AT7473U1 - Verfahren zur regelung eines spritzzyklus bei einer spritzgiessmaschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Regelung eines Spritzzyklus bei einer Spritzgießmaschine bei dem von einer volumetrischen, vorzugsweise geschwindigkeitsbestimmten Füllphase (A) auf eine vorzugsweise druckbestimmte Nachdruckphase (B) umgeschaltet wird, wobei die Bestimmung des Umschaltzeitpunktes (UZ) und/oder die Regelung der Nachdruckphase (B) prädiktiv erfolgt.

Description

AT 007 473 U1

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Spritzzyklus bei einer Spritzgießmaschine bei dem von einer volumetrischen, vorzugsweise geschwindigkeitsbestimmten Füllphase auf eine vorzugsweise druckbestimmte Nachdruckphase umgeschaltet wird. Während der Füllphase eines Spritzzyklus wird eine Form mittels einer Einspritzeinrichtung mit 5 einer Schmelze gefüllt. Nach Abschluss der Einfüllphase, d.h. wenn die Kavität gefüllt ist, erfolgt ein Umschalten auf die Nachdruckphase, in der gemäß einem Nachdruckprogramm der Druck im Hohlraum einem vorbestimmten Profil folgt. Dabei ist es besonders wichtig, dass der Umschaltzeitpunkt möglichst genau mit dem Zeitpunkt zusammenfällt, in dem die Kavität volumetrisch, d.h. ohne Kompression vollständig gefüllt ist, um zu vermeiden, dass der Hohlraum nicht vollständig io gefüllt wird bzw. zu verhindern, dass aufgrund eines erhöhten Druckes, der bei einem zu späten Umschalten auftritt, das Spritzgussteil aufgrund innerer Spannung spröd und bruchgefährdet ist.

Erfolgte früher die Umschaltung von der Füll- auf die Nachdruckphase häufig zu einem fixen Zeitpunkt, sind mittlerweile bereits einige Verfahren zur Bestimmung eines adaptiven Umschaltzeitpunktes bekannt, bei denen der Zeitpunkt der volumetrischen Füllung des Formhohlraumes 15 automatisch ermittelt wird. Die meisten dieser Verfahren basieren auf der Messung des Innendruckes. So wird beispielsweise der Knickpunkt zwischen der Füll- und der Nachdruckphase, der sich automatisch ergibt, ermittelt. Weiters ist es bereits bekannt, die Druckdifferenzen zwischen zwei Werkzeuginnendrucksensoren zu messen, wobei über einen plötzlichen Abfall des Signals (= Knickpunkterkennung) die volumetrische Füllung ermittelt wird. Es ist auch bereits bekannt, 20 gegen Ende des Fließweges der Schmelze die Werkzeugwandtemperatur und daraus resultierend den Umschaltzeitpunkt zu bestimmen.

Die Praxis hat gezeigt, dass mit dem vorbekannten Verfahren einerseits nicht alle Anwendungen universell abgedeckt werden können und andererseits Druckspitzen und Verspannungen im Formteil nicht im ausreichenden Maße zuverlässig verhindert werden können. 25 Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren der eingangs genannten Art an zugeben, mit dem der adaptive Umschaltzeitpunkt möglichst genau ermittelt werden kann, sodass eine vorbestimmte Sollwertspitze in der Nachdruckphase gerade noch erreicht bzw. nur geringfügig überschritten wird.

Erfmdungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Bestimmung des Umschaltzeit-30 punktes und/oder die Regelung der Nachdruckphase prädiktiv erfolgt. Da sich der Umschaltzeitpunkt automatisch unter Berücksichtigung der Stellglieddynamik, des Druckistwertverlaufes und des Nachdrucksollwertes ergibt, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren durch Vorausrechnen des Druckistwertes der Umschaltzeitpunkt ermittelt, bei dem ein optimales Einschwingverhalten in die Nachdruckphase zu erwarten ist. Es ergibt sich somit ein über die gesamte Füllphase und 35 Nachdruckphase geführter Spritzgießprozess.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem zur Bestimmung des adaptiven Umschaltzeitpunktes wenigstens eine Messgröße in Relation zu einem vorbestimmten Referenzwert gebracht wird, erfolgt die Umschaltung, bevor die Messgröße den Referenzwert erreicht. Auf diese Weise wird mit Beginn der Nachdruckphase ein Überschwingen des Druckes verhindert, 40 wobei es sich als günstig erwiesen hat, wenn während der Füllphase in mehreren Abtastschritten der zeitliche Verlauf der wenigstens einen Messgröße ermittelt und daraus anhand eines Rechenmodells die Zeitspanne abgeleitet wird, die verbleibt, bis die Messgröße den Referenzwert erreichen wird. Erfolgt gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Umschaltung, sobald die verbleibende Zeitspanne eine definierte Umschaltzeitschwelle unterschreitet, ist 45 gewährleistet, dass nicht zufällige Schwankungen der Messgröße fälschlich von der Regelung als Erreichen des Umschaltzeitpunktes interpretiert werden. Eine besonders einfache Lösung ergibt sich, wenn als Messgröße der Druck während der Füllphase und als Referenzwert der Nachdruck-Spitzensollwert herangezogen werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, dem Nachdruckregler einen anhand so eines Rechenmodells optimierten Aktuatorstellgrößenverlauf zum Erreichen eines definierten Nachdruckprofiles vorzugeben, wobei der optimale Aktuatorstellgrößenverlauf beim Erreichen des Umschaltzeitpunktes bzw. unmittelbar danach ermittelt wird. Dabei hat es sich als besonders günstig herausgestellt, wenn die Initialisierung des Nachdruckregelers zu dem Zeitpunkt erfolgt, bei dem im nächsten Abtastschritt der Nachdruckspitzensollwert erreicht werden wird, wodurch eine 55 prädiktive Regelung der Nachdruckphase erreicht wird. Prädiktiv bedeutet, dass während des 2 AT 007 473 U1

Einspritzvorganges in jedem Abtastzeitpunkt von einer Umschaltlogik die Umschaltbedingung überprüft bzw. die verbleibende Zeitspanne bis zum Erreichen des Nachdruckspitzensollwertes ermittelt wird, wobei die Umschaltpunktermittlung sowohl die aktuelle Prozessdynamik wie der Druckanstieg als auch die verfügbare Stellglieddynamik berücksichtigt. Dadurch ist, im Rahmen 5 der verfügbaren Stellglieddynamik, eine Entkoppelung zwischen der Vorgabe des Einspritzgeschwindigkeitsprofils und der prozessbedingten Nachdruckspitze möglich.

Der Wert der Umschaltzeitschwelle wird erfindungsgemäß vor allem durch die modelierte Großsignaldynamik des Aktuators bestimmt, wobei die Zeitberechnung die minimale Stellzeit in der Stellgliedbegrenzung, in der von der aktuellen Aktuatorstellgröße auf 0 abgebremst wird, berück-10 sichtigt. Im Berechnungsalgorithmus werden allfällige Nichtlinearitäten bzw. Lastabhängigkeiten des Aktuators ebenso berücksichtigt wie die modellierte Streckentotzeit für die Umschaltpunktermittlung.

Obwohl die Initialisierung des Nachdruckreglers bereits zu dem Zeitpunkt erfolgt, bei dem im nächsten Abtastschritt der Nachdruckspitzensollwert erreicht wird, beginnt der Nachdruckregler, 15 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, erst bei Erreichen des Nachdruckspitzensollwertes zu regeln, d.h. erst bei Erreichen der Sollnachdruckspitze wird der Nachdruckregler aktiviert und das Nachdruckprofil gestartet. Ausgehend vom aktuellen Druckwert wird dann mittels Startrampe auf die relevante Nachdruckstufe gefahren.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf 20 die in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a und 1b grafische Darstellungen des Funktionsprinzipes des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Umschaltlogik und der Nachdruckregelung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Aktuatorstellgrößenvorgabe, 25 Fig. 4a und 4b die unterschiedliche Anordnung der Wegaufnahmer bzw. Druckaufnehmer bei einer elektrischen und einer hydraulischen Spritzgießmaschine, und

Fig. 5 schematisch eine grafische Darstellung zur Ermittlung des Umschaltzeitpunk tes.

In den Fig. 1a und 1b ist grafisch das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens 30 dargestellt, wobei sich die beiden Fig. 1a und 1b nur in ihrem Nachdruckprofil PN unterscheiden. Während bei dem in Fig. 1a dargestellten Beispiel das Nachdruckprofil PN zweistufig verläuft, wobei die erste höhere Stufe des Nachdruckprofiles PN mit dem Nachdruckspitzensollwert PN/max zusammenfällt, läuft das Nachdruckprofil PN in der Fig. 1b einstufig und liegt unterhalb der Nachdrucksollspitze PN/max· 35 In der Fig. 1a und 1b ist der Druck P in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Während eines

Spritzzyklus wird von der geschwindigkeitsgeregelten Füllphase A auf eine druckbestimmte Nachdruckphase B zum Zeitpunkt UZ umgeschaltet. Pmax stellt die vom Anwender vorzugebende absolute Spritzdruckgrenze dar. Mit Pson ist das Solldruckprofil bezeichnet. Vom Anmelder wird ein Sollwert der prozessbedingten Nachdruckspitze Ρνμκκ vorgegeben. Das Nachdruckprofil PN wird 40 - wie an sich bekannt - entsprechend den stationären Prozessanforderungen vorgegeben. Mit R ist der Verlauf der Reglerstellgröße gekennzeichnet.

Ein Ziel der Erfindung ist es, den Druckverlauf PH möglichst nahe an den Nachdruckspitzensollwert PN/max heranzuführen bzw. diesen geringfügig zu überschreiten, um ein vollständiges Füllen der Kavität sicherzustellen. Dazu wird in Abhängigkeit der vorgegebenen Nachdruckspitze 45 PN/max der Umschaltzeitpunkt UZ automatisch durch Auswertung des Druckverlaufes PH ermittelt, wobei sowohl die aktuelle Prozessdynamik, insbesondere der Druckanstieg, als auch die verfügbare Stellglieddynamik berücksichtigt werden, sodass im Rahmen der verfügbaren Stellglieddynamik eine Entkoppelung zwischen der Vorgabe des Einspritzgeschwindigkeitsprofils und der prozessbedingten Nachdruckspitze PN/max erreicht wird. so Der Druck steigt zu Beginn der Füllphase A nur sehr langsam an, um gegen Ende der Füllphase A eine abrupte Steigerung zu erfahren. Nach dem Umschaltzeitpunkt UZ, also in der Nachdruckphase B, steigt der Druck vorerst weiter, bis er auf den Nachdruckspitzensollwert PN/max einschwingt, worauf der Druckverlauf PH mittels Startrampe auf die relevante Nachdruckstufe gefahren wird. Diesem Druckverlauf PH entsprechend steigt der Wert der Stellgröße R für den 55 Regler zu Beginn der Füllphase A sprunghaft an. Bei Erreichen des Umschaltzeitpunktes UZ wird 3 AT 007 473 U1 nun von der geschwindigkeitsgeregelten Füllphase A auf die druckbestimmte Nachdruckphase B umgeschaltet, die Nachdruckzeit gestartet und die Regelstellgröße R gemäß einem optimierten Aktuatorstellgrößenverlauf zurückgefahren. Bei Erreichen des vorgegebenen Nachdruckspitzenwertes PN/max wird das Nachdruckprofil PN gestartet und der Nachdruckregler freigegeben. Ausge-5 hend vom aktuellen Druckwert bei Freigabe des Nachdruckreglers wird mittels Startrampe auf die relevante Nachdruckstufe gefahren.

Anhand der Fig. 5 wird die Ermittlung des Umschaltzeitpunktes UZ beschrieben. Während des Einspritzens wird in jedem Abtastzeitpunkt Ή, T2, T3, T4 der aktuelle Druckanstieg ΔΡ^ ΔΡ2, ΔΡ3ι AP4 errechnet. Mittels Druckextrapolation wird jene Zeit At1t At2, At3, AU ermittelt, in der bei gleich-10 bleibendem Druckanstieg die vorgegebene Nachdruckspitze PN/max erreicht werden wird. Falls diese Zeitspanne Ati, At2, At3, AU eine definierte Umschaltzeitschwelle Atu unterschreitet, wird die Nachdruckphase B gestartet. Der Wert der Umschaltzeitschwelle Atu wird vor allem durch die modellierte Großsignaldynamik des Aktuators bestimmt. Die Zeitberechnung berücksichtigt dabei die minimale Stellzeit in der Stellgliedbegrenzung, in der von der aktuellen Aktuatorstellgröße, 15 deren Vorgabe durch den Einspritzregler erfolgt, auf 0 abgebremst wird. Weiters werden auch die modellierte Streckentotzeit für die Umschaltpunktermittlung so wie allfällige Nichtlinearitäten bzw. Lastabhängigkeiten des Aktuators berücksichtigt.

Wie in Fig. 2 gezeigt, umfasst die Regeleinrichtung 10 neben dem Einspitzregler 1 weiters die Blöcke Umschaltlogik 2, Nachdruckregelung 4 und Streckenmodell 6. Dabei ist im Streckenmodell 20 6 die Dynamik des verwendeten Stellglieds bzw. Aktuators 9 abgebildet. Die Stellglieddynamik wird durch ein totzeit-behaftetes Verzögerungsglied erster Ordnung approximiert, wobei das Großsignalverhalten durch eine Begrenzung der Stellgrößenänderung berücksichtigt wird.

Die Umschaltlogik 2 beinhaltet neben der Berechnung des Umschaltzeitpunktes auch die Freigabe des Nachdruckreglers 3, wobei die Initialisierung des Nachdruckreglers 3 unabhängig vom 25 Umschaltzeitpunkt zu jenem Zeitpunkt erfolgt, bei dem im nächsten Abtastzyklus unter Berücksichtigung des errechneten Druckanstieges der Nachdruckspitzensollwert erreicht bzw. überschritten werden wird.

Die Nachdruckregelung 4 läuft also in zwei Phasen ab. Nach erfolgter Umschaltung auf Nachdruck wird der Spritzgießmaschine ein optimierter Aktuatorstellgrößenverlauf eingeprägt, der im 30 Block 5 ermittelt wird. Erst bei Erreichen der Sollnachdruckspitze wird der Nachdruckregler aktiviert und das Nachdruckprofil gestartet und dann, ausgehend vom aktuellen Druckwert, mittels Startrampe auf die relevante Nachdruckstufe gefahren.

Die Ermittlung der Aktuatorstellgrößenvorgabe im Block 5 ist in Fig. 3 dargestellt. Neben dem Sollstellgrößenmodell 12 umfasst der Block 5 weiters einen prädiktiven Regler 11. Das Modell 35 liefert in jedem Abtastzyklus einen Sollwert der Aktuatorstellgröße. Die Sollwertvorgabe erfolgt hinsichtlich Einhaltung der geforderten Nachdruckspitze bei ausreichender Druckanstiegsdynamik. Beim Umschalten auf Nachdruck wird das Modell mit der letztgültigen Einspritzreglerstellgröße Wi initialisiert. Neben der Einspritzreglerstellgröße W, werden dem Sollstellgrößenmodell 12 weiters der Istdruck sowie der Nachdruckspitzensollwert PN/max zugeführt. Ausgehend vom Startwert Wi 40 wird aus den Parametern Druckanstieg und Druckdifferenz zur Sollnachdruckspitze der aktuelle Aktuatorstellgrößensollwert errechnet. Bei der Berechnung des Sollverlaufes wird auch die Großsignaldynamik des Stellgliedes berücksichtigt. Dies erfolgt durch die Begrenzung der Sollgrößenänderung mit der maximalen Änderungsgeschwindigkeit des Aktuators in der Begrenzung. Daneben finden im Sollstellgrößenmodell auch allfällige Nichtlinearitäten bzw. Lastabhängigkeiten 45 des Stellglieds Berücksichtigung.

Der vom Sollstellgrößenmodell 12 ermittelte Akutatorstellgrößenverlauf wird an den Sollwerteingang des untergelagerten prädiktiven Reglers 11 geschalten. Dieser liefert unter Berücksichtigung der modellierten Aktuatordynamik W6 die erforderliche Stellgröße, um den geforderten Sollwertverlauf einzustellen. so Mit dem neuartigen Verfahren wird also ein während der gesamten Füll- und Nachdruckphase geführter Spritzprozess ermöglicht, bei dem zu Beginn der Nachdruckphase kein bzw. nur ein sehr geringes Überschwingen des Drucks über den Nachdruckspitzensollwert erfolgt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus dem Umstand, dass der Spitzendruck unabhängig vom eingestellten Geschwindigkeitsverlauf ist. Aufgrund der guten Reproduzierbarkeit 55 wird weiters eine bessere Übertragbarkeit der Einstellungen auf andere Maschinen erreicht. 4

Claims (11)

1. AT 007 473 U1 Dies nicht zuletzt aufgrund der Tatsache, dass eine Sollwertvorgabe für den Umschaltzeitpunkt entfällt. Bestimmend für den Umschaltzeitpunkt ist die Einstellung des Nachdrucksollwertes, wobei in der Praxis dieses Umschaltkriterium erst mit Erreichen eines Umschaltfensters aktiviert werden kann. Wird beispielsweise ein derartiges Umschaltfenster auf 0.0 eingestellt, ist die Umschaltfunk-5 tion deaktiviert. Ist das Umschaltfenster falsch eingestellt, d.h. das Umschaltkriterium ist bereits mit Erreichen des Fensters überschritten, dann kann eine Warnung an den Bediener ausgeschrieben werden, beispielsweise „Umschaltkriterium falsch“. Dass die Wegaufnahmer 21 und Druckaufnehmer 22 bei elektrischen Spritzgießmaschinen anders angeordnet sind als bei hydraulischen Spritzgießmaschinen, geht aus den Fig. 4a und 4b 10 hervor. Dabei ist aus Fig. 4a, die eine elektrische Spritzgießmaschine symbolisiert, bei der im Spritzaggregat 13 der Servomotor und das Getriebe 14, die Kugelumlaufspindel 15 sowie der Massezylinder 16 angeordnet sind, ersichtlich, dass der Wegaufnahmer 21 an der Kugelumlaufspindel 15 angreift, während der Druckaufnehmer 22 am Massezylinder 16 der elektrischen Spritzgießmaschine angreift. 15 Im Unterschied dazu greifen bei einer hydraulischen Spritzgießmaschine, wie sie in Fig. 4b angedeutet ist, der Wegaufnehmer 21 und der Druckaufnehmer 22 am Hydraulikzylinder 20 an, der ebenso wie das Servoventil bzw. die Servopumpe 19 und der Massezylinder 16 im Spritzaggregat 13 angeordnet ist. Die Signale der Wegaufnehmer 21 sowie der Druckaufnehmer 22 werden sowohl bei elektrischen als auch bei hydraulischen Spritzgießmaschinen einer Regeleinrichtung 10, 20 die ebenso wie die CPU 17 Teil der Steuereinrichtung 18 ist, zugeführt. ANSPRÜCHE: 25 30 35 40 45 50 1. Verfahren zur Regelung eines Spritzzyklus bei einer Spritzgießmaschine bei dem von einer volumetrischen, vorzugsweise geschwindigkeitsbestimmten Füllphase auf eine vorzugsweise druckbestimmte Nachdruckphase umgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Umschaltzeitpunktes (UZ) und/oder die Regelung der Nachdruckphase (B) prädiktiv erfolgt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Bestimmung des adaptiven Umschaltzeitpunktes wenigstens eine Messgröße in Relation zu einem vorbestimmten Referenzwert gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung erfolgt bevor die Messgröße den Referenzwert erreicht.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Messgröße der Druck (P) während der Füllphase (A) und als Referenzwert der Nachdruckspitzensollwert (PN/max) herangezogen werden.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in mehreren Abtastschritten (T,, T2, T3, T4) der zeitliche Verlauf (ΔΡ) der wenigstens einen Messgröße (P) ermittelt und daraus anhand eines Rechenmodells die Zeitspanne (Ati, At2, At3, At,) abgeleitet wird, die verbleibt, bis die Messgröße (P) den Referenzwert (PN/max) erreichen wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung erfolgt, sobald die verbleibende Zeitspanne (Ati, At2, At3, AU) eine definierte Umschaltzeitschwelle (Atu) unterschreitet.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Nachdruckregler (3) ein anhand eines Rechenmodells optimierter Aktuatorstellgrößenverlauf zum Erreichen eines definierten Nachdruckprofiles (PN) vorgegeben wird, vorzugsweise nach erfolgter Umstellung von der Füllphase (A) auf die Nachdruckphase (B).
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Initialisierung des Nachdruckreglers (3) zu dem Zeitpunkt erfolgt, bei dem im nächsten Abtastschritt (Ti, T2, T3, T4) der Nachdruckspitzensollwert (PN/max) erreicht werden wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachdruckregler erst bei Erreichen des Nachdruckspitzensollwertes (PN/max) zu regeln beginnt.
9. 9. Einrichtung zum Regelung eines Spritzzyklus einer Spritzgießmaschine, bei dem von einer volumetrischen, vorzugsweise geschwindigkeitsbestimmten Füllphase auf eine vorzugs- 5 55 AT 007 473 U1 weise druckbestimmte Nachdruckphase umgeschaltet wird, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum prädiktiven Bestimmen des Umschaltzeitpunktes (UZ) und/oder zum prädiktiven Regeln der Nachdruckphase (B) ausgebildet ist.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (5) zum Ermitteln eines Aktuatorstellgrößenmodells.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (5) einen prädiktiven Regler (11) umfasst. 10 HIEZU 3 BLATT ZEICHNUNGEN 15 20 25 30 35 40 45 50 6 55