JPH0796248B2 - 射出成形機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は系の伝達関数がG_(s)と表される射出用駆動手段
と制御手段とを有し、射出用駆動手段で位置制御される
ピストンによってシリンダ内に充填された樹脂を金型内
に射出するよう形成された射出成形機に係り、特に射出
制御の速応性を改良したものである。

〔従来の技術〕

従来の射出成形機は、第６図に示したように固定型17と
移動型18とからなる金型16と、先端にノズル12が設けら
れたシリンダ11と樹脂を供給するホッパ13と外周面に計
量供給用のスクリュー15が設けられたピストン14とから
形成された計量射出手段10と、シリンダ11内でピストン
14を回転させる計量用駆動手段20（モータ21、検出器2
2）と、シリンダ11に対して計量用駆動手段20ごとピス
トン14を図で左右方向に移動させる射出用駆動手段30
（モータ31、検出器32、ナット部材33、支持杆34、ボー
ルネジ35）と、金型16に対してシリンダ11を図で左右方
向に移動させるシリンダ移動用駆動手段40（モータ41、
検出器42、ナット部材43、連結部材44、ボールネジ45）
と、金型16の固定型17に対して移動型18を図で左右方向
に移動させる金型移動用駆動手段50（モータ51、検出器
52、ギヤトレイン53、ボールネジ55）と、各駆動手段2
0,30,4,50に所定の制御入力を与えることができるよう
形成された制御手段２と位置指令値発生手段１とから構
成されていた。また、各駆動手段20,30,40,50と制御手
段２の対応する部分とから形成される制御系は第５図
（図示簡略化のため射出用駆動手段30との関係において
示した）に示されるようにいわゆるソフトサーボ方式と
して表すことができた。すなわち、指令値に対し外側に
比較的低いゲイン（ω_ｏ）の位置制御ループと内側に比
較的高いゲイン（ω_ｃ）の速度制御ループとを持つ制御
系であった。従って、速度制御ループが高いゲイン（ω
_ｃ）であるから外乱やパラメータの変動等に対する剛性
が高く、また、位置制御ループが低いゲイン（ω_ｏ）で
あるため機械系に過度の衝撃（加速度）を与えない、加
工プログラム作成上格別の注意をしなくともよい等の長
所を有していた。

従って、所定のプログラムに基づいて位置指令値発生手
段１から各駆動手段20,30,40,50に対応させた各位置指
令値を制御手段２に入力すれば、金型移動用駆動手段50
は移動型18を固定型17に密接させ樹脂を充填すべく所定
形状のキャビティ（図示省略）を形成するとともにシリ
ンダ移動用駆動手段40はシリンダ11を移動させそのノズ
ル12が固定型17の噴射口（図示省略）に接合させる。続
いて、先立って計量用駆動手段20を駆動制御してピスト
ン14を回転しホッパ13から供給される樹脂を計量しつつ
シリンダ11の先端側に充填されていた樹脂を射出用駆動
手段30を駆動制御することすなわちピストン14をシリン
ダ11内に押し込むことによって前記キャビティ内に噴射
する。ここに、金型16内に所定形状の製品を射出成形す
ることができた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来の射出成形機には次のような問
題があった。

すなわち、制御手段２と各駆動手段20,30,40,50とはソ
フトサーボを形成しているから速応性と系の安定性とを
独立設定できないために、そのいずれかが不十分のまま
実施しなければならず、またそのような状態で妥協した
としてもその比較考量作業自体に多くの労力と時間とを
費やす欠点があった。さらに、位置制御ループのゲイン
（ω_ｏ）の最大値が機械系の許容最大加速度と最大送り
速度から規制されてしまうので応答時間をそれ以上に向
上させることができないという問題があった。

とりわけ、成形品の品質は計量射出手段10から金型16の
キャビティ内への樹脂の噴射状態によって左右され、ま
たその噴射状態はキャビティの内形状、樹脂の種類、温
度条件、計量射出手段10の形態等多くの条件によって制
約されるとともに一気に樹脂噴射をすればよいという単
純工程では所期の製品を得ることができなかった。これ
がため他の駆動手段に比較し射出用駆動手段30の位置制
御を系の安定性を確立しながら一層の速応性を上げなけ
ればならなかったが、上記ソフトサーボという原理上そ
の達成が困難であった。

以下に、高品質要請時代にあって益々重要視されてきた
射出用駆動手段30の位置制御問題について詳説する。第
５図に示す従来の位置制御系における位置制御ループの
特性（G_(s)）は、速度制御ループのゲインω_ｃが位置制
御ループのゲインω_ｏより大きく（通常４〜20倍）設定
するために一次遅れのソフトサーボと取り扱われるか
ら、 と近似することができる。

ここに、段階状の速度指令値（V_o/S）に対する速度の応
答特性V_(t)は、 V_(t)＝V_o（１−e^P） …… （ただし、Ｐは−ω_otとする。以下同じ。） となるから、これに必要とする加速度a_(t)は式を１階
微分することによって、 a_(t)＝V_o・ω_ｏ・e^P …… として求められた。

従って、モータ31、ナット部材33、支持枠34、ボールネ
ジ35等からなる機械系の最大送り速度をV_{o max}とすれば
位置制御系の発生する最大加速度a_maxは、 a_max＝V_{o max}・ω_ｏ …… で規定された。

一方、機械系の観点から見ると、許容最大加速度A_maxは
その構成から定まるから上記最大加速度a_maxとの関係で
は、 a_max≦A_maxでなければならない。これがため位置制御ル
ープのゲインの最大値ω_{o max}は、 ω_{o max}＝A_max/V_{o max} …… と制約されることになる。

すなわち位置制御ループのゲインの最大値はω_{o max}は
式の通り機械系との関係で制約された。つまり、式
で近似される位置制御系では機械系で定まる許容最大加
速度A_maxと最大送り速度V_{o max}の上限が決まるから、機
械系（A_max,V_{o max}）が固定化されるとゲイン最大値ω_o
maxの上限が制約され、それ以上にゲインを高くとれな
いという関係となるのでそれ以上の応答時間の短縮が達
成できないという問題があった。

換言すれば、上記伝達関数 において位置制御ループのゲインω_ｏを十分に大きくす
れば全系として速応性を高めることはできるが、ゲイン
ω_ｏを大きくすることは系の安定性が阻害されてしま
う。また例えば、ゲインω_ｏを400rad/sec程度に高くす
ることを考えるとオーバーシュートを発生させないため
には速度制御ループのゲインω_ｃは1600rad/sec以上と
しなければならなくなる。すなわち、射出駆動手段30等
を含む機械系全体の剛性を大きな振動を発生させないよ
うに著しく高い構造としつつ速応性を高めることは技術
的、経済的にも現実的でない。一方、ゲインω_ｃを1600
rad/sec以上と選定することは一般的な電気制御サーボ
方式には実現不可能に近い。

このように従来の位置制御系を採った射出成形機では、
機械系によって速応性が制限されてしまうので射出用駆
動手段30を駆動制御して樹脂の噴射態様を複雑な位置−
時間線図に基づく理想状態として実施することができず
高品質の達成が困難となってきたわけである。

しかして、本発明の目的とするところは系の安定性を維
持させつつ速応性を著しく向上させて高品質の射出成形
品を製造できるようした射出成形機を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記従来の問題点を除去すべく鑑みなされた
もので、フィードフォワート補償要素を設けるとともに
系の安定性を保障するために信号加減速手段とを設ける
構成としている。

すなわち、前出第５図に示した従来の位置制御系の伝達
関数は連続時間系で表現すればラプラス演算子をＳとす
るときG_(s)となる。従って、この伝達関数G_(s)が機械系
の特性等から固定的となっているために前記従来の問題
点が内在していたのである。ここに、本発明は、まず射
出成形機の運用上から求められる理想的位置指令値R_(s)
とこれに対する従来の位置制御系における制御対象位置
C_(s)〔θ〕との時間的ギャップを極小とすることを目指
するものである。

つまり、第１図を参照して具体的に説明すると射出用駆
動手段30および制御手段２の当該部分の制御回路で定ま
る伝達関数G_(s)を前提として系全体の制御特性を変える
べくフィードフォワード補償要素３を設け、全系の伝達
関数を小さくすることによって速応性の改善をするので
ある。このフィードフォワード補償要素３としては種々
考えられるが、特に、位置制御ループとしての全系の伝
達関数 をその逆数たる とするものが簡便で好ましい。第２図に示したようにS/
ω_ｏとして付加させればよいからである。このようなフ
ィードフォワード補償要素３を設けると原理的には位置
指令値発生手段１からの位置指令値信号Ｒに対し射出用
駆動手段30を完全に追従させることができる。しかし、
このような構成とすると位置指令値がステップ状の速度
指令入力（ランプ状の位置指令入力）とされると機械系
は無限大の加速度で応答できるよう構成しなければなら
ずこれは産業上実現不能である。ここに、本発明では位
置指令値発生手段１から出力される不定形の位置指令値
信号に対しその高周波成分を除去すべく信号加減速手段
８を設け、射出成形工程、特に射出工程のプログラミン
グ等にかかるオペレータの負担軽減や機械系の安全を保
障しつつ速応性向上の実効を期するようしたものであ
る。

これがため、ピストンを駆動制御してシリンダ内に充填
された樹脂を金型内に射出するための射出用駆動手段と
位置指令値発生手段からの信号に基づいて該射出用駆動
手段を制御する制御手段とを含み形成されかつ射出制御
系の伝達関数がG_(s)である射出成形機において、 前記制御手段にフィードフォワード補償要素を設けると
ともに、この制御手段と前記位置指令値発生手段との間
に位置指令値発生手段から射出制御系に出力される指令
値を最大加速度が設定値以下となるように制限する信号
加減速手段を設けた構成とし前記目的を達成するのであ
る。

〔作用〕

以上に説明したように構成された本発明においては、位
置指令値発生手段から制御手段２にランプ状の位置指令
値（ステップ状の速度指令値）が入力されたとしても信
号加減速手段でその高周波成分が除去されランプ状の速
度入力に変換されてフィードフォワード補償要素に入力
される。従って、射出駆動手段を信号加減速手段の設定
値により規制される有限値の最大加速度で駆動制御でき
るから理想的な位置−時間曲線に基づいて樹脂を金型に
射出し高品質の製品を能率よく生産することができる。

〔実施例〕

本発明に係る射出成形機の一実施例を図面を参照しなが
ら詳細に説明する。

この実施例の射出成形機は、位置指令値発生手段１、信
号加減速手段８、フィードフォワード補償要素３、制御
手段２、射出用駆動手段30とを含み形成されている。な
お、機械系については、前出第６図に示した構成と同じ
である。

第１図において、位置指令値発生手段１は、設定された
所望の位置−時間線図に基づいて位置指令値信号Ｒを出
力することができる。射出用駆動手段30は構成が従来の
構成と同じであるからその制御系の伝達関数は前記の通
り である。

さて、信号加減速手段８はいわゆる補間前直線形加減方
式とされ、位置指令値発生手段１と制御手段２との間に
設けられている。位置指令値発生手段１から出力される
信号の高周波成分を除去するものとされ、その傾斜角
（第３図（Ｂ）参照）は任意に設定できるものと形成さ
れている。

また、フィードフォワード補償要素３は制御手段２内に
組み込まれ、この実施例では第２図（Ａ）に示したよう
に としている。これは第２図（Ａ）と等価として書き改め
た同（Ｂ）から明らかの通り射出用駆動手段30の伝達関
数 と置き換えたときに、その逆数となるよう選択されてい
る。従って、位置指令値発生手段１からの指令値Ｒに対
し制御手段２、射出用駆動手段30は原理的に同時的に追
従できるように形成されている。

次に実施例の作用について説明する。ただし、先に述べ
た射出成形工程全体の作用については説明を省略するも
のとする。

射出工程は予めプログラミングされた計量射出手段10の
シリンダ11に対するピストン14の位置−時間線図に基づ
いて位置指令値発生手段１から出力される指令値によっ
て実行される。ここに、指令値Ｒが第３図（Ａ）に示し
たようにステップ状の速度信号に相当する位置信号であ
るときは信号加減速手段８において同（Ｂ）に見られる
ように予め設定された値（減速カーブ）となるようにそ
の高周波成分が吸収されている。従って、フィードフォ
ワード補償要素 を含む制御系では同（Ｃ）に示す如く信号加減速手段８
の設定値で決まる有限の加速度に規制された制御入力Ｕ
を射出用駆動手段30に出力する。

これにより、射出用駆動手段30は同（Ｄ）に示されたよ
うなカーブでピストン14を駆動制御することができる。

ここに、本実施例による速応性は第４図に示す如く大幅
に改良されていることが認められる。第４図において、
段階状の位置指令信号Ｒを加えても第５図に示した従来
系の加速度（X₂）と本発明系の加速度（Y₂）との最大値
が略同一の値をとりながら制御系の応答性は著しく異な
るものとなっている。すなわち、本発明系の場合にはほ
ぼ最大の速度（Y₁）をもって50m secで応答しているの
に対して従来系の速度（X₁）は指令値に近づくに従い減
速し、約150m secの時間遅れを生じている。ここに、本
発明は最大加速度を急増させずに安定性を確保しながら
大幅な応答性（指令値への収束時間が従来系のそれに対
し1/3とできる）を改善できるという優れた効果を奏す
ることが確認された。

なお、実施条件は次の通りである。

サンプリング周期Ｔ＝0.001sec Ｍ＝τ/T＝50回 位置制御ループのゲインω_ｏ＝20rad/sec また、従来系のゲインω_１＝20rad/secである。

しかして、この実施例によれば、射出用駆動手段30の構
造から規定される伝達関数を認知した上で、制御系全体
の速応性を高めるフィードフォワード補償要素３が制御
手段２に設けられているのでシリンダ11に対するピスト
ン14の移動制御を高速で行なえるから、所望の位置−時
間線図に基づいた射出用駆動手段30の制御によって理想
的な樹脂の射出を行うことができ、ここに高品質の製品
を能率よく射出成形することができる。

また、フィードフォワード補償要素３は、機械系の伝達
関数の逆数として系全体の伝達関数を最小とするよう選
定されているから機械系の伝達関数が判れば電子回路的
に容易かつ定量的にその補償要素を決定することができ
るとともに機械系に何らの改変を加えなくてもよいので
極めて容易に実施することができる。これは既設の射出
成形機に容易に組み込むことができるという適応性の大
きいことをも意味するものである。

さらに、選定されたフィードフォワード補償要素３の種
別、方式にかかわらず機械系に過度な衝撃を与えないよ
うに信号加減速手段８が設けられているので、オペレー
タは金型16、樹脂、成形品等から判断して最良と思われ
る射出工程を行わさせるべき理想的な位置−時間線図を
位置指令値発生手段１にセットすればよいから作業労力
を飛躍的に軽減することができる。

なお、以上の実施例においては、フィードフォワード補
償要素３を射出用駆動手段（機械系）30の伝達関数 の逆数として制御系全体の伝達関数を小さくするものと
選定したが、要は機械系に改変を加えることなく速応性
を高めるものであればよいからその補償伝達関数は開示
したものに限定されない。さらに最適制御理論に基づい
た評価関数としそれを最適化（最小化、最大化）するよ
うなものとしてもよく、またその評価関数の重み係数を
固定化させずに系の状態に即応させたものとして予見特
性を高めるようなものとして選定することもできる。

また、信号加減速手段８は、位置指令値発生手段１から
の指令値をパルス信号とする離散時間系の建前からパル
ス分配（補間）後の信号に関与するようないわゆる補間
後自動加減速方式としたが、位置指令値発生手段１内に
おいてパルス分配前に行ういわゆる補間前加減速方式と
して形成してもよい。

さらに、本発明は離散時間系でなく連続時間系において
も実施することができる。

さらにまた、計量用駆動手段20、シリンダ移動用駆動手
段40、金型移動用駆動手段50についてもフィードフォワ
ード補償要素３、信号加減速手段８を射出用駆動手段30
と同様に形成して実施すれば射出成形機全体として生産
能率を一層向上させることができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかの通り、本発明は機械系に改変を
加えず系の安定性を確立しつつ速応性を著しく向上させ
ることによって高品質な製品を高能率で経済的に生産す
ることができるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る射出成形機の一実施例の要部を示
すブロック図、第２図は同じくフィードフォワード補償
要素を示すブロック図、第３図は同じく制御特性線図、
第４図は同じくタイミングチャート、第５図は従来の射
出成形機の要部を示すブロック図および第６図は従来の
射出成形機の全体構成図である。 １……位置指令値発生手段、２……制御手段、３……フ
ィードフォワード補償要素、10……計量射出手段、11…
…シリンダ、14……ピストン、16……金型、30……射出
用駆動手段、31……モータ、32……検出器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ピストンを駆動制御してシリンダ内に充填
   された樹脂を金型内に射出するための射出用駆動手段と
   位置指令値発生手段からの信号に基づいて該射出用駆動
   手段を制御する制御手段とを含み形成されかつ射出制御
   系の伝達関数がG_(s)である射出成形機において、 前記制御手段にフィードフォワード補償要素を設けると
   ともに、この制御手段と前記位置指令値発生手段との間
   に位置指令値発生手段から射出制御系に出力される指令
   値を最大加速度が設定値以下となるように制限する信号
   加減速手段を設けたことを特徴とする射出成形機。
2. 【請求項２】前記特許請求の範囲第１項において、前記
   制御手段に設けられるフィードフォワード補償要素の伝
   達関数が、前記伝達関数G_(s)の逆数（1/G_(s)）となるよ
   うに選定されていることを特徴とする射出成形機。