JP2024506134A - 空気圧シリンダシステム - Google Patents

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Abstract

シリンダチャンバ内の空気圧駆動式シリンダ１４のための制御ユニットを含むシリンダ位置決めシステム１が提供される。制御ユニットは、シリンダ位置決めシステムの１組の駆動ユニットを制御するように構成されたコントローラを含む。各駆動ユニットは、シリンダ位置決めシステムの各電磁直動弁９，１０，１１，１２に駆動電流を発する。各電磁直動弁は２ミリ秒未満の開閉時間を有する。制御ユニットは、シリンダについての設定位置と、シリンダについての実際の位置とを受け、シリンダの設定位置を、シリンダの実際の位置と比較し、シリンダを実際の位置から設定位置へ向かって移動させるための制御信号を、駆動ユニットに発するように構成されている。シリンダについての実際の位置と組み合わせて、弁を作動させるための非常に短い時間を与えることによって、作動シリンダへの流量の制御を、空気圧位置制御システムの実質的に全ダイナミックレンジにわたって比例制御にする閉ループ制御が達成され得る。これにより、制御がより正確で堅牢になり、待ち時間が小さくなる。

Description

本発明は、空気圧アクチュエータシステムにおける位置決めを改善するための方法およびコントローラに関する。本発明はまた、空気圧位置決めシステム、そのようなシステムのための制御ユニット、および上記システムを制御するための方法に関する。
位置決めは、工業プロセスで広く使用されている。一般的に、位置決めは、工業、暖房・給排水、オートメーション、自動車などの用途において、機能の制御や作動に使用される。例えば、スロットル制御や直線運動、円運動などである。一般的な位置決めシステムには、空気圧駆動式シリンダ若しくはシリンダの組み合わせ、または、電気サーボモータ、または、アクチュエータが使用される。
多くの用途では、
－ 高い位置決め精度
－ 高い負荷容量
－ 高い位置決め速度
－ 低いシステム重量
－ 爆発性環境下での高い位置決め性能
－ 低コスト
というようなニーズがある。
上述のように改善された空気圧位置決めの性能は、例えば、ロボットアーム性能に関連する重要な局面である、軽量高力とグリッパ精度の組み合わせを可能にする空気圧ロボットグリッパ用途において有利である。
電動アクチュエータは、多くの場合、そのニーズに応えることができる。しかし、そのようなアクチュエータは、一般的に、
－ 高いシステム重量
－ 高い電気エネルギ対負荷
－ 爆発性環境では好ましくない
－ 高コスト
というような問題を抱えている。
空圧シリンダ／バルブシステムは、多くの場合は上記ニーズを満たすことができるが、既存の空圧システムは、一般的に、
－ 低い位置決め精度
－ 低い位置決め速度
というような問題を抱えている。
例えば、ＵＳ２００４０２００３４９には従来の空気圧システムが記載されている。一般に、精度、速度、重量、負荷容量、およびコストに関して、位置決めシステムを改善する必要性が常に存在する。つまり、改善された位置決めシステムの必要性が存在する。
本発明の目的は、改善された位置決めシステムを提供することである。
この目的は、添付の特許請求の範囲に記載の装置によって達成される。本発明者によって実現されたように、改善された作動速度、位置精度および位置安定性を有する空気圧シリンダ／弁システムが、空気圧駆動式シリンダの位置を制御するために使用される高速作動電磁弁の制御信号を生成する制御システムによって提供される。そして、高速作動電磁弁を含む空気供給システムが、上記シリンダに空気を供給する。上記シリンダを制御する上記位置決めシステムにおいて使用される上記電磁弁は、高い空気流量を供給するように設計されるのが好ましい。これにより、上記シリンダが制御される位置での性能を大幅に向上させることができる。
本発明によれば、シリンダチャンバ内の空気圧駆動式シリンダのための制御ユニットを含むシリンダ位置決めシステムが提供される。上記制御ユニットは、上記シリンダ位置決めシステムの１組の駆動ユニットを制御するように構成されたコントローラを含む。各駆動ユニットは、上記シリンダ位置決めシステムの各電磁直動弁に駆動電流を発する。各電磁直動弁は２ミリ秒未満の開閉時間を有する。上記制御ユニットは、上記シリンダについての設定位置と、上記シリンダについての実際の位置とを受け、上記シリンダの上記設定位置を、上記シリンダの上記実際の位置と比較し、上記シリンダを上記実際の位置から上記設定位置へ向かって移動させるための制御信号を、上記駆動ユニットに発するように構成されている。上記シリンダについての実際の位置と組み合わせて、上記弁を作動させるための非常に短い時間を与えることによって、作動シリンダへの流量の制御を、空気圧位置制御システムの実質的に全ダイナミックレンジにわたって比例制御にする閉ループ制御が達成され得る。これにより、制御がより正確で堅牢になり、待ち時間が小さくなる。したがって、このシステムは、上記シリンダによって駆動されるアクチュエータからの負荷と負荷要求の予期せぬ変動に対して非常に迅速に反応することができる。したがって、このシステムは、アクチュエータが高精度でそのタスクを完了することを可能にする。
幾つかの実施形態によれば、上記シリンダ位置決めシステムは、さらに、上記シリンダ内の圧力を測定する少なくとも１つの圧力センサを備え、上記制御ユニットは、さらに、上記シリンダチャンバ内の実際の圧力を示す少なくとも１つの信号を受け、上記シリンダチャンバ内の上記実際の圧力に基づいて上記位置を制御するように構成されている。これにより、例えば制御方法が供給空気圧の変動を考慮に入れることができるという点で、上記制御が改善され得る。また、他のパラメータも使用され得る。例えば、シリンダ速度が取得され、上記制御に使用され得る。
幾つかの実施形態によれば、上記制御ユニットは、さらに、上記電磁直動弁を少なくとも２５Ｈｚの切替周期で切り替えることによって、空気流量を制御するように構成されている。これにより、非常に高速な制御が達成され、これは特に、より小型のシリンダにとって有益である。上記切替周期は、上記シリンダを制御するために使用される閉ループにおける待ち時間が少ないせいで可能となる。上記制御ユニットは、有利には、パルス幅変調（ＰＷＭ）を用いて上記電磁直動弁を切り替えることによって、上記空気流量を制御するように構成されている。
また、本発明は、空気圧駆動式アクチュエータ、すなわち上記シリンダと、シリンダ位置決めシステムとを備えた、空気圧アクチュエータシステムにも及ぶ。上記空気圧アクチュエータシステムは、上記制御システムが配置されている第１の部分と、上記アクチュエータが配置されている第２の部分との、２つの部分に区分され得る。これにより、上記空気圧駆動式アクチュエータ／シリンダは、危険／爆発性のある環境に置かれ得るが、危険／爆発性のある環境の外に配置され得る電気的制御弁のおかげで、なお高速であり得る。
以下、本発明を、例として、図面を参照しながら詳細に説明する。図面において、
コントローラシステムを示す図である。 空気圧駆動式シリンダの位置を制御する際に実行されるステップを示すフローチャートである。 比例流量を示すグラフである。
以下、本発明の特定の実施形態が示された添付図面を参照して、本発明をより完全に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具体化され得、本明細書に記載された実施形態に限定されると解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、例示として提供される。それによって、本開示は、徹底的かつ完全であり、当業者に本発明の範囲を十分に伝えるだろう。例えば、異なる実施形態の同種または類似の構成要素を、異なる実施形態間で交換することができる。幾つかの構成要素は、異なる実施形態から省略され得る。同様の番号は、説明全体を通して同様の要素を指す。
図１には、位置決めシステム１によって制御される空気圧駆動式シリンダ１４が示されている。空気圧シリンダ１４は、何らかの要素を駆動するアクチュエータとして動作するように構成され得る。位置決めシステム１には空気供給部２から空気が供給され、シリンダ１４は位置決めシステム１によって位置決めされる。以下では、図１の例示的な位置決めシステム１に関連して説明される。
空気圧シリンダ１４は、圧力Ａを有する第１チャンバ１５と、圧力Ｂを有する第２チャンバ１６とを含んでいる。２つのチャンバ１５，１６は、シリンダ１４の異なる側（典型的にはシリンダ１４のシリンダヘッドの異なる側）に配置されている。チャンバ１５，１６は、４つの電磁高速作動弁９，１０，１１，１２を含む配置構成によって加圧および減圧される。弁は、例えばＵＳ１０，６４１，３９７Ｂ２に記載されている弁と同様の弁とすることができる。他の実施形態では、弁の数は２～８とすることができる。高速作動弁９，１０，１１，１２は各々２ミリ秒未満の開閉時間を有する。
シリンダ作動速度、位置精度、位置安定性を向上させるために、シリンダチャンバ１５および１６を比例的に加圧および減圧することによって、シリンダ作動速度は制御される。チャンバ１５および１６の比例的な加圧および減圧を実現するために、弁９～１２は、高速作動、比例流量、弁特性が達成されるように個別に制御される。これは、弁の開閉時間が２ミリ秒以下と非常に短くなるように設計することで得られる。弁の高速作動は、空気をより良く制御することを可能にし、それによって（実質的に）全制御範囲にわたって比例制御を達成することができる。これは従来のソリューションでは未解決の問題であった。
驚くべきことに、開閉時間が十分に短くなると、制御システム内の空気の性質が異なってくることが発見された。このような条件では、空気の特性は液体に近くなり、制御は著しく改善される。これにより、制御は実質的に全ダイナミックレンジにわたって比例制御になり、それによって、制御は著しく改善される。
図１に示す実施形態では、弁９および１１は、それぞれチャンバ１５および１６を加圧する。弁１０および１２は、それぞれチャンバ１５および１６を減圧する。
アクチュエータ速度制御、すなわちシリンダ１４の移動は、シリンダ１４の位置を与える実測値位置センサ１３からの閉ループ位置フィードバックと有利に組み合わされる。位置センサ１３は、シリンダ１４に配置されるか、または、シリンダ１４の位置が直接または間接的に決定され得る上記システム内の他の場所に配置され得る。制御ユニット５（典型的には、マイクロプロセッサのような何らかのコントローラによって実現される）は、位置センサ１３によって与えられる実際の位置と所望の位置信号８とを比較し、信号８によって与えられる所望の（設定）位置に到達するために、アクチュエータ比例速度制御を組み合わせる。
幾つかの実施形態では、圧力ＡおよびＢは、それぞれチャンバ１５および１６内の圧力センサ２０および２１によって監視され得る。圧力監視は、例えば空気供給部２からの圧力変動を補償するための、作動性能のさらなる改善を可能にする。さらに、シリンダ内の圧力を知ることによって、上記シリンダで発生されるパワーを制限するために、供給される圧力は低減され得る。これにより、上記シリンダおよび上記シリンダによって駆動されるアクチュエータの制御が改善される。
既に理解されているように、空気圧閉ループ調整システムの作動速度、位置精度、位置安定性を向上させるためには、遅延を減らし、高い空気圧流量範囲を達成することが有利である。
駆動ユニット１８および１９は、電磁直動弁９～１２を制御する。速い応答時間を得るために、弁９～１２は、好ましくは、電磁直動弁のコイル励磁電流および磁化が速くなるように弁ドライバ１８および１９によって制御される。上記電磁直動弁の応答時間は２ミリ秒未満である。これによって、以下により詳細に説明されるように、制御システムの実質的に全ダイナミックレンジにわたって改善された比例制御を達成するのに十分な速さで、スイッチングが行われ得る。
電磁直動弁は、好ましくは、チャンバ１５および１６の高速圧力制御を達成するために、高いダイナミック流量レンジも有する。これは、制御位置制御システムのスイッチングサイクル（すなわち、弁の或る開度から次の開度までのサイクル）が、少なくとも２５Ｈｚ、５０Ｈｚ、または１００Ｈｚに対応するなど、短い場合に、特に有益である。
さらに、各電磁直動弁の最大流量は、好ましくは高くされる。例えば、各電磁直動弁の全開流量は、以下に説明されるように位置制御システムが比例制御になる範囲で作動する場合、位置制御システムの全開スイッチングサイクル中に、シリンダ１４内の圧力上昇が、少なくとも２％、少なくとも５％、或るケースでは少なくとも１０％であるような寸法にされるのが好ましい。
したがって、電磁直動弁における弁９～１２の速い応答時間は、制御システム内の高い空気流量を可能にし、これによって、シリンダチャンバ１５および１６のための加圧時間および減圧時間が大幅に短縮され得る。
上に述べられたように、幾つかの実施形態に従って、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）スイッチングを用いて電磁直動弁９～１２にスイッチング電流を供給することが可能である。ＰＷＭ変調を用いて弁を切り替えることによって、比例流量特性が達成され得る。例えば、５０％のデューティサイクルは平均５０％の流量を与える。これにより、空気供給部２においてシリンダチャンバ１５および１６への比例流量特性が得られる。広い比例流量範囲は、高流量かつ高速な切換弁９～１２との組み合わせにより、閉ループシステムの遅延を最小化し、位置決め性能を大幅に向上させることができる。
図３のグラフは、従来の位置決めシステムを使用したシステムの流量ダイナミックレンジと比較して、本明細書の教示に従った位置決めシステム１の改善された比例流量ダイナミックレンジを示している。以下のグラフを作成するために使用された例示的なセットアップでは、電磁直動弁は、１００Ｈｚのオン／オフサイクル周波数によって制御される。
分かるように、流量制御が比例制御になるダイナミックレンジは、非常に短い開閉時間を持つ弁を使用することによって増加され得る。典型的には、流量制御が実質的に全制御範囲にわたって比例制御になる所望の特性を達成するためには、開閉時間が２ｍｓ以下であることが必要とされる。達成された制御は、前述のように、切り替えられる制御システムのデューティサイクル中に十分高い空気流量を供給するように弁を寸法設定することによって、さらに向上され得る。これにより、システムが高デューティサイクルまたは低デューティサイクルで作動する場合でも、すなわち、上記例示したようにデューティサイクルの末端領域（複数）に遠く離れた場合でも、１回のデューティサイクルが、所望の比例制御と一致する程度にシリンダチャンバ内の圧力を変化させることができる。
本明細書で提示された弁と空気供給の配置構成を使用することは、空気圧シリンダ／アクチュエータの位置決め精度、速度、安定性を大幅に改善し得る。
達成された位置決め性能の例は、次の通りである。
－ ０．０２ｍｍまでの位置決め精度
－ 最大８ｍ／ｓの位置決め速度
応答時間が速いため、既存の空気供給弁システムと比べて、タイミング速度と精度を向上させて、弁が開閉され得る。その結果、シリンダチャンバの加圧および減圧は、高速かつ正確になる。シリンダの圧力制御を改善することで、高い位置決め安定性、速度、精度が得られる。
本明細書に記載された例示的なシステムでは、４つの電磁直動弁が使用されている。しかしながら、電磁直動弁の数を減らして、または増やして、制御システムを設計することも可能である。例えば、複動空気圧シリンダ１４を単動スプリングリターン空気圧シリンダに置き換えた場合。シリンダを操作するためにチャンバ１５だけを加圧・減圧する必要がある。この例では、２つの弁１１と１２だけが必要とされる。
図２には、上記に従って位置決めシステム１をコントローラする際に実行される幾つかの制御ステップを示すフローチャートが示されている。まず、ステップ２０１において、シリンダ１４の所望の位置に対応する設定位置が受信される。次に、ステップ２０３において、システムはシリンダの実際の位置を取得する。この位置は、例えば、シリンダに配置された位置センサによって取得される。幾つかの実施形態に従って、システムはステップ２０５でさらに追加の入力信号を取得する。追加の入力信号は、例えばシリンダチャンバからの圧力信号である。特に、シリンダの両側からの圧力が取得され得る。また、供給空気圧も取得され得る。シリンダの設定位置と、取得されたシリンダの実際の位置と、潜在的に幾つかの追加の入力信号とに基づいて、システムはステップ２０７でシリンダの位置を制御する。制御は、コントローラから駆動ユニットに制御信号を発することによって行われる。すると、駆動ユニットは、シリンダの片側または両側にあるチャンバ内の圧力を増減させるように、シリンダの各側の圧力を制御するために使用される電磁直動弁に駆動電流を流す。
制御は、シリンダ（またはシリンダによって駆動されるアクチュエータ）のための設定位置を連続的に与えることによって実行される。設定位置は実際の位置と比較される。差がある場合は、シリンダ内の圧力は、シリンダの設定位置に達するように調整される必要がある。このような制御で問題となるのは、設定位置と実際の位置が同じであっても、必要な圧力調整が変動し得ることである。このような変動は、システム内のランダムな力や障害によって引き起こされ得る。位置制御の閉ループシステムの高速弁との組み合わせは、システムがこのような圧力要求の変動に対処することを可能にする。圧力センサの信号は、このようなランダムな力や障害によって引き起こされる可能性のあるシリンダ内の状態の変化に関する早期の情報を得るための追加の情報として使用され得る。
さらに、以前に記録された位置（複数）にある既知の位置が制御に使用され得る。例えば、位置変化速度を導出することによって、より精緻な制御が達成される。このような制御では、シリンダ内の圧力を制御する際に、設定位置と実際の位置だけでなく、シリンダの速度も使用するようにシステムのコントローラが構成され得る。また、シリンダ内の実際の圧力も使用され得る。
本明細書で説明する位置決め制御システムは、高速で堅牢であり、制御は広い範囲にわたって比例制御にされ得る。このシステムは空気圧駆動式アクチュエータに依存している。アクチュエータは空気圧で駆動されるため、それは爆発の危険性があるような危険な環境に設置され得る。そして、位置決め制御システムは、危険な環境の外に設置され得る。したがって、システム全体は、電気的に作動する弁を使用する制御部分と、空気圧駆動のみを使用するアクチュエータ部分とに区分することができ、したがって、危険な／爆発する環境に設置され得る。

Claims (10)

  1. シリンダチャンバ（１５，１６）内の空気圧駆動式シリンダ（１４）のための制御ユニット（５）を含むシリンダ位置決めシステム（１）であって、
    上記制御ユニットは、上記シリンダ位置決めシステムの１組の駆動ユニット（１８，１９）を制御するように構成されており、
    各駆動ユニットは、上記シリンダ位置決めシステムの各電磁直動弁（９，１０，１１，１２）に駆動電流を発し、各電磁直動弁は２ミリ秒未満の開閉時間を有し、
    上記制御ユニットは、
    － 上記シリンダについての設定位置（８）と、上記シリンダについての実際の位置とを受け、
    － 上記シリンダの上記設定位置を、上記シリンダの上記実際の位置と比較し、
    － 上記シリンダを上記実際の位置から上記設定位置へ向かって移動させるための制御信号を、上記駆動ユニットに発する
    ように構成されている
    ことを特徴とするシリンダ位置決めシステム。
  2. 請求項１に記載のシリンダ位置決めシステム（１）において、さらに、
    上記シリンダ内の圧力を測定する少なくとも１つの圧力センサ（２０，２１）を備え、
    上記制御ユニットは、さらに、
    上記シリンダチャンバ内の実際の圧力を示す少なくとも１つの信号を受け、
    上記シリンダチャンバ内の上記実際の圧力に基づいて上記位置を制御する
    ように構成されている
    ことを特徴とするシリンダ位置決めシステム。
  3. 請求項１または２に記載のシリンダ位置決めシステム（１）において、
    上記制御ユニットは、さらに、上記電磁直動弁を少なくとも２５Ｈｚの切替周期で切り替えることによって、空気流量を制御するように構成されている
    ことを特徴とするシリンダ位置決めシステム。
  4. 請求項３に記載のシリンダ位置決めシステム（１）において、
    上記制御ユニットは、ＰＷＭを用いて上記電磁直動弁を切り替えることによって、上記空気流量を制御するように構成されている
    ことを特徴とするシリンダ位置決めシステム。
  5. 請求項１から４までのいずれか一つに記載のシリンダ位置決めシステム（１）において、
    ４つの電磁直動弁が設けられ、
    第１の弁が上記シリンダの第１チャンバの加圧を制御するように構成され、
    第２の弁が上記シリンダの第１チャンバの減圧を制御するように構成され、
    第３の弁が上記シリンダの第２チャンバの加圧を制御するように構成され、
    第４の弁が上記シリンダの第２チャンバの減圧を制御するように構成されている
    ことを特徴とするシリンダ位置決めシステム。
  6. 請求項１から５までのいずれか一つに記載のシリンダ位置決めシステムにおいて、
    各全開した電磁直動弁の流量は、上記シリンダ（１４）内の圧力上昇が全スイッチングサイクル中に少なくとも２％となるような流量である
    ことを特徴とするシリンダ位置決めシステム。
  7. 請求項１から６までのいずれか一つに記載のシリンダ位置決めシステムにおいて、
    上記制御ユニットは、さらに、
    シリンダ速度を取得し、
    上記シリンダの上記位置を制御する際に、上記シリンダ速度を用いる
    ように構成されている
    ことを特徴とするシリンダ位置決めシステム。
  8. 空気圧アクチュエータシステムであって、
    空気圧駆動式アクチュエータと、
    請求項１から７までのいずれか一つに記載のシリンダ位置決めシステム（１）と
    を備えたことを特徴とする空気圧アクチュエータシステム。
  9. 請求項８に記載の空気圧アクチュエータシステムにおいて、
    上記空気圧アクチュエータシステムは、上記制御システムが配置されている第１の部分と、上記アクチュエータが配置されている第２の部分との、２つの部分に区分されている
    ことを特徴とする空気圧アクチュエータシステム。
  10. シリンダチャンバ（１５，１６）内の空気圧駆動式シリンダ（１４）のための制御ユニット（５）を含むシリンダ位置決めシステム（１）における方法であって、
    上記制御ユニットは、上記シリンダ位置決めシステムの１組の駆動ユニット（１８，１９）を制御するように構成されており、
    各駆動ユニットは、上記シリンダ位置決めシステムの各電磁直動弁（９，１０，１１，１２）に駆動電流を発し、各電磁直動弁は２ミリ秒未満の開閉時間を有し、
    上記方法は、
    － 上記シリンダについての設定位置（８）と、上記シリンダについての実際の位置とを受けるステップと、
    － 上記シリンダの上記設定位置を、上記シリンダの上記実際の位置と比較するステップと、
    － 上記シリンダを上記実際の位置から上記設定位置へ向かって移動させるための制御信号を、上記駆動ユニットに発するステップと
    を含むことを特徴とする方法。
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