JP3781996B2 - ロータリシャーの制御装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転する刃物が走行する材料に追従しながら材料を設定長に切断するロータリーシャーの制御装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼板，ステンレス鋼板，アルミニウム板，紙，ダンボール，フィルムなどのウェブを最終プロセスにおいて切断する場合、代表的な走間切断機であるロータリシャー（ロータリカッタまたはフライングシャーとも言う）が使用される。
【０００３】
近年、ロータリーシャーが使用されているプロセスラインの生産性を向上させるために、その駆動モータのイナーシャを含めた総機械重量の軽量化、即ちモータ負荷の軽量化が図られている。ロータリーシャー（刃物）を軽量化して加速時間を短縮する一方、被切断材料の走行速度を高速にして生産性を上げることが望まれている。この軽量化は機械の剛性の低下を招き、捻れ振動を起こさせるだけでなく、いろいろな機械固有の共振を発生させる原因になっている。共振の発生を防ぐためには制御系の速度調整器（ＡＳＲ）のゲインを下げる方法が取られるのが普通であるが、ゲインを下げることは速度誤差が残るため切断長精度が悪くなる欠点があった。
【０００４】
そこで考え出された方法の一つに、制御系に帯域除去フィルタ（ＢＥＦ）を入れる方法が知られている。この方法によれば、予め測定した機械共振周波数に帯域除去フィルタの周波数特性を合わせておいて、共振周波数成分を除去している。
【０００５】
図１は、機械共振周波数の帯域除去フィルタを備えた従来のロータリシャーの制御装置の一形態を示すブロック図である。これは刃物回転速度Ｖ_B が被切断材料走行速度Ｖ_A に同期して、被切断材料を切断するロータリシャーの代表的な制御装置である。
【０００６】
ロータリシャー１は、上刃１ａと下刃１ｂとよりなり、減速機２を介してモータ３により駆動される。被切断材料４の走行速度は、メジャーリングロール５により検出される。モータ３およびメジャーリングロール５には、それぞれ、パルスエンコーダ（ＰＧ）６，７が取り付けられている。
【０００７】
モータ３を制御する制御装置は、切断長設定器８，刃物周長設定器９，演算器１０，速度調整器（ＡＳＲ）１１，帯域除去フィルタ（ＢＥＦ）１２，モータ駆動装置１３，電流検出センサ１４を備えている。
【０００８】
このような制御装置により、切断設定長Ｌｏ、刃物の１回周長（円周）Ｂｏ、被切断材料走行速度Ｖ_A および刃物回転速度Ｖ_B から、ロータリシャー（刃物）駆動モータ３の速度基準を導き出している。まず、切断長設定器１０の設定長Ｌｏと、刃物周長設定器９の設定長Ｂｏ と、メジャーリングロール５に連動するパルスエンコーダ６が検出する被切断材料４の走行速度Ｖ_A と、モータ３に連動するパルスエンコーダ７が検出する刃物回転速度Ｖ_B から、残長ΔＬを下記の理論式をもとに演算する。
【０００９】
【数１】
ΔＬ＝Ｌｏ−Ｂｏ−∫Ｖ_A ・ｄｔ＋∫Ｖ_B ・ｄｔ
ここで、∫Ｖ_A ・ｄｔは被切断材料の走行長であり、∫Ｖ_B ・ｄｔは刃物の回転移動長である。
【００１０】
この理論式は、特公昭５６−４１３９８号公報や特公昭５９−３３４８８号公報に記載された方法と、基本的に同じであり、公知の技術である。
【００１１】
前記理論式の演算は、切断完了をリセットのタイミングとして演算が開始されるとすれば、残長ΔＬは切断完了から次の切断までゼロに向かって進むことが容易に理解できる。
【００１２】
この残長ΔＬを速度に変換したものをＶ_C として、（Ｖ_A −Ｖ_C ）が演算器１０から出力される。この速度差（Ｖ_A −Ｖ_C ）を速度基準として、刃物回転速度Ｖ_B をフィードバックとして速度調整器１１に入力する。速度調整器１１の出力は、帯域除去フィルタ１２を通してトルク指令としてモータ駆動装置１３に与えられる。帯域除去フィルタ１２は、機械の共振周波数成分を除去するように設定されている。このようにしてモータ３が駆動され、ロータリーシャー１が制御される。
【００１３】
残長ΔＬ＝０になる期間中において、材料が切断される。すなわち、Ｖ_C ＝０のときに切断が行われる。このことを言いかえると、速度調整器１１の速度誤差（Ｖ_A −Ｖ_C ）−Ｖ_B がゼロであればＶ_A ＝Ｖ_B となる。これは刃物回転速度Ｖ_B と被切断材料走行速度Ｖ_A とが同期していることを意味する。
【００１４】
また、刃物は切断から次の切断まで１回転するので∫Ｖ_B ・ｄｔ＝Ｂｏとなるから、前記理論式において、残長ΔＬ＝０のとき、∫Ｖ_A ・ｄｔ＝Ｌｏとなる。即ち、∫Ｖ_A ・ｄｔは、切断から次の切断までに材料が走行した距離となるから、切断された材料の長さは切断設定長Ｌｏに等しいことを意味する。
【００１５】
前述したように、演算のスタートは切断完了時点であり、演算器１０には当然、各演算のリセットのタイミングになる切断完了センサー信号が必要であるが、図１では省略している。また、切断設定長Ｌｏが長尺，短尺によって、切断直後の速度基準が変わるが、これは重要な要素ではないので説明を省略する。
【００１６】
【発明が解決しょうとする課題】
図１に示した従来の制御装置は、機械共振を抑制するためにトルク指令に帯域除去フィルタを入れている。帯域除去フィルタを入れない場合よりは、制御系の速度調整器のゲインを比較的に上げることができ、精度が改善される効果がある。しかし、帯域除去フィルタといえども制御系に時間遅れ要素が入ることになるので、機械共振が発生しない制御領域でも、帯域除去フィルタがわずかなりとも作用して、制御の応答性を低下させる方向に影響し、ロータリーシャーライン全体の生産性を向上できないという問題があった。
【００１７】
本発明の目的は、このような問題を解決したロータリシャーの制御装置および方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
一般的に、機械共振現象が顕著になるのは、被切断材料の走行速度Ｖ_A がある速度範囲にあるとき、または刃物の回転速度がある速度範囲にあるときである。被切断材料走行速度Ｖ_A は、直接にはロータリシャー（刃物）とは関係ないが、切断時およびその前後において刃物回転速度Ｖ_B が被切断材料走行速度Ｖ_A に同期するので、被切断材料走行速度Ｖ_A の速度範囲と機械共振現象とは関係がある。
【００１９】
経験的に言えば、機械共振周波数はロータリーシャー速度が低いときに発生しやすく、高速時は比較的に発生しにくい傾向がある。また、刃物が材料走行に同期したとき、即ち、切断時に材料走行速度Ｖ_A が比較的高いときには、共振は発生しにくい。
【００２０】
本発明は、このように機械の共振が顕著化する材料走行速度の範囲や、刃物の回転速度の範囲があることに着眼し、機械共振が顕著化する範囲（領域）に関して、試運転時にデータを予め得ておき、そして、必要とされる領域でのみ、帯域除去フィルタを使用するようにした。
【００２１】
すなわち、本発明によれば、被切断材料の走行速度および刃物の回転速度の少なくとも一方が予め設定された範囲にあるときに、制御ループ系に入れた帯域除去フィルタを介して予め設定された機械の共振周波数帯域でのゲインを低下させ、それ以外では帯域除去フィルタをバイパスさせることによって、生産ラインの全体の速度範囲（領域）において生産性の向上と切断長精度の向上に寄与できるロータリーシャーの制御装置および方法を実現できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明によるロータリシャーの制御システムの一実施形態を示す概略的なブロック図である。この実施形態は、図１に示した従来のロータリシャーの制御システムの改良であり、図１の構成に、プログラマブル判別器１５および選択回路１６をさらに付加したものである。
【００２３】
プログラマブル判別器１５には、パルスエンコーダ６，７から、被切断材料走行速度Ｖ_A および刃物回転速度Ｖ_B が入力される。
【００２４】
選択回路１６には、速度調整器１１からのトルク指令Ｉ_R および帯域除去フィルタ１２からのトルク指令Ｉ_F が入力される。選択回路１６は、プログラマブル判別器１５から出力される選択信号に基づいて、Ｉ_R またはＩ_F を選択して、モータ駆動装置１３に入力する。
【００２５】
その他の構成は、図１に同じであり、したがって図２において、図１の構成要素と同一の構成要素には、同一の参照番号を付して示している。
【００２６】
前述したように、機械共振周波数はロータリーシャー速度が低いときに発生しやすく、高速時は比較的に発生がしにくい傾向がある。刃物が材料走行に同期したとき、即ち、切断時に材料走行速度Ｖ_A が比較的高いときは共振は発生し難い。これらの詳細なデータは、実機の試運転時に得ることができる。本発明では、これらのデータをもとに、予めそれぞれの範囲をプログラマブル判別器１５にプリセットすることによって、帯域除去フィルタ１２を必要と予測される制御領域だけに選択回路１６が帯域除去フィルタ１２を選択し、必要でない制御領域では帯域除去フィルタ１２をバイパスさせる。
【００２７】
図３に、プログラマブル判別器１５の機能ブロック図を示す。このプログラマブル判別器は、実測された共振が発生しやすい被切断材料走行速度Ｖ_A および刃物回転速度Ｖ_B の範囲を記憶する記憶部２０と、記憶部に記憶されたＶ_A およびＶ_B の範囲とパルスエンコーダ６，７から出力されるＶ_A およびＶ_B とを比較して判別する判別部２１と、判別部での判別結果に従って、選択回路１６への選択信号を発生する選択信号発生部２２とから構成されている。なお、判別部２１は、Ｖ_A 比較部２３と、Ｖ_B 比較部２４と、判定部２５とを備えている。
【００２８】
以上の構成において、各構成要素は、アナログまたはデジタルのハードウェアで構成できるが、演算器１０，速度調整器１１，判別器１５は、ソフトウェアによっても実現することができる。
【００２９】
以下に、本実施例の制御装置の動作を説明する。プログラマブル判別器１５の記憶部２０には、ロータリシャーの試運転時に実測された共振が発生しやすい被切断材料走行速度Ｖ_A および刃物回転速度Ｖ_B の範囲を予め記憶、すなわちプログラム設定しておく。なお、共振が発生しやすい範囲は、１つの範囲のみならず、複数の範囲が存在することもある。
【００３０】
ロータリシャーの運転が開始されると、プログラマブル判別器１５のＶ_A 比較部２３，Ｖ_B 比較部２４には、パルスエンコーダ６，７から、Ｖ_A およびＶ_B がそれぞれ入力される。Ｖ_A 比較部２３では、入力されたＶ_A を、記憶部２０に設定されているＶ_A の設定範囲と比較し、および、Ｖ_B 比較部２４では、入力されたＶ_B を、記憶部２０に設定されているＶ_B の設定範囲と比較する。それぞれの比較結果は、判定部２５に入力される。
【００３１】
判定部２５では、パルスエンコーダ６，７からのＶ_A ，Ｖ_B の少なくとも一方が設定範囲内にあるか、Ｖ_A およびＶ_B が共に設定範囲内にないかを判定し、判定結果を、選択信号発生部２２へ送る。選択信号発生部では、判定結果に基づいて選択信号を、選択回路１６に出力する。
【００３２】
プログラマブル判別器１５は、上記の動作を、ロータリシャーが運転されている間、常時行う。
【００３３】
選択回路１６は、プログラマブル判別器１５から出力される選択信号に基づいて、帯域除去フィルタ１２からのトルク指令Ｉ_F および速度調整器１１からのトルク指令Ｉ_R のいずれかを選択する。すなわち、パルスエンコーダ６，７からのＶ_A ，Ｖ_B の少なくとも一方が設定範囲内にあれば、トルク指令Ｉ_F を選択し、Ｖ_A およびＶ_B が共に設定範囲内になければ、トルク指令Ｉ_R を選択し、選択されたトルク指令Ｉ₀ としてモータ駆動装置１３に出力する。
【００３４】
以上のようにして、帯域除去フィルタ１２の機能を必要としない制御領域（全体の大部分を占める）では、帯域除去フィルタ１２をバイパスして、すなわち速度調整器１１からのトルク指令Ｉ_R がモータ駆動装置１３に与えられ、帯域除去フィルタ１２の機能を必要とする制御領域では、帯域除去フィルタ１２からのトルク指令Ｉ_F がモータ駆動装置１３に与えられる。
【００３５】
したがって、帯域除去フィルタ１２の機能を必要としない制御領域では、時間遅れ要素を除外できるので、高速応答で高精度な制御が可能となった。
【００３６】
本発明においては、モータ駆動装置１３は高速応答性が必要なので、ベクトル制御インバータ，ブラシレス駆動装置，または直流チョッパ式駆動装置が望ましく、またモータ３はそれらの駆動装置に対応して誘導電動機，同期電動機，直流電動機を使用する。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ロータリーシャーの制御に必要な応答性を低下させることなく機械共振振動を抑制することができる。このように、機械共振を抑制することによって、機械の磨耗や破損の低減にも貢献できるのみならず、生産性向上と切断長精度の向上に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】機械共振周波数の帯域除去フィルタを備えた従来のロータリシャーの制御装置の一形態を示すブロック図である。
【図２】本発明によるロータリシャーの制御装置の一実施形態を示す概略的なブロック図である。
【図３】プログラマブル判別器の機能ブロック図である。
【符号の説明】
１ ロータリーシャー（刃物）
１ａ 上刃
１ｂ 下刃
２ 減速機
３ モータ
４ 被切断材料
５ メジャーリングロール
６ パルスエンコーダ（ＰＧ）
７ パルスエンコーダ（ＰＧ）
８ 切断長設定器
９ 刃物周長設定器
１０ 演算器
１１ 速度調整器（ＡＳＲ）
１２ 帯域除去フィルタ（ＢＥＦ）
１３ モータ駆動装置
１４ 電流検出センサー
１５ プログラマブル判別回路
１６ 選択回路
２０ 記憶部
２１ 判別部
２２ 選択信号発生部
２３ Ｖ_A 比較部
２４ Ｖ_B 比較部
２５ 判定部
Ｌｏ 切断設定長
Ｂｏ ロータリシャー（刃物）の円周設定長
Ｖ_A 被材料走行速度
Ｖ_B ロータリシャー（刃物）回転速度
Ｖ_C 残長（ΔＬ）の速度変換値
Ｉ_R フィルタされないトルク指令
Ｉ_F フィルタされたトルク指令
Ｉ₀ ＩＦとＩＲのなかから選択されたトルク指令

Claims (4)

1. 刃物を回転させるモータを駆動するモータ駆動装置と、このモータ駆動装置の制御系に入れられた帯域除去フィルタとを備え、刃物の回転速度を被切断材料の走行速度に同期して被切断材料を切断するロータリーシャーの制御装置において、
   前記被切断材料の走行速度および前記刃物の回転速度の少なくとも一方が予め設定された範囲内にあるとき、前記帯域除去フィルタを介して予め設定された機械の共振周波数帯域でのゲインを低下させ、前記被切断材料の走行速度および前記刃物の回転速度の両方が予め設定された範囲内にないとき、前記帯域除去フィルタをバイパスさせることを特徴とするロータリシャーの制御装置。
2. 刃物を回転させるモータを駆動するモータ駆動装置を備え、刃物の回転速度を被切断材料の走行速度に同期して被切断材料を切断するロータリーシャーの制御装置において、
   前記刃物の回転速度と、前記被切断材料の走行速度と、前記被切断材料の切断長と、前記刃物の周長とから、前記モータ駆動装置へのトルク指令を演算するトルク指令演算手段と、
   前記トルク指令演算手段の出力するトルク指令から機械共振周波数成分を除去する帯域除去フィルタと、
   予め実測された機械共振を生じる前記刃物の回転速度の範囲および前記被切断材料の走行速度の範囲を設定しておく手段と、
   前記ロータリシャーの運転時の前記刃物の回転速度および前記被切断材料の走行速度の少なくとも一方が前記設定された範囲内にあるか否かを判別し、選択信号を出力する判別手段と、
   前記選択信号に基づいて、前記刃物の回転速度および前記被切断材料の走行速度の少なくとも一方が、前記設定された範囲内にある場合には、前記帯域除去フィルタの出力するトルク指令を前記モータ駆動装置に入力し、前記刃物の回転速度および前記被切断材料の走行速度の両方が、前記設定された範囲内にない場合には、前記トルク指令演算手段の出力するトルク指令を前記モータ駆動装置に入力する選択手段と、
   を備えるロータリーシャーの制御装置。
3. 刃物の回転速度を被切断材料の走行速度に同期して被切断材料を切断するロータリーシャーの制御方法において、
   前記被切断材料の走行速度および前記刃物の回転速度の少なくとも一方が予め設定された範囲内にあるとき、帯域除去フィルタを介して予め設定された機械の共振周波数帯域でのゲインを低下させ、前記被切断材料の走行速度および前記刃物の回転速度の両方が予め設定された範囲内にないとき、前記帯域除去フィルタをバイパスさせることを特徴とするロータリシャーの制御方法。
4. 予め設定される機械の共振周波数が１つまたは複数であることを特徴とする請求項３に記載のロータリーシャーの制御方法。

Images