JP2007021512A - ダウンコイラーのラッパーロール制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダウンコイラーの位置を制御する位置制御の応答性や精度を高めにくく、押付力制御から位置制御へ切換えた際のラッパーロール位置の精度を高めにくく、押付力制御系に外乱に起因する共振振動が発生する可能性がある。
【解決手段】ラッパーロールの位置を制御する位置制御系３０とラッパーロールによる押付力を制御する押付力制御系４０とを独立に構成し、位置制御系３０には定数器３３と減算器３４を介してシリンダ推力検出信号ＴＨを負帰還させることでダンピング特性を与え、押付力制御終了して位置制御を再開する際のロール位置の現在位置として、押付力制御終了時点のロール位置をサンプルホールド回路３７を介して位置制御系に供給する。押付力制御系４０には、その共振振動数の付近のゲインを大きくしたバンドパスフィルター４５を設け、共振振動数の付近の負帰還させることで共振振動を防止する。
【選択図】図３

Description

本発明は、鋼板をコイル状に巻き取るダウンコイラーのラッパーロール制御装置に関し、高慣性のラッパーロールの位置制御の応答性と精度を高め、巻き取り過程にある鋼板からの外乱による押付力制御での共振を防止するようにしたものに関する。

ダウンコイラーは、上下のピンチロールから高速で供給される鋼板等を巻き取るマンドレルと、このマンドレルの周囲に配置されて鋼板をマンドレルに押し付ける３〜４個のラッパーロールを有し、ラッパーロールを支持するロールフレームを油圧シリンダで揺動駆動することで、ラッパーロールのマンドレルに対する相対的な位置が制御され、油圧シリンダを介してロールの押付力が制御される。

圧延機で圧延された鋼板は、上下のピンチロールにより送り駆動され方向変換されてマンドレルに供給され、その鋼板の先端がマンドレル上に到達してからは、ラッパーロールに付属するストリップガイドに導かれ、ラッパーロールを介してマンドレルに巻き付けられる。

ダウンコイラーは種々の検出センサ類を有し、鋼板先端がマンドレルに１巻きする過程で、全部のラッパーロールを順次マンドレルから所定距離離隔させるＣＰＣ制御から、ラッパーロールを鋼板に押し付けるＣＰＲ制御へ切換え、鋼板が１巻きした後は各ラッパーロール位置に鋼板先端が達するタイミング毎にラッパーロールを一定距離離隔するように開放動作させ、開放動作期間以外の期間にはラッパーロールの鋼板への押付力を一定とするＣＰＲ制御を行なう。

鋼板がマンドレルに約１０巻きされた後は、鋼板がマンドレルに正規に巻き付いたことを確認後、ＣＰＲ制御が継続的に実行されていく。その巻き取りの最終段階において鋼板後端がマンドレルの付近に達した時点でＣＰＣ制御に切換えてから再度ＣＰＲ制御に切換えられ、鋼板後端を軽く押し付けながら完全に鋼板を巻き取る。尚、ＣＰＣとは、コンスタント・ポジション・コントロールのことであり、ＣＰＲとは、コンスタント・プレッシャ・レギュレーティングのことである。特許文献１，２には、前記のようなダウンコイラーとその制御技術が記載されている。

特開２００１−１０４４号公報 特開平９−１４１６３８号公報

ダウンコイラーのラッパーロールの慣性質量は数トンもの大きさでしかも高速で回転しており、ＣＰＲ制御中には例えば最大厚さ１６ｍｍ鋼板を巻き取る場合で１６〜２０トンもの押付力でマンドレルに押付けられるので、ラッパーロールを移動駆動する油圧シリンダを駆動制御するサーボバルブとしては大流量のサーボバルブが採用され、高速、高応答、高精度の位置制御が要求される。

ラッパーロールの位置制御の応答性と精度を高める為に高ダンピング特性を与えることは容易ではなく、従来、ラッパーロールのロールフレームの回動部の回動角をマグネスケールにて検出し、その検出信号からラッパーロールの加速度を求め、その加速度を用いてラッパーロールの位置制御にダンピングを付与する技術も公知である。しかし、この技術を３〜４個のラッパーロールの全部に適用しようとする場合に、ラッパーロールとそのロールフレームの取り付け位置がロール毎に異なり、ラッパーロールの加速度特性がロール毎に変動するため、また、個々のラッパーロールにおいても鋼板の巻数によりラッパーロールのフレームの回動角が変化して加速度特性が変化するため、安定したダンピング特性を得ることは困難であった。

また、押付力制御を実行中に、外乱により制御系に共振振動数付近の振動が発生すると、共振現象が発生し制御系が故障すると問題もあった。
本発明の目的は、ダウンコイラーのラッパーロール制御装置において、ラッパーロールの位置制御系に安定したダンピング手段を設けること、位置制御系と押付力制御系とを別系統に構成すること、押付力制御中にその制御系に外乱による共振現象が生じるのを防止すること、などである。

請求項１のダウンコイラーのラッパーロール制御装置は、ダウンコイラーのラッパーロールを制御する制御装置において、マンドレルに対してラッパーロールを油圧シリンダにより移動駆動するラッパーロール駆動手段と、前記油圧シリンダを介してラッパーロールの位置を制御する位置制御手段と、前記位置制御手段とは独立に設けられ、前記位置制御手段で油圧シリンダを位置制御しない期間に前記油圧シリンダを介してラッパーロールの押付力を制御する押付力制御手段とを備え、前記位置制御手段は、前記油圧シリンダの推力検出値を用いてダンピング特性を与えるダンピング手段を有することを特徴とするものである。

位置制御手段により、ラッパーロールを移動駆動する油圧シリンダを介してラッパーロールの位置が制御され、また、この位置制御手段とは独立の押付力制御手段により、位置制御を実行していない期間中に前記油圧シリンダを介してラッパーロールの押付力が制御される。ここで、ダンピング手段は前記油圧シリンダの推力検出値を用いて位置制御にダンピング特性を付与する。
油圧シリンダの推力の位相（油圧シリンダ内の油圧の位相）は、ラッパーロールの位置の位相よりも進むため、油圧シリンダの推力検出値を用いて位置制御にダンピング特性を与えることで位置制御の応答性と精度を高めることができる。

請求項２のダウンコイラーのラッパーロール制御装置は、請求項１の発明において、前記押付力制御手段による押付力制御の終了時点のラッパーロール位置情報を、前記位置制御手段による位置制御再開時点のラッパーロール位置の現在位置として前記位置制御手段に付与する現在位置付与手段を設けたことを特徴とする。

請求項３のダウンコイラーのラッパーロール制御装置は、請求項１又は２の発明において、前記押付力制御手段は、その制御系の共振を防止する為に共振振動数付近の振動数の制御出力を負帰還させるフィルター手段を有することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ラッパーロールの位置を制御する位置制御手段に、ラッパーロールを移動駆動する油圧シリンダの推力検出値を用いて位置制御にダンピング特性を与えるダンピング手段を設けたため、位置制御の応答性と精度と安定性を高めることができる。

請求項２の発明によれば、押付力制御手段による押付力制御の終了時点のラッパーロール位置情報を、位置制御手段による位置制御再開時点のラッパーロール位置の現在位置として位置制御手段に付与する現在位置付与手段を設けたので、位置制御手段と押付力制御手段を独立に設け、位置制御と押付力制御を切換えながら行うような場合にも、押付力制御の終了時点のラッパーロール位置情報を位置制御に位置制御再開時の現在位置として与えることで、位置制御の精度を高めることができる。

請求項３の発明によれば、前記押付力制御手段は、その制御系の共振を防止する為に共振振動数付近の振動数の制御出力を負帰還させるフィルター手段を有するため、共振振動数付近の振動数の制御出力の負帰還により、共振振動数付近における制御系の振動が抑制され、共振現象が生じることがない。

本発明に係るダウンコイラーのラッパーロール制御装置ダウンコイラーのラッパーロールを制御する制御装置において、マンドレルに対してラッパーロールを油圧シリンダにより移動駆動するラッパーロール駆動手段と、前記油圧シリンダを介してラッパーロールの位置を制御する位置制御手段と、前記位置制御手段とは独立に設けられ、前記位置制御手段で油圧シリンダを制御しない期間に前記油圧シリンダを介してラッパーロールの押付力を制御する押付力制御手段とを備え、前記位置制御手段は、前記油圧シリンダの推力検出値を用いてダンピング特性を与えるダンピング手段を有することを特徴とするものである。

次に、本発明の実施例について図面に基づいて説明する。
図１に示すように、圧延機で圧延された薄手の鋼板１は上下のピンチロール２，３でダウンコイラー４へ送給され、ダウンコイラー４に巻き取られる。ダウンコイラー４は、図示外の電動モータで回転駆動されるりマンドレル５と、図示外の電動モータで夫々回転駆動される３個のラッパーロール機構６，７，８と、各種のセンサ類と、制御装置１０を有する。

ラッパーロール機構６，７，８は同様の構造のものであるので、ラッパーロール機構６を例にして説明すると、ラッパーロール機構６は、ラッパーロール１１と、このラッパーロール１１を回転駆動する図示外の電動モータと、これらラッパーロール１１とその電動モータを支持するロールフレーム１２と、このロールフレーム１２を枢支軸１３を回動中心として揺動駆動することでラッパーロール１１をマンドレル５に対して相対的に移動駆動する油圧シリンダ１４と、この油圧シリンダ１４の２つの油室への油圧の供給量を制御するサーボ弁１５などを有する。尚、サーボ弁１５は油圧供給源に接続されている。また、ロールフレーム１２と油圧シリンダ１４とが「ラッパーロール駆動手段」に相当する。

センサ類として、下ピンチロール３の回転角を高精度に検出するパルスジェネレータ１６、マンドレル５の回転角を高精度に検出するパルスジェネレータ１７、油圧シリンダ１４のストロークを高精度に検出するリニアマグネスケール１８、鋼板１の先端と後端を検出する為のレーザー発光器１９および受光器２０、油圧シリンダ１４の２つの油室の油圧の圧力を検出する圧力センサ２１，２２などが設けられ、これらのセンサ類の検出信号が制御装置１０に供給されている。制御装置１０は、図２に示す位置制御系３０および押付力制御系４０、マイクロコンピュータ、入出力インターフェース、複数のモータ駆動回路、サーボ弁用サーボアンプ２３（図３参照）などを有する。尚、複数のモータ駆動回路は制御装置１０以外の制御装置に設けてもよい。

図２は、１つのラッパーロール１１の位置と押付力を制御するＣＰＣ制御とＣＰＲ制御のタイムチャートを示すものであるが、実際には３つのラッパーロールの位置と押付力の制御が並行的に実行される。尚、図中の「ＣＰＣ」は、ラッパーロール１１のマンドレル５に対する位置を制御するコンスタント・ポジション・コントロール（段差回避制御）のことであり、この段差回避制御は、鋼板１の先端によって鋼板１の内面に圧痕が発生するのを防止する為に実行される。「ＣＰＲ」は、ラッパーロール１１によりマンドレル５に巻き取られた鋼板１を押圧する押付力を制御するコンスタント・プレッシャ・レギュレーティングのことである。

図２に基づいて、ラッパーロール１１を移動駆動する油圧シリンダ１４に対するＣＰＣ制御とＣＰＲ制御の概要について説明する。
ダウンコイラー４が作動開始した状態で、鋼板１の先端が検出される前からセットアップと称するＣＰＣ制御（ＣＰＣ［Ａ］）が開始されてラッパーロール１１がマンドレル５から例えば所定距離（板厚が小さい場合は例えば、１．５ｍｍ）だけ離隔した位置に保持するように位置制御され、その後、所定のタイミングでＣＰＲ制御（ＣＰＲ［ａ］）に切換えられて、ラッパーロール１１の押付力を一定値（例えば、８トン）にする制御が開始される。

巻数Ｎ＝１の付近において、鋼板１の先端がラッパーロール１１の位置に達する直前に、ＣＰＣ［Ｂ］で示す段差回避制御が開始されてラッパーロール１１を所定離隔位置まで開放動作させ、鋼板１の先端がラッパーロール１１の位置を通過直後にその段差回避制御が終了し、ＣＰＲ制御（ＣＰＲ［ｂ］）に切換えられる。その後、巻数Ｎ＝２の付近においても、ＣＰＣ［Ｃ］で示す段差回避制御が実行され、その後ＣＰＲ制御（ＣＰＲ［ｃ］）に切換えられる。巻数Ｎ＝３の付近においても、ＣＰＣ［Ｄ］で示す段差回避制御が実行され、その後ＣＰＲ制御（ＣＰＲ［ｄ］）に切換えられる。同様にして、巻数Ｎ＝１０位になるまで段差回避制御とＣＰＲ制御とが繰り返し実行される。

そして、巻数Ｎ＝１０になった後はＣＰＣ［Ｍ］で示す段差回避制御が継続的に実行され、ラッパーロール１１が鋼板１の表面から一定距離だけ離隔した状態が維持され、鋼板１がマンドレル５に多重に巻き取られる。鋼板１の巻き取りの終了間近になって、鋼板１の後端が検出されると、ＣＰＲ制御（ＣＰＲ［ｍ］）に切換えて、ラッパーロール１１が鋼板１に軽く接触する位置に保持する制御が実行され、鋼板１の巻き取りが完了するとこの制御が終了する。

次に、図３に基づいて、制御装置１０に設けられたラッパーロール１１の位置を制御するロール位置制御系３０と、ラッパーロール１１の押付力を制御するロール押付力制御系４０について説明する。尚、ロール位置制御系３０が「位置制御手段」に相当し、ロール押付力制御系４０が「押付力制御手段」に相当する。

ロール位置制御系３０は、ロール位置指令Ｐ０を受けてこのロール位置指令Ｐ０からロール位置検出値Ｐを減算する減算器３１と、この減算器３１の出力を受けて定数ＫＰを乗算する定数器３２と、積分器３６及びサンプルホールド回路３７と、この定数器３２の出力とサンプルホールド回路３７の出力とを加算する加算器３３と、油圧シリンダ１４のシリンダ推力検出信号ＴＨを受けて定数ＫＰｆを乗算する定数器３４と、加算器３３の出力から定数器３４の出力を減算する減算器３５と、サーボアンプ２３とを有する。前記減算器３５の出力信号は、サーボアンプ２３に出力され、サーボアンプ２３によりサーボ弁１５が駆動される。

積分器３６は、減算器３１の出力を受けて積分していくことで、ラッパーロール１１の現在位置を常時演算し、その積分値をサンプルホールド回路３７へ出力する。サンプルホールド回路３７は、ＣＰＲ制御終了時点の積分器３６の出力（前記積分値）をサンプルホールドして、ＣＰＲ制御終了直後のＣＰＣ制御再開時のラッパーロール位置の現在位置として加算器３３に出力する。尚、ＣＰＲ制御終了時点は、ロール押付力検出信号を受けるタイミング検出回路３８により、ロール押付力の急減から判定され、タイミング検出回路３８からサンプルホールド回路３７へＣＰＲ制御終了タイミング信号が供給される。

尚、前記のシリンダ推力検出信号ＴＨに定数ＫＰｆを乗算して減算器３５に負帰還させる回路が「ダンピング手段」に相当する。積分器３６とサンプルホールド回路３７と加算器３３とが「 現在位置付与手段」に相当する。

次に、ロール位置制御系３０とは独立に構成されたロール押付力制御系４０について説明する。このロール押付力制御系４０は、ロール押付力指令Ｆ０を受けてこのロール押付力指令Ｆ０からロール押付力検出信号を減算する減算器４１と、減算器４１の出力に所定の定数ＫＦを乗算する定数器４２と、減算器４３と、バンドパスフィルター４５及び定数器４６と、サーボアンプ２３とを有する。

前記バンドパスフィルター４５は、このロール押付力制御系４０の共振振動数の付近の振動数を有するロール押付力検出信号Ｆを通過させるフィルターであり、このバンドパスフィルター４５の出力に定数器４６において所定の定数ＫＦｆが乗算され、前記減算器４３においては、定数器４２の出力から定数器４６の出力が減算される。つまり、バンドパスフィルター４５を介して共振振動数の付近の振動数のロール押付力検出信号Ｆが負帰還されるため、このロール押付力制御系４０に共振振動が発生するのを確実に防止することができる。尚、シリンダ推力検出信号ＴＨが「シリンダ推力検出値」に相当し、ロール押付力検出信号が「ロール押付力検出値」に相当し、バンドパスフィルター４５と定数器４６と減算器４３とが「フィルター手段」に相当する。

次に、ロール位置制御系３０に入力するロール位置指令Ｐ０を生成するロール位置指令演算処理について、図４のフローチャートに基づいて簡単に説明する。 この制御は制御装置１０内のコンピュータにより実行される制御で、この図中の符号Ｓｉ（ｉ＝１，２・・）は各ステップを示し、このＳ１〜Ｓ１０までルーチンは微小時間おきに繰り返し実行される。

ダウンコイラー４に鋼板１が供給される前からこの制御は開始されるが、その制御開始時の初期設定において、入力部（図示略）から入力設定された鋼板１の板厚などが読み込まれており、次にＳ１においてセンサ類１６〜２２から各種検出信号が読み込まれ、鋼板１の先端が検出されるまでＳ１が繰り返され、鋼板１の先端がレーザー受光器２０により検出されると、下ピンチロール３の回転角を検出するパルスジェネレータ１６からのパルスを計数するカウンタＣ１と、マンドレル５の回転角を検出するパルスジェネレータ１７からのパルスを計数するカウンタＣ２とが計数を開始する。

以後、これらカウンタＣ１，Ｃ２の計数情報に基づいて、鋼板１に関連する種々の物理量が演算される。次にＳ３において、鋼板供給速度、マンドレル５の鋼板巻取り長、ラッパーロール位置での鋼板巻数Ｎ、マグネスケール１８からの検出信号に基づいて演算されるラッパーロール位置検出値、圧力センサ２１，２２からの検出信号に基づいて演算されるシリンダ推力検出値などが演算され、メモリに更新しつつ格納される。

次に、Ｓ４においてＣＰＣ制御期間中か否か判定される。尚、図２における［Ａ］〜［Ｄ］などの何れかのＣＰＣ制御期間中である場合は、Ｓ４の判定がＹｅｓとなる。ＣＰＣ制御期間中である場合には、Ｓ５へ移行してＳ５においてロール位置での巻数Ｎ＜γ（例えば、γ＝０．２）か否か判定し、巻数Ｎ＜γである場合には、Ｓ６において図２のＣＰＣ制御［Ａ］の為のロール位置指令値Ｐ０（ラッパーロール１１をマンドレル５に巻き付けられた鋼板１の表面から一定距離離隔させるようなロール位置指令値Ｐ０）が演算され、その後リターンする。

Ｓ５の判定がＮｏのときはＳ７において、段差回避制御期間中か否か判定され、ＣＰＣ［Ｂ］〜［Ｄ］などの段差回避制御期間中である場合には、Ｓ８においてラッパーロール１１を開放動作させるロール位置指令値Ｐ０が演算され、その後リターンする。Ｓ７の判定がＮｏの場合はＳ９において、巻数Ｎ＞１０以降のＣＰＣ制御（ＣＰＣ［Ｍ］）期間中か否か判定され、その判定がＹｅｓの場合はＳ１０においてＣＰＣ［Ｍ］の為のロール位置指令値Ｐ０が演算され、その後リターンする。Ｓ４，Ｓ９の判定がＮｏの場合にもリターンする。なお、鋼板後端検出後所定時間が経過するとこの制御は終了する。

次に、以上説明したダウンコイラー４のラッパーロール制御装置１０の作用、効果について説明する。ラッパーロールの位置を制御する位置制御系３０に、ラッパーロール１１を移動駆動する油圧シリンダ１４の推力検出値ＴＨを用いて位置制御にダンピング特性を与えるように構成したため、ロール位置制御の応答性と精度と安定性を高めることができる。

サンプルホールド回路３６と定数器３７を介して、押付力制御系４０による押付力制御の終了時点のラッパーロール位置を、位置制御系３０による位置制御再開時点のラッパーロール位置の現在位置として位置制御系３０に付与するので、位置制御系３０と押付力制御インバータ４０を独立に設け、位置制御と押付力制御を切換えながら行うような場合にも、ロール位置制御の精度と安定性を高めることができる。

押付力制御系４０は、その制御系の共振を防止する為に共振振動数付近の振動数のロール押付力検出値信号を負帰還させるように構成したため、その負帰還によるキャンセル作用により共振振動数付近における押付力制御系４０の振動が抑制され、共振現象が生じることがない。

前記実施例の一部を変更する例について説明する。
前記実施例の図２に示したタイムチャートは一例を示すものに過ぎず、ＣＰＣ制御とＣＰＲ制御のパターンは図２のものに限定される訳ではない。
前記実施例の図３に示した位置制御系３０と押付力制御系４０は一例であり、種々の変更を付加した形の位置制御系３０と押付力制御系４０を採用可能であることは勿論である。尚、当業者ならば、その他の種々の変更を付加した形態でも実施可能である。

本発明の実施例に係るダウンコイラー等の構成図である。 ラッパーロールへのＣＰＣ制御とＣＰＲ制御のタイムチャートである。 位置制御系と押付力制御系のブロック図である。 ロール指令値を演算するフローチャートである。

符号の説明

４ ダウンコイラー
１０ 制御装置
１１ ラッパーロール
１２ ロールフレーム
１４ 油圧シリンダ
３０ 位置制御系
３３ 定数器
３４ 減算器
３６ 積分器
３７ サンプルホールド回路
４０ 押付力制御系
４３ 減算器
４５ バンドパスフィルター
４６ 定数器

Claims (3)

1. ダウンコイラーのラッパーロールを制御する制御装置において、
   マンドレルに対してラッパーロールを油圧シリンダにより移動駆動するラッパーロール駆動手段と、
   前記油圧シリンダを介してラッパーロールの位置を制御する位置制御手段と、 前記位置制御手段とは独立に設けられ、前記位置制御手段で油圧シリンダを位置制御しない期間に前記油圧シリンダを介してラッパーロールの押付力を制御する押付力制御手段とを備え、
   前記位置制御手段は、前記油圧シリンダの推力検出値を用いてダンピング特性を与えるダンピング手段を有することを特徴とするダウンコイラーのラッパーロール制御装置。
2. 前記押付力制御手段による押付力制御の終了時点のラッパーロール位置情報を、前記位置制御手段による位置制御再開時点のラッパーロール位置の現在位置として前記位置制御手段に付与する現在位置付与手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載のダウンコイラーのラッパーロール制御装置。
3. 前記押付力制御手段は、その制御系の共振を防止する為に共振振動数付近の振動数の制御出力を負帰還させるフィルター手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のダウンコイラーのラッパーロール制御装置。
   

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