JP2009023185A - 電動射出成形機の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
電動射出成形機のスクリュ制御は従来より樹脂圧力の閉ループと射出速度の閉ループから構成されており、その制御はＰＩ制御を行っているため、射出速度制御から樹脂圧力制御に移行する段階で積分項のクリアのタイミングが重要である。タイミングによっては樹脂圧が振動するという問題がある。
【解決手段】
スクリュを駆動するモータをトルク制御し、射出速度制御のトルク指令値と樹脂圧力制御のトルク指令値の演算を平行して行い、速度から圧力への切り替えを連続的に行う。また、樹脂圧制御をばね系とし、樹脂体積弾性係数を用いた現代制御理論によりＰＩ制御の積分項を考慮することなくモータを制御し、センサの計測データから外乱を推定することによりパラメータの細かな調整が不要となり、高速応答の制御が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、溶融樹脂をスクリュにより金型キャビティ内へ射出充填するための射出成形機において、サーボモータをスクリュの駆動源として使用する制御装置の制御に関する。

スクリュを搭載した射出成形機の射出機構において、駆動源にサーボモータを採用した装置は既に周知である。その射出機構部は樹脂に可塑化に必要な熱を与えるためのバレルヒータと溶融樹脂を射出、計量するためのスクリュと計量時にスクリュの先端方向に溶融樹脂を貯留するためにスクリュを回転させるためのサーボモータとスクリュの先端部に蓄えられた溶融樹脂を金型キャビティへ射出充填するためのサーボモータとそれぞれのサーボモータの駆動力を駆動部へ動力伝達するための動力伝達機構より構成されている。

射出機構部の構造を図１に従ってより詳しく説明する。電動射出成形機の射出機構部１００は金型１０１の樹脂導入部（ゲート部）に射出ノズル１０３の先端が当接しており、ホッパー１０５から供給される樹脂がバレルヒータ１０４とスクリュ１０６の回転により溶融され、スクリュ先端部に蓄えられる。所定量の溶融樹脂１０７がスクリュ１０６の先端部に蓄えられるとスクリュ１０６が前進し、金型キャビティ１０２へ射出充填される。スクリュ１０６はバレル内にて回転、前後進自在に設置されている。スクリュ１０６の回転はスクリュ軸端に固設したプーリー１０８と可塑化用サーボモータ１１１の回転軸に固設したプーリー１０９を伝達ベルト１１０で掛架し、可塑化用サーボモータ１１１の回転駆動により行われる。スクリュ１０６の前後進はスクリュの軸端を固定プレート１１２に内設されたスラスト、ラジアル軸受けで軸受けし、更に固定プレート１１２にボールナット機構（１１３、１１４）を埋設する。ボールねじ１１３の軸端にプーリー１１５を固設し、射出用サーボモータ１１８の回転軸にプーリー１１６を固設する。各プーリーを伝達ベルト１１７で掛架し、射出用サーボモータ１１８の回転駆動によりボールねじ１１３を回転させる。ボールナット１１４に螺合したボールねじ１１３の回転に伴って固定プレート１１２に軸支されたスクリュ１０６が前後進する。

可塑化用サーボモータ１１１と射出用サーボモータ１１８はそれぞれサーボアンプ１１９、１２０に接続されている。各サーボモータにはエンコーダ１２１、１２２が設置されており、サーボモータの位置及び／又は回転数がコントローラ１２３で検出される。固定プレートには射出圧力を検出するためのロードセル１２２が配設されており、ロードセル１２２で検出される圧力情報はコントローラ１２３に伝達される。射出動作の各段階において、予め設定された充填条件、保圧条件、計量条件とエンコーダ１２１、１２２及びロードセル１２３により検出された情報に基づいて、コントローラ１２４から各サーボアンプ１１９、１２０にトルク指令が出力される。

上記の構成の射出装置において、圧力の制御をばね系として制御することが知られている。（特許文献１）本制御では樹脂圧制御の閉ループ制御と射出速度制御の閉ループ制御により構成し、樹脂圧の閉ループをメインループとし、射出速度の閉ループをマイナーループとし、非線形要素や圧力損出を無くし、樹脂の充填状態と無関係に圧力を制御している。しかし、フィードバック制御においてはＰＩ制御で行われており、ゲインを経験的に決める必要がある。

特開平１０−０４４２０６

一般的に図１で示される電動射出成形機の射出装置を制御する場合、電動射出成形機の制御モデルは式（１）から（６）で表される。
ここで、式（１）は成形機のモータ回転のモデル式、式（２）は樹脂圧のモデル式、式（３）はモータ回転角を射出位置に変換する係数、式（４）は樹脂圧をモータ軸トルクに変換する式、式（５）はモータ角速度を樹脂スクリューの速度に変換する係数、式（６）はモータ回転数を樹脂スクリューの速度に変換する式である。

ここで、
J:（モータ単体＋負荷のモータ軸換算値）慣性モーメント
ω：モータ角速度 T^CMD：モータトルク指令
γ：モータ台数（モータ複数台で樹脂スクリューを起動する場合）
P_P：樹脂圧 δ：外乱 K_P：樹脂体積弾性係数 V：樹脂体積
A_S：スクリュー断面積 L：モータ軸換算のボールねじピッチ
T_P：モータ軸換算の樹脂圧 ν：樹脂スクリューの速度

上記制御モデル式で樹脂圧制御を行うには一般的にＰＩ制御で行われる。しかし、ＰＩ制御のゲイン設定は経験的に最適な値を設定するために経験と勘が必要となる。また、ＰＩ制御では速度制御から圧力制御に切り替わる時に積分項の処理が難しくタイミングが悪いと切り替え後、樹脂圧力が振動する原因となる。

上記の課題を解決する手段として、サーボモータを駆動源として金型のキャビティに溶融樹脂を射出充填する射出成形機の制御方法において、指令生成部からの速度指令と射出成形機のモニタ情報とによりトルク指令値を演算し、指令生成部からの圧力指令と射出成形機のモニタ情報とによりトルク指令値を演算し、速度指令から演算したトルク指令と圧力指令から演算したトルク指令とを射出成形機のモニタ情報により自動的に切り替え、切り替えられたトルク指令値と射出成形機のモニタ情報から推定される外乱値とを加算することによりサーボモータへのトルク指令値を演算する射出成形機の制御方法とする。

また、上記の速度指令又は／及び圧力指令と射出成形機のモニタ情報とによるトルク指令値の演算方法は、サーボモータの回転速度と計測された樹脂圧を構成要素とする制御モデル式を樹脂体積弾性係数を使用したばね系に置き換えて制御する射出成形機の制御方法とする。

上記の速度指令と射出成形機のモニタ情報とによるトルク指令値の演算方法は、速度指令をボールねじピッチで換算した値にエンコーダからの速度フィードバック信号を加算し、加算結果を慣性モーメントで換算したトルク値に計測した樹脂圧をボールねじピッチの体積で換算した値を加算してトルク指令値を生成する射出成形機の制御方法とする。

上記の圧力指令と射出成形機のモニタ情報とによるトルク指令値の演算方法は、圧力指令を計測された樹脂圧でフィードバック加算し、この加算結果を樹脂体積弾性係数でトルク値に演算し、同演算値にエンコーダからの速度信号を一時遅れ分を考慮してフィードバック加算し、トルク指令値を生成する射出成形機の制御方法とする。

上記の外乱推定部はサーボモータの回転数とキャビティ内の樹脂圧とにより外乱値を演算する射出成形機の制御方法とする。

さらに、サーボモータを駆動源とする金型のキャビティに溶融樹脂を射出充填する射出成形機の制御装置において、指令生成部からの速度指令に基づいてトルク指令を演算する射出速度制御部と、指令生成部からの圧力指令とサーボモータの回転リミット値とに基づいてトルク指令を演算する樹脂圧力制御部と、射出速度制御部のトルク指令値と樹脂圧力制御部のトルク指令値とを自動的に切り替える自動切換器と、サーボモータのエンコーダからの位置情報と樹脂圧力とから射出中の外乱を演算する外乱推定部とから構成される射出成形機の射出制御装置とする。

本発明によると、射出速度制御部と樹脂圧制御部を完全に分離し、外乱成分が推定可能であることより、速度制御のモデル式と樹脂圧制御のモデル式とが構築でき、レギュレータ理論により、成形機の機械パラメータと成形する樹脂の体積弾性係数とレギュレータの極からゲインの設定が計算でき、経験と勘に頼らずゲイン設定が可能となる。

以下図面により本発明の実施の形態を説明する。図１は射出成形機の射出部の主要部品と制御装置との関係を示している。図２は射出部の制御装置の構造を示す。図３は図２の制御装置中の射出速度制御部の詳細を示すもので、図４は同様に樹脂圧力制御部の詳細を説明するブロック図である。

式（１）で示したモータ回転の制御モデル式と、式（２）、（３）で示した樹脂圧を樹脂体積弾性係数を使用したばね系で表した制御モデル式を用いることにより、急激な圧力変動に対しても安定して再現性良く、応答性の高い圧力制御を実現させることができる。
図２はコントローラの内部の構成を示しており、指令生成部の速度指令、圧力指令、及びωリミット値が制御部へ出力される。制御部では各入力に基づいて、射出速度制御部、樹脂圧力制御部でトルク指令値を演算する。それぞれのトルク指令値を制御部に入力されたエンコーダからのモータの回転速度とロードセルからの樹脂圧とによってＡＵＴＯ切替器で切り替え、さらに外乱推定部においてエンコーダからのモータの回転速度とロードセルからの樹脂圧とにより、外乱を推定し、ＡＵＴＯ切替器で選択されたトルク指令値に外乱成分を加えたものをサーボアンプへトルク指令として出力する。 サーボアンプでは、このトルク指令をもとに、トルク制御を行い、サーボモータに電圧を供給している。
射出速度制御部と樹脂圧力制御部は指令生成部からの指令とエンコーダ及びロードセルからの情報に基づいてそれぞれ独立してトルク指令値を演算しているので、溶融樹脂の金型キャビティへの充填が完了に近づき、速度から圧力の制御に切り替わる際に全く切れ目のない樹脂圧制御を実現している。

射出速度制御の制御モデルは、式（１）のみで表される。外乱成分が推定可能ならば、レギュレータ理論より式（７）、（８）が算出される。

ここで、

T_W ^CMD：速度制御時のトルク指令値、 κ_V：フィードバック係数、
ω_ｒｅｆ：速度指令値、 ω：モータ角速度 Ｔ_Ｐ：モータ軸換算の樹脂圧、

従って、レギュレータの極μ_Ｖを決めれば、速度制御のサーボモータのトルク指令値T_W ^CMDは式（７）で求められる。このとき、フィードバック係数κ_Vは射出装置により全て既知の数値であるから、射出成形機が組み上がってからの試運転においてパラメータ調整は不要である。レギュレータの極μ_Ｖは系の速応性を示す数値であるから、１００（１０ｍＳ）程度としておく。
式（７）をブロック図で示すと図３のようになる。速度制御部３０の第１の加え合わせ点３４には、速度指令ν_ｒｅｆを加算器３１で角速度指令に単位変換したω_ｒｅｆとフィードバック量であるエンコーダ５３から検出される速度検出値とが入力される。第２の加え合わせ点３５には、第１の加え合わせ点３４の算出結果にゲイン３２を加算した値とロードセル５４の計測樹脂圧を加算器３３でトルク値に単位変換したＴ_Ｐとが入力され、トルク指令T_W０ ^CMDが算出される。トルク指令T_W０ ^CMDは、その後ＡＵＴＯ切替器により、速度制御のトルク指令か樹脂圧制御のトルク指令のどちらを使用するか判断され、外乱推定値を加算してサーボアンプのトルク指令T_W ^CMDとなる。

樹脂圧力制御の制御モデルは式（１）、（２）、（３）であり、外乱成分が推定可能であれば、レギュレータ理論より式（９）、（１０）、（１１）が算出される。

ここで、
Ｔ_Ｐ ^ＣＭＤ：圧力制御時のトルク指令値、 κ_Ｐ１：フィードバック係数１、
κ_Ｐ２：フィードバック係数２、 Ｔ_Ｐｒｅｆ：圧力指令値、 ω：モータ角速度、
ω_ＬＰＦ：ωの一時遅れ、 Ｔ_Ｐ：モータ軸換算の樹脂圧、

Ｋ_Ｐは樹脂の体積弾性係数であり、樹脂の種類が分かれば既知の値であり、レギュレータの極（μ_Ｐ）を決めれば、フィードバック係数（κ_Ｐ１、κ_Ｐ２）は、式（１０）、（１１）で計算可能となり樹脂圧制御の電動モータトルク指令値Ｔ_Ｐ ^ＣＭＤは式（９）で求められる。式（９）をブロック図で表すと図４のようになる。樹脂圧制御部４０の第１の加え合わせ点４７には、圧力指令値を加算器４１でトルク指令値に単位変換したＴ_Ｐｒｅｆとフィードバック量であるロードセル５４の計測樹脂圧を加算器４３でトルク値に単位変換したＴ_Ｐとが入力される。第２加え合わせ点４７には、第１の加え合わせ点４７の算出結果にゲイン４２を加算した値とフィードフォワード量である圧力指令値を加算器４１でトルク指令値に単位変換したＴ_Ｐｒｅｆとフィードバック量であるエンコーダ５３で検出される速度検出値ωにゲイン４４を加算した値とフィードフォワード量であるエンコーダ５３で検出される速度検出値ωに速度リミッタ４５にてリミッタされた値をローパスフィルタ４６に通した値とが、入力されトルク指令Ｔ_Ｐ０ ^ＣＭＤを算出する。
式（１）（２）の制御モデルは、不安定な系なため、第２点加え合わせ点４８にフィードバック量であるエンコーダ５３で検出される速度検出値ωにゲイン４４を加算した値を追加することにより安定化をはかり、応答性をアップさせている。但し、上記フィードバック量は、角速度ω＝０に安定するように働き、角速度ωが一定速度で安定する場合は圧力の指令値に対して、偏差が発生する。よって、フィードフォワード項であるエンコーダ５３で検出される速度検出値ωに速度リミッタ４５にて上下限値を制限し、更にローパスフィルタ４６に通した値を追加し、圧力の目標値追従を行っている。トルク指令Ｔ_Ｐ０ ^ＣＭＤは、その後ＡＵＴＯ切替器により、速度制御のトルク指令か樹脂圧制御のトルク指令のどちらを使用するか判断され、外乱推定値を加算してサーボアンプのトルク指令Ｔ^ＣＭＤとなる。

保圧時は、スクリューを後退させて樹脂圧制御を行い、樹脂圧安定時（樹脂圧＝目標値）は、角速度ω＝０か、樹脂の収縮により前進することがある。よって、角速度ωのリミット値は、最小値を０とし、最大値は、任意の角速度とし、フィードフォワード値を算出し、圧力安定時には、ω＝ω_ＬＰＦで、圧力値のオフセットがなくなり、目標樹脂圧制御が可能となる。

ＡＵＴＯ切替器において、射出速度制御部のトルク指令値か樹脂圧力制御部のトルク指令値のどちらかを使用するか選択することになるが、切り替え制御について以下に詳しく説明する。射出速度制御のトルク指令値の式（７）と樹脂圧力制御のトルク指令値の式（９）から速度制御／樹脂圧制御トルク指令切替面の式（１２）を算出し、式（１２）ののｂｄ値とモータ軸トルク換算の樹脂圧Ｔ_Ｐとの大小関係によりサーボアンプへの指令を切り替える。切り替える条件は式（１３−１）及び式（１３−２）により行う。

より詳しくは、射出速度制御のトルク指令値の式(７)と樹脂圧力制御のトルク指令値式（９）が等しいときを切替面とし、Ｔ_Ｐ＝ｂｄとして速度制御／樹脂圧制御トルク指令切替面の式（１２）を算出する。射出速度制御（ω＝ω_ＬＰＦ）で、金型のキャビティに溶融樹脂が充填される場合、徐々に樹脂圧が増加し、射出速度制御トルク指令値式（７）と樹脂圧力制御トルク指令値式（９）の値が等しくなったとき、Ｔ_Ｐ（樹脂圧検出値のトルク換算値）＝Ｔ_Ｐｒｅｆ（圧力指令値のトルク換算値）となる。又、樹脂圧検出値のトルク換算値Ｔ_Ｐ＞ｂｄの場合は、圧力指令値のトルク換算値Ｔ_Ｐｒｅｆより、樹脂圧検出値のトルク換算値Ｔ_Ｐが大きくなり、射出速度制御から樹脂圧力制御に変更する必要があり、樹脂圧制御のトルク指令を選択する。速度制御の場合は、Ｔ_Ｐ（樹脂圧検出値のトルク換算値）＜Ｔ_Ｐｒｅｆ（圧力指令値のトルク換算値）であり、そのときは、樹脂圧検出値のトルク換算値Ｔ_Ｐ＜ｂｄのため、速度制御の指令トルクを選択する。

外乱推定方法及び外乱のキャンセルについて説明する。式（１）のδは外乱項であり、この外乱を推定することができれば外乱をキャンセルすることが可能となる。外乱を定数と推定すると外乱δの微分項はゼロとなり、式（１）のωが測定可能なため、オブザーバ理論により外乱の推定値δが推定可能となる。その際の演算式を式（１４）に示す。

ここで、（κ_ｏ１、κ_ｏ２）はオブザーバのゲインで、オブザーバの極（μ_０）を決めれば、式（１５）、（１６）で計算可能である。このように算出された外乱推定値を図２に示すようにＡＵＴＯ切替器の後のトルク指令値に加算することで外乱をキャンセルすることができる。

以上に説明した実施形態により電動射出成形機の射出制御は、射出速度制御部と樹脂圧制御部を完全に分離し、外乱成分が推定可能であることより、速度制御のモデル式と樹脂圧制御のモデル式とが構築でき、レギュレータ理論により、成形機の機械パラメータと成形する樹脂の体積弾性係数とレギュレータの極からゲインの設定が計算でき、経験と勘に頼らずゲイン設定が可能となる。

本発明の射出成形機射出部の主要部品の構成を示すブロック図である。 本発明の射出制御装置の構造を示すブロック図である。 本発明の射出制御装置における射出速度制御部の詳細ブロック図である。 本発明の射出制御装置における樹脂圧力制御部の詳細ブロック図である。

符号の説明

１０ 指令生成部
２０ 制御部
２１ ＡＵＴＯ切替器
２２ 外乱推定部
３０ 射出速度制御部
４０ 樹脂圧制御部
５１ サーボアンプ
５２ サーボモータ
５３ エンコーダ
５４ ロードセル
１００ 出機構部
１０１ 金型
１０６ スクリュ
１１１、１１８ サーボモータ
１１２ 固定プレート
１２１、１２２ エンコーダ
１２３ ロードセル
１２４ コントローラ

Claims (6)

1. サーボモータを駆動源として金型のキャビティに溶融樹脂を射出充填する射出成形機の制御方法において、指令生成部からの速度指令と射出成形機のモニタ情報とによりトルク指令値を演算する速度制御方法と、指令生成部からの圧力指令と射出成形機のモニタ情報とによりトルク指令値を演算する樹脂圧制御方法と、速度指令から演算したトルク指令と圧力指令から演算したトルク指令とを射出成形機のモニタ情報により自動的に切り替え、切り替えられたトルク指令値と射出成形機のモニタ情報から推定される外乱値とを加算することによりサーボモータへのトルク指令値を演算することを特徴とする射出成形機の制御方法。
2. 請求項１記載の速度指令又は／及び圧力指令と射出成形機のモニタ情報とによるトルク指令値の演算方法は、サーボモータの回転速度と計測された樹脂圧とを入力要素とし、モータ回転のモデル式と樹脂圧を樹脂体積弾性係数を使用したばね系で表したモデル式とを制御対象としたことを特徴とする射出成形機の制御方法。
3. 請求項１記載の速度指令と射出成形機のモニタ情報とによるトルク指令値の演算方法は、速度指令をボールねじピッチで換算した値にエンコーダからの速度フィードバック信号を加算し、加算結果にゲインをかけた値に計測した樹脂圧をボールねじピッチの体積で換算した値を加算してトルク指令値を生成することを特徴とする射出成形機の制御方法。
4. 請求項１記載の圧力指令と射出成形機のモニタ情報とによるトルク指令値の演算方法は、圧力指令を計測された樹脂圧でフィードバック加算し、該加算結果にゲインをかけた加算値と、エンコーダからの速度信号をフィードバック値と、エンコーダからの速度信号にリミットをかけ一時遅れを考慮したフィードフォワード値と、圧力指令値とを加算してトルク指令値を生成することを特徴とする射出成形機の制御方法。
5. 請求項１記載の外乱推定方法はサーボモータの回転数とキャビティ内の樹脂圧とにより定数外乱として演算することを特徴とする射出成形機の制御方法。
6. サーボモータを駆動源とする金型のキャビティに溶融樹脂を射出充填する射出成形機の制御装置において、指令生成部からの速度指令に基づいてトルク指令を演算する射出速度制御部と、指令生成部からの圧力指令とサーボモータの回転リミット値とに基づいてトルク指令を演算する樹脂圧力制御部と、射出速度制御部のトルク指令値と樹脂圧力制御部のトルク指令値とを自動的に切り替える自動切換器と、サーボモータのエンコーダからの位置情報と樹脂圧力とから射出中の外乱を演算する外乱推定部とから構成されることを特徴とする射出成形機の射出制御装置。

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