-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Einspritzeinrichtung
für eine Spritzgießmaschine, welche eine mittels
einer rotierenden Maschine antreibbare Extruderschnecke aufweist,
wobei ein Linearmotor zum Verfahren der Extruderschnecke vorgesehen
ist.
-
Die
Erfindung betrifft weiterhin eine zum Verfahren korrespondierende
Einspritzeinrichtung für eine Spritzgießmaschine.
-
Schließlich
betrifft die Erfindung eine Spritzgießmaschine mit einer
derartigen Einspritzeinrichtung.
-
Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 198 47 298 A1 ist eine Spritzgießmaschine
mit mehreren modularen Antriebsgruppen auf der Spritzgießseite
und auf der Formschlussseite bekannt. Es wird wenigstens eine der
Antriebsgruppen über wenigstens ein Multifunktionselement
mit der Spritzgießmaschine verbunden, das als Schnittstelle
wahlweise den Anschluss verschiedener Antriebsarten wie z. B. elektromechanische
Antriebe, hydraulische Antriebe, pneumatische Antriebe, Linearmotoren
oder elektromagnetische Antriebe als Antriebsgruppe bei ansonsten
unveränderter Spritzgießmaschine ermöglicht.
Bei einer dortigen Ausführungsform wird ein Linearmotor
zur linearen Verschiebung der Extruderschnecke verwendet.
-
Bekannte
Einspritzeinrichtungen für Spritzgießmaschinen
weisen eine mittels einer elektrischen Maschine antreibbare Extruderschnecke,
einen Schneckenzylinder und eine Heizung auf. Typischerweise wird
bei einem Spritzgießprozess Kunststoffgranulat über
einen Einfülltrichter einer Schnecke, welche auch als Extruderschnecke
bezeichnet wird, zugeführt. Durch eine Drehbewegung der Schnecke
wird das Kunststoffgra nulat nach vorne in Richtung der Spitze der
Schnecke befördert. Etwa in dem Maße, wie das
in eine geschmolzene Masse gewandelte Kunststoffgranulat nach vorne
zur Spitze der Schnecke transportiert wird, weicht die Schnecke nach
hinten, also in die entgegengesetzte Richtung, zurück.
Durch die durch die Förderung entstehende Verlustleistung
und mittels der elektrischen Heizung, welche an einem Schneckenzylinder
vorgesehen ist, kommt es zum Schmelzen des Kunststoffgranulats. Die
Kunststoffgranulatschmelze sammelt sich vor der Schneckenspitze
in einem so genannten Schneckenvorraum und schiebt die Schnecke
zurück. Da die erzeugte Scheerwärme vom Druck
der Schnecke auf das Material abhängt, muss dieser Druck
als Druck-/Wegprofil vorgegeben und geregelt bzw. gesteuert werden.
Ist genügend geschmolzenes Material in dem Schneckenvorraum
aufdosiert, wird die Schnecke als eine Art Kolben in Richtung der
Schneckenspitze gedrückt. Derart ist die Schmelze des Kunststoffgranulats
in eine geschlossene Form einspritzbar. Die geschlossene Form ist
ein Formwerkzeug, das beispielsweise aus zwei Formteilen besteht.
Die Geschwindigkeit der Schnecke, insbesondere in der Funktion als
Kolben, wird dabei derart geregelt, dass ein festgelegter Begrenzungsdruck
nicht überschritten wird. Der Begrenzungsdruck betrifft beispielsweise
den Druck vor der Schneckenspitze.
-
Ist
nun das Formwerkzeug mit der Schmelze des Kunststoffgranulats gefüllt,
steigt der Druck im Formwerkzeug rapide an, da es nun zu einer Kompression
des Kunststoffschmelzmaterials kommt. In dieser Phase wird beispielsweise
von einer Geschwindigkeitsregelung der Schnecke auf eine Druckregelung
umgeschaltet. Hierbei ist es von großer Bedeutung, dass
die derartige Umschaltung reproduzierbar und exakt durchgeführt
wird. Zur Umschaltung wird ein Umschaltkriterium verwendet. Das Umschaltkriterium
ist ein Übergangskriterium zwischen zwei Regelungstypen,
wobei ein Regelungstyp beispielsweise die Geschwindigkeitsregelung
ist und ein zweiter Regelungstyp die Druckregelung ist. Anstelle
der Geschwindigkeitsregelung ist auch eine Geschwindigkeitssteuerung
verwendbar. Ebenso ist anstelle der Druckregelung auch eine Drucksteuerung
ein setzbar. Das Übergangskriterium betrifft dann demzufolge
zwei Steuerungstypen. Das Umschaltkriterium ist beispielsweise eine
Position der Schnecke, ein Schmelzdruck oder ein Forminnendruck
innerhalb des Formwerkzeugs. Die Umschaltung stellt eine Umstellung
von beispielsweise einer Geschwindigkeitsregelung auf eine Druckregelung
dar. Es ist zu vermeiden, dass es zu einem Druckeinbruch oder auch
zu Druckspitzen kommt, die sich nachteilig auf die Qualität
von Spritzgussteilen auswirken. Um stets eine reproduzierbare und
exakte, insbesondere bezüglich eines Umstellkriteriums
punktgenaue Umstellung auf die Druckregelung zu erhalten, sind beispielsweise
möglichst kurze Abtastzeiten für die Regelung
und/oder die Steuerung verwendbar. Eine mögliche Abtastzeit
liegt beispielsweise im Bereich von 100 μs.
-
Wenn
nun das Werkzeug mit eingespritztem Material gefüllt ist,
kommt es durch die Abkühlung des Materials zum Schwund
des Materials. Dieser Schwund wird vorteilhaft ausgeglichen, indem
der Kolben nach dem Einspritzvorgang über ein Druck-/Zeitprofil
weiterhin Material in das Werkzeug eindrückt. Hierfür
ist bei allen derartigen Druckregelungs- und Überwachungsaufgaben
bislang die Erfassung des Ist-Drucks, also des Einspritzdrucks bzw.
des Staudrucks, zwingend erforderlich. Der Einspritzdruck ist dabei
der Druck während des Einspritzvorgangs. Der Staudruck
ist der aufrecht zu erhaltende Druck während des Dosiervorgangs.
-
Die
Erfassung des Einspritz- bzw. Staudrucks erfolgt in der Regel durch
Drucksensoren. Dies können Sensoren sein, die unmittelbar
im Schneckenvorraum den Schmelzedruck erfassen oder aber auch Dehnungsmessstreifen
bzw. Kraftmessdosen, die an geeigneter Stelle der Mechanik die aus
dem Staudruck resultierenden Lagerkräfte erfassen. Beide
Verfahren sind mit hohen Kosten verbunden.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren zum Betrieb
einer Einspritzeinrichtung einer Spritzgießmaschine anzugeben,
womit es möglich ist, auf bislang notwendi ge Drucksensoren
bzw. entsprechende Messeinrichtungen zur Ermittlung des Einspritzdrucks
bzw. des Staudrucks zu verzichten.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine zum Verfahren korrespondierende
Einspritzeinrichtung für eine Spritzgießmaschine
sowie eine geeignete Spritzgießmaschine mit einer derartigen
Einspritzeinrichtung anzugeben.
-
Die
Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zum Betrieb einer
Einspritzeinrichtung für eine Spritzgießmaschine
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Verfahrensvarianten sind in den abhängigen Ansprüchen
2 bis 6 genannt. Im Anspruch 7 ist eine Einspritzeinrichtung für
eine Spritzgießmaschine angegeben. In den abhängigen Ansprüchen
8 bis 12 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Einspritzeinrichtung
genannt. Im Anspruch 13 ist eine Spritzgießmaschine angegeben,
welche eine derartige Einspritzeinrichtung aufweist.
-
Erfindungsgemäß werden
ein Motorstrom oder davon abgeleitete Werte und/oder Beschleunigungswerte
und/oder von einem Arbeitspunkt des Linearmotors abhängige
Werte zur Berechnung eines Einspritzdrucks und/oder eines Staudrucks
verwendet.
-
Dies
hat den Vorteil, dass zur Druckerfassung auf einen Sensor verzichtet
werden kann. Zur Berechnung wird hierfür nicht nur ein
kraftbildender Strom des Linearmotors als ein Berechnungswert herangezogen,
sondern auch weitere Werte, welche von einem Beschleunigungswert
und/oder von einem Arbeitspunkt des Linearmotors abhängige
Werte verwendet. Der Beschleunigungswert ist beispielsweise eine
Ableitung der Verfahrgeschwindigkeit des Linearmotors oder der Extruderschnecke
nach der Zeit bzw. auch eine Linearbeschleunigung der Extruderschnecke
in Richtung des Formwerkzeugs. Durch die Einbeziehung des Beschleunigungswertes
werden auftretende Beschleunigungskräfte mit bei der Berechnung
des Einspritzdrucks bzw. des Staudrucks berücksichtigt.
Die Berücksichti gung der Beschleunigungskräfte
bei der Berechnung des Einspritzdrucks bzw. des Staudrucks setzt
auf dem dynamischen Grundgesetz auf, nachdem die Summe aller Kräfte einschließlich
der Trägheitskräfte stets im Gleichgewicht ist.
-
Ein
weiterer Vorteil ist, dass im Gegensatz zu den bei Spritzgießmaschinen üblichen
Kugelrollenspindelantrieben die Kraft des Linearmotors unmittelbar
auf den Spritzgießprozess wirkt. Die Kraft ist somit nicht
abhängig vom Wirkungsgrad der Kugelrollspindel und von
unterschiedlichen Einflüssen wie Schmierung, Verschmutzung
oder Alterung der Kugelrollspindel. Deshalb kann bei einem Linearmotor direkt
vom kraftbildenden Strom auf die resultierende Kraft und über
die Kraft in Verbindung mit der bekannten Querschnittsgeometrie
des Schneckenzylinders auf den resultierenden Druck im Schneckenzylinder,
insbesondere im Schneckenvorraum, geschlossen werden.
-
Durch
die Einbeziehung arbeitspunktabhängiger Werte des Linearmotors
werden arbeitspunktabhängige Verhältnisse des
kraftbildenden Stromes zur resultierenden Kraft mit bei der Druckberechnung berücksichtigt.
-
Nach
einer Ausführungsform wird eine Kraftkonstante bzw. ein
so genannter kF-Faktor des Linearmotors als ein vom Arbeitspunkt
des Linearmotors abhängiger Wert verwendet. Die Kraftkonstante
des Linearmotors kann als Beschreibungswert des Linearmotors betrachtet
werden. Sie gibt den direkten Zusammenhang zwischen dem kraftbildenden
Strom und der resultierenden, linear wirkenden Kraft an. Der resultierende
Druck kann wie folgt ermittelt werden: PSchnecke = F/RSchnecke 2·☐),wobei mit F die
Schubkraft des Linearmotors, mit PSchnecke der
Druck im Schneckenvorraum, mit RSchnecke der
Schneckenradius und mit ☐ die Kreiszahl bezeichnet ist.
-
Vorteilhaft
wird die Arbeitspunktabhängigkeit des kF-Faktors berücksichtigt.
Hierzu erfolgt beispielsweise eine Vermessung des Linearmotors und die
Abspeicherung der kF-Faktoren. Dies erfolgt beispielsweise in der
Produktionsstätte des Linearmotors. Die kF-Faktoren werden
vorteilhaft in einer Speichereinrichtung am Linearmotor gespeichert,
wobei die gespeicherten Werte von einer Regelungs- und/oder Steuerungseinrichtung
auslesbar sind. Die Regelungs- und/oder Steuerungseinrichtung ist
beispielsweise für die Verfahrgeschwindigkeitsregelung und/oder
Stromregelung des Linearmotors vorgesehen. Die Speichereinrichtung
ist beispielsweise eine Motorelektronik oder auch eine Geberelektronik
eines Gebers für den Linearmotor, welche zum Verfahren
der Extruderschnecke vorgesehen ist. Typischerweise variiert die
Kraftkonstante kF sowohl über der Verfahrgeschwindigkeit
als auch über der Schubkraft (siehe dazu 9).
Darüber hinaus streut die Kraftkonstante fertigungsbedingt
von Linearmotor zu Linearmotor. Durch eine individuelle Erfassung
der jeweiligen Kennlinien für einen bestimmten Linearmotor
kann der jeweilige kF-Faktor als Funktion der aktuellen Verfahrgeschwindigkeit
und des aktuellen Stroms ermittelt werden. Damit lassen sich z.
B. Maschinenparameter von einem Linearmotor zu einem anderen übertragen.
-
Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird eine zugleich
von einer Temperatur des Linearmotors abhängige Kraftkonstante
als ein vom Arbeitspunkt des Linearmotors abhängiger Wert verwendet.
Durch eine Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit
des kF-Faktors, also des kF-Wertes, kann die Genauigkeit der Druckberechnung
erhöht werden. So kann zusätzlich die Abhängigkeit des
kF-Faktors von der Temperatur des Magnetmaterials des Linearmotor-Primärteils
durch Erfassung der Motortemperatur kompensiert werden. Bei der Verwendung
von gängigen Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagneten beträgt
z. B. der Abfall der Magnetisierung 12% bei einer Erwärmung
des Primärteils um 100 K. Der in der Berechnung des Drucks
verwendete arbeitspunktabhängige Wert kann aus einem Speicher
ausgelesen werden oder auch geschätzt werden. Die Schätzung
wird in einem so genannten kF-Schätzer durchgeführt,
wobei für die Schätzung aktuelle ermittelte EMK-Werte
verwendet werden. Die Schätzung erfolgt vorzugsweise durch eine
Berechnung des Kraftfaktors mit Hilfe eines Motormodells.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird zur
Berechnung des Einspritzdrucks und/oder des Staudrucks eine Regelung- und/oder
Steuerungseinrichtung verwendet, in welcher ein Stromregler und/oder
ein Verfahrgeschwindigkeitsregler des Linearmotors integriert ist.
Hierdurch lassen sich Totzeiten, welche bei einer Verwendung einer
separaten Regelungs- und/oder Steuerungseinrichtung entstehen würden,
reduzieren. Dies gilt auch für den Fall, dass nicht nur
die Berechnung des Drucks in die Regelungs- und/oder Steuerungseinrichtung,
in welche der Stromregler und/oder der Verfahrgeschwindigkeitsregler
des Linearmotors integriert ist, erfolgt, sondern auch weitere Steuerungs- und/oder
Regelungsfunktionen der Einspritzeinrichtung bzw. der Spritzgießmaschine.
Verfügt also die Regelungs- und/oder Steuerungseinrichtung
für den Strom- bzw. Verfahrgeschwindigkeitsregler des Antriebs über
genügend viel Rechenleistung, so kann sowohl eine Kraftberechnung
und/oder eine Druckberechnung bereits unterlagert ausgeführt
werden. Hieraus ergeben sich weitere Vorteile hinsichtlich der Reglerauslegung,
da dann z. B. eine Filterung der Werte bereits im unterlagerten
Regler durchgeführt werden kann.
-
Die
Aufgabe der Erfindung wird weiterhin mit einer Einspritzeinrichtung
für eine Spritzgießmaschine gelöst, wobei
die Einspritzeinrichtung eine mittels einer rotierenden elektrischen
Maschine antreibbare Extruderschnecke sowie einen Linearmotor zum
Verfahren der Extruderschnecke aufweist. Die rotierende elektrische
Maschine sowie der Linearmotor können beispielsweise als
eine Einheit ausgebildet sein.
-
Erfindungsgemäß weist
die Einspritzeinrichtung eine Regelungs- und/oder Steuerungseinrichtung
auf, in welcher ein Strom-/Kraftregler und/oder Verfahrgeschwindigkeitsregler
des Linearmotors integriert ist. Es sind arbeitspunktabhängige Werte
für eine Kraftkonstante des Linearmotors gespeichert. Es
sind zur Berechnung eines Einspritzdrucks und/oder Staudrucks Beschleunigungswerte und/oder
von einem Arbeitspunkt des Linearmotors abhängige Werte
vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass auf einen Sensor zur Erfassung
des Einspritzdrucks und/oder der Staudrucks verzichtet werden kann.
-
Im
Besonderen ist ein Geber zur Erfassung des Verfahrweges des Linearmotors
vorhanden. Es sind die Beschleunigungswerte zur Berechnung des Einspritzdrucks
und/oder Staudrucks aus einer zeitlichen Ableitung der Änderung
des erfassten Verfahrweges ermittelbar. Der Geber kann z. B. am
Primärteil des Linearmotors angebracht sein und entlang der
Verfahrschiene des Linearmotors angebrachte Markierungen erfassen.
Der Geber kann beispielsweise auf einem optischen oder magnetischen
Prinzip basieren.
-
Vorzugsweise
ist ein Temperatursensor zur Erfassung einer Temperatur des Linearmotors,
insbesondere zur Erfassung der Temperatur der Permanentmagnete im
Primärteil des Linearmotors, vorhanden. Die entsprechenden
Temperaturwerte sind zur Berechnung des Einspritzdrucks und/oder
Staudrucks durch die Regelungs- und/oder Steuerungseinrichtung vorgesehen.
-
Nach
einer weiteren Ausführungsform der Einspritzeinrichtung
sind zugleich arbeitspunkt- und temperaturabhängige Werte
für eine Kraftkonstante des Linearmotors gespeichert. Vorzugsweise
sind diese Werte in einem nichtflüchtigen Speicher der Regelungs-
und/oder Steuereinrichtung abgelegt.
-
In
einer Ausgestaltung der Einspritzeinrichtung weist die Regelungs-
und/oder Steuerungseinrichtung der Einspritzeinrichtung einen kF-Schätzer zum
Schätzen des Einspritzdrucks und/oder des Staudrucks auf
Basis der erfassten Verfahrgeschwindigkeit und des ermittelten Arbeitspunktes
des Linearmotors auf. Vorzugsweise weist der kF-Schätzer Mittel
zur Berechnung der Kraftkonstante mit Hilfe eines Motormodells auf.
-
Schließlich
wird die Aufgabe der Erfindung durch Spritzgießmaschine
gelöst, welche eine erfindungsgemäße
Einspritzeinrichtung aufweist. Eine derartige Spritzgießmaschine
ist durch den Entfall von Drucksensoren günstiger herstellbar.
Sie ist zudem wartungsfreier.
-
Die
Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung
werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher
beschrieben. Es zeigen
-
1–3 Phasen
eines Einspritzvorganges,
-
4 eine
Riemenantriebseinrichtung für eine Linearbewegung einer
Extruderschnecke einer Einspritzeinrichtung nach dem Stand der Technik,
-
5 einen
Linearmotor zum Verfahren einer die Extruderschnecke antreibenden
rotierenden elektrischen Maschine nach dem Stand der Technik,
-
6 beispielhaft
Antriebseinrichtungen,
-
7 eine
Strom-/Kraftkennlinie eines beispielhaften Linearmotors,
-
8 den
Verlauf einer korrespondierenden Kraftkonstante des Linearmotors
in Abhängigkeit vom Erregerstrom gemäß 7 und
-
9 beispielhaft
einen Funktionsplan zur Regelung und/oder Steuerung der erfindungsgemäßen
Einspritzeinrichtung mit Hilfe eines kF-Schätzers.
-
1 bis 3 zeigen
Phasen eines Einspritzvorganges. Die Darstellungen gemäß 1 bis 3 zeigen
drei Schritte 3, 5, 7 eines Spritzgießprozesses
bei einer nur rudimentär dargestellten Spritzgießmaschine 1,
welche eine Einspritzeinrichtung 2 aufweist. Der erste
Schritt gemäß 1 betrifft das Plastifizieren
und Dosieren, der zweite Schritt gemäß 2 betrifft
das Einspritzen und Nachdrücken und der dritte Schritt
gemäß 3 betrifft das Abkühlen und
Entformen.
-
Der
Spritzgießprozess betrifft eine Spritzgießmaschine 1.
Die Spritzgießmaschine 1 weist eine Extruderschnecke 9 auf.
Die Schnecke 9 befindet sich in einem Schneckenzylinder 11.
Die Spritzgießmaschine 1 weist weiterhin einen
Trichter 13 auf. Der Trichter 13 ist mit Kunststoffgranulat 15 beschickbar.
Durch eine Drehbewegung 17 der Schnecke 9 ist das
Kunststoffgranulat 15 in einen Schneckenvorraum 19 transportierbar.
Während des Transportes wird durch Reibung bzw. mittels
einer elektrischen Heizung 21 das Kunststoffgranulat zu
einer Schmelze erhitzt. Die Schmelze sammelt sich durch eine Drehbewegung 17 im
Schneckenvorraum 19 an, welcher an eine Schneckenspitze 10 anschließt.
Die Drehbewegung 17 ist beispielsweise mittels einer rotierenden
elektrischen Maschine 23, das heißt mittels eines
Elektromotors, erzielbar.
-
Die
elektrische Maschine 23 ist mit einer Achse 22 gekoppelt
und beispielsweise mittels einer Regelungs- und/oder Steuerungseinrichtung 25 regel-
bzw. steuerbar. Dadurch, dass sich im Schneckenvorraum 19 Schmelze
ansammelt, wird die Schnecke 9 von einer Düse 27 weggedrückt.
Die Düse 27 ist zum Auslassen der Schmelze vorgesehen.
Sie kann einen entsprechenden ansteuerbaren Verschlussmechanismus
für die Schmelze aufweisen. Es kann die gesamte Einspritzeinrichtung 2 an das
Formwerkzeug 29, 31 herangeführt werden.
Das Formwerkzeug 29, 31 weist zwei Formteile auf.
Das erste Formteil 29 und das zweite Formteil 31 werden zur
Ausbildung einer Form zusammengefügt.
-
Der
erste Schritt des Gießprozesses gemäß 1 beinhaltet
eine Plastifizierung und eine Dosierung des Schmelzmaterials. Der
zweite Schritt des Gießprozesses gemäß 2 betrifft
das Einspritzen der Schmelze bzw. das Nachdrücken dieser.
Zum Einspritzen der Schmelze wird die Schnecke 9 in Richtung
der Düse 27 bewegt. Dadurch dringt Schmelze in
das Formwerkzeug 29, 31 ein. Am Ende des Einspritzvorgangs
wird ein Nachdruck ausgeübt.
-
In
einem dritten Schritt des Gießprozesses gemäß 3 erfolgen
ein Abkühlen und ein Entformen. Der Schneckenzylinder 11 wird
vom Formwerkzeug 29, 31 getrennt. Die beiden Teile
des Formwerkzeuges 29 und 31 werden getrennt,
so dass ein Spritzgut 33 freigegeben wird. Nach diesem
Schritt folgt wieder der erste Schritt 3 des Gießprozesses, nämlich
das Plastifizieren und das Dosieren.
-
4 zeigt
eine Riemenantriebseinrichtung 47 für eine Linearbewegung
einer Extruderschnecke 9 einer Einspritzeinrichtung 2 nach
dem Stand der Technik.
-
Die
Darstellung gemäß 4 zeigt
eine Riemenantriebseinrichtung 47. Es ist mittels eines
Riemens 37 die rotierende Bewegung einer elektrischen Maschine 23,
welche einen Geber 35 aufweist, übertragbar. Die
elektrische Maschine 23 ist mit einer Antriebseinrichtung 45 verbunden,
wobei die Antriebseinrichtung 45 beispielsweise einen Stromrichter
und einer Regelungs- und/oder Steuerungseinrichtung aufweist. Mittels
einer Spindel 39 ist die rotierende Bewegung in eine Linearbewegung 41 wandelbar. Die
Linearbewegung 41 dient der Linearbewegung der Schnecke 9,
welche sich vorteilhaft in derselben Achse 43 wie die Spindel 39 befindet.
-
5 zeigt
einen Linearmotor 24 zum Verfahren einer die Extruderschnecke 9 antreibenden rotierenden
elektrischen Maschine 23 nach dem Stand der Technik. Mit
dem Bezugszeichen 26 ist ein Primärteil des Linearmotors 24 bezeichnet.
Er umfasst typischerweise eine Erregerwicklung sowie Permanentmagnete.
Mit dem Bezugszeichen 28 ist ein Sekundärteil
des Linearmotors 24 bzw. eine Verfahrschiene oder Träger
bezeichnet. Das Primärteil 26 verfährt
bei entsprechender elektrischer Ansteuerung im Sinne eines Schlittens
entlang des Sekundärteils 28. Die rotierende elektrische
Maschine 23 ist fest mit dem Primärteil 26 verbunden.
Linearbewegung 41 sowie Drehbe wegung 17 der Extruderschnecke 9 sind
folglich voneinander entkoppelt. Zur Erfassung des Verfahrweges
des Linearmotors 24 ist ein Geber vorhanden. Aus der zeitlichen
Ableitung der Änderung des erfassten Verfahrweges können Beschleunigungswerte
ermittelt werden, um gemäß der Erfindung den Einspritzdruck
und/oder den Staudruck in der Extruderschnecke 9 der Einspritzeinrichtung 2 berechnen
zu können.
-
Die
Darstellung gemäß 6 zeigt
einen Aufbau mit verschiedenen Antriebseinrichtungen 46. Die
Antriebseinrichtungen 46 sind jeweils einer rotierenden
elektrischen Maschine 23 sowie einem Linearmotor 24 zugeordnet
und mit dieser verbunden. Die rotierenden elektrischen Maschinen 23 können
beispielsweise die Extruderschnecke 9 antreiben. Sie können
zudem beispielsweise den Auswerfer, die Schließe oder die
Einspritzeinrichtung antreiben. Die Speisung der Antriebseinrichtungen 46 erfolgt über eine
gemeinsame Einspeiseeinrichtung 49. Die Antriebseinrichtungen 46 sind
derart ausgebildet, dass diese mit einer gemeinsamen Regelungs-
und/oder Steuerungseinrichtung 25 verbunden sind. In dieser Regelungs-
und/oder Steuerungseinrichtung 25 wird insbesondere die
Drehzahlregelung bzw. die Verfahrgeschwindigkeitsregelung der angeschlossenen
Antriebseinrichtungen 46 durchgeführt. Diese Funktion kann
auch in eine einzige Antriebseinrichtung integriert sein, was jedoch
in 6 nicht dargestellt ist. Optional ist die Steuerungs-
und/oder Regelungseinrichtung 25 über ein Antriebsbussystem 51 mit
den elektrischen Maschinen 23, 24 verbunden. Die
elektrischen Maschinen 23, 24 weisen im Beispiel
der 6 eine Geberschnittstelle mit einem elektronischen
Typenschild 53 auf. Dort sind beispielsweise kF-Werte für
den gezeigten Linearmotor 24 bzw. andere elektrische Parameter
der jeweiligen elektrischen Maschine 23, 24 gespeichert,
wie z. B. Polzahl, Nennströme und dergleichen.
-
7 zeigt
eine Strom-/Kraftkennlinie 58 eines beispielhaften Linearmotors.
Es ist eine Schubkraft F des Primärteils des Linearmotors über
einen effektiven kraftbildenden Strom I, der durch die Erregerwicklung
des Primärteils fließt, auf getragen. Es ist erkennbar,
dass die Strom-/Kennlinie 58 für höhere Stromwerte
im Bereich ab 20 bis 30 Aeff nicht mehr
linear verläuft. Mit anderen Worten nimmt die Effektivität
der Umwandlung von Erregerstrom I in Schubkraft F mit zunehmenden
Stromwerten ab.
-
8 zeigt
den Verlauf einer korrespondierenden Kraftkonstante kF des Linearmotors
in Abhängigkeit vom Erregerstrom I gemäß 7.
Die Kraftkonstante kF beschreibt die Effektivität der Umwandlung
von dem Erregerstrom I in die Schubkraft F. Sie wird aus dem Quotienten
von der Schubkraft F und dem entsprechenden Erregerstrom I gebildet. Wie
die 8 zeigt, sinkt die Kraftkonstante kF für Stromwerte
ab ca. 20 Aeff von etwa 0,97 auf etwa 0,88.
Die Kraftkonstante kF kann alternativ auch auf einen 100%-Wert normiert
sein, welcher sich für kleine Erregerströme größer
0 Aeff ergibt.
-
Erfindungsgemäß wird
die Kraftkonstante kF des Linearmotors 24 als ein vom Arbeitspunkt
des Linearmotors 24 abhängiger Wert verwendet.
Mit anderen Worten dient die arbeitspunktabhängige und somit
vom Erregerstrom I abhängige Kraftkonstante kF zur Korrektur
des Übersetzungsverhältnisses von Erregerstrom
I zur resultierenden Schubkraft F. Vorzugsweise wird zugleich noch
eine von einer Temperatur des Linearmotors 24 abhängige
Kraftkonstante kF als ein vom Arbeitspunkt des Linearmotors 24 abhängiger
Wert verwendet. Vor allem ist diese Temperatur die Primärteiltemperatur
des Linearmotors 24 und insbesondere die Temperatur der
dortigen Permanentmagnete, deren Magnetisierung mit steigender Temperatur
abfällt.
-
Vorzugsweise
sind die arbeitspunktabhängigen und temperaturabhängigen
Werte für die Kraftkonstante kF in einer entsprechenden
zweidimensionalen Matrix abgelegt, so dass die Steuerungs- und/oder
Regelungseinrichtung 25 des Linearmotors 24 den
jeweils geeigneten Kraftkonstantenwert auslesen kann. Die Matrix
kann z. B. während der werksseitigen Endprüfung
des Linearmotors 24 ermittelt werden. Da die Kraftkonstante
kF von Linearmotor 24 zu Linearmotor 24 fertigungsbedingt
typischer weise um bis zu 8% variieren kann, ist vorteilhaft für
jeden Linearmotor 24 eine solche Matrix zu erstellen. Dadurch
kann über den erfassten Erregerstrom I des Linearmotors 24 die
entsprechende Schubkraft F des Linearmotors 24 und weiter
unter Berücksichtigung des Schneckenradius der Extruderschnecke 9 und des
Wirkungsgrades der Extruderschnecke 9 letztendlich der
Einspritz- und/oder Staudruck der erfindungsgemäßen
Einspritzeinrichtung 2 mit sehr hoher Genauigkeit ermittelt
werden.
-
Alternativ
kann der jeweilige aktuelle Kraftkonstantenwert aus einer geeigneten
mathematischen Interpolationsfunktion mit den Funktionsparametern
Erregerstrom I und Primärteiltemperatur abgeleitet werden.
-
Vorzugsweise
werden die vom Arbeitspunkt des Linearmotors 24 und gegebenenfalls
von der Temperatur des Linearmotors 24 abhängigen
Werte für die Kraftkonstante kF aus einem Speicher ausgelesen
oder geschätzt. Der Speicher ist vorzugsweise ein nichtflüchtiger
Speicher, wie z. B. ein EEPROM-Speicher. Er ist typischerweise in
der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 25 vorhanden,
in welcher vorzugsweise auch noch ein Stromregler und/oder Verfahrgeschwindigkeitsregler
des Linearmotors 24 integriert ist.
-
9 zeigt
beispielhaft einen Funktionsplan zur Regelung und/oder Steuerung
der erfindungsgemäßen Einspritzeinrichtung 2 mit
Hilfe eines kF-Schätzers 61.
-
Die
Darstellung gemäß 9 zeigt
ein Beispiel für eine Adaption der Kraftkonstante kF bei
einem Linearmotor 24. Hierbei kommt ein kF-Schätzer 61 zum
Einsatz. Auch ist eine Temperaturadaption 63 vorgesehen
(siehe oberer Teil der 9). Mit den Bezeichnungen Pxxx,
wie z. B. P121 für einen Primärteilwiderstand,
sind Eingabeparameter bezeichnet. Mit rxxx, wie z. B. r088, sind
Ausleseparameter bezeichnet.
-
Die
Adaption der Kraftkonstante kF dient der Verbesserung der absoluten
Schubkraftgenauigkeit bei der Regelung des Linearmotors 24.
Bedingt durch Fertigungstoleranzen, Temperaturschwankungen und Sättigungseffekte
variiert die Magnetisierung der Permanentmagnete. Die Funktion "kF-Schätzer" 61 passt
die Kraftkonstante kF [N/Aeff] in der Regelung an
die augenblickliche Magnetisierung an. Der kF-Schätzer 61 benötigt
möglichst exakte Werte für die Motorparameter
des Linearmotors 24, um eine hohe Schubkraft zu erreichen.
Vor der Benutzung des kF-Schätzers 61 muss daher
eine Motoridentifikation mit aktiviertem kF-Schätzer 61 durchgeführt werden,
bei der die Werte für Primärteilwiderstand, Streuinduktivität
und Spannungsabbildungsfehler bestimmt werden. Der Leitungswiderstand
muss vor der Motoridentifikation in entsprechender Weise eingegeben
werden. Der Linearmotor 24 sollte bei der Identifikation
Raumtemperatur haben. Die Kompensation der Spannungsabbildungsfehler
muss aktiviert sein. Die Motortemperatur, insbesondere die Primärteiltemperatur,
sollte über einen so genannten KTY-Sensor erfasst werden.
Die Motortemperatur wird vom Schätzer 61 benötigt,
um die temperaturabhängigen Größen nachzuführen.
Wenn kein Motortemperatursensor angeschlossen ist, wird die Genauigkeit
stark eingeschränkt. Der kF-Schätzer 61 wird
erst ab einer bestimmten Verfahrgeschwindigkeit v, der so genannten
Einsatzgeschwindigkeit, aktiviert. Die Klemmenspannung des Antriebsumrichters
ist immer mit kleinen Fehlern behaftet, die durch Spannungsabfälle
an den Halbleitern usw. hervorgerufen werden. Je niedriger die Verfahrgeschwindigkeit
v und damit die Ausgangsspannung, umso mehr können kleine
Spannungsfehler die Schätzung stören. Deshalb
wird die Schätzung unterhalb einer bestimmten Einsatzgeschwindigkeit
deaktiviert. Der Schätzwert wird vorzugsweise mit einer
vorgebbaren Zeitkonstante geglättet. In r088 wird der aktuelle kF-Nennwert,
in r088 der kF-Istwert angezeigt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-