電空変換器による空気圧シリンダの中間停止
位置制御（第2報）
長田佐 加藤公平 渡辺稔文 （昭和58年8月31日受理）The Control of Air Cylinder by means of Electropneumatical
Transducer (2nd Report)
TasukuOSADA KoheiKATO YosifumiWATANABE
． Abstract Anew velocity control system with high response and high accuracy of air cylinders by pulse control with feedback loop is deve］oped， in which the electropneumatical transducer invented by the author using Piezoelectric vibration presented in the previous paper， is apPlied． In this system a newly developed position sensor using the screw cut cylinder rod as the Iinear encoder is also used to generate the feedback signal， The achieved accuracy of intermediate stop position of the cylinder rod is within±0．15 mm at an average speed of 400 mm／sec． 1． まえがき 空気圧シリンダは，単なる往復運動でなく，シリン ダロッドの位置を検出する機能を具備した信頼性の高 いものが要求されている。本報告は，位置検出とし て，シリンダロッド自体に溝加工し，これを位置検出 のリニアエンコーダとし，これを応用した空気圧シリ ンダの中間停止位置制御について述べる。この方式 は，シリンダロッド自体をリニアエンコーダとするた め，スペースをとらなく，しかもくり返し精度が良い などの特徴がある。 現在シリンダロッドの位置検出として以下の方式が 実用化されている。 1） スイッチ付シリンダ シリンダピストンに永久磁石を装着しておき，非磁 性体のシリンダチユーブ上の表面に移動可能なバンド でリードスイッチ本体を移動させ所定な位置で固定し ておく，シリンダピストンがリードスイッチに接近す ると磁界が変化して位置検出ができる。この方式は， ストッパやドックによらないので，スペースをとらな いことや，コスト的に有利なため現在最も多く使用さ れている。しかし有接点，無接点いずれの場合もON −OFF時のヒステリシスの影響で位置精度に限界が ある。 2） ロータリエンコーダ付シリンダ シリンダロッドの直線運動を回転子によって回転運 動に変換し，さらに回転子と直結したロータリエンコ ーダの出力パルスを計数して位置を検出する方式。こ の方式は，空気圧シリンダの特徴である小形，軽量化 ができず，しかも速度が速くできないなどの欠点があ る。 2． エンコーダの原理と設計 ＊精密工学科，Department of Precision Engineering シリンダロッドに溝加工を施し，溝の山と谷におけ
⊥乙巳
（a） （b） 図一1原 理 図 る静電容量の変化を検出するいわゆる静電容量形セン サを原理とする。静電容量とは，図一1（a）に示す2枚の 平行板Aを間隙D〔m〕で向い合わせた場合，次式で 表される。 C＝εoε8／1／D〔F〕 εo：真空中の誘電率，ε，：比誘電率，D：極間距離 〔m〕，A：対向面積〔m2〕 ここで図一1（b）に示すように，シリンダロッドに溝加 工し，これと対向する電極Aを固定しておき，ロッド を矢印の方向に移動すると極間距離は，D，からD2と くり返し変化する。その結果静電容量Cも同様に変 化し，後述する静電容量一電圧変換回路で電圧出力と なる。この方式は，パルス数を計測する無接触のイン クリメンタル型リニアエンコーダである。 つぎにエンコーダの設計における留意点を述べる。 1）正確な位置検出ができ，しかもくり返し精度が 良いこと。 2） ロッドの溝とパツキン部分での空気圧の漏れが 発生しないこと。 3） ロッドの振動による誤パルスが発生しないこ と。 ここでエンコーダの分解能を1ピッチ1．5mmと設定 し，図一2に示す1ピッチの1／2＝0．75mm幅の溝を可 動電極となるロッドに加工する。なお電極のピッチが 小さいほどエンコーダとしての分解能は優れるが，反 面，静電容量の変化分は押えられて検出能力は低下す る。ロッドに対向する固定電極も同様に最大lll畠をO．・75 mmとする。ロッドの溝とパッキン部とで発生する空 気圧の漏れ防止は，図に示したように溝の部分に絶縁 体の接着剤などを充墳し，乾燥後再び研磨仕上をして 空気圧の漏れを防止する。電極幅が0．75mm程度と 狭く一応の検出感度を得るには対向する極間距離を 0．3mm位いまで接近しておく。一方ロッドが外部よ り何らかの振動を受けると対向距離の変化として，検 出電圧が変化し誤パルスが発生する。これを解決する ためにロヅドを支持しているパッキン部近くのシリン ダチューブ本体に固定電極を取り付ける。また図一3に 示すように固定電極の形状を可動電極と同一ピッチで 絶縁体o々／／電極
一一一ロソド
」」°°°
1．5ピ電極
図一2ロッドの加工／固撒
ギャップ 図一3 固定電極の形状 螺旋状に2∼3回巻いた形とする。これによるとロッ ドが1ピッチ分移動するたびにその円周上に固定電極 がある。したがって振動による静電容量の変化として は最小限となり，しかも検出感度は大きくなる。ロッ ドが振動を受けない場合は，極間の距離が十分に小さ くでき検出感度も向上する。試作したロッドは直径 12mmで溝の深さは0．5mmの寸法である。3．検出回路
図一4は検出回路を示す。水晶振動子（3MHz）によ る高周波電圧の出力は，静電容量一電圧変換回路に供 給される。図示したように静電容量一電圧変換回路は コソデンサC、∼C4とダイオードD，∼D，で構成する リング検波方式である。このうちC3は静電容量検出 C4に相当する電極間容量との平衡用コンデンサで可 変型とする。低域ろ波回路は，静電容量一電圧変換回 路出力が供給電圧の高周波分を含んでいるのでこれを コンデンサと抵抗で示す低域ろ波回路で除去する。増 幅回路はトランジスタによるもので図中のR．によ り，ベース電流をわずか流しておき検出信号でオン， オフするように能動域近くにバイアスしておく，RB の値は小さかったり，大きかったりしない値の200kΩ とした。Coは直流分をカットして，検出信号の変化 分だけ取り出すもので，その値は，周波数特性が影響1 ↓ ll静電容量一電圧変換回路1低域ろ波回路l l ロ 1 ‘ I t I 図一4検 出 回 路 R，
OUT
3．6kHz［田→
歪振動子口
）
「一一一一）一一一一「 t ） IIP、［：：コ》口P。1
‘ ‘ 1 乱流形素子 ‘ ‘ 1 L ＿ 一 一 ＿ 一 ＿ ＿ ＿ ＿ ＿−J図一5電空変換器
される。実際にはこの値はO． Ol PtFであるu 4．電空変換器 図一5は，電歪振動子の音波発生部とこの音波によ る，空気圧の増減する乱流形素子部とで構成する電空 変換器を示す。まず図示したように，電歪振動子に約 3．6kHzの交番電圧を与えると共振して音波が発生す る。この音波により乱流形素子の供給口P，からの噴 流は乱流となり，受流口P。の圧力はいちじるしく低 下する。つぎに電歪振動子両端の電圧がOVのとき音 波の発生がなく，P。の圧力はほぼP、と同一の圧力が 得られる。電歪振動子が共振し，P、からの噴流を乱流 としたときのP。からの空気圧をマノメータで測定し， これをP1とし，電歪振動子両端の電圧をOVとした ときP。の空気圧を同様に測定し，これを．P2とする。 P2−P，・＝dP。とし，供給圧力P，との関係を図一6に 示す。図から供給圧力Psが0．08 kgf／cm2Gのとき，受流口P。における圧力の変化4P。は24mmH20を
示している。5．実験装置
図一7に試作した両ロッド，複動形の空気圧シリンダ の外観を示す。シリンダ直径45mm，ロッドのストローク147mm，ロッドの片方に1．5mmの分解能をも
つリニアエンコーダが設けてある。図一8に空気圧回路9
E
s
20 1．Oo
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0 0．05 0．1 P、（kgf／cm2 G） 図一6 電空変換器の特性 の配管図を示す。図中の減圧弁は乱流形素子の出力圧 ap。が最大値のときの，供給圧力0．08 kgf／cm2Gに 調整している。シリンダへの空気圧供給は，まずマイコ ン1／0ポート信号を電空変換する。変換器出力すなわち乱流形素子の出力圧が約24mmH20と低圧で，直
接シリンダを駆動することができないので薄膜形の増 幅バルブにより，約2．0∼4．Okgf／cm2 Gに増幅して シリンダポートに供給している。図示したように，空 気圧シリンダは復動形を採用しているため，2組の制 御回路を必要とする。 185トー19・
45ピ電極
12 ・P @ センサ 1 図一7空気圧シリンダの外観空気源 増幅バルブ
亡
k
電空変換器 図一8配 管 図 6． 実験方法と結果 リニア エンコーダ／
空気圧シリンダの速度制御は，一般にスピコンと呼 ばれる絞りによるi俳気絞り，いわゆるメータアウト制 御方式で排気側のシリンダ室の空気圧を徐々に排出 し，ピストンに背圧を残し，シリンダの静摩擦と動摩 擦の変化によるロッドの慣性を背圧の変化で吸収して 行う。しかし速度の低いほうでは，空気圧シリンダの パッキソ部と軸受け部で生じる内部摩擦が大きく，速 度が50mm／s以下の場合ステックスリップ現象を起 こすという問題がある。速度を可変したい場合絞りに よる流量調整しなければならない。また高速時には排 気側の絞りは不要であり，実際には電磁バルブ等で高 速時には絞りなしで排気し，減速するときは絞り排気 側に切換を行っている。 本報告は，前報で述べたように絞りによらないで速 度制御を可能にしている。この方法については，すでに 前報で説明したのでここでは簡単に述べるだけにとど 1．0釦・
製 習 趣＿0．5 一1．0 60 70 目標値（mm）図一9実験結果
めておく。まず二つの電空変換器と増幅バルブ により，空気圧シリンダの供給ポートに交互に 空気圧を供給すると減速する。減速の効果は， それぞれのポートへの圧力供給時間で決定され る。ここでシリンダロッドが左端位置のときを 原点として左から右に移動するときを前進方 向，その逆を後退方向と呼び，前進方向供給時 間T、，後退方向供給時間T2としたとき，ロッド はTl＞T2の条件の空気圧をくり返し両ポート に供給すると減速しながら前進移動し，T、＜T2 で減速しながら後退する。 中間停止位置制御は，減速位置，停止位置， T，，T2の時間と減速回数をマイコンにメモリし ておく，前進ポートに空気圧が供給されると同 時にロッドが移動し，前述のリニアエンコーダ からのパルス計数を開始し，減速位置に達するまで空 気圧は供給される。つぎにTl＞T2の減速を数回くり 返し停止位置に達すると，マイコンからの停止命令で シリンダの両ポートを同時にブロックして停止する。 シリンダ平均速度400mm／s， T，＝60 ms， T2＝ 35 ms，減速回数3回における各位置での実験結果を図一9 に示す。図は停止位置と停止位置誤差を示している。 停止誤差は±1．5mm以内となり，リニアエンコーダ の1ピッチ1．5mm以内という結果である。7．考
察 電空変換器とリニアエンコーダ付シリソダを開発 し，中間停止位置制御について実験した。その結果を つぎに考察する。 1）前報において，複動シリンダの両供給ポートに 空気圧を交互に供給して実現できる速度制御につ いてを述べた。本報告は，さらにロッド位置検出 機能として，リニアエンコーダ付シリンダを開発 し，これらによる中間停止位置制御実験を行っ た。しかしリニアエンコーダの分解能が1ピッチ 1．5mmと粗く，必然的に生じる±1カウントの 誤差は，停止精度に影響を与えている。これを解 決するため現在は，1ピッチ1．Ommとして，さ らに回路を付加して0．5mmごとに1パルス出力 するように改良中である。 2）容量形センサを応用したりリニアエンコーダ は，無接触で位置検出ができ，さきに述べた検出 回路によると温度ドリフトの影響がない。したが っで検出部の平衝用コンデンサは一度調整すれば 再調整を不要としている。3） シリンダ自体がリニアエンコーダの働きをする ため，空気圧シリンダの特徴である省スペースと 高速作動などの特性はそのまま現存できる。 4） 実験はすべて無負荷条件でり，負荷の変動，圧 力の変動に停止精度が左右されることは十分に考 えられる。一応の予想としては，速度データや変 位データによる速度制御をマイコンにより演算し て，制御する方法を検討している。 本研究について，ご教示を賜った相羽三良教授に謝 意を表します。
