JP4504305B2 - 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、第１操作量信号を演算する駆動部位置制御手段と、前記駆動部移動速度調整手段から駆動力指令値信号が入力されると、第２操作量信号を演算する駆動力変動抑制手段とからなり、前記駆動部速度指令値信号は、前記第１操作量信号と前記第２操作量信号とを足し合わせた信号であり、前記駆動力変動抑制手段は、前記搬送ビームの固有周波数と等しい周波数で振動する伝達周波数特性を有し、かつ、ゲインピークをもつ伝達周波数特性を有するように設定された状態方程式により第２操作量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、前記駆動部位置制御手段および前記駆動力変動抑制手段は、前記駆動部速度指令値信号から前記駆動部位置検出値信号までの伝達特性を表現する状態方程式と、前記搬送ビームの固有周波数と等しい周波数で振動する状態方程式と、モデル化誤差の影響により制御ループが不安定になるのを回避するための状態方程式とにより設定されるＨ∞制御問題の解として得られる伝達関数に基づいて、前記第１操作量信号および前記第２操作量信号駆動力指令値信号をそれぞれ演算するものである
ことを特徴とする。

本発明によれば、駆動力変動抑制手段の伝達周波数特性が搬送ビームの固有周波数と等しい周波数で振動することにより、装置固有周波数における位置指令値信号から装置の振動状態までの伝達関数のゲイン、および、外乱から装置の振動状態までの伝達関数のゲインを小さくすることができるから、搬送ビームの振動を抑制することができる。また、プレス作動時の衝撃等の外力により搬送ビームが振動すると、この振動状態は、駆動力指令値信号に反映されるから、搬送ビーム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の振動も抑制することができる。

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の関係をブロック線図により表わした図である。
図２において、符号１１は、駆動部のサーボモータ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・粘性抵抗力などが装置負荷応力としてサーボモータ１１の出力軸に作用し、また、プレス作動時の衝撃などによる外乱力ｄも装置負荷応力を介してサーボモータ１１の出力軸に作用するので、サーボモータ１１の出力軸は、装置負荷応力と外乱力ｄ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。

ここで、プレス作動時の衝撃などによる外乱ｄの影響を含んだ装置負荷応力は、サーボアンプ１４の回転速度制御器がサーボモータ１１の励磁コイルに発生させるモータ駆動電流ｉに対して、装置負荷ＥＬに対応する装置負荷相当電流ｉ_Δが加わったものと考えられる。この装置負荷相当電流ｉ_Δは、装置負荷ＥＬに固有振動が生じれば装置固有周波数ω_ｎの影響を受けて変動するのであるが、装置固有周波数ω_ｎにおける装置負荷相当電流ｉ_Δのゲイン｜ｉ_Δ（ｊω_ｎ）｜が大きければ装置負荷ＥＬが激しく振動していることになり、逆に｜ｉ_Δ（ｊω_ｎ）｜が小さければ、装置負荷ＥＬの振動が軽微であることになる。すなわち｜ｉ_Δ（ｊω_ｎ）｜は装置負荷振動状態の尺度になる。ただし、ｊは虚数単位である。

ところで、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は時不変な伝達周波数特性を持ち、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ものと仮定できるので、各制御対象および制御装置を、伝達関数で示したブロック線図を作成すると、図３のように表現することができる。
ここで、図３における各伝達関数と、図２に示した各要素の関係は、以下のようになる。サーボモータ１１の伝達関数はモータ回転特性Ｐ、回転角検出器１２の伝達関数と時間微分器１３の伝達関数とを合わせた伝達関数は時間微分器ｓ、サーボアンプ１４の伝達関数は回転速度制御器Ｋｖ、装置負荷ＥＬの伝達関数は装置負荷応力特性Δが該当する。
そして、図３において、伝達関数Ｋ１と伝達関数Ｋ２が制御装置の伝達関数になるのであるが、伝達関数Ｋ１は、位置指令値信号ｒと回転角検出値信号θにボールねじピッチｌを乗じた位置検出値信号ｙとの位置制御偏差を求め、この位置制御偏差に基づいて操作量ｕ_１を算出する機能を有する制御器ＳＫ１の伝達関数であり、伝達関数Ｋ２は、サーボアンプ１４が出力するモータ駆動電流ｉに基づいて操作量ｕ_２を算出する機能を有する制御器ＳＫ２の伝達関数である。そして、制御装置は、操作量ｕ_１と操作量ｕ_２の和を操作量ｕとして出力するものと仮定している。
なお、位置指令値信号ｒ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、後述するように、制御装置の位置指令値波形生成手段から供給されるものである。

さて、図３における各信号と各伝達関数との間には、以下の数１の関係が成り立つ。

この式１をｉ_Δについて解けば、以下の数２が得られる。ただし、数２において、Ｇ_Δｒは、位置指令値信号ｒから装置負荷相当電流ｉ_Δまでの伝達関数であり、Ｇ_Δｄは、外乱ｄから装置負荷相当電流ｉ_Δまでの伝達関数である。

この式２を整理すると、以下の式３が得られる。

一方、Ｇ_Δｄは、外乱ｄから装置負荷相当電流ｉ_Δまでの伝達関数であるから、Ｇ_Δｄについて数３を整理すると、以下の数４が得られる。

ここで、装置が作動することによる装置負荷ＥＬの振動の影響を小さくするには、装置固有周波数ω_ｎにおける位置指令値信号ｒから装置負荷相当電流ｉ_Δまでの伝達関数Ｇ_Δｒのゲイン｜Ｇ_Δｒ（ｊω_ｎ）｜を小さくすればよく、一方、プレス作動時の衝撃など外乱による装置負荷ＥＬの振動の影響を小さくするには、装置固有周波数ω_ｎにおける外乱ｄから装置負荷相当電流ｉ_Δまでの伝達関数Ｇ_Δｄのゲイン｜Ｇ_Δｄ（ｊω_ｎ）｜を小さくすればよいのである。すると、数３、４より、装置負荷応力特性Δがいかなるものであっても、装置固有周波数ω_ｎにおける制御器ＳＫ２の伝達関数Ｋ２のゲイン｜Ｋ_２（ｊω_ｎ）｜が大きければ、伝達関数Ｇ_Δｒのゲインおよび伝達関数Ｇ_Δｄのゲインの双方を小さくできることが分かる。
すなわち、装置固有周波数ω_ｎにおけるゲインが大きくなるように制御器ＳＫ２の伝達関数Ｋ２を設定すれば、装置が作動することによる装置負荷の振動の影響と、プレス作動時の衝撃など外乱による装置負荷の振動の影響との双方を小さくできる。そして、制御器ＳＫ２の伝達関数Ｋ２の装置固有周波数ω_ｎにおけるゲインを大きくするには、装置固有周波数ω_ｎで共振するような振動的性質を制御器ＳＫ２に付与させればよい。

図４は、制御器ＳＫ２の伝達関数Ｋ２の装置固有周波数ω_ｎにおけるゲインが大きく、かつ制御ループが安定となる制御器ＳＫ１および制御器ＳＫ２の組を導出するための一般化プラントの例を示した図である。図４中、ｗ_１，ｗ_２，ｗ_３はＨ∞制御理論適用の際の一般化プラントに対する入力状態量であり、ｚ_１，ｚ_２は同出力状態量である。ｕ_ｇは一般化プラントの制御入力、ｙ_ｇ１，ｙ_ｇ２は一般化プラントの制御出力である。αおよびεは正定数である。Ｃは制御器ＳＫ２の伝達関数Ｋ２の装置固有周波数ω_ｎにおけるゲインを大きくするための伝達関数である。Ｗ_Ｔは、装置の高次の振動モードなど、制御対象のモデル化誤差の影響により制御ループが不安定になることを回避するための伝達関数である。

以下の式５は、図４の一般化プラントの構成によるＨ∞制御問題を示している。

この数５を解き、この数式の解である伝達関数Ｈが得られれば、この伝達関数Ｈは、数６のようになり、制御器ＳＫ１の伝達関数Ｋ１および制御器ＳＫ２の伝達関数Ｋ２は数７から算出することができ、かかる伝達関数を有する制御器ＳＫ１、Ｋ２を設計することができれば、装置が作動することによる装置負荷ＥＬの振動の影響とプレス作動時の衝撃など外乱による装置負荷ＥＬの振動の影響に起因する搬送ビーム１ａ，１ｂの振動の双方を抑制することができるのである。

つぎに、上記のごとき、制御器ＳＫ１および制御器ＳＫ２の具体例を、トランスファフィーダ装置の駆動部の伝達特性モデルにおいて、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、駆動部の伝達特性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５は駆動部の伝達特性モデルの一例を示した図である。図５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５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、サーボモータ回転特性の状態方程式は、以下の式８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駆動部の伝達特性モデルを設定すればよく、また、異なる駆動部の伝達特性モデルを設定すれば、以下の数８に示される状態方程式は、設定された伝達特性モデルに応じた式となるのは、言うまでもない。

さらに、サーボアンプの速度制御器の伝達関数Ｋ_ｖを数９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と、状態方程式として数１０が得られる。数１０においてｘ_ｖは、サーボアンプの速度制御器の内部状態変数である。この数１０が特許請求の範囲にいう駆動部速度指令値信号から駆動部位置検出値信号までの伝達特性を表現する状態方程式に相当する。
なお、数９、１０中のＫ_ｖ１およびＫ_ｖ２はサーボアンプの速度制御器の制御ゲインである。

さらに、移動体の変位ｙは数１１となり、サーボモータの励磁電流ｉは数１２のようになる。

制御器ＳＫ２の伝達関数Ｋ２の装置固有周波数ω_ｎにおけるゲインを大きくするための伝達関数Ｃを数１３のように設定すると、伝達関数Ｃのゲイン特性は図６に示すようになる。
なお、伝達関数Ｃは、固有周波数ω_ｎで振動するモデルであり、数１３中、ζ_ｃは振動モデルの減衰係数であり、伝達関数Ｃのピークゲインを調整するために用いられ、ζ_ｃの値が小さいほど上記のピークゲインが大きくなる。また、数１３中、Ｋ_ｃは定数である

そして、数１３で表される伝達関数Ｃは、等価な状態方程式である数１４のように表すことができる。この数１４が特許請求の範囲にいう搬送ビームの固有周波数と等しい周波数で振動する状態方程式に相当する。

伝達関数Ｗ_Ｔは、モデル化誤差の影響により制御ループが不安定になるのを回避するための伝達関数であるが、図７に示すように、高周波数帯域でゲインの高くなるように設定すればよい。例えば、伝達関数Ｗ_Ｔを数１５に示すように設定すれば、伝達関数Ｗ_Ｔの高周波数帯域でゲインの高くすることができる。
なお、数１５中のＴｗは、ゲインの高くなる周波数を調整するためのパラメータである。

この数１５の伝達関数Ｗ_Ｔを等価な状態方程式で表記すれば、以下の数１６のように表すことができる。この数１６が特許請求の範囲にいうモデル化誤差の影響により制御ループが不安定になるのを回避するための状態方程式に相当する。

以上の数に基づいて、一般化プラントの状態方程式として数１７が得られ、この数１７により設定されたＨ∞制御問題を解き、解Ｈが求まれば数６および数７により制御器ＳＫ１の伝達関数Ｋ１および制御器ＳＫ２の伝達関数Ｋ２が得られる。

得られた制御器ＳＫ１の伝達関数Ｋ１と制御器ＳＫ２の伝達関数Ｋ２の周波数特性を図８に示す。図８の例では、装置固有周波数ω_ｎを９．５Ｈｚとしている。図８中、実線でプロットしたものが制御器ＳＫ１の伝達関数Ｋ１の周波数特性であり、破線でプロットしたものが制御器ＳＫ２の伝達関数Ｋ２の周波数特性である。図８に示したとおり、制御器ＳＫ２の伝達関数Ｋ２は装置固有周波数ω_ｎにおいてゲインのピークをもつ。

なお、以上の例では、本発明の構成の説明を容易にするため、搬送ビームの一次モードの振動だけを抑制する方法について述べたが、より高次のモードの振動も抑制するには、複数のピークを伝達関数Ｃのゲイン特性に持たせればよい。例えば、伝達関数Ｃを以下の数１８のように設定すれば、より高次のモードの振動も抑制することができる。

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、それぞれ、制御器ＳＫ１，Ｋ２の伝達関数Ｋ１，Ｋ２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制御器ＳＫ１，Ｋ２の伝達関数Ｋ１，Ｋ２の周波数特性は、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、伝達関数Ｃの定数ζ_ｃを調整すれば、制御器ＳＫ２の伝達関数Ｋ２がこの周波数帯域でピークを有するように設定できるから、どの駆動部により搬送ビーム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、上記のごとく制御器ＳＫ２の伝達関数Ｋ２を設定すれば、動作方向間の相互干渉の振動も抑制できるのである。

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１７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制御器ＳＫ１，Ｋ２の伝達関数Ｋ１，Ｋ２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制御器ＳＫ１，ＳＫ２の伝達関数Ｋ１，Ｋ２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８〜数１７に示した具体的な数式が変化するのは、いうまでもない。

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、装置負荷に反映され、ひいてはモータ駆動電流ｉに反映される（図３参照）。すると、駆動部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。

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信号が駆動部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、操作量信号ｕを駆動部移動速度調整手段に出力するものであり、駆動部位置制御手段３１と駆動力変動抑制手段３２とを備えている。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、駆動部位置制御手段３１および駆動力変動抑制手段３２の伝達関数が、数１７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Ｈとなるように構成されているのである。
なお、操作量信号とは、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。

（５）駆動部位置制御手段３１
駆動部位置制御手段３１は、制御偏差演算手段２３によって算出された位置制御偏差信号が入力され、第１操作量信号を演算するものである。この駆動部位置制御手段３１は、上述した制御器ＳＫ１に相当するから、駆動部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には、数６、７から算出される伝達関数Ｋ１に基づいて、第１操作量信号を演算するものである。
なお、第１操作量信号は、上述した操作量ｕ_１に相当する。

（５）駆動力変動抑制手段３２
駆動力変動抑制手段３２は、駆動力指令値信号が入力され、第２操作量信号を演算するものである。この駆動力変動抑制手段３２は、上述した制御器ＳＫ２に相当するから、駆動部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には、数６、７から算出される伝達関数Ｋ２に基づいて、第２操作量信号を演算するものである。
この駆動力変動抑制手段３２は、装置固有周波数と等しい周波数で振動する伝達周波数特性を有しており、装置に固有振動が生じ駆動力指令値信号が変動したときに、上記の伝達周波数特性が刺激を受けて装置固有周波数に同期して振動し、駆動力指令値信号の変動ひいては装置の固有振動を抑制しようと振幅の大きな制御信号、つまり、第２操作量信号を生成するから、この第２操作量信号により、数３、４で説明したように、装置の固有振動を抑制することができるのである。
なお、第２操作量信号は、上述した操作量ｕ_２に相当する。

（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。

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、比例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、搬送ビーム中央部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、（Ｂ）は比例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。
従来の比例制御器によるトランスファフィーダ装置の動作では、搬送ビームが激しく振動して搬送ビーム中央部加速度が変動しており、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、搬送ビーム中央部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１０の内部構成図である。 制御装置の制御対象の関係をブロック線図により表わした図である。 各制御対象および制御装置を、伝達関数で示したブロック線図である。 制御器ＳＫ２の伝達関数Ｋ２の装置固有周波数ω_ｎにおけるゲインが大きく、かつ制御ループが安定となる制御器ＳＫ１および制御器ＳＫ２の組を導出するための一般化プラントの例を示した図である 駆動部の伝達特性モデルを示した図である。 伝達関数Ｃの周波数特性値を示した図である。 伝達関数Ｗ_Ｔの周波数特性値を示した図である。 伝達関数Ｋ１および伝達関数Ｋ２の周波数特性値を示した図である。 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装置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）は比例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。

１ 搬送ビーム
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 駆動部位置制御手段
３２ 駆動力変動抑制手段

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、第１操作量信号を演算する駆動部位置制御手段と、
   前記駆動部移動速度調整手段から駆動力指令値信号が入力されると、第２操作量信号を演算する駆動力変動抑制手段とからなり、
   前記駆動部速度指令値信号は、前記第１操作量信号と前記第２操作量信号とを足し合わせた信号であり、
   前記駆動力変動抑制手段は、
   前記搬送ビームの固有周波数と等しい周波数で振動する伝達周波数特性を有し、かつ、ゲインピークをもつ伝達周波数特性を有するように設定された状態方程式により第２操作量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. 前記駆動部位置制御手段および前記駆動力変動抑制手段は、
   前記駆動部速度指令値信号から前記駆動部位置検出値信号までの伝達特性を表現する状態方程式と、
   前記搬送ビームの固有周波数と等しい周波数で振動する状態方程式と、
   モデル化誤差の影響により制御ループが不安定になるのを回避するための状態方程式とにより設定されるＨ∞制御問題の解として得られる伝達関数に基づいて、前記第１操作量信号および前記第２操作量信号駆動力指令値信号をそれぞれ演算するものである
   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。

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