DE4434654C2 - Verfahren zur Beeinflussung zyklisch ablaufender Prozesse - Google Patents

Verfahren zur Beeinflussung zyklisch ablaufender Prozesse

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung zyklisch ablaufender Prozesse nach Anspruch 1. Unter Prozeßkurvenverläufen im Sinne der Ansprüche sind nicht nur die unmittelbar sich ergebenden Kurvenverläufe wie z. B. Druck-Zeit-, Druck-Weg- oder Temperatur-Zeitverläufe zu verstehen, sondern auch die daraus berechenbaren Prozeßkurvenverläufe wie z. B. Ableitungen, Integrale und dergleichen.
Das Verfahren kann bevorzugt in der kunststoffverarbeitenden und metallverarbeitenden Industrie eingesetzt werden, beispielsweise in Verbindung mit Kunststoff-Spritzgießmaschinen, Blasformmaschinen, Druckgußmaschinen, Aluminiumdruckgußmaschinen, jedoch auch in Verbindung mit Pressen oder Schweißapparaten, sofern dabei zyklisch ablaufende Prozesse vorgenommen werden.
Ein derartiges Verfahren ist bekannt aus W. Michaeli, u. a. "Qualitätsüberwachung beim Spritzgießen von Recyclat" in: PLASTVERARBEITER, 1993, Nr. 10, Seiten 96-102. Bei diesem Verfahren wird angepaßt an die jeweilige Problemstellung ein Bemusterungsplan festgelegt, bei dem systematisch Maschineneinstellgrößen beim Einrichten der Maschine als auch Rohstoffeigenschaften wie der Regranulatanteil variiert werden. Während dieser Bemusterung werden einerseits die Prozeßkurvenverläufe der an der Maschine ermittelbaren Prozeßparameter aufgezeichnet. Die während dieser Bemusterung hergestellten Produkte werden zudem hinsichtlich ihrer charakteristischen Eigenschaften untersucht. Im Anschluß daran werden die Prozeßkurvenverläufe in einzelne Prozeßphasen zerglie­ dert. Innerhalb der einzelnen Prozeßphasen werden nach mathematisch­ analytischen Verfahren Prozeßkennzahlen gebildet. Prozeßkennzahlen sind diskrete Zahlenwerte, die den jeweiligen Prozeßkurvenverlauf innerhalb der einzelnen Prozeßphasen charakterisieren (Korrela­ tionskoeffizient, Extrema, Integrale, Mittelwerte, usw.). Somit können die jeweiligen Prozeßkennzahlen mit den dazugehörigen Qualitätsmerkmalen in mathematisch-statistischer Form korreliert werden. Die damit ermittelte Funktion
QM = f (PKZ)
(charakteristische Eigenschaften = Funktion der Prozeßkennzahlen) erlaubt während der folgenden Produktion eine Vorhersage der charakteristischen Eigenschaften des gefertigten Produkts, so daß in Abhängigkeit davon beispielsweise eine Weiche zum Aussondern von Schlechtteilen gesteuert werden kann. Eine Optimierung der Ergeb­ nisse, gegebenenfalls unter Berücksichtigung auch nichtlinearer Abhängigkeiten zwischen verschiedenen charakteristischen Eigenschaf­ ten wird nicht durchgeführt.
Aus der DE-A 35 05 554 ist ein Verfahren zur Untersuchung von Druckverläufen bekannt, um selbsttätig Änderungen im Druckverlauf festzustellen, die bei Überschreiten bestimmter Schwellwerte ein Signal für eine Veränderung der Umschaltzeitpunkte z. B. zwischen Einspritzphase und Nachdruckphase für den folgenden Zyklus geben. Eine Verbindung zu den charakteristischen Eigenschaften des fertigen Produkts wird jedoch nicht hergestellt. Da nur eine Stellgröße benutzt wird, können nicht beliebige Eigenschaften zielgerichtet beeinflußt werden.
Zur Beschleunigung der Einrichtung einer Maschine, auf der zyklische Prozesse ablaufen, werden in der DE-A 40 02 398 verschiedene Tempe­ raturen im Bereich der Maschine mit einer Temperatur eines her­ gestellten Teils in Beziehung gesetzt, wobei die Temperatur des Teils wiederum mit bestimmten Eigenschaften des Teils in Verbindung steht. Wenngleich dadurch das Einrichten der Maschine beschleunigt werden kann, ist immer noch der Einsatz eines Expertenwissens erforderlich, damit tatsächlich die Temperatur des Teils bestimmten charakteristischen Eigenschaften entspricht. Somit werden keine analytischen Zusammenhänge von Prozeßgrößen und Eigenschaften hergestellt.
Aus der DE-A 35 38 516 ist ferner ein Gewichtsregler bekannt, bei dem das nach dem Spritzgußprozeß ermittelte Istgewicht von Spritz­ gießteilen verglichen mit einem Sollgewicht als Regelgröße für den Nachdruck in der Nachdruckphase der Spritzgießmaschine gewählt wird. Es findet keine Optimierung statt.
Aus der EP-B 455 820 ist ferner ein Verfahren bekannt, bei dem aufgrund eines abgespeicherten Expertenwissens beim Auftreten von Fehlteilen Gegenmaßnahmen in die Wege geleitet werden. Bei den Gegenmaßnahmen handelt es sich allerdings um die abgespeicherten empirischen Erfahrungen eines Experten, so daß eine teilspezifische Veränderung in Abhängigkeit der tatsächlich auftretenden Bedingungen nicht möglich ist.
In W. Michaeli, u. a. "Qualitätsgesichertes Spritzgießen" in Kunststoffe 82 (1992) 12, S. 1167-1171 wird eine Regelung des Qualitätsmerkmals "Glanz" auf der Grundlage Glanz = f(Einspritz­ geschwindigkeit, Wandtemperatur) beschrieben. Hier wird nur eine Zielgröße/ein Qualitätsmerkmal in Abhängigkeit von zwei Prozeßkennzahlen geregelt. Ein Qualitätsvektor kann nicht in Abhängigkeit einer Kennzahlenmatrix beschrieben oder geregelt werden, da die gleichzeitige Regelung mehrerer Qualitätsmerkmale eine Lösung des Problems der linearen Abhängigkeit einzelner Qualitätsmerkmale untereinander erfordert. Eine Optimierung erfolgt nicht.
In der DE-A 35 45 360 wird eine an der Spritzdüse ermittelte Druck- Zeit-Kennlinie als für die Qualität maßgebend bestimmt, so daß bei einem Verlassen dieser Kennlinie beurteilt werden kann, daß jetzt ein Schlechtteil entsteht. Auf die komplexen Zusammenhänge zwischen verschiedenen Maschineneinstellgrößen wird nicht eingegangen.
Nach der DE-A 40 25 221 wird durch Simmulationsmethoden ein opti­ maler Arbeitspunkt iterativ bestimmt. Auf die Zusammenhänge zwischen Maschineneinstellgrößen, Prozeßkennzahlen und charakteristischen Eigenschaften wird nicht eingegangen, statt dessen wird ein Experten­ system zur Verfügung gestellt, das üblicherweise eine Optimierung des Arbeitspunktes durchführt, wie sie von einem erfahrenen Ein­ steller empirisch vorgenommen würde.
In der EP-A 457 230 werden Prozeßparameter für einzelne Zyklusab­ schnitte bestimmt. Eine Korrelation zwischen den einzelnen Para­ metern wird jedoch nicht vorgenommen.
In der US-A 5,246,644 wird zunächst ein Arbeitsraum zweidimensional mit den Parametern Druck und Temperatur abgefahren. Mit den ermittelten Ergebnissen wird aufgrund einer Verlustgewichtung ermittelt, welcher Faktor maßgeblich die Qualität beeinflußt und man versucht dann, diesen einen Faktor zu optimieren. Auf die komplexen Zusammenhänge zwischen verschiedenen Maschineneinstellgrößen wird nicht eingegangen.
In der US-A 5,225,122 erfolgt eine Nachführung des Arbeitspunktes innerhalb eines vorgegebenen Expertenwissens. Eine selbständige Qualitätsoptimierung unter Berücksichtigung der komplexen Zusammen­ hänge erfolgt hierbei nicht.
Allen vorausgegangenen Verfahren ist gemeinsam, daß keine Optimie­ rung in Abhängigkeit beliebiger vorgegebener charakteristischer Eigenschaften des Teiles möglich ist. Es erfolgt allenfalls eine Regelung einzelner Prozeßgrößen oder Eigenschaften unabhängig von anderen Werten, ohne Rücksicht auf die komplexen Zusammenhänge zwischen einzelnen Verfahrensparametern und Eigenschaften der gefertigten Teile.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung unter Berücksichtigung der komplexen Zusammenhänge zwischen einzelnen Verfahrensparametern und der Eigenschaften der herzustel­ lenden Teile zu optimieren.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Dadurch, daß nun der Zusammenhang zwischen charakteristischen Eigenschaften und/oder Rohstoffeigenschaften und Maschineneinstell­ größen über zwischengeschaltete Prozeßkennzahlen gebildet werden kann, können in jeder Hinsicht optimale Prozeßabläufe realisiert werden. Die Optimierung richtet sich dabei auf charakteristische Eigenschaften, wobei unter dem Begriff charakteristische Eigenschaf­ ten zunächst Eigenschaften der gefertigten Teile, also beliebige, attributive (z. B. Brenner) oder variable (z. B. Maße, Gewicht) Eigen­ schaften zu verstehen sind. Hierher gehört aber auch eine Minimierung der Ausschußrate, die durch charakteristische Eigen­ schaften der Produkte beeinflußt wird. Zu den charakteristischen Eigenschaften der gefertigten Produkte gehören aber auch wirtschaftliche Gesichtspunkte, wie ein stabiler Ablauf des Ferti­ gungsprozesses oder eine Minimierung der Zykluszeit unter Aufrecht­ erhaltung bestimmter Randbedingungen der Prozesse. Ebenso haben die Rohstoffeigenschaften Einfluß auf die charakteristischen Eigenschaf­ ten, so daß z. B. beim Einsatz des Verfahrens an einer Kunststoff- Spritzgießmaschine der Regranulatanteil von recycletem Kunststoff­ material für die Eigenschaften des Endproduktes maßgeblich sein kann. Die mittelbare Beziehung zwischen Maschineneinstellgrößen und charakteristischen Eigenschaften über die Prozeßkennzahlen kann dabei im Rahmen des Verfahrens ermittelt werden oder in Kenntnis dieser Beziehung, beispielsweise durch vorausgegangene Herstellungs­ abläufe vorgegeben werden, gemäß Anspruch 2. Aufgrund des Ergeb­ nisses kann dann ein optimaler Arbeitspunkt für den Betrieb der Maschine ermittelt werden.
Falls der optimale Arbeitspunkt nicht bestimmbar ist, so wird verfahrensgemäß nach Anspruch 3 versucht, einen fast-optimalen Arbeitspunkt zu ermitteln, der trotz eventuell zwischen einzelnen charakteristischen Eigenschaften bestehenden linearen oder nichtlinearen Abhängigkeiten ein Betreiben der Maschine unter Einhaltung vorgegebener Toleranzen aller vorgegebenen charakteristischen Eigenschaften ermöglicht. Hierbei handelt es sich um eine Kompromißlösung, die aufgrund bekannter Varianz- und Regressionsanalysen oder ähnlicher Analysen ermittelt ist.
Kann auch ein fast optimaler Arbeitspunkt nicht ermittelt werden, so ermittelt das Verfahren Systemänderungen, die gegebenenfalls über eine angeschlossene Steuerung unmittelbar ausgeführt werden oder über die Steuerung dem Anwender zur Veränderung vorgeschlagen werden (Anspruch 4).
Sind die Beziehungen zwischen Maschineneinstellgrößen und charakte­ ristischen Eigenschaften bekannt, so kann auch gemäß Anspruch 7 zyklussynchron die erreichte charakteristische Eigenschaft ermittelt werden und gegebenenfalls sogar von Zyklus zu Zyklus ein neuer optimaler Arbeitspunkt für den Betrieb der Maschine vorgegeben werden.
Um den Bedienungskomfort zu erhöhen, läßt sich der Kreis schließlich dadurch schließen, daß nach Anspruch 8 eine selbsttätige Rückführung der Maschineneinstellgrößen erfolgt, so daß je nach dem ermittelten optimalen Arbeitspunkt eine automatische Einstellung der Maschineneinstellgrößen unmittelbar von der Maschine vorgenommen wird.
Nach Anspruch 9 ermittelt die Vorrichtung selbst die Prozeß­ phasen durch Betrachtung sämtlicher während der Produktion als auch während der Testphase ermittelten Signale und bestimmt in Abhängig­ keit davon für einzelne Prozeßphasen Kennzahlen, die für diesen Prozeß kennzeichnend sind. Diese Kennzahlen werden in Korrelation mit den charakteristischen Eigenschaften gesetzt und ergeben bestimmte Beziehungen zwischen einer Mehrzahl von charakteristischen Eigenschaften und einer Mehrzahl von Prozeßparametern. In der Regelung selbst wird beim Auftreten eines Differenzwertes in wenigstens einer charakteristischen Eigenschaft anhand der Prozeßkennzahl(en) die Maschineneinstellgröße ausgewählt, die am nachhaltigsten Einfluß zur Verringerung des Differenzwertes hat, ohne dabei einen negativen Einfluß auf andere Verfahrensparameter auszuüben.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Ein Blockdiagramm mit der teilweisen Darstellung einer Spritzgießmaschine, an der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird,
Fig. 2 ein Flußdiagramm, das den durchgeführten Verfahrens­ ablauf verdeutlicht.
Das Verfahren und die Vorrichtung wird im folgenden anhand einer Spritzgießmaschine, vorzugsweise einer Spritzgießmaschine zur Verarbeitung von plastischen Massen, wie Kunststoffen oder Pulver­ massen erläutert. Das Verfahren läßt sich jedoch wie eingangs bereits erläutert auch problemlos in anderen Bereichen einsetzen, in denen zyklisch ablaufende Prozesse zur Herstellung (Urformung) oder Bearbeitung (Umformung) von Produkten eingesetzt werden.
Das Verfahren gliedert sich gemäß Fig. 2 in eine Testphase T und eine Produktionsphase P. In der Testphase wird zunächst, wie auch in dem Aufsatz "Qualitätsüberwachung beim Spritzgießen von Recyclat" beschrieben, eine Bemusterung ggf. auch systematisch nach einem Bemusterungsplan durchgeführt. Dabei werden z. B. neun bis zehn verschiedene Maschineneinstellungen vorgenommen, bei denen die wesentlichen Maschineneinstellgrößen MG oder Parameter variiert werden (Schritt S1). Ergänzend können auch Rohstoffeigenschaften RE wie z. B. der Regranulatanteil variiert werden, um den Einfluß der Rohstoffe auf die charakteristischen Eigenschaften zu erfassen. Bei jeder Maschineneinstellung werden Formteile entnommen und mittels konventioneller Methoden, auf die hier nicht näher einzugehen ist, zur Bestimmung ihrer charakteristischen Eigenschaften untersucht (Schritt S2). Die Bemusterung kann jedoch auch während der Produktion durch Betrachtung einzelner gefertigter Teile erfolgen. Charakteristische Eigenschaften sind beliebige, attributive (z. B. Brenner) oder variable (z. B. Maße, Gewicht) Eigenschaften. Charakteristische Eigenschaften können aber auch die Prozeßstabilität, die Zykluszeit, die Ausschußrate oder die Kosten sein. Zudem werden während dieser Prozesse mit den in der Maschine vorhandenen Sensormitteln 11, 12 sowohl die Maschineneinstellgrößen als auch Prozeßparameter wie z. B. Werkzeuginnendruck,
Werkzeugtemperatur, Temperatur des Verarbeitungsmaterial s, Einspritzgeschwindigkeit und dergleichen kontinuierlich erfaßt und als Prozeßkurvenverläufe vorzugsweise über die Zykluszeit gespeichert (Schritt S3). Diese Prozeßkurvenverläufe sind eine Funktion der Maschineneinstellgrößen, jedoch läßt sich hieraus noch kein Rückschluß bilden, welche Maschineneinstellgröße verändert werden muß, um den Prozeßkurvenverlauf in eine bestimmte Richtung zu verändern, geschweige denn ist es möglich, Voraussagen zu treffen, welche Maschineneinstellgröße geändert werden muß, um eine bestimmte charakteristische Eigenschaft QM zu erzielen.
Aus diesem Grund werden die in Schritt S3 erfaßten Prozeßkurvenver­ läufe PKV in mehrere sich in Abhängigkeit der Prozeßkurvenverläufe ergebende, variable Prozeßphasen PPH zergliedert, so daß sie abschnittsweise beschrieben werden können (Schritt S4). Dabei kann es jedoch für manche Prozeßkurvenverläufe wie z. B. häufig Temperaturverläufe durchaus auch nicht nötig sein, diese in Prozeßphasen zu zergliedern, da sie z. B. weitgehend linear sind. Hier wird dann der gesamte Prozeßkurvenverlauf als eine Prozeßphase angesehen. Das Beschreiben dieser Prozeßphasen erfolgt durch Prozeßkennzahlen PKZ, die aufgrund bekannter Varianz- und Regressionsanalysen oder ähnlicher Analysen ermittelt sind (Schritt S5). Die Beschreibung und Bestimmung der charakteristischen Eigenschaften der Prozeßkurvenverläufe PKV innerhalb einzelner Prozeßphasen PPH erfolgt durch diskrete Einzelwerte (Prozeßkennzahlen PKZ), die im wesentlichen nach den Regeln der Differentialrechnung gebildet werden (absolute und lokale Extrema, Wendepunkte, Integrale, Mittelwerte, . . .). Die Prozeßkennzahlen können nun mit einzelnen charakteristischen Eigenschaften (QMi = f(PKZi)) und mit Maschineneinstellgrößen (PKZi = f(MGi)) in Beziehung gesetzt werden (Schritt S6), so daß eine Beziehung zwischen charakteristischer Eigenschaft(en) und Maschineneinstell­ größe(n) (QMi = f(MGi)) entsteht. Sind die Beziehungen zwischen Maschineneinstellgrößen und charakteristischen Eigenschaften, beispielsweise in Form bereits früher ermittelter Prozeßkennzahlen oder aufgrund empirisch ermittelter Beziehungen bekannt, so können diese Beziehungen selbstverständlich auch vorgegeben werden. Diese Beziehungen können dann in einer Speichereinheit 16 gespeichert werden. Damit ist die Testphase T abgeschlossen.
An dieser Stelle werden nun bestimmte charakteristische Eigenschaf­ ten wie Maßgenauigkeit, Gewicht, Prozeßstabilität, Zykluszeit oder dergleichen eingegeben als vorgegebene charakteristische Eigenschaft QMSoll (Schritt S10). Anhand der zuvor bestimmten Beziehung zwischen Prozeßkennzahl und charakteristischer Eigenschaft kann nun in Abhängigkeit der vorgegebenen charakteristischen Eigenschaft ein optimaler Arbeitspunkt unter Einhaltung der vorgegebenen charakte­ ristischen Eigenschaft QMSoll ermittelt werden (Schritt S12).
Gleichzeitig werden in Schritt S11 die Toleranzen dQMzul für die charakteristische Eigenschaften vorgegeben. Kann ein optimaler Arbeitspunkt nun nicht erreicht werden, weil z. B. aufgrund linearer oder nichtlinearer Abhängigkeiten zwischen verschiedenen charakte­ ristischen Eigenschaften die Veränderung zur Erzielung eines Optimums gleichzeitig eine Verschlechterung anderer Eigenschaften nach sich zieht (Schritt S13), so versucht ein Optimierer 19 aufgrund der Beziehung zwischen charakteristischen Eigenschaften, Prozeßkennzahlen und Maschineneinstellgrößen als Kompromißlösung ein Sub-Optimum zu erzielen (Schritt S14). Der Optimierer versucht also, einen fast-optimalen Arbeitspunkt APsub unter Einhaltung der Toleranzen dQMzul aller vorgegebenen charakteristischen Eigenschaften QMSoll zu ermitteln. Sofern sich dieser fast-optimale Arbeitspunkt ermitteln läßt, können die verschiedenen Einstellgrößen entsprechend eingestellt werden (Schritt S15).
Läßt sich aber dieser Arbeitspunkt nicht ermitteln, so werden aufgrund der bekannten Beziehung Systemänderungen ermittelt, Änderungen vorgenommen oder vorgeschlagen, so daß ein Arbeitspunkt AP unter Einhaltung der Toleranzen aller vorgegebenen charakteristi­ schen Eigenschaften erzielbar ist (Schritt S16).
Falls erwünscht, können in Schritt S10 auch Maschineneinstellgrößen MGSoll oder weitere Maschineneinstellgrößen MG vorgegeben werden, die aufgrund der bekannten Beziehung und der Berücksichtigung der Toleranzen dQMzul zu optimieren sind. Ebenso können in Schritt S11 Grenzwerte dMGzul für Maschineneinstellgrößen MG oder zulässige Abweichungen dPKZzul vorgegeben werden, damit unter Berücksichtigung mehrfacher Abhängigkeiten ein Optimum zum Betrieb der Maschine ermittelt wird.
Das gesamte Verfahren läßt sich nicht nur im Vorfeld zur Ermittlung eines optimalen Arbeitspunktes einsetzen, sondern kann auch in der laufenden Produktion erfolgreich eingesetzt werden. Dazu erfolgt vorzugsweise zyklussynchron eine den Schritten S3, S4, S5 entsprechende Auswertung, d. h. es werden ebenfalls Serienprozeß­ kurvenverläufe SPKV kontinuierlich erfaßt (Schritt S7), diese Prozeßkurvenverläufe werden zyklussynchron in Serienprozeßphasen SPPH zergliedert (Schritt S8) und es werden daraus für die Produktion Serienprozeßkennzahlen SPKZ ermittelt, die die Serienprozeßkurvenverläufe kennzeichnen und mit bestimmten charakteristischen Eigenschaften in Beziehung stehen (Schritt S9). Hieraus läßt sich dann in bekannter Weise die sich ergebende(n) berechenbare charakteristische Eigenschaft(en) SQMber zyklussynchron ermitteln (Schritt S17). Hiermit läßt sich gegebenenfalls für jeden Zyklus neu ein neuer optimaler Arbeitspunkt APn feststellen (Schritt S18), so daß eine Einstellung der Maschineneinstellgrößen MG für jeden Zyklus neu erfolgen kann. Will man diesen Ablauf weiter automatisieren, so kann die Einstellung der Maschineneinstellgrößen MG selbsttätig erfolgen, um die Arbeits-punkte APopt, APsub, AP, APn zu erzielen (Schritt S 19).
Darüber hinaus läßt sich aufgrund der in Schritt S6 bestimmten Funktion
QMi = f (PKZ)i oder QM = b PKZ
feststellen, welche Prozeßkennzahl PKZi den größten Einfluß besitzt. Ausgewählt wird somit die Teilmenge aller gebildeten Prozeßkennzahlen PKZ und aller Maschineneinstellgrößen, die die jeweiligen Eigenschaften signifikant beeinflussen.
Da einzelne charakteristische Eigenschaften QMi nicht immer linear unabhängig voneinander sind, können nicht immer Maschineneinstell­ größen geändert werden, ohne zugleich andere charakteristische Eigenschaft(en) zu beeinflussen. In diesem Fall wird vor einer Änderung überprüft, ob alle charakteristischen Eigenschaften QMi innerhalb vorgegebener Spezifikationen oder Bandbreiten liegen. Hierzu wurden vorab in Schritt S11 entsprechende Werte eingegeben oder ermittelt. Mittels einer Optimierrechnung wird ein neuer Arbeitspunkt errechnet, der einer bestimmten Einstellung der Maschineneinstellgrößen entspricht, und die dazu notwendige Änderung der Maschineneinstellgrößen an die Maschine übertragen. Steht aber die Prozeßkennzahl fest, kann daraus auf die maßgebliche(n) Maschineneinstellgröße(n) MG geschlossen werden.
Somit wird die Optimierung erst während der Produktion festgelegt, wobei aufgrund unterschiedlichster Anforderungen an das Produkt in der Regel mehrere Stellgrößen auftreten.
In Versuchen hat sich auch gezeigt, daß das Zergliedern der Prozeßkurvenverläufe sowohl in der Testphase T als auch in der Produktionsphase P am geeignetsten numerisch erfolgt, indem eine Signalanalyse durchgeführt wird. Anhand der vorhandenen Analog­ signale für die ständige Erfassung der Verfahrensparameter und/oder anhand der Digitalsignale, die für das Ein- und Ausschalten bestimmter Teile der Maschine gegeben werden, lassen sich verfahrensspezifisch verschiedene Prozeßphasen PPH definieren und für jeden Produktionszyklus berechnen. Innerhalb dieser Prozeßphasen werden dann die Prozeßkennzahlen definiert und ebenfalls berechnet, die wie bereits oben ausgeführt eine Korrelation zu den charakteristischen Eigenschaften QM erlauben.
Als wesentliche Prozeßkennzahlen haben sich u. a. die aus den folgenden Prozeßkurvenverläufen ermittelten herausgestellt, die zunächst einen Prozeßkennzahlen-Vektor darstellen, der anschließend dann wie oben bereits erläutert ausgewertet werden muß:
  • - Maximale und/oder mittlere Druckanstiegsgeschwindigkeit im Werkzeug während der Einspritzphase,
  • - maximale und/oder mittlere Druckanstiegsgeschwindigkeit im Werkzeug während der Kompressionsphase,
  • - maximale und/oder mittlere Druckabfallgeschwindigkeit im Werk­ zeug während der Nachdruckphase,
  • - Werkzeuginnendruckintegral in der Nachdruckphase,
  • - Maximum des Werkzeuginnendrucks in der Nachdruckphase,
  • - mittlere Wandtemperatur in der Bildungsphase,
  • - mittlere Massetemperatur in der Bildungsphase.
Zur Verdeutlichung der einzelnen Phasen sei an dieser Stelle zunächst beispielhaft ein Zyklus während der Formteilherstellung auf einer Spritzgießmaschine beschrieben. Bei einem derartigen Zyklus wird kontinuierlich der Spritzgießeinheit 30 einer Spritzgießma­ schine Material zugeführt, das über Einspritzmittel 31 während einer Einspritzphase zunächst in einen Formhohlraum 32 eingespritzt wird. Gegen Ende des Einspritzens, wenn der Formhohlraum nahezu gefüllt ist, wird der Formhohlraum zunächst noch weiter durch Axialbewegung des Einspritzmittels während einer Kompressionsphase unter Druck gesetzt. Ab einem gewissen Punkt ist dann eine weitere Bewegung des Einspritzmittels 31 nicht mehr möglich und üblicherweise schaltet die Steuerung der Spritzgießmaschine dann auf eine Druckregelung um, die den Nachdruck während einer Nachdruckphase regelt, die für den Erhalt formbeständiger Spritzteile erforderlich ist. In dieser Zeit erstarrt das Spritzgießteil und bildet sich anschließend während der Bildungsphase zum fertigen Formteil.
Die Prozeßkennzahlen PKZ, SPKZ des obigen Prozeßkennzahlen-Vektors werden innerhalb folgender Prozeßbereiche gebildet:
Einspritzphase:
Start durch Maschinen-Digitalsignal: "Start Einspritzen"
Ende durch Maschinen-Digitalsignal: "Umschalten auf Nachdruck"
oder:
Start durch Schwellwert-Analogsignal "Werkzeuginnendruck auf z. B. 5 bar"
Ende durch errechnetes Signal: "Maximum Beschleunigung Werk­ zeuginnendruck"
Kompressionsphase:
Start durch Maschinen-Digitalsignal: "Umschalten auf Nachdruck"
Ende durch errechnetes Signal: "Minimum Beschleunigung Werk­ zeuginnendruck"
oder:
Start durch errechnetes Signal: "Maximum Beschleunigung Werk­ zeuginnendruck"
Ende durch errechnetes Signal: "Minimum Beschleunigung Werk­ zeuginnendruck"
Nachdruckphase:
Start durch Maschinen-Digitalsignal: "Umschalten auf Nachdruck"
Ende durch Maschinen-Digitalsignal: "Ende Nachdruck"
oder:
Start durch errechnetes Signal: "Minimum Beschleunigung Werk­ zeuginnendruck"
Ende durch Maschinen-Digitalsignal: "Ende Nachdruck"
Bildungsphase:
Start durch Maschinen-Digitalsignal: "Start Einspritzen"
Ende durch Maschinen-Digitalsignal: "Ende Nachdruck".
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung dargestellt, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist. Darin spritzt eine Spritzgießeinheit 30 einer Kunststoff-Spritzgießmaschine über ein Einspritzmittel 31 wie z. B. eine Förderschnecke oder einen Einspritzkolben Material in einen Formhohlraum 32 einer Spritzgießform 34 in einer Werkzeugschließeinheit 33 ein. Die Vorrichtung verfügt über Sensormittel 11, 12 wie z. B. einen Werkzeuginnendrucksensor und einen Temperaturfühler im Bereich der Spritzgießeinheit. über die Sensormittel werden eine Vielzahl von Prozeßparamtern während jedes Prozesses, also während jedes Zyklus ermittelt. Über Mittel 13 zur Aufnahme von Prozeßkurvenverläufen PKV werden die Prozeßparameter während eines Prozesses erfaßt. Darüber hinaus verfügt die Vorrichtung über Eingabemittel 14, die die Eingabe diverser Werte ermöglichen. Erforderlich ist z. B. die Eingabe der während der Bemusterungsphase durch konventionelle Methoden ermittelten charakteristischen Eigenschaften QM der während dieser Phase hergestellten Produkte. Allerdings können diese Werte teilweise auch selbsttätig ermittelt werden und unmittelbar in die Vorrichtung eingespeist werden. Eingegeben oder z. B. von Datenträgern eingelesen werden müssen aber z. B. auch bestimmte Sollwerte charakteristischer Eigenschaften, die z. B. für einen Sollwertvektor der charakteristischen Eigenschaften kennzeichnend sind, oder bekannte Beziehungen zwischen Maschineneinstellgrößen und Eigenschaften.
Ferner umfaßt die Vorrichtung Mittel 15 zur Bestimmung einer Beziehung zwischen den charakteristischen Eigenschaften QM, SQM und den Prozeßkurvenverläufen PKV bzw. Serienprozeßkurvenverläufen SPKV.
Hier erfolgt die Zergliederung der Prozeßkurvenverläufe in die Prozeßphasen nach den oben gemachten Vorgaben vorzugsweise numerisch. In den Prozeßphasen werden dann jeweils die Prozeßkennzahlen PKZ, PKZP ermittelt, die mit den charakteristischen Eigenschaften durch diese Beziehung korreliert sind. Die in der Testphase ermittelte Beziehung wird zudem in Speichermitteln 16 gespeichert. Die Maschineneinstellgrößen MG sind über Einstellvorrichtungen 17, 18 beeinflußbar. Im Ausführungsbeispiel beeinflußt die Einstellvorrichtung 18 durch Verstellung eines Regelventils 36 z. B. den Druck einer die Förderschnecke antreibenden Kolben-Zylindereinheit und damit den Werkzeuginnendruck, der über das Sensormittel 11 erfaßt wird. Die Einstellvorrichtung 17 beeinflußt die Heizbändern 35 zugeführte Stromstärke und damit die Temperatur, die über das Sensormittel 12 erfaßt wird.
Ein Optimierer 19 ermittelt aufgrund der ermittelten Beziehung zwischen charakteristischen Eigenschaften und Maschineneinstell­ größen und unter Berücksichtigung der Vorgaben einen optimalen Arbeitspunkt APopt. Falls dieser optimale Arbeitspunkt aufgrund der Randbedingungen nicht erreichbar ist, versucht der Optimierer 19 die Ermittlung eines fast-optimalen Arbeitspunktes APsub. Ist auch dies nicht möglich, so schlägt er Systemänderungen vor, oder, soweit dies möglich ist, nimmt diese Systemänderungen selbst vor. In Abhängig­ keit des ermittelten Arbeitspunktes werden dann die Einstellvor­ richtungen 17, 18 betätigt.

Claims (9)

1. Verfahren zur automatischen Beeinflussung von Maschineneinstell­ größen (MG) und/oder Rohstoffeigenschaften (RE) in zyklisch ablaufenden Prozessen, insbesondere in kunststoffverarbeitende Maschinen und Druckgußmaschinen, mit den Schritten:
  • a) Einstellung eines Arbeitspunktes, der die Herstellung von Produkten erlaubt,
  • b) Testweise Herstellung von in den Prozessen gefertigten Produkten ausgehend von dem Arbeitspunkt unter systematischer Veränderung der Maschineneinstellgrößen (MG) und/oder Rohstoffeigenschaften (RE) und unter systematischer Variation möglicher Kombinationen der Maschineneinstellgrößen (MG) und/oder Rohstoffeigenschaften (RE),
  • c) Erfassung der charakteristischen Eigenschaften (QM) der in Schritt b) gefertigten Produkte unter Entnahme und Bewertung wenigstens einer Probe je Kombination von Maschinenein­ stellgrößen (MG) und/oder Rohstoffeigenschaften (RE) sowie Zuordnung der erfaßten charakteristischen Eigenschaften (QM) zu der jeweiligen Kombination der Maschineneinstellgrößen und/oder Rohstoffeigenschaften (RE),
  • d) Ermitteln einer Vielzahl von Prozeßparametern zur Erstellung von Prozeßkurvenverläufen (PKV) und Erfassung und Speicherung dieser Prozeßkurvenverläufe (PKV) während Schritt b) sowie Zuordnung der Prozeßkurvenverläufe zu der jeweiligen Kombination der Maschineneinstellgrößen (MG) und/oder Rohstoffeigenschaften (RE),
  • e) Berechnung mehrerer sich in Abhängigkeit der jeweiligen Prozeßkurvenverläufe (PKV) ergebenden, variablen Prozeßphasen (PPH) aus den in Schritt d) erfaßten Prozeßkurvenverläufen (PKV) unter Bestimmung der für beliebige Prozeßkurvenverläufe charakteristischen Prozeßkennzahlen (PKZ), durch die die Veränderung der charakteristischen Eigenschaften (QM) beschreibbar ist,
  • f) Bestimmung der Beziehung zwischen den in Schritt e) bestimmten Prozeßkennzahlen (PKZ) und den in Schritt c) erfaßten charakteristischen Eigenschaften (QM),
  • g) Bestimmung der Beziehung zwischen den in Schritt e) bestimmten Prozeßkennzahlen (PKZ) und den in Schritt b) vorgenommenen Änderungen der Maschineneinstellgrößen (MG) und/oder Rohstoffeigenschaften (RE),
  • h) Vorgeben wenigstens einer charakteristischen Eigenschaft (QMSoll) für die Serienproduktion,
  • i) Vorgeben der zugehörigen Toleranzen (dQMzul) der vorgege­ benen charakteristischen Eigenschaft (QMSoll),
  • j) Ermitteln einer Vielzahl von Prozeßparametern zur Erstellung von Serienprozeßkurvenverläufen (SPKV) und Erfassung und Speicherung dieser Serienprozeßkurvenverläufe während der Serienproduktion sowie Zuordnung der Serienprozeßkurvenverläufe zu der jeweiligen Kombination der Maschineneinstellgrößen (MG),
  • k) Berechnung mehrerer sich in Abhängigkeit der jeweiligen Serienprozeßkurvenverläufe (SPKV) ergebenden, variablen Serienprozeßphasen (SPPH) aus den in Schritt j) erfaßten Serienprozeßkurvenverläufen (SPKV) unter Bestimmung der für beliebige Serienprozeßkurvenverläufe charakteristischen Serienprozeßkennzahlen (SPKZ), durch die die Veränderung der charakteristischen Eigenschaften (SQM) während der Serienpro­ duktion beschreibbar ist,
  • l) Berechnung der charakteristischen Eigenschaft (SQMber) auf­ grund der in Schritt f) ermittelten Beziehung während der Serienproduktion, mit den in Schritt k) bestimmten Serien­ prozeßkennzahlen (SPKZ),
  • m) Bestimmung der Maschineneinstellgröße (MG) und/oder Rohstoff­ eigenschaft (RE) aufgrund der Beziehung gemäß Schritt g), die für die in Schritt k) ermittelte Serienprozeßkennzahl (SPKZ) einen optimalen Arbeitspunkt ergibt unter Einhaltung der vorgegebenen charakteristischen Eigenschaft (QMsoll),
  • n) Veränderung der Maschineneinstellgrößen (MG) und/oder Roh­ stoffeigenschaften (RE) auf die in Schritt m) ermittelten Werte während der Serienproduktion,
  • o) Wiederholung der Schritte j) bis n) zur Optimierung des Arbeitspunktes.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte b) bis g) ersetzt sind durch das Vorgeben der Beziehungen gemäß den Schritten f) und g).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet für den Fall, daß aufgrund der Abhängigkeiten zwischen einzelnen charakteristischen Eigenschaften (QM) und/oder Rohstoffeigenschaften (RE) ein optimaler Arbeitspunkt nicht bestimmbar ist, durch die Schritte:
  • - Bestimmung eines fast-optimalen Arbeitspunktes (APsub) aufgrund der Beziehungen gemäß den Schritten f) und g) unter Einhaltung der Toleranzen (dQMzul) aller vorgegebenen charakteristischen Eigenschaften (QMsoll),
  • - Einstellung der dem fast-optimalen Arbeitspunkt (APsub) entsprechenden Maschineneinstellgrößen und/oder Rohstoffeigenschaften.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß, falls aufgrund der Beziehung gemäß Schritt f) und g) ein Arbeitspunkt (APsub) unter Einhaltung der Toleranzen (dQMzul) aller vorgegebenen charakteristischen Eigenschaften (QMsoll) nicht bestimmbar ist, vorzunehmende Systemänderungen ermittelt werden, so daß ein Arbeitspunkt (AP) unter Einhaltung der Toleranzen aller vorgegebenen charakteristischen Eigenschaften ermittelbar ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß außer den vorgegebenen charakteristischen Eigenschaften (QMsoll) auch Grenzwerte (MGzul) für die Maschinen­ einstellgrößen (MG) und/oder Rohstoffeigenschaften (RE) vorgegeben werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere weitere Maschineneinstellgrößen (MG) vorgegeben werden, die aufgrund der in Schritt g) ermittelten Beziehung unter Berücksichtigung der Toleranzen (dQMzul) der vorgegebenen charakteristischen Eigenschaft (QMSoll) zu optimie­ ren sind.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:
  • e) Ermitteln einer Vielzahl von Prozeßparametern während der Serienproduktion und Speicherung der zugehörigen Serien­ prozeßkurvenverläufe (SPKV) zur Berechnung von wenigstens einer Serienprozeßkennzahl (SPKZ) für einzelne Serienprozeß­ phasen (SPPH),
  • f) Ermittlung der berechenbaren charakteristischen Eigenschaft (SQMber) aufgrund der in Schritt f) und g) ermittelten Serienprozeßkennzahl (SPKZ),
  • g) Ermittlung eines neuen optimalen Arbeitspunktes (APn),
  • h) Einstellung der dem neuen optimalen Arbeitspunkt (APn) ent­ sprechenden Maschineneinstellgrößen und /oder Rohstoffeigenschaften.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung der geänderten Maschinenein­ stellgrößen an die Maschinensteuerung zur Einstellung des Arbeitspunktes (APopt, APzul, AP, APn) selbsttätig erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das selbsttätige Zergliedern der Prozeßkurvenverläufe (PKV, SPKV) in Prozeßphasen gemäß Schritt e) und k) durch Bestimmung der Änderung im Signaleingang der Prozeßparameter und/oder im Signaleingang von Digitalsignalen.
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