JP4021479B2 - 少なくとも１本の液圧式軸を備えた装置 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御知能機械と開放型液圧回路内で液圧で動かされる少なくとも１本の軸を有する制御される軸駆動部を備えた装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
駆動軸を制御する際、少なくとも３つの基本課題がある。
・第１に、直線運動が必要であるかまたは回転運動が必要であるかとは無関係に、軸駆動部は所望の力または出力を加えなければならない。
・第２に、運動経過をできるだけ完璧に制御可能でなければならない。そのためには良好に感知できる制御機器が必要である。
・第３に、非常に多くの実際の例の場合に、いろいろな機能または運動を調和させなければならない。これはいわゆる電子的な知能機械を介して実現される。
【０００３】
機械を設置する人は制御可能な駆動装置を使用する。この駆動装置によって、個々の軸の機械的な変数（力およびまたは位置）または機械の自由度を加えることができる。その際、前面には電気式および液圧式駆動装置がある。この電気式駆動装置と液圧式駆動装置の性質により、それぞれ別個に取り扱われる。これは液圧駆動技術と電気駆動技術が分離される専門見本市でも、専門家の養成でも明らかである。液圧式駆動装置は機械技術学問の分野であり、電気式駆動装置は電気技術の分野である。この二分割は工業全体で行われる。いろいろな会社や支店は液圧式駆動装置または電気式駆動装置に従事する。駆動装置の専門家は、それぞれその解決策の利点を宣伝する市場で初めて出会う。両分野の存在は、すべての論証が一方の側でしか行われないことを証明している。電気モータによる制御駆動装置は、特に大きな伝達力の場合に、回転運動を直線運動に変換するときに欠点がある。液圧式駆動装置の大きな欠点は従来、エネルギー効率にあった。この分析の代表的な例は射出成形機の市場で明らかである。電気技術的な背景の会社は、“全体が電気式の”機械を市場に出そうとする。競争会社は“全体が液圧式の”機械で対抗する。両者はその側で良好な論証を行う。両技術の利点と欠点を先入観にとらわれずに分析すると、かなりの違いが生じる。液圧式駆動装置では、それが非常に高い出力集中および力集中またはモーメント集中を有することが知られている（構成要素の重量または容積あたりの出力、力またはモーメント）。この状況により、例えばプレスや射出成形の場合に必要とされるような大きな力を有する駆動装置の場合に、液圧装置は優勢である。この分野では、液圧式駆動装置は機械効率が優れており、きわめて頑丈である。液圧の変数のためのセンサやアクチュエータはサーボ弁や制御弁を度外視すれば低価格である。液圧式駆動装置の場合の出力（圧力または搬送流）の制御は、サーボ弁または比例弁のような散逸型のアクチュータを介して行われる。その際、駆動装置の必要な出力に応じて、多少の液圧出力が弁の絞りエッジを介して非可逆的に熱に変換される。これはエネルギーの損失（または散逸）だけでなく、邪魔になる熱を生じる。この熱は付加的な装置によって排出しなければならない。液圧駆動技術は調節ポンプの使用によって逃げ道を探した。それによって損失出力を減少させることができるがしかし、この場合にも、例えばポンプの調節駆動装置やアクチュエータ用の圧力を維持するための補助ポンプのような、損失を有する装置がまだシステム内に残っている。
【０００４】
実際の用途の大多数において、二つの駆動技術のために、最近の開発の二つの例に基づいて説明できるような特別な独自性が生じた。ドイツ連邦共和国特許第４３０３７６０号明細書は、開放型液圧回路を備えた液圧式駆動装置を示している。その際、ポンプは油をタンクから直接吸引する。ポンプは圧力制御装置を経て媒体を搬送する。この圧力制御装置は過圧弁とパイロット弁（電気的に制御される比例−圧力調整弁）としての圧力調整弁とからなっている。パイロット弁は信号ラインを介して知能機械またはコンピュータによって制御される。弁と動かされる軸または質量を備えた作業シリンダとの間には、パスロジックが設けられている。このパスロジックもコンピュータを介して電気的に制御される。本来の制御は、速度信号や変位信号を加工して、コンピュータで実際値と設定値を比較し、弁グループを制御することによって行われる。最も簡単な場合、制御は開放型液圧式駆動装置においてインテリジェントな弁を介して行われる。これと反対に、本願の発明者と同じ発明者のヨーロッパ特許第６４３４７２号明細書は、１本または複数本の軸の電気モータによる駆動のためのいわゆるインテリジェントなドライブを示している。両解決策は目標を達成する、すなわち高い効率で制御過程を支配し、そして同じ機械で実際に則した証明をもたらした。本願発明者によって、ＷＯ９４／２２６５５による全体が電気式の射出成形機は技術水準の液圧式機械の駆動エネルギーの２０〜３０％しか必要としないことが立証された。液圧装置の重要な欠点は、電子装置と異なり液圧装置は大きなコストでしかパラメータ化できないことにある。この状況は、液圧制御弁の把握できない多様性に基づいている。しかし、液圧駆動機械の場合にはしばしば、特に大きな力の機械を新規購入する際に、少ない駆動コストが決定的影響を与える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、非常にダイナミックで、できるだけ普遍的に使用可能な概念の新しい駆動装置を開発することである。この駆動装置は液圧式駆動装置の利点と電気式駆動装置の利点をできるだけ統合し、それぞれの欠点を回避する。本願発明者によって、“二者択一”は多くの利点を有するが、最適な解決策の開発は実際には阻まれることが認められた。本願発明者は、両概念の駆動装置から最良のものを取り出すことを課題とした。特に運動サイクルが数秒の範囲の、すなわち特に加速度／減速度が大きな駆動装置のために、二つの駆動装置の間の“インターフェース”を最適化しようとした。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による解決策は、機械的な変数（ｐ／Ｑ）が開放型液圧回路内で散逸のないように液圧式に伝達され、出力の制御がパワーエレクトロニクスのアクチュエータによって行われることを特徴とする。
【０００７】
出力の制御は電子的な側で行わなければならないことが判った。なぜなら、この出力制御が電気装置ではきわめて少ない損失で行うことができるからである。それによって、液圧システムにおける主たる損失個所が除去される。この損失は証明されたように調節弁による圧力低下である。パスロジックのオン／オフ機能ではなく、絞り弁によって絞られた流れが、圧力エネルギーを熱エネルギーに変換する。熱エネルギーは、ほとんどの加工プロセスにおいて、失われるエネルギーである。熱を技術的に利用可能なエネルギーに戻すことは不経済である。本発明は、液圧出力をポンプの駆動モータの制御によってその時に必要な量に従って、油搬送出力（Ｑ）または油圧（ｐ）として正確に発生させるということから出発している。それによって、液圧側で今まで生じていたすべての絞り損失がもはや発生しない。なぜなら、通常の場合には絞り弁を必要としないからである。油回路は、出力流れに関する限り、絞りのないように形成可能である。更に、多くの用途にとって、両駆動技術の組み合わせによってのみ最適な解決策が得られることが判った。ＩＧＢＴ技術における最新のパワー半導体は、数ナノ秒（１０^-9秒）で大きな出力を切り換えることを可能にする。ここで、電子技術は少なくとも５桁だけ液圧技術よりも優れている。この利点は特に、電気エネルギーと液圧エネルギーの異なる信号処理速度から生じる。この速度は同様に５桁異なる。これに相応して、トランジスタを切り換えるために必要なエネルギーは、液圧弁を切り換えるために必要な切換えエネルギーと比べて少ない。半導体の迅速な切換え過程は、４つすべての象限（四分円）内で損失のないようにまたは損失がきわめて少ないように出力を制御することを可能にする。所属の切換え回路と技術（例えばパルス幅変調）は一般的に知られている。特に機械の制動運転中、制動エネルギーを制御して電気的なコンデンサに供給可能であるかまたは電源網に戻すことが可能である。電気式駆動装置は空転時または停止時に、液圧式駆動装置よりも損失出力がはるかに少ない。純電気式駆動装置はしかし若干の欠点がある。すなわち、モータ出力を大きな力の運動に変換することは、高価な伝動装置によってのみ可能である。これは特に、直線運動に当てはまる。力とモーメントは電流と電圧の電気的な変数を介して不正確にしか検出できない。高い制御資質のためには、大きな最終力を測定する特別なセンサを作らなければならない。負荷の変化時に、伝動装置は大きなヒステリシスを位置変数にもたらす。これは零点の周囲での制御時に非常に邪魔になる。
【０００８】
本発明は多数の有利な実施形を可能にする。装置は液圧ポンプ、特に定容量型ポンプを備え、ポンプ駆動が回転数可変の駆動モータ、特にサーボモータと制御装置を介してプロセスコンピュータによって行われる。ポンプは内歯歯車型または外歯歯車型の補償型または非補償型歯車ポンプとして、定容量型または可変型のアキシャルまたはラジアルプランジャポンプとして、定容量型または調節可能なベーンポンプとして、スクリューポンプとしてあるいは他の静液圧式容積形ユニットとして形成可能である。ポンプは特に、液圧式の内歯歯車ポンプとして形成されている。内歯歯車ポンプは運動力学的に望ましく、吸引時の流体の加速が小さい。これは良好な吸引特性をもたらし、キャビテーションを発生しにくくする。本発明の第１の実施形は回転数制御される電気モータまたはサーボモータからなっている。このモータは定容量型ポンプを駆動する。ポンプは液圧式アクチュエータ、例えばシリンダまたはハイドロモータに連結され、タンクから作業流体を直接吸い込む。タンクは開放型液圧システムの特徴である。本願発明者により、例えばサーボモータのような非常にダイナミックな電気モータの場合には、液体柱の加速によって吸込み管内に大きな負圧が発生することが認められた。高度な要求の場合には、良好な吸込み管を有し、高い圧力の場合にも回転数可変の運転に耐えることができるポンプを使用しなければならない。そのためには、歯付リム軸受部を有する内歯歯車ポンプが特に適している。使用されるポンプの不十分な吸込み管は、タンクを圧力付勢するための付加的な手段によって補償しなければならない。本発明による駆動装置は第１と第２の象限での駆動課題のための四−象限−駆動装置として特に適している。すなわち、この場合、力は一方向でのみ制御すればよい。四−象限−駆動装置の要求を満たすために、液圧の対向側はポテンシャルで付勢される。これは例えば圧力溜め、ばねまたは重力にさらされた質量によって実現可能である。変位に応じたポテンシャルの導出は、他の運動方向、すなわち第３と第４の象限での新しい駆動装置の制御を可能にする力を定める。電気モータ／ポンプのシステムは、正の方向に運動する際に、外力だけでなく、同時にポテンシャル力にも逆らって作動する。その際付加的に達成される作業は、ポテンシャルエネルギーとして蓄えられ、負の方向へ運動するときに供される。この駆動装置の特徴は、ポンプ自体が二つの象限運転で作動することにある。回転方向の変更は行われるが、液圧ポンプまたはモータとポンプの間の継手内での負荷の変化は生じない。これは制御技術的な理由から重要である。というのは、さもないと、負荷の変化の度に非常に邪魔になる不連続が生じるからである（位置変数のヒステリシス）。少なくとも１本の液圧式軸のための開放型液圧回路が調整弁を持たないように形成されていると特に有利である。本発明の他の実施形に従って、制御知能機械はコンピュータ／メモリを備え、ポンプの特性値（特に回転数、圧力および温度の関数としての圧液の漏洩流量）はコンピュータ／メモリに格納可能であり、駆動モータの付加的な目標値設定として有効に利用可能である。新しい解決策は、機械の１本または複数本の軸を制御するための、電気的および液圧的要素から構成された四−象限−駆動装置である。できるだけ普遍的に駆動要素として使用できるようにするために、駆動装置はすべての４つの象限で制御可能である、すなわち駆動装置は駆動される機械の両回転方向に機械的な変数、特に力、モーメント、位置、回転角度、位置−力−関係（特性）またはこれらの変数の時間的な導出値を加えることができることが提案される。
【０００９】
他の有利な実施形では、開放型液圧回路がアクチュエータを備え、このアクチュエータの反対側がエネルギー貯蔵装置（またはポテンシャル）によって圧力付勢され、このエネルギー貯蔵装置がばね蓄勢装置として運転可能である。エネルギー貯蔵網を介して複数のアクチュエータを共通の１個のエネルギー溜めに接続することができる。更に、開放型液圧回路を介して１本以上の軸が駆動可能であり、少なくとも１本のまたは複数本あるいはすべての軸が調整弁を用いずに運転可能である。それによって、本発明は、新しい組み合わせを可能にする。この組み合わせによれば例えば、制御される出力ユニットの出力が電気的、機械的または液圧的な方法で複数のアクチュータに切換えられる。複数の駆動軸または自由度は、１個の制御可能な出力ユニット（制御機構）だけによって出力を供給可能である。開放型液圧回路では、少なくとも１個の安全弁が切換え弁または圧力制限弁あるいは緊急時遮断弁として設けられている。同様に、アクチュエータを制御または監視するために、アクチュエータの力が液圧またはモータ電流消費部を介して測定記憶され、かつそのために誤差範囲が定められる。この場合、能動的なアクタ運動中誤差範囲を上回ると、アクチュエータ運動が停止およびまたは逆転される。本願発明者は、液圧装置と電子機械から最良のものを取り出し、いわゆる電子液圧式駆動装置に統合するという課題を設定した。この電子液圧式駆動装置は機械的な出力を損失の少ないように制御し、加えられたエネルギーを回収する。力の集中、出力の集中、頑丈性およびコスト的な利点を液圧駆動装置の特性に一致させることが他の目的である。装置はハイブリッド駆動システムの構造を可能にし、この場合パワーエレクトロニクス要素とプロセスコンピュータを介して、少なくとも１本の特に直線的に動く軸が散逸のないように液圧的に駆動または運動可能であり、少なくとも１本の他の軸が電気モータでおよびまたは慣用の弁で制御されて駆動または運動可能である。
【００１０】
他の重要な実施形では、装置がハイブリッド駆動システムとして形成され、パワーエレクトロニクス要素とプロセスコンピュータを介して、少なくとも１本の特に直線的に動く軸が制御コンピュータ知能機械を介して散逸のないように液圧的に駆動または運動可能であり、少なくとも１本の他の軸が電気モータで駆動または運動可能である。これにより、同じ制御知能機械を介して複数の軸を液圧システムで順次制御可能であり、電気モータ駆動の１本または複数本の軸が時間的に無関係に制御可能である。それによって、機械製作者は初回に、駆動技術とは関係なくその都度の機能のために最適な駆動装置を自由に選択することができる。機械は一つだけの制御システムまたは当該のシステム部分のための一つだけの制御フィロソフィーを有する品質的に高い等級にすることができる。液圧媒体は液体圧力調整部材としての従来の機能を失い、ほぼ剛性の液圧伝動装置に案内可能である。特別な要求に応じて、例えば回転するすべての軸を電気モータで駆動し、直線的に動くすべての軸を液圧媒体で駆動することができる。あるいは、非常に狭いスペースの場合には、個々の軸のために液圧装置が有利である。それ自体公知のように、“全電気式”に駆動される射出成形機（ＷＯ９４／２２６５５）と関連して、非直線的な圧力制御のために、プログラム部分をプロセスコンピュータ内に設けることができる。この場合、制御信号は例えば小さな制御偏差のときに直線的なルート関数であり、大きな制御偏差のときに制御偏差のルート関数である。プロセスコンピュータは多軸駆動コンピュータとして形成され、かつモジュール状に分けられたプログラム部分を備え、このプログラム部分は選択的に使用可能であり、かつ上位のドライブ知能機械によって選択可能である。更に、プロセスコンピュータは特に１本または複数本の軸のために多変数コントローラとして形成され、制御変数（例えば力およびまたは速度およびまたは変位）の限界値が目的変数として多変数コントローラに入力可能である。多変数コントローラはカスケードコントローラとして形成され、かつデータバスに対するインターフェースまたは機械コンピュータに対する直接的なインターフェースを備え、複数の作業相が異なる設定値または目的変数（例えば力、速度または変位）によって多変数コントローラ内で定めることが可能である。電気モータによる駆動装置は持続的に励磁されるサーボモータ、ベクトル制御されるる非同期式モータ、制御される直流モータ、ブラシレスＤＣモータまたは切換えられるリラクタンスモータまたは周波数制限されるモータである。
【００１１】
他の有利な実施形によれば、装置はロボット／工作機械、特に射出成形機、ダイカスト機械、プレス、試験機械またはスチュワートプラットホームとして形成され（これらはすべて高いダイナミック性運動経過を有する）、この場合、１本または複数本の軸が液圧で動かされる軸として形成されている。装置は鋳造機械として形成され、液圧駆動システムが金型移動および金型閉鎖力発生するよう設計されている。変形例では、装置が鋳造機械として形成され、プロセスコンピュータが、金型を締付けおよびまたは射出およびまたはスクリュー回転するよう液圧駆動装置、例えば軸を制御するように設計されている。この両者の場合、機器摺動の電気機械的駆動装置およびまたは放出器およびまたはスクリュー回転およびまたは射出のための他のサーボモータを制御するために、プロセスコンピュータは多軸駆動コンピュータとして形成されている。
【００１２】
更に、装置は鋳造機械として形成され、この場合軸が１本または複数本のときに、機械的な変数（ｐ／Ｑ）が開放型液圧回路内で散逸しないよう液圧的に伝達され、噴射軸およびまたは金型閉鎖軸が圧力制御弁または比例弁を介して制御可能である。
【００１３】
本発明の他の有利な実施形では、制御駆動装置と、１個または複数の内部の信号コンピュータを備えた制御装置とを備えている。この信号コンピュータは特に次の機能を有する。すなわち、位相角度調節器（ｊ）：電流コントローラ（ｌ）および速度コントローラ（Ｖ）の機能を有する。この場合、機械コンピュータとは無関係に、別個に取付け可能な、複数の軸を自主的に制御するためのモジュールが設けられている。このモジュールは信号コンピュータのほかに、この信号コンピュータよりも上位のプロセスコンピュータを備えている。このプロセスコンピュータは軸を遅滞なく制御するよう設計され、その必要な情報はモジュール内に設けられたメモリからもらう。その際、少なくとも１本を軸を液圧で駆動し、少なくとも１本の軸を電気モータで駆動することができる。本発明の他の実施形は、機械の軸の制御変数のための制御駆動装置を備え、この制御駆動装置が、内部の信号コンピュータを備えた制御装置を備えていることを特徴とする。この信号コンピュタは特に、制御変数の制御のために次の機能を有する。すなわち、位相角度調節器（ｊ）：電流コントローラ（ｌ）および速度コントローラ（Ｖ）、圧力（ｐ）および軸位置（Ｘ）。この場合、機械コンピュータとは無関係に、別個に取付け可能な、制御量を自主的に制御するための多変数コントローラが設けられている。このコントローラは信号コンピュータのほかに、この信号コンピュータよりも上位のプロセスコンピュータを備えている。このプロセスコンピュータは制御変数を遅滞なく選択的に制御するよう設計され、その必要な情報は多変数コントローラ内に設けられたメモリからもらう。
発明の簡単な説明
次に、若干の実施の形態に基づいて本発明を更に詳しく説明する。
【００１４】
図１は本発明の基本構成を示す図、
図２と図２ａは圧力経過と共に技術水準の開放制御回路を示す図、
図３と図３ａは圧力経過と共に本発明を概略的に示す図、
図４は駆動サイクルの際の前進と戻りの例を示す図、
図５と図５ａは本発明のグラフと概略を示す図、
図６は本発明における時間に対するｐ／Ｑのグラフ、
図７は多変数コントローラを備えた適用例を示す図、
図８は１台のポンプと複数のアクチュエータを備えた適用例を示す図、
図９は液圧電気式駆動装置を備えた噴射ユニットを示す図、
図１０は適用例としてのスチュワートプラットホームを示す図、
図１１はハイブリッド解決策のための制御概念を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明の主要要素を示す図１を参照する。液圧ポンプ１はタンク２から吸込み管４を経て液圧媒体３、例えば油を吸い込み、圧力媒体３は圧力接続部５と吐出管６を経て軸７に供給される。軸７は簡単な液圧シリンダ８、ピストン９およびピストンロッド１０を備えた簡単なアクチュエータであり、回転ヒンジ１１と支持板１２を介して装置部分または機械部分あるいは床１３に支持されている。ピストンロッド１０は動かされる要素または加工要素１４に直接連結されている。ポンプ側の圧力媒体１５と反対側に、圧縮性の対向圧力媒体１６、例えば窒素ガスが設けられている。この対向圧力媒体は好ましい解決策としての本実施の形態では、交換管１７を経てアキュムレータ１８に膨張可能である。液圧ポンプ１の駆動は駆動モータ２０を介して行われる。この駆動モータは継手１９を介してポンプ１の駆動軸に直接機械的に連結されている。一点鎖線１′は、技術水準に従って機能するように形成されている圧力発生器の全体を示している。一点鎖線２０′は調節部とそれに所属する機能要素を備えたポンプ駆動装置を示している。一点鎖線のボックス２１はパワーエレクトロニクスのアクチュエータ２４と、ボックス２２に含まれる制御知能機械、コンバータおよびまたはエネルギー貯蔵ユニットを含んでいる。電源網からの交流を直流に変換することは、公知の方法で行われる。その際、逆流するエネルギーを電気的なエネルギー貯蔵器またはコンデンサに貯蔵することもできる。制御知能機械はパワートランジスタのネットワークを制御する。信号ライン２３から、例えばモータの回転角度、回転数、電流または電圧のような制御変数および測定値の入力／出力が行われる。Ｃはコンピュータまたは例えばＰＣとして形成可能な入力／出力部を示している。図示の実施の形態の場合には、複数回のエネルギー変換が生じる。第１の場合には、（交流としての）ライン電流端子２５の電流が直流に変換される。パワーエレクトロニクス要素２４を介して、制御設定値に相応して、ほぼ同時に電磁場が駆動モータに発生する。この電磁場はエネルギーをポンプ１の駆動軸の機械的なエネルギーに変換する。このポンプでは更に、ポンプ１の吐出ポート５で液圧エネルギーが発生する。モータはポンプ１に作用し、タンクから油を吸込み、正確に制御されて液圧シリンダに直接供給する。この駆動は制御弁を用いないで、４つのすべての象限（四分円）内で機械的なすべての変数を制御することを可能にする。そのために、液圧アクチュエータまたは回路要素は設けられていない。すべての制御データは電気的な側で発せられ、一定の容積形ポンプの可変の回転速度または回転数を介して供給される。
【００１６】
図２は技術水準の開放型液圧制御の簡単な例を示している。例えば１２０バールの圧力が絞り（制御弁）を介して最終的に５０バールに低下させられる。図３は制御弁を用いない新しい解決策の例を示している。この場合、出力調整は完全に電気的な側で生じる。それによって、このシステムはエネルギーの散逸が全くない。図３ａには本発明による解決策の手段による力と圧力が、図２ａには技術水準による力と圧力が対比して示してある。その際、曲線St_hは技術水準の力を圧力を示し、E_hは本発明の力と圧力を示している。
【００１７】
技術水準の場合には、往復運動のために必要の損失作業が大きいことを明瞭に示している（２×１２０バールによって示してある）。新しい解決策の場合には、動かされる質量ｍの位置エネルギーと運動エネルギーが回収可能であるので、質量を摺動させるためには（キャリッジにおける）小さな摩擦作業を加えるだけでよい。最高の実施形の場合、本発明では、サイクル全体（前進→１、後退→２）にわたって最適化されるときには（図３ａ，４）、数分の一（２０バール）が回収されないエネルギーとして残る。
【００１８】
次に、サーボポンプコントローラの制御概念を示す図５を参照する。サーボポンプコントローラの圧力制御はカスケード状に入り組んだ三つの制御回路（図５）で構成されている。中央のハードウェアユニットは軸ドライブ（Ａ−ドライブ）からなり、回転モーメント制御と回転数制御の両内部回路（R_N，R_Md）を含んでいる。その際、回転数制御（R_N）はモーメント制御（R_Md）よりも優先する。回転数制御ユニットの入力部において、上位の回転数コントローラのデジタル制御信号がモータ角度に相応して（コミュテーション）二つのデジタル電流制御信号に分割され、パルス幅変調式の両電流制御回路に供給される。上述のように同様にドライブ内にある外側のモータ回転数コントローラはＰＩＤコントローラとしてデジタル式に形成されている。このコントローラは上位の圧力制御モジュールから設定値を得る。この圧力制御モジュールは１分あたりの回転数の形態のデジタル信号を供給する。回転数実際値は電気的な絶対モータ角度に相応してレゾルバ信号の差によって求められる。この区間は例えば３ｋＨｚで走査される。
【００１９】
図７，８の用途例から判るように、本発明は、少なくとも若干の他の実施思想を含めるときに、電気的および液圧的な駆動装置の重要なすべての利点を組み合わせることを可能にする。電気／電子的な側では、次の基本要素、すなわち機械コンピュータ３０、指令機器３１、データバス３２、センサまたはセンサ端子３３、コントローラ３４、制御ユニット３５、コントローラＲｅを有するドライブコンピュータ３６、ドライブ知能機械３７、コントロールユニット４０を有する特性曲線／受信メモリ３８が設けられている。このコントロールユニットと特性曲線／受信メモリは多変数プロセスコントローラ３９を形成する。新しいダイナミックな四−象限（四分円）型−駆動装置を生じるように、電気的および液圧的な駆動装置の特性を組み合わせた駆動装置が形成される。この新しい組み合わせは更に、新しい特性を生じる。この新しい解決策は液圧駆動装置から次の利点を得る。
【００２０】
高い出力集中（容積あたりの出力またはアクタの重量あたりの出力）；高い力集中またはモーメント集中（アクタの容積およびまたは重量あたりの力）；小さな組み込み要素；駆動時の高い機械的効率、この場合大きな力またはモーメントで比較的に小さな出力を加えなければならない（機械的伝動装置の大きな減速比は損失をもたらす）；切換え弁による高い出力の低価格で簡単な切換え；大きな圧力ひいては力（力調整）が低価格のセンサによって大まかにかつ正確に測定可能である。駆動装置の大きさや出力に関係なく、常に同じセンサを使用可能である。なぜなら、代表的な圧力が常に同じ圧力であるからである。多様な機械のメーカーにとって、これは多様な部品を多数の個数で置き換えることを意味する（少ない管理コスト、良好な購入条件）；アクチュータやポンプの長い寿命（摩擦−強度）；圧力制限弁によって、過負荷に対する正確で、確実でそして低価格な安全機能を組み込むことができる；一般的に、機械的な変数、すなわち圧力と弁を通る流量によって切換えロジックを構成することができる。これはこの技術では電気機械の場合電気側だけで可能であり、機械的な側（力と速度）では不可能である。
【００２１】
電気的な駆動装置から次の利点が生じる。ＩＧＢＴの技術における最新のパワー半導体は、数ナノ秒（１０^-9秒）で大きな出力を切り換えることができる。ここで、電子技術が少なくとも５桁だけ液圧技術よりも優れている；光速３×１０⁸ｍ／ｓｇでの信号処理、これは同様に液圧システム（２〜３×１０³ｍ／ｓ）の上方５桁である；トランジスタを切換えるために必要なエネルギーも、液圧弁で必要とされる切換えエネルギーと比較して同様に少なくてすむ；パワー半導体の場合の迅速な切換えは、すべての４つの象限において損失のないまたは損失の少ない出力制御を可能にする。その際、普及した制御方式はパルス幅変調方式（ＰＷＭ）である；このパワー半導体の一般的に知られている切換えは更に、機械的な運動エネルギーを制御して回収することを可能する。これは、駆動される機械の制動運転時に、エネルギーが電気的なコンデンサに供給されるかまたは三相交流としてネットワークに戻されることによって行われる；空転出力が全く消滅する；実際のあらゆる製造場所で多岐にわたって供される世界的なネットワークを、エネルギーの入手およびエネルギーの貯蔵のために利用可能である。それによって、機械の要素やコンデンサまたは圧力貯蔵装置のための投資コストが不要となる。
【００２２】
他のシステムの欠点を除去することができた。特にインテリジェントな四−象限−駆動装置として新しい解決策を形成する場合には、かなりの数の、一部は期待されない利点が生じる。例えば；散逸型アクチュエータの省略；サーボおよびまたは比例弁の省略によって、濾過に対する要求が低下する。多くの場合、フィルタを省略することができる。保守整備が少なくて済み、経時状態が良好である（摩耗はポンプだけである）；騒音が小さい（低騒音の定容量形ポンプ（ＩＺＰ）の使用、可変容量形ポンプまたは機械的な伝動装置の音は聞こえない）；貯蔵圧力を監視可能であり、漏れを認識可能である（変位−圧力測定）；ポンプとモータの２つの象限運転、４つの象限駆動；外部から加えられる負荷が変化するときのきわめて小さなヒステリシス；高いダイナミック性；開放したシステム、すなわち媒体交換、可変ポンプのためのアクチュエータのような補助装置、アクチュエータの制御または圧力保持のための補助ポンプが不要である；きわめて簡単で低価格な構造；低い出力のときの非常に小さな摩擦出力、コンパクで軽量で低価格のアクチュエータ；電気的駆動装置との組み合わせ可能性（液圧駆動装置と電気駆動装置のための優れた多軸制御、同じドライブ、インターフェース）；インテリジェントなドライブによって、運動の全過程を統合可能である。上位の制御は例えば、運動全体を開始する簡単なデジタル信号に制限可能である；複数の液圧式軸切換え部への供給；停止時の損失出力が電子ドライブに供給するためのきわめて小さな出力に制限される。モータもポンプもシリンダも概して損失を生じない。
【００２３】
四−象限−駆動装置を備えた本発明のサーボポンプ装置を介しての力、位置および速度の制御は、液圧システムの挙動に関していろいろな新しい認識をもたらす。これらの変数の同時チェックがきわめて重要であることが本出願人によって認識された。多くの用途（例えば射出機械のプレス過程の場合のような用途）において、実際にオーバーシュートのない圧力制御が特に重要であることが認識された。液圧駆動装置の場合には更に、圧力の制御によって、力が設定値または許容値を上回らないように配慮される。液圧を制御するための容易に思いつく例は、回転モーメント信号の変調である。回転モーメント制御信号を介して圧力に直接影響を与えると、本出願人の試験では、低周波数の不適切に減衰されたハンチングを生じることになる。なぜなら、モータとポンプの慣性が液圧システムの弾性と関連してこのような不適切に減衰された低周波数の固有振動を生じる傾向があるからである。一方では、（特性曲線で補正した値としての）ポンプ流量の制御変数を介しての圧力チェックがはるかに良好な結果をもたらすことが認識されている。システムの作用容積または弾性をどのようにして精度または駆動挙動に作用させるかは問題であった。特に圧力制御弁の場合の圧力制御については、W.Backe教授（技術博士）の講義の１９７９年版の第２４０頁に記載されている。そこには、制御応答性、特に制御減衰は、流量に影響を与える要素、例えば接続された開放型液圧回路の弁の制限容積が小さければ小さいほど良好であると述べられている。上記の説明と異なり、サーボポンプを介しての圧力制御は制限容積の大きさに依存し、制限容積が大きい場合設定された圧力値の良好な制御が達成可能である（５ａ）ことが、本出願人によって認められた。この説明によれば、特に流量の変化のために多くの時間が供されるからである。なぜなら、同じ流量の場合圧力の変化速度が遅くなるからである。最適な結果を得るために、流量の制御変数が実質的に、制限容積と設定値／実際値の偏差の次の式に従って制限可能であることが、本出願人によって認められた。
【００２４】
【数１】

【００２５】
Ｍ_M：特に液圧に依存して供されるモータの加速回転モーメントと減速回転モーメントの最大値
ｑ ：回転あたりのポンプ搬送容量
ＩＴ：モータとポンプの全体の慣性
Ｑsoll：ポンプの設定流量（＝消費流量−漏洩流量）
ｐsoll：液圧の設定圧力
ｐist ：液圧の実際圧力
Ｃｈ＝Ｖｏ×ｋｃ：“液圧容量”
Ｖｏ：制限容積
ｋｃ：圧縮係数
【００２６】
特に、この方式が非常に良好な結果を示し、システム内の制限された容積または弾性を本発明にしたがって考慮することにより、最適な結果、すなわちオーバーシュートのない圧力経過が達成可能であることがシミュレーション結果によって判った。試験（図６）により、きわめて正確で迅速な圧力チェックが達成されることが判った。零位置の範囲において制御回路の安定性が補償されるようにするために、この方程式は小さな信号の範囲において直線方程式に移行している。運動中次の範囲において消費流量が零まで減少すると、新しい方式の場合には、設定された目標圧力に達することにより、ポンプ（漏洩流量の送出は別として）は停止する。ここで、調節された圧力値に達した時点で既に、開放型液圧回路への流入（流量）が必要な低い流量値または回転数値に達し、その後ではこの値をできるだけ迅速に零近くなるようにしないことが重要である。この発見は平凡なように見えたが、その結果、許容されないダイナミックな圧力突出を回避するためには、制限された容積に間接的に比例する或る程度の圧力予備開放またはポンプ／モータユニットの制動時間に比例する或る程度の圧力予備開放が必要であるが必須であった。静的な制御特性曲線は、数学的に証明されるような理想的な場合、大信号範囲では放物線状でなければならない。小信号範囲では、コントローラ増幅が小さくなければならない。それによって、全体の回路増幅がｋｐ＝２×ｄ×Ｗｏよりも小さくなる。増幅全体では、ここでもファクタとして１／（Ｖｏ×ｋｃ）が生じる。測定と理論的な分析により、ここでも、制御回路は制限された容積にほぼ直接に比例して簡単に支配可能であることが判る。
【００２７】
図５ａを参照する。液圧で動かされる軸の場合、速度は一般的に、アクチュエータ、例えばシリンダへの流量の変調によって制御される。液圧の伝達媒体が実際に非圧縮性であると見なされる多方面で支配的な意見と異なり、媒体の圧縮性は、可動物質が比較的に重い場合には特別に考えなければならない。なぜなら、弾性的な油柱が可動物質と共に比較的に低い周波数の固有振動を生じる傾向があるからである。これは射出成形機の閉鎖軸の特別な質量にも当て嵌まることが本出願人によって認められた。これについてはドイツ連邦共和国特許第４３０７７６０号明細書を参照されたし。特に、最近の２０年間、一層高い出力密度を得るように液圧が高められた。そのために、他方では、この液圧駆動装置のダイナミックな伝達状態が非常に悪くなった。換言すると、固有振動数が、それと関連する小さなシリンダ直径に基づいて一層低い値にずれた。本発明による駆動装置の場合、速度を調節するために、流量の制御変数の代わりに、上記の方法に従って、調節される圧力を制御変数として使用すると、邪魔になるこの低い固有振動数はすべて除去できることが、本出願人によって認められた（ドイツ連邦共和国特許第４３０３７６０号明細書参照）。特にそのために、制御される軸に変位測定システムが設けられている（図８）。この変位測定システムは一方では速度を検出するために役立ち、場合によっては上位の位置調節のために役立つ。この場合、３つのすべての変数、すなわち圧力、速度および変位は特に多変数コントローラ（図７）でチェックされる。金型閉鎖の場合のような特別な軸の場合、変位フィードバックがシリンダ端位置の前で確実な制動を可能にするときには（多変数コントローラ）、圧力の調整を完全に省略することができる。他の手段として、ダイカスト機械および射出成形機における金型閉鎖の場合、金型閉鎖保護装置を同様に組み込むことができる。
【００２８】
図８は金型運動のための本発明の基本概念を示している。液圧駆動システムは図１と同様に、ポンプと、ドライブを有するサーボモータと、上位の他の知能機械またはメモリおよび場合によってはバス結合部を有するドライブコンピュータとを備えている。これに関しては、ヨーロッパ特許第６４３４７２号明細書を参照されたし。他の重要な要素は圧力センサ５０である。この圧力センサは適当な信号処理によってドライブコンピュータ−ドライブ−サーボモータと共に圧力制御ユニット５１を示す。圧力管路５２とパスロジック５３を経て、油は液圧シリンダ５４に供給される。液圧シリンダ５４内では、ピストンロッド５５が圧力制御に応じて保持されるかまたは動かされ、金型５７のための閉鎖ユニット５６に作用する。位置または変位および速度が位置センサ５８と信号ライン５９を経てドライブコンピュータに伝送可能である。例えば動かされる部品の多変数制御のために。発生する加速圧力は、背圧ユニット６０と共に、特に制御変数として定められる。閉鎖ユニットは射出成形機またはダイカスト機械あるいは例えばブロー成形機でもよい。液圧変数として、特に圧力と可動機械の位置が検出され、制御知能機械に供給される。パスロジック（経路ロジック）は液圧出力を、個別に運転される多数の液圧アクチュエータに供給することができる。ＰＣでは制御知能機械の測定データが追跡されるかまたは１個または複数の軸のための運動プログラムが制御知能機械に装荷される。駆動装置の他の実施形の場合には、システムの制御の質を高めるために、シリンダの圧力と伸長長さを制御知能機械に供給することができる。図８は、本発明によって液圧駆動装置が開放型液圧回路内で使用可能であり、大きな利点をもたらすことを示している。制御知能機械、ポンプおよび駆動モータだけしか必要としない。圧力管路網５２′、５２″、５２″′を介して順次運転される整数の軸Ａ₁，Ａ₂・・・Ａ_xが操作される。この場合、コンパクトな周辺部の液圧シリンダまたはモータのすべての利点を伴って操作される。出力の伝達はパスロジックを介して時間的に順々に行われる。
【００２９】
図９は図８と類似して、噴射スクリュー７１を示している。この噴射スクリューは液圧シリンダ７０を介して直線的に動かされるかまたは保持される。回転運動は液圧モータ７２を介して行われる。押圧ユニットは７３で示してあり、アキュムレータは７４で示してある。アキュムレータ７４を図示のように使用することにより、複数の軸が１個のモータによって同時に運転可能である。図９は駆動解決策を示している。この場合、軸のダイナミクスに関して非常に高度な要求がされるので、散逸型サーボモータを使用することができる。圧力貯蔵装置を備えた慣用のこの開放型液圧回路は、パスロジックを介して本発明による駆動装置によって制御可能であるかまたはエネルギーを供給可能である。貯蔵装置が一杯であるサイクル相では、例えば駆動ユニット７３のように、スクリュー駆動装置を制御するためにあるいは他のダイナミック過程を制御するために本発明による同じ駆動装置を使用可能である。この駆動ユニット７３とパスロジックとの接続部は記入されていない。
【００３０】
図１０は電気モータ式−液圧式に混合駆動される機械のハイブリッド解決策を略示している。図１０には、噴射スクリュー７１の回転運動のための他のサーボモータ８０が示してある。このサーボモータ８０は信号ライン８１を介してドライブコンピュータによって制御される。それによって、図１０は組み合わせられた電気機械式−液圧式駆動システムを示している。しかし、任意の組み合わせを選択可能である。どの軸が液圧で駆動され、どの軸が電気機械的に駆動されるかは、個別の条件に従う。この概念は既存の液圧式機械を、場合によっては徐々に電気機械的な駆動装置に装備変えすることを可能にする。
【００３１】
次に、スチュワートプラットホーム９０を示す図１１を参照する。このスチュワートプラットホームは６本の制御可能な軸９１〜９６を介して動かすことができる。図１１は、例えばシミュレータのために使用されるようなロボット解決策の特殊な場合を示している。６本の軸のために、駆動装置解決策として、本発明による駆動装置が使用される。投資コストを節約するために、同じ変数が同じバスで一緒に案内される。１個の電気エネルギー貯蔵装置／エネルギー源は１個のＤＣバスを介してすべてのドライブにエネルギーを供給する。各々のドライブの制御知能機械のもとでのデータ技術的な接続部は記入されていない。この接続部は接続されたすべての軸の運動の同期と調和を可能にする。すべての軸は本発明に従って共通の圧力貯蔵網に作用している。この圧力貯蔵網は反動的または戻し駆動的な力をすべての軸に加える。ポンプの吸込み管も共通の１本の吸込み管路を経て案内することができる（図示していない）。駆動装置の必要なすべてのセンサ／アクチュエータデータはフィールドバスを経て軸コンピュータに供給可能であるかあるいは軸コンピュータから周辺に送ることができる（例えばセンサの校正のために）。このような測定データは例えば、シリンダの圧力および伸長位置、回転数可変型モータの回転数またはシステムの温度である。
【００３２】
ドライブのパケットは勿論、固有の“知能機械”に含むことが可能であるので、座標変換（スチュワートプラットホームの運動学）、安全監視、特に制御のためのパラメータ適応、経過全体のための設定運動、データ評価、人−機械−インターフェースまたは他の周辺部とのコミュニケーションのような課題を局部的に解決可能である。上位の制御ユニットはこれらの課題が不要である。極端な場合、これらの課題はすべて置き換え可能である。
【００３３】
図１２はハイブリッド駆動システムを備えた制御概念を簡単化して示している。その際、１本または複数本の液圧軸Ａ′，Ａ″，Ａｘと同時に１個または複数個の電気モータ式または電気機械式軸Ｍ₂，Ｍ₃を案内することができる。すべての軸が周辺／制御ユニットを介して制御可能であるので、作業プロセスを最適に導くことができる。なぜなら、最も短いコミュニケーション経路を利用可能であるからである。図１２の解決策は、多変数プロセスコントローラを示す図７の解決策の上に構成されている。図１２において、各々の自主的な駆動装置Ｍ₁，Ｍ₂，Ｍ₃は多変数プロセスコントローラ３９，３９″，３９″′を備えている。インターポレイター１００を備えたドライブコンピュータ１０４と、信号コンピュータ１０１と、ドライブ知能機械１０２が上位に設けられている。各々一つのＶ−コントローラ、Ｉ−コントローラ（Ｍｄ）とＩ−コントーラがコントローラ３４としてまとめられている。更に、このユニットは特性曲線／受信−メモリ１０５を備えている。用途に応じて、上位の機械コンピュータが必要である。この場合、コンピュータ／メモリまたはプログラムメモリ１０７内に、プログラム目盛り、設定曲線、特性曲線補償、スタートプログラム、経過プログラム等の必要なすべてのデータが格納されている。
【００３４】
鋳造機械の場合には、データ交換のためにセンサ／アクタ−バス１０８が使用されると有利である。これは同じような駆動問題を有する他の類似の機械の場合にも当てはまる。

Claims (2)

1. 開放型液圧回路で液圧により動かされる少なくとも１本の液圧式軸と、制御知能機械と、制御知能機械によって制御される形で液圧式軸を駆動する軸駆動部とを備えた装置であって、機械的変数である油搬送出力（Ｑ）または油圧（ｐ）が開放型液圧回路内で散逸しないで液圧式に伝達され、出力の制御がパワーエレクトロニクスのアクチュエータによって行われ、開放型液圧回路が、調整弁を持たず、かつ少なくとも１本の液圧軸を直線的に駆動される軸とする形で形成されるとともに、液圧ポンプが配備され、このポンプの駆動が回転数可変の駆動モータ、特にサーボモータと回転数または回転速度の制御機器を介してプロセスコンピュータによって行われる装置において、この液圧ポンプが、内歯歯車型ポンプであり、かつ４−象限−駆動装置として形成されていることを特徴とする装置。
2. 装置が射出成形機として形成され、軸が１本または複数本のときに、機械的な変数である油搬送出力（Ｑ）または油圧（ｐ）が開放型液圧回路内で液圧的に散逸しないように伝達され、すべてのアクチュエータがエネルギー貯蔵網に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。

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