JP2009050122A - 電動シリンダおよびその駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークに作用する外力の変動を吸収しながら一定の付勢力を実現できる電動シリンダおよびその駆動制御装置を提供する。
【解決手段】ハウジング１０と、ハウジング１０に出没自在に嵌装されたロッド２０と、ロッド２０を進退駆動するネジ軸３０と、ネジ軸３０を軸方向に変位可能に支持するネジ軸支持部４０と、ネジ軸３０を駆動するモータ５０と、ネジ軸３０の変位を検出する変位検出センサと、モータ５０の駆動を制御する駆動制御装置６０とを備え、駆動制御装置６０は、変位検出センサからの検出値によりロッド２０に作用している外力を推定し、その外力を補償するようにトルク指令値を修正するよう構成された電動シリンダＣである。
【選択図】図１

Description

本発明は電動シリンダおよびその駆動制御装置に関する。さらに詳しくは、外力の変動を吸収しながら付勢力を一定となし得る電動シリンダおよびその駆動制御装置に関する。

従来より、加工装置においてはワークをクランプするクランプ機構のアクチュエータとして、ワークに作用する外力の影響を緩和しながら一定の付勢力を実現できるところからエアシリンダが用いられている。

ところで、アクチュエータとしてエアシリンダを用いた場合、駆動用エアを供給するためにコンプレッサなどのエア供給源およびエア配管が必要となり、装置が大掛かりになるという欠点がある。

かかるアクチュエータとしてエアシリンダを用いた場合の欠点を解消する方策として、アクチュエータに電動シリンダを用いることが考えられる。

しかしながら、電動シリンダはモータの回転力によりピストンロッドを進退させる構成とされているところから、ワークに作用する外力の変動を吸収しながら一定の付勢力を実現できないという問題がある。

なお、タレットのクランプをなすクランプ装置のサーボ制御については、特許文献１に提案がなされている。
特開２０００−３０５６２９号公報

本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、ワークに作用する外力の変動を吸収しながら一定の付勢力を実現できる電動シリンダおよびその駆動制御装置を提供することを目的としている。

本発明の電動シリンダは、ハウジングと、該ハウジングに出没自在に嵌装されたロッドと、該ロッドを進退駆動するネジ駆動機構と、該ネジ駆動機構を軸方向に変位可能に支持するネジ駆動機構支持部と、前記ネジ駆動機構を駆動するモータと、前記ネジ駆動機構の変位を検出する変位検出センサと、前記モータの駆動を制御する駆動制御装置とを備えてなる電動シリンダであって、前記駆動制御装置は、前記変位検出センサからの検出値によりロッドに作用している外力を推定し、その外力を補償するようにトルク指令値を修正するよう構成されてなることを特徴とする。

本発明の電動シリンダにおいては、モータが、モータの回転数を検出する回転数検出センサを備え、駆動制御装置が、前記回転数検出センサからのモータの回転数からロッドの速度を算出し、その速度に基づいてトルク制限値を生成し、そのトルク制限値によりトルク指令値を制限処理するよう構成されてなるのが好ましい。

また、本発明の電動シリンダにおいては、モータが、ステッピングモータとされ、駆動制御装置が、動作指令からロッドの速度を算出し、その速度に基づいてトルク制限値を生成し、そのトルク制限値によりトルク指令値を制限処理するよう構成されてなるのが好ましい。

一方、本発明の電動シリンダの駆動制御装置は、電動シリンダに設けられた変位検出センサからの検出値によりロッドに作用している外力を推定し、その外力を補償するようにトルク指令値を修正するよう構成されてなることを特徴とする。

本発明の電動シリンダの駆動制御装置においては、モータに設けられた回転数検出センサからのモータの回転数からロッドの速度を算出し、その速度に基づいてトルク制限値を生成し、そのトルク制限値によりトルク指令値を制限処理するよう構成されてなるのが好ましい。

また、本発明の電動シリンダの駆動制御装置においては、モータが、ステッピングモータとされ、動作指令からロッドの速度を算出し、その速度に基づいてトルク制限値を生成し、そのトルク制限値によりトルク指令値を制限処理するよう構成されてなるのが好ましい。

本発明によれば、電動シリンダのロッドに作用する外力に変動があっても、その変動を吸収して一定の保持力を維持できるという優れた効果が得られる。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。

実施形態１
本発明の実施形態１に係る電動シリンダを図１に概略図で示す。

電動シリンダＣは、図１に示すように、ハウジング１０と、ハウジング１０に出没自在に嵌装された有蓋中空ロッド２０と、ロッド２０内の基端側に固着されたナット２１と、ナット２１に螺合してロッド２０を進退駆動する駆動ネジ部３１を有するネジ軸３０と、ネジ軸３０を回転可能かつ軸方向に変位可能に支持するネジ軸支持部４０と、ロッド２０の軸方向の変位を検出する変位検出センサ（図示省略）と、ネジ軸３０を回転駆動するモータ５０と、モータ５０の駆動を制御する駆動制御装置６０とを主要構成要素として備えてなるものとされる。

ハウジング１０は有蓋中空体とされ、蓋１１の中央にロッド２０が進退する透孔１２が形成されている。また、その基端がモータ５０の前面に設けられた接合部材５１に固設されている。なお、図示はされていないが、ハウジング１０の適宜位置に、後述する変位検出センサを構成する磁気センサが配設されている。

ロッド２０は基端にハウジング内をスライド自在とされたガイド部材２２を有し、このガイド部材２２は、ハウジング１０内面に沿ってスライドすることによりロッド２０の出没（進退）をガイドするものとされる。このガイド部材２２の中央には、ナット２１が挿通・固着される透孔２３が形成されている。なお、図示はされていないが、ロッド２０の前記磁気センサに対応する位置には、軸方向に所定の着磁がなされている。

ネジ軸３０は、図１に示すように、ネジ軸支持部４０に挿通される箇所に鍔３２が設けられ、ロッド２０の変位をネジ軸支持部４０に伝達するようにされている。

ネジ軸支持部４０は、ネジ軸３０の駆動ネジ部側を支持する前部支持機構４１と、ネジ軸３０のモータ側を支持する後部支持機構４２と、一端部（前端部）が前部支持機構に保持され他端部（後端部）が後部支持機構に保持されたコイルバネ４３と、前部支持機構４１および後部支持機構４２をスライド自在に保持する保持部材４４とを含むものとされ、前部支持機構４１と後部支持機構４２とが所定間隔で配置されてロッド２０の外力による変動を吸収できるようにされている。

前部支持機構４１は、図１に示すように、前端部にネジ軸３０を回転可能に支持するベアリング格納部４１ａが設けられた筒状体とされ、その筒状部４１ｂにコイルバネ４３の前端部が保持される。

後部支持機構４２は、図１に示すように、前部支持機構４１と前後対称とされ、後端部にネジ軸３０を回転可能に支持するベアリング格納部４２ａが設けられた筒状体とされ、その筒状部４２ｂにコイルバネ４３の後端部が保持される。

保持部材４４は有蓋中空体とされ、蓋４４ａの中央にはネジ軸３０に設けられた鍔３２が挿通される透孔４４ｂが形成されている。また、また、その基端がモータ５０の前面に設けられた接合部材５１に固設されている。

変位検出センサは、ロッド２０の一部に軸方向に形成された着磁部と、この着磁部の変動を検出するようハウジング１０に配設された磁気センサとにより構成される。ただし、変位検出センサはこれに限定されるものではなく適宜とでき、例えばホール素子を用いたものとすることもできる。

モータ５０は、ネジ軸３０を正逆回転させてロッド２０を進退させるとともに、ロッド２０に作用する外力に抗してロッド２０に一定の付勢力を付与するように駆動制御されるものとされる。

モータ５０の駆動軸５２とネジ軸３０とは、駆動軸５２の先端部に装着された連結部材５３を介して接合されている。この接合は、例えばスプライン結合とされ、ネジ軸３０が軸方向にスライド可能とされている。なお、スプライン接合に代えてセレーション接合とされてもよい。

駆動制御装置６０は、図２に示すように、モータ５０の動作指令に対応したトルク指令値を生成して出力する１次トルク指令値生成部６１と、モータ５０の回転数を検出する回転数検出センサ（図４参照）からの回転数に基づいてロッド２０の速度を算出して出力するロッド速度算出部６２と、ロッド速度算出部６２からのロッド速度に基づいてトルク制限値（図３参照）を生成して出力するトルク制限値生成部６３と、トルク制限値生成部６３からのトルク制限値に基づいて１次トルク指令値生成部６１からの１次トルク指令値を制限処理して２次トルク指令値を生成して出力する２次トルク指令値生成部６４と、変位センサ（図４参照）からのロッド２０の変位に基づいて外力を推定して出力する外力推定部６５と、外力推定部６５からの外力推定値に基づいてトルク補正値を生成して出力するトルク補正値生成部６６と、２次トルク指令値生成部６４からの２次トルク指令値をトルク補正値生成部６６からのトルク補正値により修正処理して修正トルク指令値を生成して出力する修正トルク指令値生成部６７と、修正トルク指令値生成部６７からの修正トルク指令値に基づいて所要電流値を生成して出力する電流指令値生成部６８と、電流指令値生成部６８からの電流指令値に基づいて駆動電流を生成して、つまり電力増幅を行ってモータに電力を供給する駆動電流生成部６９とを備えてなるものとされる。

図４に、かかる各部を備えた駆動制御装置６０の一例を制御ブロック図で示す。

次に、かかる構成とされた電動シリンダＣの動作について説明する。

手順１：ロッド速度算出部６２は、回転数検出センサからのモータ５０の回転数に基づいて、ロッド２０の速度を算出して１次トルク指令値生成部６１およびトルク制限値生成部６３に出力する。

手順２：１次トルク指令値生成部６１は、図示しない主制御装置からの動作指令およびロッド速度算出部６２からのロッド２０の速度に基づいて、１次トルク指令値を生成して２次トルク指令値生成部６４に出力する。

手順３：トルク制限値生成部６３は、ロッド速度算出部６２からのロッド２０の速度に基づいてトルク制限値を生成して２次トルク指令値生成部６４に出力する。

手順４：２次トルク指令値生成部６４は、１次トルク指令値生成部６１からの１次トルク指令値をトルク制限値生成部６３からのトルク制限値により制限処理して２次トルク指令値を生成し、修正トルク指令値生成部６７に出力する。

手順５：外力推定部６５は、変位センサからのロッド２０の変位に基づいてロッド２０に作用している外力を推定してトルク補正値生成部６６に出力する。

手順６：トルク補正値生成部６６は、外力推定部６５からの外力推定値に基づいてトルク補正値を生成して修正トルク指令値生成部６７に出力する。

手順７：修正トルク指令値生成部６７は、２次トルク指令値生成部６４からの２次トルク指令値およびトルク補正値生成部６６からのトルク補正値を演算処理して修正トルク指令値を生成して、つまり外力を補償したトルク指令値を生成して電流指令値生成部６８に出力する。

手順８：電流指令値生成部６８は、修正トルク指令値生成部６７からの修正トルク指令値に基づいて電流指令値を算出して駆動電流生成部６９に出力する。

手順９：駆動電流生成部６９は、電流指令値生成部６８からの電流指令値に基づいて駆動電流を生成して、つまり電力増幅をしてモータ５０に供給する。

手順１０：モータ５０は供給された電力により駆動され、ロッド２０を所定速度で進退駆動し、または一定の推力を保持させる。

手順１１：手順１に戻る。

このように、この実施形態１によれば、ロッド２０に作用する外力に変動があってもその変動を吸収してロッド２０に一定の推力を実現させることができる。

例えば、図５に示すように、起動から一定時間は一定加速度により加速しながらロッド２０を進出させ、ついで一定速度（高速）でロッド２０の進出を継続して目標点に到達させ、その後電流を増大させて所定トルクとし、しかる後そのトルクを維持させる、というような動作をさせることができる。

また、ロッド２０の変位を検出してその変位を解消するように制御しているので、バネ４３に劣化が生じても一定の付勢力を維持することができる。

実施形態２
図６に、本発明の実施形態２に係る電動シリンダの駆動制御部を示す。

実施形態２は、実施形態１を改変してなるものであって、モータ５０をステッピングモータとしてモータ５０の回転数を検出する回転数検出センサを省略して駆動制御装置６０の構成を改変してなるものとされる。なお、実施形態２のその余の構成は実施形態１と同様とされているので、以下、実施形態２の実施形態１と異なる点を中心に説明する。

駆動制御装置６０Ａは、図６に示すように、モータ５０の動作指令に対応したトルク指令値を生成して出力する１次トルク指令値生成部６１と、モータ５０の動作指令に基づいてトルク制限値（図３参照）を生成して出力するトルク制限値生成部６３と、トルク制限値生成部６３からのトルク制限値に基づいて１次トルク指令値生成部６１からの１次トルク指令値を制限処理して２次トルク指令値を生成して出力する２次トルク指令値生成部６４と、変位センサからのロッド２０の変位に基づいて外力を推定して出力する外力推定部６５と、外力推定部６５からの外力推定値に基づいてトルク補正値を生成して出力するトルク補正値生成部６６と、２次トルク指令値生成部６４からの２次トルク指令値をトルク補正値生成部６６からのトルク補正値により修正処理して修正トルク指令値を生成して出力する修正トルク指令値生成部６７と、修正トルク指令値生成部６７からの修正トルク指令値に基づいて所要電流値を生成して出力する電流指令値生成部６８と、電流指令値生成部６８からの電流指令値に基づいて駆動電流を生成して、つまり電力増幅を行ってモータに電力を供給する駆動電流生成部６９とを備えてなるものとされる。

図７に、かかる各部を備えた駆動制御装置６０Ａの一例を制御ブロック図で示す。

次に、かかる構成とされた電動シリンダＣの動作について説明する。

手順１：１次トルク指令値生成部６１は、図示しない主制御装置からの動作指令に基づいて、１次トルク指令値を生成して２次トルク指令値生成部６４に出力する。

手順２：トルク制限値生成部６３は、図示しない主制御装置からの動作指令に基づいて、トルク制限値を生成して２次トルク指令値生成部６４に出力する。

手順３：２次トルク指令値生成部６４は、１次トルク指令値生成部６１からの１次トルク指令値をトルク制限値生成部６３からのトルク制限値により制限処理して２次トルク指令値生成し、修正トルク指令値生成部６７に出力する。

手順４：外力推定部６５は、変位センサからのロッド２０の変位に基づいてロッド２０に作用している外力を推定してトルク補正値生成部６６に出力する。

手順５：トルク補正値生成部６６は、外力推定部６５からの外力推定値に基づいてトルク補正値を生成して修正トルク指令値生成部６７に出力する。

手順６：修正トルク指令値生成部６７は、２次トルク指令値生成部６４からの２次トルク指令値およびトルク補正値生成部６６からのトルク補正値を演算処理して修正トルク指令値を生成して電流指令値生成部６８に出力する。

手順７：電流指令値生成部６８は、修正トルク指令値生成部６７からの修正トルク指令値に基づいて電流指令値を算出して駆動電流生成部６９に出力する。

手順８：駆動電流生成部６９は、電流指令値生成部６８からの電流指令値に基づいて、駆動電流を生成して、つまり電力増幅をしてモータ５０に供給する。

手順９：モータ５０は供給された電力により駆動され、ロッド２０を所定速度で進退駆動し、または一定の推力を保持させる。

手順１０：手順１に戻る。

このように、この実施形態２によれば、実施形態１と同様にロッド２０に作用する外力に変動があってもその変動を吸収してロッド２０に一定の推力を実現させることができる。

例えば、図８に示すように、起動から一定時間は一定加速度により加速しながらロッド２０を進出させ、ついで一定速度（高速）でロッド２０の進出を継続して目標点付近（仮想点）に到達させ、一定加速度で速度を所定の低速度とし目標点に到達させ、その後電流を増大させて所定トルクとし、しかる後そのトルクを維持させる、というような動作をさせることができる。

また、モータをステッピングモータとしているので、回転数検出センサを省略でき、駆動制御装置６０Ａの構成の簡素化が図られる。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、ネジ軸の駆動ネジ部をボールネジとすることもできる。

本発明は、電動シリンダに適用できる。

本発明の実施形態１に係る電動シリンダの概略図である。 同電動シリンダの駆動制御装置のブロック図である。 同電動シリンダのトルクとロッドの進出速度との関係を示すグラフである。 同電動シリンダの駆動制御装置の制御ブロック図である。 同電動シリンダの動作パターンの一例のグラフである。 本発明の実施形態２に係る電動シリンダの駆動制御装置のブロック図である。 同駆動制御装置の制御ブロック図である。 同電動シリンダの動作パターンの一例のグラフである。

符号の説明

１０ ハウジング
２０ ロッド
２１ ナット
２２ ガイド部材
３０ ネジ軸
３１ 駆動ネジ部
３２ 鍔
４０ ネジ軸支持部
４１ 前部支持機構
４２ 後部支持機構
４３ コイルバネ
４４ 支持部材
５０ モータ
６０ 駆動制御装置
Ｃ 電動シリンダ

Claims (6)

1. ハウジングと、該ハウジングに出没自在に嵌装されたロッドと、該ロッドを進退駆動するネジ駆動機構と、該ネジ駆動機構を軸方向に変位可能に支持するネジ駆動機構支持部と、前記ネジ駆動機構を駆動するモータと、前記ネジ駆動機構の変位を検出する変位検出センサと、前記モータの駆動を制御する駆動制御装置とを備えてなる電動シリンダであって、
   前記駆動制御装置は、前記変位検出センサからの検出値によりロッドに作用している外力を推定し、その外力を補償するようにトルク指令値を修正するよう構成されてなることを特徴とする電動シリンダ。
2. モータが、モータの回転数を検出する回転数検出センサを備え、
   駆動制御装置が、前記回転数検出センサからのモータの回転数からロッドの速度を算出し、その速度に基づいてトルク制限値を生成し、そのトルク制限値によりトルク指令値を制限処理するよう構成されてなることを特徴とする請求項１記載の電動シリンダ。
3. モータが、ステッピングモータとされ、
   駆動制御装置が、動作指令からロッドの速度を算出し、その速度に基づいてトルク制限値を生成し、そのトルク制限値によりトルク指令値を制限処理するよう構成されてなることを特徴とする請求項１記載の電動シリンダ。
4. 電動シリンダに設けられた変位検出センサからの検出値によりロッドに作用している外力を推定し、その外力を補償するようにトルク指令値を修正するよう構成されてなることを特徴とする電動シリンダの駆動制御装置。
5. モータに設けられた回転数検出センサからのモータの回転数からロッドの速度を算出し、その速度に基づいてトルク制限値を生成し、そのトルク制限値によりトルク指令値を制限処理するよう構成されてなることを特徴とする請求項４記載の電動シリンダの駆動制御装置。
6. モータが、ステッピングモータとされ、
   動作指令からロッドの速度を算出し、その速度に基づいてトルク制限値を生成し、そのトルク制限値によりトルク指令値を制限処理するよう構成されてなることを特徴とする請求項４記載の電動シリンダの駆動制御装置。

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