スマートシリンダの力制御と位置制御 | ベプト空圧、ベプト工業の空圧製品ライン

機械が測定位置に到達し、その位置を保持する必要がある場合は位置制御を選びます。ワークに対して荷重を発生させ、その荷重を調整する必要がある場合は力制御を選びます。両方が重要な場合は、位置制御で接近し、接触を確認してから力を制御し、最後に位置制御で後退する監視付きシーケンスを使用します。

システム全体で見ると、スマートシリンダにおける力制御モードと位置制御モードの比較は、どの測定値でフィードバックループを閉じるかという選択です。シリンダ室圧は力の推定に利用できますが、ワークに加わる力を直接測定するものではありません。同様に、位置エンコーダはモーションループを閉じられますが、安全な接触荷重を保証することはできません。ここでいうスマートシリンダとは、連続フィードバック、比例方向制御弁、軸コントローラを備えたサーボ空圧軸を指し、終端スイッチだけを取り付けた標準シリンダではありません。

要点

Festoは、サーボ空圧位置決めシステムを、エンコーダ付きシリンダ、比例方向制御弁、位置コントローラという3つの基本要素で定義しています。

圧力から算出する力の不確かさには、モデル化されていない摩擦と、下流の荷重伝達経路による影響が含まれます。

移動には位置モード、重要な接触荷重には直接力フィードバックを使用し、1サイクルで両方が必要な場合は監視付きでモードを切り替えます。

力制御と位置制御の違いは何ですか？

Festoは、サーボ空圧位置決めシステムを、変位エンコーダ付きシリンダ、比例方向制御弁、位置コントローラという3つの接続要素で説明しています。同じシステムで目標位置を設定したり、目標力を発生させたりできますが、選択するフィードバック変数と受入試験は異なります（Festoサーボ空圧位置決めシステム、2026年参照）。

位置制御では位置偏差を最小化します。

e_x = x_{\mathrm{set}} - x_{\mathrm{measured}}

変数 $e_x$ は位置偏差、 $x_{\mathrm{set}}$ は指令位置、 $x_{\mathrm{measured}}$ はエンコーダが示す測定位置です。3つはすべて同じ距離単位を使用します。コントローラは、測定位置が定義されたインポジション条件を満たすまで、シリンダ両室への給気と排気を調整します。

力制御では力偏差を最小化します。

e_F = F_{\mathrm{set}} - F_{\mathrm{feedback}}

この式で、 $e_F$ は力偏差、 $F_{\mathrm{set}}$ は指令力、 $F_{\mathrm{feedback}}$ は圧力から算出した推定値または力センサによる直接測定値です。この2種類のフィードバックを同等に扱うことはできません。ガイドの摩擦、治具のたわみ、接触形状の影響により工具位置での実荷重が変化していても、コントローラには安定した推定力が表示されることがあります。

技術上の確認事項	位置制御	圧力推定による力制御	直接力制御
制御変数	測定した軸位置	算出したピストン推力	荷重伝達経路内で測定した荷重
主なセンサ	連続変位エンコーダ	両室の圧力センサ、および監視用の位置フィードバック	ロードセルまたは力変換器。通常は位置フィードバックも併用
適した用途	移動、位置決め、多位置搬送	摩擦による不確かさを許容できる空圧力の制御	ワークへの力に契約上の制限がある圧入、試験、組立
主な死角	接触力	摩擦と荷重伝達経路の影響	コンプライアンスや部品変形後の位置

位置ループで使用する検出方式については、空圧シリンダの位置検出技術ガイドを参照してください。弁の挙動と軸精度の違いについては、比例弁による位置制御ガイドでも解説しています。

各フィードバック機器は実際に何を測定しますか？

FestoのCPX-CMAXマニュアルは、重要な違いを明示しています。力モードで制御するのはシリンダ2室の圧力が生み出す力であり、ワークに加わる力を直接制御するには力センサが必要です。また、シリンダとガイドの摩擦は算出力に含まれないと記載されています（Festo CPX-CMAX制御マニュアル、2026年参照）。

実用的な制御図には、物理的な測定点を示す必要があります。センサをシリンダポートに取り付ければ、そのポートの圧力を測定します。キャリッジに取り付ければ、キャリッジ位置を測定します。アクチュエータと工具の間にロードセルを配置すれば、その特定の機械的経路を介して伝達される荷重を測定します。

位置、圧力から推定した力、直接測定した力は、それぞれ異なるフィードバック境界です。出典根拠：Festoのサーボ空圧システム資料およびCPX-CMAX制御マニュアル。

この違いを理解することで、よくある仕様上の誤りも防げます。比例圧力レギュレータには直線性やヒステリシスの公表値がありますが、それらはレギュレータのセンサ位置で調整される圧力を示す値です。ISO 10094-1:2021は、電空式連続圧力制御弁について所定の特性を供給者が公表するよう求めていますが、レギュレータ仕様をシリンダ軸の力精度に置き換えるものではありません（ISO 10094-1:2021）。

圧力から求める力は推定値にすぎません

両室の圧力を測定しても、圧力から求める力は推定値です。Festo CPX-CMAXのアルゴリズムでは、ピストン径、ロッド径、取付姿勢、基本負荷、可搬質量も使用しますが、シリンダとガイドの摩擦はモデル化されていないため、駆動部の静止摩擦に相当する範囲の不確かさが残るとマニュアルに記載されています（Festo CPX-CMAX制御マニュアル、2026年参照）。

複動片ロッドシリンダの伸長時は、まず2つの有効面積を求めます。

A_p = \frac{\pi D^2}{4}

A_a = \frac{\pi \left(D^2-d^2\right)}{4}

ピストン全面積を $A_p$ 、ロッド側環状面積を $A_a$ 、ピストン径を $D$ 、ロッド径を $d$ とします。メートルとパスカルを使用すれば結果はニュートンになり、別の工学単位を使う場合は一貫した換算を行います。

水平軸が伸長方向へ低速で動く場合、準静的な推定式は次のとおりです。

F_{\mathrm{est}} = P_c A_p - P_r A_a - F_{\mathrm{friction}}

$P_c$ と $P_r$ は、それぞれヘッド側室とロッド側室のゲージ圧です。 $F_{\mathrm{friction}}$ は伸長を開始しようとする動きに逆らいますが、既知の固定値ではありません。停止付近や反転時には、摩擦を方向に依存する不確かさの幅として扱います。

水平から角度 $\theta$ だけ上向きに傾いた動的軸で、伸長を正方向とする場合は、符号付きの力の釣り合いを使用します。

F_{\mathrm{load}} = P_c A_p - P_r A_a - m a - m g \sin\theta - F_f

移動部の総質量を $m$ 、正の伸長軸方向の加速度を $a$ 、重力加速度を $g$ とします。軸が水平より上向きになるとき、角度 $\theta$ を正とします。 $F_f$ は正方向の伸長に逆らう非負の摩擦力の大きさです。後退時は、圧力と面積の役割および摩擦方向を反転させて釣り合い式を書き直します。このため、供給圧力が安定して見えても、排気側の絞りによって使用可能な推力が低下することがあります。

準静的な伸長中にある、内径50 mm、ロッド径20 mmの水平シリンダを考えます。ヘッド側室が5.0 bar、ロッド側室が0.8 barの場合、摩擦を差し引く前の理想的な両圧力推定値は約850 Nです。簡略式 $F = P_c A_p$ では約982 Nになります。ロッド側圧力を無視すると、この例では約132 N、すなわち15.5%過大評価します。この計算はサイジングの基準であり、閉ループ精度を示すものではありません。実際の動作中に両室圧を測定し、排気背圧を確認してください。工程の受入基準が工具位置での力である場合はロードセルを使用します。この2つの項目については、差圧による推力のガイドと背圧のガイドで詳しく説明しています。

ツールシリンダ選定シリンダ推力計算ツールシリンダ内径、ロッド径、圧力、各種補正から静的な押力と引力を推定します。閉ループ検証には、実測した両室圧またはロードセルを使用してください。推力 = 圧力 × 有効面積ボア径ロッド径作動圧力摩擦損失率計算ツールを開く

位置制御モードの選定基準

位置制御は、プログラム可能な移動、位置決め、測定位置を基準とする作業に適しています。FestoはCPX-CMAXについて128件の位置レコードを設定でき、最大8モジュールを独立動作させられるとしていますが、この機種固有の数値から一般的な軸精度を判断することはできません（Festo CPX-CMAX製品資料、2026年参照）。

受入結果が測定位置、経路、またはモーションプロファイルで決まる場合は、位置制御を選びます。代表例には、品種切替位置への移動、複数ステーションへのキャリッジ位置合わせ、指令軌跡への追従、確認済みの安全位置への工具復帰があります。連続位置フィードバックは不可欠です。リードスイッチは終端を確認できますが、ストローク途中の位置を連続補正するループには使用できません。「精度」を単独の数値で指定しないでください。測定基準を定義し、シリンダのキャリッジだけでなく完成工具の位置で試験します。指令位置、測定位置、接近方向、可搬質量、速度、供給圧力、チューブ長、温度、停止時間を記録します。そのうえで、次の用語を区別します。

分解能：報告できる最小増分です。
繰返し精度：定義した条件下で同じ動作を繰り返したときのばらつきです。
正確度：測定結果とトレーサブルな基準値を比較したものです。
インポジション安定性：軸に停止指令を出している間の動きを表します。
整定時間：軸が許容範囲内に入り、その範囲内に留まるまでの時間です。

工具が目標位置に到達する前に障害物へ接触した場合はどうなるでしょうか。位置偏差が残るため、コントローラは弁出力を指令し続ける可能性があります。そのため、生産設備の位置ループには、力、圧力、出力、速度、タイムアウトの各制限が必要です。位置制御は接触安全の代替にはなりません。

力制御モードの選定基準

力モードは、圧力が上昇するまで無制御で移動させる用途ではなく、監視付きの接触工程で使用します。CPX-CMAXマニュアルでは、力設定値、力許容差、力ランプ、ソフトウェア終端位置、速度監視、ストローク監視を別々のパラメータとして扱っています。これは、荷重制御と動作監視を連携させる必要があることを示しています（Festo CPX-CMAX制御マニュアル、2026年参照）。

部品高さやコンプライアンスにばらつきがあり、工程品質が接触荷重に依存する場合は、力制御を選びます。圧入、クランプ、倣い、張力制御、力―変位試験などが該当します。まず、圧力から算出した力で十分かを判断します。摩擦、工具のたわみ、製品損傷により許容誤差が狭くなる場合は、荷重伝達経路内で力を直接測定します。力制御にも位置監視が必要です。想定したワークがない場合、反力が発生しないため、力を得ようとするアクチュエータが移動を続ける可能性があります。Festoのマニュアルでは、この状態によって高速動作と無制動のストローク終端衝突が発生するおそれがあると警告しており、そのため力モードには限界速度監視と限界ストローク監視が用意されています。

接触衝撃が問題となる場合は、急激なステップ指令ではなく力ランプを使用します。また、接触検出後の最大移動量、各シリンダ室の最大圧力、最大弁指令、保持時間、センサ断線時の応答を定義します。制御ループは、機械的な定格荷重、独立した安全機能、リスクアセスメントの代わりにはなりません。圧力制御も構成要素として有効です。再現性のある圧力指令を設定したり、使用可能な力を制限したりできます。ただし、比例圧力レギュレータと比例流量制御弁では制御する変数が異なり、どちらも単独ではワークに加わる力を保証しません。

位置モードと力モードはどのような順序で切り替えますか？

信頼性の高い位置制御から力制御へのシーケンスでは、力制御を開始する前の無制御移動を最小限に抑えます。Festo CPX-CMAXマニュアルでは、制御された力を最速で立ち上げる方法として、プレス位置から1 mm未満の位置まで駆動部を位置決めすることを推奨しています。これは機種固有の方法であり、一般的な切替距離ではありません（Festo CPX-CMAX制御マニュアル、2026年参照）。

タイマだけでモードを切り替えず、状態機械を使用します。部品がない、軸が遅れている、圧力信号がドリフトしている場合でも、タイマは満了します。各遷移には測定条件を設定し、独立したタイムアウトも設けます。

段階的なシーケンスにより、高速移動を保護付き接触および力制御から分離します。切替距離としきい値は実機の軸で検証する必要があります。

状態	必要な開始根拠	記録データ	異常例
接近	軸の原点確立済み、指令値が安全範囲内	指令、位置、速度	追従偏差またはタイムアウト
接触探索	検証済みの接近領域内	位置、両室圧、力信号	接触しないまま移動限界に到達
力ランプ	接触確認済み、センサが妥当	力設定値、フィードバック、ランプ、弁出力	力のオーバーシュートまたは力が上昇しない
保持	力が許容範囲内	平均、ピーク、最小値、時間、位置ドリフト	力が許容範囲外へ逸脱
解放および後退	力が解放しきい値未満	残留力、後退トレース、最終位置	荷重が解放されない

モード切替を一律のミリ秒値で指定してはいけません。物理的な遷移は、コントローラロジック、弁の動特性、チューブ容積、シリンダ室容積、接触剛性、可搬質量、力ランプによって変わります。個別の値ではなく、測定したシーケンス全体を承認します。

安全制限と受入試験

ISO 4414:2010は、設計、設置、調整、運転、保守にわたる空圧システムの重大な危険源を扱う38ページの国際規格です。したがって、通常の位置ループまたは力ループは安全対策の一層にすぎず、機械には定義された安全状態とリスクに基づく保護方策が必要です（ISO 4414:2010）。

まず、電源喪失、空気供給喪失、エンコーダ故障、圧力センサ間の不一致、ロードセルの過負荷、チューブ破損、弁通信喪失、非常停止が発生した場合の動作を定義します。垂直荷重には、機械的定格を満たすブレーキまたはロック装置が必要になることがあります。回路を排気すると蓄積エネルギーが解放されたり、吊り荷が落下したりするため、「空気を抜く」ことが常に安全な対応とは限りません。試運転では印象ではなく波形データを残します。指令位置、測定位置、ヘッド側圧力、ロッド側圧力、装備している場合は直接測定力、弁指令、コントローラ状態、制限フラグ、タイムスタンプを記録します。最小および最大可搬質量、低圧および高圧の供給条件、両接近方向、該当する温度範囲、代表的なチューブ長で試験します。

各モードに個別の受入基準を設定します。

位置モードの指標	力モードの指標	シーケンスおよび安全の指標
定義した基準位置での正確度	定義したロードセル位置での力精度	接触検出後の最大移動量
接近方向別の繰返し精度	部品および温度範囲全体での繰返し精度	力または圧力の最大オーバーシュート
オーバーシュートと整定時間	力ランプと保持の安定性	遷移タイムアウトと異常応答
インポジションドリフト	力保持中の位置ドリフト	ワーク欠落時の安全応答
モーションプロファイル全体の追従偏差	推定力と直接測定力の差	サイクル中断後の再起動動作

この表を1つの部品データシートだけで承認することはできません。たとえば、CPX-CMAXの資料にはVPWP比例弁の公称流量として350、700、1,400、2,000 L/minが示されています。この4つの公称流量クラスは部品選定に役立ちますが、完成した軸の応答は空圧系全体の容積、絞り、荷重、調整によって決まります。

用途に適した制御モードはどれですか？

CPX-CMAXのダイレクトモード制御ビットB1は、位置制御では0、力制御では1に割り当てられていますが、マニュアルでは各状態について異なる制限、ランプ、監視動作を定義しています。1つのソフトウェアビットでモードを選択できても、2つの制御目的が同等になるわけではありません（Festo CPX-CMAX制御マニュアル、2026年参照）。工程の受入基準に従って選択します。

主な要求	推奨構成	必須の受入試験
複数のプログラム位置に到達する	連続エンコーダを使用した位置制御	負荷状態での位置偏差、繰返し精度、整定、異常応答
おおよその空圧力を加える	位置監視付きの両圧力による力推定	動作範囲全体で算出力を基準ロードセルと比較
繊細な組立品または規制対象品を保護する	位置監視付きのロードセル直接力制御	力のオーバーシュート、保持安定性、移動制限、センサ異常応答
高速移動後にプレスする	段階的な位置接近、保護付き接触、力ランプ、位置後退	時刻同期した位置、圧力、力、状態の完全なトレース
吊り荷を保持する	リスク評価済みのモーション制御と適切な機械式保持方策	電源喪失、空気喪失、ブレーキ、再起動、残留エネルギーの試験

RFQに「力制御と位置制御を備えたスマートシリンダ」とだけ記載されている場合、仕様は不完全です。制御変数、センサの種類と位置、力の推定方法、可搬質量、取付姿勢、ストローク、速度プロファイル、チューブ、圧力範囲、許容誤差、安全状態、受入手順を追加してください。これらの情報により、圧力に基づく推定、直接力フィードバック、または別方式のアクチュエータのいずれが必要かが決まります。

スマートシリンダの制御モードに関するよくある質問

CPX-CMAXでは、位置と力という2つのダイレクト制御モードを選択できますが、内部の力フィードバックは圧力から算出した値です。ワークに加わる力を直接制御するには、外部ロードセル信号を受け取るコントローラまたは上位の外側ループ構成が必要です。以下のFAQでは、この製品例と一般的な要求事項を区別しています（Festo CPX-CMAX制御マニュアル、2026年参照）。

力制御で圧力センサをロードセルの代わりに使用できますか？

両室圧、有効面積、可搬質量、取付姿勢、摩擦補正が分かっていれば、圧力センサからピストン推力を推定できます。ただし、工具に加わる力を直接測定するものではありません。工程の受入可否が実際のワーク荷重で決まる場合は、該当する荷重伝達経路に校正済みの力センサを設置し、取付方向、測定範囲、過負荷容量、測定不確かさを確認します。

1台のコントローラで位置モードと力モードを切り替えられますか？

はい、一部のサーボ空圧コントローラは両方のモードに対応しています。たとえばFestoのCPX-CMAXは、位置指令、力指令、レコードシーケンス機能を備えています。選定前に対象コントローラの正確な機能を確認してください。切替は、接触確認、力と移動量の制限、タイムアウト、想定ワークがない場合の応答を組み込んだ監視付き状態機械で行います。

位置制御で一定の接触力を保証できますか？

いいえ。位置ループは位置偏差を補正するため、部品高さ、剛性、摩擦、治具のたわみ、圧力、コントローラ出力制限によって接触力が変化します。力または圧力の制限で工程を保護してください。接触荷重の許容差が契約上の要件である場合は、最終位置や弁指令から推定せず、力を直接測定します。

接触前の切替点はどのように設定しますか？

測定した部品高さのばらつき、停止距離、センサの不確かさ、軸の繰返し精度、許容する接触探索距離から設定します。FestoはCPX-CMAXのあるプレス方式について1 mm未満を示していますが、これは一般的な値ではありません。最悪条件の速度、可搬質量、供給圧力、工具公差、ワーク状態で切替領域を検証します。

どの受入試験を記録する必要がありますか？

同期した位置、両室圧、利用できる場合は直接力、弁指令、コントローラ状態、異常フラグを記録します。可搬質量、圧力、温度、接近方向、部品ばらつきを変えて繰返しサイクルを実施します。位置の正確度と繰返し精度は分けて報告し、力精度も圧力レギュレータの直線性や算出ピストン推力とは分けて報告します。

出典および技術参考資料

技術上の主張には、初出箇所で該当するISOおよびFestoの出典へのリンクを付けています。機種固有の数値を別のコントローラへ適用する場合は、必ずそのコントローラの現行資料を確認してください。

スマートシリンダの力制御モードと位置制御モード

Eric Zhou