小型サーボプレスの安全設計に関する考察

サーボプレスシステムの安全性を理解する

サーボプレスシステムの安全性は、正確な制御と堅実な機械設計の両方にかかっています。旧式のプレス機とは異なり、サーボ駆動モデルはデジタルモーションプログラムによって動きます。

サーボプレスは従来のプレスと何が違うのか？

サーボプレスは、油圧や空圧システムの代わりに電気モーターを使用します。このセットアップにより、油漏れや空気圧損失のリスクがなくなります。しかし、すべての動作がソフトウェア命令に依存するという新たな懸念が生じます。各ストローク、速度、力はプログラムされた指示に従います。

このデジタル・コントロールは優れた精度を提供する。しかし、些細なプログラムミスが安全でない動きにつながることがあります。これを避けるため、サーボプレスはエンコーダ、トルクセンサ、位置モニタからの常時フィードバックに依存しています。これらのセンサーは、各サイクルでRAMが期待通りに正確に動くかどうかをチェックします。

安全性はフィードバックの精度に大きく依存します。高分解能エンコーダー（20ビット以上）は、0.001mmという小さな位置変化を検出することができます。システムが異常な動きを発見すると、即座に動きを止めることができます。

⚙️ 例 スマートフォンのコネクタ組立に使用される5kNのサーボプレスでは、トルクリミットが過負荷を検知してから8ミリ秒以内にラムを停止させることができる。これにより、金型と部品の両方の損傷を防ぐことができます。

コンパクトプレスシステムに共通する安全性の課題

小型サーボプレスは通常、オペレーターの近くに設置されるか、テストセットアップに組み込まれます。特に、ガードやカバーを設置するスペースが限られている場合には、その小ささが特別な安全上の課題となります。

ピンチ・ポイントは最も頻繁に起こる危険である。わずかなスライドギャップと短いストロークは、手や工具が危険な場所に届きやすい。透明なシールド、ライトカーテン、または両手で操作する方法が事故を防ぐのに役立ちます。

過負荷は、部品の位置がずれたり、締め付けすぎたりして、部品が正しくはまらない場合に発生します。サーボプレスは通常、定格容量の110～120%程度に設定されたトルク制限でこれを管理します。リミットに達した場合、動作は停止し、システムはチェックのためにイベントを記録します。

エンコーダのドリフトや同期損失などのモーションエラーは、振動や電気ノイズが原因で発生することがあります。エンジニアは、正確な読み取りを保証するために、バックアップセンサーを追加したり、リファレンスチェックを行ったりすることがよくあります。

機械的安全設計

機械的な安全性はサーボプレスの信頼性の基礎です。構造のあらゆる部分が、繰り返される応力に対応し、振動を制御し、変形を防止できなければなりません。

フレームの強度と安定性

プレスフレームは安全性の核である。サーボモーターが発生させる力をすべて支えます。フレームが曲がったりずれたりすると、精度が落ち、安全上のリスクが高まる。

小型サーボプレス 通常、1～30 kNの間で作業します。全荷重で0.1mmのたわみでも、ツールのアライメントを変え、部品を損傷する可能性がある。これを防ぐため、エンジニアは、高強度鋼、精密機械加工されたガイドウェイ、補強された溶接継ぎ目を利用して、次のような作業を行います。 フレーム.

有限要素解析（FEA）は、フレームがどのように応力を処理するかをシミュレートするのに役立ちます。設計者は、応力レベルを降伏強度の60%以下に抑えることを目標としています。

⚙️ 例 Cフレーム設計の10 kN卓上プレスは、100万回の連続サイクル後も±0.005 mmの成形精度を維持した。これは、剛性が精度と安全性の両方を直接的に支えていることを示しています。

過負荷保護システム

過負荷保護は、プレスに内蔵された安全弁のような働きをします。最新のサーボプレスは、リアルタイムトルク制御、電流制限、時には機械的なクラッチを使用し、ダメージが発生する前に動きを止めます。

抵抗がプリセットトルク（通常は定格容量の110～120%）を超えると、システムは直ちに停止し、ラムを後退させます。これにより、金型とプレス本体の両方が保護されます。

トルクが制限値を超えると自動的に切り離される機械式クラッチを組み込んだシステムもある。この機能は、一分一秒を争う高速運転に役立つ。

⚙️ 例 コネクタ組立のセットアップにおいて、過負荷トリップがわずか6msで3kNのプレスを停止させました。この迅速な停止により、工具の破損が防止され、ダウンタイムが10分未満に抑えられました。

ガードと囲い

物理的なガードは防御の第一線である。高い視認性を維持しながら、可動部分からオペレーターを切り離します。

コンパクトなサーボプレスでは、透明なポリカーボネート製のガードを使用することが多い。これらは耐衝撃性があり、オペレーターは作業スペースをはっきりと見ることができます。パネルとドアには安全インターロックが装備されており、ガードが開くとモーターへの電力が即座に遮断されます。

ライトカーテンとエリアスキャナーは、さらなる保護レイヤーを提供する。手や物体がビームを破損した場合、プレスは10～20ミリ秒以内に停止します。これらのシステムは、手作業による搬入・搬出が頻繁に必要な作業で最も効果的です。

⚙️ 例 金型表面から300mm離れた場所に設置されたライトカーテンは、ラムが4mm以上動く前に5kNのプレスを停止させる。

電気および制御システムの安全性

フレームとメカニックの安全が確保されたら、次の防衛ラインは電気と制御システムだ。これらのシステムは、不要な動きを防止し、故障をリアルタイムで検出し、メンテナンスや緊急時に安全に電力を遮断します。

緊急停止と安全トルクオフ（STO）

非常停止(E-stop)は、サーボプレスの最も直接的な安全機能です。押されると、モーター信号を遮断し、ラムを即座に停止させます。ほとんどのプレスは10ミリ秒以下で反応し、それ以上動く時間を残しません。

セーフ・トルク・オフ(STO)機能は、制御のレベルをもう一段階高めます。STOはすべての電力をカットする代わりに、モーターのトルク生成能力を除去しますが、ロジック電源はオンのままです。これにより、問題が修正された後、システムの迅速な回復を可能にしながら、計画外の動きを防止します。

⚙️ 例 PCB組立に使用される2 kNのサーボプレスにおいて、STOは位置データを保持したままトルク出力を瞬時に停止しました。メンテナンススタッフはジャムを解消し、完全に再起動することなく生産を再開しました。

冗長回路設計

サーボプレスは、Eストップ、インターロック、ライトカーテンを含むすべてのキーシグナルにデュアルチャンネル安全回路を利用しています。各チャンネルは独立して動作し、動作開始前に両方の安全状態を確認する必要があります。

片方のチャンネルが故障した場合、システムは即座に不一致を検出し、印刷を停止します。セーフティリレーが両方のチャンネルを監視し、タイミングと接点が正しく機能していることを確認します。

配線はフェイルセーフの原則に従っており、断線やコネクタの緩みで自動的にシステムが「安全でない」状態になる。この設計により、事故を引き起こす可能性のあるシングルポイント故障が回避される。

⚙️ 例 デュアルチャンネルリレーを備えた10 kNのプレスで、片側で25 msの遅延が検出されました。PLCは問題を即座に特定し、障害が解決されるまで再起動をブロックしました。

電源絶縁とロックアウト機構

安全なメンテナンスは、完全な電源遮断にかかっている。各印刷機には、制御電圧やサーボドライブの電力を含め、入力されるすべての電力を遮断する主切断スイッチが必要です。

整備中は、ロックアウト／タグアウト（LOTO）手順により、誰も誤って電力を回復できないようにします。各技術者はスイッチをロックし、自分の名前が書かれたタグを付けます。すべてのロックが外されて初めて電源が復帰します。

コンデンサーの残留電荷は、依然として危険をもたらす可能性がある。最近の印刷機は、シャットダウン後30～60秒以内に蓄積されたエネルギーを放電するためにブリーダー回路を使用しています。

⚙️ 例 工具を調整する技術者は、メインブレーカーを遮断し、LOTOを適用し、ガードゾーンに入る前に「コンデンサ放電完了」のランプを待つ。