WO2002064345A1 - Regelverfahren für die hydraulische unterstützung eines elektrischen antriebs - Google Patents

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WO2002064345A1
WO2002064345A1 PCT/EP2002/000678 EP0200678W WO02064345A1 WO 2002064345 A1 WO2002064345 A1 WO 2002064345A1 EP 0200678 W EP0200678 W EP 0200678W WO 02064345 A1 WO02064345 A1 WO 02064345A1
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piston
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Jörg Dantlgraber
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Bosch Rexroth Ag
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    • B29C45/46—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it into the mould
    • B29C45/47—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it into the mould using screws
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    • B29C45/5008—Drive means therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C45/50—Axially movable screw
    • B29C45/5008—Drive means therefor
    • B29C2045/5068—Drive means therefor mechanical drive means in series with hydraulic drive means for axially movable screw

Definitions

  • the invention relates to a control method for the hydraulic, see support of an electric drive for an axially movable machine part in an injection molding machine according to the preamble of claim 1.
  • An electric drive with hydraulic support and a control method for such a drive are known from EP 0 760 277 B1.
  • the drive is particularly intended for the screw jacking of an injection molding machine.
  • An electric motor moves a screw in the axial direction via a mechanical gear, in which a gearwheel driven by the electric motor engages in a toothed rack. Since the gearbox can only transmit a limited force from the electric motor to the rack, the movement of the worm is supported by the piston of a hydraulic cylinder. Pressure is applied to the piston from a pressure accumulator, which is supplied by a pump driven by the electric motor.
  • a directional control valve controls the amount of pressure medium supplied to the cylinder.
  • the force acting on the screw consists of two superimposed parts, a first part of the shaft that the electric motor applies and a second part of the force that the piston applies.
  • pressure is applied to the piston when a defined control variable is reached corresponds to a specified load state of the electric motor, the pressure increase in the cylinder being proportional to the load of the electric motor.
  • the load can be measured directly on the electric motor, e.g. B. by measuring the current consumption, which is a measure of the torque.
  • the actual value of the advance speed of the worm, which is to be compared with the target speed, is mentioned as a further signal for the regulation of the pressure medium circuit.
  • the actual value of the pressure in the injection nozzle which is to be compared with the setpoint pressure in the holding pressure phase, is mentioned as a further signal for regulating the pressure medium circuit.
  • the 'pressure signal can e.g. B. can be determined by a force measurement in the connection area of worm and rack. Since, in the known control method, the pressure increase in the cylinder is to be controlled so that it is proportional to the load absorption of the electric motor when a defined value has been exceeded, it can be assumed that the pressure increase in the cylinder is proportional to an increase in the load absorption of the electric motor he follows. It is not specified in the publication whether and, if so, how it is ensured that the force portion applied by the electric motor does not exceed the maximum permissible value that can be transmitted by the transmission.
  • the invention is the.
  • the task is to specify a control method of the type mentioned in the introduction, in which there is a reliable limitation of the proportion of force applied by the electric motor.
  • This object is achieved by the features characterized in claim 1.
  • the control method according to the invention allows the force applied by the electric motor not to be greater than the maximum permissible value that can be transmitted by the transmission. This is possible because as
  • the invention allows the electric motor to be controlled either as a function of the control difference for the sum of the force components of the electric motor and piston or as a function of the control difference for the force component of the piston.
  • the piston is actuated with hydraulic pressure medium depending on the other control difference.
  • Figure 1 shows the block diagram of a first device for
  • Figure 2 shows the block diagram of a second device for performing the control method according to the invention in a schematic representation
  • Figure 3 shows a hydraulic cylinder with a piston which is moved by an electric motor via a screw drive.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the injection unit of an injection molding machine, which is provided with the reference numeral 10.
  • an electric motor 11 rotates a worm 16 in a worm cylinder 17 via gearwheels 12, 13 and a drive shaft 14 and a freewheel 15.
  • the left region of the drive shaft 14, in which the gearwheel 13 engages, is designed as a toothed shaft.
  • the worm 16 is designed to be movable in the axial direction: the plasticized plastic is located in the mouth region of the worm cylinder 17.
  • the worm 16 is against the drive shaft 14 by the plasticized plastic pressed, which is supported on a hydraulic cylinder 18.
  • the electric motor 11 changes the direction of rotation.
  • the freewheel 15 uncouples the worm 16 from the drive shaft 14 due to the direction of rotation and u reversal.
  • the worm 16 is thus no longer rotated, but it remains movable in the axial direction.
  • the right area of the drive shaft 14 forms, together with a nut 19, a ball screw drive 20.
  • a brake 21 holds the nut 19 in place during the injection process.
  • the Elektromotor.il rotates the drive shaft 14 relative to the nut 19 so that the drive shaft 14 moves to the left.
  • the ball screw 20 exerts a force F2 acting in the axial direction on the drive shaft 14, which force is directed to the left.
  • a piston 23 is guided in the cylinder 18 and is connected to the right-hand region of the drive shaft 14 via a piston rod 24 and a rotary coupling 25.
  • the piston rod 24 presses against the drive shaft 14 with a force F3 which, like the force F2, is directed to the left.
  • the force F3 is determined by the pressurized surfaces of the piston 23 and the pressures acting on these surfaces.
  • the plasticized plastic which is located in the screw cylinder 17 in front of the screw 16, exerts a rightward force FI on the drive shaft 14 during injection, which is equal to the sum of the forces F2 and F3.
  • the force F3 exerted by the cylinder 18 on the drive shaft 14 is superimposed on the force F2 exerted by the ball screw 20 on the drive shaft 14 and relieves the ball screw 20 when the force FI exceeds a value F2 2U ⁇ , which is determined by the mechanical strength of the ball screw 20.
  • the electric motor 11 serves as the actuator for the force F2.
  • a frequency converter 30 controls the speed of the electric motor 11 as a function of an electrical manipulated variable VE.
  • the cylinder 18 serves as the actuator for the force F3.
  • a hydraulic control device 31 acts on the cylinder 18 hydraulic lines 32 and 33 depending on an electrical manipulated variable y ⁇ with pressure medium.
  • a force transducer (not shown in more detail) is arranged in the freewheel 15 and converts the force FI into an electrical signal Fl s . This signal is present on a line 35. It is used for further signal processing as the actual value of the force FI.
  • the force F3 is determined from the pressures with which the surfaces of the piston 23 are acted upon and from the size of these surfaces.
  • the bottom surface of the piston 23 is designated AA, and the pressure pA is applied to it.
  • the rod-side surface of the piston 23 is designated AB, and the pressure pB is applied to it.
  • the pressure pA in line 32 is converted into an electrical signal by a first pressure transducer 36. This signal is multiplied by a first P-element 37 by a factor AA.
  • the output signal of the P-member 37 corresponds to the force FA acting on the bottom surface of the piston 23.
  • the pressure pB in line 33 is from a second
  • Pressure transducer 38 converted into another electrical signal. This signal is multiplied by a second P-element 39 by a factor AB.
  • the output signal of the P-element 39 corresponds to that on the rod-side surface of the Piston 23 acting force FB.
  • a 'summing element ' 42 forms a signal F3i s from the difference between the signals FA and FB, which corresponds to the force F3 exerted by the piston 23 on the drive shaft 14.
  • the signal F3i s t serves for the further signal processing as the actual value of the force F3.
  • the control device for the forces acting on the drive shaft 14 are supplied as input variables with the signal Fl so n as the setpoint for the force FI and the signal F2 ZU1 as the setpoint for the force F2 to be applied by the ball screw 2-0.
  • a control difference ⁇ F1 is formed in a summing element 44 from the signals Fl so n and Fli s t.
  • the control difference ⁇ F1 is fed to a controller 45.
  • the output signal of the controller 45 is fed to the frequency converter 30, which adjusts the speed of the electric motor 11, as a manipulated variable E.
  • the controller 45 changes the speed of the electric motor 11 as a function of the control difference ⁇ Fl until the control difference ⁇ Fl has become zero. This means that the sum of the forces F2 and F3 in the steady state is equal to the setpoint Fl so n, but says nothing about the proportions of the forces F2 and F3 in the force FI.
  • a further control loop is provided for the division of the forces F2 and F3.
  • DIE reference variable of this control circuit produces, from the actual value Fli s t the force FI and the signal F 2 to ⁇ which takes into account the mechanical load capacity of the ball screw 20th
  • a summing element 47 forms from the signals Flj_ s t and F2 to F3 ⁇ a difference signal so * ⁇ .
  • This Signal is fed via a changeover switch 48 to a further summing element 49 as setpoint F3 so for the force F3 to be applied by the cylinder 18.
  • the summing element 49 forms from the signals F3 S oll un d s t F3j_ a control difference ⁇ F3 which is supplied to the controller 50th
  • Controller 50 is supplied to control device 31 as manipulated variable y ⁇ .
  • the control device 31 contains a pump 53 which conveys hydraulic pressure medium from a tank 54.
  • a proportional directional control valve 55 to which the manipulated variable VH is fed as an input signal, controls the pressure medium flow to the cylinder 18.
  • the controller 50 changes depending on the.
  • Control difference .DELTA.F3 the amount of pressure medium supplied to the cylinder 18 and thus the force F3 acting on the drive shaft 14 until the control difference .DELTA.F3 has become zero in the steady state.
  • the control difference .DELTA.F3 has become zero in the steady state.
  • Control difference ⁇ Fl has become zero, the sum of the forces F2 and F3 is equal to Fl so ⁇ and, on the other hand, if the control difference ⁇ F3 has become zero, the force F3 is equal to F3 so ⁇ , that of the ball screw 20 on the drive shaft 14 exerted force F2 equal to F2 to ⁇ .
  • the force F2 in the steady state is equal to F2 to ⁇ regardless of the size of Fl so n. This ensures that the force F2, which acts on the drive shaft 14 via the ball screw 20, does not exceed the value F2 at ⁇ .
  • the signal Fl is fed to a differentiating element 58.
  • the output signal of the differentiating circuit '58 is the summation' member 49 supplied as a further input signal.
  • change of Fl already occurs as a change of n F3 before the change of Fl has so ⁇ effect the appropriate change of the signal s Fli.
  • summer 49 58 it is also possible to summer 49 58.
  • corresponding derivative signal of a superordinate machine control not shown in the drawings, which specifies the signals Fl and F2 so ⁇ 2u ⁇ to feed instead of the output signal of the differentiating circuit.
  • the changeover switch 48 is provided, which in its lower position has the setpoint input of the summing element 49 with reference potential connects the signal F3 ie so ⁇ is set to zero.
  • the controller 50 controls the amount of pressure medium supplied to the piston 18 so that the force F3 in the steady state is zero. The piston 18 therefore does not exert any force on the drive shaft 14.
  • the signal F3 so ] _ ⁇ * is supplied to the summing element 49 as setpoint F3 so ⁇ for the force F3, as already described above.
  • the changeover between the two switching positions of the changeover switch 48 takes place as a function of the difference Fl soll - F2 to ⁇ , which of. a further summing element 59 is formed.
  • the designated .DELTA.S difference is a switching membered fed 60, the output of the switch 48 operated so that F3 is as above for negative values of the difference ⁇ S- equal to zero and positive values the difference .DELTA.S is ii equal to F3 *. If the signal Fl is smaller than the signal F2 too or the same size as this, the drive shaft becomes 14 is only subjected to the force F2, the force F2 being equal to the value specified by the signal Fl so n.
  • FIG. 2 shows the injection unit 10 of an injection molding machine already described with reference to FIG. 1 together with the block diagram of a second device for regulating the forces F2 and F3 acting on the drive shaft 14 in accordance with the signals Fl so n and F2 ZU given by a higher-level machine control.
  • the sum of the forces F2 and F3 is arranged by that in the freewheel 15
  • the force F3 is determined from the pressures pA and pB, and, linked taking into account the size of the acted upon by these pressures surfaces AA and AB of the piston 23 to the signal F3i s t, the actual value of the force F3.
  • the force F2 which the ball screw 20 exerts on the drive shaft 14 is also not measured in this exemplary embodiment.
  • the summing element 44 forms the setpoint value Fl so ⁇ for the sum of the forces F2 and F3 acting on the drive shaft 14 and the actual value Flj_ s t of the control difference ⁇ Fl, which is fed to the controller 45 is'.
  • the summing element 47 forms from the signals Fli s and F2 to the desired value F3 so n for the force F3 which the piston 23 exerts on the drive shaft 14.
  • the summing element 49 forms from the desired value F3 so ⁇ of the force F3 and the actual value of the control difference F3i s ⁇ F3 which is supplied to the controller 50th
  • the output signal of the controller 45 of the hydraulic control device 31 is
  • the controller 45 adjusts the force F3 as a function of the control difference ⁇ Fl supplied to it until the signal Fl s t, which is a measure of the sum of the forces F2 and F3, has become equal to the signal Fl so n in the steady state.
  • the regulation of the sum of the forces F2 and F3 takes place here by adjusting the force F3.
  • the output signal of the controller 50 is fed to the frequency converter 30 as a manipulated variable V E.
  • the frequency converter 30 controls the speed of the electric motor 11 and thus the force F2 exerted on the drive shaft 14 via the ball screw 20.
  • the controller 50 adjusts the force F2 in dependence on the control difference ⁇ F3 until the signal F3i t s in the steady state equal to signal F3 has become so ⁇ .
  • the steady state is reached when the control difference ⁇ Fl of one control loop and the control difference ⁇ F3 of the other control loop have become zero.
  • both the sum of the forces F2 and F3 is equal to the value specified by the signal Fl so n and the force F3 exerted by the piston 23 on the drive shaft 14 is equal to the value specified by the signal F3 so n.
  • FIG. 3 shows a hydraulic control device 63 which can be used instead of the hydraulic control device 31 shown in FIGS. 1 and 2.
  • the electrical control signal VH is fed to an electric motor 65, the rotational movement of which is converted into a longitudinal movement by means of gear wheels 66 and 67 and a ball screw drive 68.
  • the ball screw 68 displaces a piston 69 in a cylinder 70.
  • the chambers of the cylinder 70 are connected via the hydraulic lines 32 and 33 to the corresponding chambers of the cylinder 18 in FIGS. 1 and 2.
  • a roller screw drive can also be used.
  • the rotary movement of the electric motor 11 can also be converted into a longitudinal movement by a gearwheel driven by the electric motor 11, which meshes with a rack and moves the rack in the longitudinal direction.

Abstract

Auf ein axial verfahrbares Maschinenteil wirken in Längsrichtung die Kraft eines Elektromotors, dessen Drehbewegung über ein Getriebe in eine Längsbewegung umgesetzt wird, und die Kraft des Kolbens eines hydraulischen Zylinders. Die von dem Elektromotor ausgeübte Kraft wird auf einen Wert begrenzt, bei dem noch keine Beschädigung des Getriebes erfolgt. Zur Begrenzung des von dem Elektromotor aufgebrachten Kraftanteils wird aus dem Sollwert für die in axialer Richtung auf das Maschinenteil wirkende Kraft und dem Istwert dieser Kraft eine Regeldifferenz gebildet, die die Summe der auf das Maschinenteil in axialer Richtung wirkenden Kraftanteile steuert. Aus dem Istwert der in axialer Richtung auf das Maschinenteil wirkenden Kraft und einem die mechanische Belastbarkeit des Getriebes berücksichtigenden Wert wird ein Sollwert für die in axialer Richtung auf den Kolben wirkende Kraft gebildet. Aus dem Sollwert für die in axialer Richtung auf den Kolben wirkende Kraft und ihrem Istwert wird eine Regeldifferenz gebildet, die einen der auf das Maschinenteil in axialer Richtung wirkenden Kraftanteile steuert.

Description

Beschreibung
Regelverfahren für die hydraulische Unterstützung eines elektrischen Antriebs
Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren für die hydrauli-, sehe Unterstützung eines elektrischen Antriebs für ein axial verfahrbares Maschinenteil in einer Spritzgießmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der EP 0 760 277 Bl ist ein elektrischer Antrieb mit hydraulischer Unterstützung und ein Regelverfahren für einen derartigen Antrieb bekannt. Der Antrieb ist insbesondere für den Schneckenvortrieb einer Spritzgießmaschine vorgesehen. Ein Elektromotor bewegt eine Schnecke über ein mechanisches Getriebe, bei dem ein von dem Elektromotor angetriebenes Zahnrad in eine Zahnstange eingreift, in axialer Richtung. Da das Getriebe nur eine begrenzte Kraft von dem Elektromotor auf die Zahnstange übertragen kann, wird die Bewegung der Schnecke durch den Kolben eines hydraulischen Zylinders unterstützt. Die Beaufschlagung des Kolbens mit Druckmittel erfolgt aus einem Druckspeicher, der durch eine von dem Elektromotor angetriebene Pumpe versorgt wird. Ein Wegeventil steuert dabei die dem Zylinder zugeführte Druckmittelmenge. Die auf die Schnecke wirkende Kraft besteht aus zwei sich überlagernden Anteilen, einem ersten Kaftanteil, den der Elektromotor aufbringt, und einem zweiten Kraftanteil, den der Kolben aufbringt. Zu dem verwendeten Regelverfahren ist ausgeführt, daß die Beaufschlagung des Kolbens mit Druckmittel beim Erreichen einer definierten Regelgröße erfolgt, die einem festgelegten Belastungszustand des Elektromotors entspricht, wobei der Druckanstieg im Zylinder proportional zur Lastaufnahme des Elektromotors ist. Die Lastaufnahme kann dabei direkt am Elektromotor gemessen werden, z. B. durch Messung der Stromaufnahme, die ein Maß für das Drehmoment ist. Als weiteres Signal für die Regelung des Druckmittelkreislaufs ist der Istwert der Vortriebsgeschwindigkeit der Schnecke genannt, die mit der Sollgeschwindigkeit verglichen werden soll. Alternativ hierzu ist als weiteres Signal für die Regelung des Druckmittelkreislaufs der Istwert des Drucks- in der Einspritzdüse genannt, der in der Nachdruckphase mit dem Solldruck verglichen werden soll. Das' Drucksignal kann z. B. durch eine Kraftmessung im Verbindungsbereich von Schnecke und Zahnstange bestimmt werden. Da bei dem bekannten Regelverfahren der Druckanstieg im Zylinder so gesteuert werden soll, daß er proportional zur Lastaufnahme des Elektromotors ist, wenn ein definierter Wert überschritten worden ist, ist davon auszugehen, daß der Druckanstieg im Zylinder proportional zu einen Anstieg der Lastaufnahme des Elektro- motors erfolgt. Ob und gegebenenfalls wie dafür gesorgt wird, daß dabei der von dem Elektromotor aufgebrachte Kraftanteil den maximal zulässigen Wert, der von dem Getriebe übertragen werden kann, nicht übersteigt, ist in der Druckschrift nicht angegeben.
Der Erfindung, liegt die. Aufgabe zugrunde, ein Regelverfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem eine zuverlässige Begrenzung des von dem Elektromotor aufgebrachten Kraftanteils erfolgt.- Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Das erfindungsgemäße Regelverfahren erlaubt es, die von dem Elektromotor aufgebrachte Kraft nicht größer als den maximal zulässigen Wert werden zu lassen, der von dem Getriebe übertragen werden kann. Dies ist möglich, da als
Istwerte für den Regelvorgang einerseits die gesamte auf das axial verschiebbare Maschinenteil ausgeübte Kraft und andererseits die von dem Kolben auf das Maschinenteil ausgeübte Kraft verwendet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung erlaubt es, den Elektromotor entweder in Abhängigkeit von der Regeldifferenz für die Summe der Kraftanteile von Elektromotor und Kolben anzusteuern oder aber in Abhängigkeit von der Regeldifferenz für den Kraftanteil des Kolbens. Die Ansteuerung des Kolbens mit hydraulischem Druckmittel erfolgt in Abhängigkeit von der jeweils anderen Regeldifferenz. Wird bei einer Ansteuerung des Elektromotors in Abhängigkeit von der Regeldifferenz für die in axialer Richtung auf das Maschinenteil wirkenden Kraft, d. h. der Summe der Kraftanteile von Elektromotor und Kolben, die zeitliche Ableitung ihres Sollwerts der Regeldifferenz für die auf den Kolben wirkende Kraft im Sinne einer FührungsgrößenaufSchaltung überlagert, läßt sich das Führungsverhalten verbessern. Ist der Sollwert für die auf das Maschinenteil wirkende Kraft kleiner, als der zulässige. Wert des Kraftanteils der von dem Getriebe übertragen wird, ist es- vorteilhaft, die Kraftbeaufschlagung des in axialer Richtung verschiebbaren Maschinenteils nur durch den Elektromotor erfolgen zu lassen. Hierzu wird der Sollwert für die . auf den Kolben wirkende Kraft in diesem Bereich gleich Null gesetzt.
Die Erfindung wird im folgenden mit ihren weiteren Einzelheiten anhand von in den Zeichnungen dargestellten Äus- führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 das Blockschaltbild einer ersten Einrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens in schematischer Darstellung,
Figur 2 das Blockschaltbild einer zweiten Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens in schematischer Darstellung und
Figur 3 einen hydraulischen Zylinder mit einem Kolben, der von einem Elektromotor über einen Gewindetrieb bewegt wird.
Die Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung das Einspritzaggregat einer Spritzgießmaschine, das mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Während des Plastifizierens dreht ein Elektromotor 11 über Zahnräder 12, 13 und eine Antriebswelle 14 sowie einen Freilauf 15 eine Schnecke 16 in einem Schnecken- zylinder 17. Der linke Bereich der Antriebswelle 14, in den das Zahnrad 13 eingreift, ist als Zahnwelle ausgebildet. Die Schnecke 16 ist in axialer Richtung verfahrbar ausgebildet: Der plastifizierte Kunststoff befindet sich im Mündungsbereich des Schneckenzylinders 17. Die Schnecke 16 wird von dem plastifizierten Kunststoff gegen die Antriebswelle 14 gedrückt, die sich an einem hydraulischen Zylinder 18 abstützt.
Zum Einspritzen wechselt der Elektromotor 11 die Drehrichtung. Der Freilauf 15 entkuppelt aufgrund der Drehrichtungs- u kehr die Schnecke 16 von der Antriebswelle 14. Die Schnecke 16 wird somit nicht mehr gedreht, sie bleibt jedoch weiterhin in axialer Richtung verschiebbar. Der rechte Bereich der Antriebswelle 14 bildet zusammen mit einer Mutter 19 einen Kugelgewindetrieb 20. Eine Bremse 21 hält während des Ein- spritzvorgangs die Mutter 19 fest. Der Elektromotor.il dreht die Antriebswelle 14 gegenüber der Mutter 19, so daß sich die Antriebswelle 14 nach links verschiebt. Der Kugelgewindetrieb 20 übt dabei eine in axialer Richtung auf die Antriebswelle 14 wirkende Kraft F2 aus, die nach links gerichtet ist. In dem Zylinder 18 ist ein Kolben 23 geführt, der über eine Kolbenstange 24 und eine Drehkupplung 25 mit dem rechten Bereich der Antriebswelle 14 verbunden ist. Die Kolbenstange 24 drückt mit einer Kraft F3, die wie die Kraft F2 nach links gerichtet ist, gegen die Antriebswelle 14. Die Kraft F3 ist durch die druckbeaufschlagten Flächen des Kolbens 23 und die auf diese Flächen wirkenden Drücke bestimmt. Der plastifi- zierte Kunststoff, der sich in dem Schneckenzylinder 17 vor der Schnecke 16 befindet, übt beim Einspritzen eine nach rechts gerichtete Kraft FI auf die Antriebswelle 14 aus, die gleich der Summe der Kräfte F2 und F3 ist. Die von dem Zylinder 18 auf die Antriebswelle 14 ausgeübte Kraft F3 ist der von dem Kugelgewindetrieb 20 auf die Antriebswelle 14 ausgeübten Kraft F2 überlagert und entlastet den Kugelgewindetrieb 20, wenn die Kraft FI einen Wert F22Uι überschreitet, der durch die mechanische Belastbarkeit des Kugelgewindetriebs 20 bestimmt ist.
Als Stellglied für die Kraft F2 dient der Elektromotor 11. Ein Frequenzumrichter 30 steuert die Drehzahl des Elektro- motors 11 in Abhängigkeit von einer elektrischen Stellgröße VE- Als Stellglied für die Kraft F3 dient der Zylinder 18. Eine hydraulische Steuereinrichtung 31 beaufschlagt den Zylinder 18 über hydraulische Leitungen 32 und 33 in Abhängigkeit von einer elektrischen Stellgröße yπ mit Druckmittel. In dem Freilauf 15 ist ein nicht näher dargestellter Kraftmeßumformer angeordnet, der die .Kraft FI in ein elektrisches Signal Fl s umformt. Dieses Signal steht auf einer Leitung 35 an. Es dient für die weitere Signalverarbeitung als Istwert der Kraft FI . Die Kraft F3 wird aus den Drücken, mit denen die Flächen des Kolbens 23 beaufschlagt sind, und aus der Größe dieser Flächen ermittelt. Die bodenseitige Fläche des Kolbens 23 ist mit AA bezeichnet, sie ist mit dem Druck pA beaufschlagt. Die stangenseitige Fläche des Kolbens 23 ist mit AB bezeichnet, sie ist mit dem Druck pB beaufschlagt. Der Druck pA in der Leitung 32 wird von einem ersten Druckmeßumformer 36 in ein elektrisches Signal umgeformt. Dieses Signal wird von einem ersten P-Glied 37 mit einem Faktor AA multipliziert. Das Ausgangssignal des P-Glieds 37 entspricht der auf die bodenseitige Fläche des Kolbens 23 wirkenden Kraft FA. Der Druck pB in der Leitung 33 wird von einem zweiten
.Druckmeßumformer 38 in ein weiteres elektrisches Signal umgeformt. Dieses Signal wird von einem zweiten P-Glied 39 mit einem Faktor AB multipliziert. Das Ausgangssignal des P-Glieds 39 entspricht der auf die stangenseitige Fläche des Kolbens 23 wirkenden Kraft FB. Ein' Summierglied '42 bildet aus der Differenz der Signale FA und FB .ein Signal F3is , das der von dem Kolben 23 auf die Antriebswelle 14 ausgeübten Kraft F3 entspricht. Das Signal F3ist dient für die weitere Signal- Verarbeitung als Istwert der Kraft F3.
Der Regeleinrichtung für die auf die Antriebswelle 14 wirkenden Kräfte sind als Eingangsgrößen das Signal Flson als Sollwert für die Kraft FI und das Signal F2ZU1 als Sollwert für die von dem Kugelgewindetrieb 2-0 aufzubringende Kraft F2 zugeführt.
In einem Summierglied 44 wird aus den Signalen Flson und Flist eine Regeldifferenz ΔF1 gebildet. Die Regeldifferenz ΔF1 ist einem Regler 45 zugeführt. Das Ausgangssignal des Reglers 45 ist dem Frequenzumrichter 30, der die Drehzahl des Elektromotors 11 verstellt, als Stellgröße E zugeführt. Der Regler 45 ändert in Abhängigkeit von der Regeldifferenz ΔFl die Drehzahl des Elektromotors 11 so lange, bis die Regeldifferenz ΔFl zu Null geworden ist. Das bedeutet, daß die Summe der Kräfte F2 und F3 im eingeschwungenen Zustand gleich dem Sollwert Flson ist, sagt jedoch noch nichts über die Anteile der Kräfte F2 und F3 an der Kraft FI aus.
Für die Aufteilung der Kräfte F2 und F3 ist ein weiterer Regelkreis vorgesehen. Die- Führungsgröße dieses Regelkreises ergibt, sich aus dem Istwert Flist der Kraft FI und dem Signal F2zuι, das die mechanische Belastbarkeit des Kugelgewindetriebs 20 berücksichtigt. Ein Summierglied 47 bildet aus den Signalen Flj_st und F2zuχ ein Differenzsignal F3soιι*. Dieses Signal ist über einen Umschalter 48 einem weiteren Summierglied 49 als Sollwert F3soιι für die von dem Zylinder 18 aufzubringende Kraft F3 zugeführt. Das Summierglied 49 bildet aus den Signalen F3Soll und F3j_st eine Regeldifferenz ΔF3, die dem Regler 50 zugeführt ist. Das Ausgangssignal des
Reglers 50 ist der Steuereinrichtung 31 als Stellgröße yπ zugeführt. Die Steuereinrichtung 31 enthält eine Pumpe 53, die hydraulisches Druckmittel aus einem Tank 54 fördert. Ein Proportionalwegeventil 55, dem die Stellgröße VH als Ein- gangssignal zugeführt ist, steuert den Druckmittelfluß zu dem Zylinder 18. Der Regler 50 ändert in Abhängigkeit von der . Regeldifferenz ΔF3 die dem Zylinder 18 zugeführte Druckmittelmenge und damit die auf die Antriebswelle 14 wirkende Kraft F3 so lange, bis die Regeldifferenz ΔF3 im eingeschwun- genen Zustand zu Null geworden ist. Da einerseits, wenn die
Regeldifferenz ΔFl zu Null geworden ist, die Summe der Kräfte F2 und F3 gleich Flsoιι ist und andererseits, wenn die Regeldifferenz ΔF3 zu Null geworden ist, die Kraft F3 gleich F3soιι ist, ist die von dem Kugelgewindetrieb 20 auf die Antriebswelle 14 ausgeübte Kraft F2 gleich F2zuι. Dies bedeutet, daß die Kraft F2 im eingeschwungenen Zustand unabhängig von der Größe von Flson gleich F2zuχ ist. Damit- ist sichergestellt, daß die Kraft F2, die über den Kugelgewindetrieb 20 auf die Antriebswelle 14 wirkt, den Wert F2zuι nicht über- steigt.
Zur Verbesserung des Führungsverhaltens der- Regeleinrichtung ' ist das Signal Flson einem .Differenzierglied 58 zugeführt. Das Ausgangssignal des Differenzierglieds '58 ist dem Summier-' glied 49 als weiteres Eingangssignal zugeführt. Bei einer Änderung von Flson erfolgt daher bereits eine Änderung von F3, bevor sich die Änderung von Flsoιι über die entsprechende Änderung des Signals Flis ausgewirkt hat. 'Alternativ hierzu ist es auch möglich, dem Summierglied 49 anstelle des Aus- gangssignals des Differenzierglieds 58.ein entsprechendes Vorhaltsignal einer in den Zeichnungen nicht dargestellten übergeordneten Maschinensteuerung, die die Signale Flsoιι und F22uχ vorgibt, zuzuführen.
Damit in den Fällen, in denen Flson kleiner als F2zuι ist, auf den Kolben 23 keine Kraft wirkt, die der Kraft F2 entgegengerichtet ist, ist der Umschalter 48 vorgesehen, der in seiner unteren Stellung den Sollwerteingang des Summierglieds 49 mit Bezugspotential verbindet, d. h. das Signal F3soιι wird auf Null gesetzt. In dieser Stellung des Umschalters 48 steuert der Regler 50 die dem Kolben 18 zugeführte Druckmittelmenge so, daß die Kraft F3 im eingeschwungenen Zustand gleich Null ist. Der Kolben 18 übt somit keine Kraft auf die Antriebswelle 14 aus. In der oberen Stellung des Umschalters 48 ist dem Summierglied 49 - wie oben bereits beschrieben - das Signal F3so]_ι* als Sollwert F3soιι für die Kraft F3 zugeführt. Die Umschaltung zwischen den beiden Schaltstellungen des Umschalters 48 erfolgt in Abhängigkeit von der Differenz Flsoll - F2zuι, die von . einem weiteren Summierglied 59 gebildet wird. Die mit ΔS bezeichnete Differenz ist einem Schalt- glied 60 zugeführt, dessen Ausgangssignal den Umschalter 48 derart betätigt, daß F3soü bei negativen Werte der Differenz ΔS- gleich Null ist und bei positiven Werten der Differenz ΔS gleich F3soii* ist. Ist das Signal Flsoιι kleiner als das Signal F2zuι oder gleich groß wie dieses, wird die Antriebswelle 14 nur mit der Kraft F2 beaufschlagt, wobei die Kraft F2 gleich dem durch das Signal Flson vorgegebenen Wert ist. Erst wenn das Signal Flsoιι größer als das Signal F2zuι ist, wird die Antriebswelle 14 mit der Summe der Kräfte F2 und F3 beaufschlagt, wobei einerseits F2 gleich dem durch das Signal F2zuχ vorgegebenen Wert und andererseits die Summe von F2 und F3 gleich dem durch das Signal Flson vorgegebenen Wert ist.
Die Figur 2 zeigt das bereits anhand der Figur 1 beschriebene Einspritzaggregat 10 einer Spritzgießmaschine zusammen mit dem Blockschaltbild einer zweiten Einrichtung zur Regelung der auf die Antriebswelle 14 wirkenden Kräfte F2 und F3 entsprechend den von einer übergeordneten Maschinensteuerung vorgegebenen Signalen Flson und F2ZU]_. Wie bereits im Zusammenhang mit der Figur 1 beschrieben, wird die Summe der Kräfte F2 und F3 von dem in dem Freilauf 15 angeordneten
Kraftmeßumformer gemessen und in das Signal Flis umgeformt. Die Kraft F3 wird aus den Drücken pA und pB ermittelt und unter Berücksichtigung der Größe der von diesen Drücken beaufschlagten Flächen AA bzw. AB des Kolbens 23 zu dem Signal F3ist, dem Istwert der Kraft F3, verknüpft. Die Kraft F2, die der Kugelgewindetrieb 20 auf die Antriebswelle 14 ausübt, wird auch in diesem Ausführungsbeispiel nicht gemessen. Wie ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der Figur 1 beschrieben, bildet das Summierglied 44 aus dem Sollwert Flsoιι für die Summe der auf die Antriebswelle 14 wirkenden Kräfte F2 und F3 und aus deren Istwert Flj_st die Regeldifferenz ΔFl, die dem Regler 45 zugeführt ist'. Das Summierglied 47 bildet aus den Signalen Flis und F2zuι den Sollwert F3son für die Kraft F3, die der .Kolben 23 auf die Antriebswelle 14 ausübt. Das Summierglied 49 bildet aus dem Sollwert F3soιι für die Kraft F3 und aus deren Istwert F3is die Regeldifferenz ΔF3, die dem Regler 50 zugeführt ist. Anders als bei der in der Figur 1 dargestellten Regeleinrichtung ist das Ausgangssignal des Reglers 45 der hydraulischen Steuereinrichtung 31 als
Stellgröße yπ zugeführt. Der Regler 45 verstellt die Kraft F3 in Abhängigkeit von der ihm zugeführten Regeldifferenz ΔFl so lange, bis das Signal Fl st, das ein Maß für die Summe der Kräfte F2 und F3 ist, im eingeschwungenen Zustand gleich dem Signal Flson geworden ist. Die Regelung der Summe der Kräfte F2 und F3 erfolgt hier durch Verstellen der Kraft F3. Das Ausgangssignal des Reglers 50 ist dem Frequenzumrichter 30 als Stellgröße VE zugeführt. Der Frequenzumrichter 30 steuert die Drehzahl des Elektromotors 11 und damit die über den Kugelgewindetrieb 20 auf die Antriebswelle 14 ausgeübte Kraft F2. Der Regler 50 verstellt die Kraft F2 in Abhängigkeit von der Regeldifferenz ΔF3 so lange, bis das Signal F3ist im eingeschwungenen Zustand gleich dem Signal F3soιι geworden ist. Der eingeschwungene Zustand ist erreicht, wenn die Regeldif- ferenz ΔFl des einen Regelkreises und die Regeldifferenz ΔF3 des anderen Regelkreises zu Null geworden sind. Damit ist sowohl die Summe der Kräfte F2 und F3 gleich dem durch das Signal Flson vorgegebenen Wert als auch die Kraft F3, die von dem Kolben 23 auf die Antriebswelle 14 ausgeübt wird, gleich der durch das Signal F3son vorgegebenen Wert. Dies bedeutet aber auch, daß die Kraft F2 den durch das Signal F2zuι vorgegebenen Wert angenommen hat. Damit • ist sichergestellt, daß die Kraft F2, die über den Kugelgewindetrieb 20 auf die Antriebswelle' 14 wirkt, den durch das Signal F2zuι vorgegebenen Wert nicht übersteigt. Die Figur 3 zeigt eine hydraulische Steuereinrichtung 63, die anstelle der in den Figuren 1 und 2 dargestellten hydraulischen Steuereinrichtung 31 einsetzbar ist. Das elektrische Steuersignal VH ist einem Elektromotor 65 zugeführt, dessen Drehbewegung über Zahnräder 66 und 67 sowie einen Kugelgewindetrieb 68 in eine Längsbewegung umgesetzt wird. Der Kugelgewindetrieb 68 verschiebt einen Kolben 69 in einem Zylinder 70. Die Kammern des Zylinders 70 sind über die hydraulischen Leitungen 32 und 33 mit den entsprechenden Kammern des Zylin- ders 18 in den Figuren 1 und 2 verbunden. Bewegt der Elektromotor 65 den Kolben 69 des Zylinders 70 nach rechts, fließt Druckmittel aus der bodenseitigen Kammer des Zylinders 70 über die Leitung 32 in die bodenseitige Kammer des Zylinders 18 und verschiebt den Kolben 23 nach links. Das dabei aus der stangenseitigen Kammer des Kolbens 18 verdrängte Druckmittel fließt über die Leitung 33 in die stangenseitige Kammer des Kolbens 70. Durch entsprechende Wahl der Größe der druckbeaufschlagten Flächen der Kolben 23 und 69 läßt sich zusätzlich eine Kraftübersetzung zwischen der auf den Kolben 69 wirkenden Kraft und der von dem Kolben 23 auf die Antriebswelle 14 ausgeübten Kraft F3 erreichen.
Anstelle des Kugelgewindetriebs 20, der die Drehbewegung des Elektromotors 11 in eine Längsbewegung umsetzt, kann auch ein Rollengewindetrieb eingesetzt werden. Die Umsetzung der Dreh- bewegung des Elektromotors 11 in eine Längsbewegung kann aber auch durch ein von dem Elektromotor 11 angetriebenes Zahnrad erfolgen, das in eine Zahnstange eingreift und die Zahnstange in Längsrichtung bewegt. In gleicher Weise ist es möglich, den Kugelgewindetrieb 68 durch einen Rollengewindetrieb zu ersetzen oder die Drehbewegung des Elektromotors 65 über eine Zahnstange und ein in diese eingreifendes, von dem Elektromotor 65 angetriebenes Zahnrad in eine Längsbewegung umzusetzen.

Claims

Patentansprüche
1. Regelverfahren für die hydraulische Unterstützung eines elektrischen Antriebs für ein axial verfahrbares Maschinenteil in einer Spritzgießmaschine, insbesondere für den Schneckenvortrieb beim Einspritzvorgang und/oder in der
Nachdruckphase, mit einem Elektromotor, der über ein Getriebe eine axiale Bewegung des Maschinenteils bewirkt, und mit einem mit hydraulischem Druckmittel beaufschlagbaren, in einem Zylinder verschiebbaren Kolben, dessen Bewegung der durch den Elektromotor erzeugten axialen Bewegung des
Maschinenteils überlagerbar ist, dadurch gekennzeichnet,
- daß aus dem Sollwert (Flsoiι) für . die in axialer Richtung auf das Maschinenteil (16) wirkende Kraft (FI) und dem Istwert (Flist) dieser Kraft (FI) eine Regeldifferenz (ΔFl) gebildet wird, die die Summe der auf das Maschinenteil (16) in axialer Richtung wirkenden Kraftanteile (F2, F3) steuert,
- daß aus dem Istwert (Flist) der in axialer Richtung auf das Maschinenteil (16) wirkenden Kraft (Fl) und einem die mechanische Belastbarkeit des Getriebes (20) berücksichtigenden Wert (F2zuι) ein Sollwert (F3son) für die in axialer Richtung auf den Kolben (23) wirkende Kraft (F3) gebildet wird und
- daß aus dem Sollwert (F3Soll) für die in axialer Richtung auf den Kolben (23) wirkende Kraft (F3) und dem Istwert
(F3ist) dieser Kraft (F3) eine Regeldifferenz (ΔF3) gebildet wird, die einen der auf das Maschinenteil (16) in axialer Richtung wirkenden Kraftanteile (F2, F3) steuert.
2. Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- daß der Elektromotor (11) entsprechend der Regeldifferenz (ΔFl) zwischen dem Sollwert (Flson) für die in axialer Richtung auf das Maschinenteil (16) wirkende Kraft (Fl) und dem Istwert (Flist) dieser Kraft (Fl) im Sinne einer Verringerung der Differenz (ΔFl) angesteuert wird und
- daß der Kolben (23) entsprechend der Regeldifferenz (ΔF3) zwischen dem Sollwert (F3Soll) für die in axialer Richtung auf den Kolben (23) wirkende Kraft (F3) 'und dem Istwert
(F3ist) dieser Kraft (F3) im Sinne einer Verringerung der Regeldifferenz (ΔF3) mit Druckmittel beaufschlagt wird.
3. Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - daß der Kolben (23) entsprechend der Differenz (ΔFl) zwischen dem Sollwert (Flsoιι) für die in axialer Richtung auf das Maschinenteil (16) wirkende Kraft (Fl) und dem Istwert (Flist) dieser Kraft (Fl) im Sinne einer Verringerung der Differenz (ΔFI) mit Druckmittel beaufschlagt wird und - daß der Elektromotor (11) entsprechend der Differenz (ΔF3) zwischen dem Sollwert (F3Soll) für die in axialer Richtung auf den Kolben (23) wirkende Kraft (F3) und dem Istwert (F3ist) dieser Kraft (F3) im Sinne einer Verringerung der Differenz (ΔF3) angesteuert wird.
4'-. Regelverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß die zeitliche Ableitung (dFlson/dt) des Sollwerts (FlSoiι) für die in axialer Richtung auf das Maschinen¬ teil (16) wirkende Kraft (Fl) dem Sollwert (F3Soll) ür die in axialer Richtung auf den Kolben (23) wirkende Kraft (F3) im Sinne einer FührungsgrößenaufSchaltung überlagert wird.
5. Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert (F3soιι) für die in axialer Richtung auf den Kolben (23) wirkende Kraft (F3) gleich null gesetzt wird, wenn der Sollwert (Flson) für die in axialer Richtung auf das Maschinenteil (16) wirkende Kraft (Fl) kleiner als der die mechanische Belastbarkeit des Getriebes (20) berücksichtigende Wert (F2zuι) ist.
6. Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in axialer Richtung auf das Maschinenteil (16) wirkende Kraft (Flist) durch einen Kraftsensor gemessen wird, der in dem Kraftfluß zwischen dem Maschinenteil (16) und dem Getriebe (20) angeordnet ist.
7. Regelverfahren nach einem der- vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in axialer Richtung auf den Kolben (23) wirkende Kraft (F3) aus den auf die Flächen (AA, AB) des Kolbens (23) wirkenden Drücken (pA, pB) ermittelt wird.
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