JP5925926B1 - 型締装置、成形装置および成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トグルリンク機構がロックアップ動作をする過程でのモータのトルク飽和を抑制しながら、型締めに必要な時間を短縮し、サイクル時間の短縮化を図る。【解決手段】本発明による型締装置は、一方の金型２１が取り付けられる固定盤２０と、固定盤２０と対向するように配置され、他方の金型２３が取り付けられる可動盤２２と、固定盤２０とタイバー３６を介して連結される受圧盤２４と、可動盤２２を前後進させ金型１９の開閉と型締めを行う型開閉機構２８と、型開閉機構２８を駆動させる駆動部４０を有する駆動装置と、駆動部４０を制御する制御装置５０と、を備え、制御装置５０は、型締動作時の駆動部４０の加速時間、減速時間および目標速度を調整可能な加減速調整部を有する。【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、射出成形やダイカスト成形などで用いられる型締装置、成形装置および成形方法に関する。

射出成形機やダイカストマシンなどの成形装置では、従来からトグルリンク式の型締装置が用いられている。トグルリンク式の型締装置では、トグルリンク機構の伸びに伴って、固定盤に取り付けられている固定金型に可動盤に取り付けた可動金型がタッチした時点で型閉じが完了する。その後、トグルリンク機構はさらに伸びることでタイバーを伸ばし、これにより大きな型締力を発生させることができる。型閉じ後、トグルリンク機構が伸びて型締力を発生させるまでの動作は、ロックアップ動作(型締動作)という。
射出成形のように大量の製品を成形する場合、成形サイクルの短縮化が生産効率の向上や生産コストの低減に直結する。トグルリンク式の型締装置においても、従来から、金型の開閉動作の高速化が図られるとともに、型閉じした後、型締力が発生していない状態から所定の型締力が発生するまでのロックアップ動作の時間を短縮するために、種々の改良が行われている(例えば、特許文献１乃至３)。

特許文献１では、トグルリンク機構の腕が伸びきった位置で最大型締力が発生するように、受圧盤の位置を調整した上で、トグルリンクの腕が伸びきる手前の力の拡大率が比較的小さいストローク範囲でクロスヘッドを前進させることで、クロスヘッドの移動量を小さくし、型締めに必要な時間の短縮を図っている。

特許文献２は、油圧シリンダでトグルリンク機構を駆動する型締装置において、油圧シリンダに作動油を供給するポンプモータの回転速度を最大負荷特性に沿って制御することで、型締時間を短縮することを提案している。

特許文献３は、加速時と減速時の時定数を設定して、最適な加速特性および減速特性で可動盤の加減速制御を行い、可動盤の振動や衝撃を抑え、また型開閉や型締めに必要な動作時間を短縮することを提案している。
このように従来から様々なアプローチから型締時間の短縮が図られている。

特開２０１１−０８８３２２号公報 特開２０１０−１０５２９１号公報 特開０９−０７６３１８号公報

しかしながら、電動駆動のトグルリンク機構により金型の開閉および型締めを行う電動式型締装置の場合、ロックアップ動作中のモータトルク制限との関係から、型締めに必要な時間を短縮することができないという問題があった。

すなわち、ロックアップ動作の過程では、モータを加速、減速する必要があるが、従来は、モータの加減速について適正な調整が行われておらず、型締時間を短縮しようとすると、モータにトルク飽和が発生し易い状態になるという問題があった。これを避けようと調整すると、型締めに必要な時間が延びる結果になっていた。

本発明は、前記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものであって、トグルリンク機構がロックアップ動作をする過程でのモータのトルク飽和を抑制しながら、型締めに必要な時間を短縮することが可能であり、サイクル時間の短縮化に資する型締装置、成形装置および成形方法を提供することを目的としている。

前記の目的を達成するために、本発明に係る型締装置は、一方の金型が取り付けられる固定盤と、前記固定盤と対向するように配置され、他方の金型が取り付けられる可動盤と、前記固定盤とタイバーを介して連結される受圧盤と、前記可動盤を前後進させ前記金型の開閉と型締めを行うトグルリンク機構を有する型開閉機構と、前記型開閉機構を駆動させるサーボモータを有する駆動装置と、前記サーボモータを制御し、型締動作時の前記サーボモータの加速時間、減速時間および目標速度を調整可能な加減速調整部を有する制御装置と、を備え、前記加減速調整部は、前記サーボモータの加速トルクと型締力発生トルクの発生タイミングがずれるように、前記加速時間、前記減速時間および前記目標速度を調整可能であることを特徴とするものである。

また、本発明に係る成形装置は、上記に記載の型締装置を備えたことを特徴とするものである。

さらに、本発明に係る成形方法は、上記に記載の成形装置を用いて行う成形方法であって、型開閉機構の型締動作時において、前記サーボモータの加速トルクと型締力発生トルクの発生タイミングがずれるように、前サーボモータの加速時間、減速時間および目標速度を調整し、その調整した前記加速時間、前記減速時間および前記目標速度で型締動作を行い、成形材料を充填して成形品を成形することを特徴とするものである。

本発明の一実施形態による型締装置が適用される射出成形機の概要を示す図である。 本発明の一実施形態による型締装置の概要を示す側面図である。 型締装置におけるロックアップ動作でのサーボモータの速度指令の変化のパターンの例を示す図である。 型締装置におけるロックアップ動作でのサーボモータの速度指令の変化パターンの他の例を示す図である。 型締装置が備える制御部のブロック構成図である。 本発明の一実施形態によるサーボモータの加速時間、減速時間および目標速度の調整の例を示す図である。

以下、本発明による型締装置、成形装置および成形方法の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態による型締装置が適用される射出成形機（成形装置）１の構成の概要を示す図である。図１において、参照番号２は射出成形機１の射出装置の全体を示す。参照番号３は射出成形機１の型締装置（型開閉装置、開閉装置）を示している。

射出装置２のバレル４には、スクリュ５が回転自在でかつ軸方向に移動可能に挿入されている。樹脂（成形材料、材料）は、ホッパ６からバレル４に投入される。バレル４の周囲には樹脂を加熱する図示しない加熱ヒータが配置されている。射出装置２では、図示しない計量用モータによりスクリュ５を回転させ、樹脂の溶融と混練を行いながら、樹脂をバレル４の前方に溜めることで、計量が行われる。バレル４の前方に溜められた樹脂は、図示しない射出用モータ、ボールねじ及びナットによってスクリュ５を前進させることで、ノズル７から金型１９によって形成されたキャビティに充填される。

図２は、実施形態による型締装置３の概要を示す側面図である。
型締装置３のフレーム１１の一端側には、固定ダイプレート（固定盤）２０が固定されている。フレーム１１の他端側には、受圧盤２４が配置されている。固定ダイプレート２０と、受圧盤２４の間には、移動ダイプレート（可動盤）２２がフレーム１１上を移動可能に設置されている。固定ダイプレート２０には固定金型(他方の金型、一方の金型)２１が取り付けられ、移動ダイプレート２２には移動金型(一方の金型、他方の金型)２３が取り付けられている。金型１９は、固定金型２１と移動金型２３とを有しており、金型１９によって、つまり固定金型２１と移動金型２３とを合わせることによって成形品のキャビティが形成されている。

固定ダイプレート２０と受圧盤２４とは、複数の（例えば、４本の）タイバー３６を介して連結されている。タイバー３６は、例えば、型閉じをする型閉動作の後の金型を締め上げる（型締めをする）型締動作の際に、トグルリンク機構（トグル機構、型締機構、型開閉機構）２８によってもたらされる型締力を受けるようになっている。

図２に示されるように、トグルリンク機構２８は、例えば、第１リンク３０と第２リンク３１と、第３リンク３２とによって構成されている。
図２には、上下、左右にそれぞれ設けられているトグルリンクのうち、上側のトグルリンクおよび下側のそれぞれ一方のトグルリンクが示されている、いずれも同一に構成されるものである。

第１リンク３０の一端部は、トグルピン３４を介して、受圧盤２４に連結されている。第１リンク３０の他端部は、トグルピン３５を介して第２リンク３１の一端部と連結されている。この第２リンク３１の他端部は、トグルピン３７を介して移動ダイプレート２２と連結されている。
次に、図２において、参照番号２６は、トグルリンク機構２８と連結されるクロスヘッドを示している。
クロスヘッド２６には、第３リンク３２の一端部がトグルピン３８を介して連結されている。第３リンク３２の他端部は、第１リンク３０とトグルピン３９を介して連結されている。

この実施形態では、受圧盤２４には、トグルリンク機構２８の駆動源となるサーボモータ(駆動部、型締駆動部、電動機)４０が設けられている。クロスヘッド２６の中央部には、サーボモータ４０の回転を並進運動に変換してトグルリンク機構２８に伝達するボールねじ機構の図示されないナット部が設けられている。このナット部には、ボールねじ２７が螺合している。サーボモータ４０の回転はタイミングベルト２９を介してボールねじ２７に伝達される。また、本実施形態では、例えば、サーボモータ４０と、ボールねじ２７と、ボールねじ機構のナット部とを合わせて、駆動装置、又は、型締駆動装置と呼ぶことがある。

次に、型締装置の型締動作について説明をする。
図２では、トグルリンク機構２８の第１リンク３０と第２リンク３１が伸び、金型１９が閉じられた状態が示されている。

すなわち、サーボモータ４０が駆動されてクロスヘッド２６が型閉じ方向(紙面上の右方)に移動(前進)すると、第１リンク３０と第２リンク３１が伸びるため、移動ダイプレート２２は固定ダイプレート２０に向かって前進し、型閉じが行われる。そして、固定金型２１に対して、移動金型２３が当接した時点で型閉じが完了する。この時点では、トグルリンク機構２８によってもたらされる型締力は発生していない。
そして、サーボモータ４０をさらに回転させることで、型締力を発生させるためのロックアップ動作が開始される。この時、クロスヘッド２６は前進するが、すでに型閉じにより移動金型２３は固定金型２１に当接しているため、トグルリンク機構２８は移動ダイプレート２２を移動させる代わりに、タイバー３６を受圧盤２４側に伸ばす。つまり、移動金型２３が固定金型２１に当接している状態で、トグルリンク機構２８を伸ばすと、移動金型２３が移動する代わりに、タイバー３６が伸び、そのタイバー３６が伸びる力の反力で、移動金型２３を固定金型２１に強く押し付ける型締力が発生し、型締力は徐々に増大していく。最終的にはトグルリンク機構２８を伸ばすことで、移動金型２３は固定金型２１に対して所定の型締力で締め付けられる。その後、サーボモータ４０は停止し、ロックアップ動作は終了する。

型締動作の完了後は、金型１９内のキャビティに射出装置２によって成形材料である樹脂が金型１９内のキャビティに充填される。その後、クロスヘッド２６が図２において型開き方向(図面上の左方)に移動すると、第１リンク３０と第２リンク３１が第３リンク３２によって屈曲されるので、移動ダイプレート２２は後退して、型開きが行われる。

次に、上述したロックアップ動作の過程でのサーボモータ４０の速度指令の変化のパターンを図３並びに図４に示す。
ここで、図３は、ロックアップ動作でのサーボモータ４０の回転に対する従来の速度指令の変化のパターンを示す図である。図３において、横軸は時間を表し、左縦軸はサーボモータ４０の回転速度を表している。

この図３において、実線で示すのがサーボモータ４０に指令する速度指令の変化パターンを示す曲線(速度指令曲線)であり、破線で示したのが速度フィードバック曲線である。Ｔ1は、型閉じが完了しロックアップ動作が開始される時点を示しており、Ｔ2は、ロックアップ動作が終了した時点を示している。従って、ロックアップ動作に要する時間はＴとなる。

図３の速度指令変化のパターンでは、加速時間Ｔaの間では、サーボモータ４０の回転を一定の加速度で加速させ、最大速度(目標速度、目標回転速度)Ｖmaxに到達したら、減速時間Ｔbでサーボモータ４０の回転を減速させるようになっている。ロックアップ動作では、開始から完了までのサーボモータ４０の回転量は一定であるので、図３では、速度指令曲線と横軸で囲まれた斜線の範囲の面積は、速度指令のパターンによらず一定となる。

この図３のような速度指令の変化パターンに設定されている場合、サーボモータ４０のトルクは、トルク曲線１００のように変化することがある。サーボモータ４０のトルクは、加速とともに上昇し、最大速度Ｖmaxに到達する手前でピークに達する。型締力は、曲線１０２のように、最大速度Ｖmaxに到達した後に設定した型締力が発生する。

ロックアップ動作の場合、サーボモータ４０の回転の加速中に発生するトルクには、サーボモータ４０の回転そのものを加速するのに必要なトルク(加速トルク)と、トグルリンク機構２８でタイバー３６を伸ばすのに必要なトルク(型締力発生トルク)と、がある。

図３に示されるようなトルク曲線１００の場合、加速トルクと型締力発生トルクが重なり合っていると考えられる。このため、加速区間ではトルクが大きく増大し、サーボモータ４０にトルク飽和が生じ易い状態となることがある。

次に、ロックアップ動作でのサーボモータ４０への速度指令の他の変化パターンを図４に示す。この図４の速度指令の変化パターンでは、サーボモータ４０の回転を一定の加速度で加速させる加速時間Ｔaは、短く設定され、最大速度Ｖmaxに到達したらその速度を保ち、最後に短い減速時間Ｔbでサーボモータ４０の回転を減速させるようになっている。このように、サーボモータ４０の回転の加速時間Ｔa、減速時間Ｔbおよび最大速度Ｖmaxを調整することで、速度変化の仕方も変わってくるため、サーボモータ４０のトルクを調整したり、あるいはロックアップ動作に要する時間Ｔを変化させることができると考えられる。
そこで、本実施形態の型締装置３では、ロックアップ動作におけるサーボモータ４０の回転の加速時間Ｔa、減速時間Ｔbおよび最大速度Ｖmaxを可変に調整できるようにするため、次のような加減速調整手段が制御装置に設けられている。

ここで、図５は、型締装置３の制御装置５０に設けられた加減速調整手段のブロック図である。
サーボモータ４０の回転の位置および速度は、サーボコントローラ４２とサーボアンプ４４とを有するサーボ機構によって指令に追従するように制御される。サーボコントローラ４２には、目標位置制御部４６から位置指令が与えられる。

サーボモータ４０の回転角度(回転位置)は、エンコーダ４５によって検出される。そして、検出されたサーボモータ４０の回転角度を用いて位置フィードバック則及び速度フィードバック則が形成されている。サーボコントローラ４２の出力するトルク指令は、サーボアンプ４４の電圧指令によってサーボモータ４０に流れる電流フィードバックと比較され、その偏差がサーボアンプ４４で増幅され、サーボモータ４０に印加される。目標位置制御部４６は、例えば、図４に示した速度指令曲線に基づいてサーボコントローラ４２に与える位置指令を演算する。

制御装置５０には、ロックアップ動作時におけるサーボモータ４０の回転の加速時間Ｔa、減速時間Ｔbおよび最大速度(目標速度)Ｖmaxを調整できるようにするために、加減速調整部４８が電子回路等のハードウエアまたはソフトウエアによって構成されている。記憶部４９には、サーボモータ４０の制御に必要なパラメータが記憶されている他、調整した速度変化パターンのデータが記憶されている。

加減速調整部４８では、加速時間Ｔa、減速時間Ｔbおよび最大速度Ｖmaxを入力したり、その値を変えて調整すると、その値に応じた速度指令の変化パターンを生成する。加減速調整部４８は、調整された速度指令の変化パターンに基づいて位置指令を演算し、目標位置制御部４６に出力するようになっている。

次に、ロックアップ動作時におけるサーボモータ４０の回転の加速時間Ｔa、減速時間Ｔbおよび最大速度Ｖmaxの調整内容について図６を参照しながら説明する。
まず、加速時間Ｔaおよび最大速度Ｖmaxの調整について説明する。
加速時間Ｔaは、サーボモータ４０の回転速度が最大速度Ｖmaxに到達するまでの時間である。加速時間Ｔaを長く調整すると、加速度は小さくなり、短く調整すると加速度は大きくなる。

上述したように、サーボモータ４０のトルクは、サーボモータ４０の回転そのものを加速するのに必要な加速トルクとして利用され、さらにトグルリンク機構２８によってタイバー３６を引き伸ばすのに必要な型締力発生トルクとしても利用される。加速時間Ｔaを短く調整すると、ロックアップ動作の初期では、サーボモータ４０のトルクは専らサーボモータ４０の回転を加速させるために利用されることになる。

図６に示されるように、型締力曲線１０２をみると、加速区間の範囲で発生した型締力は低くなっている。このため、トルク曲線１００で最初に現れるピークＰ1は、加速トルクのピークであると考えられる。

他方、加速が終わって、サーボモータ４０の回転速度が最大速度Ｖmaxに到達すると、型締力は急激に上昇する。そして、型締力の上昇とタイミングを合わせるように、トルク曲線１００では２番目のピークＰ2が現れている。このトルクのピークＰ2は、サーボモータ４０のトルクがタイバー３６を引き伸ばし型締力を発生させることに利用されたことを示していると考えられる。

このようにして、加速時間Ｔaを短くする方向で、加速時間Ｔaと最大速度Ｖmaxを適正に調整することにより、加速トルクの発生のタイミングと、型締力発生トルクの発生のタイミングとをずらすことが可能になる。これにより、加速トルクと型締力発生トルクが重なり合わないようにすることが可能になり、サーボモータ４０がトルク飽和し易い状態になることを抑制することができるとともに、サーボモータ４０に発生するトルクを低減することにつながる。また、サーボモータ４０やサーボアンプ４４の容量を小さくすることもできる。

また上記は、トルク飽和抑制の観点から、加速時間Ｔaおよび最大速度Ｖmaxの調整を説明したが、上記調整により、ロックアップ動作が開始されてから完了するまでの時間Ｔを短縮する上でも大きな効果が得られる。

すなわち、加速時間Ｔa、減速時間Ｔｂおよび最大速度Ｖmaxの調整は、速度指令の変化曲線で囲まれる面積が一定であるという制約条件の下でなされる。
図３に示した速度指令の変化のパターンと、図６の速度指令の変化のパターンとを対比すると、斜線で示す面積が同じであるので、ロックアップ動作が開始されてから完了するまでの時間Ｔは、図６の方が短縮化されている。また、実機による実験で計測した例として、図３の場合では時間Ｔが５２０［ｍsec］であったのに対して、図６の場合では３００［ｍsec］であった。

速度指令の変化曲線で囲まれる台形の面積を考えると、この面積が一定の制約条件の下では、加速時間Ｔa、減速時間Ｔｂを短く設定し、最大速度Ｖmaxを大きく調整すれば、時間Ｔは短縮化されることがわかる。

また、上述したように、加速時間Ｔaを短くする方向で調整することにより、加速トルクの発生のタイミングと、型締力発生トルクの発生のタイミングとをずらしてトルク飽和を抑制することができるが、その上で、ロックアップ動作が開始されてから完了するまでの時間Ｔの短縮化をも実現することができる。

減速時間Ｔbについては、加速時間Ｔaとは独立に調整される。サーボモータ４０の回転の減速過程では、トグルリンク機構２８等における摩擦がトルクを下げる方向に寄与するので、減速時間Ｔbは、加速時間Ｔaよりもより短く調整することが可能である。これにより、全体として、ロックアップ動作が開始されてから完了するまでの時間Ｔをより短縮化することができる。

以上のようにして加速時間Ｔa、減速時間Ｔｂおよび最大速度Ｖmaxの調整が終わると、調整された速度指令データは、図５において、記憶部４９に記憶される。

実際の射出成形サイクルの型締工程では、調整された速度指令の変化曲線に追従するように、サーボモータ４０が加減速されて、型締めを行うロックアップ動作が実施される。射出成形のように、数秒の成形サイクルのうちの型締時間の短縮は、１成形サイクルあたりにすればわずかなものである。しかしながら、長時間連続して成形サイクルが継続されるような大量成形の工程では、時間短縮が積み重なることによって、成形工程の効率化、製造コスト低減に大きく寄与することが可能である。

以上、本発明に係る型締装置、成形装置および成形方法について、好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、これに限らない。例えば、図３に示したような速度指令のパターンや、図６に示したような速度指令のパターンを複数種類あらかじめ調整しておき、成形条件等によって切り替えるようにすることも可能である。

また、本発明は、例えば、ダイカストマシン等の他の成形装置にも適用することができる。

１…射出成形機(成形装置)、２…射出装置、３…型締装置(型開閉装置、開閉装置)、４…バレル、５…スクリュ、６…ホッパ、７…ノズル、１９…金型、２０…固定ダイプレート(固定盤)、２１…固定金型(他方の金型、一方の金型)、２２…移動ダイプレート(移動盤)、２３…移動金型(一方の金型、他方の金型)、２４…受圧盤、２６…クロスヘッド、２７…ボールねじ、２８…トグルリンク機構(トグル機構、型締機構、型開閉機構)

Claims (4)

1. 一方の金型が取り付けられる固定盤と、
   前記固定盤と対向するように配置され、他方の金型が取り付けられる可動盤と、
   前記固定盤とタイバーを介して連結される受圧盤と、
   前記可動盤を前後進させ前記金型の開閉と型締めを行うトグルリンク機構を有する型開閉機構と、
   前記型開閉機構を駆動させるサーボモータを有する駆動装置と、
   前記サーボモータを制御し、型締動作時の前記サーボモータの加速時間、減速時間および目標速度を調整可能な加減速調整部を有する制御装置と、を備え、
   前記加減速調整部は、前記サーボモータの加速トルクと型締力発生トルクの発生タイミングがずれるように、前記加速時間、前記減速時間および前記目標速度を調整可能であることを特徴とする型締装置。
2. 前記加減速調整部は、前記加速時間と前記減速時間とを相互に独立に調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の型締装置。
3. 請求項１または２に記載の型締装置を備えたことを特徴とする成形装置。
4. 請求項３に記載の成形装置を用いて行う成形方法であって、
   型開閉機構の型締動作時において、前記サーボモータの加速トルクと型締力発生トルクの発生タイミングがずれるように、前サーボモータの加速時間、減速時間および目標速度を調整し、
   その調整した前記加速時間、前記減速時間および前記目標速度で型締動作を行い、成形材料を充填して成形品を成形することを特徴とする成形方法。

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