用于注射成型的控制方法

用于注射成型的控制方法
【专利摘要】用于注射成型系统的控制方法，所述注射成型系统具有挤压机，所述挤压机连续供给材料至储料器，所述储料器间歇地分配材料到注射装置，其中所述控制方法被配置为分别以高速或以低速驱动所述挤压机，所述高速和所述低速限定挤压机速率区间，所述方法包括获取储料器的实际位置变化的值(ΔPOSACT)，将所述实际位置变化的值(ΔPOSACT)与位置变化的预测值(ΔPOSPRED)进行比较，基于所述比较的结果调整所述挤压机的速率。
【专利说明】
用于注射成型的控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及塑料材料的注射成型领域，并且尤其涉及在注射成型中可使用的控制 方法。
【背景技术】
[0002] 塑料的注射成型是一种多级工艺。像这样的方法是众所周知的。塑料材料通常以 颗粒形式被提供。根据一种构思，一批颗粒可以包括具有对应于最终产品的组分的组合物 的单一的颗粒。根据另一种构思，一批颗粒可以包括不同组合物的各种类型的颗粒，使得该 批颗粒总体来说具有对应于最终产品的组分的组合物。
[0003] 将颗粒供给到挤压机，颗粒通常通过连续操作的挤压机螺杆而在挤压机中被加 工。挤压螺杆可以被比作具有变化的深度或螺距(或两者）的输送螺杆以引起在颗粒上的摩 擦功的量的增加，允许截留的气体被释放等。挤压机的设计本身是一门科学，这完全超出了 本说明书的范围而不提供详细的描述。
[0004]挤压过程的结果可能是熔化物，然后该熔化物被供给到储料器，储料器充当连续 操作的挤压机和间歇操作的注射装置之间的缓冲器。注射装置将该熔化物注射到模具腔 中，并且该熔化物在模具腔中凝固，或冻结。因此，注射装置在一个冲程中具有循环的或间 歇的操作，其中其将熔化物注入到腔，并且经由储料器从挤压机接收新的熔化物。

【发明内容】

[0005] 为此，本发明涉及用于注射成型系统的控制方法，使得能够改进对塑料注射成型 的动态的控制。
[0006] 根据第一个方面，本公开涉及一种用于注射成型系统的控制方法，所述注射成型 系统具有挤压机，所述挤压机连续供给材料至储料器，所述储料器间歇地分配材料到注射 装置，其中所述控制方法被配置为分别以高速或以低速驱动所述挤压机，所述高速和所述 低速限定挤压机速率区间。所述方法包括获取储料器的实际位置变化的值（A POSact)，并且 将所述实际位置变化的值（APOSact)与位置变化的预测值（APOSpred)进行比较，随后基于 所述比较的结果调整所述挤压机的速率。
[0007] 在一个或多个实施方式中，低速或高速以递增方式被向上或向下改变或偏移，因 此产生新的低速或新的高速。在相关的实施方式中，低速和高速两者以相同的方向改变，从 而以递增方式使整个挤压机速率区间偏移。
[0008] 在一个或几个实施方式中，可能优选的是，以间断方式，建议在每个注射周期的相 同时间，获得实际位置变化的值，以使得该值是可比较的。然后，实际位置变化可通过将所 述储料器位置的相邻测量所得的值进行比较来获得。
[0009] 测量不必每个注射周期执行，可以替代地每两个、三个、四个…等周期执行。
[0010] 根据一个或多个实施方式，特定时间是在注射装置被填充和注射开始之间的时间 间隔中选择，该特定时间是在例如系统中的压强变化不太显著时的时间。
[0011] 不是仅仅向上或向下改变(或偏移)速率区间，而是可以调节区间的实际宽度，以 便达到预定的储料器周期时间。这将在详细描述中更彻底地描述。
[0012] 根据另一种构思，本公开涉及用于注射成型系统的控制单元，所述控制单元被配 置以执行根据一个或多个公开的实施方式所述的方法。
[0013]还根据另一个方面，本公开涉及包括控制单元的注射成型系统，所述控制单元被 配置以执行根据一个或多个公开的实施方式所述的方法。
【附图说明】
[0014] 图1是注射成型系统的示意图。
[0015] 图2A-C是表示储料器内的体积与时间的函数关系的示意性曲线图。
[0016] 图3是说明根据一个实施方式的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0017] 图1示出了注射成型系统。在100处示出了挤压机，其被供给颗粒并提供连续流动 的熔化物到储料器102,储料器102进而供料给具有注射筒106的注射器104。注射器将熔化 物注射到模具108。注射筒106的体积适合于填充模具108所需要的体积。因此注射筒在注射 冲程中被完全排空，并随后被从储料器102再填充。注射成型系统的所有部件被示意性地绘 制，并与实际部件的设计几乎没有共同之处。注射筒106的体积当然小于储料器102的容积， 当储料器102被挤压机100连续地进料时，注射筒的工作将仅仅导致曲线图中波纹，该曲线 图表示存在于储料器中的熔化物的体积。
[0018] 颗粒110向挤压机的进料通常可以通过重力驱动，以使得塑料颗粒落入挤压机中。 对于挤压机螺杆112的驱动，可以使用(通常是调频的）交流电动机114,但也存在其他可替 代方案，例如伺服电动机或液压马达驱动的挤压机。储料器可以由气压缸116来驱动，或通 过其他手段来驱动。实际的注射器可适当地通过液压驱动缸118驱动，但也可以使用具有类 似性能的替代的驱动装置。挤压机螺杆的制造本身是一门技术，并且每个螺杆可以具有将 要说明的单个的性能。
[0019] 在稳态操作中，系统的行为将是完全可预测的，并在这种情况下，当注射器是在注 射冲程中时，储料器可容纳注射器的体积和从挤压机供给的塑料的量，即储料器可具有大 致为注射筒106的体积的两倍的体积，这样可能就足够了。关于"稳态操作"，我们是指在注 射器以明确定义的和恒定的速率将塑料注入模具中，使得系统的操作很容易预测。但是在 实际情况下，会出现注射器的速率的变化，其中最激烈的是当生产突然停止时，或者在技术 应用于一连串的包装容器的情况下，当遗漏的包装在注射之间产生意外的时间间隔时。如 果发生这种情况，则当储料器被填充到一定程度时挤压机100将停止操作，然而即使挤压机 停止，从挤压机供给塑料仍将持续一段时间。由于这个和其他原因，储料器的体积比注射筒 的容积大得多。这可能导致在稳态操作中，储料器只使用全冲程的非常小的一部分，例如为 近似全冲程的四分之一，并且由于所述注射器的操作和来自该挤压机的进料，因而储料器 所使用的全冲程的部分围绕该位置略微波动。但是，这样的操作是不希望的，因为它可能会 影响在储料器中的塑料的质量，例如由于熔化物的部分在储料器中保持很长一段时间，从 而导致燃烧和降解塑料。燃烧过的和降解的剩余物本身就可以导致生产的产品的质量问 题，并且当实际上需要利用该冲程的其他部分时，它也可能导致该烧过的塑料阻碍储料器 的移动。
[0020] 因此，如果允许储料器以其最大冲程的大部分工作可能是有利的，这是因为它减 少了在塑料熔化物中有害现象的风险。由于这个原因，挤压机100的速率可能会稍微改变， 例如使挤压机具有高速和低速。在所述高速下，挤压机100以比注射器104将熔化物注入到 模具中的速率高的速率填充储料器102。期望的结果是，储料器102中的塑料熔化物的量会 逐渐增加直到其到达最大位置，例如其最大容积的50-60%。不设置最大位置到例如最大容 积的90%的一个原因是总是为意外停止留有余地。所述位置可以通过传感器来测量(参见 图1中的指示）。在该点挤压机100可被切换到低速。当在低速操作时，挤压机100以比注射器 104将熔化物注入到模具中的速率低的速率填充储料器102。在低速下期望的结果是，储料 器中的塑料的量会逐渐减少直到储料器到达最小位置，例如由传感器测得的其容积的20% (参见图1中的指示）。对于其中高速和低速已经凭经验推导出的特定的挤压机，当处理单一 的塑料化合物时使用具有高速和低速的二进制控制系统可能是足够的。
[0021] 当上述控制算法正常工作时，如图2A所示的曲线图应该是将储料器位置与时间的 函数关系绘制成图时的结果。从凭经验推导出的稳态速率开始，低速和高速被定位在距稳 态速率相等的距离处。图中的虚线表示储料器的平均位置(g卩，储料器的由熔化物占据的体 积），并且由此形成的锯齿状曲线表示可以被称为储料器周期的曲线。上覆的振荡曲线示出 了由从储料器到注射器的熔化物的间歇输送（即，注射器循环)导致的位置的小规模变化。 在图2A的曲线图中，第一段对应于挤压机在高速运行，从而填充所述储料器，而在第二段， 速率已经转变到低速并且储料器开始被排空。此后的行为循环重演。周期时间可以因系统 而异，但是对于本应用，约一分钟的周期时间可能适用于储料器。为了实用的目的，"半储料 器周期"和类似的参数可以参考储料器的两个转折点之间的距离（时间或空间的距离）。根 据图2B的曲线图，显而易见的是半储料器周期的范围可以改变，但是可能优选的是，上转折 点和随后的下转折点之间的半周期与下转折点和随后的上转折点之间的半周期具有相似 的范围，两个半周期形成了一个完整的储料器周期。
[0022] 如果情况发生变化，例如如果使用新的塑料化合物或者如果塑料颗粒的性质改 变，则虽然高速和低速覆盖相同区间，但是高速和低速将相对于最佳速率区间偏移。换句话 说，稳态速率改变了。其原因可能是塑料在挤压机内的行为将不同，该塑料在密度、粘度、温 度等方面具有不同的特性。然而，无论是什么原因，在图2B和图2C中显示了可能的影响。在 图2B中，速率区间被向下移动，使该高速太接近稳态速率而低速过于远离稳态速率。而在图 2C图示出了其中速率被向上移动的情况。高速情况下相比于低速情况下，大的倾角的差表 明较大的压力差，并且由于压力差而产生注入的塑料的量的差别，所以这种现象是不希望 有的。更糟糕的情况可能是速率区间甚至不包括稳态速率。在这种情况下，储料器会超过最 大或最小的位置，这将触发停机或至少挤压机的短暂停止。停机导致生产的损失，挤压机停 止可能导致会增加浪费的缺陷产品。
[0023] 在本公开中，提供了一种控制方法。所述控制方法使得上述变化能够发生而不会 导致不利影响。在所述控制方法中，在特定的点将储料器位置在每一个注射循环测量一次、 每两个注射循环测量一次、每三个注射循环测量一次、或其他被发现合适的方式测量。注射 周期涉及注射器的循环操作，并且一个全周期可表示为360°。整个注射周期由自动化系统 监控，并因此有可能获得储料器在任何实例的注射周期中的位置。注射周期作为曲线上的 小振荡在图2A-C中可见。综观注射器的操作，其迅速注射熔化物，然后被再填充。被再填充 后，其在重复注射前等待几分之一秒。已经发现，用于获取储料器位置的可靠值的适当时间 是在此等待期间，并且然后将对应于如上定义的"特定点"。然而，在注射周期期间的任何时 间获取位置的值是可能的，并且本公开不应在这方面被限定。
[0024]知道所需的储料器周期时间（不是注射周期，而是较长的储料器周期，其中它在最 大位置和最小位置之间行进，所述储料器周期在上述实例中是大约一分钟），有可能预测在 连续测量之间储料器的位置会改变多少。所述预测参数将被表示为A POSpred，而作为实际 测量的变化将被表示为A POSact。
[0025] 根据该控制方法，将所测得的储料器位置的变化与所预测的储料器位置的变化进 行比较。如果值不同，则采取适当的行动。图3示出这样的控制方法的一个实施方式。由于有 几个替代方案，所以图3实际上例证几个实施方式。
[0026] 在步骤302中，实际的储料器位置的读数与所述储料器位置的先前读数相比，计算 差值并将所得到的储料器位置的实际变化A POSact与储料器位置的预测变化△ POSpred进行 比较。当然有许多方法来实际上进行所述比较，并且本领域技术人员在研究本公开时会意 识到这一点，基本问题是将实际位置变化与预测或期望位置变化进行比较。
[0027] 在描述该方法的剩下部分后，我们会回到步骤304。
[0028] 在步骤308中，判定Δ POSact是否小于或大于Δ POSpred。如果是小于的话，则在步骤 310中采取合适的行动。步骤310中的合适行动可能是以递增方式增大挤压机速率。另一种 合适行动可以是以递增方式向上移动由低速和高速限定的整个挤压机的速率区间。这两种 行动可以同时采取以解决紧急的问题并且同时在较长时期改变。如果实际的位置变化大于 预测的或预期的位置变化，则在步骤312中采取合适的行动。步骤312中的合适行动可以是 以递增方式降低挤压机速率，以递增方式向下移动整个速率区间，做出两种变化，或不采取 行动。步骤310和步骤312两者都回到步骤302。
[0029] 回到步骤304,在这个步骤中，确定储料器是否在其移动区间内。有不应当被超过 的最大位置。在挤出机由于下游处理(注射成型）停止而停止之后的情况下，该最大位置被 设置为允许储料器在短期内从挤压机接收熔化物。还有防止储料器用干熔化物的最小位 置。为了本公开的目的，实际位置是较不相关的，尽管实际的设置将触发从低速到高速的改 变以及相反的改变。除了最大/最小位置还有停止位置。停止位置位于相应地由最大和最小 位置限定的区间之外。如果储料器到达这些位置，就表明存在较显著的问题，并根据事件的 性质，系统的部件将被关闭。如果达到最大停止位置，挤压机将停止，并且如果到达最小位 置，下游处理并包括储料器可能被停止。
[0030] 如果储料器的位置是在由最大位置和最小位置限定的其移动区间之外，则该方法 进入步骤306以采取合适行动。步骤306中的合适行动可以根据情况（即，根据是否已经达到 最大位置或最小位置)将挤压机的速率从高转变为低或从低转变为高。当转变速率(这是在 可被称为转折点中进行的）时，转变优选以二进制方式从由较高速/较低速限定的速率区间 的一端切换到由较高速/较低速限定的速率区间的另一端。到转折点时，速率和或整个区间 已被所述控制方法调节，并且假设到达该转折点时的速率对应于用于获得所述储料器的最 佳移动模式的最佳速率。然后速率会在区间的另一端转变到另一最佳速率。如果不是这种 情况，则控制方法将相应地调整速率。
[0031] 先前的实施方式已描述了对于挤压机速率区间的位置的优化，其中所述区间的范 围是已知的或预设的。如果该区间已根据经验数据被设定，则通常这可能就足够了。在一个 进一步的实施方式中，可包括优化速率区间的步骤。在此步骤中，在转折点处的实际速率可 能被用作输入并与例如储料器位置的实际周期时间相关联。在另一个实施方式中，唯一的 输入是储料器位置的实际周期时间，并且在其它实施方式中可使用半个周期的时间。如果 周期时间短于期望的周期时间，则速率区间可以以递增方式减小，从而导致降低的高速和 增加的低速，如果周期时间长于期望的周期时间，速率区间可以以递增方式增大。根据这些 和类似的实施方式，在转折点处的速率转变甚至可能在立即找到正确的速率中更成功。
[0032] 在又一个实施方式中，控制方法被简化到基本水平，这仍然是类似于到现在为止 所公开的实施方式。在该实施方式中，速率区间的宽度被预先定义，并且挤压机和系统的其 余部分在规定的时间段(例如10分钟)通过使用本说明书中所公开的任何实施方式而被控 制。在该规定的时间段后，计算平均挤压机速率并且速率区间以该平均挤压机速率为中心。 接着，精细的控制方法失活，并且被精简成在规定的时间段期间在所限定的低速和高速之 间切换。在一个相关实施方式中，描述了可应用于任何或所有实施方式的操作模式，控制方 法在规定的时间段(如5分钟，10分钟，或任何合适的有限时间段)之后将使用平均挤压机速 率作为随后控制方法的基准速率。在实际情况下，这可能意味着在规定的时间段后平均挤 压机速率被设定为〇(如在相对于平均速率的〇偏移）。然后高速可设置为 +4(在平均速率以 上4个单位，例如驱动频率以上4赫兹)并且低速可设定为_4(平均速率以下4个单位）。还有， 也可以有预先设定的范围限制，例如该速率不可以改变至与平均速率相差超过+/-8个单 位。范围限制可以是也可用于所有实施方式的单独特征，其具有以下目的:使得控制算法更 快地达到正确的平均速率以及减小控制算法以不希望的方式对超出其实际控制的事件做 出反应的风险。用一个简单的例子例证后者:如果储料器上游有颗粒流堵塞，则算法将指示 挤压机逐步递增地增大速度。如果速率范围没有被采用（或另一个限制参数），它将继续这 样做，因此它可以达到很高的速率。一旦堵塞被解除(或某人在由于挤压机上游缺乏颗粒的 情况下增加了较多的颗粒），速率将远离所述优选范围。
[0033] 回到更普遍的方面，由于速率被改变，另一适当行动可以是在控制环路重新启动 之前针对限定数目的注射周期禁用控制环路。可以执行这个行动以使得新的状态稳定，并 且它基本上只适用于转折点。
[0034] 当使用根据本发明的任何实施方式的所公开的控制方法时，基本上将挤压机的稳 态速率作为挤压机的高速和挤压机的低速之间的中心，使得储料器将以预定的循环方式在 预定的移动区间内运动。忽视原因，控制方法将导致挤压机向储料器进料的行为改变。这将 具有在系统中的塑料压力会更加稳定的效果，从而将导致应当一直由注射器注射的塑料的 预定量将更加准确，其有利于系统性能。在运作良好的系统中，行为的变化可能是受进给至 挤压机中的塑料化合物的变化的影响，这将由所公开的控制方法自动解决。组件的正常磨 损也可能影响塑料供给，而这也由所公开的控制方法解决。使用根据本公开的控制方法可 能会导致在挤压机周期中的转折点相对于半挤压机周期变化小于20% (向上或向下），即该 转折点发生在完整的挤压周期的30-70 %的区间内，它也可能变化15%、10%、5%、或者甚 至低至1-2%。
[0035] 挤压机螺杆可以由交流电动机驱动。在这样的情况下，挤压机速率的增量变化可 以通过改变驱动功率IHz的增量被影响。显然，有其它类型的可以以其他方式被控制的驱动 系统。
[0036] 根据本公开的方法和系统可用于许多注射成型应用，其中一个例子就是所使用的 与包装容器关联的组件的注射成型。整个包装容器可被注射成型（如塑料瓶），包装容器的 一部分可被注射成型（如"包装瓶"的塑料顶部），或者包装容器的一个部件可被注射成型 (如开口装置）。对于"包装瓶"类型的包装容器，两个例子存在于由本
【申请人】提供的Tetra T〇p_、R)包装容器和Tetra Evero Aseptic?包装容器。对于这些包装容器，有或没有开口装 置的塑料顶部被模塑到由包装层压材料制成的套筒。包装层压材料可以具有纸材料芯层或 其它纤维材料芯层(例如为包装容器提供刚性的纸板），和层叠在芯层上的提供所追求的阻 隔性能的若干附加层例如聚酰胺层、聚乙烯层、铝层等。用于包装容器的模制塑料部件的共 同特点是，它们应该以尽可能低的成本(优选使用尽可能少的塑料材料)提供性能，因为每 年数以亿计的包装被制造。当包装容器包含食品时，模制塑料部件的性能可能是特别精密 的，因为任何性能故障可能会以消极的方式影响所包含的产品。注射成型也必须快，循环速 率为每小时约5000-15000个包装容器，以及模制的塑料构件可能薄而使得冷却时间短（以 及塑料消耗低）。总而言之，对于在食品工业中执行的注射成型，必然地存在对错误的非常 低的容忍度，然而同时成功结果的限度有时被矛盾的问题(例如性能、成本、环境影响等)限 制。在这方面，本申请虽然没有公开所有问题的解决方案，但所作的贡献仍将构成显著的改 进，使得能够对注射成型工艺进行进一步微调并提供稳定和可靠的结果。
[0037] 从自动化的角度看，如本文所公开，可以有几种方法实现所述控制方法。没有描述 太多的细节，且仅通过示例，储料器可以配备有模拟位置传感器并且挤压机可以由变频器 或速率伺服驱动。注射之间的机器周期时间可以优选是恒定的，以便每次储料器位置可以 在机器周期内的同一时间被对准。控制算法本身可以或多或少地由任何IEC61131-3编程语 言来创建。该算法的样品时间可以长达50毫秒而没有任何问题。在实际情况下，用于实现控 制单元中的控制方法的硬件可以针对特定的环境进行优化，但在任何情况下，它应该是容 易获得的。
【主权项】
1. 用于注射成型系统的控制方法，所述注射成型系统具有挤压机，所述挤压机连续供 给材料至储料器，所述储料器间歇地分配材料到注射装置，其中所述控制方法被配置为分 别以高速或以低速驱动所述挤压机，所述高速和所述低速限定挤压机速率区间，所述方法 包括： 获取所述储料器的实际位置变化的值（A POSact)， 将所述实际位置变化的值（A POSact)与位置变化的预测值（△ POSpred)进行比较， 基于所述比较的结果调整所述挤压机的速率。2. 根据权利要求1所述的方法，其包括以递增方式改变所述低速或所述高速，由此产生 新的低速或新的高速。3. 根据权利要求1所述的方法，其包括以递增方式改变所述挤压机速率区间，因此以递 增方式改变所述低速和所述高速两者，从而产生新的低速和新的高速以及新的挤压机速率 区间。4. 根据前述任一项权利要求所述的方法，其包括间歇地获取所述实际位置变化的所述 值。5. 根据权利要求4所述的方法，其中所述获取是在每η个注射周期期间的特定时间进行 的，其中所述η是1到在半个储料器周期期间内的注射周期的数目之间的整数。6. 根据权利要求5所述的方法，其中所述特定时间是在注射装置正在被填充和注射开 始之间的时间间隔内。7. 根据前述任一项权利要求所述的方法，其包括获取所述储料器的所述实际位置的值 并且当所述储料器的所述实际位置位于预定的位置区间之外时选择性地将所述低速转变 到所述高速或者相反。8. 根据前述任一项权利要求所述的方法，其包括调节所述挤压机速率区间的宽度以实 现预定的储料器周期时间。9. 用于注射成型系统的控制单元，其被配置成执行根据一项或多项前述权利要求所述 的方法。10. 注射成型系统，其包括根据权利要求9所述的控制单元。
【文档编号】B29C45/76GK106061707SQ201580011687
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年3月11日 公开号201580011687.1, CN 106061707 A, CN 106061707A, CN 201580011687, CN-A-106061707, CN106061707 A, CN106061707A, CN201580011687, CN201580011687.1, PCT/2015/55100, PCT/EP/15/055100, PCT/EP/15/55100, PCT/EP/2015/055100, PCT/EP/2015/55100, PCT/EP15/055100, PCT/EP15/55100, PCT/EP15055100, PCT/EP1555100, PCT/EP2015/055100, PCT/EP2015/55100, PCT/EP2015055100, PCT/EP201555100
【发明人】彼得·林德贝格
【申请人】利乐拉瓦尔集团及财务有限公司