JP5516256B2 - 速度制御による打抜き装置 - Google Patents

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本発明は、ワーク(鋼板等の加工物)を打抜いて板金部品やモータ固定子鉄心等を製造する打抜き装置に関するものである。
一般的に、従来の打抜き装置は、プレス機に代表するようにワークを打抜く際には、ワークのせん断力以上の荷重をワークに与えることで打抜きを行っている。
そのため、装置の機構としては回転駆動するクランク軸に取付けられたコネクティングロッドのストローク下死点で打抜きを行う。
その他、上下往復運動するスライドに打抜き型を取付け、リニアモータと移動位置検出する位置検出器を設けて、位置データと速度データを順に読み出し、位置データの示す位置を目標位置として速度データの示す速度でリニアモータを駆動制御する制御手段とを備えたものがある(例えば特許文献1参照)。
特開平11−254191号公報
従来のプレス機の場合、打抜くエネルギーはせん断力とワーク厚みの積で求まり、せん断力はワーク周長と厚みとせん断応力で決まるが、一般的にせん断力は非常に大きいため、プレス機にて打抜くために大きなエネルギーが必要となり、荷重で打抜く従来方式の場合、大きな荷重を得るため打抜き型サイズを大きくして質量を増し、同時にそれを受ける装置土台のサイズも大きくなる。そのため、装置は極めて重厚量大となり、また打抜き型・装置の過剰サイズ・スペースともなりうる。
また、ワークによっては過剰なせん断力が加わりワークの寸法精度を損なうことや材料特性を劣化させることがある。
一方、リニアモータを駆動制御する制御手段を備えた特許文献1の場合においては、スライドの各移動位置におけるスライド速度を任意に且つ簡単に変更できるが、ワークの加工は、スライドに固定された打抜き型のストロークの下死点近傍で行っている。そのため、打抜くために必要なエネルギーは、運動エネルギー(Ev)ではなく、従来通りの荷重に頼る打抜きが行われている。
そこで、必要荷重を与えるために大きな推力を必要とするので、リニアモータサイズの大型化や、数台のリニアモータで同時制御する等の手段がとられ、その結果、装置サイズは従来通り大きくなる。
仮に、リニアモータの最高速度でワークを打抜けたとしても、リニアモータの減速区間(打抜き点から下死点まで)が必ず必要となるため、ある一定の減速用ストロークを要することとなり、打抜き型の刃研部分(研磨部分)のストロークが長くなるため打抜き型の寿命が極端に短くなる。
また、リニアモータの最高速度でワークを打抜けて、打抜き後に打抜き時の衝撃によりリニアモータが急停止したとしても、その衝撃に耐えうる堅牢な装置とする必要があるため、装置サイズは従来通り大きいままとなる。
さらには、急停止することで短時間に大きな回生エネルギーを発生させるため、処理できる制御装置が必要となり制御装置のサイズアップに影響する。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、打抜き装置の小型化、省資源化、省スペース化、省エネルギー化、更には加工サイクルタイム短縮による加工能率を向上させる打抜き装置を提供する。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の打抜き装置は、ガイドフレームと、前記ガイドフレームに設置され、上死点から打抜き点までの加速区間、及び打抜き点から下死点までの減速区間を有し、上死点と下死点との間の移動区間を往復するリニアモータと、下部に打抜き型を保持しリニアモータに連結され、リニアモータが上死点から打抜き点に至る加速区間において最高速度まで加速されるヘッドユニットと、ワークを設置し、前記ヘッドユニットが最高速度となる打抜き点で打抜き型に当接するように下型と、を備え、ワークに必要な打ち抜きエネルギーを、主としてヘッドユニットの最高速度時の運動エネルギーから得、リニアモータはリニアブラケットに結合され、ヘッドユニットはガイドシャフト及び押しばねを介してリニアブラケットに連結され、ヘッドユニットとリニアブラケットとは押しばねにより互いに離間するように取付けされ、ガイドシャフトにより、所定距離以上離間しないように拘束されている。
この発明によれば、ワーク(鋼板等の加工物)を高速で運動エネルギーを主に打抜くことが可能となり、打抜き装置自体の小型化、省資源化、省スペース化に貢献できる。
また、被打抜き部の切断面の精度、品質がよく、残留応力が小さく、また、打抜き型の磨耗低減による長寿命化、省エネルギー化も可能となる。
本発明にかかる打抜きプレス機の実施の形態を示す縦断面図である。 リニアブラケットが上死点位置にある状態を示す縦断面図である。 リニアブラケットが上死点位置から下降してワーク打抜き点にある状態を示す縦断面図である。 リニアブラケットがさらに下降して下死点位置にある状態を示す縦断面図である。 従来技術の場合におけるリニアモータ、及び打抜き型の変位線図と速度線図である。
以下に、本発明にかかる速度制御による打抜き装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明にかかる打抜き装置の実施の形態を示す縦断面図である。
図1に示すように、実施の形態の打抜き装置100は、垂直面10a、10aを互いに対向させて立設されたガイドフレーム10、10と、ガイドフレーム10、10の垂直面10a、10aに設置され垂直方向に移動するリニアモータ15、15と、リニアモータ15、15に結合されたリニアブラケット20と、リニアブラケット20の下側に連結されたヘッドユニット25と、ヘッドユニット25の上ブラケット25eに保持された打抜き型25fと、下ブラケット31に保持されて打抜き型25fと対向するように設置されたダイス下型30と、を備えている。
ガイドフレーム10の垂直面10a、10aに、リニアモータ15の磁石レール15a、15aが、片側に2本ずつ垂直方向に設置されている。リニアブラケット20の両側に、リニアモータ15のコイルスライダ15bが、磁石レール15a1本につき上下2個ずつ結合されている。
ヘッドユニット25は、ヘッドブラケット25aと、ヘッドブラケット25aの下側に取付けられた上ブラケット25eと、上ブラケット25eに保持された打抜き型25fと、打抜き型25fの下側に、押えばね25hにより連結されたワーク押え25gと、ヘッドブラケット25aの上側にボルト25dにより取付けられた3本のガイドシャフト25bと、を備えている。
ガイドシャフト25bは、軸部25baと軸部25baより径が大きい頭部25bbとから成っている。ガイドシャフト25bの軸部25baには、押しばね25cが装着されている。ガイドシャフト25bの頭部25bbは、リニアブラケット20の下部に設けられたシリンダ部20a内に挿入されている。ガイドシャフト25bの軸部25baを挿通させた状態でリニアブラケット20の下端に取付けられたホルダ21により、頭部25bbが保持されることにより、ヘッドユニット25がリニアブラケット20に連結される。
ヘッドユニット25がリニアブラケット20に連結された状態で、押しばね25cは、ホルダ21とヘッドブラケット25aの間に挟持され、初期圧縮たわみが与えられている。そのため、互いに離間するように取り付けされ、ガイドシャフトにより所定距離以上は離間しないように拘束されている。
ヘッドユニット25とリニアブラケット20とは、押しばね25cにより、互いに離間するように取付けされ、ガイドシャフト25bにより、所定距離以上離間しないように拘束されている。ヘッドユニット25とヘッドブラケット25aは、リニアモータ15の磁石レール15a、15aにガイドされ、リニアモータ15の移動に伴って垂直方向に移動する。
次に、図2〜図を参照して、打抜き製造装置100の作用、動作について説明する。図2は、リニアモータ、リニアブラケット及びヘッドユニットが上昇して上死点にある状態を示す縦断面図であり、図3は、リニアモータ、リニアブラケット及びヘッドユニットが上死点から下降して打抜き点にある状態を示す縦断面図であり、図4は、リニアモータ及びリニアブラケットがさらに下降して下死点位置にある状態を示す縦断面図であり、図5は、従来技術のリニアモータ変位線図、及び速度線図である。
図2に示すように、リニアブラケット20が、リニアモータ15により駆動されて上昇し、リニアブラケット20の下端が上死点(最高位置)にあるとき(このときリニアモータ15も同様に上死点にある)、ヘッドユニット25は、3本のガイドシャフト25bにより吊上げられて上死点にあり、ワーク押え25gとダイス30上のワーク(加工物)40とは離間している。同様に、ガイドフレーム10の最下部に設けられた第1ストッパ10bとヘッドブラケット25aも離間し、下ブラケット31上に立設された第2ストッパ32と上ブラケット25eも離間している。
上記のリニアモータ15、リニアブラケット20及びヘッドユニット25の上死点から、リニアモータ15を下方向推力により駆動させ、リニアブラケット20を下降させ、押しばね25cの反発力も利用して、ヘッドユニット25に下降加速度を与え、ヘッドユニット25を下降させる。
ヘッドユニット25が下降すると、まず、ワーク押え25gがワーク40に当接してワーク40をダイス下型30上に押えつける。
続いて、図3に示すように、押えばね25hが圧縮されて打抜き型25fがワーク押え25gに当接する直前に、打抜き型25fのポンチ25fpにより、ワーク40の被打抜き部40aを打ち抜き、被打抜き部40aをダイス下型30の落し孔30aに落し込む。
ポンチ25fpによりワーク40を打抜くときのヘッドユニット25の下降速度Vが最高速度Vmaxとなる位置になるように、そして最高速度Vmaxは打抜きに必要最小限の速度となるように、上死点から打抜き点までのリニアモータ15の加速区間を設定する。
すなわち、実施の形態の打抜き製造装置100は、リニアモータ15の推力でワーク40を打抜くのではなく、ワーク40の打抜きに必要なエネルギーを、主として、ヘッドユニット25(打抜き型25fを含む)の最高速度時の運動エネルギーEvから得ることにより、高速でワーク40を打抜くようになっている。
ワーク40の厚さをt、ワーク40から打抜かれる被打抜き部40aの周長をS、ワーク40のせん断応力をτ、安全率をA、とすると、せん断力F及び打抜きに必要なエネルギーEpは、
せん断力 :F =A・S・t・τ (1)
打抜きエネルギー:Ep=F・t=A・S・t・τ (2)
で表される。
ヘッドブラケット25aと、上ブラケット25eと、打抜き型25fと、3本のボルト25dと、3本のガイドシャフト25bと、から成るヘッドユニット25の質量をm、打抜き型25fのポンチ25fpがワーク40に当接するときのヘッドユニット25の下降速度をVmaxとすると、ヘッドユニット25の運動エネルギーEvは、
運動エネルギー:Ev=m・Vmax /2 (3)
で表される。
ワーク40から被打抜き部40aを打抜くために、
Ep<Ev
となるように、ヘッドユニット25が上死点から打抜き点に到達するまで(リニアモータ15が上死点から打抜き点に到達するまで)の加速区間において、リニアモータ15の推力によりヘッドユニット25を最高速度Vmaxまで加速するようにする。
上記したリニアモータ15の制御装置は、リニアモータ15の制御装置50(図1参照)に、ワーク40のせん断応力τ、厚さt及びワーク40の被打抜き部40aの周長Sを入力し、制御装置50により、上記(2)式に基づいて打抜きエネルギーEpを演算し、ヘッドユニット25の質量mや押しばねのばね定数等必要諸条件も予め記憶しておき、ヘッドユニット25の打抜き点における最高速度Vmaxが、打抜きエネルギーEp<m・Vmax /2となるように、リニアモータの加速区間を設定させるようにするとよい。
図3に示すように、打抜き型25fのポンチ25fpによりワーク40が打抜かれると、打抜き時の衝撃によりヘッドユニット25が急減速すると同時に、打抜き型25fがワーク押え25gに当接し、その後、上ブラケット25eが第2ストッパ32に当接し、ヘッドブラケット25aが第1ストッパ10bに当接することにより、ヘッドユニット25は下降を停止する。
同時に、制御装置50により、リニアモータ15も減速停止する。この時、リニアモータの打抜き点から下死点までの減速区間に発生する回生エネルギーを制御装置側で蓄積することで、再度運動エネルギーとして再利用することもできる。
続いて、リニアモータ15は逆方向(上昇方向)へ駆動され、リニアブラケット20は、リニアモータ15の上昇方向推力及び押しばね25cの反発力により上昇方向の力を付与され、図2に示す上死点位置まで上昇して、第1回目のワーク打抜き工程を終了する。ワーク40の位置を移動させながら第2回目以降のワーク打抜き工程を実施する。
図5は、従来技術の場合におけるリニアモータ、及び打抜き型の変位線図と速度線図を示す。リニアモータと打抜き型は常に同期して駆動するので図5に示す通りの線図となる。
従って、打抜き点での打抜き速度はVaで示す箇所となり、最高速度Vmaxではない。
以上説明した実施の形態の打抜き装置100によれば、速度制御できる制御装置と位置検出器を備えることで、ワーク打抜き形状の情報から必要エネルギーを算出し必要最小限の運動エネルギーでワークを打抜くことができ、ワーク40を高速で運動エネルギーにより打抜くので、打抜き装置に用いるリニアモータの小型化が可能となり、装置の小型化、省資源化、省スペース化に貢献できる。
なお、リニアモータと連結するリニアブラケットと打抜き型を保持するヘッドユニットとの間には押しばね機構が設けられているため、リニアモータの加速と押しばねの弾力の相乗効果により、ヘッドユニットがリニアモータの運動とは同期せずに、リニアモータの最高速度以上の加速度・速度を生じることができ、より大きな運動エネルギーを得ることができる。同時に、必要速度に到達するまでの時間を短縮できるので加工サイクルタイムの短縮化にも貢献できる。また、押しばね機構により、最高速度に達したヘッドユニットが、打抜き時リニアモータの運動とは同期せずに、ばねの弾力により急激に減速停止するので、打抜き後、減速停止するまでのストロークは非常に短くできる。
その他、速度制御できる制御装置を用いて必要最小限の運動エネルギーで打抜くため、打抜き直後のヘッドユニット速度はほぼゼロとなる。従って、打抜き型の刃研部分は必要最小限のストロークとなるので打抜き型の長寿命化に貢献できる。且つ、打抜き後のヘッドユニットのストロークが少ないため加工サイクルタイム短縮化にも貢献できる。ここで、押しばね機構の効果は、打抜き時の衝撃をリニアモータ本体部へ伝えにくくする緩衝材の役目も果たすので、打抜き装置の堅牢化が不要であり、打抜き装置の簡素化、小型化、省資源化、省スペース化に寄与する。
また、ガイドフレームとガイドフレームに設置され、上死点から打抜き点までの加速区間、及び打抜き点から下死点までの減速区間を有し、上死点と下死点との間の移動区間を往復するリニアモータが両側の各ガイドフレームに対向設置することもできる。
以上のように、本発明にかかる打抜き装置は、ワーク(鋼板等の加工物)を打抜いて板金部品やモータ固定子鉄心等を製造する打抜き装置として有用である。
また、ダイス下型30をx軸方向、y軸方向に駆動できるアクチュエータを設けると様々な形状に加工できる打抜き装置にも応用できる。
10 ガイドフレーム、10 第1ストッパ、15 リニアモータ、15a 磁石レール、15b コイルスライダ、20 リニアブラケット、20a シリンダ部、21 ホルダ、25 ヘッドユニット、25a ヘッドブラケット、25b ガイドシャフト、25c 押しばね、25d ボルト、25e 上ブラケット、25f 抜き型、25fp ポンチ、25g ワーク押え、25h 押えばね、30 ダイス下型、30a 落し孔、31 下ブラケット、32 第2ストッパ、40 ワーク(鋼板)、40a 被打抜き部、50 制御装置、100 打抜きプレス機。

Claims (5)

  1. ガイドフレームと、
    前記ガイドフレームに設置され、上死点から打抜き点までの加速区間、及び打抜き点から下死点までの減速区間を有し、上死点と下死点との間の移動区間を往復するリニアモータと、
    下部に打抜き型を保持しリニアモータに連結され、リニアモータが上死点から打抜き点に至る加速区間において最高速度まで加速されるヘッドユニットと、
    ワークを設置し、前記ヘッドユニットが最高速度となる打抜き点で打抜き型に当接するように下型と、を備え、
    ワークに必要な打ち抜きエネルギーを、主としてヘッドユニットの最高速度時の運動エネルギーから得、
    リニアモータはリニアブラケットに結合され、ヘッドユニットはガイドシャフト及び押しばねを介してリニアブラケットに連結され、ヘッドユニットとリニアブラケットとは押しばねにより互いに離間するように取付けされ、ガイドシャフトにより、所定距離以上離間しないように拘束されていることを特徴とする打抜き装置。
  2. ワークの打抜き後に、ヘッドユニットの移動を停止させるストッパをさらに備え、停止した前記ヘッドユニットは、慣性により該ヘッドユニットに接近するリニアブラケットを、押しばねの反発力により減速させることを特徴とする請求項1に記載の打抜きプレス機。
  3. リニアモータは、一対のガイドフレーム間に設置されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の打抜き装置。
  4. リニアモータの打抜き点から下死点までの減速区間に発生する回生エネルギーを蓄積する回生エネルギー蓄積手段を備えたことを特徴とする請求項1乃至3何れかに記載の打抜き装置。
  5. リニアモータは、ワークのせん断応力τ、厚さt、及びワークの打抜き部周長Sに基づいて打抜きエネルギーEpを算出し、ヘッドユニット質量mとリニアモータの打抜き点における最高速度Vmaxが打抜きエネルギーEp<m・Vmax2/2となるように上死点から打抜き点までの加速区間で加速させる制御ユニットにより制御されることを特徴とする請求項1乃至4何れかに記載の打抜き装置。
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