JP5538096B2 - 油圧装置の制御方法と油圧装置 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウムなどの金属材料を押出加工する際に用いるラム式の押出加工装置などに適用される油圧装置の制御方法と油圧装置に関する。

アルミニウムなどの金属材料の押出加工を行う装置として、アルミニウムなどの地金（ビレット）を収容する筒型のコンテナとこのコンテナの出口側に装着されたダイスと、コンテナの入口側に接続されたラムシリンダ装置とを備えてなるラム式の押出加工装置が知られている。
このラム式の押出加工装置は、例えばアルミニウム地金をコンテナに収容し、コンテナの後部側からラムシリンダ装置のラムを押し込んでビレットを高温高圧でダイス側に押し出し、ダイスに設けられているダイス孔を介して目的の形状の製品に加工する油圧装置の１種として知られている。
この押出加工装置において、ダイスを通過させるビレットの押出速度が必要以上に速い場合、アルミニウムの押出製品の表面が荒れたり、クラックが生じるなど、不良品となるおそれがあるので、ビレットの押出速度は不良品とならない範囲において、できるだけ速い速度とすること、および早く安定した目標速度に到達することが生産性の観点で好ましい。
このため、押出加工装置を運転する場合、押出速度について目標値を設定し、ビレットを移動させるラムの押圧力や速度を制御してビレットの押出速度の一定化を図っているが、ビレットの残り量などに応じた押出初期と押出後期での押出抵抗の変化、押出装置固有の条件などが影響するので、押出速度の制御は容易ではなく、ラムシリンダ装置による押出力や押出速度の制御が押出加工装置の運転上の重要な要素となっている。

このような押出加工装置の制御技術の一例として、ラムシリンダ装置のＰＩＤ（Proportional integral differential）制御を行う装置において、フィードバック制御としての比例制御（Ｐ制御）を利用し、入力値の制御を出力値と目標値との偏差、その積分、および微分の３つの要素によって行う制御方法が知られている。
そして、このＰＩＤ制御技術の延長線上において、大きさにより分けられた複数の操作量区分ごとの存在時間を記憶する記憶部を有し、取得した制御対象の操作量に該当する操作量区分及びその操作量よりも低い操作量区分の記憶部について存在時間を加算する手段と、前記記憶部に格納された存在時間が閾値以上の中で最も大きい操作量区分に基づいて初期操作量に関する制御パラメータを決定する決定手段を備えた制御パラメータの決定装置が知られている。（特許文献１参照）

特開２０００−２２２０２号公報

前述のＰＩＤ制御技術を利用したラムシリンダ装置の制御方法法においては、良品と不良品の臨界点よりも一定のマージンだけ低くした目標値になるようにラムシリンダ装置のラムの速度を制御することが行われている。そして、このＰＩＤ制御は、制御開始当初の過渡期では、できるだけ速く目標値に到達するように制御し、目標値に到達した後の定常状態では制御量が変動することなくその目標値を維持するように制御することになる。
しかし、ＰＩＤ制御において、特に過渡期においては、制御量の目標値と実際の値との偏差に基づき、偏差が大きくなれば操作量が多くなり、偏差が小さい場合は操作量が最も小さくなるようにラムシリンダ装置の入力ゲインを制御する比例動作がなされている。

例えばＰＩＤ制御において、Ｐ動作は、ラムの目標速度と現状速度の偏差を把握し、偏差に比例した出力を得るために、目標速度との差が大きい場合は出力を大に設定し、Ｉ動作は、偏差の積分に比例した出力を得るために、目標になかなか到達しない場合に出力を大きく設定し、Ｄ動作は、ラムの目標速度との偏差の微分に比例した出力とするために、急激な変化を抑える方向に制御している。
このため、従来のＰＩＤ制御は、目標値と実際値との差を見ながら、手探りのような制御を行う方法であるため、ラムシリンダ装置の入力ゲインが小さいとなかなか目標の速度に到達しない問題と、ラムシリンダ装置の入力ゲインが大きいとオーバーシュートを引き起こしたり、ハンチングと称される出力値の振動を引き起こす問題があり、ラムシリンダ装置の適正な入力ゲイン合わせを行うことは容易ではない問題を有していた。

また、前述の特許文献１に記載されている制御方法では、ファジー制御と学習機能を組み合わせた制御を行っている方法であるが、基本はフィードバック制御であるので、条件の異なるアルミニウム材料を１回目に押出加工する場合は、調整が困難であり、同じ材料を用いた２回目以降の制御では学習効果が発揮されてある程度精度が向上するが、状態を把握しながら手探り状態で制御する方法の範疇であるので、ラムの速度が目標の速度になかなか到達しないので応答が遅いという問題に加え、オーバーシュートやハンチングを引き起こしやすい問題が解消されていないという傾向があった。
また、前述の特許文献１に記載されている制御方法では、２回目以降の押出加工の制御においても、ビレット温度、ダイス温度、ビレット長さの変更がなされた場合、条件が異なることになるので、前回の学習効果が発揮されなくなり、結果的に状態を把握しながら手探り状態で制御する方法となってしまう問題がある。

本発明者は、これらの背景に鑑み、ラムシリンダ装置を備える押出加工装置の制御条件について鋭意研究した結果、従来把握されていた押出条件の他に、従来は全く考慮されていなかったパラメータが重要であるとの知見を得た。
周知の如く押出加工装置は、数１０００トンもの強力な圧力を発生できる油圧式のラムシリンダ装置を用いた油圧装置の１種であり、高圧発生のための油圧機構を備えている。この油圧式のラムシリンダ装置を作動するためには、作動油を油圧ポンプでラムシリンダに送り、高い油圧を発生させることになるが、強力な油圧を発生させるラムシリンダ装置の場合、ラムが油圧によって応答性良く動作する訳ではなく、ラムを作動させる作動油が圧縮されてラムが実際に動作するまでの間に、圧力ロスを生じる問題がある。
即ち、高圧によって作動油が圧縮される場合、ラムの移動は油圧の増減に単純に正比例する訳ではなく、例えば押出加工の初期段階において、作動油が圧縮されている間は油圧を上げてもラムの移動速度が向上し難い問題がある。また、例えば、押出加工の後半においてビレットの残り量が少なくなって来た場合、ラムの移動抵抗が少なくなってくるので、作動油に蓄積されていた圧縮分が解放される結果、想定以上の油圧が作動することがあった。
また、作動油の圧縮と解放の他に、油圧の状態に応じてシリンダや油圧配管、コンテナ装置（その内周壁）などが膨張と収縮を繰り返すなどの影響があり、従来の制御技術ではこれらの影響を全く考慮していないが、本発明者の研究により、これらの影響分が押出加工装置の制御性に影響を与えていることが判明した。

更に、上述のシリンダ装置の膨張と収縮分、油圧配管、コンテナ装置などの膨張と収縮分について考察すると、押出加工装置ではなく、油圧を利用してラムの動作を制御する油圧機器一般においても同じ課題があると考えることができるので、上述の如く本発明者が得た知見については、いずれの構造の油圧制御装置にも適用可能であるとの知見を得た。

本発明は、上記事情に鑑み、作動油自体が圧力により圧縮される分の影響があり、更にシリンダ及び油圧配管などが油圧により膨張し収縮する分などの影響が、油圧装置の制御性に大きな影響を与えていることを知見し、これらの状態を勘案して油圧装置の作動制御を行うことで、従来の制御方法よりも格段に高い追従性でもって押出加工装置などの油圧装置を制御することができ、加工に用いる材料の量の影響や温度条件の相違、その他、種々の条件の相違があっても、それらの条件を確実に吸収しながら押出加工を正確に制御することができる油圧装置の制御方法と油圧装置の提供を目的の１つとする。
また、本発明は、押出加工装置に限らず、油圧配管やシリンダを備えてなる油圧装置のいずれにおいても適用が可能であり、従来の油圧装置が影響を受けていた条件に影響を受けることなく油圧装置が発生させる力を正確に制御することができる油圧装置の制御方法と装置の提供を目的の１つとする。

本発明の油圧装置の制御方法は、シリンダおよびラムを有するシリンダ装置と、前記シリンダに作動油を送るための油圧ポンプおよび油タンクを備え、前記油圧ポンプによってシリンダの内部に供給する作動油により前記ラムを油圧駆動し、前記ラムを特定の負荷に抗して移動させる油圧装置の制御方法であって、目的のラム速度に制御する場合、前記油圧ポンプが前記シリンダに作動油を供給し前記シリンダ内の作動油を圧縮しながらこの圧縮分の圧力ロスを含めた作動油の圧力により前記ラムの移動速度が律速される初期状態と、前記ラムシリンダ内の作動油の圧縮が完了した状態から前記シリンダ内に供給したポンプ流量の大小に応じ所定の相関関係を維持しつつ前記ラムの移動速度が律速される比例定常状態と、前記シリンダ内で圧縮されていた作動油の圧力が解放されてこの解放分の圧力が前記ラムシリンダに供給した作動油の圧力に追加されて前記ラムの移動速度が律速される後期状態のいずれかの状態を把握し、前記初期状態においては、前記作動油が圧縮されて圧力ロスが生じる分を加えたポンプ流量に制御し、前記後期状態においては、前記作動油の圧縮分が解放されて圧力が上昇する分を差し引いたポンプ流量に制御しながら前記ラムを移動することを特徴とする。

本発明の油圧装置の制御方法は、前記初期状態において、比例定常状態におけるラム速度に対するポンプ流量と、初期状態におけるラム速度に対するポンプ流量の関係から圧縮状態を数値計算し、その圧縮状態から目標速度に対するポンプ流量を計算することを特徴とする。
本発明の油圧装置の制御方法は、前記後期状態において、比例定常状態におけるラム速度に対するポンプ流量と、後期状態におけるラム速度に対するポンプ流量の関係から圧縮状態を数値計算し、その圧縮状態から目標速度に対するポンプ流量を計算することを特徴とする。
本発明の油圧装置の制御方法は、前記現在のラム速度相当油圧ポンプ流量について、前記ラムに作用する特定の負荷条件についてポンプ特性曲線から求めるか、予め試験により求めた前記比例定常状態において相関関係で示される前記ラムの移動速度と前記油圧ポンプ流量との関係から求めることができることを特徴とする。

本発明の油圧装置の制御方法は、前記油圧装置が、押出加工用の金属材料のビレットを収容するコンテナ装置と、このコンテナ装置の前部側に設けられた押出加工用のダイス装置と、前記コンテナ装置の後部側に設けられたシリンダ及びラムを有するシリンダ装置と、前記シリンダ装置に作動油を送るための油圧ポンプおよび油タンクを備え、前記油圧ポンプによってシリンダの内部に供給される作動油により前記ラムが油圧駆動されて前記ラムが前記コンテナ装置に対し進退自在に構成されてなる押出加工装置であることを特徴とする。

本発明の油圧装置は、シリンダおよびラムを有するシリンダ装置と、前記シリンダに作動油を送るための油圧ポンプおよび油タンクと、前記油圧ポンプからシリンダに作動油を送る油圧ポンプ流量を調節する制御装置を備え、前記油圧ポンプによってシリンダの内部に供給する作動油により前記ラムを油圧駆動し、前記ラムを特定の負荷に抗して移動させる油圧装置であって、前記制御装置に、目的のラム速度に制御する機能として、前記油圧ポンプが前記シリンダに作動油を供給し前記シリンダ内の作動油を圧縮しながらこの圧縮分の圧力ロスを含めた作動油の圧力により前記ラムの移動速度が律速される初期状態と、前記シリンダ内の作動油の圧縮が完了した状態から前記シリンダ内に供給したポンプ流量の大小に応じ所定の相関関係を維持しつつ前記ラムの移動速度が律速される比例定常状態と、前記シリンダ内で圧縮されていた作動油の圧力が解放されてこの解放分の圧力が前記シリンダに供給した作動油の圧力に追加されて前記ラムの移動速度が律速される後期状態のいずれかの状態を把握し、前記初期状態においては、前記作動油が圧縮されてロスが生じる分を加えたポンプ流量に制御し、前記後期状態においては、前記作動油の圧縮分が解放されて圧力が上昇する分を差し引いたポンプ流量に制御しながら前記ラムを移動する機能を具備してなることを特徴とする。

本発明の油圧装置は、前記制御装置に、前記初期状態において、比例定常状態におけるラム速度に対するポンプ流量と、初期状態におけるラム速度に対するポンプ流量の関係から圧縮状態を数値計算し、その圧縮状態から目標速度に対するポンプ流量制御をする機能を具備してなることを特徴とする。
本発明の油圧装置は、前記制御装置に、前記後期状態において、比例定常状態におけるラム速度に対するポンプ流量と、後期状態におけるラム速度に対するポンプ流量の関係から圧縮状態を数値計算し、その圧縮状態から目標速度に対するポンプ流量を計算する機能を具備してなることを特徴とする。

本発明の油圧装置は、前記制御装置に、前記現在のラム速度相当油圧ポンプ流量について、前記ラムに作用する特定の負荷条件について予め試験により求めた比例定常状態において相関関係で示される前記ラムの移動速度と前記油圧ポンプ流量との関係から求める機能を具備してなることを特徴とする。
本発明の油圧装置は、前記油圧装置が、押出加工用の金属材料のビレットを収容するコンテナ装置と、このコンテナ装置の前部側に設けられた押出加工用のダイス装置と、前記コンテナ装置の後部側に設けられたシリンダ及びラムを有するシリンダ装置と、前記シリンダ装置に作動油を送るための油圧ポンプおよび油タンクを備え、前記油圧ポンプによってシリンダの内部に供給される作動油により前記ラムが油圧駆動されて前記ラムが前記コンテナ装置に対し進退自在に構成されてなる押出加工装置であることを特徴とする。

本発明によれば、シリンダ装置と油圧ポンプを備えた油圧装置において、シリンダ内の作動油の圧縮による圧力ロスが発生する初期状態と、圧縮した作動油の圧力解放による追加圧力が発生する後期状態に着目し、これらの圧力ロスと追加圧力を勘案してポンプ流量を制御し、ラム移動のために適切な量の作動油を初期状態と後期状態に油圧ポンプからシリンダに送り、作動油の圧縮と圧力解放分を加味してラムの移動速度を適切に制御するので、従来用いられてきたＰＩＤ制御に比べ、オーバーシュートなどを発生することなく、ラムの移動速度を正確に制御できる効果がある。
また、本発明によれば、現在の油圧ポンプ流量と、現在のラム速度相当油圧ポンプ流量と、目標ラム速度対応油圧ポンプ流量と、油圧ポンプの流量指令を簡単な数式で示される関係を満足するように制御することにより、ラムの移動速度を制御できるので、ＰＩＤ制御のように複雑な計算や制御を行うことなく、ファジー制御のように偏差の増大に起因するオーバーシュートを引き起こすこともなくラムの移動速度を制御できるので、実施が容易でラム速度の正確な制御ができる。

本発明は、シリンダ装置を備えた押出加工装置について適用することができ、押出加工の際にビレット温度、ダイス温度、ビレット長さの変更がなされた場合であっても、これらの変更の影響を受けることなく正確なラム速度の制御ができる。
これによって、従来技術のＰＩＤ制御やファジー制御に比較すると、より正確なラム速度の制御ができ、本発明を押出加工装置に適用することで、欠陥の無い押出成形品を従来よりも高い生産効率で製造できる効果がある。

本発明に係る油圧装置を適用した押出加工装置の一実施形態により押出加工する場合の加工初期状態を示す全体構成図。 本発明に係る油圧装置を適用した押出加工装置の一実施形態により押出加工する場合の加工後期の状態を示す全体構成図。 図１及び図２に示す押出加工装置のダイス周りの具体構造を示す断面図。 本発明に係る油圧装置を適用した押出加工装置の一実施形態においてポンプ流量とラム速度の関係を示す図。 本発明に係る油圧装置を適用した押出加工装置の一実施形態を用いて作動油を圧縮している状態において、現状のラム速度から目標のラム速度まで移動速度を上げる場合の制御方法の一例について説明する図。 本発明に係る油圧装置を適用した押出加工装置の一実施形態を用いて作動油を解放する状態において、現状のラム速度から目標のラム速度まで移動速度を下げる場合の制御方法の一例について説明する図。 本発明に係る油圧装置を適用した鋳造装置の一例を示す構成図。 本発明に係る油圧装置を適用した押出加工装置の一例を用いて押出加工を行う場合、ラムシリンダ装置のポンプ流量について８０％の上限規定を加えた状態で特定のアルミニウム材料を押出加工した場合に得られたシリンダ内の圧力とポンプ流量とラム速度と製品速度の相関関係の一例を示す線図。 本発明に係る油圧装置を適用した押出加工装置の一例を用いて押出加工を行う場合、ラムシリンダ装置のポンプ流量について６０％の上限規定を加えた状態で特定のアルミニウム材料を押出加工した場合に得られたシリンダ内の圧力とポンプ流量とラム速度と製品速度の相関関係の一例を示す線図。 従来のＰＩＤ制御装置を備えた押出加工装置の一例を用いて特定のアルミニウム材料を押出加工した場合に得られたシリンダ内の圧力とポンプ流量とラム速度と製品速度の相関関係の一例を示す線図。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下に説明する実施の形態に制限されるものではない。
図１と図２は本発明に係る油圧装置を適用した押出加工装置の第１実施形態の全体構成を示すもので、本実施形態の押出加工装置Ａは、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属材料の素材であるビレット１を収容する厚肉円筒型のコンテナ装置２と、このコンテナ装置２の出口側に設けられたダイス装置３と、コンテナ装置２の入口側に接続されたラムシリンダ装置５と、このラムシリンダ装置５へ作動油を供給あるいは回収するための作動油供給装置６と、この作動油供給装置６の動作をコントロールするためのコンピュータなどの制御装置７を主体として構成されている。
前記コンテナ装置２とダイス装置３の部分の詳細構造は一例として、図３に示す如く、厚肉円筒型容器であるコンテナ装置２の出口側にダイス９を備えたダイホルダ１０が設置され、このダイホルダ１０がダイリング１１に収容されるとともに、ダイリング１１の内部側であってダイホルダ１０の背後側にバッカー１２ａとバックシム１２ｂが収容され、ダイリング１１の背後側にボルスター１３とプッシャーピース１４とエンドプラテン１５が設けられた構成とされている。

本実施形態の押出加工装置Ａにおいて、図３に示すダイス装置３に設けられているダイス９は一例であって、ダイス９が複数設けられた構造であっても良く、プッシャーピース１４が略される装置構造もあるが、いずれにしてもダイス装置３の構造は目的の製品を押し出すためのダイス孔を備えたダイス９がコンテナ装置２の出口側に備えられ、押出加工できるように構成されていれば良いので、図３はその一例を示しているに過ぎない。なお、ビレット１がダイス９を通過して押し出されることによって得られる押出製品Ｓは、ダイス９のダイス孔に位置合わせされて設けられているバッカー１２ａの通過孔とバックシム１２ｂの通過孔とボルスター１３の通過孔とプッシャーピース１５の通過孔とエンドプラテン１５の通過孔を介して外部に取り出すことができるように構成されている。

図１、図２に示す如くラムシリンダ装置５は円筒状のメインシリンダ１６の内部に移動自在にメインラム１７が収納されてなり、メインラム１７の先方側に一体化されたロッド状のラム１８がメインメインシリンダ１６の前面壁１６ａを貫通してシリンダ装置１６の軸方向（長さ方向）に移動自在に設けられ、前記ラム１８がその先端部１８ａをコンテナ装置２の内部側に押し込むことでコンテナ装置２に収容されているビレット１をダイス９側に押圧できるように構成されている。また、図３に示す如くダイス９はラム１８側に受入口が形成されていて、ダイス９は前記受入口を介し高圧で注入されたビレット１を目的の製品形状に加工できるようなダイス孔が設けられたものである。

ラムシリンダ装置５のメインシリンダ１６において、前部側の周壁部分と後部側の周壁部分にシリンダ内に作動油を供給するか排出するための配管２０、２１が接続され、配管２０に油タンク２２が接続され、この油タンク２２と配管２１とが接続される部分に油圧ポンプ２３が組み込まれ、この油圧ポンプ２３が制御モータ２５により作動制御されてポンプ流量（作動油をメインシリンダ１６に送る量あるいは作動油をメインシリンダ１６から引き抜く量）を調節できるように構成されている。従って、メインラム１７の位置より後部側のシリンダ内部に送る作動油の量を油圧ポンプ２３で調整することにより、メインラム１７をメインシリンダ１６の長さ方向に沿って移動させてラム１８のコンテナ装置２に対する押し込み速度および押し込み量を調整できるように構成されている。なお、メインラム１７の位置よりも前部側のメインシリンダ１６内に滞留している作動油はメインラム１７が前進するにつれて配管２０を介して油タンク２２に戻ることができるように構成されている。

次に、ラムシリンダ装置５においてメインシリンダ１６の外壁の一部にラム１８の移動速度を計測する測定装置２６が設けられ、この測定装置２６と制御装置７が接続配線２７により接続されている。前記測定装置２６が計測したラム１８の移動速度は、ラムシリンダ装置制御用の基礎情報として制御装置７に逐次入力されるようになっている。また、制御装置７は接続配線２８により制御モータ２５に接続されていて、制御モータ２５の作動状態を制御することで油圧ポンプ２３からメインシリンダ１６の後部側へ送る作動油の流量を制御できるようになっている。なお、測定装置２６から制御装置７に情報を送るための接続配線２７と、制御装置７が制御モータ２５に指令を送るための接続配線２８は、図１、図２に示すような実体的な配線に限らず、無線などの通信手段を用いて情報を伝達する手段を採用しても良いのは勿論である。

この実施形態の制御装置７は以下に説明する如く油圧ポンプ流量（％）とラム１８の移動速度（ｍｍ／秒）を制御できるように構成されている。
制御装置７は内部にメモリや記憶装置を有するコンピュータシラムからなり、制御装置７の記憶装置には、以下の情報が記憶されている。
まず、押出加工の初期状態においてラム１８の移動を制御するための制御情報と、その後の比例定常状態においてラム１８の移動を制御するための制御情報と、押出加工後半の後期状態においてラム１８の移動を制御するための制御情報が個別に記憶されている。

押出加工の初期状態とは、前記油圧ポンプ２３が前記メインシリンダ１６に作動油を供給し前記メインシリンダ１６内の作動油を圧縮しながらこの圧縮分の圧力ロスを含めた作動油の圧力により前記ラム１８の移動速度が律速される状態を示す。
比例定常状態とは、前記メインシリンダ１６内の作動油の圧縮が完了した状態から前記メインシリンダ１６内に供給したポンプ流量の大小に応じ所定の相関関係を維持しつつ前記ラム１８の移動速度が律速される状態を示す。
後期状態とは、前記メインシリンダ１６内で圧縮されていた作動油の圧力が解放されてこの解放分の圧力が前記メインシリンダ１６に供給した作動油の圧力に追加されて前記ラム１８の移動速度が律速される状態を示す。
本実施形態の制御装置７は、これら３つの状態を把握し、前記初期状態においては、前記作動油が圧縮されてロスが生じる分を加えたポンプ流量に制御し、前記比例定常状態においては、後述する特定の比例関係に基づいてポンプ流量を制御してラム１８の移動速度を制御し、前記後期状態においては、前記作動油の圧縮分が解放されて圧力が上昇する分を差し引いたポンプ流量に制御しながら前記ラム１８の移動速度を制御する。

最初に、比例定常状態の際の制御について説明する。
制御装置７には、ポンプ流量（％）とラム速度（ｍｍ／秒）の関係式として、ポンプ流量をｙ（％：ポンプの最大流量に対する割合）と仮定し、ラムの移動速度をｘ（ｍｍ／秒）と仮定し、ポンプ流量の増加に伴いラム１８が移動する速度の上昇割合が比例定数ａを伴なう比例関係で近似される以下の（１）式で示される比例関係式が記憶されている。
ｙ＝ａ×ｘ＋ｃ …（１）式
ここで、本実施形態の制御装置７には、具体的に、特定の押出加工装置Ａについて、ｙ＝６．０５２２×ｘ＋２１．９７などのように（１）式における定数ａ、ｃを特定した関係式が記憶されるようになっている。

この関係式の定数ａ、ｃは、例えば、特定の組成比のアルミニウム合金材料をビレットとして図１〜図３に示す押出装置Ａを用い、一度、目的の製品の押出加工を行い、図４に示す如くポンプ流量（％）とラム速度（ｍｍ／秒）の関係を求め、この図４に示す関係から求められたものである。
即ち、実際に押出加工装置Ａを用いて特定の組成比のアルミニウム合金材料製のビレットを押出加工する際、ラム１８の移動速度毎のポンプ流量の関係を実測して図４に示す如くプロットし、この際に得られた多数のプロット位置を結ぶ線分ｂを仮定すると、この線分ｂが上述の（１）式を表すこととなる。なお、図４の縦軸に示すポンプ流量（％）は用いる油圧ポンプ２３の最大流量を１００％とした場合の相対比率で示すので、実際には油圧ポンプの開度に相当する。従って図４ではプロットした位置を開度と記載している。
図４に示す関係では、ｙ＝６．０５２２×ｘ＋２１．９７であり、Ｒ^２＝０．９８８になっているので、ポンプ流量とラムの移動速度はほぼ正比例関係となっている。なお、この図４に示す比例式の定数は、図１〜図３に示す構成の押出加工装置Ａを用い、ビレット１としてＪＩＳ規定６０６３合金を用いた場合の後述する試験結果から導き出された比例式の定数である。

次に、図４に示す如くポンプ流量とラム速度の関係が正比例関係となる理由について説明する。
コンテナ装置２に特定の金属材料のビレット１を収容し、押出を開始した初期状態において、ラム１８がコンテナ装置２内のビレット１を変形させてダイス９のダイス孔を通過させるためには極めて大きな抵抗が生じるので、この抵抗を乗り越えるように強大な油圧をラムシリンダ装置５が発生させる必要がある。ここで、油圧ポンプ２３が配管２１を介してメインシリンダ１６の後部側に作動油を供給してもラム１８はすぐには移動せずに、前記抵抗を超えるように油圧が蓄積されるまでラム１８は移動しない。
加えて、油圧ポンプ２３が作動油をメインシリンダ１６の後部側に送り続ける所定の時間、ビレット１がダイス９のダイス孔を通過するために必要な抵抗に加えて、メインシリンダ１６の内部において作動油自体が加圧されて圧縮される影響、作動油が供給されているメインシリンダ１６の周壁（外壁）、コンテナ装置（その内周壁）が油圧で僅かに膨張する分の影響、作動油を流す配管２１が作動油の圧力で僅かに膨張する分などの影響などが統括的に発生する。これらの影響によって、ダイス９のダイス孔をビレット１が通過するために必要なラム１８の押圧力のみを単純に把握すれば良い訳ではなく、これらの影響が加味された油圧制御を行わなくてはならない。
しかし、メインシリンダ１６に作動油を送ってメインシリンダ１６内の作動油の圧縮が完了し、加えてメインシリンダ１６の周壁（外壁）が油圧で膨張できる分の膨張が終了し、油圧による配管や他の部分の膨張も終了した時点においては、油圧ポンプ２３がメインシリンダ１６に送る作動油の量に正比例するようにラム１８の移動速度が変化する。この状態が図４に示す正比例関係となり、この関係は初期状態と後期状体の間における比例定常状態において常に成立する。また、図４に示す単純な関係式となり、こｐの関係式の定数は用いたラムシリンダ装置５に固有の数値となる。この固有の数値は適用するラムシリンダ装置５について１度求めておけば良い。

次に、上述の比例定常状態が続いた後、図２に示す如く押出加工を継続してコンテナ装置２内のビレット１が残り少なくなってきた場合、コンテナ装置２内でのビレット１の摩擦抵抗が小さくなるので、圧縮されていた作動油は解放された状態となりラム１８を押す力となって作用する。この状態が押出加工時の後期状態となる。
また、金属材料はそれ自身の温度によって変形抵抗が変わる。即ち、ビレット１の材質に加えて、押出時の温度、作動油の圧力解放分、残ったビレット１の摩擦抵抗の増減などの要因にも配慮してラム１８の油圧制御を行わなくてはならないことになる。
加えて、実際に用いる押出加工装置Ａに使用されるシリンダの材質や大きさ、配管の材質や大きさ、油圧ポンプ２３の能力などにより上述の影響は異なることとなる。

また、油圧ポンプ２３による作動油の供給を少なくするか停止してシリンダ装置１６の後部側に加圧された圧縮状態で存在されていた作動油を部分的にでも圧力解放すると、作動油が配管２１と油圧ポンプ２３を介して油タンク２２に戻る方向に作動油が移動するが、この際、メインシリンダ１６の内部の高圧の作動油の圧縮分が解放される分と、メインシリンダ１６の周壁の膨張分が元に戻る影響と、配管２１の膨張分が元に戻る影響などが統括的に生じるので、油圧ポンプ２３の作動油の供給量が減少してもラム移動速度の減速に繋がらない。従って、油圧制御が更に複雑となる。

本実施形態の押出加工装置Ａにあっては、作動油の圧縮と解放、並びに、油圧が作用する配管やシリンダの周壁の膨張や収縮の影響分を全て加味して油圧ポンプ２３のポンプ流量とラム１８の移動速度の関係を制御する。
まず、油圧ポンプ２３の吐出流量はメインシリンダ１６内の圧力が高くても、低くてもほぼ変動しない。つまり、油圧ポンプ２３はメインシリンダ１６内の圧力の大小に関係なく指令通りの流量を流すことができる。
ここで、作動油を圧縮する際のラム１８を前進させるための油量は、油圧ポンプ２３のポンプ流量から、作動油の圧縮分と、配管２１やメインシリンダ１６の外壁が膨張する分を差し引いた分となる。また、作動油を解放する際のラム１８を前進させる油量は、油圧ポンプ２３のポンプ流量と圧縮されていた作動油の解放分と配管２１やメインシリンダ１６の外壁が収縮する分を足した分となる。

次に、油圧ポンプ２３のポンプ流量を一定にして押出加工を行うと、押出加工の初期状態では作動油の圧縮のために作動油が多く使用され、油圧がラム１８を押す力に十分にまわってこないので、ラム１８の移動速度は直ぐには上昇しない。この後、作動油の圧縮が進んでくると、ポンプ流量の中でラム１８を押す方の油量が増えてくるので、ラム１８の移動速度は向上する。そして、押出加工の開始から、これ以上作動油を圧縮できないところまで作動油が圧縮されると、ポンプ流量の全てがラム１８を前進させる力として消費されることになる。この状態が上述した比例定常状態である。
また、押出加工が進んでシリンダ装置２の内部の残りビレット１が少なくなってくると、ビレット１の抵抗は小さくなるので、圧縮されていた作動油の圧縮分が部分的に解放され始める結果、ポンプ流量に先の解放分の油圧が足されてラム１８を移動させる力が作用することとなる。この状態が押出加工の後期状態である。

即ち、図４に示す如く横軸をラムの移動速度に設定し、縦軸をポンプ流量に設定して実際の押出加工装置Ａにおいて試験すると、上述の比例定常状態ではポンプ流量の大小に比例するようにラム１８の移動速度が変化することとなる。この関係を図４の如くプロットするとポンプ流量とラムの移動速度は線分ｂに沿って増減する比例関係を示す。
そして、図４に示す線分ｂが示す比例関係の領域（比例定常状態）では、サンプリングしたポンプ流量とラム１８の移動速度がどのような任意のデータであっても線分ｂに沿って値が得られるので、この比例定常状態の領域では圧力の大小に関係なく規定の流量を油圧ポンプ２３が吐出できることも分かる。

次に、図４に示す線分ｂに示す正比例領域が存在するとして、目的の安定したラム速度を得るために、作動油を圧縮しながらラム１８を移動させている場合（初期状態）と、作動油を解放しながらラム１８を移動させている場合（後期状態）に分けて考察すると、以下に説明する制御となる。
作動油を圧縮しながらラム１８を移動させている場合、図５の（１）に示す如く現在のラム１８の移動速度相当ポンプ流量Ｂ_１に作動油が圧縮されて消費される分の流量と配管並びにシリンダの外壁、コンテナ装置の内周壁が膨張する分を加えた分が現在ポンプ流量Ａ_１となっている。これに対し、目標とする速度流量Ｍ_１にするためには、作動油の圧縮と、配管、シリンダなどの膨張分で消費される流量分を加えたＣ_１なるポンプ流量値を流量指令とすれば良いことになる。ここで、流量指令Ｃ₁＝｛（現在ポンプ流量）／（現在速度相当流量｝×（目標速度流量）の関係となるので、この式に沿うように油圧ポンプ２３の流量制御を行い、目標速度流量を得るようにすれば、作動油を圧縮中の動作の場合（初期状態）の油圧制御を精度良く行うことができる。
従って制御装置７の記憶装置にはラム１８の初期状態の制御のためのこの関係式が記憶されている。

次に、作動油の圧縮力を解放しながらラム１８を移動させている場合（後期状態）には、図６の（１）に示す如く現在のラム１８の移動速度に相当するポンプ流量Ａ_２に作動油の圧力が解放されて追加される分と、配管、シリンダの外壁が収縮する分の流量を加えた分が現在速度相当ポンプ流量Ｂ_２となっている。これに対し、目標とする速度流量Ｍ_２にするためには、作動油の解放や配管、シリンダの外壁の収縮で追加される流量分を除いたＣ_２なるポンプ流量値を流量指令とすれば良いことになる。
ここで、図４に示す関係式（「ラム速度」−「ポンプ流量」）が成立するので、流量指令Ｃ_２＝｛（現在ポンプ流量）／（現在速度相当流量）｝×目標速度流量）の関係となるので、この式に沿うように油圧ポンプ２３の流量制御を行い、目標速度流量を得るようにすれば、作動油を解放中の動作の場合の油圧制御を精度良く行うことができる。圧縮中の式も解放中の式も同じ式となるため一本の式により油圧制御を行うことができる。ここで、図５に示す現在速度相当流量／現在ポンプ流量の値、あるいは図６に示す現在速度相当流量／現在ポンプ流量の値は、作動油の圧縮率と見ることができ、圧縮率＝１の時は、ポンプ流量がラム速度分の流量になっていることになり、圧縮率が１未満の場合は作動油を圧縮中、圧縮率が１を超える場合は作動油を解放中と判断することができる。初期状態の圧縮中においてステム速度が目標値に到達するまではポンプ流量をさらに増加させ、目標値到達前に本方式制御に切替えることにより定常状態になるまでの時間を短縮することができ、立ち上がり時間の短縮が可能である。
従って制御装置７の記憶装置にはラム１８の後期状態の制御のための上記の関係式が記憶されている。

本実施形態の押出加工装置Ａにおいては、制御装置７に前述の図４に示す関係式、図５に示す関係式、図６に示す関係式が記憶されており、制御装置７は初期状態においては、図５に示す作動油を圧縮している際の数式化の関係に基づき、ラム１８の移動速度を一定の目標速度になるように制御する。例えば、押出加工初期において作動油の圧縮の影響によりラム１８の移動速度が一定の目標値に到達しない間はラム１８の移動速度を一定の目標値に到達するように作動油の圧縮分を加味した分のポンプ流量として作動油をメインシリンダ１６に送り続ける。
押出加工においては、作動油の圧縮やその圧縮の解放、用いるビレットの材質、長さ、温度によって押出時の抵抗が異なり、更に、油圧が高圧であることによって配管やシリンダなどの膨張が発生し、更には、押出加工装置Ａに一般的に備えられるタイロッドなどの図示しない構造部材の伸びなどに影響を受けて油圧制御に影響が及ぶが、図４、図５、図６を基に先に説明した如く油圧ポンプ２３のポンプ流量に置き換えることで、これらの複雑な影響分をポンプ流量で吸収して一括制御することができる。

以上説明した如く本実施形態の制御方法によれば、ラムシリンダ装置５を備えた押出加工装置Ａにおいて、ラムシリンダ装置５のラム１８移動のために供給される作動油が高圧で圧縮されるとともに、ラムシリンダ装置５において作動油が供給される経路における配管やシリンダが作動油の油圧に影響を受けて膨張する分と縮小する分の影響、更には、加圧された作動油の圧力が解放されることなどの影響により、ラム１８の移動速度が影響を受けることを加味し、ラム１８の移動速度と油圧ポンプ２３のポンプ流量を勘案し、初期状態と比例定常状態と後期状態に場合分けしてそれぞれの状態に基づく関係式を基に油圧制御するので、高圧で押出加工する場合の作動油の圧縮と解放に伴う影響と、作動油が通過する配管やシリンダなどの膨張と縮小に伴う影響を加味してポンプ流量を制御し、ラムの移動速度を望ましい速度に確実に制御することができる。
これによって、従来技術のＰＩＤ制御に比較すると、より正確なラム速度の制御ができ、欠陥の無い押出成形品を従来よりも高い生産効率で製造できる効果がある。
次に、前述の前期状態、比例定常状態、後期状態の制御については、ラムシリンダ装置５に対して負荷が作用し、ラム１８が前記負荷に抗して動作する油圧装置一般に適用することができる。

図７は、本発明に係る油圧装置を鋳造機の一部に適用した実施形態を示す。
この形態の装置は、シリンダ装置３０を基盤３１内に縦型に設置し、シリンダ装置３０に設けられる上下移動式のラム３２の上端部に金属鋳造用のモールド装置３３を備えて構成されている。
シリンダ装置３０を油圧駆動するための油圧配管４０、４１が接続され、作動油供給側の油圧配管４０に油タンク４２が油圧ポンプ４３と制御弁４４を介し接続され、油圧ポンプ４３には油圧モータ４５が接続されている。制御弁４４とシリンダ装置３０の間に油圧配管４１から分岐して分岐管４７が設けられ、分岐管４７は比例制御弁４８を介してエンコーダー４９を備えた油圧モーター５０に接続されている。また、比例制御弁４８には制御装置５１が接続されていて、この制御装置５１には速度設定ダイヤル５２が組み込まれ、鋳造速度計５３と長さ計５４からの情報が入力されるようになっている。これらの鋳造速度計５３と長さ計５４からの制御情報はエンコーダー４９に入力されて油圧モーター５０の出力を調整できるように構成されている。
前記制御装置５１は比例制御弁４８の調整を行うとともに、油圧モータ４５の調整を行うことにより、シリンダ装置３０に送る油圧を制御できるように構成されている。

図７に示す鋳造機は、溶湯をモールド装置３３で受けて目的のスラブを目的の鋳造速度でもって鋳造する際、鋳造スラブのスペックに従い、予めプログラムされている鋳造パターンに従い、シリンダ装置３０のラム３２を上下方向に移動させてモールド装置３３の位置を調節する。
この作業においても、モールド装置３３の上下位置を溶湯の量に応じてラム３２により調節するので、ラム３２に溶湯の重量が作用し、先の第１実施形態の場合と同様にラム３２に作用する負荷に応じて油圧制御を行う必要があるので、上述した第１実施形態の場合と同様、ラム３２の前期状態、比例定常状態、後期状態の制御を前述の実施形態と同様に行えばよい。

図１〜図３に示す基本構造を有する（宇部興産製２５００ＵＳｔｏｎ横型単胴油圧プレス装置）を用いて押出加工試験を行った。
図８はアルミニウム合金材料のビレットとして、ＪＩＳ規定６０６３合金を用いて上述の押出加工装置により押出加工を行って押出製品を製造した場合に得られたポンプ流量指令とシリンダ内の圧力とラム速度と製品押出速度の関係を示す線図である。この試験の場合、ポンプ流量指令は８０％でリミッターをかけてそれ以上は上昇しないように設定した例である。この試験例の場合、ラム速度６０％到達までリミッター限界のポンプ流量指令をかけた例である。
図８に示す如く極めて短時間（約６秒）でポンプ流量を安定化できているので、応答の速い制御ができていることが判る。

図９はアルミニウム合金材料のビレットとして、ＪＩＳ規定６０６３合金を用いて図１〜図３に示す押出加工装置により押出加工を行って押出性品を製造した場合に得られたポンプ流量指令とシリンダ内の圧力とポンプ流量とラム速度と製品押出速度の関係を示す線図である。この試験の場合、ポンプ流量指令は６０％でリミッターをかけてそれ以上は上昇しないように設定した例である。極めて短時間（約９秒）でポンプ流量を安定化できているので、応答の速い制御ができていることが判る。

図１０はアルミニウム合金材料のビレットとして、ＪＩＳ規定６０６３合金を用いて図１〜図３に示す押出加工装置により押出加工を行って押出性品を製造する際、ラムシリンダ装置に送る作動油の制御をＰＩＤ制御として製造した場合に得られたポンプ流量指令とシリンダ内の圧力とポンプ流量とラム速度と製品押出速度の関係を示す線図である。
この試験の場合、ラムの移動速度をある程度安定化するために３２秒ほどの時間を要したことがわかる。従って、図１０に示す従来方法の制御試験結果の場合、図８、図９に示す本発明に係る試験結果よりも、ラムの移動速度を安定化するために長い時間を要することが判る。また、図１０に示す試験結果は、押出開始から押出終了までの時間についても図８と図９に示す例に比較して長い時間を要しているので、製造効率も低下している。

Ａ…押出加工装置、Ｓ…押出製品、１…ビレット、２…コンテナ装置、３…ダイス装置、５…ラムシリンダ装置、６…作動油供給装置、７…制御装置、９…ダイス、１０…ダイホルダ、１１…ダイリング、１６…シリンダ、１７…メインラム、１８…ラム、２０、２１…配管、２２…油タンク、２３…油圧ポンプ、２５…油圧モータ、２６…測定装置、２７、２８…接続配線。

Claims (10)

1. シリンダおよびラムを有するラムシリンダ装置と、前記シリンダに作動油を送るための油圧ポンプおよび油タンクを備え、前記油圧ポンプによってシリンダの内部に供給する作動油により前記ラムを油圧駆動し、前記ラムを特定の負荷に抗して移動させる油圧装置の制御方法であって、目的のラム速度に制御する場合、
   前記油圧ポンプが前記シリンダに作動油を供給し前記シリンダ内の作動油を圧縮しながらこの圧縮分の圧力ロスを含めた作動油の圧力により前記ラムの移動速度が律速される初期状態と、
   前記シリンダ内の作動油の圧縮が完了した状態から前記シリンダ内に供給したポンプ流量の大小に応じ所定の相関関係を維持しつつ前記ラムの移動速度が律速される比例定常状態と、
   前記シリンダ内で圧縮されていた作動油の圧力が解放されてこの解放分の圧力が前記シリンダに供給した作動油の圧力に追加されて前記ラムの移動速度が律速される後期状態のいずれかの状態を把握し、
   前記初期状態においては、前記作動油が圧縮されて圧力ロスが生じる分を加えたポンプ流量に制御し、前記後期状態においては、前記作動油の圧縮分が解放されて圧力が上昇する分を差し引いたポンプ流量に制御しながら前記ラムを移動することを特徴とする油圧装置の制御方法。
2. 前記初期状態において、比例定常状態におけるラム速度に対するポンプ流量と、初期状態におけるラム速度に対するポンプ流量の関係から圧縮状態を数値計算し、その圧縮状態から目標速度に対するポンプ流量を計算することを特徴とする請求項１に記載の油圧装置の制御方法。
3. 前記後期状態において、比例定常状態におけるラム速度に対するポンプ流量と、後期状態におけるラム速度に対するポンプ流量の関係から圧縮状態を数値計算し、その圧縮状態から目標速度に対するポンプ流量を計算することを特徴とする請求項１に記載の油圧装置の制御方法。
4. 前記現在のラム速度相当油圧ポンプ流量について、前記ラムに作用する特定の負荷条件について予め試験により求めた前記比例定常状態において相関関係で示される前記ラムの移動速度と前記油圧ポンプ流量との関係から求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の油圧装置の制御方法。
5. 前記油圧装置が、押出加工用の金属材料のビレットを収容するコンテナ装置と、このコンテナ装置の前部側に設けられた押出加工用のダイス装置と、前記コンテナ装置の後部側に設けられたシリンダ及びラムを有するシリンダ装置と、前記シリンダ装置に作動油を送るための油圧ポンプおよび油タンクを備え、前記油圧ポンプによってシリンダの内部に供給される作動油により前記ラムが油圧駆動されて前記ラムが前記コンテナ装置に対し進退自在に構成されてなる押出加工装置であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の油圧装置の制御方法。
6. シリンダおよびラムを有するシリンダ装置と、前記シリンダに作動油を送るための油圧ポンプおよび油タンクと、前記油圧ポンプからシリンダに作動油を送る油圧ポンプ流量を調節する制御装置を備え、前記油圧ポンプによってシリンダの内部に供給する作動油により前記ラムを油圧駆動し、前記ラムを特定の負荷に抗して移動させる油圧装置であって、
   前記制御装置に、目的のラム速度に制御する機能として、
   前記油圧ポンプが前記シリンダに作動油を供給し前記シリンダ内の作動油を圧縮しながらこの圧縮分の圧力ロスを含めた作動油の圧力により前記ラムの移動速度が律速される初期状態と、
   前記シリンダ内の作動油の圧縮が完了した状態から前記シリンダ内に供給したポンプ流量の大小に応じ所定の相関関係を維持しつつ前記ラムの移動速度が律速される比例定常状態と、
   前記シリンダ内で圧縮されていた作動油の圧力が解放されてこの解放分の圧力が前記シリンダに供給した作動油の圧力に追加されて前記ラムの移動速度が律速される後期状態のいずれかの状態を把握し、
   前記初期状態においては、前記作動油が圧縮されて圧力ロスが生じる分を加えたポンプ流量に制御し、前記後期状態においては、前記作動油の圧縮分が解放されて圧力が上昇する分を差し引いたポンプ流量に制御しながら前記ラムを移動する機能を具備してなることを特徴とする油圧装置。
7. 前記制御装置に、前記初期状態において、比例定常状態におけるラム速度に対するポンプ流量と、初期状態におけるラム速度に対するポンプ流量の関係から圧縮状態を数値計算し、その圧縮状態から目標速度に対するポンプ流量制御する機能を具備してなることを特徴とする請求項６に記載の油圧装置。
8. 前記制御装置に、前記後期状態において、比例定常状態におけるラム速度に対するポンプ流量と、後期状態におけるラム速度に対するポンプ流量の関係から圧縮状態を数値計算し、その圧縮状態から目標速度に対するポンプ流量制御する機能を具備してなることを特徴とする請求項６に記載の油圧装置。
9. 前記制御装置に、前記現在のラム速度相当油圧ポンプ流量について、前記比例定常状態において相関関係で示される前記ラムの移動速度と前記油圧ポンプ流量との関係から求める機能を具備してなることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の油圧装置。
10. 前記油圧装置が、押出加工用の金属材料のビレットを収容するコンテナ装置と、このコンテナ装置の前部側に設けられた押出加工用のダイス装置と、前記コンテナ装置の後部側に設けられたシリンダ及びラムを有するシリンダ装置と、前記シリンダ装置に作動油を送るための油圧ポンプおよび油タンクを備え、前記油圧ポンプによってシリンダの内部に供給される作動油により前記ラムが油圧駆動されて前記ラムが前記コンテナ装置に対し進退自在に構成されてなる押出加工装置であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の油圧装置。
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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