DE4129559C2 - Temperaturregelverfahren für eine Spritzgießmaschine - Google Patents

Temperaturregelverfahren für eine Spritzgießmaschine

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Temperaturregelverfahren für eine Spritzgießmaschine. Derartige Verfahren dienen zum Steuern bzw. Regeln der Temperatur von temperaturgeregelten Komponenten, z. B. eines Spritzzylinders der Spritzgießmaschine gemäß deren jeweils vorliegenden Betriebszustandes.
Normalerweise wird ein PID-(Proportional-Integral-Different­ ial-) Regelverfahren zum Regeln der Temperatur von temperaturgeregelten Komponenten, z. B. eines Spritzzylinders einer Spritzgießmaschine verwendet.
Das PID-Regelverfahren basiert auf einer Proportionalwirkung (P), die proportional zu einer Regelabweichung ist; einer Integralwirkung (I), die auf einem integrierten Wert der Regelabweichung basiert; und einer Differentialwirkung (D), die auf Differentialkoeffizienten der temperaturgeregelten Komponenten basiert.
Die PID-Regelung bzw. Steuerung wird auf der Grundlage der folgenden numeri­ schen Formel durchgeführt:
Y= Steuerwert
T= Zeit
ε= Steuerabweichung
Kp= Proportionalempfindlichkeit
Td= differentielle Zeit
Ti= integrierte Zeit.
Bei der PID-Steuerung können die Wirkungsempfindlichkeiten der PID-Steuerungen durch Änderungen der Koeffizienten Kp, Td und Ti eingestellt werden. Die D-Steuerung kann elimeniert werden, wenn der Koeffizient Td 0 ist; die I-Steuerung kann elimeniert werden, wenn der Koeffizient Ti unendlich groß ist, somit können die P-Steuerung, PI-Steuerung oder PD-Steuerung verwen­ det werden, falls es möglich ist.
Bei Benutzung der PID-Steuerung kann die Temperatur konstant aufrecht erhalten werden, wenn die temperaturgeregelten Kompo­ nenten sich in gewissen stabilen Bedingungen befinden.
Die Spritzgießmaschine weist jedoch verschiedene Betriebs­ zustände auf, wie Stop, Temperaturanstieg, Gießen, Pause usw. weiterhin sind die heizenden Elemente und die kühlenden Elemente verschiedene Einrichtungen in jedem Zustand.
Zum Beispiel ist in dem Temperaturanstiegszustand eines Spritzzylinders die Strahlungswärme das Hauptkühlelement. Auf der anderen Seite sind die Wärme von dem Heizer, die Wärme der durch eine auf das Harz wirkende Spritzschraube erzeugte Reibung usw. die Heizelemente in dem geschmolzenen Zustand. Die natürliche Strahlungswärme, die endothermische Reaktion durch das zugeführte Harz usw. sind die Kühlelemente darin.
Bei einer PID-Steuerung, bei der jeder Regel- bzw. Steuerwert fixiert ist, selbst wenn sich der Zustand der Spritzgießmaschiene ändert, kann daher die Temperatur eines Spritzzylinders höher (Überschwingen Po) oder niedriger (Unterschwingen Pu) als die Zieltemperatur sein, wie es durch die Kurve P in Fig. 5 gezeigt ist. Das Überschwingen Po und das Unterschwingen Pu des Spritzzylinders haben eine große Wirkung auf die Viskosität des geschmolzenen Harzes, so daß sie Faktoren für verschlechterte Produktionsqualität werden. Darüber hinaus verursacht das Überschwingen Po eine Harzverschlechterung, wenn die Zieltemperatur überschritten wird und die Harzverschlechterungs­ temperatur erreicht wird, wodurch schlechte Produkte erzielt werden.
Wenn eine präzise Regelung bzw. Steuerung benötigt wird, damit schlechte Produktqualität vermieden werden kann, ist die manuelle Regelung der Temperatur des Spritzzylinders auf der Grundlage der Erfahrung einer geübten Bedienungsperson nötig, da eine automatische genaue Regelung durch die PID-Regelung nicht durchgeführt werden kann. Auf der anderen Seite sollte zum Elimenieren des Überschwingens und des Unterschwingens der Temperaturregelung des Spritzzylinders usw. durch die PID- Regelung diese sich immer gemäß des Zustandes der Spritzgießmaschine verhalten.
Es ist daher die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein Temperaturregelverfahren für eine Spritzgießmaschine zu schaffen, die das Überschwingen und Unterschwingen in Bezug auf die Solltemperatur der temperaturgeregelten Komponenten, z. B. des Spritzzylinders soweit wie möglich verhindern kann und eine automatische PID-Regelung durchführen kann.
Bei der Suche nach Lösungen dieser Aufgabe bestimmte der Erfinder, daß es effektiv sei, die Koeffizienten Kp, Ti und Td zu ändern, die die Wirkungsempfindlichkeit der PID- Regelung definieren, so daß sie den Zuständen der Spritzgieß­ maschine entsprechen, und daß die Fuzzy-Steuertheorie effektiv zum Bestimmen der Koeffizienten sein würde. Daraus konnte die Lösung der Aufgabe abgeleitet werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Temperaturregelverfahren für eine Spritzgießmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Insbesondere ist das Temperaturregelverfahren für die Spritzgießmaschine derart ausgebildet, daß eine dem Betriebszustand der Spritzgießmaschine entsprechende Temperatur aufrecht erhalten wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Bei dem Temperaturregelverfahren wird die Fuzzy-Regel- bzw. Steuertheorie zum Definieren der Koeffizienten der PID-Regelung benutzt, die den Zuständen der Spritzgießmaschine entspricht, so daß eine hervorragende PID-Regelung ausgeführt werden kann. Weiterhin wird die Fuzzy-Steuertheorie zum Regeln der Temperatur der temperaturgeregelten Komponenten wie der Spritzzylinder benutzt, so daß die Änderung des Steuerwertes der Einrichtung zum Heizen und Kühlen, die in dem Spritzzylinder, der Gießform usw. vorhanden sind, automatisch so ausgeführt werden kann, wie durch eine geübte Bedienungsperson. Durch Benutzen der Fuzzy- Steuertheorie kann die tatsächliche Temperatur der temperaturgeregelten Komponenten schnell die Ziel- bzw. Solltemperatur erreichen, wobei während dieses Zeitabschnittes das Überschwingen und Unterschwingen weitgehendst vermieden werden kann.
Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild zum Ausführen des Temperaturregelverfahrens;
Fig. 2 eine erläuternde Ansicht, die die Mitgliedsfunk­ tionen zeigt;
Fig. 3 eine erläuternde Ansicht, die Beispiele eines Fuzzy-Schlusses zeigt;
Fig. 4 eine erläuternde Ansicht, die die Schritte der Berechnung der Steuerwerte zeigt;
Fig. 5 ein Diagramm, das die Temperaturregelung des Spritzzylinders zeigt.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist eine Spritzgießmaschine 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 beträgt 200 Volt.
Der Zustand der Spritzgießmaschine M wird durch eine programmierbare Steuerung 3 so gesteuert, daß jeder Zustand z. B. Stop, Temperaturanstieg, Gießen, Pause usw. der Spritzgießmaschine M durch Daten von der programmierbaren Steuerung initiert wird. Der Sensor 5 und der Heizer 7 können die gleichen sein, wie sie bei vorhandenen Spritzgießmaschinen verwendet werden.
Es sei angemerkt, daß der Spritzzylinder 1 keinen Düsen­ abschnitt aufweist, der in Kontakt mit der Form kommt. Signale von der Steuerung 3 werden zu einem Mikroprozessor MPU 9 zum Anzeigen des gegenwärtigen Betriebszustandes der Spritzgieß­ maschine M gesendet: Temperaturanstieg, Gießen, Pause usw.
Die dem gegenwärtigen Betriebszustand (A) der Spritzgießmaschine M entsprechende Ziel- bzw. Solltemperatur des Spritzzylinders 1, die der MPU 9 bekannt ist, wird aufgrund von in einem Gebiet eines Computerspeichers 13 gespeicherten Temperaturdaten definiert.
Signale, die die von dem Sensor 5 erfaßte Temperatur des Spritzzylinders 1 anzeigen, werden ebenfalls zu der MPU 9 gesendet und in ein Gebiet (2) des Speichers 13 geschrieben. Eine Temperaturabweichung (B) zwischen der Soll- bzw. Zieltemperatur, die auf der Grundlage der Signale von der Steuerung 3 definiert sind, und der erfaßten Temperatur, die durch den Sensor 5 erfaßt ist, wird durch eine arithmetische Logikeinheit (ALU) 11 in der MPU 9 berechnet und in ein Gebiet (3) des Speichers 13 geschrieben.
Zusätzlich berechnet die ALU 11 die Rate der Abweichungs­ änderung (C), die die Änderungsrate zwischen der gegenwärtigen Temperaturabweichung - der letzte Wert - und der vorherigen Temperaturabweichung darstellt, die in dem Gebiet (3) des Speichers 13 gespeichert worden ist.
Der den Zustand der Spritzgießmaschine M anzeigende Wert (A), die Temperaturabweichung (B) und die Rate der Abweichungs­ änderung (C) sind die Daten für den Fuzzy-Schluß, der auf Mitgliedsfunktionen und Regeln beruht, die weiter unten beschrieben werden.
Dann werden die Koeffizienten Kp für die Wirkungsempfind­ lichkeit der P-Steuerung, Ti für die Wirkungsempfindlichkeit der I-Steuerung und Td für die Wirkungsempfindlichkeit der D- Steuerung auf der Grundlage des Fuzzy-Schlusses durch die ALU 11 berechnet. Die berechneten Koeffizienten werden zu einer PID-Steuerung zum Steuern des Heizers 7 geschickt.
Die PID-Steuerung 2 ändert die Wirkungsempfindlichkeiten der P-, I- und D-Steuerungen auf der Basis der von der MPU 9 geschickten Koeffizienten und regelt bzw. steuert den Steuerwert des Heizers 7 auf der Basis der gegenwärtigen Temperatur des Spritzzylinders 1, die von dem Sensor 5 zu der MPU 9 geschickt worden ist.
Die oben aufgeführte Abfolge vom Datenlesen zum Senden von Steuersignalen wird kontinuierlich wiederholt, so daß die beste PID-Steuerung immer durchgeführt werden kann, die dem Zustand der Spritzgießmaschine entspricht.
Es ist zu beachten, daß der Inhalt des Speichers 13 auf einer Anzeigeeinheit 15, z. B. eine Bildröhre gezeigt werden kann und über eine Eingabeeinheit 14 z. B. eine Tastatur korrigiert werden kann.
Die Mitgliedsfunktionen für jede Fuzzy-Variable sind in einem Gebiet (4) des Speichers 13 gespeichert (siehe Fig. 2). Die Fuzzy-Variablen sind: Der Wert (A), der den Zustand der Spritzgießmaschine zeigt; die Temperaturabweichung (B); die Rate der Abweichungsänderung (C); und der Grad der Ausgabe für den Betrieb (E), der die Koeffizienten Kp, Ti und Td beeinflußt.
Jede Mitgliedsfunktion ist in eine Mehrzahl von Gruppen unterteilt, die gegenseitig überlappende Sektoren einschließen oder ausschließen. Jeder Gruppe ist ein entsprechender Grad (0-1) zugeordnet.
Die Mitgliedsfunktion für die Fuzzy-Variablen (A) ist in fünf getrennte Gruppen unterteilt. Die Grade der Gruppen sind entweder "0" oder "1".
Die Mitgliedsfunktion für die Fuzzy-Variablen (B) ist in sieben Gruppen mit überlappenden Sektoren unterteilt. Fünf Gruppen der sieben sind grafisch als Dreiecke dargestellt. In dem Diagramm ist die Temperaturänderung entlang der horizont­ alen Achse angezeigt - die Basiskante der überlappenden Dreieckgruppen - und sie ist in aufsteigenden 10°C-Stufen definiert, die der Länge einer jeden Basiskante der Gruppen­ dreiecke entsprechen.
Die Mitgliedsfunktion für die Fuzzy-Variablen (C) ist in fünf Gruppen mit überlappenden Sektoren unterteilt. Drei Gruppen der fünf sind ebenfalls grafisch als Dreiecke dargestellt. In den Dreieckgruppen ist die Rate der Abweichungsänderung an der Basiskante zu 5°C in aufsteigenden Stufen definiert, was der Länge einer jeden Basiskante der Gruppendreiecke entspricht.
Die Mitgliedsfunktion der Fuzzy-Variablen (E) ist jedem der Koeffizienten der PID-Regelung zugeordnet. Die in Fig. 2 gezeigten Koeffizienten sind hauptsächlich der Koeffizient Kp.
Der Bereich des Koeffizienten Kp beträgt 1-100%, der Bereich ist in fünf Gruppen mit um 25% überlappenden Sektoren unterteilt. Der Mittelwert ist 50%. Die drei Gruppen von den fünfen sind grafisch als Dreiecke dargestellt.
Es soll angemerkt werden, daß bei der vorliegenden Ausführungs­ form die Mitgliedsfunktionen von (B), (C), (E) den Bereich 0 bis 1 abdecken, wie an der vertikalen Achse des Diagramms in Fig. 2 gezeigt.
Die Beziehung zwischen den Gruppen einer jeden Mitglieds­ funktion ist durch eine zuvor in einem Bereich (5) des Speichers 13 gespeicherte Regel definiert.
Die Regel für den Temparaturanstiegszustand ist z. B. in der folgenden Tabelle gegeben:
Tabelle
In der Tabelle bezeichnen die lnputs (Eingaben) A, B, C in der "if" (wenn)-Spalte die entsprechenden Fuzzy-Variablen (A), (B) und (C). Andererseits bezeichnet Output (Ausgabe) E in der dann (then)-Spalte die Fuzzy-Variable (E).
In der horizontalen Richtung der Tabelle, z. B. in der Zeile 1, ist die Beziehung zwischen den Inputs A, B und C das logische "AND" ("UND"). In der senkrechten Richtung der Tabelle, ist die Beziehung zwischen z. B. der Zeile 1 und der Zeile 2 ein logisches "OR" ("ODER").
Es soll angemerkt sein, daß in der Tabelle alle Kombinationen aller Gruppen in den Mitgliedsfunktionen gezeigt sind, es können jedoch unmögliche oder sehr seltene Kombinationen von der Tabelle weggelassen werden.
Als nächstes wird der Fuzzy-Schluß erläutert. Es sei angemerkt, daß dieser Fall unter den folgenden Bedingungen erläutert wird: Die Variable (A) - der Betriebszustand - ist X (Temperaturan­ stieg); die Variable (B) - letzte Temperaturänderung - ist Y; die Variable (C) - letzte Rate der Änderung - ist Z.
An der Position Y der Variablen (B) überlappen die Gruppen "PS" und "PM". An der Position Z der Variablen (C) überlappen die Gruppen "ZERO" und "PS".
Daher folgen aus den Kombinationen der Inputs A, B und C vier Regeln, die in Fig. 3 als die Regeln 23, 24, 28 und 29 angegeben sind, wobei diese Nummern den Nummern der Tabelle entsprechen.
Die Beziehung zwischen den Inputs A, B und C bei jeder Regel ist das logische "AND" ("UND"), so daß der Output E einen Be­ reich zur Folge hat, der die Inputs A, B und C einschließt. Insbesondere ist der Bereich des Outputs E als Fläche gezeigt, die durch Minimums-Eingabewerte der Inputs A, B und C unter­ teilt ist, diese sind in Fig. 3 durch schraffierte Bereiche gekennzeichnet.
Der Koeffizient Kp, der aus dem Output E einer jeder Kombination erschlossen wird und zu der PID-Steuerung 2 ge­ sendet wird, wird von der ALU 11 berechnet.
Die Stufen der Berechnung werden erläutert.
Zuerst wird der abgeleitete Bereich von jedem Output E wie in Fig. 4 zusammengesetzt.
Als nächstes wird der Schwerpunkt des in Fig. 4 gezeigten abgeleiteten Bereiches und der Koeffizient Kp bestimmt. Die Koeffizienten Td, Ti werden auf die gleiche Weise auf der Basis von Mitgliedsfunktionen und Regeln bestimmt.
Die bestimmten Koeffizienten Kp, Ti und Td werden von der MPU 9 zu der PID-Steuerung 2 geschickt, damit sie die Eingangsspan­ nung des Heizers 7 steuern.
Bei Benutzung der oben beschriebenen Fuzzy-Steuertheorie kann das Überschwingen (Überschießen) Po und das Unterschwingen (Unterschießen) Pu in dem Spritzzylinder 1 (siehe das Diagramm F in Fig. 5) eliminiert werden, und die Temperatur des Spritz­ zylinders 1 wird automatisch so eingestellt, daß sie der Zieltemperatur des gerade vorhandenen Betriebszustandes der Spritzgießmaschine M entspricht. Weiterhin kann eine schlechte Produktion verhindert werden. Selbst im Falle eines Harzes mit geringer Temperaturstabilität ist keine manuelle Steuerung durch eine erfahrene Bedienungsperson nötig.
Es sei angemerkt, daß bei der vorliegenden Ausführungsform neue Mitgliedsfunktionen, z. B. eine Abweichung zwischen der laufenden Rate der Änderung und der vorherigen Rate zu den in Fig. 2 gezeigten Mitgliedsfunktionen hinzugefügt werden kann.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann eine Einspritzdüse, die an dem Fadenende des Spritzzylinders sein kann, ebenfalls gesteuert werden, indem die Fuzzy-Steuertheorie benutzt wird, die für den Spritzzylinder angewendet ist.
Weiterhin können der Spritzzylinder und die Düse eine Mehrzahl von Heizern aufweisen, die in Längsrichtung angeordnet sind, und jeder Heizer kann auf der Grundlage des Fuzzy-Schlusses ge­ steuert bzw. geregelt werden. In diesem Fall kann die Temperatur sehr genau gesteuert werden.
Die Temperatur der Gießform muß ebenfalls genau gesteuert bzw. geregelt werden, so daß sie ebenfalls auf der Grundlage des Fuzzy- Schlusses gesteuert werden kann.
In einigen Formen sind eine Einrichtung zum Heizen z. B. ein elektrischer Heizer, und eine Einrichtung zum Kühlen, z. B. ein Wasserzirkulationsrohr vorgesehen. In diesem Fall kann die Ein­ richtung zum Heizen und Kühlen auf der Grundlage der Fuzzy- Theorie gesteuert werden, so daß das Überschwingen und Unter­ schwingen weitgehendst eliminiert werden kann. Somit kann eine ungeübte Bedienungsperson unter Benutzung eines vorprogrammier­ ten Fuzzy-Steuersystems die Temperatur der Formen so steuern, als wenn sie eine geübte Bedienungsperson wäre.
Nach dem oben beschriebenen Temperaturregelverfahren kann die Temperatur der temperaturgeregelten Komponenten automatisch an die Zieltemperatur, die dem Betriebszustand der Spritzgießmaschine entspricht, durch PID-Steuerung angepaßt werden. Während der beschriebenen automatischen Regelung sind Überschwingen und Unterschwingen weitgehend eliminiert. Daher trägt das Verfahren zu einem effektiven Betrieb der Spritzgieß­ maschine bei und zur Verringerung schlecht gegossener Produkte.

Claims (8)

1. Temperaturregelverfahren für eine Spritzgießmaschine zum Regeln von temperaturgeregelten Komponenten derart, daß eine dem Betriebszustand (A) der Spritzgießmaschine (M) entsprechende Solltemperatur durch Ausführen einer PID-Regelung zum Heizen (7) oder Kühlen der Komponenten der Spritzgießmaschine (M) erhalten wird, mit den Schritten:
  • - Erfassen des Betriebszustandes (A) der Spritzgießmaschine (M) und der Temperatur ihrer Komponenten;
  • - Berechnen der Abweichung (B) zwischen der dem Betriebszustand (A) der Spritzgießmaschine (M) entsprechenden Solltemperatur der Komponenten und der Ist-Temperatur
  • - Berechnen der Rate der Abweichungsänderungen (C) zwischen der gegenwärtigen Abweichung (B) und der vorherigen Abweichung (B);
  • - Ausführen einer Fuzzy-Schlußfolgerung zum Bestimmen der Koeffizienten (Kp, Ti, Td) der PID-Regelung als Fuzzy-Variable auf der Basis des Betriebszustandes (A) der Spritzgießmaschine (M), der errechneten Abweichung (B) und der Rate der Abweichungsänderung (C),
    wobei der Zustand (A) der Spritzgießmaschine (M), die Tempe­ raturabweichung (B), und die Rate der Abweichungsänderung (C) als Fuzzy-Variable definiert sind, die Fuzzy-Schlußfolgerung auf Regeln basiert, die jeder Fuzzy-Variablen zugeordnete Mitgliedsfunktionen verknüpfen, und wobei jede Mitgliedsfunktion einen unscharfen Zusammenhang zwischen der betreffenden Fuzzy-Variablen und Gruppen eines Koeffizienten definiert,
  • - Berechnen der tatsächlichen Koeffizienten (Kp, Ti, Td) der PID-Regelung auf der Basis der Fuzzy-Schlußfolgerung.
2. Temperaturregelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturgeregelten Komponenten ein Spritzzylinder (1) oder Gießformen sind.
3. Temperaturregelverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzzylinder (1) eine an einem seiner Enden vorgesehene Einspritzdüse aufweist.
4. Temperaturregelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dier Fuzzy-Schlußfolgerung entsprechend auf jede Komponente angewendet wird.
5. Temperaturregelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mitgliedsfunktion in eine Mehrzahl von Gruppen unterteilt ist, die gegenseitig überlap­ pende Sektoren aufweisen, wenn die Mitgliedsfunktionen grafisch dargestellt werden.
6. Temperaturregelverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die überlappenden Sektoren dreieckig sind, wenn sie grafisch dargestellt werden.
7. Temperaturregelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand der Spritzgießmaschine (M) durch eine programmierbare Steuerung (3) gesteuert wird.
8. Temperaturregelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitgliedsfunktionen und die Regeln zuvor in einer Speichereinheit (13) eines Computers gespeichert werden.
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