JP3947543B2 - 射出成形機用の温度制御装置および温度制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形機用の温度制御装置および温度制御方法に関するものである。

従来より、射出成形機および押出成形機の加熱シリンダの温度制御にはＰＩＤ（比例、積分、微分）制御が用いられている。図６に従来の加熱シリンダのＰＩＤ温度制御装置の一例の構成図を示す。

加熱シリンダ１０１の内部に挿入されている熱電対１０２にて検出された温度ＰＶ値はアンプ１０３で増幅され、設定温度ＳＶ値と比較される。そこで比較された値は偏差ｅとして比例制御器（Ｐ）１０４、積分制御器（Ｉ）１０５および微分制御器（Ｄ）１０６にそれぞれ入力され、ＰＩＤ制御演算が行なわれる。ここで求められた各制御出力ＭＶはＰＷＭ１０７（パルス幅変調器）とＳＳＲ１０８（半導体）を介してヒータ１０９に入力されて、加熱シリンダ１０１のヒータ温度制御が行なわれている。

この他、射出成形機および押出成形機に用いられている加熱シリンダ温度制御用の装置として、所定時間の間だけＰＩＤ制御の積分制御のみを停止させ、この間の操作量に所定設定値を加味する技術や、複数の温度制御期間毎に応じた積分値とオフセット値の温度制御を行う技術も開示されている（特許文献１および特許文献２参照）。
特開平１０−１００２１８号公報 特開２００３−２５４０４号公報

しかしながら、これらの従来技術は、あくまでも予め求めたある期間内の温度制御であるため、実際の連続自動運転時の外乱や射出速度によるせん断熱の影響での温度変化、いわゆる成形制御周期的な温度変化の安定性には問題が生じていた。

特に、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）などの精密成形品では、成形品の不良原因となっていた。

ＰＩＤ制御方法の一般的な特性として、目標値追従特性と外乱抑制特性があり、目標値追従型は文字通り、変化する設定温度に検出温度を同じようにする特性になり、また外乱抑制型はいわゆる外乱による温度変動を抑える特性になる。しかしながら、これら両方の特性を同時に最適化することはできないとされていた。

また、一般に、射出機メーカでは、予め実験やテストなどで求めたＰＩＤ制御定数を機械に組み込んで出荷しているが、ユーザの工場環境をはじめ使用樹脂、金型温度および加熱シリンダの設定温度などが異なるため、予め求められたＰＩＤ制御定数では、設定温度に対するオーバーシュートやアンダーシュートを生じていた。このような状況に鑑み、射出機メーカでは、ＰＩＤ制御を任意にコントロールできる、いわゆるオートチューニング機能を装置に組み込むことで対策を施している。しかしながら、使用環境によってはオートチューニングによっても上述のオーバーシュート等が発生し、いわゆる樹脂の焼けが発生するケースがあった。

特に、具体的な問題として、以下の点が挙げられる。
（１）ヒータ制御の応答性はＰＩＤ定数値に依存する。このため、ユーザは使用環境と樹脂に適合させるため、射出機メーカの設定値を変更する場合がある。そうすると、実測値が設定値に対してアンダーシュートやオーバーシュート現象となり、成形不良を招いていた。
（２）成形サイクルにおける射出工程時においては、図７に示すように、ノズル部（ＬＮＨ）においては、成形サイクルに応じた周期的な温度変化（うねり曲線α値）が発生していた。そして、射出速度による樹脂のせん断発熱が、上記オーバーシュート現象を招き、成形品の焼けや黄変を生じていた。

そこで、本発明は、連続自動成形時の温度のオーバーシュートやアンダーシュート現象を軽減することおよびノズル部の周期的な温度変化を抑制することができる射出成形機用の温度制御装置および温度制御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、本発明の射出成形機用の温度制御装置は、温度設定部により設定された温度と熱電対により測定された加熱シリンダの温度との温度差である偏差ｅが入力される、比例制御器、積分制御器および微分制御器からなるＰＩＤ制御部を有し、ＰＩＤ制御部からの出力値である制御出力ＭＶ値を、パルス幅変調器であるＰＷＭおよび半導体であるＳＳＲとを介してヒータに入力することで加熱シリンダを加熱するヒータの温度制御を行う射出成形機用の温度制御装置において、偏差ｅを打ち消すＦＦ記憶値の算出および記憶を行うＦＦ記憶・学習部と、ＦＦ記憶値を、ヒータをＯＮにしてから熱電対が温度上昇を検出しはじめるまでの遅れ時間であるヒータムダ時間Ｌだけ先送りしたＦＦ出力値として出力するＦＦ出力部とを有し、ＰＷＭには、ＰＩＤ制御部からの出力値である制御出力ＭＶ値にＦＦ出力値を加算した値が入力されることを特徴とする。

上記の通りの本発明の射出成形機用の温度制御装置は、加熱シリンダにおいて設定温度と実測の温度とに生じる偏差ｅを打ち消すＦＦ記憶値をＦＦ記憶・学習部にて算出し、このＦＦ記憶値にヒータムダ時間Ｌを加算したＦＦ出力値をＦＦ出力部から出力する。そして、このＦＦ出力値を従来技術のＰＩＤ制御部からの出力値である制御出力ＭＶ値に加算した値によってヒータを制御する。すなわち、従来のＰＩＤ制御で得られる制御出力ＭＶ値にＦＦ出力値を加算した値によるフィードフォワード制御によってヒータを制御することで、従来のＰＩＤ制御で生じていた、例えば成形サイクルによる偏差ｅに起因する成形温度の周期的なうねりを打ち消すことができる。

また、本発明の射出成形機用の温度制御装置は、所定の成形ショット数以降に出力される成形ショットごとの自動スタート信号であるサイクルスタートタイミングＳＴと、学習回数に応じて温度誤差の補正値の重み付けを変える、重み付け係数である学習強度係数Ｔｉと、制御出力ＭＶ値と設定温度との比例係数であるヒータゲインＫとをＦＦ記憶・学習部に対して出力し、ヒータムダ時間ＬをＦＦ出力部に対して出力する設定値出力部を有するものであってもよい。

また、本発明の射出成形機用の温度制御装置は、ＦＦ記憶・学習部における、ＦＦ記憶値の算出は、ヒータの制御が行われる周期時間を制御周期秒としたとき、
ＦＦ記憶値＝−（前回のＦＦ記憶値＋偏差ｅ×ヒータゲインＫ×制御周期秒／学習強度係数Ｔｉ）
とした計算式により算出するものであってもよい。

本発明の射出成形機の温度制御方法は、温度設定部により設定された温度と熱電対により測定された加熱シリンダの温度との温度差である偏差ｅが入力される、比例制御器、積分制御器および微分制御器からなるＰＩＤ制御部からの出力値である制御出力ＭＶ値を、パルス幅変調器であるＰＷＭおよび半導体であるＳＳＲとを介してヒータに入力することで加熱シリンダを加熱するヒータの温度制御を行う射出成形機の温度制御方法において、ＦＦ記憶・学習部が、偏差ｅを打ち消すＦＦ記憶値の算出および記憶を行うステップと、ＦＦ出力部が、ＦＦ記憶値を、ヒータをＯＮにしてから熱電対が温度上昇を検出しはじめるまでの遅れ時間であるヒータムダ時間Ｌだけ先送りしたＦＦ出力値として出力するステップと、ＰＷＭに、ＰＩＤ制御部からの出力値である制御出力ＭＶ値にＦＦ出力値を加算した値を入力するステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明の射出成形機の温度制御方法は、設定値出力部からＦＦ記憶・学習部に対して、所定の成形ショット数以降に出力される成形ショットごとの自動スタート信号であるサイクルスタートタイミングＳＴと、学習回数に応じて温度誤差の補正値の重み付けを変える、重み付け係数である学習強度係数Ｔｉと、制御出力ＭＶ値と設定温度との比例係数であるヒータゲインＫと、が出力されるステップと、設定値出力部からＦＦ出力部に対して、ヒータムダ時間Ｌを出力するステップとを含むものであってもよい。

また、本発明の射出成形機の温度制御方法は、ヒータの制御が行われる周期時間を制御周期秒としたとき、ＦＦ記憶・学習部にて、
ＦＦ記憶値＝−（前回のＦＦ記憶値＋偏差ｅ×ヒータゲインＫ×制御周期秒／学習強度係数Ｔｉ）
によってＦＦ記憶値を算出するステップを含むものであってもよい。

本発明によれば、連続自動成形時の温度のオーバーシュートやアンダーシュート現象の軽減、および成形制御周期の温度のうねりをなくすことができ、これにより、成形品のやけや黄変の削減、ひいては成形品の重量ばらつき低減を図ることができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［ヒータ温度制御装置］
図１は、本発明の一実施例の射出成形機のヒータ温度制御装置を示す構成図である。

なお、同図では、ヒータ温度制御は１ゾーンのみを示すが、その他のヒータゾーンについても同様である。

本実施形態の射出成形機用の温度制御装置は、加熱シリンダ１に取り付けられたヒータ９の温度制御を行うものである。加熱シリンダ１の内部には不図示のスクリュが回転可能に内蔵されており、外部より供給された樹脂原料を混練により可塑化する。

本実施形態の温度制御装置は、加熱シリンダ１の内部温度を測定する熱電対２と、熱電対２の出力信号を増幅するアンプ３と、成形温度を設定する温度設定部１７と、ＰＩＤ制御を行う比例制御器（Ｐ）４、積分制御器（Ｉ）５および微分制御器（Ｄ）６からなるＰＩＤ制御部２０と、パルス幅変調器であるＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）７と、半導体であるＳＳＲ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｒｅｌａｙ）８と、各種設定値を設定する設定値出力部１６と、後述するＦＦ記憶値の算出および記憶を行い、フィードフォワード制御を行うＦＦ（フィードフォワード）記憶・学習部１３と、ＦＦ記憶・学習部１３により算出されたＦＦ記憶値にヒータムダ時間Ｌを加えた値であるＦＦ出力値を出力するＦＦ出力部１４とを有する。

加熱シリンダ１の内部には不図示のスクリュが回転可能に内蔵されており、外部より供給された樹脂原料を混練により可塑化する。
［制御動作］
次に、図１〜図４を用いて本実施形態のヒータ温度制御装置による加熱シリンダ温度制御の動作について説明する。

まず、射出成形機の標準装備されているコントローラ（不図示）から出力される成形ショットごとの自動スタート信号を、サイクルスタートタイミングＳＴとして設定値出力部１６に入力しておく。本実施形態の温度制御は、まず、従来の技術のＰＩＤ制御によって各制御出力ＭＶ値を求め通常の成形条件に基づいて成形品の成形を開始し、成形品が安定して成形された後に開始される。そこで、例えば、成形開始から２０ショットの成形により成形品が安定して成形されるのであれば、成形開始から２０ショット以降の自動スタート信号であるサイクルスタートタイミングＳＴがＦＦ記憶・学習部１３に対して出力されるように設定しておく。

サイクルスタートタイミングＳＴがＦＦ記憶・学習部１３に入力されることで、本実施形態の温度制御は開始し、連続自動成形時の偏差ｅがＦＦ記憶・学習部１３へ入力される。ここで、偏差ｅは、温度設定部１７で設定された温度と熱電対２で測定した温度との温度差である。すなわち、連続自動成形時の環境外乱や成形条件のせん断発熱によって過熱シリンダ１の温度は設定温度に対して差を生じる。この温度差を偏差ｅとしている。

ＦＦ記憶・学習部１３は時刻毎のＦＦ記憶値を、例えば下記の計算式（１）で求め記憶する。

ＦＦ記憶値＝−（前回のＦＦ記憶値＋偏差ｅ×ヒータゲインＫ×制御周期（秒）／学習強度係数Ｔｉ）・・・（１）
ヒータゲインＫは、実際の制御出力ＭＶ値と設定温度との比例係数であり、例えば図２に示すような制御出力ＭＶ値と設定温度ＳＶ値の関係から近似一次関数を最小二乗法によって求めた後、この近似式からヒータゲインＫを算出して設定値出力部１６に記憶しておく。設定値出力部１６はヒータゲインＫを、ＦＦ記憶・学習部１３にてＦＦ記憶値の算出がなされる際にＦＦ記憶・学習部１３へと出力する。

制御周期（秒）は、射出成形機に標準装備されているコントローラにてヒータ制御を行う周期時間を利用する。例えば、制御周期（秒）として［１（秒） ｏｒ ３（秒）］が使用されている。コントローラは制御周期（秒）を、ＦＦ記憶・学習部１３にてＦＦ記憶値の算出がなされる際にＦＦ記憶・学習部１３へと出力する。

学習強度係数Ｔｉ値は、学習回数に応じて温度誤差の補正値の重み付けを変える、重み付け係数である。すなわち、学習強度係数Ｔｉ値とは、計算式（１）において、どの程度の割合で温度誤差の補正値（偏差ｅ×ヒータゲインＫ×制御周期（秒））を今回のＦＦ記憶値に反映させるかを決める係数であり、係数が大きければ少ない学習回数で温度誤差の補正値が今回のＦＦ記憶値に大きく反映されるものである。言い換えれば、学習強度係数Ｔｉ値は、成形制御周期によって発生するうねり曲線α（図７）を修正するための応答感度を意味する。ここで、学習回数とは、ＦＦ記憶値の算出し、ＦＦ記憶値を記憶した回数を意味する。

なお、この学習強度係数Ｔｉは、オペレータ（成形技術者）により任意に設定値出力部１６へと入力できるようにしているが、学習強度係数Ｔｉが大き過ぎると温度誤差の補正がＦＦ記憶値に過剰に反映されてしまい、かえって制御が乱れる可能性につながる。このため、学習強度係数Ｔｉは温度制御が乱れない範囲内の値が入力される。本実施形態においては、学習強度係数Ｔｉは、温度制御が乱れない範囲内の値であって学習強度が最強となる値とした。すなわち、本実施形態においては、学習強度係数Ｔｉは、可能な限り少ない学習回数で温度誤差の補正がＦＦ記憶値に反映される値とした。設定値出力部１６は上述したような学習強度係数Ｔｉを、ＦＦ記憶・学習部１３にてＦＦ記憶値の算出がなされる際にＦＦ記憶・学習部１３へと出力する。

ＦＦ記憶値を上述の計算式（１）で求め時刻毎にＦＦ記憶・学習部１３に時系列的に記憶する。ここで求められたＦＦ記憶値は、実測値の偏差ｅを打消すためのマイナス信号となる。図３に偏差ｅとＦＦ記憶値との関係を示す。図３には、周期的に変動する偏差ｅの半周期分のデータ（実線）が示されている。偏差ｅは［５ｓｅｃ］のとき［＋０．１℃］となっている。これを打ち消す値としてＦＦ記憶値（２点鎖線）は［５ｓｅｃ］のとき［−０．１℃］が算出され記憶される。すなわち、偏差ｅをＦＦ記憶値にて打ち消すことで周期的な変動がキャンセルされることとなる。

ＦＦ記憶・学習部１３にて計算式（１）を用いて算出され、時系列的に記憶されたＦＦ記憶値は、ＦＦ出力部１４へと出力される。ＦＦ出力部１４は時系列的にＦＦ記憶・学習部１３から入力されてくるＦＦ記憶値をサイクルスタートのタイミングでヒータムダ時間Ｌ分だけ先送りしたＦＦ出力値として出力する。ここで、ヒータムダ時間Ｌとは図４に示すように、ヒータ９をＯＮにしてから熱電対２が温度上昇を検出しはじめるまでの遅れ時間のことである。

ＦＦ出力部１４から出力されたＦＦ出力値は、ＰＩＤ制御部２０によって求められた制御出力ＭＶ値に加算されてＰＷＭ７へと入力される。ＦＦ出力値と制御出力ＭＶ値とが加算された値はＰＷＭ７とＳＳＲ８を介してヒータ９に入力される。ＦＦ出力値はＦＦ記憶値を含む値であり、偏差ｅを打ち消すものである。よって、このＦＦ出力値にてヒータ９の温度制御を行うことで、加熱シリンダ１における周期的な温度変動を抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態の温度制御装置および温度制御方法によれば、連続自動成形時の温度のオーバーシュートやアンダーシュート現象の軽減、および成形制御周期の温度のうねりをなくすことができ、これにより、成形品のやけや黄変の削減、ひいては成形品の重量ばらつき低減を図ることができることとなる。
［実施例］
図７に示す例は、従来のＰＩＤ制御による加熱シリンダの温度の実測値であり、成形品は精密成形品といわれているコネクタの２個取りした際の温度波形を示したものである。

図７に示すグラフは成形開始から１時間後の安定時のデータによるものであり、ノズル部（ＬＮＨ）の実測温度が約１℃の制御周期な温度変動（図７内、うねり曲線α値）を生じており、成形品のショートショット不良を招いていた。

一方、同等の条件にて本実施形態の制御方法により制御を行った結果を図５に示す。

本実施形態の制御方法は、偏差ｅを打ち消すＦＦ記憶値を算出し、このＦＦ記憶値にヒータムダ時間Ｌを加味して算出したＦＦ出力値をＰＩＤ制御部から出力される制御出力ＭＶ値に加算した値によってヒータの温度制御を行う。これにより、図５に示すように、ノズル部（ＬＮＨ）の温度波形はうねりを生じることなく、成形品が安定して良品が取れるときの温度波形となる。このように、本実施形態によれば、連続自動成形時の温度のオーバーシュートやアンダーシュート現象を軽減し、成形制御周期の温度のうねりをなくすことができた結果、成形品のやけや黄変の削減、成形品の重量ばらつき低減を図ることができた。

本発明の一実施例の射出成形機のヒータ温度制御装置の構成図である。 ヒータゲインＫ値の求め方を示すグラフである。 偏差ｅとＦＦ記憶値との関係を示すグラフである。 ヒータムダ時間Ｌについて説明するグラフである。 本発明の一実施形態による制御方法により制御した際のノズル部の温度変化を示すグラフである。 従来のＰＩＤ温度制御装置の一例の構成図である。 従来のＰＩＤ温度制御により制御した際のノズル部の温度変化を示すグラフである。

符号の説明

１ 加熱シリンダ
２ 熱電対
３ アンプ
９ ヒータ
１３ ＦＦ記憶・学習部
１４ ＦＦ出力部
１６ 設定値出力部
１７ 温度設定部
２０ ＰＩＤ制御部
ｅ 偏差
Ｋ ヒータゲイン
Ｌ ヒータムダ時間
ＭＶ 制御出力値
ＳＴ サイクルスタートタイミング
ＳＶ 設定温度値
Ｔｉ 学習強度係数
α うねり曲線

Claims (6)

1. 温度設定部（１７）により設定された温度と熱電対（２）により測定された加熱シリンダ（１）の温度との温度差である偏差ｅが入力される、比例制御器（４）、積分制御器（５）および微分制御器（６）からなるＰＩＤ制御部（２０）を有し、前記ＰＩＤ制御部（２０）からの出力値である制御出力ＭＶ値を、パルス幅変調器であるＰＷＭ（７）および半導体であるＳＳＲ（８）とを介してヒータ（９）に入力することで前記加熱シリンダ（１）を加熱する前記ヒータ（９）の温度制御を行う射出成形機用の温度制御装置において、
   前記偏差ｅを打ち消すＦＦ記憶値の算出および記憶を行うＦＦ記憶・学習部（１３）と、
   前記ＦＦ記憶値を、前記ヒータ（９）をＯＮにしてから前記熱電対（２）が温度上昇を検出しはじめるまでの遅れ時間であるヒータムダ時間Ｌだけ先送りしたＦＦ出力値として出力するＦＦ出力部（１４）とを有し、
   前記ＰＷＭ（７）には、前記ＰＩＤ制御部（２０）からの出力値である制御出力ＭＶ値に前記ＦＦ出力値を加算した値が入力されることを特徴とする射出成形機用の温度制御装置。
2. 所定の成形ショット数以降に出力される成形ショットごとの自動スタート信号であるサイクルスタートタイミングＳＴと、学習回数に応じて温度誤差の補正値の重み付けを変える、重み付け係数である学習強度係数Ｔｉと、前記制御出力ＭＶ値と設定温度との比例係数であるヒータゲインＫと、を前記ＦＦ記憶・学習部（１３）に対して出力し、前記ヒータムダ時間Ｌを前記ＦＦ出力部（１４）に対して出力する設定値出力部（１６）を有する、請求項１に記載の射出成形機用の温度制御装置。
3. 前記ＦＦ記憶・学習部（１３）における、前記ＦＦ記憶値の算出は、前記ヒータ（９）の制御が行われる周期時間を制御周期（秒）としたとき、
   ＦＦ記憶値＝−（前回のＦＦ記憶値＋偏差ｅ×ヒータゲインＫ×制御周期（秒）／学習強度係数Ｔｉ）
   で求める、請求項２に記載の射出成形機用の温度制御装置。
4. 温度設定部（１７）により設定された温度と熱電対（２）により測定された加熱シリンダ（１）の温度との温度差である偏差ｅが入力される、比例制御器（４）、積分制御器（５）および微分制御器（６）からなるＰＩＤ制御部（２０）からの出力値である制御出力ＭＶ値を、パルス幅変調器であるＰＷＭ（７）および半導体であるＳＳＲ（８）とを介してヒータ（９）に入力することで前記加熱シリンダ（１）を加熱する前記ヒータ（９）の温度制御を行う射出成形機の温度制御方法において、
   ＦＦ記憶・学習部（１３）が、前記偏差ｅを打ち消すＦＦ記憶値の算出および記憶を行うステップと、
   ＦＦ出力部（１４）が、前記ＦＦ記憶値を、前記ヒータ（９）をＯＮにしてから前記熱電対（２）が温度上昇を検出しはじめるまでの遅れ時間であるヒータムダ時間Ｌだけ先送りしたＦＦ出力値として出力するステップと、
   前記ＰＷＭ（７）に、前記ＰＩＤ制御部（２０）からの出力値である制御出力ＭＶ値に前記ＦＦ出力値を加算した値を入力するステップとを含むことを特徴とする射出成形機の温度制御方法。
5. 設定値出力部（１６）から前記ＦＦ記憶・学習部（１３）に対して、所定の成形ショット数以降に出力される成形ショットごとの自動スタート信号であるサイクルスタートタイミングＳＴと、学習回数に応じて温度誤差の補正値の重み付けを変える、重み付け係数である学習強度係数Ｔｉと、前記制御出力ＭＶ値と設定温度との比例係数であるヒータゲインＫと、が出力されるステップと、
   前記設定値出力部（１６）から前記ＦＦ出力部（１４）に対して、前記ヒータムダ時間Ｌが出力されるステップとを含む、請求項４に記載の射出成形機の温度制御方法。
6. 前記ヒータ（９）の制御が行われる周期時間を制御周期（秒）としたとき、前記ＦＦ記憶・学習部（１３）にて、
   ＦＦ記憶値＝−（前回のＦＦ記憶値＋偏差ｅ×ヒータゲインＫ×制御周期（秒）／学習強度係数Ｔｉ）
   によって前記ＦＦ記憶値を算出するステップを含む、請求項５に記載の射出成形機の温度制御方法。

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