JP2003195945A - Linear actuator - Google Patents

Linear actuator

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JP2003195945A
JP2003195945A JP2001397776A JP2001397776A JP2003195945A JP 2003195945 A JP2003195945 A JP 2003195945A JP 2001397776 A JP2001397776 A JP 2001397776A JP 2001397776 A JP2001397776 A JP 2001397776A JP 2003195945 A JP2003195945 A JP 2003195945A
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actuator unit
actuator
vibration
reaction force
base
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Inventor
Hirohiko Arai
裕彦 荒井
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent vibration of a basic part at the stage of a cause of the vibration by eliminating inertial reaction force applied to the basic part from an mounting part of an actuator, and to prevent oscillation due to change in gravitational balance since the composite center of gravity of a movable part of the actuator remains unchanged. <P>SOLUTION: An upper actuator unit 8 and a bottom actuator unit 7 are operated in an opposite direction from each other so as to keep the position where the composite center of gravity of an object to be loaded 9 and the upper actuator unit 8 is horizontally projected unchanged. This eliminates the horizontal reaction force from the basic part due to acceleration and deceleration of the object to be loaded 9, thereby preventing generation of the oscillation. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、直動アクチュエー
タに関する。 【0002】 【従来の技術】直動アクチュエータは、精密機械、電子
回路等の組立などの部品ハンドリングにおける位置決め
などに広く用いられている。これらの作業では治具等を
含む大きな質量の被搭載物を高速かつ精密に位置決めす
ることが要求される。 【0003】上記のような用途において大きな質量の被
搭載物を高い加速度で加速、減速すると、慣性によって
逆方向に強い反動力が発生する。こうした反動力がアク
チュエータを取り付ける基部に伝わると、基部における
振動発生の原因となり、精密な位置決めの支障となる。 【0004】従来はこうして発生した振動を抑制するた
めに、アクチュエータを防振台に取り付け、防振台の慣
性やダンピング特性により振動をパッシブに吸収する、
さらには防振台自体を別のアクチュエータを用いてアク
ティブに駆動し、振動加速度等を計測してフィードバッ
クするなどの方法により強制的に振動を抑える方法が取
られていた。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】このような従来の方法
では、振動を小さく抑えすみやかに除去するためには、
大型の防振台や強力な防振アクチュエータが必要とな
る。また、反動力は防振台を通じて床にも伝わるため、
装置を設置する建屋も堅固であることが要求される。 【0006】従来の技術が大がかりな防振の手段を必要
とした理由は、振動が既に発生してからそれを抑制しよ
うとするためであり、また振動の原因となる反動力がア
クチュエータ基部に伝わるためである。そこで本発明で
は、慣性による反動力そのものが基部に伝わらない構造
とすることにより、振動の発生をその原因の段階から除
去することのできる直動アクチュエータを実現すること
を課題とするものである。 【0007】 【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、基部上に配設された下部アクチュエータユ
ニットと、該下部アクチュエータユニット上に搭載され
該下部アクチュエータユニットにより直線上で駆動され
る上部アクチュエータユニットを備えて成る直動アクチ
ュエータであって、上部アクチュエータユニットは、被
搭載物を搭載して上記直線と平行な直線上で駆動するも
のであり、上記被搭載物および上記上部アクチュエータ
ユニットの合成重心の水平面上への投影位置が変化しな
いように上記上部アクチュエータユニットと上記下部ア
クチュエータユニットを互いに逆方向に駆動することに
よって、上記被搭載物の加減速による水平方向の反動力
を上記基部から遮断し振動の発生を防ぐことを特徴とす
る直動アクチュエータを提供する。 【0008】 【発明の実施の形態】本発明に係る実施の形態を実施例
に基づいて図面を参照して以下説明する。本発明の具体
的な構成を説明する前に、従来と本発明の概略的な構成
を比較して説明する。 【0009】図1は従来の直動アクチュエータの概略を
説明する図である。基部4上にアクチュエータ1が設置
されており、アクチュエータ1によってアクチュエータ
1に搭載された物体2が図中の左右方向に移動する構成
となっている。 【0010】今、物体2の質量をMとし、基部4上の原
点Oから物体2の重心の変位をXとする。物体2が加速
度dX/dtで駆動されるとき、アクチュエータ取
付部3を通じて基部4に、慣性による反動力が加わる。
反動力Fの大きさは、次の数式1で表される。 【0011】 【数式1】F=−M(dX/dt ) 【0012】図2は本発明における直動アクチュエータ
の概略を説明する図である。基部5にアクチュエータ取
付部6を介して下部アクチュエータユニット7が設けら
れている。さらに、下部アクチュエータユニット7に
は、上部アクチュエータユニット8が下部アクチュエー
タユニット7上に直線上に移動するように搭載されてい
る。この上部アクチュエータユニット8は物体9を搭載
している。 【0013】物体9の質量(上部アクチュエータユニッ
ト8の可動部分を含む)をM、上部アクチュエータユ
ニット8の質量をMとする。また、基部5の原点Oか
らの物体9の重心の変位をX、アクチュエータ8の重
心の変位をXとする。物体9が加速度d/dt
で、上部アクチュエータユニット8が加速度d
/dtでそれぞれ運動するとき、アクチュエータ取り
付け部6を通じて基部5に加わる反動力Fの大きさは数
式2で表される。 【0014】 【数式2】F=−M(d/dt)−M(d
/dt) 【0015】ところで、上部アクチュエータユニット8
と物体9の合成重心の変位Xは、数式3で表される。 【0016】 【数式3】X=(M+M)/(M+M
) 【0017】数式4で示すように、Xが一定値aをと
り変化しないように下部アクチュエータユニット7及び
上部アクチュエータユニット8を駆動する。 【0018】 【数式4】X=(M+M)/(M+M
)=a 【0019】そのためには上部アクチュエータユニット
8に対する物体9の相対変位が下部アクチュエータユニ
ット7に対する上部アクチュエータユニット8の相対変
位(M+M)/M倍となるように各アクチュエー
タユニット7、8を制御すればよい。このとき数式4を
2回時間微分すると数式5となり、数式2と数式5とに
より、反動力F=0となる。即ち、アクチュエータ取付
部6を通じてアクチュエータ取り付け部6を通じて基部
5に加わる反動力は零となる。 【0020】 【数式5】d/dt=(M/dt
+M/dt)/(M+M)=0 【0021】(実施例)本発明の直動アクチュエータを
構成するアクチュエータユニットとしては、リニアモー
タ、ボールねじ、ラックとピニオン、油圧シリンダ、空
気圧シリンダなど種々の直動駆動要素を用いることがで
きる。 【0022】ただし、数式4の関係を常に保つように各
アクチュエータユニット7、8を同期して制御するため
に、各アクチュエータユニット7、8の変位を計測する
ポテンショメータ、エンコーダ、レゾルバなどの変位セ
ンサが必要である。 【0023】一般にはそれらの変位センサからのフィー
ドバック信号により各アクチュエータユニット7、8に
ついて位置サーボ系を構成し、それぞれの位置サーボ系
に対して数式4の関係を保つような位置指令信号を与え
る。 【0024】また、上部アクチュエータユニット8の変
位センサ信号に対して、一定の係数を掛けた信号を下部
アクチュエータユニット7への位置指令とすることによ
っても同様の制御が実現できる。 【0025】図3にボールねじとサーボモータを用いた
実施例を示す。本アクチュエータは下部アクチュエータ
ユニット7と上部アクチュエータユニット8とからな
る。サーボモータ10、11はそれぞれボールねじ1
2、13を回転させ、スライダ14、15を直線上に駆
動する。スライダ14は上部アクチュエータユニット8
を搭載する。 【0026】スライダ15は物体9を搭載する。サーボ
モータ10、11の回転角はエンコーダ16、17で計
測され、センサ信号はコントローラ18、19にフィー
ドバックされる。コントローラ18、19はそれぞれの
位置指令値とフィードバック信号の偏差を計算し、サー
ボモータ10、11の駆動電流を出力する。 【0027】物体9の目標変位をX2d(t)とする
と、コントローラ18(下部アクチュエータユニット
7)には−(M/M)・X2d(t)、コントロー
ラ19(上部アクチュエータユニット8)には(M
)/M・X2d(t)の位置指令値を連続的に与
える。 【0028】以上、本発明に係る実施の形態を実施例に
基づいて説明したが、本発明は、このような実施例に限
定されるものではなく、特許請求の範囲の技術的事項の
範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもな
い。 【0029】 【発明の効果】本発明は以上の構成であるから、アクチ
ュエータ取付部から基部に加わる慣性による反動力が除
去されるため、基部の振動を発生原因の段階から防ぐこ
とができる。また、アクチュエータ可動部の合成重心の
位置が変化しないため、重力バランスの変化による揺動
も防ぐことができる。 【0030】各アクチュエータユニットにおいて位置サ
ーボ系が構成されていれば、それらに対する開ループの
位置信号指令で実現できるため、振動加速度センサなど
の付加的なセンサフィードバック信号は不要であり、構
成が簡潔である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [0001] [0001] The present invention relates to a linear motion actuator.
About [0002] 2. Description of the Related Art Linear actuators are used for precision machinery,
Positioning in parts handling such as circuit assembly
Widely used in such as. In these operations, jigs etc.
High-speed and precise positioning of a large mass
Is required. [0003] In such applications, large mass
When the load is accelerated or decelerated with high acceleration,
Strong reaction force is generated in the opposite direction. Such reaction force
When transmitted to the base where the tutor is attached,
This causes vibration and hinders precise positioning. Conventionally, vibrations generated in this way are suppressed.
Attach the actuator to the anti-vibration table to
Vibration is passively absorbed by its characteristics and damping characteristics.
Furthermore, the vibration isolator itself is activated using another actuator.
Drive, measure vibration acceleration, etc.
Method to forcibly suppress vibration by
Had been. [0005] The conventional method as described above
Then, in order to suppress vibrations quickly and remove them promptly,
A large anti-vibration table or powerful anti-vibration actuator is required.
You. Also, the reaction force is transmitted to the floor through the vibration isolator,
The building where the equipment is installed is also required to be robust. Conventional techniques require extensive vibration isolation measures
The reason was to suppress the vibration after it had already occurred.
And the reaction force that causes vibration
This is because it is transmitted to the base of the actuator. So in the present invention
Has a structure in which the reaction force itself due to inertia is not transmitted to the base.
To eliminate the occurrence of vibration from the stage of its cause.
To provide a linear actuator that can be removed
Is the subject. [0007] The present invention solves the above-mentioned problems.
Lower actuator unit located on the base to
Knit and mounted on the lower actuator unit
Driven linearly by the lower actuator unit
Linear actuator having an upper actuator unit
The upper actuator unit is
With the load mounted and driven on a straight line parallel to the above straight line
The mounted object and the upper actuator
The projected position of the unit's composite center of gravity on the horizontal plane does not change.
The upper actuator unit and the lower
To drive the actuator units in opposite directions
Therefore, the horizontal reaction force due to the acceleration / deceleration of the load
Is isolated from the base to prevent generation of vibration.
And a linear motion actuator. [0008] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment according to the present invention will now be described.
This will be described below with reference to the drawings. Specific of the present invention
Before explaining the general configuration, the general configuration of the conventional and the present invention
Will be described in comparison. FIG. 1 schematically shows a conventional linear motion actuator.
FIG. Actuator 1 installed on base 4
And the actuator 1
Configuration in which the object 2 mounted on 1 moves in the horizontal direction in the figure
It has become. Now, let the mass of the object 2 be M,
Let X be the displacement of the center of gravity of the object 2 from the point O. Object 2 accelerates
Degree d2X / dt2When driven by
A reaction force due to inertia is applied to the base 4 through the attachment 3.
The magnitude of the reaction force F is represented by the following equation (1). [0011] ## EQU1 ## F = -M (d2X / dt2 ) FIG. 2 shows a linear motion actuator according to the present invention.
It is a figure explaining the outline of. Actuator on base 5
The lower actuator unit 7 is provided via the attachment 6
Have been. Further, the lower actuator unit 7
Means that the upper actuator unit 8 is
Mounted on the unit 7 so as to move in a straight line.
You. This upper actuator unit 8 carries an object 9
are doing. The mass of the object 9 (the upper actuator unit)
M including the movable part of2, Upper actuator unit
The mass of the knit 8 is M1And Also, is the origin O of the base 5
Let X be the displacement of the center of gravity of the object 92, Actuator 8 weight
X is the displacement of the heart1And The object 9 has an acceleration d2X2/ Dt
2Then, the upper actuator unit 8 has the acceleration d2X 1
/ Dt2When moving with
The magnitude of the reaction force F applied to the base 5 through the attaching portion 6 is several
It is expressed by Equation 2. [0014] ## EQU2 ## F = -M1(D2X1/ Dt2) -M2(D
2X2/ Dt2) By the way, the upper actuator unit 8
Displacement X of the composite center of gravity of object and object 93Is represented by Expression 3. [0016] [Formula 3] X3= (M1X1+ M2X2) / (M1+ M
2) As shown in Expression 4, X3Is a constant value a
Lower actuator unit 7 and
The upper actuator unit 8 is driven. [0018] [Formula 4] X3= (M1X1+ M2X2) / (M1+ M
2) = A For this purpose, the upper actuator unit
Relative displacement of the object 9 with respect to the lower actuator unit 8
Relative change of the upper actuator unit 8 with respect to the
Position (M1+ M2) / M2Actuators to be doubled
It is only necessary to control the data units 7 and 8. At this time, Equation 4
When time-differentiated twice, Equation 5 is obtained.
Thus, the reaction force F = 0. That is, actuator mounting
Base through actuator mounting section 6 through section 6
The reaction force applied to 5 becomes zero. [0020] [Formula 5] d2X3/ Dt2= (M1d2X1/ Dt2
+ M2d2X2/ Dt2) / (M1+ M2) = 0 (Embodiment) A linear motion actuator according to the present invention
Linear actuator
, Ball screw, rack and pinion, hydraulic cylinder, empty
Various linear drive elements such as pneumatic cylinders can be used.
Wear. However, to keep the relationship of Equation 4 always,
To control the actuator units 7 and 8 synchronously
Next, the displacement of each actuator unit 7, 8 is measured.
Displacement sensors such as potentiometers, encoders, and resolvers
Sensor is required. In general, the feed from these displacement sensors
To each actuator unit 7 and 8 by the feedback signal
And configure the position servo system.
Is given a position command signal that maintains the relationship of Equation 4.
You. Further, the change of the upper actuator unit 8 is performed.
A signal obtained by multiplying the position sensor signal by a certain coefficient
By giving a position command to the actuator unit 7,
However, the same control can be realized. FIG. 3 uses a ball screw and a servomotor.
An example will be described. This actuator is a lower actuator
Unit 7 and the upper actuator unit 8
You. Servo motors 10 and 11 each have a ball screw 1
2 and 13, and drive the sliders 14 and 15 in a straight line.
Move. The slider 14 is connected to the upper actuator unit 8
With. The slider 15 has the object 9 mounted thereon. The servo
The rotation angles of the motors 10 and 11 are measured by encoders 16 and 17.
And the sensor signals are fed to the controllers 18 and 19.
Will be played back. Controllers 18 and 19 are respectively
Calculate the deviation between the position command value and the feedback signal, and
The drive current of the motors 10 and 11 is output. The target displacement of the object 9 is X2d(T)
And the controller 18 (lower actuator unit)
7) has-(M2/ M1) ・ X2d(T), control
La (upper actuator unit 8) has (M1+
M2) / M1・ X2dContinuously apply the position command value of (t)
I can. The embodiment according to the present invention has been described above as an example.
However, the present invention is limited to such an embodiment.
It is not specified,
It goes without saying that there are various embodiments within the scope.
No. [0029] Since the present invention has the above configuration, the activator
The reaction force due to the inertia applied to the base from the
To prevent vibration of the base from the stage of the cause.
Can be. In addition, the composite center of gravity of the actuator
Oscillation due to change in gravity balance because the position does not change
Can also be prevented. In each actuator unit, the position
Open-loop systems for these
Vibration acceleration sensor, etc., which can be realized by position signal command
No additional sensor feedback signal is required
The result is simple.

【図面の簡単な説明】 【図1】従来の直動アクチュエータの概略図を示す。 【図2】本発明の直動アクチュエータの概略図を示す図
である。 【図3】本発明のボールねじとサーボモータによる構成
例を示す図である。 【符号の説明】 1 アクチュエータ 2、9 物体(被搭載物) 3、6 アクチュエータ取付部 4、5 基部 7 下部アクチュエータユニット 8 上部アクチュエータユニット 10、11 サーボモータ 12、13 ボールねじ 14、15 スライダ 16、17 エンコーダ 18、19 コントローラ
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 shows a schematic view of a conventional linear actuator. FIG. 2 is a diagram showing a schematic view of a linear motion actuator of the present invention. FIG. 3 is a diagram showing a configuration example using a ball screw and a servomotor of the present invention. [Description of Signs] 1 Actuator 2, 9 Object (mounting object) 3, 6 Actuator mounting part 4, 5 Base 7 Lower actuator unit 8 Upper actuator unit 10, 11 Servo motor 12, 13 Ball screw 14, 15 Slider 16, 17 Encoder 18, 19 Controller

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】 基部上に配設された下部アクチュエー
タユニットと、該下部アクチュエータユニット上に搭載
され該下部アクチュエータユニットにより直線上で駆動
される上部アクチュエータユニットを備えて成る直動ア
クチュエータであって、 上部アクチュエータユニットは、被搭載物を搭載して上
記直線と平行な直線上で駆動するものであり、 上記被搭載物および上記上部アクチュエータユニットの
合成重心の水平面上への投影位置が変化しないように上
記上部アクチュエータユニットと上記下部アクチュエー
タユニットを互いに逆方向に駆動することによって、上
記被搭載物の加減速による水平方向の反動力を上記基部
から遮断し振動の発生を防ぐことを特徴とする直動アク
チュエータ。
1. A direct actuator comprising: a lower actuator unit disposed on a base; and an upper actuator unit mounted on the lower actuator unit and driven linearly by the lower actuator unit. A dynamic actuator, wherein the upper actuator unit is mounted on and driven on a straight line parallel to the straight line, and projects a composite gravity center of the mounted object and the upper actuator unit onto a horizontal plane. By driving the upper actuator unit and the lower actuator unit in directions opposite to each other so that the position does not change, a horizontal reaction force due to acceleration / deceleration of the mounted object is cut off from the base to prevent generation of vibration. A linear motion actuator.
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