JPS6069301A - 空気圧シリンダ装置 - 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】 本発明は、空気圧シリンダおよびこの空気圧シリングの
動作を制御する弁等からなる空気圧シリンダ装置に関す
る。

マニピュレータの駆動源として空気圧を利用することは
、圧力フィードバックが簡単に得られるので、パイラテ
ラル制御で圧力制御を行うのに有利である。また、機器
の取り扱いが容易であるとともに、油圧装置の場合のｊ
；うに油による汚染の虞がな（清潔であるという利点も
ある。

しかし、空気の圧縮性や摩擦等の非線形要素が大きいた
め、従来は、このようにマニピュレータの駆動源どして
空気圧を利用する場合には、位置制御や速度制御が困難
であるとされていた。

そして、これまで、マニピュレータを空気圧で駆動する
ため、オン・オフ弁を用いてピストンロンドに機械的に
ブレーキをかける方式や、Ｐ　Ｗ　Ｍ方式、Ｐ　Ｆ　Ｍ
’方式等が研究されており、ノズルフラッパ方式の空気
圧サーボ弁も実用化されているが、これらの方式は、い
ずれも装置の構造が複雑となって大型化し、コストが高
くなるという欠点があり、このことは、特にマニピュレ
ータを多自由度化しようとする場合には大きな支障とな
っていた。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、
従来より著しく小型化、低価格化が可能な空気圧シリン
グ装Ｐ７を提供することを目的とする。

な、１３、参トまでにＪｊべろと、本発明におけるよ・
）なブ？ど空気圧シリンダとの接続方式以外に、第１図
４３よび第２図に示すＪ：うな弁と空気圧シリンダとの
接続方式ら考えられる。

′！Ｊなわち、まず第１図の方式においては、弁１の入
［」側に、空気圧源から供給圧Ｐｏが供給される１、イ
して、この弁１の出口側おＪ：び弁２の入口側は、単動
空気圧シリンダ３のポート４に接続される。また、＋）
ｊ＋記弁２の出１］側は大気に開放される。ざらに、シ
リンダ３のピストン５とシリンダ１」−プロの端部との
間には、圧縮バネ７が介装される。

でして、弁２を閉じるとももに、弁１を聞いてピストン
５に作用づる圧力Ｐを高めれば、ピストン５はバネ７に
抗して図上右方に移動し、ピストンロッド８は引き込ま
れる。

他方、弁１を閉じるとともに、弁２を聞いてピストン５
に作用する圧力Ｐを下降させれば、ピストン５はバネ７
の力により図上左方に移動され、ピストンロッド８は押
し出される。

しかし、この第１図のような方式では、バネ７に抗して
ピストン５を移動させることにより、出ツクが低下する
という欠点が生じてしまう。また、バネ７で復帰する過
程におりる速度制御が困デ１であるという欠点もある。

他方、第２図の方式においては、弁９および弁１０の入
口側に空気圧源から供給圧ｐｏが供給される。イして、
弁９の出口側ａ３よび弁１１の入口側は複動空気圧シリ
ンダ１２のロッド′側のポー１−１／Ｉａに接続され、
弁１０の出口側および弁１３の入口側はシリンダ１２の
ヘット側のポート１４１）に接続される。また、弁１１
および弁１３の出口側は大気に開放される。なお、１５
はピストンロツド、１６はピストンである。

この第２図の方式においては、ピストンロッド１５を引
き込みたいとぎは、弁９，１０，１１゜１３を用いて、
ロンド側シリンダ内圧Ｐ１を高める一方、ヘッド側シリ
ンダ内圧Ｐ２を降下させる。

また、ピストンロッド１６を押し出したいときは、弁９
，１０，１１．１３によりＰｌを降下させる一方、Ｐ２
を上昇させる。

しかしながら、このような第２図の方式では、１つのシ
リンダ１２について、４個の弁が必要となり、装置を十
分に小型化することができなくなるとともに、制御も複
雑になるという欠点が生じてしまう。

ここにおいて、本発明による空気圧シリンダ装置は、ピ
ストンの両側の有効面積に差を設けられた複動空気圧シ
リンダを２つの弁によって制御することにより、上述の
目的を達成するものである。

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。

第３図において、１７は複動空気圧シリンダであり、シ
リンダチューブ１８、ピストン１つ、ピストンロッド２
０．ロッド側ポート２１．およびヘッド側ボー１〜２２
等を有してなる。ここで、この複動空気圧シリンダ１７
のピストン１９の両側の有効面積は異なる。すなわち、
ピストン１９のヘッド面１９ａの断面積をＡＨ、ロッド
の断面積をＡＲとすると、ピストン１９のロッド側面１
９ｂの断面積は＜ＡＨ−ＡＲ）となっている。

前記ロッド側ポート２１は、供給圧ＰＯを供給する空気
圧源（図示せず）および第一の弁２３の入口側に接続さ
れている。また、ヘッド側ポート２２は第一の弁２３の
出口側および第二の弁２４の入口側に接続されている。

そして、第二の弁２４の出口側は大気に開放されている
。

第４図は前記第一の弁２３および第二の弁２４の詳細を
示す断面図であり、本実施例では、第一の弁２３および
第二の弁２４の両方が同一のケース３１内に組み込まれ
ている。次に、これについて説明する。

ケース３１内には、仕切壁３２により互いに仕切られた
第一の部屋３３および第二の部屋３４が形成されている
。３５は供給圧管であり、この供給圧管３５の一端部は
ケース３１外に突出し、他端部は第一の部屋３３内に侵
入している。また、この供給圧管３５の中空部は供給圧
通路３６を形成しており、該通路３６は前記空気圧源お
よびシリンダ１７のロッド側ボー１〜２１に接続されて
いる、１８１°だ、前記供給圧通路３６の、第一の部屋
３３側の端部に（ｊ、弁座３７が形成されている。

前記第一の部屋３３内には、磁性体からなる大略二重円
筒状の磁極材３８が固定されており、この磁極材３８の
内筒部３８ａと外筒部３８１）との間には、コイル３９
が収容されている。

前記磁極材３８とケース３１との間には、磁性体ｆ’ｓ
　＋うなる円板状の磁極材４０が遊嵌されており、この
磁極材４０と弁座３７との間には、球状の弁体４１が収
容されている。ここにおいて、本実施例では、前記供給
圧通路３６、弁座３７、磁極材３８、コイル３９、磁極
材４０および弁体４１等によって第一の弁２３が構成さ
れている。

前記第一の部屋３３と第二の部屋３４とは、ケース３１
内に設けられた放圧孔７！Ｉ４を介して連通されており
、この放圧孔４４の先端部には、弁座４５が形成されて
いる。前記第二の部屋３４内に（Ｊｌ、磁性体からなる
大略二重円筒状の磁極材４６が固定されてａ３す、この
磁極材４６の内筒部／１６ａと外゛筒部４６１］との間
には、コイル４７が収容されでいる。前記磁極材４６と
ケース３１との間には、磁性体からなる円板状の磁極材
４８がＴ１１Ｎされており、この磁極材４８と弁座４５
との間には、球状の弁体４９が収容されている。ここに
おいて、本実施例では、前記放圧孔４４、弁座／１５、
磁極材４６、コイル４７、磁極材４８および弁体４９等
によって第二の弁２４が構成されている。

また、前記ケース３１には、第一の部屋３３に連通され
る出力圧口５０と、第二の部屋３４に連通される開口５
１とが設けられている。そして、前記出力圧口５０はシ
リング１７のヘッド側ボート２２に接続され、開口５１
は大気に開放されている。

次に、本実施例の作動を説明する。

まず、第一の弁２３および第二の弁２４の作動を説明す
る。

第一の弁２３（第二の弁２４）において、コイル３９（
４，７）に電流を流すと、磁極材３８と４Ｏとの間（Ｇ
ｉｔ　１！ｉ材／Ｉ６と４８との間）に電磁引力が作用
する結果、磁極材４０（４８）が弁体４１〈４９）を弁
座３７（４５）に向って押し、第一の弁２３（第二の弁
２４）を閉じようとする。また、］イル３９（４７＞に
電流を流さなければ、前記Ｍｌｉｔ引力は生じないので
、第一の弁２３（第二の弁２／ｌ）は聞かれる。

そして、第一の弁２３を開く一方、第二の弁２４を閉じ
れは、出力圧口５０に得られる圧力、すなわちヘッド側
シリンダ内圧Ｐは上昇し、逆に。

第一の弁２３を閉じる一方、第二の弁２４を開けば、ヘ
ッド側シリンダ内圧Ｐは下降する。

さらに詳しく言うと、ヘッド側シリンダ内圧Ｐは、次の
ようにして定まる。すなわち、第一の弁２３において磁
ｌｆｉ材３８．４０間に作用する電磁引力をｆ　＋　’
＋弁座３７の有効断面積をＡとすると、弁体４１に作用
する力のバランスにより、次式が成立する。

ｐｏ△≦ｆ　、　十ｐ△　・＜　１　＞ただし、Ｐθ≧
Ｐ≧Ｏである。

ここで、注意すべきは、（１）式が必ず成立するのは、
ヘッド側シリンダ内圧Ｐを上昇させる過程においてのみ
であることである。これは、第一の弁２３のみでは、空
気を抜くことができないので、ヘッド側シリンダ内圧Ｐ
を下げることができないからである。

他方、第二の弁２／ｌにおいて、磁極材４６．４８間の
電磁引力を［２、弁座４５の有効断面積をΔ（弁座３７
と同一）とり−ると、弁体４９に作用する力のバランス
により、次式が成立する。

ＰＡ≦ｆ２　・・・（２） ここで、注意すべきは、（２）式が必ず成立するのは、
ヘッド側シリンダ内圧Ｐを下降させる過程においてのみ
であることである。これは、第二の弁２４は空気を放出
するのみて、ヘッド側シリンダ内圧Ｐを上昇させること
はできないからである。

以上のことから明らかなＪ−うに、ヘラ１〜側シリンダ
内圧Ｐは、第一の弁２３のコイル３９および第二の弁２
４のコイル７１７に流す電流の大きさににり制御できる
。

さて、この空気圧シリンダ装置においては、上述のよう
にして、第一の弁２３および第二の弁２１によりヘッド
側シリンダ内圧Ｐを調整することにより、空気圧シリン
ダ１７を動作させる。ここで、注意すべきは、この装置
においては、ヘッド側シリンダ内圧Ｐは最高でも供給圧
ｐｏまでしか上昇させることができないが、それでも、
Ｐをある値までＴＲさせれば、ピストン１９を、同ピス
トン１９の両側の有効面積の差に３ｉｔづいて、ロッド
２０を押し出ず方向に移動させることができることであ
る。

さらに詳しく言えば、ピストン１９に作用づ゛る力Ｆは
、ロッド２０が引き込まれる方向を正とすると、 Ｆ＝Ｐｏ　（△Ｈ−ΔＲ）−ＰΔＨ・＝（，３）となる
。した′ｙｆＪ人って、仮にピストンｊつとシリンダチ
ューブ１８どの間の摩擦力がＯで、かつ無負荷状態とす
ると、 Ｐ＜Ｐｏ　（ΔＨ−ＡＲ）／ＡＨ ならば、ピストン１９は、ロッド２０が引ぎ込まれる方
向に移動し、逆に、 ｐ＞ｐｏ　（ＡＨ−ＡＲ）／ＡＨ ならば、ピストン１つはロッド２０が押し出される方向
に移動づる。

ここにおいて、このシリンダ装置では、２個の弁２３．
２４のみを用いてシリンダ１７を制御するので、構造が
極めて簡単となり、従来より著しく小型化、低価格化が
可能となるとともに、制御も容易になる。

また、ピストン１９の両側に圧力をかけた状態で、シリ
ンダ１７を動作さぜることができるので、位置制御ｆｌ
を行う場合において、オーパージコートを少なくするこ
とができる。

次に、本発明による空気圧シリンダ装置を用いて４ノ−
−ボ系を構成し、マニュピレータの肘関節角のフィード
バック制御を行った実施例を説明する。

第５図において、アーム６０および６１は、結合軸６２
を介して回動自在に結合されている。１７は第３図に示
した複動空気圧シリンダと同じものであり、この図には
図示していないが、前記第４図に示した第一の弁２３お
よび第二の弁２４、並びに空気圧源に前記実施例の場合
と全く同様に接続されている。

イして、前記シリンダ１７の、ピストンロッド２０の先
端部は、アーム６１の中間部に結合軸６５を介して回動
自在に結合されている。また、前記シリンダ１７のシリ
ンダチューブ１８はバー６３の一端部に結合軸６４を介
して回動自在に結合され、該バー６３の他端部はアーム
６０の中間部に結合軸６６を介して回動自在に結合され
ている。

したがって、ピストンロッド２０が押し出されると、ア
ーム６０．６１の結合部によって構成される肘関節は開
かれる一方、ピストンロッド２０が引き込まれると、前
記関節は閉じられる。

次に、この関節角のフィードバック制御を理論的に解析
する。

まず、各変数を以下のように設定する。

Ｐｏ　：供給圧（ｋｏ／　ｃｍ’　） Ｐ　：ヘッド側シリング内圧（ｋｏ／ｃｎ＋２）八日：
ピストンヘッド断面積（ｃｍ’　）△Ｒ；ピストンロッ
ド断面積〔Ｃ「〕 Ｖ　：ヘッド側シリンダ容積（ｃｍ”　）（線形化する
ため一定値とする） Δ　：弁座３７．４５（７）開口断面積（ｃｍ’　）ｇ
ｉ、ｇｏ：第一の弁２３および第二の弁２４における流
量（ｋ（＋／　ａｅｃ　） ｖｉ、ｖｏ：第一の弁２３および第二の弁２４への供給
電圧（Ｖ） ｆｉ、　ｆｏ：第一の弁２３ｃθよび第二の弁２４の絞
り力（ｋｑ） Ｃｆ　：第一の弁２３および第二の弁２４の弁部の流量
抵抗係数（ｓｅｃ） Ｊ　：肘部の慣性モーメント （ｋｇ−ｃｍ−ｓｅｃ　２　／ｒａｄ　）Ｂ　：肘部の
粘性制動係数 （ｋａ　−ｃｍ　−ｓｅａ　／　ｒａｄ　）ＫＣ：肘部
の等価バネ定数（ｋｇ　・ｃｍ／　ｒａ＋１　）θ　：
関節部の角変位〔１゛旧１）（第５図において（Ａ）方
向） α　：Ｏ〜１（θの値により変化〉 Ｒ：結合軸６２．６５間の距離（ｃｍ）次に、第一の弁
２３おにび第二の弁２４については、 ｆｉ　＝Ｋｖ　ｖｉ、’ｆｏ＝Ｋｖ　ｖｏ　、−（４）
と仮定でさる（ＫＶは比測定ｖｌ）。また、流量につい
ての関係式は、 （Ｉｉ＝　（ＰｏＡ−ｆｉ−ＰＡ）１０ｆ　・　（５）
（ＩＯ−（ＰＡ−ｆｏ）　／Ｃｆ　−＝　＜６）とめら
４″ｌる。さらにヘッド側シリンダ内圧Ｐの時間的変化
は、気体の状態方程式より、ｄＰ　／　ｄｔ　＝　Ｋ　
（Ｑｉ　−！１０）　／　Ｖ　・・・　（７）という関
係があるくただし、Ｋは比例定数）。ピストンヘッドに
作用する力Ｆは、既に）ホべたように（３）式で示され
るから、肘部運動方程式は、Ｒα　（Ｐｏ　（Ａ　Ｈ−
△　Ｒ）−Ｐ　△　ト（）＝Ｊ　（ｃｌ　′ｅ／ｄｖ　
）　−１−Ｂ　（ｄθ／ｄｔ）＋　１く　ＣＯ・・・　
（８） と表せる。Ｊメ上（４）〜（８）式をブロック線図に示
したものが第６図の破線で囲った部分である。

以上の解析により得られた機械的な系より、協調制御を
行なうために角度系を構成したものが第６図である。同
図において、ＶＭはマスター設定電圧、ｌ」＋、Ｈｚは
電気的な補償要素、［）ｏはバイアス電圧、Ｋｆはボテ
ンシ〕メータのフィードバックゲインである。同図のＨ
＋、Ｈ２は、圧力制御における補償と同じである。

Ｈ＋　（ｓ）＝（１＋△ｉ　Ｓ　）／Ｔｉ　ｓ！」２　
（Ｓ）＝（１＋Δｏｓ）／ＴｏＳを挿入して制御を試み
たが、振動を生じてしまい、角度フィードバック信号に
微分補償を組込んで振動を抑えようとしても大−ぎな成
果は得られなかった。

そこで、圧力のマイナーフィートバックループを設けて
ヘッド側シリンダ内圧Ｐの安定化を試みた。その制御シ
ステムを第７図に示づ。ただし、この方法の場合、第６
図で示される系にそのままループを設けても制御不能ど
なるので、ここではθを第５図の（Ｂ）のような方向に
変更している。

これにより制御可能な状態が得られ、また、Ｋ１（比例
定数）を安定性を損なわない範囲内で上げてやれば、定
常偏差を十分少なくすることができた。

なお、第７図のサーボ系によれば、上述のように定常偏
差を小さくできるのみならず、応答速度を速くすること
ができる。それは、第７図のサーボ系では、第一の弁２
３と第二の弁２４とが電気回路により結合されており、
第一の弁２３と第二の弁２４どの結合部に、従来の空気
圧サーボ系におけるノズルフラッパ等に相当する機械系
が存在しないからである。

以−りのように、本発明による空気圧シリンダ装置は、
ピストンの両側の有効面積に差を設けられた複動空気圧
シリンダを２つの弁によって制御ｌｌすることにＪ：す
、従来Ｊ：り茗しく小型化、低価格化が可能であり、か
つ位置制御を行う場合においてΔ−バーシュー１〜を小
さくすることができるという優れた効果を得られるもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は１１勅空気圧シリンダを２つの弁を用いて制御
する空気圧シリンダ装置を示す概略断面図、第２図は複
動空気圧シリンダを４つの弁を用いて制御づる空気圧シ
リンダ装置を示ず概略断面図、第３図は本発明による空
気圧シリンダ装置の一実施例を示す概略断面図、第４図
は前記実施例における第一の弁および第二の弁の詳細を
示す断面図、第５図は前記実施例による空気圧シリンダ
装置を用いて構成された、マニピュレータの削関節角を
制御するサーボ系の機械的部分を示す概略構成図、第６
図は前記サーボ系において圧力フィードパックループを
設けない場合のブロック線図、第７図は前記サーボ系に
Ｊ５いて圧力フィードパックループを設けた場合のブロ
ック線図である。 １７・・・複動空気圧シリンダ、１８・・・シリンダヂ
コーブ、１つ・・・ピストン、２３・・・第一の弁、２
４・・・第二の弁。 特許出願人　イル藤　誠〜 代理人　弁理士　大森　泉 第１図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ピストンの両側の有効面積に差を設けられた複動空気圧
   シリンダと、第一の弁と、第二の弁とを有してなり、前
   記空気圧シリンダの前記ピストンの有効面積が小さい側
   のポートおよび前記第一の弁の入口側は、空気圧源から
   一定の供給圧を供給され、前記第一の弁の出口側は前記
   空気圧シリンダの前記ピストンの有効面積が大きい側の
   ポートおよび第二の弁の入口側に接続され、前記第二の
   弁の出口側は前記供給圧より低い圧力に維持されること
   を特徴とする空気圧シリンダ装置。