专利名称：伺服气缸装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种加压工件用的伺服气缸装置及其控制方法。具体地说，是涉及能缓和加压部件接触工件时的冲击、且在该接触后可在短时间内对该工件施加所需压力的伺服气缸装置及其控制方法。
背景技术：
例如，焊接工件时使用的焊枪中，一般是采用通常的气缸，在用夹紧机构夹紧了工件后，一边施加所需的加压力，一边进行焊接。但是，在进行夹紧时，有时焊嘴与工件碰撞而使工件变形，从而造成焊接不良。为此，采用伺服气缸构成焊枪，这时，为了缓和夹紧工件时的冲击，并且为了缩短夹紧后的加压时间，缩短焊接时间，在气缸上附设了空气缓冲器，或者在气缸的驱动回路中设置切换阀或急速排气阀，这样，使气缸进行适当的动作。
但是，附设在上述在气缸上空气缓冲器，只有在行程末端这样的特定位置才能发挥缓冲作用，在多个位置进行夹紧时，即，当工件的厚度变化、目标位置不一定时，就不能用空气缓冲器缓冲冲击。另外，除了伺服阀以外，还要设置空气缓冲器、切换阀、急速排气阀等，这样，导致伺服气缸装置大型化、重量大、成本高、寿命短、可靠性低的问题。
本发明人曾试过用5通伺服阀驱动气缸，但是，为了由其控制加压力，还需要另外的压力控制阀，存在着大型化、和不能减低成本的问题。
发明内容
本发明的目的是提供能缓和加压部件接触工件时的冲击、并在该接触后可在短时间内对该工件施加所需压力的伺服气缸装置及其控制方法。
为了达到上述目的，本发明提供一种伺服气缸装置，该伺服气缸装置包括气缸、两伺服阀、压力传感器、位置传感器和控制器；上述气缸具有驱动工件用的加压部件的活塞；上述两伺服阀分别与上述气缸的头侧及杆侧的压力室连接；上述压力传感器用于检测上述两压力室的压力；上述位置传感器用于检测上述气缸的动作位置；上述控制器根据来自上述压力传感器和位置传感器的检测信号，把控制信号输出给上述两伺服阀；其特征在于，在上述控制器的控制中，具有前进步骤和加压步骤，在前进步骤中，使上述活塞前进到使上述加压部件接触工件的目标位置，然后，在加压步骤，对该工件施加所需的压力；在上述前进步骤中，将上述头侧伺服阀朝供气侧开放，同时将上述杆侧伺服阀朝排气侧开放而开始上述活塞的驱动，之后，在上述杆侧伺服阀朝排气侧开放的状态下调节其开度，使得其开度成为与上述活塞的现在位置和上述目标位置的偏差相应的开度，使该活塞的速度随着其接近目标位置而平滑地减速。
本发明中，还具有把上述活塞保持在中间停止位置的中间停止步骤，在该中间停止步骤，把上述加压气缸的两侧压力室内的压力保持为比夹紧工件时的头侧压力室的压力低、且为相互近似的大小。
另外，在上述前进步骤中，根据上述偏差调节上述头侧伺服阀的开度，或者，根据上述压力传感器的测定压力和设定压力的偏差，调节上述头侧伺服阀的开度。
本发明中，在上述前进步骤中，在上述活塞的速度被充分减速并且该活塞到达了十分接近上述目标位置的设定位置的时刻，把上述杆侧伺服阀的开度固定在微小的恒定值，可以使上述加压部件以恒定的低速接触工件。
另外，在上述加压步骤中，根据来自上述压力传感器的信号，将气缸的两压力室内的压力进行比较，在头侧压力室的压力比杆侧压力室的压力大的时刻，将杆侧伺服阀朝排气侧全开，可以急速地将该杆侧压力室内的压缩空气排出。
另外，在上述活塞到达了目标位置后，直到上述杆侧压力室的压缩空气被排出为止的期间中，使头侧压力室升压，使该头侧压力室的压力与杆侧压力室的压力之差成为所希望的气缸推力，这样，可缩短到达所希望气缸推力的时间。
根据本发明，可以缓和加压部件接触工件时的冲击，并且，在该接触后能在短时间内对工件施加所需的加压力。
图1是表示实施本发明的气缸控制方法用的焊枪及其控制系统的构成例子的简图。
图2是说明本发明的控制方法之一例子的时间图。
图3是说明本发明的控制方法之另一例子的时间图。
图4是说明本发明的控制方法之另一例子的时间图。
图5是说明本发明的控制方法之另一例子的时间图。
具体实施例方式
图1是作为本发明之伺服气缸装置的应用例的焊枪、及其控制系统的构成例的图。
图1所示的焊枪G，备有加压用气缸10、头侧伺服阀20、杆侧伺服阀30、控制器40和外部控制器50。头侧伺服阀20控制气缸10的头侧压力室11的压缩空气。杆侧伺服阀30控制气缸10的杆侧压力室12的压缩空气。控制器40向头侧伺服阀20和杆侧伺服阀30输出控制信号。外部控制器50从外部将指令送给上述控制器40。上述气缸10即焊枪G被控制器40控制为所需的动作状态。
气缸10具有气缸筒13、可滑动地嵌插在该气缸筒13内的活塞14、与该活塞14连接着的活塞杆15。由活塞杆15进行工件的夹紧。气缸筒13是密闭状态的筒体，具有挟着活塞14的头侧压力室11和杆侧压力室12。活塞杆15以密闭状贯通气缸筒13伸出到外部。在该活塞杆15的伸出到外部的端部上安装着与工件接触并对工件加压的加压部件15a，该加压部件15a是焊枪的一对电极部件中的一方电极部件。
头侧压力室11，借助从头侧伺服阀20经过流路22进排的压缩空气驱动活塞14，该压力室11具有检测其室内压力的头侧压力传感器23，另外，该头侧压力室11内设有从头盖侧插入活塞14内、用于检测该活塞14驱动位置的位置检测传感器25的探头26。上述头侧压力传感器23和位置传感器25的输出分别输出到控制器40。
杆侧压力室12借助从杆侧伺服阀30经过流路22进排的压缩空气，驱动活塞14，该压力室12具有检测其室内压力的杆侧压力传感器33。杆侧压力传感器33的输出也输出到控制器40。
上述头侧伺服阀20及杆侧伺服阀30是3通阀，具有导入来自压缩空气供给源41的压缩空气的进气口、将压缩空气输出的输出口、和将压缩空气排出的输出口。该伺服阀根据来自控制器40的输出信号使上述各口连通，使被控制的压缩空气流动。两伺服阀20、30的构造实质上是相同的。
控制阀40内装着微处理器，输入头侧及杆侧压力传感器23、33、位置检测传感器25的检测值等。另外，活塞14的动作位置及中间停止位置等的信息输入并储存到控制器40中。这些信息可以以数字值输入，也可以以电压或电流等的模拟值输入。另外，根据指令从外部控制器50输入的“中间停止”、“夹紧”及“施加加压力”等实施焊接的指令信号，比较上述检测值与设定值，向头侧伺服阀20和杆侧伺服阀30输出驱动信号，使气缸10实现预定的动作图中24、34是设在从伺服阀20、30到压力室11、12的流路22、32上的压力传感器。
下面，说明上述控制器40的功能以及由该控制器40控制上述焊枪G的控制方法。
在上述焊枪的控制中，基本上有前进步骤、加压步骤和中间停止步骤。在前进步骤中，通过控制上述气缸10，使上述电极部件15a移动到与工件接触的夹紧位置(目标位置)。在加压步骤中，在前进步骤之后，用电极部件15a对工件施加所需的夹紧力(加压力)。在上述中间停止步骤中，在焊接之后，使电极部件15a后退，停止在中间位置。这时，用压力传感器23、33检测出气缸10的压力室11、12内的压力，用位置传感器25检测出活塞14的位置，用控制器40控制伺服阀20、30，由此适当地调节上述压力室11、12中的压力，正确地控制焊枪的加压力(夹紧力)，提高焊接质量。这时，通过检测出气缸10的头侧压力Ph及杆侧压力Pr，根据该压力Ph和Pr如下详述地检测气缸推力，由此控制气缸。
另外，在上述气缸的控制中，采用空气伺服缓冲器。即，用位置传感器25检测气缸10中的活塞14的位置、速度，用压力传感器23、33检测压力室11、12内的压力，将该位置、速度及压力输入给控制器40，从该控制器40向伺服阀20、30输出驱动它们的信号，这样，可以控制活塞14的位置和压力室11、12的压力，缓和焊嘴对工件的冲击。这时，使用上述伺服阀20、30发挥缓冲功能，所以，不需要特别的机构来缓和冲击，就可以减少气缸10及为了赋予缓冲功能而所需的周边机器的设置空间、重量。
下面，参照图2以下的时间图，说明上述焊枪的控制方法及其动作。
图2(A)表示在上述前进步骤中，将气缸10从任意的中间停止位置驱动到夹紧位置时的、加在两伺服阀20、30上的输入信号。图2(B)表示活塞行程。图2(C)表示气缸中的头侧及杆侧压力室11、12中的压力。
下面，参照图2说明焊枪的基本动作。首先，如图2(A)所示，在时刻t1，由曲线Vh所示的输入信号加在头侧伺服阀20上，该伺服阀20的供气侧全开或接近全开。另一方面，曲线Vr所示的输入信号加在杆侧伺服阀30上，而使该伺服阀30的排气侧全开。
如图2(B)所示，位于某任意停止位置(Xa)的活塞14，从该位置朝着目标位置Xt即工件的夹紧位置(Xo)被高速驱动。
头侧及杆侧压力室11、12中的压力，如图2(C)所示，头侧压力室11的压力Ph暂时比杆侧压力室Pr高，但是，随之，活塞14移动而压缩杆侧压力室12的空气，所以，两压力复杂地变化。
如上所述，活塞14的驱动开始后，沿着图所示曲线对头侧伺服阀20进行压力控制，对杆侧伺服阀30，将其朝排气侧开放，在该开放的状态下，沿着直线或圆滑曲线连续地控制其开度，使得其开度成为与输入信号(a·ΔX，a是常数)相应的伺服阀开度。上述输入信号与活塞14的现在位置X和目标位置Xo的偏差(ΔX＝X-Xo)成正比。这样，使活塞14的速度随着接近目标位置而平滑地减速，可以使上述电极部件15a缓冲地接触工件。
这时，上述头侧伺服阀20的开度，最好与上述偏差ΔX相应地减小，或者与这些测定压力和设定压力的偏差相应地被调节，以使得压力传感器23检测的头侧压力室11的测定压力与夹紧时的压力(设定压力)相等。
在图示的例子中，在开始驱动活塞14的同时，使杆侧伺服阀30的开度平滑地变化，，使头侧伺服阀20的开度稍迟后于活塞14的开始驱动进行变化。
上述的前进步骤中，最好在上述活塞速度被充分减速，并且该活塞十分接近目标位置而达到设定位置(Xc)的时刻，将杆侧伺服阀30的伺服阀开度(ΔV)固定为微小的恒定值，这样，可以使电极部件15a以恒定的低速与工件接触。
在如上所述那样，活塞14到达了夹紧位置、电极部件15a与工件接触后，接着进行上述的加压步骤，在加压状态下进行工件的焊接。该加压步骤中，在控制器40中，从压力传感器23、33输出的气缸10的两压力室11、12内的压力信号被监视，如图3所示，在头侧压力室11的压力Ph变成比杆侧压力室12的压力Pr大的时刻，把被固定为恒定伺服阀开度(ΔV)的杆侧伺服阀30朝排气侧全开，这样，杆侧压力室12内的压缩空气急速地排气。这样，与使杆侧伺服阀30保持恒定开度(ΔV)时(虚线所示压力Pr)相比，可最大限度地缩小到可基于规定的气缸推力Pf得到夹紧力为止的时间，在图示例中，可以缩短时间ts。
另外，在直到杆侧压力室12内的压缩空气(压力Pr)被排出为止的期间，如图4(C)所示，使头侧压力室11升压，通过进行控制使该头侧压力室11的压力Ph与杆侧压力室12的压力Pr的差(Ph-Pr)成为用于得到预期气缸推力的压力差Pf，这样，可以把达到预期气缸推力的时间缩短ts，可以急速地对夹紧着的工件加压。
在进行了上述加压步骤及焊接后，进行中间停止步骤，在该步骤使加压部件15a即活塞14后退而停止在任意的中间位置，在该中间停止位置，如图5(C)所示，最好将气缸10的两侧压力室11、12内的压力保持为比工件夹紧时的头侧压力室的目标压力Pt低的压力。具体地说，为目标压力Pt的2/3～1/3，最好为1/2左右。这时，两压力室11、12虽然也可以是大致相同的压力，但是，最好使杆侧压力室12的压力Pr比头侧压力室11的压力Ph稍高，该高的程度相当于因上述活塞杆15的有无所产生的活塞的杆侧与头侧受压面积差而带来的活塞的杆侧与头侧所受到的压力差，这样，使头侧和杆侧的压力均衡。
这样，在夹紧动作开始时，可直到缩短活塞14开始动作为止的延迟时间，另外，可以节约空气压消耗量。具体地说，使上述两压力室11、12的压力为Pt/2时，空气使用量约为1/2。另外，在气缸位于中间停止位置时，也可以节约从伺服阀泄漏的空气量。
上述实施例，是将本发明用于焊枪的情形，但是，除了该焊枪外，本发明也适用于在将工件夹紧的状态下进行加工的一般加工技术。
权利要求
1.伺服气缸装置的控制方法，用于控制伺服气缸装置，该伺服气缸装置包括气缸、两伺服阀、压力传感器、位置传感器和控制器；上述气缸具有驱动工件用的加压部件的活塞；上述伺服阀分别与上述气缸的头侧及杆侧的压力室连接；上述压力传感器用于检测上述两压力室的压力；上述位置传感器用于检测上述气缸的动作位置；上述控制器，根据来自上述压力传感器和位置传感器的检测信号，把控制信号输出给上述两伺服阀；其特征在于，具有前进步骤和加压步骤，在前进步骤中，借助上述控制器，使上述活塞前进到上述加压部件接触工件的目标位置，然后，在加压步骤中，对该工件施加所需的加压力；在上述前进步骤中，在将上述头侧伺服阀朝供气侧开放、同时将上述杆侧伺服阀朝排气侧开放而开始了上述活塞的驱动后，在将上述杆侧伺服阀朝排气侧开放的状态下调节其开度，使得其开度成为与上述活塞的现在位置和上述目标位置的偏差相应的开度，从而使该活塞的速度随着活塞接近目标位置而平滑地减速。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，还具有把上述活塞保持在中间停止位置的中间停止步骤，在该中间停止步骤，把上述加压气缸的两侧压力室内的压力保持为比夹紧工件时的头侧压力室的压力低，并且使杆侧压力室的压力保持为比头侧压力室的压力高出由于杆的有无所产生的活塞的杆侧、头侧受压面积差所带来的活塞的杆侧与头侧所受到的压力差。
3.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，在上述前进步骤中，根据上述偏差控制上述头侧伺服阀。
4.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，在上述前进步骤中，根据上述压力传感器的测定压力与设定压力的偏差，控制上述头侧伺服阀。
5.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，在上述前进步骤中，在上述活塞的速度被充分减速并且该活塞到达了十分接近上述目标位置的设定位置的时刻，把上述杆侧伺服阀的开度固定在微小的恒定值，使上述加压部件以恒定的低速接触工件。
6.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，在上述加压步骤中根据来自上述压力传感器的信号比较气缸的两压力室内的压力，在头侧压力室的压力变成比杆侧压力室的压力大的时刻，将杆侧伺服阀朝排气侧全开，急速地排出该杆侧压力室内的压缩空气。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在上述活塞到达了目标位置后，到在上述杆侧压力室的压缩空气被排出为止的期间，使上述头侧压力室升压，使该头侧压力室的压力与杆侧压力室的压力之差成为预期的气缸推力，通过如此进行控制来缩短到达预期气缸推力为止所需的时间。
8.伺服气缸装置，包括气缸、两伺服阀、压力传感器、位置传感器和控制器；上述气缸由被活塞驱动的加压部件对工件加压；上述两伺服阀分别与气缸的头侧及杆侧的压力室连接；上述压力传感器用于检测上述两压力室的压力；上述位置传感器用于检测上述气缸的动作位置；上述控制器根据来自上述压力传感器和位置传感器的检测信号，把控制信号输出给上述两伺服阀；其特征在于，上述控制器具有权利要求1至7中任一项记载的控制功能。
全文摘要
本发明提供一种伺服气缸装置及其控制方法，用控制器控制分别与气缸的头侧压力室及杆侧压力室连接着的伺服阀，由此进行使活塞前进到目标位置的前进步骤、之后进行使该活塞产生所需加压力的加压步骤，在上述前进步骤中，把头侧伺服阀朝给气侧全开，同时将杆侧伺服阀朝排气侧开放，开始了活塞的驱动后，使杆侧伺服阀的开度变化成与活塞的现在位置和目标位置的偏差相应的开度，这样，使活塞的速度随着接近上述目标位置而平滑地减速。
文档编号F15B11/06GK1676950SQ20051005937
公开日2005年10月5日 申请日期2005年3月29日 优先权日2004年3月30日
发明者松本大辅, 藤原伸广, 宫地博 申请人:Smc株式会社