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JP3534483B2 - 押出機スクリューのサイドフォース測定方法と測定装置 - Google Patents
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JP3534483B2 - 押出機スクリューのサイドフォース測定方法と測定装置 - Google Patents

押出機スクリューのサイドフォース測定方法と測定装置

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JP3534483B2
JP3534483B2 JP10201795A JP10201795A JP3534483B2 JP 3534483 B2 JP3534483 B2 JP 3534483B2 JP 10201795 A JP10201795 A JP 10201795A JP 10201795 A JP10201795 A JP 10201795A JP 3534483 B2 JP3534483 B2 JP 3534483B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はプラスチック押出機用ス
クリューのサイドフォースの測定方法と測定装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】押出機のシリンダ内のスクリューの回転
で、プラスチック原料に各種の作用を与えながら押し出
す時、プラスチック原料の可塑化にともなう樹脂の圧力
上昇と部分ごとの圧力不均等や駆動モータからスクリュ
ーに伝達される回転力の影響によって、スクリューには
スクリューの軸心に直角な方向に荷重が発生する。
【０００３】従来はプラスチック押出機のスクリューの
運転中に、軸心に直角方向にかかる荷重であるサイドフ
ォースを直接測定する方法がなく、多くは技術者の経験
や勘に頼って推定していた。一部ではサイドフォースを
間接的に測定する方法として、スクリュー軸の先端にか
かる荷重を、軸心に直角に直交する２方向で測定して合
成し、軸の先端で軸心に直角にかかる力の方向と大きさ
を演算して推定していた。
【０００４】図４（ａ）（ｂ）のそれぞれは２方向同時
測定可能な荷重変換器を用いたスクリュー軸荷重測定装
置の正面断面図および側面図である。図中４０１は押出
機のシリンダ、４０２はスクリュー軸、４０３はスクリ
ューフライト、４０４はスクリュー軸を支持するベアリ
ング、４０５はベアリングを支持するケーシング、４０
６はシリンダ４０１に連設されたハウジング、４０７は
ケーシング４０５とハウジング４０６とを介装しケーシ
ング４０５にかかる荷重を２方向同時に計測する荷重変
換器である。
【０００５】ベアリング４０４とケーシング４０５を介
して荷重変換器４０７に伝達されたスクリューの軸心に
直角な方向にかかる荷重は、荷重変換器４０７によって
図４（ｂ）の直交するＸとＹ方向の分力が計測されベク
トル合成によって荷重の方向と力が計算される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、スクリ
ューの軸心に直角な方向にかかるサイドフォースは技術
者の長い経験や勘に頼って推定されていたが、予測以上
のサイドフォースがかかった場合には、スクリューフラ
イトの外周の周速と接触圧によってスクリューフライト
の外周面とシリンダの内面との間の樹脂潤滑層が破壊さ
れ、金属と金属が直接接触して「カジリ」現象を発生さ
せるという問題点があった。
【０００７】このため、サイドフォースを正確に計測す
ることが望まれるが、スクリュー軸先端にかかる荷重を
荷重変換器で計測する方法では、スクリュー軸の自重
や、混練部が複数ある場合にはそれぞれから発生する荷
重が混在した状態で計測されるために純粋なサイドフォ
ースを計測することはできず、スクリューの軸方向のサ
イドフォースの分布を正確に計測することができないと
いう問題点があった。
【０００８】特に最近押出機の大型化にともない、安全
性と経済性の面からも機械の設計上の指標の一つとして
サイドフォースの正確な把握が必要となってきた。
【０００９】本発明は、以上のような課題を解決するた
めになされたもので、安全で経済的なプラスチック押出
機のスクリュー形状を決定するために必要な、スクリュ
ーの軸心に直角な方向にかかるサイドフォースを正確に
推定できる、押出機スクリューのサイドフォース測定方
法と測定装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の押出機スクリュ
ーのサイドフォース測定方法では、押出機スクリューに
スクリューフライトのないトーピード部を設け、押出機
シリンダ壁を貫通するスピンドルの一端をトーピード部
のスクリュー軸外周部に接触させ、スクリューの検出点
におけるサイドフォース分力をスピンドルの他端にて検
出する。
【００１１】また、スクリューにかかるサイドフォース
分力をスクリューの軸心に直角な同一平面上の互いに離
れた２ヶ所の位置で測定し、それぞれのサイドフォース
分力からベクトル合成によって測定面におけるスクリュ
ー軸のサイドフォースの方向と荷重を演算してもよい。
【００１２】さらに、スクリューのサイドフォース分力
をスクリューの軸方向の複数位置で測定し、スクリュー
の軸方向のサイドフォース分布を演算することもでき
る。
【００１３】本発明の押出機スクリューのサイドフォー
ス測定装置は、荷重を電気信号に変換して外部演算装置
に出力する荷重変換器と、押出機シリンダ壁を貫通し押
出機スクリューのスクリュー軸に接触して該スクリュー
軸のサイドフォース分力を荷重変換器に伝達するスピン
ドルと、押出機シリンダ壁に固着して荷重変換器とスピ
ンドルを滑動可能に保持するサイドフォース測定装置の
ボディと、ボディに螺入して荷重変換器を位置決め固定
するセッティングデバイスとを有する。
【００１４】また、セッティングデバイスが、ばねと、
荷重変換器にかかった力をばねに伝達するためのプッシ
ャと、ばねとプッシャとを滑動可能に保持するばねケー
スと、ばねケースに螺合してその一端でばねを圧縮して
所定のばねの初期圧縮圧力を保持しその他端にはサイド
フォース測定装置のボディと螺合可能なねじ部を有する
ボルトとから構成されてもよい。
【００１５】
【作用】スクリュー軸にかかるサイドフォースの分力
は、スピンドルを介して直接荷重変換器の検知部に伝達
され、荷重変換器で電気信号に変換され、外部演算装置
に出力され、外部演算装置で検出点のサイドフォースが
演算される。
【００１６】スクリューにかかるサイドフォースの分力
をスクリューの軸心に直角な同一平面上の互いに離れた
２ヶ所の位置で測定する方法では、外部演算装置でそれ
ぞれのサイドフォース分力からベクトル合成によって測
定面におけるスクリュー軸のサイドフォースの方向と荷
重が演算される。
【００１７】スクリューにかかるサイドフォースの分力
をスクリューの軸方向の複数位置で測定する方法では、
外部演算装置でスクリューの軸方向のサイドフォース分
布が演算できる。
【００１８】セッティングデバイスが、ばねと、荷重変
換器にかかった力をばねに伝達するためのプッシャと、
ばねとプッシャとを滑動可能に保持するばねケースと、
ばねケースに螺合してその一端でばねを圧縮して所定の
ばねの初期圧縮圧力を保持しその他端にはサイドフォー
ス測定装置のボディと螺合可能なねじ部を有するボルト
とからなっている場合には、荷重変換器にかかる荷重が
ばねの初期圧縮圧力以下の時は荷重変換器は位置決めさ
れた位置で固定してスクリュー軸にかかるサイドフォー
スを直接測定し、ばねの初期圧縮圧力以上となると荷重
変換器はプッシャを介してばねを圧縮して後退するの
で、荷重変換器にはバネの初期圧縮圧力以上の荷重はか
からない。
【００１９】
【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
説明する。
【００２０】図１は、本発明の第１の実施例の押出機ス
クリューのサイドフォース測定装置の断面図である。図
中１０１は押出機のシリンダ、１０２は押出機のスクリ
ュー軸、１０３はサイドフォース測定装置、１０４は荷
重を電気信号に変換する荷重変換器であり、具体的には
１０５は荷重変換器で変換された電気信号を外部演算装
置に伝達する出力ケーブル、１０６はスクリューの軸心
に直角な方向にかかるサイドフォースを荷重変換器の検
知部に伝達するスピンドル、１０７はシリンダ１０１の
所定の位置に係着されるサイドフォース測定装置１０３
のボディ、１０８はボディ１０７の一部であるキャッ
プ、１０９はキャップ１０８と螺合し荷重変換器の位置
決めをするセッティングデバイスである。
【００２１】サイドフォース測定装置１０３は、スクリ
ュー軸１０２のスクリューフライトが配置されないトー
ピード部に対応するシリンダ１０１の所定位置に設けら
れた取付孔にボディ１０７によって係着される。荷重変
換器１０４は無負荷状態のスクリュー軸１０２と接触し
たスピンドル１０６の反対面に接触しかつ僅かに負荷の
かかる状態となるようキャップ１０８に螺合されたボル
ト１０９によって位置決めされる。
【００２２】スクリュー軸１０２に負荷がかかりサイド
フォースが発生すると、スクリュー軸１０２のスピンド
ル１０６との接触点における軸心に直角な方向のサイド
フォース分力が、スピンドル１０６を介して荷重変換器
１０４の検知部に伝達され、荷重変換器１０４はサイド
フォース分力を電気信号に変換し、電気信号は出力ケー
ブル１０５によってパーソナルコンピュータなどの外部
の演算装置に出力され、サイドフォース測定装置１０３
の方向のサイドフォース分力が演算される。
【００２３】スクリュー軸１０２のスピンドル１０６の
接触部分は回転中心に対して高い真円度で仕上げられて
いることが望ましい。
【００２４】図２（ａ）は本発明の第２の実施例の概念
断面図である。押出機は２軸同方向回転型で、図中２０
１はシリンダ、２０２は左スクリュー中心、２０３は右
スクリュー中心、２０４は第１のサイドフォース測定装
置の取付方向、２０５は第２のサイドフォース測定装置
の取付方向を示す。
【００２５】第１のサイドフォース測定装置２０４と第
２のサイドフォース測定装置２０５は軸心に直角な同一
平面状に互いに９０度離れた位置に取り付けられてい
る。図示のごとく、２つのサイドフォース測定装置２０
４、２０５のそれぞれにかかるサイドフォース分力をパ
ーソナルコンピュータ等の演算装置でベクトル加算する
と、スクリュー軸の計測位置におけるサイドフォースの
方向と荷重が算定できる。
【００２６】本実施例は２軸同方向回転型の押出機であ
るが、２軸異方向回転型でも単軸型でも構わない。ま
た、第１のサイドフォース測定装置２０４が垂直線と交
わる角度は２５度となっているが何度でも構わないし、
第１のサイドフォース測定装置２０４と第２のサイドフ
ォース測定装置２０５は軸心に直角な同一平面上に互い
に９０度離れた位置に取り付けられているが、高い精度
でベクトル加算できれば９０度でなくても構わない。
【００２７】図２（ｂ）は、本発明の第３の実施例の概
念正面断面図である。図中２４１はシリンダ、２４２は
スクリュー軸、２４３はスクリューフライト、２４４は
スクリュー軸の両端のベアリング、２５１は材料投入、
２５２は排出、２５３は混練部、２５４はサイドフォー
ス分力の測定位置、２５５は荷重、２５６は荷重曲線、
２５７は支点を示す。
【００２８】サイドフォース分力の測定位置を、スクリ
ュー軸の軸方向に複数設けることによって複数位置の荷
重が計測され、外部演算装置の構造力学的解析によって
荷重曲線２５６が演算され、軸方向の荷重分布を科学的
に推定できる 図３は本発明の第４の実施例の押出機スクリューのサイ
ドフォース測定装置の断面図である。図中３０１は押出
機のシリンダ、３０２は押出機のスクリュー軸、３０３
はサイドフォース測定装置、３０４は荷重を電気信号に
変換する荷重変換器であり、具体的には３０５は荷重変
換器で変換された電気信号を外部演算装置に伝達する出
力ケーブル、３０６は軸の軸心に直角な方向にかかるサ
イドフォース分力を荷重変換器のセンサ部に伝達するス
ピンドル、３０７はシリンダ３０１の所定の位置に係着
されるサイドフォース測定装置３０３のボディ、３０８
はボディ３０７の一部であるキャップ、３０９はキャッ
プ３０８と螺合し荷重変換器の位置決めをするセッティ
ングデバイスである。
【００２９】セッティングデバイス３０９は、荷重変換
器３０４に許容荷重以上の荷重がかかった場合に荷重変
換器３０４を逃すためのばね３１０、荷重変換器３０４
にかかる力をばね３１０に伝達するためのプッシャ３１
１、ばね３１０とプッシャ３１１を格納するばねケース
３１２、ばねケース３１２と螺合して先端でばね３１１
を既定の初期圧縮圧力まで予め圧縮し、他端のねじでボ
ディ３０７のキャップ３０８と螺合するボルト３０９か
ら構成される。
【００３０】サイドフォース測定装置３０３は、スクリ
ュー軸３０２のスクリューフライトの配置されないトー
ピード部に対応するシリンダ３０１の所定位置に設けら
れた取付孔に、ボディ３０７によって係着される。スプ
リング３１０とプッシャ３１１とを格納したばねケース
３１２は、螺合されたボルト３０９の先端によって内部
のばね３１０が所定の初期圧縮圧力まで圧縮されるとと
もにボルト３０９と一体化してセッティングデバイス３
０９を構成する。荷重変換器３０４は無負荷状態のスク
リュー軸３０２と接触したスピンドル３０６の反対面に
接触しかつ僅かの負荷がかかった状態となるようキャッ
プ３０８に螺合されたセッティングデバイス３０９によ
って位置決めされる。
【００３１】スクリュー軸３０２に負荷がかかりサイド
フォースが発生すると、スクリュー軸３０２のスピンド
ル３０６との接触点における軸心に直角な方向のサイド
フォース分力が、スピンドル３０６を介して荷重変換器
３０４の検知部に伝達され、荷重変換器３０４はサイド
フォース分力を電気信号に変換し、電気信号は出力ケー
ブル３０５によってパーソナルコンピュータなどの外部
演算装置に出力され、サイドフォース測定装置３０３の
方向のサイドフォース分力が演算される。
【００３２】スクリュー軸にかかるサイドフォース分力
はスピンドル３０６を介して直接荷重変換器３０４に伝
達されるので、スクリュー軸にかかるサイドフォース分
力が過大の時には、荷重変換器３０４の許容荷重を超え
荷重変換器３０４が破壊されるおそれがある。本実施例
では予め初期圧縮圧力で圧縮されたバネ３１０を介して
荷重変換器３０４が位置決めされているので、ばね３１
０の初期圧縮圧力以内の荷重のときは荷重変換器３０４
は位置決めされた位置に固定されて正常な計測を行な
い、荷重がばね３１０の初期圧縮圧力を超えるとばね３
１０が変位するので荷重変換器３０４は後退し、荷重変
換器３０４にかかる荷重はばねの初期圧縮圧力を超える
ことがない。従ってばね３１０の初期圧縮圧力を荷重変
換器３０４の許容荷重以内に設定すれば安全である。
【００３３】本発明の方法と装置によればサイドフォー
スが正確に演算できるので、周知の方法によって測定し
た駆動用電動機の発生トルクと比較することによって、
発生トルクとサイドフォースの関係が解明でき、発生ト
ルクの測定によってサイドフォースを推定することも可
能となる。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように本発明の押出機用サ
イドフォース測定方法および測定装置では、スクリュー
の軸心に直角な方向にかかるサイドフォース分力を直接
計測できるので次のような効果が得られる。
【００３５】１）スクリューの測定点にかかるサイドフ
ォース分力を直接高い精度で計測できる。
【００３６】２）２個のサイドフォース測定装置を軸心
に直角な同一平面状の互いに離れた位置に取り付けるこ
とによって、その断面にかかるサイドフォースの方向と
荷重を演算でき、構造力学的に軸方向の荷重分布も推定
できる。
【００３７】３）サイドフォース測定装置を軸方向にも
複数個設けることによって軸方向の荷重分布が更に正確
に推定できる。
【００３８】４）発生トルクとサイドフォースの関係を
解明することによって、トルクとスクリューの挙動との
関係を解明できる。
【００３９】５）以上のようにスクリューの複雑な挙動
を数値化できて解析できるので、スクリュー設計のため
の有効な資料が入手でき、各種の問題解決の手法ににも
活用できる。
【００４０】６）荷重変換器をばねを介して支持するこ
とによって、過大な荷重に対しても荷重変換器を保護す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の押出機スクリューのサ
イドフォース測定装置の断面図である。
【図２】（ａ）は、本発明の第２の実施例の概念断面図
である。（ｂ）は、本発明の第３の実施例の概念正面断
面図である。
【図３】本発明の第４の実施例の押出機スクリューのサ
イドフォース測定装置の断面図である。
【図４】２方向同時測定可能な荷重変換器を用いたスク
リュー軸荷重測定装置の構造説明図である。（ａ）は、
正面断面図である。（ｂ）は、側面図である。
【符号の説明】
１０１、２０１、２４１、３０１、４０１ 押出機の
シリンダ １０２、２４２、３０２、４０２ 押出機のスクリュ
ー軸 １０３、３０３ サイドフォース測定装置 １０４、３０４ 荷重変換器 １０５、３０５ 出力ケーブル １０６、３０６ スピンドル １０７、３０７ ボディ １０８、３０８ キャップ（ボディ１０７、３０７の
一部） １０９、３０９ セッティングデバイス ２０２ 左スクリュー中心 ２０３ 右スクリュー中心 ２０４ 第１のサイドフォース測定装置 ２０５ 第２のサイドフォース測定装置 ２４３、４０３ スクリューフライト ２４４、４０４ ベアリング ２５１ 材料投入 ２５２ 排出 ２５３ 混練部 ２５４ 測定位置 ２５５ 荷重 ２５６ 荷重曲線 ２５７ 支点 ３１０ ばね ３１１ プッシャ ３１２ ばねケース ３１３ ボルト ４０５ ケーシング ４０６ ハウジング ４０７ ２方向同時測定可能な荷重変換器
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−31795（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−241124（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−293116（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B29C 47/00 - 47/96 G01L 5/00 - 5/28

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 押出機スクリューの軸心に直角な方向に
    作用するサイドフォース測定方法において、 押出機スクリューにスクリューフライトのないトーピー
    ド部を設け、押出機シリンダ壁を貫通するスピンドル
    （１０６、３０６）の一端を前記トーピード部のスクリ
    ュー軸（１０２、３０２）外周部に接触させ、前記スク
    リューの検出点におけるサイドフォース分力を前記スピ
    ンドル（１０６、３０６）の他端にて検出することを特
    徴とする押出機スクリューのサイドフォース測定方法。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の押出機スクリューのサイ
    ドフォース測定方法において、 前記スクリューにかかるサイドフォース分力を該スクリ
    ューの軸心に直角な同一平面上の互いに離れた２ヶ所の
    位置で測定し、それぞれのサイドフォース分力からベク
    トル合成によって測定面におけるスクリュー軸（１０
    ２、３０２）のサイドフォースの方向と荷重を演算する
    ことを特徴とする押出機スクリューのサイドフォース測
    定方法。
  3. 【請求項３】 請求項１または２記載の押出機スクリュ
    ーのサイドフォース測定方法において、 前記スクリューのサイドフォース分力をスクリューの軸
    方向の複数位置で測定し、スクリューの軸方向のサイド
    フォース分布を演算することを特徴とする押出機スクリ
    ューのサイドフォース測定方法。
  4. 【請求項４】 押出機スクリューの軸心に直角な方向に
    作用するサイドフォース測定装置（１０３、３０３）に
    おいて、 荷重を電気信号に変換して外部演算装置に出力する荷重
    変換器（１０４、３０４）と、押出機シリンダ壁を貫通
    し前記押出機スクリューのスクリュー軸に接触して該ス
    クリュー軸のサイドフォース分力を前記荷重変換器に伝
    達するスピンドル（１０６、３０６）と、前記押出機シ
    リンダ壁に固着して前記荷重変換器と前記スピンドルを
    滑動可能に保持するサイドフォース測定装置のボディ
    （１０７、３０７）と、前記ボディに螺入して前記荷重
    変換器を位置決め固定するセッティングデバイス（１０
    ９、３０９）とを有することを特徴とする押出機スクリ
    ューのサイドフォース測定装置。
  5. 【請求項５】 請求項４記載の押出機スクリューのサイ
    ドフォース測定装置（３０３）において、 前記セッティングデバイス（３０９）が、ばね（３１
    ０）と、荷重変換器にかかった力を前記ばねに伝達する
    ためのプッシャ（３１１）と、前記ばねと前記プッシャ
    とを滑動可能に保持するばねケース（３１２）と、前記
    ばねケースに螺合してその一端で前記ばねを圧縮して所
    定のばねの初期圧縮圧力を保持しその他端には前記サイ
    ドフォース測定装置（３０３）の前記ボディ（３０７）
    と螺合可能なねじ部を有するボルト（３１３）とからな
    ることを特徴とする請求項４記載の押出機スクリューの
    サイドフォース測定装置。
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