JPH0249403B2

JPH0249403B2 -

Info

Publication number: JPH0249403B2
Application number: JP59107150A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Sasaki
Original assignee: TOKYO SEIMITSU SOKUKI KK
Current assignee: TOKYO SEIMITSU SOKUKI KK
Priority date: 1984-05-25
Filing date: 1984-05-25
Publication date: 1990-10-30
Also published as: JPS60249705A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は空気アクチユ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ユエータの
左右作動室に圧力空気を供給して迅速かつ正確に
アクチユ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。

［従来の技術］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、空気アクチユエータと
して各種産業分野において用いられている。これ
らの空気アクチユ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ツ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ユエータが要望さ
れている。

一般的な空気アクチユエータはオン・オフ制御
弁によつて左右作動室へ所定の圧力空気を送り込
み、この圧力空気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
みによつて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空気アク
チユエータでは到底所望の制御作用を得ることは
不可能であつた。

従来においても、このような空気アクチユエー
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58−174701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つて油圧シリンダ
を停止制御する装置が提案されており、特にこの
ような空気アクチユ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。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、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
成することはできず、特にいつたん定められた位
置から新たな指定位置への変位を迅速に高い応答
性で実現することができないという課題があつ
た。

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、簡単な構成によつて従来得ら
れなかつ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。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するために本発明の第１発明
は、アクチユエータの移動を高速域と低速域とに
分離し、領域制御を行い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ユエータの左右作動室の圧
力を増加させ両作動室の圧力をほぼ供給源圧力に
保持しながら低速送りを行い、これによつて高精
度の位置決めを達成したことを特徴とする。

特に、第１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、これによつて低速
域ではアクチユエータの移動速度を低下させると
ともにアクチユエータを両側から高い圧力で押え
つけながら任意位置に停止させること特徴とし、
これによつて、所望の目標位置ではアクチユエー
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。

更に、上記目的を達成するために、本発明の第
２発明は、前述した第１発明の構成に加えて、前
記低速域の前段に制動域を設定し、この制動域に
おいて、他方の作動室の逃がし弁を閉じて、アク
チユエータに制動作用を与えることを特徴とす
る。

［作用］従つて、本発明の第１発明によれば、アクチユ
エータの移動は、高速域と低速域とに分離した領
域制御にて行われ、高速域では作動室の他方が開
放状態とされて作動室の一方に供給源圧力を印加
するので十分に大きな初期駆動力を与えて高速度
の移動が行われ、また目標位置近傍に至ると、そ
れまで開放されていた作動室側も徐々にその圧力
が高められ、前述したごとき、所定位置まで低速
度でアクチユエータが移動制御される。

そして、第１発明によれば、所定の位置が得ら
れたときには、両作動室には高い圧力印加状態が
与えられており、この状態で新たな変位が望まれ
るときには迅速に現在位置からの移動が開始され
る。

また、本発明の第２発明によれば、前記低速域
の前段に制動域が設定されており、それまで高速
移動されていたアクチユエータは制動域にてそれ
までの高速移動が減速されて低速域の領域制御へ
受け渡される。

従つて、第２発明によれば、オーバーシユート
のない滑らかな速度制御を達成することが可能と
なる。

［実施例］以下図面に基づいて本発明の好適な実施例を説
明する。

空気アクチユエータの構成第１図には本発明に係る空気アクチユエータを
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空気アクチユエー
タ１０は空気圧を駆動源とする。アクチユエータ
１０の往復移動は基台１２に軸支された駆動軸１
４によつてバタフライ弁１６に伝達され、アクチ
ユエータ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。

空気アクチユエータ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ツク
１８からの電気的指令信号によつてオン・オフ制
御されている。

更に、本実施例の装置は前記アクチユエータ１
０の往復動と連動するポテンシヨメータ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ユエータ１
０及びその空圧切換回路２２の概略図が示されて
おり、空圧アクチユエータ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V₁，V₂，V₃，V₄を含み、各弁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
号の印加によつ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P_S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V₁，V₃の出側C₁は前記アクチ
ユエータ１０の左作動室Ｌに連通し、また制御
V₂，V₄の出側C₂はアクチユエータ１０の右作動
室Ｒと連通している。

従つて、図示した各弁V₁，V₂，V₃，V₄の閉塞
状態からV₁が開けば供給源圧力P_Sが左作動室Ｌ
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P_Sがアクチユエ
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Ｌを大気に開放し、また制御便
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ユエータ１０の電気
的な制御回路が示されており、制御回路ブロツク
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ユエータ１
０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ヨメータ２０にて電気的
な信号として検出されて前記制御回路ブロツク１
８にフイードバツクされる。

制御回路ブロツク１８は各種演算及び制御を行
うCPU３０を含み、該CPU３０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
シヨメータ２０からの現在位置信号θ及び目標位
置信号θ_Aを含む。前記目標位置信号θ_Aは電流電圧
変換器３２によつ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ヨメータ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CPU３０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_A所定の演算式に基づいて演算し、
これをバツフア回路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Ｖに供給され
る。

アクチユエータ制御方法本発明が適用される空気アクチユエータは概略
前述した構成からなり、以下に第２図におけるア
クチユエータ２６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θ_iから目標位置θ_A
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θ_Aは制御回路ブロツク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。

本発明の第１発明において特徴的なことは、ア
クチユ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ユ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なように、低速域
は目標位置θ_Aの両側にそれぞれ角度θ₁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CPU３０へデジタル角度
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、空気アクチユエータ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ユエータ１
０の一方の作動室に供給源圧力P_S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、アクチユ
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_Aへの正確な位置決
めを行わせることができる。

更に、本発明の第２発明においては、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
動域を設けてある。

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P_S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、制御回路ブロツク１８に目標
位置信号θ_Aが入力されると、第２図に示されるよ
うに、アクチユエータ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V₂，V₃が閉じられる。

従つて、この高速域では、供給源圧力P_Sは制御
弁V₁からアクチユエータ１０の左作動室Ｌに印
加され、また同時に制御弁V₄の開放によつて右
作動室Ｒは大気に開放されるので、アクチユエー
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。

前記アクチユエータ１０の移動行程において、
アクチユエータ１０内のピストン２６の移動速度
はCPU３０によつ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によつて演算される。

すなわち、駆動軸１４の角速度v_oは v_o＝（θ_o−θ_o-1）／ΔT として求められる。ここで、ΔTは設定器３８か
らCPU３０に供給されるサンプリング周期であ
り、例えば100ミリ秒程度に定めることが好適で
ある。従つて、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によつて
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、空気アクチユ
エータ１０の一方の作動室に最大供給源圧力P_S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、第２発明においては、
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、この制動域θ_pをアクチユ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_p
は θ_p＝θ_A−θ₁−α・v_o・｜v_o｜で求められる。すなわち、第４図から明らかなよ
うに、この制動域値θ_pは低速域値より更にα・
v_o・｜v_o｜だけ高速域側に定められることが理解
される。従つて、前式から明らかなように、この
制動域値θ_pはアクチユエータ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CPU３０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
チユエータ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Ｌに供給源圧力P_S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V₄が閉止され、
作動室Ｒの大気への開放が遮断される。従つて、
ピストン２６は作動室Ｌからの供給源圧力P_Sによ
つ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、徐々にその速度が低下するこ
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V₂を開放し、
これによつて、供給源圧力P_S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、これによつて、ピストン２６の両
作動室Ｌ，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ユエータの速度を検
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、空気ア
クチユエータ１０には再び高速域に復帰して所定
の駆動作用を繰続することが可能となる。

時刻t₂においてアクチユエータ１０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制御作用は一方の作動室、
すなわ作動室Ｌに供給源圧力P_Sを印加しながら他
方の作動室Ｒを前記高速域における開放状態から
一部閉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。この間欠制御は前述したサンプリン
グ周期ΔTによつて行われており、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V₄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−｜v_o｜）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
クチユエータの移動速度が早い場合には制御時間
Δtは短時間となり、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、一方アクチユエータ１０の移
動速度が小さくなると制御時間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によつて
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P_S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
V₄に対して作動室Ｒへの供給源圧力P_Sの印加を
制御するオン・オフ制御弁V₂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V₂からの供給源圧力P_S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P_Sが印加されることとなり、こ
れによつて、作動室Ｒは順次その内圧が供給源圧
力P_S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_Aに達する時刻t₃
では、アクチユエータ１０の両作動室Ｌ及びＲは
供給源圧力P_S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V₁，V₂，V₃，V₄は全てオフ状態で閉
止され、前記両作動室Ｌ及びＲへの供給源圧力P_S
が密封保持されることとなり、この状態で空気ア
クチユエータ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Ｌ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
乱によつ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_Aの両側にθ_H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_A
の反対側にも低速域が設けられており、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_A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_Hも設定器３８か
らCPU３０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Ｖ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
一部閉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、各制御弁が複数の弁
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つて、
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、本発明の第１発明によれ
ば、空気アクチユ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、これによつて、各種の産
業機器特にロボツ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。

従つて、本第１発明によれば、所望の停止位置
へ迅速に移動できると共に、この位置決め状態に
おいてその後の変位指令に高い応答性で追従でき
るという利点がある。

また、本発明の第２発明によれば、前記低速域
の前段に制動域が設けられており、これによつ
て、高速駆動されているアクチユエータをオーバ
ーシユート等が生じること無く制動させて低速領
域に滑らかに接続することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る空気アクチユエータの位
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図の空
気アクチユ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ツク
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ヤート図である。１０…アクチユエータ、１８…制御回路ブロツ
ク、２０…ポテンシヨメータ、２２…空圧切換回
路、３０…CPU（中央処理装置）、３８…設定器、
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４…制御弁。

Claims

【特許請求の範囲】１アクチユエータの左右作動室にオン・オフ制
御弁から圧力空気を供給し左右作動室の圧力バラ
ンスによりアクチユエータを位置決めする空気ア
クチユ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大気に開いて高速移動
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間欠
的にパルス幅開閉制御して両作動室をほぼ供給源
圧力に近い圧力に保持しながら低速移動を行い、
アクチユエータが目標位置に到達した後両作動室
にほぼ供給源圧力と等しい圧力を印加した状態で
オン・オフ制御弁をオフ状態で密閉保持し、アク
チユエータを目標位置に正確に位置決めすること
を特徴とする空気アクチユエータの位置決め制御
方法。２特許請求の範囲１記載の方法において、低速
域での他方の作動室の逃し側へは間欠的に供給源
圧力を印加することを特徴とする空気アクチユエ
ータの位置決め制御方法。３アクチユエータの左右作動室にオン・オフ制
御弁から圧力空気を供給し左右作動室の圧力バラ
ンスによりアクチユエータを位置決めする空気ア
クチユ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大気に開いて高速移動
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間欠
的にパルス幅開閉制御して両作動室をほぼ供給源
圧力に近い圧力に保持しながら低速移動を行い、
アクチユエータが目標位置に到達した後両作動室
にほぼ供給源圧力と等しい圧力を印加した状態で
オン・オフ制御弁を密閉保持し、アクチユエータ
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ユエー
タに制動作用を与えることを特徴とする空気アク
チユエータの位置決め制御方法。４特許請求の範囲３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
を特徴とする空気アクチユエータの位置決め制御
方法。５特許請求の範囲３，４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空気アクチユ
エータの位置決め方法。６特許請求の範囲３，４のいずれかに記載の方
法において、制動域はアクチユエータの移動速度
に応じて演算された可変領域からなることを特徴
とする空気アクチユエータの位置決め制御方法。