JP2007030455A - シート成形装置およびロール間隙制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロール間隙を所定値に保つロール間隙制御において、ロール間隙制御を安定性よく行い、押付荷重の変動を抑えて良質のシート製品を得ること。
【解決手段】ロール間隙の制御偏差ΔＧを押付荷重の制御目標値Ｆ＊に変換し、第１ロール１１に作用する押付荷重が制御目標値Ｆ＊になるようにロール間隙を調整するカスケード制御を行う。
【選択図】図２

Description

この発明は、シート成形装置およびロール間隙制御方法に関し、特に、二つのロール間にシートを通し、当該二つのロールにシートの表裏面が接触する状態でシート成形を行うタッチロールによるシート成形装置およびそのシート成形装置のロール間隙制御方法に関するものである。

押出成形法によるシート成形装置として、間隙をおいて並列に配置された二つのロールを有し、回転駆動されている二つのロール間にシート（Ｔダイよりの溶融樹脂）を通し、当該二つのロールにシートの表裏面が接触する状態でシート成形を行うものがある（例えば、特許文献１、２）。

従来のシート成形装置では、二つのロールの各々のロール支持ハウジング（軸受けハウジング）間に、くさび部材を入れ、一方のロール支持ハウジングを油圧シリンダ装置によって他方のロール支持ハウジングに押し付け、二つのロール支持ハウジング間に対するくさび部材の入れ量によってロール間隙を調整している。

このシート成形装置では、二つのロール支持ハウジング間にくさび部材が挟み込まれているため、二つのロール間で成形しているシートに実際にどれだけの力（荷重）が作用しているかを定量的に計測することができず、ロール間隙を一定にすることしかできない。

サーボ制御系を用いてロール間隙を所定値に保つロール間隙制御を行う場合、その制御下において、ロール位置を所定位置に保持するために、ロール間隙が繰り返し僅かに変動することは制御上、避けられない。

このことに対し、成形中のバンク部の溶融樹脂は、冷却されて温度低下を生じているから、粘性が高く、ロール間隙の僅かな変動によってもロールに作用する押付荷重が大きく変動する。このため、ロール間隙の変動周波数が高いと、ロールに作用する押付荷重の変動も大きくなり、この押付荷重の変動によって、シート表面に欠陥が生じたり、成形したシートの内部残留応力が大きく変動し、良質のシート製品を得ることができない。
特開平９−１５５９４８号公報 特開平１０−３４７４８号公報

この発明が解決しようとする課題は、ロール間隙を所定値に保つロール間隙制御において、ロール間隙制御を安定性よく行い、押付荷重の変動を抑えて良質のシート製品を得ることである。

この発明によるシート成形装置は、間隙をおいて並列に配置された二つのロールを有し、回転駆動されている前記二つのロール間にシートを通し、当該二つのロールにシートの表裏面が接触する状態でシート成形を行うシート成形装置において、前記二つのロールのうちの少なくとも一方のロールの配置位置を変位させてロール間隙を増減するロール間隙調整手段と、前記二つのロールの間隙が所定の制御目標値になるように前記ロールに作用する押付荷重の制御目標値を設定し、前記ロールに作用する押付荷重が前記制御目標値になるように前記ロール間隙調整手段によってロール間隙を調整するロール間隙制御手段とを有する。

この発明によるシート成形装置は、間隙をおいて並列に配置された二つのロールを有し、回転駆動されている前記二つのロール間にシートを通し、当該二つのロールにシートの表裏面が接触する状態でシート成形を行うシート成形装置において、前記二つのロールのうちの少なくとも一方のロールの配置位置を変位させてロール間隙を増減するロール間隙調整手段と、前記二つのロールの間隙を計測するロール間隙計測手段と、前記ロールに作用する押付荷重を計測する押付荷重計測手段と、前記ロール間隙計測手段によって計測されるロール間隙と所定の制御目標値との偏差に基づいて前記ロールに作用する押付荷重の制御目標値を設定し、押付荷重計測手段によって計測される押付荷重と設定された前記押付荷重の制御目標値との偏差が零になるように前記ロール間隙調整手段によってロール間隙を調整するロール間隙制御手段とを有する。

この発明によるシート成形装置は、好ましくは、前記ロール間隙制御手段は、前記ロールの回転位置に応じて前記押付荷重の制御目標値を補正し、ロール偏心補償を行う。

この発明によるシート成形装置のロール間隙制御方法は、間隙をおいて並列に配置された二つのロールを有し、回転駆動されている前記二つのロール間にシートを通し、当該二つのロールにシートの表裏面が接触する状態でシート成形を行うシート成形装置のロール間隙制御方法において、前記二つのロールの間隙が所定の制御目標値になるように前記ロールに作用する押付荷重の制御目標値を設定し、前記ロールに作用する押付荷重が前記制御目標値になるようにロール間隙を制御する。

この発明によるシート成形装置は、二つのロールの間隙が所定の制御目標値になるようにロールに作用する押付荷重の制御目標値を設定し、ロールに作用する押付荷重が設定された制御目標値になるようにロール間隙を調整するカスケード制御を行う。

ロール間隙を計測するロール間隙計測手段（変位計）の測定分解能は、一般的には、１μｍ程度であり、実際には、ロール間隙は数Ｈｚの周波数で±２μｍ程度、変動する。ロール間隙が数Ｈｚの周波数で±２μｍ程度、変動すると、ロールに作用する押付荷重は数パーセント変動する。

このことにより、ロール間隙一定制御において、位置計測だけによるロール間隙のフィードバック制御より、押付荷重を計測してカスケード式のフィードバック制御を行うほうが、分解能がよくなるから、ロール間隙制御の安定性が向上する。

この発明によるシート成形装置の一つの実施形態を、図１を参照して説明する。

シート成形装置は、固定基台１０上に第１ロール１１と第２ロール１２を有する。第１ロール１１と第２ロール１２は互いに並列（平行）に配置されている。

第１ロール１１は、左右の軸端部１５Ｒ、１５Ｌを左右の軸受ハウジング１６Ｒ、１６Ｌより回転可能に支持され、自身の中心軸線周りに回転可能になっている。軸受ハウジング１６Ｒ、１６Ｌは、固定基台１０上に設けられた左右のリニアガイド１７Ｒ、１７Ｌに変位可能に係合している。これにより、第１ロール１１は第２ロール１２に対してロール間隙を増減する方向Ａに変位可能になっている。つまり、第１ロール１１の配置位置が第２ロール１２とのロール間隙を増減する方向Ａに変位（変更）可能になっている。

第２ロール１２は、左右の軸端部２３Ｒ、２３Ｌを、固定基台１０に固定装着された左右の軸受ハウジング２４Ｒ、２４Ｌより回転可能に支持され、自身の中心軸線周りに回転可能になっている。

固定基台１０上には取付部材３１、連結筒体３２Ｒ、３２Ｌによって左右の油圧シリンダ装置３３Ｒ、３３Ｌが取り付けられている。油圧シリンダ装置３３Ｒ、３３Ｌのピストンロッド３４Ｒ、３４Ｌは、各々先端にて軸受ハウジング１６Ｒ、１６Ｌに固定連結されている。油圧シリンダ装置３３Ｒ、３３Ｌは、各々ピストン７１の両側にシリンダ室７２、７３を有する複動型のものである。

これにより、油圧シリンダ装置３３Ｒ、３３Ｌが第１ロール１１の配置位置を変位させてロール間隙を増減するロール間隙調整手段をなし、油圧シリンダ装置３３Ｒ、３３Ｌの油圧動作によって左右の軸受ハウジング１６Ｒ、１６Ｌが個別にロール間隙増減方向Ａに変位する。

油圧シリンダ装置３３Ｒ、３３Ｌのシリンダ室７２、７３に対する油圧の給排は、サーボモータ７５Ｒ、７５Ｌによって駆動される双方向ポンプ７４Ｒ、７４Ｌによって行われる。

油圧シリンダ装置３３Ｒ、３３Ｌは、変位計（位置センサ）４１Ｒ、４１Ｌを内蔵している。変位計４１Ｒ、４１Ｌは、油圧シリンダ装置３３Ｒ、３３Ｌのピストン位置を計測するのであり、第１ロール１１の位置計測、ついては、第１ロール１１と固定配置の第２ロール１２とのロール間隙を計測するロール間隙計測手段として機能する。

固定基台１０には、左右の軸受ハウジング１６Ｒ、１６Ｌの位置を検出する変位計（リニアスケール）４２Ｒ、４２Ｌが取り付けられている。変位計４２Ｒ、４２も、軸受ハウジング１６Ｒ、１６Ｌの位置計測によって第１ロール１１と固定配置の第２ロール１２とのロール間隙を計測するロール間隙計測手段として機能する。

ロール間隙計測手段は、油圧シリンダ内蔵の変位計４１Ｒ、４１Ｌか、軸受部の変位計４２Ｒ、４２Ｌの何れか一方が設けられればよい。油圧シリンダ内蔵の変位計４１Ｒ、４１Ｌが用いられる場合には、既存の変位計内蔵型の油圧シリンダ装置を用い、部品点数の削減を図ることができる。これに対し、軸受部の変位計４２Ｒ、４２Ｌが用いられる場合には、ピストンロッド３４Ｒ、３４Ｌやピストンロッド３４Ｒ、３４Ｌの軸受ハウジング１６Ｒ、１６Ｌとの締結部の変形の影響を受けることなく、ロール間隙の計測を高精度に行うことができる。これらのことは、要求スペックに応じて選定されればよい。

連結筒体３２Ｒ、３２Ｌにはロードセル４３Ｒ、４３Ｌが取り付けられている。ロードセル４３Ｒ、４３Ｌは、押付荷重計測手段であり、連結筒体３２Ｒ、３２Ｌに作用する荷重を、第１ロール１１に作用する押付荷重と等価の荷重して計測する。なお、ロードセル４３Ｒ、４３Ｌは、ピストンロッド３４Ｒ、３４Ｌの先端の軸受ハウジング１６Ｒ、１６Ｌとの連結部に設けられてもよい（図４参照）。また、押付荷重計測手段は、ロードセル４３Ｒ、４３Ｌに代えて、油圧シリンダ装置３３Ｒ、３３Ｌの供給油圧を計測する圧力センサ４５Ｒ、４５Ｌでもよい。

図には示されていないが、第１ロール１１、第２ロール１２の各々には、各々個別にロール回転駆動用の電動モータが連結され、第１ロール１１は半時計廻り方向に、第２ロール１２は時計廻り方向に各々回転駆動される。

第１ロール１１と第２ロール１２とのロール間隙部上方にはロール軸線方向に長いＴダイ１００が設けられている。Ｔダイ１００は、リップ部より溶融樹脂を第１ロール１１と第２ロール１２とのロール間隙部に向けて溶融樹脂を吐出する。これにより、第１ロール１１と第２ロール１２とのロール間隙上部に溶融樹脂によるメルトバンクＭＢができる。

そして、第１ロール１１が半時計廻り方向に、第２ロール１２が時計廻り方向に各々回転駆動されていることにより、第１ロール１１と第２ロール１２とのロール間隙部において当該両ロールにシートＳの表裏面が接触する状態で、タッチロール式にシート成形が行われる。

ロール間隙制御手段としてマイクロコンピュータによる電子制御式のロール間隙制御装置５０が設けられている。ロール間隙制御装置５０は、変位計４１Ｒ、４１Ｌあるいは４２Ｒ、４２Ｌと、ロードセル４３Ｒ、４３Ｌあるいは圧力センサ４５Ｒ、４５Ｌの各々よりセンサ信号（計測情報）を入力し、第１ロール１１と第２ロール１２とのロール間隙制御のために、サーボモータ７５Ｒ、７５Ｌを制御する。

ロール間隙制御装置５０は、第１ロール１１と第２ロール１２とのロール間隙が所定の制御目標値になるように第１ロール１１に作用する押付荷重の制御目標値を設定し、第１ロール１１に作用する押付荷重が制御目標値になるようにロール間隙を調整する制御を行う。

ロール間隙制御装置５０によるロール間隙制御の詳細を、図２を参照して説明する。図２に示されているロール間隙制御装置５０は、左右の油圧シリンダ装置３３Ｒ、３３Ｌについて個別に存在する。

ロール間隙制御装置５０は、ロール間隙の制御目標値（隙間設定値）Ｇ＊を設定され、制御目標値Ｇ＊は偏差演算部５１に入力される。

偏差演算部５１は、油圧シリンダ装置３３Ｒ、３３Ｌ、第１ロール１１がなすシリンダ・ロール系５２より、変位計４１Ｒ、４１Ｌあるいは４２Ｒ、４２Ｌによるロール間隙計測値Ｇを入力し、制御目標値Ｇ＊とロール間隙計測値Ｇとの制御偏差ΔＧを演算する。

なお、変位計４１Ｒ、４１Ｌあるいは４２Ｒ、４２Ｌの出力は、数１０Ｈｚ程度の周波数で変動することがあるので、偏差演算部５１には、ハイカットフィルタ５３によって高周波数成分を除去されたロール間隙計測値Ｇが入力される。

ロール間隙の制御偏差ΔＧは、押付荷重演算部５４に入力される。ロール間隙と押付荷重とは相関性があり、押付荷重演算部５４は、予め同定されたロール間隙と押付荷重との相関性に従って、ロール間隙の制御偏差ΔＧより押付荷重の制御目標値（荷重設定値）Ｆ＊を演算する。

制御目標値Ｆ＊は、ロール間隙の制御偏差ΔＧが負の値の場合、増加し、正の値の場合、減少する。なお、制御目標値Ｆ＊は、この実施形態では、ＰＩ制御による制御目標値として演算される。

押付荷重の制御目標値Ｆ＊はフィードフォーワード補正用の補正演算部５５に入力される。補正演算部５５は、ロール回転による荷重変動パターンに応じて補正値を設定された補正値設定部５６より第１ロール１１の回転位置に応じて補正値を入力し、制御目標値Ｆ＊を補正し、ロール偏心補償を行う。補正後の制御目標値Ｆ＊ｃは偏差演算部５７に入力される。

ここで、このロール偏心補償について説明する。

２つのロールの軸受間距離を固定して成型した場合、ロールのわずかな偏芯によりロール隙間が変化する。ロール隙間が変化するため、押付荷重もロールの回転に対応して変化する。このとき、ロール偏心による押付荷重の変動をキャンセルするように軸受間距離を変動させた方が、実際のロール隙間は一定になるが、実際の偏心量を成形温度で正確に灘定することは難しい。また、押付荷重を一定にすると、偏心量以上に隙間が変動してしまう。

そこで、この実施形態では、軸受間距離を一定に保ち、なおかつ隙間の変動をすくなくするため、下記の要領でロール偏心補償を行う。

予め、油圧サーボの位置制御モードでシートを成形し、その時の押付荷重を測定し、押付荷重の変動パターンを記憶しておく。２つのロール径が異なる場合には、周長の最小公倍数の距離に相当する回転数の分だけ記憶する。押付荷重の測定は、記憶する回転数の整数倍の回転数行い、その平均パターンを求める。また、ロールの回転位置と平均パターンから、その時点（回転位置）での押付荷重を求める。その押付荷重を目標荷重とし、その押付荷重との偏差と、目標隙間との偏差から計算した押付荷重の補正値との和を目標荷重とし、荷重制御する。このようにすることにより、ロール偏芯による荷重変動がある場合でも、軸受間の距離を正確に一定に保つことができる。

偏差演算部５７は、ロードセル４３Ｒ、４３Ｌより第１ロール１１に作用する押付荷重の計測値Ｆを入力され、押付荷重の制御目標値Ｆ＊ｃと押付荷重計測値Ｆとの制御偏差ΔＦを演算する。制御偏差ΔＦはモータ操作量演算部５８に入力される。

モータ操作量演算部５８は、制御偏差ΔＦに基づいて、制御偏差ΔＦが零になるサーボモータ７５Ｒ、７５Ｌの回転数を演算し、モータの回転指令値をモータ駆動部５９に出力する。

これにより、サーボモータ７５Ｒ、７５Ｌが、補正後の制御目標値Ｆ＊ｃに基づいて駆動され、双方向ポンプ７４Ｒ、７４Ｌによって油圧シリンダ装置３３Ｒ、３３Ｌのシリンダ室７２、７３に対する油圧の給排が制御される。

このように、ロール間隙が所定の制御目標値Ｇ＊になるように、第１ロール１１に作用する押付荷重の制御目標値Ｆ＊を設定し、つまり、ロール間隙の制御偏差ΔＧを押付荷重の制御目標値Ｆ＊に変換し、第１ロール１１に作用する押付荷重が制御目標値Ｆ＊になるようにロール間隙を調整するカスケード制御が行われる。

ロール間隙一定制御において、位置計測だけによるロール間隙のフィードバック制御に比して押付荷重を計測してカスケード式のフィードバック制御を行うほうが、分解能がよいことから、上述のカスケード制御により、ロール間隙制御の安定性が向上する。

これにより、成形されるシートＳの厚さが安定し、シート厚にばらつきがなく、シート表面性がよい良質のシート製品を得ることができる。

なお、上述の実施形態では、油圧シリンダ装置３３Ｒ、３３Ｌのシリンダ室７２、７３に対する油圧の給排を、サーボモータ７５Ｒ、７５Ｌによって駆動される双方向ポンプ７４Ｒ、７４Ｌによって行ったが、油圧シリンダ装置３３Ｒ、３３Ｌのシリンダ室７２、７３に対する油圧の給排は、図３に示されているように、電気サーボ弁３５Ｒ、３５Ｌによって行うこともできる。この場合、電気サーボ弁３５Ｒ、３５Ｌには、油タンク３６、サーボモータ３７によって駆動される油圧ポンプ３８による給油配管３９Ｒ、３９Ｌと、ドレン配管４０Ｒ、４０Ｌが接続され、これらが左右の油圧シリンダ装置３３Ｒ、３３Ｌに対する油圧の給排を個別に制御する電気−油圧サーボ系を構成する。

この実施形態でも、上述の実施形態と同様のカスケード制御が行われることにより、ロール間隙一定制御において、ロール間隙制御の安定性が向上し、シート厚にばらつきがなく、シート表面性がよい良質のシート製品を得ることができる。

また、図４に示されているように、ロール間隙調整手段として、サーボモータ駆動の送りねじ方式のものを採用することもできる。サーボモータ駆動の送りねじ方式による実施形態を、図４を参照して説明する。なお、図４において、図１に対応する部分は、図１に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

軸受ハウジング１６Ｒ、１６Ｌには各々左右の送りねじ部材１８Ｒ、１８Ｌの先端が第１ロール１１に作用する押付荷重を計測する押付荷重計測手段であるロードセル４３Ｒ、４３Ｌを介して固定連結されている。なお、この実施形態では、第１ロール１１に作用する押付荷重は、後述のサーボモータ２１Ｒ、２１Ｌの出力トルク値と等価の電流値より検出することもできる。

固定基台１０上には左右の送りナット支持台１９Ｒ、１９Ｌが固定配置されている。送りナット支持台１９Ｒ、１９Ｌは左右の送りナット部材２０Ｒ、２０Ｌを回転可能に支持している。送りナット部材２０Ｒ、２０Ｌには送りねじ部材１８Ｒ、１８Ｌが各々個別にねじ係合している。送りナット支持台１９Ｒ、１９Ｌには左右のサーボモータ２１Ｒ、２１Ｌが搭載されている。サーボモータ２１Ｒ、２１Ｌは、歯車列２２Ｒ、２２Ｌによって送りナット部材２０Ｒ、２０Ｌと駆動連結され、送りナット部材２０Ｒ、２０Ｌを回転駆動する。

サーボモータ２１Ｒによって送りナット部材２０Ｒが回転することにより、送りねじ部材１８Ｒが軸線方向（ロール間隙増減方向Ａ）に移動し、右側の軸受ハウジング１６Ｒがサーボモータ２１Ｒの回転角（回転量）に応じてロール間隙増減方向Ａに変位する。また、サーボモータ２１Ｌによって送りナット部材２０Ｌが回転することにより、送りねじ部材１８Ｌが軸線方向（ロール間隙増減方向Ａ）に移動し、左側の軸受ハウジング１６Ｌが、右側の軸受ハウジング１６Ｒとは個別に、サーボモータ２１Ｌの回転角（回転量）に応じてロール間隙増減方向Ａに変位する。

これにより、第１ロール１１の左右両軸端部分に各々個別のロール間隙調整手段が構成される。

この実施形態でも、上述の実施形態と同様のカスケード制御が行われることにより、ロール間隙一定制御において、ロール間隙制御の安定性が向上し、シート厚にばらつきがなく、シート表面性がよい良質のシート製品を得ることができる。

この発明によるシート成形装置の一つの実施形態を示す全体構成図である。 本実施形態のシート成形装置におけるロール間隙制御装置の詳細を示すブロック図である。 この発明によるシート成形装置の他の実施形態を示す全体構成図である。 この発明によるシート成形装置の他の実施形態を示す全体構成図である。

符号の説明

１０ 固定基台
１１ 第１ロール
１２ 第２ロール
１６Ｒ、１６Ｌ 軸受ハウジング
１７Ｒ、１７Ｌ リニアガイド
１８Ｒ、１８Ｌ 送りねじ部材
１９Ｒ、１９Ｌ 送りナット支持台
２０Ｒ、２０Ｌ 送りナット部材
２１Ｒ、２１Ｌ サーボモータ
２２Ｒ、２２Ｌ 歯車列
２３Ｒ、２３Ｌ 軸端部
２４Ｒ、２４Ｌ 軸受ハウジング
３３Ｒ、３３Ｌ 油圧シリンダ装置
４１Ｒ、４１Ｌ、４２Ｒ、４２Ｌ 変位計
４３Ｒ、４３Ｌ ロードセル
４５Ｒ、４５Ｌ 圧力センサ
５０ ロール間隙制御装置
５１ 偏差演算部
５２ シリンダ・ロール系
５３ ハイカットフィルタ
５４ 押付荷重演算部
５５ 補正演算部
５６ 補正値設定部
５７ 偏差演算部
５８ モータ操作量演算部
５９ モータ駆動部
７４Ｒ、７４Ｌ 双方向ポンプ
７５Ｒ、７５Ｌ サーボモータ
１００ Ｔダイ

Claims (4)

1. 間隙をおいて並列に配置された二つのロールを有し、回転駆動されている前記二つのロール間にシートを通し、当該二つのロールにシートの表裏面が接触する状態でシート成形を行うシート成形装置において、
   前記二つのロールのうちの少なくとも一方のロールの配置位置を変位させてロール間隙を増減するロール間隙調整手段と、
   前記二つのロールの間隙が所定の制御目標値になるように前記ロールに作用する押付荷重の制御目標値を設定し、前記ロールに作用する押付荷重が前記制御目標値になるように前記ロール間隙調整手段によってロール間隙を調整するロール間隙制御手段と、
   を有するシート成形装置。
2. 間隙をおいて並列に配置された二つのロールを有し、回転駆動されている前記二つのロール間にシートを通し、当該二つのロールにシートの表裏面が接触する状態でシート成形を行うシート成形装置において、
   前記二つのロールのうちの少なくとも一方のロールの配置位置を変位させてロール間隙を増減するロール間隙調整手段と、
   前記二つのロールの間隙を計測するロール間隙計測手段と、
   前記ロールに作用する押付荷重を計測する押付荷重計測手段と、
   前記ロール間隙計測手段によって計測されるロール間隙と所定の制御目標値との偏差に基づいて前記ロールに作用する押付荷重の制御目標値を設定し、押付荷重計測手段によって計測される押付荷重と設定された前記押付荷重の制御目標値との偏差が零になるように前記ロール間隙調整手段によってロール間隙を調整するロール間隙制御手段と
   を有するシート成形装置。
3. 前記ロール間隙制御手段は、前記ロールの回転位置に応じて前記押付荷重の制御目標値を補正し、ロール偏心補償を行う請求項１または２記載のシート成形装置。
4. 間隙をおいて並列に配置された二つのロールを有し、回転駆動されている前記二つのロール間にシートを通し、当該二つのロールにシートの表裏面が接触する状態でシート成形を行うシート成形装置のロール間隙制御方法において、
   前記二つのロールの間隙が所定の制御目標値になるように前記ロールに作用する押付荷重の制御目標値を設定し、前記ロールに作用する押付荷重が前記制御目標値になるようにロール間隙を制御するシート成形装置のロール間隙制御方法。
   

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