JP4417894B2 - トランスファフィーダ装置の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、搬送ビームの振動を抑制して動作させるトランスファフィーダ装置の制御装置に関する。

トランスファフィーダ装置を、図９に示した概略概念図を参照して簡単に説明する。トランスファフィーダ装置は、一対の搬送ビーム１ａ，１ｂと、この一対の搬送ビーム１ａ，１ｂにおける両端をそれぞれ支持する搬送ビーム作動装置２ａ〜２ｄとを備えており、搬送ビーム１ａ，１ｂにおける互いに対向する複数の爪６ａ，６ｂによって被加工物Ｗを挟むことができるような構造となっている。
各搬送ビーム作動装置２ａ〜２ｄには、一対の搬送ビーム１ａ，１ｂをクランプ・アンクランプ方向に移動させるクランプ装置３ａ〜３ｄ、リフト・ダウン方向に移動させる昇降装置４ａ〜４ｄがそれぞれ設けられている。
また、少なくとも搬送ビーム１ａ，１ｂにおける一方の端部を支持する搬送ビーム作動装置２（図９では、搬送ビーム作動装置２ａ，２ｂ）には、搬送ビーム１ａ，１ｂをアドバンス・リターン方向に移動させるアドバンス装置５ａ，５ｂがそれぞれ設けられている。
各クランプ装置３ａ〜３ｄ、各昇降装置４ａ〜４ｄ、各アドバンス装置５ａ，５ｂには、サーボモータやリニアモータ、シリンダ等により駆動され、ボールネジ機構やリンク機構等を利用して搬送ビーム１ａ，１ｂを動作させる駆動部が設けられている。

各搬送ビーム作動装置２ａ〜２ｄにおけるクランプ装置３ａ〜３ｄ、昇降装置４ａ〜４ｄ、各アドバンス装置５ａ，５ｂの各駆動部は、一対の搬送ビーム１ａ，１ｂが、互いに同期した状態でクランプ、リフト、アドバンス、ダウン、アンクランプ、リターンという三次元動作を繰り返すように、各駆動部に接続された制御装置によってそれぞれ独立して制御されている。このため、一対の搬送ビーム１ａ，１ｂによって、鍛造プレスの金型に被加工物Ｗを搬入し、金型間における被加工物Ｗの移動させ、成型された被加工物Ｗを金型から搬出することができるのである。

ところで、上記のごときトランスファフィーダ装置が安定した搬送機能を果たすためには、被加工物Ｗの搬送動作中において、一対の搬送ビーム１ａ，１ｂが互いに平行に保たれ、かつ、アドバンス方向変位が高精度で一致していなければならない。

しかしながら、トランスファフィーダ装置は、上記のごとく一対の搬送ビーム１ａ，１ｂを作動させるには、以下のような難しい特質を有している。
（１）搬送ビーム１ａ，１ｂの固有振動は一次振動モードのみならず、二次、三次あるいはそれ以上の高次の振動モードを、クランプ方向、リフト方向それぞれに有し、各振動モードの振動減衰が小さい。
（２）被加工物Ｗをクランプしたときには、被加工物Ｗの質量により搬送ビーム１ａ，１ｂの振動特性が変化し、しかも、すべての爪６ａ，６ｂ間に被加工物Ｗをクランプする場合ばかりではなく、歯抜けになったり、一対の搬送ビーム１ａ，１ｂにおける端部の爪６ａ，６ｂ間にだけ被加工物Ｗをクランプしたりする場合もあるため、加工物の搬送状態により搬送ビーム１ａ，１ｂの振動特性が様々に変化する。さらに、爪６ａ，６ｂによって被加工物Ｗをクランプすると、一対の搬送ビーム１ａ，１ｂが被加工物Ｗを介して連結するので、片方の搬送ビームの振動が他方の搬送ビームに伝播し、一対の搬送ビーム１ａ，１ｂ間で共振するので、搬送ビーム１ａ，１ｂの振動特性はより一層複雑に変化する。
（３）装置構成上、直交しているクランプ方向・リフト方向・アドバンス方向それぞれの振動状態が相互に干渉する。具体的には以下のごとき干渉が発生する。一対の搬送ビーム１ａ，１ｂをクランプ方向に急激に動作させると、クランプ方向に振動するばかりでなくリフト方向にも振動する。また、一対の搬送ビーム１ａ，１ｂをリフト方向に急激に動作させると、リフト方向に振動するばかりでなくクランプ方向にも振動する。一対の搬送ビーム１ａ，１ｂをアドバンス方向に急激に動作させると、クランプ方向にもリフト方向にも振動する。そして、搬送ビーム１ａ，１ｂがリフト方向に振動している間にアドバンス方向に移動させると、アドバンス方向の変位がリフト方向に振動周波数と同じ周波数で変動するなどの干渉が生じる。

一方、プレス設備における生産性向上の要求から搬送動作の高サイクル化が望まれており、搬送動作の高サイクル化に伴って、搬送ビーム１ａ，１ｂの動作制御がより一層重要となるのであるが、発明者らは、従来からよく利用されるＰＩＤ制御を適用してトランスファフィーダ制御装置を構成した場合、搬送動作サイクルを速くすることができないという問題が生じることを確認した。かかる問題が生じる理由は、以下のとおりである。

（１）搬送動作が速くなると、搬送動作波形に含まれる周波数成分が搬送ビーム１ａ，１ｂの固有周波数に近くなるため、搬送ビーム１ａ，１ｂがクランプ方向およびリフト方向に大きく振動し、一対の搬送ビーム１ａ，１ｂを規定の平行度に保つことが困難になり、被加工物Ｗを取りこぼすなど、安定した搬送機能を果たせなくなる。したがって一対の搬送ビーム１ａ，１ｂの振動が被加工物Ｗの搬送に影響しない程度の搬送動作サイクルに抑えざるをえない。
（２）プレス加工はトランスファフィーダ装置のリターン動作中に行なわれるが、このときの衝撃で搬送ビーム１ａ，１ｂが振動する。搬送ビーム１ａ，１ｂの振動減衰時間が長いので、搬送動作が速くなると以前のプレス衝撃による残留振動が一対の搬送ビーム１ａ，１ｂを作動させたときに生じる振動に重畳し、搬送ビーム１ａ，１ｂの振動の程度が増大する。したがって振動が減衰するまで待って次の搬送動作を開始せねばならず、結果として搬送動作サイクルが低下する。
（３）装置構造上許容できる程度に、搬送ビーム１ａ，１ｂの固有振動現象が装置に与えるストレスを抑えるように搬送動作サイクルを低下させざるをえない。

上記のようなＰＩＤ制御による問題を解決するために、従来、種々のトランスファフィーダ制御方法（装置）が提案されている（特許文献１〜３：従来例１〜３）。

従来例１（特許文献１）には、運動を伴なう構造物の最適な制振起動制御を効率よく行う「軌道制御装置」が開示されている。この従来例１では、制御対象および駆動系の動特性を記述した状態方程式に基づいて、状態量および操作量により記述される評価関数の値を最大あるいは最小にするフィードバックゲインを演算し、このフィードバックゲインにより補償された状態方程式を、いくつかの制約条件のもとで、最短時間で移動するための軌道を数理計画法で求め、求められた軌道と、フィードバックゲインと状態量の乗算により記述される制御量を加えたものを制御対象に与えて制御対象の運動を制御している。
つまり、従来例１では、制御対象の状態量をセンサにて検出し、最適制御に基づく状態フィードバックによるフィードバック操作量と、数理計画法により求まる、制御対象の固有振動を刺激しないように最短時間で移動するためのフィードフォワード操作量との和で、制御対象を動作させるものとなっているのである。

また、従来例２（特許文献２）には、運動を伴なう構造物の最適な制振軌道制御を効率よく行う「軌道制御装置」が開示されている。この従来例２は、制御対象および駆動系の動特性にジャーク値を含めて記述した状態方程式を、許容最大ジャーク値を含むいくつかの制約条件のもとで、最短時間で移動するための軌道を数理計画法により求めて最適な制振軌道を行うものである。
従来例３（特許文献３）には、モデル化誤差があっても、制御対象で発生する振動を十分に抑制できるようにする「軌道制御装置」が開示されている。従来例３に開示された制御装置は、制約条件に、制御対象に加えるべき操作量を、時間の多項式で記述するという条件を含めた上で、制御対象が、所定移動距離を所定時間で移動し停止位置に位置決めされるための操作量を、数理計画法を用いて求めるものである。
つまり、従来例２，３では、数理計画法により求まる、制御対象の固有振動を刺激しないように、さらに滑らかな軌道で移動するためのフィードフォワード操作量により制御対象を動作させているのである。

しかしながら、上述した従来例１〜３には以下のような問題点がある。
まず、従来例２，３の制御装置は、制御対象が動作することによる制御対象の振動を抑制することはできるが、制御対象の振動状態を検出する手段を有していないため、外部の要因による制御対象の振動を抑制することができない。前述したように、トランスファフィーダ装置はプレス作動時の衝撃により振動するが、従来例２，３の制御装置では、この振動を抑制することができない。

一方、従来例１の制御装置は、最適制御に基づく状態フィードバックを含んでいるので、外部の要因による制御対象の振動を抑制できる構成となっている。
しかしながら、（ｉ）状態フィードバックによる柔軟構造をとる装置のフィードバック制御は、制御対象の位相特性に非常に敏感で、記述される状態方程式が比較的正確に現実の装置位相特性に一致していなければ、制御対象の振動を抑制することが困難であり、また、（ii）実用上問題なく振動抑制のために状態フィードバックが利用できるのは、全ての状態量が正確に検出できるかあるいは位相遅れなく推定できる制御問題に限られるという知見を有している。

従来例１の制御装置をトランスファフィーダ装置の制御に採用した場合を考察すると、以下の（１），（２）の問題が確認できる。
（１）搬送ビームは多くの振動モードを有するので、得られる状態方程式は非常に複雑になる上、搬送ビームの振動特性は被加工物のクランプ状態により様々に変化するので、制御対象の状態方程式を正確に記述することができない（上記（ｉ）の問題）。
（２）搬送ビームの振動状態を検出するには、振動振幅の最も大きい位置に検出器を設置するのが最も効果的であるが、搬送ビームは一次、二次、三次あるいはそれ以上の高次の振動モードを有し、しかもクランプ方向、リフト方向それぞれに異なるので、搬送ビームの振動状態を検知するには、振動モードごとに非常に多数の検出器を必要とする。しかも、搬送ビームは、プレス加工物の輻射熱などにより雰囲気温度が高く、離型材や潤滑油など有害な液体に晒される環境にあるので、上記の多数の検出器すべてを健全に保つことは非常に多大な困難を要する（上記（ii）の問題）。

特開平６−５９７４０号 特開平６−５９７４１号 特開平９−９１１０５号

本発明は上記事情に鑑み、複雑な特性を有し、しかも被加工物のクランプ状態により様々に特性が変化する搬送ビームの振動を、比較的簡単な構成で抑制して、高サイクルな搬送動作が可能なトランスファフィーダ装置の制御装置を提供することを目的とする。

第１発明のトランスファフィーダの制御装置は、プレス装置に設けられる、一対の搬送ビームによって被加工物の移動を行うトランスファフィーダ装置において、前記一対の搬送ビームを作動させる駆動部を制御する制御装置であって、プレス動作に同期して、基準位置と、制御周期の間における前記駆動部が移動する量とに基づいて制御周期ごとに前記駆動部の変位を指示する位置指令値信号を生成する位置指令値波形生成手段と、前記駆動部の基準位置からの変位を検出し、位置検出値信号を生成する駆動部位置検出器と、前記位置指令値信号および前記位置検出値信号に基づいて、前記位置指令値信号に対する前記位置検出値信号の偏差を示す位置制御偏差信号を生成する制御偏差演算手段と、前記位置制御偏差信号に基づいて、前記駆動部の作動速度を指示する駆動部速度指令値信号を演算する操作量演算手段と、前記駆動部位置検出器によって生成された位置検出値信号を時間微分演算して駆動部速度検出値信号を生成し、該駆動部速度検出値信号が前記操作量演算手段によって演算される駆動部速度指令値信号に一致するような駆動力指令値信号を演算する駆動部移動速度調整手段とを備えており、該操作量演算手段が、前記位置制御偏差信号が入力されると、前記駆動部速度指令値信号を演算する操作量算出部と、前記操作量算出部から前記駆動部速度指令値信号が入力されると、該駆動部速度指令値信号が前記駆動部移動速度調整手段に供給されてから、前記駆動部移動速度調整手段により前記前記駆動力指令値信号が前記駆動部供給され該駆動部が移動するまでの伝達特性を表現する状態方程式に基づいて、駆動部状態推定値信号を演算する駆動部状態推定部と、前記駆動部状態推定部から駆動部状態推定値信号が入力されると、前記搬送ビームの固有周波数にゲインピークを持つように設定された状態方程式に基づいて、搬送ビーム振動状態推定値信号を演算する搬送ビーム振動状態推定部とからなり、前記操作量算出部は、前記位置制御偏差信号だけでなく、前記駆動部状態推定値信号および前記搬送ビーム振動状態推定値信号も入力されており、前記駆動部状態推定値信号と前記搬送ビーム振動状態推定値信号により設定されるＨ∞制御問題の解として得られる伝達関数に基づいて、前記駆動力指令値信号を演算するものであることを特徴とする。
第２発明のトランスファフィーダの制御装置は、第１発明において、前記搬送ビーム振動状態推定部における状態方程式は、前記駆動部速度指令値信号が前記駆動部移動速度調整手段に供給されたときにおける前記搬送ビーム変位の実際の動特性と、前記駆動部状態推定部の状態方程式により表現される駆動部変位の動特性との誤差の伝達ゲインよりも、全ての周波数で伝達ゲインが大きくなるように設定された状態方程式であることを特徴とする。

本発明によれば、制御対象における相補感度関数のゲイン特性曲線における谷の周波数帯域が、搬送ビームの振動特性の変化により変わる固有周波数の範囲よりも広くすることができる。つまり、被加工物のクランプ状態の変化に起因して搬送ビームの振動特性は変化するが、搬送ビームの振動特性の変化により搬送ビームの固有周波数が変化しても、その固有周波数は、相補感度関数のゲイン特性曲線における谷の周波数に含まれるから、搬送ビーム振動特性が変化しても、搬送ビームの振動を抑制する効果を保つことができる。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明のトランスファフィーダ装置の制御装置は、鍛造プレスにおいて、金型への被加工物の搬入搬出や、金型間における被加工物の移動を行うトランスファフィーダ装置の作動を制御するものであり、トランスファフィーダ装置における搬送ビームの振動を、比較的簡単な構成で抑制することができ、かつ、フィードバック制御による制御を行いつつ高サイクルな搬送動作ができるようにしたことに特徴を有するものである。

まず、本発明の制御装置を説明する前に、本発明の制御装置が採用されるトランスファフィーダ装置を、図９を参照して簡単に説明する。
図９に示すように、トランスファフィーダ装置は、一対の搬送ビーム１ａ，１ｂと、この一対の搬送ビーム１ａ，１ｂにおける両端をそれぞれ支持する搬送ビーム作動装置２ａ〜２ｄとを備えており、搬送ビーム１ａ，１ｂにおける互いに対向する複数の爪６ａ，６ｂによって被加工物Ｗを挟むことができるような構造となっている。
各搬送ビーム作動装置２ａ〜２ｄには、一対の搬送ビーム１ａ，１ｂをクランプ・アンクランプ方向に移動させるクランプ装置３ａ〜３ｄ、リフト・ダウン方向に移動させる昇降装置４ａ〜４ｄがそれぞれ設けられており、少なくとも搬送ビーム１ａ，１ｂにおける一方の端部を支持する搬送ビーム作動装置２（図９では、搬送ビーム作動装置２ａ，２ｂ）には、搬送ビーム１ａ，１ｂをアドバンス・リターン方向に移動させるアドバンス装置５ａ，５ｂがそれぞれ設けられている。
各クランプ装置３ａ〜３ｄ、各昇降装置４ａ〜４ｄ、各アドバンス装置５ａ，５ｂは、例えば、サーボモータやリニアモータ、シリンダ等により駆動され、ボールネジ機構やリンク機構等を利用して搬送ビーム１ａ，１ｂを動作させる駆動部が設けられており、各駆動部に接続された制御装置によってそれぞれ独立して制御されている。
このため、各搬送ビーム作動装置２ａ〜２ｄにおける各クランプ装置３ａ〜３ｄ、各昇降装置４ａ〜４ｄ、各アドバンス装置５ａ，５ｂの各駆動部を作動させれば、一対の搬送ビーム１ａ，１ｂに、クランプ、リフト、アドバンス、ダウン、アンクランプ、リターンという三次元動作を繰り返させることができるから、一対の搬送ビーム１ａ，１ｂによって、鍛造プレスの金型に被加工物Ｗを搬入し、金型間における被加工物Ｗの移動させ、成型された被加工物Ｗを搬出することができるのである。

つぎに、本発明の制御装置を詳細に説明する。
図示しないが、各クランプ装置３ａ〜３ｄ、各昇降装置４ａ〜４ｄ、各アドバンス装置５ａ，５ｂの各駆動部には、それぞれ本発明の制御装置が接続されている。各制御装置は、各駆動部をそれぞれ独立して制御するものであり、各駆動部の制御装置について、それぞれ独立して以下の発明が成立するのである。

まず、本発明の制御装置を説明する前に、本発明がなされるにいたった考察の経過を説明する。
なお、以下の説明では、各クランプ装置３ａ〜３ｄ、各昇降装置４ａ〜４ｄ、各アドバンス装置５ａ，５ｂの各駆動部として、サーボモータとボールネジによる送り機構を使用した場合を代表として説明するが、リニアモータやシリンダ等を使用する場合にも同様に実現できるのは言うまでもない。

まず、トランスファフィーダ装置の制御対象について説明する。
図２は、制御装置の制御対象をブロック線図にて表わした図である。
図２において、符号１１は、駆動部１０のサーボモータ１１を示している。図２に示すように、このサーボモータ１１の出力軸には、その回転角を検出し、回転角検出値信号θを出力する回転角検出器１２が接続されている。この回転角検出器１２から出力された回転角検出値信号θは時間微分器１３によって時間微分演算され、演算された回転速度検出値信号ωがサーボアンプ１４に入力されるように構成されている。このサーボアンプ１４は、回転速度検出値信号ω、および、本発明の制御装置から供給される操作量信号ｕが入力されており、内部に実現されている回転速度制御器によって、回転速度検出値信号ωが操作量信号ｕに一致するように、サーボモータ１１の励磁コイルにモータ駆動電流ｉを発生させるものである。なお、操作量信号ｕは、サーボモータ１１の出力軸の回転角速度を指示する信号である。

したがって、サーボモータ励磁コイルにモータ駆動電流ｉを発生させると、サーボモータ１１の出力軸にはモータ駆動電流ｉにより出力トルクが生じ、この出力トルクにより制御対象である装置負荷ＥＬ、具体的には駆動部と駆動部に連結されている搬送ビーム１ａ，１ｂが動作する。装置負荷ＥＬが動作するとき、装置負荷ＥＬの慣性力・弾性力・粘性抵抗力などが負荷応力としてサーボモータ１１の出力軸に作用するので、サーボモータ１１の出力軸は、負荷応力がサーボモータ１１の出力トルクと釣り合うように回転する。すると、サーボモータ１１の出力軸の回転が回転角検出器１２によって回転角検出値信号θとして検出されるから、この回転角検出値信号θにボールネジ１５のネジピッチｌを乗じれば、制御対象の出力である駆動部の基準位置からの移動量、つまり、駆動部の変位が位置検出値信号ｙとして検出されるのである。ここでいう駆動部の基準位置とは、トランスファフィーダ装置が初期の姿勢にあるときの駆動部の位置を意味している。例えば、駆動部の機構上制約される動作範囲のいずれか一方の端点であり、駆動部の変位には、その基準位置からの移動量が相当することになる。

図２のブロック線図において、制御対象である各要素、具体的には、サーボモータ１１、回転角検出器１２、時間微分器１３、サーボアンプ１４は時不変な制御要素であるので、それぞれの伝達関数、すなわちラプラス演算子ｓの有理関数、またはそれと等価な状態方程式で表現できる動特性を持ち、操作量信号ｕから位置検出値信号ｙまでの動特性を、まとめてひとつの伝達関数で表記できるものと仮定できる。
ところが、搬送ビーム１ａ，１ｂの動特性は図２の装置負荷ＥＬに含まれ、前述したように、搬送ビーム１ａ，１ｂには、一次、二次、あるいはそれ以上の振動モードが存在し、振動特性が搬送状態により様々に変化するため、実際の装置負荷ＥＬの動特性を伝達関数で表現することは困難である。
そこで、伝達関数で表現することができる公称制御対象特性Ｐ（ｓ）を考察し、実際の制御対象特性は、公称制御対象特性Ｐ（ｓ）が、以下の数式１のように変化したものと見なすものとする。ここでΔ（ｓ）は、数式２を満たす可変で安定な伝達関数で、Ｗ_Ｔ（ｓ）は重みを表す安定な伝達関数である。

数式１

数式２

数式１によれば、トランスファフィーダ装置の制御装置の制御ブロック線図は図３のように考察できる。なお、図３中におけるＫ（ｓ）は、位置制御器の伝達関数、つまり、本発明の制御装置の伝達関数である。図３に示すように、公称制御対象特性Ｐ（ｓ）、重み関数Ｗ_Ｔ（ｓ）、Δ（ｓ）からの出力信号をそれぞれ、ｙ，ｚ，ｗとすれば、数式３の関係が成り立つ。

数式３

すると、数式１〜数式３より、以下の数式４が得られる。

数式４

ここで、図３に示すブロック線図において、破線で囲った２つの部分がそれぞれ１つの伝達関数で表現できるとすると、２つの伝達関数のつくる閉ループが安定であるための十分条件は、言い換えれば、本発明の制御装置の伝達関数Ｋ（ｓ）と制御対象からなる閉ループが安定であるための十分条件は、スモールゲイン定理より数式５のようになり、数式２と数式５より数式６が得られる。

数式５

数式６

なお、数式５および数式６において、伝達関数Ｔ（ｓ）は、以下の数式７で表される制御ループの相補感度関数と称される伝達関数であり、制御対象を公称制御対象としたときの位置指令値信号ｒから位置検出値信号ｙまでの伝達関数に等しい（図４参照）。

数式７

数式６は重み関数Ｗ_Ｔと制御ループの相補感度関数Ｔ（ｓ）との積のゲインのみを制約したものとなるから、公称制御対象特性Ｐ（ｓ）、つまり、公称制御対象伝達関数Ｐ（ｓ）が実際の制御対象に含まれる搬送ビーム１ａ，１ｂの振動特性を十分に表現していなくても、搬送ビーム１ａ，１ｂの固有周波数にてゲインピークをもつような周波数特性になるよう、重み関数Ｗ_Ｔの特性を設定するだけで、搬送ビーム１ａ，１ｂの振動を抑制するように、搬送ビーム１ａ，１ｂの動作を制御することができる。
なぜなら、図４（Ａ）（ａ）に示すように、重み伝達関数Ｗ_Ｔが搬送ビーム１ａ，１ｂの振動状態を推定できるようなものとすれば、そのような重み関数Ｗ_Ｔの設定された条件下で、数式６を満たす位置制御器の伝達関数Ｋ（ｓ）が求まれば、図４（Ａ）（ａ）の位置指令値信号ｒから搬送ビーム振動状態推定値ｚまでのゲインをすべての周波数で１未満にすることができるからである。そして、そのような位置制御器の伝達関数Ｋ（ｓ）を利用すれば、図４（Ａ）（ｂ）のように振動特性を有する実際の制御対象の制御ループにおいても、位置指令値信号ｒから位置検出値ｙまでのゲインをすべての周波数で１未満にすることができるので、搬送ビーム１ａ，１ｂの振動を抑制することができるのである。

つぎに、数式６を満たす位置制御器の伝達関数Ｋ（ｓ）を導出する。
図５は一般化プラントの制御ブロック図である。図５中、ｗ_１，ｗ_２は一般化プラントに対する入力状態量、ｚ_１，ｚ_２は出力状態量である。Ｗ_Ｔ（ｓ）は、数式１の重み関数である。αおよびεは正定数である。
上述した位置制御器の伝達関数Ｋ（ｓ）は、図５に示す一般化プラントにおいて、Ｈ∞制御問題を解くことで求められる伝達関数であり、ｕ_ｇ，ｙ_ｇはそれぞれ、一般化プラントの制御入力、制御出力を表わす状態量である。図５において、信号ｗ_１から信号ｚ_１までの伝達関数Ｔ_ｚ１ｗ１は、数式８に示すようになる。ただし、Ｓ（ｓ）は数式９に示すようになる。

数式８

数式９

一方、信号ｗ_２から信号ｚ_１までの伝達関数Ｔ_ｚ１ｗ２は、数式１０に示すようになる。

数式１０

数式８および数式１０の伝達関数に対して、数式１１に示すＨ∞制御問題を設定する。

数式１１

この数式１１を解き解Ｋ（ｓ）が存在すれば、解Ｋ（ｓ）からなる伝達関数Ｋ（ｓ）により数式６も満たされるので、解Ｋ（ｓ）を、本発明の制御装置の伝達関数として利用することができるのである。

つぎに、上記のごとき、伝達関数Ｋ（ｓ）の具体例を、公称制御対象モデルにおいて、具体的な伝達関数を示しながら説明する。
なお、以下では、本発明の説明を容易にするため、便宜上、公称制御対象モデルとして最も単純な数学モデルを用いるが、本発明はこれに限定されるものではなく、各伝達関数をさらに複雑に表現すれば、より高性能なトランスファフィーダ制御装置を構成することも可能である。

図６は駆動部の公称制御対象モデルの一例を示した図である。図６のモデルは、搬送ビーム１ａ，１ｂの中央の対称線で１／２にした剛体モデルで、図６中、Ｊはサーボモータ回転子およびボールねじなど回転体の慣性モーメントの和であり、Ｍは作用部および搬送ビーム１ａ，１ｂなど移動体の質量の和である。サーボモータの励磁電流をｉ、トルク定数をＫ_ｔとし、サーボモータ出力軸の回転角をθ、同回転速度をω、移動体の変位をｙとすれば、公称制御対象モデルの状態方程式は、以下の数式１２で表される。
なお、駆動部として、サーボモータとボールネジによる送り機構以外の機構、例えば、リニアモータやシリンダ等を用いた場合には、これらの機構に適した公称制御対象モデルを設定すればよく、また、異なる公称制御対象モデルを設定すれば、以下の数式１２に示される状態方程式は、設定された公称制御対象モデルに応じた数式となるのは、言うまでもない。

数式１２

さらに、サーボアンプの速度制御器の伝達関数Ｋ_ｓを数式１３のように設定し、操作量信号ｕに対するサーボモータ回転速度検出値信号ωの速度フィードバック制御をほどこすものとする。なお、数式１３、Ｋ_１，Ｋ_２は速度フィードバック制御のゲインである。

数式１３

この数式１３の速度フィードバック制御によれば、公称制御対象Ｐ（Ｓ）の状態方程式は以下の数式１４のようになる。なお、数式１４において、ｘ_ｋは速度フィードバック制御の状態量である。

数式１４

ここで、実際のトランスファフィーダ装置において、その搬送ビーム１ａ，１ｂに変位検出器を設置し、操作量信号ｕから実際の搬送ビーム１ａ，１ｂの変位までの動特性、つまり、操作量信号ｕが駆動部１０に入力されてから搬送ビーム１ａ，１ｂが移動するまでの動特性（以下、実動特性という）を測定し、数式１５に基づいて、公称制御対象伝達関数Ｐ（Ｓ）に対する実動特性の変化分のゲイン特性を算出し、このゲイン特性をボード線図にプロットすると、図６中における実線のような波形が得られる。

数式１５

ここで、図４（Ａ）（ａ）における位置指令値信号ｒから搬送ビーム振動状態推定値ｚまでのゲインが全ての周波数において１未満となり、搬送ビーム１ａ，１ｂの振動が抑制されるためには、全ての周波数において、公称制御対象の伝達関数Ｐ（Ｓ）に対する実動特性の変化分よりも、重み関数Ｗ_Ｔのゲイン特性が大きくなるように、重み関数Ｗ_Ｔを設定すればよい。具体的には、数式１６のように設定すればよい。ここで、数式１６中、ω_ｎは搬送ビーム１ａ，１ｂの一次の固有周波数であり、数式１６中、Ｋ_ｗ，ζ_１，ζ_２は、重み関数Ｗ_Ｔのゲイン特性を調整するパラメータである。

数式１６

数式１６の重み関数Ｗ_Ｔのゲイン特性をボード線図にプロットすると、図７中における破線のようになる。すると、重み関数Ｗ_Ｔのゲイン特性曲線が、公称制御対象伝達関数Ｐ（Ｓ）に対する実動特性の変化分のゲイン特性曲線を覆うように設定されていることが分かる。

数式１６は、等価な状態方程式、例えば、数式１７の状態方程式に変換することができる。数式１７中、ｘ_１，ｘ_２，ｘ_３，ｘ_４，ｘ_５，ｘ_６は重み関数Ｗ_Ｔを表現するための状態変数である。
なお、数式１６を変換した等価な状態方程式は、数式１７の状態方程式に限られず、その変換形は無限に存在するので、後述する数式１８の状態方程式により設定されるＨ∞制御問題を解く上で最適な状態方程式を採択すればよい。

数式１７

以上により、図５に示す一般化プラントの状態方程式は、数式１８から求めることができるので、この数式１８の状態方程式により設定されるＨ∞制御問題を解けば、位置制御器の伝達関数Ｋ（ｓ）を求めることができる。

数式１８

図８は、数式１８の状態方程式により設定されるＨ∞制御問題を解いて求められた伝達関数Ｋ（ｓ）を有する位置制御器を、制御装置として採用した公称制御対象における制御ループの相補感度関数Ｔのゲイン特性をプロットした図である。図８に示すように、相補感度関数Ｔのゲイン特性曲線に、搬送ビーム１ａ，１ｂの一次固有周波数において、従来のＰＩＤ制御器による制御ループには見られない、ピークにて−３０ｄＢ近い谷が認められる。よって、搬送ビーム１ａ，１ｂの一次の振動モードを最も効果的に抑制する制御装置特性が得られていることが分かる。
しかも、高い周波数帯域では、−２５ｄＢ以下にゲインが抑えられていることが認められるから、搬送ビーム１ａ，１ｂの振動モードのうち、一次の振動ばかりでなく高次の振動も抑制する制御装置特性が得られていることが分かる。
さらに、前述したように搬送ビーム１ａ，１ｂの振動特性は被加工物Ｗの搬送状態（クランプ状態）により様々に複雑に変化するのであるが、相補感度関数Ｔのゲイン特性曲線における谷の周波数帯域が、搬送ビーム１ａ，１ｂの振動特性の変化により変わる固有周波数の範囲より広い。言い換えれば、搬送ビーム１ａ，１ｂの振動特性の変化により変わる搬送ビーム固有周波数が変化しても、その周波数は、相補感度関数Ｔのゲイン特性曲線における谷の周波数に含まれるから、搬送ビーム振動特性が変化しても、搬送ビーム１ａ，１ｂの振動を抑制する効果は保たれることが分かる。

上記のごとき方法により、各クランプ装置３ａ〜３ｄ、各昇降装置４ａ〜４ｄ、各アドバンス装置５ａ，５ｂの駆動部を制御する本発明の制御装置について伝達関数Ｋ（ｓ）を求めれば、クランプ方向、リフト方向およびアドバンス方向の各方向における公称制御対象の制御ループの相補感度関数Ｔのゲイン特性は、全て図８に示したものと同様になる。そして、各方向において、搬送ビーム１ａ，１ｂの一次振動モードの固有周波数は、どの方向も、通常、８〜１１Ｈｚ程度の範囲にあるが、この周波数帯域の制御ループ相補感度関数のゲインは−２５ｄＢ以下になっているから、どの駆動部１０により搬送ビーム１ａ，１ｂを作動させても搬送ビームの振動を抑制することができる。しかも、どの方向も搬送ビーム１ａ，１ｂの一次振動モードの固有周波数が８〜１１Ｈｚ程度の範囲にあるから、動作方向間の相互干渉の振動も抑制できるのである。

また、本発明の制御装置では、プレス作動時の衝撃等の外力により搬送ビーム１ａ，１ｂが振動すると、この振動状態は、搬送ビーム１ａ，１ｂの反力に重畳されることによって回転角検出値信号θに反映され、ひいては位置検出値信号ｙに反映される（図２参照）。すると、駆動部１０が作動したことにより発生する搬送ビーム１ａ，１ｂの振動だけでなく、外力に起因する搬送ビーム１ａ，１ｂの振動をも抑制するような操作量信号が制御装置によって生成される。よって、本発明の制御装置では、搬送ビーム１ａ，１ｂに特別なセンサを設けるなどしなくても、外乱に起因する搬送ビーム１ａ，１ｂの振動も抑制することができる。

以上のごとく、本発明の制御装置は、各クランプ装置３ａ〜３ｄ、各昇降装置４ａ〜４ｄ、各アドバンス装置５ａ，５ｂの駆動部１０としてサーボモータとボールネジによる送り機構を使用した場合には、例えば、数式１８の状態方程式により設定されるＨ∞制御問題を解いて求められた伝達関数Ｋ（ｓ）を有するように構成されるのであるが、この制御装置を実現するためには、以下のごとき複数の手段が必要であり、かつ、各手段を図１のブロック線図に示すような構成とする必要がある。以下に、各手段の機能と、各機能の関係を説明する。
なお、本発明の制御装置の伝達関数Ｋ（ｓ）は、上記の考察に沿って求められるものであればよく、駆動部１０の構成や搬送ビーム、その他の制御対象に含まれる部材や機器によって、数式１２〜数式１８に示した具体的な数式が変化するのは、いうまでもない。

図１に示すように、本発明の制御装置２０は、位置指令値波形生成手段２１、駆動部位置検出器２２、制御偏差演算手段２３および操作量演算手段３０と、駆動部移動速度調整手段とを備えており、駆動部移動速度調整手段から発信される操作量信号ｕが駆動部１０の駆動部駆動手段に入力されるように構成されているのである。
なお、図１において、駆動部移動速度調整手段とは、上述した例ではサーボアンプ１４が該当し、駆動部駆動手段とは、上述した例ではサーボモータ１１が該当する。

（１）位置指令値波形生成手段２１
位置指令値波形生成手段２１は、例えば、あらかじめ演算して記憶されている位置指令値系列に基づいて、プレス動作に同期して、制御周期ごとに位置指令値信号を生成し、位置指令値信号を制御偏差演算手段２３に送信するものである。
また、位置指令値信号とは、所定の制御周期（例えば０．１ｍｓの期間）経過後に搬送ビーム１の予定到達位置を指示する信号であり、位置指令値系列とは、例えば、駆動部１０の駆動機構がサーボモータとボールネジ機構によって構成されている場合であれば、所定のタイミング、つまり、プレスクランク軸の所定のクランク角度に対応するサーボモータの基準位置からの回転角度等が記載されたものであり、この場合、サーボモータの基準位置が特許請求の範囲にいう基準位置に相当し、サーボモータの基準位置からの回転角度等が駆動部の変位に相当することになる。

（２）駆動部位置検出器２２
駆動部位置検出器２２は、駆動部１０における駆動機構の変位、つまり、所定のサンプル期間内における駆動機構の作動量を検出し、駆動部１０の基準位置からの変位を示す位置検出値信号を生成するものである。例えば、駆動機構としてサーボモータとサーボモータに接続されたボールねじによる送り機構を利用した場合は、回転角検出器１２から出力された回転角検出値信号θが入力され、この回転角検出値信号θにボールネジ１５のネジピッチｌを乗じて、位置検出値信号ｙを算出するものである。
なお、駆動部位置検出器２２は、図２に記載されている回転角検出器１２や、回転角検出値信号θを時間微分して回転速度検出値信号ωを算出する時間微分器１３の機能も備えていてもよい。この場合には、回転角検出器１２や時間微分器１３を独立して設ける必要がないので、装置構成を簡単にすることができる。

（３）制御偏差演算手段２３
制御偏差演算手段２３は、位置指令値信号から位置検出値信号ｙを差し引き、駆動部の目的位置に対する駆動部の現在位置の偏差を算出し、この偏差を含む位置制御偏差信号を生成し、生成された位置制御偏差信号を操作量演算手段３０に供給するものである。

（４）操作量演算手段３０
操作量演算手段３０は、制御偏差演算手段２３から供給される位置制御偏差信号が入力され、駆動部速度指令値信号を駆動部移動速度調整手段に出力するものである。この操作量演算手段３０は、搬送ビーム１自身の移動により搬送ビーム１に発生する振動、および、外部で発生する振動、例えば、プレス加工時に発生する振動等を抑制する搬送ビーム１の振動を抑制するように構成された伝達関数を有するように構成されている。つまり、操作量演算手段３０は、その伝達関数が、数式１８の状態方程式により設定されるＨ∞制御問題を解いて求められた伝達関数Ｋ（ｓ）となるように構成されているのである。
なお、駆動部速度指令値信号とは、駆動機構として、図６のような、サーボモータとサーボモータに接続されたボールねじによる送り機構を利用した場合は、搬送ビーム１の現在位置から搬送ビーム１の目的位置まで移動させる間におけるサーボモータ１１の主軸の回転角速度を含む信号が該当する。

図１に示すように、操作量演算手段３０は、駆動部状態推定部３１と、搬送ビーム振動状態推定部３２と、操作量算出部３３とを備えている。

（５）駆動部状態推定部３１
駆動部状態推定部３１は、後述する操作量算出部３３によって算出される駆動部速度指令値信号が入力されると、この駆動部速度指令値信号が後述する駆動部移動速度調整手段に供給されてから駆動部１０が目的位置まで移動する間の伝達特性を表現する状態方程式に基づいて、駆動部状態推定値信号を演算するものである。言い換えれば、駆動部１０の移動特性を表現する状態方程式（上述した各数式では公称制御対象伝達関数Ｐ（Ｓ）が該当する）に基づいて、駆動部位置推定値信号を含む駆動部状態推定値信号を演算し、搬送ビーム振動状態推定部３２および操作量算出部３３出力するものである。例えば、駆動部１０の駆動機構としてサーボモータとサーボモータに接続されたボールねじによる送り機構を利用した場合は、駆動部状態推定部３１には、サーボモータ１１の主軸の回転角速度が駆動部速度指令値信号として入力される。そして、駆動部１０に設けられたサーボモータの回転特性を表現する状態方程式に基づいて、駆動部状態推定値信号が演算されるのである。
なお、駆動部位置推定値信号は、サーボモータ回転角推定値信号に相当する。そして、駆動部状態推定値信号には、サーボモータ回転角推定値信号、サーボモータ回転速度推定値信号、速度フィードバック制御状態値信号が含まれているが、これらの信号は、駆動部速度指令値信号が駆動部移動速度調整手段に供給されたときにサーボモータがどのように作動するかを推定する信号である。

（６）搬送ビーム振動状態推定部３２
搬送ビーム振動状態推定部３２は、駆動部状態推定部３１から駆動部状態推定値信号が入力され、搬送ビーム振動状態推定値信号を出力するものである。この搬送ビーム振動状態推定部３２において、所定の状態方程式に基づいて、搬送ビーム振動状態推定値信号が演算される。
所定の状態方程式とは、搬送ビーム固有周波数を中心として広範囲の周波数帯域においてゲインピークを持ち、搬送ビーム振動特性を含む実際の制御対象の移動特性（実際の制御対象特性）の、駆動部１０の移動特性（上述した各数式では公称制御対象特性Ｐ（ｓ）が該当する）からの変化分（上述した各数式におけるΔ（ｓ）Ｗ_Ｔ（ｓ）が該当する）の伝達関数ゲインに比べて、全ての周波数で伝達ゲインが大きくなるように設定された状態方程式（上述した各数式におけるＷ_Ｔ（ｓ）が該当する）である

このため、搬送ビーム振動状態推定部３２によれば、実際の搬送ビーム振動特性に比べて、広範囲の周波数帯域においてゲインピークを持つように特性が設定されているので、本発明によるトランスファフィーダ制御装置は、被加工物のクランプ状態により搬送ビーム１の振動特性が変化しても搬送ビーム１の振動を抑制することができ、また、搬送ビーム１が動作方向ごとに異なる固有周波数をもっていて、動作方向間に相互に干渉しても、搬送ビーム１の振動を抑制することができるのである。
なお、広範囲の周波数帯域とは、被加工物のクランプ状態により搬送ビーム１の振動特性が変化したときにおいて、変化した振動特性における固有周波数が全てゲインピークを中心とする山に含まれるような周波数帯域を意味する。

（７）操作量算出部３３
操作量算出部３３は、前記制御偏差演算手段２３から位置制御偏差信号が入力されており、この位置制御偏差信号入力されると所定の伝達関数に基づいて駆動部速度指令値信号を演算して出力するものである。所定の伝達関数は、搬送ビーム振動状態推定部３２から入力される駆動部状態推定値信号と、搬送ビーム振動状態推定部３２から入力される搬送ビーム振動状態推定値信号により設定されたＨ∞制御問題の解として得られる伝達関数であり、上述した数式１８の状態方程式のＨ∞制御問題の解が該当する。
なお、駆動部速度指令値信号は、駆動部１０の駆動機構としてサーボモータとサーボモータに接続されたボールねじによる送り機構を利用した場合は、サーボモータ回転速度を指示する信号である。

（８）駆動部移動速度調整手段
駆動部移動速度調整手段は、駆動部位置検出値信号に時間微分演算をほどこして駆動部速度検出値信号を生成し、駆動部速度検出値信号が駆動部速度指令値信号操作量信号に一致するように駆動力指令値信号を演算するものである。図２に示すように、駆動部１０の駆動機構としてサーボモータとサーボモータに接続されたボールねじによる送り機構を利用した場合は、サーボアンプ１４が該当し、駆動力指令値信号（図２ではモータ駆動電流ｉ）は、サーボモータ駆動電流を指示する信号となる。

（９）駆動部駆動手段
駆動力指令値信号を受け、駆動力指令値信号にて指示された駆動力を発生させるものであり、駆動部１０の駆動機構としてサーボモータとサーボモータに接続されたボールねじによる送り機構を利用した場合は、図２におけるサーボモータ１１が該当する。

以上の説明では、サーボモータ回転速度指令値を与え、サーボモータ回転速度検出値がサーボモータ回転速度指令値に一致するようサーボモータ駆動電流を調整する速度制御フィードバックループをもつ形態、すなわち、制御装置が駆動部移動速度調整手段をもつ形態について説明したが、操作量信号として駆動部の駆動力を直接指示する駆動力指令値をサーボモータに直接与えるように構成してもよい。この場合、駆動部状態推定部３１の状態方程式および振動状態推定部３２の状態方程式を以下のように変更すれば、速度制御フィードバックループをもつ形態と同様の機能を有するトランスファフィーダ制御装置を構成できる。
駆動部状態推定部３１の状態方程式（変更状態方程式１）は、駆動力指令値信号が駆動部１０に供給されてから駆動部１０が目的位置まで移動する間の伝達特性を表現するように変更する。
また、搬送ビーム振動状態推定部３２の状態方程式（変更状態方程式２）は、上記のごとく変更された変更状態方程式１に基づいて演算される駆動部状態推定値信号が入力されたときに、搬送ビーム振動状態推定値信号が演算できるように変更する。なお、変更状態方程式２も、搬送ビーム１の固有周波数を中心として広範囲の周波数帯域においてゲインピークを持つように設定された状態方程式であるのは、言うまでもない。

本発明の制御装置を用いてトランスファフィーダ装置を作動させた場合と、PID制御器による制御装置を用いてトランスファフィーダ装置を作動させた場合において、搬送ビームの振動状況を比較した。
本実施例では、搬送ビームをリフト方向に作動させて、その振動の減衰状況を確認した。
搬送ビームの振動状態を測定するために、搬送ビーム左右両端の支持点部、搬送ビーム中央部、さらに以上３点の中点にある連結部と称される部位左右それぞれ、計5箇所に加速度検出器を設置した。

図１０（ａ）は本発明の制御装置を用いてトランスファフィーダ装置を作動させた場合であり、図１０（ｂ）はＰＩＤ制御器による制御装置を用いてトランスファフィーダ装置を作動させた場合である。

従来のＰＩＤ制御器によるトランスファフィーダ装置の動作では、リフト動作中における搬送ビームが激しく振動して、各加速度検出値信号が変動しており、搬送ビームの一次モードの振動が顕著に観察される。
これに対して、本発明の制御装置によるトランスファフィーダ装置の動作では、搬送ビームの振動が著しく抑制され、望んでいた搬送動作を果たせたことが、搬送ビーム加速度検出値信号の推移から確認できる。
したがって、本発明の制御装置によれば、トランスファフィーダ装置の動作の振動を抑制できることが確認できる。

本発明の制御装置２０のブロック線図である。 制御装置の制御対象をブロック線図にて表わした図である。 制御対象の制御ループを表したブロック図である。 本発明の制御装置２０の搬送ビーム振動抑制作用を説明した図である。 一般化プラントの制御ブロック図である。 駆動部の公称制御対象モデルの一例を示した図である。 図６の公称制御対象モデルの動特性と、実際に測定された動特性の変化分のゲイン特性値とを示した図である。 数式１８の状態方程式により設定されるＨ∞制御問題を解いて求められた伝達関数Ｋ（ｓ）を有する位置制御器を、制御装置として採用した公称制御対象における制御ループの相補感度関数Ｔのゲイン特性をプロットした図である。 本発明の制御装置によって動作が制御されるトランスファフィーダの概略概念図である。 （Ａ）は本発明の制御装置を用いてトランスファフィーダ装置を作動させた場合であり、（Ｂ）はPID制御器による制御装置を用いてトランスファフィーダ装置を作動させた場合である。

符号の説明

１ 搬送ビーム
１０ 駆動部
１１ サーボモータ
１２ 回転角検出器
１３ 時間微分器
１４ サーボアンプ
２０ 制御装置
２１ 位置指令値波形生成手段
２２ 駆動部位置検出器
２３ 制御偏差演算手段
３０ 操作量演算手段
３１ 駆動部状態推定部
３２ 搬送ビーム振動状態推定部
３３ 操作量算出部
ＥＬ 装置負荷

Claims (2)

1. プレス装置に設けられる、一対の搬送ビームによって被加工物の移動を行うトランスファフィーダ装置において、前記一対の搬送ビームを作動させる駆動部を制御する制御装置であって、
   プレス動作に同期して、基準位置と、制御周期の間における前記駆動部が移動する量とに基づいて制御周期ごとに前記駆動部の変位を指示する位置指令値信号を生成する位置指令値波形生成手段と、
   前記駆動部の基準位置からの変位を検出し、位置検出値信号を生成する駆動部位置検出器と、
   前記位置指令値信号および前記位置検出値信号に基づいて、前記位置指令値信号に対する前記位置検出値信号の偏差を示す位置制御偏差信号を生成する制御偏差演算手段と、
   前記位置制御偏差信号に基づいて、前記駆動部の作動速度を指示する駆動部速度指令値信号を演算する操作量演算手段と、
   前記駆動部位置検出器によって生成された位置検出値信号を時間微分演算して駆動部速度検出値信号を生成し、該駆動部速度検出値信号が前記操作量演算手段によって演算される駆動部速度指令値信号に一致するような駆動力指令値信号を演算する駆動部移動速度調整手段とを備えており、
   該操作量演算手段が、
   前記位置制御偏差信号が入力されると、前記駆動部速度指令値信号を演算する操作量算出部と、
   前記操作量算出部から前記駆動部速度指令値信号が入力されると、該駆動部速度指令値信号が前記駆動部移動速度調整手段に供給されてから、前記駆動部移動速度調整手段により前記前記駆動力指令値信号が前記駆動部供給され該駆動部が移動するまでの伝達特性を表現する状態方程式に基づいて、駆動部状態推定値信号を演算する駆動部状態推定部と、
   前記駆動部状態推定部から駆動部状態推定値信号が入力されると、前記搬送ビームの固有周波数にゲインピークを持つように設定された状態方程式に基づいて、搬送ビーム振動状態推定値信号を演算する搬送ビーム振動状態推定部とからなり、
   前記操作量算出部は、
   前記位置制御偏差信号だけでなく、前記駆動部状態推定値信号および前記搬送ビーム振動状態推定値信号も入力されており、
   前記駆動部状態推定値信号と前記搬送ビーム振動状態推定値信号により設定されるＨ∞制御問題の解として得られる伝達関数に基づいて、前記駆動力指令値信号を演算するものである
   ことを特徴とするトランスファフィーダの制御装置。
2. 前記搬送ビーム振動状態推定部における状態方程式は、
   前記駆動部速度指令値信号が前記駆動部移動速度調整手段に供給されたときにおける前記搬送ビーム変位の実際の動特性と、前記駆動部状態推定部の状態方程式により表現される駆動部変位の動特性との誤差の伝達ゲインよりも、全ての周波数で伝達ゲインが大きくなるように設定された状態方程式である
   ことを特徴とする請求項１記載のトランスファフィーダの制御装置。
   

Images