JP5437303B2 - 縒線装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数個の周回ボビンに巻き掛けられた素線を、送出しつつ周回ボビンを芯線の周囲に公転させることで、一本の縒線を製造する縒線装置に関するものである。

従来の縒線装置では、縒り合わせ後の縒線の表面凹凸形状や破断強度、曲げ剛性等の品質を均一化するために、縒り合わせ前の素線の張力や線速を計測し、巻出し回転速度やモータトルクを制御することで、素線張力を均一化している。
例えば、特許文献１、２、３、５では、巻き取り張力をダンサーローラまたはロードセルを用いて測定し、駆動モータを制御する。特許文献４では、周回ボビンや巻取りドラムの重量を予測し、周回ボビンの回転速度を制御する。

特開平２−６２４６４号公報（１頁左段４行〜１３行） 特開平１１−１１６１４２号公報（１頁９行〜１１行） 特開昭６１−２６９８１２号公報（１頁６行〜１０行） 特開昭５９−１７９１号公報（３頁右段３９行〜４４行） 特開平１０−２４４３３９号公報（４頁右段１３行〜１８行）

このような縒線装置にあっては、仮に静止状態での素線張力の均一化を図っても、周回ボビンへの素線巻き掛け状態によって運転中の素線張力が増減するために、運転中の素線張力を計測することが必要とされる。
製造する縒線の径が太くなると、個々の素線の重量と、これを支えるプーリも大きくなりロードセルに作用する重力が大きく影響する。

そして、重力は、ロードセルの出力に対して、回転盤と共に回転するロードセルの位置によって、正となったり負となったりする変動値として影響するので、ロードセルによる正確な素線張力の検出を困難にする。
縒線装置の運転中に素線張力が不均一になると、縒線の破断強度等の品質が不均一となり、縒線の全長にわたって均等な品質の保証をすることが難しくなるのであるが、変動する重力が出力データに影響すると、各素線張力の不均一が発生した場合に初期徴候を把握することが困難であるという問題があった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、運転中の素線張力を精度良く計測し、各素線張力を一定にして縒線を製造できる縒線装置を得ることを目的とする。

この発明に係る縒線装置は、
円形の回転盤の縁に等間隔に配置した複数の周回ボビンから送出される各素線を、それぞれ摺動自在に支持する複数のプーリと、
各プーリ毎に当該プーリにかかる荷重を計測して出力するロードセルとを備え、
各素線を纏めて１本に縒り合わせる縒線装置において、
各ロードセル毎に回転盤の１回転につき当該ロードセルの出力値を等間隔にＮ回サンプリングし、サンプリングした値をＮ個づつ移動平均する重力補正手段を有する中央演算部を備えたものである。

この発明に係る縒線装置は、
各ロードセル毎に回転盤の１回転につき当該ロードセルの出力値を等間隔にＮ回サンプリングし、サンプリングした値をＮ個づつ移動平均する重力補正手段を有する中央演算部を備えたものなので、
周期性の振幅をもった重力による素線張力に対する影響を排除できる。
これにより、素線張力を監視する閾値幅を狭く設定でき、より精密に各素線４にかかる素線張力の変動を監視することができる。

本発明の実施の形態１に係る縒線装置１００の側面図である。 図１の縒線装置１００を視座Ａから見た模式図である。 動作中の縒線装置１００のロードセル５に作用する遠心力と、重力と、素線張力の分力のベクトルを示す模式図である。 本発明の実施の形態１における素線張力Ｔ０の算出手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１におけるロード出力値等のグラフである。 本発明の実施の形態１に係る縒線装置１００の素線張力制御のフローチャートである。 縒線装置１００の各素線の補正後の素線張力の移動平均を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る縒線装置の素線張力制御のフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る縒線装置の、各素線の補正後の素線張力の移動平均を示す図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図を用いて説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る縒線装置１００の側面図である。
図２は、図１の縒線装置１００を視座Ａから見た模式図である。
複数ある回転盤の一つである回転盤１ａにとりつけられた複数のクレイドル２に、それぞれ周回ボビン３が搭載されている。

それぞれの周回ボビン３からは、素線４がロードセル５に固着されたプーリ６に摺動自在に支えられ、ボイス７へと架張されている。
図２に示すように、クレイドル２は、個々の素線４の糸縒りを戻すための装置であり、個別に、回転盤１ａ上に、素線４の縒り戻し方向に自転可能に取り付けられている。
そして、回転盤１ａはコアロープ９と同芯に回転するので、周回ボビン３は素線４を送出する方向に回転しながら、素線４の縒り戻し方向にもクレイドルを介して回転し、更に、回転盤１ａ〜１ｃの回転によって、コアロープ９の周囲を公転することになる。

ボイス７では、巻出しドラム８から送出されるコアロープ９を中心に、複数の素線４が縒り合わされて縒線１０となる。
１本になった縒線１０は、巻取ドラム１１へと巻き取られる。

また、ロードセル５は、回転盤１ｂの回転に伴う重力と遠心力の影響を受けながら、プーリ６を介して得られる素線４の張力による負荷を、同じく回転する別の回転盤１ｃ上の配電盤１２に設置されたロードセルアンプ１３を通じて電圧信号として出力する。
電圧信号は、配電盤内のＡＤ変換器１５でデジタル変換された後、無線送信機１６を通じて無線受信機１７に送信され、中央演算部１４に送られる。

中央演算部１４は、取り込まれたロードセル負荷から、縒線装置１００の回転盤１ｂの回転による遠心力と、素線４とプーリ６の質量による重力の影響を補正した素線張力を演算する。

図３は、作動中の縒線装置１００のロードセル５に作用する遠心力と、重力と、素線張力の分力のベクトルを示す模式図であり、図１に示す縒線装置１００を側面から見た模式図である。
図４は、素線張力Ｔ０の移動平均を求める計算のフローチャートである。
以下、図４に沿って、素線張力Ｔ０の移動平均値を求めるフローを説明する。

回転盤１ｂの内側に向かう負荷をロードセル５の正出力、外側に向かう負荷を負出力とする。
素線張力の分力Ｔは、回転方向に関係なく回転盤１ｂの内側方向に働く。
一方、ロードセル５の出力に影響する遠心力ＲＣＦは、縒線装置１００の回転速度ωと、質量Ｎと、回転半径Ｒに対して次式で表され、回転盤１ｂの回転時は常時円周外側に働く。
まず、縒線装置１００の回転速度ωを取得する。（Ｓ００１）
次に、ロードセル５の出力を取得する。（Ｓ００２）
中央演算部１４の遠心力補正手段１４１において次式によりロードセル５の出力に影響を与える遠心力ＲＣＦを算出する。（Ｓ００３）

ここで質量Ｎは、ロードセル５に接続されているプーリ６及びこのプーリ６に負荷される素線４の質量の合計である。
この質量Ｎは、あるロードセル５が回転盤１ｂの最上部に位置する時に、周回ボビン３と巻取ドラム１１間における素線４にまったくテンションをかけない状態で測定したロードセル５の出力によって求められる。

仮に、一定張力、一定速度ωで回転盤１ｂが回転した場合、回転速度ωの二乗に正比例した分、ロードセル５の出力は負側にオフセットされることになる。
この遠心力による影響は、式１からも分かるように、回転速度ωが一定の場合は、常に一定である。

次に、重力の影響を説明する。
重力による影響の補正演算は、中央演算部１４の重力補正手段１４２が担当する。
重力は、縒線装置１００の回転に関係なく鉛直方向に働くため、図３の位置（１）においてはロードセル５の正出力となり、位置（３）ではロードセル５の負出力となり、位置（２）と（４）ではロードセル５の出力に影響を与えない。
回転角をθとすると、ロードセル５の出力に影響するオフセット量Ｇｏｆｆは、先述の質量Ｎと重力係数ｇで次式のように表される。

すなわち、仮に一定張力で回転盤１ｂが等速回転した場合、ロードセル５の出力はサインカーブを描くことになる。サインカーブを描く場合、当該サインカーブと同一周期で移動平均を取るとその値は０となるので、重力の影響を除いたロードセル出力の移動平均Ｌを取得できることになる。（Ｓ００４）

次に、遠心力及び重力の双方の影響を加味した場合のロードセル５の出力Ｌは、次式で表される。

ここで、縒線装置１００の回転盤１ｂの回転速度ωが一定の場合に、回転の一周期分で移動平均をとることを考えると、ｓｉｎθの移動平均値が０になることから、ロードセル出力値Ｌの移動平均値から次式のように素線張力の分力Ｔの移動平均値を算出できる。（Ｓ００５）

それぞれの素線４の素線張力は、各々の周回ボビン３に取り付けられたロードセル５で計測しているので、各素線４について、回転盤１ｂの一回転につき各ロードセル５の出力値をＮ回サンプリングし、そのデータを順次Ｎ個ずつ移動平均すると良い。

仮に、７５ｒｐｍで回転している縒線装置１００について、２０Ｈｚで計測した場合は、１回転０．８ｓｅｃにつき０．０５ｓｅｃ毎に計測データをサンプリングしてデジタル変換し、計１６点のデータを順次移動平均することになる。

以上のように、まず、縒線装置１００の回転速度ωから遠心力によるオフセット量を算出し、これを加算することで遠心力の影響を補正することができる。
さらに、縒線装置１００の一周期分に対して所定の回数、各ロードセル５の出力をサンプリングし、これを移動平均すれば、各素線４にかかる重力の影響を補正した素線張力の分力Ｔを得ることができる。

分力Ｔから素線張力Ｔ０を算出する係数ｋは、素線４のプーリ６に対する巻き掛け角によって異なる。
係数ｋは、装置毎に異なるが、例えば図１の周回ボビン３を滑車に交換し、錘を素線４に釣り下げ、その時にロードセル５から出力される値と、錘の重さから実験的に算出できる。
これにより、縒線装置毎に、係数ｋを容易に取得できる。
従って、分力Ｔの移動平均値から素線張力Ｔ０の移動平均値を次式によって算出できる。（Ｓ００６）

図５は、これまで説明した素線張力のグラフであり、それぞれ、以下の値の変化を時系列で示すものである。
ａ１：補正なしのロードセルの出力の値。
ａ２：遠心力の影響を補正した素線張力。
ａ３：重力の影響を補正した移動平均素線張力。
ａ４：遠心力と重力の影響を補正した移動平均素線張力。
重力の補正をしないでロードセル出力値を使う場合（ａ１、ａ２）、グラフがサインカーブを描くので、個々の素線張力について２本の太線間で示すような制御用の閾値幅を設定すると、異常と判断されてしまう。
しかし、重力補正後の移動平均グラフ（ａ３、ａ４）を利用する場合は、制御用により狭い閾値幅を設定できる。
これは個別の素線４についても、複数の素線４全体についての閾値幅の設定についても言えることである。

次に、上述のように求めた各素線４の素線張力Ｔ０の移動平均を利用して、各素線張力を制御する方法を図を用いて説明する。
図６は、中央演算部１４による縒線装置１００の素線張力制御のフローを示す図である。
最初に、全ての素線４の補正後の素線張力の移動平均値を算出する。
次に、全ての素線の中から、最大値（Ｍａｘ）、最小値（Ｍｉｎ）、最大値と最小値との差（Ｒａｎｇｅ）を算出する。
Ｒａｎｇｅの値が所定の閾値幅を超える場合は各素線の周回ボビンのブレーキを制御して張力の均一化を図る。
これを繰り返し実行する。

以下、具体的に説明する。
図７は、４本の素線４の、重力及び遠心力による影響を補正した素線張力Ｔ０の移動平均を示す図である。ここでは各素線４の素線張力Ｔ０の移動平均グラフをａ４〜ｄ４とする。

中央演算部１４は、移動平均グラフａ４〜ｄ４を元に、これらの各素線張力を制御する。
図７のＷで示す幅は、各素線張力移動平均値の許容範囲（最大値−最小値）すなわち、閾値幅を示している。ある時刻における４本のグラフの最大値と最小値の差がＷ以下であれば異常無しとし、最大値と最小値の差が閾値幅Ｗを越えた場合は異常と判断する。
この場合には、ブレーキ制御手段１４３は、配線１８を通じて各周回ボビン３のブレーキを制御し、各素線張力を均一にする。
また、閾値幅を複数設けて、所定の閾値幅を超えた場合は、中央演算部１４のブレーキ制御手段１４３が縒線装置１００を自動停止させるようにしても良い。

このように、本発明に係る縒線装置１００によれば、周期性の振幅をもった重力による素線張力に対する影響を排除できる。
これにより、素線張力を監視する閾値幅を狭く設定できるので、より精密に各素線４にかかる素線張力の変動を監視することができる。

また、遠心力の補正も併用すると、各素線張力から遠心力と重力の影響を排除した真の素線張力の移動平均を算出できる。

また、各素線張力の移動平均の最大値、最小値の差が閾値幅を超えて変動した場合に、自動的に周回ボビン３間での素線張力を均一に調整又は縒線装置１００を停止でき、縒り合わせ後の縒線品質を均一にすることができる。

なお、上述の説明では、素線張力の自動調整、自動停止について述べたが、閾値判定後に警報をならし、作業者に素線張力の調整を促すようにしてもよい。この場合は、自動調整による画一的な調整ではなく、作業者による様々な調整をすることができる。

また、ロードセル５の電圧出力を配電盤１２内のＡＤ変換器１５でデジタル変換し、無線送信機１６を通じて無線通信をしているが、中央演算部１４を配電盤１２内に設置することにより信号線で通信を行ってもよい。この場合、回転盤１ｃ上に設置されるため張力値を作業者が確認しにくくなるが、有線通信により信頼性の高い通信を行うことができる。また、縒線装置１００のスリップリングを通じて通信を行ってもよい。この場合は、改造が大掛かりになるために既存の設備を改造することは困難であるが、安定した通信が可能であり、かつ張力値を作業者が確認しやすいという利点がある。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２に係る縒線装置１００の素線張力制御のフローを示す図である。
最初に、全ての素線４の補正後の素線張力の移動平均値を算出する。
次に、全ての素線の中から、最大値（Ｍａｘ）、最小値（Ｍｉｎ）、最大値と最小値との差（Ｒａｎｇｅ）を算出する。
最大値が所定の閾値を越える場合は縒線装置１００の回転を停止する。
Ｒａｎｇｅの値が所定の閾値幅Ｗを超える場合は各素線の周回ボビンのブレーキを制御して各素線張力の均一化を図る。
これを繰り返し実行する。

以下、具体的に説明する。
図９は、本発明の実施の形態２に係る縒線装置１００の、各素線４の重力及び遠心力による影響を補正後の素線張力の移動平均を示す図である。
実施の形態１に係る縒線装置１００の制御との違いは、個別の素線４の素線張力の移動平均値が、予め設定した閾値ＵＬを超えた場合にも、該当する周回ボビン３の素線送出スピードを制御、又は縒線装置を停止する機能を備えた点である。

図９に示すように、実施の形態１、図７の場合に比べて、早い段階（Ｐの位置）で、１本の素線ｄの補正後の素線張力の移動平均値が上限閾値ＵＬを越えている。
この場合、４本の素線張力の内、移動平均値が最大であるｄ４の値と、最少であるＣ４の値の差が、閾値幅Ｗを越えていなくとも、ブレーキ制御手段１４３は、当該素線４の周回ボビン３のブレーキを緩める等して各素線４の素線張力の均一化を図る。
また、閾値を複数設けて、所定の閾値を超えた場合は、ブレーキ制御手段１４３が縒線装置１００を自動停止させるようにしても良い。

本発明の実施の形態２に係る縒線装置によれば、実施の形態１の効果に加えて、より安全に各素線４の素線張力を制御し、製品の均質化、縒線装置１００の健全運用を図ることができる。
なお、本実施の形態では、閾値として個別の素線４の素線張力の最大値を用いたが、最小値と併用しても良い。

実施の形態３．
実施の形態１〜２では、縒線装置の回転数を実測値として計算に使用した。
本実施の形態３では、これを定数として取り扱う。この場合は、中央演算部１４に回転数を作業者が入力又は選択できる機能を設ける。
作業者が入力した、縒線装置を定常運転させるときの回転数を元に遠心力の補正を行うことになる。

ただし、縒線装置の回転数が定常状態に遷移するまでの間、すなわち、運転開始直後と運転停止直前では、設定されている遠心力補正と現実の遠心力の乖離が生じる。
このため、張力を制御する機能は縒線装置が、定常運転状態に遷移後に開始するように設定する。
このようにすることで、縒線装置の回転数を実測する設備がない縒線装置においても簡便に本発明を実施することができる。

１ａ，１ｂ，１ｃ 回転盤、３ 周回ボビン、４ 素線、５ ロードセル、
６ プーリ、１４ 中央演算部、１４１ 遠心力補正手段、１４２ 重力補正手段、
１４３ ブレーキ制御手段、１００ 縒線装置。

Claims (8)

1. 円形の回転盤の縁に等間隔に配置した複数の周回ボビンから送出される各素線を、それぞれ摺動自在に支持する複数のプーリと、
   各前記プーリ毎に当該プーリにかかる荷重を計測して出力するロードセルとを備え、
   前記各素線を纏めて１本に縒り合わせる縒線装置において、
   各前記ロードセル毎に前記回転盤の１回転につき当該ロードセルの出力値を等間隔にＮ回サンプリングし、サンプリングした値をＮ個づつ移動平均する重力補正手段を有する中央演算部を備えた縒線装置。
2. 前記中央演算部は、前記回転盤の回転により当該ロードセルの出力値に影響する遠心力を補正する遠心力補正手段を有する請求項１に記載の縒線装置。
3. 前記遠心力は、前記プーリの質量と、前記プーリにかかる前記素線の質量とを要素として算出する請求項２に記載の縒線装置。
4. 前記重力補正手段による補正後の各素線の素線張力の移動平均値を元に、各前記周回ボビンの回転スピードを制御するブレーキ制御手段を備えた請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の縒線装置。
5. 前記ブレーキ制御手段は、前記遠心力の影響を補正後の各素線の素線張力の移動平均値を元に、各前記周回ボビンの回転スピードを制御する請求項４に記載の縒線装置。
6. 前記ブレーキ制御手段は、前記補正後の各素線の素線張力の移動平均値を取得する度に、全ての素線の直近の前記移動平均値の中から最大値と最小値を取得し、前記最大値と前記最小値の差が所定の閾値幅を超えた場合に、前記回転盤を停止する請求項４又は請求項５に記載の縒線装置。
7. 前記ブレーキ制御手段は、いずれかの素線の素線張力の移動平均値が、所定の閾値を超えた場合に、前記回転盤を停止する請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の縒線装置。
8. 前記ブレーキ制御手段による制御は、前記回転盤が定常回転数にあるときにのみ作動する請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載の縒線装置。

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