4 1 6 ア プ リケ ー シ ョ ン ・ ノ ー ト
冷間圧延機 の張力 および巻太 り制御装置
佐
藤
武
彦*
1. は し が き 般 に冷 間 圧 延 機 の 制 御 と し て は 鋼 板 の ス ト リッ プ ・ミル に お け る板 厚 の 自動 制 御 が あ げ られ て い るが こ こに 述 べ るの は 銅 テ ー プ の精 密 レバ ース ・ミルに 装 着 され た 張 力 制 御 装置 で,電 磁 厚 み計 に よる板 厚 偏 差 信 号 で 前 方 お よび 後方 張 力 を同 時 に操 作 す る もので あ る.鋼 板 の ス ト リ ップ ・ミル で は ミル ・モ ータ あ るい は リー ル巻 取 りモ ー タの 速 度制 御 に よ り材 料 に かか る 張 力 制御 を して い るが,本 機 は 図1に 示 す よ うに材 料 に ワ ー ク ・ロー ル と両 側 の リール の間 で ダ ンサ ロー ル を 介 して 加 え る張 力 を制 御 す る.ま た,別 に ダ ンサ ロ ル 位置 を検 出 して ミル ・モ ータ の速 度 を操 作 す る ダ ンサ ロ ール 位 置 制御 系 が 並 用 され て い る.制 御 装 置 と して の特 徴 は 次 の2点 で あ る. (1) 張 力 負 荷 装 置 と して の空 気 圧 シ リ ンダ内 の 圧 力 を ピス トン の 位 置(ダ ンサ ロ ール の 位 置)い か ん に か か わ らず 制 御 す るた めに 空 気 圧 の パ イ ロ ッ ト ・バ ル ブ を サ ボ ・モ ー タに よ り高 速 度 で操 作 す る方 式 を 採 り,ポ テ ンシ ョメ ー タ回 転 角 の 目標値 に空 気 圧 力 を 追 従 せ しめ て い る. (2) 上 記 ポ テ ン シ ョ メー タ回 転 角 を 遠 隔 手 動 で設 定 し,同 時 に 電磁 厚 み 計 か らの板 厚 偏 差 信 号 で 加 算設 定 す るた め に 特殊 な 自動平 衡 電位 差 計 を構 成 し,フ ィー ド ーバ ッ クポ テ ン シ ョメー タに 上 記 の張 力 設 定 用 ポ テ ンシ ョメ ー タを連 動 させ てい る. ま た,付 属 制御 と して の巻 太 り制 御 は,リ ールが巻 太 って も一 定 の トル クで材 料 を 巻 き販 るため に,摩 擦 接 手 に加 え る空 気圧 力 を リール の 巻 太 り径 に追 従 して 変 化 させ る もの で,張 力制 御 装 置 に 使 用 した 空気 圧の パ イ ロ ッ ト ・バ ル ブ を サ ー ボで 操 作 す る機 構 に ポ テ ン シ ョメー タ を取 り付 け,サ ー ボ機 購 に よ り空 気圧 を操 作 して い る.こ こに この 装 置 の概 略 を 紹 介す る. 2. 構 成 圧 延 機 系統 図,張 力 制 御 装置 ブ ロ ッ ク ・ダ イヤ グラ 図 1 圧 延 機 系 統 図 図 2 張 力 制 御 装 置 ブ ロ ッ ク ・ダ イ ヤ グ ラ ム 山武 ハ ネ ウエ ル計 器 株 式 会 社佐 藤:冷 間圧 延 機 の張 力 お よび 巻太 り制 御 装 置 4 1 7 ムを図1,図2に 示 す.図1に 示 す よ うに 本機 は 単 ス タ ン ドの レバ ー ス ・ミル で 幅30mm,板 厚0.3mm の銅 テ ープ の粗 材 を数 回往 復 圧 延 す る こ とに よ り板 厚 20μ にす る もの で,材 料 の駆 動 速 度 は最 高36m/min であ る.ワ ー クロ ール 出 口か ら500mmの 所 に 電 磁 厚 み計 の検 出ヘ ッ ドを 置 い て 材 料 の板 厚 を比 較 法 で 測 定 し,板 厚 目標 値 か らの偏 差 を ±mV信 号 に して サ ン プ ラ(繰 返 し型 タ イ マ)お よび ゲイ ン調 整 を 通 して2 台の張 力設 定調 節 器 へ送 る.2系 列 の 張 力 設 定 系 は そ れ ぞれ 手 動設 定 器 に よ る設 定 ポ テ ンシ ャル に 電 磁 厚 み 計か らの偏 差 信 号 ポ テ ンシ ャル を加 えた 値 に 張 力設 定 用 ポテ ンシ ョメ ー タを追 従 させ る1次 系 で,サ ーボ ・ モ ータの 励磁 回路 の 断 続 を サ ンプ ラ と連 動 させ て ホ ー ル ドの 機 能 を持 た せ て あ る.2系 列 の張 力制 御 系 は 設 定 用 ポ テ ン シ ョ メー タ 回転 角 に 空 気 圧 力 を追 従 させ る 一 次系 で,高 速 度 で掃 引す る際 の ダ ン ピ ング 特性 を 良 くす るため に 回 転 発 電 機 に よ り速 度 帰 還 を 行 な って い る.ま た,圧 力 検 出 用 の 差動 変 圧 器 は変 位 に無 関 係 な 比 較 電 源 用 コイ ルを 内 蔵 し,こ の 交流 電 圧 を張 力 設 定 用 ポ テ ンシ ョメ ー タに 加 え る こ とに よ り交 流 サ ーボ に お け る位相 調 整 を 不 要 に して い る.フ ォ ー ス ・ トラ ン ス ミッタは 力平 衡 式 の空 気 圧 パ イ ロ ッ ト ・バ ルブ で そ の 出 口圧 力 は 消費 流 量 に よ り変 化 す る.し たが って 空 気圧 シ リンダ の よ うな空 気 を消 費 す る負 荷 の 場 合 は圧 力帰 還 の必 要 が あ る.こ れ が次 に述 べ る よ うな 空 気 を 消 費 しない 負 荷 の 場 合 は フ ォー ス ・ トラ ンス ミッタ の 調 圧 子 の位 置 を フ ィー ド ・バ ッ クす るサ ーボ 機 構 に よ り圧 力 を簡 単 に 操 作 で きる.次 に巻 太 り髄御 装 置 の ブ ロ ッ ク ・ダイ ヤグ ラ ムを 図3に 示 す.巻 太 り検 出 器 で 巻 取 りリー ルの 外 径 の 変 化 を ラ イ ダ ・ロ ール ・ポテ ン シ ョメー タの 回 転 角 に 変 え る.摩 擦 接 手 に加 え る空 気 圧 力 を操 作 す る フ ォ ー ス ・トラ ンス ミッタの 出 口圧 力 は 調 圧 子 の直 線 位 置 に 比 例 す る の で これ を フ ィー ド ・ バ ック ・ポ テ ンシ ョメ ー タの 回 転 角 に 変 え る.こ の 二 つ の ボテ ン シ ョメ ー タを 増 幅 器,サ ー ボ ・モ ー タ,減 速 歯 車 に よ り結 び つ け た 一 次 系 の サ ー ボ機 構 に よ り巻 太 り制 御 装置 は構 成 され る.フ ォ ース ・ トラ ンス ミッ 図 3 巻 太 り制 御 装 置 ブ ロ ッ ク ダ イ ヤ グ ラ ム 図 4 フ ォ ー ス トラ ン ス ミ ッ タ 構 造 図 図 5 フ オ ー ス ・ ト ラ ン ス ミ ッ タ 特 性 タの 出 力空 気 圧 を ベ ロ ーズ に加 え この ベ ロー ズ に ょ り 摩 擦 板 を 加 圧 す る. 3. 圧 力 操 作 系 の 考 察 1.5kg/cm2以 下 の空 気 庄 力 を 精 密 に 手 動操 作す る には 力 平 衡 式 のパ イ ロ ッ ト弁 を持 つ 精 密 減 圧 弁 を使 う.こ れ を サ ー ボ用 に 利 用 す る場 合,そ の圧 力調 整 ス テ ムの ね じ部 は ヒス テ リシ ス特 性 お よび 連 続 駆 動 に よ る摩耗 の点 か ち よ くな い の で精 密 減 圧弁 か ら調 圧 ス テ ム 機 構 を取 り除 い た フ ォー ス ・ トラ 5 5
佐 藤:冷 間 圧 延 機 の張 力 お よび 巻 太 り制 御装 置 4 1 9 ンス ミッタを 利 用 して い る.そ の 構 造 を 図4に 示 す. またそ の 特性 は調 圧 ス プ リ ング圧 縮 荷 重 と出 口空 気圧 は 図5に 示 す よ うに 比 例 す る.サ ーボ モ ー タ出 力軸 の 回 転運 動 を調 圧 ス プ リ ング圧 縮 子 の 直 線 運 動 に 効率 良 く,か つ な め らかに 伝 え るた め に 特 に 設計 され た ボ ー ルね じを使 用 して い る. サ ーボ ・モ ー タ 一般 にサ ーボ ・モ ー タに要 求 され る出 力 と して は P=PF+PIた だ しPF;負 荷 の摩 擦 分 に 対 す るパ ワ PI;負 荷 の慣 性 分 に 対 す るパ ワ [Watt] [Watt] T;摩 擦 トル ク [g - c m] N;回 転 数 [ r p m] J;慣 性 能 率 [g-c m - s e c 2] α;加 速 度 [rad / s e c 2]
今系の圧力操 作速度 の最大値を
とす る と また 精 密減 圧 弁 の 出 口圧 力 と調 圧 ス テ ム摩 擦 トル ク との 関 係 は実 測 の 結 果 次 式 で表 わ され る. た だ しP;出 口 圧 力 [ k g/ c m 2] 今 使 用 最 高 圧 力 = 1. 1 5 kg/ c m 2 ボ ー ル ね じ 効 率 ≒0.75∼ 0. 8 (実 測 値) 調 圧 ステ ムね じ効率 ≒ 0. 3 5 (実測 値) か ら 所 要 最 高 摩 擦 トル ク したが って [Watt]また 圧力操作加速度の最大値 を
とす る と 次 に した が って [Watt][Watt]
上 記 圧 力操 作 速 度 の 目標 値 お よび 所 要 出 力 値 か らサ ーボ モ ー タ と して は 減 速比1/10の 歯 車 列 を 内蔵 す る最 大 出 力5wattの(N社 製)ESAT-5型 モ ー タ を 使 用 して い る.ESAT-5型 の 特 性 曲 線 に よる と上 記 負 荷 トル クに対 す る出 力 は50cpsで 約2.5watt で あ る.次 に 同時 性 曲 線 に お いて100%入 力時 の 回 転 数 か ら圧 力操 作 速 度 の最 大値 を 算 出 す る と, 減 速 費 v m a x 1/10 1.03kg/c m 2/ s e c (張 力 制 御) 1/20 0.52kg/ c m 2/ s e c (巻 太 り制 御) サ ー ボ増 幅 器 この サ ーボ ・モ ー タを 駆 動す る には 停 動 時 入 力 約 1 5 W以 上 の出 力 を 出 せ る増 幅 器 が 必 要 で あ る.今 の 場 合6V6PPの 出 力段 でESAT-5型 モ ー タ の制 御 巻 線 電 流 を 直接 操 作 す るサ ー ボ増 幅 器 を 使 用 して い る.張 力制 御装 置 全 体 の 回路 図 を 図6に 示 す. 圧 力 操 作 系 と して の 感 度 は (サ ー ボ ・モ ー タ 起 動 電 圧) (増幅 器電 圧 利 得) (増福 器 入 力電 圧 スパ ン) で 規 定 さ れ る. 実測 の結 果 増 φ冨器 電 圧 利 得 ≒1 3 8 d b 増 幅 器 入力 電 圧 スパ ン ≒ 1 1 m V 圧 力 操 作 感 度<フ ル ・スケ ー ルの 0. 1 % また,増 幅 器 入 力 電圧 に対 す る増 幅器 の電 圧 増 幅 2 段 目プ レー ト電 圧,(後 述 す る よ うに こ の 段 か ら偏 図 7 サ ー ボ 増 幅 器 飽 和 特 性 5 74 2 0 自 動 制 御 第 8 巻 第 6 号 ( 1 9 6 1) 差 信 号 同 期 整 流 回 路 へ の 信 号 を 引 き 出 して い る.)サ ボ ・モ ー タ制 御 巻 線 入 力 電 圧,停 動 トル クを 測 定 し,そ の 線 形 範 囲 を 求 め た 結 果が 図7で サ ーボ ・モ タ制 御 巻 線 入 力 電 圧 の 線 形 範 囲 は増 幅 器 入 力 電 圧 ス パ ンの約1/300以 内で あ る.こ の サ ー ボ増 幅 器 は 高速 電 子管 計 器 用 の増 幅 器 を 改 造 した もの であ るが 長 時 間 使 用 す る場 舎 サ ー ボ ・モ ー タが過 熱 され る. これ を 防 ぐた め に電 力増 幅 段 へ の 直 流 供給 電 圧 レペ ル を お と し.ま た サ ー ボ ・モ ー タを 入 力信 号 の無 い とき で も徴 小 振幅 で往 復 回転 を させ る た め の特 殊 回 路 が 電 力増 幅段 に設 け てあ った が,こ れ に よ る直 流 電 流 の 不平 衡 がサ ー ボ ・モ ー タ過 熱 の 原 因 に な って い るの で この 回 路 を 除 い た.こ の結 果連 続 運転 時 モ ー タ表 面 温 度 を鉄 ーコ ンス タ ンタ ン熱 電 対 で 測 定 し 図 8 サ ー ポ ・ モ ー タ 温 度 上 昇
図 9 偏差信号問期整 流回路特性
た 値 を 図8に 示 す. 次 に 偏差 信 号 同期 整 流 回 路 は 張 力 設定 用 ポテ ンシ ョ メー タに よる設 定 張 力値 と空 気 圧 シ リンダ に よる負荷 張 力 値 との偏 差 指 示 計 で 示 す た め の 回路 で偏 位法 の測 定 回路 のた め,電 源 電 圧 変 動 の 影 響 を受 け る.偏 差指 示 計 は 水平 型 のゼ ロセ ン タ μA計 で その 計 器指 示値 と 偏 差 信 号 の関 係 を 図9に 示す. 張 力 制御 の場 合 の 圧 力 検 田器 は 片持 は りとベ ローズ の剛 牲 に よ り窪 気 圧 力 を 変位 に変 換 し,そ の変 位 を4 コイ ル型 差 動 変 圧 器 で 交 流 の 電圧 に変 換 す るもの であ る. 差 動 変圧 器 FCDT-010-CM (測定 範 囲 ± /m m) 圧 力 測 定 範 囲 0.05∼1. 13 kg / c m 2 変 位 約3 6 0 μ 出 力 電 圧 A. C.約1 1 m V 精 度 ±0. 2 5 %4. 圧 力設 定 系 の 考 察
2系 列の 張 力 設 定 系 の 回路 図 を図6に 示 す. A社 製 の 電 磁 厚 み計 の リ ング ・デ モジ ュ レータ回路 で取 り出 され る ±mVの 板 厚 の 偏 差信 号 は2個 の ゲ イ ン調 整 器VR1, VR2に よ り2系 列 の 電 位差 計 回路 の Auto側 に 加 え られ る.手 動 設 定 器VR3お よびVR10 で設 定 され た ポ テ ン シャ ルに 偏 差 信 号 ポ テ ンシャル を 加 え た値 に 追 従 して フ ィー ド ・バ ック ・ポ テ ンシ ョメ ータRWS1, RWS3が 動 か され,張 力 設 定 用ポ テ ンシ ョ メー タRWS2, RWS4は これ と機 械的 に連 動 され る. ま た,電 位 差 計 入 力切 換 スイ ッチ をManual側 に倒 す と手 動設 定 器 を 操 作す る とき のみ 張 力設 定 値 を変 え うる.圧 延 行 程 に お い て ほ か の諸 条 件 を一 定 に して 張 力 の み を変 えた と き操 作 し うる板 厚 変 化 幅 は, で 表 わ され る. た だ し σ; 張 力 h; 板 厚 c; 常 数 材 料 の板厚 が 薄 くな るほ どcは 小 さ く した が って 張 力 に よる板 厚 制 御感 度 が高 くな る.そ こで実 際 に電 磁 厚 み計 の出 力 に よ り張 力設 定 値 を カ スケ ー ド制御 す る の は 次 の範 囲 だけ で あ る. 今,前 方張 力 σf,後 方 張 力 σbを な る関 係 で同 時 に 操 作 す る と, の とき の と き佐 藤: 冷 間圧 延 機 の張 力 お よび 巻 太 り制 御装 置 4 2 1 図 1 0 巻 太 り 制 御 装 置 回 路 図 図 1 1 空 気 圧 操 作 特 性 次 に 電磁 厚 み 計 の 出 力 は,板 厚 が100μ 以 下 の 場 合 は 基 準板 厚 に 関 係 無 く,同 一 板厚 偏 差(±5μ)に 対 し 開路 出 力電 圧 は等 しい(±37.6mV).こ の2条 件 と板 厚 の カス ケ ー ド制 御 に 入 る際 の操 作 基 準 か ら電 位 差計 回 路 のmVス パ ンの最 高値 が 決 ま る.実 際 の 回 路 は フル ス ケー ル16mVで あ る. す で に述 べ た よ5に 材 料 の 板 厚 に よ り板 厚 偏 差 率 と 張 力偏 差 率 と の関 係 が 変 わ るの で,ゲ イ ン調 整 器VR1, VR2で 電 磁 厚 み 計 出 力 電 圧 を 適 当 に分 割 して 電 位 差計 回路 に 加 え て い る. 巻 太 り綱 御 装 置 は リー ル の巻 太 り径 に 対 応 して 摩擦 接 手 に 加 え る空 気 圧 力 を次 の よ うに操 作 で き る. 図 1 2 (a) 設 定 目 盛 表 図 1 3 (b) 空 気 圧 力 操 作 範 囲 5 9
4 2 2 自 動 制 御 第 8 巻 第 6 号 (1 9 6 1) (1) 1回 の 圧 延 で リール 外 径が300mmφ か ら600 mmφ に 巻 太 る と き空 気圧 力 を1:2の 割 合 で 変 え る. (2) 圧 延材 料 の板 厚 に よ り,同 一 巻 太 り寸 法 に 対 し 最 低 基 準 空 気圧 を1:7の 割 合 で こ の間 無 段 階 で 変 え る. 図10に 示 す よ うに 巻太 り設 定 回 路 は 自動 平 衡 電 位 差 計 でVR4は 巻 太 り検 出 器 に取 り付 け られ た フ ィー ド ・バ ッ クポ テ ン シ ョメ ータ で あ る.VR1を 回 して最 低 基 準 空気 圧(図11に お い て直 線Aの 縦 軸 上 の截 片 の 長 さ)を 設 定 し,VR2お よびVR3を 回 し て 図11 に お け る直線Aの 傾 斜 を巻 太 り比(出 力空 気 圧 比)が 1:2に な る よ うに設 定 す る.各 圧 延条 件 に よ りZero Adjuster (VR1), Span Adjuster 1, 2 (VR2, VR3)を 図 1 2 (a) の よ うに 設 定 す る と,ラ イ ダ ・ロー ル ・ス トロ ー クに 対 し圧 力 操 作器 出 力空 気 圧 は 図12 (b)に 示 す よ うに操 作 され る. 5. 性 能 張 力設 定 調 節 器,圧 力 検 出器,圧 力 操 作 器 全体 と し て の 応 答試 験 を行 な った 結 果 は次 の と う りで あ る.ま ず 試 験 方 法 は 図13に 示 す よ うに フォ ー ス ・ トラ ンス 図 1 3 張 力 制 御 装 置応 答 試 験 方 法 図 1 4 張 力 制 御 応 答 試 験 ミッタ の 負荷 と し七 は 空 気 圧 シ リンダ容 積 の 約2.5倍 に 当 た る約5lの 容 積 タ ン クを 使 用 し,圧 力 記 録計 と して は チ ャ ー ト駆 動 速 度0.75mm/secのTel-O-Set 高 速 記録 計 を使 用 して い る.こ の方 法 で の応 答試 験 結 果 を 図14に 示 す.図 中[A]は フ ォ ー ス ・トラ ンス ミ ッタ手 動 時,[B]は サ ーボ ・モ ー タ駆 動 時 の 特性 で [B]の1, 2, 3の 記 録 に み ら れ る 滅 圧 時 の オ ーバ シ ュ ー テ ィ ン グ は[A]の 記 録 に も み られ る よ うに フ ォ ー ス ・ ト ラ ン ス ミ ッ タ 自 体 の 特 性 で サ ー ボ ・モ ー タ駆 動 に よ る ボ ー ル ね じ ス トロ ー ク の オ ー バ ・シ ュ ー テ ィ ン グ で は な い.[B]の 記 録 中1, 2, 3は そ れ ぞ れ 回 転 発 電 機 に よ る フ ィ ー ド ・バ ッ ク 量 を し だ い に 減 ら し て い っ た と き の 特 性 を 示 す.[B] 1の 場 合 応 答 速 度 は 1kg/cm2/4secで あ る.こ れ は 実 際 に は 張 力 設 定 器 (N-156×16V(s))の 円 形 目盛 板 回 転 速 度 が 測 定 時 で 1.4kg/cm2/5.5secで あ る た め,そ の 応 答 速 度 で 制 限 され て い る 結 果 で あ る. 次 に 巻 太 り検 出 器,巻 太 り設 定器, 圧 力 操 作 器 全 体 と し て の応 答 試 験 結果 を 図15に 示 す.こ れ は ラ イ ダ ロ ール ・ポ テ ンシ ョメ ータ 回転 角 に ス テ ップ 入 力 を 与 えた と きの 出 力空 気 圧 をTel-O-Set 高速 記 録計 で 記 録 し た もの で応 答 速 度 は 約1.4kg/cm2/4secで こ れ が 圧 力 操 作 系 単 独 の 応 答 速 度 で あ る,こ れ は 設 計 上 の 圧 力 操 作 速 度 最 高 値0.52 kg/cm2/sec(目 標 値)よ りや や 遅 い. 図 1 5 巻 太 り制 御 応 答試 験 5. 結 び こ こに 装置 の概 略 を設 計 上 の考 察 お よび 実験 デ ータ の面 か ら説 明 した が,制 御 装 置 と して の 仕 様は お おむ ね 満 た され て い る と考 え られ る。冷 間 圧 延 機 の制御 装 置 と して は,板 厚 の カ ス ケ ー ド制御 が 最 も問題 となる 点 であ るが,そ の実 験 結 果 は 別 の機 会 に ま とめ る予定 で あ る.各 機 器 とも圧 延 機 の 制御 装 置 を 対 象 としてた また ま制 作 した も の であ るが,空 気 圧 力 を 高速 度 で電 気 的 に操 作 す る1方 法 と して考 え る とほ か に も用 途が あ るよ うに 思 わ れ る. 終 わ りに 本 制御 装 置 の 設 計 お よび製 作 に 関 し御 協力 い ただ い た 精 研工 業 赤 城 氏 に 感 謝 致 します. 参 考 文 献 1) 富成:自 動 制 御,Vol. 4, No. 2, p. 102∼111 (1957). 2) 沼倉,阿 部,三 浦:電 学 誌,79巻,848号, p. 542∼550(昭34). 3) 鈴 木:機 学 誌,64巻,504号, p. 118∼122(昭 36).
4) H. S. Maxwell: Iron and Steel Eng., Aug. (1956) p. 132-440.
5) R. L. Duke, L. R. Hulls: Applications and Ind•@ustry, March (1959) p. 10∼16.
