JP2008119737A - サーボプレスおよびサーボプレスの制御方法 - Google Patents

サーボプレスおよびサーボプレスの制御方法 Download PDF

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Masahiko Nakame
優彦 中目
Hideki Endo
秀樹 遠藤
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日本オートマチックマシン株式会社
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Abstract

【課題】プレス加工の各工程に対応した2台のサーボモータを有し、簡単な構成および制御でこれらのサーボモータを切り替えて使用できるサーボプレスおよびこのサーボプレスの制御方法を提供する。
【解決手段】サーボプレス1を、被加工物(ワーク)に押圧される金型70が取り付けられるスライド60と、被加工物を金型70が押圧する加圧工程用の第2サーボモータ20と、加圧工程以外のアプローチ・上昇工程用の第1サーボモータ10と、第2サーボモータ20および第1サーボモータ10の回転運動を直線運動に変換し、スライドをスライド移動させる回転・直線運動変換機構30と、第2サーボモータ20および回転・直線運動変換機構30を係脱するクラッチ37と、第2サーボモータ20、第1サーボモータ10、および、クラッチ37の作動を制御してスライド60を駆動するコントローラ90とから構成する。
【選択図】図3

Description

本発明は、サーボモータを使用してスライドを直線移動させるサーボプレスに関し、特に詳細には、プレス加工の各工程に対応して2台のサーボモータを切り替えて使用するサーボプレスおよびこのサーボプレスの制御方法に関する。
サーボプレスは、ACサーボモータ等の回転運動を直線運動に変換する回転・直線運動変換機構を用いて、スライド(「ラム」とも呼ばれる)を直線運動させるプレス機械である。このようにサーボモータを用いたサーボプレスでは、スライドを自由に位置・速度制御でき、プレス圧力の制御も容易である。このため、プレス品の成形加工精度を高めるとともに、生産性も高いので、近年では広く使用されている。
ところで、このようなプレス機械において生産性を向上させるためには、スライドを、成形領域(加圧工程)では加工条件に適合した速度で下降させ、成形領域以外(アプローチ・上昇工程)では高速移動させて全体のサイクルタイムを短くする必要がある。そのため、フライホイールを介してスライドを駆動させるモータ(加圧用モータ)と、直接スライドを駆動させるモータ(スライド用モータ)とを設け、成形領域以外ではフライホイールを介さないスライド用モータでスライドを高速に昇降させ、成形領域ではクラッチにより加圧用モータで回転しているフライホイールをスライドに連結してプレス加工に必要なトルクを得るように構成されたプレス機械が開発されている。(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−034111号公報
しかしながら、このようなプレス機械では、スライド用モータにより下降してきたスライドに対して、成形領域でフライホイールを連結するときに、スライド用モータおよび加圧用モータの回転数を合わせないと、クラッチ係合時に振動や衝撃音が発生する。そのため、これらの回転数を合わせるために、それぞれの回転数を検出するセンサが必要であり、かつ、複雑な制御が必要となるという課題がある。一方、一つのサーボモータにより、成形領域においては大きなトルクを確保し、成形領域以外では高速に回転できるようにすると、サーボモータが大型化するとともに電力消費が大きくなり、さらに、このような高速かつ大トルクのサーボモータはコストも高くなるという課題がある。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、プレス加工の各工程に対応した2台のサーボモータを有し、簡単な構成および制御でこれらのサーボモータを切り替えて使用できるサーボプレスおよびこのサーボプレスの制御方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明に係るサーボプレスは、被加工物(ワーク)に押圧される金型が取り付けられるスライドと、被加工物を金型で押圧する加圧工程用の加圧用サーボモータ(例えば、実施形態における第2サーボモータ20)と、加圧工程以外のアプローチ・上昇工程用のスライド用サーボモータ(例えば、実施形態における第1サーボモータ10)と、加圧用サーボモータおよびスライド用サーボモータの回転運動を直線運動に変換し、スライドをスライド移動させる回転・直線運動変換機構と、加圧用サーボモータおよび回転・直線運動変換機構を係脱するクラッチと、加圧用サーボモータ、スライド用サーボモータ、および、クラッチの作動を制御してスライドを駆動するコントローラとから構成される。
このような本発明に係るサーボプレスは、スライド用サーボモータのモータシャフトの回転量を検出するスライド用エンコーダ(例えば、実施形態における第1エンコーダ11)と、コントローラからの指令値およびスライド用エンコーダの検出値によりスライド用サーボモータの回転駆動を制御するスライド用サーボアンプ(例えば、実施形態における第1サーボアンプ13)とを有し、スライド用サーボモータが回転・直線運動変換機構に対して常時連結されており、コントローラが、スライド用サーボアンプを介してスライド用エンコーダから常時スライド用サーボモータの回転量を検出してスライドの位置を算出するように構成されることが好ましい。
あるいは、回転・直線運動変換機構が、スライドを駆動するボールネジを含み、本発明に係るサーボプレスが、ボールネジの回転量を検出するボールネジ用エンコーダ(例えば、実施形態における第3エンコーダ96)を有し、コントローラが、ボールネジ用エンコーダからボールネジの回転量を検出してスライドの位置を算出するように構成されることが好ましい。
また、本発明に係るサーボプレスの制御方法は、上述のサーボプレスにおいて用いられるものであり、クラッチの係合を解除し、スライド用サーボモータを駆動してスライドを上停止位置から加圧位置に移動させるステップ、クラッチを係合し、加圧用サーボモータを駆動してスライドを加圧位置から下停止位置に移動させるステップ、および、クラッチの係合を解除し、スライド用サーボモータを駆動してスライドを下停止位置から上停止位置に移動させるステップから構成される。
本発明に係るサーボプレスを以上のように構成すると、2台のサーボモータのうち、プレス加工の各工程に対して最適なサーボモータを選択して使用することができるため、高速かつ大トルクの1台のサーボモータで構成した場合に比べて、それぞれのサーボモータを小型化することができ、サーボプレス全体としてコンパクト化することができる。また、モータのコストを抑えて、サーボプレスの価格を安くすることができる(例えば、価格が1/3〜1/4)。さらに、工程に応じてサーボモータを使い分けることにより、使用電力量を少なくすることができる。
このとき、スライド用サーボモータまたはボールネジの回転量からスライドの位置を算出するように構成することにより、スライドの位置を簡単な構成で正確に得ることができ、加工精度を向上させることができる。
また、本発明に係るサーボプレスの制御方法を以上のように構成すると、工程間でスライド用サーボモータと加圧用サーボモータとを切り替えて駆動させるため、クラッチの係合時にこれらの回転速度を同期させる必要はなく、簡単な制御とすることができる。
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。まず、図1および図2を用いて、本発明に係るサーボプレスの構成について説明する。ここで、図1は、サーボプレス1の平面図および正面図であり、図2は、サーボプレス1の側面図である。なお、以降の説明においては、図1(a)および図2に示す矢印Fの方向を前方とする。本実施例に係るサーボプレス1は、本体ケーシング3に、第1サーボモータ10、第2サーボモータ20、回転・直線運動変換機構30、スライド60、ボルスタ61、表示機3、および、操作部4が設けられて構成されている。
第1サーボモータ10は、容量の小さいサーボモータが用いられ、スライド60を加圧工程以外のアプローチ・上昇工程において高速に移動させるものであり、例えば、ACサーボモータが用いられる。この第1サーボモータ10のモータシャフト10aの一端には、後述する回転・直線運動変換機構30の一部を構成する第1駆動プーリ35が固定されており、また、他端には、この第1サーボモータ10のモータシャフト10aの回転量を検出するための第1エンコーダ11が取り付けられている。
第2サーボモータ20は、容量の大きいサーボモータが用いられ、スライド60を加圧工程において駆動するものであり、この第2サーボモータ20にも、ACサーボモータを用いることができる。第2サーボモータ20のモータシャフト20aの一端には、減速機22が取り付けられ、さらにその減速機22に、回転・直線運動変換機構30の一部を構成する第2駆動プーリ39が固定されている。また、モータシャフト20aの他端には、この第2サーボモータ20のモータシャフト20aの回転量を検出するための第2エンコーダ21が取り付けられている。なお、上述の第1エンコーダ11およびこの第2エンコーダ21は、第1および第2サーボモータ10,20のモータシャフト10a,20aの回転角の変化量を検出することができるインクリメンタルエンコーダであっても良いし、回転角の絶対値を検出できるアブソリュートエンコーダであっても良い。
回転・直線運動変換機構30は、その回転軸がサーボプレス1の前後方向に延びる入力シャフト31と上下方向に延びる出力シャフト32とを有し、これらのシャフト31,32に互いに噛み合うウォームおよびウォーム歯車が設けられて回転方向を変向するウォーム機構33を有している。このウォーム機構33を構成する入力シャフト31の前端部には、第1従動プーリ34が固定されており、第1サーボモータ10のモータシャフト10aに取り付けられた第1駆動プーリ35との間に第1ベルト36が巻き掛けられている。そのため、第1サーボモータ10が回転駆動すると、第1ベルト36によりその回転がウォーム機構33の入力シャフト31に伝達され、出力シャフト32が回転駆動される。
一方、入力シャフト31の後端部には、クラッチ37が連結されている。さらに、このクラッチ37には第2従動プーリ38が固定されており、第2サーボモータ20の減速機22に取り付けられた第2駆動プーリ39との間に第2ベルト40が巻き掛けられている。クラッチ37は、第2サーボモータ20とウォーム機構33とを係脱するものであり、クラッチ37により第2サーボモータ20とウォーム機構33とが係合されているときに、第2サーボモータ20が回転駆動すると、第2ベルト40によりその回転がウォーム機構33の入力シャフト31に伝達され、出力シャフト32が回転駆動される。このとき、第1サーボモータ10もウォーム機構33を介して第2モータ20により回転駆動される。
さらに、回転・直線運動変換機構30は、スライド60を上下方向にスライド移動させるために、ウォーム機構33を構成する出力シャフト32の下端に連結されたボールネジ41、および、このボールネジ41が螺合されたナット44を有している。なお、ボールネジ41の上部は軸受43によって、ケーシング本体2に固定されたベアリングサポート42に支持されている。また、スライド60の上端部にはナット44が固定されており、このスライド60の両側部に上下方向に延びるように形成されたリニアガイドレール62とケーシング本体2に固定されたガイド63とにより、上下に案内される。そのため、第1サーボモータ10若しくは第2サーボモータ20によりウォーム機構33の出力シャフト32が回転駆動されると、ボールネジ41が回転駆動し、このボールネジ41に螺合しているナット44が上下方向に直線上を移動して、スライド60を上下方向にスライド移動させる。このスライド60の下面には、金型70を構成する上型71が装着保持される。
本体ケーシング2の下部の、スライド60の下面に対向する位置には、ボルスタ61が配置されており、このボルスタ61の上面には、金型70を構成する下型72が設置される。また、本体ケーシング2の上部前面側には、加工条件等を入力・設定するための表示機3が設けられており、さらに、本体ケーシング2の下部には、両手で操作される2つの作業用押しボタンや非常停止用押しボタンなどの複数の押しボタン4aが配置された操作部4が設けられている。
次に、図3および図4を参照して、本実施例に係るサーボプレス1の制御回路の主要部について説明する。なお、図3はこのサーボプレス1の制御回路の構成を示しており、図4は動作フローを示している。このサーボプレス1の制御回路は、第1サーボモータ10の駆動を制御する第1サーボアンプ13、第2サーボモータ20の駆動を制御する第2サーボアンプ23、第1サーボモータ10に供給される主電源を接続・切断する第1リレー14、第2サーボモータ20に供給される主電源を接続・切断する第2リレー24、並びに、これらのアンプ13,14およびリレー14,24と回転・直線運動変換機構30のクラッチ37の作動を制御することによりサーボプレス1によるプレス加工を行うコントローラ90から構成される。
第1サーボアンプ13は、コントローラ90からの指令信号に応じて、第1サーボモータ10に供給される駆動電流を制御するものであり、また、第1エンコーダ11により検出される回転量をフィードバックしてスライド60の位置決めを行い、また、第1サーボモータ10を指令信号に対応した速度で回転駆動させるように構成されている。また、第2サーボアンプ14は、コントローラ90からの指令信号に応じて、第2サーボモータ20に供給される駆動電流を制御するものであり、また、第2エンコーダ21により検出される回転量をフィードバックしてスライド60の位置決めを行い、また、第2サーボモータ20を指令信号に対応した速度で回転駆動させるように構成されている。なお、第1および第2サーボアンプ13,23には、それぞれ、第1および第2サーボモータ10,20を駆動するための第1および第2主電源回路15,25と、この第1および第2サーボアンプ13,23を作動させるための第1および第2制御電源回路16,26とが接続されており、それぞれ、電源からの電力を供給するように構成されている。また、第1および第2主電源回路15,25の各々には、第1および第2リレー14,24の接点14a,24aが設けられている。
コントローラ90は、サーボプレス1の作動を制御する制御部91、第1サーボアンプ13に指令信号を送信する第1位置決めユニット92、第2サーボアンプ23に指令信号を送信する第2位置決めユニット93、第1サーボアンプ13から第1サーボモータ10の回転量を取得する第1位置検出ユニット94、および、第2サーボアンプ23から第2サーボモータ20の回転量を取得する第2位置検出ユニット95から構成される。制御部91は、第1位置検出ユニット94により検出される第1サーボモータ10の回転量からスライド60の位置を算出し、第1および第2位置決めユニット92,93により第1および第2サーボモータ10,20を制御するとともに、第1および第2リレー14,24の開閉とクラッチ37の係脱とを制御することでサーボプレス1の作動を制御する。
それでは、コントローラ90によるサーボプレス1の制御について説明する。コントローラ90の制御部91は、まず、表示機3から加工条件を取得する(ステップS100)。ここで、加工条件とは、各工程におけるスライド60の位置および移動速度であって、スライド60の最も高い位置である上死点(P1)、加圧工程を開始する位置である加圧位置(P2)、スライド60の最も低い位置である下死点(P3)、アプローチ工程(スライド60が、上死点P1から加圧位置P2まで下降する範囲)における速度(アプローチ速度、若しくは、下降速度)、加圧工程(スライド60が、加圧位置P2から下死点P3まで下降する範囲)における速度(加圧速度)、および、上昇工程(スライド60が下死点P3から上死点P1まで上昇する範囲)における速度(上昇速度)から構成され、このサーボプレス1のオペレータにより表示機3で入力される。
制御部91は、加工条件を取得すると、クラッチ37の係合を解除し(ステップS101)、第1リレー14の接点14aを閉じて第1サーボアンプ13の主電源(第1サーボモータ10を駆動させるための電源)をオンし、第2リレー24の接点24aを開いて第2サーボアンプ23の主電源(第2サーボモータ20を駆動させるための電源)をオフする(ステップS102)。そして、制御部91は、操作部4の運転押しボタンが押下されたのを検出すると(ステップS103)、第1位置決めユニット92に対してステップS100で設定されたアプローチ速度を指令して第1サーボモータ10を駆動させ、スライド60を下降させる(ステップS104)。このとき、制御部91は、第1位置検出ユニット94により検出される第1サーボモータ10の回転量からスライド60の位置を算出し、このスライド60が加圧位置P2に到達したと判断すると(ステップS105)、第1サーボモータ10を停止させる(ステップS106)。
このアプローチ工程においては、第2サーボモータ20は、クラッチ37によりウォーム機構33から切り離されているので、容量の小さな第1サーボモータ10でも高速にスライド60を下降させることができる。
スライド60が加圧位置P2に到達すると、制御部91は、クラッチ37を係合させ(ステップS107)、また、第1リレー14の接点14aを開いて第1サーボアンプ13の主電源をオフし、第2リレー24の接点24aを閉じて第2サーボアンプ23の主電源をオンする(ステップS108)。そして、制御部91は、第2位置決めユニット93に対してステップS100で設定された加圧速度を指令して第2サーボモータ20を駆動させ、スライド60を下降させることにより、容量の大きな第2サーボモータ20のトルクを用いてワークを加工する(ステップS109)。このとき、制御部91は、第1位置検出ユニット94により検出される第1サーボモータ10の回転量からスライド60の位置を算出し、このスライド60が下死点P3に到達したと判断すると(ステップS110)、第2サーボモータ20を停止させる(ステップS111)。
この加圧工程においては、第2サーボモータ20の回転駆動により、第1サーボモータ10も回転駆動されるが、第1サーボアンプ13の主電源がオフされており、この第1サーボモータ10には負荷がかかっていないため、第2サーボモータ20の作動には影響しない。また、第1サーボアンプ13の制御電源は第1制御電源回路16により常時オンされているため、第2サーボモータ20により回転駆動される第1サーボモータ10の回転量を検出することができ、これにより、第1位置検出ユニット94で検出される第1サーボモータ10の回転量からスライド60の位置を算出することができる。
スライド60が下死点P3に到達すると、制御部91は、クラッチ37の係合を解除し(ステップS112)、また、第1リレー14の接点14aを閉じて第1サーボアンプ13の主電源をオンし、第2リレー24の接点24aを開いて第2サーボアンプ23の主電源をオフする(ステップS113)。そして、制御部91は、第1位置決めユニット92に対してステップS100で設定された上昇速度を指令して第1サーボモータ10を駆動させ、スライド60を上昇させる(ステップS114)。このとき、制御部91は、第1位置検出ユニット94により検出される第1サーボモータ10の回転量からスライド60の位置を算出し、このスライド60が上死点P1に到達したと判断すると(ステップS115)、第1サーボモータ10を停止させ(ステップS116)一回の加工工程を終了し、ステップS103に戻る。
この上昇工程においても、第2サーボモータ20は、クラッチ37によりウォーム機構33から切り離されているため、容量の小さな第1サーボモータ10を用いてスライド60を高速に上昇させることができる。
本実施例に係るサーボプレス1を以上のように構成すると、負荷が小さいアプローチ工程および上昇工程においては容量の小さい第1サーボモータ10を用いてスライド60を高速に昇降させ、加圧工程においては容量の大きい第2サーボモータ20を用いて大きなトルクでスライド60を下降させてワークをプレス加工することができるため、それぞれの工程に最適なサーボモータを使用することができる。そのため、1台のサーボモータで構成した場合に比べて、それぞれのサーボモータ10,20を小型化することができるので、サーボプレス全体としてコンパクト化することができる。また、工程に応じてサーボモータ10,20を使い分けることにより、使用電力量を少なくすることができ、さらに、サーボモータのコストも抑えることにより、サーボプレス1の価格を安くすることができる。
また、本実施例に係るサーボプレス1は、工程間で第1サーボモータ10と第2サーボモータ20とを切り替えて駆動させているため、クラッチ37の係合時にこれらの回転速度を同期させる必要はなく、コントローラ90による制御は簡単な構成とすることができる。また、上述のようにスライド60の位置は第1サーボモータ10に取り付けられた第1エンコーダ11の検出値を用いることができるので、スライド60の位置を検出するための特別な検出手段を設ける必要がなく、回路構成を簡単なものとすることができるとともに、第1サーボモータ10を制御するための精度の良い第1エンコーダ11の検出値を用いることから、スライド60の位置を精度良く得ることができ、加工精度を向上させることができる。
なお、ステップS109,S110において、第2サーボモータ20によりスライド60を作動させているときは、制御部91が、第2位置検出ユニット95により検出される第2サーボモータ20の回転量からスライド60の位置を算出するように構成することも可能である。
また、スライド60の位置を第1エンコーダ11により検出される第1サーボモータ10の回転量から算出するのではなく、例えば、図5に示すように、ウォーム機構33の出力シャフト32に第3エンコーダ96を設け、この第3エンコーダ96により検出される回転角(の変化分または絶対値)を、コントローラ90に設けられたカウンタ97でカウントして出力シャフト32の回転量(すなわち、ボールネジ41の回転量)を検出し、制御部91において、この回転量からスライド60の位置を算出するように構成することも可能である。このように構成した場合、制御部91は、第1エンコーダ11若しくは第2エンコーダ21から第1若しくは第2サーボモータ10,20の回転量を取得する必要がないため、コントローラ90に第1位置検出ユニットおよび第2位置検出ユニットを設けなくても良い。
本発明に係るサーボプレスの全体構成を示す図であり、(a)は平面図であり、(b)は正面図である。 上記サーボプレスの側面図である。 上記サーボプレスの制御回路を示すブロック図である。 上記サーボプレスの動作フローを示すフローチャートである。 図3の制御回路の変形例を示すブロック図である。
符号の説明
1 サーボプレス
10 第1サーボモータ(スライド用サーボモータ)
10a モータシャフト
11 第1エンコーダ(スライド用エンコーダ)
13 第1サーボアンプ(スライド用サーボアンプ)
20 第2サーボモータ(加工用サーボモータ)
30 回転・直線運動変換機構
37 クラッチ
41 ボールネジ
70 金型
90 コントローラ
96 第3エンコーダ(ボールネジ用エンコーダ)

Claims (4)

  1. 被加工物に押圧される金型が取り付けられるスライドと、
    前記被加工物を前記金型で押圧する加圧工程用の加圧用サーボモータと、
    前記加圧工程以外のアプローチ・上昇工程用のスライド用サーボモータと、
    前記加圧用サーボモータおよび前記スライド用サーボモータの回転運動を直線運動に変換し、前記スライドをスライド移動させる回転・直線運動変換機構と、
    前記加圧用サーボモータおよび前記回転・直線運動変換機構を係脱するクラッチと、
    前記加圧用サーボモータ、前記スライド用サーボモータ、および、前記クラッチの作動を制御して前記スライドを駆動するコントローラとから構成されるサーボプレス。
  2. 前記スライド用サーボモータのモータシャフトの回転量を検出するスライド用エンコーダと、
    前記コントローラからの指令値および前記スライド用エンコーダの検出値により前記スライド用サーボモータの回転駆動を制御するスライド用サーボアンプとを有し、
    前記スライド用サーボモータが前記回転・直線運動変換機構に対して常時連結されており、
    前記コントローラが、前記スライド用サーボアンプを介して前記スライド用エンコーダから常時前記スライド用サーボモータの回転量を検出して前記スライドの位置を算出するように構成された請求項1に記載のサーボプレス。
  3. 前記回転・直線運動変換機構が、前記スライドを駆動するボールネジを含み、
    前記ボールネジの回転量を検出するボールネジ用エンコーダを有し、
    前記コントローラが、前記ボールネジ用エンコーダから前記ボールネジの回転量を検出して前記スライドの位置を算出するように構成された請求項1に記載のサーボプレス。
  4. 請求項1〜3のいずれか一項に記載のサーボプレスを制御する方法であって、
    前記クラッチの係合を解除し、前記スライド用サーボモータを駆動して前記スライドを上停止位置から加圧位置に移動させるステップ、
    前記クラッチを係合し、前記加圧用サーボモータを駆動して前記スライドを前記加圧位置から下停止位置に移動させるステップ、および、
    前記クラッチの係合を解除し、前記スライド用サーボモータを駆動して前記スライドを下停止位置から上停止位置に移動させるステップから構成されるサーボプレスの制御方法。
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