JP4189419B2 - サーボダイクッションの制御装置 - Google Patents

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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サーボダイクッションの制御装置に関する。
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、油圧式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、油圧式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
図12は、通常の加工動作におけるスライド及びダイクッション(クッションパッド)の理想的な位置及び速度の変化をそれぞれ上段及び下段に示すグラフである。先ず上死点に位置するスライドが下降を開始し(A点)、上死点と下死点との間に位置するダイクッションに衝突した後(B点)、ダイクッションとともに下死点に至る(C点)。その後スライドは上昇して上死点に戻るが(D点)、ダイクッションはスライドにやや遅れて上昇を開始して(E点)初期の位置に戻る(F点)。この一連の動作が順次繰り返される。なお図12では、スライド及びダイクッションの速度は上方に向かう場合を正としている。
一般にダイクッションを制御するための速度指令値は、以下の2つの式のいずれかによって求められる。
(1) ダイクッション速度指令値=力偏差×力ゲイン+スライド速度
(2) ダイクッション速度指令値=力偏差×第1力ゲイン+Σ力偏差×第2力ゲイン+スライド速度
ここで力偏差とは、スライドとダイクッションとの間の力の指令値から実際の力(検出値)を引いた差である。
上式(1)又は(2)いずれの場合も、力指令値の方が力検出値より大きい場合(力偏差>0)はダイクッション速度指令値の絶対値はスライド速度(検出値)の絶対値より小さくなり、逆の場合(力偏差<0)はダイクッション速度指令値の絶対値はスライド速度の絶対値より大きくなる。ここでスライドとダイクッションとが衝突した直後は、ダイクッションがスライドから強い力を受けて力検出値が大きく増大するので、力検出値と力指令値との乖離が大きくなり(力指令値<<力検出値)、特に応答性を高めるために力ゲインを高めに設定している場合は、それに伴ってダイクッション速度指令値の絶対値とスライド速度の絶対値との乖離も大きくなる(|ダイクッション速度指令値|>>|スライド速度|)。するとダイクッション速度は、図12のX部の拡大図13に示すように、オーバーシュート及びアンダーシュートを繰り返しながらスライド速度に収束することになる。但し図13ではダイクッションの理想速度プロファイルは省略しており、代わりに各時刻におけるダイクッション速度指令値を重ねて示している。
上述のようにダイクッションは被加工素材をクッションパッドとスライドとの間に挟持する作用を有する。この挟持力が低下すると所定の加工が行えなくなる虞があるため、挟持力の低下防止はダイクッションの制御において重要な事項である。しかし、ダイクッション速度指令値が図13のようなプロファイルを示す場合は、ダイクッションの実速度すなわち速度検出値は図14の上段のグラフに示すようなプロファイルとなり、それによりスライドとダイクッションとの間に発生する力の検出値は図14の下段のような挙動を示す。すると例えば図14のY部に示すように、力検出値が力指令値に対して大きく低下する時間帯が生じ得る。この時間帯では、被加工素材がスライドとクッションパッドとの間で十分な把持力をもって把持されず、所望の加工ができなくなる虞がある。
そこで本発明は、ダイクッションの速度がスライドの速度から大きく乖離しないような制御を行い、両者間の挟持力の低下を防止することが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、スライド及び該スライドに対する力をサーボモータを駆動源として生じさせるダイクッションを制御するサーボダイクッションの制御装置であって、前記スライドと前記ダイクッションとの間に生じさせるべき力を指令する力指令部と、前記スライドと前記ダイクッションとの間に生じる力を検出する力検出部と、前記スライドの速度を検出するスライド速度検出部と、前記力指令部からの指令及び前記力検出部が検出した力に基づいて前記ダイクッションの速度を指令するダイクッション速度指令部と、を有し、前記ダイクッション速度指令部は、前記ダイクッションの速度指令値の絶対値が、前記スライド速度検出部により検出された前記スライドの速度の絶対値以上の閾値を超えないように前記ダイクッションの速度指令を作成することを特徴とする、制御装置を提供する。
また請求項2に記載の発明は、スライド及び該スライドに対する力をサーボモータを駆動源として生じさせるダイクッションを制御するサーボダイクッションの制御装置であって、前記スライドと前記ダイクッションとの間に生じさせるべき力を指令する力指令部と、前記スライドと前記ダイクッションとの間に生じる力を検出する力検出部と、前記スライドの速度指令を作成するスライド速度指令部と、前記力指令部からの指令及び前記力検出部が検出した力に基づいて前記ダイクッションの速度を指令するダイクッション速度指令部と、を有し、前記ダイクッション速度指令部は、前記ダイクッションの速度指令値の絶対値が、前記スライド速度指令部が作成した前記スライドの速度の絶対値以上の閾値を超えないように前記ダイクッションの速度指令を作成することを特徴とする、制御装置を提供する。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の制御装置において、前記閾値は、前記スライドの速度の絶対値に正の定数を加えることにより定められる、制御装置を提供する。
請求項4に記載の発明は、請求項1又は2に記載の制御装置において、前記閾値は、前記スライドの速度の絶対値に1より大きい定数を乗じることにより定められる、制御装置を提供する。
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載の制御装置において、前記ダイクッション速度指令部は、前記スライドと前記ダイクッションとが衝突してから所定の時間が経過するまでの間にのみ、ダイクッションの速度指令値の絶対値が前記スライドの速度の絶対値に等しいか又はいくらか大きい閾値を超えないように前記ダイクッションの速度指令を作成する、制御装置を提供する。
請求項6に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載の制御装置において、前記ダイクッション速度指令部は、前記力指令部が作成した力指令値と前記力検出部が検出した力検出との差である力偏差及び力ゲインの積と、前記スライドの速度及び乗数の積との和に基づいて前記ダイクッションの速度指令を作成し、前記乗数は前記スライドと前記ダイクッションとが衝突したときは1未満であり、時間の経過に伴い1に収束していくように設定される、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、衝突以降のダイクッション速度がスライド速度から大きく乖離することが防止されるので、応答性を高めるためにゲインを大きく設定した場合であっても、スライドとダイクッションとの間に発生する挟持力が不都合に低下することが防止される。
具体的には上記効果は、ダイクッションの速度指令値の絶対値が、スライドの速度の絶対値に正の定数を加えるか又は乗じて得られる閾値を超えないように制限するという簡易な方法によって実現可能である。
また上記の制限を行う時間帯を衝突直後からの一定期間に限定することにより、挟持力の低下が発生しやすい時間帯のみ本発明を適用し、以降の時間帯は従来の力偏差をゼロにする制御を行うことができる。
さらに、ダイクッションの速度指令が力偏差及び力ゲインの積とスライドの速度及び乗数の積との和に基づいて作成される場合は、乗数を1未満の数に設定することによっても、ダイクッションの速度指令値の絶対値を適切に制限することができる。
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
図1は、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10を含むプレス機1の概略構成を示す図である。プレス機1は、図示しないリンク機構等により駆動されるスライド2と、スライド2の動作に対応して移動するダイクッション3とを有し、ダイクッション3はボールねじ4を介してサーボモータ5によって逐次位置決めすなわち速度制御される。スライド2は、スライド指令部12の指令に基づいて制御されてもよい。サーボモータ5を制御する制御装置10は、スライド2の速度を検出するスライド速度検出部又は検出器14と、ダイクッション3の速度を検出するダイクッション速度検出部又は検出器16と、ダイクッション3の速度指令を作成するダイクッション速度指令部18とを有する。
図2は、ダイクッション速度指令部16での処理の流れを示すフローチャートである。先ずステップS101において、メモリ等に格納されているパラメータから正の定数kaを読み込む。次にスライド速度検出器14が検出したスライド速度検出値Vd1を取り込み(ステップS102)、ダイクッション速度指令部18が仮のダイクッション速度指令値Vct2を作成する(ステップS103)。この仮のダイクッション速度指令値は、従来であればそのままダイクッション速度指令として使用されるものである。なお速度を表す符号に含まれるc及びdはそれぞれ指令値及び検出値を意味し、添字1及び2はそれぞれスライド及びダイクッションに関する値であることを意味する。
次にステップS104において、Vct2の絶対値と閾値、すなわちVd1の絶対値に所定の定数kaを加えた値の絶対値とを比較する。ここでVct2が閾値以下である場合(|Vct2|≦|Vd1|+ka)は、ダイクッションの速度指令値はスライド速度検出値から大きく乖離していないと判断できるので、ステップS105に進んで仮の速度指令値Vct2がそのまま真のダイクッション速度指令値Vc2として採用される。逆にVct2が閾値より大きい場合(|Vct2|>|Vd1|+ka)は、ダイクッションの速度指令値がスライド速度検出値から大きく乖離しており、上述のオーバーシュートやアンダーシュートが発生する虞があるので、ステップS106に進み、真のダイクッション速度指令値Vc2を閾値に−1を乗じた値に設定する(Vc2=−(|Vd1|+ka))。但しダイクッションの速度は上方に向かう場合を正とする。次のステップS107では、ステップS105又はS106で設定された速度指令値に基づいてダイクッションの速度制御がなされる。以降、ステップS101〜S107の処理を所定の運転動作が完了するまで反復する。
図3は、上述の第1の実施形態に係る制御装置によって得られるダイクッションの速度指令値Vc1の変化の一例を示すグラフである。図2のステップS106で説明したように、ゲインを高くし過ぎた等の理由により仮のダイクッション速度指令値Vct2がスライド速度検出値Vd1から大きく乖離している場合は、ダイクッション速度指令値Vc2はその絶対値がスライド速度検出値Vd1の絶対値に定数kaを加えた値を超えないように制限(修正)される。ダイクッション速度指令値Vc2がこのようなプロファイルの場合、図4に示すように、ダイクッションの実速度(速度検出値)Vd2はスライド速度から大きく乖離した値とはならず、結果として図14に示したような力検出値が所望の力指令値を大きく下回る時間帯は発生しない。従って、応答性を高めるためにゲインを大きく設定した場合であっても、被加工物は常時適切な範囲の力によってスライドとダイクッションとの間に挟持され、所望の加工を行うことができる。換言すれば本発明は、従来技術のようにスライドとダイクッションとの衝突直後から力偏差をゼロにすることに重点をおく制御を行うのではなく、ダイクッション速度とスライド速度との大小関係に着目した制御を行うことに特徴がある。
なお上述の定数kaはゼロ(すなわち|Vct2|と|Vd1|との大小関係を判定する)としてもよいが、スライドとダイクッションとの間の力が不都合に小さくならない程度にダイクッション速度指令値がスライド速度検出値から乖離していなければ本願の目的は達せられるので、多くの場合kaは正の定数とすることが適当である。なお定数kaは、実験等から経験的に求めることができるが、例えば図3の場合では、スライド速度Vd1の絶対値の最大値は300mm/分であり、定数kaはその1/10程度に設定することが好ましい。従ってこの場合の好適なkaの範囲は10〜50mm/分である。
また第1の実施形態では、Vct2の絶対値と比較する閾値としてVd1の絶対値に定数kaを加えた値を採用したが、代替の閾値としてVd1の絶対値に1以上(例えば1.05〜1.2)の他の定数kbを乗じた値(|Vd1|×kb)を採用することも可能である。その場合、得られるダイクッションの速度指令値の変化は図5のようになり、スライド速度Vd1がゼロに近付いていく領域(グラフ右側)において図3の場合といくらかそのプロファイルが異なるが、この領域ではダイクッション速度のオーバーシュートやアンダーシュートは比較的小さい。従って図5の場合も図3の場合と概ね同様の効果が得られる。
なお図14にて説明したように、力検出値が所望の力指令値を大きく下回る時間帯は、通常はスライドとダイクッションとの衝突直後に発生する。従って衝突直後から所定時間経過した後であれば、従来の力偏差をゼロにすることに重点をおく制御を行っても上述したような問題は生じない。従って以降に述べる第2の実施形態では、ダイクッション速度指令値を制限する時間帯を限定することについて説明する。
図6は、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10aを含むプレス機1の概略構成を示す図である。制御装置10aは第1の実施形態の制御装置10の構成要素に加え、スライド2とダイクッション3との衝突を検知する衝突検知部又は検知器20及び衝突検知器20が衝突を検知してからの経過時間を計数するカウンタ22をさらに含む。
次に図7は、制御装置10aによる制御の流れを示すフローチャートである。先ずステップS201では、メモリ等に格納されているパラメータから正の定数ka及び所定の経過時間に関する値を読み込む。ステップS202及びS203は図2のステップS102及びS103と同様である。次のステップS204では、衝突検知器20を用いてスライドとダイクッションとの衝突の有無を判定する。衝突有りの場合は、カウンタ22による計数を開始し(ステップS205)、カウンタ値CがS201で読み込んだ所定の値(時間)以内であれば(ステップS206)、図2のステップS104と同様の処理すなわちステップS207を実行する。以降のステップS208〜S210は図2のステップS105〜S107と同様である。すなわち所定の値(時間)とは、従来の力偏差をゼロにする制御よりも本発明に係るダイクッション速度指令値の絶対値と閾値とを比較して必要であればダイクッション速度指令値を制限する処理を行うべきである、衝突直後からの時間の範囲を意味し、実験等から求めることができる。一方ステップS206において所定の時間が経過していれば、ダイクッション速度指令値の絶対値と閾値との比較は行わずにステップS208に進んで従来と同様の制御を行う。従って力検出値が力指令値を大きく下回る問題を回避しつつ、力検出値を迅速に力指令値に収束させることが可能になる。
上述してきた実施形態はダイクッション速度指令値の絶対値がスライド速度検出値の絶対値の所定の定数を加え又は乗じた値よりも乖離したらダイクッション速度指令値を制限するものである。ここで従来技術に関して説明したように、従来のダイクッション速度指令値又は本発明における仮のダイクッション速度指令値は、
(1) 力偏差×力ゲイン+スライド速度 又は
(2) 力偏差×第1力ゲイン+Σ力偏差×第2力ゲイン+スライド速度
により求められる。この式を利用し、後述する第3の実施形態では、上記(1)又は(2)式に含まれるスライド速度に1未満の一定数を乗じてダイクッション速度指令値を制限することについて説明する。
図8は、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10bを含むプレス機1の概略構成を示す図である。プレス機1は、スライド2によってダイクッション3にかかる力を検出する力検出部又は検出器24と、スライド2とダイクッション3との間に生じさせるべき力を指令する力指令部26とをさらに含む。またダイクッション速度指令部18には、力偏差(力指令部26からの力指令値から力検出器24からの力検出値を引いた差)に基づいて仮の速度指令を求めるための力ゲイン28が含まれる。
次に図9は、制御装置10bによる制御の流れを示すフローチャートである。先ずステップS301において衝突検知器20がスライドとダイクッションとの衝突を検知したら、次のステップS302において、メモリ等に格納されているパラメータから乗数の初期値α0を読み込む。次に力指令部26が初期の力指令値を作成し(ステップS303)、続けて力検出器24によりスライドとダイクッションとの間に生じている力(力検出値)が取り込まれ(ステップS304)、さらにスライド速度検出器14が検出したスライド速度検出値Vd1が取り込まれる(ステップS305)。
次に、ステップS306においてカウンタ22によって衝突直後からの経過時間すなわちカウンタ値Cが読み込まれ、ステップS307において乗数αを求める。乗数αは、ステップS302で読み込んだ初期値α0を用いて以下の(3)式により計算される。
(3) α=1−(1−α0)×exp(−C)
(3)式より、カウンタ値Cの増加に伴いαは初期値α0から1へ収束していくことがわかる。
次のステップS308では、ステップS307で求めた乗数αを用いて以下の(4)式によりダイクッション速度指令値Vc2を求め、この速度指令値に基づいてダイクッションの制御を行う(ステップS309)。但しFc、Fd及びGはそれぞれ力指令値、力検出値及び力ゲインである。
(4) Vc2=(Fc−Fd)×G+Vd1×α
図10は、制御装置10bにおけるダイクッション速度検出値及び力検出値の変化を示すグラフである。乗数の初期値α0は、1未満の適当な正値(例えば0.7〜0.9)に設定される。ここで(4)式と上述の(1)式とを比較すると、スライド検出値に1未満の乗数αが乗ぜられることにより、ダイクッション速度指令値は従来のやり方で求められる場合よりも絶対値比較で低い値に設定される。ダイクッションの実速度(速度検出値)の絶対値も従来の場合より低めとなり、力検出値のアンダーシュートを回避することができる。またαは徐々に1に収束していくので、力検出値の力指令値への収束もスムーズに行われる。なお初期値α0は、実験等から経験的に求めることができる。
なお最初のステップS301において衝突が検知されなければステップS302〜S309の処理は不必要なので、ステップS310に進んでカウンタ22をクリアし、通常又は従来の手法に基づきダイクッションの位置制御を行う(ステップS311)。
なお制御装置10bのダイクッション速度指令部18において作成されるダイクッション速度指令は、力偏差のPI制御に基づいて行われてもよい。その場合ダイクッション速度指令部18は図11のように、第1及び第2力ゲイン30及び32並びに積分器34を含み、図9のステップS308におけるダイクッション速度指令値を求める計算式が以下の(5)式のように変更される。
(5) Vc2=(Fc−Fd)×Ga+Σ(Fc−Fd)×Gb+Vd1×α
上記(5)式は上述の(2)式に対応するものであり、本発明に係る乗数αによって得られる効果は(4)式の場合と同様である。
なお第1及び第2の実施形態で作成される仮のダイクッション速度指令値も、図8に示す構成によって力偏差に基づいて求めることができる。また上述の実施形態ではいずれもスライド速度としてスライド速度検出値を使用したが、スライドをスライド速度指令部12によって速度制御している場合にはスライド速度検出値とスライド速度指令値はほぼ一致するので、代わりにスライド速度指令値を使用することも可能である。
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を含むプレス機の概略構成図である。 図1に示す制御装置による処理の流れを示すフローチャートである。 第1の実施形態の制御装置によって得られるダイクッション速度指令値の変化を示すグラフである。 図3の場合におけるダイクッション速度検出値及び力検出値の変化を示すグラフである。 図3の変形例を示すグラフである。 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を含むプレス機の概略構成図である。 図6に示す制御装置による処理の流れを示すフローチャートである。 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を含むプレス機の概略構成図である。 図8に示す制御装置による処理の流れを示すフローチャートである。 第3の実施形態におけるダイクッション速度検出値及び力検出値の変化を示すグラフである。 図8の制御装置の変形例を示す図である。 通常の加工動作におけるスライド及びダイクッションの理想的な位置及び速度の変化示すグラフである。 図12の部分拡大図であって、従来のダイクッション速度指令値を併せて示すグラフである。 従来のダイクッションの実速度及び力検出値の変化を示すグラフである。
符号の説明
1 プレス機
2 スライド
3 ダイクッション
4 ボールねじ
5 サーボモータ
10 制御装置
12 スライド速度指令部
14 スライド速度検出器
16 ダイクッション速度検出器
18 ダイクッション速度指令部
20 衝突検知器
22 カウンタ
24 力検出器
26 力指令部
28、30、32 力ゲイン
34 積分器

Claims (6)

  1. スライド及び該スライドに対する力をサーボモータを駆動源として生じさせるダイクッションを制御するサーボダイクッションの制御装置であって、
    前記スライドと前記ダイクッションとの間に生じさせるべき力を指令する力指令部と、
    前記スライドと前記ダイクッションとの間に生じる力を検出する力検出部と、
    前記スライドの速度を検出するスライド速度検出部と、
    前記力指令部からの指令及び前記力検出部が検出した力に基づいて前記ダイクッションの速度を指令するダイクッション速度指令部と、を有し、
    前記ダイクッション速度指令部は、前記ダイクッションの速度指令値の絶対値が、前記スライド速度検出部により検出された前記スライドの速度の絶対値以上の閾値を超えないように前記ダイクッションの速度指令を作成することを特徴とする、制御装置。
  2. スライド及び該スライドに対する力をサーボモータを駆動源として生じさせるダイクッションを制御するサーボダイクッションの制御装置であって、
    前記スライドと前記ダイクッションとの間に生じさせるべき力を指令する力指令部と、
    前記スライドと前記ダイクッションとの間に生じる力を検出する力検出部と、
    前記スライドの速度指令を作成するスライド速度指令部と、
    前記力指令部からの指令及び前記力検出部が検出した力に基づいて前記ダイクッションの速度を指令するダイクッション速度指令部と、を有し、
    前記ダイクッション速度指令部は、前記ダイクッションの速度指令値の絶対値が、前記スライド速度指令部が作成した前記スライドの速度の絶対値以上の閾値を超えないように前記ダイクッションの速度指令を作成することを特徴とする、制御装置。
  3. 前記閾値は、前記スライドの速度の絶対値に正の定数を加えることにより定められる、請求項1又は2に記載の制御装置。
  4. 前記閾値は、前記スライドの速度の絶対値に1より大きい定数を乗じることにより定められる、請求項1又は2に記載の制御装置。
  5. 前記ダイクッション速度指令部は、前記スライドと前記ダイクッションとが衝突してから所定の時間が経過するまでの間にのみ、ダイクッションの速度指令値の絶対値が前記スライドの速度の絶対値に等しいか又はいくらか大きい閾値を超えないように前記ダイクッションの速度指令を作成する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の制御装置。
  6. 記ダイクッション速度指令部は、前記力指令部が作成した力指令値と前記力検出部が検出した力検出との差である力偏差及び力ゲインの積と、前記スライドの速度及び乗数の積との和に基づいて前記ダイクッションの速度指令を作成し、前記乗数は前記スライドと前記ダイクッションとが衝突したときは1未満であり、時間の経過に伴い1に収束していくように設定される、請求項1〜4のいずれか1項に記載の制御装置。
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