JPH04817B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は射出成形機の連続射出成形作業中の金
型温度の制御に用いられる金型温度制御装置に関
する。

〔従来の技術〕

一般に、射出成形機を用いる場合において、そ
の連続射出成形作業中に安定した品質の良い製品
を連続的に生産するためには、成形用金型の温度
を精度良く制御することが必要である。

ところで、射出成形機は成形用金型のキヤビテ
イ内に成型材料である溶融樹脂を充填することに
より成形品を生成している。

このとき、射出装置により射出される溶融樹脂
の温度T_R〔℃〕は、一般的に成形用金型の温度θ
〔℃〕よりも高い。このため、溶融樹脂の射出毎
に、成形用金型の温度は上昇し、変動する。

しかしながら、従来は係る金型温度の変動を抑
制するために、金型の温度を調節する冷却水等の
熱媒体の供給装置を、金型が所定の目標温度に安
定するまで、オペレータが試行錯誤的に操作して
いた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このように、従来の技術では、金型温度の変動
を推定することなく、オペレータの試行錯誤に頼
つていることから、製品歩留りが低いのが現状で
ある。

しかも、係る金型温度の変動を単に外乱として
扱う一般的な自動制御では、精度良く金型の温度
を制御することが困難である。

また、現実には、応答速度が非常に遅い冷却水
等を熱媒体に用いて、金型の温度の調整操作を行
つているため、金型等の実際の温度に一々対応さ
せた実時間毎の制御では、却つて、安定性の悪い
制御を行つてしまうという問題もあつた。

そこで、本発明の技術的課題は、上記欠点に鑑
み、金型温度の変動を予測して逐次これを補償
し、応答速度の遅い熱媒体の迅速かつ精密な制御
に適した射出成形機の金型温度制御装置を提供す
ることである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によれば、射出成形機の金型の温度を調
整するために該金型に熱的に接触する熱媒体の温
度を、射出成形サイクル毎に制御する熱媒体温度
制御手段を有する金型温度制御装置において、前
記射出成形機の金型に注入される溶融樹脂の温度
を第一の検出値として検出する第一の温度検出手
段と前記第一の検出値から予め定められた演算式
に基づいて射出成形サイクル毎の金型の時間平均
温度を演算し、該演算された時間平均温度と所定
の金型温度目標値とから、次回の射出成形サイク
ルにおける金型の温度が金型温度目標値となるよ
うに、前記熱媒体温度制御手段への指令値を演算
する金型温度推定手段と、各射出成形サイクル終
了後に当該射出成形サイクルにおける前記金型の
温度を第二の検出値として検出する第二の温度検
出手段と、前記第二の検出値に基づく時間平均温
度の実測値と前記演算された時間平均温度とから
前記時間平均温度の実測値に対応するように前記
演算式のパラメータを補正パラメータとして補正
する補正手段と、該補正手段により逐次補正され
た補正パラメータに基づいて、前記補正される演
算式のパラメータの将来値を予測すると共に、該
将来値を前記補正手段における補正パラメータと
する補正動作手段とを有することを特徴とする補
正動作予測金型温度制御装置が得られる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例に係る補正動作予測金型
温度制御装置を図面を参照して説明する。

第１図に示すとおり、１は金型であり、固定金
型及び可動金型からなつている。金型１に射出シ
リンダ２からの溶融樹脂を射出し、所定の射出成
形サイクルに従い、成形品が形成される。

このとき、金型温度は高温度の溶融樹脂からの
熱により変動する。このため、熱媒体温度制御手
段である冷却水温調整装置８は、後述する金型温
度制御装置からの冷却水温値例値Θ^*に従い、冷
却水循環ポンプ７を駆動させ、次回の成形サイク
ルにおいて金型１が所定の金型温度目標値θ_rにな
るように制御する。

金型温度制御装置は、金型１の時間平均温度を
演算する第１の演算部（図示せず）と、伝送線１
６からの金型温度目標値を受け、冷却水温調整装
置８への指令値を演算する第二の演算部（図示せ
ず）とからなる金型温度推定装置１４と、該金型
温度推定装置１４の演算内容を補正する補正装置
１５と、さらに、補正装置１５において補正され
た過去から現在までの補正の傾向に基づいて将来
の補正値を予測してこれを該補正装置１５に導く
補正動作予測装置１７とを有している。

尚、後述するように、金型温度推定装置１４と
補正装置１５とは、適応観測器より実現されるも
のである。

具体的に説明すると、まず金型温度推定装置１
４は、溶融樹脂の温度を検出する第一の検出手段
たる溶融樹脂温度センサ１０より検出された溶融
樹脂温度T_Rと冷却水の設定温度Θとから、未来
の金型温度である各射出成形サイクル毎の金型の
時間平均温度θ_i(av)を演算して推定し、係る時間平
均温度θ_i(av)に基づいて、所定の金型温度を実現し
うる冷却水温度Θ^*を求め、この冷却水温度Θ^*を
指令値Θ^*として、冷却水温調整装置８に出力す
る。冷却水温調整装置８は冷却水温度が指令値
Θ^*に従つた温度になるように調整を行う。

ここで、金型は時間平均温度θ_i(av)を導く演算式
（谷村、明石；第30回自動制御連合講演会、前刷
原稿）と、係る演算式をモデルとして一義的に展
開され、射出成形サイクル時間をサンプル周期と
する離散時間系における状態空間表現に基づく演
算式とを下記に説明する。

まず、金型の熱特性のモデルと金型温度の計算
球内の非定常熱電動への近似とを行うに際し、第
２図を用いて、以下の仮定を行う。

固定金型及び可動金型１１０及び１１２と固
定プラテン及び可動プラテン１１４及び１１６
との接合面近傍に加熱装置（図示せず）を設置
し、接合面における固定金型及び可動金型１１
０及び１１２からの放熱を補償することとし
て、この接合面を断熱面として取扱う。

溶融樹脂（図示しない）から固定金型及び可
動金型１１０及び１１２への伝熱は、樹脂射出
開始時にだけなされ、成形用空隙の近傍に溶融
樹脂の温度の平面が一様な厚みをもつて、金型
の分割面上に瞬間的に形成されると仮定する。

固定金型及び可動金型１１０及び１１２は、
分割面に関し、対象な温度分布を仮定し、分割
面を断熱面として扱う。

固定金型及び可動金型１１０及び１１２から
周囲外気への放熱は無視する。

分割面と平行な冷却水温度の平面を仮定す
る。

以上の主な仮定に基づき、第２図に示すよう
に、断熱面１５０における溶融樹脂温度の等温面
と、金型内冷却水管路１３２近傍における冷却水
温度の等温面との夫々の面積を、A₀，A₁〔m²〕と
し、その二面間の距離をr₁〔ｍ〕とする。

次に、第３図のように、固定金型１１０を球に
近似すると、固定金型１１０の金型成形面１３０
と金型内冷却水管路１３２との間の熱伝導を非定
常熱伝導として扱い、その温度分布をA₀，A₁，
r₁を用いて、第１式のように定義する。尚、r₀
〔ｍ〕は仮想的な量、温度分布は半径方向のみと
して扱う。

r₀＝r₁（A₀＋√₀・₁）／（A₁−A₀）、A₁＞A₀
……(1) 次に、第(1)式の非定常熱伝導方程式を、第(2)式
〜第(5)式の偏微分方程式で表す。

∂（rθ）／∂t₁＝k∂²（rθ）／∂r² ……(2) θ_t1=0＝f₁（ｒ） ……(3) θ_r=a＝Θ、ａ＝r₀＋r₁ ……(4) ０≦t₁≦Ｔ ……(5) 但し、θ〔℃〕は金型の温度、ｋ〔m²／ｓ〕は温
度伝導率、Θ〔℃〕は冷却水温度、f₁（ｒ）〔℃〕
は第ｉサイクルにおける初期条件、Ｔ〔ｓ〕は射
出周期、ΔV〔ｍ〕は溶融樹脂温度の平面の厚み
である。

第(2)式〜第(5)式の偏微分方程式を各サイクル毎
に解析的に解くと、時刻t₁における温度θは第６
式（川下研介：熱伝導論、p334、河出書房1941）
のようになる。

なお、ここで、f₁（ｒ）を、第ｉ−１サイクル
における最終状態θ_t-1=Tと第(7)式〜第(10)式を用い
て定義する。

f₁（ｒ）＝θ_t1-1=T、０＜ｒ＜r₀−Δr ……(7) f₁（ｒ）＝T_R、r₀−Δr≦ｒ≦r₀ ……(8) f₁（ｒ）＝θ_t1-1=T、r₀＜ｒ≦ａ ……(9) θ_tp=T＝Θ ……(10) 但し、T_R〔℃〕は溶融樹脂温度である。

更に、f₁（ｒ）について、第（11）式〜第（13）
式のように補間を行う。

０＝S₀＜S₁＜S₂…S_N-1＜S_N ……（11） f₁（ｒ）＝f₁（S₁）、０＜ｒ＜S₁ ……（12） f₁（ｒ）＝（f₁（S_J）−f₁（S_J+1））／（S_J−S_J+1）・
ｒ＋（S_J・f₁（S_J+1） −S_J+1・f₁（S_J））／（S_J−S_J+1）、S_J＜ｒ＜S_J+1…
…（13） これを用いて、第(7)式の第２項の積分を解析的
に解く。ここで、その計算例として、第10サイク
ルの解を第４図に示す。

次に第(6)式の解θに関して、下記の第（14）式
により、各サイクル毎の時間平均温度θ_1(av)〔℃〕
が求められる。

この計算例を第５図に示す。

なお、上記第(6)式と第（14）式における無限級
数は、実用上、有限項数で打切ることができる。
又、実測の時間平均温度と、第（14）式の計算値
との適合度は、kΔrの調整によつて向上させるこ
とができる。

次に、状態空間表現を用いた演算式（ダイナミ
ツクシステムのデイジタル制御；G.F.フランクリ
ン、J.D.パウエル著、羽根田博正訳、森北出版、
（1985）、pp128〜133）を説明する。

先ず、本実施例における状態空間表現を用いた
演算式は、先の第(6)式を展開した第（14）式を、
さらに無限次元から有限次元に変換するものであ
る。これを、下記の第（15）式に示す。

X_(i+1)＝AX_(i)＋bΘ_(i)＋eT_R Y_(i)av＝CX_(i)＋dΘ_(i)＋fT_R ……（15） ここで、X_(i)、X_(i+1)は共に推定値であり、
夫々、第ｉ回目及び第ｉ＋１回目の射出成形サイ
クルにおける射出直前の金型内の温度分布を表現
する状態ベクトル、Θ_(i)は第ｉ回目の射出成形サ
イクルにおける冷却水温度、T_Rは溶融樹脂の温
度、Y_(i)avは第ｉ回目の射出成形サイクルにおけ
る金型の時間平均温度の推定値である。即ち、第
（15）式とは、Y_(i)av．、X_(i+t)、X_(i)、Θ_(i)、T_Rに
関
する状態空間表現であり、換言すれば、溶融樹脂
温度の検出値と金型温度の検出値と金型内の熱伝
導とに関する簡単な演算式に基づいて、各射出成
形サイクル毎の金型の時間平均温度を与えるもの
である。

次に、補正装置１５は、各射出成形サイクル終
了後、第二の温度検出手段たる金型温度センサ１
１により検出された金型温度に基づく時間平均温
度の実測値y_(i)av．と演算された時間平均温度
Y_(i)avとを入力して、金型温度推定装置１４の演
算内容におけるパラメータを、実測値y_(i)av．に対
応するように補正する。さらに、金型温度推定装
置１４は、パラメータを補正される度に、所定の
金型温度を実現しうる冷却水温度Θ^*を再計算す
る。

なお、樹脂温度T_Rの変動が小さい場合には、
樹脂温度T_Rも一定値として扱い、溶融樹脂温度
センサ１０を省略することができる。

次に、補正装置１５によるパラメータの補正演
算内容を具体的に説明する。

まず、金型温度推定装置１４（第一の演算部）
における金型の時間平均温度Y_(i)av．は、第（15）
式と同様に下記の状態空間表現を用いた第（16）
式で表される。

X_(i+t)＝Ａ(k)X_(i)＋ｂ(k)Θ_(i)＋ｅ(k)T_R Y_(i)av．＝Ｃ(k)X_(i)＋ｄ(k)Θ_(i)＋ｆ(k)T_R……（16） 但し、ｋは温度伝導率〔m²／ｓ〕であり、Ａ
(k)、ｂ(k)、Ｃ(k)、ｄ(k)、ｅ(k)、ｆ(k)は、ｋをパラ
メータとする行列である。

一方、補正装置１５では、まず、第ｉ回目の射
出成形サイクル終了後、金型温度センサ１１から
の金型温度の実測値から、第ｉ回目の射出成形サ
イクルにおける金型の時間平均温度の実測値
Y_(i)av．を求める。次に、実際に検出された時間
平均温度y_(i)av．と金型温度推定装置１４より演算
された時間平均温度Y_(i)av．との差から、パラメ
ータｋの補正分Δkを下記の第（17）式に基づい
て計算する。

Δk＝−ｋ（Y_(i)av．−y_(i)av．）／（Xm₍₁₊₁₎−Y_(i)av
．）……（17） 但し、Xm₍₁₊₁₎は、X₍₁₊₁₎なるベクトルの第ｍ行
目の要素で、金型温度センサ１１が金型１の温度
を検出する任意の位置の温度の推定値である。

ここで、第（17）式は、金型の時間平均温度
θ_i(av)を求める第（14）式より解析的に求められ
る。即ち、第ｉ回目の射出成形サイクルにおい
て、パラメータｋの補正量Δkは、 Δk＝−（Y_(i)av．−y_(i)av．）／（∂Y_(i)av．／∂k）
……（18） として求められる。このとき、第（14）式によれ
ば、∂Y_(i)av．／∂kが、解析的に求められること
から、それを第（18）式に代入して、第（17）式
が得られる。

また、第（17）式の修正則では、補正装置１５
の補正動作の感度が高すぎる場合に、０＜α＜１
なる適当な数αを用いて、 Δk＝−αk・（Y_(i)av．−y_(i)av．）／（Xm₍₁₊₁₎−Y_(i
)av．）……（19） としても良い。

これにより、第（17）式により得られたΔkを
用いて、補正装置１５は、まず、金型温度推定装
置１４の演算内容（第（17）式）におけるパラメ
ータｋを、ｋ＋Δkに補正する。同時に、金型温
度推定装置１４では、パラメータｋが更新される
度に、所定の金型温度の目標値θrを実現しうる冷
却水温度Θ^*（指令値）が再計算され、冷却水温調
整装置８に出力される。

係る指令値Θ^*は、下記の第（20）式に基づい
て計算されている。

X^*＝Ａ(k)X^*＋ｂ(k)Θ^*＋ｅ(k)T_R θ_r＝Ｃ(k)X^*＋ｄ(k)Θ^*＋ｆ(k)T^R ……（20） 但し、X^*はX_(j+1)と同じサイズのベクトルであ
る。

このように、補正装置１５で金型温度推定装置
１４のパラメータｋを補正する際に、未知パラメ
ータ（ｋ＋Δk）を同定しながら状態変数
（X_(1+t)）を推定する機構を適応観測値（適応制
御；市川邦彦ほか、昭晃堂、（1984）pp.54）と定
義する。

ここで、何回かの演算パラメータｋの補正の
後、適応観測器の未知パラメータの補正の傾向が
第６図に示す勾配のようであれば、既知の値18に
基づいて未知パラメータの将来値k^*19が得られ
る。その結果、第６図の斜線部分２０のサンプル
周期における推定処理は不要となり、前掲の状態
空間表現を用いた（16）式において、パラメータ
ｋを将来推定されるであろうk^*に直接置きかえ
ることができる。これを第（21）式に表わす。

X_(j+1)＝Ａ（k^*）・X_(j)＋ｂ（k^*）Θ_(j)＋ｅ（k^*）T_R Y_(j)＝Ｃ（k^*）・X_(j)＋ｄ（k^*）Θ_(j)＋ｆ（k^*）T_R…
…（21） 但し、X_(j)、X_(j+1)は、夫々、第ｊ回目、第ｊ＋
１回目の射出成形サイクルにおける射出直前の金
型内の温度分布を表現する状態ベクトル、Θ_(j)は
第ｊ回目の射出成形サイクルにおける冷却水温
度、Y_(j)はｊ回目の射出成形サイクルにおける金
型の時間平均温度の推定値である。

補正動作予測装置１７は、補正装置１５が補正
演算パラメータとしてk^*を金型温度推定装置１
４に送出するよう指令する。金型温度推定装置１
４は、金型温度目標値θrを実現し得る冷却水温度
Θ^*を再計算する。Θ^*は、前掲の（20）式におい
て、パラメータｋをk^*と置きかえることにより
計算される。

このように、本実施例では、金型温度推定装置
により、刻々と変化する実時間の金型温度に対し
てその時間平均を採ることから、溶融樹脂の射出
毎に上昇し変動する成形用金型の温度変化を一々
外乱として考慮することなく、安定した温度値
（時間平均温度）を以て未来値とすることができ
る。また、補正装置を用いて射出成形サイクル毎
に、上記未来値を定める際の演算パラメータを金
型温度の実測値に基づいて補正するようにしたか
ら、実状に即した適切な値を以つて未来値とする
ことができる。更に、補正動作予測装置により、
補正装置の過去の補正傾向に基づいて将来の補正
値を予測するようにしたから、所定の金型温度の
目標値への到達をより速める値を以つて未来値と
することができる。この未来値に基づいて、次回
の射出成形サイクルにおける金型が所定の目標値
温度になるように、金型に熱的に接触する熱媒体
の温度を制御する制御手段に精密な指令値を与え
ることができる。即ち、応答速度の遅い実際の制
御対象である冷却水等の熱媒体の特質に合致した
精密な制御を行うことができる。

〔発明の効果〕

以上の説明のとおり、本発明によれば、金型温
度の変動を予測して逐次これを補償し、応答速度
の遅い熱媒体の迅速かつ精密な制御に適した射出
成形機の金型温度制御装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例である金型温度制御
装置を備えた射出成形機のブロツク図、第２図は
金型を簡略化した透視斜視図、第３図は固定金型
を球に近似させた場合を示すモデル図、第４図は
第10サイクルにおける金型内の温度分布の変化を
示す図、第５図は第（14）式による第１〜第６射
出成形サイクルの金型の時間平均温度θ_1(av)の計
算例を表す図、第６図は金型温度の実測値に基づ
く演算パラメータの補正傾向を表す図である。 図中、１：金型、２……射出シリンダ、７……
冷却水循環ポンプ、８……冷却水温調整装置、９
……冷却水の流れ、１０……溶融樹脂温度セン
サ、１１……金型温度センサ、１４……金型温度
推定装置、１５……補正装置、１６……金型温度
目標値、１７……補正動作予測装置、１８……既
知の演算パラメータ、１９……演算パラメータの
推定値、２０……推定処理の不要な時間。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 射出成形機の金型の温度を調整するために該
   金型に熱的に接触する熱媒体の温度を、射出成形
   サイクル毎に制御する熱媒体温度制御手段を有す
   る金型温度制御装置において、前記射出成形機の
   金型に注入される溶融樹脂の温度を第一の検出値
   として検出する第一の温度検出手段と、前記第一
   の検出値から予め定められた演算式に基づいて射
   出成形サイクル毎の金型の時間平均温度を演算
   し、該演算された時間平均温度と所定の金型温度
   目標値とから、次回の射出成形サイクルにおける
   金型の温度が前記金型温度目標値となるように、
   前記熱媒体温度制御手段への指令値を演算する金
   型温度推定手段と、各射出成形サイクル終了後に
   当該射出成形サイクルにおける前記金型の温度を
   第二の検出値として検出する第二の温度検出手段
   と、前記第二の検出値に基づく時間平均温度の実
   測値と前記演算された時間平均温度とから前記時
   間平均温度の実測値に対応するように前記演算式
   のパラメータを補正パラメータとして補正する補
   正手段と、該補正手段により逐次補正された補正
   パラメータに基づいて、前記補正される演算式の
   パラメータの将来値を予測すると共に、該将来値
   を前記補正手段における補正パラメータとする補
   正動作予測手段とを有することを特徴とする補正
   動作予測金型温度制御装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の補正動作予測金
   型温度制御装置において、前記演算式は、射出成
   形サイクル時間をサンプル周期とする離散時間系
   における状態空間表現を用いることを特徴とする
   補正動作予測金型温度制御装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の補正動作予測金
   型温度制御装置において、前記金型温度推定手段
   は、適応観測器を以て実現されることを特徴とす
   る補正動作予測金型温度制御装置。