AT514232B1 - Verfahren zum Steuern oder Regeln einer Spritzgießmaschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Steuern oder Regeln einer Spritzgießmaschine, wobei Kunststoffschmelze in eine Kavität gefüllt wird und nach vollständiger Füllung der Kavität durch ein Druckmittel in gesteuerter oder geregelter Weise ein Druck auf die sich in der Kavität befindliche Schmelze ausgeübt wird, wobei das gesteuerte oder geregelte Ausüben des Druckes durch das Druckmittel gemäß einem Sollprofil erfolgt, wobei die erste Ableitung und die zweite Ableitung des vom Druckmittel gemäß dem Sollprofil ausgeübten Druckes durch die Vorgabe von oberen und unteren Grenzen für die Sollwerte der ersten Ableitung und der zweiten Ableitung des vom Druckmittel gemäß dem Sollprofil ausgeübten Druckes beschränkt werden und das gesteuerte oder geregelte Ausüben des Druckes durch das Druckmittel gemäß dem Sollprofil unter Berücksichtigung der vorgegebenen oberen und unteren Grenzen erfolgt.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern oder Regeln einer Spritzgießmaschinemit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

[0002] Die DE 41 40 392 A1 zeigt ein Verfahren für die Umschaltung auf Nachdruck bei star¬kem Druckanstieg. Dabei wird das Drucksignal (bevorzugt der Forminnendruck) abgeleitet unddie 2. Ableitung für das Umschaltkriterium herangezogen.

[0003] Das Patent DE 10 2004 051 109 B4 von Siemens beschreibt ein Verfahren für die ver¬besserte Umschaltung auf den Nachdruck durch Extrapolation. Es wird auch eine Sollwertvor¬gabe beim Beginn des Nachdruckes angeführt.

[0004] Im Patent (Abs. [14]) wird erwähnt, dass keine schlagartige Umschaltung des Sollwerteserfolgt, sondern eine Sollwertüberführung mit definiertem Druckgradienten normal auf eineProfilstufe erfolgt. Ausgehend vom Startsollwert wird mit Hilfe einer Gradientenkurve ein Soll¬wert vorgegeben, der sich z.B. linear normal an die Druckstufe annähert. (Abs. [17]) [0005] Im Anspruch 5 wird sehr allgemein angeführt, dass die Sollwerte mittels einer Funktionzwischen dem Startsollwert und dem Endsollwert festgelegt werden. In der Beschreibung wer¬den beispielsweise eine Gradientenkurve bzw. Druck-Zeit-Profile mit definierten Druckgradien¬ten dp/dt angeführt siehe Abs [51], [55], Fig. 3, 4, und 7.

[0006] Um hochdynamische Einspritzbewegungen zu ermöglichen, die auch hinsichtlich Lauf¬ruhe und Lebensdauer höchsten Ansprüchen genügen ist eine optimierte Planung der Bewe¬gungsbahn (Trajektorie) für die Einspritzphase, der Nachdruckphase sowie speziell für denÜbergang erforderlich. Neben dem Teil der geschwindigkeitsgeregelten Einspritzbewegung istauch in der druckgeregelten Nachdruckphase ein dynamischer und ruhiger Verlauf der Maschi¬ne wesentlich.

[0007] Um den Nachdruck zu steuern oder zu regeln, stellt man von vorneherein ein bestimm¬tes theoretisches Sollprofil zur Verfügung, welches idealer Weise ganz genau abgefahren wer¬den würde. Dieses theoretische Profil besteht meist aus aneinander gereihten konstantenDruckwerten oder linearen Rampen. In der Praxis kann daher in den Übergängen dieser Vor¬gabe nur mit Abweichungen gefolgt werden.

[0008] Um eine hohe Dynamik mit kurzen Beschleunigungszeiten und steilen Druckanstiegenzu erreichen sind idealerweise sprunghafte Änderungen der maximalen Momente bzw. derKräfte des Antriebssystems erforderlich. Diese Vorgaben rufen aber teilweise unzulässigeBeanspruchungen des i. A. elastischen und/oder spielbehafteten Antriebsstranges hervor.Diese unzulässigen Beanspruchungen zeigen sich durch Schwingungen des Antriebsstranges,hörbaren Schlägen und Lärm. Das Verhalten führt in Folge zu geringerer Lebensdauer aufgrundder entstehenden Belastungsspitzen in einzelnen Maschinenelementen wie z. B. Lager oderSpindeln.

[0009] Um beim Stand der Technik eine schonende und verschleißarme Bewegung zu errei¬chen sind sanftere Verläufe der resultierenden Bewegungsbahnen nötig. In der Einspritz- undder Nachdruckphase kann dies bei Einsatz einer Regelung beispielsweise durch die Reduktionder Reglerverstärkung des Reglers oder eines unterlagerten Regelkreises wie Momentenregleroder Geschwindigkeitsregler erreicht werden. Dies hat den Nachteil, dass dadurch das Reg¬lerverhalten verschlechtert wird und die Regelabweichungen zunehmen.

[0010] In der Praxis wird die Änderung des Sollwertes durch die Vorgabe von Maximalrampenbegrenzt. Um dadurch eine sanfte resultierende Bewegung zu erhalten, führt die notwendigeBegrenzung zu einer merklichen Reduktion der möglichen Druckänderung, deutlich unter dervom Antrieb möglichen Dynamik.

[0011] Eine weitere Möglichkeit ist es die Sollwerte durch einen Tiefpassfilter zu glätten. Durchden Filter werden jedoch die Bahnen verschliffen, was zu Abweichungen von den ursprüngli¬chen Vorgaben führt.

[0012] Ein weiterer Nachteil der Variante ist, dass der maximale Wert der resultierenden Ablei¬tungen dabei von den ursprünglichen Sollwerten abhängt und daher im Vorhinein nicht exaktbestimmt werden kann.

[0013] Im Stand der Technik wird die Verwendung von Abtastzeiten von unter 100 Mikrosekun-den erwähnt. Gerade hier ist es sinnvoll Druckvorgaben möglichst glatt zu definieren, um ent¬sprechend sinnvolle und realisierbare Sollwerte zu generieren und um bei steifen Antriebssys¬temen wie elektrisch betriebene Spritzgießmaschinen mit Spindelantrieben (gegenüber hydr.Antreiben) auch präzise und dynamische Regelungen realisieren zu können.

[0014] Aufgabe der Erfindung ist es, bei optimaler Nutzung der zur Verfügung stehenden An¬triebskräfte bzw. Momente sowie der maximalen Geschwindigkeit zur Erzielung kurzer Füllzei¬ten der Kavität übermäßige Belastungen der Spritzgießmaschine zu vermeiden.

[0015] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausfüh¬rungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

[0016] Die Erfindung stellt eine Möglichkeit zur Verfügung, wie man die oben diskutierten Ab¬weichungen so schnell wie möglich, aber innerhalb der Grenzen des Systems an die idealeSollwertvorgabe angleichen kann.

[0017] Erfindungsgemäß erfolgt dies so, dass die erste und die zweite Ableitung des vomDruckmittel (z. B. Plastifizierschnecke oder gesonderter Einspritzkolben) ausgeübten Druckes inForm von oberen und unteren Grenzen beschränkt werden, wobei man in der Praxis natürlichversuchen wird, so nahe an den Grenzen zu bleiben, wie möglich, um ein möglichst raschesAngleichen an die ideale Bahn des Druckes erreichen zu können.

[0018] Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Ableitung und die zweite Ableitungdes vom Druckmittel gemäß dem Sollprofil ausgeübten Druckes durch die Vorgabe von oberenund unteren Grenzen für die Sollwerte der ersten Ableitung und der zweiten Ableitung des vomDruckmittel gemäß dem Sollprofil ausgeübten Druckes beschränkt werden und das gesteuerteoder geregelte Ausüben des Druckes durch das Druckmittel gemäß dem Sollprofil unter Be¬rücksichtigung der vorgegebenen oberen und unteren Grenzen erfolgt.

[0019] Durch die Erfindung kann unter Berücksichtigung der Systemgrenzen eine realisierbareVorgabe eines Druckes erzeugt werden, damit das Antriebssystem der Vorgabe folgen kann,ohne dass es sich in einer Begrenzung wie der Geschwindigkeitsgrenze oder der Momenten-grenze befindet. Sobald es sich in einer Grenze befindet, können der Fehler und somit auftre¬tende Schwankungen nicht mehr kompensiert werden. Das wirkt sich nachteilig in der Qualitätder produzierten Teile aus.

[0020] Mit der Erfindung werden die Anforderungen einer hohen Dynamik und eines harmoni¬schen Laufes der Maschine erfüllt, die zudem positive Einflüsse auf die Regelung und somit aufdie Qualität der Teile haben.

[0021] Um eine harmonische Bewegung zu erhalten kann die Einhaltung weiterer Restriktionen,insbesondere der dritten Ableitung des vom Druckmittel ausgeübten Druckes, gewünscht sein.Als physikalische Bedeutung entspricht die dritte Ableitung des Druckes einer Momentenände-rung/Kraftänderung des Antriebes. Auch diese sind in realen Systemen begrenzt.

[0022] In der Erfindung können neben dem Übergang vom Umschaltpunkt auf den Nachdruckauch die Übergänge zwischen einzelnen Nachdruckstufen bzw. Profilabschnitten berücksichtigtwerden. Der Druckverlauf ist so bestimmt, dass dieser vorgegebene Grenzen der ersten, zwei¬ten und ggf. dritten Ableitung des vom Druckmittel ausgeübten Druckes einhält.

[0023] Als spezielle Ausführungsvarianten könnte die zweite Ableitung des Druckes abhängigvom Druck begrenzt werden. Hintergrund dieser Idee ist, dass bei einem höheren Druck bereitsmehr Moment im statischen Zustand benötigt wird und für die Beschleunigung des Antriebesdes Druckmittels für einen Druckaufbau weniger Moment zur Verfügung steht. Im Gegensatzdazu, steht bei einem Druckabbau mehr Moment zur Verfügung und das System (die verfügba¬ren Leistungen und Momente) kann besser ausgenützt werden.

[0024] Ähnliche Beziehungen können auch für die anderen Beschränkungen verwendet wer¬den.

[0025] Eine Möglichkeit, das Sollprofil zu erhalten, besteht darin, es aus einer Vielzahl vonaneinander gereihten, stückweise definierten Funktionen zusammenzusetzen.

[0026] Durch die Vorgabe bzw. der Berechnung der Parameter der Funktionen aufgrund derGrenzen in den einzelnen Abschnitten und das Aneinanderfügen kann das gesamte Profil ermit¬telt werden.

[0027] Die Beschränkungen der Ableitungen des Druckes können zum Beispiel auch mittelsgeeigneter Filter realisiert werden. Es ist allgemein bekannt, dass (bevorzugt ausgehend voneiner stufenförmigen Vorgabe) mittels n hintereinander ausgeführten Filtern n Ableitungenbegrenzt werden können. Andere Möglichkeiten sind denkbar und dem Fachmann bekannt.

[0028] Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Figuren sowie derdazugehörigen Figurenbeschreibung.

[0029] Figur 1 zeigt eine Überführung von zwei Abschnitten im Nachdruck mit unterschiedli¬chem Druckniveau, wo gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die ersten drei Ableitungendes Sollwertes begrenzt sind. Es sind der Druckverlauf (p) in der obersten Darstellung, sowiedie erste dp/dt und die zweite Ableitung d2p/dt2 des Solldruckes in den unteren Skizzen darge¬stellt.

[0030] Bis zum Beginn der Überführung ist eine erste Stufe des Nachdruckes 2 wirksam. DerZeitbereich des Überführens des Solldruckes ist mit der senkrechten Linie gekennzeichnet. Beider ersten Markierung beginnt die Sollwertüberführung 1, welche mit den entsprechendenAbleitungen 1a und 1b dargestellt ist. Die zulässigen Grenzen der Ableitungen der Sollwer¬tüberführung 2a, 2b sind ebenfalls dargestellt. Diese werden hier während des Übergangs exakterreicht. In den Bereichen, wo die zweite Ableitung eine konstante Steigung aufweist, befindetsich die dritte Ableitung in der vorgegebenen oberen oder unteren Grenze. Die Überführung desSollwertes endet in einer zweiten Stufe des Nachdruckes 3.

[0031] Zu den Nachdruckstufen sind jeweils auch die Ableitungen dargestellt, 2a und 2b bzw.3a und 3b.

[0032] In der gewählten Darstellung hat der Betrag der oberen und unteren Grenze jeweilsdenselben Wert. In einer bevorzugten Ausführungsform können die Beträge der oberen undunteren Grenzen unterschiedliche Werte aufweisen, oder beispielsweise durch eine druckab¬hängige Funktion vorgegeben werden.

[0033] In dieser Figur sind die Drücke in den einzelnen Abschnitten, zwischen denen der Soll¬wert übergeleitet wird, jeweils konstant. In einer weiteren Ausführungsform können die Drückein den beiden Abschnitten auch konstante Steigungen aufweisen.

[0034] Die folgenden Figuren zeigen mehrere unterschiedliche Überführungen vom Einspritz-druck auf den Nachdruck. In den Figuren sind jeweils der Druckverlauf, sowie die erste und diezweite Ableitung des Solldruckes dargestellt.

[0035] Figur 2 zeigt den Übergang vom Einspritzdruck auf ein konstantes Nachdruckprofil. ImUmschaltpunkt kann der aktuelle Verlauf des Einspritzdruckes durch eine Gerade angenähertwerden. Die Steigung des Druckes stimmt im Umschaltpunkt dadurch mit der linearen Approxi¬mation überein. Der Überführungssollwert setzt in dieser Ausführungsvariante auf dem aktuel¬len Druckistwert auf. Weiters startet die erste Ableitung des Überführungssollwertes mit deraktuellen Steigung des Druckes. Zu Beginn der Überführung befindet sich die zweite Ableitungdes Druckes in der Grenze. Anschließend wird die Grenze der ersten Ableitung erreicht. Bevorder Überführungssollwert das vorgegebene Profil erreicht, wird wiederum der Grenzwert derzweiten Ableitung wirksam. Der Zeitpunkt des Umschaltens ist mit der senkrechten Linie TUgekennzeichnet. In diesem Punkt beginnt der Überführungssollwert 1 auf den Nachdruck, wel¬cher mit den entsprechenden Ableitungen 1a und 1 b dargestellt ist. Die zulässigen Grenzen derAbleitungen des Überführungssollwertes 2a, 2b sind ebenfalls dargestellt. Das vorgegebene

Nachdruckprofil 3 beginnt mit dem Umschaltpunkt.

[0036] Weiters sind zeitliche Ableitungen des Nachdruckprofils 3a und 3b dargestellt. Der ersteTeil der Kurve zeigt den Druckverlauf vor dem Erreichen des Umschaltpunktes 5. Weiters sindeine lineare Approximation des Druckverlaufes 6 sowie die dazugehörige erste Ableitung 6aund zweite Ableitung 6b im Umschaltpunkt dargestellt.

[0037] In Figur 3 ist eine Überführung vom Einspritzdruck auf den Nachdruck dargestellt. ImGegensatz zur vorherigen Figur wird hier die Grenze der ersten Ableitung nicht erreicht.

[0038] In Figur 4 ist eine Überführung vom Einspritzdruck auf einen fallenden Nachdrucksoll¬wert dargestellt.

[0039] In Figur 5 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Überführung auf denNachdruck dargestellt, wobei neben der Begrenzung der ersten beiden Ableitungen des Soll¬wertes auch die dritte Ableitung begrenzt wird. Dies ist in der begrenzten Steigung der zweitenAbleitung sichtbar. Durch diese Maßnahme erfolgt die Überführung noch harmonischer. Analogzu dieser Darstellung kann auch eine Solldrucküberführung von zwei Abschnitten im Nachdruckmit unterschiedlichen Steigungen erreicht werden.

[0040] Als spezielle Ausführungsvarianten könnte die zweite Ableitung des Druckes abhängigvon dem Druck begrenzt werden.

[0041] In Figur 6 ist ein druckabhängiger 7 und ein druckunabhängiger 8 Grenzwert für diezweite Ableitung dargestellt. Hintergrund der Idee ist, dass bei einem höheren Druck bereitsmehr Moment im statischen Zustand benötigt wird und für die Beschleunigung des Antriebes füreinen Druckaufbau weniger Moment zur Verfügung steht. Im Gegensatz dazu, steht bei einemDruckabbau mehr Moment zur Verfügung und das System (die verfügbaren Leistungen undMomente) kann besser ausgenützt werden. Ähnliche Beziehungen können auch für die anderenGrenzen verwendet werden.

Claims (9)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zum Steuern oder Regeln einer Spritzgießmaschine, wobei Kunststoffschmelzein eine Kavität gefüllt wird und nach vollständiger Füllung der Kavität durch ein Druckmittelin gesteuerter oder geregelter Weise ein Druck auf die sich in der Kavität befindlicheSchmelze ausgeübt wird, wobei das gesteuerte oder geregelte Ausüben des Druckesdurch das Druckmittel gemäß einem Sollprofil erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass dieerste Ableitung und die zweite Ableitung des vom Druckmittel gemäß dem Sollprofil ausge¬übten Druckes durch die Vorgabe von oberen und unteren Grenzen für die Sollwerte derersten Ableitung und der zweiten Ableitung des vom Druckmittel gemäß dem Sollprofilausgeübten Druckes beschränkt werden und das gesteuerte oder geregelte Ausüben desDruckes durch das Druckmittel gemäß dem Sollprofil unter Berücksichtigung der vorgege¬benen oberen und unteren Grenzen erfolgt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch die dritte Ableitung desvom Druckmittel gemäß dem Sollprofil ausgeübten Druckes durch die Vorgabe von oberenund unteren Grenzen beschränkt wird.
3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die obereund/oder untere Grenze(n) für die zweite Ableitung des Druckes in Abhängigkeit vomDruck gewählt wird/werden.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dieoberen und/oder unteren Grenzen der zweiten Ableitungen aus den verfügbaren Antriebs¬kräften bzw. -Moment berechnet werden.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dieoberen und/oder unteren Grenzen der ersten Ableitungen aus den verfügbaren Maximal¬geschwindigkeiten berechnet werden.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sollpro¬fil beim Überführen von Einspritzen auf Nachdruck ausgehend vom aktuellen Druck unddessen Ableitungen im Umschaltpunkt auf die Vorgabe des Druckes im Nachdruck mit derBegrenzung der Ableitungen übergeführt wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sollpro¬fil aus einer Vielzahl von aneinander gereihten, stückweise definierten Funktionen zusam¬mengesetzt wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sollpro¬fil zu jedem Zeitpunkt des Nachdruckes entweder der Druckvorgabe des Bedieners ent¬spricht, oder sich eine der Ableitungen des Sollprofils in der oberen oder unteren Grenzebefindet.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwertund eine oder mehrere Ableitungen des Sollwertes für eine Regelung des Druckes imNachdruck verwendet werden. Hierzu 6 Blatt Zeichnungen