JPH0351501A - 空気圧駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は圧縮空気源を駆動源として動作を行う空気圧駆
動装置に関するものである。

従来の技術 近年、空気圧駆動装置は動作部の出力重量比が高いため
小型，軽量化が容易で、駆動源から動作部への伝達も配
管により容易にかつ自由にでき、さらには安価で環境を
汚すこともなく、力を保持したりエネルギーとして保存
できる等の長所を生かして、産業分野等で広く利用され
ている。

一方、これまではオンオフ弁により弁を全開あるいは全
閉させて駆動していたため、機械的なストッパーを用い
ての１点あるいは数点のみの位置決めしかできなかった
ものが、弁部の開口面積をｍ令値に応じて変化させる機
能を有する制御弁が進歩したため、空気室内の圧力の制
御が可能となり、、任意の位置で位置決め可能となって
きた。また、制御弁の代わりにオンオフ弁をパルス幅変
調（以下、ＰＷＭと記す。）制御駆動させることによっ
ても、任意の位置で位置決め可能となってきた。

以下図面を参照しながら、上述した従来の空気圧駆動装
置の一例について説明する。

第５図は従来の空気圧駆動装置の一例を示すものである
。第５図において１は空気圧揺動シリンダ、４は圧縮空
気圧源、１５ａ．１５ｂは制御弁、６ａ，６ｂは圧カセ
ンサ、７は位置センサ、８は負荷、１９ａ，１９ｂは制
御弁コントローラ、２０は動作制御部である。

以上のように構成された従来の空気圧駆動装置について
以下その動作について説明する。まず、動作制御部２０
は、シリンダ１、負荷８を含む空気圧駆動系の状態フィ
ートハック制御と位置偏差の積分制御により空気の圧縮
性とシール部の摩擦が空気圧駆動装置の位置決め動作に
及ばず影響を抑制するような制御系を構威している。す
なわち、動作制御部２０は圧カセンザ６ａ，６ｂの圧力
信号と位置センサ７の位置信号．と位置信号の差分によ
り求まる速度信号および動作目標位置を入力として開口
面積を計算し、その開口面積信号を制御弁コントローラ
１９ａ，１９ｂに出力することによって制御弁１５ａ，
１５ｂの開口面積を変化させ、空気圧駆動装置における
動作部の任意の位置での高精度位置決めを実現している
。（例えば、則次他、“電空制御弁の動作遅れを考慮し
た空気圧サーボ系の最適制御゛、計測自動制御学会論文
集、第２４巻、第５号、昭和６３年５月、５８ページ） 次に、従来の空気圧駆動装置の他の一例について説明す
る。

第６図は従来の空気圧駆動装置の他の一例を示すもので
ある。第６図において１は空気圧揺動シリンダ、４は圧
縮空気圧源、５ａ〜５ｄはオンオフ弁、６ａ．６ｂは圧
カセンサ、７は位置センサ、８ば負荷、９ａ〜９ｄはＰ
ＷＭ制御駆動部、３０は動作制御部である。前記の従来
空気圧駆動装置の一例と同様に動作制御部３０は状態フ
ィードバック制御と位置偏差の積分制御によって空気の
圧縮性の影響とシール部の摩擦の影響を抑制するような
制御系を構威し、求めた開口時間信号をＰＷＭ制御駆動
部に出力することによってオンオフ弁５ａ〜５ｄをＰＷ
Ｍ駆動さセ゜て流量を制御し、空気圧駆動装置における
任意の位置での高精度位置決めを実現している。

発明が解決しようとする課題 しかしなから、上記のような空気圧駆動装置では次のよ
うな課題を有している。すなわち、第１の従来例におい
ては開口面積を変化させるために比例制御弁を用いてい
るが、比例制御弁は大型であるため空気圧駆動装置のシ
ステム全体が大型化するという課題があるとともに、弁
の動作遅れなどの要因で開口面積信号と比例制御弁を流
れる流量の関係が一定でないため微小流量の制御が困難
になるという課題があった。また、第２の従来例におい
ては開口面積を変化させる代わりにオンオフ弁をＰＷＭ
制１■で用いて開口時間を変化させているが、この場合
開口量信号が小さく弁の開口時間が短いとき、弁の動作
遅れなどの要因で開口時間信号とオンオフ弁を流れる流
量の関係が一定でないため微小流量の制御が困難となる
。その結果、目標位置近傍での収束応答性が悪くなり、
位置決め時間が長くなるという課題があった。

本発明は前記問題点に鑑み、空気弁の弁特性における不
安定部分の影響を除夫して微小流量の制御を行い、任意
の目標位置に対する高速高精度位置決め等の動作を容易
に実現する空気圧駆動装置を提供するものである。

課題を解決するための手段 前記課題を解決するために、本発明の空気圧駆動装置は
、空気が流入あるいは流出し圧力が変化する第１と第２
の空気室と前記空気室の間にあり移動可能な動作部とを
有する空気圧アクチュエータと、前記動作部により分割
された第１の空気室に空気を流入する少なくとも１つの
第１の空気弁と空気を流出する少なくとも１つの第２の
空気弁と、第２の空気室に空気を流入する少なくとも１
つの第３の空気弁と空気を流出する少なくとも１つの第
４の空気弁と、前記空気室群のそれぞれに目標流量に応
じて空気を流入あるいは流出するために前記空気弁の開
口量を制御することにより流量制御をする制御駆動部と
、前記動作部の動作状態である位置と前記空気室群の圧
力を検出する検出部と、前記検出部の出力信号である前
記動作部の位置と位置の差分により求まる速度および前
記空気室群の圧力と、目標位置を入力として前記動作部
が前記目標動作状態に従って移動するために必要な制御
量である空気弁の開口量を計算し、前記空気弁を駆動さ
せる開口量の信号を前記制御駆動部に出力する動作制御
部という構戒を備えたものである。

作用 本発明は前記した構成によって、空気弁の弁特性におけ
る不安定部分の影響を除去して微小流量の制御が容易か
つ正確にでき、任意の目標位置に対する高速高精度位置
決め動作を容易に実現することができる。

実施例 以下本発明の一実施例の空気圧駆動装置について、図面
を参照しながら説明する。

第１図は本発明の一実施例における空気圧駆動装置の構
成を示す全体図である。

第１図において１は空気室を有する揺動形シリンダ、４
は圧縮空気源、５ａ．５ｂは空気室に空気を流入させる
ためのオンオフ弁、５ｃ，５ｄは空気室から空気を流出
させるためのオンオフ弁、６ａ，６ｂはそれぞれ空気室
の内部圧力を検出する圧カセンサ、７ば動作部の位置を
検出する位置センサ、８は負荷、９ａ，９ｂ　　９ｃ　
　９ｄはそれぞれオンオフ弁５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを
駆動するＰＷＭ制御駆動部、１０は動作制御部である。

以上のように構威された空気圧駆動装置について、以下
第１図〜第４図を用いてその動作を説明する。

まず、ＰＷＭ制御駆動部９ａ〜９ｄは、動作制御部ＩＯ
から出力される開口時間信号によってオンオフ弁５ａ〜
５ｄをＰＷＭ制御駆動させることにより、開口時間に対
応した流量を制御している。

次に、第２図は第１図における空気圧駆動揺動型とシリ
ンダの詳細説明図である。１は空気室を有する揺動形シ
リンダ、１はシリンダ１内を気密性を保ちながら移動で
きるベーン、３ａ，３ｂはヘーン２によって分割された
空気室、４は圧縮空気源、５ａ，５ｂはそれぞれ空気室
３　ａ　＋　３　ｂに空気を流入、５　ｃ　＋　５　ｄ
はそれぞれ空気室３ａ．３ｂ１１ に空気を流出させるためのオンオフ弁、６ａ，６ｂはそ
れぞれ空気室３ａ，３ｂの内部圧力を検出する圧カセン
サである。

また、第３図はその第１図における動作制御部１０の詳
細説明図である。第３図において２１は目標位置、２２
は位置、２３ａ．２３ｂは゛空気室３ａ．３ｂの内部圧
力、２４は基準圧力、１ｌは積分器、ｌ２は微分器、１
３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４
ｄ，１４ｅ，１４ｆは増幅器である。１３ａ．１３ｂ．
１３ｃの出力はそれぞれベーン２の目標位置に対する位
置偏差、ベーン２の速度、空気室３ａ，３ｂの基準圧力
からの圧力偏差のフィードバック成分であり、これらは
、揺動形シリンダｌ，ベーン２，負荷８を含む空気圧駆
動系の状態フィードバック制御系を構成している。

ここで、空気室３ａ，３ｂ内のそれぞれの圧力をｐｔ．
ｐ２、ベーン２と負荷全体の慣性モーメントをＪ、粘性
摩擦係数をｂ、ベーンの受圧面積をＡ、ヘーンの受圧部
の外半径と内半径との中心１２ 半径をｒｏ、ベーンの回転偏位量θとすると、Ｊ＃＋ｂ
７＝Ａ−ｒｏ−（ｐｉ−ｐ２）　　−＝ｉｌ）の関係が
戒り立つ。ここで、θはθの時間に関する２回微分、ｂ
はθの時間に関する１回微分を表わす。圧力ｐｉ　（ｉ
＝１．２）とＰＷＭ駆動されたオンオフ弁の開口時間ｔ
ｉを比例制御弁の開口面積で表わした等価開口面積ｓｉ
　　（ｉ−１．２）との関係は、オンオフ弁の上流側圧
力と下流側圧力との差が十分あると仮定すると、平衡点
（基準圧力ｐｏ）まわりで線形化を行い、 ｐｌ＝ｋｌ・ｓｌ・ｐｓ−ｋ２・ｐＯ・θ・・・・・・
（２）ｐ２＝ｋｌ・ｓ２・ｐｓ＋ｋ２・ｐＯ・Ｌ−１３
）という関係が得られる。ここで、ｐｓは供給圧力、ｋ
ｌ，ｋ２はベーンの形状や温度等に関係する定数である
。このとき、この空気圧駆動装置の摩擦を除去するため
の積分器の状態変数を加えた拡大状態方程式は、 δｐ＝ｐｌ−ｐ２　　　　　　　　　　　　・・・・・
・（４）δｐ＝ｓ　ｌ−ｓ　２　　　　　　　　　　　
　・・・・・・（５）とおき、 ｘ＝（ｚ　　　θ　　θ　　δｐ）Ｔ という式で得られる。そこでこの拡大システムに対し、
現代制御理論に基づき第３図に示す状態フィードバック
を行なうと、人力δＳは、δｓ＝ｋｐ−　　（θｄ−θ
）　−ｋｖ　・θ＋ｋｉ−ｚｋｐｒ・δｐ・・・・・・
（７） ただし、θｄは動作部の回転変位量θの目標軌道、ｋｐ
，ｋｖ，ｋ’ｐ’ｒは空気圧駆動システムの状態フィー
ドバックゲイン１３ａ，１３’ｂ，１３ｃである。この
状態フィードバンク制御により空気の圧縮性が位置決め
動作に及ぼす影響を抑制して動作部の任意の位置での位
置決め動作を実現できる。

また、ｋｉは積分ゲイン１３ｄであり、１３ｄの出力は
位置偏差の積分値２を増幅して出力している。この位置
偏差の積分制御により摩擦が位置決め動作に及ぼず影響
を抑制して動作部の任意の位置での位置決め動作を実現
できる。

ここで、角オンオフ弁の等価開口面積は、ｐｉ−ｐ２＝
（ｐｉ−ｐＯ）−（ｐ２　　ｐＯ）一δｐ　　　　　　
　　　　　・・・・・・（８）ｐ　１　＋ｐ　２＝２・
ｐＯ　　　　　　　　　・・・・・・（９）ｓｌ＝ｓ２
＝δｓ　　　　　　　　　　　　−　−　００）ｓ　１
　＋　ｓ　２　＝　０　　　　　　　　　　　　　・・
・・・Ｉｌｌ）の関係を用いて、 １ ｓ　ｌ　＝　−　　｛ｋｐ　・（θｄ一θ）−ｋｖ・　
θ＋ｋｉ−ｚｌ２ ｋｐｒ　　・（ｐｌ−ｐｏ） ・・・・・・０２） ｌ ｓ　２−一−　　（ｋｐ・（θｄ一θ）一ｋｖ・　θ＋
ｋｉ−ｚｌ２ ｋｐｒ　　−　（ｐ２−ｐＯ）　　　　　　　　　　　
　　−−０３）となる．この場合、１４ａ，１４ｂ，１
４ｃ，１４ｄ１４ｅ，１４ｆは共に０．５である。

次に、第４図はオンオフ弁を直接駆動するための電圧信
号とオンオフ弁を流れる流量との流量特１５ 性図である。第４図においてＶは電圧信号、Ｑは流量で
ある。Ｑｃは流量特性が安定である領域における仔，ａ
の流足、Ｑｃ　２４よ流量特性が安定な領域と不安定な
領域とのしきい植となる−ｆｒＬ量、ＶｃはＱｃに対応
する電圧信号、Ｖｃ２はしきい値Ｑｃ２に対応する電圧
信号である。また、Ｑｃの流量を流すことのできるオン
オフ弁の開口時間をＴｃ．．ＱＣ２の流量を流すことの
できるオンオフ弁の開口時間をＴｃ２とする。

いま、動作制御部１０で計算した等価開口面積ｓ　ｉ　
（ｉ＝１．　　２）が流量特性の不安定部分に存在する
と、オンオフ弁の開口時間ｔｉ（＋＝１．２）も流量特
性の不安定部分に存在し、オンオフ弁において正確な開
口時間ｔｉを得ることができない。そこで、第１図にお
ける空気流入側オンオフ弁５ａ，５ｂの開口時間をｔｌ
ｌ，ｔ２１とし、空気流出側５　ｃ．５　ｄの開口時間
をｔｌ２，ｔ２２とすると、 ｔｉ　　　　　≦　　Ｔｃ２ のとき、空気を流入させる場合、 １６ ｔｉｌ　　　＝　　　Ｔｃ ｔｉ２＝Ｔｃ−ｔｉ あるいは、 ｔｉｌ　　　＝　　　Ｔｃ＋ｔｉ ｔｉ２　　　＝　　　Ｔｃ とし、開口時間ｔｌｌあるいはｔ２１に対応する開口時
間信号をＰＷＭ制御駆動部９ａあるいは９ｂに出力し、
開口時間ｔ２２あるいはｔｌ２に対応する開口時間信号
を９ｄあるいは９ｃに出力する。

また、空気を流出させる場合、 ｔｉｌ＝Ｔｃ−ｔｉ ｔｉ２　　　＝　　　Ｔｃ あるいは、 ｔｉｌ　　　＝　　　Ｔｃ ｔｉ２　　−　　Ｔｃ十ｔｉ とし、開口時間ｔｌ２あるいはｔ２２に対応する開口時
間信号をＰＷＭ制御駆動部９ｃあるいは９ｄに出力し、
開口時間ｔ２１あるいはｔｌｌに対応する開口時間信号
を９ｂあるいは９ａに出力する。このようにして開口時
間ｔｉが小さくそのままでは流量を精密に制御できない
場合であっても、１つの空気室あたり流入側と流出側の
２つのオンオフ弁を同時にＰＷＭ駆動さセることにより
、その時の流量差によって開口時間に対応した流量を制
御することができる。

以上のように本実施例によれば、オンオフ弁をＰＷＭ制
御駆動によって用いることにより空気圧駆動装置のシス
テム全体の小型軽量化を図るとともに、開口時間が流量
特性の不安定部分の影響を受ける場合であって微小流量
を制御しようとするとき、１空気室あたり２つのオンオ
フ弁をＰＷＭ制御駆動し、２つのオンオフ弁の流量差に
よって開口時間に対応した微小流量を流量特性の不安定
部分の影響を受けることなく精密に制御することができ
、任意の目標位置に対する高速高精度位置決め動作を容
易に実現できる。

なお、本実施例において目標位置からの位置誤差、速度
、圧力および位置誤差の積分値のフィードハックに基づ
く制御則を用いたが、必ずしもこの制御則に限るもので
はなく、例えば、位置．速度および圧力のフィードバッ
クに基づく制御則を用いても同様な効果かえられる。

また、本実施例において揺動型シリンダを用いたが、直
動型シリンダなど空気室の圧力差によって駆動する空気
圧アクチュエータにおいても同様な効果かえられる。

さらに、本実施例においてオンオフ弁を用いたが、比例
制御弁でも同様な効果かえられる。

発明の効果 以上のように本発明の空気圧駆動装置は、空気が流入あ
るい，は流出し圧力が変化する第１と第２の空気室と前
記空気室の間にあり移動可能な動作部とを有する空気圧
アクチュエータと、前記動作部により分割された第１の
空気室に空気を流入する少なくとも１つの第１の空気弁
と空気を流出する少なくとも１つの第２の空気弁と、第
２の空気室に空気を流入する少なくとも１つの第３の空
気弁と空気を流出する少なくとも１つの第４の空気弁と
、前記空気室群のそれぞれに目標流量に応じ１・９ て空気を流入あるいは流出するために前記空気弁の開口
量を制御することにより流量制御をする制御駆動部と、
前記動作部の動作状態である位置と前記空気室群の圧力
を検出する検出部と、前記検出部の出力信号である前記
動作部の位置と位置の差分により求まる速度および前記
空気室群の圧力と、目標位置を入力として前記動作部が
前記目標動作状態に従って移動するために必要な制御量
である空気弁の開口量を計算し、前記開口量信号が、流
量特性の不安定部分の影響を受ける場合、前記空気弁群
の流入側と流出側の両方を前記開口量に相当する流量差
を生じさせるように流量特性の不安定部分の影響を受け
ない開口量によって駆動させ、空気圧駆動装置において
流量特性の不安定部分の影響を除去することによって微
小流量の制御が容易かつ正確にでき、任意の目標位置に
対する高速高精度位置決め動作を容易に実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における空気圧駆動装２０ 置の全体図、第２図は同空気圧駆動装置における空気圧
駆動揺動型シリンダの詳細図、第３図は同空気圧駆動装
置における動作制御部の詳細図、第４図は同空気圧駆動
装置におけるオンオフ弁の人出力特性図、第５図は従来
の空気圧駆動装置の一例の全体図、第６図は従来の空気
圧駆動装置の他の一例の全体図である。 １・・・・・・空気圧揺動形シリンダ、２・・・・・・
ベーン、３ａ，３ｂ・・・・・・空気室、４・・・・・
・圧縮空気源、５ａ，５ｃ・・・・・・空気室３ａに対
応するオンオフ弁、５ｂ，５ｄ・・・・・・空気室３ｂ
に対応するオンオフ弁、６ａ６ｂ・・・・・・空気室３
ａ，３ｂに対応する圧カセンサ、７・・・・・・位置検
出センサ、８・・・・・・負荷、９ａ，９ｃ・・・・・
・オンオフ弁５ａ，５ｃのＰＷＭ駆動回路．、９ｂ９ｄ
・・・・・・オンオフ弁５ｂ，５ｄのＰＷＭ駆動回路、
１０・・・・・・動作制御部。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）空気が流入あるいは流出し圧力が変化する第１と
   第２の空気室と前記空気室の間にあり移動可能な動作部
   とを有する空気圧アクチュエータと、前記動作部により
   分割された第１の空気室に空気を流入する少なくとも１
   つの第１の空気弁と空気を流出する少なくとも１つの第
   ２の空気弁と、第２の空気室に空気を流入する少なくと
   も１つの第３の空気弁と空気を流出する少なくとも１つ
   の第４の空気弁と、前記空気室群のそれぞれに目標流量
   に応じて空気を流入あるいは流出するために前記空気弁
   の開口量を制御することにより流量制御をする制御駆動
   部と、前記動作部の動作状態である位置と速度を検出す
   る検出部と、前記検出部の出力信号である前記動作部の
   位置と速度および目標動作状態である前記動作部の目標
   位置を入力として前記動作部が前記目標動作状態に従っ
   て移動するために必要な制御量である空気弁の開口量を
   計算し、前記空気弁を駆動させる開口量信号を前記空気
   弁のそれぞれの前記制御駆動部に出力する動作制御部と
   を備え、前記動作制御部は、前記開口量が弁特性の任意
   の領域内を与える場合、第１の空気室においては第１の
   空気弁と第２の空気弁の両方を、また第２の空気室にお
   いては第３の空気弁と第４の空気弁の両方を前記領域外
   の弁特性を与える開口量によって前記空気弁を駆動する
   ように前記開口量信号を前記制御駆動部に出力すること
   を特徴とする空気圧駆動装置。
2. （２）空気弁はオンオフ弁で、開口量は開口時間であり
   、制御駆動部は開口時間を制御することにより流量を制
   御するパルス幅変調制御駆動部であることを特徴とする
   請求項（１）記載の空気圧駆動装置。
3. （３）制御量である開口量が弁特性の任意の領域内を与
   える場合、第１の空気室においては第１の空気弁と第２
   の空気弁の一方を、また第２の空気室においては第３の
   空気弁と第４の空気弁の一方を領域外の弁特性を与える
   開口量によって前記空気弁を駆動するように動作制御部
   が開口量信号を制御駆動部に出力するとともに、他方の
   弁には一方の弁の開口量に前記動作制御部が計算した前
   記制御量である開口量を加えた、あるいは減じた量によ
   って前記空気弁を駆動するように動作制御部が開口量信
   号を制御駆動部に出力することを特徴とする請求項（１
   ）記載の空気圧駆動装置。
4. （４）検出部は、空気室群の動作部に加わるそれぞれの
   圧力を検出する圧力検出部を有しており、動作制御部は
   、前記圧力検出部のそれぞれの圧力信号の差を入力とし
   て動作部が目標動作状態にしたがって移動するために必
   要な開口量を計算し、開口量信号を空気室群のそれぞれ
   の制御駆動部に出力することを特徴とする請求項（１）
   記載の空気圧駆動装置。
5. （５）空気弁はその流量特性において線形な安定部分と
   特性の変動する不安定部分を有しており、弁特性の任意
   の領域とは、前記流量特性における不安定部分を意味し
   、開口量が前記領域内を与える場合、前記流量特性にお
   いて不安定部分である流量を生じさせる開口量信号によ
   って前記空気弁を駆動することになるので、動作制御部
   は開口量が前記領域外であり前記流量特性において安定
   部分である流量を生じさせる開口量信号を制御駆動部に
   出力し、前記空気弁を駆動することにより、前記流量特
   性における不安定部分の影響を除去する効果を有してい
   る請求項（１）記載の空気圧駆動装置。
6. （６）空気弁は比例制御弁で、開口量は開口面積であり
   、制御駆動部は開口面積を制御することにより流量を制
   御する制御駆動部であることを特徴とする請求項（１）
   記載の空気圧駆動装置。