JP2013202807A - 射出成形機の樹脂の状態監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成形を行う作業者に樹脂に関する知識や経験がなくても、成形機が停止中の樹脂の劣化状態を樹脂温度と経過時間とに基づいて正確に把握し、劣化が進行した場合には警告を発したり、自動的に滞留状態の解消動作を行うなどして樹脂の劣化を防止することが可能な射出成形機の樹脂の状態監視装置を提供すること。
【解決手段】樹脂の劣化状態を表す劣化度ｆの初期値を０とし（ＳＡ０１）、樹脂が移動したか否か判断し（ＳＡ０２）、移動している場合（ＹＥＳ）には樹脂温度Ｔを検出し（ＳＡ０３）、移動していない場合（ＮＯ）にはステップＳＡ０１に戻り、劣化度ｆを、ｆ＝ｆ＋α＊ｅｘｐ（β＊Ｔ）＊Δｔにより求め、劣化度ｆは劣化を検出する閾値を超えたか否か判断し、超えた場合（ＹＥＳ）には警告を出力し、超えない場合（ＮＯ）にはステップＳＡ０２に戻る。
【選択図】図５

Description

本発明は、射出成形機において、射出シリンダの内部あるいは金型内の樹脂の劣化状態を監視する射出成形機の樹脂の状態監視装置に関する。

射出成形機の射出シリンダ内にはスクリュが挿通されており、ホッパ口から供給されたペレット状の樹脂はスクリュの回転による樹脂の剪断熱と射出シリンダの外周に取り付けられたヒータの熱とによって溶融する。溶融した樹脂はスクリュを前進することによって金型内に射出され成形品が作られる。
金型内で溶融した樹脂を固化させるため、一般的に金型の温度は射出シリンダより低い温度になるように制御されるが、ホットランナ金型のように樹脂流路をヒータで加熱して樹脂の溶融状態を射出シリンダ内と同様に維持する場合には、射出シリンダと同程度の設定温度で温度制御が行われる。

上述したように樹脂はヒータの熱によって溶融するが、成形に必要な温度以上に高温で加熱された場合や、適切な温度またはそれ以下であってもその状態が長時間継続した場合には劣化し、変色や炭化などの問題を引き起こし成形品質上の問題を発生する場合がある。
成形運転中は溶融した樹脂は短時間で金型に射出されて固化し成形品となるため、劣化が発生する可能性は低い。ところが、成形品の生産を終了し、次の生産を開始するまでの間や、異常が発生して成形運転が停止した後などの射出成形機停止中は射出シリンダ内や金型内に樹脂が残留し、残留した樹脂が劣化する。特に、レンズ成形用の樹脂では、劣化の具体的な現象である樹脂の変色や炭化が発生すると成形品の光学的性能が著しく低下し、成形品質上の致命的な問題となる。

上述した樹脂の劣化を防止する手段として、射出シリンダや金型内に樹脂が滞留した時間、すなわち滞留時間を監視し、滞留時間が所定時間を越えた場合には樹脂が劣化していると判断する技術が公知である。さらに劣化を防止するために射出シリンダの設定温度を下げたり、射出シリンダ内の樹脂を強制的に排出する技術が公知である（特許文献１参照）。
樹脂は滞留時間が長くなるほど劣化が進み、樹脂温度が高温になるほどその進行が早くなることが知られている（図１参照）。特許文献２にも樹脂の劣化度は滞留した時間のみならず滞留中の樹脂温度に用いて求められることが開示されている。

特開２００５−２２２６０号公報 特開平７−２１４６２９号公報

特許文献１に開示された樹脂の劣化状態監視技術は、滞留中の樹脂温度が変化しないものとし、滞留時間のみを監視して樹脂の劣化を防止するものであった。したがって、樹脂温度が変化するような状況下では樹脂の劣化状態を正確に把握することできず、さらには劣化が見逃されて、適切な対応をとることもできないという問題があった。
例えば、成形が終了してヒータをオフした場合、シリンダ内部の温度が低下するのには時間がかかり、劣化が進行しない低い温度に達するまでの間は樹脂の劣化が進み、一方成形を開始するために低い温度の状態からヒータをオンした場合には、ヒータ温度が成形可能な温度に達する前であっても劣化が進む。以上のように、従来の時間による監視では劣化状態を正確に把握することは困難であった（図２参照）。

さらに特許文献１に開示された樹脂の劣化状態監視技術では滞留監視時間を適切な時間に設定する必要があるが、適切な時間を設定するには樹脂に関する知識と経験が必要であった。また、特許文献２は成形中の樹脂の熱履歴から劣化度をシミュレーションする技術を開示しているが、射出成形機が停止中の熱履歴による劣化度の検出や劣化した際の対応については何ら開示していなかった。

そこで本発明は、成形を行う作業者に樹脂に関する知識や経験がなくても、成形機が停止中の樹脂の劣化状態を樹脂温度と経過時間とに基づいて正確に把握し、劣化が進行した場合には警告を発したり、自動的に滞留状態の解消動作を行うなどして樹脂の劣化を防止することが可能な射出成形機の樹脂の状態監視装置を提供することを課題とする。

本発明の第１の発明は樹脂を溶融するヒータを備えた射出成形機の制御装置であって、該制御装置はヒータの温度を検出する温度検出手段と、前記ヒータで溶融した樹脂を移動させる樹脂移動手段と、樹脂の移動が行われたことを検出する移動検出手段と、樹脂の劣化状態を前記検出された温度の指数関数を樹脂の移動が行われていない間の時間で積分して求める劣化状態計算手段と、該求められた劣化状態があらかじめ設定された閾値を超えた場合に警告を発することを特徴とする射出成形機の樹脂の状態監視装置である。
ここで、樹脂の移動は図３における射出用サーボモータでスクリュを前進させたり、計量用サーボモータでスクリュを回転させることにより行われる。すなわちスクリュが前進したり回転することにより、シリンダ先端に取り付けられたノズルから、あるいはノズルと金型が接触している場合には金型から樹脂が排出され滞留状態が解消される。また、樹脂が移動したことは前記の射出サーボモータや計量サーボモータに取り付けられた位置検出器でモータが移動したことを検出することにより検出することができる。
以上のように樹脂の劣化を検出して警告を発することにより、成形作業者は樹脂が劣化したことを正確に把握することが可能になり、劣化を検出した場合には、樹脂を金型やシリンダ内から排出したり、樹脂温度を下げるなどの適切な対処が行える。

本発明の第２の発明は前記劣化状態を後述の式１で計算することを特徴とする射出成形機の樹脂の状態監視装置である。
本発明の第３の発明は、後述の式１におけるα、βをあらかじめ樹脂の種類に対応させて記憶する手段と、樹脂の種類を入力する入力手段と、該入力された樹脂の種類に対応させて前記α，βの値を抽出する手段と、該抽出されたα、βにしたがって樹脂劣化状態を計算することを特徴とする射出成形機の樹脂の劣化状態監視装置である。

本発明の第４の発明は、樹脂の劣化状態があらかじめ設定された閾値を超えた場合には、さらにヒータ温度を下げる手段を有することを特徴とする射出成形機の樹脂の状態監視装置である。この閾値は前記の劣化を検出して警告を発生させる閾値と同じにしてもよいし、前記の警告を発生させる閾値より小さな値として、樹脂の劣化が進行する前に樹脂温度を下げるようにしてもよい。ここで樹脂温度を下げる手段は、ヒータの電源を遮断することにより温度を低下させる手段でも、ヒータの設定温度を下げる手段でもよい。

本発明の第５の発明は、樹脂の劣化状態があらかじめ設定された閾値を超えた場合には、さらに前記ヒータで溶融された樹脂を自動的に排出する手段を有することを特徴とする射出成形機の樹脂の状態監視装置である。この閾値は前記の警告を発生させる閾値と同じにしてもよいし、前記警告を発生させる閾値より小さな値として、樹脂の劣化が進行する前に滞留している樹脂を排出するようにしてもよい。

本発明により、成形を行う作業者に樹脂に関する知識や経験がなくても、成形機が停止中の樹脂の劣化状態を樹脂温度と経過時間とに基づいて正確に把握し、劣化が進行した場合には警告を発したり、自動的に滞留状態の解消動作を行うなどして樹脂の劣化を防止することが可能な射出成形機の樹脂の状態監視装置を提供できる。

滞留時間および樹脂温度と劣化度の関係を説明するグラフである。 ヒータ温度変化と樹脂の劣化度の関係を説明するグラフである。 射出成形機の主要部構成図である。 樹脂の種類に対応させて記憶した式１の定数α、βを説明する図である。 警告を出力する処理を説明するフローチャートである。 警告を出力または設定温度を低下する処理を説明するフローチャートである。 警告を出力または樹脂を排出する処理を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図３は射出成形機の主要部構成図である。
射出成形機Ｍは、機台上に型締部および射出部を備える。射出部は樹脂材料（ペレット）を加熱溶融し、当該溶融樹脂を金型３０のキャビティ３１内に射出するものである。図示しない型締部は主に金型３０の開閉を行うものである。金型３０はホットランナ金型であって、樹脂流路３２をヒータ８で加熱して樹脂の溶融状態を維持する。樹脂流路の溶融状態を射出シリンダ１内と同様に維持する場合には、射出シリンダ１と同程度の設定温度で温度制御が行われる。

射出部に配置された射出シリンダ１には周囲を囲むようにヒータ８が装着されている。射出シリンダ１の先端にはノズル２が取り付けられている。射出シリンダ１内には、スクリュ３が挿通されている。

金型３０と射出シリンダ１に取り付けられたヒータ８の温度は、ＰＭＣＣＰＵ１７によりインタフェース２８を介して制御されるリレー（ＳＳＲ）２６により制御される。ヒータ８によって加熱される金型３０と射出シリンダ１の温度は、熱電対９によって測定され、熱電対９から出力される温度検出信号は電圧周波数変換器２７により温度変化を周波数変化の信号に変換され、電圧周波数変換器２７からの信号はインタフェース２８を介してＰＭＣＣＰＵ１７に送られる。

スクリュ３は、計量用サーボモータＭ２により、プーリ，ベルト等で構成される伝動機構６を介して回転させられる。また、スクリュ３は、射出用サーボモータＭ１によって、プーリ，ベルト，ボールネジ／ナット機構などの回転運動を直線運動に変換する機構を含む伝動機構７を介して駆動され、スクリュ３の軸方向に移動させられる。さらにスクリュ３に掛かる樹脂圧力を検出するため、スクリュを前後進する機構部にはロードセル等を用いた樹脂圧力センサ５が設けられている。なお、符号Ｐ１は射出用サーボモータＭ１の位置，速度を検出することによって、スクリュ３の軸方向の位置，速度を検出する位置・速度検出器であり、符号Ｐ２は計量用サーボモータＭ２の位置，速度を検出することによって、スクリュ３の軸周りの回転位置，速度を検出する位置・速度検出器である。符号４は射出シリンダ１内に樹脂を供給するホッパである。

射出成形機Ｍの制御装置は、数値制御用のマイクロプロセッサであるＣＮＣＣＰＵ２０、プログラマブルマシンコントローラ用のマイクロプロセッサであるＰＭＣＣＰＵ１７、及びサーボ制御用のマイクロプロセッサであるサーボＣＰＵ１３を有し、バス１６を介して相互の入出力を選択することにより各マイクロプロセッサ間で情報伝達が行えるように構成されている。
サーボＣＰＵ１３には、位置ループ，速度ループ，電流ループの処理を行うサーボ制御専用の制御プログラムを格納したＲＯＭ１４およびデータの一時記憶に用いられるＲＡＭ１５が接続されている。サーボＣＰＵ１３には、サーボＣＰＵ１３からの指令に基づいて、射出軸に接続された射出用サーボモータＭ１，スクリュ回転軸に接続された計量用サーボモータＭ２，ノズル前後進用サーボモータＭ３を駆動するサーボアンプ１２が接続されている。

また、各サーボモータＭ１，Ｍ２に取り付けられた位置・速度検出器Ｐ１，Ｐ２からの位置検出信号および速度検出信号である出力信号がサーボＣＰＵ１３に帰還されるようになっている。各サーボモータＭ１，Ｍ２の回転位置は、位置・速度検出器Ｐ１，Ｐ２からの位置のフィードバック信号に基づいてサーボＣＰＵ１３により算出され、各現在位置レジスタに更新記憶される。

ＰＭＣＣＰＵ１７には射出成形機のシーケンス動作を制御するシーケンスプログラム等を記憶したＲＯＭ１８および演算データの一時記憶等に用いられるＲＡＭ１９が接続され、ＣＮＣＣＰＵ２０には、射出成形機Ｍを全体的に制御する自動運転プログラムなどの各種プログラムを記憶したＲＯＭ２１および演算データの一時記憶に用いられるＲＡＭ２２が接続されている。
成形データ保存用ＲＡＭ２３は、不揮発性のメモリであって、射出成形作業に関する成形条件と各種設定値，パラメータ，マクロ変数等を記憶する成形データ保存用のメモリである。液晶表示装置付手動入力装置２５はインタフェース（Ｉ／Ｆ）２４を介してバス１６に接続され、機能メニューの選択および各種データの入力操作等が行えるようになっている。また、数値データ入力用のテンキーおよび各種のファンクションキー等が設けられている。なお、表示装置としては、ＬＣＤ（液晶表示装置）、その他の表示装置を用いたものでもよい。

以上の射出成形機Ｍの構成により、ＰＭＣＣＰＵ１７が射出成形機全体のシーケンスを制御する。ＰＭＣＣＰＵ１７は、インタフェース２８介してリレー２６をオンオフ制御することによってヒータ８の加熱制御を行う。そして、ヒータ８によって加熱される射出シリンダ１の温度を検出する熱電対９からの出力される温度を表す電圧信号は、電圧周波数変換器２７によって周波数変化の信号に変換され、インタフェース２８を介してＰＭＣＣＰＵ１７に送られる。

ＣＮＣＣＰＵ２０がＲＯＭ２１の運転プログラムや成形データ保存用ＲＡＭ２３に格納された成形条件等に基づいて各軸のサーボモータに対して移動指令の分配を行い、サーボＣＰＵ１３は各軸に対して分配された移動指令と位置・速度検出器Ｐ１，Ｐ２で検出された位置および速度のフィードバック信号等に基づいて、ディジタルサーボ処理を実行し、サーボモータＭ１，Ｍ２を駆動制御する。

射出成形機Ｍにおいて、樹脂の移動は図３における射出用サーボモータＭ１でスクリュ３を前進させたり、計量用サーボモータＭ２でスクリュ３を回転させることにより行われる。スクリュ３が前進したり回転することにより、射出シリンダ１の先端に取り付けられたノズル２、あるいはノズル２と金型３０が接触している場合には金型３０から樹脂が排出され滞留状態が解消される。また、樹脂が移動したことは射出用サーボモータＭ１や計量用サーボモータＭ２に取り付けられた位置・速度検出器（Ｐ１，Ｐ２）でモータが移動したことを検出することにより検出することができる。

本発明の実施形態において、樹脂の劣化を図る指標として劣化度ｆを用いる。劣化度ｆは（式１）により算出される。式１は特許文献２に記載されるとおり公知のものである。
ｆ＝Σα＊ｅｘｐ（β＊Ｔ（ｔ_i））＊Δｔ ・・・（式１）
なお、α，βはそれぞれ樹脂の種類によって求められる定数、Ｔは時刻ｔ_iにおける樹脂の温度、Δｔはサンプリング時間である。ｔ_i+1＝ｔ_i＋Δｔである。

図４に示されるように、式１におけるα、βをあらかじめ樹脂の種類に対応させて成形データ保存用ＲＡＭ２３に記憶しておく。樹脂の種類は液晶表示装置付手動入力装置２５のキーボードを用いて入力することができる。入力された樹脂の種類に対応させて前記α，βの値が抽出され、図５，図６，図７に示される処理における劣化度ｆの計算に用いられる。

上記の射出成形機Ｍにおいて実行される樹脂の状態監視を行う処理のフローチャートを説明する。
図５は警告を出力する処理を説明するフローチャートである。
●［ステップＳＡ０１］劣化度ｆの初期値を０とする。
●［ステップＳＡ０２］樹脂が移動したか否か判断し、移動している場合（ＹＥＳ）にはステップＳＡ０１へ戻り、移動していない場合（ＮＯ）にはステップＳＡ０３に移行する。
●［ステップＳＡ０３］樹脂温度Ｔを検出する。
●［ステップＳＡ０４］劣化度ｆを、ｆ＝ｆ＋α＊ｅｘｐ（β＊Ｔ（ｔ_i））＊Δｔにより求める。なお、α，βはそれぞれ樹脂の種類によって求められる定数、Ｔは時刻ｔ_iにおける樹脂の温度、Δｔはサンプリング時間である。
●［ステップＳＡ０５］劣化度ｆが劣化を検出する閾値Ｍａｘｆを超えたか否か判断し、超えた場合（ＹＥＳ）にはステップＳＡ０６へ移行し、超えない場合（ＮＯ）にはステップＳＡ０２に戻る。
●［ステップＳＡ０６］警告を出力し、処理を終了する。

図６は警告を出力または設定温度を低下する処理を説明するフローチャートである。
●［ステップＳＢ０１］劣化度ｆの初期値を０とする。
●［ステップＳＢ０２］樹脂が移動したか否か判断し、移動している場合（ＹＥＳ）にはステップＳＢ０１へ戻り、移動していない場合（ＮＯ）にはステップＳＢ０３に移行する。
●［ステップＳＢ０３］樹脂温度Ｔを検出する。
●［ステップＳＢ０４］劣化度ｆを、ｆ＝ｆ＋α＊ｅｘｐ（β＊Ｔ（ｔ_i））＊Δｔにより求める。なお、α，βはそれぞれ樹脂の種類によって求められる定数、Ｔは時刻ｔ_iにおける樹脂の温度、Δｔはサンプリング時間である。
●［ステップＳＢ０５］劣化度ｆが劣化を検出する閾値Ｍａｘｆを超えたか否か判断し、超えた場合（ＹＥＳ）にはステップＳＢ０８へ移行し、超えない場合（ＮＯ）にはステップＳＢ０６へ移行する。
●［ステップＳＢ０６］劣化度ｆが劣化を未然に検出する閾値ｆ１を超えたか否か判断し、超えた場合（ＹＥＳ）にはステップＳＢ０７へ移行し、超えていない場合（ＮＯ）にはステップＳＢ０２へ戻る。
●［ステップＳＢ０７］設定温度を低下し、ステップＳＢ０２に戻る。
●［ステップＳＢ０８］警告を出力し、処理を終了する。

図７は警告を出力または樹脂を排出する処理を説明するフローチャートである。
●［ステップＳＣ０１］劣化度ｆの初期値を０とする。
●［ステップＳＣ０２］樹脂が移動したか否か判断し、移動している場合（ＹＥＳ）にはステップＳＣ０１へ戻り、移動していない場合（ＮＯ）にはステップＳＣ０３に移行する。
●［ステップＳＣ０３］樹脂温度Ｔを検出する。
●［ステップＳＣ０４］劣化度ｆを、ｆ＝ｆ＋α＊ｅｘｐ（β＊Ｔ（ｔ_i））＊Δｔにより求める。なお、α，βはそれぞれ樹脂の種類によって求められる定数、Ｔは時刻ｔ_iにおける樹脂の温度、Δｔはサンプリング時間である。
●［ステップＳＣ０５］劣化度ｆが劣化を検出する閾値Ｍａｘｆを超えたか否か判断し、超えた場合（ＹＥＳ）にはステップＳＣ０８へ移行し、超えない場合（ＮＯ）にはステップＳＣ０６に移行する。
●［ステップＳＣ０６］劣化度ｆが劣化を未然に検出する閾値ｆ１を超えたか否か判断し、超えた場合（ＹＥＳ）にはステップＳＣ０７へ移行し、超えていない場合（ＮＯ）にはステップＳＣ０２へ戻る。
●［ステップＳＣ０７］樹脂を排出し、処理を終了する。
●［ステップＳＣ０８］警告を出力し、処理を終了する。

以上のように、本発明の実施形態においては、樹脂の劣化度を検出して警告を発することにより、成形作業者は樹脂が劣化したことを正確に把握することが可能になり、あるいは、樹脂温度を下げる、樹脂を金型やシリンダ内から排出するなどの適切な対処が行える。

ｔ_i 任意の時刻
Ｔ 樹脂温度
Δｔ サンプリング時間
ｆ 劣化度
ｆ１ 劣化を未然に検出する閾値
Ｍａｘｆ 劣化を検出する閾値

Ｍ 射出成形機
１ 射出シリンダ
２ ノズル
３ スクリュ
４ ホッパ
５ 樹脂圧力センサ
６ 伝動機構
７ 伝動機構
８ ヒータ
９ 熱電対
１２ サーボアンプ
１３ サーボＣＰＵ
１４ ＲＯＭ
１５ ＲＡＭ
１６ バス
１７ ＰＭＣＣＰＵ
１８ ＲＯＭ
１９ ＲＡＭ
２０ ＣＮＣＣＰＵ
２１ ＲＯＭ
２２ ＲＡＭ
２３ 成形データ保存用ＲＡＭ
２４ インタフェース
２５ 液晶表示装置付手動入力装置
２６ リレー
２７ 電圧周波数変換器
２８ インタフェース

３０ 金型
３１ キャビティ
３２ 樹脂流路

Claims (5)

1. 樹脂を溶融するヒータを備えた射出成形機の状態監視装置であって、
   前記状態監視装置は、
   ヒータの温度を検出する温度検出部と、
   前記ヒータで溶融した樹脂を移動させる樹脂移動部と、
   樹脂の移動が行われたことを検出する樹脂移動検出部と、
   樹脂の劣化状態を前記検出された温度の指数関数を樹脂の移動が行われていない間の時間で積分して求める樹脂劣化状態計算部と、
   前記求められた劣化状態があらかじめ設定された閾値を超えた場合に警告を発することを特徴とする射出成形機の樹脂の状態監視装置。
2. 前記樹脂劣化状態計算部は、
   Σα＊ｅｘｐ（β＊Ｔ（ｔ_i））＊Δｔを計算して求める手段であって、
   Ｔ（ｔ_i）は樹脂温度、ｔ_iは任意の時刻、α，βは樹脂の種類によって求められる定数、ｉは自然数、Δｔはサンプリング時間であることを特徴とする請求項１に記載の射出成形機の樹脂の状態監視装置。
3. 前記樹脂劣化状態計算部におけるα、βをあらかじめ樹脂の種類に対応させて記憶する記憶部と、
   樹脂の種類を入力する入力部と、
   前記入力された樹脂の種類に対応させて前記α，βの値を抽出する抽出部と、
   前記抽出されたα、βにしたがって樹脂劣化状態を計算することを特徴とする請求項２に記載の射出成形機の樹脂の状態監視装置。
4. 前記樹脂の劣化状態があらかじめ設定された閾値を超えた場合には、さらにヒータ温度を下げる手段を有することを特徴とする請求項１に記載の射出成形機の樹脂の状態監視装置。
5. 前記樹脂の劣化状態があらかじめ設定された閾値を超えた場合には、さらに前記ヒータで溶融された樹脂を排出する手段を動作させることを特徴とする請求項１に記載の射出成形機の樹脂の状態監視装置。

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