JP5946732B2 - 温度補正機能を有する射出成形機の温度制御装置および射出成形機の温度制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、温度補正機能を有する射出成形機の温度制御装置および射出成形機の温度制御方法に関する。

射出成形機のシリンダー温度制御は一般的に、シリンダーに装着された熱電対などの温度測定手段とヒータなどの加熱手段を用いて、ＰＩＤ制御によって設定温度に偏差無く制御される。このとき、樹脂材料がシリンダーに供給されてから射出されるまでの滞留時間が十分長い場合は、シリンダー内部でシリンダー内壁から樹脂材料への伝熱が十分に行われて、シリンダーから射出される時点での樹脂温度は設定温度と略一致するが、サイクル時間が短い成形やパージ動作など、樹脂材料がシリンダーに供給されてから射出されるまでの滞留時間が短い場合は、シリンダー内部でシリンダー内壁から樹脂材料への伝熱が十分に行われる前に樹脂がシリンダーから射出されるため、設定温度に対して溶融樹脂の温度が低くなる、という問題がある。

設定温度に対して溶融樹脂の温度が低いまま射出を行うと、樹脂の金型への充填性が悪化したり、未溶融の樹脂が金型のゲートに詰まったりするおそれがあるため、このような溶融樹脂の温度が低くなることを防止することが望まれている。

特許文献１では、複数のヒータによる設定温度のうち計量完了時にスクリュ前方に溶融樹脂が蓄積される箇所に相当する設定温度が設定されると、該ヒータ以外の設定温度を成形条件に基づいて演算により求める技術が開示されている。

特許文献２では、成形前のフラッシングまたは成形開始時から成形中の設定温度により制御し、成形を中止または終了したときは、成形中の設定温度から成形中止中の設定温度に切り替えて温度を制御する技術が開示されている。

国際公開第２００７／１０５６４６号 特開平１１−２２７０１９号公報

特許文献１に開示される温度制御方法では、計量完了時にスクリュ前方に溶融樹脂が蓄積される箇所に相当する設定温度はオペレータが勘や経験に基づいて設定した設定温度であり、成形条件に応じた適切な温度の設定が難しいという問題があった。
特許文献２に開示される温度制御方法では、成形中の設定温度はオペレータが勘や経験に基づいて設定した設定温度であり、成形条件に応じた適切な温度の設定が難しいという問題があった。

そこで、本発明は、樹脂材料が射出シリンダーに供給されてから射出シリンダーから射出されるまでの滞留時間に基いてシリンダー温度の温度補正量を算出し、設定温度に温度補正量を加算した適切な温度にシリンダー温度を制御することで、溶融樹脂の温度が設定温度より低くなることを防止することが可能な温度補正機能を有する射出成形機の温度制御装置および射出成形機の温度制御方法を提供することを課題とする。

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と、前記射出シリンダーの温度を検出する温度検出部と、前記射出シリンダーの温度を設定する温度設定部と、前記検出したシリンダー温度が前記設定した設定温度に一致するように制御する温度制御部と、前記射出シリンダー内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、樹脂材料が射出シリンダーに供給されてから射出シリンダーから射出されるまでの滞留時間を算出する滞留時間算出部と、該算出した滞留時間に基づいてシリンダー温度の第１の温度補正量を算出する第１の温度補正量算出部と、を有し、前記第１の温度補正量算出部は、前記算出した滞留時間が短くなるにつれて前記第１の温度補正量が大きくなるように温度補正量を算出し、前記温度制御部は、前記算出した第１の温度補正量を前記設定した設定温度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、前記滞留時間算出部は、射出シリンダー内の体積に相当するスクリュストロークを計量ストロークまたは射出ストロークまたは１サイクル中に移動したスクリュストロークで除した値に１サイクルあたりの経過時間を乗じた値を滞留時間として算出す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、前記滞留時間算出部は、射出シリンダー内の体積を１ショットあたりの計量樹脂体積で除した値に１サイクルあたりの経過時間を乗じた値を滞留時間として算出す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、前記第１の温度補正量算出部は、設定温度と滞留時間とに基づいて、シリンダーから射出される溶融樹脂の温度を滞留時間の指数関数として推定し、該推定した溶融樹脂の温度が設定温度に一致するように第１の温度補正量を算出することを特徴とする請求項１乃至３の何れか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、前記第１の温度補正量算出部は、
Ｔａｄｊ＝Ｔｓ・ｅ^-αt／（１−ｅ^-αt）
Ｔａｄｊ：温度補正量、Ｔｓ：設定温度、α：係数、ｔ：滞留時間
の式に基づいて第１の温度補正量を算出することを特徴とする請求項１乃至３の何れか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、１サイクルあたりのスクリュ回転駆動部の仕事量を算出するスクリュ回転仕事量算出部と、該算出したスクリュ回転仕事量に基づいてシリンダー温度の第２の温度補正量を算出する第２の温度補正量算出部とを有し、前記温度制御部は、前記第１の温度補正量から前記第２の温度補正量を減じた値を前記設定した設定温度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請求項１乃至５の何れか１つに記載の射出成形機の温度制御装置である。

請求項７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と、前記射出シリンダーの温度を検出する温度検出部と、前記射出シリンダーの温度を設定する温度設定部と、前記検出したシリンダー温度が前記設定した設定温度に一致するように制御する温度制御部とを有する射出成形機において、樹脂材料が射出シリンダーに供給されてから射出シリンダーから射出されるまでの滞留時間が短くなるにつれて温度補正量が大きくなるように該温度補正量を算出し、該算出した温度補正量を前記設定温度に加算し、射出シリンダー温度が高くなるように制御することを特徴とする射出成形機の温度制御方法である。
請求項８に係る発明は、射出シリンダー内の体積に相当するスクリュストロークを計量ストロークまたは射出ストロークまたは１サイクル中に移動したスクリュストロークで除した値に１サイクルあたりの経過時間を乗じた値を前記滞留時間として算出することを特徴とする請求項７に記載の射出成形機の温度制御方法である。
請求項９に係る発明は、射出シリンダー内の体積を１ショットあたりの計量樹脂体積で除した値に１サイクルあたりの経過時間を乗じた値を前記滞留時間として算出することを特徴とする請求項７に記載の射出成形機の温度制御方法である。

本発明によれば、サイクル時間が短い成形やパージ動作など、樹脂材料がシリンダーに供給されてから射出されるまでの滞留時間が短い場合においても、樹脂温度が設定温度に対して低くなることを防止できる。また、本発明によれば、成形条件に応じて温度制御装置が自動的に適切なシリンダー温度を算出し、制御するため、オペレータによる温度設定値の調整作業の負担を低減でき、さらには、オペレータの経験や技能によらず適切な樹脂温度の制御が実現できる。

本発明に係る射出成形機の温度制御ブロック図である。 滞留時間と樹脂温度との関係を表すグラフを示す図である。 サイクル運転中は滞留時間に基づいて算出した温度補正量を設定温度に加算してシリンダー温度を制御し、サイクル運転でない時は温度補正量をゼロクリアする処理を説明するフローチャートである。 サイクル運転中は滞留時間に基づいて算出した温度補正量を設定温度に加算してシリンダー温度を制御し、サイクル運転でない時は前サイクル開始からの経過時間で温度補正量を算出する処理を説明するフローチャートである。 滞留時間による第１の温度補正量とスクリュ回転仕事量による第２の温度補正量を考慮して温度補正量を算出する処理を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は本発明に係る射出成形機の温度制御ブロック図である。射出成形機の射出シリンダー１２の外周囲にはヒータ１０が装着されている。ヒータ１０によって加熱される射出シリンダー１２の温度は温度検出器１４よって検出される。温度制御装置８は、温度補正量設定部で設定される温度補正量Ｔａｄｊ、温度設定部４で設定される設定温度Ｔｓ、および、温度検出器１４で検出されたシリンダー温度Ｔｃを基に、ヒータ１０の温度制御を行う。温度検出器１４によって検出されたシリンダー温度Ｔｃは温度フィードバック値として演算器６に出力される。温度制御装置８は、演算器６において温度補正量Ｔａｄｊと設定温度Ｔｓを加算した値からシリンダー温度Ｔｃを減算した値である温度偏差に基づいてヒータ１０の温度制御を行う。射出シリンダー１２の内部にはスクリュ回転駆動部１６によって駆動制御されるスクリュが内蔵されている。

本発明の射出成形機の温度制御装置は、樹脂材料が射出シリンダー１２に供給されてから射出シリンダー１２から射出されるまでの滞留時間ｔに基いてシリンダー温度Ｔｃの温度補正量Ｔａｄｊを算出し、設定温度Ｔｓに温度補正量Ｔａｄｊを加算した適切な温度にシリンダー温度Ｔｃを制御することで、溶融樹脂の温度が設定温度Ｔｓより低くなることを防止することを特徴とする。

滞留時間の算出方法を説明する。
＜滞留時間の算出方法＞
射出シリンダー１２内の体積に相当するスクリュストロークを計量ストロークで除した値に１サイクルあたりの経過時間を乗じた値を滞留時間ｔとして算出する。射出シリンダー１２内の体積とは、射出シリンダーにスクリュを挿入した状態で射出シリンダー内部に存在する空間の体積に相当するものであり、射出シリンダー１２内部の寸法やスクリュの寸法に基いてあらかじめ温度制御装置８に記憶しておいてもよいし、オペレータによって入力するようにしてもよい。そして、射出シリンダー１２内の体積に相当するスクリュストロークとは、射出シリンダー１２内の体積をスクリュ断面積で除した値である。

計量ストロークＸは、１サイクルあたりの計量樹脂量に相当する値であり、前記算出した射出シリンダー１２内の体積に相当するスクリュストロークＸａｌｌを計量ストロークＸで除することにより、樹脂材料が射出シリンダーに供給されてから射出されるまでの経過ショット数が算出される。この経過ショット数に１サイクルあたりの経過時間Ｃを乗ずることにより、樹脂材料が射出シリンダーに供給されてから射出されるまでの滞留時間ｔが数１式により求まる。

計量ストロークＸの他に射出ストロークまたは１サイクル中に移動したスクリュストロークに基いて滞留時間ｔを算出するようにしてもよいし、１サイクルあたりの樹脂体積を金型のキャビティの寸法や成形品の寸法などに基いて求め、それをスクリュ断面積で除して計量ストロークに相当する値を求めて滞留時間を算出するようにしてもよい。

また、射出シリンダー１２内の体積を１サイクルあたりの計量樹脂体積Ｖで除した値に１サイクルあたりの経過時間Ｃを乗じた値を滞留時間ｔとして数２式により算出するようにしてもよい。

また、本発明における１サイクルとは、成形運転時またはパージ動作時の１サイクルと定義する。パージ動作にはいろいろなスクリュの動かし方があるが、たとえばスクリュ前進、スクリュ回転後退を繰り返すようなパージ動作の場合、スクリュ前進開始から次のスクリュ前進開始までが１サイクルである。この場合、スクリュ回転後退開始から次のスクリュ回転後退開始までを１サイクルと定義してもよい。

１サイクルあたりの経過時間は、連続運転中は前サイクルのサイクル時間とし、連続運転の停止中は前サイクルの開始時点からの経過時点としてもよい。このようにすれば、連続運転の停止中は算出される滞留時間ｔが徐々に大きくなり、滞留時間ｔに基いて算出される温度補正量Ｔａｄｊが小さくなるため、成形運転の停止時やパージ動作の停止時に、溶融樹脂の温度が目標とする樹脂温度Ｔｒｅｇｉｎ以上に上昇するのを防止できる。または、成形運転の停止時やパージ動作の停止時には温度補正量Ｔａｄｊを無効とし、成形運転やパージ動作時には温度補正を有効にするようにしてもよい。

＜滞留時間による第１の温度補正量の算出＞
滞留時間が短い場合、設定温度に対して溶融樹脂の温度が低くなるのを防止するために、温度補正量を大きくしてシリンダー温度を設定温度より高い温度に制御する。ここでは温度補正量の算出について記載する。
樹脂温度は滞留時間の指数関数として数３式のように表され、図２に示されるグラフのように滞留時間ｔの増加とともにシリンダー温度Ｔｃに対して漸近する。

ここで、シリンダー温度を設定温度に補正量を加算した温度に制御するので、数４式が成り立つ。

このとき、樹脂温度Ｔｒｅｇｉｎが設定温度Ｔｓに対して低くなることなく略一致するためには、数５式が成り立つ必要がある。

数３式〜数５式によれば、第１の温度補正量Ｔａｄｊは数６式により求めることができる。

係数αは、あらかじめ予備実験を行って滞留時間と樹脂温度との関係に基づいて求めて温度制御装置８に記憶しておいてもよい。また、樹脂の種類毎に係数αをテーブルとして温度制御装置８に記憶しておき、成形する樹脂に応じてテーブルから値を読み出して計算に用いるようにしてもよい。

また、滞留時間ｔと樹脂温度Ｔｒｅｇｉｎとの関係が数１式とは異なる関数となる場合であっても、滞留時間ｔと樹脂温度Ｔｒｅｇｉｎとの関係を示す関数あるいは近似関数を求めることができれば、上述と同様にて温度補正値を求めることができる。例えば関数をＴｒｅｇｉｎ＝ｆ（Ｔｓ，ｔ）とし、時刻ｔにおいてＴｓ＝ｆ（Ｔｓ＋Ｔａｄｊ，ｔ）となるようなＴａｄｊを求めればよい。また、滞留時間ｔと樹脂温度Ｔｒｅｇｉｎとの関係を示す時々刻々の樹脂温度曲線のデータから温度補正値を求めることもできる。

＜スクリュ回転仕事量による第２の温度補正量の算出＞
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して、さらに第２の温度補正量Ｔａｄｊ２を算出してシリンダー温度Ｔｃを補正するようにしてもよい。せん断による発熱は樹脂において発生するため、滞留時間ｔによらず即座に樹脂の温度上昇が発生すると考えてよい。そのため、せん断発熱による温度上昇量を第２の温度補正量Ｔａｄｊ２として算出し、数７式に示されるように、第１の温度補正量Ｔａｄｊから第２の温度補正量Ｔａｄｊ２を減じた値を前記設定した設定温度Ｔｓに加算して射出シリンダー温度Ｔｃを制御するようにしてもよい。

なお、せん断発熱の熱量は、可塑化中にスクリュ回転駆動部１６であるスクリュ回転モータから与えられる仕事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、数８式に示されるように、例えば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。

第２の温度補正量Ｔａｄｊ２は数９式に示されるようにスクリュ回転仕事量による樹脂温度の上昇量として求められる。

以下、本発明の実施形態における温度制御のフローを説明する。
図３は、サイクル運転中は滞留時間に基づいて算出した温度補正量を設定温度に加算してシリンダー温度を制御し、サイクル運転でない時は温度補正量をゼロクリアする処理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］サイクル運転中か否か判断し、サイクル運転中の場合、ステップＳＡ０３へ移行し、サイクル運転中ではない場合にはステップＳＡ０２へ移行する。
●［ステップＳＡ０２］第１の温度補正量Ｔａｄｊをゼロにクリアして温度制御装置に指令する。
●［ステップＳＡ０３］滞留時間をｔ＝（Ｘａｌｌ／Ｘ）・Ｃにより算出する（数１式参照）。
●［ステップＳＡ０４］第１の温度補正量Ｔａｄｊを数６式により算出する。
●［ステップＳＡ０５］第１の温度補正量Ｔａｄｊを設定温度Ｔｓに加算して温度制御装置に指令する。
●［ステップＳＡ０６］温度制御装置は、ステップＳＡ０２またはステップＳＡ０５の指令に従ってシリンダー温度を制御する。
●［ステップＳＡ０７］温度制御終了か否か判断し、終了でない場合（ＮＯ）にはステップＳＡ０１へ戻り、終了の場合（ＹＥＳ）には処理を終了する。

図４は、サイクル運転中は滞留時間に基づいて算出した温度補正量を設定温度に加算してシリンダー温度を制御し、サイクル運転でない時は前サイクル開始からの経過時間で温度補正量を算出する処理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］サイクル運転中か否か判断し、サイクル運転中の場合、ステップＳＢ０３へ移行し、サイクル運転中ではない場合にはステップＳＢ０２へ移行する。
●［ステップＳＢ０２］１サイクルあたりの経過時間を前サイクルのサイクル開始からの経過時間とする。
●［ステップＳＢ０３］１サイクルあたりの経過時間を前サイクルのサイクル時間である。
●［ステップＳＢ０４］滞留時間をｔ＝（Ｘａｌｌ／Ｘ）・Ｃにより算出する（数１式参照）。
●［ステップＳＢ０５］第１の温度補正量Ｔａｄｊを数６式により算出する。
●［ステップＳＢ０６］第１の温度補正量Ｔａｄｊを設定温度Ｔｓに加算して温度制御装置に指令する。
●［ステップＳＢ０７］温度制御装置は、ステップＳＢ０６の指令に従ってシリンダー温度を制御する。
●［ステップＳＢ０８］温度制御終了か否か判断し、終了でない場合（ＮＯ）にはステップＳＢ０１へ戻り、終了の場合（ＹＥＳ）には処理を終了する。

図５は、滞留時間による第１の温度補正量とスクリュ回転仕事量による第２の温度補正量を考慮して温度補正量を算出する処理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］サイクル運転中か否か判断し、サイクル運転中の場合、ステップＳＣ０３へ移行し、サイクル運転中ではない場合にはステップＳＣ０２へ移行する。
●［ステップＳＣ０２］第１の温度補正量Ｔａｄｊと第２の温度補正量Ｔａｄｊ２をゼロにクリアして温度制御装置に指令する。
●［ステップＳＣ０３］滞留時間をｔ＝（Ｘａｌｌ／Ｘ）・Ｃにより算出する（数１式参照）。
●［ステップＳＣ０４］第１の温度補正量Ｔａｄｊを数６式により算出する。
●［ステップＳＣ０５］せん断発熱量を数８式により算出する。
●［ステップＳＣ０６］第２の温度補正量を数９式により算出する。
●［ステップＳＣ０７］第１の温度補正量Ｔａｄｊから第２の温度補正量Ｔａｄｊ２を減算した値を設定温度Ｔｓに加算して温度制御装置に指令する。
●［ステップＳＣ０８］温度制御装置は、ステップＳＣ０２またはステップＳＣ０７の指令に従ってシリンダー温度を制御する。
●［ステップＳＣ０９］温度制御終了か否か判断し、終了でない場合（ＮＯ）にはステップＳＣ０１へ戻り、終了の場合（ＹＥＳ）には処理を終了する。

２ 温度補正量設定部
４ 温度設定部
６ 演算器
８ 温度制御装置
１０ ヒータ
１２ 射出シリンダー
１４ 温度検出器
１６ スクリュ回転駆動部

Claims (9)

1. 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と、前記射出シリンダーの温度を検出する温度検出部と、前記射出シリンダーの温度を設定する温度設定部と、前記検出したシリンダー温度が前記設定した設定温度に一致するように制御する温度制御部と、前記射出シリンダー内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、
   樹脂材料が射出シリンダーに供給されてから射出シリンダーから射出されるまでの滞留時間を算出する滞留時間算出部と、
   該算出した滞留時間に基づいてシリンダー温度の第１の温度補正量を算出する第１の温度補正量算出部と、を有し、
   前記第１の温度補正量算出部は、前記算出した滞留時間が短くなるにつれて前記第１の温度補正量が大きくなるように温度補正量を算出し、前記温度制御部は、前記算出した第１の温度補正量を前記設定した設定温度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。
2. 前記滞留時間算出部は、射出シリンダー内の体積に相当するスクリュストロークを計量ストロークまたは射出ストロークまたは１サイクル中に移動したスクリュストロークで除した値に１サイクルあたりの経過時間を乗じた値を滞留時間として算出す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。
3. 前記滞留時間算出部は、射出シリンダー内の体積を１ショットあたりの計量樹脂体積で除した値に１サイクルあたりの経過時間を乗じた値を滞留時間として算出す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。
4. 前記第１の温度補正量算出部は、設定温度と滞留時間とに基づいて、シリンダーから射出される溶融樹脂の温度を滞留時間の指数関数として推定し、該推定した溶融樹脂の温度が設定温度に一致するように第１の温度補正量を算出することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の射出成形機の温度制御装置。
5. 前記第１の温度補正量算出部は、
   Ｔａｄｊ＝Ｔｓ・ｅ^-αt／（１−ｅ^-αt）
   Ｔａｄｊ：温度補正量、Ｔｓ：設定温度、α：係数、ｔ：滞留時間
   の式に基づいて第１の温度補正量を算出することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の射出成形機の温度制御装置。
6. １サイクルあたりのスクリュ回転駆動部の仕事量を算出するスクリュ回転仕事量算出部と、該算出したスクリュ回転仕事量に基づいてシリンダー温度の第２の温度補正量を算出する第２の温度補正量算出部とを有し、前記温度制御部は、前記第１の温度補正量から前記第２の温度補正量を減じた値を前記設定した設定温度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請求項１乃至５の何れか１つに記載の射出成形機の温度制御装置。
7. 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と、前記射出シリンダーの温度を検出する温度検出部と、前記射出シリンダーの温度を設定する温度設定部と、前記検出したシリンダー温度が前記設定した設定温度に一致するように制御する温度制御部とを有する射出成形機において、
   樹脂材料が射出シリンダーに供給されてから射出シリンダーから射出されるまでの滞留時間が短くなるにつれて温度補正量が大きくなるように該温度補正量を算出し、該算出した温度補正量を前記設定温度に加算し、射出シリンダー温度が高くなるように制御することを特徴とする射出成形機の温度制御方法。
8. 射出シリンダー内の体積に相当するスクリュストロークを計量ストロークまたは射出ストロークまたは１サイクル中に移動したスクリュストロークで除した値に１サイクルあたりの経過時間を乗じた値を前記滞留時間として算出することを特徴とする請求項７に記載の射出成形機の温度制御方法。
9. 射出シリンダー内の体積を１ショットあたりの計量樹脂体積で除した値に１サイクルあたりの経過時間を乗じた値を前記滞留時間として算出することを特徴とする請求項７に記載の射出成形機の温度制御方法。

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