JP2011000772A - 振動溶着機における圧力制御装置 - Google Patents

振動溶着機における圧力制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 省エネルギー化でき、圧力制御による圧力変動を少なくできる振動溶着機における圧力制御装置を提供すること。
【解決手段】 熱可塑性材料からなる加工材を互いに圧接させて、両加工材を相対移動させることにより両加工材の圧接面に摩擦熱を発生させて溶融させ両加工材を接着させる溶融機に設けられた圧力制御装置であって、リフトテーブル作動手段は、リフトテーブルを駆動する作動流体を、圧力制御及び流量制御した状態で供給できる作動流体供給源を備え、かつ、作動流体供給源から出力される作動流体の圧力及び流量を、予め定めた所定の状態に制御する状態制御手段を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は振動溶着機における圧力制御装置の改良に係り、特に安定した作動流体流量が得られるとともに、無駄な電力消費を抑えた振動溶着機における圧力制御装置に関するものである。
この種の振動溶着機は、熱可塑性材料からなる加工材を互いに圧接させて、前記両加工材を相対移動させることにより前記両加工材の圧接面に摩擦熱を発生させて溶融させ両加工材を接着させる装置として知られている。また、この振動溶着機には、少なくとも前記一方の加工材を上昇、溶着、下降、待機等の一連の動作を行わせるリフトテーブルを駆動するリフトテーブル作動手段の圧力制御を行うことができる圧力制御装置が設けられている。なお、これら振動溶着機に圧力制御装置を設けてなるものと似た装置としては、特許文献1に記載のものが提供されている。
図6は、振動溶着機及び圧力制御装置の一例を示す図である。
図6において、振動溶着機1は、大別すると、振動手段3と、加圧手段5とを備えている。
ここで、振動手段3は、図6に示すように、ガイドシャフト51,51の上に設けられたブリッジ31と、前記ブリッジ31の図示下側に垂設されたスプリング32を介して固定されたバイブレータプレート33と、前記バイブレータプレート33の図示左右両側に設けられたドライバーボックス34,34と、前記ドライバーボックス34,34に対峙されブリッジ31に固定された電磁コイル35,35と、前記バイブレータプレート33の図示下側に設けられ上側加工材を介装するアッパーフィクスチャー36とを備えている。また、ピックアップセンサー37により前記バイブレータプレート33の振動数が検出できるようになっている。ピックアップセンサー37からの検出信号は制御盤40のパワーサプライ39に供給されている。パワーサプライ39は、前記検出信号を基に電磁コイル35,35に供給する電力を調整してバイブレータプレート33を図示横方向に振動させることができるようになっている。
また、加圧手段5は、図6に示すように、ガイドシャフト51,51を図示上下摺動可能なリフトテーブル52と、上昇、溶着加圧、下降、待機等の一連の動作を行わせるリフトテーブル52を駆動する駆動アクチュエータ53と、前記リフトテーブル52の図示上側に設けられ下側加工材を介装するロワーフィクスチャー54とを備えている。
また、圧力制御装置7は、リフトテーブル作動手段71と、リフトテーブル作動手段71を制御する状態制御手段72とを備えている。
前記リフトテーブル作動手段71は、リフトテーブル52を上下動駆動できる駆動アクチュエータ53に作動流体を供給する流体供給系711と、流体貯留部712とを備えている。
前記状態制御手段72は、前記流体供給系711を所定の状態に制御することができる。
図7は、振動溶着機における従来の圧力制御装置の一例を示すブロック図である。この図7において、前記流体供給系711では、ピストンポンプから吐出される作動流体は圧力調整弁7111で調整され、流量調整弁7112を介して方向切換弁7113に供給される。方向切換弁7113では、運転指令に基づいて、作動流体を駆動アクチュエータ53内の弁下側室へシャットオフ弁7114を介して供給でき、あるいは、作動流体を駆動アクチュエータ53の弁上側室へ供給できる。前記方向切換弁7113の排出口から排出された作動流体は、還配管BP1、流量調整弁7112、還配管BP2を介して流体貯留部712に戻される。
圧力調整弁7111の排出側に設けられた圧力センサー7115で検出された検出信号は、状態制御手段72に供給される。状態制御手段72は、圧力センサー7115からの検出信号が予め決められた圧力値になるように、圧力調整弁7111をフィードバック制御する。
このような振動溶着機及び圧力制御装置において、待機状態でロワーフィックスチャー54及びアッパーフィクスチャー36にそれぞれ加工材を装着する。次に、前記方向切換弁7113を切り替えて駆動アクチュエータ53に作動流体を供給し、リフトテーブル52を上昇させる。所定の位置で停止させ、両加工材に所定の圧力が加わるように駆動アクチュエータ53に作動流体を供給して、電磁コイル35,35に振動用の電力を供給する。一定時間振動を繰り返すと、両加工材は溶着するので、方向切換弁7113を弁切替制御してリフトテーブル52を下降させた後、待機状態にする。
このように待機−上昇−溶着−下降−待機からなる溶着1サイクルについて検討する。図2(a)は、上記振動溶着機及び従来の圧力制御装置において溶着1サイクルの電力変動を示す図であって、横軸に経過時間(sec)を、縦軸に消費電力(W)を、それぞれとったものである。また、上記溶着1サイクルにおいて、サイクルタイム、振幅、溶け代、溶着時間、溶着圧力、冷却時間等は所定の値に設定されているものとする。
上記従来の圧力制御装置では、上記溶着1サイクルを実行すると、図2(a)に示すように時間経過とともに電力のデータが得られることになる。図2(a)の横軸において、時刻0〜12(sec)が待機中、時刻12〜15(sec)が上昇、時刻20〜30(sec)が溶着中、時刻33〜36(sec)が下降、時刻36〜50(sec)が待機中の動作である。これらの動きに対して図2(a)の縦軸に示すような電力消費が得られることになる。
この図2(a)を検討すると、待機時の電力と溶着時の電力の変化は少ないものの、待機時にも一定電力(1300(W))程度の電力が常に消費されていることがわかる。
図3(a)は、振動溶着機及び従来の圧力制御装置において圧力デプス切替制御にて溶着したときの圧力の変化を示す図であって、横軸に経過時間(sec)を、縦軸に圧力を、それぞれとったものである。
初期圧を例えば5.0[MPa]、溶着1圧を例えば8.0[MPa]、溶着2圧を例えば5.0[MPa]、溶着3圧を例えば8.0[MPa]に変化させたときに、従来の圧力制御装置では、図3(a)に示すような圧力変化が得られることになる。この図3(a)を見ると、圧力が急激に変化する部分には、図3(a)の○印で示したようにオーバーシュート、アンダーシュート、脈動等が発生していることがわかる。この脈動は状態制御手段72のゲインの調整等で解消できる場合もあるが、圧力調整弁7111から駆動アクチュエータ53までのホースが長いなど、圧力損失変化が大きくなる要因があるときには、脈動やオーバーシュート等を解消することが困難となっていた。
図4(a)は振動溶着機における圧力制御装置において指令値を与えたときの、圧力センサーの出力電圧及びロードセルの出力電圧を示したものであって、横軸に時間を、縦軸に圧力センサーの出力電圧及びロードセルの出力電圧をそれぞれとったものである。なお、ロードセルは、上下加工材に加わる圧力の変化を検出できるように所定部位に設けたものであるが、図6には図示していない。
この図4(a)は、振動溶着機及び圧力制御装置を、初期(4.0[MPa])→溶着1(10.0[MPa])→冷却(4.0[MPa])という指令M1で運転したときに、ロードセルからの出力電圧L1、圧力センサーからの電圧信号G1を示したものである。
図4(a)において、圧力センサーからの電圧信号G1は、加圧中こそ脈動がおきていないが、圧力上昇切替の圧力変動時と、圧力下降切替の圧力変動時に数回オーバーシュートが発生することが確認できる。
また、図4(a)において、ロードセルからの出力電圧L1に着目すると、下降時において一旦ロードセルの圧力が0[MPa]となり(図示○印参照)、アッパーフィクスチャー(上治具)36と、ロワーフィクスチャー(下治具)54との間に隙間ができてしまうことが確認できる。
特開平9−104070号公報
上述したように従来の圧力制御装置によれば、次のような不都合がある。
(1)待機時にも常に一定以上の電力が消費されていて省エネルギー化できないという不都合がある。
(2)切り換え動作をさせたときに、脈動やオーバーシュートが発生しこれを抑えることが困難であった。
(3)圧力変動が大きいため、細かい圧力制御ができないという不都合がある。
本発明は、上述した不都合を解消し、省エネルギー化でき、圧力制御による圧力変動を少なくできる振動溶着機における圧力制御装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明に係る振動溶着機における圧力制御装置は、熱可塑性材料からなる加工材を互いに圧接させて、前記両加工材を相対移動させることにより前記両加工材の圧接面に摩擦熱を発生させて溶融させ両加工材を接着させる溶融機に設けられた圧力制御装置であって、少なくとも前記一方の加工材を上昇、溶着、下降、待機等の一連の動作を行わせるリフトテーブルを駆動するリフトテーブル作動手段の圧力制御を行うことができる圧力制御装置において、
前記リフトテーブル作動手段は、リフトテーブルを駆動する作動流体を、圧力制御及び流量制御した状態で供給できる作動流体供給源を備え、かつ、
前記作動流体供給源から出力される作動流体の圧力及び流量を、予め定めた所定の状態に制御する状態制御手段とを少なくとも備えたことを特徴とするものである。
請求項2記載の発明では、請求項1記載の振動溶着機における圧力制御装置において、前記状態制御手段は、作動流体供給源の圧力を検出する圧力センサーからの検出信号を基に、予め定めた圧力・流量となるように圧力・流量制御信号を出力できるものであることを特徴とするものである。
請求項3記載の発明では、請求項1記載の振動溶着機における圧力制御装置において、前記作動流体供給源は、ギアポンプと、当該ギアポンプを駆動するシンクロモータとからなり、
前記状態制御手段は、予め定めた圧力・流量となるように前記シンクロモータの回転を制御することを特徴とするものである。
本発明は、上述したように構成したので、次のような利点がある。
(1)作動流体の立ち上がり時に、オーバーシュートが発生しない。
(2)加圧特性が円滑に立ち上がるために衝撃がなく、安定した加圧力が得られる。
(3)待機中の消費電力を削減できるため、排出炭酸ガス量の削減になり、しかもランニングコストを低減できる。
(4)圧力・流量の制御ができるので、細かな圧力制御ができ、かつ圧力制御による圧力変動が少ない。
本発明に係る振動溶着機における圧力制御装置の一実施形態を示すブロック図である。 図2(a)は、上記振動溶着機及び従来の圧力制御装置において溶着1サイクルの電力変動を示す図である。図2(b)は、上記振動溶着機及び本発明に係る圧力制御装置において溶着1サイクルの電力変動を示す図である。 図3(a)は、振動溶着機及び従来の圧力制御装置において圧力デプス切替制御にて溶着したときの圧力の変化を示す図である。図3(b)は、振動溶着機及び本発明に係る圧力制御装置において圧力デプス切替制御にて溶着したときの圧力の変化を示す図である。 図4(a)は振動溶着機及び従来の圧力制御装置において指令値を与えたときの圧力センサーの出力電圧及びロードセルの出力電圧を示したものである。図4(b)は振動溶着機及び本発明に係る圧力制御装置において指令値を与えたときの圧力センサーの出力電圧及びロードセルの出力電圧を示したものである。 本発明に係る圧力制御装置の一実施例を示す配管系統図である。 振動溶着機及び従来の圧力制御装置の一例を示す図である。 振動溶着機における従来の圧力制御装置の一例を示すブロック図である。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図1は、本発明に係る振動溶着機における圧力制御装置の一実施形態を示すブロック図である。この図1に示す本発明に係る圧力制御装置7hにおいても、図7に示す圧力制御装置7を構成する構成要素と同一構成要素には同一の符号を付付して説明をすることとする。
この図1において、本発明に係る圧力制御装置7hが従来の圧力制御装置7と大きく異なるところは、リフトテーブル作動手段71hにおける作動流体を駆動アクチュエータ53に供給する作動流体供給源SPに対して圧力制御及び流量制御を可能な構成とした点と、この作動流体供給源SPを運転制御できる状態制御手段72hを設けた点にある。なお、本発明に係る圧力制御装置7hも、図6に示す振動溶着機に適用されるものである。
また、本発明に係る圧力制御装置7hは、新しい作動流体供給源SPを設けたリフトテーブル作動手段71hと、このリフトテーブル作動手段71hを制御する新しい状態制御手段72hとから構成されている。
このリフトテーブル作動手段71hにおいて、作動流体供給源SPは、図示しないが、ギアポンプと、このギアポンプを駆動できるシンクロモータとから構成されている。さらに、状態制御手段72hは、圧力センサー7115からの検出信号を基に、前記ギアーポンプを駆動するシンクロモータの回転数をフィードバック制御することにより、前記ギアーポンプから吐き出される作動流体の圧力と流量とを制御できるようにしたものである。
この図1において、作動流体供給源SPの一部を構成するギアポンプから吐出される作動流体は方向切換弁7113に供給される。方向切換弁7113では、運転指令に基づいて、作動流体を駆動アクチュエータ53内の弁下側室へシャットオフ弁7114を介して供給でき、あるいは、作動流体をカウンタバランス弁7118を介して駆動アクチュエータ53の弁上側室へ供給できる。
また、方向切換弁7113の切り換え状態によっては、駆動アクチュエータ53の弁上側室の作動流体は、カウンタバランス弁7118を介して前記方向切換弁7113に供給される。前記方向切換弁7113の排出口から排出された作動流体は、還配管BPを介して流体貯留部712に戻される。
作動流体供給源SPの一部を構成するギアポンプの吐出側に設けられた圧力センサー7115で検出された検出信号は、状態制御手段72hに供給される。状態制御手段72hは、圧力センサー7115からの検出信号が予め決められた圧力値・流量値になるように、作動流体供給源SPの一部を構成するシンクロモータの回転数をフィードバック制御する。
このような振動溶着機及び圧力制御装置において、待機状態でロワーフィックスチャー54及びアッパーフィクスチャー36にそれぞれ加工材を装着する。次に、前記方向切換弁7113を切り替えて駆動アクチュエータ53に作動流体を供給し、リフトテーブル52を上昇させる。所定の位置で停止させ、両加工材に所定の圧力が加わるように駆動アクチュエータ53に作動流体を供給して、電磁コイル35,35に振動用の電力を供給する。一定時間振動を繰り返すと、両加工材は溶着するので、方向切換弁7113を弁切替制御してリフトテーブル52を下降させ、待機状態にする。
このように待機−上昇−溶着−下降−待機からなる溶着1サイクルについて検討する。図2(b)は、上記振動溶着機及び圧力制御装置において溶着1サイクルの電力変動を示す図であって、横軸に経過時間(sec)を、縦軸に消費電力(W)を、それぞれとったものである。また、上記溶着1サイクルにおいて、サイクルタイム、振幅、溶け代、溶着時間、溶着圧力、冷却時間等は図2(a)で設定されたときと同じ値にそれぞれ設定されているものとする。
本発明に係る圧力制御装置では、上記溶着1サイクルを実行すると、図2(b)に示すように時間経過とともに電力のデータが得られることになる。図2(b)の横軸において、時刻0〜8(sec)が待機中、時刻8〜10(sec)が上昇、時刻10〜25(sec)が溶着中、時刻25〜30(sec)が下降、時刻30〜43(sec)が待機中の動作である。これらの動きに対して図2(b)の縦軸に示すような電力消費が得られることになる。
この図2(b)を検討すると、待機時の電力と溶着時の電力の差があるものの、待機時にはわずかな電力(40(W)程度の電力)が消費されているだけであることがわかる。
また、溶着中に消費される電力は約500(W)程度であって、図2(a)に示される従来のものから比較すると約3分の1程度の消費電力である。
したがって、本発明によれば、エネルギー損失が少なく、エネルギー消費による温度上昇しにくくなり、消費電力が少なくなるため、二酸化炭素排出量も減少するということになる。したがって、消費電力が少なくかつ消費電力により発生する熱が少なくなるので、冷却ファン等が不要になる。
図3(b)は、振動溶着機及び本発明に係る圧力制御装置において圧力デプス切替制御にて溶着したときの圧力の変化を示す図であって、横軸に経過時間(sec)を、縦軸に圧力を、それぞれとったものである。
ここで、本発明でも、初期圧を例えば5.0[MPa]とし、かつ、溶着1圧を例えば8.0[MPa]、溶着2圧を例えば5.0[MPa]、溶着3圧を例えば8.0[MPa]と溶着中に圧力を変化させた場合に、リフトテーブル52の移動動作がなくなり作動流体供給源SPにおけるシンクロモータの回転数と流量が減少するため、図3(b)に示すように脈動が起き難い状態で円滑に圧力が変化し安定することがわかる。
仮に作動流体供給源SPから駆動アクチュエータ53までのホースが長い場合などでも、脈動が起きても周波数の低い脈動になり、小刻みな脈動が起こる可能性は少ないものと考えられる。
速度変化においては、高速低速の差が大きい場合にも、従来のようにバルブ開度制御ではなく、本発明のようにシンクロモータの回転数により流量を制御しているので、急激に流量が制限される場合には同時に圧力も低下するので、減速時の衝撃が小さくなると考えられる。
したがって、従来の圧力制御装置71では図3(a)に示すようにオーバーシュート、脈動等が発生しているのに対して、本発明では図3(b)に示すように脈動もオーバーシュートともほとんど発生していないことがわかる。
図4(b)は本発明に係る振動溶着機における圧力制御装置において指令値M2を与えたときの、圧力センサーの出力電圧L2及びロードセルの出力電圧G2を示したものであって、横軸に時間を、縦軸に圧力センサーの出力電圧及びロードセルの出力電圧をそれぞれとったものである。なお、ロードセルは、上下加工材に加わる圧力の変化を検出できるようにしたものである。
この図4(b)は、振動溶着機及び本発明に係る圧力制御装置を、初期(4.0[MPa])→溶着1(10.0[MPa])→冷却(4.0[MPa])と運転したときに、ロードセルからの出力電圧L2、圧力センサーからの電圧信号G2を示したものである。
本発明に係る圧力制御装置によれば、図3(b)に示すように、圧力切替の圧力変動時や加圧中において、立ち上がりから安定領域までの経過時間は従来の圧力制御装置による圧力変化と同じだが(図4(a)参照)、脈動やオーバーシュートがセンサ電圧G2、ロードセル電圧L2双方に発生していないことがわかる。
さらに、リフトテーブル52の下降においても、ロードセルのセンサ電圧L2が0[MPa]となることなく、低い圧力に円滑に変化してゆくことがわかる。
このように本発明では、図4(b)に示すようにロードセルセンサ電圧L2が下降時でもゼロとなることがなく、アッパーフィクスチャー(上治具)36と、ロワーフィクスチャー(下治具)54との間に隙間(図4(a)参照)ができるということもない。
このように本発明に係る振動溶着機における圧力制御装置では、次のような利点がある。
(1)作動流体の立ち上がり時に、オーバーシュートが発生しない。
(2)加圧特性が円滑に立ち上がるために衝撃がなく、安定した加圧力が得られる。
(3)待機中の消費電力を削減できるため、排出炭酸ガス量の削減になり、しかもランニングコストを低減できる。
(4)圧力・流量の制御ができるので、細かな圧力制御ができ、かつ圧力制御による圧力変動が少ない。
図5は、本発明に係る圧力制御装置の具体的構成例を示す配管系統図である。
図5において、図1に示す圧力制御装置7hと同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
この図5において、圧力制御装置7hは、リフトテーブル作動手段71hと、状態制御手段72hとから構成されている点は既に説明した。
この図1において、作動流体供給源SPから吐き出された作動流体(作動油)は、昇温・バイパス回路7121、方向切換弁7113、シャットオフ弁7114を介して駆動アクチュエータ(油圧シリンダ)53の一方の弁下側室に供給されるようになっている。駆動アクチュエータ(油圧シリンダ)53の他方の弁上側室はカンウターバランス弁7116、方向切換弁7113、還配管BPを介して流体貯留部712に戻される。
作動流体供給源SPは、ギアポンプSP1と、ギアポンプSP1を駆動するシンクロモータSP2と、シンクロモータSP2の状態を検出する他のセンサー(サーミスタ、エンコーダ、冷却ファン)とからなる。
ギアポンプSP1から吐出される作動流体は方向切換弁7113に供給される。方向切換弁7113では、運転指令に基づいて、作動流体を駆動アクチュエータ53内の弁下側室へシャットオフ弁7114を介して供給でき、あるいは、作動流体をカウンタバランス弁7118を介して駆動アクチュエータ53の弁上側室へ供給できる。
また、方向切換弁7113の切り換え状態によっては、駆動アクチュエータ53の弁上側室の作動流体は、カウンタバランス弁7118を介して前記方向切換弁7113に供給される。前記方向切換弁7113の排出口から排出された作動流体は、還配管BPを介して流体貯留部712に戻される。
圧力センサー7115で検出された検出信号は、状態制御手段72hに供給される。状態制御手段72hは、圧力センサー7115からの検出信号が予め決められた圧力値・流量値になるように、作動流体供給源SPの一部を構成するシンクロモータSP2の回転数をフィードバック制御する。
なお、符号719は圧抜きバルブである。
このような構成により、駆動アクチュエータ53を上下動駆動して、リフトテーブル52を上下動させて上側加工材の面と下側加工材の面とを接合し、振動手段3で振動させることにより接合面に摩擦熱を発生させて両加工材を溶着させるようにしている。
このように構成された振動溶着機における圧力制御装置7hであるので、
(1)作動流体の立ち上がり時に、オーバーシュートが発生しない。
(2)加圧特性が円滑に立ち上がるために衝撃がなく、安定した加圧力が得られる。
(3)待機中の消費電力を削減できるため、排出炭酸ガス量の削減になり、しかもランニングコストを低減できる。
(4)圧力・流量の制御ができるので、細かな圧力制御ができ、かつ圧力制御による圧力変動が少ない。
1 振動溶着機
3 振動手段
5 加圧手段
53 駆動アクチュエータ
7h 圧力制御装置
71h リフトテーブル作動手段
72h 状態制御手段
SP 作動流体供給源
SP1 ギアポンプ
SP2 シンクロモータ

Claims (3)

  1. 熱可塑性材料からなる加工材を互いに圧接させて、前記両加工材を相対移動させることにより前記両加工材の圧接面に摩擦熱を発生させて溶融させ両加工材を接着させる溶融機に設けられた圧力制御装置であって、少なくとも前記一方の加工材を上昇、溶着、下降、待機等の一連の動作を行わせるリフトテーブルを駆動するリフトテーブル作動手段の圧力制御を行うことができる圧力制御装置において、
    前記リフトテーブル作動手段は、リフトテーブルを駆動する作動流体を、圧力制御及び流量制御した状態で供給できる作動流体供給源を備え、かつ、
    前記作動流体供給源から出力される作動流体の圧力及び流量を、予め定めた所定の状態に制御する状態制御手段とを少なくとも備えたことを特徴とする振動溶着機における圧力制御装置。
  2. 前記状態制御手段は、作動流体供給源の圧力を検出する圧力センサーからの検出信号を基に、予め定めた圧力・流量となるように圧力・流量制御信号を出力できるものであることを特徴とする請求項1記載の振動溶着機における圧力制御装置。
  3. 前記作動流体供給源は、ギアポンプと、当該ギアポンプを駆動するシンクロモータとからなり、
    前記状態制御手段は、予め定めた圧力・流量となるように前記シンクロモータの回転を制御することを特徴とする請求項1記載の振動溶着機における圧力制御装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015023646A (ja) * 2013-07-18 2015-02-02 矢崎総業株式会社 電線配索構造及び電線配索方法

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