JP2006205393A - 成形機 - Google Patents

Abstract

【課題】成形機の単一の直線移動部材をマスター／スレーブモータ方式で駆動する構成において、両モータの位置・速度の間のずれを可及的に低減する。
【解決手段】マスターとスレーブの速度実測値に基づき、スレーブに対する速度補正用トルク指令を生成するスレーブ速度補正指令生成部と、該スレーブ速度補正指令生成部から出力される速度補正用トルク指令とマスターの制御系で生成されるマスター速度制御用トルク指令とに基づき、スレーブに対するスレーブ速度制御用トルク指令を生成するスレーブ速度制御用トルク指令生成部と、両モータの位置実測値に基づき、両モータにトルク補正指令を生成するトルク補正指令生成部と、マスター速度制御用トルク指令を、トルク補正指令生成部からのトルク補正指令によって補正する補正手段と、スレーブ速度制御用トルク指令を、トルク補正指令生成部からのトルク補正指令によって補正する補正手段とを、設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動式の射出成形機やダイカストマシンなどの成形機に係り、特に、射出軸や可動ダイプレートなどの往復直線駆動される直線移動部材を、２つのサーボモータ（電動サーボモータ）の駆動力を足し合わせて直線駆動するようにした成形機に関する。

射出軸（インラインスクリュー式の射出成形機ではスクリュー、プリプラ式の射出成形やダイカストマシンでは射出プランジャ）の前後進駆動源や、可動側金型を搭載した可動ダイプレートの前後進駆動源をサーボモータとするマシン（成形機）を大型化しようとした場合、マシンの大型化に対応してサーボモータを単に大型化することで（モータ容量の大きいサーボモータを用いることで）対処しようとすると、サーボモータやボールネジ機構やベアリングの外径が大きくなって、慣性モーメントが増大して過渡応答性が悪くなり、かつ、大容量のサーボモータは高価であるので、大幅なコストアップ要因となる。

このため、射出軸や可動ダイプレートの前後進駆動源として、容量が比較的小さくコストも安価なサーボモータを対にして用い、２つのサーボモータの駆動力を合成して大きなパワーを得ると共に、コストアップを比較的に抑え、かつ、慣性モーメントの増大を抑えて、良好な過渡応答性（立ち上がり／立ち下がり特性）を得るようにした成形機の提案が、種々なされている。

ところで、２つのサーボモータを協働させる場合には、２つのサーボモータの同期をとらないと、２つのサーボモータを速度制御でコントロールするときにモータ間の同期がずれて効率が低下する上、場合によっては、同期がずれることにより停止時等にモータ間のトルクバランスが崩れて、トルクのアンバランスでモータ同士が引っ張り合う現象（モータへの制御がきかない状態）が発生する。これを防止するためには、２つのサーボモータ間の同期を制御する同期装置（同期ユニット）を用いればよいが、同期装置は比較的に高価で、コストアップ要因となる。

そこで、同期装置を用いなくて、効率を低下させることなく、かつ、トルクのアンバランスがないようにするため、２つのサーボモータの一方をマスターモータとし、他方をスレーブモータとして、マスターモータの制御系にのみ上位装置からの速度制御用指令を与えて、マスターモータを速度フィードバック制御し、スレーブモータの制御系には、マスターモータの制御系で生成されるトルク指令を与えて、マスターモータのトルクとスレーブモータのトルクをバランスさせるようにした、マスター／スレーブモータ方式のツインモータ駆動の成形機を、本願出願人は先に提案した（特許文献１）。

上記の特許文献１に示された技術では、マスター／スレーブモータ方式のツインモータ駆動とし、スレーブモータの制御系に対しては、マスターモータの制御系で生成されるトルク指令を与えて、スレーブモータ側をいわゆるトルクアシストにより制御するので、簡素な制御系で、２つのモータのトルクを、理論上は（メカニズムに誤差が全くないと仮定した場合は）バランスさせることができる。

しかしながら、特許文献１に示された技術においては、スレーブモータ側において、位置の実測値（および位置情報から得られる速度の実測値）を監視していないため、実際には、マスターモータ側とスレーブモータ側の回転伝達系の公差上避け難いガタ差などに起因して、マスターモータの位置・速度とスレーブ用モータの位置・速度との間に、わずかなずれを生じてしまう。このように、マスターとスレーブとの間に位置・速度のずれを生じると、マスターモータ用のボールネジ機構の直線運動力とスレーブモータ用のボールネジ機構の直線運動力とを足し合わせて受ける直動プレートに、わずかな傾きが生じて、このため、射出軸や可動ダイプレートなどの直線移動部材が正確に直線運動することができず、動作信頼性を低下させる。

そのため、図３に示すように、マスターモータ側の回転部とスレーブモータ側の回転部とを、同期用ベルトにより連結して、２つのモータの位置・速度を機械的に同期させる構成をとることを余儀なくされていた。なお、図３において、５１は射出軸、５２は射出軸５１と一体となって前後進する直動プレート、５３はマスターモータ（マスターサーボモータ）、５４はマスターモータ５３の出力軸に固着された駆動プーリ、５５は、駆動プーリ５４の回転をタイミングベルト５６を介して伝達される被動プーリ、５７は、被動プーリ５５の回転を直線運動に変換して直動プレート５２に伝達するボールネジ機構、５８はスレーブモータ（スレーブサーボモータ）、５９はスレーブモータ５８の出力軸に固着された駆動プーリ、６０は、駆動プーリ５９の回転をタイミングベルト６１を介して伝達される被動プーリ、６２は、被動プーリ６０の回転を直線運動に変換して直動プレート５２に伝達するボールネジ機構、６３は被動プーリ５５と一体回転する同期用プーリ、６４は被動プーリ６０と一体回転する同期用プーリ、６５は、同期用プーリ６３、６４同士を連結し、マスター／スレーブ同士の回転の同期（位置・速度）を合わせるための同期用ベルト（タイミングベルト）である。
特許第３５００２８５号公報

しかしながら、図３に示すように、２つのモータの位置・速度を機械的に同期させるために同期用ベルトを用いる構成とすると、同期用プーリ６３、６４や同期用ベルト６５を必要とするので、その分だけ部品点数が増してコストアップを招来し、また、同期用プーリ６３、６４や同期用ベルト６５の配置スペース分だけ、マシンの寸法を増大させるという問題がある。

なお、単一の直線移動部材をツインモータで駆動する構成において、マスターモータの制御系のみに上位装置からの指令を与える上述したようなマスター／スレーブモータ方式をとらず、２つのサーボモータの制御系に対して上位装置から指令を与えるようにした技術も、特許第３５５６８９７号公報において知られている。しかし、射出成形機などの成形機のツインモータ制御では、マスター／スレーブモータ方式が、現在の主流であって、信頼性があるものとされており、かつ、特許第３５５６８９７号公報に示された技術と、マスター／スレーブモータ方式の技術とでは、その制御の基本の考え方が大きく異なる。

本発明は上記の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、単一の直線移動部材をツインモータでかつマスター／スレーブモータ方式で駆動する構成において、２つのモータの位置・速度を機械的に同期させるための同期用ベルトを用いなくても、マスターモータの位置・速度とスレーブ用モータの位置・速度との間のずれを可及的に低減可能とすることにある。

本発明は上記した目的を達成するため、
２つのサーボモータの回転をそれぞれ個別のボールネジ機構により直線運動に変換し、この直線運動を単一の直線移動部材に伝達すると共に、前記２つのサーボモータの一方をマスターモータとし、他方をスレーブモータとして、前記マスターモータの制御系にのみ上位装置からの速度制御用指令を与えて、前記マスターモータを速度フィードバック制御し、前記スレーブモータの制御系には、前記マスターモータの制御系で生成されるマスター速度制御用トルク指令を与えるようにした成形機において、
前記マスターモータの速度実測値と前記スレーブモータの速度実測値とに基づき、前記スレーブモータに対する速度補正用のトルク指令を生成するスレーブ速度補正指令生成部と、
該スレーブ速度補正指令生成部から出力される速度補正用のトルク指令と前記マスターモータの制御系で生成されるマスター速度制御用トルク指令とに基づき、前記スレーブモータに対するスレーブ速度制御用トルク指令を生成するスレーブ速度制御用トルク指令生成部と、
前記マスターモータの位置実測値と前記スレーブモータの位置実測値とに基づき、前記マスターモータおよび前記スレーブモータに対するトルク補正指令を生成するトルク補正指令生成部と、
前記マスター速度制御用トルク指令を、前記トルク補正指令生成部から出力される前記トルク補正指令によって補正する補正手段と、
前記スレーブ速度制御用トルク指令を、前記トルク補正指令生成部から出力される前記トルク補正指令によって補正する補正手段とを、
有する構成をとる。

本発明によれば、マスターモータの速度実測値とスレーブモータの速度実測値とに基づき、スレーブモータに対する速度補正用のトルク指令を生成し、この速度補正用のトルク指令とマスターモータの制御系で生成されるマスター速度制御用トルク指令とに基づき、スレーブモータに対するスレーブ速度制御用トルク指令を生成し、また、マスターモータの位置実測値とスレーブモータの位置実測値とに基づき、マスターモータおよびスレーブモータに対するトルク補正指令を生成して、このトルク補正指令により、マスター速度制御用トルク指令とスレーブ速度制御用トルク指令を適正に補正するので、マスターモータとスレーブモータとの間の速度（位置）のずれを可及的に低減でき、かつ、マスターモータとスレーブモータとの間のトルクのずれも可及的に低減できる。したがって、単一の直線移動部材をツインモータでかつマスター／スレーブモータ方式で駆動する構成において、２つのモータの位置・速度を機械的に同期させるための同期用ベルトを用いなくても、マスター／スレーブ間の速度およびトルクのずれを可及的に低減でき、高い動作信頼性を保証できる。さらに、同期用ベルトを用いた場合においても、同期用ベルトの伸びなどで、マスター／スレーブ間に速度やトルクのずれが多少は生じることは否めないが、このような同期用ベルトを用いた場合のマスター／スレーブ間のずれ量に対して、本発明では同期用ベルトを排した構成であるにもかかわらず、ずれ量を２０％弱改善できることが、実験により確認された。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態（以下、本実施形態と記す）に係るインラインスクリュー式射出成形機の射出メカニズムの簡略化した説明図である。

図１において、１は射出軸であるスクリュー、２はスクリュー１と一体となって前後進する直動プレート、３はマスターモータ（マスターサーボモータ）、４はマスターモータ３の出力軸に固着された駆動プーリ、５は、駆動プーリ４の回転をタイミングベルト６を介して伝達される被動プーリ、７は、被動プーリ５の回転を直線運動に変換して直動プレート２に伝達するボールネジ機構、８はスレーブモータ（スレーブサーボモータ）、９はスレーブモータ８の出力軸に固着された駆動プーリ、１０は、駆動プーリ９の回転をタイミングベルト１１を介して伝達される被動プーリ、１２は、被動プーリ１０の回転を直線運動に変換して直動プレート２に伝達するボールネジ機構である。

図１に示す構成において、マスターモータ３の回転は、駆動プーリ４→タイミングベルト６→被動プーリ５を介してボールネジ機構７の回転部に伝達され、これによりボールネジ機構７で直線運動に変換された直線移動力が、ボールネジ機構７の直線運動部と一体化された直動プレート２に伝達され、また、スレーブモータ８の回転は、駆動プーリ９→タイミングベルト１１→被動プーリ１０を介してボールネジ機構１２の回転部に伝達され、これによりボールネジ機構１２で直線運動に変換された直線移動力が、ボールネジ機構１２の直線運動部と一体化された直動プレート２に伝達されて、この結果、直動プレート２と一体となってスクリュー１がツインモータ駆動で直線移動する。

図２は、本実施形態の射出成形機における射出制御系の構成を示すブロック図である。図２において、２１は演算器（本明細書でいう演算器とは、加算乃至減算処理を行う処理部を指す）、２２はマスター速度指令生成部、２３は演算器、２４はマスター速度制御用トルク指令生成部、２５は演算器（マスタートルク指令補正部）、２６はマスターモータ３を最終的に駆動制御するマスタートルク制御部、２７はマスターモータ３に付設されたエンコーダ、２８はマスター速度演算部、２９はスレーブモータ８に付設されたエンコーダ、３０はスレーブ速度演算部、３１は演算器、３２はスレーブ速度補正指令生成部、３３は演算器（スレーブ速度制御用トルク指令生成部）、３４は演算器、３５はトルク補正指令生成部、３６は演算器（スレーブトルク指令補正部）、３７はスレーブモータ８を最終的に駆動制御するスレーブトルク制御部である。

図２に示す構成において、演算器２１には、図示せぬマシン（射出成形機）の上位装置からの位置指令（速度制御用指令）Ｓ１と、エンコーダ２７からのマスターモータ３の位置実測値Ｓ２とが入力されて、演算器２１の演算結果に基づき、速度指令生成部２２でマスター速度指令Ｓ３が生成されて、これが演算器２３の一方の入力端に入力される。演算器２３の他方の入力端には、エンコーダ２７からのマスターモータ３の位置実測値Ｓ２に基づいて、マスター速度演算部２８が演算したマスターモータ３の速度実測値Ｓ４が入力され、演算器２３の演算結果に基づき、マスター速度制御用トルク指令生成部２４において、速度指令がトルク指令に変換されてマスター速度制御用トルク指令Ｓ５が生成されて、これが演算器（マスタートルク指令補正部）２５の一方の入力端に入力される。

演算器３１には、マスター速度演算部２８からのマスターモータ３の速度実測値Ｓ４と、エンコーダ２９からのスレーブモータ８の位置実測値Ｓ６に基づいて、スレーブ速度演算部３０が演算したスレーブモータ８の速度実測値Ｓ７とが入力されて、演算器３１の演算結果に基づき、スレーブ速度補正指令生成部３２において、スレーブモータ８に対する速度補正指令Ｓ８が生成されて、これがスレーブ速度補正指令生成部３２に入力される。スレーブ速度補正指令生成部３２では、速度補正指令がトルク指令に変換されてスレーブ速度補正用トルク指令Ｓ９が生成されて、これが演算器（スレーブ速度制御用トルク指令生成部）３３の一方の入力端に入力される。演算器（スレーブ速度制御用トルク指令生成部）３３の他方の入力端には、マスター速度制御用トルク指令生成部２４からのマスター速度制御用トルク指令Ｓ５が入力されて、演算器（スレーブ速度制御用トルク指令生成部）３３において、マスター速度制御用トルク指令Ｓ５とスレーブ速度補正用トルク指令Ｓ９とに基づき、スレーブモータ８に対するスレーブ速度制御用トルク指令Ｓ１０が生成されて、これが演算器（スレーブトルク指令補正部）３６の一方の入力端に入力される。

演算器３４には、エンコーダ２７からのマスターモータ３の位置実測値Ｓ２と、エンコーダ２９からのスレーブモータ８の位置実測値Ｓ６とが入力されて、演算器３４の演算結果に基づき、トルク補正指令生成部３５において、マスターモータ３およびスレーブモータ８に対するトルク補正指令Ｓ１１が生成されて、このトルク補正指令Ｓ１１は、演算器（マスタートルク指令補正部）２５の他方の入力端および演算器（スレーブトルク指令補正部）３６の他方の入力端に、それぞれ入力される。

演算器（マスタートルク指令補正部）２５では、マスター速度制御用トルク指令生成部２４からのマスター速度制御用トルク指令Ｓ５を、トルク補正指令生成部３５からのトルク補正指令Ｓ１１を用いて補正し、この補正後のトルク指令Ｓ１２がマスタートルク制御部２６に入力され、マスタートルク制御部２６は、入力されたトルク指令Ｓ１２にしたがってマスターモータ３を駆動制御する。

演算器（スレーブトルク指令補正部）３６では、演算器（スレーブ速度制御用トルク指令生成部）３３からのスレーブ速度制御用トルク指令Ｓ１０を、トルク補正指令生成部３５からのトルク補正指令Ｓ１１を用いて補正し、この補正後のトルク指令Ｓ１３がスレーブトルク制御部３７に入力され、スレーブトルク制御部３７は、入力されたトルク指令Ｓ１３にしたがってスレーブモータ８を駆動制御する。

なお、マスター／スレーブ方式ツインモータ駆動の速度・トルクのずれ量は、初期リセットが必要である。初期リセットは、射出軸（スクリュー１）の原点出し時に２つのモータ３、８の位置がメカ的に揃うので、その際に行うようにされる。すなわち、マスター／スレーブ方式の速度・トルクのずれ量の初期リセットは、射出軸（スクリュー１）の原点出しの際に、次のような手順で行う。

スクリュー１の原点出しは、直動プレート２をスクリュー１の前進限または後退限の図示しないストッパに当て決めして、押付け停止させ、２つのモータ３、８の位置（回転位置）がメカ的に揃ったところで、エンコーダ２７、エンコーダ２９をそれぞれリセット（カウンタリセット）して行われる（なお、エンコーダ２７、エンコーダ２９は絶対値エンコーダを使用しており、電源が落ちてもバックアップ電池等で、内部のカウンタの値は保持されるようになっている）。そして、このスクリュー１の原点出しの際に、マスター／スレーブ間の速度・トルクのずれ量の初期リセットが同時に行われる。トルクのずれ量の初期リセットは、演算器３４をリセットし、トルク補正指令生成部３５をリセットして、トルク補正指令Ｓ１１をリセット（０（零）出力）とすることで行われる。また、速度のずれ量の初期リセットは、演算器３１をリセットし、スレーブモータ８に対する速度補正指令Ｓ８とスレーブ速度補正指令生成部３２とをリセットして、スレーブ速度補正用トルク指令Ｓ９をリセット（０（零）出力）とすることで行われる。

以上のように、本実施形態では、マスターモータ３の速度実測値Ｓ４とスレーブモータ８の速度実測値Ｓ７とに基づき、スレーブモータ８に対する速度補正用のトルク指令（スレーブ速度補正用トルク指令Ｓ９）を生成し、このスレーブ速度補正用トルク指令Ｓ９とマスターモータ３の制御系で生成されるマスター速度制御用トルク指令Ｓ５とに基づき、スレーブモータ８に対するスレーブ速度制御用トルク指令Ｓ１０を生成し、また、マスターモータ３の位置実測値Ｓ２とスレーブモータ８の位置実測値Ｓ６とに基づき、マスターモータ３およびスレーブモータ８に対するトルク補正指令Ｓ１１を生成して、このトルク補正指令Ｓ１１により、マスター速度制御用トルク指令Ｓ５とスレーブ速度制御用トルク指令Ｓ１０を適正に補正するので、マスターモータ３とスレーブモータ８との間の速度（位置）のずれを可及的に低減でき、かつ、マスターモータ３とスレーブモータ８との間のトルクのずれも可及的に低減できる。したがって、単一の直線移動部材（ここでは、スクリュー１）をツインモータでかつマスター／スレーブモータ方式で駆動する構成において、２つのモータの位置・速度を機械的に同期させるための同期用ベルトを用いなくても、マスター／スレーブ間の速度およびトルクのずれを可及的に低減でき、高い動作信頼性を保証できる。さらに、同期用ベルトを用いた場合においても、同期用ベルトの伸びなどで、マスター／スレーブ間に速度やトルクのずれが多少は生じることは否めないが、このような同期用ベルトを用いた場合のマスター／スレーブ間のずれ量に対して、本実施形態では、同期用ベルトを排した構成であるにもかかわらず、ずれ量を２０％弱改善できることが、実験により確認された。

本発明の一実施形態に係る射出成形機の射出メカニズムの簡略化した説明図である。 本発明の一実施形態に係る射出成形機における、射出制御系の構成を示すブロック図である。 従来の射出成形機の射出メカニズムの簡略化した説明図である。

符号の説明

１ スクリュー（射出軸）
２ 直動プレート
３ マスターモータ（マスターサーボモータ）
４ 駆動プーリ
５ 被動プーリ
６ タイミングベルト
７ ボールネジ機構
８ スレーブモータ（スレーブサーボモータ）
９ 駆動プーリ
１０ 被動プーリ
１１ タイミングベルト
１２ ボールネジ機構
２１ 演算器
２２ マスター速度指令生成部
２３ 演算器
２４ マスター速度制御用トルク指令生成部
２５ 演算器（マスタートルク指令補正部）
２６ マスタートルク制御部
２７ エンコーダ
２８ マスター速度演算部
２９ エンコーダ
３０ スレーブ速度演算部
３１ 演算器
３２ スレーブ速度補正指令生成部
３３ 演算器（スレーブ速度制御用トルク指令生成部）
３４ 演算器
３５ トルク補正指令生成部
３６ 演算器（スレーブトルク指令補正部）
３７ スレーブトルク制御部

Claims (1)

1. ２つのサーボモータの回転をそれぞれ個別のボールネジ機構により直線運動に変換し、この直線運動を単一の直線移動部材に伝達すると共に、前記２つのサーボモータの一方をマスターモータとし、他方をスレーブモータとして、前記マスターモータの制御系にのみ上位装置からの速度制御用指令を与えて、前記マスターモータを速度フィードバック制御し、前記スレーブモータの制御系には、前記マスターモータの制御系で生成されるマスター速度制御用トルク指令を与えるようにした成形機において、
   前記マスターモータの速度実測値と前記スレーブモータの速度実測値とに基づき、前記スレーブモータに対する速度補正用のトルク指令を生成するスレーブ速度補正指令生成部と、
   該スレーブ速度補正指令生成部から出力される速度補正用のトルク指令と前記マスターモータの制御系で生成されるマスター速度制御用トルク指令とに基づき、前記スレーブモータに対するスレーブ速度制御用トルク指令を生成するスレーブ速度制御用トルク指令生成部と、
   前記マスターモータの位置実測値と前記スレーブモータの位置実測値とに基づき、前記マスターモータおよび前記スレーブモータに対するトルク補正指令を生成するトルク補正指令生成部と、
   前記マスター速度制御用トルク指令を、前記トルク補正指令生成部から出力される前記トルク補正指令によって補正する補正手段と、
   前記スレーブ速度制御用トルク指令を、前記トルク補正指令生成部から出力される前記トルク補正指令によって補正する補正手段とを、
   有することを特徴とする成形機。

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