JP7372189B2 - 油圧駆動位置制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置決め対象を指令位置まで移動させる油圧アクチュエータへの作動油の供給を制御する油圧駆動位置制御システムの制御装置に関する。

油圧シリンダに作動油を供給して、ピストンの位置の微小な変位の精度を向上させることが可能な油圧駆動位置制御システムが、下記の特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された油圧駆動位置制御システムでは、油圧シリンダに間欠的に作動油を供給して、ピストン位置を目標位置に合わせる。

特開２０１８－１７３１３１号公報

油圧シリンダに制御周期毎に間欠的に作動油を供給して目標位置にステップ移動させるシステムに於いて、静止摩擦力の影響により、位置指令で指定される位置が階段状に変化した後に、油圧シリンダに固定された位置決め対象が直ぐに動き出さず無駄時間が発生して、位置決め応答を悪化させている。これは油圧シリンダの差圧が最大静止摩擦相当圧（以降、摩擦相当圧と呼ぶ）に達する迄に複数回の制御出力による作動油の供給を要するためである。位置決め対象が動き出す迄に要した制御出力回数×制御周期の時間は移動に寄与しない無駄時間である。位置決め対象が動き出すと差圧と摩擦相当圧が釣合うため、制御出力として供給した作動油が変位に寄与する。また、位置決め対象が動き出すと、摩擦状態が静止摩擦から動摩擦に遷移して負荷圧が下がるので更に変位し易くなる。無駄時間の発生は位置決め対象の運動方向が変化する場合も生じる。運動方向が逆転する際に静止摩擦力の方向も逆転するため、差圧と摩擦相当圧の釣合いが崩れ、差圧が摩擦相当圧に達する迄、制御出力回数×制御周期の無駄時間が発生し位置決め応答を悪化させる。

本発明の目的は、油圧駆動される位置制御システムにおいて位置決め対象に働く静止摩擦の影響により生じる位置決め応答の無駄時間の短縮が可能な制御装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
位置決め対象を移動させる推力を発生する油圧アクチュエータに作動油を供給する作動油供給系を制御して前記油圧アクチュエータを駆動する制御装置であって、
制御周期ごとに前記作動油供給系から前記油圧アクチュエータに作動油を供給させ、
前記位置決め対象が静止状態から動き始めるまでの期間、１回目の制御周期における作動油の供給量を、２回目以降の制御周期における作動油の供給量より多くし、
１回目の制御周期における作動油の供給量は、前記位置決め対象が移動しない供給量である油圧駆動位置制御装置が提供される。

１回目の制御周期における作動油の供給量を多くすることにより、静止状態の位置決め対象が動き出すまでの時間を短縮することができる。

図１は、実施例による制御装置が搭載された油圧駆動位置制御システムの概略図である。 図２Ａは、実施例による制御装置が搭載された油圧駆動位置制御システムの位置決め対象と、それを支持する支持部材との摺動面の断面図であり、図２Ｂは、摺動面の移動時に発生する摩擦力と摩擦係数とを示すグラフである。 図３Ａは、本実施例による油圧駆動位置制御シスの制御系のブロック線図であり、図３Ｂは、位置指令で指令される位置（指令位置）Ｘｒｅｆの時間波形の一例を示すグラフである。 図４は、比較例による油圧駆動位置制御システムの位置指令で指令される指令位置Ｘｒｅｆ、パルス発生部（図３Ａ）が出力する操作パルス、油圧シリンダの差圧Ｐ、及び位置決め対象の位置Ｘ、位置偏差ｅの時間波形を示すグラフである。 図５は、実施例による油圧駆動装置を用いて位置決め対象を位置制御したときの指令位置Ｘｒｅｆ、パルス発生部（図３Ａ）が出力する操作パルス、油圧シリンダの差圧Ｐ、及び位置決め対象の位置Ｘ、位置偏差ｅの時間変化を示すグラフである。

図１～図５を参照して、実施例におる油圧駆動位置制御システムについて説明する。
図１は、実施例による油圧駆動位置制御システムの概略図である。両ロッド型の油圧シリンダ１１が、シリンダボディ１１Ｓ、ピストン１１Ｐ、第１ロッド１１Ａ、及び第２ロッド１１Ｂを含む。第１ロッド１１Ａ、第２ロッド１１Ｂ、及びピストン１１Ｐが固定されており、シリンダボディ１１Ｓが固定部に対して移動する。シリンダボディ１１Ｓに位置決め対象１０が取り付けられている。位置決め対象１０は、例えば研削装置の移動テーブルである。

図２Ａは、位置決め対象１０、及びそれを支持する支持部材１８の断面図である。位置決め対象１０の下面に油圧シリンダ１１が取り付けられている。支持部材１８が位置決め対象１０を、シリンダボディ１１Ｓの移動方向に移動可能に支持している。

位置決め対象１０の下面に、断面が逆三角形の凸状のガイド摺動面（凸）１０Ａが２列設けられている。位置決め対象１０は、支持部材１８に設けられた凹状のＶ断面のガイド摺動面（凹）１８Ａにより支持され、油圧シリンダ１１の軸方向の移動が可能にされている。勘合するガイド摺動面（凸）１０Ａとガイド摺動面（凹）１８Ａとの間に潤滑油の油膜が形成されている。静止状態から位置決め対象１０を駆動する場合、図２Ｂに示したように、移動状態よりも摺動面に大きな静止摩擦力が作用し、位置決め応答や位置精度を悪化させている。

図１に示したシリンダボディ１１Ｓ内に、ピストン１１Ｐによって隔離された第１ロッド１１Ａ側の第１油室１３Ａと、第２ロッド１１Ｂ側の第２油室１３Ｂとが設けられている。第１ロッド１１Ａ及び第２ロッド１１Ｂの端部に、それぞれ第１ポート１４Ａ及び第２ポート１４Ｂが設けられている。第１ポート１４Ａは、第１ロッド１１Ａ内に設けられた第１油路１２Ａを介して第１油室１３Ａに繋がっている。第２ポート１４Ｂは、第２ロッド１１Ｂ内に設けられた第２油路１２Ｂを介して第２油室１３Ｂに繋がっている。

作動油供給系２０が、油圧シリンダ１１への作動油の供給、及び油圧シリンダ１１からの作動油の回収を行う。作動油供給系２０は、油圧ポンプ２１及び電動モータ２２を含む。油圧ポンプ２１は双方向油圧ポンプであり、電動モータ２２によって正転、逆転の両方向に駆動される。

油圧ポンプ２１と第１ポート１４Ａとの間の油路にリリーフ弁２３Ａが接続されている。同様に、油圧ポンプ２１と第２ポート１４Ｂとの間の油路に、リリーフ弁２３Ｂが接続されている。リリーフ弁２３Ａ、２３Ｂは、油路内の圧力が所定圧以上になったら油路内の作動油を作動油タンク３０に逃がす。

一方向油圧ポンプであるチャージポンプ２６が電動モータ２７によって駆動される。第１ポート１４Ａと油圧ポンプ２１との間の油路内の圧力、及び第２ポート１４Ｂと油圧ポンプ２１との間の油路内の圧力が所定のチャージ圧より低くなると、シャトル弁２４を介してチャージポンプ２６から作動油が油路に導入される。チャージポンプ２６の吐出側の油路内の圧力が所定の圧力以上になると、リリーフ弁２８が油路内の作動油を作動油タンク３０に逃がす。

圧力センサ１５Ａ、１５Ｂが、それぞれ第１ポート１４Ａ及び第２ポート１４Ｂに繋がる油路内の圧力を測定する。圧力の測定値が制御装置５０に入力される。圧力センサ１５Ａ、１５Ｂの測定値の差、すなわち差圧と、ピストン１１Ｐの受圧面積との積が、油圧シリンダ１１が発生する推力である。すなわち、２つの圧力センサ１５Ａ、１５Ｂは、油圧シリンダ１１が発生する推力に関わる物理量を測定する推力センサとして機能する。位置センサ１６が、シリンダボディ１１Ｓ、すなわち位置決め対象１０の位置を測定する。位置の測定値が制御装置５０に入力される。

制御装置５０は、圧力センサ１５Ａ、１５Ｂ、及び位置センサ１６から入力された圧力及び位置の測定値に基づいて、作動油供給系２０を制御して、位置決め対象１０を指令位置まで移動させる。指令位置を指定する情報は、外部から制御装置５０に位置指令として与えられる。

次に、油圧シリンダ１１が位置決め対象１０に与える推力を制御する方法について説明する。

位置決め対象１０を移動させる推力Ｆは、ピストン１１Ｐの受圧面積Ａと、第１油室１３Ａと第２油室１３Ｂとの差圧Ｐを用いて以下の式で表される。差圧Ｐは、油圧シリンダ１１の推力Ｆを油圧シリンダの受圧面積Ａで除した値である。推力Ｆは、摩擦力や慣性抵抗等の負荷抵抗の反作用として発生するので、差圧Ｐを負荷圧ともよぶ。

第１油室１３Ａと第２油室１３Ｂとの差圧Ｐは、作動油の圧縮性の定義から、作動油の体積弾性係数Ｋｖ、油圧ポンプ２１から油圧シリンダ１１に吐出された作動油の体積ΔＶ、油圧シリンダ１１、及び油圧シリンダ１１に繋がる作動油の管路の容積Ｖ_０を用いて、以下の式で表される。

油圧ポンプ２１から油圧シリンダ１１に吐出された作動油の体積ΔＶは、油圧ポンプ２１の１回転当たりの押しのけ容積Ｄｐ、油圧ポンプ２１の入力軸の回転角変位Δθ［ｒａｄ］を用いて、以下の式で表される。

油圧ポンプ２１の入力軸の回転角変位Δθは、入力軸の角速度ωと電動モータ２２の駆動時間Δｔを用いて、以下の式で表される。角速度ωは、予め設定された固定値である。

式（１）～式（４）から、油圧シリンダ１１の差圧Ｐは以下の式（５）、発生する推力Ｆは以下の式（６）で表される。

式（６）は、電動モータ２２及び油圧ポンプ２１の駆動時間Δｔを制御することにより、推力Ｆを変化させることができることを示している。本実施例では、予め規定されている制御周期ごとに、制御周期より短いパルス時間幅（以下、「パルス幅」という。）だけ油圧ポンプ２１を駆動させ、残りの時間は油圧ポンプ２１を停止させることにより、位置決め対象１０を移動させる。すなわち、制御周期ごとに油圧シリンダ１１に間欠的に作動油を供給して位置決め対象１０を微小送りしながら、複数回の制御周期を実行することにより、位置決め対象１０を目標位置まで移動させる。本明細書において、このような制御を「吐出容量制御」ということとする。

吐出容量制御は、位置決め対象１０の位置偏差が微小であり、結果的に位置決めを行う際の位置決め対象１０の移動速度が微小な領域で採用される。例えば、スティックスリップ現象が発生するような微小な速度領域で採用される。

一方、位置決め対象１０の位置偏差や速度が大きい領域、例えばスティックスリップ現象が発生しない速度領域では、吐出流量制御が採用される。吐出流量制御では、位置決め対象１０の位置偏差に応じて、油圧ポンプ２１の回転速度を制御する。

スティックスリップ現象が発生するような微速領域では速度変動が生じやすくなるため、吐出流量制御によって速度を安定して制御することが困難である。このため、位置決め対象１０の位置を安定して目標位置に合わせることが困難である。微速領域で、吐出流量制御に代えて吐出容量制御を採用することにより、位置決め対象１０の位置を精度よく目標位置に合わせることができる。

次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、本実施例による油圧駆動位置制御システムによる位置決め対象１０の吐出容量制御を適用した位置制御について説明する。

図３Ａは、本実施例による油圧駆動位置制御システムの制御系のブロック線図である。制御装置５０が、制御周期ごとにモータドライバ２５に操作パルスを与える。モータドライバ２５は、操作パルスで指令された情報に基づいて電動モータ２２に駆動電力を供給する。油圧ポンプ２１は、電動モータ２２から与えられた動力によって油圧シリンダ１１に作動油を供給する。油圧シリンダ１１は、油圧ポンプ２１から供給された作動油によって推力を発生し、位置決め対象１０（図１）を移動させる。これにより、位置決め対象１０の位置Ｘが変化する。位置センサ１６（図１）が、位置決め対象１０の位置Ｘを測定する。

制御装置５０は、偏差・パルス幅変換部５１、摩擦力補償部５２、及びパルス発生部５３を含む。位置決め対象１０の指令位置Ｘｒｅｆが制御装置５０に入力される。制御装置５０は、指令位置Ｘｒｅｆから位置Ｘを減じることにより、位置偏差ｅを算出する。

偏差・パルス幅変換部５１は、位置偏差ｅに応じて、第１操作量として第１パルス幅Ｔｗ１を生成する。例えば、第１パルス幅Ｔｗ１は位置偏差ｅに比例する。なお、位置偏差ｅが所定の値を超えると第１パルス幅Ｔｗ１が一定になるようにしてもよい。

油圧シリンダ１１（図１）の第１油室１３Ａと第２油室１３Ｂとの差圧Ｐの計測値が、制御装置５０の摩擦力補償部５２に入力される。差圧Ｐは、一方の圧力センサ１５Ａの測定値から他方の圧力センサ１５Ｂの測定値を減算することにより算出される。この差圧Ｐは、油圧シリンダ１１が発生している推力に応じた物理量である。摩擦力補償部５２は、位置偏差ｅと差圧Ｐとに基づいて、第２操作量として第２パルス幅Ｔｗ２を生成する。摩擦力補償部５２の詳細な処理については後述する。

制御装置５０は、第１パルス幅Ｔｗ１に第２パルス幅Ｔｗ２を加算して、第３操作量として第３パルス幅Ｔｗ３を生成する。第３パルス幅Ｔｗ３がパルス発生部５３に入力される。パルス発生部５３は、予め設定されている固定の回転速度設定値ωと第３パルス幅Ｔｗ３とに基づいて、モータドライバ２５に操作パルスを与える。操作パルスのパルス幅は第３パルス幅Ｔｗ３に等しく、パルスの波高は、回転速度設定値ωに等しい。このように、操作パルスは、電動モータ２２を駆動する時間の情報、及び電動モータ２２の回転数の情報を含んでいる。

モータドライバ２５は、電動モータ２２を、回転速度設定値ωに等しい回転数で、第３パルス幅Ｔｗ３に等しい時間だけ駆動する。

図３Ｂは、制御装置５０に与えられる指令位置Ｘｒｅｆの時間変化の一例を示すグラフである。横軸が時間を表し、縦軸が指令位置Ｘｒｅｆを表す。指令位置Ｘｒｅｆを変化させる周期（以下、ステップ周期という。）をＴｓｔｐと表記し、指令位置Ｘｒｅｆの変化量（以下、ステップ量という。）をΔＸｓｔｐと表記する。

次に、摩擦力補償部５２の処理について説明する。
位置決め対象１０には重量に比例した摩擦抵抗が作用し、摩擦力以上の力を加えなければ位置決め対象１０は動かない。静止状態から動き出す瞬間の摩擦力が最大静止摩擦力Ｆｆｒｃである。油圧シリンダ１１の推力Ｆが位置決め対象１０に作用する最大静止摩擦力を超えると位置決め対象１０が動き始める。油圧シリンダ１１の推力Ｆはピストン１１Ｐで仕切られた第１油室１３Ａと第２油室１３Ｂとの圧力の差（差圧Ｐ）と受圧面積Ａとの積である。最大静止摩擦力Ｆｆｒｃを受圧面積Ａで除した値を、摩擦相当圧Ｐｆｒｃということとする。すなわち、摩擦相当圧Ｐｆｒｃは、位置決め対象１０に作用する最大静止摩擦力Ｆｆｒｃを、油圧シリンダ１１の負荷圧力に換算したものである。油圧シリンダ１１の差圧Ｐが摩擦相当圧Ｐｆｒｃを超えると位置決め対象１０が動き出す。一方で油圧シリンダ１１の差圧Ｐは式（５）に示したように油圧ポンプ２１の駆動時間Δｔで調節できる。

摩擦力補償部５２は、位置偏差ｅ及び差圧Ｐに基づいて、以下の式（７）を用いて第２パルス幅Ｔｗ２を生成する。ここで油圧シリンダ１１の差圧Ｐが正で位置決め対象１０が正方向に移動するものとする。

ここで、Ｔｆｒｃは比例定数である。Ｔｆｒｃは差圧Ｐがゼロの状態から摩擦相当圧Ｐｆｒｃを発生させるために必要なパルス幅である。ｓｇｎ（ｅ）は符号関数を示し、位置偏差ｅが正（ｅ＞０）のときに＋１であり、位置偏差ｅが負（ｅ＜０）のとき－１である。第２パルス幅Ｔｗ２は摩擦相当圧Ｐｆｒｃと差圧Ｐとの差及び位置偏差ｅに比例する。圧力偏差Ｐｆｒｃ－ＰはＰｆｒｃで除し、位置偏差ｅはΔＸｓｔｐで除して正規化している。指令位置Ｘｒｅｆが変化するステップの立上り（又は立下り）のタイミングで、位置偏差ｅが最大のΔＸｓｔｐとなり、差圧Ｐがゼロの場合、Ｔｗ２は以下の式（８）に示すように比例定数のＴｆｒｃと一致する。

式（７）の第２パルス幅Ｔｗ２は、式（８）に示すように、指令位置Ｘｒｅｆの立上りのタイミングでＴｗ２が最大の値、すなわちＴｆｒｃになる。また、位置偏差ｅが一定である条件下で、第２パルス幅Ｔｗ２は、摩擦相当圧Ｐｆｒｃと、油圧シリンダ１１の差圧Ｐとの差に比例する。

式（７）において、摩擦相当圧Ｐｆｒｃに符号関数ｓｇｎ（ｅ）を付加しているのは、最大静止摩擦力が運動方向と逆方向に働くので、運動方向に合った補正がなされるようにＰｆｒｃの符号を考慮する必要があるためである。例えばステップ量ΔＸｓｔｐが正から負に切換わった場合を考えると、位置偏差ｅが負になるため、符号関数ｓｇｎ（ｅ）が－１になる。このときの差圧Ｐは正（反転前の＋方向の圧が残っているため）である。このとき、式（７）は以下の式（９）のように変形することができ、第２パルス幅Ｔｗ２はＴｆｒｃより大きくなる。このように差圧Ｐが静止摩擦力の方向と逆に働く場合はＴｆｒｃよりも第２パルス幅Ｔｗ２を広げて、ステップ量ΔＸｓｔｐが正から負に切換わった後の初回パルスで差圧Ｐが摩擦相当圧に達するようにしている。

次に、式（７）の物理的な意義について説明する。
位置決め対象１０が静止状態から動き出すまでの期間は、差圧Ｐが摩擦相当圧Ｐｆｒｃより小さいため、モータドライバ２５に操作パルスを与えて油圧シリンダ１１に作動油を供給しても油圧シリンダ１１のシリンダボディ１１Ｓは変位できず、供給した作動油は加圧に使用され、パルスを与える毎に差圧Ｐが上昇する。すなわち、差圧Ｐは、ステップ周期Ｔｓｔｐ（図３Ｂ）の開始時点の直後（すなわち、指令位置Ｘｒｅｆがステップ状に変化した直後）の第１回目の制御周期の場合が最も低く、制御周期回数が増すごとに上昇し、摩擦相当圧Ｐｆｒｃと差圧Ｐとの差が小さくなる。式（７）が示すように、摩擦相当圧Ｐｆｒｃと差圧Ｐとの差に比例して第２パルス幅Ｔｗ２も増加するため、差圧Ｐが最も低い１回目の制御周期の第２パルス幅Ｔｗ２が最も大きくなる。このため、１回目の制御周期において、２回目以降の制御周期に比べてより多くの作動油を供給することができる。これにより、差圧Ｐの上昇を速めることが可能になり、その結果、差圧Ｐが摩擦相当圧Ｐｆｒｃに到達するまでの制御周期の回数を削減することができる。差圧Ｐが摩擦相当圧Ｐｆｒｃを超えると位置決め対象１０が動き出し、摩擦力補償が不要な状態になる。このときの摩擦相当圧Ｐｆｒｃと差圧Ｐは釣り合い、両者の差はゼロに近づくため、第２パルス幅Ｔｗ２も小さな値となり、摩擦補償の効果は減少する。

また、式（７）は、第２パルス幅Ｔｗ２を位置偏差ｅにも比例させている。その意図を次に述べる。摩擦補償が必要な期間は、ステップ周期Ｔｓｔｐ（図３Ｂ）の開始時点から位置決め対象１０が動き出すまでの期間である。この期間の位置偏差ｅはステップ量ΔＸｓｔｐ（図３Ｂ）と等しい。式（７）の位置偏差に関する項ｅ／ΔＸｓｔｐは１となり、第２パルス幅Ｔｗ２は摩擦相当圧Ｐｆｒｃと差圧Ｐとの関係のみで決定される。位置決め対象１０が指令位置Ｘｒｅｆに向かって動き出すと位置偏差ｅは減少していく。このときの位置偏差に関する項は１未満になる。例えば、位置偏差ｅがステップ量ΔＸｓｔｐの１０％の場合は、位置偏差に関する項が０．１になる。この値が圧力に関する項に掛け合わされるため、圧力に関する項の効果が１／１０に減殺される。これは、位置決め対象１０が指令位置Ｘｒｅｆｎｉ近づくほど摩擦力補償の効果を弱めることを意味する。

次に、図４及び図５を参照して、上記実施例の優れた効果について説明する。

図４は、比較例による油圧駆動位置制御システムの位置指令で指令される指令位置Ｘｒｅｆ、パルス発生部（図３Ａ）が発生する操作パルス、差圧Ｐ、及び位置決め対象１０の位置Ｘ、位置偏差ｅの時間変化を示すグラフである。４段目のグラフにおいて、位置決め対象１０の位置Ｘを実線で示し、位置偏差ｅを破線で示している。制御周期Ｔｃは操作パルスを与える周期である。

図４に示す比較例では、時刻ｔ０において指令位置Ｘｒｅｆをステップ量ΔＸｓｔｐだけ変化させる位置指令を与え、１０回の操作パルスによる位置補正動作を行った。比較例による油圧駆動位置制御システムの制御装置５０は、摩擦力補償部５２（図３Ａ）を備えていない。このため、位置偏差ｅに応じた第１パルス幅Ｔｗ１のみがパルス発生部５３に入力される。電動モータ２２は、制御周期Ｔｃ毎に第１パルス幅Ｔｗ１に相当する時間だけ駆動される。時刻ｔ０でステップ量ΔＸｓｔｐだけ指令位置Ｘｒｅｆが変化すると位置偏差ｅはゼロからΔＸｓｔｐに変化する。

偏差・パルス幅変換部５１（図３Ａ）は、位置偏差ｅに対応する第１パルス幅Ｔｗ１を出力し、油圧ポンプ２１は第１パルス幅Ｔｗ１に相当する時間だけ駆動される。第１パルス幅Ｔｗ１に相当する作動油が油圧シリンダ１１の第１油室１３Ａに流れ込み、第１油室１３Ａの圧力が上昇する。第２油室１３Ｂの作動油は油圧ポンプ２１により吸い出されて圧力が降下する。このように第１油室１３Ａ及び第２油室１３Ｂの圧力差（差圧Ｐ）が発生する。油圧ポンプ２１が停止すると油圧ポンプ２１から油圧シリンダ１１への作動油の供給が止まり、第１油室１３Ａの圧力上昇も停止する。また油圧ポンプ２１からの漏れにより第１油室１３Ａ、第２油室１３Ｂや配管内の作動油の一部が漏れ出し、圧力が徐々に降下する。結果として差圧Ｐも緩やかに降下する。ただし、パルス駆動の昇圧量に比べ漏れによる降圧量が小さいのでパルス駆動を繰り返す度に差圧Ｐはのこぎり波状に上昇する。

油圧シリンダ１１の差圧Ｐが摩擦相当圧Ｐｆｒｃに達する迄は、位置決め対象１０は動かず、位置偏差ｅもステップ量ΔＸｓｔｐのまま変化しない。したがって、第１パルス幅Ｔｗ１は初回パルス幅と等しく、油圧ポンプ２１から油圧シリンダ１１に供給される作動油の量も一定である。操作パルス数が増加するにしたがって、油圧シリンダ１１に供給された作動油の総量が増加し、差圧Ｐが徐々に高くなる。

差圧Ｐのピーク値が摩擦相当圧Ｐｆｒｃを超えた時点で、位置決め対象１０が移動し始める。図４に示した例では、時刻ｔ１で差圧Ｐのピーク値が摩擦相当圧Ｐｆｒｃを超え、位置決め対象１０が移動を開始する。

位置決め対象１０が移動を開始した後は、位置Ｘが指令位置Ｘｒｅｆに近づくため、位置偏差ｅは徐々に減少する。位置偏差ｅの減少に応じて、第１パルス幅Ｔｗ１が短くなる。図４に示した例では、時刻ｔ２で位置Ｘが指令位置Ｘｒｅｆに一致し、位置偏差ｅがゼロになっている。

図４に示した比較例では、時刻ｔ１で位置決め対象１０が動き始める。時刻ｔ０からｔ１までの時間が、位置決め対象１０が全く移動しない無駄時間Ｔｄである。

図５は、実施例による油圧駆動位置制御システムを用いて位置決め対象１０（図１）を指令位置Ｘｒｅｆへ移動させるときの位置指令、パルス発生部（図３Ａ）が発生する操作パルス、差圧Ｐ、及び位置決め対象１０の位置Ｘ、位置偏差ｅの時間変化を示すグラフである。４段目のグラフにおいて、位置決め対象１０の位置Ｘを実線で示し、位置偏差ｅを破線で示している。

図５に示した実施例では、時刻ｔ０において指令位置Ｘｒｅｆがステップ量ΔＸｓｔｐだけ変化し、６回のパルス出力による位置補正動作を行った応答波形を示している。時刻ｔ０においてステップ量ΔＸｓｔｐの位置指令を与えると位置偏差ｅはステップ量ΔＸｓｔｐに等しくなり、式（７）より第２パルス幅ＴＷ２はＴｆｒｃに等しくなる。但し差圧Ｐをゼロと仮定している。

第１パルス幅Ｔｗ１に第２パルス幅Ｔｗ２を加算した第３パルス幅Ｔｗ３がパルス発生部５３（図３Ａ）に入力され、油圧シリンダ１１に供給される作動油の量は、図４の比較例の場合より第２パルス幅ＴＷ２に相当する量だけ増加する。これにより時刻ｔ０の１回目のパルス出力で発生する差圧Ｐのピーク値も図４の比較例に示したピーク値より高くなる。

時刻ｔ３の２回目の制御周期の開始時点で、差圧Ｐが直前の時刻ｔ０の制御周期の開始時点における差圧Ｐより大きくなっているため、式（７）から求まる第２パルス幅Ｔｗ２は、直前の制御周期において求められた第２パルス幅Ｔｗ２より短くなる。ただし、Ｐｆｒｃ－Ｐが正の値であるため、第２パルス幅Ｔｗ２は正の値を持つ。このため、時刻ｔ３の制御周期で油圧シリンダ１１に供給される作動油の量は、図４の比較例における時刻ｔ０の制御周期の次の制御周期で油圧シリンダ１１に供給される作動油の量より多い。

図５に示した例では、２回目の制御周期と３回目の周期との間の時刻ｔ４のタイミングで差圧Ｐのピーク値が摩擦相当圧Ｐｆｒｃを超え、位置決め対象１０が移動し始める。

位置決め対象１０が移動を開始した後、位置Ｘは指令位置Ｘｒｅｆに近づき、位置偏差ｅはゼロに近づく。差圧Ｐが大きくなり、位置偏差ｅが小さくなると式（７）から求まる第２パルス幅Ｔｗ２は急激に小さくなり摩擦補償の効果は弱まり、実質的に、位置偏差ｅに応じた第１パルス幅Ｔｗ１に基づいて電動モータ２２が駆動されるようになる。時刻ｔ５において、位置偏差ｅがゼロになる。

上述のように、本実施例では、図４に示した比較例と比べて、指令位置Ｘｒｅｆが変化した後の１回目の制御周期の開始時点における操作パルスである第３パルス幅Ｔｗ３が大きくなるため、位置決め対象１０が静止状態から実際に動き始めるまでの無駄な時間Ｔｄを短縮することができる。

差圧Ｐが摩擦相当圧Ｐｆｒｃを超えて位置決め対象１０が移動を開始した後は、摩擦力補償部５２による補償機能は働かないことが好ましい。位置決め対象１０が動き始めると、式（７）の差圧Ｐと摩擦相当圧Ｐｆｒｃとの差、及び位置偏差ｅが漸減する。このため、摩擦力補償部５２が生成する第２パルス幅Ｔｗ２が短くなる。したがって、位置決め対象１０が動き始めると、摩擦力補償部５２が位置制御に与える影響は小さくなる。このように、摩擦力補償部５２は、静止状態の摩擦の影響が高い時、すなわち指令位置Ｘｒｅｆがステップ状に変化した時に効果を発揮し、位置決め対象１０が動き始めると、自動的に出力（第２パルス幅Ｔｗ２）を小さくし、指令位置Ｘｒｅｆ付近では摩擦力補償の影響がなくなる機能を有している。

なお、位置決め対象１０が静止状態のときに、摩擦相当圧Ｐｆｒｃに相当する差圧Ｐを発生させるように油圧ポンプ２１の駆動時間を決定することによっても、位置決め対象１０の静止から移動開始までの無駄時間を短縮することができる。しかしこの方法は、静止状態の油圧シリンダの差圧がゼロの場合は成り立つが差圧がゼロではなく正または負に偏っていた場合問題となる。例えば差圧Ｐが正に偏っていた場合、摩擦相当圧Ｐｆｒｃと差圧Ｐとの差が小さくなり、Ｔｆｒｃのパルス幅では作動油の量が多過ぎて差圧Ｐが摩擦相当圧Ｐｆｒｃを超えて動いてしまう。Ｔｆｒｃのパルス幅は第１パルス幅Ｔｗ１の範囲より大きい為、場合によっては指令位置Ｘｒｅｆを飛び越えて、指令位置Ｘｒｅｆに位置決めが出来なくなる可能性がある。逆に差圧Ｐが負に偏っていた場合は作動油の量が足りず、差圧Ｐが摩擦相当圧Ｐｆｒｃに到達できず、２パルス目以降で昇圧させることになり無駄時間の発生を招く結果になる。このように油圧シリンダ１１の圧力状態と摩擦相当圧Ｐｆｒｃの差に応じた適正なパルス幅の出力は重要である。

位置決め対象１０が静止状態のときに、摩擦相当圧Ｐｆｒｃに相当する差圧Ｐを発生させる方法では、位置決め対象１０の移動中は、摩擦相当圧Ｐｆｒｃを考慮せず、位置偏差ｅに基づいて、油圧ポンプ２１の駆動時間を決定することになる。このため、位置決め対象１０に作用する摩擦力が、静止摩擦力なのか、極微小な速度で移動しているときの動摩擦力なのかを正確に判別する必要がある。ところが、この２つの状態を正確に判別することは困難である。両者の判別を間違うと、制御が不安定になってしまう。

本実施例では、位置決め対象１０が静止状態のときと、移動中のときとで、同じ制御を行えばよい。したがって、位置決め対象１０に作用する摩擦力が、静止摩擦力なのか、極微小な速度で移動しているときの動摩擦力なのかを判別する必要がない。このため、安定した制御を行うことが可能である。

次に、上記実施例の変形例について説明する。
上記実施例では、油圧シリンダ１１（図１）のピストン１１Ｐ、第１ロッド１１Ａ、及び第２ロッド１１Ｂを固定し、シリンダボディ１１Ｓを移動させているが、逆にシリンダボディ１１Ｓを固定して、ピストン１１Ｐ、第１ロッド１１Ａ、及び第２ロッド１１Ｂを位置決め対象１０とともに移動させてもよい。また、上記実施例では、油圧シリンダ１１として両ロッド油圧シリンダを用いているが、その他の油圧シリンダ、例えば複動型単ロッド油圧シリンダ、単動型単ロッド油圧シリンダ等を用いてもよい。

上記実施例では、位置決め対象１０を直線に沿って移動させる油圧シリンダ１１を用いているが、油圧シリンダ１１に代えて、その他の油圧アクチュエータを用いてもよい。例えば、油圧アクチュエータとして油圧モータを用いてもよい。この場合には、油圧モータの回転方向の位置制御を行う油圧駆動位置制御システムに、上記実施例の制御装置５０を適用するとよい。

上記実施例では、制御装置５０が操作パルスにより、式（４）の角速度ωと駆動時間Δｔとをモータドライバ２５に与えている。その変形例として、制御装置５０がモータドライバ２５に、式（４）の回転角Δθを指定する情報を与えるようにしてもよい。このとき、モータドライバ２５は、与えられた回転角Δθだけ電動モータ２２を回転させる。

上述の実施例及び変形例は例示であり、異なる実施例及び変形例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例及び変形例の同様の構成による同様の作用効果については実施例及び変形例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例及び変形例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ 位置決め対象
１０Ａ ガイド摺動面（凸）
１１ 油圧シリンダ
１１Ａ 第１ロッド
１１Ｂ 第２ロッド
１１Ｐ ピストン
１１Ｓ シリンダボディ
１２Ａ 第１油路
１２Ｂ 第２油路
１３Ａ 第１油室
１３Ｂ 第２油室
１４Ａ 第１ポート
１４Ｂ 第２ポート
１５Ａ、１５Ｂ 圧力センサ
１６ 位置センサ
１８ 支持部材
１８Ａ ガイド摺動面（凹）
２０ 作動油供給系
２１ 油圧ポンプ
２２ 電動モータ
２３Ａ、２３Ｂ リリーフ弁
２４ シャトル弁
２５ モータドライバ
２６ チャージポンプ
２７ 電動モータ
２８ リリーフ弁
３０ 作動油タンク
５０ 制御装置
５１ 偏差・パルス幅変換部
５２ 摩擦力補償部
５３ パルス発生部

Claims (7)

1. 位置決め対象を移動させる推力を発生する油圧アクチュエータに作動油を供給する作動油供給系を制御して前記油圧アクチュエータを駆動する制御装置であって、
   制御周期ごとに前記作動油供給系から前記油圧アクチュエータに作動油を供給させ、
   前記位置決め対象が静止状態から動き始めるまでの期間、１回目の制御周期における作動油の供給量を、２回目以降の制御周期における作動油の供給量より多くし、
   １回目の制御周期における作動油の供給量は、前記位置決め対象が移動しない供給量である油圧駆動位置制御装置。
2. 制御周期ごとに前記作動油供給系から前記油圧アクチュエータに作動油を供給する時間を調整することにより、作動油の供給量を変化させる請求項１に記載の油圧駆動位置制御装置。
3. 前記位置決め対象の位置の測定値に基づいて、前記位置決め対象が指令位置に到達するまで複数回の制御周期を実行する請求項１または２に記載の油圧駆動位置制御装置。
4. 前記位置決め対象の指令位置と、前記位置決め対象の位置の測定値との偏差に応じて第１操作量を生成し、
   前記油圧アクチュエータが発生している推力に応じた物理量の計測値と、予め設定されている推力を規定する物理量の設定値との差に応じて第２操作量を生成し、
   前記第１操作量に前記第２操作量を加算した第３操作量に基づいて前記作動油供給系を制御する請求項３に記載の油圧駆動位置制御装置。
5. 前記位置決め対象の指令位置が変化したとき、指令位置の直近の変化量に対する前記偏差の比に基づいて、前記第２操作量を生成する請求項４に記載の油圧駆動位置制御装置。
6. 位置決め対象を移動させる推力を発生する油圧アクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプを制御して前記油圧アクチュエータを駆動する制御装置であって、
   制御周期ごとに前記油圧ポンプから前記油圧アクチュエータに作動油を供給させ、
   前記位置決め対象が静止状態から動き始めるまでの期間、前記位置決め対象の指令位置と現在位置との位置偏差に対応した第１パルス幅に、前記油圧アクチュエータの受圧面に作用している負荷圧力に基づく第２パルス幅を加算した第３パルス幅に相当する時間だけ前記油圧ポンプを駆動して前記油圧アクチュエータに作動油を供給する油圧駆動位置制御装置。
7. 前記位置決め対象に作用する最大静止摩擦力を負荷圧力に換算した摩擦相当圧と、前記油圧アクチュエータの受圧面に作用している負荷圧力との差に基づいて、前記第２パルス幅を決定する請求項６に記載の油圧駆動位置制御装置。
   

Images