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特集論

文高速・高応答ベルトレス電動射出成形機
High Speed and High Response Belt-less Electric
Injection Molding Machine
水野貴司

黒丸

松村憲

明

大沼廣志前川明寛均

家電や自動車を始め幅広い分野で用いられているプラスチック射出成形品の薄肉・軽量化ニーズにこたえるべく，高速・高応答射出を実現する中型電動射出成形機 ME Ⅱシリーズ（型締力 350 〜 450 t）を製品化した．本機は射出軸ボールねじを減速機構無しにモータ軸と直結するダイレクト駆動方式を採用し，当社従来機の 1.5 倍の最大射出速度と３倍の速度立ち上がり応答性能を有する．本機には当社独自のエレクトロニクス技術を駆使して開発した小型高トルク低慣性のサーボモータ，同期ベルトレスでの２軸ボールねじ同期制御を搭載している．また良品成形条件を迅速に得るためのユーザ支援システムも併せて開発した．

1．はじめ

スクリューシリンダに① 射出軸サーボモータ② 射出軸ボールねじ

近年，生産・販売の国際化に伴う価格競争と長引く景気低迷の中にあって，自動車部品，家電製品，OA 機器等のプラスチック成形加工業を取り巻く事業環境は厳しい．国内では高生産性と精密安定成形ニーズが高い中，特に省エネ，クリーンを目玉にした射出成形機の電動化が急で，小型市場では約 90 ％が電動化されており，その波は中･大型にも及び始めめた．一方，プラスチック成形品は，コストダウンにつながる生産性向上と成形品の軽量化がますます求められてゆくと推測される．特にノートパソコン等の OA 機器分野では，成形品の軽量化ニーズが高く，プラスチック材料の曲げ強度改

図１ MEⅡシリーズの射出装置構造

善によりノートパソコンボディ等の薄肉化が実現可能となっールねじの配置を示す．

射出軸サーボモータとボている．そのほか，自動車部品や大型家電等の分野においても薄物製品の精密安定成形に対するニーズは非常に高い．
当社の高速・高応答電動射出成形機 MEⅡシリーズ は，モータの高トルク化が必要であるため，減速機構を介さず① 射出軸サーボモータの出力シャフトと ② 射出軸ボールね省エネ・ハイサイクルを実現しつつ，薄物成形品によるコスじを直結する構造を採用して大幅にイナーシャを低減させ，ト低減を図るべく開発したものである．また，多品種・小ロかつ，射出専用の高トルクサーボモータを開発，搭載していット生産によって多発する型替えの効率化や，スキルを持っる．また，スクリューの前後進には２本のボールねじを用いたベテランの技術伝承をねらい，迅速に良品成形条件を得るており，機械的な同期ベルト無しに２軸を同期駆動させるたことを目的としたユーザ支援システムを開発した．

めの新たな同期制御方式を採用している．

2．高速・高応答射出型電動射出成形機
電動射出成形機における従来の射出装置は，汎用の AC サーボモータにて，プーリとベルトを用いた減速機構を介して射出専用サーボモータと高速演算処理機能を有する制御装置を組み合わせることで，多段速度制御，圧力制御等の射出プロセス制御の応答性改善にも大きく寄与することができた．

ボールねじを回転させることにより，プラスチック樹脂を可MEⅡシリーズの主要性能諸元を表１に示す．薄肉・軽量

塑化するスクリューを前後進させ射出動作を行う．射出装置化ニーズに対応するため，高速・高応答射出による当社従来の射出速度・立ち上がり応答性は，駆動系の総イナーシャと比 1.5 倍の高射出率仕様 U タイプをラインナップしている．

サーボモータのトルク−回転数出力特性で決まる．
図１に MEⅡシリーズの射出装置の構造を示す．高速・高応答射出を実現するためには，総イナーシャ低減とサーボ3．射出軸ダイレクト駆動用サーボモータ
電動射出成形機の高速・高応答射出性能を実現するための三菱重工技報 Vol.40 No.5（2003_9）

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表１

MEⅡシリーズ主要性能諸元
450 MEII

350 MEII型

射35式

70増圧

標準増圧

標準増圧

標準増圧

標準増圧

スクリュ径（mm）

6257.1570626257.15

70

6280

70

理論射出容量(cm3)935795

1 345

1 055

935795

1 345

1 055

2 010

1 540

最大射出圧力(MPa)

177

206

177206177206

177

206

177

206

455

385

480

375

455

385

480

375

630

480

605

515

615

485

605

515

615

485

805

615

905

770

960

755

905

770

960

755

−−

230

180

250

180

230

180

250

180

320230出H(cm3/s)U
可塑化能力（PS）(kg/h)

スクリュ回転速度

(rpm)

型締力

(kN)

3 430

4 410

タイバー間隔（H×V）(mm)

752×752810×810型締ストローク・最大(mm)

650

800

デーライト・最大(mm)

1 320

1 550

金型厚さ(mm)

ヒータ容量

(kW)

15.5

20.5

15.5

20.5

26.6

機械寸法（L×W×H）(m)

7.0×1.9×2.1

7.4×1.9×2.1

7.6×2.0×2.2

8.0×2.0×2.28.3×2.0×2.2

機械質量(t)

17.2

18.2

21.9

22.9

24.5

冷却ファン

固定子鉄芯

210

270

210

270

200

350〜750300〜670

スプラインシャフト

端子箱

335

その他

50

標準

射出率

締35(単位)S型

50473

図２ サーボモータ外観図３

サーボモータ外形

335

サーボモータの外形と基本構成を示す．

本サーボモータの開発課題は，減速機構を介する従来方式に状及び磁極構造の最適化により，トルク出力特性の改善と力用いられている汎用サーボモータに比べ，高トルク化，低慣率改善（駆動電流の低減）及び低慣性化を図った．冷却構造性化すること，また，射出成形機の機械構造に合わせて外形面では，冷却用通風孔を固定子鉄芯内に設け，巻線を熱伝導寸法を小型化することである．これら課題を解決するため，性の良い材料でモールドすることにより，冷却性能の向上と射出成形機の使用条件（運転条件，環境条件等）を基に，モ小型化を図った．また，モータ駆動用のサーボアンプに安価ータの電磁気・発熱冷却・構造強度など多面的な解析評価にな汎用品を２並列で適用できる巻線仕様にしている．

よる設計と検証を行った．
高トルク出力を得るためには，駆動電流，巻線ターン数の開発したサーボモータの外観を図２に，外形と構成を図３に，出力特性を図４に示す．同等体格の汎用サーボモータに増加や回転子磁石の高磁束密度化などが必要であるが，巻線比べ最高回転数は低いが最大トルクが高い出力特性である．

電流密度や鉄芯磁束密度の増加はジュール損や渦電流損など

また，図に示すモータ以外に，射出容量や射出速度の異なるの増加につながるため，射出成形機の使用条件を基に冷却性成形機用に，鉄芯断面形状は同一で固定子鉄心部の軸長と巻能評価と併せた低慣性小型化設計が必要となる．

線仕様の異なるシリーズ機種も開発した．

本サーボモータは回転子磁極を多極化（16 極）することにより１極当たりの磁気回路の磁束を低減して固定子鉄芯を4．射出２軸同期制御小型化し，また，集中巻線方式により巻線端部の小型化と損従来，当社の射出軸制御では，図５に示すように，個別の失低減を図っている．さらに，トルク発生効率を向上させるモータで駆動される２本のボールねじ軸間に，機械的な同期ため，回転子磁石磁束に加えて回転子鉄芯部磁束を利用できベルトを設け，成形運転時に発生する２軸間の位置ずれを抑る埋込み磁石（IPM）方式を採用し，固定子・回転子鉄芯形制しており，制御系は２軸間の速度（射出時）及び圧力（保三菱重工技報 Vol.40 No.5（2003_9）

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圧力センサ
減速機構

1 200
ボールねじ１トルク（Nm）

1 000

同期ベルト

パルスコーダ

モータ１

アンプ１800600

スクリュー比較器
速度 PI400

位置制御

位置指令

上位制御
装置

サーボコントローラ

200モータ２金型

0トルク制限指令

200400600

800

1 000

図４ サーボモータ出力特性

パルスコーダ

ボールねじ２回転数（rpm）

トルク−回転数特図５性を示す．

アンプ 2

従来の射出制御概要ブロック図

圧力 F/B

２軸間の位置ずれは同期ベルトで抑制する．

パルスコーダ

圧力センサ
ボールねじ１

アンプ１モータ１

サーボコントローラ

速度 PI

スクリュー
位置偏差

速度
指令同期制御

上位制御
装置

速度 PI
金型
モータ２

パルスコーダ アンプ 2

ボールねじ２

図６ 開発した射出制御概要ブロック図

圧力 F/B

同期ベルト無しに２軸間の位置ずれを制御系で補正する．

圧時）の追従性のみを制御していた．開発した２軸同期制御

実機検証を実施し，シミュレーション結果と同様，良好な位は，図６に示すように機械的な同期ベルトを設けずに２軸間置ずれ抑制制御性能を確認した．の位置ずれ量を，ボールねじ寿命及び機械の安全性を保証し得る値以下に制御，抑制する．
一般的な２軸間の位置ずれ量抑制の制御方式としては，一5．射出成形機ユーザ支援システム
開発した成形条件支援システムのねらいは，IT 技術を適方のモータをマスタ，他方をスレーブとして，２軸間の位置用してユーザに最適な成形条件を迅速に提供することであずれ量に応じてスレーブ側の速度指令値を補正する方式がある．対話式に主要 10 項目の成形不良に対する具体的な良品るが，スレーブ側のモータ負荷が過大になった時など，位置成形条件をガイドする MOLDNAVI と，射出成形機の諸特ずれ補正が遅れ，不具合を生じる場合がある．そこで，マス性を考慮して金型内樹脂の流動解析を行うことで成形不良対タとスレーブの位置ずれを相互に補正し，速度制御時，圧力策に有益な知見を得る MOLDANA の２システムがある．

制御時ともに安定な同期制御を可能とする速度 Low-Select 方MOLDNAVI

は当社成形技術のノウハウを集大成したシ式を考案した．これは，最終目標位置を指令とした位置制御ステムで， 新金型での初期成形条件 ， 安定成形条件の探による速度指令，ユーザ速度設定値による速度指令，圧力制り方 ， 良品成形条件 等のガイドを行う．特に良品成形条御による速度指令の３つの速度指令のうち，制御量が最も小件ガイドにおいては，図７に示すように分かりやすい絵表示

さくなるものを速度指令値として選択する新たな制御方式でで成形不良を解説し，実際に不良の発生した成形条件をベーある．

スに熟練者による経験則あるいは実験計画法を適用し具体的図６に示した射出制御モデルによりシミュレーションを実な良品成形条件提示を行う．また，成形条件のパラメータは施し，ボールねじ軸間に発生する位置ずれ量がボールねじ寿経験則により優先度の高い順に自動設定され，試打ち時のデ命を保証するための許容値以内であることを確認した．そのータに多変量解析を適用し，図８のように良品・不良品判別

うえで本制御方式を搭載したベルトレス電動射出成形機での線をグラフ上に表示してビジュアルに良品・不良品の成形条
三菱重工技報 Vol.40 No.5（2003_9）

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スクリュ位置表示○○．○cm

射出中のスクリュ位置と流動端末プロファイルとの対応が可能

図７ 成形不良現象

良品成形条件ガイドの絵表示例．

図９ 樹脂成形解析結果

型内樹脂の流動端末プロファイルを表示．

高応答の射出軸ベルトレス電動射出成形機 MEⅡシリーズを開発，製品化した．本機開発に当たって独自のエレクトロニ両不良を解消できる
成形条件領域

クス技術を駆使した下記の射出専用サーボモータ，同期制御方式，成形条件支援システムを開発した．
（1）高速・高応答射出を実現する小型高トルク低慣性の射出軸ダイレクト駆動用サーボモータ．
（2）機械的な同期ベルトを設けずに，ボールねじ軸間の位置ずれを相互に補正して安定な制御を可能とする新しい同期面張り不足の良否境界線

バリの良否境界線制御（速度 Low-Select）方式．
（3）IT 技術を適用し，ユーザに最適な成形条件を提供するシステム

MOLDNAVI ， MOLDANA ．

今後も小型機から超大型機に至る当社射出成形機の性能向上を始め，操作性，保守性の向上といった，お客様のニ
図８

統計解析結果

面張り不足，バリに対して良品成形条件の領ーズにマッチした製品開発を行っていく所存である．

域を表示．

水野貴司

黒丸廣志

産業機器事業部
産器技術部
射出成形機設計課主席

技術本部
名古屋研究所主幹

造及び制御特性を考慮しており，実際の成形機スクリューの前川明寛

松村憲明

動きを精度よくシミュレートできる．流動シミュレーション

技術本部
高砂研究所
制御システム研究室
長 工博

技術本部
名古屋研究所制御システム研究室長

件が分かる表示とした．
MOLDANAは，解析精度向上のため，金型部の流動シミュレーションと射出成形機機械系シミュレーションを結合している．機械系シミュレーションは，射出成形機の機械構と結合することで金型への樹脂流動状況を高精度で予測でき金型部における樹脂流動解析を精度良く実施できる．図９に示す解析結果は，スクリュー位置に対応した流動端末のプロファイルを表示している．

6．まとめ

射出成形品の薄肉・軽量化ニーズにこたえるべく，高速・大沼均
技術本部
名古屋研究所
プラスチック機械研
究推進室

三菱重工技報 Vol.40 No.5（2003_9）