性を記憶した記憶装置を備え、該サーボ弁の圧力ゲイン特性と、ヘッド側圧力室の圧力とロッド側圧力室の圧力との差圧に基づいてサーボ弁を制御することを特徴としており、本発明では、制御装置が、記憶装置に記憶しているサーボ弁の圧力ゲイン特性とヘッド側圧力室の圧力とロッド側圧力室の圧力との差圧に基づいてサーボ弁を制御するので、油圧源をオンロード状態とした直後にサーボ弁から油圧シリンダに供給される圧油の差圧を、電磁弁閉鎖前の油圧シリンダの差圧と同じになるようにサーボ弁を制御することができる。

本発明のサーボ弁による油圧シリンダの制御装置は、具体的には、油圧シリンダが５０ＭＰｓ以上の圧油が供給されるものであり、５０ＭＰｓ以上の圧油を油圧シリンダに供給する油圧源を作動するときだけオンロード状態とすればよいので、エネルギーの無駄を一層なくすことがなく、また、油圧機器の劣化を一層抑えることができ、さらに、油圧源をオンロード状態としたときに、油圧シリンダ内の圧力と異なる高圧の圧油が、油圧源から油圧シリンダに一気に流れることがなく、油圧シリンダが設定した位置から急激に変動することを防止できる。

本発明に係るサーボ弁による油圧シリンダの制御装置は、油圧シリンダのヘッド側圧力室とサーボ弁との間の油路と、ロッド側圧力室とサーボ弁との間の油路とのそれぞれに、流量制御弁と開閉弁とからなる流量制御回路と、開閉弁とが並列に設けられていることにより、流量制御回路の開閉弁と開閉弁とを閉じて油圧源をオフロード状態とすることができるので、エネルギーを無駄にすることがなく、また、油圧機器の劣化を抑えることができ、さらに、油圧源をオンロード状態とした直後では流量制御回路の開閉弁を開いて圧油の流量を流量制御弁により制御して油圧シリンダに供給できるので、油圧シリンダ内の圧力と異なる圧油が、油圧源から油圧シリンダに一気に流れることがなく、油圧シリンダが設定した位置から変動することを防止できる。

以下、本発明に係るサーボ弁による油圧シリンダの制御装置について図面に基づいて説明する。図１はサーボ弁による油圧シリンダの制御装置の実施形態を示す油圧回路図であり、サーボ弁による油圧シリンダの制御装置は、油圧シリンダ１０、サーボ弁１２及び油圧ポンプ１１等を備えている。

油圧シリンダ１０は、両軸用の複動型であり、ヘッド側圧力室１０ａとロッド側圧力室１０ｂとがピストンにより画成されており、ヘッド側圧力室１０ａには油路３３が接続され、ロッド側圧力室１０ｂには油路３５が接続されており、油圧ポンプ１１からの圧油がサーボ弁１２を介して供給されることによりピストンが往復動してジャッキ等を移動させる。また、油圧シリンダ１０にはロッドの変位を検出する位置センサ（図示せず）が設けられている。

サーボ弁１２は、その吐出側第１ポートに油路３２が接続され、吐出側第２ポートに油路３４が接続されており、油圧ポンプ１１からの圧油が供給される圧油供給油路３０と油路３２とを連通すると共に油路３４と圧油回収油路３１とを連通する往動位置１２ａと、全てを遮断する停止位置１２ｂと、油路３２と圧油回収油路３１とを連通すると共に圧油供給油路３０と油路３４とを連通する復動位置１２ｃとを備えている。また、サーボ弁１２は、後述するバルブ制御装置２８により制御され、各位置１２ａ〜１２ｃにおいて、サーボ弁を作動させるサーボ弁指令値に比例して流量を連続的に可変する。

本実施形態においては、油圧シリンダ１０のヘッド側圧力室１０ａに接続された油路３３とサーボ弁１２の油路３２（吐出側第１ポート）との間には、流量制御回路である第１ニードル回路１３と第１開閉回路１６とが並列に設けられており、また、油圧シリンダ１０のロッド側圧力室１０ｂに接続された油路３５とサーボ弁１２の油路３４（吐出側第２ポート）との間には、流量制御回路である第２ニードル回路１８と第２開閉回路２１とが並列に設けられている。

第１ニードル回路１３は、第１ニードル弁用開閉電磁弁１４と流量制御弁である第１ニードル弁１５とが直列に配置されて構成されており、第１ニードル弁用開閉電磁弁１４の開閉により油路３２ａ，３３ａを介して油路３２と油路３３との流路を開閉する。また、第２ニードル回路１８は、第２ニードル弁用開閉電磁弁１９と流量制御弁である第２ニードル弁２０とが直列に配置されて構成されており、第２ニードル弁用開閉電磁弁１９の開閉により油路３４ａ，３５ａを介して油路３４と油路３５との流路を開閉する。

第１開閉回路１６は第１開閉電磁弁１７により構成されており、第１開閉電磁弁１７の開閉により油路３２と油路３３との流路を開閉する。また、第２開閉回路２１は第２開閉電磁弁２２により構成されており、第２開閉電磁弁２２の開閉により油路３４と油路３５との流路を開閉する。

また、油圧シリンダ１０のヘッド側圧力室１０ａに連通している油路３３ａには、圧力センサである第１圧力変換器２３が設けられており、ヘッド側圧力室１０ａの圧力を検知してその信号をバルブ制御装置２８に出力し、また、油圧シリンダ１０のロッド側圧力室１０ｂに連通している油路３５ａには、圧力センサである第２圧力変換器２４が設けられており、ロッド側圧力室１０ｂの圧力を検知してその信号をバルブ制御装置２８に出力している。

バルブ制御装置２８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成されており、位置センサ、第１圧力変換器２３及び第２圧力変換器２４からの信号が入力され、サーボ弁１２、第１、第２ニードル弁用開閉電磁弁１４，１９、第１、第２開閉電磁弁１７，２２及びオンロード弁３６の作動を制御している。図１において、２５は作動油を冷却するためのクーラ、２６は作動油に含まれる異物を除去するためのフィルタ、３７はリリーフ弁である。

図２は、サーボ弁における圧力ゲイン特性を示す図である。サーボ弁１２を往動位置１２ａにおいて、サーボ弁を作動させるためのサーボ弁指令値を徐々に増加すると、油路３２（吐出側第１ポート）における圧力Ｐ１と油路３４（吐出側第２ポート）における圧力Ｐ２との差圧ＰＵ（Ｐ１−Ｐ２）は、図２の破線ＰＵで示すようにサーボ弁へのサーボ弁指令値の増加に伴ってピーク値になるまで増加していく。そして、今度はサーボ弁指令値を徐々に減少すると、破線ＰＤに示すように差圧ＰＤ（Ｐ１−Ｐ２）は、サーボ弁へのサーボ弁指令値の減少に伴って減少していく。このように、サーボ弁のポート差圧は、サーボ弁指令値を増加するときとサーボ弁指令値を減少するときとがヒステリシス特性により同じ値にならない。そこで、サーボ弁指令値を増加したときの差圧ＰＵとサーボ弁指令値を減少したときの差圧ＰＤとの平均値Ｐ（（ＰＵ＋ＰＤ）／２）をこのサーボ弁の圧力ゲイン特性とし、バルブ制御装置２８の記憶装置であるＲＯＭに記憶している。この圧力ゲイン特性は復動位置１２ｃにおいても同様にして求めてバルブ制御装置２８のＲＯＭに記憶されている。

次に、本発明のサーボ弁による油圧シリンダの制御装置による油圧シリンダの作動制御について説明する。

第１、第２ニードル弁用開閉電磁弁１４，１９を閉じ、第１開閉電磁弁１７及び第２開閉電磁弁２２を開いた状態において、サーボ弁指令値Ｓ_１でサーボ弁１２を作動させ油圧シリンダ１０を設定した所定の位置（変位）まで作動させ、そこで、第１、第２開閉電磁弁１７，２２を閉じ、油圧シリンダ１０が変位しないように保持した後に、油圧ポンプ１１をアンロード状態とする。

その後、油圧シリンダ１０からの圧油の漏れ等により油圧シリンダ１０の変位が設定した変位の許容範囲から外れた場合や、油圧シリンダ１０の変位位置を変更する必要が生じた場合には、バルブ制御装置２８は、第１圧力変換器２３と第２圧力変換器２４からの信号に基づいて、油圧シリンダ１０のヘッド側圧力室１０ａとロッド側圧力室１０ｂとの差圧を演算する。バルブ制御装置２８は、ＲＯＭに記憶されているサーボ弁の圧力ゲイン特性（サーボ弁ポート差圧とサーボ弁指令値との関係）と前記演算した差圧に基づいて、サーボ弁１２のポート圧の差圧が、油圧シリンダ１０のヘッド側圧力室１０ａとロッド側圧力室１０ｂとの差圧と同じになるためのサーボ指令値を求める。そして、油圧ポンプ１１を再度オンロード状態とし油圧を上昇させるとともに、求めたサーボ指令値によりサーボ弁１２を作動するとともに、第１、第２ニードル回路１３、１８を開けて油圧シリンダ１０に圧油を供給する、過渡制御を行う。

すなわち、図２により具体的に説明すると、第１圧力変換器２３と第２圧力変換器２４との差圧がＰｔである場合、バルブ制御装置２８は、サーボ弁１２のポート差圧がＰｔとなるためのサーボ指令値Ｓ_２を求める。その後、オンロード弁３６を切り換えて油圧ポンプ１１を再度オンロード状態とし、さらに、サーボ弁１２に、求めたサーボ指令値Ｓ_２を設定してサーボ弁１２を作動させるとともに、第１、第２ニードル弁用開閉電磁弁１４，１９を開き、第１ニードル弁１５と第２ニードル弁２０を介して油圧シリンダ１０に圧油を供給する。

そして、現在のシリンダの変位を保持するように位置センサによりフィードバック制御し、シリンダが現在の変位で安定すると、第１開閉電磁弁１７と第２開閉電磁弁２２を開いてから第１、第２ニードル弁用開閉電磁弁１４、１９を閉じ、今度は、油圧シリンダ１０を所望の位置に作動させるためにサーボ弁１２をサーボ弁指令値Ｓ_３によって作動させ、油圧シリンダ１０を所望の位置に速やかに変位させる、通常制御を行う。この通常制御における位置センサによるフィードバック制御において、目標値と実際値との差が許容誤差の範囲内に入ってシリンダの変位が安定すると、第１、第２開閉電磁弁１７、２２を閉じ、その後油圧ポンプ１１をアンロード状態にする。

本実施形態におけるサーボ弁による油圧シリンダの制御装置では、油圧シリンダ１０の荷重や変位が、設定している荷重や変位に対して許容範囲内にあるときには油圧ポンプ１１をアンロード状態とし、油圧シリンダ１０を作動するときだけ油圧ポンプ１１をオンロード状態とすることにより、油圧機器の劣化を抑え、エネルギーの無駄をなくすことができる。また、油圧ポンプ１１を再度オンロード状態にしたときに、まず、サーボ弁１２の吐出側第１ポートと吐出側第２ポートとの差圧が、第１圧力変換器２３と第２圧力変換器２４で検知した油圧シリンダ１０の差圧になるようにサーボ弁１２を制御すると共に、サーボ弁１２からの圧油を第１ニードル弁１５と第２ニードル弁２０によってその流量を調整して油圧シリンダ１０に供給するので、高圧の圧油が油圧シリンダ１０に一気に供給されて油圧シリンダ１０が急激に変動することがない。そして、サーボ弁１２の吐出側ポート圧の差圧が油圧シリンダ１０の差圧と同じになってから、第１開閉電磁弁１７と第２開閉電磁弁２２を介して流量の多い圧油を油圧シリンダ１０に供給して油圧シリンダ１０を所望の位置に速やかに作動させることができる。また、第１、第２ニードル弁用開閉電磁弁１４、１９と第１、第２開閉回路１６、２２は、油圧シリンダ１０への圧油を緊急遮断することにも利用でき、油圧シリンダ１０の暴走等の危険を回避することができる。

上述では、サーボ弁による油圧シリンダの変位制御について説明したが、サーボ弁による油圧シリンダの荷重制御においても同様に制御することができる。

図３はサーボ弁による油圧シリンダの制御装置の他の実施形態を示す油圧回路図であり、図１に示す実施形態と同じ構成には同じ符号を付している。本実施形態では、油圧シリンダ１０のヘッド側圧力室１０ａに接続された油路３３とサーボ弁１２の油路３２（吐出側第１ポート）との間には第３開閉電磁弁３８が、また、油圧シリンダ１２のロッド側圧力室１０ｂに接続された油路３５とサーボ弁１２の油路３４（吐出側第２ポート）との間には第４開閉電磁弁３９が設けられている。第３、第４開閉電磁弁３８、３９は、油路３２，３４と油路３３，３５を連通する停止位置３６ａ、３７ａと、油路３２，３４と油路３３，３５を絞り弁を介して連通する停止位置３６ｂ、３７ｂと、油路３２，３４と油路３３，３５を遮断する停止位置３６ｃ、３７ｃとを備えている。

そして、本実施形態では、油圧シリンダ１０の位置が許容範囲から外れ、油圧ポンプ１１をオフロード状態からオンロード状態としたとき、バルブ制御装置２８は、第１圧力変換器２３と第２圧力変換器２４からの信号に基づいて、油圧シリンダ１０のヘッド側圧力室１０ａとロッド側圧力室１０ｂとの差圧を演算する。バルブ制御装置２８は、ＲＯＭに記憶されているサーボ弁の圧力ゲイン特性値と前記演算した差圧とに基づいてサーボ弁１２のサーボ指令値Ｓ２を求め、まず、その指令値によりサーボ弁１２を開くと共に、第３、第４開閉電磁弁３８、３９を停止位置３６ｂ、３７ｂに作動し、油圧ポンプ１１からの圧油を、絞り弁を介して油圧シリンダ１０に供給する、過渡制御を行う。その後、第１圧力変換器２３で検知した圧力と第２圧力変換器２４で検知した圧力との差圧が、開く前の差圧Ｐｔになると、設定したサーボ弁指令値Ｓ３によってサーボ弁１２を開くと共に第３、第４開閉電磁弁３８、３９を停止位置３６ａ、３７ａに作動し、油圧シリンダ１０を所望の設定した位置に速やかに変位させる、通常制御を行う。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではない。また、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。上記では油圧シリンダ１０が両軸用のもので説明したが、片軸用ものでもよい。

本発明に係るサーボ弁による油圧シリンダの制御装置の実施形態を示す油圧回路図。サーボ弁の特性を示す図。本発明に係るサーボ弁による油圧シリンダの制御装置の他の実施形態を示す油圧回路図。従来のサーボ弁による油圧シリンダの制御装置の油圧回路図。

符号の説明

１０油圧シリンダ、
１０ａヘッド側圧力室、
１０ｂロッド側圧力室、
１１油圧ポンプ、
１２サーボ弁（電磁比例流量制御バルブ）、
１３第１ニードル回路、
１４第１ニードル弁用開閉電磁弁、
１５第１ニードル弁、
１６第１開閉回路、
１７第１開閉電磁弁、
１８第２ニードル回路、
１９第２ニードル弁用開閉電磁弁、
２０第２ニードル弁、
２１第２開閉回路、
２２第２開閉電磁弁、
２３第１圧力変換器、
２４第２圧力変換器、
２５クーラ、
２６フィルタ、
２７油タンク、
２８バルブ制御装置、
３０圧油供給油路、
３１圧油回収油路、
３２、３３、３４、３５油路、
３６オンロード弁、
３７リリーフ弁

Claims

油圧シリンダをサーボ弁によって制御する油圧シリンダの制御装置であって、前記油圧シリンダのヘッド側圧力室とサーボ弁との間の油路と、ロッド側圧力室とサーボ弁との間の油路とのそれぞれに、流量制御弁と開閉弁とからなる流量制御回路と、開閉弁とが並列に設けられていることを特徴とするサーボ弁による油圧シリンダの制御装置。
前記油圧シリンダのヘッド側圧力室に連通された油路には、ヘッド側圧力室の圧力を検知する圧力センサが設けられており、前記ロッド側圧力室に連通された油路には、ロッド側圧力室の圧力を検知する圧力センサが設けられており、前記サーボ弁が前記ヘッド側圧力室の圧力とロッド側圧力室との圧力との差圧に基づいて制御されることを特徴とする請求項１に記載のサーボ弁による油圧シリンダの制御装置。
前記制御装置は、サーボ弁の圧力ゲイン特性を記憶した記憶装置を備え、該サーボ弁の圧力ゲイン特性と、ヘッド側圧力室の圧力とロッド側圧力室の圧力との差圧に基づいてサーボ弁を制御することを特徴とする請求項２に記載のサーボ弁による油圧シリンダの制御装置。
前記油圧シリンダは、５０ＭＰｓ以上の圧油が供給されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のサーボ弁による油圧シリンダの制御装置。