AT523442B1 - Plastifiziereinheit für eine Formgebungsmaschine - Google Patents

Abstract

Plastifiziereinheit für eine Formgebungsmaschine mit einer Plastifizierschnecke, einem Antriebsstrang zum Drehen der Plastifizierschnecke und einer mit dem Antriebsstrang der Plastifizierschnecke verbundenen oder verbindbaren Steuer- und/ oder Regeleinheit, welche dazu ausgebildet ist, den Antriebsstrang mit zumindest einem Befehlswert anzusteuern, wobei die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu ausgebildet ist, den zumindest einen Befehlswert zum Annähern einer tatsächlichen Drehzahl der Plastifizierschnecke an eine vorgegebene Soll-Drehzahl der Plastifizierschnecke durch Anwenden einer ein Verhalten des Antriebsstrangs modellierenden Transformation auf die Soll-Drehzahl und/oder den zumindest einen Befehlswert vorzugeben oder zu korrigieren.

Description

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Plastifiziereinheit für eine Formgebungsmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, ein Verfahren zum Betreiben einer Plastifiziereinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 14 sowie ein Computerprogrammprodukt.

[0002] Gattungsgemäße Plastifiziereinheiten weisen eine Plastifizierschnecke, einen Antriebsstrang zum Drehen der Plastifizierschnecke und eine mit dem Antriebsstrang der Plastifizierschnecke verbundene Steuereinheit auf, welche dazu ausgebildet ist, den Antriebsstrang mit zumindest einem Befehlswert anzusteuern.

[0003] Verschiedene Umstände sorgen dafür, dass die gewünschte Schneckendrehzahl bei der Steuerung gemäß dem Stand der Technik oft nicht erreicht wird. Auf das Drehmoment, welches die Plastifizierschnecke dabei erfährt, haben nämlich verschiedenste Prozessparameter, insbesondere Materialparameter, Temperaturen und Druck (wird beim vorliegenden Einsatzbereich auch als Staudruck bezeichnet) des zu plastifizierenden und plastifizierten Materials.

[0004] Bei Antriebssträngen, die über eine Pumpe und einen Hydromotor zum Drehen der Plastifizierschnecke verfügen, treten außerdem unbekannte arbeitspunktabhängige innere Leckagen auf, die nicht kompensiert werden, sodass auch deshalb eine Abweichung zwischen einem SollWert für die Steuerung der Schneckendrehzahl und der tatsächlichen Schneckendrehzahl hervorgerufen wird.

[0005] Eine Möglichkeit, dieses Problem zu beheben wäre, statt der Steuerung der Schneckendrehzahl eine Regelung vorzusehen. Tatsächlich sind an vielen Plastifiziereinheiten auch Sensoren für die Schneckendrehzahl bereits vorhanden. Allerdings ist deren Messauflösung im Allgemeinen nicht ausreichend, um eine Regelung der Schneckendrehzahl vernünftig zu unterstützen, da sie lediglich zwei- bis dreimal pro Umdrehung einen Messwert liefern. (Für andere Zwecke als für die Regelung, also bspw. um Effekte mit größeren als bei der Regelung auftretenden Zeitkonstanten zu untersuchen, Mittelwerte zu bilden oder zur Anzeige für einen Bediener sind die vorhandenen Sensoren für die Schneckendrehzahl aber natürlich ausreichend.)

[0006] Es wäre natürlich technisch möglich, einen besseren Sensor an der Plastifiziereinheit zu verbauen, um die Schneckendrehzahl viel genauer zu erfassen. Genauere Sensoren für die Schneckendrehzahl haben aber eine nicht zu vernachlässigende Baugröße, was die Baulänge der Plastifiziereinheit signifikant vergrößern würde. Das ist aber unbedingt zu vermeiden.

[0007] Bekannte Ausgestaltungen des Stands der Technik gehen beispielsweise aus der JP H07285163 A, der JP H09193224 A, der JP 2004175120 A oder der JP S6049913 A hervor.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Plastifiziereinheit, ein Verfahren und ein Computerprogrammprodukt mit einer Steuerung oder Regelung bereitzustellen, wobei die tatsächliche Schneckendrehzahl näher an die Soll-Drehzahl herankommt als dies im Stand der Technik der Fall ist, wenn möglich ohne die Baulänge der Plastifiziereinheit signifikant zu vergrößern. Hinsichtlich der Plastifiziereinheit wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dies geschieht, indem die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu ausgebildet ist, den zumindest einen Befehlswert zum Annähern einer tatsächlichen (momentanen) Drehzahl der Plastifizierschnecke an eine vorgegebene Soll-Drehzahl der Plastifizierschnecke durch Anwenden einer ein Verhalten des Antriebsstrangs modellierenden Transformation auf die Soll-Drehzahl und/oder den zumindest einen Befehlswert vorzugeben oder zu korrigieren, wobei die Transformation auf zumindest einem Kennfeld des Antriebsstrangs basiert.

[0009] Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst, indem der zumindest eine Befehlswert zum Annähern einer tatsächlichen Drehzahl der Plastifizierschnecke an eine vorgegebene Soll-Drehzahl der Plastifizierschnecke vorgegeben oder korrigiert wird, indem eine ein Verhalten des Antriebsstrangs modellierende Transformation auf die Soll-Drehzahl und/oder den Befehlswert angewendet wird, wobei die Transformation auf zumindest einem Kennfeld des Antriebsstrangs basiert.

[0010] Hinsichtlich des Computerprogramms wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Dies geschieht über Befehle, welche einen ausführenden Computer dazu veranlassen,

[0011] - einen Antriebsstrang einer Plastifizierschnecke mit zumindest einem Befehlswert anzusteuern und

[0012] - den zumindest einen Befehlswert zum Annähern einer tatsächlichen Drehzahl der Plastifizierschnecke an eine vorgegebene Soll-Drehzahl der Plastifizierschnecke vorzugeben oder zu korrigieren, indem eine ein Verhalten des Antriebsstrangs modellierende Transformation auf die Soll-Drehzahl und/oder den Befehlswert angewendet wird, wobei die Transformation auf zumindest einem Kennfeld des Antriebsstrangs basiert.

[0013] Die Soll-Drehzahl kann beispielsweise von einer zentralen Maschinensteuerung vorgegeben werden.

[0014] Die Steuer- und/oder Regeleinheit generiert aufgrund des Soll-Werts einen Befehlswert für den Antriebsstrang.

[0015] Wenn der Antriebsstrang bspw. eine Pumpe und einen Hydromotor zum Drehen der Schnecke aufweist, könnte der Befehlswert in Form einer Förderleistung, eines Drehzahl des Pumpenmotors oder eines Verstellwinkels der Pumpe ausgegeben werden.

[0016] Der Antriebsstrang kann alternativ auch einen Asynchronmotor zum Antreiben der Rotation der Plastifizierschnecke aufweisen (was prinzipiell auch effizienter und einfacher wäre als eine Pumpe-Hydromotor-Kombination).

[0017] Selbstverständlich ist es nicht ausgeschlossen (sondern in der Praxis in vielen Fällen erforderlich), dass weitere Steuer- oder Regelkreise über die hier beschriebene Steuerung überoder unterlagert sind, beispielsweise um den Soll-Wert dynamisch anzupassen oder tatsächliche Ansteuersignale für den Pumpenmotor zu erzeugen (bspw. über die Leistungselektronik des Pumpenmotors).

[0018] Durch eine erfindungsgemäße Steuerung oder Regelung der Schneckendrehzahl, wobei Informationen über den Antriebsstrang verwenden können (über die erfindungsgemäße Transformation), können Umstände, die zu Abweichungen zwischen der Soll-Drehzahl und der tatsächlichen Drehzahl führen, kompensiert oder eliminiert werden. Wie schon erwähnt können solche Umstände beispielsweise durch innere Leckagen in einer Pumpe oder einem Hydromotor oder durch Schlupf in einem Asynchronmotor gegeben sein. Andere Beispiele wären die Eigenschaften eines Hydraulikfluids (Temperatur, Viskosität usw.).

[0019] Anders ausgedrückt, kann mittels der Erfindung eine Vorsteuerung implementiert werden, welche das Verhalten des Antriebsstrangs (und ggf. des Plastifizierprozesses) berücksichtigt.

[0020] Beispiele für erfindungsgemäße Transformationen werden etwas weiter unten angegeben.

[0021] Neben dem Verhalten des Antriebsstrangs kann die erfindungsgemäße Transformation auch den Plastifizierprozess selbst berücksichtigen.

[0022] Beispielsweise wenn das zu plastifizierende Material relativ kühl ist und sich daher wegen einer relativ hohen Viskosität eine relativ niedrige Schneckendrehzahl einstellt, kann es vorteilhaft sein, den Befehlswert so zu korrigieren, dass dies kompensiert wird.

[0023] Für die Zwecke des vorliegenden Dokuments wird die Plastifizierschnecke des Öfteren auch kurz als „Schnecke“ bezeichnet. Dementsprechend kann die Drehzahl der Schnecke auch als Schneckendrehzahl bezeichnet werden.

[0024] Die tatsächliche Drehzahl der Schnecke ist eine Drehzahl mit der sich die Schnecke bei einer konkreten Plastifiziereinheit tatsächlich dreht. Diese Drehzahl muss aber nicht gemessen werden, d.h. die Erfindung kann auch als reine Steuerung implementiert sein.

[0025] Natürlich ist es auch möglich, die Erfindung im Rahmen einer Regelung mit einem Sensor

zum Erfassen der tatsächlichen Drehzahl der Schnecke zu realisieren. Durch die Erfindung kann eine Regelung auch dann realisiert werden, wenn der Sensor zur Erfassung der Drehzahl für klassische Regelungsschemas nicht gut genug ist, weil eine zu geringe zeitliche Auflösung oder Messgenauigkeit vorliegt. Die Erfindung bietet aber auch Vorteile, wenn ein Sensor mit hoher zeitlicher Auflösung und/oder Messgenauigkeit verwendet wird, da auch in diesem Fall die Regelgüte verbessert werden kann.

[0026] Durch eine Plastifiziereinheit mit einer Plastifizierschnecke können plastifizierfähige Materialien, wie insbesondere thermoplastische Kunststoffe, plastifiziert werden. Es ist aber durchaus möglich Zusätze, wie Fasern, Gase oder Pulver, als Beladungen zum zu plastifizierenden Material hinzuzugeben. Auch diese Materialien sowie Mischungen aus allen genannten Materialien werden im Rahmen der Erfindung als plastifizierfähige Materialien bezeichnet. Die Erfindung verbessert das Verhalten bei allen zu plastifizierenden Materialien bei marktüblichen Anwendungen.

[0027] Erfindungsgemäß wird eine Transformation verwendet, um ein Annähern der tatsächlichen Drehzahl der Plastifizierschnecke an die vorgegebene Soll-Drehzahl zu erreichen. Dies geschieht durch Anwenden der Transformation auf den Befehlswert zum Ansteuern des Antriebsstrangs oder durch Anwenden der Transformation auf die Soll-Drehzahl. In letzterem Fall ergibt sich natürlich eine neue, korrigierte Soll-Drehzahl, welche so gewählt ist, dass sich die tatsächliche Drehzahl der Plastifizierschnecke an die ursprüngliche, noch nicht transformierte Soll-Drehzahl annähert.

[0028] Die Steuer- und/oder Regeleinheit kann direkt an der Plastifiziereinheit oder der Formgebungsmaschine angeordnet sein. Sie kann alternativ auch fern von der Maschine angeordnet sein und über eine Datenfernübertragungsverbindung mit verschiedenen Elementen der Plastifiziereinheit in Verbindung stehen, bspw. in Form eines so angebundenen Computer-Servers. Letztlich kann die Steuer- und/oder Regeleinheit auch durch verteiltes Rechnen realisiert sein, d.h. die Funktionen der Steuer- und/oder Regeleinheit sind dann durch eine Vielzahl von Rechenprozessen realisiert, die an verschiedenen Computern unabhängig von der Position der Maschine laufen können.

[0029] Schutz wird außerdem begehrt für eine Formgebungsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Plastifiziereinheit. Unter Formgebungsmaschinen können dabei Spritzgießmaschinen, Spritzpressen, Pressen und dergleichen verstanden werden.

[0030] In vielen (aber nicht allen) Fällen arbeiten Formgebungsmaschinen in Zyklen, die auch als Formgebungszyklen bezeichnet werden.

[0031] Unter einem Kennfeld wird dabei ein Zusammenhang verstanden, der verschiedene Betriebspunkte des Antriebsstrangs oder einzelner Elemente des Antriebsstrangs zu verschiedenen Parameterwerten in Beziehung setzt.

[0032] Die Parameterwerte können zumindest eines der folgenden betreffen: Wirkungsgrad, Volumen, Reibung, Getriebeübersetzungen, Drehmomente, Leistung, Drehzahl.

[0033] Beispiele wären die Kennfelder von Pumpen oder Hydromotoren, die auch als Muschelkurven bezeichnet werden. Die Kennfelder bilden im Regelfall einen quasistationären Betriebszustand ab.

[0034] Die Erfindung kann prinzipiell auch bei einem Antrieb für einen Drehtisch eines Formwerkzeugs eingesetzt werden.

[0035] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

[0036] Es kann ein Sensor zum direkten oder indirekten Messen einer Antriebsgröße, insbesondere der tatsächlichen Drehzahl, vorgesehen sein, wobei die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu ausgebildet ist, die Transformation auf Basis von Messsignalen des Sensors iterativ anzupassen.

[0037] Iterative Anpassungen können mehrere Wiederholungen benötigen, weil sich bei anderen, insbesondere höheren, Drehzahlen andere, insbesondere höhere, Drehmomente einstellen, so-

dass aus einem einzelnen Iterationsschritt in vielen Fällen nicht genau die gewünschte tatsächliche Drehzahl resultiert. Zumindest einen Teil des erfindungsgemäßen Vorteils erhält man aber auch schon bei einem einzelnen Iterationsschritt.

[0038] Die Transformation kann vorzugsweise durch Invertieren des zumindest einen Kennfelds erzeugt werden und/oder die Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann dazu ausgebildet sein, das zumindest eine Kennfeld zu invertieren.

[0039] Das zumindest eine Kennfeld kann in der Steuer- und/oder Regeleinheit - insbesondere als zumindest eine Look-Up-Tabelle - hinterlegt sein und die Steuer- und/oder Regeleinheit kann dazu ausgebildet sein, das Kennfeld selbst zu invertieren.

[0040] Alternativ oder zusätzlich zu einer Look-Up-Tabelle können natürlich auch analytische Funktionen, wie beispielsweise Polynome, verwendet werden.

[0041] Alternativ kann das zumindest eine invertierte Kennfeld oder die Transformation in der Steuer- und/oder Regeleinheit hinterlegt sein.

[0042] Besonders bevorzugt können Ausführungsformen sein, wobei die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu ausgebildet ist, das Kennfeld aufgrund von Messwerten selbst - vorzugsweise automatisch - zu bestimmen und als Look-Up-Tabelle zu speichern.

[0043] Durch die Verwendung des zumindest einen Kennfelds kann deshalb nicht nur das Verhalten des Antriebsstrangs sondern auch die Funktion des Antriebsstrangs berücksichtigt werden.

[0044] Das zumindest eine Kennfeld kann durch Messungen, analytische Berechnungen oder Simulations-/Modell-Rechnungen bestimmt werden. Das Erstellen des zumindest einen Kennfelds kann letztlich auch von der Steuer- und/oder Regeleinheit selbst durchgeführt werden, wenn entsprechende Messsignale des Sensors zur Verfügung stehen. Bevorzugt kann dies automatisch geschehen.

[0045] Es kann außerdem vorgesehen sein, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung das zumindest eine Kennfeld zum Annähern der tatsächlichen Drehzahl der Plastifizierschnecke an die vorgegebene Soll-Drehzahl auf Basis der Messsignale des Sensors iterativ verändert.

[0046] Wenn beispielsweise ein Sensor zum Erfassen einer Antriebsgröße des Antriebsstrangs vorhanden ist, mit dem die Funktion des Antriebsstrangs oder eines Teils des Antriebsstrangs erfasst werden kann, könnten die Messwerte des Sensors dazu eingesetzt werden, das zumindest eine Kennfeld anzupassen. Nach dem darauf folgenden Invertieren des angepassten Kennfelds kann die so erzeugte Transformation die Wirkung der Erfindung weiter verbessern. Natürlich wäre es prinzipiell auch möglich, die Transformation direkt durch die Messwerte des Sensors anzupassen.

[0047] Hierfür geeignete Sensoren könnten beispielsweise ein Druck- oder Volumenstromsensor in einer Hydraulik (d.h. im hydraulischen Teilsystem) oder gewisse Kraft und/oder Drehmomentsensoren bei mechanischer Kraftübertragung sein. Letztlich kann natürlich auch ein Sensor zum Erfassen der tatsächlichen Schneckendrehzahl so eingesetzt werden.

[0048] In einer besonders einfachen Ausführungsform kann die Transformation einen iterativ veränderten und/oder zu verändernden Korrekturfaktor beinhalten. Insbesondere im Zusammenspiel mit einem Sensor zur Erfassung der Schneckendrehzahl kann der Korrekturfaktor empirisch so angepasst werden, dass die tatsächliche Schneckendrehzahl so gut wie möglich mit der SollDrehzahl übereinstimmt.

[0049] Der Korrekturfaktor kann zeitabhängig sein. Das gilt einerseits in dem Sinn, dass der Korrekturfaktor innerhalb eines Formgebungszyklus variabel sein kann, bspw. um verschiedene Drehmomentsituationen abzubilden, die in einem Formgebungszyklus auftreten können. Andererseits kann auch eine weitergehende Zeitabhängigkeit vorliegen, indem der Korrekturfaktor bspw. tageszeitlich oder gemäß einer Außentemperatur angepasst wird.

[0050] Natürlich kann der Korrekturfaktor für verschiedene Plastifiziereinheiten - auch desselben

Typs - unterschiedlich gewählt werden, beispielsweise basierend auf Erfahrungen eines Bedieners.

[0051] Konkret könnte in einem ersten Formgebungszyklus aus gemessenen Messsignalen der tatsächlichen Drehzahl der Plastifizierschnecke ein mittlerer Drehzahlwert (oder ein Median) berechnet werden und aus dem Vergleich zwischen Soll-Drehzahl und dem ermittelten mittleren Drehzahlwert könnte der Korrekturfaktor generiert werden, der im nächsten Formgebungszyklus verwendet werden kann.

[0052] Wie bereits erwähnt, kann es sein, dass der im nächsten Formgebungszyklus verwendete aus dem mittleren Drehzahlwert und der Soll-Drehzahl bestimmte Korrekturfaktor noch nicht genau zur gewünschten tatsächlichen Drehzahl führt, bspw. aufgrund geänderter Drehmomentsituation bei höherer Drehzahl. Dann können weitere Iterationsschritte die tatsächliche Drehzahl weiter verbessern, d.h. näher an die Soll-Drehzahl heranbringen.

[0053] Das so durchgeführte Verfahren kann für den gesamten Formgebungszyklus verwendet werden. Alternativ können verschiedene Teile des Formgebungszyklus separat untersucht werden und separate Korrekturfaktoren berücksichtigt werden. Der Formgebungszyklus könnte so bspw. in Konstantfahrzonen (zeitlich konstante Soll-Drehzahl) und Beschleunigungs- und/oder Verzögerungszonen unterteilt werden.

[0054] Besonders bevorzugt kann eine Ausführungsform sein, bei der ein invertiertes Kennfeld kombiniert mit iterativ angepassten Korrekturfaktoren verwendet wird. Einerseits können durch invertierte Kennfelder hohe Genauigkeiten (d.h. geringe Abweichungen von tatsächlicher Drehzahl und Soll-Drehzahl) von Beginn an erreicht werden. Andererseits können durch die iterativen Korrekturfaktoren die Genauigkeiten weiter verbessert und außerdem andere Veränderungen durch geänderte (Umgebungs-)Bedingungen kompensiert werden.

[0055] Die iterative Veränderung der Transformation, insbesondere des Korrekturfaktors und/oder des zumindest einen Kennfelds, kann zyklusweise, angepasst an die Formgebungszyklen der Formgebungsmaschine, geschehen. D.h. die iterative Anpassung oder Überprüfung des Korrekturfaktors oder des zumindest einen Kennfelds wird bspw. jeweils nach einem gewissen Ereignis im Formgebungszyklus oder auch am Ende des Formgebungszyklus durchgeführt.

[0056] Die iterative Anpassung der Transformation kann aufgrund eines vorgegebenen Kriteriums gestoppt oder eingefroren werden. Das Kriterium kann in Form eines Grenzwerts vorliegen, sodass die iterative Änderung gestoppt oder eingefroren wird, wenn die Änderung kleiner als der Grenzwert ist. Das Kriterium kann auch so ausgelegt werden, dass Instabilitäten erfasst werden und zum Stoppen oder Einfrieren der iterativen Anpassung führen.

[0057] Der Antriebsstrang kann einen mittels eines Arbeitsmediums anzutreibenden Hydromotor zum Drehen der Plastifizierschnecke und eine Pumpe zur Druckbeaufschlagung des Arbeitsmediums aufweisen.

[0058] Der Antriebsstrang kann alternativ (oder zusätzlich) einen Asynchronmotor und ein Getriebe beinhalten, wobei die Plastifizierschnecke durch den Asynchronmotor über das Getriebe angetrieben wird.

[0059] Bei dem Arbeitsmedium kann es sich um ein Hydraulikfluid, insbesondere Hydrauliköl, gegebenenfalls mit Zusätzen handeln.

[0060] Der zumindest eine Befehlswert zum Ansteuern der Pumpe kann eine veränderbare Fördermenge, einen veränderbaren Pumpenparameter und/oder eine Pumpendrehzahl, beinhalten. Die Fördermenge kann selbstverständlich auf verschiedene Arten angegeben werden, bspw. als Volumen oder Masse pro Zeiteinheit.

[0061] Beispielsweise im Rahmen einer kaskadierten Steuerung und/oder Regelung kann auch eine Kombination aus mehreren Befehlswerten (Fördermenge, veränderbarer Pumpenparameter und/oder Pumpendrehzahl) für die Pumpe vorgegeben werden.

[0062] Pumpen mit einem die Fördermenge beeinflussenden Pumpenparameter (bspw. Verän-

derung des Schluckvolumens) werden als Verstellbumpen bezeichnet. Bei dem Pumpenparameter kann es sich insbesondere um einen Verstellwinkel der Pumpe handeln.

[0063] Bei Verstellpbumpen entsteht ein zusätzlicher Freiheitsgrad bei der Wahl des Betriebspunkts beispielsweise dadurch, dass das gleiche Fördervolumen durch verschiedene Kombinationen aus Pumpenparameter und Pumpendrehzahl erreicht werden kann. Mittels der Erfindung kann für eine gewünschte Drehzahl der Plastifizierschnecke ein verbesserter und/oder optimierter Arbeitspunkt für die Pumpe gefunden werden.

[0064] Die wenigstens eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann dazu ausgebildet sein, durch Auswahl des zumindest einen Befehlswerts einen Betriebspunkt der Pumpe mit minimaler Leistungsaufnahme für die vorgegebene Soll-Drehzahl der Plastifizierschnecke zu wählen. Darunter ist nicht notwendigerweise eine direkte Wahl des Betriebspunkts der Pumpe zu verstehen (wenngleich dies natürlich möglich ist). Vielmehr soll unter Auswahl in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass der Befehlswert oder der Soll-Wert (und damit natürlich auch der Befehlswert) so beeinflusst wird, dass sich ein Betriebspunkt der Pumpe mit minimaler Leistungsaufnahme für die vorgegebene Soll-Drehzahl der Schnecke einstellt.

[0065] Die Transformation kann auf einem Kennfeld des Hydromotors und einem Kennfeld der Pumpe basieren.

[0066] Insbesondere können die Kennfelder des Hydromotors und der Pumpe zusammengesetzt werden, sodass sich ein zusammengesetztes Kennfeld ergibt. Die Erfindung kann dann besonders einfach durch Invertieren des zusammengesetzten Kennfelds realisiert werden.

[0067] Neben den Kennfeldern des Hydromotors und der Pumpe könne erfindungsgemäß auch noch weitere Parameter / Umstände berücksichtigt werden. So könnte zum Beispiel das Arbeitsmedium berücksichtigt werden, indem beispielsweise eine Temperatur, eine Viskosität oder eine Type des Arbeitsmediums in den Kennfeldern berücksichtigt werden.

[0068] Auch der Einfluss anderer hydraulischer Elemente im hydraulischen System, insbesondere druckabhängige, parasitäre Leckagen, wie sie durch parallel arbeitende Komponenten auftreten, können so in den Kennfeldern berücksichtigt werden.

[0069] Wenn der Sensor zum Erfassen der Antriebsgröße vorhanden ist, kann die Transformation bspw. vor der Inbetriebnahme an der Maschine identifiziert werden. Dies gilt für Ausführungen der Erfindung mit dem zumindest einen Kennfeld.

[0070] Bei Ausführungen mit einer Pumpe und einem Hydromotor kann durch Verwendung einer internen oder externen Bremse bspw. das zumindest eine Kennlinienfeld identifiziert werden.

[0071] Dabei ist zu bedenken, dass das Kennlinienfeld der Pumpe und des übrigen Hydrauliksystems in vielen Fällen von vornherein bekannt ist. Das Kennlinienfeld des Hydromotors kann dann wie beschrieben mit einer Bremse ausgemessen werden.

[0072] Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Figuren sowie der dazugehörigen Figurenbeschreibung. Dabei zeigen:

[0073] Fig. 1 ein Wirkungsgradkennfeld einer Innenzahnradpumpe, [0074] Fig. 2 ein Wirkungsgradkennfeld eines Hydromotors,

[0075] Fig. 3 ein kombiniertes Wirkungsgradkennfeld der Pumpe und des von der Pumpe getriebenen Hydromotors,

[0076] Fig. 4 bis 8 Diagramme zu verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.

[0077] In Fig. 1 ist ein Wirkungsgradkennfeld einer Innenzahnradpumpe dargestellt. Im Wirkungsgradkennfeld aus Fig. 1 ist zunächst der an der Pumpe anliegende Druck (Y-Achse) und die Drehzahl der Pumpe (X-Achse) aufgetragen. Jeder Punkt des Kennfelds repräsentiert einen Betriebspunkt der Pumpe.

[0078] Des Weiteren sind in Fig. 1 Linien konstanten Wirkungsgrades n eingetragen. Dem ist zu

entnehmen, dass es etwa im Zentrum des Diagramms einen Bereich gibt, in welchem der Wirkungsgrad größer als 0,9 ist.

[0079] Fig. 2 zeigt ein Wirkungsgradkennfeld eines Hydromotors, wobei das am Hydromotor anliegende Drehmoment (Y-Achse) und die Drehzahl des Hydromotors (X-Achse) aufgetragen sind. Auch hier gibt es einen Bereich hohen Wirkungsgrades y größer als 0,8, der ebenfalls recht zentral im Diagramm liegt.

[0080] Gemeinsam ist den Wirkungsgradkennfeldern aus Fig. 1 und 2 eine stark nichtlineare Abhängigkeit des Wirkungsgrads vom jeweiligen Betriebspunkt.

[0081] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Hydromotor verwendet, um die Plastifizierschnecke anzutreiben, sodass die Drehzahl des Hydromotors der Drehzahl der Schnecke entspricht. Alternativ kann ein Getriebe eingesetzt werden, wobei dann die Drehzahl der Schnecke in einem bekannten Verhältnis zur Drehzahl des Hydromotors steht.

[0082] Die Kennlinienfelder aus den Fig. 1 und 2 sind normalerweise bekannt und/oder können bei der Inbetriebnahme mit vertretbarem Aufwand ermittelt werden.

[0083] In Fig. 3 ist ein kombiniertes Wirkungsgradkennfeld der Pumpe und des von der Pumpe angetriebenen Hydromotors abgebildet, wobei auf der waagrechten Achse (X-Achse) die Drehzahl der Pumpe und auf der senkrechten Achse (Y-Achse) das Drehmoment am Hydromotor aufgetragen ist.

[0084] Das kombinierte Wirkungsgradkennfeld aus Fig. 3 kann aus den Wirkungsgradkennfeldern aus Fig. 1 und Fig. 2 abgeleitet werden.

[0085] Zunächst hängt die Drehzahl des Hydromotors linear über eine erste Proportionalitätskonstante mit dem Volumenstrom zusammen, der von der Pumpe beim Hydromotor ankommt. Ebenso hängt die Drehzahl der Pumpe linear über einen Faktor mit dem Volumenstrom zusammen, wobei der Faktor druckabhängig sein kann. Der entsprechende Druck kann dem Wirkungsgradkennfeld der Pumpe aus Fig. 1 für jeden Betriebspunkt entnommen werden.

[0086] Des Weiteren hängt das am Hydromotor anliegende Drehmoment mit dem im Arbeitsmedium herrschenden Druck über eine zweite Proportionalitätskonstante zusammen.

[0087] Die erste Proportionalitätskonstante, der Faktor und die zweite Proportionalitätskonstante sind an sich bekannt oder können mit vertretbarem Aufwand ermittelt werden.

[0088] Durch diese Zusammenhänge können die Arbeitspunkte der Pumpe aus dem Wirkungsgradkennfeld aus Fig. 1 und die Arbeitspunkte des Hydromotors aus dem Wirkungsgradkennfeld aus Fig. 2 einander eindeutig zugeordnet werden. Durch Multiplizieren der Wirkungsgrade der einander entsprechenden Arbeitspunkte entsteht das kombinierte Wirkungsgradkennfeld aus Fig. 3.

[0089] Zusätzlich zu den Wirkungsgraden der Pumpe und des Hydromotors ist können auch weitere Einflussfaktoren für den gesamthydraulischen Wirkungsgrad des Antriebsstrangs berücksichtigt werden, bspw. die Eigenschaften des Arbeitsmediums (innere und/oder parasitäre) Leckagen und/oder Verbraucher.

[0090] In Fig. 4 ist ein Diagramm dargestellt, welches das Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten verdeutlicht.

[0091] Vorgegeben ist eine Soll-Drehzahl der Plastifizierschnecke, die auch als Soll-Drehzahl für den Hydromotor bezeichnet werden kann. Falls zwischen dem Hydromotor und der Schnecke ein Getriebe vorhanden ist, hängen diese Drehzahlen natürlich in einem bekannten Verhältnis zusammen. Zum Erreichen der Soll-Drehzahl für die Schnecke wird eine Pumpen-Soll-Drehzahl vorgegeben - zunächst gemäß dem Stand der Technik, also bspw. aufgrund von Erfahrungswerten.

[0092] Beim Betreiben des physikalischen Systems aus Pumpe und Hydromotor ergibt sich dadurch eine tatsächliche Drehzahl der Schnecke (Istdrehzahl Schnecke), mit der die Schnecke

auf das Kunststoffmaterial im Plastifizierzylinder einwirkt. Festzuhalten ist, dass es durch die Viskosität des Kunststoffmaterials selbstverständlich eine Rückwirkung in Form eines Drehmoments auf die Schnecke gibt, was in Fig. 4 durch einen mit „Istdrehmoment Schnecke“ bezeichneten Pfeil verdeutlicht ist.

[0093] Es wird für die Erfindung außerdem das bei der Erstellung des kombinierten Wirkungsgradkennfelds anfallende Drehmoment, welches am Hydromotor anliegt, zur Verfügung gestellt.

[0094] Gemäß der Erfindung wird nun der Befehlswert für die Pumpen-Soll-Drehzahl durch Anwenden einer Transformation korrigiert, sodass sich die tatsächliche Drehzahl der Schnecke an die Soll-Drehzahl der Schnecke annähert (nachfolgend beschrieben). Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Befehlswert zum Ansteuern der Pumpe also um die Pumpen-Soll-Drehzahl.

[0095] Die Soll-Drehzahl für den Hydromotor oder die Plastifizierschnecke könnte davor auch noch auf andere Art und Weise modifiziert werden oder zu einem Befehlswert gemacht werden, sodass die Transformation dann auf den Befehlswert angewendet wird.

[0096] Die angesprochene Transformation stammt beispielsweise aus einem invertierten Wirkungsgradkennfeld. Das kombinierte Wirkungsgradkennfeld ist in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben.

[0097] Gemäß der Erfindung wird nun zunächst der Arbeitspunkt des physikalischen Systems aus Pumpe und Hydromotor im kombinierten Wirkungsgradkennfeld aus Fig. 3 bestimmt. Wie erwähnt, wird hierzu auch das Drehmoment an der Schnecke verwendet. Daraus ergibt sich ein Wirkungsgrad des Systems, bspw. 0,7.

[0098] Um diese Nicht-Idealität des Systems auszugleichen, wird die Pumpen-Soll-Drehzahl durch eine Transformation gemäß der Erfindung nun erhöht. Weil der Wirkungsgrad zumindest näherungsweise quantitativ bekannt ist, kann dies gezielt so erfolgen, dass sich schnell eine an die Soll-Drehzahl der Schnecke angenäherte tatsächliche Drehzahl der Schnecke einstellt. Natürlich kann dies trotzdem schrittweise erfolgen.

[0099] Die erfindungsgemäße Transformation wäre im obigen Beispiel als bspw. durch X‘ = 1,42 X gegeben, wobei X der ursprüngliche Befehlswert für die Pumpen-Soll-Drehzahl und X‘ die transformierte Pumpen-Soll-Drehzahl ist.

[00100] Es sei erwähnt, dass die so korrigierte Soll-Drehzahl nicht gleich im ersten Schritt genau der Soll-Drehzahl entsprechen muss, weil sich durch die erhöhte Drehzahl auch ein anderes Drehmoment an der Schnecke ergeben kann. Je nach den Anforderungen an die Genauigkeit der tatsächlichen Drehzahl der Schnecke wird aber bereits diese erste Korrektur in vielen Fällen ausreichen.

[00101] Die Leistung der Erfindung ist es aber jedenfalls, dass das - gegebenenfalls schrittweise - Annähern an die gewünschte Drehzahl der Schnecke gezielt erfolgt, d.h. ohne UÜberschießen oder eine zu große Anzahl von Iterationen.

[00102] Zusätzlich zum invertierten Wirkungsgradkennfeld kann ein auf Erfahrungswerten basierter Korrekturfaktor als Transformation verwendet werden.

[00103] Der Korrekturfaktor kann im einfachsten Fall ein multiplikativer Faktor oder ein additiver Term sein, der mit der Soll-Drehzahl multipliziert oder dazu addiert wird, um den Befehlswert für die Pumpen-Soll-Drehzahl (auf Basis des Verhältnisses aus Ist und Soll oder der entsprechenden Differenz) zu erhalten. Eine Abschätzung des Drehmoments der Schnecke, wie in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben, ist dann natürlich nicht notwendig.

[00104] Die Ist-Drehzahl der Schnecke (tatsächliche Drehzahl) kann wie erwähnt gemessen werden und beispielsweise als rückgeführtes Signal für eine Regelung (wenn die Daten des Sensors dafür gut genug sind) oder auf andere Weise verwendet werden. Auch hier kann die Erfindung als effektive Vorsteuerung für eine solche Regelung aufgefasst werden. Für die Erfindung ist das Messen der Ist-Drehzahl der Schnecke aber nicht in allen Fällen absolut notwendig.

Wie bereits angedeutet, kann das in Verbindung mit Fig. 4 beschriebene Verfahren auch iterativ durchgeführt werden, d.h. die Transformierung der Soll-Drehzahl der Pumpe kann auch schrittweise erfolgen. Das ist in Fig. 5 symbolisch dargestellt.

[00105] In einer Alternative wird statt der Bestimmung des Drehmoments, wie es in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wurde, direkt das Ist-Drehmoment an der Schnecke gemessen (siehe Fig. 5) und für das erfindungsgemäße Verfahren rückgeführt (unabhängig von der physikalischen Rückwirkung des Drehmoments und des Drucks des Kunststoffmaterials auf die Schnecke). Diese Messung ist in der Praxis relativ schwierig, weshalb entsprechende Messwerte nur sehr selten zur Verfügung stehen. Die Erfindung kann aber durchaus auf diese Weise realisiert werden, wenn die Messwerte für das Drehmoment der Schnecke zur Verfügung stehen.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 kann natürlich auch ohne die Messung des Drehmoments implementiert werden. Bei bekanntem Drehmoment an der Schnecke kann aber ein schnelleres Annähern an die vorgegebene Soll-Drehzahl der Schnecke erreicht werden - in vielen Fällen in einem einzigen Schritt.

[00106] In Fig. 6 ist eine weitere Alternative dargestellt, wobei für die Abschätzung des Drehmoments eine Druckmessung im Plastifizierzylinder herangezogen wird („Istdruck Schnecke“).

[00107] Die iterative Änderung der Soll-Drehzahl der Pumpe kann beispielsweise nach jedem Formgebungszyklus durchgeführt werden.

[00108] Die Ausführungsformen nach den Figuren 7 und 8 sind analog zu jenen nach den Figuren 5 bzw. 6 mit dem Unterschied, dass ein iteratives Verfahren zur Optimierung oder Identifikation des kombinierten Wirkungsgradkennfelds vorgesehen ist.

D.h. wenn sich beispielsweise aus den Iterationen zum Korrigieren des Befehlswerts (in diesen Ausführungsbeispielen die Pumpen-Soll-Drehzahl) ergibt, dass der Wirkungsgrad an einem bestimmten Arbeitspunkt des Wirkungsgradkennfelds nicht demjenigen aus Fig. 3 entsprechen kann, ist es möglich, das Wirkungsgradkennfeld aus Fig. 3 entsprechend den Erfahrungen anzupassen.

[00109] Auch dieses iterative Verfahren zur Optimierung oder Identifikation des kombinierten Wirkungsgradkennfelds kann beispielsweise nach jedem Formgebungszyklus oder einer definierten Anzahl von Formgebungszyklen durchgeführt werden.

Claims (16)

Patentansprüche

1. Plastifiziereinheit für eine Formgebungsmaschine mit einer Plastifizierschnecke, einem Antriebsstrang zum Drehen der Plastifizierschnecke und einer mit dem Antriebsstrang der Plastifizierschnecke verbundenen oder verbindbaren Steuer- und/oder Regeleinheit, welche dazu ausgebildet ist, den Antriebsstrang mit zumindest einem Befehlswert anzusteuern, wObei die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu ausgebildet ist, den zumindest einen Befehlswert zum Annähern einer tatsächlichen Drehzahl der Plastifizierschnecke an eine vorgegebene Soll-Drehzahl der Plastifizierschnecke durch Anwenden einer ein Verhalten des Antriebsstrangs modellierenden Transformation auf die Soll-Drehzahl und/oder den zumindest einen Befehlswert vorzugeben oder zu korrigieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation auf zumindest einem Kennfeld des Antriebsstrangs basiert.

2, Plastifiziereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor zum direkten oder indirekten Messen einer Antriebsgröße, insbesondere der tatsächlichen Drehzahl, aufweist, wobei die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu ausgebildet ist, die Transformation auf Basis von Messsignalen des Sensors iterativ anzupassen.

3. Plastifiziereinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation einen iterativ veränderten und/oder zu verändernden Korrekturfaktor beinhaltet.

4. Plastifiziereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Transformation durch Invertieren des zumindest einen Kennfelds erzeugt ist und/oder - die Steuer- und/oder Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, das zumindest eine Kennfeld zu invertieren.

5. Plastifiziereinheit nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerund/oder Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, das zumindest eine Kennfeld zum Annähern der tatsächlichen Drehzahl der Plastifizierschnecke an die vorgegebene Soll-Drehzahl auf Basis der Messsignale des Sensors iterativ zu verändern.

6. Plastifiziereinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kennfeld in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung als zumindest eine Look-Up-Tabelle hinterlegt ist.

7. Plastifiziereinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinehit dazu ausgebildet ist, das zumindest eine Kennfeld durch die Messsignale - vorzugsweise automatisch - zu ermitteln.

8. Plastifiziereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang einen mittels eines Arbeitsmediums anzutreibenden Hydromotor zum Drehen der Plastifizierschnecke und eine Pumpe zur Druckbeaufschlagung des Arbeitsmediums aufweist.

9. Plastifiziereinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Befehlswert zum Ansteuern der Pumpe eine veränderbare Fördermenge, einen veränderbaren Pumpenparameter und/oder eine Pumpendrehzahl beinhaltet.

10. Plastifiziereinheit nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium ein Hydraulikfluid - vorzugsweise ein Hydrauliköl - ist.

11. Plastifiziereinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, durch Auswahl des zumindest einen Befehlswerts einen Betriebspunkt der Pumpe mit minimaler Leistungsaufnahme für die vorgegebene Soll-Drehzahl zu wählen.

12. Plastifiziereinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 7 und einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation auf einem Kennfeld des Hydromotors und einem Kennfeld der Pumpe basiert.

13. Formgebungsmaschine mit einer Plastifiziereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

14. In Formgebungszyklen arbeitende Formgebungsmaschine nach Anspruch 13 mit einer Plastifiziereinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die iterative Veränderung der Transformation zyklusweise, angepasst an die Formgebungszyklen der Formgebungsmaschine, geschieht.

15. Verfahren zum Betreiben einer Plastifiziereinheit, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Plastifizierschnecke zum Plastifizieren eines plastifizierfähigen Materials mittels eines Antriebsstrangs gedreht wird, indem der Antriebsstrang mit zumindest einem Befehlswert angesteuert wird, wobei der zumindest eine Befehlswert zum Annähern einer tatsächlichen Drehzahl der Plastifizierschnecke an eine vorgegebene Soll-Drehzahl der Plastifizierschnecke vorgegeben oder korrigiert wird, indem eine ein Verhalten des Antriebsstrangs modellierende Transformation auf die Soll-Drehzahl und/oder den Befehlswert angewendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation auf zumindest einem Kennfeld des Antriebsstrangs basiert.

16. Computerprogrammprodukt enthaltend Befehle, welche einen ausführenden Computer dazu

veranlassen,

- einen Antriebsstrang einer Plastifizierschnecke mit zumindest einem Befehlswert anzusteuern und

-den zumindest einen Befehlswert zum Annähern einer tatsächlichen Drehzahl der Plastifizierschnecke an eine vorgegebene Soll-Drehzahl der Plastifizierschnecke vorzugeben oder zu korrigieren, indem eine ein Verhalten des Antriebsstrangs modellierende Transformation auf die Soll-Drehzahl und/oder den Befehlswert angewendet wird, wobei die Transformation auf zumindest einem Kennfeld des Antriebsstrangs basiert.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen