CN102529054B - 用于操纵和/或控制压铸机的喷射蜗杆的操纵和/或控制装置 - Google Patents

Abstract

一种用于操纵和/或控制压铸机(3)的喷射蜗杆(2)的操纵和/或控制装置(1)，至少包括用于操纵和/或控制喷射蜗杆(2)的压力(p)和/或速度(q)的操纵和/或控制单元(4)，和用于估算喷射蜗杆(2)的压力(p’)的压力估算器(5)，其中设置用于估算反向作用于喷射蜗杆的负载的负载估算器(6)，其中通过负载估算器(6)可以将估算的负载至少通知到操纵和/或控制单元(4)。

Description

用于操纵和/或控制压铸机的喷射蜗杆的操纵和/或控制装置

技术领域

本发明涉及一种用于操纵和/或控制压铸机(Spritzgieβmaschine)的喷射蜗杆(Einspritzschnecke)的操纵和/或控制装置，至少包含一个用于操纵和/或控制喷射蜗杆的压力和/或速度的操纵和/或控制单元以及一个用于估算喷射蜗杆压力的压力估算器。

背景技术

在压铸过程中一般会向压铸机的喷射蜗杆注入塑料颗粒。喷射蜗杆位于蜗杆柱中同时塑料颗粒通过喷射蜗杆的旋转运动沿喷射蜗杆的尖端方向被运送至蜗杆柱的相应前室。通过摩擦和相应的加热装置塑料颗粒熔化成塑料熔液。该塑料熔液汇集于喷射蜗杆尖端前的蜗杆柱的前室中。当有足够用于一次喷射过程的塑料熔液位于前室中时，喷射蜗杆会以活塞的方式被向前沿喷射蜗杆尖端方向推动，以此塑料熔液可以被喷射入相应的模具中。该类模具也被称作造型工具或造型腔并且例如可以由两个在喷射过程前完成的模具部分组成。

喷射蜗杆的旋转运动和前进运动可以例如通过电力或液压驱动装置实现。该驱动装置可以通过相应的操纵和/或控制装置来操纵或控制，其中该操纵和/或控制装置具有速度和/或位移和/或压力控制功能。其中喷射蜗杆沿着喷射轴的前进运动的速度(喷射速度)会被典型的如此控制，以让此时作为活塞的喷射蜗杆作用于塑料熔液上的某一特定压力不被超过。该压力，也被称作喷射压力，可以通过驱动装置作用于喷射蜗杆上用于实行其前进运动的力产生。

在整个喷射过程中喷射蜗杆迎着对应于当前的填充阻力或造型腔内的浇铸通道的流导(Leitwert)的所谓负载运动。此外负载的大小取决于采用的模具或沿着浇铸通道的几何形状，喷射时塑料熔液的粘滞度以及其它影响因素例如沿着浇铸通道的温度。

在通过喷射蜗杆的前进运动模具被塑料熔液完全填满之后，模具内会有快速的压力上升，此外其会受到塑料熔液的压缩性的影响。在识别到该快速压力上升时喷射蜗杆的速度控制会被典型的切换到压力控制。该第一控制阶段，喷射过程的此阶段中喷射蜗杆的速度会被控制，也常被称作体积流控制，因为喷射蜗杆的前进运动的速度对应着相应的蜗杆柱中塑料熔液的体积流。控制的第二阶段，在其中主要是喷射蜗杆作用于塑料熔液上的压力被控制，也常被称作增压阶段。该增压阶段特别重要，因为通过塑料熔液在模具内的冷却体积可以相应减少，通过该增压阶段可以继续将塑料熔液压入模具内。

在压铸过程中应尽可能不在从速度控制到压力控制切换中出现压力降低或压力峰值，因为这会对生产的压铸件的质量产生负面影响。因此可以采用压力估算器，用于可以估算出现的压力并以此实现精准的切换(见例如DE 10 2004 051 109 B4)。但传统的压力估算器不含有关于所使用的模具或所使用的塑料熔液的材料的信息。特别是它也不含有关于主要由模具和塑料熔液的材料得出的负载特性的信息。尽管如此人们还是致力于使压铸过程中的速度和/或压力变化--也常称作注射(Schuss)--无关于模具和材料总是跟随于期望的额定变化。当前的控制器经常采用的方法是，含有隐含的系统行为假设以实现动态控制。但当出现和假设的系统行为之间的偏差时，这样有时会出现较大的压力和速度的额定值偏差或者不协调的信号变化。

发明内容

本发明的任务是，避免前面描述的缺点和给出相对于现有技术有改善的用于操纵和/或控制压铸机的喷射蜗杆的操纵和/或控制装置。目标是一个操纵和/或控制装置，既能控制喷射蜗杆的速度也能控制喷射蜗杆的压力并且其特别是能控制从速度控制到压力控制的过渡中出现的负载的变化。

根据本发明，本任务如此解决，即设置用于估算反向作用(entgegenwirken)于喷射蜗杆的负载的负载估算器，其中通过负载估算器估算的负载至少能通知到操纵和/或控制单元。其中操纵和/或控制单元理论上至少包含预调装置和控制器并且估算的负载可以涉及当前的负载和/或将来的负载。

负载大多由模具和塑料熔液的材料决定。尤其是模具可以基于应用有很大变化。因此控制行为根据应用会有不同。该变动的影响应通过负载估算器计算出，以此操纵和/或控制单元可以被调节以适合实际的系统行为。

通过负载估算器可以实行负载变化的早期识别。其中对当前和/或将来反向作用于喷射蜗杆的负载的估算可以基于模型实行。通过该额外信息-估算的负载行为-可以例如足够早的减小通过喷射蜗杆产生的压力，以避免压力峰值。基于估算的负载可以与从喷射阶段到增压阶段切换的时间点和状态无关地实现喷射蜗杆压力的无震荡变化。其中可以实现在从速度控制喷射到增压区域的动态过渡中的良好的跟随特性，通过用负载估算器获知快速变化的负载并例如用预调装置与当前的工作时间点无关地补偿该影响。

其中估算的负载可以通过估算的阻力系数k’表示。该估算的阻力系数k’对应填充过程的估算的阻力，其在数值上受模具设计或沿塑料熔液流动路径的几何形状和塑料熔液采用的材料的影响。例如当塑料熔液的流动路径越长和塑料熔液的粘滞度越高，填充过程的阻力会越高。

一个简化的负载模型可用于计算估算的阻力系数k’，其还含有以下参数：蜗杆柱的截面积，驱动装置的惯性矩，塑料熔液的压缩性以及体积和粘滞度。其中塑料熔液的压缩性可以基于材料数据假设为已知或测量计算出。

通过负载模型可以建立喷射速度，喷射压力和操纵变量间的关系。通过负载估算器可以随时计算通常未知的且取决于应用的模型参数或模型数值以及估算当前的和/或将来的负载。通过了解估算的负载，在预先规定相应的额定值的情况下，可以用预调装置计算出操纵变量。以此在理想模型下实际变量会跟随额定变量，不会出现偏差。基于模型只是现实系统的简化以及估算的负载和实际负载存在偏差的现实，普遍会出现额定变量和实际变量间的小偏差。该误差可以通过额外的控制器补偿。了解估算的负载相对于传统的仅可以基于控制差值改变操纵变量的不含负载估算器或不含模型信息的控制器有明显的改进。

负载模型可以在负载估算器中例如被用作持续计算压铸过程中的当前负载。其中负载估算器的该使用形式被称作在线-估算器。这里在每个喷射循环中负载会被持续的重新估算并用于预调装置。因为喷射过程是循环过程，可利用的是，将前一个喷射循环的信息用于当前的喷射循环，以改善操纵和/或控制装置的追随特性。为此负载估算器在这里可以被用作递推估算器，通过它可以基于前一个喷射循环的操纵变量计算一部分的操纵变量及其误差。以此以估算为基础的负载模型也会每注射一次都得到改善。一般在加权积分时此前的输入值和状态会被相应的加权后进入负载估算。但压铸过程中计算估算的负载或估算的负载变化理论上也可以通过一次或多次测试注射实现。其中可以在启动阶段计算出相应的在之后的喷射循环中使用的值。一般也可以采用最小平方差法用于确定适合的系数或回归线用于负载估算器。

可以采用特别是以下的作为操纵和/或控制装置的参数：速度误差的加权，压力误差的加权，负载估算器的初始值，压力控制误差对负载估算器的动力学的影响，压力估算误差对负载估算器的动力学的影响以及压力估算误差对压力估算器的动力学的影响。

按照优选的实施形式可以看到，估算的压力可以通知到负载估算器。如果除此之外估算的负载也可以通知到压力估算器，那么两个采用的估算器会有最佳的协同效果。负载估算器和压力估算器的组合产生相对于独立负载估算的改善的表现。从而估算误差可以被减小以及起振动态特性会提高。以此可以进一步改善整体控制表现。其中实际负载和估算负载之间的偏差会导致测量出的压力和估算压力的偏差。通过返回该误差可以修正负载估算器。无额外的压力估算器时实际负载和负载估算器间的偏差首先由额定压力和实际压力间的偏差计算并修正。

为了给操纵和/或控制装置提供相应的指令参数可以设置计划装置，其中通过计划装置以将优选能保存在存储器中的所计划的额定压力变化和/或所计划的额定速度变化至少可输入到操纵和/或控制单元和/或负载估算器。该计划装置也被称作轨道计划并且在压铸过程中给出期望的额定压力变化和/或期望的额定速度变化。其中该期望的额定变化的输入可以例如通过用户界面实现并且额定变化可以保存在存储器中并由操纵和/或控制装置读取。

为了改善操纵和/或控制装置的操纵和/或控制行为可以设置用于测量喷射蜗杆压力的压力测量装置，其中压力测量装置的信号可以输送到操纵和/或控制单元和/或压力估算器和/或负载估算器。例如通过压力测量装置可以测量造型工具内部的压力。

除此之外可以设置用于测量喷射蜗杆速度的速度测量装置，其中速度测量装置的信号至少可以输送到操纵和/或控制单元和/或压力估算器和/或负载估算器。喷射蜗杆沿着喷射轴方向前进运动的速度对应塑料熔液在蜗杆柱中的特定体积流。

作为替换或额外地，可以设置用于测量喷射蜗杆经过路径的路径测量装置，其中路径测量装置的信号至少可以输送到操纵和/或控制单元和/或压力估算器和/或负载估算器。

当操纵和/或控制单元至少包含一个预调装置和一个控制器时，可以规定，通过预调装置可以给出第一控制变量，优选为第一力值，以及通过控制器可以给出第二控制变量，优选为第二力值。其中优选可以将优选为第一力值和第二力值的第一控制变量和第二控制变量相加用于操纵和/或控制喷射蜗杆的压力和/或速度。其中预调装置可以如此计算，使得第一控制变量符合通过相应的计划装置(轨道计划)可以预先给出的期望的额定压力变化。其中实际轨道相对于期望的额定压力变化的偏差可以通过控制器以第二控制变量的形式被调整。两个控制变量―例如可以是第一力值和第二力值－可以相加并给出合力值，喷射蜗杆的驱动装置应以该合力值沿喷射蜗杆前进运动方向作用在喷射蜗杆上，以达到喷射蜗杆作用于塑料熔液上的期望速度和/或期望压力。该形式为合力值的控制变量可以在其中被输入相应的控制机构，例如发动机操纵和/或控制，其中控制机构可以操纵和/或控制相应的驱动单元，例如电动机。电动机可以在后续行动中驱动喷射蜗杆，这样可以使喷射蜗杆在塑料熔液上施加期望的压力。

同时请求保护具有上述的操纵和/或控制装置的压铸机。

除此之外请求保护如下的用于操纵和/或控制压铸机的喷射蜗杆的压力和/或速度的方法，其中在压铸过程中通过喷射蜗杆将塑料熔液喷入模具中，其中有负载反向作用于所述压铸过程，其特征在于，根据估算的压力和估算的负载操纵和/或控制所述喷射蜗杆的压力和/或速度。

在上述的于操纵和/或控制压铸机的喷射蜗杆的压力和/或速度的方法中，至少使用所计划的额定压力变化和/或当前的压力和/或估算的压力和/或所计划的额定速度变化和/或当前的速度来估算负载。

此外还设定：至少使用喷射蜗杆的当前压力和/或喷射蜗杆的当前速度和/或估算的负载来估算压力。

附图说明

下面参考唯一的附图结合优选的实施例对本发明作进一步说明。其中，

图1示意性地示出了建议的操纵和/或控制装置1的实施例的框图。

具体实施方式

操纵和/或控制装置1包含操纵和/或控制单元4，其在该例子中包含预调装置10和控制器11。另外操纵和/或控制装置1包含用于估算压力p’的压力估算器5以及估算负载的负载估算器6，负载在该例子中通过估算的阻力系数k’表示。

预调装置10给出形式为第一力值F₁的第一控制变量作为输出值以及控制器11给出形式为第二力值F₂的第二控制变量作为输出值。第一力值F₁和第二力值F₂相加得到的和以力值F的形式为控制机构13提供控制变量。该控制机构13可以是例如发动机操纵和/或控制，其操纵和/控制相应的、驱动喷射蜗杆2的驱动单元14，例如一个或多个电动机。

在压铸过程中通过喷射蜗杆2可以使塑料熔液进入模具12。预设的压力测量装置8以及预设的速度测量装置9测量喷射蜗杆2当前的压力p和当前的速度q并且能将该测量值作为控制变量至少回馈到操纵和/或控制装置1中。在示出的例子中压力测量装置8的测量数据和速度测量装置9的测量数据也被传入压力估算器5和负载估算器6。另外可以设置测量喷射蜗杆2经过路径的路径测量装置，其测量数据至少能被传入操纵和/或控制单元4和/或负载估算器6和/或压力估算器5。

设置额定压力变化p_s和/或额定速度变化q_s(以及给定情况下其对于时间的一阶和二阶导数)作为操纵和/或控制装置1的指令参数，其可以通过相应的计划装置7(轨道计划)给出。压力估算器5给出估算的压力p’作为输出值，其可以被传送至负载估算器6。负载估算器6给出估算的阻力系数k’作为输出值，在该例中其既可以被传送至操纵和/或控制单元4也被传送至压力估算器5。

值k’和p’表示动态系统(负载估算器6和压力估算器5)的输出值，其中通过每个初始状态和输入值的每个数值可以计算相应的后续状态和输出值。其中动态系统如此被构造，使得负载根据预设的负载模型被计算出。

通过操纵和/或控制装置1可以操纵和/或控制控制机构13，使得由控制机构13操纵和/或控制的驱动单元14可以在喷射蜗杆2上沿其前进运动方向施加期望的力F，这样作用于塑料熔液上的喷射蜗杆2的期望的速度q和/或喷射蜗杆2的期望的压力p可以按照轨道计划达到。

推荐的操纵和/或控制装置的本质上的优点为具有的负载估算器的相应的额定值生成(轨道计划)和具有集成的预调装置的基于模型的控制的组合。尤其地，在增压区域中动态的额定值变化的情况下，通过负载估算器和与当前工作点无关的预调装置实现了在增压区域良好的跟随特性。

Claims (18)

1.一种用于操纵和/或控制压铸机(3)的喷射蜗杆(2)的操纵和/或控制装置(1)，至少包括：

-用于操纵和/或控制喷射蜗杆(2)的压力(p)和/或速度(q)的操纵和/或控制单元(4)，以及

-用于估算喷射蜗杆(2)的压力(p’)的压力估算器(5)，

其特征在于，设置有用于估算反向作用于喷射蜗杆的负载的负载估算器(6)，其中通过所述负载估算器(6)能够将估算的负载(k’)至少通知到操纵和/或控制单元(4)。

2.如权利要求1所述的操纵和/或控制装置，其特征在于，估算的压力(p’)能够通知到所述负载估算器(6)。

3.如权利要求1或2所述的操纵和/或控制装置，其特征在于，估算的负载也能够通知到所述压力估算器(5)。

4.如权利要求3所述的操纵和/或控制装置，其特征在于，设置有计划装置(7)，其中通过所述计划装置(7)能够将所计划的额定压力变化(p_s)和/或所计划的额定速度变化(q_s)至少输入操纵和/或控制单元(4)和/或负载估算器(6)中。

5.如权利要求4所述的操纵和/或控制装置，其特征在于，所计划的额定压力变化(p_s)和/或所计划的额定速度变化(q_s)能保存在存储器中。

6.如权利要求4或5所述的操纵和/或控制装置，其特征在于，设置有用于测量喷射蜗杆(2)的压力(p)的压力测量装置(8)，其中压力测量装置(8)的信号能被传入操纵和/或控制单元(4)和/或压力估算器(5)和/或负载估算器(6)中。

7.如权利要求6所述的操纵和/或控制装置，其特征在于，设置有用于测量喷射蜗杆(2)的速度(q)的速度测量装置(9)，其中所述速度测量装置(9)的信号至少能被传入操纵和/或控制单元(4)和/或负载估算器(6)和/或压力估算器(5)中。

8.如权利要求1或2所述的操纵和/或控制装置，其特征在于，设置有用于测量喷射蜗杆(2)所经过路径的路径测量装置，其中所述路径测量装置的信号至少能被传入操纵和/或控制单元(4)和/或负载估算器(6)和/或压力估算器(5)中。

9.如权利要求1或2所述的操纵和/或控制装置，其特征在于，所述操纵和/或控制单元(4)至少包括预调装置(10)和控制器(11)。

10.如权利要求9所述的操纵和/或控制装置，其特征在于，通过预调装置(10)能够给出第一控制变量，通过控制器(11)能给出第二控制变量。

11.如权利要求10所述的操纵和/或控制装置，其特征在于，所述第一控制变量为第一力值(F₁)，所述第二控制变量为第二力值(F₂)。

12.如权利要求10或11所述的操纵和/或控制装置，其特征在于，第一控制变量和第二控制变量相加，以操纵和/或控制所述喷射蜗杆(2)的压力(p)和/或速度(q)。

13.一种压铸机，具有如权利要求1至12之一所述的操纵和/或控制装置。

14.一种用于操纵和/或控制压铸机(3)的喷射蜗杆(2)的压力(p)和/或速度(q)的方法，其中在压铸过程中通过喷射蜗杆(2)将塑料熔液喷入模具(12)中，其中有负载反向作用于所述压铸过程，其特征在于，根据估算的压力(p’)和估算的负载操纵和/或控制所述喷射蜗杆(2)的压力(p)和/或速度(q)。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，使用所计划的额定压力变化(p_s)和/或所计划的额定速度变化(q_s)作为用于操纵和/或控制所述喷射蜗杆(2)的压力(p)和/或速度(q)的指令参数。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，至少使用所计划的额定压力变化(p_s)和/或当前的压力(p)和/或估算的压力(p’)和/或所计划的额定速度变化(q_s)和/或当前的速度(q)来估算负载。

17.如权利要求14至16之一所述的方法，其特征在于，至少使用喷射蜗杆(2)的当前压力(p)和/或喷射蜗杆(2)的当前速度(q)和/或估算的负载来估算压力(p’)。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，计算沿喷射蜗杆(2)前进运动方向施加到所述喷射蜗杆(2)上以将塑料熔液压入模具(12)中的力(F)作为控制变量来操纵和/或控制喷射蜗杆(2)的压力(p)和/或速度(q)。