JP2004074274A - プレス機械の連続加工システム - Google Patents
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Abstract
【課題】駆動力の伝達遅れが原理的になく、制御遅れも発生せず、応答性がよく、ラムの高速化を図る。
【解決手段】ラム２２の動力源として、モータの速度−トルク特性に基づくトルクを使うことで必要なラム圧力を発生可能なサーボモータ３０を採用し、このサーボモータ３０により、ラム２２を上下動させる回転可能な作動軸２０を直接駆動する。ラム２２がプレス加工に要する所定の下降端位置Ｌと、この位置から戻されてラムの下端部が工具上面から離れる位置Ｈとの間を上下動するように、サーボモータ３０が作動軸２０をラム２２の当該両位置Ｌ、Ｈ間に相当する角度範囲だけ連続して往復回動させることで、ワークに連続的なプレス加工を行なう。
【選択図】 図１
【解決手段】ラム２２の動力源として、モータの速度−トルク特性に基づくトルクを使うことで必要なラム圧力を発生可能なサーボモータ３０を採用し、このサーボモータ３０により、ラム２２を上下動させる回転可能な作動軸２０を直接駆動する。ラム２２がプレス加工に要する所定の下降端位置Ｌと、この位置から戻されてラムの下端部が工具上面から離れる位置Ｈとの間を上下動するように、サーボモータ３０が作動軸２０をラム２２の当該両位置Ｌ、Ｈ間に相当する角度範囲だけ連続して往復回動させることで、ワークに連続的なプレス加工を行なう。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばタレットパンチプレスに適用されるプレス機械の連続加工システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、パンチプレスには、ラムの駆動源として油圧を用いる油圧式のものと、サーボモータを用いる電動式のものとがある。
【０００３】
また、パンチプレスでは、例えばニブリングなど同一のパンチ金型を使ってワークを連続的に打ち抜く加工を行なうことがあり、このような連続パンチング加工では、ラムの高速化が求められる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−６２５９１号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開２００１−６２５９６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の油圧式のパンチプレスは、油圧を利用し切換弁を用いてラムを往復動させるものであるため、電気的な制御に比べて応答性が悪く、制御指令に対して遅れの生じることが避けられず、そのため、ラムの高速化には適していない。
【０００７】
また、従来の電動式のパンチプレスは、例えばトグルやフライホイールなどの機構を利用することで加工に必要なトルクを発生しているため、この機構によるイナーシャがラムの往復動を遅らせる原因となり、また、それに加えて、サーボモータの主軸とラムを上下動させる作動軸とは、ギヤなどの動力伝達機構を介してドライブされるため、この動力伝達機構によるロスや遅れも生じることが避けられない。そのため、ラムの高速化には一定の限界があり、その限界を超えることは困難であるという問題があった。
【０００８】
この発明の課題は、上記従来のもののもつ問題点を排除して、ラムの駆動源としてサーボモータを用い、しかも、トグルやフライホイールなどの機構およびギヤなどの動力伝達機構を利用しないことで、駆動力の伝達遅れが原理的になく、制御遅れも発生せず、それにより、応答性がよくて高速化を図ることのできるプレス機械の連続加工システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、ラムの動力源としてサーボモータを用いるプレス機械において、前記サーボモータとして、モータの速度−トルク特性に基づくトルクを使うことで必要なラム圧力を発生可能なサーボモータを用いて、ラムを上下動させる作動軸を直接駆動するように構成し、ラムがプレス加工に要する所定の下降端位置と、この位置から戻されてラムの下端部が工具上面から離れる位置との間を上下動するように、前記サーボモータにより、前記作動軸をラムの当該両位置間に相当する角度範囲だけ連続して往復回動させることで、ワークに連続的なプレス加工を行なうプレス機械の連続加工システムである。
【００１０】
請求項２に係る発明は、ラムの動力源としてサーボモータを用いるプレス機械において、前記サーボモータとして、ラムを上下動させる作動軸の両端に互いに対向して設置され、かつ、互いに同一の速度−トルク特性に基づくトルクを合成して使うことで必要なラム圧力を発生可能な一対のサーボモータを用いて、ラムを上下動させる作動軸を直接駆動するように構成し、ラムがプレス加工に要する所定の下降端位置と、この位置から戻されてラムの下端部が工具上面から離れる位置との間を上下動するように、前記一対のサーボモータにより、前記作動軸をラムの当該両位置間に相当する角度範囲だけ連続して往復回動させることで、ワークに連続的なプレス加工を行なうプレス機械の連続加工システムである。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２記載の発明において、前記サーボモータは、モータの速度−トルク特性に基づくトルクを使い、機構のイナーシャを利用しないで必要なラム圧力を発生可能なサーボモータであるプレス機械の連続加工システムである。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項１または請求項２記載の発明において、ラムを上下動させる前記作動軸はエキセンシャフトで構成され、前記サーボモータは、前記エキセンシャフトをモータ主軸として構成したプレス機械の連続加工システムである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、この発明によるプレス機械の連続加工システムの一実施の形態を示す要部の縦断面図、図２はその右側面図であり、このプレス機械の連続加工システム１は、タレットパンチプレス１０に適用したものである。
【００１４】
タレットパンチプレス１０は、平行に立設したフレーム１１ａ、１１ｂに設けた軸受部１２ａ、１２ｂにエキセンシャフト２０が軸支されている。フレーム１１ａ、１１ｂ間のほぼ中央に位置するエキセンシャフト２０の偏心軸部２０ｅには、コンロッド２１を介してラム２２が取り付けられ、エキセンシャフト２０が回転または回動することで、コンロッド２１を介してラム２２がラムガイド２３に沿って上下動し、ラム２２の下端に取り付けられるストライカ２４もラム２２と一体に上下動する。そして、ラム２２が下降するとき、ストライカ２４が、タレット２５に装着してあるパンチ金型２６を押圧してワークを打ち抜くようになっている。
【００１５】
また、エキセンシャフト２０の両端延長部２０ａ、２０ｂはフレーム１１ａ、１１ｂから外方へ延び、この延長部２０ａ、２０ｂをモータ主軸３１ａ、３１ｂとするサーボモータ３０ａ、３０ｂが、フレーム１１ａ、１１ｂの外側にそれぞれ取り付けられている。
【００１６】
サーボモータ３０ａは、エキセンシャフト２０の延長部２０ａをモータ主軸３１ａとして構成される。すなわち、エキセンシャフト２０の延長部２０ａの周囲に、外周に偶数個（４個）の磁極用マグネット（永久磁石）３２ａを円周方向に沿って所定間隔（９０°間隔）で備えたスリーブ３３ａを嵌装してブッシュ３４ａで固定することで、ロータ（回転子）３５ａを構成する。そしてこのロータ３５ａの中心軸をなすエキセンシャフト２０の延長部２０ａは、モータ主軸３１ａそのものである。そのため、サーボモータ３０ａは、延長部２０ａしたがってエキセンシャフト２０を、実質的にロータ３５ａとして用いるものである。
【００１７】
また、サーボモータ３０ａは、三相電機子巻線Ｕａ、Ｖａ、Ｗａを巻いた外筒３６ａをロータ３５ａに外装してフレーム１１ａに固定し、これによりステータ（固定子）３７ａを構成する。
【００１８】
一方、サーボモータ３０ｂも、サーボモータ３０ａと同様に、エキセンシャフト２０の延長部２０ｂをモータ主軸３１ｂとして構成される。すなわち、エキセンシャフト２０の延長部２０ｂの周囲に、外周に偶数個（４個）の磁極用マグネット（永久磁石）３２ｂを円周方向に沿って所定間隔（９０°間隔）で備えたスリーブ３３ｂを嵌装してブッシュ３４ｂで固定することで、ロータ（回転子）３５ｂを構成する。そしてこのロータ３５ｂの中心軸をなすエキセンシャフト２０の延長部２０ｂは、モータ主軸３１ｂそのものである。そのため、サーボモータ３０ｂは、延長部２０ｂしたがってエキセンシャフト２０を、実質的にロータ３５ｂとして用いるものである。
【００１９】
また、サーボモータ３０ｂは、三相電機子巻線Ｕｂ、Ｖｂ、Ｗｂを巻いた外筒３６ｂをロータ３５ｂに外装してフレーム１１ｂに固定し、これによりステータ（固定子）３７ｂを構成する。
【００２０】
このように、サーボモータ３０ａとサーボモータ３０ｂとは、同様のものであるが、ただし、互いにミラーイメージで対称に構成されたものであり、このミラーイメージで対称である点を除けば、互いに全く同一のものであって、互いのロータ３５ａ、ロータ３５ｂが一体に構成されるから、ロータ３５ａ、３５ｂの回転角度を検出するロータリエンコーダ３８は一方（例えばサーボモータ３０ｂ）にのみ設けて共用され、また、互いに同一の速度−トルク特性を有し、この速度−トルク特性に基づくトルクを合成して使うことで、必要なラム圧力を発生する性能を有するものである。
【００２１】
すなわち、サーボモータ３０ａのロータ３５ａの磁極位置（磁極用マグネット３２ａの円周方向位置）と、サーボモータ３０ｂのロータ３５ｂの磁極位置（磁極用マグネット３２ｂの円周方向位置）とは、互いにミラーイメージで対称に位置決めして取り付けられ、また、サーボモータ３０ａの三相電機子巻線Ｕａ、Ｖａ、Ｗａの円周方向位置と、サーボモータ３０ｂの三相電機子巻線Ｕｂ、Ｖｂ、Ｗｂの円周方向位置とは、互いにミラーイメージで対称に位置決めして取り付けられている。
【００２２】
そのため、図３に示すように、サーボモータ３０ａの制御回路であるサーボアンプ４０ａのパワードライバ４２ａと、サーボモータ３０ｂの制御回路であるサーボアンプ４０ｂのパワードライバ４２ｂとを、同一ゲート信号でドライブすれば、サーボモータ３０ａおよびサーボモータ３０ｂには、同位相、同一電流値の三相交流電流しか流れないから、サーボモータ３０ａのトルクベクトルとサーボモータ３０ｂのトルクベクトルとが同位相、同一となり、そのため、サーボモータ３０ａおよびサーボモータ３０ｂの合成トルクは、正確に、両サーボモータ３０ａ、３０ｂのトルクの和となる。この関係は、サーボモータ３０ａとサーボモータ３０ｂとが、図１，図３に示すように別体に構成されていようが、後述する図１４，図１６に示すように三相並列回路として一体に構成されていようが、全く同様である。
【００２３】
サーボアンプ４０ａは、図３に示すように、三相の商用交流電源をＡ−Ｄ変換するコンバータ４１ａと、パワードライバ４２ａと、パワードライバ４２ａの前段に設けられ、高周波電流成分をカットすることでピーク電流を抑制するリアクトル４３ａと、容量の大きい蓄電用のコンデンサ４４ａとで構成され、パワードライバ４２ａの６個のパワートランジスタＱがゲート信号でドライブされることで、パワードライバ４２ａの三相交流出力によってサーボモータ３０ａを駆動するものである。パワードライバ４２ａの各パワートランジスタＱには、サーボモータ３０ａの減速期間中に発生する回生電流を流すためのダイオードＤが接続してあり、回生電流はコンデンサ４４ａに流れ込んで回生電力として蓄えられる。コンデンサ４４ａは、この回生電力を用いて、リアクトル４３ａによるピーク電流の抑制により不足する電力エネルギー、すなわち、高速動作用の電力エネルギーおよび／または打ち抜き用の電力エネルギーを供給するものである。また、サーボアンプ４０ｂも、サーボアンプ４０ａと全く同様に構成されている。
【００２４】
このようなサーボアンプ４０ａ、４０ｂの制御により、サーボモータ３０ａ、３０ｂは、エキセンシャフト２０の偏心軸部２０ｅが、ラム２２がパンチング加工に要する所定の下降端位置にあるのに相当するＬ位置（図４参照）と、この位置から戻されてラム２２下端のストライカ２４がパンチ金型２６上面から離れる上昇端位置にあるのに相当するＨ位置（図４参照）との間を上下動するように、エキセンシャフト２０をＬ、Ｈ両位置間に相当する角度範囲θだけ往復して回動させることで、ワークにパンチング加工を行なうようになっている。
【００２５】
図４（ａ）に示すように、ラム２２の下降端位置に相当するエキセンシャフト２０の偏心軸部２０ｅのＬ位置は、エキセンシャフト２０の偏心量Ｅ（エキセンシャフト２０の軸線と偏心軸部２０ｅの軸線との距離）によって決まるラム２２の全上下動可能ストロークの下死点Ｂよりやや手前上方に設定され、また、ラム２２の上昇端位置に相当するエキセンシャフト２０の偏心軸部２０ｅのＨ位置は、ラム２２の全上下動可能ストロークの中間高さＭよりやや下方に設定される。すなわち、エキセンシャフト２０の前記往復回動角度範囲θは、使用するパンチ金型２６のストロークにもよるが、約４０°〜６０°程度に設定される。
【００２６】
また、図４（ｂ）に示すように、サーボモータ３０ａ、３０ｂは、金型交換時、タレット回転時などには、エキセンシャフト２０の偏心軸部２０ｅ（すなわちラム２２）を上死点Ｔに位置決めする。そして、サーボモータ３０ａ、３０ｂは、加工開始にともない、エキセンシャフト２０の偏心軸部２０ｅを、この上死点Ｔからラム２２の下降端位置に相当するＬ位置まで回動させることでラム２２を下降させて１回目のパンチング加工を行なった後、ラム２２の上昇端位置に相当するＨ位置まで戻してその位置でラム２２を待機させ、２回目以降のパンチング加工では、エキセンシャフト２０の偏心軸部２０ｅを、Ｈ位置とＬ位置との間の前記往復回動角度範囲θを往復して回動させる。
【００２７】
さらに、エキセンシャフト２０の偏心軸部２０ｅの全周回転範囲のうち、つねに図４（ｂ）に示すように片側半周分だけを使用すると、潤滑油の行き渡り方をはじめ各部が均等に使用されないことによる不都合が生じる可能性がある。このような不都合を回避するため、サーボモータ３０ａ、３０ｂは、必要に応じて、図４（ｃ）に示すように反対側の半周分も使用するように構成される。このような、図４（ｂ）に示す側と図４（ｃ）に示す側との切り換えは、例えば、金型交換の都度またはタレット回転のたびに、あるいは、あらかじめ決められたパンチング回数ごとなどに応じて、自動的に行われることが好ましい。
【００２８】
以上説明したように、サーボモータ３０ａ、３０ｂがエキセンシャフト２０を直接駆動して、ラム２２の下降端位置に相当するＬ位置と上昇端位置に相当するＨ位置との間の往復回動角度範囲θだけを連続して往復回動させることは、ワークに連続的なパンチング加工を行なううえで、ラム２２の高速化にきわめて有効である。
【００２９】
次に、上記の実施の形態の作用について、図５〜図１３に示す説明図を用いて説明する。
【００３０】
図５は、サーボモータ３０ａ、３０ｂの速度−トルク特性の例▲１▼、▲２▼を示し、この図は、ラム２２にかかる負荷の大きさによって、その負荷の大きさに必要なラム２２の駆動トルクを発生するうえで、サーボモータ３０ａ、３０ｂが運転可能な速度の上限を示したものである。
【００３１】
図５からわかるように、サーボモータ３０ａ、３０ｂは、ラム２２にかかる負荷が軽いときは必要なトルクが小さいため、ラム２２の駆動速度が低下しなくてパンチングの打ち抜き速度は速く、一方、ラム２２にかかる負荷が重いほど必要なトルクが大きくなるため、ラム２２の駆動速度が低下してパンチングの打ち抜き速度は遅くなる。もともと、打ち抜き加工における騒音の発生は、ワークの材質、板厚その他各種の条件によってさまざまであるが、ラムの駆動による打ち抜き速度が速いときは騒音は大きく、打ち抜き速度が遅くなるほど騒音は小さくなり、また、打ち抜き速度が一定であれば、負荷が軽いときは騒音は小さく、負荷が重いほど騒音は大きくなることが知られている。このことから、図５に示すサーボモータ３０ａ、３０ｂの速度−トルク特性のように、負荷が重いほどラム速度が低下することは、そのまま低騒音化につながるのである。しかも、このようなラム速度の低下は、作業効率を妨げるものではないことが、以下に示す各種ワークについての打ち抜き加工の実測データおよびそれに基づく特徴抽出波形データから明らかである。
【００３２】
図６はノーワークのときの打ち抜き加工の実測データ、図７（ａ）はそれに基づく特徴抽出波形データ、（ｂ）はその打ち抜きトルク−速度特性を示す。
【００３３】
図６，７に示すように、ワークのないときは、ラム２２の１サイクルの前半において、速度カーブおよびトルクカーブはいずれも正転方向に立ち上がって一定値を保ち、これによりラム位置カーブは上昇端位置（Ｈ位置相当）から下降端位置（Ｌ位置相当）まで実質的に均一に下降する。つぎに、ラム２２の１サイクルの後半において、速度カーブおよびトルクカーブはいずれも逆転方向に立ち上がって一定値を保ち、これによりラム位置カーブは下降端位置（Ｌ位置相当）から上昇端位置（Ｈ位置相当）まで実質的に均一に上昇する。
【００３４】
図８は薄板のワークを小径のパンチで打ち抜いたときの打ち抜き加工の実測データ、図９（ａ）はそれに基づく特徴抽出波形データ、（ｂ）はその打ち抜きトルク−速度特性を示す。
【００３５】
図８，９に示すように、薄板のワークを小径のパンチで打ち抜くときは、ラム２２の１サイクルの前半における挙動が図６，７の場合と異なる。すなわち、初期動作は図６，７の場合と同様、速度カーブおよびトルクカーブはいずれも正転方向に立ち上がって一定値になり、これによりラム位置カーブは上昇端位置（Ｈ位置相当）から実質的に均一に下降し始める。ところが、ラム２２下端のストライカ２４がパンチ金型２６を押し込んでその先端がワーク上面に当たることでワークから負荷を受けると、トルクカーブが急激に上昇するとともに速度カーブが減少し、これにともなってラム位置カーブの下降が緩やかに（遅く）なる。そして、パンチ金型２６の先端がワーク下面手前まで下降してワークから受ける負荷が急減すると、トルクカーブが急激に下降するとともに、速度カーブが速度減少分を取り戻すべく前記一定値を超えて加速し、これにともなってラム位置カーブも下降速度を加速する。その後ラム２２の１サイクルの後半では、図６，７の場合と同様に、ラム位置カーブは下降端位置（Ｌ位置相当）から上昇端位置（Ｈ位置相当）まで実質的に均一に上昇する。
【００３６】
図１０は同じ薄板のワークを大径のパンチで打ち抜いたときの打ち抜き加工の実測データ、図１１（ａ）はそれに基づく特徴抽出波形データ、（ｂ）はその打ち抜きトルク−速度特性を示す。
【００３７】
図１０，１１に示すように、薄板のワークを大径のパンチで打ち抜くときは、ラム２２の１サイクルの前半における挙動が図８，９の場合と異なる。すなわち、初期動作は図８，９の場合と同様、速度カーブおよびトルクカーブはいずれも正転方向に立ち上がって一定値になり、これによりラム位置カーブは上昇端位置（Ｈ位置相当）から実質的に均一に下降し始める。ところが、ラム２２下端のストライカ２４がパンチ金型２６を押し込んでワークから負荷を受けると、図８，９の場合に比べてパンチの直径が大きいためワークから受ける負荷が大きく、そのため、トルクカーブが図８，９の場合より大きく上昇するとともに速度カーブが図８，９の場合より大きく減少し、これにともなってラム位置カーブの下降が図８，９の場合よりずっと緩やかに（遅く）なる。そして、パンチ金型２６の先端がワーク下面手前まで下降してワークから受ける負荷が急減すると、トルクカーブが急激に下降するとともに、速度カーブが速度減少分を取り戻すべく図８，９の場合より大きく加速し、これにともなってラム位置カーブも下降速度を図８，９の場合より大きく加速する。その後ラム２２の１サイクルの後半では、図８，９の場合と同様に、ラム位置カーブは下降端位置（Ｌ位置相当）から上昇端位置（Ｈ位置相当）まで実質的に均一に上昇する。
【００３８】
図１２は厚板のワークを小径のパンチで打ち抜いたときの打ち抜き加工の実測データ、図１３（ａ）はそれに基づく特徴抽出波形データ、（ｂ）はその打ち抜きトルク−速度特性を示す。
【００３９】
図１２，１３に示すように、厚板のワークを小径のパンチで打ち抜くときも、図８，９の場合に比べてワークの板厚が厚いためワークから受ける負荷が大きく、そのためラム２２の１サイクルの前半における挙動が図８，９の場合と異なるが、図１０，１１の場合と比べれば大差はない。
【００４０】
このように、ラム２２にかかる負荷の大きさによって、速度カーブが減少してラム位置カーブの下降が緩やかに（遅く）なれば、その速度減少分を取り戻すべく速度カーブが一定値を超えて加速し、ラム位置カーブも下降速度を加速することで、負荷によるラム速度の低下は、ラム２２の１サイクル中における加減速として吸収・解消されてしまい、そのため、ラム２２の１サイクルを通じて要する時間には実質的な変化がなく、ラム２２の高速化の妨げとはならない。
【００４１】
このようなモータの速度−トルク特性は、つぎのように説明できる。モータは、供給される電気エネルギーを負荷に作用するエネルギーに変換するものであり、サーボモータ３０ａ、３０ｂの場合、供給される電気エネルギーは、サーボアンプ４０ａ、４０ｂによって容量が決定され、また電源電圧の制限も受け、電源電圧以上の電圧を印加することもできない。
【００４２】
一方、負荷に作用するエネルギーすなわちモータトルクは、サーボモータ３０ａ、３０ｂの場合、ラム２２を下降させる適宜加速度の正転と、ラム２２を上昇させる適宜加速度の逆転とを繰り返すサイクルのラム下降動作中に、パンチングの打ち抜き動作を実行するものであるから、ラム２２の運動エネルギー発生用のトルクと、打ち抜き加圧力発生用のトルクとに分けられる。
【００４３】
このような場合、加速度がかなり低ければ（ラム２２の上下動が遅ければ）、運動エネルギー発生用のトルク分が少なくて済むため、モータトルクのほとんどすべてを加圧力発生用のトルクとして利用できる。そのため、ワークの板厚、材質などの条件によって大きな加圧力を要求されても、その加圧力を充分に発生することができ、運動エネルギー発生用のトルクが不足してラム２２の速度に影響を及ぼすことはない。
【００４４】
これに対し、実際には作業効率などから、ある程度高い加速度（ラム２２の上下動が速い）が要請されるため、モータトルクのうち加圧力発生用のトルクとして利用できる分が限られる。そのため、ワークの板厚、材質などの条件によって大きな加圧力を要求されると、その加圧力を発生するのにモータトルクの大部分が使われ、運動エネルギー発生用のトルクが不足し、ラム２２の速度を維持することができなくてラム２２の下降速度が減速してしまう。
【００４５】
ところが、このラム２２の下降速度の減速こそが、パンチングの打ち抜き動作にともなう騒音、振動の低騒音化、低振動化にきわめて有用な特性である。すなわち、ワークの板厚、材質などの条件によって、要求される加圧力（加圧トン数）が比較的小さいときは、ラム２２の下降速度の速度低下が少ないから、軽い負荷の打ち抜き動作は比較的速くなり、また、要求される加圧力（加圧トン数）が比較的大きいときは、ラム２２の下降速度の速度低下が多いから、重い負荷の打ち抜き動作は比較的遅くなり、しかも、このような打ち抜き速度の変動は、要求される加圧力（加圧トン数）に応じて自動的に決定されるから、打ち抜きトン数による打ち抜きパターン（ラム２２の下降パターン）の指令が不要である。つまり、ラム２２の下降速度を維持できなくなることによって、最適な打ち抜きパターン（ラム２２の下降パターン）が自動的に生成されることになる。
【００４６】
逆にいえば、サーボアンプ４０ａ、４０ｂによって供給される電気エネルギーの容量が決定されるサーボモータ３０ａ、３０ｂのモータトルクが、タレットパンチプレス１０で取り扱うワークの種類に応じて、軽い負荷から重い負荷まで最適な打ち抜きパターン（ラム２２の下降パターン）が生成されるモータトルクとなるように、使用するサーボモータ３０ａ、３０ｂの速度−トルク特性を設定することで、パンチングの打ち抜き動作にともなう騒音、振動の低騒音化、低振動化が実現できる。
【００４７】
そして、トグルやフライホイールなどの機構を利用しないモータ−ラム作動軸直結型の電動式パンチプレスにおいて、図５〜図１３に示すような説明に基づくパンチングの打ち抜き動作にともなう騒音、振動の低騒音化、低振動化が実現されるものは、結局、この発明による連続加工システム１のサーボモータ３０ａ、３０ｂと同様の速度−トルク特性を備えているといえる。
【００４８】
ここで、サーボアンプ４０ａ、４０ｂのリアクトル４３ａ、４３ｂおよびコンデンサ４４ａ、４４ｂの作用について説明する。
【００４９】
リアクトル４３ａ、４３ｂの値をＬとすると、インピーダンスＺはＺ＝２πｆＬであるから、周波数の高い成分に対しては大きな抵抗となる。そのためリアクトル４３ａ、４３ｂは、高周波電流成分をカットすることでピーク電流を抑制することができるものであり、これによりサーボアンプ４０ａ、４０ｂのピーク電力が抑制されるため、Ｌ値がかなり大きなリアクトル４３ａ、４３ｂを用いることで、例えばトグルやフライホイールなどの機構を利用する場合に比べて、電力会社との契約電力を実質的に変更する必要のないピーク電力に調整することができる。
【００５０】
ところが、パンチプレスによる打ち抜き加工では、ラム２２を上下動させるエキセンシャフト２０を高速動作させるには大きな運動エネルギーが必要で、しかもその頻度も高いから、リアクトル４３ａ、４３ｂのＬ値がかなり大きくなると、サーボアンプ４０ａ、４０ｂからサーボモータ３０ａ、３０ｂへの高速動作用の電力エネルギー供給が間に合わない虞がある。また、パンチプレスによる打ち抜き加工では、打ち抜き加工時に大きな抜きエネルギーが必要であるから、リアクトル４３ａ、４３ｂのＬ値がかなり大きくなると、サーボアンプ４０ａ、４０ｂからサーボモータ３０ａ、３０ｂへの打ち抜き動作用の電力エネルギー供給が不足する虞がある。
【００５１】
そこで、このようなサーボアンプ４０ａ、４０ｂからサーボモータ３０ａ、３０ｂへの高速動作用の電力エネルギー供給、および／または、打ち抜き動作用の電力エネルギー供給を補うために、コンデンサ４４ａ、４４ｂを設けてあり、容量がかなり大きなコンデンサ４４ａ、４４ｂを用いることで、高速動作用に必要な電力エネルギーおよび／または打ち抜き動作用に必要な電力エネルギーを、サーボアンプ４０ａ、４０ｂからサーボモータ３０ａ、３０ｂへ充分に供給することができる。
【００５２】
したがって、Ｌ値がかなり大きなリアクトル４３ａ、４３ｂを用いるとともに、容量がかなり大きなコンデンサ４４ａ、４４ｂを用いることで、ピーク電力を所望に応じて低減することができるとともに、タレットパンチプレス１０の本来の性能に応じた高速パンチング加工を実行することができる。
【００５３】
図１４は、この発明によるプレス機械の連続加工システムの他の実施の形態を示す要部の縦断面図、図１５はその右側面図であり、このプレス機械の連続加工システム１０１は、タレットパンチプレス１１０に適用したものである。
【００５４】
このタレットパンチプレス１１０は、一対のサーボモータ３０ａ、３０ｂに代えて、図１６に示すように、サーボモータ３０ａ、３０ｂを三相並列回路として一体に構成した１台のサーボモータ１３０を使用したものであり、サーボモータ３０ａ、３０ｂと同様の速度−トルク特性を有するものである。そのため、サーボモータ１３０は、サーボモータ３０ａまたは３０ｂの一方と比べると大型であり、それに応じて、エキセンシャフト１２０は一端にのみ、延長部２０ａに比べて長く延びた延長部１２０ａが形成され、この延長部１２０ａをモータ主軸１３１とするサーボモータ１３０が、フレーム１１１ａの外側に取り付けられている。プレス機械の連続加工システム１０１のその他の構成は、図１、図２に示すプレス機械の連続加工システム１と同様のものであるので、同様の部分に図１、図２で使用した符号に１００を加えた符号をつけて示すことで、プレス機械の連続加工システム１０１の各部の構成についての詳細な説明は省略する。また、プレス機械の連続加工システム１０１の作用も、プレス機械の連続加工システム１と同様である。
【００５５】
このような、サーボモータ１３０が１台のみ（シングルドライブ）のタレットパンチプレス１１０と、一対のサーボモータ３０ａ、３０ｂを備えたツインドライブのタレットパンチプレス１０とを比較すると、つぎのような違いがある。すなわち、シングルドライブのタレットパンチプレス１１０の場合は、サーボモータ１３０の重量による応力をフレーム１１１ｂのみで受けるため、フレーム１１１ａ、１１１ｂに歪みが生じる。また、サーボモータ１３０の発熱により、熱の不均一による歪みも生じる。また、軸受部１１２ａ、１１２ｂの応力も互いに異なる。したがって、これらに対する対策を講じる必要がある。これに対し、ツインドライブのタレットパンチプレス１０の場合は、応力歪みがなくなり、熱も分散・平均化されるという利点がある。
【００５６】
なお、上記の実施の形態では、エキセンシャフト２０の両端延長部２０ａ、２０ｂ自体を、サーボモータ３０ａ、３０ｂの主軸３１ａ、３１ｂとして構成したが、これに限定するものでなく、必要であれば、例えば、エキセンシャフト２０と主軸３１ａ、３１ｂとを別部材として構成し、ボルト止めその他適宜の手段によりエキセンシャフト２０の両端部に主軸３１ａ、３１ｂをそれぞれ固着することで、両者を一体に構成することが可能であり、また、エキセンシャフト１２０とサーボモータ１３０の主軸１３１との関係も同様である。
【００５７】
また、上記の実施の形態では、連続加工システム１、１０１をタレットパンチプレス１０、１１０に適用したが、これに限定するものでなく、パンチプレス以外の各種のプレス機械に適用することが可能である。
【００５８】
【発明の効果】
この発明は以上のように、ラムの動力源としてサーボモータを用いるプレス機械において、そのサーボモータとして、モータの速度−トルク特性に基づくトルクを使うことで必要なラム圧力を発生可能なサーボモータを用いて、ラムを上下動させる作動軸を直接駆動するように構成し、ラムがプレス加工に要する所定の下降端位置と、この位置から戻されてラムの下端部が工具上面から離れる位置との間を上下動するように、サーボモータにより、作動軸をラムのその両位置間に相当する角度範囲だけ連続して往復回動させることで、ワークに連続的なプレス加工を行なうように構成したので、トグルやフライホイールなどの機構およびギヤなどの動力伝達機構を利用せずに、ラムを上下動させる作動軸をサーボモータにより直接駆動することができ、そのため、駆動力の伝達遅れが原理的になく、制御遅れも発生せず、それにより、応答性がよくて高速化を図ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるプレス機械の連続加工システムの一実施の形態を示す要部の縦断面図である。
【図２】図１に示す要部の右側面図である。
【図３】図１のサーボモータとそれを駆動するサーボアンプの構成例を示す結線図である。
【図４】エキセンシャフトの偏心軸部（ラム）の作動領域を示す説明図である。
【図５】サーボモータの速度−トルク特性の例を示す図である。
【図６】ノーワークのときの打ち抜き加工の実測データを示す図である。
【図７】図６の実測データに基づく特徴抽出波形データ（ａ）および打ち抜きトルク−速度特性（ｂ）を示す図である。
【図８】薄板のワークを小径のパンチで打ち抜いたときの打ち抜き加工の実測データを示す図である。
【図９】図８の実測データに基づく特徴抽出波形データ（ａ）および打ち抜きトルク−速度特性（ｂ）を示す図である。
【図１０】薄板のワークを大径のパンチで打ち抜いたときの打ち抜き加工の実測データを示す図である。
【図１１】図１０の実測データに基づく特徴抽出波形データ（ａ）および打ち抜きトルク−速度特性（ｂ）を示す図である。
【図１２】厚板のワークを小径のパンチで打ち抜いたときの打ち抜き加工の実測データを示す図である。
【図１３】図１２の実測データに基づく特徴抽出波形データ（ａ）および打ち抜きトルク−速度特性（ｂ）を示す図である。
【図１４】この発明によるプレス機械の連続加工システムの他の実施の形態を示す要部の縦断面図である。
【図１５】図１４に示す要部の右側面図である。
【図１６】図１４のサーボモータとそれを駆動するサーボアンプの構成例を示す結線図である。
【符号の説明】
１、１０１ プレス機械の連続加工システム
１０、１１０ タレットパンチプレス
１１ａ、１１ｂ、１１１ａ、１１１ｂ フレーム
１２ａ、１２ｂ、１１２ａ、１１２ｂ 軸受部
２０、１２０ エキセンシャフト
２０ａ、２０ｂ、１２０ａ 延長部
２０ｅ、１２０ｅ 偏心軸部
２１、１２１ コンロッド
２２、１２２ ラム
２３、１２３ ラムガイド
２４、１２４ ストライカ
２５、１２５ タレット
２６、１２６ パンチ金型
３０ａ、３０ｂ、１３０ サーボモータ
３１ａ、３１ｂ、１３１ モータ主軸
３２ａ、３２ｂ、１３２ 磁極用マグネット（永久磁石）
３３ａ、３３ｂ、１３３ スリーブ
３４ａ、３４ｂ、１３４ ブッシュ
３５ａ、３５ｂ、１３５ ロータ（回転子）
３６ａ、３６ｂ、１３６ 外筒
３７ａ、３７ｂ、１３７ ステータ（固定子）
３８、１３８ ロータリエンコーダ
４０ａ、４０ｂ、１４０ａ、１４０ｂ サーボアンプ
４１ａ、４１ｂ、１４１ａ、１４１ｂ コンバータ
４２ａ、４２ｂ、１４２ａ、１４２ｂ パワードライバ
４３ａ、４３ｂ、１４３ａ、１４３ｂ リアクトル
４４ａ、４４ｂ、１４４ａ、１４４ｂ コンデンサ
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばタレットパンチプレスに適用されるプレス機械の連続加工システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、パンチプレスには、ラムの駆動源として油圧を用いる油圧式のものと、サーボモータを用いる電動式のものとがある。
【０００３】
また、パンチプレスでは、例えばニブリングなど同一のパンチ金型を使ってワークを連続的に打ち抜く加工を行なうことがあり、このような連続パンチング加工では、ラムの高速化が求められる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−６２５９１号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開２００１−６２５９６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の油圧式のパンチプレスは、油圧を利用し切換弁を用いてラムを往復動させるものであるため、電気的な制御に比べて応答性が悪く、制御指令に対して遅れの生じることが避けられず、そのため、ラムの高速化には適していない。
【０００７】
また、従来の電動式のパンチプレスは、例えばトグルやフライホイールなどの機構を利用することで加工に必要なトルクを発生しているため、この機構によるイナーシャがラムの往復動を遅らせる原因となり、また、それに加えて、サーボモータの主軸とラムを上下動させる作動軸とは、ギヤなどの動力伝達機構を介してドライブされるため、この動力伝達機構によるロスや遅れも生じることが避けられない。そのため、ラムの高速化には一定の限界があり、その限界を超えることは困難であるという問題があった。
【０００８】
この発明の課題は、上記従来のもののもつ問題点を排除して、ラムの駆動源としてサーボモータを用い、しかも、トグルやフライホイールなどの機構およびギヤなどの動力伝達機構を利用しないことで、駆動力の伝達遅れが原理的になく、制御遅れも発生せず、それにより、応答性がよくて高速化を図ることのできるプレス機械の連続加工システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、ラムの動力源としてサーボモータを用いるプレス機械において、前記サーボモータとして、モータの速度−トルク特性に基づくトルクを使うことで必要なラム圧力を発生可能なサーボモータを用いて、ラムを上下動させる作動軸を直接駆動するように構成し、ラムがプレス加工に要する所定の下降端位置と、この位置から戻されてラムの下端部が工具上面から離れる位置との間を上下動するように、前記サーボモータにより、前記作動軸をラムの当該両位置間に相当する角度範囲だけ連続して往復回動させることで、ワークに連続的なプレス加工を行なうプレス機械の連続加工システムである。
【００１０】
請求項２に係る発明は、ラムの動力源としてサーボモータを用いるプレス機械において、前記サーボモータとして、ラムを上下動させる作動軸の両端に互いに対向して設置され、かつ、互いに同一の速度−トルク特性に基づくトルクを合成して使うことで必要なラム圧力を発生可能な一対のサーボモータを用いて、ラムを上下動させる作動軸を直接駆動するように構成し、ラムがプレス加工に要する所定の下降端位置と、この位置から戻されてラムの下端部が工具上面から離れる位置との間を上下動するように、前記一対のサーボモータにより、前記作動軸をラムの当該両位置間に相当する角度範囲だけ連続して往復回動させることで、ワークに連続的なプレス加工を行なうプレス機械の連続加工システムである。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２記載の発明において、前記サーボモータは、モータの速度−トルク特性に基づくトルクを使い、機構のイナーシャを利用しないで必要なラム圧力を発生可能なサーボモータであるプレス機械の連続加工システムである。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項１または請求項２記載の発明において、ラムを上下動させる前記作動軸はエキセンシャフトで構成され、前記サーボモータは、前記エキセンシャフトをモータ主軸として構成したプレス機械の連続加工システムである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、この発明によるプレス機械の連続加工システムの一実施の形態を示す要部の縦断面図、図２はその右側面図であり、このプレス機械の連続加工システム１は、タレットパンチプレス１０に適用したものである。
【００１４】
タレットパンチプレス１０は、平行に立設したフレーム１１ａ、１１ｂに設けた軸受部１２ａ、１２ｂにエキセンシャフト２０が軸支されている。フレーム１１ａ、１１ｂ間のほぼ中央に位置するエキセンシャフト２０の偏心軸部２０ｅには、コンロッド２１を介してラム２２が取り付けられ、エキセンシャフト２０が回転または回動することで、コンロッド２１を介してラム２２がラムガイド２３に沿って上下動し、ラム２２の下端に取り付けられるストライカ２４もラム２２と一体に上下動する。そして、ラム２２が下降するとき、ストライカ２４が、タレット２５に装着してあるパンチ金型２６を押圧してワークを打ち抜くようになっている。
【００１５】
また、エキセンシャフト２０の両端延長部２０ａ、２０ｂはフレーム１１ａ、１１ｂから外方へ延び、この延長部２０ａ、２０ｂをモータ主軸３１ａ、３１ｂとするサーボモータ３０ａ、３０ｂが、フレーム１１ａ、１１ｂの外側にそれぞれ取り付けられている。
【００１６】
サーボモータ３０ａは、エキセンシャフト２０の延長部２０ａをモータ主軸３１ａとして構成される。すなわち、エキセンシャフト２０の延長部２０ａの周囲に、外周に偶数個（４個）の磁極用マグネット（永久磁石）３２ａを円周方向に沿って所定間隔（９０°間隔）で備えたスリーブ３３ａを嵌装してブッシュ３４ａで固定することで、ロータ（回転子）３５ａを構成する。そしてこのロータ３５ａの中心軸をなすエキセンシャフト２０の延長部２０ａは、モータ主軸３１ａそのものである。そのため、サーボモータ３０ａは、延長部２０ａしたがってエキセンシャフト２０を、実質的にロータ３５ａとして用いるものである。
【００１７】
また、サーボモータ３０ａは、三相電機子巻線Ｕａ、Ｖａ、Ｗａを巻いた外筒３６ａをロータ３５ａに外装してフレーム１１ａに固定し、これによりステータ（固定子）３７ａを構成する。
【００１８】
一方、サーボモータ３０ｂも、サーボモータ３０ａと同様に、エキセンシャフト２０の延長部２０ｂをモータ主軸３１ｂとして構成される。すなわち、エキセンシャフト２０の延長部２０ｂの周囲に、外周に偶数個（４個）の磁極用マグネット（永久磁石）３２ｂを円周方向に沿って所定間隔（９０°間隔）で備えたスリーブ３３ｂを嵌装してブッシュ３４ｂで固定することで、ロータ（回転子）３５ｂを構成する。そしてこのロータ３５ｂの中心軸をなすエキセンシャフト２０の延長部２０ｂは、モータ主軸３１ｂそのものである。そのため、サーボモータ３０ｂは、延長部２０ｂしたがってエキセンシャフト２０を、実質的にロータ３５ｂとして用いるものである。
【００１９】
また、サーボモータ３０ｂは、三相電機子巻線Ｕｂ、Ｖｂ、Ｗｂを巻いた外筒３６ｂをロータ３５ｂに外装してフレーム１１ｂに固定し、これによりステータ（固定子）３７ｂを構成する。
【００２０】
このように、サーボモータ３０ａとサーボモータ３０ｂとは、同様のものであるが、ただし、互いにミラーイメージで対称に構成されたものであり、このミラーイメージで対称である点を除けば、互いに全く同一のものであって、互いのロータ３５ａ、ロータ３５ｂが一体に構成されるから、ロータ３５ａ、３５ｂの回転角度を検出するロータリエンコーダ３８は一方（例えばサーボモータ３０ｂ）にのみ設けて共用され、また、互いに同一の速度−トルク特性を有し、この速度−トルク特性に基づくトルクを合成して使うことで、必要なラム圧力を発生する性能を有するものである。
【００２１】
すなわち、サーボモータ３０ａのロータ３５ａの磁極位置（磁極用マグネット３２ａの円周方向位置）と、サーボモータ３０ｂのロータ３５ｂの磁極位置（磁極用マグネット３２ｂの円周方向位置）とは、互いにミラーイメージで対称に位置決めして取り付けられ、また、サーボモータ３０ａの三相電機子巻線Ｕａ、Ｖａ、Ｗａの円周方向位置と、サーボモータ３０ｂの三相電機子巻線Ｕｂ、Ｖｂ、Ｗｂの円周方向位置とは、互いにミラーイメージで対称に位置決めして取り付けられている。
【００２２】
そのため、図３に示すように、サーボモータ３０ａの制御回路であるサーボアンプ４０ａのパワードライバ４２ａと、サーボモータ３０ｂの制御回路であるサーボアンプ４０ｂのパワードライバ４２ｂとを、同一ゲート信号でドライブすれば、サーボモータ３０ａおよびサーボモータ３０ｂには、同位相、同一電流値の三相交流電流しか流れないから、サーボモータ３０ａのトルクベクトルとサーボモータ３０ｂのトルクベクトルとが同位相、同一となり、そのため、サーボモータ３０ａおよびサーボモータ３０ｂの合成トルクは、正確に、両サーボモータ３０ａ、３０ｂのトルクの和となる。この関係は、サーボモータ３０ａとサーボモータ３０ｂとが、図１，図３に示すように別体に構成されていようが、後述する図１４，図１６に示すように三相並列回路として一体に構成されていようが、全く同様である。
【００２３】
サーボアンプ４０ａは、図３に示すように、三相の商用交流電源をＡ−Ｄ変換するコンバータ４１ａと、パワードライバ４２ａと、パワードライバ４２ａの前段に設けられ、高周波電流成分をカットすることでピーク電流を抑制するリアクトル４３ａと、容量の大きい蓄電用のコンデンサ４４ａとで構成され、パワードライバ４２ａの６個のパワートランジスタＱがゲート信号でドライブされることで、パワードライバ４２ａの三相交流出力によってサーボモータ３０ａを駆動するものである。パワードライバ４２ａの各パワートランジスタＱには、サーボモータ３０ａの減速期間中に発生する回生電流を流すためのダイオードＤが接続してあり、回生電流はコンデンサ４４ａに流れ込んで回生電力として蓄えられる。コンデンサ４４ａは、この回生電力を用いて、リアクトル４３ａによるピーク電流の抑制により不足する電力エネルギー、すなわち、高速動作用の電力エネルギーおよび／または打ち抜き用の電力エネルギーを供給するものである。また、サーボアンプ４０ｂも、サーボアンプ４０ａと全く同様に構成されている。
【００２４】
このようなサーボアンプ４０ａ、４０ｂの制御により、サーボモータ３０ａ、３０ｂは、エキセンシャフト２０の偏心軸部２０ｅが、ラム２２がパンチング加工に要する所定の下降端位置にあるのに相当するＬ位置（図４参照）と、この位置から戻されてラム２２下端のストライカ２４がパンチ金型２６上面から離れる上昇端位置にあるのに相当するＨ位置（図４参照）との間を上下動するように、エキセンシャフト２０をＬ、Ｈ両位置間に相当する角度範囲θだけ往復して回動させることで、ワークにパンチング加工を行なうようになっている。
【００２５】
図４（ａ）に示すように、ラム２２の下降端位置に相当するエキセンシャフト２０の偏心軸部２０ｅのＬ位置は、エキセンシャフト２０の偏心量Ｅ（エキセンシャフト２０の軸線と偏心軸部２０ｅの軸線との距離）によって決まるラム２２の全上下動可能ストロークの下死点Ｂよりやや手前上方に設定され、また、ラム２２の上昇端位置に相当するエキセンシャフト２０の偏心軸部２０ｅのＨ位置は、ラム２２の全上下動可能ストロークの中間高さＭよりやや下方に設定される。すなわち、エキセンシャフト２０の前記往復回動角度範囲θは、使用するパンチ金型２６のストロークにもよるが、約４０°〜６０°程度に設定される。
【００２６】
また、図４（ｂ）に示すように、サーボモータ３０ａ、３０ｂは、金型交換時、タレット回転時などには、エキセンシャフト２０の偏心軸部２０ｅ（すなわちラム２２）を上死点Ｔに位置決めする。そして、サーボモータ３０ａ、３０ｂは、加工開始にともない、エキセンシャフト２０の偏心軸部２０ｅを、この上死点Ｔからラム２２の下降端位置に相当するＬ位置まで回動させることでラム２２を下降させて１回目のパンチング加工を行なった後、ラム２２の上昇端位置に相当するＨ位置まで戻してその位置でラム２２を待機させ、２回目以降のパンチング加工では、エキセンシャフト２０の偏心軸部２０ｅを、Ｈ位置とＬ位置との間の前記往復回動角度範囲θを往復して回動させる。
【００２７】
さらに、エキセンシャフト２０の偏心軸部２０ｅの全周回転範囲のうち、つねに図４（ｂ）に示すように片側半周分だけを使用すると、潤滑油の行き渡り方をはじめ各部が均等に使用されないことによる不都合が生じる可能性がある。このような不都合を回避するため、サーボモータ３０ａ、３０ｂは、必要に応じて、図４（ｃ）に示すように反対側の半周分も使用するように構成される。このような、図４（ｂ）に示す側と図４（ｃ）に示す側との切り換えは、例えば、金型交換の都度またはタレット回転のたびに、あるいは、あらかじめ決められたパンチング回数ごとなどに応じて、自動的に行われることが好ましい。
【００２８】
以上説明したように、サーボモータ３０ａ、３０ｂがエキセンシャフト２０を直接駆動して、ラム２２の下降端位置に相当するＬ位置と上昇端位置に相当するＨ位置との間の往復回動角度範囲θだけを連続して往復回動させることは、ワークに連続的なパンチング加工を行なううえで、ラム２２の高速化にきわめて有効である。
【００２９】
次に、上記の実施の形態の作用について、図５〜図１３に示す説明図を用いて説明する。
【００３０】
図５は、サーボモータ３０ａ、３０ｂの速度−トルク特性の例▲１▼、▲２▼を示し、この図は、ラム２２にかかる負荷の大きさによって、その負荷の大きさに必要なラム２２の駆動トルクを発生するうえで、サーボモータ３０ａ、３０ｂが運転可能な速度の上限を示したものである。
【００３１】
図５からわかるように、サーボモータ３０ａ、３０ｂは、ラム２２にかかる負荷が軽いときは必要なトルクが小さいため、ラム２２の駆動速度が低下しなくてパンチングの打ち抜き速度は速く、一方、ラム２２にかかる負荷が重いほど必要なトルクが大きくなるため、ラム２２の駆動速度が低下してパンチングの打ち抜き速度は遅くなる。もともと、打ち抜き加工における騒音の発生は、ワークの材質、板厚その他各種の条件によってさまざまであるが、ラムの駆動による打ち抜き速度が速いときは騒音は大きく、打ち抜き速度が遅くなるほど騒音は小さくなり、また、打ち抜き速度が一定であれば、負荷が軽いときは騒音は小さく、負荷が重いほど騒音は大きくなることが知られている。このことから、図５に示すサーボモータ３０ａ、３０ｂの速度−トルク特性のように、負荷が重いほどラム速度が低下することは、そのまま低騒音化につながるのである。しかも、このようなラム速度の低下は、作業効率を妨げるものではないことが、以下に示す各種ワークについての打ち抜き加工の実測データおよびそれに基づく特徴抽出波形データから明らかである。
【００３２】
図６はノーワークのときの打ち抜き加工の実測データ、図７（ａ）はそれに基づく特徴抽出波形データ、（ｂ）はその打ち抜きトルク−速度特性を示す。
【００３３】
図６，７に示すように、ワークのないときは、ラム２２の１サイクルの前半において、速度カーブおよびトルクカーブはいずれも正転方向に立ち上がって一定値を保ち、これによりラム位置カーブは上昇端位置（Ｈ位置相当）から下降端位置（Ｌ位置相当）まで実質的に均一に下降する。つぎに、ラム２２の１サイクルの後半において、速度カーブおよびトルクカーブはいずれも逆転方向に立ち上がって一定値を保ち、これによりラム位置カーブは下降端位置（Ｌ位置相当）から上昇端位置（Ｈ位置相当）まで実質的に均一に上昇する。
【００３４】
図８は薄板のワークを小径のパンチで打ち抜いたときの打ち抜き加工の実測データ、図９（ａ）はそれに基づく特徴抽出波形データ、（ｂ）はその打ち抜きトルク−速度特性を示す。
【００３５】
図８，９に示すように、薄板のワークを小径のパンチで打ち抜くときは、ラム２２の１サイクルの前半における挙動が図６，７の場合と異なる。すなわち、初期動作は図６，７の場合と同様、速度カーブおよびトルクカーブはいずれも正転方向に立ち上がって一定値になり、これによりラム位置カーブは上昇端位置（Ｈ位置相当）から実質的に均一に下降し始める。ところが、ラム２２下端のストライカ２４がパンチ金型２６を押し込んでその先端がワーク上面に当たることでワークから負荷を受けると、トルクカーブが急激に上昇するとともに速度カーブが減少し、これにともなってラム位置カーブの下降が緩やかに（遅く）なる。そして、パンチ金型２６の先端がワーク下面手前まで下降してワークから受ける負荷が急減すると、トルクカーブが急激に下降するとともに、速度カーブが速度減少分を取り戻すべく前記一定値を超えて加速し、これにともなってラム位置カーブも下降速度を加速する。その後ラム２２の１サイクルの後半では、図６，７の場合と同様に、ラム位置カーブは下降端位置（Ｌ位置相当）から上昇端位置（Ｈ位置相当）まで実質的に均一に上昇する。
【００３６】
図１０は同じ薄板のワークを大径のパンチで打ち抜いたときの打ち抜き加工の実測データ、図１１（ａ）はそれに基づく特徴抽出波形データ、（ｂ）はその打ち抜きトルク−速度特性を示す。
【００３７】
図１０，１１に示すように、薄板のワークを大径のパンチで打ち抜くときは、ラム２２の１サイクルの前半における挙動が図８，９の場合と異なる。すなわち、初期動作は図８，９の場合と同様、速度カーブおよびトルクカーブはいずれも正転方向に立ち上がって一定値になり、これによりラム位置カーブは上昇端位置（Ｈ位置相当）から実質的に均一に下降し始める。ところが、ラム２２下端のストライカ２４がパンチ金型２６を押し込んでワークから負荷を受けると、図８，９の場合に比べてパンチの直径が大きいためワークから受ける負荷が大きく、そのため、トルクカーブが図８，９の場合より大きく上昇するとともに速度カーブが図８，９の場合より大きく減少し、これにともなってラム位置カーブの下降が図８，９の場合よりずっと緩やかに（遅く）なる。そして、パンチ金型２６の先端がワーク下面手前まで下降してワークから受ける負荷が急減すると、トルクカーブが急激に下降するとともに、速度カーブが速度減少分を取り戻すべく図８，９の場合より大きく加速し、これにともなってラム位置カーブも下降速度を図８，９の場合より大きく加速する。その後ラム２２の１サイクルの後半では、図８，９の場合と同様に、ラム位置カーブは下降端位置（Ｌ位置相当）から上昇端位置（Ｈ位置相当）まで実質的に均一に上昇する。
【００３８】
図１２は厚板のワークを小径のパンチで打ち抜いたときの打ち抜き加工の実測データ、図１３（ａ）はそれに基づく特徴抽出波形データ、（ｂ）はその打ち抜きトルク−速度特性を示す。
【００３９】
図１２，１３に示すように、厚板のワークを小径のパンチで打ち抜くときも、図８，９の場合に比べてワークの板厚が厚いためワークから受ける負荷が大きく、そのためラム２２の１サイクルの前半における挙動が図８，９の場合と異なるが、図１０，１１の場合と比べれば大差はない。
【００４０】
このように、ラム２２にかかる負荷の大きさによって、速度カーブが減少してラム位置カーブの下降が緩やかに（遅く）なれば、その速度減少分を取り戻すべく速度カーブが一定値を超えて加速し、ラム位置カーブも下降速度を加速することで、負荷によるラム速度の低下は、ラム２２の１サイクル中における加減速として吸収・解消されてしまい、そのため、ラム２２の１サイクルを通じて要する時間には実質的な変化がなく、ラム２２の高速化の妨げとはならない。
【００４１】
このようなモータの速度−トルク特性は、つぎのように説明できる。モータは、供給される電気エネルギーを負荷に作用するエネルギーに変換するものであり、サーボモータ３０ａ、３０ｂの場合、供給される電気エネルギーは、サーボアンプ４０ａ、４０ｂによって容量が決定され、また電源電圧の制限も受け、電源電圧以上の電圧を印加することもできない。
【００４２】
一方、負荷に作用するエネルギーすなわちモータトルクは、サーボモータ３０ａ、３０ｂの場合、ラム２２を下降させる適宜加速度の正転と、ラム２２を上昇させる適宜加速度の逆転とを繰り返すサイクルのラム下降動作中に、パンチングの打ち抜き動作を実行するものであるから、ラム２２の運動エネルギー発生用のトルクと、打ち抜き加圧力発生用のトルクとに分けられる。
【００４３】
このような場合、加速度がかなり低ければ（ラム２２の上下動が遅ければ）、運動エネルギー発生用のトルク分が少なくて済むため、モータトルクのほとんどすべてを加圧力発生用のトルクとして利用できる。そのため、ワークの板厚、材質などの条件によって大きな加圧力を要求されても、その加圧力を充分に発生することができ、運動エネルギー発生用のトルクが不足してラム２２の速度に影響を及ぼすことはない。
【００４４】
これに対し、実際には作業効率などから、ある程度高い加速度（ラム２２の上下動が速い）が要請されるため、モータトルクのうち加圧力発生用のトルクとして利用できる分が限られる。そのため、ワークの板厚、材質などの条件によって大きな加圧力を要求されると、その加圧力を発生するのにモータトルクの大部分が使われ、運動エネルギー発生用のトルクが不足し、ラム２２の速度を維持することができなくてラム２２の下降速度が減速してしまう。
【００４５】
ところが、このラム２２の下降速度の減速こそが、パンチングの打ち抜き動作にともなう騒音、振動の低騒音化、低振動化にきわめて有用な特性である。すなわち、ワークの板厚、材質などの条件によって、要求される加圧力（加圧トン数）が比較的小さいときは、ラム２２の下降速度の速度低下が少ないから、軽い負荷の打ち抜き動作は比較的速くなり、また、要求される加圧力（加圧トン数）が比較的大きいときは、ラム２２の下降速度の速度低下が多いから、重い負荷の打ち抜き動作は比較的遅くなり、しかも、このような打ち抜き速度の変動は、要求される加圧力（加圧トン数）に応じて自動的に決定されるから、打ち抜きトン数による打ち抜きパターン（ラム２２の下降パターン）の指令が不要である。つまり、ラム２２の下降速度を維持できなくなることによって、最適な打ち抜きパターン（ラム２２の下降パターン）が自動的に生成されることになる。
【００４６】
逆にいえば、サーボアンプ４０ａ、４０ｂによって供給される電気エネルギーの容量が決定されるサーボモータ３０ａ、３０ｂのモータトルクが、タレットパンチプレス１０で取り扱うワークの種類に応じて、軽い負荷から重い負荷まで最適な打ち抜きパターン（ラム２２の下降パターン）が生成されるモータトルクとなるように、使用するサーボモータ３０ａ、３０ｂの速度−トルク特性を設定することで、パンチングの打ち抜き動作にともなう騒音、振動の低騒音化、低振動化が実現できる。
【００４７】
そして、トグルやフライホイールなどの機構を利用しないモータ−ラム作動軸直結型の電動式パンチプレスにおいて、図５〜図１３に示すような説明に基づくパンチングの打ち抜き動作にともなう騒音、振動の低騒音化、低振動化が実現されるものは、結局、この発明による連続加工システム１のサーボモータ３０ａ、３０ｂと同様の速度−トルク特性を備えているといえる。
【００４８】
ここで、サーボアンプ４０ａ、４０ｂのリアクトル４３ａ、４３ｂおよびコンデンサ４４ａ、４４ｂの作用について説明する。
【００４９】
リアクトル４３ａ、４３ｂの値をＬとすると、インピーダンスＺはＺ＝２πｆＬであるから、周波数の高い成分に対しては大きな抵抗となる。そのためリアクトル４３ａ、４３ｂは、高周波電流成分をカットすることでピーク電流を抑制することができるものであり、これによりサーボアンプ４０ａ、４０ｂのピーク電力が抑制されるため、Ｌ値がかなり大きなリアクトル４３ａ、４３ｂを用いることで、例えばトグルやフライホイールなどの機構を利用する場合に比べて、電力会社との契約電力を実質的に変更する必要のないピーク電力に調整することができる。
【００５０】
ところが、パンチプレスによる打ち抜き加工では、ラム２２を上下動させるエキセンシャフト２０を高速動作させるには大きな運動エネルギーが必要で、しかもその頻度も高いから、リアクトル４３ａ、４３ｂのＬ値がかなり大きくなると、サーボアンプ４０ａ、４０ｂからサーボモータ３０ａ、３０ｂへの高速動作用の電力エネルギー供給が間に合わない虞がある。また、パンチプレスによる打ち抜き加工では、打ち抜き加工時に大きな抜きエネルギーが必要であるから、リアクトル４３ａ、４３ｂのＬ値がかなり大きくなると、サーボアンプ４０ａ、４０ｂからサーボモータ３０ａ、３０ｂへの打ち抜き動作用の電力エネルギー供給が不足する虞がある。
【００５１】
そこで、このようなサーボアンプ４０ａ、４０ｂからサーボモータ３０ａ、３０ｂへの高速動作用の電力エネルギー供給、および／または、打ち抜き動作用の電力エネルギー供給を補うために、コンデンサ４４ａ、４４ｂを設けてあり、容量がかなり大きなコンデンサ４４ａ、４４ｂを用いることで、高速動作用に必要な電力エネルギーおよび／または打ち抜き動作用に必要な電力エネルギーを、サーボアンプ４０ａ、４０ｂからサーボモータ３０ａ、３０ｂへ充分に供給することができる。
【００５２】
したがって、Ｌ値がかなり大きなリアクトル４３ａ、４３ｂを用いるとともに、容量がかなり大きなコンデンサ４４ａ、４４ｂを用いることで、ピーク電力を所望に応じて低減することができるとともに、タレットパンチプレス１０の本来の性能に応じた高速パンチング加工を実行することができる。
【００５３】
図１４は、この発明によるプレス機械の連続加工システムの他の実施の形態を示す要部の縦断面図、図１５はその右側面図であり、このプレス機械の連続加工システム１０１は、タレットパンチプレス１１０に適用したものである。
【００５４】
このタレットパンチプレス１１０は、一対のサーボモータ３０ａ、３０ｂに代えて、図１６に示すように、サーボモータ３０ａ、３０ｂを三相並列回路として一体に構成した１台のサーボモータ１３０を使用したものであり、サーボモータ３０ａ、３０ｂと同様の速度−トルク特性を有するものである。そのため、サーボモータ１３０は、サーボモータ３０ａまたは３０ｂの一方と比べると大型であり、それに応じて、エキセンシャフト１２０は一端にのみ、延長部２０ａに比べて長く延びた延長部１２０ａが形成され、この延長部１２０ａをモータ主軸１３１とするサーボモータ１３０が、フレーム１１１ａの外側に取り付けられている。プレス機械の連続加工システム１０１のその他の構成は、図１、図２に示すプレス機械の連続加工システム１と同様のものであるので、同様の部分に図１、図２で使用した符号に１００を加えた符号をつけて示すことで、プレス機械の連続加工システム１０１の各部の構成についての詳細な説明は省略する。また、プレス機械の連続加工システム１０１の作用も、プレス機械の連続加工システム１と同様である。
【００５５】
このような、サーボモータ１３０が１台のみ（シングルドライブ）のタレットパンチプレス１１０と、一対のサーボモータ３０ａ、３０ｂを備えたツインドライブのタレットパンチプレス１０とを比較すると、つぎのような違いがある。すなわち、シングルドライブのタレットパンチプレス１１０の場合は、サーボモータ１３０の重量による応力をフレーム１１１ｂのみで受けるため、フレーム１１１ａ、１１１ｂに歪みが生じる。また、サーボモータ１３０の発熱により、熱の不均一による歪みも生じる。また、軸受部１１２ａ、１１２ｂの応力も互いに異なる。したがって、これらに対する対策を講じる必要がある。これに対し、ツインドライブのタレットパンチプレス１０の場合は、応力歪みがなくなり、熱も分散・平均化されるという利点がある。
【００５６】
なお、上記の実施の形態では、エキセンシャフト２０の両端延長部２０ａ、２０ｂ自体を、サーボモータ３０ａ、３０ｂの主軸３１ａ、３１ｂとして構成したが、これに限定するものでなく、必要であれば、例えば、エキセンシャフト２０と主軸３１ａ、３１ｂとを別部材として構成し、ボルト止めその他適宜の手段によりエキセンシャフト２０の両端部に主軸３１ａ、３１ｂをそれぞれ固着することで、両者を一体に構成することが可能であり、また、エキセンシャフト１２０とサーボモータ１３０の主軸１３１との関係も同様である。
【００５７】
また、上記の実施の形態では、連続加工システム１、１０１をタレットパンチプレス１０、１１０に適用したが、これに限定するものでなく、パンチプレス以外の各種のプレス機械に適用することが可能である。
【００５８】
【発明の効果】
この発明は以上のように、ラムの動力源としてサーボモータを用いるプレス機械において、そのサーボモータとして、モータの速度−トルク特性に基づくトルクを使うことで必要なラム圧力を発生可能なサーボモータを用いて、ラムを上下動させる作動軸を直接駆動するように構成し、ラムがプレス加工に要する所定の下降端位置と、この位置から戻されてラムの下端部が工具上面から離れる位置との間を上下動するように、サーボモータにより、作動軸をラムのその両位置間に相当する角度範囲だけ連続して往復回動させることで、ワークに連続的なプレス加工を行なうように構成したので、トグルやフライホイールなどの機構およびギヤなどの動力伝達機構を利用せずに、ラムを上下動させる作動軸をサーボモータにより直接駆動することができ、そのため、駆動力の伝達遅れが原理的になく、制御遅れも発生せず、それにより、応答性がよくて高速化を図ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるプレス機械の連続加工システムの一実施の形態を示す要部の縦断面図である。
【図２】図１に示す要部の右側面図である。
【図３】図１のサーボモータとそれを駆動するサーボアンプの構成例を示す結線図である。
【図４】エキセンシャフトの偏心軸部（ラム）の作動領域を示す説明図である。
【図５】サーボモータの速度−トルク特性の例を示す図である。
【図６】ノーワークのときの打ち抜き加工の実測データを示す図である。
【図７】図６の実測データに基づく特徴抽出波形データ（ａ）および打ち抜きトルク−速度特性（ｂ）を示す図である。
【図８】薄板のワークを小径のパンチで打ち抜いたときの打ち抜き加工の実測データを示す図である。
【図９】図８の実測データに基づく特徴抽出波形データ（ａ）および打ち抜きトルク−速度特性（ｂ）を示す図である。
【図１０】薄板のワークを大径のパンチで打ち抜いたときの打ち抜き加工の実測データを示す図である。
【図１１】図１０の実測データに基づく特徴抽出波形データ（ａ）および打ち抜きトルク−速度特性（ｂ）を示す図である。
【図１２】厚板のワークを小径のパンチで打ち抜いたときの打ち抜き加工の実測データを示す図である。
【図１３】図１２の実測データに基づく特徴抽出波形データ（ａ）および打ち抜きトルク−速度特性（ｂ）を示す図である。
【図１４】この発明によるプレス機械の連続加工システムの他の実施の形態を示す要部の縦断面図である。
【図１５】図１４に示す要部の右側面図である。
【図１６】図１４のサーボモータとそれを駆動するサーボアンプの構成例を示す結線図である。
【符号の説明】
１、１０１ プレス機械の連続加工システム
１０、１１０ タレットパンチプレス
１１ａ、１１ｂ、１１１ａ、１１１ｂ フレーム
１２ａ、１２ｂ、１１２ａ、１１２ｂ 軸受部
２０、１２０ エキセンシャフト
２０ａ、２０ｂ、１２０ａ 延長部
２０ｅ、１２０ｅ 偏心軸部
２１、１２１ コンロッド
２２、１２２ ラム
２３、１２３ ラムガイド
２４、１２４ ストライカ
２５、１２５ タレット
２６、１２６ パンチ金型
３０ａ、３０ｂ、１３０ サーボモータ
３１ａ、３１ｂ、１３１ モータ主軸
３２ａ、３２ｂ、１３２ 磁極用マグネット（永久磁石）
３３ａ、３３ｂ、１３３ スリーブ
３４ａ、３４ｂ、１３４ ブッシュ
３５ａ、３５ｂ、１３５ ロータ（回転子）
３６ａ、３６ｂ、１３６ 外筒
３７ａ、３７ｂ、１３７ ステータ（固定子）
３８、１３８ ロータリエンコーダ
４０ａ、４０ｂ、１４０ａ、１４０ｂ サーボアンプ
４１ａ、４１ｂ、１４１ａ、１４１ｂ コンバータ
４２ａ、４２ｂ、１４２ａ、１４２ｂ パワードライバ
４３ａ、４３ｂ、１４３ａ、１４３ｂ リアクトル
４４ａ、４４ｂ、１４４ａ、１４４ｂ コンデンサ
Claims (4)
- ラムの動力源としてサーボモータを用いるプレス機械において、
前記サーボモータとして、モータの速度−トルク特性に基づくトルクを使うことで必要なラム圧力を発生可能なサーボモータを用いて、ラムを上下動させる作動軸を直接駆動するように構成し、
ラムがプレス加工に要する所定の下降端位置と、この位置から戻されてラムの下端部が工具上面から離れる位置との間を上下動するように、前記サーボモータにより、前記作動軸をラムの当該両位置間に相当する角度範囲だけ連続して往復回動させることで、ワークに連続的なプレス加工を行なうことを特徴とするプレス機械の連続加工システム。 - ラムの動力源としてサーボモータを用いるプレス機械において、
前記サーボモータとして、ラムを上下動させる作動軸の両端に互いに対向して設置され、かつ、互いに同一の速度−トルク特性に基づくトルクを合成して使うことで必要なラム圧力を発生可能な一対のサーボモータを用いて、ラムを上下動させる作動軸を直接駆動するように構成し、
ラムがプレス加工に要する所定の下降端位置と、この位置から戻されてラムの下端部が工具上面から離れる位置との間を上下動するように、前記一対のサーボモータにより、前記作動軸をラムの当該両位置間に相当する角度範囲だけ連続して往復回動させることで、ワークに連続的なプレス加工を行なうことを特徴とするプレス機械の連続加工システム。 - 前記サーボモータは、モータの速度−トルク特性に基づくトルクを使い、機構のイナーシャを利用しないで必要なラム圧力を発生可能なサーボモータであることを特徴とする請求項１または請求項２記載のプレス機械の連続加工システム。
- ラムを上下動させる前記作動軸はエキセンシャフトで構成され、前記サーボモータは、前記エキセンシャフトをモータ主軸として構成したことを特徴とする請求項１または請求項２記載のプレス機械の連続加工システム。
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