Es wurde ein mathematisches Modell eines elektrohydraulischen Direktantriebs-Servosystems erstellt und Simulationsanalysen sowie experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass das elektrohydraulische Direktantriebs-Servosystem in Anwendungen mit niedriger Frequenzantwort das herkömmliche elektrohydraulische Servosystem vollständig ersetzen kann. 1. Überblick: Herkömmliche hydraulische Servosysteme reagieren sehr empfindlich auf Ölverunreinigungen, arbeiten ineffizient und erfordern hohe Präzision bei der Bauteilbearbeitung. Diese Nachteile sind auf die Servoventile zurückzuführen. In den letzten Jahren hat sich im Bereich der Hydraulik ein neuer Typ von elektrohydraulischem Servosystem etabliert – das elektrohydraulische Direktantriebs-Servosystem. Dieses System verzichtet auf elektrohydraulische Servoventile und nutzt stattdessen einen AC-Servomotor, der eine Pumpe direkt antreibt, welche wiederum den Zylinder oder Motor antreibt. Daher wird es auch als Direktantriebs-Volumenregelungssystem (DDVC) bezeichnet. Da das System einen geschlossenen Regelkreis nutzt, wird die Verschmutzung reduziert und eine große Pumpstation ist nicht erforderlich. Durch den Verzicht auf elektrohydraulische Servoventile ist das System zudem deutlich unempfindlicher gegenüber Ölverunreinigungen. Das System zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise, geringe Größe und hohe Effizienz aus und zählt zu den wichtigsten Entwicklungszweigen im Bereich der Hydraulik der letzten Jahre mit breiten Anwendungsmöglichkeiten. Systemprinzip: Diese Arbeit untersucht den DDVC (Dynamic Form-Variable Control) zur Steuerung des Werkzeugschließvorgangs einer Spritzgießmaschine. Der typische Werkzeugschließvorgang einer Spritzgießmaschine umfasst: schnelles Schließen, langsames Schließen, Probeschließen mit niedrigem Druck, Verriegeln mit hohem Druck; langsames Öffnen, schnelles Öffnen, langsames Öffnen, Stopp, Auswerfen, Zurückziehen; nächster Werkzeugschließzyklus. Die Hälfte des Werkzeugschließvorgangs wird im offenen Regelkreis gesteuert. Während des Verriegelns verwenden die meisten herkömmlichen Spritzgießmaschinen eine mechanische Werkzeugschließvorrichtung mit Kniehebelmechanismus, die die Werkzeugschließkraft nicht präzise steuern kann. In dieser Arbeit wird ein DDVC als Werkzeugschließvorrichtung für die Spritzgießmaschine eingesetzt und eine Druckrückkopplung eingeführt, um die Werkzeugschließkraft präzise zu steuern. Das Prinzip des Hydrauliksystems ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Zylinder in Abbildung 1 besteht aus einem Kolbenzylinder und einem Hilfszylinder. Beim schnellen Schließen der Form fließt das Öl direkt von der Pumpe in den Kolbenzylinder. Der Öltank T füllt die große Kammer des Zylinders über das Zweiwege-Patronenventil CH mit Öl auf. Beim schnellen Öffnen der Form fließt das Öl in der großen Kammer des Zylinders von CH zurück in den Öltank T. Beim Verriegeln der Form öffnet das Magnetventil YA. Das Hochdrucköl an Anschluss A öffnet über das Magnetventil YA das Ausgleichsventil und schließt gleichzeitig das Zweiwege-Patronenventil. Dadurch werden die große Kammer und das Hochdrucköl verbunden und Druck aufgebaut. Der Drucksensor ist an Anschluss K3 angeschlossen, und Manometer können an K1 und K2 installiert werden. Hydraulische Rückschlagventile D1 und D2 gleichen die ungleichen Durchflussmengen am Ein- und Auslass des Zylinders aus, die durch die unterschiedlichen Querschnittsflächen der beiden Zylinderkammern und die Systemungleichgewichte entstehen. Abbildung 1: Schematische Darstellung des DDCV-Systems. 3: Mathematisches Systemmodell. Das System besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen: der Drehzahlregelung per Wechselstrom und dem pumpengesteuerten Zylinder. Das Blockdiagramm des Regelsystems ist in Abbildung 2 dargestellt. 3.1 AC-Drehzahlregelungsmodul Das AC-Drehzahlregelungsmodul umfasst einen Motortreiber, einen AC-Servomotor und eine Pumpe. Im Vektorregelungsmodus ist das Ausgangsdrehmoment des AC-Servomotors proportional zum Statorstrom: (1) Die mechanische Gleichung des Motors lautet: (2) Dabei gilt: J – Trägheitsmoment der Rotorwelle (N·m²); ω – mechanische Winkelgeschwindigkeit des Motorrotors (rad/s); Te – elektromagnetisches Drehmoment des Motors (N·m); B – viskoser Reibungskoeffizient (N·m·s/rad); TL – Lastdrehmoment (N·m). Die elektrischen Gleichungen des Motors lauten: (3) Dabei gilt: U – Statorspannung (V); I – Statorstrom (A); L – Statorinduktivität (H); R – Statorwiderstand (Ω); ω – Rotorwinkelgeschwindigkeit (rad/s); Ke – kinetischer Potentialkoeffizient (V·s/rad). Durch Anwendung der Laplace-Transformation auf die Gleichungen (2) und (3) ergibt sich, dass, wenn der Proportionalkoeffizient von der Steuerspannung zur Ausgangsspannung Kc beträgt, (6) der Drehzahl-Rückkopplungsregelkreis des fotoelektrischen Encoders als Proportionalkoeffizient Kn betrachtet werden kann. Die adaptive Anpassung der Vektorgeschwindigkeit im Servo wird zu einem einfachen PID-Regler vereinfacht. Die Übertragungsfunktion der Drehzahl des Wechselstrom-Magnet-Synchronmotors in Abhängigkeit vom Eingangssignal lautet: (7) Im Allgemeinen ist RB + KTKe + KTKcKeKnKPID viel größer als LJ, sodass der quadratische Term vernachlässigt werden kann. Die vereinfachte Form des Drehzahlregelkreises ist ein Trägheitsregler erster Ordnung, wie in der folgenden Formel dargestellt: (8) Dabei gilt: KD – Motordrehzahlverstärkung (rad/V); TD – Motorzeitkonstante (s). 3.2 Mathematisches Modell des pumpengesteuerten Zylinders Bei einem Arbeitsdruck von null in der Niederdruckkammer und Vernachlässigung der Leckage in der Rücklaufkammer ergibt sich die Kontinuitätsgleichung: (8) Dabei ist Ct der Gesamtleckagekoeffizient (m³/s·Pa). Die Laplace-Transformation von Gleichung (8) liefert: (9) Kräftebilanzgleichung von Hydraulikzylinder und Last (10) Die Laplace-Transformation liefert: (11) Das mathematische Modell des pumpengesteuerten Zylinders lautet: (12) Bei geschlossener Druckregelung befindet sich das System im Sättigungszustand, und der Systemfluss dient der Kompensation von Leckage- und Kompressionsfluss. In diesem Fall ist die Federsteifigkeit der Last sehr groß, und K kann als gegen unendlich strebend betrachtet werden. Gleichung (12) vereinfacht sich zu (13) Dabei ist Tr die Zeitkonstante (s) und Kr die Druckverstärkung des Leistungsmechanismus (Pa/rad). Schließlich ergibt sich die vereinfachte Übertragungsfunktion des Systems (14) . 4. Computersimulationsanalyse In dieser Arbeit wird das Simulationsmodell des Systems in der Simulink-Umgebung der Matlab-Toolbox erstellt. Dem System werden verschiedene Eingangssignale zugeführt, und die Antwortkurven des Systems nach PID-Korrektur werden ermittelt (siehe Abbildungen 3 bis 5). In den Abbildungen stellt Kurve 1 das Eingangssignal und Kurve 2 die Antwortkurve dar. Abbildung 3 zeigt die Simulationskurve der Systemantwort auf ein Sprungsignal. Aus der Simulationskurve ist ersichtlich, dass die Anstiegszeit bei einem Sprungsignal von 5 MPa etwa 0,2 s beträgt. Abbildung 4 zeigt die Simulationskurve der Systemantwort auf ein Rampensignal. Abbildung 5 zeigt die Simulationskurve der Systemantwort auf ein Sinussignal. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der Frequenzgang des direkt angetriebenen elektrohydraulischen Servosystems relativ niedrig ist. Bei einer Eingangssignalfrequenz von 3 Hz sind Amplitudendämpfung und Phasenverzögerung inakzeptabel. Abbildung 3: Simulationskurve der Sprungantwort; Abbildung 4: Simulationskurve der Rampenantwort; Abbildung 5: Simulationskurve der Sinusantwort; Abbildung 6: Sprungantwortkurve . 5. Experiment: Das Experiment verwendet eine SPS-Steuerung (Speicherprogrammierbare Steuerung) und den in der Industrie üblichen PID-Regler. Die Antwortkurve des Systems auf das Sprungsignal ist in Abbildung 6 dargestellt. Die stationäre Genauigkeit des Systems für ein Sprungsignal von 5 MPa beträgt weniger als 0,05 MPa. Die Experimente zeigen, dass das elektrohydraulische Direktantriebs-Servosystem die Anforderungen an die Druckhaltung beim Schließen der Form der Spritzgießmaschine erfüllt. 6. Schlussfolgerung: Durch Simulation und Test des elektrohydraulischen Direktantriebs-Servosystems konnte bestätigt werden, dass dieses die Anforderungen an die Druckhaltung beim Schließen der Form der Spritzgießmaschine vollständig erfüllt. Dank der Druckregelung im geschlossenen Regelkreis kann der Schließdruck präzise gesteuert werden, was die Grundlage für die Entwicklung hochpräziser Spritzgießmaschinen bildet.