JPH044301A - 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なう空気圧
駆動装置に関する。

従来の技術 近年空気圧駆動装置ζよ　動作部の出力／重量比が高い
ため動作部を小型・軽量化でき４　安価であ泡　駆動源
から動作部へ配管により容易に動力を伝達できシステム
構築の際の自由度が大きい等の長所を生かして広〈産業
分野等で利用されている。産業界においては主に生産・
組立システムにおける部品等の移転　組み付けに用いら
れている力丈　これまでは機械的な位置規制手段（例え
ば位置決めピン等）による位置決め方式が用いられてお
り、固定された２点間の位置決めしか実現できず生産・
組立のフレキシブル化への対応が困難であっ氾 そこで機械的な位置規制手段を用いずに空気室の圧力を
制御することにより任意の位置において高速かつ高精度
な位置決めを実現する空気圧駆動装置が本発明者によっ
て提案されている（例えば特願平１−５０３２２号参照
）。

以下図面を参照しながら上述した空気圧駆動装置の一例
について説明する。

第３図はこの空気圧駆動装置の一例を示すものである。

第３図において１は空気室を有するシリンダ　２はシリ
ンダ１内を気密性を保ちながら移動できるピストン、　
ｌａ、ｌｂはピストン２によって分割された空気室　４
は圧縮空気爪　５はピストン２と負荷６を接続するロッ
ドミ　３ａ、　３ｂはそれぞれ空気室１ａ、　１ｂに空
気を流入　流出させるために弁部の開口面積を指令値に
応じて変化させる機能を有する制御弁、７は負荷６の位
置を検出する位置センサ、　８ａ、　８ｂはそれぞれ空
気室１ａ、ｌｂの内部圧力を検出する圧力センサ、９は
位置センサ７、圧力センサ８ａ、８ｂの信号と目標位置
信号を取り込へ　制御弁３ａ、　３ｂの開口量指令信号
を出力する制’ａ訊１２　ａ、　　１２ｂは制御弁３ａ
、　３ｂの開口量を検出する開口量センサ、　１３、１
４は制御部からの制御弁３　ａ。

３ｂの開口量指令信号と開口量センサ１２ａ、　１２ｂ
の開口量信号を入力し制御弁３ａ、３ｂへの駆動信号を
出力する弁制御駆動部である。

以上のように構成された空気圧駆動装置について以下第
３＠　第４図を用いてその動作を説明する。

第４図は第３図における制御部９の内部構成を示す詳細
説明図である。第４図において９ａは位置制御部であり
入力した目標位置信号ｘｄと位置センサ７によって検出
したピストン位置Ｘ１　　圧力センサ８ａ、８ｂによっ
て検出した空気室１ａ１１ｂ内の圧力ｐ１、ｐ２を用い
て制御弁３ａ、　３ｂへの開口量指令信号ｓａｌ、ｓｂ
ｌを次式によって求め５ａｌ＝　　　（ｋｌ（ｘｃｌ−
ｘ）−に２・　ｘ）／２−に３（ｐｉ−ｐｏ）　　　　
　　（１）ここでに１、ｋ２．に３はシリンダ１、　ピ
ストン２、ロッド５、負荷６、制御弁３ａ、３ｂを含む
空気圧駆動系の動特性方程式に基づいて決定された状態
フィードバックゲインであり、ｐＯは平衡圧力である。

　（１）式に基づくフィードバック制御は空気圧駆動系
の状態フィードバック制御系を構成しており、これによ
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している。

次に第４図における外乱力補償部９ｂについて説明する
。外乱力補償部９ｂはまず検出した空気室１ａ、　１ｂ
の圧力差を入力とし　圧力差から負荷６の位置までのピ
ストン２の運動に関する動特性モデルと、ピストン２に
加わる摩擦力を一定であると仮定した摩擦力の動特性モ
デルを用いた外乱推定オブザーバによって、位置センサ
７の出力と推定したピストン２の位置の差を外乱推定オ
ブザーバ内でフィードバックすることにより摩擦力を高
速に推定する。次に推定した摩擦力の値を用いて実際に
ピストン２に加わっている摩擦力を打ち消すために必要
な制御弁３ａ、　３ｂへの開口量指令信号ｓａｄ、ｓｂ
２を出力するものであり、これによりピストン２に加わ
る摩擦力を高速に補償することができる。

また第４図において９０は駆動信号加算部であり、位置
制御部９ａと外乱力補償部９ｂからの制御弁３ａ、　３
ｂへの開口量指令信号を人力し　制御弁３ａ１３ｂへの
駆動信号ｓａｒ、ｓｂｒをｓ　ａｒ＝　ｓ　ａ１＋　ｓ
　ａ２　　　　　　　　　　　（２）ｓ　ｂｒ＝　ｓ　
ｂｌ＋ｓ　ｂ２ により求へ　制御弁３ａ、３ｂへの開口量指令信号とし
て出力するものである。

次に第３図における弁制御駆動部１３、１４は制御部９
からの制御弁３ａ、　３ｂへの開口量指令信号と実際の
開口量信号を入力し　この差と、差の積分４Ｌ　　開口
量信号の微分値を用いた線形フィードバックに基づいて
制御弁３ａ、　３ｂへの駆動信号を出力するものでこれ
により制御弁３ａ、　３ｂの開口量を所望の値に制御す
ることができる。

これらの動作によってピストン２に加わる摩擦を高速に
補償しながら、状態フィードバック制御によって空気圧
駆動装置の位置決め動作に及ぼす空気の圧縮性の影響を
抑制するような制御系を構成しており空気圧駆動装置に
おける動作部の任意の位置での高速・高精度位置決め動
作を実現している。

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記のような構成では次のような問題点が
生じる。すなわ板　空気の圧縮性や外乱力である摩擦力
の補償を実際に行なう制御弁に不感帯やヒステリシスな
どの非線形性がある場合、開口量指令値に実際の開口量
が一致しな℃＼　あるいは一致するのに少なからず時間
を要するために圧縮性や摩擦力が完全には補償されな（
＼　あるいは補償されるまでに時間がかかるなどで、位
置決め速度、位置決め精度が低下するという問題点が生
ずる。

本発明は上記問題点に鑑へ　任意の目標位置に対する位
置決め等の動作を高速・高精度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 上記問題点を解決するために本発明の空気圧駆動装置ζ
戴　空気が流入あるいは流出し　圧力が変化する第１、
第２の空気室と、前記第１及び第２の空気室の境界をな
し　気密性を保ちながら前記第１の空気室と第２の空気
室の圧力差で駆動され移動可能な動作部とを有する空気
圧アクチュエータと、前記第１、第２の空気室のそれぞ
れの流体力を検出する第１、第２の流体力検出部と、前
記動作部の動作状態を検出する動作状態検出部と、前記
第１、第２の空気室のそれぞれに入力信号に応じて開口
量が変化することにより空気を流入あるいは流出させる
ことのできる第１、第２の制御弁と、前記第１、第２の
制御弁のそれぞれの前記開口量を検出する第１、第２の
開口量検出部と、Ｑ− １〇− 前記動作状態検出部の出力信号と前記第１、第２の流体
力検出部の出力信号と目標動作状態信号を入力し前記動
作部が前記目標状態信号に従って移動するために必要な
制御量である前記第１、第２の制御弁の開口量を演算し
前記第１、第２の制御弁を駆動させる前記開口量指令信
号を出力する動作制御部と、前記第１、第２の制御弁へ
の開口量指令信号と前記第１、第２の開口量検出部の出
力信号をそれぞれ人力し　前記第１、第２の開口量検出
部の出力信号がそれぞれ前記第１、第２の制御弁への開
口量指令信号に一致するために必要な駆動信号を演算し
　それぞれ前記第１、第２の制御弁に出力する第１、第
２の弁制御駆動部とを有し　前記第１、第２の弁制御駆
動部は人力した前記第１、第２の制御弁への開口量指令
信号と前記第１、第２の開口量検出部の出力信号のそれ
ぞれの差とそのｎ階微分値（ｎ：　　正の整数）までの
それぞれの線形結合和を求へ　それぞれの前記線形結合
和の符号に応じて前記開口量を増加させる方向の一定の
駆動信号と前記開口量を減少させる方向の一定の駆動信
号とを切り換えて出力する弁制御部を備えたものであっ
て、前記第１、第２の制御弁の弁体に加わる駆動力の変
化によって開口量が変化する時定数より叡　出力した駆
動信号によって前記第１、第２の制御弁の弁体に加わる
駆動力が変化する時定数が小さくなるように前記駆動信
号を補正して前記第１、第２の制御弁へ出力する駆動信
号補正部とを備えたものである。

作用 本発明は上記した構成によって制御弁を開口量を増力ｌ
　減少させる方向の一定の駆動力を高速に切り換えて駆
動することにより、制御弁の不感帯、ヒステリシス等の
非線形性の影響を受けずに開口量を高速かつ高精度に制
御することができ、従って任意の目標位置に対する位置
決め等の動作を高速・高精度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
を有するシリンダ　２はシリンダ１内を気密性を保ちな
がら移動できるピストン、　■ａ、ｌｂはピストン２に
よって分割された空気室４は圧縮空気ａ　５はピストン
２と負荷６を接続するロッド、　３ａ、　３ｂはそれぞ
れ空気室１ａ、ｌｂに空気を流入　流出させるために弁
部の開口面積を指令値に応じて変化させる機能を有する
制御弁、　７は負荷６の位置を検出する位置センサ、８
ａ、８ｂはそれぞれ空気室１ａ、ｌｂの内部圧力を検出
する圧力センサ、９は位置センサ７、圧力センサ８ａ、
　８ｂの信号と目標位置信号を取り込へ　制御弁３ａ、
　３ｂの開口量指令信号を出力する制御能　１２ａ、　
　１２ｂは制御弁３ａ、３ｂの開口量を検出する開口量
センサ、　１０、１１は制御部からの制御弁３ａ、３ｂ
への開口量指令信号と開口量センサ１２ａ、１２ｂの開
口量信号を人力し制御弁３ａ、　３ｂへの駆動信号を出
力する第１、第２の弁制御駆動部である。

以上のように構成された空気圧駆動装置について以下第
１＠　第２図を用いてその動作を説明する。

まず第２図は第１図における制御部９の内部構成を示す
詳細説明図である。第２図において９ａは位置制御部で
あり入力した目標位置信号ｘｄと位置センサ７によって
検出したピストン位置Ｘ、圧力センサ８ａ、８ｂによっ
て検出した空気室１ａ、ｌｂ内の圧力ｐ１、ｐ２を用い
て制御弁３ａ、　３ｂへの開口量指令信号ｓａｌ、ｓｂ
ｌを次式によって求める。

５ａ１＝　　　（ｋ　１　（Ｘｄ−Ｘ）　−ｋ２・　Ｘ
）　／２−　ｋ３　　（ｐｉ　−ｐＯ）　　　　　　　
（３）ｓｂｌ＝−（ｋｌ　（ｘｄ−ｘ）　　−に２・　
ｘ）／２−　ｋ３　（ｐ　１−ｐｏ） ここでに１、ｋ２．に３はシリンダ１、　ピストン２、
ロッド５、負荷６、制御弁３ａ、３ｂを含む空気圧駆動
系の動特性方程式に基づいて決定された状態フィードバ
ックゲインであり、　ｐＯは平衡圧力である。　（３）
式に基づくフィードバック制御は空気圧駆動系の状態フ
ィードバック制御系を構成しており、これにより空気の
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している。

次に第２図における外乱力補償部９ｂについて説明する
。外乱力補償部９ｂはまず検出した空気室１ａ、ｌｂの
圧力差を人力とし　圧力差から負荷６の位置までのピス
トン２の運動に関する動特性モデルと、　ピストン２に
加わる摩擦力を一定であると仮定した摩擦力の動特性モ
デルを用°いた外乱推定オブザーバによって、位置セン
サ７の出力と推定したピストン２の位置の差を外乱推定
オブザーバ内でフィードバックすることにより摩擦力を
高速に推定する。次に推定した摩擦力の値を用いて実際
にピストン２に加わっている摩擦力を打ち消すために必
要な制御弁３ａ、　３ｂへの開口量指令信号ｓａｄ、ｓ
ｂ２を出力するものであり、これによりピストン２に加
わる摩擦力を高速に補償することができる。

また第２図において９０は駆動信号加算部であり、位置
制御部９ａと外乱力補償部９ｂからの制御弁３ａ、３ｂ
への開口量指令信号を入力し　制御弁３ａ１３ｂへの駆
動信号ｓａｒ、ｓｂｒをｓ　ａｒ＝　ｓ　ａｌ＋　ｓ　
ａ２　　　　　　　　　　　（４）ｓ　ｂｒ＝　ｓ　ｂ
ｌ＋ｓ　ｂ２ により求へ　制御弁３ａ、　３ｂへの開口量指令信号と
して出力するものである。

次に第１図における第１、第２の弁制御駆動部１０、１
１は制御部９からの制御弁３ａ、３ｂへの開口量指令信
号と実際の開口量信号を入力しこの差に基づいて制御弁
３ａ、　３ｂへの駆動信号を出力するもので以下その詳
細について第１図を用いて説明する。

第１図における１０ａ、　ｌｌａは弁制御部であり、開
口量センサ１２ａ、１２ｂにより検出された制御弁３ａ
、　３ｂの開口量ｓａ、ｓｂと制御部９からの制御弁３
ａ、　３ｂへの開口量指令信号ｓａｒ、ｓｂｒからまず
開口量誤差、 ｅ　ａ＝　ｓ　ａｒ　−ｓ　ａ　　　　　　　　　　　
　（５）ｅ　ｂ＝　ｓ　ｂｒ　−ｓ　ｂ を演算する。次にこれの時間微分ｅａ、ｅｂを求めそれ
らの線形結合祖 Ｃａ−ｅａ十ｈａ１　ｅａ ｃｂ＝ｅｂ＋ｈｂ−ｅｂ を求める。ここでｈａ、　　ｈｂは制御弁の開口量指令
値に対する開口量の応答性を決める正の定数である。こ
こで弁制御部１０ａ、　１０ｂはｃａ、　　ｃｂの符号
に応じて駆動信号ｕａｒ、ｕｂｒをで出力する。ここで
ｆａｌ、ｆｂｌは制御弁３ａ、　３ｂの開口量を増加さ
せる方向の弁体への駆動力の最大（ｉｆａλ　ｆｂ２は
制御弁３ａ、　３ｂの開口量を減少させる方向の弁体へ
の駆動力の最大値であり、α、βは制御弁３ａ、　３ｂ
への駆動信号とそれによって弁体に加わる駆動力との間
の変換特性によって定まる１または−１のどちらかの値
をとる係数である。これにより制御弁３ａ、　３ｂの弁
体に加わる駆動力の特性にヒステリシスがあっても駆動
力の正　負の方向の最大値のみを用いるのでその影響を
抑えることができる。

次に１０ｂ、　ｌｌｂは弁制御部の出力信号である駆動
信号を補正する駆動信号補正部で、実際に弁体に加わっ
ている駆動力ｕａ、　　ｕｂを１０ｂ、１１ｂの出力信
号である駆動信号を用いて検出し弁制御部１０ａ、１０
ｂの出力ｕａｒ、ｕｂｒとの差、差の微分値を用いて、
駆動信号ｕａｃ、ｕｂｃをｕａｃ＝ｋｕａｌ−ｅｕａ　
　−ｋｕａ２・　ｕａ　　　　（８）ｕｂｃ＝ｋｕｂ１
・　ｅｕｂ　−ｋｕｂ２・　ｌｂ但し ｅｕａ　　＝　　　ｕａｒ　　−ｕａ ｅｕｂ　　＝　　ｕｂｒ　　−ｕｂ により演算し出力する。ここでｋｕａｌ、ｋ　ｕａ２゜
ｋ　ｕｂｌ、ｋ　ｕｂ２はフィードバックゲインで、制
御弁３ａ、　３ｂへの駆動信号によって弁体に加わる駆
動力が変化する時定数力丈　駆動力の変化によって制御
弁３ａ、　３ｂの開口量が変化する時定数より小さくな
るように決定する。これにより弁制御部１０ａ、　ｌｌ
ａが出力する切り替えによる不連続な駆動信号により制
御弁３ａ、　３ｂの開口量が振動的に変化する（ヂャタ
リング）ことなしに　高速に開口量を開口量指令値に一
致させることができる。

以上のように本実施例によれは　弁制御駆動部により、
制御部から出力した動作部に加わる外乱力である摩擦力
と空気の圧縮性による影響を抑制する開口量指令値に実
際の制御弁３ａ、　３ｂの開口量を、制御弁３ａ、　３
ｂの弁体に加わる駆動力の特性にヒステリシス等の非線
形性があっても速やかにかつ正確に一致させることがで
き、従って任意の目標位置における位置決め等の動作を
高速・高精度に行なうことができる。

なお本実施例において、外乱力補償部の内部構成として
外乱力推定・補償方式で構成した力（必ずしもこの構成
に限るものではなく、例えば位置偏差の積分方式による
構成でもよい。また駆動部号補正部において比例・微分
方式による構成としたが必ずしもこの構成に限るもので
はなく比仇微分、積分等を組み合わせた構成でもよい。

発明の効果 以上のように本発明の空気圧駆動装置法　空気が流入あ
るいは流出し　圧力が変化する第１、第２の空気室と、
前記第１及び第２の空気室の境界をなし　気密性を保ち
ながら前記第１の空気室と第２の空気室の圧力差で駆動
され移動可能な動作部とを有する空気圧アクチュエータ
と、前記第１、第２の空気室のそれぞれの流体力を検出
する第１、第２の流体力検出部と、前記動作部の動作状
態を検出する動作状態検出部と、前記第１、第２の空気
室のそれぞれに入力信号に応じて開口量が変化すること
により空気を流入あるいは流出させることのできる第１
、第２の制御弁と、前記第１、第２の制御弁のそれぞれ
の前記開口量を検出する第１、第２の開口量検出部と、
前記動作状態検出部の出力信号と前記第１、第２の流体
力検出部の出力信号と目標動作状態信号を人力し前記動
作部が一旬一 前記目標状態信号に従って移動するために必要な制御量
である前記第１、第２の制御弁の開口量を演算し前記第
１、第２の制御弁を駆動させる開口量指令信号を出力す
る動作制御部と、前記第１、第２の制御弁への前記開口
量指令信号と前記第１、第２の開口量検出部の出力信号
をそれぞれ入力し前記第１、第２の開口量検出部の出力
信号がそれぞれ前記第１、第２の制御弁への開口量指令
信号に一致するために必要な駆動信号を演算し　それぞ
れ前記第１、第２の制御弁に出力する第１、第２の弁制
御駆動部とを有Ｌ　前記第１、第２の弁制御駆動部は人
力した前記第１、第２の制御弁への開口量指令信号と前
記第１、第２の開口量検出部の出力信号のそれぞれの差
とそのｎ階微分値（ｎ：　正の整数）までのそれぞれの
線形結合和を求へ　それぞれの前記線形結合和の符号に
応じて前記開口量を増加させる方向の一定の駆動信号と
前記開口量を減少させる方向の一定の駆動信号とを切り
換えて出力する弁制御部を備えたものであって、前記第
１、第２の制御弁の弁体に加わる駆動力の変化によって
開口量が変化する時定数よりも、出力した駆動信号によ
って前記第１、第２の制御弁の弁体に加わる駆動力が変
化する時定数が小さくなるように前記駆動信号を補正し
て前記第１、第２の制御弁へ出力する駆動信号補正部と
を備えることによって、任意の目標位置への位置決め等
の動作を高速・高精度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置の全体
は　第２図は同空気圧駆動装置における制御部の詳細図
　第３図はさきに提案した空気圧駆動装置の全体＠　第
４図は同空気圧駆動装置における制御部の詳細説明図で
ある。 １・　・空気圧シリンダ　２・・・ピストン、３ａ、３
ｂ・・・制御弁、　７・・・位置センサ、８ａ、８ｂ・
・・圧力セン惧　９・・・制御部１０、１１・・・弁制
御駆動部　１２ａ、　　１２ｂ・・・開口量検出部

Claims (5)

【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
   、第２の空気室と、前記第１及び第２の空気室の境界を
   なし、気密性を保ちながら前記第１の空気室と第２の空
   気室の圧力差で駆動され移動可能な動作部とを有する空
   気圧アクチュエータと、前記第１、第２の空気室のそれ
   ぞれの流体力を検出する第１、第２の流体力検出部と、
   前記動作部の動作状態を検出する動作状態検出部と、前
   記第１、第２の空気室のそれぞれに入力信号に応じて開
   口量が変化することにより空気を流入あるいは流出させ
   ることのできる第１、第２の制御弁と、前記第１、第２
   の制御弁のそれぞれの前記開口量を検出する第１、第２
   の開口量検出部と、前記動作状態検出部の出力信号と前
   記第１、第２の流体力検出部の出力信号と目標動作状態
   信号を入力し前記動作部が前記目標状態信号に従って移
   動するために必要な制御量である前記第１、第２の制御
   弁の開口量を演算し前記第１、第２の制御弁を駆動させ
   る前記開口量指令信号を出力する動作制御部と、前記第
   １、第２の制御弁への開口量指令信号と前記第１、第２
   の開口量検出部の出力信号をそれぞれ入力し、前記第１
   、第２の開口量検出部の出力信号がそれぞれ前記第１、
   第２の制御弁への開口量指令信号に一致するために必要
   な駆動信号を演算し、それぞれ前記第１、第２の制御弁
   に出力する第１、第２の弁制御駆動部とを有し、前記第
   １、第２の弁制御駆動部は入力した前記第１、第２の制
   御弁への開口量指令信号と前記第１、第２の開口量検出
   部の出力信号のそれぞれの差とそのｎ階微分値（ｎ：正
   の整数）までのそれぞれの線形結合和を求め、それぞれ
   の前記線形結合和の符号に応じて前記開口量を増加させ
   る方向の一定の駆動信号と前記開口量を減少させる方向
   の一定の駆動信号とを切り換えて出力する弁制御部を備
   えたものであって、前記第１、第２の制御弁の弁体に加
   わる駆動力の変化によって開口量が変化する時定数より
   も、出力した駆動信号によって前記第１、第２の制御弁
   の弁体に加わる駆動力が変化する時定数が小さくなるよ
   うに前記駆動信号を補正して前記第１、第２の制御弁へ
   出力する駆動信号補正部とを備えたことを特徴とする空
   気圧駆動装置。
2. （２）第１、第２の弁制御駆動部の開口量を増加させる
   方向の一定の駆動信号は前記第１、第２の制御弁の開口
   量を増加させる方向の弁体に加わる最大駆動力に対応す
   る駆動信号であり、開口量を減少させる方向の一定の駆
   動信号は前記第１、第２の制御弁の開口量を減少させる
   方向の弁体に加わる最大駆動力に対応する駆動信号であ
   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）第１、第２の制御弁は弁体を駆動する駆動力特性
   が開口量を増加させる方向の弁体に加わる最大駆動力と
   開口量を減少させる方向の弁体に加わる最大駆動力との
   間でヒステリシス特性を有することを特徴とする請求項
   ２記載の空気圧駆動装置。
4. （４）流体力検出部が空気室群のそれぞれの圧力を検出
   する圧力検出装置群によって構成されている請求項１、
   ２または３記載の空気圧駆動装置。
5. （５）動作状態検出部が位置、速度、加速度を検出する
   手段のいずれか、あるいはその組合せにより構成されて
   いる請求項１、２または３記載の空気圧駆動装置。