DE2148917B2

DE2148917B2 - Vorrichtung zur optimierenden Einstellung der Drehzahl einer drehbaren und axial verschiebbaren PIastifizierschnecke einer Kunststoffspritzgießmaschine

Info

Publication number: DE2148917B2
Application number: DE2148917A
Authority: DE
Inventors: Carlton Yu-Wei Ma; John William Peter
Original assignee: Milacron Inc
Current assignee: Milacron Inc
Priority date: 1970-10-22
Filing date: 1971-09-30
Publication date: 1974-08-01
Also published as: AU454567B2; CA957809A; GB1360684A; IT940021B; AT321563B; DE2148917C3; SE377903B; JPS5261B1; AU3402471A; FR2113051A5; DE2148917A1; US3721512A; CH530258A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optimierenden Einstellung der Drehzahl einer drehbaren und axial verschiebbaren Plastifizierschnecke einer Kunststoff-Spritzgießmaschine in Abhängigkeit von vorgegebenen Werten und von im vorangegangenen Arbeitsvorgang ermittelten Druck- und Zeitwerten.

Es sind bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrohydraulischen bzw. pneumohydraulischen Steuerung von hydraulischen Antrieben einer Kunststoffverarbeitungsmaschine, insbesondere einer Spritzgießmaschine, bekannt. Gemäß diesem bekannten Verfahren bzw. Vorrichtung gelangt ein elektrischer, insbesondere elektronischer Programmgeber zur Anwendung, um Signale auszugeben wie beispielsweise für den Förderstrom, den Druck, den Weg oder die Zeit und für den Arbeitsablauf wie beispielsweise das Bewegen von Arbeitskolben, -zylindern oder rotarisch arbeitenden hydraulischen Motoren zum Öffnen und Schließen von Formen, zum Plastifizieren des Materials, zum Einspritzen des plastifizierten Materials in die Form und zur Erzeugung von Hilfsbewegungen, wie z. B. An- und Abfahren der Spritzdüse usw.

Gemäß diesem bekannten Verfahren wird eine Programmierung des Programmgebers aus nach der Verarbeitungstechnologie sowie der Antriebstechnik abgeleiteten und von außen mit Hilfe von Sollwertgebern dem Programmgeber zugeführten Größen des Druckes, der Temperatur, des Weges oder der Zeit durchgeführt, es werden auch die an den Sollwertgebern eingestellten Werte mit während des Herstellungsprozesses gewonnenen Größen der Verarbeitungstechnologie sowie der Antriebstechnik kombiniert, daraus neue Sollwerte gebildet und diese einer an sich bekannten Servoverstellung zugeführt, die in Abhängigkeit dieser neuen Sollwerte den jeweiligen Förderstrom der Regelpumpe korrigiert (DDR-Patentschrift 41 656).

Bekannt ist auch ein Verfahren zur Steuerung von Schnecken-Plastifiziermaschinen für Kunststoffe, vorzugsweise von Schneckenspritzgießmaschinen, wonach in Anpassung an die Charakteristik der jeweils zu verarbeitenden Kunststoffmasse die Schneckenrotation nach Zeitpunkt und Drehzahl oder der Schneckengegendruck und die Schneckenrotation nach Zeitpunkt und Drehzahl oder der Schneckenstaudruck während des Plastifiziervorganges innerhalb eines einzigen Spritzzyklus derart steuerbar geändert wird, daß die durch die Verkürzung der wirksamen Schneckenlänge während des Schneckenrücklaufes bedingten Temperaturschwankungen ausgeglichen werden und daß innerhalb eines Plastifiziervorganges die zuerst und/oder zuletzt in die Form einströmende Masse eine höhere Temperatur und eine geringere Viskosität erhält. Es handelt sich hierbei um efne Temperaturkompensation, jeiioch werden gemäß diesem bekannten Verfahren keine neuen Soliwerte gebildet bzw. keine Sollwerte aus Parametern, eines vorangegangenen Arbeitszyklus gebildet. Gemäß diesem bekannten Verfahren gelangt auch kein geschlossener Regelkreis zur Anwendung, sondern es wird lediglich eine Steuerung durchgeführt (schweizerische Patentschrift 390 532).

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, in kürzester Zeit eine optimale Annäherung der tatsächlichen Plastifizierzeit (Ist-Zeit) an eine gewünschte Plastifizierzeit (Soll-Zeit) durch eine Einstellung der Drehzahl der Plastifizierschnecke in Abhängigkeit von den sie bestimmenden Parametern zu erreichen.

Ausgehend von der Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung einen Rechner zum Berechnen der Drehzahl N der Plastifizierschnecke auf der Grundlage der Formel

N = A —^S· (B -f- P„)

aufweist, wobei als Werte der erforderliche Rückhubweg X_s der Plastifizierschnecke, der auf die Plastifizierschnecke während des vorangegangenen Arbeitszyklus wirkende Rückdruck P,„ eine Versuchsplastifizierzeit t,„ die unter Verwendung der Differenz zwischen Ist-Plastifizierzeit des vorangegangenen Arbeitszyklus und einer Soll-Plastifizierzeit gewonnen wird, und eine Maschinenkonstarite A sowie eine Materialkonstante B in den Rechner eingegeben werden.

Im Gegensatz zur Erfindung liegt dem bekannten Verfahren und der Vorrichtung kein bestimmtes Arbeitsprinzip zugrunde, so daß es offenbleibt, wie die neuen Sollwerte aus den alten Sollwerten bzw. der gemessenen Parametern des vorangegangener Arbeitszyklus gewonnen weiden.

Durch die vorliegende Erfindung wird nun eine sehr schnelle und wirksame Arbeitsweise erreicht unc vor allem eine schnelle Anpassungsfähigkeit de< Systems an neue Spritzformen bzw. Fördermengen wobei zur Erzielung einer gleichbleibenden Qualitä der hergestellten Gegenstände die ideale Drehzahl dci Plastifizierschnecke in kürzester Zeit iterativ erreich wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung bc

steht auch darin, daß die Vorrichtung zur optimierenden Einstellung der Drehzahl einen digitalen Regelrechner aufweist.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eir_;es Ausl'ührungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schemniische Ansicht eines Teiles einer Spritzgteßmaschine mit Spritzgießform und PIastifiziersystem zusammen mit den verschiedenen Elementen der Vorrichtung zur optimierenden Einstellung der Drehzahl,

F i g. 2 eine graphische Darstellung, welche die Lage der P'astifizierschnecke im Plastifizierzylinder als eine Funktion der Zeit und der Drehgeschwindigkeit der Plastifiziersch necke zeigt und

F i g. 3 ein Blockschaltbild, das die Einzelheiten des Rechners ziegt, welcher in Fig. I da^rgestellt ist, wobei in dieser Ansicht die verschiedenen Eingänge und Steuerschleifen dargestellt sind.

In der Zeichnung, insbesondere in Fig. 1, ist das Plastifiziersystem 10 einer Kunststoffspritzgießmaschir.e veranschaulicht. Das Sysiem weist eine trennbare Spritzgießform 11, 12 auf, welche aus einer ersten Formhälfte 11 und einer zweiten Formhälfte 12 besteht, die, wenn sie miteinander im Eingriff stehen, zwischen sich einen Formhohlraum 13 definieren. Die zweite Gießformhälfte 12 weist einen Durchlaß 14 auf, der die Verbindung zwischen dem Formhohlraum 13 und der Hinterfläche 15 der zweiten Gießformhälfte 12 herstellt. An der Hinterfläche 15 der zweiten Gießformhälfte 12 liegt ein Plastifizierzylinder 16 an. der einen konisch ausgebildeten Endbereich aurweisen kann, der in einer Öffnung 17 endet, die mit dem Durchlaß 14 ausgerichtet ist und die mit diesem mittels einer Düse 18 verbunden ist. Falls gewünscht, kann ein Abschaltventil (nicht dargestellt) zwischen der Öffnung 17 und dem Durchlaß 14 in der zweiten Gießformhälfe 12 vorgesehen sein, um den Anschluß zwischen dem Inneren des Plastifizierzylinders 16 und dem Formhohlraum 13 lediglich zu festgelegten Zeiten zuzulassen. Wie in Fig. 1 veranschaulicht, kann der Plastifizierzylinder 16 einen Aufgabetrichter 19 aufweisen, in den das zu plastifizierende Material eingegeben wird.

Im Plastifizierzylinder 16 ist drehbar und axial verschiebbar eine Plastifizierschnecke 20 angeordnet, die von der bekannten Bauweise sein kann, die dem Fachmann auf diesem Gebiet geläufig ist. Die Plastifizierschnecke. 20 weist einen oder mehrere äußere SchneckensUge 21 auf, die entsprechend einer Gewindelinie angeordnet sind, um zu erreichen, daß das Material im Inneren des Plastifizierzylinders 16 vom Aufgabetrichter 19 zu der Öffnung 17 transportiert werden kann. Die Plastifizierschnecke 20 weist einen Kolben 22 an ihrem hinteren Ende auf, wobei der Kolben 22 von einem mit diesem zusammenwirkenden Zylinder 23 umgeben ist. welcher, wenn mit Druck beaufschlagt, die Plastifizierschnecke 20 in eine Vorwärtsrichtung in Richtung der öffnung 17 zwingt und dadurch das plastifizierte Material aus dem Inneren des Plastifizierzylinders 16 in den Formhohlraum 13 einspritzt.

Die Plastifizierschnecke 20 weist weiterhin ein angetriebenes Zahnrad 24 auf, das mittels einer Paßfeder oder irgendeiner anderen Weise an ihr befestigt ist und welches iin Eingriff mit einem Treibritzel 25 steht, welches wiederum mittels eines Antriebsmotors 26 angetrieben ist Der Antriebsmotor 26 kann entweder elektrisch oder hydraulisch betrieben sein, es wird jedoch vom Gesichtspunkt einer ebenmäßigen Arbeitsweise ein hydraulisch betriebener Motor vorgezogen. Eine Anzahl von abwechselnden ringförmigen Nuten 27 und Kanten 28 bilden gleichfalls einen Teil der Plastifizierschnecke 20, welche im Eingriff mit einem Zahnrad 29 stehen, das an einem Positionsmeßwertwandler 30 angeordnet ist und diesen antreibt. Die Axiallage der Plastifizierschnecke 20

ίο wird durch den Positionsmeßwertwandler 30 erfaßt, der ein elektrisches, dieser Lage proportionales Signal erzeugt. Der Positionsmeßwertwandler 30 kann beispielsweise ein Wellenwinkelkodierer, ein Resolver oder ähnliches sein.

Im Betrieb wird das zu plasiifizierende Material in den Aufgabetrichter 19 eingegeben und die Plastifizierschnecke 20 mittels des Antriebsmotors 26 in Drehung versetzt. Während der Drehung führt die Plastifizierschnecke 20 eine mechanische Bearbeitung des zu plastifizierenden Materials aus, wärmt dieses daduich auf und bewirkt, d?.ß dieses weich und fließbar wird. Gleichzeitig transportiert die Plastifizierschnecke 20 das Material im Inn ;ren des Plastifizierzylinders 16 in Richtung der Öffnung 17 vorwärts. In vielen Fällen umschließen auch bandförmige Heizeinrichtungen 31 das Äußere des Plastifizierzylinders 16, um letztere bei einer gleichförmigen hohen Temperatur zu halten und um dadurch Wärmeverluste von dem plastifizierten Material an die umgebende Atmosphäre zu vermeiden. Während das plastifizierte Material vorwärts transportiert wild, sammelt es sich vor der Plastifizierschnecke 20 und bewirkt, daß diese mit fortschreitender Ansammlung geschmolzenen Materials nach hinten bewegt wird. Wenn die Plastifizierschnecke 20 sich um eine Strecke X_s zurückgeschoben hat, die ein Volumen geschmolzenen plastifizierten Materials gewährleistet, das ausreicht, den Formhohlraum 13 zu füllen, wird die Plastifizierschnecke 20 angehalten und die Hinterflrche des KoI-bens 22, der mit der Plastifizierschnecke 20 verbunden ist, mit hydraulischem Druck beaufschlagt, wodurch die Plastifizierschnecke 20 nach vorwärts in Richtung der Öffnung 17 bewegt wird und folglich das plastifizierte Material durch die Öffnung 17, die Düse 18. den Durchlaß 14 in oen Formhohlraum 13 eindringt. Anschließend wird das Material im Formhohlraum 13 abkühlen gelassen, wonach der Plasiifizierzyklus von vorne beginnt.

Wie in F i g. 1 veranschaulicht, weist die Spritzgießmaschine einen Rechner 32 auf, welcher im folgenden genauer beschrieben wird, dem Eingabedaten zugeführt werden. Die Eingabedaten können die gewünschte Schmelzentemperatur, die angestrebte Plastifizierzeit, der angestrebte Rückhuh X der PIastifizierschnecke 20, die in Beziehung nrt der Einspritzmenge steht, und eine Anfaugsschätzung des Rückdruckes umfassen, welcher an der Plastifizierschnecke 2ⁿ aufrechterhalten werden muß, um zu gewährleisten, daß das zu plastifizierende Material in dem Maße bearbeitet wird, daß es eine Temperatur erreicht, die ausreicht, um es leicht fließbar zu machen und den Formhohlraurn 13 vollständig zu füllen.

Die dem Rechner 32 durch das System zugeführte Information umfaßt die Schmelzentemperatur, welche durch einen Schmelzen-Temperaturmeßwertwandler 33 erfaßt wird, die Motorgeschwindigkeit, die durch einen Tachometer 34 erfaßt wird, der Rückdruck in

dem Zylinder 23, welcher mittels eines Druckmeßwertwandlsrs 35 erfaßt wird, und die Lage der Plastifizierschnecke 20, die durch den Positionsmeßwcrtwandler 30 erfaßt wird. Die Ausgänge des Rechners 32 umfassen auch ein Motorgeschwindigkeitssteuersignal, welches bewirkt, ob der Antriebsmotor 26 ein- oder ausgeschaltet ist, und gleichfalls dessen Drehgeschwindigkeit steuert, die während eines Zyklus konstant gehalten wird, und weiterhin ein Signal für eine Pumpe 36. die den Hydraulikdruck für den Zylinder 23 schafft, um zu bewirken, daß die Plastifizierschnecke 20 vorwärts bewegt wird und dadurch das plastifizierte Material in den Formhohlraum 13 einspritzt. Während der Zeit, während die Plastifizierung stattfindet, wird der Rückdruck in dem Zylinder 23 mittels eines Drucksteuerventils 37, wie beispielsweise ein Drosselventil, gesteuert, dessen Position durch die Schmelztemperatur im Vorderteil des Plastifizierzylinders 16 bestimmt wird. Ein Rückschlagventil 38 ist in dem hydraulischen System vorgesehen, um den Rückstrom durch die Pumpe 36 zu verhindern, wodurch gewährleistet wird, daß das Drucksteuerventil 37 den Druck in dem Zylinder 23 steuert.

Die Position der Plastifizierschnecke als eine Funktion der Zeit ist in F i g. 2 für eine gegebene Drehgeschwindigkeit N der Plastifizierschnecke veranschaulicht. Wie veranschaulicht, stellen X_s die gewünschte Einspritzgröße bzw. die Entfernung des Schneckenrückhubes und t„ die gewünschte Plastifizierzeit dar. Die Drehgeschwindigkeit N der Plastifizierschnecke wäre die Geschwindigkeit, die notwendig wäre, um die Plastifizierschnecke über eine Strecke A^ zu betreiben, um die Plastifizierung in dem Zeitraum /„ durchzuführen. Die Wahrscheinlichkeit, daß anfänglich die richtige Geschwindigkeit gewählt wird, ist sehr gering, und folglich gewährleistet das vorliegende System, daß Iterationen von einer anfänglich gewählten Geschwindigkeit N₁ aus durchgeführt werden, welcher Wert in F i g. 2 in gepunkteten Linien veranschaulicht ist, bis der Wert/V erreicht ist, an welchem Punkt das Plastifiziersystem dann arbeitet, um die gewünschte Einspritzgröße X₅ in der gewünschten Plastifizierzeit r„ zu gewährleisten. Die Iteration wird durchgeführt, während X_s konstant gehalten wird, so daß die Änderungen der Drehgeschwindigkeit der Plastifizierschnecke die notwendigen Änderungen der Plastifizierzeit erzeugen, bis die gewünschte Plastifizierzeit erreicht ist.

Der in Fig. 2 veranschaulichte Rechner 32 ist in Fi g. 3 von den geblrichelten Linien umgeben genauer veranschaulicht. Das Herz des Systems stellt eine Computereinrichtung 39 dar, die derart programmiert ist, daß sie die Drehgeschwindigkeit N der Plastifizierschnecke auf der Basis einer Gleichung berechnet, welche eine Funktion der Plastifizierzeit, der Einspritzgröße und des Rückdruckes wiedergibt. Für iede spezielle Spritzgießmaschine, die eine definierte Schneckenform aufweist und ein bestimmtes Material verwendet, kann die Gleichung für die Drehgeschwindigkeit der Plastifizierschnecke empirisch bestimmt werden. Die Beziehung zwischen der Drehgeschwindigkeit der P'.astifizierschnecke, der Einspritzgröße, der Plastifizierzeit und des Rückdruckes kann [n folgender Weise angenähert werden:

V = /i (ß + P);

in dieser Gleichung ist N die Drehgeschwindigkeit der Plastifizierschnecke in Umdrehungen pro Minute, X_s die gewünschte Einspritzgrößc bzw. Hublänge dei Plastifizierschnecke in Zoll, /„ eine berechnete Versuchsgröße der Plastifizierzeit in Sekunden, P₁, der Rückdruck an der Plastifizierschnecke in ψ und /) und ß Konstanten für eine bestimmte Schnecke und ein bestimmtes Material.

Beispielsweise ist für eine Einspritzgießmaschinc vom Typ »Modell 375-32 CINCINNATI^« mit einer

ίο Plastifizierschnecke, die ein 2,25 : 1 Verdichtungsverhältnis und ein 16 : 1 L/D-Verhältnis aufweist und in einer Zylinderbüchse mit 2,75 Zoll Durchmesser angeordnet ist und schlagfestes Polystyron verarbeitet, die Gleichung für die Drehgeschwindigkeit der Plastifizierschnecke folgendermaßen:

N = 0,334 —(695 + P₁,)

h
Die Computereinrichtung 39 kann aus einem arithmetischen digitalen Computer wie beispielsweise ein Modell CIP 2000 Computer bestehen, der von der Firma Cincinnati Milacron Inc. hergestellt wird. Gleichfalls können andere Rechner Verwendung finden, solange sie die notwendigen Berechnungen der Drehgeschwindigkeit der Plastifizierschnecke durchführen können, und zwar unter Verwendung der verschiedenen Arbeitsparameter, die durch das Steuersystem geliefert werden.

Die anfängliche Drehgeschwindigkeit /V₁ für den

ersten Zyklus der Maschine vird unter Verwendung der Eingabegrößen der gewünschten Plastifizierzeit, der gewünschten Einspritzgröße und einer Anfangsschätzung des notwendigen Rückdruckes zum Aufrechterhalten der gewünschten Schmelzentemperatur berechnet. Die Computereinrichtung 39 berechnet eine Drehgeschwindigkeit N der Plastifizierschnecke, die während dieses Arbeitszyklus konstant gehalten wird. Wenn die Plastifizierschnecke 20 sich über eine Entfernung zurückbewegt hat, die X_s beträgt, erfaßt

der Positionsmeßwertwandler 30 diese Position und erzeugt ein Signal für den Motorregler 41 durch einen Zähler 40, der die Impulse zählt, die durch den Positionsmeßwertwandler 30 erzeugt werden. Im Motorregler 41 wird die momentane Position der Plastifizierschnecke 20 mit dem Wert X_s verglichen, und der Antriebsmotor 26 wird arbeiten gelassen, bis die Plastifizierschnecke 20 sich über eine Entfernung zurück bewegt hat, die Y_s beträgt. Wenn letzterer Zustand erreicht wurde, hält der Motorreglei 41 die

Drehung des Antriebsmotors 26 an. In der Zwischenzeit wurde die Zeit, während der der Antriebsmotor 26 in Betrieb war, durch den Zeitnehmer 42 gemessen, welcher ein Signal erzeugt, das dieser Betriebszeit proportional ist, und dieses Signal wird in einen Zeitvergleicher 43 eingespeist, der die tatsächliche Plastifizierzeit mit der angestrebten Plastifizierzeit t„ vergleicht, die beiden Zeiten voneinander abzieht, um den Fehler zu bestimmen, und den halben Fehler nimmt und diesen zu der Zeit des vorangegangenen

Zyklus hinzuaddiert, um so die versuchsweise Plastifizierzeit für den nächstfolgenden Zyklus einzustellen. Die berechnete Versuchsplastifizierzeit wird dann mit dem neuen Rückdruck kombiniert, der während des vorangegangenen Zyklus gemessen wurde, und eine

neue Drehgeschwindigkeit N der Plastifizierschnecke wird berechnet. Diese Geschwindigkeit wird dann im folgenden Zyklus verwendet, und die anschließenden Korrekturen werden durchgeführt, bis die tatsächliche

Plastifizierzeit gleich der angestrebten Plastifizierzeit ist. In der Zwischenzeit hat ein Schmelztemperaturregelgerät 44 ständig das Drucksteuerventil 37 eingestellt, um die durch den Schmclzctemperaturmeßwertwandler 33 erfaßte Temperatur auf einem bestimmten Wert zu halten. Der Rückdruck, der notwendig ist, um diese Temperatur zu halten, wird durch den Druckmeßwertwandler 35 gemessen, der ein Signal für die Computereinrichtung 39 über den iJcbmelzetemperaturregler 44 erzeugt.

Auf diese Weise erhält der Computer 39 ständig Informationen von der Spritzgießmaschine und verstellt die Arbeitszustände derart, daß die Einspritzgröße und die Plastifizierzeit für einen Gleichgewichstzustand konstant gehalten werden. Hinzu kommt, daß das Steuersystem gleichfalls die Schmelztemperatur auf dem angestrebten Wert hält, indem es den

Rückdruck, der auf die Plastifizierschnecke aufgebracht wird, steuert. Es ist hieraus zu sehen, daß jeglicher sich ändernder Zustand unmittelbar in Korrekturen des Systems widergespiegelt wird, um die Arbeitsweise desselben auf den festgelegten Größen zu halten. Das Gesamtresultat ist derart, daß die durch eine derartige Spritzgießmaschine hergestellten Gegenstände wesentlich gleichförmiger und eine wesentlich höhere Qualität aufweisen als bei Anwendung bekannter Steuer- bzw. Regelverfahren. Hinzu kommt, daß die Zeit zur Einstellung der Spritzgießmaschine in den angestrebten oder festgelegten Arbeitszustand erheblich verringert wird, da die Regelung selbsttätig Unterschiede zwischen den gemessenen Werten ausgleicht und gleichfalls Zwischenwirkungen unterbindet, die auftreten können, wenn eine Variable geändert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur optimierenden Einstellung der Drehzahl einer ι '.rehbaren und axial verschiebbaren Plastifizierschnecke einer Kunststoff-Spritzgießmaschine in Abhängigkeit von vorgegebenen Werten und von im vorangegangenen Arbeitsvorgang ermittelten Druck- und Zeitwerten, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrich- tung einen Rechner (32) zum Berechnen der Drehzahl N der Plastifizierschnecke (20) auf der Grundlage der Formel

_N = a ^- (B + P₁₁)

tp

aufweist, wobei als Werte der erforderliche Rückhubweg X_s der Plastifizierschnecke (20), der auf die Plastifizierschnecke (20) während des vorangegangenen Arbeitszyklus wirkende Rückdruck P₀, eine Versuchsplastifizierzeit t_p, die unter Verwendung der Differenz zwischen Ist-Plastinzierzeit des vorangegangenen Arbeitszyklus und einer Soll-Plastifizierzeit gewonnen wird, und eine Maschinenkonstante A sowie eine Materialkonstante B in den Rechner eingegeben werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vori'.chtung einen digitaFen Regelrechner aufweist.

30