JP2020034056A - アクチュエータの動作検出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
複動型シリンダの内部は、ピストンにより、第1圧力作用室と、第2圧力作用室とに区画され、第1圧力作用室と第2圧力作用室のそれぞれに、圧縮空気を給気または排気する配管の一端が接続されている。該配管のもう一端には切換弁を介して圧縮空気供給源が接続され、第1圧力作用室への給気と、第2圧力作用室への給気を切換弁によって切り換えることで、ピストンがシリンダ内を往復運動する。
なお、ここで、ピストンの第2圧力作用室側端面にロッドが接続されているものとする。また、ピストンが複動型シリンダの第2圧力作用室側端面に向かって動作し、ロッドが複動型シリンダから突出する方向に動作するのを前進運動とし、ピストンが複動型シリンダ第1圧力作用室端面に向かって動作し、ロッドが複動型シリンダに収納される方向に動作するのを後進運動とする。
しかし、食品工場においては、食品等に使用する洗浄液が複動型シリンダ本体にかかる可能性があり、洗浄液がかかると、磁気検出センサや磁気検出センサの配線が腐食するおそれがあった。
したがって、差圧に急激な変動が生じる前に、差圧が正の値であったか負の値であったかを見ることで、ピストンが複動型シリンダのどちら側の端部に到達したのかを判断することが可能となるのである。
<問題点1>
特許文献1に開示される圧力値によってピストン動作を監視するアクチュエータの動作検出装置においては、スピードコントローラにより動作タクトを遅くした場合に、ピストンの動作を正確に監視することができなくなることを、本願出願人は発見した。
例えば、切換弁の切換周期が1secであるのに対し、スピードコントローラにより排気量を制限し、ピストンの動作タクトを900msecまで遅くしたとすると、図5に示すように、切換弁のソレノイドに電気信号が送られ(t0時点)、切換弁が切り換わり(t1時点)、第1圧力作用室への給気が開始されて第1圧力値P1が上昇を開始するとともに、第2圧力作用室の排気が開始されて第2圧力値P2が減少を開始するが、第1圧力値P1と第2圧力値P2が逆転せず、第2圧力値P2が第1圧力値P1よりも大きい状態のまま、ピストンが前進運動を開始してしまう(t3時点)。
また、特許文献2に開示されるアクチュエータの動作検出装置においては、アクチュエータの動作検出装置に内蔵されるマイクロコンピュータの情報処理に遅延が生じるおそれがあった。
例えば、第1圧力値P1および第2圧力値P2を時間微分することで、圧力値の変化率を監視し、ピストンが複動型シリンダ本体の第1圧力作用室側端面または第2圧力作用室側端面に到達したか否かを監視する場合、図6に示すように、第1圧力作用室の第1圧力値P1の時間微分値dP1は、ピストンの動作開始時(t3時点)の直前に正方向に大きく変動する一方で、動作終了時(t4時点)の変動は小さいため、動作開始時の検出が容易であるが、動作終了時の検出はノイズにより誤検出が発生する可能性がある。また、図7に示すように、第2圧力作用室の第2圧力値P2の時間微分値dP2は、ピストンの動作開始時(t3時点)直前の変動は小さい一方で、動作終了時(t4時点)直前に大きく負方向に変動するため、動作終了時の検出が容易であるが、動作開始時の検出はノイズにより誤検出が発生する可能性がある。
(1)複動型シリンダを有するアクチュエータであって、複動型シリンダ内の空間が、複動型シリンダ内に摺動可能に保持されるピストンにより、第1圧力作用室と、第2圧力作用室とに区画され、ピストンの第2圧力作用室側端面にロッドが連結されているアクチュエータの、ピストンの動作状態を監視するアクチュエータの動作検出装置において、第1圧力作用室の圧力を検出する第1圧力検出器を備えること、第2圧力作用室の圧力を検出する第2圧力検出器を備えること、第1圧力検出器が検出した圧力と、第2圧力検出器が検出した圧力と、ピストンの受圧面積と、に基づき、ピストンに作用する推力を算出する算出器を備えること、推力に基づいて、ピストンの動作状態を確認する監視器を備えること、を特徴とする。
(3)(1)または(2)に記載のアクチュエータの動作検出装置において、監視器は、推力の変化率に基づいて、ピストンの動作状態を確認すること、を特徴とする。
(1)複動型シリンダを有するアクチュエータであって、複動型シリンダ内の空間が、複動型シリンダ内に摺動可能に保持されるピストンにより、第1圧力作用室と、第2圧力作用室とに区画され、ピストンの第2圧力作用室側端面にロッドが連結されているアクチュエータの、ピストンの動作状態を監視するアクチュエータの動作検出装置において、第1圧力作用室の圧力を検出する第1圧力検出器を備えること、第2圧力作用室の圧力を検出する第2圧力検出器を備えること、第1圧力検出器が検出した圧力と、第2圧力検出器が検出した圧力と、ピストンの受圧面積と、に基づき、ピストンに作用する推力を算出する算出器を備えること、推力に基づいて、ピストンの動作状態を確認する監視器を備えること、を特徴とするので、第1圧力検出器および第2圧力検出器が、それぞれ第1圧力作用室の圧力および第2圧力作用室の圧力を検出し、算出器が、第1圧力作用室の圧力、第2圧力作用室の圧力およびピストンの受圧面積にもとづいて、ピストンに作用する推力を算出する。そして、算出された推力に基づいて、監視器がピストンの動作状態を確認することができる。ピストン前進運動時はピストンの第1作用力F1が、第2作用力F2より大きく、ピストン後進運動時は第2作用力F2が第1作用力F1より大きいという関係がある。当該関係は、動作タクトの速度によって変わることがないため、ピストンに作用する推力が算出されることで、ピストンの前進運動をしているのか、後進運動をしているのかが明確となり、動作タクトの速度に関わらず正確なピストン動作の監視をすることが可能である。
ここで、推力とは、第1圧力値から、第2圧力値に受圧面積比率を乗じて得た値を減じて求められる値をいう。
受圧面積比率とは、ピストンの第1圧力作用室側端面の受圧面積に対する第2圧力作用室側端面の受圧面積の比率であり、例えば、シリンダ径25mm、ロッド径12mmである場合、ピストンの第2圧力作用室側の受圧面積の、第1圧力作用室側の受圧面積に対する比率は、約0.75となる。つまり、第1圧力値から、第2圧力値に0.75を乗じた値を減じて求められる値がピストンに作用する推力となる。なお、受圧面積比率は、シリンダ径や、ロッド径など、アクチュエータ固有の仕様により変動する値である。
そして、推力が正の値であるか、負の値であるかにより、ピストンが前進運動をしているのか、後進運動をしているのかが明確となるため、監視器が、推力の符号によってピストンがどのような動作を行っているのか正確に監視をすることが可能である。
図1はアクチュエータの動作検出装置20を用いたアクチュエータ監視システム1の回路図である。アクチュエータの動作検出装置20は、アクチュエータ10を構成する複動型シリンダ101の内部に摺動可能に保持されるピストン102の動作状態を監視する装置として機能する。
そして、第2圧力作用室104には、圧縮空気を給気または排気する第2配管12の一端が接続されており、第2配管12のもう一端は、切換弁13の第2接続ポート132に接続されている。
また、第1配管11および第2配管12上には、スピードコントローラ14がそれぞれ設けられている。
ソレノイド134Aに電気信号が与えられると、切換弁13の弁体が、ソレノイド134A側に引き寄せられ、入力ポート133と、第1接続ポート131が連通するとともに、第2接続ポート132が外部に開放される。
入力ポート133と、第1接続ポート131が連通することで、圧縮空気供給源16から供給される圧縮空気が、入力ポート133から切換弁13に入力され、第1接続ポート131から出力される。第1接続ポート131から出力された圧縮空気は、第1配管11を流れ、複動型シリンダ101の第1圧力作用室103に給気される。
入力ポート133と、第2接続ポート132が連通することで、圧縮空気供給源16から供給される圧縮空気が、入力ポート133から切換弁13に入力され、第2接続ポート132から出力される。第2接続ポート132から出力された圧縮空気は、第2配管12を流れ、複動型シリンダ101の第2圧力作用室104に給気される。
アクチュエータの動作検出装置20は、マイクロコンピュータ201と、第1圧力検出器202と、第2圧力検出器203と、差動増幅回路205と、表示部206と、設定部207と、通信手段208と、信号出力回路209と、を備えている。
例えば、シリンダ径25mm、ロッド径12mmである場合、ピストン102の第2圧力作用室側端面102bの受圧面積の、第1圧力作用室側端面102aの受圧面積に対する比率は、約0.75となる。したがって、第2圧力値P2に0.75を乗じた値が圧力値P3となる。
ピストン102の前進運動時は、ピストン102の第1圧力作用室側端面102aに作用する力が、第2圧力作用室側端面102bに作用する力より大きく、ピストン102の後進運動時は第2圧力作用室側端面102bに作用する力が第1圧力作用室側端面102aに作用する力より大きいという関係がある。当該関係は、動作タクトの速度によって変わることがない
第1圧力値P1から圧力値P3を減じた差分である推力Fは、ピストンが前進運動を行っているときは常に推力Fが正の値であり、ピストンが後進運動を行っているときは常に推力Fが負の値となる。
そして、マイクロコンピュータ201は、推力Fに基づきピストンの動作を監視する。
より具体的に説明すると、マイクロコンピュータ201は、推力Fの符号に基づき、差動増幅回路205から入力される推力Fに基づき、ピストン102が前進運動をしているのか、後進運動をしているのかを判定処理を行う。推力Fが正の値であるのか、負の値であるのかによって、ピストンが前進運動をしているのか、後進運動をしているのか明確となるため、動作タクトの速度に関わらず正確なピストン動作の監視をすることが可能である。
そして、マイクロコンピュータ201は、微分値dFが時間経過に伴い、正方向または負方向に急激に変動したか否かを監視し、微分値dFの急激な変動を捕捉した場合は、ピストン102の運動が開始または停止されたと判定する。マイクロコンピュータ201は、推力Fの微分値dFに基づきピストン102の動作について判定を行うため、従来技術のように第1圧力作用室の第1圧力値P1の微分値と、第2圧力作用室の第2圧力値の微分値と、の双方を並行して情報処理をする必要がない。よって、マイクロコンピュータ201の情報処理に遅延が生じるおそれが解消される。
マイクロコンピュータ201が判定処理した情報を、表示部206に表示したり、外部に出力したりすることで、使用者はアクチュエータ10の正確な動作状況を把握することができるため、給気する流体の圧力や、スピードコントローラ14の調整をしながら、使用者の希望する動作タクトを設定することが容易となる。
また、マイクロコンピュータ201には、設定部207が接続されており、ピストン径等のマイクロコンピュータ201における判定処理に必要な情報を、使用者が入力し、設定することができる。なお、通信手段208を介して、マイクロコンピュータ201がピストン102の運動について判定処理を行うために必要な情報を、外部から入力することも可能である。
入力ポート133と、第1接続ポート131が連通することで、圧縮空気供給源16から供給される圧縮空気が、入力ポート133から切換弁13に入力され、第1接続ポート131から出力される。第1接続ポート131から出力された圧縮空気は、第1配管11を流れ、第1圧力作用室103に給気される。
一方、第2圧力作用室104は、第2配管12と、切換弁13とを介して大気と連通し、圧縮空気の排気を開始する(図3中t1時点)。
そして、図3中t2時点で、第1圧力値P1と圧力値P3とが逆転し、その後t3時点でピストン102が前進運動を開始する。
ピストン102が前進運動を開始すると、ピストン102が複動型シリンダ101の第2圧力作用室側端面101bに到達するt4時点まで、第1圧力値P1と、圧力値P3とが、緩やかに上昇する。
ピストン102が複動型シリンダ101の第2圧力作用室側端面101bに到達すると、ピストン102は停止する。ピストン102が停止すると、第1圧力値P1は緩やかに上昇し、第2圧力値P2は急激に減少する。
入力ポート133と、第2接続ポート132が連通することで、圧縮空気供給源16から供給される圧縮空気が、入力ポート133から切換弁13に入力され、第2接続ポート132から出力される。第2接続ポート132から出力された圧縮空気は、第2配管12を流れ、第2圧力作用室104に給気される。
一方、第1圧力作用室103は、第1配管11と、切換弁13とを介して大気と連通し、圧縮空気の排気を開始する。
そして、図中t7時点で、第1圧力値P1と圧力値P3とが逆転し、その後t8時点でピストン102が前進運動を開始する。
ピストン102が前進運動を開始すると、ピストン102が複動型シリンダ101の第1圧力作用室側端面101aに到達するt9時点まで、第1圧力値P1と、圧力値P3とが、緩やかに上昇する。
ピストン102が複動型シリンダ101の第1圧力作用室側端面101aに到達すると、ピストン102は停止する。ピストン102が停止されると、圧力値P3は緩やかに上昇し、第1圧力値P1は急激に減少する。
そして、図3中t10時点でソレノイド134Aに電気信号が与えられ、その後の挙動は図3中t0からt10までと同一である。
切換弁13のソレノイド134Aに電気信号が送られるt0時点では、直前までピストン102が後進運動を行っていたため、推力Fは負の値である。t1時点で切換弁13の切り換えにより、第1圧力作用室103への給気と、第2圧力作用室104の排気が開始され、ピストン102に作用する推力Fが正の方向に急激に上昇する。t2時点で推力Fが0を超え、その後t3時点からピストン102が前進運動を始める。ピストン102の前進運動開始後、ピストン102の前進運動が完了するt4時点まで、推力Fはゆるやかに減少し、ピストン102の前進運動が完了した後は、ソレノイドに電気信号が送られ(t5時点)、切換弁13が切り換わるt6時点まで上昇する。
切換弁13が切り換わると、第2圧力作用室104への給気が開始されるとともに、第1圧力作用室103の排気が開始されるため、ピストン102に作用する推力Fは、負の方向に急激に変動する。そして、t7時点で推力Fが0以下となり、t8時点からピストン102が後進運動を開始する。その後、ピストン102の後進運動が完了されるt9時点まで、推力Fは緩やかに下降する。そして、ピストン102の後進運動が完了されると、推力Fは急激に下降する。
具体的に時間経過に伴う微分値dFの挙動について説明する。
切換弁13の切り換え時点(t0)からピストン102が前進運動を開始する時点(t3)の時間帯において、推力Fの急激な上昇に伴い、微分値は正方向に急激に変化する。ピストン102の前進運動開始から前進運動を完了するt4時点の直前までは略0を維持し、前進運動完了後に負方向に急激に変化する。
その後、ソレノイドに電気信号が送られるt5まで略0に向かい緩やかに上昇し、t5時点で正方向に急激に変化する。その後、ピストン102が後進運動を開始するt8時点までに略0に向かい下降する。
ピストン102の後進運動開始から後進運動を完了するt9時点の直前までは略0を維持し、後進運動完了後に正方向に急激に変化する。その後、切換弁13の切り換え時点t10まで略0に向かい緩やかに下降する。
マイクロコンピュータ201は、逐次入力される推力Fに基づき時間微分値dFを算出し、算出した時間微分値dFが急激に変動したか否かを判定する(S1)。時間微分値dFが急激に変動していた場合(S1:Yes)、マイクロコンピュータ201は、ピストン102が複動型シリンダ101の一端から他端に向かって動き始めたと判定し(S2)、当該判定結果を、マイクロコンピュータ201は表示部206に表示し、使用者に通知する(S3)。
その後、マイクロコンピュータ201は、推力Fが正の値か否かを判定する(S4)。推力Fが正の値である場合(S4:Yes)、マイクロコンピュータ201は、ピストン102が前進運動をしていると判定し(S5)、当該判定結果を、マイクロコンピュータ201は表示部206に表示し、使用者に通知する(S6)。
次に、マイクロコンピュータ201は、時間微分値dFが急激に変動したか否かを判定する(S7)。時間微分値dFが急激に変動していた場合(S7:Yes)、マイクロコンピュータ201は、ピストン102が複動型シリンダ101の一端に到達し、運動を停止したと判定し(S8)、当該判定結果を、マイクロコンピュータ201は表示部206に表示し、使用者に通知する(S9)。
次に、マイクロコンピュータ201は、時間微分値dFが急激に変動したか否かを判定する(S13)。時間微分値dFが急激に変動していた場合(S13:Yes)、マイクロコンピュータ201は、ピストン102が複動型シリンダ101の一端に到達し、運動を停止したと判定し(S14)、当該判定結果を、マイクロコンピュータ201は表示部206に表示し、使用者に通知する(S15)。
(1)複動型シリンダ101を有するアクチュエータ10であって、複動型シリンダ101内の空間が、複動型シリンダ101内に摺動可能に保持されるピストン102により、第1圧力作用室103と、第2圧力作用室104とに区画され、ピストン102の第2圧力作用室側端面102bにロッド105が連結されているアクチュエータ10の、ピストン102の動作状態を監視するアクチュエータの動作検出装置20において、第1圧力作用室103の圧力を検出する第1圧力検出器202を備えること、第2圧力作用室104の圧力を検出する第2圧力検出器203を備えること、第1圧力検出器202が検出した圧力と、第2圧力検出器203が検出した圧力と、ピストン102の受圧面積と、に基づき、ピストン102に作用する推力Fを算出する差動増幅回路205を備えること、推力Fに基づいて、ピストン102の動作状態を確認するマイクロコンピュータ201を備えること、を特徴とするので、第1圧力検出器202および第2圧力検出器203が、それぞれ第1圧力作用室103の圧力および第2圧力作用室104の圧力を検出し、差動増幅回路205が、第1圧力作用室103の圧力、第2圧力作用室104の圧力およびピストン102の受圧面積にもとづいて、ピストン102に作用する推力Fを算出する。そして、算出された推力Fに基づいて、マイクロコンピュータ201がピストン102の動作状態を確認することができる。ピストン102前進運動時はピストン102の第1圧力作用室側端面102aに作用する力が、第2圧力作用室側端面102bに作用する力より大きく、ピストン102後進運動時は第2圧力作用室側端面102bに作用する力が第1圧力作用室側端面102aに作用する力より大きいという関係がある。当該関係は、動作タクトの速度によっては変わることがないため、ピストン102に作用する推力Fが算出されることで、ピストン102の前進運動をしているのか、後進運動をしているのかが明確となり、正確なピストン102動作の監視をすることが可能である。
ここで、推力Fとは、第1圧力作用室103の第1圧力値から、第2圧力作用室104の第2圧力値に受圧面積比率を乗じて得た値を減じて求められる値をいう。
受圧面積比率とは、ピストン102の第1圧力作用室側端面102aの受圧面積に対する第2圧力作用室側端面102bの受圧面積の比率であり、例えば、複動型シリンダ101の径が25mm、ロッド105の径が12mmである場合、ピストン102の第2圧力作用室側端面102bの受圧面積の、第1圧力作用室側端面102aの受圧面積に対する比率は、約0.75となる。つまり、第1圧力値から、第2圧力値に0.75を乗じた値を減じた値がピストンに作用する推力Fとなる。
例えば、本実施形態ではスピードコントローラ14により排気量を制限した状態を説明しているが、スピードコントローラにより給気量を制御した状態でも本実施形態と同様の効果を得ることができる。
20 アクチュエータの動作検出装置
101 複動型シリンダ
102 ピストン
103 第1圧力作用室
104 第2圧力作用室
105 ロッド
201 マイクロコンピュータ
202 第1圧力検出器
203 第2圧力検出器
204 分圧器
205 差動増幅回路
Claims (4)
- 複動型シリンダを有するアクチュエータであって、前記複動型シリンダ内の空間が、前記複動型シリンダ内に摺動可能に保持されるピストンにより、第1圧力作用室と、第2圧力作用室とに区画され、前記ピストンの前記第2圧力作用室側端面にロッドが連結されている前記アクチュエータの、前記ピストンの動作状態を監視するアクチュエータの動作検出装置において、
前記第1圧力作用室の圧力を検出する第1圧力検出器を備えること、
前記第2圧力作用室の圧力を検出する第2圧力検出器を備えること、
前記第1圧力検出器が検出した圧力と、前記第2圧力検出器が検出した圧力と、前記ピストンの受圧面積と、に基づき、前記ピストンに作用する推力を算出する算出器を備えること、
前記推力に基づいて、前記ピストンの動作状態を確認する監視器を備えること、
を特徴とするアクチュエータの動作検出装置。 - 請求項1に記載のアクチュエータの動作検出装置において、
前記算出器は、前記ピストンの第2圧力作用室側端面の受圧面積が、前記ピストンの第1圧力作用室側端面の受圧面積よりも、前記ロッドの外径サイズ分だけ小さいことを考慮し、前記推力を算出すること、
前記監視器は、前記推力の符号に基づいて、前記ピストンの動作状態を確認すること、
を特徴とするアクチュエータの動作検出装置。 - 請求項1または2に記載のアクチュエータの動作検出装置において、
前記監視器は、前記推力の変化率に基づいて、前記ピストンの動作状態を確認すること、
を特徴とするアクチュエータの動作検出装置。 - 請求項1乃至3のいずれか1つに記載のアクチュエータの動作検出装置において、
前記監視器は、前記ピストンが運動を開始したのか、または運動を停止したのかを判定し、かつ、前記ピストンが前記複動型シリンダの第1圧力作用室側端面に向かって運動しているのか、または前記複動型シリンダの第2圧力作用室側端面に向かって運動しているのかを判定を行うこと、
を特徴とするアクチュエータの動作検出装置。
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