JPH0796247B2 - 射出成形機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は系の伝達関数がG_(s)と表される射出用駆動手段
と制御手段とを有し、射出用駆動手段で位置制御される
ピストンによってシリンダ内に充填された樹脂を金型内
に射出するよう形成された射出成形機に係り、特に射出
制御の速応性を改良したものである。

〔従来の技術〕

従来の射出成形機は、第10図に示したように固定型17と
移動型18とからなる金型16と、先端にノズル12が設けら
れたシリンダ11と樹脂を供給するホッパ13と外周面に計
量供給用のスクリュー15が設けられたピストン14とから
形成された計量射出手段10と、シリンダ11内でピストン
14を回転させる計量用駆動手段20（モータ21、検出器2
2）と、シリンダ11に対しては計量用駆動手段20ごとピ
ストン14を図で左右方向に移動させる射出用駆動手段30
（モータ31、検出器32、ナット部材33、支持杆34、ボー
ルネジ35）と、金型16に対してシリンダ11を図で左右方
向に移動させるシリンダ移動用駆動手段40（モータ41、
検出器42、ナット部材43、連続部材44、ボールネジ45）
と、金型16の固定型17に対して移動型18を図で左右方向
に移動させる金型移動用駆動手段50（モータ51、検出器
52、ギヤトレイン53、ボールネジ55）と、各駆動手段2
0,30,40,50に所定の制御入力を与えることができるよう
形成された制御手段２と位置指令値発生手段とから構成
されていた。また、各駆動手段20,30,40,50と制御手段
２の対応する部分とから形成される制御系は第７図、第
８図、第９図（各図とも図示簡略化のため射出用駆動手
段30の関係において示した）に示されるようにいわゆる
ソフトサーボ方式として表すことができた。すなわち、
指令値に対し外側に比較的低いゲイン（ω_ｏ）の位置制
御ループと内側に比較的高いゲイン（ω_ｃ）の速度制御
ループとを持つ制御系であった。従って、速度制御ルー
プが高いゲイン（ω_ｃ）であるから外乱やパラメータの
変動等に対する剛性が高く、また、位置制御ループが低
いゲイン（ω_ｏ）であるため機械系に過度の衝撃（加速
度）を与えない、加工プログラム作成上格別の注意をし
なくともよい等の長所を有していた。

従って、所定のプログラムに基づいて位置指令値発生手
段１から各駆動手段20,30,40,50に対応させた各位置指
令値を制御手段２に入力すれば、金型移動用駆動手段50
は移動型18を固定型17に密接させ樹脂を充填すべく所定
形状のキャビティ（図示省略）を形成するとともにシリ
ンダ移動用駆動手段40はシリンダ11を移動させそのノズ
ル12が固定型17の噴射口（図示省略）に接合させる。続
いて、先立って計量用駆動手段20を駆動制御してピスト
ン14を回転しホッパ13から供給される樹脂を計量しつつ
シリンダ11の先端側に充填されていた樹脂を射出用駆動
手段30を駆動制御することすなわちピストン14をシリン
ダ11内に押し込むことによって前記キャビティ内に噴射
する。ここに、金型16内に所定形状の製品を射出成形す
ることができた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来の射出成形器には次のような問
題があった。

すなわち、制御手段２と各駆動手段20,30,40,50とはソ
フトサーボを形成しているから速応性と系の安定性とを
独立設定できないために、そのいずれか不十分のまま実
施しなければならず、またそのような状態で妥協したと
してもその比較考量作業自体に多くの労力と時間とを費
やす欠点があった。さらに、位置制御ループのゲイン
（ω_ｏ）の最大値が機械系の許容量大加速度と最大送り
速度から規制されてしまうので応答時間をそれ以上に向
上させることができないという問題があった。

とりわけ、成形品の品質は計量射出手段10から金型16の
キャビティ内への樹脂の噴射状態によって左右され、ま
たその噴射状態はキャビティの内形状、樹脂の種類、温
度条件、計量射出手段10の形態等多くの条件によって制
約されるとともに一気に樹脂噴射をすればよいという単
純工程では所期の製品を得ることができなかった。これ
がため他の駆動手段に比較し射出用駆動手段30の位置制
御を系の安定性を確立しながら一層の速応性を上げなけ
ればならなかったが、上記ソフトサーボという原理上そ
の達成が困難であった。

以下に、高品質要請時代にあって益々重要視されてきた
射出用駆動手段30の位置制御問題について詳説する。第
７図に示す従来の位置制御系における位置制御ループの
特性（G_(s)）は、速度制御ループのゲインω_ｃが位置制
御ループのゲインω_ｏより大きく（通常４〜20倍）設定
するために一次遅れのソフトサーボと取り扱われるか
ら、 と近似することができる。

ここに、段階状の速度指令値（V_o/S）に対する速度の応
答特性V_(t)は、 V_(t)＝V_o（１−е^Ｐ） …… （ただし、Ｐは−ω_otとする。以下同じ。） となるから、これに必要とする加速度а_(t)は式を１
階微分することによって、 а_(t)＝V_o・ω_ｏ・е^Ｐ …… として求められた。

従って、モータ31、ナット部材33、支持枠34、ボールネ
ジ35等からなる機械系の最大送り速度をV_{o max}とすれば
位置制御系の発生する最大加速度а_maxは、 а_max＝V_{o max}・ω_ｏ …… で規定された。

一方、機械系の観点から見ると、特許最大加速度A_maxは
その構成から定まるから上記最大加速度а_maxとの関係
では、 а_max≦A_maxでなければならない。これがため位置制御
ループのゲインの最大値ω_{o max}は、 ω_{o max}＝A_max/V_{o max} …… と制約されることになる。

すなわち位置制御ループのゲインの最大値はω_{o max}は
式の通り機械系との関係で制約された。つまり、式
で近似される位置制御系では機械系で定まる許容最大加
速度A_maxと最大送り速度V_{o max}の上限が決まるから、機
械系（A_max,V_{o max}）が固定化されるとゲイン最大値ω_o
maxの上限が制約され、それ以上にゲインを高くとれな
いという関係となるのでそれ以上の応答時間の短縮が達
成できないという問題があった。

このように従来の位置制御系を採った射出成形機では、
機械系によって速応性が制御されてしまうので射出用駆
動手段30を駆動制御して樹脂の噴射態様を複雑な位置−
時間線図に基づく理想状態として実施することができず
高品質の達成が困難となってきたわけである。

しかして、本発明の目的とするところは系の安定性を維
持させつつ速応性を著しく向上させて高品質の射出成形
品を製造できるようにした射出成形機を提供することに
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記従来の問題点を除去すべく鑑みなされた
もので、加速時間τに関与する補償要素を導入して新た
な系全体の伝達関数を創成することによって機械系に改
変を加えることなく制御特性を著しく改善したものであ
る。

すなわち、前出第７図に示した従来の位置制御系の伝達
完成は連続時間系で表現すれば第８図に見られるように
ラプラス演算子をＳとするときG_(s)となる。従って、こ
の伝達関数G_(s)が機械系の特性等から固定的となってい
るために前記従来の問題点が内在していたのである。こ
こに、本発明は射出成形機の運用上から求められる理想
的位置指令値R_(s)とこれに対する従来の位置制御系にお
ける制御対象位置C_(s)との時間的ギャップを極小とする
ことを目指するものである。

そのため、位置制御系の伝達関数をG_(s)、位置指令値を
R_(s)および制御対象たる射出用駆動手段のピストン位置
をC_(s)とするときに、位置指令値R_(s)から位置C_(s)への
系全体の伝達関数C_(s)/R_(s)が、 で表される特性となるように加速時間τに関係する直列
補償要素G_1(s)を挿入して、速応性向上を図ったのであ
る。

ここに、直列補償要素G_1(s)の好適なものとしては、 （ただし、Ｑはs.τとする。以下同じ。） であり、従って、系全体の伝達関数C_(s)/R_(s)は、 として表される（第２図参照）。

加えて、円滑制御を達成できるよう第２の補償要素G
_2(s)を付加できるようされている。

この場合には、直列補償要素G_1(s)は、 となり、その結果系全体の伝達関数C_(s)/R_(s)は、 となる（第３図参照）。

さらに、本発明の理解を深める観点から、実施化容易な
離散時間系による立場から詳説する。

いま、前出第７図、第８図に示された従来の位置制御系
が第９図に示すように位置指令値R_(k)の発生手段１と制
御手段２と制御対象たる射出用駆動手段30とから構成さ
れ、零次ホールダを通した後の出力として表されると
き、本発明では、第４図、第５図に示すように位置指令
値発生手段１、制御手段２、制御対象たる射出用駆動手
段30と基本的構成を変えないで制御手段２を第１の演算
手段４と変換手段としての第１の演算手段３とから形成
する。なお、5,6は、零次ホールダに前置されるサンプ
ラである。

すなわち、直列補償要素G_1(s)の好適なものとした前出
の式，，およびをＺ（＝e^ST）変換して離散時
間系で表示すると、式，はそれぞれ、式，の如
くなる。

なお、以下の式中、Ψ〔 〕はＺ変換を表す。

同様に式，はそれぞれ式，の如く変換される。

ただし、式〜において、 T:サンプリング周期_(sec) τ：加速時間_(sec) M:τ/T Ｍ＝1,2,3,……（自然数） である。

ところで、前出各図に示したように位置制御系の伝達関
数G_(s)が、 と表されると、その零次ホールダを通したパルス伝達関
数G_(Z)は、 となる。

よって、式に示した補償要素のパルス伝達関数G_1(Z)
は、式を代入することによって、 と求められ、これを代数計算して整理すれば、 となる。

従って、中間位置指令値をP_(Z)とおけば、 となり、式に式を代入するとともにＰをＲの差分式
で表すと、 となる。

従って、従来方法が第９図に見られるように伝達関数G
_(s)とする位置制御系に位置指令値R_(k)を直接的に制御
手段２（第１の演算手段４）に入力させていたのに対
し、本発明では、第５図に示したように変換手段として
の第２の演算手段３を設け位置指令値R_(k)とそのＭ回前
の値とから新しく創成した中間位置指令値P_(k)を入力し
て制御すればよいことが理解される。

これがため、系の伝達関数がG_(s)と表される射出用駆動
手段と制御手段とを有し、射出用駆動手段で位置制御さ
れるピストンによってシリンダ内に充填された樹脂を金
型内に射出するよう形成された射出成形機において、 前記制御手段に、加速時間に関与する直列補償要素G
_1(s)を挿入して全体の伝達関数をG_1(s)・G_(s)に改め前
記ピストンの制御特性を向上できるように構成し前記目
的を達成しようとするのである。

また、この発明は、直列補償要素G_1(s)が、加速時間を
τとしたときに、 で表されるようにしたものである。

さらに、この発明は、直列補償要素G_1(s)が で表される第２の補償要素を付加して一層の円滑制御を
できるようにしたものである。

〔作用〕

従って、この発明は、直列補償要素G_1(s)を系内に導入
することによって機械系に改変を加えることなく制御特
性を改善できるから安定性を確保しながら速応性を向上
させた制御を保障できるので射出用駆動手段を所望の位
置−時間線図に則って駆動制御して高品質の製品を射出
成形することができる。

〔実施例〕

本発明に係る射出成形機の一実施例について図面を参照
して説明する。

この実施例は機械系を前出第10図に示した従来の射出成
形機と同様な構成とし、また制御手段２等は第５図に示
した構成とするとともに直列補償要素G_1(s)を第２図に
示したように、 と設定するとともにコンピュータによって構成した。そ
して、位置指令値発生手段１から段階状の位置指令値
（Ｒ）を入力したときの射出用駆動手段30の応答性を確
認したものである。

この実施例の結果は、第６図に示したように階段状の位
置指令信号Ｒを加えても第８図、第９図に示した従来系
の加速度（X₂）と本発明系の加速度（Y₂）との最大値が
略同一の値をとりながら制御系の応答性は著しく異なる
ものとなっている。すなわち、本発明系の場合にはほぼ
最大の速度（Y₁）をもって50m secで応答しているのに
対して従来系の速度（X₁）は指令値に近づくに従い減速
し、約150m secの時間遅れを生じている。ここに、本発
明は最大加速度を急増させずに安定性を確保しながら大
幅な応答性を改善できるという優れた効果を奏すること
が確認された。

なお、実施条件は次の通りである。

サンプリング周期Ｔ＝0.001sec Ｍ＝τ/T＝50回 位置制御ループのゲインω_０＝20rad/sec また、従来系のゲインω_１＝20rad/secである。

このように、本発明では、最大加速度を従来系の場合と
同じとしながら本発明系の指令信号Ｒに対する収束時間
が従来系の場合に対し約1/3と早くすることができるの
で、射出用駆動手段30によってピストン14のシリンダ11
に対する位置制御を所望の位置時間線図に基づいて行う
ことができるから製品の高品質化はもとより適応性、取
扱性の優れた射出成形機を確立できる。

従って、以上の各実施例によれば、伝達関数G_(s)である
射出駆動手段30に対応させた制御系に直列補償要素G
_1(s)を挿入して位置制御系全体の伝達関数をG_1(s)・G
_(s)としているから、従来系に対して速応性を飛躍的に
向上することができる。

このことは、従来の機械系と同一の機械系において位置
制御ループゲインの最大値を決する許容最大加速度と最
大送り速度が制約されていてもその位置制御ループゲイ
ンの最大値に制限されることなく位置指令信号に対する
ピストン14の移動速度および位置の追従性を著しく向上
させることができる。

また、直列補償要素G_1(s)は加速時間τを導入したもの
とされているから安定性を高くして速応性の向上を達成
できる。

さらに、直列補償要素G_1(s)は、Ｚ変換して離散時間系
とすることができるから、コンピュータを用いて容易か
つ適格に本発明を実施することができる。またコンピュ
ータにより実施できるからサンプリング周期を任意の時
間かつ極めて短い時間に選択することが可能ゆえ、採用
する射出成形機の特性に応じた制御系を形成できる。

さらにまた、射出用駆動手段30のモータ31の容量を大型
化することなくかつ機械系に対する過度の衝突を発生さ
せないで速応性を向上できるから設備構成および経済上
の利益が大きい。

さらに、機械系に改変を加えないで位置制御特性を改良
できるので既設の射出成形機にも本発明のそのまま適用
できるという効果もある。

なお、以上の実施例では、直列補償要素G_1(s)を としたが直列補償要素G_1(s)には制御特性の一部分をさ
らに改善し円滑化するための付随的な第２の直列補償要
素G_2(s)を導入して微妙調整できるように形成されてい
るから、例えば一次遅れ要素を付加することによって従
来系に対し大幅な速応性向上を図りつつ機械系に振動等
を生じさせない制御系を提供できる。

例えば、 の如くである。

また、以上の実施例では制御手段２の射出用駆動手段30
に対応させた部分のみについて直列補償要素を設けた
が、計量用駆動手段20、シリンダ移動用駆動手段40、金
型移動用駆動手段50に対応する部分についても直列補償
要素を導入し上記射出用駆動手段30に対する制御特性の
改良と同様に改良するように構成してもよい。

さらに、位置指令値の発生手段１、制御手段２と区々し
た構成としたが、要は直列補償要素G_1(s)を挿入して制
御特性を改善すればよいから、上記開示構成に限定され
ない。もとより離散時間系でなく連続時間系においても
実施可能である。ただし、離散時間系とすれば、その実
施が容易であり産業上の利用性が高められる。

〔発明の効果〕

本発明は、安定性を向上させつつ速応性を著しく向上さ
せることによって高品質の製品を能率よく生産できる射
出成形機を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る射出成形機を実施するための射出
用駆動手段の伝達関数を示すブロック図、第２図、第３
図は同じく直列補償要素の一例を明らかとした伝達関数
を示すブロック図であり、特に第３図は第２の補償要素
をも付加した場合である。第４図、第５図は同じく離散
時間系として実施する場合の位置制御系の構成図を示し
第４図はブロック図、第５図は詳細ブロック図である。
第６図は同じく第２図に示した直列補償要素とした第５
図に示す位置制御系の構成による制御特性を示すタイム
チャート、および第７図、第８図、第９図、第10図は従
来の射出成形機に関し、第７図は制御系を示すブロック
図、第８図は伝達関数を示すブロック図、第９図は離散
時間系として実施する場合の制御系のブロック図、第10
図は射出成形機の全体構成図である。 １……位置指令値発生手段、２……制御手段、３……第
２の演算手段、４……第１の演算手段、5,6……サンプ
ラ、10……計量射出手段、11……シリンダ、14……ピス
トン、16……金型、30……射出用駆動手段、31……モー
タ、32……検出器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】系の伝達関数がG_(s)と表される射出用駆動
   手段と制御手段とを有し、射出用駆動手段で位置制御さ
   れるピストンによってシリンダ内に充填された樹脂を金
   型内に射出するよう形成された射出成形機において、 前記制御手段に、加速時間に関与する直列補償要素G
   _1(s)を挿入して全体の伝達関数をG_1(s)・G_(s)に改め前
   記ピストンの制御特性を向上できるように構成したこと
   を特徴とする射出成形機。
2. 【請求項２】前記特許請求の範囲第１項において、前記
   直列補償要素G_1(s)が、加速時間をτとしたときに、 と表されるものとされている射出成形機。
3. 【請求項３】前記特許請求の範囲第１項において、前記
   直列補償要素G_1(s)が、加速時間をτ、第２の補償要素
   をG_2(s)としたときに、 と表されるものとされている射出成形機。