DE102018116234A1 - Hydrauliksystem für eine Formgebungsmaschine - Google Patents

Abstract

Hydrauliksystem (1) für eine Formgebungsmaschine (2), mit
- zumindest einer Hydraulikzuführvorrichtung, insbesondere einer Hydraulikpumpe (3) oder einem Hydraulikspeicher,
- zumindest einer Hydraulikleitung (4),
- zumindest einem Verbraucher (5), insbesondere einer Kolben-Zylinder-Einheit, wobei von der Hydraulikpumpe (3) Hydraulikflüssigkeit über die Hydraulikleitung (4) dem Verbraucher (5) zuführbar ist,
- zumindest einem in der Hydraulikleitung (4) angeordneten Ventil (6), wobei das Ventil (6) ein Gehäuse (7) und zumindest einen, relativ zum Gehäuse (7) bewegbaren Aktuator (8) zum Verstellen der Durchflussmenge an Hydraulikflüssigkeit durch das Ventil (6) aufweist, und
- einer Regelvorrichtung (10), welche dazu ausgebildet ist, Prozessparameter (P), welche bei einem mit der Formgebungsmaschine (2) durchgeführten Formgebungsprozess auftreten, festzulegen und/oder zu berechnen und/oder über eine Schnittstelle entgegenzunehmen, wobei die Regelvorrichtung (10) einen Ventilregler (9) zur Ansteuerung des Aktuators (8) aufweist, wobei der Ventilregler (9) dazu ausgebildet ist, eine Ventilregelschleife durchzuführen,wobei der Ventilregler (9) dazu ausgebildet ist, eine Regelung zumindest einer Formgebungsprozessgröße (F), welche bei einem mit der Formgebungsmaschine (2) durchgeführten Formgebungsprozess auftritt und den physikalischen Formgebungsprozess betrifft, durchzuführen und ein Regelgesetz auf Basis der Prozessparameter (P) abzuarbeiten, sodass im Ventilregler (9) die Ventilregelschleife und eine Formgebungsprozessgrößenregelschleife durchführbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Hydrauliksystem für eine Formgebungsmaschine, mit zumindest einer Hydraulikzuführvorrichtung, insbesondere einer Hydraulikpumpe oder einem Hydraulikspeicher, zumindest einer Hydraulikleitung, zumindest einem Verbraucher, insbesondere einer Kolben-Zylinder-Einheit, wobei von der Hydraulikpumpe Hydraulikflüssigkeit über die Hydraulikleitung dem Verbraucher zuführbar ist, zumindest einem in der Hydraulikleitung angeordneten Ventil, wobei das Ventil ein Gehäuse und zumindest einen, relativ zum Gehäuse bewegbaren Aktuator zum Verstellen der Durchflussmenge an Hydraulikflüssigkeit durch das Ventil aufweist, und einer Regelvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, Prozessparameter, welche bei einem mit der Formgebungsmaschine durchgeführten Formgebungsprozess auftreten, festzulegen und/oder zu berechnen und/oder über eine Schnittstelle entgegenzunehmen, wobei die Regelvorrichtung einen Ventilregler zur Ansteuerung des Aktuators aufweist, wobei der Ventilregler dazu ausgebildet ist, eine Ventilregelschleife durchzuführen. Zudem betrifft die Erfindung eine Formgebungsmaschine mit einem solchen Hydrauliksystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Hydrauliksystems einer Formgebungsmaschine.
• Für Formgebungsmaschinen, im Speziellen für Spritzgießmaschinen oder für Spritzpressen, werden seit jeher verschiedenste Arten von Antrieben eingesetzt, um Bewegung von diversen Verbrauchern auszulösen. Beispielsweise werden elektrische, mechanische oder pneumatische Antriebsvorrichtungen eingesetzt. Um besonders hohe Kräfte aufzubauen, sind besonders gut hydraulische Antriebsvorrichtungen, auch Hydrauliksysteme genannt, geeignet.
• Allgemeine Beispiele für Hydraulische Antriebseinheiten für Spritzgießmaschinen gehen aus der DE 10 2011 008 923 A1 und der DE 10 2011 012 714 A1 hervor. In der erstgenannten Schrift wird durch den Druckregler aus einem in der Steuer- oder Regeleinheit hinterlegten Solldruck und dem vom Drucksensor gemessenen Ist-Druck ein Drehzahlwert errechnet, welcher dann an den, die Pumpe antreibenden Motor ausgegeben wird. Bei der zweitgenannten Schrift wird von einer, das Durchflussvolumen messenden Messeinrichtung auf die Position des Kolbens zum Bewegens eines Spritzgießmaschinenteils rückgeschlossen. Im Speziellen wird mittels eines in der Hydraulikleitung angeordneten Ventils zum Einstellen des Durchflussvolumens und/oder des Hydraulikdrucks das Durchflussvolumen gemessen.
• In der DE 20 2008 011 337 U1 geht es um ein externes Regelsystem für Spritzgießmaschinen zum Hinterspritzen, wobei neben der zentralen Rechnersteuerung auch eine „untere Kontrolleinheit“ vorgesehen ist. Diese sind über eine programmierbare logische Schaltung (CPLD - complex programmable logical device) miteinander verbunden. Der Regelkern der „unteren Kontrolleinheit“ wird von einem integrierten Schaltkreis (FPGA - field programmable gate array) gebildet und dient der Temperaturermittlung und - regelung. Die einzelnen Module (Temperaturkontrollmodul, Modul zur Ermittlung des Kolbenhubs, Modul zur Überwachung der Betriebsweise des elektromagnetischen Zylinderventils, Hydraulisches Stations-Kommunikationsmodul, Spritzgießmaschinen-Datenübertragungsmodul) sind direkt mit dem FPGA verbunden. Im FPGA erfolgen auch eine Berechnung von übermittelten Daten und eine Kommunikation mit der großtechnischen Rechnersteuerung.
• Die DE 10 2005 054 769 B3 zeigt ein Steuerungssystem für eine Spritzgießmaschine. Dabei sind einerseits eine zentrale Steuereinheit zur Durchführung von zyklischen Maschinenprogrammabläufen und andererseits eine nebengeordnete Zusatz-Steuereinheit zur zyklusunabhängigen Verarbeitung zeitkritischer Steuerungsschritte vorgesehen. Diese Zusatz-Steuereinheit ist als FPGA ausgebildet und dient der Signalvorverarbeitung. Auch Basis-Programmabläufe des Maschinenprogramms können realisiert werden. Dies sind z. B. festgelegte Schaltfolgen von Ventilen, welche unabhängig von der zentralen Steuereinheit in exakt gleichbleibender zeitlicher Abfolge ausgeführt werden. Im Unterschied zu konventionellen SPS-Steuerungen läuft im FPGA kein Programm ab, sondern die gewünschten Steuerungsfunktionen stehen nach der Programmierung als festverdrahtete Elektronik zur Verfügung. Komplexere arithmetische Funktionen werden vorzugsweise nicht durch den FPGA, sondern durch die zentrale Steuereinheit durchgeführt. Dadurch wird eine Überlastung des Systems vermieden.
• Die WO 01/69094 A1 zeigt eine Einrichtung zur Steuerung eines hydraulischen Aktuators zeigt. Dabei sind die die elektronischen Schaltungen tragenden Platinen direkt in dem Gehäuse des Ventils gehalten. Der Regler ist als mikroprozessorgesteuerter digitaler Regler ausgeführt. Er ist daher in der Lage, zusätzlich zu den Algorithmen der Positionsregelung der Kolbenstange des Gleichgangzylinders die Algorithmen der Druck- oder Mengenregelung des dem Gleichgangzylinder zugeführten Druckmittels abzuarbeiten. Anstelle der Positionsregelung ist auch eine Geschwindigkeitsregelung, eine Kraftregelung oder eine Druckregelung mit dem digitalen Regler realisierbar. Als Sollwert für den Regler dient das Ausgangssignal einer elektronischen Steuerung. Bei dieser Steuerung handelt es sich um eine frei programmierbare Ablaufsteuerung mit NC- und oder SPS-Funktionalität. Die Programmierung dieser Ablaufsteuerung erfolgt anwenderseitig. Durch die Unabhängigkeit des Anwenders beim Programmieren von dem Hersteller ergibt sich eine hohe Flexibilität. Vor allem bleibt auf diese Weise das Prozess-Know-How des Anwenders geschützt. Die Steuerung weist eine Schnittstelle zu einem lokalen Bussystem und zu einem globalen Bussystem auf, über welche eine Verbindung mit einer übergeordneten Steuerung gegeben ist. Nachteilig bei dieser letztgenannten Schrift ist, dass der Regler (entspricht dem Ventilregler) für die Position des Ventilkolbens (entspricht dem Aktuator) des Ventils als analoger Regler ausgebildet ist. Damit kann der Ventilkolben zwar möglichst schnell dem Sollwert folgen, es ist aber nicht möglich, den Ventilregler für anderweitige Zwecke einzusetzen.
• Ähnliche Regler gehen auch aus der EP 0 995 578 A2 und der WO 2004/031593 A1 hervor.
• Im Zuge der Digitalisierung und der Entwicklung von Buskopplungen von kontinuierlichen Ventilen steht auf diesen Ventilen eine gewisse Rechenleistung zur Verfügung. Zusätzlich werden aber die Responsezeiten durch den Bus kritischer, da im Vergleich zu analogen Verschaltungen die Bustaktung zusätzlich verloren geht. (Große Entwicklungssprünge bei der Reduktion von Bustaktzeiten sind in nächster Zeit nicht zu erwarten.) Klassische Druckregelungen am Ventil - siehe letztgenannte Schrift - sind jedoch relativ einfach und abgegrenzt und kennen das Gesamtsystem nicht. Dies unterscheidet die Druckregelung am Ventil und die heute gängige Regelung des Drucks an einer zentralen Steuerung. Als Beispiel kann hierzu die Einspritzdruckregelung genannt werden. In diese Regelung gehen Prozessparameter der Kunststoffschmelze (wie etwa das Kompressionsmodul), jedoch auch andere wie etwa der Akkudruck oder Spritzhub, ein. Diese Parameter sind jedoch den bisher verwendeten Ventilen mit Druckregelung nicht bekannt, sodass dies trotz der geringen Abtastzeiten zu einer schlechten Performance führt.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Hydrauliksystem bzw. ein verbessertes Verfahren zum Betreiben des Hydrauliksystems zu schaffen. Insbesondere soll die Performance der Regelung verbessert werden.
• Dies wird durch ein Hydrauliksystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Demnach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Ventilregler dazu ausgebildet ist, eine Regelung zumindest einer Formgebungsprozessgröße, welche bei einem mit der Formgebungsmaschine durchgeführten Formgebungsprozess auftritt und den physikalischen Formgebungsprozess betrifft, durchzuführen und ein Regelgesetz auf Basis der Prozessparameter abzuarbeiten, sodass im Ventilregler die Ventilregelschleife und eine Formgebungsprozessgrößenregelschleife durchführbar ist. Somit werden auch Regelungsprozesse, welche nicht direkt das Ventil sondern andere Komponenten der Formgebungsmaschine betreffen, durch den Ventilregler durchgeführt. Durch das Durchführen der Prozessregelung - und nicht nur der Ventilregelung - direkt am Ventilregler kann eine schnellere Reaktionszeit und damit eine genauere Regelung erreicht werden. Insbesondere wird durch eine Regelung direkt am Ventilregler eine Datenübertragung über einen Feldbus der Maschine vermieden. Der Feldbus ist zwar für die meisten Datenübertragungszwecke an der Formgebungsmaschine leicht schnell genug. Für gewisse Formgebungsprozesse bzw. gewisse Teile von Formgebungsprozessen, insbesondere beim Einspritzen im Rahmen eines Spritzgießprozesses, ist dies jedoch nicht immer der Fall.
• Dies gilt insbesondere in Zusammenwirkung mit der Auswahl eines Regelgesetzes auf Basis der Prozessparameter oder einer Phase des Formgebungszyklus. Durch die genaue Anpassung des Regelgesetzes und das verbesserte Regelungs-System entsteht die durch die Erfindung ermöglichte, besonders schnelle Reaktion und Güte der Regelung. Bevorzugt ist der Ventilregler dazu ausgebildet, ein Regelgesetz der Regelung des zumindest einen Ventils auf Basis der Prozessparameter und/oder einer Phase des Formgebungszyklus - gegebenenfalls zunächst auszuwählen und dann - zu berechnen bzw. abzuarbeiten.
• Die Prozessparameter dienen der Beschreibung des aktuell auf der Formgebungsmaschine aktiven Formgebungsprozesses oder Prozessschrittes und können zur Charakterisierung dieses verwendet werden. Diese Prozessparameter beschreiben somit auch das zu regelnde System (Regelstrecke). Die Beschreibung der Regelstrecke setzt sich somit aus einem Teil, der aufgrund der Maschineneigenschaften fix vorgegeben ist (Maschinenparameter), und einem variablen Anteil, welcher vom Prozess bzw. Prozessschritt abhängt, zusammen. Ändern sich die Prozessparameter oder unterscheiden sich diese von einem Prozess zum anderen, so ist es vorteilhaft, diese Information im Regelgesetz zu verwenden. Um ein optimales Regelverhalten für einen Prozess- bzw. Prozessschritt zu erreichen, kann eine Anpassung des Reglers an diesen durchgeführt werden.
• Aus regelungstechnischer Sicht können zur Beschreibung des Systems sämtliche Prozessparameter herangezogen werden, welche sich aufgrund des Prozesses oder des Prozessschrittes ändern können und das Eingangs- / Ausgangsverhalten oder das Störverhalten der Regelstrecke beeinflussen. Neben der Auswirkung auf die Systemverstärkung kann auch die Auswirkung auf das Zeitverhalten der Regelstrecke berücksichtigt werden.
• Üblicherweise werden die Regelungen so robust parametriert, dass sie für einen großen Bereich an Prozessparametern ein stabiles Verhalten zeigen. Damit sind sie aber für eine konkrete Anwendung nicht optimal, was zum Beispiel größere Abweichungen bei Störungen oder längeres Einschwingverhalten bei Sollwertänderungen bewirkt. Dem kann durch die Erfindung entgegengewirkt werden.
• Der Ventilregler des Ventils muss nur so aufgebaut sein, dass über diesen eine Regelung zumindest einer Formgebungsprozessgröße durchgeführt werden kann. Dazu kann beispielsweise vom Ventilregler ein Regelgesetz ausgewählt werden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Ventilregler einen internen Schaltkreis, beispielsweise ein FPGA oder eine PLC (programmable logic controller - entspricht einer speicherprogrammieren Steuerung), für die Berechnung bzw. Abarbeitung eines Regelgesetzes für die Formgebungsprozessgröße aufweist.
• Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass der Ventilregler zumindest einen Ausgang zum Ausgeben von Steuersignalen an den zumindest einen Aktuator aufweist.
• Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Regelvorrichtung ein Steuerungsteil aufweist. Prinzipiell ist es möglich, dass der Ventilregler keine Verbindung oder nur eine zeitweise Verbindung zu einem solchen (übergeordneten) Steuerungsteil aufweist, sondern nur Signale von Sensoren erhält. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass der Ventilregler über eine Signalleitung, vorzugsweise über einen Feldbus, mit dem Steuerungsteil der Regelvorrichtung verbunden ist.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Ventilregler zumindest einen Eingang, im Speziellen eine Signaleingangsschnittstelle, aufweist. Bei bisherigen Ventilreglern war es so, dass über diese Signaleingangsschnittstelle nur vom Steuerungsteil stammende Sollwerte und vom Ventil selbst stammende Istwerte eingegangen sind, von welchen ausgehend dann die Regelung bzw. Regelschleife des Aktuators des Ventils erfolgt ist. Bevorzugt ist nun vorgesehen, dass die Regelvorrichtung derart ausgebildet ist, dem Ventilregler über die Signaleingangsschnittstelle Sollwerte für die Regelung der zumindest einen Formgebungsprozessgröße vorzugeben. Es wird also nicht nur eine Stellgröße für das Ventil geregelt, sondern es wird durch den Ventilregler ein Regelgesetz für eine Formgebungsprozessgröße abgearbeitet.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ventilregler dazu ausgebildet ist, über die Signaleingangsschnittstelle ermittelte Werte, vorzugsweise Messwerte zumindest eines Sensors, entgegenzunehmen. Ermittelte Werte können auch berechnete Werte (wie beispielsweise das Kompressionsmodul) sein, die auf Basis einer vorgegebenen Berechnung ermittelt werden. Somit erhält der Ventilregler nicht nur Werte von der Regelvorrichtung, sondern es werden direkt Werte von Sensoren oder von entsprechenden Recheneinheiten dem Ventilregler durchgeführt. Dadurch ist die Übermittlung dieser ermittelten Werte nicht abhängig vom Takt des Feldbus zwischen Ventilregler und Steuerungsteil.
• Generell können verschiedenste Arten von bekannten Sensoren eingesetzt werden, um diverse Werte zu ermitteln. Beispielsweise kann ein Differenzdrucksensor vorgesehen sein. Dieser ist bevorzugt direkt in das Ventil integriert. Dieser Differenzdrucksensor kann in Form von zwei einfachen Drucksensoren aufgebaut sein, welche vor und nach dem Ventilsitz in der Hydraulikleitung angeordnet sind.
• Für Formgebungsprozesse typische (Mess-)Werte sind im Folgenden angeführt, wobei die Werte zumindest eine der folgenden Größen repräsentieren:
• - einen von einem in der Hydraulikleitung, vorzugsweise direkt im Bereich des Ventils, angeordneten Drucksensor gemessenen Hydraulikdruck,
• - eine Temperatur der Hydraulikflüssigkeit,
• - eine Position, vorzugsweise einer Plastifizierschnecke oder eines Formwerkzeugs,
• - eine Geschwindigkeit, vorzugsweise einer Plastifizierschnecke oder eines Formwerkzeugs,
• - einen Druck einer Schmelze,
• - einen Massen- und/oder Volumenstrom der Schmelze,
• - eine Temperatur der Schmelze,
• - einen Forminnendruck
• - einen Einspritzdruck im Hydraulikzylinder,
• - eine Spritzkraft,
• - eine Drehzahl der Einspritzschnecke.
• Mögliche Prozessparameter können sein:
• - Materialparameter des Kunststoffes, insbesondere Kompressionsmodul der Schmelze oder Viskosität der Schmelze (hier können nominelle Parameter z. B. laut einer entsprechenden Liste oder identifizierte Parameter, z. B. ein Kompressionsmodul, durch Berechnung herangezogen werden)
• - Aktueller Arbeitspunkt des Prozesses, insbesondere Position und Geschwindigkeit der Schnecke, Schmelze- oder Forminnendruck, Volumen der Schmelze im Schneckenvorraum (Totvolumen abhängig von Düse und Flansch), Schmelzetemperatur oder Parameter der anderen (vorherigen) Prozessschritte (z.B. Dosieren oder Schließkraft)
• - Werkzeugparameter, insbesondere Volumen und Fließlängen (Geometrien), z.B. Heißkanalvolumen, Werkzeug- oder Heißkanaltemperatur
• - Parameter des Hydraulik- und Antriebskreises, insbesondere Hydraulikvolumen, Leitungslängen, Zylinderlängen und -durchmesser und aktuelle Position dessen, Öltemperatur oder das Verhältnis aus Schluckvolumen der Pumpe zu einem Parameter oder Kombination von Parametern
• - Prozessschritt, insbesondere ein charakteristischer Parameter für den Prozessschritt (siehe Hydraulikkreis), also beispielsweise ob der Prozessschritt gerade druckgesteuert oder geschwindigkeitsgesteuert abläuft
• Diese Prozessparameter enthalten somit auch Maschinenparameter, wobei unter Maschinenparameter unveränderliche Prozessparameter subsummiert werden.
• Die Aufgabe der Steuerung ist es den Ablauf des Formgebungsprozesses zu steuern und die vorgegebenen Formprozessgrößen nach den Vorgaben des Bedieners zu steuern oder zu regeln. Unter Formprozessgrößen werden Größen verstanden, die den physikalischen Formgebungsprozess betreffen. Dies kann alle, von der Formgebungsmaschine durchführbaren Bewegungen betreffen. Beispielsweise sind dies Bewegungen der Schließseite (Schließ- und Öffnungsbewegung der Formaufspannplatten, usw.) oder Bewegung der Einspritzseite während des Einspritzprozesses. Im Speziellen für den Einspritzprozess können folgende Größen maßgeblich sein:
• - Schneckenposition, Einspritzgeschwindigkeit, Einspritzdruck an der Schnecke, Schneckendrehzahl
• - Schmelzedruck im Schneckenvorraum, Forminnendruck, Druck im Hydraulikzylinder während des Einspritzens (auch Staudruck), Spritzkraft
• - Volumenstrom ins Werkzeug, Fließfrontgeschwindigkeit, Volumenstrom an der Düse, und
• - Größen für weitere Bewegungen, insbesondere Pumpendruck und Pumpenvolumenstrom allgemein, Positionen, Geschwindigkeiten und Drücke von weiteren Bewegungszylindern wie beispielsweise Schließkraft, Anpresskraft, Auswerfer usw.
• Hierzu ist allgemein auszuführen, dass unter „Größen“ sowohl eine bestimmte Größe zu einem bestimmten Zeitpunkt oder eine Größe in Form eines Verlaufs während eines bestimmten Zeitraums verstanden wird.
• Die Phase des Formgebungszyklus kann zumindest eines der folgenden beinhalten: Formschließen, Schließkraftaufbau, Einspritzen, Nachdruck, Form-Öffnen, Plastifizieren und Dosieren, Staudruck regeln, Auswerfen, Temperieren. Bei jeder dieser beispielhaften Phasen kann ein Verbraucher des erfindungsgemäßen Hydrauliksystems eingesetzt werden.
• An sich kann nur ein Ventil im Hydrauliksystem vorgesehen sein. Dieses kann beispielsweise zwischen der Hydraulikzuführvorrichtung und dem Verbraucher oder auch zwischen dem Verbraucher und einem Tank angeordnet sein, wobei bei der zweiten Variante das Ventil dann entsprechend als Bremsventil ausgebildet sein kann. Es ist aber auch möglich, dass zwei oder mehrere Ventile im Hydrauliksystem vorhanden sind, welche jeweils einen Ventilregler zum Regeln einer Formgebungsprozessgröße aufweisen.
• Schutz wird auch begehrt für eine Formgebungsmaschine mit einem erfindungsgemäßen Hydrauliksystem. Dabei kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Formgebungsmaschine zumindest eine Einspritzeinheit und eine Schließeinheit aufweist. Bevorzugt kann wiederum vorgesehen sein, dass die Einspritzeinheit und die Schließeinheit zumindest einen Verbraucher des Hydrauliksystems aufweist. Natürlich kann insgesamt eine Vielzahl von (Hydraulik-)Verbrauchern in der Formgebungsmaschine vorgesehen sein.
• An sich kann der gesamte Betrieb der Formgebungsmaschine vollautomatisch ablaufen. Bevorzugt ist allerdings eine Bedienvorrichtung vorgesehen, welche einen, vorzugsweise berührungsempfindlichen, Bildschirm und eine Eingabevorrichtung, vorzugsweise Bedientasten, aufweist.
• Die Regelvorrichtung kann separat von dieser Bedienvorrichtung ausgebildet sein und lediglich signaltechnisch mit der Bedienvorrichtung verbunden sein. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Regelvorrichtung (vor allem dessen Steuerungsteil) integraler Bestandteil der Bedienvorrichtung ist. In beiden Fällen sind für den Bediener wesentliche Größen oder Werte auf der Anzeigevorrichtung dargestellt und über die Eingabevorrichtung beeinflussbar.
• Die Formgebungsmaschine kann auch als Hybridmaschine ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Schließseite elektrisch und die Spritzseite hydraulisch angetrieben werden und umgekehrt.
• Die oben angeführte Aufgabe wird auch durch Verfahren zum Betreiben eines Hydrauliksystems einer Formgebungsmaschine gelöst, wobei von zumindest einer Hydraulikzuführvorrichtung, vorzugsweise einer Hydraulikpumpe, über zumindest eine Hydraulikleitung Hydraulikflüssigkeit zumindest einem Verbraucher zugeführt wird, wobei in der Hydraulikleitung ein Ventil mit einem Gehäuse und einem relativ zum Gehäuse bewegbaren Aktuator angeordnet ist und wobei von einer Regelvorrichtung Prozessparamater, welche bei einem der der Formgebungsmaschine durchgeführten Formgebungsprozess auftreten, festgelegt, berechnet und/oder über eine Schnittstelle entgegengenommen werden, wobei die Regelvorrichtung einen Ventilregler zum Verstellen der Durchflussmenge an Hydraulikflüssigkeit aufweist und der Aktuator durch den Ventilregler angesteuert wird, wobei der Ventilregler eine Ventilregelschleife durchführt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass vom Ventilregler zumindest eine Regelung einer Formgebungsprozessgröße, welche bei einem mit der Formgebungsmaschine durchgeführten Formgebungsprozess auftritt und den physikalischen Formgebungsprozess betrifft, durchgeführt wird und ein Regelgesetz auf Basis der Prozessparameter abgearbeitet wird, sodass im Ventilregler die Ventilregelschleife und eine Formgebungsprozessgrößenregelschleife durchgeführt werden.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele im Folgenden näher erläutert. Darin zeigen:
• 1 schematische eine Formgebungsmaschine,
• 2 schematisch ein Hydrauliksystem und
• 3 schematisch ein Ventil samt Ventilregler und Regelvorrichtung.
• In 1 ist schematisch eine Formgebungsmaschine 2, im Speziellen eine Spritzgießmaschine, dargestellt. Diese Formgebungsmaschine 2 weist eine Schließeinheit 16 auf. Diese Schließeinheit 16 setzt sich aus der bewegbaren Formaufspannplatte 20, der einen Verbraucher 5 bildenden Antriebsvorrichtung 21 für die bewegbare Formaufspannplatte 20, der feststehenden Formaufspannplatte 22 und dem an den Formaufspannplatten 20 und 22 montierten Formgebungswerkzeug 23 samt darin ausgebildeter Kavität K zusammen. Auf dem Rahmen 24 der Formgebungsmaschine 2 ist auch noch eine Einspritzeinheit 15 angeordnet. Diese Einspritzeinheit 15 weist einen Einspritzzylinder 25, eine im Einspritzzylinder 25 bewegbar gelagerte Einspritzschnecke 26, eine einen Verbraucher 5 bildende Antriebsvorrichtung 27 für die Einspritzschnecke 26 und eine Einfüllvorrichtung 28 für die Zufuhr von Ausgangsmaterial für die in die Kavität einzuspritzende Kunststoffschmelze auf. Weiters weist die Formgebungsmaschine 2 eine Bedienvorrichtung 17 mit einer Anzeigevorrichtung 18 und einer Eingabevorrichtung 19 auf. Die Bedienvorrichtung 17 weist auch die Regelvorrichtung 10 (Hauptsteuerung) für die Formgebungsmaschine 2 auf. Diese Regelvorrichtung 10 steht über eine Signalleitung 12, vorzugsweise über einen Feldbus, zumindest mit den Antriebsvorrichtungen 27 und 21 in signaltechnischer Verbindung. Zudem können auch noch Sensoren 14 vorgesehen sein, welche beispielsweise den Einspritzdruck in der Einspritzeinheit 15 oder die Schließkraft der Schließeinheit 16 messen. Auch diese Sensoren 14 stehen mit der Regelvorrichtung 10 entweder über den Feldbus oder direkt in signaltechnischer Verbindung.
• Von der Regelvorrichtung 10 wird der Formgebungsprozess gesteuert bzw. geregelt, wobei allgemeine Formgebungsprozessgrößen F definiert werden. Formgebungsprozessgrößen F sind Eigenschaften von Komponenten der Formgebungsmaschine 2, welche unterschiedliche konkrete Werte einnehmen können. Beispielhaft sei die Einspritzgeschwindigkeit oder die Schließkraft angeführt. Die Regelvorrichtung 10 ist dazu ausgebildet, eine Regelung zumindest einer Formgebungsprozessgröße F, welche bei einem mit der Formgebungsmaschine 2 durchgeführten Formgebungsprozess auftritt, durchzuführen. Jede Formgebungsprozessgröße F wird von vielen Faktoren - hierin Prozessparameter P genannt - beeinflusst. So sind beispielsweise für die Formgebungsprozessgröße Schließkraft die Prozessparameter Kompressionsmodul der Schmelze und Viskosität der Schmelze wesentlich. Zudem sind für die Formgebungsprozessgröße Schließkraft auch noch die meist gleichbleibenden Prozessparameter wie Werkzeugparameter (Volumen, Fließlänge, usw.) wesentlich. Von der Regelvorrichtung 10 werden die Prozessparameter P für mit der Formgebungsmaschine 2 durchgeführte Schritte festgelegt, berechnet oder über eine Schnittstelle entgegengenommen. Für eine allfällige Parametrierung können auf Basis dieser Prozessparameter P von der Regelvorrichtung 10 Regelgesetze ausgewählt werden. Durch die Abarbeitung eines auf zumindest einem Prozessparameter P basierenden Regelgesetzes wird zumindest einer der Verbraucher 5 (Antriebsvorrichtungen 21 bzw. 27) der Formgebungsmaschine 2 entsprechend gesteuert oder geregelt. Im Speziellen wird von der Regelvorrichtung 10 zumindest ein Sollwert S_soll an den entsprechenden Verbraucher 5 übermittelt. Insgesamt wird dadurch eine Regelung der jeweiligen Formgebungsprozessgröße F erreicht.
• Eine solche Formgebungsmaschine 2 weist zumindest ein Hydrauliksystem 1 auf, welches schematisch in 2 dargestellt ist. Über dieses Hydrauliksystem 1 wird zumindest ein Verbraucher 5 der Formgebungsmaschine 2 hydraulisch beaufschlagt. Im konkreten Fall kann die Antriebsvorrichtung 21 für die bewegbare Formaufspannplatte 20 oder die Antriebsvorrichtung 27 für die Einspritzschnecke 26 ein solcher Verbraucher 5 sein. In 2 ist dieser Verbraucher 5 schematisch als Kolben-Zylinder-Einheit mit einem Zylinder 29, einem Kolben 30 und einer Kolbenstange 31 dargestellt. Von der Hydraulikzuführvorrichtung, in diesem Fall von einer Hydraulikpumpe 3, führen Hydraulikleitungen 4 zum Verbraucher 5, durch welche Hydraulikflüssigkeit gefördert wird. Anstatt (oder zusätzlich zu) einer Hydraulikpumpe 3 kann auch ein Hydraulikspeicher (Akku) zum Einsatz kommen. Die Hydraulikpumpe 3 wird von einem Motor M angetrieben. In der Hydraulikleitung 4 ist zumindest ein Ventil 6 angeordnet. Dieses Ventil 6 kann beispielsweise als Servoventil ausgebildet sein. Zudem ist im oder am Verbraucher 5 zumindest ein Sensor 14 angeordnet. Dieser detektiert einen Messwert S₁₄ . Dieser Messwert S₁₄ kann an die Regelvorrichtung 10 übermittelt werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird aber zumindest ein Messwert S₁₄ an das Ventil 6 bzw. des Ventilregler 9 übermittelt.
• In 3 ist symbolisch dargestellt, wie und mit welchen Komponenten die Regelung des Hydrauliksystems 1 und der Formgebungsmaschine 2 erfolgt. Dabei weist die Regelvorrichtung 10 den Ventilregler 9 und das (übergeordnete) Steuerungsteil 33 auf. Diese 3 beinhaltet auch schematisch, wie das Ventil 6 aufgebaut ist. Das Ventil 6 weist ein Gehäuse 7, einen Aktuator 8 und einen Ventilregler 9 zum Verstellen des Aktuators 8 relativ zum Gehäuse 7 auf. Der Ventilregler 9, welcher vorzugsweise als FPGA ausgebildet ist, weist einen Ausgang 11 auf. Über diesen Ausgang 11 werden Steuersignale S₈ an den Aktuator 8 ausgegeben. Der Ventilregler 9 weist auch eine Signaleingangsschnittstelle 13 auf. Über diese Signaleingangsschnittstelle 13 ist der Ventilregler 9 über eine Signalleitung 12 (Feldbus) mit dem (übergeordneten) Steuerungsteil 33 der Regelvorrichtung 10 für die Formgebungsmaschine 2 verbunden.
• Grundsätzlich ist die Funktion des Ventilreglers 9 so, dass der Ventilregler 9 vom übergeordneten Steuerungsteil 33 einen Sollwert S_soll (zum Beispiel für eine bestimmte Kolbenposition) erhält. Zudem erhält der Ventilregler 9 von einem Ventilsensor 32 einen Istwert S_ist , welcher die tatsächliche Kolbenposition repräsentiert. Dann wird vom Ventilregler 9 die Stellung des Aktuators 8 des Ventils 6 (Stellgröße) entsprechend geregelt, sodass der Istwert S_ist dem Sollwert S_soll nachgeführt wird. Demnach ist der Ventilregler 9 dazu ausgebildet, eine Regelung des Ventils 6 auf Basis eines vom Steuerungsteil 33 vorgegebenen Sollwerts S_soll für das Ventil 6 durchzuführen.
• Mit der vorliegenden Erfindung ist es nun möglich, dass dieser Ventilregler 9 noch zusätzliche Aufgaben übernimmt, wodurch nicht die gesamte Regelung bzw. Abarbeitung der Regelgesetze von der übergeordneten Regelvorrichtung 10 durchgeführt werden muss.
• Dazu werden dem Ventilregler 9 Messwerte S₁₄ direkt von zumindest einem Sensor 14 übermittelt. Zudem können weitere Prozessparameter P, die bisher nur der Regelvorrichtung 10 zur Verfügung gestanden sind, an den Ventilregler 9 übermittelt werden. Es wird also im Ventilregler 9 ein Regelgesetz auf Basis der Prozessparameter P (welche dann auch die Messwerte S₁₄ umfassen) abgearbeitet. Über den Ventilregler 9 kann nun nicht nur eine Regelung des Ventils 6 durchgeführt werden, sondern der Ventilregler 9 übernimmt auch Aufgaben, die bisher von einer übergeordneten Steuerung durchgeführt wurden. Somit wird nicht nur die relativ simple Ventilregelschleife über den Ventilregler 9 durchgeführt, sondern es wird zusätzlich eine Formgebungsprozessgrößenregelschleife durchgeführt.
• Es kann also festgehalten werden, dass die Druckregelung oder die Durchflussregelung - zum Beispiel einer Einspritzbewegung oder einer Schließbewegung - direkt vom Ventil 6 bzw. dessen Ventilregler 9 durchgeführt wird. Dabei wird die Berechnung des Regelgesetzes direkt auf einem Schaltkreis des Ventils 6 durchgeführt. Im Vergleich zu bisherigen Lösungen werden dabei Prozessparameter berücksichtigt und ein für den Formgebungsprozess angepasstes Regelgesetz implementiert. Die notwendigen Daten kommen (z. B. von Drucksensoren) über die Signaleingangsschnittstelle direkt am Ventil, bevorzugt mit einem höheren Takt (100 µs) als der Feldbus, über Drucksollwerte (eventuell sogar voreilend, um die Bustotzeiten zu eliminieren), über Echtzeitdaten von anderen Bewegungen (z. B. Kolbenposition, Pumpenwerte) oder über Prozessdaten bzw. Reglereinstellungswerte, welche nicht komplett echtzeit- oder totzeitkritsch sind. Letztere können mit dem Bustakt zum Ventilregler übertragen werden.
• Abschließend sei noch auf die Vorteile eingegangen. Die von der Regelvorrichtung 10 abgekoppelte Regelung über den Ventilregler 9 des Ventils 6 mit höheren Abtastfrequenzen führt, gerade bei sehr hohen Einspritzgeschwindigkeiten, zu besserer Performance. Die Abtastfrequenz einer Druckregelung mit den vorgegebenen Regelalgorithmen ist nicht auf die Zykluszeit des Bussystems beschränkt, sondern kann noch geringer sein.
• Bezugszeichenliste

1

Hydrauliksystem

2

Formgebungsmaschine

3

Hydraulikpumpe

4

Hydraulikleitung

5

Verbraucher

6

Ventil

7

Gehäuse

8

Aktuator

9

Ventilregler

10

Regelvorrichtung

11

Ausgang Ventilregler

12

Signalleitung, vorzugsweise Feldbus

13

Singaleingangsschnittstelle

14

Sensor

15

Einspritzeinheit

16

Schließeinheit

17

Bedienvorrichtung

18

Anzeigevorrichtung

19

Eingabevorrichtung

20

bewegbare Formaufspannplatte

21

Antriebsvorrichtung für bewegbare Formaufspannplatte

22

feststehende Formaufspannplatte

23

Formgebungswerkzeug

24

Rahmen

25

Einspritzzylinder

26

Einspritzschnecke

27

Antriebsvorrichtung für Einspritzschnecke

28

Einfüllvorrichtung

29

Zylinder

30

Kolben

31

Kolbenstange

32

Ventilsensor

33

Steuerungsteil

P

Prozessparameter

F

Formgebungsprozessgröße

S₅

Steuersignal an Verbraucher

S₈

Steuersignal an Aktuator

S_soll

Sollwert

S₁₄

Messwert von Sensor

K

Kavität

M

Motor für Hydraulikpumpe

• 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
• DE 102011008923 A1 [0003]
• DE 102011012714 A1 [0003]
• DE 202008011337 U1 [0004]
• DE 102005054769 B3 [0005]
• WO 0169094 A1 [0006]
• EP 0995578 A2 [0007]
• WO 2004/031593 A1 [0007]

Claims (16)

1. Hydrauliksystem (1) für eine Formgebungsmaschine (2), mit - zumindest einer Hydraulikzuführvorrichtung, insbesondere einer Hydraulikpumpe (3) oder einem Hydraulikspeicher, - zumindest einer Hydraulikleitung (4), - zumindest einem Verbraucher (5), insbesondere einer Kolben-Zylinder-Einheit, wobei von der Hydraulikpumpe (3) Hydraulikflüssigkeit über die Hydraulikleitung (4) dem Verbraucher (5) zuführbar ist, - zumindest einem in der Hydraulikleitung (4) angeordneten Ventil (6), wobei das Ventil (6) ein Gehäuse (7) und zumindest einen, relativ zum Gehäuse (7) bewegbaren Aktuator (8) zum Verstellen der Durchflussmenge an Hydraulikflüssigkeit durch das Ventil (6) aufweist, und - einer Regelvorrichtung (10), welche dazu ausgebildet ist, Prozessparameter (P), welche bei einem mit der Formgebungsmaschine (2) durchgeführten Formgebungsprozess auftreten, festzulegen und/oder zu berechnen und/oder über eine Schnittstelle entgegenzunehmen, wobei die Regelvorrichtung (10) einen Ventilregler (9) zur Ansteuerung des Aktuators (8) aufweist, wobei der Ventilregler (9) dazu ausgebildet ist, eine Ventilregelschleife durchzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilregler (9) dazu ausgebildet ist, eine Regelung zumindest einer Formgebungsprozessgröße (F), welche bei einem mit der Formgebungsmaschine (2) durchgeführten Formgebungsprozess auftritt und den physikalischen Formgebungsprozess betrifft, durchzuführen und ein Regelgesetz auf Basis der Prozessparameter (P) abzuarbeiten, sodass im Ventilregler (9) die Ventilregelschleife und eine Formgebungsprozessgrößenregelschleife durchführbar ist.
2. Hydrauliksystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilregler (9) einen internen Schaltkreis für die Berechnung des Regelgesetzes für die Formgebungsprozessgröße aufweist.
3. Hydrauliksystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilregler (9) zumindest einen Ausgang (11) zum Ausgeben von Steuersignalen (S₈) an den zumindest einen Aktuator (8) aufweist.
4. Hydrauliksystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (10) einen vom Ventilregler (9) separaten Steuerungsteil (33) aufweist.
5. Hydrauliksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilregler (9) über eine Signalleitung (12), vorzugsweise über einen Feldbus, mit dem Steuerungsteil (33) verbunden ist.
6. Hydrauliksystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilregler (9) zumindest eine Signaleingangsschnittstelle (13) aufweist.
7. Hydrauliksystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (10) derart ausgebildet ist, dem Ventilregler (9) über die Signaleingangsschnittstelle (13) Sollwerte (S_soll) für die Regelung der zumindest einen Formgebungsprozessgröße (F) vorzugeben.
8. Hydrauliksystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilregler (9) dazu ausgebildet ist, über die Signaleingangsschnittstelle (13) ermittelte Werte, vorzugsweise Messwerte (S₁₄) zumindest eines Sensors (14) oder berechnete Werte, entgegenzunehmen.
9. Hydrauliksystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Werte, vorzugsweise die Messwerte (S₁₄), zumindest eine der folgenden Größen repräsentieren: - einen von einem in der Hydraulikleitung (4), vorzugsweise direkt im Bereich des Ventils (6), angeordneten Drucksensor gemessenen Hydraulikdruck, - eine Temperatur der Hydraulikflüssigkeit, - eine Position, vorzugsweise einer Plastifizierschnecke, - eine Geschwindigkeit, vorzugsweise einer Plastifizierschnecke, - einen Druck einer Schmelze, - einen Massen- und/oder Volumenstrom der Schmelze, - eine Temperatur der Schmelze, - einen Forminnendruck, - einen Einspritzdruck, - eine Spritzkraft, - eine Schneckendrehzahl.
10. Hydrauliksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessparameter (P) Soll-Werte und/oder IstWerte für eine oder mehrere der folgenden Größen beinhalten: Materialparameter des Kunststoffs, aktueller Arbeitspunkt des Formgebungsprozesses, Werkzeugparameter, Parameter der Hydraulik, Prozessschritt.
11. Hydrauliksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Formgebungsprozessgröße (F) zumindest eine der folgenden Größen repräsentiert: Schneckenposition, Einspritzgeschwindigkeit, Einspritzdruck, Schmelzedruck im Schneckenvorraum, Forminnendruck, Volumenstrom ins Werkzeug, Fließfrontgeschwindigkeit, Schneckendrehzahl, Spritzkraft, Volumenstrom an der Düse, Größen für weitere Bewegungen der Formgebungsmaschine.
12. Formgebungsmaschine (2) mit einem Hydrauliksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Formgebungsmaschine nach Anspruch 12, mit einer Einspritzeinheit (15) und einer Schließeinheit (16), wobei die Einspritzeinheit (15) und/oder die Schließeinheit (16) zumindest einen Verbraucher (5) des Hydrauliksystems (1) aufweisen/aufweist.
14. Formgebungsmaschine nach Anspruch 12 oder 13, mit einer Bedienvorrichtung (17), welche eine Anzeigevorrichtung (18), vorzugsweise in Form eines berührungsempfindlichen Bildschirms, und eine Eingabevorrichtung (19), vorzugsweise Bedientasten, aufweist.
15. Formgebungsmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (10) integraler Bestandteil der Bedienvorrichtung (17) ist.
16. Verfahren zum Betreiben eines Hydrauliksystems (1) einer Formgebungsmaschine (2), - wobei von zumindest einer Hydraulikzuführvorrichtung, insbesondere einer Hydraulikpumpe (3), über zumindest eine Hydraulikleitung (4) Hydraulikflüssigkeit zumindest einem Verbraucher (5) zugeführt wird, - wobei in der Hydraulikleitung (4) ein Ventil (6) mit einem Gehäuse (7) und einem relativ zum Gehäuse (7) bewegbaren Aktuator (8) angeordnet ist und - wobei von einer Regelvorrichtung (10) Prozessparamater (P), welche bei einem mit der Formgebungsmaschine (2) durchgeführten Formgebungsprozess auftreten, festgelegt und/oder berechnet und/oder über eine Schnittstelle entgegengenommen werden, wobei die Regelvorrichtung (10) einen Ventilregler (9) zum Verstellen der Durchflussmenge an Hydraulikflüssigkeit aufweist und der Aktuator (8) durch den Ventilregler (9) angesteuert wird, wobei der Ventilregler (9) eine Ventilregelschleife durchführt, dadurch gekennzeichnet, dass vom Ventilregler (9) zumindest eine Regelung einer Formgebungsprozessgröße (F), welche bei einem mit der Formgebungsmaschine (2) durchgeführten Formgebungsprozess auftritt und den physikalischen Formgebungsprozess betrifft, durchgeführt wird und ein Regelgesetz auf Basis der Prozessparameter (P) abgearbeitet wird, sodass im Ventilregler (9) die Ventilregelschleife und eine Formgebungsprozessgrößenregelschleife durchgeführt werden.

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