JP2625135B2 - 流体材料吐出装置及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は流体吐出システムに係わり、特に潤滑材やシ
ール材や接着剤のような粘性流体材料を被加工物に吐出
する際に、吐出機と被加工物との相対速度の変化を補償
するように流体材料の流量を制御することのできる吐出
装置及び方法に関する。

開示の背景 或る種の潤滑材や接着剤やシール材などの粘性流体を
吐出する場合、被加工物の表面に材料をビート状に塗布
するに際して、このビートの単位長さ当りの材料の量を
所望値に定めることが必要となることが多い。高生産工
程の場合又は材料ビートを高精度に位置決めする必要が
ある場合には、ロボット腕によって吐出ノズルを被加工
物表面上をプログラムされたパターンに従って迅速に案
内して、材料を塗布することが多い。吐出流体は、用途
に応じて、ノズルから高速度で或る距離だけ放出される
か、それとも被加工物に接近配置されたノズルから低速
度で押出される。いずれの場合にも、ビートにおける単
位直線距離当りの塗布材料量は、吐出ノズルから放出さ
れた材料の流量と、被加工物に対するノズルの速度との
両方に従って変化する。

例えば、自動車工業では、自動車のドアの内面の周囲
にシール材の均一ビードを塗布する必要があり、この塗
布は内パネルをドアに接合する前に行われる。ロボット
は、パターンの長い直線部分についてはノズルを迅速に
移動させることができるか、しかしながらビートパター
ンが例えば、ドアパネルのコーナー付近などで急激に方
向を変える場合には、ロボット腕はビードの所望の位置
精度を維持する為に速度を減速しなければならない。も
し吐出流体材料の流量が一定値である場合には、塗布ビ
ートの材料量は、方向変化の為のロボット腕減速時には
増加し、ロボット腕の加速時には減少することになる。

この問題を解決する従来の試みの一つとして、ロボッ
トコントローラーからの工具速度信号を電圧制御式直流
モータ駆動系に印加して、流体の充満したショットポン
プ（Shop pum）のプランジャ駆動用のボールネジ機構の
速度を制御することが知られている。このショットポン
プは、ロボット腕に取付けられた吐出ノズルに可撓性ホ
ースによって接続されている。直流駆動系に印加される
工具速度信号は被加工物に対するノズルの相対速度に応
じて変化する。ショットポンププランジャの走行速度が
変化すれば、ノズルからの流量も同様に変化する。従っ
て、ノズルの速度に応じた流体の吐出流量の制御は、開
ループ制御である。

ところが、このようなシステムは、種々の問題が存在
する。即ち、その第１の問題は応答性が本質的に遅いこ
とであり、この為、ビードの大きさ制御は制限されてし
まう。プランジャ駆動用の直流駆動系と機械システムの
応答性の遅延に加えて、ショットポンプとロボット腕に
保持されたノズルとの間に接続された可撓性ホースもシ
ステムの応答性をかなり低下させる。ホースの長さがた
った10フィートの場合でも、吐出される流体の特性と供
給圧力とに応じて、ノズルの流量がショットポンプの圧
力変化に応じて変化するのに一秒以上かかることがあ
る。こうして、特にロボット腕速度が急激に変化する場
合には、ビートの大きさを高精度に制御することは、困
難である。上述のシステムは、これらの性能上の制限に
加えて、別の実際上の不都合が存在する。即ち、ショッ
トポンプは少なくとも被加工物全体を塗布するのに必要
な量の塗布材料を収容できなければならない。この為
に、ポンプやその関連機械駆動系は非常に大型化かつ高
重量化してしまい、吐出ノズルと一緒にロボット腕に取
付けることが不可能になる。即ち、機械部品や直流駆動
制御器は重量が合計で数百ポンドにも達することもあ
る。更にこのようにシステムは保守に費用がかかり、か
つまたは生産ラインの床面積も多く必要である。

公知の別のシステムは、もっと小型の吐出機を使用す
るもので、この吐出機はモータ駆動式の計量弁を具備
し、この計量弁には可撓性ホース介して材料が連続的に
供給される。吐出機はロボット腕に取付けられると共に
サーボモータ又はステッピングモータを具備し、このサ
ーボモータ又はステッピングモータは、計量弁を制御し
てロボットからの工具速度信号の示す吐出ノズル速度に
従って流量を調整する。吐出ノズルから離れたシステム
の或る地点において流量の閉ループ制御が材料流れを表
すｎフィードバック信号によって行われる。このフィー
ドバック信号は、供給ポンプのクロスヘッドに接続され
たポテンショメータ又はLVDTを使用して供給ポンプの行
程容積（displacemant）を検知することによって、作ら
れるか又、吐出機供給用の可撓性ホースに直列に接続さ
れた容積式流量計を使用することによって作られる。こ
のようなシステムは、欧州特許出願第85−104、127.7.
号に開示されたように上述の主制御ループに加えて、吐
出機のノズルの所に圧力センサを設置することによって
特定条件下で動作停止を行うことができる。この文献に
は以下のことが開示されている。即ち、吐出ノズルの壁
に一個以上の圧力センサを配置して一対の信号、即ち泡
の存在を示す信号と液体の流れを示す信号とを夫々作り
出す。この後者の信号は、例えば一対の接点とこれに接
続された圧力伝達弾性素子とから作られる。即ち、この
圧力伝達弾性素子は、ノズルでの圧力が或る値を越えて
いる時に上記接点を閉成させる。流通チャンネルに詰り
が生じた場合には、流れ信号によって、このシステムを
停止又はその旨の表示を行うことができる。ノズルに泡
が生じたことを検出した場合にも、同様のことが行われ
る。

しかしながら、この種のシステムにも性能的にいくつ
かの制限が存在する。吐出材料が、上述でショットポン
プシステムの如き遠く離れた計量装置によってではな
く、ロボット腕に取付けられた吐出機によって計量され
る場合でもこのシステムは応答時間が依然として遅い。
この結果、このシステムはビートの大きさ制御が不充分
であり、このような不充分な制御は吐出機ノズルと被加
工物との相対速度が急激に変化するときに起こる。

発明の要約 本発明の目的は、吐出すべき粘性流体材料の流れを迅
速にかつ正確に制御できるように応答速度を改善した粘
性流体材料吐出システムを提供することである。

本発明の別の目的は、所望のパターン状に材料ビーム
を被加工物に塗布するようにプログラムされたロボット
と共に使用するのに適する小型・軽量化された上述の吐
出システムを提供することである。

本発明の別の目的は、ロボットと被加工物との相対速
度が急激に変化した場合にもビードパターンの単位直線
距離当りの被加工物への塗布材料量を正確に制御するこ
とができる吐出システムを提供することである。

本発明の更に別の目的は、吐出時の流体の動的流れ特
性を考慮してシステムの流れ応答性を線形化することの
できる流体吐出システムを提供することである。

本発明の更に別の目的は、吐出流体の固有粘度の変化
を周期的に補正して、一ロット内の各被加工物に所望量
の材料を吐出することのできる流体吐出システムを提供
することである。

本発明の更に別の目的は、吐出機を任意に移動させて
も流体材料供給ホースがその移動の妨げとならないよう
にこのホースの取付角度位置を選定することができる流
体吐出装置を抵抗することである。

これらの目的を達成する為に、本発明の好適実施例
は、サーボアクチュエータを有する粘性流体用吐出機を
具備し、このサーボ アクチェエータは復動式ピストン
アクチュエータを作動する電気・空気式サーボ弁を有し
ている。このサーボ アクチュエータは可変式流体計量
弁を駆動する。吐出機は、流体計量弁の下流側であって
その極く近傍に設置された吐出ノズルを具備する。ノズ
ルにはニードル弁の下流側に圧力センサが配置され、こ
の圧力センサは吐出流体の時々刻々の流量に関連した圧
力信号を発生する。

所望の流れを表す駆動信号と圧力信号との差に応じた
制御電流が電気空気式サーボ弁を駆動するような閉ルー
プ制御系に吐出機を組込むことにより、流れを連続的か
つ高精度に制御することができる。ロボット使用の場合
には、駆動信号は、吐出機を保持するロボットからの工
具速度信号に関連していることが好ましく、これによっ
て、上記制御電流は、吐出機と材料が塗布される被加工
物との相対速度の比較的急激な変化の際にもビードを一
様に維持できるように、変化する。

このようなシステムは、「圧力オーバーレンジ」信号
を発生する手段を具備することが望ましい。この「圧力
オーバーレンジ」信号は、例えば、ノズルが詰まってし
まった時のようにノズル内圧力が所定値を越えた時に、
発生する。また、弁が充分に開弁されそれ以上開くこと
ができなくなった時に「弁オーバーレンジ」信号を発生
する手段を設けることが望ましい。このような信号は吐
出されている材料の量が不充分かどうかを決定するのに
使用することができる。

本発明の別の好適実施例は、情報処理機能付コントロ
ーラを含み、このコントローラは吐出された材料の量を
モニターしてこの量を所望の目標値と比較する。もし両
者に差があることが検出されたときには目標値信号の大
きさをこの差が零になるように周期的に再調整し、これ
によって、流体の固有粘度の変化を補償する。尚、本明
細書で使用する用語「固有」は、せん断効果以外の現像
によって起こる粘度変化を意味している。例えば、固有
粘度変化は、温度変化に起因する変動を含んでいる。情
報処理機能付コントローラはロボットからの工具速度信
号に対して吐出機の流れ応答性を線形化するように、プ
ログラムされていることが好ましく、これによって、吐
出流体の非ニュートン粘性（non−newtwnianviscosit
y）特性に起因する圧力と流れとの非線形性を補償す
る。

好適な吐出機アッセンブリはロボット工具取付面に固
着可能なフレームを具備する。このフレームの一側部に
はサーボアクチュエータが支持され、他方の側部には圧
力センサを有する計量弁アッセンブリが支持されてい
る。本発明によると、この計量弁アッセンブリは回転調
整可能にフレームに固着され、この回転調整により材料
供給用ホースが、吐出機の動きを何ら妨げないようにす
ることができる。

上述の利点及びそれ以外の利点は、以下に述べる本発
明の好適実施例の詳細な説明及び添附図面から更に明ら
かになるであろう。尚、図面において、類似の参照数字
は類似の部材を示している。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明に基づき構成された吐出装置の好適
実施例を示した概略断面図である。

第２図は、本発明による流体材料吐出システムの好適
実施例を示したブロック図である。

第３図は、本発明による流体材料吐出システムの第２
の好適実施例の一部を示したブロック図である。

第４図は、第３図の実施例の動作を示したフローチャ
ート図である。

発明の詳細な説明 第１図は本発明による吐出ガン10の好適実施例を示し
たもので、ガン10はＣ字形状フレーム11を有し、このフ
レーム11は取付板12を具備する。この取付板12は一個以
上の押さえねじ14と位置決めピン15とによってロボット
腕の工具取付面13に固定されている。フレーム11は、ア
ルミニウム合金のような剛性の高い軽量材料から作るこ
とが好ましく、更に、取付板12から外方に夫々延在した
上部分16と、これに対向した下部分17とを有している。
フレーム11の上部分16はサーボ・アクチュエータ20を保
持している。このサーボ・アクチュエータ20は、種々の
タイプの、応答性の良好な小型計量リニアアクチュエー
タのうちの任意ものを使用することができるが、しかし
好ましくは、ピストンロッド23を有する複動式空気シリ
ンダ22から構成するとよい。このピストンロッド23の移
動量は、空気シリンダ22の上に配置された電気作動式空
気サーボ弁24によって制御される。フレーム11の下部分
17は計量弁アッセンブリ26を保持し、この計量弁アッセ
ンブリ26は、流体入口28と吐出ノズル29との間にニード
ル弁27を有する。吐出弁ノズル29はノズル端30を有し、
このノズル端30には出口31が形成されている。制御を良
好にする為には、ニードル弁27は、実際上ノズル29に接
近配置され、端部33がほぼ円錐形となった弁棒32と弁座
34とから構成されている。弁棒32は、ピストンロッド23
に接続されているので、弁座34に対する円錐端部33の位
置、従ってノズル29から放出される流体の流量は電気・
空気式サーボ弁24の電気入力に応じて制御される。ニー
ドル弁27の直ぐ下流に配置された変換器36は、ノズル29
から放出された流体の流量に関連した電気信号37を発生
する。後に詳述するように、この信号37をフィードバッ
ク信号として使用して、所望の駆動信号に応じてノズル
29から吐出された流体の流量を制御することが好まし
い。ロボット使用の場合には、駆動信号は、ノズル29と
被加工物39との間の相対速度に従って変化し、被加工39
の表面に塗布されるビード内の単位長さ当りの当量を正
確に制御することができる。

リニア・アクチュエータ20は、任意の高応答性の電気
作動式サーボ弁、例えばジェット−パイプ型、ノズル・
フラッパ型又はスプール型等を組込むことが出来る。ア
クチュエータ20の詳細構造は当業者にとって公知であ
り、請求の範囲に記載された発明を構成するものではな
い。第１図に示した好適実施例では、アクチュエータ20
はジェット−パイプ電気空気式サーボ弁24から構成さ
れ、このサーボ弁24は複動式空気シリンダ22を作動す
る。サーボ弁24はハウジング42を有し、このハウジング
42は、ネジ44によってハウジング42に固着されたンネジ
付き電気コネクタ43を支持している。このコネクタ43に
は導線45によって直列接続の一対のコイル46が接続さ
れ、これらのコイル46は、アーマチャ50の両端49を取囲
んでいる。このアーマチャ50はピボット点51のまわりに
回動するように取付られている。中空の逆Ｕ字形ジェッ
トパイプ52は一方の脚部が空気シリンダ22内のネジ付入
口53とろ過器54とを介して約100PSIの公称圧力の調圧空
気供給源に接続可能である。ジェットパイプ52の反対側
脚部は、その中央付近でアーマチャ50に固着されていの
で、アーマチャ50がコイル46の或る極性での励磁によっ
て時計方向に回動すると、ジェットパイプ52からの流れ
は第１ポート60の方に向きを変える。同様に、コイル46
が逆極性に励磁されると、アーマチャ50は反時計方向に
回動しジェットパイプ52からの流れを空気シリンダ22の
第２ポート61の方へ向ける。いずれの極性の場合にも、
ジェットパイプ52の流れの程度、即ちポート60及び61で
の圧力は、コイル46に流れる電流の大きさに比例する。
アーマチャ50はバネ力により中央に位置しかつ磁気的に
付勢されるように構成されているので、コイル46が消磁
状態になるとジェットパイプ52は図示のように中央に位
置し中立状態になり、これによってポート60及び61の圧
力は等しくなる。磁気付勢は一組の永久磁石63によって
与えられ、各永久磁石63は空気隙間65を横切る磁束によ
ってアーマチャ磁界と関係している。この磁束は、図示
のように配置された４個の透磁性部材66を介して間隙65
に伝導される。

複動式空気シリンダ22はアルミ合金製シリンダ本体70
を有し、このシリンダ本体70の端部はフレーム11の上部
分16の孔71内に入込んでいる。空気シリンダ22の本体70
は、そのフランジ72においてフレーム11の上部分16に押
えねじ73によって固着されている。シリンダ本体70に
は、シリンダ孔75のほかに第１および第２ポート60、61
と、ネジ付空気供給入口53と、ろ過器54とを具備してい
る。この孔75内にはピストン76が収容され、このピスト
ン76には、孔から軸方向に延在したピストンロッド23の
ほかに一対のシール78が形成されている。孔75は、ピス
トン76よりも上方に位置する部分が第１ポート60に連通
し、ピストン76より下の部分が第２ポート61に接続され
ている。ピストン76がニードル弁27を駆動する駆動力
は、ポート60と61の間の差圧に依存し、この差圧は上述
のようにコイル46に流れる電流に起因するジェットパイ
プ50の振れによって決定される。ピストンは蓋80によっ
てシリンダ孔75内に保持され、ピストンロッド23は蓋80
を貫通している。空気の漏洩を防止する為に、蓋80は、
ピストンロッド23の領域にシール81を、また蓋80の外周
とシリンダ孔75の表面との間に外側Ｏ−リングシール82
を夫々具備している。蓋80自体はスナップリング83によ
ってシリンダ孔75の端部に保持されている。

計量弁アッセンブリ26は、第１図に示したような構造
の高剛性の非可撓性弁本体85を有し、この弁本体85は金
属製とすることが好ましい。弁本体85の下端には通路84
が形成され、この通路84の下端はネジが刻設され、放出
出口31を有する所望形状の流れ制限ノズル29が螺合され
ている。通路84には、一個以上の半径方向ネジ付孔が交
差しており、その一つの孔には変換器36が収容され、他
の孔は栓90によって封止されている。弁本体85には、通
路84の直ぐ上流位置であってそれに実際上隣接した位置
にニードル弁27が収容されている。弁棒32も弁座34も共
に長寿命化を図る為には、焼結タングステンカーバイド
のような硬質材料で作ることが好ましい。流体供給入口
28はニードル弁27の上流側において弁本体85に穿孔され
ている。またこの入口28は、ホースが取付けられるよう
にネジが刻設されており、吐出される加圧状態の流体材
料がこのホースから供給される。

弁本体85は、ボンネット97の下端部に螺合し、このボ
ンネット97に対してＯリングシール98によってシールさ
れている。ボンネット97は内部パッキン押え99を有し、
このパッキン押え99は複数の環状PTFEパッキンシール10
0を保持している。これらのシール100は任意の調整可能
パッキン押えナット101によって弁棒32のまわりに、互
いに結合することなくシールの為に圧縮状態で保持され
ている。計量弁アッセンブリ26のフレーム11への取付け
は、ボンネット97をフレーム11の下部分17に螺合挿通
し、これを止めたナット102によって所望の角度位置に
固定することによって行われる。計量弁アッセンブリ26
は継手105によってアクチュエータ20に連結される。こ
の継手105は、弁棒32の上端に固着されると共に、ピス
トンロッド23の下端に螺合されて第２の止ナット106に
よって所定位置に保持される。

変換器36は、ノズル30から吐出される流体の流量を表
す信号37を発生可能な変換器ならば任意のものを適宜使
用することできるが、歪ゲージ型の圧力変換器が好まし
い。この歪ゲージ型の圧力変換器は、ニードル弁27の直
ぐ下流の通路84の内側位置における瞬時の流体圧力を検
出できるように配置される。この目的に適った圧力変換
器としては、オハイオ（Ohio）州のコロンバス（Columb
us）のセンソーテック（Sensotec）社製のモデルA205が
存在する。低レイノルズ数の粘性ニュートン流体の流れ
は、流通路に配置されたノズル又は管状絞りでの圧力降
下にほぼ線形に比例する。従って上述のように配置され
た圧力変換器36はノズル29での圧力降下を検出すること
ができる。なぜならば、ノズル29の出口31は大気圧であ
りかつ通路84での圧力降下はノズル30での圧力降下に比
べて非常に小さいからである。こうして、変換器36は出
口31から流出する時々刻々の流量を表す圧力信号37を発
生する。前述したように、ニードル弁27の近傍であるた
め、上記流れはニードル弁27を流れる流れに非常に関連
している。流量はノズル29の極く近傍にある圧力変換器
36によって検出され、かつ同時にノズル29の極く近傍に
あるニードル弁27によって制御される。従って、ガン10
によって被加工物39に塗布される単位長さ当りの流体量
は、高応答性の閉ループサーボ制御システムを構成する
ように吐出ガン10を接続することによって正確に制御さ
れる。尚、この閉レープサーボ制御システムは第２図を
特に参照して説明される。

吐出ガン10はロボットの工具取付面13に支持され、こ
のロボットのコントローラ（不図示）は、被加工物の表
面上をノズル29を案内して被加工物表面に流体のビード
を所望のパターンに吐出するようにプログラムされてい
る。ガン10の計量弁アッセンブリ26の流入体口28は、加
圧流体を連続的に供給する供給部に連通している。変換
器36は、ノズル29での圧力降下を連続的に検知して、ノ
ズル端30の出口31から吐出される流体の流量に関連した
圧力信号37を発生する。信号37は前置増幅器110に送ら
れそこで増幅される。この前置増幅器110の出力信号111
は、加算接続部113のマイナス入力112と比較器115の第
１入力114とに夫々送られる。この比較器115の第２入力
116には選定可能な一定の参照電圧VREF1が入力され、比
較器115の出力117は「圧力オーバーレンジ（限界超
過）」デジタル信号118を発生しこれをロボットのコン
トローラに送出する。出力信号111の大きさがVREF1を越
えた場合には、「圧力オーバーレンジ」デジタル信号は
論理値１となる。このような事態は、例えばニードル弁
27を過度に開弁した場合に生ずることがある。このよう
な場合には、ロボットコントローラは、過誤表示を行う
か、システムを停止させるか、又はその他の適当動作を
行うように、プログラムを組むことができる。加算接続
部113は駆動信号112が入力されるプラズマ入力119を有
力する。第２図の実施例では、駆動信号122はロボット
からの工具速度信号128に従い増幅器1217によって発生
される。この工具速度信号128はロボットコントローラ
から発生されるアナログ電圧信号であり、これは被加工
物39に対するガン10の走行速度に応じて変化する。ロボ
ットコントローラにおいて、信号128のゲインは、流量
が走行速度の関数となるように選定された工具速度乗算
器によって調整することができる。増幅器127は演算増
幅器であり、この増幅器のゲインは、駆動電圧122が他
の回路と適応する範囲内に入るように、工具速度信号12
8を適当に按分する。増幅器127は高精度リミッターとし
て使用されることが好ましく、これにより増幅器127へ
の入力が零ボルトと調整可能なスレッシュホールド電圧
との間の電圧であるとき、駆動信号の電圧がニードル弁
27を閉弁する方向のステップを実行する。典型的には、
スレッシュホールド電圧は、工具速度信号128が約50mV
以下である時にニードル弁27が閉駆動されるように、調
整される。このような調整によって、サーボ弁24に負の
バイアス電流を与えることによりニードル弁27の漏洩が
防止され、これは工具速度信号128が存在しない又は非
常に小さい時にニードル弁27を閉弁駆動するのに有効で
ある。加算接続部113はアナログの誤差信号130を発生す
る。この誤差信号130は、大きさと極性が前置増幅器110
の出力信号111と駆動信号122との間の代数差に等しく、
増幅器131に送られる。この増幅器131のゲインはシステ
ムのスティフネスを最適化する為に調整されている。増
幅器131の出力信号132は進み／遅れ（lead/lag）補正回
路網134に送られる。この補正回路網134は、行き過ぎ量
をできるだけ小さくした状態で応答速度を最大にし、か
つ閉ループシステムの応答性を安定化するように、通常
の制御手法に従って構成かつ調整されている。第２の加
算接続部135は進み／遅れ回路網134の出力信号138にデ
ィザー発生器137からのディザー信号136を加算する。デ
ィザー信号136は好ましくは信号138のフルスケールの値
の数％の大きさを有する交流信号であり、静摩擦の影響
を除くことによってシステムの分解能を改善する。この
目的の為に、ディザー信号136は、この分野で通常行わ
れているようにシステムの運転中に空気シリンダ22を非
常にわずか振動させるものである。加算接続部135は、
信号138とディザー信号136との代数和によって決まる大
きさと極性とを持つアナログ電圧信号139を発生する。
この信号139は電流駆動器140と比較器142の第１入力141
とに送られる。この比較器142は、第２入力143に選定可
能な一定の参照電圧VREF2が入力され、出力144にはデジ
タルの弁［弁オーバーレンジ信号」145を発生する。信
号139の大きさがVREF2を越えた場合には、デジタルの
「弁オーバーレンジ」信号は論理１となる。このような
状態は、例えば吐出ガン10への流体供給が遮断された場
合、又は供給圧力が駆動信号122の要求を充足していな
い場合に起り得る。類似の「圧力オーバーレンジ」信号
118、弁オーバーレンジ」信号145はロボットコントロー
ラに送られ、このロボットコントローラは、このとき故
障表示を行うか、システムを停止するか又は矯正動作を
開始させるようにプログラムすることができる。

電流駆動器140はアナログ制御電流信号146を発生し、
この信号146はサーボ弁の24のコイル46に印加される。
これによりジェットパイプ52は、制御電流信号146の大
きさと方向に応じて、第１ポート60又は第２ポート61の
方へ向きを変えられ、この結果空気シリンダ22のピスト
ン76は下方又は上方のいずれかに移動される。このピス
トン76の下降移動は計量弁アッセンブリ26のニードル弁
27を閉弁方向に駆動しこれにより流体流を減少させる。
他方、ピストン76の上昇移動はニードル弁27を開弁方向
に駆動し、これにより流体流が増大する。

次に作用を説明する。本システムは、圧力変換器36に
よって検出されるノズル29での圧力降下に応答する閉ル
ープ・サーボシステムとして機能している。最初ニード
ル弁27が閉止している状態では、流れは無く、ノズル29
での圧力降下は零である。工具速度信号128は増幅器127
のスレッシュホールド電圧より小さい場合には、増幅器
127は、ジェットパイプ52を第１ポート60に向けるよう
な制御電流146を発生させるのに充分な大きさと適性極
性の駆動信号122を発生する。これにより、ピストン76
は下降状態のままであり、ニードル弁27は強制的に閉弁
状態に保持され、漏洩が防止される。このような状態
は、工具速度信号128が流れの開始を指示する増幅器127
のスレッシュホールド電圧よりも大きくなるまで、維持
される。これが起こると、駆動信号の極性が反転する。
初期状態では流れは無かったので、圧力信号37の値は零
である。従って、誤差信号130は、その大きさが圧力信
号37と駆動信号122との差によって決定されるので、制
御電流146はジェットパイプ52の方向を第２ポート61の
方へ向ける極性でもってコイル46に印加される。これに
応じてピストン76は上昇駆動してニードル弁27の弁棒32
の円錐端を弁座34から持上げて、ニードル弁27を開弁す
る。圧力変換器36の発生する圧力信号37が増大するにつ
れて、誤差信号130と制御電流146の両方が減少しジェッ
トパイプ52が零位置の方へ移動される。ノズル29での圧
力降下が所望の流量に対応する値近づくにつれて、ジェ
ットパイプ52によってニードル弁27は、ノズル29での圧
力降下を上記値に保ち得る開度に維持される。

使用分野によっては、吐出ガン10に供給される流体の
流れ特性が時間とともに変化することがある。例えば、
流体が円筒容器からガン10に供給される場合、この円筒
容器は冷温の倉庫から温かい工場内に移動されるので、
流体の粘度はこの温度変化に伴い変化することがある。
また、円筒内容を変えると粘度が変変わることがあるし
又は円筒容器の上部と底部とでも粘度が変化することが
ある。このような粘度変化を補償する手段を設けない
と、被加工物39に吐出される材料の量が変動してしまい
問題となる。また、非ニュートン流体を吐出する場合に
は、流体全体の時々刻々の粘度がずり（せん断）速度と
伴に非線形に変化する。こうして、補償の不実施又はノ
ズル29の幾何学形状によるせん断の為に、圧力信号37に
対する流量の流れ特性が非線形となってしまう。これに
より、工具速度信号128に対する流量の応答性が非線形
になる。これらの問題は、本発明によると第３図及び第
４図を参照して以下に説明する方法によって駆動信号12
2を作り出すことによって解決される。

第３図は、本発明の第２の好適実施例を示したもの
で、この実施例は駆動信号122の発生方法を除くと前述
の実施例と類似している。第３図に示したように、容積
式流量計150が吐出ガン10の入口28に接続された流体供
給ラインに付設されている点で第２図のシステムと異な
っている。流量計150は、ガン10にできるだけ接近して
配置することが望ましいが、ガン10と共にロボット腕に
取付ける必要はない。流量計150はメイクリメンタル型
エンコーダ152を含み、このエンコーダ152は一連のパル
ス155から成る電気的出力信号153を発生する。各パルス
155は所定量の流体量を表している。信号153はパルスカ
ウンタ156に送られ、このカウンタ156はパルス155を計
数すると共にリッセット信号158によって零にリセット
可能である。尚、このリセット信号158は、マイクロプ
ロセッサを主構成とするコントローラ160から発生され
る。このコントローラ160は、ロボットコントローラ
（不図示）の一部とすることもできるが、しかしなが
ら、システム周波数応答性を最大にする為には、コント
ローラ160は高速で作動すべきであり、かつ主に以下の
作用を実行するように専用構成することが好ましい。コ
ントローラ160は、マイクロプロセッサと関連のハード
ウェアの他に、必要な全プログラムとデータメモリとア
ナログ・デジタルコンバータ（A/D）163とを含む。この
コンバータ163にはロボットコントローラから工具速度
信号128が入力される。パルスカウンタ156はパルス計数
値165をコントローラ160に出力する。またコントローラ
160にはロボットコントローラ（不図示）からデジタル
・サイクル・状態信号168とデジタル仕事状態信号170と
が入力される。このサイクル状態信号は、吐出ガン10の
運転中は、必ず論理値１である。仕事状態信号170は生
産作業が終了した時に論理値１となる。コントローラ16
0はインターフェース172を介してキーボード端末装置の
如き入力／出力装置175に接続されている。この入力／
出力装置175から制御コマンドと目標値データが入力さ
れる。コントローラ160はアナログ信号178を発生するデ
ジタルアナログD/Aコンバータ177にも出力176を介して
接続されている。この信号178は、第２図を参照して説
明した増幅器127に送出される。増幅器127は駆動信号12
2を発生し、この駆動信号得122は前述のように加算接続
部113のプラス入力119に印加されれ、この加算接続部11
3は誤差信号130発生する。駆動信号122の発生手法は、
必要なデータをD/Aコンバータ177に出力するコントロー
ラ160に格納されたソフトウェアプログラムを示してい
る第４図を参照することによって一層明らかになるであ
ろう。

このプログラムは、すべてのデータメモリをクリア
し、かつ単一の被加工物39に塗布すべき流体の所望の全
量を表す目標値を含むすべての変数を初期化することに
よって開始される。また、この時に、予めプログラムさ
れた流れ線形化の諸因子（FLFs）も初期化される。これ
らのFLF′ｓは、システム流応答性を線形化する為に工
具速度信号128に乗算すべき因子を表す定数であり、こ
の線形化によって、工具速度信号128についてそのフル
スケール値を任意の割合分が加算接続部113に印加され
たときに、計量弁アッセンブリ26のニードル弁27の位置
は、流体についてそのフルスケール量の同一割合分がノ
ズル出口31から放出されるように制御される。FLF′ｓ
は、加算接続部113の入力119に印加される電圧に対する
ノズル30の出口31からの実際の流れの測定曲線から経験
的に決定される。実際の流れ曲線は、吐出される流体の
種類による流れ特性や供給圧力のほかに、ノズル端30を
含むノズル29とニードル弁27の幾何学形状によっても変
化することがあるので、プログラムはこれらの条件を表
すFLF′ｓをロードする。

プログラムは、また流れ補償因子（FCF）を任意に選
定した初期値セットする。FCFは、前述した温度やその
他の因子の変化に起因する固有粘度の変化のような、時
間と共に変わる流れ特性変化を補償する変数である。FC
Fは各仕事サイクル毎に一度、即ち一個の被加工物39に
ついての吐出作業毎に一度の割合いで、再計算、即ち計
算をし直される。FCFは、線形化された工具速度信号に
乗算される因子であり、これにより被加工物39に塗布さ
れる流体の全量が選定された目標値に実質的に等しくな
る。最初の仕事サイクルの開始時には、目標値からのず
れ量は、比較すべき基礎が存在しないので決定すること
ができない。従って、FCFは単位値１に初期化すること
が好ましい。このFCFの再計算方法を以下に説明する。

初期化の間に、プログラムは、コントローラ160から
の適宜のリセット信号158をパルスカウンタ156に出力す
ることによってこのカウンタ156を零にリセットする。
次に、コントローラ160はプログラムに基づき全計数値1
65を読み込む。この計数値165は前回の仕事サイクル間
に吐出された全流体量を表している。もし、このパルス
計数値が最初の仕事サイクルの前以外の場合のように零
でない場合には、プログラムは、この全パルス計数値16
5を除数とし目標値を被除数とする商として流れ補償因
子FCFを再計算する。FCFの再計算後に、カウンタ156は
上述と同様に再びリセットされる。もし最初の仕事サイ
クルの開始時に起こる場合のようにパルス計数値165が
零に等しい場合には、FCFはその初期値のままに保持さ
れる。

次いで、プログラムは、仕事サイクルが進行中である
ことを示すロボットコントローラ信号を待つプールに入
る。この待機ループにおいて、プログラムは連続的にサ
イクル状態信号168を読み込み、それが論理値１である
かどうかを調べる。もし論理値１でない場合にはプログ
ラムは待機ループに留まる。ロボットコントローラは、
状態信号168を論理値零から論理値１に変えることによ
って吐出が開始されるべきことを示す。この時点でコン
トローラ160は、プログラムに従い、工具速度信号128の
大きさを表すデジタル値180をA/Dコンバータ163の出力
から読み込む。プログラムは、上記デジタル値の大きさ
に基づきルックアップテーブルから、初期化中にロード
された一組のFLF値のうちの対応する流れ線形化因子FLF
を選択する。その後に、選択したFLFをデジタル値180に
乗算して線形化された工具速度値181を作る。次に、仕
事サイクルの間に吐出される実際の流体量が粘度変化の
ような流体の流れ特性の変化にもかかわらず目標値に一
致するように駆動信号122を調整する為に、プログラム
は、線形化済工具速度値181に流れ補償因子FCFを乗算し
て補正済デジタル値182を作る。この補正済デジタル値1
82はD/Aコンバータ177に出力され、このD/Aコンバータ1
77の出力178は増幅器127に送出され駆動信号122を発生
する。

次いで、プログラムは再度サイクル状態信号168を読
み込んで、吐出を続行すべきかどうかを決定する。もし
続行すべきでない場合には、仕事状態信号168は論理値
１にはならず、これはこのサイクルが終了したことを示
す。この場合、コントローラ160はプログラムに従い、
ロボットコントローラからの仕事状態信号170を読み込
む。仕事状態信号170が論理値１でない場合には、これ
は或る生産ロットの最後の被加工物39についての作業が
終了したことを表しているのでプログラムはストップす
る。生産が終了していない場合には仕事状態信号170が
論理値１のままであるので、プログラムはパルス計数値
165を読み込むステップに戻る。上述のプログラムは仕
事サイクル毎に１回流れ補償因子を再計算したが、この
ような周期的な調整の頻度は、吐出流体の流れ特性に生
ずる変化の早さに応じて、もっと多くしてもよいし、も
っと少なくしてもよい。

本発明の利点は多数あるが、最大の利点は、本吐出シ
ステムが流体の流量を迅速かつ正確に制御できることで
ある。このようなシステムは、3dB周波数応答性の遮断
点が10Hzを越えることが分っている。

吐出ガン10は、手動を含む任意の手段によって向きを
変えることができるが、本発明は、ロボットと共に使用
するのに特に適するものである。吐出ガン10は軽量かつ
小型で保守が容易である。更に、本発明の吐出システム
は、ロボット腕に取付けられた吐出ガン10と被加工物と
の間に相対速度に応じて流量を自動的に調整することが
できる。

こうして、本発明は、吐出流体ビードの単位長さに当
りの流体量を厳密に制御することができ、この制御は、
ロボット腕が移動方向を変化する時に通常起こる急速な
加減速の際にも行われる。また、本発明は、吐出流体の
流れ特性の変動を周期的に補償する手段を提供し、この
手段によって、吐出流体の量は常に所望の目標値に正確
に適合する。

上述の説明は本発明の装置及び好適実施例に関するも
のであるが、本発明は上記好適実施例に限定されるもの
ではなく、当業者であれば本発明の上記開示から種々の
代替実施例を推考できるであろう。従って、以下に記載
した請求の範囲に特に指摘され、かつ明確に権利請求さ
れた本発明の全法的範囲から逸脱することなく、上述の
実施例に種々の変化を加えることは可能である。

Claims (28)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体材料吐出装置において、 （ａ）流体を放出するためのノズルと、 （ｂ）前記ノズルへの流体の送出を制御するために前記
   ノズルの上流側に配置されており、流体の加圧源に接続
   可能な入口部と前記ノズルに連通している出口部とを含
   んでおり、少なくとも一部分が開いているときに流体の
   流れを可変調整し、閉じているときに流れを完全に遮断
   する弁手段と、 （ｃ）前記ノズルと前記弁手段との間に配置されてお
   り、前記ノズルから放出される流体の流量と相関関係の
   あるパラメーターのうち流れ制限要素の位置以外のパラ
   メーターを検知して対応する流量信号を発生する検知手
   段と、 （ｄ）前記弁手段に接続されており、前記流量信号に応
   答して前記ノズルから放出される流体の流量を制御する
   アクチュエーター手段と、 を含むことを特徴とする流体材料吐出装置。
2. 【請求項２】前記ノズルは、被加工物について相対移動
   可能であり、 前記アクチュエーター手段は、前記被加工物と前記ノズ
   ルとの間の相対移動の速度との相関関係のある工具速度
   信号に応答して前記被加工物に吐出される流体の量を制
   御することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】前記弁手段は、無段可能であることを特徴
   とする請求項２に記載の装置。
4. 【請求項４】前記弁手段は、前記ノズルに近接して配置
   されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 【請求項５】前記検知手段は、圧力センサーを含むこと
   を特徴とする請求項１、２、３、又は４に記載の装置。
6. 【請求項６】前記圧力センサーは、前記ノズルでの差圧
   を検知するように配置されていることを特徴とする請求
   項５に記載の装置。
7. 【請求項７】前記アクチュエーター手段は、電気空気式
   サーボ弁によって駆動される複動式シリンダーを含むこ
   とを特徴とする請求項１、２、３、４、５、又は６に記
   載の装置。
8. 【請求項８】前記電気空気式サーボ弁は、ジェットパイ
   プ型サーボ弁とスプール型サーボ弁とノズル・フラッパ
   型サーボ弁とからなる群から選択されたものであること
   を特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 【請求項９】前記検知手段は、前記弁手段の前記出口部
   に近接して配置されていることを特徴とする請求項１に
   記載の装置。
10. 【請求項１０】前記流体材料吐出装置の応答特性を向上
    するために、所定領域内の瞬間流体圧力が前記弁手段の
    前記出口部の流体圧力とほぼ等しくなるように、前記弁
    手段の前記出口部、前記ノズル、及び前記検知手段は、
    お互いに対して全て前記所定領域内にあることを特徴と
    する請求項１に記載の装置。
11. 【請求項１１】前記流体材料吐出装置は、 （ａ）前記弁手段に接続されており、所定期間内に前記
    弁手段に送出される流体の容積と相関関係のある容積信
    号を発生する流量計手段と、 （ｂ）流体の流れ特性の変化を補償するために、前記容
    積信号を所定の目標値と比較すると共に、前記アクチュ
    エーター手段の励起を調整して前記容積信号と前記所定
    の目標値との差を補正するコントローラ手段と、 を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 【請求項１２】前記所定期間は、少なくとも一仕事サイ
    クルを含むことを特徴とする請求項11に記載の装置。
13. 【請求項１３】前記流量計は、容積式流量計を含むこと
    を特徴とする請求項11に記載の装置。
14. 【請求項１４】前記流体材料は、非ニュートン流体であ
    り、 前記流体材料吐出装置は、 少なくとも前記流量信号と相関関係のある制御信号を発
    生する手段と、 前記非ニュートン流体に起因する非線形性を低減するた
    めに前記制御信号を線形化する制御手段と、 を有しており、 前記アクチュエーター手段は、前記制御信号に応答する
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
15. 【請求項１５】前記制御手段は、 （ｉ）前記ノズルと被加工物との間の相対速度を表す工
    具速度信号を読み込むステップと、 （ii）前記工具速度信号の関数としての流れ線形化因子
    を選択するステップと、 （iii）前記流れ線形化因子の関数としての駆動信号を
    発生するステップと、 を有する作動サイクルを行うコントローラーと、 前記駆動信号と前記流量信号とに応答して前記制御信号
    を発生する手段と、 を含むことを特徴とする請求項14に記載の装置。
16. 【請求項１６】前記検知手段は、圧力センサーを含んで
    おり、 前記流体吐出装置は、流体の非ニュートン粘性特性に起
    因する圧力流れ非線形性を表す動的流れ特性により及び
    剪断効果以外の現像により生ずる固有粘度の変化を補償
    することによって、少なくとも前記流量信号と相関関係
    のある制御信号を発生する手段を含んでおり、 前記アクチュエーター手段は、前記制御信号に応答する
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
17. 【請求項１７】前記制御信号を発生する前記手段は、 流体の所望の流れを表す駆動信号を発声する制御手段
    と、 前記駆動信号と前記流量信号とに応答して前記制御信号
    を発生する手段と、 を含むことを特徴とする請求項16に記載の装置。
18. 【請求項１８】前記制御手段は、作動サイクルを行うコ
    ントローラを含んでおり、 前記作動サイクルは、 前記ノズルと被加工物との間の相対速度を表す工具速度
    信号を読み込むステップと、 所定の一組の条件のための前記工具速度信号の値の関数
    として、ノズルからの流体の公知の流れに基づいた流れ
    線形化因子を選択するステップと、 前記流れ線形化因子の関数として前記工具速度信号を変
    えて、線形化工具速度値を発生するステップと、 所定時間の間に前記弁手段へ送出される流体の第一容積
    を計測するステップと、 流体の前記第一容積と基準値との差の関数としての流れ
    補償因子を計算するステップと、 前記流れ補償因子の関数としての前記線形化工具速度値
    を調整して前記駆動信号を発生するステップと、 を有することを特徴とする請求項17に記載の装置。
19. 【請求項１９】前記ノズルは、前記被加工物に対して移
    動する前記ノズルに応答して前記被加工物に流体を吐出
    し、それによって、供給圧力を変化させ、前記フィード
    バック信号と前記制御は、前記供給圧力の前記変化の関
    数として変化し、それによって、前記弁手段に圧力の変
    化の関数として前記流体の吐出を変化させることを特徴
    とする請求項17に記載の装置。
20. 【請求項２０】前記駆動信号は、所望の流れの関数とし
    て変化し、前記制御信号は、前記駆動信号の前記変化の
    関数として変化し、それによって、前記制御信号は、前
    記弁手段に前記駆動信号の前記変化の関数として前記流
    体の吐出を変化させることを特徴とする請求項17に記載
    の装置。
21. 【請求項２１】被加工物に流体材料を吐出する方法にお
    いて、 （ａ）前記被加工物に前記流体材料を吐出するノズルを
    前記被加工物に対して相対移動するように取り付けるス
    テップと、 （ｂ）入口部と前記ノズルに連通する出口部とを有する
    弁を前記ノズルの上流側で前記ノズルに近接して配置す
    るステップと、 （ｃ）流体材料を圧力下で前記入口部へ供給するステッ
    プと、 （ｄ）前記弁が少なくとも一部分開いているときに前記
    被加工物に吐出される流体材料の流れを調理するために
    前記弁を無段可変に調整し、前記弁が閉じているときに
    流れを完全に遮断するステップと、 （ｅ）前記ノズルと前記弁との中間の位置において、前
    記ノズルから放出される流体の流量と相関関係のあるパ
    ラメーターを検知し、対応する流量信号を発生するステ
    ップと、 （ｆ）前記弁を調整するステップを実行するために前記
    流量信号を使用するステップと、 を含むことを特徴とする被加工部物に流体材料を吐出す
    る方法。
22. 【請求項２２】前記相対移動の速度と相関関係のある速
    度信号を発生するステップと、 前記流量信号及び前記速度信号の関数として前記弁を調
    整するステップと、 を含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。
23. 【請求項２３】前記パラメーターは、流体の圧力である
    ことを特徴とする請求項21又は22に記載の方法。
24. 【請求項２４】前記被加工物と前記ノズルとの間の相対
    移動速度に対する流体の流れを線形化するステップを含
    むことを特徴とする請求項21に記載の方法。
25. 【請求項２５】前記圧力が所定限界を超えた場合に圧力
    オーバーレンジ信号を発生するステップを含むことを特
    徴とする請求項23に記載の方法。
26. 【請求項２６】前記被加工物に流体材料を吐出する方法
    において、 （ａ）所定期間の間に前記弁へ送出される流体の容積を
    計測するステップと、 （ｂ）前記計測された容積と所望の目標値との差と相関
    関係のある流れ補償因子を計算するステップと、 （ｃ）前記目標値に前記流れ補償因子を乗算して補正済
    目標値をつくるステップと、 を含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。
27. 【請求項２７】前記補正済目標値に相関関係のある信号
    を前記弁を制御する閉ループフィードバックシステムに
    印加するステップを含むことを特徴とする請求項26に記
    載の方法。
28. 【請求項２８】前記流れ補償因子は、前記目標値を被除
    数とし前記計測した流体の容積を除数とする商を含むこ
    とを特徴とする請求項26に記載の方法。