DE3818264A1 - Verfahren und vorrichtung zum steuern eines antriebszylinders - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Antriebs­ zylinders für ein Werkzeug, insbesondere für die Form einer kunststoffverarbeiteten Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zum Antrieb von Werkzeugen sind Antriebszylinder bekannt, die in Differentialschaltung betrieben werden. Dabei wird über ein Ventil der kolbenseitige Zylinderraum des Antriebszylinders mit Druckmittel beaufschlagt und das aus dem kolbenstangen­ seitigen Zylinderraum verdrängte Strömungsmittel wird in den kolbenseitigen Zylinderraum übergeführt. Damit läßt sich mit einer verhältnismäßig kleinen Pumpe das Werkzeug im Eilgang bewegen. Als Anwendungsbeispiel für einen derartigen Antrieb sei eine Kunststoffspritzmaschine genannt, bei der die beweg­ liche Formhälfte auf die feststehende Formhälfte zubewegt wird. Beim Annähern und kurz vor dem Formschluß kann die bewegliche Form auf ein vom vorhergehenden Spritzgießvorgang zwischen den Formhälften hängengebliebenes Stück treffen. Um zu vermei­ den, daß beim Auftreffen auf das Hindernis die Form beschädigt wird, soll ein Formschutz wirksam werden, in dem der von der Druckmittelquelle aufgebrachte Druck begrenzt wird. Bei be­ kannten Anordnungen wird somit in der Formschutzphase der Schließbewegung ein bestimmter nicht zu überschreitender Druck eingestellt. Trifft dann die Form auf einen Widerstand und kommt zum Stillstand, so wird kolbenstangenseitig kein Öl mehr verdrängt, der Druck im Kolbenstangenraum bricht zusammen und durch den Wegfall der Differentialschaltung, also des Gegen­ druckes, erhöht sich der Druck auf der Kolbenseite. Außerdem wird beim Auffahren auf einen Widerstand durch das Abbremsen der beweglichen Teile des Antriebes kinetische Energie frei und wird der an der Pumpe eingestellte hydraulische Druck durch Wegfall der Reibungskräfte im Antrieb voll wirksam. All dies führt dazu, daß beim Auffahren auf ein Hindernis bei bekannten Systemen auf die Form eine sehr große Kraft aufgebracht wird, die unerwünscht ist, da sie zu Verspannungen und Beschädigungen führen kann. Solche Verhältnisse sind nicht nur an Kunststoff­ spritzmaschinen anzutreffen, sondern gelten überall dort, wo bei derartigen Antrieben mit dem Auffahren auf Hindernisse zu rechnen ist.

Hieraus ergibt sich die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dahingehend, ein Verfahren anzugeben, mit dem die beim Auftref­ fen des Werkzeuges auf einen Widerstand auftretenden Kräfte des Antriebes besser beherrschbar sind. Die Aufgabe richtet sich auch auf eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Erfindungsgemäß ist die genannte Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Wird während der Bewegung des Antriebes der Zylinder in Diffe­ rentialschaltung betrieben, so befindet sich der Zylinder bei konstanter Geschwindigkeit im Kräftegleichgewicht nach folgen­ der Gleichung:

P _K ×F _K =P _R ×F _R +N _R

Die vom Kolben aufgebrachte Kraft errechnet sich aus dem Druck P _K im Kolbenraum multipliziert mit der Kolbenfläche F _K und ist gleich der kolbenstangenseitigen Kraft, nämlich dem Druck P _R im Ringraum multipliziert mit der Ringfläche F _R zuzüglich der Reibungskräfte N _R des Antriebes.

Erfindungsgemäß werden von den Druckaufnehmern die beiden Drücke P _K und P _R gemessen. Die Kolbenfläche und die Kolbenring­ fläche des Antriebes sind bekannt, ebenso wie die Reibungskraft des Antriebes, die als Maschinenkonstante ermittelt wird.

Trifft nun das Werkzeug auf ein Hindernis, so steigt durch den Widerstand der im Kolbenraum herrschende Druck P _K und damit steigt die am Kolben freiwerdende Kraft des Antriebes. Nach der vorstehenden Gleichung läßt sich diese freiwerdende Kraft errechnen. Damit ist nun die vom Antrieb beim Auftreffen auf ein Hindernis ausgeübte Kraft bekannt. Falls die errechnete Kraft eine vorbestimmte einstellbare Kraft überschreitet, wird das Ventil so angesteuert, daß die weitere Bewegung des Antrie­ bes verzögert oder gegebenenfalls eine gegenläufige Bewegung eingeleitet wird. Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß aus den gemessenen Druckwerten die vom An­ trieb aufgebrachte Kraft ermittelt wird und kraftabhängig der weitere Druckaufbau oder Druckabbau im kolbenseitigen Zylinder­ raum eingeleitet wird.

Eine erfindungsgemäße Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, daß sich über die Messung der Drücke auch die Massen­ kraft des Antriebes ermitteln läßt. Beim Auftreffen auf ein Hindernis kann durch diese Massenkraft die auf das Hindernis ausgeübte Kraft beträchtlich vergrößert werden. In einem Probe­ lauf wird der Antrieb schlagartig beschleunigt bzw. schlagar­ tig verzögert und werden die an den Druckaufnehmern auftreten­ den Beschleunigungs- und Verzögerungsdrücke gemessen. Hieraus lassen sich nach bekannten Gleichungen die Massenkraft des An­ triebes berechnen. Unter Berücksichtigung der Massenkraft läßt sich nun das Ventil so ansteuern, daß beim Auftreffen auf ein Hindernis ein zulässiger Bremsweg eingehalten werden kann.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend an­ hand der beiden Fig. 1 und 2 der Zeichnung näher erläutert.

In den Fig. 1 und 2 ist eine bewegliche Form 1 auf einer Aufspannplatte 2 befestigt, die von einem Zylinder 3 verscho­ ben wird. Der Kolben 4 mit der Kolbenstange 5 stützt sich gehäusefest ab. Die feststehende Formhälfte der Kunststoff­ spritzmaschine ist nicht dargestellt. Der Zu- und Ablauf des Strömungsmittels erfolgt über ein Mehrwege-Regelventil 10. In den Leitungen 11 und 12, die vom Verbraucheranschluß A über ein Rückschlagventil 14 zum kolbenstangenseitigen Zylin­ derraum 15 bzw. vom Verbraucheranschluß B des Ventils zum kol­ benseitigen Zylinderraum 16 führen sind Druckaufnehmer 17 und 18 vorgesehen. Der Anschluß P ist mit einer Druckmittelquelle unter Anschluß T mit einem Tank verbunden. Die zum kolben­ stangenseitigen Raum 15 führende Leitung 11 führt außerdem zu einem Sperrventil 20. Je nach Schaltstellung ist dann die Leitung 11 mit dem Tank verbunden oder abgesperrt. In diesem Fall strömt aus dem kolbenstangenseitigen Zylinderraum 15 ver­ drängtes Arbeitsmittel über ein Rückschlagventil 22 entweder zum Druckanschluß P des Ventils 10 (Fig. 1) oder zum verbrau­ cherseitigen Anschluß B des Ventils bzw. unmittelbar in den kolbenseitigen Zylinderraum 16 (Fig. 2).

Die von den Druckaufnehmern 17, 18 gemessenen Drücke werden einer Regelschaltung 24 zugeführt, in der in der eingangs ge­ schilderten Weise die am Antrieb auftretenden Kräfte errechnet werden. Die Regelschaltung 24 steuert elektrisch das Proporti­ onalventil 10 bzw. das Sperrventil 20, wodurch der Druck im kol­ benseitigen Zylinderraum 16 veränderbar ist.

Die Wirkungsweise ist folgende:

Zum Schließen im Eilgang wird das Proportionalventil 10 in die Stellung a geschaltet und ist das Sperrventil 20 in der darge­ stellten Sperrlage. Somit fließt Druckmittel vom Anschluß P über den Anschluß B in den kolbenseitigen Raum 16. Der Zylin­ der 3 fährt aus und aus dem kolbenstangenseitigen Raum 15 ver­ drängtes Arbeitsmittel strömt über das Rückschlagventil 22 in die Pumpenleitung und von dort ebenfalls in den kolbenseitigen Zylinderraum 16. Das Rückschlagventil 14 sperrt.

Gelangt die Form 1 in die Nähe der nicht dargestellten fest­ stehenden Formhälfte, so wird der Druck kolbenseitig begrenzt oder reduziert. Dies kann beispielsweise durch den nicht dar­ gestellten Druckregler der Pumpe oder durch ein nicht darge­ stelltes Begrenzungsventil erfolgen.

Ist die Form geschlossen, so wird das Sperrventil 20 geöffnet, so daß der Kolbenstangenraum 15 mit dem Tank verbunden wird. Damit ist die Differentialschaltung abgeschaltet und ist die volle Kolbenfläche wirksam, um den erforderlichen Schließdruck zu erzeugen.

Zum Öffnen der Form wird das Proportionalventil in die Stel­ lung b geschaltet, so daß der Pumpenanschluß P über das sich öffnende Rückschlagventil 14 mit dem Kolbenstangenraum 15 ver­ bunden wird und das aus dem Kolbenraum 16 verdrängte Arbeits­ mittel zum Tank abfließt. Dabei ist das Sperrventil 20 wieder geschlossen.

Entsprechendes gilt für die Ausführungsform gemäß Fig. 2, bei der lediglich insofern eine Änderung vorgesehen ist, als das bei der Schließbewegung aus dem kolbenstangenseitigen Zy­ linderraum 15 verdrängte Arbeitsmittel über das sich öffnende Rückschlagventil 22 unmittelbar unter Umgehung des Proportio­ nalventils 10 in den Kolbenraum 16 strömt.

Trifft während der Schließbewegung die Form 1 auf ein Hinder­ nis, so steigt der Druck im Kolbenraum 16 und vergrößert sich die freiwerdende Kraft am Kolben 4, mit der die Form 1 auf das Hindernis gedrückt wird. Die in den Druckaufnehmern 17 und 18 gemessenen Drücke in den beiden Räumen 15 und 16 werden in der Rechenschaltung 24 mit der Kolbenfläche bzw. der Kolben­ stangenfläche des Kolbens 4 multipliziert und unter Berück­ sichtigung der Reibungskräfte des Antriebes als Maschinenkon­ stante wird die freiwerdende Kraft errechnet. Die errechnete Kraft wird mit einem vorbestimmten Kraftwert verglichen. Wird dieser überschritten, so wird das Ventil 10 angesteuert, um den Zulauf in den Raum 16 zu drosseln und um insbesondere das Ven­ til 10 umzuschalten, so daß der Druck im Raum 16 absinkt und eine Öffnungsbewegung eingeleitet wird. Insbesondere kann das Ansprechen des Ventils 10 auf den Bereich des Formschutzes be­ schränkt werden, also auf die Wegstrecke, bei der sich die Form 1 der festen Formhälfte nähert und mit dem Auftreffen auf ein Hindernis zu rechnen ist. Die Rechenschaltung 24 kann in der Formschutzphase der Bewegung dadurch aktiviert werden, daß in diesem Bereich der Zuführdruck B abgesenkt ist. Auf diese Druckabsenkung reagiert die Rechenschaltung 24 und wird akti­ viert.

Um die Größe des Bremsweges zu berücksichtigen, die von den bewegten Massen abhängig ist, läßt sich mit Hilfe der Druck­ aufnehmer 17 und 18 sowie der Rechenschaltung 24 die Massen­ kraft errechnen. Hierzu wird in einem Probelauf der Antrieb schlagartig beschleunigt bzw. schlagartig verzögert und die dabei an den Druckaufnehmern 17, 18 auftretenden Beschleuni­ gungs- und Verzögerungsdrücke gemessen. Hieraus läßt sich mit Hilfe bekannter Gleichungen die Massenkraft berechnen. Die Massenkraft ist eine Konstante, die in der Rechenschaltung 24 abgespeichert wird. Trifft nun der Antrieb, vorzugsweise im Bereich des Formschutzes, auf einen Widerstand, so läßt sich das Ventil 10 so ansteuern, daß unter Berücksichtigung der Kraft beim Verzögern des Antriebes eine noch zulässige vom An­ trieb aufgebrachte Kraft nicht überschritten und ein maximal noch zulässiger Bremsweg eingehalten wird. Es kann somit das dynamische Verhalten der Masse des Antriebes ermittelt und in die Regelung miteinbezogen werden.

Bei dem Regelventil handelt es sich um ein Proportional- oder Servoventil.

Claims (8)

1. Verfahren zum Steuern eines Antriebszylinders für ein Werkzeug, insbesondere für die Formhälfte einer kunststoff­ verarbeitenden Maschine, mit einem Wegeventil zum Steuern der Druckmittelwege zwischen dem kolbenseitigen und dem kolben­ stangenseitigen Zylinderraum, einer Druckmittelquelle und ei­ nem Tank, und mit einem abschaltbaren Strömungsmittelweg, über den bei Beaufschlagen des kolbenseitigen Zylinderraums mit Druckmittel aus dem kolbenstangenseitigen Zylinderraum ver­ drängtes Strömungsmittel in den kolbenseitigen Zylinderraum fließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in beiden Zylinderräumen gemessen wird, aus den Druck­ werten unter Berücksichtigung der Kolben- und Kolbenringfläche und der Reibungskräfte des Antriebes die vom Antriebszylinder beim Auffahren auf ein Hindernis ausgeübte Kraft berechnet wird und bei Überschreiten einer vorbestimmten Kraft das Ven­ til im Sinne einer Druckverringerung im kolbenseitigen Raum angesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Verzögerungs- und/oder Beschleunigungsdruck bei einer schlagartigen Beschleunigung und Verzögerung des An­ triebs gemessen wird, aus den Druckwerten die Massenkraft des Antriebes berechnet wird und unter Berücksichtigung der Massen­ kraft das Ventil beim Auftreten auf ein Hindernis so angesteu­ ert wird, daß ein zulässiger Bremsweg eingehalten wird.

3. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Druckaufnehmer (17, 18) in den zu den beiden Zylinderräumen (15, 16) führenden Anschlüssen vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Wegeventil (10) ein Proportionalventil ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Wegeventil (10) ein Servoventil ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Abschalten der Differenti­ alschaltung des Antriebzylinders (3) ein Sperrventil (20) vor­ gesehen ist, dem das aus dem kolbenstangenseitigen Zylinder­ raum (15) verdrängte Arbeitsmittel wahlweise über ein sich öffnendes Rückschlagventil (22) in den kolbenseitigen Zylin­ derraum (16) oder zum Tank fließt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Rückschlagventil in den P-Anschluß oder kolbenseitigen Verbraucheranschluß des Ventils (10) mündet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Druckaufnehmer (17, 18) angeschlossene Rechenschaltung (24) ausgangsseitig das Wegeventil (10) und/oder das Sperrventil (20) ansteuert.