JP6212069B2 - 可動部をモータで駆動制御する射出成形機 - Google Patents

Description

本発明は射出成形機に関し、特に可動部をモータで駆動制御する射出成形機に関する。

射出成形機においては、射出装置における射出動作を行うための射出用モータ、射出装置内において樹脂を搬送するためのスクリュを回転するためのスクリュ回転モータ、金型の型開き、型閉じ、型締めを行うための型開閉用モータ、成形後の成形品を突出すための突出用モータなど、多くのモータが使用されている。射出成形機において成形品の品質を良くするためには、射出速度や射出圧力の制御条件をフィードバック制御することが重要であり、そのためには各モータの速度を制御する必要がある。

一般的に射出成形機に用いられるサーボモータにおいては、同じトルクを負荷する場合のデューティは、容量の大きいモータほど高いデューティとなる。このように高いデューティとなるモータを使用した場合には、射出成形機本体の機構部の許容値よりもモータの最大トルクが大きくなる場合もある。その場合、射出成形機本体の機構部に影響を及ぼすことがあるため、モータの出力トルクに上限値（トルクリミット）を設定して、金型や射出成形機の機構部の保護を行っている。

モータが一定速度で回転している場合や、モータ回転速度がほとんど０でトルクだけを発生させている場合には、機構部にかかる負荷はモータが出力するトルクと一次関数の関係で示され、一定値のトルクリミットによって機構部を保護していた。しかしながら、一定値のトルクリミットを設定する方法では、加減速時に必要なトルクに対して制限を設定することになって、加減速の鈍い動作となってしまうことがあった。

特許文献１には、射出用のスクリュをサーボモータの駆動力によって前進させて射出を行い、サーボモータのトルクを制限可能なトルクリミッタ手段を設けているが、１次射出行程中の加減速領域においては、サーボモータに対するトルクリミッタ手段によるトルク制限を解除し、１次射出行程中の加減速領域以外の領域においては、トルクリミッタ手段によるトルク制限をかける技術が開示されている。
特許文献２には、電動射出成形機において、射出工程の立ち上がり時間を短縮して、射出成形効率を改善するために、射出工程の立ち上がり時に射出ドライバーアンプの出力トルクの大きさの制限を一時的に解除する技術が開示されている。

特許文献３には、射出成形機のスクリュ起動時の衝撃を防止して、円滑かつ安定した起動を実現し、スクリュの破損を有効に防止するために、定常時におけるトルク（正規トルク）よりも小さい初期トルクに制限して起動を開始して、その後出力トルクを初期トルクから正規トルクまで順次上昇させる技術が開示されている。

特開平６−２４６８０１号公報 特開平９−２５４２２０号公報 特開平４−３３４４２９号公報

従来技術の、一定値のトルクリミットを設定する方法では、加減速時に必要なトルクに対して制限を設定することになって、加減速の鈍い動作となってしまうことがあった。
特許文献１及び２に開示されている技術は、射出工程の立ち上げ時等にトルクの制限を解除しているため、射出工程の立ち上げ時等に適切な加減速を行うことは可能となるが、トルクの制限を完全に解除しているため、加減速の値によっては、射出成形機本体の機構部の許容値よりもモータの最大トルクが大きくなる場合もあり、金型や射出成形機の機構部が破損するおそれがあった。

特許文献３に開示されている技術は、スクリュの破損を防止するために、立ち上げ時におけるトルク制限を行っているため、スクリュの破損は防止できるものの、一定値のトルクリミットを設定する場合以上に、加減速の鈍い動作となってしまうおそれがあった。

そこで本発明は、射出成形機の金型や機構部の破損を防止しつつ、俊敏な加減速を行うことを可能とする射出成形機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、可動部をモータで駆動制御する射出成形機において、前記可動部の速度及び加速度を指令する速度指令部と、前記速度指令部が指令する速度の変化に必要なトルクを算出する加減速トルク算出部と、前記モータの出力トルク制限を設定する出力トルク制限設定部を有し、前記出力トルク制限設定部は、前記速度指令部が指令する加速度の値が変化するたびに、あらかじめ設定された所定のトルク制限値と、前記加減速トルク算出部が算出した加減速トルクとを加算して、前記モータの出力トルク制限値を設定することを特徴とする射出成形機が提供される。

本願の請求項２に係る発明では、可動部をモータで駆動制御する射出成形機の制御方法において、前記可動部の速度及び加速度を指令する速度指令部と、前記モータの出力トルク制限を設定する出力トルク制限値設定部を有し、前記速度指令部が指令する加速度の値が変化するたびに、前記速度指令部が指令する速度の変化に必要な加減速トルクを求め、あらかじめ設定された所定のトルク制限値と、前記求めた加減速トルクを加算して、前記モータの出力トルク制限値を設定することを特徴とする射出成形機の制御方法が提供される。

請求項１及び２に係る発明では、通常時の所定のトルク制限値を設けつつ、射出工程の立ち上げ時などの加減速時においては、加減速に必要な量だけトルク制限値を緩和する。射出工程の加減速時の機構部にかかる負荷は、モータの出力トルクを大きくしても、加減速成分は機構部の負荷とはならない。トルク制限値を緩和するために、射出工程において俊敏な加減速を行うことができ、また、トルクの制限を完全に解除するものではないため、金型や射出成形機の機構部が破損することも防止することができる。さらに、トルク制限値の算出を、加速度の値が変化するたびに設定しているため、加減速の値が変化するたびにモータの最適な出力トルク制限値を設定することが可能となる。

本発明により、俊敏な加減速と射出成形機の機構部の保護を両立することが可能な射出成形機を提供することができる。

本発明の実施形態の全体ブロック図である。 本実施形態のサーボＣＰＵ内で行われている動作の制御ブロック図である。 本実施形態の動作を示すフローチャートである。 従来技術と本実施形態における指令速度と出力トルク制限値との関係を示した図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態の全体ブロック図である。射出成形機は射出装置と型締装置を備えている。型締装置は、可動プラテン１２と固定プラテン１４とを備え、可動プラテン１２と固定プラテン１４とは、タイバー１５によって連結されている。トグル機構によりクロスヘッド１１を駆動して、可動プラテン１２はタイバー１５に沿って、固定プラテン１４に近づく方向と遠ざかる方向に移動可能とされている。また、可動プラテン１２には可動側金型１６が装着されており、固定プラテン１４には固定側金型１８が装着されている。

型開閉用モータ１３の回転によりクロスヘッド１１が動作され、これにより可動プラテン１２はタイバー１５に沿って移動する。可動側金型１６と固定側金型１８とが接触した後もさらに型開閉用モータ１３の回転を継続することによって、型締めを行うことができる。
型締動作後、成形された成形品は突出用モータ１９を回転させることによって、エジェクタ（突出装置）１７を駆動させて成形品の突出しを行う。

射出装置は、シリンダ５２と、シリンダ５２に樹脂を供給するホッパ５６と、シリンダ５２内で樹脂を撹拌しながら搬送するスクリュ５４と、シリンダ５２の先端部に設けられたノズル５８を備えている。そして、射出用モータ５７の回転によりシリンダ５２へ樹脂が供給され、スクリュ回転用モータ５９の回転によりスクリュ５４が回転して、シリンダ５２内において樹脂が撹拌搬送される。ホッパ５６内に貯留された樹脂は、シリンダ５２内に供給され、シリンダ５２内に供給された樹脂は、シリンダ５２の周辺部に設けられた図示しないヒータによって溶融されつつ、スクリュ５４の回転により撹拌搬送され、ノズル５８から金型（可動側金型１６、固定側金型１８）内に射出される。

各サーボモータには、それぞれのサーボモータを駆動するためのアンプが接続されており、図１に示されているように、サーボアンプ３０ａが型開閉モータ１３を制御し、サーボアンプ３０ｂが突出用モータ１９を制御し、サーボアンプ３０ｃがスクリュ回転用モータ５９を制御し、サーボアンプ３０ｄが射出用モータ５７を制御している。
サーボＣＰＵ２０には、位置ループ、速度ループ、電流ループの処理を行うサーボ制御専用の制御プログラムを格納したＲＯＭ２２やデータの一時記憶に用いられるＲＡＭ２１が接続されている。各モータの動作状況等はサーボＣＰＵ２０に入力される。

ＰＭＣＣＰＵ２４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ＲＯＭ２６および演算データの一時記憶等に用いられるＲＡＭ２５が接続されている。ＣＮＣＣＰＵ２７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ＲＯＭ２９および演算データの一時記憶等に用いられるＲＡＭ２８が接続されている。

液晶表示装置などで構成される表示装置を有するＣＲＴ／ＭＤＩ（表示装置付き入力装置）４２は、ＣＲＴ表示回路４１を介してバス６０に接続されている。さらに、不揮発性メモリで構成される成形データ保存用ＲＡＭ４０もバス６０に接続されている。この成形データ保存用ＲＡＭ４０に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、マクロ変数等が記憶されている。

以上の構成により、ＰＭＣＣＰＵ２４が射出成形機全体のシーケンス動作を制御し、ＣＮＣＣＰＵ２７がＲＯＭ２９の運転プログラムや成形データ保存用ＲＡＭ４０に格納された成形条件等に基づいて各モータに対して移動指令の分配を行ない、サーボＣＰＵ２０は、従来と同様に位置ループ制御、速度ループ制御、さらには電流ループ制御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する。

図２は、本実施形態のサーボＣＰＵ２０内で行われている動作の制御ブロック図である。サーボモータ３０から出力された位置情報及び速度情報は、それぞれ位置制御部６２及び速度制御部６４に入力される。位置制御部６２には、サーボモータ３０からの位置情報と、位置偏差情報が入力され、速度指令を出力する。出力された速度指令は速度制御部６４と、加減速トルク算出部７２に入力される。速度制御部６４では、サーボモータ３０からの速度情報と、位置制御部６２からの速度指令をもとに、トルク制限部６６にトルク指令を出力する。

トルク制限部６６には、速度制御部６４からのトルク指令と、後述する出力トルク制限設定部７０からの出力トルク制限指令が入力され、電流制御部６８へ出力する出力トルクが制限される。電流制御部６８では、トルク制限部６６からの出力トルク指令に基づいてサーボモータ３０に流す電流の値を制御する。

また、位置制御部６２から出力された速度指令は、加減速トルク算出部７２にも入力される。加減速トルク算出部７２では、位置制御部６２から出力された速度指令に基づき、速度変化が生じた際の加減速トルクを算出する。７４はＲＡＭ２１またはＲＯＭ２２に記憶されている所定のトルク制限値である。加減速トルク算出部７２から出力される加減速トルク値と、所定のトルク制限値７４の値はいずれも出力トルク制限設定部７０に入力される。出力トルク制限設定部７０においては、加減速トルク算出部７２から入力されるトルクの値と、所定のトルク制限値７４の値から出力トルクの制限値を設定して、トルク制限部６６に出力する。

次に、図３に基づいて、本実施形態の動作をステップごとに説明する。
・（ステップＳＡ１）速度が変化する際に、速度変化に必要な加減速トルクを算出する。
・（ステップＳＡ２）予め設定された所定のトルク制限値に、ステップＳＡ１で算出された加減速トルクを加算する。
・（ステップＳＡ３）ステップＳＡ２で加算された値を考慮した出力トルク値の上限値を設定する。

モータを駆動制御するコントローラの指令速度の変化から、外乱に変化がない場合に指令通りの速度を変化させるために必要な加減速トルクは式（１）の関係より求められる。
（モータ出力トルク）＝（単位時間当たりの速度変化量）×（イナーシャ／機械効率） ・・・（１）
イナーシャの計算については、物体の質量、回転中心からの距離等を用いて、従来周知の計算方法を用いることができる。また、機械効率は機械に与えられたエネルギーと、機械が有効な仕事をするエネルギーとの比から求められる。計算に必要な機械固有のパラメータは機械設計や性能評価実験により把握され、数値が射出成形機の制御装置の記憶装置（ＲＡＭ２１やＲＯＭ２２）に保存されている。そして、記憶装置（ＲＡＭ２１やＲＯＭ２２）に保存されている、所定のトルク制限値７４を読み出し、読み出した所定のトルク制限値７４に、式（１）を用いて算出した加減速トルクを加算して、新たなトルク上限値として逐次設定する。このようにして、加減速トルクを加算して新たなトルク上限値を設定する。加減速時の機構部にかかる負荷は、モータの出力トルクを大きくしても、加減速成分は機構部の負荷となることはない。

図４は、指令速度と出力トルク制限値との関係について、従来の動作と本実施形態の動作を示した図であり、図４（ａ）は従来の動作、図４（ｂ）は本実施形態の動作を示している。図４（ａ）に示されている従来の動作では、出力トルク制限値４が一定値とされているため、加減速時、一定速度時に関係なく、出力トルク制限値を出力トルクが超えた場合にはトルクの制限がかかることになる。

これに対して、図４（ｂ）に示されている本実施形態においては、加減速時においては、式（１）で算出された加減速に必要な加減速トルクの分だけ、所定のトルク制限値に加算されるため、図４（ｂ）に示されているように、加減速時においては、トルク制限値の値があらかじめ定められた所定のトルク制限値に加算される。これにより、加減速時においては、加減速時に見合った出力トルク制限値を設定することができ、適切な出力トルク制限値を設定することができる。

ここで、減速時には加速度がマイナスになるが、減速時にはマイナスのトルク指令が出るため、減速時も所定のトルク制限値にマイナスの加減速トルクを加算、すなわち、加減速トルクの絶対値分マイナスすることによって、図４（ｂ）に示されているようなトルク制限値を設定することができる。

可動部としてエジェクタを用いた場合、従来の一定したトルク制限値を用いた場合には、加減速が遅くなって樹脂が固化して成形品の品質が悪くなるおそれがある。これに対して、本実施形態の構成では、特に型内でゲートカットを行う場合などに、短時間でカットピンを前進させることが可能となるため、薄肉で樹脂の固化が早く切れにくい成形品の場合などに効果的な切断を行うことができる。また、カット部分のひずみが問題となる場合にも短時間でのカットピンの前進が有効である。単にエジェクタが前進するタイミングを早くすると、樹脂に残圧があり、金型のカットピンが力を受けて損耗するおそれがある。

また、本実施形態の構成は、型内で成形品の圧縮を行う場合にも有効である。薄肉成形品や高い転写性を必要とするレンズ成形では短時間の圧縮が必要となる。しかしながら、単にエジェクタが前進するタイミングを早くすると、金型キャビティへの樹脂充填が不足して未充填部ができてしまうおそれがある。エジェクタ前進による圧縮に時間がかかると、樹脂が固化して圧縮できない場合や成形品の残留応力が大きくなるおそれがあるが、本実施形態の構成によってこれらの問題を解消することが可能となる。

可動部としてスクリュ回転軸を用いる場合、射出成形の各工程に要する時間ができる限り短い方が生産性が高い。スクリュを回転させて樹脂を可塑化させながら溶融樹脂をスクリュ前方に計量する工程においても、スクリュ回転は俊敏に設定速度まで到達する方が望ましい。しかし、一定速度で回転中は、出力トルクを制限する必要がある場合がある。例えば、樹脂材料に金属片など異物が混入していた異常状態において、トルクを制限していた場合、機構部の損傷をより軽微に留めることができる。

一般的に、射出成形機は１つの射出仕様で、複数のスクリュ径に対応することができるよう設計されている。そのため、モータなど駆動装置はそのままで、スクリュとシリンダのみが脱着可能になっており、異なるスクリュ径の射出部材が取り付けられる。小さい径のスクリュを使用する場合は、大きい径のスクリュを使用する場合より、一定速度で回転中の出力トルクの上限値は小さい値とすることが、機構部保護の観点から適している。また、射出成形機に用いられる樹脂材料には様々な粘度の種類があり、負荷を一定量として予測することは難しい。本実施形態によって俊敏な加減速と射出成形機機構部の保護を両立することが可能となる。
また、一般的な射出成形機では、モータで駆動する軸は、エジェクタとスクリュ回転以外に、型開閉、スクリュ前後進、射出ユニット前後進、リアプラテン前後進等があり、本実施形態の構成はこれらに適用することもできる。

１１ クロスヘッド
１２ 可動プラテン
１３ 型開閉モータ
１４ 固定プラテン
１５ タイバー
１６ 可動側金型
１７ エジェクタ
１８ 固定側金型
１９ 突出用モータ
２０ サーボＣＰＵ
２１ ＲＡＭ
２２ ＲＯＭ
２４ ＰＭＣＣＰＵ
２５ ＲＡＭ
２６ ＲＯＭ
２７ ＣＮＣＣＰＵ
２８ ＲＡＭ
２９ ＲＯＭ
３０ サーボモータ
４０ 成形データ保存用ＲＡＭ
４１ ＣＲＴ表示回路
４２ ＣＲＴ／ＭＤＩ
５２ シリンダ
５４ スクリュ
５６ ホッパ
５７ 射出用モータ
５８ ノズル
５９ スクリュ回転用モータ

Claims (2)

1. 可動部をモータで駆動制御する射出成形機において、
   前記可動部の速度及び加速度を指令する速度指令部と、
   前記速度指令部が指令する速度の変化に必要なトルクを算出する加減速トルク算出部と、
   前記モータの出力トルク制限を設定する出力トルク制限設定部を有し、
   前記出力トルク制限設定部は、
   前記速度指令部が指令する加速度の値が変化するたびに、あらかじめ設定された所定のトルク制限値と、前記加減速トルク算出部が算出した加減速トルクとを加算して、前記モータの出力トルク制限値を設定する
   ことを特徴とする射出成形機。
2. 可動部をモータで駆動制御する射出成形機の制御方法において、
   前記可動部の速度及び加速度を指令する速度指令部と、
   前記モータの出力トルク制限を設定する出力トルク制限値設定部を有し、
   前記速度指令部が指令する加速度の値が変化するたびに、前記速度指令部が指令する速度の変化に必要な加減速トルクを求め、あらかじめ設定された所定のトルク制限値と、前記求めた加減速トルクを加算して、前記モータの出力トルク制限値を設定する
   ことを特徴とする射出成形機の制御方法。

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