JP3797785B2 - 射出成形機の射出速度制御方法および射出速度制御装置 - Google Patents

射出成形機の射出速度制御方法および射出速度制御装置 Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクリュを回転駆動して計量した溶融射出材料を、スクリュを軸方向に駆動して射出するとき、スクリュが設定射出速度で駆動されるようにフィードバック制御する射出成形機の射出速度制御方法およびこの方法の実施に使用される射出速度制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
射出成形機は、従来周知のように概略的には、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回転駆動可能に設けられているスクリュとから構成されている。したがって、ペレット状の樹脂あるいは金属の射出材料をホッパから供給すると共に、スクリュを油圧モータ等で回転駆動すると、射出材料は加熱シリンダの前方の計量室に送られる過程で、加熱シリンダの外部から加えられる熱と、スクリュを回転駆動するときの摩擦、剪断作用等で生じる熱とにより溶融し、計量室に蓄積される。次に蓄積された溶融樹脂を射出するには、ピストンシリンダユニットに作動油を供給してスクリュを軸方向に駆動すると、計量された溶融状態の射出材料が金型に射出される。冷却固化を待って金型を開いて成型品を得ることができる。
【0003】
上記のようにして、スクリュを回転駆動して計量するときに、計量室に蓄積される射出材料の圧力によりスクリュが後退するようにして計量することも、またスクリュの後退方向に逆らう方向の圧力すなわち所定の背圧をかけながら計量することも共に行われている。また、計量された溶融状態の射出材料の内圧を下げる目的で計量終了後、スクリュを空引きすることも行われている。上記のようにして計量された溶融状態の射出材料を射出するときは、スクリュの軸方向の射出速度が設定射出速度になるように、PID動作等によるフィードバック制御により制御されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の射出速度もフィードバック制御により制御されているので、特定条件下では格別に問題はない。しかしながら、上記したように高い背圧をかけながら計量することも、また低い背圧をかけながら計量することも、さらには計量後空引きすることも行われているが、溶融射出材料の状態は、このような計量時の条件により異なるので、必ずしも満足のいく制御ではない。さらに詳しく説明すると、図2の(イ)、(ロ)において符号Kは加熱シリンダを、Sはスクリュをそれぞれ示し、そして図2の(イ)は高い背圧をかけながら計量したときの射出材料Jの状態を、図2の(ロ)は計量後空引きしたときの射出材料J’の状態をそれぞれ示しているが、一般に高い背圧をかけながら計量することが多いので、通常は高い背圧をかけながら計量された溶融射出材料Jを射出するときの、スタート時の応答性が良好となるように、例えばPID動作する操作・調節器の比例係数、時定数等が固定的に調整されている。したがって、図2の(ハ)に示されているように、設定射出速度に達するまでの立ち上がり時間は短くなっている。また、溶融射出材料Jの密度は高く、スタート時から射出圧力がスクリュに反作用として作用するので、射出速度がオーバーシュートするようなこともない。
【0005】
しかしながら、図2の(ロ)に示されているように、空引きしたときの溶融射出材料J’の密度は小さく、あるいは空隙Eが生じているので、同じPID動作する操作・調節器で制御すると、射出速度がオーバーシュートし、ハンチング現象を起こすことがある。すなわち、射出スタート時には設定射出速度と検出速度との間の偏差量が大きいので、操作・調節器から大きな操作量が出力され、スクリュSは大きな射出速度で駆動される。ところで、溶融射出材料J’の密度が大きいときは直ちに射出圧力が立つので、またオーバーシュートしないように操作・調節器の比例係数が調節されているので、スクリュS、このスクリュSを射出方向に駆動する油圧系等の慣性力が大きくても、オーバーシュートするようなことはないが、空引きしたときの溶融射出材料J’の密度は小さく、また空隙Eもあり圧縮性があるので、スクリュS等の慣性力により設定射出速度を越えてオーバーシュートする。そして、ハンチング現象を起こす。このようなハンチングを起こしている状態は図2の(ニ)に示されている。射出速度にハンチングが生じると、成型品の品質を落とすようにもなる。
本発明は、上記したような従来の問題点をより完全に解決した、射出速度制御方法および射出速度制御装置を提供することを目的とし、具体的には射出前の計量条件に拘らず、射出開始時の射出速度がオーバーシュートすることなく、したがって高品質の成型品を得ることができる射出成形機の射出速度制御方法および射出速度制御装置を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、スクリュを回転駆動して計量した溶融射出材料を、前記スクリュを軸方向に駆動して射出するとき、前記スクリュが設定射出速度で軸方向に駆動されるようにフィードバック制御装置により制御する射出成形機の射出速度制御方法であって、前記スクリュを回転駆動して計量するときの、前記スクリュにかける背圧の大きさに応じて前記フィードバック制御装置の操作・調節部の比例係数を変更するように構成される。請求項2に記載の発明は、スクリュを回転駆動して計量した溶融射出材料を、前記スクリュを軸方向に駆動して射出するとき、前記スクリュが設定射出速度で軸方向に駆動されるように、第1の操作・調節部と、該第1の操作・調節部の比例係数より大きな比例係数を有する第2の操作・調節部とを備えたフィードバック制御装置により制御する射出成形機の射出速度制御方法であって、前記スクリュを回転駆動して計量するとき所定の背圧をかけて計量したときは、前記第1の操作・調節部により制御し、前記所定の背圧よりも低い背圧をかけて計量したとき、または空引きしたとは、前記第2の操作・調節部により制御するように構成される。請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の制御方法において、フィードバック制御装置の第1、2の操作・調節部は、PID動作し、前記第2の操作・調節部の比例係数は、前記第1の操作・調節部の比例係数よりも大きいように構成される。
請求項4に記載の発明は、加熱シリンダと、該加熱シリンダの内部に回転方向と射出方向とに駆動可能に設けられているスクリュとからなる射出成形機の射出速度を制御する制御装置であって、該制御装置は、設定射出速度と検出射出速度とが入力される加合点と、該加合点から出力される偏差信号に基づいて前記スクリュを射出方向に駆動する制御対象の操作量を演算する第1、2の操作・調節部と、前記加合点の出力端子を前記第1、2の操作・調節部のいずれかの入力端子に接続するスイッチ手段とからなり、前記第2の操作・調節部の比例係数は、前記第1の操作・調節部の比例係数と異なるように構成される。そして請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の制御装置において、スイッチ手段は、スクリュを回転方向に駆動して計量するとき、圧力センサで計測した背圧状態によって、前記加合点の出力端子を、前記第1、2の操作・調節部のいずれかの入力端子に接続するように構成される。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、図1により本発明の実施の形態を油圧式射出成形機を使用して樹脂材料から成形する例に付いて説明する。本発明の実施の形態に係わる射出成形機も加熱シリンダ1を備えている。そして、この加熱シリンダ1の内部に従来周知のように、スクリュ2が回転方向と軸方向すなわち計量方向と射出方向とに駆動可能に設けられている。加熱シリンダ1の後方にはホッパ3が、そして前方端には射出ノズル4が設けられている。また、加熱シリンダ1の後方端部には、ピストンシリンダユニット10が取り付けられ、スクリュ2の駆動軸12はピストンシリンダユニット10のシリンダ11を貫通している。そして、シリンダ11の外部において油圧モータ13の出力軸に機械的に接続されている。スクリュ2の駆動軸12は、ピストンロッドの作用も奏する。したがって、駆動軸12にはピストン14が固定され、このピストン14によりシリンダ11内はピストンロッド室15と、ピストンヘッド室16とに分けられている。なお、ピストン14の軸方向の移動と関連してセンサ軸17が設けられ、このセンサ軸17の軸方向の移動速度、すなわち射出速度が速度センサ18で計測されるようになっている。
【0008】
スクリュ2を回転駆動する油圧モータ13の油圧回路は、図1には示されていないが、ピストンシリンダユニット10のシリンダ11に作動油を給排し、計量時に背圧をかけ、また射出時にスクリュ2を駆動する油圧回路20は、図1に示されているように、概略的にはサーボ弁21が設けられている供給管22と、戻管26とから構成されている。そして、供給管22の一方の端部は、電磁方向切換弁27のポートXに接続され、他方の端部はシリンダ11のピストンロッド室15に接続されている。なお、供給管22には、作動油をシリンダ11の方向へのみ流す逆止弁23が介装されている。また、戻管26の一方の端部は、電磁方向切換弁27のポートYに接続され、他方の端部はシリンダ11のピストンヘッド室16に接続されている。
【0009】
計量時の背圧は逃弁30で実施されるようになっている。そのために、供給管22からは、逆止弁23の下流側において逃管31が分岐している。そして、この逃管31にピストンロッド室15の作動油の圧力を調整する逃弁30が介装されている。供給管22には圧力センサ32が取り付けられ、計量時の背圧がこの圧力センサ32で計測され、そして加合点33に入力されるようになっている。また、加合点33には、背圧設定器34で設定される背圧も入力されるようになっている。したがって、計測される背圧と、設定背圧とから加合点33において偏差信号が得られ、そして操作・調節器35から計測される背圧が設定背圧になるような操作量が逃弁30に出力される。
【0010】
サーボ弁21を制御する制御装置40は、加合点41、切替スイッチ42、PID動作する第1の操作・調節器43、同様にPID動作する第2の操作・調節器44等からなっている。そして、加合点41の一方の入力端子と、速度センサ18は信号ラインaにより、また他方の入力端子と射出速度設定器45とは信号ラインbによりそれぞれ接続されている。また、加合点41の出力端子と切替スイッチ42の入力端子は信号ラインcにより接続され、切替スイッチ42の一方の出力端子と第1の操作・調節器43とは信号ラインdにより、他方の出力端子と第2の操作・調節器44とは信号ラインeにより、それぞれ接続されている。そして、第1、2の操作・調節器43、44のいずれかによって得られる操作量が信号ラインfによりサーボ弁21に入力されるようになっている。
【0011】
第1の操作・調節器43は、高い背圧をかけて計量したときのサーボ弁21の操作量を演算するもので、その比例係数、積分時間等は従来通りに調節されている。これに対し、第2の操作・調節器44は、低い背圧あるいは空引きされたときの操作量を演算するもので、その比例係数は大きく調節されている。これにより、立ち上がり時間は多少長くなるが、スクリュ2の速度を抑えることができる。また、積分時間を長くし、微分時間を短くする。このように比例係数を調節することによりオーバーシュート、したがってハンチングを防止することができる。
【0012】
次に、上記実施の形態の作用について説明する。初めに、高い背圧をかけて計量し、そして射出する例について説明する。射出が終わってピストンロッド室15には作動油が満たされていると仮定する。背圧設定器34で背圧を設定する。また、電磁方向切換弁27を図1に示されているAポジションに切り替える。そうして油圧モータ13を起動してスクリュ2を回転駆動する。従来周知のようにしてホッパ3から樹脂材料が加熱シリンダ1に供給され、そして計量される。このとき、加熱シリンダ1の前方に計量されて蓄積される溶融樹脂の圧力によりスクリュ2は後退する。後退するので、ピストンロッド室15の作動油の圧力は上昇する。この圧力は圧力センサ32で計測され、そして加合点33に入力される。この加合点33において、計測される作動油の圧力と設定背圧とから偏差信号が得られ、そして操作・調節器35で逃弁30の操作量が演算調節される。これにより、逃弁30の開度が調節されて、設定背圧で計量される。
【0013】
射出するときは、射出速度設定器45により射出速度を設定する。切替スイッチ42を図1に示されているように、第1の操作・調節器43の方へ切り替える。また、逃弁30を閉鎖しておく。そうして、油圧ポンプ28を起動してシリンダ11のピストンロッド室15へ作動油を供給する。そうすると、ピストン14は軸方向に移動する。したがって、スクリュ2が軸方向に駆動されて、従来周知のようにして計量された樹脂材料が射出される。このときの、射出速度は速度センサ18で計測され、そして加合点41に入力される。加合点41には設定射出速度も入力されているので、この加合点41において偏差信号が得られ、そして第1の操作・調節器43へ出力される。サーボ弁21は、第1の操作・調節器43で得られる操作量で操作される。これにより、シリンダ11へ供給される作動油の量が調節され、設定射出速度で射出されることになる。以下同様にして、計量して、射出して成型品を得る。
【0014】
低い背圧で計量するとき、あるいは空引き動作後に射出するときは、切替スイッチ42を第2の操作・調節器44の方へ切り替える。電磁方向切換弁27をAポジションに切り替える。他は前述したようにして射出する。今度はサーボ弁21の操作量は第2の操作・調節器44により演算される。したがって、低い背圧で計量はされているが、あるいは空引きされているが、射出スタート時において射出速度がオーバーシュートすることも、またハンチングするようなこともない。
【0015】
本発明は、上記実施の形態に限定されないことは明らかでる。例えば、切替スイッチ42は手動的に切り替えるように説明したが、計量時の背圧を計測し、この計測信号の大小により自動的に切り替えるように実施できることは明らかである。また、第1、2の操作・調節器43、44は、PID動作に変えて、例えばPI動作する操作・調節器により実施できる。さらには、上記実施の形態では、比例係数の異なる2個の第1、2の操作・調節器43、44が使用されているが、1個の操作・調節器により、その比例係数を計量時の状態に応じて変更しても同様に実施できることも明らかである。また、本発明は油圧式射出成形機に代えて電動式射出成形機でも同様に実施できる。このとき、射出速度はスクリュを軸方向に駆動する電動モータの回転数を制御することになり、また背圧は電動モータのトルクで制御することは明らかである。
【0016】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると、スクリュを軸方向に駆動して射出するとき、スクリュを回転駆動して計量するときの、スクリュにかける背圧の大きさに応じてフィードバック制御装置の操作・調節部の比例係数を変更するので、あるいは比例係数の異なる操作・調節部により制御するので、射出前の計量条件に拘らず、射出開始時の射出速度がオーバーシュートするようなことはなく、したがって設定速度になるまでにハンチングするようなこともないという、本発明特有の効果が得られる。また、本発明によると、オーバーシュートもハンチングもしないので、高品質の成型品を得ることができる効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態を、射出ノズルおよび加熱シリンダ部分は断面にして示す制御ブロック線図である。
【図2】 図2の(イ)、(ロ)は、計量された溶融樹脂の、それぞれ異なる状態を加熱シリンダと共に示す模式的断面図で、その(ハ)、(ニ)は、(イ)、(ロ)にそれぞれ示されている状態の溶融樹脂を射出するときの、時間と射出速度との関係を示す図である。
【符号の説明】
1 加熱シリンダ 2 スクリュ
18 速度センサ 21 サーボ弁
40 制御装置 41 加合点
42 切替スイッチ 43 第1の操作・調節器
44 第2の操作・調節器 45 射出速度設定器

Claims (5)

  1. スクリュ(2)を回転駆動して計量した溶融射出材料を、前記スクリュ(2)を軸方向に駆動して射出するとき、前記スクリュ(2)が設定射出速度で軸方向に駆動されるようにフィードバック制御装置(40)により制御する射出成形機の射出速度制御方法であって、
    前記スクリュ(2)を回転駆動して計量するときの、前記スクリュ(2)にかける背圧の大きさに応じて前記フィードバック制御装置(40)の操作・調節部(43、44)の比例係数を変更することを特徴とする射出成形機の射出速度制御方法。
  2. スクリュ(2)を回転駆動して計量した溶融射出材料を、前記スクリュ(2)を軸方向に駆動して射出するとき、前記スクリュ(2)が設定射出速度で軸方向に駆動されるように、第1の操作・調節部(43)と、該第1の操作・調節部(43)の比例係数より大きな比例係数を有する第2の操作・調節部(44)とを備えたフィードバック制御装置(40)により制御する射出成形機の射出速度制御方法であって、
    前記スクリュ(2)を回転駆動して計量するとき所定の背圧をかけて計量したときは、前記第1の操作・調節部(43)により制御し、前記所定の背圧よりも低い背圧をかけて計量したとき、または空引きしたとは、前記第2の操作・調節部(44)により制御することを特徴とする射出成形機の射出速度制御方法。
  3. 請求項2に記載の制御方法において、フィードバック制御装置(40)の第1、2の操作・調節部(43、44)は、PID動作し、前記第2の操作・調節部(44)の比例係数は、前記第1の操作・調節部(43)の比例係数よりも大きい、射出成形機の射出速度制御方法。
  4. 加熱シリンダ(1)と、該加熱シリンダ(1)の内部に回転方向と射出方向とに駆動可能に設けられているスクリュ(2)とからなる射出成形機の射出速度を制御する制御装置(40)であって、
    該制御装置(40)は、設定射出速度と検出射出速度とが入力される加合点(41)と、該加合点(41)から出力される偏差信号に基づいて前記スクリュ(2)を射出方向に駆動する制御対象(21)の操作量を演算する第1、2の操作・調節部(43、44)と、前記加合点(41)の出力端子を前記第1、2の操作・調節部(43、44)のいずれかの入力端子に接続するスイッチ手段(42)とからなり、
    前記第2の操作・調節部(44)の比例係数は、前記第1の操作・調節部(43)の比例係数と異なることを特徴とする射出成形機の射出速度制御装置。
  5. 請求項4に記載の制御装置において、スイッチ手段(42)は、スクリュ(2)を回転方向に駆動して計量するとき、圧力センサ(32)で計測した背圧状態によって前記加合点(41)の出力端子を、前記第1、2の操作・調節部(43、44)のいずれかの入力端子に接続する射出成形機の射出速度制御装置。
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