JP4054938B2 - アクチュエータ制御回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、シリンダ等のアクチュエータの変位速度を制御することが可能なアクチュエータ制御回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、特に電子・電気産業等において、小物品等を搬送するために空気圧アクチュエータ、例えば、シリンダが広範に用いられている。前記シリンダにおいて、シリンダチューブのシリンダ室に沿って直線状に往復運動するピストンの変位速度を制御する場合、前記シリンダ室内に圧力流体を供給する供給側通路を流通する圧力流体の流量を制御するメータイン回路１（図１２参照）と、前記シリンダ室内から圧力流体が排出される排出側通路を流通する圧力流体の流量を制御するメータアウト回路２（図１３参照）とが一般的に知られている。
【０００３】
なお、図１２および図１３中、参照数字３は、チェック弁４および可変絞り弁５から構成される速度制御弁を示し、参照数字６は切換用電磁弁を示し、参照数字７ａおよび７ｂは、それぞれ、一方および他方のシリンダ室を示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、小物品等の搬送等のために、例えば、シリンダ等の空気圧アクチュエータを低速で駆動させた場合、前記メータイン回路１では、変位状態と停止状態とが間欠的に繰り返され、この結果、時間と変位量との関係を示す特性曲線が階段状となる、いわゆるスティックスリップ現象が発生するという不具合がある。
【０００５】
また、従来技術に係る前記メータイン回路１では、シリンダの駆動を長時間停止した後の再始動時において、ピストンが変位を開始するまでの時間が遅延する、いわゆる応答時間の遅れが発生するという不具合がある。
【０００６】
一方、メータアウト回路２では、シリンダの駆動を長時間停止した後の再始動時にピストンが固着して該ピストンがシリンダ室７ａ（７ｂ）に沿って急速に変位する、いわゆる飛び出し現象が発生するという不具合がある。
【０００７】
本発明は、前記の不具合を考慮してなされたものであり、スティックスリップ現象や飛び出し現象の発生を阻止し、アクチュエータの変位速度を低速で安定して制御することが可能なアクチュエータ制御回路を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、シリンダの駆動を長時間停止した後の再始動時に発生する応答時間の遅れを改善することが可能なアクチュエータ制御回路を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、アクチュエータの変位速度を制御するメータイン回路が用いられた制御回路において、
圧縮空気が出入する一組のポートが設けられ、前記各ポートから供給される圧縮空気の作用下にピストンがシリンダ室に沿って変位する空気圧シリンダと、
圧縮空気供給源から導出される圧縮空気を前記空気圧シリンダの一方または他方のポートに切り換えて供給する切換用電磁弁と、
前記一組のポートと切換用電磁弁との間に設けられ、前記シリンダ室に供給される圧縮空気の流量を制御する一組の速度制御弁と、
前記圧縮空気供給源と前記切換用電磁弁との間に設けられ、前記シリンダ室に供給される圧縮空気の供給圧、又は、該シリンダ室から排気される圧縮空気の排気圧を、予め設定された所定圧にそれぞれ保持する一組のリリーフ付減圧弁と、
を備え、
前記リリーフ付減圧弁は、空気圧シリンダにおける排気側のシリンダ室の圧力が予め設定された所定圧に対して高い場合に、圧力流体を大気中に排気することにより、前記排気側のシリンダ室の圧力を前記所定圧に保持するとともに、前記排気側のシリンダ室の圧力が前記所定圧に対して低い場合に、圧縮空気供給源からの圧縮空気を減圧して空気圧シリンダの排気側のシリンダ室に供給することにより、前記圧力が前記所定圧に対して低くならないように保持することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、一組のリリーフ付減圧弁は、圧縮空気供給源からの圧縮空気を減圧して空気圧シリンダの排気側のシリンダ室に供給することにより、前記排気側のシリンダ室の圧力を予め設定された所定圧に保持するとともに、排気側のシリンダ室の圧力が所定圧よりも高いときに圧力流体を大気中に排気することにより、前記排気側のシリンダ室の圧力を予め設定された所定圧に保持する機能を有している。そして、アクチュエータに供給される圧力流体の流量をメータイン方式によって制御することにより、アクチュエータから排出される圧力流体の圧力が予め設定された所定圧に保持されるため、飛び出し現象やスティックスリップ現象の発生が防止されるとともに、一組のリリーフ機構付減圧弁によって、排気側のシリンダ室の圧力が予め設定された所定圧に保持されるため、アクチュエータの駆動を長時間停止した後の再始動時の応答時間の遅れを短縮することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係るアクチュエータ制御回路について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００１８】
本発明の第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路１０を図１に示す。
【００１９】
このアクチュエータ制御回路１０は、メータイン制御方式を採用し、小物品等のワークＷを搬送する空気圧シリンダ（以下、単にシリンダともいう）１２と、前記シリンダ１２の供給通路（第１通路）１４側に設けられる第１速度制御弁１６と、前記シリンダ１２の排気通路（第２通路）１８側に設けられる第２速度制御弁２０と、圧力流体供給源２２からの圧力流体（圧縮空気）を第１速度制御弁１６と第２速度制御弁２０とに切り換えて供給する切換用電磁弁（切換手段）２４とを含む。
【００２０】
なお、前記第１速度制御弁１６および第２速度制御弁２０は、それぞれ同一の構成要素からなり、チェック弁４と可変絞り弁５とを備える。
【００２１】
さらにアクチュエータ制御回路１０は、第１速度制御弁１６と切換用電磁弁２４との間の供給通路１４に介装された第１圧力制御弁２６と、第２速度制御弁２０と切換用電磁弁２４との間の排気通路１８に介装された第２圧力制御弁２８とを有する。この場合、前記第１速度制御弁１６と第１圧力制御弁２６とは直列に接続され、同様に、第２速度制御弁２０と第２圧力制御弁２８とは直列に接続されている。なお、前記第１圧力制御弁２６および第２圧力制御弁２８は、最低圧力保持手段として機能するものである。
【００２２】
前記第１圧力制御弁２６および第２圧力制御弁２８は、それぞれ同一の構成要素からなり、チェック弁３０と、リリーフ弁３２とを備える。前記第１圧力制御弁２６は、一方のシリンダ室３４ａへ圧力流体を供給する際にフリーフローとなり、前記第２圧力制御弁２８は、他方のシリンダ室３４ｂから圧力流体を排気する際に排気圧が設定圧よりも低下しないように保持する機能を有する。
【００２３】
また、シリンダ１２のピストン３６の変位速度は、第１速度制御弁１６および第２速度制御弁２０によって調整される。図１２に示す従来技術に係るメータイン回路１と比較して、第１圧力制御弁２６および第２圧力制御弁２８を設けることにより、排気圧の下限値を高く設定することができる。
【００２４】
第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。
【００２５】
図示しないコントローラから入力される切換信号に基づいて切換用電磁弁２４がオン状態となり、圧力流体供給源２２から導出された圧縮空気は、供給通路１４に連通する第１圧力制御弁２６および第１速度制御弁１６を経由して一方のシリンダ室３４ａに導入される。この場合、第１圧力制御弁２６ではチェック作用が働かないためにフリーフローの状態にあり、前記第１圧力制御弁２６を通過した圧縮空気は第１速度制御弁１６の可変絞り弁５によって所定の流量に絞られた後、一方のシリンダ室３４ａに導入される。
【００２６】
従って、一方のシリンダ室３４ａに導入された圧縮空気の押圧作用下にピストン３６が矢印Ａ方向に沿って変位し、ワークＷが搬送される。その際、他方のシリンダ室３４ｂに残存する圧縮空気は、排気通路１８に連通する第２速度制御弁２０および第２圧力制御弁２８を経由して大気中に排気される。この場合、第２速度制御弁２０ではチェック作用が働かないためにフリーフローの状態にあり、前記第２速度制御弁２０を通過した圧縮空気は第２圧力制御弁２８のリリーフ弁３２によって予め設定された圧力値よりも低下しないように保持される。
【００２７】
すなわち、フリーフローの状態にある第２速度制御弁２０を通過した圧縮空気は、第２圧力制御弁２８を構成するチェック弁３０とリリーフ弁３２の両者にそれぞれ分岐して流通するが、前記チェック弁３０ではそのチェック作用下に流通が阻止され、リリーフ弁３２のみを通過する。この場合、前記リリーフ弁３２は、排気される圧縮空気の圧力を予め設定された圧力に保持する機能を営む。従って、リリーフ弁３２により、排気圧の下限値を高く設定することができる。
【００２８】
このようにして、スティックスリップ現象や飛び出し現象の発生を阻止して、シリンダ１２のピストン３６を低速で安定して変位させることができる。
【００２９】
次に、始動時に発生するピストン３６の固着による飛び出し現象について、メータアウト回路２による制御方式よりもメータイン回路１による制御方式のほうが有効であることを以下に数式を用いて説明する。
【００３０】
ここでは、図２に示す空気圧シリンダ４０の速度制御回路４１に基づいて考察する。
【００３１】
なお、参照数字４２ａおよび４２ｂは絞り、参照数字４３はピストンをそれぞれ示し、また、図中および数式中に示される記号は、以下の通りである。
【００３２】
Ａ：ピストンの受圧面積
Ｆ：静止摩擦力とクーロン摩擦力を含む外力
Ｆｓ：最大固着力
Ｍ：可動部質量
Ｐ：一方のシリンダ室３４ａまたは他方のシリンダ室３４ｂの圧力
Ｒ：気体定数
Ｔ：空気の温度（絶対温度）
ｖ：速度
Ｖｃ：シリンダ４０の容積
ｘ：変位量
ｂ：粘性摩擦係数
ｋｐ：速度制御弁の圧力−流量係数
κ：空気の比熱比
ζ：減衰係数
ωn ：固有周波数
添字で示す符号は、Ｈはヘッド側、Ｒはロッド側、ａは大気圧状態をそれぞれ示す。
【００３３】
先ず、始動時に発生する固着による飛び出し現象について考える。ピストン４３が飛び出す直線には、次の（１）式で示す力平衡方程式が成立する。
【００３４】
【数１】
【００３５】
ここで、０は飛び出し直前の初期状態を表す。ピストン４３が最大固着力Ｆｓに打ち勝って飛び出し、再び平衡状態に到達する。ここで、クーロン摩擦力と動摩擦力を無視すると、前記（１）式は次の（２）式のようになる。
【数２】
飛び出し過程では、時間が短いので、シリンダ室３４ａ、３４ｂ内の空気の流入と流出を無視し、さらに一方のシリンダ室３４ａと他方のシリンダ室３４ｂ内の状態変位を等温的とすれば、気体状態方程式により（３）式が得られる。
【数３】
ここで、符号ｘj は、ピストン４３が飛び出してから再び平衡状態となるまでに移動したピストン４３の変位量（飛び出し距離）を示す。
【００３６】
非対称性を無視し、すなわちＰａ（ＡH −ＡR ）＝０とすれば、上記した（１）式〜（３）式より、飛び出し距離ｘj は次式のように表される。
【００３７】
【数４】
【００３８】
（４）式より、最大固着力Ｆｓが小さいほど、排気側の初期圧力Ｐroが高いほど、ヘッド側とロッド側の初期容積が小さいほど、飛び出し距離ｘjを小さくすることができる。この場合、図１３に示す従来技術に係るメータアウト回路２では、給気側がフリーフローとなるので、ＶH0≒∞、ＶR0≒Ｖｃとなる。これに対して、図１２に示す従来技術に係るメータイン回路１では、給気側が絞られて、排気側がフリーフローとなるので、ＶH0≒０、ＶRO≒∞となる。よって飛び出し現象の発生を防止する観点からは、メータイン回路１の方が好ましく、排気側の初期圧力を高くすることが望まれる。
【００３９】
次に、スティックスリップ現象の発生を防止するための方法について考察する。
【００４０】
通常、ピストン４３の変位途中では可変絞り弁５の開度が固定されているため、ピストン４３の変位速度の変動は、主に摩擦力等の負荷外力の変化に起因するものと考えられる。ここでは、回路の速度と外力の間の伝達関数を導出し、ピストン４３の変位速度に及ぼす外力変化の影響を調べる。
【００４１】
水平状態に取り付けられたシリンダ４０に対して、ピストン４３の運動方程式は次の（５）式で与えられる。
【００４２】
【数５】
【００４３】
シリンダ室３４ａ、３４ｂ内の空気温度は供給空気温度に等しく、またシリンダ室３４ａ、３４ｂ内の状態変化は断熱的であると仮定し、さらに非対称性を無視すれば、ピストン４３の変位速度ｖと外力Ｆの間の伝達関数は次の（６）式のように表される。
【００４４】
【数６】
【００４５】
ここで、ｓはLaplace 変数である。
【数７】
（６）式は、外力の変化とこれにより生ずるピストン４３の変位速度の変化の伝達関数関係を表している。この（６）式より、外力に起因するピストン４３の変位速度の変化を小さくするためには、固有振動数ωn が高いほど望ましい。また、（７）式より、規格寸法が一定のシリンダ４０に対して固有振動数ωn を高くするためには、排気側である他方のシリンダ室３４ｂ内の圧力を高く維持することが必要となる。
【００４６】
以上の解析結果により、飛び出し現象を阻止するためにはメータイン制御が好ましく、排気側の初期圧力を高くすることが望まれる。また、スティックスリップ現象の発生を防止するためには、シリンダ室３４ａ、３４ｂ内の圧力を高く維持することが有効であることがわかった。
【００４７】
本発明の第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路１０は、このような考察に基づいて構成された回路であり、前記アクチュエータ制御回路１０を用いることにより、始動時におけるピストン３６の固着による飛び出し現象やスティックスリップ現象が発生することを阻止することができる。
【００４８】
次に、第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路１０による応答特性曲線を図３に示す。この場合、供給圧（ゲージ圧）を０．５Ｍｐａ、圧力制御弁２６、２８の設定圧（ゲージ圧）を０．３Ｍｐａ、制御速度を６５ｍｍ／ｓにそれぞれ設定して実験を行った。
【００４９】
図３から諒解されるように、ヘッド側のシリンダ室３４ａの圧力ＰH およびロッド側のシリンダ室３４ｂの圧力ＰR がそれぞれ設定圧に保持されながら略均一的な変位速度で駆動されていることがわかる。
【００５０】
次に、第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路１０と、比較例に係るメータイン回路１（図１２参照）およびメータアウト回路２（図１３参照）とを用いて実験を行った。
【００５１】
図４乃至図６は、空気圧シリンダ１２のピストン３６の変位速度を約１．７ｍｍ／ｓで連続駆動したときの応答特性曲線をそれぞれ示す。図４に示されるように、比較例に係るメータアウト回路２では、ピストン３６の始動時に変位量ｘが急速に上昇する、いわゆる飛び出し現象が発生している。また、図５に示されるように、比較例に係るメータイン回路１では、ピストン３６の変位途中に停止状態と変位状態とを間欠的に繰り返して階段状となるスティックスリップ現象が発生している。
【００５２】
これに対して、図６に示されるように、この第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路１０では、前記飛び出し現象やスティックスリップ現象が発生せず、低速で安定してピストン３６を変位させることができた。
【００５３】
図７および図８は、速度１．３ｍｍ／ｓで作動している図示しないアクチュエータを、それぞれ２時間、１６時間放置した後に再始動させた場合の最初のサイクル応答曲線を示している。図７および図８に示されるように、比較例に係るメータアウト回路２およびメータイン回路１では、放置後の応答に大きな飛び出し現象が発生しているのに対し、第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路１０では、そのような飛び出し現象が発生しないことがわかる。
【００５４】
以上の実験結果から、第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路１０によれば、従来、回路に発生していた飛び出し現象やスティックスリップ現象の発生を阻止するために有効であることがわかった。
【００５５】
次に、本発明の第２の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路５０を図９に示す。なお、以下に示す実施の形態において、図１に示す第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路１０と同一の構成要素には同一の参照数字を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５６】
この第２の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路５０は、シリンダ１２と切換用電磁弁２４との間の供給通路１４側に第１速度制御弁５２と第１圧力制御弁５４とを並列に配設するとともに、排気通路１８側に第２速度制御弁５６と第２圧力制御弁５８とを並列に配設している点で第１の実施の形態と構成的に相違している。この場合、第１速度制御弁５２および第２速度制御弁５６を構成するチェック弁４および可変絞り弁５は、それぞれ直列に接続して構成されている。また、第１圧力制御弁５４および第２圧力制御弁５８を構成するチェック弁３０およびリリーフ弁３２は、それぞれ直列に接続して構成されている。
【００５７】
第２の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路５０では、構成を簡素化することにより、より一層の小型・軽量化を図ることができるという利点が得られる。なお、その他の作用効果は、第１の実施の形態と同一であるため、その詳細な説明を省略する。
【００５８】
次に、本発明の第３の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路６０を図１０に示す。
【００５９】
この第３の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路６０は、シリンダ１２と切換用電磁弁２４との間に第１速度制御弁１６および第２速度制御弁２０をそれぞれ並列に接続するとともに、さらに切換用電磁弁２４と圧力流体供給源２２との間の通路６２中に第１リリーフ付減圧弁６４ａおよび第２リリーフ付減圧弁６４ｂ（リリーフ機構付圧力制御弁）をそれぞれ並列に接続して構成している。
【００６０】
この場合、前記第１および第２リリーフ付減圧弁６４ａ、６４ｂは、それぞれ、圧力流体供給源２２からの圧縮空気を減圧してシリンダ１２の排気側のシリンダ室３４ｂ（３４ａ）に供給することにより、前記排気側のシリンダ室３４ｂ（３４ａ）の圧力を予め設定された設定圧に保持するとともに、排気側のシリンダ室３４ｂ（３４ａ）の圧力が設定圧よりも高いときに圧力流体を大気中に排気することにより、前記排気側のシリンダ室３４ｂ（３４ａ）の圧力を予め設定された所定圧に保持する機能を有する。
【００６１】
ところで、図１２に示す従来技術に係るメータイン回路１では、シリンダの駆動を長時間停止した後の再始動時において、ピストンが変位を開始するまでの時間が遅延する、いわゆる応答時間の遅れが発生するという不具合がある。
【００６２】
すなわち、シリンダの停止時間が長い場合（ピストンの往復動作を長時間停止した場合）には、再始動時において供給側の流量が絞られるため、圧縮空気を充填してピストンを駆動させる所定圧となるまでに時間がかかり、その分だけピストンの始動が遅れて応答時間の遅れが発生するという不具合がある。
【００６３】
これに対して、第３の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路６０では、供給通路１４にメータイン回路１と同一構成からなる第１速度制御弁１６を設け、前記第１速度制御弁１６によって一方のシリンダ室３４ａに供給される圧縮空気の流量を制御し、一方、シリンダ１２から排気する際に、排気通路１８と圧力流体供給源２２との間に第２リリーフ付減圧弁６４ｂを設け、前記第２リリーフ付減圧弁６４ｂから充填される圧縮空気によって他方のシリンダ室３４ｂの排気圧が予め設定された所定圧に保持される。
【００６４】
従って、シリンダ１２の駆動を長時間停止するときに、第２リリーフ付減圧弁６４ｂ（または第１リリーフ付減圧弁６４ａ）を介して圧縮空気を充填することにより、排気側のシリンダ室３４ｂ（または一方のシリンダ室３４ａ）が所定の圧力に保持される。この結果、圧縮空気が排気される他方のシリンダ室３４ｂ（または一方のシリンダ室３４ａ）内の圧力を予め一定値に保持することにより、圧縮空気が他方のシリンダ室３４ｂ（または一方のシリンダ室３４ａ）内に充填される時間が短縮され、従来技術に係るメータイン回路１と比較して応答時間の遅れを縮小することができるという利点がある（図１１参照）。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００６６】
すなわち、アクチュエータに供給される圧力流体の流量をメータイン制御方式により制御し、アクチュエータから排出される圧力流体の圧力を予め設定された所定圧力に保持することにより、スティックスリップ現象や飛び出し現象の発生を阻止し、アクチュエータの変位速度を、例えば、低速からなる所定の速度で安定して制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路の回路構成図である。
【図２】メータイン制御方式およびメータアウト制御方式の説明に供される回路構成図である。
【図３】前記アクチュエータ制御回路の圧力およびピストンと時間との関係を示す特性曲線図である。
【図４】従来技術に係るメータアウト回路の圧力と時間との関係を示す特性曲線図である。
【図５】従来技術に係るメータイン回路の圧力と時間との関係を示す特性曲線図である。
【図６】前記アクチュエータ制御回路の圧力と時間との関係を示す特性曲線図である。
【図７】アクチュエータを２時間放置した後に再始動させた場合の最初のサイクル応答曲線を示す図である。
【図８】アクチュエータを１６時間放置した後に再始動させた場合の最初のサイクル応答曲線を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路の回路構成図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路の回路構成図である。
【図１１】前記第３の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路と従来技術に係るメータイン回路の応答時間の遅れをそれぞれ示す特性曲線図である。
【図１２】従来技術に係るアクチュエータの制御方法を示すメータイン回路の回路構成図である。
【図１３】従来技術に係るアクチュエータの制御方法を示すメータアウト回路の回路構成図である。
【符号の説明】
１０、５０、６０…アクチュエータ制御回路
１２…空気圧シリンダ １４…供給通路
１６、２０、５２、５６…速度制御弁
２４…切換用電磁弁 ２６、２８、５４、５８…圧力制御弁
３０…チェック弁 ３２…リリーフ弁
３４ａ、３４ｂ…シリンダ室 ３６、４３…ピストン
６４ａ、６４ｂ…リリーフ付減圧弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、シリンダ等のアクチュエータの変位速度を制御することが可能なアクチュエータ制御回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、特に電子・電気産業等において、小物品等を搬送するために空気圧アクチュエータ、例えば、シリンダが広範に用いられている。前記シリンダにおいて、シリンダチューブのシリンダ室に沿って直線状に往復運動するピストンの変位速度を制御する場合、前記シリンダ室内に圧力流体を供給する供給側通路を流通する圧力流体の流量を制御するメータイン回路１（図１２参照）と、前記シリンダ室内から圧力流体が排出される排出側通路を流通する圧力流体の流量を制御するメータアウト回路２（図１３参照）とが一般的に知られている。
【０００３】
なお、図１２および図１３中、参照数字３は、チェック弁４および可変絞り弁５から構成される速度制御弁を示し、参照数字６は切換用電磁弁を示し、参照数字７ａおよび７ｂは、それぞれ、一方および他方のシリンダ室を示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、小物品等の搬送等のために、例えば、シリンダ等の空気圧アクチュエータを低速で駆動させた場合、前記メータイン回路１では、変位状態と停止状態とが間欠的に繰り返され、この結果、時間と変位量との関係を示す特性曲線が階段状となる、いわゆるスティックスリップ現象が発生するという不具合がある。
【０００５】
また、従来技術に係る前記メータイン回路１では、シリンダの駆動を長時間停止した後の再始動時において、ピストンが変位を開始するまでの時間が遅延する、いわゆる応答時間の遅れが発生するという不具合がある。
【０００６】
一方、メータアウト回路２では、シリンダの駆動を長時間停止した後の再始動時にピストンが固着して該ピストンがシリンダ室７ａ（７ｂ）に沿って急速に変位する、いわゆる飛び出し現象が発生するという不具合がある。
【０００７】
本発明は、前記の不具合を考慮してなされたものであり、スティックスリップ現象や飛び出し現象の発生を阻止し、アクチュエータの変位速度を低速で安定して制御することが可能なアクチュエータ制御回路を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、シリンダの駆動を長時間停止した後の再始動時に発生する応答時間の遅れを改善することが可能なアクチュエータ制御回路を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、アクチュエータの変位速度を制御するメータイン回路が用いられた制御回路において、
圧縮空気が出入する一組のポートが設けられ、前記各ポートから供給される圧縮空気の作用下にピストンがシリンダ室に沿って変位する空気圧シリンダと、
圧縮空気供給源から導出される圧縮空気を前記空気圧シリンダの一方または他方のポートに切り換えて供給する切換用電磁弁と、
前記一組のポートと切換用電磁弁との間に設けられ、前記シリンダ室に供給される圧縮空気の流量を制御する一組の速度制御弁と、
前記圧縮空気供給源と前記切換用電磁弁との間に設けられ、前記シリンダ室に供給される圧縮空気の供給圧、又は、該シリンダ室から排気される圧縮空気の排気圧を、予め設定された所定圧にそれぞれ保持する一組のリリーフ付減圧弁と、
を備え、
前記リリーフ付減圧弁は、空気圧シリンダにおける排気側のシリンダ室の圧力が予め設定された所定圧に対して高い場合に、圧力流体を大気中に排気することにより、前記排気側のシリンダ室の圧力を前記所定圧に保持するとともに、前記排気側のシリンダ室の圧力が前記所定圧に対して低い場合に、圧縮空気供給源からの圧縮空気を減圧して空気圧シリンダの排気側のシリンダ室に供給することにより、前記圧力が前記所定圧に対して低くならないように保持することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、一組のリリーフ付減圧弁は、圧縮空気供給源からの圧縮空気を減圧して空気圧シリンダの排気側のシリンダ室に供給することにより、前記排気側のシリンダ室の圧力を予め設定された所定圧に保持するとともに、排気側のシリンダ室の圧力が所定圧よりも高いときに圧力流体を大気中に排気することにより、前記排気側のシリンダ室の圧力を予め設定された所定圧に保持する機能を有している。そして、アクチュエータに供給される圧力流体の流量をメータイン方式によって制御することにより、アクチュエータから排出される圧力流体の圧力が予め設定された所定圧に保持されるため、飛び出し現象やスティックスリップ現象の発生が防止されるとともに、一組のリリーフ機構付減圧弁によって、排気側のシリンダ室の圧力が予め設定された所定圧に保持されるため、アクチュエータの駆動を長時間停止した後の再始動時の応答時間の遅れを短縮することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係るアクチュエータ制御回路について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００１８】
本発明の第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路１０を図１に示す。
【００１９】
このアクチュエータ制御回路１０は、メータイン制御方式を採用し、小物品等のワークＷを搬送する空気圧シリンダ（以下、単にシリンダともいう）１２と、前記シリンダ１２の供給通路（第１通路）１４側に設けられる第１速度制御弁１６と、前記シリンダ１２の排気通路（第２通路）１８側に設けられる第２速度制御弁２０と、圧力流体供給源２２からの圧力流体（圧縮空気）を第１速度制御弁１６と第２速度制御弁２０とに切り換えて供給する切換用電磁弁（切換手段）２４とを含む。
【００２０】
なお、前記第１速度制御弁１６および第２速度制御弁２０は、それぞれ同一の構成要素からなり、チェック弁４と可変絞り弁５とを備える。
【００２１】
さらにアクチュエータ制御回路１０は、第１速度制御弁１６と切換用電磁弁２４との間の供給通路１４に介装された第１圧力制御弁２６と、第２速度制御弁２０と切換用電磁弁２４との間の排気通路１８に介装された第２圧力制御弁２８とを有する。この場合、前記第１速度制御弁１６と第１圧力制御弁２６とは直列に接続され、同様に、第２速度制御弁２０と第２圧力制御弁２８とは直列に接続されている。なお、前記第１圧力制御弁２６および第２圧力制御弁２８は、最低圧力保持手段として機能するものである。
【００２２】
前記第１圧力制御弁２６および第２圧力制御弁２８は、それぞれ同一の構成要素からなり、チェック弁３０と、リリーフ弁３２とを備える。前記第１圧力制御弁２６は、一方のシリンダ室３４ａへ圧力流体を供給する際にフリーフローとなり、前記第２圧力制御弁２８は、他方のシリンダ室３４ｂから圧力流体を排気する際に排気圧が設定圧よりも低下しないように保持する機能を有する。
【００２３】
また、シリンダ１２のピストン３６の変位速度は、第１速度制御弁１６および第２速度制御弁２０によって調整される。図１２に示す従来技術に係るメータイン回路１と比較して、第１圧力制御弁２６および第２圧力制御弁２８を設けることにより、排気圧の下限値を高く設定することができる。
【００２４】
第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。
【００２５】
図示しないコントローラから入力される切換信号に基づいて切換用電磁弁２４がオン状態となり、圧力流体供給源２２から導出された圧縮空気は、供給通路１４に連通する第１圧力制御弁２６および第１速度制御弁１６を経由して一方のシリンダ室３４ａに導入される。この場合、第１圧力制御弁２６ではチェック作用が働かないためにフリーフローの状態にあり、前記第１圧力制御弁２６を通過した圧縮空気は第１速度制御弁１６の可変絞り弁５によって所定の流量に絞られた後、一方のシリンダ室３４ａに導入される。
【００２６】
従って、一方のシリンダ室３４ａに導入された圧縮空気の押圧作用下にピストン３６が矢印Ａ方向に沿って変位し、ワークＷが搬送される。その際、他方のシリンダ室３４ｂに残存する圧縮空気は、排気通路１８に連通する第２速度制御弁２０および第２圧力制御弁２８を経由して大気中に排気される。この場合、第２速度制御弁２０ではチェック作用が働かないためにフリーフローの状態にあり、前記第２速度制御弁２０を通過した圧縮空気は第２圧力制御弁２８のリリーフ弁３２によって予め設定された圧力値よりも低下しないように保持される。
【００２７】
すなわち、フリーフローの状態にある第２速度制御弁２０を通過した圧縮空気は、第２圧力制御弁２８を構成するチェック弁３０とリリーフ弁３２の両者にそれぞれ分岐して流通するが、前記チェック弁３０ではそのチェック作用下に流通が阻止され、リリーフ弁３２のみを通過する。この場合、前記リリーフ弁３２は、排気される圧縮空気の圧力を予め設定された圧力に保持する機能を営む。従って、リリーフ弁３２により、排気圧の下限値を高く設定することができる。
【００２８】
このようにして、スティックスリップ現象や飛び出し現象の発生を阻止して、シリンダ１２のピストン３６を低速で安定して変位させることができる。
【００２９】
次に、始動時に発生するピストン３６の固着による飛び出し現象について、メータアウト回路２による制御方式よりもメータイン回路１による制御方式のほうが有効であることを以下に数式を用いて説明する。
【００３０】
ここでは、図２に示す空気圧シリンダ４０の速度制御回路４１に基づいて考察する。
【００３１】
なお、参照数字４２ａおよび４２ｂは絞り、参照数字４３はピストンをそれぞれ示し、また、図中および数式中に示される記号は、以下の通りである。
【００３２】
Ａ：ピストンの受圧面積
Ｆ：静止摩擦力とクーロン摩擦力を含む外力
Ｆｓ：最大固着力
Ｍ：可動部質量
Ｐ：一方のシリンダ室３４ａまたは他方のシリンダ室３４ｂの圧力
Ｒ：気体定数
Ｔ：空気の温度（絶対温度）
ｖ：速度
Ｖｃ：シリンダ４０の容積
ｘ：変位量
ｂ：粘性摩擦係数
ｋｐ：速度制御弁の圧力−流量係数
κ：空気の比熱比
ζ：減衰係数
ωn ：固有周波数
添字で示す符号は、Ｈはヘッド側、Ｒはロッド側、ａは大気圧状態をそれぞれ示す。
【００３３】
先ず、始動時に発生する固着による飛び出し現象について考える。ピストン４３が飛び出す直線には、次の（１）式で示す力平衡方程式が成立する。
【００３４】
【数１】
ここで、０は飛び出し直前の初期状態を表す。ピストン４３が最大固着力Ｆｓに打ち勝って飛び出し、再び平衡状態に到達する。ここで、クーロン摩擦力と動摩擦力を無視すると、前記（１）式は次の（２）式のようになる。
【数２】
【数３】
【００３６】
非対称性を無視し、すなわちＰａ（ＡH −ＡR ）＝０とすれば、上記した（１）式〜（３）式より、飛び出し距離ｘj は次式のように表される。
【００３７】
【数４】
（４）式より、最大固着力Ｆｓが小さいほど、排気側の初期圧力Ｐroが高いほど、ヘッド側とロッド側の初期容積が小さいほど、飛び出し距離ｘjを小さくすることができる。この場合、図１３に示す従来技術に係るメータアウト回路２では、給気側がフリーフローとなるので、ＶH0≒∞、ＶR0≒Ｖｃとなる。これに対して、図１２に示す従来技術に係るメータイン回路１では、給気側が絞られて、排気側がフリーフローとなるので、ＶH0≒０、ＶRO≒∞となる。よって飛び出し現象の発生を防止する観点からは、メータイン回路１の方が好ましく、排気側の初期圧力を高くすることが望まれる。
【００３９】
次に、スティックスリップ現象の発生を防止するための方法について考察する。
【００４０】
通常、ピストン４３の変位途中では可変絞り弁５の開度が固定されているため、ピストン４３の変位速度の変動は、主に摩擦力等の負荷外力の変化に起因するものと考えられる。ここでは、回路の速度と外力の間の伝達関数を導出し、ピストン４３の変位速度に及ぼす外力変化の影響を調べる。
【００４１】
水平状態に取り付けられたシリンダ４０に対して、ピストン４３の運動方程式は次の（５）式で与えられる。
【００４２】
【数５】
シリンダ室３４ａ、３４ｂ内の空気温度は供給空気温度に等しく、またシリンダ室３４ａ、３４ｂ内の状態変化は断熱的であると仮定し、さらに非対称性を無視すれば、ピストン４３の変位速度ｖと外力Ｆの間の伝達関数は次の（６）式のように表される。
【００４４】
【数６】
ここで、ｓはLaplace 変数である。
【数７】
【００４６】
以上の解析結果により、飛び出し現象を阻止するためにはメータイン制御が好ましく、排気側の初期圧力を高くすることが望まれる。また、スティックスリップ現象の発生を防止するためには、シリンダ室３４ａ、３４ｂ内の圧力を高く維持することが有効であることがわかった。
【００４７】
本発明の第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路１０は、このような考察に基づいて構成された回路であり、前記アクチュエータ制御回路１０を用いることにより、始動時におけるピストン３６の固着による飛び出し現象やスティックスリップ現象が発生することを阻止することができる。
【００４８】
次に、第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路１０による応答特性曲線を図３に示す。この場合、供給圧（ゲージ圧）を０．５Ｍｐａ、圧力制御弁２６、２８の設定圧（ゲージ圧）を０．３Ｍｐａ、制御速度を６５ｍｍ／ｓにそれぞれ設定して実験を行った。
【００４９】
図３から諒解されるように、ヘッド側のシリンダ室３４ａの圧力ＰH およびロッド側のシリンダ室３４ｂの圧力ＰR がそれぞれ設定圧に保持されながら略均一的な変位速度で駆動されていることがわかる。
【００５０】
次に、第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路１０と、比較例に係るメータイン回路１（図１２参照）およびメータアウト回路２（図１３参照）とを用いて実験を行った。
【００５１】
図４乃至図６は、空気圧シリンダ１２のピストン３６の変位速度を約１．７ｍｍ／ｓで連続駆動したときの応答特性曲線をそれぞれ示す。図４に示されるように、比較例に係るメータアウト回路２では、ピストン３６の始動時に変位量ｘが急速に上昇する、いわゆる飛び出し現象が発生している。また、図５に示されるように、比較例に係るメータイン回路１では、ピストン３６の変位途中に停止状態と変位状態とを間欠的に繰り返して階段状となるスティックスリップ現象が発生している。
【００５２】
これに対して、図６に示されるように、この第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路１０では、前記飛び出し現象やスティックスリップ現象が発生せず、低速で安定してピストン３６を変位させることができた。
【００５３】
図７および図８は、速度１．３ｍｍ／ｓで作動している図示しないアクチュエータを、それぞれ２時間、１６時間放置した後に再始動させた場合の最初のサイクル応答曲線を示している。図７および図８に示されるように、比較例に係るメータアウト回路２およびメータイン回路１では、放置後の応答に大きな飛び出し現象が発生しているのに対し、第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路１０では、そのような飛び出し現象が発生しないことがわかる。
【００５４】
以上の実験結果から、第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路１０によれば、従来、回路に発生していた飛び出し現象やスティックスリップ現象の発生を阻止するために有効であることがわかった。
【００５５】
次に、本発明の第２の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路５０を図９に示す。なお、以下に示す実施の形態において、図１に示す第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路１０と同一の構成要素には同一の参照数字を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５６】
この第２の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路５０は、シリンダ１２と切換用電磁弁２４との間の供給通路１４側に第１速度制御弁５２と第１圧力制御弁５４とを並列に配設するとともに、排気通路１８側に第２速度制御弁５６と第２圧力制御弁５８とを並列に配設している点で第１の実施の形態と構成的に相違している。この場合、第１速度制御弁５２および第２速度制御弁５６を構成するチェック弁４および可変絞り弁５は、それぞれ直列に接続して構成されている。また、第１圧力制御弁５４および第２圧力制御弁５８を構成するチェック弁３０およびリリーフ弁３２は、それぞれ直列に接続して構成されている。
【００５７】
第２の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路５０では、構成を簡素化することにより、より一層の小型・軽量化を図ることができるという利点が得られる。なお、その他の作用効果は、第１の実施の形態と同一であるため、その詳細な説明を省略する。
【００５８】
次に、本発明の第３の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路６０を図１０に示す。
【００５９】
この第３の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路６０は、シリンダ１２と切換用電磁弁２４との間に第１速度制御弁１６および第２速度制御弁２０をそれぞれ並列に接続するとともに、さらに切換用電磁弁２４と圧力流体供給源２２との間の通路６２中に第１リリーフ付減圧弁６４ａおよび第２リリーフ付減圧弁６４ｂ（リリーフ機構付圧力制御弁）をそれぞれ並列に接続して構成している。
【００６０】
この場合、前記第１および第２リリーフ付減圧弁６４ａ、６４ｂは、それぞれ、圧力流体供給源２２からの圧縮空気を減圧してシリンダ１２の排気側のシリンダ室３４ｂ（３４ａ）に供給することにより、前記排気側のシリンダ室３４ｂ（３４ａ）の圧力を予め設定された設定圧に保持するとともに、排気側のシリンダ室３４ｂ（３４ａ）の圧力が設定圧よりも高いときに圧力流体を大気中に排気することにより、前記排気側のシリンダ室３４ｂ（３４ａ）の圧力を予め設定された所定圧に保持する機能を有する。
【００６１】
ところで、図１２に示す従来技術に係るメータイン回路１では、シリンダの駆動を長時間停止した後の再始動時において、ピストンが変位を開始するまでの時間が遅延する、いわゆる応答時間の遅れが発生するという不具合がある。
【００６２】
すなわち、シリンダの停止時間が長い場合（ピストンの往復動作を長時間停止した場合）には、再始動時において供給側の流量が絞られるため、圧縮空気を充填してピストンを駆動させる所定圧となるまでに時間がかかり、その分だけピストンの始動が遅れて応答時間の遅れが発生するという不具合がある。
【００６３】
これに対して、第３の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路６０では、供給通路１４にメータイン回路１と同一構成からなる第１速度制御弁１６を設け、前記第１速度制御弁１６によって一方のシリンダ室３４ａに供給される圧縮空気の流量を制御し、一方、シリンダ１２から排気する際に、排気通路１８と圧力流体供給源２２との間に第２リリーフ付減圧弁６４ｂを設け、前記第２リリーフ付減圧弁６４ｂから充填される圧縮空気によって他方のシリンダ室３４ｂの排気圧が予め設定された所定圧に保持される。
【００６４】
従って、シリンダ１２の駆動を長時間停止するときに、第２リリーフ付減圧弁６４ｂ（または第１リリーフ付減圧弁６４ａ）を介して圧縮空気を充填することにより、排気側のシリンダ室３４ｂ（または一方のシリンダ室３４ａ）が所定の圧力に保持される。この結果、圧縮空気が排気される他方のシリンダ室３４ｂ（または一方のシリンダ室３４ａ）内の圧力を予め一定値に保持することにより、圧縮空気が他方のシリンダ室３４ｂ（または一方のシリンダ室３４ａ）内に充填される時間が短縮され、従来技術に係るメータイン回路１と比較して応答時間の遅れを縮小することができるという利点がある（図１１参照）。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００６６】
すなわち、アクチュエータに供給される圧力流体の流量をメータイン制御方式により制御し、アクチュエータから排出される圧力流体の圧力を予め設定された所定圧力に保持することにより、スティックスリップ現象や飛び出し現象の発生を阻止し、アクチュエータの変位速度を、例えば、低速からなる所定の速度で安定して制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路の回路構成図である。
【図２】メータイン制御方式およびメータアウト制御方式の説明に供される回路構成図である。
【図３】前記アクチュエータ制御回路の圧力およびピストンと時間との関係を示す特性曲線図である。
【図４】従来技術に係るメータアウト回路の圧力と時間との関係を示す特性曲線図である。
【図５】従来技術に係るメータイン回路の圧力と時間との関係を示す特性曲線図である。
【図６】前記アクチュエータ制御回路の圧力と時間との関係を示す特性曲線図である。
【図７】アクチュエータを２時間放置した後に再始動させた場合の最初のサイクル応答曲線を示す図である。
【図８】アクチュエータを１６時間放置した後に再始動させた場合の最初のサイクル応答曲線を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路の回路構成図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路の回路構成図である。
【図１１】前記第３の実施の形態に係るアクチュエータ制御回路と従来技術に係るメータイン回路の応答時間の遅れをそれぞれ示す特性曲線図である。
【図１２】従来技術に係るアクチュエータの制御方法を示すメータイン回路の回路構成図である。
【図１３】従来技術に係るアクチュエータの制御方法を示すメータアウト回路の回路構成図である。
【符号の説明】
１０、５０、６０…アクチュエータ制御回路
１２…空気圧シリンダ １４…供給通路
１６、２０、５２、５６…速度制御弁
２４…切換用電磁弁 ２６、２８、５４、５８…圧力制御弁
３０…チェック弁 ３２…リリーフ弁
３４ａ、３４ｂ…シリンダ室 ３６、４３…ピストン
６４ａ、６４ｂ…リリーフ付減圧弁
Claims (1)
- アクチュエータの変位速度を制御するメータイン回路が用いられた制御回路において、
圧縮空気が出入する一組のポートが設けられ、前記各ポートから供給される圧縮空気の作用下にピストンがシリンダ室に沿って変位する空気圧シリンダと、
圧縮空気供給源から導出される圧縮空気を前記空気圧シリンダの一方または他方のポートに切り換えて供給する切換用電磁弁と、
前記一組のポートと切換用電磁弁との間に設けられ、前記シリンダ室に供給される圧縮空気の流量を制御する一組の速度制御弁と、
前記圧縮空気供給源と前記切換用電磁弁との間に設けられ、前記シリンダ室に供給される圧縮空気の供給圧、又は、該シリンダ室から排気される圧縮空気の排気圧を、予め設定された所定圧にそれぞれ保持する一組のリリーフ付減圧弁と、
を備え、
前記リリーフ付減圧弁は、空気圧シリンダにおける排気側のシリンダ室の圧力が予め設定された所定圧に対して高い場合に、圧力流体を大気中に排気することにより、前記排気側のシリンダ室の圧力を前記所定圧に保持するとともに、前記排気側のシリンダ室の圧力が前記所定圧に対して低い場合に、圧縮空気供給源からの圧縮空気を減圧して空気圧シリンダの排気側のシリンダ室に供給することにより、前記圧力が前記所定圧に対して低くならないように保持することを特徴とするアクチュエータ制御回路。
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