DE202006021039U1

DE202006021039U1 - Einrichtung zum Regeln einer Spritzgießmaschine

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Publication number: DE202006021039U1
Application number: DE202006021039U
Authority: DE
Original assignee: Engel Austria GmbH
Current assignee: Engel Austria GmbH
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2012-01-30
Anticipated expiration: 2016-06-20
Also published as: US7381043B2; US20070065531A1; DE102006028094A1; AT8679U1

Abstract

Einrichtung zum Regeln einer Spritzgießmaschine mit einem Kniehebelmechanismus zum Bewegen der beweglichen Formaufspannplatte, wobei der Kreuzkopf des Kniehebelmechanismus von einer Antriebsvorrichtung angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Regeln als Kaskadenregler aufgebaut ist, wobei der Folgeregelkreis (innerer Regelkreis (11)) ein Kraftregler ist, der den von einem Führungsregelkreis gelieferten Kraft-Sollwert (FH,ref) mit einem von einer Kraftmesseinrichtung (14) an der Antriebsvorrichtung (5, 6) erfassten Kraft-Istwert (FH) vergleicht und eine Stellgröße(n) an die Antriebsvorrichtung (5, 6) ausgibt, und wobei der Führungsregelkreis (äußerer Regelkreis (9)) ein Trajektorienfolgeregler ist, der in Abhängigkeit von einer gespeicherten oder generierten Referenztrajektorie (xC,ref, ẋC,ref, ẍC,ref) für den Kreuzkopf einerseits einem von einer Wegmesseinrichtung (12) am Kreuzkopf (4) erfassten Weg- und/oder Geschwindigkeits-Istwert (xC, ẋC) andererseits den Kraft-Sollwert (FH,ref) für den Folgeregelkreis ermittelt und ausgibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Regeln einer Spritzgießmaschine mit einem Kniehebelmechanismus zum Bewegen der beweglichen Formaufspannplatte, wobei der Kreuzkopf des Kniehebelmechanismus von einer Antriebsvorrichtung angetrieben ist.
Um eine Spritzgießmaschine derart zu regeln, dass sie kurze Zykluszeiten aufweist, kann man in einem ersten Schritt eine zeitoptimierte Bewegungstrajektorie für den Kreuzkopf des Kniehebelmechanismus ermitteln und diese Referenztrajektorie dann abspeichern. Wenn man einmal diese Referenztrajektorie hat, besteht die Aufgabe darin, eine Regeleinrichtung zu schaffen, die sicherstellt, dass der Kreuzkopf bei der in Betrieb befindlichen Spritzgießmaschine in den laufend aufeinander folgenden Zyklen tatsächlich der vorher gespeicherten bzw. berechneten Referenztrajektorie folgt.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Einrichtung zum Regeln als Kaskadenregler aufgebaut ist, wobei der Folgeregelkreis (innerer Regelkreis) ein Kraftregler ist, der den von einem Führungsregelkreis gelieferten Kraft-Sollwert mit einem von einer Kraftmesseinrichtung an der Antriebsvorrichtung erfassten Kraft-Istwert vergleicht und eine Stellgröße an die Antriebsvorrichtung ausgibt, und wobei der Führungsregelkreis (äußerer Regelkreis) ein Trajektorienfolgeregler ist, der in Abhängigkeit von einer gespeicherten oder generierten Referenztrajektorie für den Kreuzkopf einerseits einem von einer Wegmesseinrichtung am Kreuzkopf erfassten Weg- und/oder Geschwindigkeits-Istwert andererseits den Kraft-Sollwert für den Folgeregelkreis ermittelt und ausgibt.
Da die Problematik insgesamt nichtlinear ist (einerseits wegen des variierenden Übersetzungsverhältnisses zwischen Kreuzkopf und beweglicher Formaufspannplatte und andererseits wegen der Nichtlinearitäten in der Antriebsvorrichtung) wurden bereits Reglerkonzepte auf der Basis der Eingangs-/Ausgangs-Linearisierung (Feedback Linearization) vorgeschlagen. (B. Bona, C. Giacomello, C. Greco, M. Malandra. Position control of a plastic injection moulding machine via feedback linearization, Proceedings of the 31st IEEE Conference an Decision and Control, vol. 3, pp. 2591–2593, 1992; R. F. Fung. Motion control of an electrohydraulic actuated toggle mechanism, Mechatronics, vol. 11, pp. 939–945, 2001.) Theoretische Abhandlungen zur Eingangs-/Ausgangs-Linearisierung und zum Output Tracking finden sich in A. Isidori. Nonlinear control systems, Springer, London, 1991.
Beim Stand der Technik wird das Gesamtsystem (Antriebsvorrichtung und Kniehebelsystem) E/A-linearisiert. Durch die erfindungsgemäße Kaskadenstruktur ist eine einfachere Inversion der Teilsysteme (Antriebsvorrichtung einerseits, und Trajektorienverfolgung des Kniehebelsystems andererseits) möglich. Man kommt damit mit weniger komplexen Reglergleichungen für die Berechnung der jeweiligen Stellgrößen aus.
Ein weiterer Vorteil der Kaskadierung besteht darin, dass die Referenztrajektorien lediglich bis zur zweiten Ableitung (Referenzbeschleunigung) vorliegen müssen. Wird das Gesamtsystem linearisiert, ist auch die dritte Ableitung (Referenzruck) nötig.
Durch die Kaskadierung ist das erfindungsgemäße Reglerkonzept sowohl für elektromechanische als auch für elektrohydraulisch angetriebenen Kniehebel verwendbar. Es muss lediglich der innere Regelkreis (Folgeregelkreis) ausgetauscht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Führungsregelkreis (äußerer Regelkreis) eine Regelstrecke mit integrierendem Charakter aufweist.
Beim Stand der Technik besitzt die Trajektorienfolgeregelung keinen integrierenden Charakter. Eine stationäre Genauigkeit der Endpositionen kann damit dort – im Gegensatz zur genannten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung – nicht gewährleistet werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert.
Die 1 zeigt die schematische Schließseite einer Kniehebel-Spritzgießmaschine samt einer schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Regeln.
Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung in einem schematischen Blockschaltbild.
Die 3 zeigt Details des Führungsregelkreises (äußeren Regelkreises).
Die 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Führungsregelkreises (innerer Regelkreis) zur Regelung einer elektrohydraulisch angetriebenen Kniehebel-Spritzgießmaschine.
Die 5 zeigt dieselbe Darstellung für eine elektromechanisch angetriebene Kniehebel-Spritzgießmaschine.
Bei der in 1 dargestellten Spritzgießmaschine ist lediglich die Schließseite dargestellt. Die Spritzseite kann nach dem Stand der Technik aufgebaut sein. Die Schließseite weist eine feste Formaufspannplatte 1, eine bewegliche Formaufspannplatte 2 sowie einen Kniehebelmechanismus 3 auf, der die bewegliche Formaufspannplatte 2 antreibt. Der Kreuzkopf 4 des Kniehebelmechanismus 3 wird dabei von einer hydraulischen Kolben-Zylinder-Einheit 5 angetrieben. Die unter Druck p_A, p_B stehende Hydraulikflüssigkeit wird dabei von einem Hydraulikkreis 6 bereitgestellt, der vorzugsweise eine elektrisch angetriebene Hydraulikpumpe sowie mindestens ein Proportionalventil umfasst. Soweit entspricht die Anordnung im Wesentlichen dem Stand der Technik.
Erfindungsgemäß ist nun eine Regeleinrichtung (implementiert in der elektronischen Datenverarbeitungsanlage 7 der Maschinensteuerung) vorgesehen, die den Kreuzkopf 4 dazu veranlasst, einer vorab gespeicherten Referenztrajektorie zu folgen. Diese Referenztrajektorie kann beispielsweise offline berechnet worden sein, um in möglichst kurzer Zykluszeit unter Einhaltung von Restriktionsgrößen (wie der maximalen Geschwindigkeit und Beschleunigung von Kreuzkopf und beweglicher Formaufspannplatte) den Kreuzkopf zu bewegen. Die Referenztrajektorie kann beispielsweise in Form der Kreuzkopfposition als Funktion der Zeit abgespeichert sein, wobei es beispielsweise möglich ist, die Werte in Millisekunden-Schritten in einem Speicher abzulegen. Grundsätzlich könnten die für die Regelung nötigen Ableitungen aus diesen Werten immer aktuell berechnet werden. Es ist aber auch möglich, die Ableitungen der Referenztrajektorie ebenfalls als Funktion der Zeit abzuspeichern, um diese für die Regelung unmittelbar parat zu haben.
Die 2 zeigt nun den erfindungsgemäßen kaskadierten Aufbau der Regelung. Die Referenztrajektorie für den Kreuzkopf ist in einem Speicher 8 gespeichert. Der äußere Regelkreis 9 ist als Trajektorienfolgeregler ausgebildet, der in Abhängigkeit von der gespeicherten Referenztrajektorie für den Kreuzkopf einerseits und einem über die Leitung 10 transportierten Weg und/oder Geschwindigkeits-Istwert, den Kraft-Sollwert F_H,ref ermittelt und an den inneren Regelkreis 11 ausgibt. Der Weg- und/oder Geschwindigkeits-Istwert wird dabei von einer Wegmesseinrichtung 12 am Kniehebelsystem 3 erfasst. Diese Wegmesseinrichtung ist schematisch auch in 1 eingezeichnet.
Die 2 zeigt weiters den inneren Regelkreis 11, der als Kraftregler ausgebildet ist. Er stellt sicher, dass der Aktor (das ist die elektromechanische Antriebsvorrichtung 5, 6) tatsächlich den vom äußeren Regelkreis vorgegebenen Kraft-Sollwert F_H,ref auf das Kniehebelsystem bzw. genauer gesagt auf dessen Kreuzkopf 4 ausübt. Der innere Regelkreis erhält über die Istwert-Leitung 13 einen von Drucksensoren 14 erfassten Kraft-Istwert bzw. die dementsprechenden Druckwerte. Außerdem wird dem inneren Regelkreis 11 über die Istwert-Leitung 10 ein Weg- und/oder Geschwindigkeits-Istwert zugeführt.
Das unter (Vernachlässigung der Kinematik und Dynamik der Hebel des Kniehebelsystems vereinfachte) linearisierende Regelgesetz lautet:
wobei m_B die Masse der beweglichen Formaufspannplatte ist, m_C die Masse des Kreuzkopfes ist, i_KH das Übersetzungsverhältnis des Kniehebelmechanismus ist, x_C die Kreuzkopfposition ist und v den fiktiven Eingang darstellt.
Gegebenenfalls kann die Kreuzkopfmasse in obiger Gleichung vernachlässigt werden (m_C = 0), sofern die Regelfehler als akzeptierbar empfunden wird.
Des weiteren ist es vorteilhaft, die Schließkraft mit zu berücksichtigen. Aus diesem Grund wird die obige Gleichung im Schließkraftbereich (d. h. während sich die Platten berühren) um den Term
erweitert. Dieser repräsentiert einen auf den Kreuzkopf bezogenen linearen Schließkraftverlauf in Abhängigkeit der Federauslenkung Δx_B (entspannte Lage entspricht der Plattenberührung) mit C_g als Gesamtfedersteifigkeit des Kniehebelsystems.
Um eine stationäre Genauigkeit der Endposition der beweglichen Formaufspannplatte zu erreichen, ist es günstig, den äußeren Regelkreis (Führungsregelkreis/Trajektorienfolgeregelkreis) durch eine Integration des Regelfehlers e = x_C – x_C,ref zu erweitern. Damit hat der lineare Regler die Form v = ẍ_C,ref – k₀e – k₁ė – K₁∫edt, wobei k₀, k₁ und K₁ konstante Koeffizienten darstellen.
Zur Umsetzung dessen kann der Führungsregelkreis, wie in 3 gezeigt, ausgebildet sein. Der äußere Regelkreis weist neben dem PD-Anteil einen Integralanteil 9a mit integrierendem Charakter auf, um die obige Größe v zu ermitteln.
Mittels Eingans-/Zustands-Linearisierung wird auf der Reglerstrecke 18 der gewünschte Kraft-Sollwert F_H,ref erzeugt, wobei trotz der hochgradigen Nichtlinearität lineare Regler verwendet werden können. Die Grundidee der Eingangs-/Zustands- bzw. Eingangs/Ausgangs-Linearisierung (E/Z bzw. E/A-Linearisierung) eines nichtlinearen Systems besteht darin, ein linearisierendes Reglergesetz durch algebraische Umformung der Zustandsgleichungen zu erhalten, sodass durch Vorschaltung dieses Gesetzes ein lineares System entsteht. Auf das so linearisierte System können anschließend lineare Regelungsentwürfe angewandt werden. Die E/Z- bzw. E/A-Linearisierung ist an sich bereits bekannt (siehe A. Isidori. Nonlinear control systems, Springer, London, 1991; J.-J. Slotine. Applied nonlinear control, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N. J., 1991.), sodass darauf nicht näher eingegangen werden muss.
Wie aus 3 schön ersichtlich ist, dient der innere Regelkreis 11 dazu, den dem Kniehebelsystem 3 zugeführten Kraftwert F_H auf dem vom äußeren Regelkreis vorgegebenen Sollwert für die Kraft F_H,ref zu halten.
Im Detail ist dieser innere Regelkreis für eine elektrohydraulische Spritzgießmaschine in 4 dargestellt. Der innere Regelkreis weißt eine Eingangs-/Ausgangs-Linearisierung 15 auf.
Das E/A-linearisierende Regelgesetz, das als Eingang den fiktiven Eingang v und die gemessenen Drücke p_A, p_B sowie die Kreuzkopfposition x_C und -geschwindigkeit ẋ_C benötigt, linearisiert das nichtlineare Hydrauliksystem. Ein vorgeschalteter linearer Kraftregler (z. B. ein P-Regler) liefert den fiktiven Eingang v = k_H(F_H,ref – F_H).
Es kann auch ein anderes lineares Regelgesetz verwendet werden. Eine Möglichkeit ist beispielsweise auch Ḟ_H im äußeren Regelkreis zu berechnen und diesen dann als Vorsteuerung der fiktiven Größe für den Regler dazuzurechnen.
Für die Durchführung der E/A-Linearisierung sind des weiteren der Systemdruck, der Tankdruck (die beide i. A. als konstant angenommen bei deren Messung jedoch auch zurückgeführt werden können) sowie die Durchflusskennlinien des Proportionalventils in Abhängigkeit der Ventilkolbenauslenkung bei konstantem Nominaldruck erforderlich.
Durch die geeignete Wahl bzw. Umformung des E/A-linearisierenden Regelgesetzes kann zwischen den verschiedenen Operationsmodi einer Spritzgießmaschine unterschieden werden. Diese beinhalten Formöffnen, Formschließen ohne Eilgangschaltung und Formschließen mit Eilgangschaltung.
Die 5 zeigt den inneren Regelkreis für eine elektromechanisch angetriebene Spritzgießmaschine. In diesem Fall kann der äußere Regelkreis im Wesentlichen gleich bleiben. Der Unterschied besteht darin, dass anstelle der Hydraulik ein Servomotor 16 zum Einsatz kommt, der von einem Servomotorregler 17 angesteuert wird. Den Kraftwerten bei der elektrohydraulischen Ausführung entsprechen hier Drehmomentwerte, wobei der in der vorliegenden Beschreibung verwendete Ausdruck „Kraft” weit zu sehen ist und auch Kraftkorrelierte Größen wie beispielsweise das „Drehmoment” umfassen soll.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Zahlreiche Abwandlungen und Alternativen im Rahmen der Patentansprüche sind durchaus denkbar und möglich. Es ist auch zu erwähnen, dass die Begriffe „Kniehebelmechanismus” und „Kreuzkopf” sehr weit zu sehen sind. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung sind darunter allgemein mechanische Systeme zu verstehen, die ein variables Übersetzungsverhältnis aufweisen. Der Kreuzkopf wird typischerweise linear bewegt. Es sind aber auch rotatorische Bewegungen möglich, beispielsweise ein Schubkurbelantrieb. Dort entspricht dann der rotatorisch bewegte Gelenkpunkt der Schubkurbel dem Kreuzkopf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

B. Bona, C. Giacomello, C. Greco, M. Malandra. Position control of a plastic injection moulding machine via feedback linearization, Proceedings of the 31st IEEE Conference an Decision and Control, vol. 3, pp. 2591–2593, 1992 [0004]
R. F. Fung. Motion control of an electrohydraulic actuated toggle mechanism, Mechatronics, vol. 11, pp. 939–945, 2001 [0004]
A. Isidori. Nonlinear control systems, Springer, London, 1991 [0004]
A. Isidori. Nonlinear control systems, Springer, London, 1991; J.-J. Slotine. Applied nonlinear control, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N. J., 1991 [0025]

Claims

Einrichtung zum Regeln einer Spritzgießmaschine mit einem Kniehebelmechanismus zum Bewegen der beweglichen Formaufspannplatte, wobei der Kreuzkopf des Kniehebelmechanismus von einer Antriebsvorrichtung angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Regeln als Kaskadenregler aufgebaut ist, wobei der Folgeregelkreis (innerer Regelkreis (11)) ein Kraftregler ist, der den von einem Führungsregelkreis gelieferten Kraft-Sollwert (F_H,ref) mit einem von einer Kraftmesseinrichtung (14) an der Antriebsvorrichtung (5, 6) erfassten Kraft-Istwert (F_H) vergleicht und eine Stellgröße(n) an die Antriebsvorrichtung (5, 6) ausgibt, und wobei der Führungsregelkreis (äußerer Regelkreis (9)) ein Trajektorienfolgeregler ist, der in Abhängigkeit von einer gespeicherten oder generierten Referenztrajektorie (x_C,ref, ẋ_C,ref, ẍ_C,ref) für den Kreuzkopf einerseits einem von einer Wegmesseinrichtung (12) am Kreuzkopf (4) erfassten Weg- und/oder Geschwindigkeits-Istwert (x_C, ẋ_C) andererseits den Kraft-Sollwert (F_H,ref) für den Folgeregelkreis ermittelt und ausgibt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsregelkreis (äußerer Regelkreis (9)) eine Regelstrecke (9a) mit integrierendem Charakter aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsregelkreis (äußerer Regelkreis (9)) einen linearen Regler aufweist, der eine mittels Eingangs-/Zustands-Linearisierung linearisierte Strecke (14) ausregelt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Folgeregelkreis (innerer Regelkreis) einen linearen Regler aufweist, der eine mittels Eingangs-/Ausgangs-Linearisierung linearisierte Strecke (15) ausregelt.
Spritzgießmaschine mit einer Einrichtung zum Regeln nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Spritzgießmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung für den Kreuzkopf (4) eine elektrohydraulische Antriebsvorrichtung (5, 6) ist.
Spritzgießmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung für den Kreuzkopf eine elektromechanische Antriebsvorrichtung ist.