KR100432381B1 - 전기-유압식비례제어밸브조립체 - Google Patents

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Abstract

양방향성 유체 작동식 장치(7)를 제어하기 위한 전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체(1)가 조립체와 장치(7)의 제 1 포트 사이에서 양방향성 유동을 위한 제 1 작동 포트(4)와, 조립체와 장치(7)의 제 2 포트 사이에서 양방향성 유동을 위한 제 2 작동 포트(5)와, 펌프(17)로부터 유체를 유입하기 위한 펌프 포트(15, 16)와, 그리고 탱크(20)로 유체를 유출하기 위한 탱크 포트(18, 19)를 갖고 있다. 조립체(1)는 장치(7)의 제 1 포트로부터의 그리고 포트로의 유체의 유속과 방향을 제어하기 위하여 제 1 작동 포트(4)와, 펌프 포트(15, 16) 및 탱크 포트(18, 19)에 연결된 제 1 스풀 밸브(2)와 장치(7)의 제 2 포트로부터의 그리고 포트로의 유체의 유속과 방향을 제어하기 위하여 제 1 스풀 밸브(2)와 독립적으로 움직일 수 있으며 제 2 작동 포트(5)와, 펌프 포트(15, 16) 및 탱크 포트(18, 19)에 연결된 제 2 스풀 밸브(3)를 포함하고 있다. 피스톤 감지 배열체(23, 24)는 제 1 및 제 2 스풀 밸브(2, 3)의 스풀(12, 13)의 실제 위치를 지시하는 전기적 위치 신호를 공급하기 위하여 제공되고, 압력 감지 배열체(26, 27, 28 및 29)는 제 1 및 제 2 작동 포트(4, 5)와, 펌프 포트(15, 16)와 그리고 탱크 포트(18, 19)의 유체 압력을 지시하는 전기적 압력 신호를 공급하기 위하여 제공된다. (도시되지 않은) 서보 제어기는 유체 작동식 장치(7)의 필요한 제어를 달성하도록 유동을 위한 유체 통과 단면을 조정하기 위하여, 전기적 위치 및 압력 신호에 의존하고 조작자의 작동에 따라 제공되는 전기적 요구 신호에 반응하여 제 1 및 제 2 스풀(2, 3)의 위치를 제어한다.

Description

전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체{ELECTROHYDRAULIC PROPORTIONAL CONTROL VALVE ASSEMBLIES}
작업자에 의해 작동되는 조이스틱에 의해 공급되는 요구 신호에 반응하여, 예를 들면 지상 이동 차량의 리프팅 아암용 제어 램과 같은, 유체 작동식 장치를 제어하기 위하여 비례 제어 밸브 조립체를 이용하는 것이 (예를 들면, EP-A-0462 589로부터) 공지되어 있다. 상기 제어 밸브 조립체는 스풀 밸브와 유체 작동식 장치의 제 1 포트 사이에서 양방향성 유동을 위한 제 1 작동 포트와, 스풀 밸브와 유체 작동식 장치의 제 2 포트 사이에서 양방향성 유동을 위한 제 2 작동 포트와, 유압 펌프로부터 스풀 밸브로 유체를 유입하기 위한 펌프 포트와, 스풀 밸브로부터 유압 탱크로 유체를 유출하기 위한 탱크 포트와, 그리고 제 1 작동 포트와 펌프 또는 탱크 포트 사이에서 그리고 제 2 작동 포트와 펌프 또는 탱크 포트 사이에서 유체의 유속과 방향을 제어하기 위한 스풀을 갖춘 주 스풀 밸브를 포함하는 것이 통상적이다.
상기 제어 밸브 조립체는 또한, 주 스풀 밸브의 스풀에 걸쳐서 강하하는 일정 압력을 유지하도록 제어하는 보조 스풀 밸브의 형태인 압력 보상기를 포함한다. 상기 제어 밸브 조립체는 예를 들면, 지상 이동 차량의 리프팅 아암용 제어 램의 경우에 아암에 의해 들어올려지는 화물의 크기나 아암의 구조물로 인해 들어올려지는 동안의 부하 상태의 변화에 상관없이 거의 일정한 비율로 아암이 올려지거나 내려지도록, 유체 작동식 장치를 화물과 관계없이 제어 가능하게 한다. 그러나, 이러한 제어 밸브 조립체는 복잡한 기계적 구조를 갖고, 비싸고 제조가 어려운 제어 밸브 조립체일 수 있다. 또한, 상기 제어 밸브 조립체는 단지 제한된 제어 기능을 가지며, 특히 과부하 상태 즉, 유압 제어 하에 이동되는 유체 작동식 장치의 이동부의 움직임과 동일한 방향으로, 중력 작용에 기인하는 외력이 유체 작동식 장치에 작용할 때는 작동되지 않는 경향이 있다.
국제 출원 공개 제 WO 93/01417호에 유체 작동식 장치에 연결되는 두 작동 포트중 어느 것이 고압인가를 결정하고, 압력 센서로부터 고압을 지시하는 전기적 압력 신호뿐만 아니라, 스풀이 작업자에 의해 작동되는 레버의 수동 움직임에 의해 중립 위치로부터 옮겨지는 방향을 지시하는 방향 신호를 수용하는 처리 장치로 고압 포트를 지시하는 전기적 위치 신호를 공급하는 위치 센서를 포함하는 전환 밸브를 갖춘 제어 밸브 조립체가 공개되어 있다. 처리 장치는 방향 신호에 의해 지시된 입력 포트가 고압인지를 판단하는 비교기를 포함하며, 상기 비교의 결과에 따라서 그리고 하중의 요건에 따라서 펌프의 출력을 제어하기 위한 위치 장치로 출력 신호를 제공한다. 비록 상기 조립체가 과부하 상태에 반응하는 특정 제어 측정 기구를 포함하지만, 상기 측정 기구는 단지 조작자의 작동으로 인한 스풀의 실제 움직임에 반응하여 작동하므로, 상기 과부하 상태에서 작동되지 않을 위험성은 여전히 존재한다.
본 발명은 유체 작동식 장치를 제어하기 위한 전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체에 관한 것이다.
도 1은 조립체의 유압 회로도이다.
도 2는 조립체 일부의 단면도이다.
도 3은 조립체의 여러 부품 사이의 전기적 상호 연결을 도시하는 블록도이다.
도 4는 조립체의 제어 기능을 설명하는 논리도이다.
본 발명의 목적은 간단한 방식으로 생산될 수 있으며 다수의 제어 기능을 제공하는 비례 제어 밸브 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라서, 첨부된 청구항에서 정의된 것과 같은 전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체가 제공된다.
이와 같은 제어 밸브 조립체는 유압 실린더 또는 유압 모터와 같은 유체 작동식 장치의 포트에서의 유동 속도 및/또는 압력을 제어하기 위해 두 개의 밸브 부재의 위치의 조정을 이용한다. 이것은 감지된 밸브 부재 위치와, 포트 내에서 감지된 압력 및 감지된 펌프 압력에 의존하고 그리고 조이스틱 등을 사용한 조작자의 작동에 의해 생성되는 조작자 작동 요구 신호에 반응하여 이루어진다. 밸브 부재는 필요한 유동 및 압력 상태와 유체 작동식 장치의 필요 개방 모드에 적합한 유체 통과 단면에 상응하는 위치로 밸브 부재를 구동하기에 알맞은 연속적으로 갱신되는 작동 신호에 반응하여, 서보(servo) 제어 수단에 의해 연속적으로 제어되고, 다수의 제어 기능이 제어 회로의 적절한 프로그래밍에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 유체 작동식 장치의 포트에서의 유동률 및/또는 압력은 상기 장치가 하중과는 별개로 일정한 비율로 조정될 수 있도록, 즉 부동 하중(passive load) 상태 또는 과부하 상태에서 장치 이동부의 이동 비율이 인가된 하중이나 공급 압력의 발진에 영향받지 않도록 제어될 수도 있다. 또한, 피드백 위치 신호에 의존하는 밸브 부재 위치의 서보 제어는 밸브 특성의 자세한 분석이나 마모를 고려한 조정의 필요 없이, 매우 정확한 밸브 위치 선정을 보장한다.
개별적으로 움직일 수 있는 밸브 부재를 갖춘 두 개의 독립 밸브 수단의 설비는 유체 작동식 장치의 제어를 효과적으로 달성하기 위해 제 1 및 제 2 작동 포트의 차동적인(differential) 개방 및 폐쇄를 가능하게 하는 이점이 있다. 따라서 상기 밸브 수단에 의한 유체 작동식 장치의 두 포트에서의 유동률 및/또는 압력의 독립적인 제어는, 배압(back pressure)에 대항하여 장치의 이동부를 옮기는데 필요한 결과로서 효율 손실이 초래되었던 종래의 밸브 배열체보다 높은 수준의 효율과 안전으로 유체 작동식 장치의 작동을 가능하게 한다. 더욱이, 예컨대 외부 과부하에 의해 차단되는 장치 이동부의 이동에 기인한 과부하 압력의 경우나, 또는 하중의 자유 부양이 필요한 경우에, 밸브 부재중의 하나 또는 둘 다가 개별적으로 또는 동시에 유체 작동식 장치의 양측에서 배기시키기 위하여 탱크로 개방된다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여, 본 발명에 따른 제어 밸브 조립체의 양호한 실시예가 첨부된 도면과 관련하여 설명될 것이다.
도 1에 대해 언급하면, 도시되어 있는 전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체 (1)는, 유압 실린더 또는 모터의 형태인 유체 작동식 장치(7)의 이동 가능한 피스톤(6)의 대향하는 두 측면으로 유체의 유동을 제어하기 위한 제 1 및 제 2 작동 포트(4 및 5)에 연결되는 제 1 및 제 2 스풀 밸브(2 및 3)를 포함하고 있다. 제 1 및 제 2 스풀 밸브(2 및 3)는 스풀(12 및 13)을 갖는데, 이 스풀은 끝단 위치사이에서 (도 2와 관련되어 아래에서 보다 상세하게 설명되는) 전기적으로 작동되는 파일럿 액츄에이터 밸브(44 및 45)에 의해 제어되는 파일럿 유체 유동에 의해 축방향으로 이동된다. 상기 끝단 위치에서, 상기 스풀(12 또는 13)은 상응하는 작동 포트(4 또는 5)를 펌프(17)의 출력부에 연결되는 펌프 포트(15 또는 16)나 또는 탱크 (20)에 연결되는 탱크 포트(18 또는 19)와 연통하도록 위치시킨다. 파일럿 액츄에이터 밸브(44 및 45)에 공급되는 유체는 파일럿 압력 조절기(14)에 의해 조절된다.
스풀(12 또는 13) 또는 각각의 스풀 밸브(2 또는 3)는 스풀(12 또는 13)의 위치에 의존하는 최소 개방 밸브와 최대 개방 밸브 사이에서 비례적인 변화가 가능한 유체 통과 단면을 거쳐 펌프 포트(15 또는 16)나 또는 탱크 포트(18 또는 19)로 스풀 밸브(2 또는 3)의 개방이 이루어지도록 움직일 수 있다. 더욱이, 양 스풀(12 또는 13)은 (도 1에 도시된 위치인) 중립 위치로 치우치려는 스프링 작용을 받고, 위치 센서(23 및 24)는 스풀(12 또는 13)의 위치를 지시하는 전기적 위치 신호를 공급하기 위하여 제공된다. 또한, 압력 해제 밸브(25)가 아래에서 설명되어질 방법으로 펌프(17)의 출력을 탱크(20)로 배출하기 위하여 제공된다. 네 개의 압력센서(26, 27, 28 및 29)가 제 1 작동 포트(4), 제 2 작동 포트(5), 펌프 포트(15 또는 16) 및 탱크 포트(18 또는 19)의 유체 압력을 지시하는 전기적 압력 신호 PA, PB, PS및 PT를 공급하기 위하여 제공된다.
도 1의 우측에 도시된 바와 같이, 다른 유체 작동식 장치(30)의 유체 공급을 제어하기 위하여, 스풀 밸브(2 및 3)와 동일한 다른 한 쌍의 스풀 밸브의 파일럿 액츄에이터 밸브로 파일럿 유체 공급을 조절하도록 파일럿 압력 조절기(14)가 이용될 수도 있다. 두 개의 장치(7 및 30)는 예를 들어 지면에서 움직이는 차량의 상이한 연동장치를 제어하기 위한 두 개의 램일 수도 있으며, 아래에서 설명되어질 조립체의 두 밸브 슬라이스(valve slices)에 의해 제어될 수도 있다.
도 2는 제 1 및 제 2 스풀 밸브(2 및 3)중의 하나와, 이와 연계된 파일럿 액츄에이터 밸브(44 및 45)중의 하나를 결합시킨 밸브 슬라이스부의 단면을 도시하며, 상기 부품들은 각각의 밸브 슬라이스에 제공된다. 파일럿 액츄에이터 밸브(44 또는 45)는 두 개의 스프링(37 및 38)에 의해 중심에 놓이는 파일럿 스풀(36)에 고정된 이동 코일(35)을 포함한다. 상기 코일(35)은 전류 흐름에 따른 자기장과 자기 포머(magnetic former)(40)에 의해 공기 간극(39)내에 발생하는 자속 사이로 자기 상호 작용을 제공하기 위하여 코일(35)에 전류가 제공될 때, 자기 포머(40)내에 있는 환상 공기 간극(39)내에서 이동할 수 있다. 파일럿 액츄에이터 밸브(44 또는 45)는 연결 도관(48 및 49)에 의해 스풀 밸브(2 및 3)의 단부에 각각 연결되는 두 개의 작동 포트(46 및 47)와, 직접 또는 파일럿 압력 조절기(14)에 의해 탱크에 연결되는 탱크 포트(70) 및 펌프에 연결되는 두 개의 펌프 포트(71 및 72)를 갖고 있다. 스풀 밸브(2 또는 3)의 스풀(12 또는 13)은 두 개의 스프링(73 및 74)에 의해 중심에 놓이고, 스풀(12 또는 13)의 위치에 따른 위치 피드백 신호가 위치 센서(23 또는 24)에 의해 출력될 수 있도록하는 신장부(75)를 한쪽 단부에 갖고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 중립 위치의 파일럿 액츄에이터 밸브(44 또는 45)의 스풀(36)로 인하여, 단지 약간의 유체 누출만이 파일럿 액츄에이터 밸브를 통해 발생하게 되고, 그러므로 주 스풀 밸브(2 및 3)의 스풀(12 또는 13) 또한 도시되어 있는 바와 같이 스프링(73 및 74)에 의해 중립 위치에서 유지될 것이다. 위치 제어 전류가 코일(35)에 공급될 때, 스프링(37 및 38)력에 의해 힘이 균형 잡혀지는 평형 위치가 이루어질 때까지, 스풀이 (전류의 방향에 따른) 한 방향으로 움직이도록 힘이 스풀(36)상에 작용한다. 만일 스풀(36)이 도면에서 오른쪽으로 이동한다면, 이는 펌프 포트(71)와 작동 포트(46)사이에서, 그리고 탱크 포트(70)와 작동 포트(47)사이에서 개방되는 전류의 크기에 의해 결정되는 유체 통과 단면을 갖는 통로를 형성하고, 제어된 파일럿 유체의 유량이 도관(48)을 따라 주 스풀 밸브(2 또는 3)의 스풀(12 또는 13)의 왼쪽 단부로 인가되고, 동시에 스풀(12 또는 13)의 오른쪽 단부로부터 파일럿 유체가 도관(49)을 따라 탱크로 제어되어 배출된다. 이것은 코일(35)에 공급되는 전류가 끊어지고 파일럿 액츄에이터 밸브(44 또는 45)의 스풀(36)이 스프링(37 및 38)에 의해 중립 위치로 되돌아가는 시점인, 소정의 위치에까지 스풀이 구동되었다는 것을 위치 센서(23 또는 24)에 의해 출력되는 위치 피드백 신호가 지시할 때까지, 파일럿 액츄에이터 밸브(44 또는 45)의 개방 정도에따라 결정되는 이동 속도로 주 스풀(12 또는 13)을 도면에서 오른쪽으로 구동시킨다. 이것은 스풀의 양단부에 작용하는 유압에 의하여 구동되어 도달하는 소정의 위치 내에 스풀이 유지되도록, 상기 주 스풀(12 또는 13)의 이동을 정지시킨다.
실제로 파일럿 액츄에이터 밸브 전류는 소정의 위치로 주 스풀(12 또는 13)을 신속하게 구동하고 필요한 만큼 상기 위치에 스풀을 정확하게 유지하고, 최적의 동적 및 위치 제어 특성을 달성하기 위하여 제어 회로에 의한 복잡한 방법으로 제어된다. 이것은 실제로 구동되어지는 위치에 주 스풀(12 또는 13)을 유지하도록 유체의 누출을 보상하기 위하여 파일럿 액츄에이터 밸브(44 또는 45)를 통과하는 적은 유량을 제공하도록, 주 스풀(12 또는 13)을 이동할 필요가 없을 때조차 서보 제어하의 작은 전류에 의한 코일(35)의 에너지 상태를 요구한다. 그러나, 주 스풀을 정위치에 유지하는데 필요한 어떠한 전류도 매우 낮을 것이고, 위치 센서(23 또는 24)에 의해 주 스풀 밸브(12 또는 13)의 위치를 항상 정확히 모니터하여 주 스풀 위치의 필요한 피드백 제어를 제공하도록 코일(35)에 대한 전류를 계속적으로 제어하는 제어 회로의 대체적으로 낮은 전류 소비에 불리한 영향을 미치지 않을 것이다.
이동 코일(35)과 상기 코일이 고정된 스풀(36)은 경구조(light construction)이기 때문에, 코일(35)은 전력 소모가 낮고 제어 회로는 낮은 전력과 저렴한 구성 요소를 사용한다. 또한, 스풀(36)의 고속 이동은 서보 제어 하에 인가된 전류에 반응하여 가능해지고, 스풀 이동의 신속한 역전은 코일(35)의 전류를 역전함으로써 달성된다. 따라서, 펌프로부터 주 스풀(12 또는 13)로 유체를 공급하고 주 스풀(12 또는 13)로부터 탱크로 상응하는 유체를 배출하는 것이 위치 피드백 신호에 반응하여 주 스풀 위치의 정확한 동적 제어를 제공하도록 신속하게 제어될 수 있을 뿐만 아니라, 유체 작동식 장치(7)의 피스톤(6)을 제어하는 것이, 공지된 제어 장치로는 불가능했던 방법으로, 하중을 매우 유리하게 제어하기에 충분한 반응 시간을 가지고 달성될 수 있다. 예를 들어, 굴착기의 버켓이 장애물을 만났을 때와 같이 하중의 이동이 차단될 때, 지나친 압력에 기인하는 손상을 피하기 위한 방법으로 유체 작동 장치내의 압력을 감소시키기 위하여, 압력 센서(26 및 27)중 하나에 의한 압력 과부하 감지에 의해 트리거링되는 적절한 압력 해제 신호가 주 스풀(12 및 13)중의 하나가 탱크로 신속하게 개방되도록 파일럿 액츄에이터 밸브(44 또는 45)의 적절한 작동을 야기할 수 있다. 상기 압력 해제는 파일럿 액츄에이터 밸브(44 및 45)의 고속 동적 반응으로 인하여 특히 신속하게 일어난다. 서보 제어하의 파일럿 액츄에이터 밸브(44 및 45)의 고속 동적 반응에 의해 가능한 다른 제어 특징은 아래에 설명된다.
도 3에 대해 언급하면, 완전한 제어 밸브 조립체는 예를 들어, (도시되지 않은) 유압 작동 장치에 각각 연결되는 제 1 작동 포트(4)와 제 2 작동 포트(5)를 각자 갖춘 일반적인 형상의 1열의 두 밸브 슬라이스(50 및 51)와 그리고 밸브 슬라이스(50 및 51)에 연결되고 펌프 포트(53)와 탱크 포트(54)를 갖춘 단부 슬라이스 (52)를 포함한다. 필요시에만 유체가 공급되는 것을 보장하고 만일 밸브 슬라이스 (50 및 51)에 유체 공급이 필요하지 않으면 펌프를 준비 상태에 위치시키기 위하여, 단부 슬라이스(52)는 밸브 슬라이스(50 및 51)에 공급될 유체의 수요를 지시하는 요구 신호에 따라 펌프 포트(53)에 연결되는 (도시되지 않은) 고정 변위 펌프로부터 유압 유체의 공급 압력을 제어하도록 이용된다. 조작자의 작동동안 소정량에 의해 감지된 최고 하중 압력을 초과하도록 펌프에 의해 공급되는 유체의 압력을 제어하기 위하여, 도 1에 도시된 압력 해제 밸브(25)가 압력 센서(26 및 27)에 의해 감지된 하중 압력에 의존하여 제어된다. 압력 하중이 감지되지 않을 때, 압력 해제 밸브(25)는 아주 낮은 압력에서 탱크로 유체를 되돌려 보낸다. 이와 달리, 가변성 변위 펌프가 제공되는 경우, 밸브(25)는 장치의 요건에 따른 유체의 공급을 보장하기 위한 방법으로 펌프의 변위 제어를 유도하도록 형성될 수 있다. 비록 단 두 개의 밸브 슬라이스(50 및 51)가 간단하게 도 3에 도시되었지만, 네 개 내지 열 개의 1열의 밸브 슬라이스가 실시예에 더 제공될 수 있음을 인식해야 한다.
더욱이, 조이스틱(56)을 사용하는 조작자 작동을 모니터하고 밸브 슬라이스 (50 및 51)에 압력(P) 또는 유동(Q) 요구 신호 및 압력-유동(P-Q) 선택 신호를 공급하도록, 제어 컴퓨터(55)가 밸브 슬라이스(50 및 51)와 조이스틱(56)에 직렬 통신 회로망에 의해 전기적으로 연결된다. 또한, 제어 컴퓨터(55)가 플러그-인 프로그래머(57)를 이용한 최초 설정 프로그램의 최초 설정 데이터를 밸브 슬라이스(50 및 51)에 공급하고 또한 밸브 슬라이스(50 및 51)의 오류 모니터링을 제공하도록 이용된다. 필요하다면, 밸브 슬라이스(50 및 51)의 비상 작동을 위하여 플러그-인 드라이버(58)의 밸브 슬라이스(50 및 51)에 임시 연결되는 장치가 만들어질 수 있다. 또한, 필요하다면, 밸브 슬라이스(50 및 51)의 정상 작동을 표시하도록 상태 모니터 디스플레이(59)가 제어 컴퓨터(55)에 연결될 수도 있다.
제어 컴퓨터(55)가 유압 작동 장치의 소정의 제어를 달성하기 위하여 밸브 슬라이스(50 및 51)를 제어하는데 사용되는 방법은 도 4를 참조하여 간단하게 설명되어질 것이고, 도 4와 관련하여 설명되는 제어 기능을 실행하기 위한 제어 논리는 밸브 슬라이스(50 및 51)에 통합되는 것이지, 전체 장치 제어를 제공하도록 사용되는 제어 컴퓨터(55)에 통합되는 것이 아니라는 점을 이해해야한다. 제어 컴퓨터 (55)는 압력-유동(P-Q) 선택 신호를 각 밸브 슬라이스에 공급하고, 선택은 압력 제어 또는 유동 제어가 이루어지는가에 따른 상기 신호에 의존하여 각 밸브 슬라이스에서 선택기에 의해 이루어진다.
도 4에 대해 언급하면, 유체 작동식 장치가 제어되는 특정 제어 모드는, 도면에서 제어 모드 반복 루프(80)로 표시된 바와 같이, 조이스틱 및/또는 제어 모드 선택 단추 또는 스위치를 조작자가 작동함에 의해 공급되는 요구 신호에 따라 제어 컴퓨터에 의해 공급되는 선택 신호의 형태에 의해 결정된다. 유동 제어 모드가 선택되면, 유동 요구 신호(QDEM)가 유체 작동식 장치로의 유동 방향을 결정하는 선택기 (81)에 공급되고, 다시 말하면 유동은 포트(A)든 포트(B)든 어디로 가게 된다. 유동이 필요 없는 경우에는, 두 개의 주 스풀이 중립 위치에 유지되도록 제어가 이루어진다. 포트(A)로의 유동이 필요한 경우에는, 다른 선택기(82)가 포트(A)의 압력이 포트(B)의 압력보다 큰지 작은지를 즉, 하중이 부동 하중으로 또는 과부하로 처리되어야 할지를 결정한다. 부동 하중의 경우에는, 포트(A)로의 유동을 제어하기 위한 스풀 밸브의 필요 유체 통과 단면(a)은 유동 요구 신호(QDEM)를 √(PS-PA)값과 비례 상수로 나누는 단계(83)에서 계산된다. 포트(B)에서 인가되는 공칭 하류 배압(nominal down stream back pressure)은 단계(84)에서 설정되고, 그 후에 두 스풀의 요구되는 위치는, 요구되는 유체 통과 단면을 조정하기 위하여 상류 스풀 밸브의 파일럿 액츄에이터 밸브로 제어 신호를 공급하는 것에 의해서, 그리고 소정의 수준에서 하류 역 압력을 조정하기 위하여 하류 스풀 밸브의 파일럿 액츄에이터 밸브로 제어 신호를 공급하는 것에 의해서 단계(85)에서 제어된다.
과부하의 경우에는, 포트(B)를 통과하는 유동을 제어하기 위한 스풀 밸브의 필요 유체 통과 단면(a)이 유동 요구 신호(QDEM)를 √(PB-PT) 값과 비례 상수로 나누는 단계(86)에서 계산되고(여기서 PT는 감지된 탱크 압력이거나 탱크 센서가 제공되지 않은 경우에는 가정 탱크 압력이다), 포트(A)에 의해 유체 작동식 장치의 피스톤의 상류 측의 충전의 제어는 단계(87)에서 설정되며, 이로써 단계(88)에서 두 스풀의 필요 위치의 제어는 하류 밸브의 유체 통과 단면(a)의 적절한 설정에 의해 포트(B)로부터 유체의 제어된 측정을 제공하고 상류 밸브의 제어하의 포트(A)에 의해 제어된 충전을 제공한다. 주 스풀 밸브에 한 방향으로의 유체의 공급과 대향 방향으로의 유체의 공급 사이에서 신속하게 개폐하는 파일럿 액츄에이터 밸브의 능력의 관점에서, 이러한 제어 장치는 부동 하중 상태로부터 과부하 상태로 불연속적으로 스위칭하는 것이 가능하다. 즉, 상기 제어 장치는 지면 이동 차량의 리프팅 아암이 도달되는 과중심 위치(over center position) 이전에 있을 때 하중에 작용하는 중력의 방향이 피스톤의 운동과 반대 방향이 아니라 오히려 동일한 방향이 되도록유체 작동식 장치에 의해 과중심 위치를 통과하여 회전된다. 탱크 센서의 설비는 과부하의 경우에 보다 정확한 제어를 가능하게 하고 제어의 불연속을 방지한다.
만일 선택기(81)가 유동의 필요 방향을 유체 작동식 장치의 포트(B)로 결정한다면, 유사한 일련의 제어 단계가 포트(A 및 B)에 대한 제어가 계산시 PA대신에 감지된 압력 신호(PB)를, 또는 그 반대로, 이용하도록 역전되는 것을 제외하고는 이미 설명한 단계들을 실행한다. 각각의 경우에, 스풀 위치가 위치 센서에 의해 연속적으로 모니터되고, 파일럿 액츄에이터 밸브로 공급되는 신호가 위치 센서로부터 위치 피드백 신호에 의존하여 요구되는 바와 같이 변화한다.
압력 제어가 선택되는 경우에, 유체 작동식 장치의 두 포트(A 및 B)에서 인가되는 압력은 조작자에 의한 조이스틱의 움직임에 의존하여 제어되어, 조이스틱의 움직임이 하중에 인가되는 압력(크기 및 방향)의 변화율을 결정하도록 하며, 조이스틱이 정지되면 더 이상의 압력변화가 하중에 인가되지 않는다. 최초 압력 요구치는 조이스틱 입력 신호로부터 단계(89)에서 계산된다. 그 후에 선택기(90)는 압력 요구치가 포트(A) 또는 포트(B)의 압력의 인가를 필요로 하는지를 결정한다. 만일 압력 요구치가 영이라면 양 포트의 압력은 공칭값으로 설정된다. 만일 압력 요구치가 포트(A)에 압력의 인가를 필요로 한다면, 선택기(91)는 이를테면, 압축 모드가 선택될 때 하중을 발진시키기 위하여 먼저 변동 압력이 피스톤에 인가되는지를 결정한다. 상기 선택의 결과에 의존하여 포트(A)에서 필요 압력은 요구 압력으로 설정되고 포트(B)에서 필요 압력은 단계(92)에서 공칭값으로 설정되며, 두 스풀 밸브의 파일럿 액츄에이터 밸브로의 필요 제어 신호는, 포트(A 및 B)내의 필요 압력을 조정하기 위한 위치 피드백 신호에 의존하여 점진적으로 주 스풀의 위치를 제어하도록, 단계(93)에서 인가된다.
만일 압력 요구치가 포트(B)로 압력의 인가를 요구한다면, 요구 압력이 포트 (B)에 인가되고 포트(A)의 압력이 공칭값 즉, 감지되거나 추정된 탱크 압력 이상의 소정의 압력으로 설정되는 것을 제외하고 유사한 순서의 제어 단계로 이루어진다. 압축 모드가 선택되는 경우에는, 하중이 결과 압력 제어에 의해 발진하도록, 싸인 곡선으로 변화하는 주기적 요구 압력이 기본 요구 압력에 추가된다.
압력 제어 모드는 다양한 작동 상태에서 이점을 갖고 이용될 수 있다. 예를 들면, 화물을 들어올릴 때, 화물의 연속적인 압력 평형을 제공하고 화물이 작은 압력의 인가만으로 수동 조작되도록, 압력 제어 모드가 개시될 수 있다. 또한, 예를 들어 만일 화물이 땅을 파기 위한 버켓을 운반하는 굴착 아암이라면, 지하 설비와 같은 장애물을 버켓이 타격하는 경우에, 소정의 압력 제한치가 초가되지 않도록 인가된 압력이 제어될 수 있으므로, 초과 압력의 인가에 의해 지하 설비가 손상될 위험은 없다.
만일 부양 모드가 특정 스위치의 조작으로 조작자에 의해 선택된다면, 두 개의 주 스풀은 피스톤 및 그것에 연결된 어떠한 화물도 자유 부양 이동이 가능하도록, 유체 작동식 장치의 피스톤의 양측이 탱크로 개방되도록 단계(94)에서 제어된다.
비록 전술된 밸브 조립체가 유체 작동식 장치로부터의 그리고 장치로의 유동을 제어하기 위한 제 1 및 제 2 스풀 밸브(2 및 3)를 이용하지만, 이와 달리, 도시되지 않은 본 발명에 따른 밸브 조립체는 연계된 작동 포트에 의해 펌프로부터 장치로 흐르는 유체와, 작동 포트에 의해 장치로부터 탱크로 흐르는 유체를 각각 제어하기 위해 상기 각각의 스풀 밸브 대신에 한 쌍의 포핏 밸브를 사용한다. 각각의 경우에, 각각의 작동 포트와 연계된 한 쌍의 포핏 밸브는 다양한 제어 모드에서 필요한 유동을 제공하도록 파일럿 액츄에이터 밸브에 의해 제어된다. 또한, 각각의 파일럿 액츄에이터 밸브 자체가 이동 코일의 전류 작용에 반응하여 주 밸브 또는 밸브들로부터의 그리고 주 밸브 또는 밸브들로의 유동을 제어하기 위한 한 쌍의 포핏 밸브를 포함할 수도 있다.

Claims (15)

  1. 제 1 및 제 2 포트와, 제 1 포트에 공급된 유체 및 제 2 포트에 공급된 유체에 의해 제 1 및 제 2 포트 사이에서 양 대향측면에 작용되도록 배치된 이동부(6)를 갖춘 양방향성 유체 작동식 장치(7)를 제어하기 위한, 전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체(1)로서,
    상기 밸브 조립체와 상기 유체 작동식 장치(7)의 제 1 포트 사이에서 양방향성 유체 유동을 위한 제 1 작동 포트(4),
    상기 밸브 조립체와 상기 유체 작동식 장치(7)의 제 2 포트 사이에서 양방향성 유체 유동을 위한 제 2 작동 포트(5),
    유압 펌프(17)로부터 상기 밸브 조립체로 유체를 유입하기 위한 펌프 포트 (15, 16), 및
    상기 밸브 조립체로부터 유압 탱크(20)로 유체를 유출하기 위한 탱크 포트 (18, 19)를 가지며,
    상기 제 1 작동 포트(4)와 상기 펌프 포트(15) 사이에서 그리고 상기 제 1 작동 포트(4)와 상기 탱크 포트(18) 사이에서 유체의 속도와 방향을 제어하기 위하여, 상기 제 1 작동 포트(4), 상기 펌프 포트(15) 및 상기 탱크 포트(18)에 연결되고, 상기 제 1 작동 포트(4)와 상기 펌프 또는 탱크 포트(15 또는 18) 사이에서 유체 유동을 위하여 유체 통과 단면을 변경시키도록 움직일 수 있는 제 1 밸브 부재 (12)를 갖춘 제 1 밸브 수단(2),
    상기 제 2 작동 포트(5)와 상기 펌프 포트(16) 사이에서 그리고 상기 제 2 작동 포트(5)와 상기 탱크 포트(19) 사이에서 유체의 속도와 방향을 제어하기 위하여, 상기 제 2 작동 포트(5), 상기 펌프 포트(16) 및 상기 탱크 포트(19)에 연결되고, 상기 제 2 작동 포트(5)와 상기 펌프 또는 탱크 포트(16 또는 19) 사이에서 유체 유동을 위하여 유체 통과 단면을 변경시키도록 상기 제 1 밸브 부재(12)와는 독립적으로 움직일 수 있는 제 2 밸브 부재(13)를 갖춘 제 2 밸브 수단(3),
    상기 제 1 및 제 2 밸브 부재(12 및 13)의 실제 위치를 나타내는 전기적 위치 신호를 공급하기 위한 위치 감지 수단(23, 24),
    상기 제 1 및 제 2 작동 포트(4 및 5)와 상기 펌프 포트(15, 16)내의 유체 압력을 나타내는 전기적 압력 신호를 공급하기 위한 압력 감지 수단(26, 27 및 28), 및
    상기 제 1 작동 포트(4)와 상기 펌프 또는 탱크 포트(15 또는 18) 사이에서 그리고 상기 제 2 작동 포트(5)와 상기 펌프 또는 탱크 포트(16 또는 19) 사이에서 상기 제 1 및 제 2 밸브 수단(2 및 3)을 통과하는 유체 유동의 유체 통과 단면을 설정함으로써 상기 유체 작동식 장치(7)의 이동부(6)의 필요한 제어를 달성하기 위하여, 상기 전기적 위치 및 압력 신호에 따라, 그리고 조작자의 작동에 응답하여 제공되는 전기적 요구 신호에 따라 상기 제 1 및 제 2 밸브 부재(12 및 13)의 위치를 제어하는 서보 제어 수단을 포함하는,
    전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 밸브 부재(12 및 13)가, 각각의 상기 작동 포트와 상기 펌프 또는 탱크 포트 사이에서 유체 유동을 위한 유체 통과 단면을 변경하도록 축방향으로 이동 가능한 스풀인,
    전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 서보 제어 수단이, 파일럿 유체의 제어된 변위 유동을 밸브 부재의 한 부분에 인가하는 동시에, 상기 밸브 부재를 구동하기에 충분한, 밸브 부재의 다른 부분으로부터 나온 파일럿 유체의 제어된 배출을 제 1 작동 모드의 필요한 위치로 인가하고 계속해서, 제 2 작동 모드의 상기 필요한 위치에 상기 밸브 부재를 유지하도록 파일럿 유체의 상기 변위 유동과 파일럿 유체의 상기 배출을 중단함으로써 각각의 밸브 부재(12, 13)의 위치를 제어하기 위한 전기적으로 작동 가능한 파일럿 밸브 수단(44, 45)을 포함하는,
    전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 파일럿 밸브 수단이 상기 제 1 밸브 부재(12)의 양방향성 축 이동을 달성하기 위한 제 1 파일럿 밸브(44), 및
    상기 제 1 밸브 부재(12)의 이동에 독립적으로 상기 제 2 밸브 부재(13)의양방향성 축 이동을 달성하기 위한 제 2 파일럿 밸브(45)를 포함하는,
    전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 각각의 파일럿 밸브가 코일에 전기적으로 작용하는 전류를 인가함으로써 자기 포머(40)에 대해 이동 가능한 작동 코일(35), 및
    상기 밸브 부재의 상기 한 부분에 파일럿 유체를 인가하는 것과 상기 밸브 부재의 다른 부분으로부터 파일럿 유체를 배출하는 것을 동시에 제어하기 위해 코일에 의해 이동 가능한 밸브 요소(36)를 포함하는,
    전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 서보 제어 수단이, 상기 제어된 유동을 상기 작동 포트(4 또는 5)중 하나에 인가하고 제어된 배출 유체를 다른 작동 포트(5 또는 4)에 인가함으로써, 필요한 하중 압력에 상응하는 상기 유체 작동식 장치(7)에 걸쳐 상이한 압력을 생성하기 위하여, 필요한 하중 압력에 상응하는 조작자에 의해 작동된 전기적 압력 요구 신호에 반응하여 상기 제 1 및 제 2 밸브 부재(12 및 13)의 위치를, 압력 제어 모드에서, 제어하도록 작동 가능한,
    전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 서보 제어 수단이, 상기 양 작동 포트(4 및 5)로부터 유체를 배출함으로써 상기 유체 작동식 장치(7)에 연결된 하중의 자유 부양 이동을 허용하기 위하여, 조작자에 의해 작동된 전기적 부양 요구 신호에 반응하여 상기 제 1 및 제 2 밸브 부재(12 및 13)의 위치를, 부양 모드에서, 제어하도록 작동 가능한,
    전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 서보 제어 수단이, 상기 작동 포트(4 및 5)로의 유동의 방향을 신속하게 교체함으로써, 상기 유체 작동식 장치(7)에 연결된 하중을 발진시키기 위하여, 조작자에 의해 작동된 전기적 압축 요구 신호에 반응하여 상기 제 1 및 제 2 밸브 부재(12 및 13)의 위치를, 압축 모드에서, 제어하도록 작동 가능한,
    전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 서보 제어 수단이, 상기 하나의 작동 포트로부터 제어된 유체의 배출을 제공함으로써, 압력을 해제하기 위하여, 상기 압력 감지 수단(26, 27)에 의해 상기 작동 포트(4, 5)중 하나에서 압력 과부하를 감지함으로써 트리거링되는 전기적 압력 해제 신호에 반응하여 상기 제 1 및 제 2 밸브 부재(12 및 13)의 위치를, 압력 해제 모드에서, 제어하도록 작동 가능한,
    전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 압력 감지 수단이 상기 제 1 작동 포트(4)의 유체 압력을 나타내는 제 1 전기적 압력 신호를 공급하기 위한 제 1 압력 센서(26),
    상기 제 2 작동 포트(5)의 유체 압력을 나타내는 제 2 전기적 압력 신호를 공급하기 위한 제 2 압력 센서(27),
    상기 펌프 포트(15, 16)의 유체 압력을 나타내는 제 3 전기적 압력 신호를 공급하기 위한 제 3 압력 센서(28), 및
    상기 탱크 포트(18, 19)의 유체 압력을 나타내는 제 4 전기적 압력 신호를 공급하기 위한 제 4 압력 센서(29)를 포함하고, 상기 서보 제어 수단이 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전기적 압력 신호에 따라 상기 제 1 및 제 2 밸브 부재(12, 13)의 위치를 제어하는,
    전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 조작자에 의해 작동된 전기적 요구 신호를 모니터링하고 요구 신호에 따라 상기 서보 제어 수단의 전 기능을 제어하는 제어 컴퓨터(55)가 제공되어 있는,
    전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    모듈식 구조(modular construction)이며, 유압으로 작동되는 다수의 장치를 제어하기에 적합하고 함께 조립되는 1열의 밸브 슬라이스를 포함하는,
    전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체.
  13. 유체 작동식 장치(7)를 제어하기 위한 전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체로서,
    상기 밸브 조립체와 상기 유체 작동식 장치 사이에서 유체 유동을 위한 작동 포트(4, 5),
    유압 펌프(17)로부터 상기 밸브 조립체로 유체를 유입하기 위한 펌프 포트 (15, 16),
    상기 밸브 조립체로부터 유압 탱크(20)로 유체를 유출하기 위한 탱크 포트 (18, 19), 및
    상기 작동 포트(4, 5)와 상기 펌프 포트(15, 16) 사이에서 그리고 상기 작동 포트(4, 5)와 상기 탱크 포트(18, 19) 사이에서 유체의 속도와 방향을 제어하기 위한 밸브 수단(2, 3)을 포함하며,
    상기 밸브 수단이 상기 작동 포트와 상기 펌프 또는 탱크 포트 사이에서 유체 유동을 위하여 유체 통과 단면을 변경시키도록 움직일 수 있는 한 개 이상의 밸브 부재(12, 13),
    상기 작동 포트와 상기 펌프 포트내의 유체 압력을 나타내는 전기적 압력 신호를 공급하기 위한 압력 감지 수단(26, 27 및 28), 및
    상기 유체 작동식 장치의 필요한 제어를 달성하도록 상기 작동 포트(4, 5)와 상기 펌프 포트(15, 16) 또는 탱크 포트(18, 19) 사이에서 상기 밸브 조립체를 통과하는 유체 유동의 유체 통과 단면을 설정하기 위하여, 전기적 압력 신호에 따라, 그리고 조작자의 작동에 응답하여 제공되는 전기적 요구 신호에 따라 상기 한 개 이상의 밸브 부재(12, 13)의 위치를 제어하는 서보 제어 수단을 포함하는,
    전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체.
  14. 유체 작동식 장치(7)를 제어하기 위한 전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체로서,
    상기 밸브 조립체와 상기 유체 작동식 장치 사이에서 유체 유동을 위한 작동 포트(4, 5),
    유압 탱크(20)로부터 상기 밸브 조립체로 유체를 유입하기 위한 펌프 포트 (15, 16),
    상기 밸브 조립체로부터 유압 탱크(20)로 유체를 유출하기 위한 탱크 포트 (18, 19), 및
    상기 작동 포트(4, 5)와 상기 펌프 포트(15, 16) 사이에서 그리고 상기 작동 포트(4, 5)와 상기 탱크 포트(18, 19) 사이에서 유체의 속도와 방향을 제어하기 위한 밸브 수단을 포함하고,
    상기 밸브 수단은 상기 작동 포트와 상기 펌프 또는 탱크 포트 사이에서 유체 유동을 위하여 유체 통과 단면을 변경시키도록 움직일 수 있는 한 개 이상의 밸브 부재(12, 13),
    상기 작동 포트(4, 5)의 유체 압력을 나타내는 제 1 전기적 압력 신호를 공급하기 위한 제 1 압력 감지 수단(26, 27),
    상기 펌프 포트(15, 16)의 유체 압력을 나타내는 제 2 전기적 압력 신호를 공급하기 위한 제 2 압력 감지 수단(28),
    상기 탱크 포트(18, 19)의 유체 압력을 나타내는 제 3 전기적 압력 신호를 공급하기 위한 제 3 압력 감지 수단(29), 및
    상기 유체 작동식 장치의 필요한 제어를 달성하도록 상기 작동 포트와 상기 펌프 또는 탱크 포트 사이에서 상기 밸브 조립체를 통과하는 유체 유동의 유체 통과 단면을 설정하기 위하여, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 전기적 압력 신호에 따라, 그리고 조작자의 작동에 응답하여 제공되는 전기적 요구 신호에 따라 상기 한 개 이상의 밸브 부재(12, 13)의 위치를 제어하는 서보 제어 수단을 포함하는,
    전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 서보 제어 수단은 제 1 작동 모드의 필요한 위치로 상기 밸브 부재(12, 13)를 구동하기에 충분한 파일럿 유체의 제어된 변위 유동을 밸브 부재(12, 13)에 인가하고 계속해서, 제 2 작동 모드의 상기 필요한 위치에 상기 밸브 부재(12, 13)를 유지하도록 밸브 부재(12, 13)로의 파일럿 유체의 상기 변위 유동을 중단함으로써 상기 한 개 이상의 밸브 부재(12, 13)의 위치를 제어하기 위한 전기적으로 작동 가능한 파일럿 밸브 수단(44, 45)을 포함하는,
    전기-유압식 비례 제어 밸브 조립체.
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