JP4595017B2 - サーボダイクッションの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ダイクッション機構の制御装置に関し、特には、プレス機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（一般にボルスタと称する）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。

上述のようなサーボモータを駆動源とするダイクッション機構（以降、サーボダイクッションと称する）では、力指令値と力検出値とによるＰ制御又はＰＩ制御を持つ力制御ループにより力制御を実現している。しかし、ダイクッションはスライドと共に動きながら力を制御しているため、スライドの動きに対する力変動を、応答性をあまり高くすることのできない力制御ループだけで抑え込むのは難しいという問題があった。この問題を解決するために、例えば特許文献２には、力制御ループから作成した速度指令値をスライド速度検出値で補正することによってスライドの動きに対する力変動を抑え、力制御ループの負担を軽くすることで、力指令への応答性を向上させる技術が開示されている。

特開平１０−２０２３２７号公報 特開２００６−１３０５２４号公報

一般に、駆動源のサーボモータのトルクに余裕のある条件では好適な力制御が可能であるが、単位時間当たりのプレス回数が多い等のトルクに余裕のない条件では、力検出値を力指令値通りに制御できなくなる問題が発生し得る。この原因は、プレス機は大型のものが多く、スライド及びダイクッションの剛性を十分に高くできないことから、力制御ループのゲインを十分に上げることができず、そのため力制御ループの応答性をあまり上げることができないことにある。

より具体的に説明すれば、例えば図４（ａ）に示すように、サーボモータのトルクに余裕がある条件では、力指令値（実線）に対して力検出値がスムーズに漸近していく。しかし図４（ｂ）に示すように、サーボモータのトルクに余裕がない条件では、力検出値（破線）が力指令値（実線）を大きく超えるいわゆるオーバーシュートが発生し、力偏差が大きくなってしまうことがある。このような場合、力偏差をゼロに収束させるまでにオーバーシュートとアンダーシュートとを繰り返し、結果として収束までに時間がかかってしまう問題が発生する。

そこで本発明は、このようなトルク指令に余裕がなく、スライドとダイクッションとの衝突時にオーバーシュートが発生してしまうような条件において、オーバーシュート後の力の応答性を向上させる機能を備えた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、サーボモータを駆動源として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において、前記ダイクッション機構に予め設定された第１力指令値を指令する第１力指令部と、前記ダイクッション機構が生じさせている力を検出する力検出部と、前記サーボモータの速度を指令するモータ速度指令部と、前記サーボモータの速度を検出するモータ速度検出部と、前記サーボモータの速度を制御するモータ速度制御部と、前記力検出部により検出された、前記スライドと前記ダイクッションとが衝突した後に発生する力の力検出値が極大点近傍に到達したことを判定する極大点判定処理部と、極大点近傍に到達したときの前記力検出値を初期値として前記第１力指令値まで減少する第２力指令値を作成する第２力指令部と、前記第１力指令値又は前記第２力指令値と、前記力検出値との差に基づいて第１速度指令値を演算する速度指令演算部と、前記スライドに対する指令速度、前記スライドの速度の検出値又は前記第２力指令値に基いて前記サーボモータの速度補正量を求める速度補正量演算部と、を具備し、前記力検出値が極大点に到達するまでは、前記速度指令演算部は前記第１力指令値を使用して第１速度指令値を演算し、前記速度補正量演算部は前記スライドに対する指令速度又は前記スライドの速度の検出値により前記速度補正量を求め、前記力検出値が極大点に到達した後は、前記速度指令演算部は前記第２力指令値を使用して第１速度指令値を演算し、前記速度補正量演算部は前記第２力指令値の微分に定数を乗じた値と前記スライドに対する指令速度又は前記スライドの速度の検出値との和により前記速度補正量を求め、前記モータ速度指令部は、前記第１速度指令値と前記速度補正量との和を、前記モータ速度制御部に送る第２速度指令値とする、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、前記第２力指令部は、前記初期値から前記第１力指令値まで指数関数的に又は一次関数的に減少させる、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、前記極大点判定処理部は、前記力検出値の微分値が予め設定された値以下になったことにより極大点に到達したと判定する、制御装置を提供する。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の制御装置において、前記極大点判定処理部は、前記サーボモータの速度検出値から換算したダイクッション速度と前記スライド速度との速度差が予め設定された値以下になったことにより極大点に到達したと判定する、制御装置を提供する。

本発明によれば、スライドとダイクッションとの衝突時にオーバーシュートが発生してしまうような条件において、力検出値の極大点到達前後で力指令値を切替えることにより、オーバーシュート後の力の応答性を向上させることができる。

第２力指令値を指数関数的又は一次関数的に減少させることにより、簡易な計算処理で適切な第２力指令値を作成することができる。

極大点の判定は簡易な計算処理で行うことができる。例えば、力検出値の微分値が予め設定された値以下になったことにより極大点に到達したと判定してもよいし、サーボモータの速度検出値から換算したダイクッション速度とスライド速度との速度差が予め設定された値以下になったことにより極大点に到達したと判定してもよい。

本発明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一構成例を示す図である。 図１の制御装置の処理を示すフローチャートである。 本発明に係る制御装置によって変化する力検出値と力指令値との関係を示すグラフである。 （ａ）従来技術に係る制御装置によって変化する力検出値と力指令値との関係を示すグラフであって、サーボモータのトルクに余裕がある場合を示すグラフであり、（ｂ）余裕がない場合を示すグラフである。

図１は、本発明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構成を示す図である。プレス機１０は、第１の型１２を支持し、スライド指令部１４からのスライド速度指令値に基づいて図示しない駆動機構によって駆動されるスライド１６と、第２の型１８を支持するボルスタ２０と、スライド１６に対しボルスタ２０側から所要の力（圧力）を加えるダイクッション機構２２とを有する。ダイクッション機構２２は、所定の圧力で保持したクッションパッド２４に、型閉め方向へ移動中のスライド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２４がスライド１６に力（圧力）を加えながらスライド１６と共に移動するように構成されている。この間、クッションパッド２４とスライド１６との間にクッションピン２６で支持された被加工素材すなわちワーク２８の加工箇所の周辺領域を挟持することにより、ワーク２８の皺の発生を防止することができる。

本発明の好適な実施形態に係るサーボダイクッションの制御装置３０は、上述のスライド１６と、スライド１６の動作に対応して移動するクッションパッド２４を備えたダイクッション機構２２とを有するプレス機１０において、クッションパッド２４とスライド１６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２４を駆動するサーボモータ３２を制御する。クッションパッド２４とスライド１６との間に生じている力は、圧力センサ等の力検出部３４によって検出可能である。なお制御装置３０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。

図１に示すように、サーボダイクッションの制御装置３０は、ダイクッション機構２２とスライド１６との間に生じさせるべき第１力指令値を作成する第１力指令部３６と、第１力指令部３６により出力された第１力指令値と力検出部３４が検出した力検出値とに基づいて、サーボモータ３２の速度指令を作成する速度指令演算部３８と、サーボモータ３２の速度を検出する速度センサ等のモータ速度検出部４０と、速度指令演算部３８により出力された第１速度指令値と後述する速度補正量とに基づいて、サーボモータ３２の第２速度指令値を作成するモータ速度指令部４２と、モータ速度指令部４２からの第２速度指令値に基づいてサーボモータ３２を制御するモータ速度制御部４４とを有する。また制御装置３０は、モータ速度検出部４０が検出したモータ速度に基づいて後述する極大点を判定する極大点判定処理部４６と、極大点判定処理部４６の判定結果、及びスライド１６の速度を検出するポジションセンサ等のスライド速度検出部４８が検出したスライド速度に基づいて速度補正量を計算する速度補正量演算部５０と、極大点に到達したときの力検出値を初期値として第１力指令値まで減少する第２力指令値を作成する第２力指令部５２とを有する。第２力指令部５２が作成した第２力指令値は、後述するように、力指令値が極大点に到達したときから上記第１力指令値から切替えられて使用される。

図２は、サーボダイクッションの制御装置３０における処理の流れを示すフローチャートである。先ずステップＳ１において、上述の第１力指令部３６において第１力指令値を作成する。第１力指令値は、ダイクッション機構２２とスライド１６との間に生じさせるべき力として予め図示しないメモリ等に設定されている。

次のステップＳ２では、力検出部３４が検出したクッションパッド２４とスライド１６との間に生じている力を取得し、次にステップＳ３において、極大点判定処理部４６において検出された力が極大点に到達したか否かを判定する。この極大点の判定では、力検出値の微分値が予め設定されたある定数（例えばゼロ又はゼロに近い正数）以下になったことを以って力検出値が極大点に到達したと判定してもよいし、ダイクッションとスライドとの速度差が予め設定されたある値（例えばゼロ又はゼロに近い値）以下になったことを以って力検出値が極大点に到達したと判定してもよい。なお、ダイクッションの速度はモータ速度検出値に減速比を乗算することによって求めることができる。なおこの減速比は、一定値となる場合もあるし、可変値となる場合もある。

力検出値が極大点に到達していない場合は、ステップＳ４に進んで通常の速度制御を行う。すなわち、第１力指令部３６からの第１力指令値に基づいて速度指令演算部３８において第１速度指令値を作成する。ここで第１速度指令値は、例えば以下の式（１）から求めることができる。なおｆは、力を速度に変換するための適当な関数である。
第１速度指令値＝ｆ（第１力指令値−力検出値） （１）

次のステップＳ５では、モータ速度指令部４２に送る速度補正量を、速度補正量演算部５０において求める。この場合（力検出値が極大点に達していない場合）の速度補正量は、スライド１６の速度に実質等しい。スライド速度は、スライド速度指令部１４が作成したスライド速度指令値でもよいし、スライド速度検出部４８が検出したスライドの実速度すなわち速度検出値でもよい。

一方、ステップＳ３において力検出値が極大点に到達していると判定された場合は、第１力指令部３６の代わりに第２力指令部５２を使用する。具体的には、ステップＳ６に進んで該極大点到達が１回目のものか否かを判別する。１回目である場合は、ステップＳ７に進んで第２力指令部５２が出力すべき第２力指令値の初期値を設定する。ここで該初期値は、極大点に到達したときの力検出値に実質等しい。

次のステップＳ８では、第２力指令部５２において第２力指令値を作成する。ステップＳ６において極大点到達が２回目以降と判定された場合（既に力指令値の初期値が設定されている場合）も同様にステップＳ８に進む。ここで第２力指令値は、極大点に到達した時の力検出値を初期値として、上述の第１力指令値まで減少するように作成される。例えば、第１力指令値がステップ入力される場合、以下の式（２）によって表現できる。但し、極大点判定処理部が極大点を判定したときのｎを１とし、またＴは時定数、Δｔはサンプリング時間である。さらに初期条件として、第２力指令値２（０）＝力検出値（０）である。
第２力指令値（ｎ）＝第１力指令値（ｎ）＋（第２力指令値（ｎ−１）−第１力指令値（ｎ））×ｅｘｐ（−Δｔ×（ｎ−１）／Ｔ） （２）

上式は、第２力指令値が指数関数的な減少を呈する場合の式である。或いは、以下のような式（３）及び（４）を用いて、第２力指令値を一次関数的に減少させるようにしてもよい。なおｎが１からＴ／Δｔ＋１までは式（３）を適用し、Ｔ／Δｔ＋１以降は式（４）を適用する。なお式（２）の場合と同様に、極大点判定処理部が極大点を判定したときのｎを１とし、またＴは時定数、Δｔはサンプリング時間である。さらに初期条件として、第２力指令値２（０）＝力検出値（０）である。
第２力指令値（ｎ）＝第２力指令値（ｎ−１）−（第２力指令値（ｎ−１）−第１力指令値（ｎ））／Ｔ×Δｔ×（ｎ−１） （３）
第２力指令値（ｎ）＝第１力指令値（ｎ） （４）

次のステップＳ９では、上述のように求めた第２力指令値に基づいて速度指令演算部３８において第１速度指令値を作成する。ここで第１速度指令値は、例えば以下の式（５）から求めることができる。なおｆは、力と速度に変換するための適当な関数である。
第１速度指令値＝ｆ（第２力指令値−力検出値） （５）

次のステップＳ１０では、モータ速度指令部４２に送る速度補正量を、速度補正量演算部５０において求める。この場合（力検出値が極大点に達している場合）の速度補正量は、以下の式（６）から求めることができる。なおスライド速度は、スライド速度指令部１４が作成したスライド速度指令値でもよいし、スライド速度検出部４８が検出したスライドの実速度すなわち速度検出値でもよい。
速度補正量＝力指令値の微分×定数＋スライド速度 （６）

ステップＳ１０又は上述のＳ５に続くステップＳ１１では、モータ速度指令部４２において第２速度指令値を作成する。第２速度指令値は、上述の速度補正量を利用して以下の式（７）から求めることができる。
第２速度指令値＝第１速度指令値＋速度補正量 （７）

次のステップＳ１２では、モータ速度検出部４０により、サーボモータ３２の実速度を検出する。最後にステップＳ１３において、モータ速度制御部４４において、第２速度指令値及びモータ速度検出値に基づいてサーボモータの速度制御を行う。ステップＳ１〜Ｓ１３を含む以上の処理を、適当なサンプリング周期にて繰り返す。

図３は、本願発明の基本的考え方を説明する図である。図４を用いて上述したように、トルク指令に余裕がなく、スライドとダイクッションとの衝突時にオーバーシュートが発生してしまう条件において、本願発明によれば、オーバーシュート後の力の応答性を向上させることができる。より詳細に言えば、力検出値（破線）が極大点Ｍに到達するまでは力指令値として第１力指令値を使用し、到達後は第２力指令値を使用する。このようにすれば、極大点到達後の力検出値はほぼ第２力指令値に追随し、従来よりも迅速に所望の値に収束する。なお図示例は第２力指令値が指数関数的に減少する例を示しているが、上述のように一次関数的に減少してもよい。

従来技術で速度指令値にスライド速度検出値を加算しているのは、力制御ループより速度制御ループの応答性が高いので、定常状態（ダイクッション速度＝スライド速度）分のスライド速度検出値を予め速度指令値にフィードフォワード項として加算しておくことによって、力制御の負担を軽減するためである。一方本願発明に係る制御装置は、第１力指令部、力検出部、モータ速度検出部に加えて、スライド速度から速度補正量を求める速度補正量演算部と、極大点近傍に到達したかを判定する極大点判定処理部と、もう一つの力指令部である第２力指令部とを具備する。

スライド速度、ダイクッション速度及びスライドとダイクッションとの間の力には以下の式（８）、（９）の関係が成り立つことから、力の傾きはダイクッションとスライドとの速度差と比例関係にあることが分かる。但し、スライドがダイクッションへ向かう方向のスライド速度を負、ダイクッションがスライドから逃げる方向のダイクッション速度を負としている。
力∝（ダイクッション速度−スライド速度）ｄｔ （８）
ｄ／ｄｔ（力）∝ダイクッション速度−スライド速度 （９）

通常、プレス機械のような比較的大型の機械には、ダイクッションとスライドとの間にはバネ要素として作用し得る弾性体のような、ねじれや縮みを生じるものができてしまうことが多い。ここでは、近似的にフックの法則が成り立ち、バネ要素の縮み量と両端の力との関係はある定数（バネ定数）で比例関係になる。そこで、第２力指令値に追従させるためのスライド速度とダイクッション速度との速度差（速度補正量）を第２力指令値の微分に重み合わせのための定数を乗算する事によって求め、（スライド速度検出値＋速度補正量）をフィードフォワード項的に加算したものをモータ速度指令値にする。モータ速度制御部はモータ速度指令値とモータ速度検出値との差に基づいてモータの速度を制御する。このような構成により本願発明では、従来に比べ力制御ループの負担を軽くすることができ、力制御の精度を向上させることができる。

１０ プレス機
１４ スライド速度指令部
１６ スライド
２２ ダイクッション機構
２４ クッションパッド
３０ 制御装置
３２ サーボモータ
３４ 力検出部
３６ 第１力指令部
３８ 速度指令演算部
４０ モータ速度検出部
４２ モータ速度指令部
４４ モータ速度制御部
４６ 極大点判定処理部
４８ スライド速度検出部
５０ 速度補正量演算部
５２ 第２力指令部

Claims (4)

1. サーボモータを駆動源として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において、
   前記ダイクッション機構に予め設定された第１力指令値を指令する第１力指令部と、
   前記ダイクッション機構が生じさせている力を検出する力検出部と、
   前記サーボモータの速度を指令するモータ速度指令部と、
   前記サーボモータの速度を検出するモータ速度検出部と、
   前記サーボモータの速度を制御するモータ速度制御部と、
   前記力検出部により検出された、前記スライドと前記ダイクッションとが衝突した後に発生する力の力検出値が極大点近傍に到達したことを判定する極大点判定処理部と、
   極大点近傍に到達したときの前記力検出値を初期値として前記第１力指令値まで減少する第２力指令値を作成する第２力指令部と、
   前記第１力指令値又は前記第２力指令値と、前記力検出値との差に基づいて第１速度指令値を演算する速度指令演算部と、
   前記スライドに対する指令速度、前記スライドの速度の検出値又は前記第２力指令値に基いて前記サーボモータの速度補正量を求める速度補正量演算部と、
   を具備し、
   前記力検出値が極大点に到達するまでは、前記速度指令演算部は前記第１力指令値を使用して第１速度指令値を演算し、前記速度補正量演算部は前記スライドに対する指令速度又は前記スライドの速度の検出値により前記速度補正量を求め、
   前記力検出値が極大点に到達した後は、前記速度指令演算部は前記第２力指令値を使用して第１速度指令値を演算し、前記速度補正量演算部は前記第２力指令値の微分に定数を乗じた値と前記スライドに対する指令速度又は前記スライドの速度の検出値との和により前記速度補正量を求め、
   前記モータ速度指令部は、前記第１速度指令値と前記速度補正量との和を、前記モータ速度制御部に送る第２速度指令値とする、
   制御装置。
2. 前記第２力指令部は、前記初期値から前記第１力指令値まで指数関数的に又は一次関数的に減少させる、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記極大点判定処理部は、前記力検出値の微分値が予め設定された値以下になったことにより極大点に到達したと判定する、請求項１に記載の制御装置。
4. 前記極大点判定処理部は、前記サーボモータの速度検出値から換算したダイクッション速度と前記スライド速度との速度差が予め設定された値以下になったことにより極大点に到達したと判定する、請求項１に記載の制御装置。

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