DE102021119769A1 - Verfahren zum sicheren Schließen eines mindestens zweiteiligen Werkzeugs in einer Maschine für die Verarbeitung von spritzgießfähigem Material - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Schließen eines Werkzeugs (1) in einer Spritzgießmaschine, bei dem ein Werkzeugteil (2) über einen Schließhub mittels eines Schließantriebs (4) bewegt wird, wobei die Bestimmung eines zulässigen Funktionsverlaufs für die Fahrkraft (F) erfolgt, wobei der Funktionsverlauf für die Fahrkraft (F) des Schließantriebs (4) in einer Maschinensteuerung (5) gespeichert wird, wobei der Schließantrieb (4) als Servoantrieb mit CPU ausgebildet ist und mit der Maschinensteuerung (5) in Verbindung steht, wobei in der CPU die von der Maschinensteuerung (5) übermittelten Daten verarbeitet werden. Um eine schnelle Reaktion der Maschine bei einer möglichen Fehlfunktion bei einfacher Ausgestaltung der Servoantriebe zu gewährleisten, sieht die Erfindung vor, dass das Verfahren die folgenden periodisch wiederholten Schritte aufweist: a) Übertragung eines Wertes der zulässigen Fahrkraft (F) für eine erste Position (S1) sowie für eine nachfolgende zweite Position (S2) des Schließweges (s) von der Maschinensteuerung (5) in die CPU (6); b) in der CPU (6): Berechnung des Funktionsverlaufs zwischen der ersten und zweiten Position durch Interpolation zwischen den beiden Funktionswerten der Fahrkraft (F); c) Überwachung der tatsächlichen Fahrkraft (F) und Vergleich mit der aktuell zulässigen Fahrkraft (F), die gemäß Schritt b) berechnet wurde; wobei die Abschaltung des Schließantriebs (4) erfolgt, sofern bei der Durchführung von Schritt c) der tatsächliche Wert der Fahrkraft (F) über dem zulässigen Wert liegt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Schließen eines mindestens zweiteiligen Werkzeugs in einer Maschine für die Verarbeitung von spritzgießfähigem Material, insbesondere in einer Spritzgießmaschine, bei dem ein Werkzeugteil relativ auf ein anderes Werkzeugteil über einen Schließhub mittels eines Schließantriebs zu bewegt wird, wobei zumindest für einen Teil des Schließweges des Werkzeugs die Bestimmung oder Berechnung eines zulässigen Funktionsverlaufs für die Fahrkraft oder für die Stromaufnahme des Schließantriebs oder für eine hiervon abgeleitete Größe, insbesondere unter Berücksichtigung eines Toleranzbandes, erfolgt, wobei der Funktionsverlauf für die Fahrkraft oder die Stromaufnahme des Schließantriebs oder für die hiervon abgeleitete Größe in einer Maschinensteuerung gespeichert wird, wobei der Schließantrieb als Servoantrieb ausgebildet ist und mit der Maschinensteuerung in Verbindung steht, wobei der Servoantrieb eine CPU (Central Processing Unit) aufweist, in der die von der Maschinensteuerung übermittelten Daten verarbeitet werden.
• Ein Verfahren der gattungsgemäßen Art ist aus der DE 10 2007 043 673 B4 bekannt. Dabei wird eine Lösung für das Problem vorgeschlagen, ein sicheres Schließen des Werkzeugs der Kunststoffverarbeitungsmaschine, insbesondere der Spritzgießmaschinen, zu bewerkstelligen, so dass es zu keinen Beschädigungen des Werkzeugs im Falle einer Fehlfunktion kommt.
• Die Detektion, ob der gemessene Funktionsverlauf den vorgegebenen Funktionsverlauf unter Berücksichtigung eines Toleranzbandes verlässt, erfolgt hierbei in der Maschinensteuerung. Diese arbeitet zwar mit hohen Abtastraten, beispielsweise mit 2 ms, jedoch deutlich langsamer als eine CPU des Servoantriebs, der die entsprechende Maschinenachse antreibt, wobei hier die Abtastrate typischerweise bei 250 µs liegt. Die übergeordnete Maschinensteuerung ist mittels Kommunikationsbus mit der bzw. den Servo-CPUs verbunden. Hinsichtlich der Arbeitsgeschwindigkeit des Systems sind auch noch Verzögerungszeiten bei der Übermittlung von Istwerten (für den drehmomentbildenden Strom, die Position, die Geschwindigkeit etc.) aus dem Antrieb bzw. der Servo-CPU sowie Verzögerungen bei der Übermittlung (etwa von Stopp-Befehlen aus der Maschinensteuerung an die Servo-CPU) zu berücksichtigen.
• Es ließe sich eine Verbesserung der Werkzeugsicherungsfunktion erreichen, wenn man die Detektion der Fehlfunktion und deren Reaktion hierauf in die Servo-CPU verlagern könnte; hierdurch würden sich die Reaktionszeiten wesentlich vermindern. Allerdings sind Servo-CPUs auf eine performante Antriebssteuerung optimiert und verfügen daher nicht über hinreichend große Speicher, um hier die kompletten Überwachungs-Hüllkurven zu hinterlegen.
• Daraus ergibt sich, dass bei der vorbekannten Lösung die Reaktionszeit beim Einsatz der vorbekannten Servo-Antriebe im Falle von Störungen relativ lange ist und so die Gefahr bestehen kann, das Werkzeug bei einer Fehlfunktion zu beschädigen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine schnellere Reaktion der Maschine bei einer möglichen Fehlfunktion ermöglicht werden kann. Dabei besteht die weitere Forderung, dass auf einfache und kostengünstige Servoantriebe zurückgegriffen werden kann, die insbesondere nur ein relativ geringes Speichervolumen für Daten aufweisen.
• Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden periodisch wiederholten Schritte aufweist:
1. a) Übertragung eines Wertes der zulässigen Fahrkraft oder Stromaufnahme oder der hiervon abgeleiteten Größe für eine erste Position sowie für eine nachfolgende zweite Position des Schließweges oder für eine weitere Position sowie für eine nachfolgende weitere Position des Schließweges von der Maschinensteuerung in die CPU;
2. b) in der CPU: Berechnung des Funktionsverlaufs zwischen der ersten oder weiteren und zweiten oder nachfolgend weiteren Position durch Interpolation zwischen den beiden Funktionswerten der Fahrkraft oder der Stromaufnahme oder der hiervon abgeleiteten Größe;
3. c) in der CPU: Überwachung der tatsächlichen Fahrkraft oder der tatsächlichen Stromaufnahme oder der tatsächlichen hiervon abgeleiteten Größe und Vergleich mit der aktuell zulässigen Fahrkraft oder Stromaufnahme oder der hiervon abgeleiteten Größe, die gemäß Schritt b) berechnet wurde;
wobei die Abschaltung des Schließantriebs - veranlasst durch die CPU des Schließantriebs - erfolgt, sofern bei der Durchführung von Schritt c) der tatsächliche Wert der Fahrkraft oder der Stromaufnahme oder der hiervon abgeleiteten Größe, insbesondere unter Berücksichtigung des Toleranzbandes, über dem zulässigen Wert liegt.
• Der Abruf der in der Maschinensteuerung gespeicherten Daten des Funktionsverlaufs und deren Übermittlung an die CPU gemäß obigem Schritt a) erfolgt dabei bevorzugt in einem Zeitabstand, der zwischen 1 ms und 3 ms liegt, besonders bevorzugt zwischen 1,5 ms und 2,5 ms.
• Die gemäß obigem Schritt b) durchgeführte Interpolation ist vorzugsweise eine lineare Interpolation.
• Weiterhin kann vorgesehen werden, dass bei obigem Schritt a) neben den Daten für die zulässige Fahrkraft oder Stromaufnahme oder der hiervon abgeleiteten Größe auch zugehörige Daten für die an den entsprechenden Positionen zulässige Toleranz für Fahrkraft oder Stromaufnahme übertragen werden.
• Gemäß der vorgeschlagenen Lösung erfolgt die Berechnung und Speicherung des vorzugebenden Funktionsverlaufes einschließlich der Berücksichtigung eines Toleranzbandes nach wie vor in der Maschinensteuerung. Zwecks Realisierung der Werkzeugsicherungsfunktion werden sowohl Anfangswerte als auch - insbesondere dem Abtastzyklus der Maschinensteuerung entsprechend - vorauseilende Werte („Zukunftswerte“) an die Servo-CPU übertragen. Die Detektion einschließlich der Reaktion (d. h. der Auslösung einer Stopp-Anweisung im Falle einer Störung) wird in die schnelle Servo-CPU verlagert.
• Sobald die Werkzeugsicherungsfunktion aktiviert werden soll, berechnet die Servo-CPU, anhand der aktuell übertragenen Daten von der Maschinensteuerung (d. h. sowohl der aktuellen Daten sowie derjenigen Daten, die im nächsten Zeit- bzw. Wegintervall zu erwarten sind) mittels Interpolation den vorzugebenden Funktionsverlauf. Dieser wird dann im nächsten Zeit- bzw. Wegintervall aktualisiert, sobald im Abtastzyklus der (langsameren) Maschinensteuerung neue „Zukunfts“-Werte vorliegen.
• Wie oben erwähnt, kann neben der Fahrkraft bzw. der Stromaufnahme selber auch eine hiervon abgeleitete Größe dem Verfahren zugrunde gelegt werden. Als diesbezüglich bevorzugte Möglichkeit sei vorgeschlagen, dass statt eines Soll-Verlaufs für die Fahrkraft F_Soll ein Soll-Funktionsverlauf der Form $${\text{Z}}_{\text{Soll}}\left(\text{s}\right)={\text{F}}_{\text{Soll}}\left(\text{s}\right)-{\text{v}}_{\text{Soll}}\left(\text{s}\right)\times \text{K}$$

  

  zugrundegelegt wird. Hier geht neben der Soll-Fahrkraft F_Soll (s) des Schließantriebs als Funktion des Schließweges (s) auch der Soll-Fahrgeschwindigkeitsverlauf V_Soll (s) als Funktion des Schließweges (s) ein, wobei die zuletzt genannte Größe mit einem konstanten Gewichtungsfaktor K multipliziert wird.
• Mit der vorgeschlagenen Lösung kann eine Reaktionszeitminimierung bei der Werkzeugsicherung von Kunststoffverarbeitungsmaschinen, insbesondere bei Spritzgießmaschinen, erreicht werden.
• Somit verkürzt sich die Gesamtreaktionszeit bei der Werkzeugsicherung in vorteilhafter Weise um die Verzögerungszeit der Istwert-Übermittlung von der Servo-CPU über den Kommunikationsbus an die Maschinensteuerung. Infolge der relativ langsameren Abtastrate der Maschinensteuerung (typischerweise 2 ms) gegenüber der schnellen Servo-CPU (typischerweise 250 µs, d. h. beispielsweise acht Mal schneller) ist der Zeitverlust infolge der Verzögerungszeit für die Stopp-Anweisung von der Maschinensteuerung über den Kommunikationsbus an die Servo-CPU wesentlich geringer. Dennoch kann gemäß dem vorgeschlagenen Vorgehen vermieden werden, dass die Servo-CPU mit einer größeren Speicherkapazität versehen werden muss.
• Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich in besonderes bevorzugter Weise bei der Vorgehensweise, die in der DE 10 2007 043 673 B4 beschrieben ist, auf die insoweit ausdrücklich Bezug genommen wird.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
• 1 zeigt schematisch eine Spritzgießmaschine mit einem zweiteiligen Werkzeug, das mittels eines Schließantriebs von einer geöffneten Position in eine geschlossene Position bewegt werden kann,
• 2 zeigt schematisch den Verlauf der Fahrkraft bzw. der Stromaufnahme des Schließantriebs über dem Fahrweg des Werkzeugs und
• 3 zeigt schematisch die Maschinensteuerung und den als Servoantrieb ausgebildeten Schließantrieb, wobei der Datentransfer von der Maschinensteuerung zur CPU des Servoantriebs und die Verarbeitung der Daten in der CPU illustriert sind.
• In 1 ist nur sehr schematisch eine Spritzgießmaschine skizziert, wobei wiederum nur die Schließeinheit derselben angedeutet ist. Ein zweiteiliges Werkzeug 1 hat ein bewegliches Werkzeugteil 2 und ein feststehendes Werkzeugteil 3, die an jeweiligen Werkzeugaufspannplatten 7, 8 angeordnet sind.
• Die bewegliche Werkzeugaufspannplatte 7, die das bewegliche Werkzeugteil 2 trägt, kann in Richtung des Schließweges bzw. Fahrweges s mittels eines Schließantriebes 4 bewegt werden. Hiermit kann das bewegliche Werkzeugteil 2 von einer offenen Position S_o in eine geschlossene Position S_Z bewegt werden.
• Die geöffnete Position des Werkzeugs 1 ist in 1 mit ausgezogenen Linien dargestellt, die geschlossene Position mit gestrichelten Linien.
• Der Schließantrieb 4 besteht dabei (wozu zwecks Illustration insbesondere auf 3 hingewiesen wird) aus einem Servomotor 9, der mit einem Sensor 10 versehen ist; der Servomotor 9 sowie der Sensor 10 stehen mit der CPU (Central Processing Unit) 6 des Schließantriebs 4 in Verbindung. Demgemäß wird der Servomotor 9 gemäß den Vorgaben der CPU 6 im geschlossenen Regelkreis betätigt.
• Wie es aus 2 ersichtlich ist, ist vorgesehen, dass über den Schließweg bzw. Fahrweg s ein Soll-Verlauf für die Fahrkraft F bzw. die hiermit in Korrelation stehende Stromaufnahme I des Schließantriebs 4 vorgegeben ist, um ein sicheres Schließen zu gewährleisten. Es ist auch eine maximale Fahrkraft F_max angegeben, wie es sich aus 2 ergibt. Hierbei wird ein Toleranzbereich T_F bzw. T_I berücksichtigt, binnen dessen sich die entsprechenden Werte bewegen dürfen.
• Mit der nachfolgend beschriebenen Vorgehensweise wird erreicht, dass die CPU 6 - wie es für diese typisch ist - mit relativ geringer Speicherkapazität ausgestattet bleiben kann, gleichzeitig allerdings sichergestellt ist, dass im Falle einer Fehlfunktion eine schnelle Abschaltung des Schließantriebs 4 erfolgt.
• In der Maschinensteuerung 5 der Spritzgießmaschine ist, wie aus 2 ersichtlich, der zulässige Funktionsverlaufs für die Fahrkraft F (bzw. für die Stromaufnahme I) des Schließantriebs 4 über dem Schließweg s gespeichert, einschließlich des genannten Toleranzbandes (T_I/T_F).
• Die Maschinensteuerung 5 steht mit dem Schließantrieb 4 und namentlich mit dessen CPU 6 in Verbindung, wobei über einen Datenbus Daten übertragen werden können.
• In vorgegebenen Zeitintervallen oder für vorgegebene Positionen des Schließwegs s werden nun, wie es in 3 illustriert ist, Daten von der Maschinensteuerung 5 in die CPU übermittelt. Dabei ist in 3 angedeutet, dass gerade für eine erste Werkzeugposition S₁ sowie für eine um einen Betrag Δs nachfolgende zweite Werkzeugposition S₂ Daten von der Maschinensteuerung 5 in die CPU 6 übertragen werden. Im Ausführungsbeispiel werden dabei für die erste Werkzeugposition S₁ die maximal zulässige Fahrkraft F_max sowie die minimal vorgesehene Fahrkraft F_min übertragen, gleichermaßen auch die entsprechenden Werte F_max / F_min für die nachfolgende zweite Werkzeugposition S₂.
• In der CPU 6 wird aus den übertragenen vier Werten F_max (s1), F_min (s1), F_max (s2) und F_min (s2) an den beiden Positionen S₁ und S₂ der Teilabschnitt des Funktionsverlaufs durch lineare Interpolation bestimmt, wie es in 3 im Kästchen für die CPU 6 angedeutet ist. Der Vorteil ist, dass hierfür nur wenig Speicherkapazität benötigt wird und insbesondere nicht der komplette Funktionsverlauf vorliegen muss (wie dies in der Maschinensteuerung 5 der Fall ist).
• Der so durch Interpolation generierte Teilabschnitt des Funktionsverlaufs wird nun im Schließantrieb 4 zu Grunde gelegt, um im gegebenen Falle und namentlich bei einer Fehlfunktion eine schnelle Abschaltung des Schließantriebs 4 bewerkstelligen zu können. Hierfür ist nun lediglich die (hohe) Arbeitsgeschwindigkeit der CPU 6 des Servoantriebs maßgeblich und nicht die (relativ geringe) Arbeitsgeschwindigkeit der Maschinensteuerung 5.
• Nach einer vorgegebenen Taktzeit oder alternativ auch nach Erreichen einer späteren Werkzeugposition wird die beschriebene Datenübertragung und Generierung des Teilabschnitts des Funktionsverlaufs wiederholt, was sich über den gesamten Schließweg periodisch wiederholt, bis das Werkzeug vollständig geschlossen ist.
• Sollte sich während der Schließbewegung des Werkzeugs ergeben, dass die zulässige Toleranz für die Fahrkraft F überschritten wird, veranlasst die CPU 6 des Schließantriebs 4 einen unverzüglichen Stopp der Schließbewegung. Die hierfür maßgebliche Reaktionsgeschwindigkeit ergibt sich aus der Arbeitsgeschwindigkeit der CPU 6.
• Die CPU 6 des Schließantriebs 4 benötigt zur Durchführung der beschriebenen Vorgehensweise nur relativ wenig Speicherkapazität, so dass übliche Servoantriebe eingesetzt werden können. Dennoch wird die Reaktionszeit zum Stoppen in vorteilhafter Weise etwa um den Faktor 10 reduziert.
• Das Verfahren ist im Ausführungsbeispiel beschrieben, wobei eine obere und untere Toleranzgrenze für die Fahrkraft vorgegeben wird. Es kann natürlich alternativ auch vorgesehen werden, dass lediglich eine obere Grenze für die Fahrkraft F von der Maschinensteuerung 5 an die CPU 6 übertragen wird und diese lediglich überwacht, ob besagte Grenze überschritten wird (was dann im gegebenen Falle zum Stoppen der Fahrbewegung führt).
• Statt der Fahrkraft F kann auch die Stromaufnahme I des Motors überwacht werden, da zwischen diesen Größen eine Korrelation besteht.
• Bezugszeichenliste

1

Werkzeug

2

bewegliches Werkzeugteil

3

feststehendes Werkzeugteil

4

Schließantrieb

5

Maschinensteuerung

6

CPU (Central Processing Unit) des Schließantriebs

7

bewegliche Werkzeugaufspannplatte

8

feste Werkzeugaufspannplatte

9

Servomotor

10

Sensor

s

Schließweg / Fahrweg

So

offene Werkzeugposition

Sz

geschlossene Werkzeugposition

S1

erste Werkzeugposition

S2

zweite (nachfolgende) Werkzeugposition

F

Fahrkraft bei der Schließbewegung des Werkzeugs

I

Stromaufnahme des Schließantriebs bei der Schließbewegung des Werkzeugs

TF / TI

Toleranzbereich

• 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 102007043673 B4 [0002, 0016]

Claims (4)

1. Verfahren zum sicheren Schließen eines mindestens zweiteiligen Werkzeugs (1) in einer Maschine für die Verarbeitung von spritzgießfähigem Material, insbesondere in einer Spritzgießmaschine, bei dem ein Werkzeugteil (2) relativ auf ein anderes Werkzeugteil (3) über einen Schließhub mittels eines Schließantriebs (4) zu bewegt wird, wobei zumindest für einen Teil des Schließweges (s) des Werkzeugs (1) die Bestimmung oder Berechnung eines zulässigen Funktionsverlaufs für die Fahrkraft (F) oder für die Stromaufnahme (I) des Schließantriebs (4) oder für eine hiervon abgeleitete Größe, vorzugsweise unter Berücksichtigung eines Toleranzbandes (T_I/T_F), erfolgt, wobei der Funktionsverlauf für die Fahrkraft (F) oder für die Stromaufnahme (I) des Schließantriebs (4) oder für die hiervon abgeleitete Größe in einer Maschinensteuerung (5) gespeichert wird, wobei der Schließantrieb (4) als Servoantrieb ausgebildet ist und mit der Maschinensteuerung (5) in Verbindung steht, wobei der Servoantrieb eine CPU (Central Processing Unit, 6) aufweist, in der die von der Maschinensteuerung (5) übermittelten Daten verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden periodisch wiederholten Schritte aufweist: a) Übertragung eines Wertes der zulässigen Fahrkraft (F) oder Stromaufnahme (I) oder der hiervon abgeleiteten Größe für eine erste Position (S₁) sowie für eine nachfolgende zweite Position (S₂) des Schließweges (s) oder für eine weitere Position (S₁) sowie für eine nachfolgende weitere Position (S₂) des Schließweges (s) von der Maschinensteuerung (5) in die CPU (6); b) in der CPU (6): Berechnung des Funktionsverlaufs zwischen der ersten oder weiteren und zweiten oder nachfolgend weiteren Position durch Interpolation zwischen den beiden Funktionswerten der Fahrkraft (F) oder der Stromaufnahme (I) oder der hiervon abgeleiteten Größe; c) in der CPU (6): Überwachung der tatsächlichen Fahrkraft (F) oder der tatsächlichen Stromaufnahme (I) oder der tatsächlichen hiervon abgeleiteten Größe und Vergleich mit der aktuell zulässigen Fahrkraft (F) oder Stromaufnahme (I) oder der hiervon abgeleiteten Größe, die gemäß Schritt b) berechnet wurde; wobei die Abschaltung des Schließantriebs (4) erfolgt, sofern bei der Durchführung von Schritt c) der tatsächliche Wert der Fahrkraft (F) oder der Stromaufnahme (I) oder der hiervon abgeleiteten Größe, insbesondere unter Berücksichtigung des Toleranzbandes (T_I/T_F), über dem zulässigen Wert liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abruf der in der Maschinensteuerung (5) gespeicherten Daten des Funktionsverlaufs und deren Übermittlung an die CPU (6) gemäß Schritt a) von Anspruch 1 in einem Zeitabstand erfolgen, der zwischen 1 ms und 3 ms liegt, vorzugsweise zwischen 1,5 ms und 2,5 ms.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gemäß Schritt b) von Anspruch 1 durchgeführte Interpolation eine lineare Interpolation ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schritt a) gemäß Anspruch 1 neben den Daten für die zulässige Fahrkraft (F) oder Stromaufnahme (I) oder der hiervon abgeleiteten Größe auch zugehörige Daten für die zulässige Toleranz (T_I/T_F) übertragen werden.

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