JP2011218461A

JP2011218461A - ハイブリッド式走間剪断機およびその制御方法

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Publication number: JP2011218461A
Application number: JP2010087525A
Authority: JP
Inventors: Akira Ueda; 明上田; Hirotsugu Kono; 裕嗣河野
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Techno Fort Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Techno Fort Co Ltd
Priority date: 2010-04-06
Filing date: 2010-04-06
Publication date: 2011-11-04

Abstract

【課題】モータにかかる過負荷を防止することのできるハイブリッド式走間剪断機および制御方法を提供する。
【解決手段】剪断刃１０，２０を加速、減速する第１駆動源５０と、剪断刃１０，２０に剪断力を伝える第２駆動源６０と、第１駆動源５０を剪断速度まで加速し、剪断速度同調後にフリーランにし、剪断後に減速させるように制御する第１制御装置５２と、第２駆動源を剪断速度に同調するように制御する、制御応答性が低い第２制御装置６２とを備える。クラッチ６３連結時に速度が変化したり、剪断により速度が低下したりしても、速度の制御を行わないので、第１駆動源５０にかかる過負荷を防止することができる。剪断により速度低下しても、剪断速度に同調するように急加速しないので、第２駆動源６０にかかる過負荷を防止することができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、ハイブリッド式走間剪断機およびその制御方法に関する。さらに詳しくは、金属材料の圧延工程において金属材料を止めることなく走間で所定の長さに剪断する走間剪断機であって、複数台のモータによって駆動されるハイブリッド式走間剪断機、およびその制御方法に関する。

従来の走間剪断機の駆動方式には大きく二つの方式が採用されている。その一つはクラッチブレーキ方式と称される駆動方式で、あらかじめモータで剪断速度付近まで加速してあるフライホイールと、剪断刃を取り付けたギヤとをクラッチで連結することにより剪断刃の加速、剪断を行い、その後にクラッチを切り離してブレーキで減速、停止する方式である。もう一つはスタートストップ方式と称される駆動方式で、フライホイールを含め全体をモータで加速、剪断、減速、停止させる方式である。

クラッチブレーキ方式は、フライホイールにあらかじめ蓄えた回転運動エネルギーを剪断に使え、かつモータの急速な加減速動作が不要なため、比較的小型のモータが使用できる。しかし、この方式の場合、加速、減速をクラッチおよびブレーキで行うため、精密な剪断の制御が難しく、また、クラッチやブレーキの摩耗が避けられないため、これらの保守に手間がかかるという問題がある。

一方スタートストップ方式は、加速、減速をモータで行うので、精密な剪断の制御が可能であり、クラッチやブレーキの摩耗の問題もない。しかし、この方式の場合、フライホイールを含め全体を加速、減速する必要があるため、比較的大型のモータが必要になるという問題がある。

そこで、クラッチブレーキ方式の利点とスタートストップ方式の利点を併せ持ったハイブリッド方式の走間剪断機が考案されている（特許文献１）。図８に示すように、特許文献１記載のハイブリッド式走間剪断機は、噛合関係にある一対のギヤ111、121と、かかる一対のギヤの回転軸112、122に支持体113、123を介して取付けた一対の剪断刃114、124と、かかる一対のギヤ111、121の駆動系とを備え、駆動系により一対のギヤ111、121を回転させ、これにより一対の剪断刃114、124を回転させて、走行中の被剪断材を剪断するようにした走間剪断機である。起動および制動用のモータ132をピニオン134に常時接続した第１駆動系131と、モータ142の駆動によるフライホイール144の回転をクラッチ145を介してピニオン146に隨時接続するようにした第２駆動系141とを備え、第１駆動系のピニオン134と第２駆動系のピニオン146とを一対のギヤ111、121に噛合させている。

以上のような構成のハイブリッド式走間剪断機において剪断を行う場合には、あらかじめ第２駆動系141のモータ142を作動させ、フライホイール144を被剪断材の走行速度に同調させた速度で回転させておく。そしてまず、剪断を必要とするタイミングに合わせて第１駆動系131のモータ132を作動させ、ピニオン134を起動させて、一対のギヤ111、121と共に一対の剪断刃114、124を起動させ、その速度を被剪断材の走行速度に同調させる。つぎに、一対の剪断刃114、124の速度とフライホイール144の速度とが同調したとき、第２駆動系141のクラッチ145を連結し、一対の剪断刃114、124を走行中の被剪断材に対しその走行速度に同調させた速度で上下から切り込ませて、被剪断材を剪断する。かくして剪断後、第２駆動系141のクラッチ145を切り離し、第１駆動系131のモータ132を停止させる。これにより、ピニオン134を制動し、一対のギヤ111、121と共に一対の剪断刃114、124を制動して、元の待機位置または剪断開始角度から１回転以内に停止させる。以下は、剪断の都度、この繰り返しである。

このように、第１駆動系131のモータ132は、剪断時にギヤ111、121および剪断刃114、124を加速し、剪断完了後に減速、停止をさせるスタートストップ方式の役割を担い、第２駆動系141のモータ142は常時回転してフライホイール144に回転運動エネルギーを蓄積し、剪断時にその蓄積した回転エネルギーをギヤ111、121および剪断刃114、124に伝達するクラッチブレーキ方式の役割を担う。
そのため、ハイブリッド方式では、クラッチブレーキ方式に比べ、精密な剪断の制御が可能であり、またスタートストップ方式に比べ、小型のモータが使用できる。

しかるに、第２駆動系141にはフライホイール144が接続されているが、第１駆動系131には接続されていないので、第１駆動系131と第２駆動系141の慣性力は大きく異なっている。モータ回転数が同調した後に第１駆動系131と第２駆動系141をクラッチ145で連結するが、モータ132、142の回転数が完全には同調しておらず回転数に差がある時にクラッチ145を連結した場合に、第２駆動系141の慣性力の方が大きいため、第２駆動系141から第１駆動系131のモータ132へとトルクが伝達されることとなる。この場合、モータ132は第２駆動系141からのトルク流入のため制御が効かず、結果として過負荷になるという問題がある。また、剪断には大きな力が必要であるので、剪断時にもモータ132に過負荷がかかるという問題がある。

特開２００７−２４５２５０号公報

本発明は上記事情に鑑み、モータにかかる過負荷を防止することのできるハイブリッド式走間剪断機および制御方法を提供することを目的とする。

第１発明のハイブリッド式走間剪断機は、剪断刃と、該剪断刃を駆動する駆動機構部を備え、前記駆動機構部には、剪断刃を加速、減速する第１駆動源が接続されており、剪断刃に剪断力を伝える第２駆動源がクラッチを介して接続されているハイブリッド式走間剪断機であって、前記第１駆動源を剪断速度まで加速し、剪断速度同調後にフリーランにし、剪断後に減速させるように制御する前記第１制御装置を備え、前記クラッチは、前記第１駆動源がフリーランのときに連結するものであることを特徴とする。
第２発明のハイブリッド式走間剪断機は、第１発明において、前記第２駆動源を剪断速度に同調するように制御する第２制御装置を備え、該第２制御装置は、前記第２駆動源が剪断間隔の間に剪断速度への同調が完了する範囲内で、制御応答性が低いものであることを特徴とする。
第３発明のハイブリッド式走間剪断機の制御方法は、剪断刃と、該剪断刃を駆動する駆動機構部を備え、前記駆動機構部には、剪断刃を加速、減速する第１駆動源が接続されており、剪断刃に剪断力を伝える第２駆動源がクラッチを介して接続されているハイブリッド式走間剪断機において、前記第１駆動源を剪断速度まで加速し、剪断速度同調後にフリーランにし、前記第１駆動源がフリーランになった後に前記クラッチを連結し、前記第２駆動源の剪断力で剪断し、剪断後に前記クラッチを切り離し、前記第１駆動源を減速させることを特徴とする。

第１発明によれば、第１駆動源がフリーランのときにクラッチが連結し、剪断するので、クラッチ連結時に速度が変化したり、剪断により速度が低下したりしても、速度の制御を行わないので、第１駆動源にかかる過負荷を防止することができ、第１駆動源が故障することを防ぐことができる。
第２発明によれば、第２制御装置の制御応答性が鈍いので、剪断により第２駆動源が速度低下しても、剪断速度に同調するように急加速しないので、第２駆動源にかかる過負荷を防止することができ、第２駆動源が故障することを防ぐことができる。
第３発明によれば、第１駆動源がフリーランのときにクラッチが連結し、剪断するので、クラッチ連結時に速度が変化したり、剪断により速度が低下したりしても、速度の制御を行わないので、第１駆動源にかかる過負荷を防止することができ、第１駆動源が故障することを防ぐことができる。

本発明の一実施形態に係るハイブリッド式走間剪断機の平面図である。同ハイブリッド式走間剪断機の正面図である。同ハイブリッド式走間剪断機の側面図である。図２におけるIV‐IV線矢視断面図である。図２におけるＶ‐Ｖ線矢視断面図である。第１制御装置および第２制御装置のブロック線図である。ハイブリッド式走間剪断機の制御方法の説明図である。従来技術のハイブリッド式走間剪断機の説明図である。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１、図２、図３に示すように、本発明の一実施形態に係るハイブリッド式走間剪断機Ａは、上下一対の剪断刃１０，２０と、その剪断刃１０，２０を駆動する駆動機構部３０と、その駆動機構部３０に接続された第１駆動源５０および第２駆動源６０を備えている。
なお、図２においては第１駆動源５０および第２駆動源６０を、図３においては第２駆動源６０を省略してある。

駆動機構部３０は筐体３１と、筐体３１内の複数のギヤで構成されている。図４に示すように、筐体３１の下部には、第１ピニオンギヤ３２、フリーギヤ３３、下剪断刃ギヤ３４、フリーギヤ３５、第２ピニオンギヤ３６が、隣接するギヤが噛合うようにこの順番で水平に配置されている。さらに図５に示すように、下剪断刃ギヤ３４の上方には、フリーギヤ３７、フリーギヤ３８、上剪断刃ギヤ３９が、隣接するギヤが噛合うように下から上へとこの順番で垂直に配置されている。すなわち、図２に示すように、ギヤ３２〜３９は正面視逆Ｔ字となるように筐体３１内に配置されている。したがって、第１ピニオンギヤ３２もしくは第２ピニオンギヤ３６を回転させることによって、下剪断刃ギヤ３４および上剪断刃ギヤ３９を回転させることができる。

図２および図５に示すように、上剪断刃ギヤ３９のシャフト４９の正面側の一端にはリンク１１が接合されており、このリンク１１の先端には上剪断刃取付部材１２が揺動自在に取り付けられている。また、この上剪断刃取付部材１２もリンクとなっており、その先端は筐体３１に揺動自在に取り付けられたリンク１３の先端と連結されている。同様に、下剪断刃ギヤ３４のシャフト４４の正面側の一端にはリンク２１が接合されており、このリンク２１の先端には下剪断刃取付部材２２が揺動自在に取り付けられている。この下剪断刃取付部材２２もリンクとなっており、その先端は筐体３１に揺動自在に取り付けられたリンク２３の先端と連結されている。さらに、上剪断刃取付部材１２の下方に上剪断刃１０が、下剪断刃取付部材２２の上方に下剪断刃２０が、被剪断材が流れるパスラインＰ上で噛合うように取り付けられている。

このような構成とすることで、上剪断刃ギヤ３９および下剪断刃ギヤ３４が回転すると、上剪断刃１０および下剪断刃２０がパスラインＰ上を被剪断材と供に走行しながら、被剪断材を上下から挟んで、剪断することができる。また、リンク１１〜１３および２１〜２３により、上剪断刃１０および下剪断刃２０がパスラインＰ上を走行しながら、その角度を変え、パスラインＰに対して垂直に上下運動をすることができ、上剪断刃１０および下剪断刃２０が噛み合わさって剪断することができる。

図４に示すように、第１ピニオンギヤ３２のシャフト４２の背面側の一端には第１駆動源５０が接続されている。第１駆動源５０は加速モータ５１と第１制御装置５２とを備えており、加速モータ５１のシャフトとシャフト４２が接続されている。第１制御装置５２は加速モータ５１の加速・減速を制御する制御装置である。

一方、第２ピニオンギヤ３６のシャフト４６の背面側の一端には第２駆動源６０が接続されている。図１に示すように、第２駆動源６０はフライホイールモータ６１（以下「ＦＷモータ」という。）と第２制御装置６２と、クラッチ６３が内蔵されたフライホイール６４とを備えている。ＦＷモータ６１とフライホイール６４はベルト６５で連結されており、ＦＷモータ６１の回転をフライホイール６４に伝達し、フライホイール６４に回転運動エネルギーを蓄えることができるようになっている。また、クラッチ６３はフライホイール６４と出力シャフト６６とを接続しており、出力シャフト６６とシャフト４６が接続されている。したがって、クラッチ６３を連結すると、フライホイール６４の回転運動エネルギーを第２ピニオンギヤ３６に伝達することができる。第２制御装置６２はＦＷモータ６１の加速・減速を制御する制御装置である。

第１制御装置５２および第２制御装置６２としては、例えば図６に示すようなフィードバック回路が用いられる。
具体的には、第１制御装置５２は、加速モータ５１の目標回転速度ω_１を出力する回転速度指令手段７１と、加速モータ５１の回転速度ω_２を検出する回転速度検出器７２と、目標回転速度ω_１から回転速度ω_２を減算する減算器７３と、減算器７３の減算結果に比例する電圧ｖ（＝Ｋ×（ω_１−ω_２））を加速モータ５１に供給するアンプ７４から構成される。
第２制御装置６２は、回転速度指令手段７１がＦＷモータ６１の目標回転速度ω１を出力し、回転速度検出器７２がＦＷモータ６１の回転速度ω_２を検出する以外は第１制御装置５２と同様である。

ところで、第２駆動源６０にはフライホイール６４が接続されているが、第１駆動源５０には接続されていないので、第１駆動源５０と第２駆動源６０の慣性力は大きく異なっている。また後述のごとく、第１駆動源５０は剪断刃１０，２０を加速・減速するのに用いられ、第２駆動源６０はフライホイール６４を一定速度に保つために用いられ、それぞれ用途が異なる。そのため、第１制御装置５２と第２制御装置６２にはそれぞれ異なる制御応答性を持たせる必要がある。

第１駆動源５０は慣性力が小さく加減速レートが大きいので、第１制御装置５２の制御応答性は高くする必要がある。一方、第２駆動源６０は慣性力が大きく加減速レートが小さいので、第２制御装置６２の制御応答性は低くてもよい。
ここで、制御応答性が高い・低いとは、図６に示すフィードバック回路においては、アンプ７４のゲインＫが大きい・小さいことと対応する。すなわち、ゲインＫが大きければ、アンプ７４は回転速度の差分（ω_１−ω_２）に対して大きな電圧ｖを供給するため、目標回転速度ω_１に到達するまでの時定数が短くなり、制御応答性が高くなる。また、ゲインＫが小さければ、アンプ７４は回転速度の差分（ω_１−ω_２）に対して小さな電圧ｖを供給するため、目標回転速度ω_１に到達するまでの時定数が長くなり、制御応答性が低くなる。

なお、第１制御装置５２および第２制御装置６２は、図６に示すフィードバック回路に限られず、ＰＩＤ制御回路など、その他のモータの回転速度を制御できる装置を用いることができる。
また、第２制御装置６２は、少なくとも剪断間隔（剪断から次の剪断までの時間間隔）の間に、剪断により速度低下したＦＷモータ６１を剪断速度へ同調できる程度の制御応答性が必要である。剪断間隔の間に、ＦＷモータ６１が剪断速度へ同調しなければ、フライホイール６４に十分な回転運動エネルギーを蓄えることができず、剪断刃１０，２０に十分な剪断力を伝えることができないからである。

つぎに、ハイブリッド式走間剪断機Ａの制御方法について図７に基づき説明する。
（１）剪断前は、加速モータ５１は停止しており、加速モータ５１で動作が制御されている剪断刃１０，２０は被剪断材に影響しない待機位置に停止している。ＦＷモータ６１は、第２制御装置６２により、常にパスラインＰ上の被剪断材の剪断速度に同調するように制御されており、フライホイール６４に回転運動エネルギーを蓄えている。この時クラッチ６３は切り離された状態である。

（２）剪断信号が発せられると、第１制御装置５２より加速指令が加速モータ５１に伝達され、加速モータ５１は被剪断材の剪断速度と同調した回転速度まで加速する。同時に、加速モータ５１は慣性力の小さい剪断刃１０，２０および駆動機構部３０を加速させ、剪断刃１０，２０の速度を被剪断材の剪断速度と同調させる。

（３）加速モータ５１が剪断速度に同調すると、加速モータ５１をフリーランの状態にする。ここで、フリーランとはモータの制御を行わず、電力供給を行わないことをいう。したがって、そのままにしておけば、駆動機構部３０のベアリングの摩擦抵抗などで減速する状態となる。

（４）加速モータ５１をフリーランにした後にクラッチ６３を連結する。このとき、ＦＷモータ６１の回転速度と加速モータ５１の回転速度は、共に剪断速度に同調しているため、理想的にはクラッチ６３を連結しても両モータ６１，５１の回転速度は変わらない。しかし、制御装置５２，６２の誤差などによりモータ６１，５１の回転速度が完全には同調していない場合にクラッチ６３を連結すると、慣性力の小さい第１駆動源５０の加速モータ５１の回転速度が慣性力の大きい第２駆動源６０のＦＷモータ６１の回転速度に引きずられ変化する。これは、第２駆動源６０の慣性力の方が大きいため、クラッチ６３連結時の慣性力の変動に伴い、第２駆動源６０から第１駆動源５０の加速モータ５１へとトルクが伝達されるためである。例えば、クラッチ６３連結前の加速モータ５１の回転速度がＦＷモータ６１の回転速度よりも速い場合は、クラッチ６３連結後の加速モータ５１は回転速度が遅くなる。逆に、クラッチ６３連結前の加速モータ５１の回転速度がＦＷモータ６１の回転速度よりも遅い場合は、クラッチ６３連結後の加速モータ５１は回転速度が速くなる。

このように、加速モータ５１は、第２駆動源６０に追従して回転速度が変化することになるが、フリーランの状態であり、剪断速度に同調するように加速・減速しないので、加速モータ５１に電力を供給する回路側に過大な電流が流れるなど過負荷がかかることを防止することができる。

なおこのとき、ＦＷモータ６１も回転速度が若干変動するが、第２駆動源６０は慣性力が大きいためほとんど影響がない。
クラッチ６３を連結すると、剪断刃１０，２０は第２駆動源６０で制御される状態となる。

（５）つぎに、剪断刃１０，２０が剪断位置に到達すると、被剪断材に対し上下から切り込んで被剪断材を剪断する。この際には、第２駆動源６０のフライホイール６４に蓄えられた回転運動エネルギーが剪断に使用される。剪断には大きな力が必要であるので、ＦＷモータ６１も加速モータ５１も回転速度が低下する。

しかし、加速モータ５１はフリーランの状態であり、剪断速度に同調するように加速・減速しないので、加速モータ５１に電力を供給する回路側に過大な電流が流れるなど過負荷がかかることを防止することができる。

また、第２制御装置６２の制御応答性が低いので、剪断速度に同調するように急加速しないので、ＦＷモータ６１に電力を供給する回路側に過大な電流が流れるなど過負荷がかかること防止することができる。

（６）剪断終了後クラッチ６３が切り離される。速度低下したＦＷモータ６１は、第２制御装置６２の制御により、徐々に回転速度を増し、剪断速度に同調するように制御される。そして、フライホイール６４に回転運動エネルギーを蓄えて、つぎの剪断に備える。

（７）クラッチ６３を切り離した後に、第１制御装置５２で加速モータ５１の制御を再び行い、第１駆動源５０で剪断刃１０，２０を制御するようにする。
加速モータ５１は第１制御装置５２より制動指令が伝達され、回転速度を減速し、剪断刃１０，２０を待機位置まで移動させた後停止する。

（８）剪断刃１０，２０を停止させた後は、加速モータ５１を停止させておくことで、第１制御装置５２で動作が制御されている剪断刃１０，２０を被剪断材に影響しない待機位置に停止させておく。
以降、（１）から（８）の動作を繰り返し、剪断を継続する。

以上の通り、剪断動作において、モータ５１，６１に過負荷がかかることを防止できるので、モータ５１，６１の故障することを防ぐことができる。

なお、駆動機構部３０は本実施形態のようなギヤの構成とする必要はなく、クランク式やロータリー式などの限定もない。剪断刃に対して上記の第１駆動源５０および第２駆動源６０に相当する駆動源が接続されている構成であればよい。また、第１駆動源５０、第２駆動源６０の数もそれぞれ１つに限られず、その数を増やした実施形態でもよい。

鍛造プレスなどで、従来１台のモータで駆動させ、フライホイールをクラッチで接続・解放する方式の機器に関しては、本方式を採用することができる。

１０上剪断刃
２０下剪断刃
３０駆動機構部
５０第１駆動源
５１加速モータ
５２第１制御装置
６０第２駆動源
６１ＦＷモータ
６２第２制御装置
６３クラッチ
６４フライホイール
Ａハイブリッド式走間剪断機

Claims

剪断刃と、該剪断刃を駆動する駆動機構部を備え、
前記駆動機構部には、剪断刃を加速、減速する第１駆動源が接続されており、剪断刃に剪断力を伝える第２駆動源がクラッチを介して接続されているハイブリッド式走間剪断機であって、
前記第１駆動源を剪断速度まで加速し、剪断速度同調後にフリーランにし、剪断後に減速させるように制御する前記第１制御装置を備え、
前記クラッチは、前記第１駆動源がフリーランのときに連結するものである
ことを特徴とするハイブリッド式走間剪断機。
前記第２駆動源を剪断速度に同調するように制御する第２制御装置を備え、
該第２制御装置は、前記第２駆動源が剪断間隔の間に剪断速度への同調が完了する範囲内で、制御応答性が低いものである
ことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド式走間剪断機。
剪断刃と、該剪断刃を駆動する駆動機構部を備え、
前記駆動機構部には、剪断刃を加速、減速する第１駆動源が接続されており、剪断刃に剪断力を伝える第２駆動源がクラッチを介して接続されているハイブリッド式走間剪断機において、
前記第１駆動源を剪断速度まで加速し、剪断速度同調後にフリーランにし、
前記第１駆動源がフリーランになった後に前記クラッチを連結し、前記第２駆動源の剪断力で剪断し、
剪断後に前記クラッチを切り離し、前記第１駆動源を減速させる
ことを特徴とするハイブリッド式走間剪断機の制御方法。