(57)【要約】【課題】プレス機などの加工機械において、加工工具が被加工物に近づく時には位置制御を実行し、加工工具が被加工物に接触した後に力制御を実行する場合、加工工具と被加工物の接触時の衝撃力を抑制し、また、力制御の精度を向上させる。【解決手段】加工工具（例えば可動金型）１８が被加工物２８に近づいている間、位置制御が実行されて、工具１８の位置が位置目標に制御される。また、加工機械１０の骨組みである構造部２６の歪が検出され、検出された歪が所定の閾値と比較される。閾値は、加工工具１８と被加工物２８とが接触しない時に検出される歪の値より僅かに大きく設定される。加工工具１８が被加工物１８に接触した瞬間、検出された歪の値が閾値に到達するので、直ちに、位置制御から力制御への自動切換えが行われ、以後、被加工物２８に加わる力が所定の力目標に制御される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力源（１２）と、前記動力源から動力を受けて運動し被加工物（２８）に力を加える機構部（２４）と、前記機構部と前記被加工物を支持する構造部（２６）と、前記動力源を制御するコントローラ（５０）とを備えた加工機械（１０）において、
前記コントローラ（５０）は、
前記機構部から前記被加工物に加えられる力を検出する力検出手段（３２，５６）と、
前記力検出手段からの力フィードバック値に基づいて第1制御指令を生成する力制御手段（６４，６６）と、
前記機構部の位置を検出する位置検出手段（３０）と、
前記位置検出手段からの位置フィードバック値に基づいて第2制御指令を生成する位置制御手段（６８，７０）と、
前記第1制御指令と前記第2制御指令の一方を選択し、選択された制御指令に基づいて前記動力源を制御する自動選択手段（７２〜７８）と
を有し、
前記自動選択手段（７２〜７８）は、前記機構部が前記被加工物に近づいている間は前記位置制御手段からの前記第2制御指令を選択するとともに前記力検出手段からの力フィードバック値と所定の閾値とを比較し、前記比較の結果、前記力フィードバック値が前記閾値より小さければ、前記第2制御指令を依然として選択し、前記比較の結果、前記力フィードバック値が前記閾値以上になったならば、前記力制御手段からの前記第1制御指令を選択する、
ことを特徴とする加工機械。
【請求項２】
請求項1記載の加工機械（１０）において、
前記力制御手段（６４，６６）が、前記力フィードバック値を所定の力目標値に近づけるように前記第1制御指令を生成し、
前記閾値が、前記力目標値より低く設定されていることを特徴とする加工機械。
【請求項３】
請求項1記載の加工機械において、
前記閾値が、前記機構部（２４）と前記被加工物（２８）との非接触時における前記力フィードバック値の近傍にて前記非接触時における力フィードバック値より大きく設定されていることを特徴とする加工機械。
【請求項４】
請求項１記載の加工機械において、
前記力検出手段（３２，５６）は、前記構造部に生じる歪を検出して、検出された歪から前記力を検出するようになっていることを特徴とする加工機械。
【請求項５】
動力源（１２）と、前記動力源から動力を受けて運動し被加工物（２８）に加工力を加える機構部（２４）と、前記機構部と前記被加工物を支持する構造部（２６）とを備えた加工機械（１０）を制御する方法において、
前記機構部の位置を検出するステップと、
前記検出された位置に基づいて第1制御指令を生成するステップと、
前記機構部から出力される前記加工力を検出するステップと、
前記検出された力に基づいて第2制御指令を生成するステップと、
前記第1制御指令と前記第2制御指令の一方を選択し、選択された制御指令に基づいて前記動力源を制御するステップと
を有し、
前記選択するステップでは、前記機構部が前記被加工物に近づいている間は前記位置制御部からの前記第2制御指令を選択するとともに、前記検出された加工力と所定の閾値とを比較し、前記比較の結果、前記検出された加工力が前記閾値より小さければ、前記第2制御指令を依然として選択し、前記比較の結果、前記検出された加工力が前記閾値以上になったならば、前記力制御手段からの前記第1制御指令を選択する、
ことを特徴とする加工機械の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プレス加工機、曲げ加工機、押出し加工機及び射出成形機などのような加工機械及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動サーボプレス加工機のような鍛圧機械において、可動側金型の位置の検出値と位置指令との間の位置偏差に応じて可動側金型の速度を制御する位置制御と、可動側金型から被加工物に加わる圧力の検出値と圧力指令の間の圧力偏差に応じて可動側金型の速度を制御する圧力制御とを、選択的に実行するように構成された制御装置が、特開２００６−７２９６号公報（特許文献１）に開示されている。この制御装置は、位置制御と圧力制御のいずれを選択するべきかを決めるために、位置偏差に基づいて速度指令を計算すると同時に圧力偏差に基づいても速度指令を計算し、そして、両方の速度指令を比較して、小さい方の速度指令を選択する。従って、可動側金型が被加工物に近づくときは、位置偏差に基づく速度指令の方が圧力偏差に基づくそれより小さいため、位置制御が選択される。その後、可動側金型が被加工物に当接すると、可動側金型の速度が低下して位置偏差に基づく速度指令が増加し、他方、被加工物に加わる圧力は上昇して圧力偏差に基づく速度指令が下降する。そして、両方の速度指令が一致して両者の大小関係が逆転する時に、位置制御から圧力制御への切り替えが行なわれ、その後、可動側金型が被加工物を押圧している間は、圧力制御が実行されることになる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−７２９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、位置制御と圧力制御の速度指令を比較して値の小さい方を選択することにより、位置制御から圧力制御への移行が連続的にスムーズに行われる旨が記述されている。しかしながら、実際のところ、この方法によると、可動金型が被加工物に接触した後に被加工物に加わる圧力が上昇し且つ可動金型の移動速度が低下して、圧力制御と位置制御の速度指令の大小関係が逆転するまでは、位置制御から圧力制御への切替えが発生しない。そのため、可動金型が被加工物に接触した時に短時間の衝突現象が発生して、大きい衝撃力が被加工物に加わってしまう問題がある。
【０００５】
また、圧力制御（広義には、加工力を制御する力制御）を行なうために、金型から被加工物に加わる圧力又は加工力を精度よく検出する必要がある。しかし、従来一般に行われている動力源であるサーボモータの軸トルクを検出する方法では、機構の粘性抵抗力及び摩擦力、並びにモータ特性の変化の影響を受けて、正確な圧力又は加工力を検出することが難しいという問題もある。
【０００６】
このような問題は、特許文献１に開示された電動サーボプレス加工機のような鍛圧機械だけに限らず、その他の種類の加工機械においても存在し得る。
【０００７】
従って、本発明の目的は、位置制御と力制御を選択的に実行する加工機械において、可動金型のような加工工具が被加工物に接触する時の衝撃力を抑制することにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、力制御の精度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に従う加工機械は、動力源と、動力源から動力を受けて運動し被加工物に力を加える機構部と、機構部と被加工物を支持する構造部と、動力源を制御するコントローラとを備える。コントローラは、機構部から被加工物に加えられる力を検出する力検出手段と、力検出手段からの力フィードバック値に基づいて第1制御指令を生成する力制御手段と、機構部の位置を検出する位置検出手段と、位置検出手段からの位置フィードバック値に基づいて第2制御指令を生成する位置制御手段と、第1制御指令と第2制御指令の一方を選択し、選択された制御指令に基づいて動力源を制御する自動選択手段とを有する。自動選択手段は、機構部が被加工物に近づいている間は位置制御手段からの第2制御指令を選択するとともに力検出手段からの力フィードバック値と所定の閾値とを比較し、比較の結果、力フィードバック値が閾値より小さければ、第2制御指令を依然として選択するが、力フィードバック値が閾値以上になったならば、力制御手段からの第1制御指令を選択する。
【００１０】
この加工機械によれば、機構部が被加工物に近づいている間は、位置制御が実行される。その後、機構部が被加工物に接触すると、力フィードバック値が上昇して閾値に到達し、この到達の瞬間に、位置制御から力制御への切換が行われる。閾値を適切に設定することで、機構部が被加工物に接触した瞬間に位置制御から力制御へ移行し、それにより、機構部と被加工物との衝突による衝撃力をより小さく抑えることができる。
【００１１】
好適な実施形態によれば、力制御手段が、力フィードバック値を所定の力目標値に近づけるように制御を行なうよう構成されている。そして、前記閾値は、上記力目標値より低く設定されている。これにより、機構部が被加工物に接触したとき、力フィードバック値が力目標値に到達するより早期に、位置制御から力制御へ移行することができる。それにより、機構部と被加工物との衝突による衝撃力をより小さく抑えることができる。
【００１２】
好適な実施形態によれば、閾値は、機構部と被加工物との非接触時における力フィードバック値の近傍にて、その非接触時における力フィードバック値より大きく設定されている。これにより、機構部が被加工物に接触した瞬間に位置制御から力制御へ移行し、それにより、機構部と被加工物との衝突による衝撃力をより小さく抑えることができる。
【００１３】
また、好適な実施形態では、力検出手段は、構造部に生じる歪を検出して、その歪から被加工物に加わる力を検出するようになっている。構造部に生じる歪は、被加工物に加わる力にほぼ比例し、機構部の粘性抵抗力及び摩擦力、並びにモータ特性の変化の影響を実質的に受けない。そのため、構造部に生じる歪に基づいて被加工物に加わる力を検出することで、力制御の精度が向上する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、位置制御と力制御を選択的に実行する加工機械において、可動金型のような加工工具が被加工物に接触する時の衝撃力を抑制することができる。
【００１５】
また、機構部から被加工物に加わる力を検出するために、その力に応じて構造部に生じる反力を検出するようにした場合には、力制御の精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を説明する。本発明は種々の加工機械に適用可能であるが、以下では、一例として、電動サーボモータを動力源として用いたに本発明を適用した実施形態を説明する。
【００１７】
図１は、本実施形態にかかる電動サーボプレス機の概略的な構造を示す。
【００１８】
図１に示されるように、このプレス機１０は、動力源としての電動サーボモータ１２を有し、このサーボモータ１２は、コントローラ（図１では図示省略、図２参照）により制御される。サーボモータ１２は、回転モータでもよいし、リニアモータでもよい。サーボモータ１２が回転モータである場合、サーボモータ１２の回転シャフトは、回転運動を直線運動に変換する運動変換機構（例えば、ボールねじ、クランクスライダ、リンク機構など）１４を介して、スライドシャフト１６に結合される。他方、サーボモータ１２がリニアモータである場合には、サーボモータ１２の直動シャフトがスライドシャフト１６に直接結合されてもよい。スライドシャフト１６にはスライド１８が結合され、スライド１８には可動金型２０が取り付けられる。運動変換機構１４、スライドシャフト１６、スライド１８及び可動金型２０は、動力源からの動力で運動する機構であり、これらを纏めて以下「機構部」２４と呼ぶ。また、固定金型２２が、可動金型２０に対向するように配置される。機構部２４と固定金型２２は、このプレス機１０の骨組つまり構造部２６によって支持される。被加工物２８は、可動金型２０と固定金型２２との間にセットされ、可動金型２０の運動によりプレスされることになる。
【００１９】
このプレス機１０には、さらに、位置検出器３０と歪検出器３２が設けられる。位置検出器３０は、例えば、スライド１８と構造部２６に取り付けられ、機構部２４の運動方向の位置、例えばスライド１８の直動方向の位置、を検出する。また、歪検出器３２は、例えば、構造部２６に取り付けられた歪ゲージ又はロードセルであり、その出力信号に基づいてコントローラ（図１では図示省略）により、構造部２６の歪の大きさ、換言すれば、機構部２４から出力される加工力の大きさ、が計測できるようになっている。さらに、図１には図示されてないが、サーボモータ１２の速度を検出する速度検出器も設けられる（図２参照）。後述するように、コントローラは、位置検出器３０により検出された機構部２４の位置をフィードバック値として用いて、サーボモータ１２の速度を制御することにより、機構部２４の位置の制御（以下「位置制御」という）を行なう。また、コントローラは、歪検出器３２を用いて検出された構造部２６の歪、換言すれば、機構部２４から出力される加工力をフィードバック値として用いて、サーボモータ１２の速度を制御することにより、加工力の制御（以下「力制御」という）を行なう。
【００２０】
ここで、注目すべき点は、力制御では、加工力を計測するために、構造部２６の歪を検出している点である。これにより、精度の良い加工力の制御が実現できる。すなわち、機構部２４は、サーボモータ１２で発生したトルクを受けて、被加工物２８に加工力（圧縮力）を加える。このとき、加工力に対する反力が構造部２６に伝わり、全体の力線(力の伝達を矢印で現したもの)は、図１に矢印で示すように閉じたループを形成し、力が構造部２６の外に逃げることがない。従って、構造部２６の歪は、ほぼ加工力と比例関係を保つので、構造部２６の歪を計測することにより、精度良く加工力を求めることができる。この求めた加工力をフィードバック値として用いて力制御を行うことで、高精度な加工力の制御が実現する。因みに、構造部２６ではなく、機構部２４（例えば、モータ軸、スライド軸１６又はスライド１８など）に歪ゲージを貼り付けてその歪を検出する方法でもよいが、構造部２６の歪を検出する方がよりよい。その理由は、機構部２４の歪を検出する方法では、加工力を精度よく計測することが難しいからである。一般に、機構部２４は、構造部２６に比べて剛性が高く、同じ力の下での歪の大きさが小さいことに起因する。また、ロードセルをモータ軸やスライド軸１６のような機構部２４に組み込むことは困難である。さらに、加工力を計測するために、歪ではなく、モータ軸のトルクを検出する方法では、機構部２４の粘性抵抗力及び摩擦力並びにモータ特性の変化などの影響を受けて、正確な加工力の制御が困難である。
【００２１】
図２は、上述したプレス機１０のコントローラの機能構成を示す。
【００２２】
図２に示すように、コントローラ５０は、目標設定装置５２及び演算装置５４を有する。目標設定装置５２は、力目標設定部６０と位置目標設定部６２を有する。力目標設定部６０は、加工力についての目標値（以下「力目標値」という）を演算装置５４に出力する。位置目標設定部６２は、機構部２４の位置についての目標値（以下「位置目標値」という）を演算装置５４に出力する。
【００２３】
コントローラ５０には、また、図１に示された位置検出器３０及び歪検出器３２だけでなく、図１には図示してなかった力計算器５６及び速度検出器５８も関連付けられる。力計算器５６は、歪検出器３２の出力信号を受けて、加工力に相当する値を計算し、その値を演算装置５４に出力する。速度検出器５８は、サーボモータ１２の速度（換言すれば、機構部２４の運動速度）を検出し、その速度の値を演算装置５４に出力する。また、位置検出器３０は、既に説明したように機構部２４の位置を検出し、その位置の値を演算装置５４に出力する。以下では、演算装置５４に入力された上記加工力、速度及び位置の値をそれぞれ「力フィードバック値」、「速度フィードバック値」及び「位置フィードバック値」という。
【００２４】
演算装置５４の構成から分かるように、コントローラ５０は、二つの主たるフィードバック制御ループを有する。一つは、力フィードバック値を用いて力制御を行なうための「力ループ」であり、もう一つは、位置フィードバック値を用いて位置制御を行なうための「位置ループ」である。そして、自動切換器７２による自動的に切り換え動作により、この二つのループのいずれか一方のループが自動的に選択されるようになっている。
【００２５】
力ループは、減算器６４と力制御部６６を有する。減算器６４は、力目標設定部６０から力目標値を入力し、力計算器５６から力フィードバック値を入力し、力目標値と力フィードバック値との間の偏差（以下「力偏差」という）を計算する。力制御部６６は、減算器６８から力偏差を入力し、その力偏差に対して所定の演算（例えばPID演算）を行なって、その力偏差をゼロに近づけるためのサーボモータ１２の速度についての目標値である第1速度指令を生成する。他方、位置ループは、減算器６８と位置制御部７０を有する。減算器６８は、位置目標設定部６２から位置目標値を入力し、位置検出器３０から位置フィードバック値を入力し、位置目標値と位置フィードバック値との間の偏差（以下「位置偏差」という）を計算する。位置制御部７０は、減算器６８から位置偏差入力し、その位置偏差に対して所定の演算（例えばPID演算）を行って、その位置偏差をゼロに近づけるためのサーボモータ１２速度についての目標値である第2速度指令を生成する。
【００２６】
力ループと位置ループは、自動切換器７２、減算器７４、速度制御部７６及び電流制御部７８を共有する。自動切換器７２は、第1速度指令と第2速度指令を入力し、その何れか一方を選択して、選択された速度指令（以下「選択速度指令」という）を減算器７４に出力する。この選択の判断材料の一つとして、自動切換器７２は、力フィードバック値を入力する。自動切換器７２は、１回のプレス加工工程において、初期的には第2速度指令を選択し（すなわち、位置制御を有効にし、力制御を無効にし）ており、そのとき、力フィードバック値と、予め自動切換器７２に設定されている閾値とを比較する。この比較の結果は、初期的には（つまり、可動金型２０が被加工物２８に接触する前は）力フィードバック値が閾値より低いことになる。このときには、自動切換器７２は、依然として第2速度指令を選択し続ける。スライド１８が下降して可動金型２０が被加工物２８に接触すると、力フィードバック値が増加して閾値を超える。このとき、自動切換器７２は、第2から第1速度指令へと、選択を切替える（すなわち、位置制御から力制御へと制御モードを切替える）。
【００２７】
減算器７４は、自動切換器７２からの選択速度指令と、速度検出器５８からの速度フィードバック値との偏差（以下、速度偏差という）を計算する。速度制御部７６は、速度偏差を入力し、速度偏差に対して所定の演算（例えばPID演算）を行って、その速度偏差をゼロに近づけるためのサーボモータ１２の励磁電流についての目標値である電流指令を生成する。電流制御部７８は、速度制御部７６から電流指令を入力し、この電流指令に従ってサーボモータ１２の励磁電流を制御することで、サーボモータ１２の速度を上記速度指令に近づける。
【００２８】
図３は、このプレス機１０の動作と制御の全体的な流れを示す。図４は、図３における動作が下降から圧縮へと移行する際の位置制御から力制御へと切り換える制御のロジックを示す。
【００２９】
図３に示すように、このプレス機１０の１回のプレス加工の工程は、次の５つのサブ工程、すなわち、スライド１８が上死点で停止している「静止」、スライド１８が下降しながら被加工物２８に近づく「下降」、可動金型２０が被加工物２８に接触した後に可動金型２０と固定金型２２とで被加工物２８を圧縮する「圧縮」、可動金型２０が被加工物２８から分離した後にスライド１８が上昇する「上昇」、そして、スライド１８が上死点で停止する「静止」が、この順番で連続的に実行される。
【００３０】
このプレス加工工程において、初期の「静止」と「下降」のサブ工程では、制御モードとして位置制御が（つまり、第2速度指令が）自動切換器７２により選択される。図３に示すように、位置目標値は、「静止」時には上死点で一定であり、「下降」時には下降していき、この位置目標値に沿って位置フィードバック値も変化していく。このように初期的に位置制御を実行中、自動切換器７２は、図４に示すように、力フィードバック値と所定の閾値とを常時比較する。ここで、閾値は、力目標値（「圧縮」サブ工程で被加工物２８に加えるべき加工力）よりは小さい値に設定されている。すなわち、閾値は、「静止」や「下降」のサブ工程で可動金型２０が被加工物２８に接触していない状態における力フィードバック値（実質的にゼロ）の近傍にて、その力フィードバック値より若干大きい値に設定されている。そして、上記の比較の結果、力フィードバック値が上記閾値より小さい間は、依然として位置制御が（つまり、第2速度指令が）選択され続ける。しかし、上記の比較の結果、力フィードバック値が上記閾値以上になった時点で、制御モードが、位置制御から力制御へと切替えられる（つまり、選択速度指令が第2速度指令から第1速度指令へと切替えられる）。
【００３１】
従って、「静止」や「下降」のサブ工程で、可動金型２０が被加工物２８にまだ接触していない間は、位置制御が実行される。その後、可動金型２０が被加工物２８に接触すると、力フィードバック値が上昇して上記閾値に達するので、この閾値に到達した瞬間に、位置制御から力制御への切換が行われ、「圧縮」のサブ工程が開始される。このように、可動金型２０が被加工物２８に接触した途端に早期に位置制御から力制御への切換が行われ、それにより、従来技術で問題であった可動金型２０と被加工物２８との衝突による衝撃力が、より小さく抑えられる。この衝撃力低減のためには、上記閾値は、信号ノイズ等による切り換え誤動作が生じない範囲で、なるべく小さく設定されることが望ましい。それ故、本実施形態では、上記閾値は叙述したように、ゼロの近傍でそれより若干高い値に設定されるのである。
【００３２】
制御モードが力制御に移行して「圧縮」のサブ工程が実行されている間は、力フィードバック値は力目標値に制御される。その後、例えば予め設定された圧縮時間が経過すると、制御モードは再び力制御から位置制御へと、自動切換器７２により切り換えられ、それにより、「上昇」と「静止」のサブ工程が行なわれることになる。
【００３３】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は本発明の説明のための例示にすぎず、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱することなく、その他の様々な態様でも実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態にかかる加工機械（電動サーボプレス機）の概略的な正面図。
【図２】同プレス機のコントローラの機能構成を示すブロック図。
【図３】同プレス機の動作と制御の全体的な流れを示すタイムチャート。
【図４】同プレス機の動作モードが下降から圧縮へと移行する際の位置制御から力制御へと切り換える制御のロジックを説明するタイムチャート。
【符号の説明】
【００３５】
１０       電動サーボプレス機
１２       電動サーボモータ
１４       運動変換機構
１６       スライドシャフト
１６       スライド軸
１８       スライド
２０       可動金型
２２       固定金型
２４       機構部
２６       構造部
２８       被加工物
３０       位置検出器
３２       歪検出器
５０       コントローラ
５２       目標設定装置
５４       演算装置
５６       力計算器
５８       速度検出器
６０       力目標設定部
６２       位置目標設定部
６４       減算器
６６       力制御部
６８       減算器
７０       位置制御部
７２       自動切換器
７４       減算器
７６       速度制御部
７８       電流制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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