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Wegen der zumeist ungleichförmigen Bewegungen der aktiven Bewegungseinrichtungen in Hohlglasverarbeitungsmaschinen zusammen mit dem nichtlinearen Verhalten der eingesetzten Antriebe treten dort zeitlich veränderliche Massenkräfte und -momente auf, die zu unerwünschten Belastungen und Schwingungen führen können. Um dem durch geeignete Problemlösungen entgegenwirken zu können, muss das Verhalten des Gesamtsystem möglichst gut nachgebildet werden. Die dazu erforderliche Modellbildung muss neben dem dynamischen Verhalten der Antriebe auch das dynamische Verhalten der ungleichförmig übersetzenden Mechanismen sowie der rückwirkenden Prozesse berücksichtigen.

Heute wird im wesentlichen zwischen drei verschiedenen Prozessen bei Hohlglasverarbeitungsmaschinen unterschieden: Der traditionelle Blas/Blas-Prozess, der herkömmliche Press/Blas-Prozess und der fortgeschrittene Enghals-Press/Blas-Prozess. Bild 1 zeigt als Beispiel den Press/Blas-Prozess. Nach der Tropfenzufuhr durch den Trichter in die Vorform wird der Külbel durch den von unten drückenden Pegelmechanismus auf dem Kopf stehend geformt, wobei die Mündung des Behälters schon durch die Mündungsform ihre endgültige Form erhält. Anschließend wird der Vorformboden sowie die beiden Formenhälften geöffnet und der fertige Külbel an die Fertigformseite der Station übergeben. Nach erfolgter Wiedererwärmung und der damit verbundenen Külbellängung wird der Behälter fertiggeblasen. Schließlich wird der Behälter vom Greifermechanismus auf das Transportband gesetzt und zum Kühlofen transportiert.

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Zur Realisierung des oben beschriebenen Verarbeitungsablaufes müssen auf der Vorformseite die Vorformhälften, der Trichter, der Vorformboden, der Pressstempel und die Mündungsform in koordinierten und präzisen Bewegungen zusammengebracht werden (Bild 2). Auf der Fertigformseite gilt dies für die Fertigformhälften, die Bodenplatte und den Blaskopf. Zeitlich sind die beiden Formungsprozesse auf Vorform- und Fertigformseite durch den Übergabemechanismus, der den Külbel von der Vorform- auf die Fertigformseite schwenkt, miteinander gekoppelt. Ein stabiler und wiederholgenauer Glasformprozess ist der Schlüssel zu einem Glasbehälter mit hoher Qualität. Diese Prozessstabilität und Wiederholgenauigkeit betrifft vor allem die Stationsmechanismen, deren Bewegungen bei möglichst hoher Taktrate und hoher Genauigkeit optimal aufeinander abgestimmt sein müssen.

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In traditionellen Maschinen werden die meisten Bewegungseinrichtungen pneumatisch angetrieben. Daher wurde ein Simulationsmodell entwickelt, mit dem sich das dynamische Verhalten von pneumatischen Zylinderantrieben mit nachgeschaltetem ungleichförmig übersetzenden Getriebe beschreiben lässt [Cs96/1]. Das in Bild 3 dargestellte Modell des Druckluftzylinders zeigt alle wesentlichen Parameter, die Einfluss auf das zeitliche Verhalten des Druckes in den beiden Zylinderkammern haben. Dabei wird nicht nur das Ein- und Ausströmverhalten von Zu- und Abluft, sondern auch mögliche Leckage der beiden Zylinderkammern berücksichtigt. Durch kolbenstellungsabhängig definierte Ein- und Ausströmquerschnitte können außerdem pneumatische Endlagendämpfungen simuliert werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit hydraulische Anschlagdämpfer mit gestuften Drosselbohrungen in die Simulation einzubeziehen.

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Als typisches Beispiel für eine aktive Bewegungseinrichtung ist in Bild 4 das kinematische Schema des Vorformschließmechanismus gezeigt. Er dient dazu, die beiden Formenhälften, die die Außenkontur des Külbels bestimmen, zusammenzubringen und mit einer bestimmten Kraft zusammenzudrücken. Damit kann den beim Ausformen des Behälters entstehenden Prozesskräften entgegengewirkt werden. Es handelt sich um ein zwölfgliedriges Übertragungsgetriebe, dessen kinematische Struktur eine Parallel- und Serienschaltung von viergliedrigen Kurbelgetrieben darstellt. Das Getriebe ist in zwei Teilgetriebe unterteilt, dem unteren Teilgetriebe mit dem pneumatischen Antriebszylinder, bestehend aus den bewegten Gliedern 1, 2, 3, 4 und 8, und dem oberem Teilgetriebe bzw. der Schließeinheit, bestehend aus den Gliedern 6, 7, 10 und 11. Die Kopplung dieser beiden Teilgetriebe erfolgt durch die sogenannten Schließwellen 5 und 9, die in den gestellfesten Punkten A0 und C0 drehbar gelagert sind und für die Modellierung als torsionselastisch angesehen wurden.

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Zur Verifikation der oben beschriebenen Modellbildung wurden Messungen durchgeführt, bei denen der Druck in den beiden Zylinderkammern sowie die Bewegung der Vorformschließarme und die Formenschließkraft aufgezeichnet wurden. Ausgehend von diesen Messungen wurden Berechnungen durchgeführt, die zum Teil auf exakt bestimmbaren Parametern wie z.B. Abmessungen und Massen und zum Teil auf geschätzten Parametern wie z.B. Reibungskräften basierten. In einem iterativen Prozess konnte durch Vergleich zwischen Messung und Rechnung eine sehr guten Übereinstimmung zwischen Simulation und Praxis erzielt werden, wie beispielhaft in Bild 5 dargestellt.

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Als weiteres Beispiel für eine prozesstechnisch sehr wichtige aktive Bewegungseinrichtung kann der Pegelmechanismus genannt werden. Zusätzlich muss hier auch noch die Rückwirkung durch den Glasformprozess berücksichtigt werden, was sich als nicht ganz unkompliziert erweist. Bild 6 zeigt schematisch den Pressbeginn (a), den eigentlichen Pressvorgang (b) und das Pressende (c). Mit diesem Modell kann der Formungsprozess durch Betrachtung einer ringförmigen hydraulischen Drossel mit veränderlicher Länge und veränderlichem Querschnitt angenähert werden. Ausgehend vom Kräftegleichgewicht für ein infinitesimal kleines Ringelement dieser Drossel unter Berücksichtigung der Druck- und Scherkräfte können dann die erforderlichen Gleichungen hergeleitet werden. Dabei wurde von einem Newtonschen Verhaltens der Glasschmelze ausgegangen. Bei der Herleitung ergibt sich, dass die für die Glasverformung erforderliche Kraft von drei Größen bestimmt wird.

hohlglas formel

Hierin beschreibt (T) die temperaturabhängige Viskosität des Glases, (x) einen positionsabhängigen Faktor, der sich allein aus dem in Bild 6 gezeigten geometrischen Modell ergibt, und die Pegelgeschwindigkeit.

bild7

Ausgehend von den Ergebnissen des Simulationsmodells für den pneumatisch betriebenen Pegelmechanismus wurde nun ein Mechanismus mit servoelektrischem Antrieb konzipiert. Regelungstechnisch wird ein kombinierter Weg-, Geschwindigkeits- und Kraftregler verwendet. Dabei wird für das Kraftreglersystem die zu regelnde Glasdruckkraft mit Hilfe eines Beobachtermodells unter Verwendung des Motorstromsignals und des durch geeignete zweifache Differentiation des Positionssignals gewonnenen Beschleunigungssignals berechnet. Die Reglerauslegung erfolgte am Simulationsmodell, wobei das pneumatische Antriebsmodell durch ein Modell des servoelektrischen Antriebes ersetzt wurde. Dabei wurde auch der besonderen Reibsituation auf Grund der Verwendung eines Spindel-Mutter-Systems zur Umwandlung der Antriebsdrehbewegung in eine lineare Abtriebsbewegung Rechnung getragen. Anschließend wurden Messungen an einem ausgeführten Versuchsmodell in der Glasproduktion mit der entsprechenden Reglereinstellung durchgeführt. In Bild 7 ist ein entsprechender Vergleich von Simulation und Messung gezeigt. Die sehr gute Übereinstimmung spricht für die Zuverlässigkeit des Modells.

 

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