サイクルタイムを最小化する減速プロファイルの設計

Parkerのクッション進入速度50%増の注意事項、停止距離計算、エネルギー限界、波形、受入試験を用いて空圧減速プロファイルを設計します。

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Eric Zhou, 空圧制御システムエンジニア, ベプト空圧

著者について

Eric Zhou

空圧制御システムエンジニア

Ericです。ベプト空圧の空圧制御システムエンジニアとして、見積前の空圧製品要件、部品用途、技術詳細の確認を支援します。

著者の記事Eric@bepto.com

空圧シリンダの減速プロファイルとは、移動負荷が目標に近づく際の速度変化を、測定値または指令値として表したものです。実用上最速のプロファイルは、巡航速度が最も高いものでも、理論上のランプ時間が最も短いものでもありません。位置許容範囲へ素早く入り、その範囲内にとどまり、シリンダ、ガイド、ツーリング、クッション、ストップを各仕様限界内に維持できるプロファイルです。

この定義により、混同されやすい二つのシステムを区別できます。オン・オフバルブと調整式エアクッションで駆動するシリンダは、閉じ込められた空気と排気絞りによって、ストローク終端の応答を受動的に生じさせます。一方、サーボ空圧軸はクッション領域に入る前から速度ランプを指令できます。どちらも負荷を減速しますが、プログラム可能なモーションプロファイルを生成するのは後者だけです。

要点

  • Parkerは、クッション進入速度が一般に平均ストローク速度より約50%高いと注意を促しています。
  • 減速時間と整定時間を一体として最適化します。
  • 停止を承認する前に、運動エネルギー、継続する駆動仕事、デューティサイクルによる発熱を計算します。
  • シリンダ推力に対する一律の割合ではなく、機種固有のクッション限界を使用します。

空圧システムの減速プロファイルとは何ですか?

Festoは空圧シリンダの終端クッションを、弾性式、空圧式またはサーボ空圧式、油圧式という三つの大分類に整理しています(Festo、2022年)。したがって減速プロファイルは速度がどのように低下するかを示し、ハードウェアと制御アーキテクチャが、その形状を指令で作るのか、受動的に生じさせるのか、または両方を組み合わせるのかを決めます。

基本的なオン・オフ回路では、圧力、流量、負荷、摩擦、変化するチャンバー容積に応じてシリンダが加速し、移動します。エンドカバー付近ではクッションシールが排気を閉じ込めます。クッションニードルが排気を絞るとチャンバー圧力が上昇し、その背圧でピストンが減速します。コントローラーの指令は「伸長」または「収縮」だけの場合があります。速度曲線は測定された応答であり、独立してプログラムされた軌道ではありません。

比例制御軸またはサーボ空圧軸には、連続的な制御能力があります。コントローラーは物理的なクッション領域の手前で速度指令を下げ、加速度とジャークを整形したうえで、内部クッションまたは外部ストップを最終的なエネルギー管理層として使用できます。必要となるフィードバック、バルブ、センサー、コントローラーの境界については、比例弁によるシリンダ位置制御ガイドで説明しています。

二つの方式を区別せず、同じ言葉で表してはいけません。

システム減速を生じさせる要素調整できる項目測定すべき項目
オン・オフバルブ+弾性バンパー材料変形と衝撃移動速度とハードウェア選定進入速度、衝撃、跳ね返り、整定
オン・オフバルブ+エアクッション閉じ込め空気の背圧と排気絞り速度制御とクッションニードル進入速度、クッション圧力、衝撃、整定
比例制御軸またはサーボ空圧軸指令モーション、空圧・機械減衰速度、減速度、ジャーク、限界、クッション指令、位置、速度、圧力、出力、整定
外部油圧ショックアブソーバー定格ストローク内の粘性エネルギー吸収機種、ストローク、配置、可能な場合は調整衝突速度、1サイクル・1時間当たりのエネルギー

サイクルタイムには減速と整定が含まれます

Rockwellは、指令速度プロファイルを主に二種類、すなわち直線的に加減速する台形プロファイルと、ジャークを制御するS字プロファイルに分類しています(Rockwell Automation、2025年)。どちらを使う場合も、軸が生産可能な位置と安定性の限界内に入り、その状態を維持して初めて機械サイクルが完了します。

動作を測定可能な時間予算に分解します。

tcycle=tdelay+tacc+tcruise+tdec+tsettle+tprocesst_{\mathrm{cycle}} = t_{\mathrm{delay}} + t_{\mathrm{acc}} + t_{\mathrm{cruise}} + t_{\mathrm{dec}} + t_{\mathrm{settle}} + t_{\mathrm{process}}

ここで、tdelayt_{\mathrm{delay}}は指令から動作開始までの遅れ、tacct_{\mathrm{acc}}は加速時間、tcruiset_{\mathrm{cruise}}は主速度での移動時間、tdect_{\mathrm{dec}}は意図的な減速時間、tsettlet_{\mathrm{settle}}は受入範囲を継続して満たすまでの時間、tprocesst_{\mathrm{process}}は到着後の機械工程時間です。すべて秒単位です。

tdect_{\mathrm{dec}}を短縮しても、衝撃と跳ね返りによってtsettlet_{\mathrm{settle}}がそれ以上に増えれば効果はありません。クッションが強すぎる場合は反対に、跳ね返りはなくてもピストンが長い最終区間を低速で進みます。実用的な最適化対象は次式です。

tend=tdec+tsettlet_{\mathrm{end}} = t_{\mathrm{dec}} + t_{\mathrm{settle}}

tendt_{\mathrm{end}}は固定した事象定義で測定します。例えば、軸が規定の減速開始位置を横切った時点から測定を始め、位置、速度、必要な振動・圧力信号が所定の保持時間にわたり限界内にとどまった時点で終了します。リードスイッチの切り替えだけでは、スキャン間の跳ね返りを確認できません。

指令から初動までの遅れは時間予算の別項目です。開始時の事象はシリンダ応答時間とデッドボリュームのガイドで扱い、本稿では最終接近と安定完了に焦点を当てます。

巡航速度を最大にすると、かえって機械が遅くなる場合があります。 運動エネルギーの増加により減速開始を早める必要が生じたり、バルブが飽和したり、整定が長引いたりすれば、総移動時間は増えます。コントローラー画面の最大速度値ではなく、記録した波形全体を最適化してください。

停止距離と停止時間はどう計算しますか?

Parkerは、クッション開始時のピストン速度は一般に平均ストローク速度より約50%高く、この高い値でクッションを選定するとしています(Parker P1Fカタログ、2026年参照)。停止計算の入力には、ストローク長を総移動時間で割った値ではなく、測定したクッション進入速度を使用します。

進入速度vev_eから最終速度vfv_fまで距離sds_dで単調に停止する理想条件では、一定平均減速度の大きさは次式です。

aˉ=ve2vf22sd\bar a = \frac{v_e^2 - v_f^2}{2s_d}

速度はm/s、sds_dはm、aˉ\bar aはm/s²です。この運動学的結果は一定減速を仮定したもので、空圧クッションのピーク荷重やピーク圧力を予測するものではありません。

速度が直線的に低下する場合、理想減速時間は次式です。

td=2sdve+vft_d = \frac{2s_d}{v_e + v_f}

この関係式は軌道の初期確認に有用です。実際のエアクッションでは、停止中にチャンバー圧力、排気質量流量、摩擦、駆動圧力、有効容積がすべて変化するため、速度ランプが直線になることはほとんどありません。

修正した計算例

外部ガイド付きの可動質量25 kgが、1.2 m/sで計画減速領域80 mmに進入し、ほぼゼロ速度で終了する例を考えます。理想的な一定減速による一次評価は次のとおりです。

aˉ=(1.2 m/s)22(0.08 m)=9 m/s2\bar a = \frac{(1.2\ \mathrm{m/s})^2}{2(0.08\ \mathrm{m})} = 9\ \mathrm{m/s^2}

対応する平均慣性力の大きさは次式です。

Finertia,avg=maˉ=25 kg×9 m/s2=225 NF_{\mathrm{inertia,avg}} = m\bar a = 25\ \mathrm{kg}\times9\ \mathrm{m/s^2} = 225\ \mathrm{N}

理想的な直線ランプの停止時間は次式です。

td=2(0.08 m)1.2 m/s=0.133 st_d = \frac{2(0.08\ \mathrm{m})}{1.2\ \mathrm{m/s}} = 0.133\ \mathrm{s}

この三つの値が表すのは理想運動だけです。シリンダのエンドカバー、クッションシール、ガイド、ストップがこの事象に耐えられることは証明しません。また、継続する空圧駆動力、重力、回転慣性、圧力過渡、ピーク減速度、跳ね返りも含みません。次に、該当するシリンダまたはショックアブソーバーの定格を確認する必要があります。

クッションが吸収するのは運動エネルギーだけではありません

ACEはショックアブソーバー選定の基本入力として、質量、衝突速度、推進力、1時間当たりのサイクル数、並列動作するアブソーバー数の五つを挙げています(ACE Controls、2017年)。これにより、減速中も仕事を続けるアクチュエータ力を無視し、可動質量の運動エネルギーだけでストップを選定する誤りを防げます。

クッション進入時の並進運動エネルギーは次式です。

Ek=12meqve2E_k = \frac{1}{2}m_{\mathrm{eq}}v_e^2

ここで、meqm_{\mathrm{eq}}はkg単位の有効並進質量、vev_eはm/s単位の進入速度で、結果はJです。回転ツーリングや連結機構を等価質量へ換算する場合は、根拠を明記した機械モデルを使用してください。

正味推進力が停止距離sds_dにわたって運動方向へ作用し続ける場合、その概算仕事は次式です。

Wp=FpsdW_p = F_p s_d

一次エネルギー評価は次式となります。

Ereq=Ek+WpE_{\mathrm{req}} = E_k + W_p

FpF_pの符号と大きさは、シリンダ圧力、対向チャンバー圧力、重力、摩擦、取付方向、外部工程力によって決まります。垂直軸では位置エネルギー変化を正しい符号で含めます。外部ショックアブソーバーでは、メーカーが許容する1サイクル当たり・1時間当たりのエネルギー、有効質量範囲、衝突速度、ストローク、横荷重角度、温度補正、取付芯も確認します。

25 kgの例では、運動エネルギーはEk=18 JE_k = 18\ \mathrm{J}です。しかし、これは必要クッション定格ではありません。80 mmの領域で空圧力が負荷を押し続ける場合、その仕事を加えてから機種固有の線図やデータシートと比較します。

ツールシリンダ選定シリンダクッションエネルギー計算ツール各ストローク終端でシリンダクッションまたは外部ショックアブソーバーが吸収すべき運動エネルギー、駆動力の仕事、総吸収エネルギーを見積もります。クッションエネルギー = (0.5 x 質量 x 速度^2 + 駆動仕事 + 重力仕事) x 安全係数移動質量衝突速度駆動力クッションストローク計算ツールを開く

平均慣性力を理論シリンダ推力と比較し、その差を構造上の安全余裕として扱ってはいけません。シリンダ推力は規定圧力での空圧出力です。エンドカバー容量、キャリッジモーメント、クッションエネルギー、ショックアブソーバー定格は別々の限界です。

台形、S字、受動クッションのどのプロファイルを使うべきですか?

Rockwellは、プログラム可能な選択肢として、直線加減速で指令ランプ時間を最短にする台形プロファイルと、ジャークを制御する一方でランプ時間が増える可能性のあるS字プロファイルを説明しています(Rockwell Automation、2025年)。受動エアクッションはどちらでもなく、終端付近の空圧条件から速度形状が生じます。

空圧軸における三つの減速方式 オン・オフ指令後の受動終端クッション、指令による台形速度ランプ、指令によるジャーク制限S字曲線の概念速度波形を比較します。時間と速度に共通の尺度はありません。 受動式 エアクッション クッション進入 指令式 台形 一定減速 指令式 S字 ジャーク制御 概念図。出典:Rockwell Automation(2025年)、ParkerおよびFestoのクッション技術資料。
速度形状は概念図です。受動空圧クッションは実装された空気経路と負荷に依存し、台形・S字指令には連続モーション制御が必要です。

台形指令

制御軸が加速度の急変に耐えられ、指令ランプ時間の最短化を優先する場合は、台形速度プロファイルを選びます。バルブ流量、圧力、フィードバック、機械系、残りのクッションが、飽和やオーバーシュートを起こさず指令に追従できることを確認してください。指令波形が完全でも、シリンダが同じ動きをするとは限りません。

S字指令

ジャークが振動、製品の動き、フレームたわみ、センサー不安定を励起する場合は、S字プロファイルを選びます。Rockwellはジャークを加速度または減速度の変化率と定義しています。ジャーク制限によって加速度遷移は滑らかになりますが、増加するランプ時間と停止距離をサイクル予算へ含める必要があります。

受動エアクッション

質量と進入速度が選定シリンダの公表クッション範囲内に収まる場合は、機種固有の空圧クッションを使用します。Festoは、調整式クッションが閉じ込めた空気を絞り、その設定が質量、速度、使用圧力、抵抗に依存すると説明しています。選定の基礎については、高速エアクッションガイドを参照してください。

これらのアーキテクチャは併用できます。サーボ空圧軸で物理クッション領域へ入る前に大部分を減速し、クッションで定格内の残留エネルギーと異常接近を処理します。ただし、機械のリスク評価済み停止機能の代わりとして扱ってはいけません。

減速開始位置はどのように設定しますか?

Parkerのクッション選定資料は、質量とクッション進入時の最大許容速度を使用し、進入速度は一般に平均速度より50%高いと注意しています(Parker P1Fカタログ、2026年参照)。能動減速開始位置は、測定速度、利用可能距離、ハードウェア限界、コントローラー遅れ、必要な最終位置範囲から設定します。

一定減速指令の一次評価では、理想最小距離を次式で計算します。

sd,min=ve2vf22amaxs_{d,\min} = \frac{v_e^2-v_f^2}{2a_{\max}}

ここで、amaxa_{\max}は、負荷、ガイド、製品、コントローラー、アクチュエータの限界から決まる最大許容減速度です。バルブとコントローラーの遅れ、ジャーク制限ランプ、不確かさ、残留クッションのための距離を加え、指令切替点を理論最小位置に設定してはいけません。

実用的な初期設定手順は次のとおりです。

  1. 生産負荷で現在の位置・速度波形を記録します。
  2. 図面だけで判断せず、速度または圧力変化から物理的なクッション進入点を特定します。
  3. 該当シリンダのクッション線図で許容される最大進入速度を定めます。
  4. タイミングと負荷変動の余裕を加え、初期の能動減速位置を計算します。
  5. 低速で運転し、方向、フィードバック、限界、完全停止状態を確認します。
  6. 同じ信号を記録しながら、速度を上げるか、減速位置を遅らせる操作を小さな管理ステップで行います。

速度と減速位置のどちらを先に動かすべきでしょうか。一度に変更する変数は一つだけにします。両方を同時に変えると、サイクル短縮が高い巡航速度、遅い制動開始、異なるクッション応答、または隠れた整定時間の増加のどれによるものか判断できません。

オン・オフ回路では物理クッション長は機種固有で、通常は調整できません。ニードルが変えるのは排気絞りであり、幾何学的な開始位置ではありません。上流の流量制御は移動速度を変えますが、位置に基づく制動は作りません。閉じ込め容積と圧力によって最終応答が非線形になる理由は、空気圧縮性ガイドで説明しています。

波形に基づく立上げ手順

SMCのCK1取扱説明書は、該当機種のクッションバルブ調整を2.0回転までに制限し、全閉にすると跳ね返り、ストローク未完了、クッションシール損傷を招く可能性があると警告しています(SMC、2026年参照)。この機種固有の注意事項が示す正しい方法は、選定メーカーの調整範囲に従い、記録した動作から結果を判断することです。

1. 受入境界を固定する

最大進入速度、最大動的位置誤差と最終位置誤差、許容跳ね返り、整定範囲、衝撃または振動限界、圧力範囲、ペイロード範囲、取付方向、サイクルレートを定義します。騒音を受入指標にする場合は、無関係な労働ばく露値ではなく、測定器、距離、周波数重み付け、時間応答を明記します。

2. 最終接近を計測する

指令、測定位置、計算または測定速度、バルブ出力、バルブ付近の入口圧力、可能であれば両チャンバー圧力、終端センサー、運転準備信号を同一クロックで記録します。クッション事象と跳ね返りを捉えられるサンプリング分解能を使用してください。

3. 低エネルギー基準を確立する

実負荷と保守的な速度から始めます。芯合わせ、ガイドの滑らかさ、センサー尺度、クッションバルブ位置、速度制御方向、エンドストップ接触を確認します。ロッド側面積、重力、チューブ配管、排気経路は方向により異なるため、両方向を別々に確認してください。

4. 片側ずつ調整する

調整式エアクッションでは、該当製品の取扱説明書に従います。強い衝撃、跳ね返り、長い低速接近のない制御された到達を目指します。別のボア、シリーズ、負荷、速度の回転数を流用せず、最終設定を再現可能な形で記録します。

5. 終端事象全体を最適化する

変更のたびに、tdect_{\mathrm{dec}}tsettlet_{\mathrm{settle}}、ピーク圧力、進入速度、最終誤差、繰り返し性を比較します。減速開始を遅らせてよいのは、エネルギー定格と安定到達限界を引き続き満たす場合だけです。

当社の経験では、バルブ指令と圧力を伴わない位置波形だけでは、最も重要な疑問が解決しないことがよくあります。当社チームが同期信号を解析する際は、次の切り分けが有効です。出力飽和は制御能力不足、跳ね返りを伴う圧力スパイクは停止事象、出力が飽和していないのに接近が遅い場合はプロファイル、摩擦、コントローラー設定を示唆します。

6. 運転範囲を検証する

規定供給圧力の最小・最大、軽負荷・重負荷、両方向、必要に応じた低温・暖機状態、計画最大サイクルレートで繰り返します。公称条件の1サイクルだけを通過した設定は、生産適格性を証明しません。

外部ショックアブソーバーが必要なのはいつですか?

Parkerは、可動質量とクッション進入速度が選定シリンダの公表クッション限界を超える場合、外部ショックアブソーバーを追加するよう指示しています(Parker OSP-Pカタログ、2026年参照)。駆動エネルギー、繰返しサイクル発熱、ストップ配置、ガイドモーメント、取付方向、異常停止要件も判断に含めます。

次の条件が一つでも当てはまる場合は、外部ショックアブソーバーまたは別の設計済みストップを使用します。

  • 動作点がシリンダの質量・進入速度クッション線図の範囲外である。
  • 1サイクルまたは1時間当たりの必要エネルギーが機器定格を超える。
  • 内蔵クッションでは強い衝撃や長い低速接近なしに安定到達時間を満たせない。
  • 負荷またはガイドが、重心近くでの停止力を必要とする。
  • 通常制御喪失後のエネルギーを軸で処理する必要がある。
  • 生産変動が調整式クッションの検証済み範囲を超える。

配置も重要です。ショックアブソーバーが負荷中心からずれると、エネルギー定格が十分でもヨー、ベアリング荷重、キャリッジモーメントを生じさせます。Parkerのロッドレスシリンダ資料は、クッション限界を超える場合、追加アブソーバーを重心近くに設置するよう推奨しています。有効質量、横荷重、取付、容量確認は、外部ショックアブソーバー選定ガイドで詳しく説明しています。

資料でその用途が明示的に許可されていない限り、ショックアブソーバーを機械唯一のポジティブストップとして使用してはいけません。アブソーバーがエネルギーを散逸し、別体メカニカルストップで位置を決める設備もあります。機械のリスク評価に従って可動負荷を防護し、蓄積された空圧・重力エネルギーを制御してください。

受入試験では何を記録すべきですか?

ISO 4414:2010は、空圧システムの設計、設置、調整、運転、保守を扱う全38ページの第3版規格で、ISOは2021年に現行であることを確認しています(ISO)。したがって、妥当性を説明できる減速プロファイルには、無負荷1サイクルや根拠のない「滑らかな停止」という観察ではなく、運転条件と故障時挙動の記録が必要です。

次の入力と結果を記録します。

記録項目必要な詳細重要な理由
モーション指令プロファイル形式、速度、減速度、ジャーク、開始位置要求動作を再現するため
シリンダとガイド機種、ボア、ストローク、クッション形式、取付方向、負荷中心機械・クッション限界を定めるため
バルブと空気経路バルブ機種、流量定格、チューブ内径・長さ、排気機器流量制限と遅れを明らかにするため
ペイロード総可動質量、回転慣性、工程力、方向運動・駆動エネルギーを決めるため
空気条件動的入口・チャンバー圧力、必要に応じて温度利用可能な力とクッション挙動を示すため
時間遅れ、加速、巡航、減速、整定、全移動時間隠れた時間を見落とさないため
停止品質進入速度、ピーク圧力、跳ね返り、最終誤差、振動・騒音測定法最終接近を検証するため
デューティ1時間当たりサイクル数、連続サイクル数、暖機状態発熱と繰り返し性を確認するため
故障応答センサー喪失、バルブ故障、低圧、電源喪失、非常停止規定された機械状態を確認するため

必要なすべての負荷・圧力条件で限界内にとどまることを確認してから、プロファイルを承認します。生波形、ソフトウェア版、コントローラータスク周期、フィルター設定、クッション設定、計測器情報を保存してください。保守担当者がバルブ、シリンダ、シール、チューブ、ショックアブソーバーを交換した後にも試験を再現できる必要があります。

移動時間を素早く一次評価するには、ストローク時間計算ツールでストロークと平均速度を比較できます。ただし、非線形クッション、跳ね返り、ジャーク制限モーション、整定は計算できません。巡航時間の見積もりに使用し、終端事象全体は測定波形で検証してください。

サイト運営者、著者情報、技術的な訂正については、ベプト空圧についてお問い合わせをご覧ください。プロジェクトレビューには、シリンダ・バルブ機種、可動質量、進入速度、圧力波形、減速距離、サイクルレート、受入限界を含めます。

減速プロファイルFAQ:技術者は何を確認すべきですか?

ACEは産業用ショックアブソーバーの選定前に五つの主要入力を求め、Parkerはクッション進入速度が平均速度より約50%高くなる場合があると注意しています(ACE、2017年、Parker、2026年参照)。次の五つの回答によって、プロファイル選択、エネルギー、調整、受入判定を実機に結び付けます。

調整式エアクッションでS字プロファイルを作れますか?

いいえ。調整式クッションは閉じ込められた排気を絞り、エンドカバー付近で負荷に依存する空圧応答を生じさせます。プログラムされたS字プロファイルには、位置基準とジャーク設定を備えた連続モーション制御が必要です。両者は、能動制御が計画した減速を行い、物理クッションが定格内の残留エネルギーを処理する形で併用できます。

クッション選定にはどの速度を使うべきですか?

クッション進入時に測定した速度、または保守的に見積もった速度を使用し、平均ストローク速度だけに依存しないでください。Parkerによれば進入速度は一般に平均速度より約50%高いものの、これは選定上の注意であって普遍的な換算ではありません。実際のプロファイルを該当シリンダの質量・速度クッション線図と照合します。

最大限に制動するため、クッションバルブを全閉にすべきですか?

該当製品の取扱説明書に明記されていない限り、全閉にしてはいけません。SMCはCK1シリーズについて、全閉にすると跳ね返り、ストローク未完了、シール損傷を招く可能性があると警告しています。機種固有の調整方向と範囲に従い、実負荷で位置、圧力、衝撃、整定を測定して到達状態を確認してください。

シリンダのクッションが強すぎるかどうかは、どう判断しますか?

絞りすぎたクッションでは、早い速度低下に続く遅い最終接近、終端センサーの切り替え遅れ、ストローク未完了がよく見られます。同期した位置、速度、圧力、運転準備信号の波形で確認してください。供給圧力不足、排気制限、芯ずれ、汚染、負荷変化でも同様の症状が出ます。

内蔵クッションを外部ショックアブソーバーに置き換えるべきなのはいつですか?

シリンダの質量・速度クッション限界を超える場合、1サイクルまたは1時間当たりの必要エネルギーが高すぎる場合、あるいは内蔵クッションで衝撃限界と整定限界を同時に満たせない場合に外部機器を使用します。有効質量、駆動力、ストローク、横荷重、温度、配置、デューティサイクル、別体メカニカルストップの必要性も確認します。

出典と技術資料