DE4127553A1 - Thermosteuerverfahren fuer eine spritzgussmaschine - Google Patents
Thermosteuerverfahren fuer eine spritzgussmaschineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Thermosteuerverfahren für
eine Spritzgußmaschine nach dem Oberbegriff des Patentan
spruches 1. Ein derartiges Verfahren dient zum Steuern der
Temperatur von thermogesteuerten Komponenten, zum Beispiel
eines Spritzzylinders der Spritzgußmaschine derart, daß sie dem
unmittelbaren Betriebszustand davon entspricht.
Herkömmlicherweise wird ein PID-(Proportional/Integral/Diffe
rential) Steuerverfahren üblicherweise zum Steuern der
Temperatur von thermogesteuerten Komponenten, zum Beispiel
eines Einspritzzylinders der Spritzgußmaschine verwendet.
Das PID-Steuerverfahren beruht auf einer Proportionalwirkung
(P), die proportional zu einer Steuerabweichung ist; einer
Integralwirkung (E), die auf einem integrierten Wert der
Steuerabweichung beruht; und einer Differentialwirkung (D), die
auf Differentialkoeffizienten der thermogesteuerten Komponenten
beruht. Unter Benutzung des PID-Steuerverfahrens kann die
Objekttemperatur aufrechterhalten werden, wenn die
thermogesteuerten Komponenten sich unter gewissen stabilen
Bedingungen befinden.
Die Spritzgußmaschine hat jedoch verschiedene Betriebsbedingun
gen, wie Halt, Temperaturerhöhung, Spritzen, Pause usw.
Weiterhin sind die Heizelemente und Kühlelemente unter
schiedliche Vorrichtungen in jedem Zustand. Zum Beispiel ist
im Temperaturerhöhungszustand die Strahlungswärme das
Hauptkühlelement. Dagegen sind während des Spritzens oder
Gießens Wärme von dem Heizer, Wärme von Reibung, die durch die
auf das Harz wirkende Injektionsschraube verursacht wird, usw.
die Heizelemente; dagegen sind die natürliche Strahlungswärme,
die endothermische Reaktion durch das zugeführte Harz usw. die
Kühlelemente dabei.
Daher kann bei der herkömmlichen PID-Steuerung die Temperatur
des Spritzzylinders zum Beispiel höher (Überschießen, Po) oder
niedriger (Unterschießen, Pu) als die Objekttemperatur sein,
wie es in Fig. 5 gezeigt ist: Ein Temperaturdiagramm des
Einspritzzylinders. Das Überschießen Po und Unterschießen Pu
des Einspritzzylinders haben eine große Wirkung auf die
Viskosität des geschmolzenen Harzes, so daß sie Faktoren bei
der verschlechterten Produktionsqualität werden können.
Weiterhin verursacht das Überschießen Po Harzverschlechterung,
wenn die Objekttemperatur überschritten wird und die Harzver
schlechterungstemperatur erreicht wird, wodurch schlechtere
Produkte erzielt werden. Zum Verhindern minderer Produktquali
tät ist eine manuelle Steuerung der Temperatur des Spritz
zylinders auf der Grundlage der Erfahrung einer geübten
Bedienungsperson nötig.
Daher ist es die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein
Thermosteuerverfahren für eine Spritzgußmaschine der eingangs
beschriebenen Art zu schaffen, bei der das Überschießen und
Unterschießen in Bezug auf die Objekttemperatur von
thermogesteuerten Komponenten, zum Beispiel des Spritzzylinders
soweit wie möglich verhindert wird, die Temperatur der
thermogesteuerten Komponente soll möglichst automatisch
gesteuert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren
der eingangs beschriebenen Art, das durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet ist.
Dabei weist das Thermosteuerverfahren, das die thermogesteu
erten Komponenten zum Aufrechterhalten einer dem Betriebs
zustand der Spritzgußmaschine Objekttemperatur steuert, die
folgenden Schritte auf: Der Betriebszustand der Spritzgußma
schine und die Temperatur der thermogesteuerten Komponenten
darin werden erfaßt. Die Abweichung zwischen der Objekt
temperatur der thermogesteuerten Komponenten, die dem
gegenwärtigen Zustand der Spritzgußmaschine entspricht, und der
erfaßten gegenwärtigen Temperatur wird berechnet. Die Rate der
Abweichungsänderung zwischen der gegenwärtigen Abweichung und
der vorherigen Abweichung wird berechnet. Es wird ein
Mehrwertschluß ausgeführt zum Definieren eines Steuerwertes
einer Einrichtung zum Heizen der thermogesteuerten Abschnitte
und/oder einer Einrichtung zum Kühlen der thermogesteuerten
Komponenten, in dem der Zustand der Spritzgußmaschine, die
berechnete Abweichung und die Rate der Abweichungsänderung
erschlossen werden, wobei der Zustand der Spritzgußmaschine,
die Temperaturabweichung, die Rate der Abweichungsänderung und
der Steuerwert der Einrichtung zum Heizen und/oder der
Einrichtung zum Kühlen als Mehrwertvariable (fuzzy variables)
definiert sind und wobei der Schluß (inference) auf
Vorschriften oder Regeln beruht, die die gegenseitige Beziehung
zwischen Mitgliedsfunktionen und Gruppen regelt, denen die
Mitgliedsstufen oder -grade zuvor zugeordnet worden sind, und
optional unterteilte Flächen, die den entsprechenden optionalen
Werten der Mehrwertvariablen entsprechen. Berechnen eines
tatsächlichen Steuerwertes der Einrichtung zum Heizen und/oder
der Einrichtung zum Kühlen auf der Grundlage des Mehrwert
schlusses (fuzzy inference).
Bei dem oben beschriebenen Verfahren wird die Mehrwertsteuer
theorie (fuzzy control theory unscharfe Logik) zum Steuern der Temperatur der
thermogesteuerten Komponenten wie der Spritzzylinder so
benutzt, daß das Ändern des Steuerwertes für die Einrichtung
zum Heizen und Kühlen, die in dem Einspritzzylinder und der
Spritzgußform usw. vorhanden sind, automatisch wie durch eine
geübte Bedienungsperson ausgeführt werden. Unter Benutzung der
Mehrwertsteuertheorie kann die tatsächliche Temperatur der
thermogesteuerten Komponenten schnell die Objekt- d. h.
Zieltemperatur erreichen, wobei während dieses Zeitraumes das
Überschießen bzw. Überschwingen und Unterschießen bzw.
Unterschwingen praktisch vollständig verhindert werden kann.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben
sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand
der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform;
Fig. 2 eine erläuternde Darstellung für die
Mitgliedsfunktionen;
Fig. 3 eine erläuternde Darstellung für den Mehrwert
schluß;
Fig. 4 eine erläuternde Darstellung der Schritte zum
Berechnen der Steuerwerte und
Fig. 5 ein die Temperatursteuerung des Spritzzylinders
zeigendes Diagramm.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist eine Spritzgußmaschine M einen
Spritzzylinder 1 auf. Der Spritzzylinder 1 weist einen
Thermosensor 5 zum Erfassen der Temperatur des Spritzzylinders
1 und einen elektrischen Heizer zum Heizen des Spritzzylinders
1 auf. Die Nennspannung des Heizers 7 ist 200 Volt.
Der Zustand der Spritzgußmaschine M wird durch eine program
mierbare Steuerung/controller 3 so gesteuert, daß jeder
Zustand z. B. Stop, Temperaturanstieg, Gießen, Pause usw. der
Einspritzmaschine durch Daten von der programmierbaren
Steuerung 3 initiiert wird. Der Sensor 5 und der Heizer 7
können die gleichen sein, wie sie herkömmlicherweise bei
Spritzgußmaschinen verwendet werden. Der Spritzzylinder 1 weist
keinen Düsenabschnitt auf, der in Kontakt mit der Gußform
kommt.
Signale von der Steuerung 3 werden zu einem Mikroprozessor
(MPU) 9 zum Anzeigen des gegenwärtigen Betriebszustandes der
Spritzgußmaschine M gesendet: Temperaturanstieg, Gießen, Pause
usw.
Die Objekttemperatur des Spritzzylinders 1, die dem gegen
wärtigen Betriebszustand (A) der Spritzgußmaschine M
entspricht, der der MPU 9 bekannt ist, wird auf der Grundlage
von Temperaturen definiert, die in einer Fläche (1) eines
Computerspeichers (13) gespeichert sind.
Signale, die die von dem Sensor 5 des Spritzzylinders 1 erfaßte
Temperatur anzeigen, werden ebenfalls zu der MPU 9 gesendet und
in eine Fläche (2) des Speichers 13 geschrieben. Eine Tempe
raturabweichung (B) zwischen der Objekttemperatur, die auf der
Basis der Signale von der Steuerung 3 definiert sind, und der
erfaßten Temperatur, die von dem Sensor 5 erfaßt ist, wird
durch eine arithmetische Logikeinheit (ALU) 11 in der MPU 9
berechnet und in eine Fläche (3) des Speichers 13 geschrieben.
Zusätzlich berechnet die ALU 11 die Rate der Abweichungs
änderung (C), die die Änderungsrate zwischen der gegenwärtigen
Temperaturabweichung - die letzten Daten - und der vorigen
Temperaturabweichung darstellt, die in der Fläche (3) des
Speichers 13 gespeichert worden ist. Der den Zustand der
Spritzgußmaschine M anzeigende Wert (A), die Temperatur
abweichung (B) und die Rate der Abweichungsänderung (C) sind
Daten für den Mehrwertschluß, der auf Mitgliedsfunktionen und
Regeln beruht, wie später beschrieben wird.
Dann wird der Steuerwert des Heizers 7 auf der Grundlage des
Mehrwertschlusses von der ALU 11 berechnet. Der berechnete
Steuerwert wird zu dem Heizer 7 als Steuersignale durch die MPU
gesendet. Die oben angeführte Reihenfolge vom Lesen der Daten
zum Senden der Steuersignale wird kontinuierlich wiederholt.
Der Inhalt des Speichers 13 kann auf eine Anzeigeeinheit 15,
z. B. einer CRT dargestellt und über eine Eingabeeinheit 14,
z. B. eine Tastatur korrigiert werden.
Die Mitgliedsfunktionen für jede Mehrwertvariable sind in einer
Fläche (4) des Speichers 13 gespeichert (siehe Fig. 2). Die
Mehrwertvariablen sind: Der den Zustand der Spritzgußmaschine
anzeigende Wert (A); die Temperaturabweichung (B); die Rate der
Abweichungsänderung (C) und der Grad der Ausgabe für den
Betrieb (E), d. h. die Steuerspannung des Heizers 7.
Jede Mitgliedsfunktion ist in eine Mehrzahl von Gruppen unter
teilt, die entweder gegenseitig überlappende Sektoren aufweisen
oder ausschließen. Jeder Gruppe ist eine Stufe bzw. ein Grad
bzw. ein Wert zwischen 0 und 1 zugewiesen.
Die Mitgliedsfunktion für die erste Mehrwertvariable (A) ist in
fünf disjunkte Gruppen unterteilt (vergleiche Fig. 2 (A)). Die
Gruppen der Mehrwertvariablen (A) können nur die Werte "0" oder
"1" annehmen. (Es kann also jeweils nur eine der in Fig. 2 (A)
gezeigten Gruppen realisiert sein.). Die Mitgliedsfunktion der
Mehrwertvariablen (B) ist in sieben Gruppen unterteilt, die
überlappende Abschnitte aufweisen (vergleiche Fig. 2 (B)). Fünf
der sieben Gruppen sind graphisch als Dreiecke dargestellt. In
dem Diagramm ist die Temperaturänderung entlang der horizont
alen Achse dargestellt - die Basisseite der überlappenden
Dreiecke - und sie ist in 10oC-Stufen definiert, die jeweils
der Länge der Basisseite der Dreiecke entspricht.
Die Mitgliedsfunktion für die Mehrwertvariable (C) ist in fünf
Gruppen unterteilt mit überlappenden Sektoren (Fig. 2(C)). Drei
der fünf Gruppen sind ebenfalls graphisch als Dreiecke darge
stellt. In den Dreiecksgruppen ist die Rate der Abweichungs
änderung an der Basisseite in 5oC-Schritten definiert, die
jeweils der Länge einer jeden Basisseite des Dreieckes
entspricht.
Der Heizer 7, dessen Nennspannung 200 Volt ist, wird gesteuert,
indem 100 Volt plus oder minus der Steuerspannung eingegeben
werden. Damit wird die Mitgliedsfunktion, deren Mehrwert
variable die Stärke der Ausgabe für den Betrieb (E), d. h. die
Steuerspannung ist, graphisch in fünf überlappende Sektoren
unterteilt, dessen Schnittpunkte jeweils 50-Volt-Stufen
abstecken (cf Fig. 2 (D)). Drei der fünf Gruppen sind graphisch
als Dreiecke dargestellt.
Die Beziehungen zwischen den Gruppen von jeder Mitglieds
funktion wird durch eine Regel oder eine Funktion definiert,
die zuvor in eine Fläche (5) des Speichers 13 gespeichert
worden ist. Als Beispiel wird die Regel für den Zustand des
Temperaturanstieges in der folgenden Tabelle gezeigt, in der
die Bezeichnungen NB, NS, NM, NS usw. willkürliche Namen sind,
die verschiedenen Betriebszuständen gegeben sind (die gleichen
wie in Fig. 2): Dabei bedeutet "if-wenn", "wenn-dann",
"input-Eingabe", "output-Ausgabe" und "temp. rise-Temperaturerhöhung".
In der Tabelle bezeichnen die INPUTs A, B, und C in der "if"-
Spalte die entsprechenden Mehrwertvariablen (A), (B) und (C).
In der Spalte "then" bezeichnet OUTPUT (E) die Mehrwert
variablen (E). In der horizontalen Richtung der Tabelle, zum
Beispiel in Zeile 1, ist die Beziehung zwischen den INPUTs A,
B, und C logisches "UND". In der vertikalen Richtung der
Tabelle, zum Beispiel die Beziehung zwischen Zeile 1 und 2 ist
ein logisches "ODER". In der Tabelle sind alle Kombinationen
aller Gruppen der Mitgliedsfunktionen gezeigt, es können
jedoch unmögliche oder sehr selten auftretende Kombinationen
aus der Tabelle weggelassen werden.
Als Nächstes wird der Mehrwertschluß zum Definieren der
Eingangsspannung für den Heizer 7 erläutert (vergleiche Fig. 3).
Als Beispiel werden die folgenden Bedingungen gewählt: Die
Variable (A), der Betriebszustand, wird durch X festgelegt
(Temperaturanstieg in Fig. 2); die Variable (B), die letzte
Temperaturänderung, wird durch Y festgelegt (Gruppen PS und PM
in Fig. 2) und die Variable (c), letzte Rate der Änderung,
wird durch Z festgelegt (ZERO und PS in Fig. 2).
An der Stelle Y der Variablen (B) überlappen die Gruppen "PS"
und "PM"; an der Stelle Z der Variablen (C) überlappen die
Gruppen "ZERO" und "PS". Daher ergeben die Kombinationen der
INPUTs A, B und C vier Regeln oder Vorschriften, die in Fig. 3
als Regel Nr. 23, 24, 28 und 29 gezeigt sind (diese Nummern
entstammen der Tabelle). Die Beziehung zwischen den INPUTs A, B
und C in jeder Regel ist das logische "UND", so daß der OUTPUT
E einen Bereich umfassen wird, der die INPUTs A, B und C
umfaßt. Der Bereich des OUTPUT E ist als Fläche gezeigt, der
durch die minimalen Eingangswerte der INPUTs A, B und C
zusammengesetzt ist, die jeweils in Fig. 3 als schraffierte
Fläche dargestellt sind.
Die tatsächliche Steuerspannung für den Heizer 7 wird durch die
ALU 11 auf der Grundlage der erschlossenen OUTPUTs E der Regeln
berechnet.
Die Schritte der Berechnung werden im Folgenden erläutert.
Zuerst wird der erschlossene Bereich, der durch die Schraffur
markiert ist (siehe Fig. 3) von jedem OUTPUT E zusammengesetzt,
wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Als nächstes wird der Schwerpunkt
des erschlossenen Bereiches in Fig. 4 bestimmt und daraus die
Steuerspannung für den Heizer 7 berechnet.
Durch Benutzen der oben beschriebenen Mehrwertsteuertheorie
kann das Temperaturüberschwingen Po und -unterschwingen Pu
(siehe Diagramm F in Fig. 5) in dem Spritzzylinder 1 verhindert
werden, und die Temperatur des Spritzzylinders 1 wird
automatisch so eingestellt, daß sie der Objekttemperatur des
gegenwärtigen Betriebszustandes der Spritzgußmaschine M
entspricht. Weiterhin kann eine schlechte Produktion verhindert
werden. Selbst im Falle der Benutzung eines Harzes mit geringer
Thermostabilität ist keine manuelle Steuerung durch eine
erfahrene Betriebsperson nötig.
Bei dieser Ausführungsform können zusätzliche Mitgliedsfunk
tionen, z. B. eine Abweichung zwischen der laufenden Rate der
Änderung und der vorherigen Rate davon zu den in Fig. 2
gezeigten Mitgliedsfunktionen hinzugefügt werden.
Bei dieser Ausführungsform kann eine Einspritzdüse, die an dem
vorderen Enden des Spritzzylinders vorgesehen sein kann,
ebenfalls unter Benutzung der Mehrwertsteuertheorie, wie sie für
den Spritzzylinder angewendet ist, gesteuert werden.
Weiterhin können der Spritzzylinder und die Düse eine Mehrzahl
von Heizern aufweisen, die in Längsrichtung angeordnet sind, und
jeder der Heizer kann auf der Grundlage des Mehrwertschlusses
gesteuert werden. In diesem Fall kann die Temperatur sehr genau
gesteuert werden.
Die Temperatur der Formen bedarf ebenfalls der präzisen
Steuerung, so daß diese ebenfalls auf der Grundlage des
Mehrwertschlusses gesteuert werden kann.
Es ist eine Einrichtung zum Heizen, z. B. ein elektrischer
Heizer und eine Einrichtung zum Kühlen, z. B. eine
Wasserumlaufleitung in einigen Maschinen vorgesehen. In diesem
Fall kann die Einrichtung zum Heizen und Kühlen auf der
Grundlage der Mehrwerttheorie so gesteuert werden, daß ein
Überschwingen und Unterschwingen soweit wie möglich verhindert
werden kann. Somit kann eine ungeübte Bedienungsperson unter
Benutzung eines programmierten Mehrwertsteuersystemes die
Temperatur der Formen so steuern, als ob sie eine geübte
Bedienungsperson wäre.
Die Temperatur der thermogesteuerten Komponenten kann automa
tisch an die Objekttemperatur angepaßt werden, die dem
Betriebszustand der Spritzgußmaschine entspricht. Während der
oben beschriebenen automatisierten Thermosteuerung werden
Überschwingen und Unterschwingen soweit wie möglich verhindert.
Daher wird zu der effektiven Tätigkeit der Spritzgußmaschine
beigetragen, und eine Verringerung von schlechten Gußprodukten
wird erzielt.
Claims (12)
1. Thermosteuerverfahren für eine Spritzgußmaschine,
bei dem thermogesteuerte Komponenten so gesteuert werden, daß
eine dem Betriebszustand der Spritzgußmaschine M entsprechende
Objekttemperatur aufrechterhalten wird,
gekennzeichnet durch die Schritte:
- - Erfassen des Betriebszustandes (A) der Spritzgußmaschine (M) und der Temperatur ihrer thermogesteuerten Komponenten;
- - Berechnen der Abweichung (B) zwischen der dem gegenwärtigen Betriebszustand der Spritzgußmaschine (M) entsprechenden Objekttemperatur der thermogesteuerten Komponenten und der erfaßten gegenwärtigen Temperatur sowie der Rate der Abweichungsänderungen (C) zwischen der gegenwärtigen Abweichung und der vorherigen Abweichung;
- - Ausführen eines Mehrwertschlusses zum Definieren eines Steuerwertes (D) einer Einrichtung zum Erwärmen der thermogesteuerten Komponenten oder einer Einrichtung zum Kühlen der thermogesteuerten Komponenten durch Erschließen des Zustandes (A) der Spritzgußmaschine (M), der berechneten Abweichung (B) und der Rate der Abweichungsänderungen (C);
wobei der Zustand der Spritzgußmaschine (M), die Temperatur
abweichung (B), die Rate der Abweichungsänderungen (C) und der
Steuerwert (D) der Einrichtung zum Erwärmen oder der
Einrichtung zum Kühlen als mehrwertige Variable definiert sind
und
wobei der Schluß auf Regeln beruht, die eine gegenseitige
Beziehung beherrschen zwischen Mitgliedsfunktionen und Gruppen,
in die die Mitgliedsklassen zuvor eingeteilt worden sind, und
wahlweise unterteilten Flächen, die den entsprechenden
wahlweisen Werten der mehrwertigen Variablen entsprechen;
- - Berechnen eines tatsächlichen Steuerwertes für die Einrichtung zum Heizen oder die Einrichtung zum Kühlen auf der Grundlage des Mehrwertschlusses.
2. Thermosteuerverfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die thermogesteuerten Komponenten
ein Spritzzylinder (1) oder Gußformen sind.
3. Thermosteuerverfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzzylinder (1) eine an
einem Ende davon vorgesehene Einspritzdüse aufweist.
4. Thermosteuerverfahren nach einem der Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrwertschluß entsprechend auf
jede thermogesteuerte Komponente angewandt wird.
5. Thermosteuerverfahren nach einem der Ansprüche 1-4,
dadurch gekennzeichnet, daß jede Mitgliedsfunktion in eine
Mehrzahl von Gruppen unterteilt ist, die gegenseitig
überlappende Sektoren aufweisen, wenn die Mitgliedsfunktionen
graphisch aufgezeichnet werden.
6. Thermosteuerverfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die überlappenden Sektoren Dreiecke
sind, wenn sie graphisch aufgezeichnet werden.
7. Thermosteuerverfahren nach einem der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand (A) der
Spritzgußmaschine (M) durch eine programmierbare Steuerung (3)
gesteuert wird.
8. Thermosteuerverfahren nach einem der Ansprüche 1-7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Heizen ein
elektrischer Heizer (7) ist.
9. Thermosteuerverfahren nach einem der Ansprüche 1-8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Kühlen ein
Wasserumlaufrohr ist.
10. Thermosteuerverfahren nach einem der Ansprüche 1-9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mitgliedsfunktionen und Regeln
zuvor in einer Speichereinheit (13) eines Computers gespeichert
werden.
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