JP2023063824A - 射出成形の計量制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】計量樹脂の可塑化溶融や溶融混錬性に影響を与える変動要因を正確に検知でき、高精度な計量工程の安定運転を可能とする、射出成形の計量制御方法を提供することを目的とする。【解決手段】計量工程において、計量動作制御部４１に設定した回転トルク指令値ＲＴに基づいてスクリュ１５の回転動作を行い、その時のスクリュ１５の回転トルク実測値を計測し、射出動作制御部４２に設定したブレーキトルク指令値ＢＴに基づいてスクリュ１５の後退動作の制限を行い、その時のスクリュ１５のブレーキトルク実測値を計測し、回転トルク実測値とブレーキトルク実測値を掛け合わせた積を管理トルク値とし、管理トルク値が予め設定した管理範囲ＫＨから外れるとトルク補正を開始する。【選択図】図２

Description

本発明は、射出シリンダ内に供給した樹脂材料を、スクリュの回転動作により可塑化溶融し、スクリュ前方の射出シリンダ内に溶融樹脂を輸送し、溶融樹脂の輸送によって、スクリュが後方移動し、所定の位置でスクリュの回転動作を停止して、射出シリンダ内に所定量の溶融樹脂を貯蔵する射出成形の計量制御方法に関するものである。

樹脂材料の可塑化と貯蔵と射出を同時に行うインライン式射出成形機を用いた射出成形は、螺旋状のフライトを有するスクリュの回転動作によるせん断発熱と、射出シリンダに設けたヒータ等の熱量によって、射出シリンダ内に供給された樹脂材料は、可塑化溶融しスクリュ先端に輸送され、射出シリンダ内に計量樹脂として貯蔵される（計量制御という）。計量樹脂の貯蔵の増加に伴いスクリュは後退動作し、所定の後退位置でスクリュの回転運動を停止してスクリュ位置が保持される。このスクリュの後退動作に抵抗力を負荷して、貯蔵される計量樹脂の溶融混錬性を調整する（背圧制御という）。ここまでを計量工程という。スクリュを前進動作させて、溶融状態の計量樹脂を金型キャビティ内に射出充填する射出工程と、計量樹脂の冷却固化収縮を補う保圧充填の保圧工程と、金型キャビティ内で計量樹脂を冷却固化させる冷却工程を経て、型開して金型キャビティから射出成形品として取り出す。

また、樹脂材料の可塑化と、貯蔵および射出が異なるプリプラ式射出成形機を用いた射出成形においても、計量工程で計量制御と背圧制御が行われて計量樹脂が貯蔵され、射出工程で金型キャビティ内に計量樹脂を射出充填し、その後、保圧工程と冷却工程に進む。つまり、インライン式射出成形機およびプリプラ式射出成形機のいずれにおいても、計量工程は射出成形の起点であり、この計量工程での計量制御と背圧制御の成果物である計量樹脂の溶融混錬性の状態によって、射出成形の品質が決定される。そのため、計量工程に続く射出工程や保圧工程では、計量樹脂の状態を補正することは困難であり、計量工程に関する制御方法が多く提案されている。

ここで、サーボモータ等でスクリュの回転動作と前後進動作の制御を行う電動駆動式の射出装置では、回転動作用のサーボモータの回転数と回転トルクを調整して計量制御が行われ、前後進動作用のサーボモータの回転方向と回転トルクを調整して背圧制御が行われる。また、油圧モータや油圧シリンダ等を備えた油圧駆動式の射出装置では、油圧モータへの油圧の供給量や供給圧を調整して計量制御を行い、油圧シリンダへの油圧の供給圧を調整して背圧制御が行われる。このように、電動駆動式あるいは油圧駆動式のいずれにおいても、計量工程は、スクリュの回転動作による計量制御と、スクリュの後退動作の制限による背圧制御が同時に行われ、その成果物として、計量樹脂の溶融混錬性の状態が決まる。そのため、計量制御と背圧制御を同時に調整可能な計量制御方法の提案が望まれる。

例えば、特許文献１に示すような、スクリュの前後進動作を行う第１サーボモータと、スクリュの回転動作を行う第２サーボモータを設け、スクリュの位置に応じて予め設定した、第２サーボモータの回転速度指令値と第１サーボモータのトルクリミット指令値を用いて、スクリュの回転速度と背圧を制御する計量混錬方式が提案されている。また、特許文献２に示すような、スクリュ回転用サーボモータとスクリュ前後進用サーボモータを設け、２つのサーボモータの回転トルクに摩擦力を差し引いた値に対応するトルクリミット値と、回転数と回転方向をスクリュの位置に応じて予め設定し、この設定値に基づいて計量工程を行うことが提案されている。

特開昭６１－２２０８１７号公報 特公平４－６５３４号公報

ここで、特許文献１に示すように、スクリュ回転速度指令とトルクリミット値とスクリュ切換位置の組合せ条件に基づいて、計量制御と背圧制御を同時に行うとしている。また、特許文献２に示すように、回転数とトルクリミット値と回転方向とスクリュ切換位置の組合せ条件に基づいて、計量制御と背圧制御を同時に行うとしている。しかしながら、供給される樹脂材料の温度や供給量の変動、添加剤を含む樹脂材料の変動、射出装置の加熱温度の変動、成形サイクルの変動、スクリュ部品等の摩耗や滞留樹脂の付着等による経年変動等の変動要因により、樹脂材料の可塑化溶融の程度や計量樹脂の溶融混錬性は大きく変化するが、特許文献１および特許文献２では、変動要因に対して全く記載されていない。また、計量樹脂の貯蔵に伴うスクリュの後退により、樹脂材料の供給口（入口）からスクリュ先端の計量樹脂の貯蔵エリア（出口）までの距離（スクリュ有効長という）は、徐々に短くなる。その結果、可塑化溶融や溶融混錬性は次第に低下してくる。この現象も、上述した変動要因によって変化する。つまり、特許文献１および特許文献２では、変動要因を把握することもできず、計量工程の安定化を満足するものではない。

そこで本発明は、計量樹脂の可塑化溶融や溶融混錬性に影響を与える変動要因を正確に検知でき、高精度な計量工程の安定運転を可能とする、射出成形の計量制御方法を提供することを目的とする。

本発明の射出成形の計量制御方法は、
射出シリンダ内に供給した樹脂材料を、スクリュの回転動作により可塑化溶融し、前記スクリュ前方の前記射出シリンダ内に溶融樹脂を輸送し、前記溶融樹脂の輸送によって、前記スクリュが後方移動し、所定の位置で前記スクリュの回転動作を停止して、前記射出シリンダ内に所定量の溶融樹脂を貯蔵する射出成形の計量制御方法において、
計量動作制御部に設定した回転トルク指令値に基づいて前記スクリュの回転動作を行い、その時の前記スクリュの回転トルク実測値を計測し、射出動作制御部に設定したブレーキトルク指令値に基づいて前記スクリュの後退動作の制限を行い、その時の前記スクリュのブレーキトルク実測値を計測し、前記回転トルク実測値と前記ブレーキトルク実測値を掛け合わせた積を管理トルク値とし、前記管理トルク値が予め設定した管理範囲から外れるとトルク補正を開始する、ことを特徴とする。

本発明の射出成形の計量制御方法において、
前記管理トルク値が予め設定した前記管理範囲から外れる要因が、前記回転トルク実測値の変動による場合の前記トルク補正は、前記回転トルク実測値の変動に対して、相反する方向に前記ブレーキトルク指令値を増減させる、ことが好ましい。

また、本発明の射出成形の計量制御方法において、
前記管理トルク値が予め設定した前記管理範囲から外れる要因が、前記ブレーキトルク実測値の変動による場合の前記トルク補正は、前記スクリュの直径と回転数から算出されるスクリュ回転周速値の許容範囲内で、前記ブレーキトルク実測値の変動に対して、相反する方向に前記回転トルク指令値を増減させる、ことが好ましい。

本発明によれば、計量樹脂の可塑化溶融や溶融混錬性に影響を与える変動要因を正確に検知でき、高精度な計量工程の安定運転を可能とする、射出成形の計量制御方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る射出成形機の概念図である。 本発明の実施形態に係る計量制御方法を示すフロー図である。 トルク補正の手順を示すフロー図である。 管理トルク値の正常状態を示す図である。 管理トルク値の異常状態を示す図である。 第１トルク補正の手順を示す図である。 第２トルク補正の手順を示す図である。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが、各請求項に係る発明の解決手段に必須であるとは限らない。また、本実施形態においては、各構成要素の尺度や寸法が誇張されて示されている場合や、一部の構成要素が省略されている場合がある。

（射出成形機）
先ず、本発明の実施形態に係る射出成形機について、図１を用いて説明する。なお、以下の説明で示す射出成形機として、樹脂材料の可塑化と貯蔵と射出を同時に行うインライン式射出成形機をベースとしたが、これに限定されるものではなく、樹脂材料の可塑化と、貯蔵及び射出が異なるプリプラ式射出成形機であっても良い。また、横型射出成形機をベースとしたが、竪型射出成形機であっても良い。さらに、スクリュの回転動作と前後進動作が電動駆動式の射出成形機としたが、油圧ポンプでスクリュの回転動作を行い、油圧シリンダでスクリュの前後進動作を行う油圧駆動式の射出成形機であっても良く、電動式と油圧式を組合せたハイブリット駆動式の射出成形機であっても良い。樹脂材料を可塑化して貯蔵し金型キャビティ内に射出充填する射出成形機であれば、本発明の実施形態に係る射出成形機として扱うことができる。

図１に示す射出成形機１００は、射出装置１０と、射出成形金型２０と、射出駆動部３０と、射出制御部４０と、型締制御部５０と、を備える。

射出装置１０は、円筒状の射出シリンダ１１と、射出シリンダ１１内に配置されるスクリュ１５と、を備える。射出シリンダ１１にはヒータ１２が複数配置され、図示しない温度調整装置によって所定の温度パターンに加熱制御される。射出制御部４０は、射出駆動部３０を操作して、スクリュ１５の回転動作と前後進動作を制御する。ここで、スクリュ１５の動作に関して、射出成形金型２０に近い方向を前方Ｆ、前方Ｆへの動作を前進動作、射出成形金型２０から離れる方向を後方Ｂ、後方Ｂへの動作を後退動作と定義する。

スクリュ１５は、後方Ｂから前方Ｆに向かって螺旋状のフライト１６を備える。スクリュ１５の回転方向に対して、射出シリンダ１１の後方Ｂの材料ホッパ１３から供給した樹脂材料を前方Ｆへ回転輸送できるように、フライト１６の螺旋状の向きと角度を設定する。なお、図１に示すように、フライト１６は一定の間隔で一定の角度で１条の配置としたが、これに限定されることなく、例えば、間隔や角度を可変してもよく、複数条の配列としても良い。あるいは、スクリュ１５の一部の範囲のみフライト１６を複数条の配列としても良い。

また、スクリュ１５は、後方Ｂから前方Ｆに向かって直径を段階的に大きくした円錐形状とする。つまり、スクリュ１５と射出シリンダ１１との隙間の容積が、後方Ｂから前方Ｆに向かって段階的に小さくなるように設定する。これにより、材料ホッパ１３から供給された樹脂材料は、フライト１６の回転動作により前方輸送され、容積の縮小によりせん断発熱が発生し、ヒータ１２からの熱量の相乗効果により、溶融樹脂が生成される（可塑化溶融という）。生成された溶融樹脂は、逆流防止機能を備えるスクリュ先端部１７を通過して、射出シリンダ１１内に計量樹脂Ｐとして貯蔵される。計量樹脂Ｐの増加に伴い、スクリュ１５は後方Ｂ側に後退移動し、所定の後退位置でスクリュ１５の回転動作を停止させ、その停止位置を保持する。このスクリュ１５の後退動作に制限をかけて（計量背圧という）、計量樹脂の溶融混錬性を調整する（背圧制御という）。ここまでを計量工程という。射出工程は、スクリュ１５を前進させて、射出成形金型２０に向けて計量樹脂Ｐを射出充填する。

射出成形金型２０は、固定金型２１と可動金型２２が図示しない型締装置に支持され、型締制御部５０によって型締装置が操作され、固定金型２１と可動金型２２の型締により金型キャビティ２４が形成される。射出装置１０に貯蔵された計量樹脂Ｐは、樹脂流路２３を経由して、金型キャビティ２４内に射出充填される。射出充填された溶融樹脂が冷却され、金型キャビティ２４から取り出したものが射出成形品となる。

ここで、射出成形に用いる樹脂材料として、例えば、自動車内装部品においては、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂やポリエチレン（ＰＥ）樹脂等の熱可塑性樹脂に、黒や赤や青等の着色剤を添加して部品の色調を調整することが一般的である。また、熱可塑性樹脂に対して柔軟性を与える可塑剤、結晶性樹脂に対して結晶化度を制御する核剤や透明化剤、燃焼を抑制する難燃剤、静電気の帯電を抑制する帯電防止剤、流動性や離型性を改善する滑剤、紫外線による劣化を抑制する対候剤や紫外線劣化防止剤、ガラス繊維や炭素繊維等の強化剤等の各種の添加剤が適宜選択される。また、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂やポリエチレン（ＰＥ）樹脂等の汎用樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂やポリカーボネイト（ＰＣ）樹脂等のエンジニアリング樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂等の超エンジニアリング樹脂等の熱可塑性樹脂が適宜選択される。熱可塑性樹脂と添加剤を合わせて樹脂材料という。なお、熱可塑性樹脂の代わりに、例えば、フェノール（ＰＦ）樹脂やメラニン（ＭＦ）樹脂等の熱硬化性樹脂を用いても良い。

射出駆動部３０は、スクリュ１５の回転動作を行う計量モータ３１と、スクリュの前後進動作を行う射出モータ３４の電動駆動式とした。計量モータ３１の回転動作は、回転伝達機構３２によってスクリュ駆動軸３９に伝達される。スクリュ駆動軸３９とスクリュ１５は連結具１８により一体化されている。これにより、計量モータ３１の回転動作は、回転伝達機構３２、スクリュ駆動軸３９、連結具１８を介してスクリュ１５に伝達され、スクリュ１５の回転動作となる。また、射出モータ３４の回転動作は、回転伝達機構３５を介して、ボールネジ機構３７に伝達される。ボールネジ機構３７で回転動作を直線動作に変換して、支持部材３８とスクリュ駆動軸３９を介して、スクリュ１５の前後進動作を行う。ここで、計量モータ３１の回転方向に関して、スクリュ１５の回転によって樹脂材料が前方Ｆ側に輸送される回転を正回転とし、正回転と反対方向の回転を逆回転と定義する。また、射出モータ３４の回転方向に関して、スクリュ１５が前進動作する回転を前進回転とし、スクリュ１５が後退動作する回転を後退回転と定義する。

ここで、計量モータ３１および射出モータ３４は、回転方向や回転速度を高精度に制御できるＡＣサーボモータとすることが好ましいが、例えば、コスト優先で供給電流を操作して回転速度を簡易的に制御できるインバータモータであっても良い。また、回転伝達機構（３２、３５）は、図１に示すように、プーリーとベルトを組合せたものとしたが、これに限定されることなく、例えば、駆動歯車と従動歯車を組合せたものでも良く、チェーンとスプロケットを用いたものであっても良い。また、ボールネジ機構３７は便宜上１つとしたが、上下左右に複数の配置としても良い。ボールネジ機構３７の代わりに、例えば、ラックとピニオンを組合せた変換装置を用いても良い。計量モータ３１と射出モータ３４の配置は、任意に変更しても良い。また、計量モータ３１の代わりに油圧モータを用い、射出モータ３４の代わりに油圧シリンダを用いた油圧駆動式としても良く、電動駆動式と油圧駆動式を組合せたハイブリット駆動式であっても良い。

射出制御部４０は、計量モータ３１の回転動作を制御する計量動作制御部４１と、射出モータ３４の回転動作を制御する射出動作制御部４２と、計量動作制御部４１および射出動作制御部４２と接続され、射出工程と計量工程を制御する射出計量制御部４３と、を備える。また、射出計量制御部４３は型締制御部５０とも接続され、射出装置１０と型締装置を同時に制御して射出成形が行われる。計量モータ３１と射出モータ３４には、回転方向と回転速度を計測するエンコーダ（３３、３６）がそれぞれに装備され、エンコーダ（３３、３６）の検出信号は、計量動作制御部４１および射出動作制御部４２に転送される。また、計量動作制御部４１および射出動作制御部４２には、トルク計測機能を備えており、計量モータ３１の回転トルク実測値および射出モータ３４のブレーキトルク実測値を計測することができる。

これにより、計量動作制御部４１に設定した回転トルク指令値に基づいて、計量モータ３１を操作して（正回転）、計量工程中のスクリュ１５の回転動作の計量制御が行われる。その時の、計量モータ３１の回転トルク実測値を計量動作制御部４１で計測する。同様に、射出動作制御部４２に設定したブレーキトルク指令値に基づいて、射出モータ３４を操作して（逆回転）、計量工程中のスクリュ１５の後退動作に制限をかけて背圧制御が行われる。その時の、射出モータ３４のブレーキトルク実測値を射出動作制御部４２で計測する。エンコーダ（３３、３６）からの検出信号は、計量モータ３１および射出モータ３４の回転方向と回転速度の実測値として扱われる。同時に、計量工程中のスクリュ１５の後退動作の位置として、射出動作制御部４２で処理される。

ここで、回転トルク実測値およびブレーキトルク実測値は、計量モータ３１および射出モータ３４の駆動に要した消費電力を用いることとする。なお、これに限定することなく、例えば、計量モータ３１および射出モータ３４の定格電力に対する消費電力の比率（負荷率という）を用いても良い。なお、油圧駆動式の場合は、油圧モータへの油圧の供給圧を回転トルク実測値とし、油圧シリンダへの油圧の供給圧をブレーキトルク実測値とする。また、計量モータ３１および射出モータ３４の回転方向と回転速度の計測は、例えば、それぞれの回転伝達機構（３２、３８）に回転計測センサを取付けて計測するとしても良く、スクリュ駆動軸３９またはボールネジ機構３７に回転計測センサを取付けるとしても良い。また、スクリュ１５の前後進動作の位置計測は、スクリュ駆動軸３９またはボールネジ機構３７に位置計測センサを取付けて計測するとしても良い。

（計量制御方法）
次に、本発明の実施形態に係る計量制御方法について、図２と図３を用いて説明する。先ず、図２に示すように、計量工程における計量制御は、計量動作制御部４１に設定した回転トルク指令値に基づいて、計量モータ３１を正回転方向に操作して、スクリュ１５の回転動作を制御する。この回転トルク指令は、計量制御のスクリュ回転速度として設定される。その時の、計量モータ３１の回転トルク実測値を計量動作制御部４１で計測する。材料ホッパ１３から供給された樹脂材料は、スクリュ１５の回転動作によるせん断発熱を受けて可塑化溶融し、スクリュ１５の前方Ｆ側に回転輸送される。この回転輸送時に、可塑化した溶融樹脂は混錬作用を受ける。つまり、スクリュ１５の回転動作の回転運動エネルギーは、可塑化溶融と回転輸送と混錬作用を調整する計量制御として消費される。つまり、計量工程中の回転トルク実測値を計測することによって、回転運動エネルギーを正確に算出でき、可塑化溶融と回転輸送と混錬作用を調整する計量制御の状態を把握することができる。

また、計量工程における背圧制御は、射出動作制御部４２に設定したブレーキトルク指令値に基づいて、射出モータ３４を逆回転方向に操作して、計量樹脂の貯蔵に伴うスクリュ１５の後退動作の制限を制御する。その時の、スクリュ１５のブレーキトルク実測値を射出動作制御部４２で計測する。射出モータ３４に所定の正回転トルク値を負荷し、スクリュ１５の後退動作の力が正回転トルク値を上回った時に、正回転トルク値を維持するように、射出モータ３４が逆回転してスクリュ１５が後退する（背圧制御という）。この時の射出モータ３４に負荷した正回転トルク値がブレーキトルク指令値であり、計量工程の背圧値として設定される。ブレーキトルク指令値により、スクリュ１５の後退速度が減速され、速度差（減速エネルギー）が生じる。この減速エネルギーは、スクリュ１５の前方Ｆ側に回転輸送される溶融樹脂に圧力をかけて、計量樹脂の溶融混錬性と樹脂密度を調整する背圧制御として消費される。つまり、計量工程中のブレーキトルク実測値を計測することによって、減速エネルギーを正確に算出でき、計量樹脂の溶融混錬性と樹脂密度を調整する背圧制御の状態を把握することができる。

さらに、回転トルク実測値とブレーキトルク実測値を掛け合わせた積を管理トルク値とし、この管理トルク値を用いて計量工程の計量制御と背圧制御および計量樹脂の状態の評価を行うことを特徴とする。さらに、管理トルク値を用いて計量工程の補正を行うことを特徴とする。スクリュ１５の回転動作の回転運動エネルギーと、スクリュ１５の後退速度の減速エネルギーの掛け算により計量工程が制御され、２つのエネルギーのバランスが重要である。そのため、管理トルク値による計量工程の制御が好適である。

また、供給される樹脂材料の温度や供給量の変動、添加剤を含む樹脂材料の変動、射出装置の加熱温度の変動、成形サイクルの変動、スクリュ部品等の摩耗や滞留樹脂の付着等による経年変動等の変動要因により、可塑化溶融と回転輸送と混錬作用の可塑化調整の状態、および溶融混錬性と樹脂密度の樹脂調整の状態が変動する。また、計量樹脂の貯蔵に伴うスクリュ１５の後退は、樹脂材料の入口（材料ホッパ１３）から出口（計量樹脂Ｐ）までの距離を示すスクリュ有効長を短くし、計量工程の途中から可塑化調整と樹脂調整の状態が次第に低下する。これらの現象は、従来技術では変動を予測することは困難であったが、管理トルク値を用いることによって、変動を精度良く検知でき、直ちに補正を行い、射出成形の安定生産を継続することを可能とする。

管理トルク値が予め設定した管理範囲内の場合は、計量工程の安定運転が保証され、射出成形が継続される。管理トルク値が管理範囲を超過した場合は、直ちにトルク補正を開始する。その場合、回転トルク実測値の変動が確認されれば、第１トルク補正を実行する。また、ブレーキトルク実測値の変動が確認されれば、第２トルク補正を実行する。これ以外の状況に関しては、その他の補正を検討する。

第１トルク補正は、図３（ａ）に示すように、回転トルク実測値の変動（下降または上昇）に対して、相反する方向にブレーキトルク指令値を補正（上昇または下降）する。この補正によって、管理トルク値は管理範囲内に復帰する。管理トルク値の復帰を確認後に第１トルク補正を完了し、計量工程の安全運転が再開される。なお、ブレーキトルク指令値の補正を行っても、管理トルク値が管理範囲内に復帰しない場合は（図中の破線）、その他の補正の検討に進む。

第２トルク補正は、図３（ｂ）に示すように、ブレーキトルク実測値の変動（上昇または下降）に対して、相反する方向に回転トルク指令値を補正（下降または上昇）する。この補正によって、管理トルク値は管理範囲内に復帰する。なお、回転トルク指令値の補正において、スクリュ直径Ｄ（単位ｍｍ）とスクリュ回転数Ｎ（単位ｒｐｍ）を掛け合わせた積をスクリュ回転周速値ＤＮとし、このスクリュ回転周速値ＤＮ＝６０００～１８０００を許容範囲とする。スクリュ回転周速値ＤＮが６０００以下では、回転運動エネルギーが低過ぎて、樹脂材料を可塑化溶融して前方輸送する能力が極端に低下し、計量工程の安定運転が確保できない。また、スクリュ回転周速値ＤＮが１８００超過では、回転運動エネルギーが過度過ぎて、せん断発熱が過大となり樹脂材料が熱劣化する危険性が高まることから、計量工程の安定運転が確保できない。そのため、スクリュ回転周速値ＤＮが許容範囲から外れる場合は、その他の補正の検討に進む。スクリュ回転周速値ＤＮが許容範囲内で、管理トルク値が管理範囲内に復帰したことを確認後に、第２トルク補正を完了し、計量工程の安全運転が再開される。なお、回転トルク指令値の補正を行っても、管理トルク値が管理範囲内に復帰しない場合は（図中の破線）、その他の補正の検討に進む。

（管理トルク値）
次に、本発明の実施形態に係る計量制御方法の管理トルク値について、図４と図５を用いて説明する。図４は管理トルク値の正常な状態を示し、図５は管理トルク値の異常な状態の一例を示す。横軸は、計量工程におけるスクリュ１５の位置を示し、図の左側の計量開始位置から右側の計量完了位置に向かって、計量樹脂Ｐの貯蔵に伴うスクリュ１５の後退動作を示し、計量完了位置で計量工程を終える。縦軸は、射出モータ３４と計量モータ３１のトルク指令値／実測値、と管理トルク値を示す。

先ず、図４（ａ）に示すように、射出動作制御部４２は、ブレーキトルク指令値ＢＴに基づいて、射出モータ３４を逆回転方向に操作して、計量工程の背圧制御を行う。ブレーキトルク実測値ＢＺ１は、上限値ＢＴＨと下限値ＢＴＬの範囲内の収まっており、安定した背圧制御が行われていることを示す。ここで、上限値ＢＴＨおよび下限値ＢＴＬは、例えば、過去の射出成形の実績から良品が確実に取得できる範囲を設定する。

次に、図４（ｂ）に示すように、計量動作制御部４１は、回転トルク指令値ＲＴに基づいて、計量モータ３１を正回転方向に操作して、計量工程の計量制御を行う。回転トルク実測値ＲＺ１は、上限値ＲＴＨと下限値ＲＴＬの範囲内に収まっており、安定した計量制御が行われていることを示す。ここで、上限値ＲＴＨおよび下限値ＲＴＬは、例えば、過去の射出成形の実績から良品が確実に取得できる範囲を設定する。

ブレーキトルク実測値ＢＺ１および回転トルク実測値ＲＴ１が安定していることから、図４（ｃ）に示すように、管理トルク値ＫＺ１も安定した計量工程の正常な状態を示す。ここで、上限値ＫＴＨおよび下限値ＫＴＬは、例えば、過去の射出成形の実績から良品が確実に取得できる範囲とし、管理範囲ＫＨとして設定する。基準値ＫＴは、管理範囲ＫＨの平均値である。

次に、計量工程の異常な状態について、図５を用いて説明する。図５（ａ）に示すように、ブレーキトルク実測値ＢＺ１は、上限値ＢＴＨと下限値ＢＴＬの範囲内の収まっており、安定した背圧制御が行われている。これに対して、図５（ｂ）に示すように、回転トルク実測値ＲＺ２は、計量工程の後半に大きく変動し、下限値ＲＴＬから外れ、計量完了に向かって徐々に低下し、スクリュ１５の計量制御が不安定な状態を示す。このような現象は、例えば、計量樹脂量が極端に多く、スクリュの後退量が大きく増えて、スクリュ有効長が極端に短くなるような場合に生じやすい。また、材料ホッパ１３が詰まる等により樹脂材料の供給量が不安定な場合や、スクリュ１５の後方Ｂ側で樹脂材料が詰まって回転輸送が低下した場合によっても生じることがある。

逆に、回転トルク実測値ＲＺ２が上昇することもあり、例えば、ガラス繊維等の融点の高い添加剤が、回転輸送されずにスクリュ１５内に多量に堆積した場合に生じることがある。また、回転トルク実測値ＲＺ２が大きく振幅して上限値ＲＴＨまたは下限値ＲＴＬから外れることもある。例えば、融点の異なる樹脂材料を混合した場合や、溶融粘度の低い樹脂材料に溶融粘度の高い添加剤を多量に含む樹脂材料の場合に、スクリュ１５内での可塑化溶融や回転輸送が不規則に変動し、その結果、回転トルク実測値ＲＺ２に振幅が現れることがある。このように、回転トルク実測値ＲＺ２を計測することで、計量工程中の可塑化溶融や回転輸送の計量制御の変動を的確に検知することができる。

ブレーキトルク実測値ＢＺ１は安定状態であるが、回転トルク実測値ＲＺ２が変動する場合は、図５（ｃ）に示すように、管理トルク値ＫＺ２が変動する。つまり、管理トルク値を管理することによって、計量工程中の計量制御および背圧制御の状態を的確に判定することができる。さらに、実測値がブレーキトルク実測値または回転トルク実測値のどちら側が変動しているかを確認することで、計量工程中の変動に関連する想定原因が明確となり、直ちに的確な補正を行い、正常な計量工程に復帰させることができる。ここで、管理トルク値ＫＺ２が下限値ＫＴＬより低下し管理範囲ＫＨから外れるスクリュ１５の位置を、補正開始位置ＳＨとし、これ以降の計量工程を補正するものとする。

（トルク補正手順）
次に、本発明の実施形態に係る、管理トルク値を用いた計量工程の補正手順について、図６と図７を用いて説明する。図６は第１トルク補正の手順を示し、図７は第２トルク補正の手順を示す。横軸および縦軸は、図４および図５と同じである。また、図２および図３に示したように、管理トルク値が管理範囲ＫＨから逸脱し、回転トルク実測値が変動している場合は第１トルク補正を行い、ブレーキトルク実測値が変動している場合は第２トルク補正を行う。図５に示すような事例では、回転トルク実測値ＲＺ２が変動しているので、図６に示すような、第１トルク補正となる。

先ず、図６（ａ）に示すように、計量開始から補正開始位置ＳＨまでの回転トルク実測値ＲＺ２は安定しているので、そのままの状態を継続させる。補正開始位置ＳＨから計量完了に向かって、下限値ＲＴＬを外れて、回転トルク実測値ＲＺ２が徐々に低下している（マイナス側への変動）。計量完了の時点では、回転トルク実測値ＲＺ３まで低下し、回転トルク指令値ＲＴとは偏差Ｅ１を示す。回転トルク実測値ＲＺ２の変動により、図５（ｃ）に示すように、管理トルク値は不安定な状態となり、管理範囲ＫＨから逸脱する。

そのため、補正開始位置ＳＨから計量完了の範囲内においては、図６（ｂ）に示すような、第１トルク補正を行う。第１トルク補正は、管理トルク値が管理範囲ＫＨの範囲内に復帰するように、射出動作制御部４２に設定したブレーキトルク指令値ＢＴを補正する。例えば、偏差Ｅ１（マイナス側）に相反する偏差Ｅ２（プラス側）を、ブレーキトルク指令値ＢＴに加算する補正を行う。この補正は、補正開始位置ＳＨから計量完了の範囲で、スクリュ１５の位置を細分化して連続的に行う。その結果、ブレーキトルク実測値ＢＺ２は、補正開始位置ＳＨから計量完了に向かってプラス側に補正され、回転トルク実測値ＲＺ３と相反する計量完了のブレーキトルク実測値ＢＺ３を示す。このように、マイナス側の変動に対して相反するプラス側の補正を行うことで、図６（ｃ）に示すように、管理トルク値ＫＺ３は管理範囲ＫＨ内に復帰し、安定した計量工程が再開される。

次に、ブレーキトルク実測値が変動している場合の第２トルク補正について、図７を用いて説明する。図７（ａ）に示すように、ブレーキトルク実測値ＢＺ４は、計量開始から補正開始位置ＳＨまでは安定しており、補正開始位置ＳＨから計量完了に向かって、上限値ＲＴＨを外れて、徐々に増加している（プラス側への変動）。計量完了の時点では、ブレーキトルク実測値ＢＺ５まで増加し、ブレーキトルク指令値ＢＴとは偏差Ｅ３を示す。ブレーキトルク実測値ＢＺ４の変動により、管理トルク値は不安定な状態となり、管理範囲ＫＨから逸脱する。

ここで、ブレーキトルク実測値ＢＺ４の変動は、例えば、射出シリンダ１１の加熱温度やスクリュ１５の回転速度の変動により、樹脂材料の回転輸送量が変動したことで生じることがある。また、供給する樹脂材料の温度変動によっても、可塑化溶融と回転輸送の状態が変動するので、ブレーキトルク実測値ＢＺ４は変動しやすい。また、融点や溶融粘度の異なる樹脂材料をブレンドした樹脂材料を用いた場合や、比重や溶融温度の異なる添加剤を多量に含む樹脂材料を用いた場合、あるいは、大きさや形状がばらついている樹脂材料を用いた場合にも、可塑化溶融や回転輸送の状態が変動しやすく、ブレーキトルク実測値ＢＺ４の変動となる。さらに、滞留して劣化した樹脂材料のスクリュ１５および射出シリンダ１１への付着状態によっても変動することがある。

補正開始位置ＳＨから保圧完了の範囲内においては、図７（ｂ）に示すような、第２トルク補正を行う。第２トルク補正は、管理トルク値が管理範囲ＫＨの範囲内に復帰するように、計量動作制御部４１に設定した回転トルク指令値ＲＴを補正する。例えば、偏差Ｅ３（プラス側）に相反する偏差Ｅ４（マイナス側）を、回転トルク指令値ＲＴに減算する補正を行う。この補正は、補正開始位置ＳＨから計量完了の範囲で、スクリュ１５の位置を細分化して連続的に行う。その結果、回転トルク実測値ＢＲ４は、補正開始位置ＳＨから計量完了に向かってマイナス側に補正され、ブレーキトルク実測値ＢＺ５と相反する計量完了の回転トルク実測値ＲＺ５を示す。このように、プラス側の変動に対して相反するマイナス側の補正を行うことで、図７（ｃ）に示すように、管理トルク値ＫＺ４は管理範囲ＫＨ内に復帰し、安定した計量工程が再開される。なお、第２トルク補正は、スクリュ直径Ｄ（単位ｍｍ）とスクリュ回転数Ｎ（単位ｒｐｍ）を掛け合わせた積のスクリュ回転周速値ＤＮ＝６０００～１８０００の範囲内で行う。

ここで、図２および図３で説明したように、第１トルク補正および第２トルク補正の条件に該当せず、また、第１トルク補正あるいは第２トルク補正を行っても、管理トルク値が管理範囲ＫＨ内に復帰しない場合は、その他の補正を行う。例えば、成形サイクルを長めに設定して射出シリンダ１１内での滞留時間を増やして、樹脂材料に十分な予熱を与えることによって、樹脂材料の変動要因を小さくして、計量工程への影響を緩和するとしても良い。あるいは、材料予熱や乾燥装置等を用いて、樹脂材料を十分に予熱するまたは乾燥することで、樹脂材料の温度変動を小さくすることができる。または、添加剤の変動量の少ない樹脂材料に交換する、サイズの揃った樹脂材料に交換する、樹脂材料から異物等を綺麗に除去する、空輸送機を用いた樹脂材料の圧送時に樹脂材料の分離を回避する等も、樹脂材料の変動を小さくすることができ、計量工程の変動を抑制することができる。また、形状の異なるスクリュ１５に交換する、定期的にスクリュ１５等を清掃して滞留劣化樹脂を除去する、容量の大きい射出装置を用いる、制御装置を含め射出成形機のメンテナンスを行う、等の大掛かりな補正も視野に入れておくことが必要である。

（効果）
このように、計量モータ３１の回転トルク実測値と射出モータ３４のブレーキトルク実測値を掛け合わせた積の管理トルク値を用いて、射出成形の計量制御方法を行う。その結果、計量工程中の良否状態を的確に判定することができ、計量樹脂の可塑化溶融や溶融混錬性に影響を与える変動要因を正確に検知できる。さらに、計量工程中の異常状態を精度良く検知でき、想定される原因を明確にすることができ、直ちに的確な補正を行うことができる。これによって、早期に正常な計量工程に復帰させることができ、外乱の変動要因に影響を受けることなく、高品質な射出成形の安定運転を提供することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に記載された範囲には限定されない。上記の実施形態には多様な変更または改良を加えることが可能である。

１００ 射出成形機
１０ 射出装置
１１ 射出シリンダ
１２ ヒータ
１３ 材料ホッパ
１５ スクリュ
１６ フライト
１７ スクリュ先端部
１８ 連結具
Ｆ 前方
Ｂ 後方
Ｐ 計量樹脂
２０ 射出成形金型
２１ 固定金型
２２ 可動金型
２３ 樹脂流路
２４ 金型キャビティ
３０ 射出駆動部
３１ 計量モータ
３２、３５ 回転伝達機構
３３、３６ エンコーダ
３４ 射出モータ
３７ ボールネジ機構
３８ 支持部材
３９ スクリュ駆動軸
４０ 射出制御部
４１ 計量動作制御部
４２ 射出動作制御部
４３ 射出計量制御部
５０ 型締制御部
Ｄ スクリュ直径
Ｎ スクリュ回転数
ＤＮ スクリュ回転周速値
ＢＴ ブレーキトルク指令値
ＢＺ１～ＢＺ５ ブレーキトルク実測値
ＢＴＨ、ＲＴＨ、ＫＴＨ 上限値
ＢＴＬ、ＲＴＬ、ＫＴＬ 下限値
ＲＴ 回転トルク指令値
ＲＺ１～ＲＺ５ 回転トルク実測値
ＫＺ１～ＫＺ４ 管理トルク値
ＫＴ 基準値
ＫＨ 管理範囲
ＳＨ 補正開始位置
Ｅ１～Ｅ４ 偏差

Claims (3)

1. 射出シリンダ内に供給した樹脂材料を、スクリュの回転動作により可塑化溶融し、前記スクリュ前方の前記射出シリンダ内に溶融樹脂を輸送し、前記溶融樹脂の輸送によって、前記スクリュが後方移動し、所定の位置で前記スクリュの回転動作を停止して、前記射出シリンダ内に所定量の溶融樹脂を貯蔵する射出成形の計量制御方法において、
   計量動作制御部に設定した回転トルク指令値に基づいて前記スクリュの回転動作を行い、その時の前記スクリュの回転トルク実測値を計測し、射出動作制御部に設定したブレーキトルク指令値に基づいて前記スクリュの後退動作の制限を行い、その時の前記スクリュのブレーキトルク実測値を計測し、前記回転トルク実測値と前記ブレーキトルク実測値を掛け合わせた積を管理トルク値とし、前記管理トルク値が予め設定した管理範囲から外れるとトルク補正を開始する、ことを特徴とする射出成形の計量制御方法。
2. 前記管理トルク値が予め設定した前記管理範囲から外れる要因が、前記回転トルク実測値の変動による場合の前記トルク補正は、前記回転トルク実測値の変動に対して、相反する方向に前記ブレーキトルク指令値を増減させる、請求項１記載の射出成形の計量制御方法。
3. 前記管理トルク値が予め設定した前記管理範囲から外れる要因が、前記ブレーキトルク実測値の変動による場合の前記トルク補正は、前記スクリュの直径と回転数から算出されるスクリュ回転周速値の許容範囲内で、前記ブレーキトルク実測値の変動に対して、相反する方向に前記回転トルク指令値を増減させる、請求項１記載の射出成形の計量制御方法。

Images