(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融材料を射出スクリュの移動により金型キャビティ内に射出して所要の成形品を成形する射出成形機の射出制御方法において、
金型キャビティ内に射出される溶融材料の基準圧力を充填行程開始からの経過時間あるいは射出スクリュの移動距離の関数として設定し、予めキャビティ内樹脂圧力と射出スクリュの駆動圧力との関係を射出速度に応じて同定して射出スクリュの駆動圧力と射出速度とからキャビティ内樹脂圧力を推定するキャビティ内樹脂圧力推定関数を決定しておき、当該キャビティ内樹脂圧力推定関数に、成型品形状情報、樹脂情報、リアルタイムで検出した射出スクリュの駆動圧力および現在射出速度を与えてキャビティ内樹脂圧力の推定値を演算によりリアルタイムで求め、当該推定値を射出速度制御系にフィードバックしてキャビティ内樹脂圧力が指定した基準圧力となるように充填速度を自動的に減速することを特徴とする射出成形機の射出制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の射出成形機の射出制御方法において、
充填速度の修正係数として基準圧力とキャビティ内樹脂圧力推定値との比のｎ乗倍（ｎは溶融材料の非ニュートン流動における粘度特性定数）の係数を用いることを特徴とする射出成形機の射出制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載の射出成形機の射出制御方法において、
キャビティ内樹脂圧力センサを設けられた成形金型による射出成形時に測定したキャビティ内樹脂圧力のデータを使用して学習機能によりキャビティ内樹脂圧力推定関数を修正することを特徴とする射出成形機の射出制御方法。
【請求項４】
溶融材料を射出スクリュの移動により金型キャビティ内に射出して所要の成形品を成形する射出成形機の射出制御装置において、
射出スクリュの駆動圧力を検出する駆動圧力検出手段と、
射出スクリュの移動による射出速度を検出する射出速度検出手段と、
金型キャビティ内に射出される溶融材料の基準圧力を充填行程開始からの経過時間あるいは射出スクリュの移動距離の関数として設定され、射出スクリュの駆動圧力と射出速度とからキャビティ内樹脂圧力を推定するキャビティ内樹脂圧力推定関数を樹脂圧力演算ルーチンに内蔵し、当該キャビティ内樹脂圧力推定関数に、成型品形状情報、樹脂情報、前記駆動圧力検出手段により検出した射出スクリュの駆動圧力および前記射出速度検出手段により検出した射出速度を与えてキャビティ内樹脂圧力の推定値を演算によりリアルタイムで求め、当該推定値を射出速度制御系にフィードバックしてキャビティ内樹脂圧力が指定した基準圧力となるように充填速度を自動的に減速する演算制御装置と、
を有していることを特徴とする射出成形機の射出制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、射出成形機の射出制御方法および射出制御装置に関し、特にキャビティ内樹脂圧力をフィードバック量としてキャビティ内樹脂圧力が設定値に保たれるように射出充填速度を制御する型式の射出成形機の射出制御方法および射出制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は射出成形機および従来の射出制御装置を示している。射出成形機１は、バレル３と、バレル３内に回転可能に且つ前後進可能に設けられた射出スクリュ５と、射出スクリュ５を前後進駆動する射出シリンダ装置７とを有し、射出シリンダ装置７によって射出スクリュ５が前進することにより、バレル３内の溶融材料（溶融樹脂）をノズル９よりゲート１１を通して成形金型のキャビティ１３内に射出充填する。
【０００３】
射出制御装置は、油圧・電気式のものであり、射出シリンダ装置７に対する油圧の給排を制御して射出スクリュ５を前後進およびその移動速度（射出速度）を制御する油圧ユニット２１と、油圧ユニット２１に指令を与えるマイクロコンピュータによる制御装置２３とを有している。
【０００４】
制御装置２３は、スクリュ位置検出器１７より射出スクリュ５の位置情報を、成形金型に組み込まれたキャビティ樹脂圧センサ１９よりキャビティ内樹脂圧力情報を入力し、充填行程中におけるスクリュ位置に応じて予め設定されているキャビティ内樹脂圧力とキャビティ樹脂圧センサ１９より検出された実際のキャビティ内樹脂圧力との偏差を射出速度制御系にフィードバックし、充填速度を減速制御することによりキャビティ内樹脂圧力を設定値に制御する。
【０００５】
上述のように、キャビティ内樹脂圧力をフィードバック量としてキャビティ内樹脂圧力が設定値に保たれるように射出充填速度を制御する射出制御方法においては、充填行程中におけるスクリュ位置に応じて予め設定されたキャビティ内樹脂圧力に対してキャビティ内樹脂圧力の検出値が高い場合には、演算によって充填速度を自動的に下げることが行われる。これによりキャビティ内樹脂圧力の過大な上昇を抑制することができ、金型サイズの縮小・軽量化、成形機の小型化、成形品の品質向上が図られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、キャビティ内樹脂圧力のフィードバックによって充填速度を自動減速制御のためには、キャビティ内樹脂圧力を検出するために、成形金型に樹脂圧力センサを取付ける必要がある。
【０００７】
この制御を行いたい成形金型すべてに樹脂圧力センサを取付けのための加工を行うには費用がかかり、成形品形状や金型形状によっては樹脂圧力センサを成形金型の所望位置に設けることができないことがある。
【０００８】
また、既存の成形金型に一部加工を施して既存の成形金型に樹脂圧力センサを取付けるのは困難なケースが多い。
【０００９】
また成形金型交換の段取作業の点でも、成形金型を機械に着脱の都度、樹脂圧力センサおよびそれのの配線を着脱する必要があり、作業時間が増える。
【００１０】
この発明は、上述の如き問題点に着目してなされたものであり、成形金型に樹脂圧力センサ取付けのための加工を行う手間と費用をかけずに、また成形金型交換の段取作業も複雑にしないで、キャビティ内樹脂圧力のフィードバックによる充填速度の自動減速制御を行い、キャビティ内樹脂圧力の過大な上昇を抑制することができる射出成形機の射出制御方法および射出制御装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１の発明は、溶融材料を射出スクリュの移動により金型キャビティ内に射出して所要の成形品を成形する射出成形機の射出制御方法において、金型キャビティ内に射出される溶融材料の基準圧力を充填行程開始からの経過時間あるいは射出スクリュの移動距離の関数として設定し、予めキャビティ内樹脂圧力と射出スクリュの駆動圧力との関係を射出速度に応じて同定して射出スクリュの駆動圧力と射出速度とからキャビティ内樹脂圧力を推定するキャビティ内樹脂圧力推定関数を決定しておき、当該キャビティ内樹脂圧力推定関数に、成型品形状情報、樹脂情報、リアルタイムで検出した射出スクリュの駆動圧力および現在射出速度を与えてキャビティ内樹脂圧力の推定値を演算によりリアルタイムで求め、当該推定値を射出速度制御系にフィードバックしてキャビティ内樹脂圧力が指定した基準圧力となるように充填速度を自動的に減速するものである。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１に記載の射出成形機の射出制御方法において、充填速度の修正係数として基準圧力とキャビティ内樹脂圧力推定値との比のｎ乗倍（ｎは溶融材料の非ニュートン流動における粘度特性定数）の係数を用いるものである。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１に記載の射出成形機の射出制御方法において、キャビティ内樹脂圧力センサを設けられた成形金型による射出成形時に測定したキャビティ内樹脂圧力のデータを使用して学習機能によりキャビティ内樹脂圧力推定関数を修正するものである。
【００１４】
請求項４の発明は、溶融材料を射出スクリュの移動により金型キャビティ内に射出して所要の成形品を成形する射出成形機の射出制御装置において、射出スクリュの駆動圧力を検出する駆動圧力検出手段と、射出スクリュの移動による射出速度を検出する射出速度検出手段と、金型キャビティ内に射出される溶融材料の基準圧力を充填行程開始からの経過時間あるいは射出スクリュの移動距離の関数として設定され、射出スクリュの駆動圧力と射出速度とからキャビティ内樹脂圧力を推定するキャビティ内樹脂圧力推定関数を樹脂圧力演算ルーチンに内蔵し、当該キャビティ内樹脂圧力推定関数に、成型品形状情報、樹脂情報、前記駆動圧力検出手段により検出した射出スクリュの駆動圧力および前記射出速度検出手段により検出した射出速度を与えてキャビティ内樹脂圧力の推定値を演算によりリアルタイムで求め、当該推定値を射出速度制御系にフィードバックしてキャビティ内樹脂圧力が指定した基準圧力となるように充填速度を自動的に減速する演算制御装置とを有しているものである。
【００１５】
これらにおいて、射出スクリュが油圧式の射出シリンダ装置によって駆動される型式のものでは、射出スクリュの駆動圧力は射出油圧になり、駆動圧力検出手段として圧力・電気変換を行う射出油圧センサが使用される。
【００１６】
射出速度検出手段は、射出スクリュの位置を検出するスクリュ位置センサと、スクリュ位置センサにより検出されるスクリュ位置を変化率（微分値）を演算する演算器により構成でき、演算器は演算制御装置により構成することができる。
【００１７】
この発明による射出成形機の射出制御方法および装置の概要は、キャビティ内樹脂圧力のフィードバックによる充填速度の自動減速制御において、金型キャビティに取付けた樹脂圧センサからの樹脂圧検出値の代わりに、演算制御装置のキャビティ内樹脂圧力演算ルーチンに内蔵されたキャビティ内樹脂圧力推定関数に、成型品形状情報、樹脂情報、リアルタイムで検出した射出スクリュ駆動圧力（射出油圧）および現在射出速度を与えてキャビティ内樹脂圧力の推定値を演算によりリアルタイムで求めて射出速度制御系にフィードバックしてキャビティ内樹脂圧力を指定した基準圧力になるように充填速度の自動減速制御を行い、成形金型に樹脂圧力センサを取付けなくてもキャビティ内樹脂圧力をフィードバックして充填速度の自動減速制御により、キャビティ内樹脂圧力の過大な上昇を抑制するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に説明するこの発明の実施の形態において上述の従来例と同一構成の部分は、上述の従来例に付した符号と同一の符号を付してその説明を省略する。
【００１９】
この発明による射出成形機の射出制御装置は、従来のものと同等の油圧ユニット２１およびスクリュ位置検出器１７と、射出スクリュの駆動圧力検出手段として射出油圧センサ２５と、演算制御装置２７とを有している。
【００２０】
演算制御装置２７は、マイクロコンピュータにより構成され、金型キャビティ１３内に射出される溶融材料の基準圧力を充填行程開始からの経過時間あるいは射出スクリュの移動距離の関数として設定され、射出スクリュの駆動圧力と射出速度とからキャビティ内樹脂圧力を推定するキャビティ内樹脂圧力推定関数を樹脂圧力演算ルーチンに内蔵し、当該キャビティ内樹脂圧力推定関数に、成型品形状情報、樹脂情報、射出油圧センサ２５により検出した射出油圧、スクリュ位置検出器１７により検出されるスクリュ位置の変化率を演算することにより求められた射出速度を与えてキャビティ内樹脂圧力の推定値を演算によりリアルタイムで求め、当該推定値を射出速度制御系にフィードバックしてキャビティ内樹脂圧力が指定した基準圧力となるように充填速度を自動的に減速制御する。
【００２１】
キャビティ内樹脂圧力推定関数は、キャビティ内樹脂圧力と射出スクリュ５の駆動圧力との関係を射出速度に応じて同定することにより決定することができる。
【００２２】
つぎに、キャビティ内樹脂圧力推定関数に、成型品形状情報、樹脂情報、射出油圧、射出速度を与えてキャビティ内樹脂圧力の推定値を演算により求めることができることについて実証する。
【００２３】
（射出油圧とバレル内樹脂圧力の関係）
射出成形機の充填行程における射出シリンダ〜射出スクリュ〜バレル〜成形金型の関係は、簡略化すると、図２のモデルで表すことができる。
【００２４】
一般的に、溶融樹脂の粘度は非常に大きいから、射出スクリュ５に作用する力の釣り合いは、近似的に（１）式で表すことができる。
【００２５】
Ｐｂ  ＝｛Ｐｈ  ・Ａｈ  −Ｍ（ｄｘ２  ／ｄｔ２  ）｝／Ａｂ              …（１）
ここで、Ｐｂ  ：バレル内樹脂圧
Ｐｈ  ：射出油圧
Ａｈ  ：射出シリンダ面積
Ｍ    ：射出スクリュと共に運動する部分の質量
（ｄｘ２  ／ｄｔ２  ）：スクリュの運動の加速度
Ａｂ  ：バレル断面積
（ノズル、スプルー、ランナー、キャビティにおける溶融樹脂の圧力損失）
充填行程では、溶融樹脂は、バレル→ノズル→スプルー→ランナー→ゲート→キャビティの経路で流動する。各部分の流路の断面は円形（長方形、台形等は相当直径の円形に置換）または平行隙間に近似できる。それぞれの部分を非ニュートン流動特性を示す溶融樹脂が通過する時の区間圧力損失は（２）、（３）式で表すことができる。
【００２６】
0003569068.tif 000002
ここで、Ｌ：流路長
Ｒ：流路直径
Ｗ：流路隙間の幅寸法
ｈ：流路隙間の高さ寸法
Ｑ：流量
η：溶融樹脂の粘性係数
図３に円形断面の流れのモデルを、図４に平行隙間の流れのモデルを示す。
【００２７】
（キャビティ内の樹脂圧力観測点の樹脂圧力の推定）
ここでは、キャビティにおける溶融樹脂の圧力損失ΔＰｃ  を樹脂圧力観測点上流側の圧力損失ΔＰｃｕと下流側の圧力損失ΔＰｃｌに分けて考える。
【００２８】
バレルの樹脂圧は、ノズル、スプルー、ランナー、キャビティにおける溶融樹脂の圧力損失の和に等しいので（１）式より、
0003569068.tif 000003
ここで、ΔＰｎ  ：ノズル部の圧力損失
ΔＰｓ  ：スプルー部の圧力損失
ΔＰｔ  ：ランナー部の圧力損失
ΔＰｃｕ：キャビティの樹脂圧力観測点上流側の圧力損失
ΔＰｃｌ：キャビティの樹脂圧力観測点下流側の圧力損失
キャビティ内の樹脂圧力観測点の樹脂圧力Ｐａ  は（５）式で表すことができる。
【００２９】
0003569068.tif 000004
ここで、Ｌｃｌ、Ｌｎ  、Ｌｃｕ、Ｒｎ  、Ｒｓ  、Ｒｒ  、Ｗｃｌ、Ｗｃｕ、ｈｃｌ、ｈｃｕは、ノズル、スプルー、ランナー、キャビティの各部寸法である。
【００３０】
（実機におけるキャビティ内の樹脂圧力観測点の樹脂圧力の求め方）
上述の（５）式の右辺における［Ｌｃｌ／Ｗｃｌ（１／ｎ）  ／ｈｃｌ（ｎ＋２）／ｎ  ］／［｛（ｎ＋３）／（ｎ＋２）／π／２｝（１／ｎ）  ・｛Ｌｎ  ／Ｒｎ（ｎ＋３）／ｎ＋Ｌｓ  ／Ｒｓ  （ｎ＋３）／ｎ  ＋Ｌｒ  ／Ｒｒ  （ｎ＋３）／ｎ  ｝＋｛Ｌｃｕ／Ｗｃｕ（１／ｎ）  ／ｈｃｕ（ｎ＋２）／ｎ  ＋Ｌｃｌ／Ｗｃｌ（１／ｎ）  ／ｈｃｌ（ｎ＋２）／ｎ  ｝］の項は、成形金型の形状寸法Ｌｃｌ、Ｌｎ  、Ｌｃｕ、Ｒｎ  、Ｒｓ  、Ｒｒ  、Ｗｃｌ、Ｗｃｕ、ｈｃｌ、ｈｃｕにより決まり、それらの値を与えることにより計算できる。
【００３１】
上述の（５）式の右辺における｛Ｐｈ  ・Ａｈ  −Ｍ（ｄｘ２  ／ｄｔ２  ）｝／Ａｂ  の項は、バレル内樹脂圧力であり、射出速度が速くなると、油圧作動油や油圧配管の弾性変形の影響が加わり、射出油圧と射出スクリュの運動から求める単純計算では誤差が大きくなることが知られている。
【００３２】
そこで、射出速度に応じて、予め実機の射出成形中の射出油圧とバレル樹脂圧力の関係をデータ収集してキャビティ内樹脂圧力を推定する近似数字モデル（推定関数）を求めておき、成形機に設けられた射出油圧センサからの検出値を与えることで、バレル樹脂圧力を求めることができる。
【００３３】
（射出油圧のフィードバックによる充填速度の自動減速制御）
推定関数に、成型品形状情報、樹脂情報、リアルタイムで検出した射出油圧および現在射出速度を与えて演算により求めたキャビティ圧力の推定値が予め設定した樹脂圧力に対して高い場合、決められた演算によって充填速度を減速する制御を行う。
【００３４】
また、充填速度の修正演算として以下に示す方法が有効である。ここでは、図５に示されているように、射出工程における射出スクリュの行程を微小区間に区切り、区間内においては充填速度は一定と考える。
【００３５】
一般に、溶融樹脂の流動時の粘性特性はいわゆる非ニュートン特性を示し、その剪断応力と剪断速度との関係は（６）式で近似できる。
【００３６】
τｎ  ＝η・（ｄｖ／ｄｙ）                                    …（６）
ここで、τ：溶融樹脂の流動に伴う剪断応力
ｎ，η：樹脂の粘度特性を示す定数
（ｄｖ／ｄｙ）：剪断速度
樹脂の型内流動をＨｅｌｅ−Ｓｈａｗ流れと仮定すると、この粘度特性を持つ溶融樹脂が型内で図６に示すように第ｑ区間を充填が進行する時の流動方向の流動状態は、図７のようになり、流速分布および区間圧力損失は、
0003569068.tif 000005
ここで、
ｖ：位置ｙにおける流速
ｈ：キャビティ厚さ
ｙ：キャビティ厚さ方向の中心からの距離
ΔＰ：区間圧力損失
Ｌ：区間の流動方向距離
ｖｏ  ：最大流速（キャビティ厚さ方向の中心での流速）
ｖａ：平均流速
（８）、（９）式より、
ΔＰ＝｛（ｎ＋２）・η／（ｈ／２）ｎ＋１  ｝１／ｎ  ・Ｌ・ｖａ１／ｎ    …（１０）
すなわち、ある成形品のある区間ｉに着目すると、区間圧力損失ΔＰｉ  はその区間の平均流速ｖａｉ  の（１／ｎ）乗に比例する。
【００３７】
ΔＰｉ  ＝ｋｉ  ・ｖａｉ  １／ｎ                                    …（１１）
型内の第ｐ区間にある基準点Ａにおける第ｑ区間充填時の樹脂圧力Ｐｑ  は第ｐ区間から第ｑ区間までの区間圧力損失を合計したものである。
【００３８】
【数１】
0003569068.tif 000006
また、第ｑ区間充填時の射出速度Ｑｑ  と各区間の平均流速ｖａｉ  は比例すると考えられるので、
ｖａｉ  ＝ｋ２ｉ  ・Ｑｑ                                      …（１３）
従って、
【数２】
0003569068.tif 000007
すなわち、型内の第ｐ区間にある基準点Ａにおける第ｑ区間充填時の樹脂圧力Ｐｑ  は第ｑ区間充填時の射出速度（現在の射出速度）Ｑｑ  の（１／ｎ）乗に比例する。
【００３９】
上述の要領で求めたキャビティ内樹脂圧力Ｐｃｑが基準圧力Ｐｓｑを超えている場合の修正射出速度をＱ′ｑ  とすると、（１５）式から、
0003569068.tif 000008
これにより、射出油圧のフィードバックによる充填速度の自動減速制御において、現在の射出速度を基準圧力と計算圧力との比のｎ乗倍に修正することにより効率的な射出速度の修正を行うことができる。
【００４０】
また、射出油圧とキャビティ内樹脂圧力の推定関数は機械毎の固有差や特性の経年変化により少しづつ異なると考えられる。
【００４１】
このことに対して成形運転において、キャビティ内に樹脂圧力センサを設けた成形金型を使用した時に得られるキャビティ内樹脂圧力測定データを使用して学習機能によりキャビティ内樹脂圧力推定関数を修正して精度を向上させることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、請求項１、４による射出成形機の射出制御方法および装置においては、キャビティ内樹脂圧力を推定することで、成形金型に樹脂圧力センサ取付けのための加工を行う手間と費用をかけずに、また、成形金型交換の段取作業も複雑にすることなく、樹脂圧力のフィードバックによる充填速度の自動減速制御を行うことができ、この制御によりキャビティ内樹脂圧力を目標値以下に抑制し、金型サイズの縮小、軽量化、成形機の小型化、形成品の品質向上ができる。
【００４３】
請求項２による射出成形機の射出制御方法では、充填速度の修正係数として基準圧力とキャビティ内樹脂圧力推定値との比のｎ乗倍（ｎは溶融材料の非ニュートン流動における粘度特性定数）の係数を用いることにより、充填速度の修正を効率よく行うことができる。
【００４４】
請求項３による射出成形機の射出制御方法では、キャビティ内樹脂圧力センサを設けられた成形金型による射出成形時に測定したキャビティ内樹脂圧力のデータを使用して学習機能によりキャビティ内樹脂圧力推定関数を修正することにより、キャビティ内樹脂圧力推定関数を修正して精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による射出成形機の射出制御装置の一つの実施の形態を示すブロック線図である。
【図２】射出シリンダ〜スクリュ〜バレル〜成形金型の簡略化モデルを示すモデル図である。
【図３】円形断面流路における流れを示すモデル図である。
【図４】平行隙間における流れを示すモデル図である。
【図５】ある成形品の射出行程おける射出スクリュの行程と型内の溶融樹脂の充填の進行状況の対応を示す説明図である。
【図６】キャビティ内の第ｑ区間を充填が進行する時の状態を示す説明図である。
【図７】キャビティ内の第ｑ区間を充填が進行する時のキャビティ断面の流動状態を示す説明図である。
【図８】従来の射出成形機の射出制御装置を示す説明図である。
【符号の説明】
１  射出成形機
３  バレル
５  射出スクリュ
７  射出シリンダ装置
９  ノズル
１１  ゲート
１３  キャビティ
１７  スクリュ位置検出器
１９  キャビティ樹脂圧センサ
２１  油圧ユニット
２３  制御装置
２５  射出油圧センサ
２７  演算制御装置
【図１】
0003569068.tif 000009
【図２】
0003569068.tif 000010
【図３】
0003569068.tif 000011
【図４】
0003569068.tif 000012
【図５】
0003569068.tif 000013
【図６】
0003569068.tif 000014
【図７】
0003569068.tif 000015
【図８】
0003569068.tif 000016