(57)【要約】【課題】フライホイルを用いる産業機械において、駆動用モータ等の寸法増大を抑え、負荷の速度を高自由度で制御できるようにする。【解決手段】負荷駆動軸に減速ギアの出力軸を接続し、該減速ギアの入力軸側のギアを第１のモータで駆動し、フライホイルには差動機構を接続し、該差動機構を、そのキャリアに減速ギアの出力軸が接続され、サンギアから入力された回転動力を該フライホイルに伝達しエネルギーとして蓄積させるとともに、該蓄積エネルギーをサンギア側及びキャリア側に放出する構成とし、さらに、該差動機構のサンギアを第２のモータで駆動し、負荷駆動軸の回転角位置に応じ、第２のモータによりフライホイルを加速してエネルギーを蓄積させ、その後、該蓄積エネルギーを放出して第１のモータの不足トルクを補いながら負荷駆動軸を駆動する構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２のモータにより駆動され、昇降するスライドを備えたプレス機械において、エネルギーを蓄積するフライホイルと、第１、第２、第３の回転体を有する差動機構を有し、前記第１のモータ及び前記スライドを前記第１の回転体に、前記第２のモータを前記第２の回転体に、前記フライホイルを前記第３の回転体にそれぞれ接続したことを特徴とするプレス機械。
【請求項２】
第１及び第２のモータにより駆動され、昇降するスライドを備えたプレス機械において、前記第１及び第２のモータがそれぞれ第１及び第２の差動機構を介して、前記スライドを駆動するとともに、前記第１及び第２の差動機構はエネルギーを蓄積するフライホイルに接続したことを特徴とするプレス機械。
【請求項３】
複数のモータにより駆動され、昇降するスライドを備えたプレス機械において、少なくとも前記モータの１つと前記スライドとエネルギーを蓄積するフライホイルに接続された差動装置と、前記モータの入出力エネルギーを制御する制御装置を備えたことを特徴とするプレス機械。
【請求項４】
複数のモータにより駆動され、昇降するスライドを備えたプレス機械において、少なくとも前記モータの１つと前記スライドとエネルギーを蓄積するフライホイルに接続された差動装置と、前記モータの入出力エネルギーを蓄電する蓄電装置を備えたことを特徴とするプレス機械。
【請求項５】
複数のモータと、エネルギーを蓄積するフライホイルと、該フライホイルと前記複数のモータがそれぞれ異なる回転体に接続された差動機構と、前記回転体のうちの１つが回転することにより昇降するスライドを備えたプレス機械であって、前記複数のモータのうち、少なくとも１つを発電させ、少なくとも他の１つを駆動することで、プレス動作を行うことを特徴とするプレス機械。
【請求項６】
フライホイルの蓄積エネルギーを利用してクランク軸を回転させスライドを昇降させてプレス動作を行うプレス機械であって、
上記クランク軸に出力軸が接続された減速ギアと、
上記減速ギアの入力軸側のギアを駆動する第１のモータと、
上記フライホイルに接続され、プラネタリギアにキャリアが係合され、該キャリアに上記減速ギアの出力軸が接続され、サンギアから入力された回転動力を該フライホイルに伝達しエネルギーとして蓄積させるとともに、該フライホイルに蓄積されたエネルギーを、上記プラネタリギアを介して上記サンギア及び上記キャリアに供給する差動機構と、
上記差動機構の上記サンギアを駆動する第２のモータと、
上記スライドの位置に対応するクランク軸の回転角情報に基づき上記第１、第２のモータの駆動状態を制御するモータ制御・駆動回路と、
を備え、上記スライドの位置に応じて、上記第２のモータの回転を加速して上記フライホイルを加速し該フライホイルにエネルギーを蓄積する第１の区間と、該第２のモータを減速させ、該フライホイルの蓄積エネルギーを該第２のモータ側と上記クランク軸側とに放出して、上記クランク軸を、上記第１のモータによるトルクと、上記フライホイルの蓄積エネルギーによるトルクとの和のトルクにより駆動するとともに、上記第２のモータからエネルギーを回生させる第２の区間とが形成される構成としたことを特徴とするプレス機械。
【請求項７】
上記差動機構は、内周部にサンギア、外周部にリングギア、該サンギアと該リングギアとの間にプラネタリギアを有し、上記フライホイルが該リングギアに接続され、上記サンギアから入力された回転動力を該フライホイルに伝達しエネルギーとして蓄積させるとともに、上記フライホイルに蓄積されたエネルギーを、上記リングギア及び上記プラネタリギアを介して上記サンギア側及び上記キャリア側に供給する構成である請求項６に記載のプレス機械。
【請求項８】
上記モータ制御・駆動回路は、上記第１のモータを駆動する第１のインバータと、上記第２のモータを駆動する第２のインバータとを備えた構成である請求項６に記載のプレス機械。
【請求項９】
上記第１、第２のインバータの入力ラインに蓄電装置が接続され、上記第２の区間において上記第２のモータから回生されたエネルギーを該蓄電装置に蓄える構成である請求項６に記載のプレス機械。
【請求項１０】
フライホイルの蓄積エネルギーを利用してクランク軸を回転させスライドを昇降させてプレス動作を行うプレス機械であって、
上記クランク軸に出力軸が接続された減速ギアと、
上記減速ギアの入力軸側のギアが設けられた回転体と、
上記回転体に第１のリングギアで接続され、上記フライホイルに第１のプラネタリギアで接続された第１の差動機構と、
上記回転体に第２のリングギアで接続され、上記フライホイルに第２のプラネタリギアで接続された第２の差動機構と、
上記第１の差動機構の第１のサンギアを駆動する第１のモータと、
上記第２の差動機構の第２のサンギアを駆動する第２のモータと、
上記スライドの位置に対応するクランク軸の回転角情報に基づき上記第１、第２のモータの回転速度を制御する制御回路と、
を備え、上記スライドの位置に応じて、上記第１のモータまたは上記第２のモータの回転を加速して上記フライホイルを加速し該フライホイルにエネルギーを蓄積する区間と、該第１のモータまたは該第２のモータを減速させ、該フライホイルの蓄積エネルギーを該第１のモータまたは該第２のモータ側と上記クランク軸側とに放出して、上記クランク軸を、上記第１のモータまたは上記第２のモータによるトルクと、上記フライホイルの蓄積エネルギーによるトルクとの和のトルクにより駆動する区間とが形成される構成としたことを特徴とするプレス機械。
【請求項１１】
上記第１の差動機構は、内周部に第１のサンギア、外周部に第１のリングギア、該第１のサンギアと該第１のリングギアとの間に第１のプラネタリギアが配され、上記第２の差動機構は、内周部に第２のサンギア、外周部に第２のリングギア、該第２のサンギアと該第２のリングギアとの間に第２のプラネタリギアが配された構成である請求項１０に記載のプレス機械。
【請求項１２】
フライホイルの蓄積エネルギーを利用して負荷駆動軸を回転させる産業機械であって、
上記負荷駆動軸に出力軸が接続された減速ギアと、
上記減速ギアの入力軸側のギアを駆動する第１のモータと、
上記フライホイルに接続され、プラネタリギアにキャリアが係合され、該キャリアに上記減速ギアの出力軸が接続され、サンギアから入力された回転動力を該フライホイルに伝達しエネルギーとして蓄積させるとともに、該フライホイルに蓄積されたエネルギーを、上記プラネタリギアを介して上記サンギア側及び上記キャリア側に供給する差動機構と、
上記差動機構の上記サンギアを駆動する第２のモータと、
上記負荷駆動軸の回転角情報に基づき上記第１、第２のモータの駆動状態を制御するモータ制御・駆動回路と、
を備え、上記負荷駆動軸の回転角位置に応じて、上記第２のモータの回転を加速して上記フライホイルを加速し該フライホイルにエネルギーを蓄積する区間と、該第２のモータを減速させ、該フライホイルの蓄積エネルギーを該第２のモータ側と上記負荷駆動軸側とに放出して、上記負荷駆動軸を、上記第１のモータによるトルクと、上記フライホイルの蓄積エネルギーによるトルクとの和のトルクにより駆動するとともに、上記第２のモータからエネルギーを回生させる区間とが形成される構成としたことを特徴とする産業機械。
【請求項１３】
上記負荷駆動軸は、射出成形機の入力回転軸である請求項１２に記載の産業機械。
【請求項１４】
フライホイルの蓄積エネルギーを利用してクランク軸を回転させスライドを昇降させてプレス動作を行うプレス機械の駆動方法であって、
上記プレス機械が、上記クランク軸に出力軸が接続された減速ギアと、該減速ギアの入力軸側のギアを駆動する第１のモータと、上記フライホイルに接続されプラネタリギアにキャリアが係合され該キャリアに上記減速ギアの出力軸が接続され、サンギアから入力された回転動力を該フライホイルに伝達しエネルギーとして蓄積させるとともに、該フライホイルに蓄積されたエネルギーを、上記プラネタリギアを介して上記サンギア及び上記キャリアに供給する差動機構と、該差動機構の上記サンギアを駆動する第２のモータと、上記スライドの位置に対応するクランク軸の回転角情報に基づき上記第１、第２のモータの駆動状態を制御するモータ制御・駆動回路とを備えた構成であり、
上記モータ制御・駆動回路において、上記クランク軸の回転角情報に基づき、該クランク軸の速度指令と上記フライホイルの速度指令とを求めるステップと、
上記モータ制御・駆動回路において、上記クランク軸の位置または速度指令に基づき、該第１のモータのトルク指令を演算し出力するステップと、
上記モータ制御・駆動回路において、上記演算したトルク指令となるように上記第１のモータの速度を制御するステップと、
上記モータ制御・駆動回路において、プレス動作を行うとき、上記第１のモータの不足トルクを要求トルクとして出力するステップと、
上記モータ制御・駆動回路において、上記フライホイルの速度指令とフライホイルの速度との差に基づき、上記第２のモータのトルク指令を演算するステップと、
上記モータ制御・駆動回路において、上記第２のモータのトルク指令により該第２のモータのトルクを制御するステップと、
を備え、上記クランク軸の回転角に応じて、上記第２のモータの回転により上記フライホイルにエネルギーを蓄積した後、該蓄積エネルギーの一部を上記クランク軸側に放出し、上記第１のモータの不足トルクを該フライホイルの蓄積エネルギーで補い、上記クランク軸を駆動することを特徴とするプレス機械の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プレス機械等の産業機械に係り、特に、フライホイルのエネルギーを、駆動する負荷部に伝達するための構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
短時間に大きな駆動トルクを必要とする産業機械の例としてプレス機械がある。プレス機械においては、従来より、プレスを自在に行えるようにするために、プレス加工を行うスライドの速度を制御することが検討されている。
図７にクランクプレス方式の場合のプレス機械の概略を示す。図７において、駆動機構１の軸に接続されたギア２にメインギア３が噛み合わされ、メインギア３にはクランク機構（クランク軸４、コンロッド５）が接続されている。該クランク機構によりスライド６が静止側のボルスタ７に対して昇降可能にされている。ギア２、メインギア３は減速ギア１２を構成する。駆動機構１の軸の回転速度を自由に変えたり、あるいは速度を正逆に変えたりすることで、クランク軸４の速度がそれに応じて変化し、スライド６の昇降速度や方向が自在に変わる。これにより、スライドの自在な動きが可能となる。
【０００３】
また、特許文献に記載された技術としては、例えば、特開平６−１９０５９８号公報（特許文献１）や、特開平１１−３３７９７号公報（特許文献２）や、特開２００４−３４４９４６号公報（特許文献３）に記載されたものがある。
特開平６−１９０５９８号公報及び特開平１１−３３７９７号公報には、図８に示す技術が記載されている。図８は、駆動機構１を中心としたプレス機械の概略構成例を示している。図８において、スライド６は、差動装置１４、減速ギア１２を介してフライホイル１１の回転力を受けて駆動される。モータＧ１５の回転速度を変えると、差動装置１４の働きにより、フライホイル１１の回転速度と、減速ギア１２の入力部の回転速度との速度比を変えることができる。差動装置１４、フライホイル１１、モータＧ１５で、図７の駆動機構１に相当する駆動機構を構成する。本構成においては、プレス動作によりエネルギーが消費され、フライホイル１１の速度が低下するが、該速度低下はモータＦ１３によって補われる。すなわち、モータＧ１５の回転速度を制御することにより、フライホイル１１の回転速度を制御し、スライド６の動作速度を制御する構成である。
【０００４】
また、特開２００４−３４４９４６号公報には、図９に示すように、スライド駆動をモータ駆動力だけで行う方式のプレス機械が記載されている。図９において、スライド６は、減速ギア１２を介してモータＳ１６により直接駆動される。モータＳ１６は、図７の駆動機構１に相当する。モータＳ１６の制御によりスライド６の自在な動きが可能となるとされる。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１９０５９８号公報
【特許文献２】特開平１１−３３７９７号公報
【特許文献３】特開２００４−３４４９４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図８に示した特開平６−１９０５９８号公報（特許文献１）及び特開平１１−３３７９７号公報（特許文献２）記載の技術においては、スライドの速度制御がモータＧ１５により行われるため、スライドの速度制御範囲がモータＧの制御範囲によって制限されることになる。また、図９に示した特開２００４−３４４９４６号公報（特許文献３）記載の技術では、スライドの自在な速度制御は可能であるが、モータＳ１６に大きなトルクが必要となり、それを制御するためにはパワーアンプなどの制御装置も大容量のものが必要となる。この結果、モータＳ１６や制御装置の大型化、設置スペースの増大、コスト増大などにつながることが予想される。
【０００７】
本発明の課題点は、上記従来技術の状況に鑑み、プレス機械などの産業機械として、駆動用モータやその制御装置の容量や寸法の増大を抑え、スライド等の駆動負荷の速度を高自由度で制御できるようにすることである。
本発明の目的は、かかる課題点を解決し、小型で高性能の産業機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題点を解決するために、本発明では、フライホイルの蓄積エネルギーを利用して負荷駆動軸を回転させるプレス機械などの産業機械として、上記負荷駆動軸に減速ギアの出力軸を接続し、該減速ギアの入力軸側のギアを第１のモータで駆動し、上記フライホイルには差動機構を接続し、該差動機構を、プラネタリギアにキャリアが係合され、該キャリアに上記減速ギアの出力軸が接続され、サンギアから入力された回転動力を該フライホイルに伝達しエネルギーとして蓄積させるとともに、該蓄積エネルギーを、上記プラネタリギアを介して上記サンギア側及び上記キャリア側に供給する構成とし、さらに、該差動機構の上記サンギアを第２のモータで駆動し、該第１、第２のモータの駆動状態を、上記負荷駆動軸の回転角情報に基づいてモータ制御・駆動回路で制御する構成とする。これにより、上記負荷駆動軸の回転角位置に応じて、上記第２のモータの回転を加速して上記フライホイルにエネルギーを蓄積し、該蓄積エネルギーを該第２のモータ側と上記負荷駆動軸側とに放出して、該負荷駆動軸を、上記第１のモータによるトルクと、上記フライホイルの蓄積エネルギーによるトルクとの和のトルクによって駆動するとともに、上記第２のモータからエネルギーを回生させる。
また、負荷駆動軸に出力軸が結合される減速ギアの入力軸側のギアを、第１、第２の２つの差動機構を結合する回転体上に設け、該第１、第２の差動機構のそれぞれのプラネタリギアをフライホイルに接続し、それぞれのサンギアを別々のモータで駆動する構成とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、小型で高性能のプレス機械や射出成形機などの産業機械を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例につき、図面を用いて説明する。
図１〜図３は、本発明の第１の実施例の説明図である。図１は、本発明の第１の実施例としてのプレス機械の構成図、図２は、図１のプレス機械におけるパワーアンプの構成図、図３は、図２のパワーアンプにおけるコントローラ２０５の説明図である。
【００１１】
図１において、プレス機械は、１つの差動機構２４と２つのモータすなわち第１のモータとしてのモータＳ２２と、第２のモータとしてのモータＧ２１を備える。モータＳ２２は、減速ギア１２を介してスライド６を駆動する。減速ギア１２内において、モータＳ２２の出力軸に接続された入力軸側のギア２には出力軸側のメインギア３が噛み合わされ、該出力軸にはクランク軸４が接続されている。クランク軸４とコンロッド５から成るクランク機構により、スライド６が静止側のボルスタ７に対して昇降可能とされる。メインギア３の回転軸である減速ギア１２の出力軸が差動機構２４に接続され、フライホイル２３のエネルギーがプレス動作に利用されるようになっている。差動機構２４は、サンギア２５、プラネタリギア２６、リングギア２７及びキャリア２８から構成され、サンギア２５にはモータＧ２１が、リングギア２７にはフライホイル２３が、キャリア２８にはクランク軸４がそれぞれ接続されている。また、モータ制御・駆動回路としてのパワーアンプ２０には、商用電源１９、モータＧ２１、モータＳ２２、蓄電装置２９が電気的に接続されている。パワーアンプ２０によってモータＧ２１、モータＳ２２が駆動されることにより、スライド６の動作とフライホイル２３の速度ωＦとが同時に制御される。蓄電装置２９にはコンデンサを用いるとする。
【００１２】
図２は、図１のプレス機械におけるパワーアンプ２０の構成図である。
図２において、商用電源１９からの電力は、コンバータ２０３により直流電力に変換され、インバータＧ２０１、インバータＳ２０２に入力される。インバータＧ２０１はモータＧ２１を駆動し、インバータＳ２０２はモータＳ２２を駆動する。制御回路としてのコントローラ２０５は、インバータＧ２０１、インバータＳ２０２の制御のための演算を行い、インバータＧ２０１及びインバータＳ２０２に制御信号を出力している。また、コンバータ２０３の出力である直流ラインには、蓄電装置として、大きいエネルギーを蓄電可能な蓄電装置２９が接続されている。
【００１３】
図３は、コントローラ２０５内の制御系の構成の説明図である。
図３において、スライド制御指令発生部１０１では、クランク軸４の回転角θｃを入力し、該回転角θｃにより、クランク軸４の速度指令ωＣＲとフライホイル２３の速度指令ωＦＲを求める。スライド６の位置や速度はプレス作業の目的や条件により自在に設定され、クランク軸４の速度指令ωＣＲはこれに応じて設定される。以下では、例えば次の例により説明をするが、駆動方法はこの例に限定されない。要はスライド６が加速する区間、高速で動作する区間、減速する区間のうちのいずれか１つ以上と、プレス区間が自由に選択され、プレス動作が進行することを意味する。クランク軸４の速度指令ωＣＲは、プレス動作のときにはクランク軸４が低速で回転し、プレス動作以外のときには高速で回転するように、クランク軸４の回転角θｃに応じて設定される。フライホイル２３の速度指令ωＦＲは、プレス動作のときに消費するエネルギーの一部をフライホイル２３から供給する目的で用いる。このため、該フライホイル２３の速度指令ωＦＲは、プレス動作時及びクランク軸４の加速時以外のモータトルクを必要としない期間には、フライホイル２３を高速で回転させるように設定される。また、プレス動作を行う際に、フライホイル２３が減速しながら、クランク軸４にトルクを加えるように、フライホイル２３の回転方向を決定する必要がある。
【００１４】
モータＳ速度制御部１０２では、クランク軸４の速度指令ωＣＲが入力され、モータＳ２２の速度及び位置の情報をフィードバックして制御演算を行い、モータＳトルク指令τＳＲをモータＳトルク制御部１０３に出力する。モータＳトルク制御部１０３においては、モータＳトルク指令τＳＲとなるようにインバータＳ２０２を制御して、モータＳ２２の速度ωＳすなわちクランク軸４の速度ωＣを制御する。これにより、クランク軸４の回転角θｃで決まるスライド６の速度を制御する。なお、モータＳ２２の速度ωＳを制御する代わりに、モータＳ２２の電流を制御してもよい。
【００１５】
プレス動作を行うとき、モータＳ２２のトルクτＳだけでは必要トルクが不足する場合がある。そのため、不足するトルクを要求トルクτＲとして、モータ速度制御部１０２からフライホイル速度制御部１０４に出力する。
【００１６】
フライホイル速度制御部１０４では、要求トルクτＲを優先してモータＧトルク指令τＧＲとするが、要求トルクτＲがない場合には、該フライホイル速度制御部１０４では、フライホイル速度指令ωＦＲとなるように、以下の制御が行われる。
【００１７】
すなわち、モータＧ２１の速度ωＧの情報とモータＳ２２の速度ωＳの情報とを入力し、フライホイル２３の速度ωＦを
ωＦ＝（ｋＧωＧ‐ｋＳωＳ）／ｋＦ                    …（数１）
により計算する。ここで、ｋＧ、ｋＦは差動機構２４内のギア比、ｋＳは減速ギア１２のギア比である。なお、数１は下記のようにして求められる。
【００１８】
すなわち、差動機構２４では、クランク軸４の速度ωＣについて次式が成立つ。
ωＣ＝ｋＧωＧ‐ｋＦωＦ                              …（数２）
また、モータＳ２２の速度ωＳとクランク軸４の速度ωＣとの関係は次式で表される。
ωＣ＝ｋＳωＳ                                        …（数３）
従って、数２、数３を用いると、フライホイル２３の速度ωＦは数１で表されることになる。
【００１９】
次に、フライホイル速度指令ωＦＲと算出したフライホイル２３の速度ωＦとの差を演算し、これに基づきフィードバック制御することにより、モータＧトルク指令τＧＲを計算する。なお、モータＧトルク指令τＧＲとして、要求トルクτＲを優先することを先に述べたが、フィードバック制御で得られたモータＧトルク指令τＧＲを用いるか、要求トルクτＲを用いるかは、クランク軸４の回転角θＣにより決定してもよい。このようにして得られたモータＧトルク指令τＧＲをモータＧトルク制御部１０５に出力する。モータＧトルク制御部１０５では、モータＧ２１のトルク制御演算を行い、これを基づいた信号をインバータＧ２０１に出力し該インバータＧ２０１を制御する。
【００２０】
次に、図１のプレス機械の動作につき説明する。該プレス機械の動作は、スライド６の回転角θｃにより、加速区間、高速区間、減速区間、プレス区間に大別される。
加速区間は、スライド６が下死点から上昇し始める区間である。該加速区間では、クランク軸４の速度ωＣが加速される。このため、主としてモータＳ２２がクランク軸４に加速トルクを加える。
【００２１】
高速区間は、スライドが上死点付近にある区間である。該高速区間では、クランク軸４は高速で回転する。該高速区間では、加速トルクが必要でないため、クランク軸４のトルクは小さい。モータＳ２２によりクランク軸の速度を制御するとともに、フライホイル２３にエネルギーを蓄積するために、モータＧ２１を制御して、フライホイル２３の速度ωＦを加速する。なお、上記加速区間においても、商用電源１９の電力容量に余裕がある場合には、モータＳ２２を加速させながら、フライホイル２３の速度ωＦを徐々に加速する制御を行ってもよい。
減速区間はクランク軸４が上死点を越えて下死点に近づく区間である。該減速区間では、主としてモータＳ２２による回生を行いながら、フライホイル２３にさらにエネルギーを蓄積する。
【００２２】
プレス区間は、スライド６がさらに下死点付近になって、低速でプレス動作を行う区間である。そのため、クランク軸４には大きいトルクが必要であり、モータＳ２２を駆動するとともに、モータＧ２１を減速する。モータＧ２１を減速すると、後述する差動機構２４の原理により、フライホイル２３からモータＧ２１にエネルギーが供給されるとともに、キャリア２８にもフライホイル２３のエネルギーが供給される。従って、クランク軸４には、モータＳ２２のトルクτＳと、キャリア２８に発生するトルクとが加わって、大きいトルクを発生させることができる。
図１のプレス機械では、上記により、プレス動作を行うため、２つのモータの定格出力を、従来のプレス機械に比べて小さくすることができる。
【００２３】
以下、図１のプレス機械の動作原理につき説明する。
モータＧ２１、モータＳ２２、フライホイル２３、キャリア２８、及び、クランク軸４のトルクをそれぞれτＧ、τＳ、τＦ、τＣＡ、τＣとし、差動機構２４に損失がないとすると、
τＣＡ＝τＧ／ｋＧ＝τＦ／ｋＦ                      …（数４）
τＣ＝τＣＡ＋τＳ／ｋＳ                            …（数５）
となる。
【００２４】
モータＧ２１から差動機構２４に入力されるパワーＰＧ、差動機構２４からフライホイル２３に出力されるパワーＰＦ、キャリア２８からクランク軸４に出力されるパワーＰＣＡは、それぞれ、ＰＧ＝τＧωＧ、ＰＦ＝τＦωＦ、ＰＣＡ＝τＣＡωＣであり、数２、数４によって
ＰＣＡ＝ＰＧ−ＰＦ                                  …（数６）
となる。
【００２５】
プレス区間を開始するときに、フライホイル２３の速度ωＦを負の方向で高速回転させておく。クランク軸４の速度ωＣは、減速され、正の小さい値になっている。そのため、数２により、モータＧ２１のωＧは負の値になっている。このような状態で、モータＧ２１のトルクτＧを正の値とすると、数４から、τＣＡ、τＦはいずれも正の値となり、パワーＰＦ、ＰＧは負の値となる。また、パワーＰＣＡは正の値となる。数５から明らかなように、τＣＡが正の値であるということは、クランク軸４のトルクτＣを、モータＳ２２によるトルクτＣ／ｋsよりも大きくすることを意味しており、スライド６でプレスする力を大きくすることになる。また、パワーＰＦ、ＰＧが負の値であるということは、フライホイル２３から差動機構２４にパワーが出力されるとともに、差動機構２４からモータＧ２１にパワーが流れることを意味している。また、パワーＰＣＡが正の値であるため、キャリア２８からクランク軸４にパワーが出力されることを意味している。つまり、フライホイル２３のエネルギーの一部が、モータＧ２１で回生されて電気エネルギーになり、モータＳ２２により減速ギア１２を介してクランク軸４を駆動するとともに、キャリア２８を介して直接クランク軸４を駆動することになる。
【００２６】
従って、加速区間から減速区間までの間にフライホイル２３に蓄積したエネルギーをプレス区間のプレス動作に利用することができ、このため、必要な瞬時パワーで決まる商用電源１９の電源容量を小さくすることができる。特に、蓄電装置２９の容量を大きくした場合には、商用電源からのパワーを平準化でき、必要とする商用電源の最大パワーを減らせるため、小規模の工場にも適したプレス機械を提供することができる。スライド６を駆動する力は、モータＳ２２の駆動トルクと、モータＧ２１により制御されるフライホイル２３のエネルギーの変化量、つまり、フライホイル２３の入出力パワーで決定されるため、該２つのモータに必要なパワーは小さくなる。このため、該２つのモータ、パワーアンプ２０の定格容量を小さくすることができる。また、２つのモータを協調制御することで、電気エネルギーを蓄積する蓄電装置２９の容量も小さくすることができ、モータ、パワーアンプ２０と併せ、蓄電装置２９のサイズも小さくすることができる。また、プレス作業の内容により所要エネルギー量は異なるので、フライホイル２３あるいは蓄電装置２９に蓄積されるエネルギーは加速区間から減速区間までの途中の段階で定格値や所定量に達することがある。このときは、その後のプレス区間までの間、エネルギー蓄積動作は行わず、蓄積したエネルギーを保存したままの状態でスライド動作だけを行うように制御することもできる。
【００２７】
上記第１の実施例によれば、複数のモータを協調して制御することにより、商用電源からのパワーとフライホイル２３に蓄積したエネルギーを利用してスライド６を高性能、高機能で駆動することができ、この結果、小型で高性能のプレス機械を実現することができる。
なお、図１の実施例では、差動機構２４は減速ギア１２のメインギア３の回転軸に接続される構造としたが、ギア２の回転軸に接続される構造とすることもできる。
【００２８】
図４は、本発明の第２の実施例のプレス機械の説明図である。本第２の実施例のプレス機械は、差動機構の構成が上記第１の実施例の場合とは異なっている。すなわち、図１に示した第１の実施例のプレス機械においては、差動機構２４は、サンギア、プラネタリギア、リングギア、及び、キャリアから構成されるが、本図４の第２の実施例のプレス機械においては、差動機構３２は、サンギア３３、３６、プラネタリギア３４、３７及びキャリア３５から構成される。つまり、差動機構３２にはリングギアがない。差動機構３２において、プラネタリギア３４、３７は、一体となって、共通のキャリア３５と、２つのサンギア３３、３６とにより、その動作を決定される。第２のモータとしてのモータＧ２１がサンギア３３に接続される構成は、図１に示した第１の実施例の場合と同じであるが、フライホイル３１がサンギア３６に接続される点は第１の実施例と異なる。第１のモータとしてのモータＳ２２、モータ制御・駆動回路としてのパワーアンプ２０、蓄電装置２９等については、第１の実施例の場合と同じである。図４において、差動機構３２に接続されたクランク軸４、モータＧ２１及びフライホイル３１のそれぞれの速度の関係は、第１の実施例の場合と同様、数２で表され、動作原理は第１の実施例と同じである。プレス機械の制御方法、エネルギーの流れも、第１の実施例の場合と同じである。
【００２９】
一般に、差動機構においては、サンギアは、リングギアと比べて直径が小さくて歯数が少なく、回転数が高い。このため、図４のように、フライホイル３１が、リングギアでなく、サンギア３６に接続された場合には、該フライホイル３１の回転数は高くなり、この結果、同じ量のエネルギーを蓄積する場合には、フライホイル３１を小型化することができる。差動機構３２のギア比については、任意に設定することができるため、差動機構３２、フライホイル３１及びモータＧ２１の大きさを小さくすることができる。なお、図４では、サンギア３３とプラネタリギア３４のギア比と、サンギア３６とプラネタリギア３７のギア比が異なるようにしてあるが、同じであってもよい。
【００３０】
上記第２の実施例によれば、複数のモータを協調して制御することにより、商用電源からのパワーとフライホイルに蓄積したエネルギーを利用してスライドを高性能、高機能で駆動することができ、この結果、小型で高性能のプレス機械を実現することができる。
【００３１】
図５は、本発明の第３の実施例のプレス機械の説明図である。本第３の実施例のプレス機械では、サンギア、プラネタリギア、リングギアから構成される差動機構を２つ用いる。
【００３２】
以下、第１のモータとしてのモータＡ３９、第２のモータとしてのモータＢ４０、フライホイル４１と差動機構の接続につき説明する。第１の差動機構としての一方の差動機構は、モータＡ３９に接続されているサンギア４３、プラネタリギア４４、リングギア４５から構成され、第２の差動機構としての他方の差動機構は、モータＢ４０に接続されているサンギア４６、プラネタリギア４７、リングギア４８から構成される。リングギア４５、４８は、いずれも回転体４２と一体になって回転する構造である。該リングギア４５、４８が回転することにより、減速ギア１２を介してスライド６が上下に移動する。また、フライホイル４１は、プラネタリギア４４、４７のキャリアでもある。つまり、フライホイル４１の機能はエネルギーの蓄積だけでなく、差動機構のキャリアとしての機能も備える。
【００３３】
モータＡ３９、モータＢ４０、フライホイル４１、回転体４２の速度をそれぞれ、ωＡ、ωＢ、ωＦ、ωＲとすると、
ωＦ＝ｋＡωＡ‐ｋＲ１ωＲ                          …（数７）
ωＦ＝ｋＢωＢ‐ｋＲ２ωＲ                          …（数８）
ωＣ＝ｋＲωＲ                                      …（数９）
となる。
ここで、ｋＡ、ｋＢ、ｋＲ１、ｋＲ２はそれぞれ差動機構のギア比で決まる定数、ｋＲは減速ギア１２のギア比で決まる定数である。
【００３４】
また、トルクについては、モータＡ３９からのサンギア４３へのトルクτＡ、モータＢ４０からのサンギア４６へのトルクτＢ、プラネタリギア４４からフライホイル４１へのトルクτＦ１、プラネタリギア４７からフライホイル４１へのトルクτＦ２、リングギア４５を駆動するトルクｋＲ１、リングギア４８を駆動するトルクｋＲ２、クランク軸のトルクτＣの関係は以下のようになる。
τＦ１＝τＡ／ｋＡ＝τＲ１／ｋＲ１                  …（数１０）
τＦ２＝τＢ／ｋＢ＝τＲ２／ｋＲ２                  …（数１１）
τＣ＝（τＲ１＋τＲ２）／ｋＲ                      …（数１２）
これらの式からも明らかなように、モータＡ３９及びモータＢ４０の速度を、制御回路（図示なし）により、スライド６の位置に対応するクランク軸４の回転角情報に基づいて制御することにより、クランク軸の速度ωＣとフライホイルの速度ωＦを独立に制御することができる。また、図１に示す第１の実施例や図４に示す第２の実施例と同様、加速区間、高速区間、減速区間において、フライホイル４１に蓄えたエネルギーを、プレス区間にスライド６に出力して被加工体を加工することができる。すなわち、スライド６の位置に応じて、加速区間、高速区間、減速区間においては、モータＡ３９及びモータＢ４０の回転を加速してフライホイル４１を加速し該フライホイル４１にエネルギーを蓄積し、プレス区間においては、該モータＡ３９及びモータＢ４０を減速させ、該フライホイル４１の蓄積エネルギーを該モータＡ３９及びモータＢ４０側とクランク軸４側とに放出して、該クランク軸４を、該モータＡ３９及びモータＢ４０によるトルクと、該フライホイル４１の蓄積エネルギーによるトルクとの和のトルクにより駆動する。
【００３５】
本第３の実施例では、２つのモータをそれぞれ別々の差動機構のサンギアに接続する構成のため、各モータを小型・高速回転化することができる。また、２つの差動機構のギア比を最適化することにより、モータ、パワーアンプをさらに小型化することができる。
【００３６】
本第３の実施例によっても、複数のモータを協調して制御することにより、商用電源からのパワーとフライホイルに蓄積したエネルギーを利用してスライドを高性能、高機能で駆動することができ、この結果、小型で高性能のプレス機械を実現することができる。
【００３７】
図６は、本発明の第４の実施例の説明図である。本第４の実施例は、フライホイルの蓄積エネルギーを利用して負荷駆動軸を回転させる産業機械として、射出成型機の場合の例である。
【００３８】
図６において、２台のモータ２１、２２、減速ギア１２、差動機構２４，フライホイル２３，パワーアンプ２０及び蓄電装置２９の構成は、図１の第１の実施例の場合と同じである。かかる構成において、負荷駆動軸すなわち射出成型部５０の入力回転軸５３の回転角位置に応じて、第２のモータとしてのモータＧ２１の回転を加速してフライホイル２３を加速し該フライホイル２３にエネルギーを蓄積する。また、該モータＧ２１を減速させ、該フライホイル２３の蓄積エネルギーを該モータＧ２１側と射出成型部５０の入力回転軸５３側とに放出して、該入力回転軸５３を、第１のモータとしてのモータＳ２２によるトルクと、フライホイル２３の蓄積エネルギーによるトルクとの和のトルクにより駆動するとともに、モータＧ２１からエネルギーを回生させて、蓄電装置２９に蓄える。射出成型部５０においては、充填された樹脂材料５１を金型５２に射出し、短時間で所望の形状に成形するとき、射出成型部５０の入力回転軸５３には大きいトルクが必要となる。そのため、モータＧ２１及びモータＳ２２を制御し、樹脂材料５１を金型５２に射出成形する期間には、入力回転軸５３を、モータＳ２２によるトルクと、フライホイル２３の蓄積エネルギーによるトルクとの和の大きなトルクで駆動し、それ以外の期間では、入力回転軸５３を高速回転させ、タクトタイムが短縮されるようにする。これにより、射出成型機を小容量の小型のモータを用いて構成することができる。
【００３９】
上記第４の実施例によれば、複数の小容量モータを協調して制御することにより、商用電源からのパワーとフライホイルに蓄積したエネルギーを利用して負荷部を駆動することができ、この結果、小型で高性能の射出成型機を提供することができる。
【００４０】
上記実施例では、プレス機械または射出成型機の場合の例につき説明したが、本発明はこれらに限定されず、これら以外の大トルクを必要とする産業機械に適用可能である。また、上記実施例では、差動機構については、遊星歯車機構を用いた場合について説明したが、他の方式の差動機構を用いてもよい。また、蓄電装置としては、コンデンサの他、電気二重層キャパシタや、充電可能なバッテリーなどを用いてもよい。さらに、上記実施例では、モータを２台用いる場合について示したが、本発明はこれに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施例としてのプレス機械の構成図である。
【図２】図１のプレス機械におけるパワーアンプの構成図である。
【図３】図２のパワーアンプにおけるコントローラの説明図である。
【図４】本発明の第２の実施例としてのプレス機械の構成図である。
【図５】本発明の第３の実施例としてのプレス機械の構成図である。
【図６】本発明の第４の実施例としての射出成形機の構成図である。
【図７】本発明の従来技術の説明図である。
【図８】本発明の従来技術の説明図である。
【図９】本発明の従来技術の説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…駆動機構、
２…ギア、
３…メインギア、
４…クランク軸、
５…コンロッド、
６…スライド、
７…ボルスタ、
１１、２３、３１、４１…フライホイル
１２…減速ギア、
１３，１５、１６、２１、２２、３９、４０…モータ、
１４、２４、３２…差動機構、
１９…商用電源、
２０…パワーアンプ、
２５、３３、３６、４３、４６…サンギア、
２６、３４、３７、４４、４７…プラネタリギア、
２７、４５、４８…リングギア、
２８、３５…キャリア、
２９…蓄電装置、
４２…回転体、
５０…射出成型部、
５１…樹脂材料、
５２…金型、
５３…入力回転軸、
１０１…スライド制御指令発生部、
１０２…モータＳ速度制御部、
１０３…モータＳトルク制御部、
１０４…フライホイル速度制御部、
１０５…モータＧトルク制御部、
２０１、２０２…インバータ、
２０３…コンバータ、
２０５…コントローラ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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