JPWO2013018189A1 - 射出成形機の制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

安定した圧力制御を実行するために、射出成形機の制御装置において、充填／保圧判定部は、射出成形機が保圧動作を実行中であるか非実行中であるかを判定し（ステップＳＴ３）、弾性定数同定部は、充填／保圧判定部が保圧動作を実行中と判定したときに（ステップＳＴ３、Ｙｅｓ）、圧力検出値とモータの動作情報としての位置検出値とを取得して（ステップＳＴ４）、取得した圧力検出値および位置検出値に基づいて弾性定数Ｋを同定し（ステップＳＴ７）、圧力制御制御パラメータ設定部は、圧力制御部の比例ゲインＫａと弾性定数Ｋとの積が速度制御部の速度制御帯域ωｓｃよりも小さい値となるように圧力制御部の比例ゲインＫａを算出し（ステップＳＴ８）、算出した比例ゲインＫａを圧力制御部に設定する（ステップＳＴ９）。

Description

本発明は、射出成形機を制御する制御装置および制御方法に関する。

従来、モータを用いてスクリューを駆動して、溶融した樹脂を当該スクリューの動作により金型内に充填・保圧することにより、プラスチック成形品を得る射出成形機がある。射出成形機は、スクリューにロードセル等の圧力センサを具備しており、当該圧力センサによる圧力検出値を用いた制御ループに基づいて、樹脂の圧力が外部から与えられた圧力指令値に追従するように樹脂の圧力制御を行っている。

ここで、上記の圧力制御においては、ゲインなどの制御パラメータを適切な値に設定される必要がある。特に、保圧動作においては、制御パラメータが適切な値よりも大きい場合、圧力の応答（時間応答波形）が目標とする圧力指令に対してオーバーシュートしたり、圧力応答が振動的になるという問題がある。

保圧動作において圧力応答がオーバーシュートしたり振動的になったりすると、意図した圧力よりも大きな圧力が加わることになり、結果として、成形品の寸法が大きくなり過ぎたり、あるいはバリや離型不良が生ずる場合がある。また、最悪の場合、圧力応答に振動が持続的に発生して、制御系が不安定になる可能性もある。

圧力応答にオーバーシュートや振動を発生させないようにし、かつ、圧力指令値に対する追従性をある程度確保するためには、圧力応答を確認しながら、試行錯誤的に圧力制御の制御パラメータを人手で調整する必要があり、調整に要する時間が増大するという課題があった。

また、適切な制御パラメータは金型の形状や樹脂の種類によって異なり、適切な制御パラメータを金型の形状や樹脂の種類ごとに調整しなければならないという課題もあった。

これに対し、特許文献１には、圧力指令値といった動作パターンを微分して、得られた微分値が零のときを基底として連続的に圧力制御の制御パラメータを決める、射出成形機の制御装置が開示されている。

特開平６−５５５９８号公報

圧力の応答は、圧力制御の制御パラメータにのみに依存して決まるわけではなく、圧力制御ループ内のマイナーループ（例えば、速度制御ループ）の応答にも依存する。特許文献１に開示されている射出成形機の制御装置は、圧力制御ループ内のマイナーループの制御パラメータを考慮して圧力制御の制御パラメータを調整していないため、依然として圧力応答が振動的になる虞がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定した圧力制御を実行することができる射出成形機の制御装置および制御方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、モータを駆動してスクリューをバレル内で前進させることで前記バレルに満たされた溶融樹脂を金型のキャビティ内に射出する射出成形機に具備され、前記モータの動作情報と前記溶融樹脂の圧力検出値とに基づいて前記モータを駆動する電流指令を生成する射出成形機の制御装置であって、所定の圧力指令と前記圧力検出値との偏差に対して少なくとも比例ゲインを作用させる演算要素を備える伝達特性演算を行って速度指令を算出する圧力制御部と、前記モータの速度が前記圧力制御部が算出した速度指令に追従するように前記電流指令を算出する速度制御部と、前記射出成形機が保圧動作を実行中であるか非実行中であるかを判定する保圧動作判定部と、前記保圧動作判定部が保圧動作を実行中と判定したときに、前記圧力検出値と前記モータの動作情報とを取得して、前記取得した圧力検出値および前記モータの動作情報に基づいて前記モータの位置の変位に対する前記圧力検出値の変化の割合である弾性定数を同定する弾性定数同定部と、前記圧力制御部の比例ゲインと前記弾性定数同定部が同定した弾性定数との積が前記速度制御部の速度制御帯域よりも小さい値となるように前記圧力制御部の比例ゲインを算出し、前記算出した比例ゲインを前記圧力制御部に設定する制御パラメータ設定部と、を備えることを特徴とする。

本発明にかかる射出成形機の制御装置は、保圧動作時の弾性係数と圧力制御ループ内に具備される速度制御ループの速度制御帯域とに基づいて圧力制御の比例ゲインを求めるので、保圧動作時にモータの速度を速度指令に十分な精度で追従することができるので安定した圧力制御を実行することができる。

図１は、本発明の実施の形態１の制御装置を有する射出成形機の構成を示す図である。 図２は、実施の形態１の射出成形機の制御方法を説明するフローチャートである。 図３−１は、保圧動作を説明する図である。 図３−２は、充填動作を説明する図である。 図４は、速度指令選択部が内部速度指令を選択しているときの射出成型機の伝達特性を説明するブロック線図である。 図５は、本発明の実施の形態２の制御装置を有する射出成形機の構成を示す図である。 図６は、実施の形態２の射出成形機の制御方法を説明するフローチャートである。 図７は、本発明の実施の形態３の制御装置を有する射出成形機の構成を示す図である。 図８は、実施の形態３の射出成形機の制御方法を説明するフローチャートである。

以下に、本発明にかかる射出成形機の制御装置および制御方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の制御装置を有する射出成形機の構成を示す図である。図示するように、射出成形機は、制御装置１０００、モータ１、エンコーダ２、カップリング３、ボールネジ４、スクリュー５、ロードセル６、バレル７、および金型８を備えている。

モータ１は、制御装置１０００から供給される電流によって駆動される。エンコーダ２は、モータ１の位置および速度を検出して、検出結果を位置検出値１０１および速度検出値１０２として出力する。カップリング３は、モータ１の回転軸とボールネジ４とを接続している。ボールネジ４には、バレル７に満たされた樹脂９を金型８に充填／保圧するためのスクリュー５がロードセル６を介して接続されている。ロードセル６は、スクリュー５が樹脂９を押し出したときの圧力を検出し、検出結果を圧力検出値１０３として出力する。位置検出値１０１、速度検出値１０２および圧力検出値１０３は制御装置１０００に入力される。

制御装置１０００は、電流制御部１１、速度制御部１２、圧力制御部１３、速度指令選択部１４、圧力制御制御パラメータ設定部１５、弾性定数同定部１６、充填／保圧判定部１７、減算器１８および減算器１９を備えている。

減算器１８は、外部から入力される圧力指令と圧力検出値１０３との偏差を計算する。圧力制御部１３は、減算器１８が計算した偏差を用いて内部速度指令１０７を算出する。

ここで、圧力制御部１３が実行する伝達特性演算は、減算器１８が計算した偏差に対して比例ゲインを作用させる演算要素を備えるものであればどのような演算であってもよい。圧力制御部１３は、例えばＰ制御（比例制御）で構成されるようにしてもよい。その場合には、圧力制御部１３は、入力された偏差に比例ゲインを乗じて内部速度指令１０７を算出する。即ち、偏差が小さいときほど内部速度指令１０７も小さくなる。

速度指令選択部１４は、外部から入力された速度指令（外部速度指令）と圧力制御部１３が算出した内部速度指令１０７とのうちの何れか１つを選択し、選択した速度指令を速度指令１０６として出力する。

速度指令選択部１４は、例えば、外部速度指令と内部速度指令１０７とを逐次比較し、小さいほうの値を選択するようにしてもよい。射出成形機のオペレータは、所望の充填工程におけるスクリュー速度を外部速度指令として入力することができる。また、スクリュー５の速度を制御するために位置制御ループを組み込んでおき、当該位置制御ループから出力される速度指令を外部速度指令とするようにしてもよい。

減算器１９は、速度指令１０６と速度検出値１０２との偏差を計算する。速度制御部１２は、スクリュー５の速度が速度指令１０６に追従するように、電流制御部１１に入力する電流指令１０５を、減算器１９が計算した偏差を用いて生成する。電流制御部１１は、速度制御部１２から入力された電流指令１０５に基づいて、モータ１に供給する電流１０４を生成する。

速度制御部１２は、速度指令１０６と速度検出値１０２との偏差に対し、例えばＰＩ制御（比例＋積分制御）にかかる演算を実行して電流指令１０５を生成するようにしてもよい。

ここで、制御装置１０００が実行する充填動作にかかる制御と保圧動作にかかる制御について説明する。なお、ここでは、外部速度指令と圧力指令は、オペレータにより事前に与えられるものとする。

充填動作が開始される前においては、樹脂９の金型８内への押し出しが行われていないため、圧力検出値１０３はゼロ値付近の値となる。このため、圧力指令と圧力検出値１０３の偏差が大きく、当該偏差に基づいて圧力制御部１３が出力する内部速度指令１０７は、外部速度指令よりも大きな信号となる。したがって、速度指令選択部１４は外部速度指令を速度指令１０６として選択する。制御装置１０００が外部速度指令に基づく速度制御を行いながら充填動作を開始すると、スクリュー５の前進にしたがって徐々に圧力検出値１０３が上昇する。

圧力検出値１０３が目標とする圧力（すなわち圧力指令）に近づくと、圧力指令と圧力検出値１０３との偏差が小さくなり、当該偏差の減少に伴って内部速度指令１０７も小さくなる。内部速度指令１０７が外部速度指令よりも小さくなると、速度指令選択部１４は、内部速度指令１０７を速度指令１０６として出力する。

以上より、成形動作の開始直後は、外部速度指令によりスクリュー５が駆動されて充填動作が実現され、充填が進行するにつれ、樹脂９が金型８内に充満し、これに伴い圧力も上昇していく。圧力が目標圧力に近づくと圧力制御が出力する内部速度指令１０７が使用されることにより、予め設定した圧力指令により圧力が加えられ、保圧動作が実現される。これにより、射出成形機の充填動作と保圧動作とが実現される。

図１に戻り、充填／保圧判定部１７は、射出成形機が充填動作を実行中であるか保圧動作を実行中であるかを判定し、判定結果を信号１０８として弾性定数同定部１６に出力する。

弾性定数同定部１６は、充填／保圧判定部１７が保圧動作を実行中であると判定したときに、モータの位置検出値１０１と圧力検出値１０３とを取得して、取得した位置検出値１０１と圧力検出値１０３とに基づいて、モータ１の位置の変位に対する圧力検出値１０３の変化の割合である弾性定数Ｋを同定する。そして、弾性定数同定部１６は、同定した弾性定数Ｋを信号１０９として圧力制御制御パラメータ設定部１５に入力する。

圧力制御制御パラメータ設定部１５は、同定された弾性定数Ｋを用いて圧力制御部１３の制御パラメータを算出し、算出した制御パラメータを圧力制御部１３に設定する（信号１１０）。ここでは、圧力制御部１３が設定する制御パラメータは、比例ゲインであることとする。

図２は、上述の制御装置１０００を用いて実現する、実施の形態１の射出成形機の制御方法を説明するフローチャートである。まず、制御装置１０００は、圧力指令および外部速度指令の入力を受け付ける（ステップＳＴ１）。入力される圧力指令および外部速度指令は夫々ゼロ値ではないものとする。

速度指令選択部１４は、圧力指令に基づいて圧力制御部１３によって算出された内部速度指令１０７と、入力された外部速度指令とを比較して、絶対値が小さい指令を速度指令１０６として選択し、制御装置１０００は、選択された速度指令１０６に基づいてモータを駆動する（ステップＳＴ２）。なお、圧力制御制御パラメータ設定部１５は、初期値として、圧力や速度が発振しない程度に小さい値の比例ゲインを予め信号１１０に出力し、当該比例ゲインを圧力制御部１３に設定しておく。

続いて、充填／保圧判定部１７は、保圧動作を行っているか否かを判定する（ステップＳＴ３）。ステップＳＴ３の判定の具体的手法としては、例えば、モータ１の位置検出値１０１が所定の位置以上になったときに保圧動作を行っていると判定し、位置検出値１０１が前記所定の値未満であるときに保圧動作を行っていないと判定することが挙げられる。これは、金型８のキャビティの体積が予め分かっていれば、スクリュー５がどの程度前進することにより金型８のキャビティ内に樹脂９が充満するかが分かる（言い換えれば、どの程度モータ１が回転したかでキャビティ内に樹脂９が充満するかが分かる）ことにより、保圧状態に移行しているかどうかを判別できることに基づくものである。また、別の判定の手法としては、圧力検出値１０３が所定の圧力以上になったときに保圧動作を行っていると判定し、圧力検出値１０３が前記所定の圧力未満であるときには保圧動作を行っていないと判定することが挙げられる。なお、保圧動作であるかどうかを判定する手法は、これらの例に限られるものではなく、どのようなものであってもよい。

保圧動作を実行中ではない場合（ステップＳＴ３、Ｎｏ）、制御装置１０００は、ステップＳＴ２の処理を実行する。

保圧動作を実行中である場合（ステップＳＴ３、Ｙｅｓ）、充填／保圧判定部１７は、保圧動作を実行中である旨の信号１０８を弾性定数同定部１６に通知して、当該通知を受けた弾性定数同定部１６は、圧力検出値１０３の値および位置検出値１０１の値を同じタイミングで取り込んで、取り込んだ圧力検出値１０３の値および位置検出値１０１の値を夫々記録する（ステップＳＴ４）。ステップＳＴ４の処理によって記録される値を、夫々圧力Ｐｉ(ｉ＝１，２，…，Ｎ)、位置Ｘｉ(ｉ＝１，２，…，Ｎ)として表記することとする。なお、ステップＳＴ２から後述のステップＳＴ６までの処理はループ処理を構成する。当該ループ処理は、所定のサンプリング時間毎に実行され、インデックスｉは、ステップＳＴ４が実行される毎に、後述のステップＳＴ６の処理によってインクリメントされる。

続いて、充填／保圧判定部１７は、保圧動作が終了したか否かを判定する（ステップＳＴ５）。ステップＳＴ５の判定処理の具体的手法としては、保圧動作が開始されてからタイマー等で時間をカウントし、射出成形機のオペレータが予め設定した時間を経過したら、保圧動作が終了すると判定することが挙げられる。なお、ステップＳＴ５の判定処理の手法はこれに限定されない。

保圧動作が完了していない場合（ステップＳＴ５、Ｎｏ）、充填／保圧判定部１７は、インデックスｉをインクリメントする（ステップＳＴ６）。そして、制御装置１０００は、ステップＳＴ２の処理を実行する。

保圧動作が完了している場合（ステップＳＴ５、Ｙｅｓ）、弾性定数同定部１６は、記録してある圧力Ｐｉおよび位置Ｘｉの時系列データを、圧力と位置との間の線形な関係を表す式である次式（１）に適用して、弾性定数Ｋを同定する（ステップＳＴ７）。
Ｐｉ＝Ｋ・Ｘｉ＋ｂ （１）
ここで、ｂは定数である。具体的には、弾性定数同定部１６は、記録してあるデータから、以下のようにベクトルＰ、Ｘ、Ｂを構成する。
Ｐ＝（Ｐ１，Ｐ２，…，ＰＮ） （２）
Ｘ＝（Ｘ１，Ｘ２，…，ＸＮ） （３）
Ｂ＝（１，１，…，１） （４）
そして、弾性定数同定部１６は、式（２）〜式（４）を式（１）に代入して、
Ｐ＝Ｋ・Ｘ＋ｂ・Ｂ （５）
を得る。そして、弾性定数同定部１６は、式（５）を満たすＫとｂとを最小二乗法などを用いて同定する。

すなわち、弾性定数同定部１６は、モータ１の位置検出値１０１と圧力検出値１０３とを同一タイミングで取得することを複数回にわたって実行して、複数回にわたって取得したモータ１の位置検出値１０１と圧力検出値１０３とを用いて弾性定数を同定する。弾性定数の同定を行うために、弾性定数同定部１６は、取得した複数の位置検出値１０１および複数の圧力検出値１０３を最小二乗法を用いて比例関係にフィッティングしている。なお、フィッティングの手法は、最小二乗法だけに限定されない。

弾性定数同定部１６は、同定した弾性定数Ｋを圧力制御制御パラメータ設定部１５に信号１０９として出力する。

圧力制御制御パラメータ設定部１５は、信号１０９により入力された弾性定数Ｋ、速度制御帯域ωsc、および定数α（α≦１）を用いて、圧力制御部１３の制御パラメータとしての比例ゲインを算出し（ステップＳＴ８）、算出した比例ゲインを圧力制御部１３に設定する（ステップＳＴ９）。

ここで、速度制御帯域とは、速度制御部を用いたときに、速度指令に対し速度が遅れなく追従できる周波数帯域の上限を表す。速度制御帯域ωscを具体的に求める方法として、予め、ＦＦＴアナライザなどで、速度指令として正弦波信号を加え、このときの速度応答から、位相の遅れがなく追従できる周波数の上限を測定するということが挙げられる。

また、速度制御帯域ωｓｃは、簡易的に、速度制御部１２の比例伝達特性Ｋｖと、モータ１の回転に伴って可動する機械およびモータ１のイナーシャの合計をＪとしたとき、
ωｓｃ＝Ｋｖ／Ｊ （６）
の関係式を用いて算出して得ることもできる。なお、速度制御部１２がＰＩ制御で構成される場合、すなわち、比例ゲインをＫｖ、ラプラス演算子をｓ、積分ゲインをＫｖｉとし、速度制御部１２の伝達特性Ｖ（ｓ）が、
Ｖ（ｓ）＝Ｋｖ・（１＋Ｋｖｉ／ｓ） （７）
と記述される場合、速度制御帯域ωｓｃは、式（７）の比例ゲインＫｖを式（６）に代入して得ることができる。

圧力制御制御パラメータ設定部１５は、圧力制御部１３の比例ゲインＫａを、次式（８）を用いて算出する。
Ｋａ＝α×ωsc／Ｋ （８）

例えば、圧力制御部１３がＰ制御（比例制御）で構成される場合、すなわち、圧力制御部１３の伝達特性Ｆ（ｓ）が、
Ｆ（ｓ）＝Ｋａ （９）
である場合、圧力制御制御パラメータ設定部１５は、式（９）のＫａに式（８）によって算出した値を設定する。なお、定数αは１以下であればどのような定数であってもよいが、より好ましくは、ある程度の圧力応答を確保するために、αを０.１以上で１以下にすることが挙げられる。

なお、圧力制御部１３が比例制御以外の制御則で構成される場合には、圧力制御制御パラメータ設定部１５は、圧力制御部１３の伝達特性に含まれる比例ゲインに式（８）を用いて算出した値を設定する。圧力制御部１３の制御パラメータのうち、応答性、安定性に最も影響を与えるのは、圧力制御部１３の伝達特性のうちの比例特性である。比例特性を決定する比例ゲインを（８）式により算出することにより、良好な応答性、安定性を実現する圧力制御部１３の制御パラメータを算出することが可能となる。例えば、圧力制御部１３がＰＩ制御（比例＋積分制御）で構成されている場合、すなわち、積分ゲインをＫａｉとして、伝達特性Ｆ（ｓ）が、
Ｆ（ｓ）＝Ｋａ・（１＋Ｋａｉ／ｓ） （１０）
で表せる場合であっても、圧力制御制御パラメータ設定部１５は、式（１０）の比例ゲインＫａに式（８）によって算出した値を設定する。

また、圧力制御部１３が位相進み／遅れ補償で構成される場合、すなわち、圧力制御部１３の伝達特性Ｆ（ｓ）が、
Ｆ（ｓ）＝Ｋａ×（１＋Ｔ１・ｓ）／（１＋Ｔ２・ｓ） （１１）
である場合には、式（１１）は、
Ｆ（ｓ）＝Ｋａ×｛１＋（Ｔ２−Ｔ１）ｓ／（１＋Ｔ２・ｓ）｝ （１２）
と変形できる。圧力制御制御パラメータ設定部１５は、式（１２）の比例ゲインＫａに式（８）によって算出した値を設定する。なお、Ｔ１およびＴ２は、制御パラメータとして予め設定される。

ステップＳＴ９の処理の後、制御装置１０００は、圧力制御部１３に設定された比例ゲインを用いて実際の製品の成形動作を開始する（ステップＳＴ１０）。具体的には、ステップＳＴ９に移行したとき、保圧動作が完了しているので、制御装置１０００は、スクリュー５を後退させるとともに樹脂９を計量し、圧力制御部１３にステップＳＴ９の処理によって制御パラメータが設定された状態で、充填動作および保圧動作を実行する。成型工程終了後、実施の形態１の射出成形機の制御方法にかかる動作が終了となる。

なお、ステップＳＴ１〜ステップＳＴ９の処理は、圧力制御部１３には、初期値として与えられた、いわば仮の比例ゲインが設定された状態となっている。このときの圧力応答にオーバーシュートや振動が発生する可能性がある。しかしながら、ステップＳＴ１０において製品の成形動作を開始した後には、圧力応答にオーバーシュートや振動を発生させることがなく、また、圧力指令に対する追従性がある程度確保されている状態で圧力制御を行うことができる。これにより、ステップＳＴ１０では、成形サイズ不良やヒゲなどの成形不良を発生させることのない成形動作を実現することができる。

図３−１は、保圧動作を説明する図であり、図３−２は、充填動作を説明する図である。図３−１に示すように、保圧動作を実行中において、スクリュー５は、金型８のキャビティ内に形成される成形品に圧力を与える。保圧動作では、樹脂９が金型８内に充満している状態であるため、外部から圧力が与えられると、金型８のキャビティ形状や樹脂９の種類に応じて、概ね樹脂９が弾性体のような挙動を示す。すなわち、モータ１が前進することにより樹脂９に圧力を与えるが、前述のように樹脂９が弾性体の挙動を示すため、圧力の大きさは弾性体の弾性定数を比例定数として位置に概ね比例して発生する。

一方、図３−２に示すように、充填動作は、バレル７内の樹脂９がスクリュー５により金型８内に射出され、ノズル先端から金型８内に樹脂が射出されている状態となっている。このため、モータ１を前進させることにより樹脂９に圧力を加えても、金型８のキャビティ内は樹脂９で充満されていないので、圧力はノズル先端から金型８内に樹脂９が射出される仕事に変換されてしまうため、モータ１の位置に比例した圧力は発生しない。

図２のフローチャートにおいて、弾性定数Ｋを同定する際に、保圧動作のみのデータを用いているが、仮に弾性定数の同定に充填動作のデータも用いると、充填動作では、前述したように、位置と圧力において、比例関係が成立しないため、充填動作の位置と圧力を用いても、圧力制御時の制御パラメータの調整に必要な弾性定数を正しく同定することができない。

図４は、速度指令選択部１４が内部速度指令１０７を選択しているときの射出成型機の伝達特性を説明するブロック線図である。なお、ここでは、速度制御部１２は、比例ゲインをＫｖ、積分ゲインをＫｖｉとしたＰＩ制御で構成され、圧力制御部１３は、比例ゲインをＫａとしたＰ制御で構成されるものとする。ｓはラプラス演算子を示し、１／ｓは積分特性を示す。また、Ｊは、モータ１のイナーシャと機械可動部（ボールネジ４、スクリュー５、およびロードセル６）のイナーシャとを合算したイナーシャ、Ｋは、弾性定数同定部１６が同定した弾性定数である。

信号２０１は、電流１０４を流した時にモータ１に発生するトルクを示している。モータ１のトルクと速度との関係は、１／（Ｊ・ｓ）と表すことができるため、モータ１は１／（Ｊ・ｓ）の伝達特性を有する要素２０２に置き換えられる。即ち、要素２０２は、トルクに応じて速度（速度検出値１０２）を出力する。

信号２０４は、モータ１の位置を表している。モータ１の位置は、モータ１の速度を積分して得られる。要素２０３は、モータ１の速度にかかる特性を模式的に示したものであって、速度（速度検出値１０２）が積分されて位置が出力される。

前述したように、保圧動作においては、位置と圧力とは比例関係を有し、比例定数は弾性定数Ｋとなる。要素２０５は、樹脂９の圧力にかかる特性を模式的に示したものであって、位置を示す信号２０４から圧力を示す信号（圧力検出値１０３）を出力する。

図示するように、保圧動作実行時には、圧力制御のマイナーループに速度制御を有する構成となっている。言い換えれば、速度制御ループのメジャーループが圧力制御となる。圧力の制御を行うために、圧力制御部１３は、圧力指令値と圧力検出値１０３との偏差に基づいて、モータ１が動作すべき速度指令１０６を算出し、この速度指令に速度検出値１０２が追従することにより、圧力検出値１０３が圧力指令値に追従することが可能となる。逆に、速度指令１０６に対する速度の応答が遅く、速度指令１０６に対して位相が大きく遅れて速度が追従すると、大きな位相遅れを含んで、圧力制御ループを組むことにより、圧力応答がオーバーシュートしたり、振動的な応答を示したりするようになる。

圧力制御の応答は、メジャーループである圧力制御部１３の制御パラメータのうち比例成分（図４ではＫａ）に最も大きく影響を受ける。マイナーループである速度制御の伝達特性（速度指令１０６から速度検出値１０２への伝達特性）を１とみなすと、圧力指令から速度指令１０６への伝達特性は、Ｋａ・ｓ／（ｓ＋Ｋ・Ｋａ）となる。この伝達特性をさらに変形すると、ｓ／Ｋ×｛Ｋａ・Ｋ／（ｓ＋Ｋ・Ｋａ）｝となる。

すなわち、速度指令１０６は、圧力指令にｓ／Ｋを作用させた信号（微分して、弾性定数Ｋで除した信号）に、さらに、カットオフ周波数がＫａ・Ｋであるローパスフィルタを通した信号に等しい。モータ１の速度をこの速度指令１０６に追従するためには、速度制御が少なくともＫａ・Ｋ以上の周波数成分を通過させる必要がある。言い換えると、速度制御帯域がＫａ・Ｋ以上でなければならない。速度制御帯域がＫ・Ｋａよりも小さいと、位相遅れが発生し、これが原因となり、圧力応答にオーバーシュートが発生したり、振動的な圧力応答を示したりする。

ここで、Ｋａに式（８）のＫａを代入すると、
Ｋａ・Ｋ＝α×ωｓｃ≦ωｓｃ （１３）
となる。つまり、圧力制御制御パラメータ設定部１５は、圧力制御部１３の比例ゲインＫａと弾性定数同定部１６が同定した弾性定数Ｋとの積が速度制御部１２の速度制御帯域ωｓｃよりも小さい値となるように圧力制御部１３の比例ゲインＫａを算出していることになる。圧力制御部１３に前記算出された比例ゲインＫａが設定されることにより、速度指令１０６は速度制御帯域ωｓｃよりも低い周波数成分しか含まないことになるので、モータ１の速度は速度指令１０６に十分な精度で追従することが可能となる。これにより、圧力にオーバーシュートや振動が発生することなく、安定した圧力制御が実現することができるようになる。

以上述べたように、本発明の実施の形態１によれば、圧力指令と圧力検出値１０３との偏差に対して比例ゲインＫａを作用させる演算要素を少なくとも備える伝達特性演算を行って内部速度指令１０７を算出する圧力制御部と、前記モータ１の速度が前記圧力制御部１３が算出した内部速度指令１０７に追従するように電流指令１０５を算出する速度制御部１２と、射出成形機が保圧動作を実行中であるか非実行中であるかを判定する充填／保圧判定部１７と、充填／保圧判定部１７が保圧動作を実行中と判定したときに、圧力検出値１０３とモータ１の動作情報としての位置検出値１０１とを取得して、取得した圧力検出値１０３および位置検出値１０１に基づいて弾性定数Ｋを同定する弾性定数同定部１６と、圧力制御部１３の比例ゲインＫａと弾性定数Ｋとの積が速度制御部１２の速度制御帯域ωｓｃよりも小さい値となるように圧力制御部１３の比例ゲインＫａを算出し、前記算出した比例ゲインＫａを圧力制御部１３に設定する圧力制御制御パラメータ設定部１５と、を備えるように構成したので、保圧動作時の弾性係数と圧力制御ループ内に具備される速度制御ループの速度制御帯域ωｓｃとに基づいて圧力制御の比例ゲインを求めるので、保圧動作時にモータ１の速度を速度指令１０６に十分な精度で追従することができる。すなわち、安定した圧力制御を実行することができる射出成形機の制御装置および制御方法を得ることができる。

実施の形態２．
実施の形態１においては、ステップＳＴ４において、圧力と位置とを記録しておいて、ステップＳＴ７において、保圧動作実行中に成立するモータ１の位置と圧力との間の比例関係から、弾性定数Ｋを同定するようにしたが、モータ１の位置の代わりに、モータ１の速度やモータ１の加速度など、位置以外のモータ情報を用いるようにしてもよい。

実施の形態２の制御装置は、モータ１の位置に替えてモータ１の速度を用いる。なお、実施の形態２の制御装置は、弾性定数同定部を除いて実施の形態１と同様の構成要素を備えている。ここでは、図５に示すように、実施の形態２の制御装置に符号２０００、実施の形態２の弾性定数同定部に符号２１を夫々付して、実施の形態１と区別することとする。

図６は、実施の形態２の射出成形機の制御方法を説明するフローチャートである。図示するようにステップＳＴ２１〜ステップＳＴ２６において、実施の形態１にて説明したステップＳＴ１〜ステップＳＴ６と同じ処理が夫々実行される。

ステップＳＴ２５において、充填／保圧判定部１７は、保圧動作が終了したか否かを判定する。保圧動作が完了している場合（ステップＳＴ２５、Ｙｅｓ）、弾性定数同定部２１は、記録してある圧力Ｐｉおよび位置Ｘｉを用いて、圧力の微分値Ｑｉおよび位置の微分値Ｖｉを夫々算出する（ステップＳＴ２７）。インデックスｉは、サンプリング時間毎にインクリメントされるので、インデックスｉは実質的にｉ＝０とされてからの経過時間に相当する。したがって、弾性定数同定部２１は、例えば、Ｐｉ、Ｐｉ−１、Ｐｉ−２等を用いてＱｉを算出することができる。Ｖｉについても同様である。このとき、弾性定数同定部２１は、記録されている圧力Ｐｉや位置Ｘｉについて差分をサンプリング時間の間隔で除算するような単純な微分を施すのではなく、近似微分を行うようにしてもよい。また、圧力Ｐｉと位置Ｘｉに同一のフィルタ処理を行ってから夫々微分処理するようにしてもよい。

ステップＳ２７の処理の後、弾性定数同定部２１は、モータ１の速度と圧力の微分値との間に成立する比例関係を利用して弾性定数Ｋを同定する（ステップＳＴ２８）。具体的には、例えば、弾性定数同定部２１は、
Ｑ＝（Ｑ１,Ｑ２,…,ＱＮ） （１４）
Ｖ＝（Ｖ１,Ｖ２,…,ＶＮ） （１５）
と定義し、
Ｑ＝Ｋ・Ｖ （１６）
の関係式に式（１４）および式（１５）を代入し、最小二乗法を用いてＫを同定する。

ステップＳＴ２９〜ステップＳＴ３１においては、ステップＳＴ８〜ステップＳＴ１０と夫々同じ処理が実行される。

このように、圧力の代わりに圧力の微分値を用い、位置の代わりに速度を用いるようにしても、弾性定数を同定することができる。

保圧動作の実行中に成立する（１）式の両辺を時間に関して微分することにより、圧力の微分信号qと位置の微分信号である速度ｖとの間には、
ｑ＝Ｋ・ｖ （１７）
が成立する。さらに、上式（１７）の両辺に対して同一のフィルタ処理を行ったとしても、圧力の微分信号ｑと速度ｖに同一のフィルタ処理を行った信号ｑｆ、ｖｆについて、
ｑｆ＝Ｋ・ｖｆ （１８）
が成立する。

保圧動作中に成立する（１）式の両辺をｎ階微分しても、もしくは、両辺をｎ階微分して、さらに、フィルタ処理を行っても、弾性定数Ｋを比例定数とする比例関係は損なわれないので、位置の１階微分である速度と、圧力の１階微分である圧力微分値、もしくは、速度および圧力微分値に同一のフィルタを施したデータのかわりに、位置のｎ階微分値と圧力のｎ階微分値（ただし、ｎ≧１の整数）、あるいは、位置のｎ階微分値と圧力のｎ階微分値に同一フィルタを施したデータを用いてもよい。ここで、フィルタはどのようなフィルタを用いてもよいが、例えば微分作用に伴うノイズを除去するようにローパスフィルタを用いることが好ましい。また、微分処理とフィルタ処理とは順序はこの通りでなくてもよい。

以上述べたように、弾性定数同定部２１は、複数回にわたって取得したモータの位置検出値１０１と圧力検出値１０３とを夫々ｎ（ｎ≧１）階微分して、前記ｎ階微分した複数の位置検出値１０１および複数の圧力検出値１０３を比例関係にフィッティングすることによっても、弾性定数Ｋを同定することができる。

また、弾性定数同定部２１は、複数回にわたって取得したモータの位置検出値１０１と圧力検出値１０３とに対して夫々ｎ（ｎ≧１）階微分と所定のフィルタ処理とを実行し、ｎ階微分およびフィルタ処理を実行した複数の位置検出値１０１および複数の圧力検出値１０３を比例関係にフィッティングすることによっても、弾性定数Ｋを同定することができる。

実施の形態３．
実施の形態１、２では、保圧動作判定部が保圧動作を実行中であると判定してから保圧動作を非実行中であると判定するまでの一回の連続した期間の間を試し動作とし、当該試し動作を実行したときの位置と圧力のデータに基づいて制御パラメータを求め、一旦保圧動作が完了してから（すなわち上記連続した期間が終了してから）圧力制御部に制御パラメータを設定するようにした。これに対し、実施の形態３の制御方法によれば、保圧動作を実行中であると判定されて充填／保圧判定部１７が保圧動作を実行中であると判定している連続した期間内に、弾性定数Ｋを逐次的に同定し、この情報に基づいて、時々刻々、圧力制御の制御パラメータを更新する。

実施の形態３の制御装置の構成は、弾性定数同定部および圧力制御制御パラメータ設定部を除いて実施の形態１と等しい。図７に示すように、実施の形態３の制御装置に符号３０００、実施の形態３の弾性定数同定部に符号３１、実施の形態３の圧力制御制御パラメータ設定部に符号３２を夫々付して、実施の形態１と区別することとする。

図８は、実施の形態３の射出成形機の制御方法を説明するフローチャートである。

まず、制御装置３０００は、圧力指令および外部速度指令の入力を受け付ける（ステップＳＴ４１）。入力される圧力指令および外部速度指令は夫々ゼロ値ではないものとする。

速度指令選択部１４は、圧力指令に基づいて圧力制御部１３によって算出された内部速度指令１０７と、入力された外部速度指令とを比較して、絶対値が小さい指令を速度指令１０６として選択し、制御装置３０００は、選択された速度指令１０６に基づいてモータを駆動する（ステップＳＴ４２）。なお、圧力制御制御パラメータ設定部３２は、圧力制御部１３の初期値として、圧力や速度が発振しない程度に小さい値の比例ゲインを設定しておく。

続いて、充填／保圧判定部１７は、保圧動作を行っているか否かを判定する（ステップＳＴ４３）。ステップＳ４３の判定処理の具体的手法は、実施の形態１のステップＳＴ３と同じものであってよい。保圧動作を実行中ではない場合（ステップＳＴ４３、Ｎｏ）、制御装置３０００は、ステップＳＴ４２の処理を実行する。

保圧動作を実行中である場合（ステップＳＴ４３、Ｙｅｓ）、充填／保圧判定部１７は、保圧動作を実行中である旨の通知を信号１０８に出力して、当該通知を受けた弾性定数同定部３１は、圧力検出値１０３の値および位置検出値１０１の値を同じタイミングで取り込んで、取り込んだ圧力検出値１０３の値および位置検出値１０１の値を夫々記録する（ステップＳＴ４４）。ステップＳＴ４４の処理によって記録される値を、夫々圧力Ｐｉ(ｉ＝１，２，…，Ｎ)、位置Ｘｉ(ｉ＝１，２，…，Ｎ)として表記することとする。なお、ステップＳＴ４４から後述のステップＳＴ５０までの処理はループ処理を構成する。当該ループ処理は、所定のサンプリング時間毎に実行され、インデックスｉは、ステップＳＴ４４が実行される毎に、後述のステップＳＴ５０の処理によってインクリメントされる。このループ処理は、所定のサンプリング時間毎に実行されるので、インデックスｉは実質的にｉ＝０とされてからの経過時間に相当する。以降、インデックスｉをサンプリング時刻ｉと表記することもある。

続いて、弾性定数同定部３１は、記録されている最新の圧力Ｐｉおよび最新の位置Ｘｉを用いて、圧力の微分値Ｑｉおよび位置の微分値Ｖｉを算出する（ステップＳＴ４５）。なお、弾性定数同定部３１は、実施の形態２と同様に、近似微分を行うようにしてもよいし、フィルタ処理を行ってから微分処理をするようにしてもよい。

続いて、弾性定数同定部３１は、圧力の微分値Ｑｉと位置の微分値Ｖｉとに基づいて弾性定数Ｋｉを算出する（ステップＳＴ４６）。なお、ステップＳＴ４６の処理は、ステップＳＴ４４〜ステップＳＴ５０のループ処理が実行される毎に実行されるため、弾性定数Ｋｉは、当該ループ処理が実行される毎に更新されることとなる。

弾性定数同定部３１は、最新の圧力Ｐｉおよび最新の位置Ｘｉから求めた圧力の微分値Ｑｉおよび位置の微分値Ｖｉを、例えば、逐次型最小二乗法を用いて比例関係にフィッティングすることにより弾性定数Ｋｉを求めることができる。具体的には、以下に示すように、弾性定数Ｋｉおよびサンプリング時刻ｉにおける中間変数Ｒｉを更新することができる。

ここで、Ｋｉ−１は、サンプリング時刻ｉ−１における弾性定数の同定値であり、Ｒｉ−１はサンプリング時刻ｉ−１における中間変数である。なお、Ｋｉの初期値Ｋ０を０とし、Ｒｉの初期値Ｒ０を適当に大きい数としておく。

弾性定数同定部３１は、同定した弾性定数Ｋｉを圧力制御制御パラメータ設定部３２に信号１０９として入力する。

続いて、圧力制御制御パラメータ設定部３２は、サンプリング時刻ｉにおける弾性定数Ｋｉと、速度制御帯域ωｓｃと、定数α(α≦１)とを用いて、圧力制御部１３の比例ゲインＫａを算出し（ステップＳＴ４７）、算出した比例ゲインＫａを圧力制御部１３に設定する（ステップＳＴ４８）。なお、比例ゲインＫａは、次の式により求めることができる。
Ｋａ＝α×ωｓｃ／Ｋｉ （２１）
この式（２１）は、実施の形態１において使用された式（８）のＫをＫｉに置き換えたものである。

続いて、充填／保圧判定部１７は、保圧動作が終了したか否かを判定する（ステップＳＴ４９）。ステップＳＴ４９の判定処理の具体的手法は、実施の形態１におけるステップＳＴ５と同じものを採用することができる。

保圧動作が完了していない場合（ステップＳＴ４９、Ｎｏ）、弾性定数同定部３１は、インデックスｉをインクリメントする（ステップＳＴ５０）。そして、弾性定数同定部３１は、ステップＳＴ４４の処理を再度実行する。保圧動作が完了した場合（ステップＳＴ４９、Ｙｅｓ）、実施の形態３の射出成形機の制御方法にかかる動作が終了となる。以降の成形動作においては、圧力制御部１３は、ｉ＝Ｎ回目のループ処理において設定された比例ゲインを用いるようにしてもよいし、ステップＳＴ４１の処理から実行するようにしてもよい。

なお、以上の説明においては、位置の１階微分である速度と圧力の１階微分である圧力微分値を用いて、圧力と位置の間に成立する弾性定数を同定したが、実施の形態１と同様に、位置と圧力とを用いて弾性定数を同定するようにしてもよい。また、実施の形態２と同様に、位置のｎ階微分と圧力のｎ階微分、あるいは、位置のｎ階微分と圧力のｎ階微分とに同一のフィルタを施したデータを用いて、弾性定数を同定するようにしても良い。

以上述べたように、本発明の実施の形態３によれば、弾性定数同定部３１は、充填／保圧判定部１７が保圧動作を実行中であると判定している連続した期間内にサンプリング時間毎にモータ１の位置検出値１０１と圧力検出値１０３とを取得して、位置検出値１０１と圧力検出値１０３とを取得する毎に前記取得した最新の位置検出値１０１と圧力検出値１０３とを用いて弾性定数Ｋｉを逐次同定し、圧力制御制御パラメータ設定部３２は、弾性定数同定部３１が逐次同定した弾性定数Ｋｉを用いて比例ゲインＫａを逐次算出し、算出した比例ゲインＫａを逐次圧力制御部１３に上書き設定する、ように構成したので、試し動作を行うことなく圧力制御の比例ゲインＫａを設定することできる。

１ モータ
２ エンコーダ
３ カップリング
４ ボールネジ
５ スクリュー
６ ロードセル
７ バレル
８ 金型
９ 樹脂
１１ 電流制御部
１２ 速度制御部
１３ 圧力制御部
１４ 速度指令選択部
１５、３２ 圧力制御制御パラメータ設定部
１６、２１、３１ 弾性定数同定部
１７ 充填／保圧判定部
１８、１９ 減算器
１０１ 位置検出値
１０２ 速度検出値
１０３ 圧力検出値
１０４ 電流
１０５ 電流指令
１０６ 速度指令
１０７ 内部速度指令
１０８、１０９、１１０、２０１ 信号
２０２、２０３、２０４、２０５ 要素
１０００、２０００、３０００ 制御装置

Claims (12)

1. モータを駆動してスクリューをバレル内で前進させることで前記バレルに満たされた溶融樹脂を金型のキャビティ内に射出する射出成形機に具備され、前記モータの動作情報と前記溶融樹脂の圧力検出値とに基づいて前記モータを駆動する電流指令を生成する射出成形機の制御装置であって、
   所定の圧力指令と前記圧力検出値との偏差に対して少なくとも比例ゲインを作用させる演算要素を備える伝達特性演算を行って速度指令を算出する圧力制御部と、
   前記モータの速度が前記圧力制御部が算出した速度指令に追従するように前記電流指令を算出する速度制御部と、
   前記射出成形機が保圧動作を実行中であるか非実行中であるかを判定する保圧動作判定部と、
   前記保圧動作判定部が保圧動作を実行中と判定したときに、前記圧力検出値と前記モータの動作情報とを取得して、前記取得した圧力検出値および前記モータの動作情報に基づいて前記モータの位置の変位に対する前記圧力検出値の変化の割合である弾性定数を同定する弾性定数同定部と、
   前記圧力制御部の比例ゲインと前記弾性定数同定部が同定した弾性定数との積が前記速度制御部の速度制御帯域よりも小さい値となるように前記圧力制御部の比例ゲインを算出し、前記算出した比例ゲインを前記圧力制御部に設定する制御パラメータ設定部と、
   を備えることを特徴とする射出成形機の制御装置。
2. 前記モータの動作情報は、前記モータの位置検出値であって、
   前記弾性定数同定部は、前記モータの位置検出値と前記圧力検出値とを同一タイミングで取得することを複数回にわたって実行して、前記複数回にわたって取得したモータの位置検出値と前記圧力検出値とを用いて前記弾性定数を同定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の射出成形機の制御装置。
3. 前記弾性定数同定部は、前記保圧動作判定部が保圧動作を実行中であると判定している連続した期間内に前記モータの位置検出値と前記圧力検出値とを複数回にわたって取得して、前記連続した期間が終了した後に、前記連続した期間内に取得した複数回分の位置検出値と圧力検出値とを用いて前記弾性定数を同定し、
   前記制御パラメータ設定部は、前記弾性定数に基づいて算出した比例ゲインを、前記期間の経過後に前記圧力制御部に設定する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の射出成形機の制御装置。
4. 前記弾性定数同定部は、前記保圧動作判定部が保圧動作を実行中であると判定している連続した期間内に所定の時間間隔で前記モータの位置検出値と前記圧力検出値とを取得して、前記位置検出値と前記圧力検出値とを取得する毎に前記弾性定数を逐次同定し、
   前記制御パラメータ設定部は、前記弾性定数同定部が逐次同定した弾性定数を用いて比例ゲインを逐次算出し、前記算出した比例ゲインを逐次前記圧力制御部に上書き設定する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の射出成形機の制御装置。
5. 前記弾性定数同定部は、前記複数回にわたって取得したモータの位置検出値と圧力検出値とを夫々ｎ（ｎ≧１）階微分して、前記ｎ階微分した複数の位置検出値および複数の圧力検出値を比例関係にフィッティングすることによって前記弾性定数を同定する、
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の射出成形機の制御装置。
6. 前記弾性定数同定部は、前記複数回にわたって取得したモータの位置検出値と圧力検出値とに対して夫々ｎ（ｎ≧１）階微分と所定のフィルタ処理とを実行し、前記ｎ階微分および前記フィルタ処理を実行した複数の位置検出値および複数の圧力検出値を比例関係にフィッティングすることによって前記弾性定数を同定する、
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の射出成形機の制御装置。
7. 前記弾性定数同定部は、前記取得したモータの最新の位置検出値と最新の圧力検出値とを夫々ｎ（ｎ≧１）階微分して、前記ｎ階微分した位置検出値および圧力検出値を逐次型最小二乗法を用いて比例関係にフィッティングすることによって前記弾性定数を同定する、
   ことを特徴とする請求項２または請求項４に記載の射出成形機の制御装置。
8. 前記弾性定数同定部は、前記取得したモータの最新の位置検出値と最新の圧力検出値とに対して夫々ｎ（ｎ≧１）階微分と所定のフィルタ処理とを実行し、前記ｎ階微分および前記フィルタ処理を実行した位置検出値および圧力検出値を逐次型最小二乗法を用いて比例関係にフィッティングすることによって前記弾性定数を同定する、
   ことを特徴とする請求項２または請求項４に記載の射出成形機の制御装置。
9. 前記保圧動作判定部は、前記モータの位置が所定位置に到達したか否かに基づいて前記射出成形機が保圧動作を実行中であるか非実行中であるかを判定する、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちに何れか一項に記載の射出成形機の制御装置。
10. 前記保圧動作判定部は、前記圧力検出値が所定圧力に到達したか否かに基づいて前記射出成形機が保圧動作を実行中であるか非実行中であるかを判定する、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちに何れか一項に記載の射出成形機の制御装置。
11. 前記速度制御部は、前記モータの速度と前記圧力制御部が算出した速度指令との偏差に対して少なくとも比例ゲインを作用させる演算要素を備える伝達特性演算を実行し、
    前記速度制御帯域は、前記速度制御部の比例ゲインを前記モータのイナーシャと前記モータの可動に伴って動作する機械のイナーシャとを合計した値で除した値である、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちに何れか一項に記載の射出成形機の制御装置。
12. モータを駆動してスクリューをバレル内で前進させることで前記バレルに満たされた溶融樹脂を金型のキャビティ内に射出する射出成形機に具備される制御装置が、所定の圧力指令と前記溶融樹脂の圧力検出値との偏差に対して少なくとも比例ゲインを作用させる演算要素を備える伝達特性演算を行って速度指令を算出し、前記モータの速度が前記算出した速度指令に追従するように前記モータを駆動する電流指令を算出する、前記射出成形機の制御方法であって、
    前記射出成形機が保圧動作を実行中であるか非実行中であるかを判定する保圧動作判定ステップと、
    前記射出成形機が保圧動作を実行中と判定したときに、前記圧力検出値と前記モータの動作情報とを取得して、前記取得した圧力検出値および前記モータの動作情報に基づいて前記モータの位置の変位に対する前記圧力検出値の変化の割合である弾性定数を同定する弾性定数同定ステップと、
    比例ゲインと前記弾性定数同定部が同定した弾性定数との積が前記速度制御部の速度制御帯域よりも小さい値となるように比例ゲインを算出し、前記算出した比例ゲインを前記速度指令を算出するための比例ゲインに設定する制御パラメータ設定ステップと、
    を備えることを特徴とする射出成形機の制御方法。

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