JP3724504B1 - 電動式射出成形機の圧力制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロードセル等の圧力検出器を用いることなく、精度の高い安定した推力制御を行う。
【解決手段】 射出成形機のスクリュー１３とこれを駆動するモータ１１とがベルトを含む伝達系１２を介して結合された電動式射出成形機におけるモータ１１の角速度ω^Ｍが検出される。この検出されたモータ１１の角速度ω^Ｍとモータ１１に与えられているトルク指令値Ｔ^ＣＭＤとからオブザーバに基づいてスクリュー１３の角速度推定値ω^Ｌ＾、伝達系のベルトの張力推定値Ｆ＾及び樹脂圧力推定値δ^が求められる。検出されたモータの角速度ω^Ｍ、並びに求められたスクリューの角速度推定値ω^Ｌ＾、ベルトの張力推定値Ｆ＾及び樹脂圧力推定値δ^がフィードバックされて樹脂圧力設定値δ^ＲＥＦに追従させるようにモータ１１が制御される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動式射出成形機の圧力制御方法および装置に関し、特にスクリューとモータとがそれぞれの回転軸に装着されたプーリを介してベルトによって連結される伝達系を有する電動式射出成形機の圧力制御方法及び装置に関する。

従来から使用されている一般的な電動成形機は、制御対象（型開閉、押出、ノズルタッチ等）に圧力検出器を用いて圧力を検出し、圧力検出器からの信号をもとに閉ループ系の制御回路を構成して推力を制御している。
具体的には、例えば射出圧力を制御する場合には、スクリューの根元の部分等にロードセルを配してこのロードセルによりスクリューを押す力（前進力）を圧力の形態で検出し、この検出した圧力に基づいてロードセルで検出される圧力が所望の圧力になるようにフィードバック制御を行うことにより、スクリューの推力を制御するようにしている。

しかし、ロードセル等の一般的な圧力検出器から出力される測定信号は、微弱なアナログ信号である。電動式の射出成形機は、ノイズ発生源となる電動機器を大量に使用しており、ロードセルから出力される微弱なアナログ信号に電動機器類から発生したノイズが乗って、推力をうまく制御することができないという現象が生じる場合があった。そのため、ロードセルラインからのアナログ信号ラインには、多段のノイズフィルタ等といった装置を設置して、ノイズによる制御不良を防止しているが、完全に無くすことは極めて困難である。

また、ロードセルを調整する際には、アンプのゼロ点調整やスパン調整等といった人手による作業が必要である。そのため、調整する人によって、調整状態が微妙に異なり、その結果、制御状態が個々に異なるといった不具合がある。

そこで、電動モータの角速度又は回転角度と、駆動電流又はトルクとから、状態方程式を用いて樹脂圧力制御に使用される現在の樹脂圧力値を推定するようにしたセンサレス型の樹脂圧力推定方法が開示されている（特許文献１：米国特許第６，６９５，９９４号）。この樹脂圧力推定方法においては、ピストンの前進運動が樹脂に及ぼす力を示す状態方程式を例えば数１のように算出する（Ｆｉｇ．９〜１３参照）。

ここでＥ１は樹脂圧力方程式、Ｅ２は注入力方程式、Ｅ３はモータ加速度方程式である。また、Ｐ_ＭＥＬＴ：樹脂圧力値、Ｆ_ｉｎｊ：注入力、Ａ_{ＢＡＲＲＥＬ}：成形空間面積、ｅ_Ｓ：ボールスクリュー係数、ｅ_Ｂ：ベルト係数、Ｎ_ＳＰ/Ｎ_ＭＰ：ボールスクリューとモータの伝達プーリの直径比、ｌ：ボールスクリュー導入長、Ｔ_２：トルク計測値、Ｊ_ＴＯＴ：慣性モーメント、α：モータの角加速度、Ｔ_Ｕ：軸受の摩擦トルク、Ｆ_ＬＯＳＳ：損失力、ω：角速度である。
米国特許第６，６９５，９９４号、２５頁１６欄４２行〜２６頁１８欄６１行、図９〜１３

しかし、上述した特許文献１に開示された樹脂圧力推定方法では、樹脂圧力推定のため、得られた電動モータのトルク指令値及び角速度から、数１に示した状態方程式を直接解いて樹脂圧力Ｐ_ＭＥＬＴを求めるようにしているので、式中にＥ３で示す微分項が含まれることになり、ノイズに対する耐性が低下し、結果として精度の良い樹脂圧力制御が困難であるという問題がある。

また、スクリューとモータとがそれぞれの回転軸に装着されたプーリを介してベルトによって連結された電動式射出成形機では、ＶＰ切換時等にベルトの張力や２次側速度（ω^Ｌ）に振動が発生し、これが安定制御を阻害する要因になっているという問題がある。

本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、ロードセル等の圧力検出器を用いることなく、精度の高い安定した推力制御を行うことができる電動式射出成形機の圧力制御方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電動射出成形機の圧力制御方法は、射出成形機のスクリューとこれを駆動するモータとがベルトを含む伝達系を介して結合された電動式射出成形機の圧力制御方法において、前記モータの角速度ω^Ｍを検出し、この検出されたモータの角速度ω^Ｍと前記モータに与えられているトルク指令値Ｔ^ＣＭＤとからオブザーバに基づいて前記スクリューの角速度推定値ω^Ｌ＾、伝達系のベルトの張力推定値Ｆ＾及び樹脂圧力推定値δ^を求め、モータの角速度ω^Ｍ、スクリューの角速度推定値ω^Ｌ＾、ベルトの張力推定値Ｆ＾及び樹脂圧力推定値δ^をフィードバックさせて樹脂圧力設定値δ^ＲＥＦに追従させるように前記モータを制御することを特徴とする。

本発明で定義される「オブザーバ（状態観測器）」とは、状態変数を推定する（状態変数に収束する）ように表現した微分方程式を解いて制御対象の出力とモデルの出力が一致するように状態変数の推定値を得る方程式である。このように予め微分方程式を解いて作った本発明の「オブザーバ」は、実際に樹脂圧力推定値δ^を得る際に微分する必要がない。
前記オブザーバは、例えば下記数２のように表される。

但し、ｄ_１〜ｄ_４：所定の係数
Ｊ^Ｍ：モータ側の慣性モーメント
ω^Ｍ：モータの角速度
Ｒ^Ｍ：モータ側のプーリ半径
Ｆ：ベルトの張力
Ｋ_ｂ：ベルトのバネ定数
Ｊ^Ｌ：スクリュー側の慣性モーメント
ω^Ｌ：スクリュー側の角速度
Ｒ^Ｌ：スクリュー側のプーリ半径
Ｆ_ｄ（ω^Ｌ）：スクリュー側の動摩擦抵抗

また、本発明に係る電動射出成形機の圧力制御装置は、射出成形機のスクリューを、ベルトを含む伝達系を介して前進させるモータの角速度ω^Ｍと前記モータに与えられているトルク指令値Ｔ^ＣＭＤとからオブザーバに基づいて前記スクリューの角速度推定値ω^Ｌ＾、伝達系のベルトの張力推定値Ｆ＾及び樹脂圧力推定値δ^を求めるオブザーバ演算手段と、前記モータの角速度ω^Ｍ、前記オブザーバ演算器で求められた前記スクリューの角速度推定値ω^Ｌ＾、伝達系のベルトの張力推定値Ｆ＾及び樹脂圧力推定値δ^から前記モータのトルク指令値Ｔ^ＣＭＤを算出し、前記モータにフィードバックするトルク演算手段とを備えたことを特徴とする。

なお、ここで、樹脂圧力推定値δ^及び樹脂圧力設定値δ^ＲＥＦにおける「樹脂圧力」とは、射出成形機のスクリューが樹脂を押す力であり、従来のロードセルが検出しているスクリューを押す力とは異なる。すなわち、スクリューの推力制御のうちの制御対象が従来と本願発明とは異なっている。

本発明によれば、射出成形機のスクリューを前進させるモータの角速度ω^Ｍを求め、この求められた角速度ω^Ｍからオブザーバ理論によって樹脂圧力推定値δ^を求めると共に、この樹脂圧力推定値δ^が樹脂圧力設定値δ^ＲＥＦに追従するように前記モータを制御するようにしているので、ロードセル等の圧力検出器を一切使用せずに、樹脂圧力を精度良く制御することができる。
また、本発明では、予め樹脂圧力推定値δ^の算出式に微分を含まないので、ノイズに対する耐性も高い。

更に、本発明によれば、モータの角速度ω^Ｍとモータに与えられているトルク指令値Ｔ^ＣＭＤとからオブザーバに基づいてスクリューの角速度推定値ω^Ｌ＾、伝達系のベルトの張力推定値Ｆ＾及び樹脂圧力推定値δ^を求め、求められたスクリューの角速度推定値ω^Ｌ＾、伝達系のベルトの張力推定値Ｆ＾についてもフィードバックさせているので、伝達系に起因する振動を抑制して安定性を上げることができる。この結果、圧力制御ゲインを上げて応答性を上げられるという効果を奏することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電動式射出成形機の圧力制御装置の構成を示すブロック図である。
射出機構１を構成する制御対象であるモータ１１は、伝達系１２を介して図示しない射出シリンダ内でスクリュー１３を前後移動させるための射出用モータである。モータ１１には、その位置情報（回転角θ）を検出し、モータの角速度ω^Ｍを出力するエンコーダ１４が連結されている。エンコーダ１４からの角速度ω^Ｍは制御装置２にフィードバックされている。

制御装置２には、オブザーバ演算器２１が設けられている。オブザーバ演算器２１は、エンコーダ１４からのモータ角速度ω^Ｍとモータ１１に対するトルク指令値Ｔ^ＣＭＤとを入力し、スクリューの角速度ω^Ｌ、伝達系１３のベルト張力Ｆ及び樹脂圧力δを推定する。モータ角速度ω^Ｍ、スクリューの角速度推定値ω^Ｌ＾、伝達系１３のベルト張力Ｆ＾及び樹脂圧力δ＾は、乗算器２２，２３，２４，２５でそれぞれｋ_１，ｋ_２，ｋ_３，ｋ_４を乗算されてフィードバックされ、減算器２６，２７，２８，２９にて樹脂圧力設定値δ^ＲＥＦから減算され、その誤差信号が定常偏差補償器３０に入力されてトルク指令値Ｔ^ＣＭＤが求められ、制御対象であるモータ１１にフィードバックされるようになっている。

図２は、射出機構１の伝達系１２の詳細を示す図である。
モータ１１の回転軸１２１にはプーリ１２２が結合され、このプーリ１２２がベルト１２３を介してロード側のプーリ１２４と連結され、このプーリ１２４の回転軸１２５の回転でスクリュー１３を回転させる。ここで、モータ１１側の慣性モーメントＪ^Ｍ、角速度ω^Ｍ及びプーリ半径Ｒ^Ｍ、ベルト１２３の張力Ｆ、バネ定数Ｋ_ｂ、ロード側の慣性モーメントＪ^Ｌ、角速度ω^Ｌ、プーリ半径Ｒ^Ｌ及び動摩擦抵抗Ｆ_ｄ（ω^Ｌ）を考慮すると、射出機構１の状態方程式は、下記数３のように表される。

ここで、樹脂圧δの微分値δ′＝０として、上記状態方程式は、下記数４のように表すことができる。

ここで、オブザーバ（状態観測器）を下記数５のように定義する。

ここで、サンプル（又は処理）周期をΔＴ、前サンプル（又は前処理）時のデータｘをｘ_−１とすると、

と表わされるので、角速度推定値ω^Ｍ^，ω^Ｌ^、ベルト張力推定値Ｆ＾及び樹脂圧推定値δ^は、次の数７のように表せる。

この式から明らかなように、本装置の場合、微分項を含むことなく、樹脂圧力推定値δ^を求めることができる。このため、ノイズ耐性に優れた制御系が実現できる。

ここで、数５を下記数８のように置き換える。

図３は、数８の演算を実行するオブザーバ演算器２１の詳細を示すブロック図である。
エンコーダ１４から出力される角速度ω^Ｍは、ｙとして調節器２１１を通って係数Ｅ＝（ｄ_１，ｄ_２，ｄ_３，ｄ_４）に応じた振幅に調節される。また、１つ前に求められたトルク指令値Ｔ^ＣＭＤ _−１がｕとして調節器２１２によって係数Ｂ＝（１／Ｊ^Ｍ，０，０，０）に応じた振幅に調整される。一方、予め求めておいたｖ（＝動摩擦抵抗Ｆ_ｄ（ω^Ｌ））を調節器２１３によって係数Ｃ＝（０，１／Ｊ^Ｌ，０，０）に応じた振幅に調整し、この値を加算器２１４で調節器２１２の出力に加算する。また、１つ前に求められた推定値Ｘ^_−１が調節器２１５によって係数Ｄに応じた振幅に調整される。そして、加算器２１６において、加算器２１４の出力と調節器２１５の出力とを加算すると共に調節器２１１の出力を減算することにより、数８で示すＸの推定値Ｘ^の微分値が得られる。この値は、積分器２１７で積分されることにより、数５に基づく推定値ω^Ｌ^、Ｆ＾及びδ^が求められるようになっている。

そして、本実施形態では、樹脂を弾性体と見なして制御対象を定義した下記数９の状態方程式に対して数１０のようなフィードバックを行う。ここでＫ_ｗは、樹脂の弾性係数である。なお、実際には、ω^Ｌ，Ｆ，δの推定値ω^Ｌ^，Ｆ＾，δ＾をフィードバックするが、ω^Ｌ，Ｆ，δとこれらの推定値ω^Ｌ^，Ｆ＾，δ＾とは一致しているものと見なして数１０を考える。

以下、係数ｋ_１〜ｋ_４の求め方について説明する。まず、状態方程式数４及び数１０をそれぞれ数１１及び数１２のように置き換える。

数１２を数１１に代入すると、

となる。ここで、

の解は、

（ｘ_０：初期外乱）

であるので、（Ａ−ＢＫ）の固有値の実部が負であれば、ｔ→∞において、Ｘ→０となる。従って、閉ループ系の安定性を確保するために、（Ａ−ＢＫ）の固有値の実数部が負となるようにＫを設定する。

具体的には、Ｇ＝Ａ−ＢＫと置くと、Ｇの固有値λを根とする特性方程式は、

となる。また、閉ループ系の極配置を４重根（実数部をＲ（Ｒ＞０）、虚数部を０とする）とすると、特性方程式は、

となる。数１６，１７を、下記数１８，１９のように展開する。

数１８，１９の係数比較を行うことにより、ｋ_１〜ｋ_４は下記のように求められる。

ここで、数２０のＲに適当な値を代入すれば、その他は射出機構により決定されている値なので、ゲインｋ_１〜ｋ_４が求められる。

次に、図４及び図５を参照して動摩擦抵抗Ｆ_ｄ（ω^Ｌ）の求め方（較正方法）について説明する。
ここでは、動摩擦抵抗モデルを速度依存成分と荷重依存成分の和と定義する。速度依存成分は、エアーショット（空打ち）時のモータ速度（又は位置）とトルク値（又は電流値）の関係から求めることができる。また、荷重依存成分は、ノズルをプラグした状態で射出した際のトルク値（又は電流値）と圧力値との関係から求めることができる。

速度依存成分
いま、定常状態においては、ω^Ｍ’＝０，ω^Ｌ’＝０であるから、数３の１式及び２式の左辺はそれぞれ０となる。従って、動摩擦抵抗Ｆ_ｄ（ω^Ｌ）は、

となり、空打ち時（δ＝０とみなす）ではトルクのみに依存する。従って、図４の左側に示すように、空打ちで速度を１，２のように変化させ、射出前進させた際のそれぞれのトルク値１，２を計測することで動摩擦抵抗１，２を求める。これを図４の右側のグラフのようにプロットすることで速度依存成分の特性曲線が求められる。射出後退時の速度依存成分も同様にして求めることができる。

荷重依存成分
次に、圧力計測用センサ（圧力センサや歪みゲージ等）を取り付けた較正治具を用意し、ノズル先端をプラグした状態で射出した際のトルク値と圧力値とを計測することで、図５の左側で示すように、動摩擦抵抗１，２を求める。これを図５の右側のグラフのようにプロットすることで荷重依存成分の特性曲線が求められる。
これら速度依存成分と荷重依存成分とを併せたものを射出機構の動摩擦抵抗モデルとして圧力推定の際に使用することができる。

図６は、制御装置においてＶＰ切換後、樹脂圧力設定値δ^ＲＥＦを１５０Ｍｐａから４０Ｍｐａへ圧力制御した場合の応答波形を示すグラフであり、同図（ａ）は、図７に示すように、スクリュー（２次側）角速度推定値ω^Ｌ＾及びベルト張力推定値Ｆ＾をフィードバックしない場合、同図（ｂ）は、本実施形態のようにω^Ｌ＾，Ｆ＾をフィードバックする場合をそれぞれ示している。図７の制御装置では、張力Ｆ及び２次側速度ω^Ｌに振動が発生しており、その結果、樹脂圧力δにも振動が発生している。これに対し、本実施形態では、オブザーバで推定された張力及び２次側速度も補償するようにしているので、振動を抑えて安定性を向上させることができる。その結果、圧力制御ゲインを上げて応答性を上させることができる。

本発明の一実施形態に係る電動式射出成形機の射出機構及び制御回路のブロック図である。 同射出機構における伝達系を説明するための図である。 同制御回路におけるオブザーバ演算器のブロック図である。 同電動式射出成形機における動摩擦抵抗の速度依存成分の取得方法を説明するための図である。 同電動式射出成形機における動摩擦抵抗の荷重依存成分の取得方法を説明するための図である。 比較例と本実施形態の制御装置においてＶＰ切換後の応答波形を示すグラフである。 比較例を示すブロック図である。

符号の説明

１…射出機構、２…制御回路、１１…モータ、１２…伝達系、１３…スクリュー、１４…エンコーダ、２１…オブザーバ演算器、２２〜２５…乗算器、２６〜２９…減算器、３０…定常偏差補償器。

Claims (7)

1. 射出成形機のスクリューとこれを駆動するモータとがベルトを含む伝達系を介して結合された電動式射出成形機の圧力制御方法において、
   前記モータの角速度ω^Ｍを検出し、
   この検出されたモータの角速度ω^Ｍと前記モータに与えられているトルク指令値Ｔ^ＣＭＤとからオブザーバに基づいて前記スクリューの角速度推定値ω^Ｌ＾、伝達系のベルトの張力推定値Ｆ＾及び樹脂圧力推定値δ^を求め、
   モータの角速度ω^Ｍ、スクリューの角速度推定値ω^Ｌ＾、ベルトの張力推定値Ｆ＾及び樹脂圧力推定値δ^をフィードバックさせて樹脂圧力設定値δ^ＲＥＦに追従させるように前記モータを制御する
   ことを特徴とする電動式射出成形機の圧力制御方法。
2. 前記オブザーバが、下記数１で表されることを特徴とする請求項１記載の電動式射出成形機の圧力制御方法。
   
   
   
   
   
   但し、ｄ_１〜ｄ_４：所定の係数
   Ｊ^Ｍ：モータ側の慣性モーメント
   ω^Ｍ：モータの角速度
   Ｒ^Ｍ：モータ側のプーリ半径
   Ｆ：ベルトの張力
   Ｋ_ｂ：ベルトのバネ定数
   Ｊ^Ｌ：スクリュー側の慣性モーメント
   ω^Ｌ：スクリュー側の角速度
   Ｒ^Ｌ：スクリュー側のプーリ半径
   Ｆ_ｄ（ω^Ｌ）：スクリュー側の動摩擦抵抗
3. 前記オブザーバが、下記数２で表されることを特徴とする請求項１記載の電動式射出成形機の圧力制御方法。
   
   但し、ｄ_１〜ｄ_４：所定の係数
   Ｊ^Ｍ：モータ側の慣性モーメント
   ω^Ｍ：モータの角速度
   Ｒ^Ｍ：モータ側のプーリ半径
   Ｆ：ベルトの張力
   Ｋ_ｂ：ベルトのバネ定数
   Ｊ^Ｌ：スクリュー側の慣性モーメント
   ω^Ｌ：スクリュー側の角速度
   Ｒ^Ｌ：スクリュー側のプーリ半径
   Ｆ_ｄ（ω^Ｌ）：スクリュー側の動摩擦抵抗
   ｘ_−１ ：ｘの処理周期の一つ手前の値
   ΔＴ：サンプル周期
4. 前記スクリューの角速度推定値ω^Ｌ＾、ベルトの張力推定値Ｆ＾及び樹脂圧力推定値δ^が、それぞれスクリューの角速度ω^Ｌ、ベルトの張力Ｆ及び樹脂圧力δと一致していると仮定して、フィードバックモータの角速度ω^Ｍ、スクリューの角速度ω^Ｌ、ベルトの張力Ｆ及び樹脂圧力δをそれぞれ下記数３に示す係数ｋ_１，ｋ_２，ｋ_３，ｋ_４を掛けてフィードバックさせることを特徴とする請求項１記載の電動式射出成形機の圧力制御方法。
   
   
   
5. 動摩擦抵抗Ｆ_ｄ（ω^Ｌ）をエアーショット（空打ち）時のモータの速度又は位置とトルク値又は電流値との関係から求めるようにした請求項１記載の電動式射出成形機の圧力制御方法。
6. 動摩擦抵抗Ｆ_ｄ（ω^Ｌ）を速度依存成分と荷重依存成分の和として、前記動摩擦抵抗の速度依存成分をエアーショット（空打ち）時のモータの速度又は位置とトルク値又は電流値との関係から求めると共に、前記動摩擦抵抗の荷重依存成分をノズルをプラグした状態で射出した際のトルク値又は電流値と圧力値との関係から求めるようにしたことを特徴とする請求項１記載の電動式射出成形機の圧力制御方法。
7. 射出成形機のスクリューを、ベルトを含む伝達系を介して前進させるモータの角速度ω^Ｍと前記モータに与えられているトルク指令値Ｔ^ＣＭＤとからオブザーバに基づいて前記スクリューの角速度推定値ω^Ｌ＾、伝達系のベルトの張力推定値Ｆ＾及び樹脂圧力推定値δ^を求めるオブザーバ演算手段と、
   前記モータの角速度ω^Ｍ、前記オブザーバ演算器で求められた前記スクリューの角速度推定値ω^Ｌ＾、伝達系のベルトの張力推定値Ｆ＾及び樹脂圧力推定値δ^から前記モータのトルク指令値Ｔ^ＣＭＤを算出し、前記モータにフィードバックするトルク演算手段と
   を備えたことを特徴とする電動式射出成形機の圧力制御装置。