JP5840681B2 - 工作機械において被駆動軸を作動させるための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の、工作機械において被駆動軸を作動させるための方法と、請求項９の上位概念に記載の装置とに関する。

射出成形機も含めた工作機械はたいてい複数の被駆動軸を有し、これらの被駆動軸の負荷領域は部分的に非常に大きく、かつ相互に異なっている。射出成形機ではたとえば、溶融物を工具の空洞内へ送る工程である射出工程は、要件のばらつきが非常に大きい工程である。この工程では用途に応じて、外部速度領域と外部圧力領域とを制御しなければならず、たとえば所要射出速度は、０．１〜０．９ｍｍ／ｓから１ｍ／ｓにまで及ぶことがある。負荷領域では、１００バール未満から２０００バールを超える値まで要求されることがある。よって外側から見ると、所要出力のばらつきは最大２００００倍にまで及ぶ。この適用範囲を、現在通常の駆動装置構成によってカバーしたい場合、少なくとも、すべての用途においてエネルギーを最適化させて出力を供給できるとは限らず、たとえば、流体圧ポンプ（たとえば可変ポンプや一定ポンプ等）によって直接供給できる高い出力ピークは、所定の出力限界に限られており、所定の出力限界からは、（たとえば流体蓄圧器等によって）一時蓄圧し、この一時蓄圧されたものから出力を取り出す必要がある。

本発明の課題は、出力特性が予め決まっている場合に可能な限り広い出力領域を（たとえば可能な限り高いエネルギー効率で）カバーできる、工作機械の被駆動軸を駆動するための複合駆動装置と、該複合駆動装置の作動方法とを提供することである。

前記課題は、請求項１に記載された特徴を有する方法と、請求項７に記載された特徴を有する装置とによって解決される。

本発明の思想は、少なくとも２つの異なる駆動装置を結合して１つの有効駆動装置にまとめ、これら少なくとも２つの各駆動装置の出力データを特性値または特性曲線で記憶して格納することである（ここで「出力データ」と称されるものには、各駆動装置のすべての特性データおよび消費データが含まれる）。有利には、３つ以上の駆動装置を「相互に接続」することもできる。このようにして本発明では、被駆動軸に対する所要出力を求め、出力特性を予め設定する。前記出力特性としてはたとえば、可能な限り低い消費エネルギーを予め設定するか、または、複合駆動装置の所定の最小ダイナミクスにおける可能な限り低い消費エネルギーを予め設定すること等が可能である。前記所要出力に基づき、前記予め設定された特性（たとえば、可能な限り低い消費エネルギー）を可能な限り満たす、前記各駆動装置の作動組み合わせが求められる。その後、求められた前記作動組み合わせで各駆動装置を駆動する。

本発明では、技術的構成および特性が相違する複数の駆動装置を相互に接続することができ、たとえば、モータである電気機器と、流体圧ポンプおよび／または流体蓄圧器によって駆動される流体圧シリンダとを結合することができる。流体圧シリンダと電気機器とを組み合わせて結合して得られるこの構成が、駆動軸に作用する。ポンプも蓄圧器も双方ともに、流体圧シリンダのピストン、とりわけ複動ピストン（ダブルロッドシリンダまたは差動シリンダとも）に作用し、このピストンが電気駆動装置に接続されている。

前記複合駆動装置の動作では、相互に接続された各個々の駆動装置の実現可能な組み合わせとしては、種々の組み合わせが存在する。電動駆動装置のみを作動させ、他方の（流体）駆動装置を非作動状態にするか、ないしは無負荷動作モードに切り替えることができる。その代わりに択一的に、流体圧ポンプのみを作動させ、他方の駆動装置を無負荷動作モードに切り替えることもできる。第３の実施形態では、蓄圧器の操作のみを行うことができる。しかし、上述の個々の駆動装置を組み合わせて駆動させることもできる。すなわち、蓄圧器とモータとを組み合わせて作動させるか、または、蓄圧器とポンプとを組み合わせて作動させ、かつ、モータとポンプとを組み合わせて作動させることができる。第７の実施形態では、蓄圧器とモータとポンプとを組み合わせて同時に作動させることもできる。このことにより、駆動手段の異なる組み合わせが７つ実現される。

電気機器をモータとしてもジェネレータとしても作動させることができ、かつ、流体圧装置をポンプとして作動させるだけでなく流体圧モータとして作動させることが可能であるように事前に構成すると、上述の択一的な実施形態をさらに増やすことができる。この場合には、蓄圧器の作動とモータの作動との組み合わせには２つの部分組み合わせが実現され、蓄圧器の作動とポンプの作動との組み合わせにも２つの部分組み合わせが実現され、モータの作動とポンプの作動との組み合わせには４つの部分組み合わせが実現され、蓄圧器の作動とモータの作動とポンプの作動との組み合わせにも４つの部分組み合わせが実現され、よって、上述のように動作する複合駆動装置を動作させるためには全部で１６個の異なる組み合わせを実現することができる。

上述の実施例では、電気機器および流体圧装置の作動の仕方に応じて、すなわち、駆動モードにあるかまたは回生モードにあるかに応じて、蓄圧器を備えた３つの個別駆動装置から、該蓄圧器の特性値をいわばシフトさせることができる。この詳細については、実施例に基づいて後述する。

しかし前記駆動装置としては、上述の流体蓄圧器、流体圧ポンプおよび電動駆動装置の他に、たとえば高トルクモータ、リニア駆動装置等である別の駆動装置を使用することも可能である。組み合わせに応じて、可能な組み合わせおよび変動性も相応に変化する。

モータを実現できるように構成される電気機器をジェネレータとしても駆動可能であるように構成すると、回生動作時に余剰エネルギーを電気エネルギーに変換してシステム内に戻すことができる。ポンプとして機能する流体圧装置を流体圧モータとして作動させる場合にも、上述のことと同様のことが当てはまる。この流体圧モータが、ジェネレータとして駆動可能である別の電気機器に結合されている場合にも、回生モード時に電気エネルギーを生成してシステム内に戻すことができる。

従属請求項に別の利点および構成が記載されている。

以下、具体的な実施例に基づき、添付の図面を参照して、本発明を詳細に説明する。

本発明の具体的な実施形態の概略的なブロック回路図である。 射出成形機において図１の具体的な実施形態を実現した場合の、制御ポンプに依存する異なる複数のシステム圧特性曲線を示すグラフである。 射出成形機において図１の具体的な実施形態を実現した場合の、電気機器に依存する異なる複数の射出力特性曲線を示すグラフである。 射出成形機において図１の具体的な実施形態を実現した場合の、制御ポンプに依存する、射出装置の異なる複数の負荷領域を示すグラフである。

図１に、被駆動軸を駆動するための、３つの異なる駆動素子から成る複合駆動装置、すなわち、射出成形機の射出ユニットにおける軸方向駆動装置を示す。

この複合駆動装置では、被駆動軸の（同図中に示されていない）駆動される操作部材（たとえば射出スクリュまたは射出ピストン）と、図中では複動式であるピストンのピストン棒とが結合されている。このピストン棒は流体圧ピストン内に収容されており、流体圧ピストン‐シリンダユニット２を形成する。この流体圧ピストン‐シリンダユニット２は、複動式ピストンの両側に２つの流体圧力室を有する。前記ピストンはここでは、電気機器に摩擦接続的に結合されている。

この電気機器１は、ステータおよびロータから構成された、モータおよびジェネレータとして作動可能であるユニットとすることができる。このユニットは伝動装置（たとえばラック‐ピニオン複合構成体、または、ナット‐スピンドル複合構成体）を介してピストン棒に作用し、このピストン棒に作用結合されている。

前記ピストン‐シリンダユニット２の圧力室には、バルブ（たとえば比例弁、サーボ弁または切替弁）１０を介挿接続することにより、作動流体が供給される。またはこの作動流体は、可変に駆動制御可能であるモータによって駆動されるポンプ４０から供給される。さらに、ポンプ４０は流体圧モータとして作動することもできる。その際には、ポンプ４０に結合されたモータがジェネレータとして機能する。

オプションとして、別のバルブ３０を介挿接続して、流体圧ポンプ４０とバルブ１０とを接続することができる。

最後に、流体蓄圧器３が設けられており、この流体蓄圧器３内部に作動流体を蓄圧することができる。この蓄圧器３は、図１に示されているように第３のバルブ２０を介して各バルブ３０および１０に接続されている。

このような構成により、バルブ１０，２０および３０の位置に応じて、ピストン‐シリンダユニット２の圧力室と蓄圧器３とポンプ４０とを接続する種々の異なる手段が実現される。たとえば、蓄圧器３とポンプとが連通されるようにバルブ２０および３０の位置が調整されると、ポンプは蓄圧器に蓄圧するか、または蓄圧器がポンプをジェネレータとして駆動することができる。バルブ２０または３０とバルブ１０とが適切に位置調整されると、ポンプ４０は前記ピストン‐シリンダユニット２の複動ピストンを選択的に駆動するか、または蓄圧器３に蓄圧することができる。バルブ１０と２０と３０とが適切に位置調整されると、ポンプ４０および蓄圧器３が双方ともに、前記複動ピストンに同一方向に同時に力を加える。

このような構成により、バルブの切替位置に応じて、モータとして機能する電気機器１のみを用いて、またはポンプ４０のみを用いて、または蓄圧器のみを用いて、または、２つの個別駆動装置を組み合わせたものを用いて、または、すべての個別駆動装置を組み合わせたものを用いて、図中にない射出ユニットを駆動することができる。さらに、電気機器と流体圧装置とを回生モードで作動させることもできる。

このようにして、複数の個別駆動装置の組み合わせを変更することにより、被駆動軸に対して求められた所要出力を最大限に満たすことができるようになる。その際には、どのように組み合わせるかに応じて、消費されるエネルギーが増減される。たとえば蓄圧モード時に、ジェネレータとして動作する電気機器によって余剰エネルギーをシステム内へ（たとえば中間回路へ）戻すと、エネルギーの消失を回避して駆動装置の効率を上昇させることができる。複数の各個別駆動装置に適切に力を加えるシステム、とりわけ（図中には示されていない）開ループ制御装置または閉ループ制御装置が、格納された出力データから、出力特性に応じた所要出力に有利な作動の組み合わせを求める。このようにして求められた作動の組み合わせにより、前記複数の各個別駆動装置に適切に力を加えるか、または回生モードで動作させる。

前記複数の個別駆動装置の組み合わせがカバーする負荷点の範囲に及ぼす作用を、図４に詳細に示す。ここでは、前記負荷点が所要出力に相当する。

図２，図３，図４のグラフの横軸には、射出速度ｖ、またはこれに比例する体積流量Ｑを示し、縦軸には、射出力ｖ、またはこれに比例する流体圧ｐを示しており、また図４では、複数の異なる負荷点を負荷特性曲線ＬＫ＿１，ＬＫ＿２，ＬＫ＿３およびＬＫ＿４上に示している。負荷点が含まれるグラフの領域に応じて、この負荷点は、図１に示した複数の個別駆動装置（部分駆動装置）のうち１つまたは複数を組み合わせたものによって当該負荷点をカバーできる領域に存在する。

たとえばグラフ（図２）の斜線領域１１０は、流体圧ポンプまたは制御ポンプ４０の作動のみでカバーできる領域を表す。その際には負荷点ＬＰ１＿１（図４）は、制御ポンプ４０の直接動作により、全圧でカバーされる。その際に必要とされる作動油流量は、制御ポンプの出力性能の約９０％である。これは、制御ポンプ４０の限界出力となる。たとえば、相応の制御ポンプにおいて旋回角を調整したり、駆動側のモータの回転数を制御することにより、作動流体を流すことができる。その際のエネルギー効率は非常に良好になり、しかも、旋回角による制御でも、またモータの回転数による制御でも、エネルギー効率は非常に良好になる。その際には、絞り損失はほとんど無い。

負荷点ＬＰ１＿２（図４）もまた、制御ポンプ４０のみの直接動作により、低減した圧力でカバーすることができる。その際の作動油流量は、制御ポンプの出力の約４０％の領域内になる。旋回角を調整したり、ポンプを駆動するモータの回転数を低減させることにより、作動流体の流量を低減して流すこともできる。その際には、旋回角を調整するか、またはモータによる回転数低減によって、複数の異なるエネルギー消費値を実現することができる。

グラフ（図３）中の斜線領域１１２は、モータとして機能する電気機器１により、駆動装置を介して直接カバーすることができる。ここでは、電気機器１だけでも、また制御ポンプ４０だけでも、負荷点ＬＰ１＿３（図４）をカバーできることが分かり、これらの間に効率差はほとんど無い。

負荷点ＬＰ４＿１，ＬＰ４＿２，ＬＰ３＿４，ＬＰ１＿３およびＬＰ２＿３は、電気機器１だけでカバーすることができる。

図１の実施例の複合駆動装置の場合、他のすべての負荷点では、蓄圧器３をエネルギー蓄積器として追加接続しなければならない。しかし、蓄圧器３を作動させると、流体圧装置２の種々の作動方式（駆動または回生動作）と電気機器１の種々の作動方式（駆動または回生動作）とにより、グラフ中の特性曲線をシフトさせることができる。

したがって、制御ポンプの動作を変化させると、蓄圧器の速度軸の０点がシフトする。ポンプを作動させない場合の蓄圧器特性曲線を、特性曲線１２０（図２）によって示している。流体管路内における絞り損失に起因して、前記特性曲線は射出速度ｖの上昇とともに下降していく。ここで制御ポンプ４０を駆動装置として接続すると、グラフ中の特性曲線は右にシフトする（図２では特性曲線１２４になる）。制御ポンプを流体圧モータとして使用すると、蓄圧器はさらに流体圧装置も駆動するようになり、このことによって前記特性曲線は左へシフトする（図２中の特性曲線１２２）。後者のケースでは、蓄圧器３の流体圧出力はピストンシリンダユニット２にのみ供給されるのではなく、流体圧モータとして作動する制御ポンプ４０へも供給されるようになる。

これと同様に、電気機器１を適切に接続すると、グラフ中の蓄圧器３の特性曲線は上方または下方へシフトする。モータの力またはジェネレータとして動作する電気機器の力と、ピストンにかかる蓄圧器の力とが加算または減算され、このことにより、モータの動作形式に応じて、蓄圧器特性曲線はシフトしなかったり（図３、特性曲線１２８）、電気機器がモータとして機能する場合には蓄圧器特性曲線は上方へシフトしたり（図３、特性曲線１２９）、電気機器がジェネレータとして機能する場合には蓄圧器特性曲線は下方へシフトする（図３、特性曲線１２６）。このようにして、複数の各駆動装置の組み合わせに応じて、上述の種々の負荷点を異なってカバーすることができる。

負荷点ＬＰ２＿１，ＬＰ３＿１（図４）は、システムの稼働率が最大である場合にのみカバーすることができる。このことは、使用可能な３つの部分駆動装置すべてが一緒に出力を生成してシステム内に供給しなければならないことを意味し、換言すると、電気機器１がモータとして作動し、蓄圧器３が同じ方向にピストンに力を加えるのに用いられ、流体圧装置が制御ポンプ４０として作動するということになる（図４中のＳＬ １，ＳＬ ２，ＳＬ ３は、上述の構成要素の複数の異なる作動形式において得ることができるシステム出力特性曲線として示されている）。

確かに、射出速度が上昇すると絞り損失が上昇することは避けられず、エネルギー効率が低下することになるが、通常は、上述の所要出力を各個々のシステムによって実現することは全く不可能であるか、または困難である。

負荷点ＬＰ２＿２は、蓄圧器３による支援が無いとカバーすることができない。しかし、蓄圧器における絞り損失を可能な限り低く抑えるためには、負荷圧を最大可能レベルまで上昇させるために、モータとして機能する電気機器１をさらに用いて負荷を生じさせる（電気機器１の回生動作）。その際に得られた電気エネルギーは、中間回路に戻すことができる。この戻された電気エネルギーは、たとえば射出過程の間に制御ポンプによって蓄圧器の蓄圧のために用いられるか、またはそのまま、中間回路に接続された別の機器を駆動するのに直接用いられるか、または配電網に戻すこともできる。この動作点においてこれらの過程における絞り損失は小さく抑えられる。ここで発生する損失は、各エネルギー変換時の効率に対応する。

負荷点ＬＰ３＿３もまた、蓄圧器３の支援を必要とする、グラフの領域内にある。バルブにおいて発生する絞り損失は、制御ポンプの回生切替（ここでは流体圧モータ動作）によって最小化することができる。

最後に、負荷点ＬＰ３＿２をカバーするためにも、蓄圧器３の支援を用いなければならない。さらに、所要出力の残りの割合はたとえば、モータとして機能する電気機器１を用いて生じさせなければならない。残りの出力のこの割合は、バルブにおいて生じる絞り損失を最小限に抑えられる程度のみでなければならない。

本発明と上述のプロセスとにより、各時点において作動している駆動部分のパワー（ダイナミクス、精度）を活用することができエネルギー効率が非常に高い複合駆動装置を実現することができる。とりわけ、電気機器の回生と流体圧装置の回生とを利用することにより、蓄圧器の作動時には失われてしまうエネルギーをシステムに保持することができる。

その際には全体的に、理想的には所望の出力特性（ここではエネルギー効率）に適合することができないグラフの領域が、ごく小さく抑えられる。

さらに、このようなシステムはモジュール化することができ、たとえば所要速度が低い場合、制御ポンプ作動のみをそのまま直接用いることができる。それに対し、所要トルクがより低く、かつ速度が高い場合、電動駆動システムを使用することができる。射出パワーが高い場合にはオプションとして、前記蓄圧器を有する蓄圧システムを接続することができる。

射出成形機の注文時には、前記システムの購入は最初、個別にのみ行うことができる（たとえば流体圧駆動装置のみを購入することができる）。しかし、他の部分駆動装置を後付けできるようにすることも可能である。基本的には、上記にて説明した思想を別の駆動軸または駆動素子に拡張することもできる。駆動軸に関しては、相応の思想を射出成形機において、たとえば閉弁力、プレス力等において使用することができる。

１ 電気機器（ジェネレータ、モータ）
２ 複動式ピストン‐シリンダユニット
３ 蓄圧器
１０ 第１のバルブ
２０ 第２のバルブ
３０ 第３のバルブ
４０ 流体圧装置（流体圧ポンプ；流体圧モータ）
１１０ 流体圧ポンプによって直接そのままカバーできる負荷領域
１２０ 電動駆動装置によって直接そのままカバーできる負荷領域
１１４ 蓄圧器によってカバーできるかまたは付加的に蓄圧器を用いてカバーできる負荷領域
１１６ 蓄圧システムの速度軸の０位置のシフト
１１８ 蓄圧システムの力軸の０位置のシフト
１２０〜１２９ 種々の特性曲線

Claims (14)

1. 射出成形機である工作機械における被駆動軸の作動方法であって、
   少なくとも２つの異なる駆動装置を結合して１つの有効駆動装置を形成し、
   前記有効駆動装置が前記被駆動軸に作用し、
   電気機器（１）と、流体蓄圧器（３）および流体圧装置（４０）の少なくとも一方によって駆動される流体圧シリンダ（２）と、が接続され、
   各駆動装置の出力データが特性値または特性曲線で格納されている、被駆動軸の作動方法において、
   ・前記各駆動装置の出力特性を設定し、
   ・前記被駆動軸に対する所要出力を求め、
   ・前記出力データから、前記出力特性に応じて、前記所要出力を実現する前記各駆動装置の作動の組み合わせを求め、
   ・求められた前記作動の組み合わせで前記各駆動装置を駆動する、
   ことを特徴とする、被駆動軸の作動方法。
2. 消費エネルギーが可能な限り小さい出力特性を設定する、
   請求項１記載の被駆動軸の作動方法。
3. 前記電気機器（１）は、要求に応じて駆動モータとしてもジェネレータとしても作動する、
   請求項１または２記載の被駆動軸の作動方法。
4. 前記電気機器（１）がジェネレータとして作動している場合に電気エネルギーを生成し、システム内へ戻す、
   請求項３記載の被駆動軸の作動方法。
5. 前記流体圧装置（４０）は、要求に応じて被駆動側のポンプまたは流体圧モータとして作動しバルブによって制御される、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の被駆動軸の作動方法。
6. 前記流体圧装置（４０）は、流体圧モータとして作動する際、別の電気機器をジェネレータとして駆動し、該別の電気機器は電気エネルギーを生成してシステム内へ戻す、
   請求項５記載の被駆動軸の作動方法。
7. 前記電気機器（１）は、前記流体圧シリンダ（２）のピストンのピストン棒に結合され、前記ピストン棒は、前記被駆動軸に作用結合する、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の被駆動軸の作動方法。
8. 射出成形機である工作機械において被駆動軸を作動させるための装置であって、
   前記装置は、少なくとも２つの異なる駆動装置と、開ループ制御装置または閉ループ制御装置と、を含み、
   前記少なくとも２つの異なる駆動装置は相互に結合されて１つの有効駆動装置を成し、
   前記有効駆動装置が前記被駆動軸に作用し、
   電気機器（１）と、流体蓄圧器（３）および流体圧装置（４０）の少なくとも一方によって駆動される流体圧シリンダ（２）と、が接続され、
   各駆動装置の出力データが特性値または特性曲線で格納されており、
   前記開ループ制御装置または閉ループ制御装置は、前記駆動装置を駆動制御するために該駆動装置に接続されている、装置において、
   ・前記駆動装置の出力特性が設定されるように構成されており、
   ・前記開ループ制御装置または閉ループ制御装置は、
   ・・前記被駆動軸に対する所要出力を求め、
   ・・前記出力データから、前記出力特性に応じて、前記所要出力を実現する前記駆動装置の作動の組み合わせを求める、
   ように構成されており、
   ・前記駆動装置は、求められた前記作動の組み合わせで駆動されるように構成されている、
   ことを特徴とする、装置。
9. 前記電気機器（１）は、モータとしてもジェネレータとしても機能する、
   請求項８記載の装置。
10. 前記電気機器（１）および該電気機器（１）の構成要素は、電気エネルギーをシステム内へ戻すように構成されている、
    請求項９記載の装置。
11. 前記流体圧装置（４０）は、要求に応じて被駆動側のポンプまたは流体圧モータとして作動する、
    請求項８から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. 前記流体圧装置（４０）は、別の電気機器に結合されている、
    請求項１１記載の装置。
13. 前記別の電気機器および該別の電気機器の構成要素は、電気エネルギーをシステム内へ戻すように構成されている、
    請求項１２記載の装置。
14. 前記電気機器（１）は、前記流体圧シリンダ（２）のピストンのピストン棒に結合され、前記ピストン棒は、前記被駆動軸に作用結合する、
    請求項８から１３までのいずれか１項記載の被駆動軸の装置。

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