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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Druckgusspresse mit Lagenregelung und eine Druckgusspresse zur Ausführung des mit einer Lagenregelung des Injektionskolbens nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Druckgusspressen der eingangs genannten Art sind beispielsweise mit dem Gegenstand der
DE 10 2007 013 200 A1 bekannt geworden. Derartige Druckgusspressen dienen zur Herstellung von Druckgießteilen mit einer zugeordneten Gießeinrichtung und bestehen im Wesentlichen aus einem Pressenrahmen mit darin angeordneten Führungsstangen und einem Druckgusswerkzeug, welches eine Kavität ausbildet, in welche eine aushärtbare Gießmasse eingespritzt wird und dort aushärtet.
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Bei dem Gieß-Werkstoff handelt es sich entweder um Zink oder Aluminium oder dergleichen oder andere aushärtbare Metallmaterialien.
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Mit dem Gegenstand der
DE 10 2004 026 082 A1 ist ein Verfahren und eine Anlage zum Druckgießen bekannt geworden, bei der ein bestimmter Verfahrensablauf mit Steuerung der Verfahrensparameter zu entnehmen ist.
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In dieser Druckschrift wird die Schließgeschwindigkeit des Werkzeuges in Abhängigkeit von der Temperatur und weiteren Parametern bestimmt.
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Nachteil der bekannten Druckgussmaschine ist jedoch, dass nur eine ungenügende Lagenregelung des Injektionskolbens im Injektionskanal gegeben ist. Insbesondere leidet die genannte Druckschrift unter dem Nachteil, dass der Injektionskanal nicht vollständig zum Ende des Injektionsvorganges mit dem Gießmaterial ausgefüllt ist, und damit eine ungenügende Füllung des Werkzeuges gegeben ist. Ferner fehlt eine hochdynamische Regelung, die es ermöglicht, schnell die verschiedenen Druckguss-Parameter z.B. deren Zeit- und Temperaturbedingungen, zu verändern.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Druckgussmaschine der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Regelung der Geschwindigkeit des hydraulischen Zylinders für die Injektion der Metallschmelze möglichst genau auf eine vorgegebene Sollgeschwindigkeit geregelt werden kann.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
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Merkmal der Erfindung ist, dass die Maschine einen Schließmechanismus für das Werkzeug („Gussformen“) aufweist, welcher durch den Werkzeug-SchließZylinder angetrieben ist. In das Werkzeug sind Kavitäten eingearbeitet, welche im Druckgieß-Prozess schnell und formfüllend mit der Metallschmelze gefüllt werden sollen, um somit das gewünschte Produkt in hoher Qualität herzustellen. Die Metallschmelze wird in den Einlauf des Injektionskanals entweder unter Roboter-Hilfe oder händisch eingefüllt und anschließend durch den Injektionszylinder angetrieben in das Werkzeug mit hoher Füllgeschwindigkeit gepresst. Beim Injektionsvorgang ist das Geschwindigkeitsprofil essenziell, um gute Produktqualitäten zu erreichen Es bestehen daher hohe Anforderungen an die Bahnplanung und Regelungsgüte des Injektionszylinders. Zu diesem Zweck verwendet die Erfindung eine bestimmte Lagenregelung, die durch Software-Steuerung erfolgt.
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Die Software lässt sich in einige wichtige Module zusammenfassen:
- - Betriebsführung
- ○ Koordiniert generelle Betriebsarten usw. (Bsp. Manueller- oder Automatikmodus)
- - Ablaufsteuerung
- ○ Koordiniert die Abläufe der Maschine und sendet Befehle an die Regelung und die Steuerventile
- ○ Manueller Modus: Je nach Knopfdruck und Sensor-Feedback werden Befehle zum manuellen Verfahren gesendet
- ○ Automatikmodus: Je nach Konfiguration/Programmierung wird die Maschine durch den automatischen Betrieb koordiniert und Befehle an Regelung und Ventilschicht gesendet. Je nach Konfiguration wird zusätzlich mit der Peripherie (Entnahme- oder Füll-Roboter) kommuniziert
- - Monitoring
- ○ Diagnosefunktionen
- ○ Fehlererkennung
- ○ Qualitätsmanagement
- ○ Produktions Log
- - Regelung
- ○ Ansteuern von Proportionalventilen, um möglichst genau das vorgegebene Geschwindigkeitsprofil zu fahren
- ○ Anspruch der hohen Dynamik/Performance bei Arbeitspunktwechsel (von Low- zu High-Speed in vorgegebener Zeit mit minimalem Überschwingen)
- - Ventilansteuerung
- ○ Gesteuerte Ventile werden geschaltet
- - Rezept- und Trajektorienmanagement
- ○ Verwaltung der Benutzereingaben zur Konfiguration / Programmierung der Maschine für ein Produkt
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Zweck der Regelung ist die Geschwindigkeit des hydraulischen Zylinders für die Injektion der Metallschmelze, möglichst genau auf die vorgegebene Sollgeschwindigkeit zu regeln. Die Herausforderung ist der extreme Geschwindigkeitswechsel, welcher für den Druckgussprozess notwendig ist. Zu Beginn des Injektionsvorgangs wird die Schmelze in der Injektionskammer durch den Injektionszylinder langsam (100-300 mm/sec) hin zu Gussform geleitet, um anschließend mit hoher Geschwindigkeit (3000-10000 mm/sec) die Form zu füllen. Die Geschwindigkeitsänderung soll innerhalb von 15 Millisekunden abgeschlossen sein. Trotz Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsventils beträgt die Stellzeit nach dem Stand der Technik etwa 15 Millisekunden. Daher ist die Herausforderung an die Regelung, direkt den nahezu perfekten Stellwert für das Ventil zu berechnen. Außerdem soll „Überschwingen“ minimiert werden.
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Struktur
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Die Reglerstruktur entspricht in einer ersten Ausführung einem Zwei-Freiheitsgrade-Entwurf. Diese besteht aus einer Kombination aus Vorsteuerung (Open Loop Control) und einem klassischen Regler (Closed Loop Control). Hierunter wird eine Parallelschaltung aus adaptiver Vorsteuerung und einem geschlossenen Regelkreis verstanden.
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In einer zweiten Ausführung wird eine IMC-Regelung vorgeschlagen. Dabei bedeutet IMC = internal model control. Diese Regelung besteht aus einer Reihenschaltung von adaptiver Vorsteuerung und einem vorgeschalteten geschlossenen Regelkreis.
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Erfindungsgemäß werden somit sowohl die Parallelschaltung als auch die Serienschaltung von adaptiver Vorsteuerung und einem geschlossenen Regelkreis beansprucht.
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Unter dem Begriff eines geschlossenen Regelkreises wird verstanden, dass ein Stellwert aus einem Vergleich eines Sollwertes mit einem gemessenen Istwert verglichen wird und die sich daraus ergebende Regelabweichung besonders schnell und dynamisch ausgeglichen werden soll.
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Adaptive Vorsteuerung
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Die adaptive Vorsteuerung ist ein wichtiger Teil des Regleraufbaus. In einer ersten Ausführung wird deshalb eine inverse Hydraulikdynamik vorgeschlagen, die den Stellwert für das Servoventil in Abhängigkeit von der Sollgeschwindigkeit berechnet, unter Berücksichtigung der adaptiv geschätzten Parameter.
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In einer zweiten Ausführung besteht die adaptive Vorsteuerung aus einer nicht-linearen Kompensation der Hydraulikkomponenten, um eine gewünschte hochdynamische Regelung zur Verfügung zu stellen.
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Adaptive Parameterschätzung
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Aufgrund von Messwerten können die Initialparameter skaliert werden. Dies passiert im geregelten Betrieb zu jedem Zeitschritt. Dadurch können ungenaue Initialparameter, Temperaturschwankungen etc. abgebildet werden.
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Vorsteuerfunktion, insbesondere in der Ausbildung als inverse Hydraulikdynamik.
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Hier wird der Stellwert für das Ventil der Vorsteuerung berechnet. Die geschätzten Parameter werden verwendet, um möglichst genau den perfekten Stellwert zu treffen.
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Regler
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Es kommt ein einfaches Regelungskonzept für den geschlossenen Regelkreis zum Einsatz. Dieser muss verhältnismäßig kleine Regelungsabweichungen ausgleichen. Aktuell wird ein PI-Regler verwendet, dieser kann aber durch eine Vielzahl anderer Regelungskonzepte ersetzt werden. Für schwingungsanfällige Systeme (lange und elastische Hydraulikleitungen) wird eine sogenannte Linear-Quadratische-Regelung (LQR) bevorzugt.
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Wesentliches Merkmal der Erfindung ist demnach eine spezielle, erfindungsgemäße Reglerstruktur, die einem Zwei-Freiheitsgrade-Entwurf (Parallelschaltung von adaptiver Vorsteuerung und geschlossenem Regelkreis) oder einer IMC-Ausführung (Serienschaltung von geschlossenem Reglerkreis und nachgeschalteter adaptiver Vorsteuerung) entspricht.
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Erfindungsgemäß wird deshalb eine Kombination aus einer Vorsteuerung (Open Loop Control) und ein klassischer Regler mit einer Closed Loop Control verwendet.
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Die Kombination dieser beiden Reglermechanismen hat den Vorteil, dass mit der Open Loop Control-Vorsteuerung zunächst der Stellwert für das Servoventil sehr genau vorberechnet wird, und noch eventuell vorhandene Abweichungen dieses Sollwertes durch den klassischen Regler, der diesen Wert noch weiter verarbeitet, ausgeglichen werden.
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Von besonderer Bedeutung ist, dass die inverse Hydraulikdynamik direkt den Stellwert für das Servoventil berechnet, und zwar in Abhängigkeit von der Sollgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der adaptiv geschätzten Parameter.
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Demnach wird eine adaptive Parameterschätzung der Sollwerte vorgeschlagen, bei der aufgrund von Messwerten die Initialparameter skaliert werden. Dies erfolgt im geregelten Betrieb zu jedem beliebigen Zeitschritt. Dadurch können ungenaue Initialparameter, Temperaturschwankungen und dergleichen in idealer Weise kompensiert werden.
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Unter dem Begriff „inverse Hydraulikdynamik“ wird verstanden, dass der Stellwert für das Ventil der Vorsteuerung berechnet wird, und die geschätzten Parameter werden verwendet, um möglichst genau den perfekten Stellwert für den proportionalen Antrieb des Injektionskolbens zu treffen.
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Erfindungsgemäß kommt für den geschlossenen Regelkreis ein PI-Regler zur Anwendung, weil mit diesem eine Vielzahl von Regelungskonzepten verwirklicht werden kann.
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In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass der PI-Regler durch einen Linear-Quadratischen-Regler (LQR) ersetzt ist.
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Daraus ergibt sich, dass für den geschlossenen Regelkreis eine Anzahl von unterschiedlichen Reglern verwendet werden können, wie zum Beispiel auch PD-Regler oder PID-Regler. Der Open Loop-Regler übernimmt die Vorsteuerung mit einer adaptiven Parameterschätzung, die eine bestimmte Vorsteuerungsfunktion berechnet und als Stellwert dem Steuerventil vorgibt.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen bestimmten Reglertyp (P-, PI, PID, PD usw.) beschränkt. Es können sämtliche Reglertypen nach dem Stand der Technik verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das erfindungsgemäße Steuerventil über eine Hydraulikleitung mit dem Injektionszylinder verbunden, in dem der Injektionskolben verschiebbar angetrieben angeordnet ist.
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Das Steuerventil wird durch die erfindungsgemäße Ansteuerung angesteuert, die in dem Blockschaltbild der Zeichnungen näher dargestellt ist. Der Ausgang des Steuerventils ist flüssigkeitsleitend mit dem Tank verbunden, in dem die Hydraulikflüssigkeit einfließt. Über einen Rückfluss wird die Hydraulikflüssigkeit in den Druckspeicher zurückgeführt oder über Hydraulikaggregate wieder genutzt..
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Merkmal der Erfindung ist auch, dass zwei unterschiedlich arbeitende Druckspeicher verwendet werden, von denen ein erster Druckspeicher am Injektionszylinder ansetzt, während der andere Druckspeicher über einen eigenen Druckzylinder zur Druckerhöhung im Injektionszylinder genutzt wird.
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Der erste Druckspeicher arbeitet mit dem erfindungsgemäßen Steuerventil zusammen und übernimmt den Antrieb des Injektionskolbens im Injektionszylinder, wobei der Druckspeicher im Wesentlichen aus einem Gasdruckpolster, einer darin angeordneten Membran und aus einer jenseits der Membran befindlichen Hydraulikflüssigkeit besteht, die unmittelbar im Injektionszylinder den Druckantrieb für den Injektionskolben übernimmt.
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Der zweite Druckspeicher, der parallel zu dem ersten Druckspeicher angeordnet ist, wirkt ebenfalls auf den Injektionszylinder, jedoch nur indirekt über einen eigenen Druckzylinder.
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Hier ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der zweite Druckspeicher über einen im Querschnitt größeren Druckkolben auf die Hydraulikflüssigkeit des Injektionszylinders wirkt.
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Das Verhältnis des Querschnittes von Kolbenkopf zu Kolbenstange im Druckzylinder ist vergrößert, um eine zusätzliche Druckerhöhung im Injektionszylinder kurz vor Beendigung des Injektionsvorgangs in die Werkzeugform bereitzustellen.
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Der zweite Druckspeicher dient demnach zur Druckvorspannung der Hydraulikflüssigkeit im Injektionszylinder in dem Verfahrensschritt, wenn eine verstärkte Vorspannung des Injektionskolbens dann stattfinden soll, wenn dieser das flüssige Medium in die Werkzeugkavität gespritzt hat, kurz bevor dieser seine Endlage erreicht hat. In dieser Stellung des Injektionskolbens soll ein Nachrücken des Injektionskolbens mit erhöhter Schubkraft mithilfe des zweiten Druckspeichers erfolgen.
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Die Erfindung ist im Übrigen nicht auf den genauen konstruktiven Aufbau einer Druckgussmaschine angewiesen. Es können sämtliche Druckgussmaschinen verwendet werden, die zum Stand der Technik gehören.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jedoch angegeben, dass die Werkzeugaufnahmeplatte über eine Vielgelenk-Anordnung mit einer die Werkzeugaufnahmeplatte verschiebbar antreibenden Kolbenstange verbunden ist, sodass mit dieser Vielgelenk-Anordnung zwischen der antreibenden Kolbenstange und der Werkzeugaufnahmeplatte stets dafür gesorgt wird, dass die Werkzeugaufnahmeplatte in jedem Verfahrensschritt lagen- und winkelgerecht in der Druckgussmaschine verschoben wird.
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Mit den beiden alternativen Reglerstrukturen wird der Vorteil einer hochdynamischen Ansteuerung der beiden Regelventile des Injektionszylinders einer Metalldruckgussmaschine erreicht. Die zur Ansteuerung der Regelventile notwendigen Stellwerte werden hochpräzise und schnell bereit gestellt. Ein Überschwingen der Regelung wird zuverlässig vermieden.
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Somit wird der vorgegebene Geschwindigkeitsverlauf der Bewegung des Injektionszylinders nachgefahren und eingehalten, wobei Umgebungs- und Materialeinflüsse weitgehend kompensiert werden. Somit ist der Geschwindigkeitsverlauf unabhängig von den Materialeigenschaften der Schmelze und die physikalischen Umgebungsparametern (Temperaturschwankungen der Umgebungsluft oder des Fluids oder produktionsabhängig unterschiedliche Ventileigenschaften, Reibungskräfte, Drücke im Druckspeicher usw.) werden kompensiert.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
- 1: schematisiert eine Druckgussmaschine in einer Ausführungsform der Erfindung
- 2: eine gleiche Darstellung wie 1 bei geöffneter Werkzeugform mit Darstellung weiterer Einzelheiten.
- 3: die Darstellung nach 2 bei geschlossener Werkzeugform
- 4: schematisierte Darstellung der Software-Struktur der Regelung
- 5: ein Blockschaltbild der adaptiven Parameterschätzung
- 6: grafische Darstellung der Annäherung des adaptiven Wertes an den unbekannten, realen Parameterwert
- 7: ein Funktionsschaltbild der erfindungsgemäßen Regelung der Ventilansteuerung mit einer adaptiven Parameterschätzung im Zwei-Freiheitsgerade-Entwurf (Parallelschaltung)
- 8: ein Funktionsschaltbild der erfindungsgemäßen Regelung der Ventilansteuerung mit einer adaptiven Parameterschätzung als IMC-Entwurf (Serienschaltung).
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In einem Pressenrahmen 1, der lediglich angedeutet ist, sind jeweils zueinander parallele Führungsstangenpaare 2, 3 angeordnet, wobei insgesamt vier Führungsstangen vorhanden sind und lediglich die vorderen Führungsstangen der jeweils paarweise angeordneten Führungsstangenpaare 2, 3 bildlich dargestellt sind.
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Auf den Führungsstangenpaaren 2, 3 ist eine Werkzeugaufnahmeplatte 4 verschiebbar gelagert und die Führungsstangenpaare 2, 3 sind jeweils endseitig in Querjochen 5, 6 im Pressenrahmen 1 befestigt.
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Endseitig in jeweils ein Führungsstangenpaar 2, 3 greift eine Spindelstange 7, 8 ein, wobei die Spindelstangen 7, 8 wiederum paarweise angeordnet sind. Aus zeichnerischen und beschreibungstechnischen Vereinfachungsgründen wird jedoch nur noch beschrieben, dass jeweils eine Spindelstange 7, 8 vorhanden ist, obwohl es sich um paarweise angeordnete Spindelstangen 7, 8 handelt.
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Jede Spindelstange 7, 8 greift in eine zugeordnete Spindelmutter 9, 10 ein, die drehbar angetrieben ist, wobei die jeweilige Spindelmutter 9, 10 in einer Querplatte 85 vorhanden ist, in der ein nicht näher dargestellter Drehantrieb für die Spindelmuttern 9, 10 angeordnet ist.
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In dieser Querplatte 85, in der die Spindelmuttern 9, 10 angeordnet sind, ist ein Werkzeug-Schließzylinder 11 angeordnet, der einen Kolben aufweist, der aus der Kolbenstange 12 und dem damit verbundenen Kolben 13 besteht.
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Der Kolben 13 ist in einem Werkzeug-Schließzylinder 11 angeordnet, der unter einem vorgegebenen Hydraulikdruck steht.
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Die Ventilanordnung, die dem Werkzeug-Schließzylinder 11 zugeordnet ist, ist ein einfacher Verschiebeantrieb, wobei die Kolbenstange 12 auf die Werkzeugaufnahmeplatte 4 über eine Vielgelenkanordnung einwirkt, die in 2 schematisiert dargestellt ist.
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Der Verschiebeantrieb auf die Kolbenstange 12 in den Pfeilrichtungen 20 erfolgt deshalb über zwei, im Winkel zueinander angeordnete Gelenkstangen 15, die über Gelenkpunkte 17 gelenkig mit der Rückseite der Werkzeugaufnahmeplatte 4 verbunden sind.
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Die Abstützung der Gelenkstangen 15 erfolgt über weitere, im Winkel zu den Gelenkstangen 15 ansetzende weitere Gelenkstangen 16, die über ihre Gelenkpunkte 19 mit der Querplatte 85 verbunden sind, welche die Spindelmuttern 9, 10 aufnimmt. Die Querplatte 85 ist somit in den Pfeilrichtungen 20 verschiebbar.
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Mit der Vielgelenkanordnung wird demnach in 2 ein Kniegelenk 14 beschrieben, welches stets dafür sorgt, dass der Antriebskolben mit der Kolbenstange 12 lagengerecht und ohne Verkantung auf einen Verschiebeantrieb für die Werkzeugaufnahmeplatte 4 in Pfeilrichtung 20 wirkt.
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In der Werkzeugaufnahmeplatte 4 ist ein Auswurfkolben 21 angeordnet, der mit seinem freien Ende in die Werkzeugkavität hineinragt.
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Der Auswurfkolben 21 durchgreift in 1 das zweiteilige Werkzeug, welches aus dem hinteren Werkzeugteil 22 und dem vorderen Werkzeugteil 23 besteht. Die beiden Werkzeugteile 22, 23 sind im geöffneten Zustand dargestellt und bilden zwischen sich einen Hohlraum 24, in dem beim Schluss der Werkzeugteile 22, 23 in die dadurch ausgebildete Gusskavität 25 der aushärtbare Metallwerkstoff eingespritzt wird.
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Das rechte Werkzeugteil 23 ist fest angeordnet, während das linke Werkzeugteil 22 in den Pfeilrichtungen 20 verschiebbar ist. Es wird zusammen mit der Werkzeugaufnahmeplatte 4 verschoben.
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In die im rechten Werkzeugteil 23 angeordnete Gusskavität 25 mündet ein Injektionskanal 26, durch den das aushärtbare Metallmaterial eingespritzt wird. Dies erfolgt unter der Einwirkung eines Injektionskolbens 28, der verschiebbar in einem Injektionszylinder 27 angetrieben ist.
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Am Injektionszylinder 27 setzt ein erster Druckspeicher 32 flüssigkeitsleitend an, der aus einer Fluidkammer 33 besteht, in die ein geeignetes Hydraulikfluid eingefüllt ist. Die Fluidkammer 33 ist mit einer Membran 35 zu einem darüber angeordneten Gasraum 34 getrennt. Der Gasraum 34 ist mit einem unter Druck stehenden Gasmedium gefüllt, sodass die Hydraulikflüssigkeit unter Druckvorspannung steht.
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In der Fluidkammer 33 ist die Hydraulikflüssigkeit für die Druckversorgung des Injektionszylinders 27 angeordnet.
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Es ist nur schematisiert dargestellt, dass zwei Verbindungskanäle 40 paarweise nebeneinander angeordnet sind, wobei in dem einen Verbindungskanal ein erfindungsgemäßes Proportionalventil 80 angeordnet ist, welches unmittelbar flüssigkeitsleitend mit dem Injektionszylinder 27 verbunden ist und den Druck in Verbindung mit einem zweiten, ausflussseitig am Injektionszylinder 27 ansetzenden Steuerventil 81 bestimmt.
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Das Steuerventil 81 ist über eine Hydraulikleitung 82 flüssigkeitsleitend mit dem Injektionszylinder 27 verbunden, und dessen Ausgangsseite führt in einen Tank 83 für die Aufnahme der Hydraulikflüssigkeit, wobei der Ausgang des Tanks als Rückfluss 84 für den ersten Druckspeicher 32 vorgesehen ist.
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Es ist ein zweiter Druckspeicher 36 vorhanden, der in einem bestimmten Verfahrensschritt für eine zusätzliche Druckbeaufschlagung der Hydraulikflüssigkeit im Injektionszylinder 27 sorgt.
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Er besteht wiederum aus einem oberen Gasraum 38, welcher über eine Membran 39 mit dem Fluid 37 verbunden ist. Das Fluid ist über einen Verbindungskanal 41 und ein dort angeordnetes, nicht näher dargestelltes Proportionalventil mit dem dort angeordneten Druckzylinder 30 verbunden.
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Der Querschnitt des Druckzylinders 30 ist größer als der Querschnitt des Injektionszylinders 27. Im Druckzylinder 30 ist ein Druckkolben 31 verschiebbar angetrieben, der aus der Kolbenstange 31a und dem Kolbenkopf 31b besteht.
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Durch die Druckbeaufschlagung des Druckkolbens 31 wird eine hohe Druckkraft auf den Druckkolben 31 ausgeübt, der direkt auf den Injektionszylinder 27 einwirkt, und zwar mit einer größeren Druckbeaufschlagung als vergleichsweise der Injektionskolben 28 im Injektionszylinder 27.
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Auf diese Weise wird durch die Beaufschlagung des zweiten Druckspeichers 36 eine hohe Vorschubkraft im Injektionszylinder 27 dann ausgeübt, wenn der Injektionskolben 28 in seiner vorderen Stellung in Richtung auf die Gusskavität 25 gefahren ist, um eine zusätzliche Druckbeaufschlagung des Injektionskolbens 28 beim Abschluss des Einspritzvorganges in die Gusskavität 25 zu ermöglichen.
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Für die zusätzliche Druckbeaufschlagung mit dem Druckkolben 31 ist der Durchmesser der Kolbenstange 31a maßgebend, und zwar das Verhältnis vom Durchmesser der Kolbenstange 31a zum Durchmesser des Kolbenkopfs 31b.
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Die 2 und 3 zeigen die gleichen Teile wie in 1 mit Darstellung weitere Einzelheiten, die in 1 nur schematisiert dargestellt sind. Für die gleichen Teile gelten die gleichen Bezugsnummern und die gleiche Erläuterung.
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In 4 ist schematisiert die Maschinenregelung 42 der Druckgussmaschine dargestellt, wobei die Teile nur als Funktionsteile angegeben sind.
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Im Bereich der Maschinenregelung 42 ist eine Ablaufsteuerung 43 angeordnet, die mit verschiedenen externen Signalquellen verbunden ist.
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Im Verfahrensschritt „Monitoring“ findet eine Überwachung 61 aller Vorgänge statt, was bedeutet, dass die Regelvorgänge in der Überwachungseinrichtung 61 angezeigt und überwacht werden können.
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Dieses Überwachungsmodul 61 ist über einen Signalpfad 64 mit der Ablaufsteuerung 43 verbunden.
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Ferner wirkt der Signalpfad 64 auf ein Betriebsführungsmodul 62. Das Betriebsführungsmodul 62 führt die übergeordnete Koordination der Druckgussmaschine durch, was bedeutet, welche Betriebsart ausgeführt werden soll. Eine solche Betriebsart kann zum Beispiel ein Automatik- oder ein manueller Betrieb sein.
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Ferner ist ein Eingabemodul 65 vorhanden, in dem die Zusammensetzung der Schmelze und die produktspezifischen Eigenschaften bildlich dargestellt und eingegeben werden. Es können noch weitere externe Parameter eingegeben werden, die dann in entsprechende Trajektorien umgerechnet werden, um als umgerechnete und angepasste Parameter über den Signalpfad 66 der Ablaufsteuerung 43 eingespeist zu werden.
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Wichtig ist, dass die Ablaufsteuerung 43 über einen Signalpfad 47, der als Rückführung ausgebildet ist, mit dem Betriebsführungsmodul 62 in Verbindung steht, um eine Rückmeldung zu erhalten, ob die Ablaufsteuerung 43 auch in der gewünschten Weise arbeitet.
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Die Betriebsführung wirkt im Übrigen über den Signalpfad 63 auf die Ablaufsteuerung 43, um die übergeordneten Betriebsparameter in die Ablaufsteuerung 43 einzuspeisen.
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Somit wird über den Signalpfad 63 der Betriebsmodus in die Ablaufsteuerung 43 eingespeist.
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Die Ablaufsteuerung 43 wirkt ausgangsseitig über einen Signalpfad 46 auf eine Regelung/Ventilansteuerung, die nachfolgend als Regelungsmodul 44 bezeichnet wird.
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Das Regelungsmodul 44 wirkt über einen Signalpfad 45 zurück auf den Eingang der Ablaufsteuerung 43, um eine Rückmeldung der Regelungsparameter vom Regelungsmodul 44 in die Ablaufsteuerung 43 zu ermöglichen.
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Der Ausgang des Regelungsmoduls 44 wirkt über den Signalpfad 48 auf ein Ein- und Ausgangsmodul 49, in dem eingangsseitig die Eingänge 60 für die Sensorsignale eingegeben sind, und ausgangsseitig die Kabelanschlüsse 50 für die Ansteuerung der erfindungsgemäßen Ventile 80, 81 und weitere Ventile der Hydrauliksteuerung vorgesehen sind.
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Das Ein- und Ausgangsmodul 49 hat weitere Ausgänge für die Ansteuerung von Lichtanzeigen, von Steuerungsanzeigen und dergleichen mehr.
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In 7 ist nun das erfindungsgemäße Regelungsmodul 44 in einer weiteren detaillierteren Darstellung dargestellt.
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Insgesamt lässt sich aus diesem Funktionsschaltbild nach 7 entnehmen, dass eine adaptive Vorsteuerung 67 vorhanden ist, die im Wesentlichen aus einer inversen Hydraulik-Dynamik 68 und aus einer damit verbundenen adaptiven Parameterschätzung 69 besteht.
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Die adaptive Vorsteuerung 67 macht - wie später noch dargestellt wird - eine Annäherungsschätzung des Ausgangswertes für die Ventile 81, 80, wobei der Ausgangswert mit dem Wert des Reglers 70 aufaddiert wird, und zwar im Addierer 75.
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Somit ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass über ein adaptives Vorsteuerungsmodul eine vorläufige Schätzung des Ausgangswertes für die Ansteuerung der Ventile 80, 81 erfolgt, und dieser geschätzte Wert mit dem Ausgangswert des Reglers 70 über den Reglerausgang 64 im Addierer 75 aufaddiert wird, wobei der Schätzwert über den Signalpfad 76 von der adaptieren Vorsteuerung 67 zur Verfügung gestellt wird.
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Im Einzelnen wird ausgeführt, dass zunächst ein Sollwert zum Beispiel für eine Sollgeschwindigkeit über den Signalpfad 71 der adaptiven Vorsteuerung 67 und dort in die inverse Hydraulik-Dynamik 68 eingespeist wird.
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Die inverse Hydraulik-Dynamik 68 gibt einen Ventilstellwert für den Injektionskolben vor. Das Modul der inversen Hydraulik-Dynamik 68 führt eine Umrechnung der gewünschten Geschwindigkeit oder des gewünschten Volumenstroms in Bezug auf einen Schwellwert der Ventile aus.
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Wichtig ist, dass der Signalpfad 71 unmittelbar auf die inverse Hydraulik-Dynamik wirkt, aber auch parallel über den Signalpfad 71 dem Regler 70 eingespeist wird, sodass sowohl die adaptive Vorsteuerung 67 als auch der Regler 70 parallel die gleichen Sollwertsignale über den Signalpfad 71 erhalten.
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Über den Signalpfad 72 werden weitere Messwerte eingespeist, wie zum Beispiel die Sensorwerte aus den Druckspeichern 32, 36, die Signale von Sensoren, welche die Ventilstellung erfassen, die Signale von den Sensoren, die den Zylinderdruck erfassen, und dergleichen mehr.
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Die Signale der Sensoren auf dem Signalpfad 72 werden einer adaptiven Parameterschätzung 69 eingespeist und über einen parallelen Zweig der inversen Hydraulik-Dynamik 68 zugeführt.
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Lediglich der besseren Übersichtlichkeit halber ist noch dargestellt, dass noch weitere Werte eingespeist werden, wo als Beispiel angegeben ist, dass über den Signalpfad 73 der über Sensoren erfasste Ist-Werte, zum Beispiel bezüglich der gemessenen Geschwindigkeit des Injektionskolbens, eingespeist werden.
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Auch dieser Signalpfad 73 geht parallel sowohl auf die adaptive Parameterschätzung 69 als auch auf den Regler 70, sodass beide Module 67, 70 parallel die gleichen Eingangssignale erhalten.
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Hieraus ergibt sich, dass durch die adaptive Vorsteuerung 67 eine eigenständige Annäherung an den gewünschten Stellwert erreicht wird, die in einer getrennten Rechenschaltung im Regler 70 verarbeitet wird. Beide Werte werden über die Signalpfade 74 und 76a dem Addierer 75 zugeführt, der daraus einen gemeinsamen Stellwert auf dem Signalpfad 76 bildet, mit dem unmittelbar oder mittelbar die Ventile 80, 81 angesteuert werden. Damit erfolgt eine besonders hochdynamische, hochgenaue Annäherung an den Stellwert dadurch, dass parallel zwei getrennte Rechenmodule verwendet werden, nämlich einmal die adaptive Vorsteuerung 67 und zum anderen der Regler 70, denen die gleichen Werte zugeführt werden,.
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Wichtig ist, dass von dem ermittelten Stellwert auf dem Signalpfad 76 als Ausgang auch eine Rückführung über den Signalpfad 77 auf die adaptive Parameterschätzung 69 erfolgt, sodass damit immer ein bestimmter Ist-Wert in die adaptive Parameterschätzung 69 eingegeben wird.
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Die anderen Eingänge der Parameterschätzung 69 werden durch die Signalpfaden 72 und 73 gebildet.
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Es handelt sich demnach um zwei verschiedene Regelmodule, nämlich ein Regelmodul für die adaptive Vorsteuerung 67 und ein weiteres Regelmodul über den Regler 70, der - entsprechend der allgemeinen Beschreibung - als PD-Regler, als PID-Regler oder als PI-Regler ausgebildet sein kann.
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Weitere mögliche Ausführungsformen eines solchen Reglers wurden in der allgemeinen Beschreibung erwähnt.
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Unter Bezugnahme auf 7 wird noch erwähnt, dass der Ausgang der adaptiven Parameterschätzung 69 über einen Signalpfad 78 mit dem Eingang der inversen Hydraulik-Dynamik 68 verbunden ist.
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In 5 ist schematisiert ein Funktionsbild für die adaptive Parameterschätzung 69 dargestellt. Es ist erkennbar, dass über die Signalpfade 72, 73 die Messwerte eingespeist werden, die anhand der 7 beschrieben wurden. In der adaptiven Parameterschätzung 69 ist ein Rechenmodul angeordnet, das aus einer Umrechnung der eingespeisten Messwerte, über eine Differentialgleichung und eine adaptive Schätzung, einen geschätzten Ausgangswert errechnet, der auf dem Signalpfad 78 zur Verfügung gestellt wird.
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Vom Signalpfad 78 erfolgt eine Rückführung über den Signalpfad 79, und am Ausgang dieses Rechenmoduls steht dann das Signal zur Verfügung, welches in die inverse Hydraulik-Dynamik 68 eingespeist wird.
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Wichtig bei der vorliegenden Erfindung ist demnach, dass über zwei unabhängige Regler, deren Regelsignale miteinander in bestimmter Weise verknüpft werden, eine hochdynamische, schnelle und genaue Regelung der Vorschubsteuerung des Injektionskolbens stattfindet.
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Mit der adaptiven Vorsteuerung 67 in 7 findet eine schnelle Annäherung an einen gewünschten Wert statt, was bisher nicht bekannt war. Es wird demnach aus den vorhandenen Werten parallel ein Stellwert der Vorsteuerung hochdynamisch über die adaptive Vorsteuerung 67 berechnet und ein parallel hierzu ein zweiter Wert vom Regler 70 selbst ermittelt. Beide Werte werden im Addierer 75 miteinander verknüpft und als Stellwert für die erfindungsgemäßen Ventile 80, 81 zur hochdynamischen Ansteuerung des Injektionskolbens verwendet.
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Dies ist in 6 dargestellt. Auf der Abszisse ist die Zeit und auf der Ordinate der Parameterwert der Modelldarstellung des Hydraulikmodells dargestellt. Der Einfachheit halber ist nur ein Parameterwert des Modells dargestellt, der nicht zwingend einen physikalischen Wert darstellt. Er ist eine Rechengröße im Hydraulikmodell.
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Die adaptive Parameterschätzung 69 (siehe 7 oder 8) schätzt den realen Parameterwert.
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Dazu wird initial bei Position 86 ein geschätzter Parameterwert angenommen, und durch einen Algorithmus wird gewährleistet, dass sich der geschätzte Parameterwert 86 als eine adaptive Parameterkurve 87 in einem Zeitabstand 89 an die Sollkurve 88 herangeführt wird. Damit wird eine stabile Schätzung des Parameterwertes innerhalb kurzer Zeit erreicht. Der geschätzte Paramater konvergiert somit gegen den unbekannten Parameter 88 als stabile Verlaufskurve.
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Damit ist es erstmals möglich, eine Druckgussmaschine der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass ein möglichst genau vorgegebenes Geschwindigkeitsprofil gefahren werden kann, und der Anspruch an eine Dynamik/Performance bei einem Arbeitspunktwechsel (von Low- zu High Speed in vorgegebener Zeit mit minimalem Überschwingen) stattfinden kann.
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Die 8 zeigt die zweite Reglerstruktur als IMC-Entwurf mit einer Serienschaltung des geschlossenen Reglerkreises mit dem Regler 70 und der nachgeschalteten adaptiven Vorsteuerung 67. Der Ausgang 74 des Reglers 70 wirkt direkt auf den Eingang der inversen Hydraulikdynamik 68, deren Ausgangspfad 76 unmittelbar den Stellwert für die Ventile 80, 81 vorgibt.
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Im Vergleich zur 7 findet keine Addition von zwei unterschiedlichen Stellsignalen statt, sondern es wird ein Stellsignal über einen einzigen Signalpfad 76 erzeugt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass nicht-lineare, kritisch zu steuernde Hydraulikventile zuverlässig und überschwingungsfrei angesteuert werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pressenrahmen
- 2
- Führungsstangenpaar
- 3
- Führungsstangenpaar
- 4
- Werkzeugaufnahmeplatte
- 5
- Querjoch
- 6
- Querjoch
- 7
- Spindelstange
- 8
- Spindelstange
- 9
- Spindelmutter
- 10
- Spindelmutter
- 11
- Werkzeug-Schließzylinder
- 12
- Kolbenstange
- 13
- Kolben
- 14
- Kniegelenk
- 15
- Gelenkstange
- 16
- Gelenkstange
- 17
- Gelenkpunkte
- 18
- Gelenkpunkte
- 19
- Gelenkpunkte
- 20
- Pfeilrichtung
- 21
- Auswurfkolben
- 22
- Werkzeugteil
- 23
- Werkzeugteil
- 24
- Hohlraum
- 25
- Gusskavität
- 26
- Injektionskanal
- 27
- Injektionszylinder
- 28
- Injektionskolben
- 29
- Kolbenkopf
- 30
- Druckzylinder
- 31
- Druckkolben 31a Kolbenstange 31b Kolbenkopf
- 32
- Druckspeicher
- 33
- Fluidkammer
- 34
- Gasraum
- 35
- Membran
- 36
- Druckspeicher
- 37
- Fluid
- 38
- Gasraum
- 39
- Membran
- 40
- Verbindungskanal
- 41
- Verbindungskanal
- 42
- Maschinenregelung
- 43
- Ablaufsteuerung
- 44
- Regelungsmodul
- 45
- Signalpfad
- 46
- Signalpfad
- 47
- Signalpfad
- 48
- Signalpfad
- 49
- Ein- und Ausgangsmodul
- 50
- Kabelanschluss
- 60
- Eingänge für Sensorsignal
- 61
- Überwachungsmodul
- 62
- Betriebsführungsmodul
- 63
- Signalpfad
- 64
- Signalpfad
- 65
- Eingabemodul
- 66
- Signalpfad
- 67
- adaptive Vorsteuerung
- 68
- inverse Hydraulik-Dynamik
- 69
- adaptive Parameterschätzung
- 70
- Regler
- 71
- Signalpfad
- 72
- Signalpfad
- 73
- Signalpfad
- 74
- Reglerausgang
- 75
- Addierer
- 76a
- Signalpfad
- 76
- Ausgangspfad
- 77
- Signalpfad (Rückführung)
- 78
- Signalpfad
- 79
- Signalpfad (Rückführung)
- 80
- Proportionalventil
- 81
- Steuerventil
- 82
- Hydraulikleitung
- 83
- Tank
- 84
- Rückfluss
- 85
- Querplatte
- 86
- Position (Initialwert der Parameterschätzung)
- 87
- adaptive Parameterkurve
- 88
- unbekannter realer Parameterwert
- 89
- Zeitabstand
- 90
- Formzylinder
- 91
- Proportionalventil
- 92
- Leitung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007013200 A1 [0002]
- DE 102004026082 A1 [0004]
