JP2008073713A - 力制御ゲイン変更方法及びダイクッション制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、機械の特性やプレス条件などに応じて、力制御ゲインの変更を容易かつ正確に行うことができる力制御ゲイン変更方法及びダイクッション制御装置を提供するする。
【解決手段】プレス機械のスライドとの間で所定の力を生じさせるダイクッションをサーボモータにより力制御するダイクッション制御装置であって、スライドとダイクッションとが衝突して両者間で力が作用している状態における両者間の移動量の差を取得する移動量取得部２と、スライドとダイクッションとを含むプレス機能構造部分を弾性構造と見なしたときに、移動量の差と力との間で成立する一定の比例関係に基づいてプレス機能構造部分のばね定数を算出するばね定数算出部３と、力偏差と速度指令値の比として表される力制御ゲインとばね定数の逆数との間に成立する一定の比例関係から、算出されたばね定数に基づいて力制御ゲインを変更する力制御ゲイン変更部４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、プレス機械のスライドに対して相対動作し、スライドとの間で所定の力を生じさせるダイクッションをサーボモータにより力制御する制御回路で、力偏差と速度指令値の比として表される力制御ゲインを変更するための力制御ゲイン変更方法及びダイクッション制御装置に関するものである。

一般に、スライドとダイクッションとの間で生じる力が所定の値となるように、ダイクッションをサーボモータにより力制御するダイクッション制御方法では、力偏差に力制御ゲインを乗じて速度指令を求め、求めた速度指令によりサーボモータの駆動制御を行っている。力偏差は、予め設定された力指令値と、スライドとダイクッションとの間で生じている実際の力検出値との差である。

力制御ゲインは、実際のプレス機を動作させる前に求められ、プレス中は求められたゲインを用いてサーボモータが力制御され、プレス加工が行われることとなる。求められた力制御ゲインが適切な値でない場合は、振動が生じたり、オーバーシュート量が大きくなったりして、制御系が不安定になることがある。力制御ゲインが大きすぎる場合には、機械や付属物が破損したりすることもある。このため、求められる力制御ゲインは、オーバーシュート量が一定量を越えない範囲で上限値として得られている。

力制御ゲインを求める方法の一例としては、力制御する軸方向に一定の力をかけ、十分低いゲインから少しずつゲインを上げながら力指令値に対するオーバーシュート量を検出して、力制御ゲインの上限値を求める方法がある。このような方法で求められた力制御ゲインは、機械の経年変化や、被加工材の材質変化や、機械の個体差などにより最適な値が変化するため、必要に応じて変更されている。

なお、本発明に直接的に関係するものではないが、関連技術を示すものとして、ダイクッションをサーボモータに対するトルク指令により制御するものや（特許文献１）、ダイクッションをサーボモータに対する速度指令により制御するものであって、スライダの検出速度で速度指令を補正して力制御するもの（特許文献２）が開示されている。

特開平１０−２０２３２７号公報 特開２００６−１３０５２４号公報

しかしながら、力制御ゲインは、作業環境（慣性、質量、剛性など）に影響を受け易いため、正確な値を求めるには熟練を要するという問題があった。また、初期設定された力制御ゲインが低い値である場合には、オーバーシュート量の上限値を超えない範囲でゲインを少しずつ大きくして調整を行うと、試行を繰り返す回数が非常に多くなり、ゲインの調整に時間がかかるという問題があった。

本発明は、機械の特性やプレス条件などに応じて、力制御ゲインの変更を容易かつ正確に行うことができる力制御ゲイン変更方法及びダイクッション制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、プレス機械のスライドに対して相対動作し、該スライドとの間で所定の力を生じさせるダイクッションをサーボモータにより力制御する制御回路で、力偏差と速度指令値の比として表される力制御ゲインを変更するための力制御ゲイン算出方法において、前記スライドと前記ダイクッションとが衝突して両者間で前記力が作用している状態における前記両者間の移動量の差を取得し、前記移動量の差を生じるときの実際の力を検出し、前記スライドと前記ダイクッションとを含む構造部分を弾性構造と見なし、前記移動量の差と前記実際の力との間に成立する一定の比例関係に基づいて該構造部分のばね定数を算出し、力制御ゲインとばね定数の逆数との間に成立する一定の比例関係から、算出された前記ばね定数に基づいて前記力制御ゲインを変更する力制御ゲイン変更方法を提供する。

また、本発明は、プレス機械のスライドに対して相対動作し、該スライドとの間で所定の力を生じさせるダイクッションをサーボモータにより力制御するダイクッション制御装置であって、前記スライドと前記ダイクッションとが衝突して両者間で前記力が作用している状態における前記両者間の移動量の差を取得する移動量取得部と、前記スライドと前記ダイクッションとを含む構造部分を弾性構造と見なし、前記移動量の差と前記実際の力との間に成立する一定の比例関係に基づいて該構造部分のばね定数を算出するばね定数算出部と、力制御ゲインとばね定数の逆数の間に成立する一定の比例関係から、算出された前記ばね定数に基づいて前記力制御ゲインを変更する力制御ゲイン変更部と、を備えたダイクッション制御装置を提供する。

前記ダイクッション制御装置において、前記力制御ゲイン算出部は、前記ダイクッションの最適な制御状態で得られた所定の比例定数に前記ばね定数算出部で算出された前記ばね定数の逆数を乗ずることにより、前記力制御ゲインを変更することができる。

本発明によれば、スライドとダイクッションとを含む構造部分を弾性構造と見なし場合に、スライドとダイクッションとの間の移動量の差と、この移動量の差を生じるときのスライドとダイクッションとの間で検出された実際の力との間には、一定の比例関係が存在するため、スライドとダイクッションとの間で検出された実際の力をスライドとダイクッションとの間の移動量の差で除することにより、スライドとダイクッションとを含む構造部分のばね定数を算出することができる。また、算出されたばね定数と、力制御回路における力制御ゲインとの間には、一定の逆比例関係が成立するため、比例定数にばね定数の逆数を乗ずることにより、力制御ゲインを求めることができる。

このようにして、機械特性の変化やプレス条件の変更などに応じた力制御ゲインの変更を容易かつ正確に行うことができ、力制御の応答性、力制御の信頼性を高めることができる。また、最適な力制御ゲインが使用されることで、より一層精密な３次元形状のプレス加工を行うことができる。

以下に本発明の実施の形態の具体例を図面を用いて詳細に説明する。図１には、本発明に係るダイクッション制御装置の一実施形態が示されている。本実施形態のダイクッション制御装置は、図３に示されるプレス機械（一部のみ図示する）１１のスライド１２に対して相対動作し、スライド１２との間で所定の力を生じさせるダイクッション１３をサーボモータ１４により力制御するダイクッション制御装置１である。スライド１２は、プレス機１１の上側に位置し、図示しない油圧シリンダなどを駆動源として上下に移動できるようになっている。ダイクッション１３は、プレス機１１の下側に位置し、ボールねじ１５を介してサーボモータ１４により上下に移動できるようになっている。スライド１２とダイクッション１３とが衝突すると、両者間で力が作用している状態で、ダイクッション１３がスライド１２に対して下方に相対移動し、両者間の力が微秒に調整され、プレス材１９の塑性流動が高められるようになっている。

本実施形態のダイクッション制御装置１は、スライド１２とダイクッション１３との間の力を制御する制御回路において、力偏差と速度指令値の比として表される力制御ゲインを、プレス機１１の機械特性の変化や、プレス条件の変更などに応じて最適な値に変更できる機能を有するものであり、図１に示すように、スライド１２とダイクッション１３とが衝突して両者の間で加圧力が作用している状態（図４参照）における両者間の移動量の差を取得する移動量取得部２と、スライド１２とダイクッション１３とを含むプレス機能構造部分（構造部分）１６を弾性構造と見なしたときに、移動量の差と力との間で成立する一定の比例関係に基づいてプレス機能構造部分１６のばね定数を算出するばね定数算出部３と、力偏差と速度指令値の比として表される力制御ゲインとばね定数の逆数との間に成立する一定の比例関係に基づいて、ばね定数算出部３で算出されたばね定数に対応して力制御ゲインを変更する力制御ゲイン変更部４と、を備えている。

図３に示すように、ダイクッション１３は、スライド１２とダイクッション１３とが衝突したときの衝撃力を和らげるために、所定圧力の液体が封入された油圧室１７を内部に有している。この油圧室１７は、スライド１２とダイクッション１３とが所定の力で衝突した際に、弾性的に圧縮されるようになっている。また、スライド１２とダイクッション１３との間には、相対向する上下の金型１８ａ，１８ｂや、下型１８ｂを支持する図示しないボルスタと呼ばれる金属部材などがあり、金型１８ａ，１８ｂやボルスタなどは、スライド１２とダイクッション１３の衝突時に所定の力に応じて弾性変形するとみなされている。このため、スライド１２とダイクッション１３とを含むプレス機能構造部分１６は、スライド１２とダイクッション１３との間の移動量の差と、この移動量の差を生じるときのスライド１２とダイクッション１３との間で検出された力との間には、一定の比例関係が存在することとなる。したがって、ばね定数算出部３では、スライド１２とダイクッション１３との間で検出された力を、スライド１２とダイクッション１３との間の移動量の差で除することにより、プレス機能構造部分１６のばね定数Ｋを求めることができる。すなわち、ばね定数Ｋ＝（力Ｆ／移動量の差Ｍ）として表現されることができる。

スライド１２とダイクッション１３との間の移動量の差は、例えば、図４に示す方法で求めることができる。この方法は、スライド１２とダイクッション１３との間にシート状のプレス材（図３）１９を挟まない状態で、スライド１２とダイクッション１３の間の上下の金型１８ａ，１８ｂを衝突させたときの、スライド１２下面の位置とダイクッション１３下面の位置の差をＡとし、スライド１２とダイクッション１３の間で上下の金型１８ａ，１８ｂを衝突させてから所定時間経過したときの、スライド１２下面の位置とダイクッション１３下面の位置の差をＢとして、ＡとＢとの差を移動量とすることができる。ダイクッション１３の移動量は、スライド１２の移動量に対して相対的に小さいものとなる。移動量の差は、ダイクッション１３自身の圧縮量と、スライド１２とダイクッション１３との間の上下の金型１８ａ，１８ｂなどの弾性変位量の合計量として求められる。

なお、リニアスケールとしての位置検出部２４でスライド１２やダイクッション１３の位置を検出する代わりに、スライド１２の移動速度とダイクッション１３の移動速度の差を時間積分して移動量の差を求めることも可能である。この場合、スライド１２の移動速度は、図２に示すスライド速度検出部２３により検出され、ダイクッション１３の移動速度は、サーボモータ１４の速度検出部２１により検出された値に基づいて算出することができる。

スライド１２とダイクッション１３の間で生じている力は、種々の方法で求めることができ、例えば、ダイクッション１３に設けられた力センサを使う方法、サーボモータ１４に備えられたトルクセンサのトルク値から対象物にかかる力を推定する方法、サーボモータ１４の電流値から力を推定する方法などがある。本実施形態では、ダイクッション１３に設けられた力センサを力検出部２０として使用している。

次に、力制御ゲインとばね定数との関係については、次のように説明することができる。力制御ゲインは力偏差と速度指令値の比である。すなわち、力偏差×力制御ゲイン＝速度指令値として表現される。この式を変形すると、力制御ゲイン＝（速度指令値／力偏差）＝（比例定数Ｃ／ばね定数Ｋ）と表現されることができる。

力偏差をｅ、弾性構造のばね定数をＫとすると、力指令値から不足分のｅの力を得るためには、弾性構造をＬ＝ｅ／Ｋだけ縮める必要がある。これより、力偏差が位置偏差に置き換えられ、位置制御ループの最適ゲインの設定に帰着される。位置制御ループでの位置制御ゲインがＰ［１／ｓｅｃ］で、位置偏差Ｌと速度指令Ｖとの関係が、Ｖ＝Ｐ×Ｌの場合、Ｖは時間１／Ｐ［ｓｅｃ］で距離Ｌ移動させる速度指令のことを意味し、最適なＰは機械のシステムによって一定値になる。ＬにＬ＝ｅ／Ｋを代入すると、Ｖ＝（Ｐ／Ｋ）×ｅとなる。パラメータで設定する力ゲインはＰ／Ｋとなり、最適な力ゲインを得るためには、Ｋの値に応じて力ゲインが変更される。このようにして、ばね定数算出部で算出されたばね定数と、力制御ゲインとの間には、一定の逆比例関係が成立することとなり、力制御ゲイン変更部では、比例定数Ｃにばね定数Ｋの逆数を乗ずることにより、力制御ゲインを求めることができる。

次に、図２に基づいて、ダイクッション制御装置１を更に詳しく説明する。このダイクッション制御装置１は、外部機器からの制御信号の処理をしたり、サーボモータ１４に対する総合的な制御指令の処理をしたり図示しない上位制御部と、上位制御部で設定された力指令値を力検出部２０で検出された実際の力データに基づいてフィードバック処理し、速度指令値を出力する力制御回路としての力制御部６と、力制御部６の下流側に位置して速度指令値からトルク指令値を出力する速度制御回路として速度制御部７と、速度制御部７の下流側に位置してトルク指令値を電流指令値に変換し、図示しないサーボアンプを介してサーボモータ１４を制御する電流制御回路として電流制御部８と、を更に備えている。力制御部６と、速度制御部７と、電流制御部８は、デジタルサーボ回路を構成している。

なお、ダイクッション制御装置１の外部機器として、力制御部６にスライダ１２とダイクッション１３との間で検出された力データを帰還させる力検出部２０と、速度制御部７に検出されたサーボモータ１４の回転速度を帰還させるエンコーダとしてのモータ速度検出部２１と、電流制御部８に検出されたサーボモータ１４の検出電流を帰還させる電流検出部２２と、移動量取得部２にスライド速度を提供するスライド速度検出部２３と、移動量取得部２にスライド１２及びダイクッション１３の位置データを提供するリニアスケールとしての位置検出部２４とがある。

上位制御部は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）を備えており、ＣＰＵには、ＲＯＭからなるメモリ、ＲＡＭからなるメモリ、不揮発性メモリ、液晶ディスプレイを備えた外部教示操作盤、各種インターフェース、各種メモリがバスを介して接続されている。インターフェースには、各々の検出２０〜２４部が電気的に相互接続され、各々の制御部６〜８に検出されたデータが転送されるようになっている。

図５に示すように、力制御部６では、力指令値と力検出値との差である力偏差に力制御ゲイン乗じたものが速度指令値Ｇ１として求められる。なお、力制御部６において、比例動作に加えて積分器２５を用いた積分動作が行われる場合は、速度指令値＝力偏差×力ゲインＧ１＋Σ（力偏差×力ゲインＧ２）として求めることもできる。なお、力ゲインＧ１と力ゲインＧ２は、所定倍率の関係として求めることができる。

速度制御部７では、力制御部６で求められた速度指令値と速度検出値との差である速度偏差に速度制御ゲインＧ３乗じたものがトルク指令値として求められる。なお、この速度制御部７においても、比例動作に加えて積分器２６を用いた積分動作が行われる場合は、トルク指令値＝速度偏差×速度ゲインＧ３＋Σ（力偏差×力ゲインＧ４）として求めることもできる。

次に、本実施形態のダイクッション制御装置１を用いた力制御ゲイン変更方法について、図６〜９を用いて説明する。なお、図６〜９において、共通する工程には同一のステップ番号を付すこととする。

図６は、最も基本的な力制御ゲイン変更方法の一部を示したものである。ステップ１では、スライド１２とダイクッション１３の移動量の差を、位置検出部２４で測定されたスライド位置とダイクッション位置の差として求めることができる。また、他の方法として、スライド速度とダイクッション速度の差の時間積分として求めることができる。ステップＳ２では、ダイクッション１３に設けられた力検出部２０からの力データを取得する。ステップＳ３では、検出された力データをスライド１２とダイクッション１３の移動量の差で除した値をばね定数として求める。ステップＳ４では、プレス機能構造部分の最適な制御状態における物理量としての比例定数をステップＳ３で求めたばね定数で除することにより力制御ゲインを求める。

図７は、図６に示すフローチャートに他のステップを追加した方法を示し、ゲインの変更開始から速度指令を作成するまでの制御の流れが示されている。ステップＳ０１では、図２で図示されない衝突検出部により、スライダ１２とダイクッション１３とが衝突しているかが判断され、衝突している場合はステップＳ１に進み、衝突していない場合はステップＳ７に進み、位置制御が行われる。この位置制御により、スライド１２及びダイクッション１３が任意の位置に高速に位置決めされることとなる。一方、ステップＳ１〜Ｓ４において力制御ゲインが変更されると、ステップＳ５において、変更された力制御ゲインに基づいて速度指令値が作成される。そして、ステップＳ６において、作成された速度指令値に基づいてサーボモータ１４を制御する。

図８では、スライド１２とダイクッション１３とが衝突してから所定時間経過したか否かを判断できるように、時間を累計するステップなどが追加された別の方法が示されている。ステップＳ０１でスライドとダイクッションとが衝突しているか否かが判断された後、衝突していると判断された場合は、ステップＳ０２で経過時間が累積器にカウントされる。一方、ステップＳ０１で衝突していないと判断された場合は、ステップＳ０３で累積器をゼロクリアにし、ステップＳ７に進む。ステップＳ０２に続くステップＳ０４では、累積器でカウントされた経過時間が所定の時間内であるか否かが判断され、所定の時間内である場合は、ステップＳ１〜Ｓ４へと進む。所定の時間内でない場合は、ステップＳ８に進み力制御ゲインを変更せずに今までのゲインを保持する。ステップＳ１〜Ｓ４、ステップＳ８にそれぞれ続くステップＳ５とステップＳ６は図７と同様であるため、重複する説明を省略する。

図９は、サーボモータ１４の電流値が飽和（一定値）しているか否かを判断するステップが追加された他の方法が示されている。ステップＳＳ０１において、電流値が飽和しているか否かを判断され、飽和している場合は、スライド１２とダイクッション１３とが衝突した直後の状態にあると認識されて、ステップＳ１〜Ｓ４に進む。一方、飽和していない場合は、ステップＳＳ７に進み、今までの力制御ゲインを保持する。ステップＳ１〜Ｓ４、ステップＳＳ７にそれぞれ続き、ステップＳ５では速度指令値を求め、ステップＳＳ６では速度偏差に基づいて電流指令値を求め、そして、ステップＳＳ８において電流指令値によるサーボモータ１４の制御を行う。なお、この方法において、電流指令値が飽和している状態と、電流指令値が一定値である状態は同じ状態を意味し、スライド１２とダイクッション１３が衝突することで、ダイクッション１３がフルトルクで下向きに移動することを表している。この状態において、力制御ゲインを変更することで、容易かつ正確に力制御ゲインを求めることができる。

このように、本実施形態によれば、機械特性の変化やプレス条件の変更などに応じた力制御ゲインの変更を容易かつ正確に行うことができ、力制御の応答性、力制御の信頼性を高めることができる。また、必要に応じて最適な力制御ゲインが使用されることで、プレス材の塑性流動性が高められてプレス材１９に皺やプレスクラックなどが生ずることが防止、従来不可能であった複雑な３次元形状のプレス加工を高品質に行うことができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変更して実施することができる。本実施形態では、スライド１２とダイクッション１３の間の力を検出する力検出部２０がダイクッション１３に設けられているが、スライド１２に設けることもでき、算出されるばね定数の精度、ひいては力制御ゲインを正確に求めることが可能となる。

本発明に係るダイクッション制御装置の一実施形態を示す構成図である。 図１に示すダイクッション制御装置を詳細に示す構成図である。 プレス機のスライドと、このスライドに対向配置されたダイクッションを示す概要図である。 スライドとダイクッションの衝突直後の状態と、衝突してから所定時間経過した後の状態とを、それぞれ比較している説明図である。 図１に示すダイクッション制御装置における制御の流れを示すブロック図である。 力制御ゲインの算出方法を説明する基本的なフローチャートの一部を示す図である。 図６のフローチャートに速度指令値を求めるステップを追加したフローチャートを示す図である。 図７に示すフローチャートに衝突後の時間をカウントするステップを追加したフローチャートを示す図である。 図８に示すフローチャートに、電流指令値を判断するステップと、電流指令値を求めるステップを追加したフローチャートを示す図である。

符号の説明

１ ダイクッション制御装置
２ 移動量取得部
３ ばね定数算出部
４ 力制御ゲイン変更部
１２ スライド
１３ ダイクッション
１４ サーボモータ

Claims (6)

1. プレス機械のスライドに対して相対動作し、該スライドとの間で所定の力を生じさせるダイクッションをサーボモータにより力制御する制御回路で、力偏差と速度指令値の比として表される力制御ゲインを変更するための力制御ゲイン変更方法において、
   前記スライドと前記ダイクッションとが衝突して両者間で前記力が作用している状態における前記両者間の移動量の差を取得し、
   前記移動量の差を生じるときの実際の力を検出し、
   前記スライドと前記ダイクッションとを含む構造部分を弾性構造と見なしたときに、前記移動量の差と前記実際の力との間で成立する一定の比例関係に基づいて該構造部分のばね定数を算出し、
   力制御ゲインとばね定数の逆数との間に成立する一定の比例関係から、算出された前記ばね定数に基づいて前記力制御ゲインを変更する力制御ゲイン変更方法。
2. プレス機械のスライドに対して相対動作し、該スライドとの間で所定の力を生じさせるダイクッションをサーボモータにより力制御するダイクッション制御装置であって、
   前記スライドと前記ダイクッションとが衝突して両者間で前記力が作用している状態における前記両者間の移動量の差を取得する移動量取得部と、
   前記スライドと前記ダイクッションとを含む構造部分を弾性構造と見なしたときに、前記移動量の差と前記力との間で成立する一定の比例関係に基づいて該構造部分のばね定数を算出するばね定数算出部と、
   力偏差と速度指令値の比として表される力制御ゲインとばね定数の逆数との間に成立する一定の比例関係から、算出された前記ばね定数に基づいて前記力制御ゲインを変更する力制御ゲイン変更部と、
   を備えたダイクッション制御装置。
3. 前記力制御ゲイン算出部は、前記ダイクッションの最適な制御状態で得られた所定の比例定数と前記ばね定数算出部で算出された前記ばね定数とを乗ずることにより、前記力制御ゲインを変更する請求項２に記載のダイクッション制御装置。
4. 前記移動量取得部は、前記サーボモータの回転速度から求められた前記ダイクッションの移動速度と、前記スライドの移動速度との差を積分することにより、前記移動量の差を取得する請求項３のダイクッション制御装置。
5. 前記スライドと前記ダイクッションとが衝突してから所定時間内において、前記ばね定数に基づいて前記力制御ゲインを変更する請求項３に記載のダイクッション制御装置。
6. 前記サーボモータに対する電流指令値が一定である所定時間内において、前記力制御ゲインを変更する請求項３に記載のダイクッション制御装置。

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