JP6861924B2 - 加工機の制御装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークにヘッド部を接触させてワークの加工を行う加工機の制御装置及び方法に関し、詳しくは、ヘッド部の変位量を検知するリニアスケールの出力に基づきワークに対するヘッド部の接触状態を演算解析して加工機を制御するようにした加工機の制御装置及び方法に関する。

ワークにヘッド部を接触させてワークの加工を行う加工機としては、例えば、超音波溶融接合装置がある。この超音波溶融接合装置は、接合対象部位に超音波振動と荷重を与えることにより接合対象部位の接合を行うものである。

従来、このような超音波溶融接合装置において、ワークに対するヘッド部の接触を検知する手法としては、特許文献１に開示されたものが知られている。

この特許文献１に開示された超音波溶融接合装置においては、ロードセルによりワークに対するヘッド部の接触を検知する構成が記載されている。

しかし、ロードセルは、歪ゲージ方式のため応答性が低く、また歪ゲージが変形した後に検知されるため、ヘッド部がワークに対して接触した瞬間を捉えてワークに対するヘッド部の接触状態を感度良く高精度で検知するのは難しい。

特開２００６−０８６３４５号公報

そこで、本発明は、ワークに対するヘッド部の接触状態を高精度に検知できるようにして、加工機を最適に制御できるようにした加工機の制御装置及び方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１の発明は、ワークにヘッド部を接触させて該ワークの加工を行う加工機の制御装置であって、前記ワークに対する前記ヘッド部の変位量を検知する変位量検知手段と、前記変位量検知手段で検知された前記変位量から単位時間当たりの前記ヘッド部の単位変位量を演算し、該演算した単位変位量から前記ワークに対する前記ヘッド部の接触状態を解析する演算処理手段と、前記演算処理手段による演算解析結果に基づき前記加工機を制御する加工機制御手段と、を具備する加工機の制御装置において、前記演算処理手段は、前記ヘッド部の単位変位量が零になってからのリバウンド領域における前記単位変位量のピークの数を計数し、該計数値が規定数に達したときに前記ヘッド部が前記ワークに対して接触状態になったと判別することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記変位量検知手段は、光学式リニアスケールを含むことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記変位量検知手段は、磁気式リニアスケールを含むことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項の発明において、前記演算処理手段は、前記ヘッド部の単位変位量が零になってからのリバウンド領域における前記単位変位量の振幅値を演算し、該振幅値が規定振幅値以下になったときに前記ヘッド部が前記ワークに対して接触状態になったと判別することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項の発明において、前記加工機は、超音波溶融接合機であり、前記加工機制御手段は、前記演算処理手段の演算解析結果に基づき前記超音波溶融接合機の超音波発振開始タイミングを制御することを特徴とする。

請求項６の発明は、ワークにヘッド部を接触させて該ワークの加工を行う加工機の制御方法であって、
前記ワークに対する前記ヘッド部の変位量を検知する変位量検知手段の検知出力に基づき前記ワークに対する前記ヘッド部の変位量をモニタするモニタステップと、
前記モニタステップでモニタされた前記ワークに対する前記ヘッド部の変位量から前記ヘッド部の単位変位量が零になってからのリバウンド領域における前記単位変位量のピークの数を計数する計数ステップと、前記計数ステップで計数した前記計数値が規定数に達したときに前記ヘッド部が前記ワークに対して接触状態になったと判別する解析ステップと、前記解析ステップの解析結果に基づき前記加工機を制御する制御ステップと、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、ワークにヘッド部を接触させて該ワークの加工を行う加工機の制御装置であって、前記ワークに対する前記ヘッド部の変位量を検知する変位量検知手段と、前記変位量検知手段で検知された前記変位量から単位時間当たりの前記ヘッド部の単位変位量を演算し、該演算した単位変位量から前記ワークに対する前記ヘッド部の接触状態を解析する演算処理手段と、前記演算処理手段による演算解析結果に基づき前記加工機を制御する加工機制御手段と、を具備する加工機の制御装置において、前記演算処理手段は、前記ヘッド部の単位変位量が零になってからのリバウンド領域における前記単位変位量のピークの数を計数し、該計数値が規定数に達したときに前記ヘッド部が前記ワークに対して接触状態になったと判別するように構成したので、ワークに対するヘッド部の接触状態を高精度に検知でき、加工機を最適に制御できるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る加工機の制御装置を適用して構成した実施例１の超音波溶融接合装置の概略を示す図である。 図２は、図１に示した超音波溶融接合装置のワークに対するヘッド部の単位変位量の推移の一例を示すグラフである。 図３は、図１に示した超音波溶融接合装置の制御例を示すフローチャートである。 図４は、図１に示した超音波溶融接合装置の他の制御例を示すフローチャートである。 図５は、本発明に係る加工機の制御装置を適用して構成した実施例２の超音波溶融接合装置の概略を示す図である。

以下、本発明を実施するための実施例について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る加工機の制御装置を適用して構成した実施例１の超音波溶融接合装置の概略を示す図である。

図１において、実施例１の超音波溶融接合装置１００は、ベース１上に載置された冶具２の上に加工対象であるワーク３を載せ、このワーク３に対して空圧式シリンダ１０により荷重を与えるとともに、ヘッド部３０からワーク３に超音波振動を印加することによりワーク３の接合部位を超音波溶融接合するものである。

ここで、ヘッド部３０は、ベース１から植設された支柱４に取り付けられたガイド２０により上下方向移動自在に保持されており、ワーク３に対するヘッド部３０の移動量は、変位量検知手段である変位計５０により検知される。この変位計５０は、１．０〜０．００１μｍの分解能を有するリニアゲージ（光学式リニアスケール）やマグネットスケール（磁気式リニアスケール）を用いて構成することができる。

空圧式シリンダ１０は、取付部１１を介して支柱４に取り付けられ、この超音波溶融接合装置１００の制御部６０に設けられるコントローラ６２の制御により、連結部品４０、ヘッド部３０を介してワーク３に荷重を与える。

また、この超音波溶融接合装置１００の制御部６０に設けられる超音波発振機６１は、コントローラ６２により制御され、ワーク３の接合部位を溶融するために超音波振動を発振し、この超音波振動をヘッド部３０からワーク３に対して印加する。

この実施例１の超音波溶融接合装置１００においては、変位計５０で検知されるワーク３に対するヘッド部３０の移動量を入力し、このヘッド部３０の移動量から単位時間当たりのヘッド部３０の単位変位量を演算し、該演算した単位変位量からワーク３に対するヘッド部３０の接触状態を解析する演算処理装置７０が設けられている。

この演算処理装置７０は、この超音波溶融接合装置１００の制御部６０内に予め組み込むように構成してもよいが、この超音波溶融接合装置１００の制御部６０に外部から接続するように構成してもよい。この場合、この演算処理装置７０としては、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）を用いて構成することができ、演算処理装置７０で演算解析したワーク３に対するヘッド部３０の接触状態に基づき、制御部６０のコントローラ６２に対して超音波溶融接合装置１００を制御するための各種制御指示を与える。

この超音波溶融接合装置１００は、ワーク３の接合部位の超音波溶融接合に際して、まず、制御部６０のコントローラ６２による空圧式シリンダ１０の制御によりヘッド部３０を下降させてヘッド部３０の先端をワーク３の接合部位に接触させて、ワーク３に対して荷重を与え、このヘッド部３０によりワーク３に対して荷重を与える接触状態において、超音波発振機６１から超音波振動を発生して、この超音波振動をヘッド部３０からワーク３の接合部位に対して印加する。

ここで、超音波発振機６１の発振開始タイミングは、ヘッド部３０の先端がワーク３の接合部位に対して最適に接触した接触状態で行われるのが好ましい。

この実施例１の超音波溶融接合装置１００においては、変位計５０により検知されたワーク３に対するヘッド部３０の移動量を演算処理装置７０でモニタして、このモニタしたワーク３に対するヘッド部３０の移動量から単位時間当たりの前記ヘッド部の単位変位量を演算し、該ヘッド部の単位変位量からワーク３に対するヘッド部３０の接触状態を演算解析し、この演算解析結果に基づき超音波発振機６１の発振開始タイミングを制御する。

図２（Ａ）は、図１に示した超音波溶融接合装置１００のワーク３に対するヘッド部３０の単位変位量の推移波形の一例を模式的に示すグラフであり、実線のグラフは、演算処理装置７０で演算解析されたワーク３に対するヘッド部３０の単位変位量を示し、破線のグラフは、ワーク３に対するヘッド部３０の接触検知のために従来用いられていた圧力センサの検知波形である。

図２（Ａ）において、時点ｔ０でヘッド部３０の下降が開始されると、ヘッド部３０の単位変位量〔ｍｍ／ｓｅｃ〕は、図２（Ａ）で実線のグラフに示されるように、順次増加し、その後ヘッド部３０の単位変位量は一定の値になる。なお、図２（Ａ）において、横軸は、時間〔ｘ１／１００ｓｅｃ〕を示す。

そして、ヘッド部３０がワーク３に接触すると、ヘッド部３０の単位変位量は急激に減少し、時点ｔ１で零になる。その後、ワーク３に対するヘッド部３０のリバウンドにより複数のピークを形成する。

これに対して、従来用いられていた圧力センサの出力〔Ｎ〕は、時点ｔ１より遅い時点ｔｓで急激に立ちあがる。

図２（Ａ）から明らかなように、従来用いられていた圧力センサを用いた場合は、ワーク３に対するヘッド部３０の接触の検知が時点ｔ１より遅い時点ｔｓになる。これは、従来用いられていた圧力センサは、その設置箇所が連結部品４０の配設部若しくはベース１と冶具２との間になるため、高精度の圧力センサを用いてもヘッド部３０や冶具２の自重により時定数が大きくなり、ワーク３に対するヘッド部３０の接触の検知時点が遅くなると考えられる。

図２（Ｂ）に示す、ワーク３に対するヘッド部３０のリバウンド領域におけるワークの単位変位量を拡大して示したものである。上記ヘッド部３０の単位変位量は、時点ｔ１で零になり、その後、時点ｔ９までリバウンドを繰り返す。このとき、このリバウンド領域におけるワークの単位変位量の振幅は、ａ１からａ４に示すように順次小さくなる。

ところで、この実施例１においては、変位計５０として分解能が０．１μｍ以下のものを用い、演算処理装置７０として演算解析時間が０．１ｍｓ以下のもを用いているので、上記リバウンド領域におけるワーク３に対するヘッド部３０の接触状態を高精度で検知することが可能になる。

このような構成によると、ワーク３に対するヘッド部３０の接触状態を高精度に検知できるので、例えば、超音波溶融接合装置１００の超音波発振機６１の発振開始タイミングを最適に制御することが可能になる。

図３は、図１に示した超音波溶融接合装置１００の変位計５０及び演算処理装置７０を用いた制御例を示すフローチャートである。

この処理が開始されると、演算処理装置７０は、制御部６０のコントローラ６２に対してヘッド部３０の下降指示を与える（ステップ３０１）。これにより、ヘッド部３０は、冶具２上に置かれたワーク３に向かって下降を開始する。

演算処理装置７０は、変位計５０の出力をモニタし（ステップ３０２）、変位計５０の出力から単位時間当たりのヘッド部３０の変位量を算出する（ステップ３０３）。

そして、ワーク３にヘッド部３０が接触してこの算出したヘッド部３０の変位量が零になったかを調べる（ステップ３０４）。ここで、ヘッド部３０の変位量が零になっていない場合は（ステップ３０４でＮＯ）、ステップ３０３に戻り、単位時間当たりのヘッド部３０の変位量を算出して、ヘッド部３０の変位量が零になるのを待つ。

ステップ３０４で、ヘッド部３０の変位量が零になったと判断されると（ステップ３０４）、次のリバウンド領域におけるヘッド部３０の単位変位量のピークの数を計数する（ステップ３０５）。

次に、ヘッド部３０の単位変位量のピークの数の計数により、計数したピークの数は、所定の規定数、例えば、「３」になったかを調べる（ステップ３０６）。ここで、ヘッド部３０の単位変位量のピークの数が所定の規定数になっていない場合は（ステップ３０６でＮＯ）、ステップ３０５に戻り、ヘッド部３０の単位変位量のピークの数の計数の計数を続ける。

ステップ３０６で、ヘッド部３０の単位変位量のピークの計数値が所定の規定数に達したと判断されると（３０６でＹＥＳ）、ヘッド部３０がワーク３に対して超音波を印加するに最適な接触状態になったとして、制御部６０のコントローラ６２を介して超音波発振機６１に超音波発振開始指示を与える（ステップ３０７）。これにより、ヘッド部３０からワーク３に対して超音波振動が印加され、ワーク３の超音波溶融接合加工が開始される。

次に、ヘッド部３０がワーク３に接触してからのワークの移動量が、超音波溶融接合加工の目標移動量に達したかが調べられる（ステップ３０８）。このヘッド部３０が超音波溶融接合加工の目標移動量に達したか否かの判断は、変位計５０の出力をモニタする演算処理装置７０によるワーク３にヘッド部３０が接触してからの変位計５０の出力の計数値に基づき行われる。

ステップ３０８で、ヘッド部３０が超音波溶融接合加工の目標移動量に達したと判断されると（ステップ３０８でＹＥＳ）、所定の冷却期間経過後、制御部６０のコントローラ６２に対して演算処理装置７０からヘッド部３０の上昇指示を与え（ステップ３１０）、ヘッド部３０が上死点に復帰したと判断されると（ステップ３１１でＹＥＳ）、この超音波溶融接合装置１００による超音波溶融接合加工処理を終了する。

図４は、図１に示した超音波溶融接合装置の他の制御例を示すフローチャートである。図３に示した制御例においては、ヘッド部３０の単位変位量が零になってからのリバウンド領域における単位変位量のピークの数を計数し、該計数値が規定数に達したときにヘッド部３０がワーク３に対して接触状態になったと判別して、制御部６０の超音波発振機６１に超音波発振開始指示を与えるように構成したが、図４に示す他の制御例においては、ヘッド部３０の単位変位量が零になってからのリバウンド領域におけるヘッド部３０の単位変位量の振幅値（図２（Ｂ）の振幅値ａ１からａ４参照）を演算し、この振幅値が規定振幅値以下になったときにヘッド部３０がワーク３に対して超音波を印加するに最適な接触状態になったとして、制御部６０のコントローラ６２を介して超音波発振機６１に超音波発振開始指示を与える。

すなわち、図４において、この処理が開始されると、演算処理装置７０は、制御部６０のコントローラ６２に対してヘッド部３０の下降指示を与え（ステップ４０１）、これにより、ヘッド部３０は、冶具２上に置かれたワーク３に向かって下降を開始する。

演算処理装置７０は、変位計５０の出力をモニタし（ステップ４０２）、変位計５０の出力から単位時間当たりのヘッド部３０の変位量を算出する（ステップ４０３）。

そして、ワーク３にヘッド部３０が接触してこの算出したヘッド部３０の変位量が零になったかを調べ（ステップ４０４）、ここで、ヘッド部３０の変位量が零になっていない場合は（ステップ４０４でＮＯ）、ステップ４０３に戻り、単位時間当たりのヘッド部３０の変位量を算出して、ヘッド部３０の変位量が零になるのを待つが、ステップ４０４で、ヘッド部３０の変位量が零になったと判断されると（ステップ４０４）、次のリバウンド領域におけるヘッド部３０の単位変位量の振幅値を計数する（ステップ４０５）。

ここで、ヘッド部３０の単位変位量の振幅値が所定の規定振幅値以下になったと判断されると（４０６でＹＥＳ）、制御部６０のコントローラ６２を介して超音波発振機６１に超音波発振開始指示を与える（ステップ４０７）。これにより、ヘッド部３０からワーク３に対して超音波振動が印加され、ワーク３の超音波溶融接合加工が開始される。

そして、ヘッド部３０が超音波溶融接合加工の目標移動量に達したと判断されると（ステップ４０８でＹＥＳ）、所定の冷却期間経過後、制御部６０のコントローラ６２に対して演算処理装置７０からヘッド部３０の上昇指示を与え（ステップ４１０）、ヘッド部３０が上死点に復帰したと判断されると（ステップ４１１でＹＥＳ）、この超音波溶融接合装置１００による超音波溶融接合加工処理を終了する。

なお、図４においては、ヘッド部３０の単位変位量の振幅値が規定振幅値以下になったときに超音波発振機６１の超音波発振を開始するように構成したが、ヘッド部３０の単位変位量のピークの数が所定の規定数に達し、かつヘッド部３０の単位変位量の振幅値が規定振幅値以下になったとき若しくはヘッド部３０の単位変位量のピークの数が所定の規定数に達するか、ヘッド部３０の単位変位量の振幅値が規定振幅値以下になったかのいずれかが成立したとき、超音波発振機６１の超音波発振を開始するように構成してもよい。

図５は、本発明に係る加工機の制御装置を適用して構成した実施例２の超音波溶融接合装置２００の概略を示す図である。図５に示す実施例２においては、ヘッド部３０に対して速度制御用油圧ダンパ８０が設けられる。

その他の構成は実施例１の超音波溶融接合装置１００と同様である。図５において、図１に示した超音波溶融接合装置１００と同様の機能を果たす部分には、図１で用いた符号と同一の符号を付して、その詳細説明を省略する。

図５に示した実施例２の超音波溶融接合装置２００においては、ヘッド部３０に対して速度制御用油圧ダンパ８０を設けて構成したので、ワーク３に対するヘッド部３０のリバウンドを急激に減衰させることができ、これにより図１に示した実施例１の超音波溶融接合装置１００よりも早い最適なタイミングで、超音波発振機６１に超音波発振開始指示を与え、超音波溶融接合加工の最適化、高速化を図ることができる。

また、この実施例においては、変位計５０により検知されたワーク３に対するヘッド部３０の移動量を演算処理装置７０でモニタ、演算、解析して、その解析結果に基づき超音波溶融接合装置２００を制御するように構成したので、速度制御用油圧ダンパ８０の速度やヘッド部３０の変位量を一元管理できるという利点もある。

なお、上記実施例２においては、ワーク３に荷重を与えるために、空圧式シリンダ１０を用いたが、この空圧式シリンダ１０に代えて、サーボ制御による電動シリンダを用いても同様に構成することができる。

また、上記実施例１及び２においては、変位計５０により検知されたワーク３に対するヘッド部３０の移動量を演算処理装置７０でモニタして、ワーク３に対するヘッド部３０の移動量から単位時間当たりの前記ヘッド部の単位変位量を演算し、この単位変位量に基づき超音波発振機６１の発振開始タイミングを制御するように構成したが、この演算処理装置７０の演算解析結果から、ワーク３の空打ち、セットミス等も検知することができる。

また、本発明の加工機の制御装置及び方法によれば、ワーク３に対するヘッド部３０の接触状態の検知と、ヘッド部３０の移動制御を同一の演算処理装置７０を用いて行うので、システムのプロセス制御を簡素かつ適切に行うことができる。

また、本発明の加工機の制御装置及び方法は、超音波溶融接合装置以外の装置、例えば、シリンダタイプの低中荷重タイプのプレス機、金属プレス機、切削加工機、樹脂用溶着機、金属接合機等にも同様に適用可能である。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内であれば、当業者の通常の創作能力によって多くの変形が可能である。

１…ベース
２…冶具
３…ワーク
４…支柱
１０…空圧式シリンダ
３０…ヘッド部
４０…連結部品
５０…変位計
６０…制御部
６１…超音波発振機
６２…コントローラ
７０…演算処理装置
８０…速度制御用油圧ダンパ
１００…超音波溶融接合装置
２００…超音波溶融接合装置

Claims (6)

1. ワークにヘッド部を接触させて該ワークの加工を行う加工機の制御装置であって、前記ワークに対する前記ヘッド部の変位量を検知する変位量検知手段と、前記変位量検知手段で検知された前記変位量から単位時間当たりの前記ヘッド部の単位変位量を演算し、該演算した単位変位量から前記ワークに対する前記ヘッド部の接触状態を解析する演算処理手段と、前記演算処理手段による演算解析結果に基づき前記加工機を制御する加工機制御手段と、を具備する加工機の制御装置において、
   前記演算処理手段は、前記ヘッド部の単位変位量が零になってからのリバウンド領域における前記単位変位量のピークの数を計数し、該計数値が規定数に達したときに前記ヘッド部が前記ワークに対して接触状態になったと判別することを特徴とする加工機の制御装置。
2. 前記変位量検知手段は、光学式リニアスケールを含むことを特徴とする請求項１に記載の加工機の制御装置。
3. 前記変位量検知手段は、磁気式リニアスケールを含むことを特徴とする請求項１に記載の加工機の制御装置。
4. 前記演算処理手段は、前記ヘッド部の単位変位量が零になってからのリバウンド領域における前記単位変位量の振幅値を演算し、該振幅値が規定振幅値以下になったときに前記ヘッド部が前記ワークに対して接触状態になったと判別することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の加工機の制御装置。
5. 前記加工機は、超音波溶融接合機であり、
   前記加工機制御手段は、前記演算処理手段の演算解析結果に基づき前記超音波溶融接合機の超音波発振開始タイミングを制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の加工機の制御装置。
6. ワークにヘッド部を接触させて該ワークの加工を行う加工機の制御方法であって、
   前記ワークに対する前記ヘッド部の変位量を検知する変位量検知手段の検知出力に基づき前記ワークに対する前記ヘッド部の変位量をモニタするモニタステップと、
   前記モニタステップでモニタされた前記ワークに対する前記ヘッド部の変位量から前記ヘッド部の単位変位量が零になってからのリバウンド領域における前記単位変位量のピークの数を計数する計数ステップと、
   前記計数ステップで計数した前記計数値が規定数に達したときに前記ヘッド部が前記ワークに対して接触状態になったと判別する解析ステップと、
   前記解析ステップの解析結果に基づき前記加工機を制御する制御ステップと、
   を具備することを特徴とする加工機の制御方法。
   

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