JP2015132335A - 油圧式プレス装置及び油圧駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】高いエネルギー利用効率で高精度の圧力制御を可能にする。
【解決手段】油圧シリンダと、油圧シリンダに作動油を供給する加圧用ポンプと、加圧用ポンプを駆動するインバータモータと、加圧用ポンプと油圧シリンダとを接続する主管路と、主管路の中途から分岐して油タンクへ戻るドレン管路と、ドレン管路の中途に設けられた第１流量調整弁と、主管路の油圧を検出する圧力センサと、圧力センサの検出結果に基づいて、主管路の油圧が設定圧と一致するように、インバータモータの回転数をフィードバック制御するコントローラを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、油圧式プレス装置及びプレス装置用油圧駆動システムに関連し、特に油圧ポンプを駆動するモータの回転数により圧力を制御する油圧式プレス装置及びプレス装置用油圧駆動システムに関するものである。

油圧シリンダによってプレス盤を駆動する油圧式プレス装置が使われている。特許文献１に記載されているような従来の油圧式プレス装置では、油圧シリンダの駆動に必要な最大油圧以上の油圧で油圧ポンプを常時定格運転させて、可変電磁リリーフ弁により必要な大きさの油圧に減圧調整している。

特開２００３−２４９０１０号公報

上記のプレス装置では、油圧ポンプから供給される作動油の相当量が油圧シリンダの駆動に使用されずに可変電磁リリーフ弁から排出されてしまうため、エネルギー利用効率が極めて低かった。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、エネルギー利用効率が高い油圧式プレス装置及びプレス装置用油圧システムを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によれば、
油圧シリンダと、
前記油圧シリンダに作動油を供給する加圧用ポンプと、
前記加圧用ポンプを駆動するインバータモータと、
前記加圧用ポンプと前記油圧シリンダとを接続する主管路と、
前記主管路の中途から分岐して油タンクへ戻るドレン管路と、
前記ドレン管路の中途に設けられた第１流量調整弁と、
前記主管路の油圧を検出する圧力センサと、
前記圧力センサの検出結果に基づいて、前記主管路の油圧が設定圧と一致するように、前記インバータモータの回転数をフィードバック制御するコントローラと、
を備えた油圧駆動システムが提供される。

また、本発明の一実施形態によれば、
対向配置された一対のプレス盤と、
前記一対のプレス盤の一方を他方に向けて進退駆動する前記油圧駆動システムと、
を備えた油圧式プレス装置が提供される。

本発明によれば、高いエネルギー利用効率で油圧制御を行うことが可能になる。

図１は本発明の実施形態に係る油圧式プレス装置の概略構成を示す図である。 図２は本発明の実施形態に係る油圧駆動システムの概略構成を示す油圧回路図である。 図３は本発明の実施形態に係る油圧制御装置の電気制御システムの概略構成を示すブロック図である。 図４は油圧駆動システムの各動作モードにおける切換弁の設定とポンプの動作をまとめた一覧表である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施形態に係るプレス装置１の概略構成を示す図である。プレス装置１は、後述する本発明の実施形態に係る油圧駆動システムＨが搭載された油圧式のプレス装置である。プレス装置１は、プレス本体２、制御部３及び油圧制御装置５を備えている。油圧制御装置５は、制御部３に接続されており、制御部３の制御下で動作する。

油圧式プレス装置１のプレス本体２は、フレーム２ａ、上部プレス盤２ｂ、下部プレス盤２ｃ及び油圧シリンダＳを備えている。

油圧シリンダＳは、油圧制御装置５の共通主管路１０に接続されていて、油圧制御装置５による作動油の給排に応じて作動する。油圧シリンダＳのシリンダチューブＳｂはフレーム２ａに固定されている。

上部プレス盤２ｂは、下面を水平にして、フレーム２ａに固定されている。また、下部プレス盤２ｃは、その上面が上部プレス盤２ｂの下面と対向するように配置されている。下部プレス盤２ｃは、その下面において油圧シリンダＳのラムＳａに固定されていて、油圧シリンダＳへの作動油の給排に応じて、ラムＳａと共に上下動する。油圧シリンダＳを駆動して、ラムＳａに固定された下部プレス盤２ｃを上昇させると、下部プレス盤２ｃの上面（プレス面）に載置された被加工物が上部プレス盤２ｂと下部プレス盤２ｃとの間で挟み込まれて、加圧される。

次に、本発明の実施形態に係る油圧駆動システムＨについて説明する。図２は、油圧駆動システムＨの概略構成を示す油圧回路図である。本実施形態の油圧駆動システムＨは、油圧制御装置５及び油圧シリンダＳにより構成されている。図３は、油圧制御装置５の電気制御システムの概略構成を示すブロック図である。

本実施形態の油圧制御装置５は、２つの油圧ポンプを備えている。一つは、油圧シリンダＳを低荷重で長距離移動させるための移動用ポンプＰ１であり、もう一つは、油圧シリンダＳを高荷重で駆動するための加圧用ポンプＰ２である。上部プレス盤２ｂと下部プレス盤２ｃとが非接触の状態においては、主として移動用ポンプＰ１によって油圧シリンダＳが比較的に速く駆動され、上部プレス盤２ｂと下部プレス盤２ｃとが接触した状態においては、安定したプレス圧が得られるように加圧用ポンプＰ２によって一定圧に制御された油圧で油圧シリンダＳが駆動される。

移動用ポンプＰ１は、モータＭ１によって駆動される。モータＭ１には、例えば商用電源（三相交流電源）によって直接駆動される汎用の三相誘導電動機が使用される。そのため、モータＭ１は一定の回転数で作動し、移動用ポンプＰ１の吐出量は略一定となる。モータＭ１は、電圧調整した駆動電力を供給するドライバＤに接続されている。また、ドライバＤは信号線を介してコントローラＣに接続されており、コントローラＣによってモータＭ１の駆動制御（ＯＮ／ＯＦＦ制御）が行われる。

一方、加圧用ポンプＰ２は、回転数が可変のインバータモータＭ２によって駆動される。油圧制御装置５は、インバータモータＭ２を駆動するための可変交流電力を発生するインバータＩを備えている。インバータＩが発生する可変交流電力によってインバータモータＭ２の回転数を制御することにより、加圧用ポンプＰ２の吐出量が制御される。インバータＩは信号線を介してコントローラＣに接続されており、コントローラＣによってインバータモータＭ２の駆動制御（回転数制御）が行われる。インバータモータＭ２の駆動制御は、例えば可変電圧可変周波数制御（ＶＶＶＦ）方式によって行われる。

移動用ポンプＰ１の吐出ポートは、移動用主管路１１、チェック弁３１及び共通主管路１０を介して、油圧シリンダＳに接続されている。移動用ポンプＰ１は、タンク９０に貯められた作動油を汲み上げて油圧シリンダＳに供給する。上述のように、移動用ポンプＰ１は、一定の回転数で作動するモータＭ１によって駆動されるため、油圧シリンダＳに略一定の吐出量で作動油を供給する。従って、主に移動用ポンプＰ１によって駆動される間、油圧シリンダＳは略一定速度で作動する。

移動用主管路１１には、過圧防止用のリリーフ弁７１を介してタンク９０へ戻るドレン管路１９が接続されている。

共通主管路１０には、油圧シリンダＳに加わる油圧を検出する圧力センサ２０が取り付けられている。圧力センサ２０は、信号線を介してコントローラＣに接続されていて、検知した油圧を示す油圧信号をコントローラＣに供給する。後述する加圧モードにおいて、コントローラは、圧力センサ２０からの油圧信号に基づいてインバータモータＭ２の駆動をフィードバック制御する。具体的には、油圧の設定値と圧力センサ２０による測定値との偏差が解消されるようにインバータモータＭ２の回転数を制御する。

また、共通主管路１０には、下部プレス盤２ｃの降下時に油圧シリンダＳ内の作動油をタンク９０に戻すためのドレン管路１８が接続されている。ドレン管路１８の中途には、ドレン管路１８の開閉を制御するためのパイロットチェック弁３５が設けられている。

加圧用ポンプＰ２の吐出ポートは、加圧用主管路１２、４ポート切換弁４１、加圧用主管路１３、切換弁５１及び共通主管路１０を介して、油圧シリンダＳに接続されている。加圧用主管路１２、１３の中途には、チェック弁３２、３３がそれぞれ設けられている。また、４ポート切換弁４１及び切換弁５１は、それぞれ信号線を介してコントローラＣに接続されていて、４ポート切換弁４１及び切換弁５１の切換えはコントローラＣによって制御される。

加圧用ポンプＰ２は、タンク９０に貯蔵された作動油を汲み上げて油圧シリンダＳに供給する。上述のように、インバータモータＭ２の回転数の制御によって加圧用ポンプＰ２の吐出量が制御される。そのため、加圧用ポンプＰ２によって駆動される間、インバータモータＭ２の回転数の制御によって、油圧シリンダＳの駆動力（すなわちプレス圧）が制御可能となる。

４ポート切換弁４１は、中立状態において全てのポートが接続されるオープンセンタ形の４ポート電磁切換弁である。４ポート切換弁４１のＰポートは加圧用主管路１２を介して加圧用ポンプＰ２に接続され、Ａポートは加圧用主管路１３、切換弁５１及び共通主管路１０を介して、油圧シリンダＳに接続されている。また、４ポート切換弁４１のＴポートはドレン管路１４を介してタンク９０に接続され、Ｂポートはパイロット管路１５を介してパイロットチェック弁３５のパイロットポートに接続されている。加圧用主管路１３には、過圧防止用のリリーフ弁７２を介してドレン管路１４と連絡する枝管が接続されている。また、パイロット管路１５には、過圧防止用のリリーフ弁７３を介してドレン管路１４と連絡する枝管が接続されている。

加圧用主管路１３のチェック弁３３と切換弁５１との間には、タンク９０へ戻るドレン管路１６が接続されている。ドレン管路１６の中途には、リーク用の一方向絞り弁６１が設けられている。一方向絞り弁６１は、可変絞り弁（流量調整弁）とチェック弁が並列に接続されたもので、一方向（加圧用主管路１３からタンク９０へ向かう方向）のみで流量制御を行う。リーク用の一方向絞り弁６１は、加圧用ポンプＰ２を最小サイクル数付近で作動させた時に、加圧用ポンプＰ２の吐出量に相当する量の作動油が流れるように設定されており、管路の過圧を防止する。

なお、加圧用ポンプＰ２の最小サイクル数とは、加圧用ポンプＰ２が正常に動作可能な常用サイクル数の下限値である。加圧用ポンプＰ２を最小サイクル数に満たないサイクル数で作動させると、吐出圧や吐出量が不安定になって油圧シリンダＳの圧力制御の精度が低下するばかりか、加圧用ポンプＰ２の故障の原因となる。そのため、加圧用ポンプＰ２は常に最小サイクル数以上で作動させる必要がある。

また、ドレン管路１６の中途には、一方向絞り弁６１を迂回するバイパス管路１７が接続されている。バイパス管路１７の中途には、減圧速度調整用の可変絞り弁（流量調整弁）６２及び切換弁５２が直列に設けられている。切換弁５２も信号線を介してコントローラＣに接続されていて、切換弁５２の切換えはコントローラＣによって制御される。切換弁５２はバイパス管路１７の開閉を切り替えるバルブである。切換弁５２を「開」にすると、一方向絞り弁６１に加えて可変絞り弁６２からも作動用がリークされるため、リーク量を増やすことができる。

加圧中に油圧シリンダＳに加わる油圧は、インバータモータＭ２による作動油の供給と、一方向絞り弁６１等からの作動油のリークとのバランスによって決まる。また、油圧の増加速度はインバータモータＭ２からの作動油の供給量によって決まり、油圧の減少速度は一方向絞り弁６１等からの作動油のリーク量によって決まる。そのため、作動油の供給量とリーク量を増やすことにより、油圧制御の応答時間を短くすることができる。特にプレス圧（油圧）を高い圧力に設定する場合には、一方向絞り弁６１からのリークだけでは十分な速応性が得られない場合がある。そのような場合には、切換弁５２を開いてリーク量を増やすことにより、油圧制御の速応性を高めることができる。本実施形態では、切換弁５２の切換えは、プレス装置１の制御プログラムにより自動制御で行うことも、ユーザ操作により行うこともできる。

また、油圧制御装置５は、プレス本体２に取り付けられたリミットスイッチ８１及び速度センサ８２（図３）を備えている。リミットスイッチ８１及び速度センサ８２はコントローラＣに接続されている。リミットスイッチ８１は、下部プレス盤２ｃが下限位置にあることを検出すると、検出信号をコントローラＣへ送信する。また、速度センサ８２は、下部プレス盤２ｃの上下方向への移動速度を検知して、検知した速度を示す速度信号をコントローラＣへ送信する。

次に、油圧駆動システムＨの動作について説明する。図４は、油圧駆動システムＨの各動作モードにおける４ポート切換弁４１及び切換弁５１の設定と、移動用ポンプＰ１及び加圧用ポンプＰ２の動作をまとめた一覧表である。油圧駆動システムＨの動作モードには、油圧シリンダＳを駆動しない休止モードと、下部プレス盤２ｃが上部プレス盤２ｂに接触するまで油圧シリンダＳを上昇させる上昇モードと、下部プレス盤２ｃと上部プレス盤２ｂの間に所定のプレス圧を加える加圧モードと、プレス圧を除去する減圧モードと、下部プレス盤２ｃを下限位置まで降下させる降下モードの５つがある。

休止モードにおいては、４ポート切換弁４１は全てのポートが相互に接続される中立位置に設定され、切換弁５１は「開」に設定される。また、移動用ポンプＰ１及び加圧用ポンプＰ２の駆動は停止される。このとき、各管路はタンク９０に直結されたドレン管路１４に接続されるため、各管路にはほとんど油圧がかからない状態となる。そのため、下部プレス盤２ｃは下限位置で静止する。また、このとき切換弁５２を自動的に「閉」に切り替えてリーク量を減らすような構成にしてもよい。

プレスの開始が指令されると、動作モードが休止モードから上昇モードに切り替えられる。上昇モードでは、４ポート切換弁４１は、ＰポートとＡポート、ＴポートとＢポートがそれぞれ接続されるストレート接続に切換えられる。また、切換弁５１は「開」の状態に保たれる。従って、移動用主管路１１及び加圧用主管路１２、１３が共に共通主管路１０に接続された状態となる。そして、移動用ポンプＰ１及び加圧用ポンプＰ２の作動が開始される。上昇モードにおいては、速度センサ８２によって検知された下部プレス盤２ｃの上昇速度が設定速度と一致するようにインバータモータＭ２の回転数制御（速度制御）が行われる。なお、下部プレス盤２ｃの上昇速度の設定値は、一定値又は変動値（時間の関数）として設定することができる。本実施形態では、下部プレス盤２ｃを設定速度で上昇させるために油圧シリンダＳに供給すべき作動油と同程度の量が移動用ポンプＰ１によって供給され、一方向絞り弁６１及び可変絞り弁６２からリークされる作動油と同程度の量が加圧用ポンプＰ２から供給されるように構成されている。これにより、移動用ポンプＰ１から供給される作動油によって油圧シリンダＳが駆動され、下部プレス盤２ｃは比較的に早い速度で上昇する。なお、このときパイロット管路１５はドレン管路１４に接続されるため、パイロットチェック弁３５にはパイロット圧力が作用せず、パイロットチェック弁３５は閉じたままとなる。

やがて上部プレス盤２ｂに下部プレス盤２ｃが突き当たると、下部プレス盤２ｃ（すなわち油圧シリンダＳのラムＳａ）の上昇が阻止されるため、共通主管路１０の油圧がリリーフ弁７１の設定圧まで急激に上昇する。圧力センサ２０の測定値が所定値を超えると、コントローラＣは下部プレス盤２ｃが上部プレス盤２ｂに接触したと判断し、動作モードを上昇モードから加圧モードに切り替える。なお、下部プレス盤２ｃと上部プレス盤２ｂとの接触（又は近接）の検出は、本体２に設けた近接センサ等を使用して行ってもよい。なお、圧力センサ２０とは別に圧力スイッチを設けて、圧力スイッチによって下部プレス盤２ｃと上部プレス盤２ｂとの接触を検出する構成としてもよい。

加圧モードでは、コントローラＣは、移動用ポンプＰ１を停止させ、加圧用ポンプＰ２（インバータモータＭ２）の回転数制御（圧力制御）を開始する。具体的には、コントローラＣは、圧力センサ２０の測定値が油圧の設定値と一致するように、インバータモータＭ２の回転数をフィードバック制御する。加圧モードにおいては、油圧シリンダＳの駆動量が僅かであるため、インバータモータＭ２は加圧用ポンプＰ２の最小サイクル数に近い低い回転数で駆動され、加圧用ポンプＰ２から吐出された作動油の略全量が一方向絞り弁６１（及び可変絞り弁６２）からリークされる。なお、油圧の設定値は、一定値又は変動値（時間の関数）として設定することができる。また、油圧の設定値は、下部プレス盤２ｃの高さを維持するために必要な最低圧以上の値に設定される。

油圧シリンダＳによる加圧が完了すると、コントローラＣは動作モードを加圧モードから減圧モードに切り替える。減圧モードでは、油圧が設定された速度で減少するように、インバータモータＭ２の回転数制御が行われる。また、減圧モードにおいて減圧速度が設定値に到達しない場合、コントローラＣは切換弁５２を「開」に切り替えてリーク量を増やし、減圧速度を上昇させる。

圧力センサ２０の測定値が所定値を下回ると、コントローラＣは下部プレス盤２ｃが上部プレス盤２ｂから離れたと判断し、動作モードを減圧モードから降下モードに切り替える。降下モードでは、コントローラＣは、先ず、加圧用ポンプＰ２による圧力制御を解除し、加圧用ポンプＰ２を最小サイクル数近傍で定速駆動させる。次に、コントローラＣは、切換弁４１を制御して、ＰポートとＢポート、ＴポートとＡポートがそれぞれ接続されるクロス接続に切換える。これにより、パイロット管路１５が加圧用主管路１２に接続されるため、パイロットチェック弁３５にパイロット圧力が掛かり、パイロットチェック弁３５が開く。その結果、油圧シリンダＳ内の作動油がドレン管路１８を介してタンク９０に排出され、油圧シリンダＳのラムＳａと共に下部プレス盤２ｃがゆっくり降下する。なお、パイロット管路１５が所定の圧力に達すると、リリーフ弁７３が開いて、加圧用ポンプＰ２から供給される作動油は、ドレン管路１４を介してタンク９０に戻される。

下部プレス盤２ｃが下限位置まで降下したことをリミットスイッチ８１が検出すると、コントローラＣは、動作モードを降下モードから休止モードに切り替える。具体的には、コントローラＣは、切換弁５１を開いて、４ポート切換弁４１を中立位置（全ポート「開」）に切り替える。

以上に説明した本発明の実施形態の構成によれば、油圧調整のために可変電磁リリーフ弁から加圧された作動油が大量に排出されることがなく、加圧用ポンプＰ２によって油圧シリンダＳの駆動に必要な油圧のみが供給されるため、従来の油圧式プレス装置と比べて格段に高いエネルギー利用効率での稼働することができる。

また、従来の可変電磁リリーフ弁を使用した装置と比べて、バルブからリークされる作動油の量が少なく、作動油がバルブを通過する際に生じる流体摩擦による発熱を抑えることができるため、油温の上昇も少なくなり、オイルの寿命が延びるという利点もある。

以上が本発明の実施形態の説明であるが、本発明は、上記の実施形態の構成に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で様々な変形が可能である。

１…プレス装置
２…本体
３…制御部
Ｈ…油圧駆動システム
Ｓ…油圧シリンダ
５…油圧制御装置
１６…ドレン管路
１７…バイパス管路
６１…一方向絞り弁
６２…流量調整弁
Ｍ２…インバータモータ
Ｐ２…加圧用ポンプ

Claims (5)

1. 油圧シリンダと、
   前記油圧シリンダに作動油を供給する加圧用ポンプと、
   前記加圧用ポンプを駆動するインバータモータと、
   前記加圧用ポンプと前記油圧シリンダとを接続する主管路と、
   前記主管路の中途から分岐して油タンクへ戻るドレン管路と、
   前記ドレン管路の中途に設けられた第１流量調整弁と、
   前記主管路の油圧を検出する圧力センサと、
   前記圧力センサの検出結果に基づいて、前記主管路の油圧が設定圧と一致するように、前記インバータモータの回転数をフィードバック制御するコントローラと、
   を備えた油圧駆動システム。
2. 前記加圧用ポンプは、第１の吐出量以上で作動するときに、吐出圧が安定し、
   前記第１流量調整弁が、前記加圧用ポンプが前記第１の吐出量以上で作動できるように、前記加圧用ポンプから供給された作動油の一部をリークする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の油圧駆動システム。
3. 前記第１流量調整弁を迂回するように前記ドレン管路に両端が接続されたバイパス管路と、
   前記バイパス管路の中途に設けられた第２流量調整弁と、
   前記第２流量調整弁と直列に前記バイパス管路の中途に設けられた、前記バイパス管路の開閉を切り替える第１切換弁と、
   を備え、
   前記第２流量調整弁が、前記主管路の油圧を急速に減圧できるように、前記第１流量調整弁よりも大きな流量で作動油をリークする、
   ことを特徴とする請求項２に記載の油圧駆動システム。
4. 前記油圧シリンダに作動油を供給する移動用ポンプと、
   前記移動用ポンプを一定速度で駆動する電気モータと、
   前記移動用ポンプと前記主管路とを接続する移動用主管路と、
   前記移動用主管路の中途に設けられたチェック弁と、
   前記主管路の前記移動用主管路との接続点よりも前記加圧用ポンプ側の中途に設けられた、前記主管路の開閉を切り替える第２切換弁と、
   を備え、
   前記主管路が、
   前記加圧用ポンプと前記第２切換弁とを接続する加圧用主管路と、
   前記第２切換弁と前記油圧シリンダとを接続する共通主管路と、を含み、
   前記圧力センサが前記共通主管路に接続され、
   前記ドレン管路が加圧用主管路に接続された、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の油圧駆動システム。
5. 対向配置された一対のプレス盤と、
   前記一対のプレス盤の一方を他方に向けて進退駆動する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の油圧駆動システムと、
   を備えた油圧式プレス装置。

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