JP2007331023A - プレス機械の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー蓄積装置を併用して電源設備容量を低減すると共に、プレス能力を拡大できるプレス機械の駆動装置を提供する。
【解決手段】直流電源回路１２、１４とエネルギー蓄積装置１５とインバータ１６により交流モータ１の駆動電力を制御してプレス機械を駆動するプレス機械の駆動装置において、エネルギー蓄積装置１５の蓄積エネルギー消費予測信号により前記直流電源回路１２、１４の運転を行い前記エネルギー蓄積装置１５の蓄電を行う。
【選択図】図２

Description

本発明はモータを駆動してスライドを昇降可能に制御し、かつスライド下降中の加工領域でプレス成形可能なプレス機械の駆動装置に関する。

プレス機械において、プレス加工をサーボモータで行う方式が提案されている（特許文献１）。このサーボモータ駆動方式のプレス機械では、エネルギー蓄積装置を持ち、プレス加工時の所要エネルギーをエネルギー蓄積装置から放出して、一方、加工サイクル全体の中で充電許可信号によりエネルギー蓄積装置に電源からエネルギーを徐々に蓄積することにより、電源設備の設備容量を低減させている。またこれとは別に、加工機械で加減速に伴うエネルギーをエネルギー蓄積装置に充放電し、省エネを図ると共に電源設備の設備容量を低減する装置も提案されている（特許文献２）。
特開２００４−３４４９４６号公報 特開２０００−１４１４４０号公報

これらの従来例のうち、特許文献１は充電許可信号がどのような時点で出されるか不明確であり、特許文献２は減速終了後にエネルギー蓄積装置の電圧が低下していたら充電装置が運転される。このため、これらの従来の方法では、エネルギー蓄積装置の運転開始が遅れる可能性がある。すなわち、プレス機械に利用する場合にはプレス加工の時にエネルギー蓄積が不十分になり、プレス加工時にエネルギーが不足して、プレス加工に必要なモータトルクを十分に出せず、プレス能力が下がってしまう恐れがある。

本発明は前記課題に対してなされたもので、その目的とするところは、プレス加工時のプレス能力をより高めることができる、サーボモータ駆動方式のプレス機械の駆動装置を提供することにある。

請求項１の発明は、モータを駆動してスライドを昇降可能かつスライド下降中の加工領域でプレス成形可能なプレス機械において、直流電源回路とこの直流電源回路に接続されたドライバー回路とからモータ駆動電源装置を構成し、プレス加工時のエネルギーを確保するエネルギー蓄積装置を直流電源回路とドライバー回路との間に持ち、エネルギー蓄積装置の蓄積エネルギー消費予測信号により直流電源回路の運転を行いエネルギー蓄積装置の蓄電を行うことを特徴とし、プレス能力を増大させる。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、蓄積エネルギー消費予測信号はプレス加工の運転パターン信号、または、プレス加工作業の開始指令信号、または、プレス加工開始を判断する信号から得ることを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、直流電源回路の運転の際、プレス加工時の直流電源回路への入力電流を直流電源回路が許容できる最大値にすることを特徴とする。また、請求項４の発明は、請求項３の発明において、プレス加工時の直流電源への入力電流の最大値を短時間定格値とすることを特徴とする。さらに、請求項５の発明は、請求項１または２の発明において、プレス加工時の直流電源回路への入力電流、または、直流電源回路からの出力電流をプレス加工に所要なエネルギー量とすることを特徴とする。

請求項１または２の発明によれば、電源設備容量を低減させながら、プレス加工の能力を増大できる。また、請求項３の発明によれば、直流電源回路への入力電流を最大値にするので、電源設備をさらに有効に活かしながら、よりプレス加工能力を増大できる。また、請求項４の発明によれば、最大値を短時間定格としてさらに大きくするので、電源設備をさらに有効に活かしながらプレス能力をより大きくできる。また、請求項５の発明によれば、プレス加工に必要なエネルギー量に応じてプレス加工時の出力電流を変えるので、省エネを図りながらプレス能力を増加できる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。

図１は本発明が適用される簡易表現したプレス機械を示す。ここでは、プレス機械としてクランクプレスに適用した例を示す。交流モータ１の軸１Ｓに接続されたギヤ２にメインギヤ３が噛み合わされ、メインギヤ３にはクランク機構（クランク軸４、コンロッド５）が接続されている。クランク機構によりスライド６が静止側のボルスタ７に対して昇降可能に形成されている。

クランク軸４を駆動する交流モータ１は、その正転、逆転、速度変化が後述の制御装置により自由に制御されるので、時間の経過に対応してスライドを任意の位置に移動させることが可能で、これにより各種スライドモーションを自由に設定し、またそれらを任意に選択して使用できるので、プレス成形に対する適応性が拡大できる。ここでスライドモーションとは、時間の経過に対応したスライドの動きのことである。交流モータとしては、永久磁石を用いた同期モータや、誘導モータ、リラクタンスモータなどが利用できる。さらに、交流モータでなく直流モータでもよい。ここでは、交流モータは同期モータとして説明する。

図２は交流モータ１を駆動する駆動装置を示す。交流電源１１からの交流電圧は整流器１２により、直流電圧に変換される。この直流電圧は平滑コンデンサ１３によりその脈動分が平滑され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４に入力される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は出力直流電圧を制御する。整流器とＤＣ／ＤＣコンバータで電圧制御可能な直流電源回路を構成する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力直流電圧はエネルギー蓄積装置１５を介してドライバー回路であるインバータ１６に供給される。エネルギー蓄積装置１５としては、大容量コンデンサや大容量電気二重層コンデンサ、または、２次電池が利用される。インバータ１６は可変電圧、可変周波数の交流を出力して交流モータ１を駆動する。

交流モータ１の回転位置はエンコーダ１７によって検出される。プレス機械制御部２１からの位置指令または速度指令はモータ制御部２３に入力される。モータ制御部２３はプレス機械制御部２１からの指令信号により、エンコーダ１７からの信号を参照してインバータ１６を制御するＰＷＭ信号を出力する。このようなモータ制御部２３による制御は周知のベクトル制御による交流モータ制御方法が利用できる。

次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部２２は、スライドの動きを設定されたスライドモーションに従わせるためにＤＣ／ＤＣコンバータ制御部２２やモータ制御部２３へ時々刻々出されるプレス加工の運転パターン信号、または、プレス加工開始信号、または、プレス加工開始相当の信号をプレス機械制御部２１から受け、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を駆動する信号を出す。すなわち、これらの信号から、この後プレスで必要とされるエネルギーや、エネルギー蓄積装置のエネルギー消費が予測できるので、エネルギー消費予測信号が立ち上がった時点で、ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の構成例を図３に示す。構成は降圧スイッチング方式（ａ）、あるいは、昇圧スイッチング方式（ｂ）、または、昇降圧スイッチング方式（ｃ）などがあり、交流電源電圧やＤＣ／ＤＣコンバータの出力直流電圧制御の範囲に応じて適宜選択する。なお、図３における出力側のコンデンサは図２のエネルギー蓄積装置１５が兼ねることもできる。また、本実施例では、整流器１２とＤＣ／ＤＣコンバータ１４で直流電源回路を構成したが、これに代わって直流電圧制御できる整流器や、インバータと同じ構成の４象限コンバータを利用することも可能である。

次に図２の駆動装置の動作を説明する。プレス加工する製品が異なれば、所要エネルギー量も異なるので、エネルギー蓄積装置１５はそれに応じたエネルギーを電源から蓄積すればよい。すなわち、直流電源への入力電流を所要プレス加工に応じて設定し、プレス加工時を除いてほぼ一定になるようにする。ここで、直流電源への入力電流とは、交流電源１１の出力電流、あるいは、整流器１２への入力電流、整流器１２からの出力電流、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の入力電流であり、これらには比例関係があるので、どの電流を見ても同じである。

なお、図２のエネルギー蓄積装置として大容量コンデンサや電気二重層コンデンサを用いる場合、エネルギーの蓄積や放出によって端子電圧が変化するため、直流電源の入力電流を一定に制御しても、出力電流は変化する。一方、２次電池を用いる場合は端子電圧の変化は小さいので、直流電源の入力電流を一定に制御すると、出力電流はほぼ一定である。したがって、この場合は直流電源の出力電流を見てもよい。

次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部２２はプレス機械制御部２１からの設定信号によりＤＣ／ＤＣコンバータ１４の入力電流が所定値になるように制御信号を出し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を駆動する。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４への入力電流、または整流器１２の入力電流を検出（図示せず）して、フィードバック制御してＤＣ／ＤＣコンバータ１４のトランジスタをＰＷＭ制御すれば入力電流は所定値に制御できる。

さらに、プレス機械制御部２１からプレス加工信号が出されると、実際のプレス加工開始に先立ち、または、ほぼ同時に、直流電源への入力電流は、その交流電源１１、整流器１２、または、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４に許容される最大値となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１４は制御される。このとき、直流電源からの出力電流も増加する。このため、プレス加工に必要な交流モータのエネルギーは、エネルギー蓄積装置１５から供給されると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４からも一部分が供給される。

以上のように構成すると、モータの瞬間的に必要なパワーに対応した直流電源設備を持つことなく、交流電源１１の設備容量や、整流器１２とＤＣ／ＤＣコンバータ１４で構成される直流電源回路の容量が低減される。さらに、プレス加工時にはエネルギー蓄積装置とＤＣ／ＤＣコンバータ、すなわち、直流電源の両方からインバータに電流が供給される。このとき、直流電源からは最大電流が供給されるので、プレス加工に利用できるエネルギーが増加し、プレスの能力が拡大できる。逆に言えば、小さなエネルギー蓄積装置でも、同じプレス能力を得ることができる。

図４はこれを説明する図であり、横軸は時間である。直流電源への入力電流をほぼ一定に制御したとき（１）と、上記のような本願の特徴であるプレス開始直前にこれを大きくしたとき（２）との比較を示す。（２）の場合では（ａ）のプレス加工信号、すなわち、エネルギー消費予測信号により、直流電源への入力電流は（ｂ）のように最大値となる。このとき、直流電源の出力電流も増加する。時間の経過に対応したスライドの位置変位、所謂スライドモーションは予め決められているので、プレス加工信号は、プレス機械制御部２１でのプレス加工の運転パターン信号、または、プレス機械制御部２１でのプレス加工開始指令信号、または、スライド位置、クランク軸の回転位置、あるいは、モータのトルク信号、モータ電流、モータ電流のトルク分、直流電源の出力電圧、直流電圧変化分などの信号のうちの一つまたは複数から得られるプレス加工を判断する指令から得ることができる。実際にプレス加工が開始されると、直流電圧が大きく減少するより電流増加が先行する分だけエネルギー蓄積装置に蓄えられるエネルギー（ｃ）は（１）の場合と比較して（２）の場合は大きくなる。このようなエネルギー蓄積装置１５に蓄えられたエネルギーと、大きな電流を出力している直流電源の両者からのエネルギーがモータに加えられるので、プレス加工に利用できるエネルギーは（ｄ）のごとく（１）の場合より大きくでき、プレス能力をより高めることができる。

なお、エネルギー蓄積装置の蓄積エネルギーがその最大値を超えるときは、直流電源への入力電流を低下させる、または、ゼロにするようにもできる。さらに、増加させる入力電流の最大値は短時間定格値をとるようにしてもよい。このようにすれば、短時間作業であるプレス加工に必要時間だけ電流をさらに増加できるので、プレス能力をさらに増加できる。

図５はプレス加工前に蓄積エネルギーが定格に達した場合の図４（２）の例と同じ動作波形を示す。図５（ａ）〜（ｃ）は、図４の（ａ）〜（ｃ）と同じく、それぞれ横軸の時間の経過に対応する、プレス加工信号（エネルギー消費予測信号）、直流電源への入力電流、及びエネルギー蓄積装置に蓄えられるエネルギーを表す波形である。プレス加工前に蓄積エネルギーが定格に達するので、図５（ｂ）のように直流電源の入力電流がゼロになるが、（ａ）のプレス加工信号により、直流電源の動作が開始され、エネルギー蓄積が開始される。このとき、（ｃ）のように実際のプレス加工開始時にはエネルギーが大きく蓄えられる。したがって、この場合でもプレス能力を高めることができる。なお、この例の場合、（ｂ）の直流電源入力電流の最大値は、その後に流れる入力電流値と実質上は同じ値であっても効果があるのは言うまでもない。

プレス加工時の入力電流の増加値は直流電源の最大値でなくとも、そのときのプレス加工の内容に応じて変更してもよい。成形する製品に応じて、プレス加工に必要とされる加圧能力、トルク能力、エネルギー能力は変わる。すなわち、加工に必要とされる種々の能力でプレス加工を実施すればよい。このようにプレス加工には、加工に用いるプレス機械の最大能力が常に必要とされる訳ではなく、プレス加工に必要なエネルギーも成形する製品や成形条件によって異なる。したがって、製品の種類や成形条件によって決まるその加工に必要なエネルギーを、プレス加工のサイクル毎にエネルギー蓄積装置に蓄積すればよく、直流電源への入力電流もこれに応じて設定する。このとき、加工時の入力電流の増加量もエネルギー所要量に応じて電源装置の最大値より低い値に設定することができる。このようにすれば小さな電源電流値でプレス加工ができるので、損失を小さくしながらプレス能力を高めることができる。

このように制御することによって、電源設備容量を低減させながら、プレス加工時のエネルギーが大きくでき、プレス能力が高められ、自在なプレス加工が行える。図６はその例を示す図で、プレス加工時にプレスの速度、すなわち、モータ速度が自在に制御できる。図６の横軸は時間であり、破線はモータ速度、実線はモータトルクを表す。（１）はモータ速度を一定にする例で、図のようにモータ１の速度の落ち込みがなく、プレス加工時のトルクも十分確保できる。さらにまた、プレス時の騒音、振動の低減や、プレス加工の性質からプレス加工直前にモータ速度を減速させて、プレスするようにすることもできる。（２）はプレス加工直前にモータ速度を減速させる例で、このときもプレス加工時のトルクを十分に確保でき、プレス能力を高めることができる。なおこの場合、プレス加工当初にモータを加速させるため、加速時間の間、モータトルクを短時間だけ加速トルクに相当する分だけ大きくしてもよい。

図７は本発明の別の構成例を示す。エネルギー蓄積装置の接続が図２の場合と異なる。双方向コンバータ１８を介してエネルギー蓄積装置１５に接続する。この実施例の場合には、直流電源は整流器１２である。双方向コンバータ１８としては例えば図８のような昇降圧コンバータを利用する。双方向コンバータ１８は双方向コンバータ制御部２４により制御する。双方向コンバータ１８の入出力電流を双方向に制御することにより、直流電源からエネルギー蓄積装置１５への入力電流と、エネルギー蓄積装置１５からインバータへ放出する電流を制御できる。

双方向コンンバータ制御部２４の制御は直流電源の出力電流を検出（図示せず）して双方向コンバータ１８を制御する。プレス加工時は先の例と同様に行い、プレス加工時の加工に必要なエネルギーを、エネルギー蓄積装置と直流電源とから供給する。本実施例によれば、エネルギー蓄積装置の端子電圧変化が大きくても、よりエネルギー蓄積装置の充放電を自由にでき、蓄積装置に蓄積されるエネルギーをより有効に利用できるので、プレスの能力をさらに高めることができる。

本発明が適用されるプレス機の一例を示す図である。 本発明が適用される装置の構成を示す図である。 図２に示すＤＣ／ＤＣコンバータの例を示す図である。 図２に示す装置の動作を説明する図である。 図２に示す装置の別の動作を説明する図である。 本発明の動作を説明する図である。 本発明の他の実施例を示す装置の構成図である。 図７に示す双方向コンバータの例を示す図である。

符号の説明

１ 交流モータ
２ ギヤ
３ メインギヤ
４ クランク軸
５ コンロッド
６ スライド
７ ボルスタ
１１ 交流電源
１２ 整流器
１３ 平滑コンデンサ
１４ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５ エネルギー蓄積装置
１６ インバータ
１７ エンコーダ
１８ 双方向コンバータ
２１ プレス機械制御部
２２ ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部
２３ モータ制御部
２４ 双方向コンバータ制御部

Claims (5)

1. モータを駆動してプレス成形を行うプレス機械において、前記モータ用のモータ駆動電源装置を持ち、該モータ駆動電源装置は直流電源回路と該直流電源回路に接続されたドライバー回路とから形成され、前記直流電源回路と前記ドライバー回路との間にプレス加工時のエネルギーを確保するエネルギー蓄積装置を持ち、前記エネルギー蓄積装置の蓄積エネルギー消費予測信号により前記直流電源回路の運転を行い、前記エネルギー蓄積装置の蓄電を行うことを特徴とするプレス機械の駆動装置。
2. 請求項１に記載のプレス機械の駆動装置において、蓄積エネルギー消費予測信号は、プレス加工の運転パターン信号、または、プレス加工の開始指令、または、プレス加工開始を判断する信号により得ることを特徴とするプレス機械の駆動装置。
3. 請求項１または２に記載のプレス機械の駆動装置において、前記直流電源回路の運転の際、プレス加工時の直流電源回路への入力電流は、前記直流電源回路に許容される最大値にすることを特徴とするプレス機械の駆動装置。
4. 請求項３に記載のプレス機械の駆動装置において、プレス加工時の前記直流電源回路への入力電流の最大値は短時間定格であることを特徴とするプレス機械の駆動装置。
5. 請求項１または２に記載のプレス機械の駆動装置において、プレス加工時の直流電源回路への入力電流、または、直流電源回路からの出力電流はプレス加工に必要なエネルギー量に応じた値であることを特徴とするプレス機械の駆動装置。

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