JP6695640B2 - 成形条件の初期条件設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形機において成形条件の初期条件を設定する設定方法に関するものである。

射出成形機は、概略射出装置と型締装置とからなる。射出装置は、従来周知のように、加熱シリンダと、この加熱シリンダ内に回転方向と軸方向とに駆動可能に設けられているスクリュとから構成されている。一方、型締装置も従来周知であり、固定側金型が取り付けられている固定盤と、可動側金型が取り付けられている可動盤と、可動側金型を固定側金型に対して型開閉する型締機構とから構成されている。したがってスクリュを回転駆動すると共に樹脂材料を加熱シリンダに供給すると、樹脂材料は溶融し、そして加熱シリンダの先端に計量される。スクリュを軸方向に駆動して計量された溶融樹脂を型締めされた金型のキャビティに射出・充填し、そして冷却固化を待って可動金型を開くと、所定形状の成形品が得られる。

適切に成形品を成形するには、射出成形において射出圧力、射出速度、樹脂温度、型締力等の成形条件を適切な値に設定する必要がある。ところで金型は成形する成形品毎に製作されており、キャビティの形状や容量等は金型毎に異なっている。また樹脂の種類も成形品毎に異なっている。従って、適切な成形条件は金型毎あるいは成形品毎に変わることになる。適切な成形条件を設定するために、射出成形機のオペレータはいわゆる成形条件出しを実施している。成形条件出しでは、最初に初期条件を設定する。初期条件は、射出成形を実施しても金型を痛めることがない安全な成形条件であり、成形すると一般的にショートショットが発生する。この後、成形条件を変更しながら射出成形を実施し、良品を成形できる成形条件を探す。つまり射出成形を繰り返し実施する必要がある。このように成形条件出しは繰り返し試験を実施しなければならないので、樹脂の無駄が多く、作業は煩雑で時間を要する。

特開２０１２−１８７７８７号公報

特許文献１には、射出成形機において成形条件出しを支援する方法が記載されている。この射出成形機においては、オペレータが事前に成形品の重量、樹脂の種類等の成形品に関連する基礎データを射出成形機のコントローラに入力する。そうするとコントローラは、これらの基礎データを元に四則演算を実施して成形条件を調整するための参考となる参考情報を計算し、画面に出力する。参考情報としては、射出工程におけるスクリュのストローク、スクリュの速度、射出時間等がある。オペレータは成形条件出しにおいてこれらの参考情報を参照することができるので、作業時間を短縮することができる。

特許文献１に記載の方法によれば、参考情報が画面に表示されるので、オペレータはこれを参考にして成形条件出しを効率よく実施することができる。特許文献１の他にも、成形条件出しを支援する方法が色々提案されており、射出工程におけるスクリュのストローク等について推奨値が提示され、成形条件出しの作業の効率が高くなっている。しかしながら、このような方法には解決すべき問題も見受けられる。具体的には、基礎データとして事前に成形品の重量や寸法等を入力しなければならない点である。金型によっては成形品が存在しない場合もあり、基礎データの入力ができない。そうすると参考情報が得られない。参考情報がないと成形条件出しを開始するための初期条件を適切に設定できないので、成形条件出しに時間がかかり樹脂も無駄になってしまう。

本発明は、上記したような問題点を解決した、成形条件の初期条件設定方法を提供することを目的としており、具体的には、成形品の重量や寸法等の入力の必要がないにも拘わらず、成形条件の初期条件を設定できる成形条件の初期条件設定方法を提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するために、型締装置に設けられたカメラによる三次元形状計測方法により金型のキャビティの三次元形状を計測するように構成する。三次元形状計測方法はいずれの方法であってもよいが、位相シフト法、ステレオ法が好ましい。位相シフト法は型締装置に設けられたプロジェクタによって金型に所定の光学パターンを投射して、これをカメラによって読み取ってキャビティの三次元形状を計測する。このようにして計測したキャビティの三次元形状から金型によって成形される成形品の形状・寸法を推定し、推定した該成形品の形状・寸法に基づいて成形条件の初期条件を設定するように構成する。

かくして請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、型締装置に設けられたカメラによる三次元形状計測方法により金型のキャビティの三次元形状を計測し、該キャビティの三次元形状から前記金型によって成形される成形品の形状・寸法を推定し、射出成形に必要な樹脂容量である総射出量と、射出時に金型において射出圧力が作用する受圧面積である全投射面積とを計算し、前記総射出量と前記全投影面積とに基づいてそれぞれ計量値と型締力とを設定することを特徴とする、射出成形機の成形条件の初期条件設定方法として構成される。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の成形条件の初期条件設定方法において、前記三次元形状計測方法は位相シフト法からなり、前記型締装置に設けられたプロジェクタによって前記金型に所定の光学パターンを投射して、これを前記カメラによって読み取って前記キャビティの三次元形状を測定することを特徴とする、射出成形機の成形条件の初期条件設定方法として構成される。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の成形条件の初期条件設定方法において、前記三次元形状計測方法はステレオ法からなると共に前記カメラは複数台からなり、該複数台の前記カメラによって前記キャビティの三次元形状を測定することを特徴とする、射出成形機の成形条件の初期条件設定方法として構成される。

以上のように本発明は、型締装置に設けられたカメラによる三次元形状計測方法により金型のキャビティの三次元形状を計測し、該キャビティの三次元形状から金型によって成形される成形品の形状・寸法を推定する。そして射出成形に必要な樹脂容量である総射出量と、射出時に金型において射出圧力が作用する受圧面積である全投射面積とを計算し、総射出量と全投影面積とに基づいてそれぞれ計量値と型締力とを設定するように構成されている。従って、成形品そのものの重量や寸法について未知な金型であっても、成形品の形状・寸法が精度良く推定され、これらの成形条件の初期条件すなわち計量値と型締力とが設定されることになる。これによって成形条件出しが容易になり、成形条件出しにおいて成形する回数を少なくでき、無駄になる樹脂を少なくできるし、オペレータの労力を軽減できる。他の発明によると、三次元形状計測方法は位相シフト法からなり、型締装置に設けられたプロジェクタによって金型に所定の光学パターンを投射して、これをカメラによって読み取ってキャビティの三次元形状を測定するように構成されているので、キャビティの三次元形状は短時間でかつ精度良く測定することができ、速やかに成形条件の初期条件が設定できる。さらに他の発明によると三次元形状計測方法はステレオ法からなると共にカメラは複数台からなり、該複数台のカメラによってキャビティの三次元形状を測定するように構成されている。ステレオ法ではプロジェクタを使用しないで済むので射出成形機が設置されている工場内にプロジェクタが投光する光が漏れなくて済む。つまり工場環境に影響を与えること無くキャビティの三次元形状を測定できるという効果が得られる。

本発明の実施の形態に係る射出成形機を示す正面図である。 位相シフト法においてプロジェクタから金型に投射する縞状の光学パターンを示す図である。 三次元形状測定方法による三次元形状の測定方法を模式的に示す図である。

本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る射出成形機１は、図１に示されているように、概ね従来の射出成形機と同様に構成されている。すなわち、樹脂を溶融して射出する射出装置２と、型締装置３とからなる。射出装置２は、加熱シリンダ５と、加熱シリンダ５内で回転方向と軸方方向とに駆動される図示されないスクリュとから構成され、加熱シリンダ５はヒータにより加熱されるようになっている。型締装置３は、固定盤７と可動盤８とを備え、トグル機構からなる型締機構１０によって可動盤８が駆動されるようになっている。固定盤７と可動盤８には固定側金型１１と可動側金型１２とが設けられている。これらは型締機構１０を駆動すると型開閉されるようになっている。

本実施の形態に係る射出成形機１は、光学的な手法によって金型１１、１２のキャビティの三次元形状を測定する、いわゆる三次元形状測定方法を実施する点に特徴がある。周知のように三次元形状測定方法には色々な方法があるが、本実施の形態においては位相シフト法が採用されており、本実施の形態に係る射出成形機１には、第１、２のカメラ１５、１６と、第１、２のプロジェクタ１７、１８とが設けられている。まず第１のカメラ１５と第１のプロジェクタ１７は、それぞれ固定盤７の上部と下部とに設けられ、第１のプロジェクタ１７から図２に示されているような縞状光学パターンが可動側金型１２のパーティング面に投射される。つまり可動側金型１２のキャビティに投射される。これを第１のカメラ１５によって読み取ってキャビティの三次元形状が測定される。同様に第２のカメラ１６と第２のプロジェクタ１８は、それぞれ可動盤８の上部と下部とに設けられ、第２のプロジェクタ１８から縞状光学パターンが固定側金型１１のパーティング面に投射される。これを第２のカメラ１６によって読み取って固定側金型１１のキャビティの三次元形状が測定される。金型１１、１２のそれぞれのキャビティの三次元形状は、図に示されない射出成形機１のコントローラで計算されるようになっている。

本実施の形態に係る射出成形機１において実施される位相シフト法は、いわゆるスポット光投影法を応用した三次元形状測定方法の一種である。スポット光投影法では、被測定物２１の１点である点Ｐに対して、図３に示されているように光源２２からスポット光を当て、これをカメラ２３によって測定する。カメラ２３内部には撮像平面２５がありこの撮像平面２５内で被測定物２５のＰ点からの光が検出されるが、図３においては作図上撮像平面２５はカメラの前方に示されている。幾何学的に考察すると、光源２２からＰ点に投光する角度θと、光源２２とカメラ２３の距離Ｌと、焦点距離ｆと、撮像平面２５における画像中心からの光の検出位置ｙとから、計測距離Ｚは次式で得られる。なお計測距離Ｚは、光源２２とカメラ２３とを結ぶ線分からＰ点に降ろした垂線の長さである。

同様に光源２２とＰ点の水平距離、あるいはカメラ２３とＰ点の水平距離も計算できる。すなわち光源２２あるいはカメラ２３を座標の原点として、Ｐ点の座標つまり三次元位置を特定できることになる。複数の点に対して同様にスポット光を投射してカメラ２３で検出すれば被測定物２１の三次元形状が測定できる。位相シフト法では、スポット光を投射する光源２２の代りにプロジェクタを使用する。プロジェクタからは、図２に示されているような縞状光学パターンを被測定物２１の全体に投射する。縞状光学パターンは正弦波状に輝度が変化するパターンになっている。全体に投射するので、被測定物２１の三次元形状を効率よく測定できる。なお位相シフト法では、正弦波の位相を９０度ずつ変えた４種類の縞状光学パターンを用意し、これらを順次被測定物２１に投射してカメラ２３でこれらを検出するようにする。そして、被測定物２１の任意の点についてその三次元位置を計算するときに、位相が異なる４種類の縞状光学パターンが当該任意の点に投射されて検出されたそれぞれの輝度、つまり４種類の輝度から計算する。そうすると、被測定物２１に自然光や他の光が当たっていても、その影響を除去して精度良く三次元位置を計算できる。つまり位相シフト法は、被測定物２１の三次元形状を効率よくかつ精度良く測定できる。

本実施の形態に係る射出成形機１は、型締装置２３に取付けられた金型１１、１２について、その成形品の形状や寸法が未知の場合であっても、成形条件の初期条件として適切な条件を設定できるようになっている。初期条件には、成形品を射出成形するために必要な計量値、保圧に必要な時間である全保圧時間、射出に要する時間である射出時間、冷却に要する時間である冷却時間、型締力等がある。初期条件は、射出成形しても金型を痛めることがない安全な条件であり、成形条件出しを開始するに当たって必要な設定条件である。

適切な初期条件を設定するために、射出成形機１のコントローラは次のように処理する。まず、第１、２のプロジェクタ１７、１８から、それぞれ金型１２、１１に対して位相が異なる４種類の縞状光学パターンを投射し、これを第１、２のカメラ１５、１６によって読み取る。コントローラは、位相シフト法によって金型１１、１２のキャビティの三次元形状を計算する。すなわちキャビティの三次元形状を測定する。キャビティの三次元形状においてはゲートの径も測定する。金型１１、１２のキャビティの三次元形状を得たら、金型１１、１２によって成形される成形品の形状が推定できる。推定される成形品の形状から、以下の成形品情報を計算する。
「総射出量」射出成形に必要な樹脂の容量であり、成形品の体積を計算して得る。なお射出材料の樹脂の種類が明確であれば、その比重を乗じて総射出重量を計算してもよい。
「平均肉厚」成形品の平均の肉厚を計算する。
「全投影面積」射出時に射出圧力が作用する受圧面積、つまり成形品の投影面積を計算する。

コントローラは、計算によって得られた成形品情報から、以下の初期条件を計算する。
「計量値」計量を完了するスクリュ位置である。以下の式で計算する。
計量値＝（総射出量×安全率）／（スクリュ径^２×π／４）＋オフセット
ここで、安全率は金型を保護する係数で、例えば０．８５が選定される。
オフセットは，例えば１０ｍｍが選定される。
「型締力」以下の式で計算する。
型締力＝全投影面積×金型内圧×安全係数
ここで金型内圧は金型内の樹脂圧力であり、射出圧力を採用してもよい。予めコントローラに入力しておく。
安全係数は、成形品の平均肉厚が１ｍｍ以下のとき１．８、平均肉厚が１〜２ｍｍのとき１．５、平均肉厚が２〜３ｍｍのとき１．３５、平均肉厚が３ｍｍ以上のとき１．０５とする。
「射出時間」射出工程に要する時間であり以下の式で計算する。
射出時間＝総射出量／（射出率×射出速度設定値）
ここで、射出率は射出成形機１において単位時間あたりに射出できる最大の射出量であり、射出成形機１の機種によって決定されている。
射出速度設定値は、最大の射出速度に対する実際の射出速度の比率であり、予めコントローラに入力しておく。
「全保圧時間」保圧工程を実施する時間であり、以下の式で計算する。

なお、熱拡散率、溶融状態の樹脂温度、樹脂の固化温度、金型温度は予めコントローラに入力する必要がある。
「冷却時間」成形品が固化するまでの冷却の時間であり、上の２式によって計算する。ただしＯＦＳＴ、つまりオフセットは１５．０ｓｅｃとする。

本実施の形態に係る射出成形機１は上記のようにして計算された初期条件をコントローラに付属しているモニタに表示する。あるいは初期条件をコントローラに設定する。オペレータは成形条件出しを開始することができる。

本実施の形態に係る射出成形機１は色々な変形が可能である。例えば、金型１１、１２のキャビティの三次元形状を測定する三次元形状計測方法について本実施の形態においては位相シフト法が採用されているが、他の方法を採用するようにしてもよい。好ましい方法としてステレオ法を採用することができる。ステレオ法は離間した２台のカメラによって同一の被測定物を撮影し、三次元形状を推定する方法であり周知な方法である。ステレオ法を採用する場合には、射出成形機１は第１、２のプロジェクタ１７、１８が不要になり、新たに第３、４のカメラが必要になる。例えば第３のカメラは、第１のカメラ１５と離間させて配置させ、可動側金型１２のパーティング面を撮影するようにし、第４のカメラは第２のカメラ１６と離間させて配置させ、固定側金型１１のパーティング面を撮影するようにする。このようにして金型１１、１２のキャビティの三次元形状を計測する。

成形条件の初期条件についても変形が可能である。例えば、成形品の大きさや平均肉厚が判明していれば、射出成形時において推奨される射出段数や射出速度を計算する方法がある。本発明の実施の形態においては成形品の大きさや平均肉厚は推定できるので、周知の計算方法を利用して射出速度や射出段数を計算できる。

１ 射出成形機 ２ 射出装置
３ 型締装置 ５ 加熱シリンダ
７ 固定盤 ８ 可動盤
１０ 型締機構 １１ 固定側金型
１２ 可動側金型 １５ 第１のカメラ
１６ 第２のカメラ １７ 第１のプロジェクタ
１８ 第２のプロジェクタ

Claims (3)

1. 型締装置に設けられたカメラによる三次元形状計測方法により金型のキャビティの三次元形状を計測し、該キャビティの三次元形状から前記金型によって成形される成形品の形状・寸法を推定し、射出成形に必要な樹脂容量である総射出量と、射出時に金型において射出圧力が作用する受圧面積である全投射面積とを計算し、前記総射出量と前記全投影面積とに基づいてそれぞれ計量値と型締力とを設定することを特徴とする、射出成形機の成形条件の初期条件設定方法。
2. 請求項１に記載の成形条件の初期条件設定方法において、前記三次元形状計測方法は位相シフト法からなり、前記型締装置に設けられたプロジェクタによって前記金型に所定の光学パターンを投射して、これを前記カメラによって読み取って前記キャビティの三次元形状を測定することを特徴とする、射出成形機の成形条件の初期条件設定方法。
3. 請求項１に記載の成形条件の初期条件設定方法において、前記三次元形状計測方法はステレオ法からなると共に前記カメラは複数台からなり、該複数台の前記カメラによって前記キャビティの三次元形状を測定することを特徴とする、射出成形機の成形条件の初期条件設定方法。