JP5800938B2 - 電源コンバータ制御部を有する射出成形機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形機の制御装置に関し、特に電源コンバータを有する射出成形機の制御装置に関する。

射出成形機では、射出装置や型締装置を駆動するためにサーボモータを備え、サーボモータに対してモータ駆動装置から駆動電力を供給して駆動を行うことが一般に行われている。ここで、射出装置における射出工程では、スクリュを高速で前進させる射出動作をサイクル毎に繰り返しており、型締装置における型締工程においても、可動金型の支持部材を高速で前進させる型締動作をサイクル毎に繰り返すことになる。

このように、サーボモータにより軸を駆動する射出成形機においては、軸を高速で動作させる際に、サーボモータに大きな電力が必要とされることがある。特に、薄肉成形を行うための高速射出や、圧縮成型を行うための高速型締を行う場合には、サーボモータが高速動作する時間は短時間であるものの、一時的にサーボモータに大きな電力を供給する必要があるため、電源装置を大型化して、大きな電力供給に対応する必要があった。

そこで、電源装置を大型化する代わりに、サーボモータを駆動する駆動装置の直流電圧部に蓄電部を設け、蓄電部の電圧を昇圧して高速動作時に必要なエネルギーを備えることで、電源装置の大型化を防止することも行われている。

これらの射出成形機の電源部に関する技術として、以下の特許文献に開示されているような技術がある。
特許文献１には、電力を備える蓄電部を有し、モータの加速期間に入る前に蓄電部をモータの駆動電圧よりも高い蓄電電圧に充電し、充電された蓄電電圧を、モータの加速期間において、蓄電部に蓄えられた蓄電電力を、充電制御部や供給制御部を用いてモータに供給する電圧値に変換して、駆動電力として供給する技術が開示されている。

特許文献２には、所定の成形サイクルで成形を行うために電源からの電力を変換してＤＣリンクを介してモータに供給する電源コンバータを制御する制御装置を備えた射出成形機において、制御装置が、成形サイクルにおける所定期間だけ、ＤＣリンクの両極間電圧が所定の目標電圧となるように電源コンバータを順方向で動作させる技術が開示されている。

特開２０００−１４１４４０号公報 特開２０１２−２４０１９９号公報

特許文献１に開示されている技術は、蓄電部において電力を蓄えてモータに供給するようにしているが、蓄電部をモータの駆動電圧よりも高い蓄電電圧に充電するために、蓄電部とモータ駆動部との間に充電制御部や供給制御部を設ける必要があるため、機構が複雑になるおそれがあった。
特許文献２に開示されている技術は、ＤＣリンクの両極間電圧が所定の目標電圧となるように電源コンバータを順方向で動作させているが、ＤＣリンクの両極間電圧を所定の目標電圧とするために、電源コンバータを連続的に動作させているため、電源コンバータ動作時のエネルギーロスが大きくなったり、電源コンバータの部品寿命が短くなったりするおそれがあった。

そこで本発明は、射出成形機の構成を複雑化することなく、電源コンバータ動作時のエネルギーロスを抑え、電源コンバータの部品寿命の長寿命化を図ることが可能な、電源コンバータ制御部を有する射出成形機の制御装置を提供することを目的とする。

本願の請求項１に係る発明では、軸を駆動するサーボモータと、該サーボモータを駆動する駆動装置と、電源からの電圧を昇圧して前記駆動装置に電力を供給する電源コンバータと、該電源コンバータと前記駆動装置との間に結合される蓄電部と、前記電源コンバータを制御する電源コンバータ制御部とを有する射出成形機の制御装置において、成形サイクルを、電源コンバータの連続動作区間と、該連続動作区間より前の区間である昇圧区間と、前記連続動作区間と前記昇圧区間以外の区間である電源コンバータの断続動作区間とに区分し、前記電源コンバータ制御部は、前記連続動作区間においては、前記電源コンバータを連続的に動作させ、前記昇圧区間においては、前記電源コンバータを動作させて前記蓄電部の電圧を昇圧電圧まで昇圧し、前記断続動作区間においては、前記電源コンバータを断続的に動作させることを特徴とする射出成形機の制御装置が提供される。

請求項１に係る発明では、射出成形機の成形サイクルを、電源コンバータの動作状態に応じて、連続動作区間と昇圧区間と断続動作区間とに区分して、それぞれの区間に応じて電源コンバータの動作態様を変更したことを特徴とする。連続動作区間において電源コンバータを連続的に動作させることによって、モータに供給する電力量を大きくすることができ、かつ、断続動作区間において電源コンバータを断続的に動作させることによって、モータを駆動するのに必要な電圧を維持しながら、電源コンバータ動作時のエネルギーロスを抑え、電源コンバータの部品の長寿命化を図ることができる。さらに、蓄電部の電圧とモータの駆動電圧を等しくするため、蓄電部とモータ駆動部との間に充電制御部や供給制御部といった格別の装置が不要となる。

本願の請求項２に係る発明では、請求項１に記載の射出成形機の制御装置において、前記電源コンバータ制御部は、前記断続動作区間においては、前記蓄電部の電圧が動作開始電圧と等しいか小さくなると前記電源コンバータの動作を開始し、前記蓄電部の電圧が動作停止電圧と等しいか大きくなると前記電源コンバータの動作を停止することを特徴とする射出成形機の制御装置が提供される。
請求項２に係る発明では、断続動作区間において、蓄電部の電圧が動作開始電圧と動作停止電圧との間の電圧値となるように電源コンバータを断続的に動作させるよう制御するため、モータを駆動するのに必要な電圧を維持しながら、電源コンバータ動作時のエネルギーロスを抑え、電源コンバータの部品の長寿命化を図ることができる。

本願の請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の射出成形機の制御装置において、前記昇圧区間は、前記連続動作区間が開始する所定時間前、成形サイクル開始時、型閉開始時のいずれかの時点から前記連続動作区間の開始時点までの区間とすることを特徴とする射出成形機の制御装置が提供される。
本願の請求項４に係る発明では、請求項３に記載の射出成形機の制御装置において、前記所定時間は、昇圧開始前の前記蓄電部の電圧と、前記昇圧電圧と、前記蓄電部の静電容量と、前記電源コンバータの電力出力値から求めることを特徴とする射出成形機の制御装置が提供される。

請求項３，４に係る発明では、連続動作区間の前の昇圧区間を、所定の方法により決定することによって、連続動作区間に入る前に、蓄電部の電圧を所定の昇圧電圧まで確実に昇圧させることが可能となる。

本願の請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の射出成形機の制御装置において、前記連続動作区間は、成形サイクルの射出区間、保圧区間、型締区間のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする射出成形機の制御装置が提供される。
請求項５に係る発明では、連続動作区間として、成形サイクルの射出区間、保圧区間、型締区間のうち少なくとも一つを含むようにしたことによって、モータの駆動電力が比較的大きくなる射出区間、保圧区間、型締区間であっても、モータに必要な電力量を確実に供給することが可能となる。

本願の請求項６に係る発明では、請求項１〜５のいずれかに記載の射出成形機の制御装置において、前記断続動作区間は、成形サイクルの計量区間、冷却区間、型開き区間、突出し区間のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする射出成形機の制御装置が提供される。
請求項６に係る発明では、断続動作区間として、成形サイクルの計量区間、冷却区間、型開き区間、突出し区間のうち少なくとも一つを含むようにしたことによって、モータに必要とされる駆動電力が比較的小さくなる計量区間、冷却区間、型開き区間、突出し区間において、必要な電力を維持しながら、電源コンバータ動作時のエネルギーロスを抑え、電源コンバータの部品の長寿命化を図ることができる。

本発明により、射出成形機の構成を複雑化することなく、電源コンバータ動作時のエネルギーロスを抑え、電源コンバータの部品寿命の長寿命化を図ることが可能な、電源コンバータ制御部を有する射出成形機の制御装置を提供することができる。

本発明の実施形態における射出成形機の制御装置の構成図である。 断続動作区間における電源コンバータの動作状態値蓄電部の電圧の値を示した図である。 昇圧区間と連続動作区間における電源コンバータの動作状態と、蓄電部の電圧の値を示した図である。 成形サイクル全体における電源コンバータの動作状態と、蓄電部の電圧の値を示した図である。 電源コンバータの動作指令制御を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本実施形態における射出成形機の制御装置の構成図である。電源部１０には電源コンバータ１２が接続されている。また、１４は電源コンバータ制御部であり、電源コンバータ１２に対して動作指令を行っている。電源コンバータ１２には蓄電部１６が接続されている。そして、電源コンバータ１２と蓄電部１６を接続する２本の線の間の電圧を蓄電部１６の電圧とする。蓄電部１６は各種モータを駆動する駆動装置（２２，２４，２６，２８）と接続されており、各駆動装置は各種モータ（射出モータ３２、回転モータ３４、型開閉モータ３６、エジェクタモータ３８）とそれぞれ接続されている。

電源からの電圧を昇圧して駆動装置及び蓄電部１６に電力を供給する電源コンバータ１２としては、公知のＰＷＭコンバータなどを使用することができる。これにより、電源コンバータ１２によって電源の三相交流を直流に変換できる。また、蓄電部１６には電源コンバータ１２から供給された電力が蓄えられるが、モータから回生電力が発生した場合には、回生電力を蓄電部１６に蓄えるように構成することもできる。

このように構成された射出成形機の制御装置において、電源コンバータ制御部１４からの動作指令に基づいて電源コンバータ１２はオン／オフし、オンの時に電源部１０からの電力を蓄電部１６に供給する。各種モータのうち駆動しているモータの駆動装置に対して、蓄電部１６から電力を供給する。蓄電部１６の電圧は、電源コンバータ１２のオンによる電源部１０からの電力の供給を受けることによって上昇し、各駆動装置に対する電力の供給によって低下する。

ここで、射出成形機の成形サイクルは、金型が閉じる工程、溶融した樹脂を金型内に射出する工程、次の成形サイクルのために樹脂を溶融しながら計量する工程、金型を開く工程、そして成形品を金型から突き出す工程とから構成されている。本発明における成形サイクルは、これらの一連の工程からなるサイクルのことを指すものとする。

本発明では、成形サイクルを、電源コンバータの連続動作区間、昇圧区間、断続動作区間に区分して、それぞれの区分毎に電源コンバータの動作を変更することを特徴としている。さらに具体的には、モータ駆動電力が比較的大きい区間である連続動作区間においては、電源コンバータを連続的に動作させ、その連続動作区間より前の区間である昇圧区間においては、電源コンバータを連続的又は断続的に動作させて蓄電部の電圧を昇圧し、連続動作区間、昇圧区間以外のモータ駆動電力が比較的小さい区間である断続動作区間においては、蓄電部に電力を供給する電源コンバータを断続的に動作させることを特徴とする。

図２は、本実施形態における断続動作区間における電源コンバータ１２の動作状態と、蓄電部１６の電圧の値を示した図である。図２に示されているように、蓄電部１６の電圧は、上昇と低下を繰り返している。図２における、期間ｔａ１、ｔａ３、ｔａ５においては、電源コンバータ制御部１４から電源コンバータ１２に対してＯＦＦ指令が出されており、期間ｔａ２、ｔａ４においては、電源コンバータ制御部１４から電源コンバータ１２に対してＯＮ指令が出されている。電源コンバータがＯＮされている期間は、モータ駆動電力がさほど大きくない場合、電源部１０からの電力の供給により蓄電部１６の電圧は上昇する。一方、電源コンバータがＯＦＦされている期間は、電源部１０からの電力の供給がないために、モータ等の駆動により電力が消費されて蓄電部１６の電圧は低下する。

蓄電部１６の電圧としては、予め動作開始電圧Ｖ１と動作停止電圧Ｖ２が設定されている。動作開始電圧Ｖ１は、モータを駆動するのに最低限必要な電圧に基づいて定めるようにするのが好ましい。また、動作停止電圧Ｖ２は、少なくとも動作開始電圧Ｖ１よりも高い電圧値とする。蓄電部１６の電圧が動作開始電圧Ｖ１と等しいか小さくなると電源コンバータ１２をＯＮし、蓄電部１６の電圧が動作停止電圧Ｖ２と等しいか大きくなると電源コンバータ１２をＯＦＦするように、電源コンバータ１２の動作指令が出されている。
また、断続動作区間のうち、モータを駆動しない停止区間においては、蓄電部１６の電圧の大小によらず、電源コンバータ１２の動作を停止させるようにすることもできる。これにより、さらにエネルギーのロスを低下させることが可能となる。

次に、図３に基づいて、昇圧区間と連続動作区間における電源コンバータ１２の動作状態を説明する。図３は、昇圧区間と連続動作区間における電源コンバータ１２の動作状態と、蓄電部１６の電圧の値を示した図である。昇圧区間は、連続動作区間より前の所定の期間として設定される。

蓄電部１６の電圧として、予め所定の電圧値として昇圧電圧Ｖｍａｘを定めておき、電源コンバータＯＦＦの期間ｔｂ１から、昇圧区間（期間ｔｂ２、ｔｂ３）において、電源コンバータ１２を動作させて蓄電部１６の電圧を昇圧電圧Ｖｍａｘまで上昇させる。なお、図３に示された例においては、昇圧区間において電源コンバータ１２を連続的に動作させて、昇圧区間の終了前の期間ｔｂ２で昇圧電圧Ｖｍａｘまで昇圧して、昇圧区間の終了時まで昇圧電圧Ｖｍａｘの値で維持するようにしている（期間ｔｂ３）が、昇圧区間の終了時において蓄電部１６の電圧が昇圧電圧まで昇圧が完了するのであれば、必ずしも昇圧区間において電源コンバータ１２を連続的に動作させる必要はなく、断続的に動作させてもよい。例えば、昇圧中に電源コンバータ１２の動作をいったん停止させて、その後動作を再開してもよいし、昇圧が完了した後に、電源コンバータ１２を断続的に動作させることで昇圧電圧Ｖｍａｘを維持するようにしてもよい。

昇圧区間の後に、連続動作区間が設けられている（期間ｔｂ４）。連続動作区間においては、電源コンバータ１２は継続してＯＮ状態とされて連続的に動作されている。後述するように、連続動作区間は、成形サイクルにおけるモータ駆動電力が比較的大きい区間が割り当てられるため、電源コンバータ１２を連続的に動作させて電力を供給しても、電源コンバータ１２の電力供給能力よりもモータの消費電力の方が大きくなることがある。図３における連続動作区間はそのような状態を示しており、電源コンバータ１２を連続的に動作させて電力を供給しても、電力の不足分を補うために蓄電部１６からモータ駆動部へ電力が放出されるため、蓄電部１６の電圧は低下する。このとき、モータ等の駆動をするのに必要な電圧を下回ることになると、動作に支障が生じるため、連続動作区間の終了時においても最低限必要な電圧値は確保できるように、連続動作区間の長さや昇圧電圧Ｖｍａｘの値を設定するようにしてもよい。

昇圧電圧Ｖｍａｘは、電源コンバータ１２や蓄電部１６の部品耐圧を超えない範囲で、できるだけ高い電圧とすることが望ましい。連続動作区間において蓄電部１６からモータ駆動部に供給できる電力量は、１／２・Ｃ・（Ｖｍａｘ^２-Ｖｍｉｎ^２）となるため、Ｖｍａｘが高いほど蓄電部１６からモータ駆動部に供給できる電力量が大きくなる。（C：蓄電部の静電容量、Ｖｍｉｎ：モータを駆動するのに最低限必要な電圧）
また、上記において、電源コンバータ１２を動作させて昇圧を開始する際の所定時間は、昇圧開始前の蓄電部１６の電圧Ｖａｃｔと、昇圧電圧Ｖｍａｘと、蓄電部１６の静電容量と、電源コンバータ１２の電力出力値から、以下の数式に基づいて求めるようにしてもよい。
Ｗ・ｔ＝１／２・Ｃ・（Ｖｍａｘ^２−Ｖａｃｔ^２） （Ｔ:所定時間、Ｗ：電源コンバータの電力出力値）

次に、図４に基づいて、成形サイクル全体における電源コンバータ１２の動作状態を説明する。図４は、成形サイクル全体における電源コンバータ１２の動作状態と、蓄電部１６の電圧の値を示した図である。図４に示された例においては、成形サイクルのうち、射出工程を連続動作区間に割り当て、射出工程の前の型閉工程を昇圧区間に割り当て、それ以外の保圧・計量工程、型開・突出し工程を断続動作区間に割り当てている。連続動作区間、断続動作区間、昇圧区間のそれぞれにおける電源コンバータ１２の動作態様、及び、蓄電部の電圧については、図２及び図３に基づいてこれまで説明したものと同様である。

図４に示された例においては、成形サイクルのうち、射出工程を連続動作区間に割り当て、射出工程の前の型閉工程を昇圧区間に割り当て、それ以外の保圧・計量工程、型開・突出し工程を断続動作区間に割り当てているが、それぞれ成形サイクルの他の工程を割り当てるようにすることもできる。この際、連続動作区間はモータ駆動電力が比較的大きい工程を割り当てるのが望ましく、具体的には射出工程、保圧工程、型締工程の少なくとも１つを含むように割り当てるのが望ましい。また、連続動作区間への成形サイクルの割り当てを変更することによって、断続動作区間に割り当てられる成形サイクルの工程も異なってくるが、断続動作区間に割り当てられる成形サイクルとしては、モータ駆動電力が比較的小さい工程を割り当てるのが望ましく、具体的には計量工程、冷却工程、型開き工程、突出し工程の少なくとも１つを含むように割り当てることが望ましい。

図５は、図３及び図４に示されている、昇圧区間において常時電源コンバータの動作を行う場合における、電源コンバータの動作指令制御を示すフローチャートである。以下、ステップ毎に説明する。
・（ステップＳＡ１）区間が連続動作区間かどうかを判定する。連続動作区間である場合（ＹＥＳ）はステップＳＡ７に進み、連続動作区間でない場合（ＮＯ）はステップＳＡ２に進む。
・（ステップＳＡ２）区間が昇圧中かどうかを判定する。昇圧中である場合（ＹＥＳ）はステップＳＡ７に進み、昇圧中でない場合（ＮＯ）はステップＳＡ３に進む。
・（ステップＳＡ３）蓄電部の電圧Ｖａｃｔが動作開始電圧Ｖ１以下であるかどうかを判定する。動作開始電圧Ｖ１以下である場合（ＹＥＳ）はステップＳＡ７に進み、動作開始電圧Ｖ１より大きい場合（ＮＯ）はステップＳＡ４に進む。

・（ステップＳＡ４）蓄電部の電圧Ｖａｃｔが動作停止電圧Ｖ２以上であるかどうかを判定する。動作停止電圧Ｖ２以上である場合（ＹＥＳ）はステップＳＡ６に進み、動作停止電圧Ｖ２未満である場合（ＮＯ）はステップＳＡ５に進む。
・（ステップＳＡ５）前回の動作指令がＯＮかどうかを判定する。ＯＮである場合（ＹＥＳ）はステップＳＡ７に進み、ＯＮではない場合（ＮＯ）はステップＳＡ６に進む。
・（ステップＳＡ６）電源コンバータの動作指令をＯＦＦとする。

・（ステップＳＡ７）電源コンバータの動作指令をＯＮとする。
・（ステップＳＡ８）成形運転が終了したかどうかを判定する。運転が終了した場合（ＹＥＳ）はステップＳＡ９に進み、運転が終了していない場合（ＮＯ）はステップＳＡ１に戻る。
・（ステップＳＡ９）電源コンバータの動作指令をＯＦＦとして終了する。

１０ 電源部
１２ 電源コンバータ
１４ 電源コンバータ制御部
１６ 蓄電部
２２，２４，２６，２８ 駆動装置
３２ 射出モータ
３４ 回転モータ
３６ 型開閉モータ
３８ エジェクタモータ

Claims (6)

1. 軸を駆動するサーボモータと、該サーボモータを駆動する駆動装置と、電源からの電圧を昇圧して前記駆動装置に電力を供給する電源コンバータと、該電源コンバータと前記駆動装置との間に結合される蓄電部と、前記電源コンバータを制御する電源コンバータ制御部とを有する射出成形機の制御装置において、
   成形サイクルを、電源コンバータの連続動作区間と、該連続動作区間より前の区間である昇圧区間と、前記連続動作区間と前記昇圧区間以外の区間である電源コンバータの断続動作区間とに区分し、
   前記電源コンバータ制御部は、
   前記連続動作区間においては、前記電源コンバータを連続的に動作させ、
   前記昇圧区間においては、前記電源コンバータを動作させて前記蓄電部の電圧を昇圧電圧まで昇圧し、
   前記断続動作区間においては、前記電源コンバータを断続的に動作させる
   ことを特徴とする射出成形機の制御装置。
2. 請求項１に記載の射出成形機の制御装置において、
   前記電源コンバータ制御部は、
   前記断続動作区間においては、前記蓄電部の電圧が動作開始電圧と等しいか小さくなると前記電源コンバータの動作を開始し、前記蓄電部の電圧が動作停止電圧と等しいか大きくなると前記電源コンバータの動作を停止することを特徴とする射出成形機の制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の射出成形機の制御装置において、
   前記昇圧区間は、前記連続動作区間が開始する所定時間前、成形サイクル開始時、型閉開始時のいずれかの時点から前記連続動作区間の開始時点までの区間とすることを特徴とする射出成形機の制御装置。
4. 請求項３に記載の射出成形機の制御装置において、
   前記所定時間は、昇圧開始前の前記蓄電部の電圧と、前記昇圧電圧と、前記蓄電部の静電容量と、前記電源コンバータの電力出力値から求めることを特徴とする射出成形機の制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の射出成形機の制御装置において、
   前記連続動作区間は、成形サイクルの射出区間、保圧区間、型締区間のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする射出成形機の制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の射出成形機の制御装置において、
   前記断続動作区間は、成形サイクルの計量区間、冷却区間、型開き区間、突出し区間のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする射出成形機の制御装置。