JP3780032B2

JP3780032B2 - 荷重−空気圧変換器

Info

Publication number: JP3780032B2
Application number: JP14489896A
Authority: JP
Inventors: 基成池畑
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 1996-05-16
Filing date: 1996-05-16
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2016-05-16
Also published as: JPH09301697A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷重−空気圧変換器に関し、空気圧で物体を持ち上げるエアバランサに適用できるものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来から存在する電気・空気圧機器を用いて構成したバランサシステムを示す回路図である。エアシリンダ10のピストンロッド11にロードセル12を介して物品13が吊るされており、ロードセル12によって物品13の荷重が電気信号に変換されるように配置されている。ロードセル12の出力はアンプ14で増幅されて電空変換器15に入力され、電空変換器15によって空気圧源17からの圧力空気の圧力をロードセル12の出力に比例した空気圧に変換される。電空変換器15の出力がパイロット信号としてパイロット操作式減圧弁18のパイロット操作部に入力され、パイロット操作式減圧弁18の出力空気がエアシリンダ10のロッド側空気室に供給される。エアシリンダ10のロッド側空気室の空気圧は、ロードセル12の出力信号に比例するものであり、この空気圧によって物品13の荷重とバランスする力が発生し、ピストンロッド11は図示の位置に維持される。そして、外力を物品13に作用させることにより、物品13を上げたり下げたりすることが容易にできる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のバランサは、ロードセル12によって荷重を電気信号に変換し、次いで電空変換器により電気信号を空気圧信号に変換していた。もし、荷重を空気圧に直接変換できれば、空気圧機器のみの簡単なシステムで全空気圧式のバランサを構成することができると考えられる。
本発明は、空気圧機器のみによって簡単なエアバランサ装置を構成するときに必要な、荷重を空気圧に変換する荷重−空気圧変換器を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、変換器本体において、信号圧力ポートＡと供給圧力ポートＰとの間に給気弁が配設され、信号圧力ポートＡと排気ポートＲとの間に排気弁が配設され、供給圧力ポートＰとノズル背圧室とが固定絞りを介して連通され、ノズル背圧室がノズルとフラッパとの間の隙間を介して大気に連通され、荷重がフラッパを閉じる方向に作用するようにされ、ノズル背圧室の圧力上昇によって給気弁が開放され、ノズル背圧室の圧力低下によって排気弁が開放され、信号圧力ポートＡの信号圧力が荷重に対応した値となったとき、給気弁及び排気弁が閉鎖され、かつフラッパが荷重に対応したバランス位置に位置するようにされた荷重−空気圧変換器に関する。
本発明は、前記荷重−空気圧変換器において、変換器本体の下スペーサに第１ダイヤフラムが配設され、第１ダイヤフラムの上面にノズル背圧が作用し、第１ダイヤフラムの下面に信号圧力が作用し、第１ダイヤフラムに固定されたステムによって給気弁及び排気弁を操作するようにすることができる。
本発明は、前記の２つの荷重−空気圧変換器において、変換器本体の上スペーサに第２ダイヤフラムが配設され、第２ダイヤフラムの上面に負荷及び大気が作用し、第２ダイヤフラムの下面に信号圧力が作用し、第２ダイヤフラムにフラッパが連結されるようにすることができる。また、第２ダイヤフラムの下面と信号圧力ポートＡとを連通する通路に絞り弁を配設することができる。
本発明は、前記の各荷重−空気圧変換器において、変換器本体に操作杆が揺動可能に配設され、操作杆の把手を上下動させることにより、フラッパに作用する荷重が増減するようにすることができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の荷重−空気圧変換器の実施の形態を示す断面図である。荷重−空気圧変換器20では、弁ボディ21の下側に下カバー22が螺合され、弁ボディ21の上側に第１ダイヤフラム27、下スペーサ23、上スペーサ24、第２ダイヤフラム28及び上カバー25が順次に重ねられて連結されており、これらにより変換器本体20Ａが構成される。
弁ボディ21には上下左右を区画する中央部隔壁30が形成され、中央部隔壁30によって上方の第１フィードバック室33と左方の供給圧力室31と右方の信号圧力室32とが区画されている。弁ボディ21の左側には供給圧力ポートＰが開口され、右側には信号圧力ポートＡが開口されており、供給圧力ポートＰ及び信号圧力ポートＡは供給圧力室31及び信号圧力室32にそれぞれ連通されている。
【０００６】
中央部隔壁30の中心孔にはステム35が摺動自在で気密状態に挿通されており、供給圧力室31と信号圧力室32とを連通・遮断させるための給気用弁座36が形成されている。下カバー22の下端に排気ポートＲが開口され、排気ポートＲの上方に弁ガイド37が形成され、弁ガイド37には断面略Ｔ字状の給気弁体38の中空弁軸39が摺動自在で気密状態に挿通されている。給気弁体38はスプリング40によって上方に付勢され、給気弁体38のシール部が給気用弁座36に押圧され、供給圧力室31と信号圧力室32との間が遮断されている。給気弁体38の中空弁軸39の上端部が排気用弁座41となり、ステム35の下端の排気弁体42が排気用弁座41に接触することにより、排気ポートＲと信号圧力室32との連通が遮断される。このように、給気用弁座36、給気弁体38及びスプリング40によって給気弁が構成され、排気用弁座41と排気弁体42とによって排気弁が構成されている。
【０００７】
第１ダイヤフラム27の中央部の上下は金属製のシェルによって挟持され、シェルの中央部に前記ステム35の上端が連結されている。弁ボディ21の中央部隔壁30と第１ダイヤフラム27との間に第１フィードバック室33が形成され、第１フィードバック室33は第１フィードバック通路44によって信号圧力室32に連通されている。
下スペーサ23には上下を隔てる隔壁47が形成され、隔壁47と第１ダイヤフラム27との間にノズル背圧室48が形成されている。ノズル背圧室48は下スペーサ23中の固定絞り50、給気通路49Ｂ、第１ダイヤフラム27の連通穴、弁ボディ21の給気通路49Ａを介して供給圧力室31・供給圧力ポートＰに連通されている。
【０００８】
隔壁47の中央には上部に突出するノズル52が配設され、ノズル52の内孔は隔壁47の中央孔を介してノズル背圧室48に連通されている。隔壁47の上側にはノズルを囲んだ環状突起53が形成され、環状突起53と上スペーサ24の開口周辺部とによって第３ダイヤフラム54が挟持されている。第３ダイヤフラム54の中央孔には逆Ｔ字形のフラッパ55が下側から挿入され、フラッパ55の軸部には環状スペーサが嵌合されかつ第２ダイヤフラム28の中央穴を貫通し、フラッパ55の軸部の上端は第２ダイヤフラム28の上側のシェル56に連結されている。第２ダイヤフラム28と第３ダイヤフラム54との間に第２フィードバック室58が形成され、第２フィードバック室58は、上スペーサ24中の第２フィードバック通路45Ｃ・絞り弁59、下スペーサ23の第２フィードバック通路45Ｂ、第１ダイヤフラム27の連通孔、弁ボディ21の第２フィードバック通路45Ａを介して信号圧力ポートＡに連通されている。絞り弁59は第２フィードバック通路45Ｂに面する開口部にテーパ軸の下端を進退可能としたものであり、テ−パ軸は上カバー25のねじ孔に螺合され、テーパ軸の上端はシールを介して円筒部に嵌合されている。
【０００９】
下スペーサ23の隔壁47・環状突起53と第３ダイヤフラム54との間にブリード室61が形成され、ブリード室61はブリード通路60を介して大気に連通されている。上カバー25の中央孔には断面略Ｔ字状の荷重受け63の軸部が軸受メタル57を介して摺動自在に挿入され、荷重受け63の下端は前記シェル56の上面に当接している。荷重受け63の軸部の外周に環状係合溝65が形成され、上カバー25・軸受メタル57に形成された断面長方形の挿通穴69に、環状係合溝65の一部が常に露出されている。挿通穴69に操作杆62の先端部が挿通され、操作杆62の略球状の先端が荷重受け63の環状係合溝65に係合され、操作杆62はピン68により上下方向に揺動可能に軸支されている。そして、操作杆62の左端の把手を握って操作杆62を上下動させることにより、荷重受け63に作用する力が増減され、従ってフラッパに作用する荷重が増減されるようになっている。なお、ここでは、操作杆62自体の重量は無視することとする。第２ダイヤフラム28の上側の空間は連通孔64を介して大気に連通されている。
なお、図示の状態では荷重受け63の上方から荷重Ｗが作用するようになっているが、不図示の連結枠体の上部を荷重受け63に連結し、連結枠体の下部を下カバー22の下方に位置させ、荷重Ｗを吊るすことができる。そして、上カバー25に不図示の金具を連結して、荷重−空気圧変換器20をエアシリンダのピストンロッド等にぶら下げることができる。
【００１０】
次に本発明の荷重−空気圧変換器の実施の形態の作用について説明する。
荷重ゼロの初期位置（図１）において、空気圧源からの圧力空気は供給圧力ポートＰ、給気通路49Ａ・49Ｂ、固定絞り50を通過してノズル背圧室48に流入している。フラッパ55はノズル52を僅かに開く位置にあり、ノズル52とフラッパ55との間の隙間からブリード室61に抜けた空気は、ブリード通路60を通過して大気に開放されている。ノズル背圧室48の初期圧力（荷重がゼロのときの圧力）が第１ダイヤフラム27の上面に作用し、第１フィードバック室33の圧力はノズル背圧室48の初期圧力とバランスした圧力（初期信号圧力）となっている。初期信号圧力は荷重ゼロを意味し、初期信号圧力は第２フィードバック室58にも作用して、フラッパ55を図１に示す初期位置を維持している。そして、給気弁及び排気弁は閉鎖されている。なお、第２ダイヤフラム28を所定のスプリングにより押し上げることにより、初期信号圧力をゼロに設定することができる。
【００１１】
荷重受け63に荷重Ｗが作用する（荷重Ｗが増加する）と、第２ダイヤフラム28・第３ダイヤフラム54・フラッパ55が下方に変位し、ノズル52とフラッパ55との間の隙間が狭くなる。ノズル背圧室48の空気圧力が上昇し、その空気圧力が第１ダイヤフラム27の上面に作用して、第１ダイヤフラム27・ステム35・排気弁体42・給気弁体38を押し下げ、給気弁が開かれる。圧力空気が供給圧力ポートＰから供給圧力室31、給気用弁座36と給気弁体38との隙間を通って信号圧力室32・信号圧力ポートＡに流入し、信号圧力が上昇する。上昇した信号圧力の空気は、第１フィードバック通路44を通って第１フィードバック室33に流入し、同時に第２フィードバック通路45Ａ・45Ｂ、絞り弁59、第２フィードバック通路45Ｃを通って第２フィードバック室58に流入する。第１フィードバック室33に流入した信号圧力は第１ダイヤフラム27の下面に作用して、ノズル背圧室48の圧力による下方への力に対抗し、第２フィードバック室58に流入した信号圧力は第２ダイヤフラム28の下面及び第３ダイヤフラム54の上面に作用し、荷重Ｗと対抗する。信号圧力が荷重Ｗに見合った値になると、フラッパ55が荷重Ｗと対応したバランス位置に変位し、給気弁が閉鎖する。
【００１２】
次に、荷重受け63に作用する荷重Ｗが減少すると、第２フィードバック室58内の圧力により、第２ダイヤフラム28・第３ダイヤフラム54・フラッパ55が上方に変位し、ノズル52とフラッパ55との間の隙間が広くなる。ノズル52を通過し大気に開放される空気量が増加して、ノズル背圧室48の空気圧が低下し、その低下した空気圧力が第１ダイヤフラム27の上面に作用する。そのため、第１フィードバック室33の圧力により、第１ダイヤフラム27・ステム35・排気弁体42が持ち上げられ、排気弁体42が排気用弁座41から離れ、排気弁が開かれる。信号圧力の空気が信号圧力ポートＡから信号圧力室32、排気用弁座41と排気弁体42との隙間を通って排気ポートＲに流れ、信号圧力が低下する。低下した信号圧力の空気は、第１フィードバック通路44を通って第１フィードバック室33に流入し、同時に第２フィードバック通路45Ａ・45Ｂ、絞り弁59、第２フィードバック通路45Ｃを通って第２フィードバック室58に流入する。第１フィードバック室33に流入した信号圧力の空気は第１ダイヤフラム27の下面に作用して、ノズル背圧室48の圧力による下方への力に対抗し、第２フィードバック室58に流入した信号圧力は第２ダイヤフラム28の下面及び第３ダイヤフラム54の上面に作用し、荷重Ｗと対抗する。信号圧力が減少した荷重Ｗに見合った値になると、フラッパ55が小さくなった荷重と対応したバランス位置に変位し、排気弁が閉鎖する。
以上のとおり、荷重Ｗの変化に追従して信号圧力が変化し、荷重Ｗに見合った信号圧力になったとき、フラッパ55がバランス位置に変位し、給気弁及び排気弁が閉鎖される。
【００１３】
図２は本発明の荷重−空気圧変換器の実施の形態のブロック線図である。このブロック線図において、荷重が目標値であり、圧力信号が制御量である。荷重は、第１加え合わせ点、伝達関数 (１／k₁)、伝達関数（ノズル・フラッパ）、伝達関数（ダイヤフラム27）、第２加え合わせ点、伝達関数 (１／k₂)、伝達関数（主弁ゲイン）を経て信号圧力を出力する。信号圧力は、伝達関数（ダイヤフラム27）のある副フィードバック回路を通って第２加え合わせ点に入り、同時に伝達関数（可変絞り59）、伝達関数（ダイヤフラム28,54 ）のある主フィードバック回路を通って第１加え合わせ点に入る。絞り弁59により主フィードバック回路のフィードバック量のゲイン調整が可能となり、応答速度を調整することができる。
【００１４】
図３は、荷重を空気圧に変換する本発明の荷重−空気圧変換器を用いて、荷重を空気圧に直接変換し、空気圧機器のみで構成した全空気圧式オートバランサシステムの回路図である。エアシリンダ10のピストンロッド11に荷重−空気圧変換器20を介して物品13が吊るされており、荷重−空気圧変換器20によって物品13の荷重が空気圧信号に変換されるように配置されている。荷重−空気圧変換器20の出力はバイアスリレー66のパイロット操作部に入力され、バイアスリレー66によって空気圧源17からの圧力空気の圧力をバイアスリレー66の出力に比例した空気圧に変換され、シリンダ径の相違に対応させられる。バイアスリレー66の出力がパイロット信号としてブースタ・リレー67のパイロット操作部に入力され、パイロット操作式ブースタ・リレー67の出力空気圧の空気がエアシリンダ10のロッド側空気室に供給される。エアシリンダ10のロッド側空気室の空気圧は、荷重−空気圧変換器20の出力信号に比例するものであり、この空気圧（当初空気圧）によって物品13の荷重とバランスする力が発生するように設定されており、ピストンロッド11は図示の位置に維持されている。
【００１５】
物品13を下降させたいときには、図１に示す操作杆62の把手を小さな力で下げると、操作杆62はピン68を中心にして揺動し、操作杆62の先端が荷重受け63の環状係合溝65を僅かに持ち上げる。その状態は前記図１の作用の説明の荷重Ｗが減少したときに相当し、荷重−空気圧変換器20の信号圧力が低下する。荷重−空気圧変換器20の信号圧力が低下すれば、全空気圧式オートバランサシステムのエアシリンダ10のロッド側空気室の空気圧は低下し、物品13は下降する。物品13を速く下降させたいときには、操作杆62の下げ量を多くし、信号圧力の低下量を大きくし、エアシリンダ10のロッド側空気室の空気圧の低下量を大きくすればよい。物品13のゆっくり下降させたいときには、操作杆62の下げ量を少なくすればよい。そして、物品13の下降動作を停止させたいときには、操作杆62に加える操作力をゼロにすると、ロッド側空気室の空気圧が前記当初空気圧となり、物品13の下降動作が停止し、停止位置に維持される。
【００１６】
物品13を上昇させたいときには、操作杆62の把手を小さな力で上げると、操作杆62はピン68を中心にして揺動し、操作杆62の先端が荷重受け63の環状係合溝65を僅かに押し下げる。その状態は前記図１の作用の説明の荷重Ｗが作用する（増加する）ときに相当し、荷重−空気圧変換器20の信号圧力が上昇する。荷重−空気圧変換器20の信号圧力が上昇すれば、全空気圧式オートバランサシステムのエアシリンダ10のロッド側空気室の空気圧は上昇し、物品13は上方へ移動する。物品13の上方移動速度を上げたいときには、操作杆62の上げ量を多くし、信号圧力の上昇量を大きくし、エアシリンダ10のロッド側空気室の空気圧の上昇量を大きくすればよい。物品13の上方移動速度を低下させたいときは、操作杆62の上げ量を少なくすればよい。そして、物品13の上方移動動作を停止させたいときには、操作杆62に加える操作力をゼロにすると、ロッド側空気室の空気圧が前記当初空気圧となり、物品13の上方移動動作が停止し、停止位置に維持される。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の荷重−空気圧変換器では、信号圧力ポートＡと供給圧力ポートＰとの間に給気弁が配設され、信号圧力ポートＡと排気ポートＲとの間に排気弁が配設され、供給圧力ポートＰとノズル背圧室とが固定絞りを介して連通され、ノズル背圧室がノズル・フラッパを介して大気に連通され、荷重がフラッパを閉じる方向に作用するようにされ、ノズル背圧室の圧力上昇によって給気弁が開放され、ノズル背圧室の圧力低下によって排気弁が開放され、信号圧力ポートＡの信号圧力が荷重に対応した値となったとき、給気弁及び排気弁が閉鎖され、かつフラッパが荷重に対応したバランス位置に位置するようにされている。従って、本発明の荷重−空気圧変換器を用いて、荷重を空気圧に直接変換し、荷重に対応した空気圧信号を出力することができ、空気圧機器のみで全空気圧式オートバランサシステムを構成することができる。
【００１８】
また、本発明の荷重−空気圧変換器では、変換器本体に操作杆が揺動可能に配設され、操作杆の把手を上下動させることにより、フラッパに作用する荷重が増減するようにされている。従って、本発明の荷重−空気圧変換器を用いた全空気圧式オートバランサシステムを構成して、エアシリンダのピストンロッドに物品を吊るし、エアシリンダの圧力を物品の荷重とバランスさせ、所望の位置に停止させることができる。そして、操作杆の把手を小さな力で下げると、荷重−空気圧変換器の信号圧力が低下し、エアシリンダの圧力も低下して物品が下降し、反対に操作杆の把手を小さな力で上げると、荷重−空気圧変換器の信号圧力が上昇し、エアシリンダの圧力も上昇して物品が持ち上げられる。物品が所望の位置に達したとき、操作杆62に加える操作力をゼロにすると、エアシリンダの空気圧が当初空気圧となり、物品の移動動作が停止し、停止位置に維持される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の荷重−空気圧変換器の実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明の荷重−空気圧変換器の実施の形態のブロック線図である。
【図３】本発明の荷重−空気圧変換器を用いて構成した全空気圧式オートバランサシステムの回路図である。
【図４】従来のバランサシステムを示す回路図である。
【符号の説明】
27 第１ダイヤフラム
28 第２ダイヤフラム
35 ステム
48 ノズル背圧室
50 固定絞り
52 ノズル
55 フラッパ
59 絞り弁

Claims

変換器本体において、信号圧力ポートＡと供給圧力ポートＰとの間に給気弁が配設され、信号圧力ポートＡと排気ポートＲとの間に排気弁が配設され、供給圧力ポートＰとノズル背圧室とが固定絞りを介して連通され、ノズル背圧室がノズルとフラッパとの間の隙間を介して大気に連通され、荷重がフラッパを閉じる方向に作用するようにされ、ノズル背圧室の圧力上昇によって給気弁が開放され、ノズル背圧室の圧力低下によって排気弁が開放され、信号圧力ポートＡの信号圧力が荷重に対応した値となったとき、給気弁及び排気弁が閉鎖され、かつフラッパが荷重に対応したバランス位置に位置するようにされた荷重−空気圧変換器。
変換器本体の下スペーサに第１ダイヤフラムが配設され、第１ダイヤフラムの上面にノズル背圧が作用し、第１ダイヤフラムの下面に信号圧力が作用し、第１ダイヤフラムに固定されたステムによって給気弁及び排気弁を操作するようにされた請求項１記載の荷重−空気圧変換器。
変換器本体の上スペーサに第２ダイヤフラムが配設され、第２ダイヤフラムの上面に荷重及び大気が作用し、第２ダイヤフラムの下面に信号圧力が作用し、第２ダイヤフラムにフラッパが連結された請求項１又は２記載の荷重−空気圧変換器。
第２ダイヤフラムの下面と信号圧力ポートＡとを連通する通路に絞り弁が配設された請求項３記載の荷重−空気圧変換器。
変換器本体に操作杆が揺動可能に配設され、操作杆の把手を上下動させることにより、フラッパに作用する荷重が増減するようにされた請求項１ないし４のいずれか１つに記載の荷重−空気圧変換器。