JPS60249705A - 空気アクチュエータの位置決め制御方法 - 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】 ［技術分野］ 本発明は流体アクチュエータの位置決め制御方法、特に
オン・オフ制御弁からアクチュエータの左右作動室に圧
力流体を供給して迅速かつ正確にアクチュエータを位置
決めする改良された方法に関するものである。

［従来技術］ 油圧あるいは空圧を用いて各種装置の駆動あるいは位置
決めを行う装置が周知であり、流体アクチュエータとし
て各種産業分野において用いられている。これらの流体
アクチュエータは従来主として産業機械において利用さ
れてきたが、近年において、広範囲の分野で特にロボッ
トの制御として利用され、この結果、従来より苛酷な条
件下・・において迅速かつ正確な位置決めを行うアクチ
ュエータが要望されている。

一般的な流体アクチュエータはオン・オフ制御弁によっ
て左右作動室へ所定の圧力流体を送り込み、この圧力流
体の供給量により所望の位置決めを行う構造からなるが
、前記制御弁の開閉制御のみによって１００μｍ以下の
位置決め精度を達成し、かつ与えられた移動範囲内での
迅速な位置決め作用を行うためには、従来の比較的ラフ
な流体アクチュエータでは到底所望の制御作用を得るこ
とは不可能であった。

従来においても、このような流体アクチュエータを改良
して高精度停止位置制御を行うことのできるいくつかの
改良がな゛されており、例えば特開昭５８−１７４７０
１においては、電磁弁の応答遅れを予め予測し、所定の
演算結果に従って油圧シリンダを停止制御する装置が提
案されており、特にこのような流体アクチュエータで起
こり易いハンチングのない位置決め作用を期待した装置
として提案されているが、このような従来装置において
も、依然として要望される高精度の位置決めを達成する
ことはできなかった。

［発明の目的］ 本発明は上記従来の課題に鑑みなされたものであり、そ
の目的は、簡単な構成によって従来得られなかった高精
度の位置決め及び迅速な駆動作用を両立させ得る改良さ
れた位置決め制御方法を提供することにある。

［発明の構成］ 上記目的を達成するために本発明は、アクチュエータの
移動を高速域と低速域とに分離し、所望の目標位置近傍
に達するまでは十分に大きな初期駆動力を与えて高速度
で移動を行い、かつ目標位置近傍に予め設定された低速
域ではアクチュエータの左右作動室の圧力を増加させな
がら低速送りを行い、これによって高精度の位置決めを
達成したことを特徴とする 特に、本発明においては、前記高速域における初期駆動
力は左右作動室の一方に供給源圧力を印加しながら他方
の作動室を解放状態にして最大高速を得、また目標位置
近傍の低速域では一方の作動室に供給源圧力を印加し続
けるとともに他方の作動室を徐々に閉状態とし、これに
よって低速域ではアクチュエータの移動速度を低下させ
るとともにアクチュエータを両側から徐々に高い圧力で
押えつけながら停止させること特徴とし、これによって
、所望の目標位置ではアクチュエータが外乱に対して大
きな抗力にて位置決めされることとなる。

［実施例の説明１ 以下図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する。

流体アクチュエータの構成 第１図には本発明に係る流体アクチュエータをバタフラ
イ弁の回転角制御に用いた実施例が示されており、本発
明が適用される流体アクチユエータ１０は空気圧を駆動
源とする。アクチュエータ１０の往復移動は基台１２に
軸支された駆動軸１４によってバタフライ弁１６に伝達
され、アクチュエータ１０内部でのピストン往復移動に
てバタフライ弁１６の開度θが目標値に合致される。

流体アクチュエータ１０の内部には後述するオン・オフ
制御弁を含む空圧切換回路が設けられており、前記オン
・オフ制御弁は制御回路ブロック１８からの電気的指令
信号によってオン・オフ制御されている。

更に、本実施例の装置は前記アクチュエータ１０の往復
動と連動するポテンショメータ２０を含み、その制御量
が電気的信号として検出されている。

第２図には本実施例におけるアクチュエータ１０及びそ
の空圧切換回路２２の概略図が示されており、空圧アク
チュエータ１０はシリンダ２４内を往復移動するピスト
ン２６を含み、該ピストン２６の往復動がレバー２８を
介して前述した駆動軸１４の回転に変換されている。

前記空圧切換回路２２は４個のオン・オフ制御弁Ｖ　、
Ｖ２．Ｖ３．■４を含み、合弁Ｖはそれぞれ弁座に対し
て閉止状態にスプリング付勢されたボール弁を含み、ま
た励磁コイルへの電気的な励磁信号の印加によって前記
スプリングに抗して各ボール弁を開口することができる
。

前記オン・オフ制御弁Ｖ１．Ｖ２は供給源Ｐ８と連通し
ており、またオン・オフ制御弁Ｖ３゜ｖ４は外部Ｅ×に
開放している。

そして、制御弁■　、Ｖ３の出側Ｃ１は前記アクチュエ
ータ１０の左作動室りに連通し、また制ｍｖ２．ｖ４の
出側Ｃ２はアクチュエータ１０の右作動室Ｒと連通して
いる。

従って、図示した合弁Ｖ１．■２．■３．Ｖ４の閉塞状
態から■１が開けば供給源圧力Ｐ８が左作動室［に供給
されてピストン２６は右方向へ移動し、一方制御弁Ｖ２
が開けば供給源圧力Ｐ８がアクチュエータ１０の右作動
室Ｒに供給されてピストン２６が左へ移動することとな
る。更に、制御弁ｖ３の開放は左作動室りを大気に開放
し、また制御量ｖ４の開放は右作動室Ｒを大気へ開放す
る。

第３図には前述したアクチュエータ１ｏの電気的な制御
回路が示されており、制御回路ブロック１８からの信号
が前記空圧切換回路２２の各バルブＶに供給され、この
結果空圧アクチュエータ１０のピストン２６が移動する
。そして、ピストン２６の移動量はポテンショメータ２
０にて電気的な信号として検出されて前記制御回路ブロ
ック１８にフィードバックされる。

制御回路ブロック１８は各種演算及び制御を行うＣＰＵ
３０を含み、該ＣＰＬ１３０には各種の制御データが供
給され、この制御データは前記ポテンショメータ２０か
らの現在位置信号θ及び目標位置信号θ　を含む。前記
目標位置信号θ６．は電流電圧変換器３２によって電圧
信号に変換され、更に後Ａ／Ｄ変換器３４によりデジタ
ル信号に変換された並列直列変換器（以下並直変換器と
いう）３６からＣＰＵ３０へ供給される。

同様に前記ポテンショメータ２０からの現在位置信号θ
もＡ／Ｄ変換器３４及び並直変換器３６を介してＣＰＵ
３０に供給される。ＣＰＵ３０には設定器３８から各種
の演算設定値が供給されており、これらの設定値及び前
記現在位置信号θ、目標位置信号をθ、所定の演算式に
基づいて演算し、これをバッファ回路４０から駆動回路
４２に供給し、駆動回路４２からの電気的なオン・オフ
制御信号が空圧切換回路２２の各バルブ■に供給される
。

アクチュエータ制御方法 本発明が適用される流体アクチュエータは概略前述した
構成からなり、以下に第２図におけるアクチュエータ２
６を右方向へ移動してバタフライ弁１６の駆動軸１４を
現在位置θｉから目標位置θ、まで迅速かつ正確に移動
する制御作用を説明する。

目標位置θ６は制御回路ブロック１８に外部からの設定
信号として入力され、前述したようにこの設定信号は電
圧信号に変換された後Ａ／Ｄ変換器３４及び並直変換器
３６からＣＰＵ３０へ読込まれる。

本発明において特徴的なことは、アクチュエータ制御が
少なくとも２段階に分離されて行われることであり、第
１段階は高速初期駆動力を得るための高速域であり、ま
た第２段階は目標位置近傍においてアクチュエータを低
速駆動して正しい位置に位置決め制御するための低速域
である。

前記低速域は目標位置近傍に予め設定され、実施例にお
いては固定領域として設定されており、第４図の作用説
明図から明らかように、低速域は目標位置θ　の両側に
それぞれ角度６１分設定されている。この設定角度θ１
は第３図から明らかなように、設定器３８よりＣＰＵ３
０ヘデジタル角度信号として供給され、例えば１〜８度
程度の間に設定することが好適である。

本発明においては、以上のように低速域が設定されると
、流体アクチュエータ１０にはその現在位置から低速域
に達するまで高速送りが行われ、この高速送りは本発明
においてアクチュエータ１０の一方の作動室に供給源圧
力ＰＳを印加、しながら他方の作動室を開放状態にする
ことにより最大初期駆動力を得る構成からなる。そして
、アクチュエータが低速域に達すると、一方の作動室に
供給源圧力を印加しながら他方の作動室の逃し弁を一部
閉制御し、徐々に左右作動室の圧力バランスを近付けな
がら所望の目標位置θ、への正確な位置決めを行わせる
ことができる。

更に、本実施例においては、最短時間で停止できるよう
前記高速域と低速域との間に制４動域を設けである。

すなわち、実施例の制動域では、一方の作動室に供給源
圧力を供給するとともに他方の作動室の逃し弁を全閉し
て制動作用を行わせ、あるいは同時に他方の作動室へも
供給源圧力Ｐ８を印加することにより急速な制動作用を
可能としている。

以下第４図及び第５図の作用説明図を用いて本実施例の
詳細な制御作用を説明する。

時刻０において、制御回路ブロック１８に目標位置信号
θ４が入力されると、第２図に示されるように、アクチ
ュエータ１０はバタフライ弁１６の駆動軸１４を時計方
向へ回転する作用を行い、このために、時刻０〜ｔ１位
置までの高速域では、第５図のごとく、オン・オフ制御
弁Ｖ１　、Ｖ４が開かれ、また制御弁■２．■３が閉じ
られる。

従って、この高速域では、供給源圧力Ｐ、は制御弁■１
からアクチュエータ１０の左作動室りに印加され、また
同時に制御弁ｖ４の開放によって右作動室Ｒは大気に開
放されるので、アクチュエータ１０のピストン２６には
右方向への最大駆動力が供給されることとなる。

前記アクチュエータ１０の移動行程において、アクチュ
エータ１０内のピストン２６の移動速度はＣＰＵ３０に
よって常時監視されており、実施例のバタフライ弁駆動
状態では、駆動軸１４の回転角速度が常時ＣＰＵ３０に
よって演算される。

すなわち、駆動軸１４の角速度Ｖ。は ｖ　＝（θ　−θ。−１）／ΔＴ ｎ としてめられる。ここで、ΔＴは設定器３８からＣＰＵ
３０に供給されるサンプリング周期であり、例えば１０
０ミリ秒程度に定めることが好適である。従って、本実
施例におけるバタフライ弁制御は１００ミリ秒ごとにそ
の角速度が監視され、以降の各制御もこのサンプリング
周期ΔＴによって同期制御されることとなる。

以上のようにして、高速域では、流体アクチュエータ１
０の一方の作動室に最大供給源圧力Ｐ。

が印加されるとともに、他方の作動室Ｒを開放するので
、極めて高速度の移動を行うことが可能となり、その角
速度も順次増加傾向にあるが、このような高速度の移動
と本発明における特徴的な低速域との調和を図るために
１本実施例においては、高速域と低速域との間に制動域
が設けられており、この制動域は前述した低速域の設定
と同様に固定値とすることもできるが、本実施例におい
ては、この１ｉ１１動域θ、をアクチュエータの移動速
度に応じて可変することを特徴としている。

すなわち、この制動域は前述した低速域の前段あるいは
手前側に設けられるが、この制動域値θは θ　−θＡ−θ１−α・　Ｖｎ　・ｌ　Ｖｏ１でめられ
る。すなわち、第４図から明らかなように、この制動域
値θ、は低速域値より更にα・Ｖｏ　・ｌｖ、Ｉだけ高
速域側に定められることが理解される。従って、性成か
ら明らかなように、この制動域値θ、はアクチュエータ
１０の速度が増加する程低速域より高速域側に移動し、
高速域と低速域との速度差が大きいほど制動域が長くな
るように定められる。

前記定数αは設定器３８からＣＰＬＩ３０へ供給されて
いる。

第４図の実施例において、時刻ｔ１においてアクチュエ
ータ１０の移動曲線は制動域値と一致し、この時刻ｔ１
から移動曲線が低速域値と一致する時刻ｔ２までが制動
域として作用する。

実施例における制動作用は基本的に一方の作動室しに供
給源圧力Ｐ８を供給しながら他方の作動室Ｒを閉塞密閉
することにあり、このために、時刻ｔ１においてオン・
オフ制御バルブ■４が閉止され、作動室Ｒの大気への開
放が遮断される。従って、ピストン２６は作動室りから
の供給源圧力ＰＳによって右方向へ移動されるが、他方
の作動室Ｒが密封されているので、徐々にその速廓が低
下することが理解される。

更に、実施例においては、前記制動作用を効果的に行う
ために、オン・オフ制御弁■２を開放し、これによって
、供給源圧力Ｐ、を直接前記大気への開放を遮断された
他方の作動室Ｒへも印加することを特徴とし、これによ
って、ピストン２６の両作動室し、Ｒには共に供給源圧
力が印加されることとなり、その制動作用は著しく高ま
る。

しかしながら、ピストン２６には既に所定の初速が与え
られているため、制動域においてピストン２６が停止に
至ることはなく、また実施例においては制動域値は常時
アクチュエータの速度を検出しながら変化しているため
、仮に制動域内でシリンダ２６が停止した状態において
も、この段階で制動域値は低速域値と一致してしまい、
流体アクチュエータ１０には再び高速域に復帰して所定
の駆動作用を継続することが可能となる。

時刻ｔ２においてアクチュエータ１ｏの移動曲線が低速
域値に一致すると、この状態から目標位置に達する時刻
ｔ３まで低速送りが達成される。

本発明における低速１ｉｌＪＩｊ作用は一方の作動室、
すなわ作動室りに供給源圧力ＰＳを印加しながら他方の
作動ｖＲを前記高速域における開放状態から一部ｍ止状
態に切換えることで行われる。

更に、本実施例においては、前記一部閉制御はパルス幅
制御からなることを特徴と２し、移動速度に応じたタイ
ミングで制御弁ｖ４の閉塞が間欠的に行われる。この間
欠＃１ＩＩｌは前述したサンプリング周期ΔＴによって
行われており、各サンプリング周期ΔＴの中で所定の演
算された時間Δｔだけ制御バルブＶ、４が開かれ残りの
（ΔＴ−Δｔ）時間は閉塞状態が維持される。

そして、前記制御時間Δｔの演算は Δｔ＝β１　（β２−ＩＶｏｌ） なる演算式に基づいて行われる。

すなわち、この演算式から明らかなように、アクチュエ
ータの移動速度が早い場合には制御時間Δｔは短時間１
となり、他方の作動室Ｒの閉塞時間が長くなるために大
きな制動作用が得られ、゛速度を迅速に低下させ、一方
アクチュエータ１ｏの移動速度が小さくなると制御１ｆ
Ｉ８１Ｉ！Δｔが増加し、作動室Ｒの開放時間が長くな
るために移動速度を早めるための方向への制御が行われ
る。

前記定数β１及びβ２も設定器３８からＣＰＵ３０に供
給されることは明らかである。

そして、本実施例においては、更に前記低速域での効果
を増大するために、他方の作動室Ｒはその大気への開放
が前述した制御時間Δｔによって開閉制御されるばかり
でなく積極的に他方の作動室Ｒへ供給源圧力Ｐ８の印加
が前記大気への開放と逆極性で与えられることを特徴と
する。

第５図から明らかなように、前述した作動室Ｒの大気へ
の開放を開閉制御するオン・オフ制御弁Ｖ　に対して作
動室Ｒへの供給源圧力Ｐ、の印加を制御するオン・オフ
制御弁■２は互いに逆極性で開閉制御され、この結果、
制御室Ｒが大気へ開放されるときには制御弁■２からの
供給源圧力ＰＳの供給は遮断され、作動室Ｒが大気から
遮断された状態で供給源圧力Ｐ８が印加されることとな
り、これによって、作動室Ｒは順次その内圧が供給源圧
力Ｐ８に近付くことが理解される。

実際上、移動曲線が目標位置θ、に達する時刻ｔ３では
、アクチュエータ１０の両作動室し及びＲは供給源圧力
Ｐ８にて充填されるよう各種の定数が定められる。

そして、時刻ｔ３において空圧切換回路２２の全部の制
御弁■１．■２．Ｖ３．■４は全て閉止され、前記両作
動室り及びＲへの供給源圧力Ｐ８が密封保持されること
となり、この状態で流体アクチュエータ１０のピストン
２６は位置決め固定され、前記高圧が両作動室し及びＲ
に印加されている結果、そのスチフネスは著しく高くな
り、外乱によっても容易に移動し、ない固定状態を得る
ことが可能となる。

本実施例においては、第４図から明らかなように、前記
目標位置θ　の両側にθ、だけのヒステリシス域が設け
られ、この間でのピストン２６の移動に対しては制御不
感帯が設定される。

第４図から明らかなように、実施例として示”した移動
曲線は位置決め後に時刻ｔ４にて前記ヒステリシス域を
越えてピストン２６が移動する状態を示すが、このよう
な位置決め不良が生じた特殊な場合においても、本実施
例によれば、目標位置θ、の反対側にも低速域が設けら
れてめり、前述した低速域と逆極性での戻り制御が行わ
れ、詳細には説明しないが第５図と同様゛に再び移動曲
線を目標位置θ、に戻し、迅速に安定位置を得ることが
可能となる。

前記ヒステリシス域の設定値θ、も設定器３８からＣＰ
ＩＪ３０に供給されている。

以上説明したように、本発明においては、最大の初期駆
動力を必要とする高速域においては、最大加速度での移
動を行わせ、次に目標域近傍の予め設定された低速域で
は両作動室の圧力を高めながら低速制御を行うことがで
き、目標位置にてスチフネスの高い極めて安定した停止
作用を行うことが可能となる。

なお、前述した各オン・オフ制御弁■の作動を行うため
の励磁コイル印加電流は周知のごとくその初期値のみ大
きくし制御弁が開放した後においてはその状態を保持す
るための小さな保持電流を供給する回路構成からなる。

なお、前述した実施例においては、低速域での他方の作
動室の逃し弁一部間制御は制御弁を間欠的に開閉制御す
るパルス幅制御で行われているが、各制御弁を複数の弁
集合体から形成し、この複数の制御弁から選択された所
定数の逃し弁を閉制御することによって、所望の低速送
り制御を行うことも可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、流体アクチュエ
ータの移動制御を高速域と低速域とに分離し、高速初期
駆動を行うとともに停止時においては密封圧力を充分に
高めた状態で正確な停止制御を行うことのできる改良さ
れた制御方法を提供可能であり、これによって、各種の
産業機器特にロボットの腕制御等に極めて良好な制御方
法を提供可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る流体アクチュエータの位置決め制
御方法が適用されるバタフライ弁回転角制御装置を示す
概略斜視図、 第２図は第１図の流体アクチュエータ及び空圧切換回路
を示す概略説明図、 第３図は第１図の制御回路を示すブロック図、第４図は
本発明の好適な実施例を示す作用説明図、 第５図は第４図において用いられる空圧切換回路のタイ
ミングチャート図である。 １０　・・・　アクチュエータ １８　・・・　制御回路ブロック ２０　・・・　ポテンショメータ ２２　・・・　空圧切換回路 ３０　・・・　ＣＰｔＪ　（中央処理装置）３８　・・
・　設定器 Ｖｌ、Ｖ２．Ｖ３．Ｖ４−ＩＩＩ御弁。 出願人　東京精密測器株式会社 代理人　弁理士　古田研二 （外１名） 第１図 ０ 第２図 Φ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）アクチュエータの左右作動室にオン・オフ制御弁
   から圧力流体を供給し左右作動室の圧力バランスにより
   アクチュエータを位置決めする流体アクチュエータの位
   置決め制御方法において、初期駆動力を得るため一方の
   作動室に供給源圧力を印加しながら他方の作動室を開い
   て高速移動を行い、目標位置近傍では一方の作動室に供
   給源圧力を印加しながら他方の作動室の逃し弁を一部閉
   制御する低速移動を行い、アクチュエータを目標位置に
   正確に位置決めすることを特徴とする流体アクチュエー
   タの位置決め制御方法。 （２、特許請求の範囲（１）記載の方法にあいそ、低速
   域での他方の作動室の逃し弁一部閉制御は間欠的に開閉
   制御を行うパルス幅制御により行われることを特徴とす
   る流体アクチュエータの位置決め制御方法。 （３）特許請求の範囲（１）記載の方法において、低速
   域での他方の作動室の逃し弁一部閉制御は複数の逃し弁
   から選択された所定数の逃し弁閉制御により行われるこ
   とを特徴とする流体アクチュエゝ−夕の位置決め制御方
   法。 （４）特許請求の範囲（２）記載の方法において、低速
   域での他方の作動室への供給源圧力の印加は逃し弁の開
   閉と逆極性で制御されること（特徴とする流体アクチュ
   エータ位置決め制御方法。 （５）特許請求の範囲（１）、（２）、（３）。 （４）のいずれかに記載された方法において、アクチュ
   エータが目標位置に到達した後両作動室に供給源圧力を
   印加した状態でオン・オフ制御弁を密閉保持することを
   特徴とする流体アクチュエータの位置決め制御方法。 （６）アクチュエータの左右作動室にオン・オフ制御弁
   から圧力流体を供給し左右作動室の圧力バランスにより
   アクチュエータを位置決めする流体アクチュエータの位
   置決め制御方法において、初期駆動力を得るため一方の
   作動室に供給源圧力な印加しながら他方の作動室を開い
   て高速移動を行い、目標位置近傍では一方の作動室に供
   給源圧力を印加しながら他方の作動室の逃し弁を一部閉
   制御する低速移動を行い、アクチュエータを目標位置に
   正確に位置決めするとともに前記低速域の前段に制動域
   が設定され、該制動域においては他方の作動室の逃し弁
   を閉じてアクチュエータに制動作用を与えることを特徴
   とする流体アクチュエータの位置決め制御方法。 （７）特許請求の範囲（６）記載の方法において、制動
   域では他方の作動室に供給源圧力を印加することを特徴
   とする流体アクチュエータの位置決め制御方法。 （８）特許請求の範囲（６）、（７）のいずれかに記載
   の方法において、制動域は低速域の手前に設けられた固
   定領域からなることを特徴とする流体アクチュエータの
   位置決め方法。 （９）特許請求の範囲（６）、（７）のいずれかに記載
   の方法において、制動域はアクチュエータの移動速度に
   応じて演算された可変領域からなることを特徴とする流
   体アクチュエータの位置決め制御方法。