(57)【要約】 【課題】  エアシリンダにおける圧力室の容積が大きく変化した場合でも、定常偏差や外乱等が発生するのを防止して応答性を高める。【解決手段】  エアシリンダ１０の圧力室１１，１２への給排気をエアサーボバルブ２０，３０で行い、この圧力室１１，１２内の圧力を圧力センサ２３，３３で検出してその圧力検出信号をコントローラ４０にフィードバックし、指令値と検出値との偏差に基づいて該コントローラ４０のＰＩＤ調節器により上記エアサーボバルブ２０，３０の開度を調節して上記エアシリンダ１０を制御する方法において、上記エアシリンダ１０におけるロッドの変位を変位センサ２５で検出してその変位検出信号を上記コントローラ４０にフィードバックし、この変位検出信号に応じて上記ＰＩＤ調節器のゲインを常時変更する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアシリンダの圧力室への給排気をエアサーボバルブで行い、この圧力室内の圧力を圧力センサで検出してその圧力検出信号をコントローラにフィードバックし、指令値と検出値との偏差に基づいて該コントローラのＰＩＤ調節器により上記エアサーボバルブの開度を調節して上記エアシリンダを制御する方法において、
上記エアシリンダにおけるロッドの変位を変位センサで検出し、この変位検出信号に基づいて上記ＰＩＤ調節器のゲインのみを常時変更することを特徴とするエアシリンダの制御方法。
【請求項２】
上記ロッドの変位に比例して比例ゲインを変更することを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項３】
エアシリンダのヘッド側及びロッド側の２つの圧力室への給排気を２つのエアサーボバルブにより個別に行い、各々のエアサーボバルブに対応するＰＩＤ調節器のゲインを上記変位センサからの変位検出信号により変更することを特徴とする請求項１又は２に記載の制御方法。
【請求項４】
エアシリンダと、このエアシリンダの圧力室への給排気を行うエアサーボバルブと、上記圧力室の圧力を検出する圧力センサと、上記エアシリンダにおけるロッドの変位を検出する変位センサと、上記圧力センサからフィードバックされる圧力検出値と指令値との偏差に基づいてＰＩＤ調節器により上記エアサーボバルブを制御するコントローラとを備えた制御装置において、
この制御装置が更に、上記エアシリンダのロッドの変位を検出してコントローラにフィードバックする変位センサを有し、この変位センサからの変位検出信号に応じて上記ＰＩＤ調節器のゲインを常時変更するように構成されていることを特徴とするエアシリンダの制御装置。
【請求項５】
上記ロッドの変位に比例して比例ゲインを変更することを特徴とする請求項４に記載の制御装置。
【請求項６】
エアシリンダのヘッド側圧力室及びロッド側圧力室に個別に接続された２つのエアサーボバルブ及び２つの圧力センサと、各々のエアサーボバルブに対応する２つのＰＩＤ調節器と、１つの変位センサとを有することを特徴とする請求項４又は５に記載の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアサーボバルブを使用してエアシリンダを制御するための方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４には、エアサーボバルブを使用してエアシリンダの推力を制御する装置の基本的な接続例が示されている。この図において、１はエアシリンダ、２はこのエアシリンダ１のヘッド側圧力室１ａに接続された３位置形のエアサーボバルブ、３はこのエアサーボバルブ２とロッド側圧力室１ｂとにレギュレータ４を介して接続された圧力エア源、５は上記エアサーボバルブ２をＰＩＤ調節器５ａ（図５参照）により制御するコントローラ、６は上記ヘッド側圧力室１ａ内のエア圧力を検出してその圧力検出信号を上記コントローラ５にフィードバックする圧力センサ、７は上記エアシリンダ１のピストン１ｃの位置を検出する位置センサである。
【０００３】
上記装置において、コントローラ５によりエアサーボバルブ２が図の左側の第１位置に切り換えられ、エアシリンダ１のヘッド側圧力室１ａに圧力エアが供給されると、このエアシリンダ１のピストン１ｃ及びロッド１ｄは図の右方向に前進する。このとき、ヘッド側圧力室１ａ内の圧力が圧力センサ６で検出されると共に、ピストン１ｃの位置が位置センサ７で検出され、それぞれの検出信号が上記コントローラ５にフィードバックされる。そして、このコントローラ５のＰＩＤ調節器５ａにおいて圧力指令値と圧力検出値との偏差に必要なゲイン（増幅）がかけられ、エアサーボバルブ２が制御されることにより、ピストン１ｃの位置に応じた推力制御が行われる。このとき、上記エアサーボバルブ２は、ゲインがかけられた制御信号に応じた開度となり、その開度に応じたエア流量によって上記エアシリンダ１の圧力室１ａ内の圧力が制御される。
【０００４】
図５には、上記装置において、上記圧力室１ａ内の圧力を制御することによってエアシリンダ１の推力を制御する場合のブロック線図が示されている。図中、Ｐｉは指令値、ＫｐはＰＩＤ調節器５ａの比例ゲイン、Ｇ（Ｓ）はエアサーボバルブ２の伝達関数、Ｖは圧力室の容積、１／ＶＳはエアシリンダ１の伝達関数、ａは定数、Ｔは時定数、ｓはラプラス演算子、Ｑは操作量、Ｐ０ は制御量、Ｋｃはフィードバックゲインである。しかし、このブロック線図についての詳細な説明は、本発明の説明に関連して後で述べることとする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このようにエアサーボバルブでエアシリンダを制御する場合、従来の制御方式では、指令値と測定値との間の定常偏差や外乱の影響によって応答性が悪く、精度の良い制御を行うことが困難であった。特に、負荷である上記圧力室の容積（タンク容積）がピストンの位置変化に応じて大きく変化するため制御しずらいといった問題あり、また、圧力室の容積が小さい場合には制御系が不安定になり易く、逆に圧力室の容積が大きい場合には応答性が悪いといったような問題があった。
そこで、本発明の目的は、上記従来の制御方式における欠点を解消するために、定常偏差を減少すると共に外乱の影響を受けにくくし、応答性と安定性とを高めてエアシリンダを高精度に制御することができるようにした、新規な制御技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明によれば、エアシリンダの圧力室への給排気をエアサーボバルブで行い、この圧力室内の圧力を圧力センサで検出してその圧力検出信号をコントローラにフィードバックし、検出値と指令値との偏差に基づいて該コントローラのＰＩＤ調節器により上記エアサーボバルブの開度を調節して上記エアシリンダを制御する方法において、上記エアシリンダにおけるロッドの変位を変位センサで検出し、この変位検出信号に基づいて上記ＰＩＤ調節器のゲインのみを常時変更することを特徴とするエアシリンダの制御方法が提供される。
この場合、上記ロッドの変位に比例させて比例ゲインを変更しても良い。
【０００７】
本発明においては、上記エアシリンダのヘッド側及びロッド側の２つの圧力室への給排気を２つのエアサーボバルブにより個別に行い、各々のエアサーボバルブに対応するＰＩＤ調節器のゲインを上記変位センサからの変位検出信号により変更することもできる。
【０００８】
また、上記方法を実施するため、本発明によれば、エアシリンダと、このエアシリンダの圧力室への給排気を行うエアサーボバルブと、上記圧力室の圧力を検出する圧力センサと、上記エアシリンダにおけるロッドの変位を検出する変位センサと、上記圧力センサからフィードバックされる圧力検出値と指令値との偏差に基づいてＰＩＤ調節器により上記エアサーボバルブを制御するコントローラとを備えた制御装置において、この制御装置が更に、上記エアシリンダのロッドの変位を検出してコントローラにフィードバックする変位センサを有し、この変位センサからの変位検出信号に応じて上記ＰＩＤ調節器のゲインを常時変更するように構成されていることを特徴とするエアシリンダの制御装置が提供される。
この場合、上記ロッドの変位に比例させて比例ゲインを変更しても良い。
【０００９】
更に、本発明においては、エアシリンダのヘッド側圧力室及びロッド側圧力室へ個別に接続された２つのエアサーボバルブ及び２つの圧力センサと、各々のエアサーボバルブに対応する２つのＰＩＤ調節器と、１つの変位センサとを有するように構成することもできる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、エアシリンダにおけるロッドの変位を変位センサで検出し、この変位検出信号に基づいて上記ＰＩＤ調節器のゲインのみを常時変更するようにしたので、適応制御と同様の制御性により、エアシリンダにおける圧力室の容積が大きく変化した場合でも、あるいは圧力室の容積が小さい場合、又は大きい場合であっても、定常偏差が減少すると共に、外乱による影響も受けにくくなり、応答性と安定性とが高められてエアシリンダを高精度に制御することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は本発明に係るシリンダ制御装置の一実施形態を示すもので、この実施形態は、エアシリンダ１０を溶接用エアサーボガンとして使用する場合を例示している。
即ち、この制御装置は、溶接ガンを構成するエアシリンダ１０と、このエアシリンダ１０のヘッド側圧力室１１に接続されたヘッド側エアサーボバルブ２０と、ロッド側圧力室１２に接続されたロッド側エアサーボバルブ３０と、これらのエアサーボバルブ２０，３０に制御信号を出力するコントローラ４０と、外部から上記コントローラ４０に指令を与える外部コントローラ５０とを備え、上記コントローラ４０により両エアサーボバルブ２０，３０を制御してエアシリンダ１０を所望の動作状態に制御するものである。
【００１２】
また、上記エアシリンダ１０は、シリンダチューブ１３と、これに摺動自在に嵌挿されたピストン１４と、該ピストン１４に連結されたピストンロッド１５とを備え、該ピストンロッド１５によりワークのクランプを行うものである。シリンダチューブ１３は密閉された筒体であり、ピストン１４を挟んでそのヘッド側の圧力室１１とロッド側圧力室１２とを備えている。ピストンロッド１５はシリンダチューブ１３を密閉状に貫通して外部に延出している。このピストンロッド１５の外部に延出した端部には図示しない溶接ガンの一方の電極部材が装着される。
【００１３】
上記ヘッド側圧力室１１には、ヘッド側エアサーボバルブ２０から流路２２を通して所要圧力のエアが給排され、この圧力室１１には、そのエア圧力を検出するヘッド側圧力センサ２３が接続されている。また、このヘッド側圧力室１１には、ヘッドカバー側からピストン１４内に挿入されて該ピストン１４の駆動位置を検出する変位センサ２５のプローブ２６が設けられている。上記ヘッド側圧力センサ２３と変位センサ２５とで検出された圧力及び変位に関する検出信号は、上記コントローラ４０にフィードバックされる。
【００１４】
一方、ロッド側圧力室１２は、ロッド側エアサーボバルブ３０から流路３２を通してエアが給排され、この圧力室１２には、その圧力を検出するロッド側圧力センサ３３が接続されている。このロッド側圧力センサ３３からの圧力検出信号は、上記コントローラ４０にフィードバックされる。
【００１５】
上記ヘッド側エアサーボバルブ２０及びロッド側エアサーボバルブ３０は、実質的に同じ構成を有する３位置式３ポート弁であって、エアの供給源４１からのエアを導入する給気ポートと、それを出力する出力ポートと、それを排出する出力ポートとを有し、コントローラ４０からの出力信号に応じた開度で各ポートを適宜連通させ、制御された圧力エアを各圧力室に流すものである。
【００１６】
上記コントローラ４０には、上述したように、ヘッド側圧力センサ２３及びロッド側圧力センサ３３からの圧力検出信号と、変位センサ２５からの位置検出信号とがフィードバックされる。また、このコントローラ４０には、ピストン１４の動作態様や、その動作位置に応じた両圧力室１１，１２内のエア圧力等の指令値が、タイムチャートとして設定され、記憶されている。そして、外部コンピュータ５０から入力される指令信号に基づき、上記コントローラ４０のヘッド側制御部４０ａ及びロッド側制御部４０ｂにおけるＰＩＤ制御器で、対応する圧力センサ２３，３３からフィードバックされた検出値と指令値とがそれぞれ比較され、それらの偏差に必要なゲイン（増幅）がかけられ、その信号によって対応するヘッド側及びロッド側のエアサーボバルブ２０，３０が制御される。このとき、各エアサーボバルブ２０，３０は、ゲインがかけられた制御信号に応じた開度となり、その開度に応じたエア流量によって上記エアシリンダ１０の両圧力室１１，１２内の圧力Ｐｈ，Ｐｒが制御され、それらの差が推力として出力される。
【００１７】
従って、上記ヘッド側エアサーボバルブ２０とヘッド側圧力センサ２３及びヘッド側制御部４０ａとによってヘッド側制御系６０Ａが構成され、上記ロッド側エアサーボバルブ３０とロッド側圧力センサ３３及びロッド側制御部４０ｂとによってロッド側制御系６０Ｂが構成されている。
なお、図中２４，３４はエアサーボバルブ２０，３０から圧力室に至る流路２２，３２に設けた圧力センサである。
【００１８】
図２（Ａ）〜（Ｃ）には、上記エアシリンダ１０の制御動作の一例がタイムチャートとして示されている。同図（Ａ）は、エアシリンダ１０の任意の停止位置から両エアサーボバルブ２０，３０に印加される入力信号Ｖｈ、Ｖｒの変化を示し、同図（Ｂ）は、ピストンストロークＸの変化を示し、同図（Ｃ）は、エアシリンダ１０におけるヘッド側及びロッド側の圧力室１１，１２の圧力Ｐｈ、Ｐｒの変化を示している。
【００１９】
図２（Ａ）において、時刻ｔ１に、ヘッド側エアサーボバルブ２０に曲線Ｖｈで示す入力信号が印加されて、該エアサーボバルブ２０の給気側が全開またはそれに近いところまで開放され、一方、ロッド側エアサーボバルブ３０には曲線Ｖｒで示す入力信号が印加されて、該エアサーボバルブ３０の排気側が全開される。
【００２０】
そのため、同図（Ｂ）に示すように、ある任意の停止位置（Ｘａ）にあったピストン１４が、その位置から目標位置Ｘｔであるワークのクランプ位置（Ｘｏ）へ向けて駆動される。
【００２１】
上述したようにピストン１４を駆動し、クランプのために位置決め動作させる場合に、ヘッド側エアサーボバルブ２０を図示のように圧力制御し、ロッド側エアサーボバルブ３０については、ピストンの現在位置Ｘとワークのクランプ位置Ｘｏとの偏差（△Ｘ＝Ｘ−Ｘｏ）に比例した入力信号（ａ・△Ｘ：但しａは常数）に対応するエアサーボバルブ開度を保つことにより、ワークのクランプ位置に近づくにつれて、シリンダのピストン速度を滑らかに減速させることができる。
なお、ヘッド側エアサーボバルブ２０の開度も上記偏差△Ｘに応じて低減させる必要がある。
【００２２】
ピストン速度が十分に減速され、かつ、ピストンがワークのクランプ位置へ十分に近づくことにより、設定位置（Ｘｃ）に達したときからは、ロッド側のエアサーボバルブ３０のエアサーボバルブ開度（△Ｖ）を微小な一定値に固定することで、クランプ用部材を一定かつ低速でワークへ接触させることができる。
【００２３】
図３には、上記制御装置においてヘッド側圧力室１１の圧力を制御するヘッド側制御系６０Ａのブロック線図が示されている。このヘッド側制御系６０Ａでは、上述したようにしてヘッド側圧力室１１の圧力制御を行いながら、同時に、変位センサ２５で検出されたロッドの変位検出信号をヘッド側制御部４０ａにフィードバックし、その検出値Ｋに基づき、シリンダ容積（ヘッド側圧力室の容積）Ｖの変化に対応させてＰＩＤ調節器４０ａ’のゲインＫｐを常時変更するように構成している。
ここで、上記制御系６０Ａにおける圧力制御の基本は、図４及び図５の従来装置と実質的に同じであるから、図５に記載された従来装置のブロック線図についてその基本的な部分を説明する。
この従来装置のブロック線図の全体の伝達関数を表現すると式（１）のようになる。
【数１】
2006057724.tif 000003
【００２４】
また、上記式（１）において、バルブの伝達関数を簡単にするため一次遅れ系で近似するとＧ（Ｓ）＝ａ／（１＋Ｔ・ｓ）になる。よって、式（１）は式（２）となり、式（３）のようになる。
【数２】
2006057724.tif 000004
【数３】
2006057724.tif 000005
【００２５】
ＰＩＤ調節器に入力される圧力指令値に対し、エアシリンダ１０に出力される出力圧の伝達関数は二次遅れ系となり、次の式（４）で表される。
【数４】
2006057724.tif 000006
【００２６】
ここで、ωｎ  は非減衰固有角周波数、ζは減衰係数で、それぞれ次の式（５）、（６）で表される。
【数５】
2006057724.tif 000007
【数６】
2006057724.tif 000008
【００２７】
これらの式から、上記非減衰固有角周波数ωｎ  及び減衰係数ζがシリンダの容積に大きく依存していることが分かる。
このように、シリンダにおける圧力室の容積はピストンの位置によって大きく変化し、それに伴って上記非減衰固有角周波数ωｎ  及び減衰係数ζが変化するため、制御性も変化し、指令値と測定値との間の定常偏差や外乱等の影響を受け易くなって応答性が悪く、精度の良い制御を行うことが困難である。
【００２８】
しかし、上記式（５）、（６）に着目すると、それぞれの分母と分子にシリンダ容積ＶとＰＩＤ調節器のゲインＫｐが存在していること分かる。そこで、シリンダ容積Ｖの変化に対応させてゲインＫｐを調整し、「Ｋｐ／Ｖ＝一定」となるようにすれば、上記非減衰固有角周波数 及び減衰係数の変化をなくして制御性を一定にすることができる。
【００２９】
このような観点から本発明では、図３に示すように、変位センサ２５で検出されたロッドの変位検出信号をヘッド側制御部４０ａにフィードバックし、その検出値Ｋに応じてＰＩＤ調節器４０ａ’のゲインＫｐを常時変更するように構成している。具体的方法としては、上記変位検出値Ｋをゲインの値に乗ずれば良い。
【００３０】
これにより、適応制御と同様の勝れた制御性により、エアシリンダ１０における圧力室の容積が大きく変化した場合でも定常偏差や外乱の発生を確実に防止し、ロッドの位置に拘わらず良好な応答性を得ることができる。
なお、上記実施例では、ヘッド側制御系についてＰＩＤ調節器のゲインを変更するようにしているが、ロッド側制御系についても同様の制御を行うことができる。
また、上記変位センサとして速度センサや加速度センサを使用し、変位信号としてロッドの速度又は加速度を検出することにより、同様の制御を行うことも可能である。
なお、上述した方法によりエアシリンダ１０における圧力室のエア圧力を制御する技術は、エアシリンダ１０の推力制御だけでなく、ロッドの位置決め制御にも適用できることはいうまでもないことである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るシリンダ制御装置の一実施形態を示す全体接続図である。
【図２】本発明の制御方法について説明するためのタイムチャートの一例である。
【図３】図１の制御装置におけるヘッド側制御系のブロック構成図である。
【図４】従来のシリンダ制御装置の接続図である。
【図５】図４の制御装置のブロック構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０      エアシリンダ
１１，１２      圧力室
１５      ロッド
２０，３０      エアサーボバルブ
４０      コントローラ
４０ａ’      ＰＩＤ調節器
Ｋｐ      ゲイン
【図１】
2006057724.tif 000009
【図２】
2006057724.tif 000010
【図３】
2006057724.tif 000011
【図４】
2006057724.tif 000012
【図５】
2006057724.tif 000013