JP4764672B2

JP4764672B2 - 粉粒体材料の計量方法

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Publication number: JP4764672B2
Application number: JP2005231222A
Authority: JP
Inventors: 隆行奥田; 洋原; 一成花岡; 亨上田
Original assignee: Matsui Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Matsui Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-08-09
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2025-08-09
Also published as: JP2007047000A

Description

本発明は、ホッパより粉粒体材料を計量器に供給することによって、粉粒体材料を一定量ずつ計量する１バッチ計量方法の改良に関するものである。

従来から、ホッパに貯留した粉粒体材料を、ホッパ下部に設けたフラップダンパーまたはスライドシャッターなどを開いて材料排出口から落下させ、ロードセルを設けた計量器で受け止めて、そこで計量する１バッチ計量方法が知られている。

この種の計量方法では、材料排出口の開口度合いを一定にしておいても、粉粒体材料が重力加速度の影響を受けるため、供給量は指数関数的に増大してしまう。
そのため、材料排出口の開口度合いを微妙に調整する必要があるが、そのようなものは、１バッチ計量に時間を要し、効率が悪くなる。

これらの問題を解決する手段として、次の特許文献に示される３段階に順次調整する粉粒状物供給量調整手段がある。この方法は計量精度を上げるため、供給量を大、中、小と段階的にしたものであり、この中計量時間を測定して、事前に設定された値より長くなると前段階の大計量時間を長く、中計量時間が短くなると、大計量時間を短くして、中計量時間を所定の時間に合わせるようにしたものである。
特公平６−１２２８８号公報

しかしながら、この方法では、事前の中計量時間の設定が必要となり、材料や計量値が異なると、適切な時間を適切に設定しないと材料の変更にともなう計量精度や計量時間が満足するものでなくなる。密度が極端に異なる材料に交換した場合、計量オーバーになる可能性が高くなる。また計量時間も長くなる。

計量時間を短縮することを考慮すれば、計量時間設定を事前に行なう必要があるものでは、最短の計量時間で行なうことが困難になる。この計量時間は材料と装置の特定から結果的に得られるものでないと、材料の特性値が異なった場合、オーバースケールとなり、計量器として致命的欠陥を招きかねない。

本発明は、上記事情を考慮し、提案されたもので、その目的は、短時間でかつ正確に粉粒体材料を計量することができる粉粒体材料の１バッチ計量方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の第１の本発明の粉粒体材料の計量方法は、１バッチ計量における最終計量設定値と、落差値を基準として、その最終計量設定値に到達するまでの通過点となる複数の中間累積計量値と、許容誤差とを少なくとも準備する計量前設定工程と、最初の中間累積計量値から最終の中間累積計量値に達するまで、休止を挟んで供給量を段階的に減少させてロードセルを設けた計量器に粉粒体材料を供給して計量を実行するステップダウン計量工程と、このステップダウン計量工程の後、上記最終計量設定値よりも上記落差値分だけ少ない最終調整計量値に達するまで、粉粒体材料の供給量を更に減少させて計量を実行する最終調整計量工程と、この最終調整計量工程の後、実測された実測落差値を算出する実測落差値算出工程と、上記最終計量設定値及び上記許容誤差を参照して、実測された１バッチ計量値が、該許容誤差の範囲内であれば有効とする一方、範囲内でなければ無効とする評価判別工程とを実行し、かつ、上記落差値が、上記評価判別工程において有効と判別された複数回のバッチ計量で実測された上記実測落差値を移動平均化した値に更新されて設定されることを特徴とする。

また、同様な目的を達成するため提案される、請求項２に記載の第２の本発明方法では、１バッチ計量における最終計量設定値と、落差値を基準として、その最終計量設定値に到達するまでの通過点となる中間累積計量値と、許容誤差とを少なくとも準備する計量前設定工程と、ロードセルを設けた計量器に供給する粉粒体材料の供給量を休止させることなく連続的に漸減させて、上記中間累積計量値に達するまで計量を実行するステップダウン計量工程と、このステップダウン計量工程の後、上記最終計量設定値よりも上記落差値分だけ少ない最終調整計量値に達するまで、粉粒体材料の供給量を更に減少させて計量を実行する最終調整計量工程と、この最終調整計量工程の後、実測された実測落差値を算出する実測落差値算出工程と、上記最終計量設定値及び上記許容誤差を参照して、実測された１バッチ計量値が、該許容誤差の範囲内であれば有効とする一方、範囲内でなければ無効とする評価判別工程とを実行し、かつ、上記落差値が、上記評価判別工程において有効と判別された複数回のバッチ計量で実測された上記実測落差値を移動平均化した値に更新されて設定されることを特徴とする。

請求項３では、粉粒体材料を貯留したホッパの材料排出口の開口度合いを絞り制御することによって粉粒体材料を自由落下させて、計量器に供給することを特徴とする。

請求項４では、粉粒体材料を貯留したホッパに付設した定量供給手段の供給量を可変制御させて、粉粒体材料を計量器に供給することを特徴とする。

請求項５では、上記中間累積計量値が、上記落差値の整数倍として設定されることを特徴とする。

第１の本発明方法によれば、ステップダウン計量工程においては、最初は大きな供給量で材料供給を開始し、予め設定した中間累積計量値に到達するごとに供給量を、段階的に休止を挟んで減じて計量するため、迅速かつ正確な１バッチ計量が実施できる。また、最終調整計量の工程では、材料供給を更に減じてから計量するので、計量精度もよく、落差量による誤差も少なくできる。

このような第１の本発明は、ホッパから計量器への材料供給手段としては、自由落下を利用したスライドダンパー、ゲートダンパー、フラップダンパーなどの他、スクリューフィーダなどの材料切出装置が適用できる。また、材料を自由落下で供給する場合、ホッパの材料排出口に設けるダンパーは、噛み込み防止機能を備えたものが望まれるが、通常の応答性があればよいので制御も容易である。

第２の本発明方法によれば、ステップダウン計量工程においては、最初は大きな供給量で材料供給を開始し、中間累積計量値に達するまで、供給量を休止させることなく、漸減させる構成であるため、迅速かつ正確な１バッチ計量できる。また、最終調整計量の工程では、材料供給をより減じてから計量するので、精度もよく、落差量による誤差も少なくできる。

このような第２の本発明は、ホッパから計量器への材料供給手段としては、自由落下を利用したスライドダンパー、ゲートダンパー、フラップダンパーなどの他、スクリューフィーダなどの材料切出装置が適用できる。また、材料を自由落下で供給する場合、ホッパの材料排出口に設けるダンパーは、噛み込み防止機能がなくても、開度を無段階に制御できる追従性の高いものが望ましい。

請求項３に記載の計量方法によれば、材料排出口の開口度合いを絞り制御し、順次減じる制御をなしており、供給量の安定した自由落下により計量供給することができる。

請求項４に記載の計量方法によれば、定量供給手段をホッパに付設しているので、供給量を一定にした材料供給ができ、より正確な計量が実施できる。

また、第１の本発明方法及び第２の本発明方法によれば、計量前設定工程で設定される落差値が、それまでのバッチ計量で実測された落差量の移動平均によって得られたものであるため、精度の高い予想値が得られ、その結果、誤差の少ない計量を実施することができる。

以下に、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の粉粒体材料の計量方法を示す概念図である。ここに、ホッパ１０は、材料排出口にスライドシャッターを設けたものを示しているが、ゲートダンパー、フラップダンパーを設けた構成であってもよい。

図１において、１０は粉粒体材料Ｐを貯留したホッパ、１１はホッパ１０の材料排出口に設けたスライドシャッター、１２は材料排出口の開口を制御するためのサーボシリンダー、１はロードセル２を備えた計量器である。

本発明の計量方法は、第１、第２のいずれの本発明も、計量前工程で予め準備、あるいは設定された計量情報、パラメータを取り込んだ後、シーケンサなどを稼動させて、ステップダウン計量工程、最終調整計量工程が順次実行してなされる。なお、最終調整計量工程の後には、後述するような評価判別工程が実行される。

図１（ａ）、（ｂ）はステップダウン計量工程を示しており、最初は大きい供給量で材料が投入された後、予め設定された中間累積計量値に到達する毎に、供給量が段階的に減じられて計量がなされる。図１（ｃ）は、ステップダウン計量工程の後に実行される最終調整計量工程を示しており、この工程では、最終調整計量工程終了時に生じる落差量を考慮した計量値を最終調整計量値とした計量がなされ、最後に、スライドシャッターを閉じて、計量を終了した後は、図１（ｄ）に示す落差計量分が加算されて、１バッチの計量を終了する。

このようにして、１バッチの計量を終了すると、ロードセルは、計量前設定工程で設定している最終計量設定値、許容誤差、落差値を参照して、実測計量した値が、誤差許容の範囲にあるかどうかを判別して、実測値を有効、無効にする判断をし、無効な場合には、計量のやり直しがなされる。

ついで、本計量方法の計量アルゴリズムについて説明する。

図２は、自由落下で材料供給する場合に本発明計量方法を適用した場合の材料供給量、計量値の時間的変化を示すグラフである。図において、縦軸はロードセル２で計量される実測計量値、横軸は材料供給開始後の時間を示している。

ここで、ＷＡは１バッチ計量における最終計量値で、目標となる計量値である。また、Ｗ１、Ｗ２は最終計量値に到達するまでの通過点となる中間累積計量値、Ｗ３は最終落差補正計量値、Ｗｏは落差値であり、Ｗ１、Ｗ２は落差値Ｗｏの整数倍として設定されている。Ｗ３は最終調整計量値であり、ＷＡから落差値Ｗｏを減じた値になっている。また、許容誤差ΔＷはここでは省略されているが、これらは、計量前工程において、予め準備され、あるいは、計量システムを使用するオペレータによって入力設定される。また、ここでは、Ｗ１、Ｗ２は、落差値Ｗｏを基準として算出されているが、それらについては後述する。

図２のグラフで示すように、（１）中間累積計量値がＷ１に到達するまでは、排出口のシャッターを大きく開いて比較的大きい供給量で供給し、Ｗ１に到達すると、一時的に材料供給を休止し、その後、シャッターの開口度を予め設定された開度に調整して、（２）次の段階ではＷ２に到達するまで（１）材料を供給し、更に、Ｗ２に到達すると、一時的に材料供給を休止し、最後に、（３）更にシャッターの開度を小さくして、Ｗ３に到達するまで材料を供給している。

ここに、Ｗ３は、予め計量前工程で準備された落差値Ｗｏを見越した値、つまり減じた最終落差補正計量値として規定されており、このＷ３に到達すると、シャッターは全閉となって１バッチ分の材料供給が終了する。

このようにして材料供給が終了した後は、計量器１には、実際の落差量Ｗｏ´が加えられ、この後、（４）ロードセル２は、計量器１に供給された１バッチの供給量を実測する。かくして、実測された１バッチの供給量は、次の評価判別工程において、予め準備されている最終計量設定値、許容誤差を参照して、許容誤差の範囲にあるかどうかが判別され、許容誤差にあれば有効、なければ、無効として評価され、無効と判別された計量は、再度やり直しがなされることになる。

なお、図２では、Ｗ２からＷ３までに到達するまでの最終調整計量工程での材料供給は、ステップダウン計量工程での供給量よりもさらに小さくし、かつ中間累積計量値の増加度合いも小さいため、累積量Ｗを近似的に直線で表している。

また、図２の例では、最初の中間累積計量値を大きく設定し、その後の中間累積計量値は、中間累積計量値の増加度合いが小さくなるように設定しており、このようにすることにより、計量の後半になるにしたがい調整しやすいようになっている。ステップダウン計量工程における、中間累積計量値は、計量目的に応じて、２以上の多段階に設定してあってもよい。

図３は、本発明の粉粒体材料の計量方法を示したフローチャートである。

ステップ１０１〜１０３は計量前設定工程である。すなわち、計量、評価のために必要な種々の設定データをあらかじめ設定する工程で、計量目標値である最終計量値ＷＡ、許容誤差ΔＷ、落差値Ｗｏ、中間累積計量値Ｗ１〜Ｗ３を算出するためのパラメータＫ１、Ｋ２が設定されている。

これらの設定データは、経験値や、ユーザが使用時に設定されたものなどが適用される。なお、許容誤差ΔＷ、落差値Ｗｏはユーザ入力するものに限られず、バッチ計量ごとに更新され記憶装置に保存された経験値などを使用してもよい。また、この例では、中間累積計量値Ｗ１〜Ｗ２は、パラメータＫ１、Ｋ２に基づいて算出しているが、これらは、予め経験値やユーザ側で設定できるようにしてもよい。

パラメータＫ１、Ｋ２が入力されると、中間累積計量値Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を次の計算式にて算出する。
Ｗ１＝ＷＡ−Ｋ１＊Ｗｏ
Ｗ２＝ＷＡ−Ｋ２＊Ｗｏ
Ｗ３＝ＷＡ−Ｗｏ
例えば、ＷＡ＝５０００ｇ、Ｗｏ＝５０ｇ、Ｋ１＝２０、Ｋ２＝１０とすると、Ｗ１＝５０００−２０＊５０＝４０００ｇ、Ｗ２＝５０００−１０＊５０＝４５００ｇ、Ｗ３＝５０００−５０＝４９５０ｇ、となる。

ステップ１０４〜１１２はステップダウン計量工程である。

ここでは、中間累積計量値をＷ１からＷ２に１回、供給量をステップダウンして累積量の増加度合いを段階的に小さくしている。つまり、ロードセルによる累積計量実測値ＷがＷ１に到達するまでは、比較的大きい供給量に対応した排出口の開口度合いで材料供給を開始し、Ｗ１に達すると材料排出口を閉じて材料供給をいったん停止する（ステップ１０４〜１０８）。次に、中間累積計量値をＷ２に変更して、中程度の供給量に対応した開口度合いで材料供給を開始し、累積計量実測値ＷがＷ２に到達するまでは、その供給を継続し、Ｗ２に達すると材料供給をいったん停止する（ステップ１０９〜１１２）。

なお、この例ではステップダウンを１回実施しているが、複数回、ステップダウンするようにしてもよい。その場合には、さらなるパラメータＫｎ・・・を必要とすることは言うまでもない。

ステップ１１３〜１１６は最終調整計量工程である。中間累積計量値をＷ３に変更して小容量の初速供給量に対応した開口度合いで材料供給を開始し、累積計量実測値ＷがＷ３に到達するまでは、その補給を継続し、Ｗ３に達すると材料補給を停止する（ステップ１１３〜１１６）。

そして、ステップ１１７では、最終調整計量工程での材料供給を停止したのちの落差分を実測する。

ステップ１１８〜１２１は、以上の工程により計量された結果を評価する評価判別工程である。すなわち、実測計量値が許容誤差ΔＷの範囲内であれば、その計量した１バッチ計量値を有効とする一方、そうでないときには、その１バッチ計量値を無効にする。また、有効のときには実測落差値によって、次の計量で使用する落差値Ｗｏを更新する。

更新する落差値Ｗｏは、例えば同一条件の計量での過去ｎ回の実測落差値の移動平均値を採用する。また、ホッパ１０やその材料排出口１１の経年変化を考慮して、直近の実測落差値の比率を大きくした移動平均値計算式により算出してもよい。

上記計量方法に、ＷＡ＝５０００ｇ、Ｗｏ＝５０ｇ、Ｋ１＝２０、Ｋ２＝１０をあてはめてみると、Ｗ１＝５０００−２０＊５０＝４０００ｇとなるので、実測計量値Ｗが４０００ｇになるまでは大容量供給となるが、Ｗ１に到達すると材料供給はいったん停止され、その後は中容量供給となる。また、Ｗ２＝５０００−１０＊５０＝４５００ｇとなるので、実測計量値Ｗが４０００ｇから４５００ｇまでは中容量供給となるが、４５００ｇを越えると最終調整計量に入り、小容量供給になり、さらにＷ＝５０００−５０＝４９５０ｇになると、材料供給は停止し、落差分が自然落下する。

以上のように、大容量、中容量の供給量で段階的に材料の大部分（上記の例では５０００ｇのうち４５００ｇ）を供給し、残りの調整部分（上記の例では４９５０−４５００＝４５０ｇ）を小容量の供給量で供給しているため、高速かつ正確に計量することができる。特に最終調整段階では、わずかな供給量で材料供給することができるので、落差分の量も少なくすることができる。

また、中間累積計量値の設定を落差値の倍数で設定するようにしているため、設定する落差値が実測値に近いものであれば、精度の高い計量を期待できる。特に、設定する落差値を、過去の実測値の移動平均により算出するようにしているため、精緻な予想値が得られ、正確な計量が実現できる。

また、材料供給が進むにしたがい材料排出口１１を絞っていくようなダイナミック制御の必要がないので、制御がきわめて容易であり、また、噛み込み防止機能を備えたダンパーなどを使用すれば、材料排出口１１を段階的に閉じたときの材料噛み込みの心配もない。

上記実施例では、材料排出口１１をスライドシャッター方式とし、材料Ｐの（初速）供給量を段階的に設定制御するために、材料排出口１１を、その供給量に合った開口度で開閉するものを示したが、粉粒体材料Ｐの計量供給を漸減させるよう材料排出口１１を少しずつ小さくするように絞り制御してもよいし、供給量を可変制御できるスクリューフィーダなどの定量供給手段をホッパ１０に付設してもよい。これらによれば、供給量を一定にした自由落下による材料供給ができ、より正確な計量が実施できる。

また、粉粒体材料Ｐの供給量を、材料排出口１１の開口制御することなく他の方法で、最初の段階の中間累積計量値に達するまでは大きくし、その後は、最終の中間累積計量値に達するまで、粉粒体材料Ｐの計量供給を漸減させるように制御してもよい。

図４は、自由落下で材料供給する場合に第２の本発明計量方法を適用した場合の材料供給量、計量値の時間的変化を示すグラフである。図において、縦軸はロードセル２で計量される実測計量値、横軸は材料供給開始後の時間を示している。

ここで、ＷＡは１バッチ計量における最終計量値で、目標となる計量値である。また、Ｗ２は最終の中間累積計量値、Ｗ３は最終調整計量値、Ｗｏは落差値である。ここに、Ｗ２は落差値Ｗｏの整数倍として設定され、Ｗ３はＷＡから落差値Ｗｏを減じた値となっており、許容誤差ΔＷはここでは省略されている。これらは、計量前工程において、予め準備され、あるいは、計量システムを使用するオペレータによって入力設定される。また、ここでは、Ｗ２は、落差値Ｗｏを基準として算出されているが、経験値やユーザの設定する任意の値を使用してもよい。

図４のグラフで示すように、（１）中間累積計量値の最終値Ｗ２に到達するまでは、排出口のシャッターを漸次閉じながら材料を供給し、Ｗ２に到達すると、一時的に材料供給を休止し、その後、シャッターの開口度を予め設定された開度に調整して、最後に、（３）更にシャッターの開度を小さくして、Ｗ３に到達するまで材料を供給している。

ここに、Ｗ３は、前述したように、予め計量前工程で準備された落差値Ｗｏを見越した値、つまり減じた最終落差補正計量値として規定されており、このＷ３に到達すると、シャッターは全閉となって１バッチ分の材料供給が終了する。

図５には、粉粒体材料の計量供給を漸減させながら材料を計量する方法のフローチャートを示す。

この方法では、計量前設定工程は、第１の本発明と同様に各種パラメータを設定し（ステップ２０１〜２０５）、ステップダウン計量工程では、供給量を順次絞り込みながら、中間累積計量値Ｗ２まで材料を供給し、Ｗ２に到達したときに材料供給を一旦停止するか、停止せずに、最終計量設定値Ｗ３を計量する（ステップ２０６〜２１０）。その後、落差分を実測し、第１の本発明と同様な評価判別工程を実行する（ステップ２１１〜２１５）。

すなわち、評価判別工程では、実測計量値が許容誤差ΔＷの範囲内であれば、その計量した１バッチ計量値を有効とし、その１バッチ計量値で実測された落差値Ｗｏを用いて、次の計量で使用する落差値Ｗｏを更新する一方、そうでないときには、落差値Ｗｏを更新せず、その１バッチ計量値を無効にする（ステップ２１４〜２１７）。

ようするに、第２の本発明方法では、ステップダウン計量工程における材料供給は、段階的には変化させずに、連続して変化させることになる。

なお、この方法によれば、材料排出口を無段階に徐々に絞って行くので、材料排出口に設けるダンパーは、途中の材料の噛み込みを考慮しなくてもよいが、サーボモータ駆動型などのように追従性のよいものが望まれる。したがって、応答動作がよければフラップダンパー式の排出口にも適用可能である。

本発明の粉粒体材料の計量方法の概念図であり、（ａ）、（ｂ）はステップダウン計量工程、（ｃ）は最終調整計量工程、（ｄ）は落差計量を示している。第１の本発明における粉粒体材料の計量方法による段階的計量をグラフ化したものである。第１の本発明における粉粒体材料の計量方法の手順を示すフローチャートである。第２の本発明における粉粒体材料の計量方法による段階的計量をグラフ化したものである。第２の本発明における粉粒体材料の計量方法の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１計量器
２ロードセル
１０ホッパ
１１材料排出口（スライドシャッター）
１２サーボシリンダー
Ｐ粉粒体材料

Claims

１バッチ計量における最終計量設定値と、落差値を基準として、その最終計量設定値に到達するまでの通過点となる複数の中間累積計量値と、許容誤差とを少なくとも準備する計量前設定工程と、
最初の中間累積計量値から最終の中間累積計量値に達するまで、休止を挟んで供給量を段階的に減少させてロードセルを設けた計量器に粉粒体材料を供給して計量を実行するステップダウン計量工程と、
このステップダウン計量工程の後、上記最終計量設定値よりも上記落差値分だけ少ない最終調整計量値に達するまで、粉粒体材料の供給量を更に減少させて計量を実行する最終調整計量工程と、
この最終調整計量工程の後、実測された実測落差値を算出する実測落差値算出工程と、
上記最終計量設定値及び上記許容誤差を参照して、実測された１バッチ計量値が、該許容誤差の範囲内であれば有効とする一方、範囲内でなければ無効とする評価判別工程とを実行し、かつ、
上記落差値が、上記評価判別工程において有効と判別された複数回のバッチ計量で実測された上記実測落差値を移動平均化した値に更新されて設定されることを特徴とする、粉粒体材料の計量方法。
１バッチ計量における最終計量設定値と、落差値を基準として、その最終計量設定値に到達するまでの通過点となる中間累積計量値と、許容誤差とを少なくとも準備する計量前設定工程と、
ロードセルを設けた計量器に供給する粉粒体材料の供給量を休止させることなく連続的に漸減させて、上記中間累積計量値に達するまで計量を実行するステップダウン計量工程と、
このステップダウン計量工程の後、上記最終計量設定値よりも上記落差値分だけ少ない最終調整計量値に達するまで、粉粒体材料の供給量を更に減少させて計量を実行する最終調整計量工程と、
この最終調整計量工程の後、実測された実測落差値を算出する実測落差値算出工程と、
上記最終計量設定値及び上記許容誤差を参照して、実測された１バッチ計量値が、該許容誤差の範囲内であれば有効とする一方、範囲内でなければ無効とする評価判別工程とを実行し、かつ、
上記落差値が、上記評価判別工程において有効と判別された複数回のバッチ計量で実測された上記実測落差値を移動平均化した値に更新されて設定されることを特徴とする、粉粒体材料の計量方法。
請求項１または２において、
粉粒体材料を貯留したホッパの材料排出口の開口度合いを絞り制御することによって、粉粒体材料を自由落下させて上記計量器に供給することを特徴とする、粉粒体材料の計量方法。
請求項１または２において、
粉粒体材料を貯留したホッパに付設した定量供給手段の供給量を可変制御させて、粉粒体材料を上記計量器に供給することを特徴とする、粉粒体材料の計量方法。
請求項１〜４のいずれか１項において、
上記中間累積計量値が、上記落差値の整数倍として設定されることを特徴とする、粉粒体材料の計量方法。