JP2604079B2 - 空気圧シリンダにおける駆動制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気圧シリンダにおけ
る駆動制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び問題点】空気圧シリンダは構造簡単、
安価という利点を有する反面、起動時及び停止時の衝撃
が大きい上に中間停止制御が困難である。そのため、損
壊し易いもの、精密機材等の搬送、中間停止位置決めに
は使用できず、比較的粗くかつ頑丈な物品の搬送をフル
ストローク搬送する用途に限られていた。

【０００３】中間停止制御としては日本機械学会論文誌
の１９８７年３月号、Ｖｏｌ５３、Ｎｏ４９６に掲載さ
れる「空気圧シリンダの学習的位置制御」、及び１９８
３年１１月号、Ｖｏｌ４、Ｎｏ７に掲載される「空気圧
シリンダのパルス幅変調方式速度制御」があるが、これ
らはいずれも複雑かつ円滑性に欠け、実用的でない。

【０００４】本発明は円滑に中間位置停止を達成し得る
空気圧シリンダにおける駆動制御方法を提供することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そのために、第１の発明
では、空気圧シリンダのピストンの起動位置から目標停
止位置までの移動領域を駆動制御領域と停止制御領域と
に分け、駆動制御領域ではピストンの位置及び各位置の
速度を検出すると共に、検出速度が各位置毎に予め設定
された理想速度に近づくようにエア供給制御用の比例制
御弁の弁開度をファジィ推論で決定し、駆動制御領域か
ら停止制御領域へ移行する際には一定速度となるように
エア供給制御を行ない、停止制御領域ではピストンの位
置のみを検出すると共に、ピストンが目標停止位置の手
前の所定位置に達した時にピストンに対して制動を掛け
るようにした。

【０００６】第２の発明では、ロッドレスシリンダのピ
ストンの起動位置から目標停止位置までの移動領域を駆
動制御領域と停止制御領域とに分け、駆動制御領域では
ピストンの位置を検出すると共に、各位置毎にエア供給
制御用開閉弁の繰り返しパルスのデューティ比をファジ
ィ推論で決定し、駆動制御領域から停止制御領域へ移行
する際には一定速度となるようにエア供給制御を行なう
ようにした。

【０００７】第３の発明では、ロッドレスシリンダのピ
ストンの起動の際には予めピストンに対してその進行方
向とは逆方向へ空気圧を作用させておき、この逆圧付与
状態のもとにピストンを起動し、逆圧付与のための圧力
エア供給時間をファジィ推論で決定するようにした。

【０００８】

【作用】第１の発明では、駆動制御領域におけるピスト
ン位置及び各位置毎の速度が検出される。この検出され
た位置におけるピストンの速度は理想速度と比較され、
検出速度と理想速度との差が零に近づくように比例制御
弁の弁開度がファジィ推論で決定される。ピストンの位
置が駆動制御領域から停止制御領域に移行する際にはピ
ストンは一定の低速度に制御され、停止制御領域ではピ
ストンの位置のみが検出される。この位置検出に基づい
てピストンが目標停止位置の手前に到達したことが検出
されると、ピストンロッドに対して摺接制動が掛けられ
る。

【０００９】第２の発明では、ロッドレスシリンダのピ
ストンの位置のみが検出され、この位置検出のみに基づ
いて開閉弁がファジィ推論によって繰り返しパルスのデ
ューティ比の可変制御を受ける。ピストンの位置が駆動
制御領域から停止制御領域に移行する際にはピストンは
一定の低速度に制御される。

【００１０】第３の発明では、ピストンの起動の際にピ
ストンの進行方向とは逆方向へ空気圧が作用される。こ
の圧力エア供給時間、即ち逆圧の大きさはファジィ推論
で決定され、この逆圧付与状態のもとにピストンが起動
する。

【００１１】

【実施例】以下、第１の発明を具体化した一実施例を図
１〜図１１に基づいて説明する。図１に示すように空気
圧シリンダ１内はピストン２によって一対の加圧室１
ａ，１ｂに区画され、ピストンロッド２ａが一方の加圧
室１ｂから突出している。加圧室１ｂ内には空気圧ブレ
ーキ３が内蔵されており、ピストンロッド２ａが空気圧
ブレーキ３の摺接作用によって制動を掛けられるように
なっている。

【００１２】圧力エア供給源４から両加圧室１ａ，１ｂ
への圧力エア供給は給気用電磁開閉弁５及び電空比例制
御弁６を介して行われ、電空比例制御弁６と加圧室１ａ
との間の流路には排気用電磁開閉弁７が分岐接続されて
いると共に、電空比例制御弁６と加圧室１ｂとの間の流
路にも排気用電磁開閉弁８が分岐接続されている。

【００１３】空気圧シリンダ１には位置検出器９が取り
付けられており、ピストンロッド２ａ先端に取り付けら
れた被検出体１０が位置検出器９によって検出される。
位置検出器９としてはヴィーデマン効果を利用した磁歪
振動型アブソリュートスケールが用いられている。

【００１４】位置検出器９からの出力信号はＡ／Ｄ変換
器１１を介して制御コンピュータ１２に取り込まれる。
制御コンピュータＣには時間カウンタ１３が接続されて
おり、制御コンピュータ１２は位置検出器９から得られ
る位置検出情報に基づいて被検出体１０の位置、即ちピ
ストン２の位置を把握し、位置検出情報と時間カウンタ
１３から得られる時間情報とに基づいてピストン２の速
度を算出する。制御コンピュータ１２はピストン２の検
出位置及び検出速度に基づいて電磁開閉弁５，７，８及
び空気圧ブレーキ３の励消磁を制御し、比例弁コントロ
ーラ１４を介して電空比例制御弁６の弁開度を制御す
る。比例弁コントローラ１４は電空比例制御弁６の応答
性を高めるためのディザ信号効果を得るために用いられ
る。

【００１５】図６のグラフはファジィ推論を行なうため
のピストン位置Ｙに関するメンバーシップ関数を表し、
関数ｙ₁ ，ｙ₂ ，ｙ₃ ，ｙ₄ ，ｙ₅ ，ｙ₆ ，ｙ₇ ，ｙ₈
はピストン２と目標停止位置Ｘ_e との距離を表すファジ
ィ集合Ｙ₁ ，Ｙ₂ ，Ｙ₃ ，Ｙ ₄ ，Ｙ₅ ，Ｙ₆ ，Ｙ₇ ，Ｙ
₈ に対応して設定されたメンバーシップ関数である。フ
ァジィ集合Ｙ_i （ｉ＝１〜８）は次のような距離の集ま
りである。 Ｙ₁ ＝目標位置Ｘ_e から〈遠すぎる〉距離 Ｙ₂ ＝目標位置Ｘ_e から〈かなり遠い〉距離 Ｙ₃ ＝目標位置Ｘ_e から〈遠い〉距離 Ｙ₄ ＝目標位置Ｘ_e から〈普通〉の距離 Ｙ₅ ＝目標位置Ｘ_e に〈少し近い〉距離 Ｙ₆ ＝目標位置Ｘ_e に〈近い〉距離 Ｙ₇ ＝目標位置Ｘ_e に〈かなり近い〉距離 Ｙ₈ ＝目標位置Ｘ_e に〈近すぎる〉距離 図７のグラフはファジィ推論を行なうためのピストン２
の各位置と理想速度Ｖ ₀ との関係に関するメンバーシッ
プ関数を表し、関数ｖ_1j（ｊ＝１〜４），ｖ_2j（ｊ＝１
〜４），ｖ_3j（ｊ＝２〜５），ｖ_4j（ｊ＝２〜５），ｖ
_5j（ｊ＝２〜５），ｖ_6j（ｊ＝２〜６），ｖ_7j（ｊ＝２
〜６），ｖ_8j（ｊ＝２〜６）はピストン２の理想速度Ｖ
₀ に関するファジィ集合Ｖ_ij（ｉ＝１〜８）に対応して
設定されたメンバーシップ関数である。ファジィ集合Ｖ
_ijは次のような距離の集まりである。 Ｖ_i1＝〈かなり遅い〉理想速度 Ｖ_i2＝〈遅い〉理想速度 Ｖ_i3＝〈適当〉な理想速度 Ｖ_i4＝〈速い〉理想速度 Ｖ_i5＝〈かなり速い〉理想速度 Ｖ_i6＝〈速すぎる〉理想速度 図６及び図７のメンバーシップ関数ｙ_i ，ｖ_ijは実験的
に求めたものであり、両メンバーシップ関数ｙ_i ，ｖ_ij
を基にファジィ推論で得られた理想速度曲線Ｃ ₂ が図２
に示されている。位置ｘ₅ はピストン２の初期位置を表
し、この初期位置ｘ₁ と位置（Ｘ_e −Ｌ₁ ）との間の領
域は駆動制御領域として設定され、位置（Ｘｅ−Ｌ₁ ）
と目標停止位置Ｘ_e との間の領域は停止制御領域として
設定される。駆動制御領域〔ｘ₁ ，Ｘ_e −Ｌ₁ 〕から停
止制御領域〔Ｘ_e −Ｌ₁ ，Ｘ_e 〕へ移行する際にはピス
トン２の速度が低速度で一定制御され、位置（Ｘ_e −Ｌ
₂）では空気圧ブレーキ３が作動される。

【００１６】ファジィ推論は以下のように行われる。ピ
ストン２の位置がｘのときの距離ＹをＹ（ｘ）とする
と、例えば図６に示すように距離Ｙ（ｘ）のファジィ集
合Ｙ_i＝Ｙ₃ ，Ｙ₄ が得られ、このファジィ集合Ｙ₃ ，
Ｙ₄ に対応する理想速度を与えるファジィ集合Ｖ_ijはＶ
₃₄及びＶ₄₃である。ファジィ集合Ｙ₃ ，Ｙ₄ におけるグ
レードはα₁ 及びα₂ であり、ファジィ集合Ｖ₃₄におけ
るグレードα₁ 以下の面積領域は図７にハッチングで示
され、ファジィ集合Ｖ₄₃におけるグレードα₂ 以下の面
積領域は図７にハッチングで示される。図８は両ハッチ
ング領域の合成領域を表し、この合成領域の面積重心に
対応する理想速度Ｖ₀ （ｘ）がピストン２の各位置ｘに
対して得られる。

【００１７】図９〜図１１のフローチャートは停止位置
決め制御プログラムを表し、制御コンピュータ１２はこ
の停止位置決め制御プログラムに従って電磁開閉弁５，
７，８、電空比例制御弁６及び空気圧ブレーキ３の励消
磁制御を行なう。この制御に用いられるファジィ推論の
ための制御規則Ｒ₁ 〜Ｒ₆ が以下のように設定される。 Ｒ₁ ＝〈もし速度Ｖが理想速度Ｖ₀ よりもかなり遅いな
らば、電空比例制御弁６を普通に開く〉 Ｒ₂ ＝〈もし速度Ｖが理想速度Ｖ₀ よりも遅いならば、
電空比例制御弁６を少し開く〉 Ｒ₃ ＝〈もし速度Ｖが理想速度Ｖ₀ として適当ならば、
電空比例制御弁６の開閉変更を行わない〉 Ｒ₄ ＝〈もし速度Ｖが理想速度Ｖ₀ よりも少し速いなら
ば、電空比例制御弁６を少し閉じる〉 Ｒ₅ ＝〈もし速度Ｖが理想速度Ｖ₀ よりもかなり速いな
らば、電空比例制御弁６を普通に閉じる〉 Ｒ₆ ＝〈もし速度Ｖが理想速度Ｖ₀ よりも速すぎるなら
ば、電空比例制御弁６を大きく閉じる〉 図３のグラフの曲線Ｃ₁ は電空比例制御弁６の弁開度と
ピストン２の速度との関係を示す特性曲線である。特性
曲線Ｃ₁ から分かるように弁開度が１０％〜３０％の範
囲ではピストン速度は線型比例している。そこで本実施
例では電空比例制御弁６の弁開度範囲を１０％〜３０％
とし、曲線Ｃ₁ で示される特性関係に基づいて前記制御
規則を設定した。

【００１８】図４のグラフは前記制御規則に基づいてフ
ァジィ推論を行なうためのピストン２の検出位置ｘにお
ける検出速度Ｖ（ｘ）と理想速度Ｖ₀ （ｘ）との差ΔＶ
に関するメンバーシップ関数を表し、関数Δｖ₁ ，Δｖ
₂ ，Δｖ₃ ，Δｖ₄ ，Δｖ₅，Δｖ₆ は速度差ΔＶに対
するファジィ集合ΔＶ₁ ，ΔＶ₂ ，ΔＶ₃ ，ΔＶ₄ ，Δ
Ｖ₅ ，ΔＶ₆ に対応して設定されたメンバーシップ関数
である。ファジィ集合ΔＶ_k （ｋ＝１〜６）は次のよう
な速度差の集まりである。 ΔＶ₁ ＝理想速度Ｖ₀ より〈かなり遅い〉速度 ΔＶ₂ ＝理想速度Ｖ₀ より〈遅い〉速度 ΔＶ₃ ＝理想速度Ｖ₀ として〈適当〉な速度 ΔＶ₄ ＝理想速度Ｖ₀ より〈速い〉速度 ΔＶ₅ ＝理想速度Ｖ₀ より〈かなり速い〉速度 ΔＶ₆ ＝理想速度Ｖ₀ より〈速すぎる〉速度 図５のグラフは前記制御規則に基づいてファジィ推論を
行なうための電空比例制御弁６の弁開度変更量Θに関す
るメンバーシップ関数を表し、関数θ₁ ，θ₂，θ₃ ，
θ₄ ，θ₅ ，θ₆ は弁開度変更量Θに関するファジィ集
合Θ₁ ，Θ₂ ，Θ₃ ，Θ₄ ，Θ₅ ，Θ₆ に対応して設定
されたメンバーシップ関数である。ファジィ集合Θ
_k （ｋ＝１〜６）は次のような弁開度変更量の集まりで
ある。 Θ₁ ＝〈普通に開く〉程度の弁開度変更量 Θ₂ ＝〈少し開く〉程度の弁開度変更量 Θ₃ ＝〈零〉の弁開度変更量 Θ₄ ＝〈少し閉じる〉程度の弁開度変更量 Θ₅ ＝〈普通に閉じる〉程度の弁開度変更量 Θ₆ ＝〈大きく閉じる〉程度の弁開度変更量 以下、図９〜図１１のフローチャートで示す停止位置決
め制御プログラムに基づいて空気圧シリンダ１の停止位
置決め制御を説明する。

【００１９】制御コンピュータ１２は予め空気圧ブレー
キ３を作動しておき、ピストン２がロックアップ状態に
ある。制御コンピュータ１２はピストン２の初期位置ｘ
₁ をサンプリングし、目標停止位置Ｘ_e との比較に基づ
いてピストン２の駆動方向を把握する。図１の状態にお
ける目標停止位置Ｘ_e は加圧室１ｂ側となり、ピストン
２は加圧室１ｂ側へ駆動されることになる。

【００２０】次いで、制御コンピュータ１２は排気用電
磁開閉弁７，８を所定時間励磁する。この所定時間励磁
によって両加圧室１ａ，１ｂが大気圧となり、両加圧室
１ａ，１ｂが圧力的に平衡状態となる。排気用電磁開閉
弁７，８の所定時間励磁後、制御コンピュータ１２は目
標停止位置Ｘ_e と初期位置ｘ₁ との距離Ｙ₀ を算出し、
この算出された距離Ｙ₀ に応じて電空比例制御弁６の給
気方向制御を行なうと共に、給気用電磁開閉弁５を所定
時間ｔ（Ｙ₀ ）励磁する。この所定時間ｔ（Ｙ ₀ ）の決
定は予めファジィ推論によって行われており、制御コン
ピュータ１２は予め入力設定された関数ｔ（Ｙ₀ ）及び
検出距離Ｙ₀ に基づいて所定時間ｔ（Ｙ ₀ ）を算出す
る。この所定時間ｔ（Ｙ₀ ）励磁によって加圧室１ａ
（又は１ｂ）が加圧される。この加圧後、排気用電磁開
閉弁８（又は７）が励磁され、加圧室１ｂ（又は１ａ）
が大気開放される。そして、空気圧ブレーキ３が作動停
止し、空気圧ブレーキ３の制動作用から解放されたピス
トン２が衝撃なく駆動開始される。

【００２１】ピストン２が駆動開始されると、制御コン
ピュータ１２はピストン２の位置ｘのサンプリングに基
づいて距離（Ｘ_e −ｘ）＝Ｙ及びその位置の速度Ｖを算
出し、前述したようにファジィ推論によって検出位置ｘ
における理想速度Ｖ₀ （ｘ）を算出する。そして、理想
速度Ｖ₀ （ｘ）と検出速度Ｖ（ｘ）とに基づいてファジ
ィ推論する。

【００２２】このファジィ推論は以下のように行われ
る。まず理想速度Ｖ₀ （ｘ）と検出速度Ｖ（ｘ）との速
度差が含まれるファジィ集合ΔＶ（ｘ）の所属群ΔＶ_k
が把握される。図６及び図７の距離Ｙ（ｘ）の場合には
ファジィ集合ΔＶ_k はΔＶ₃ 及びΔＶ₄ となり、グレー
ドはβ₁ 及びβ₂ である。速度差所属群ΔＶ₃ に対応す
るメンバーシップ関数Δｖ₃ におけるグレードβ₁ 以下
の面積領域は図５にハッチングで示され、ファジィ集合
ΔＶ₄ に対応するメンバーシップ関数Δｖ₄ におけるグ
レードβ₂ 以下の領域面積は図５にハッチングで示され
る。両ハッチング領域の合成領域の面積重心に対応する
弁開度変更量Θ（ｘ）がピストン２の位置ｘに対して算
出され、この弁開度変更量Θ（ｘ）の変更が行われる。

【００２３】このようなファジィ推論制御によってピス
トン２の速度が各位置で理想速度に近づけられ、駆動制
御領域〔ｘ₅ ，Ｌ₁ 〕におけるピストン２の実際の速度
が図２の理想速度曲線Ｃ₁ に精度良く一致する。

【００２４】ピストン２が位置Ｌ₁ に達すると、電空比
例制御弁６の弁開度が一定に制御され、ピストン２の速
度が一定の低速度に制御される。この低速度状態でピス
トン２が位置Ｌ₂ に到達すると、空気圧ブレーキ３が励
磁され、ピストンロッド２ａに対して制動が掛けられる
と共に、電空比例制御弁６及び電磁開閉弁７（又は８）
が消磁され、ピストン２が停止する。

【００２５】エア圧力３．５kgf/cm² 、ピストン２の移
動距離（Ｘ_e −ｘ₅ ）＝１５０mm、Ｌ₁ ＝４．２mm、Ｌ
₂ ＝１４０μｍ、負荷荷重０kgの場合の実験では、停止
精度±２３０μｍ、平均偏り−４１μｍ、加速度０．３
Ｇ、動作時間０．８２sec という良好な結果が得られ
た。

【００２６】なお、この実施例では制御コンピュータ１
２が理想速度の算出も直接ファジィ推論で行なっている
が、ファジィ推論によって得られた理想速度曲線Ｃ₂ の
式を制御コンピュータ１２に入力しておき、理想速度Ｖ
₀ と検出速度Ｖとの差を算出するようにしてもよい。

【００２７】次に、第２の発明を具体化した一実施例を
図１２〜図２６に基づいて説明する。図１２に示すロッ
ドレスシリンダ２１は特開昭６２−２６６２０６号公報
に開示されるタイプのものであり、ピストン２２とテー
ブル２３とが特殊な防塵ベルトとシールベルトとによっ
て連結されている。圧力エア供給源２４からピストン２
２によって区画される一方の加圧室２１ａへの圧力エア
供給は給気用電磁開閉弁２５を介して行われ、給気用電
磁開閉弁２５と加圧室１ａとの間の流路には排気用電磁
開閉弁２６が分岐接続されている。他方の加圧室２１ｂ
への圧力エア供給は給気用電磁開閉弁２７を介して行わ
れ、給気用電磁開閉弁２７と加圧室１ｂとの間の流路に
は排気用電磁開閉弁２８が分岐接続されている。又、両
加圧室２１ａ，２１ｂは流路２９によって接続されてお
り，流路２９上には電磁開閉弁３０が介在されている。

【００２８】ロッドレスシリンダ２１には位置検出器３
１が取り付けられており、テーブル２３に取り付けられ
た被検出体３２が位置検出器３１によって検出される。
位置検出器３１としては磁気近接センサが用いられてい
る。

【００２９】位置検出器３１からの出力信号はカウンタ
３３を介して制御コンピュータ３４に取り込まれ、制御
コンピュータ３４は位置検出器３１から得られる位置検
出情報に基づいて被検出体３２の位置、即ちピストン２
２の位置を把握する。制御コンピュータ３４はピストン
２２の検出位置に基づいてＤ／Ａ変換器３５及び電磁開
閉弁制御回路３６を介して電磁開閉弁２５〜２８，３０
の励消磁を制御する。

【００３０】電磁開閉弁制御回路３６はパルスワイドモ
デュレーション（ＰＷＭ）制御のためのパルス発生回路
であり、図２０に示すように基準三角波Ｃ₃ と直流電圧
Ｃ₄との比較に基づいてパルス信号Ｃ₅ を出力する。

【００３１】図２１及び図２２のフローチャートは停止
位置決め制御プログラムを表し、制御コンピュータ３４
はこの停止位置決め制御プログラムに従って電磁開閉弁
２５〜２８，３０の励消磁制御を行なう。この制御に用
いられるファジィ推論のための制御規則Ｒ₁₁〜Ｒ₁₅が以
下のように設定される。 Ｒ₁₁＝〈もしピストン位置ｘが目標停止位置Ｘ_e から遠
いならば、加速する〉 Ｒ₁₂＝〈もしピストン位置ｘが目標停止位置Ｘ_e に近い
ならば、減速する〉 Ｒ₁₃＝〈もしピストン位置ｘが発進領域〔Ｘ_s ，Ｌ₃ 〕
にあるならば、加速度を小さくする〉 Ｒ₁₄＝〈もしピストン位置ｘが停止準備領域〔Ｌ₄ ，Ｘ
_e 〕にあるならば、減速度を小さくする〉 Ｒ₁₅＝〈加速度の変化が可及的に滑らかなようにする〉 Ｘ_s は初期位置を表し、初期位置Ｘ_s 及び目標停止位置
Ｘ_e は入力装置３４ａによって予め制御コンピュータ３
４に入力されている。

【００３２】制御規則Ｒ₁₅はピストン２２の平均速度が
可及的に大きく、かつ加速度変化が所定の上限を越えな
いように設定されている。図１８の曲線Ｃ₇ は制御規則
Ｒ₁₅を表すピストン２２の理想速度曲線である。

【００３３】図１３（ａ）、図１４（ａ）、図１４
（ａ）、図１５（ａ）及び図１６（ａ）のグラフは制御
規則Ｒ₁₁〜Ｒ₁₄に基づいてファジィ推論を行なうための
ピストン２２の検出位置ｘに関するメンバーシップ関数
を表し、関数ｆ₁ ，ｆ₂ ，ｆ₃ ，ｆ₄ はピストン位置に
関するファジィ集合Ｆ₁ ，Ｆ₂ ，Ｆ₃ ，Ｆ₄ に対応して
設定されたメンバーシップ関数である。ファジィ集合Ｆ
_m （ｍ＝１〜４）は次のような位置の集まりである。 Ｆ₁ ＝目標停止位置Ｘ_e から〈遠い〉位置 Ｆ₂ ＝目標停止位置Ｘ_e に〈近い〉位置 Ｆ₃ ＝〈発進領域〔Ｘ_s ，Ｘ₁ 〕にある〉位置 Ｆ₄ ＝〈停止準備領域〔Ｘ₂ ，Ｘ_e 〕にある〉位置 図１３（ｂ）、図１４（ｂ）、図１４（ｂ）、図１５
（ｂ）及び図１６（ｂ）のグラフは制御規則Ｒ₁₁〜Ｒ₁₄
に基づいてファジィ推論を行なうためのピストン２２の
位置ｘにおける加速度に関するメンバーシップ関数を表
し、関数ｇ₁ ，ｇ ₂ ，ｇ₃ ，ｇ₄ は加速度に関するファ
ジィ集合Ｇ₁ ，Ｇ₂ ，Ｇ₃ ，Ｇ₄ に対応して設定された
メンバーシップ関数である。ファジィ集合Ｇ_m （ｍ＝１
〜４）は次のような加速度の集まりである。 Ｇ₁ ＝〈加速する〉 Ｇ₂ ＝〈減速する〉 Ｇ₃ ＝〈加速度を小さくする〉 Ｇ₄ ＝〈減速度を小さくする〉 図１７のグラフの曲線Ｃ₆ は制御規則Ｒ₁₅に基づいてフ
ァジィ推論を行なうためのピストン２２の位置ｘと加速
度との関係を表し、加速から減速への切り換えのピスト
ン位置はＸ₃ ，Ｘ₄ 付近である。加速度曲線Ｃ₆ は図１
８のグラフの理想速度曲線Ｃ₇ で表されるピストン位置
とピストン速度との関係から求めたピストン位置とピス
トン加速度との関係を表す。

【００３４】図２３のグラフの曲線Ｃ₈ は給気用電磁開
閉弁２５，２７のデューティ比とピストン速度との関係
を表し、デューティ比１７％〜２１％の範囲では概略線
形比例関係にある。図１９のグラフの曲線Ｃ₉ は曲線Ｃ
₈ で表される特性関係に基づいて曲線Ｃ₇ で表されるピ
ストン位置とピストン速度との関係から求めたピストン
位置と直流電圧Ｅとの関係を表す。即ち、曲線Ｃ₉ は制
御規則Ｒ₁₅に基づいてファジィ推論を行なうための制御
式であり、ロッドレスシリンダ２１における停止位置制
御はピストン位置の検出のみからファジィ推論で行われ
る。

【００３５】以下、図２１及び図２２のフローチャート
で示す停止位置決め制御プログラムに基づいてロッドレ
スシリンダ２１の停止位置決め制御を説明する。この実
施例ではピストン２２の初期位置を加圧室２１ａ側の左
端位置Ｘ_s とし、ピストン２２を加圧室２１ｂ側へ駆動
する場合を想定する。

【００３６】制御コンピュータ３４はピストン２２の位
置ｘをサンプリングし、この検出位置ｘが初期位置Ｘ_s
にない場合には電磁開閉弁２７，２６を励磁する。電磁
開閉弁２６の励磁によって加圧室２１ａが大気開放し、
電磁開閉弁２７の励磁によって加圧室２１ｂが加圧され
る。これによりピストン２２が初期位置Ｘ_s に向けて移
動し、ピストン２２が初期位置Ｘ_s に到達すると、電磁
開閉弁２７，２６が消磁する。

【００３７】次いで、制御コンピュータ３４は給気用電
磁開閉弁２５及び排気用電磁開閉弁２８を所定時間パル
ス励磁する。この所定時間パルス励磁によって電磁開閉
弁２５，２８が高速で繰り返し開閉し、加圧室２１ａが
加圧されると共に、加圧室２１ｂが大気開放される。こ
の開閉により圧力エアが振動し、ピストン２２の静止摩
擦力の影響を打ち消すことができる。これによりピスト
ン２２の急激な立ち上がりが抑制される。このようなパ
ルス電圧の印加はディザ信号と言われ、衝撃のないピス
トン駆動開始に寄与する。

【００３８】図２４の曲線Ｃ₁₀は給気用電磁開閉弁２５
のみにディザ信号を印加した場合の起動時のピストン速
度曲線を表す。曲線Ｃ₁₁はディザ信号となるパルスデュ
ーティ比曲線である。基準三角波Ｃ₃ が１０msecである
ため、ディザ信号のパルス周波数は１００Hzである。本
実施例のようなロッドレスシリンダ２１におけるピスト
ン２２の静止摩擦力はロッド有りシリンダに比べて大き
く、給気用開閉弁２５のみに対する１００Hz程度のディ
ザ信号印加では起動時のピストン速度の急激な立ち上が
り現象を充分に抑制することができない。

【００３９】しかしながら、本実施例では排気用電磁開
閉弁２８に対してもディザ信号印加を行なうため、両電
磁開閉弁２５，２８のパルス駆動が相乗効果をもたら
し、圧力エアの振動数が大幅に増大する。図２５の曲線
Ｃ₁₂は両電磁開閉弁２５，２８にディザ信号を印加した
場合の起動時のピストン速度曲線を表す。曲線Ｃ₁₂から
明らかなように起動時のピストン速度の急激な立ち上が
りが充分に抑制されている。

【００４０】ピストン２２が駆動開始されると、制御コ
ンピュータ３４はピストン２２の位置ｘのサンプリング
に基づいて制御規則Ｒ₁₁〜Ｒ₁₅に従ったファジィ推論を
行なう。このファジィ推論によって検出位置ｘに対応す
る直流印加電圧Ｅ（ｘ）が算出出力され、給気用電磁開
閉弁２５がＰＷＭ制御を受ける。ロッドレスシリンダ２
１では不規則なジャーキングモーションが発生するが、
このような不規則な現象に対してピストン速度の微調整
を行なうことは空気の圧縮性による応答遅れのために困
難であり、瞬間的な速度変動を無視した方が良い結果が
期待できる。そのため、このＰＷＭ制御はピストン位置
の検出のみを入力条件として行われる。

【００４１】又、ピストン２２の加速度変化は制御規則
Ｒ₁₅によって所定の上限以下に抑えられるため、ピスト
ン２２の動作は円滑である。しかも、制御規則Ｒ₁₅は平
均速度の可及的高速化をも含んでおり、ピストン２２の
始動位置から停止位置に到る動作時間も可及的に短縮さ
れる。

【００４２】ピストン２２が停止制御領域〔Ｘ_e −
Ｌ₂ ，Ｘ_e 〕に入ると、第１の実施例の場合と同様に一
定の低速度制御に移行する。そして、ピストン２２が位
置（Ｘ_e−Ｌ₃ ）（Ｌ₂ ＞Ｌ₃ ）に到達すると、電磁開
閉弁３０がＰＷＭ制御を受け、両加圧室２１ａ，２１ｂ
が連通する。この連通により圧力エアが加圧室２１ｂに
も流れ、ピストン２２が緩衝作用を受ける。この緩衝程
度はデューティ比の調整によって最適設定でき、ピスト
ン２２が減速して微速駆動に移る。

【００４３】微速駆動するピストン２が位置（Ｘ_e −Ｌ
₄ ）（Ｌ₃ ＞Ｌ₄ ）に到達すると、給気用電磁開閉弁２
５が消磁されると共に、排気用電磁開閉弁２８が消磁さ
れる。即ち、両加圧室２１ａ，２１ｂが連通状態で両加
圧室２１ａ，２１ｂ内の空気が閉じ込められる。この空
気閉じ込めによって両加圧室２１ａ，２１ｂの圧力変動
が無くなり、微速駆動するピストン２２が停止する。

【００４４】この空気閉じ込め方式によれば一定の低速
度状態から停止に到るまでのピストン移動距離がピスト
ン位置に関係なくなり、低速度一定、エア圧力一定及び
流路２９の通過断面積一定であれば、低速度状態から停
止に到るまでのピストン移動距離が概略一定になるとい
う利点がある。

【００４５】ピストン２２が停止すると、制御コンピュ
ータ３４はピストン２２の停止位置ｘ₀ をサンプリング
し、実際の停止位置ｘ₀ と目標停止位置Ｘ_e との差（ｘ
₀ −Ｘ_e ）＝ΔＸ_e を算出する。この差ΔＸ_e は次回の
ピストン駆動の際の停止制御領域における緩衝作用によ
る減速開始位置（Ｘ_e −Ｌ₃ ）に組み込まれる。即ち、
前回の値Ｌ₃ が（Ｌ₃ ＋ΔＸ_e ）に変更される。これは
ピストン停止位置を補正する学習制御方式の採用であ
る。温度変化等によりシリンダ状態が変化したときの駆
動制御から停止制御への移行時の速度変化はロッドレス
シリンダ２１では大きく、電磁開閉弁３０のＰＷＭ制御
ではピストン停止位置の変動を抑えきれないおそれがあ
るが、学習制御方式の採用によってこの問題が解消され
る。

【００４６】エア圧力１．５kgf/cm² 、ピストン２２の
移動距離（Ｘ_e −ｘ₁ ）＝３００mm、Ｘ₁ ＝５mm、Ｘ₂
＝１５０mm、Ｘ₃ ＝９１mm、Ｘ₄ ＝９１mm、負荷荷重０
kgの場合の実験では、停止精度±４４７、平均偏り−
１、加速度１．２Ｇ、動作時間１．２sec という良好な
結果が得られ、ＰＷＭ制御とファジィ制御との組合せ方
式が摺接制動機構のないロッドレスシリンダ２１に対し
て有効であることが確認される。

【００４７】次に、磁石吸引力を利用してテーブルをピ
ストンに追従させる方式のロッドレスシリンダに第３の
発明を具体化した一実施例を図２６〜図３２に基づいて
説明する。

【００４８】図２６に示すロッドレスシリンダ３７は、
ガイドレール３８上のテーブル３９をピストン４０の移
動に追従させるタイプであり、テーブル３９はテーブル
３９側の磁石３９ａとピストン４０側の磁石４０ａとの
吸引力によってピストン４０の移動に追従する。その他
の構成は第２の実施例と同様であるので、同一部材には
同一符号を付してその説明は省略する。

【００４９】図３０〜図３２のフローチャートは低衝撃
駆動制御プログラム及び停止位置決め制御プログラムを
表し、制御コンピュータ３４はこの制御プログラムに従
って電磁開閉弁２５〜２８，３０の励消磁制御を行な
う。停止位置決め制御に用いられるファジィ推論のため
の制御規則は第２の実施例のＲ₁₁〜Ｒ₁₅と同じであり、
給気用電磁開閉弁２５，２７のデューティ比はピストン
速度に対して概略線形比例関係にある１７％〜２０％の
範囲に設定されている。

【００５０】低衝撃駆動制御に用いられるファジィ推論
のための制御規則Ｒ₂₁〜Ｒ₂₃が以下のように設定されて
いる。 Ｒ₂₁＝〈もし直流電圧値Ｅ（Ｘ_s,Ｘ_e ) が小さいならば
励磁時間を長くする〉 Ｒ₂₂＝〈もし直流電圧値Ｅ（Ｘ_s,Ｘ_e ) が普通ならば励
磁時間を普通にする〉 Ｒ₂₃＝〈もし直流電圧値Ｅ（Ｘ_s,Ｘ_e ) が大きいならば
励磁時間を短くする〉 直流電圧値Ｅ（Ｘ_s,Ｘ_e ) はピストン４０の初期位置Ｘ
_s と目標停止位置Ｘ_eとから決定されるピストン起動時
のデューティ比決定用直流電圧値である。

【００５１】図２７（ａ）、図２８（ａ）及び図２９
（ａ）のグラフは制御規則Ｒ₂₁〜Ｒ₂₃に基づいてファジ
ィ推論を行なうための直流電圧値Ｅ（Ｘ_s,Ｘ_e ) に関す
るメンバーシップ関数を表し、関数ｅ₁ ，ｅ₂ ，ｅ₃ は
直流電圧値Ｅ（Ｘ_s,Ｘ_e ) に関するファジィ集合Ｅ₁ ，
Ｅ₂ ，Ｅ₃ に対応して設定されたメンバーシップ関数で
ある。ファジィ集合Ｅ_n （ｎ＝１〜３）は次のような直
流電圧値の集まりである。 Ｅ₁ ＝〈小さい〉直流電圧値 Ｅ₂ ＝〈普通の〉直流電圧値 Ｅ₃ ＝〈大きい〉直流電圧値 図２７（ｂ）、図２８（ｂ）及び図２９（ｂ）のグラフ
は制御規則Ｒ₂₁〜Ｒ₂₃に基づいてファジィ推論を行なう
ための給気用電磁開閉弁２５，２７の励磁時間に関する
メンバーシップ関数を表し、関数ｔ₁ ，ｔ₂ ，ｔ₃ は励
磁時間に関するファジィ集合Ｔ₁ ，Ｔ₂ ，Ｔ₃ に対応し
て設定されたメンバーシップ関数である。ファジィ集合
Ｔ_n （ｎ＝１〜３）は次のような励磁時間の集まりであ
る。 Ｔ₁ ＝〈長い〉励磁時間 Ｔ₂ ＝〈普通の〉励磁時間 Ｔ₃ ＝〈短い〉励磁時間 以下、図３０〜図３２のフローチャートで示す低衝撃駆
動制御プログラム及び停止位置決め制御プログラムに基
づいてロッドレスシリンダ３７の低衝撃駆動及び停止位
置決め制御を説明する。この実施例でもピストン４０の
初期位置を加圧室３７ａ側の左端位置Ｘ_s とし、ピスト
ン４０を加圧室３７ｂ側へ駆動する場合を想定してい
る。初期位置Ｘ_s 及び目標停止位置Ｘ_e は入力装置３４
ａによって予め制御コンピュータ３４に入力されてい
る。初期位置Ｘ_s へのピストン４０の移動制御は前記第
２の実施例と同じである。

【００５２】ピストン４０が初期位置Ｘ_s へ配置された
後、制御コンピュータ３４は排気用電磁開閉弁２８を所
定時間励磁する。この所定時間励磁によって電磁開閉弁
が開き、加圧室４０ｂが大気圧となる。

【００５３】加圧室４０ｂが大気圧となった後、制御コ
ンピュータ３４は初期位置Ｘ_s 及び目標停止位置Ｘ_e に
基づいて起動時の直流電圧値Ｅ（Ｘ_s,Ｘ_e ) を算出し、
この算出された直流電圧値Ｅ（Ｘ_s,Ｘ_e ) に基づいて低
衝撃駆動のためのファジィ推論を行なう。

【００５４】このファジィ推論は以下のように行われ
る。まず算出された直流電圧値Ｅ（Ｘ _s,Ｘ_e ) を含むフ
ァジィ集合Ｅ_n が把握されると共に、直流電圧値Ｅ（Ｘ
_s,Ｘ_e) のグレードが算出される。次いで、ファジィ集
合Ｅ_n に対応する逆圧付与時間のファジィ集合Ｔ_n が把
握され、逆圧付与時間Ｔ（Ｘ_s,Ｘ_e ) が直流電圧値Ｅ
（Ｘ_s,Ｘ_e ) のグレードに基づいて算出される。

【００５５】制御コンピュータ３４はこの逆圧付与時間
Ｔ（Ｘ_s,Ｘ_e ) の間給気用電磁開閉弁２７を励磁する。
この励磁によって加圧室３７ｂが加圧され、ピストン４
０がその進行方向とは逆方向への圧力を付与される。こ
の逆圧の大きさは逆圧付与時間Ｔ（Ｘ_s,Ｘ_e ) に依存す
る。このような逆圧付与状態のもとに給気用電磁開閉弁
２５が起動時に直流電圧値Ｅ（Ｘ_s,Ｘ_e ) に対応するデ
ューティ比で繰り返し励消磁されると共に、排気用電磁
開閉弁２８が励磁される。従って、ピストン４０は予め
逆圧を受けた状態から駆動開始し、ピストン４０の急激
な飛び出しが抑制される。逆圧はデューティ比が大きい
と大きく、デューティ比が小さいと小さい。

【００５６】エア圧力３．５kgf/cm² 、ピストン４０の
移動距離（Ｘ_e −Ｘ_s ）＝１５０mm、ロッドレスシリン
ダ３７における静止摩擦力３．３kgf の場合の実験で
は、停止精度±７８０μｍ、平均偏り＋１１０μｍ、起
動時加速度１．０Ｇという良好な結果を得ている。

【００５７】

【発明の効果】以上詳述したように第１の発明は、駆動
制御領域ではピストンの位置及び各位置の速度を検出す
ると共に、検出速度が各位置毎に予め設定された理想速
度に近づくようにエア供給制御用の比例制御弁の弁開度
をファジィ推論で決定し、駆動制御領域から停止制御領
域へ移行する際には一定速度となるようにエア供給制御
を行ない、停止制御領域ではピストンの位置のみを検出
すると共に、ピストンが目標停止位置の手前の所定位置
に達した時にピストンに対して制動を掛けるようにした
ので、制御が簡単にも関わらず円滑駆動及び高い停止精
度を達成し得るという優れた効果を奏する。

【００５８】第２の発明は、駆動制御領域ではピストン
の位置を検出すると共に、各位置毎にエア供給制御用開
閉弁の繰り返しパルスのデューティ比をファジィ推論で
決定し、駆動制御領域から停止制御領域へ移行する際に
は一定速度となるようにエア供給制御を行なうようにし
たので、制御が簡単かつ摺接制動機構がないにも関わら
ずロッドレスシリンダの円滑駆動及び高い停止精度を達
成し得るという優れた効果を奏する。

【００５９】第３の発明は、ロッドレスシリンダのピス
トンの起動の際には予めピストンに対してその進行方向
とは逆方向へ空気圧を作用させておき、この逆圧付与状
態のもとにピストンを起動し、逆圧付与のための圧力エ
ア供給時間をファジィ推論で決定するようにしたので、
起動時の円滑駆動を達成し得るという優れた効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の発明を具体化した一実施例の空気圧シ
リンダと制御ブロック回路との組合せ図である。

【図２】 ピストンの理想速度曲線を表すグラフであ
る。

【図３】 電空比例制御弁の弁開度とピストン速度との
関係を表すグラフである。

【図４】 ピストン速度のメンバーシップ関数を表すグ
ラフである。

【図５】 弁開度のメンバーシップ関数を表すグラフで
ある。

【図６】 ピストン位置のメンバーシップ関数を表すグ
ラフである。

【図７】 各ピストン位置毎のピストン速度のメンバー
シップ関数を表すグラフである。

【図８】 検出位置に対する理想速度を算出する方法を
示すグラフである。

【図９】 停止位置決め制御プログラムを表すフローチ
ャートである。

【図１０】 停止位置決め制御プログラムを表すフロー
チャートである。

【図１１】 停止位置決め制御プログラムを表すフロー
チャートである。

【図１２】 第２の発明を具体化した一実施例のロッド
レスシリンダと制御ブロック回路との組合せ図である。

【図１３】 （ａ）はピストン位置のメンバーシップ関
数を表すグラフであり、（ｂ）は（ａ）に対応する加速
度のメンバーシップ関数である。

【図１４】 （ａ）はピストン位置のメンバーシップ関
数を表すグラフであり、（ｂ）は（ａ）に対応する加速
度のメンバーシップ関数である。

【図１５】 （ａ）はピストン位置のメンバーシップ関
数を表すグラフであり、（ｂ）は（ａ）に対応する加速
度のメンバーシップ関数である。

【図１６】 （ａ）はピストン位置のメンバーシップ関
数を表すグラフであり、（ｂ）は（ａ）に対応する加速
度のメンバーシップ関数である。

【図１７】 ピストン位置と加速度との関係を表すグラ
フである。

【図１８】 ピストン位置とピストン速度との関係を表
すグラフである。

【図１９】 ピストン位置と直流印加電圧との関係を表
すグラフである。

【図２０】 ＰＷＭ制御に用いられるパルス発生を説明
するためのグラフである

【図２１】 停止位置決め制御プログラムを表すフロー
チャートである。

【図２２】 停止位置決め制御プログラムを表すフロー
チャートである。

【図２３】 デューティ比とピストン速度との関係を表
すグラフである。

【図２４】 ＰＷＭ制御によるピストン速度曲線を表す
グラフである。

【図２５】 ＰＷＭ制御によるピストン速度曲線を表す
グラフである。

【図２６】 第３の発明を具体化した一実施例のロッド
レスシリンダと制御ブロック回路との組合せ図である。

【図２７】 （ａ）は直流電圧値のメンバーシップ関数
を表すグラフであり、（ｂ）は（ａ）に対応する逆圧付
与のための励磁時間のメンバーシップ関数である。

【図２８】 （ａ）は直流電圧値のメンバーシップ関数
を表すグラフであり、（ｂ）は（ａ）に対応する逆圧付
与のための励磁時間のメンバーシップ関数である。

【図２９】 （ａ）は直流電圧値のメンバーシップ関数
を表すグラフであり、（ｂ）は（ａ）に対応する逆圧付
与のための励磁時間のメンバーシップ関数である。

【図３０】 低衝撃駆動プログラム及び停止位置決め制
御プログラムを表すフローチャートである。

【図３１】 低衝撃駆動プログラム及び停止位置決め制
御プログラムを表すフローチャートである。

【図３２】 低衝撃駆動プログラム及び停止位置決め制
御プログラムを表すフローチャートである。

【符号の説明】

１…空気圧シリンダ、２…ピストン、３…空気圧ブレー
キ、５…給気用電磁開閉弁、６…電空比例制御弁、７，
８…排気用電磁開閉弁、９…位置検出器、１２…制御コ
ンピュータ、２１…ロッドレスシリンダ、２２…ピスト
ン、２５，２７…給気用電磁開閉弁、２６，２８…排気
用電磁開閉弁、２９…流路、３０…電磁開閉弁、３１…
位置検出器、３４…制御コンピュータ、３６…電磁開閉
弁制御回路。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−208701（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−68912（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−88810（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−30804（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−64190（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−128301（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭52−1994（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空気圧シリンダのピストンの起動位置から
   目標停止位置までの移動領域を駆動制御領域と停止制御
   領域とに分け、駆動制御領域ではピストンの位置及び各
   位置の速度を検出すると共に、検出速度が各位置毎に予
   め設定された理想速度に近づくようにエア供給制御用比
   例弁の弁開度をファジィ推論で決定し、駆動制御領域か
   ら停止制御領域へ移行する際には一定速度となるように
   エア供給制御を行ない、停止制御領域ではピストンの位
   置のみを検出すると共に、ピストンが目標停止位置の手
   前の所定位置に達した時にピストンに対して制動を掛け
   るようにした空気圧シリンダにおける駆動制御方法。
2. 【請求項２】ロッドレスシリンダのピストンの起動位置
   から目標停止位置までの移動領域を駆動制御領域と停止
   制御領域とに分け、駆動制御領域ではピストンの位置を
   検出すると共に、各位置毎にエア供給制御用開閉弁の繰
   り返しパルスのデューティ比をファジィ推論で決定し、
   駆動制御領域から停止制御領域へ移行する際には一定速
   度となるようにエア供給制御を行なう空気圧シリンダに
   おける駆動制御方法。
3. 【請求項３】加速度変化の円滑性をもたらす制御規則を
   ファジィ推論に含めた請求項２に記載の空気圧シリンダ
   における駆動制御方法。
4. 【請求項４】ロッドレスシリンダのピストンの起動の際
   には予めピストンに対してその進行方向とは逆方向へ空
   気圧を作用させておき、この逆圧付与状態のもとにピス
   トンを起動し、逆圧付与のための圧力エア供給時間をフ
   ァジィ推論で決定する空気圧シリンダにおける駆動制御
   方法。