JP2008119737A - サーボプレスおよびサーボプレスの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス加工の各工程に対応した２台のサーボモータを有し、簡単な構成および制御でこれらのサーボモータを切り替えて使用できるサーボプレスおよびこのサーボプレスの制御方法を提供する。
【解決手段】サーボプレス１を、被加工物（ワーク）に押圧される金型７０が取り付けられるスライド６０と、被加工物を金型７０が押圧する加圧工程用の第２サーボモータ２０と、加圧工程以外のアプローチ・上昇工程用の第１サーボモータ１０と、第２サーボモータ２０および第１サーボモータ１０の回転運動を直線運動に変換し、スライドをスライド移動させる回転・直線運動変換機構３０と、第２サーボモータ２０および回転・直線運動変換機構３０を係脱するクラッチ３７と、第２サーボモータ２０、第１サーボモータ１０、および、クラッチ３７の作動を制御してスライド６０を駆動するコントローラ９０とから構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、サーボモータを使用してスライドを直線移動させるサーボプレスに関し、特に詳細には、プレス加工の各工程に対応して２台のサーボモータを切り替えて使用するサーボプレスおよびこのサーボプレスの制御方法に関する。

サーボプレスは、ＡＣサーボモータ等の回転運動を直線運動に変換する回転・直線運動変換機構を用いて、スライド（「ラム」とも呼ばれる）を直線運動させるプレス機械である。このようにサーボモータを用いたサーボプレスでは、スライドを自由に位置・速度制御でき、プレス圧力の制御も容易である。このため、プレス品の成形加工精度を高めるとともに、生産性も高いので、近年では広く使用されている。

ところで、このようなプレス機械において生産性を向上させるためには、スライドを、成形領域（加圧工程）では加工条件に適合した速度で下降させ、成形領域以外（アプローチ・上昇工程）では高速移動させて全体のサイクルタイムを短くする必要がある。そのため、フライホイールを介してスライドを駆動させるモータ（加圧用モータ）と、直接スライドを駆動させるモータ（スライド用モータ）とを設け、成形領域以外ではフライホイールを介さないスライド用モータでスライドを高速に昇降させ、成形領域ではクラッチにより加圧用モータで回転しているフライホイールをスライドに連結してプレス加工に必要なトルクを得るように構成されたプレス機械が開発されている。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−０３４１１１号公報

しかしながら、このようなプレス機械では、スライド用モータにより下降してきたスライドに対して、成形領域でフライホイールを連結するときに、スライド用モータおよび加圧用モータの回転数を合わせないと、クラッチ係合時に振動や衝撃音が発生する。そのため、これらの回転数を合わせるために、それぞれの回転数を検出するセンサが必要であり、かつ、複雑な制御が必要となるという課題がある。一方、一つのサーボモータにより、成形領域においては大きなトルクを確保し、成形領域以外では高速に回転できるようにすると、サーボモータが大型化するとともに電力消費が大きくなり、さらに、このような高速かつ大トルクのサーボモータはコストも高くなるという課題がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、プレス加工の各工程に対応した２台のサーボモータを有し、簡単な構成および制御でこれらのサーボモータを切り替えて使用できるサーボプレスおよびこのサーボプレスの制御方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係るサーボプレスは、被加工物（ワーク）に押圧される金型が取り付けられるスライドと、被加工物を金型で押圧する加圧工程用の加圧用サーボモータ（例えば、実施形態における第２サーボモータ２０）と、加圧工程以外のアプローチ・上昇工程用のスライド用サーボモータ（例えば、実施形態における第１サーボモータ１０）と、加圧用サーボモータおよびスライド用サーボモータの回転運動を直線運動に変換し、スライドをスライド移動させる回転・直線運動変換機構と、加圧用サーボモータおよび回転・直線運動変換機構を係脱するクラッチと、加圧用サーボモータ、スライド用サーボモータ、および、クラッチの作動を制御してスライドを駆動するコントローラとから構成される。

このような本発明に係るサーボプレスは、スライド用サーボモータのモータシャフトの回転量を検出するスライド用エンコーダ（例えば、実施形態における第１エンコーダ１１）と、コントローラからの指令値およびスライド用エンコーダの検出値によりスライド用サーボモータの回転駆動を制御するスライド用サーボアンプ（例えば、実施形態における第１サーボアンプ１３）とを有し、スライド用サーボモータが回転・直線運動変換機構に対して常時連結されており、コントローラが、スライド用サーボアンプを介してスライド用エンコーダから常時スライド用サーボモータの回転量を検出してスライドの位置を算出するように構成されることが好ましい。

あるいは、回転・直線運動変換機構が、スライドを駆動するボールネジを含み、本発明に係るサーボプレスが、ボールネジの回転量を検出するボールネジ用エンコーダ（例えば、実施形態における第３エンコーダ９６）を有し、コントローラが、ボールネジ用エンコーダからボールネジの回転量を検出してスライドの位置を算出するように構成されることが好ましい。

また、本発明に係るサーボプレスの制御方法は、上述のサーボプレスにおいて用いられるものであり、クラッチの係合を解除し、スライド用サーボモータを駆動してスライドを上停止位置から加圧位置に移動させるステップ、クラッチを係合し、加圧用サーボモータを駆動してスライドを加圧位置から下停止位置に移動させるステップ、および、クラッチの係合を解除し、スライド用サーボモータを駆動してスライドを下停止位置から上停止位置に移動させるステップから構成される。

本発明に係るサーボプレスを以上のように構成すると、２台のサーボモータのうち、プレス加工の各工程に対して最適なサーボモータを選択して使用することができるため、高速かつ大トルクの１台のサーボモータで構成した場合に比べて、それぞれのサーボモータを小型化することができ、サーボプレス全体としてコンパクト化することができる。また、モータのコストを抑えて、サーボプレスの価格を安くすることができる（例えば、価格が１／３〜１／４）。さらに、工程に応じてサーボモータを使い分けることにより、使用電力量を少なくすることができる。

このとき、スライド用サーボモータまたはボールネジの回転量からスライドの位置を算出するように構成することにより、スライドの位置を簡単な構成で正確に得ることができ、加工精度を向上させることができる。

また、本発明に係るサーボプレスの制御方法を以上のように構成すると、工程間でスライド用サーボモータと加圧用サーボモータとを切り替えて駆動させるため、クラッチの係合時にこれらの回転速度を同期させる必要はなく、簡単な制御とすることができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。まず、図１および図２を用いて、本発明に係るサーボプレスの構成について説明する。ここで、図１は、サーボプレス１の平面図および正面図であり、図２は、サーボプレス１の側面図である。なお、以降の説明においては、図１（ａ）および図２に示す矢印Ｆの方向を前方とする。本実施例に係るサーボプレス１は、本体ケーシング３に、第１サーボモータ１０、第２サーボモータ２０、回転・直線運動変換機構３０、スライド６０、ボルスタ６１、表示機３、および、操作部４が設けられて構成されている。

第１サーボモータ１０は、容量の小さいサーボモータが用いられ、スライド６０を加圧工程以外のアプローチ・上昇工程において高速に移動させるものであり、例えば、ＡＣサーボモータが用いられる。この第１サーボモータ１０のモータシャフト１０ａの一端には、後述する回転・直線運動変換機構３０の一部を構成する第１駆動プーリ３５が固定されており、また、他端には、この第１サーボモータ１０のモータシャフト１０ａの回転量を検出するための第１エンコーダ１１が取り付けられている。

第２サーボモータ２０は、容量の大きいサーボモータが用いられ、スライド６０を加圧工程において駆動するものであり、この第２サーボモータ２０にも、ＡＣサーボモータを用いることができる。第２サーボモータ２０のモータシャフト２０ａの一端には、減速機２２が取り付けられ、さらにその減速機２２に、回転・直線運動変換機構３０の一部を構成する第２駆動プーリ３９が固定されている。また、モータシャフト２０ａの他端には、この第２サーボモータ２０のモータシャフト２０ａの回転量を検出するための第２エンコーダ２１が取り付けられている。なお、上述の第１エンコーダ１１およびこの第２エンコーダ２１は、第１および第２サーボモータ１０，２０のモータシャフト１０ａ，２０ａの回転角の変化量を検出することができるインクリメンタルエンコーダであっても良いし、回転角の絶対値を検出できるアブソリュートエンコーダであっても良い。

回転・直線運動変換機構３０は、その回転軸がサーボプレス１の前後方向に延びる入力シャフト３１と上下方向に延びる出力シャフト３２とを有し、これらのシャフト３１，３２に互いに噛み合うウォームおよびウォーム歯車が設けられて回転方向を変向するウォーム機構３３を有している。このウォーム機構３３を構成する入力シャフト３１の前端部には、第１従動プーリ３４が固定されており、第１サーボモータ１０のモータシャフト１０ａに取り付けられた第１駆動プーリ３５との間に第１ベルト３６が巻き掛けられている。そのため、第１サーボモータ１０が回転駆動すると、第１ベルト３６によりその回転がウォーム機構３３の入力シャフト３１に伝達され、出力シャフト３２が回転駆動される。

一方、入力シャフト３１の後端部には、クラッチ３７が連結されている。さらに、このクラッチ３７には第２従動プーリ３８が固定されており、第２サーボモータ２０の減速機２２に取り付けられた第２駆動プーリ３９との間に第２ベルト４０が巻き掛けられている。クラッチ３７は、第２サーボモータ２０とウォーム機構３３とを係脱するものであり、クラッチ３７により第２サーボモータ２０とウォーム機構３３とが係合されているときに、第２サーボモータ２０が回転駆動すると、第２ベルト４０によりその回転がウォーム機構３３の入力シャフト３１に伝達され、出力シャフト３２が回転駆動される。このとき、第１サーボモータ１０もウォーム機構３３を介して第２モータ２０により回転駆動される。

さらに、回転・直線運動変換機構３０は、スライド６０を上下方向にスライド移動させるために、ウォーム機構３３を構成する出力シャフト３２の下端に連結されたボールネジ４１、および、このボールネジ４１が螺合されたナット４４を有している。なお、ボールネジ４１の上部は軸受４３によって、ケーシング本体２に固定されたベアリングサポート４２に支持されている。また、スライド６０の上端部にはナット４４が固定されており、このスライド６０の両側部に上下方向に延びるように形成されたリニアガイドレール６２とケーシング本体２に固定されたガイド６３とにより、上下に案内される。そのため、第１サーボモータ１０若しくは第２サーボモータ２０によりウォーム機構３３の出力シャフト３２が回転駆動されると、ボールネジ４１が回転駆動し、このボールネジ４１に螺合しているナット４４が上下方向に直線上を移動して、スライド６０を上下方向にスライド移動させる。このスライド６０の下面には、金型７０を構成する上型７１が装着保持される。

本体ケーシング２の下部の、スライド６０の下面に対向する位置には、ボルスタ６１が配置されており、このボルスタ６１の上面には、金型７０を構成する下型７２が設置される。また、本体ケーシング２の上部前面側には、加工条件等を入力・設定するための表示機３が設けられており、さらに、本体ケーシング２の下部には、両手で操作される２つの作業用押しボタンや非常停止用押しボタンなどの複数の押しボタン４ａが配置された操作部４が設けられている。

次に、図３および図４を参照して、本実施例に係るサーボプレス１の制御回路の主要部について説明する。なお、図３はこのサーボプレス１の制御回路の構成を示しており、図４は動作フローを示している。このサーボプレス１の制御回路は、第１サーボモータ１０の駆動を制御する第１サーボアンプ１３、第２サーボモータ２０の駆動を制御する第２サーボアンプ２３、第１サーボモータ１０に供給される主電源を接続・切断する第１リレー１４、第２サーボモータ２０に供給される主電源を接続・切断する第２リレー２４、並びに、これらのアンプ１３，１４およびリレー１４，２４と回転・直線運動変換機構３０のクラッチ３７の作動を制御することによりサーボプレス１によるプレス加工を行うコントローラ９０から構成される。

第１サーボアンプ１３は、コントローラ９０からの指令信号に応じて、第１サーボモータ１０に供給される駆動電流を制御するものであり、また、第１エンコーダ１１により検出される回転量をフィードバックしてスライド６０の位置決めを行い、また、第１サーボモータ１０を指令信号に対応した速度で回転駆動させるように構成されている。また、第２サーボアンプ１４は、コントローラ９０からの指令信号に応じて、第２サーボモータ２０に供給される駆動電流を制御するものであり、また、第２エンコーダ２１により検出される回転量をフィードバックしてスライド６０の位置決めを行い、また、第２サーボモータ２０を指令信号に対応した速度で回転駆動させるように構成されている。なお、第１および第２サーボアンプ１３，２３には、それぞれ、第１および第２サーボモータ１０，２０を駆動するための第１および第２主電源回路１５，２５と、この第１および第２サーボアンプ１３，２３を作動させるための第１および第２制御電源回路１６，２６とが接続されており、それぞれ、電源からの電力を供給するように構成されている。また、第１および第２主電源回路１５，２５の各々には、第１および第２リレー１４，２４の接点１４ａ，２４ａが設けられている。

コントローラ９０は、サーボプレス１の作動を制御する制御部９１、第１サーボアンプ１３に指令信号を送信する第１位置決めユニット９２、第２サーボアンプ２３に指令信号を送信する第２位置決めユニット９３、第１サーボアンプ１３から第１サーボモータ１０の回転量を取得する第１位置検出ユニット９４、および、第２サーボアンプ２３から第２サーボモータ２０の回転量を取得する第２位置検出ユニット９５から構成される。制御部９１は、第１位置検出ユニット９４により検出される第１サーボモータ１０の回転量からスライド６０の位置を算出し、第１および第２位置決めユニット９２，９３により第１および第２サーボモータ１０，２０を制御するとともに、第１および第２リレー１４，２４の開閉とクラッチ３７の係脱とを制御することでサーボプレス１の作動を制御する。

それでは、コントローラ９０によるサーボプレス１の制御について説明する。コントローラ９０の制御部９１は、まず、表示機３から加工条件を取得する（ステップＳ１００）。ここで、加工条件とは、各工程におけるスライド６０の位置および移動速度であって、スライド６０の最も高い位置である上死点（Ｐ１）、加圧工程を開始する位置である加圧位置（Ｐ２）、スライド６０の最も低い位置である下死点（Ｐ３）、アプローチ工程（スライド６０が、上死点Ｐ１から加圧位置Ｐ２まで下降する範囲）における速度（アプローチ速度、若しくは、下降速度）、加圧工程（スライド６０が、加圧位置Ｐ２から下死点Ｐ３まで下降する範囲）における速度（加圧速度）、および、上昇工程（スライド６０が下死点Ｐ３から上死点Ｐ１まで上昇する範囲）における速度（上昇速度）から構成され、このサーボプレス１のオペレータにより表示機３で入力される。

制御部９１は、加工条件を取得すると、クラッチ３７の係合を解除し（ステップＳ１０１）、第１リレー１４の接点１４ａを閉じて第１サーボアンプ１３の主電源（第１サーボモータ１０を駆動させるための電源）をオンし、第２リレー２４の接点２４ａを開いて第２サーボアンプ２３の主電源（第２サーボモータ２０を駆動させるための電源）をオフする（ステップＳ１０２）。そして、制御部９１は、操作部４の運転押しボタンが押下されたのを検出すると（ステップＳ１０３）、第１位置決めユニット９２に対してステップＳ１００で設定されたアプローチ速度を指令して第１サーボモータ１０を駆動させ、スライド６０を下降させる（ステップＳ１０４）。このとき、制御部９１は、第１位置検出ユニット９４により検出される第１サーボモータ１０の回転量からスライド６０の位置を算出し、このスライド６０が加圧位置Ｐ２に到達したと判断すると（ステップＳ１０５）、第１サーボモータ１０を停止させる（ステップＳ１０６）。

このアプローチ工程においては、第２サーボモータ２０は、クラッチ３７によりウォーム機構３３から切り離されているので、容量の小さな第１サーボモータ１０でも高速にスライド６０を下降させることができる。

スライド６０が加圧位置Ｐ２に到達すると、制御部９１は、クラッチ３７を係合させ（ステップＳ１０７）、また、第１リレー１４の接点１４ａを開いて第１サーボアンプ１３の主電源をオフし、第２リレー２４の接点２４ａを閉じて第２サーボアンプ２３の主電源をオンする（ステップＳ１０８）。そして、制御部９１は、第２位置決めユニット９３に対してステップＳ１００で設定された加圧速度を指令して第２サーボモータ２０を駆動させ、スライド６０を下降させることにより、容量の大きな第２サーボモータ２０のトルクを用いてワークを加工する（ステップＳ１０９）。このとき、制御部９１は、第１位置検出ユニット９４により検出される第１サーボモータ１０の回転量からスライド６０の位置を算出し、このスライド６０が下死点Ｐ３に到達したと判断すると（ステップＳ１１０）、第２サーボモータ２０を停止させる（ステップＳ１１１）。

この加圧工程においては、第２サーボモータ２０の回転駆動により、第１サーボモータ１０も回転駆動されるが、第１サーボアンプ１３の主電源がオフされており、この第１サーボモータ１０には負荷がかかっていないため、第２サーボモータ２０の作動には影響しない。また、第１サーボアンプ１３の制御電源は第１制御電源回路１６により常時オンされているため、第２サーボモータ２０により回転駆動される第１サーボモータ１０の回転量を検出することができ、これにより、第１位置検出ユニット９４で検出される第１サーボモータ１０の回転量からスライド６０の位置を算出することができる。

スライド６０が下死点Ｐ３に到達すると、制御部９１は、クラッチ３７の係合を解除し（ステップＳ１１２）、また、第１リレー１４の接点１４ａを閉じて第１サーボアンプ１３の主電源をオンし、第２リレー２４の接点２４ａを開いて第２サーボアンプ２３の主電源をオフする（ステップＳ１１３）。そして、制御部９１は、第１位置決めユニット９２に対してステップＳ１００で設定された上昇速度を指令して第１サーボモータ１０を駆動させ、スライド６０を上昇させる（ステップＳ１１４）。このとき、制御部９１は、第１位置検出ユニット９４により検出される第１サーボモータ１０の回転量からスライド６０の位置を算出し、このスライド６０が上死点Ｐ１に到達したと判断すると（ステップＳ１１５）、第１サーボモータ１０を停止させ（ステップＳ１１６）一回の加工工程を終了し、ステップＳ１０３に戻る。

この上昇工程においても、第２サーボモータ２０は、クラッチ３７によりウォーム機構３３から切り離されているため、容量の小さな第１サーボモータ１０を用いてスライド６０を高速に上昇させることができる。

本実施例に係るサーボプレス１を以上のように構成すると、負荷が小さいアプローチ工程および上昇工程においては容量の小さい第１サーボモータ１０を用いてスライド６０を高速に昇降させ、加圧工程においては容量の大きい第２サーボモータ２０を用いて大きなトルクでスライド６０を下降させてワークをプレス加工することができるため、それぞれの工程に最適なサーボモータを使用することができる。そのため、１台のサーボモータで構成した場合に比べて、それぞれのサーボモータ１０，２０を小型化することができるので、サーボプレス全体としてコンパクト化することができる。また、工程に応じてサーボモータ１０，２０を使い分けることにより、使用電力量を少なくすることができ、さらに、サーボモータのコストも抑えることにより、サーボプレス１の価格を安くすることができる。

また、本実施例に係るサーボプレス１は、工程間で第１サーボモータ１０と第２サーボモータ２０とを切り替えて駆動させているため、クラッチ３７の係合時にこれらの回転速度を同期させる必要はなく、コントローラ９０による制御は簡単な構成とすることができる。また、上述のようにスライド６０の位置は第１サーボモータ１０に取り付けられた第１エンコーダ１１の検出値を用いることができるので、スライド６０の位置を検出するための特別な検出手段を設ける必要がなく、回路構成を簡単なものとすることができるとともに、第１サーボモータ１０を制御するための精度の良い第１エンコーダ１１の検出値を用いることから、スライド６０の位置を精度良く得ることができ、加工精度を向上させることができる。

なお、ステップＳ１０９，Ｓ１１０において、第２サーボモータ２０によりスライド６０を作動させているときは、制御部９１が、第２位置検出ユニット９５により検出される第２サーボモータ２０の回転量からスライド６０の位置を算出するように構成することも可能である。

また、スライド６０の位置を第１エンコーダ１１により検出される第１サーボモータ１０の回転量から算出するのではなく、例えば、図５に示すように、ウォーム機構３３の出力シャフト３２に第３エンコーダ９６を設け、この第３エンコーダ９６により検出される回転角（の変化分または絶対値）を、コントローラ９０に設けられたカウンタ９７でカウントして出力シャフト３２の回転量（すなわち、ボールネジ４１の回転量）を検出し、制御部９１において、この回転量からスライド６０の位置を算出するように構成することも可能である。このように構成した場合、制御部９１は、第１エンコーダ１１若しくは第２エンコーダ２１から第１若しくは第２サーボモータ１０，２０の回転量を取得する必要がないため、コントローラ９０に第１位置検出ユニットおよび第２位置検出ユニットを設けなくても良い。

本発明に係るサーボプレスの全体構成を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。 上記サーボプレスの側面図である。 上記サーボプレスの制御回路を示すブロック図である。 上記サーボプレスの動作フローを示すフローチャートである。 図３の制御回路の変形例を示すブロック図である。

符号の説明

１ サーボプレス
１０ 第１サーボモータ（スライド用サーボモータ）
１０ａ モータシャフト
１１ 第１エンコーダ（スライド用エンコーダ）
１３ 第１サーボアンプ（スライド用サーボアンプ）
２０ 第２サーボモータ（加工用サーボモータ）
３０ 回転・直線運動変換機構
３７ クラッチ
４１ ボールネジ
７０ 金型
９０ コントローラ
９６ 第３エンコーダ（ボールネジ用エンコーダ）

Claims (4)

1. 被加工物に押圧される金型が取り付けられるスライドと、
   前記被加工物を前記金型で押圧する加圧工程用の加圧用サーボモータと、
   前記加圧工程以外のアプローチ・上昇工程用のスライド用サーボモータと、
   前記加圧用サーボモータおよび前記スライド用サーボモータの回転運動を直線運動に変換し、前記スライドをスライド移動させる回転・直線運動変換機構と、
   前記加圧用サーボモータおよび前記回転・直線運動変換機構を係脱するクラッチと、
   前記加圧用サーボモータ、前記スライド用サーボモータ、および、前記クラッチの作動を制御して前記スライドを駆動するコントローラとから構成されるサーボプレス。
2. 前記スライド用サーボモータのモータシャフトの回転量を検出するスライド用エンコーダと、
   前記コントローラからの指令値および前記スライド用エンコーダの検出値により前記スライド用サーボモータの回転駆動を制御するスライド用サーボアンプとを有し、
   前記スライド用サーボモータが前記回転・直線運動変換機構に対して常時連結されており、
   前記コントローラが、前記スライド用サーボアンプを介して前記スライド用エンコーダから常時前記スライド用サーボモータの回転量を検出して前記スライドの位置を算出するように構成された請求項１に記載のサーボプレス。
3. 前記回転・直線運動変換機構が、前記スライドを駆動するボールネジを含み、
   前記ボールネジの回転量を検出するボールネジ用エンコーダを有し、
   前記コントローラが、前記ボールネジ用エンコーダから前記ボールネジの回転量を検出して前記スライドの位置を算出するように構成された請求項１に記載のサーボプレス。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のサーボプレスを制御する方法であって、
   前記クラッチの係合を解除し、前記スライド用サーボモータを駆動して前記スライドを上停止位置から加圧位置に移動させるステップ、
   前記クラッチを係合し、前記加圧用サーボモータを駆動して前記スライドを前記加圧位置から下停止位置に移動させるステップ、および、
   前記クラッチの係合を解除し、前記スライド用サーボモータを駆動して前記スライドを下停止位置から上停止位置に移動させるステップから構成されるサーボプレスの制御方法。

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