JP5819647B2

JP5819647B2 - フィードフォワード機能を有する射出成形機の温度制御装置

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Publication number: JP5819647B2
Application number: JP2011135714A
Authority: JP
Inventors: 淳平丸山; 内山　辰宏; 辰宏内山
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2015-11-24
Anticipated expiration: 2031-06-17
Also published as: JP2013001015A

Description

本発明は射出成形機に関し、特に、フィードフォワード機能を有する射出成形機の温度制御装置に関する。

射出成形機のシリンダー温度制御は、ＰＩＤ制御によって行われるのが一般的である。
ＰＩＤ制御は温度の設定値（ＳＶ値）に対してシリンダー温度の検出値（ＰＶ値）に偏差ＥＴが生じたときに、その偏差ＥＴに基づいてヒーター通電の操作量を計算するものである。そのため、外乱に対する応答性が遅く、外乱による温度低下などの変動が生じることが知られている。例えば、連続成形運転やパージ動作の開始時には、それまで熱平衡状態であった射出シリンダーに対して急に冷たい樹脂材料が供給されて射出シリンダーの熱が奪われるため、射出シリンダーの温度が一時的に低下する。図１０は、射出成形機のシリンダー温度の制御をＰＩＤ制御により行った場合の、サイクル運転またはパージ動作における射出シリンダーの実温度とＰＩＤコントローラによる操作量の時間変化を示している。

連続成形運転やパージ動作の開始時に射出シリンダーの温度が低下すると、樹脂温度が低下し、成形不良につながるおそれがあるため、好ましくない。また、連続成形の中断時やパージ動作の終了時には、冷たい樹脂材料の供給が停止するため、それまで樹脂に熱を奪われていた状態から熱を奪われない状態に変わり、射出シリンダー温度が一時的に上昇する。射出シリンダー温度が上昇すると樹脂の熱分解が発生したり、再び設定温度に収束して安定するのに時間がかかるという問題がある。
このような問題に鑑みて、外乱発生時の温度低下を抑制するために、射出成形機の射出シリンダー温度制御にＰＩＤ制御に加えてフィードフォワード（ＦＦ）制御を適用することが従来から行われている。

特許文献１においては、成形機の成形開始時に、加熱シリンダーから奪われるであろう熱量を予め予測し、該予測した熱量をＰＩＤ制御の操作量に加える技術が開示されている。しかし、ＰＩＤ制御の操作量に加える前記予測した熱量は予め実験により求めておく必要があるという問題があった。
特許文献２においては、動作や温度などの設定変更によって発生する外乱を相殺するための加熱調整量を補償データ記憶部にあらかじめ記憶しておき、設定変更時には前記あらかじめ記憶した加熱調整量を補償データ記憶部から読み出して、前記外乱を相殺するようにヒーターの加熱量を調整する技術が開示されている。しかし、様々な設定変更に対応する加熱調整量をあらかじめ求めて記憶しておくことは難しいという問題があった。

特許文献３においては、加熱対象に対する各運転状態の制御操作量の平均値を求めて記憶しておき、成形機の運転状態の状態変化時には前記記憶した制御操作量の平均値に基づいて制御操作量に補償値を付加する技術が開示されている。また、特許文献４においては、成形機の運転状態と停止状態における操作量とを学習して得られる学習変化操作量で加熱温度をフィードフォワード制御する技術が開示されている。しかし、あらかじめ制御操作量の補償値を算出するための試し運転が必要になるという問題があった。

特開平２−２３９９１６号公報特開平３−１６４２２４号公報特開平６−１８０６１３号公報特開平７−２６６３９３号公報

本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、事前実験や試し成形運転の必要がなく、さらに様々な成形条件に対応可能な、連続成形運転やパージ動作の開始時の温度変動を防止する射出成形機の温度制御装置を提供することである。

さらに本発明の他の目的は、運転中に成形条件やパージ条件が変更された場合でも、条件変更による外乱の特性変化に即座に対応して、連続成形運転やパージ動作開始時の温度変動を防止する射出成形機の温度制御装置を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、射出シリンダーと、該射出シリンダーを加熱する加熱ヒーターと、前記射出シリンダーの温度を検出する温度検出部と、該検出した射出シリンダー温度をフィードバックして目標温度との温度偏差を求め、該温度偏差に応じた操作量で前記射出シリンダー温度をフィードバック制御する温度制御部と、前記射出シリンダー内に回転自在に、かつ、進退自在に配設されたスクリュと、該スクリュを回転駆動するスクリュ回転駆動部とを有する射出成形機において、前記射出シリンダーの熱が樹脂に奪われる所定区間の時間において、前記射出シリンダーが樹脂に奪われる熱量を、該所定区間の時間において可塑化する樹脂体積に基づいて補正熱量として求める補正熱量算出部と、前記補正熱量を前記所定区間の時間で除算して求めた単位時間あたりの補正熱量からフィードフォワード量を求めるフィードフォワード量算出部と、を有し、前記温度制御部は、前記求めたフィードフォワード量を前記温度偏差に応じた操作量に加算して射出シリンダー温度を制御することを特徴とする射出成形機の温度制御装置である。

請求項２に係る発明は、前記所定区間の時間は１サイクルとし、前記単位時間あたりの補正熱量は前記補正熱量を１サイクル時間で除した値であることを特徴とする請求項１に記載の射出成形機の温度制御装置である。
請求項３に係る発明は、前記所定区間の時間は可塑化工程を所定時間毎に分割した区間とし、前記補正熱量は所定時間毎に分割された第ｎの区間において前記射出シリンダーが樹脂に奪われる熱量とし、前記単位時間あたりの補正熱量は前記第ｎの区間において前記射出シリンダーが樹脂に奪われる熱量として求められた補正熱量を前記所定時間で除した値であることを特徴とする請求項１に記載の射出成形機の温度制御装置である。
請求項４に係る発明は、前記補正熱量算出部は、前記所定区間の時間において可塑化する樹脂体積と、樹脂の体積比熱と、射出シリンダー温度と射出シリンダーに供給されるときの材料温度の温度差とを乗じて、前記所定区間の時間において前記射出シリンダーが樹脂に奪われる熱量を算出し、該算出した樹脂に奪われる熱量を補正熱量として求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の射出成形機の温度制御装置である。

請求項５に係る発明は、さらに前記所定区間の時間においてスクリュと樹脂材料との間で発生するせん断発熱量を求めるせん断発熱量算出部を有し、前記補正熱量算出部は、前記所定区間の時間において前記射出シリンダーが樹脂に奪われる熱量を求め、該求めた熱量から前記所定区間の時間におけるせん断発熱量を減じた値を補正熱量として求めることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の射出成形機の温度制御装置である。
請求項６に係る発明は、前記せん断発熱量算出部は、前記スクリュ回転駆動部の駆動トルクに前記スクリュ回転駆動部の回転速度を乗じた値を前記所定区間の時間の開始から終了までの区間で時間積分することで、前記所定区間の時間においてスクリュと樹脂材料との間で発生するせん断発熱量を求めることを特徴とする請求項５に記載の射出成形機の温度制御装置である。

本発明の射出成形機の温度制御装置により、事前実験や試し成形運転の必要がなく、さらに様々な成形条件に対応可能な、連続成形運転やパージ動作の開始時の温度変動を防止する温度制御が実現でき、さらには、計量ストロークやサイクル時間に応じてフィードフォワード量をサイクル毎に逐次算出するので、運転中に成形条件やパージ条件が変更された場合でも、条件変更による外乱の特性変化に即座に対応することができ、温度変動を防ぐことができる。

本発明に係る射出成形機の温度制御装置による温度制御のブロック図である。本発明に係るフィードフォワード制御を使用した場合の、操作量および実温度の時間変化を説明する図である。本発明を実施する射出成形機の要部ブロック図である。ノズルおよび複数の加熱ゾーンにヒーターおよび温度検出手段を配置した射出成形機の射出シリンダーの構成図である。成形サイクル運転の場合の本発明の温度制御を説明する図である。パージ動作の場合の本発明の温度制御を説明する図である。可塑化工程を所定時間毎に分割して補正熱量を算出する場合の温度制御を説明する図である。成形サイクル運転の場合において、せん断発熱量を考慮した温度制御を説明する図である。パージ動作の場合において、せん断発熱量を考慮した温度制御を説明する図である。フィードフォワード制御を使用しない場合の、ＰＩＤ制御における操作量および実温度の時間変化を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
本発明は、所定区間において可塑化される溶融樹脂に奪われる熱量を求め、該所定区間の時間と前記溶融樹脂に奪われる熱量とに基づいて、温度のＰＩＤ制御の第１操作量ＰＩＤにフィードフォワードで加える操作量（フィードフォワード量ＦＦ）を算出することを特徴とする。
連続成形の開始時にシリンダー温度が低下しないようにするには、射出シリンダーの熱が射出シリンダーに供給される冷たい樹脂材料に奪われる単位時間あたりの熱量を予め推定し、該推定した単位時間あたりの熱量に相当する操作量（フィードフォワード量ＦＦ）をフィードフォワードによって連続成形中に与えればよい。
本発明によれば、前記所定区間の時間と前記溶融樹脂に奪われる熱量とに基づいてフィードフォワード量を算出するので、事前実験や試し成形運転の必要がない。また、前記所定区間の時間と前記溶融樹脂に奪われる熱量は成形開始時にその場で算出するので、様々な成形条件に対応することができる。

図１は、本発明に係る射出成形機の温度制御装置による温度制御のブロック図である。
当該温度制御は、上述したフィードフォワード量ＦＦを用いて射出成形機の射出シリンダー１０８の温度制御を行う。温度の設定値である設定温度ＳＶは、温度設定部１００において設定される設定温度である。設定温度ＳＶから検出温度ＰＶを減算器１１０で減算して得られた温度偏差ＥＴがＰＩＤコントローラ１０２に入力される。ＰＩＤコントローラ１０２は、入力した温度偏差ＥＴを基に第１操作量ＰＩＤを演算し、加算器１１２に出力する。
第２操作量ＭＶは、ＰＩＤコントローラ１０２から出力される第１操作量ＰＩＤとフィードフォワード量算出部１０４で算出されたフィードフォワード量ＦＦとを加算器１１２で加算して得られた量である。射出シリンダー１０８に装着されたヒーター１０６は、第２操作量ＭＶにより加熱電力が調整される。

前記検出温度ＰＶは、ヒーター１０６により加熱される射出シリンダー１０８の実温度である。射出シリンダー１０８に設けられた温度センサ（図示せず）によって、射出シリンダー１０８の温度が検出され、検出された実温度が検出温度ＰＶとして、ＰＩＤコントローラの入力に負帰還される。これにより、設定温度ＳＶと実温度を示す検出温度ＰＶの偏差を減らすようにフィードバック制御が行われ、ヒーター１０６によって射出シリンダー１０８は設定温度となるように加熱される。

図２は、本発明に係るフィードフォワード制御を使用した場合のサイクル運転中またはパージ動作中における射出シリンダーの実温度と第２操作量ＭＶ（第１操作量ＰＩＤ＋フィードフォワード量ＦＦ）の時間変化を示している。本発明に係るフィードフォワード制御を使用した場合は、図１０に示される本発明に係るフィードフォワード制御を行わない場合に比較して、サイクル運転開始時またパージ動作開始時における設定温度に対する温度低下が少なく、かつ、サイクル運転終了後またはパージ動作終了後における設定温度に対する温度上昇が少ない。

次に、本発明の温度制御に係る、上記所定区間の時間において可塑化される溶融樹脂に奪われる熱量を求め、フィードフォワード量ＦＦを求める方法を説明する。なお、図１のフィードフォワード量算出部１０４は、以下で説明する算出方法によりフィードフォワード量ＦＦを算出する。前記所定区間の時間として、所定区間の時間＝成形動作中の１サイクルの場合、パージ動作の１サイクルの場合、可塑化工程を所定時間毎に分割した区間の場合を以下に説明する。

●樹脂に奪われる熱量の算出（所定区間の時間＝成形動作中の１サイクルの場合）：
１サイクル中に可塑化する樹脂量は、数１式で求められる。

ただし、
Ｖａ：１サイクル中に可塑化する樹脂量
Ｘｍｅｔｅｒ：計量位置
Ｘｍｉｎ：最小クッション位置
Ｓ：スクリュ断面積

なお、スクリュ断面積Ｓと射出シリンダー断面積は略等しいことから、スクリュ断面積Ｓにかえて射出シリンダーの断面積を用いてもよい。計量位置Ｘｍｅｔｅｒ、最小クッション位置Ｘｍｉｎのデータは、射出成形機において従来から取得されているものである。

よって１サイクル中に樹脂に奪われる熱量は、数２式で求められる。

ただし、
Ｅａ：１サイクル中に樹脂に奪われる熱量
Ｃ：樹脂の体積比熱
Ｔｍｅｌｔ：シリンダー温度
Ｔｂａｓｅ：材料温度

なお、樹脂の体積比熱Ｃは、樹脂の種類に応じて比熱値を画面から入力するようにしてもよいし、各種樹脂材料のなかで平均的な比熱値をあらかじめ設定しておくようにしてもよい。画面から入力する手段は射出成形機において従来から用いられている。

また、材料温度Ｔｂａｓｅは、射出シリンダーに供給されるときの樹脂材料の温度である。このとき、乾燥機から材料を供給する場合には、乾燥機の乾燥温度と材料温度がほぼ等しいとみなしてよい。また、材料を乾燥しないで用いる場合は、周囲温度と材料温度がほぼ等しいとみなしてよい。樹脂材料の温度も樹脂の種類に応じて比熱値を画面から入力するのと同様に画面から入力してもよいし、射出シリンダーに投入される前の樹脂材料の温度を測定する温度センサを射出成形機に配設し、該樹脂材料の温度を測定するようにしてもよい。

また、上記の樹脂に奪われる熱量の算出において、可塑化時にスクリュと樹脂材料との間で発生するせん断発熱を考慮するようにしてもよい。この場合、樹脂を溶融温度まで加熱するのに必要な熱量のうち、せん断発熱によって発生する熱量分はヒーターから供給しなくてよいと考えて、１サイクル中に樹脂に奪われる熱量を数３式により算出する。

ただし、
Ｅｓｃｒｅｗ_a ：１サイクル中のせん断発熱量

なお、せん断発熱の熱量は、可塑化中にスクリュ回転モータから与えられるエネルギー量とほぼ等しいため、可塑化中のスクリュ回転モータの仕事量に基づいて算出すればよい。可塑化中のスクリュ回転モータの仕事量は、例えば数４式に示されるように、スクリュ回転の駆動力とスクリュ回転速度の積を１サイクルの開始から終了まで時間積分することで求められる。

ただし、
Ｔｒｑ：スクリュ回転の駆動力
Ｓｐｅｅｄ：スクリュ回転速度
Ｔｃｙｃｌｅ：１サイクル時間

なお、スクリュ回転の駆動力Ｔｒｑは、図３を用いて説明する射出成形機のスクリュ３を回転させるためのスクリュ回転用サーボモータＭ２の駆動電流の検出値を基に算出でき、スクリュ回転速度Ｓｐｅｅｄは、スクリュ回転用サーボモータＭ２に内蔵された位置・速度検出器３３から出力される速度検出信号を用いることができる。また、１サイクル時間Ｔｃｙｃｌｅは射出成形機を制御する制御装置１０が有する計時機能を用いることにより取得することができる。以下に記載する他の実施形態も同様である。

単位時間あたりに樹脂から奪われる熱量を補償するためのヒーター仕事率は、１サイクル中に樹脂に奪われる熱量を１サイクル時間で除した値として求められる。よって、ＰＩＤ制御の第１操作量ＰＩＤに加算するフィードフォワード量ＦＦａは、数５式により算出することができる。ここで、ｋは仕事率の単位からＰＩＤ制御の操作量の単位への単位換算係数である。

ただし、
ＦＦａ：フィードフォワード量
ｋ：換算係数

上記の説明は、連続成形中におけるフィードフォワード量の算出についてである。パージ動作中においても、連続成形中と同様にフィードフォワード量を算出すればよい。つまり、本発明における１サイクルとは、成形運転時の１サイクル、または、パージ動作時の１サイクルと定義される。なお、パージ動作時の１サイクルとは、樹脂を可塑化しながらスクリュをパージ動作のストローク位置まで後退させた後にスクリュを前進して溶融樹脂を排出するまでの動作と定義される。通常のパージ動作では、この１サイクル動作を数回実行することにより樹脂材料を置換または排出する。

●樹脂に奪われる熱量の算出（所定区間の時間＝パージ動作の１サイクルの場合）：
パージ動作時においては、１サイクル中に樹脂に奪われる熱量はパージ動作１回につき樹脂に奪われる熱量とし、１サイクル時間はパージ動作１回にかかる時間として、下記のようにフィードフォワード量を算出すればよい。

パージ動作１回につき可塑化する樹脂量は、数６式により求められる。

ただし、
Ｖｂ：パージ動作１回につき可塑化する樹脂量
Ｘｐｕｒｇｅ：パージ動作のストローク
Ｓ：スクリュ断面積

パージ動作１回につき樹脂に奪われる熱量は、数７式により求められる。

ただし、
Ｅｂ：パージ動作１回につき樹脂に奪われる熱量
Ｃ：樹脂の体積比熱
Ｔｍｅｌｔ：シリンダー温度
Ｔｂａｓｅ：材料温度

また、せん断発熱量を考慮する場合は、パージ動作１回につき樹脂に奪われる熱量は、数８式により求められる。

ただし、
Ｅｓｃｒｅｗ_b ：１サイクル中のせん断発熱量

パージ動作中のスクリュ回転モータの仕事量は、例えば数９式に示されるように、スクリュ回転の駆動力とスクリュ回転速度のパージ動作サイクルの開始から終了まで時間積分することで求められる。

ただし、
Ｔｒｑ：スクリュ回転の駆動力
Ｓｐｅｅｄ：スクリュ回転速度
Ｔｐｕｒｇｅ：パージ動作１回あたりの時間

フィードフォワード量ＦＦｂは、数１０式により算出できる。

ただし、
ＦＦｂ：フィードフォワード量
ｋ：換算係数

なお、上述したパージ動作時のフィードフォワード制御は、樹脂材料を供給しながら行うパージ動作の場合に行うことが望ましい。

上述した樹脂に奪われる熱量の算出方法は、所定区間として成形動作中またはパージ動作中の１サイクルをもとにして算出した。ここでは、所定区間を、可塑化工程を所定時間毎に分割したそれぞれの区間とし、前記それぞれの区間における樹脂に奪われる熱量を算出する場合を説明する。

●樹脂に奪われる熱量の算出（所定区間の時間＝可塑化工程を所定時間Ｔ毎に分割した区間の場合）：
可塑化工程を所定時間Ｔ毎に分割した所定区間の時間において可塑化する樹脂量は、数１１式により求められる。

ただし、
Ｖｃ：所定区間において可塑化する樹脂量
Ｘ２：所定区間終了時のスクリュ位置
Ｘ１：所定区間開始時のスクリュ位置
Ｓ：スクリュ断面積

なお、所定時間Ｔ毎に分割した所定区間の時間の開始時および終了時のスクリュ位置Ｘ１，Ｘ２は、従来公知の射出成形機の構成を用いて容易に取得することができる。

よって、可塑化工程を所定時間Ｔ毎に分割した所定区間の時間において樹脂に奪われる熱量は、数１２式により求められる。

Ｅｃ：所定区間において樹脂に奪われる熱量
Ｃ：樹脂の体積比熱
Ｔｍｅｌｔ：シリンダー温度
Ｔｂａｓｅ：材料温度

また、せん断発熱量を考慮する場合は、所定区間の時間において樹脂に奪われる熱量は、数１３式により求められる。

ただし、
Ｅｓｃｒｅｗ_c ：所定区間におけるせん断発熱量

所定区間の時間におけるスクリュ回転モータの仕事量は、例えば数１４式に示されるようにスクリュ回転の駆動力とスクリュ回転速度の積を所定区間の時間の開始から終了まで時間積分することで求められる。

ただし、
Ｔｒｑ：スクリュ回転の駆動力
Ｓｐｅｅｄ：スクリュ回転速度
Ｔ：所定時間

フィードフォワード量ＦＦｃは、数１５式により求められる。

ただし、
ＦＦｃ：フィードフォワード量
ｋ：換算係数

そして、第１操作量ＰＩＤ（ＰＩＤａ，ＰＩＤｂ，ＰＩＤｃ）と上記算出方法により求めたフィードフォワード量ＦＦ（ＦＦａ，ＦＦｂ，ＦＦｃ）を加算することにより第２操作量ＭＶ（ＭＶａ，ＭＶｂ，ＭＶｃ）を求める（数１６式参照）。

なお、連続成形やパージ動作の運転停止時にはフィードフォワード量ＦＦを加算しない、あるいはフィードフォワード量ＦＦをゼロとし、連続成形やパージ動作の動作時においてのみフィードフォワード量ＦＦを加算するようにしてもよい。このようにすれば、連続成形やパージ動作の動作時には温度制御の第１操作量ＰＩＤにフィードフォワード量ＦＦが加算されるので、温度制御の第２操作量ＭＶが大きくなり、射出シリンダー１０８の温度低下を抑制できる。また、連続成形の中断時やパージ動作の終了時には温度制御の第１操作量ＰＩＤにフィードフォワード量ＦＦが加算されないので、温度制御の第２操作量ＭＶが小さくなり、射出シリンダー１０８の温度上昇を抑制できる。

図３は、本発明を実施する一実施形態における射出成形機の要部ブロック図である。射出シリンダー２の先端にノズル１が取り付けられ、射出シリンダー２内にはスクリュ３が挿通されている。
射出シリンダー２にはヒーター５が装着されている。射出シリンダー２には温度検出手段７が取り付けられている。
スクリュ３には、射出シリンダー２内の樹脂圧力を測定するためにスクリュ３にかかる圧力を検出するロードセル等の圧力センサ３４が設けられている。また、射出シリンダー２には樹脂材料を供給するホッパ９が取り付けられている。

スクリュ３は、射出用サーボモータＭ１によって、プーリ、ベルト、ボールネジ／ナット機構等の回転運動を直線運動に変換する機構を含む伝動手段３０を介して駆動され、スクリュ３の軸方向に移動させられる。符号３１は、サーボモータＭ１の位置、速度を検出することによって、スクリュ３の軸方向の位置、速度を検出する位置・速度検出器である。
また、スクリュ３は、スクリュ回転用サーボモータＭ２により、プーリやベルト等で構成された伝動手段３２を介して回転させられる。符号３３は、サーボモータＭ２の位置、速度を検出することによって、スクリュ３の回転位置（回転角度）、速度を検出する位置・速度検出器である。

本発明の温度制御装置を備えた射出成形機の制御装置１０は、数値制御用のマイクロプロセッサであるＣＮＣＣＰＵ２０、プログラマブルマシンコントローラ用のマイクロプロセッサであるＰＭＣＣＰＵ１７、及び、サーボ制御用のマイクロプロセッサであるサーボＣＰＵ１５を有し、バス２６を介して相互の入出力を選択することにより、各マイクロプロセッサ間で情報伝達が行なえる。
サーボＣＰＵ１５には、位置ループ、速度ループ、電流ループの処理を実行するサーボ制御専用の制御プログラムを格納したＲＯＭ１３やデータの一時記憶に用いられるＲＡＭ１４が接続されている。また、サーボＣＰＵ１５は、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器１６を介して、射出成形機本体側に設けられた射出圧力等の各種圧力を検出する圧力センサ３４からの圧力信号を検出できるように接続されている。

更に、サーボＣＰＵ１５には、サーボＣＰＵ１５からの指令に基づいて、射出軸、スクリュ回転軸に接続された射出用、スクリュ回転用のサーボモータＭ１，Ｍ２を駆動するサーボアンプ１１，１２が接続されている。そして、各サーボモータＭ１，Ｍ２には位置・速度検出器３１，３３が取り付けられており、この位置・速度検出器３１，３３からの出力がサーボＣＰＵ１５に帰還される。各サーボモータＭ１，Ｍ２の回転位置は、位置・速度検出器３１，３３からの位置のフィードバック信号に基づいてサーボＣＰＵ１５により算出され、各現在位置記憶レジスタに更新記憶される。
図３においては、射出用サーボモータＭ１，スクリュ回転用サーボモータＭ２、サーボモータＭ１，Ｍ２の回転位置、速度を検出する位置・速度検出器３１，３３及びサーボアンプ１１，１２についてのみ示している。
ＰＭＣＣＰＵ１７には射出成形機のシーケンス動作を制御するシーケンスプログラム等を記憶したＲＯＭ１８及び演算データの一時記憶等に用いられるＲＡＭ１９が接続され、ＣＮＣＣＰＵ２０には、射出成形機を全体的に制御する自動運転プログラム等を記憶したＲＯＭ２１、及び、演算データの一時記憶等に用いられるＲＡＭ２２が接続されている。

不揮発性メモリで構成される成形データ保存用ＲＡＭ２３は、射出成形作業に関する成形条件と各種設定値，パラメータ，マクロ変数等を記憶する成形データ保存用のメモリである。
ＬＣＤ付手動入力装置（ＬＣＤ／ＭＤＩ）２５はＬＣＤ表示回路２４を介してバス２６に接続され、数値データの入力用のテンキーや各種のファンクションキーが設けられ、グラフ表示画面や機能メニューの選択、及び、各種データの入力操作を行なえるようになっている。
入力回路２８は、射出成形機の射出シリンダー２に配置された温度検出手段（ヒーター５）からの温度検出信号などを受信するためのインタフェースである。出力回路２９は、射出成形機の射出シリンダー２に配置された加熱手段（図４参照）への電力の供給を制御する制御信号を電力供給制御手段８ａに出力するためのインタフェースである。図３では、入力回路２８と出力回路２９は、本発明の温度制御に係る部分のみを示している。

前述したＰＭＣＣＰＵ１７は、射出シリンダー２の各加熱ゾーンに装着された加熱手段（ヒータ）ごとに、設定温度および温度検出手段で検出される検出温度に基いて、本発明に係るフィードフォワード制御を含むＰＩＤ制御などを行い、各加熱ゾーンを加熱制御して設定温度に制御する。樹脂に奪われる熱量を算出する際に用いるシリンダー温度Ｔｍｅｌｔとして、各加熱ゾーンの検出温度の平均値あるいはいずれか１つの加熱ゾーンの検出温度を代表値として用いることができる。
なお、後述する図４に示される温度コントローラ８は、ＰＭＣＣＰＵ１７と電力供給制御手段８ａなどからなる構成が相当する。
以上の構成により、ＰＭＣＣＰＵ１７が射出成形機全体の温度制御を含むシーケンス動作を制御し、ＣＮＣＣＰＵ２０がＲＯＭ２１の運転プログラムや成形データ保存用ＲＡＭ２３に格納された成形条件等に基づいて各サーボモータに対して移動指令の分配を行い、サーボＣＰＵ１５は各軸に対して分配された移動指令と位置・速度検出器３１，３３で検出された位置および速度のフィードバック信号に基づいて、従来技術と同様に位置ループ制御，速度ループ制御，更には、電流ループ制御等のサーボ制御を行い、いわゆるデジタルサーボ処理を実行し、射出用サーボモータＭ１，スクリュ回転用サーボモータＭ２を駆動制御する。

図４は、ノズルおよび複数の加熱ゾーンにヒーターおよび温度検出手段を配置した射出成形機の射出シリンダー２の概略断面図である。図３について上述したように、射出成形機の射出シリンダー２の一端には樹脂を射出するノズル１が取り付けられ、射出シリンダー２内には、進退可能かつ軸回りに回転可能なスクリュ３が配置されている。そして、射出シリンダー２は射出シリンダーの中心軸方向に複数の加熱ゾーン２Ａ〜２Ｃを有している。図４では、ノズル１が取り付けられた側からホッパ９が取り付けられた側に向かって加熱ゾーン２Ａ〜２Ｃとしている。
射出シリンダー２の加熱ゾーン２Ａ〜２Ｃには、シリンダーヒータ５Ａ〜５Ｃが装着されている。シリンダーヒータとしては例えばバンドヒータ（図示せず）を用いることができる。シリンダーヒータ５Ａ〜５Ｃは、射出シリンダー２の各加熱ゾーンの温度を測定する温度検出手段７Ａ〜７Ｃが取り付けられている。

温度コントローラ８は、温度検出手段７Ａ〜７Ｃからの温度検出信号に基いて、各加熱ゾーンに装着された加熱手段（ヒーター５）への電力供給を制御することによって、ノズルおよび各加熱ゾーンを設定温度になるように制御する制御手段である。本発明は、加熱手段（ヒーター５）への電力供給の制御を、上述したフィードフォワード量ＦＦを加味したＰＩＤ制御によって行う点に特徴がある。
なお、射出シリンダー２の加熱方式として、前記ヒーターにバンドヒータを用いて、射出シリンダー２の表面からヒーターの熱を伝える加熱方式としてもよいし、射出シリンダー２の部材に高周波の誘導電流を流すことで射出シリンダー２の部材を直接加熱する加熱方式（図示省略）としてもよい。
図４に示される実施形態では、射出シリンダー２のホッパ９が取り付けられた材料投入ゾーン２Ｄの温度を測定する温度検出手段７Ｄも取り付けられている。ホッパ９から固体状態の樹脂が成形材料として射出シリンダー２内に供給される。

以下、サイクル運転またはパージ動作において実行される本発明の温度制御をフローチャートを用いて説明する。
図５は、成形サイクル運転の場合の本発明の温度制御を説明するフローチャートである。以下、各ステップに従って説明する。
●［ステップＳＡ０１］ＰＩＤ演算を行う。なお、ＰＩＤ演算はＰＩＤ制御を行うために従来から用いられている方法により演算を行える。
●［ステップＳＡ０２］サイクル運転中か否か判断し、サイクル運転中ではない場合にはステップＳＡ０３へ移行し、サイクル運転中の場合にはステップＳＡ０４に移行する。 ●［ステップＳＡ０３］フィードフォワード量をゼロクリアし（ＦＦａ＝０）、ステップＳＡ０７へ移行する。
●［ステップＳＡ０４］樹脂体積の演算を行う。ステップＳＡ０４の式は数１式に対応する。
●［ステップＳＡ０５］補正熱量の演算を行う。ステップＳＡ０５の式は数２式に対応する。
●［ステップＳＡ０６］フィードフォワード量の演算を行う。ステップＳＡ０６の式は数５式に対応する。
●［ステップＳＡ０７］第２操作量の演算（ＭＶａ＝ＰＩＤａ＋ＦＦａ）を行う。ステップＳＡ０７の式は数１６式に対応する。
●［ステップＳＡ０８］温度制御終了か否か判断し、終了ではない場合には、ステップＳＡ０１に戻り処理を継続する。

図６は、パージ動作の場合の本発明の温度制御を説明するフローチャートである。以下、各ステップに従って説明する。
●［ステップＳＢ０１］ＰＩＤ演算を行う。なお、ＰＩＤ演算はＰＩＤ制御を行うために従来から用いられている方法により演算を行える。
●［ステップＳＢ０２］パージ動作中か否か判断し、パージ動作中ではない場合にはステップＳＢ０３へ移行し、パージ動作中の場合にはステップＳＢ０４に移行する。
●［ステップＳＢ０３］フィードフォワード量をゼロクリアし（ＦＦｂ＝０）、ステップＳＢ０７へ移行する。
●［ステップＳＢ０４］樹脂体積の演算を行う。ステップＳＢ０４の式は数６式に対応する。
●［ステップＳＢ０５］補正熱量の演算を行う。ステップＳＢ０５の式は数７式に対応する。
●［ステップＳＢ０６］フィードフォワード量の演算を行う。ステップＳＢ０６の式は数１０式に対応する。
●［ステップＳＢ０７］第２操作量の演算（ＭＶｂ＝ＰＩＤｂ＋ＦＦｂ）を行う。ステップＳＢ０７の式は数１６式に対応する。
●［ステップＳＢ０８］温度制御終了か否か判断し、終了ではない場合には、ステップＳＢ０１に戻り処理を継続する。

図７は、可塑化工程を所定時間毎に分割して補正熱量を算出する場合の温度制御を説明するフローチャートである。以下、各ステップに従って説明する。
●［ステップＳＣ０１］ＰＩＤ演算を行う。なお、ＰＩＤ演算はＰＩＤ制御を行うために従来から用いられている方法により演算を行える。
●［ステップＳＣ０２］可塑化中か否か判断し、可塑化中ではない場合にはステップＳＣ０３へ移行し、可塑化中の場合にはステップＳＣ０５に移行する。
●［ステップＳＣ０３］フィードフォワード量をゼロクリアする（ＦＦｃ＝０）。
●［ステップＳＣ０４］所定時間のカウンタをクリアし、ステップＳＣ１１に移行する。
この処理は、所定時間のカウンタでカウントしている時、所定時間が経過する前に次の成形サイクルに移行する場合がある。そうすると、所定時間のカウンタは次の成形サイクルでゼロでない状態からカウントアップされることになり、問題である。そこで、ステップＳＣ０４において所定時間のカウンタのクリアを行う。
●［ステップＳＣ０５］所定時間を計測するカウンタのカウントを開始する。
●［ステップＳＣ０６］所定時間が経過したか否かを判断し、経過した場合にはステップＳＣ０７へ移行し、経過していない場合にはステップＳＣ１１へ移行する。
●［ステップＳＣ０７］所定時間を計測するカウンタのカウントをクリアする。
●［ステップＳＣ０８］樹脂体積の演算を行う。ステップＳＣ０８の式は数１１式に対応する。
●［ステップＳＣ０９］補正熱量の演算を行う。ステップＳＣ０９の式は数１２式に対応する。
●［ステップＳＣ１０］フィードフォワード量の演算を行う。ステップＳＣ１０の式は数１５式に対応する。
●［ステップＳＣ１１］第２操作量の演算（ＭＶｃ＝ＰＩＤｃ＋ＦＦｃ）を行う。ステップＳＣ１１の式は数１６式に対応する。
●［ステップＳＣ１２］温度制御終了か否か判断し、終了ではない場合には、ステップＳＣ０１に戻り処理を継続する。

次に、上述した図５，図６の操作量を求める際に、せん断発熱量を考慮した場合を説明する。
図８は、成形サイクル運転の場合において、せん断発熱量を考慮した温度制御を説明する図である。以下、各ステップに従って説明する。
●［ステップＳＤ０１］ＰＩＤ演算を行う。なお、ＰＩＤ演算はＰＩＤ制御を行うために従来から用いられている方法により演算を行える。
●［ステップＳＤ０２］サイクル運転中か否か判断し、サイクル運転中ではない場合にはステップＳＤ０３へ移行し、サイクル運転中の場合にはステップＳＤ０４に移行する。
●［ステップＳＤ０３］フィードフォワード量をゼロクリアし（ＦＦａ＝０）、ステップＳＤ０７へ移行する。
●［ステップＳＤ０４］樹脂体積の演算を行う。ステップＳＤ０４の式は数１式に対応する。
●［ステップＳＤ０５］せん断発熱量の演算を行う。ステップＳＤ０５の式は数４式に対応する。
●［ステップＳＤ０６］補正熱量の演算を行う。ステップＳＤ０６の式は数３式に対応する。
●［ステップＳＤ０７］フィードフォワード量の演算を行う。ステップＳＤ０７の式は数５式に対応する。
●［ステップＳＤ０８］第２操作量の演算（ＭＶａ＝ＰＩＤａ＋ＦＦａ）を行う。ステップＳＤ０８の式は数１６式に対応する。
●［ステップＳＤ０９］温度制御終了か否か判断し、終了ではない場合には、ステップＳＤ０１に戻り処理を継続する。

図９は、パージ動作の場合において、せん断発熱量を考慮した温度制御を説明する図である。以下、各ステップに従って説明する。
●［ステップＳＥ０１］ＰＩＤ演算を行う。なお、ＰＩＤ演算はＰＩＤ制御を行うために従来から用いられている方法により演算を行える。
●［ステップＳＥ０２］パージ動作中か否か判断し、パージ動作中ではない場合にはステップＳＥ０３へ移行し、パージ動作中の場合にはステップＳＥ０４に移行する。
●［ステップＳＥ０３］フィードフォワード量をゼロクリアし（ＦＦｂ＝０）、ステップＳＥ０７へ移行する。
●［ステップＳＥ０４］樹脂体積の演算を行う。ステップＳＥ０４の式は数６式に対応する。
●［ステップＳＥ０５］せん断発熱量の演算を行う。ステップＳＥ０５の式は数９式に対応する。
●［ステップＳＥ０６］補正熱量の演算を行う。ステップＳＥ０６の式は数８式に対応する。
●［ステップＳＥ０７］フィードフォワード量の演算を行う。ステップＳＥ０７の式は数１０式に対応する。
●［ステップＳＥ０８］第２操作量の演算（ＭＶｂ＝ＰＩＤｂ＋ＦＦｂ）を行う。ステップＳＥ０８の式は数１６式に対応する。
●［ステップＳＥ０９］温度制御終了か否か判断し、終了ではない場合には、ステップＳＥ０１に戻り処理を継続する。

１００温度設定部
１０２ＰＩＤコントローラ
１０４フィードフォワード量算出部
１０６ヒーター
１０８射出シリンダー
１１０減算器
１１２加算器

Claims

射出シリンダーと、該射出シリンダーを加熱する加熱ヒーターと、前記射出シリンダーの温度を検出する温度検出部と、該検出した射出シリンダー温度をフィードバックして目標温度との温度偏差を求め、該温度偏差に応じた操作量で前記射出シリンダー温度をフィードバック制御する温度制御部と、前記射出シリンダー内に回転自在に、かつ、進退自在に配設されたスクリュと、該スクリュを回転駆動するスクリュ回転駆動部とを有する射出成形機において、
前記射出シリンダーの熱が樹脂に奪われる所定区間の時間において、前記射出シリンダーが樹脂に奪われる熱量を、該所定区間の時間において可塑化する樹脂体積に基づいて補正熱量として求める補正熱量算出部と、
前記補正熱量を前記所定区間の時間で除算して求めた単位時間あたりの補正熱量からフィードフォワード量を求めるフィードフォワード量算出部と、
を有し、
前記温度制御部は、前記求めたフィードフォワード量を前記温度偏差に応じた操作量に加算して射出シリンダー温度を制御することを特徴とする射出成形機の温度制御装置。
前記所定区間の時間は１サイクルとし、前記単位時間あたりの補正熱量は前記補正熱量を１サイクル時間で除した値であることを特徴とする請求項１に記載の射出成形機の温度制御装置。
前記所定区間の時間は可塑化工程を所定時間毎に分割した区間とし、前記補正熱量は所定時間毎に分割された第ｎの区間において前記射出シリンダーが樹脂に奪われる熱量とし、前記単位時間あたりの補正熱量は前記第ｎの区間において前記射出シリンダーが樹脂に奪われる熱量として求められた補正熱量を前記所定時間で除した値であることを特徴とする請求項１に記載の射出成形機の温度制御装置。
前記補正熱量算出部は、前記所定区間の時間において可塑化する樹脂体積と、樹脂の体積比熱と、射出シリンダー温度と射出シリンダーに供給されるときの材料温度の温度差とを乗じて、前記所定区間の時間において前記射出シリンダーが樹脂に奪われる熱量を算出し、該算出した樹脂に奪われる熱量を補正熱量として求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の射出成形機の温度制御装置。
さらに前記所定区間の時間においてスクリュと樹脂材料との間で発生するせん断発熱量を求めるせん断発熱量算出部を有し、
前記補正熱量算出部は、前記所定区間の時間において前記射出シリンダーが樹脂に奪われる熱量を求め、該求めた熱量から前記所定区間の時間におけるせん断発熱量を減じた値を補正熱量として求めることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の射出成形機の温度制御装置。
前記せん断発熱量算出部は、前記スクリュ回転駆動部の駆動トルクに前記スクリュ回転駆動部の回転速度を乗じた値を前記所定区間の時間の開始から終了までの区間で時間積分することで、前記所定区間の時間においてスクリュと樹脂材料との間で発生するせん断発熱量を求めることを特徴とする請求項５に記載の射出成形機の温度制御装置。