JPH07137098A - 射出成形機の制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 射出成形において，高品質で安定した成形品
を得る。 【構成】 算出された成形制御プロファイルを制御目標
として直接制御する射出成形機の制御方法において，加
熱筒内の射出スクリュ前部に貯留している可塑物の熱量
特性値を計測又は算出し，この熱量特性値又は熱量プロ
ファイルにより直後工程である射出工程制御目標の補正
を行い射出工程に入る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は射出成形機の制御方法お
よび装置に関するもので，特に，予め制御目標として設
定された制御目標を加熱筒内へ貯留した樹脂の熱量特性
で補正し，その補正された制御データを目標として直後
工程である射出工程制御を行い，高品質で安定した成形
品を得ようとするものである。

【０００２】

【従来の技術】プラスチックの射出成形方法では，その
品質を高度化と共に安定化させるため，製品重量の高精
度制御法が種々試みられている。その代表例は次のとお
りである。 （１）射出充填ストローク制御には，位置のリアルタイ
ムによるフィードバック制御。 （２）圧力による可塑物の体積変化には，圧力のフード
バック制御。 （３）温度による可塑物の体積変化には，温度のフード
バック制御。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これらは，一見，高精
度制御法としては完全な様に見えるが，実際には次の様
な重大な欠点がある。 （１）射出充填ストローク制御：基準点を単一化した場
合，射出プランジャのストロークは一定となるものの，
チェックリングの閉タイミングのばらつきや可塑物内へ
の気体の浸入により，成形重量が一定とならない。

【０００４】（２）圧力による体積変化に対する制御：
静止条件での可塑物の圧力と体積の関係は安定的な関係
が得られるが，射出成形機の様に成形品形状や金型温
度，可塑物の流動特性等により圧力分布は刻々変化して
いるため，その全体特性を捉えることは不可能に近い。
結果的には，計測した圧力が何を示しているか分から
ず，補正量の算出すらできない。

【０００５】（３）温度による体積変化に対する制御：
圧力同様，静止条件での可塑物の均温状態では補正量の
算出は可能であるが，流動状態で刻々変化している場合
の温度分布は捉えることが不可能に近い。特に，温度は
圧力に比べて測定が困難である。この様な状態では補正
量の算出は不可能である。

【０００６】一方，上記の様な状態であるので，次の様
な全体射出条件をモニタ装置で捉え，その特性から次サ
イクルの条件を予測して成形制御を行うことも考えられ
ている。

【０００７】すなわち，算出された制御プロファイルに
よって試作的に成形し，その成形中の圧力，速度，温度
等を時経列的に記録し，目標としたプロファイルと比較
を行い，差を無くす方向で制御パラメータの設定を変更
する。この様な操作を何回か繰返えして成形制御目標を
良品条件に近づける。この方法は，時間単位の長い変化
にはある程度追従可能であるが，短時間変化へは追従で
きず，逆の効果すら発生することがある。

【０００８】

【課題を解決するための手段および作用】以上の様な実
用上の問題に対し，本発明は次の様な基本構成により，
成形品重量の高精度高安定化制御を達成するものであ
る。なお，以下に定める基本射出成形プロファイルはＣ
ＡＥにより算出されたもの又は実験的経験的に求められ
たものであり，そのプロファイルを直接制御目標の基準
とする。

【０００９】（１）成形制御目標を時間に対する射出プ
ランジャ又はスクリュの位置として設定し，この設定さ
れた制御プロファイルを加熱筒内に計量し貯留されてい
る可塑物の総熱量値又は熱量プロファイルで補正し，目
標値が補正された後，射出工程に入ることで応答遅れと
各制御要素のばらつきを完全に補償することができる。

【００１０】（２）可塑化された可塑物の総熱量を正確
に評価するため，可塑物が薄肉リング状隙間を通過する
時の温度を計測すると共に，可塑化量に比例した動き量
を示すスクリュのストロークを計測し，このデータで総
熱量の基本量を算出し，その値を加熱筒やスクリュから
の熱量の出入量で補正し，その値を射出体積換算し，基
準射出充填ストロークを補正する。

【００１１】（３）射出充填工程は射出プランジャ又は
スクリュの動特性を時間に対する位置制御として流れ状
態を安定させると共に，可塑物が持っている熱量が金型
へ移動する量を安定させる。このことは可塑物の部分的
温度差による流動抵抗に対し，自己補正能力を付与する
と共に，制御の電気的外乱をも自己補償する能力を付与
することになる。

【００１２】（４）可塑化計量の完了点は基準計量点以
後の可塑物圧力が予め設定された値になった点であり，
射出充填工程の基準点は射出プランジャ又はスクリュが
前進駆動することにより発生する圧力が予め設定された
値に到達した点である。

【００１３】

【実施例】図１は本発明方法の基本的な制御概念図であ
る。図１において，１は固定金型，２は可動金型，３は
金型１，２のキャビティ，４は射出装置，５はホッパ６
から供給された樹脂材料を可塑化するための射出スクリ
ュないしは射出プランジャ，７はバレルとも呼ばれてい
る加熱筒，８は加熱筒７内前部の可塑化樹脂溜め用の前
室，９はチェックリング，１０は射出スクリュ５等を加
熱筒７内で前後進させる射出シリンダ装置，１１は射出
スクリュ５等を回転させる回転駆動装置，１２はスクリ
ュ５の本体の前部外周面に埋込んで設けた温度センサ，
１３はスクリュ５等の一部に一体に取付けたマグネスケ
ール，１４は位置検出器，１５はノズル部１６に設けた
ロータリ式の開閉弁，１７は圧力計である。

【００１４】２１は最適成形条件算出装置，２２は初期
条件設定及び条件修正装置，２３は成形機制御装置，２
４は可塑物熱量算出装置，２５は作動バルブ，２６は加
熱筒温調装置，２７は金型温調装置，２８は始動器であ
り，これらは図１に示すように電気的に連絡され，信号
が伝達するようになっている。

【００１５】次に，この作動の概要を説明する。まず，
最適成形条件算出装置２１に，必要なデータとして，製
品形状，材料条件２１ａ，製品品質条件２１ｂ，成形機
条件２１ｃがインプットされると，この最適成形条件算
出装置２１では最適制御プロファイルが時間対スクリュ
５等の位置の形で出力され，初期条件設定及び条件修正
装置２２へインプットされる。なお，最適成形条件算出
装置２１には，全て原データでなくとも，既に構築され
た既存成形プロファイル２１ｄをインプットしても良
い。

【００１６】初期条件設定及び条件修正装置２２では，
入力データから成形機制御装置２３の制御パラメータの
設定に必要な演算を行い，各パラメータの設定を行う。
これにより成形機の作動に必要な初期条件として加熱筒
温調装置２６及び金型温調装置２７が作動し，所定温度
となる。一方では，図示されていない成形機原動ユニッ
トのウォームアップも行われる。

【００１７】成形開始条件が完了した時点で成形機制御
装置２３の始動器２８をスタートさせれば，可塑化用の
スクリュ５は回転駆動装置１１により回転駆動され，ホ
ッパ６内の樹脂材料はスクリュ５部に運ばれて可塑化さ
れ，加熱筒７内の前室８に貯留される。この可塑化工程
では，可塑化された材料はスクリュ５の先端部円筒外面
と加熱筒内面とで構成された比較的薄いリング状の隙間
１８を通過する。可塑化スクリュ５の先端円筒部には温
度センサ１２が設置されていて，通過する可塑材料の温
度を計測する。

【００１８】一方，可塑材はスクリュ５の先端部へ貯留
されるので，スクリュ５はその量に比例して後退し，位
置検出器１４により位置データとして可塑物熱量算出装
置２４に取込まれる。これ等データは位置温度の積分値
をベースに可塑物の持っている総熱量として算出され，
初期条件設定及び条件修正装置２２へ修正データとして
インプットされる。初期条件設定及び条件修正装置２２
では，インプットされた総熱量と初期条件とした基準総
熱量の差を求め，この差値から可塑物の見かけ体積を算
出し，射出プランジャ５の充填ストロークを捕正する。

【００１９】具体的には，総熱量が基準より多い場合
は，充填ストロークを長く，基準より少ない場合は，充
填ストロークを短かくする。基本的には，熱量評価を単
純に総熱量と評価し，充填ストロークの補正としたが，
これはさらに貯留された可塑物の熱量分布として評価
し，充填工程における部分的な速度や圧力の補正とする
ことも可能である。以上の演算やパラメータの設定が完
了すれば，射出工程の指令を発し，射出を開始し，以後
は一連の工程を実行する。

【００２０】つぎに，作用の詳細な説明を行う。基準プ
ロファイルの補正を可塑物の持っている総熱量で行うに
は，可塑物の温度・体積・圧力の関係を把握する必要が
ある。これは可塑物の種類やグレードによって各々異な
るが簡略モデル化すれば図２の様になる。図２では，
０，５０，１００ｋｇ／ｃｍ² における温度と体積の関
係を示している。これから重量を射出プランジャやスク
リュ５のストロークで測定する場合は，圧力と温度を考
慮する必要性がわかる。射出成形機の実用面では，２要
素の内，圧力制御は比較的容易に制御可能である。逆
に，可塑材の温度は，多くの可塑化要素が関係するの
で，正確な制御が困難である。

【００２１】この結果，重量を精度良く制御するには，
加熱筒７の前室８内の体積と圧力を一定値に定め，可塑
物の温度を測定し，その温度により基準体積を補正する
方法が効果的であることがわかる。例えば，重量の計測
基準として，圧力を０，温度ｔ_B を基準として，体積Ｑ
_B を設定する。このＱ_B に相当する可塑物の温度がｔ _a
であった場合は，Ｑ_B をＱ_a に補正して射出ストローク
を制御すれば良い。

【００２２】基本的には，上記の様に総熱量評価とし
て，射出ストロークを補正することにあるが，製品形状
が複雑化したり，品質がさらに厳しくなった場合，総熱
量評価のみでなく，貯留されている可塑物の熱量分布と
して評価し，充填工程中の速度や圧力の部分的補正が要
求されることもある。熱量分布の１例を図３に示す。図
３では，スクリュ可塑化工程（ストローク）と可塑物の
温度との関係で示している。さらには，熱量分布から充
填特性を補正するだけでなく，逆に，成形条件に必要な
熱量分布を求め，その条件に合せて可塑機構における各
制御パラメータを設定する場合もある。

【００２３】熱総量の算出は可塑化工程中に行う。その
基準ロジックを図４に示す。スクリュ５が回転駆動機１
１により回動されると，ホッパ６内の樹脂材料は加熱筒
７内でスクリュ５の作用で可塑化され，スクリュ５の前
部へ移動し，加熱筒７の前室８内へ貯留される。この
際，スクリュ５は貯留物量に比例して後退する。以上の
動作の中で，スクリュ５の変位データは，スクリュ変位
記録処理部３１により記録され，必要個所へ転送され
る。温度データは，温度センサ１２からの信号とスクリ
ュ変位記録処理部３１よりの信号により，スクリュ位置
に対する通過可塑物の温度として可塑物温度記録部３２
で記録される。

【００２４】一方，可塑中の可塑物の圧力は，可塑物圧
力記録部３３に記録される。これら３物理量は総熱量演
算部３４へ入力され，次の処理を行う。また，修正デー
タ演算部３５，条件修正装置３６，成形機制御装置２３
を介して，次の制御を行う。 （１）可塑物計量基準として予め設定された値に変位が
到達した場合，可塑物の圧力をチェックし，基と異なる
場合は，作動バルブ２５の操作により，スクリュ５を移
動させ，設定値と一致させる。 （２）圧力が基準値に一致すれば，その時点の位置を読
み，記憶する。

【００２５】（３）３物理量のデータは射出充填に必要
なストロークを可塑化スタート時を基点として選択し，
総熱量の演算を行う。 （４）総熱量の演算は図７における斜線部の面積に相当
するもので次の様に行う。 （ａ）徴小移動量（△Ｓ）の体積（△Ｖ）の熱量（△Ｑ
_n ）は， △Ｑ_n ＝△Ｖ×可塑物比重×比熱×温度 （ｂ）総熱量Ｑは，Ｑ＝Σ△Ｑ_n

【００２６】（５）(4) 項より求めた熱量と基準熱量を
比較し，差を補正熱量とし，次の修正データ演算部３５
へ出力する。 （６）修正データ演算部３５では，可塑物のＰＶＴ特性
から補正ストロークを算出し，射出成形機本体の条件修
正装置３６へ出力し，射出ストロークの補正がなされ
る。

【００２７】以上，説明は総熱量評価で行ったが，図７
に示す分布特性（Ａ）と（Ｂ）とは総熱量は同一でも，
その射出成形制御特性は変化するであろうことは容易に
推測できる。さらに本データは次回の可塑化条件の補正
にも使うことができる。

【００２８】〔射出ストロークの基準決定法１〕図１の
ノズル部１６のシャットオフバルブ１５は図示の如く閉
の状態にし，射出スクリュ５を前進方向に駆動する。そ
の結果，チェックリング９は図示の如く射出スクリュ５
の溝部肩に当り，前室８に可塑物１９を密封するため，
可塑物１９の圧力は上昇する。この圧力は，圧力センサ
２０によって検知される。これを射出スクリュ５のスト
ロークと圧力値のグラフで表示すれば，図５のようにな
る。

【００２９】図５では，Ｘ軸に射出スクリュ５のストロ
ーク，Ｙ軸に圧力を示す。Ｐ₀ ，Ｌ ₀ は可塑化された樹
脂１９の第一次計量点となる。この状態では，チェック
リング９が右位置にある。射出スクリュ５が右方向へ駆
動されると，圧力は上昇を始め，実線Ｂを辿る。Ｌ₁ 位
置でチェックリング９は閉となり，圧力上昇特性は急勾
配となり基準圧力Ｐ_B となる。これに対する位置Ｌ_B が
射出スクリュストロークの基準点となる。

【００３０】今，チェックバルブ９の閉動作が鈍く，閉
動作が長くなった場合を破線Ａで示せば基準点はＬ_A と
なる。射出スクリュ５のストロークＬ₀ 〜Ｌ₁ （破線Ａ
ではＬ₀ 〜Ｌ_A ）の間は，可塑化された樹脂１９の一部
がスクリュ５の後方へバックフローし，この分，計量値
が−（マイナス）となる。さらには，この計量値が毎サ
イクル変化していることが実用レベルで確認されてい
る。これに対し，基準圧Ｐ_B を設定すれば，それに対す
るＬ_B ，Ｌ_A を制御ストロークの基準値とすることによ
り，ばらつきによる誤差を排除できる。

【００３１】〔射出ストローク決定法２〕図６に示す如
く，ノズル部１６のシャットオフバルブ１５のない場
合，射出スクリュ５を前進方向に駆動すると，チェック
リング９は，図示の如く，閉状態になろうとする。他
方，可塑物１９はノズル１６から出て金型ランナ部１ａ
へ入って行く。この状態では，図７に示す如く，圧力上
昇の勾配はゆるく上昇する。さらに，前進すると，チェ
ックリング９は図６の如く，完全に閉となり，圧力上昇
の勾配はこれまでより急勾配となり，射出スクリュ５の
ストロークと共に上昇する。

【００３２】これらの工程では，チェックリング９の閉
動作は，外乱により，ばらつくので，ＢやＡで示すよう
な特性を示す。このばらつきを補正するには，チェック
バルブ９閉後に発生すると予測される圧力Ｐ₃ とチェッ
クバルブ９閉後にフローフロントが到達するであろう点
Ｃを定め，次の条件が満足された場合にストロークの基
準点Ｌ_3CB ，Ｌ_3CA を定める。このことにより，位置の
ばらつきによる誤差を排除できる。なお，Ｌ_3CB ，Ｌ
_3CA は，それぞれ，Ｂ，Ａの場合，圧力がＰ₃ 以上でフ
ローフロントがＣ点に達した時点の射出スクリュ５の位
置を示す。また，２９はフローフロントがＣ点に達した
ことを検知するセンサである。

【００３３】〔可塑物の総熱量による保圧切換点の補
正〕射出成形制御プロファイルの１例を図８に示す。計
量完了時点で可塑物１９の量（体積）と総熱量が算出さ
れる。特定材料，特定体積における総熱量は，その物体
の温度に換算される。特定の材料・体積・圧力における
温度は，密度に換算される。成形品の重量を一定とする
には，金型キャビティ３の中へ充填する可塑物１９の体
積は，加熱筒７の前室８内の基準体積に対し，密度の逆
数で補正する必要がある。その補正量の具体的なパラメ
ータは可塑物の圧力か射出スクリュ５のストロークが適
している。

【００３４】両者の関係には可塑物１９の材質が同じで
あれば，一定の関係式が成り立つので，結果はどちらを
使用しても同じであるが，全体が圧力基準であれば圧力
補正（△Ｐで表示），ストローク基準であればストロー
ク補正（△Ｓで表示）が適当である。

【００３５】

【発明の効果】本発明においては，特許請求の範囲に記
載したような構成にしたので，つぎに示すような効果が
ある。 （１）射出工程中の可塑物の物理量をリアルタイムによ
りフィードバックするのではなく，前工程である可塑化
工程において可塑物の熱特性を把握し，事前に射出工程
の制御目標を補正するため，制御時間遅れが無く，しか
も，細密な補正ができるので，高品質成形が可能とな
る。

【００３６】（２）射出工程制御の基本特性が時間に対
する射出スクリュないしはプランジャの位置制御である
ため，工程時間が安定し，その結果，可塑物の熱損失量
も一定化するので，熱的に安定した成形が可能となる。
一方では，可塑物の熱特性のばらつきに対し，機械エネ
ルギでこれを自動補正する特性となるので，高品質成形
ができる。

【００３７】（３）射出工程の起点と終点が明確になる
歪の少ない成形が可能となる。 （４）リアルタイムフィードバックの様な演算速度の必
要が無いので，制御装置も比較的に簡単で，コストも安
くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の基本的な制御概念図である。

【図２】可塑物の温度・体積・圧力の関係をモデル化し
て示す図である。

【図３】スクリュ可塑化工程と可塑物の温度との関係の
１例を示す図である。

【図４】本発明方法の１実施例を示す制御説明図であ
る。

【図５】射出スクリュストロークと可塑物の圧力との関
係の１例を示す線図である。

【図６】シャットオフバルブ不使用の場合の射出状態の
１例を示す縦断面図である。

【図７】シャットオフバルブ不使用の場合の射出スクリ
ュストロークと可塑物の圧力との関係の１例を示す線図
である。

【図８】射出成形制御プロファイルの１例を示す線図で
ある。

【符号の説明】

１ 固定金型 ２ 可動金型 ３ 金型キャビティ ４ 射出装置 ５ 射出スクリュないしプランジャ ７ 加熱筒 ８ 前室 ９ チェックリング １０ 射出シリンダ装置 １１ 回転駆動装置 １２ 温度センサ １４ 位置検出器 １５ 開閉弁（シャットオフバルブ） １６ ノズル部 １９ 可塑物 ２０ 圧力センサ ２１ 最適成形条件算出装置 ２２ 初期条件設定及び条件修正装置 ２３ 成形機制御装置 ２４ 可塑物熱量算出装置 ２５ 作動バルブ ２６ 加熱筒温調装置 ２７ 金型温調装置 ２８ 始動器 ３１ スクリュ変位記録処理部 ３２ 可塑物温度記録部 ３３ 可塑物圧力記録部 ３４ 総熱量演算部 ３５ 修正データ演算部 ３６ 条件修正装置

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 算出された成形制御プロファイルを制御
   目標として直接制御する射出成形機の制御方法におい
   て，加熱筒内の射出スクリュないしはプランジャ前部に
   貯留している可塑物の熱量特性値を計測又は算出し，こ
   の熱量特性値又は熱量プロファイルにより直後工程であ
   る射出工程制御目標の補正を行い射出工程に入ることを
   特徴とする射出成形機の制御方法。
2. 【請求項２】 成形制御プロファイルが時間に対する射
   出スクリュないしはプランジャの位置値あるいは時間・
   位置から誘導される速度等の物理量であると共に可塑物
   の熱量特性が射出スクリュないしはプランジャの移動値
   に対する温度値，あるいは位置・温度から誘導される熱
   量等の物理量であることを特徴とする前記請求項１の射
   出成形機の制御方法。
3. 【請求項３】 樹脂の持っている総熱量の算出方法とし
   て，可塑化スクリュのヘッド円筒部に設けた温度センサ
   により計測された数値を計量工程における該スクリュの
   位置・温度の積分値から算出することを特徴とする前記
   請求項２の射出成形機の制御方法。
4. 【請求項４】 前記時間に対する位置制御において，そ
   の位置基準として射出ノズルに設けたシャットオフノズ
   ルを閉とし射出スクリュないしはプランジャを前進駆動
   し，その際発生する樹脂圧が予め設定された値になった
   時点のスクリュないしはプランジャ位置とすることを特
   徴とする前記請求項１の射出成形機の制御方法。
5. 【請求項５】 前記時間に対する位置制御において，射
   出工程における初期域の可塑物圧力特性が予め設定され
   た値に達した時点の射出スクリュないしはプランジャの
   位置を基準とすることを特徴とする前記請求項１の射出
   成形機の制御方法。
6. 【請求項６】 前記制御目標の補正量は保圧切換点の射
   出スクリュないしはプランジャのストローク又は可塑物
   圧力値とすることを特徴とする前記請求項１の射出成形
   機の制御方法。
7. 【請求項７】 前記総熱量の算出に際し温度センサ計測
   値により算出された値を樹脂計量工程完了時点から射出
   スタート時点までの熱量の出入値により補正して総熱量
   の算出を行うことを特徴とする前記請求項３の射出成形
   機の制御方法。
8. 【請求項８】 加熱筒内の射出スクリュないしはプラン
   ジャ前部に貯留している可塑物の熱量特性値を計測又は
   算出する装置を備え，この熱量特性値又は熱量プロファ
   イルにより直後工程である射出工程制御目標の補正を行
   う装置を備え，補正を行った射出工程制御目標に基づい
   て射出工程を制御する装置を備えた射出成形機の射出装
   置。
9. 【請求項９】 射出スクリュないしはプランジャ前部に
   貯留している可塑物の温度と圧力を検出する温度センサ
   と圧力センサを備え，射出スクリュないしはプランジャ
   の位置検出器を備え，これらの温度センサ，圧力セン
   サ，位置検出器をそれぞれ可塑物温度記録部，可塑物圧
   力記録部，スクリュ変位記録処理部を介して総熱量演算
   部に連結し，加熱筒温調装置を総熱量演算部に連結し，
   総熱量演算部に修正データ演算部を介して成形機制御装
   置を連結した請求項８の射出成形機の制御装置。