JP2006029366A - 油圧閉回路の位置制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】片ロッドシリンダの推力及び速度並びに片ロッドシリンダのロッドの変位位置を制御して位置制御を向上させた油圧閉回路の位置制御方法及び装置を提供する。
【解決手段】シリンダ３１のヘッド側、ロッド側の圧力室３２、３６には、圧力センサ４５、４６が接続され、圧力室３２、３６がサーボモータ４７を一体になった油圧ポンプ３５に接続されている。ピストンロッド４０には負荷荷重４１が付勢され、ピストンロッド４０に先端近傍には、該ロッド４０の変位位置を検出する位置センサ４８を設ける。圧力センサ４５、４６の出力は推力検出回路５２に入力され、自重補正回路５６より演算回路５５に入力する。位置センサ４８の出力は位置偏差検出回路５４より位置偏差―推力変換回路５５に入力する。位置偏差―推力変換回路５５で演算された出力値はシリンダ面積補正回路５７よりサーボアンプ５０に入力され、サーボモータ４７が制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動サーボモータにより駆動される油圧ポンプ及びアクチュエータにより閉回路を構成する位置制御方法および装置に関する。

従来、この種の油圧閉回路の位置制御装置としては、電動サーボモータ１により駆動される油圧ポンプ１０２と液圧シリンダ１００を使用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
さらに、位置センサからの位置フィードバック値を示す位置カウンタ７９と位置指令部７１からの位置指令値の偏差を油温センサ１９及び圧力センサ２０の値により作動油油温や圧力により変化するポンプや油圧機器からの内部漏れ相当を補正した後にサーボモータ４３の回転指令として該サーボアンプ４３に付与しているものがある（例えば、特許文献２参照）。
特許文献１、２は、ポンプ１００、３５の吸入側流量と吐出側流量が同じである。一方、油圧シリンダ１００、１３Ｌ（１３Ｒ）が片ロッドシリンダであるために、ピストンの移動量に対して前記油圧シリンダ１００、１３Ｌ（１３Ｒ）のロッド側の体積変化とヘッド側の体積変化が異なるために、ロッドが延伸する際、ヘッド側の作動油の不足を補う吸入弁として、パイロットチェック弁１１０、１１２、シャトル弁６１が用いられている。さらに、ロッドが後退する場合は、ロッド側の余剰の作動油をタンクに戻すようにしている。

一方、片ロッドシリンダを用いた油圧閉回路の問題、例えば、駆動力及び抗力を伝達する作動油は、アクチュエータ４のロッド側及びヘッド側室に夫々サーボモータ１０ａ、液圧ポンプ２０ａ及びサーボモータ１０ｂ、液圧ポンプ２０ｂを連結し、アクチュエータ４を駆動するとき、これらのサーボモータ１０ａ、液圧ポンプ２０ａ及びサーボモータ１０ｂ、液圧ポンプ２０ｂの作用により、駆動力及び抗力を伝達する作動油の加熱を防止している（例えば、特許文献３参照）。
特開平１０−７８００３号公報 特開２００１−２０５３４２号公報 特開２００１− ９０７０４号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載されるパイロットチェック弁、シャトル弁を使用した片ロッドシリンダの油圧閉回路においては、速度に比例した大きな抗力、すなわち粘性抵抗の発生が期待できず、負荷重量が大きい場合には片ロッドシリンダが発振しやすいという問題がある。これらの発振を回避するため、従前の油圧閉回路においてシリンダのヘッド側及びロッド側圧力室の出口に固定絞りや可変絞りを設けているが、固定絞りを通過する作動油の通過量と絞り前後の差圧の積に比例した熱が発生し、無駄なエネルギーを消費すると共に、放熱のためにタンク容量を大きくする必要がある。

特許文献３は、サーボモータ１０ａ、１０ｂ、コントローラ１１、液圧ポンプ２０ａ、２０ｂを用いるために装置が大がかりになり、閉回路の利点であるコンパクト化が損なわれる。また、抗力発生側のポンプがモータ作用するとサーボモータが軸側から回転させられ、発電機と機能した場合には、回生抵抗により発生電力を消費させている場合が多い。このため、作動油の油温は上昇しなくても抗力として発生したエネルギーは熱となってしまうため、サーボモータを使用した閉回路による省エネルギー効果が薄れるという不具合があった。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、電動モータにより駆動される油圧ポンプと片ロッドシリンダよりなる油圧閉回路において、該片ロッドシリンダの推力及び速度並びに片ロッドシリンダのロッドの変位位置を制御して片ロッドシリンダの位置制御の性能を向上させた油圧閉回路の制御方法および装置を提供することを目的とする。

上記の課題を達成するために、本発明は、サーボモータが油圧ポンプを作動させ、該油圧ポンプから供給される作動油により作動する油圧シリンダの位置制御方法において、
前記サーボモータを位置指令に基づいて回転させ、前記油圧シリンダの位置を検出する位置センサからの出力値をフィードバックし該出力値に対し予め得られている前記油圧シリンダの位置偏差を求め、このときの前記油圧シリンダのヘッド側及びロッド側圧力室の圧力を検出する圧力センサからの出力値を、フィードバックして推力に変換すると共に、前記位置偏差に比例した推力指令とし前記サーボモータに回転指令として付与したことを特徴とする。
次の本発明は、サーボモータが油圧ポンプを作動させ、該油圧ポンプから供給される作動油により作動する油圧シリンダの位置制御装置において、
前記シリンダの位置を検出した出力値をフィードバッグする位置センサと、
前記位置センサの出力値に対し予め得られている前記シリンダの位置指令値との位置偏差を求める位置偏差検出回路と、
前記シリンダのヘッド側及びロッド側圧力室の圧力を検出した出力をフィードバックして推力に変換する推力検出回路と、
前記ロッド側圧力室のフィードバック値にロッド側受圧面積をヘッド側受圧面積で除算した値で乗算するなどの手段により受圧面積差に関らず推力を同一出力値に補正する受圧面積補正回路と、
前記推力検出回路により補正された推力を前記油圧シリンダに作用する荷重相当分の推力に算出し、自重だけが付勢された状態での出力を零に補正する自重補正回路と、
前記位置偏差と前記自重補正された推力との差を演算する位置偏差―推力変換回路と、
を備えてなることを特徴とする。
本発明によれば、位置偏差と推力との偏差をサーボモータに回転数指令として与えることにより、ハンチングや異常振動が防止でき、閉ループゲインも５倍以上大きくすることが可能になった。これにより、位置決め精度は従来、数十μｍの位置決め精度であった条件でも数μｍの位置決め精度を確保することができる。
この場合、負荷の移動がなくとも必要十分な推力が発生した時点でサーボモータへの回転指令を抑制することができるので、無駄な負荷の飛び出しを抑制することができるのでよい。

本発明は、位置偏差と推力との偏差をサーボモータに回転数指令として与えることにより、ハンチングや異常振動を防止でき、閉ループゲインも５倍以上大きくすることが可能になった。これにより、位置決め精度は従来、数十μｍの位置決め精度であった条件でも数μｍの位置決め精度を確保することができた。

本発明の実施の形態に係る油圧閉回路の制御装置３０について図面により詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る油圧閉回路の制御装置３０（以下、制御装置３０と略称する）のブロック図を示す。
図１に示すように、シリンダ３１のヘッド側圧力室３２は、管路３３、３４により油圧ポンプ３５の一側に接続されており、ロッド側圧力室３６は、管路３７、３８により油圧ポンプ３５の他側に接続されている。矢印Ｘ及びＹ方向に移動するピストンロッド４０の先端には、負荷荷重４１が作用するように設けられている。なお。前記ヘッド側圧力室３２は、ロッド側圧力室３６よりも受圧面積が大きく形成されている。

管路３３、３４及び３７、３８は管路４２を介して接続されており、該管路４２には、互いに作動油を一方向に流すチェック弁４３、４４が設けられ、かつヘッド側圧力室３２、ロッド側圧力室３６に作用する作動油の圧力を検出するヘッド側圧力センサ４５、ロッド側圧力センサ４６が設けられている。また、ピストンロッド４０に先端近傍には、該ピストンロッド４０の変位位置を検出する位置センサ４８が設けられている。サーボモータ４７は、油圧ポンプ３５と一体的に連結されて、ケーブル４９によりサーボアンプ５０に接続されている。

前記ヘッド側圧力サンサ４５による検出信号は、電圧値に変換されて前記ヘッド側圧力室３２またはロッド側圧力室３６において発生する推力を検出する推力検出回路５２に入力される。ロッド側圧力センサ４６による検出信号も電圧値に変換されて、ヘッド側圧力室３２及びロッド側圧力室３６の受圧面積差を補正する受圧面積補正回路５１より推力を検出する推力検出回路５２に入力される。さらに、位置センサ４８での検出信号が位置偏差検出回路５３に入力される。
前記受圧面積補正回路５１は、ヘッド側圧力室３２の圧力がＫ１＝（ロッド側圧力室３６の受圧面積Ｂ÷ヘッド側圧力室３２の受圧面積Ａ）倍されて受圧面積差に関らず同一出力値で同じ推力値に変換する機能を有する。ただし、Ｋ１は定数を示す。

前記位置センサ４８によりピストンロッド４０の位置を検出した出力と図示しない指令装置より送られる位置指令値５３が位置偏差検出回路５４に送られ、位置センサ４８の出力値と位置指令値５３の位置偏差が位置偏差―推力変換回路５５に発信される。
前記位置偏差検出回路５４は、位置指令が示す位置指値５３と位置センサ４８が示す現在値とを比較し、その誤差に比較した出力値を発信するもので、この値の位置偏差の大きさを示す機能を有する。
前記位置偏差―推力変換回路５５は、通常の演算増幅器と同様の作用をするもので、例えば、位置偏差−１ｍｍのときはヘッド側圧力室３２の圧力とヘッド側圧力室３６の圧力との圧力差が２０ＭＰａで出力が零に設定され、位置偏差＋１ｍｍときはヘッド側圧力室３２の圧力とヘッド側圧力室の圧力との圧力差が−２０ＭＰａで出力が零に設定する機能を有する。
なお、位置偏差―推力変換回路５５のゲインを零に設定すれば、位置偏差に比例した回転数指令をサーボアンプ５０を経てサーボモータ４７へ付与する回路とすることができる。

さらに、推力検出回路５２に入力されたヘッド側圧力室３２またはロッド側圧力室の推力は、自重補正回路５６を経て位置偏差―推力変換回路５５に送られる。前記自重補正回路５６は、シリンダ３１のピストンロッド４０に付勢される負荷荷重４１が矢印Ｙ方向（上方向）また矢印Ｘ方向（下方向）に作用した際、自重相当分の推力を補正し、自重が付勢した状態での自重補正回路５６の出力を零に補正するための電圧シフト回路としての機能を有する。

本発明の実施の形態に係る制御装置３０は、基本的には以上のように構成されたものであり、次にその動作について説明する。
先ず、シリンダ３１のピストンロッド４０が例えば矢印Ｘ方向に変位した際、該ピストンロッド４０には負荷荷重４１が付勢されている。このとき位置センサ４８で検出された出力と位置指令の位置指令値５３が位置偏差検出回路５４に入力される。
一方、シリンダ３１のヘッド側圧力室３２の圧力は、ヘッド側圧力センサ４５により電圧値に変換されて推力検出回路５２に入力される。なお、ヘッド側圧力室３２の圧力は、受圧面積補正回路５１により受圧面積差に関らず同一出力値で同じ推力に補正されて推力検出回路５２に入力され実際に発生している推力値に変換され、自重補正回路５６に入力される。

そして、位置偏差検出回路５４の出力と自重補正回路５６の出力が位置偏差―推力変換回路５５に入力され、そこで自重補正後の推力と位置偏差が比例するように変換された電圧をサーボアンプ５０に入力ことで、サーボモータ４７の回転数制御が行われ、推力が制御されることでシリンダ３１の位置が制御される。

本発明の実施の形態に係る油圧閉回路の位置制御装置のブロック図である。

符号の説明

３０ 油圧閉回路の位置制御装置
３１ シリンダ
３５ 油圧ポンプ
４４、４５ 圧力センサ
４７ サーボモータ
４８ 位置センサ
５０ サーボアンプ
５１ 受圧面積補正回路
５２ 推力検出回路
５３ 位置指令値
５４ 位置偏差検出回路
５５ 位置偏差―推力変換回路
５６ 自重補正回路

Claims (2)

1. サーボモータが油圧ポンプを作動させ、該油圧ポンプから供給される作動油により作動する油圧シリンダの位置制御方法において、
   前記サーボモータを位置指令に基づいて回転させ、前記油圧シリンダの位置を検出する位置センサからの出力値をフィードバックし該出力値に対し予め得られている前記油圧シリンダの位置偏差を求め、このときの前記油圧シリンダのヘッド側及びロッド側圧力室の圧力を検出する圧力センサからの出力値を、フィードバックして推力に変換すると共に、前記位置偏差に比例した推力指令とし前記サーボモータに回転指令として付与したことを特徴とする油圧閉回路の制御方法。
2. サーボモータが油圧ポンプを作動させ、該油圧ポンプから供給される作動油により作動する油圧シリンダの位置制御装置において、
   前記シリンダの位置を検出した出力値をフィードバッグする位置センサと、
   前記位置センサの出力値に対し予め得られている前記シリンダの位置指令値との位置偏差を求める位置偏差検出回路と、
   前記シリンダのヘッド側及びロッド側圧力室の圧力を検出した出力をフィードバックして推力に変換する推力検出回路と、
   前記ロッド側圧力室のフィードバック値にロッド側受圧面積をヘッド側受圧面積で除算した値で乗算するなどの手段により受圧面積差に関らず推力を同一出力値に補正する受圧面積補正回路と、
   前記推力検出回路により補正された推力を前記油圧シリンダに作用する荷重相当分の推力に算出し、自重だけが付勢された状態での出力を零に補正する自重補正回路と、
   前記位置偏差と前記自重補正された推力との差を演算する位置偏差―推力変換回路と、
   を備えてなることを特徴とする油圧閉回路の位置制御装置。

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