JP5191162B2 - プレス機 - Google Patents

Description

この発明は、ワークをプレス加工するプレス機に関する。

電動プレス機は、サーボモータの回転駆動力を往復直線運動に変換し、この往復直線運動により進退駆動するラムのヘッドにより、ワークを押圧加工するようになっている（特許文献１等）。このような電動プレス機は、サーボモータを駆動源としているため、荷重や位置を精密にコントロールでき、カシメや圧入等のプレス加工を精度良く行うことができる。
特許第３２６０４２３号

しかしながら、従来の電動プレス機は、適切なプレス加工を行えるように、ヘッドをワークに対し低速で押圧させる必要がある。このため、ラムを低速で降下させなければならず、ラムの移動時間が長くなり、生産効率の低下を来すという問題があった。

この発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、生産効率を向上させることができるプレス機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は下記の手段を提供する。

［１］ ワークをプレス加工するプレス機であって、
ワークに対し進退自在なラムと、
ラムを進退駆動するラム駆動手段と、
ラムの先端に設けられ、かつワークを押圧するヘッドと、
ラム駆動手段の駆動量を検出する駆動量検出手段と、
駆動量検出手段からの情報に基づいて、ヘッドの位置を算出するヘッド位置算出手段と、
ヘッド位置算出手段からの情報に基づいて、ラム駆動手段の駆動を制御して、ラムの進出中においてヘッドがワークに到達する前に、ラムの進出速度を低下させるラム進出速度制御手段と、
直進移動するヘッドに基づいて、ヘッドの位置を検出するヘッド位置検出手段と、
ヘッド位置検出手段からの情報を基準にして、ヘッド位置算出手段からの情報の適正化を図る情報適正化手段と、を備え、
ラムの進出速度を低下させた後の低速域において、進出速度制御手段は、ヘッド位置算出手段からの情報に換えて、ヘッド位置検出手段からの情報に基づいて、ラム駆動手段の駆動を制御するようにしたことを特徴とするプレス機。

［２］ 低速域において、ヘッドの現在位置から加工終了位置までの残りの進出距離を算出して、その残りの進出距離が減少するのに従って、進出速度を次第に低下させる請求項１に記載のプレス機。

［３］ ヘッド位置検出手段は、ワークを保持するベースフレームに固定されるリニアスケールフレームと、ヘッドのリニアスケールフレームに対する位置を読み取るセンサとを有するリニアスケールによって構成される前項１または２に記載のプレス機。

［４］ 所定のプレス加工数に到達した際に、情報適正化手段による情報の適正化を行うようにした前項１〜３のいずれか１項に記載のプレス機。

上記発明［１］にかかるプレス機によると、進出途中まではラムを高速で移動させることができるため、生産効率を向上させることができる。

さらに上記発明［１］にかかるプレス機によると、ヘッド位置検出手段の出力情報の信頼性を高めることができる。
さらに上記発明［１］にかかるプレス機によると、ラムの進出速度をより一層的確に制御することができる。

上記発明［２］にかかるプレス機によると、プレス加工を安定して行うことができる。
上記発明［３］にかかるプレス機によると、ベースフレームに対するヘッドの位置をより正確に検出することができる。
上記発明［４］にかかるプレス機によると、ヘッド位置検出手段の出力情報の信頼性をより一層高めることができる。

図１，２はこの発明の一実施形態にかかるプレス機を模式化して示す側面図である。両図に示すように、このプレス機は、サーボモータ３の回転駆動力をボールネジ機構により上下方向の往復直線運動に変換し、その往復直線運動力によって、ラム２２を上下方向に進退駆動させて、ラム下端（先端）のヘッド４をワークＷに押圧させるようになっている。

すなわち本実施形態のプレス機は、ベースフレーム１１の上方に支持フレーム１２が設けられ、この支持フレーム１２に昇降機構部２およびサーボモータ３が固定されている。

昇降機構部２は、ベースフレーム１１のワーク設置位置の上方に対応して配置されている。この昇降機構部２は、軸心を上下方向に沿って配置された円筒形のラムホルダー２１を有している。ラムホルダー２１の内部には、ラムホルダー２１と軸心を一致させた状態でラム２２が上下方向（軸心方向）に沿って昇降自在（進退自在）に支持されている。そしてラム２２が降下した際には、ラム２２がラムホルダー２１から下方に進出されるとともに、上昇した際には、ラムホルダー２１内に収容されるようになっている。

ラム２２には、その軸心に沿って配置されたボールねじ機構（図示省略）が螺合状態に取り付けられるとともに、そのボールねじ機構のボールねじが支持フレーム１２に回転自在に取り付けられている。そして、ボールねじ機構のボールねじが回転することによって、ラム２２が昇降するようになっている。

またラム２２の先端には、押圧体としてのヘッド４が設けられている。そしてラム２２が降下した際には、ヘッド４がワークＷを押圧して、圧入、カシメ等の所定のプレス加工が行われるようになっている。

ヘッド４とラム２２との間には、ロードセル４１等の荷重センサが設けられ、このロードセル４１を介して、プレス加工時の押圧荷重が測定されるようになっている。

サーボモータ３は、昇降機構部２と並んで配置されている。このサーボモータ３の回転軸と、昇降機構部２の上記ボールねじとはベルトを含む動力伝達機構を介して接続されており、サーボモータ３が回転駆動することによって、ボールねじが回転して、ラム２２が昇降するようになっている。

またサーボモータ３は、モータ３に組み付けられたエンコーダ３１によってモータ３の回転角度（回転量）が検出されるようになっている。そして、回転量（駆動量）に基づいて、後述のコントローラ６によって、ヘッド４の位置が算出されるようになっている。

なお本実施形態においては、エンコーダ３１によって駆動量検出手段が構成されている。

ベースフレーム１１のワーク設置位置の近傍には、ヘッド位置検出手段としてのリニアスケール５が設けられている。

リニアスケール５は、スケールフレーム（リニアスケールフレーム）５１と、目盛り読取センサ（リニアスケール読取センサ）５３と、圧縮バネ５４と、を備えている。

スケールフレーム５１は、所定の長さを有し、垂直に配置された状態で、ベースフレーム１１に固定されている。このスケールフレーム５１には、目盛り（リニアスケール）５２が設けられている。

目盛り読取センサ５３は、スケールフレーム５１にその長さ方向に沿ってスライド自在（昇降自在）に設けられている。さらに目盛り読取センサ５３は、圧縮バネ５４の付勢力によって、スケールフレーム５１に対し所定の高さに維持された状態に支持されている。また目盛り読取センサ５３は、ヘッド４の前端に対応して配置されており、ヘッド４が降下する際に、ヘッド４に押し込まれて、圧縮バネ５４の付勢力に抗してヘッド４と同期しながら降下する一方、ヘッド４が上昇して、ヘッド４による抑止が解除されると、圧縮バネ５４の付勢力によって、所定の高さ位置（初期位置）に復帰されるようになっている。

さらに目盛り読取センサ５３は、スケールフレーム５１の目盛り５２を読み取って、現在位置、つまりヘッド４の現在位置を直接検出できるようになっている。

図１に示すように、本実施形態のプレス機は、コントローラ（制御装置）６を備え、各種検出手段からの情報に基づき、コントローラ６によって、プレス機の動作が制御されるようになっている。

このコントローラ６は、サーボモータ３の回転角度に関する情報を、サーボモータ３のエンコーダ３１を介して取得できるようになっている。

さらにコントローラ６は、リニアスケール５からヘッド４の位置に関する情報を、リニアスケールコントローラ６５を介して取得できるようになっている。

またコントローラ６は、ロードセル４１からヘッド４の押圧荷重に関する情報を、ロードセルコントローラ６４を介して取得できるようになっている。

コントローラ６は、取得した情報に基づいて、制御信号を送信して、サーボモータ３の駆動を制御し、後に説明する図３の動作が自動的に行われるようになっている。

本実施形態のプレス機において例えば、圧入部品Ｗ１および被圧入部品Ｗ２を有するワークＷに対し、圧入部品Ｗ１を被圧入部品Ｗ２に圧入するようなプレス加工を行う場合の動作について説明する。

まずラム２２が、上昇した位置（初期位置）に配置された状態で、ワークＷがベースフレーム１１の所定のワーク設置位置にセットされる。

その後、図３に示すように、プレス加工数（製品数）を示すカウンター「ｎ」がリセットされる（ステップＳ１）。

次に、キャリブレーションが必要か否かが判定される（ステップＳ２）。

本実施形態において、キャリブレーションは、サーボモータ３におけるエンコーダ３１の出力調整を行うものであるが、具体的なキャリブレーションの方法については、後に詳述する。

また本実施形態において、キャリブレーションの要否判断方法としては、プレス回数に基づいて判断される。すなわちプレス回数が、予め設定された所定の回数に到達した際例えば、プレス回数が０回目、１００回目、２００回目…等に到達した際に、キャリブレーションが行われるようにしている。

キャリブレーションが不要の場合には（ステップＳ２でＮＯ）、プレス加工（圧入加工）が行われる（ステップＳ３）。

このプレス加工においては、ラム降下開始から降下途中までの前半部は、高速でラム２２を降下させるとともに、降下途中からの後半部は、低速でラム２２を降下させるようにしている。なお本実施形態においては、高速でラムを降下させる前半部を高速域、低速でラムを降下させる後半部を、低速域と称す。

ラム２２の降下が開始されると、コントローラ６は、サーボモータ３の駆動を制御して、モータ３の回転速度（ラムの降下速度）を、通常のプレス加工時のラム降下速度よりも速い高速に設定する。例えば図４に示すように、モータ３の回転速度が「Ｖ１」に設定されて、高速でラムが降下する。

またこのラム降下中においては、エンコーダ３１からの出力情報に基づいて、コントローラ６によって、サーボモータ３の初期位置からの回転角度（回転量）が検出されて、その回転量に基づいて、ヘッド４の降下位置Ｈθが算出される。

なお本実施形態においては、所定のプログラムに従って、サーボモータ３の回転角度に基づき、ヘッド４の降下位置を算出するコントローラ６が、ヘッド位置算出手段として機能する。

こうしてコントローラ６は、ヘッド４の降下位置Ｈθを逐次算出し、その降下位置が所定の降下位置（Ｈθ１）に到達した時点で、サーボモータ３の回転速度を「Ｖ２」まで低下させてヘッド４（ラム２２）の降下速度を低下させる。

モータ回転速度を「Ｖ２」まで低下させた後、ヘッド４の降下位置が「Ｈθ２」に到達した時点で、ヘッド４がリニアスケール５の目盛り読取センサ５３に当接し、ヘッド４と共に目盛り読取センサ５３が降下していく。

こうしてヘッド４がリニアスケール５の目盛り読取センサ５３に当接した後は、リニアスケール５によってヘッド４の降下位置を検出できる状態となる。

本実施形態では、ヘッド４の降下位置が「Ｈθ３」に到達した時点で、コントローラ６は、エンコーダ３１からの情報による制御から、リニアスケール５からの情報による制御へと切り換えられる。切り換え後は図５に示すように、リニアスケール５からヘッド４の位置Ｈが取得されて、その位置情報に基づいて、サーボモータ３の回転速度θが制御される。なお同図において、「Ｈ１」は、入力位置情報の切り換え位置であり、エンコーダ３１を介して得られるヘッド４の位置の「Ｈθ３」に相当する。

コントローラ６は、入力情報がリニアスケール５からの情報に切り換えられた後、ヘッド４の降下位置が「Ｈ２」に到達した時点で、サーボモータ３の回転速度（ヘッド降下速度）を次第に低下させていく。

すなわち、ヘッド４が目標位置（加工終了位置「Ｈｄｅｆ」）に到達した時点で速度が「０」となるように、サーボモータ３の回転速度（ヘッド４の降下速度）を次第に低下させていく。

具体的には、リニアスケール５からの情報によって得られるヘッド４の現在位置を「Ｈ」、ヘッド４の目標位置（加工終了位置）を「Ｈｄｅｆ」としたとき、サーボモータ３の回転速度「Ｖ」は、現在位置からの目標位置までの残りの降下距離（Ｈ−Ｈｄｅｆ）に所定の係数「ａ」をかけ合わせることによって求められる。つまり「（Ｈ−Ｈｄｅｆ）×ａ＝Ｖ」の関係式に基づいて、サーボモータ３の回転速度「Ｖ」が設定される。

こうしてヘッド４（ラム２２）が速度を次第に低下させながら、降下していき、ヘッド４の降下位置が「Ｈ３」に到達した時点で、ワークＷ（圧入部材Ｗ１）に当接し、その後、ヘッド４により押し込まれて圧入部材Ｗ１が被圧入部材Ｗ２に圧入される。そして圧入部材Ｗ１が被圧入部材Ｗ２に確実に圧入されて、圧入が完了すると同時に、モータ３の回転角度（ヘッド４の降下速度）が「０」となる。

なお本実施形態においては、所定のプログラムに従って、ヘッド４の降下速度（モータ３の回転速度）を変化させるコントローラ６が、進出速度制御手段として機能する。

ワークＷの圧入が完了すると、サーボモータ３が逆方向に回転駆動されて、ヘッド４が上昇して初期位置に戻る。

こうしてプレス加工（図３のステップＳ３）が終了すると、実際のプレス加工数（製品数）「ｎ」がインクリメントされる（ステップＳ４）。

このようなプレス加工が、予め設定された予定のプレス加工数（製品数「Ｎ」）に達するまで（ステップＳ５でＮＯ）、繰り返し行われる。

そして実際の製品数「ｎ」が、予定の製品数「Ｎ」に達すると（ステップＳ５でＹＥＳ）、本プレス機による動作が終了する。

一方、プレス機の稼働中において、キャリブレーションが必要な場合には（ステップＳ２でＹＥＳ）、エンコーダ３１からのモータ回転角度（回転量）θと、リニアスケール５からのヘッド位置Ｈとの間の相関関係が求められて、エンコーダ３１からの入力情報（回転角度θ）に対する出力情報（ヘッド位置Ｈθ）が調整される（ステップＳ６）。

例えば図６に示すように、ヘッド４を初期位置から等速で降下させていき、リニアスケール５によって検出された適当な２点の位置Ｈａ，Ｈｂに対応するエンコーダ３１の２点の回転角度θａ，θｂを取得する。さらに同図の実線に示すように、この２点を通る直線式から、モータ回転角度θと、リニアスケール５によるヘッド位置Ｈとの相関関係を求め、その相関関係を用いて、エンコーダ３１の回転角度θに基づくヘッド位置Ｈθの適正化を図る。つまりモータ回転角度θと実測のヘッド位置Ｈとの相関関係に対し、モータ回転角度θと回転角度θから算出されるヘッド位置Ｈθとの相関関係が一致するように、回転角度θに基づくヘッド位置Ｈθの適正化を図る。なお図６のグラフにおいて、「Ｈｄｅｆ」はヘッドの加工終了位置、「θｍａｘ」はヘッド加工終了位置におけるモータ回転角度である。また「ｄ」はサーボモータ３とラム２２との間における動力伝達機構のベルト等の伸びや緩みによるズレである。

本実施形態においては、所定のプログラムに従って、回転角度θと実測のヘッド位置Ｈとの相関関係を求めて、その相関関係から、回転角度θに基づく出力情報（ヘッド位置Ｈθ）の適正化を図るようにしたコントローラ６が、情報適正化手段として機能する。

以上のように、本実施形態のプレス機によれば、ヘッド４を、初期位置からワークＷに到達する前の中間位置までは高速で降下させ、その後ヘッド４を停止させずに、ワークＷの手前でプレス加工に適切な速度まで低下させて、ヘッド４をワークＷに押圧させているため、ラム２２の降下時間を短縮させることができる。従ってサイクルタイムを短縮できて、生産効率を向上させることができる。

特に本実施形態のような電動式のプレス機においては、プレス加工とプレス加工との間に、ワークＷの交換作業や、ヘッド４の交換作業等を行う必要があるため、その作業スペースを確保するために、ヘッド４を高い位置まで上昇させておく必要がある。つまりプレス加工時におけるラム２２のストロークが長くなるため、プレス加工に要する時間（稼働時間）に対するラム２２の可動時間（降下時間）が占有する割合が大きくなっている。従って本実施形態のようにラム２２の降下時間を短縮することによって、プレス加工に要する時間を確実に短縮できて、生産効率をより確実に向上させることができる。

なおヘッド４の降下時において、ワークＷの手前で加工に適切な速度までヘッド４の降下速度を低下させているため、ヘッド４を所定の遅い降下速度でワークＷに押圧させることができ、ワークＷの加工精度を高度に維持することができる。

また本実施形態においては、ヘッド４の降下時の後半部（低速域）では、ヘッド４の現在位置から目標位置（加工終了位置）までの残りの降下距離に従って、ヘッド４の降下速度を次第に低下させるようにしているため、ヘッド４によってワークＷをスムーズに押し込むことができ、プレス加工を正確に安定して行うことができ、加工精度を一層向上させることができる。

さらにヘッド降下時の後半部においては、ヘッド位置を直接読み取るようにしたリニアスケール５によって得られる実測の位置データに基づいて、ヘッド４の降下速度を制御するようにしているため、降下速度を適切に制御することができ、プレス加工をより安定して行うことができて、加工精度をより確実に向上させることができる。

また本実施形態においては、必要に応じてキャリブレーションを行って、エンコーダ３１からの入力情報に対し、出力情報（ヘッド位置Ｈθ）を補正するようにしているため、実測の位置データ検出のためのリニアスケール５の配置のない領域において用いられるエンコーダ３１の回転角度θによるヘッド位置Ｈθとして、信頼性の高い情報を得ることができ、加工精度をより一層向上させることができる。

しかもキャリブレーションに用いられる基準データとして、リニアスケール５によって得られる実測の位置データを用いているため、キャリブレーションによって、エンコーダ３１の回転角度θから、正確なヘッド位置Ｈθを算出することができる。そしてこの正確なヘッド位置Ｈθに基づいて、高速で降下させた後の低速降下への切替位置を正しくできるので、ヘッド４が目盛り読取センサ５３に衝撃的に衝突することを避けることができる。また、ヘッド４の下降の全域においてヘッド位置Ｈθをエンコーダ３１の回転角度θのみで求めることにより、制御を簡単化する場合においても、ヘッド位置Ｈθを正確に検出することができるので、ヘッド４を正確に、すなわち信頼性を高めて作動させることができ、加工性能をさらに向上させることができる。

なお上記実施形態においては、駆動量検出手段として、エンコーダを用いる場合を例に挙げて説明したが、それだけに限られず、本発明においては、駆動量検出手段として、モータ回転量を検出するレゾルバ等を用いるようにしても良い。

さらに上記実施形態においては、ヘッド位置検出手段として、リニアスケールを用いるようにしているが、それだけに限られず、本発明においては、直進移動するヘッドに基づいて、ヘッドの位置を検出できる手段であれば、どのような手段でも用いることができる。例えばヘッド通過の有無を検出するヘッド通過検出手段を所定の高さ毎に複数個取り付けて、ヘッド位置検出手段として構成しても良いし、ヘッドの直進移動量に基づいてヘッドの位置を検出するようにしたヘッド位置検出手段を採用するようにしても良い。特に本実施形態においては、実際のヘッド位置に基づいて、直接的にヘッドの位置を検出するようにしたヘッド位置検出手段を採用するのが好ましい。

また上記実施形態においては、キャリブレーションを行う際には、ヘッドをプレス加工時と異なる速度で動作させるようにしているが、それだけに限られず、本発明においては、ヘッドをプレス加工時と同様な速度変化で動作させて、キャリブレーションを行うことも可能である。この場合、プレス加工と並行して、キャリブレーションを並行して行うことができ、より一層生産効率を向上させることができる。

また上記実施形態で、ヘッド降下時の後半部におけるヘッドの動作を、リニアスケールからの情報に基づいて制御するようにしているが、それだけに限られず、本発明においては、後半部のヘッド動作を、エンコーダ等の駆動量検出手段からの情報に基づいて制御するようにしても良い。

この発明の一実施形態にかかるプレス機をラム上昇状態で示す概略側面図である。 実施形態のプレス機をラム降下状態で示す概略側面図である。 実施形態のプレス機における動作を説明するためのフローチャートである。 実施形態のプレス機におけるラム下降時前半部の降下速度とヘッド位置との関係を示すグラフである。 実施形態のプレス機におけるラム下降時後半部の降下速度とヘッド位置との関係を示すグラフである。 実施形態のプレス機におけるエンコーダの回転角度とリニアスケールのヘッド位置との相関関係を示すグラフである。

符号の説明

２２ ラム
３ サーボモータ（ラム駆動手段）
３１ エンコーダ（駆動量検出手段）
４ ヘッド
５ リニアスケール（ヘッド位置検出手段）
５１ スケールフレーム（リニアスケールフレーム）
５３ 目盛り読取センサ

Claims (4)

1. ワークをプレス加工するプレス機であって、
   ワークに対し進退自在なラムと、
   ラムを進退駆動するラム駆動手段と、
   ラムの先端に設けられ、かつワークを押圧するヘッドと、
   ラム駆動手段の駆動量を検出する駆動量検出手段と、
   駆動量検出手段からの情報に基づいて、ヘッドの位置を算出するヘッド位置算出手段と、
   ヘッド位置算出手段からの情報に基づいて、ラム駆動手段の駆動を制御して、ラムの進出中においてヘッドがワークに到達する前に、ラムの進出速度を低下させるラム進出速度制御手段と、
   直進移動するヘッドに基づいて、ヘッドの位置を検出するヘッド位置検出手段と、
   ヘッド位置検出手段からの情報を基準にして、ヘッド位置算出手段からの情報の適正化を図る情報適正化手段と、を備え、
   ラムの進出速度を低下させた後の低速域において、進出速度制御手段は、ヘッド位置算出手段からの情報に換えて、ヘッド位置検出手段からの情報に基づいて、ラム駆動手段の駆動を制御するようにしたことを特徴とするプレス機。
2. 低速域において、ヘッドの現在位置から加工終了位置までの残りの進出距離を算出して、その残りの進出距離が減少するのに従って、進出速度を次第に低下させる請求項１に記載のプレス機。
3. ヘッド位置検出手段は、ワークを保持するベースフレームに固定されるリニアスケールフレームと、ヘッドのリニアスケールフレームに対する位置を読み取るセンサとを有するリニアスケールによって構成される請求項１または２に記載のプレス機。
4. 所定のプレス加工数に到達した際に、情報適正化手段による情報の適正化を行うようにした請求項１〜３のいずれか１項に記載のプレス機。
   

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