ニューラルネットワークを利用したサーボプレスのモーション設定の高度化
地方独立行政法人 大阪府立産業技術総合研究所 加工成形科主任研究員
白川 信彦（平成 21 年度一般研究開発助成 AF-2009025）
キーワード：サーボプレス，ニューラルネットワーク，TZP 試験

１．研究の目的と背景ができ，未知の入力条件に対する結果の予測が可能な手

サーボプレスは，従来のプレスでは実現できなかった法である．NNW を用いて，プレス成形条件を入力値とスライドのフリーモーション化を可能とするプレス機械して成形結果を予測できれば，従来のトライ＆エラー的として注目を集め，プレス加工業界ではその導入が急速手法と比較して条件設定の効率や正確性を大幅に上げるに進んでいる 1)～4)．鍛圧機械メーカ各社は，独自のモーことが可能であると考えられる．

ション制御を組み込んだ装置をリリースしているが，実本研究の目的は，多種多様なプレス成形品に応じたプ

際のプレス成形品は寸法や形状，材質，成形時の変形様レスモーション設定の最適化を実現するための手法とし式が多岐にわたるため，その成形に最適なプレスモーシて，NNW を利用したアプローチの可能性を検証するこ

ョンの設定については各ユーザに委ねられているのが現とである．各種の成形実験を学習データとして NNW を状である．経験の少ないユーザがトライ＆エラー的な方構築し，これを利用して未知の成形条件での結果を予測法でモーションの設定に取り組めば，無駄な試し打ちにする．そして，得られた予測結果をもとに，良好な成形時間・コストがかかるばかりでなく，時には適正な設定が実現できるプレスモーション設定を決定する手法を開を見出せない場合もある．このため，現実にはサーボプ発する．

レスを十分に使いこなせていないユーザが意外と多い．
このような状況に対し，学協会が中心になってプレス２．研究の方法

モーション制御の効果についての Know Why の解明に

プレス成形を対象にした NNW の構築に際して最も重取り組んでおり，モーション設定の考え方について理論要なポイントは，成形条件（入力信号）から予測する結的なアプローチが図られるものとして期待されている．

果（出力信号）を何にするかということである．例えば

しかしながら，多種多様な実際のプレス成形に対しては，深絞り成形の場合，図 1 に示すように，サーボプレスの個々の現象が相互作用を及ぼす可能性があり，物理モデモーション設定や金型形状，被加工材材質などを入力信ルを構築してモーション設定の考え方をまとめることは号として NNW を構築することが想定されるが，それに容易ではない．

対する出力信号としては，パンチ肩近傍の最小板厚や限ニューラルネットワーク（NNW）5)～8)は，複雑な物

界絞り比（LDR）9)のような定量的に成形性を評価でき理モデルの構築を必要とせず，入力値と出力値の組み合るものであることが必要である．しかし，サーボプレスわせをいくつか準備することでシステムを構築すること

では，成形中にスライドモーションを変化することがで

円筒深絞り成形
入力信号
出力信号

スライド速度
成形段数

パンチ肩近傍のパンチ肩半径

最少板厚，ダイ肩半径限界絞り比（LDR），など

学習データ
図1

サーボプレスによる深絞り成形を対象としたニューラルネットワークの例

ー 123 ー

きるため，従来の機械プレスで成形した場合と同じよう

3.1.2

サーボプレスモーションに LDR により評価ができるか疑問である 10)．また評価設定したスライドモーションを表 2 に示す．成形速度が可能な場合でも，異なる径の素板を多数準備する必要はリンクプレスにおける 50spm を 100%とした場合の比があり，スライドモーションを広く評価することは困難率で示してある．モーションⅠ～Ⅲはスライドモーショ

11)

も行ンを一定とし，リンクモーションの成形速度のみを変化われているが，無限ともいえるサーボプレスのスライドさせたものである．また，図 2 に示すように，モーショモーションを評価する上で，それぞれのスライドモーシ

ンⅣは全ストロークの 1/3 ごとにスライドをその位置でョンに対して，成形品の板厚をすべて測定することは，0.5 秒停止させる中間停止成形，モーションⅤは全スト非常に時間を要するため極めて困難である．

ロークの 1/3 ごとに 5mm スライドを引き上げ，モーシである．また，成形品の板厚を直接測定する方法

そこで本研究では，まず始めにサーボプレスのスライドモーションを定量的に評価できる試験法の検討を行っョンⅥは全ストロークの 1/5 ごとに 5mm 引き上げる等間隔ステップ成形である．

た．具体的には，種々のスライドモーションの下で円筒深絞り実験を行い，LDR やパンチ肩近傍の最小板厚の測3.2

定がその評価に適用可能であるかを調べた後，より迅速

3.2.1

実験結果板厚および限界絞り比(LDR)の測定による成形性
評価

で簡便な評価法の開発として，サーボモータ式のダイクッション（以下，サーボ D/C と称す）を活用した TZP

各モーションで成形した成形品の板厚を，カップ頭部試験 12)，13)の開発に取り組み，得られた評価指標 T 値とから肩部，側壁部にかけて測定した結果を図 3 に示す．

LDR，パンチ肩近傍の最小板厚を比較することによって，なお，測定は素板径φ120mm のものを対象に，超音波その適用性を検証した．そして最後に，この評価指標 T

厚さ計（オリンパス㈱製 MODEL35，探触子 M208-SM）

値を予測結果とする NNW を構築し，学習データによるおよびポイントマイクロメータを用いて 1mm 間隔で測予測値と実測値の検証，未知の条件に対する予測値と実定した．図 3(a)より，成形品の肩部と側壁部の境界付近測値の検証を行い，その適用性を検証した．の板厚ひずみが最も大きくなる部分（以降，最薄部と称す）では，成形速度が高いほど板厚ひずみが小さく，成３．深絞り成形における成形性評価指標の検討

形性が良いことがわかる．一方，図 3(b)より，中間停止

3.1

成形（モーションⅣ）や等間隔ステップ成形（モーショ実験方法

3.1.1

ンⅤ，Ⅵ）では，速度 50%のリンクモーション（モーシ供試材料および実験装置

供試材料には公称板厚 1.0mm で，直径を 1.5mm ピッョンⅡ）と比較して成形品頭部から最薄部にかけての板チ で 変 化 さ せた φ117mm～ 129mm の 冷 間 圧 延鋼板

厚ひずみが大きく，特に，モーションⅣでは最薄部の板（SPCC）を使用した．表 1 に JIS13B 号試験片による

表2

引張り試験結果を示す．深絞り成形においては潤滑油としてフォーマ油（豊国石油㈱製 MS-70，動粘度 70mm2/s

Motion（40℃））を用い，素板の両面に塗布して実験を行った．

Ⅰ

成形にはサーボ D/C を搭載した 2000kN リンク式 ACⅡ

サーボプレス（コマツ産機㈱，H1F200）を用いた．工

Ⅲ

Speed

設定したスライドモーション
MotionMotionSpeed

Motion

80%

Fix

Ⅳ50%

Stop twice

50%

Fix

Ⅴ50%

2 steps

20%

Fix

Ⅵ

50%

4 steps

具 に は ， SKD11 製 の 平 頭 パ ン チ （ 外 径 60mm ， 肩R=5mm）とダイ（内径 62.5mm，肩 R=5mm）を用い，Ⅰ
Stroke

定した．

ⅡStroke

パンチ側壁下部にひずみゲージを貼付して成形荷重を測Ⅲ

成形ストロークは，素板径φ117mm の時に 38mm とし，以後，素板径が 1.5mm 大きくなるごとに 2mm 長くすることにした．これは，成形品のフランジ部の大きさが，いずれの素板径においてもほぼ一定になるようにTime

0.5se0.5seTime(a) モーション Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ(b) モーション Ⅳ配慮したためである．また，成形中のしわ抑え力は 50kN

塑性係数 加工硬化/ MPa 指数 n523

0.21

供試材料の機械的性質

5mmTimeTime/ MPaｒ値
(平均)

面内異方性

(c) モーション Ⅴ

314

1.580.7

図2

全伸び引張強さ/%
48ー 124 ー5mmStroke

表1Stroke一定にした．

(d) モーション Ⅵ

スライドモーション線図

厚減少が著しく，成形性が悪いことがわかった．

3.2.2

板厚および LDR による評価結果の差異とその各モーションでの LDR を図 4 に示す．モーションⅠ，考察

ⅡおよびⅢでは，成形速度が高いほど LDR が上昇し，サーボプレス特有のモーションであるステップ成形板厚ひずみの測定結果と同様の傾向を示した．また，モ（等間隔ステップ，モーションⅤおよびⅥ）では，板厚ーションⅣは LDR がきわめて低く，板厚ひずみの測定ひずみによる評価結果と LDR による評価結果が異なる結果と同様の傾向であったが，モーションⅤおよびⅥで傾向になった．これらの原因を調べるため，成形中のパは LDR が比較的高く，板厚ひずみによる評価と合致しンチ荷重について検討したところ，等間隔 2 ステップのないことがわかった．

モーションⅤの場合，ストローク後半（ストローク28mm）のスライド引き上げ－再成形時に高い荷重（以0.00

TopShoulder降，ピーク荷重と称す）を示すことがわかった．

Side

そこで，このときの成形品を成形途中で取り出して，Thickness strain-0.05

板厚ひずみを測定した．結果を図 5 に示す 14)．同図(a)-0.10より，リンクモーションではストローク 28mm までは成形が進行するにしたがって板厚ひずみが増大し，減肉し-0.15ⅠⅡⅢ-0.20-0.2505たことがわかる．しかしそれ以降，成形完了（ストローク 42mm）までは板厚ひずみはほとんど増大せず，減肉しなかった．それに対して，同図(b)より，ステップモー10152025ションでは成形開始から完了まで板厚ひずみが増大し続30

け，リンクモーションとは異なりストローク 28mm からDistance from top of cup / mm

成形完了までの間も減肉したことがわかる．これは，ストローク 28mm でのステップが成形性に悪影響を及ぼスライド速度の影響(a)していることが原因と考えられる．すなわち，ストロー0.00

Top

Shoulder

ク後半のステップによって発現するピーク荷重が，成形Side

Thickness strain-0.050.00
Thickness strain-0.10ⅡⅣⅤⅥ-0.15-0.20-0.25051015202530Side-0.10-0.15

Stroke=14mm
Stroke=28mm
Stroke=42mm-0.2005

スライドモーションの影響(b)Shoulder-0.25

Distance from top of cup / mm

図3Top-0.05

1015202530

Distance from top of cup / mm

板厚ひずみ分布に及ぼす

リンクモーション(a)

スライド速度・モーションの影響
0.00
Thickness strain

2.20

LDR

2.15
2.102.05

TopSide-0.05-0.10-0.15

Stroke=14mm
Stroke=28mm
Stroke=42mm

-0.20
-0.25
052.00ⅠⅡⅢⅣⅤ

1015202530

Distance from top of cup / mm

Ⅵ(b)
図4

Shoulder

限界絞り比に及ぼすスライドモーションの影響

ー 125 ー

図5

ステップモーション

成形の進行に伴う板厚ひずみ分布の変化

性に悪影響を及ぼしていると考えられる．

本研究では，モーションの設定とは関係なく成形中の次に，モーションⅡとモーションⅤにおいて，素板径スライド速度が時々刻々と変化し，加えてモーションのを変化させた場合の最大成形荷重の変化を調べた．結果設定やそれに伴うサーボモータの加減速によってもスラを図 6 に示す．素板径が大きい（絞り比の高い）場合でイド速度が変化するリンク式サーボプレスを用いた．そは，両モーションの最大成形荷重の差異はほとんど認めこで，リンク式サーボプレスのそれらの特徴が TZP 試験られなかった．これは，素板径が大きくなるほど，モーの結果に及ぼす影響や成形中に十分なクランプが行える

ションⅤにおけるピーク荷重と通常のリンクモーションかを判断するために，二種類の試験方法について検討をにおける絞り加工時の成形荷重との差が小さくなるため行った．一つは最大絞り荷重を過ぎた後に，サーボプレと考えられる．一方，素板径が小さい（絞り比の低い）

スのモーション制御によりスライドを一旦停止し，その場合では，モーションⅡに比べてモーションⅤの最大成後，サーボ D/C により過大なしわ抑え力（200kN）を負形荷重が高いことがわかる．これは，ピーク荷重の発現荷してクランプし，5spm 相当の低速スライド速度で素によるものである．

板を破断させる「Stop 試験」，もう一つは，最大絞り荷重を過ぎた後，スライドの下降を継続しながらサーボ

3.3

サーボ D/C を用いた新しい TZP 試験の提案 15）

D/C 制御により素板をクランプし，破断させる「Non以上のように，サーボプレス特有のモーションを設定

stop 試験」である．

する場合，LDR の測定では実用上の絞り比での適正な評両試験において，板厚と T 値の相関を検討するため，価ができないこと，評価には径の異なる素板を多数準備クランプせずに成形を完了した成形品の最薄部の板厚とする必要があること，また板厚ひずみの測定は非常に手T 値の関係を調べた．結果を図 8 に示す．図から板厚が間がかかることより，これらの評価方法では難しいこと

小さいほど，概ね T 値が小さい傾向を示すことがわかる．

が明らかになった．そこで，少量のサンプルで絞り性をまた条件Ⅰ～Ⅲについては，スライド速度が低い条件ほ迅速に評価できる TZP 試験に着目して，サーボ D/C のど板厚は小さかった．Non Stop 試験ではスライド速度しわ抑え力制御を用いることにより，試験に必要な一連が低いほど T 値が低下し板厚との相関が認められるが，の作業を一工程内で行える方法を考案した．

Stop 試験ではスライド速度が低速になると T 値が上昇

TZP 試験は，成形中に素板の流入を拘束して強制的にし，相関が認められなかった．

素板を破断させることで，成形限界までどれほどの余裕があるかを調べ，成形性を評価する方法である．図 7 にDie示すように，絞り成形時の最大成形荷重 Pz を過ぎたとこ

Blank

ろで成形を一旦停止し，その後，素板の流入を拘束（クPunch

ランプ）して破断させることで破断荷重 Pab を測定する．

Holder

そして，破断荷重と最大成形荷重から式(1)で求められる

Pab

T 値の大小により絞り性を評価する．なお，T 値が大きPz

いことは，絞り性が良いことを意味する．一般的には，

Maximumforming load

TZP 試験は専用の試験機や材料試験機により専用の金Breaking型を用いて行われている．

Forming

Pab − Pz× 100 (%)
Pab(1)

Punch Stroke
図7TZP 試験と荷重曲線80
M otion Ⅴ7060

T value / %Maximum forming load / kN

T value =Breaking load

M otion Ⅱ

15Stop10Ⅲ
Ⅱ120125130

図6

最大成形荷重と素板径の関係

ⅠⅠⅢⅤⅣⅣ

00.75

Blank diameter / mmⅡⅥ

ⅥⅤ550115

Non stop

0.80

0.85

0.75

0.800.85

Minimum wall thickness of blank / mm

図8ー 126 ーT 値と最小板厚の関係 (素板径φ120 の場合)

以上のことより，サーボプレスによる深絞り成形の絞り性を正しく評価するには，成形時のスライド速度設定

プモーションは，素板径が小さい場合に成形性に悪影響を及ぼしていると思われる．

値に破断時のスライド速度設定値を合わせ，クランプ時種々の素板径での T 値と LDR の関係をまとめると図にスライドを停止しない Non stop TZP 試験が良いと考10 のようになる．等間隔ステップ成形（モーションⅤ，えられる．

Ⅵ）の LDR はモーションⅠと同程度の高い値を示しているが，T 値では素板径が大きいほど同様の傾向を示す
10）ことがわかった．しかし，実際のプレス成形においては，3.2 節で述べたとおり，板厚ひずみと LDR の測定によ

絞り限界に近い状況で絞り加工を行なうことはなく，実る成形性の評価は，板厚ひずみの測定に用いた素板径に用上は絞り比の小さい成形を行っている．そのため，従より傾向が異なった．そこでまず，素板径により成形性

来からよく行われている LDR の測定ではスライドモー3.4

TZP 試験によるサーボプレスモーションの評価がどのように変化するかを調べるため，各スライドモーションの効果を過大に評価する可能性があり，本報で提ションで素板径を変化させた TZP 試験を行い，成形性を案した TZP 試験が有効であると思われる．

評価した．結果を図 9 に示す．同図(a)より，モーションLDR的に低下し，試験機で行う従来の TZP 試験と同様の傾向を示す 16)ことがわかる．一方，同図(b)より，中間停止成2.15変化が緩やかであることがわかる．すなわち，中間停止LDR形と等間隔ステップ成形では T 値は直線的に低下せず，素板径が小さい範囲（φ117mm～120mm）では T 値のT value（ φ117 ）T value（ φ120 ）T value（ φ123 ）T value（ φ126 ）

LDR

2.20

成形と等間隔ステップ成形では，素板径が小さい場合で20152.10102.0552.000T Value / %が一定の条件では，T 値は素板径が大きくなるほど直線も T 値があまり上昇しない．このことから，本報で設定したモーションⅣ～Ⅵといった中間停止や等間隔ステッⅠ
20Motion Ⅰ
Motion ⅡMotion Ⅲ

T value / %15

図 10ⅡⅢⅣⅤⅥ

各スライドモーションにおける種々の素板径での T 値と LDR の関係

10４．
ニューラルネットワークを利用した成形性予測54.1
0

ニューラルネットワークの構築

以上のように，サーボプレスのモーション制御を適用
115

120125130

そのモーションを評価する指標として，最も有用である

Blank diameter / mm(a)した深絞り成形において，TZP 試験から得られる T 値は，ことがわかった．そこで，この T 値を出力信号とするリンクモーション（速度のみ変化）

NNW を構築することにした．入力信号としては，スライド速度（50spm を 100％としたときの％表示），絞り

2015
T value / %比，ステップ加工時のステップ位置（成形全ストローク

Motion Ⅳ
Motion Ⅴ
Motion Ⅵを 100％としたときのストローク位置の％表示），ストップの有無（ステップ位置で停止するときは「1」，停止し10ないときは「0」）の 5 つを採用し，中間層のデータ数を5ては，上記の 5 つの入力を種々変更した 38 種の成形条10 とする三層構造の NNW を構築した．学習データとし件を採用し，できるだけ誤差が小さくなるように，学習0

回数や学習率を調整して NNW を完成させた．
115120125130

Blank diameter / mm4.2

ニューラルネットワークによる予測値の検証

学習に使用した全てのデータにおいて， NNW による(b)

中間停止およびステップモーション

T 値の予測値と実測値を比較した結果を図 11 に示す．図図9

各スライドモーションにおけるから，両者の変化の傾向は良い一致を示していることがT 値と素板径の関係わかる．次に，学習データに使用していない未知の条件

ー 127 ー

を示し，T 値で評価可能であることを明らかにした．
1815

構築し，学習データによる予測値と実測値の検証，未知予測値の条件に対する予測値と実測値の検証を行ったところ，12両者は良い一致を示すことがわかった．すなわち，未知9の成形条件での予測結果をもとに，最適なスライドモー6ションの選定ができることを明らかにした．

T値/％

最後に，この評価指標 T 値を予測結果とする NNW を

実験値

3

謝 辞

01

6

111621263136

本研究は、天田金属加工機械技術振興財団平成 21 年

条件番号（学習データ番号）
図11度一般研究開発助成（AF-2009025）により実施したものであり，ここに感謝の意を表します．また，深絞り実NNWによる予測値と実測値の比較

験およびニューラルネットワークの構築にあたり多大なご協力をいただいた地方独立行政法人大阪府立産業技術総合研究所の四宮徳章氏に謝意を表します．

表 3 未知の条件に対する NNW の予測値の評価
入力条件

実測値と予測値・スライド速度50%

T値の実測値

・絞り比2.0

参考文献

7.44

1）西村尚：プレス技術，48-11(2010)，18-23.

・ステップ１回（ストローク24mm）・ストップなし
・スライド速度50%・絞り比2.0

2）玉井良清・山崎雄司・吉武明英・井村隆昭：塑性と加工，51-592(2010)，450-454.

NNWによる予測値

6.45

3）菅沼俊治：プレス技術，48-11(2010)，40-43.

T値の実測値

4）坂口稔：塑性と加工，49-565(2008)，110-113.
5）古川知成・矢川元基：塑性と加工，40-459(1999)，

10.33

322-325.

・ステップ２回（ストローク3mm，15mm）・ストップなし

6）矢川元基編：ニューラルネットワーク，培風館．

NNWによる予測値7）合原一幸：ニューラルコンピュータ 脳と神経に学ぶ，

11.58(1988)，56，東京電気大出版社．
8）桐谷滋：入門と実習ニューロコンピュータ，(1991)，を入力データとして NNW を用いて T 値を算出し，同じ条件で実際に TZP 試験を行って求めた T 値と比較した結果を表 3 に示す．未知の条件に対する予測においてはやや差異がみられたが，傾向的に近い値を算出することができている．NNW においては，学習データをさらに充実させていくことでその予測精度を上げることが可能であり，今後も成形実験（TZP 試験）を繰り返していくことで精度を向上させることが必要である．

223，技術評論社．
9）例えば，真鍋健一・浜野秀光・西村尚：塑性と加工，29-330(1988)，740-747.
10）白川信彦・四宮徳章，第 62 回塑性加工連合講演会
講演論文集(2011)，107-108．
11）例えば，森謙一郎・西島進之助・Chin, J. T.，塑性と加工，50-576(2009)，64-68.
12）佐伯邦男・木下滋：塑性と加工，5-37(1964)，125-131.
13）九蘭芳雄：塑性と加工，5-37(1964)，172-174.
14）四宮徳章・白川信彦，第 62 回塑性加工連合講演会

５．結言
深絞り加工を対象に，サーボプレスのスライドモーションを定量的に評価する指標として，パンチ肩近傍の最小板厚と LDR について検討したところ，中間停止成形や等間隔ステップ成形といったサーボプレス特有のスライドモーションにおいて，両者の評価傾向が異なること

講演論文集(2011)，109-110．
15）四宮徳章・白川信彦，平成 23 年度塑性加工春季講
演会講演論文集(2011)，343-344．
16）薄鋼板成形技術研究会：プレス成形難易ハンドブッ
ク，(2007)，112-113，日刊工業新聞社.

がわかった．そこで，より簡便かつ迅速に評価できる試験法としてサーボ D/C を活用した TZP 試験法を開発し，得られた T 値でスライドモーションの評価を行ったとこ
ろ，パンチ肩近傍の最小板厚の変化の傾向とも良い一致

ー 128 ー