(57)【要約】ピストン制御システムは、第１と第２の移動端部限（２２と２４）の間で移動するようにハウジング（２０）内に配置されたピストン（１８）によって画定された、少なくとも１つの流体チャンバ（１４）を有する流体作動式シリンダ（１２）を制御するのに使用される。システムは、少なくとも１つのチャンバ内へのおよびその外への流体の流れを選択的および比例的に制御するように、シリンダの各ポートに連結された少なくとも２つの電気作動式比例流制御バルブ（２６、３０）を備えている。各チャンバに対して流体圧力を測定するための少なくとも１つの圧力センサ（３８、４０）が設けられている。少なくとも１つの個別位置センサ（４２）は、ピストンの芯合わせされた個別位置を感知するように、シリンダの中点に隣接して配置されている。コントローラ（４４）はプログラムを備え、少なくとも１つの圧力センサによって測定される圧力、および少なくとも１つの位置センサによって測定される位置に応じて、少なくとも２つのバルブの作動を制御するように動作可能に連結されている。
2006522299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１と第２の移動端部限の間で移動するようにハウジング内に配置されたピストンによって画定された少なくとも１つの流体チャンバを有する流体作動式シリンダの位置を制御するための流体作動式シリンダの位置制御装置であって、
少なくとも１つの流体入口ポート、少なくとも１つの流体出口ポート、および少なくとも１つの流体排出ポートを有する多弁マニホールドと、
該多弁マニホールドに連結され、制御される流体作動式シリンダの少なくとも１つの流体チャンバ内およびその外からの流体流を選択的および比例的に制御するように、制御された流体作動式シリンダの各入口ポートおよび各出口ポートに流体連通する少なくとも１つの電気作動式比例流制御バルブと、
制御される前記シリンダ内の前記流体作動式シリンダの各チャンバに関する流体圧力を測定する少なくとも１つの圧力センサと、
制御される前記ピストンの所定の個別位置を検知するように、制御される前記流体作動式シリンダに結合された少なくとも１つの個別位置センサと、
前記少なくとも１つの圧力センサによって測定された圧力、および前記少なくとも１つの位置センサによって測定された位置に応じて、前記少なくとも１つのバルブの作動を制御するように、前記少なくとも１つのバルブ、前記少なくとも１つの圧力センサ、および前記少なくとも１つの位置センサに動作可能に連結された制御プログラムとを備えることを特徴とする流体作動式シリンダの位置制御装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの個別位置センサはさらに、
前記流体作動式シリンダの動作行程の中点に隣接して配置された第１の位置センサと、
前記少なくとも１つのチャンバを画定する、制御される前記シリンダの端壁面と接触する前に、緩やかな停止減速度を提供するように制御された前記シリンダ内の前記ピストンの移動の一端部に隣接して配置された第２の位置センサとを備えることを特徴とする請求項１記載の流体作動式シリンダの位置制御装置。
【請求項３】
第１の拡張可能流体チャンバ内への流体の流れを選択的および比例的に制御するように第１の拡張可能流体チャンバに結合された第１のバルブ、および前記第１の拡張可能流体チャンバの外への流体の流れを選択的および比例的に制御するように前記第１の拡張可能流体チャンバに結合された第２のバルブを含む、少なくとも１つの電気作動式比例流バルブをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の流体作動式シリンダの位置制御装置。
【請求項４】
制御される前記シリンダ内の前記ピストンの移動の一端部に隣接する第１の拡張可能流体チャンバ、および制御される前記シリンダ内の前記ピストンの移動の別の端部に隣接する第２の拡張可能流体チャンバを含む、前記少なくとも１つの拡張可能流体チャンバをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の流体作動式シリンダの位置制御装置。
【請求項５】
前記第１の拡張可能流体チャンバに結合された第１の圧力センサ、および前記第２の拡張可能流体チャンバに結合された第２の圧力センサを含む、前記少なくとも１つの圧力センサをさらに備えることを特徴とする請求項４記載の流体作動式シリンダの位置制御装置。
【請求項６】
制御される流体作動式シリンダの動作行程の中点に隣接して配置された第１の位置センサと、１つのチャンバを画定する、制御される前記シリンダの端壁面に接触する前に前記ピストンの緩やかな停止減速度を提供するように、制御される前記シリンダ内の前記ピストンの移動の一端部に隣接して配置された第２の位置センサと、別のチャンバを画定する、制御される前記シリンダの端壁面に接触する前に前記ピストンの緩やかな停止減速度を提供するように、制御される前記シリンダ内の前記ピストンの移動の反対側端部に隣接して配置された第３の位置センサとを含む、前記少なくとも１つの個別位置センサをさらに備えることを特徴とする請求項４記載の流体作動式シリンダの位置制御装置。
【請求項７】
前記ピストンが、制御される前記シリンダに対して中間位置に隣接して配置された前記少なくとも１つの個別位置センサによって検知されるときに、ホーム位置を初期化する制御プログラムをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の流体作動式シリンダの位置制御装置。
【請求項８】
制御される前記シリンダに対して中間に配置される前記芯合わせされた個別位置から、制御される前記シリンダ内で所望の距離だけ前記ピストンを移動させるように、前記少なくとも１つの拡張可能流体チャンバ内の所要の圧力を計算すると共に、制御される前記シリンダ内の前記ピストンの移動の前記所望の距離に対応する前記少なくとも１つの拡張可能流体チャンバ内における計算した圧力を得るように、前記少なくとも１つの電気作動式比例流バルブを制御する前記制御プログラムをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の流体作動式シリンダの位置制御装置。
【請求項９】
制御される前記シリンダに対して前記芯合わせされた個別位置に向かって前記ピストンを偏倚させる手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の流体作動式シリンダの位置制御装置。
【請求項１０】
第１と第２の移動端部限の間で移動するようにハウジング内に配置されたピストンによって画定された少なくとも１つの流体チャンバを有する流体作動式シリンダを制御する方法であって、
少なくとも１つの流体入口ポート、少なくとも１つの流体出口ポート、および少なくとも１つの流体排出ポートを有する多弁マニホールド上に少なくとも１つの電気作動式比例流バルブを取り付けるステップと、
制御される前記流体作動式シリンダの各ポートに連結された少なくとも１つの電気作動式比例流バルブで、制御される流体作動式シリンダの少なくとも１つの流体チャンバ内およびその外からの流体流を選択的および比例的に制御するステップと、
少なくとも１つの圧力センサで、制御される前記流体作動式シリンダの各チャンバに関する流体圧力を測定するステップと、
制御される前記流体作動式シリンダの中点に隣接して配置された少なくとも１つの個別位置センサで、前記シリンダ内の前記ピストンの動作行程の個別位置を検知するステップと、
前記少なくとも１つのバルブ、前記少なくとも１つの圧力センサ、および前記少なくとも１つの位置センサに動作可能に連結された制御プログラムで、前記少なくとも１つの圧力センサによって測定された圧力、および前記少なくとも１つの位置センサによって測定された位置に応じて、前記少なくとも１つのバルブの作動を制御するステップとを含むことを特徴とする流体作動式シリンダの制御方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの個別位置センサでの前記位置検知ステップはさらに、
第１の位置センサを前記流体作動式シリンダの中点に隣接して配置するステップと、
第２の位置センサを前記ハウジング内の前記ピストンの移動の一端部に隣接して配置するステップと、
前記第２の位置センサで前記ハウジングに対する前記ピストンの移動の一端部に隣接する個別位置を検知するステップと、
前記第２の位置センサに応じて、前記制御プログラムで前記少なくとも１つのチャンバを画定する前記ハウジングの端壁面に接触する前に、ピストンを緩やかな停止まで減速させるステップとを含むことを特徴とする請求項１０記載の流体作動式シリンダの制御方法。
【請求項１２】
少なくとも２つの電気作動式比例流バルブで流体の流れを制御するステップはさらに、
前記第１の拡張可能流体チャンバ内への流体の流れを選択的および比例的に制御するように、前記第１の拡張可能流体チャンバに結合された第１のバルブを提供するステップと、
前記第１の拡張可能流体チャンバの外への流体の流れを選択的および比例的に制御するように、前記第１の拡張可能流体チャンバに結合された第２のバルブを提供するステップとを含むことを特徴とする請求項１０記載の流体作動式シリンダの制御方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの拡張可能流体チャンバはさらに、
前記ハウジング内の前記ピストンの移動の一端部に隣接して第１の拡張可能流体チャンバを設けるステップと、
前記ハウジング内の前記ピストンの移動の別の端部に隣接して第２の拡張可能流体チャンバを設けるステップとを含むことを特徴とする請求項１０記載の流体作動式シリンダの制御方法。
【請求項１４】
少なくとも１つの圧力センサでの前記圧力検知ステップはさらに、
前記第１の拡張可能流体チャンバに結合した第１の圧力センサを設けるステップと、
前記第２の拡張可能流体チャンバに結合した第２の圧力センサを設けるステップとを含むことを特徴とする請求項１３記載の流体作動式シリンダの制御方法。
【請求項１５】
少なくとも１つの個別位置センサでの前記位置検知ステップはさらに、
前記流体作動式シリンダの中点に隣接して配置された第１の位置センサを設けるステップと、
１つのチャンバを画定する前記ハウジングの端壁面に接触する前に、前記ピストンの緩やかな停止減速度を提供するように、前記ハウジング内の前記ピストンの移動の一端部に隣接して配置された第２の位置センサを設けるステップと、
別のチャンバを画定する前記ハウジングの端壁面に接触する前に、前記ピストンの緩やかな停止減速度を提供するように、前記ハウジング内の前記ピストンの移動の反対側の端部に隣接して配置された第３の位置センサを設けるステップとを含むことを特徴とする請求項１３記載の流体作動式シリンダの制御方法。
【請求項１６】
制御プログラムでの前記制御ステップはさらに、
前記ピストンが、前記ハウジングに対して前記芯合わせされた個別位置に配置される前記少なくとも１つの個別位置センサによって検知されるときに、ホーム位置を初期化するステップを含むことを特徴とする請求項１０記載の流体作動式シリンダの制御方法。
【請求項１７】
制御プログラムでの前記制御ステップはさらに、
前記ハウジングに対して中間に配置された前記芯合わせされた個別位置から、前記ハウジング内で所望の距離だけ前記ピストンを移動させるように、前記少なくとも１つの拡張可能流体チャンバ内の所要の圧力を計算するステップと、
前記ハウジング内の前記ピストンの移動の前記所望の距離に対応する前記少なくとも１つの拡張可能流体チャンバ内で計算した圧力を得るように、前記少なくとも２つの電気作動式比例流バルブを制御するステップとを含むことを特徴とする請求項１０記載の流体作動式シリンダの制御方法。
【請求項１８】
前記ハウジングに対して前記芯合わせされた個別位置に向かって前記ピストンを偏倚させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０記載の流体作動式シリンダの制御方法。
【請求項１９】
第１と第２の移動端部限の間で移動するようにハウジング内に配置されたピストンによって画定された２つの流体チャンバを有する流体作動式シリンダの位置を制御するための流体作動式シリンダの位置制御装置であって、
少なくとも１つの流体入口ポート、少なくとも１つの流体出口ポート、および少なくとも１つの流体排出ポートを有する多弁マニホールドと、
制御される流体作動式シリンダの前記２つの流体チャンバ内およびその外からの流体流を選択的および比例的に制御するように、制御された前記流体作動式シリンダの各ポートに２つが連結された、４つの電気作動式比例流バルブと、
一方が、制御される前記流体作動式シリンダの各チャンバに対する流体圧力を測定する、２つの圧力センサと、
制御される前記シリンダ内の前記ピストンの芯合わせされた個別位置を検知するように、制御された前記流体作動式シリンダの中点に隣接して配置された少なくとも１つの個別位置センサと、
前記２つの圧力センサによって測定された圧力、および前記少なくとも１つの位置センサによって測定された位置に応じて、前記４つのバルブの作動を制御するように、前記４つのバルブ、前記２つの圧力センサ、および前記少なくとも１つの位置センサに動作可能に連結された制御プログラムとを備えることを特徴とする流体作動式シリンダの位置制御装置。
【請求項２０】
制御される流体作動式シリンダの動作行程の中点に隣接して配置された第１の位置センサと、前記第１のチャンバを画定する、前記ハウジングの端壁面に接触する前に前記ピストンの緩やかな停止減速度を提供するように、前記ハウジング内の前記ピストンの移動の一端部に隣接して配置された第２の位置センサと、前記第２のチャンバを画定する、前記ハウジングの端壁面に接触する前に前記ピストンの緩やかな停止減速度を提供するように、前記ハウジング内の前記ピストンの移動の反対側端部に隣接して配置された第３の位置センサとを含む、前記少なくとも１つの個別位置センサをさらに備えることを特徴とする請求項１９記載の流体作動式シリンダの位置制御装置。
【請求項２１】
前記ピストンが、前記ハウジングに対して中間位置に隣接して配置された前記少なくとも１つの個別位置センサによって検知されるとき、ホーム位置を初期化する制御プログラムをさらに備えることを特徴とする請求項１９に記載の流体作動式シリンダの位置制御装置。
【請求項２２】
前記ハウジングに対して中間に配置される前記芯合わせされた個別位置から、前記ハウジング内で所望の距離だけ前記ピストンを移動させるように、各第１及び第２拡張可能流体チャンバ内の所要の圧力を計算すると共に、前記ハウジング内の前記ピストンの移動の前記所望の距離に対応する前記各第１及び第２拡張可能流体チャンバ内で計算した圧力を得るように、４つの電気作動式比例流バルブを制御する制御プログラムをさらに備えることを特徴とする請求項１９記載の流体作動式シリンダの位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動ピストンを囲むハウジングによって画定された少なくとも１つの拡張可能チャンバを有する流体作動式シリンダ用多弁位置決めシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００３年４月４日出願の米国特許仮出願第６０／４６０，５４９号の特典を主張し、２００４年１月２３日出願の米国特許一部係属出願第１０／７６３，５００号であり、両方とも参照として全体を本明細書に援用する。
シリンダ位置決めシステムの販売は普通、単純と複雑の２つの分類のうちの１つに分けられる。単純なシステムは安価であり、普通は制御を得るためにタイミングまたはリミットスイッチを使用する。このタイプのシステムはかなり費用的に有利であるが、性能的な欠点がいくつかある。リミットスイッチシステムは、シリンダが停止する１つまたは複数の点を動的に変える能力がなく、タイミング制御システムは一定の圧力、負荷、および磨耗が必要である。複雑なシステムは圧力、負荷、および磨耗変化により耐性があるが、費用および複雑さにおいて欠点がある。複雑なシステムは単純なシステムの１０から２０倍までの費用がかかる可能性がある。複雑なシステムは普通、脆いまたは高価なセンサ技術を使用し、設置には訓練を受けた熟練工が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明では、安価かつ精巧な流体作動式シリンダ位置決めシステムを提供することが望ましい。低い費用および単純性を維持しながら、圧力、負荷、および磨耗変化に比較的耐えるシステムを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
したがって、本発明は精巧かつ安価な流体作動式シリンダ位置決めシステムおよび方法を開示している。本発明により差圧に基づきシリンダまたはバルブメインステージを位置決めすることは、より費用効果が良く、業界トップによる現在の提供品とは完全に異なる実行可能な制御方法である。本発明は、標準的な安価な部品、および効果なシステムに近い精度であるが、単純なシステムに匹敵する費用での制御を達成する技術を使用する。
本発明による位置制御システムは、第１と第２の移動端部限の間で移動するようにハウジング内に配置されたピストンによって画定された少なくとも１つの流体チャンバを有する流体作動式シリンダを制御するのに使用される。システムは、制御される流体作動式シリンダの少なくとも１つの流体チャンバ内およびその外からの流体流を選択的および比例的に制御するように制御された流体作動式シリンダの各ポートに連結された、少なくとも２つの電気作動式比例流バルブを備える。制御される流体作動式シリンダの各チャンバに対する流体圧力を測定する少なくとも１つの圧力センサが設けられている。少なくとも１つの個別位置センサが、シリンダ内のピストンの芯合わせされた個別位置を感知するように制御された流体作動式シリンダの中点に隣接して配置されている。本発明による制御プログラムは、少なくとも１つの圧力センサによって測定される圧力、および少なくとも１つの位置センサによって測定される位置に応じて少なくとも２つのバルブの作動を制御するように、少なくとも２つのバルブ、少なくとも１つの圧力センサ、および少なくとも１つの位置センサに動作可能に連結されている。
【０００５】
これに限らないが例として、４パック弁シリンダなどの本発明による多弁位置決めシステムが、主に空気圧シリンダ制御用に開発された。シリンダは、シリンダロッドの位置および力の変化に影響を与える２つの動的チャンバを有する。４パックは、一方はチャンバに空気などの流体を加えるように、もう一方は空気などの流体をチャンバから取り除くように、２つの比例バルブをこれらのチャンバそれぞれに連結させる。バルブは、包装寸法を小さくすることができ、流体連結部の所要の数を８個から４個に減らすように増加される。マニホールドはまた、制御電子部品および３つの圧力変換器を格納する。電子部品は搭載されたソフトウェアと共に、外部源、すなわちネットワークまたはパソコン接続からの命令に応じて４つのバルブを制御する。圧力変換器は、空気などの流体のシリンダへの、またシリンダからの分配を制御する試みにおいて入口圧力およびシリンダの両側の圧力を監視し、それによってロッド出力の力の正確な制御が可能になる。本発明は、以下の新規の態様の１つまたは複数を有すると考えられる。（１）制御電子部品を備えた電気作動式非ソレノイド直接作用比例バルブをシリンダ制御用の単一マニホールド内に組み合わせること、（２）圧力変換器をマニホールドへの入口および両方の出口に一体化させること、（３）シリンダロッドの位置および圧力制御を決めるのに圧力差を使用すること、（４）位置および力制御用制御電子部品をバルブパック内に直接一体化させること、（５）制御論理源、この場合、ノートパソコンのＵＳＢポートからの電力のみを使用してバルブパックを動作させること、および／または（６）バルブパックをシリンダ内に一体化させることができるように適当な性能を提供しながら、バルブパックの寸法および重量を少なくすること。
【０００６】
本発明では、複雑なセンサ／フィードバックシステムなく様々な空気圧アクチュエータ用の極めて高い性能レベルを提供することが望ましい。本発明は、これに限らないが例として、「単純な」位置センサを備える「基本」シリンダを使用することによって空気圧シリンダを備える主要な応用例を有し、本発明は行程のあらゆる点にシリンダピストンの停止位置を正確に調節し、行程に沿って加速度／減速度を調節し、行程に沿って速度を調節し、全ての調節を「進行中」にすることができる能力を提供することができ、本発明はシリンダによって加えられる力を調節および制御し、制御したシリンダに対するシリンダ動作および診断情報の動作統計を提供することができる。本発明はまた、「大きな」プロセス制御弁の制御を行う際に使用することもできる。例えば化学石油、水処理、食品および飲料加工などの様々な業界が、１インチより大きい内径を有するバルブを使用する。このようなバルブはたびたび、簡単にオン／オフするのではなく比例モードで操作される。このようなバルブの自動制御は普通、直接結合された電気モータにより、または空気圧で動力が与えられたアクチュエータの動作によって達成される。本発明は、このような空気圧アクチュエータの制御を改善することができる。本発明はまた、他の空気圧アクチュエータを制御することができる、または大きなバルブ用ポジショナとして働くことができる。また、Ｉ／ＰまたはＶ／Ｐ変換器として圧力調節を行うのに使用することもできる。空気圧作動、例えば回転モータを使用するさらに別の応用例が存在する。本発明は、このような装置の制御の改良を行うのに使用することができる。
【０００７】
本発明の別の応用例は、発明を実施するように考えられる最良の形態の以下の説明を添付の図面と合わせて読んだ場合に、当業者には自明になるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本明細書の説明は添付の図面に対して言及し、同様の参照番号はいくつかの図を通して同様の部品のことを言う。
本発明は、単純なシステムに匹敵する費用であるが、複雑なシステムに近い性能を備えた空気圧シリンダ制御案を実施する。本発明による制御案は、ハードウェアとソフトウェアの組合せである。ハードウェアは所要の機能を支持する。しかし、実際の動作はソフトウェアによって決まる。さらに、ソフトウェアは変数が実際の最終動作を決めるように構成されている。この方法により例えば、様々な動作プロファイル、すなわち加速度／減速度プロファイル、速度、タイミング、力、頻度などの制御が可能になる。加えて、この制御案により、二重動作シリンダまたは単動作シリンダのいずれかの動作が可能になる。すなわち、本発明は両側の流体制御でシリンダを、または一方側の流体でシリンダ、およびもう一方側で戻りが起こるばねなどの機構を操作することができる。本発明に含まれる説明は空気圧によって作動されたシリンダを対象としているが、説明は油圧などの他の流体または他の液体にも当てはまる。この制御案のさらに別の応用例では、シリンダをメインステージバルブと置き換えることができる。これらは普通非常に大きなバルブである。この場合、制御案はメインステージ用の比例パイロットとして働いて、メインステージバルブの比例位置決めが可能になる。歴史的には、バルブ業界はこのようなメインステージバルブを制御するような正確なフィードバックを備えたトルクモータまたは比例バルブなどの複雑な方法を使用してきた。この応用例で使用される装置は、バルブポジショナ制御と言われる。本発明により本明細書で説明される制御案はしたがって、既存のポジショナ制御を置き換えるのに使用することができる。シリンダと同様に、メインステージバルブを様々な流体で操作させることができ、二重動作または単動作メインステージポジショナとして動作することができる。
【０００９】
本発明によると、標準的な空気圧シリンダを制御する方法は、ピストンの片側または両側で圧力を監視および変更することによって、適当な精度で発展させることができる。このタイプのシリンダ制御の裏側の基本的論理は、既知の容量、すなわちシリンダチャンバがこの既知の容量内に所与の量の空気圧力を有する場合、チャンバに既知の力を加えるということである。これは以下の基本式によって示される。
力＝圧力ｘ面積              （１）
既知の負荷および摩擦に関するいくつかの適当な仮定で、力を空気圧シリンダ内でピストンの各側で計算することができる。これらの力は、既知の距離を移動するピストンと直接等しい。この仮定の裏側の理論は次の部分で証明される。
【００１０】
このタイプの制御を実施するため、３つの変数が監視される。第１に、シリンダの両方のチャンバ内の圧力に対応する２つの信号が必要である。これは、シリンダに対する各入口上の圧力変換器によって達成される。加えて、ホール効果センサ、または目立たない位置センサが時々、システムを再キャリブレーションするように中間行程で使用され、それによってシステムの精度が維持される。
最初の概念では、いくつかの変数が知られており、一定であるとみなされる。これらは、シリンダ負荷、摩擦、および磨耗を含む。本発明では、これらは所望の場合、適応アルゴリズムなどの共通の測定および制御方法を使用して、リアルタイムで決定し、補償することができる。
【００１１】
この説明の目的で、圧縮熱、摩擦、および空気方向の変化による損失などの非効率は無視される。この説明は二重作用シリンダに当てはまり、ロッドを備えた端部は「負荷」端部と呼ばれ、反対側の端部は「キャップ」端部と呼ばれる。
所与の流体質量では、２つのチャンバ内の圧力差の関係を規定する等式は以下の通りである。
【００１２】
【数１】
2006522299.tif 000003
【００１３】
式中、Ｐｃ、Ｖｃ、およびＴｃは、チャンバ１（または、キャップ端部）の圧力、容量、および温度であり、Ｐ１、Ｖ１、およびＴ１は、チャンバ２（または、負荷端部）の圧力、容量、および温度である。
温度が等しいと仮定すると、等式は以下の通り単純化される。
Ｐｃ・Ｖｃ＝Ｐ１・Ｖ１    （３）
上ですでに説明したように、以下の通りである。
【００１４】
Ｆ＝Ｐ・Ａ              （４）
式中、Ｆ、Ｐ、およびＡはそれぞれ、力、圧力、および面積を示す。
これは、シリンダ内で加えられた力が、ピストンの端部上の圧力掛ける有効面積の関数であることを示している。ピストンのキャップ端部の有効面積は単にシリンダの内部面積であり、以下の式によって示される。
【００１５】
【数２】
2006522299.tif 000004
【００１６】
Ｄ１はシリンダの内径であり、Ａｃはシリンダのキャップ端部の面積である。
ピストンの負荷端部に対する面積は単に、ロッドの面積マイナス上記の等式である。
【００１７】
【数３】
2006522299.tif 000005
【００１８】
ピストンの面積が分かっているので、チャンバの容量は以下の通りであると説明できる。
キャップ端部に対して：
Ｖｃ＝Ａｃ・Ｌｃ              （７）
Ｌｃはピストンの表面に対するキャップ端部の内側端部からの長さである。
負荷端部に対して：
Ｖ１＝Ａ１・Ｌ１              （８）
Ｌ１はピストンの表面に対するキャップ端部の内側端部からの長さである。
【００１９】
したがって、シリンダのキャップ端部内の空気の容量は以下の通りである。
【００２０】
【数４】
2006522299.tif 000006
【００２１】
また、シリンダの負荷端部内の空気の容量は以下の通りである。
【００２２】
【数５】
2006522299.tif 000007
【００２３】
これを式２と組み合わせると、以下の通りになる。
【００２４】
【数６】
2006522299.tif 000008
【００２５】
最後に、シリンダを特定の距離だけ移動させるのに必要な圧力は以下の通りである。
【００２６】
【数７】
2006522299.tif 000009
【００２７】
【数８】
2006522299.tif 000010
【００２８】
次に図１を参照すると、本発明による制御方法の実施を、２つの圧力変換器、すなわち流体作動式シリンダの各ポートに対して１つの変換器に結合された４弁パックなどの多弁構造で行うことができる。変換器は、ＤｉｇｉＫｅｙなどの製造供給元から市販されている、在庫品であることがある。演算増幅器を、標準的な回路構造で信号調整に使用し、バルブパックのアナログ入力に供給することができる。第１と第２の移動端部限２２と２４の間で移動するようにハウジング２０内に配置されたピストン１８によって画定された、少なくとも１つの流体チャンバ１４、１６を有する流体作動式シリンダ１２を制御する、本発明による位置制御システム１０が図１に示されている。システム１０は、制御される流体作動式シリンダ１２の各ポート３４、３６に連結された少なくとも２つの電気作動式比例流バルブ２６、２８、３０、３２を備えることができる。バルブ２６、２８、３０、３２は、制御される流体作動式シリンダ１２の少なくとも１つの流体チャンバ１４、１６内に、およびその外への流体流を選択的および比例的に制御する。制御する流体作動式シリンダ１２の各チャンバ１４、１６に対する流体圧力を測定する、少なくとも１つの圧力センサ３８、４０が提供されている。少なくとも１つの個別位置センサ４２が、ハウジング２０内のピストン１８の芯合わせされた個別位置を感知するように、制御される流体作動式シリンダ１２の利用可能な行程の中点に隣接して配置されている。中央演算処理装置４４は制御プログラムを備え、少なくとも１つの圧力センサ３８、４０によって測定された圧力、および少なくとも１つの位置センサ４２によって測定された位置に応じて、少なくとも２つのバルブ２６、２８、３０、３２の作動を制御するように、少なくとも２つのバルブ２６、２８、３０、３２、少なくとも１つの圧力センサ３８、４０、および少なくとも１つの位置センサ４２に動作可能に連結されている。
【００２９】
少なくとも１つの個別位置センサ４２は、流体作動式シリンダの中点に隣接して配置された第１の位置センサ４２と、少なくとも１つのチャンバ１４、１６を画定するハウジング２０の端壁面に接触する前にピストン１８の緩やかな停止減速度を提供するように、ハウジング２０内でピストン１８の移動の一端部に隣接して配置された第２の位置センサ４６または４８とを備えることができる。少なくとも１つのチャンバ１４、１６は、ハウジング２０内のピストン１８の移動の一端部に隣接した第１の拡張可能流体チャンバ１４と、ハウジング２０内のピストン１８の移動の別の端部に隣接した第２の拡張可能流体チャンバ１６とを備えることができる。少なくとも２つの電気作動式比例流バルブ２６、２８、３０、３２は、第１の拡張可能流体チャンバ１４内への流体の流れを選択的および比例的に制御するように第１の拡張可能流体チャンバ１４に結合された第１のバルブ２６と、第１の拡張可能流体チャンバ１４の外への流体の流れを選択的および比例的に制御するように第１の拡張可能流体チャンバ１４に結合された第２のバルブ２８とを備えることができる。
【００３０】
少なくとも１つの圧力センサ３８、４０は、第１の拡張可能流体チャンバ１４に結合された第１の圧力センサ３８と、第２の拡張可能流体チャンバ１６に結合された第２の圧力センサ４０とを備えることができる。加圧流体源の圧力を監視する第３の圧力センサ５０を設けることができる。少なくとも１つの個別位置センサ４２は、流体作動式シリンダ１２の中点に隣接して配置された第１の位置センサ４２と、第１のチャンバ１４を画定するハウジング２０の端壁面に接触する前にピストン１８の緩やかな停止減速度を提供するようにハウジング２０内でピストン１８の移動の一端部に隣接して配置された第２の位置センサ４６と、第２の流体チャンバ１６を画定するハウジング２０の端壁面と接触する前にピストンの緩やかな停止減速度を提供するようにハウジング２０内でピストン１８の移動の反対側端部に隣接して配置された第３の位置センサ４８とを備えることができる。
【００３１】
本発明による制御プログラムは、ピストン１８がハウジング２０に対して中間位置に隣接して配置された少なくとも１つの個別位置センサ４２によって感知された場合、ハウジング２０内でピストン１８の芯合わせされた位置に対応するホーム位置を初期化することができる。本発明による制御プログラムは、ハウジング２０に対して中間に位置する芯合わせされた個別位置からハウジング２０内で所望の距離だけピストン１８を移動させるように、少なくとも１つの拡張可能流体チャンバ１４、１６内で必要な圧力の量に対応する値を計算することもできる。制御プログラムは、少なくとも２つの電気作動式比例流制御バルブ２６、２８および／または３０、３２を制御して、ハウジング２０内のピストン１８の所望の移動距離に対応する少なくとも１つの拡張可能流体チャンバ１４、１６内で計算された圧力を得ることができる。ハウジング２０に対して芯合わせされた個別位置に向かってピストン１８を偏倚させる、様々な手段を設けることができる。本発明によって制御される単一の拡張可能流体チャンバだけが設けられている場合、偏倚手段はこれに限らないが例として、戻りばね力によってあらゆる適切な機械的装置を含むことができる。本発明によるシステム１０によって制御される２つの拡張可能流体チャンバ１４、１６が設けられる場合、偏倚手段は第２の拡張可能流体チャンバに対応する。上により詳細に説明した圧力計算は、単一の拡張可能流体チャンバ内で提供する適当な圧力量を決定する場合に機械ばね力に対して作用する圧力に対応するように変更することができ、圧力計算に対する変更を、ここで詳細に説明する単一のロッドピストン構造ではなく二重ピストンロッド構造に対応するように行うこともできることを理解すべきである。
【００３２】
シリンダ１２は、ピストン１８および連結されたロッドの位置および力の変化に影響を与える、２つの動的拡張可能流体チャンバ１４、１６を有することが好ましい。２つの比例制御バルブ２６、２８、または３０、３２は各チャンバ１４、１６に連結される。一方のバルブは流体、これに限らないが例として、圧縮空気または油圧流体を連結されたチャンバから取り除き、もう一方のバルブは加圧流体を連結されたチャンバに供給する。システムは制御電子部品４４、好ましくは３つの圧力変換器３８、４０を備える。制御電子部品４４は搭載したソフトウェアと共に、これに限らないが例として、ネットワークまたはコンピュータワークステーションからの命令などの外部源からの命令に応じて、４つの比例制御バルブ２６、２８、３０、３２を制御する。圧力変換器３８、４０、５０は、ピストン１８および連結されたロッドの出力の力の正確な位置決め制御を行うように、拡張可能チャンバ１４、１６へ、およびそこからの加圧流体の分配を制御する試みにおいて、加圧流体供給の圧力、および両方の拡張可能流体チャンバ１４、１６を監視する。好ましい構造では、比例制御バルブ２６、２８、３０、３２は、２００３年４月１５日発行の米国特許第６，５４８，９３８号に記載されたものと同様のタイプの圧電作動式制御バルブ、または２００３年１２月９日に発行された米国意匠第Ｄ４８３，３３５号、２００３年７月３日公開のＰＣＴ公開出願第ＷＯ０４／００６，３４９号、２００３年３月２５日公開のＰＣＴ公開出願第０３／０８３，９５７号、２００３年１月２２日公開のＰＣＴ公開出願第０３／０６７，６７４号、２００１年３月２９日公開のＰＣＴ公開出願第ＷＯ０１／８０，３２６号、２００１年３月２９日公開のＰＣＴ公開出願第ＷＯ０１／７９，７３１号に開示されたものと同様のタイプの圧電アクチュエータである可能性がある。これらの文献は全て、全体を参照として本明細書に援用する。これに限らないが例として、圧電アクチュエータは圧電に加えられる電圧の直接制御によって、または圧電アクチュエータ内のエネルギー量を監視し、ソレノイド作動バルブの比例制御に使用されるようなパルス幅変調とは異なる充電制御を使用することによって、比例バルブ動作に対して制御されることが好ましい。
【００３３】
次に図２を参照すると、ソフトウェアコードは制御フローチャート内で説明されるように、シリンダの各側で両方の対のバルブを同時に制御する。本発明による制御プログラムは、図２を参照することによってよく理解できる。制御プログラムは、ステップ１００においてシステムを初期化することによって始まることができる。初期化ステップ１００中、制御プログラムはホール効果センサによって示されるようなホームまたはピストン芯合わせされた位置を配置し、ピストン１８の両側の圧力を互いに等しくなるようにし、それによってハウジング内ではピストン１８の移動がない。これに限らないが例として、比較的一定の動作状態のシステムでは、制御システムはシリンダの両側の圧力を少なくとも１つの位置センサ４２および少なくとも１つの圧力センサ３８、４０から受ける信号によって確認することができる芯合わせされた位置で５０ｐｓｉにすることができる。ステップ１００でシステムが初期化されると、制御プログラムはクエリ１０２に進み、位置の変化が望ましいものであるかどうかを決める。位置の変化が望ましくない場合、制御プログラムはクエリ１０２の始めに戻る。位置の変化が望ましい場合、制御プログラムはステップ１０４に進み、必要な圧力が所望の移動に基づき計算される。制御プログラムはその後、クエリ１０６に進み、所望の位置がシリンダ１２のキャップ端部に向かっているかどうかを判断する。所望の位置がキャップ端部に向かっている場合、プログラムはステップ１０８に分岐し、ここで圧力がシリンダ２０の負荷端部の拡張可能流体チャンバ内で上昇する。所望の位置がクエリ１０６に応じてキャップ端部に向かっていない場合、制御プログラムはステップ１１０に分岐し、ここで圧力がシリンダ２０のキャップ端部の拡張可能流体チャンバ内で上昇する。
【００３４】
ステップ１０８またはステップ１１０のいずれかを行った後、プログラムはクエリ１１２に進み、ここでピストン１８の両側の圧力が等しいかどうかを判断する。圧力が等しくない場合、プログラムはステップ１１４に分岐して、少なくとも１つの位置センサ４２を監視し、ピストン１８の芯合わせされたホーム位置をリセットする。ステップ１１４を行った後、制御プログラムはクエリ１１２の始めに戻る。圧力がクエリ１１２で等しい場合、制御プログラムはクエリ１１６に進み、ここで所望の位置がシリンダ２０の負荷端部に向かっているかどうかを判断する。所望の位置がクエリ１１６に応じて負荷端部に向かっている場合、制御プログラムはステップ１１８に進み、ここで圧力がシリンダ２０の負荷端部の拡張流体チャンバ内で下げられる。所望の位置がクエリ１１６に応じて負荷端部に向かっていない場合、制御プログラムはステップ１２０に進み、ここで圧力がシリンダ２０のキャップ端部の拡張可能流体チャンバ内で下げられる。
【００３５】
ステップ１１８またはステップ１２０のいずれかを行った後、プログラムはクエリ１２２に進み、ここでピストン１８の両側の圧力が等しいかどうかを判断する。ピストン２０の両側の圧力がクエリ１２２に応じて等しくない場合、制御プログラムはステップ１２４に分岐して、少なくとも１つの位置センサ４２を監視し、ハウジング２０内のピストン１８の芯合わせされたホーム位置をリセットする。ステップ１２４を行った後、制御プログラムはクエリ１２２の始めまで戻って、ピストン１８の両側の圧力が等しいかどうかを判断する。ピストン１８の両側の圧力がクエリ１２２に応じて等しい場合、制御プログラムはステップ１２６に進み、ピストンが所望の位置に到達してからピストン１８が移動を行い、現在の位置が制御プログラムによって保存されたことを示す。ステップ１２６を行った後、制御プログラムはクエリ１０２の始めに戻る。
【００３６】
図２に記載された制御プログラムは、第１と第２の移動端部限の間で移動するようにハウジング２０内に配置されたピストン１８によって画定された第１および第２の拡張可能流体チャンバ１４、１６を有するシリンダ１２に対応する。単一の拡張可能流体チャンバだけが設けられている場合、図２に示す制御プログラムは、クエリ１１６、ステップ１１８、１２０、クエリ１２２、およびステップ１２４をなくすことによって変更することができる。この構造では、クエリ１１２に対する回答がＹＥＳである場合、制御プログラムはステップ１２６に直接進み、前に説明したように進むことができる。上により詳細に説明したように、この構造は、これに限らないが例として機械ばね力などにより、ハウジング２０に対する芯合わせされたホーム位置に向かってピストン１８を偏倚させる機械的手段を備えることができる。
【００３７】
次に図３を参照すると、本発明は４つの独立制御可能圧電アクチュエータの組合せを備える。各アクチュエータは、「２方向」バルブと組み合わせられる。バルブは本発明により比例して動作可能である。バルブは、流れ能力を高めるように圧力均衡であることが好ましい。バルブは、多弁マニホールドを通して互いに流体連通して連結されており、それによって４つのバルブは２「対」のバルブを画定する。本発明による多弁マニホールドにより、これに限らないが例として、流体作動式シリンダなどの、アクチュエータの各側の入口および出口の両方の比例制御が可能になる。マニホールドは、これに限らないが例として、空気圧ポートなどの４つのポートがあるように配置されている。これらのポートは、１つの入口と、２つの出口（シリンダの各側に１つ）と、１つの排気孔とを含む。ポートは、バルブの最大流れ能力を提供するような寸法をしている。圧力センサは、入口ポートおよびそれぞれの出口ポートと連通するようにマニホールド内に配置されている。制御電子部品を、アクチュエータ、バルブ、およびマニホールドを含むハウジングの「基部」内に取り付けることができる。制御電子部品は、バルブの正確な動作を決めるようにマイクロコントローラを含むことができる。制御電子部品はまた、圧電アクチュエータに適当な電力を与えるカスタム電力システムを含むことができる。マイクロコントローラは、空気圧アクチュエータ上に配置された圧力センサおよび１つまたは複数の位置センサから１つまたは複数の入力信号を受けることができる。制御ネットワークに連通し、動作電力を提供するように、電気接続部を提供することができる。第２の接続部は位置センサと連通することができる。圧力センサを電気部品に直接連結することができる。完全なアセンブリは、単一の小型ユニット内に囲むことができる。単一の小型ユニットは、空気圧アクチュエータの側部への取付を簡単にするように設計することができる。しかし、単一の小型ユニットをあらゆる所望の位置に簡単に取り付けることができることを理解すべきである。
【００３８】
圧電アクチュエータの使用により、ソレノイドアクチュエータと比較して、より高速の反応が可能になる。典型的なソレノイドアクチュエータでは５ミリ秒から５０ミリ秒以上の作動速度反応時間であるのに比べて、約１ミリ秒の作動速度反応時間が圧電アクチュエータでは可能である。本発明による速度の改善により、流体作動式シリンダアクチュエータおよび制御している過程または機構の潜在的動作率が増加する。より重要なことは、本発明の速度の改善が、動作状態の変化に対する迅速な反応を与えることによって流体作動式シリンダアクチュエータの正確な制御を簡単にする。圧電アクチュエータの使用により、比例動作に対して比較的単純な電子部品を使用することが可能になる。その後、これによってバルブ、およびそれによって空気圧アクチュエータの正確な制御が可能になる。圧電アクチュエータは、ソレノイド系バルブと比較して、小型で比較的軽量のパッケージを提供する。これにより、空気圧アクチュエータ上への直接取付を含む様々な取付技術、および位置が可能になる。本発明をアクチュエータに直接取り付けることは、いくつかの理由で重要である。第１に、バルブからアクチュエータまでの距離を最小限に抑えることによって、サイクル毎に使用される圧縮空気などの流体の量を少なくすることができる。これは、高い製造設備において、または「大きな」アクチュエータで使用される場合にかなり重要である可能性がある。第２に、距離を小さくすることで、空気圧アクチュエータの反応性が増加する。空気運搬ラインを加圧するのに、空気および時間はあまり必要ない。第３に、距離を小さくすることで、システムの非直線性を最小限に抑えるのを助ける、空気圧システムの「剛性」を大きくすることによって、性能を改善することができる。例えば、ソレノイド系バルブを使用する多くの応用例では、バルブを数十フィートのプラスチック配管によって空気圧アクチュエータに連結することは典型的である。配管の長さは、加圧中はわずかに「増大」するが、高性能を必要とする応用例において正確な制御を十分行う。圧電アクチュエータは、ソレノイドと比べて実質的に少ししか電力を消費しないですむ。あまり電力を消費しないことにより、現時点ではソレノイド系システムでは不可能な作動方法が可能になる。普通は、作動されると、ソレノイドは０．５ワット（Ｗ）から２０ワット（Ｗ）までの間を引き出す。本発明による多弁マニホールドパックに匹敵する流量をしている比例ソレノイド作動バルブは、それぞれ１０ワット（Ｗ）を簡単に引き出すことができる。４つの比例ソレノイドバルブ用の関連した電子部品は、追加で１０ワット（Ｗ）から５０ワット（Ｗ）を引き出すことができる。５０ワット（Ｗ）から１００ワット（Ｗ）の合計電力消費は可能性が高い。比較として、各圧電アクチュエータは０．０１０ワット（Ｗ）しか使用せず、電子部品は普通は１ワット（Ｗ）未満を使用し、合計で約１ワット（Ｗ）以下である。このような低電力消費により、ネットワークの広範囲にわたる選択肢、およびソレノイド系システムと比較して設置の複雑性および費用を少なくすることができる、電力を提供する方法が提供される。さらに、本発明の電力消費は、ソレノイドと比較した場合、無視できる熱発生につながる。バルブの流体部の好ましい設計を圧力均衡させることができる。圧力均衡させた流体バルブは、所与の圧電アクチュエータ寸法に対して実質的により大きい流れの電位を提供する。より大きい流れの特典は、非圧力均衡バルブと比べて約５倍である。電子サーボモータに基づく競合システムと比較すると、本発明は同レベルの制度は提供しない。しかし、本発明の取得および設置費用はもっと低くすることができる。高い性能に対して、空気圧アクチュエータの位置の閉ループフィードバックを、匹敵する電子サーボより本発明ではかなり低い費用で追加することができる。ソレノイド系空気圧技術を使用する競合システムと比較すると、本発明はソレノイド系システムで必要な位置フィードバックなしで高レベルの性能を提供する。本発明にフィードバックを追加することにより、ソレノイド系システムを超える性能を備えたシステムにつながる。位置フィードバックのない標準的な開ループ制御が、比較的一定の動作状態を備えたシステム用の全行程の約１％より優れた精度および繰返性を提供するように、本発明で示してきた。位置フィードバックでは、性能は約０．５ｍｍより大きいと考えられる。標準的なオン／オフスプールバルブに基づく競合システムは、制御可撓性および性能の厳しい費用でバルブ単純性の特典を有する。標準的な比例スプールバルブに基づく競合システムは、基本的オン／オフ動作と比較して、より高い費用で改善された性能の特典を有する。加えて、バルブ動作は固定空隙を有するオリフィスに対する単一のスプールの移動によって決まるので、性能はさらに本発明で開示されたような高い反応性を備えた個別に制御された比例バルブと比べて実質的に制限されている。個別のソレノイドバルブに基づく競合システムはしばしば、カスタムアセンブリである。このように、競合システムは大きくて重い傾向にあり、ロボットのアームに取り付ける場合など、重量または寸法が考慮すべきことである場合に、競合システムは空気圧アクチュエータに取り付けられないようになっている。
【００３９】
本実施形態のバルブは約１．０の流れ係数（Ｃｖ）を有するが、他の寸法、小さいのも大きいのも可能である。本実施形態は、空気圧接続用の急速連結配管を使用する。当業者によく知られているように、様々な代替連結選択肢が存在する。これに限らないが例として、接続部は、管金具と、バルブパックおよび空気圧アクチュエータと一体の空気圧通路などを含むことができる。本発明による多弁マニホールドパックを、４弁構造に基づくものを図示する目的で説明することができる。本発明に記載された４弁構造は、両方向の動的制御を必要とする空気圧アクチュエータに適当である。特定のアクチュエータは、このレベルの制御には必要なく、「戻り」力を与えるように空気圧アクチュエータと一体のばねを有する。この場合、本発明による多弁マニホールドパックは、前に説明した４弁構造ではなく、バルブを２つだけ備えることができる。当業者には自明のことであるように、２弁マニホールドパックは１方向の流体作動式シリンダの動作を制御することができ、一体ばねなどの戻り力が反対方向の力を制御する。空気圧シリンダの制御に加えて、本発明を使用して、他のタイプの空気圧アクチュエータ、例えば大きなプロセスバルブまたは空気圧モータを制御することができる。上記の例示的実施形態は、制御信号、マイクロコントローラのプログラミング、および全ての動作電力用のパソコン（ＰＣ）ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）の使用に基づくものである。比較的簡単な変更で、市販の工業用制御システムを本発明により動作させるように適応させることができると考えられる。バルブパックの電力消費が少ないことにより、本発明は無線周波数（ＲＦ）系バルブ動作、または電池、本質安全システム、データコムネットワーク、光電池、または他のマイクロ規模局部電力発生などの電気源が比較的低電力である動作を支持するのに独自に適している。本発明によるシステムは、動作および診断情報を提供するように、双方向通信を支持することができる。マイクロコントローラは、空気圧アクチュエータ位置の閉ループ制御を支持することができる空気圧アクチュエータの絶対位置感知、流体流、および様々な温度を含む改善された動作用拡張センサ入力を支持することができる。本発明は、物理的再設定または分割することができ、それによって２つのバルブは空気圧シリンダの各端部に、またはその最も近くにあって、さらに性能を最大限にする。バルブを備えた電子部品のパッケージは特典を提供し、本発明では好ましいが、当業者は別の方法では電子部品をバルブから離して配置することができることも認識すべきである。本発明の動作および性能に重要なことは、１対の独立制御可能な比例高速圧電作動式バルブを使用することである。各対のバルブは流量に対して同じ性能である必要はないことに留意すべきである。例えば、もう一方より高い流量で設計された１つのバルブを有することが望ましい。
【００４０】
本発明を現時点で最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものに関連して説明したが、本発明は開示した実施形態に限るものではなく、そうではなく、頭記の特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれる様々な変更形態および同等の配置を含むものとし、その範囲は法の下で認められているような変更形態および同等の構造全てを含むように、最も広い解釈に一致するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】メモリに記憶された制御プログラムにより流体作動式シリンダの少なくとも１つの拡張可能チャンバに対して流体流を制御するような多弁構成の単純化した略図である。
【図２】本発明による制御プログラム用フロー図の単純化した略図である。
【図３】本発明による流体作動式シリンダに対して流体流を制御する多弁マニホールドの展開斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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