JPH10501876A - 複動液圧シリンダのｐｃｍ制御を利用した位置決め装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 一対の三方向電磁弁により制御される複動液圧シリンダであって、三方向電磁弁の各々は、シリンダの二つの端部に流体接続され、且つパルス幅変調された（pulse width modulated:PWM）パルスの連続的な流れにより並列に電圧を印加され、シリンダ端部において平均有効流体圧力均衡を生起することにより、接続された負荷体の所望の位置を保持すると共に、シリンダ端部において平均有効流体圧力不均衡を生起することにより、所望の新たな位置への二方向のいずれにも可変率の負荷体移動を導き、これらは全てパルス効率サイクルにより決定されている。

Description

【発明の詳細な説明】 複動液圧シリンダのＰＣＭ制御を利用した位置決め装置及び方法 発明の分野 本発明は、一般に位置決め装置に関し、特に負荷体(lord)の選択的位置決め及 び二方向再位置決めのための装置に関する。 発明の背景 部材（負荷体）の制御された位置決め及び再位置決めを要求する機器の設計に おいては、数多くの困難が生じる。 部材の位置決め移動を生じさせるために利用されるアクチュエータの形式の選 択には、多数の事項、例えば、機器の特性、位置から位置への部材の移動と、所 定位置への部材の保持との双方に要求される力の大きさ、及びアクチュエータの ための利用可能な動力源などが影響する。流体動力、典型的には液圧流体または 圧縮空気が使用される際には、液圧（空気）シリンダがアクチュエータとして選 択される。 従来の流体シリンダはピストンを含み、このピストンは、シリンダを一対のチ ャンバに分けるように、即ち、ピストンの各側に一つのチャンバを分けるように 、摺動的にシリンダ内に収容される。ピストンは、典型的には部材に機械的に結 合されている。仮に流体シリンダが単動形式ならば、加圧流体は流体弁により連 続的または選択的に一つのチャンバのみへ選択的に導入され、他方のチャンバは 低圧（典型的には大気）へ排圧されている。次いでピストンは、排圧されたチャ ンバの方向へ前進し、ピストンに結合された部材は静止位置から起動位置へ所定 の方向へ駆動される。典型的には、双方のチャンバが排圧されている間、復帰ス プリングにより、部材はその静止位置へとどまる。 部材の二方向位置決めが望まれる際は、複動流体シリンダがアクチュエータと して使用される。ここで典型的には、分離三方向流体弁が、チャンバを排圧させ るか、またはチャンバを加圧流体源へ接続するように制御される。双方のチャン バが加圧流体源へ接続された際、チャンバ内の液圧は均衡し、ピストンの位置は 、部材を所望の位置へ強制的に保持するように固定される。部材を所定の新たな 位 置へ二方向のいずれにも移動させるには、部材が新たな位置へ駆動されるまで、 チャンバのうちの適切な一方が排圧され、次いで加圧流体源へ再接続される。 位置決めアクチュエータとして使用される流体シリンダを制御するために特に 適した流体弁は、三方向電磁弁である。流体弁をその幾つかの弁位置へ電気的に 起動する能力は、部材の位置決め及び再位置決めの双方の制御に、融通性及び精 密さを与える。更に、流体弁位置の電気的制御は、マイクロプロセッサ処理を容 易に導入できる。 発明の概要 本発明の原理的目標は、負荷体の位置決め及び二方向位置決めのための改良さ れた装置及び方法を提供することである。 本発明の更なる目標は、上述の特徴、即ち位置決めアクチュエータとして複動 流体シリンダを利用する改良された位置決め装置及び方法を提供することである 。 本発明の付加的な目標は、上述の特徴、即ち位置決めアクチュエータの電気的 制御を与える改良された位置決め装置及び方法を提供することである。 これらの目的及び他の目的を達成するために、本発明の位置決め装置は、シリ ンダと、第一と第二のチャンバを規定するようにシリンダ内に配置されたピスト ンと、第一のチャンバを流体加圧源へ接続する静止弁位置及び第一のチャンバを 排圧させる作動位置を有する第一の流体弁と、第二のチャンバを排圧させる静止 弁位置及び第二のチャンバを流体加圧源へ接続する作動位置を有する第二の流体 弁とを備える。第一と第二の流体弁に対し、操作可能に接続されたモジュールは 、第一と第二の流体弁を周期的且つ同時に起動させる入力指令に応答し、ピスト ン及びアクチュエータの相対移動を導く第一と第二のチャンバ内の流体圧力差を 生成する。この相対移動は、負荷体の位置決め移動を導くために結合される。 本発明の目的は、位置決め方法の提供によっても達成され、この方法は、シリ ンダ内に第一と第二のチャンバを規定するように上記シリンダ内に配置されたピ ストンを含む流体アクチュエータを、負荷体へ結合させる行程と、第一のチャン バを排圧させる第一の弁位置及び第一のチャンバを流体加圧源へ接続する第二の 弁位置を有する第一の流体弁を設ける行程と、第二のチャンバを流体加圧源へ接 続する第一の弁位置及び第二のチャンバを排圧させる第二の弁位置を有する第二 の流体弁を設ける行程と、第一と第二の流体弁を、第一の時間周期については同 時にそれらの第一の弁位置へ、且つ第二の時間周期については同時に第二の弁位 置へと交互に位置を変える行程とを含む。この方法は更に、第一と第二とのチャ ンバ内の作動液圧が均衡するように第一と第二との時間周期を等しくすることに より、負荷装置を所定の位置へ保持する行程と、第一と第二とのチャンバ内の作 動液圧が不均衡になるように第一の時間周期を第二の時間周期に対して大きくす ることにより、負荷装置を第一の方向へ移動させる行程と、第一と第二とのチャ ンバ内の作動液圧が不均衡になるように第一の時間周期を第二の時間周期に対し て小さくすることにより、負荷装置を第二の方向へ移動させる行程とを含む。 本発明の別の特徴、利点及び目的は、以下の説明に詳述されており、この説明 から明白であり、また発明を実施することによっても理解される。本発明の目的 及び利点は、以下の記載及び添付の請求項、並びに添付図面に記載された装置及 び方法によって理解される。 これまでに述べた一般的な説明及び以下の詳細な説明は、例示的かつ説明的な ものであり、請求の範囲に記載された発明の説明を与えるためのものであること が理解される。 添付の図面は、発明の理解を容易にするためのものであり、明細書に組み入れ られてその一部を構成し、本発明の好適な実施例を図示するものであり、説明と 併せて本発明の原理の説明を容易にするものである。 図面の簡単な説明 ただ一枚の図は、本発明の好適実施例によって構成された位置決め装置の模式 図である。 好適実施例の詳細な説明 全体的に１０で示される本発明の位置決め装置は、流体アクチュエータ１２と 、このアクチュエータの流体チャンバを加圧流体の共通の動力源１８へ接続する か、或いはチャンバを大気２０へ接続するための一対の三方向電磁弁１４及び１ ６と、流体アクチュエータ１２に結合された負荷体、即ちロード(lord)の選択的 な位置のような位置指令信号に応答して、電磁弁を制御可能に駆動するように接 続された電子モジュール２２とを備える。動力源１８は圧縮空気または液だめポ ンプの 圧力一定出力にて導かれるような加圧圧力流体から構成できる。仮に作動液が動 力源として利用されるなら、流体弁は、アクチュエータの流体チャンバを液だめ へ排圧させる。 アクチュエータ１２はシリンダ２６を含み、このシリンダ内には、一対の対向 したチャンバ３０及び３２が規定されるように、ピストン２８が摺動自在に収容 されている。シリンダ２６のシンンダ端部壁における密閉封止された開口を通じ て、対向するピストンロッドが延在することにより、ピストン２８は、シリンダ ２６内で往復運動するように取り付けられている。一方のピストンロッドの外端 部は、模式的に３６で示され、この外端部は負荷体２４へ結合されている。ピス トン２８の位置は固定でき、この場合、シリンダ２６は負荷体へ機械的に結合さ れている。 三方向電磁弁１４は、ステム４２によりプランジャ４４に接続された弁スプー ル（図示せず）によって設定された一対の弁位置３８及び４０を含む。スプリン グ４６は、電磁弁１４の静止弁位置としての弁位置３８を設定する位置へ向かっ て矢印４７の方向へ、プランジャを弁スプールへ偏らせるように働く。三方向電 磁弁１６は好ましくは電磁弁１４と同様なものであり、ステム５４によりプラン ジャ５２に接続された弁スプール（図示せず）によって設定された一対の弁位置 ４８及び５０を含む。スプリング５６は、電磁弁１６の静止弁位置としての弁位 置５０を確立する位置へ向かって矢印５７の方向へ、プランジャ５２を弁スプー ルへ偏らせるように働く。 アクチュエータチャンバ３０へ開口するポート５８は、流体ライン６０により 電磁弁１４のポート６２へ接続され、一方、アクチュエータチャンバ３２へ開口 するポート６４は、流体ライン６６により弁１６のポート６８へ接続されている 。電磁弁１４のポート７０及び電磁弁１６のポート７２は、流体ライン７６及び ７８により並列に加圧流体源１８へ接続されている。装置１０の流体回路を完成 するために、電磁弁１４のポート８０及び電磁弁１６のポート８２は、流体ライ ン８４及び８６により並列に大気２０へ接続されている。 電磁弁１４のプランジャ４４を包囲する電磁コイル８８は、一端が接地され、 その他端はリード配線９０により電子モジュール２２へ接続されている。電磁弁 １６のプランジャ５２を包囲する電磁コイル９２は、一端が接地され、その他端 はリード配線９４により電磁コイル８８と並列に電子モジュール２２へ接続され ている。電子モジュールは、リード配線９６を通じて受け取られた位置指令（即 ち電磁弁１４の電磁コイル８８及び電磁弁１６の電磁コイル９２へ並列に適用さ れる連続パルスの流れ９８）に応答してパルス幅変調（pulse width modulate： PMW）するように、公知の方式で構成されている。流れ９８のパルス率は例えば 毎秒１６パルスである。最後に、流体ライン７６，７８，８４及び８６に配置さ れたオリフィス１００は、これらのラインを通る流量率を調整するので、システ ムの変動を均衡させ、アクチュエータチャンバ３０及び３２における流体圧力の 不意の切り替わりを防止する。 図に明らかなように、電磁弁１４及び１６が、流れ９８の連続パルスのインタ ーバルの間に、それらの各々の静止位置３８及び５０にあると仮定すると、アク チュエータチャンバ３０は排圧され、アクチュエータチャンバ３２は加圧流体源 と流体連通する。これらの状態下では、アクチュエータチャンバ３２内の作動液 圧はアクチュエータチャンバ３０内の作動液圧を越える。チャンバ３０の容積が 収縮するに応じてチャンバ３２の容積は膨脹し、ピストン２８が左方向へ駆動さ れるので、負荷体２４も左方向へ駆動される。 他方、パルス流れ９８の各パルスのインターバル（幅）の間、電磁弁１４及び １６が、各々の起動位置４０及び４８にあると仮定すると、アクチュエータチャ ンバ３０は加圧流体源１８と流体連通にあり、アクチュエータチャンバ３２は排 圧される。次いで、アクチュエータチャンバ３０内の作動液圧はアクチュエータ チャンバ３２内の作動液圧を越える。チャンバ３２の容積が収縮するに応じてチ ャンバ３０の容積は膨脹し、ピストン２８が右方向へ駆動されるので、負荷体２ ４も右方向へ駆動される。 配線９６上の指令信号によるパルス効率サイクル設定が５０％（パルス幅がパ ルスインターバルに等しい）とき、アクチュエータチャンバ３０及び３２におけ る平均有効圧力は等しくなり、即ち均衡するので、ピストン２８は、基本的に静 止にとどまって負荷体２４を所定位置へ保持する。流れ９８のパルス率における アクチュエータチャンバの交互の加圧と排圧に起因するピストンの震えは僅かで あるので、静摩擦及び装置１０の操作におけるヒステリシスの不都合な影響は効 果的に除去される。 パルス効率周期が５０％以下に減少すると、アクチュエータチャンバ３２内の 平均有効液圧はアクチュエータチャンバ３０内の平均有効圧力を越え、負荷体２ ４が左方向へ移動する。このことから、負荷体２４が左方向へ移動する率は、５ ０％以下のパルス効率サイクル減少に比例して増大することが認められる。従っ て、パルス流れが中断した際に、負荷体２４は最大率で左方向へ移動する。この 特徴は、或る一定の適用において、万が一に破局的な電子制御不能の場合に、最 大率にて負荷体を安全保証位置へ移動させる利点として使用できる。左方向への 移動が負荷体２４を所望の新たな位置へ移動させる際、指令信号はパルス効率サ イクルを５０％へ復帰させるので、負荷体は新たな位置へ保持される。 逆に、パルス効率サイクルが増加して５０％を越えた際には、アクチュエータ ３０内の平均有効流体圧力はアクチュエータ３２内の平均有効流体圧力を越え、 増加した効率サイクルと５０％効率サイクルとの間の差に比例した率で負荷体は 右方向に移動する。右方向移動の最大率は、１００％効率サイクル、即ち、電磁 コイル８８及び９２の直流電圧印加において達成される。負荷体が所望の新たな 右方向位置へ到達すると、パルス効率サイクルは５０％へ復帰し、この新たな位 置へ負荷体を保持する。 負荷体２４が、一組の機器の操作を制御する適切な率における位置の範囲を通 じて変位すべき如何なる部材にもなり得ることから、本発明は様々な適用を持つ ことが認められる。例えば、本発明の装置は、連続可変液圧トランスミッション における比制御器（ratio controller）として利用でき、これは例えば発明者に よる出願日１９９５年１月３０日の米国出願第０８／３８０，２６９号に開示さ れており、その開示物は、その米国出願を参照することにより本願に組み合わせ られる。 等業者には、本発明の装置及び方法に対し、発明の主旨を逸脱することなく、 様々な変更及び変形をなせることが明らかである。従って、本発明は、添付の請 求項及びその等価物の主旨と目的の範囲内で与えられる変更及び変形を包含する ことが意図されている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．位置決め装置であって、： シリンダと、このシリンダ内に第一と第二のチャンバを規定するように該シ リンダ内に配置されたピストンとを含む流体アクチュエータと、； 第一のチャンバを流体圧力源へ接続する静止弁位置と、第一のチャンバを排 圧させる作動弁位置とを有する第一の流体弁と、； 第二のチャンバを排圧させる静止弁位置と、第二のチャンバを流体圧力源へ 接続する作動弁位置とを有する第二の流体弁と、； 第一と第二の流体弁に接続され、且つ入力指令に応答し、第一と第二の流体 弁をそれらの各々の作動弁位置へ周期的かつ同時に起動させることにより、ピス トン及びアクチュエータの相対移動を導く第一と第二のチャンバ内の流体圧力差 を生成するためのモジュールと； 上記相対移動を負荷体の位置決め移動に変換するための手段とを備える位置 決め装置。 ２．前記モジュールが、電気的パルスの流れにより第一と第二の流体弁を起動し 、各パルスの継続時間については第一と第二の流体弁をそれらの各々の作動弁位 置へ変位させ、パルス間の各インターバルの期間中には第一と第二の流体弁がそ れらの各々の静止弁位置へ偏らせる請求項１に記載の位置決め装置。 ３．前記モジュールが、負荷体の位置決め移動の率及び方向を制御するようにパ ルスの流れのパルス幅を調整する請求項２に記載の位置決め装置。 ４．第一と第二の流体弁が電磁弁であり、且つパルスの流れが連続的なパルスの 流れである請求項３に記載の位置決め装置。 ５．前記ピストンが前記負荷体へ結合されている請求項４に記載の位置決め装置 。 ６．第一と第二のチャンバを流体圧力源へ接続する流体ラインと第一と第二のチ ャンバを排圧させる流体ラインとに含まれた流体流量規制体を更に備える請求項 ２に記載の位置決め装置。 ７．負荷体を位置決めする方法であって、： 流体アクチュエータを上記負荷体へ結合する行程であり、ここで上記アクチ ュエータはシリンダ内に第一と第二のチャンバを規定するように、該シリン ダ内に配置されたピストンを含むことと、； 加圧流体源を設ける行程と、； 第一のチャンバを排圧させる第一の弁位置と、第一のチャンバを上記加圧流 体源へ接続させる第二の弁位置とを有する第一の流体弁を設ける行程と、； 第二のチャンバを上記加圧流体源へ接続させる第一の弁位置と、第二のチャ ンバを排圧させる第二の弁位置とを有する第二の流体弁を設ける行程と、； 第一と第二の流体弁を、第一の時間周期については同時にそれらの第一の弁 位置へ、第二の時間周期については同時にそれらの第二の弁位置へと交互に切り 換える行程と、； 第一と第二とのチャンバ内の液圧が均衡するように第一と第二との時間周期 を等しくすることにより、上記負荷体を所望の位置に保持する行程と、； 第一と第二とのチャンバ内の液圧が不均衡になるように第一の時間周期を第 二の時間周期に対して大きくすることにより、上記負荷体を第一の方向へ移動さ せる行程と、； 第一と第二とのチャンバ内の液圧が不均衡になるように第一の時間周期を第 二の時間周期に対して小さくすることにより、上記負荷体を第二の方向へ移動さ せる行程とを備える位置決め方法。 ８．第一と第二の流体弁が、第一と第二の電磁弁であり、これら電磁弁は、通常 はそれらの第二の弁位置へ偏り、前記切り換える行程は、第一と第二の電磁弁が パルスの流れを並列に用い、各パルスのインターバルについては第一と第二の電 磁弁をそれらの各々の第一の位置へ同時に変位させ、パルス間の各インターバル の期間中には第一と第二の電磁弁をそれらの各々の第二の弁位置へ同時に復帰さ せ、パルス間隔が第一の時間周期を決定し、パルスインターバルが第二の時間周 期を決定することにより実行される請求項７記載の位置決め方法。 ９．時間周期を等しく、大きく、及び小さくする行程が、パルスの流れの選択的 なパルス幅変調により実行される請求項８記載の位置決め方法。