JP4956482B2 - Roll mill - Google Patents
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Description
本発明は湿式分散に使用するロールミルに関し、より具体的には、インキ、塗料、セラミック、薬品、食品、電子材料その他の各種製品の製造工程において、処理材料中の微粉体・ナノ粒子等の物質を練肉・分散処理するために用いられるロールミルに関する。 The present invention relates to a roll mill used for wet dispersion, and more specifically, substances such as fine powder and nanoparticles in a processing material in the manufacturing process of inks, paints, ceramics, chemicals, foods, electronic materials and other various products. The present invention relates to a roll mill that is used for kneading and dispersing.
処理材料中の微粉体・ナノ粒子等の物質を練肉・分散処理するために横方向に前ロール、中ロール、後ロールを3本並列させた3本ロールミルが広く用いられている。そして、このロールミルにはロール間に作用する荷重をロードセンサー(ロードセル)で検知し、手動ハンドルで前ロールと後ロールを移動させることによりロール間の距離を調整するようにしている(例えば、特許文献1参照)。こうした手動ハンドルに代えて単に、サーボモーター等で自動制御しようとすると、下記するような種々の問題点が生じ、ロードセンサーによる制御だけでは正確に自動制御することがむずかしい。 A three-roll mill in which three front rolls, middle rolls, and rear rolls are juxtaposed in the transverse direction is widely used to knead and disperse substances such as fine powder and nanoparticles in the treatment material. In this roll mill, the load acting between the rolls is detected by a load sensor (load cell), and the distance between the rolls is adjusted by moving the front roll and the rear roll with a manual handle (for example, patents) Reference 1). If automatic control is simply performed by a servo motor or the like instead of such a manual handle, the following various problems occur, and accurate automatic control is difficult only by control using a load sensor.
先ず、図1に示すように、架台(フレーム)上に移動可能に設けた後ロール、前ロールの両端部にはフランジがあり、フランジには図示を省略した軸受が装着され、その軸受を介して押し圧力が加えられ、もう一方の中ロールのフランジの軸受は架台に固定されている。従って両ロールの押し側ロール接触線上には「押し圧力b」があり、固定側ロール接触線上には「反力a」が生じている。この押し圧力(接触反力)が図2にあるように、接触線上でcやdの如き曲線ではなく一定値の分布(平坦な一本の線)となるようロールの表面上にはクラウンR1,R2が設けられている。また押し側ロールと固定側ロールはお互いに異なった回転数で回転しており、両ロール間には摩擦力も発生するように駆動されていて、この摩擦力も分散効果の一端を担っている。 First, as shown in FIG. 1, the rear roll and the front roll are provided with flanges on both ends of the rear roll and the front roll, which are movably provided on the gantry (frame). Then, the pressing force is applied, and the bearing of the flange of the other middle roll is fixed to the gantry. Therefore, there is a “pressing pressure b” on the push side roll contact line of both rolls, and a “reaction force a” is generated on the fixed side roll contact line. As shown in FIG. 2, the pressing force (contact reaction force) is not a curve such as c or d on the contact line, but a constant value distribution (flat single line) on the surface of the roll. , R2 are provided. The push side roll and the fixed side roll rotate at different rotational speeds, and are driven so that a frictional force is generated between the two rolls. This frictional force also plays a part in the dispersion effect.
上記押し圧力(または反力)とロール表面上のクラウンとはある相関を持った微妙な関係にあり、この相関関係はきちんとした原因と結果の関係で理論的に関連付けられていなければならない。また、両ロール間に付与した摩擦力は、この押し圧力(または反力)に影響を与えており、その影響が押し圧力の変動分として無視できない存在であることが判っている。すなわち、
(外挿押し圧;P1,P2)=(接触線上押し圧)+(摩擦力から来る変動分)
となっており、外挿押し圧力がそのまま接触線上の押し圧力になっていない。
The pressing force (or reaction force) and the crown on the roll surface have a delicate relationship with a certain correlation, and this correlation must be theoretically related to the relationship between the proper cause and the result. Further, it has been found that the frictional force applied between the two rolls has an influence on the pressing force (or reaction force), and the influence cannot be ignored as a variation of the pressing pressure. That is,
(Extrapolated pressure: P1, P2) = (Pressure on contact line) + (Change due to frictional force)
Thus, the extrapolation pressing pressure is not directly the pressing pressure on the contact line.
そのような現象に対し、基本的にはこれらの接触するロール2本の組み合わせの有限要素解析モデルを作成し、接触線上で荷重を暫時増加して行きながら接触部分が拡大してゆく非線形解析を行い、その解析に基づいて後ロールからの押し圧P1、前ロールからの押し圧P2、後ロールのクラウンR1、中ロールのクラウンR2、前ロールのクラウンR3及び後ロールと中ロールの距離δ1、中ロールと前ロールの距離δ2の関係が具体的に得られてくる。 For such a phenomenon, basically, a finite element analysis model of a combination of these two contacting rolls is created, and a nonlinear analysis is performed in which the contact portion expands while increasing the load for a while on the contact line. Based on the analysis, the pressing pressure P1 from the rear roll, the pressing pressure P2 from the front roll, the crown R1 of the rear roll, the crown R2 of the middle roll, the crown R3 of the front roll and the distance δ1 between the rear roll and the middle roll, The relationship between the distance δ2 between the middle roll and the previous roll is specifically obtained.
また、ロール間の摩擦に関しては、上述したように摩擦があるとそれが変動分として関与し、必要としている「押し圧力」を正しくない方へ引きずっていることが知られている。したがって、上記各ロールの押し圧やロール間距離は摩擦がないときのP1,P2,δ1、δ2の関係を維持すれば分る、このためにはP1,P2を除いた残り、δ1、δ2を制御の指標に使ってゆけばよいことが分る。そこで、変位制御、つまり加工始めに決めたロール間距離δ1、δ2を維持するようにロールミルの制御運転をすればよいこととなる。 As for friction between rolls, as described above, it is known that if there is friction, it is involved as a variation and drags the required “pressing pressure” to the wrong side. Therefore, the pressing pressure of each of the rolls and the distance between the rolls can be found by maintaining the relationship of P1, P2, δ1, and δ2 when there is no friction. For this purpose, the remainder excluding P1 and P2, and δ1, δ2 It can be seen that it should be used as a control index. Therefore, it is only necessary to control the roll mill so as to maintain the displacement control, that is, the distances δ1 and δ2 between the rolls determined at the beginning of machining.
さらに詳述すると、ロールミルについては一定のロールサイズがあり、また加えて使用者が要求している分散加工上の押し圧力がある。これらを使って先ずロールの静解析を一回実施する。この結果から、これからロールに付加するクラウンの曲線形状と曲線ピーク値(通常は中央にある)がどんな値となるのかが分かる。次に、この解析結果を織り込んでクラウンを付加したロール解析モデルへ変更する。このモデルを2本使用して中央のクラウンピーク部分のみ最初から接触させた接触解析モデルとする。ロールの1本を固定ロールとし、ロール両端部を支持する、またもう一方のロールの両端部分から同一負荷を掛ける手続きで有限要素法非線形接触解析を荷重増分法に従って実施してゆく。従って荷重は各ステップに細かく分割され最終的にP1あるいはP2に達する。この結果が概略図2中「一定反力」にあるような形状である。この結果から接触線上で一定押し圧力(または反力)を持った分布が得られ、この時に相関数値としてR1,R2,R3,P1,P2,δ1、δ2を得る。この中のR1,R2、R3はロール設計時のクラウン量として用いられ、残りのP1,P2,δ1、δ2が自動制御に用いられる数値となる。 More specifically, the roll mill has a fixed roll size, and in addition, there is a pressing force on dispersion processing required by the user. First, the static analysis of the roll is performed once using these. From this result, it will be understood what value the crown curve shape and curve peak value (usually in the center) of the crown will be added to the roll. Next, this analysis result is incorporated into a roll analysis model with a crown added. Two of these models are used as a contact analysis model in which only the central crown peak portion is contacted from the beginning. One of the rolls is a fixed roll, the both ends of the roll are supported, and the finite element method nonlinear contact analysis is performed according to the load increment method by the procedure of applying the same load from both ends of the other roll. Therefore, the load is finely divided into each step and finally reaches P1 or P2. The result is such a shape as shown in “constant reaction force” in FIG. From this result, a distribution having a constant pressing pressure (or reaction force) on the contact line is obtained, and at this time, R1, R2, R3, P1, P2, δ1, and δ2 are obtained as correlation values. Among these, R1, R2, and R3 are used as crown amounts at the time of roll design, and the remaining P1, P2, δ1, and δ2 are values used for automatic control.
上記のように変位制御で制御すればよいが、変位制御だけでは下記するような問題があるため変位制御に加えて部分的な補正をする必要がある。まず、ロール左右端における荷重のアンバランスにより次ぎのような不都合が生じる。図3に示すように、通常、ロールとロールの接触線圧はロールに付加したクラウン形状とバランスしたところでは、ほとんど平坦な分布荷重となっている。しかし実際には、図3中AC=L2、CB=L1とすると、AB/2=L1=L2の中央点Cが僅かに大きい分布荷重となっている。 As described above, the control may be performed by the displacement control. However, since the displacement control alone has the following problems, it is necessary to make a partial correction in addition to the displacement control. First, the following inconvenience arises due to load imbalance at the left and right ends of the roll. As shown in FIG. 3, normally, the contact line pressure between the rolls is almost a flat distributed load when balanced with the crown shape added to the rolls. However, in reality, if AC = L2 and CB = L1 in FIG. 3, the center point C of AB / 2 = L1 = L2 is a slightly large distributed load.
またこの分布荷重を解析上Cでの集中荷重に置き換えて考えた方が簡易なためここに集中荷重P2(P1)が働いていると考える。するとロールにはC点の両側でモーメントP2×L1、P2×L2が働いていることが分る。例えば何らかの外乱によって接触線圧分布が図の最下段のように傾くことがある。この時P2は中央点Cからズレる、すなわちL1>L2(勿論、L2>L1もある。)となる。この時荷重制御であればトータルP2は変らないので結果、上記モーメントはP2×L1>P2×L2となり、左右のモーメント差が発生する。そうするとこのモーメント差のためのL1側(B側)即ちモーメントの大きい方へP2は引っ張られる。また逆のときはA側へ引っ張られる。これによって常にP2は中央点Cに留まろうとする力が働いている、言わばセルフアライメントフォースを具備していた。 Further, since it is simpler to consider this distributed load by replacing it with the concentrated load at C in the analysis, it is considered that the concentrated load P2 (P1) is working here. Then, it can be seen that moments P2 × L1 and P2 × L2 are acting on the roll on both sides of the point C. For example, the contact line pressure distribution may be inclined as shown in the lowermost part of the figure due to some disturbance. At this time, P2 deviates from the center point C, that is, L1> L2 (of course, there is also L2> L1). At this time, if the load is controlled, the total P2 does not change. As a result, the moment becomes P2 × L1> P2 × L2, and a moment difference between the left and right is generated. Then, P2 is pulled toward the L1 side (B side), that is, the larger moment due to this moment difference. In the opposite case, it is pulled to the A side. Thus, P2 always has a self-alignment force in which a force to stay at the center point C is working.
ところが制御上、変位制御のみのフィードバック制御としてしまうと、上記したセルフアライメントフォースは働かない機構となる。具体的には変位制御によれば、ロール左右端に於ける負荷アンバランスも是正されるはずであるが、実際に運転して行くと変位制御だけではロールの両端部で微妙なアンバランスが生じたとき、変位上の数値誤差には現れなくても、荷重としては微妙なアンバランスが検出されることが度々ある現象がみられた。 However, if the feedback control is only displacement control, the above self-alignment force does not work. Specifically, according to the displacement control, the load imbalance at the left and right ends of the roll should be corrected. However, when actually operating, the displacement control alone causes a subtle unbalance at both ends of the roll. However, even if it did not appear in the numerical error in displacement, there was often a phenomenon that a delicate imbalance was detected as a load.
さらに、実働運転時の「荷重と変位の関係」と、静的荷重時の「荷重と変位の関係」を検討すると、上記したようにロールに押し圧P2(P1)を掛けたとき、図4に示すように当然接触部分は断面で見るといくらか潰れた円となっている、すなわち、図4においてロールの半径をRとし、ロール軸間距離をDとすると、2R>Dとなっている。このときの潰れ代は、2R−D=2dとすれば、1本のロールではこのdが潰れ代と言える。 Further, when examining the “relationship between load and displacement” during actual operation and the “relationship between load and displacement” during static operation, when the pressure P2 (P1) is applied to the roll as described above, FIG. As shown in FIG. 4, naturally, the contact portion is a circle that is somewhat crushed when viewed in cross section. That is, if the radius of the roll is R and the distance between the roll axes is D in FIG. If the crushing allowance at this time is 2R−D = 2d, it can be said that d is a crushing allowance for one roll.
では材料を投入したときにロール軸間距離Dとして実働変位制御運転を開始しているかと言えば、そうではなくて材料が挟まってくるクリアランスeを配慮した「D+e」を変位制御の実際数値として運転している。したがって、稼働中の変位制御運転時に荷重が静的に求めたP2(P1)に一致しているかどうかを調整する必要があり、この時ロードセルのモニター値を検出してP2(P1)に一致する「D+e」で運転することが必要である。 Then, if we say that the actual displacement control operation is started as the distance D between the roll axes when the material is introduced, “D + e” which takes into account the clearance e between which the material is sandwiched is considered as the actual value of the displacement control. I'm driving. Therefore, it is necessary to adjust whether or not the load coincides with P2 (P1) obtained statically during displacement control operation during operation. At this time, the monitor value of the load cell is detected and coincides with P2 (P1). It is necessary to drive at “D + e”.
さらに、分散処理材料を3本ロールミルに投入したとき、材料本来の性質によっては分散が進むに連れて材料の粘度が下がってゆく傾向があることは周知の事実である。もしこの機械を多数パス回循環して使用したことを想定すると、粘度低下に伴い「変位制御」だけを維持しているとパス回を重ねる毎に材料に与える負荷は減少してくるおそれがある。現在、業界では多数回パスして3本ロールミルを使用している例が殆んどである。このような場合には、ロードセル(負荷)モニターが必要であり、ある幅で材料の粘度低下が顕著になって来たとき、外部から手を加えなくてもプログラム上でその補正を実行して行ける機構とすれば、意図通りの分散をユーザーは1工程の分散処理で果たせる。このように、運転制御は変位制御であるが、荷重をロードセル(ロードセンサー)でモニターし、その変動分をプログラムによって調整する機構が備わっていることが好ましい。 Furthermore, it is a well-known fact that when a dispersion-treated material is put into a three-roll mill, the viscosity of the material tends to decrease as the dispersion proceeds depending on the inherent properties of the material. Assuming that this machine was used after being circulated a number of times, if only “displacement control” is maintained as the viscosity decreases, the load on the material may decrease with each pass. . Currently, there are almost no examples in the industry that use a three-roll mill after many passes. In such a case, a load cell (load) monitor is necessary, and when the viscosity drop of the material becomes noticeable over a certain width, the correction can be executed on the program without any external changes. If it is a mechanism that can be used, the user can perform the distribution as intended by a single process. As described above, although the operation control is displacement control, it is preferable that a mechanism for monitoring the load with a load cell (load sensor) and adjusting the variation by a program is provided.
また、異常負荷が発生したときの問題もある。もし3本ロールミルを運転中にロール間に通常より大きな物体を間違って混入させてしまったとき、「変位制御」だけであるとその変位を維持しようとして巨大な負荷を発生させてしまい、結果として機械の機能を損なう事態も想定される。これに対応するためには、押し圧計測用ロードセル(ロードセンサー)を制御系に挿入し、トリガー的な急激な変位が避けられない事態が発生した瞬間に巨大負荷を回避し、機械を保護して行くプログラムも可能となる。いわゆる「異常負荷よけ安全対策」をシステムに組み込む上でもロードセルは有効である。
本発明の解決課題は、上記のような変位制御又は荷重制御による諸欠点を解決して全自動制御によりロール間距離を制御し分散品質を向上できるようにしたロールミルを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a roll mill capable of solving the above-mentioned drawbacks due to displacement control or load control and controlling the distance between rolls by fully automatic control to improve the dispersion quality.
本発明によれば、上記課題が解決のために、処理材料中の微粉体・ナノ粒子等の物質を練肉・分散処理するために用いられるロールミルにおいて、架台上に固定した固定ロールと、該固定ロールに接離可能に設けた移動ロールを有し、該移動ロールをサーボモーターとボールスクリューにより該ロールの直角方向に微小移動可能に設け、上記固定ロールと移動ロール間にロール間距離を測定するレーザーセンサーを設けると共に上記ロール間押し圧を測定するロードセンサーを設け、各センサーから経時的にもたらされる検知信号をフィードバックして固定ロールと移動ロールの間を一定距離並びに一定押し圧力に管理する電子的自動制御機構を備え、該電子的自動制御機構により上記サーボモーターを駆動して移動ロールの位置を逐次的に調整するようにしたことを特徴とするロールミルが提供される。そして、上記ロールミルは、横方向に並列する3本のロールを有する3本ロールミルであって、架台上の中央に固定した中ロールを固定ロールとし、該中ロールの前後に設けた前ロールと後ロールを各々自動制御できる移動ロールとするものが提供される。 According to the present invention, in order to solve the above problems, in a roll mill used for kneading and dispersing substances such as fine powder and nanoparticles in a processing material, a fixed roll fixed on a gantry, It has a moving roll that can be moved to and away from the fixed roll. The moving roll can be moved minutely in the direction perpendicular to the roll by a servo motor and a ball screw, and the distance between the fixed roll and the moving roll is measured. A load sensor for measuring the pressure between the rolls is provided, and a detection signal generated over time from each sensor is fed back to manage a fixed distance and a constant pressing pressure between the fixed roll and the moving roll. An electronic automatic control mechanism is provided, and the servo motor is driven by the electronic automatic control mechanism to sequentially position the moving roll. Roll mill, characterized in that so as to integer is provided. The roll mill is a three-roll mill having three rolls juxtaposed in the horizontal direction. The middle roll fixed at the center on the gantry is a fixed roll, and the front roll and the rear roll provided before and after the middle roll. There is provided a moving roll that can automatically control each roll.
本発明は上記のように構成され、変位制御とロード制御を併用して経時的に所定のロール間距離を維持するようフィードバック制御により自動制御するようにしたので、クラウン付ロールを使った接触線上一定の押し圧力(反力)分布を得ることができ、しかもロールの差回転から生じる摩擦力からの分散効果を失うことなく、セルフアライメントやロールの潰れ代、処理材料の粘度変化、異常荷重の発生等に対応して常に予定した一定のロール接触力下で稼動することが可能な3本ロールミル等のロールミルが得られ、このロールミルを分散機とすることにより高い分散品質(精度)要求に答えることが可能となった。言い換えれば、分散後の粒度分布もより狭い幅で得られ、また自動制御とすることで人的なコントロール技術に頼っていた部分(熟練技術)を人から機械へ移すことを可能とした。 Since the present invention is configured as described above and is automatically controlled by feedback control so as to maintain a predetermined distance between rolls over time by using both displacement control and load control, on the contact line using the roll with crown A constant pressing force (reaction force) distribution can be obtained, and without losing the dispersion effect from the frictional force resulting from the differential rotation of the roll, self-alignment, roll crushing allowance, viscosity change of processing material, abnormal load A roll mill such as a three-roll mill that can be operated under a constant roll contact force that is always planned in response to occurrence, etc. is obtained. By using this roll mill as a disperser, high dispersion quality (accuracy) requirements are met. It became possible. In other words, the particle size distribution after dispersion can be obtained with a narrower width, and automatic control makes it possible to transfer a part (skilled technique) that relied on human control technology from a person to a machine.
本発明は、インキ、塗料、セラミック、薬品、食品、電子材料その他の各種製品の製造工程において、処理材料中の微粉体・ナノ粒子等の物質を練肉・分散処理するために用いられる各種のロールミルに適用すことができるが、図5、図6には本発明のロールミルの一実施例として、中央の中ロール1を固定し、その横方向の前後に前ロール2と後ロール3を接離可能に並列して設けた3本ロールミルが示されている。図5において、中ロール1のロール軸4を支持する軸受5は架台(フレーム)(図示略)に固定されて、その両側に前ロール2と後ロール3が位置している。
The present invention relates to various kinds of materials used for kneading / dispersing substances such as fine powders and nanoparticles in processing materials in the manufacturing process of inks, paints, ceramics, chemicals, foods, electronic materials and other various products. Although it can be applied to a roll mill, in FIGS. 5 and 6, as an embodiment of the roll mill of the present invention, a central
前ロール2と後ロール3は架台へほぼ同一の取付構造で取付けられ、図6は取付部分の一実施例を示し、図において左側には、架台に固定されたサーボモーターブラケット6があり、その上に変位駆動専用サーボモーター(図示略)が懸架、固定され、該サーボモーターの回転力はボールスクリューカップリング7へ伝達される。回転力を伝達すると同時にボールスクリュー8を介して伝わって来る反力も受けてこれをモーターブラケット6へ伝達している。このため両者間にはベアリング9が組み込まれており、一緒に反力計測のためのロードセル(ロードセンサー)10がブラケット6とベアリング9間に装着されている。
The
ボールスクリュー8とボールスクリューカップリング7はキー結合でしっかり結合されており、回転力はボールスクリューへ伝達される。ボールスクリュー内で回転力は前進力(推進力)へ変換されてロールプッシュバー11を介してロールベアリングホルダー12へ前進力(推進力)を伝達している。
The
ボールスクリュー8とロールプッシュバー11は同一のスクリュー固定プレート13に装着されており、このスクリュー固定プレートにはLM(直線運動)ガイド14装着されている。またロールベアリングホルダー12にも同様のLMガイド15が装着されていて、これら二つのLMガイドは共通のレール2本の上を移動するように作られており、両者の直進性が保持されている。
The
ロールベアリングホルダー12内のベアリングには後ロール(前ロール)本体のロール軸16が組み付けられている。該ロール軸16にはシュミットカップリング17を介して駆動モーター(図示略)がそれぞれ連結されている。該シュミットカップリング17は軸心違いの動力伝達において回転中に軸の平行移動を可能にする機構であるから、この機構によりロール軸16に直角の方向の移動を許容しながら駆動モーターからの回転駆動力を等速で該ロール軸16に伝達することができる。
A
サーボモーターブラケット6とロールベアリングホルダー12間の距離を正確に計測するためにサーボモーターブラケット6にはレーザー変位計(レーザーセンサー)18が固定され、ロールベアリングホルダー12の対向面にレーザー光を当てて距離を計測している。
In order to accurately measure the distance between the servo motor bracket 6 and the
上記サーボモーターブラケット6は架台に固定され、上記中ロール1のロール軸4の軸受5も架台に固定されているので、サーボモーターブラケット6とロールベアリングホルダー12間の距離を測定することにより中ロールのロール軸4と後ロール3(前ロール2)のロール軸16間の距離を測定することができる。このサーボモーターブラケット6とロールベアリングホルダー12間の距離はロール静止状態で初期押し圧(静的)によって決定し、以降ロール駆動中はこれを一定とするフィードバック制御をしている。この制御のためにサーボモーター回転力によるボールスクリュー推進力が使われている。またフィードバック制御により上記サーボモーターを瞬時に駆動して一定距離、一定押し圧に管理するよう電子的自動制御機構が設けられている。
Since the servo motor bracket 6 is fixed to a frame and the
図5に示すように、図6に示す制御系は前ロール2の左右両端、後ロール3の左右両端と計4ヶ所に装備され、それらが同一平面上の架台上に固定あるいはLMガイドを介して固定され、中ロールの左右両端が架台上に固定されている。したがって、上記ロールミルを運転すると、上記レーザーセンサー18およびロードセンサー(ロードセル)10によりロール間距離やロールに作用するロール間押圧が瞬間、瞬間にもたらされるから、このセンサーからの検知信号をフィードバックして上記サーボモーターを駆動し、ロール軸16をロールと直角方向に微小移動させることにより、一定距離、一定押し圧に全自動で最適運転でき、分散効果を向上することができる。
As shown in FIG. 5, the control system shown in FIG. 6 is installed at a total of four locations, the left and right ends of the
1 中ロール
2 前ロール
3 後ロール
10 ロードセル(ロードセンサー)
16 ロール軸
18 レーザー変位計(レーザーセンサー)
1
16
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