DE60034894T2

DE60034894T2 - Datenerfassungs- und steuersystem für spritzgiessformen

Info

Publication number: DE60034894T2
Application number: DE60034894T
Authority: DE
Inventors: Timothy Thousand Oaks TRIPLETT
Original assignee: Moldflow Corp
Current assignee: Husky Injection Molding Systems Ltd
Priority date: 1999-10-15
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2020-10-14
Also published as: EP1220744B1; US6421577B1; EP1220744A1; DE60034894D1; AU1088801A; KR100666973B1; KR20020062924A; WO2001028752A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Patentanmeldung ist eine teilweise Fortsetzung der ebenfalls anhängigen USA-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/798.831, eingereicht am 12. Februar 1997 und veröffentlicht als US-A-6.000.831.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spritzgießvorrichtung und dazugehörige Verfahren und konkret eine Konstruktion und ein Verfahren, mit denen die Informationsübertragung von Spritzgieß-Formsensoren zu einer Steuervorrichtung ermöglicht und erleichtert wird und mit denen als Reaktion auf die Signale von den Formsensoren die Steuervorrichtung Informationen ohne aufwendige und kostenintensive analoge verdrahtete Verbindungen zu der Form sendet. Darüber hinaus gewährleistet die Erfindung eine größere Zuverlässigkeit bei der Prozesssteuerung, da sie es dem Benutzer ermöglicht, zahlreiche Anschlussstellen zu eliminieren, die zu Fehlern im Steuersystem führen könnten.
Das Spritzgießen erfolgt normalerweise in Formen bei hohen Temperaturen und hohen Drücken innerhalb der Formen. Zu typischen Formen gehören Einrichtungen zum Erwärmen der Formen an verschiedenen Punkten innerhalb der Form, um sicherzustellen, dass das in die Form eingespritzte Material solange in geschmolzenem Zustand verbleibt, bis der Formenhohlraum vollständig ausgefüllt ist, und dass keine Leerräume innerhalb des Hohlraums vorhanden sind (d.h. ein Heißkanalsystem), wie es Fachleuten hinlänglich bekannt ist. Wie ebenfalls aus dem Fachgebiet bekannt, kann es wünschenswert sein, eine Form vor dem Einspritzen von Material zu erhitzen, um die Geschwindigkeit zu regeln, mit der das Material abkühlt und härtet, wodurch die Materialeigenschaften des Formerzeugnisses (z.B. die Materialfestigkeit, usw.) beeinflusst werden.
Für eine derartige Steuerung muss ein Prozesssteuersystem zwischen der angesteuerten Vorrichtung (z. B. einer Form-Heizeinrichtung) und dem Formsensor (z. B. einem Form-Temperatursensor) über eine bestimmte Art von Steuereinheit geschaffen werden, die die Informationen vom Formsensor dazu nutzen kann, die angesteuerte Vorrichtung entsprechend einem vorgegebenen Satz von Anweisungen anzusteuern. Gegenwärtig werden die Informationen von Spitzgieß-Formsensoren über eine verdrahtete Verbindung mit speziellen Sensordrähten, die über eine Reihe von Verbindungseinrichtungen physisch mit den Sensoren und der Steuervorrichtung verbunden sind, analog zu einer Steuereinheit gesendet. Durch diese Drähte, die zusammen mit handelsüblichen Verbindern verwendet werden, entstehen Sensor-Rückmeldungskabel. Im typischen Fall benötigt jedes Kabel zwei oder mehr Drähte pro Sensor in der Form, um ein analoges Signal zu übertragen.
Die Anzahl der Kabel, die zur Informationsübertragung von der Form zu der Steuervorrichtung benötigt werden, z. B. für die Temperaturerfassung in thermischer, analoger Form, hängt von der Anzahl der Sensorvorrichtungen in der Form ab, beträgt bei einer typischen kommerziellen Formkonfiguration jedoch oft mehr als 48 Drähte. Wenn beispielsweise eine Form 30 Sensorvorrichtungen benötigt, wären normalerweise 60 analoge Sensordrähte erforderlich. Weiterhin ist jeder der Sensordrähte typischerweise so angeordnet, dass für jeden Sensordraht 7 thermische Verbindungspunkte zwischen der Sensorvorrichtung und der Steuervorrichtung vorhanden sind. Dementsprechend wären bei einer Spritzgießform, wie sie oben beschrieben ist, zwischen den Sensorvorrichtungen in der Form und der Steuervorrichtung für diese Form 420 Verbindungen vorhanden.
Prozesssteuersysteme wie die oben beschriebenen mit zahlreichen Drähten und Verbindern können zu verschiedensten, Fachleuten bekannten Problemen führen. Dazu gehören: 1) Probleme mit mangelhaften Verbindungen und Kaltlötstellen, die fehlerhafte oder intermittierende Daten zurücksenden, 2) ungenaue Rückmeldung infolge von Temperaturschwankungen auf dem Weg des analogen Rückmeldekabels, 3) über die Länge des Rückmeldekabels hinweg Auswirkungen von elektrischem Rauschen auf die analogen Signale mit niedrigem Pegel, 4) zahlreiche Probleme, die allein schon durch die Menge der Kabel und benötigten Drähte verursacht werden, u. a. die Aufbewahrung der Drähte und Kabel, sowie die Tatsache, dass Personen über auf dem Fußboden im Spritzgießbereich befindliche Kabel fallen, 5) weitere, Fachleuten bekannte Probleme. Mit zunehmender Anzahl von Sensoren in einer bestimmten Form erhöht sich in einem konventionellen System auch die Anzahl der Drähte und Verbindungen. Während die Form immer komplizierter bzw. ausgeklügelter und die Funktionssteuerung der Form immer wichtiger wird, wächst die Wahrscheinlichkeit von Fehlern in einem herkömmlichen Steuersystem gleichermaßen. Natürlich ergibt sich eine praktische Begrenzung der Anzahl von Temperatursensoren, die effektiv in Spritzgießsystemen verwendet werden können, aus der begrenzten Anzahl von Sensoren und Steuerdrähten, die ein System und ein Systembediener bewältigen können.
Ein früheres System ist in WO-A-9834773 abgebildet. Hierbei werden einer Steuereinrichtung, die sich an einer von der Form entfernten Stelle befindet, Rückmeldesignale von Temperatursensoren in der Nähe der Form zugeführt. Die Steuereinrichtung verwendet diese Signale zum Steuern der Form. Eine einzige Steuereinrichtung kann verschiedene Eingänge auf unterschiedlichen Leitungen oder auf separaten Frequenzen aufweisen, um mehrere Formen ansteuern zu können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft ein Spritzgieß-Prozesssteuerungs- und -Datenerfassungs-System gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 9 genauer angegeben.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung schafft eine Sensoreingangsschaltung, die in einem wärmeisolierten Gehäuse angeordnet ist, welches an der Form befestigt ist oder sich in der Nähe der Form befindet. Der Signalprozessor bei der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wandelt analoge Sensorsignale von den Sensoren in ein digitales Format um. Die Sensoren können dazu vorgesehen sein, einen Einstellpunkt, die tatsächliche Formtemperatur, die Ausgangsleistung oder jeden anderen Parameter zu überwachen, der für den Spritzgießer von Interesse ist. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung einen Kommunikator aufweisen, der sich im Innern des wärmeisolierten Gehäuses befindet und Informationen von den verschiedenen Formsensoren zu der Formensteuerung sendet, nachdem sie in ein digitales Format umgewandelt worden sind, und einen Empfänger, der sich in oder in der Nähe der Formsteuerung befindet, um die digitalen Informationen zu empfangen, die von dem Kommunikator zu der Formsteuerung gesendet wurden, so dass eine Prozesssteuerung der Spritzgießvorrichtung ermöglicht wird. Die Informationen können über digitalen Draht, RF (Radiofrequenz) oder IR (Infrarot) gesendet werden.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie anders als das System nach dem bisherigen Stand der Technik, das zahlreiche analoge Verbindungen erforderlich machte und die damit einhergehenden Probleme aufwies, das Senden von Signalen von der Sensoreingangsschaltung zu der Formsteuerung digital ermöglicht, wodurch zahlreiche analoge Verbindungen und auch die damit zusammenhängenden Probleme überwunden werden. Des Weiteren ermöglicht die vorliegende Erfindung das Senden von Steuersignalen von der Form-Steuereinheit oder von der Bediener-Schnittstelle zurück zu der Form, so dass ein automatisches Prozesssteuersystem entsteht. Durch diese digitale Schnittstelle werden alle analogen Verbindungen bis auf eine eliminiert, weshalb fast vollständig die Möglichkeit von durch Verbindungsstellen hervorgerufenen Fehlern ausgeschaltet wird.
Da die Informationen vorzugsweise innerhalb eines wärmeisolierten Gehäuses, das sich in der Nähe der Form selbst befindet, digital umgewandelt und in diesem Format zu der Steuervorrichtung gesendet werden, wird weiterhin die Möglichkeit sehr stark eingeschränkt, dass elektrisches Rauschen ein analoges Steuersignal beeinträchtigt. Des Weiteren entstehen viele Vorteile durch die Abschaffung der zahlreichen Kabel, die nach dem bisherigen Stand der Technik notwendig waren, einschließlich der folgenden: 1) verringerte Wiederbeschaffungskosten für die vielen Drähte, 2) Verringerung der Kabelverbindungsfehler, 3) Energie- und Raumersparnisse aufgrund der entfallenen Notwendigkeit für den Transport und die Lagerung von einer großen Anzahl von Drähten und Kabeln, die nach dem bisherigen Stand der Technik erforderlich waren, 4) das Eliminieren von Sicherheitsrisiken, die entstehen, wenn analoge Signale mit niedrigem Pegel neben Hochleistungskabeln übertragen werden, die versehentlich an die falsche Vorrichtung angeschlossen werden und dadurch eine Beschädigung, einen Brand oder einen tödlichen elektrischen Schlag hervorrufen können, und 5) der Wegfall des Sicherheitsrisikos, das entsteht, wenn zahlreiche Drähte und Kabel auf dem Fußboden des Bereiches verlaufen, in dem sich die Spritzgießform befindet.
Ein weiteres Merkmal einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung zum schnellen Anbringen/Lösen der Befestigung des Gehäuses an der Form. An der Form ist ein Anschlusskasten vorhanden, der das schnelle und problemlose Anschließen des wärmeisolierten Gehäuses ermöglicht. Das Gehäuse kann entfernt und analoge Kabel nach dem bisherigen Standard können angebracht werden, wenn der Bediener aus irgendeinem Grund zu der früheren Technologie zurückkehren möchte. Außerdem ermöglicht das problemlose Abnehmen des Gehäuses den mühelosen Ersatz oder Austausch, falls erforderlich.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform deutlich, die anhand der beigefügten Zeichnungen die erfindungsgemäßen Prinzipien beispielhaft veranschaulicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben, wobei:
1 eine veranschaulichende Perspektivansicht einer typischen Form und einer dazugehörigen Steuervorrichtung unter Verwendung eines Systems nach dem bisherigen Stand der Technik ist;
2 ein schematisches Blockdiagramm der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist;
3 eine veranschaulichende Perspektivansicht einer typischen Form und einer dazugehörigen Steuervorrichtung unter Verwendung eines Systems ist, das die vorliegende Erfindung verkörpert;
4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Gegenstands ist;
5 eine Perspektivansicht ist, die die Ausrichtung des erfindungsgemäßen Gegenstands mit der Form darstellt, und
6 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Verbindungsbaugruppe ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie aus 1 hervorgeht, schafft das System nach dem bisherigen Stand der Technik ein Spritzgießsystem 1, das eine Reihe von Drähten 32 aufweist, die von der Form 1 zu der Form-Steuereinheit 33 verlaufen. Diese Drähte leiten analoge Informationen von der Form zur Steuerung und Befehle bzw. geschaltete elektrische Energie von der Steuerung zu den zu der Form gehörenden angesteuerten Elementen. Aufgrund ihrer physischen Größe und der Umgebung, in der eine Form verwendet wird, d.h. dort, wo durch den mechanischen Betrieb der Form/Maschine während der typischen Spritzgießprozesse der Kontakt mit Personen zu verhindern ist, muss die Form-Steuereinheit von der Form entfernt angeordnet sein. Bei den angesteuerten Elementen, die zu der Form gehören, kann es sich um Form-Heizvorrichtungen handeln, die so angeordnet sind, dass sie die Form bzw. die darin eingespritzten Materialien erhitzen (z.B. thermische Elemente), oder um Ventilkolben oder Ähnliches, die so eingerichtet sind, dass sie ein sicheres Öffnen und Schließen des Steuer-Gates innerhalb der Form gewährleisten, damit der Spritzgießprozess wie Fachleuten bekannt ablaufen kann (d.h. Ventil-Steuertore), und um Form-/Material-Druckerfassungsvorrichtungen, die als Hohlraum-Drucksensoren bekannt sind.
Wie in den 3–6 dargestellt, umfasst das erfindungsgemäße System: 1) eine Form 1 und 2) eine Form-Steuereinheit 2 zum Empfangen und Verarbeiten von Informationen, die von der Form empfangen wurden, sowie zum Erzeugen von Steuersignalen, die zu einem oder mehreren angesteuerten Elementen der Form gesendet werden. Sensoren 3 werden an gewünschten Positionen in und um die Form herum angeordnet. Solche Sensoren können derart ausgerichtet werden, dass sie Informationen über die Temperatur, den Druck, die Durchflussmenge oder eine andere beliebige Variable erfassen können, die der Bediener überwachen oder messen möchte. Eine Temperatursensor-Eingangsvorrichtung besteht im typischen Fall aus einem auf dem Fachgebiet bekannten Bimetall-Thermoelement, welches ein analoges Signal erzeugt, aus dem eine Temperatur ermittelt werden kann. Ähnliche Sensorelemente für den Druck, den Einstellpunkt, die Stromausgabe und andere Variablen sind Fachleuten bekannt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das wärmeisolierte Gehäuse 4 mit einem Anschlusskasten 7 an die Form angeschlossen (5). Am Gehäuse 4 und am Anschlusskasten 7 befinden sich Befestigungselemente 8 bzw. 9. Das wärmeisolierte Gehäuse kann aus einem Kunststoff- oder einem Metallwerkstoff mit einem wärmeundurchlässigen Material hergestellt sein, das sich zwischen dem Gehäuse und der Form selbst befindet.
In diesem wärmeisolierten Gehäuse befindet sich ein Anschlusskasten 6, der die Schnittstellenverbindungen zwischen den Formsensoren und dem wärmeisolierten Gehäuse 4 aufnimmt. In dem wärmeisolierten Gehäuse sind elektrische und elektronische Komponenten untergebracht, zu denen ein Signalprozessor, ein Sender und eine Stromversorgung gehören. Der Anschlusskasten ist so angeordnet, dass er einen Ort schafft, der einfach die Drähte von den Formsensorvorrichtungen mit der Vorrichtung verbindet. Der Anschlusskasten lässt sich von dem wärmeisolierten Gehäuse abnehmen und ermöglicht so den schnellen Austausch fehlerhafter Komponenten.
Wie in 2 dargestellt, umfasst der Signalprozessor 20 nach der bevorzugten Ausführungsform eine Sensoreingangs-Verarbeitungsschaltung 21, eine Isolierschaltung 22, einen Multiplexer 23, einen Verstärker 24, einen Mikroprozessor 26 und einen Analog-Digital-Wandler 25 sowie die Prozesssteuerungs-Rückleitungsschaltung von der Steuervorrichtung. Die Sensoreingangs-Verarbeitungsschaltung 21 ist mit den IMDT-Eingangsvorrichtungen 27 verbunden und hat die Aufgabe, die Signale zu verstärken und das Rauschen aus den analogen Eingängen zu filtern. Die Isolierschaltung 22 ist zwischen dem Mikroprozessor 26 und dem Analog-Digital-Wandler 25 angeschlossen, wobei die Isolierschaltung dazu dient, die Signalaufbereitungs- und -Umwandlungsschaltung optisch von der Schaltung des Mikroprozessors zu isolieren. Ein Multiplexer 23 ist an die Analog-Digital-Schaltung 25 angeschlossen und an die aufbereiteten Eingänge. Die entstehenden Signale, die aus dem Multiplexer ausgegeben werden, werden an einen herkömmlichen Analog-Digital-Wandler 25 gesendet. Das entstehende digitale Signal wird über optisch isolierte Schaltungen zur weiteren Signalbearbeitung an einen Mikroprozessor 26 gesendet. Der Eingang des Senders 28 ist mit dem Mikroprozessor 26 verbunden, damit eine Übertragung zu dem Empfänger erfolgen kann, der mit der Form-Steuereinheit verbunden ist. Die Form-Steuerungs- bzw. -Bedienerschnittstelle umfasst einen Mikroprozessor und eine Datenverwaltungsschaltung und verarbeitet die empfangenen Signale. Anschließend sendet die Steuereinheit 29 vom Mikroprozessor ermittelte Steuersignale an das Gehäuse, wo der Datenübertragungsprozess umgekehrt und durch die zentrale Eingangsschaltung 30 zu den Steuereingangsvorrichtungen geleitet wird. Wenngleich die Erfindung anhand der oben angegebenen Komponenten beschrieben wurde, kann sie, wie Fachleuten bekannt, auch bei anderen Konfigurationen zum Einsatz kommen. Folglich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die nachstehend angegebenen Patentansprüche begrenzt.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann ein zusätzlicher Kommunikationsanschluss 10 wie in 5 vorgesehen sein, so dass der erfindungsgemäße Gegenstand an weitere Vorrichtungen angeschlossen werden kann. Daneben kann eine Kühleinrichtung, z. B. ein Lüfter, und dessen zugehörige Steuerschaltung oder ein Wasser- oder Flüssigkeits-Kühlsystem in dem Gehäuse 4 vorgesehen sein. Die Kühlsysteme halten die elektrischen Komponenten innerhalb eines gewünschten Temperaturbereiches, wenn es notwendig oder gewünscht ist, dass der Bediener der Spritzgießform die Form erwärmt.
Obwohl eine spezielle Form der Erfindung beschrieben und dargestellt worden ist, liegt es für Fachleute auf der Hand, dass verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden können. Dementsprechend ist nicht beabsichtigt, die Erfindung einzugrenzen – außer durch die beigefügten Patentansprüche.

Claims

Spritzgieß-Prozesssteuerungs-und-Datenerfassungs-System, das umfasst: eine Form (1) mit dazugehörigen steuerbaren Parametern; wenigstens ein gesteuertes Element, das zu der Form (1) gehört; wenigstens einen Sensor (3), der zu der Form (1) gehört und einen Ausgang erzeugt; ein wärmeisoliertes Gehäuse (4), das mit der Form (1) verbunden ist (5); und einen Signalprozessor (20), der im Inneren des wärmeisolierten Gehäuses (4) angeordnet ist, wobei der Signalprozessor (20) mit dem wenigstens einen Sensorausgang und dem wenigstens einen gesteuerten Element verbunden ist und der Signalprozessor (20) umfasst: eine Steuereingangsschaltung (30); einen Analog-Digital-Wandler (25), der den wenigstens einen Sensorausgang in ein digitales Signal umwandelt; und einen Mikroprozessor (26), der das digitale Signal empfängt und so eingerichtet ist, dass er das wenigstens eine Steuersignal dem wenigstens einen gesteuerten Element über die Steuereingangsschaltung (30) bereitstellt, wobei das wenigstens eine gesteuerte Element, der wenigstens eine Sensor (3) und der Signalprozessor (20) so eingerichtet sind, dass sie Regelung wenigstens eines der steuerbaren Parameter bewirken.
System nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine gesteuerte Element eine Vielzahl gesteuerter Elemente umfasst, der wenigstens eine Sensor (3) eine Vielzahl von Sensoren (3) umfasst, der Signalprozessor (20) des Weiteren wenigstens einen separaten Eingang und einen Multiplexer (22) umfasst, der einen der Sensorausgänge selektiv mit dem Analog-Digital-Wandler (25) verbindet, und der Mik roprozessor (26) so eingerichtet ist, dass er den gesteuerten Elementen eine Vielzahl von Steuersignalen bereitstellt.
System nach Anspruch 1, das des Weiteren wenigstens einen Verbinder, der mit dem wärmeisolierten Gehäuse (4) verbunden ist, sowie eine gleiche Anzahl eingreifender Verbinder umfasst, die mit der Form (1) verbunden sind, so dass der wenigstens eine Verbinder und die eingreifenden Verbinder miteinander in Eingriff gebracht werden und den Signalprozessor (20) mit den Sensorausgängen und den gesteuerten Elementen verbinden (5).
System nach Anspruch 1, wobei der Signalprozessor (20) des Weiteren eine Schaltung (28) zum Übertragen digitaler Daten umfasst, die digitale Daten zu einer Form-Steuereinheit (29) sendet und digitale Daten von ihr empfängt.
System nach Anspruch 4, das des Weiteren die Form-Steuereinheit (29) umfasst, wobei die Form-Steuereinheit (29) einen Mikroprozessor und eine Datenverwaltungsschaltung zum Verarbeiten von Signalen umfasst, die von der Schaltung (28) zum Übertragen digitaler Daten empfangene Daten verarbeitet und Steuersignale zu ihr sendet.
System nach Anspruch 1, wobei das wärmeisolierte Gehäuse (4) einen Kommunikationsanschluss (10) zur Verbindung des Signalprozessors (20) mit wenigstens einer anderen Vorrichtung umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei das wärmeisolierte Gehäuse (4) ein Kühlsystem umfasst, das den Signalprozessor (20) innerhalb eines gewünschten Temperaturbereiches hält.
System nach Anspruch 7, wobei das Kühlsystem ein Gebläse umfasst.
System nach Anspruch 1, das des Weiteren einen Anschlusskasten (7) umfasst, an dem wenigstens ein erstes Befestigungselement (9) vorhanden ist, wobei der Anschlusskasten (7) mit der Form (1) verbunden ist und das wärmeisolierte Gehäuse (4) wenigstens ein zweites Befestigungselement (8) umfasst, das mit dem wenigstens einen ersten Befestigungselement (9) in Eingriff kommt und so das wärmeisolierte Gehäuse (4) mit der Form (1) verbindet (5).