JP5850990B1 - 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

Abstract

【課題】電源装置の大型化を防止するとともに、蓄電部のエネルギーロスを抑え、蓄電部の部品寿命の長寿命化をはかることが可能な、電圧部の昇圧機能を有する射出成形機の制御装置を提供する。【解決手段】射出成形機の制御装置において、可動部の動作に必要なエネルギーの指標となるエネルギー指標値に応じて、電源からの電圧を昇圧する昇圧電圧を変更する電源コンバータ制御部を備える。これにより、蓄電部の昇圧電圧を、いずれの成形条件においても常に最大電圧まで昇圧するのではなく、必要最低限の電圧とすることで、蓄電エネルギーが無駄なく消費されて、蓄電部のエネルギーロスを抑えることができ、また、蓄電部の部品寿命の長寿命化をはかることが可能となる。【選択図】図１

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とそれを制御する制御部を有し、電源からの電圧を昇圧して射出成形機の制御を行う射出成形機の制御装置に関する。

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、モータに大きな電力を供給する必要がある。特に、薄肉成形を行うための高速射出や、圧縮成形を行うための高速型締の場合には、モータが高速動作する時間が短時間でありながら、一時的にモータに大きな電力を供給するため、電源装置が大型化するという問題があった。そこで、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蓄えることで、電源装置の大型化を防止する技術が知られている。

特許文献１には、電力を蓄える蓄電部を有し、モータの減速期間にモータにより発生する回生電力を蓄電部に蓄えるとともに、モータの加速期間に蓄電部に蓄えられた蓄電電力を駆動電力に供給する蓄電回路を備える技術が開示されている。
特許文献２には、射出成形機の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及び２に開示されている技術は、蓄電部の電圧を電圧検出回路により検出し、検出した電圧が目標電圧となるように電源コンバータの出力を制御している。
ところで、このように電源から蓄電部に電力を蓄え、その後蓄電部からモータ駆動部に放電する場合、電源からモータ駆動部に直接電力を供給する場合に比べて、蓄電および放電時のエネルギーロスが発生する。そのため、蓄電部に蓄えるエネルギー量は、射出時に必要とされる最小限のエネルギー量とすることが望ましい。

しかしながら、成形する成形品の体積や成形条件によって、射出時に必要とされるエネルギー量は異なるが、射出成形機の蓄電部としては、様々な成形品や成形条件に対応できるように、静電容量の大きな蓄電部を備える必要がある。そのため、射出時に必要とされるエネルギー量が小さい場合、射出時に使用されて余った蓄電エネルギーは、次の射出開始までに放電回路によって徐々に放電されて失われるため、エネルギーロスが大きいという問題があった。しかしながら、従来技術や特許文献１及び２に開示されている技術においては、それらの課題に対する対策は示されていない。

そこで本発明は、電源装置の大型化を防止するとともに、蓄電部のエネルギーロスを抑え、蓄電部の部品寿命の長寿命化をはかることが可能な、電圧部の昇圧機能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、可動部と、該可動部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電圧まで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、を有する射出成形機の制御装置において、前記サーボモータが、前記可動部を動作させるのに最低限必要なエネルギー量の指標となるエネルギー指標値に応じて、前記電源コンバータの前記昇圧電圧を変更して前記蓄電部へ供給する電力を変更する電源コンバータ制御部を有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１に係る発明では、可動部の動作時に必要なエネルギー量の指標となるエネルギー指標値をあらかじめ求めておき、求めたエネルギー指標値に応じて電源コンバータの昇圧電圧を変更して、蓄電部へ供給する電力を変更するようにしているため、蓄電部の昇圧電圧を、いずれの成形条件においても常に最大電圧まで昇圧するのではなく、必要最低限の電圧とすることで、蓄電エネルギーが無駄なく消費されて、蓄電部のエネルギーロスを抑えることができ、また、蓄電部の部品寿命の長寿命化をはかることが可能となる。

本願の請求項２に係る発明では、請求項１において、前記可動部は射出部であり、前記エネルギー指標値は射出部の運動エネルギー、射出部の速度、射出部が樹脂に与えた仕事量、射出圧力、射出ストローク、成形品の体積のうち少なくとも一つであ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３に係る発明では、請求項１において、前記可動部は型締部であり、前記エネルギー指標値は型締部の運動エネルギー、型締部の速度、型締部の仕事量、型締力のうち少なくとも一つであ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１において、前記可動部はエジェクタ部であり、前記エネルギー指標値はエジェクタ部の運動エネルギー、エジェクタ部の速度、エジェクタ部の仕事量、エジェクタ圧縮力のうち少なくとも一つであ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５に係る発明では、請求項１〜４のいずれかにおいて、前記電源コンバータ制御部は、前記エネルギー指標値と蓄電部の静電容量に応じて前記昇圧電圧を変更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５に係る発明では、電源コンバータが昇圧電圧を変更するにあたって、エネルギー指標値に加えて蓄電部の静電容量も加味するようにしているため、可動部の動作に必要な必要最低限の電圧を求めることが可能となる。

本発明により、電源装置の大型化を防止するとともに、蓄電部のエネルギーロスを抑え、蓄電部の部品寿命の長寿命化をはかることが可能な、電圧部の昇圧機能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。

本発明における射出成形機のサーボモータ駆動回路を示した図である。 第１の実施形態における射出時の蓄電部の電圧等を示したグラフである。 第１の実施形態における動作の流れを示したフローチャートである。 第１の実施形態における動作の流れを示したフローチャートである。 第２の実施形態における動作の流れを示したフローチャートである。 第３の実施形態における動作の流れを示したフローチャートである。

（第１の実施形態）
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明における射出成形機のサーボモータ駆動回路を示した図である。電源部１０には電源コンバータ１２が接続されている。電源コンバータ１２は、電源部１０から供給された３相交流電源を直流電源に変換する装置であり、公知のＰＷＭコンバータなどが使用できる。また、電源コンバータ１２において交直流変換を行う前に、電源部１０からの電圧を昇圧トランスによって昇圧した後に、交直流変換を行うこともできる。１４は電源コンバータ制御部であり、電源コンバータ１２に対して昇圧電圧の指令等の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。

蓄電部１６は、本実施形態においては、モジュール化された１つ以上の蓄電器から構成されている。蓄電部１６は、サーボモータを駆動する駆動装置（２２，２４，２６，２８）と接続されている。各駆動装置（２２，２４，２６，２８）は、直流をＰＷＭ変換して３相交流のモータ駆動電力を出力するインバータである。蓄電部１６は、駆動装置（２２，２４，２６，２８）や電源コンバータ１２に内蔵されるコンデンサで構成されてもよいし、内蔵されるコンデンサの他に、別置のコンデンサモジュールやバッテリーモジュールを備えるものであってもよい。なお、蓄電部１６と駆動装置（２２，２４，２６，２８）とは直接結合してもよいし、蓄電部１６と駆動装置（２２，２４，２６，２８）との間に充放電回路を備えるようにすることもできる。
３２はスクリュを軸方向に駆動する射出モータであり、駆動装置２２によって駆動される。３４はスクリュを回転駆動する回転モータであり、駆動装置２４によって駆動される。３６は金型を開閉するために可動盤等を進退駆動する型開閉モータであり、駆動装置２６によって駆動される。３８は成形品を突き出すためのエジェクタモータであり、駆動装置２８によって駆動される。また、それぞれのモータには、位置・速度検出部（４２，４４，４６，４８）が接続されている。

１８は電圧検出部であり、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の電圧として検出している。電圧検出部１８は、蓄電部１６に設けてもよく、本実施形態のように蓄電部１６と電源コンバータ１２とが直接結合される場合などは、蓄電部１６と電源コンバータ１２の電圧値が略一致するために、電源コンバータ１２に電圧検出部１８を設けることも可能である。さらに、蓄電部１６と駆動装置（２２，２４，２６，２８）が直接結合される場合などは、蓄電部１６とモータ駆動部の電圧値が略一致するために、駆動装置（２２，２４，２６，２８）に電圧検出部１８を設けることも可能である。このように、電圧検出部１８の設置箇所は、直接的又は間接的に蓄電部１６の電圧値が検出できるものであれば、その設置箇所は適宜変更することが可能である。

また、２０はエネルギー指標値算出部であり、エジェクタ圧縮力検出部５２、型締力検出部５４、射出圧力検出部５６と、各モータの位置・速度検出部（４２，４４，４６，４８）が接続されて、エネルギー指標値を算出して、電源コンバータ制御部１４に入力する。
本発明においては、可動部の動作時に必要なエネルギーの指標となるエネルギー指標値をエネルギー指標値算出部２０であらかじめ求め、求めたエネルギー指標値に応じて蓄電部の昇圧電圧を変更することを特徴とする。

（第１の実施形態）
可動部が射出部の場合、射出時に必要なエネルギーＥｉは次のように求められる。
Ｅｉ＝Ａ＋Ｂ・・・（１）
Ａ：射出部（モータおよび射出機構部）の運動エネルギー＝０．５×Ｉ×ω²
Ｉ：射出部（モータおよび射出機構部）のイナーシャ
ω：モータの角速度（射出速度に対応）
Ｂ：樹脂に与えた仕事量＝∫（Ｐ×Ｓ×Ｖ）ｄｔ
Ｐ：射出圧
Ｓ：スクリュの断面積
Ｖ：スクリュの前進速度

Ａは射出部（モータおよび射出機構部）の運動エネルギーである。射出部の運動エネルギーＡは、射出部のエネルギー指標値となる。射出部のイナーシャであるＩは射出成形機の固有の値であり、あらかじめ制御装置に記憶させておく。モータの角速度であるωは成形条件の一つである射出速度の設定値に応じて変わる値であり、射出エネルギー量の大小に大きく影響する値である。よって、射出部のエネルギー指標値は、少なくとも射出速度に基づいて算出するようにするのが望ましく、射出速度は射出部のエネルギー指標値となる。なお、射出速度（ｍｍ／ｓ）の代わりに射出率（ｃｍ^３／ｓ）を用いるようにしてもよい。

Ｂは射出時に樹脂に与える仕事量である。射出時に樹脂に与える仕事量Ｂは射出部のエネルギー指標値となる。Ｐは射出圧であり、成形条件の一つである射出圧力の設定値に応じて変わる値である。射出圧Ｐは射出部のエネルギー指標値となる。Ｓはスクリュの断面積であり、あらかじめ制御装置に記憶させておく。∫（Ｖ）ｄｔは射出中のスクリュの前進速度を時間積分した値であり、射出ストロークに対応する。射出ストロークは成形条件の一つであり、射出開始位置と射出保圧切り替え位置の設定値に応じて変わる値である。射出ストロークの代わりに、成形品の体積に基づいてＢを求めるようにしてもよい。射出ストローク、成形品の体積は射出部のエネルギー指標値となる。

また、射出時に樹脂に与える仕事量Ｂは、射出モータおよび射出機構部の射出時の運動エネルギーＡに対して比較的小さいため、射出エネルギー量の大小にそれほど影響しない場合がある。よって、射出時に樹脂に与える仕事量Ｂは、あらかじめ定めた固定値としてもよい。

一方、射出時に蓄電部からモータ駆動部に供給できるエネルギーＥｃは、次のように求められる。
Ｅｃ＝１／２・Ｃ・（Ｖｍａｘ^２−Ｖｍｉｎ^２）・・・（２）
Ｃ：蓄電部の静電容量
Ｖｍａｘ：昇圧電圧
Ｖｍｉｎ：モータを駆動するのに最低限必要な電圧

Ｃは蓄電部の静電容量、Ｖｍｉｎはモータを駆動するのに最低限必要な電圧であり、あらかじめ制御装置に記憶させておく。Ｖｍａｘは射出開始時の昇圧電圧である。ここで、過剰な蓄電によるエネルギーロスを抑えるためには、Ｅｉ＝Ｅｃとなるように昇圧電圧を制御すればよい。射出エネルギー量を供給するのに必要な昇圧電圧は、上の式より以下のように求められる。

射出開始前に、あらかじめ蓄電部の電圧を数１で求めたＶｍａｘの値まで昇圧し、射出時に蓄電部からモータ駆動部に電力を供給することで、蓄電エネルギー量が射出時に無駄なく消費され、蓄電部のエネルギーロスを抑えることができる。また、蓄電部の昇圧電圧を、どんな成形条件でも常に最大電圧まで昇圧するのでなく、必要最低限の電圧とすることで、蓄電部の部品寿命の長寿命化をはかることができる。なお、昇圧電圧を求めるにあたっては、射出エネルギー量の推定誤差が生じることを考慮して、数１によって求めたＶｍａｘの電圧値にマージンを加味した値としてもよい。

図２は、本実施形態における射出時の蓄電部の電圧等を示したグラフであり、図２（ａ）は射出速度が高速の場合であり、図２（ｂ）は射出速度が低速の場合である。図２に示されているように、射出部の速度が高速の場合には、可動部の動作時に必要なエネルギー量は多く、射出部の速度が低速の場合には、可動部の動作時に必要なエネルギー量は少なくなる。そのため、それらの必要なエネルギー量の大小に応じて、図２に示されているように、射出速度が高速の場合にはそれに見合って昇圧電圧を高く設定し、射出速度が低速の場合には昇圧電圧を低くすることによって、蓄電部のエネルギーロスを抑えることが可能となる。

図３は、本実施形態における動作の流れを示した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）射出速度に基づいて射出部の運動エネルギーＡを算出する。
・（ステップＳＡ２）射出圧力に基づいて射出部が樹脂に与えた仕事量Ｂを算出する。
・（ステップＳＡ３）運動エネルギーＡ、仕事量Ｂに基づいて、エネルギー指標値を算出する。
・（ステップＳＡ４）エネルギー指標値に基づいて蓄電部の昇圧電圧を算出する。

・（ステップＳＡ５）昇圧区間かどうかを判定する。昇圧区間の場合（ＹＥＳ）はステップＳＡ６に進み、昇圧区間ではない場合（ＮＯ）はステップＳＡ５を繰り返して、昇圧区間となるのを待つ。
・（ステップＳＡ６）電源からの電圧を昇圧電圧まで昇圧する。
・（ステップＳＡ７）射出動作を行う。
・（ステップＳＡ８）サイクル終了したかどうかを判定する。サイクル終了の場合（ＹＥＳ）は終了し、終了していない場合（ＮＯ）はステップＳＡ１に戻る。

図３のフローチャートに代えて、図４に示されたフローチャートのように、射出速度のみに基づいてエネルギー指標値を算出するようにしてもよい。

（第２の実施形態）
本実施形態は、型締時に必要なエネルギーを蓄電部から供給する場合の適用例である。
型締部のエネルギー指標値は式（３）により求められる。Ｃは型締部（モータおよび機構部）の運動エネルギーである。Ｄは型締部の仕事量（型締力の発生に必要なエネルギー）である。型締部の運動エネルギーＣ、型締部の仕事量Ｄは型締部のエネルギー指標値となる。
Ｅｆ＝Ｍ＋Ｎ・・・（３）
Ｍ：型締部（モータおよび型締機構部）の運動エネルギー＝０．５×Ｉ×ω²
Ｉ：型締部（モータおよび型締機構部）のイナーシャ
ω：モータの角速度（型締速度に対応）
Ｎ：型締部の仕事量（型締力の発生に必要なエネルギー）＝Ｋ・Ｘ^２／２＝Ｆ^２／（２Ｋ）
Ｆ：型締力
Ｋ：型締め機構部の弾性係数
Ｘ：型締力Ｆを発生する際のタイバーの延び量

式（２）は型締力の場合にも適用することができ、型締エネルギー量を供給するのに必要な昇圧電圧は、式（２），（３）より以下のように求められる。

型締開始前に、あらかじめ蓄電部の電圧を数２で求めた昇圧電圧まで昇圧し、型締時に蓄電部からモータ駆動部に電力を供給することで、蓄電エネルギー量が型締時に無駄なく消費され、蓄電部のエネルギーロスを抑えることができる。
なお、型締力は、型締部に型締力検出部を備えるようにしてもよいし、型締モータの発生トルクや電流値などから求めるようにしてもよい。
また、型締部のエネルギー指標値は、少なくとも型締速度に基づいて算出するようにするのが望ましく、型締速度は型締部のエネルギー指標値となる。型締力も型締部のエネルギー指標値となる。また、型締力の発生に必要なエネルギーＮは、あらかじめ定めた固定値としてもよい。

図５は、本実施形態における動作の流れを示した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ＳＣ１）型締力に基づいてエネルギー指標値を算出する。
・（ステップＳＣ２）エネルギー指標値に基づいて昇圧電圧を算出する。
・（ステップＳＣ３）昇圧区間かどうかを判定する。昇圧区間の場合（ＹＥＳ）はステップＳＣ４に進み、昇圧区間ではない場合（ＮＯ）はステップＳＣ３を繰り返して、昇圧区間となるのを待つ。

・（ステップＳＣ４）電源からの電圧を昇圧電圧まで昇圧する。
・（ステップＳＣ５）型締動作を行う。
・（ステップＳＣ６）サイクル終了したかどうかを判定する。サイクル終了の場合（ＹＥＳ）は終了し、終了していない場合（ＮＯ）はステップＳＣ１に戻る。

（第３の実施形態）
本実施形態は、エジェクタを使用して金型内部の樹脂を圧縮するエジェクタ圧縮時に必要なエネルギーを蓄電部から供給する場合の適用例である。
この場合、式（３）において、型締速度の代わりにエジェクタ速度（エジェクタ圧縮速度）、型締力Fの代わりにエジェクタ圧縮力を使用し、Ｋを樹脂の弾性係数とすればよい。Ｇはエジェクタ部（モータおよび機構部）の運動エネルギーである。Ｈはエジェクタ部の仕事量（圧縮力の発生に必要なエネルギー）である。エジェクタ部の運動エネルギーＧ、エジェクタ部の仕事量Ｈはエジェクタ部のエネルギー指標値となる。

Ｅｃ＝Ｇ＋Ｈ・・・（４）
Ｇ：エジェクタ部（モータおよびエジェクタ機構部）の運動エネルギー＝０．５×Ｉ×ω²
Ｉ：エジェクタ部（モータおよびエジェクタ機構部）のイナーシャ
ω：モータの角速度（エジェクタ速度に対応）
Ｈ：エジェクタ部の仕事量（圧縮力の発生に必要なエネルギー）＝Ｋ・Ｘ^２／２＝Ｆ^２／（２Ｋ）
Ｆ：圧縮力
Ｋ：樹脂の弾性係数
Ｘ：圧縮力Ｆを発生する際の樹脂の弾性変形量

式（２）はエジェクタ圧縮力の場合にも適用することができ、式（２），（４）から型締力の場合と同様に、必要な昇圧電圧を求めることができる。
なお、エジェクタ圧縮力は、エジェクタ部にエジェクタ圧縮力検出部を備えるようにしてもよいし、エジェクタモータの発生トルクや電流値などから求めるようにしてもよい。
また、エジェクタ部のエネルギー指標値は、少なくともエジェクタ速度に基づいて算出するようにするのが望ましく、エジェクタ速度はエジェクタ部のエネルギー指標値となる。エジェクタ圧縮力もエジェクタ部のエネルギー指標値となる。また、エジェクタ圧縮力の発生に必要なエネルギーは、あらかじめ定めた固定値としてもよい。

図６は、本実施形態における動作の流れを示した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ＳＤ１）エジェクタ圧縮力に基づいてエネルギー指標値を算出する。
・（ステップＳＤ２）エネルギー指標値に基づいて昇圧電圧を算出する。
・（ステップＳＤ３）昇圧区間かどうかを判定する。昇圧区間の場合（ＹＥＳ）はステップＳＤ４に進み、昇圧区間ではない場合（ＮＯ）はステップＳＤ３を繰り返して、昇圧区間となるのを待つ。

・（ステップＳＤ４）電源からの電圧を昇圧電圧まで昇圧する。
・（ステップＳＤ５）エジェクタ圧縮動作を行う。
・（ステップＳＤ６）サイクル終了したかどうかを判定する。サイクル終了の場合（ＹＥＳ）は終了し、終了していない場合（ＮＯ）はステップＳＤ１に戻る。

本発明の実施形態においては、それぞれの実施形態において、射出部、型締部、エジェクタ部におけるエネルギー指標値を個別に求めて昇圧電圧を算出したが、射出部、型締部、エジェクタ部のうち複数の箇所を用いてエネルギー指標値を求めるようにすることもできる。

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
１８ 電圧検出部
２０ エネルギー指標値算出部
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
４２，４４，４６，４８ 位置・速度検出部
５２ エジェクタ圧縮力検出部
５４ 型締力検出部
５６ 射出圧力検出部

Claims (5)

1. 可動部と、
   該可動部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電圧まで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、
   を有する射出成形機の制御装置において、
   前記サーボモータが、前記可動部を動作させるのに最低限必要なエネルギー量の指標となるエネルギー指標値に応じて、前記電源コンバータの前記昇圧電圧を変更して前記蓄電部へ供給する電力を変更する電源コンバータ制御部を有することを特徴とする射出成形機の制御装置。
2. 請求項１において、前記可動部は射出部であり、前記エネルギー指標値は射出部の運動エネルギー、射出部の速度、射出部が樹脂に与えた仕事量、射出圧力、射出ストローク、成形品の体積のうち少なくとも一つであることを特徴とする射出成形機の制御装置。
3. 請求項１において、前記可動部は型締部であり、前記エネルギー指標値は型締部の運動エネルギー、型締部の速度、型締部の仕事量、型締力のうち少なくとも一つであることを特徴とする射出成形機の制御装置。
4. 請求項１において、前記可動部はエジェクタ部であり、前記エネルギー指標値はエジェクタ部の運動エネルギー、エジェクタ部の速度、エジェクタ部の仕事量、エジェクタ圧縮力のうち少なくとも一つであ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のいずれかにおいて、前記電源コンバータ制御部は、前記エネルギー指標値と蓄電部の静電容量に応じて前記昇圧電圧を変更することを特徴とする射出成形機の制御装置。