JP2018012221A - 射出成形機および計量方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】不適切なフィードバック制御を効果的に抑制できる射出成形機および計量方法を提供する。【解決手段】射出成形機1の制御部33は、計量動作において、ロードセル21の圧力出力A3に基づく樹脂圧力Pがその目標値である計量圧力値Pmとなるようにフィードバック制御を行いながらスクリュー12を回転および後退させる。そして、制御部33は、樹脂圧力Pが計量圧力値Pmを超えかつ樹脂圧力Pの上昇速度Vpuが速度制限値Vprを超えたとき、変動制限期間Tprにわたって樹脂圧力Pをそれより変動の小さい値に修正した修正樹脂圧力Paを用いてフィードバック制御を行う。【選択図】図2

Description

本発明は、射出成形機および計量方法に関する。
例えば、特許文献1に繊維を混錬した溶融樹脂を射出する射出成形機が開示されている。このような射出成形機は、計量動作において、可塑化シリンダ内に樹脂ペレットおよび繊維材を供給するとともに可塑化シリンダの内部で可塑化スクリューを回転させることで、繊維材が混錬された溶融樹脂を生成し、可塑化シリンダの射出ノズル側へ送り出す。そして、射出成形機は、可塑化スクリューに加わる圧力を溶融樹脂の圧力として測定し、この圧力の測定値が所定の目標値となるようにフィードバック制御を行いながら当該可塑化スクリューを後退させる。これにより、樹脂密度のばらつきを抑制しつつ可塑化シリンダの射出ノズル側に所定量の溶融樹脂を計量する。
特開2015−208879号公報
しかしながら、図6に模式的に示すように、射出成形機101のホッパー111bから可塑化シリンダ111に供給した繊維材Sが可塑化シリンダ111と可塑化スクリュー112との間に挟まるとともに可塑化スクリュー112の回転力が加わると、可塑化スクリュー112に後退方向の力(図6において右向きの力)が働いて、圧力の測定値が急激に上昇することがある。そのため、実際には溶融樹脂の圧力が上昇していないにもかかわらず、圧力を下げるようにフィードバック制御を行ってしまい、これにより、溶融樹脂の圧力が一時的に低下して、樹脂密度のばらつきが生じてしまうことがあった。そのため、射出成形した成形品の品質に影響を及ぼすおそれがあった。
そこで、本発明は、不適切なフィードバック制御を効果的に抑制できる射出成形機および計量方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様の射出成形機は、射出シリンダと、前記射出シリンダ内に収容されたスクリューと、前記射出シリンダ内で前記スクリューを回転および前後進させる駆動部と、を有する射出成形機であって、前記スクリューに加わる後退方向の力を測定する測定部と、前記測定部による前記後退方向の力の測定値が当該後退方向の力の目標値となるようにフィードバック制御を行いながら前記駆動部により前記スクリューを回転および後退させる計量制御部と、を有し、前記計量制御部が、前記測定値が前記目標値を超えかつ前記測定値の上昇速度が速度制限値を超えたとき、変動制限期間にわたって前記測定値を当該測定値より変動の小さい値に修正した修正測定値を用いてフィードバック制御を行うことを特徴とする。
本発明においては、前記計量制御部が、前記測定値が前記目標値を超えかつ前記測定値の上昇速度が速度制限値を超えたときの前記測定値を前記修正測定値とするようにしてもよい。または、前記計量制御部が、前記測定値が前記目標値を超えかつ前記測定値の上昇速度が速度制限値を超えたときの前記測定値を基準測定値として、前記測定値から前記基準測定値を差し引いた差分値に1より小さい係数を乗じて得た値を前記基準測定値に加えた値を前記修正測定値とするようにしてもよい。または、前記計量制御部が、前記目標値を前記修正測定値とするようにしてもよい。このようにすることで、修正測定値は、変動のない一定値または測定値より変動の小さい値となる。
上記目的を達成するために、本発明の他の一態様の計量方法は、射出シリンダと、前記射出シリンダ内に収容されたスクリューと、前記射出シリンダ内で前記スクリューを回転および前後進させる駆動部と、を有する射出成形機で用いられる計量方法であって、前記スクリューに加わる後退方向の力を測定した測定値が当該後退方向の力の目標値となるようにフィードバック制御を行いながら前記駆動部により前記スクリューを回転および後退させ、前記測定値が前記目標値を超えかつ前記測定値の上昇速度が速度制限値を超えたとき、変動制限期間にわたって前記測定値を当該測定値より変動の小さい値に修正した修正測定値を用いてフィードバック制御を行うことを特徴とする。
本発明によれば、スクリューに加わる後退方向の力の測定値がその目標値を超えかつ測定値の上昇速度が速度制限値を超えたとき、変動制限期間にわたって測定値を当該測定値より変動の小さい値に修正した修正測定値を用いてフィードバック制御を行う。このようにしたことから、例えば、樹脂に混ぜた繊維の挟み込みなどによって、スクリューに加わる後退方向の力の測定値が急激に上昇した場合であっても、測定値の変動を鈍らせてフィードバック制御を行うことができる。そのため、不適切なフィードバック制御を効果的に抑制できる。
本発明の一実施形態に係る射出成形機の概略構成を示す図である。 図1の射出成形機の制御部における修正樹脂圧力の算出方法について説明する図である。 図1の射出成形機の制御部における修正樹脂圧力の他の算出方法について説明する図である。 実施例1において計量動作を行ったときの射出シリンダのノズル内圧の変化を示すグラフである。 比較例1において計量動作を行ったときの射出シリンダのノズル内圧の変化を示すグラフである。 シリンダとスクリューとの間に繊維材が挟まった状態を模式的に示す図である。
以下、本発明の一実施形態に係る射出成形機について、図1〜図5を参照して説明する。
本実施形態の射出成形機は、射出成形サイクルにおいて、射出動作、保圧動作、冷却動作、型開閉動作、計量動作などの各種動作を行う。
図1に示すように、射出成形機1は、射出ユニット10と、制御ユニット30と、を有している。
射出ユニット10は、射出シリンダ11と、スクリュー12と、回転制御用サーボモータ13と、回転制御用タイミングベルト14と、スクリュープーリ15と、位置制御用サーボモータ16と、位置制御用タイミングベルト17と、ボールネジ機構18と、回転検出用エンコーダ19と、位置検出用エンコーダ20と、ロードセル21と、を有している。
射出シリンダ11は、筒状に形成されており、その外周面に図示しないヒータを備えている。射出シリンダ11は、一端にノズル11aが設けられており、他端寄りの箇所にグラスファイバーやカーボンファイバーなどの繊維材と樹脂材料とが混合された成形用材料が投入されるホッパー11bが設けられている。なお、繊維材と樹脂材料とを別々の箇所から射出シリンダ11に供給するようにしてもよい。スクリュー12は、射出シリンダ11内に回転および前後方向に移動可能(すなわち、前後進可能)に収容されている。なお、本明細書において、図1の射出シリンダ11のノズル11a側を前側、その反対側を後側としている。
回転制御用サーボモータ13は、スクリュー12を回転させる駆動部である。回転制御用サーボモータ13は、その出力プーリ13aの回転が回転制御用タイミングベルト14を介してスクリュー12に同軸に固定されたスクリュープーリ15に伝達される。これにより、スクリュー12は軸を中心に回転される。
位置制御用サーボモータ16は、スクリュー12を前後進させる駆動部である。位置制御用サーボモータ16は、その出力プーリ16aの回転が位置制御用タイミングベルト17を介してボールネジ機構18のねじ軸18aに同軸に固定されたねじ軸プーリ18bに伝達される。これにより、ねじ軸18aは軸を中心に回転される。そして、ねじ軸18aの回転によりボール(図示なし)を介して螺合されたナット部18cが軸方向(すなわち前後方向)に移動する。このナット部18cの移動に伴って当該ナット部18cに固定されたスクリュー12も前後方向に移動される。位置制御用サーボモータ16によって、スクリュー12が前後方向に移動されることにより、スクリュー12の位置、および射出シリンダ11内におけるスクリュー12の前方空間Eに溜められている樹脂に加わる圧力(以下、単に「樹脂圧力P」という。)を調整する。
回転検出用エンコーダ19は、回転制御用サーボモータ13の回転位置を測定して回転位置出力A1として出力し、この回転位置出力A1に基づいて後述する制御ユニット30の制御部33がスクリュー12の回転速度Rを検出する。位置検出用エンコーダ20は、位置制御用サーボモータ16の回転位置を測定して回転位置出力A2として出力し、この回転位置出力A2に基づいて制御部33がスクリュー12の前後方向の位置Lや移動速度Vを検出する。ロードセル21は、スクリュー12に加わる後退方向の力を測定して圧力出力A3として出力し、制御部33は、この圧力出力A3を樹脂圧力Pとして検出する。すなわち、ロードセル21は測定部に相当し、樹脂圧力Pはスクリュー12に加わる後退方向の力の測定値に相当する。
制御ユニット30は、設定格納部31と、表示操作部32と、制御部33と、回転制御用サーボアンプ34と、位置制御用サーボアンプ35と、を有している。
設定格納部31は、例えばハードディスク装置や不揮発性メモリ等の書き換え可能な記憶媒体などを含んで構成されている。設定格納部31には、射出成形動作に含まれる各種動作において用いられるスクリュー12の回転速度R、位置Lおよび移動速度V、ならびに射出シリンダ11内における樹脂圧力Pなどの、各種動作のための条件値が格納されている。
設定格納部31には、例えば、計量動作の条件値である計量後退位置Xm[mm]、計量回転速度Rm[rpm]、計量圧力値Pm[MPa]の設定値が格納されている。計量後退位置Xmは、計量完了時におけるスクリュー12の後退位置である。計量回転速度Rmは、スクリュー12の最も前進した位置0から計量後退位置Xmに至るまでのスクリュー12の計量回転速度である。計量圧力値Pmは、位置0から計量後退位置Xmに至るまでに前方空間Eに溜められている樹脂に加える圧力値である。計量圧力値Pmは、スクリュー12に加わる後退方向の力の目標値に相当する。
また、設定格納部には、樹脂圧力Pの上昇速度Vpuの制限値である速度制限値Vpr、および、樹脂圧力Pに代えて後述する修正樹脂圧力Paを用いる期間である変動制限期間Tprの設定値も格納されている。
表示操作部32は、例えば、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイなどのフラットパネルディスプレイで構成された表示部32aと、この表示部32aの表示面に重ねて配置されたタッチパネルを備えた操作部32bとを有している。
制御部33は、マイクロコンピュータ等により構成されている。制御部33は、各種動作において制御信号を生成し、この制御信号を回転制御用サーボアンプ34および位置制御用サーボアンプ35に出力して、回転制御用サーボモータ13および位置制御用サーボモータ16を制御する。また、制御部33は、制御信号を生成して図示しない冷却機構や型開閉機構も制御する。
制御部33は、上述した各種動作において、回転検出用エンコーダ19の回転位置出力A1、位置検出用エンコーダ20の回転位置出力A2およびロードセル21の圧力出力A3に基づいて、上述したスクリューの回転速度R、移動速度Vおよび位置L、ならびに樹脂圧力Pについてフィードバック制御を行う。
次に、上述した射出成形機1が射出成形サイクルで行う動作の一例について説明する。
射出成形機1の制御部33は、射出成形サイクルに入る前の予備動作として、溶融した樹脂が射出シリンダ11のノズル11aから吐出するまで射出シリンダ11内に樹脂を送り込むとともに、後述する計量動作と同様にして射出シリンダ11内の前方空間Eに溶融した樹脂を溜める予備動作を行う。そして、制御部33は、予備動作を行ったあとに射出成形サイクルに含まれる射出動作、保圧動作、冷却動作、型開閉動作および計量動作などの各種動作を開始する。
射出成形サイクルにおいて、制御部33は、スクリュー12を前進させることにより射出シリンダ11内の前方空間Eに溜められた樹脂を金型内に射出する(射出動作)。射出動作に続いて、制御部33は、スクリュー12の前後方向の位置を調整することにより前方空間Eに溜められた樹脂を保圧する(保圧動作)。保圧動作に続いて、制御部33は、図示しない冷却機構により金型内に形成された流路に冷媒を流通させることにより金型を冷却して金型内の樹脂を固化させる(冷却動作)。冷却動作に続いて、制御部33は、図示しない型開閉機構により金型を開いて成形品を取り出したのち金型を閉じる(型開閉動作)。
また、制御部33は、冷却動作と並行して前方空間Eに樹脂を計量して溜める計量動作を行う。この計量動作において、制御部33は、設定格納部31から計量回転速度Rm、計量圧力値Pmおよび計量後退位置Xmを読み出す。そして、制御部33は、スクリュー12を計量回転速度Rmで回転させて前方空間Eに樹脂を送りこむ。これによりロードセル21の測定値から検出された前方空間E内の樹脂圧力Pが上昇するが、制御部33は、この樹脂圧力P(測定値)が計量圧力値Pm(目標値)となるようにフィードバック制御(例えば、PID制御)を行いながらスクリュー12を後退させて、最終的に、スクリュー12を計量後退位置Xmまで移動させる。これにより、一射出量の樹脂が計量されて、射出シリンダ11内におけるスクリュー12の前方空間Eに溜められる。制御部33は、計量制御部に相当する。
この計量動作において、制御部33は、樹脂圧力Pが計量圧力値Pm(例えば、10MPa)を超えかつ樹脂圧力Pの上昇速度Vpuが速度制限値Vpr(例えば、5MPa/秒)を超えたとき、変動制限期間Tpr(例えば、0.3秒)にわたって、樹脂圧力Pをそれより小さい値に修正した修正樹脂圧力Pa(修正測定値)を用いてフィードバック制御を行う。
本実施形態において、制御部33は、修正樹脂圧力Paを以下の方法で算出する。
制御部33は、ロードセル21からの圧力出力A3を周期的(例えば、ΔT=200μ秒毎)に取得して、樹脂圧力Pを検出する。そして、図2に示すように、制御部33は、樹脂圧力Pが計量圧力値Pmを超え(時刻T0)かつ樹脂圧力Pの上昇速度Vpuが速度制限値Vprを超えたとき(時刻T1)、時刻T1の時点の樹脂圧力P(すなわち、P1)を修正樹脂圧力Paとする。そして、変動制限期間Tpr(時刻T1〜時刻T2)にわたって樹脂圧力Pに代えて修正樹脂圧力Paを用いる。この修正樹脂圧力Paの算出式(1)を以下に示す。
Pa=P1 ・・・(1)
または、図3に示すように、制御部33は、樹脂圧力Pが設定格納部31に格納された計量圧力値Pmを超え(時刻T0)かつ樹脂圧力Pの上昇速度Vpuが速度制限値Vprを超えたとき(時刻T1)、時刻T1の時点の樹脂圧力P=P1を基準圧力値Ps(基準測定値)として、樹脂圧力Pから基準圧力値Psを差し引いた差分値に1より小さい係数α(例えば、0.2)を乗じて得た値を基準圧力値Psに加えて得た値を修正樹脂圧力Paとしてもよい。そして、変動制限期間Tprにわたって樹脂圧力Pに代えて修正樹脂圧力Paを用いる。この修正樹脂圧力Paの算出式(2)を以下に示す。
Pa=P1+(P[T]−Pm)×α ・・・(2)
ただし、P[T]は時刻Tにおける樹脂圧力P
または、制御部33は、樹脂圧力Pが設定格納部31に格納された計量圧力値Pmを超え(時刻T0)かつ樹脂圧力Pの上昇速度Vpuが速度制限値Vprを超えたとき(時刻T1)、計量圧力値Pmを修正樹脂圧力Paとしてもよい。そして、変動制限期間Tprにわたって樹脂圧力Pに代えて修正樹脂圧力Paを用いる。この修正樹脂圧力Paの算出式(3)を以下に示す。
Pa=Pm ・・・(3)
なお、説明の便宜上、図2、図3において、上昇速度Vpuを、樹脂圧力Pを検出する1周期(ΔT)における上昇速度(ΔP/ΔT)としたものであったが、これに限定されるものではない。例えば、制御部33は、上昇速度Vpuを、連続する複数の周期のそれぞれにおける複数の上昇速度の移動平均値を上昇速度Vpuとしてもよく、本発明の目的に反しない限り、上昇速度Vpuの求め方は任意である。
このように本実施形態の射出成形機1によれば、樹脂圧力Pが計量圧力値Pmを超えかつ樹脂圧力Pの上昇速度Vpuが速度制限値Vprを超えたとき、変動制限期間Tprにわたって樹脂圧力Pをそれより変動の小さい値に修正した修正樹脂圧力Paを用いてフィードバック制御を行う。このようにしたことから、例えば、樹脂に混ぜた繊維材の挟み込みなどによって、樹脂圧力Pが急激に上昇した場合であっても、樹脂圧力Pの変動を鈍らせてフィードバック制御を行うことができる。そのため、不適切なフィードバック制御を効果的に抑制できる。
上記に本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。前述の実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
次に、本発明の実施例1および比較例1について、図4、図5を参照して説明する。
(実施例1)
上述した実施形態の射出成形機1において、ガラス繊維の束にポリプロピレン樹脂を均一に含浸させ10mmの長さに切断した長繊維複合ペレットをホッパー11bに投入し、計量回転速度Rmを100rpm、計量圧力値Pmを10MPa、計量後退位置Xmを50mmとして計量動作を行い、計量動作中の射出シリンダ11のノズル11aの内圧を測定した。測定結果のグラフを図4に示す。この計量動作においては、図3に例示するように、樹脂圧力Pが計量圧力値Pmを超えかつ樹脂圧力Pの上昇速度Vpuが速度制限値Vpr(5MPa)を超えたとき、変動制限期間Tpr(0.3秒)にわたって上記算出式(2)により算出した修正樹脂圧力Paを用いてフィードバック制御を行うものである。
(比較例1)
樹脂圧力Pのみを用いた(すなわち、修正樹脂圧力Paを用いない)フィードバック制御を行うこと以外は、実施例1と同様の構成として計量動作を行い、計量動作中の射出シリンダ11のノズル11aの内圧を測定した。測定結果のグラフを図5に示す。
(評価)
実施例1および比較例1ではノズル11aの箇所で圧力を測定しているため、図4、図5に示すグラフでは計量圧力値Pmとして設定した値より若干低い値(8〜8.5MPa程度)が目標値となるように動作している。
比較例1に係る図5のグラフでは、ノズル11aの内圧が8.5MPa程度から急激に落ち込む動作が繰り返されていることが分かる。これはホッパー11bから射出シリンダ11内に供給した長繊維複合ペレットが射出シリンダ11とスクリュー12との間に挟まることにより、スクリュー12に後退方向の力が働いて樹脂圧力Pが急激に上昇したものとして制御部33に検出されてしまい、実際には樹脂圧力Pが上昇してないにも関わらず樹脂圧力Pを下げるようにフィードバック制御を行ってしまうことによるものと考えられる。そのため、ノズル11aの内圧、すなわち、射出シリンダ11内の実際の樹脂圧力が約2〜3MPaの幅で絶えず変動して、樹脂密度のばらつきが生じてしまう。
一方、実施例1に係る図4のグラフでは、約8MPaを中心に1〜1.5MPa程度の幅で比較的緩やかに変動している。これは、比較例1と同様に、長繊維複合ペレットの挟み込みによる樹脂圧力Pの急激な上昇が発生しているものの、修正樹脂圧力Paを用いることにより樹脂圧力Pの急激な上昇がないものとして制御部33がフィードバック制御を行っていることによるものと考えられる。そのため、実施例1では、比較例1に比べて不適切なフィードバック制御を効果的に抑制でき、これにより、樹脂密度のばらつきを抑制することができることが実動作からも明らかである。
1…射出成形機、10…射出ユニット、11…射出シリンダ、11a…ノズル、11b…ホッパー、12…スクリュー、13…回転制御用サーボモータ(駆動部)、13a…出力プーリ、14…回転制御用タイミングベルト、15…スクリュープーリ、16…位置制御用サーボモータ(駆動部)、16a…出力プーリ、17…位置制御用タイミングベルト、18…ボールネジ機構、18a…ねじ軸、18b…軸プーリ、18c…ナット部、19…回転検出用エンコーダ、20…位置検出用エンコーダ、21…ロードセル(測定部)、30…制御ユニット、31…設定格納部、32…表示操作部、32a…表示部、32b…操作部、33…制御部(計量制御部)、34…回転制御用サーボアンプ、35…位置制御用サーボアンプ、A1…回転位置出力、A2…回転位置出力、A3…圧力出力、E…前方空間、R…スクリューの回転速度、L…スクリューの位置、V…スクリューの移動速度、P…樹脂圧力(測定値)、Pa…修正樹脂圧力(修正測定値)、Ps…基準圧力値(基準測定値)、Xm…計量後退位置、Rm…計量回転速度、Pm…計量圧力値(目標値)、S…繊維材、Tpr…変動制限期間、Vpu…上昇速度、Vpr…速度制限値。

Claims (5)

  1. 射出シリンダと、前記射出シリンダ内に収容されたスクリューと、前記射出シリンダ内で前記スクリューを回転および前後進させる駆動部と、を有する射出成形機であって、
    前記スクリューに加わる後退方向の力を測定する測定部と、
    前記測定部による前記後退方向の力の測定値が当該後退方向の力の目標値となるようにフィードバック制御を行いながら前記駆動部により前記スクリューを回転および後退させる計量制御部と、を有し、
    前記計量制御部が、前記測定値が前記目標値を超えかつ前記測定値の上昇速度が速度制限値を超えたとき、変動制限期間にわたって前記測定値を当該測定値より変動の小さい値に修正した修正測定値を用いてフィードバック制御を行うことを特徴とする射出成形機。
  2. 前記計量制御部が、前記測定値が前記目標値を超えかつ前記測定値の上昇速度が速度制限値を超えたときの前記測定値を前記修正測定値とすることを特徴とする請求項1に記載の射出成形機。
  3. 前記計量制御部が、前記測定値が前記目標値を超えかつ前記測定値の上昇速度が速度制限値を超えたときの前記測定値を基準測定値として、前記測定値から前記基準測定値を差し引いた差分値に1より小さい係数を乗じて得た値を前記基準測定値に加えた値を前記修正測定値とすることを特徴とする請求項1に記載の射出成形機。
  4. 前記計量制御部が、前記目標値を前記修正測定値とすることを特徴とする請求項1に記載の射出成形機。
  5. 射出シリンダと、前記射出シリンダ内に収容されたスクリューと、前記射出シリンダ内で前記スクリューを回転および前後進させる駆動部と、を有する射出成形機で用いられる計量方法であって、
    前記スクリューに加わる後退方向の力を測定した測定値が当該後退方向の力の目標値となるようにフィードバック制御を行いながら前記駆動部により前記スクリューを回転および後退させ、前記測定値が前記目標値を超えかつ前記測定値の上昇速度が速度制限値を超えたとき、変動制限期間にわたって前記測定値を当該測定値より変動の小さい値に修正した修正測定値を用いてフィードバック制御を行うことを特徴とする計量方法。
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