リフトシリンダーの位置
センサー統合
エンコーダ・磁歪式・LVDT

ロッドボア
仕様

リフトシリンダロッドは、磁歪管を収容するために中空構造にする必要があります。標準管径は、ストロークが2,000 mmまでの場合は外径10 mm、ストロークが4,000 mmまでの場合は外径14 mmです。ロッド先端部はエンドプラグで密閉し、センサケーブルはグランドのすぐ内側にあるロッドの側面ポートから引き出します。センサケーブル経路からの油漏れを防ぐため、ケーブル周囲に油密なグランドシールを設けることが不可欠です。

位置
磁石

リング磁石は、磁歪管と同心円状にピストンボア内に取り付けられます。この磁石は油圧回路に対して非磁性でなければなりません。通常、希土類磁石（SmCoまたはNdFeB）が非磁性のステンレス鋼製キャリアリングに収められています。ピストン上のこの磁石の位置が基準点となります。シリンダーの機械的な終端位置からの正確な位置測定値を得るためには、ピストン面に対して正確に位置決めされている必要があります。

出力
シグナル

リフトシリンダ位置検出用途向けの標準的な磁歪式トランスデューサの出力は、4～20mAアナログ（産業用PLCで最も一般的）、0～10Vアナログ、高分解能デジタル位置検出用のSSI（同期シリアルインターフェース）、ネットワーク接続システム用のCANopenまたはProfibusです。出力は、受信側のPLCまたはモーションコントローラの入力に合わせて指定する必要があります。出力タイプが間違っている場合、トランスデューサの電子回路を交換しない限り、現場で再構成することはできません。

コントローラ

PLC/モーション制御
コントローラ

比例
バルブ

4/3比例
方向制御弁

リフトシリンダー

位置センサー
油圧アクチュエータ

位置センサー

磁歪
または外部

比例弁

標準的なオン/オフ方向制御弁では比例流量制御はできません。入力信号に対して線形開度特性を持つ比例弁またはサーボ弁が必要です。比例弁はほとんどの産業用リフトシリンダ位置制御用途に適していますが、動的応答要件が比例弁の帯域幅（通常20Hz以上）を超える場合はサーボ弁が使用されます。

PIDチューニング

位置制御ループは、位置誤差を最小化するために PID (比例積分微分) アルゴリズムを使用します。油圧リフトシリンダには、オイルの圧縮性、ロッドシールでのスティックスリップ、負荷依存の圧力降下など、固有の非線形性があり、PID チューニングで補償する必要があります。低いゲイン (P=2、I=0.1、D=0) から始めて、振動が始まるまで P を増やし、次に 30% だけ減らし、I を導入して定常状態誤差をなくします。

位置精度

磁歪センサと高品質比例弁を使用した場合、標準的な産業用途で一定負荷時における位置精度は±0.5 mmです。サーボ弁と高速制御ループを使用した場合、精度は±0.1～0.2 mmになります。持続的な精度を制限する要因としては、通常、作動油の温度ドリフトが挙げられます。10℃の温度上昇で油が膨張し、非絶対センサのゼロ点がずれてしまいます。

Q01

位置センサー付きリフトシリンダーが目標位置で振動を起こしています。ピストンが±3mmの範囲で前後に揺れ動きます。この原因は何でしょうか？

目標値付近で位置が不安定になるのは、PIDコントローラの比例ゲイン（P）が過剰になっている典型的な症状です。コントローラが誤差を過剰に補正し、反対方向に繰り返しオーバーシュートしている状態です。解決策は、振動が止まるまでPゲインを下げ、再調整することです。二次的な原因としては、リフトシリンダロッドシールのスティックスリップが挙げられます。ピストンは静止しており（シールの摩擦で保持されている）、コントローラは補正信号を適用し続け（位置誤差がまだあるため）、圧力が上昇し、シールが突然解放されてピストンがオーバーシュートし、コントローラが反転して、このサイクルが繰り返されます。スティックスリップは、ロッドシールを摩擦係数の低い仕様（NBR 90の代わりにPU 88 Shore A）にアップグレードするか、バルブコマンドに小さなディザ信号を追加してバルブとピストンを微小な動きに保つことで軽減できます。Pゲインの低減もシールのアップグレードもハンチングを解消しない場合は、比例バルブのヌルが正しく設定されているか確認してください。ヌルでバルブが流量を流すと、リフトシリンダが圧力不均衡になり、位置コントローラが継続的に対処しなければなりません。

Q02

元々磁歪式センサーを搭載するように設計されていなかったリフトシリンダーに、後付けで磁歪式センサーを取り付けることは可能でしょうか？

はい、ただし、リフトシリンダーロッドを取り外して旋盤で穴を開け、トランスデューサチューブ用の中心穴を作成する必要があり、ピストンはリングマグネットキャリアを受け入れるように機械加工する必要があります。ロッドエンドプラグとケーブル出口グランドも取り付ける必要があります。これは、ロッドの構造断面を損なうことなく穴を受け入れるのに十分な直径のロッドを備えた大口径シリンダーに実用的です。10 mm のトランスデューサチューブには、十分な鋼壁が残っている状態で、最低でも約 50 mm のロッド直径が必要です。より小さなロッドの場合は、外部ストリングポテンショメータの方が実用的な改造オプションです。工場でセンサー付きのリフトシリンダーに改造するか交換するかは、既存のシリンダーの残りの耐用年数によって決まります。ロッドのクロムと穴の状態が良好な場合は、改造センサーの方が費用対効果が高いです。いずれにせよ再構築が必要な場合は、磁歪センサー付きの新しい工場統合ユニットの方が良い選択肢です。

Q03

3,000 mmの範囲で4つのリフトシリンダーを±2 mmの精度で同期させる必要があるのですが、これは標準的な比例弁と磁歪式センサーで実現可能でしょうか？

はい、磁歪センサと比例弁を使用した4つのシリンダ間で±2 mmの同期は可能であり、ガントリーホイスト、船舶セクションジャッキフレーム、プレスプラテンレベリングシステムの標準仕様となっています。制御アーキテクチャでは、1つのリフトシリンダをマスターとし、他の3つをスレーブとして扱います。各スレーブはマスターから位置目標を受け取り、位置誤差を最小限に抑えるようにバルブを駆動します。マスタースレーブアーキテクチャは、スレーブが絶対位置を知る必要がなく、マスターに対する相対誤差のみを知る必要があるため、各軸に完全に独立したPID制御を用いるよりも調整が容易です。実際には、標準的な比例弁を使用した場合の同期精度は、負荷変動と油温の安定性に応じて±1～3 mmです。より高精度な同期（±0.5 mm）が必要な場合は、サーボバルブとより高速な制御ループが必要です。電子同期に加えて油圧流量分配ブロックを使用することで、電子システムに不具合が発生した場合の同期誤差に対する機械的なバックストップが提供されます。重量物吊り上げ用途では、電子同期と機械同期を組み合わせるのがベストプラクティスです。

Q04

当社のリフトシリンダーに搭載されている磁歪式センサーは、低速時には正確な値を示しますが、ピストン速度が高くなると精度が低下します。この原因は何でしょうか？

ピストン速度が高い場合の位置精度低下は、通常、コントローラの走査レートが速度に対して遅すぎることを示しています。つまり、コントローラは、リフトシリンダが許容誤差を超えて移動した間隔で位置をサンプリングしていることになります。たとえば、0.5 m/s でピストンが移動している状態で 10 ms 間隔で走査するコントローラでは、走査間で位置が 5 mm 変化します。制御ループが 1 つの走査サイクルで 5 mm の誤差を修正しようとすると、オーバーシュートが発生します。解決策としては、コントローラの走査レートを上げる（多くの PLC は特定のタスクでより高速な走査に設定できます）か、制御アルゴリズムに速度フィードフォワード項を実装して、指令速度に基づいてピストンの位置を予測し、センサを主要な位置基準としてではなく誤差修正にのみ使用するようにします。3 つ目の可能性として、磁歪センサの更新レートがコントローラの走査レートよりも遅いことが考えられます。センサの指定更新レート（通常 1～5 ms）が PLC の走査サイクルよりも速いことを確認してください。センサーの更新速度が制限要因となっている場合は、交換用リフトシリンダーには、より高速な更新速度を持つセンサー、または（アナログ4-20mAよりも更新速度特性が優れた）デジタルSSIインターフェースを指定する必要があります。