JP4245065B2

JP4245065B2 - 流体圧ユニット

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Publication number: JP4245065B2
Application number: JP2007151952A
Authority: JP
Inventors: 良行越智
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2027-06-07
Also published as: EP2055965B1; ES2401474T3; CN101542137B; US20100154398A1; JP2008303985A; KR20090080031A; US8302394B2; WO2008149541A1; CN101542137A; EP2055965A4; KR101076589B1; EP2055965A1

Description

本発明は、流体圧ユニットに関し、特に、流体圧ポンプのドライ運転防止対策に係るものである。

従来より、流体圧ポンプによって流体を圧送してアクチュエータを駆動させる流体圧ユニットが知られている。この種の流体圧ユニットとして、例えば特許文献１に油圧ユニットが開示されている。この油圧ユニットは、流体圧ポンプである油圧ポンプと、アクチュエータである油圧シリンダと、タンクとを備えている。油圧ポンプは、可変速のモータによって駆動されることにより、タンクから作動油を吸入して油圧シリンダへ圧送する。これにより、油圧シリンダが駆動される。

ところで、上記油圧ユニットにおいては、タンクの作動油面の低下によって油圧ポンプが作動油と共に空気を吸入するおそれがある。また、何らかの原因で作動油に空気が混入した場合も、油圧ポンプが空気を吸い込んでしまう場合がある。この状態のままで油圧ポンプが駆動し続けると、即ち油圧ポンプがいわゆるドライ運転をし続けると、油圧ポンプにおいて潤滑不良により焼き付きが生じるという問題があった。

この問題を解決するため、上記油圧ユニットに対して、例えば特許文献２に開示されているドライ運転の検知手段を適用することが考えられる。

具体的に、上記特許文献２のエンジンの制御装置は、潤滑油ポンプによってエンジンに供給された潤滑油の圧力を検出するセンサを備えている。潤滑油ポンプは、エンジンのクランク軸にプーリベルトを介して接続されて駆動される。したがって、エンジンの回転数が高くなれば、潤滑油ポンプの回転数も高くなり、エンジン内部の潤滑油の圧力が上昇する。そして、制御装置は、エンジンの回転数が所定回転数以上で、且つ、潤滑油の圧力が基準圧力より低い状態が所定時間継続すれば、エンジンを停止またはその回転数を低下させる。これにより、エンジンのドライ運転が検知され、エンジンの焼き付きが防止される。つまり、エンジンの回転数が高いにも拘わらず潤滑油の圧力が低いことから、潤滑油の供給量が十分ではなく、潤滑不足が発生していることが検知される。

このドライ運転の検知制御を上記油圧ユニットに適用した場合、油圧ポンプの回転数と吐出圧力が図４にハッチングで示す領域（所定回転数以上で且つ所定圧力以下の領域）にあれば、油圧ポンプが停止またはその回転数が低下されることになる。つまり、油圧ポンプの回転数が高いにも拘わらず油圧ポンプの吐出圧力が過剰に低いことから、作動油の吸入量が十分ではなくドライ運転状態であることが検知される。
特開２００６−２１４５１０号公報特開２００３−１７２１１５号公報

しかしながら、上記特許文献２の検知手段を特許文献１の油圧ユニットに単に適用するだけでは、油圧ポンプのドライ運転を確実には検知できないという問題があった。つまり、図４に示す所定回転数よりも低い回転数で油圧ポンプが運転される場合、作動油に空気が混入して吐出圧力が所定圧力より低下しても、回転数が所定値以下であるためドライ運転が検知されないことになる。したがって、確実には油圧ポンプの焼き付きを防止することができず、信頼性が低下するという問題があった。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、流体圧アクチュエータに流体を圧送する流体圧ポンプを備えた流体圧ユニットにおいて、流体の吸入量不足による流体圧ポンプのドライ運転を確実に防止することである。

第１の発明は、流体のタンク（16）と、該タンク（16）から流体を吸入して吐出する流体圧ポンプ（11）と、該流体圧ポンプ（11）から吐出された流体が供給されて駆動する流体圧アクチュエータ（13）とを備えた流体圧ユニットを前提としている。そして、本発明は、上記流体圧ポンプ（11）の吐出圧力を検出する圧力検出手段（17）と、上記圧力検出手段（17）の検出圧力が、予め上記流体圧ポンプ（11）の運転回転数に応じて定められた設定圧力以下になると、上記流体圧ポンプ（11）の運転異常を検知する異常検知手段（23）とを備えているものである。さらに、本発明は、上記設定圧力が、上記流体圧ポンプ（11）から上記流体圧アクチュエータ（13）までの供給配管にて発生する流体の損失圧力に定められているものである。

上記の発明では、例えばタンク（16）内の流体量が減少すると、流体圧ポンプ（11）が空気を吸入するおそれがある。空気を吸入すると、流体圧ポンプ（11）の吐出圧力が著しく低下する。即ち、流体圧ポンプ（11）がいわゆるドライ運転状態になり、このままの状態で運転されると流体圧ポンプ（11）において焼き付きが生じる。

本発明では、流体圧ポンプ（11）の吐出圧力が低下して、その流体圧ポンプ（11）の運転回転数に応じた設定圧力以下になると、流体圧ポンプ（11）のドライ運転が検知される。この設定圧力は流体圧ポンプ（11）の運転回転数に応じて定められているため、つまり流体圧ポンプ（11）の運転領域に亘って設定圧力が定められているため、流体圧ポンプ（11）がどの回転数領域で運転されていても、流体圧ポンプ（11）の運転異常が確実に検知される。運転異常が検知されると、流体圧ポンプ（11）が停止またはその運転回転数が低下される。

さらに、上記の発明では、供給配管において発生し得る流体の損失圧力が設定圧力として定められている。つまり、設定圧力は、流体圧ポンプ（11）の正常運転時に、流体圧ポンプ（11）の運転回転数に応じて発生し得る最低の圧力（吐出圧力）に定められている。本発明では、吐出圧力がその最低圧力以下になることで、流体圧ポンプ（11）の異常運転が検知される。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記設定圧力は、上記流体圧ポンプ（11）の運転回転数に比例して増大するように定められているものである。

上記の発明では、設定圧力と流体圧ポンプ（11）の運転回転数とが正比例関係になっている。つまり、流体圧ポンプ（11）の運転回転数が増大するに従って供給配管の流速が増大し、この流速の増大に伴って供給配管における損失圧力が増大する。

第３の発明は、上記第１の発明において、上記流体圧ポンプ（11）が油圧ポンプであり、上記流体圧アクチュエータ（13）が油圧シリンダであるものである。

上記の発明では、油圧ポンプ（11）から作動油が供給されることにより、油圧シリンダ（13）が伸長動作または収縮動作を行う。そして、本発明では、油圧ポンプ（11）のドライ運転が検知される。

第４の発明は、上記第３の発明において、上記流体圧アクチュエータ（13）の駆動対象が工作機械におけるチャックであるものである。

上記の発明では、チャックが油圧シリンダ（13）の動作によって開閉動作する。

以上のように、本発明によれば、流体圧ポンプ（11）の吐出圧力が、予め流体圧ポンプ（11）の運転回転数に応じて定められた設定圧力以下になると、流体圧ポンプ（11）のドライ運転を検知するようにした。これにより、流体圧ポンプ（11）の運転回転数に関係なく、ドライ運転を確実に且つ早期に検知することができる。したがって、ドライ運転を検知した後、流体圧ポンプ（11）を停止等すれば該流体圧ポンプ（11）の焼き付きを確実に防止することができる。その結果、油圧ユニット（10）の信頼性を向上させることができる。

さらに、本発明によれば、流体圧ポンプ（11）から流体圧アクチュエータ（13）までの供給配管において流体圧ポンプ（11）の運転回転数に応じて発生し得る流体の圧力損失を判定圧力として定めるようにした。つまり、設定圧力として、流体圧ポンプ（11）の正常運転時に発生し得る最低の圧力を設定するようにした。したがって、流体圧ポンプ（11）のドライ運転を一層確実に検知することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態の油圧ユニット（10）は、本発明に係る流体圧ユニットを構成している。この油圧ユニット（10）は、例えばマシニングセンタ等の工作機械にそれを主機として用いられる。工作機械は、図示しないが、例えばチャック、心押台クランプ、刃物台クランプ等のように、ワークや工具を固定する複数の固定装置（駆動対象）を有し、これら固定装置を油圧ユニット（10）のアクチュエータで駆動する。なお、ここでは、ワークをチャッキングするチャックを駆動するものとして説明するが、他の心押台クランプ等を駆動する場合でも同様の動作および制御が行われる。

上記油圧ユニット（10）は、油圧ポンプ（11）と、モータ（12）と、油圧シリンダ（13）と、方向切換弁（15）と、油タンク（16）と、主機制御盤（20）と、コントローラ（21）とを備えている。

上記油圧ポンプ（11）は、流体としての作動油を油タンク（16）から吸入して吐出する流体圧ポンプを構成している。この油圧ポンプ（11）は、例えばギアポンプ、トロコイドポンプ、ベーンポンプ、ピストンポンプ等の固定容量型ポンプで構成されている。

上記モータ（12）は、油圧ポンプ（11）を駆動する可変速モータである。このモータ（12）は、自身に内蔵されている回転速度制御用エンコーダ（図示せず）により油圧ポンプ（11）の吐出流量に相当する回転速度を検出している。

上記油圧シリンダ（13）は、工作機械のチャックを駆動するもので、油圧ポンプ（11）から吐出された作動油が供給されて駆動する流体圧アクチュエータを構成している。この油圧シリンダ（13）は、ピストンによって区画されたヘッド室（13a）およびロッド室（13b）を有している。油圧シリンダ（13）は、ヘッド室（13a）に作動油が供給されると、伸長動作してチャックを閉じる動作を行う。また、油圧シリンダ（13）は、ロッド室（13b）に作動油が供給されると、収縮動作してチャックを開く動作を行う。

上記油圧シリンダ（13）のヘッド室（13a）およびロッド室（13b）と、油圧ポンプ（11）の吐出側および油タンク（16）とは、油圧配管（14）によって接続されている。

上記方向切換弁（15）は、上記油圧配管（14）の途中に設けられ、該油圧配管（14）を連通状態と遮断状態とに切り換えるように構成されている。この方向切換弁（15）は、第１および第２の２つの電磁ソレノイド（15a,15b）を有する４ポート３位置スプリングセンタ式電磁切換弁である。方向切換弁（15）は、４ポートのうち、Ａポートが油圧シリンダ（13）のヘッド室（13a）に、Ｂポートが油圧シリンダ（13）のロッド室（13b）に、Ｐポートが油圧ポンプ（11）の吐出側に、Ｒポートが油タンク（16）にそれぞれ油圧配管（14）を介して連通している。

上記方向切換弁（15）は、各電磁ソレノイド（15a,15b）のＯＮ／ＯＦＦ動作によって、中立位置と第１位置と第２位置とに切り換わる。方向切換弁（15）は、中立位置では４つのポートが互いに遮断状態になり、第１位置ではＰポートとＡポートが連通し且つＢポートとＲポートが連通し、第２位置ではＰポートとＢポートが連通し且つＡポートとＲポートが連通する。

上記油圧ポンプ（11）の吐出側の油圧配管（14）には、油圧ポンプ（11）の吐出圧力（即ち、吐出された作動油の圧力）を検出する圧力検出手段としての圧力センサ（17）が設けられている。

上記主機制御盤（20）は、工作機械を制御するためのもので、方向切換弁（15）を切換制御してチャックを動作させるものである。つまり、主機制御盤（20）は、加工状況に応じて方向切換弁（15）の各電磁ソレノイド（15a,15b）を駆動制御する。これにより、方向切換弁（15）が各位置（中立位置、第１位置、第２位置）に切り換わる。

上記コントローラ（21）は、制御部（22）と異常検知部（23）を備えている。コントローラ（21）には、圧力センサ（17）の出力信号が入力される。また、コントローラ（21）は、モータ（12）の運転回転数、即ち油圧ポンプ（11）の運転回転数を検出可能に構成されている。

上記制御部（22）は、負荷状態に合わせて、モータ（12）の運転回転数および圧力センサ（17）の検出圧力が設定回転数と設定圧力で描かれた線上（図３参照）に乗るように、モータ（12）を駆動制御している。

上記異常検知部（23）は、圧力センサ（17）の圧力が予めモータ（12）の運転回転数に応じて定められた判定圧力以下になると、油圧ポンプ（11）の運転異常を検知するように構成されている。つまり、上記判定圧力は、油圧ポンプ（11）がドライ運転状態であるか否か判定するため、予め油圧ポンプ（11）の運転回転数に応じて定められた本発明に係る設定圧力である。以下、この判定圧力をドライ運転判定圧力ともいう。

図２に示すように、ドライ運転判定圧力は、モータ（12）の運転回転数がゼロから最高回転数に亘って定められ、その運転回転数に比例して高くなっている。このドライ運転判定圧力以下の領域（図２にドットで示す三角形の領域）内が、運転異常の領域になる。最高回転数は、モータ（12）即ち油圧ポンプ（11）が運転可能な最大の回転数である。そして、ドライ運転判定圧力は、油圧ポンプ（11）の吐出側から油圧シリンダ（13）の各室（13a,13b）までの油圧配管（14）（即ち、供給配管）において生じる作動油の圧力損失の値に設定されている。この圧力損失は、モータ（12）の運転回転数、即ち作動油の流速に比例する。つまり、このドライ運転判定圧力は、油圧ポンプ（11）が正常に運転されている限り、その運転回転数に対して発生し得る最低の圧力（吐出圧力）に設定されていることになる。

上記油圧ポンプ（11）が作動油と共に空気を吸入した場合、即ち作動油の吸入量が不十分でいわゆるドライ運転状態になった場合、油圧ポンプ（11）の吐出圧力が著しく低下する。したがって、その吐出圧力が判定圧力以下まで低下することによって、油圧ポンプ（11）のドライ運転（運転異常）を検知することができる。そして、異常検知部（23）がドライ運転を検知すると、制御部（22）がモータ（12）を停止またはその運転回転数を低下させる。

−コントローラの制御動作−
具体的に、コントローラ（21）の制御動作について図３を参照しながら説明する。なお、ここでは、工作機械のチャックを閉じ動作させて加工物等を固定し（掴み）、チャックを開き動作させて加工物等を放すものとする。

上記コントローラ（21）の制御部（22）は、油圧ポンプ（11）の吐出圧力および運転回転数が予め定めた設定圧力および設定回転数になるように、モータ（12）を駆動制御する。先ず、図３のａ点は、チャックが閉じて加工物を固定している状態とする。この状態では、方向切換弁（15）が第２位置に切り換わり、油圧ポンプ（11）から油圧シリンダ（13）のヘッド室（13a）に作動油が供給されている。この状態において、油圧ポンプ（11）の運転回転数は設定回転数よりも遙かに低い回転数になっており、油圧ポンプ（11）の吐出圧力は設定圧力で保圧されている。

次に、上記の状態からチャックを開いて加工物を放す場合、先ず、方向切換弁（15）が第２位置に切り換わり、油圧ポンプ（11）から油圧シリンダ（13）のロッド室（13b）に作動油が供給される。そうすると、油圧シリンダ（13）が収縮動作を開始する。

上記油圧シリンダ（13）の収縮動作の開始直後、即ちチャックの開き始めでは、油圧ポンプ（11）の吐出圧力が急激に低下していく。その後、チャックが開くに従って、油圧ポンプ（11）の吐出圧力は低下していく一方、油圧ポンプ（11）の運転回転数が設定回転数まで急激に増大される（図３のｂ点）。このｂ点の状態において、油圧ポンプ（11）の吐出圧力は、設定回転数に応じたドライ運転判定圧力（図３のｄ点）より高い。つまり、油圧ポンプ（11）が正常に吐出運転している。

そして、チャックが開き切ると、再び図３のａ点に戻る。具体的に、チャックが開き切ると、油圧ポンプ（11）の吐出圧力が急激に上昇するが、設定圧力に制御するため、油圧ポンプ（11）が設定回転数よりも遙かに低い最小回転数で運転される（図３のａ点）。

ここで、図３のａ点からｂ点に移行する際、即ちチャックの開き動作途中において、例えば、油タンク（16）の作動油面が著しく低下していると、油圧ポンプ（11）が作動油と共に空気を吸入してしまう。そうすると、上述した正常運転時に比べて、油圧ポンプ（11）の吐出圧力が著しく低下する。そして、油圧ポンプ（11）の運転回転数が設定回転数に達したとき、油圧ポンプ（11）の吐出圧力がドライ運転判定圧力以下まで低下してしまう（図３のｃ点）。そうすると、異常検知部（23）によって油圧ポンプ（11）のドライ運転が検知され、制御部（22）がモータ（12）を停止またはその回転数を低下させる。これにより、油圧ポンプ（11）のドライ運転による焼き付きを防止できる。

−実施形態の効果−
本実施形態では、運転回転数のゼロから最高回転数に亘ってその回転数に応じたドライ運転判定圧力を設定し、油圧ポンプ（11）の吐出圧力がその判定圧力以下になるとドライ運転（運転異常）であると判定するようにした。したがって、油圧ポンプ（11）をどの回転数領域で運転しても、油圧ポンプ（11）のドライ運転、即ち油圧ポンプ（11）の空気吸入（空気混入）による吐出圧力の低下を確実に検知することができる。これにより、空気混入による油圧ポンプ（11）の焼き付きを確実に防止することができる。その結果、油圧ユニット（10）の信頼性を向上させることができる。

さらに、本実施形態では、油圧ポンプ（11）から油圧シリンダ（13）までの油圧配管（14）において油圧ポンプ（11）の運転回転数に応じて発生し得る作動油の圧力損失を判定圧力として設定するようにした。つまり、油圧ポンプ（11）が正常に運転されている限り、発生し得る最低の吐出圧力を判定圧力として設定するようにした。したがって、油圧ポンプ（11）の吐出圧力がその判定圧力以下に低下することで、油圧ポンプ（11）のドライ運転を一層確実に検知することができる。

また、運転回転数に応じて発生し得る最低の吐出圧力を判定圧力に設定していることから、従来に比べて安定したドライ運転の検知を実現することができる。つまり、従来のように検知領域を所定回転数以上且つ所定圧力以下に設定すると、油圧ポンプ（11）の吐出圧力が比較的高い回転数領域では不安定であるため、異常運転（ドライ運転）でなくても検知領域に入ってしまい誤検知するおそれがある。ところが、本発明では、運転回転数に応じて発生し得る最低圧力以下を検知領域に設定しているので、異常運転（ドライ運転）による吐出圧力の低下を安定して検知することができる。

また、本実施形態では、油タンク（16）の作動油面の低下や作動油自体への空気の混入による油圧ポンプ（11）の吐出圧力の低下を検知するのみならず、作動油にクーラント液等が混入して作動油の粘度が低下した場合も検知することができる。つまり、作動油の粘度が通常より低下すると、圧力が上昇し難くなるので、油圧ポンプ（11）の吐出圧力が著しく低下する。

《その他の実施形態》
上述した実施形態については以下のような構成としてもよい。

例えば、上記実施形態では、ゼロから最高回転数までの運転回転数に応じて判定圧力を定めるようにしたが、本発明はこれに限るものではない。つまり、ゼロから最高回転数までのうち、油圧ポンプ（11）の運転範囲における回転数領域で判定圧力を定めるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、流体圧アクチュエータとして油圧シリンダ（13）を用いているが、本発明は、それ以外の油圧アクチュエータ、流体圧アクチュエータを用いてもよいことは勿論である。

また、本発明は、工作機械以外の装置や、作動油以外の流体を用いる流体圧ユニットであっても同様に適用することができる。

また、上記実施形態では、油タンク（16）を備えた油圧ユニット（10）について説明したが、本発明は、作動油や水を対象物との間で循環させる流体圧ポンプを備えた循環回路にも適用することができる。つまり、作動油等を吸入して吐出する流体圧ポンプを有するものであれば、油タンク（16）等を備えているか否かを問わず、作動油等に空気が混入すれば流体圧ポンプの吐出圧力が低下するのでそのようなドライ運転が検知される。

なお、上記実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、流体を吐出してアクチュエータへ供給する流体圧ポンプを備えた流体圧ユニットとして有用である。

本発明の実施形態に係る油圧ユニットの全体構成を示す油圧回路図である。本発明の実施形態に係る油圧ポンプの運転回転数と判定圧力の関係を示す図である。本発明の実施形態に係る油圧ポンプの制御時における運転回転数および吐出圧力の変化を示す図である。従来に係るエンジンの回転数と潤滑油の設定圧力との関係を示す図である。

符号の説明

10 油圧ユニット（流体圧ユニット）
11 油圧ポンプ（流体圧ポンプ）
13 油圧シリンダ（流体圧アクチュエータ）
16 油タンク（タンク）
17 圧力センサ（圧力検出手段）
23 異常検知部（異常検知手段）

Claims

流体のタンク（16）と、該タンク（16）から流体を吸入して吐出する流体圧ポンプ（11）と、該流体圧ポンプ（11）から吐出された流体が供給されて駆動する流体圧アクチュエータ（13）とを備えた流体圧ユニットであって、
上記流体圧ポンプ（11）の吐出圧力を検出する圧力検出手段（17）と、
上記圧力検出手段（17）の検出圧力が、予め上記流体圧ポンプ（11）の運転回転数に応じて定められた設定圧力以下になると、上記流体圧ポンプ（11）の運転異常を検知する異常検知手段（23）とを備える一方、
上記設定圧力は、上記流体圧ポンプ（11）から上記流体圧アクチュエータ（13）までの供給配管にて発生する流体の損失圧力に定められている
ことを特徴とする流体圧ユニット。
請求項１において、
上記設定圧力は、上記流体圧ポンプ（11）の運転回転数に比例して増大するように定められている
ことを特徴とする流体圧ユニット。
請求項１において、
上記流体圧ポンプ（11）は、油圧ポンプであり、
上記流体圧アクチュエータ（13）は、油圧シリンダである
ことを特徴とする流体圧ユニット。
請求項３において、
上記流体圧アクチュエータ（13）の駆動対象は、工作機械におけるチャックである
ことを特徴とする流体圧ユニット。