JP2020085183A - 流体圧シリンダの駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動工程におけるピストン速度を調整可能としつつ、ピストンの最大推力が得られるまでに要する時間を可及的に短くすることができる排気リターン回路を備えた流体圧シリンダの駆動装置を提供する。【解決手段】切換弁１４の第１位置において、一方のシリンダ室３４が第１流路３６を介して流体供給源１６に接続され、他方のシリンダ室３２が第２流路３８を介して排出口１８に接続され、切換弁の第２位置において、一方のシリンダ室が第１流路の一部と第３流路４０と第２流路とを介して他方のシリンダ室に接続されるとともに第１流路を介して排出口に接続され、第３流路が分岐する位置から切換弁に至るまでの第１流路には、流体圧力が所定以上になると絞りのない状態に切り換わるメータインの流量制御弁２２が設けられる。【選択図】図２

Description

本発明は、排出圧力を再利用して流体圧シリンダを復帰させることで省エネルギー化を図る複動型流体圧シリンダの駆動装置に関する。

駆動工程において流体圧シリンダの一方のシリンダ室に蓄積された流体を、復帰工程において他方のシリンダ室に向けて供給すると同時に外部に排出する、いわゆる排気リターン回路を備えた流体圧シリンダの駆動装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１８−５４１１７号公報

このような排気リターン回路を備えた流体圧シリンダの駆動工程におけるピストン速度を調整可能に構成する場合、一方のシリンダ室に流入する圧力流体の流量を制御する弁（スピードコントローラ）を配設することが考えられるが、駆動工程に要する時間が長くなり過ぎないように配慮する必要がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、駆動工程におけるピストン速度を調整可能としつつ、ピストンの最大推力が得られるまでに要する時間を可及的に短くすることができる、排気リターン回路を備えた流体圧シリンダの駆動装置を提供することを目的とする。

本発明に係る流体圧シリンダの駆動装置は、複動型の流体圧シリンダの駆動装置であって、一方のシリンダ室と切換弁とを接続する第１流路と、他方のシリンダ室と切換弁とを接続する第２流路と、第１流路から分岐して切換弁に至るとともにチェック弁が介在された第３流路とが設けられる。切換弁の第２位置において、一方のシリンダ室が第１流路を介して流体供給源に接続され、他方のシリンダ室が第２流路を介して排出口に接続され、切換弁の第１位置において、一方のシリンダ室が第１流路の一部と第３流路と第２流路とを介して他方のシリンダ室に接続されるとともに第１流路を介して排出口に接続される。そして、第３流路が分岐する位置から切換弁に至るまでの第１流路には、流体圧力が所定以上になると絞りのない状態に切り換わるメータインの流量制御弁が設けられるというものである。

上記の流体圧シリンダの駆動装置によれば、切換弁が第２位置にある駆動工程の途中までは、一方のシリンダ室に供給される流体の流量が流量制御弁によって制限されるので、ピストンの移動速度を所望の低速度とすることができる。また、駆動工程の途中からは、一方のシリンダ室に大流量の流体が供給されるので、ピストンの最大推力が得られるまでに要する時間を可及的に短くすることができる。

また、上記の流体圧シリンダの駆動装置によれば、切換弁が第１位置にある復帰工程において、一方のシリンダ室に蓄積された流体が他方のシリンダ室に向けて供給されると同時に外部に排出される。このため、流体の消費量を低減しつつ、復帰工程に要する時間を可及的に短くすることができる。

本発明に係る流体圧シリンダの駆動装置によれば、流体圧シリンダの駆動工程において、ピストンの移動速度を所望の低速度に設定することができるほか、ピストンの最大推力が得られるまでに要する時間を可及的に短くすることができる。

本発明の実施形態に係る流体圧シリンダ駆動装置を回路図で示したものである。 切換弁が別の位置にあるときの図１の回路図である。 切換弁が別の位置にあり、かつ、第１流量制御弁が別の状態に切り換わったときの図１の回路図である。 図１の流体圧シリンダの駆動工程におけるヘッド側シリンダ室のエア圧、ロッド側シリンダ室のエア圧およびピストンストロークのタイムチャートである。 図１の流体圧シリンダの復帰工程におけるヘッド側シリンダ室のエア圧、ロッド側シリンダ室のエア圧およびピストンストロークのタイムチャートである。

以下、本発明に係る流体圧シリンダの駆動装置について、好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る流体圧シリンダ駆動装置１０は、複動型のエアシリンダ（流体圧シリンダ）１２に適用される。流体圧シリンダ駆動装置１０は、切換弁１４、高圧エア供給源（流体供給源）１６、排気口（排出口）１８、チェック弁２０、第１流量制御弁２２、第２流量制御弁２４およびこれらを接続する流路としての複数の配管からなる。本実施形態では、排気口１８にサイレンサ１８ａが付設されているが、サイレンサ１８ａはなくてもよい。

エアシリンダ１２は、シリンダ本体２６の内部に往復動自在に配設されたピストン２８を有する。一端部がピストン２８に連結されたピストンロッド３０の他端部は、シリンダ本体２６から外部に延びる。エアシリンダ１２は、ピストンロッド３０の押し出し時（伸長時）に図示しないワークの位置決め等の仕事を行い、ピストンロッド３０の引き込み時には仕事をしない。シリンダ本体２６は、ピストン２８によって区画される二つのシリンダ室、すなわち、ピストンロッド３０とは反対側に位置するヘッド側シリンダ室（一方のシリンダ室）３４およびピストンロッド３０と同じ側に位置するロッド側シリンダ室（他方のシリンダ室）３２を有する。

切換弁１４は、第１ポート１４ａないし第５ポート１４ｅを有する。ヘッド側シリンダ室３４と切換弁１４の第１ポート１４ａとの間に第１流路３６が設けられ、ロッド側シリンダ室３２と切換弁１４の第２ポート１４ｂとの間に第２流路３８が設けられる。第１流路３６には、第１流量制御弁２２と第２流量制御弁２４とが直列となるように介在されている。第１流路３６の途中から分岐して切換弁１４の第３ポート１４ｃに至る第３流路４０が設けられ、第３流路４０には、チェック弁２０が介在されている。排気口１８と切換弁１４の第４ポート１４ｄとの間に第４流路４２が設けられ、高圧エア供給源１６と切換弁１４の第５ポート１４ｅとの間に第５流路４４が設けられる。

チェック弁２０は、第３流路４０が第１流路３６から分岐する分岐点４６から切換弁１４の第３ポート１４ｃに向かうエアの流れを許容し、切換弁１４の第３ポート１４ｃから分岐点４６に向かうエアの流れを阻止する。第１流量制御弁２２と第２流量制御弁２４は、第１流路３６のうち分岐点４６から切換弁１４の第１ポート１４ａに至るまでの部分に設けられている。本実施形態では、第１流量制御弁２２が第２流量制御弁２４よりも切換弁１４に近い側に配設されているが、第１流量制御弁２２が第２流量制御弁２４よりも切換弁１４から遠い側に配設されてもよい。

メータインの流量制御弁としての第１流量制御弁２２は、第１可変絞り部２２ａと第１チェック弁部２２ｂを含み、後述するように、所定の条件下で、第１可変絞り部２２ａと第１チェック弁部２２ｂとが並列に設けられる流体回路を構成する。第１可変絞り部２２ａは、第１流量制御弁２２内の供給側流路部２２ｃに設けられ、第１チェック弁部２２ｂは、該供給側流路部２２ｃをバイパスする排出側流路部２２ｄに設けられる。第１チェック弁部２２ｂは、第２流量制御弁２４に近い側の供給側流路部２２ｃと排出側流路部２２ｄとの接続点４８から切換弁１４の第１ポート１４ａに向かうエアの流れを許容し、切換弁１４の第１ポート１４ａから該接続点４８に向かうエアの流れを阻止する。

接続点４８における流路内のエア圧をパイロット圧として、第１可変絞り部２２ａが供給側流路部２２ｃに介在する状態から、第１可変絞り部２２ａが供給側流路部２２ｃに介在しない状態に切り換えられる。すなわち、接続点４８における流路内のエア圧が所定以上になると、第１流量制御弁２２は絞りのない流路に置き換わり、流量が急速に増大する。

メータアウトの流量制御弁としての第２流量制御弁２４は、第２可変絞り部２４ａと第２チェック弁部２４ｂとを含む。第２可変絞り部２４ａは、第２流量制御弁２４内の排出側流路部２４ｄに設けられ、第２チェック弁部２４ｂは、該排出側流路部２４ｄをバイパスする供給側流路部２４ｃに設けられる。第２チェック弁部２４ｂは、接続点４８から分岐点４６を経てヘッド側シリンダ室３４に向かうエアの流れを許容し、ヘッド側シリンダ室３４から分岐点４６を経て接続点４８に向かうエアの流れを阻止する。

図１に示すように、切換弁１４が第１位置にあるときは、第１ポート１４ａと第４ポート１４ｄが繋がり、かつ、第２ポート１４ｂと第３ポート１４ｃが繋がる。図２に示すように、切換弁１４が第２位置にあるときは、第１ポート１４ａと第５ポート１４ｅが繋がり、かつ、第２ポート１４ｂと第４ポート１４ｄが繋がる。切換弁１４は、非通電時はばねの付勢力により第１位置に保持され、通電時に第１位置から第２位置に切り換わる。

切換弁１４が第１位置にあるとき、ヘッド側シリンダ室３４のエア圧がロッド側シリンダ室３２のエア圧より大きい場合は、チェック弁２０の作用により、ヘッド側シリンダ室３４からロッド側シリンダ室３２に向かってエアが流れる。一方、ヘッド側シリンダ室３４のエア圧がロッド側シリンダ室３２のエア圧以下である場合は、チェック弁２０の作用により、ロッド側シリンダ室３２からヘッド側シリンダ室３４に向かうエアの流れが阻止される。

また、切換弁１４が第１位置にあるとき、第２流量制御弁２４の作用により、ヘッド側シリンダ室３４のエアがその流量を制限されつつ排気口１８を通じて外部に排出される。第２流量制御弁２４の第２可変絞り部２４ａは、その通路面積（開口面積）を変更することができるように構成されている。

一方、切換弁１４が第２位置にあるとき、第１流量制御弁２２の作用により、ヘッド側シリンダ室３４のエア圧が小さいうちは、高圧エア供給源１６からヘッド側シリンダ室３４に供給されるエアの流量が制限され、ヘッド側シリンダ室３４のエア圧が大きくなると、該流量制限が解除されてヘッド側シリンダ室３４に供給されるエアの流量が急激に増大する。第１流量制御弁２２の第１可変絞り部２２ａは、その通路面積（開口面積）を変更することができるように構成されている。

本実施形態に係る流体圧シリンダ駆動装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下、図１〜図５を参照しながら、その作用について説明する。なお、図１に示すように、切換弁１４が第１位置にあり、かつ、ピストンロッド３０が最も引き込まれた状態を初期状態とする。

［駆動工程の説明］
上記初期状態において切換弁１４に通電し、切換弁１４を第１位置から第２位置に切り換えると、高圧エア供給源１６からの高圧エアが、第５流路４４、切換弁１４および第１流量制御弁２２と第２流量制御弁２４が介在された第１流路３６を経て、ヘッド側シリンダ室３４に供給される。これと同時に、ロッド側シリンダ室３２のエアが、第２流路３８、切換弁１４および第４流路４２を経て、排気口１８から外部に排出される。これにより、ピストンロッド３０を押し出す方向の推力がピストン２８に与えられる。

上記駆動工程において、接続点４８における流路内のエア圧が所定値未満であるときは、図２に示すように、第１可変絞り部２２ａが第１流量制御弁２２の供給側流路部２２ｃに介在した状態にある。したがって、切換弁１４から第１流量制御弁２２に向かうエアは、第１可変絞り部２２ａを通って接続点４８に向かい、さらに第２流量制御弁２４の第２チェック弁部２４ｂを通ってヘッド側シリンダ室３４に流入する。このとき、ヘッド側シリンダ室３４に流入するエアの流量は、第１可変絞り部２２ａで設定された通路面積に見合った流量に制限される。換言すれば、第１可変絞り部２２ａの通路面積を変更することで、ヘッド側シリンダ室３４に供給されるエアの流量を調整することができる。

接続点４８における流路内のエア圧が上昇して所定値を超えると、図３に示すように、第１可変絞り部２２ａが第１流量制御弁２２の供給側流路部２２ｃに介在しない状態、すなわち絞りのない状態に切り換わる。したがって、切換弁１４から第１流量制御弁２２に向かうエアは、流量が制限されることなく第１流量制御弁２２を通過し、さらに第２流量制御弁２４の第２チェック弁部２４ｂを通ってヘッド側シリンダ室３４に流入する。このため、ヘッド側シリンダ室３４に流入するエアの流量は、それまでの制限された流量から大流量へと切り換わる。

上記駆動工程におけるヘッド側シリンダ室３４のエア圧Ｐ１、ロッド側シリンダ室３２のエア圧Ｐ２およびピストンストロークＳのタイムチャートを図４に示す。以下、同図を参照しながら、上記駆動工程における作用をさらに詳細に説明する。なお、図４において、エア圧のゼロ点は、エア圧が大気圧に等しいことを示し、ピストンストロークＳのゼロ点は、ピストンロッド３０が最も引き込まれた位置にあることを示す。

切換弁１４に通電指令が出され、切換弁１４が第１位置から第２位置に切り換わると、ヘッド側シリンダ室３４のエア圧Ｐ１が上昇を開始するとともに、ロッド側シリンダ室３２のエア圧Ｐ２が下降する。時刻ｔ１において、ヘッド側シリンダ室３４のエア圧Ｐ１がピストン２８の静止摩擦抵抗に打ち勝つ分だけロッド側シリンダ室３２のエア圧Ｐ２を上回ると、ピストンロッド３０を押し出す方向にピストン２８が移動し始める。時刻ｔ２において、ピストン２８がストロークエンドに達し、ピストンロッド３０が最大限に伸長する。

この場合、ヘッド側シリンダ室３４に流入するエアの流量は、第１可変絞り部２２ａによって制限されているので、ピストン２８は所定の低速度で移動する。なお、ここでいう低速度とは、例えば１ｍｍ／ｓから２００ｍｍ／ｓまでの範囲内の速度のことである。時刻ｔ１と時刻ｔ２の間では、ピストン２８の移動に伴ってヘッド側シリンダ室３４の容積が増大するため、ヘッド側シリンダ室３４のエア圧Ｐ１はほとんど上昇しない。

ヘッド側シリンダ室３４のエア圧Ｐ１は、ピストン２８がストロークエンドに達してから所定時間を経過するまでの間（時刻ｔ２から時刻ｔ３まで）は、概ね一定の割合で上昇する。そして、ヘッド側シリンダ室３４のエア圧Ｐ１は、時刻ｔ３から急激に上昇し、時刻ｔ４において所定の高いエア圧に到達した後はそのエア圧に保持される。ヘッド側シリンダ室３４のエア圧Ｐ１が時刻ｔ３において急激に上昇し始めるのは、第１可変絞り部２２ａが第１流量制御弁２２の供給側流路部２２ｃに介在しない状態、すなわち絞りのない状態に切り換わるからである。

このように、エアシリンダ１２の駆動工程において、ピストン２８の移動速度を所望の低速度に設定することができるほか、ピストン２８の最大推力が得られるまでに要する時間を可及的に短くすることができる。第１流量制御弁２２の第１可変絞り部２２ａの通路面積を変更すれば、ピストン２８の移動速度を調整することができる。

［復帰工程の説明］
ピストンロッド３０が伸長してワークの位置決め等の作業が行われた後、切換弁１４への通電を停止すると、切換弁１４が第２位置から第１位置に切り換わる。すると、ヘッド側シリンダ室３４に蓄積されたエアの一部は、第１流路３６の一部、チェック弁２０が介在された第３流路４０、切換弁１４および第２流路３８を経て、ロッド側シリンダ室３２に供給される。それと同時に、ヘッド側シリンダ室３４に蓄積されたエアの他の一部は、第２流量制御弁２４と第１流量制御弁２２が介在された第１流路３６、切換弁１４および第４流路４２を経て、排気口１８から外部に排出される。

このとき、ヘッド側シリンダ室３４から第２流量制御弁２４に向かうエアは、第２流量制御弁２４の第２可変絞り部２４ａを通り、さらに第１流量制御弁２２の第１チェック弁部２２ｂを通って切換弁１４に至る。したがって、エアシリンダ１２の復帰工程において、排気口１８から外部に排出されるエアの流量は、第２可変絞り部２４ａで設定された通路面積に見合った流量となる。換言すれば、第２可変絞り部２４ａの通路面積を変更することで、ヘッド側シリンダ室３４から外部に排出されるエアの流量を調整することができ、それによって、ヘッド側シリンダ室３４に蓄積されたエアがロッド側シリンダ室３２に供給される量と、ヘッド側シリンダ室３４に蓄積されたエアが外部に排出される量との比を変えることができる。

ヘッド側シリンダ室３４のエア圧が減少し、ロッド側シリンダ室３２のエア圧が上昇して、ロッド側シリンダ室３２のエア圧がヘッド側シリンダ室３４のエア圧よりも所定以上大きくなると、ピストンロッド３０の引き込みが始まる。そして、ピストンロッド３０が最も引き込まれた初期状態に復帰する。

上記復帰工程におけるヘッド側シリンダ室３４のエア圧Ｐ１、ロッド側シリンダ室３２のエア圧Ｐ２およびピストンストロークＳのタイムチャートを図５に示す。以下、同図を参照しながら、上記復帰工程における作用をさらに詳細に説明する。なお、図５においても、図４と同様に、エア圧のゼロ点は、エア圧が大気圧に等しいことを示し、ピストンストロークＳのゼロ点は、ピストンロッド３０が最も引き込まれた位置にあることを示す。

切換弁１４への通電停止指令が出され、切換弁１４が第２位置から第１位置に切り換わると、ヘッド側シリンダ室３４のエア圧Ｐ１が下降し始めるとともに、ロッド側シリンダ室３２のエア圧Ｐ２が上昇し始める。ヘッド側シリンダ室３４のエア圧Ｐ１がロッド側シリンダ室３２のエア圧Ｐ２に等しくなると、チェック弁２０の作用により、ヘッド側シリンダ室３４のエアがロッド側シリンダ室３２に向けて供給されなくなり、ロッド側シリンダ室３２のエア圧Ｐ２の上昇が止まる。一方、ヘッド側シリンダ室３４のエア圧Ｐ１は下降し続け、時刻ｔ５において、ロッド側シリンダ室３２のエア圧Ｐ２がピストン２８の静止摩擦抵抗に打ち勝つ分だけヘッド側シリンダ室３４のエア圧Ｐ１を上回り、ピストンロッド３０の引き込み方向への移動が始まる。

ピストンロッド３０が引き込み方向へ移動を始めると、ロッド側シリンダ室３２の容積が増加するため、ロッド側シリンダ室３２のエア圧Ｐ２は下降するが、ヘッド側シリンダ室３４のエア圧Ｐ１はそれより大きな割合で下降するので、ロッド側シリンダ室３２のエア圧Ｐ２がヘッド側シリンダ室３４のエア圧Ｐ１を上回る状態は継続する。また、一旦移動を始めたピストン２８の摺動抵抗は静止状態でのピストン２８の摩擦抵抗よりも小さいので、ピストンロッド３０の引き込み方向への移動は支障なく行われる。そして、時刻ｔ６において、ピストンロッド３０が最も引き込まれた状態に復帰する。切換弁１４に対して次の通電指令が出されるまで、この状態が維持される。

上記流体圧シリンダ駆動装置１０では、第１流路３６のうち分岐点４６から切換弁１４の第１ポート１４ａに至るまでの部分にメータインの第１流量制御弁２２を設けている。この第１流量制御弁２２を、第１流路３６のうちヘッド側シリンダ室３４から分岐点４６に至るまでの部分に設けることも考えられるが、その場合、エアシリンダ１２の復帰工程においてヘッド側シリンダ室３４からロッド側シリンダ室３２に向かうエアは、第１流量制御弁２２の第１チェック弁部２２ｂとチェック弁２０の両方を経由することとなり、エアの円滑な流れに支障が生じるおそれがある。したがって、第１流路３６のうち分岐点４６から切換弁１４に至るまでの部分に第１流量制御弁２２を設ける必要がある。

また、上記流体圧シリンダ駆動装置１０では、ヘッド側シリンダ室３４から外部に排出されるエアの流量を調整するメータアウトの第２流量制御弁２４を設けたが、第２流量制御弁２４は必ずしも必要な構成ではない。すなわち、ヘッド側シリンダ室３４に蓄積されたエアがロッド側シリンダ室３２に供給される量と外部に排出される量との比を変える必要がなければ、第２流量制御弁２４を設けなくてもよい。

また、上記流体圧シリンダ駆動装置１０において、第２流路３８にエアタンクを設ける構成としてもよい。これにより、ロッド側シリンダ室３２の容積が実質的に増加し、復帰工程時、ロッド側シリンダ室３２の容積が増大する際にその圧力が低下するのを可及的に抑えることができる。

また、上記流体圧シリンダ駆動装置１０のエアシリンダ１２は、ピストンロッド３０の押し出し時に仕事を行い、ピストンロッド３０の引き込み時には仕事をしないものとしたが、ピストンロッド３０の引き込み時に仕事を行い、ピストンロッド３０の押し出し時には仕事をしないエアシリンダ１２にも適用することができる。この場合、ヘッド側シリンダ室３４に第２流路３８を接続し、ロッド側シリンダ室３２に第１流路３６を接続すればよい。

本発明に係る流体圧シリンダの駆動装置は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することのない範囲で、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…流体圧シリンダ駆動装置 １２…エアシリンダ（流体圧シリンダ）
１４…切換弁 １６…高圧エア供給源（流体供給源）
１８…排気口（排出口） １８ａ…サイレンサ
２０…チェック弁
２２…第１流量制御弁（メータインの流量制御弁）
２４…第２流量制御弁（メータアウトの流量制御弁）
２８…ピストン ３０…ピストンロッド
３２…ロッド側シリンダ室 ３４…ヘッド側シリンダ室
３６…第１流路 ３８…第２流路
４０…第３流路

Claims (5)

1. 複動型の流体圧シリンダの駆動装置であって、
   一方のシリンダ室と切換弁とを接続する第１流路と、他方のシリンダ室と前記切換弁とを接続する第２流路と、前記第１流路から分岐して前記切換弁に至るとともにチェック弁が介在された第３流路とが設けられ、
   前記切換弁の第２位置において、前記一方のシリンダ室が前記第１流路を介して流体供給源に接続され、前記他方のシリンダ室が前記第２流路を介して排出口に接続され、
   前記切換弁の第１位置において、前記一方のシリンダ室が前記第１流路の一部と前記第３流路と前記第２流路とを介して前記他方のシリンダ室に接続されるとともに前記第１流路を介して前記排出口に接続され、
   前記第３流路が分岐する位置から前記切換弁に至るまでの前記第１流路には、流体圧力が所定以上になると絞りのない状態に切り換わるメータインの流量制御弁が設けられる流体圧シリンダの駆動装置。
2. 請求項１記載の流体圧シリンダの駆動装置において、
   前記第３流路が分岐する位置から前記切換弁に至るまでの前記第１流路には、メータアウトの流量制御弁が設けられる流体圧シリンダの駆動装置。
3. 請求項１記載の流体圧シリンダの駆動装置において、
   前記メータインの流量制御弁によって設定される前記流体圧シリンダのピストンの移動速度は１〜２００ｍｍ／ｓである流体圧シリンダの駆動装置。
4. 請求項１記載の流体圧シリンダの駆動装置において、
   前記第２流路にエアタンクが設けられる流体圧シリンダの駆動装置。
5. 請求項１記載の流体圧シリンダの駆動装置において、
   前記排出口にサイレンサが付設される流体圧シリンダの駆動装置。

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