JP4533928B2 - 電動アクチュエータ - Google Patents

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Description

本発明は、電動アクチュエータに係り、詳しくは自動機を構成する流体圧シリンダに代替して使用可能な電動アクチュエータに関する。
工作機械や包装装置等の自動機では、物体を移動させたり物体に押圧力を加えて保持したり(押し付けたり)する手段として空圧シリンダが多く使用されている。ところが、空圧シリンダの駆動源となる圧縮空気を作り出すコンプレッサの効率が悪くトータルのエネルギー使用量で比較すると、駆動源として電力を使用する方が、エネルギー消費が少なくなる。そのため、空圧シリンダに代えて電動モータの回転運動を直線運動に変換して出力軸が往復直線運動を行うように構成された電動アクチュエータも使用されている。
電動アクチュエータは、モータ(出力軸)の回転をロータリエンコーダで検出し、ロータリエンコーダの検出信号から出力軸の移動量、移動速度を確認することができる。そのため、ロータリエンコーダの検出信号を用いてフィードバック制御を行うことができる。そして、電動アクチュエータは空圧シリンダに比較して出力軸の移動量や速度制御の自由度が高い。しかし、制御方法はモータの回転量や回転速度をフィードバック制御することで行われるため、電磁弁を用いてそのオン・オフ制御でピストンロッドの移動量を調整する空圧シリンダの制御方法と異なっている。そのため、空圧シリンダに代えて電動アクチュエータを使用する場合は、空圧シリンダと異なる制御方法が必要となる。
従来、モータ回転位置検出用エンコーダと、上位の指令装置からの指令によりモータを閉ループ制御するモータ制御回路と、モータパワーをコントロールするモータドライブ回路を一体的に搭載したモータと、前記モータの出力軸の回転運動を直線運動に変換する運動変換機構から成るリニアアクチュエータが提案されている(特許文献1参照)。モータの所定動作として、リニアアクチュエータの位置決め動作、エンドエフェクタの速度制御動作、エンドエフェクタの推力制御動作あるいはこれらの組み合わせがある。そして、モータ制御回路は、パーソナルコンピュータ(以下、この明細書ではPCと省略する。)やプログラマブルロジックコントローラ(以下、この明細書ではPLCと省略する。)等の上位指令装置からの指令により、単発動作指令又は予め教示記憶された指令を実行することができるとされている。
特開2000−92811号公報
特許文献1に記載のリニアアクチュエータは、上位指令装置からの指令に基づき、単発動作指令又は予め教示された指令を実行することができる。しかし、空圧シリンダを制御する場合には、動作パターンにより、2位置シングルソレノイド弁、2位置ダブルソレノイド弁、3位置ダブルソレノイド弁の3種類の電磁弁の使い分けが行われている。そして、上位指令装置からの指令信号が同じでも使用する電磁弁の種類によって空圧シリンダの動作が異なる。
例えば、2位置シングルソレノイド弁の場合は、上位指令装置からの入力が一つで、上位指令装置からのオン信号が入力されている間はピストンが原点位置(基準位置)から離れる側へ移動するように動作し、オン信号が入力されなくなると、原点位置へ復帰するように動作する。
また、2位置ダブルソレノイド弁及び3位置ダブルソレノイド弁の場合は、上位指令装置からの入力が二つ使用される。そして、2位置ダブルソレノイド弁では、ピストンが原点位置にいる状態で上位指令装置からの第1入力がオンになると、ピストンが原点位置(基準位置)から離れる側へ移動するように動作し、その後、第1入力がオフになってもその動作を継続する。そして、ピストントンが目的位置に到達した後、第2入力がオンになると、ピストンが原点位置へ向かって移動するように動作し、その後、第2入力がオフになってもその動作を継続する。即ち、ピストンは中間位置で停止しない。
一方、3位置ダブルソレノイド弁では、ピストンが原点位置にいる状態で上位指令装置からの第1入力がオンになると、ピストンが原点位置(基準位置)から離れる側へ移動するように動作し、第1入力がオフになるとピストンは移動を停止する。また、ピストンが原点位置から離れた位置にいる状態で上位指令装置からの第2入力がオンになると、ピストンが原点位置に向かって移動するように動作し、第2入力がオフになるとピストンは移動を停止する。即ち、ピストンは中間位置で停止する。
したがって、空圧シリンダの制御に使用していた制御回路をそのまま用いてリニアアクチュエータ(電動アクチュエータ)を制御するためには、リニアアクチュエータのモータ制御回路にそれらの電磁弁にそれぞれ対応して、予めプログラムを教示する必要があり、容易な置き換えができない。特許文献1には、空圧シリンダを制御するために使用される電磁弁の種類との関係に関しては配慮がなされていない。
本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は流体圧シリンダに代替して使用する場合、上位指令装置の制御プログラムとして流体圧シリンダの制御用と同じ制御プログラムを使用することができる電動アクチュエータを提供することにある。また、流体圧シリンダの場合と同じ位置検出器を使用することができる電動アクチュエータを提供することにある。
記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、モータと、前記モータの回転軸の回転運動を直線運動に変換する運動変換機構と、前記運動変換機構により直線運動を行う移動体と、前記モータの制御を行うモータ制御回路と、前記モータ制御回路を制御する制御プログラムを記憶したメモリとを備え、前記制御プログラムは、前記モータを制御する制御モードとして、流体圧シリンダが電磁弁で制御される場合に対応した動作モードで制御する流体圧シリンダ対応モードを有しており、前記モータ制御回路は、前記流体圧シリンダ対応モードで前記移動体の動作と停止を制御する。ここで、「移動体」とは、前記運動変換機構により駆動される出力軸や、前記運動変換機構がボールネジ機構の場合、ボールナットと一体に移動する物を意味する。
流体圧シリンダは、圧力流体の供給・排出を、電磁弁を介して行うため、同じ流体圧シリンダを使用する場合でも使用する電磁弁の種類や使用モード(搬送モード又は押付けモード)によって上位指令装置からの指令信号が異ったり、指令信号が同じでも動作が異なる。そのため、電動アクチュエータを流体圧シリンダの代わりに用いる場合は、その流体圧シリンダの制御に使用されていた電磁弁の種類と使用モードによって出力軸の移動動作、即ちモータの制御方法が異なる。この発明では、電動アクチュエータに装備されたモータ制御回路を制御する制御プログラムは、制御モードとして流体圧シリンダが電磁弁で制御される場合に対応した動作モードで制御する流体圧シリンダ対応モードを有しており、前記モータ制御回路は、前記流体圧シリンダ対応モードで前記移動体の動作と停止を制御する。したがって、流体圧シリンダで使用されていた使用モード及び電磁弁に対応するモードを選択して使用することにより、流体圧シリンダの制御に使用されていた上位指令装置の制御プログラムとして同じプログラムを使用することができ、従来の電動アクチュエータよりも容易な置き換えが可能となる。
また、請求項1に記載の発明において、前記移動体には一体移動するように被検出部が設けられ、電動アクチュエータ本体には前記被検出部を検出する位置検出器の取付け部が設けられている。この発明では、上位指令装置は電動アクチュエータに取り付けられた流体圧シリンダの場合と同じ位置検出器を使用して移動体の位置を検出することができる。
さらに、請求項1に記載の発明において、前記制御プログラムは、前記流体圧シリンダ対応モードとして、搬送モード及び押付けモードと、前記搬送モード及び押付けモードにおいて空圧シリンダが2位置シングルソレノイド弁、2位置ダブルソレノイド弁、3位置ダブルソレノイド弁の3種類の電磁弁で制御される場合にそれぞれ対応した動作モードで制御する6種類の流体圧シリンダ対応モードを有しており、前記モータ制御回路は、選択された制御モードで前記取付け部に取り付けられた位置検出器の検出信号に基づき前記移動体の動作と停止を制御する。この発明では、電動アクチュエータに装備されたモータ制御回路を制御する制御プログラムは、制御モードとして流体圧シリンダの使用モードと電磁弁の種類に対応した流体圧シリンダ対応モードとして6種類の制御モードを有する。したがって、流体圧シリンダで使用されていた使用モード及び電磁弁に対応するモードを選択して使用することにより、流体圧シリンダの制御に使用されていた上位指令装置の制御プログラムとして同じプログラムを使用することができ、従来の電動アクチュエータよりも容易な置き換えが可能となる。
請求項に記載の発明は、請求項に記載の発明において、前記モータ制御回路は、前記モータを搬送モードで制御する際の前記移動体の移動速度、加速度及び目標移動距離と、前記モータを押し付けモードで制御する際のトルク、トルク低減開始位置及び目標移動距離とを設定変更可能に構成されている。流体圧シリンダでは、ピストンロッドの移動速度や加速度等を、スピードコントローラを設けて調整するが、この発明では、それらの調整をモータの制御条件を変更することにより容易に行うことができる。
請求項に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記モータの回転軸の回転を検出する回転検出器をさらに備え、前記制御プログラムは前記モータを上位指令装置からの指令信号及び前記回転検出器の検出信号に基づいて制御するモータ対応モードを有しており、前記モータ制御回路は、前記流体圧シリンダ対応モード及び前記モータ対応モードの中から選択された制御モードで前記モータを制御する。したがって、この発明の電動アクチュエータは、流体圧シリンダと同じ制御モードの他に、従来の電動アクチュエータの制御モードと同じ制御モードでも制御が可能となり、電動アクチュエータの使用方法の自由度が高くなる。
請求項に記載の発明は、請求項1〜請求項のいずれか一項に記載の発明において、前記移動体が流体の流れを遮断する状態と許容する状態とに制御する制御弁に組み込まれており、前記モータ制御回路は、前記制御弁の開閉速度を変更可能に制御する。この発明では、流路の開閉、遮断を行うタイプの流体制御弁の開閉速度を調整することができる。
請求項に記載の発明は、請求項1〜請求項のいずれか一項に記載の発明において、前記移動体が流体の流量又は圧力を制御する制御弁に組み込まれている。この発明では、流量制御弁を電動アクチュエータで駆動することができる。
本発明によれば、流体圧シリンダに代替して使用する場合、上位指令装置の制御プログラムとして流体圧シリンダの制御用と同じ制御プログラムを使用することができる。また、流体圧シリンダの場合と同じ位置検出器を使用することもできる。
(第1の実施形態)
以下、本発明をガイドロッド付きの電動アクチュエータに具体化した第1の実施形態を図1〜図3にしたがって説明する。
以下の説明において、電動アクチュエータの「前」「後」「上」「下」「左」「右」は、図1(a)に示す矢印Y1の方向を前後方向、矢印Y2の方向を上下方向、図1(b)に示す矢印Y3の方向を左右方向とする。
図1(a)に示すように、電動アクチュエータ11は、シリンダケース12を備えている。シリンダケース12は、外形が直方体状に形成されるとともに、その長手方向に沿って延びるように収容孔13及び挿通孔14が形成されている。収容孔13の後端側にはヘッドカバー15が固定され、前端側にはロッドカバー16が固定されている。ロッドカバー16はCリング16aにより抜け止めされた状態で固定されている。
シリンダケース12には収容孔13の後端開口を覆うようにモータ取付け板17がボルト18(図1(b)にのみ図示)により固定されている。モータ取付け板17は、ヘッドカバー15の抜け止め部材の役割も兼ねている。モータ取付け板17の中央にはヘッドカバー15に形成された孔15aと対応する孔が形成され、モータ19は回転軸20が孔を貫通して先端が孔15a内に達する状態でモータ取付け板17に取り付けられている。モータ19には正逆回転可能なモータが使用されている。
ヘッドカバー15には、回転軸20の回転運動を直線運動に変換する運動変換機構としてのボールネジを構成するボールスクリュウ21が、その基端部においてベアリング22を介して回転可能に支持されている。ヘッドカバー15には、ベアリング22の外輪前端に当接するCリング23が固定され、ボールスクリュウ21にはベアリング22の内輪後端に当接するスペーサ24及びCリング25が固定されている。ボールスクリュウ21の基端はカップリング26を介して回転軸20に連結されている。ヘッドカバー15の前端にはクッション部材27が、その一部がヘッドカバー15の前端面から突出する状態で固定されている。クッション部材27は例えばゴムリングで形成されている。
運動変換機構としてのボールネジを構成するボールナット28には、ロッドカバー16を貫通する状態で移動体としての出力軸29が固定されている。出力軸29は円筒状に形成されるとともに、ボールスクリュウ21の外径より大径の孔の後端側でボールナット28の前側に嵌合固着されている。出力軸29の前端には、エンドプレート30がその一端寄りにおいて取付けボルト31により固定されている。エンドプレート30の他端寄りには、ガイドロッド32が挿通孔14に挿通された状態で取付けボルト33により固定されている。ガイドロッド32は挿通孔14内を前後方向に移動可能にブッシュ34により支承され、エンドプレート30が出力軸29と一体回転するのを規制する。そのため、モータ19によりボールスクリュウ21が回転されると、ボールナット28と共に出力軸29が直線移動するようになっている。ロッドカバー16の後端にはクッション部材16bが、ロッドカバー16の後端面から突出する状態で固定されている。クッション部材16bは例えばゴムリングで形成されている。
出力軸29の基端にはリング部材35が嵌合されるとともに、リング部材35はボールナット28の基端に形成されたフランジ部28aに取付けねじ36を介して固定されている。リング部材35の外周面に形成された環状の溝部には被検出部としての永久磁石M及びウェアリング35aが嵌合固定されている。即ち、被検出部としての永久磁石Mは出力軸29と一体移動するように設けられている。リング部材35の外径は収容孔13の径より小さく形成され、ウェアリング35aのみが収容孔13と摺接する状態で移動可能になっている。
図1(b)に示すように、電動アクチュエータ本体としてのシリンダケース12の左右両側の側面12a,12bには、永久磁石Mを検出する位置検出器37の取付け部としての装着溝38が一対ずつ形成されている。装着溝38は、シリンダケース12の前後方向に延びるように、即ちボールスクリュウ21と平行に延びるように形成されている。装着溝38には、位置検出器37が装着される(取り付けられる)ようになっている。位置検出器37は、出力軸29と共に移動する永久磁石Mを検出することにより、出力軸29の位置を検出するようになっている。位置検出器37としては、例えば、空圧シリンダ、油圧シリンダ等の流体圧シリンダにおいてピストン位置の検出のために使用され、磁気センサを備えた位置検出装置(位置検出スイッチ)が使用される。なお、図1(a)に示すように、シリンダケース12には電動アクチュエータ11を自動機に固定するためのねじ穴12cが形成されている。
モータ19の後端にはモータ制御部39が取り付けられている。モータ制御部39には、制御基板40及びモータ19の回転軸20の回転を検出する回転検出器としてのロータリエンコーダ41が設けられている。また、モータ19には温度センサ19a(図2に図示)が設けられている。
図2に示すように、制御基板40にはモータ駆動回路42と、モータ駆動回路42を制御するためのマイクロプロセッサMPを含むモータ制御回路43と、制御プログラムを記憶したメモリ44とが搭載されている。マイクロプロセッサMPは、PCやPLC等の上位指令装置45からの指令信号及びロータリエンコーダ41の検出信号に基づいてモータ駆動回路42を介してモータ19の制御を行う。
上位指令装置45は、電動アクチュエータ11に取り付けられた1個の位置検出器37の検出信号により出力軸29が原点位置(基準位置)に位置することを検出(確認)し、ロータリエンコーダ41の出力信号に基づいて出力軸29の基準位置からの移動量を演算して、マイクロプロセッサMPに指令信号を出力するようになっている。
詳述すると、上位指令装置45は、位置検出器37の検出信号に基づいて出力軸29の原点位置を確認し、ロータリエンコーダ41の出力信号に基づいて出力軸29の原点位置からの移動量を演算する。そして、出力軸29の位置に基づいて、空圧シリンダの制御時と同様な指令信号をマイクロプロセッサMPに出力する。また、上位指令装置45は、モータ19が過熱状態になるのを防止するため温度センサ19aの出力を入力するとともに、その検出温度が予め設定された温度以上になると、異常と判断して、マイクロプロセッサMPに非常停止指令を出力する。
前記制御プログラムは、モータ19を制御する制御モードとして、流体圧シリンダ対応モード(この実施形態では空圧シリンダ対応モード)及びモータ対応モードを有している。流体圧シリンダ対応モードとは、流体圧シリンダを電磁弁を介して制御する場合の動作と対応する動作を、上位指令装置45からの指令に基づいて電動アクチュエータ11に行わせる制御モードであり、物品を所定位置まで移動させる搬送モードと、物品を所定の力で押圧する押付けモードとがある。そして、搬送モード及び押付けモードにおいて、流体圧シリンダが2位置シングルソレノイド弁、2位置ダブルソレノイド弁、3位置ダブルソレノイド弁の3種類の電磁弁で制御される場合にそれぞれ対応した動作を行わせるように制御する合計6種類の流体圧シリンダ対応モードがある。また、モータ対応モードとは、一般の電動アクチュエータの制御と同様にプログラムされた一連の動作をロータリエンコーダ41の検出信号に基づいて自立的に実行可能な制御モードであり、上位指令装置45からの指令に基づきその実行を開始する制御モードである。
電動アクチュエータ11は複数の入力端子と複数の出力端子を備えており、この実施形態では流体圧シリンダ用モードで制御を行う際に上位指令装置45からの指令信号を入力するための3つの入力(入力1、入力2、入力3)に加えて、非常停止及び原点復帰用の2つの入力(入力4、入力5)が入力可能に構成されている。また、ロータリエンコーダ41の出力信号及びモータ異常のアラーム信号を上位指令装置45に出力する出力端子を備えている。流体圧シリンダ対応モードにおける相当する電磁弁と、上位指令装置45からの入力信号の役割(指示内容)との関係を表1に示す。
Figure 0004533928
表1に示すように、2位置シングルソレノイド弁対応の制御モードの場合は、マイクロプロセッサMPには入力1、入力3、入力4、入力5の4種の入力が上位指令装置45から出力されて、出力軸29の前進、後退、停止、非常停止、原点復帰動作が行われる。2位置ダブルソレノイド弁及び3位置ダブルソレノイド弁対応の制御モードの場合は、マイクロプロセッサMPには入力1、入力2、入力3、入力4、入力5の5種の入力が上位指令装置45から出力されて、出力軸29の前進、後退、停止、非常停止、原点復帰動作が行われる。なお、入力3は、出力軸29が前進移動時に前進端に到達した際及び後退移動時に基端位置に到達した時に上位指令装置45から出力される。
流体圧シリンダ対応モードの搬送モードにおけるマイクロプロセッサMPへの上位指令装置45からの入力信号と、モータ19への指令、モータ19の動作、出力軸29の動作の関係を表2及び表3に示す。
Figure 0004533928
Figure 0004533928
モータ制御回路43は、モータ19をいずれの制御モードで制御するかを、ティーチングボックス又はPCにより設定可能に構成されている。また、モータ制御回路43は、モータ19を搬送モード及び押付けモードで制御する際に必要な制御条件をティーチングボックス又はPCにより設定変更可能に構成されている。制御条件としては、搬送モードにおける出力軸29の突出側(前進側)への移動速度、突出側への加速度、没入側(後退側)への移動速度、没入側への加速度及び目標移動距離と、押付けモードで制御する際のトルク(推力)、トルク低減開始位置及び目標移動距離とがある。目標移動距離とは電動アクチュエータ11を使用する際における、出力軸29の原点位置から前進端までの移動距離を意味する。
また、電動アクチュエータ11を押付けモードで使用する場合、モータ19は出力軸29が目標位置に達してエンドプレート30が押圧すべき物体に当接した状態においても正転動作を継続することで物体に押圧力を付与する。その際、出力軸29の移動開始時と同じトルク(出力)でモータ19の運転を継続すると、モータ19の温度上昇が大きくなって過熱する事態となる。トルク低減開始位置とは、モータ19の過熱を避けるため、モータ19の出力を移動開始時より下げて、トルクの低減を開始する位置を意味する。
上位指令装置45は、押付けモードの場合、出力軸29がトルク低減開始位置に到達したことをロータリエンコーダ41の出力信号に基づいて確認すると、入力3にオン信号を出力する。そして、マイクロプロセッサMPは、押付けモードの際には、出力軸29の前進動作時に入力3がオンになると、トルク及び出力を低減させた状態でモータ19を駆動する。即ち、入力3の役割は搬送モード時と、押付けモード時とで異なり、搬送モード時には入力3のオン信号が停止指令の役割を果たし、押付けモード時には入力3のオン信号がトルク低減指令の役割を果たす。
次に前記のように構成された電動アクチュエータ11を自動機に組み付けて使用する場合の作用を説明する。作業者は電動アクチュエータ11を自動機の所定位置に組み付けた後、電動アクチュエータ11の使用目的に応じてマイクロプロセッサMPがモータ19を制御するのに必要な制御モードの選択及び選択された制御モードを実行するのに必要なパラメータの設定、位置検出器37の取付け等を行う。
詳述すると、作業者は、図3に示すフローチャートの手順にしたがって電動アクチュエータ11を使用する準備作業等を行う。作業者は、先ずステップS1において電動アクチュエータ11を流体圧シリンダの代替として使用するのか否かを判断する。流体圧シリンダの代替として使用する場合はステップS2に進み、流体圧シリンダの代替ではなく通常の電動アクチュエータと同様な使用の場合はステップS3に進む。
ステップS2において作業者は6種類の流体圧シリンダ対応モードの中から適切な制御モードを選択した後、ステップS4に進み、選択された制御モードを実行するのに必要なパラメータの設定を行う。制御モードの選択及びパラメータの設定は、モータ制御部39にPC又はティーチングボックスを接続して行う。次に、ステップS5に進み、出力軸29が原点位置に存在する状態で、位置検出器37が永久磁石Mを検出するように、位置検出器37を装着溝38に取り付ける。そして、ステップS6に進み、電動アクチュエータ11を駆動電源及び上位指令装置45に接続することで全ての準備作業が完了する。
電動アクチュエータ11を通常の電動アクチュエータと同様に使用する場合は、ステップS3において作業者はモータ対応モードを選択した後、ステップS6に進む。即ち、電動アクチュエータ11を通常の電動アクチュエータと同様に使用する場合は、作業者は、マイクロプロセッサMPによる制御モードをモータ対応モードに設定する操作を行うだけで、流体圧シリンダ対応モードを選択した場合と異なり、パラメータの設定操作や位置検出器37の取り付け作業を行う必要はない。
モータ対応モードが選択された電動アクチュエータ11は、上位指令装置45からの駆動指令信号を入力すると、マイクロプロセッサMPが制御プログラムにしたがって一連の動作を自律的に実行する。この時、マイクロプロセッサMPはロータリエンコーダ41の出力信号から出力軸29の位置を演算し、制御プログラムにしたがってモータ19を制御して出力軸29を所定の位置まで移動させる。
流体圧シリンダ対応モードが選択された電動アクチュエータ11は、上位指令装置45からの駆動指令信号を入力すると、マイクロプロセッサMPが選択された制御モードの制御プログラムにしたがってモータ19を制御する。マイクロプロセッサMPには上位指令装置45から入力1〜入力5の5種類の入力信号が入力可能で、マイクロプロセッサMPは入力信号によって、モータ19を出力軸29が表2及び表3のうち、選択されたモードに対応する動作を行うように制御する。
先ず搬送モードの場合について説明すると、2位置シングルソレノイド弁対応モードでは、入力1、入力3、入力4及び入力5の4種類が入力される。そして、入力1がオンになるとモータ19は正転動作を開始し、入力1がオンの間、出力軸29は前進動作を行う。出力軸29が前進端に達すると入力3のオン信号が入力されてモータ19の回転が停止され、出力軸29の移動が停止する。次に入力3がオフになるとともに入力1がオフになると、モータ19は逆転動作を開始し、出力軸29は入力1がオフの間、後退動作を行う。そして、出力軸29が原点位置に達すると、入力3がオンになり、モータ19は回転を停止し、出力軸29は移動を停止する。
また、モータ19の回転中に、入力4、即ち非常停止信号がオンになるとモータ19は回転を停止し、出力軸29は移動を停止する。入力4がオフになると、入力1がオン時にはモータ19は正転動作を開始し、出力軸29は前進を開始する。入力4がオフになった時、入力1がオフであれば、モータ19は逆転動作を開始し、出力軸29は後退を開始する。また、入力5、即ち原点復帰指令信号がオンになると、モータ19は逆転開始後、原点位置で回転停止し、出力軸29は入力5がオンになった時の位置に拘わらず原点位置まで移動して停止する。
2位置ダブルソレノイド弁対応モードでは、入力1〜入力5の5種類が入力される。入力1及び入力2はパルス信号として入力され、入力1がオンになると、その立ち上がりでモータ19は正転動作を開始し、出力軸29は前進動作を行う。入力1がオフになってもモータ19は正転を継続し、出力軸29も前進動作を継続する。出力軸29が前進端に達すると入力3のオン信号が入力されてモータ19の回転が停止され、出力軸29の移動が停止する。次に入力3がオフになるとともに入力2がオンになると、その立ち上がりでモータ19は逆転動作を開始し、出力軸29は後退動作を行う。入力2がオフになってもモータ19は逆転を継続し、出力軸29も後退動作を継続する。そして、出力軸29が原点位置に達すると、入力3がオンになり、モータ19は回転を停止し、出力軸29は移動を停止する。
また、モータ19の回転中に、入力4、即ち非常停止信号がオンになるとモータ19は回転を停止し、出力軸29も動作を停止する。入力4がオフになると、入力1がオンであればモータ19は正転動作を開始し、出力軸29は前進動作を行う。入力4がオフになった時、入力2がオンであれば、モータ19は逆転動作を開始し、出力軸29は後退動作を行う。また、入力4がオフになった時、入力1及び入力2がオフであれば、モータ19は回転停止を維持し、出力軸29も動作停止を継続する。また、入力5、即ち原点復帰指令信号がオンになると、モータ19は逆転開始後、原点位置で回転停止し、出力軸29は入力5がオンになった時の位置に拘わらず原点位置まで移動して停止する。
3位置ダブルソレノイド弁対応モードでは、入力1〜入力5の5種類が入力される。入力1がオンになると、モータ19は正転動作を開始し、出力軸29は前進動作を行う。入力1がオフになると、モータ19は回転を停止し、出力軸29も動作を停止する。出力軸29が前進端に達すると入力3のオン信号が入力されてモータ19の回転が停止され、出力軸29の移動が停止する。次に入力1及び入力3がオフになるとともに入力2がオンになると、モータ19は逆転動作を開始し、出力軸29は後退動作を行う。入力2がオフになると、モータ19は回転を停止し、出力軸29も動作を停止する。出力軸29が原点位置に達すると入力3のオン信号が入力されてモータ19の回転が停止され、出力軸29の移動が停止する。
また、入力4、即ち非常停止信号がオンになるとモータ19は回転を停止し、出力軸29も動作を停止する。入力4がオフになると、入力1がオンであればモータ19は正転動作を開始し、出力軸29は前進動作を行う。入力4がオフになった時、入力2がオンであれば、モータ19は逆転動作を開始し、出力軸29は後退動作を行う。また、入力4がオフになった時、入力1及び入力2がオフであれば、モータ19は回転停止を維持し、出力軸29も動作停止を継続する。また、入力5、即ち原点復帰指令信号がオンになると、モータ19は逆転開始後、原点位置で回転停止し、出力軸29は入力5がオンになった時の位置に拘わらず原点位置まで移動して停止する。
一方、押付けモードの場合は、搬送モードにおける出力軸29の前進移動時に、出力軸29がトルク低減位置に到達した時点から、モータ19のトルクが予め設定された割合低減するよう制御される。そして、出力軸29が前進端に達した後もモータ19の駆動が継続され、エンドプレート30が押付け動作を行う。
そして、2位置シングルソレノイド弁対応モードでは、押付け状態において入力1がオフになると、モータ19が逆転動作を開始して、出力軸29が後退してエンドプレート30による押圧動作が解除される。
2位置ダブルソレノイド弁対応モードでは、押付け状態において入力2がオンになると、モータ19が逆転動作を開始し、その後、入力2がオフになってもモータ19の逆転動作が継続される。したがって、出力軸29が後退してエンドプレート30による押圧動作が解除された後、出力軸29は原位置まで後退する。
また、3位置ダブルソレノイド弁対応モードでは、押付け状態において入力2がオンになると、モータ19が逆転動作を開始し、出力軸29が後退してエンドプレート30による押圧動作が解除される。
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
(1)電動アクチュエータ11は、モータ19の回転軸20の回転運動を出力軸29の直線運動に変換する運動変換機構(ボールねじ)と、出力軸29と一体移動する被検出部(永久磁石M)を検出する位置検出器37の検出信号と、上位指令装置45からの指令に基づいてモータ19の制御を行うモータ制御部39を備えている。モータ制御部39はモータを制御する制御プログラムを記憶したメモリ44を備えている。制御プログラムは、モータ19を制御する制御モードとして、流体圧シリンダが電磁弁で制御される場合に対応した動作モードで制御する流体圧力シリンダ対応モードを有しており、モータ制御回路43は、流体圧シリンダ対応モードで出力軸29の動作と停止を制御する。したがって、電動アクチュエータ11を流体圧シリンダ制御用のプログラムを備えた上位指令装置45に接続して、使用することにより、流体圧シリンダの制御に使用されていた上位指令装置45の制御プログラムを使用して電動アクチュエータ11を制御することができる。そのため、従来の電動アクチュエータよりも流体圧シリンダとの容易な置き換えが可能となる。また、モータの制御を熟知していない人でも十分取り扱いが可能となり得る。
(2)制御プログラムは、流体圧シリンダ対応モードとして、搬送モード及び押付けモードにおいて流体圧シリンダが2位置シングルソレノイド弁、2位置ダブルソレノイド弁、3位置ダブルソレノイド弁の3種類の電磁弁で制御される場合にそれぞれ対応した動作モードで制御する6種類の流体圧シリンダ対応モードを有している。そして、選択された制御モードでモータ19が制御される。したがって、流体圧シリンダ対応モードの中から所望の制御モードを選択して使用することにより、流体圧シリンダの制御に使用されていた上位指令装置45の制御プログラムを使用して電動アクチュエータ11を制御することができる。そのため、従来の電動アクチュエータよりも流体圧シリンダとの容易な置き換えが可能となる。また、モータの制御を熟知していない人でも十分取り扱いが可能となり得る。
(3)シリンダケース12の側面12a,12bに、出力軸29と一体移動する被検出部(永久磁石M)を検出する位置検出器37の取付け部(装着溝38)を備えている。したがって、流体圧シリンダで使用するものと同じ位置検出器37を同じ取付け方法で所定の位置に取り付けることができる。そのため、位置検出器の仕様変更が不要で設置工数や予備品の削減が可能となる。また、上位指令装置45の種類や電動アクチュエータ11の使用環境に合わせて位置検出器37の構造や出力タイプの選択が可能であり、位置検出器37の故障時に位置検出器37のみの交換も可能である。これに対して、出力軸29の位置検出をロータリエンコーダのみで行う従来の電動アクチュエータでは、出力形態が限定されるとともに故障時にロータリエンコーダのみの交換が難しい。
(4)電動アクチュエータ11は、モータ19の回転軸20の回転を検出する回転検出器(ロータリエンコーダ41)を備え、制御プログラムはモータ19を上位指令装置45からの指令信号及びロータリエンコーダ41の検出信号に基づいて制御するモータ対応モードを有している。そして、流体圧シリンダ対応モード及びモータ対応モードの中から選択された制御モードでモータ19が制御される。したがって、電動アクチュエータ11は、流体圧シリンダと同じ制御モードの他に、従来の電動アクチュエータの制御モードでも制御が可能となり、電動アクチュエータ11の動作の自由度が高くなる。
(5)上位指令装置45は、モータ19に設けられた温度センサ19aの検出信号によりモータ19の温度が予め設定された所定温度以上になると、マイクロプロセッサMPに非常停止指令を出力する。したがって、電動アクチュエータ11が異常状態で駆動を継続してモータ19が過熱することを回避することができる。
(6)マイクロプロセッサMPは、モータ19を搬送モードで制御する際の出力軸29の突出側への移動速度、突出側への加速度、没入側への移動速度、没入側への加速度及び目標移動距離と、モータ19を押付けモードで制御する際の推力(トルク)、トルク低減位置及び目標移動距離とを設定変更可能に構成されている。したがって、流体圧シリンダにおいてはスピードコントローラを設けて調整していたピストンロッドの移動速度や加速度等に対応する出力軸29のそれらの調整をモータ19の制御条件を変更することにより容易に行うことができる。
(7)電動アクチュエータ11はガイドロッド32を備えているため、出力軸29をがたつきが抑制された状態で往復移動させることができるとともに、出力軸29が固定されたボールナット28の回り止め部の役割を兼用することができ、専用の回り止め部を設ける必要がない。
(8)上位指令装置45は、電動アクチュエータ11が流体圧シリンダ対応モードで制御される場合でも、ロータリエンコーダ41の検出信号により出力軸29が前進端に達したことを確認することができるため、位置検出器37を原点位置確認用に1つ設けるだけでよい。
(9)流体圧シリンダを使用する際、制御弁の種類に拘わらずピストンロッドを現在の位置で非常停止させたいという要望や、非常停止後、原点位置に復帰させてからピストンロッドの作動を開始させたいという要望がある。電動アクチュエータ11は、流体圧シリンダ対応モードで制御される場合、上位指令装置45からの原点復帰指令を入力すると流体圧シリンダ対応モードに拘わらず、出力軸29が原点位置に復帰するように制御される。したがって、流体圧シリンダの制御では使用する電磁弁によっては難しい原点復帰を容易に行うことができる。
(第2の実施形態)
次に第2の実施形態を図4にしたがって説明する。この実施形態では、電動アクチュエータ11の出力部位が圧力制御弁に組み込まれている点が前記第1の実施形態と大きく異なっている。前記第1の実施形態と同様の部分は同じ番号を付して詳しい説明を省略する。
電動アクチュエータ11は、電動アクチュエータ部46と圧力制御弁部47とを備え、電動アクチュエータ部46を構成するシリンダケース12は円筒状に形成されている。 ボールスクリュウ21はシリンダケース12の中心部に配置され、ボールナット28の先端には有底筒状でフランジ部48aを有する移動体48が固定され、フランジ部48aの外周面がシリンダケース12の内周面に沿って回転方向には規制されて直線運動方向には摺動可能に設けられている。
圧力制御弁部47の弁本体49は、シリンダケース12端部に固定されている。弁本体49の内部には、流体としての空気が流通する流路50が形成されている。流路50の一端部としての前端部には弁本体49の側面に開口する一次側ポート51が形成され、流路50の他端部としての後端部には弁本体49の側面に開口する二次側ポート52が形成されている。そして、一次側ポート51には、一次側圧力の空気(流体)が入力され、二次側ポート52には、二次側圧力の空気が出力されるようになっている。
また、弁本体49には、流路50の一部を構成し、一次側ポート(入力ポート)51と二次側ポート(出力ポート)52とを互いに連通させる第1の弁孔53が形成されている。弁本体49において、第1の弁孔53の周囲には第1の弁座54が形成されている。弁本体49内の下部には、第1の室55が設けられ、第1の室55内には、第1の弁座54に接離可能な第1弁体56が設けられている。第1弁体56は第1の室55の第1の弁孔53と反対側の開口を閉鎖する蓋体57との間に介装されたコイルバネ58により閉鎖側に付勢されている。第1弁体56には、中央部を外れた位置に小さな孔56aが形成されている。
第1の室55の上方には、第2の弁孔59を介して流路50と連通可能な第2の室60が形成され、第2の室60内には、第2の弁座61が第2の弁孔59の周囲に形成されるとともに、第2の弁座61に接離可能な第2弁体62が設けられている。第2弁体62は第2の室60の上部に設けられたストッパ63との間に介装されたコイルバネ64により閉鎖側に付勢されている。第2弁体62には、中央部を外れた位置に小さな孔62aが形成されている。
第2の室60の上側には第2の室65が形成され、第2の室65内にピストン66が収容され、ピストン66のピストンロッド67は、第2弁体62を貫通して流路50内に挿通されている。第2の室65は、図示しない排気ポートに連通されている。ピストンロッド67は、ピストン66が下降移動する際に第1弁体56と係合して、第1弁体56をコイルバネ58の付勢力に抗して下降させることが可能な長さに形成されている。また、ピストンロッド67には、第2弁体62の下方に大径部67aが形成され、図4に示すように、第1弁体56及び第2弁体62が閉鎖位置にある状態において、大径部67aが第2弁体62の下面に当接した状態に形成されている。
したがって、この電動アクチュエータ11は、図4の状態からピストン66が下降移動されるとピストン66とともにピストンロッド67が下降移動して、その先端が第1弁体56と当接して第1弁体56をコイルバネ58の付勢力に抗して押し下げ、第1弁体56が開放状態になる。この状態では、一次側ポート51から供給される圧力空気が第1の弁孔53を介して二次側ポート52へ供給、二次側ポート52から所定の箇所(機器)に供給される。
第1弁体56の開放状態からピストン66が上昇移動されると、ピストンロッド67が同時に上昇移動され、第1弁体56が閉鎖される。第1弁体56の閉鎖状態よりピストン66が上昇移動されて、大径部67aが第2弁体62と係合した図4の状態になる。その状態よりピストン66がさらに上昇移動されると、第2弁体62が大径部67aに係合した状態でピストンロッド67と共に上昇移動されて、第2弁体62が開放状態になる。この状態では、二次側ポート52内の圧力空気が排気ポートから大気に放出される。
第1弁体56及び第2弁体62の開度は、基準位置からのピストン66の移動量によって決まる。また、第1弁体56及び第2弁体62の開閉速度は、ピストン66の移動速度によって決まる。この実施形態では、モータ制御回路43は、ロータリエンコーダ41の出力信号によってピストン66の移動量を検出して制御を行っている。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 上位指令装置45は、モータ19の温度が所定温度以上になったときに異常と判断して非常停止指令を出力する代わりに、出力軸29の移動速度に基づいて異常の有無を判断してもよい。例えば、上位指令装置45は、ロータリエンコーダ41の出力信号に基づいて出力軸29の位置を演算して、位置の時間変化から出力軸29の移動速度を演算するとともに、設定された移動速度との差が予め設定された値より大きな場合は異常と判断して、マイクロプロセッサMPに非常停止指令を出力するようにしてもよい。この場合も電動アクチュエータ11が異常状態で長時間駆動を継続することを回避することができる。
○ モータ19を流体圧シリンダ対応モードで制御する場合に、上位指令装置45はロータリエンコーダ41の出力信号に基づいて出力軸29の移動速度を演算するとともに、移動速度の値から異常の有無を判断する処理を行わない構成としてもよい。この場合、一般の流体圧シリンダと同様な制御のみ可能で、出力軸29の移動速度に基づく異常判断に伴う非常停止は行われない。
○ ロータリエンコーダ41を備えた構成においていて、モータ19を流体圧シリンダ対応モードで制御する場合、位置検出器37を取り付けずに、上位指令装置45は、ロータリエンコーダ41の検出信号により出力軸29の原点位置及び前進端位置を確認する構成としてもよい。
○ 電動アクチュエータ11にロータリエンコーダ41を設けず、マイクロプロセッサMPはモータ19を流体圧シリンダ対応モードでのみ制御可能で、モータ対応モードでの制御を行わない構成としてもよい。この場合は、出力軸29の位置を示す信号は位置検出器37からの検出信号のみとなるため、位置検出器37は、出力軸29の原点位置確認用及び前進端位置確認用に一つずつ取り付けて使用する必要がある。
○ 電動アクチュエータ11がロータリエンコーダ41を備えている場合でも、原点位置及び前進端位置確認用にそれぞれ位置検出器37を装着溝38に取り付けて、位置検出器37の検出信号で原点位置及び前進端位置を確認する構成としてもよい。
○ 電動アクチュエータ11にロータリエンコーダ41を設けず、流体圧シリンダ対応モードでのみ制御可能な構成とした場合、上位指令装置45は、出力軸29の移動が開始された時点からの経過時間に基づいて異常の有無を判断して、非常停止信号を出力する構成としてもよい。例えば、出力軸29の移動が開始された時点から所定時間経過までに出力軸29が前進端(突出完了位置)あるいは原点位置に到達せず、対応する位置検出器37から位置検出信号が出力されない場合に異常と判断してもよい。
○ 電動アクチュエータ11にロータリエンコーダ41を設けない構成の場合は、上位指令装置45は出力軸29の移動の異常判断を行わない構成としてもよい。この場合、電動アクチュエータ11の出力軸29は、選択された流体圧シリンダ対応モードの流体圧シリンダのピストンロッドと同様に移動を行い、非常停止は行わない。
○ モータ19を流体圧シリンダ対応モードで制御する場合、制御モードによっては原点復帰指令用の入力5に代えて他の入力を使用して出力軸29に原点復帰を行わせる構成にしてもよい。例えば、2位置シングルソレノイド弁対応モードにおいて、上位指令装置45は、出力軸29の前進移動途中で原点復帰用の入力5をオンにする代わりに、入力1をオフにしてもよい。
○ モータ19を流体圧シリンダ対応モードで制御する場合に出力軸29の突出側への移動速度及び加速度、引き込み側への移動速度や加速度を設定変更可能に構成せずに、移動速度や加速度を予め設定された値から変更不能としてもよい。この場合、それらの値を設定する手間が不要になる。
○ 位置検出器37を取り付けるためにシリンダケース12の側面12a,12bに形成される装着溝38の数は2本ずつに限らず1本ずつ設けてもよい。この場合、位置検出器37を2個必要とする場合は、1本の装着溝38に2個の位置検出器37を取り付ける。また、装着溝38はいずれか一方の側面12a,12bにのみ形成してもよい。しかし、両側面12a,12bに装着溝38が形成されている方が、電動アクチュエータ11を自動機に組み付ける際の自由度が高くなる。
○ 電動アクチュエータ11はガイドロッド32を備えないタイプに構成してもよい。その場合は、例えば、ボールナット28のフランジ部28aの外周面にキー溝を形成し、シリンダケース12の内面には前記キー溝と係合してボールナット28の回転を規制するキーをボールスクリュウ21と平行に固定する。
○ モータ19は正逆回転可能であればよく、交流モータ及び直流モータのいずれであってもよい。
○ メモリ44に、モータ19を搬送モードで制御する際の出力軸29の突出側への移動速度、突出側への加速度、没入側への移動速度、没入側への加速度の組み合わせと、モータ19を押付けモードで制御する際の推力、推力低減位置の組み合わせとをそれぞれ複数組記憶させておく。そして、その中からそれらの値を選択して設定するようにしてもよい。この場合、それらの値を数値で設定する場合に比較して設定が容易になる。
○ 運動変換機構としてボールネジ機構を用い、ボールナットと一体に移動するテーブルやブロックを移動体として用い、その移動体の移動を制御する電動アクチュエータに適用してもよい。
○ 第2の実施形態のように、圧力制御弁部47を備えた電動アクチュエータ11において、圧力制御弁部47を流量制御が可能な構成ではなく、第1弁体56及び第2弁体62が、全開と全閉の両状態で切り換えられ、開度調整が不能なタイプの制御弁としてもよい。
○ 制御弁に前記電動アクチュエータが組み込まれる場合には、制御弁の出力部に圧力センサや流量センサを組み込み、そのセンサ出力をモータ制御信号としてフィードバックすることによって、制御弁の出力圧力や出力流量を高精度に制御する制御弁にも適用してもよい。
○ 流体圧シリンダは空圧シリンダに限らず、空気以外の気体を使用するシリンダや、流体として気体ではなく液体を使用する、例えば油圧シリンダに適用してもよい。
以下の技術的思想(発明)は前記実施形態から把握できる。
(1)電動アクチュエータと、前記電動アクチュエータに取り付けられた位置検出器と、前記電動アクチュエータ及び前記位置検出器に電気的に接続された上位指令装置とを備え、前記上位指令装置は前記回転検出器の出力信号に基づいて電動アクチュエータの異常の有無を判断し、前記制御プログラムは、流体圧シリンダ対応モードで前記モータを制御する際、前記上位指令装置からの非常停止指令信号及び原点復帰指令信号に基づいて前記モータの非常停止及び前記出力軸を原点に復帰させるように前記モータを制御可能に構成されている電動アクチュエータ制御システム。
(2)電動アクチュエータと、流体圧シリンダ制御用の制御プログラムにより前記電動アクチュエータ11に制御信号を出力する制御装置とを備えた電動アクチュエータ制御システム。
第1の実施形態を示し、(a)は電動アクチュエータの側断面図、(b)は背面図。 電動アクチュエータ、位置検出器及び上位指令装置との関係を示す模式図。 電動アクチュエータを使用する準備作業等の手順を示すフローチャート。 第2の実施形態における電動アクチュエータの側断面図。
符号の説明
M…被検出部としての永久磁石、19…モータ、20…回転軸、21…運動変換機構を構成するボールスクリュウ、28…同じくボールナット、29…出力軸、37…位置検出器、38…取付け部としての装着溝、41…回転検出器としてのロータリエンコーダ、43…モータ制御回路、44…メモリ、45…上位指令装置、48…移動体。

Claims (5)

  1. モータと、
    前記モータの回転軸の回転運動を直線運動に変換する運動変換機構と、
    前記運動変換機構により直線運動を行う移動体と、
    前記モータの制御を行うモータ制御回路と、
    前記モータ制御回路を制御する制御プログラムを記憶したメモリと
    を備え、
    前記移動体には一体移動するように被検出部が設けられ、電動アクチュエータ本体には前記被検出部を検出する位置検出器の取付け部が設けられ、
    前記制御プログラムは、前記モータを制御する制御モードとして、流体圧シリンダが電磁弁で制御される場合に対応した動作モードで制御する流体圧シリンダ対応モードを有しており、該流体圧シリンダ対応モードとしては、搬送モード及び押付けモードと、前記搬送モード及び押付けモードにおいて流体圧シリンダが2位置シングルソレノイド弁、2位置ダブルソレノイド弁、3位置ダブルソレノイド弁の3種類の電磁弁で制御される場合にそれぞれ対応した動作モードで制御する6種類の流体圧シリンダ対応モードを前記制御プログラムは有しており、
    前記モータ制御回路は、前記6種類の流体圧シリンダ対応モードから選択されたいずれかの制御モードで前記取付け部に取り付けられた位置検出器の検出信号に基づき前記移動体の動作と停止を制御することを特徴とする電動アクチュエータ。
  2. 前記モータ制御回路は、前記モータを搬送モードで制御する際の前記移動体の移動速度、加速度及び目標移動距離と、前記モータを押し付けモードで制御する際のトルク、トルク低減開始位置及び目標移動距離とを設定変更可能に構成されている請求項に記載の電動アクチュエータ。
  3. 前記モータの回転軸の回転を検出する回転検出器をさらに備え、前記制御プログラムは前記モータを上位指令装置からの指令信号及び前記回転検出器の検出信号に基づいて制御するモータ対応モードを有しており、前記モータ制御回路は、前記流体圧シリンダ対応モード及び前記モータ対応モードの中から選択された制御モードで前記モータを制御する請求項1又は2に記載の電動アクチュエータ。
  4. 前記移動体が流体の流れを遮断する状態と許容する状態とに制御する制御弁に組み込まれており、前記モータ制御回路は、前記制御弁の開閉速度を変更可能に制御する請求項1〜請求項のいずれか一項に記載の電動アクチュエータ。
  5. 前記移動体が流体の流量又は圧力を制御する制御弁に組み込まれている請求項1〜請求項のいずれか一項に記載の電動アクチュエータ
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