JP2009172822A - 射出成形機の加熱ヒータの制御方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】射出成形機の加熱ヒータの電源が不安定な場合でも、またヒータの抵抗が変動しても加熱ヒータを安定して制御できる加熱ヒータの制御装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
設定温度と射出シリンダ（２）の測定温度との偏差（ｅ）が入力されるＰＩＤ演算部（２０）と、該ＰＩＤ演算部から出力される操作量（ｕ）を処理する出力処理部（２５）と、該出力処理部から出力される補正操作量（ｕ’）が入力されるヒータ駆動部（３０）とから構成し、ヒータ駆動部（３０）から出力されるパルス幅変調信号（ｓ）によりスイッチング素子（３５）を駆動する。このとき、出力処理部（３５）において、操作量（ｕ）に次式に示される補正係数を乗して補正操作量（ｕ’）を得る。
補正係数＝（Ｖ_１・Ｉ_１）／（Ｖ_２・Ｉ_２）
ただし、Ｖ_１ はヒータの定格電圧を、Ｉ_１ はヒータの定格電流を示し、
Ｖ₂ は現在のヒータの電源電圧を、Ｉ_２ はヒータの消費電流を示す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、射出成形機の射出シリンダ、射出ノズル等の外周部に設けられている加熱ヒータの制御方法および制御装置に関し、更に具体的には設定温度と射出成形機の所要箇所の測定温度との偏差信号が入力されるＰＩＤ演算部と、このＰＩＤ演算部から出力される操作量信号を処理する出力処理部と、この出力処理部から出力される補正操作量信号が入力されるヒータ駆動部とからなり、前記ヒータ駆動部から出力される動作制御信号によりスイッチング素子が駆動されるようになっている射出成形機の加熱ヒータの制御装置に関するものである。

熱可塑性樹脂の成形品は、射出成形機によっても成形されている。このような射出成形機は従来周知で、加熱シリンダ、この加熱シリンダ内に回転方向と軸方向とに駆動可能に設けられているスクリュ、スクリュウの後端部に設けられているスクリュ駆動装置等から構成されている。加熱シリンダの先端部には射出ノズルが設けられ後方部寄りにはホッパが設けられている。このように構成されている加熱シリンダ、射出ノズル、ホッパ等の外周部には個々に発熱温度が制御される複数個の加熱ヒータが設けられている。したがって、個々の加熱ヒータの発熱温度を設定すると共に、スクリュを回転駆動しながらホッパから樹脂射出成形材料を所定量宛供給すると、樹脂射出成形材料が前方送られるが、このとき加熱ヒータから加えられる熱、スクリュの回転による生じる摩擦熱等により溶融し、そして加熱シリンダの前方の計量室に蓄積される。スクリュは蓄積される溶融樹脂の圧力あるいはサックバックにより後退する。すなわち、スクリュは軸方向に移動する。所定量計量したら、スクリュを軸方向に駆動して計量された溶融樹脂を金型のキャビテイに射出・充填する。このときも、スクリュは軸方向に移動する。充填された溶融樹脂の冷却固化をまって金型を開くと樹脂製の成形品が得られる。このような加熱ヒータは、設備費、構成等の関係上、一般に工場電源を直接マグネットコンタクタやソリッドステートリレー（ＳＳＲ）を使用してパルス幅変調方式（ＰＷＭ）により駆動されている。また、加熱部の熱容量が小さく、ＰＷＭ制御方式により駆動すると、温度の脈動が問題となる場合は、ＳＳＲを使用した位相制御により駆動されている。

上記したような加熱ヒータを備えた射出成形機によって、融点が７００°Ｃ以下の金属元素単体もしくはこれらの金属を基にした合金例えばアルミニウム、マグネシウム、亜鉛，鈴、ビスマス等の低融点金属射出成形材料から金属成形品も同様にして成形されている。

熱可塑性樹脂、融点が７００°Ｃ以下の低融点金属等の射出成形材料から成形品を得るときは、上記のように加熱シリンダ、射出ノズル等の温度は成形品の品質に影響を及ぼす。例えば、温度が低いと流動抵抗が大きく、あるいは流動性が悪くショートーショット、ウエルドライン等の成形不良の原因になり、逆に高いと流動性がよくなり圧力損失が少なく、キャビテイ内圧が高くなり、結果としてバリが生じる。そこで、射出成形機の加熱筒すなわち射出シリンダの温度制御装置が特許文献１、２等により多数提案されている。また、特許文献３により暖房機の温度制御装置が提案されている。

特開平１１−３００８０５号公報 特開２００５−２２１５０ 特開平８−５０９０号公報

上記特許文献１には、射出シリンダを軸方向に複数個の温度制御ゾーンに分け、この温度制御ゾーンの数よりも多くの加熱ヒータを設け、選ばれたヒータに通電することによりヒータの制御範囲を任意に変更するようにした射出シリンダの温度制御方法が示されている。また、特許文献２には、射出シリンダの外周部に設けられているヒータをＰＩＤ動作に基づいたフイードバック制御により交流電源の通電をＯＮ／ＯＦＦする制御方法において、ＰＩＤ演算結果に基づくヒータ通電率に応じて通電のＯＮ／ＯＦＦの最小時間単位を交流電源の１周期時間と一致させると共に、通電の制御周期自体を変えてヒータの温度を制御する射出成形機の加熱筒温度制御方法が示されている。

さらには、特許文献３には、射出成形機とは直接的には関係ないが、暖房機の温度制御装置が開示されている。この温度制御装置は、室温検出用のサーミスタと電源電圧検知手段を備え、サーミスタにより室内温度を検知して設定温度に応じたパルス幅あるいはサイクルタイムのオン時間の室温による可変値を決め、一方電源電圧検知手段により電圧変化を検知すると、設定温度に応じたパルス幅あるいはサイクルタイムのオン時間の可変値を決める。そして、設定温度に応じたパルス幅あるいはサイクルタイムのオン時間に、室温および電圧変化による上記パルス幅あるいは可変値を加減してヒータへの通電を制御するようになっている。

射出成形機においては、可塑化、射出、保圧、型開閉等の動作により消費電力が大きく変動し、この変動に伴い電源電圧も変動する。また、射出成形機が複数台設置されていると、他の射出成形機の消費電力との干渉もあり、電源電圧は更に大きく変動する。また、工場内の発電機によるときは電圧は不安定になりがちである。電源電圧が変動すると、温度が安定し、制御出力を一定にしていても、ヒータ出力が変動し温度が変動してしまう。すなわち、電源電圧の変動が温度制御の安定性を阻害する。特許文献１、２のそれぞれに記載の発明は、それなりの効果は得られるが、電源電圧の変動には対処できない。特許文献３に示されている発明は、電源電圧検知手段により電圧変化を検知すると、設定温度に応じたパルス幅あるいはサイクルタイムのオン時間の可変値を決めるようになっているので、一応電圧変動に対処しているが、経年変化や温度変化による加熱ヒータの抵抗の変化には対応できない。
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであって、射出成形機の加熱ヒータの電源が不安定な場合でも、加熱ヒータを安定して制御できる加熱ヒータの制御方法および制御装置を提供することを目的としている。また、加熱ヒータの電源電圧の変動にかかわらず、設計時に定格電圧を仮定して作成されたＰＩＤ制御器のようなコントローラの特性を変更する必要のない、射出成形機の加熱ヒータの制御方法および制御装置を提供することも目的としている。

本発明は、上記目的を達成するために、射出成形機の要部に設けられている加熱ヒータに電力を供給する、ヒータ電源とヒータ電流とから現在のヒータ電力を計算し、この計算した電力が定格電圧・電圧で駆動した場合と同じヒータ電力になるようにヒータ出力を制御するように構成される。すなわち、請求項１に記載の発明は、射出成形機の所要箇所に設けられている加熱ヒータの制御方法において、前記加熱ヒータの電源電圧と電流とを測定して、現在の加熱ヒータの電力を計算し、この計算した電力が、予め入力されている定格電圧・電流で駆動した場合と同じ電力になるように、前記加熱ヒータへの出力を制御するように構成される。
請求項２に記載の発明は、射出シリンダと該射出シリンダ内に回転方向と軸方向とに駆動可能に設けられている射出成形機の所要箇所に設けられている加熱ヒータを制御する装置が、設定温度と射出成形機の所要箇所の測定温度との偏差信号が入力されるＰＩＤ演算部と、該ＰＩＤ演算部から出力される操作量信号を処理する出力処理部と、該出力処理部から出力される補正操作量信号が入力されるヒータ駆動部とからなり、前記ヒータ駆動部から出力される動作制御信号によりスイッチング素子が駆動され、それによって前記加熱ヒータの電力が制御されるようになっている射出成形機の加熱ヒータの制御装置であって、前記補正操作量信号は、前記出力処理部において前記操作量信号に次式に示される補正係数を乗してが得られるように構成される。
補正係数＝（Ｖ_１・Ｉ_１）／（Ｖ_２・Ｉ_２）
ただし、Ｖ_１ はヒータの定格電圧を、Ｉ_１ はヒータの定格電流を示し、
Ｖ₂ は現在のヒータの電源電圧を、そしてＩ_２ はヒータの消費電流をそれぞれ示す。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の制御装置において、前記スイッチング素子を駆動する前記動作制御信号がパルス幅変調信号であるように構成される。

以上のように、本発明によると、現在の加熱ヒータの電源電圧と電流とから得られる現在の加熱ヒータの電力が定格電圧・電流で駆動した場合と同じ電力になるように加熱ヒータへの出力を制御するので、加熱ヒータの電源電圧が変動しても加熱ヒータの温度は安定し、その制御も安定するという、本発明に特有の効果が得られる。また、現在の加熱ヒータの電力が定格電力になるように制御するので、加熱ヒータの抵抗の経年あるいは温度変化にも対応でき、さらにはヒータの電源電圧が変動しても、設計時に定格電源電圧を仮定して作成されているＰＩＤ制御器のようなコントローラの特性を変化させることがないという、本発明に特有の効果も得られる。このようなヒータ電源電圧の変動の補正を行わないと、例えば電源電圧が低下すると、加熱ヒータへの出力が低下し、応答が遅くなり、設計時のコントローラの応答特性が保証されなくなるが、本発明によると上記のようにヒータ電源電圧の変動が補正されるので、応答特性は保証される。したがって、スクリュが軸方向に移動する射出成形機の、射出シリンダの温度変化は大きく、高い応答特性が求められるが、本発明はこの要求も満たすことができる。また、コントローラの特性を変化させることがないので、従来の既存の制御器の出力部とヒータ駆動部との間に出力処理部を入れて、ヒータ電源やヒータ電流の変動を補正することもできる。以上のように、本発明によると、加熱ヒータの温度は安定し、その制御も安定するので、高い品質の射出成形品が得られる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。熱可塑樹脂、前述したような低融点金属等の射出成形材料から成形品を得る射出成形機１は、従来周知のように、概略的には加熱シリンダ２と、この加熱シリンダ２の内部に回転方向と軸方向とに駆動可能に設けられているスクリュ４とから構成されている。そして、射出シリンダ２の外周部、射出シリンダ２の先端部に設けられている射出ノズル３の外周部等の要部には、個々に発熱温度が制御される複数個の加熱ヒータ５、５、…が設けられている。これらの加熱ヒータ５、５、…は、次に述べる加熱ヒータの制御装置１０あるいは制御方法により制御されるようになっている。

本発明の実施の形態によると、加熱ヒータの制御には交流電力調整器（ＡＰＲ）が適用される。そして、交流電力調整器には、フイードバック制御が可能なパルス幅変調制御方式（ＰＷＭ）または位相制御方式が適用される。このような制御方式が適用される制御装置１０は、設定温度と射出シリンダ２の測定温度とが入力され、偏差信号ｅを出力する加え合わせ部１５、この偏差信号ｅが入力される操作量演算部２０、この操作量演算部２０から出力される操作量ｕが入力される出力処理部２５、この出力処理部２５から出力される補正操作量ｕ’が入力されるヒータ駆動部３０、このヒータ駆動部３０から出力される動作制御信号ｓによりパルス幅あるいはオン・オフ制御されるスイッチング部３５等から構成されている。そして、これらの加え合わせ部１５、操作量演算部２０等は信号ラインａ〜ｇでそれぞれ接続され、ヒータ電源Ｄと加熱ヒータ５はスイッチング部３５が介在されている電力線Ｅで接続されている。

操作量演算部２０は、比例動作演算部、比例積分動作演算部あるいは比例微分動作演算部から構成することもできるが、本実施の形態では比例積分微分動作（ＰＩＤ）演算部２０から構成され、このＰＩＤ演算部２０において操作量ｕが偏差信号ｅに基づいて次式により演算される。

ただし、Ｋ_ｐ は比例感度を、Ｔ_Ｉ は積分時間を、そしてＴ_Ｄ は微分時間をそれぞれ表している。

出力処理部２５は、操作量ｕから補正操作量ｕ’を演算するもので、この出力処理部２５にはヒータ定格電圧Ｖ_１と定格電流Ｉ_１とが予め記憶されている。すなわち、ヒータ定格電力Ｖ_１・Ｉ_１が記憶されている。一方、加熱ヒータ５がオンしているとき、ヒータ電源の電圧計測器２６により測定される測定ヒータ電圧Ｖ_２と、電流計測器２７により測定される消費ヒータ電流Ｉ_２が出力処理部２５に入力される。そして、次式により補正操作量ｕ’が演算される。

ヒータ駆動部３０は、入力される補正操作量ｕ’（例えば０〜１００％）に対して、実際にヒータ５をＯＮ／ＯＦＦする信号パターンを出力する。すなわち、ヒータ駆動部３０は、ヒータ５をパルス幅変調（ＰＷＭ）制御する場合は、予め記憶されているヒータ駆動周期のうち、入力される補正操作量ｕ’に相当する割合の時間、出力をＯＮするように作動する。また、ヒータ５を位相制御する場合は、電源電圧の位相角を検出し、出力の平均電力が入力された補正操作量ｕ’に比例するように、出力の位相角を調整する。

スイッチング部３５は、従来周知のように、ＩＧＢＴ、サイリスタ（ＳＣＲ）、ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）等のスイッチング素子から構成されている。

次に、上記実施の形態の作用をイメージ的に簡略して説明する。加熱ヒータ５、５、…のそれぞれの発熱温度を設定して、スクリュ４を回転駆動する。ホッパ６から射出成形材料を供給する。スクリュ４の回転駆動により、射出成形材料は前方の計量室に送られる過程でスクリュ４の回転による摩擦熱、せん断熱、加熱ヒータ５、５、…から加えられる熱等により溶融する。このときスクリュ４は、計量室中の射出成形材料の圧力により、あるいはサックバックにより後方へ移動する。所定量計量したら、スクリュ４を軸方向に駆動して型締めされている金型のキャビティに射出・充填する。冷却固化を待って金型を開くと成形品が得られる。以下同様にして成形する。

上記のようにして成形するとき、射出ノズル３の温度、射出シリンダ２の各部の温度を個々に設定する。スクリュ４は軸方向にも移動するので、スクリュ４の位置に応じた温度に設定することもできる。加え合わせ点１５には、設定温度と現在の射出シリンダ２の所定箇所の温度とが入力され、その偏差信号ｅが操作量演算部２０へ出力される。操作量演算部２０において、前述したようにして操作量信号ｕが演算され、出力処理部２５へ出力される。今、電源電圧Ｖ_２に変動がなく、また加熱ヒータ５の抵抗値にも変動がないと、前述した補正係数（Ｖ_１・Ｉ_１）／（Ｖ_２・Ｉ_２）に変化がないので、操作量信号ｕによりヒータ駆動部３０、したがってスイッチング部３５が駆動される。電源電圧Ｖ_２ が例えば低下すると、補正係数が大きくなるので、大きくなった補正操作量信号ｕ’がヒータ駆動部３０へ出力される。ヒータ駆動部３０から、パルス幅を広くするパルス幅変調信号ｓあるいは位相角を大きくする位相制御信号ｓがスイッチング部３５へ出力される。これにより、加熱ヒータ５は、現在の加熱ヒータの電力が予め入力されている定格電圧・電流で駆動した場合と同じ電力になるように制御される。このとき、本実施の形態によると消費電流も測定しているので、加熱ヒータ５の抵抗の温度による変化あるいは経年劣化による変動によらず、加熱ヒータ５への出力は一定となる。電源電圧Ｖ_２ が、逆に高くなったときも、同様にして同じ電力になるように制御される。

上記の実施の形態では、補正係数を（Ｖ_１・Ｉ_１）／（Ｖ_２・Ｉ_２）により求めているので、加熱ヒータの抵抗の変動も補償されているが、抵抗の変動が小さく無視できるとき、あるいは高い精度が要求されない部位に適用するときは、（Ｖ_１ ^２）／（Ｖ_２ ^２）により補正係数を求めることもできる。この簡易な加熱ヒータの制御装置と、補正係数が（Ｖ_１・Ｉ_１）／（Ｖ_２・Ｉ_２）の加熱ヒータの制御装置１０とを射出成形機の部位により使い分けると、射出成形機全体の加熱ヒータの制御装置をより安価に提供できる。

本発明の実施の形態を示す制御ブロック図である。

符号の説明

１ 射出成形機 ２ 射出シリンダ
３ 射出ノズル ４ スクリュ
５ 加熱ヒータ １０ 制御装置
２０ 操作量演算部 ２５ 出力処理部
３０ ヒータ駆動部 ３５ スイッチング部
ｅ 偏差信号 ｕ 操作量信号
ｕ’ 補正操作量信号 ｓ 動作制御信号（パルス幅変調信号または位相制御信号）

Claims (3)

1. 射出成形機の所要箇所に設けられている加熱ヒータの制御方法において、前記加熱ヒータの電源電圧と電流とを測定して、現在の加熱ヒータの電力を計算し、この計算した電力が、予め入力されている定格電圧・電流で駆動した場合と同じ電力になるように、前記加熱ヒータへの出力を制御する、射出成形機の加熱ヒータの制御方法。
2. 射出シリンダと該射出シリンダ内に回転方向と軸方向とに駆動可能に設けられている射出成形機の所要箇所に設けられている加熱ヒータを制御する装置が、設定温度と射出成形機の所要箇所の測定温度との偏差信号が入力されるＰＩＤ演算部と、該ＰＩＤ演算部から出力される操作量信号を処理する出力処理部と、該出力処理部から出力される補正操作量信号が入力されるヒータ駆動部とからなり、前記ヒータ駆動部から出力される動作制御信号によりスイッチング素子が駆動され、それによって前記加熱ヒータの電力が制御されるようになっている射出成形機の加熱ヒータの制御装置であって、
   前記補正操作量信号は、前記出力処理部において前記操作量信号に次式に示される補正係数を乗してが得られるようになっていることを特徴とする射出成形機の加熱ヒータの制御装置。
   補正係数＝（Ｖ_１・Ｉ_１）／（Ｖ_２・Ｉ_２）
   ただし、Ｖ_１ はヒータの定格電圧を、Ｉ_１ はヒータの定格電流を示し、
   Ｖ₂ は現在のヒータの電源電圧を、そしてＩ_２ はヒータの消費電流をそれぞれ示す。
3. 請求項２に記載の制御装置において、前記スイッチング素子を駆動する前記動作制御信号がパルス幅変調信号である射出成形機の加熱ヒータの制御装置。
   

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