JP4353333B2 - 複動形エアシリンダの位置決め制御機構 - Google Patents

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Description

本発明は、ワークの搬送やチャックあるいは加工等に使用されるエアシリンダの動作位置を任意に位置決め制御することが可能な位置決め制御機構に関するものであり、換言すれば、ワークに対する力の作用点の位置を任意に変更あるいは調整することが可能なエアシリンダの位置決め制御機構に関するものであって、特に、複動形エアシリンダのための制御機構に関するものである。
ワークの搬送やチャックあるいは加工等の作業に使用されるアクチュエータは、エアや液圧あるいは電気などのエネルギーによって動作する。このうち電気エネルギーを利用する電動式アクチュエータは、動作位置を自由に変更あるいは調整できるという点で勝れているが、構造が複雑で、直線的動作を得る構成のものではその構造がより複雑である。また、大きな作用力を得ようとすると大型化と大電力化とが避けられず、一定の停止位置を維持させる場合には、その間電力を供給し続けなければならないため、省エネルギーの面での損失も大きい。更に、ロッド等を介して負荷に作用力が加わった場合、アクチュエータの動力伝達部が直接衝撃を受けて機械的損失を招きやすいだけでなく、負荷に対しても過剰な反発力を与えるおそれがある。
一方、エアを利用するアクチュエータとしては、エアシリンダが良く知られている。このエアシリンダは、圧縮エアのエネルギーを直線運動に変換するもので、ピストンの両側の圧力室に交互にエアを供給することによって該ピストンを往復移動させる複動形エアシリンダと、ピストンの片側の圧力室に給排されるエアと反対側に設置されたばねの付勢力とによってピストンを往復移動させる単動形シリンダとがある。何れのタイプも、上記電動式アクチュエータに比べて手軽に直線運動が得られるため、各種作業工程に広く利用されている。
ところが、上記エアシリンダは、通常、ピストンの動作ストロークが機械的に決められていて、ストッパ等で規定される前進端の位置と後退端の位置との間を往復動作するように構成されており、上記動作ストローク（動作位置）を変更あるいは調整するのは困難である。特に、動作ストロークを任意に変更あるいは調整するのは難しい。このため、作業内容に応じて異なる動作ストロークを持つシリンダを使い分けるのが一般的である。
本発明の目的は、複動形エアシリンダにおけるピストンの動作位置を、センサと電磁弁とを用いた簡単な位置決め制御機構により、作業内容に応じて任意に変更あるいは調整できるようにすることにある。
上記目的を達成するため、本発明の位置決め制御機構は、ピストンの両側に第１圧力室及び第２圧力室を有すると共に、該ピストンの片面に上記第２圧力室を貫通するロッドを有し、上記圧力室に対するエアの供給によって上記ピストンが往復駆動される複動形の主シリンダ、上記ピストンの動作位置を全ストロークにわたり測定する測長センサ、エア源を備えたエア供給部、該エア供給部と上記主シリンダとの間に介在する主エア回路、該主エア回路を電気的に制御するコントローラを有している。
上記主エア回路は、上記エア供給部と主シリンダの第１圧力室及び第２圧力室とを結ぶ第１エア流路及び第２エア流路を有していて、上記第１エア流路には、該第１エア流路を通断する２ポート式の供給用電磁弁が接続されると共に、該供給用電磁弁よりも第１圧力室側に寄った位置に該第１圧力室と大気とを通断する２ポート式の排気用電磁弁が接続され、また、上記第２エア流路には、該第２エア流路を通断する２ポート式の停止用電磁弁が接続されている。
また、上記コントローラは、上記測長センサと各電磁弁とに電気的に接続されていて、上記ピストンの動作目標位置を入力するための入力手段を有し、この入力手段で入力された目標位置情報と上記測長センサによる測定位置情報との比較結果に基づいて上記各電磁弁をオン・オフ制御することにより、上記ピストンを目標位置に移動させると共にその位置に停止させるように構成され、ピストンを前進させる時は、上記供給用電磁弁をオンにしてエア供給部と第１圧力室とを連通させると共に、上記排気用電磁弁をオフにして該第１圧力室を大気から遮断させ、かつ上記停止用電磁弁をオンにして上記第２エア流路を導通状態にし、ピストンを後退させる時は、上記供給用電磁弁をオフにして上記エア供給部と第１圧力室とを遮断させると共に、上記排気用電磁弁をオンにして該第１圧力室を大気に開放させ、かつ上記停止用電磁弁をオンにして上記第２エア流路を導通状態にし、ピストンを目標位置に停止させると共にその停止位置に保持する時は、上記供給用電磁弁及び排気用電磁弁と停止用電磁弁とを何れもオフにして上記第１圧力室及び第２圧力室内にエアを封じ込めるように動作する。
本発明においては、上記エア供給部が、上記第１エア流路に供給されるエア圧力を設定するための第１レギュレータと、第２エア流路に供給されるエア圧力を設定するための第２レギュレータとを有し、第１レギュレータから出力されるエア圧力Ｐ１と第２レギュレータから出力されるエア圧力Ｐ２とがＰ１≧Ｐ２なる関係にあることが好ましい。
本発明によれば、上記主シリンダの他に、測長センサを具備しない複動形の従シリンダを備えていて、この従シリンダが上記主エア回路に対して上記主シリンダと並列に接続されることにより、この主エア回路を介して上記主シリンダに倣って位置決め制御されるように構成することができる。
あるいは、上記主シリンダ及び主エア回路の他に、測長センサを具備しない複動形の従シリンダ及び該従シリンダに接続された従エア回路を有すると共に、この従エア回路が、上記主エア回路と同じ構成を有していて、これらの従シリンダ及び従エア回路が、上記エア供給部及びコントローラに対して上記主シリンダ及び主エア回路と並列に接続されることにより、該主シリンダ及び主エア回路に倣って位置決め制御されるように構成されていても良い。
この場合、上記従エア回路における停止用電磁弁は、上記主エア回路の停止用電磁弁によって共用することができる。
また、本発明においては、上記エア供給部が、エア圧力を設定圧に保つためのレギュレータを有することが望ましい。
本発明によれば、測長センサと複数の２ポート電磁弁とコントローラとからなる簡単な位置決め制御機構を使用して、複動形エアシリンダにおけるピストンの動作位置を、機械的な調整等を一切行うことなく、作業内容に応じて任意に変更あるいは調整することが可能である。
図１には、本発明に係る複動形エアシリンダの位置決め制御機構の第１実施形態が、記号によって示されている。この第１実施形態の位置決め制御機構１Ａにおいて、２は複動形のエアシリンダからなる主シリンダ、３は該主シリンダ２に圧力エアを供給するためのエア供給部、４は該エア供給部３と上記主シリンダ２との間に介在する主エア回路、５は該主エア回路４を電気的に制御するコントローラを示している。
上記主シリンダ２は、ピストン１０の両側に第１圧力室１１及び第２圧力室１２を有するもので、これらの圧力室１１，１２に対するエアの供給によって上記ピストン１０が該主シリンダ２の内部を直線的に往復駆動される。上記ピストン１０の一側には作業用ロッド１３が連結され、このロッド１３が上記第２圧力室１２を貫通して該主シリンダ２の先端から外部に延出し、ワークに当接することによって該ワークに搬送やチャックあるいは加工等のための作用力を及ぼすようになっている。
上記ピストン１０の上記ロッド１３が取り付けられている側とは反対の側には、該ロッド１３よりは小径で断面積の小さい測長ロッド１４が連結され、この測長ロッド１４が、上記第１圧力室１１を貫通して主シリンダ２の基端から外部に延出し、該主シリンダ２に付設された測長センサ６の位置まで達している。そして、この測長センサ６で上記測長ロッド１４の変位を検出することにより、上記ピストン１０（従ってロッド１３）の動作位置が全ストロークにわたって測定されるようになっている。この測長センサ６からの位置測定信号は、上記コントローラ５にフィードバックされる。
上記動作位置の測定は、上記測長ロッド１４に付した目盛を測長センサ６で磁気的又は電気的あるいは光学的に読み取ることによって行われるようになっているが、上記測長センサ６による測定方式は、このような測長ロッド１４を用いる方法に限定されるものではなく、その他の測定方法を用いることもできる。
上記エア供給部３は、圧力エアを出力するエア源１６と、該エア源１６に通じる供給流路１７中に直列に接続されたドレン排出付フィルタ１８及びオイルミストセパレータ１９と、上記供給流路１７に通じる第１分岐流路２０及び第２分岐流路２１にそれぞれ接続された第１及び第２のレギュレータ２４，２５とを備えている。上記第１分岐流路２０は、上記主エア回路４の第１エア流路２６を通じて主シリンダ２の第１圧力室１１にエアを供給するためのものであり、上記第２分岐流路２１は、上記主エア回路４の第２エア流路２７を通じて主シリンダ２の第２圧力室１２にエアを供給するためのものである。
また、上記レギュレータ２４，２５は、エア圧力を設定圧に保つためのもので、リリーフ付減圧弁によって構成され、第１レギュレータ２４から出力されるエア圧力Ｐ１と、第２レギュレータ２５から出力されるエア圧力Ｐ２とが、Ｐ１≧Ｐ２なる関係を有するように設定されている。
上記主エア回路４は、上記エア供給部３と主シリンダ２の第１圧力室１１及び第２圧力室１２とを結ぶ上記第１エア流路２６及び第２エア流路２７を有している。このうち第１エア流路２６には、該第１エア流路２６を通断する２ポート式の供給用電磁弁３０が接続されると共に、該供給用電磁弁３０よりも第１圧力室１１側に寄った位置に、該第１圧力室１１と大気とを通断する２ポート式の排気用電磁弁３１が接続され、上記第２エア流路２７には、該第２エア流路２７を通断する２ポート式の停止用電磁弁３２が接続されている。また、上記第１エア流路２６及び第２エア流路２７には、可変絞り弁２８ａと逆止弁２８ｂとを並列に接続して構成されたスピードコントローラ２８がそれぞれ接続されている。これらのスピードコントローラ２８は、上記圧力室１１，１２に流入又は該圧力室から流出するエアの流量を可変絞り弁２８ａで制限することにより、上記ピストン１０の動作速度を調整するものであるが、必ずしも設ける必要のないものである。
上記コントローラ５は、上記測長センサ６と各電磁弁３０，３１，３２とに電気的に接続されていて、上記ピストン１０の動作目標位置を入力するための入力手段７を有している。この入力手段７は、例えば、ピストン１０の前進端及び／又は後退端の位置や、前進端あるいは後退端を基準とするピストン１０の動作ストローク等を、キー操作や釦操作あるいはボリューム操作により入力するもので、該入力手段７で目標位置が入力されると、上記コントローラ５が、その目標位置情報と上記測長センサ６による測定位置情報とを比較し、その比較結果に基づいて上記各電磁弁３０，３１，３２をオン・オフ制御することにより、上記ピストン１０を上記目標位置に移動させると共に、その位置に停止させ、かつその停止位置を保持させるように動作するものである。
上記コントローラ５による制御例を具体的に説明する。いま、上記入力手段７によってピストン１０の前進端及び後退端の位置が目標位置として入力されると、このコントローラ５で上記ピストン１０がこれらの前進端と後退端との間を往復駆動される。そして、上記ピストン１０が後退端から前進端まで前進する前進行程においては、上記コントローラ５で供給用電磁弁３０及び停止用電磁弁３２が共にオンに切り換えられて上記エア供給部３と第１圧力室１１及び第２圧力室１２とがそれぞれ連通すると共に、上記排気用電磁弁３１がオフに切り換えられて該第１圧力室１１が大気から遮断される。すると、上記第１圧力室１１及び第２圧力室１２にエア供給部３からＰ１及びＰ２の圧力エアが供給されるが、第１圧力室１１側のピストン面（面積Ｓ１）に作用する流体圧作用力（Ｐ１・Ｓ１）が、第２圧力室１２側のピストン面（面積Ｓ２）に作用する流体圧作用力（Ｐ２・Ｓ２）より大きいため、上記ピストン１０及びロッド１３は前進する。
上記ピストン１０の動作位置は、上記測長センサ６により測長ロッド１４を介して常に測定され、測定位置情報として上記コントローラ５にフィードバックされる。そして、このコントローラ５において該測定位置情報と上記目標位置情報とが比較され、それらの偏差がゼロになるまで上述した電磁弁の制御が継続される。
上記ピストン１０が前進端に到達し、上記目標位置情報と測定位置情報との偏差がゼロになると、上記コントローラ５で供給用電磁弁３０及び停止用電磁弁３２が共にオフに切り換えられ、第１エア流路２６及び第２エア流路２７が遮断されて上記第１圧力室１１及び第２圧力室１２内にエアが封じ込められる。これによって上記ピストン１０は、前進端の位置に停止すると共に、停止状態に保持されることになる。
次に、上記ピストン１０が前進端から後退端に向けて後退する後退行程においては、上記コントローラ５で供給用電磁弁３０がオフにされて第１圧力室１１がエア供給部３から遮断されると共に、上記排気用電磁弁３１がオンにされて該第１圧力室１１が大気に開放され、かつ上記停止用電磁弁３２がオンにされて上記エア供給部３と第２圧力室１２とが連通される。これにより、該第２圧力室１２のエア圧力が第１圧力室１１のエア圧力より高くなるため、上記ピストン１０及びロッド１３は後退端に向けて移動する。
上記ピストン１０の動作位置は、上記測長ロッド１４と測長センサ６とにより常に測定され、測定位置情報として上記コントローラ５にフィードバックされる。そして、このコントローラ５において該測定位置情報と上記目標位置情報とが比較され、それらの偏差がゼロになるまで上述した電磁弁の制御が継続される。
上記ピストン１０が後退端に到達し、上記目標位置情報と測定位置情報との偏差がゼロになると、上記コントローラ５で排気用電磁弁３１及び停止用電磁弁３２が何れもオフに切り換えられ、上記第１圧力室１１及び第２圧力室１２内にエアが封じ込められるため、上記ピストン１０は後退端に停止すると共に、その停止位置に保持されることになる。
かくして上記位置決め制御装置によれば、測長センサ６と複数の２ポート電磁弁３０，３１，３２とコントローラ５とからなる簡単な位置決め制御機構を使用して、複動形のエアシリンダにおけるピストン１０の動作位置を、機械的な調整等を一切行うことなく、作業内容に応じて任意に変更あるいは調整することが可能である。
図２には本発明に係る位置決め制御機構の第２実施形態が示されている。この第２実施形態の位置決め制御機構１Ｂは、上記第１実施形態の位置決め制御機構１Ａと同様に構成された主シリンダ２、主エア回路４、エア供給部３、及びコントローラ５を有する他に、測長センサ６を具備しない複動形の従シリンダ２ａを１つ以上有し、この従シリンダ２ａが、上記主エア回路４に対して上記主シリンダ２と並列に接続されたもので、上記コントローラ５で上記主エア回路４を制御することにより、上記従シリンダ２ａが、上記主シリンダ２に倣って同期的に位置決め制御されるように構成されている。
上記従シリンダ２ａは、測長センサを具備しない点を除けば上記主シリンダ２と同じ構成及び作用を有するものであるから、それらの同一構成部分に主シリンダ２と同じ符号を付してその構成及び作用の説明は省略する。
上記従シリンダ２ａの第１圧力室１１に通じる第１エア流路２６と第２圧力室１２に通じる第２エア流路２７には、必要に応じてスピードコントローラ２８を接続することができる。
図３には本発明に係る位置決め制御機構の第３実施形態が示されている。この第３実施形態の位置決め制御機構１Ｃが上記第２実施形態の位置決め制御機構１Ｂと異なる点は、従シリンダ２ａとエア供給部３との間に、主エア回路４と同じ構成を有する従エア回路４ａが該主エア回路４と並列に接続されると共に、各従エア回路４ａの供給用電磁弁３０、排気用電磁弁３１、停止用電磁弁３２が、コントローラ５に対して、上記主エア回路４の供給用電磁弁３０、排気用電磁弁３１、停止用電磁弁３２と並列に電気接続されているという点である。従って、この第３実施形態においても、上記従シリンダ２ａが、上記従エア回路４ａにより、上記コントローラ５で上記主シリンダ２及び主エア回路４に倣って同期的に位置決め制御される。
なお、第３実施形態の上記以外の構成は実質的に第２実施形態と同じであるから、それらの主要な同一構成部分に第２実施形態と同じ符号を付してその構成及び作用の説明は省略する。
図４には本発明に係る位置決め制御機構の第４実施形態が示されている。この第４実施形態の位置決め制御機構１Ｄが上記第３実施形態の位置決め制御機構１Ｃと異なる点は、第３実施形態では従エア回路４ａに設けられている停止用電磁弁３２が、この第４実施形態では省略されていて、主エア回路４の停止用電磁弁３２によって共用されているという点である。即ち、上記主エア回路４における第２エア流路２７中の、停止用電磁弁３２と主シリンダ２の第２圧力室１２とを結ぶ流路部分２７ａに、各従シリンダ２ａの第２圧力室１２が分岐流路２７ｂによって並列に接続されている。
なお、第４実施形態の上記以外の構成は実質的に第３実施形態と同じであるから、それらの主要な同一構成部分に第２実施形態と同じ符号を付してその構成及び作用の説明は省略する。
図５には本発明に係る位置決め制御機構の第５実施形態が示されている。この第５実施形態の位置決め制御機構１Ｅが上記第１実施形態の位置決め制御機構１Ａと異なる点は、主エア回路４における第２エア流路２７中に、第１実施形態にあるような停止用電磁弁３２が設けられていないという点である。従って、主シリンダ２の第２圧力室１２は、この第２エア流路２７を通じてエア供給部３の第２分岐流路２１に常に連通し、第２レギュレータ２５から出力される設定圧力Ｐ２のエアがこの第２圧力室１２に常時導かれるようになっている。
この第５実施形態の上記以外の構成は実質的に第１実施形態と同じであるから、それらの主要な同一構成部分に第１実施形態と同じ符号を付してその構成及び作用の説明は省略する。
この第５実施形態のように停止用電磁弁を省略しても、それを設けた場合よりは停止位置への保持精度が若干劣るものの、シリンダの位置決め制御は十分可能であり、本発明の目的は達成することができる。
なお、上記第１〜第４実施形態の位置決め制御機構においても、停止用電磁弁３２を省略することが可能である。
また、上記各実施形態においては、エア供給部３が第１分岐流路２０及び第２分岐流路２１にそれぞれレギュレータ２４，２５を備えているが、図６に示すように、供給流路１７に１つのレギュレータ２４だけを設けても良い。この場合、第１分岐流路２０及び第２分岐流路２１はこのレギュレータ２４の出力側において分岐し、同じ圧力のエアが供給されることになる。
更に、上記各実施形態において、主エア回路４又は従エア回路４ａにおける各電磁弁３０，３１，３２は、それぞれ独立に設置しても、集合化して電磁弁アセンブリとしても良く、あるいは、対応する主シリンダ２又は従シリンダ２ａにそれぞれ搭載しても良い。さらには、コントローラ５を主シリンダに組み付けることもできる。また、上記スピードコントローラ２８についても、それを設ける場合には、対応する主シリンダ２又は従シリンダ２ａに組み付けることもできる。
本発明に係る位置決め制御機構の第１実施形態を示す接続図である。 本発明に係る位置決め制御機構の第２実施形態を示す接続図である。 本発明に係る位置決め制御機構の第３実施形態を示す接続図である。 本発明に係る位置決め制御機構の第４実施形態を示す接続図である。 本発明に係る位置決め制御機構の第５実施形態を示す接続図である。 エア供給部の異なる構成例を示す接続図である。
符号の説明
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ 位置決め制御機構
２ 主シリンダ
２ａ 従シリンダ
３ エア供給部
４ 主エア回路
４ａ 従エア回路
５ コントローラ
６ 測長センサ
７ 入力手段
１０ ピストン
１１ 第１圧力室
１２ 第２圧力室
１６ エア源
２４，２５ レギュレータ
２６ 第１エア流路
２７ 第２エア流路
３０ 供給用電磁弁
３１ 排気用電磁弁
３２ 停止用電磁弁

Claims (6)

  1. ピストンの両側に第１圧力室及び第２圧力室を有すると共に、該ピストンの片面に上記第２圧力室を貫通するロッドを有し、上記圧力室に対するエアの供給によって上記ピストンが往復駆動される複動形の主シリンダ、上記ピストンの動作位置を全ストロークにわたり測定する測長センサ、エア源を備えたエア供給部、該エア供給部と上記主シリンダとの間に介在する主エア回路、該主エア回路を電気的に制御するコントローラを有し、
    上記主エア回路が、上記エア供給部と主シリンダの第１圧力室及び第２圧力室とを結ぶ第１エア流路及び第２エア流路を有していて、上記第１エア流路には、該第１エア流路を通断する２ポート式の供給用電磁弁が接続されると共に、該供給用電磁弁よりも第１圧力室側に寄った位置に該第１圧力室と大気とを通断する２ポート式の排気用電磁弁が接続され、また、上記第２エア流路には、該第２エア流路を通断する２ポート式の停止用電磁弁が接続されており、
    上記コントローラは、上記測長センサと各電磁弁とに電気的に接続されていて、上記ピストンの動作目標位置を入力するための入力手段を有し、この入力手段で入力された目標位置情報と上記測長センサによる測定位置情報との比較結果に基づいて上記各電磁弁をオン・オフ制御することにより、上記ピストンを目標位置に移動させると共にその位置に停止させるように構成され、ピストンを前進させる時は、上記供給用電磁弁をオンにしてエア供給部と第１圧力室とを連通させると共に、上記排気用電磁弁をオフにして該第１圧力室を大気から遮断させ、かつ上記停止用電磁弁をオンにして上記第２エア流路を導通状態にし、ピストンを後退させる時は、上記供給用電磁弁をオフにして上記エア供給部と第１圧力室とを遮断させると共に、上記排気用電磁弁をオンにして該第１圧力室を大気に開放させ、かつ上記停止用電磁弁をオンにして上記第２エア流路を導通状態にし、ピストンを目標位置に停止させると共にその停止位置に保持する時は、上記供給用電磁弁及び排気用電磁弁と停止用電磁弁とを何れもオフにして上記第１圧力室及び第２圧力室内にエアを封じ込めるように動作する、
    ことを特徴とする複動形エアシリンダの位置決め制御機構。
  2. 上記エア供給部が、上記第１エア流路に供給されるエア圧力を設定するための第１レギュレータと、第２エア流路に供給されるエア圧力を設定するための第２レギュレータとを有し、第１レギュレータから出力されるエア圧力Ｐ１と第２レギュレータから出力されるエア圧力Ｐ２とがＰ１≧Ｐ２なる関係にあることを特徴とする請求項１に記載の位置決め制御機構。
  3. 上記主シリンダの他に、測長センサを具備しない複動形の従シリンダを備えていて、この従シリンダが上記主エア回路に対して上記主シリンダと並列に接続されることにより、この主エア回路を介して上記主シリンダに倣って位置決め制御されるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置決め制御機構。
  4. 上記主シリンダ及び主エア回路の他に、測長センサを具備しない複動形の従シリンダ及び該従シリンダに接続された従エア回路を有し、この従エア回路が、上記主エア回路と同じ構成を有していて、これらの従シリンダ及び従エア回路が、上記エア供給部及びコントローラに対して上記主シリンダ及び主エア回路と並列に接続されることにより、該主シリンダ及び主エア回路に倣って位置決め制御されるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置決め制御機構。
  5. 上記従エア回路における停止用電磁弁が、上記主エア回路の停止用電磁弁によって共用されていることを特徴とする請求項４に記載の位置決め制御機構。
  6. 上記エア供給部が、エア圧力を設定圧に保つためのレギュレータを有することを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の位置決め制御機構。
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