JP6330495B2 - 塗装乾燥装置および塗装乾燥方法 - Google Patents

Description

この発明は、複雑な形状を有する被塗装物であっても被塗装物の表面温度を精度高く均一にすることができる塗装乾燥装置および塗装乾燥方法に関する。

従来、自動車ボディなどの塗装乾燥を行う場合、熱風乾燥炉が用いられていた。この熱風乾燥炉では、熱容量の大きい箇所の焼付不良を防ぐために熱風温度は標準焼付温度以上に設定されていた。このため、熱容量の小さい箇所は過剰加熱になり、省エネルギー化を阻害していた。また、熱風乾燥炉では間接的な入熱によって被塗装物を加熱するため、被塗装物が所望温度に達するまでに長い時間がかかっていた。一方、塗料の性質上、決められた焼付温度以上の雰囲気中に被塗装物を置くと黄変や炭化が生じる。

この省エネルギー化と塗膜品質の向上とを図るため、誘導加熱コイルを用いた誘導加熱方式によって塗装乾燥を行うものがある。誘導加熱方式は、誘導加熱コイルに高周波電流を流すことによって誘導加熱コイルの周囲に磁力線を発生させ、その近くにある導電性の被加熱体はこの磁力線の影響を受けて、被加熱物内に渦電流を生じさせる。そして、被加熱体は、この渦電流によってジュール熱を発生し、内部から直接加熱されるものである。

この誘導加熱方式を用いたものとして、例えば、特許文献１では、誘導加熱コイルの形状の変形が可能であり、誘導加熱コイルから発する磁束密度の強さや領域を調整することができる塗装乾燥装置が記載されている。このため、特許文献１では、複雑形状の被塗装物であっても被塗装物の表面温度を均一にすることができる。なお、特許文献１では、被塗装物の表面温度を検出して誘導加熱コイルの出力、加熱位置、加熱時間を調整して被塗装物の表面温度を調整している。

特開２０１０−２８１４９０号公報

上述した誘導加熱方式では、一般にＰＩＤ制御装置を用いて被塗装物の表面温度が均一になるように温度制御されている。しかしながら、誘導加熱コイルによる被塗装物の温度制御対象点は、刻々と移動するため、比例制御に加えた積分制御や微分制御を用いた精度の高い温度制御を行うことが難しい。一方、自動車ボディなどの被塗装物の各温度制御対象点は、被塗装物の形状が複雑であることから熱容量や放熱量が異なる場合が多く、一層、被塗装物の表面温度を精度高く均一にすることが難しい。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複雑な形状を有する被塗装物であっても被塗装物の表面温度を精度高く均一にすることができる塗装乾燥装置および塗装乾燥方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる塗装乾燥装置は、被塗装物の周囲に誘導加熱コイルを移動させ、該塗装物に塗布された塗料を乾燥する塗装乾燥装置であって、前記被塗装物の３次元熱容量情報をもとに設定される３次元比例制御定数情報を保持する３次元比例制御定数情報保持部と、前記誘導加熱コイルによる前記被塗装物の加熱対象位置である３次元位置を検出する位置検出部と、前記位置検出部が検出した３次元位置に対応する前記被塗装物の温度を検出する温度検出部と、前記位置検出部が検出した３次元位置に対応する前記被塗装物の３次元比例制御定数情報に基づき、３次元位置における前記温度検出部が検出した前記被塗装物の温度が設定温度となるように比例制御定数を設定して前記誘導加熱コイルへの通電電力の比例制御を行う温度制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかる塗装乾燥装置は、上記の発明において、前記誘導加熱コイルが繰り返して移動加熱する同一３次元位置における３次元温度偏差積分値を保持する３次元温度偏差積分値保持部を備え、前記温度制御部は、前記位置検出部が検出した３次元位置に対応する前記３次元温度偏差積分値に基づき、設定された前記比例制御定数を積分補償することを特徴とする。

また、この発明にかかる塗装乾燥方法は、被塗装物の周囲に誘導加熱コイルを移動させ、該塗装物に塗布された塗料を乾燥する塗装乾燥方法であって、前記誘導加熱コイルの３次元位置に対応する前記被塗装物の設定温度と、該３次元位置において検出された検出温度との偏差をもとに比例制御定数を算出し、前記算出された比例制御定数に対し、前記被塗装物の３次元熱容量情報をもとに設定された３次元比例制御定数情報をもとに該３次元位置に対応する比例制御定数を設定し、前記設定された比例制御定数を用いて前記３次元位置における温度が設定温度となるように前記誘導加熱コイルへの通電電力の比例制御を行うことを特徴とする。

また、この発明にかかる塗装乾燥方法は、上記の発明において、前記誘導加熱コイルが繰り返して移動加熱する同一３次元位置における３次元温度偏差積分値を更新可能に保持し、前記３次元位置における現在の３次元温度偏差積分値を用いて、前記設定された比例制御定数を積分補償することを特徴とする。

この発明によれば、３次元比例制御定数情報保持部が、被塗装物の３次元熱容量情報をもとに設定される３次元比例制御定数情報を保持し、位置検出部が、誘導加熱コイルによる前記被塗装物の加熱対象位置である３次元位置を検出し、温度制御部が、前記位置検出部が検出した３次元位置に対応する前記被塗装物の温度を検出し、温度制御部が、前記位置検出部が検出した３次元位置に対応する前記被塗装物の３次元比例制御定数情報に基づき、３次元位置における前記温度検出部が検出した前記被塗装物の温度が設定温度となるように比例制御定数を設定して前記誘導加熱コイルへの通電電力の比例制御を行うようにしている。この結果、複雑な形状を有する被塗装物であっても被塗装物の表面温度を精度高く均一にすることができる。

図１は、この発明の実施の形態１である塗装乾燥装置の全体構成を示す模式図である。 図２は、図１に示した温度制御部の構成を示す詳細ブロック図である。 図３は、３次元比例制御定数情報の一例を示す図である。 図４は、この発明の実施の形態２である塗装乾燥装置の全体構成を示す模式図である。 図５は、３次元温度偏差積分値の一例を示す図である。 図６は、図４に示した温度制御部の構成を示す詳細ブロック図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

（実施の形態１）
［全体構成］
図１は、この発明の実施の形態１である塗装乾燥装置の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、塗装乾燥装置は、制御部１に、温度分布取得部２、先端に誘導加熱コイル３が結合されたロボットアームで実現される誘導加熱部４、記憶部５、表示部６、および操作部７が接続される。

温度分布取得部２は、搬入された被塗装物１０の温度分布情報を取得する。具体的に、温度分布取得部２は、３次元赤外線サーモグラフィであり、被塗装物１０の温度分布情報を取得する。この温度分布情報は、制御部１を介して記憶部５に温度分布情報Ｄ２として記憶される。この実施の形態１では、温度分布取得部２は、天井１３に設置される。

誘導加熱コイル３は、例えば、円状に巻かれたコイルである。誘導加熱コイル３は、制御部１による制御のもと、天井１３に取り付けられたロボットアームが駆動されて、位置および姿勢を変えることができる。誘導加熱コイル３は、図示しない電源から供給される高周波電流によって磁界を発生する。被塗装物１０は金属であり、誘導加熱コイル３からの磁界を受けて渦電流を発生することによって加熱される。

記憶部５は、被塗装物１０の３次元形状情報Ｄ１を保持する。３次元形状情報Ｄ１は、例えば、３次元ＣＡＤデータである。記憶部５は、上述した温度分布情報Ｄ２のほかに、後述するように、被塗装物１０をメッシュに分割し、各メッシュ毎の３次元熱容量情報に対応して、各メッシュ毎の３次元比例制御定数情報Ｄ３を保持する。

表示部６は、３次元形状情報Ｄ１、温度分布情報Ｄ２、３次元比例制御定数情報Ｄ３、誘導加熱コイル３の３次元移動経路ＲＴなどの各種情報を表示出力する。なお、３次元形状情報Ｄ１、温度分布情報Ｄ２、３次元比例制御定数情報Ｄ３、誘導加熱コイル３の３次元移動経路ＲＴは、少なくとも制御部１の制御のもとに、各情報を重ね合せ出力することができる。

操作部７は、制御部１に対する制御指示を行う。操作部７は、キーボードやポインティングデバイスによって実現される。

床１１の上部には、被塗装物１０を搬送するコンベア１２が配置される。被塗装物１０は、たとえば自動車ボディであり、水性塗料が塗布された状態でコンベア１２によって所定位置まで搬入される。被塗装物１０が搬入されると、制御部１は、被塗装物１０に塗布された塗料を焼き付けるために、誘導加熱部４を駆動制御し、誘導加熱コイル３の３次元位置および姿勢を制御しながら、被塗装物１０を誘導加熱する。

制御部１は、位置検出部１ａ、温度検出部１ｂ、及び温度制御部１ｃを有する。位置検出部１ａは、ロボットアームの駆動状態をもとに、誘導加熱コイル３による被塗装物１０の加熱対象位置である３次元位置を検出する。温度検出部１ｂは、温度分布取得部２が取得した温度分布情報Ｄ２をもとに、位置検出部１ａが検出した３次元位置に対応する温度を検出する。温度制御部１ｃは、位置検出部１ａが検出した３次元位置に対応する被塗装物１０の３次元比例制御定数情報Ｄ３に基づき、３次元位置における温度検出部１ｂが検出した被塗装物１０の温度が設定温度となるように比例制御定数を設定して誘導加熱コイル３への通電電力の比例制御を行う。これによって、誘導加熱コイル３が３次元移動経路ＲＴを移動して被塗装物１０を加熱する際、被塗装物１０の各部の熱容量に対応した適切な比例制御定数に刻々と設定され、熱容量が異なる複雑な被塗装物１０であっても温度分布を精度高く均一にすることができる。

なお、制御部１は、誘導加熱コイル３のコイル形成面を被塗装物１０の表面に対して平行に維持し、被塗装物１０とのギャップを一定にしつつ、移動する。また、誘導加熱コイル３の３次元移動経路ＲＴは、熱容量の大きい領域から熱容量の小さい領域に向けた順序に設定される。例えば、図１に示した領域Ｅ１はロッカー部であり、コンベア１２に接触し、かつ厚いために熱容量が大きいので、優先して誘導加熱する。領域Ｅ２は、複雑形状を有して誘導加熱困難な部分が存在するため、領域Ｅ１の誘導加熱後に誘導加熱を行う。また、領域Ｅ３は、板厚が薄く熱容量が小さいため、誘導加熱順序の優先順位を最後にしている。このように、誘導加熱コイル３の移動経路を熱容量の大きい領域から小さい領域に向けて設定することによって、１回の誘導加熱が終わった時点における誘導加熱領域全体の温度差を小さくすることができる。

［温度制御部の詳細構成］
つぎに、図２に示した温度制御部１ｃの構成を示す詳細ブロック図をもとに、温度制御部１ｃの温度制御について説明する。図２に示すように、被塗装物１０の平均温度として設定される設定温度は、演算部３１に入力される。また、演算部３１には、現在の３次元位置において温度検出部１ｂが検出した検出温度が入力される。演算部３１は、設定温度と検出温度との偏差Δｔを比例制御定数算出部３２に出力する。比例制御定数算出部３２は、偏差Δｔの値に対応する比例制御定数Ｐの関係を保持し、入力された偏差Δｔに対応する比例制御定数Ｐを算出し、比例制御定数設定部３３に出力する。

比例制御定数設定部３３には、位置検出部１ａによって検出された現在の３次元位置が入力される。比例制御定数設定部３３は、入力された現在の３次元位置に対応する３次元比例制御定数情報Ｄ３を取得し、比例制御定数Ｐを比例制御定数Ｐ´に修正し、この修正した比例制御定数Ｐ´を誘導加熱コイル電源３４に出力する。誘導加熱コイル電源３４は、入力された比例制御定数Ｐ´をもとに誘導加熱コイル３への通電電力を制御する。この通電電力の制御は、例えば、誘導加熱コイル３に流れる高周波電流値の増減制御である。

なお、図３に示すように、３次元比例制御定数情報Ｄ３は、３次元形状情報Ｄ１をもとに予めメッシュに分割された分割領域毎に、被塗装物１０の厚さなどの構造や材質などに起因する３次元熱容量情報を求め、この３次元熱容量情報をもとに各分割領域毎に予め設定されるものである。例えば、３次元比例制御定数情報Ｄ３は、熱容量が平均熱容量に比して大きい分割領域では、比例制御定数Ｐ´が１を超える値に設定され、熱容量が平均熱容量に比して小さい分割領域では、比例制御定数Ｐ´が１未満の値に設定される。なお、誘導加熱コイル３の３次元位置が、ある分割領域に入ったか否かの判断は、例えば、誘導加熱コイル３の加熱温度プロファイルの中心位置が、ある分割領域に入った場合としている。なお、３次元比例制御定数Ｄ３は、熱容量のみならず、被塗装物１０の構造や材質に基づく放熱量を加味してもよい。

この実施の形態１では、温度制御部１ｃが設定温度と検出温度との偏差Δｔによる比例制御定数Ｐの算出に加え、誘導加熱コイル３の移動に伴う被塗装物１０の３次元位置における熱容量や放熱量の変化を加味した３次元比例制御定数情報Ｄ３を用いて比例制御定数Ｐを比例制御定数Ｐ´に修正する温度制御を移動とともに刻々と行っているので、被塗装物１０の各部における熱容量や放熱量の違いに伴う温度不均一を解消し、被塗装物１０の表面温度を精度高く均一にすることができる。特に、被塗装物１０の３次元位置間の温度差を小さくすることができるので、塗料が許容する高い温度での制御が可能となり、塗装乾燥時間の短縮を図ることができる。また、この塗装乾燥時間の短縮は、誘導加熱コイル３への通電時間が短縮されるため、塗装乾燥装置全体の省エネルギー化も図ることができる。

（実施の形態２）
［全体構成］
図４は、この発明の実施の形態２である塗装乾燥装置の全体構成を示す模式図である。この実施の形態２では、温度制御部１ｄが実施の形態１の温度制御部１ｃに対応するが、この温度制御部１ｄでは、さらに分割領域毎の３次元温度偏差積分を行い、この３次元温度偏差積分値を加味して比例制御定数Ｐ´を積分補償するようにしている。なお、記憶部５には、同一３次元位置における偏差Δｔの積分値である３次元温度偏差積分値Ｄ４が更新可能に保持される。すなわち、図５に示すように、３次元温度偏差積分値Ｄ４は、誘導加熱コイル３が３次元移動経路ＲＴを移動する毎に、各分割領域の積分値が更新される。この３次元温度偏差積分値Ｄ４は、前回の移動までの所定回数の偏差Δｔの積分値である。塗装乾燥装置のその他の構成は、実施の形態１と同じである。

［温度制御部の詳細構成］
つぎに、図６に示した温度制御部１ｄの構成を示す詳細ブロック図をもとに、温度制御部１ｄの温度制御について説明する。図６に示すように、被塗装物１０の平均温度として設定される設定温度は、演算部３１に入力される。また、演算部３１には、現在の３次元位置において温度検出部１ｂが検出した検出温度が入力される。演算部３１は、設定温度と検出温度との偏差Δｔを比例制御定数算出部３２及び比例制御定数補償設定部３５に出力する。

比例制御定数算出部３２は、偏差Δｔの値に対応する比例制御定数Ｐの関係を保持し、入力された偏差Δｔに対応する比例制御定数Ｐを算出し、比例制御定数設定部３３に出力する。比例制御定数設定部３３には、位置検出部１ａによって検出された現在の３次元位置が入力される。比例制御定数設定部３３は、入力された現在の３次元位置に対応する３次元比例制御定数情報Ｄ３を取得し、比例制御定数Ｐを比例制御定数Ｐ´に修正し、この修正した比例制御定数Ｐ´を演算部３６に出力する。

一方、比例制御定数補償設定部３５には、位置検出部１ａによって検出された現在の３次元位置が入力される。比例制御定数補償設定部３５は、今回までの偏差Δｔの積分値である３次元温度偏差積分値Ｄ４を取得し、この取得した３次元温度偏差積分値Ｄ４に今回入力された偏差Δｔを加えた積分処理を行い、積分処理された新たな積分値を３次元温度偏差積分値Ｄ４として更新するとともに、この更新された３次元温度偏差積分値Ｄ４に基づいて比例制御定数の補償値Ｐαを演算部３６に出力する。この３次元温度偏差積分値Ｄ４とは、比例制御定数算出部３２及び比例制御定数設定部３３によって設定された比例制御定数Ｐ´を用いた温度制御を行っても、依然として検出温度と設定温度との偏差Δｔが生じているか否かを示す指標である。

演算部３６は、比例制御定数Ｐ´に対して補償値Ｐα分を増減し、この積分補償された比例制御定数Ｐ´´を誘導加熱コイル電源３４に出力する。誘導加熱コイル電源３４は、入力された比例制御定数Ｐ´´をもとに誘導加熱コイル３への通電電力を制御する。

この実施の形態２では、実施の形態１に加えて、比例制御のみでは解消できない温度偏差を比例制御定数補償設定部３５による３次元位置ごとの積分補償を行うようにしているので、さらに被塗装物１０の各部における熱容量や放熱量の違いに伴う温度不均一を解消し、被塗装物１０の表面温度を精度高く均一にすることができる。特に、被塗装物１０の３次元位置間の温度差を小さくすることができるので、塗料が許容する高い温度での制御が可能となり、塗装乾燥時間の短縮を図ることができる。また、この塗装乾燥時間の短縮は、誘導加熱コイル３への通電時間が短縮されるため、塗装乾燥装置全体の省エネルギー化も図ることができる。

なお、上述した実施の形態１，２では、１つの誘導加熱コイル３を用いていたが、これに限らず、複数の誘導加熱コイル３を設けてもよい。また、温度分布情報Ｄ２を取得するために、複数の温度分布取得部２を設けるようにしてもよい。この場合、各誘導加熱コイル３と各温度分布取得部２とを対とする構成にすることが好ましい。

また、上述した実施の形態では、誘導加熱コイル３のコイル径、コイル巻き数、ピッチ間隔などが固定された円状のコイルであることを前提として説明している。しかし、誘導加熱コイル３は、種々の形状、材質などを用いて入熱特性の異なるものを用いることができる。

１ 制御部
１ａ 位置検出部
１ｂ 温度検出部
１ｃ，１ｄ 温度制御部
２ 温度分布取得部
３ 誘導加熱コイル
４ 誘導加熱部
５ 記憶部
６ 表示部
７ 操作部
１０ 被塗装物
１１ 床
１２ コンベア
１３ 天井
３１，３６ 演算部
３２ 比例制御定数算出部
３３ 比例制御定数設定部
３４ 誘導加熱コイル電源
３５ 比例制御定数補償設定部
Ｄ１ ３次元形状情報
Ｄ２ 温度分布情報
Ｄ３ ３次元比例制御定数情報
Ｄ４ ３次元温度偏差積分値
Ｐ，Ｐ´，Ｐ´´ 比例制御定数
Ｐα 補償値
ＲＴ ３次元移動経路
Δｔ 偏差

Claims (4)

1. 被塗装物の周囲に誘導加熱コイルを移動させ、該被塗装物に塗布された塗料を乾燥する塗装乾燥装置であって、
   前記被塗装物の３次元熱容量情報をもとに設定される３次元比例制御定数情報を保持する３次元比例制御定数情報保持部と、
   前記誘導加熱コイルによる前記被塗装物の加熱対象位置である３次元位置を検出する位置検出部と、
   前記位置検出部が検出した３次元位置に対応する前記被塗装物の温度を検出する温度検出部と、
   前記位置検出部が検出した３次元位置に対応する前記被塗装物の３次元比例制御定数情報に基づき、３次元位置における前記温度検出部が検出した前記被塗装物の温度が設定温度となるように比例制御定数を設定して前記誘導加熱コイルへの通電電力の比例制御を行う温度制御部と、
   を備えたことを特徴とする塗装乾燥装置。
2. 前記誘導加熱コイルが繰り返して移動加熱する同一３次元位置における３次元温度偏差積分値を保持する３次元温度偏差積分値保持部を備え、
   前記温度制御部は、前記位置検出部が検出した３次元位置に対応する前記３次元温度偏差積分値に基づき、設定された前記比例制御定数を積分補償することを特徴とする請求項１に記載の塗装乾燥装置。
3. 被塗装物の周囲に誘導加熱コイルを移動させ、該被塗装物に塗布された塗料を乾燥する塗装乾燥方法であって、
   前記誘導加熱コイルの３次元位置に対応する前記被塗装物の設定温度と、該３次元位置において検出された検出温度との偏差をもとに比例制御定数を算出し、
   前記算出された比例制御定数に対し、前記被塗装物の３次元熱容量情報をもとに設定された３次元比例制御定数情報をもとに該３次元位置に対応する比例制御定数を設定し、
   前記設定された比例制御定数を用いて前記３次元位置における温度が設定温度となるように前記誘導加熱コイルへの通電電力の比例制御を行うことを特徴とする塗装乾燥方法。
4. 前記誘導加熱コイルが繰り返して移動加熱する同一３次元位置における３次元温度偏差積分値を更新可能に保持し、前記３次元位置における現在の３次元温度偏差積分値を用いて、前記設定された比例制御定数を積分補償することを特徴とする請求項３に記載の塗装乾燥方法。

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