JP4357405B2

JP4357405B2 - サーボモータの制御装置

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Publication number: JP4357405B2
Application number: JP2004322613A
Authority: JP
Inventors: 平輔岩下; 肇置田; 宏之河村; 聡史猪飼
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2004-11-05
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2024-11-05
Also published as: JP2006130533A

Description

本発明は、サーボモータによって駆動される被駆動体に外部から力を加えたときに、被駆動体が予め定められた力を受けるようにサーボモータの動作を制御するサーボモータの制御装置に関する。

曲げ、絞り、打ち抜き等のプレス加工を行うプレス機械は、第１の型を支持するためのスライドと呼称される可動の支持部材と、第２の型を支持するためのボルスタと呼称される支持部材とを備え、スライドをボルスタに向けて移動させ、スライド上に支持された第１の型とボルスタ上に設けられた押さえ板との間にワークの縁部を挟持しつつ、第１の型を第２の型に押し付けて第１の型と第２の型との間にワークを挟み込み、ワークを加工する。この押さえ板は、ワークの縁部に皺等が発生するのを防止するためのものであり、ボルスタ上にダイクッション機構を介して支持されている。詳細には、押さえ板は、ダイクッション機構のクッションパッド上に支持されており、第１の型が押さえ板上のワークに衝突してからプレス加工が終了して第１の型と第２の型とが離れるまでの間、スライドの移動に従動しつつ、押さえ板すなわちクッションパッドの位置に応じてスライドに向かう方向の力をワークに付与する。

プレス加工の精度を向上させるためには、上記クッションパッドがスライドに従動する間、ワークに対し一定の圧力を安定して加えることが要求される。しかし、従来のダイクッション機構は、油空圧装置を駆動源としているものが多く、スライドがそれに支持される第１の型及びワークを介して押さえ板に間接的に衝突するときに急激な圧力変動が生じてしまい、押さえ板を介してワークに一定の力（圧力）を付与するように制御することは一般に困難であった。そこで、近年、応答性に優れた力制御を可能とすべく、サーボモータを駆動源とするダイクッション機構が開発されている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載されるダイクッション機構は、ボルスタとスライドとの相対的な接近離反動作に対応して、プレス機械のスライドと対向して設置されるクッションパッドをサーボモータにより昇降させるように構成されている。サーボモータは、スライドが第１の型及びワークを介してクッションパッドに衝突力を加える前は、位置指令に基づいてクッションパッドの位置を制御（位置制御）するように動作してクッションパッドを所定の待機位置に位置決めする一方、スライドが第１の型及びワークを介してクッションパッドに衝突力を加えた後は、力指令に基づいてクッションパッドを介してワークに付与する力を制御（力制御）するように動作し、クッションパッドをスライドと共に移動させながら、クッションパットの位置に応じて予め定められた力をワークに付与するようになっている。また、プレス加工が終了し、クッションパッドがストロークのスライド側限界位置まで達して第１の型と第２の型とが剥離するときには、力制御から再び位置制御に切り換えて、クッションパッドを所定の待機位置に位置決めさせる。なお、衝突又は剥離及び圧力の検知は、クッションパッドを介してサーボモータの出力軸に加わる負荷を検知することにより行われる。

特開平１０−２０２３２７号公報

上述したように、従来のサーボモータ駆動によるダイクッション機構では、スライドがクッションパッドに衝突力を作用させたときに、サーボモータの制御方式を位置制御から力制御に切り換えて、クッションパッドからワークに加えられる力を適正化させている。また、スライドがクッションパッドから離れるときに、サーボモータの制御方式を力制御から位置制御に切り換えて、クッションパッドを待機位置に迅速に復帰させている。

しかしながら、このように衝突を検知したときに位置制御から圧力制御への切り換えを単純に行うと、切り換え時にサーボモータに対する動作指令（速度指令の場合とトルク指令の場合がある）が非連続的に変化してサーボモータの動作が不安定になる結果、クッションパッド及び押さえ板を介してワークに作用する力が不安定になる。一方、切り換えのタイミングが遅くなると、第１の型を第２の型に押し付けるときに押さえ板がワークに作用させる力が所望の値に到達するのが遅くなる。これは、ワークに皺を発生させる原因となる。また、圧力制御から位置制御への切り換えを行う離反動作時にも、サーボモータに対する不連続な動作指令による押さえ板の位置の不安定や、切り換えの遅れによる待機位置への復帰の遅れを生じさせる問題を生じさせる。このような問題は、サーボモータによって駆動される被駆動体に外部より力を加えるときに被駆動体が予め定められた力を受けるようにサーボモータの動作を制御するときに共通するものである。

よって、本発明の目的は、上記従来技術に存する問題を解消して、サーボモータによって駆動される被駆動体に外部から力を加えるときに、安定した動作で且つ被駆動体が早期に予め定められた力を受けるようにサーボモータの動作を制御することにある。また、本発明の他の目的は、サーボモータによって駆動される被駆動体に作用する外部からの力が解除されたときに、安定した動作で且つ被駆動体が早期に予め定められた位置に位置決めされるようにサーボモータの動作を制御することにある。

本発明は、上記目的に鑑み、サーボモータによって駆動される被駆動体が外部より受ける力を検出する力検出手段と、前記被駆動体の位置を指令する位置指令を作成する位置指令作成手段と、前記被駆動体の位置を検出する位置検出手段と、前記被駆動体の受けるべき力を指令する力指令を作成する力指令作成手段と、前記位置指令作成手段によって作成された位置指令と前記位置検出手段によって検出された位置とから求めた位置偏差に基づいてモータ動作指令を作成する位置制御処理手段と、前記力指令作成手段によって作成された力指令と前記力検出手段によって検出された力とから求めた力偏差に基づいてモータ動作指令を作成する力制御処理手段と、前記位置制御処理手段によって作成されたモータ動作指令と前記力制御処理手段によって作成されたモータ動作指令とを比較することにより、前記位置制御処理手段のモータ動作指令に従って前記サーボモータの動作を制御する位置制御と前記力制御処理手段のモータ動作指令に従って前記サーボモータの動作を制御する力制御とを選択的に切り換える制御方式選択手段と備え、前記被駆動体に外部より力を加えたときに、前記被駆動体が予め定められた力を受けるようにサーボモータの動作を制御するサーボモータの制御装置において、前記制御方式選択手段が位置制御から力制御へ切り換えるタイミング又は力制御から位置制御へ切り換えるタイミングを早めるために、前記力指令作成手段によって作成された力指令又は前記位置指令作成手段によって作成された位置指令を補正して、前記力制御処理手段又は前記位置制御処理手段に送る指令補正手段をさらに備えるようにしたサーボモータの制御装置を提供する。

本発明のサーボモータの制御装置では、位置偏差に基づいて位置制御処理手段によって作成されるモータ動作指令と力偏差に基づいて力制御処理手段によって作成されるモータ動作指令とを比較して、二つのモータ動作指令が所定範囲内に近づいたときに位置制御と力制御とを切り換えるので、制御方式が切り換わったときにモータ動作指令が大きく変化することを回避することができ、切り換え時のサーボモータの動作を安定化させることができる。例えば二つのモータ動作指令の差が所定の値より小さくなったときに、制御方式を切り換えればサーボモータの動作の急激な変化を回避させることができる。一方、指令補正手段が設けられているので、被駆動体が受けるべき力やその所望される位置に基づいて作成された力指令又は位置指令を制御方式の切り換えがより早いタイミングで行われるように補正することができる。前記モータ動作指令は典型的には速度指令又はトルク指令である。

上記制御装置において、前記制御方式選択手段が位置制御を選択しているときに、前記指令補正手段は、例えば、前記力指令作成手段によって作成された力指令を小さな値に補正すればよい。被駆動体に外力が作用し始めると、力偏差は小さくなるので、力制御処理手段によって作成されるモータ動作指令の値は小さくなる一方、被駆動体の位置が変化して位置偏差が大きくなるので、位置制御処理手段によって作成されるモータ動作指令は大きくなる。したがって、指令補正手段によって力指令を小さな値に補正すれば、最初の力偏差が小さくなり、二つのモータ動作指令はより早く所定の範囲に近づくので、位置制御から力制御により早く切り換わることになる。

上記の場合、前記制御方式選択手段が位置制御から力制御に切り換えた後、前記指令補正手段は補正された前記力指令を元の値に戻すことが好ましい。また、前記指令補正手段は、例えば、指数関数型、直線型又はベル型の形状の曲線に従って前記力指令を元の値に戻す。このように、位置制御から力制御に切り換えた後に、力指令を元の値に戻せば、被駆動体が予め定められた力を受けるようにサーボモータの動作が制御される。

上記制御装置において、前記制御方式選択手段が位置制御を選択しているときに、前記指令補正手段は、位置指令作成手段によって作成された位置指令を大きな値に補正してもよい。上述したように、被駆動体に外力が付与されると、力偏差が小さくなっていく一方、位置偏差は大きくなっていく。したがって、位置指令を大きな値に補正すれば、位置偏差が大きくなるので、位置制御処理手段によって作成されるモータ動作指令は同じ指令値により早く到達するようになり、力制御処理手段によって作成されたモータ動作指令に対してより早く所定の範囲に近づく。

好ましくは、前記指令補正手段は、前記制御方式選択手段が位置制御を選択しているときと、力制御を選択しているときとで、異なる補正を行う。位置制御から力制御への切り換えと、力制御から位置制御への切り換えとでは、位置制御処理手段によって作成されるモータ動作指令の挙動と力制御処理手段によって作成されるモータ動作指令の挙動とは逆になるので、それに合わせて補正手段による補正の向きも異ならせることにより、位置制御から力制御への切り換えと力制御から位置制御への切り換えの何れにおいても切り換えを早くすることが可能となる。

前記位置制御処理手段が前記動作指令として速度指令を作成している場合、前記制御方式選択手段が位置制御を選択している間、位置制御処理手段が作成する速度指令を前記位置指令の微分値で補正した値を前記制御方式選択手段が使用するようにしてもよい。例えば被駆動体に力を加え始めるときに生じる力の大きな変化を緩和するために、加え始めの直前から被駆動体を待機位置から移動させるようにしているとき、位置指令の変化により位置制御処理部によって作成される速度指令に影響が生じて位置制御から力制御への切り換えが遅くなるが、位置指令の微分値で位置制御処理部によって作成される速度指令を補正すれば、その影響を相殺することができるようになる。

本発明を鍛圧機械に適用して、前記被駆動体を鍛圧機械のダイクッションとしたときに、特に本発明は有効である。

本発明によれば、制御方式を切り換えるときにモータ動作指令が大きく変化することなく制御方式をスムーズに切り換えつつ、位置制御と圧力制御とを早いタイミングで切り換えることが可能となる。したがって、被駆動体への外力の付与が開始されるときに、被駆動体の挙動の不安定を回避しつつ、被駆動体がより早く所定の力を受けることができるようになり、急激な力の変化が加工に与える悪影響を減らすことができる。また、同様に、外力の付与が終了したときにも、被駆動体の挙動の不安定を回避しつつ、被駆動体がより早く所定の位置に復帰することができるようになり、次の加工の準備が迅速に完了するようになる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。全図面にわたって対応する構成要素には共通の参照符号が付されている。
図１は本発明のサーボモータの制御装置の基本構成を示しているブロック図、図２は図１の制御装置において指令補正手段を使用しないときの位置制御から力制御への切り換え時期を説明するためのグラフ、図３は図１の制御装置において指令補正手段を使用しないときの力制御から位置制御への切り換え時期を説明するためのグラフ、図４は図１の制御装置において力指令補正手段を使用したときの位置制御から力制御への切り換え時期を説明するためのグラフ、図５は位置制御から力制御へ切り換えた後に力指令補正手段により補正された力指令を元に戻す方式の例を示すグラフ、図６は力指令補正手段によるモータ力指令の補正方式の他の例を示すグラフ、図７は図１の制御装置において位置指令補正手段を使用したときの力制御から位置制御への切り換え時期を説明するためのグラフ、図８は図１の制御装置におけるサーボモータの制御方法のフローチャート、図９は本発明の制御装置の第１の実施形態を示しているブロック図であり、図１０は本発明の制御装置の第２の実施形態を示しているブロック図、図１１は本発明のサーボモータの制御装置が適用されたプレス機械のダイクッション機構の全体構成を簡略化して示した構成図である。

本発明のサーボモータ制御装置１０は、プレス機械、鍛造機械、パンチプレス機、ベンダー機等の鍛圧機械において使用されるダイクッション機構１２の駆動に用いられるサーボモータに適用するのに特に適している。ダイクッション機構１２は、鍛圧機械のスライド１４と型及びワーク（図示せず）を介して接触し、ワークに対してスライド１４に向かう所定の力を付与しつつワークをスライド１４との間に挟持するために使用される。図１１を参照すると、ダイクッション機構１２は、鍛圧機械のボルスタ（図示せず）内に組み込まれており、スライド１４の往復運動に従動する被駆動体としてのクッションパッド１６と、クッションパッド１６を駆動するサーボモータ１８と、サーボモータ１８を制御してクッションパッド１６に所定の力を作用させる制御装置１０とを備える。スライド１４は、例えばプレス加工に用いる第１の型（図示せず）を支持して、図示していないボルスタに支持した第２の型（図示せず）に対し所定の動作で接近離反し、第１の型と第２の型との間に挟まれたワークにプレス加工を施す。クッションパッド１６は、第２の型に関連して配置されており、サーボモータ１８の出力シャフトの回転をベルト／プーリ機構２０及びボールねじ機構２２を介して直線運動に変換することにより、昇降できるようになっている。スライド１４は、第１の型と第２の型とを閉じる方向に移動する際に、所定の位置に待機しているクッションパッド１６に直接的又は間接的に衝突する。その後は、型閉めを経て型開きに至るまで、クッションパッド１６は所要の力Ｆを受けながら、スライド１４に従動する。

一方、サーボモータ１８には、位置検出手段２４及び速度検出手段２６が取り付けられており、サーボモータ１８にベルト／プーリ機構２０及びボールねじ機構２２を介して接続されているクッションパッド１６の位置及び速度を検出できるようになっている。これら位置検出手段２４及び速度検出手段２６としては、一般に、エンコーダ等が使用される。また、クッションパッド１６には、力検出手段２８が取り付けられており、クッションパッド１６に作用する力（すなわち、クッションパッド１６がスライド１４に対して作用させる力の反作用力）を検出できるようになっている。このような力検出手段２８としては、一般に、圧力センサなどが使用される。さらに、スライド１４には、スライド位置検出手段３０及びスライド速度検出手段３２が取り付けられており、スライド１４の位置及び移動速度を検出できるようになっている。スライド位置検出手段３０及びスライド速度検出手段３２としては、一般に、リニアスケール等が使用される。

制御装置１０は、これら位置検出手段２４及び速度検出手段２６と力検出手段２８とスライド位置検出手段３０及びスライド速度検出手段３２とに接続されており、実際のクッションパッド１６の位置及び速度、実際にクッションパッド１６に作用する力、実際のスライド１４の位置及び速度のフィードバックを逐次受けるようになっている。

図１を参照すると、制御装置１０は、被駆動体としてのクッションパッド１６の位置を指令する位置指令を作成する位置指令作成手段３４と、位置指令作成手段３４と同時に、クッションパッド１６に作用させる力を指令する力指令を作成する力指令作成手段３６と、位置指令作成手段３４によって作成された位置指令を補正して補正位置指令を作成する位置指令補正手段３８と、力指令作成手段３６によって作成された力指令を補正して補正力指令を作成する力指令補正手段４０と、補正位置指令からモータ動作指令を作成する位置制御処理手段４２と、補正力指令からモータ動作指令を作成する力制御処理手段４４と、位置制御処理手段４２によって作成されたモータ動作指令と力制御処理手段４４によって作成されたモータ動作指令とを比較して何れのモータ動作指令を使用するかを選択する制御方式選択手段４６と、選択されたモータ動作指令に基づいてモータを制御するモータドライバー４８とを備える。これら制御装置の各手段は、それらの機能を実現できるプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭのようなメモリ、これらに記憶されているプログラム等によって構成される。

処理の際には、位置制御処理手段４２は、位置指令補正手段３８によって作成された補正位置指令から位置検出手段２４によって検出される実際のクッションパッドの位置（位置フィードバック）を減じて位置偏差を求め、求めた位置偏差に基づいてモータ動作指令を作成する。また、力制御処理手段４０は、力指令補正手段３６によって作成された補正力指令から力検出手段２８によって検出される実際にクッションパッド１６に作用する力（力フィードバック）を減じて力偏差を求め、求めた力偏差に基づいてモータ動作指令を作成する。制御方式選択手段４６は、位置制御処理手段４２によって作成されたモータ動作指令と力制御処理手段４４によって作成されたモータ動作指令とを比較し、二つのモータ動作指令の差が閾値Ｔより小さくなるまでは小さい方のモータ動作指令を選択し、差が閾値Ｔよりも小さくなると他方のモータ動作指令を選択する。そして、制御方式選択手段４６によってこれら二つのモータ動作指令のうちから選択されたものがモータドライバー４８に送られ、ここで、入力されたモータ動作指令（電流指令）とサーボモータ１８に流れる電流のフィードバックに基づいてサーボモータ１８への指令を作成し、インバータ等のサーボアンプを介してサーボモータ１８を制御する。なお、モータ動作指令としては、速度指令と、トルク指令とが用いられ得る。

このように、本発明の制御装置１０は、位置制御処理手段４２及び力制御処理手段４４に、それぞれ、位置指令作成手段３４によって作成された位置指令及び力指令作成手段３６によって作成された力指令に代えて、位置指令補正手段３８によって作成された補正位置指令及び力指令補正手段４０によって作成された補正力指令が引き渡される点において従来の制御装置と異なっている。なお、位置指令補正手段３８の機能を位置指令作成手段３４に、力指令補正手段４０の機能を力指令作成手段３６に組み込み、一体的に形成することも可能である。この場合、位置指令作成手段３４は予め定められた待機位置にクッションパッド１６を位置決めするための位置指令とは異なる位置指令を出力し、力指令作成手段３６は予め定められた力をクッションパッド１６に作用させるための力指令とは異なる力指令を出力する点において従来の位置指令作成手段及び力指令作成手段と異なることになる。

次に、図２〜図６を参照して、本発明の制御装置１０の位置指令補正手段３８及び力指令補正手段４０の機能について説明する。まず、位置指令補正手段３８及び力指令補正手段４０を使用しないときの位置制御から力制御への切り換え時期について説明する。なお、一般に、スライド１４とクッションパッド１６の衝突の前後において位置制御から力制御への切り換えが行われ、プレス加工の最中は力制御が行われ、スライド１４とクッションパッド１６とが離れる前後において力制御から位置制御への切り換えが行われる。

スライド１４が型及びワークを介してクッションパッド１６に衝突する前は、位置制御がなされており、クッションパッド１６にはこれを待機位置に支持するために必要な力しか作用していないので、図２（ａ）に示されているように、力検出手段２８によって検出されるクッションパッド１６に作用する力（力フィードバック）は、力指令作成手段３６によって作成された力指令に対し小さくなっている。また、クッションパッド１６は位置制御によって待機位置に位置決めされているので、図２（ｂ）に示されているように、位置指令作成手段３４によって作成された位置指令と位置検出手段２４によって検出されるクッションパッド１６の位置（位置フィードバック）とはほぼ一致している。

ところが、加工が開始され、スライド１４が型及びワークを介してクッションパッド１６に衝突すると、クッションパッド１６はスライド１４と共に移動して、待機位置からずれていくので、位置フィードバックは図２（ｂ）に示されているように徐々に減少し、位置偏差が増加していく。一方、位置制御がなされているので、クッションパッド１６を待機位置に維持しようとしてクッションパッド１６に作用する力は徐々に大きくなっていき、力フィードバックが力指令の値に近づいて力偏差は減少していく。この結果、図２（ｃ）に示されているように、位置制御処理手段４２によって作成されるモータ動作指令Ｃｐは衝突後に増加していく一方、力制御処理手段４４によって作成されるモータ動作指令Ｃｆは衝突後に減少していき、この二つのモータ動作指令曲線の交点Ｐｓにおいてモータ動作指令Ｃｐとモータ動作指令Ｃｆが等しくなり、制御方式選択手段４６において選択される制御方式が位置制御から圧力制御に切り換わる。なお、ここでは、説明を簡単にするために閾値Ｔを０として説明している。しかしながら、閾値Ｔは０に限定されないことはいうまでもない。

また、加工が行われている間は圧力制御がなされており、クッションパッド１６には力指令とほぼ等しい力が作用するので、図３（ａ）に示されているように、力指令と力フィードバックとはほぼ一致しており、スライド１４と剥離する直前から、力フィードバックが僅かに減少していき、力偏差は徐々に拡大していく。また、スライド１４が下死点から上昇に転じると、所定の圧力を維持しようとしてクッションパッド１６もスライド１４に従動して上昇に転じるので、図３（ｂ）に示されているように、位置フィードバックは上昇し、位置指令値に近づく。したがって、位置偏差は徐々に減少していく。この結果、図３（ｃ）に示されているように、位置制御処理手段４２によって作成されるモータ動作指令Ｃｐはスライド１４の下死点通過後に減少していく一方、力制御処理手段４４によって作成されるモータ動作指令Ｃｆはスライド１４と剥離前から増加していき、この二つのモータ動作指令曲線の交点Ｐｓにおいてモータ動作指令Ｃｐとモータ動作指令Ｃｆが等しくなり、制御方式選択手段４６において選択される制御方式が力制御から位置制御に切り換わる。なお、ここでも、説明を簡単にするために閾値Ｔを０として説明している。

これに対して、位置指令補正手段３８及び力指令補正手段４０は、図２及び図３に示されている場合と比較して位置制御と力制御との切り換え時期を早くするように、位置指令作成手段３４及び力指令作成手段３６によって作成された位置指令及び力指令に対して、例えば、以下のような補正を行う。

スライド１４とクッションパッド１６との衝突の前後において、力指令補正手段４０は、図４（ａ）に示されているように、補正力指令が力フィードバックの値よりも小さくならない範囲で力指令作成手段３６によって作成される力指令を小さい値となるように補正する。なお、ここでは、位置指令補正手段３８は、図４（ｂ）に示されているように、位置指令作成手段３４によって作成される位置指令に対して補正を行わないものとする。このように力指令を補正しても、衝突前には位置制御が行われており、位置指令には補正を行わないので、クッションパッド１６の待機位置に影響を与えることはない。力指令を減少させるように補正すると、結果的に力偏差が小さくなるので、力制御処理手段４４によって作成されるモータ動作指令は図４（ｃ）に示されているように減少し、位置制御処理手段４２によって作成されるモータ動作指令との差が小さくなる。したがって、スライド１４とクッションパッド１６との衝突後において、図２に示されている場合と比較して早く交点Ｐｓに到達することになり、制御方式選択手段４６による位置制御から圧力制御への切り換え時期が早められる。

このようにして位置制御から力制御に切り換えた後は、クッションパッド１６に予め定められた力が作用するようにするために、図４（ａ）に示されているように、力指令補正手段４０は補正力指令を元の力指令の値に復帰させる。復帰方法は迅速に補正力指令を力指令に復帰させることができれば任意の適した方法を採用することができる。例えば、指数関数型（図５（ａ）参照）、直線型（図５（ｂ）参照）、ベル型（図５（ｃ）参照）の形状の曲線に従って補正力指令を力指令に一致させるようにすることができる。

力指令補正手段４０は、力指令を衝突前から小さな値に補正している必要はなく、力フィードバックの変化などから衝突を検出した後に、例えば図６（ａ）に示されているように、力指令を補正して力制御処理手段４４に出力してもよい。この場合でも、図６（ｃ）に示されているように、図２に示されている場合と比較して位置制御から圧力制御への切り換え時期が早まる。

図７には、位置指令補正手段３８による補正の例が示されている。この例では、図７（ａ）に示されているように、力指令補正手段４０は、力指令作成手段３６によって作成される力指令に対して補正を行わないものとしている。位置指令補正手段３８は、スライド位置検出器３０の出力などによってスライド１４がクッションパッド１６に衝突することを直前に検知して、図７（ｂ）に示されているように、位置指令作成手段３４によって作成された位置指令を漸次的に増加するように補正する。衝突前には、位置制御がなされているので、位置指令補正手段３８によって作成されたこのような補正位置指令に基づいて位置制御処理手段４２がモータ動作指令を作成する結果、クッションパッド１６は待機位置から僅かに上昇することになるが、その後すぐにスライド１４と衝突することになるので、位置指令の変化による大きな影響はない。一方、このように補正位置指令が位置指令と比較して大きくなる結果、補正位置指令と位置フィードバックとから求める位置偏差が図２に示されている場合よりも高い割合で大きくなるので、位置制御処理手段４２によって作成されるモータ動作指令は図７（ｃ）に示されているように急な角度で増加し、力制御処理手段４４によって作成されるモータ動作指令との差が図２に示されている場合と比較して急激に小さくなる。したがって、スライド１４とクッションパッド１６との衝突後において、図２に示されている場合と比較して早く交点Ｐｓに到達することになり、制御方式選択手段４６による位置制御から圧力制御への切り換え時期を早めることができる。

ここまで、スライド１４とクッションパッド１６との衝突後における位置制御から力制御への切り換え時期を早めるために位置指令補正手段３８及び力指令補正手段４０によって行われる補正について説明したが、スライド１４とクッションパッド１６とが離れる際の力制御から位置制御への切り換え時期を早める場合にも、位置指令補正手段３８及び力指令補正手段４０によって位置指令及び力指令に対して同様の補正がなされる。この場合、例えば、位置指令補正手段３８が位置指令を減少させるように小さな値に補正することによって補正位置指令を作成したり、力指令補正手段４０が力指令を増加させるように大きな値に補正することによって補正力指令を作成すればよい。

次に、図８を参照して、力指令補正手段４０が図４に示されているような補正を行う場合を例にして、図１の制御装置によって行われるサーボモータ１８の制御動作について説明する。最初に制御方式選択手段４６によって位置制御と力制御の何れの制御方式が選択されているかを判断する（ステップＳ１００）。例えば、スライド１４がクッションパッド１６に衝突する前には、位置制御がなされており、この場合、ステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では、位置制御処理手段４２が、位置指令補正手段３８によって作成された補正位置指令と位置検出手段２４により検出されたクッションパッド１６の現在の位置（位置フィードバック）とからモータ動作指令Ｃｐを作成すると同時に、力制御処理手段４４が、力指令補正手段４０によって作成された補正力指令と力検出手段２８により検出されたクッションパッド１６に作用する力（力フィードバック）とからモータ動作指令Ｃｆを作成する。なお、本例では、力指令補正手段４０のみが力指令を小さな値にするように力指令に対して補正を行って補正力指令を作成し、位置指令補正手段３８は位置指令に対して補正を行わず、位置指令をそのまま位置制御処理手段４２に引き渡すものとする。

次に、制御方式選択手段４６において、二つのモータ動作指令ＣｐとＣｆとを比較し、補正力指令に基づくモータ動作指令Ｃｆから補正位置指令に基づくモータ動作指令Ｃｐを引いた値が閾値Ｔよりも大きいか否かが判断される（ステップＳ１０４）。図４から分かるように、衝突直後には、力制御処理手段４４によって作成されたモータ動作指令Ｃｆが位置制御処理手段４２によって作成されたモータ動作指令Ｃｐよりも大きいので、このとき、制御方式選択手段４６は位置制御処理手段４２によって作成されたモータ動作指令を選択する。すなわち、位置制御が選択される（ステップＳ１０６）。ところが、その後、クッションパッド１６の下降に伴って力偏差が減少すると共に位置偏差が増加するので、モータ動作指令Ｃｆが減少し、モータ動作指令Ｃｐは増加する。こうして、モータ動作指令Ｃｆとモータ動作指令Ｃｐとの差が閾値Ｔよりも小さくなると、制御方式選択手段４６は力制御処理手段４４によって作成されたモータ動作指令Ｃｆを選択する。すなわち、力制御が選択される（ステップＳ１０８）。

なお、閾値Ｔは、位置制御から力制御に切り換わるときにモータ動作指令Ｃｆとモータ動作指令Ｃｐの値の差に起因して、クッションパッド１６に作用する力、すなわちワークに作用する力が大きく変動しない程度の値となるように定められている。一方、閾値Ｔの存在は、位置制御から力制御への切り換え時期を早める効果を奏する。したがって、閾値Ｔはワークに作用する力が大きく変動させないという上記の要件を満たす限りにおいて最も大きな値に設定されることが好ましい。しかしながら、閾値Ｔが０に設定されていても、力指令補正手段４０による力指令の補正により位置制御から力制御への切り換え時期は従来と比較して早められていることに留意されたい。

一方、加工が終了して、スライド１４がクッションパッド１６から離れる前には、力制御がなされており、この場合、ステップＳ１００からステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０では、位置制御処理手段４２が補正位置指令とクッションパッド１６の位置フィードバックとからモータ動作指令Ｃｐ′を作成すると同時に、力制御処理手段４４が補正力指令とクッションパッド１６の力フィードバックとからモータ動作指令Ｃｆ′を作成する。なお、この例では、制御方式選択手段４６が位置制御を選択しているときとは異なり、位置指令補正手段３８のみが位置指令を小さな値にするように位置指令に対して補正を行って補正位置指令を作成し、力指令補正手段４０は力指令に対して補正を行わず、力指令をそのまま力制御処理手段４４に引き渡すものとする。

次に、制御方式選択手段４６において、二つのモータ動作指令Ｃｐ′とＣｆ′とを比較し、補正力指令に基づくモータ動作指令Ｃｆ′が補正位置指令に基づくモータ動作指令Ｃｐ′よりも大きいか否かが判断される（ステップＳ１１２）。図３からも分かるように、スライド１４がクッションパッド１６から離れる前には、力制御処理手段４４によって作成されたモータ動作指令Ｃｆ′が位置制御処理手段４２によって作成されたモータ動作指令Ｃｐ′よりも小さく、このとき、制御方式選択手段４６は力制御処理手段４２によって作成されたモータ動作指令を選択する。すなわち、力制御が選択される（ステップＳ１１６）。その後、クッションパッド１６の上昇に伴って位置偏差が減少し、剥離前から力偏差が増大するので、剥離前付近では、モータ動作指令Ｃｆ′が増加すると共にモータ動作指令Ｃｐ′が減少する。そして、モータ動作指令Ｃｆ′がモータ動作指令Ｃｐ′よりも大きくなると、制御方式選択手段４６は位置制御処理手段４２によって作成されたモータ動作指令Ｃｐ′を選択する。すなわち、位置制御が選択される（ステップＳ１１４）。

このように、位置制御から力制御への切り換え時と力制御から位置制御への切り換え時とにおいて位置指令補正手段３８及び力指令補正手段４０が位置指令及び力指令に施す補正量（加減の差を含む）を変えることにより、位置制御から力制御への切り換え時期及び力制御から位置制御への切り換え時期の両方を早めることを可能とさせている。これは、位置制御から力制御への切り換え時と力制御から位置制御への切り換え時の両方で位置指令のみを補正する場合も同じである。例えば、上述したように位置制御から力制御への切り換え時には位置指令にプラスの補正量を加えて大きな値に補正することにより切り換え時期を早めるのに対して、力制御から位置制御への切り換え時には位置指令にマイナスの補正量を加えて小さな値に補正することにより切り換え時期を早める。

図１に示されている制御装置１０では、位置制御処理手段４２と力制御処理手段４４によって、モータ動作指令として、速度指令が作成される場合と、トルク指令が作成される場合とがある。そこで、以下に、図９及び図１０を参照して、それぞれの場合の具体的構成について説明する。なお、図９及び図１０において、図１と対応する構成要素に対しては同じ参照符号を付している。

図９は位置制御処理手段４２及び力制御処理手段４４によってモータ動作指令として速度指令が作成される実施形態を示している。この実施形態において、位置指令作成手段３４、力指令作成手段３６、位置指令補正手段３８、モータドライバー４８は図１のものと同様の配置及び機能であるので、ここでは詳しく説明しない。位置制御処理手段４２は、位置指令補正手段３８によって作成された補正位置指令から位置検出手段２４によって検出されフィードバックされてくる実際のクッションパッドの位置（位置フィードバック）を減じて位置偏差を求め、求めた位置偏差に増幅器４２ａでポジションゲインＫｐを乗じて位置制御のための速度指令Ｖｃｐを作成する。一方、力制御処理手段４４は、力指令補正手段４０によって作成された補正力指令から力検出手段２８によって検出されフィードバックされてくる実際のクッションパッドに作用する力を減じて力偏差を求め、求めた力偏差に増幅器４４ａでフォースゲインＫｐを乗じて圧力制御のための速度指令Ｖｃｆを作成する。

このようにして求められた位置制御のための速度指令Ｖｃｐ及び力制御のための速度指令Ｖｃｆは、制御方式選択手段４６としての機能を果たす比較器４６′に送られ、上述した基準で二つの速度指令Ｖｃｐ及びＶｃｆの何れか一方を選択することにより位置制御と力制御とを選択する。そして、選択された速度指令Ｖｃが速度補償器５０に送られる。速度補償器５０では、速度指令Ｖｃから速度検出手段２６によって検出されフィードバックされてくるクッションパッドの実際の速度（速度フィードバック）を減じて速度偏差を求め、さらに、比例項５０ｂで速度偏差に比例ゲインを乗じると共に積分項５０ａで速度偏差を積算した値に積分ゲインを乗じ、比例項５０ｂからの出力と積分項５０ａからの出力を加算してトルク指令を求める。このようにして求められたトルク指令がモータドライバーに入力される。

ところで、ダイクッション機構１２では、スライド１４がクッションパッド１６に衝突する際の衝撃を軽減するために、スライド位置検出手段３０の出力などによってスライド１４の接近を検知し、衝突の直前にクッションパッド１６に予備加速（すなわち、助走動作）を行わせるように構成される場合がある。このような場合には、位置指令作成手段３４によって作成される位置指令は漸次小さくなっていくことから位置偏差の減少を小さくする作用を及ぼすので、位置制御処理手段４２によって作成される速度指令Ｖｃｐを小さくさせ、位置制御から力制御への切り換え時期を遅らせる原因となる。そこで、クッションパッド１６に上記の予備加速を行わせるときには、この位置指令の速度成分の影響を相殺するために、位置指令の微分値４２ｂを求め、増幅器４２ａからの出力から微分項４２ｂからの出力を減算したものを位置制御処理手段４２から出力される速度指令とすることが好ましい。

図１０は位置制御処理手段４２及び力制御処理手段４４によってモータ動作指令としてトルク指令が作成される実施形態を示している。この実施形態において、位置指令作成手段３４、力指令作成手段３６、位置指令補正手段３８、モータドライバー４８は図１のものと同様の配置及び機能であるので、ここでは詳しく説明しない。位置制御処理手段４２は、位置指令補正手段３８によって作成された補正位置指令から位置検出手段２４によって検出される位置フィードバックの値を減じて位置偏差を求め、求めた位置偏差に増幅器４２ａでポジションゲインＫｐを乗じて速度指令Ｖｃｐを作成する。この速度指令Ｖｃｐから、速度検出手段２６からの速度フィードバックの値を減じて速度偏差を求め、求めた速度偏差に基づいて速度補償器４２ｃで比例積分等の処理をして位置制御のためのトルク指令Ｔｃｐを作成する。一方、力制御処理手段４４は、力指令補正手段４０によって作成された補正力指令から力検出手段２８によって検出される力フィードバックの値を減じて力偏差を求め、求めた力偏差に増幅器４４ａでフォースゲインＫｐを乗じて速度指令Ｖｃｆを作成する。この速度指令Ｖｃｆから、速度検出手段２６からの速度フィードバックの値を減じて速度偏差を求め、求めた速度偏差に基づいて速度補償器４４ｂで比例積分等の処理をして力制御のためのトルク指令Ｔｃｆを作成する。

このようにして求められた位置制御のためのトルク指令Ｔｃｐ及び力制御のためのトルク指令Ｔｃｆは、制御方式選択手段４６としての機能を果たす比較器４６′に送られ、上述した基準で二つのトルク指令Ｔｃｐ及びＴｃｆの何れか一方を選択することにより位置制御と力制御とを選択する。そして、選択されたトルク指令Ｔｃがモータドライバー４８に入力される。

以上、図面を参照して本発明のサーボモータの制御装置を説明したが、本発明のサーボモータの制御装置は、図示される実施形態に限定されるものではない。例えば、図示される実施形態では、位置指令又は力指令の一方のみが位置指令補正手段３８又は力指令補正手段４０によって補正されるものとして説明されているが、両方を同時に補正することも可能である。

本発明のサーボモータの制御装置の基本構成を示しているブロック図である。図１の制御装置において指令補正手段を使用しないときの位置制御から力制御への切り換え時期を説明するためのグラフである。図１の制御装置において指令補正手段を使用しないときの力制御から位置制御への切り換え時期を説明するためのグラフである。図１の制御装置において力指令補正手段を使用したときの位置制御から力制御への切り換え時期を説明するためのグラフである。位置制御から力制御へ切り換えた後に力指令補正手段により補正された力指令を元に戻す方式の例を示すグラフである。力指令補正手段による力指令の補正方式の他の例を示すグラフである。図７は図１の制御装置において位置指令補正手段を使用したときの力制御から位置制御への切り換え時期を説明するためのグラフである。図１の制御装置におけるサーボモータの制御方法のフローチャートである。本発明の制御装置の第１の実施形態を示しているブロック図であり、図１の制御装置において位置制御処理手段及び力制御処理手段が速度指令を作成する場合の具体的な構成を示している。本発明の制御装置の第２の実施形態を示しているブロック図であり、図１の制御装置において位置制御処理手段及び力制御処理手段がトルク指令を作成する場合の具体的な構成を示している。は本発明のサーボモータの制御装置が適用された鍛圧機械の全体構成を簡略化して示した構成図である。

符号の説明

１０制御装置
１２ダイクッション機構
１６クッションパッド
１８サーボモータ
２４位置検出手段
２６速度検出手段
２８力検出手段
３４位置指令作成手段
３６力指令作成手段
３８位置指令補正手段
４０力指令補正手段
４２位置制御処理手段
４４力制御処理手段
４６制御方式選択手段

Claims

サーボモータによって駆動される被駆動体が外部より受ける力を検出する力検出手段と、前記被駆動体の位置を指令する位置指令を作成する位置指令作成手段と、前記被駆動体の位置を検出する位置検出手段と、前記被駆動体の受けるべき力を指令する力指令を作成する力指令作成手段と、前記位置指令作成手段によって作成された位置指令と前記位置検出手段によって検出された位置とから求めた位置偏差に基づいてモータ動作指令を作成する位置制御処理手段と、前記力指令作成手段によって作成された力指令と前記力検出手段によって検出された力とから求めた力偏差に基づいてモータ動作指令を作成する力制御処理手段と、前記位置制御処理手段によって作成されたモータ動作指令と前記力制御処理手段によって作成されたモータ動作指令とを比較することにより、前記位置制御処理手段のモータ動作指令に従って前記サーボモータの動作を制御する位置制御と前記力制御処理手段のモータ動作指令に従って前記サーボモータの動作を制御する力制御とを選択的に切り換える制御方式選択手段と備え、前記被駆動体に外部より力を加えたときに、前記被駆動体が予め定められた力を受けるようにサーボモータの動作を制御するサーボモータの制御装置において、
前記制御方式選択手段が位置制御から力制御へ切り換えるタイミングを早めるために、前記力指令作成手段によって作成された力指令又は前記位置指令作成手段によって作成された位置指令を補正して、前記力制御処理手段又は前記位置制御処理手段に送る指令補正手段をさらに備え、前記制御方式選択手段が位置制御を選択しているときに、前記指令補正手段は、前記力指令作成手段によって作成された力指令を小さな値に補正することを特徴とするサーボモータの制御装置。
前記制御方式選択手段が位置制御から力制御に切り換えた後、前記指令補正手段は補正された前記力指令を元の値に戻す、請求項１に記載のサーボモータの制御装置。
前記指令補正手段は、指数関数型、直線型又はベル型の形状の曲線に従って前記力指令を元の値に戻す、請求項２に記載のサーボモータの制御装置。
サーボモータによって駆動される被駆動体が外部より受ける力を検出する力検出手段と、前記被駆動体の位置を指令する位置指令を作成する位置指令作成手段と、前記被駆動体の位置を検出する位置検出手段と、前記被駆動体の受けるべき力を指令する力指令を作成する力指令作成手段と、前記位置指令作成手段によって作成された位置指令と前記位置検出手段によって検出された位置とから求めた位置偏差に基づいてモータ動作指令を作成する位置制御処理手段と、前記力指令作成手段によって作成された力指令と前記力検出手段によって検出された力とから求めた力偏差に基づいてモータ動作指令を作成する力制御処理手段と、前記位置制御処理手段によって作成されたモータ動作指令と前記力制御処理手段によって作成されたモータ動作指令とを比較することにより、前記位置制御処理手段のモータ動作指令に従って前記サーボモータの動作を制御する位置制御と前記力制御処理手段のモータ動作指令に従って前記サーボモータの動作を制御する力制御とを選択的に切り換える制御方式選択手段と備え、前記被駆動体に外部より力を加えたときに、前記被駆動体が予め定められた力を受けるようにサーボモータの動作を制御するサーボモータの制御装置において、
前記制御方式選択手段が位置制御から力制御へ切り換えるタイミングを早めるために、前記力指令作成手段によって作成された力指令又は前記位置指令作成手段によって作成された位置指令を補正して、前記力制御処理手段又は前記位置制御処理手段に送る指令補正手段をさらに備え、前記制御方式選択手段が位置制御を選択しているときに、前記指令補正手段は、位置指令作成手段によって作成された位置指令を大きな値に補正することを特徴とするサーボモータの制御装置。
前記被駆動体が鍛圧機械のダイクッションである、請求項１から請求項４の何れか一項に記載のサーボモータの制御装置。