KR101353831B1 - 펌프-제어 실린더 쿠셔닝 시스템 및 방법 - Google Patents

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모니카 마리안느 아이반티사이노바
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Abstract

토공 기계(100)의 공구(104-108)의 운동을 제어하기 위한 시스템(10) 및 방법이 개시된다. 시스템(10)은 공구(104-108)를 움직이도록 구성되는 유압 액추에이터(12)를 포함한다. 액추에이터(12)에는 가변 용적식 펌프가 연결되어, 액추에이터(12)의 챔버로 가압 유체를 전달하고, 액추에이터(12)의 챔버로부터 가압 유체를 수용한다. 액추에이터의 피스톤(22) 또는 피스톤 로드(24)의 위치에 근거하여 센서(26)가 출력을 발생시키고, 컨트롤러(28)는, 센서(26)의 출력에 응답하여, 액추에이터의 챔버로의 유체의 유량 및 액추에이터의 챔버로부터의 유체의 유량을 감소시키는 알고리즘을 실행하는 것에 의해 가변 용적식 펌프(14)의 용적을 제어함으로써, 피스톤(22)이 피스톤 행정의 종점에 접근함에 따라 피스톤(22)의 속도를 감소시켜서 피스톤 행정의 종점에서 피스톤(22)이 액추에이터(12)와 충돌하는 것을 방지한다.

Description

펌프-제어 실린더 쿠셔닝 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR PUMP-CONTROLLED CYLINDER CUSHIONING}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2008년 11월 6일자 미국 특허 가출원 제 61/111,748 호에 근거하여 우선권을 주장하며, 그 내용은 본 발명에 참고 자료로 포함된다.
본 발명은 개략적으로 유압 회로를 작동시키는 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 모바일 기계 상의 작동 도구의 위치를 제어하는데 사용되는 유압 액추에이터의 펌프-제어 쿠셔닝을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
소형 굴착기, 휠 로더(wheel loader), 및 스키드-스티어 로더(skid-steer loader)는 기계의 다양한 공구의 운동을 제어하는 과정들을 포함하는 동작을 갖는 다-기능 기계의 예다. 도 1은 스윙 베어링(도시되지 않음) 또는 그외 다른 적절한 장치를 통해 차대(102) 상부에 장착되는 조종실(cab 또는 cabin)(101)을 갖는 소형 굴착기(100)를 도시한다. 차대(102)는 트랙(103) 및 관련 구동 구성요소(예를 들어, 구동 스프라켓, 롤러, 아이들러, 등)를 포함한다. 굴착기(100)에는 붐(106), 스틱(107), 및 버킷으로 나타나는 부착물(108)을 포함하는 관절 기계 아암(105)과 블레이드(104)가 추가로 장착되지만, 다양한 다른 부착물들도 아암(105)에 장착될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 굴착기(100)의 기능은 붐(106), 스틱(107), 및 버킷(108)의 모션과, 버킷(108)을 이용한 굴착 작업 중 아암(105)의 오프셋과, 그레이딩 작업 중 블레이드(104)의 모션과, 조종실(101)을 회전시키는 스윙 모션과, 굴착기(100)의 운동 중 트랙(103)의 좌측 및 우측 진행 모션을 포함한다. 도 1에 나타나는 타입의 소형 굴착기(100)의 경우에, 블레이드(104), 붐(106), 스틱(107), 버킷(108), 및 오프셋 기능들이 일반적으로 선형 액추에이터(109-114)(도 1에 유압 실린더로 나타남)를 이용하여 동력을 공급받고, 진행 및 스윙 기능은 일반적으로 회전 유압 모터(도 1에 도시되지 않음)를 이용하여 동력을 공급받는다.
종래의 굴착기에서는, 이러한 기능들의 제어가 지향성 제어 밸브를 이용하여 달성된다. 그러나, 제어 밸브를 통한 유체 스로틀링(throttling flow through control valve)은 에너지를 소모한다고 알려져 있다. 일부 현재의 기계에서, 회전 기능[트랙(103)에 대한 회전 유압 구동 모터 및 조종실(101)에 대한 회전 유압 스윙 모터]이 용적 제어 시스템을 이용하여 실현되고, 이는 동력 손실을 줄이고 에너지를 회수할 수 있게 한다. 이에 반해, 블레이드(104), 붐(106), 스틱(107), 버킷(108) 및 오프셋 기능에 대한 선형 액추에이터(109-114)의 위치 및 속도는 일반적으로 지향성 제어 밸브를 이용하여 제어되는 상태를 유지한다. 유압 펌프를 이용하여 직접 선형 유압 액추에이터를 제어하는 것도 가능하다. 고정 용적식 펌프 및 가변 용적식 펌프를 모두 이용하는 여러 가지 펌프-제어 구조들이 알려져 있다. 단일 로드(rod) 실린더를 이용한 선형 액추에이터의 용적 제어가 미국 특허 공보 제 5,329,767 호, 독일 특허 공개 공보 제 000010303360A1 호, 유럽 특허 공개 공보 제 000001588057 A1 호 및 국제 공개 공보 제 2004/067969 호에 개시되어 있고, 유압 액추에이션 시스템에 대한 에너지 요건을 크게 감소시킬 수 있는 가능성을 제시한다. 다른 형태의 용적 제어 시스템 이용을, Zimmerman, 등의 "The Effect of System Pressure Level on the Energy Consumption of Displacement Controlled Actuator Systems," Proc. of the 5th FPNI PhD Symposium, Cracow, Poland, 77-92 (2008)과, Williamson, 등의 "Efficiency Study of an Excavator Hydraulic System Based on Displacement-Controlled Actuators," Bath ASME Symposium on Fluid Power and Motion Control (FPMC2008), 291-307 (2008)을 또한 참고하여 더욱 잘 이해할 수 있고, 이러한 문헌의 내용은 본 발명에서 참고자료로 포함된다.
유압 액추에이터는 제한된 위치 범위나 행정을 갖는다. 액추에이터의 위치가 액추에이터 행정의 양쪽 종점 중 하나에 도달할 때, 피스톤 조립체는 실린더 보디와 접촉하여 정지된다. 일부 형태의 쿠셔닝 없이, 피스톤과 실린더 사이의 충격은 바람직하지 못한 마모, 진동, 및 조작자의 불편함을 야기할 수 있다. 일부 기계의 경우, 차량 불안정성과 같은 다른 안전상의 문제점들이 이러한 액추에이터 정지로부터 발생될 수 있다. 이러한 문제점을 방지하기 위해, 유압유를 작은 구멍을 통과하게 함으로써 액추에이터 행정의 종점 근처에서 액추에이터 피스톤을 느리게 하는 "쿠션"이라 불리는 점성 댐퍼가 유압 액추에이터에 흔히 장착된다. 액추에이터에 쿠션이 장착되지 않을 경우, 조작자는 행정-종점 충격을 방지하기 위해 액추에이터 속도를 수동으로 제어하여야 한다. 그러나, 액추에이터 속도의 수동 조절은 기술 및 주의를 요한다.
본 발명은 점성 댐퍼와 같은 유체 구성요소의 이용을 필요로하지 않는 펌프-제어 유압 액추에이터를 쿠셔닝하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 상기 시스템은 토공 기계의 공구의 운동을 제어하는데 사용되는 유압 실린더의 위치 및 속도를 자동으로 제어하는데 특히 적합하다.
본 발명의 제 1 형태에 따르면, 상기 시스템은 공구를 움직이도록 구성되는 유압 액추에이터를 포함한다. 액추에이터는 액추에이터 내에 제 1 챔버 및 제 2 챔버를 구획하는 피스톤과, 피스톤 및 공구에 연결되는 피스톤 로드를 포함한다. 가변 용적식 펌프가 액추에이터에 연결되어, 액추에이터의 챔버로 가압 유체를 전달하고 액추에이터의 챔버로부터 가압 유체를 수용한다. 액추에이터의 피스톤 또는 피스톤 로드의 위치에 근거하여 센서가 출력을 발생시킨다. 상기 센서의 출력에 응답하여 컨트롤러가 가변 용적식 펌프의 용적(displacement)을 제어하는데, 컨트롤러는, 액추에이터의 제 1 챔버로의 유체의 유량 및 액추에이터의 제 2 챔버로부터의 유체의 유량을 감소시키는 알고리즘을 실행함으로써, 피스톤이 액추에이터 내에서 피스톤 행정의 종점에 접근함에 따라 액추에이터의 피스톤의 속도를 감소시켜서 피스톤이 피스톤 행정의 종점에서 액추에이터와 충돌하는 것을 방지하도록 동작한다.
본 발명의 제 2 형태에 따르면, 상기 방법은, 공구를 움직이도록 구성된 유압 액추에이터의 제 1 및 제 2 챔버로 가압 유체를 전달하고 제 1 및 제 2 챔버로부터 가압 유체를 수용하기 위해 가변 용적식 펌프를 이용하는 단계를 포함한다. 액추에이터는 제 1 및 제 2 챔버를 구획하는 피스톤과, 피스톤 및 공구에 연결된 피스톤 로드를 포함한다. 액추에이터의 피스톤 또는 피스톤 로드의 위치에 근거하여 출력이 발생되고, 상기 출력에 응답하여, 액추에이터의 제 1 챔버로의 유체의 유량 및 제 2 챔버로부터의 유체의 유량을 감소시키는 것에 의해 가변 용적식 펌프의 용적을 제어함으로써, 피스톤이 액추에이터 내에서 피스톤 행정의 종점에 접근함에 따라 피스톤의 속도를 감소시켜서 피스톤 행정의 종점에서 피스톤이 액추에이터와 충돌하는 것을 방지한다.
본 발명의 다른 형태는 상술한 시스템을 구비한 토공 기계이다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 상당한 장점이, 유압 회로 내에 점성 댐퍼와 같은 종래의 액추에이터 쿠션을 물리적으로 구현하지 않으면서, 쿠셔닝 효과를 제공하는 기능을 포함하고, 지향성 제어 밸브를 통한 흐름을 스로틀링할 필요성을 제거하는 결과로 에너지가 절감된다는 것임을 알 수 있다. 다른 장점은 액추에이터의 속도가 느려지기 시작하는 행정 위치 및/또는 액추에이터의 감속율에 근거하여 쿠셔닝 기능의 조정을 제공하는 옵션으로서, 따라서, 기계 안정성 및 작동 요건을 충족시킴에 있어 더 큰 유연성을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 형태 및 장점들은 다음의 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 종래 기술에서 알려진 타입의 소형 굴착기의 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1의 굴착기에 사용되는 타입의 펌프-제어 유압 액추에이터를 쿠셔닝하기 위한 펌프-제어 액추에이터 회로의 도면.
도 2는 펌프-제어 유압 액추에이터(12)의 위치 및 속도를 자동으로 제어하기 위한 시스템(10)을 개략적으로 나타낸다. 시스템(10)은 토공 기계의 공구의 운동을 제어하도록 구성되는 펌프-제어 유압 액추에이터(12)를 지닌 폐-유압 회로를 포함하는 형태로 도 2에 나타나며, 상기 공구의 비-제한적인 예는 도 1의 굴착기(100)의 공구(104-108) 중 임의의 것이다. 이와 같이, 액추에이터(12)는 굴착기(100)의 선형 액추에이터(109-114) 중 임의의 것에 의해 예시화될 수 있다.
도 2의 시스템(10)은, 단일-로드 복동식 액추에이터로 나타나는, 유압 액추에이터(12)에 연결된 가변 용적식 펌프(14)를 더 포함한다. 펌프(14)는 주동력원(도시되지 않음)(예를 들어, 내연 기관)에 의해 동력을 공급받는다. 하나 이상의 밸브(18)가 유압 회로를, 도 2에 도시되는 충전 펌프(20) 및 리저버(reservoir)와 같은 적절한 유압유 공급원에 연결하지만, 완충기(accumulator)(도시되지 않음)를 포함한, 다른 공급원을 이용하는 것도 예상가능하다. 밸브(18)는 액추에이터 피스톤(22)에 의해 분리되는 액추에이터(12)의 두 챔버 사이의 볼륨 차이를 보상한다. 이러한 볼륨 보상은 단일 스풀-타입 밸브(미국 특허 제 5,329,767 호 참조, 본 발명에 참고자료로 포함됨), 두개의 파일롯-작동 체크 밸브, 또는 그외 다른 방식으로 달성될 수 있다. 밸브(18)로부터 방출되는 유압유는 압력 해제 밸브(32)를 통해 리저버(30)로 복귀한다.
도 2는, 액추에이터 피스톤(22)의 위치를 결정할 수 있는, 액추에이터(12)의 로드(rod)(24)의 피스톤을 모니터링하도록 구성되는 선형 위치 센서(26)를 추가로 도시한다. 센서(26)는 로드(24)의 위치 또는 로드(24) 상의 표적의 위치를 감지할 수 있는 임의의 적절한 타입의 센서일 수 있다. 센서(26)에 의해 발생되는 신호는 디지털 마이크로-컨트롤러(28)에 전송되어, 펌프(14)의 용적 컨트롤러(도시되지 않음)에 연결되는 전계-유압 밸브(16)를 통해 유압 펌프(14)의 용적을 제어한다. 액추에이터 피스톤(22)이 센서(26)에 의해 결정되는 행정의 종점에 가까워질 때, 마이크로-컨트롤러(28)는 펌프 유량, 따라서, 피스톤(22)의 속도를 감소시키도록 알고리즘을 실행한다. 이와 같이, 본 발명의 시스템(10) 및 방법은, 피스톤 위치와 요망 속도 사이의 특정 관계(가령, 선형, 2차형, 등)가 아니라, 행정의 종점에서 피스톤 충격을 방지할 수 있도록 액추에이터(12)를 느려지게 하는 과정을 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 종래 기술에 대해 다양한 장점을 제공하는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 시스템(10)은 유압 회로 내의 점성 댐퍼와 같은 종래의 액추에이터 쿠션을 물리적으로 구현하지 않으면서 쿠셔닝 효과를 제공한다. 본 발명에서는 종래의 액추에이터 쿠셔닝 시스템과 동일한 기능이 가능하지만 비용은 감소한다. 비용 제한으로 인해, 대부분의 모바일 유압 기계들은 기계의 공구의 운동을 제어하는 모든 액추에이터에 대해 쿠션을 가지지 못하며, 액추에이터 쿠셔닝이 한 방향으로만(예를 들어, 확장 임계치 또는 수축 임계치 중 하나에만, 둘 모두는 아님) 제공되는 경우가 자주 있다. 본 발명은 모든 펌프-제어 액추에이터를 양 방향으로 쿠셔닝되게 하여, 조작이 쉽고 편리한 기계를 만들 수 있는 장점을 갖는다.
액추에이터 쿠셔닝은 또한 본 발명을 이용하여 쉽게 조절가능하다. 종래 기술에서, 액추에이터가 느려지는 행정 위치 및 감속율은, 행정의 종점 근처에서 액추에이터 피스톤을 느려지게 하는 점성 댐퍼의 구멍 크기와 같은 설계에 의해 고정된다. 본 발명은 액추에이터(12)의 속도가 느려지기 시작하는 행정 위치와, 액추에이터(12)의 감속율을, 기계 타입, 조작 작업, 조작자 선호도, 또는 그외 다른 일부 관심 변수에 따라 마이크로-컨트롤러(28)로의 입력을 통해 조정할 수 있다. 이러한 방식으로, 본 발명은 기계 안정성 및 작동 요건을 충족시킴에 있어 더 큰 유연성을 제공할 수 있다.
본 발명은 에너지 절감의 장점을 또한 제공한다. 종래의 실린더 제어는 행정 임계치에 도달한 후에도 액추에이터에 가압 유체를 공급하게 한다. 이러한 유체는 압력 해제 밸브에 의해 리저버(reservoir)로 스로틀링되어, 에너지를 소모하고 열을 발생시킨다. 본 발명은 피스톤(20)이 행정 임계치에 도달하였을 때, 과량의 흐름을 스로틀링하는 대신에, 액추에이터(12)로의 흐름을 감소시킴으로써 에너지 이용을 감소시킨다.
본 발명이 특정 실시예의 측면에서 설명되었으나, 다른 형태도 당업자에 의해 채택될 수 있다는 것은 명백하다. 예를 들어, 액추에이터(12)가 기계 구조물과 폐-운동학적 루프를 형성할 경우, 루프 내 임의의 조인트에 부착되는 각도 위치 센서가, 액추에이터(12)에 위치하는 선형 위치 센서(26) 대신에 사용될 수 있다. 다른 가능한 대안은, 피스톤 로드(24)의 위치를 전체 범위에 걸쳐 연속적으로 측정하지 않으면서, 액추에이터 행정 임계치에 도달함에 따라 액추에이터 피스톤(22)의 존재를 검출하는 한 세트의 근접도 센서(a set of proximity sensors)다. 본 발명은 액추에이터에 의해 제어되는 운동을 갖는 하나 이상의 공구를 갖는 다양한 기계에 또한 적용가능하다. 따라서, 본 발명은 도 1 및 도 2에 도시되는 특정 실시예로 제한되는 것으로 이해해서는 안 된다. 대신에, 본 발명의 범위는 다음의 청구범위에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (14)

  1. 토공 기계(100)의 공구(104-108)의 운동을 제어하도록 구성되는 시스템(10)에 있어서,
    상기 공구(104-108)를 움직이도록 구성되는 유압 액추에이터(12)로서, 상기 액추에이터(12)는 액추에이터(12) 내에 제 1 및 제 2 챔버를 구획하는 피스톤(22)과, 상기 피스톤(22) 및 상기 공구(104-108)에 연결되는 피스톤 로드(24)를 포함하는, 상기 액추에이터(12)와,
    상기 액추에이터(12)의 챔버에 가압 유체를 전달하고, 상기 액추에이터(12)의 챔버로부터 가압 유체를 수용하기 위한 가변 용적식 펌프(14)와,
    상기 액추에이터(12)의 피스톤(22) 또는 피스톤 로드(24)를 감지하고, 상기 액추에이터(12) 내의 피스톤(22)의 행정 위치에 대응하는 출력을 발생시키도록 구성되는 센서(26)와,
    상기 센서(26)의 출력에 응답하여 가변 용적식 펌프(14)의 용적을 제어하는 컨트롤러(28)를 포함하며,
    상기 컨트롤러(28)는, 상기 가변 용적식 펌프(14)로부터의 유체의 유량 및 상기 가변 용적식 펌프(14)로의 유체의 유량을 감소시키는 알고리즘을 실행함으로써, 상기 피스톤(22)의 행정 위치가 액추에이터(12) 내에서 피스톤 행정의 종점에 접근함에 따라 상기 액추에이터(12)의 피스톤(22)의 속도를 감소시켜서 상기 피스톤(22)이 상기 피스톤 행정의 종점에서 상기 액추에이터(12)와 충돌하는 것을 방지하도록 동작하고,
    상기 컨트롤러(28)는, 피스톤(22)의 속도가 최초로 감소하는 피스톤(24)의 행정 위치와, 상기 피스톤(22)이 상기 피스톤 행정의 종점에 접근함에 따라 피스톤(22)의 속도가 감소하는 감속율을 조정할 수 있도록 구성되고,
    상기 피스톤(22)의 속도는 상기 가변 용적식 펌프(14)에 의해 직접적으로 제어되는
    토공 기계의 공구 운동 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 토공 기계(100)는 굴착기(100)인
    토공 기계의 공구 운동 제어 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공구(104-108)는 관절 아암(105)과, 상기 관절 아암(105)의 부착물(108)을 포함하는
    토공 기계의 공구 운동 제어 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공구(104-108)는 블레이드(104)를 포함하는
    토공 기계의 공구 운동 제어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템에는 상기 액추에이터(12)의 제 1 및 제 2 챔버로의 유체의 유량과 상기 제 1 및 제 2 챔버로부터의 유체의 유량을 감소시키는 점성 댐퍼가 없는
    토공 기계의 공구 운동 제어 시스템.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템(10)은 상기 토공 기계(100) 상에 설치되는
    토공 기계의 공구 운동 제어 시스템.
  8. 제 7 항에 따른 시스템(10)을 구비한
    토공 기계(100).
  9. 토공 기계(100)의 공구(104-108)의 운동을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 공구(104-108)를 움직이도록 구성된 유압 액추에이터(12)의 제 1 및 제 2 챔버에 가압 유체를 전달하며 상기 제 1 및 제 2 챔버로부터 가압 유체를 수용하기 위해 가변 용적식 펌프(14)를 이용하는 단계로서, 상기 액추에이터(12)는 상기 제 1 및 제 2 챔버를 구획하는 피스톤(22)과, 상기 피스톤(22) 및 상기 공구(104-108)에 연결되는 피스톤 로드(24)를 포함하는, 상기 가변 용적식 펌프(14)를 이용하는 단계와,
    상기 액추에이터(12)의 피스톤(22) 또는 피스톤 로드(24)를 감지하고, 상기 액추에이터(12) 내의 피스톤(22)의 행정 위치에 대응하는 출력을 발생시키는 단계와,
    상기 출력에 응답하여, 상기 가변 용적식 펌프(14)로부터의 유체의 유량 및 상기 가변 용적식 펌프(14)로의 유체의 유량을 감소시키는 것에 의해 가변 용적식 펌프(14)의 용적을 제어함으로써, 상기 피스톤(22)의 행정 위치가 액추에이터(12) 내에서 피스톤 행정의 종점에 접근함에 따라 피스톤(22)의 속도를 감소시켜서 상기 피스톤(22)이 상기 피스톤 행정의 종점에서 상기 액추에이터(12)와 충돌하는 것을 방지하는 단계와,
    상기 피스톤(22)의 속도가 최초로 감소하는 피스톤(24)의 행정 위치와, 상기 피스톤(22)이 상기 피스톤 행정의 종점에 접근함에 따라 피스톤(22)의 속도가 감소하는 감속율을 조정하는 단계를 포함하고,
    상기 피스톤(22)의 속도는 상기 가변 용적식 펌프(14)에 의해 직접적으로 제어되는
    토공 기계의 공구 운동 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 토공 기계(100)는 굴착기(100)인
    토공 기계의 공구 운동 제어 방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 공구(104-108)는 관절 아암(105)과, 상기 관절 아암(105)의 부착물(108)을 포함하는
    토공 기계의 공구 운동 제어 방법.
  12. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 공구(104-108)는 블레이드(104)를 포함하는
    토공 기계의 공구 운동 제어 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 액추에이터(12)의 제 1 및 제 2 챔버로의 유체의 유량과 상기 제 1 및 제 2 챔버로부터의 유체의 유량을 감소시키는 점성 댐퍼를 이용하지 않는
    토공 기계의 공구 운동 제어 방법.
  14. 삭제
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