JP4929026B2 - 射出成形機の圧力制御装置及び圧力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、サーボモータにより駆動される射出成形機における射出圧力を制御する射出成形機の圧力制御装置及び圧力制御方法に関する。

特許文献１には、射出圧力のフィードバック制御部と、射出速度のフィードバック制御部と、２慣性系モデルに基づいて射出圧力を推定するオブザーバ演算部と、射出速度を検出するエンコーダとを備えた電動射出成形機の圧力制御装置が開示されている。この圧力制御装置における制御方法は、射出圧力のフィードバック制御部で、射出圧力指令値とオブザーバにより推定された圧力推定値とから得られる動作信号を制御器で調節して射出速度指令値を出力し、この射出速度指令値と射出速度の検出値とから得られる動作信号を制御器で調節してサーボモータのトルクを演算して、射出軸の圧力を射出圧力指令値と一致させるようにフィードバック制御するものである。
特開２００６−１４２６５９号公報

特許文献１に開示された従来技術では、射出成形機の駆動機構を２慣性系モデルに基づいて導出されたオブザーバを用いることが特徴であるが、精度の高い圧力推定値を得るには、正確な物理定数及び駆動機構の正確な物理モデルが要求される。

しかしながら、オブザーバの演算に必要な正確な物理定数を実際の機械において正確に把握することは困難である。また、実際の駆動機構では、純粋な２慣性系として表されない要素も存在し、オブザーバによる圧力の推定値を圧力検出値として利用することが困難な場合がある。つまり、正確な物理定数及び駆動機構の正確な物理モデルが得られなければ精度の高い圧力推定値を得ることは困難である。

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、正確な物理定数の把握を必要とせず、さらに物理モデルとして表現が困難な要素についても容易に考慮することができ、精度の高い圧力推定値を得ることが可能な圧力推定器を備えた射出成形機の圧力制御装置及び圧力制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明によれば、サーボモータの駆動力により、可動部材を前進させてシリンダ内の溶融材料を射出する際に発生する射出圧力を制御する射出成形機の圧力制御装置において、
前記サーボモータのトルクと、射出圧力によって前記可動部材が受ける反力とを入力とし、前記サーボモータの回転速度を出力とする伝達関数の逆モデルに基づいて、前記サーボモータのトルクと、前記サーボモータの回転速度とから射出圧力を算出する圧力推定器を備え、
該圧力推定器は、入出力間の時間遅れを表すむだ時間要素、およびノイズ除去のための低域通過フィルタを備え、
与えられた射出圧力指令値と、前記圧力推定器によって得られた圧力推定値との偏差に基づいて射出圧力をフィードバック制御することを特徴とする。

本発明の射出成形機の圧力制御装置は、入出力との関係を近似表現する伝達関数の逆モデルに基づき射出圧力を算出する。このため、実際の射出装置の正確な物理定数の把握を必要とせず、さらに実際の射出装置における物理モデルとして表現が困難な要素についても容易に考慮することができ、精度の高い圧力推定値を得ることが可能となる。

なお、サーボモータのトルクとしては、サーボモータに供給される電流の検出値、トルク指令値、電流指令値等を用いることが可能である。

また、本発明の射出成形機の圧力制御装置の伝達関数は、２慣性系の物理モデルに基づくものであってもよい。

本発明の射出圧力制御方法は、サーボモータの駆動力により、可動部材を前進させてシリンダ内の溶融材料を射出する際に発生する射出圧力を制御する射出成形機の圧力制御方法において、
前記サーボモータのトルクと、射出圧力によって前記可動部材が受ける反力とを入力とし、前記サーボモータの回転速度を出力とする伝達関数の逆モデルに基づいて、前記サーボモータのトルクと、前記サーボモータの回転速度とから圧力推定値を算出し、該圧力推定値の算出に際して、
入出力間の時間遅れを調整するむだ時間演算を行うとともに、ノイズ除去のための低域通過信号処理を行い、
与えられた射出圧力指令値と、前記圧力推定値との偏差に基づいて射出圧力を制御することを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、実機特性に対応した伝達関数モデルに基づいて、圧力推定器を構成することができるので、実際の装置において、物理モデルとしての数式化が困難な要素に対しても、適切な伝達関数を構成でき、この推定値を用いることで、より正確な圧力制御性能を得られるという効果が得られる。

図１に本実施形態の射出成形機の制御システムの概略構成図を示す。

本実施形態の射出装置は、パルスジェネレータ９を備えたサーボモータ６と、サーボモータ６に直結された駆動プーリ８とを有する。また、本実施形態の射出装置の従動系は、シリンダ１と、シリンダ１内に回転および前後進可能に挿入されたスクリュ２と、スクリュ２の先端部とは反対側のスクリュ２の一端に、射出時のスクリュ２の反力による歪みを射出圧力として測定する圧力センサ３と、スクリュ２を軸方向に移動させるボールネジ４と、ボールネジ４のネジ部４ａに結合された従動プーリ７と駆動プーリ８とを繋ぐタイミングベルト５と、ボールネジ４のナット部４ｂが取り付けられたスライドプレート１０とを有する。

なお、本実施形態では、樹脂の混練、計量と射出をスクリュの回転及び前後進によって行うインラインスクリュ方式を例として示しているため、可動部材をスクリュとして表している。もっとも、樹脂の混練、計量と射出を別々の機構で行うプリプランジャ方式の場合には可動部材は射出プランジャとなる。この場合にも本発明はスクリュをプランジャに置き換えるだけで同様の適用が可能である。

本実施形態の制御システムの制御部は、指令発生コントローラ２１と、圧力制御器２２と、速度制御器２３と、電流制御器２４と、圧力推定器２５と、速度信号処理器２６と、電圧形インバータ２７とを有する。

まず、本実施形態の制御システムの制御部の動作の概略を説明する。

指令発生コントローラ２１にて設定された射出圧力指令値と、圧力推定器２５によって推定された射出圧力との差が演算されて圧力制御器２２に入力され、フィードバック制御がなされる。なお、圧力推定器２５による射出圧力の推定方法は後述する。圧力制御器２２は、射出速度指令、すなわち、サーボモータ６の速度指令を出力する。速度制御器２３には、圧力制御器２２からの射出速度指令と、パルスジェネレータ９で検出され、速度信号処理器２６で処理された速度検出値との差（速度偏差）が入力される。速度制御器２３は、速度偏差に基づいて、比例・積分または微分等の演算を行い、サーボモータ６の電流指令、すなわちサーボモータ６へのトルク指令を発生する。

速度制御器２３からの電流指令と、サーボモータ６の動力線２９に取り付けられた電流センサ２８からの電流検出値とが電流制御器２４に入力される。電流制御器２４は、電流指令と電流検出値とが一致するように電圧形インバータ２７に対して電圧指令を出力する。電圧形インバータ２７はサーボモータ６に電圧を供給し、サーボモータ６を駆動する。

次に、本実施形態の射出装置の射出動作の概略を説明する。

上述のようにして電圧形インバータ２７から電圧供給されて発生したサーボモータ６の回転駆動力は、サーボモータ６に直結された駆動プーリ８からタイミングベルト５を介して従動プーリ７へと伝達される。従動プーリ７にはボールネジ４のネジ部４ａが結合されているので、ボールネジ４が回転駆動される。ボールネジ４の回転運動はナット部４ｂによって直線運動に変換される。ナット部４ｂに発生した直線方向の推力はスライドプレート１０に作用する。スライドプレート１０の直線運動は圧力センサ３を介してスクリュ２を射出方向に直線的に移動させる。スクリュ２の射出方向への直線運動によりシリンダ１の先端から溶融樹脂が射出される。

次に、本実施形態の特徴部分である圧力推定器２５について説明する。

圧力推定器２５は、パルスジェネレータ９で検出され、速度信号処理器２６で処理された速度検出値と、電流センサ２８で検出された電流検出値すなわちモータトルクとが入力値として入力される。そして、圧力推定器２５は、以下に説明する、本実施形態の射出装置の入力と出力との関係を近似表現する伝達関数に基づいて導出された逆モデルにより射出圧力の推定値を演算し出力する。

なお、本実施形態では、圧力推定器２５は、軸ねじれ振動系のモデルである２慣性系の物理モデルに基づいた伝達関数を基準とした構成例のものを一例として示すが、伝達関数はこれに限定されるものではない。

２慣性系の物理モデルは、図２のブロック図のように表され、その状態方程式は式（１）となる。

ここで、Ｊ₁₀は駆動側の慣性モーメント、Ｊ₂₀は従動側慣性モーメント、ｋ₁₀は駆動側粘性係数、ｋ₂₀は従動側粘性係数、Ｋ₁は結合のばね定数、τはサーボモータ６の駆動トルク、Ｆ_Lは射出圧力に相当する、サーボモータ６が受ける反力、ｘ₁は駆動軸側の角速度、ｘ₂は従動軸側の角速度、ｘ₃は軸ねじれ角度である。

これより、ｘ₁およびτからＦ_Lへの伝達関数は、式（１）の逆モデルとして、次式で表される。

Ｆ_L＝（ａ₂ｓ²＋ａ₁ｓ＋１）τ−（ｂ₃ｓ³＋ｂ₂ｓ²＋ｂ₁ｓ＋ｂ₀）ｘ₁ （２）
ここで、各係数は以下の通りである。

式（２）に対して、サーボモータのトルクτから反力ＦＬの発生までのむだ時間Ｌ₁、および駆動側角速度すなわちモータの角速度ｘ₁から反力Ｆ_L発生までのむだ時間Ｌ₂を考慮し、検出ノイズに対する時定数Ｔ₁の低域通過フィルタを導入し、さらに反力をシリンダの単位面積あたりの射出圧力Ｐに換算するための係数βを導入すると次式の推定式が得られる。

ただし、β＝４×Ｆ_L ／ （πＤ²）、Ｄは射出シリンダの内径、は射出圧力の推定値である。

推定式（３）の係数については、物理定数から導出することも可能であるが、物理定数からの導出が困難な場合には、実際の射出装置の測定データを用いてパラメータを同定することによって得ても良い。

低域通過フィルタについては、本実施形態では一次フィルタで構成しているが、さらに効果の高いノイズ除去特性が必要な場合には、２次以上の高次フィルタを用いても良い。

また、むだ時間Ｌ₁、およびＬ₂については装置特性や駆動系の遅れ要素を考慮して、適当な大きさを選択する。

また、本実施形態では、２慣性系のモデルをベースに推定式を導出したが、本発明においては、制御対象の定義は２慣性系に限定する必要はなく、また物理モデルに対応した推定式にする必要もない。

つまり、本実施形態の圧力推定器２５は、サーボモータ６のトルクと、射出圧力によって可動部材が受ける反力とを入力とし、サーボモータ６の回転速度を出力とする伝達関数を定義し、定義された伝達関数に対する逆モデルに基づいて、サーボモータ６のトルクと、サーボモータ６の回転速度とから射出圧力を算出する圧力推定器２５を構成し、射出圧力を演算するようにすれば良い。

以上、本実施形態によれば、実機特性に対応した伝達関数に基づく逆モデルを用い、さらにむだ時間要素および低域通過フィルタを備えた圧力推定器２５を構成している。逆モデルの係数、むだ時間およびフィルタ時定数は実機特性に合わせて自由に調整することが可能であるため、実際の射出装置の正確な物理定数の把握を必要とせず、さらに実際の射出装置において物理モデルとして表現が困難な要素についても、伝達関数モデルを容易に修正することができ、精度の高い圧力推定値を得ることが可能となる。

さらに、本実施形態の場合、圧力センサ３を備えているため、圧力センサ３による圧力検出値と、圧力推定器２５で得られた圧力推定値とを比較し、これらの偏差を監視することによって、圧力センサ３の故障をリアルタイムに検出することも可能である。

本発明の射出成形機の制御システムの一例の概略構成図である。 ２慣性系の物理モデルの一例のブロック図である。

符号の説明

１ シリンダ
２ スクリュ（可動部材）
３ 圧力センサ
４ ボールネジ
４ａ ネジ部
４ｂ ナット部
５ タイミングベルト
６ サーボモータ
７ 従動プーリ
８ 駆動プーリ
９ パルスジェネレータ
１０ スライドプレート
２１ 指令発生コントローラ
２２ 圧力制御器
２３ 速度制御器
２４ 電流制御器
２５ 圧力推定器
２６ 速度信号処理器
２７ 電圧形インバータ
２８ 電流センサ
２９ 動力線

Claims (3)

1. サーボモータの駆動力により、可動部材を前進させてシリンダ内の溶融材料を射出する際に発生する射出圧力を制御する射出成形機の圧力制御装置において、
   前記サーボモータのトルクと、射出圧力によって前記可動部材が受ける反力とを入力とし、前記サーボモータの回転速度を出力とする伝達関数の逆モデルに基づいて、前記サーボモータのトルクと、前記サーボモータの回転速度とから射出圧力を算出する圧力推定器を備え、
   該圧力推定器は、入出力間の時間遅れを表すむだ時間要素、およびノイズ除去のための低域通過フィルタを備え、
   与えられた射出圧力指令値と、前記圧力推定器によって得られた圧力推定値との偏差に基づいて射出圧力をフィードバック制御することを特徴とする射出成形機の圧力制御装置。
2. 前記伝達関数は、２慣性系の物理モデルに基づくものである、請求項１に記載の射出成形機の圧力制御装置。
3. サーボモータの駆動力により、可動部材を前進させてシリンダ内の溶融材料を射出する際に発生する射出圧力を制御する射出成形機の圧力制御方法において、
   前記サーボモータのトルクと、射出圧力によって前記可動部材が受ける反力とを入力とし、前記サーボモータの回転速度を出力とする伝達関数の逆モデルに基づいて、前記サーボモータのトルクと、前記サーボモータの回転速度とから圧力推定値を算出し、該圧力推定値の算出に際して、
   入出力間の時間遅れを調整するむだ時間演算を行うとともに、ノイズ除去のための低域通過信号処理を行い、
   与えられた射出圧力指令値と、前記圧力推定値との偏差に基づいて射出圧力を制御することを特徴とする射出成形機の圧力制御方法。

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