JP4102389B2 - サーボダイクッションの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、サーボモータを駆動源としてプレス機械のスライドに力を生じさせるダイクッション機構の制御装置に関し、特には、プレス機械のダイクッション機構が生じる力を制御する制御装置に関する。

曲げ、絞り、打抜き等のプレス加工を行うプレス機械において、加工動作中に、プレス加工に用いる第１の型を支持する可動側の支持部材（一般にスライドと称する）に対し、第２の型を支持する支持部材の側から所要の力（圧力）を加える付属装置として、ダイクッション機構を装備することが知られている。ダイクッション機構は通常、所定の圧力で保持した可動要素（一般にクッションパッドと称する）に、型閉め方向へ移動中のスライド（又は第１の型）を直接又は間接に衝突させた後、型閉め（成形）を経て型開きに至るまで、クッションパッドがスライドに力（圧力）を加えながらスライドと共に移動するように構成されている。この間、例えば、クッションパッドとスライドとの間に被加工素材の加工箇所の周辺領域を挟持することにより、被加工素材の皺の発生を防止することができる。

従来のダイクッション機構は、油圧又は空圧式の装置を駆動源としているものが多く、これらの装置は一定圧力での制御しか行えなかった。また高精度のプレス加工を行うためには、絞り込み時の圧力を一定ではなく絞り込み量に応じて変化させることが望ましいが、油圧又は空圧式の装置ではそれができなかった。

そこで近年、応答性に優れた力制御を可能とするために、サーボモータを駆動源とするダイクッション機構が開発されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載されるダイクッション機構は、プレス機械のスライドの下方に設置されるクッションパッドを、スライドの昇降動作に対応して、サーボモータにより昇降動作させる構成を有する。サーボモータは、クッションパッドの位置に対応させて予め定めた力指令値に基づく力制御により動作して、クッションパッドをスライドと共に移動させながら、クッションパッドからスライドに加わる力（圧力）を調整する。なお、衝突及び圧力の検知は、クッションパッドを介してサーボモータの出力軸に加わる負荷を検出することにより行われる。

特開平１０−２０２３２７号公報

最近のプレス加工においては、より高精度の加工を、生産性を上げるために高速に行うことが要求されている。高速化のためにはスライドの急加速又は急減速を行う必要があるが、高精度の加工を維持すべくスライドとダイクッションとの間の力を指令値に保持するためには、非常に高い力ゲインが必要になる。しかし従来のサーボモータ駆動においては、力指令値が一定ならば力指令値に乗じられる力ゲインも一定であるので、急な加減速のために力ゲインを高くすると緩やかな加減速の場合には振動等の不具合が生じ得る。従って力ゲインはあまり大きくできず、結果として急な加減速時には実際の力が指令値に追従しきれていないという問題が生じていた。

そこで本発明は、スライドの加減速が急な場合でもスライドとダイクッションとの間の力を指令値に追従させ、かつスライドの加減速が緩やかな場合には振動等の不具合を抑制することのできるサーボダイクッションの制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、プレス機械においてサーボモータを駆動源として前記プレス機械のスライドに対する力を生じさせるダイクッション機構の制御装置であって、前記ダイクッション機構と前記スライドとの間に生じさせるべき力指令値を含む力指令を作成する力指令手段と、前記ダイクッション機構と前記スライドとの間に生じている力を検出する力検出手段と、前記力指令値と前記力検出手段が検出した力検出値とに基づいて、前記サーボモータの速度指令値を含む速度指令を作成する速度指令手段と、前記サーボモータの速度を検出する速度検出手段と、前記速度指令値と前記速度検出手段が検出した速度検出値とに基づいて、前記サーボモータの電流指令値を含む電流指令を作成する電流指令手段と、前記スライドの加速度に応じて前記速度指令値及び前記電流指令値の少なくとも一方を補正する補正手段と、有する制御装置を提供する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の制御装置において、前記スライドの位置を検出するスライド位置検出手段をさらに有し、前記スライドの加速度は前記スライド位置検出手段により検出されたスライド位置検出値を２階微分して得られる、制御装置を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の制御装置において、前記スライドの位置指令を作成するスライド位置指令手段をさらに有し、前記スライドの加速度は前記スライド位置指令手段により出力されたスライド位置指令値を２階微分して得られる、制御装置を提供する。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御装置において、前記補正手段は、前記スライドの加速度に定数を乗じた値を前記電流指令値に加算することにより前記電流指令値を補正する、制御装置を提供する。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御装置において、前記速度指令手段は、前記力指令値と前記力検出値との差から定められる力偏差に力ゲインを乗ずることにより前記速度指令を作成し、前記補正手段は、前記スライドの加速度に定数を乗じた値を前記力ゲインに乗ずることにより前記速度指令値を補正する、制御装置を提供する。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御装置において、前記速度指令手段は、前記力指令値と前記力検出値との差から定められる力偏差と第１力ゲインとの積に、前記力偏差の積分値と第２力ゲインとの積を加算することにより前記速度指令を作成し、前記補正手段は、前記スライドの加速度に定数を乗じた値を前記第１及び第２力ゲインの少なくとも一方に乗ずることにより前記速度指令値を補正する、制御装置を提供する。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御装置において、前記電流指令手段は、前記速度指令値と前記速度検出値との差から定められる速度偏差と第１速度ゲインとの積に、前記速度偏差の積分値と第２速度ゲインとの積を加算することにより前記電流指令を作成し、前記補正手段は、前記スライドの加速度に定数を乗じた値を前記第１及び第２速度ゲインの少なくとも一方に乗ずることにより前記電流指令値を補正する、制御装置を提供する。

請求項８に記載の発明は、請求項２又は請求項２に従属するときの請求項４〜７のいずれか１項に記載の制御装置において、前記補正手段は、前記スライドと前記ダイクッションとが衝突してから一定時間が経過してから前記速度指令値又は前記電流指令値の補正を開始する、制御装置を提供する。

本発明に係るサーボダイクッションの制御装置によれば、従来一定であった力ゲインがスライドの加速度に応じて逐次変更されるため、スライドの加速度が急な場合には高い力ゲインによって力の追従性を高め、緩やかな場合には低い力ゲインによって不都合な振動等を抑制することができる。

またスライドの加速度をスライド位置検出値から求める場合は、スライドとダイクッションとが衝突してから一定時間経過後に電流指令値の補正を行うことにより、衝突直後の乱れたスライド検出位置がダイクッションの制御に使用されることを回避することができる。

以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係るサーボダイクッションの制御装置１は、適当なリンク機構２を介してサーボモータ３によって駆動されるスライド４と、スライド４の動作に対応して移動するクッションパッド５を備えたダイクッション機構６とを有するプレス機７において、クッションパッド５とスライド４との間に所定の力（圧力）が生じるように、クッションパッド５を駆動するサーボモータ８を制御する。なお制御装置１以外の構成要素については従来のものと同様であってよいので、詳細な説明は省略する。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係るサーボダイクッションの制御装置１は、ダイクッション機構６とスライド４との間に生じさせるべき力指令を作成する力指令部又は力指令手段１０と、ダイクッション機構６とスライド４との間に生じている力を検出する圧力センサ等の力検出手段１２と、力指令手段１０により出力された力指令値と圧力センサ１２が検出した力検出値とに基づいて、サーボモータ８の速度指令を作成する力ゲインを含む速度指令手段１４と、サーボモータ８の速度を検出する速度センサ等の速度検出手段１６と、速度指令手段１４により出力された速度指令値と速度センサ１６が検出した速度検出値とに基づいて、サーボモータ８の電流指令を作成する電流指令手段１８と、スライド４の加速度を求めるための手段として設けられる、スライド４の位置を検出するポジションセンサ等のスライド位置検出手段２０と、ポジションセンサ２０により検出されたスライド位置検出値を２階微分して得られたスライド加速度を用いて電流指令値を補正する補正手段２２とを有する。なお電流指令手段１８は、速度指令値と速度検出値との差から定められる速度偏差に定数を乗じる比例ゲインすなわち第１速度ゲイン１８ａと、速度偏差を積分してその積分値に定数を乗じる積分ゲインすなわち第２速度ゲイン１８ｂとをさらに有してもよい。

位置検出手段２０は、スライド位置指令を作成するスライド位置指令手段２１に置換されてもよい。その場合補正手段２２は、スライド位置指令値を２階微分してスライド加速度を得る。

次に、図１及び図２のフローチャートを参照して制御装置１０の補正手段２２の作用について説明する。ポジションセンサ２０は所定の単位時間間隔（ここではｄｔとする）でスライド位置を検出してそのデータを補正手段２２に送るように構成されており、補正手段２２はスライド４の初期又は前回のスライド位置をｐ０として記憶している。先ずポジションセンサ２０がスライド位置ｐ１を検出し（ステップＳ１０１）、そのデータを補正手段２２に送る。補正手段２２は、位置データｐ１及びｐ０を用いて現時点のスライド速度ｖ１を次式（１）により求める（ステップＳ１０２）。
ｖ１＝（ｐ１−ｐ０）／ｄｔ （１）
次に現時点のスライド加速度ａ１を、ｖ１及び初期又は前回のスライド速度ｖ０を用いて次式（２）により算出する（ステップＳ１０３）。
ａ１＝（ｖ１−ｖ０）／ｄｔ （２）
換言すれば、スライド加速度はスライド位置を２階微分して得られる。なおスライド位置及び速度ｐ１及びｖ１は、次回の計算のためにそれぞれｐ０及びｖ０に更新される（ステップＳ１０４）。なおステップＳ１０４は、次サイクルにて新たにｐ１が検出されるまでに行えばよいので、例えば後述するステップＳ１０７の後に移動してもよい。

次に、上述のスライド加速度ａ１を用いて、サーボモータ８の補正トルクＴ１を次式（３）により算出する（ステップＳ１０５）。
Ｔ１＝ｋ１・ａ１ （３）
ここでｋ１は所定の定数である。従来であれば電流指令手段から送られてくる電流指令Ｃ０がそのままサーボモータ８の制御に使用されるが、本発明では、上記Ｔ１を加算することによりＣ０を補正して補正電流指令Ｃ１を求め（ステップＳ１０６）、Ｃ１に基づいてサーボモータ８の制御を行う（ステップＳ１０７）。従ってサーボモータ８は、スライド加速度が大きい場合（スライドの加減速が急な場合）はそれに応じた高トルクを生じるように制御され、スライドとダイクッションとの間の力をより迅速に指令値に追従させることができる。逆に、スライド加速度が小さい場合（スライドの加減速が緩やかな場合）は、サーボモータ８は高トルクによって振動等を生じさせないように制御される。このように、スライドの加減速の緩急によらず常に最適なサーボモータの制御を、オペレータ等による設定変更なしに行うことができる。

ステップＳ１０７の次はＳ１０１に戻り、単位時間（ｄｔ）経過後の新たなスライド位置が検出される。なお、スライド位置検出器２０の代わりにスライド位置指令手段２１を使用する場合は、スライド位置検出値ｐ０及びｐ１がスライド位置指令値に置換される（ステップＳ１０１において位置指令値ｐ１が読み出される）が、他のアルゴリズムは同一である。

図３は、図１に類似する、本発明の第２の実施形態に係るサーボダイクッションの制御装置１′を示す図である。また図４は、図２に類似する、制御装置１′の作用を示すフローチャートである。第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、図３に示すように、制御装置１′の補正手段２２′が電流指令値を補正するのではなく速度指令手段１４における力ゲインを補正する点であり、他の点は第１の実施形態と同様であってよい。従って第２の実施形態の説明はその点についてのみ行い、他の説明は省略する。

上述のように、第２の実施形態においては補正手段が力ゲインの値を変更する。すなわち、図４のステップＳ１０１′〜Ｓ１０４′は図２のステップＳ１０１〜Ｓ１０４と同様であるが、ステップＳ１０５′において、補正トルクを求める代わりに、スライド加速度ａ１を用いて力ゲインＧｐ１を次式（４）により算出する。
Ｇｐ１＝ｋ２・Ｇｐ０・ａ１ （４）
ここでｋ２は所定の定数であり、Ｇｐ０は初期の力ゲインである。従来であれば、速度指令手段１４において、力検出値と力指令値との差である力偏差に力ゲインＧｐ０を乗じて速度指令Ｖ０が作成されるが、本発明では、スライド加速度に応じて変化するＧｐ１を用いて補正された速度指令Ｖ１が作成され（ステップＳ１０６′）、さらに速度指令Ｖ１に基づいて補正された電流指令Ｃ１′が作成される（ステップＳ１０７′）。従ってこの場合もサーボモータ８を適切に制御することができる（ステップＳ１０８′）。以降、Ｇｐ１に基づいて速度指令Ｖ１が作成され、速度指令Ｖ１に基づいて電流指令の手順は従来と同様でよいが、力ゲインが変更されているので力ゲインに基づいて算出される速度指令値及び電流指令値も適宜変更されることになる。

なお第２の実施形態の変形例として、図５に部分的に示すように、電流指令手段１４を、力偏差に定数を乗じる比例ゲインすなわち第１力ゲイン１４ａと、力偏差を積分してその積分値に定数を乗じる積分ゲインすなわち第２力ゲイン１４ｂとを有する構成としてもよい。その場合補正手段２２′は、第１及び第２力ゲイン１４ａ及び１４ｂのいずれか一方のみを補正してもよいし、双方を補正することもできる。

図６は、図１及び図３に類似する、本発明の第３の実施形態に係るサーボダイクッションの制御装置１″を示す図である。また図７は、図２及び図４に類似する、制御装置１″の作用を示すフローチャートである。第３の実施形態が他の実施形態と異なる点は、図６に示すように、制御装置１″の補正手段２２″が電流指令手段１８における速度ゲインを補正する点であり、他の点は第１又は第２の実施形態と同様であってよい。従って第３の実施形態の説明はその点についてのみ行い、他の説明は省略する。

図７に示すように、第３の実施形態においては、補正手段が速度ゲインの値を変更する。すなわち、図７のステップＳ１０１″〜Ｓ１０４″は図２のステップＳ１０１〜Ｓ１０４と同様であるが、ステップＳ１０５″において、スライド加速度ａ１を用いて、速度ゲインＧｖ１を次式（５）により算出する。
Ｇｖ１＝ｋ３・Ｇｖ０・ａ１ （５）
ここでｋ３は所定の定数であり、Ｇｖ０は初期の速度ゲインである。従来であれば、電流指令手段１８において、速度検出値と速度指令値との差である速度偏差に速度ゲインＧｖ０を乗じて速度指令Ｃ０が作成されるが、本発明では、スライド加速度に応じて変化するＧｖ１を用いて電流指令Ｃ１″が作成される（ステップＳ１０６″）。従ってこの場合もサーボモータ８を適切に制御することができる（ステップＳ１０７″）。

なお第３の実施形態において、補正手段２２″は、第１及び第２速度ゲイン１８ａ及び１８ｂのいずれか一方のみを補正してもよいし、双方を補正することもできる。

上述の第１〜３の実施形態においてはいずれも、スライド位置を表わすデータとして位置検出値又は位置指令値のいずれかを使用することができる。しかし、実測値である位置検出値を使用する場合は、スライドとクッションパッドとが衝突したときの衝撃によってスライドの位置検出が不安定となり、加速度を算出するには不適切な検出値が得られてしまう場合が多い。従ってその場合には、衝突後から一定時間が経過するまで（検出値が安定するまで）は補正手段による補正が行われないようにすることが好ましい。

図８は、図２のフローチャートの変形例であって、スライドとクッションパッドとの衝突から一定時間が経過するまでは補正手段による補正を行わないようにするためのプロセスの一例について示すものである。

具体的には、ステップＳ１０４の後のステップＳ１１１において、スライドとダイクッションとが既に衝突した後か否かを判定する。衝突前であればダイクッションに圧力が生じていないので補正の必要はなく、故に補正トルクＴ１はゼロとなる（ステップＳ１１２）。衝突後の場合は、適当なカウンタを更新し（ステップＳ１１３）、次に更新されたカウンタ値が予め定めた閾値に達したか否かを判定する（ステップＳ１１４）。カウンタが閾値未満ならステップＳ１１２に進み、閾値以上なら上述のステップＳ１０５に進んで補正トルクＴ１を計算する。図８のフローチャートに基づく補正を行う制御装置によれば、衝突前及び衝突後の一定時間経過前までは補正手段による補正が行われず、不要又は不正確な補正を回避することができる。

なお本実施形態においては、スライドの加速度は位置検出値又は位置指令値を２階微分することにより求められるが、速度センサ等により得られたスライド速度検出値又はスライド速度指令値を１階微分して加速度を求めてもよい。あるいは、加速度センサ等の値をそのまま使用してももちろんよい。また補正手段が求めるゲイン補正値又は電流（トルク）補正値はスライド加速度に一次比例するものとして説明したが、ダイクッション機構の種々の形態に応じて加速度の二乗や平方根に比例するようにすることも当然可能である。

本発明に係る第１の実施形態の制御装置の機能ブロック図である。 第１の実施形態の制御装置の作用を示すフローチャートである。 本発明に係る第２の実施形態の制御装置の機能ブロック図である。 第２の実施形態の制御装置の作用を示すフローチャートである。 第２の実施形態の制御装置の電流指令手段の変形例を示す図である。 本発明に係る第３の実施形態の制御装置の機能ブロック図である。 第３の実施形態の制御装置の作用を示すフローチャートである。 図２のフローチャートの好適な変形例を示すフローチャートである。

符号の説明

１、１′、１″ 制御装置
４ スライド
６ ダイクッション
３、８ サーボモータ
１０ 力指令手段
１２ 力検出手段
１４ 速度指令手段
１６ 速度検出手段
１８ 電流指令手段
２０ スライド位置検出手段
２１ スライド位置指令手段
２２ 補正手段

Claims (8)

1. プレス機械においてサーボモータを駆動源として前記プレス機械のスライドに対する力を生じさせるダイクッション機構の制御装置であって、
   前記ダイクッション機構と前記スライドとの間に生じさせるべき力指令値を含む力指令を作成する力指令手段と、
   前記ダイクッション機構と前記スライドとの間に生じている力を検出する力検出手段と、
   前記力指令値と前記力検出手段が検出した力検出値とに基づいて、前記サーボモータの速度指令値を含む速度指令を作成する速度指令手段と、
   前記サーボモータの速度を検出する速度検出手段と、
   前記速度指令値と前記速度検出手段が検出した速度検出値とに基づいて、前記サーボモータの電流指令値を含む電流指令を作成する電流指令手段と、
   前記スライドの加速度に応じて前記速度指令値及び前記電流指令値の少なくとも一方を補正する補正手段と、
   有する制御装置。
2. 前記スライドの位置を検出するスライド位置検出手段をさらに有し、前記スライドの加速度は前記スライド位置検出手段により検出されたスライド位置検出値を２階微分して得られる、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記スライドの位置指令を作成するスライド位置指令手段をさらに有し、前記スライドの加速度は前記スライド位置指令手段により出力されたスライド位置指令値を２階微分して得られる、請求項１に記載の制御装置。
4. 前記補正手段は、前記スライドの加速度に定数を乗じた値を前記電流指令値に加算することにより前記電流指令値を補正する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御装置。
5. 前記速度指令手段は、前記力指令値と前記力検出値との差から定められる力偏差に力ゲインを乗ずることにより前記速度指令を作成し、前記補正手段は、前記スライドの加速度に定数を乗じた値を前記力ゲインに乗ずることにより前記速度指令値を補正する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御装置。
6. 前記速度指令手段は、前記力指令値と前記力検出値との差から定められる力偏差と第１力ゲインとの積に、前記力偏差の積分値と第２力ゲインとの積を加算することにより前記速度指令を作成し、前記補正手段は、前記スライドの加速度に定数を乗じた値を前記第１及び第２力ゲインの少なくとも一方に乗ずることにより前記速度指令値を補正する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御装置。
7. 前記電流指令手段は、前記速度指令値と前記速度検出値との差から定められる速度偏差と第１速度ゲインとの積に、前記速度偏差の積分値と第２速度ゲインとの積を加算することにより前記電流指令を作成し、前記補正手段は、前記スライドの加速度に定数を乗じた値を前記第１及び第２速度ゲインの少なくとも一方に乗ずることにより前記電流指令値を補正する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御装置。
8. 前記補正手段は、前記スライドと前記ダイクッションとが衝突してから一定時間が経過してから前記速度指令値又は前記電流指令値の補正を開始する、請求項２又は請求項２に従属するときの請求項４〜７のいずれか１項に記載の制御装置。

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