JP4042645B2

JP4042645B2 - 成形機の自動昇温制御方法

Info

Publication number: JP4042645B2
Application number: JP2003198475A
Authority: JP
Inventors: 浩宮崎; 龍介北原
Original assignee: RKC INSTRUMENT Inc
Current assignee: RKC INSTRUMENT Inc
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2023-07-17
Also published as: JP2005035090A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は成形機の自動昇温制御方法に係り、例えば押出成形機や射出成形機等の加熱シリンダの自動昇温制御方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、押出成形機は、図６に示すように、押出成形機１を構成するシリンダ３の内部にスクリュー５を回転自在にして軸方向に進退自在に配置し、シリンダ３の先端部にノズル７を取り付け、シリンダ３の外周に複数のヒータＨ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４、Ｈ５を配置し、図示しない駆動モータでスクリュー５を進退自在に回転する構成を有し、ホッパ９から原料となる樹脂チップをシリンダ３の内部に供給して加熱溶融するとともに、スクリュー５によってノズル７から押出し成形するものである。
【０００３】
このような押出成形機１では、シリンダ３の外周を軸方向に沿って複数の区間（温度制御対象区間）Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに分け、各区間Ａ〜Ｅ毎のヒータＨ１〜Ｈ５近傍に配置した温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５による測定値を昇温制御部１１へ入力し、この昇温制御部１１では各区間Ａ〜Ｅに係る所定の設定値ＳＶとの偏差が小さくなるような操作量を算出し、ヒータＨ１〜Ｈ５に加える交流電源（図示せず。）をそれらの操作量に基づき操作部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅで通電制御して加熱制御するが、各区間Ａ〜Ｅにおける位置関係などに起因して昇温完了時間にばらつきが生じ易く、これを改善する手法が従来から色々と提案されている。
【０００４】
例えば、シリンダ３の各区間Ａ〜Ｅ毎に予め昇温の傾きを測定し、その傾きデータから各区間Ａ〜Ｅ毎に昇温開始時点から設定値までの昇温完了時間を算出し、各区間Ａ〜Ｅ毎に昇温温度が同時に設定値に到達するよう、昇温温度の長い区間Ａ〜Ｅから順次昇温を開始し、昇温開始時間をずらせるよう昇温制御部１１を形成するものである（特許文献１。）
【０００５】
もっとも、この構成では、昇温過程で各区間Ａ〜Ｅに温度差が発生し、機械的ストレスや樹脂焼けが起き易い難点がある。
【０００６】
そこで、シリンダ３の各区間Ａ〜Ｅについて、予め設定されたむだ時間や傾きデータから、設定値への昇温完了時間の最も遅い区間Ａ〜Ｅを求め、この区間Ａ〜Ｅの昇温完了時間に合うように各区間Ａ〜Ｅの設定変化率を算出し、この設定変化率によって昇温させるような構成も提案されている。
【０００７】
すなわち、射出成形機のノズル・シリンダを複数の加熱制御ゾーンに区分し、各加熱制御ゾーン毎に設けた加熱体により各加熱制御ゾーンを室温状態から予め設定された所定の成形温度まで昇温させる射出成形機における昇温方法であり、それら複数の加熱制御ゾーンのなかで最も温度上昇の遅い加熱制御ゾーンに合わせて各加熱制御ゾーンが同じ温度で上昇するように各加熱制御ゾーンの加熱体の加熱制御量を制御することを特徴とする射出成形機の昇温方法である。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−３１５２９１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように、設定値への昇温完了時間の最も遅い区間Ａ〜Ｅを求め、この遅い区間Ａ〜Ｅの昇温時間に合うように各区間Ａ〜Ｅの設定変化率を算出してこれで昇温させる昇温方法では、最も遅い区間Ａ〜Ｅも設定変化率によって昇温されるため、全体の昇温時間が遅くなる難点があり、改善の余地がある。
【００１０】
本発明はそのような課題を解決するためになされたもので、全体の昇温完了時間を遅らせることなく、同じ時間に各区間を所定の昇温温度に昇温完了させることが可能な成形機の自動昇温制御方法を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そのような課題を解決するために本発明の成形機の自動昇温制御方法は、成形機のノズルおよびシリンダを複数の温度制御対象区間に区分し、各温度制御区間毎に設けた加熱体によりそれら各温度制御対象区間を予め設定された所定の設定値まで昇温させる成形機の自動昇温制御方法において、複数のそれら温度制御対象区間のうち当該設定値への到達時間が最も遅い温度制御対象区間をマスタ区間とし、このマスタ区間を任意の制御手法で昇温制御し、そのマスタ区間以外の区間をスレーブ区間とし、このスレーブ区間をマスタ区間のそれら設定値と測定値との比率である測定値到達率に基づき昇温制御することを特徴としている。
【００１２】
そして、本発明では、セルフチューニング法によって得られた各区間の「傾きデータ」および「むだ時間」より求めた当該設定値到達時間が最も遅い区間を上記マスタ区間とすると良い。
【００１３】
また、本発明は、上記測定値到達率に基づき個々の制御時点の上記スレーブ区間における設定値のベース値を算出し、このベース値に上記マスタ区間のむだ時間相当分の温度を加算するとともに、そのスレーブ区間の測定値とベース値との偏差を加算してスレーブ区間に係る自動昇温設定値を算出し、この自動昇温設定値から操作量を算出して上記スレーブ区間を昇温制御する構成も可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、従来構成と共通する部分には同一の符号を付す。
【００１５】
まず、本発明に係る自動昇温制御方法を説明する前に、この方法を実施する押出成形機およびその自動昇温制御装置の概略を簡単に説明する。
【００１６】
この射出成形機１は、上述した図６に示すように、シリンダ３の内部にスクリュー５を回転自在にして軸方向に沿って進退自在に配置し、シリンダ３の先端部にノズル７を取り付け、シリンダ３の外周を軸方向に沿って複数区間（温度制御対象区間）に分けて加熱体としての複数のヒータＨ１〜Ｈ５を各々配置するとともに、シリンダ３内部に樹脂チップを供給するホッパ９を配置し、図示しない駆動モータでスクリュー５を進退自在に回転する公知の構成を有している。
【００１７】
このような射出成形機１は、各区間Ａ〜Ｅ毎のヒータＨ１〜Ｈ５近傍に配置した温度センサＳ１〜Ｓ５と、これらセンサＳ１〜Ｓ５からの測定値ＰＶを昇温制御部１１へ入力し、この昇温制御部１１では各区間Ａ〜Ｅに係る所定の設定値ＳＶとの偏差が小さくなるような操作量であって、同じ時間に各区間Ａ〜Ｅを所定の昇温温度に昇温完了させる操作量を各々算出する昇温制御部１１と、それらヒータＨ１〜Ｈ５に加える交流電源（図示せず。）をそれらの操作量に基づき通電制御して加熱制御する操作部１３ａ〜１３ｅとを有して昇温制御装置１５が構成されている。
【００１８】
なお、図６において、センサＳ１〜Ｓ５は１本の線で昇温制御部１１に接続されているが、各々個別の温度測定値が入力され、設定値も各区間Ａ〜Ｅ毎に個別の値が昇温制御部１１へ入力される。
【００１９】
本発明は主にその昇温制御部１１に搭載して好適する自動昇温制御方法に関するものである。
【００２０】
次に、図１以下を参照して本発明に係る自動昇温制御方法を説明する。
【００２１】
図１は本発明に係る自動昇温制御方法を示す工程図である。
図１（１）において、まず自動昇温用データの算出を行う。上述した図６の押出成形機１について、従来公知の手法によるセルフチューニング法（オートチューニング法）でヒータＨ１〜Ｈ５を加熱制御し、各区間Ａ〜Ｅ毎の「むだ時間（Ｌ）」、昇温中の昇温スピードの平均である「傾斜データ」、および「むだ時間相当分の温度（ＴＬ）」などの自動昇温用データの他、例えばＰＩＤ定数などを算出する。実際には、図６の昇温制御部１１で行うとともに、それらを記憶すると良い。
【００２２】
なお、「むだ時間相当分の温度（ＴＬ）」とは、スレーブ区間のむだ時間の間にマスタ区間が昇温する温度相当の温度である（後述する図３）。
【００２３】
図２は、区間Ａ〜Ｅ中のある区間の昇温状態で示す図であり、区間毎に「むだ時間（Ｌ）」、「傾斜データ」、「立ち上がり時間」などが異なることになる。
【００２４】
つづく図１（２）では、マスタ区間とスレーブ区間の選択を行う。この選択は、図１（１）の自動昇温用データの算出で得られた「むだ時間（Ｌ）」および「傾斜データ」と、自動昇温開始時の各区間Ａ〜Ｅの測定値ＰＶ（ＰＶ０）や設定値ＳＶから、各区間Ａ〜Ｅの設定値ＳＶの到達時間を求め、設定値ＳＶの到達時間の最も遅い区間をマスタ区間として選定する一方、残りの区間をスレーブ区間と選定する。設定値ＳＶの到達時間は次の式で求められる。ここでは全ての区間Ａ〜Ｅが同じ設定値ＳＶであるとして説明する。
【００２５】
ＳＶ到達時間＝（（ＳＶ−ＰＶ０）／傾斜データ）＋α・むだ時間（Ｌ）
（符号αは経験則から得られる定数である。）
【００２６】
具体的には、各々のＳＶ到達時間の比較に基づき、区間Ａ〜Ｅがマスタ区間かスレーブ区間かを自動又は手動で昇温制御部１１に設定する。
【００２７】
図３は一例としてある２区間をマスタ区間とスレーブ区間に選定した場合の昇温状態例を示している。
【００２８】
なお、本発明では、複数の区間を同一（単）の昇温グループとするとともに、複数の昇温グループ構成とすることも可能である。
【００２９】
マスタ区間とスレーブ区間が選定されると、以降は自動昇温処理工程となる。
【００３０】
図１（３）においては、図４に示すように、マスタ区間に関して自動昇温開始時のマスタ測定値ＰＶ（Ｔｍ）およびマスタ設定値ＳＶ（ＳＶｍ）から、従来公知の例えばＰＩＤ演算によってマスタ用操作量の算出を行う。
【００３１】
他方、スレーブ区間では、図１（４）以降にて、下記の計算手順ａ〜ｄによって算出された自動昇温設定値ｓｖからＰＩＤ制御を行う。
【００３２】
すなわち、スレーブ区間については、ＰＩＤ制御用に自動昇温設定値ｓｖを算出する訳である。この自動昇温設定値ｓｖは、本発明の特徴となるもので、スレーブ区間の最終設定値ＳＶｓに至るまでの個々の制御タイミング毎の設定値であり、最終的な設定値ＳＶはあくまで制御開始時の設定値ＳＶｓである。
ａ．図１（４）において、自動昇温開始時のマスタ区間の測定値ＰＶ（Ｔｍ）、マスタ区間の設定値ＳＶ（ＳＶｍ）、現在制御中のマスタ測定値ＰＶ（ＰＶｍ）からその制御中のマスタ区間の測定値到達率を次式で算出する。
【００３３】
マスタ区間到達率＝（ＰＶｍ−Ｔｍ）／（ＳＶｍ−Ｔｍ）
【００３４】
ｂ．図１（５）において、マスタ区間到達率を基にして、自動昇温開始時のスレーブ測定値ＰＶ（Ｔｓ）およびスレーブ最終設定値ＳＶ（ＳＶｓ）とから現在制御中のスレーブ設定値ＳＶのベース値（ＳＶbase）を算出する。スレーブ設定値ＳＶのベース値（ＳＶbase）は、次式で算出される。
【００３５】
ＳＶbase＝（ＳＶｓ−Ｔｓ）×マスタ区間到達率＋Ｔｓ
【００３６】
ここで、このスレーブ設定値ＳＶのベース値（ＳＶbase）は、Ｔｍ＝Ｔｓ、ＳＶｍ＝ＳＶｓの場合、つまりマスタ区間とスレーブ区間が同じ温度で自動昇温を開始し、かつ最終設定値ＳＶが同じ場合、ＳＶbase＝ＰＶｍとなる。
【００３７】
その関係が得られる過程を式で表せば以下のようになる。
【００３８】
ＳＶbase＝（ＳＶｓ−Ｔｓ）×到達率＋Ｔｓ
＝（ＳＶｓ−Ｔｓ）×（ＰＶｍ−Ｔｍ）／（ＳＶｍ−Ｔｍ）＋Ｔｓ
＝（ＳＶｓ−Ｔｓ）× （ＰＶｍ−Ｔｓ）／（ＳＶｓ−Ｔｓ）＋Ｔｓ
＝（ＰＶｍ−Ｔｓ）＋Ｔｓ
＝ＰＶｍ
【００３９】
さらに、図１（６）において、スレーブ設定値ＳＶbaseに自動昇温用データの算出で求めたスレーブ区間のむだ時間相当分の温度（ＴＬ）を加算し、同図（７）において、次式のようにスレーブ測定値ＰＶと設定値ＳＶのベースＳＶbaseとの偏差分（±Ｅ）を加算する。
【００４０】
ＳＶ＝ＳＶbase ＋ＴＬ−（スレーブＰＶ値−ＳＶ base ）
【００４１】
そして、図１（８）において、上述したスレーブ区間の設定値ＳＶとスレーブ区間の測定値から公知のＰＩＤ演算によってスレーブ区間の操作量を算出する。
【００４２】
以下、上述した自動昇温処理がくり返される。
【００４３】
図６の昇温制御部１１は、マスタ区間の操作量および各スレーブ区間の操作量を算出して、操作部１３ａ〜１３ｅを操作する。
【００４４】
このように、本発明の自動昇温制御方法では、押出成形機１のシリンダ３およびノズル７を複数の温度制御対象区間Ａ〜Ｅに区分し、そのうち当該設定値への到達時間が最も遅い温度制御対象区間をマスタ区間とし、そのマスタ区間以外の区間をスレーブ区間とし、そのマスタ区間を公知のＰＩＤ制御手法で昇温制御する一方、そのスレーブ区間については、マスタ区間の設定値と測定値との比率である測定値到達率を求め、この到達率に基づき個々の制御時点の上記スレーブ区間における設定値のベース値を算出し、このベース値に上記マスタ区間のむだ時間相当分の温度（ＴＬ）を加算するとともに、そのスレーブ区間の測定値とベース値との偏差を加算してスレーブ区間に係る制御時点の自動昇温設定値を算出し、この自動昇温設定値から操作量を算出して昇温制御するから、当該設定値への到達時間が最も遅いマスタ区間の昇温制御に同期して各々のスレーブ区間が昇温制御される。
【００４５】
そのため、本発明に係る自動昇温制御方法では、全体の昇温時間を遅らせることなく、同じ時間に各区間を所定の昇温温度に昇温完了させることが可能となるし、昇温時に各区間で温度差が発生し難く、機械的ストレスや樹脂焼けが発生し難い。
【００４６】
本発明者の実験では、図５Ａに示す従来のように本発明に係る自動昇温を行わない方法による通常昇温例では複数の区間の昇温時間が不揃いであったが、本発明に係る自動昇温例では、同図Ｂに示すように、複数の区間で昇温完了時間が揃い、その効果が確認された。なお、図５中のバレル温度は、射出成形機１のシリンダ３における温度制御対象区間であり、この区間中の特定区間がマスタ区間となる。
【００４７】
また、本発明の自動昇温制御方法において、マスタ区間の操作量を算出する手法は任意であり、スレーブ区間についても本発明に基づいて算出した自動昇温設定値から操作量を求める手法は任意である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の自動昇温制御方法は、成形機のノズルおよびシリンダを複数の温度制御対象区間に区分し、複数のそれら温度制御対象区間のうち当該設定値への到達時間が最も遅い温度制御対象区間をマスタ区間とし、このマスタ区間を任意の制御手法で昇温制御し、そのマスタ区間以外の区間をスレーブ区間とし、このスレーブ区間をマスタ区間のそれら設定値と測定値との比率である測定値到達率に基づき昇温制御するから、当該設定値への到達時間が最も遅いマスタ区間の昇温制御に同期してスレーブ区間が昇温制御され、全体の昇温時間を遅らせることなく、同じ時間に各区間を所定の昇温温度に昇温完了させることが可能となる。
しかも、昇温時に各区間で温度差が発生し難く、機械的ストレスや樹脂焼けが発生し難い。
そして、セルフチューニング法で得られた各区間の「傾きデータ」および「むだ時間」より求めた当該設定値到達時間が最も遅い区間を上記マスタ区間とする構成では、そのマスタ区間の選定が簡単かつ確実である。
また、上記スレーブ区間において、その測定値到達率に基づき個々の制御時点のスレーブ区間における設定値のベース値を算出し、このベース値にマスタ区間のむだ時間相当分の温度を加算するとともに、それらのスレーブ区間の測定値とベース値との偏差を加算してスレーブ区間に係る自動昇温設定値を算出し、この自動昇温設定値から操作量を算出し、スレーブ区間を昇温制御する構成では、自動昇温中にスレーブ測定値の目標温度であるスレーブ設定値のベース値とのずれを補正することができる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る成形機の自動昇温制御方法の実施の形態を示す工程図である。
【図２】本発明に係る自動昇温制御方法の実施の工程を説明する波形図である。
【図３】本発明に係る自動昇温制御方法の実施の工程を説明する波形図である。
【図４】本発明に係る自動昇温制御方法の実施の工程を説明する波形図である。
【図５】従来の自動昇温を行わない方法における昇温例と本発明に係る自動昇温制御方法における昇温例を説明する波形図である。
【図６】従来と本発明に係る自動昇温制御方法を実施する押出成形機を示す図である。
【符号の説明】
１押出成形機（成形機）
３シリンダ
５スクリュー
７ノズル
９ホッパ
１１昇温制御部
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ操作部
１５昇温制御装置
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４、Ｈ５ヒータ
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５温度センサ

Claims

成形機のノズルおよびシリンダを複数の温度制御対象区間に区分し、各温度制御区間毎に設けた加熱体によりそれら各温度制御対象区間を所定の設定値まで各々昇温させる成形機の自動昇温制御方法において、
複数の前記温度制御対象区間のうち当該設定値への到達時間が最も遅い温度制御対象区間をマスタ区間とし、このマスタ区間を任意の制御手法で昇温制御し、前記マスタ区間以外の区間をスレーブ区間とし、このスレーブ区間を前記マスタ区間の前記設定値と測定値との比率である測定値到達率に基づき昇温制御することを特徴とする成形機の自動昇温制御方法。
前記マスタ区間は、セルフチューニング法によって得られた前記各区間の「傾きデータ」および「むだ時間」より求めた当該設定値到達時間が最も遅い区間である請求項１記載の自動昇温制御方法。
前記スレーブ区間は、前記測定値到達率に基づき個々の制御時点の前記スレーブ区間における設定値のベース値を算出し、このベース値に前記マスタ区間のむだ時間相当分の温度を加算するとともに、前記スレーブ区間の測定値とベース値との偏差を加算して前記スレーブ区間に係る自動昇温設定値を算出し、この自動昇温設定値から操作量を算出して昇温制御する請求項１又は２記載の成形機の自動昇温制御方法。