JP5882848B2

JP5882848B2 - 射出成形機のヒータ電力測定装置

Info

Publication number: JP5882848B2
Application number: JP2012148835A
Authority: JP
Inventors: 内山　辰宏; 辰宏内山
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2032-07-02
Also published as: JP2014008747A

Description

本発明は、射出成形機において、射出シリンダ内の樹脂を溶融するヒータや、金型内を流れる樹脂の溶融状態を維持するためのヒータで消費される電力を測定する射出成形機のヒータ電力測定装置に関する。

プラスチック射出成形機は、固体の樹脂ペレットをヒータの熱とスクリュの回転によるせん断熱とによって溶融し、溶融した樹脂を金型内に射出することによってプラスチック部品を作る機械である。樹脂の溶融時にはヒータとスクリュの回転によってエネルギーが消費されるが、省エネルギー性能に優れた電動射出成形機の場合には、この内、ヒータで消費されるエネルギーが機械全体で消費されるエネルギーの大半を占めている。省エネルギー化を進めたり、部品の製造コストを把握する上で消費電力を把握することは重要であるが、消費電力を正確に把握するためには、以上の理由から特にヒータの電力を正確に把握することが重要である。

ヒータの消費電力を把握する第一の従来技術として、ヒータの電源電圧と電流とを測定して、これらからヒータが消費する電力を求めることが特許文献１に開示されている。また、ヒータの消費電力を把握する第二の従来技術として、１成形サイクル中の通電時間とヒータの仕様上の電力（定数）とからヒータの消費電力を求めることが特許文献２に開示されている。なお、射出成形機の電力測定装置としては、ヒータと同様にサーボアンプの電圧と電流とを測定してサーボモータの消費電力を求める技術が特許文献３に開示されている。

特開２００９−１７２８２２号公報特開２０００−２０６１５０号公報特開２００２−１９２５８８号公報

ヒータの電源電圧と電流とを測定して、これらからヒータが消費する電力を求める第一の従来技術は、ヒータの仕様上の電力（定数）が不明であっても実測した電流と電圧とから正確にヒータの消費電力を求めることができるという長所がある。しかしながらヒータに流れる電流は電流検出器によってヒータ毎に測定する必要があるため、ヒータの数が増えれば増えるほど、電流検出器の数も増えるため高コストになるという問題があった。
一方、１成形サイクル中の通電時間とヒータの仕様上の電力（定数）とからヒータが消費する電力を求める第二の従来技術は、ヒータの通電時間さえ測定できればよく、特に、ヒータの通電時間を制御して温度制御を行う温度制御装置であれば、簡単に通電時間の測定が行えるので、低コストで電力を測定できるという長所がある。ここで、第二の従来技術で消費電力の計算に用いているヒータの仕様上の電力（定数）は、ヒータに定格電圧を供給した際の電力である。したがって、供給電圧が定格電圧どおりであれば仕様上のヒータ電力（定数）をそのまま使用して電力を求めても問題ないが、電圧が変動するのにも関らずヒータの電力を定数として扱うと、計算で求めた消費電力が現実とは乖離してしまうという課題があった。なお、電圧の変動は質の良い電力の供給が難しい地域で発生し易い。

そこで本発明は、上記従来技術の問題に鑑み、ヒータに供給される電圧が変動する環境であっても、安価な方法で正確かつリアルタイムにヒータの消費電力を測定することが可能な射出成形機のヒータ電力測定装置を提供することを課題とする。

本願の請求項１に係る発明は、ヒータを有する射出成形機のヒータ電力測定装置であって、前記ヒータ電力測定装置は、前記ヒータの仕様上の抵抗値を記憶する抵抗値記憶部と、前記ヒータに供給される電圧を測定する電圧測定部と、所定周期内に前記ヒータが通電した通電時間の割合を測定する通電時間割合測定部とを有し、前記電圧測定部は、前記射出成形機上のサーボアンプに供給される電圧を測定する電圧測定部であって、前記抵抗値と前記測定された電圧と前記測定されたヒータ通電時間の割合とからヒータの消費電力を求めることを特徴とする射出成形機のヒータ電力測定装置である。
請求項２に係る発明は、ヒータを有する射出成形機のヒータ電力測定装置であって、前記ヒータ電力測定装置は、前記ヒータの定格電圧を記憶する定格電圧記憶部と、該定格電圧におけるヒータ電力とを記憶するヒータ電力記憶部と、前記ヒータに供給される電圧を測定する電圧測定部と、所定周期内に前記ヒータが通電した通電時間の割合を測定する通電時間割合測定部とを有し、前記電圧測定部は、前記射出成形機上のサーボアンプに供給される電圧を測定する電圧測定部であって、前記定格電圧と前記定格電圧におけるヒータ電力と前記測定された電圧と前記測定されたヒータ通電時間の割合とからヒータの消費電力を求めることを特徴とする射出成形機のヒータ電力測定装置である。

本発明により、ヒータに供給される電圧が変動する環境であっても、安価な方法で正確かつリアルタイムにヒータの消費電力を測定することが可能な射出成形機のヒータ電力測定装置を提供できる。

ヒータへの供給電圧を測定する実施形態を説明する図である。電圧測定部を備えたサーボアンプを用いる実施形態を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
まず、本発明における消費電力の算出方法を説明する。本発明では前記第二の従来技術である特許文献２に開示されたヒータ電力の測定方法を、電圧の変動を考慮することによって改良し、正確な消費電力をリアルタイムに求める。以下本発明の第１の発明について詳述する。あらかじめ仕様上のヒータ抵抗値（Ｒ）が判っていれば、実測したヒータの通電時間の割合（Ｈ）と実測した電圧（Ｖｔ）を測定するのみでヒータの消費電力（Ｗｔ）を求めることができる。ヒータの通電時間の割合（Ｈ）は、サンプリング周期毎に、その周期内でヒータが通電した時間を測定して求める。

本発明の第１の発明ではこの（式１）を利用して、電流を測定する手段（電流測定部）が無くても正確に消費電力を求める。ここで、仕様上のヒータの抵抗値（Ｒ）は、あらかじめヒータのゾーン毎に射出成形機上のメモリに記憶しておく。

Ｗｔ＝Ｈ・Ｖｔ²／Ｒ（式１）
Ｖt：電圧（実測値）
Ｗｔ：ヒータの消費電力（実測値）
Ｈ：ヒータの通電時間の割合（％）
Ｒ：仕様上のヒータの抵抗値（定数）

また、定格電圧におけるヒータ電力は（式２）で表される。
Ｗｒ＝Ｖｒ²／Ｒ（式２）
Ｖｒ：定格電圧
Ｗr：定格電圧Ｖｒにおける仕様上のヒータ電力

式１、式２とから、ヒータの消費電力（実測値）Ｗｔは（式３）で表される。すなわち、あらかじめ仕様上のヒータ電力（Ｗｒ）と定格電圧（Ｖｒ）が判っていれば、実測したヒータの通電時間の割合（Ｈ）と実測した電圧（Ｖｔ）を測定するのみでヒータの消費電力（Ｗｔ）を求めることができる。

本発明の第２の発明ではこの（式３）を利用して、電流を測定する手段（電流測定部）が無くても、正確に消費電力を求める。ここで、定格電圧（Ｖｒ）と定格電圧Ｖｒにおける仕様上のヒータ電力（Ｗｒ）は、あらかじめヒータのゾーン毎に射出成形機のメモリに記憶しておく。
Ｗｔ＝Ｈ・Ｗｒ・（Ｖｔ／Ｖｒ）² （式３）

ここで電圧の測定は、ヒータの駆動回路に供給する電圧を直接測定するのが好ましいが、ヒータへの電源供給ラインと同一の電源供給ライン上の電圧であれば射出成形機上のどこの電圧を測定してもよい。例えば、特許文献３に開示されるようにサーボアンプが電圧測定部を有する場合には、サーボアンプが測定した電圧をそのまま利用するようにしてもよい。この場合には、本発明によるヒータ電力測定部とサーボアンプの電圧測定部とを、同一の制御装置内に設け、サーボアンプが測定した電圧を、制御装置の内部バスを介してヒータ電力測定部に転送することで電力の測定が行える。あるいは、サーボアンプの電圧測定部が測定した電圧をヒータ電力測定部が参照可能なメモリに書き込むようにして、ヒータ電力測定部が測定した電圧を読み取って消費電力を求めるようにしてもよい。なお、サーボアンプの電圧測定部は、サーボアンプに供給される交流電圧を測定してそのまま利用してもよいし、サーボアンプ内で交流から直流に変換された後の電圧を測定し、測定した直流電圧をサーボアンプに供給される交流電圧に換算して利用してもよい。

以下、図１，図２に示される射出成形機のブロック図を用いて本発明の実施形態を説明する。図１はヒータへの供給電圧を測定する実施形態を説明する図である。
射出シリンダ２の先端にノズル１が取り付けられ、射出シリンダ２内にはスクリュ３が挿通されている。ノズル１にはヒータ４が装着され、射出シリンダ２にはその軸方向を複数の加熱ゾーンに分割して加熱するためにヒータ５Ａ，５Ｂが装着されている。そして、ノズル１には熱電対などの温度検出部６が取り付けられ、射出シリンダ２には熱電対などの温度検出部７Ａ，７Ｂが取り付けられている。それぞれの温度検出部６，７Ａ，７Ｂにより各部の温度が検出される。スクリュ３には、射出シリンダ２内の樹脂圧力を測定するためにスクリュ３にかかる圧力を検出するロードセル等の圧力センサ２８が設けられている。

スクリュ３は、サーボモータ２９の駆動力によって、スクリュ３を軸方向に移動または軸回りに回転する。サーボモータ２９には軸方向または軸回りの位置・速度を検出する位置・速度検出器３０が取り付けられている。なお、ここでは、サーボモータ２９は射出用サーボモータと計量用サーボモータを総称している。

制御装置１０は、数値制御用のマイクロプロセッサであるＣＮＣＣＰＵ２０、プログラマブルマシンコントローラ用のマイクロプロセッサであるＰＭＣＣＰＵ１７、及び、サーボ制御用のマイクロプロセッサであるサーボＣＰＵ１１を有し、バス１６を介して相互の入出力を選択することにより、各マイクロプロセッサ間で情報伝達が行なえる。

サーボＣＰＵ１１には、位置ループ、速度ループ、電流ループの処理を実行するサーボ制御専用の制御プログラムを格納したＲＯＭ１２やデータの一時記憶に用いられるＲＡＭ１３が接続されている。また、サーボＣＰＵ１１には、図示しないＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器を介して、射出成形機本体側に設けられた射出圧力を検出する圧力センサ２８が接続されている。更に、サーボＣＰＵ１１には、サーボＣＰＵ１１からの指令に基づいて、射出軸、スクリュ回転軸に接続された射出用、スクリュ回転用のサーボモータ２９を駆動するサーボアンプ２７が接続されている。そして、サーボモータ２９には位置・速度検出器３０が取り付けられており、この位置・速度検出器３０からの出力信号がサーボＣＰＵ１１に帰還される。

ＰＭＣＣＰＵ１７には射出成形機のシーケンス動作を制御するシーケンスプログラム等を記憶したＲＯＭ１８及び演算データの一時記憶等に用いられるＲＡＭ１９が接続され、ＣＮＣＣＰＵ２０には、射出成形機を全体的に制御する自動運転プログラム等を記憶したＲＯＭ２１、及び、演算データの一時記憶等に用いられるＲＡＭ２２が接続されている。不揮発性メモリで構成される成形データ保存用ＲＡＭ２３は、射出成形作業に関する成形条件と各種設定値，パラメータ，マクロ変数等を記憶する成形データ保存用のメモリである。ＬＣＤ付手動入力装置（ＬＣＤ／ＭＤＩ）２５はＬＣＤ表示回路２４を介してバス１６に接続され、数値データの入力用のテンキーや各種のファンクションキーが設けられ、グラフ表示画面や機能メニューの選択、及び、各種データの入力操作を行なえるようになっている。

ＰＭＣＣＰＵ１７は入出力インタフェース１４を介してリレー８，９Ａ，９Ｂを開閉制御することにより、ノズル１および射出シリンダ２の各加熱ゾーンに装着されたヒータ４，５Ａ，５Ｂごとに、設定温度および温度検出部で検出される検出温度に基づいてＰＩＤ制御などを行い、各加熱ゾーンをオン／オフ制御して設定温度に制御することができる。オン状態ではヒータが通電し、オフ状態ではヒータの通電が停止する。射出成形機のノズル１や射出シリンダ２に配置された温度検出部６，７Ａ，７Ｂから出力される温度検出信号は電圧周波数変換器１５によって電圧−周波数変換され、変換された信号は入出力インタフェース１４を介して、ＰＭＣＣＰＵ１７に送られる。入出力インタフェース１４は、温度検出部６，７Ａ，７Ｂからの温度検出信号などを受信するためのインタフェースである。

以上の構成により、ＰＭＣＣＰＵ１７が射出成形機全体の温度制御を含むシーケンス動作を制御し、ＣＮＣＣＰＵ２０がＲＯＭ２１の運転プログラムや成形データ保存用ＲＡＭ２３に格納された成形条件等に基づいて各サーボモータに対して移動指令の分配を行い、サーボＣＰＵ１１は各軸に対して分配された移動指令と位置・速度検出器３０で検出された位置および速度のフィードバック信号に基づいて、従来技術と同様に位置ループ制御，速度ループ制御，更には、電流ループ制御等のサーボ制御を行い、いわゆるデジタルサーボ処理を実行し、サーボモータ２９を駆動制御する。主電源はリレー８，９Ａ，９Ｂを介してヒータ４，５Ａ，５Ｂに接続されるとともに、制御装置１０およびサーボアンプ２７にも接続される。電圧測定装置３１は、リレー８，９Ａ，９Ｂを介して接続されるヒータ４，５Ａ，５Ｂ、制御装置１０、および、サーボアンプ２７に供給される主電源の電圧を所定のサンプリング周期で測定する。電圧測定装置３１で測定された主電源の電圧データは入出力インタフェース１４を介してＰＭＣＣＰＵ１７に送られる。

図１に示される実施形態では、上記（式１）〜（式３）を利用して、電流を測定する手段（電流測定部）が無くても正確に消費電力を求めることができる。仕様上のヒータ４，５Ａ，５Ｂの抵抗値（Ｒ）は、あらかじめヒータ４，５Ａ，５Ｂのゾーン毎に射出成形機上のメモリ（例えば、成形データ保存用ＲＡＭ２３）に記憶しておく。あるいは、定格電圧（Ｖｒ）と定格電圧Ｖｒにおける仕様上のヒータ電力（Ｗｒ）は、あらかじめヒータ４，５Ａ，５Ｂのゾーン毎に射出成形機のメモリ（例えば、成形データ保存用ＲＡＭ２３）に記憶しておく。これらによって、図１に示される射出成形機はヒータ電力の測定機能を備える。これによって、上述したように、実測したヒータ４，５Ａ，５Ｂの通電時間の割合（Ｈ）と実測した主電源の電圧（Ｖｔ）を測定するのみでヒータ４，５Ａ，５Ｂの消費電力（Ｗｔ）を求めることができる。ヒータ４，５Ａ，５Ｂの通電時間の割合（Ｈ）は、サンプリング周期毎に、その周期内でヒータ４，５Ａ，５Ｂが通電した時間を測定して求めることができる。例えば、１分間で１秒毎に主電源の電圧をサンプリングし、３０秒間通電し、３０秒間通電しない場合、通電時間の割合（Ｈ）は５０％となる。

図２は電圧測定部を備えたサーボアンプを用いる実施形態を説明する図である。ここでは、図１との相違する点を説明し、同一の構成および機能については記載を省略する。ここで電圧の測定は、サーボアンプ２７が電圧測定部（図示せず）を有する場合には、サーボアンプ２７が所定サンプリング周期で測定した電圧をそのまま利用するようにしてもよい。この場合には、サーボアンプ２７が測定した電圧を、制御装置１０のバス１６を介してＰＭＣＣＰＵ１７に転送することで電力の測定が行える。あるいは、サーボアンプ２７の電圧測定部が測定した電圧データを、ヒータ電力測定部を構成するＰＭＣＣＰＵ１７が参照可能なメモリ（図示せず）に書き込むようにして、ＰＭＣＣＰＵ１７が測定した電圧データを読み取って消費電力を求めるようにしてもよい。なお、サーボアンプ２７の電圧測定部は、サーボアンプ２７に供給される交流電圧を測定してそのまま利用してもよいし、サーボアンプ２７内で交流から直流に変換された後の電圧を測定し、測定した直流電圧をサーボアンプに供給される交流電圧に換算して利用してもよい。

１ノズル
２射出シリンダ
３スクリュ
４ヒータ
５Ａヒータ
５Ｂヒータ
６温度検出部
７Ａ温度検出部
７Ｂ温度検出部
８リレー
９Ａリレー
９Ｂリレー
１０制御装置
１１サーボＣＰＵ
１２ＲＯＭ
１３ＲＡＭ
１４入出力インタフェース
１５電圧周波数変換器
１６バス
１７ＰＭＣＣＰＵ
１８ＲＯＭ
１９ＲＡＭ
２０ＣＮＣＣＰＵ
２１ＲＯＭ
２２ＲＡＭ
２３成形データ保存用ＲＡＭ
２４ＬＣＤ表示回路
２５ＬＣＤ／ＭＤＩ

２７サーボアンプ
２８圧力センサ
２９サーボモータ
３０位置・速度検出器
３１電圧測定装置

Claims

ヒータを有する射出成形機のヒータ電力測定装置であって、
前記ヒータ電力測定装置は、
前記ヒータの仕様上の抵抗値を記憶する抵抗値記憶部と、
前記ヒータに供給される電圧を測定する電圧測定部と、
所定周期内に前記ヒータが通電した通電時間の割合を測定する通電時間割合測定部とを有し、前記電圧測定部は、前記射出成形機上のサーボアンプに供給される電圧を測定する電圧測定部であって、前記抵抗値と前記測定された電圧と前記測定されたヒータ通電時間の割合とからヒータの消費電力を求めることを特徴とする射出成形機のヒータ電力測定装置。
ヒータを有する射出成形機のヒータ電力測定装置であって、
前記ヒータ電力測定装置は、
前記ヒータの定格電圧を記憶する定格電圧記憶部と、
該定格電圧におけるヒータ電力とを記憶するヒータ電力記憶部と、
前記ヒータに供給される電圧を測定する電圧測定部と、
所定周期内に前記ヒータが通電した通電時間の割合を測定する通電時間割合測定部とを有し、前記電圧測定部は、前記射出成形機上のサーボアンプに供給される電圧を測定する電圧測定部であって、前記定格電圧と前記定格電圧におけるヒータ電力と前記測定された電圧と前記測定されたヒータ通電時間の割合とからヒータの消費電力を求めることを特徴とする射出成形機のヒータ電力測定装置。