JPH07121541B2 - 射出成形機の圧力制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、クランク式射出成形機の圧力制御方法に関す
る。

従来の技術 電動モータ等の回転運動を直接運動に変換するクランク
機構は機械要素として周知であり、電動式射出成形機の
分野においては、例えば、特開昭60-115419号公報に示
されるように、クランクを電動モータで回転させること
により、連節棒に接続された可動盤を直動させて型締め
動作を行わせるようにした型締め機構が既に公知であ
る。

この種のクランク機構は単純な構成で回転運動を直線運
動に変換できるという利点を有するが、クランクの回転
角度に応じてクランクの回転速度と連節棒先端の直線運
動速度との比率（連節棒先端の直線運動速度／クランク
の回転速度）が変化するため、クランクに入力された一
定の回転速度や回転トルクを安定して連節棒先端に出力
することができないという欠点がある。

第４図は電動モータでクランクを回転駆動して回転運動
を直線運動に変換するクランク機構の一例として、ピス
トン・クランク機構に関し、クランクの回転角度θ（ク
ランクと該クランクに連結された連節棒先端の滑り直線
とのなる角）を横軸にとり、電動モータの回転トルクを
一定にしてクランクの回転トルクを一定に保持したと
き、連節棒先端の直線運動トルクTsをグラフ化したもの
で、クランク機構による力の増幅度を表している。この
４図に示されるように、駆動減速比が最大となるクラン
クの回転角度０°及び180°の近傍で連節棒先端の直線
運動トルクTsが最大となり、駆動減速比が最小となるク
ランクの回転角度80°近傍で連節棒先端の直線運動トル
クTsが最小となる。（なお、第４図では連節棒先端の滑
り直線に偏りのないピストン・クランク機構について示
しており、滑り直線の偏り等によって、駆動減速比が最
大または最小となるクランクの回転角度の値は様々であ
る。） 従って、クランクを回転駆動する電動モータの回転数や
回転トルクを一定に保つ従来の制御方式では連節棒先端
の直線運動トルクを安定させることが出来ず、射出速度
や射出圧力を精密に制御する必要のある射出成形機の射
出機構としてこの種のクランク機構は利用されてなかっ
た。

しかしながら本願出願人は、クランク機構の出力トルク
（直線運動トルク）がクランクの回転角度に関係なく一
定となるように、サーボモータの出力トルクをクランク
の回転角度に応じて制御し、クランク機構を介してスク
リューを駆動するクランク式射出成形機を提案した（特
願平1-284833号）。

一方、射出成形機の射出圧（保圧）制御においては、射
出圧力が設定圧力になるようにサーボモータの出力トル
クを制御するオープン・ループ制御方式（例えば、特開
平1-288419号公報等参照）と、樹脂に加わる圧力を検出
し、該検出圧力が設計圧力になるようにサーボモータの
駆動電圧（電流）をフィードバック制御するクローズド
・ループ制御方式（例えば、特開昭62-97818号公報，特
開昭62-218118号公報等参照）が知られている。

そして、上述したクランク式射出成形機はオープン・ル
ープ制御方式による射出圧力制御である。

発明が解決しようとする課題 ところで、クランク式射出成形機において、射出圧力
（保圧）をクローズド・ループ制御方式で制御しようと
する場合、樹脂に加わる圧力を検出して該検出圧力が設
定指令値に一致するようにサーボモータの駆動電圧（電
流）をフィードバック制御することから、クランク機構
の力の増幅に関係なく、射出圧力（保圧）を指令値に一
致させるように制御できるようにみえる。

しかしながら、第４図に示したように、クランクの回転
角度θによっては、クランク機構の出力（直線運動トル
クTs）は大きく異なる。微ずかなクランクの回転角度の
変化で、その出力トルクが大きく変動する部分と、微ず
かしか変動しない部分がある。そのため、クランクの回
転角度θの微ずかな変化で大きく出力トルクTsが変動す
る部分では、射出圧力を指令値に一致させるようにフィ
ードバック制御すると、サーボモータの出力トルクがク
ランク機構によって増幅され、クランク機構の出力、即
ち、スクリューが樹脂を押圧する圧力は急激に増大、又
は減少し、射出圧力は指令値をオーバシュートしたり、
アンダーシュートして振動を生じることとなる。

一方、クランクの回転角度θの変化に対し、クランク機
構の出力トルクの変動が少ない部分においては、射出圧
力が指令値に達するまで時間を要し遅れるという現象が
生じる。

そこで、本発明の目的は、クランク式射出成形機におい
て、射出圧力の振動を防止し、遅れの少ないクローズド
・ループ圧力制御方法を提供することにある。

課題を解決するための手段 本発明はクランク式成形機において、樹脂に加わる圧力
を検出し、該検出圧力が指令射出圧力になるように上記
サーボモータの出力トルクをフィードバック制御し、上
記クランク機構のクランクの回転角度に応じて、フィー
ドバックゲインを変えることによって、上記課題を解決
した。

作用 樹脂に加わる圧力が検出され、この検出圧力が指令射出
圧力（保圧）と一致するようにサーボモータの出力トル
クがフィードバック制御される。一方、クランク機構の
クランクの回転角度を検出し、その回転角度に応じ、回
転角度の微ずかな変化でも、クランク機構の出力トルク
（射出圧力）が大きく変化する位置においては、フィー
ドバックゲインを小さくする。その結果、指令射出圧力
と検出圧力との差に応じたサーボモータの駆動電圧（電
流）の変化は小さくなり、出力トルクの変化も小さい。
そのためサーボモータの回転角度、即ち、クランクの回
転角度も小さくなり、射出圧力の変化は大きく変動せ
ず、実際の射出圧力が指令射出圧力をオーバシュートし
たりアンダーシュートするような振動は生じない。

一方、クランクの回転角度の変化に応じて、クランクの
出力トルク（射出圧力）が大きく変化しない位置におい
てはフィードバックゲインを大きくする。その結果、指
令射出圧力を検出圧力の差に応じてサーボモータの駆動
電圧（電流）は大きく変化して、出力トルクは大きく変
化しサーボモータは回転するが、クランク機構の出力ト
ルク（射出圧力）の変動は少ないから、射出圧力の変化
も指令値をオーバシュートしたり、アンダーシュートし
て発振することもなく、指令射出圧力へ速やかに達し応
答の遅れは少ない。

実施例 第２図は本発明の方法を実施する一実施例のクランク式
射出成形機及び該射出成形機の制御系要部を示すブロッ
ク図で、符号１は射出用スクリュー、符号２は射出用ス
クリュー１を軸方向に駆動するクランク式射出機構であ
る。

クランク式射出機構２は、射出用サーボモータ3,該モー
タ３のモータ軸４に軸着された駆動プーリ5,軸６によっ
て回動自在に軸支された従動プーリ7,従動プーリ７に一
体的に固着されたクランク板8,駆動プーリ５と従動プー
リ７に掛け回されたタイミングベルト12、及び、連節棒
９によって構成され、連節棒９の基部はクランク板８の
外周部一側に設けられた軸10に枢着され、連節棒９の先
端は射出用スクリュー１の基部に軸11を介して枢着され
ている。即ち、軸６−軸10間の長さがクランク長として
作用する。

なお、従動プーリ７及びクランク板８を軸支する軸６は
射出用スクリュー１の軸線上（以下、滑り直線という）
に位置し、滑り直線に偏りはなく、また、射出用サーボ
モータ3,軸6,射出用スクリュー１のシリンダ15は射出機
構２のケーシング（図示せず）に固着されている。

射出用スクリュー１の基部には、スクリュー軸方向に作
用する反力によって樹脂圧力を検出するロードセル13と
ロードセルアンプ16で構成された射出圧力センサが設け
られ、射出用サーボモータ３にはパルスコーダ14が装着
されている。

符号17は圧力制御回路で、ロードセルアンプ16の出力で
ある検出射出圧力Pf,後術する数値制御装置100の出力回
路107から出力される指令射出圧Pc,ゲイン切換信号SG,
閉ループ開始信号SPが入力され、該圧力制御回路17の出
力電圧±Vcはサーボ回路のトルクリミット回路に入力さ
れている。

又、符号18はロードセルアンプ16の出力Pfをデジタル信
号に変換するA/D変換器である。

符号100は、射出成形機を制御する数値制御装置（以
下、NC装置という）で、該NC装置100はNC用のマイクロ
プロセッサ（以下、CPUという）101とプログラマブルマ
シンコントローラ（以下、PMCという）用のCPU102を有
しており、PMC用CPU102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ROM111
と演算データの一時記憶等に用いられるRAM112、及び、
射出圧力の現在値を記憶するためのデータRAM115が接続
されている。

NC用CPU101には射出成形機を全体的に制御する管理プロ
グラムを記憶したROM109及び射出用，クランプ用，スク
リュー回転用，エジェクタ用等の各軸のサーボモータを
駆動制御するサーボ回路がサーボインターフェイス104
を介して接続されている。なお、第２図では射出用サー
ボモータ３及び該サーボモータ３のサーボ回路105のみ
を図示している。また、106はバブルメモリやCMOSメモ
リで構成される不揮発性の共有RAMで、射出成形機の各
動作を制御するNCプログラム等を記憶するメモリ部と各
種設定値，パラメータ，マクロ変数等を記憶する設定メ
モリ部とを有する。

103はバスアービタコントローラ（以下、BACという）
で、該BAC103にはNC用CPU101及びPMC用CPU102,共有RAM1
06,出力回路107,入力回路108の各バスが接続され、該BA
C103によって使用するバスを制御するようになってい
る。また、114はオペレータパネルコントローラ113を介
してBAC103に接続されたCRT表示装置付手動データ入力
装置（以下、CRT/MDIという）であり、ソフトキーやテ
ンキー等の各種操作キーを操作することにより様々な指
令及び設定データの入力ができるようになっている。な
お、110はNC用CPU101にバス接続されたRAMで演算データ
の一時記憶等に利用されるものである。

第２図では、射出成形機の射出軸に関するもの、即ち射
出用スクリュー１を駆動して射出させるための射出用サ
ーボモータ３、射出用サーボモータ３に取付けられ、該
サーボモータの回転角度を検出するパルスコーダ14を示
しており、他の型締軸，スクリュー回転軸，エジェクタ
軸等は省略している。そのため、NC装置100内のサーボ
回路も射出用サーボモータ３用のもの105だけを示し、
他の軸のサーボ回路は省略している。

サーボ回路105は射出用サーボモータ３に接続され、パ
ルスコーダ14からのパルス出力がサーボ回路105及びサ
ーボインタフェイス104にフィードバックされる一方、
サーボ回路105には、更に、圧力制御回路17からの出力
±Vcが入力され、該出力±Vcに基づいて射出用サーボモ
ータ３の出力トルクが制御されるようになっている。

以上のような構成において、NC装置100は、共有RAM106
に格納された射出成形機の各動作を制御するNCプログラ
ム、及び上記設定メモリ部に記憶された各種成形条件等
のパラメータやROM111に格納されているシーケンスプロ
グラムにより、PMC用CPU102がシーケンス制御を行いな
がら、NC用CPU101が射出成形機の各軸のサーボ回路へサ
ーボインターフェイス104を介してパルス分配すること
により射出成形機を制御するものであり、制御系のハー
ドウェア構成は従来のものと略同一である。

第３図は圧力制御回路の詳細なブロック図で、符号51は
NC装置100の出力回路107から出力される指令射出圧PCを
アナログ信号に変換するD/A変換器で、該D/A変換器51で
アナログ信号に変換された指令射出圧PCは比較回路52及
びアナログスイッチAS1を介してクランプ回路55に入力
されている。又、比較回路52にはロードセルアンプ16の
出力である検出射出圧力Pfが調整用ボリュームRV2を介
して入力され、指令射出圧力PCと検出射出圧力Pfとの差
を出力する。該比較回路52の出力は、フィードバックゲ
インを決めるボリュームRV1に入力され、該ボリュームR
V1には、複数の接点，本実施例では３つの接点が設けら
れ、各接点はアナログスイッチAS3〜SA5を介して、増幅
補償回路53に接続されている。

符号54はNC装置100の出力回路から出力されるゲイン切
換信号SGを解読するレコーダで、ゲイン切換信号SGに応
じてアナログスイッチAS3〜AS5をオン，オフする。即
ち、ゲイン切換信号SGに応じてフィードバックゲインを
切換えるものである。

増幅補償回路53はアナログスイッチAS3〜AS5を介して入
力される電圧を増幅し、アナログスイッチAS2を介して
クランプ回路55にその出力を出力している。クランプ回
路55は入力された電圧に応じて正，負のクランプ電圧±
Vcをサーボ回路105のトルクリミット回路に入力し、サ
ーボモータ３へのトルク指令値を該クランプ電圧±Vcに
制限する。即ち、サーボモータ３は指令射出圧力PCと検
出射出圧力Pfの差に応じ、駆動電圧（電流）が制限さ
れ、出力トルクが制限されることとなる。

一方、アナログスイッチAS1,AS2はNC装置100の出力回路
107から出力される閉ループ開始信号SPによってオン，
オフし、該閉ループ開始信号SPが出力されていないとき
には、アナログスイッチAS1がオン，アナログスイッチA
S2がオフとなり、クランプ回路55にはD/A変換器51でア
ナログ信号に変換された指令射出圧力Pcが入力され、オ
ープン・ループ制御となる。又、閉ループ開始信号SPが
出力されると、アナログスイッチAS1がオフ、アナログ
スイッチAS2がオンし、クランプ回路55の入力は増幅補
償回路53の出力となりクローズド・ループ制御となる。

次に、圧力制御回路17におけるフィードバックゲイン調
整について説明する。

第４図に示すように、クランプ機構の出力トルクTs（ク
ランプ機構の力の増幅度）はクランプ角度θによって異
なる。又、クランプ角度θはサーボモータ３の回転位置
によって決まるから、サーボモータ３の回転位置に応じ
てフィードバックゲインを変える。本実施例では第４図
に示すようにサーボモータの回転位置に対しゲイン切換
位置として設定値SA,SBを設定し、設定値SAより小さい
とき、設定値SAと設定値SBの間にあるとき、及び、設定
値SBより大きいときの３領域に応じてフィードバックゲ
インを変えるようにする。なお、スクリュー１が加熱シ
リンダ15の先端に達した点を原点「０」としており、し
かも後述するように、射出圧力のクローズド・ループ制
御を行うときはスクリュー１を前述させた保圧段階にお
いて行うので、フィードバックゲインの切換を行う位置
を、保圧開始を行うスクリュー位置（クランクの回転角
度）に合わせて、その近傍でさらに、細かく設定するよ
うにしてもよい。いずれにしても、クランク機構の出力
Ts（力の増幅度）の変化度に応じてフィードバックゲイ
ンを切換えるための位置SA,SBを決め、CRT/MDI114より
入力し共有RAM106に記憶させておく。

又、従来と同様に成形条件を設定入力し共有RAM106に記
憶させる。本発明の圧力制御方法に関係して、保圧各段
の圧力SP及び各段の保圧時間tiを設定し、RAM106に記憶
させる。なお、本実施例では保圧４段とした例を以下述
べる。

以上のようにして、成形条件を設定した後、射出成形機
を駆動させる。射出工程に入ると、射出開始から保圧へ
のスクリュー切換位置までは、従来と同様に射出速度制
限が行われる。この射出速度制御区間においては、閉ル
ープ開始信号SPは出力されず、アナログスイッチAS1が
オン，アナログスイッチAS2がオフの状態が保持され
る。そして、圧力指令PCはサーボモータ３が有する最大
出力トルクが指令されている。その結果、この圧力指令
PCがD/A変換器51でアナログ信号（電圧）に変換され、
アナログスイッチAS1を介してクランプ回路55に入力さ
れ、クランプ回路55からは、サーボモータ３の最大出力
トルクに対応するクランプ電圧±Vcが出力され、サーボ
回路105で求められるトルク指令値をこのクランプ電圧
±Vcで制限することとなるが、このクランプ電圧±Vcは
サーボモータ３の最大出力トルクに対応しているから出
力トルクが制限されるということはない。また、特開昭
61-248718号公報に示されるように、射出速度制御区間
においてもサーボモータ３の出力トルクを制限して、最
大射出圧力を制御するようにしてもよい。

サーボモータ３が駆動され、クランク機構２を介してス
クリュー１が前進（第２図中左方）し、射出が行われ、
サーボモータ３が回転によりパルスコーダ14からパルス
が発生し、該パルスはサーボインタフェイス104に入力
され、サーボモータの回転位置の現在位置SRが現在値レ
ジスタに記憶され、この現在値SRはNC用CPU101によって
所定周期毎読取られ、BAC103を介して共有RAM106に書込
まれる。そして、PMC用CPU102は、この共有RAM106に書
込まれた現在値SRをBAC103を介して読出し、共有RAM106
に設定されている保圧開始位置に違しているか否か判断
しており、保圧開始位置に達すると、第１図にフローチ
ャートで示す保圧処理を開始する。

まずPMC用CPU102は、BAC103,出力回路107を介して閉ル
ープ開始信号SPを出力する（ステップS1）。その結果ア
ナログスイッチAS2がオンし、アナログスイッチAS1がオ
フとなり、増幅補償回路53の出力がアナログスイッチAS
2を介してクランプ回路55へ入力されるようになる。次
に、指標ｉを「１」にセットし（ステップS2）、共有RA
M106に設定されている指標ｉで示される保圧ｉ（＝１）
段目の圧力指令PCi（＝PC1）を出力回路107から出力す
ると共に、タイマＴに、設定されているｉ（＝１）段目
の保圧時間ti（＝T1）をセットする（ステップS3,S
4）。そして、共有RAM106に記憶されているサーボモー
タ３の回転位置の現在値（スクリューの現在位置，クラ
ンクの回転角度に対応する）SRを読み、該現在値SRが設
定されたゲイン切換位置SBより大きいか、ゲイン切換位
置SBとSAの間かゲイン切換位置SAより小さいか判断し、
現在値SRに応じてゲイン切換信号SGを出力する。本実施
例では、SR＞SBのとき、ゲイン切換信号SGを２進値で
「１ ０」を出力し、SA≦SR≦SBのとき、SG＝「０
０」出力し、SR＜SAのときSG＝「０ １」を出力する
（ステップS5〜S11）。

その結果、圧力制御回路17のデコーダ54はこのゲイン切
換信号SGを解読し、対応するアナログスイッチAS3〜AS5
をオンにする。

圧力制御回路17ではNC装置から出力された圧力指令PCi
（＝PC1）をD/A変換器51でアナログ信号（電圧）に変換
し、この圧力指令PCiとロードセルアンプ16から出力さ
れる検出射出圧力Pfが比較器52で比較され、その差が、
比較器52から出力されて、ゲイン調整用のボリウムRV1
を介して、オンとなった１つのアナログスイッチAS3〜A
S5を介して増幅補償回路53に入力される。該増幅補償回
路53の出力は、オンとなったアナログスイッチAS2を介
してクランプ回路55に入力され、クランプ電圧±Vcが該
クランプ回路55から出力され、サーボ回路105のトルク
リミット回路に入力される。該クランプ電圧±Vcでサー
ボモータ３へのトルク指令値が制限される。即ち、サー
ボモータの駆動電圧（電流）が制限される。

保圧段階においては、金型内に樹脂が充満しており、ス
クリュー１を指令位置（シリンダ15の先端位置近傍）ま
で移動させるには大きなトルクを必要とする。そのた
め、サーボ回路105は、スクリュー１を指令位置に移動
させようとして、大きなトルク指令値を出力しようとす
るが、トルクリミット回路によってこのトルク指令値が
上記クランプ電圧±Vcに制限される結果、クランプ電圧
±Vc以上のトルク指令値を出力できず、サーボモータ３
の出力トルクはクランプ電圧±Vcで制限されることとな
る。そして、このクランプ電圧±Vcは、比較回路52が出
力する圧力指令PCiと検出射出圧力Pfとの差によって生
じるものであるから、結局、スクリュー１が樹脂に加え
る射出圧力（保圧）は圧力指令PCiになるようにサーボ
モータ３の出力トルクがフィードバック制御されること
となる。

しかも、フィードバックゲインはサーボモータ３の回転
位置（クランクの回転角度）の現在値SRに応じ、クラン
ク機構２の力の増幅度が大きい位置においては小さく、
増幅度が小さい位置においては大きくするようにゲイン
切換信号SGによってアナログスイッチSA3〜AS5の１つを
オンにして、調整される。例えば第４図に示すように現
在値SRがゲイン切換位置SA,SB間のクランク機構２の力
の増幅度が小さい間ではアナログスイッチAS3がオンと
なり、フィードバックゲインを大きくし、現在値SRがゲ
イン切換位置SBより大きいとき又は、ゲイン切換位置SA
より小さいときには、夫々アナログスイッチAS4,AS5が
オンとなり、クランク機構２の力の増幅度が大きい区間
ではフィードバックゲインを小さくしている。

その結果、実際の射出圧力（検出圧力Pf）が圧力指令PC
iをオーバシュートし、それを修正しようとしてアンダ
ーシュートするような振動が生じることもなく、又、圧
力指令PCiに対して遅れが大きくならないように、フィ
ードバックゲインが自動的に調整されることとなる。

こうして、サーボモータ３の回転位置の現在値（スクリ
ュー１の現在位置，クランクの回転位置）SRに応じてフ
ィードバックゲインを調整し、射出圧力（保圧）のクロ
ーズド・ループ制御が行われる。一方、PMC用CPU102は
タイマＴがタイムアップしたか否か判断し（ステップS1
2）、タイムアップしてなければ、ステップS5〜S12の処
理を繰返し、現在値SRに応じてフィードバックゲインの
切換調整を行う。

そして、タイマＴがタイムアップすると指標ｉを「１」
インクリメントし（ステップS13）、該指標ｉが「５」
でなければ（ステップS15）再びステップS3へ戻り、指
標ｉで示される圧力指令PCiを圧力制御回路17へ出力す
ると共に、タイマＴに指標ｉで示される段の設定保圧時
間tiをセットし、ステップS5〜S12の処理を行いフィー
ドバックゲインを、現在値SRに応じて切換えながら、射
出圧力（保圧）のフィードバック制御を行う。

こうして、設定された保圧４段の制御が終了し、指標ｉ
が「５」になったことがステップS14で検出されると保
圧工程（射出工程）を終了し、次の計量工程へ移行す
る。

上記実施例では圧力制御回路17をアナログ専用回路で構
成したが、この圧力制御回路17の処理をプロセッサによ
ってソフトウェア処理させてもよい。この場合、PMC用C
PU102によって行わせてもよく、特に、サーボ回路の処
理をプロセッサで行うデジタルサーボ（ソフトウェアサ
ーボ）の場合には、このデジタルサーボのプロセッサで
上記圧力制御回路の処理を行わせればよい。

発明の効果 本発明は、クランク式射出成形機において、クランク機
構のクランクの回転角度に応じて力の増幅度が異なるこ
とから、クランクの回転角度に応じて、圧力フィードバ
ックゲインを調整するようにしたので、フィードバック
ゲインが大きくすぎて実際の射出圧力（保圧）が指令値
に対しオーバシュートし、その結果、そのオーバシュー
トを修正しようとしてアンダーシュートするような振動
が生じる事も無く、又フィードバックゲインが小さすぎ
て、応答の遅れが長くなるということもなく、クランク
機構のクランクの回転角度に対する力の増幅度の非線形
に対し、常に最適なフィードバックゲインを得て、射出
圧力（保圧）をフィードバック制御することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の保圧制御処理のフローチ
ャート、第２図は同実施例を実施するクランク式射出成
形機の射出機構及び制御装置の要部ブロック図、第３図
は同実施例における圧力制御回路の詳細ブロック図、第
４図はクランク機構のクランク回路とクランク機構の力
の増幅度を示す図である。 １……スクリュー、２……クランク式射出機構、３……
射出用サーボモータ、８……クランク板、９……連節
棒、12……タイミングベルト、13……ロードセル、14…
…パルスコーダ、100……数値制御装置（NC装置）、AS1
〜AS5……アナログスイッチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】サーボモータの回転運動をクランク機構に
   よって直線運動に変換し、スクリューを軸方向に駆動し
   て射出を行うクランク式射出成形機において、樹脂に加
   わる圧力を検出し、該検出圧力が指令射出圧力になるよ
   うに上記サーボモータの出力トルクをフィードバック制
   御し、上記クランク機構のクランクの回転角度に応じ
   て、フィードバックゲインを変えることを特徴とする射
   出成形機の圧力制御方法。