KR20170019004A - 밸브 리스 구동장치 - Google Patents

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KR20170019004A
KR20170019004A KR1020150112448A KR20150112448A KR20170019004A KR 20170019004 A KR20170019004 A KR 20170019004A KR 1020150112448 A KR1020150112448 A KR 1020150112448A KR 20150112448 A KR20150112448 A KR 20150112448A KR 20170019004 A KR20170019004 A KR 20170019004A
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박병윤
조정산
박상덕
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 밸브 리스 구동장치에 관한 것으로, 특히 유압구동기의 일 측에 유압구동기로 공급되는 유체의 양과 토크를 각각 다르게 송출하는 복수 개의 모터와 펌프를 구비하여 간단한 구조로 힘 제어를 용이하게 하고 어느 하나의 펌프 고장 발생시에도 유압 구동기의 기본적인 동작을 이룰 수 있도록 하는 밸브 리스 구동장치에 관한 것이다. 구성은 구동장치에 있어서, 제 1 모터와, 상기 제 1 모터보다 저속으로 회전하며 더 높은 토크를 발생시키는 제 2 모터로 이루어지는 모터부와; 상기 제 1 모터의 동작에 연동하여 유체를 송출시키는 제 1 유압펌프와, 상기 제 2 모터의 동작에 연동하여 상기 제 1 유압펌프보다 소량의 유체를 더 높은 압력으로 송출(토출)하며 속도제어가능한 제 2 유압펌프로 이루어지는 펌프부; 및 상기 제 1 유압펌프와 제 2 유압펌프를 통해 송출되는 유체가 밸브를 거치지 않고 하나의 유로를 통해 유압 구동기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

밸브 리스 구동장치{a valveless actuator}
본 발명은 밸브 리스 구동장치에 관한 것으로, 특히 유압구동기의 일 측에 유압구동기로 공급되는 유체의 양과 토크를 각각 다르게 송출하는 복수 개의 모터와 펌프를 구비하여 간단한 구조로 힘 제어를 용이하게 하고 어느 하나의 펌프 고장 발생시에도 유압 구동기의 기본적인 동작을 이룰 수 있도록 하는 밸브 리스 구동장치에 관한 것이다.
일반적으로 산업현장의 로봇, 메카트로닉스(mechatronics), 프레스, 사출성형기와 같은 제조 기기뿐 아니라 레저용 보트의 틸팅장치 및 대형 선박의 조타장치와 같은 해양 기기 분야 등에는 밸브와 펌프 및 유압 구동기를 포함하는 구동장치(전기, 유압, 압축공기 등을 이용하는 구동장치의 총칭으로, 보통 유체 에너지를 이용해서 기계적인 작업을 하는 기기. 기계를 작동시키는 장치.)가 사용된다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 구동장치(100)는, 피스톤(111)과 로드(112)를 갖는 유압 구동기(110)와, 상기 유압 구동기(110)의 내부로 유체의 출입을 제어하는 압력 릴리프밸브(120)와 무 부하밸브(130) 및 체크밸브(140)와, 상기 압력 릴리프밸브(120)와 무 부하밸브(130) 및 체크밸브(140)의 일 측으로 위치하여 상기 유압 구동기(110)에 유체를 공급하는 저 유량펌프(150) 및 고 유량펌프(160)를 포함하여 이루어진다.
그러나, 종래의 구동장치는 예컨대 프레스에 사용될 경우, 펀치 프레스의 해머(ram)가 매우 낮은 압력 상태에서 먼 거리를 빠르게 전진해야 하므로 많은 유량이 요구되나 이러한 빠른 전진은 피스톤 로드 끝에 결합 되는 해머(미도시)가 판금 스트립(strip)에 접근할 때 외부 부하가 없는 상태에서 원활하게 이루어지기 때문에 이를 위해 무 부하밸브를 형성하고 있으나, 반대로 해머가 펀칭 동작하는 짧은 움직임 동안에는 펀칭부하 때문에 압력이 높아야 하지만 무 부하로 인해 피스톤의 움직임이 작기 때문에 요구되는 유량이 작아 요구되는 압력으로 힘 제어가 어려운 문제점이 있었다.
또, 종래의 구동장치는 유체의 흐름을 개폐하는 복수 개의 밸브로 인해 구조가 복잡하고, 저항력과 마찰력이 형성되어 저 유량펌프 또는 고 유량펌프의 역구동성(back-drivability)이 좋지 못한 문제점이 있다.
또한, 종래에는 저 유량펌프 또는 고 유량펌프 중, 어느 하나의 유량펌프가 고장시 유압 구동기에 유체를 공급하거나 배출시킬 수 없기 때문에 유압 구동기의 기본적인 동작조차 진행시킬 수 없는 문제점이 있다.
공개번호 10-2014-0021987
이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 간단한 구조를 형성하고 저 유량펌프의 역구동성(back-drivability)을 좋게 하여 힘 제어가 용이하며, 제 1 유압펌프와 제 2 유압펌프 또는 제 1 모터와 제 2 모터 중 어느 1개가 고장시 다른 1개로 실린더의 피스톤 로드의 기본적인 동작을 이루도록 하는 밸브 리스 구동장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 구동장치에 있어서, 제 1 모터와, 상기 제 1 모터보다 저속으로 회전하며 더 높은 토크를 발생시키는 제 2 모터로 이루어지는 모터부와; 상기 제 1 모터의 동작에 연동하여 유체를 송출시키는 제 1 유압펌프와, 상기 제 2 모터의 동작에 연동하여 상기 제 1 유압펌프보다 소량의 유체를 더 높은 압력으로 송출(토출)하며 속도제어가능한 제 2 유압펌프로 이루어지는 펌프부; 및 상기 제 1 유압펌프와 제 2 유압펌프를 통해 송출되는 유체가 밸브를 거치지 않고 하나의 유로를 통해 유압 구동기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 유압펌프는 송출(토출)되는 유체의 량이 많도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 유압펌프는 송출(토출)되는 유체의 량은 적으나 입력대비 출력비가 크고 마찰력이 작은 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 유압펌프는 유체의 역류(유체의 역방향 유입)를 방지하기 위한 역회전 방지기구가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 유압펌프는 유체 배출구 측에서 압력이 가해지면 펌프가 역회전하도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 유압펌프와 유압구동기의 사이에는 유체의 입출력을 위한 배관이 부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 유압 구동기의 동작을 요구되는 압력으로 힘 제어를 원활히 이룰 수 있는 효과가 있다.
또, 밸브를 제거하여 구조를 간단하게 함과 동시에 제 2 유압펌프의 역구동성(back-drivability)을 이용하여 힘 제어 성능을 향상시키고, 제 2 유압펌프 또는 제 1 유압펌프 중, 어느 하나가 고장발생시에도 유압 구동기의 기본적인 동작을 이루도록 하여 작업성 향상을 이룰 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 구동장치 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 밸브 리스 구동장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 밸브 리스 구동장치의 사용 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시 예를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 밸브 리스 구동장치의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.
여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.
도 2 내지, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 밸브 리스 구동장치(1000)는, 모터부(100)와 펌프부(200) 및 유압 구동기(300)로 대별되어 이루어진다.
상기 모터부(100)는 고속으로 회전하는 소형의 제 1 모터(110)와 저속으로 회전하며 상기 제 1 모터(110) 보다, 더 높은 토크를 발생시키는 제 2 모터(120)로 이루어진다.
상기 제 1 모터(110)는 상기 펌프부(200)의 일 측으로 결합 형성되어 고속으로 회전동작하면서 유체의 송출(토출)량을 많게 하면서 빠르게 송출하는 역할을 한다.
즉, 상기 제 1 모터(110)는 유체의 송출 량과 속도를 가감할 있도록 RPM( revolution per minute)을 높이거나 줄일 수 있다.
따라서, 상기 제 1 모터(110)는 RPM을 높여 유체의 송출 량을 많게 하고 송출 속도를 빠르게 하여 상기 유압 구동기(300)의 동작성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기 제 2 모터(120)는 상기 펌프(200)의 타 일 측으로 결합 형성되어 저속으로 회전동작하면서 유체의 송출(토출) 량은 적게 하면서 높은 토크를 발생시키는 역할을 한다.
즉, 상기 제 2 모터(120)는 유체의 송출 속도는 느리나 큰 힘을 낼 수 있도록 높은 토크를 가감할 수 있도록 RPM(revolution per minute)을 높이거나 줄일 수 있다.
따라서, 상기 제 2 모터(120)는 RPM을 높여 높은 토크를 발생시켜 상기 유압 구동기(300)가 큰 힘을 낼 수 있도록 한다.
이와 같이 상기 제 1 모터(110)는 유체를 빠르게 송출시켜 유압 구동기(300)의 동작성을 향상시키고, 제 2 모터(120)는 높은 토크로 유체에 고압을 발생시켜 유압 구동기(300)의 출력을 향상시키게 된다.
상기 펌프부(200)는 상기 제 1 모터(110)의 높은 RPM 동작에 연동하여 상기 유압 구동기(300)로 많은 량의 유체를 송출시키는 제 1 유압펌프(210)와, 상기 제 2 모터(120)의 동작에 연동하여 상기 제 1 유압펌프(210)보다 소량의 유체를 더 높은 압력으로 유압 구동기(300)로 송출(토출)하는 제 2 유압펌프(220)로 이루어진다.
상기 제 1 유압펌프(210)는 일 측으로 유체 유입구(211)가 형성되고 타 측으로는 유체 배출구(212)가 형성되어 펌핑 작용을 하는 기어식, 플런저식, 베인식 등과 같은 다양한 형태의 유압펌프(oil hydraulic pump)로 구성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제 1 유압펌프(210)는 상기 제 1 모터(110)와 연동하도록 결합 된다.
그리고, 상기 유체 유입구(211)는 유로를 형성하는 배관(P)을 통해 유압 탱크(230)와 연결되도록 형성되고, 유체 배출구(212)는 유로를 형성하는 배관(P)을 통해 유압 구동기(300)와 연결되도록 형성된다.
또, 상기 제 1 유압펌프(210)는 상기 제 1 모터(110)와 연동하도록 결합 되어 송출(토출)하는 유체의 량이 많도록 구성되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 제 1 유압펌프(210)가 제 1 모터(110)에 연동하여 유체의 량을 많도록 다양한 구조와 형태로 구성될 수 있으며 이러한 구성은 통상적인 유압펌프로 다양하게 형성할 수 있는 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.
또한, 상기 제 1 유압펌프(210)는 경량이고 구조가 간단하며, 유체가 역류(유체의 역방향 유입)하지 않도록 유체의 입력 측에 역회전방지를 위한 역회전 방지기구가 형성(설치)되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 역회전방지 기구는 래칫 및 폴과 같은 통상적으로 사용되는 다양한 구성을 채용할 수 있으므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이에 따라, 상기 유압 구동기(300)로부터 외부 압력이 가해질 경우에도 역회전방지 기구에 의해 유체가 역방향으로 흐르지 않도록 밸브 역할을 하기 때문에 종래와 같이 다수 개의 밸브가 필요 없어 구조가 간단하고 밸브 불량이나, 제어 불량으로 인한 압력저하와 같은 문제점을 예방할 수 있다.
상기 제 2 유압펌프(220)는 일 측으로 유체 유입구(221)가 형성되고 타 일 측으로 유체 배출구(222)가 형성되어 펌핑 작용을 하는 기어식, 플런저식, 베인식 등과 같은 다양한 형태의 유압펌프(oil hydraulic pump)로 구성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제 2 유압펌프(220)는 상기 제 2 모터(120)와 연동하도록 결합 된다.
그리고, 상기 유체 유입구(221)는 유로를 형성하는 배관(P)을 통해 유압 탱크(230)와 연결되도록 형성되고, 유체 배출구(222)는 유로를 형성하는 배관(P)을 통해 유압 구동기(300)와 연결되도록 형성된다.
여기서, 상기 제 1 유압펌프(210)와 제 2 유압펌프(220)의 유체 배출구(212),(222)를 통해 송출되는 유체가 별도의 밸브를 거치지 않고 하나의 유로를 통해 유압 구동기(300)로 유입되도록 배관(P)이 형성되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 상기 제 1 모터(110)의 동작에 연동하는 제 1 유압펌프(210)가 많은 량의 유체를 저압으로 빠르게 송출하여 유압 구동기(300)의 동작성을 향상시킴과 동시에 상기 제 2 모터(120)의 동작에 연동하는 제 2 유압펌프(220)가 유체를 높은 압력으로 송출하여 유압 구동기(300)의 출력을 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기 제 2 유압펌프(220)는 외부 예컨대, 유체 배출구(222) 측에서 압력이 가해지면 역회전하고 이에 연동하여 상기 제 2 모터(120)가 역회전하도록 이루어진다.
또, 상기 제 2 유압펌프(220)는 송출(토출)되는 유체의 량은 적으나 입력 대비 출력비가 크고, 마찰력이 작도록 구성된다.
이에 따라, 마찰력에 의한 외부 모멘트의 발생을 제거하여 외부인 유체 배출구(222) 측에서 압력이 가해지면 원활한 역회전 동작이 이루어져 역구동성(back-drivability)을 이용하여 힘 제어 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
이와 동시에 상기 제 2 유압펌프(220)의 원활한 역회전 동작에 연동하여 제 2 모터(120)도 역회전하게 되고 이에 따라 상기 유압 구동기(300)의 피스톤(310)과 로드(320)는 반대 방향으로 이동하게 된다.
이때, 상기 제 1 유압펌프(210)와 제 1 모터(110)는 역회전방지 기구에 의해 정지 상태를 유지하게 되므로 유체의 역방향 흐름을 방지하게 되어 압력저하를 예방하게 된다.
상기 유압 구동기(300)는 상기 펌프부(200)의 일 측으로 위치하여 송출되는 유체 에너지와 별도의 제어부(미도시)의 제어 신호를 기계적인 일로 변환하고, 한쪽으로 선형적인 기계적 구동력을 제공하는 폐쇄형 유압 실린더이다. 상기 유압 구동기(300)의 일 측으로는 유체가 유출입 되는 유체 유출입구(미도시)가 형성되고, 내부에는 피스톤(310)과 로드(320)가 형성되어 있다.
그리고, 상기 유체출입구에는 상기 제 1 유압펌프(210) 및 제 2 유압펌프(220)의 유체 배출구(212),(222)와 연결되는 배관(P)과 하나의 유로를 형성하도록 배관(P)이 연결된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 상태를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 따른 밸브 리스 구동장치(1000)를 동작하고자 할 경우, 상기 제 1 모터(110)와 제 2 모터(120)를 미리 설정된 RPM으로 회전동작시킨다.
여기서, 상기 제 1 모터(110)를 먼저 회전동작 되도록 한 후 제 2 모터(120)가 회전동작 되도록 하거나, 제 1 모터(110)와 제 2 모터(120)를 동시에 회전동작 되도록 할 수도 있다.
상기 제 1 모터(110)와 제 2 모터(120)의 회전동작에 연동하여 상기 제 1 유압펌프(210)는 고속으로 회전하면서 상기 유압 구동기(300)로 많은 량의 유체를 저압으로 빠르게 송출하고, 상기 제 2 유압펌프(220)는 저속으로 회전동작하면서 소량의 유체를 고압으로 송출하게 된다.
상기 제 1 유압펌프(210)에 의해 빠르게 송출되는 유체는 상기 유압 구동기(300)로 유입되어 피스톤(310)과 로드(320)를 신속하게 동작시키게 된다.
이때, 상기 피스톤(310)과 로드(320)에 유체가 송출되어 힘이 발생하면 제 1 모터(110)의 동작은 멈추게 되고 역회전방지 기구에 의해 역회전이 방지된다.
이와 동시에 상기 제 2 모터(120)의 회전동작에 연동하여 제 2 유압펌프(220)에 의해 고압으로 송출되는 유체는 상기 유압 구동기(300)의 피스톤(310)과 로드(320)에 설정된 힘을 부여한다.
다음, 상기 제 2 유압펌프(220)에 의해 높은 압력으로 송출(토출)되는 유체에 의해 상기 유압 구동기(300)의 피스톤(310)과 로드(320)를 전진 동작시키면서 로드(320)의 선단에 장착된 금형(410)이 패널 형태의 소재(420)에 요구되는 형상으로 제품을 가공한다.
이후, 상기 소재(420)에 전진 동작하였던 피스톤(310)과 로드(320)가 타격 반발력에 의해 일정 거리 후진하게 된다.
이때, 상기 피스톤(310)과 로드(320)의 후진 동작으로 인해 제 2 유압펌프(220)의 유체 배출구(222) 측에서 역으로 압력이 가해지면 상기 제 2 유압펌프(220)와 제 2 모터(120)가 원활한 역회전 동작이 이루어지면서 유체를 유압탱크(230)로 반출하게 되고 피스톤(310)과 로드(320)는 다음 작업을 위한 원위치로 복귀하게 된다.
따라서, 이와 같은 작용을 지속적으로 반복함으로써 제 2 유압펌프의 역구동성(back-drivability)을 이용하여 유압 구동기의 동작을 요구되는 압력으로 힘 제어 성능을 향상시킬 수 있는 것이다.
한편, 도 4는 본 발명에 따른 다른 실시 예를 나타낸 도면으로서, 이는 상기 제 1 유압펌프(210)와 유압 구동기(300)의 사이에 유체의 입출력을 위한 배관(P2)을 부가 형성함으로써, 유압 구동기(300)의 피스톤(310)과 로드(320)를 양방향으로 원활하게 동작시켜 유압 구동기(300)의 동작성을 배가하여 작업성을 향상시킬 수 있는 것이다.
또, 이러한 구성은 상기 제 1 모터(110)와 제 2 모터(120) 또는 제 1 유압펌프(210)와 제 2 유압펌프(220) 중, 어느 하나가 고장이 발생하더라도 유압 구동기(300)를 양방향으로 동작시킬 수 있으므로 기본적인 동작을 이루도록 하여 작업성 향상을 이룰 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시 예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
100 : 모터부 110 : 제 1 모터
120 : 제 2 모터 200 : 펌프부
210 : 제 1 유압펌프 210a : 케이스
211 : 유체 유입구 212 : 유체 배출구
220 : 제 2 유압펌프 220a : 케이스
221 : 유체 유입구 222 : 유체 배출구
230 : 유압탱크 300 : 유압 구동기
310 : 피스톤 320 : 로드
410 : 금형 420 : 소재
P : 배관 P2 : 배관
1000 : 밸브 리스 구동장치

Claims (6)

  1. 구동장치에 있어서,
    제 1 모터와, 상기 제 1 모터보다 저속으로 회전하며 더 높은 토크를 발생시키는 제 2 모터로 이루어지는 모터부와;
    상기 제 1 모터의 동작에 연동하여 유체를 송출시키는 제 1 유압펌프와, 상기 제 2 모터의 동작에 연동하여 상기 제 1 유압펌프보다 소량의 유체를 더 높은 압력으로 송출(토출)하며 속도제어가능한 제 2 유압펌프로 이루어지는 펌프부; 및
    상기 제 1 유압펌프와 제 2 유압펌프를 통해 송출되는 유체가 밸브를 거치지 않고 하나의 유로를 통해 유압 구동기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 리스 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 유압펌프는 송출(토출)되는 유체의 량이 많도록 구성되는 것을 특징으로 하는 밸브 리스 구동장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 유압펌프는 송출(토출)되는 유체의 량은 적으나 입력대비 출력비가 크고 마찰력이 작은 것을 특징으로 하는 밸브 리스 구동장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제 1 유압펌프는 유체의 역류(유체의 역방향 유입)를 방지하기 위한 역회전 방지기구가 설치되는 것을 특징으로 하는 밸브 리스 구동장치.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제 2 유압펌프는 유체 배출구 측에서 압력이 가해지면 펌프가 역회전하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 밸브 리스 구동장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 유압펌프와 유압구동기의 사이에는 유체의 입출력을 위한 배관이 부가 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브 리스 구동장치.
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