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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schließeinheit einer Formgebungsmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Schließeinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 2.
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Unter Formgebungsmaschinen werden dabei Spritzgießmaschinen, Spritzpressen, Pressen oder dergleichen verstanden.
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An moderne Formgebungsmaschinen werden hohe Anforderungen bezüglich der Maßgenauigkeit der produzierten Teile gestellt. Dies geht soweit, dass die Schließkraft- sowie Schließbewegungsprofile, welche von beweglichen Formaufspannplatten bzw. darauf montierten Formhälften ausgeführt werden müssen, großen Einfluss auf die Qualität des Produkts haben.
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Beispielsweise beim Spritzprägen muss die Schließeinheit einer Spritzgießmaschine so gesteuert oder geregelt werden, dass ein definierter Prägespalt zwischen den Formhälften kontrolliert geschlossen wird, woraufhin die bewegliche Formaufspannplatte einen Anstieg der Schließkraft erfahren soll. Es gibt auch Spezialformen dieses Verfahrens, bei dem der Prägespalt unter Umständen mehr als einmal wieder geöffnet wird, bevor die Kunststoffmaße auskühlt.
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Das genaue Aussteuern oder Ausregeln dieser Profile kann dann zum Problem werden, wenn in einem Profil gleichzeitig sehr kleine und sehr große Kräfte auftauchen bzw. dafür erforderlich sind. Um beim Beispiel des Spritzprägens zu bleiben, müsste der Schließkraftmechanismus zum zielsicheren Aufbringen von kleinsten Kräften als auch von Kräften von mehreren 100 oder 1.000 Kilonewton in der Lage sein. Dies kann auch von moderner Hydraulik nicht in allen Situationen verlässlich geleistet werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schließeinheit für eine Formgebungsmaschine sowie ein Verfahren zum Betrieb derselben bereitzustellen, wobei auch eine Steuerung oder Regelung von sehr kleinen Schließkräften möglich ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schließeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.
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Dies geschieht, indem mittels eines Bewegungsmechanismus der Schließeinheit eine der Schließkraft entgegen gerichtete Offset-Kraft ausgeübt wird, während der Schließkraftmechanismus aktiv ist. Als Bewegungsmechanismus können hier jegliche Mechanismen der Schließeinheit zum Einsatz kommen, welche dazu in der Lage sind dem Schließkraftmechanismus entgegenzuwirken.
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Bei modernen Formgebungsprozessen, insbesondere beim Spritzprägen, kann es vorgesehen sein, die Formhälften mehrere Male zu öffnen und wieder zu schließen. In diesem Sinne sei erwähnt, dass die Schließkraft auch negativ sein kann, wodurch sie zur Öffnungskraft wird.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Hierbei ist „oder” stets inklusiv zu verstehen, das heißt auch eine Kombination der durch „oder” getrennten Möglichkeiten ist natürlich denkbar und fallweise vorteilhaft. Als Bewegungsmechanismus kann beispielsweise ein Eilgangmechanismus zum raschen Öffnen und Schließen der Schließeinheit verwendet werden. Im Regelfall ist der Eilgangmechanismus zwar für weit geringere Kräfte als der Schließdruckmechanismus ausgelegt. Dennoch ist der Eilgangmechanismus dazu in der Lage, so gegen den Schließkraftmechanismus zu arbeiten, dass die von diesem aufzubringende Kraft über eine Mindestkraft gehoben wird, über welcher der Schließkraftmechanismus fein steuerbar oder -regelbar ist.
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Ein hydraulischer Schließkraftmechanismus kann selbst ein weiteres Beispiel für den Bewegungsmechanismus sein. Denn in dem Falle, dass ein als Hydraulikzylinder ausgeführte Schließkraftmechanismus über eine erste Kammer und eine zweite Kammer verfügt, wobei die Schließkraft durch Erhöhung des Drucks in der zweiten Kammer erzeugt wird, kann eine Erhöhung des Druckes in der ersten Kammer eine Erhöhung des für die Sollschließkraft erforderlichen Solldrucks in der zweiten Kammer bewirken, wodurch der Solldruck in der zweiten Kammer in einen fein regel- oder steuerbaren Bereich fällt.
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Selbstverständlich sind auch Kombinationen möglich, das heißt, dass beispielsweise ein Teil der Offset-Kraft von einem Eilgangmechanismus und ein anderer Teil vom Schließkraftmechanismus selbst aufgebracht wird.
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Die Offset-Kraft kann also an der beweglichen Formaufspannplatte oder im Schließdruckmechanismus selbst ausgeübt werden.
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Um den Schließkraftmechanismus so weit wie möglich in einen Bereich zu befördern, in welchem dieser fein steuerbar oder regelbar ist, kann vorgesehen sein, dass als Offset-Kraft im Wesentlichen eine für den Bewegungsmechanismus maximal zulässige Kraft ausgeübt wird. Dies ist insbesondere dann vorgesehen, wenn eine Soll-Schließkraft vergleichsweise gering ist, sodass die Steuerung oder Regelung des Schließkraftmechanismus erschwert ist. Bei hohen Schließkräften kann es vorgesehen sein, die Offset-Kraft zurückzufahren.
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Es kann vorgesehen sein, dass zur Regelung der Schließkraft ein Schließkraftabsolutwert bestimmt wird, welcher einer tatsächlichen auf die bewegliche Formaufspannplatte wirkenden Kraft im Wesentlichen entspricht, und der Schließkraftabsolutwert als rückgeführte Größe der Regelung verwendet wird. Hierdurch kann das Einrichten von Herstellungsprozessen vereinfacht werden, da ein Bewegungs- oder Kraftprofil in Absolutwerten vorab durch Berechnung oder Simulationen bestimmt werden kann und dann von der Schließeinheit realistisch abgebildet werden kann.
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Dabei kann es vorteilhaft sein, nicht nur die vom Schließkraftmechanismus aufgebrachte Schließkraft oder die vom Bewegungsmechanismus aufgebracht Offset-Kraft, sondern auch eine durch die Masse verursachte Unterstützungskraft oder wenigstens eine Reibungskraft wenigstens eines Holms, der beweglichen Formaufspannplatte oder der beweglichen Formaufspannplatte zusammen mit einer Formhälfte zu messen und die gemessenen Kräfte bei der Bestimmung des Schließkraftabsolutwerts zu berücksichtigen.
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Um bei vertikalen Schließeinheiten den Einfluss des Gewichtes, beispielsweise einer Formhälfte, auszugleichen, kann vorgesehen sein, dass die Unterstützungskraft gemessen wird, indem der wenigstens eine Holm oder die bewegliche Formaufspannplatte zusammen mit einer Formhälfte vom Bewegungsmechanismus der Schließeinheit in einer konstanten Höhe gehalten wird und die dafür vom Bewegungsmechanismus ausgeübte Kraft gemessen wird.
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Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Unterstützungskraft mittels eines Drucksensors oder mehrerer Drucksensoren in wenigstens einem Hydraulikzylinder des Bewegungsmechanismus bestimmt wird.
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Diesbezüglich kann bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Unterstützungskraft mittels eines ersten Drucksensors in einer ersten Kammer des wenigstens einen Hydraulikzylinders und eines zweiten Drucksensors in einer zweiten Kammer des wenigstens einen Hydraulikzylinders bestimmt wird, wobei der Wert für die Gegenkraft aus einer mit wirksamen Kolbenflächen gewichteten Differenz der Messwerte des ersten Drucksensors und des zweiten Drucksensors bestimmt wird. Es ist zwar so, dass in den meisten Betriebszuständen der Druck in einer der Kammern weit geringer ist als in der Anderen. Durch die vorliegende Erfindung kann die Steuerung oder Regelung jedoch so präzise durchgeführt werden, dass auch dieser kleine Effekt eine relevante Verfälschung erzeugen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Reibungskraft in Form einer Haftkraft des wenigstens einen Holms oder der beweglichen Formaufspannplatte gemessen wird.
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Dies kann geschehen, indem zur Messung der Haftkraft eine Gewichtskraft des wenigstens einen Holms oder der beweglichen Formaufspannplatte gemessen wird, dass der wenigstens eine Holm oder die bewegliche Formaufspannplatte vom Bewegungsmechanismus der Schließeinheit in einer konstanten Höhe gehalten wird, dass eine dafür vom Bewegungsmechanismus ausgeübte Gegenkraft gemessen wird und dass die Haftkraft aus der Differenz der Beträge der Gegenkraft und der Gewichtskraft bestimmt wird. Die Gewichtskraft der Holme bzw. der beweglichen Formaufspannplatte kann dabei vorteilhafterweise vor dem Zusammenbau der Schließeinheit beispielsweise mit einer Kranwaage gemessen werden. Die vom Bewegungsmechanismus ausgeübte Gegenkraft kann wie vorher bei der Unterstützungskraft beschrieben gemessen werden, mit dem Unterschied, dass in diesem Fall keine Formhälfte an der beweglichen Formaufspannplatte montiert ist. Überhaupt liegt dieser Ausführungsform die Annahme zugrunde, dass die Anwesenheit einer Formhälfte die Haftkraft, welche zwischen der beweglichen Formaufspannplatte und Holmen, bzw. zwischen Holmen und Führungen auftreten, nur gering beeinflusst werden. Natürlich ist es möglich auch den Einfluss des Gewichtes der Formhälfte auf die Haftkraft messtechnisch zu erfassen. Dafür müsste aber das Gewicht der Formhälfte bekannt sein bzw. gemessen werden.
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Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform kann darin bestehen, dass die wenigstens eine Reibungskraft in Form einer Gleitreibungskraft des wenigstens einen Holms oder der beweglichen Formaufspannplatte gemessen wird.
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Auch hier gilt, dass die Gewichtskraft des wenigstens einen Holms oder der beweglichen Formaufspannplatte vorteilhafterweise vor dem Zusammenbau der Schließeinheit gemessen werden kann. Desgleichen kann die Bewegungskraft auf ähnliche Weise, wie dies für die Gegenkraft vorgeschlagen wurde, gemessen werden. Die Wirkung des Gewichtes einer Formhälfte entfaltet sich ähnlich wie dies in Bezug auf die Haftkraft beschrieben wurde.
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Es wurden zumindest drei verschiedene Verfahren zur Bestimmung von Kräften, welche die absolute Schließkraft verfälschen, beschrieben. Diese können jeweils einzeln und in Kombination eingesetzt werden. Dabei kann vom Fachmann entschieden werden, in welcher Situation (Prozesseigenheiten, vertikale oder horizontale Schließeinheit) welches Verfahren sinnvoll ist, bzw. welche verfälschende Kraft einen relativ großen Einfluss ausübt.
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Unabhängig von der genauen Funktionsweise der Steuerung oder Regelung liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass es durch an der Schließeinheit vorhandene Bewegungsmechanismen möglich ist, die vom Schließkraftmechanismus aufzubringende Kraft in einem Bereich zu halten, in dem der Schließkraftmechanismus gut steuer- oder regelbar ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der Figuren sowie der dazugehörigen Figurenbeschreibung. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Seitendarstellung einer Schließeinheit einer Spritzgießmaschine, wobei ein Prägespalt zwischen den Formhälften besteht,
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2 eine der 1 entsprechende Darstellung, wobei die Schließeinheit vollständig geschlossen ist,
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3 eine schematische Seitendarstellung einer Schließeinheit in einer Position, welche die Messung der Unterstützungskraft erlaubt, sowie
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4 eine schematische Darstellung eines einem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechenden Regelungskonzepts.
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In 1 ist eine vertikale Schließeinheit 1 rein schematisch dargestellt. Sie verfügt über einen Druckmechanismus 3, welche über Holme 6 eine Beaufschlagung der beweglichen Formaufspannplatte 2 mit einer Schließkraft bewirken kann. Für die Verriegelung der beweglichen Formaufspannplatte 2 mit den Holmen 6 ist ein Verriegelungsmechanismus 13 vorgesehen. Im entriegelten Zustand ist eine Bewegung der beweglichen Formaufspannplatte 2 mittels des Eilgangmechanismus 4 möglich.
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Die Steuerung oder Regelung des Druckmechanismus 3 und des Eilgangmechanismus 4 wird von einer Steuer- oder Regelungseinrichtung 5 vorgenommen. Die dargestellten Verbindungen zwischen Eilgangmechanismus, Steuer- oder Regeleinrichtung und Schließkraftmechanismus sind freilich rein schematischer Natur.
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Sowohl der Druckmechanismus 3 also auch der Eilgangmechanismus 4 verfügen über Hydraulikzylinder 8.
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Der Aufbau der Hydraulikzylinder ist in diesem Ausführungsbeispiel sowohl für den Eilgangmechanismus 4 als auch für den Druckmechanismus 3 analog. Die Hydraulikzylinder 8 unterscheiden sich lediglich je nach Anforderungsprofil in ihrem Hub und in ihrer wirksamen Kolbenfläche.
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Die Hydraulikzylinder 8 verfügen jeweils über eine erste Kammer 10 und eine zweite, stangenseitige Kammer 12, welche jeweils mit unterschiedlichem Druck beaufschlagt werden können. Die Hydraulische Verschaltung der Zylinder ist Stand der Technik und deshalb nicht näher dargestellt. An der ersten Kammer 10 sowie an der zweiten Kammer 12 jedes Hydraulikzylinders 8 sind ein erster Drucksensor 9 bzw. ein zweiter Drucksensor 11 angeordnet, welche der Messung des Hydraulikdrucks in der jeweiligen Kammer dienen. Auch die ersten Drucksensoren 9 und die zweiten Drucksensoren 11 sind mit der Steuer- oder Regeleinrichtung 5 verbunden. Dies ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Im Falle, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung 5 als Regeleinrichtung ausgebildet ist, dienen die ersten Drucksensoren 9 und die zweiten Drucksensoren 11 der Rückführung von Messwerten für die Regelschleife.
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Bei der in 1 dargestellten Situation liegt zwischen der Formhälfte 7 und der weiteren Formhälfte 14 ein Prägespalt vor. Dadurch, dass der Eilgangmechanismus 4 mit einer maximal zulässigen Kraft gegen den Schließkraftmechanismus 3 wirkt, ist ein Mindestdruck in den zweiten Kammern 12 der Hydraulikzylinder 8 des Schließkraftmechanismus 3 gegeben. Dieser ist für eine genaue Regelung notwendig.
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2 ist analog zu 1, wobei der Prägespalt nun geschlossen ist. Weiterhin wirkt der Eilgangmechanismus 4 dem Schließkraftmechanismus entgegen. Dies geschieht solange, bis eine Sollschließkraft so groß ist, dass der in den zweiten Kammern 12 der Hydraulikzylinder 8 des Schließkraftmechanismus 3 vorliegende Druck groß genug ist, um eine genaue Steuerung oder Regelung sicherzustellen.
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In der in 3 dargestellten Situation wird die Unterstützungskraft (für die Schließkraft unterstützend), welche von den Holmen 6 der beweglichen Formaufspannplatte 2 sowie der Formhälfte 7 beim Formgebungsprozess ausgeübt wird durch den Eilgangmechanismus 4 und den Druckmechanismus 3 getrennt voneinander gemessen. Hierfür ist der Verriegelungsmechanismus 13 entriegelt. Durch die Sensoren in den Hydraulikzylindern 8 des Eilgangmechanismus 4 wird ein erster Teil der Unterstützungskraft, welcher von der beweglichen Formaufspannplatte 2 sowie der Formhälfte 7 stammt, gemessen. Ein zweiter Teil, welcher von den Holmen 6 stammt, wird durch die Sensoren in den Hydraulikzylindern 8 des Druckmechanismus 3 gemessen. Die Unterstützungskraft wird dann als Summe der ersten und zweiten Teilkraft bestimmt.
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Die Kraftmessung durch die Sensoren in den Hydraulikzylindern 8 wird im Folgenden beschrieben: Die wirksame Fläche in den zweiten Kammern 12 ist etwas geringer als die wirksame Fläche in den ersten Kammern 10. Der Betrag der gemessenen Teilkräfte der Unterstützungskraft wird daher durch eine mit den wirksamen Flächen gewichtete Differenz der Beträge der von den ersten Drucksensoren 9 und den zweiten Drucksensoren 11 gemessenen hydraulischen Drücke, bestimmt.
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In den hier dargestellten Ausführungsbeispielen wird jegliche durch die Drucksensoren in den Hydraulikzylindern 8 gemessene Kraft auf die beschriebene Weise durchgeführt. Dies ist jedoch nicht absolut notwendig, da beispielsweise der Druck aus denjenigen Kammern, welche den jeweils geringeren Druck aufweisen, komplett abgelassen werden kann, wodurch nur der Druck in der jeweils anderen Kammer zur Kraftaufbringung des Hydraulikzylinders 8 beiträgt.
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Wenn die Gewichtskräfte der beweglichen Formaufspannplatte 2 sowie der Holme 6 bekannt sind (beispielsweise durch Messung mittels einer Kranwaage vor dem Zusammenbau der Schließeinheit), kann mit einen ähnlichen Vorgehen, wie oben beschrieben, auch die Haftkraft der beweglichen Formaufspannplatte bzw. der Holme 6 gemessen werden. Diese Haftkraft wird hauptsächlich von den Führungen der beweglichen Formaufspannplatte 2 sowie der Holme 6 und den in den Hydraulikzylindern auftretenden statischen Reibungskraft verursacht. Eine Gegenkraft wird analog zur Unterstützungskraft gemessen, wobei die Formhälfte 7 demontiert werden muss bzw. demontiert sein muss. Die Haftkraft kann dann ganz einfach aus der Differenz der Beträge der Gegenkraft und der Gewichtskraft bestimmt werden.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich eine Regelung oder Steuerung des Absolutwerts der Schließkraft durchzuführen. Ein entsprechendes Regelungskonzept ist in 4 dargestellt. Dabei wird zunächst eine Kräftebilanz aus den Beträgen der folgenden auf die Formaufspannplatte wirkenden Kräfte aufgestellt:
- – Die erste Eilgangkraft FE1, welche mittels der ersten Drucksensoren 9 in den ersten Kammern 10 der Hydraulikzylinder 8 des Eilgangmechanismus 4 bestimmt wird.
- – Die erste Druckkraft FD1, welche mittels der ersten Drucksensoren 9 in den ersten Kammern 10 der Hydraulikzylinder 8 des Schließkraftmechanismus 3 bestimmt wird.
- – Die zweite Eilgangkraft FE2, welche mittels der zweite Drucksensoren 11 in den zweite Kammern 12 der Hydraulikzylinder 8 des Eilgangmechanismus 4 bestimmt wird.
- – Die zweite Druckkraft FD2, welche mittels der zweite Drucksensoren 11 in den zweite Kammern 12 der Hydraulikzylinder 8 des Schließkraftmechanismus 3 bestimmt wird.
- – Die Gewichtskraft FB der beweglichen Formaufspannplatte 2 zusammen mit der Formhälfte 7, welche mit Hilfe der Drucksensoren des Eilgangmechanismus 4 bestimmt wird.
- – Die Gewichtskraft FH der Holme 6, welche mit Hilfe der Drucksensoren des Schließkraftmechanismus 3 bestimmt wird.
- – Die Reibungskraft FR, wobei, je nach Situation, die Gleitreibung oder die Haftreibung verwendet wird.
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Der als Ergebnis der Kräftebilanz auftauchende Schließkraft-Ist-Wert FS-IST wird mit einem durch den Bediener vorgegebenen Schließkraft-Soll-Wert FS-SOLL verglichen. Das Ergebnis diese Vergleichs wird wiederum der Steuer- oder Regeleinrichtung 5 – in diesem Fall als Regeleinrichtung ausgebildet – zugeführt. Diese nimmt Einfluss auf ein Stellglied 15, welches bei obigem Ausführungsbeispiel ein Stellventil für den Hydraulikdruck in den zweiten Kammern 12 der Hydraulikzylinder 8 des Schließkraftmechanismus 3 ist.
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Selbstverständlich unterliegen die Drücke in den übrigen Kammern der Hydraulikzylinder 8 ähnlichen Steuer- oder Regelmechanismen. Insbesondere die Regelung für die erste Eilgangkraft FE1 und die erste Druckkraft FD1 sind so ausgeführt, dass zumindest eine dieser beiden Kräfte erhöht wird, sollte der Druck in den zweiten Kammern 12 der Hydraulikzylinder 8 des Schließkraftmechanismus 3 unter einen gewissen Schwellenwert fallen, unterhalb dessen eine genaue Steuerung oder Regelung der zweiten Druckkraft FD2 erschwert ist.
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Das vorgestellte Regelungskonzept erlaubt die Regelung einer absoluten Schließkraft. Dies hat den Vorteil, dass Ergebnisse aus Simulationen oder Berechnungen direkt zum Einrichten des Prozesses verwendet werden können. Testreihen zur Optimierung des Schließdruckprofils können dadurch unter Umständen vollständig vermieden werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die hier dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise kann die Erfindung auch bei horizontalen Schließeinheiten angewendet werden. Desgleichen ist es auch möglich, die Erfindung bei elektromechanischen Schließeinheiten anzuwenden, da auch diese unter einer verschlechterten Regelbarkeit beziehungsweise Steuerbarkeit bei geringen Schließkräften leiden können.
