JP5569922B2

JP5569922B2 - ロータリアクチュエータ

Info

Publication number: JP5569922B2
Application number: JP2009042043A
Authority: JP
Inventors: 勇人吉岡; 秀憲新野; 遵林
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: JP2010196777A

Description

本発明は制御対象たとえば偏心負荷を回転制御させるロータリアクチュエータに関する。

制御対象たとえば偏心負荷を回転制御するロータリアクチュエータは、低発熱での高トルク性、高速駆動性（高応答性）及び高精度位置決め制御性を同時に必要とする。

ロータリアクチュエータとしては、ウォームギア等の減速機構を用いたアクチュエータ、直接駆動モータを用いたアクチュエータ、空気圧アクチュエータあるいはボイスコイルモータを用いた電磁アクチュエータがある。

しかしながら、ウォームギア等を用いたアクチュエータにおいては、バックラッシがあるために位置決め制御性は低く、また、駆動性も低いという課題がある。また、直接駆動モータを用いたアクチュエータにおいては、高トルク性、高速駆動性及び高精度位置決め制御性は高いが、偏心負荷を支持する制御対象の場合、常に電流を流して高トルクを発生させるために高熱となるという課題がある。さらに、空気圧アクチュエータにおいては、低発熱での高トルク性はあるが、駆動性及び位置決め制御性が低いという課題がある。さらにまた、ボイスコイルモータを用いた電磁アクチュエータにおいては、駆動性は高いが、低発熱での小トルク性であり、偏心負荷を支持する制御対象の場合に常に電流を流すので高熱となるという課題がある。

このように、低発熱での高トルク性、高速駆動性及び高精度位置決め制御性を同時に満足するロータリアクチュエータは存在しなかった。

上述の課題を解決するために、本発明に係るロータリアクチュエータは、制御対象に結合されるベーン形揺動アクチュエータと、制御対象に結合されるボイスコイルモータとを具備し、ベーン形揺動アクチュエータが、２つのベーンを有するステータと、制御対象に結合される２つのベーンを有するロータとを具備し、ステータのベーンとロータのベーンとが複数の圧力室を形成する。他方、ボイスコイルモータが、ヨークと、ヨークに結合された永久磁石と、ベーン形揺動アクチュエータのロータに結合され、永久磁石が発生する一様磁界中を交差したコイルとを具備する。つまり、低発熱での高トルク性のベーン形揺動アクチュエータ及び高速駆動性及び高精度位置決め制御性のボイスコイルモータは制御対象の回転軸に対して並列配置となる。

さらにまた、ベーン形揺動アクチュエータのステータとロータとの間が非接触シールである。

さらに、ベーン形揺動アクチュエータのロータの角度を検出するロータリエンコーダと、目標トルクに応じてベーン形揺動アクチュエータの圧力室の圧力差を制御し、かつ角度指令値に応じてボイスコイルモータのコイルの電流を制御してロータリエンコーダの角度出力が角度指令値となるように制御する制御回路を具備する。

さらに、ベーン形揺動アクチュエータの圧力室の圧力差を検出する圧力センサを具備し、制御回路が前記圧力センサの圧力差により目標トルクの誤差を補償しかつロータリエンコーダの角度出力と角度指令値との誤差を補償する。

本発明によれば、低発熱での高トルク性、高速駆動性及び高精度位置決め制御性を同時に得ることができる。

本発明のロータリアクチュエータが適用される制御対象を説明する図であって、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は動作を説明するための正面図である。本発明に係るロータリアクチュエータの第１の実施の形態を示す斜視図である。図２の空気圧アクチュエータ及び電磁アクチュエータの並列配置を説明する図である。図２の非接触シールの漏れ流量特性を示すグラフである。図３の電磁アクチュエータの詳細な図であって、（Ａ）は一部切り欠いた斜視図、（Ｂ）は断面図である。図２の制御回路の詳細なブロック回路図である。図２のロータリアクチュエータの位置決め制御実験結果を示すタイミング図である。図７の（Ｂ）の偏心負荷時の停止指令に対応した空気圧アクチュエータの圧力室の圧力差を示すタイミング図である。本発明に係るロータリアクチュエータの第２の実施の形態を示す斜視図である。図９の制御回路の詳細なブロック回路図である。図９のロータリアクチュエータの位置決め制御実験結果を示すタイミング図である。

図１は本発明が適用される制御対象としての同時多軸制御工作機械を示す図であって、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は動作を説明するための正面図である。

図１の（Ａ）において、X、Y方向に移動可能な加工台１０１にワーク１０２が載置され、ワーク１０２上のZ方向に移動可能な旋回主軸頭１０３は矢印Rに示すごとく旋回する。

図１の（Ｂ）に示すごとく、旋回主軸頭１０３は重心Gから偏心した回転中心Cで旋回する。旋回主軸頭１０３はその慣性力F1による高トルクの低周波外乱及び加工反力F2による低トルクの高周波外乱を受ける。

本発明はたとえば図１の偏心負荷としての旋回主軸頭１０３を回転制御するロータリアクチュエータに関するものであり、上述の慣性力F1及び加工反力F2の影響下で、低発熱での高トルク性、高速駆動性及び高精度位置決め制御性が同時に要求される。

図２は本発明に係るロータリアクチュエータの第１の実施の形態を示す斜視図である。

図２において、制御対象１は偏心負荷１ａを支持したもので、たとえば図１の旋回主軸頭１０３に相当し、その駆動回転範囲は±50°である。

制御対象１には、空気圧アクチュエータ２１、電磁アクチュエータ２２及びロータリエンコーダ２３よりなるロータリアクチュエータ２が結合されている。空気圧アクチュエータ２１はベーン形揺動アクチュエータであり、発熱が原理上ないので低発熱での高トルク性の長所を有する一方、駆動性（応答性）が低くかつゼロ近傍で不感帯が存在するので位置決め制御性が低いという短所を有する。他方、電磁アクチュエータ２２はボイスコイルモータであり、高速駆動性（高応答性）かつ不感帯が存在しないので高精度位置決め制御性の長所を有する一方、発熱が大きくかつ低トルク性の短所を有する。従って、空気圧アクチュエータ２１と電磁アクチュエータ２２とは長所、短所を相互に補完している。

制御回路３たとえばマイクロコンピュータは角度指令値θを受けてロータリアクチュエータ２を制御して制御対象１の角度をθになるようにする。尚、ロータリアクチュエータ２は制御対象１と反対側に位置する支持台４に固定されており、これにより、ロータリアクチュエータ２によって制御対象１が支持台４に対して相対的に回転するようになっている。

図３は図２の空気圧アクチュエータ２１及び電磁アクチュエータ２２の並列配置を説明する図である。

空気圧アクチュエータ２１は２つのベーン２１１ａ、２１１ｂを有するステータ２１１及び２つのベーン２１２ａ、２１２ｂを有するロータ２１２を備え、これにより、４つの圧力室２１３ａ、２１３ｂ、２１４ａ、２１４ｂが形成される。ロータ２１２は制御対象１に結合されている。

圧力室２１３ａ、２１３ｂにはサーボバルブ２１５を介して圧縮空気が供給され、他方、圧力室２１４ａ、２１４ｂにはサーボバルブ２１６を介して大気が供給される。この結果、圧力差による偶力がロータ２１２つまり図１の制御対象１に与えられ、ロータ２１２つまり制御対象１が回転することになる。尚、サーボバルブ２１５、２１６は制御回路３によって制御される。

空気圧アクチュエータ２１はロータ２１の姿勢変化に応じて作用する自重による大部分を支持する。

一般的な空気圧アクチュエータは空気漏れを防止するためにステータとロータとの間にはゴム等の接触シールを用いるが、接触シールが発生する摩擦力が大きく、位置決め制御に悪影響を与える。従って、図３においては、ステータ２１１とロータ２１２との間に、相対運動する非接触シールとしての最大25μmの隙間２１７を保持する。つまり、ステータ２１１とロータ２１２とは図示しない玉軸受のみを介して接触している。図４は非接触シール（隙間２１７）の漏れ流量特性を示す。図４の（Ａ）に示すごとく、偏心負荷T₀が増加すると、漏れ流量は最大90 l/min程度まで増加する。また、図４の（Ｂ）に示すごとく、圧力室２１３ａ、２１３ｂと圧力室２１４ａ、２１４ｂとの圧力差が増加すると、漏れ流量は増加する。これにより、高精度位置決め制御が可能となる。

電磁アクチュエータ２２のボイスコイルモータは、一様磁界中に置かれた可動コイルに電流Iを流すことにより発生するローレンツ力によって可動コイルを移動させるという動作原理を用いている。すなわち、図５をも参照すると、電磁アクチュエータ２２は２つのヨーク２２１ａ、２２１ｂ及びヨーク２２１ａ、２２１ｂに固定された上記磁界を発生する永久磁石２２２ａ、２２２ｂを有するステータ、及び上記可動コイルとしてのコイル２２３ａ、２２３ｂよりなるロータを有する。尚、図５の（Ａ）は図３の電磁アクチュエータ２２の一部切り欠いた斜視図、図５の（Ｂ）は断面図である。

電磁アクチュエータ２２のロータ（コイル２２３ａ、２２３ｂ）は空気圧アクチュエータ２１のロータ２１に結合されており、これにより、空気圧アクチュエータ２１と電磁アクチュエータ２２とは並列配置されて制御対象１に同時にトルクを与えるように作用することになる。

図６は図２の制御回路３の詳細なブロック回路図である。

図６において、目標トルク演算器３１は角度指令値θを受けて目標トルクT₀cosθ、但し、T₀は偏心負荷の値、を演算し、増幅器３２は目標トルクT₀cosθに応じた信号をサーボバルブ２１５にかつその反転信号を反転器３３を介してサーボバルブ２１６に送る。つまり、目標トルクT₀cosθが大きい程、サーボバルブ２１５を大きく開きかつサーボバルブ２１６を小さく開き、逆に、目標トルクT₀cosθが小さい程、サーボバルブ２１５を小さく開きかつサーボバルブ２１６を大きく開く。このようにして、自重フィードフォワード制御により自重補償や加減に必要なトルクを制御対象１に発生する。

また、誤差演算器３４は角度指令値θとロータリエンコーダ２３の検出角度θ_dとの差Δθ（=θ-θ_d）を演算し、PID制御器３５は差Δθに基づいてΔθが0となるように位置フィードバック制御し、増幅器３６はPID制御器３５の出力に応じて電流Iをコイル２２３ａ、２２３ｂに供給する。これにより、図１の加工反力F2による高周波外乱を補償する。

図２のロータリアクチュエータの位置決め制御実験結果を図７を参照して説明する。図７において、θは角度指令値、θ_dはロータリエンコーダ２３の角度出力を示す。

図７の（Ａ）は負荷を与えない状態つまり無負荷時（T₀=0）に1.0×10^-3degのステップ駆動を行った結果を示す。整定時間がやや遅いが、θ_dは明確なステップ状を示した。

図７の（Ｂ）は負荷を与えた状態つまり偏心負荷時（T₀=1.7Nm）に停止指令を行った結果を示す。停止精度は±1.5×10^-3deg程度の誤差範囲に収まった。

図７の（Ｃ）は負荷を与えた状態つまり偏心負荷時（T₀=1.7Nm）に1.0×10^-2degのステップ駆動を行った結果を示す。この場合も、整定時間はやや遅いが、θ_dは明確なステップ状を示した。

このように、図１のロータリアクチュエータによれば、大きな偏心荷重が作用する状態でも、1.0×10^-2deg程度の位置決め分解能を有し、低発熱での高トルク性、高速駆動性及び高精度位置決め制御性を同時に確立できた。

図８は図７の（Ｂ）の偏心負荷時の停止指令に対応した空気圧アクチュエータ２１の圧力室２１３ａ、２１３ｂの圧力P1と圧力室２１４ａ、２１４ｂの圧力P2との圧力差ΔP（=P2-P1）を示す。つまり、圧力差ΔPは位置決めに影響していることが分かる。

図９は本発明に係るロータリアクチュエータの第２の実施の形態を示す斜視図である。図９においては、空気圧アクチュエータ２１の圧力室２１３ａ、２１３ｂの圧力P1と圧力室２１４ａ、２１４ｂの圧力P2との差ΔP（=P2-P1）を検出する圧力センサ２４を設け、圧力センサ２４の出力ΔPを制御回路３に供給している。

図１０は図９の制御回路３の詳細なブロック回路図である。図１０においては、図６の制御回路３に対して圧力センサ２４の出力ΔP（<0）を減算する減算器３７及びPI制御器３８を目標トルク演算器３１と増幅器３２との間に接続してある。また、圧力センサ２４の出力ΔPに定数K_Cを乗算する乗算器３９及びその乗算結果K_C・ΔPをPID制御器３５の出力に加算する加算器４０をPID制御器３５と増幅器３６との間に接続してある。

このようにして、圧力差ΔPに起因するトルクT₀cosθの自重フィードフォワード制御の誤差を補償すると共に、位置フィードバック制御の誤差も補償する。

図９のロータリアクチュエータの位置決め制御実験結果を図１１を参照して説明する。図１１においても、θは角度指令値、θ_dはロータリエンコーダ２３の角度出力を示す。

図１１の（Ａ）は負荷を与えた状態つまり偏心負荷時（T₀=1.7Nm）に停止指令を行った結果を示す。停止精度は±0.1×10^-3deg程度の誤差範囲に収まった。つまり、図２のロータリアクチュエータに比較して停止精度は10倍以上となった。

図１１の（Ｂ）は負荷を与えた状態つまり偏心負荷時（T₀=1.7Nm）に1.0×10^-2degのステップ駆動を行った結果を示す。この場合も、図２のロータリアクチュエータに比較して整定時間は早くなり、θ_dは明確なステップ状を示した。

１：制御対象
１ａ：偏心負荷
２：ロータリアクチュエータ
２１：空気圧アクチュエータ
２２：電磁アクチュエータ
２３：ロータリエンコーダ
２４：圧力センサ
２１１：ステータ
２１１ａ、２１１ｂ：ベーン
２１２：ロータ
２１２ａ、２１２ｂ：ベーン
２１３ａ、２１３ｂ、２１４ａ、２１４ｂ：圧力室
２１５、２１６：サーボバルブ
２１７：間隙
２２１ａ、２２１ｂ：ヨーク
２２２ａ、２２２ｂ：永久磁石
２２３ａ、２２３ｂ：コイル
３：制御回路
３１：目標トルク演算器
３２：増幅器
３３：反転器
３４：誤差演算器
３５：PID制御器
３６：増幅器
３７：減算器
３８：PI制御器
３９：乗算器
４０：加算器
４：支持台

Claims

制御対象に結合されるベーン形揺動アクチュエータと、
前記制御対象に結合されるボイスコイルモータと
を具備し、
前記ベーン形揺動アクチュエータが、
２つのベーンを有するステータと、
前記制御対象に結合される２つのベーンを有するロータと
を具備し、前記ステータのベーンと前記ロータのベーンとが複数の圧力室を形成し、
前記ボイスコイルモータが、
ヨークと、
該ヨークに結合された永久磁石と、
前記ベーン形揺動アクチュエータの前記ロータに結合され、前記永久磁石が発生する一様磁界中を交差したコイルと
を具備するロータリアクチュエータ。
前記ベーン形揺動アクチュエータの前記ステータと前記ロータとの間が非接触シールである請求項１に記載のロータリアクチュエータ。
さらに、
前記ベーン形揺動アクチュエータの前記ロータの角度を検出するロータリエンコーダと、
目標トルクに応じて前記ベーン形揺動アクチュエータの圧力室の圧力差を制御し、かつ角度指令値に応じて前記ボイスコイルモータの前記コイルの電流を制御して前記ロータリエンコーダの角度出力が前記角度指令値となるように制御する制御回路と
を具備する請求項１に記載のロータリアクチュエータ。
さらに、
前記ベーン形揺動アクチュエータの圧力室の圧力差を検出する圧力センサを具備し、
前記制御回路が前記圧力センサの圧力差により前記目標トルクの誤差を補償しかつ前記ロータリエンコーダの角度出力と前記角度指令値との誤差を補償する請求項３に記載のロータリアクチュエータ。