JP5418154B2 - ダイクッション装置の制御装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、プレス機械用ダイクッション装置の制御装置及び方法に関する。

ダイクッション装置は、プレス機械において上金型とブランクホルダの間にワークを挟みワークのしわ押さえ力（クッション力）を発生する装置である。

従来から、プレス機械のダイクッション装置として、種々の方式のものが提案されている（例えば、特許文献１〜３）。なお、特許文献４、５は、本願と関連する発明である。

特許文献１は、電動式であり、駆動機構に電動機で駆動するボールねじ等の送りねじと歯車を用いるものである。
特許文献２は、リニアモータ式であり、リニアモータによりブランクホルダを直接駆動するものである。
特許文献３は、油圧式であり、油圧シリンダを用いてブランクホルダを直接駆動するものである。

特許第３２４１８０３号公報、「プレスのＮＣサーボダイクッション装置」 特開２００７−３０１６１２号公報、「ダイクッション装置」 特開平０７−２４６００号公報、「プレスの油圧ダイクッション装置」 特願２００８−２９６５１９号、「プレス機械のダイクッション装置」、未公開 特開２００９−２９６１７号公報、「制振位置決め制御方法および装置」

上述した電動式のダイクッション装置（特許文献１）は、駆動機構にボールねじ等の送りねじや歯車を利用しているため、耐衝撃性に欠け、駆動機構の強度および耐久性の確保が困難である問題点があった。

また、リニアモータ式のダイクッション装置（特許文献２）は、ブランクホルダを直接駆動するリニアモータに要求される推力が大きく、この大推力を有するリニアモータの製作が実質的に不可能、或いは非常に困難であった。

さらに、油圧式のダイクッション装置（特許文献３）は、ブランクホルダを駆動する油圧シリンダのクッション速度およびクッション能力を油圧サーボ弁で制御するため、油圧サーボ弁によるエネルギー損失が大きく、かつエネルギーの回生ができないためエネルギー効率が低い問題点があった。

そこで、本願発明の出願人は、構成機器が少なくシンプルな構造により容易に実現でき、耐久性及び耐衝撃性が高く、エネルギー効率が高く、かつエネルギーの回生ができるプレス機械のダイクッション装置を創案し、出願した（特許文献４、現時点で未公開）。

図１は、特許文献４のダイクッション装置の模式図である。
この図において、ダイクッション装置１０は、出力ピストン１２、制御ピストン１４、パスカルシリンダ１６、及びリニア駆動装置１８を備えている。

出力ピストン１２は、ワークを保持するブランクホルダ（図示せず）の下方に位置しブランクホルダと同期して上下動可能に構成されている。すなわち、この例では、出力ピストン１２のピストンロッドが軸方向上方に延び、その上端がクッションパッド７を介してブランクホルダに常に上向きのクッション力Ｆを付加し、これらが常に一体となって上下動するようになっている。
この構成により、従来熱として損失していたエネルギーをモータジェネレータ１８ｃで電力回生できるため省エネルギーに貢献することができる。

しかし、特許文献４のダイクッション装置の場合、出力ピストン１２と制御ピストン１４の間の主連通流路１６ｃに発生する液圧を介して力を伝達するため、主連通流路１６ｃの液圧（作動油）の体積変化に比例する力がシリンダに伝達される「ばね−質点系」の挙動となるため、液体の振動抑制が困難である問題点があった。
そのため、特にモータジェネレータ１８ｃの応答遅れが大きい場合に、フィードバックゲインを大きくとれないため、プレス接触前に予圧を与える場合や、成形中にクッション力を変化させる場合など、短時間でクッション力を変化させる必要がある場合に、非定常な動作への応答が不十分となる問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、出力ピストンに作用する衝撃力を封入された液体に発生する液圧を介して制御ピストンに伝達してエネルギーを回生でき、かつ短時間でクッション力を変化させる必要がある場合でも、液圧の体積変化に起因する液体の残留振動を抑制することができるダイクッション装置の制御装置及び方法を提供することにある。

本発明によれば、周期的に上下動する上下動部材と、該上下動部材の下死点近傍で上下動部材に上向きのクッション力を与える出力ピストンと、該出力ピストンに作用する下向きの力を封入された液体を介して制御ピストンに伝達するパスカルシリンダと、前記制御ピストンを駆動しかつこれに駆動されてエネルギー回生可能なリニア駆動装置とを備えたダイクッション装置の制御装置であって、
前記クッション力を前記液体の固有周期の整数倍で直線状に変化させ、クッション力変化時の液体の残留振動を抑制するジャーク一定制御器を有する、ことを特徴とするダイクッション装置の制御装置が提供される。

本発明の実施例によれば、固有周期演算器を有し、前記液体の温度から出力ピストンと制御ピストンの間に介在する液体の固有周期を演算する。

また、液体の残留振動を抑制しながら目標クッション力に達するように、フィードバック制御を行うフィードバック制御器を有する。

また本発明によれば、周期的に上下動する上下動部材と、該上下動部材の下死点近傍で上下動部材に上向きのクッション力を与える出力ピストンと、該出力ピストンに作用する下向きの力を封入された液体を介して制御ピストンに伝達するパスカルシリンダと、前記制御ピストンを駆動しかつこれに駆動されてエネルギー回生可能なリニア駆動装置とを備えたダイクッション装置の制御方法であって、
前記クッション力を前記液体の固有周期の整数倍で直線状に変化させ、クッション力変化時の液体の残留振動を抑制する、ことを特徴とするダイクッション装置の制御方法が提供される。

本発明の実施例によれば、前記液体の温度から出力ピストンと制御ピストンの間に介在する液体の固有周期を演算する。

また、液体の振動を抑制しながら目標クッション力に達するように、フィードバック制御を行う。

上記本発明の装置及び方法によれば、ジャーク一定制御器を有し、クッション力を出力ピストンと制御ピストンの間に介在する液体の固有周期の整数倍で直線状に変化させるので、クッション力変化時の液体の振動を抑制し、目標クッション力に変化後の残留振動を大幅に低減できる。

特に、固有周期演算器により、前記液体の固有周期を演算し、フィードバック制御器により、液体の振動を抑制しながら目標クッション力に達するように、フィードバック制御を行うことにより、ジャーク一定制御の精度を高め、目標クッション力に変化後の液体の残留振動を更に小さくできる。

特許文献４のダイクッション装置の模式図である。 本発明による制御装置を備えたダイクッション装置の構成図である。 本発明による制御装置の構成図である。 従来例による成形中のクッション力の変化を示す図である。 本発明による制御方法の説明図である。 本発明による制御方法の別の説明図である。 本発明による成形中のクッション力の変化を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図２は、本発明による制御装置を備えたダイクッション装置の構成図である。
この図において、ダイクッション装置１０は、周期的に上下動する上下動部材４と、上下動部材４の下死点近傍で上下動部材に上向きのクッション力を与える出力ピストン１２と、出力ピストン１２に作用する下向きの力を封入された液体を介して制御ピストン１４に伝達するパスカルシリンダ１６と、制御ピストン１４を駆動しかつこれに駆動されてエネルギー回生可能なリニア駆動装置１８とを備える。

出力ピストン１２は、ワークを保持するブランクホルダ（図示せず）の下方に位置しブランクホルダと同期して上下動可能に構成されている。すなわち、この例では、出力ピストン１２のピストンロッドが軸方向上方に延び、その上端がクッションパッド７を介してブランクホルダに常に上向きのクッション力Ｆを付加し、これらが常に一体となって上下動するようになっている。

以下、機械プレスにおいて、上下動してクッションパッド７に衝突し、下向きの衝撃力を周期的に与える機械プレスの構成部材４（スライド、上金型など）を総称して、「上下動部材」と呼ぶ。

出力ピストン１２は、円筒形の外周面を有し、その外周面に図示しない液密シール（例えばオイルシール）を有し、パスカルシリンダ１６の出力シリンダ１６ａ内において、液密を保持しながら軸方向（すなわち上下方向）に自由に移動できるようになっている。

制御ピストン１４は、出力ピストン１２より直径が小さく（例えば１／２）、同様に円筒形の外周面を有し、その外周面に図示しない液密シール（例えばオイルシール）を有し、パスカルシリンダ１６の制御シリンダ１６ｂ内において、液密を保持しながら軸方向（この例では上下方向）に自由に移動できるようになっている。

パスカルシリンダ１６は、上述した出力シリンダ１６ａ及び制御シリンダ１６ｂと、出力シリンダ１６ａ及び制御シリンダ１６ｂのピストン側を連通する主連通流路１６ｃと、出力シリンダ１６ａ及び制御シリンダ１６ｂのロッド側を連通する副連通流路１６ｄとを有する。
主連通流路１６ｃ及び副連通流路１６ｄは、エネルギー損失を小さくするため、断面積が大きく設定されている。また主連通流路１６ｃ及び副連通流路１６ｄには非圧縮性の作動液Ｌが封入されている。

この構成により、主連通流路１６ｃに発生する液圧は出力ピストン１２と制御ピストン１４の両方に作用するので、パスカルの原理によって、出力ピストンに対して制御ピストンの移動速度を増速（例えば４倍）し、制御ピストンの必要推力を大幅に低減（例えば１／４倍）できる。すなわち、パスカルシリンダ１６は、出力ピストン１２の運動を制御ピストン１４に増速して伝達する増速装置として機能する。

リニア駆動装置１８は、制御ピストン１４に連結されこれを軸方向に駆動可能かつエネルギーを回生可能に構成されている。
この例において、リニア駆動装置１８は、ボールナット１８ａ、ボールネジ１８ｂ、及びモータジェネレータ１８ｃからなる。

ボールナット１８ａは、制御ピストン１４から下方に延びるピストンロッドの下端部１４ａに連結されて、制御ピストン１４と共に上下動する。また、ボールネジ１８ｂは、ボールナット１８ａの上下動により回転してモータジェネレータ１８ｃを回転駆動して、制御ピストン１４の運動からエネルギーを回生し、或いはモータジェネレータ１８ｃにより回転駆動されてボールナット１８ａを上下動するようになっている。

上述した構成により、従来熱として損失していたエネルギーをモータジェネレータ１８ｃで電力回生できるため省エネルギーに貢献することができる。

図３は、本発明による制御装置の構成図である。
この図において、本発明による制御装置２０は、固有周期演算器２２、ジャーク一定制御器２６（ＪＣ）、フィードバック制御器２８（ＦＢ）及び加算器２９を有する。

固有周期演算器２２は、出力ピストン１２と制御ピストン１４の間に介在する液体の温度から液体の固有周期Ｔを演算する。

ジャーク一定制御器２６（ＪＣ）は、機械プレスのプレス角度、目標クッション力、及び固有周期Ｔから、クッション力を液体の固有周期Ｔの整数倍で直線状に変化させ、クッション力変化時の液体の残留振動を抑制するトルクパターンを出力する。
ここで「ジャーク」とは、加速度の時間微分、すなわちこの例ではクッション力の時間微分を意味する。また、一定の傾きで加速度（すなわちクッション力）を変化させることを「ジャーク一定」と呼ぶ。
さらに、「ジャーク一定制御」とは、ジャーク一定時間が固有周期Ｔの整数倍のときに、その振れがクッション力によって生じる振れ（静的なたわみ）のみになる制御をいう。
かかるジャーク一定制御は、１自由度のばね−質点系でモデル化できる振動要素を制御対象として、特許文献５に開示されている。本願はこの制御を液体振動に適用したものである。

フィードバック制御器２８（ＦＢ）は、機械プレスのプレス角度、モータ回転位置、から振動抑制力偏差を出力する。
加算器２９は、ジャーク一定制御器２６（ＪＣ）の出力（トルクパターン）とフィードバック制御器２８（ＦＢ）の出力（振動抑制力偏差）を加算してモータトルク指令を出力する。
フィードバック制御器２８は、接触後、液体の残留振動を抑制しながら目標クッション力に達するようになっている。

図４は、従来例による成形中のクッション力の変化を示す図である。この図は、図２の構成において、所定の目標クッション力で成形後に上下動部材４が上昇するのに対し、クッションパッド７の位置を（上昇しないよう）維持するために短時間でクッション力を０に低下させた場合のシミュレーション結果の模式図である。

この図４に示すように、成形後に上下動部材４の出力ピストン１２への押し付けが無くなり、制御ピストン１４の動作で短時間でクッション力を低下させると、間に介在する液体が固有周期Ｔで大きく振動し、クッション力も固有周期Ｔで変動する。
固有周期Ｔは、出力ピストン１２と制御ピストン１４の間に介在する液体の振動周期である。

従って、図４の例において、液体の残留振動により出力ピストン１２も制御ピストン１４と同様に振動し、例えばその上に載っているワーク（プレス製品）も上下に振動することになる。この液体の残留振動は、ワーク取出し装置等に悪影響を及ぼす。

図５は、本発明による制御方法の説明図である。この図において、（Ａ）はクッション力の減少時、（Ｂ）はクッション力の増加時である。
本発明の方法では、上述したジャーク一定制御器２６により、機械プレスのプレス角度、目標クッション力、及び固有周期Ｔから、図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、クッション力を液体の固有周期Ｔの整数倍で直線状に変化させ、クッション力変化時の液体の残留振動を抑制するトルクパターンを出力する。
また、上述した固有周期演算器２２により、出力ピストン１２と制御ピストン１４の間に介在する液体の固有周期Ｔを常時演算する。

図６は、本発明による制御方法の別の説明図である。この図において、（Ａ）はクッション力の減少時、（Ｂ）はクッション力の増加時である。
この図に示すようにランプを組み合わせることで演算と実際の固有周期のずれに対するロバスト性を向上させてもよい。

図７は、本発明による成形中のクッション力の変化を示す図である。この図は、図２の構成において、図４と同じ目標クッション力に本発明の方法で制御した場合のシミュレーション結果の模式図である。
なお、この例では、プレス接触前に予圧を変化させる場合と、成形後にクッション力を変化させる場合の両方に本発明を適用している。この例ではプレス接触前にクッション力を減少させているが、プレス接触前にクッション力を増加させることも可能である。また、成形中にクッション力を増加もしくは減少させる場合にも適用可能である。

本発明による成形中のクッション力の変化を示す図である。この図は、図２の構成において、図４と同じ目標クッション力に本発明の方法で制御した場合のシミュレーション結果の模式図である。
なお、この例では、プレス接触前に予圧を変化させる場合と、成形中にクッション力を変化させる場合の両方に本発明を適用している。

上述した本発明の装置及び方法によれば、ジャーク一定制御器２６を有し、クッション力を出力ピストン１２と制御ピストン１４の間に介在する液体の固有周期Ｔの整数倍で直線状に変化させるので、特許文献５に開示されているように、液体の残留振動が抑制され、液体の静的なたわみのみとなる。
従って、クッション力変化時の液体の残留振動を抑制し、目標クッション力に変化後の残留振動を大幅に低減できる。

特に、固有周期演算器２２により、液体の固有周期Ｔを演算し、フィードバック制御器２８により、液体の残留振動を抑制しながら目標クッション力に達するように、フィードバック制御（ＦＢ制御）を行うことにより、ジャーク一定制御（ＪＣ制御）の精度を高め、目標クッション力に変化後の液体の残留振動を更に小さくできる。

従って、図７の例において、上下動部材４が上昇して出力ピストン１２から離れても、出力ピストン１２は振動せず、例えばその上に載っているワーク（プレス製品）も振動しないことになる。従って、液体の残留振動がワーク取出し装置等に悪影響を及ぼすことを回避することができる。

なお、上述した本発明の制御装置及び方法は、プレス機械用ダイクッション装置に限定されず、油圧とモータを組み合わせたその他の機構にも適用可能である。

また、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

４ 上下動部材（スライド、上金型など）、７ クッションパッド、
１０ ダイクッション装置、
１２ 出力ピストン、１４ 制御ピストン、
１６ パスカルシリンダ、
１６ａ 出力シリンダ、１６ｂ 制御シリンダ、
１６ｃ 主連通流路、１６ｄ 副連通流路、
１８ リニア駆動装置、１８ａ ボールナット、
１８ｂ ボールネジ、１８ｃ モータジェネレータ、
２０ 制御装置、２２ 固有周期演算器、
２６ ジャーク一定制御器（ＪＣ）、
２８ フィードバック制御器（ＦＢ）、２９ 加算器

Claims (6)

1. 周期的に上下動する上下動部材と、該上下動部材の下死点近傍で上下動部材に上向きのクッション力を与える出力ピストンと、該出力ピストンに作用する下向きの力を封入された液体を介して制御ピストンに伝達するパスカルシリンダと、前記制御ピストンを駆動しかつこれに駆動されるエネルギー回生可能なリニア駆動装置とを備えたダイクッション装置の制御装置であって、
   前記クッション力を前記液体の固有周期の整数倍で直線状に変化させ、クッション力変化時の液体の残留振動を抑制するジャーク一定制御器を有する、ことを特徴とするダイクッション装置の制御装置。
2. 固有周期演算器を有し、前記液体の温度から出力ピストンと制御ピストンの間に介在する液体の固有周期を演算する、ことを特徴とする請求項１に記載のダイクッション装置の制御装置。
3. 液体の残留振動を抑制しながら目標クッション力に達するように、フィードバック制御を行うフィードバック制御器を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のダイクッション装置の制御装置。
4. 周期的に上下動する上下動部材と、該上下動部材の下死点近傍で上下動部材に上向きのクッション力を与える出力ピストンと、該出力ピストンに作用する下向きの力を封入された液体を介して制御ピストンに伝達するパスカルシリンダと、前記制御ピストンを駆動しかつこれに駆動されるエネルギー回生可能なリニア駆動装置とを備えたダイクッション装置の制御方法であって、
   前記クッション力を前記液体の固有周期の整数倍で直線状に変化させ、クッション力変化時の液体の残留振動を抑制する、ことを特徴とするダイクッション装置の制御方法。
5. 前記液体の温度から出力ピストンと制御ピストンの間に介在する液体の固有周期を演算する、ことを特徴とする請求項４に記載のダイクッション装置の制御方法。
6. 液体の残留振動を抑制しながら目標クッション力に達するように、フィードバック制御を行う、ことを特徴とする請求項４に記載のダイクッション装置の制御方法

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