JP4609647B2 - 流体圧アクチュエータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は流体圧アクチュエータの制御装置に関し、更に詳しくは、サーボバルブを用いた流体圧アクチュエータの制御装置に関する。

例えば材料試験機における負荷機構のアクチュエータや、スクリュー式射出成形機におけるスクリュー駆動用のアクチュエータとして、油圧や空気圧などの流体圧を駆動源としたサーボアクチュエータが多用されている（例えば特許文献１，２参照）。

このような流体圧サーボアクチュエータにおいては、通常、流体圧シリンダと、その流体圧シリンダに供給する流体の流量を制御するサーボバルブを備え、そのサーボバルブのコイル（サーボコイル）に流れる電流を制御することによって、スプールの位置を変化させ、これによって流体圧シリンダに供給すべき流体流量を制御する。このサーボコイルに流れる電流は、通常、系の偏差を入力するパワーアンプ（特にサーボアンプとも称される）から供給される。

このような流体圧アクチュエータの制御装置においては、例えば出力部ないしは負荷部で異常が生じた場合など、制御異常等の発生時にパワーアンプに過大な電流が流れ、パワーアンプが過度に発熱してしまう場合がある。このようなパワーアンプの過度の発熱を防止するために、従来、パワーアンプの温度を検出したり、あるいはパワーアンプに流れる電流を検出し、その検出結果があらかじめ設定されている温度ないしは電流値を越えたときに、自動的にパワーアンプに対する電源の供給をＯＦＦにするような対策が一般的に採用されている。
特開平１０−３８７８０号公報 特公平６−６１８１０号公報

ところで、上記した従来の対策のように、パワーアンプの発熱や過電流が流れたことを検知して、その時点でパワーアンプへの給電を急激に停止すると、アクチュエータは無制御状態となり、例えば材料試験機に採用している場合には、ピストンの異常動作により試験片や治具が損傷してしまうという問題がある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、サーボコイルに電流を供給するためのパワーアンプの温度が設定温度を越えて上昇したり、あるいはこのパワーアンプに過電流が流れたときに、そのパワーアンプの温度上昇を確実に抑えながらも、系を安全に停止させることのできる流体圧アクチュエータの制御装置の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の流体圧アクチュエータの制御装置は、流体圧アクチュエータに供給する流体をサーボバルブでコントロールするとともに、そのサーボバルブのスプールを変位させるサーボコイルの動作信号を、系の偏差に応じた信号を入力するパワーアンプから出力するように構成されてなる流体圧アクチュエータの制御装置において、上記パワーアンプの温度を検出する温度検出手段と、そのパワーアンプに流れる電流を検出する電流検出手段と、上記温度検出手段による温度検出結果があらかじめ設定されている第１の温度に達したとき、または上記電流検出手段による電流検出結果があらかじめ設定されている電流値に達したときに、上記パワーアンプへの入力を制限する入力制限回路と、それと同時に動作して上記流体圧アクチュエータへの流体供給を停止する流体供給遮断弁と、これらの入力制限回路および流体供給遮断弁の動作中に上記温度検出手段による温度検出結果が上記第１の温度よりも高い第２の温度に達したとき、上記パワーアンプへの電源供給を停止する電源供給停止回路を備えていることによって特徴づけられる。

本発明は、パワーアンプの温度上昇や過電流検出時に、パワーアンプへの給電を直ちに停止するのではなく、これらの検出時にパワーアンプへの入力を制限すると同時に、流体圧アクチュエータへの流体供給を停止することによって系を強制的に停止させ、その状態でパワーアンプの温度が更に上昇したときに当該パワーアンプに対する給電を停止することで、課題を解決しようとするものである。

すなわち、本発明においては、パワーアンプの温度が第１の温度に達するか、あるいはこのパワーアンプに流れる電流が設定された電流値に達したときに、第１段階としてパワーアンプへの入力を制限し、かつ、流体圧アクチュエータへの流体供給を停止することで、系を実質的に強制的に停止させる。次に、その系の停止状態においてパワーアンプの温度が更に上昇して第２の温度に達した時点で、第２段階としてパワーアンプへの給電を停止する。この動作により、流体アクチュエータを無制御状態とすることなくパワーアンプの温度上昇を抑制することができる。

ここで、パワーアンプへの入力を制限し、かつ、流体圧アクチュエータへの流体の供給を遮断すると、流体圧アクチュエータを無力化してピストンの位置を保持することが可能となり、実質的に計を強制的に停止させた状態とすることができる。

本発明によれば、サーボバルブに駆動電流を供給するパワーアンプの温度検出結果が第１の設定温度に達するか、あるいは当該パワーアンプに流れる電流が設定値に達した時点で、実質的に系を強制的に停止させるとともに、その状態でパワーアンプの温度が更に上昇して第２の設定温度に達した時点で当該パワーアンプへの電源供給を停止するので、パワーアンプに流れる電流に異常が発生しても、系が安全に停止したうえで、パワーアンプの保護を行うことができる。このことは、例えば材料試験機の負荷機構のアクチュエータに本発明を適用したとき、長期間にわたって無人での試験を安心して行うことができるという効果に繋がる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明を材料試験機の負荷機構を構成するエアサーボ系に適用した実施の形態の構成図で、電気回路構成およびエア回路構成並びに要部機械的構成を併記して示す図である。

エアシリンダ１は材料試験機の負荷機構のアクチュエータであり、ピストン１ａに例えば掴み具などの試験用治具が装着される。このエアシリンダ１にはサーボバルブ２を介してエア供給源１８からの高圧エアが供給される。サーボバルブ２は、筐体内をスプールが直動するタイプのサーボバルブであって、そのスプールは、筐体内部に固定された永久磁石が作る磁場内に可動に配置されたサーボコイル２ａに電流を流すことにより発生する電磁力によって変位し、これによりバルブ開度が変化する公知の直動型サーボバルブである。このスプールの変位は変位センサ２ｂによって検出される。

変位センサ２ｂの出力はアンプ３によって増幅された後、ゲイン調整等のためのアンプ４の前段にフィードバックされる。アンプ４には、例えばエアシリンダ１により負荷が加えられる試験片（図示せず）に作用する試験力の検出値を目標値にフィードバックして得られる偏差に対応する信号ｆ（例えば偏差をＰＩＤ演算した信号）が入力されており、従ってアンプ４は、これらの両信号の差を増幅する。このアンプ４の出力はスイッチ５を介してパワーアンプ６に入力される。パワーアンプ６は、入力信号の電圧レベルに応じた大きさの電流を出力し、サーボバルブ２内のサーボコイル２ａに供給する。従って、サーボバルブ２のスプールは信号ｆの大きさに応じて移動し、これにより、エアシリンダ１に対する高圧エアの供給の向きおよび量が制御される。

さて、パワーアンプ６を構成するパワーＩＣにはヒートシンク６ａが設けられており、このヒートシンク６ａに温度センサ７が装着されている。この温度センサ７の出力は温度計測回路８で温度計測信号に変換された後、第１の温度上昇検出回路９および第２の温度上昇検出回路１０に導入される。これらの第１および第２の温度上昇検出回路９および１０は、入力された温度計測信号が、個々に設定されている第１の温度または第２の温度以上となったときにそれぞれ温度上昇検出信号を出力する。第２の温度上昇検出回路１０に設定されている第２の温度は、第１の温度上昇検出回路９に設定されている第１の温度よりも高く、従って、第１の温度上昇検出回路９の方が先に温度上昇検出信号を出力する。

また、パワーアンプ６から出力される電流に比例する信号は過電流検出回路１１に導かれ、この過電流検出回路１１では、パワーアンプ６からの出力電流があらかじめ設定されている電流値に達したときに、過電流検出信号を出力する。この過電流検出回路１１と、上記した第１の温度上昇検出回路９の各出力は、材料試験機の制御部からの指令により動作してアラーム信号を出力するアラーム出力回路１２の出力とともに論理和回路１３に導入されている。そして、この論理和回路１３の出力は、前記したパワーアンプ６の前段のスイッチ５にその駆動制御信号として供給されると同時に、エア供給源３とサーボバルブ２の間に介在配置された供給遮断弁１４にその駆動制御信号として供給される。

スイッチ５は、パワーアンプ６への入力を、前記したアンプ４からの出力と入力信号制限回路１５の出力とのいずれかに切り換えるためのものである。入力信号制限回路１５は、アンプ４の出力を入力し、入力の大きさがあらかじめ設定されている範囲である場合に限ってその入力に比例した信号を出力し、その範囲を越える入力があっても出力は増大せずに一定の値を維持する。スイッチ５は通常は図示のようにアンプ４からの出力をそのままパワーアンプ６に導くが、論理和回路１３からの出力によってパワーアンプ６の入力を入力信号制限回路１５の出力に切り換える。

また、供給遮断弁１４は、論理和回路１３からの出力信号が到来したときに限り、エア供給源１８からの高圧エアのサーボバルブ２への供給を遮断する。

前記したパワーアンプ６と、そのパワーアンプ６に電源を供給するパワーアンプ電源１６との間にはスイッチ１７が挿入されており、このスイッチ１７は、前記した第２の温度上昇検出回路１０からの温度上昇検出信号の入力によって動作し、パワーアンプ６に対する電源供給を停止する。

以上の本発明の実施の形態において、通常の動作状態ではパワーアンプ６に電源が供給され、そのパワーアンプ６にはアンプ４の出力がそのまま入力され、更にサーボアンプ２にはエア供給源３からの高圧エアが供給された状態で、前記した制御動作が実現するが、その状態で何らかの原因によりパワーアンプ６からの電流値が設定値に達するか、あるいはパワーアンプ６の温度が第１の温度に達するか、更には材料試験機の制御部からアラーム信号が出力されると、スイッチ５が切り替わってパワーアンプ６への入力が入力信号制限回路１５の出力に変更されると同時に、供給遮断弁１４が動作してサーボバルブ２への高圧エアの供給が遮断される。これにより、パワーアンプ６への入力が一定の値以下に制限されてサーボコイル２ａに流れる電流が微小となると同時に、エアシリンダ１のピストン１ａが無力化される結果、ピストン１ａが実質的にその時点の位置に保持される。

その状態でパワーアンプ６の温度が更に上昇して第２の温度に達すると、スイッチ１７が動作してパワーアンプ６への電源供給が停止され、パワーアンプ６の温度上昇が確実に抑制される。

以上の実施の形態において特に注目すべき点は、パワーアンプ６に過電流が流れたり温度が上昇したり、更には系からのアラーム信号が発生したときに、エアシリンダ１が無制御状態となることなく、ピストン１ａの位置が保持されて無力化され、その後、パワーアンプ６への電源供給が遮断される点であり、これにより、異常発生時にピストン１ａが暴走して試験片等を損傷させることなく、パワーアンプ６の発熱を確実に抑制することができる。

なお、以上の実施の形態においては、エアシリンダをアクチュエータとしたエアサーボシステムに本発明を適用した例を示したが、本発明は、油圧シリンダをアクチュエータとした油圧サーボシステムにも等しく適用し得ることは勿論であり、また、そのサーボシステムは材料試験機の負荷機構のみならず、射出成形機のスクリューの駆動機構等、任意の装置に適用し得ることは言うまでもない。

本発明の実施の形態の構成図で、電気回路構成およびエア回路構成並びに要部機械的構成を併記して示す図である。

１ エアシリンダ
２ サーボバルブ
２ａ サーボコイル
２ｂ 変位センサ
３ アンプ
４ アンプ
５ スイッチ
６ パワーアンプ
６ａ ヒートシンク
７ 温度センサ
８ 温度計測回路
９ 第１の温度上昇検出回路
１０ 第２の温度上昇検出回路
１１ 過電流検出回路
１２ アラーム出力回路
１３ 論理和回路
１４ 供給遮断弁
１５ 入力信号制限回路
１６ パワーアンプ電源
１７ スイッチ
１８ エア供給源

Claims (1)

1. 流体圧アクチュエータに供給する流体をサーボバルブでコントロールするとともに、そのサーボバルブのスプールを変位させるサーボコイルの操作信号を、系の偏差に応じた信号を入力するパワーアンプから出力するように構成されてなる流体圧アクチュエータの制御装置において、
   上記パワーアンプの温度を検出する温度検出手段と、そのパワーアンプに流れる電流を検出する電流検出手段と、上記温度検出手段による温度検出結果があらかじめ設定されている第１の温度に達したとき、または上記電流検出手段による電流検出結果があらかじめ設定されている電流値に達したときに、上記パワーアンプへの入力を制限する入力制限回路と、それと同時に動作して上記流体圧アクチュエータへの流体供給を停止する流体供給遮断弁と、これらの入力制限回路および流体供給遮断弁の動作中に上記温度検出手段による温度検出結果が上記第１の温度よりも高い第２の温度に達したとき、上記パワーアンプへの電源供給を停止する電源供給停止回路を備えていることを特徴とする流体圧アクチュエータの制御装置。

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