JP5369291B2 - 産業機械の制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、産業機械の制御装置および制御方法に関する。

従来、産業機械には、サーボモータの駆動力によってスライダを往復移動させる駆動機構を備えるものがある。この駆動機構では、回転機構がサーボモータにより回転駆動され、回転機構の回転運動がリンク機構によって往復運動に変換されて、スライダに伝達される。例えば、特許文献１に示されるプレス機械では、サーボモータの駆動力が送りネジ機構およびリンク機構を介してスライダに伝達されることにより、スライダが上下に往復運動する。これにより、スライダに設けられた上型が下型に近接・離反して、プレス加工が行われる。
特開２００３−２９０９８４号公報

上記のような産業機械では、駆動機構を支持する本体フレームに振動が発生することがある。この振動が、産業機械が設置された地面や床面に伝わると、周囲環境を悪化させる恐れがある。また、産業機械においては、振動により、加工精度の低下や生産性の低下を招く恐れもある。

一方、上記のような振動の地面への伝達を抑制する手段として、弾性により振動を減衰させる防振装置により本体フレームを支持することが考えられる。しかし、この場合、地面への震動の伝達を抑制することは可能であっても、弾性支持による固有振動数低下に起因して本体フレームの振動が増加する恐れがある。

また、制振に一般的に利用される動吸振器（ダイナミックダンパ）や能動的制振装置（アクティブマスダンパ）を本体フレームに装着することにより、本体フレームの振動を抑制することも可能であるが、装置の大型化やコストの増大を招く恐れがある。

本発明の課題は、産業機械の大型化やコストの増大を抑えながら振動を抑制することにある。

第１発明に係る産業機械の制御装置は、サーボモータと、サーボモータにより回転駆動される回転機構と、往復移動可能に設けられるスライダと、回転機構からの回転運動を往復運動に変換してスライダに伝達するリンク機構とを有する駆動機構と、駆動機構を支持する本体フレームとを備える産業機械を制御するための制御装置であって、振動情報検出部と角位置検出部と制振制御部とを備える。振動情報検出部は、産業機械の振動を示す振動情報を検出する。角位置検出部は、回転機構の角位置を検出する。制振制御部は、振動情報と回転機構の角位置とに基づくフィードバック制御により、産業機械の振動を抑制するように駆動機構を動作させるための制振制御信号を生成する。振動情報は、本体フレームの変位を含む。制振制御部は、回転機構の角位置に応じて定められる制振用フィードバックゲインを用いて、振動情報と回転機構の角位置とから制振制御信号を生成する。

この産業機械の制御装置では、制振制御信号によってサーボモータが制御されることにより、駆動機構が産業機械の振動を抑制するように動作する。これにより、産業機械の振動が抑制される。また、産業機械の駆動機構が振動の抑制に利用されるため、別途の装置を産業機械に装着することなく振動を抑制することができる。このため、産業機械の大型化やコストの増大を抑えることができる。

また、この産業機械の制御装置では、振動情報から制振制御信号を生成するためのフィードバックゲインが、回転機構の角位置に応じて定められる。このため、駆動機構の非線形性を考慮して、駆動機構の動作を制御することができる。これにより、振動抑制の効果を向上させることができる。

第２発明に係る産業機械の制御装置は、第１発明の産業機械の制御装置であって、制振制御部は、制振制御信号として、産業機械の振動を抑制するために回転機構に与えられる制振用トルクを算出する。制振用トルクは、本体フレームの変位と回転機構の角位置と回転機構に与えられるトルクとによって表される運動方程式から導き出される評価関数を最小にする制御入力である。制振制御部は、制振用フィードバックゲインを用いて制振用トルクを算出する。

この産業機械の制御装置では、制振制御信号として、産業機械の振動を抑制するための回転機構におけるトルクが算出され、トルク制御により駆動機構の動作が制御される。これにより、産業機械の振動を抑制することができる。

第３発明に係る産業機械の制御装置は、第１発明又は第２発明の産業機械の制御装置であって、産業機械における作業のために駆動機構を動作させるための作業制御信号を生成する作業制御部と、作業制御信号と制振制御信号とを加算することによりサーボモータへ出力される指令信号を生成する指令信号生成部と、をさらに備える。

この産業機械の制御装置では、作業制御信号と制振制御信号とが加算されることにより、サーボモータへ出力される指令信号が生成される。これにより、産業機械における作業のための駆動機構の制御と、制振のための駆動機構の制御とを両立することができる。

第４発明に係る産業機械の制御方法は、サーボモータと、サーボモータにより回転駆動される回転機構と、往復移動可能に設けられるスライダと、回転機構からの回転運動を往復運動に変換してスライダに伝達するリンク機構とを有する駆動機構と、駆動機構を支持する本体フレームとを備える産業機械の制御方法であって、産業機械の振動を示す振動情報を検出するステップと、回転機構の角位置を検出するステップと、振動情報と回転機構の角位置とに基づくフィードバック制御により、産業機械の振動を抑制するように駆動機構を動作させるための制振制御信号を生成するステップと、を備える。振動情報は、本体フレームの変位を含む。制振制御信号を生成するステップでは、回転機構の角位置に応じて定められる制振用フィードバックゲインを用いて、振動情報と回転機構の角位置とから前記制振制御信号を生成する。

この産業機械の制御方法では、制振制御信号によってサーボモータが制御されることにより、駆動機構が産業機械の振動を抑制するように動作する。これにより、産業機械の振動が抑制される。また、産業機械の駆動機構が利用されるため、別途の装置を産業機械に装着することなく振動を抑制することができる。このため、産業機械の大型化やコストの増大を抑えることができる。

また、この産業機械の制御方法では、振動情報から制振制御信号を生成するためのフィードバックゲインが、回転機構の角位置に応じて定められる。このため、駆動機構の非線形性を考慮して、駆動機構の動作を制御することができる。これにより、振動抑制の効果を向上させることができる。

本発明に係る産業機械の制御装置では、駆動機構が産業機械の振動を抑制するように動作することにより、産業機械の振動が抑制される。また、産業機械の駆動機構が利用されるため、別途の装置を産業機械に装着することなく振動を抑制することができる。このため、産業機械の大型化やコストの増大を抑えることができる。

＜産業機械の構成＞
本発明の一実施形態にかかる制御装置１（図２参照）を備える産業機械２を図１に示す。この産業機械２は、金型を上下に往復移動させることによってプレス加工を行うプレス機械であり、サーボモータを制御することによって金型を任意の速度、位置に制御することができる、いわゆるサーボプレスである。この産業機械２は、図２に示すように、本体部５と制御装置１とを備える。

本体部５は、図１に示す本体フレーム３と駆動機構４とを含み、制御装置１によって制御される。

本体フレーム３は、駆動機構４を支持しており、防振材６を介して地面ＧＲ上に設置されている。

駆動機構４は、サーボモータ７と、回転機構としてのクランク８と、スライダ９と、リンク機構としてのコンロッド１０とを有する。サーボモータ７は、制御装置１からの指令信号により角位置、角速度を任意に制御可能である。クランク８は、サーボモータ７の回転軸に接続されており、サーボモータ７により回転駆動される。コンロッド１０は、クランク８とスライダ９とに接続されており、クランク８からの回転運動を往復運動に変換してスライダ９に伝達する。スライダ９は、本体フレーム３に上下に直線移動可能に設けられており、コンロッド１０の動作により上下に往復移動可能となっている。また、スライダ９の下面には上型１１が取り付けられており、スライダ９が上下に往復移動することにより、上型１１が下型１２に対して近接・離反する。これにより、上型１１と下型１２との間に配置されたワークＷを所望の形状に加工することができる。なお、下型１２は、スライダ９の下方に設けられたボルスター１３の上面に取り付けられている。

制御装置１は、図２に示すように、変位センサ２１、速度センサ２２、角度センサ２３、角速度センサ２４、制振制御部２５、作業制御部２６、指令信号生成部２７を有する。

変位センサ２１は、本体フレーム３の変位を検出する。

速度センサ２２は、本体フレーム３の速度を検出する。なお、本体フレーム３の変位と、本体フレーム３の速度は、産業機械２の振動を示す振動情報であり、変位センサ２１および速度センサ２２は、振動情報を検出する振動情報検出部を構成する。

角度センサ２３は、サーボモータ７の角位置すなわちクランク８の角位置を検出する。

角速度センサ２４は、サーボモータ７の角速度すなわちクランク８の角速度を検出する。

制振制御部２５は、産業機械２の制振のための状態フィードバック制御を行う部分であり、本体フレーム３の変位情報と本体フレーム３の速度情報とを受け、これらの情報から、産業機械２の振動を抑制するように駆動機構４を動作させるための制振制御信号を生成する。制振制御信号は、産業機械２の振動を抑制するためのクランク８における制振用トルクＴ’を示している。ここで、制振制御信号の生成に用いられる制振用フィードバックゲインは、クランク８の角位置に応じて定められるものであり、その決定方法については後に詳述する。

作業制御部２６は、産業機械２における作業すなわちプレス加工のために駆動機構４を動作させるための作業制御信号を生成する。作業制御部２６は、モーション設定部２８と、角速度フィードバック制御部２９とを有する。モーション設定部２８は、プレス加工に適したスライダ９のモーションを設定し、当該モーションを得るためのクランク８の角速度の設定信号を出力する。角速度フィードバック制御部２９は、クランク８の角速度の設定信号と、角速度センサ２４が検出したクランク８の角速度情報とから、クランク８の角速度フィードバック制御を行い、作業制御信号を生成する。作業制御信号は、スライダ９の所望のモーションを得るためのクランク８における作業用トルクＴ_０を示している。なお、作業制御部２６における作業用フィードバックゲインもクランク８の角位置に応じて定められるものである。

指令信号生成部２７は、作業制御部２６によって生成された作業制御信号と、制振制御部２５によって生成された制振制御信号とを加算することにより、サーボモータ７へ出力されるトルク指令信号を生成する。

＜産業機械２の制御方法＞
次に、上記の制御装置１による産業機械２の制御方法について、図３のフローチャートに基づいて説明する。

まず、第１ステップＳ１〜第４ステップＳ４では、産業機械２の各種の情報が検出される。具体的には、第１ステップＳ１では、クランク８の角速度が検出され、第２ステップＳ２では、クランク８の角位置が検出される。また、第３ステップＳ３では、本体フレーム３の速度が検出され、第４ステップＳ４では、本体フレーム３の変位が検出される。

第５ステップＳ５では、作業制御部２６において作業制御信号が生成される。上述したように、作業制御信号は、プレス加工に適した所望のスライダ９のモーションを得るように駆動機構４を動作させるための制御信号であり、クランク８の角速度に基づくフィードバック制御により算出される。

第６ステップＳ６では、制振制御部２５において制振制御信号が生成される。制振制御信号は、上述したように、産業機械２の振動を抑制するように駆動機構４を動作させるための制御信号であり、本体フレーム３の変位、速度に基づくフィードバック制御により算出される。

第７ステップＳ７では、作業制御部２６において生成された作業制御信号と、制振制御部２５において生成された制振制御信号が加算され、クランク８のトルクの指令値Ｔを示すトルク指令信号が生成される。トルク指令信号は、駆動機構４のサーボモータ７に入力される。

そして、第１ステップＳ１に戻り、第１ステップＳ１〜第７ステップＳ７が繰り返されることにより、サーボモータ７のフィードバック制御が行われる。

＜制振用フィードバックゲインの決定方法＞
次に、上述した制振制御信号の生成に用いられる制振用フィードバックゲインの決定方法について説明する。

図４に示す産業機械２のモデル図において、産業機械２の運動方程式を求めると以下の〔数１〕に示す式となる。

ここで、
ｍ_１：産業機械２のスライダ９を除く質量、
ｍ_２：スライダ９の質量
ｘ_１：本体フレーム３の変位
ｒ：クランク８の回転半径
θ：クランク８の角位置
ｋ：本体フレーム３と地面ＧＲとの間のバネ定数
ｌ：コンロッド１０の長さ
Ｊ：クランク８の慣性モーメント
ｃ：本体フレーム３と地面ＧＲとの間の減衰係数
Ｃｊ：クランク８の回転抵抗
Ｔ：クランク８に与えられるトルク
である。

上記の〔数１〕式においてθ＝α＋δと置き換えて、一定角位置α付近における角度変動δを考え、制御系設計のために線形化して状態方程式になおすと以下の〔数２〕に示す式となる。

以下、制御系の安定性を考慮して、最適レギュレータ理論により制振用フィードバックゲインを求める。

一般に、最適レギュレータ理論では、以下の〔数３〕式で示される線形システムにおいて、

ｑ：制御状態、ｕ：制御入力
以下の〔数４〕式で示される評価関数を最小にする制御入力ｕは、

Ｑ，Ｒ：重み
以下の〔数５〕式によって示される。

ここで、Ｐは以下の〔数６〕式で示されるリカッチ（Riccati）の方程式を満たす解である。

従って、〔数６〕式を満たすＰを求め〔数５〕に代入することで、制御入力を得るためのフィードバックゲインＦと、制御入力を求めることができる。

そこで、上記〔数２〕式で示される状態方程式を〔数３〕に当てはめると、評価関数は以下の〔数７〕式で示される。

そして、この評価関数を最小にする制御入力すなわち制振用トルクＴ’は、以下の〔数８〕式で与えられる。

また、制振用トルクＴ’を求めるための制振用フィードバックゲインＦは以下の〔数９〕式で与えられる。

ここで、Ｐは〔数６〕式を満たす解であり、上記の状態方程式〔数２〕式から、行列Ａ，Ｂは以下の〔数１０〕式となる。

なお、重みＱ，Ｒとしては実験値が用いられる。

また、上記の〔数４〕、〔数５〕、〔数６〕、〔数９〕式において、肩部の記号「Ｔ」は行列の転置を示している。

上記のように求められる制振用フィードバックゲインＦの値は、クランク８の角位置αの値によって変化する。クランク８の角位置αに対する制振用フィードバックゲインＦをグラフ上にプロットした一例を図５に示す。なお、図５では、ｈ_３＝０として、ｈ₁，ｈ_２の値のみを示している。

＜特徴＞
この産業機械２の制御装置１では、産業機械２が備える駆動機構４の動作を利用して産業機械２の振動を抑制することができる。このため、産業機械２の大型化やコストの増大を抑えることができる。

また、クランク８の角位置αは時間により変化するため、上記の〔数２〕式で示される状態方程式は非線形性を有する。このため、この産業機械２の制御装置１では、制振用フィードバックゲインＦをクランク８の角位置αによって変化させることによって、より精度よく産業機械２の振動を抑制することができる。

ここで、図６に、産業機械２の制御装置１による制振制御のシミュレーション結果を示す。図６において、横軸は時間を示し、縦軸は本体フレーム３の変位を示している。産業機械２における振動は、クランク８の回転による振動と、加工時に発生する振動とが合わさったものであるが、図６では、加工時に発生した大きな振動が、振動発生後に直ちに減衰されており、図７に示す制振制御が行われない場合と比べて、減衰されるまでの時間が短いことが分かる。

＜他の実施形態＞
（ａ）
上記の実施形態では、産業機械２としてプレス機械が例示されているが、サーボモータ７からの回転運動を往復運動に変換してスライダ９に伝達する駆動機構４が備えられる産業機械であれば本発明が適用可能である。

（ｂ）
上記の実施形態では、クランク・スライダ機構を有する駆動機構４が備えられているが、ウィットウォース機構やトッグルリンク機構などの他のリンク機構を備える駆動機構が備えられてもよい。

（ｃ）
上記の実施形態では、最適レギュレータ法によって制振用フィードバックゲインが算出されているが、極配置法などの他の手法が用いられてもよい。

（ｄ）
上記の実施形態では、速度センサ２２を設けて本体フレーム３の速度を検出しているが、変位センサ２１からの検出値を微分して速度を算出してもよい。

また、上記の実施形態では、角速度センサ２４を設けてクランク８の角速度を検出しているが角度センサ２３からの検出値を微分して角速度を算出してもよい。

本発明は、産業機械の大型化やコストの増大を抑えながら振動を抑制することができ、産業機械の制御装置および制御方法として有用である。

産業機械の構成を示す図。 制御装置の構成を示す制御ブロック図。 産業機械の制御方法を示すフローチャート 産業機械をモデル化して各部分のパラメータを示した図。 制振用フィードバックゲインとクランクの角位置との関係を示すグラフ。 本発明の制振制御が行われる場合の本体フレームの振動を示す図。 本発明の制振制御が行われない場合の本体フレームの振動を示す図。

１ 制御装置
２ 産業機械
７ サーボモータ
８ クランク（回転機構）
９ スライダ
１０ コンロッド（リンク機構）
２１ 変位センサ（振動情報検出部）
２２ 速度センサ（振動情報検出部）
２５ 制振制御部
２６ 作業制御部
２７ 指令信号生成部

Claims (4)

1. サーボモータと、前記サーボモータにより回転駆動される回転機構と、往復移動可能に設けられるスライダと、前記回転機構からの回転運動を往復運動に変換して前記スライダに伝達するリンク機構とを有する駆動機構と、前記駆動機構を支持する本体フレームとを備える産業機械を制御するための制御装置であって、
   前記産業機械の振動を示す振動情報を検出する振動情報検出部と、
   前記回転機構の角位置を検出する角位置検出部と、
   前記振動情報と前記回転機構の角位置とに基づくフィードバック制御により、前記産業機械の振動を抑制するように前記駆動機構を動作させるための制振制御信号を生成する制振制御部と、
   を備え、
   前記振動情報は、前記本体フレームの変位を含み、
   前記制振制御部は、前記回転機構の角位置に応じて定められる制振用フィードバックゲインを用いて、前記振動情報と前記回転機構の角位置とから前記制振制御信号を生成する、
   産業機械の制御装置。
2. 前記制振制御部は、前記制振制御信号として、前記産業機械の振動を抑制するために前記回転機構に与えられる制振用トルクを算出し、
   前記制振用トルクは、前記本体フレームの変位と前記回転機構の角位置と前記回転機構に与えられるトルクとによって表される運動方程式から導き出される評価関数を最小にする制御入力であり、前記制振制御部は、前記制振用フィードバックゲインを用いて前記制振用トルクを算出する、
   請求項１に記載の産業機械の制御装置。
3. 前記産業機械における作業のために前記駆動機構を動作させるための作業制御信号を生成する作業制御部と、
   前記作業制御信号と前記制振制御信号とを加算することにより、前記サーボモータへ出力される指令信号を生成する指令信号生成部と、
   をさらに備える請求項１または２に記載の産業機械の制御装置。
4. サーボモータと、前記サーボモータにより回転駆動される回転機構と、往復移動可能に設けられるスライダと、前記回転機構からの回転運動を往復運動に変換して前記スライダに伝達するリンク機構とを有する駆動機構と、前記駆動機構を支持する本体フレームとを備える産業機械の制御方法であって、
   前記産業機械の振動を示す振動情報を検出するステップと、
   前記回転機構の角位置を検出するステップと、
   前記振動情報と前記回転機構の角位置とに基づくフィードバック制御により、前記産業機械の振動を抑制するように前記駆動機構を動作させるための制振制御信号を生成するステップと、
   を備え、
   前記振動情報は、前記本体フレームの変位を含み、
   前記制振制御信号を生成するステップでは、前記回転機構の角位置に応じて定められる制振用フィードバックゲインを用いて、前記振動情報と前記回転機構の角位置とから前記制振制御信号を生成する、
   産業機械の制御方法。

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