CN101147939B - 力控制增益变更方法以及模具缓冲机构控制装置 - Google Patents

力控制增益变更方法以及模具缓冲机构控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明是在通过伺服电动机对与冲压机械的滑块相向配置的模具缓冲机构进行力控制的控制电路中，用于变更作为力偏差与速度指令值的比表示的力控制增益的力控制增益变更方法。其具有如下步骤：取得所述滑块与所述模具缓冲机构发生冲撞从而在两者间相互受到力的状态下的两者间的移动量的差；对产生了所述移动量的差时的力进行检测；在将包括滑块和所述模具缓冲机构的结构部分视为弹性结构时，根据在所述移动量的差与所述实际的力之间成立的一定比例关系来计算该结构部分的弹簧常数；以及由在所述力控制增益和所述弹簧常数的倒数之间成立的一定的比例关系，根据弹簧常数来变更所述力控制增益。

Description

力控制增益变更方法以及模具缓冲机构控制装置
技术领域
本发明涉及一种力控制增益变更方法以及模具缓冲机构控制装置，其为了使由于冲压机械的滑块和与该滑块相向配置的模具缓冲机构的相互作用而产生的力成为规定的值，在通过伺服电动机对所述模具缓冲机构进行力控制的控制电路中，用于变更作为力偏差与速度指令值的比表示的力控制增益。
背景技术
一般，为了使滑块与模具缓冲机构之间产生的力成为规定的值，在通过伺服电动机对模具缓冲机构进行力控制的模具缓冲机构控制方法中，对力偏差乘以力控制增益来求出速度指令，根据该求出的速度指令进行伺服电动机的驱动控制。力偏差是预先设定的力指令值与在滑块和模具缓冲机构之间产生的实际的力检测值的差。
力控制增益在使实际的冲压机动作之前求出，在冲压过程中使用求出的增益对伺服电动机进行力控制，来进行冲压加工。在求出的力控制增益不是适当的值时，产生振动或者过冲量变大，有时控制系统变得不稳定。在力控制增益过大的情况下，还会导致机械或附属物损坏。因此，在过冲量不超越一定量的范围内作为上限值得到了求出的力控制增益。
作为求出力控制增益的方法的一个例子具有如下的方法：在进行力控制的轴方向上施加一定的力，一边从足够低的增益逐渐提高增益一边检测与力指令值相对的过冲量，求出力控制增益的上限值。通过这样的方法求出的力控制增益，由于机械随时间的变化、被加工材料的材质变化及机械的个体差异等，其最优值变化，所以应根据需要进行变更。
此外，虽然与本发明没有直接的关系，但作为表示相关技术的内容，在特开平10-202327号公报中公开了根据针对伺服电动机的转矩指令来控制模具缓冲机构的内容。另外，在特开2006-130524号公报中，根据针对伺服电动机的速度指令来控制模具缓冲机构，公开了以滑块的检测速度修正速度指令，来进行力控制的内容。
可是，由于力控制增益在作业环境(惯性、质量、刚性等)中容易受到影响，所以存在为了求出正确的值必须熟练的问题。另外，在初期设定的力控制增益为较低的值时，存在如下的问题：当在不超过过冲量的上限值的范围内逐渐提高增益进行调整时，重复试行的次数变得非常多，增益的调整耗费时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以根据机械特性及冲压条件等，容易且正确地进行力控制增益的变更的力控制增益变更方法以及模具缓冲机构控制装置。
为了实现上述目的，本发明的力控制增益变更方法的一个方式在通过伺服电动机对与冲压机械的滑块相向配置的模具缓冲机构进行力控制的控制电路中，用于变更作为力偏差与速度指令值的比表示的力控制增益，特征为具有如下步骤：取得所述滑块与所述模具缓冲机构发生冲撞从而在两者间相互受到力的状态下的所述两者间的移动量的差；对产生所述移动量的差时的力进行检测；在将包括所述滑块和所述模具缓冲机构的结构部分视为弹性结构时，根据在所述移动量的差与所述实际的力之间成立的一定的比例关系计算该结构部分的弹簧常数；以及由在所述力控制增益与所述弹簧常数的倒数之间成立的一定的比例关系，根据所述弹簧常数来变更所述力控制增益。
本发明的模具缓冲机构控制装置的一形态为通过伺服电动机对与冲压机械的滑块相向配置的模具缓冲机构进行力控制，特征为具有如下各部：移动量取得部，其取得所述滑块与所述模具缓冲机构发生冲撞从而在两者间相互受到力的状态中的所述两者间的移动量的差，其中，所述模具缓冲机构上的力检测部对产生了所述移动量的差时的所述力进行检测；弹簧常数计算部，在将包括所述滑块和所述模具缓冲机构的结构部分视为弹性结构时，根据在所述移动量的差与所述力之间成立的一定的比例关系计算该结构部分的弹簧常数；以及力控制增益变更部，由在作为力偏差与速度指令值的比表示的力控制增益和弹簧常数的倒数之间成立的一定的比例关系，根据计算出的所述弹簧常数来变更所述力控制增益。
根据本发明，在将包括滑块和模具缓冲机构的结构部分视为弹性结构时，因为在滑块与模具缓冲机构的移动量的差、以及产生该移动量的差时的在滑块与模具缓冲机构之间检测到的实际的力之间存在一定的比例关系，所以将滑块与模具缓冲机构之间检测到的实际的力除以滑块与模具缓冲机构之间的移动量的差，由此可以计算包括滑块与模具缓冲机构的结构部分的弹簧常数。另外，在计算出的弹簧常数和力控制电路中的力控制增益之间，一定的反比例关系成立，所以通过将弹簧常数的倒数与比例常数相乘，可以求出力控制增益。
这样，可以容易且正确地进行与机械特性的变化、冲压条件的变更等对应的力控制增益的变更，可以提高力控制的应答性、力控制的可靠性。另外，通过使用最佳的力控制增益，可以进行更加精密的3维形状的冲压加工。
附图说明
通过以下与附图相关联的最佳实施方式的说明，本发明上述以及其它的目的、特征以及优点变得更加明确。在该附图中，
图1是表示本发明的模具缓冲机构控制装置的一实施方式的结构图。
图2是详细表示图1所示的模具缓冲机构控制装置的结构图。
图3是表示冲压机的滑块、和与该滑块相向配置的模具缓冲机构的概要图。
图4是分别对滑块与模具缓冲机构冲撞之后的状态，以及冲撞之后经过了规定时间后的状态进行比较的说明图。
图5是表示图1所示的模具缓冲机构控制装置的控制流程的框图。
图6表示对力控制增益的计算方法进行说明的基本流程的一部分。
图7表示对图6的流程追加了求出速度指令值的步骤之后的流程。
图8表示对图7所示的流程追加了对冲撞后的时间进行计数的步骤之后的流程。
图9表示在图8所示的流程中追加了判断电流指令值的步骤以及求出电流指令值的步骤之后的流程。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明实施方式的具体例子进行详细地说明。图1表示本发明的模具缓冲机构控制装置的一实施方式。本实施方式的模具缓冲机构控制装置是通过伺服电动机14对模具缓冲机构13进行力控制的模具缓冲机构控制装置1，所述模具缓冲机构13针对图3所示的冲压机械(仅图示了一部分)11的滑块12进行相对动作，在与滑块12之间对冲压材料19产生规定的力。滑块12位于冲压机11的上侧，并且将未图示的油压气缸作为驱动源可以上下移动。模具缓冲机构13位于冲压机11的下侧，可以利用伺服电动机14经由滚珠螺杆15进行上下移动。当滑块12和模具缓冲机构13经由冲压材料19发生了冲撞时，在两者间力进行作用的状态下，模具缓冲机构13相对于滑块12向下方进行相对移动，对两者间的力进行微小地调整，提高冲压材料19的塑性流动。
本实施方式的模具缓冲机构控制装置1在对滑块12与模具缓冲机构13之间的力进行控制的控制电路中，还具有对应冲压机11的机械特性的变化、冲压条件的变更等，可以将作为力偏差和速度指令值的比表示的力控制增益变更为最优值的功能，如图1所示具备如下各部：移动量取得部2，其取得滑块12与模具缓冲机构13发生冲撞，在两者间压力作用的状态(参照图4)下的两者间的移动量的差；弹簧常数计算部3，其在将包含滑块12和模具缓冲机构13的冲压功能结构部分(结构部分)16视为弹性结构时，根据在移动量的差与力之间成立的一定的比例关系计算冲压功能结构部分16的弹簧常数；以及力控制增益变更部4，其根据作为力偏差和速度指令值的比表示的力控制增益与弹簧常数的倒数之间成立的一定的比例关系，对应由弹簧常数计算部3计算出的弹簧常数，变更力控制增益。
如图3所示，模具缓冲机构13为了缓和滑块12和模具缓冲机构13发生冲撞时的冲击力，在其内部具有封入了规定压力的液体的油压室17。该油压室17在滑块12与模具缓冲机构13以规定的力进行了冲撞时被弹性压缩。另外，在滑块12与模具缓冲机构13之间具有相对的上下模具18a、18b、以及支撑下模具18b的未图示的称为垫板的金属部件等，模具18a、18b以及垫板等被视为在滑块12和模具缓冲机构13发生冲撞时根据规定的力发生弹性形变。因此，包括滑块12和模具缓冲机构13的冲压功能结构部分16在滑块12与模具缓冲机构13之间的移动量的差、和产生该移动量的差时在滑块12与模具缓冲机构13之间检测到的力之间，存在一定的比例关系。因此，在弹簧常数计算部3中，将滑块12与模具缓冲机构13之间检测到的力除以滑块12与模具缓冲机构13之间的移动量的差，由此可以求出冲压功能结构部分16的弹簧常数K。即，弹簧常数可表现为K＝(力F/移动量的差M)。
滑块12与模具缓冲机构13之间的移动量的差例如可以通过图4所示的方法求出。该方法在滑块12与模具缓冲机构13之间没有夹着薄板状的冲压材料(图3)19的状态下，将使滑块12与模具缓冲机构13之间的上下模具18a、18b发生了冲撞时的滑块12下面的位置和模具缓冲机构13下面的位置的差设为A，把在滑块12与模具缓冲机构13之间上下模具18a、18b发生了冲撞后经过了规定时间时的滑块12下面的位置和模具缓冲机构13下面的位置的差设为B，将A与B的差作为移动量。模具缓冲机构13的移动量对于滑块12的移动量相对较小。移动量的差作为模具缓冲机构13自身的压缩量、和滑块12与模具缓冲机构13之间的上下模具18a、18b等的弹性位移量的合计量来求出。
此外，还可以代替利用作为线位移传感器的位置检测部24检测滑块12、模具缓冲机构13的位置，对滑块12的移动速度与模具缓冲机构13的移动速度的差进行时间积分，求出移动量的差。此时，通过图2所示的滑块速度检测部23来检测滑块12的移动速度，并可以根据由伺服电动机14的速度检测部21检测到的值来计算模具缓冲机构13的移动速度。
在滑块12与模具缓冲机构13之间产生的力可以用各种方法求出，例如具有：使用设置在模具缓冲机构13上的力传感器的方法；根据伺服电动机14具备的转矩传感器的转矩值来推定施加给对象物的力的方法；以及根据伺服电动机14的电流值来推定力的方法等。在本实施方式中，将设置在模具缓冲机构13上的力传感器作为力检测部20来使用。
然后，关于力控制增益与弹簧常数的关系可以如下地进行说明。力控制增益是力偏差和速度指令值的比。即表现为：力偏差×力控制增益＝速度指令值。当对该公式进行变形时，可表现为：力控制增益＝(速度指令值/力偏差)＝(比例常数C/弹簧常数K)。
当把力偏差设为e，将弹性结构的弹簧常数设为K时，为了由力指令值得到不充分的e的力，需要将弹性结构缩短L＝e/K。由此，将力偏差置换为位置偏差，并回馈给位置控制环的最优增益的设定。在位置控制环中的位置控制增益为P[1/sec]，位置偏差L与速度指令V的关系为V＝P×L时，V表示以时间1/P[sec]移动距离L的速度指令，最优的P根据机械系统成为固定值。当对L代入L＝e/K时，为V＝(P/K)×e。用参数设定的力增益为P/K，为了得到最优的力增益，对应K的值变更力增益。如此，在由弹簧常数计算部计算出的弹簧常数和力控制增益之间，成立一定的反比例关系，在力控制增益变更部中对比例常数C乘以弹簧常数K的倒数，由此可以求出力控制增益。
然后，根据图2对模具缓冲机构控制装置1进行更加详细地说明。该模具缓冲机构控制装置1还具有：未图示的上位控制部，其进行来自外部设备的控制信号的处理或者进行针对伺服电动机14的综合的控制指令的处理；力控制部6，其作为根据由力检测部20检测到的实际的力数据对由上位控制部设定的力指令值进行反馈处理，输出速度指令值的控制电路；速度控制部7，其位于力控制部6的下游一侧，作为根据速度指令值输出转矩指令值的速度控制电路；以及电流控制部8，其位于速度控制部7的下游一侧，作为将转矩指令值转换为电流指令值，经由未图示的伺服放大器对伺服电动机14进行控制的电流控制电路。力控制部6、速度控制部7和电流控制部8构成了数字伺服电路。
此外，作为模具缓冲机构控制装置1的外部设备，具有：力检测部20，对力控制部6反馈在滑块12与模具缓冲机构13之间检测到的力数据；作为将检测到的伺服电动机14的旋转速度反馈给速度控制部7的编码器的电动机速度检测部21；电流检测部22，对电流控制部8反馈检测到的伺服电动机14的检测电流；滑块速度检测部23，其对移动量取得部2提供滑块速度；和作为对移动量取得部2提供滑块12以及模具缓冲机构13的位置数据的线位移传感的位置检测部24。
上位控制部具有CPU(中央运算处理装置)，在CPU上经由总线连接由ROM构成的存储器、由RAM构成的存储器、非易失性存储器、具有液晶显示器的外部示教操作盘、各种接口、各种存储器。在接口上相互电连接各检测部20～24，并传输在各控制部6～8中检测到的数据。
如图5所示，在力控制部6中作为速度指令值G1，求出对作为力指令值与力检测值的差的力偏差乘以了力控制增益所得到的值。此外，在力控制部6中，除了比例动作之外还进行使用积分器25的积分动作时，可以作为速度指令值＝力偏差×力增益G1+∑(力偏差×力增益G2)求出。此外，力增益G1和力增益G2可以作为规定倍率的关系求出。
在速度控制部7中，作为转矩指令值求出对作为力控制部6求出的速度指令值与速度检测值的差的速度偏差乘以了速度控制增益G3所得到的值。此外，在该速度控制部7中，在除了比例动作之外还进行使用积分器26的积分动作时，可以作为转矩指令值＝速度偏差×速度增益G3+∑(力偏差×力增益G4)求出。
然后，采用图6～9对使用了本实施方式的模具缓冲机构控制装置1的力控制增益变更方法进行说明。此外，在图6～9中对共用的工序标注相同的步骤号。
图6表示了最基本的力控制增益变更方法的一部分。在步骤1，可以将滑块12与模具缓冲机构13的移动量的差作为由位置检测部24测定到的滑块位置与模具缓冲机构位置的差来求出。另外，作为其它方法，可以作为滑块速度与模具缓冲机构速度的差的时间积分来求出。在步骤S2中，取得来自设置在模具缓冲机构13上的力检测部20的力数据。在步骤S3，作为弹簧常数求出将检测到的力数据除以滑块12与模具缓冲机构13的移动量的差的值。在步骤S4中，将作为冲压功能结构部分的最优控制状态下的物理量的比例常数除以在步骤S3中求出的弹簧常数，由此求出力控制增益。
图7表示在图6所示的流程中追加了其它步骤的方法，表示从增益的变更开始到生成速度指令的控制流程。在步骤S01，由图2中未图示的冲撞检测部判断滑块12与模具缓冲机构13是否发生了冲撞，在发生了冲撞时进入步骤S1，在没有发生冲撞时进入步骤S7，进行位置控制。通过该位置控制，将滑块12以及模具缓冲机构13高速地定位在任意的位置上。另一方面，当在步骤S1～S4中变更了力控制增益时，在步骤S5中根据变更后的力控制增益生成速度指令值。并且，在步骤S6中根据所生成的速度指令值控制伺服电动机14。
图8表示为了能够判断滑块12与模具缓冲机构13发生了冲撞后是否经过了规定的时间，追加了累计时间的步骤等的其它方法。在步骤S01中判断了滑块与模具缓冲机构是否发生了冲撞后，当判断为发生了冲撞时，在步骤S02在累积器中计算经过时间。另一方面，当在步骤S01中判断为没有发生冲撞时，在步骤S03对累积器进行清零，进入步骤S7。在步骤S02之后的步骤S04中判断用累积器计算的经过时间是否在规定的时间内，当为规定时间内时，进入步骤S1～S4。当不是规定时间内时进入步骤S8，不变更控制增益地保持到目前为止的增益。分别接在步骤S1～S4、步骤S8之后的步骤S5和步骤S6与图7相同，所以省略重复的说明。
图9表示追加了判断伺服电动机14的电流值是否饱和(固定值)的步骤的其它方法。在步骤SS01中判断电流值是否饱和，在已饱和时，识别为处于滑块12与模具缓冲机构13刚刚发生了冲撞后的状态，进入步骤S1～S4。另一方面，在没有饱和时，进入步骤SS7，保持到目前为止的力控制增益。分别在步骤S1～S4、步骤SS7之后，在步骤S5中求速度指令值，在步骤SS6中根据速度偏差求出电流指令值，然后，在步骤SS8中进行基于电流指令值的伺服电动机14的控制。此外，在此方法中表示了电流指令值饱和的状态和电流指令值为固定值的状态意味相同的状态，通过滑块12与模具缓冲机构13发生冲撞，模具缓冲机构13以满转矩(full torque)向下移动。在此状态下，通过变更力控制增益可以容易且正确地求出力控制增益。
如此，根据本实施方式，可以容易且正确地进行与机械特性的变化、冲压条件的变更等对应的力控制增益的变更，可以提高力控制的应答性、力控制的可靠性。另外，通过根据需要使用最优的力控制增益，可以提高冲压材料的塑性流动性，防止在冲压材料19上产生皱纹或冲压裂纹，高品质地进行一直以来无法进行的复杂的3维形状冲压加工。
此外，本发明不限于上述实施方式，可以进行各种变更并实施。在本实施方式中对滑块12与模具缓冲机构13之间的力进行检测的力检测部20设置在模具缓冲机构13上，但也可以设置在滑块12上，如此可以提高所计算的弹簧常数的精度，进而可以正确地求出力控制增益。

Claims (6)

1.一种力控制增益变更方法，用于在通过伺服电动机(14)对与冲压机械(11)的滑块(12)相向配置的模具缓冲机构(13)进行力控制的控制电路中，变更作为力偏差(e)与速度指令值的比表示的力控制增益，其特征在于，具有如下步骤：
取得所述滑块(12)与所述模具缓冲机构(13)发生冲撞从而在两者间相互受到力(F)的状态下的所述两者间的移动量的差(M)；
对产生了所述移动量的差(M)时的所述力(F)进行检测；
在将包含所述滑块(12)和所述模具缓冲机构(13)的结构部分视为弹性结构时，根据在所述移动量的差(M)与所述力(F)之间成立的一定的比例关系来计算该结构部分的弹簧常数(K)；和
由在所述力控制增益与所述弹簧常数(K)的倒数之间成立的一定的比例关系，根据所述弹簧常数(K)来变更所述力控制增益。
2.一种模具缓冲机构控制装置(1)，通过伺服电动机(14)对与冲压机械(11)的滑块(12)相向配置的模具缓冲机构(13)进行力控制，其特征在于，具有：
移动量取得部(2)，其取得所述滑块(12)与所述模具缓冲机构(13)发生冲撞从而在两者间相互受到力(F)的状态中的所述两者间的移动量的差(M)，其中，所述模具缓冲机构(13)上的力检测部(20)对产生了所述移动量的差(M)时的所述力(F)进行检测；
弹簧常数计算部(3)，在将包括所述滑块(12)和所述模具缓冲机构(13)的结构部分视为弹性结构时，根据在所述移动量的差(M)与所述力(F)之间成立的一定的比例关系来计算该结构部分的弹簧常数(K)；以及
力控制增益变更部(4)，由在作为力偏差(e)与速度指令值的比表示的力控制增益和所述弹簧常数(K)的倒数之间成立的一定的比例关系，根据算出的所述弹簧常数(K)来变更所述力控制增益。
3.根据权利要求2所述的模具缓冲机构控制装置(1)，其特征在于，
所述力控制增益变更部(4)通过将在所述模具缓冲机构(13)的最佳控制状态下得到的规定的比例常数与由所述弹簧常数计算部(3)计算出的所述弹簧常数(K)的倒数相乘，来变更所述力控制增益。
4.根据权利要求3所述的模具缓冲机构控制装置(1)，其特征在于，
所述移动量取得部(2)，通过对由所述伺服电动机(14)的旋转速度求出的所述模具缓冲机构(13)的移动速度与所述滑块(12)的移动速度的差进行积分，来取得所述移动量的差(M)。
5.根据权利要求3所述的模具缓冲机构控制装置(1)，其特征在于，
在所述滑块(12)与所述模具缓冲机构(13)发生冲撞之后的规定时间内，根据所述弹簧常数(K)来变更所述力控制增益。
6.根据权利要求3所述的模具缓冲机构控制装置(1)，其特征在于，
在针对所述伺服电动机(14)的电流指令值为固定值的规定时间内，变更所述力控制增益。
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