JP7140728B2 - プレス機械 - Google Patents

Description

本発明はプレス機械に係り、特に１分間当たりのスライドのストローク数（ＳＰＭ：Shots Per Minute）が１００回以上の高速のプレス機械に関する。

ＩＣ(Integrated Circuit)のリードフレームや精密端子等、比較的薄物の精密量産部品を１００～５００ＳＰＭ程度と比較的高ＳＰＭで生産する場合は、従来、ほぼ高速化に特化した機械式のプレス機械が担っていた。

この種のプレス機械は、高速回転下において、クランク軸等のアンバランスな慣性力によるプレス機械の振れを抑制する動バランス保持機構やクランク軸と同軸受間に回転角度により、むらの無い極小隙間を維持する特殊軸受機構等、高ＳＰＭを維持する為の特殊機構を多く含んで構成されている。その分コスト高になる。また、製品（の高さ）に応じて、スライドのストローク量を変更することは、上記機構の複雑さにより、困難であった。

一方、特許文献１及び２には、それぞれ液圧シリンダを備えた液圧駆動装置及び高速プレス機械が記載されている。

特許文献１に記載の液圧駆動装置は、サーボモータにより駆動される液圧ポンプの一方のポートと液圧シリンダの一方の圧力室とが接続され、液圧ポンプの他方のポートとタンクとが接続され、また、液圧シリンダの他方の圧力室にはアキュムレータが接続されている。この液圧駆動装置は、サーボモータ及びアキュムレータにより４象限動作が可能になっている。

特許文献２に記載の高速プレス機械は、プレスシリンダのラムを小径の補助シリンダのロッドに接続し、プレスシリンダが無負荷の時には、補助シリンダによって高速でラムを前進後退させる。また、プレスシリンダのラムが加圧動作に入ると、プレスシリンダの加圧室と補助シリンダの加圧室とを連通させ、低速大推力の加圧を行う。尚、補助シリンダの一方側の加圧室と他方側の加圧室には、２方向に作動流体を吐出可能なポンプの一方のポートと他方のポートとがそれぞれ接続され、ポンプの回転軸には正逆回転可能なサーボモータが接続されている。

特表平１０－５０５８９１号公報 特開２００２－１７８２００号公報

機械式のプレス機械に対して、油圧シリンダを使用した油圧式のプレス機械は、プレス機械を横方向に押す荷重が作用しない直動式のため、スライドの振れ量が少なく、精密な成形に適するが、高ＳＰＭ運転は不得手である。

特許文献１には、サーボモータにより駆動される液圧ポンプにより液圧シリンダを制御する記載があるが、高ＳＰＭでスライドを位置制御する記載はない。また、特許文献１に記載の液圧駆動装置は、サーボモータにより駆動される液圧ポンプが１つであり、１つの液圧ポンプにより液圧シリンダを高ＳＰＭで運転することは現実的ではない。

特許文献２に記載の高速プレス機械は、小径の補助シリンダのロッドをプレスシリンダのラムに接続し、プレスシリンダが無負荷の時には、補助シリンダによって高速でラムを前進後退させるものであり、質量が大きいラムが接続される場合には、１つのポンプにより駆動される小径の補助シリンダでは、ラムを高速で前進後退させることはできない。また、特許文献２に記載の高速プレス機械は、プレスシリンダが無負荷の時に高速でラムを前進後退させるものであり、プレスシリンダのラムが加圧動作に入ると、ラムは低速（大推力）に変化する。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、高ＳＰＭ運転時にスライドの振れ量が少なく、安価なプレス機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の一の態様に係るプレス機械は、スライドを駆動する液圧シリンダと、正逆回転することにより前記液圧シリンダに作動液を供給し、又は前記液圧シリンダから作動液を吸引する複数の液圧ポンプ／モータであって、前記複数の液圧ポンプ／モータの第１ポートが、前記スライドを正方向に駆動する前記液圧シリンダの第１加圧室にそれぞれ接続された複数の液圧ポンプ／モータと、前記複数の液圧ポンプ／モータの回転軸にそれぞれ軸接続された複数のサーボモータと、０．３ＭＰａ以上の一定圧を有する第１圧力源であって、前記複数の液圧ポンプ／モータの第２ポートがそれぞれ接続された第１圧力源と、１ＭＰａ以上の一定圧を有する第２圧力源であって、前記スライドを負方向に駆動する前記液圧シリンダの第２加圧室に接続された第２圧力源と、前記スライドのスライド位置指令信号を出力するスライド位置指令器と、前記スライドの位置を検出し、スライド位置信号を出力するスライド位置検出器と、前記スライド位置指令信号及び前記スライド位置信号に基づいて前記スライドの位置が前記スライド位置指令信号に対応する位置になるように前記複数のサーボモータを制御するスライド位置制御器と、を備える。

本発明の一の態様によれば、複数のサーボモータにそれぞれ軸接続された複数の液圧ポンプ／モータの第１ポートを、液圧シリンダの第１加圧室にそれぞれ接続（並列に接続）することで、プレス機械の高ＳＰＭ運転及び加圧能力の調整（大／小させること）が可能である。また、各サーボモータの回転軸とその回転軸に連動する回転体の慣性モーメントを小さくすることができ、液圧ポンプ／モータ＋サーボモータの回転軸の角速度応答性を高くすることができ、更にサーボモータの回転軸とその回転軸に連動する回転体を加速させるための駆動トルクを小さくすることができ、サーボモータが発生する駆動トルクを有効にプレス荷重発生用に使用することができる。

また、液圧ポンプ／モータの正逆回転する際、第１圧力源及び第２圧力源の圧力が常時０．３ＭＰａ以上確保されている為、キャビテーション（作動液の吸い込み不良）を伴うこと無く安定して機能し、液圧シリンダの第１加圧室及び第２加圧室は作動液により常時満たされ、機械式のプレス機械で発生するような隙間は運転中０である。

更に、液圧シリンダによりスライドを駆動するプレス機械であり、単純な構造に伴い低コストの高速プレスを構成することが可能であり、また、製品高さに応じてストローク量を可変させることができる。また、直動式のプレス機械であるため、プレス機械を横方向に押す荷重が作用せず、これにより高ＳＰＭ運転時にスライドの振れ量が少なく、精密な成形に適する。

また、スライド位置指令信号に対してスライド位置を追従させるべくスライド位置を制御すると、スライド位置信号はスライド位置指令にほぼ線形に追従する。この傾向は、スライドを高ＳＰＭで駆動させるスライド位置指令信号に対しても維持される。

本発明の他の態様に係るプレス機械において、前記複数のサーボモータの各サーボモータの回転軸とその回転軸に連動する回転体の慣性モーメントは、それぞれ１ｋｇｍ^２以下であることが好ましい。慣性モーメントを１ｋｇｍ^２以下にすることで、液圧ポンプ／モータ＋サーボモータの回転軸の角速度応答性を高くすることができ、更にサーボモータの回転軸とその回転軸に連動する回転体を加速させるための駆動トルクを小さくすることができるため、その分、サーボモータが発生する駆動トルクを有効にプレス荷重発生用に使用することができる。

本発明の更に他の態様に係るプレス機械において、前記スライド位置指令器から出力される前記スライド位置指令信号は、その時間微分信号が滑らかに連続することが好ましい。スライド位置指令信号の時間微分信号が滑らかに連続するため、時間微分信号に対して位相進ませ補償を有効に作用させることが可能になる。

本発明の更に他の態様に係るプレス機械において、前記スライド位置指令器から出力される前記スライド位置指令信号は、正弦波状又はクランク曲線状に変化することが好ましい。

本発明の更に他の態様に係るプレス機械において、前記スライド位置指令器は、前記スライドの１分間当たりのストローク数が１００回以上となる前記スライド位置指令信号を出力することが好ましい。これにより、スライドを高ＳＰＭ運転することができる。

本発明の更に他の態様に係るプレス機械において、前記スライド位置指令器は、前記スライドの上死点から下死点までのストローク量が５０ｍｍ以下となる前記スライド位置指令信号を出力することが好ましい。５０ｍｍ以下のストローク量により、高ＳＰＭ効果を有効に発揮することができる。理由は、その程度のストローク量の場合、ＳＰＭは（比較的液圧駆動が不得手である）最大スライド速度に依存せず、スライド速度の応答性に依存するからである。

本発明の更に他の態様に係るプレス機械において、前記複数のサーボモータの回転角速度をそれぞれ検出する複数の角速度検出器を備え、前記スライド位置制御器は、前記複数の角速度検出器によってそれぞれ検出される角速度信号を、角速度フィードバック信号として使用する安定化制御器を含むことが好ましい。安定化制御器は、スライド位置指令信号からスライド位置信号に至るスライド位置制御系の一巡伝達関数（オープンループ）の位相遅れを改善し、位置制御機能を安定化させる役割を担う。

本発明の更に他の態様に係るプレス機械において、前記スライド位置制御器は、前記スライド位置指令信号を入力信号とするフィードフォワード補償器を含み、前記フィードフォワード補償器により演算されるフィードフォワード補償量を、前記スライド位置指令信号及び前記スライド位置信号に基づいて演算した前記複数のサーボモータのトルク指令信号に作用させることが好ましい。フィードフォワード補償器は、スライド速度指令信号（スライド位置指令信号の微分を意味する信号）に対するスライド速度信号の位相遅れ量を補償する。

本発明の更に他の態様に係るプレス機械において、前記フィードフォワード補償器は、位相進ませ補償要素により前記フィードフォワード補償量を演算することが好ましい。

本発明の更に他の態様に係るプレス機械において、前記位相進ませ補償要素は、ｓをラプラス演算子、Ｔ_ωａ及びＴ_ωｂをそれぞれ定数とすると、（１＋Ｔ_ωｂ・ｓ）／（１＋Ｔ_ωａ・ｓ）で表され、前記定数Ｔ_ωａ及びＴ_ωｂは、前記スライドの１分間当たりのストローク数、及び前記スライドの上死点から下死点までのストローク量に応じて設定されることを特徴とする。位相進ませ補償要素は、スライド位置制御系（クローズドループ）が高ＳＰＭ化するにつれ、スライド位置指令信号からスライド位置信号に至る位相が変化する（位相遅れ）作用を補償する。位相進ませ補償要素の定数Ｔ_ωａ及びＴ_ωｂは、スライドのストローク数とストローク量に応じて設定されることが好ましい。

本発明の更に他の態様に係るプレス機械において、前記フィードフォワード補償器は、微分要素及び比例要素により前記フィードフォワード補償量を演算することが好ましい。微分要素及び比例要素によりスライド位置指令信号からスライド位置信号に至る位相遅れとゲインの変化を補償する。

本発明の更に他の態様に係るプレス機械において、前記スライドを駆動する液圧シリンダは複数本並設され、前記複数の液圧ポンプ／モータ及び前記複数のサーボモータは、それぞれの液圧シリンダ毎に設けられることが好ましい。これにより、サイズ及び質量が大きなスライドであっても、スライドを水平に維持しながら高ＳＰＭ運転することができる。

本発明によれば、液圧シリンダによりスライドを駆動する直動式のプレス機械であるため、高ＳＰＭ運転時にスライドの振れ量が少なく、精密なプレス成形に適する。また、機械式の高速のプレス機械に比べて安価なプレス機械とすることができ、更に製品高さに応じてストローク量を容易に可変させることができる。

図１は、本発明に係るプレス機械の第１実施形態を示す図である。 図２は、図１に示したスライド位置制御器の詳細な構成を示すブロック図である。 図３は、スライドのストローク量（２０ｍｍ）、ストローク数（２０ＳＰＭ）、無負荷の条件で、正弦波状のスライド位置指令信号にスライド位置を追従させるべく運転した場合の、経過時間に対するスライド位置指令信号及びスライド位置信号を示す波形図である。 図４は、スライドのストローク量（２０ｍｍ）、ストローク数（２００ＳＰＭ）、無負荷の条件で、正弦波状のスライド位置指令信号にスライド位置を追従させるべく運転した場合の、経過時間に対するスライド位置指令信号及びスライド位置信号を示す波形図である。 図５は、スライドのストローク量（２０ｍｍ）、ストローク数（２００ＳＰＭ）、無負荷の条件で、正弦波状のスライド位置指令信号にスライド位置を追従させるべく運転した場合であって、フィードフォワード補償器の第２比例要素の可変比例定数Ｋｈｖを、Ｋｈｖ＝０．８１に設定した場合の、経過時間に対するスライド位置指令信号とスライド位置信号を示す波形図である。 図６は、スライドのストローク量（２０ｍｍ）、ストローク数（２００ＳＰＭ）、無負荷の条件で、正弦波状のスライド位置指令信号にスライド位置を追従させるべく運転した場合であって、フィードフォワード補償器の位相進ませ補償要素の定数Ｔ_ωａ、Ｔ_ωbをＴ_ωａ＝０．０２９６、Ｔ_ωb＝０．０７６９、第２比例要素１６８の可変比例定数ＫｈｖをＫｈｖ＝０．６０８に設定した場合の、経過時間に対するスライド位置指令信号及びスライド位置信号を示す波形図である。 図７は、スライドのストローク量（２０ｍｍ）、ストローク数（２００ＳＰＭ）、最大加圧能力の１０％負荷の条件で、正弦波状のスライド位置指令信号にスライド位置を追従させるべく運転した場合であって、フィードフォワード補償器の位相進ませ補償要素の定数Ｔ_ωａ、Ｔ_ωbをＴ_ωａ＝０．０２９６、Ｔ_ωb＝０．０７６９、第２比例要素の可変比例定数ＫｈｖをＫｈｖ＝０．６０８に設定した場合の、経過時間に対するスライド位置指令信号、スライド位置信号、及びプレス荷重を示す波形図である。 図８は、第５実験と同じ条件で運転し、下死点のスライド位置指令信号を補正した場合の、経過時間に対するスライド位置指令信号、スライド位置信号、及びプレス荷重を示す波形図である。 図９は、第１実施形態のプレス機械により制御可能なスライドのストローク量とストローク数（ＳＰＭ）との関係を示すグラフである。 図１０は、スライドのストローク量（５ｍｍ）、ストローク数（４５０ＳＰＭ）、無負荷の条件で運転した場合のスライド位置指令信号及びスライド位置を示す波形図である。 図１１は、本発明に係るプレス機械の第２実施形態を示す図である。

以下添付図面に従って本発明に係るプレス機械の好ましい実施形態について詳説する。

［第１実施形態］
図１は、本発明に係るプレス機械の第１実施形態を示す図である。

図１に示す第１実施形態のプレス機械１は、コラム１０、ベッド１２、及びクラウン（フレーム上部強度部材）１４によりフレームが構成され、コラム１０に設けられたガイド部１６によりスライド２０が上下方向（鉛直方向）に移動自在に案内されている。

クラウン１４には、スライド２０を駆動する液圧シリンダ（油圧シリンダ）３０が固定され、油圧シリンダ３０のピストンロッド３０Ｃがスライド２０に連結されている。

油圧シリンダ３０を駆動する油圧装置として、複数の液圧ポンプ／モータ（本例では、５基の油圧ポンプ／モータ（Ｐ／Ｍ１～Ｐ／Ｍ５））が設けられ、各油圧ポンプ／モータ（Ｐ／Ｍ１～Ｐ／Ｍ５）の回転軸には、それぞれ複数のサーボモータ（本例では、５基のサーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５））が軸接続されている。

５基の油圧ポンプ／モータ（Ｐ／Ｍ１～Ｐ／Ｍ５）の一方のポート（第１ポート）は、それぞれ配管４０を通じて油圧シリンダ３０の一方の加圧室（第１加圧室）３０Ａに接続され、５基の油圧ポンプ／モータ（Ｐ／Ｍ１～Ｐ／Ｍ５）の他方のポート（第２ポート）は、それぞれ配管４２を通じて、０．３ＭＰａ以上の一定圧（略一定圧）を有する第１圧力源（以降「低圧アキュムレータ」という）５０に接続されている。

また、油圧シリンダ３０の他方の加圧室（第２加圧室）３０Ｂには、配管４４を通じて、１ＭＰａ以上の一定圧（略一定圧）を有する第２圧力源（以降「高圧アキュムレータ」という）６０が接続されている。

ここで、油圧シリンダ３０の加圧室３０Ａ側の配管４０に対して、複数（５基）の油圧ポンプ／モータ（Ｐ／Ｍ１～Ｐ／Ｍ５）を並列に接続し、各油圧ポンプ／モータ（Ｐ／Ｍ１～Ｐ／Ｍ５）の回転軸にサーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）の回転軸を軸接続した理由は、各サーボモータの回転軸とその回転軸に連動する回転体の慣性モーメントを小さくし、油圧ポンプ／モータ＋サーボモータの回転軸の角速度応答性を高くし、また、サーボモータの回転軸とその回転軸に連動する回転体を加速させるための駆動トルクを小さくし、その分、サーボモータが発生する駆動トルクを有効にプレス荷重発生用に使用するためである。油圧ポンプ／モータ＋サーボモータの一基分の慣性モーメントは、１ｋｇｍ^２以下であることが好ましい。

尚、油圧シリンダ３０の加圧室３０Ａ側の配管４０及び加圧室Ｂ側の配管４４にはそれぞれ開閉弁４６、４８が設けられている。これらの開閉弁４６、４８は、プレス機械１を運転する場合には全開とされる。

油圧シリンダ３０の加圧室３０Ａは、スライド２０を正方向（鉛直下方向）に駆動する場合に、各油圧ポンプ／モータ（Ｐ／Ｍ１～Ｐ／Ｍ５）から作動液（作動油）が供給される加圧室であり、油圧シリンダ３０の加圧室３０Ｂは、スライド２０を負方向（鉛直上方向）に駆動する場合に、高圧アキュムレータ６０から作動油が供給される圧力室である。

サーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）は、各油圧ポンプ／モータ（Ｐ／Ｍ１～Ｐ／Ｍ５）の回転軸を正回転又は逆回転（正逆回転）させることにより、各油圧ポンプ／モータ（Ｐ／Ｍ１～Ｐ／Ｍ５）から作動液（作動油）を油圧シリンダ３０の加圧室３０Ａに供給し、又は加圧室３０Ａから作動油を吸引するとともに、油圧シリンダ３０の加圧室３０Ａの圧力を変動させる。

油圧シリンダ３０は、油圧シリンダ３０の加圧室３０Ａの圧力と加圧室３０Ａの断面積との積が、油圧シリンダ３０の加圧室３０Ｂ（高圧アキュムレータ６０）の略一定圧と加圧室３０Ｂの断面積との積よりも大きくなると、ピストンロッド３０Ｃ（スライド２０）を下降させ、逆に油圧シリンダ３０の加圧室３０Ａの圧力と加圧室３０Ａの断面積との積が、油圧シリンダ３０の加圧室３０Ｂの略一定圧と加圧室３０Ｂの断面積との積よりも小さくなると、ピストンロッド３０Ｃ（スライド２０）を上昇させるように動作する。

ベッド１２には、スライド位置検出器７０が設置されており、スライド位置検出器７０は、スライド２０の位置を検出し、検出したスライド２０の位置を示すスライド位置信号をスライド位置制御器１００に出力する。

各サーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）には、サーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）の回転角速度をそれぞれ検出する角速度検出器Ｅ１～Ｅ５が設けられており、各角速度検出器（Ｅ１～Ｅ５）は、それぞれ検出したサーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）の角速度を示す角速度信号をスライド位置制御器１００に出力する。

スライド位置制御器１００は、スライド位置指令器１１０（図２）から入力するスライド位置指令信号、及びスライド位置検出器７０から入力するスライド位置信号に基づいてスライド２０の位置がスライド位置指令信号に対応する位置になるように５基のサーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）を制御するもので、スライド位置指令信号及びスライド位置信号等に基づいて演算した各サーボモータＳＭ１～ＳＭ５のトルク指令信号を、各サーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）のアンプ（Ａ１～Ａ５）に出力する。

＜スライド位置制御器＞
図２は、図１に示したスライド位置制御器１００の詳細な構成を示すブロック図である。

図２に示すスライド位置制御器１００は、スライド位置指令器１１０、位置制御器１２０、安定化制御器１３０、加算器１４１～１４５、外乱補償器１５１～１５５、及びフィードフォワード補償器１６０から構成されている。

スライド位置指令器１１０は、スライド２０の１分間当たりのストローク数（ＳＰＭ）、及びスライド２０の上死点から下死点までのストローク量の設定に基づいて演算される、正弦波状のスライド位置指令信号を位置制御器１２０に出力する。

位置制御器１２０は、減算器１２２及び位置補償器１２４を有している。減算器１２２の正入力にはスライド位置指令信号が加えられ、負入力にはスライド位置検出器７０からスライド位置指令信号が加えられており、減算器１２２はスライド位置指令信号とスライド位置信号との偏差（位置偏差）を演算し、演算した位置偏差を低減させるべく位置補償器１２４に出力する。

位置補償器１２４は、位置偏差に対して比例する補償量に位置偏差の積分量に比例する補償量等を加算し、位置偏差の低減を助長する信号を演算する。

安定化制御器１３０は、５つの減算器（１３１Ａ～１３５Ａ）及び５つの安定化補償器（１３１Ｂ～１３５Ｂ）を有しており、位置制御器１２０だけでは、スライド位置指令信号からスライド位置信号に至るスライド位置制御系の一巡伝達関数（オープンループ）の位相遅れが大きくなり、位置制御機能が不安定化する問題を改善する役割を担う。

各減算器（１３１Ａ～１３５Ａ）の正入力には、位置制御器１２０により演算された信号が加えられ、負入力には角速度検出器Ｅ１～Ｅ５により検出された各サーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）の回転角速度を示す角速度信号がそれぞれ角速度フィードバック信号として加えられており、各減算器（１３１Ａ～１３５Ａ）は、２入力信号の偏差（角速度偏差）を演算し、演算した角速度偏差を安定化補償器（１３１Ｂ～１３５Ｂ）に出力する。

各安定化補償器（１３１Ｂ～１３５Ｂ）は、各減算器（１３１Ａ～１３５Ａ）により演算された角速度偏差に対して比例する補償量に角速度偏差の積分量に比例する補償量等を加算し、角速度偏差の低減を助長する信号をそれぞれ演算する。

各安定化補償器（１３１Ｂ～１３５Ｂ）により演算された信号は、各サーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）のトルク指令信号としてそれぞれ加算器（１４１～１４５）に出力される。

フィードフォワード補償器１６０は、微分要素１６２、位相進ませ補償要素１６４、及び比例要素（第１比例要素１６６、第２比例要素１６８）を有し、スライド２０の動作中における、スライド位置指令信号とスライド位置信号の偏差を低減させる役割を担う。

フィードフォワード補償器１６０の微分要素１６２は、スライド位置指令器１１０からスライド位置指令信号を入力し、スライド位置指令信号を時間微分した結果を出力する。

位相進ませ補償要素１６４は、入力信号の位相を進ませる補償要素であり、その伝達関数が、（１＋Ｔ_ωｂ・ｓ）／（１＋Ｔ_ωａ・ｓ）で表される。尚、ｓはラプラス演算子である。また、Ｔ_ωａ及びＴ_ωｂはそれぞれ定数であり、上下方向に往復駆動されるスライド２０のストローク数（ＳＰＭ）、及びスライド２０のストローク量に応じて適宜設定されることが好ましい。

フィードフォワード補償器１６０の第１比例要素１６６は、固定比例定数（Ｋｈｆ）を乗じた結果を出力し、第２比例要素１６８は、可変比例定数（Ｋｈｖ）を乗じた結果を出力する。

フィードフォワード補償器１６０から出力される信号（フィードフォワード補償量）は、それぞれ加算器（１３１Ａ～１３５Ａ）の他方の入力に加えられる。加算器（１３１Ａ～１３５Ａ）の一方の入力には、前述したように各サーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）のトルク指令信号が加えられており、加算器（１３１Ａ～１３５Ａ）は、各サーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）のトルク指令信号に、フィードフォワード補償器１６０からの信号を作用させる（加算する）。

ここで、フィードフォワード補償器１６０の微分要素１６２及び第１比例要素１６６は、安定化制御器１３０に因る安定化の代償（副作用）であるスライド速度信号の、（スライド位置指令信号の微分を意味する）スライド速度指令信号に対する位相遅れ量を補償する。

また、フィードフォワード補償器１６０の位相進ませ補償要素１６４及び第２比例要素１６８は、スライド位置制御系（クローズドループ）が高ＳＰＭ化するにつれ、スライド位置指令信号からスライド位置信号に至る位相とゲインが変化する（位相が遅れ、ゲインが増減する）作用を補償する。

位相進ませ補償要素１６４は、位置制御器１２０及び安定化制御器１３０等のクローズドループを構成する補償要素に対して直列に配置せず、オープンループのフィードフォワード補償器１６０に直列に配置することを特徴とする。こうすることで（クローズドループに配列しないことで）、スライド位置制御系自体はノイズを増幅せず不安定に陥ることが無い。

各外乱補償器（１５１～１５５）は、各サーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）に作用する外乱（外部から作用する）トルクを補償する役割を担う。各外乱補償器（１５１～１５５）は、加算器（１３１Ａ～１３５Ａ）により加算された（基本トルク指令）信号に対して、各角速度検出器（Ｅ１～Ｅ５）から入力するサーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）の回転角速度を示す角速度信号を比較し、（与える各トルク指令信号に対して発生すべき各角加速度信号との乖離分を外乱トルクとして）演算することで、外乱を推定し除去する。

各外乱補償器（１５１～１５５）により演算された各トルク指令信号は、それぞれアンプ（Ａ１～Ａ５）を介して各サーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）に出力される。これにより、各サーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）は、スライド２０の位置がスライド位置指令信号に対応する位置になるように駆動制御される。

このように各サーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）のトルク指令信号に、フィードフォワード補償器１６０からの信号を作用させることで、サーボモータ角速度に時間遅れすることなく（位相遅れすることなく）、高ＳＰＭなスライド位置指令信号にスライド位置（信号）を追従させることが可能になる。

外乱補償器（１５１～１５５）を経たトルク指令信号は各サーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）のアンプ（Ａ１～Ａ５）に出力される。その結果、図１に示す各サーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）は同調して動作し、各サーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）に軸接続された各油圧ポンプ／モータ（Ｐ／Ｍ１～Ｐ／Ｍ５）の一方（駆動側）のポートから流出入する油量が合算され、油圧シリンダ３０の下降側の加圧室３０Ａに作用する。この時、低圧アキュムレータ５０に蓄積された０．３ＭＰａ以上（本例では、０．５ＭＰａ程度）の略一定圧が、各油圧ポンプ／モータ（Ｐ／Ｍ１～Ｐ／Ｍ５）の他方のポートに作用するため、高ＳＰＭ運転に伴い油圧ポンプ／モータ（Ｐ／Ｍ１～Ｐ／Ｍ５）が高速回転する際にキャビテーションを防止することができ、油圧ポンプ／モータ（Ｐ／Ｍ１～Ｐ／Ｍ５）の作用を安定化させることができる。

また、高圧アキュムレータ６０に蓄積された１ＭＰａ以上（本例では、６ＭＰａ程度）の略一定圧が、油圧シリンダ３０の上昇側の加圧室３０Ｂに作用しているため、スライド２０の上昇時の加速力とスライド２０の下降時の減速力を担う。

このようにして、スライド２０は、スライド位置指令信号に沿って（高ＳＰＭで）上下動する。

＜作用例＞
図１及び図２に示した第１実施形態のプレス機械１を、以下の物理諸元に基づき製作した。

サーボモータ＋油圧ポンプ／モータ：５基使用
各サーボモータの出力：１０ｋＷ
油圧ポンプ／モータの押し退け容積：４０ｃｍ^３／ｒｅｖ
サーボモータ＋油圧ポンプ／モータの１基分の慣性モーメント：０．０２ｋｇｍ^２
低圧アキュムレータ５０の一定圧：０．５ＭＰａ
油圧シリンダ３０：１基使用
加圧室３０Ａの断面積：１７６ｃｍ^２
加圧室３０Ｂの断面積：１３６ｃｍ^２
高圧アキュムレータ６０の一定圧：６ＭＰａ
スライド２０の質量：８００ｋｇ
位相進ませ補償要素１６４の定数Ｔ_ωａ＝０．１、Ｔ_ωb＝０．１（進み無し）
第２比例要素１６８の可変比例定数Ｋｈｖ：１
最大加圧能力：４００ｋＮ
［実験結果］
上記の物理諸元を有するプレス機械１を、種々の条件で運転した場合の第１実験結果から第６実験結果を示す。

＜第１実験結果＞
図３は、スライドのストローク量（２０ｍｍ）、ストローク数（２０ＳＰＭ）、無負荷の条件で、正弦波状のスライド位置指令信号にスライド位置を追従させるべく運転した場合の、経過時間に対するスライド位置指令信号及びスライド位置信号を示す波形図である。

図３に示す第１実験結果によれば、スライド位置指令信号の微分値に比例する（フィードフォワード）補償量を、各サーボモータのトルク指令信号に作用させる（加算する）ことにより、スライド位置指令信号とスライド位置信号との間には殆ど位相遅れが生じていない。

この段階では、位相進ませ補償要素１６４の定数Ｔ_ωａ及びＴ_ωｂは、それぞれＴ_ωａ＝０．１、Ｔ_ωb＝０．１であり、位相進ませ補償は機能させていない。

＜第２実験結果＞
図４は、スライドのストローク量（２０ｍｍ）、ストローク数（２００ＳＰＭ）、無負荷の条件で、正弦波状のスライド位置指令信号にスライド位置を追従させるべく運転した場合の、経過時間に対するスライド位置指令信号及びスライド位置信号を示す波形図である。

第２実験では、第１実験のストローク数（２０ＳＰＭ）に対して１０倍のストローク数（２００ＳＰＭ）に増加させている。

図４に示す第２実験結果によれば、ストローク数（ＳＰＭ）の増加に伴い、スライド位置指令信号からスライド位置（信号）間に約２６度の遅れが生じている。

本スライド位置制御系におけるスライド位置指令信号からスライド位置信号に至る挙動が周波数特性に依存するからである。それにも拘わらず、スライド位置指令信号に対するスライド位置信号のストロークが（本来は減衰するところ）増幅している理由は、主に、２００ＳＰＭが本スライド位置制御系の固有振動数の近傍に存在する為と考えられる。

これでは、実ストローク量が設定ストローク量より大きくなり（設定通りのストローク量にならず）、例えば、スライド２０の下死点を合わせるためには、スライド位置指令信号をオフセットする調整等が必要になり、使い勝手が悪くなる。

しかし、スライド位置信号はスライド位置指令信号に対して、（綺麗に）ほぼ線形に応答している。

＜第３実験結果＞
図５は、スライドのストローク量（２０ｍｍ）、ストローク数（２００ＳＰＭ）、無負荷の条件で、正弦波状のスライド位置指令信号にスライド位置を追従させるべく運転した場合であって、フィードフォワード補償器１６０の第２比例要素１６８の可変比例定数Ｋｈｖを、Ｋｈｖ＝０．８１に設定した場合の、経過時間に対するスライド位置指令信号とスライド位置信号を示す波形図である。

第３実験では、第２実験と比較して、第２比例要素１６８の可変比例定数Ｋｈｖを１から０．８１に変更している。

図５に示す第３実験結果によれば、第２比例要素１６８の可変比例定数Ｋｈｖを１から０．８１に変更し、各サーボモータのトルク指令信号に作用させる、フィードフォワード補償器１６０からの補償量の振幅を調整することで、実ストローク量が設定ストローク量と等しくなる。

＜第４実験結果＞
図６は、スライドのストローク量（２０ｍｍ）、ストローク数（２００ＳＰＭ）、無負荷の条件で、正弦波状のスライド位置指令信号にスライド位置を追従させるべく運転した場合であって、フィードフォワード補償器１６０の位相進ませ補償要素１６４の定数Ｔ_ωａ、Ｔ_ωbをＴ_ωａ＝０．０２９６、Ｔ_ωb＝０．０７６９、第２比例要素１６８の可変比例定数ＫｈｖをＫｈｖ＝０．６０８に設定した場合の、経過時間に対するスライド位置指令信号及びスライド位置信号を示す波形図である。

第４実験では、第２実験と比較して、位相進ませ補償要素１６４の定数Ｔ_ωａ、Ｔ_ωbを、それぞれＴ_ωａ＝０．１、Ｔ_ωb＝０．１からＴ_ωａ＝０．０２９６、Ｔ_ωb＝０．０７６９に変更し、かつ第２比例要素１６８の可変比例定数Ｋｈｖを１から０．６０８に変更している。

図６に示す第４実験結果によれば、位相進ませ補償要素１６４の定数Ｔ_ωａ、Ｔ_ωbをそれぞれ定数Ｔ_ωａ＝０．０２９６、Ｔ_ωb＝０．０７６９に設定することで、位相を２６．３５度進ませ、かつ第２比例要素１６８の可変比例定数Ｋｈｖを０．６０８に設定することで、スライド位置指令信号からスライド位置（信号）までの位相遅れとゲイン（倍率）の変化は、ほぼ解消される。

これにより、高ＳＰＭなスライド位置指令信号にスライド位置（信号）を精度よく追従させることができ、材料や製品を搬送する周辺装置との連携も行い易くなる。

＜第５実験結果＞
図７は、スライドのストローク量（２０ｍｍ）、ストローク数（２００ＳＰＭ）、最大加圧能力の１０％負荷の条件で、正弦波状のスライド位置指令信号にスライド位置を追従させるべく運転した場合であって、フィードフォワード補償器１６０の位相進ませ補償要素１６４の定数Ｔ_ωａ、Ｔ_ωbをＴ_ωａ＝０．０２９６、Ｔ_ωb＝０．０７６９、第２比例要素１６８の可変比例定数ＫｈｖをＫｈｖ＝０．６０８に設定した場合の、経過時間に対するスライド位置指令信号、スライド位置信号、及びプレス荷重を示す波形図である。

第５実験では、第４実験と比較して、無負荷運転から１０％負荷運転に変更している。
最大加圧能力は４００ｋＮであるため、１０％負荷は４０ｋＮである。

図７のプレス荷重を示す波形図によれば、下死点上２ｍｍ（ストロークの１０％）から下死点で最大４０ｋＮに至る（予定の）プレス荷重が作用している。

また、図７に示す第５実験結果によれば、スライド位置は下死点（０ｍｍ）まで到達せず、プレス荷重も想定値（４０ｋＮ）を下回り、スライド位置約０．７ｍｍで折り返している。

これは、負荷に抗じてスライド位置制御精度を向上させる外乱補償器等の制御補償を作用させているが、下死点でスライド位置指令信号を停滞（スライド位置を停止）させることなく運転しているため、スライドが下死点０に整定する応答時間が不足し、制御補償が完全に機能していない為である。

＜第６実験結果＞
図８は、第５実験と同じ条件で運転し、下死点のスライド位置指令信号を補正した場合の、経過時間に対するスライド位置指令信号、スライド位置信号、及びプレス荷重を示す波形図である。

第６実験では、第５実験と比較して、スライド位置指令信号の下死点を０から－０．５７ｍｍに変更している。

図８に示す第６実験結果によれば、スライド位置は下死点０ｍｍまで到達し、プレス荷重も下死点で予定の４０ｋＮに達する。これは、下死点近傍で作用し下死点でピークに至るプレス荷重によって生じる、下死点におけるスライド位置偏差（０－スライド位置信号）量を考慮し、スライド位置指令信号を補正（オフセット）したためである。

オフセット量は、手動の調整運転や自動の学習（下死点位置自動補正）運転により求めることができる。

本例の場合は、先ず、スライドのストローク数（ＳＰＭ）とストローク量を設定した後、実際に成形を行いながら調整運転を行い、製品精度を満足する下死点位置指令値（－０．５７ｍｍ）を見極める。この後、下死点位置自動補正機能を有効にして、生産運転を開始した。この金型を使用した生産運転は１時間程度連続して行われる。図８に示す各波形図は、この時に計測したものである。

生産運転の間、金型は成形に伴い温度変化を生じ線膨張する。その結果、成形に必要なプレス荷重も若干変動する。プレス荷重が変動すればプレス機械の下死点が変動し、製品精度が悪化する。下死点位置自動補正機能は、このように、プレス荷重変動に伴う下死点が変動を抑制する為に、毎サイクル毎にスライド位置偏差量を考慮しスライド位置指令信号を補正するものである。

このようにして決定したスライド位置（プレス下死点）の繰り返し再現性は、制御補償の作用により±１０μｍ程度に維持される。

尚、第１実施形態のプレス機械１は、上記の第１実験から第６実験におけるスライドのストローク数及びストローク量等に限らず、種々の条件で運転可能であり、この場合、スライドの設定ストローク数、設定ストローク量に応じて、フィードフォワード補償器１６０の位相進ませ補償要素１６４の定数Ｔ_ωａ、Ｔ_ωbを設定し、あるいはフィードフォワード補償器１６０の第２比例要素１６８の可変比例定数Ｋｈｖを設定することが好ましい。

図９は、第１実施形態のプレス機械１により制御可能なスライドのストローク量とストローク数（ＳＰＭ）との関係を示すグラフである。

図９に示すようにスライドのストローク量が小さくなる程、高ＳＰＭ化が可能である。比較的薄物の部品を１００ＳＰＭ以上の高ＳＰＭで生産する場合、スライドのストローク量は５０ｍｍ以下にすればよい。

図１０は、スライドのストローク量（５ｍｍ）、ストローク数（４５０ＳＰＭ）、無負荷の条件で運転した場合のスライド位置指令信号及びスライド位置を示す波形図である。

図１０に示すようにスライド位置指令にスライド位置が追従していることが分かる。尚、スライドのストローク量（５ｍｍ）、ストローク数（４５０ＳＰＭ）は、図９に示したグラフの左端に対応している。

［第２実施形態］
図１１は、本発明に係るプレス機械の第２実施形態を示す図である。尚、図１１において、図１に示した第１実施形態のプレス機械１と共通する部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１１に示す第２実施形態のプレス機械２は、１つのスライド２０’を駆動する複数本（２基）の油圧シリンダ（３０－Ｌ，３０－Ｒ）が並設されている。

２基の油圧シリンダ（３０－Ｌ，３０－Ｒ）を駆動する油圧装置として、それぞれ一点鎖線（８０－Ｌ、８０－Ｒ）で示す２つの油圧装置が設けられている。各油圧装置は、第１実施形態のプレス機械１と同様に、５基の油圧ポンプ／モータ（Ｐ／Ｍ１～Ｐ／Ｍ５）及びサーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）等から構成されている。

一点鎖線（８０－Ｌ）内の５基の油圧ポンプ／モータ（Ｐ／Ｍ１～Ｐ／Ｍ５）の一方のポートは、配管４０Ｌを通じて油圧シリンダ（３０－Ｌ）の加圧室（３０Ａ－Ｌ）側に接続され、一点鎖線（８０－Ｒ）内の５基の油圧ポンプ／モータ（Ｐ／Ｍ１～Ｐ／Ｍ５）の一方のポートは、それぞれ配管４０Ｒを通じて油圧シリンダ（３０－Ｒ）の加圧室（３０Ａ－Ｒ）側に接続されている。

一点鎖線（８０－Ｌ、８０－Ｒ）内の２×５基の油圧ポンプ／モータ（Ｐ／Ｍ１～Ｐ／Ｍ５）の他方のポートは、それぞれ配管４２を通じて低圧アキュムレータ５０に接続されている。

また、油圧シリンダ（３０－Ｌ、３０－Ｒ）の加圧室（３０Ｂ－Ｌ，３０Ｂ－Ｒ）は、それぞれ配管４４を通じて高圧アキュムレータ６０に接続されている。

また、ベッド１２には、スライド２０’の位置を検出する２つのスライド位置検出器（７０－Ｌ，７０－Ｒ）が設置されている。本例の２つのスライド位置検出器（７０－Ｌ，７０－Ｒ）は、スライド２０’の左右の位置をそれぞれ検出し、検出したスライド２０’の左右の位置を示すスライド位置信号をそれぞれスライド位置制御器１００’に出力する。

スライド位置制御器１００’は、１つのスライド位置指令器１１０（図２）から入力するスライド位置指令信号、及び２つのスライド位置検出器（７０－Ｌ、７０－Ｒ）から入力する２つのスライド位置信号に基づいて、スライド２０’の左右の位置がそれぞれスライド位置指令信号に対応する位置になるように、２×５基のサーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）を制御するもので、１つのスライド位置指令信号及び２つのスライド位置信号等に基づいて演算した、２×５基のサーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）のトルク指令信号を、２×５基のサーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）のアンプ（Ａ１～Ａ５）にそれぞれ出力する。

尚、スライド位置制御器１００’は、図２に示した第１実施形態のプレス機械１のスライド位置制御器１００と同様に構成され、スライド位置制御器１００は１つであるが、２×５基のサーボモータ（ＳＭ１～ＳＭ５）をそれぞれ制御するために位置制御器１２０、安定化制御器１３０及びフィードフォワード補償器１６０等は、それぞれ２系統設けられている。

第２実施形態のプレス機械２によれば、サイズ及び質量が大きなスライド２０’であっても、スライド２０’を水平に維持しながら高ＳＰＭ運転することができる。

［その他］
本実施形態では、１つの油圧シリンダに対して、サーボモータ＋油圧ポンプ／モータを５基並列に使用したが、これに限らず、サーボモータ＋油圧ポンプ／モータは、２基以上の任意の数だけ設けることができる。

また、第２実施形態では、スライド２０’を２基の油圧シリンダ（３０－Ｌ，３０－Ｒ）で駆動するようにしたが、油圧シリンダの数はこれに限定されず、例えば４基の油圧シリンダで駆動するようにしてもよい。

更に、スライド位置指令器から出力されるスライド位置指令信号は、正弦波状に変化するものに限らず、クランク曲線状に変化するものでもよく、要はスライド位置指令信号の時間微分信号が滑らかに連続するものであればよい。

また、本実施形態のフィードフォワード補償器１６０は、微分要素１６２、位相進ませ補償要素１６４、及び比例要素（第１比例要素１６６、第２比例要素１６８）を有するが、これに限らず、スライド位置指令信号に対するスライド位置（信号）の位相遅れ量を補償するものであれば、如何なるものでもよく、また、フィードフォワード補償による位相遅れ量の補償は、位相遅れ量を略ゼロにする場合に限らない。

更に、スライドを駆動する油圧シリンダ、及び油圧ポンプ／モータの作動液として油を使用した場合について説明したが、これに限らず、水やその他の液体を使用してもよい。

また、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

１、２ プレス機械
１０ コラム
１２ ベッド
１４ クラウン
１６ ガイド部
２０、２０' スライド
３０、３０－Ｌ、３０－Ｒ 油圧シリンダ
４０、４０Ｌ、４０Ｒ、４２、４４ 配管
４６、４８ 開閉弁
５０ 低圧アキュムレータ
６０ 高圧アキュムレータ
７０、７０－Ｌ、７０－Ｒ スライド位置検出器
１００、１００' スライド位置制御器
１１０ スライド位置指令器
１２０ 位置制御器
１２２ 減算器
１２４ 位置補償器
１３０ 安定化制御器
１３１Ａ～１３５Ａ 減算器
１３１Ｂ～１３５Ｂ 安定化補償器
１４１～１４５ 加算器
１５１～１５５ 外乱補償器
１６０ フィードフォワード補償器
１６２ 微分要素
１６４ 補償要素
１６６ 第１比例要素
１６８ 第２比例要素
Ｅ１～Ｅ５ 角速度検出器
ＳＭ１～ＳＭ５ サーボモータ

Claims (12)

1. スライドを、該スライドの上死点と下死点との間で往復駆動する液圧シリンダと、
   正逆回転することにより前記液圧シリンダに作動液を供給し、又は前記液圧シリンダから作動液を吸引する複数の液圧ポンプ／モータであって、前記複数の液圧ポンプ／モータの第１ポートが、前記スライドを正方向に駆動する前記液圧シリンダの第１加圧室にそれぞれ接続された複数の液圧ポンプ／モータと、
   前記複数の液圧ポンプ／モータの回転軸にそれぞれ軸接続された複数のサーボモータと、
   ０．３ＭＰａ以上の一定圧を有する第１圧力源であって、前記複数の液圧ポンプ／モータの第２ポートがそれぞれ接続された第１圧力源と、
   １ＭＰａ以上の一定圧を有する第２圧力源であって、前記スライドを負方向に駆動する前記液圧シリンダの第２加圧室に接続された第２圧力源と、
   前記スライドのスライド位置指令信号を出力するスライド位置指令器と、
   前記スライドの位置を検出し、スライド位置信号を出力するスライド位置検出器と、
   前記スライド位置指令信号及び前記スライド位置信号に基づいて前記スライドの位置が前記スライド位置指令信号に対応する位置になるように前記複数のサーボモータを制御するスライド位置制御器と、
   を備えたプレス機械。
2. 前記複数のサーボモータの各サーボモータの回転軸とその回転軸に連動する回転体の慣性モーメントは、それぞれ１ｋｇｍ^２以下であることを特徴とする請求項１に記載のプレス機械。
3. 前記スライド位置指令器から出力される前記スライド位置指令信号は、その時間微分信号が滑らかに連続することを特徴とする請求項１又は２に記載のプレス機械。
4. 前記スライド位置指令器から出力される前記スライド位置指令信号は、正弦波状又はクランク曲線状に変化することを特徴とする請求項１又は２に記載のプレス機械。
5. 前記スライド位置指令器は、前記スライドの１分間当たりのストローク数が１００回以上となる前記スライド位置指令信号を出力することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のプレス機械。
6. 前記スライド位置指令器は、前記スライドの上死点から下死点までのストローク量が５０ｍｍ以下となる前記スライド位置指令信号を出力することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のプレス機械。
7. 前記複数のサーボモータの回転角速度をそれぞれ検出する複数の角速度検出器を備え、 前記スライド位置制御器は、前記複数の角速度検出器によってそれぞれ検出される角速度信号を、角速度フィードバック信号として使用する安定化制御器を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のプレス機械。
8. 前記スライド位置制御器は、前記スライド位置指令信号を入力信号とするフィードフォワード補償器を含み、前記フィードフォワード補償器により演算されるフィードフォワード補償量を、前記スライド位置指令信号及び前記スライド位置信号に基づいて演算した前記複数のサーボモータのトルク指令信号に作用させることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のプレス機械。
9. 前記フィードフォワード補償器は、位相進ませ補償要素により前記フィードフォワード補償量を演算することを特徴とする請求項８に記載のプレス機械。
10. 前記位相進ませ補償要素は、ｓをラプラス演算子、Ｔ_ωａ及びＴ_ωｂをそれぞれ定数とすると、（１＋Ｔ_ωｂ・ｓ）／（１＋Ｔ_ωａ・ｓ）で表され、前記定数Ｔ_ωａ及びＴ_ωｂは、前記スライドの１分間当たりストローク数、及び前記スライドの上死点から下死点までのストローク量に応じて設定されることを特徴とする請求項９に記載のプレス機械。
11. 前記フィードフォワード補償器は、微分要素及び比例要素により前記フィードフォワード補償量を演算することを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載のプレス機械。
12. 前記スライドを駆動する液圧シリンダは複数本並設され、
    前記複数の液圧ポンプ／モータ及び前記複数のサーボモータは、それぞれの液圧シリンダ毎に設けられることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のプレス機械。

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