DE10330193B3

DE10330193B3 - Spritzgießmaschine mit Kraftsensor

Info

Publication number: DE10330193B3
Application number: DE2003130193
Authority: DE
Inventors: Horst Giehl
Original assignee: Krauss Maffei Kunststofftechnik GmbH
Current assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2023-07-04
Also published as: WO2005002829A3; WO2005002829A2

Abstract

Beschrieben wird eine Spritzgießmaschine mit einem Kraftsensor (22) zur Bestimmung des auf die dreh- und linearangetriebene Schnecke (2) der Spritzgießmaschine ausgeübten Stau- und/oder Einspritzdrucks. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Kraftsensor (22) zwischen dem hinteren Ende der Schnecke (2) und der Antriebswelle (6) der Schnecke (2) angeordnet ist, dass ein mit der Schnecke (2) und/oder der Antriebswelle (6) mitrotierender Messwertverstärker (24) sowie ein mit der Schnecke (2) und/oder der Antriebswelle (6) mitrotierender Sender (25) vorgesehen sind und dass des Weiteren eine drehfeste Empfängereinheit (28) vorgesehen ist. Zur Messwertübertragung zwischen den rotierenden und gegebenenfalls auch axial bewegten Teilen und dem dreh- bzw. ortsfesten Empfänger (28) kann eine Funkübertragung vorgesehen werden. Zur Energieversorgung der rotierenden und gegebenenfalls auch axial bewegten Teile dienen beispielsweise mitrotierende Solarzellen (26), die von im Gehäuse (3) montierten Lichtquellen (27) bestrahlt werden. Die erfindungsgemäße Kraftmessung kann allgemein bei dreh- und linearangetriebenen Maschinenteilen vorgesehen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spritzgießmaschine mit einem Kraftsensor zur Bestimmung des auf die Schnecke der Spritzgießmaschine ausgeübten Stau- und/oder Einspritzdrucks.

Bei einer Spritzgießmaschine wird während des Plastifiziervorgangs von der Schnecke Kunststoffmaterial aufgeschmolzen und in den Schneckenvorraum gefördert. Wenn die Schnecke als Schubschnecke ausgebildet ist, mit der die Kunststoffschmelze in das Werkzeug der Spritzgießmaschine eingepritzt werden soll, wird die Schnecke während des Plastifiziervorgangs zunächst nach hinten und für das Einspritzen anschließend nach vorne bewegt. Während des Plastifiziervorgangs wird von der im Schneckenvorraum befindlichen Kunststoffschmelze ein sogenannter Staudruck auf die Schnecke ausgeübt, der im Kraftfluss zwischen der Schnecke und dem Schneckenantrieb zu einer geringen Verformung der im Kraftfluss befindlichen Bauteile führt. Aus dieser Verformung kann die auf die Schnecke ausgeübte Kraft und über den Querschnitt der Schnecke der Staudruck im Schneckenvorraum bestimmt werden. In gleicher Weise, allerdings um ein Vielfaches höher, führt der während des Einspritzens im Schneckenvorraum herrschende Einspritzdruck zu einer Verformung der im Kraftfluss befindlichen Bauteile, so dass durch Messung der Verformung die auf die Schnecke beim Einspritzen ausgeübte Kraft und über den Querschnitt der Schnecke der Einspritzdruck bestimmt werden kann.

Zur Bestimmung des Staudruckes ist es aus der EP 0 230 488 B2 bekannt, auf dem Gehäuse des Linearantriebs einen Dehnmessstreifen zu montieren, um aus der Verformung des Gehäuses und der damit einhergehenden Verformung der Dehnmessstreifen die auf die Schnecke beim Dosiervorgang ausgeübte Kraft zu bestimmen und daraus den Staudruck zu ermitteln.

Es ist ferner in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt, zur Bestimmung der auf die Schnecke ausgeübten Kraft einen Kraftsensor zwischen dem an der Schnecke angekoppelten Drehantrieb und dem die gesamte Einheit aus Drehantrieb und Schnecke axial verschieblichen Linearantrieb vorzusehen ( EP 0 331 735 B1 , EP 0 350 872 B1 , EP 0 967 064 B1 , US 6,309,203 B1 , DE 102 10 923 A1 , EP 1 152 687 A2 , EP 1 142 688 A1 ).

Bei einem Direktantrieb einer Schnecke, bei dem die Antriebswelle sowohl dreh- als auch linearangetrieben ist, wie dies beispielsweise in der DE 43 44 335 C2 beschrieben ist, kann der Kraftsensor nicht in der zuvor beschriebenen Art und Weise angeordnet werden. Stattdessen könnte gemäß der DE 101 14 006 A1 der Kraftsensor außen an einem sich verformenden Gehäuseteil angebracht werden oder die Schnecke ist als Hohlwelle ausgebildet und der Kraftsensor ist im Innern der Schnecke befestigt. Angaben über die Messwertübertragung sowie die Energieversorgung des im Innern der Schnecke befindlichen und damit mitrotierenden Kraftsensors sind der DE 101 14 006 A1 nicht zu entnehmen.

Die Dokumente DE 199 09 307 A1 und WO 01/28 752 A1 beschreiben allgemein die Verwendung von Sendern und Empfängern zur Übertragung von Daten bei Spritzgießmaschinen.

Da der Kraftfluss die höchste Dichte in der Schnecke aufweist, wird es als vorteilhaft angesehen, an oder in der Schnecke eine Kraftmessung vorzunehmen. Die Außenseite der Schnecke scheidet aus, das sie mit dem festen und dem später mehr und mehr aufgeschmolzenen Kunststoff in Kontakt ist, was eine Beschädigung des Kraftsensors zur Folge hätte. Die zuvor geschilderte Variante gemäß der DE 101 14 006 A1 mit der als Hohlwelle ausgebildeten Schnecke ist vergleichsweise aufwändig zu realisieren und dürfte aus Kostengründen nur selten in Erwägung gezogen werden.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Spritzgießmaschine anzugeben, bei der der Stau- und/oder Einspritzdruck (allgemein der Druck im Schneckenvorraum) sowohl mit hoher Präzision als auch auf vergleichsweise einfache Art und Weise bestimmt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Spritzgießmaschine mit den Merkmalen von Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen finden sich in den Unteransprüchen. Da der Erfindungsgedanke nicht auf die Messung des Stau- und Einspritzdrucks bei einer Spritzgießmaschine beschränkt ist, sondern prinzipiell auch bei anderen dreh- und linearangetriebenen Maschinenteilen zur Anwendung kommen kann, sind diesbezügliche nebengeordnete Ansprüche 15 bis 25 vorgesehen.

Dadurch, dass der Kraftsensor zwischen dem hinteren Ende der Schnecke und der Antriebswelle der Schnecke angeordnet ist, ist dieser einfach zu montieren und – im Gegensatz zu Kraftsensoren im Innern der Schnecke – leicht zugänglich. Zur Auswertung der Signale sind weiters ein mit der Schnecke bzw. der Antriebswelle mitrotierender Messwertverstärker sowie ein mit der Schnecke bzw. der Antriebswelle mitrotierender Sender vorgesehen. Der Messwertempfänger kann drehfest, insbesondere ortsfest an einem Gehäuseteil vorgesehen sein.

Zur Übertragung der Messwerte von dem rotierenden Sender auf den ruhenden Empfänger können prinzipiell Schleifring- oder Induktivübertrager vorgesehen werden. Sowohl Schleifring- als auch Induktivübertrager sind für Rotationsbewegungen ausgelegt. Wenn allerdings auch Axialbewegungen zwischen dem Sender an der Schnecke bzw. der Antriebswelle und dem ruhenden Empfänger erfolgen, wie dies beispielsweise bei einem Antrieb gemäß DE 43 44 335 C2 der Fall wäre, bieten sich berührungslose Übertragungsverfahren an, wie beispielsweise Infrarot- oder Funkübertragungsverfahren. Typische Funkübertragungsfrequenzen liegen bei 433 MHz, 868 MHz und neuerdings auch im 2,4 GHz-Band (Bluetooth).

Zur Energieversorgung der drehenden Teile wie Kraftsensor, Messwertverstärker und Sender können, sofern keine axiale Bewegungen dieser Teile erfolgen sollen, die oben erwähnten Schleifring- und Induktivübertrager vorgesehen werden.

Um unabhängig davon zu sein, ob nur eine Drehbewegung oder zusätzlich auch eine axiale Relativbewegung zwischen den rotierenden Teilen der Messeinrichtung und den ortsfesten Teilen vorliegt, können zur Energieversorgung mitrotierende Solarzellen vorgesehen werden, die von ortsfesten Lichtquellen bestrahlt werden.

In einer vergleichsweise einfachen Ausgestaltung ist vorgesehen, das der Kraftsensor an der Kupplung zwischen dem hinteren Ende der Schnecke und der Antriebswelle angeordnet ist und dass auf dieser Kupplung eine Scheibe angebracht wird, auf der die weiteren rotierenden Teile wie Messwertverstärker, Sender und Solarzellen befestigt sind. Der Empfänger für die Messwerte und die Lichtquellen für die Solarzellen können an geeigneten Stellen ortsfest im Gehäuse untergebracht werden.

Es kann also eine Messkette aufgebaut werden, bei der sowohl die Messwertübertragung als auch die Energiezuführung berührungslos erfolgt. Damit ist man in der Anbringung des Empfängers völlig frei, d.h. es spielt keine Rolle, ob zwischen dem Empfänger und dem Sender eine rotatorische und/oder translatorische Relativbewegung erfolgt. Ebenso ist man in der Energieversorgung von solchen Relativbewegungen zwischen der Energiequelle und dem Verbraucher unabhängig, wenn die Energieversorgung mit mitrotierenden Solarzellen erfolgt, die von ortsfesten Lichtquellen bestrahlt werden.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die 1 und 2 näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 Plastifizier- und Einspritzeinheit einer Spritzgießmaschine mit Direktantrieb der Schnecke;
2 Prinzipschaltbild für die erfindungsgemäße Kraftmessung
Die 1 zeigt die rückwärtigen Teilstücke des Schneckenzylinders 1 und der darin gelagerten Schnecke 2 einer ansonsten nicht näher dargestellten Spritzgießmaschine. Der Schneckenzylinder 1 ist in einem Gehäuse 3 angeordnet, an dem ein erster 4 und ein zweiter Hohlwellenmotor 5 befestigt sind. Die Schnecke 2 ist über eine Kupplung 20 mit einer Bewegungsspindel 6 als Antriebswelle der Schnecke fest verbunden, wobei die Bewegungsspindel 6 in einer Spindelmutter 7 geführt ist. Es handelt sich dabei um einen Kugelspindelantrieb. Die Spindelmutter 7 ist die Hohlwelle des ersten Hohlwellenmotors 4, die mittels einer Axiallagerung 8 direkt im Motorgehäuse abgestützt ist. In einer mit Axialnuten 9 versehenen Ausnehmung 10 der Bewegungsspindel 6 ragt ein Antriebszapfen 11, der ebenfalls mit Axialnuten 12 versehen ist und somit mit der Bewegungsspindel 6 drehfest, aber axial verschieblich gekoppelt ist. Der Antriebszapfen 11. ist mit der Hohlwelle 13 des zweiten Hohlwellenmotors 5 fest verbunden, die den Antriebszapfen 11 unter Freilassung eines Ringraumes 14 umgibt. Die Hohlwelle 13 ist mittels einer Axiallagerung 15 direkt im Motorgehäuse abgestützt. Die Hohlwellenmotoren 4 und 5 sind Transversalflußmotoren mit zylindrischen Magneten 16 und 17, die jeweils beidseitig von Wicklungen 18 und 19 umgeben sind.
Im Betrieb führt die Schnecke 2 prinzipiell zwei Bewegungen aus. Beim Einspritzen wird die Schnecke axial nach vorne geschoben und rotiert nicht. Beim Plastifizieren rotiert die Schnecke 2 und wird durch das aufplastifizierte und in den Schneckenvorraum (hier nicht dargestellt) geförderte Material axial nach hinten geschoben. Dabei wird eine definierte Gegenkraft (Staudruck) aufgebracht.
Beim Einspritzen und Plastifizieren werden die Hohlwellenmotoren 4 und 5 wie folgt betrieben:
Einspritzen: Der erste Hohlwellenmotor 4 dreht die Spindelmutter 7 und die Schnecke 2 wird axial (in der 1 nach links) verschoben. Der zweite Hohlwellenmotor 5 bleibt drehfest stehen.
Plastifizieren: Der zweite Hohlwellenmotor 5 dreht die Schnecke 2 über den Antriebszapfen 11 mit der erforderlichen Plastifizierdrehzahl. Der erste Hohlwellenmotor 4 dreht mit annähernd gleicher Drehzahl wie der zweite Hohlwellenmotor 5. Aus der Drehzahldifferenz ergibt sich die Rücklaufgeschwindigkeit der Schnecke 2.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Kraftmessung ist in dem Freiraum 21 untergebracht. Zwischen der Kupplung 20 und der Antriebswelle 6 ist ein Kraftsensor 22 angeordnet, zum Beispiel ein Kraftaufnehmer mit Dehnmeßstreifen. Eine auf der Kupplung 20 angebrachte Scheibe 23 dient zur Montage eines Verstärkers 24 sowie eines Senders 25 zur Übertragung der Messwerte des Kraftsensors 22. Desweiteren sind auf der Scheibe 23 Solarzellen 26 angebracht, die von ortsfesten Lichtquellen 27 bestrahlt werden und zur Energieversorgung von Kraftsensor 22, Verstärker 24 und Sender 25 dienen. An einer Innenewand des Gehäuses 3 befindet sich eine Empfängereinheit 28, bestehend aus dem eigentlichen Empfänger 29 und einer Steuerung 30, die über Leitungen vom Typ RS232, RS485 oder ähnlicher Art miteinander verbunden sind. Optional kann ein D/A-Wandler 31 vorgesehen werden. An der Schneckenkupplung 20 sind somit dreh- und verschiebbar befestigt: Kraftsensor 22, Verstärker und A/D-Wandler 24, Sender 25 sowie die Solarzellen 26. Demgegenüber sind ortsfest im Gehäuse 3 angebracht: Empfänger 29 mit Steuerung 30 sowie die Lichtquellen 27. Die Energieversorgung der ortsfesten Teile in der Empfängereinheit 28 kann in herkömmlicher Weise drahtgebunden erfolgen.
Die Messung des Staudrucks und des Einspritzdrucks erfolgt wie nachfolgend beschrieben. Da sich der Kraftsensor 22 im Kraftfluß zwischen der Schnecke 2 und der Antriebswelle 6 befindet, wird zum Beispiel bei einem mit Dehnmeßstreifen ausgestatteten Kraftsensor 22 aufgrund des Staudrucks bzw. des Einspritzdrucks eine Dehnung erfolgen. Dieses Messsignal wird von dem Verstärker und A/D-Wandler 24 in ein elektrisches Signal umgewandelt, über eine Leitung vom Typ RS232 an den Sender 25 weitergegeben und von diesem per Funk an den ortsfesten Empfänger 29 übertragen. Von dort wird das Signal an die Steuerung 30 weitergeleitet und ausgewertet, zum Beispiel der Maschinensteuerung zugeleitet, um es dort weiterzuverarbeiten (mit zum Beispiel Datenverarbeitungsprogrammen zur Steuerung des Plastifizier- und Einspritzvorgangs). Zur Funkübertragung können typische Frequenzen wie 433 MHz, 868 MHz oder der BlueTooth-Standard im 2,4 GHz-Band verwendet werden.
Die Datenübertragung zwischen Sender 25 und Empfänger 29 kann auch bidirektional ausgebildet sein, so dass zum Beispiel von der Empfängereinheit 28 Signale zur Nullpunktseinstellung des Kraftsensors 22 an den Sender 25 übertragen und von dort an den Kraftsensor 22 weitergegeben werden können.

1: Schneckenzylinder
2: Schnecke
3: Gehäuse
4: Erster Hohlwellenmotor
5: Zweiter Hohlwellenmotor
6: Bewegungsspindel (Antriebswelle)
7: Spindelmutter
8: Axiallagerung
9: Axialnuten
10: Ausnehmung
11: Antriebszapfen
12: Axialnuten
13: Hohlwelle des zweiten Hohlwellenmotors 5
14: Ringraum
15: Axiallagerung
16: Zylindrischer Magnet
17: Zylindrischer Magnet
18: Wicklung
19: Wicklung
20: Kupplung zwischen Schnecke und Antriebswelle
21: Freiraum
22: Kraftsensor
23: Scheibe
24: Verstärker
25: Sender
26: Solarzellen
27: Lichtquellen
28: Empfängereinheit
29: Empfänger
30: Steuerung
31: D/A-Wandler

Claims

Spritzgießmaschine mit einem Kraftsensor (22) zur Bestimmung des auf die Schnecke (2) der Spritzgießmaschine ausgeübten Stau- und/oder Einspritzdrucks, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (22) zwischen dem hinteren Ende der Schnecke (2) und der Antriebswelle (6) der Schnecke (2) angeordnet ist, dass ein mit der Schnecke (2) und/oder der Antriebswelle (6) mitrotierender Messwertverstärker (24) sowie ein mit der Schnecke (2) und/oder der Antriebswelle (6) mitrotierender Sender (25) vorgesehen sind und dass eine drehfeste Empfängereinheit (28) vorgesehen ist.
Spritzgießmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem hinteren Ende der Schnecke (2) und der Antriebswelle (6) eine Kupplung (20) vorgesehen ist und dass der Kraftsensor (22) auf der Seite der Antriebswelle (6) oder auf der Seite der Schnecke (2) angeordnet ist.
Spritzgießmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Schnecke (2) bzw. der Antriebswelle (6) mitrotierende Scheibe (23) vorgesehen ist und dass der Messwertverstärker (24) und/oder der Sender (25) auf der Scheibe (23) befestigt sind.
Spritzgießmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (23) auf der Kupplung (20) montiert ist.
Spritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messwertübertragung zwischen Sender (25) und Empfänger (29) Schleifring- oder Induktivübertrager vorgesehen sind.
Spritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messwertübertragung zwischen Sender (25) und Empfänger (29) Infrarot- oder Funkübertrager vorgesehen sind.
Spritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Energieversorgung von Kraftsensor (22), Messwertverstärker (24) und Sender (25) Schleifring- und/oder Induktivübertrager und/oder Batterien vorgesehen sind.
Spritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Energieversorgung von Kraftsensor (22), Messwertverstärker (24) und Sender (25) mitrotierende Solarzellen (26) vorgesehen sind.
Spritzgießmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestrahlung der Solarzellen (26) drehfeste Lichtquellen (27) vorgesehen sind.
Spritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Kraftsensor (22) eine Standard-Kraftmessdose oder ein Bauteil mit aufgeklebten Dehnmessstreifen vorgesehen ist.
Spritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messwertübertragung der Bluetooth-Standard vorgesehen ist und dass weiters eine bidirektionale Datenübertragung vorgesehen ist.
Spritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (28) ortsfest an einer Innenwand des Gehäuses (3) montiert ist.
Spritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (7) der Schnecke (2) ausschließlich drehangetrieben ist und dass ein separater Linearantrieb für die Axialbewegung der Schnecke (2) vorgesehen ist.
Spritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (7) der Schnecke (2) sowohl dreh- als auch linearangetrieben ist.
Vorrichtung zur Messung der auf ein dreh- und linearangetriebenes Maschinenteil ausgeübten Kraft, mit einem an dem dreh- und linearangetriebenen Maschinenteil angeordneten und sich mitdrehenden Kraftsensor (22), dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Maschinenteil mitrotierender Messwertverstärker (24) sowie ein mit dem Maschinenteil mitrotierender Sender (25) vorgesehen sind und dass eine drehfeste Empfängereinheit (28) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das dreh- und linearangetriebene Maschinenteil aus wenigstens zwei Teilen besteht und der Kraftsensor (22) zwischen zwei Teilen angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Maschinenteil mitrotierende Scheibe (23) vorgesehen ist und dass der Messwertverstärker (24) und/odere der Sender (25) auf der Scheibe (23) befestigt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messwertübertragung zwischen Sender (25) und Empfänger (28) Schleifring- oder Induktivübertrager vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messwertübertragung zwischen Sender (25) und Empfänger (28) Infrarot- oder Funkübertrager vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass für die Energieversorgung der mitrotierenden Teile wie Kraftsensor (22), Messwertverstärker (24) und Sender (25) Schleifring- und/oder Induktivübertrager und/oder Batterien vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass für die Energieversorgung der mitrotierenden Teile mitrotierende Solarzellen (26) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestrahlung der Solarzellen (26) drehfeste Lichtquellen (27) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (27) an einem das Maschinenteil umgebenden Gehäuse befestigt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass als Kraftsensor (22) eine Standard-Kraftmessdose oder ein Bauteil mit aufgeklebten Dehnmessstreifen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messwertübertragung der Bluetooth-Standard vorgesehen ist und dass weiters eine bidirektionale Datenübertragung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (28) ortsfest an dem das Maschinenteil umgebende Gehäuse (3) montiert ist.