JP2008105047A - プレス機械及びその駆動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スライドのサイクルタイムを短縮しながら小型の駆動源で大きな加圧力が得られるようにする。
【解決手段】スライド１４を昇降させるためのクランク軸１５、クランク軸を回転させるための動力を発生する駆動源２、及び駆動源とクランク軸との間に介在されるトルク変換器３を備える。トルク変換器３は、駆動源２により回転駆動される入力軸３１、クランク軸１５に結合される出力軸３２、入力軸３１に固着されるサンギア４０、サンギア４０に外接噛み合いする遊星ピニオン４１を回転可能に支持して出力軸３２に固着されるピニオンキャリア４２、遊星ピニオン４１が内接噛み合いするリングギア４３、リングギア４３をサンギア４０と同方向に回転させるリングギア駆動手段、リングギア駆動手段によるリングギア４３への動力伝達を断続するクラッチ４７、及びリングギア４３に対して回転を拘束するための制動力を付与するリングギア拘束手段を有する。
【選択図】図２

Description

本発明はプレス機械及びその駆動制御方法に係わり、詳しくはスライドを高速移動させてプレス加工のサイクルタイムの短縮を図りながら加工精度の向上を実現できるようにしたプレス機械及びその駆動制御方法に関する。

プレス機械は、圧力の発生機構によって液圧を使用する液圧プレスと機械的な駆動力による機械プレス（メカニカルプレス）に大別される。このうち、液圧プレスはスライドのストロークを長くすることが容易で、加圧力の調節もでき、更には過負荷を生じないといった多くの利点を有する。一方、機械プレスとしては、クランクプレス、ナックルプレス、及びリンクプレスをはじめ、摩擦プレス、スクリュープレス、カムプレス、ラックピニオンプレスなどが知られるが、それらの機械プレスは液圧プレスに比較して一般に生産性が高く、保守も容易であるという利点がある。

しかし、機械プレスの多くは加圧力の調節を行えず、加圧時に大きな衝撃を生じるという難点がある。例えば、クランクプレスではクランク軸の回転トルクの変換は行われず、３６０度全域で加圧トルクと同じ高トルクを発生させている。このため、駆動系は大容量で、その駆動源が必要以上に大きくされていた。

そこで、スライド（ラム）を昇降させるスライド昇降機構が、ナット部材と送りねじとで構成されるスクリュープレスにおいて、駆動源を構成する第１のモータの回転を第１の動力伝達機構により高速、低トルクの回転出力に変換して送りねじに伝達する一方、上記モータとは別の第２のモータの回転を第２の動力伝達機構により低速、高トルクの回転出力に変換してナット部材に伝達するようにした機械プレスが提案されている（例えば、特許文献１）。

又、送りねじ（ボールネジ）をサーボモータにより回転駆動させる方式のスクリュープレスであって、スライドが上死点から下死点設定位置まで下降移動するとき、所定の減速点位置と下死点設定位置の一定距離手前の距離までスライドを次第に減速させ、その一定距離手前の距離から下死点設定位置まではスライドを一定速度で移動させるようにした機械プレスが知られている（例えば、特許文献２）。

特開２００４−１８８４６０号公報

特開平６−１８２５９９号公報

しかしながら、特許文献１では、駆動源として２つのモータを必要とすることから、装置全体が大型、コスト高となり、しかも２つのモータを個別に制御するために制御系が複雑になるという欠点がある。特に、特許文献１はスクリュープレスには適用することはできても、クランクプレスのように単一のクランク軸を回転駆動させるような機械プレスには適用することができない。

一方、特許文献２では、単一のモータにしてスライドの移動速度を変速しながら加圧力の調節も行うことが可能であるが、これには最大出力トルクが高く、可変速範囲の広い極めて大型のモータを必要とするという難点がある。

本発明は以上のような事情に鑑みて成されたものであり、その目的は既存の各種機械プレスでも大幅な改造をせずしてスライドのサイクルタイムを短縮しながら小型の駆動源で大きな加圧力が得られるようにすることにある。

本発明は上記の目的を達成するため、金型が固定されるスライドを昇降させるためのスライド昇降機構と、そのスライド昇降機構を作動させるための動力を発生する駆動源と、その駆動源と前記スライド昇降機構との間に介在されるトルク変換器と、を備えたプレス機械であって、
前記トルク変換器は、
前記駆動源により回転駆動される入力軸と、前記スライド昇降機構に結合される回転可能な出力軸と、前記入力軸の外周部に固着されるサンギアと、前記出力軸に固着されて前記サンギアに外接噛み合いする遊星ピニオンを回転可能に支持するピニオンキャリアと、前記遊星ピニオンが内接噛み合いする回転可能なリングギアと、そのリングギアに前記駆動源の回転駆動力を伝達して前記リングギアを前記サンギアと同方向に回転させるリングギア駆動手段と、そのリングギア駆動手段による前記リングギアへの動力伝達を断続するクラッチと、前記リングギアに対してその回転を拘束するための制動力を付与するリングギア拘束手段と、を有することを特徴とする。

加えて、前記出力軸の回転を拘束する出力軸拘束手段を有することを特徴とする。又、前記スライドの位置を検出するセンサと、そのセンサの出力信号に基づいて前記クラッチ及びリングギア拘束手段の動作制御を行う制御部と、を有することを特徴とする。

又、上記のように構成されるプレス機械を駆動制御する方法であり、
前記スライドを上昇させるとき、リングギアをリングギア拘束手段による拘束から解放した状態で、該リングギアにリングギア駆動手段を介して駆動源の回転駆動力を伝達することにより、前記リングギアを入力軸に固着されたサンギアと同方向に回転させ、
前記スライドが上死点を経て所定の下降位置に達したときには、サンギアを回転させたままクラッチを切ってリングギア駆動手段からリングギアへの動力伝達を遮断すると同時に、リングギア拘束手段からリングギアに対して制動力を付与することを特徴とする。

本発明に係るプレス機械によれば、遊星歯車装置を構成するトルク変換器を備え、そのトルク変換器により駆動源からスライド昇降機構に与えられる伝達動力のトルク変換が行われる構成としていることから、小型の駆動源を用いて、その出力容量を従来の１／４〜１／６程度に抑えながら、加圧時に最大トルクを発生させて加圧能力を上げ、加圧時以外にはスライド昇降機構を高速、低トルクの下で作動させてスライドの平均サイクルタイムを短縮することができる。

又、トルク変換器の出力軸をスライド昇降機構に結合するだけで各種のメカニカルプレスをトルク変換可能に駆動することができる。

加えて、スライド昇降機構に結合される出力軸の回転を拘束する出力軸拘束手段を有することから、その動作制御によりスライドを上死点で一時停止させることができ、しかも駆動系の異常時に対応して、スライド昇降機構への伝達動力が瞬時に遮断されるような安全なシステムを構築できる。

又、スライドの位置を検出するセンサと、そのセンサの出力信号に基づいてクラッチ及びリングギア拘束手段の動作制御を行う制御部とを有することから、スライドの位置に対応して伝達トルクを自動的に切り換えることができる。

更に、本発明に係る方法では、加圧時に最大トルクを発生させて加圧能力を上げ、加圧時以外にはスライド昇降機構を高速、低トルクの下で作動させてスライドの平均サイクルタイムを短縮することができる。

以下、図面に基づいて本発明を詳しく説明する。図１は本発明に係るプレス機械（メカニカルプレス）の構成例を示した正面概略図である。図１において、１はプレス機本体であり、このプレス機本体１は本例においてクランクプレスを構成している。

係るプレス機本体１の構成を概説すると、１１はベッドであり、その上部にはコラム１２を介してクラウン１３が設けられる。コラム１２の内側にはスライド１４（ラム）が昇降可能に支持されており、クラウン１３内にはクランク軸１５が回転可能に設けられる。

そのクランク軸１５とスライド１４はコネクティングロッド１６により連結され、これによりスライド１４を昇降させるためのスライド昇降機構が構成される。そして、クランク軸１５の回転により、スライド１４がコラム１２に固定したスライドガイド１７に沿って昇降するようになっている。

又、ベッド１１上にはボルスタ１８が設けられ、そのボルスタ１８とスライド１４の間には上型１９Ａと下型１９Ｂとで構成される金型１９が設けられる。このうち、上型１９Ａはスライド１４の底面に固定され、ボルスタ１８には上型１９Ａに対向して下型１９Ｂが固定される。

一方、図１において、２はクランク軸１５を作動（回転駆動）させるための動力を発生する駆動源であり、その駆動源２とクランク軸１５との間には従前のフライホイールに代えて駆動源２の回転駆動力を変速およびトルク変換してクランク軸１５に伝達するトルク変換器３が介在される。尚、図１には駆動源２およびトルク変換器３がプレス機本体１の側面側に配置された状態を示しているが、実際の態様はクラウン１３上に駆動源２およびトルク変換器３が設けられる。但し、駆動源２およびトルク変換器３をクラウン１３上に配置することに限らず、それらを図１のようにプレス機本体１の側面側に配置することも可能である。

図２はトルク変換器の内部構造を示した縦断面図であり、図３には図２のＸ−Ｘ断面を示す。図２において、３１は駆動源２により回転駆動される入力軸、３２は入力軸３１と同軸線上に設けられる出力軸であり、それらはギアボックス３３に固定される軸受により回転可能に支持されている。

入力軸３１の一端にはプーリ３４が固着され、そのプーリ３４と駆動源２のロータ軸に固着したプーリ３５との間にはタイミングベルト３６が巻き掛けられている。尚、駆動源２はロータ軸の速度制御を行うことのできるサーボモータとされる。

一方、出力軸３２の一端には出力ギア３７が固着され、その出力ギア３７とクランク軸１５に固着した受動ギア３８が外接噛み合いされている。

ここに、ギアボックス３３内において、入力軸３１の外周部にはギア３９およびサンギア４０が固着され、そのサンギア４０に数個の遊星ピニオン４１が外接噛み合いされている。その各遊星ピニオン４１は出力軸３２に固着したピニオンキャリア４２により回転可能に支持されると共に、ピニオンキャリア４２は入力軸３１の先端外周上で軸受を介して回転可能に支持されている。

又、入力軸３１の外周部には、軸受を介してリングギア４３が回転可能に支持されており、そのリングギア４３に遊星ピニオン４１が内接噛み合いされている。

特に、リングギア４３には入力軸３１の外周を囲む円筒部４３Ａが連続して形成され、その円筒部４３Ａの外周にギア部４３Ｂが形成されると共に、リングギア４３の外周には環状のフランジ部４３Ｃが一体として形成されている。そして、入力軸３１に固着したギア３９にギア４４が噛み合わされると共に、ギア部４３Ｂにはギア４５が噛み合わされ、それらギア４４，４５により、リングギア４３に駆動源２の回転駆動力を伝達してリングギア４３をサンギア４０と同方向に回転させるリングギア駆動手段が構成される。

４６は入力軸３１に平行して回転可能に設けられる伝動軸で、その両端にそれぞれ上記ギア４４，４５が固着されている。特に、伝動軸４６にはクラッチ４７（例えば、電磁クラッチ）が介在され、そのクラッチ４７により入力軸３１からリングギア４３への動力伝達を断続できるようになっている。

尚、本例において、ギア４４，４５、伝動軸４６、及びクラッチ４７は、図３のように入力軸３１を中心としてそれぞれ３つが周方向に等間隔（１２０度間隔）に設けられる構成とされるが（図３にギア４４は表われていない）、それらを任意の一箇所に設ける構成としてもよい。

又、図２および図３から明らかなように、ギアボックス３３には、リングギア４３に対しその回転を拘束するための制動力を付与するリングギア拘束手段として、トルク制御ユニット５０（油圧駆動式のブレーキ装置）が設けられる。係るトルク制御ユニット５０は、リングギア４３のフランジ部４３Ｃを挟むブレーキパッド５１Ａを有する一対の可動子５１と、その両可動子５１を支点軸Ｐ回りに揺動させる油圧シリンダ５２とを含む。油圧シリンダ５２は、例えば外胴５２Ａ内に一対のプランジャ５２Ｂを設けた構成であり、その両プランジャ５２Ｂが外胴５２Ａ内に対する作動油の供給により突出し、このときブレーキパッド５１Ａがリングギア４３のフランジ部４３Ｃに押し付くようになっている。

そして、油圧シリンダ５２には制御弁５３を介して油圧ポンプ５４が接続され、油圧シリンダ５２に対する作動油の給排が制御弁５３の操作によって切り換えられるようになっている。尚、図３で明らかなように、係るトルク制御ユニット５０も入力軸３１を中心としてその周方向に３つが等間隔に設けられるが、これを単一構成としてもよい。

又、図２から明らかなように、出力軸３２の一端部にはその回転を拘束する出力軸拘束手段としてブレーキ装置６０が設けられる。本例において、ブレーキ装置６０は出力軸３２に固着されるブレーキディスク６１と、該ディスク６１を解放可能に拘束するブレーキパッド６２とを有して成るディスクブレーキであり、そのブレーキパッド６２をブレーキディスク６１に押し付けて該ディスク６１の回転を拘束したとき、これと一体の出力軸３２およびピニオンキャリア４２の回転も拘束され、これによりクランク軸１５への動力伝達を遮断できるようになっている。但し、ブレーキ装置６０により出力軸３２やピニオンキャリア４２を拘束するとき、トルク制御ユニット５０でリングギア４３が拘束されている場合には、出力軸３２の拘束と同時にトルク制御ユニット５０によるリンクギア４３の拘束を解放する。

次に、図４は以上のように構成されるトルク変換器を備えたプレス機械の制御系のブロック図を示す。

図４において、７０はロータリエンコーダから成るセンサであり、該センサ７０は図２などに示したプレス機本体のクランク軸１５に装着され、その回転角変位量からスライド１４の位置を検出できるようになっている。

又、そのセンサ７０および操作部７１はマイコンなどから成る制御部７２に電気的に接続されると共に、その制御部７２には制御対象として上述の駆動源２ほか、クラッチ４７、トルク制御ユニット５０の制御弁５３、ならびにブレーキ装置６０が電気的に接続されている。そして、センサ７０の出力信号に基づいて、制御部７２がクラッチ４７、制御弁５３、ならびにブレーキ装置６０の動作制御を行う構成とされている。

次に、係るプレス機械（メカニカルプレス）の駆動制御方法について説明する。図５はクランク軸の角度線図、図６はクランク軸の角速度−軸トルク線図を示す。

ここに、本発明では、スライドの上死点におけるクランク角をＡ_０、スライドが所定の下降位置まで達したときのクランク角をＡ_１、ワークに対する加圧力発生時におけるクランク角をＡ_２、スライドの下死点におけるクランク角をＡ_３、スライドが下死点を通過した直後におけるクランク角をＡ_４とし、Ａ_２−Ａ_３間の加圧領域において出力トルク（クランク軸の軸トルク）が最大となり、Ａ_４−Ａ_０−Ａ_１の区間では加圧領域よりも出力トルクが小さくなるような制御が行われる。

具体的には、スライド１４が上死点から加圧開始位置直前における所定の下降位置に達するまでの間（クランク角がＡ_０からＡ_１まで変化する間）、図２に示したリングギア４３をトルク制御ユニット５０（リングギア拘束手段）による拘束から解放した状態にしておき（リングギア４３の回転を拘束せず）、リングギア４３にはクラッチ４７の結合により駆動源２の回転駆動力を入力軸３１、ギア３９、ギア４４、伝動軸４６、ギア４５、およびギア部４３Ｂを介して伝達し、これによってリングギア４３を入力軸３１に固着されたサンギア４０と同方向に回転させる。

このため、遊星ピニオン４１は自転しながらサンギア４０およびリングギア４３の回転方向と同方向に公転し、これを支持するピニオンキャリア４２をサンギア４０およびリングギア４３と同方向に回転させる。尚、ピニオンキャリア４２は、ギア３９，４４の歯数比およびギア４５とギア部４３Ｂの歯数比によって入力軸３１よりも高速で回転され、その回転力が出力軸３２、出力ギア３７、および受動ギア３８を介してクランク軸１５に与えられる。この結果、スライド１４は上死点から所定の下降位置（図５のＡ_０−Ａ_１間）まで急速降下する。

そして、スライド１４が加圧開始前における所定の下降位置まで下降すると（クランク角がＡ_１に達したことが上記センサ７０によって検出されると）、図４に示した制御部７２からクラッチ４７および制御弁５３に制御信号が出力され、これによりクラッチ４７が切断（ＯＦＦ）される一方、トルク制御ユニット５０が作動状態（ＯＮ）となって該トルク制御ユニット５０からリングギア４３に対して制動力が与えられる。

しかして、リングギア４３は減速され、クランク角がＡ_２に達するまでに停止される。このとき、入力軸３１は回転され続け、リングギア４３の停止後もサンギア４０が遊星ピニオン４１を介してピニオンギア４２を駆動するが、ピニオンキャリア４２および出力軸３２はサンギア４０とリングギア４３の歯数比により減速され、その減速分だけ加圧開始時点（Ａ_２）では出力トルクが「（リングギア歯数／サンギア歯数）＋１」倍と大きくなる。その倍率は６〜７程度に設定されるが、この高トルク状態はスライド１４が下死点に達するまで（クランク角がＡ_３になる加圧終了時であるが、実際は下死点を若干過ぎた当たり）維持される。このため、プレス加工は低衝撃、高加圧の下で良好に行われる。

尚、複数（本例において３つ）のトルク制御ユニット５０は個別に制御されるのであり、これによりリングギア４３の回転や出力トルクが衝撃的に変化することを防止し、駆動系の円滑動作および成型性能の向上が図られる。

一方、スライド１４が下死点まで達してプレス成型が行われると（クランク角がＡ_３に達したことが上記センサ７０によって検出されると）、図４に示した制御部７２からクラッチ４７および制御弁５３に制御信号が出力され、これによりクラッチ４７が結合（ＯＮ）される一方、トルク制御ユニット５０が不作動状態（ＯＦＦ）となって該トルク制御ユニット５０によるリングギア４３の拘束が解放される。

このため、リングギア４３は入力軸３１と同方向に回転され始め、クランク角がＡ_４に達するまでリングギア４３の加速が行われ、クランク角がＡ_４を過ぎときにはリングギア４３の回転速度が一定となる。

しかして、ピニオンキャリア４２および出力軸３２の回転数も上がり、これが出力ギア３７から受動ギア３８を介してクランク軸１５に伝達される。このため、クランク軸１５は高速、低トルクで回転されながら、スライド１４を急速上昇させることになる。

尚、その状態をクランク角がＡ_１になるまで維持してプレス加工の高速化を図ることもできるが、スライド１４を上死点で一時停止させる場合には、ブレーキ装置６０を作動せしめて出力軸３２の回転を拘束すると同時に、トルク制御ユニット５０によるリングギア４３の拘束を解放したまま、クラッチ４７を切断してリングギア４３への動力伝達を遮断する。このようなスライド１４の停止動作は上記センサ７０の出力信号に基づいて自動的に行われるが、本例では駆動源２の暴走やスライド１４に過負荷が発生したときなどの異常時を想定し、図４に示した操作部７１に非常停止スイッチを設け、その操作によりスライド１４の位置に拘わらずブレーキ装置６０が作動するようにしている。尚、スライド１４に加速度センサや圧力センサといった検出機器類を設け、その出力信号に基づいてブレーキ装置６０やトルク制御ユニット５０を動作制御できるようにしてもよく、これによれば異常発生時にクランク軸１５への動力伝達を瞬時に遮断することができ、安全性を確保できる。

以上、本発明に係る構成例を説明したが、スライド１４の位置を検出するセンサとして、近接スイッチなどを用い、その複数をコラム１２に沿って配置するなどしてもよい。

又、上記例ではプレス機本体をクランクプレスとしたが、本発明はそのほか各種のメカニカルプレスに適用できる。例えば、ナックルプレスではクランクプレスと同様、クランク軸に出力軸３２を結合し、スクリュープレスではネジ軸に、カムプレスではカム軸に、それぞれ出力軸３２を結合してトルク変換可能なプレス機械を構成することができる。

本発明に係るプレス機械を示す正面概略図 トルク変換器の内部構造を示す縦断面図 図２のＸ−Ｘ断面図 本発明に係るプレス機械の制御系のブロック図 クランク軸の角度線図 クランク軸の角速度−軸トルク線図

符号の説明

１ プレス機本体
１４ スライド
１５ クランク軸（スライド昇降機構）
２ 駆動源
３ トルク変換器
３１ 入力軸
３２ 出力軸
３７ 出力ギア
４０ サンギア
４１ 遊星ピニオン
４２ ピニオンキャリア
４３ リングギア
４４，４５ ギア（リングギア駆動手段）
４６ 伝動軸（リングギア駆動手段）
４７ クラッチ
５０ トルク制御ユニット（リングギア拘束手段）
５３ 制御弁
６０ ブレーキ装置（出力軸拘束手段）
７０ センサ
７２ 制御部

Claims (4)

1. 金型が固定されるスライドを昇降させるためのスライド昇降機構と、そのスライド昇降機構を作動させるための動力を発生する駆動源と、その駆動源と前記スライド昇降機構との間に介在されるトルク変換器と、を備えたプレス機械であって、
   前記トルク変換器は、
   前記駆動源により回転駆動される入力軸と、前記スライド昇降機構に結合される回転可能な出力軸と、前記入力軸の外周部に固着されるサンギアと、前記出力軸に固着されて前記サンギアに外接噛み合いする遊星ピニオンを回転可能に支持するピニオンキャリアと、前記遊星ピニオンが内接噛み合いする回転可能なリングギアと、そのリングギアに前記駆動源の回転駆動力を伝達して前記リングギアを前記サンギアと同方向に回転させるリングギア駆動手段と、そのリングギア駆動手段による前記リングギアへの動力伝達を断続するクラッチと、前記リングギアに対してその回転を拘束するための制動力を付与するリングギア拘束手段と、を有することを特徴とするプレス機械。
2. 前記出力軸の回転を拘束する出力軸拘束手段を有することを特徴とする請求項１記載のプレス装置。
3. 前記スライドの位置を検出するセンサと、そのセンサの出力信号に基づいて前記クラッチ及びリングギア拘束手段の動作制御を行う制御部と、を有することを特徴とする請求項１記載のプレス機械。
4. 請求項１記載のプレス機械を駆動制御する方法であり、
   前記スライドを上昇させるとき、リングギアをリングギア拘束手段による拘束から解放した状態で、該リングギアにリングギア駆動手段を介して駆動源の回転駆動力を伝達することにより、前記リングギアを入力軸に固着されたサンギアと同方向に回転させ、
   前記スライドが上死点を経て所定の下降位置に達したときには、サンギアを回転させたままクラッチを切ってリングギア駆動手段からリングギアへの動力伝達を遮断すると同時に、リングギア拘束手段からリングギアに対して制動力を付与することを特徴とするプレス機械の駆動制御方法。

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