(57)【要約】【課題】  成形品の品質ばらつきを低減させるため、加工毎のパンチ速度のバラつきを抑えることが有効である。本発明では、打ち抜きパンチプレス機において、打ち抜き加工時の初期値を測定し、初期値より予測したパンチ抗力履歴をパンチ駆動力への入力とすることにより、加工毎のパンチ速度がある一定の目標速度となるように制御する方法を提供する。【解決手段】  打ち抜き加工におけるパンチ抗力初期値及びパンチストローク初期値を測定し、前記パンチ抗力初期値及びパンチストローク初期値に基づいて打ち抜き加工終了までのパンチ抗力及びパンチストローク履歴を予測した後、パンチストロークに応じたパンチ抗力の予測値を打ち消す荷重をパンチに加えることによりパンチ速度を目標速度履歴に制御することを特徴とする、打ち抜きパンチプレス機のパンチ速度制御方法。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
打ち抜き加工におけるパンチ抗力初期値及びパンチストローク初期値を測定し、前記パンチ抗力初期値及びパンチストローク初期値に基づいて打ち抜き加工終了までのパンチ抗力及びパンチストローク履歴を予測した後、パンチストロークに応じたパンチ抗力の予測値を打ち消す荷重をパンチに加えることによりパンチ速度を目標速度履歴に制御することを特徴とする、打ち抜きパンチプレス機のパンチ速度制御方法。
【請求項２】
目標速度履歴を一定値とすることを特徴とする、請求項１記載の打ち抜きパンチプレス機のパンチ速度制御方法。
【請求項３】
目標速度履歴を三角関数、ｔａｎｈ関数、または多項式関数とすることを特徴とする、請求項１記載の打ち抜きパンチプレス機のパンチ速度制御方法。
【請求項４】
パンチ抗力及びストローク履歴の予測に、２次関数を用いることを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の打ち抜きパンチプレス機のパンチ速度制御方法。
【請求項５】
パンチ抗力及びストローク履歴の予測前に、パンチ抗力の最大値及び前記最大値を与えるパンチストローク値を測定しておくことを特徴とする、請求項４記載の打ち抜きパンチプレス機のパンチ速度制御方法。
【請求項６】
パンチと、
該パンチを駆動する駆動手段と、
該駆動手段の駆動を制御するコントローラとを有し、
前記コントローラは、予め測定されたパンチ抗力初期値及びパンチストローク初期値に基づいて、打ち抜き加工終了までのパンチ抗力及びパンチストローク履歴を演算し、パンチストロークに応じたパンチ抗力の演算値を打ち消す荷重を前記パンチに加えるように前記駆動手段を駆動することにより、パンチ速度を目標速度履歴に制御することを特徴とする打ち抜きパンチプレス機。
【請求項７】
前記コントローラは、前記目標速度履歴が略一定値となるように前記駆動手段の駆動を制御することを特徴とする請求項６に記載の打ち抜きパンチプレス機。
【請求項８】
前記パンチ抗力初期値及び前記パンチストローク初期値を記憶する記憶手段を有することを特徴とする請求項６又は７に記載の打ち抜きパンチプレス機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、打ち抜きパンチプレス機及び打ち抜きパンチプレス機のパンチ速度制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
板材に孔等の穴開け加工を行う手段として、パンチプレス機が用いられている。このパンチプレス機は、一般に、パンチヘッド及びダイヘッドから構成される加工ヘッドと、パンチヘッドを昇降させるアクチュエータとを備えている。加工の際には、パンチヘッド及びダイヘッドの間に板材を配置させ、アクチュエータによりパンチヘッドを昇降させて孔等の穴開け加工を行っている。
【０００３】
従来のパンチプレスの制御方法においては、騒音低減やアクチュエータ保護等のためのパンチ速度制御が行われている。このような制御方法は、主として、パンチの大きさ、形状や、しわ押さえ等のツールの種類を入力とし、騒音低減やアクチュエータ保護等に有効なパンチ速度を出力とするアルゴリズムにより構成されている（例えば特許文献１）。
【０００４】
また、パンチ抗力とストロークの関係の予測に用いる手法の一例として、非特許文献１に示される、多項式を用いた応答曲面法等が提案されている。
【特許文献１】特開平７−２４６４３１号公報
【非特許文献１】R.H.myers, D.C.Montgomery “Response Surface Methology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments”, John Wiley & Sons. Inc.,
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
打ち抜き加工において、成形品の品質にばらつきが生じる。これは、一回の打ち抜き加工ごとのパンチ速度のばらつきが一つの要因となる。パンチ速度がばらつく要因は、打ち抜き加工時のパンチと板における潤滑状態等の成形環境に影響されることによる。
【０００６】
上記の問題を解決すべく、パンチの速度制御を実現するために一般的に考えられる制御方法は、パンチに加える力に、目標速度とパンチ速度との誤差を時々刻々フィードバックする制御方法である。
【０００７】
しかし、ＰＩＤ制御を代表とする従来広く認知されている状態フィードバック制御方法では、板打ち抜き時のパンチ速度を任意に制御することは難しい。なぜならば、打ち抜きにかかる時間は１００分の１秒以下という非常に短い時間であり、時々刻々と加えるべき入力を演算することが困難なためである。
【０００８】
本発明は、前述のような問題を解決するためになされたもので、１００分の１秒以下という非常に短い時間において、任意のパンチ速度を実現する打ち抜き加工のパンチ速度制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前述の目的を達成するための、本発明における打ち抜き加工のパンチ速度制御方法は、以下のとおりである。
【００１０】
（１）打ち抜き加工におけるパンチ抗力初期値及びパンチストローク初期値を測定し、前記パンチ抗力初期値及びパンチストローク初期値に基づいて打ち抜き加工終了までのパンチ抗力及びパンチストローク履歴を予測した後、パンチストロークに応じたパンチ抗力の予測値を打ち消す荷重をパンチに加えることによりパンチ速度を目標速度履歴に制御することを特徴とする打ち抜きパンチプレス機のパンチ速度制御方法。
【００１１】
（２）目標速度履歴を一定値とすることを特徴とする、（１）記載の打ち抜きパンチプレス機のパンチ速度制御方法。
【００１２】
（３）目標速度履歴を三角関数、ｔａｎｈ関数、または多項式関数とすることを特徴とする、（１）記載の打ち抜きパンチプレス機のパンチ速度制御方法。
【００１３】
（４）パンチ抗力及びストローク履歴の予測に、２次関数を用いることを特徴とする、（１）〜（３）の何れか１項に記載の打ち抜きパンチプレス機のパンチ速度制御方法。
【００１４】
（５）パンチ抗力及びストローク履歴の予測前に、パンチ抗力の最大値及び前記最大値を与えるパンチストローク値を測定しておくことを特徴とする、（４）記載の打ち抜きパンチプレス機のパンチ速度制御方法。
【００１５】
また、本願発明の打ち抜きパンチプレス機は、以下のとおりである。
【００１６】
（６）パンチと、パンチを駆動する駆動手段と、駆動手段の駆動を制御するコントローラとを有し、コントローラは、予め測定されたパンチ抗力初期値及びパンチストローク初期値に基づいて、打ち抜き加工終了までのパンチ抗力及びパンチストローク履歴を演算し、パンチストロークに応じたパンチ抗力の演算値を打ち消す荷重をパンチに加えるように駆動手段を駆動することにより、パンチ速度を目標速度履歴に制御することを特徴とする打ち抜きパンチプレス機。
【００１７】
（７）コントローラは、目標速度履歴が略一定値となるように駆動手段の駆動を制御することを特徴とする（６）に記載の打ち抜きパンチプレス機。
【００１８】
（８）パンチ抗力初期値及びパンチストローク初期値を記憶する記憶手段を有することを特徴とする（６）又は（７）に記載の打ち抜きパンチプレス機。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によって、打ち抜き加工ごとの潤滑状態等のバラつきに対応した速度制御ができるので、結果として打ち抜き速度のバラつきに起因するバリ高さやせん断面率、残留応力等の品質のバラつきを抑えることができる。
【００２０】
本発明においては、パンチの潤滑状態等の成形条件を考慮した上で、打ち抜き時のパンチ速度をある任意速度へ制御することが可能となる。そのため、一回の加工ごとのパンチ速度バラつきを抑えることができるので、成形品の品質ばらつきを抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明において、まず、打ち抜き加工におけるパンチ抗力初期値及びパンチストローク初期値を測定する。パンチ抗力初期値及びパンチストローク初期値とは、パンチが、板材の厚みの１０％程度食い込んだ状態における、パンチ抗力［Ｎ］、パンチの位置（未加工の板材の表面位置から、上記食い込んだ状態の位置までの距離に相当する）［ｍｍ］をいう。このパンチ抗力初期値及びパンチストローク初期値は、予め測定し、記憶手段としてもメモリに記憶させておくことができる。
【００２２】
パンチ抗力初期値は、パンチに設置されたロードセル、歪センサー等で測定することができる。また、パンチストローク初期値は、ダイ近傍に設置された接触式センサー、レーザー変位計等で測定することができる。
【００２３】
パンチ抗力初期値をパンチストローク初期値で除したものを、以下、ｆ［Ｎ／ｍｍ］と表記する。
【００２４】
次に、本発明において、パンチ抗力初期値及びパンチストローク初期値に基づいて、打ち抜き終了までのパンチ抗力とパンチストローク履歴を予測する。予測方法は、公知の手法を用いればよい。
【００２５】
最も簡単な予測方法として、パンチ抗力とパンチストローク値の関係を図３で示すような２次の多項式でモデル化することができる。図３に示すφ（ｆ）、δｐ（ｆ）は最大パンチ抗力および前記パンチ抗力に対応したパンチストロークであり、ｆ［Ｎ／ｍｍ］の２次の多項式関数である。パンチ抗力とパンチストロークの予測履歴は、パンチ抗力の最大値φ（ｆ）とこの最大値を与えるパンチストローク値δｐ（ｆ）を演算することにより求めることができる。ｆとパンチ抗力の最大値φ（ｆ）、及びこの最大値を与えるパンチストローク値δｐ（ｆ）の関係は、ストローク履歴の予測前に、予め打ち抜き加工を実施することにより作成した、打ち抜き加工のパンチ抗力Ｒ[Ｎ]とパンチストロークδ[ｍｍ]曲線データベース（ｎ個のデータからなる：ｎは整数。）から、最小２乗法等の公知の方法で求めればよい。上述のような方法で求めたパンチ抗力とパンチストロークの予測履歴は、以下に示す式となる。
【００２６】
【数１】
2007090389.tif 000003
【００２７】
(１)
式(１)中のＲはパンチ抗力、δはパンチストローク、ｎは前記のデータベースにおけるデータの数を示している。φｉ[Ｎ]、δｉ[ｍｍ]、ｆｉ[Ｎ／ｍｍ]は、データｎ個の中の1つ（ｉ番目、１≦ｉ≦ｎ）から得た最大パンチ抗力、その時点のパンチストローク、ｆ[Ｎ／ｍｍ]の値を示している。また、ＸｉＴは、Ｘｉの転置行列を示す。
【００２８】
また、上記以外にも、市販のコンピュータソフト（例えばサイバーネット社製Matlab）に組み込まれている強化学習アルゴリズム、遺伝アルゴリズムやニューラルネットワークアルゴリズムなどの統計的方法を予測手法に用いることが挙げられる。
【００２９】
その次に、本発明では、予測されたパンチ抗力、パンチストローク履歴に応じてパンチ速度を制御する。
【００３０】
パンチ速度を任意に制御するためにパンチに加える力の演算方法は、予測されたパンチ抗力とパンチストロークの履歴を基に、パンチストロークに応じたパンチ抗力の予測値を打ち消す入力（荷重）をパンチに加え、さらに所望の速度を実現するための加速度を演算し、その加速度よりパンチに加えるべき力（荷重）を以下の式に従って演算するものである。
板材の抗力  ：  式(1)により予測されるＲ[Ｎ]
所望の速度Ｖｄ[ｍｍ]を実現するための加速度  ：  ｄ（Ｖｄ）／ｄｔ  [ｍｍ／Ｓ２]
パンチに加えるべき力の入力  ：  Ｆ＝Ｒ＋Ｍ｛ｄ（Ｖｄ）／ｄｔ｝−Ｍｇ  [Ｎ]
なお、Ｍはパンチ質量[ｋｇ]、ｇは重力加速度[ｋｇ／ｍ２]であり、Ｍｇはパンチに加わる重力加速度に対応した荷重を補正するためのものである。
【００３１】
パンチに加えるべき力Ｆは、加工条件に応じて変化するが、アクチュエータの制約条件を考慮すると、既存のパンチプレス機で出力可能な２０［ｔ］〜１００［ｔ］が好ましい。
【００３２】
板打ち抜き時のパンチ速度は、目標速度一定値の場合は１５［ｍｍ／ｓ］〜１００［ｍｍ／ｓ］が好ましい。なぜならば、１５［ｍｍ／ｓ］よりも遅すぎれば打ち抜き面の形状が粗くなり、１００［ｍｍ／ｓ］よりも速すぎればその速度に対応できるアクチュエータが存在しなくなるためである。目標値を一定値とする利点は、制御のための演算が容易になる点である。
【００３３】
目標速度が三角関数、ｔａｎｈ関数、または多項式関数となる場合は、パンチの最大速度は２０［ｍｍ／ｓ］〜２３０［ｍｍ／ｓ］が望ましい。この理由は、前記目標速度一定値の場合と同様である。目標速度を三角関数、ｔａｎｈ関数、または多項式関数とすることによる利点は、アクチュエータに負担がかかりにくい、緩やかに増減速をする速度履歴が得られる点である。
【実施例】
【００３４】
次に、本発明によるパンチプレス機の制御方法の実施例について、図面を用いて説明する。
【００３５】
図１にパンチプレス機の模式図を示す。
【００３６】
この制御方法で制御するパンチプレス機は、パンチ２と、パンチ２を駆動する駆動手段（アクチュエータ、図示しない）と、駆動手段の駆動を制御するコントローラ７を有し、更に、パンチ２の荷重を測定する力センサー１、パンチ２の位置を測定するパンチストロークセンサー５を有し、コントローラ７は、予め測定されたパンチ抗力初期値及びパンチストローク初期値に基づいて、打ち抜き加工終了までのパンチ抗力及びパンチストローク履歴を演算し、パンチストロークに応じたパンチ抗力の演算値を打ち消す荷重をパンチ２に加えるようにアクチュエータを駆動することにより、パンチ速度を目標速度履歴に制御するものである。
【００３７】
本発明例では、アクチュエータによりコントローラ７で計算されたパンチ駆動力６を加え、パンチ２とダイ４により、板厚１［ｍｍ］の板材３に直径１０［ｍｍ］の孔をあけた。孔開け加工用の板材３には機械工作用のＳ４５Ｃを用いた。
【００３８】
パンチの目標速度履歴は、Ｖｄ＝１００・ｓｉｎ（５０πｔ）  ［ｍｍ］
と設定する。ｔ［ｓ］は加工開始からの時間、πは円周率である。
【００３９】
打ち抜き終了までのパンチ抗力とパンチストローク履歴を予測するモデル式に、２次の多項式モデルを用いた制御ロジックを図２に示す。
【００４０】
２次の多項式モデルとして、前述の式（１）で示した予測式を用いた。制御なし打ち抜きを２０回実施して作成したデータベースより得られた、式（１）におけるＡφ、Ａδ
は、
【００４１】
【数２】
2007090389.tif 000004
【００４２】
である。
尚、パンチ駆動力６はＦ［Ｎ］として表記する。
【００４３】
以下、制御の手順について示す。
【００４４】
最初に、工程８によりパンチ２と板材３が接触する前に、目標速度Ｖｄ［ｍｍ／ｓ］を実現させるための力Ｐ［Ｎ］を計算する。工程８に示す式内のＭはパンチの質量［ｋｇ］であり、Ｐ［Ｎ］は目標速度Ｖｄ［ｍｍ／ｓ］の微分、すなわち、目標速度Ｖｄ［ｍｍ／ｓ］を実現するための加速度に、パンチ質量Ｍ［ｋｇ］を乗じたものである。したがって、工程９において重力項を補正し、パンチ駆動力Ｆを「Ｆ＝Ｐ−Ｍｇ」としてパンチ２を駆動することにより、板材３に接触する前の時間においては、パンチの目標速度Ｖｄ［ｍｍ／ｓ］を達成することができる。
【００４５】
パンチ質量は１．３［ｋｇ］であり、工程８におけるパンチ駆動力Ｆ［Ｎ］は５０００π×ｃｏｓ（５０πｔ）［Ｎ］であった。
【００４６】
続いて、パンチ２が板材３に接触した直後において、工程１０により上述の値ｆ［Ｎ／ｍｍ］を、力センサー１およびパンチストロークセンサー５を用いて取得する。
【００４７】
パンチ抗力初期値＝１４４０［Ｎ］、パンチストローク初期値＝０．１［ｍｍ］であったから、ｆ＝１４４００［Ｎ／ｍｍ］であった。
【００４８】
工程１０により得られたｆ＝１４４００［Ｎ／ｍｍ］を用いて、工程１１において、式（１）に前述のＡφ、Ａδを代入した式により、パンチ抗力の予測値Ｒ’のパンチストロークδに関する履歴を計算する。計算により得られた最大パンチ抗力と対応するパンチストロークは、φ（ｆ）＝９６００、δｐ（ｆ）＝０．４７であり、パンチ抗力とパンチストロークの予測履歴は以下に示す式となった。
【００４９】
Ｒ’＝−４３４５８（０．４７−δ）２＋９６００  ［Ｎ］・・・（２）
式（２）を用いれば、瞬時にパンチ抗力の予測値Ｒ’［Ｎ］のパンチストロークδに関する履歴を計算することができるので、１００分の１秒以下の打ち抜き加工においてもパンチの速度制御が可能である。
【００５０】
工程１１によりパンチ抗力の予測値Ｒ’とパンチストロークδの履歴を予測した後、工程１２において、
Ｆ＝Ｐ＋Ｒ’（δ）−Ｍｇ
＝５０００π×ｃｏｓ（５０πｔ）
−４３４５８（０．４７−δ）２＋９６００−１２．８  ［Ｎ］・・・（３）
とし、パンチストロークδに応じた板材３よりパンチが受ける抗力を打ち消す力をパンチ駆動力の入力に加える。この式（３）に示すパンチ駆動力により、目標速度Ｖｄ［ｍｍ／ｓ］を実現することができる。
【００５１】
なお、時間ｔ［ｓ］は、加工開始時間をｔ＝０とし、終了時間をｔ＝０．０１［ｓ］と設定した。
【００５２】
本発明の有効性を確認するため、打ち抜き加工実験により成形品質のバラつきが低減できたかどうかを確認した。成形品質の一例として、打ち抜き加工後の孔周辺のバリ高さを測定したところ、本発明の予測・制御をせず、パンチ駆動力を５０００π×ｃｏｓ（５０πｔ）［Ｎ］と設定した比較例のバリ高さの分布は５〜２９μｍであったが、本発明例における制御方法を適用したところ、１０〜１９μｍであり、バラつきを１／２以下に抑えることができた。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】打ち抜きパンチプレス機におけるパンチとダイを模式的に示したものである。
【図２】制御を行う際のブロック図を示したものである。
【図３】パンチ抗力、パンチストロークの予測履歴を２次多項式で表現した一例。
【符号の説明】
【００５４】
１  力センサー
２  パンチ
３  板材
４  ダイ
５  パンチストロークセンサー
６  パンチ駆動力
７  パンチ駆動力計算手段
８  打ち抜き前に目標速度を実現するための荷重計算工程
９  上記８において計算された荷重をパンチ駆動力へ入力する工程
１０  打ち抜きの初期状態を示す値ｆ［Ｎ／ｍｍ］の入力工程  
１１  板抗力予測工程  
１２  板抗力予測値を反映させたパンチ駆動力入力工程  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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