JP2002005102A - 空気圧を用いた力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】応答性が良く、しかも任意の値の駆動力を精度
良く発生することのできる空気圧を用いた力制御装置を
提供する。 【解決手段】電気的な位置指令値に応じて負荷に連結さ
れる駆動ロッドが位置決めされる電気−空気アクチュエ
ータと、前記電気−空気アクチュエータが所定の位置指
令値を受けて前記駆動ロッドを位置決めしようとする際
に、該駆動ロッドの位置決めが、負荷側からの反力によ
って阻止されることに伴って駆動ロッドに発生する駆動
力を検出する力検出器と、該力検出器の検出信号と目標
駆動力との偏差を取る加算器と、前記偏差の比例値と積
分値を求めるとともに該偏差の比例値と積分値を加算す
ることにより前記所定の位置指令値を算出する演算器
と、を備えた空気圧を用いた力制御装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気圧を用いた力制御
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の力制御装置の原理を図７に示す。
この力制御装置は、空気圧源２の圧縮空気を減圧弁４で
所定の圧力に減圧し、これを切換え弁６によってシリン
ダ８のロッド側８Ａ及びヘッド側８Ｂに選択的に供給
し、駆動ロッド１０にかかる駆動力を制御するというも
のである。圧力を制御しない側のシリンダ内空気は、シ
ョック防止のため絞り弁１２又は１４を介して大気に放
出される。なお、符号１６及び１８は圧力が供給される
ときにのみ空気を流れ易くするためのチェック弁であ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな力制御装置にあっては、駆動力の連続的な制御（任
意の値の駆動力を発生させる制御）ができず、又シリン
ダ８の摩擦力により、発生する駆動力の精度が低下する
という問題があった。更に、力が整定するまでの時問が
長く、応答性が低いという問題もあった。本発明は、こ
のような従来の問題に鑑みてなされたものであって、応
答性が良く、しかも任意の値の駆動力を精度良く発生す
ることのできる空気圧を用いた力制御装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、電気的な位置
指令値に応じて負荷に連結される駆動ロッドが位置決め
される電気−空気アクチュエータと、前記電気−空気ア
クチュエータが所定の位置指令値を受けて前記駆動ロッ
ドを位置決めしようとする際に、該駆動ロッドの位置決
めが、負荷側からの反力によって阻止されることに伴っ
て駆動ロッドに発生する駆動力を検出する力検出器と、
該力検出器の検出信号と目標駆動力との偏差を取る加算
器と、前記偏差の比例値と積分値を求めるとともに該偏
差の比例値と積分値を加算することにより前記所定の位
置指令値を算出する演算器と、を備えたことにより、上
記目的を達成したものである。

【０００５】

【作用】本発明においては、任意の値の駆動力を発生す
るシステムを構築するために、まず電気的な位置指令信
号（指令値）に応じて駆動ロッドが位置決めされる電気
−空気アクチュエータを用いるようにしている。このア
クチュエータに対して目標駆動力を入力してやると、こ
れによって実際に検出された駆動力との偏差が発生する
ようになり、この偏差を零とするような位置指令値が発
生する。

【０００６】そうすると、アクチュエータはその位置指
令値に応じた位置に駆動ロッドを位置決めしようとす
る。ところが、このアクチュエータによって位置決めさ
れる（あるいはされようとする）駆動ロッドの位置決め
が、負荷側からの反力によって阻止されると、反作用に
より当該反力に相当する大きさで負荷側を駆動しようと
する駆動力が発生する。

【０００７】本発明では、このアクチュエータの出力で
ある駆動ロッドのそのときの駆動力を力検出器によって
検出し、この検出値と目標駆動力との偏差をとり、この
偏差の比例値と積分値を求めるとともに該比例値と積分
値を加算することにより前記電気−空気アクチュエータ
の当初の位置指令値を算出する。そして、この算出値を
アンプによって増幅して前記電気−空気アクチュエータ
に入力するものである。

【０００８】電気−空気アクチュエータは、位置指令信
号に対応して駆動ロッドを位置決めするように応答する
ものであり、力指令に対して直接的に応答するものでは
ないが、駆動ロッドの位置決めが負荷側からの反力によ
って阻止されることで発生する力をフィードバックする
ことにより、その位置決めの連続制御性を力制御の連続
制御性に合理的に置換えることが可能である。

【０００９】尚、本発明においては、電気的な位置指令
信号に応じて駆動ロッドが位置決めされる電気−空気ア
クチュエータの構成自体については特に限定するもので
はないが、例えば特開昭６２−２７０８０１号公報に開
示されているようなアクチュエータを採用することがで
きる。又、後述する実施例（これ自体は未公知）で示さ
れるようなアクチュエータも採用することもできる。

【００１０】

【実施例】以下図面に基づいて本発明の実施例を詳細に
説明する。図１及び図２において１００が電気−空気ア
クチュエータである。この電気−空気アクチュエータ
は、これ自体未公知であるため、まずこの構成から詳細
に説明する。

【００１１】円筒形のシリンダボディ１０２の中に気密
に且つ摺動自在にピストン１０４が組込まれている。該
ピストン１０４には同軸にスリーブ１０６が一体的に固
定され、且つ負荷に連結される駆動ロッド１０８がこの
スリーブ１０６に一体的に連結されている。この駆動ロ
ッド１０８はシリンダボディ１０２の底面部１０２Ａを
貫通しており、軸受部１０２Ｂによって摺動自在に支持
されている。なお符号１１０はロッドシールである。

【００１２】ピストン１０４の内部、具体的にはこれと
一体化されているスリーブ１０６の内部には、該ピスト
ン１０４の摺動方向と同一の方向に摺動可能なようにス
プール１１２が組込まれている。このスプール１１２に
は、回り止めのキー１１４が取付けられている。又、ス
プール１１２のピストン１０４に対する軸方向の変位を
制限するためにストッパ１１６が設けられている。

【００１３】スプール１１２にはナット１１８が固定さ
れており、ボールねじシャフト１２０が螺合している。
このボールねじシャフト１２０の軸端はベアリング１２
２によりカバー１３２に回転自在に取付けられており、
且つカップリング１２４を介してステッピングモータ１
２８と連結されている。ピストン１０４のステッピング
モータ１２８側には、キー溝１３０が切られており、カ
バー１３２に固定されたキー１３４との係合により、該
ピストン１０４の摺動の案内及び回転の防止がなされる
ようになっている。

【００１４】カバー１３２、ピストン１０４、及びスリ
ーブ１０６の内部には空気が通る通路１５１〜１５８が
設けられ、圧縮空気源１３６、シリンダボディ１０２内
でピストン１０４によって分割されてできた第１、第２
気密室１３８、１４０、及び大気１４２の４者の間を連
結している。これらの通路１５１〜１５８は、スプール
１１２の外周に形成された溝部１１２Ａ、１１２Ｂによ
り、スプール１１２の位置に依存して各通路１５１〜１
５８を通る空気の流れ方向を切換える構成とされてい
る。

【００１５】又、図３及び図４において詳細に示すよう
に、スプール１１２とスリーブ１０６とによって構成さ
れるバルブ部分は、第１気密室（定圧室）１３８から第
２気密室（制御圧室）１４０へ流れ込む空気流量と、第
２気密室１４０から大気１４２へ流れ出す空気流量とを
等しくするため、即ち駆動ロッド１０８が後退するとき
の速度と前進するときの速度とを等しくするため、スリ
ーブ１０６の通路１５５の円周方向の長さｌ１、ｌ２を
前後方向（軸方向）で差をもたせた構造にしている。

【００１６】より具体的に説明すると、圧縮空気源１３
６の空気圧Ｐｓを約７Ｋｇｆ／ｃｍ２、第２気密室１４
０での室圧を約１／２Ｐｓ＝３．５Ｋｇｆ／ｃｍ２とす
ると、駆動ロッド１０８が後退するときは７Ｋｇｆ／ｃ
ｍ２→３．５Ｋｇｆ／ｃｍ２の空気が通路１５５を流れ
ることになり、一方駆動ロッド１０８が前進するときに
は、３．５Ｋｇｆ／ｃｍ２→１Ｋｇｆ／ｃｍ２（大気）
の空気が通路１５５を流れることになる。

【００１７】そのため、もし通路１５５の断面積を軸方
向で同一にしていた場合には、後者は前者の１／１．７
の空気しか流れなくなり、それだけ応答性が劣ることに
なる。このため、この実施例では、スリーブ１０６内の
通路１５５の断面積を駆動ロッド１０８が前進するとき
に用いられる部分Ｘ１の円周方向の長さｌ１を、後退す
るときに用いられる部分Ｘ２の円周方向の長さｌ２の約
１．７倍とし、該駆動ロッド１０８の前進及び後退の応
答速度を等しく確保するようにしたものである。

【００１８】図１に戻って、駆動ロッド１０８の先端と
負荷（駆動対象物）２０との間にはロードセル４０が配
置されている。このロードセル４０の力検出信号は、加
算器（減算器）５０に入力され、ここで力指令値（目標
駆動力）との偏差ｅが演算される。演算器８０によっ
て、この偏差の比例値と積分値を求めるとともに該比例
値と積分値を加算する処理がなされ、モータ位置指令値
としてアンプ９０に出力される。アンプ９０では、この
モータ位置指令値を増幅した上で電気−空気アクチェエ
ータ１００のステッピングモータ１２８に出力するよう
になっている。

【００１９】次に、この実施例の作用を説明する。図２
を参照して、ステッピングモータ１２８が軸側から見て
時計方向に回転すると、ボールねじシャフト１２０も一
体的に回転する。このボールねじシャフト１２０に螺合
しているナット１１８は、スプール１１２に固定されて
おり、且つこのスプール１１２はキー１１４によってピ
ストン１０４に対して回り止めがなされ、このピストン
１０４はキー１３４によってカバー１３２に対して回り
止めされている。そのため結局ナット１１８は前記ボー
ルねじシャフト１２０の回転によって前進を開始する。
又このナット１１８の前進によってスプール１１２も一
体的に前進する。

【００２０】この結果スプール１１２の溝部１１２Ａ、
１１２Ｂとスリーブ１０６の通路１５４〜１５６との間
に偏差が生じ、図２破線に示されるような状態となる。
このため通路１５１、第１気密室１３８、通路１５２、
１５３、及びスプール１１２の溝部１１２Ａが閉じた空
間となるため、圧縮空気源１３６からの空気の流入が阻
止される。

【００２１】一方、第２気密室１４０の空気は通路１５
４、１５５、溝部１１２Ｂ、通路１５６、１５７、１５
８を介して大気１４２へ放出される。従って第２気密室
１４０の空気圧が下がり、ピストン１０４の前後方向の
力バランスが崩れ（もし負荷側からの反力がなけれ
ば）、該ピストン１０４がスリーブ１０６、駆動ロッド
１０８と共に前進する。

【００２２】しかしながら、スプール１１２はこれらと
共には移動しないため、やがてスプール１１２の溝部１
１２Ａ、１１２Ｂとスリーブ１０６の通路１５４〜１５
６との偏差が再び０となったところで第１気密室の空気
の流出が止まり、ピストン１０４の移動も停止する。

【００２３】この結果、結局ステッピングモータ１２Ｂ
によってボールねじシャフト１２０を回転し、ナット１
１８を任意の位置で位置決めすると、この位置決めされ
た軸方向位置に対応して駆動ロッド１０８が摺動・位置
決めされることになる。

【００２４】逆に電動モータ１２８が反時計方向に回転
し、スプール１１２が後退すると、スプール１１２の溝
部１１２Ａ、１１２Ｂとスリーブ１０６の通路１５４〜
１５６との間に前進時と逆側に偏差が生じ、第２気密室
１４０の空気の大気１４２への放出が阻止されると共
に、圧縮空気源１３８に連通されている第１気密室１３
８の空気が通路１５２、１５３、溝部１１２Ａ、通路１
５５、１５４を介して第２気密室１４０に流れ込む。

【００２５】これにより第２気密室１４０の空気圧が上
がり、ピストン１０４の前後方向の力バランスが崩れ、
該ピストン１０４は後退する。この後退によりスプール
１１２の溝部１１２Ａ、１１２Ｂとスリーブ１０６の通
路１５４〜１５６との偏差が再び０になったところでそ
れ以上の空気の移動が阻止され、ピストン１０４の後退
が完了する。

【００２６】以上の２つの動作において、この実施例で
は通路１５５の円周方向の長さｌ１、ｌ２に違いをもた
せたことにより、スプール１１２の溝部１１２Ａ、１１
２Ｂとスリーブ１０６の通路１５４〜１５６との偏差に
対する流量の比が同一になっており、このため応答性が
前進時と後退時とで等しくなっている。

【００２７】ここで、これまでの説明ではわかり易さの
ため「駆動ロッド１０８位置決め」に関し、負荷側から
の反力がなく、駆動ロッド１０８が自由に動ける場合に
ついて説明してきたが、駆動力を発生する装置である以
上、実際には負荷側からは反力が返ってくるため、この
反力に対応した力が「駆動ロッド１０８に現に発生して
いる駆動力」として発生することになる。そして、この
「駆動力」がロードセル（力検出器）４０で検出されて
フィードバックされ、目標駆動力と比較される。

【００２８】即ち、再び図１に戻って、この駆動ロッド
１０８の先端と負荷２０との間にはロードセル４０が設
けられているため、駆動ロッド１０８が負荷を駆動して
いる駆動力がリアルタイムで検出される。この力検出信
号は、加算器５０に力フイードバック信号として入力さ
れ、力指令値（目標値）と加算（減算）され、偏差ｅが
演算器８０に出力される。演算器８０では、偏差の比例
値と積分値を求めるとともに該比例値と積分値を加算す
ることにより、応答性が改善されたモータ位置指令値が
演算される。このモータ位置指令値は、アンプ９０に入
力され、ここでステッピングモータ１２８を駆動し得る
ほどに増幅される。

【００２９】このようなフィードバック制御系により、
力検出値とフィードバックされた力検出値とが等しくな
り、偏差ｅが零となったところで電気−空気アクチュエ
ータが平衡して止まり、その力が維持される。ここで、
ピストン、ロッドの摩擦力が力制御の精度を低下させる
のを防止するため、演算器８０において算出される位置
指令値の、特に積分成分が有効に機能し、応答性が非常
に速くなっている。

【００３０】次に、図５及び図６にこの実施例装置を用
いて実際に力制御を試験してみたときの結果を示す。

【００３１】図５は静特性を示しており、力指令に付し
て出力である駆動力がヒステリシスを持つことなく高い
精度で追随していることがわかる。又、図６のステップ
応答（動特性）では、力指令に対して非常に高い応答性
で駆動力が追随していることがわかる。なお、前述した
ように、本発明においては、電気−空気アクチュエータ
自体については上記実施例のものに限定されない。

【００３２】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、力
制御を任意の値に連続的に制御することができるように
なり、且つ非常に高い応答性で力を制御することができ
るようになるという優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用された力制御装置の概略を示すブ
ロック図である。

【図２】本発明による力制御装置で用いられている電気
−空気アクチュエータの拡大縦断面図である。

【図３】図２矢視III部分の部分斜視図である。

【図４】同じくIV−IV線に沿うスリーブの部分断面図で
ある。

【図５】本発明による力制御装置における力指令に対す
る出力を示す線図である。

【図６】本発明による力制御装置におけるステップ応答
の結果を示す線図である。

【図７】従来の力制御装置の概略を示すブロック図であ
る。

【符号の説明】

２０…負荷（駆動対象物）、 ４０…ロードセル、 ５０…加算器、 ８０…演算器、 ９０…アンプ、 １００…電気−空気アクチュエータ、 １０２…シリンダボディ、 １０４…ピストン、 １０６…スリーブ、 １０８…駆動ロッド、 １１２…スプール弁、 １１２Ａ、１１２Ｂ…溝部、 １１８…ナット、 １２０…ボールねじシャフト、 １２８…ステッピングモータ、 １３６…圧縮空気源、 １３８…第１気密室（定圧室）、 １４０…第２気密室（制御圧室）、 １５１〜１５８…通路、 ｅ…偏差。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気的な位置指令値に応じて負荷に連
   結される駆動ロッドが位置決めされる電気−空気アクチ
   ュエータと、 前記電気−空気アクチュエータが所定の位置指令値を受
   けて前記駆動ロッドを位置決めしようとする際に、該駆
   動ロッドの位置決めが、負荷側からの反力によって阻止
   されることに伴って駆動ロッドに発生する駆動力を検出
   する力検出器と、 該力検出器の検出信号と目標駆動力との偏差を取る加算
   器と、 前記偏差の比例値と積分値を求めるとともに該偏差の比
   例値と積分値を加算することにより前記所定の位置指令
   値を算出する演算器と、を備えたことを特徴とする空気
   圧を用いた力制御装置。