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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Antriebseinheit einer Spritzgießmaschine mit zumindest einem ersten und einem zweiten Motor, durch die über Antriebsstränge ein Teil, insbesondere eine Aufspannplatte oder ein Einspritzaggregat, der Spritzgießmaschine angetrieben wird und einer Regeleinheit, durch die die Motordrehzahl des ersten Motors und die Motordrehzahl des zweiten Motors geregelt wird. Weiters betrifft die Erfindung eine Antriebseinheit für eine Spritzgießmaschine zur Durchführung eines betreffenden Verfahrens.
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Bei Spritzgießmaschinen mit größeren Einspritzaggregaten bzw. sehr großen anzutreibenden Teilen werden aufgrund des hohen Leistungsbedarfs (über 100 kW) oftmals mehrere parallele Antriebe verwendet. Dabei ist es besonders wichtig, auf die Positions- bzw. Winkelsynchronität zu achten, um mechanische Verspannungen und Verformungen zu vermeiden, wobei beispielsweise bekannt ist, die Synchronisation der Antriebe direkt auf den Antriebsreglern der einzelnen Motoren mittels Querkommunikation durchzuführen. Es ist aber auch bereits eine zentrale Regelung bekannt, bei welcher die Qualität der dynamischen Übergänge jedoch nicht zufrieden stellend ist. Aufgrund der Regelung in Form einer überlagerten Funktionseinheit (z. B. Maschinensteuerung) sind dabei die Verzögerungszeiten bzw. die Kommunikationszeiten relativ lang und hinken den aktuellen Motorleistungen hinterher.
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Weiters sind Master-Slave-Anwendungen bekannt, wo die Ist-Werte eines Antriebes als SollWerte für weitere Antriebe verwendet werden. Nachteilig dabei ist, dass es immer Abweichungen aufgrund des Nacheilens des Antriebs gibt. Vor allem wenn der Master-Antrieb relativ stark ist, kann ein schwacher Slave-Antrieb den Ist-Werten des ersten Antriebs nicht mehr folgen, was zu einer nicht gewünschten Asynchronität der Antriebe führt.
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Ein Verfahren zur Regelung einer Antriebseinheit für eine Spritzgießmaschine mit einer Synchronisation verschiedener Antriebe geht zwar aus der
EP 1 121 627 B1 hervor, jedoch treiben in dieser gattungsfremden Schrift die einzelnen Antriebe jeweils unterschiedliche Teile der Spritzgießmaschine an. Demgegenüber betrifft die vorliegende Erfindung Antriebseinheiten bzw. Motoren, die auf ein und dasselbe Teil wirken. Aus diesem Grund muss gemäß der Erfindung besonderer Wert auf die exakte Synchronisierung der einzelnen Motoren gelegt werden.
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Vorrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbaren
JP 2004-017 488 A ,
JP 2006-101 570 A und
JP 2003-191 305 A ; Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung mehrerer Servomotoren lehrt die
US 6 046 566 A .
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Betrachtet man ein ideales symmetrisches System von Antriebssträngen, so würden sich die Antriebe identisch verhalten und es würden keine Abweichungen auftreten, sofern auch die Anfangsbedingungen und Sollwertvorgaben übereinstimmen. In der Realität hingegen treten natürlich Abweichungen wie unterschiedliche Reibungen, unterschiedliche Momentenverstärkungen, mechanische Toleranzen oder Messstörungen auf.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Regelung einer Antriebseinheit zu schaffen. Insbesondere soll eine exaktere Synchronisierung von zumindest zwei Antriebseinheiten (Motor samt Antriebsstrang) gegeben sein, die auf dasselbe Teil bzw. auf dieselbe mehrstückige Komponente der Spritzgießmaschine wirken. Mit anderen Worten sollen Antriebe, die insbesondere mit einer angetriebenen Achse starr (z. B. über einen Kugelgewindetrieb oder einen Riementrieb) gekoppelt sind, eine möglichst gleichmäßige Bewegung durchführen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind durch die abhängigen Ansprüche dargelegt.
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Dem Stand der Technik gemäß wird von der Regeleinheit in einem ersten Schritt in Abhängigkeit der gespeicherten Positionen der zumindest zwei Positionssensoren ein fiktiver Positionssollwert errechnet wird, dann die jeweilige Abweichung der detektierten Positionen vom fiktiven Positionssollwert errechnet wird und anschließend von der Regeleinheit in Abhängigkeit der jeweils ermittelten Abweichung korrigierte Drehzahlstellsignale an die Motoren ausgegeben werden. Dadurch ist es möglich, aus den Positionsabweichungen der einzelnen Motoren bzw. Antriebsstränge auf deren Abweichungen zueinander zu reagieren und diese durch entsprechend geänderte Vorgabewerte für die Drehzahl aneinander anzupassen. Die gemessene Position kann dabei der zurückgelegte Weg eines bestimmten Teils des Motors oder des Antriebsstranges sein.
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Es soll nicht ausgeschlossen sein, dass sich die fiktiven Positionssollwerte für die einzelnen Antriebseinheiten voneinander unterscheiden, da sie beispielsweise bei einer Mehrzahl von Antriebseinheiten von zueinander unterschiedlichen Antriebseinheiten abhängen. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Abweichungsberechnung auf einem für alle Antriebseinheiten gemeinsamen fiktiven Positionssollwert beruht. Dieser fiktive Positionssollwert kann bevorzugt ein Mittelwert aus den gespeicherten Positionen der Antriebseinheiten sein.
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Gemäß dem Stand der Technik weist die Antriebseinheit eine Regeleinheit in Form eines Positionierreglers auf, der die eingehenden Positionsfehler überwacht und ausgleicht. Das heißt, es wird von den eingehenden einzelnen Positionen der Motoren ein Mittelwert gebildet und die ausgehende Drehzahlgröße des Positionsreglers an den Motor weitergeleitet, sodass sich die Positionen der einzelnen Antriebseinheiten aneinander angleichen. Bei nur geringen Abweichungen, wenn sich alle Antriebe innerhalb der Stellgrenzen befinden, ist mit diesem Positionsregler bzw. mit dieser Regeleinheit allein ein gut funktionierendes Angleichen der einzelnen Motorbewegungen möglich.
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Um nun aber die natürlichen Unterschiede in den Antriebssträngen kompensieren zu können, vor allem wenn ein Antrieb in der Momentengrenze ist und dem vorgegebenen Geschwindigkeitssignal nicht mehr folgen kann, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Drehzahlstellsignale in Abhängigkeit gemessener oder geschätzter Lastmomente der von den Motoren angetriebenen Antriebsstränge begrenzbar sind. Dadurch ist eine Gleichlaufregelung im Bereich der Leistungsgrenze der Antriebe möglich. Durch diese Begrenzung ist das Problem gelöst, dass aufgrund einer zu starken Drehzahländerung, die eigentlich in Abhängigkeit der vom Positionsregler ermittelten Abweichung durchgeführt werden müsste, ein Schaden in der Antriebseinheit aufgrund von Überbelastung auftritt. Diese Begrenzung kann grundsätzlich extern vorgegeben oder durch Drehzahlen von einer überlagerten Regelung vorgegeben werden. In anderen Worten ist durch die Begrenzung das Problem gelöst, dass der Positionsregler Geschwindigkeitsvorgaben erhält, welchen aufgrund der begrenzten Stellgrößen nicht gefolgt werden kann. Dadurch wird der Eingriff des Positionsreglers sichergestellt. Grundsätzlich kann auch das Antriebsmoment und die Position gemessen und daraus das Lastmoment berechnet (geschätzt) werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit das Lastmoment durch einen eigenen Sensor zu messen bzw. ausgehend von einem Messsignal (z. B. Druck) zu berechnen.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem angetriebenen Teil um eine Aufspannplatte oder ein Einspritzaggregat und weiterhin bevorzugt geben die Positionssensoren Winkelsignale aus.
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Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Begrenzungsverfahren durchführbar mit einem Begrenzer, von dem die Drehzahlstellsignale der Regeleinheit begrenzt werden, einem Profilspeicher mit einem hinterlegten Geschwindigkeitsprofil für die Motoren, aus welchem ein Drehzahlsollwert für die Motoren ausgelesen wird, einen Drehzahlsensor pro Motor, durch den die jeweils aktuelle Drehzahl der Motoren gemessen wird, einem Lastmomentsensor oder einen Lastmomentschätzer, durch den die aktuellen Lastmomente der Antriebsstränge gemessen oder geschätzt werden und einem Beschleunigungsrechner, durch den in Abhängigkeit der geschätzten oder gemessenen Lastmomente, der Drehzahlsollwerte und der aktuellen Drehzahlen die zulässige Maximalbeschleunigung jedes Antriebsstranges ermittelt wird, wonach durch den Begrenzer in Abhängigkeit der ermittelten, zulässigen Maximalbeschleunigung Grenzwerte für das Drehzahlstellsignal ermittelt werden.
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Besonders bevorzugt kann der Begrenzer dabei derart verfahren, dass vom Begrenzer zuerst der Drehzahlsollwert mit den ermittelten Grenzwerten verglichen wird, dann - wenn der Drehzahlsollwert außerhalb der Grenzwerte liegt - ein eingeschränkter, innerhalb der Grenzwerte liegender Drehzahlsollwert festgelegt wird und dieser dann der Regeleinheit zugeführt wird. Somit wird diesem Begrenzer eine maximal- bzw. minimalzulässige Beschleunigung vorgegeben. Mit diesem Wert entscheidet bzw. berechnet der Begrenzer, ob die extern vorgegebenen Drehzahlen ohne Änderungen weiter an die Regeleinheit gegeben werden oder ob es dadurch zu einer unzulässigen Beschleunigung und somit Überlastung kommen würde. Das heißt mit anderen Worten, dass der Begrenzer entscheidet, ob sich die Drehzahl in einem zulässigen oder nicht zulässigen Bereich befindet. Diese zulässige Beschleunigung wird anhand von Ist-Drehzahlen, Soll-Drehzahlen und gemessenen Lastmomenten im Motor bzw. Antriebsstrang berechnet. Alternativ kann das zulässige Moment auch geschätzt werden.
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Grundsätzlich kann das vorliegende Verfahren für Antriebseinheiten mit beliebig vielen parallelen Motoren verwendet werden. Am besten geeignet ist das gegenständliche Verfahren aber für Antriebseinheiten mit zwei bis vier separaten Motoren. Es ist vorteilhaft, wenn die Motoren bzw. Antriebsstränge gleich bzw. symmetrisch aufgebaut sind, wobei das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung auch für Antriebssysteme mit unterschiedlichen Antriebssträngen geeignet ist. Grundsätzlich soll sich das Antriebssystem nach außen wie ein Antrieb verhalten, wobei nur eine Solldrehzahl (Stellgröße) nötig ist.
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Die Regelung kann in einer zentralen Steuereinheit erfolgen, jedoch auch auf mehrere dezentrale Einheiten wie den jeweiligen Antriebsreglern verteilt sein. Die zentrale Steuereinheit kann auch über einen Bus angebunden sein. Allfällige Verzögerungszeiten können in dem Konzept berücksichtigt werden.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden auch durch eine Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Antriebseinheit sind durch die abhängigen Ansprüche dargelegt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf das in der einzigen Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel im Folgenden näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt schematisch eine Antriebseinheit 1 einer Spritzgießmaschine bestehend aus zumindest zwei Motoren M1 und M2 und den jeweiligen Antriebssträngen 2, die gemeinsam auf ein Teil 3 (Formaufspannplatte) der Spritzgießmaschine wirken. Durch diese Aufspannplatte werden die Formwerkzeuge 12 aufeinander zu bewegt. In dieser einzigen Figur sind nur zwei Motoren M1 und M2 dargestellt, welche aber natürlich modular mit weiteren Motoren erweiterbar sind.
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Die Motoren M1 und M2 unterliegen dabei einer Gleichlaufregelung, für deren Verfahren zumindest die Regeleinheit 4, der Begrenzer 7 und der Beschleunigungsrechner 11 benötigt werden. Grundsätzlich sind die in der einzigen Figur dargestellten Teile jeweils als logische Bestandteile des Verfahrens bzw. der Antriebseinheit zu betrachten. Das heißt, sie müssen nicht zwangsweise als getrennte bzw. konkrete Teile bzw. Recheneinheiten der Antriebseinheit vorgesehen sein, sondern können vielmehr rechnerisch-logisch im gesamten Steuermechanismus für die Antriebseinheit 1 integriert sein. Das dargestellte Verfahrenskonzept umfasst die Regelung ausgehend von einem generell zulässigen Zustand der Antriebseinheit 1, solange die Abweichung der einzelnen Motoren M1 und M2 innerhalb der zulässigen Grenzen ist. Eine überlagerte grundsätzliche Ablaufsteuerung und Fehlerbehandlung (bspw. bei verklemmten Spritzgießteilen) ist nicht Bestandteil des Konzepts, kann aber natürlich vorhanden sein.
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Grundsätzlich bewegen sich die Motoren M1 und M2 mit bestimmten Drehzahlen nakt1 und nakt2 , die durch die Regeleinheit 4 als Drehzahlstellsignale nref1 und nref2 (Steuersignale) den Motoren M1 und M2 übermittelt werden. Diese Regeleinheit 4 ermittelt diese Drehzahlstellsignale nref1 und nref2 in Abhängigkeit von zugeführten Positionsdaten P1 und P2 von Positionssensoren 5. Diese Positionssensoren 5 können die Position eines Teils des Antriebsstranges 2 bzw. des Motors M1 oder M2 messen, wonach das ausgehende Signal in einem Speicher 6 gespeichert wird und ständig aktualisiert wird. Diese Positionssignale P1 und P2 werden ständig von der Regeleinheit 4 ausgelesen, woraus die Regeleinheit 4 einen Mittelwert der beiden Positionssignale P1 und P2 errechnet. Aufgrund der Unterschiede zwischen den einzelnen Positionen P1 und P2 vom Mittelwert wird jeweils die Abweichung D1 und D2 ermittelt. Ausgehend von dieser errechneten Abweichung D1 und D2 wird von der Regeleinheit 4 das Drehzahlstellsignal nref1 und nref2 derart angepasst und ausgegeben, dass sich die Positionen P1 und P2 der beiden Motoren M1 und M2 aneinander angleichen.
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Bei geringen Abweichungen der Positionen P1 und P2 zueinander ist dieser Teil der Gleichlaufregelung unproblematisch. Das heißt, solange die Antriebe innerhalb ihrer aktuellen Stellgrößenbegrenzungen sind, reicht aufgrund der integrierenden Strecke dieser Positionsregler 4, um die stationäre Genauigkeit zu erreichen.
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Wenn allerdings ein Antrieb in der Stellgrenze ist, kann dieser nur mehr eingeschränkt einen Fehler ausgleichen. Dieser Zustand würde im Allgemeinen zu unzulässig hohen Abweichungen führen und muss daher vermieden werden. Deshalb ist es wichtig, dass diese Drehzahlstellgrößen nref1 und nref2 keine zu hohen Werte annehmen dürfen, sondern begrenzt werden. Dies kann mit Hilfe eines Begrenzers 7 erfolgen. Dieser Begrenzer 7 limitiert die vom Profilspeicher 8 und dessen Geschwindigkeitsprofil bzw. dessen Druckregelung vorgegebene Sollgeschwindigkeit nsoll , sodass der Antrieb dennoch ohne Überlastung dem Signal folgen kann.
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Um aber überhaupt die Berechnung von Grenzwerten nlim zu ermöglichen, ist ein Beschleunigungsrechner 11 notwendig. Diesem Beschleunigungsrechner 11 werden von Lastmomentsensoren 10 und/oder vom unterlagerten Antriebsregler (unterlagerter Momenten-, Drehzahl- und Stromregler) die aktuellen Lastmomente L1 und L2 in den Antriebssträngen 2 und/oder die Antriebsmomente Makt1 und Makt2 direkt von den Motoren M1 und M2 übermittelt. Zusätzlich werden dem Beschleunigungsrechner 11 die aktuellen Drehzahlen nakt1 und nakt2 oder die aktuellen Winkel bzw. Positionen von den Motoren M1 und M2 zugeführt (Anstatt der aktuellen Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen können Positions- bzw. Winkelmessungen in den Motoren erfolgen und daraus über einen Zwischenrechenschritt die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl bestimmt bzw. abgeleitet werden).
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Weiters erhält der Beschleunigungsrechner 11 von der Regeleinheit 4 die Drehzahlstellsignale nref1 und nnref2 . Ausgehend von diesen zugeführten Werten ermittelt der Beschleunigungsrechner die maximal zulässige Beschleunigung B1 und B2 jedes Antriebsstranges 2 und gibt diese an den Begrenzer 7 aus. Dem Begrenzer 7 wird ebenfalls der Drehzahlsollwert nsoll zugeführt. Zusätzlich erhält der Begrenzer 7 auch die aktuellen Drehzahlen nakt1 und nakt2 von den Drehzahlsensoren 9. Ausgehend von diesen Werten und von den zulässigen Maximalbeschleunigungen B1 und B2 vom Beschleunigungsrechner 11 ermittelt der Begrenzer 7, ob der Drehzahlsollwert nsoll innerhalb der Grenzwerte nlim liegt. Wenn dem so ist, kann der Drehzahlsollwert nsoll ohne Einschränkung weiter an die Regeleinheit 4 gegeben werden. Wenn dieser Wert allerdings außerhalb der Grenzwerte nlim liegt, so wird ein eingeschränkter Drehzahlsollwert nsoll,lim an die Regeleinheit 4 ausgegeben werden.
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Mit anderen Worten laufen im Idealfall die Drehzahlsollwerte nsoll vom Geschwindigkeits- bzw. Druckregelungsprofil im Speicher 8 direkt an die Motoren M1 und M2. Wenn allerdings die Positionen P1 und P2 der Motoren M1 und M2 - wie durch natürliche Umstände meist gegeben - voneinander abweichen, so erfolgt durch die Regeleinheit 4 in einem ersten Schritt eine Angleichung durch eine Änderung des Drehzahlvorgabesignals von nsoll auf nref. Zusätzlich wird dieses Sollwertsignal nsoll auch noch durch den Beschleunigungsrechner 11 und den Begrenzer 7 beeinflusst, vor allem dann, wenn die Drehzahlsollwerte nsoll zu einer Sollbeschleunigung führen, welche aufgrund der aktuellen Last und der Stellgrenze nicht erreichbar ist. Somit wird eine zu starke Beschleunigung in den Motoren M1 bzw. M2 verhindert, was zu Schäden in den Motoren M1 und M2 bzw. im Antriebsstrang 2 führen würde.
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Grundsätzlich kann hinter dem Beschleunigungsrechner 11 ein Modell für die Motorträgheit liegen. Durch das Ableiten der gemessenen Winkelgeschwindigkeit und des Momentes, kann das am jeweiligen Antrieb herrschende Lastmoment (Reibung, Druck, Messfehler) berechnet werden. Dadurch kan das übrigbleibende maximale Beschleunigungsmoment und in Folge die mögliche Beschleunigung jedes Antriebs berechnet werden. Für die Begrenzung der Änderung der Sollgeschwindigkeit werden die resultierenden Werte durch Bilden der Minima und Maxima der Werte der jeweiligen Antriebe berechnet. Für die Berechnung sind die aktuell zur Verfügung stehenden maximalen und minimalen Antriebsmomente nötig. Idealerweise stehen diese als Messwert zur Verfügung. Falls dies nicht der Fall ist, kann auch dieser Wert geschätzt werden.
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Um die mögliche Beschleunigung zu bestimmen, ist die Kenntnis des aktuellen Maximalmoments nötig. Aufgrund der thermischen Auslastung oder der Spannungsgrenze kann dieses gegenüber dem nominellen Maximalmoment während des Betriebs reduziert werden. Das Maximalmoment ist jedoch nur beobachtbar, wenn sich der Antrieb auch in der Momentengrenze befindet. Das ist im Allgemeinen nicht der Fall und somit ist der Wert nicht beobachtbar. Mittels zusätzlicher Bedingungen durch logische Verknüpfungen aus Referenz-, Messgrößen und berechneten Größen festgestellt werden, wenn sich der Antrieb in der Stellgrenze befindet und diese mittels eines Schätzers beobachtet werden.
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In dem Begrenzer wird die Referenzgeschwindigkeit, welche aus dem Geschwindigkeitsprofil, bzw. dem Druckregler erzeugt wird, begrenzt. Die Grenzwerte werden mit logischen Verknüpfungen aus den aktuellen Geschwindigkeiten und der Beschleunigungsbegrenzung aufgrund der Schätzung von Lastmoment und Maximalmoment berechnet.
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Da in diesem Begrenzer im Allgemeinen die Ausgabe begrenzt wird, ist hinsichtlich Verhalten im geschlossenen Regelkreis die Rückführung des begrenzten Stellwertes an die überlagerte Regelung zweckmäßig, um negative Rückwirkungen zu vermeiden.
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Somit ist durch die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren gezeigt, mit welchem Motoren M1 und M2, die über Antriebsstränge auf ein gemeinsames Teil 3 einer Spritzgießmaschine wirken, angeglichen werden. Insbesondere durch die Beobachtung bzw. Schätzung des Lastmoments L1 und L2 und des möglichen bzw. errechneten Maximalmoments bzw. der Maximalbeschleunigung B1 und B2 im Antriebsstrang kann die Drehzahlvorgabe für die Motoren M1 und M2 überwacht werden, sodass beim ständigen Ändern der Motordrehzahlen n zur Angleichung der Positionen P1 und P2 des Antriebsstranges keine zu großen Positions- bzw. Winkelabweichungen auftreten, welche zu Schäden am Antriebsstrang führen würden.
