TWI730404B

TWI730404B - 定壓液體供給裝置

Info

Publication number: TWI730404B
Application number: TW108132772A
Authority: TW
Inventors: 竹内経博
Original assignee: 日商住友精密工業股份有限公司
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2021-06-11
Also published as: TW202020307A; WO2020054480A1; JP6785394B2; JPWO2020054480A1

Abstract

定壓液體供給裝置係具備：泵部4、變頻器72以及控制器71，泵部4具有容積式泵本體41以及電動馬達42。控制器71係具有表或關係式，表或關係式係決定與電動馬達42的實際扭矩相關之第一參數、泵部4的旋轉速度亦即第二參數、泵部4之噴出壓力三者的關係。控制器71係一邊反饋第一參數以及第二參數，一邊以泵之噴出壓力達到目標壓力之方式，根據表或關係式控制電動馬達42。

Description

定壓液體供給裝置

本發明關於一種定壓液體供給裝置，係對於具有液體噴出孔之對象物供給液體。

專利文獻1係記載工作機械的冷卻液供給裝置。前述冷卻液供給裝置係具備：泵、電動馬達、壓力感應器以及控制器。泵係噴出冷卻液。電動馬達係讓泵運轉。壓力感應器係檢測泵所噴出冷卻液之噴出壓力。控制器係根據壓力感應器之檢測值，且以泵之噴出壓力達到目標壓力之方式，控制變頻器電路對馬達輸出的頻率。

專利文獻1所記載之冷卻液供給裝置係根據壓力感應器所檢測噴出壓力而進行反饋控制。本申請發明人發現冷卻液供給裝置中電動馬達的實際扭矩與泵之噴出壓力成正比關係。根據該發現，本申請發明人提出一種冷卻液供給裝置，係根據電動馬達的實際扭矩調節泵之噴出壓力(參照專利文獻2)。

伴隨電動馬達之旋轉速度上升，容積式泵的旋轉速度也會上升，從而提高泵之噴出流量。工作機械之工具係具有噴出冷卻液的孔。因此，隨著泵之噴出流量提高，泵之噴出壓力也會提高。隨著容積式泵之噴出壓力提高，電動馬達的實際扭矩也會提高。因此，電動馬達的實際扭矩與泵之噴出壓力成正比關係。

專利文獻2所記載之冷卻液供給裝置之控制器係具有表或關係式，該表或關係式係決定電動馬達的實際扭矩與泵之噴出壓力兩者的關係。控制器係根據表或關係式，以電動馬達的實際扭矩達到目標扭矩之方式控制電動馬達。其結果，泵之噴出壓力會達到目標壓力。電動馬達的實際扭矩例如能夠由變頻器的輸出電流計算之輸出扭矩代替。專利文獻2所記載冷卻液供給裝置不需要壓力感應器，有可簡化裝置構成之優點。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

專利文獻1：日本特開2004-36421號公報。

專利文獻2：日本特開2009-215935號公報。

雖專利文獻2中未明確揭示，但以往冷卻液供給裝置係使用通用馬達作為電動馬達。通用馬達在低旋轉速度域中無法連續地穩定輸出固定扭矩。因此，以往冷卻液供給裝置要以使電動馬達在特定旋轉速度以下不運轉之方式，限制變頻器之輸出頻率。

相對於通用馬達，變頻器專用馬達在低旋轉速度域中的定扭矩特性優異。若於冷卻液供給裝置使用變頻器專用馬達，則能夠讓泵在低旋轉速度域運轉。若讓泵在低旋轉速度域運轉，則可期待冷卻液供給裝置之節能化。再者，變頻器專用馬達係包括變頻器專用定扭矩馬達。

但是，根據本申請發明人之檢討，具有變頻器專用馬達之冷卻液供給裝置在低旋轉速度域難以根據電動馬達的實際扭矩進行反饋控制。其理由為：容積式泵若旋轉速度變低，則容積效率會急劇降低。電動馬達的實際扭矩與泵之噴出壓力之間之正比關係尤其在低旋轉速度域不會成立或難以成立。

又，根據本申請發明人之檢討可知，就變頻器專用馬達而言，即使實際扭矩相同，旋轉速度較高時與旋轉速度較低時，變頻器之輸出電流也會相異。因此，利用由變頻器之輸出電流計算之輸出扭矩調節泵之噴出壓力之結構，係難以調節泵之噴出壓力。

因此，專利文獻2所記載冷卻液供給裝置，即使要讓電動馬達及泵在低旋轉速度域運轉，也難以適當地調節泵之噴出壓力。

再者，該問題不限定於工作機械用冷卻液供給裝置，清洗裝置用清洗液供給裝置亦有同樣問題。清洗裝置係為了清洗以工作機械加工之加工品而於加工品供給特定壓力清洗液之裝置。冷卻液供給裝置及清洗液供給裝置皆為將特定壓力液體供向對象物之定壓液體供給裝置。

本案所揭示之技術係在定壓液體供給裝置中適當地調節泵之噴出壓力。

具體而言，本案所揭示之技術為對於具有液體噴出孔之對象物供給液體之定壓液體供給裝置。

定壓液體供給裝置具備：泵部，係具有噴出液體之容積式泵本體以及與前述泵本體連結且使前述泵本體運轉之電動馬達；變頻器，係改變前述電動馬達之旋轉速度；以及控制器，係藉由前述變頻器控制前述泵部。前述控制器具有表或關係式，前述表或前述關係式係決定與前述電動馬達的實際扭矩相關之第一參數、前述泵部的旋轉速度亦即第二參數以及前述泵部之噴出壓力三者的關係。前述控制器係一邊反饋前述第一參數以及前述第二參數，一邊以使前述泵部之噴出壓力達到目標壓力之方式，根據前述表或前述關係式控制前述電動馬達。

控制器係具有表或關係式，前述表或前述關係式係決定第一參數、第二參數以及泵部之噴出壓力三者的關係。第一參數係與電動馬達的實際扭矩相關。第二參數為泵部之旋轉速度。專利文獻2所記載以往裝置具有表或關係式，前述表或前述關係式係決定電動馬達的實際扭矩與泵部之噴出壓力的關係。前述定壓液體供給裝置之表或關係式中，相較於以往追加了泵部之旋轉速度亦即第二參數。再者，泵部之旋轉速度為電動馬達的旋轉速度，且為泵本體之旋轉速度。

將泵部之旋轉速度加入表或關係式中，藉此能夠使容積式泵本體之特性反映於表或關係式中。如上所述，泵本體之特性為若旋轉速度變低，則容積效率降低。又，電動馬達之特性亦能夠反映於表或關係式中。如上所述，電動馬達之特性為即使電動馬達輸出相同扭矩，在旋轉速度較高時與較低時，變頻器之輸出電流值相異。於讓泵部在低旋轉速度域運轉時，控制器能夠根據表或關係式適當地將泵部之噴出壓力調節至目標壓力。

再者，泵部之作為第二參數的旋轉速度能夠以變頻器所計算出的電動馬達之旋轉速度來代替。如此一來則不需要新的感應器，定壓液體供給裝置之結構會更簡化。

前述第一參數亦可以是前述變頻器之輸出扭矩、或亦可以是前述電動馬達之電流值。

控制器係使用變頻器之輸出扭矩或電動馬達之電流值而能夠將泵之噴出壓力適當地調節至目標壓力。變頻器之輸出扭矩為由變頻器所計算出的輸出扭矩。尤其，第一參數若為變頻器之輸出扭矩，則不需新的感應器。能夠簡化定壓液體供給裝置之結構。

前述控制器具有表或關係式，前述表或前述關係式係決定前述第一參數、前述第二參數、第三參數、前述泵部之噴出壓力四者的關係，前述控制器一邊反饋前述第一參數、前述第二參數以及前述第三參數，一邊以使前述泵部之噴出壓力達到目標壓力之方式，根據前述表或前述關係式控制前述電動馬達，前述第三參數亦可以是前述液體溫度以及前述電動馬達運轉時間中之至少一者。

若液體溫度改變，則液體黏度會改變。因此，若液體溫度改變，則電動馬達的實際扭矩與泵部之噴出壓力的關係也會改變。又，若電動馬達運轉時間較長，則電動馬達的實際扭矩相對於馬達之輸入電流值之特性會改變。電動馬達運轉時間例如為總運轉時間。控制器用液體溫度及/或電動馬達運轉時間，能夠更適當地調節泵部之噴出壓力。

再者，第三參數亦可以是前述液體溫度及前述電動馬達運轉時間中之任一者或兩者。

前述泵部之運轉區域亦可分為複數個旋轉速度域，前述控制器可具有分別對應複數個前述旋轉速度域之複數個關係式，且可因應前述泵部之旋轉速度，根據對應之關係式控制前述電動馬達。

本申請發明人發現：較佳為分別設定泵部之旋轉速度較高時之關係式、及旋轉速度較低時之關係式。泵部之旋轉速度為電動馬達的旋轉速度，且為泵本體之旋轉速度。例如泵部之旋轉速度較低時，電動馬達之特性會強烈地反映在關係式中，泵部之旋轉速度較高時，泵本體之特性強烈地反映在關係式。此時，控制器具有兩個關係式，且因應泵部之旋轉速度選擇兩個關係式。

控制器具有複數個關係式，且根據對應泵部之旋轉速度之關係式控制電動馬達。藉此，控制器能夠將泵部之噴出壓力更適當地調節至目標壓力。

前述對象物亦可以是工作機械之工具，前述液體亦可以是冷卻液。亦即，定壓液體供給裝置可以是工作機械之冷卻液供給裝置。

前述電動馬達亦可以是變頻器專用馬達。

變頻器專用馬達在以低旋轉速度連續運轉時，前述變頻器專用馬達的扭矩穩定。若電動馬達為變頻器專用馬達，則定壓液體供給裝置能夠讓電動馬達以及泵本體在低旋轉速度域運轉。讓電動馬達以及泵本體在低旋轉速度域運轉，藉此定壓液體供給裝置能夠實現節能化。如上所述，表或關係式係包括第二參數亦即電動馬達旋轉速度。讓電動馬達以及泵本體在低旋轉速度域運轉時，控制器能夠將泵部之噴出壓力適當地調節至目標壓力。

如上所述，根據前述定壓液體供給裝置能夠適當地調節泵之噴出壓力。

1:冷卻液供給裝置

2:工作機械

3:噴出線

4:泵部

5:安全線

6:槽

20:連接部

21:工具(對象物)

22:噴出孔

23:供給線

31:壓力計

41:泵本體

42:電動馬達

51:安全閥

71:控制器

72:變頻器

711:表或關係式

712:減算器

圖1係例示冷卻液供給裝置之結構的電路圖。

圖2係例示變頻器之輸出扭矩、泵部之旋轉速度、泵部之噴出壓力三者的關係式。

圖3係例示與圖2相異之關係式。

以下根據圖面詳細說明定壓液體供給裝置之實施形態。以下說明為定壓液體供給裝置之一例。

(冷卻液供給裝置之結構)

圖1係顯示使本案所揭示將定壓液體供給裝置應用於冷卻液供給裝置1之結構例。

冷卻液供給裝置1係於工作機械2中的工具21供給冷卻液。工具21可以是任意者。如圖1所例示，工具21中形成有噴出冷卻液之噴出孔 22。冷卻液係藉由前述噴出孔22噴出至加工處。工具21為具有噴出液體的孔之對象物的一例。

冷卻液之供給線23連接於工具21上。供給線23透過冷卻液供給裝置1之連接部20而與冷卻液供給裝置1中的噴出線3連接。冷卻液係藉由噴出線3以及供給線23而供給至工具21。

噴出線3中配置有泵部4。泵部4係使冷卻液朝向工具21噴出。泵部4係含有泵本體41以及電動馬達42。

泵本體41為定容量之容積式泵。泵本體41具體而言可以是齒輪泵、輪葉泵、螺桿泵等旋轉泵。泵部4又可以是活塞泵、柱塞泵等往返移動泵。

電動馬達42係與泵本體41相連。電動馬達42例如可以是變頻器專用馬達。電動馬達42更可以是PM(permanent magnet；永久磁鐵)馬達或通用馬達。

電動馬達42係與變頻器72相連。變頻器72係對電動馬達42輸出旋轉速度指令。電動馬達42能夠根據變頻器72所輸出的旋轉速度指令而改變旋轉速度。

變頻器72上係連接有控制器71。控制器71係藉由變頻器72而控制電動馬達42。工作機械2進行加工時，一直要改變所需冷卻液的流量，故控制器71係一直藉由變頻器72控制電動馬達42之旋轉速度。

變頻器72係計算對電動馬達42之輸出扭矩以及電動馬達42之旋轉速度。詳細情形如後述，但變頻器72係將變頻器72之輸出扭矩及電動馬達42之旋轉速度作為反饋訊號而輸出至控制器71。控制器71係根據變頻器72之輸出扭矩以及電動馬達42之旋轉速度而對電動馬達42進行反饋控制。再者，變頻器72之輸出扭矩為與電動馬達42之扭矩相關之第一參數的一例。電動馬達42之旋轉速度為第二參數。

在噴出線3上且在連接部20與泵部4之間連接有安全線(relief line)5。安全線5中配置有安全閥51。安全閥51係於特定壓力下打開。在工具21所需冷卻液流量大量減少時以及控制器71所輸出之控制指令產生異常時，安全閥51係為了安全而打開。

安全線5係連接在冷卻液之槽6上。流過安全線5之剩餘冷卻液會返回槽6中。供給於工具21之冷卻液也會返回槽6中，在此省略其圖示。泵部4係與槽6相連，藉此吸入槽6內之冷卻液。

再者，噴出線3上係連接有顯示冷卻液壓力之壓力計31。

(冷卻液供給裝置之運轉控制)

另外，說明冷卻液供給裝置1之運轉。如上所述，控制器71係進行電動馬達42之反饋控制。

被供給冷卻液之工具21係具有噴出冷卻液的噴出孔22。因此，若噴出線3以及供給線23中的冷卻液流量增加，則泵部4之噴出壓力會變高。電動馬達42之旋轉速度係與泵部4之噴出壓力成正比關係。又，定容量型之容積式泵本體41中，噴出壓力係與扭矩成正比關係。電動馬達42之實際扭矩相當於變頻器72之輸出扭矩。因此，變頻器72之輸出扭矩係與泵部4之噴出壓力成正比關係。控制器71係將變頻器72之輸出扭矩使用作為反饋訊號。控制器71係以使電動馬達42之扭矩達到目標扭矩之方式而控制電動馬達42。控制器71即使不使用檢測泵部4之噴出壓力之壓力感應器，也可以使泵部4之噴出壓力達到目標壓力之方式而控制泵部4。省略壓力感應器，藉此能夠簡化冷卻液供給裝置1之結構。

噴出線3以及供給線23之壓力變高且特定扭矩以上之反饋訊號輸入至控制器71時，控制器71會迅速降低電動馬達42之旋轉速度而降低壓力。由於噴出孔22噴出之冷卻液量得到調節，故冷卻液供給裝置1正常工作時，安全閥51不會打開。多餘的冷卻液不會流入安全線5。

在此，變頻器專用馬達在低旋轉速度域中的定扭矩特性優異。若電動馬達42為變頻器專用馬達，則能夠讓泵部4在低旋轉速度域運轉。藉由泵部4在低旋轉速度域運轉，能夠使冷卻液供給裝置1節能化。但是，容積式泵本體41若旋轉速度變低，則容積效率會急劇降低。因此，在低旋轉速度域中，前述變頻器72之輸出扭矩與泵部4之噴出壓力之間之正比關係不會成立或難以成立。

又，本申請發明人發現：變頻器專用馬達在旋轉速度較高時與較低時，即使馬達所輸出實際扭矩相同，變頻器72之輸出電流值也會相異。

泵部4之總效率包括泵本體41之容積效率降低、與電動馬達42之輸入電流值及實際扭矩的關係。泵部4在低旋轉速度域運轉時、以及泵部4以比低旋轉速度域更高之旋轉速度運轉時，泵部4之總效率會相異。因此，在泵部4在低旋轉速度域運轉時，如上所述，控制器71難以僅根據變頻器72之輸出扭矩與泵部4之噴出壓力之間的關係控制泵部4。

因此，前述冷卻液供給裝置1之控制器71係具有表或關係式，前述表或前述關係式係決定電動馬達42之實際扭矩相關之第一參數、泵部4的旋轉速度即第二參數、泵部4之噴出壓力三者的關係，並根據前述表或前述關係式控制泵部4。第一參數具體而言為變頻器72之輸出扭矩。

圖2係例示決定變頻器72之輸出扭矩(y)、泵部4之噴出壓力(x₁)、泵部4之旋轉速度(x₂)三者的關係之關係式(y=a₁x₁+a₂x₂+b₁)。可對於具有泵本體41以及電動馬達42之泵部4以各種運轉條件運轉，並對試驗結果(參照圖2中的黑點)進行多變量分析，藉此設定前述關係式。例如以扭矩(y) 為應變數，並以噴出壓力(x1)與旋轉速度(x2)為自變數，可藉由多元線性迴歸分析而設定關係式。一次式之關係式之各常數a₁、a₂、b₁例如可使用最小平方法(ordinary least square；OLS)而設定。再者，關係式並不限定於一次式。關係式可以是二次式或三次式。控制器71能夠根據泵部4之目標壓力、泵部4之旋轉速度以及關係式，而設定變頻器72之目標輸出扭矩。

再者，雖省略圖示，但前述表係與前述關係式同樣地決定變頻器72之輸出扭矩、泵部4之旋轉速度、泵部4之噴出壓力三者的關係。控制器71能夠根據泵部4之目標壓力、泵部4之旋轉速度以及表，而設定變頻器72之目標輸出扭矩。

控制器71係將變頻器72之輸出扭矩、變頻器72計算出的泵部4之旋轉速度作為反饋訊號，並根據前述表或前述關係式控制泵部4。如圖1所示，控制器71係具有表或關係式711以及減算器712而作為功能方塊。控制器71係接受工作機械2所指定目標壓力之訊號。控制器71還接受變頻器72所輸出之電動馬達42的旋轉速度訊號。電動馬達42之旋轉速度與泵本體41之旋轉速度一致。控制器71係根據目標壓力及旋轉速度，並根據表或關係式711，而設定目標之輸出扭矩。

減算器712係計算目標之輸出扭矩與變頻器72之輸出扭矩的偏差。變頻器72之輸出扭矩為變頻器72所輸出反饋訊號。控制器71將因應扭矩偏差之控制訊號輸出至變頻器72。變頻器72係以消去扭矩偏差之方式讓電動馬達42運轉。其結果，泵部4之噴出壓力會達到目標壓力。

將泵部4之旋轉速度加入至表或關係式711，藉此能夠將泵本體41之容積效率降低、以及將電動馬達42之輸入電流值與所輸出實際扭矩的關係反映至泵部4之控制中。其結果，於泵部4在低旋轉速度域中運轉時，控制器71能夠適當地將泵部4之噴出壓力調節至目標壓力。泵部4在低旋轉速度域中運轉，藉此能夠使冷卻液供給裝置1節能化。又，在泵部4以較低旋轉速度域更高之旋轉速度運轉時，控制器71也能夠適當地調節泵部4之噴出壓力。

冷卻液供給裝置1之反饋訊號為變頻器72之輸出扭矩以及泵部4之藉由變頻器72計算出的旋轉速度。無需於冷卻液供給裝置1追加檢測為反饋訊號之第一參數及第二參數之感應器。能夠使冷卻液供給裝置1之結構更簡略。

再者，上述構成之冷卻液供給裝置1中，表或關係式711係含有第一參數及第二參數。表或關係式711可進一步含有冷卻液溫度作為第三參數。若冷卻液溫度改變，則冷卻液之黏度會改變。若冷卻液之黏度改變，則電動馬達42之實際扭矩與泵本體41之噴出壓力的關係也會改變。因此，將冷卻液溫度作為第三參數追加於表或關係式711，藉此，冷卻液供給裝置1能夠更適當地調節泵部4之噴出壓力。此時，決定變頻器72之輸出扭矩(y)、泵部4之噴出壓力(x₁)、泵部4之旋轉速度(x₂)、冷卻液溫度(x₃)四者的關係之關係式一例為y=a₁x₁+a₂x₂+a₃x₃+b₁。

又，第三參數可以是電動馬達42之運轉時間。若電動馬達42之運轉時間變長，則電動馬達42之實際扭矩相對於電動馬達42之輸入電流值之特性會改變。因此，將電動馬達42之運轉時間追加至表或關係式711，藉此冷卻液供給裝置1能夠更適當地調節泵部4之噴出壓力。

再者，如上所述，第三參數可僅為冷卻液溫度、或僅為電動馬達42之運轉時間。又，第三參數可以是冷卻液溫度及電動馬達42之運轉時間兩者。

第一參數可以是電動馬達42之電流值，來取代變頻器72之輸出扭矩。電動馬達42之電流值可由感應器檢測。

又，第一參數可以是組合電壓值與電力值之與電動馬達42之實際扭矩成比例的值，來取代變頻器72之輸出扭矩。

(關係式之變形例)

圖2係顯示對於泵部4之整個運轉區域設定一個關係式的例子。本申請發明人發現較佳為分別設定泵部4之旋轉速度較高時之關係式、及較低時之關係式。泵部4之旋轉速度為電動馬達42的旋轉速度，且為泵本體41之旋轉速度。例如泵部4之旋轉速度較低時，電動馬達42之特性強烈反映於關係式中，泵部4之旋轉速度較高時，泵本體41之特性強烈反映於關係式。此時，控制器71具有兩個關係式，且因應泵部4之旋轉速度而選擇兩個關係式。

圖3係顯示將泵部4之運轉區域分為低旋轉速度域與高旋轉速度域，控制器71具有與低旋轉速度域對應之關係式以及與高旋轉速度域對應之關係式的例子。再者，如圖3所示，單點直線的平面係顯示特定旋轉速度N中的假想平面。低旋轉速度域為特定旋轉速度N以下之區域，高旋轉速度域為超過特定旋轉速度N之區域。圖3之例中，第一關係式(y=a₃x₁+a₄x₂+b₂)與低旋轉速度域對應，第二關係式(y=a₅x₁+a₆x₂+b₃)與高旋轉速度域對應。特定旋轉速度N中，關係式具有變曲點。

於泵部4之旋轉速度在低旋轉速度域內時，控制器71係根據第一關係式控制電動馬達42。又，在泵部4之旋轉速度在高旋轉速度域內時，控制器71係根據第二關係式控制電動馬達42。藉此，在泵部4為低旋轉速度時或在高旋轉速度時，控制器71皆可將泵部4之噴出壓力更適當地調節至目標壓力。

再者，泵部4之運轉區域不限於分為如圖3所顯示兩個區域。泵部4之運轉區域可分為三個以上的區域。控制器71具有對應各區域之關係式即可。

本案所揭示定壓液體供給裝置並不限於冷卻液供給裝置。雖省略圖示，但本案所揭示定壓液體供給裝置例如可以是清洗裝置用清洗液供給裝置。清洗裝置係為了清洗以工作機械加工之加工品而向加工品噴出清洗液。清洗液供給裝置係對清洗裝置供給特定壓力清洗液。