Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Regelungsvorrichtung zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor. Bei Kunststoffspritzgießmaschinen mit einem hydraulisch betriebenen Zylinder treibt ein Elektromotor eine Pumpe an, die dem Zylinder ein hydraulisches Druckmittel gemäß einer Druck/Volumenstrom-Regelung zuführt. In dem Arbeitszyklus der Kunststoffspritzgießmaschine gibt es Bereiche, in denen der Druck geregelt wird, sowie weitere Bereiche, in denen der Volumenstrom geregelt wird.
In der
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Regelvorrichtung zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor bereitzustellen, wobei die Regelgüte im Vergleich zu bekannten Lösungen verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor einer -z.B. zyklisch arbeitenden - Maschine bereitgestellt. Der Aktor wird von einer Verstellpumpe mit einer Druckmittelmenge versorgt, wobei die Verstellpumpe ihrerseits von einem drehzahlgesteuerten Motor - z.B. ein Elektromotor - angetrieben ist.
Ein Signal, das den Druck der Druckmittelmenge anzeigt, wird zu einem Regler zum Ansteuern der Verstellpumpe rückgekoppelt. Der Regler weist einen Vergleicher sowie einen Regelverstärker auf. Parallel zu diesem Druckregelkreis wird der Motor anhand eines Drehzahlsignals angesteuert. Es kann z.B. ein Drehzahl-Profil zum Einstellen der Drehzahl des Elektromotors innerhalb eines Arbeitszyklus der Maschine erstellt werden, um das Drehzahlsignal zu bilden, wie es an sich die
Durch die Variation der Eigenschaften des Regelverstärkers kann die Regelgüte des Reglers bei unterschiedlichen Drehzahlen konstant gelassen werden. Dadurch kann dem Verschlechtern der Regelgüte bei erniedrigter Drehzahl entgegen gewirkt werden. Ohne die entsprechende Variation der Eigenschaften der Regelverstärker würde sich bei verringerter Drehzahl auch die Kreisverstärkung verringern. Damit vergrößert sich unter Umständen eine bleibende Regelabweichung, oder die Dämpfung des Regelkreises wird schlechter, wodurch sich Störungen, die auf den Regelkreis einwirken, stärker bemerkbar machen. Durch die Variation der Eigenschaften des Regelverstärkers wird dem entgegengewirkt.
In einer Ausführungsform wird die Verstärkung des Regelverstärkers in Abhängigkeit der Drehzahl eingestellt. Mit einer Veränderung der Verstärkung des Regelverstärkers wird auch die Kreisverstärkung verändert, wodurch diese auch bei unterschiedlichen Drehzahlen im Wesentlich konstant gehalten werden kann.
Vorzugsweise wird bei der Verringerung der Drehzahl die Verstärkung des Regelverstärkers erhöht, um die Kreisverstärkung im Wesentlichen konstant zu lassen. Damit führen Störungen bei niedriger Drehzahl nicht zu einer wesentlich größeren Regelabweichung als bei hoher Drehzahl.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Druckregler ein Differenzierglied mit einem Beiwert KD zum Differenzieren des Signals, das den Druck der Druckmittelmenge anzeigt, auf. Dabei wird der Beiwert KD des Differenzierglieds in Abhängigkeit von der Drehzahl eingestellt. Hiermit kann auch das dynamische Verhalten des Druckreglers über den gesamten Drehzahlbereich im Wesentlichen stabil gehalten werden. Somit dauern Einschwingvorgänge auch bei unterschiedlich eingestellten Drehzahlen ähnlich lang. Es wird insbesondere eine bei allen Drehzahlen gleiche, im Wesentlichen konstante Dämpfung erreicht. Einschwingvorgänge haben damit immer die gleiche Charakteristik und Dauer.
Bevorzugt wird dabei, dass bei verringerter Drehzahl der Beiwert des Differenzierglieds auf höhere Werte eingestellt wird, um einem Abfall der Dämpfung bei niedrigen Drehzahlen entgegen zu wirken. Besonders geeignet ist das Verfahren bei einer Kunststoffverarbeitungsmaschine, bei der flüssiger Kunststoff in eine Form eingespritzt wird. Weitere Anwendungen können Pressen, insbesondere Abkantpressen sein. Bei solchen Maschinen werden die gleichen Arbeitsschritte oft wiederholt, so dass der Druckmittelbedarf bei jedem Arbeitszyklus gleich verläuft.
Die Erfindung betrifft auch eine Regelvorrichtung zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor einer - z.B. zyklisch arbeitenden - Maschine. Bei dieser Maschine wird der Aktor von einer von einem drehzahlgesteuerten Motor - z.B. ein Elektromotor, ggf. z.B. auch ein Verbrennungsmotor, ein Dieselmotor, ein Ottomotor.- angetriebenen Verstellpumpe mit einer Druckmittelmenge versorgt. Der Druckregler zum Ansteuern der Verstellpumpe und ein Druckumformer zum Umsetzen des Drucks der Druckmittelmenge in ein Rückkopplungssignal für den Druckregler sind vorgesehen. Die Regelvorrichtung weist unter Umständen auch eine Vorrichtung zum Erstellen eines Drehzahl-Profils zum Einstellen der Drehzahl des Motors während eines Zyklus der Maschine und eine Einstellvorrichtung zum Betreiben des Motors entsprechend dem ermittelten Drehzahl-Profil in den Arbeitszyklen der Maschine auf. Die Drehzahl des Motors kann aber auch anhand eines der Regelvorrichtung zugeführten Drehzahlsignals gesteuert und verstellt werden. Die Regelvorrichtung enthält eine Reglungsanpassungsvorrichtung zum Anpassen der Eigenschaften des Druckreglers entsprechend dem Drehzahlsignal. Die Regelvorrichtung ermöglicht somit, die Regelgüte über einen großen Drehzahlbereich im Wesentlichen konstant zu lassen.
In einer Ausführungsform weist der Druckregler einen Vergleicher und einen Regelverstärker mit einem Proportionalglied auf, wobei die Verstärkung des Regelverstärkers in Abhängigkeit von dem Drehzahlsignal eingestellt wird. Damit werden die Kreisverstärkung und somit auch die Regelabweichung eingestellt. Bevorzugt wird dabei bei Verringerung der Drehzahl die Verstärkung des Regelverstärkers erhöht.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Druckregler ein Differenzierglied mit einem Beiwert KD zum Differenzieren desjenigen Signals, das den Druck der Druckmittelmenge anzeigt, auf. Die Regelungsanpassungsvorrichtung ist zum Einstellen des Beiwerts des Differenzierglieds in Abhängigkeit von dem Drehzahlsignal eingestellt. Damit kann auch das dynamische Verhalten des geschlossenen Regelkreises über die Drehzahl stabil gehalten werden.
Vorzugsweise wird bei verringerter Drehzahl der Beiwert KD des Differenzierglieds auf höhere Werte eingestellt.
Die Erfindung betrifft auch eine Baugruppe aus einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung und einem Aktor, dessen Versorgung mit einem hydraulischen Druck mittels der Regelvorrichtung bereitgestellt wird.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
Der Aktor 11 ist ein Zylinder für eine zyklisch arbeitende Fertigungsmaschine, die flüssigen Kunststoff in eine Form einspritzt. Ein Arbeitszyklus unterteilt sich in mehrere nacheinander ablaufende Abschnitte des Zyklus, die sich hinsichtlich der benötigten Druckmenge unterscheiden. In diesen Abschnitten erfolgt jeweils ein Arbeitsvorgang. Arbeitsvorgänge sind beispielsweise "Werkzeug schließen", "Kunststoff einspritzen", "das Werkzeug öffnen", "eine Nachdruckphase abwarten" oder ähnliches.
In diesen unterschiedlichen Abschnitten müssen unterschiedliche Druckmengen dem Aktor bereitgestellt werden, was mit Hilfe des Ventils 17 erfolgt. Die Verstellpumpe 13 fördert aus einem Tank 15 Druckmittel in die Leitung 16, woraufhin die Hydraulikflüssigkeit in der Leitung 16 einen Druck p aufweist. Das Ventil 17 ist zwischen der Leitung 16 und dem Aktor 11 vorgesehen. Dieses Ventil 17 steuert den Volumenstrom von der Verstellpumpe 13 zu dem Zylinder 11 und von dort zurück zum Tank 15. Das Ventil 17 wird elektrisch von einer übergeordneten Steuerung 25 mit dem Signal u1, das über die Leitung 27 geleitet wird, angesteuert.
Ein Wegemessumformer 21 misst die Position der Kolbenstange des Zylinders 11, wandelt diese Position in ein elektrisches Signal s1 um, das über die Leitung 23 an die übergeordnete Steuerung 25 ausgegeben wird.
Zur Steuerung des Drucks p in der Leitung 16 ist eine Regelvorrichtung vorgesehen, die die Einrichtung zur Regelung der Druckmittelzufuhr 10, den Druckmessumformer 40, das Stellglied 31, den Messumformer 32, den Frequenzumrichter 33, den Elektromotor 14, die Welle 34 und die Verstellpumpe 13 enthält. Die Einrichtung 10 empfängt von der übergeordneten Steuerung 25 einen Sollwert für den Druck ps und einen Sollwert für den Volumenstrom Qs. Die Sollwerte ps und Qs entsprechen einem in der übergeordneten Steuerung gespeicherten DruckNolumenstrom-Profil P(t)/Q(t).
Zudem empfängt die Vorrichtung 10 ein Zyklusstartsignal yt0, das anzeigt, wann ein neuer Zyklus beginnt. Zudem empfängt die Einrichtung 10 das Signal pi von dem Druckmessumformer 40, der den Druck p in der Leitung 16 in ein entsprechendes elektrisches Signal pi umwandelt. Als Ausgangssignale gibt die Einrichtung 10 einen Sollwert für die Drehzahl ns sowie ein Ausgangssignal für das Fördervolumen yVF aus. Das Signal ns empfängt der Frequenzumrichter 33, der dementsprechend den Elektromotor 14 mit einer Frequenz f so antreibt, dass die Drehzahl n des Elektromotors 14 gleich dem Sollwert für die Drehzahl ns ist. Die Drehbewegung des Elektromotors wird über die Welle 34 an die Verstellpumpe 13 übertragen.
In der hier gezeigten Ausführungsform wird die Drehzahl n des Elektromotors 14 nicht gemessen und rückgekoppelt, die Drehzahl n wird somit im offenen Kreis gesteuert. In einer alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, die Drehzahl zu messen und zu dem Frequenzumrichter 33 rückzuführen, um die Drehzahl n des Elektromotors zu regeln.
Das Stellglied 31 empfängt das Ausgangssignal yVF von der Einrichtung 10 und steuert das Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13. Der Messwertumformer 32 gibt ein elektrisches Signal, das den Ist-Wert des Fördervolumens VFi der Verstellpumpe 13 anzeigt, aus.
Die Einrichtung 10 enthält einen Pumpenregler 41, eine Motorsteuerung 42, einen Multiplizierer 44 und ein Rechenglied 45. Der Multiplizierer 44 ist als Proportionalglied mit einem steuerbaren Verstärkungsfaktor KQ ausgeführt. Das Rechenglied 45 empfängt als Eingangssignal den Sollwert für die Drehzahl ns und gibt dessen Kehrwert an seinen Ausgang als das Signal KQ aus. Der Multiplizierer empfängt an seinen Eingängen den Sollwert für den Volumenstrom QS sowie das Signal KQ.
Der Multiplizierer 44 bildet folglich aus dem Sollwert QS für den dem Zylinder zuzuführenden Volumenstrom unter Berücksichtung der Drehzahl n des Elektromotors 14 einen Sollwert VFs für das Fördervolumen der Verstellpumpe 13. Der Pumpenregler 41 empfängt als Eingangssignal den Ist-Wert für das Fördervolumen VFi, den Ist-Wert für den Druck pi, den Sollwert für das Fördervolumen VFs sowie den Sollwert für den Druck ps und gibt an seinem Ausgang das Ausgangssignal für das Fördervolumen yVF aus.
Das mit yVF1 bezeichnete Ausgangssignal des Fördervolumenreglers 49 ist dem Minimalwertauswahlglied 50 als erstes Eingangssignal zugefügt. Das zweite Summationsglied 51 empfängt den Sollwert für den Druck ps und den Ist-Wert für den Druck pi, woraus durch Subtraktion die Regeldifferenz für den Druck gebildet und an den Druckregler 52 ausgegeben wird. Der Druckregler 52 gibt als Ausgangssignal den Wert yp an das Minimalwertauswahlglied 50, das den Wert yp an seinem zweiten Eingang empfängt. Das Minimalwertauswahlglied 50 wählt das kleinere der beiden Eingangssignale yVF1 und yp aus und leitet diesen Minimalwert als Stellgröße yVF für das Fördervolumen VF an das Stellglied 31 weiter. Sowohl die Regelung des Fördervolumens VF als auch die Regelung des Drucks p erfolgt mit Hilfe des Einstellens des Fördervolumens der Verstellpumpe 13.
Die Übertragungsverhalten des Förderstromreglers 49 und des Druckreglers 52 weisen jeweils einen Proportional- und einen Differentialanteil auf.
In der übergeordneten Steuerung 25 ist ein Druck/ Volumenstrom-Profil p(t)/Q(t) für die Druckmittelzufuhr des Zylinders 11 gespeichert. Ein Drehzahlprofil n(t) für den Elektromotor wird wie in der Druckschrift
Durch die Regelung von Druck p und Volumenstrom Q stellt sich ein von der Verstellpumpe 13 geförderter Volumenstrom ein, der sowohl das Kompressionsvolumen des Druckmittels als auch Leckverluste berücksichtigt, also Einflussgrößen, die einer
Berechnung nur schwer zugänglich sind. Dies gilt in gleicher Weise für den Volumenstrombedarf des Zylinders 11 bei einer Druckregelung. Da sich der von der Verstellpumpe 13 geförderte Volumenstrom Q nach der Beziehung Q =nmax * VF aus der Drehzahl nmax des Elektromotors 14 und dem Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13 ergibt, lässt sich der dem Zylinder 11 zugeführte Volumenstrom direkt aus dem Istwert VFi des Fördervolumens unter Berücksichtigung der konstanten Drehzahl nmax berechnen.
Es ist vorteilhaft, als konstante Drehzahl nmax die größte Drehzahl, mit der der Elektromotor 14 in den Fertigungszyklen betrieben werden soll, zu wählen. Bei dieser Drehzahl handelt es sich in der Regel um die Nenndrehzahl des Elektromotors 14.
Der Optimierungsvorgang weist eine Reihe von Lernzyklen auf, in denen die Verstellpumpe 13 mit der konstanten Drehzahl nmax angetrieben wird. In einem ersten Lernzyklus wird die Dauer eines Fertigungszyklus durch Messung der Zeitdauer zwischen zwei Zyklusstartimpulsen ermittelt. Aus der Dauer eines Fertigungszyklus und der Anzahl der in der Motorsteuerung 42 für die Speicherung von Werten zur Verfügung stehenden Speicherplätze wird der zeitliche Abstand Δt für die Erfassung der zu speichernden Werte ermittelt. In einem weiteren Lernzyklus werden im Abstand von Δt die Istwerte VFi des Fördervolumens erfasst und in der Motorsteuerung 42 gespeichert. Die dort gespeicherten Werte bilden ein Fördervolumen-Profil VFI(t).
In gleicher Weise werden die Istwerte pi des Drucks erfasst und in der Motorsteuerung 42 gespeichert. Die gespeicherten Werte bilden ein Druckprofil pi(t). Durch Multiplikation der gespeicherten Einzelwerte des Fördervolumens mit der konstanten Drehzahl nmax erhält man ein Volumenstrombedarf- Profil QA(t). Durch Division des Volumenstrombedarfs QA durch einen konstanten Wert des Fördervolumens VF erhält man ein Drehzahl-Profil n(t). Es empfiehlt sich, den konstanten Wert so zu wählen, dass er in der Nähe des Nennwerts des Fördervolumens VF der Verstellpumpe 13 liegt. Damit eine Regelreserve zur Verfügung steht, wird der konstante Wert so gewählt, dass er ungefähr 90 % des Nennwerts des Fördervo-lumens VF der Verstellpumpe 13 entspricht. Dieser Wert ist im folgenden mit VFgO bezeichnet.
Um Speicherplatz einzusparen, kann nach dem Abschluss einer Division der gespeicherte Wert des Volumenstrombedarfs QA durch den aus ihm berechneten Drehzahlwert n ersetzt werden. Steuert man die Drehzahl des Elektromotors 14 gemäß dem auf diese Weise ermittelten Drehzahl- Profil n(t) an, würde sich unter idealen Bedingungen das Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13 auf den Wert VFgO einstellen. In der Praxis ist jedoch das Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13 während eines Zyklus nicht konstant, insbesondere da sich die Drehzahl n des Elektromotors 14 nicht so schnell ändern lässt wie das Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13. Dazu kommt, dass insbesondere im Hinblick auf die Schmierung der Verstellpumpe 13, der Kühlung des Elektromotors 14 und das maximal zulässige Drehmoment des Elektromotors 14 seine Drehzahl n nicht beliebig verringert werden darf.
Wird während eines Arbeitszyklus die Drehzahl des Motors verändert, verändern sich auch die Eigenschaften der Regelung des Drucks. Aus diesem Grund werden die Eigenschaften des Druckreglers 52 entsprechend der Drehzahl des Elektromotors 14 eingestellt, wie dies anhand der folgenden
Das Differenzierglied 521 empfängt den Ist-Wert für den Druck pi, der in dem Differenzierglied 521 abgeleitet wird und mit dem Faktor KD, der der Beiwert des Differenzierglieds 521 ist, multipliziert wird. Das Ergebnis dieser Multiplikation wird auf den zweiten Eingang des Summationsglieds 524 geführt. Das Summationsglied 524 zieht den Wert an seinem zweiten Eingang von dem Wert an seinem ersten Eingang ab und gibt das Ergebnis dieser Differenzbildung als Ausgangssignal yp aus.
Der Verstellblock 523 empfängt an seinem Eingang den Sollwert für die Drehzahl ns und gibt an seinen Ausgängen Werte aus, mit denen die Beiwerte Kp und KD variiert werden. Dazu ist in dem Verstellblock 523 eine Wertetabelle hinterlegt, die angibt, wie groß die Faktoren Kp und KD in den verschiedenen Wertebereichen der Solldrehzahl ns sind. Beispielsweise wird in einem Drehzahlbereich von 600 bis 800 Umdrehungen pro Minute der Faktor Kp doppelt so groß eingestellt wie in dem Drehzahlbereich von 1300 bis 1500 Umdrehungen pro Minute. Entsprechend wird im niedrigen Drehzahlbereich auch der Faktor KD im Vergleich zum hohen Drehzahlbereich erhöht.
Somit wird die Kreisverstärkung und die Dämpfung des Gesamtsystems über den gesamten Drehzahlbereich im Wesentlichen stabil gehalten. Es wird somit eine gesteuerte Adaption der Verstärkung und der Dämpfung des Druckreglers über die Drehzahl bereitgestellt. Diese Lösung bewirkt, dass die Regelgüte auch bei der variablen Drehzahl gehalten wird.
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.