JP2006220283A - 位置決め制御用空気圧シリンダ - Google Patents

Abstract

【課題】 位置決め制御用空気圧シリンダにおいて、位置決め目標位置近傍等で発生するピストンの微振動を、極めて簡単な手段によって効果的に抑制する。
【解決手段】 位置決め制御によりピストン５を目標位置に停止させる空気圧シリンダ１のピストンロッド６に微振動抑制機構２０を付設する。この微振動抑制機構２０は、ピストンロッド６と接触する一対のシール部材２１ａで形成された摩擦部材２１を有し、該摩擦部材によりロッド６の周囲に供給される圧縮空気の空気溜まり２２が形成され、上記摩擦部材２１を介してロッド６との間に微振動を抑制する摺動摩擦を発生させるための圧縮空気を上記空気溜まり２２に給排する空気流路２３を設けたものである。
【選択図】 図３

Description

本発明は、位置決め制御によりピストンを目標位置に停止させるようにした空気圧シリンダに関するものであり、更に詳しくは、位置決め目標位置近傍等におけるピストンの微振動を簡単な手段で抑制できるようにした位置決め制御用空気圧シリンダに関するものである。

空気圧シリンダを用いて任意の中間停止位置での位置決め制御を行う際には、位置決め目標位置近傍または位置決めのための移動途中で、ピストンに微振動が発生しやすく、これが高性能な位置決め制御の障害となっている。
その原因は、次のように考えられる。
電気、油圧の位置決め制御系と比べて、空気圧シリンダを用いた位置決め制御系（例えば図１における微振動抑制機構２０を備えない制御系）では、低剛性かつ減衰不足という特性を有し、加えて、ピストンパッキン（図１の５ａ）は中立点近傍で転がりや捻れを発生しやすく、それに伴って摩擦抵抗に大きな変動が生じやすいものである。本来、パッキン部に発生するクーロン摩擦と粘性摩擦が大きいほど、ピストンの微振動を抑制する効果がある。しかし、通常のシリンダでは大径のピストンパッキンの摩擦力が小径のロッドパッキンのそれより遥かに大きく、駆動系全体の摩擦特性を支配的に決定している。そのため、ピストンパッキンに転がりと捻れが発生すると、ロッドに対する摩擦抵抗が著しく低下して、微振動を阻止する効果が低下し、場合によっては振動を助長する働きをしてしまうことになる。

このような問題と関連し、従来、ピストンロッドに電気粘性流体による可変ダンパを付設した空気圧シリンダ（特許文献１）や、摺動部に静圧軸受けを採用して精密位置決めを行う装置（特許文献２）等が知られている。前者の空気圧シリンダは、往復移動するピストンのロッドに電気粘性流体を有するダンパピストンを設け、このダンパピストンにおける電界の制御により該電気粘性流体の流動特性を変化させ、ロッドの移動抵抗を制御するものであり、一方、後者の位置決め装置は、圧力室にサーボ弁を介して制御された流体を供給するシリンダにおいて、静圧軸受による非接触式のピストンを用い、精密制御装置による位置決め制御精度、荷重制御精度の向上を図るようにしたものである。

しかしながら、これら方式で位置決め制御を行う従来の装置では、ピストンあるいはピストンロッドの摩擦特性を制御するための設備が大型、複雑であって、結果的にはいずれの場合も装置が高価なものになる。しかも、静圧軸受けを採用した場合には、摺動摩擦が殆ど無く、摩擦によるダンピング効果が期待できないため、上記微振動が発生しやすくなる傾向にある（特許文献２の図１２参照）。

特開平１１−２８７２１２号公報 特開２００４−１４４１９６号公報

本発明の技術的課題は、位置決め制御用空気圧シリンダにおいて、位置決め目標位置近傍または位置決めのための移動途中で発生するピストンの微振動を、極めて簡単な手段によって効果的に抑制し、高速・高精度な位置決めを実現可能にすることにある。

上記課題を解決するための本発明の位置決め制御用空気圧シリンダは、位置決め制御によりピストンを目標位置に停止させる空気圧シリンダのピストンロッドに微振動抑制機構を付設することにより構成され、上記微振動抑制機構は、ピストンロッドと接触する摩擦部材を有し、該摩擦部材によりロッドの周囲に供給される圧縮空気の空気溜まりが形成され、上記摩擦部材を介してロッドとの間に微振動を抑制する摺動摩擦を発生させるための圧縮空気を上記空気溜まりに給排する空気流路を設けたことを特徴とするものである。

上述した本発明の位置決め制御用空気圧シリンダの好ましい実施形態においては、上記微振動抑制機構を構成する摩擦部材、空気溜まり及び空気流路が、ロッドカバーまたはそれに連結した連結部材内に配設され、また、ピストンロッドの表面に接する上記摩擦部材が、空気溜まりにおけるピストンロッドの軸線方向両端においてロッド表面との間をシールする機能を備えた一対のシール部材により構成され、更に、上記一対のシール部材が、空気溜まりからの圧縮空気の流出を抑止するＶパッキンからなり、両Ｖパッキン間に圧縮空気を給排する空気流路が開設されたものとして構成される。
本発明の他の好ましい実施の形態においては、上記空気流路に、空気溜まりに供給する圧縮空気の圧力を調整するための圧力調整手段が設けられる。

上記構成を有する位置決め制御用空気圧シリンダにおいては、微振動抑制機構における空気溜まりに、必要に応じて圧力調整された圧縮空気を供給することにより、ピストンロッドに接触している摩擦部材を該ロッドに押し付け、それらの間に上記微振動を抑制する摺動摩擦を発生させるため、効果的に上記微振動を抑制することができる。

このように、本発明の位置決め制御用空気圧シリンダによれば、位置決め目標位置近傍または位置決めのための移動途中で発生するピストンの微振動を、極めて簡単な手段によって効果的に抑制し、高速・高精度な位置決めを実現することができる。
また、上記摩擦部材の付設により、ピストンロッドの径方向の振動抑制にも効果があることが実験的に確認されている。

図１及び図２は、本発明に係る位置決め制御用空気圧シリンダの実施の一例を示している。この位置決め制御用空気圧シリンダにおいては、基本的には、図１に示すように、空気圧シリンダ１におけるシリンダチューブ２の両端をヘッドカバー３及びロッドカバー４によって閉鎖し、上記シリンダチューブ２内に摺動自在に嵌装したピストン５のロッド６を、上記ロッドカバー４を貫通させて外部に導出している。上記ピストン５にはゴム弾性を有する素材からなるピストンパッキン５ａが装着されるが、図示するように、断面がダルマ型のものが多用されている。そして、上記ピストン５で区画されたヘッド側及びロッド側の圧力室７，８に、コントローラ１０で制御される５ポートのサーボ弁１１から、それぞれの給排ポート７ａ，８ａを通して必要な圧縮空気を供給し、ピストン５の位置決め制御を行うようにしている。

この位置決め制御は、上記ロッド６に設けた磁気目盛１２ａを磁気センサ１２ｂで検知するなどの手段でシリンダの動作位置を検出する位置センサ１２を設け、上記コントローラ１０において、該位置センサ１２からのシリンダ位置信号と外部から与えられるピストンの停止目標位置についての指令信号とに基づいて、上記サーボ弁１１からシリンダの圧力室７，８に給排する圧縮空気を制御し、ピストン５を所定の目標位置に停止させるものである。

上記空気圧シリンダの位置決め制御系は、従来から極めて一般的に利用されているものの一例であり、本発明においては、上記制御系に限らず、各種位置決め制御系に適用することができるが、いずれの位置決め制御系でも、前述したように、ピストンパッキン５ａは中立点近傍で転がりや捻れを発生しやすく、それに伴って摩擦抵抗に大きな変動が生じやすいものである。
そこで、本発明に係る位置決め制御用空気圧シリンダにおいては、上記シリンダ１のロッドカバー４に簡単な構成の微振動抑制機構２０を付設している。

上記微振動抑制機構２０は、図１及び図２に示すように、ロッドカバー４内においてピストンロッド６と接触して摺動摩擦を発生する摩擦部材２１を有していて、該摩擦部材２１によりロッド５の周囲に圧縮空気の空気溜まり２２を形成し、上記ロッドカバー４に、上記空気溜まり２２へ圧縮空気を給排するための空気流路２３を設けたものである。上記空気溜まり２２に供給される圧縮空気は、摩擦部材２１を介して、ロッド６との間にその微振動を抑制する摺動摩擦を発生させるためのものである。
なお、上記微振動抑制機構２０を構成する摩擦部材２１、空気溜まり２２及び空気流路２３は、必ずしもロッドカバー４に設ける必要はなく、ロッドカバー４に連結した別体の連結部材内等に配設することもできる。

更に具体的に説明すると、上記ピストンロッド６の表面に接する上記摩擦部材２１は、空気溜まり２２におけるピストンロッド６の軸線方向両端においてロッド６の表面との間をシールする機能を備えた一対のＶパッキン等からなるシール部材２１ａ，２１ａによって形成している。これらのシール部材２１ａ，２１ａは、空気溜まり２２における空気流路２３の開口部分の両側に形成された該空気溜まり２２の一部を構成する凹溝２５，２５内において、該空気溜まり２２からの圧縮空気の流出を抑止するように、両Ｖパッキンの舌片を互いに対向する内側に向けて収容し、該凹溝２５によってシール部材２１ａの移動を制限している。

上記摩擦部材２１を構成するシール部材２１ａ，２１ａとピストンロッド６との間の摺動摩擦は、空気溜まり２２に導入された圧縮空気の圧力によって決定され、それによってシール部材２１ａ，２１ａからロッド６に付与される摺動摩擦は、ロッド６の微振動を抑制できるものであればよい。望ましくは、圧縮空気からシール部材を介して受ける軸方向の力がロッド６から受ける摩擦力よりも十分大きいように設計される。また、摩擦部材にはグリースなどの潤滑剤が塗布されている。

また、上記空気流路２３には、図１に示すように、空気溜まり２２に供給する圧縮空気の圧力を調整するための減圧弁２８等の圧力調整手段を設けることができる。この圧力調整手段を設けることにより、ここの空気圧シリンダ自体の特性、あるいは、空気圧シリンダの使用条件等に応じて、摩擦部材２１を介して付与する摺動摩擦を調整することができる。但し、空気流路２３を通して空気溜まり２２に供給する空気圧は、精密に設定する必要はなく、微振動を抑制できる程度であればよい。また、摩擦部材２１の形状やロッド６との接触面の寸法等を変えることによっても摺動摩擦が変わるので、上記空気溜まり２２に供給する空気圧は諸般の事情を考慮して決定されるべきである。
このような構成により、ロッド６の相対運動に対して摩擦部材２１が安定な減衰力を発生するため、ロッドの微振動を抑制する効果を得ることができる。

図３は本発明に係る位置決め制御用空気圧シリンダの他の実施例を示し、この実施例では、サーボ弁１１からロッド側圧力室８に圧縮空気を給排する流路を給排ポート８ａ内において分岐し、その分岐管を空気溜まり２２への空気流路２３としている。
ここで、上記図３に示した位置決め制御用空気圧シリンダのその他の構成及び作用は、実質的に図１で説明した実施例と同一であるから、主要な同一部分または相当部分に同一符号を付して、それらの説明を省略する。

次に、図４〜図８を参照して、本発明の位置決め制御用空気圧シリンダについての各種実験例について説明する。
先ず、図４〜図６の実験例は、本発明については図３及び図２に示したものと実質的に同じ空気圧シリンダ１を用い、従来例については図１に示すものにおいて微振動抑制機構２０を備えない空気圧シリンダを用い、それらの図中に示した条件で実験を行った結果を示している。それら以外は本発明の場合と従来例の場合とは全て同条件である。そして、各図Ａ，Ｂは、空気圧シリンダを駆動した場合における目標位置近傍（図４及び図５）、または移動途中（図６）でのロッドの変位を示すもので、各Ａにおいてはロッドの変位の全体を、各Ｂにおいては目標位置付近での拡大図として示している。

各図のＢ及び図６のＡにおいて明瞭なように、前記微振動抑制機構２０を備えた本発明の空気圧シリンダの場合には、従来例に比して上記微振動抑制機構２０による微振動のダンピング効果が顕著であり、全体の応答時間にほとんど影響を及ぼすことなく、微振動を抑制し、安定的な位置決めの実現に寄与している。

また、図７のＡ，Ｂは、本発明と従来例について、上述したところと同様な空気圧シリンダを用い、ピストンロッド６の径方向の変位をレーザー変位計で測定した結果を示すもので、いずれの場合も常に測定系のノイズが現れているが、同図Ａに示す本発明の場合にはロッド６の径方向変位がほとんど認められないのに対し、同図Ｂに示す従来例の場合には、０．０３ｍｍ程度のうねり波形として径方向変位が認められる。
この実験結果によれば、微振動抑制機構２０の存在により、図４〜図６によって示したロッドの微振動の抑制ばかりでなく、径方向の振動を抑制する効果もあることを確認することができた。

また、図８は、上記空気溜まり２２に加えた空気圧力と摩擦部材２１の摺動抵抗の変化の傾向を示している（摺動速度：５０ｍｍ／ｓ）。同図からわかるように、空気流路２３を通して空気溜まり２２に供給した密封圧力の若干の変動は、ロッド６の摺動抵抗に格別大きな変動を与えないので、前述したように、空気圧溜まり２２に加える圧力は精密に設定する必要はない。また、この図８は、実験に供した摩擦部材２１についてのデータであって、摩擦部材の形状やロッド６との接触面の寸法等を変えることにより摺動摩擦が大幅に変わるので、上記空気溜まり２２に供給する空気圧は現実に即して決定されるべきである。

本発明に係る位置決め制御用空気圧シリンダの一実施例の構成を模式的に示す要部縦断構成図である。 上記実施例における微振動抑制機構の断面図である。 本発明に係る位置決め制御用空気圧シリンダの他の実施例の構成を模式的に示す要部縦断構成図である。 Ａ及びＢは、本発明及び従来例の空気圧シリンダを駆動した実験例におけるロッドの変位を示すもので、Ａは変位の全体を、Ｂは目標位置付近での拡大図として示す変位のグラフである。 Ａ及びＢは、図４とは異なる条件で同様な実験を行った場合の同様なグラフである。 Ａ及びＢは、図４とは異なる条件で同様な実験を行った場合の同様なグラフである。 Ａ及びＢは、本発明と従来例の空気圧シリンダを駆動した場合のロッドの径方向の変位を示すもので、Ａは本発明のロッドの変位を、Ｂは従来例のロッドの変位を示すグラフである。 微振動抑制機構の空気溜まりに加えた圧力と摺動抵抗の変化の傾向を示すグラフである。

符号の説明

１ 空気圧シリンダ
４ ロッドカバー
５ ピストン
６ ピストンロッド
２０ 微振動抑制機構
２１ 摩擦部材
２１ａ シール部材
２２ 空気溜まり
２３ 空気流路
２８ 圧力調整手段

Claims (5)

1. 位置決め制御によりピストンを目標位置に停止させる空気圧シリンダのピストンロッドに微振動抑制機構を付設することにより構成され、
   上記微振動抑制機構は、ピストンロッドと接触する摩擦部材を有し、該摩擦部材によりロッドの周囲に供給される圧縮空気の空気溜まりが形成され、
   上記摩擦部材を介してロッドとの間に微振動を抑制する摺動摩擦を発生させるための圧縮空気を上記空気溜まりに給排する空気流路を設けた、
   ことを特徴とする位置決め制御用空気圧シリンダ。
2. 上記微振動抑制機構を構成する摩擦部材、空気溜まり及び空気流路を、ロッドカバーまたはそれに連結した連結部材内に配設した、
   ことを特徴とする請求項１に記載の位置決め制御用空気圧シリンダ。
3. ピストンロッドの表面に接する上記摩擦部材が、空気溜まりにおけるピストンロッドの軸線方向両端においてロッド表面との間をシールする機能を備えた一対のシール部材からなる、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の位置決め制御用空気圧シリンダ。
4. 上記一対のシール部材が、空気溜まりからの圧縮空気の流出を抑止するＶパッキンからなり、両Ｖパッキン間に圧縮空気を給排する空気流路が開設されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の位置決め制御用空気圧シリンダ。
5. 上記空気流路に、空気溜まりに供給する圧縮空気の圧力を調整するための圧力調整手段を設けた、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の位置決め制御用空気圧シリンダ。

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