JP6399847B2 - 成形装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、成形装置の制御方法に関するものである。

従来、オープンループ制御とクローズドループ制御を用いて所定の設定値まで上昇させる成形装置としては特許文献１および特許文献２に記載されたものが知られている。特許文献１においては、設定値を変更した直後の過渡状態ではオープンループ制御を行い、その後、制御対象が略定常状態になったとき、オープンループ制御からフィードバック制御（クローズドループ制御）へ切換えるようにした流体圧系におけるシリンダの速度制御方法に関するものである。そしてその結果、ステップ状の大きな設定変更の場合、小さな設定変更の場合、液体温度変動、シリンダの負荷変動等の外乱においても、シリンダ速度の制御精度が高く、早い安定性が得られることが記載されている。

特許文献２においては、アクチュエータの動作切換に係わる指令信号を出力した後における所定時間の間はオープンループ制御を行い、前記所定時間の経過後はクローズドループ制御を行う制御過程を含むものである。そしてその結果、変速、変圧時におけるオーバーシュートの発生を無くすことができ、制御過程において最適な特性補償を容易にでき、また高い応答性を実現し、高速かつ正確な制御を実行できることが記載されている。

特開昭５９−３７３０２号公報（特許請求の範囲、第２頁左上欄、同頁左下欄、第３頁左下欄、同頁右下欄） 特開平２−１２００１９号公報（特許請求の範囲、第５頁右下欄）

しかしながら特許文献１は、オープンループの制御に用いるパルス信号について、「シリンダ速度が追従できる最大の速度で出すようにし、かつ、オーバーシュートが生じない速度で出すようにする」と記載されるものの具体的な制御方式について記載がなされていない。そしてオープンループ制御のパルス出力により油圧シリンダの速度をほぼ定常状態にしてからフィードバック制御に切換えると記載されているが、切換えた時点でオーバーシュートが発生する可能性が無視できないものであった。また特許文献２に付いては所定時間の経過後にクローズドループ制御に切換えるので、最終的な設定圧力との関係では最適な圧力で制御の切換えが行えない可能性があり、オーバーシュートの発生や設定値に到達するまでの時間が、短縮できなくなる可能性があった。

そこで本発明では上記の問題を鑑みて、成形装置の制御対象を設定値まで上昇させる際に、設定値との関係で最適の状態で制御の切換えを行うことにより、オーバーシュートの発生を極力抑制するとともに設定値に到達するまでの時間を極力短くすることができる成形装置の制御方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の成形装置の制御方法は、オープンループ制御とクローズドループ制御を用いて制御対象を所定の設定値まで上昇させる成形装置の制御方法において、当初に制御対象のそれぞれの指令値と実測値を関連づけるテーブルを作成しておき、実際の制御開始に際しては前記テーブルを参照して設定値と同じ実測値または設定値に近似する実測値から求めた指令値を入力し、制御対象を前記指令値により設定値に向けてオープンループ制御により上昇させ、前記制御対象の値が前記設定値よりも所定値だけ下方に設定された切換値に到達後はクローズドループ制御に切換えて設定値まで上昇させることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の成形装置の制御方法は、請求項１において、前記指令値は油圧シリンダを制御するクローズドループ制御可能な圧力制御弁の指令値であることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の成形装置の制御方法は、請求項１または請求項２において、
前記設定値に対応して一の切換値が設けられ、前記切換値から前記設定値までの差分は、前記制御対象の制御開始値から設定値までの差分に対して１〜１５％に設定されることを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の成形装置の制御方法は、請求項１ないしは請求項３のいずれか１項において、制御対象のそれぞれの指令値と実測値を関連づけるテーブルは、指令値を一定幅ごとに上昇させ、それに対応する実測値を連続的に検出して作成したものであることを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の成形装置の制御方法は、請求項１ないしは請求項４のいずれか１項において、１成形サイクルにおけるオープンループ制御の実測時間またはオープンループ制御とクローズドループ制御を加えた設定値に到達するまでの実測時間、および前記指令値と実測値を関連づけるテーブルの少なくとも一方を成形装置の表示画面に表示可能としたことを特徴とする。

本発明の成形装置の制御方法は、オープンループ制御とクローズドループ制御を用いて制御対象を所定の設定値まで上昇させる成形装置の制御方法において、当初に制御対象のそれぞれの指令値と実測値を関連づけるテーブルを作成しておき、実際の制御開始に際しては前記テーブルを参照して設定値と同じ実測値または設定値に近似する実測値から求めた指令値を入力し、制御対象を前記指令値により設定値に向けてオープンループ制御により上昇させ、前記制御対象の値が前記設定値よりも所定値だけ下方に設定された切換値に到達後はクローズドループ制御に切換えて設定値まで上昇させるので、オーバーシュートの発生を極力抑制し、設定値に到達するまでの時間を極力短くすることができる。

本発明の実施形態のプレス成形装置の概略説明図である。 本発明の実施形態のプレス成形装置の制御方法を示す図である。 本発明の実施形態のプレス成形装置のチューニング値確認画面（テーブル）を示す図である。 本発明の実施形態のプレス成形装置のタイムチャート画面を示す図である。 本発明の別の実施形態の成形装置の概略説明図である。

図１に示されるように本発明の成形装置であるホットプレス装置１１は、上盤１２に対して昇降自在な可動盤１３が設けられ、その間にプレス板としての熱板１４が、互いに所定の距離を隔てて複数配設されている。可動盤１３には加圧シリンダである油圧シリンダ１５のラム１６が取付けられており、前記油圧シリンダ１５のシリンダ室１７に油圧源である小容量ポンプ１８および大容量ポンプ１９から油を送出することにより前記可動盤１３は上昇されるようになっている。そして可動盤１３の上昇とともに、最上部の熱板１４を除く各熱板１４も順次上昇され、各熱板１４に配設された積層体等のプレス成形品Ｐは、前記熱板１４間で加熱・加圧されプレス成形される。そして本発明では、前記油圧シリンダ１５により、可動盤１３等の上昇とプレス成形品Ｐの加圧の両方が行われる。またホットプレス装置１１は、真空チャンバ２０の内部に収納される。

次にホットプレス装置１１の油圧機構について説明する。油圧シリンダ１５のシリンダ室１７には主管路２１が接続され、主管路２１は途中で分岐し小容量ポンプ１８と大容量ポンプ１９に接続されている。小容量ポンプ１８側の主管路２１ａについて先に説明すると、小容量ポンプ１８側の主管路２１ａからタンク２２に向けて分岐した管路には、圧力制御弁としての可変電磁リリーフ弁２３が設けられている。可変電磁リリーフ弁２３は、制御装置２４からの指令信号により油圧シリンダ１５の圧力を制御可能に設けられている。なお可変電磁リリーフ弁２３についてはクローズドループ制御可能な圧力制御弁であれば他の圧力制御弁やサーボ弁でもよい。また主管路２１には圧力センサ２５が取付けられ、そして圧力センサ２５による実測値ＰＶが制御装置２４に送信されるように圧力センサ２５は制御装置２４に接続されている。更に主管路２１ａの小容量ポンプ１８と油圧シリンダ１５の間には図示しない逆止弁や流量制御弁などの油圧回路が設けられている。また主管路２１から分岐した大容量ポンプ１９側の主管路２１ｂには、タンク２２に向けて分岐した管路にはリリーフ弁２６が取付けられている。また管路２１ｂには図示しない逆止弁等の油圧回路が設けられている。

次に本発明の成形装置の制御方法について説明する。ホットプレス装置１１では、１成形サイクルの間、油圧シリンダ１５（加圧シリンダ）のクローズドループ制御を行うモードと、時間短縮して昇圧を行うクイック昇圧モードが選択できるようになっている。クイック昇圧モードとは、設定圧力値までの昇圧時間を短縮することを目的としたものであり、オープンループ制御とクローズドループ制御を併用して行う制御である。即ちクローズドループ制御だけであると特に比例ゲインを高くしすぎると応答性はよくなるがオーバーシュート等の原因となり、比例ゲインを小さくしすぎると応答性が悪くなる等の原因となるので、クローズドループ制御とオープンループ制御を組合わせる。

本発明は、当初に制御対象である油圧シリンダ１５のそれぞれの指令値ｓ１と実測値ＰＶを関連づけるチューニング値確認画面２６（テーブル）を作成しておき、実際の制御開始に際しては前記チューニング値確認画面２６（テーブル）において設定値ＳＶと同じ実測値ＰＶまたは近似する実測値ＰＶの指令値ｓ１を入力し、制御対象である油圧シリンダ１５を前記指令値ｓ１により設定値ＳＶに向けてオープンループ制御により上昇させ、前記制御対象である油圧シリンダ１５の油圧値が前記設定値ＳＶよりも所定値だけ下方に設定された切換値ＴＶに到達後はクローズドループ制御に切換えて設定値ＳＶまで上昇させることにより、設定値ＳＶまでの到達時間ｔ１の短縮を狙うものである。

まず当初（成形サイクル開始の前に制御値を入力するよりも前）に、制御対象である油圧シリンダ１５のそれぞれの指令値ｓ１と実測値ＰＶを関連づけるチューニング値確認画面２６（テーブル）の作成（圧力チューニング）を行う。このチューニング値確認画面２６（テーブル）は、後述するオープンループ制御の際の指令値ｓ１を参照するために使用する。チューニング値確認画面２６（テーブル）の作成に際しては、大容量ポンプ１９と小容量ポンプ１８の双方を作動させ可動盤１３を上昇させる。そして各熱板１４が当接されると大容量ポンプ１９は作動を停止し、その後は小容量ポンプ１８のみを作動させて油圧シリンダ１５のシリンダ室１７の昇圧を開始する。その際に制御装置２４から制御弁である可変電磁リリーフ弁２３に送られる指令値ｓ１（電圧値）を一定幅ごとに（ここでは０．５％ごと）上げていき、それに対応して圧力センサ２５により実測値ＰＶを検出してチューニング値確認画面２６（テーブル）を作成し制御装置２４に記憶するとともに、図３に示されるように表示画面に表示可能にする。この際にチューニング値確認画面２６（テーブル）では、新たに実測値ＰＶが（今回値）の部分に書き込まれると、それまで今回値として保存されていた実測値ＰＶは、（前回値）の部分に移動する。そしてそれまで前回値として保存されていた実測値ＰＶが消去される。なお本実施形態では油温４０℃にてこのオープンループ制御のチューニング値確認を行うが、実際の連続成形において想定される油温で行うことが望ましい。また特に季節により油温が変化する場合は、それに対応したチューニング値確認画面２６（テーブル）を当初に準備しておく。

なおこのチューニング値確認画面２６（テーブル）の実測値ＰＶは、油圧シリンダ１５により加圧を開始してから時間をかけて徐々に指令値ｓ１を一定幅ごとに上昇させ、それに対応する実測値ＰＶを連続的に検出して作成したものであるので、指令値ｓ１に対応する実測値ＰＶが、実際の成形サイクルにおける指令値ｓ１に対する実測値ＰＶよりも低くなる傾向がある。即ち図２において一点鎖線および値ｓ１ｐで示されるように、実際の成形サイクルにおいて指令値ｓ１を用いてオープンループ制御により昇圧を行うと、型閉される際の衝撃（反力）によるピーク圧の発生して容易に圧が抜けないこと等により、テーブル作成時の指令値ｓ１に対応する実測値ＰＶよりも高い圧力まで昇圧されることが経験的に判明している。

実際の成形サイクル開始に際しては、前記のチューニング値確認画面２６（テーブル）を参照してプレス成形品Ｐに対応する圧力設定値ＳＶと同じ実測値ＰＶまたは設定値ＳＶに近似する実測値ＰＶから求めた指令値ｓ１が設定画面から入力される。本実施形態では、クイック昇圧モードにおいて設定値ＳＶを入力したら自動的にチューニング値確認用のテーブルが参照・検索され、それに対応する可変電磁リリーフ弁２３の指令値ｓ１が設定される。しかし前記とは別に、作業者が図３に示されるチューニング値確認画面２６（テーブル）を参照して前記設定値ＳＶを実現できるための可変電磁リリーフ弁２３への指令値ｓ１を設定入力するものでもよい。一例として、実際のプレス成形における圧力の設定値ＳＶが１３．１ＭＰａの場合は、チューニング値確認画面２６（テーブル）を参照すると、対応する指令値ｓ１は７１．５％かその前後の近似する値であり、前記指令値ｓ１が入力される。

この際の指令値ｓ１は、油圧シリンダ１５をオープンループ制御により昇圧される際の目標値であって、前記設定値ＳＶに対応して一の指令値ｓ１の設定を行う。すなわちオープンループ制御によって昇圧する際の指令値ｓ１を一つだけにしたほうが昇圧時間を短縮できる。しかしながら設定値ＳＶに対応するオープンループ制御による指令値ｓ１以外に、昇圧の過程に指令値を複数設け、最終的に指令値ｓ１により昇圧されるようにしたものもオープンループ制御の範囲に含まれる。またクローズドループ制御であってもゲインや時定数を極端に小さくしたり、比例制御等を停止して実質的にオープンループ制御と同様の作動が行われるものもオープンループ制御の範囲に含まれるものとする。

前記の設定入力が終了したらプレス成形品Ｐを熱板１４の上に搬入・載置し、ホットプレス装置１１の真空チャンバ２０内を真空化してからプレスを開始する。まず小容量ポンプ１８と大容量ポンプ１９の双方を作動させ可動盤１３を上昇させる。そして各熱板１４がプレス成形品Ｐを介して当接されると大容量ポンプ１９は作動を停止し、その後は小容量ポンプ１８のみを作動させて油圧シリンダ１５のシリンダ室１７の昇圧を開始する。可変電磁リリーフ弁２３の制御は、最初はオープンループ制御により制御される。この際の可変電磁リリーフ弁２３の指令値ｓ１は、設定値ＳＶの１３．１ＭＰａに対応する７１．５％に固定されている。

上記したようにチューニング値確認画面２６（テーブル）の指令値ｓ１を使用して実際の成形サイクルにおいて油圧シリンダ１５の昇圧を完了させたとすると、急速な昇圧は行えるが、指令値ｓ１まで昇圧設定値ＳＶよりも上方の値ｓ１ｐまで昇圧される公算が高い。そのため本発明では、設定値ＳＶよりも所定値だけ下方にクローズドループ制御に切換えるための一の切換値ＴＶを設けている。この切換値ＴＶについては、切換値ＴＶから設定値ＳＶまでの差分ｐ２が、前記制御対象である油圧シリンダ１５の油圧の制御開始値ｐ０から設定値ＳＶまでの差分ｐ１に対して１％〜１５％となるように設定されることが望ましい。即ち図２に示されるように制御開始値０ＭＰａから所定の設定値１３．１ＭＰａまで昇圧させる際は、切換値ＴＶは１１．１６ＭＰａ〜１２．９７ＭＰａの範囲内で設定される。本実施形態において所定の設定値ＳＶとは、ホットプレス１２の成形品Ｐの加圧に用いられる圧力であって、段階により昇圧される際の設定圧力である（段階には一段の場合と多段の場合を含む）。しかし前記設定値ＳＶは、急激な圧力上昇率で圧力等を上昇させた後に緩い圧力上昇率で圧力等を昇圧させる際の変節点であってもよい。

そして実際の成形サイクルにおいて指令値ｓ１を入力した場合の実測値ＰＶは、チューニング値確認画面２６（テーブル）の実測値ＰＶの圧力値よりも高くなるので、設定値ＳＶに対応する指令値ｓ１を入力してオープンループ制御を行えば必ず切換値ＴＶの圧力を上回りクローズドループ制御に切換わる。なおオープンループ制御からクローズドループ制御への切換値ＴＶは、制御対象の種類によっては、力、位置、速度、温度、時間等の場合も有り得る。

そして本実施形態では、圧力センサ２５により検出される油圧が設定値ＳＶの０．５％下方に設定された切換値ＴＶ１２．６ＭＰａに到達すると、次に可変電磁リリーフ弁２３の制御をクローズドループ制御（ＰＩＤ制御）に切換える。そして設定値ＳＶである１３．１ＭＰａに対応する指令値ｓ１は、制御装置２４から可変電磁リリーフ弁２３に継続して出力し油圧シリンダ１５の昇圧がなされる。その結果、従来は油圧シリンダが設定値１３．１ＭＰａまで昇圧されるのに７．０秒がかかっていたのが、クイック昇圧モードでは１．７秒で設定値１３．１ＭＰａまで昇圧されるようになった。またこの際クローズドループ制御により昇圧されるのは０．５ＭＰａ分のみであるので、オーバーシュート等が殆ど無く昇圧される。

また図４に示されるように、この際の成形サイクルにおける更にはオープンループ制御＋クローズドループ制御の昇圧完了までの昇圧時間ｔ１が、演算され表示される。プレス時間から前記昇圧時間ｔ１を減算することにより、昇圧後の加圧時間ｔ２を求めることができ、加圧時間ｔ２も合計のプレス時間とともに表示される。なお昇圧完了までの昇圧時間ｔ１と、設定値ＳＶに昇圧後の加圧時間ｔ２の少なくとも一方を表示するようにしてもよい。またはオープンループ制御の時間とクローズドループ制御の時間の少なくとも一方を成形装置の表示画面に表示可能としてもよく、それらの合計のプレス時間も表示するようにしてもよい。これらの図４に示されるプレス時間の表示画面と、図３に示される指令値ｓ１と実測値ＰＶを関連づけるテーブルの表示画面とは、少なくとも一方が表示可能となっている。

なお本実施形態では、圧力センサ２５の実測値ＰＶを検出して制御に用いているが、プレス成形品Ｐの面圧に換算して使用するものに本発明を用いてもよい。更には溶融樹脂がキャビティ内で圧縮されるもの等では樹脂圧を検出して制御に用いてもよい。更にプレス成形装置のタイバー等の伸びや各部の変形を歪センサにより測定して型締力を検出するものでもよい。この場合は力制御が行われる。また熱板１４の昇温制御を行うものに本発明の制御を用いてもよい。

次に図５の別の実施形態の成形装置の制御方法に付いて説明する。図５は射出成形装置３１であって、型締装置３２と射出装置３３からなっている。型締装置３２は、固定金型３４が取付けられる固定盤３５と可動金型３６が取付けられる可動盤３７を備える。また型締装置３２は、型開閉機構のアクチュエータ（型開閉用サーボモータ３８）と型締機構のアクチュエータ（型締シリンダ３９）を備える。また射出装置３３は、溶融樹脂を加熱する加熱筒４０を備えるとともに、射出機構のアクチュエータ（射出用サーボモータ４１）とスクリュ回転機構のアクチュエータ（計量用サーボモータ４２）を備える。そして型締機構、型開閉機構、射出機構、およびスクリュ回転機構の少なくとも一つが油圧によって作動される場合は、図１と同様に制御弁である電磁リリーフ弁や圧力制御弁等の制御弁の制御が図示しない制御装置により行われ、本発明の制御が適用可能である。また前記アクチュエータがサーボモータ等の電動モータにより構成される場合も、本発明を適用することができる。更に射出機構の加熱筒４０のヒータや加熱冷却金型を採用した場合のヒータや熱媒体を制御して昇温制御を行う際にも、本発明の制御が適用可能である。

本発明については、一々列挙はしないが、上記した本実施形態のものに限定されず、当業者が本発明の趣旨を踏まえて変更を加えたものについても、適用されることは言うまでもないことである。上記の実施形態では、成形装置として多段プレス装置の例を説明したが、成形装置がプレス装置である場合は、上型と下型の間でプレス成形が行われる一般的なプレス装置であってもよい。その場合、加圧シリンダは復動シリンダであってもよい。そしてまたプレス装置で成形される成形品についても限定されない。また成形装置は、上記のように射出成形機であってもよく、更にはブロー成形装置や封止成形装置、転写成形装置、押出成形装置、およびラミネート積層成形装置等のような成形装置であってもよい。

また成形装置において制御される制御対象は、圧力（直接検出される油圧かまたはプレスのキャビティ面の面圧、溶融樹脂の圧力などを含む）の他、型締力や射出力などの力であってもよい。力を制御する場合は、タイバーやガイドバーなどの伸張を歪センサなどで測定する。また制御対象は、プレスの可動盤、射出成形装置の可動金型やスクリュなどの可動部材の位置や速度であってもよい。更に制御対象は成形装置の部材の温度や、真空度など他の対象物であってもよい。

１１ ホットプレス装置（成形装置）
１４ 熱板
１５ 油圧シリンダ
１７ シリンダ室
２３ 可変電磁リリーフ弁
２４ 制御装置
２５ 圧力センサ
２６ チューニング値確認画面（テーブル）
ＰＶ 実測値
ＴＶ 切換値
ＳＶ 設定値
ｓ１ 指令値

Claims (5)

1. オープンループ制御とクローズドループ制御を用いて制御対象を所定の設定値まで上昇させる成形装置の制御方法において、
   当初に制御対象のそれぞれの指令値と実測値を関連づけるテーブルを作成しておき、
   実際の制御開始に際しては前記テーブルを参照して設定値と同じ実測値または設定値に近似する実測値から求めた指令値を入力し、
   制御対象を前記指令値により設定値に向けてオープンループ制御により上昇させ、
   前記制御対象の値が前記設定値よりも所定値だけ下方に設定された切換値に到達後はクローズドループ制御に切換えて設定値まで上昇させることを特徴とする成形装置の制御方法。
2. 前記指令値は油圧シリンダを制御するクローズドループ制御可能な圧力制御弁の指令値であることを特徴とする請求項１に記載の成形装置の制御方法。
3. 前記設定値に対応して一の切換値が設けられ、
   前記切換値から前記設定値までの差分は、前記制御対象の制御開始値から設定値までの差分に対して１〜１５％に設定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の成形装置の制御方法。
4. 制御対象のそれぞれの指令値と実測値を関連づけるテーブルは、
   指令値を一定幅ごとに上昇させ、それに対応する実測値を連続的に検出して作成したものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の成形装置の制御方法。
5. １成形サイクルにおけるオープンループ制御の実測時間またはオープンループ制御とクローズドループ制御を加えた設定値に到達するまでの実測時間、および前記指令値と実測値を関連づけるテーブルの少なくとも一方を成形装置の表示画面に表示可能としたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の成形装置の制御方法。