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Die
Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Bestimmung der exakten
Position von definierten Punkten auf der Oberfläche eines in einer Anlage bzw.
in einer Anlagenkomponente eingebauten Bauteils, sowie zur gezielten
Deformation eines Bauteils, und zur Bestimmung der Deformationen,
die sich in einem Bauteil ergeben, wenn es von einer äußeren Kraft
deformiert wird, als auch zur Regelung von Prozessgrößen unter
Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In
der Extrusionstechnik werden in unterschiedlichen Anwendungen Werkzeuge
eingesetzt, die zumindest bereichsweise verschiebbare oder flexibel
deformierbare Wandbereiche besitzen, um damit bei laufender Anlage
eine Feinoptimierung des lokalen Fließwiderstands im Werkzeug zu
ermöglichen.
Setzt man solche Werkzeuge ein, so ist es eminent wichtig zu wissen,
welche Verschiebungen bzw. Deformationen sich um den Krafteinleitungspunkt
herum ergeben, wenn von außen
eine Kraft auf die Fließkanalwand
einwirkt. Dies ist Voraussetzung, um zielgerichtet über dem
gesamten Fließkanal
die gewünschte
Massestromverteilung einstellen zu können. Das wiederum ist sehr
erforderlich, um bei der Extrusion von Halbzeugen aus Kunststoff
eine Wanddickenregelung unter Einsatz von Extrusionswerkzeugen mit
flexibel deformierbaren Fließkanalwänden aufzubauen,
oder aber beispielsweise das Massestromverhältnis in zwei Fließkanälen, die
aus einem gemeinsamen Fließkanal
gespeist werden, gezielt beeinflussen zu können.
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Um
den lokalen Fließwiderstand
an gewünschten
Stellen in einem Fließkanal
lokal begrenzt verändern
zu können,
ist es erforderlich, dass man die Wand an ausgesuchten Positionen über der
Breite, der Länge
oder über
dem Umfang des flexibel deformierbaren Fließkanalbereichs in ihrer Position
definiert um ein genau bestimmtes Maß verschieben bzw. deformieren
kann. Mit einer Deformation der Fließkanalwand in einem konkreten
Punkt ergibt sich aber zwangsläufig
in der Wand des Fließkanals
eine dreidimensionale Verformung, die im Zentrum der Deformation
am größten ist
und die mit zunehmender Entfernung vom Zentrum abnimmt. Will man
nun, ausgehend von der Situation, die sich durch die erste Verschiebung
ergeben hat, in Nachbarbereichen eine weitere Korrektur der Fließkanalsituation
vornehmen, muss man die exakte Position der Wand kennen, damit man
eine genau definierte weitere Deformation, relativ zu dem durch
die Deformation neu eingetretenen Fließkanalgeometrie, ausführen kann.
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Zur
Verformung des Bauteils bzw. einer Fließkanalwand können einfache
Stellschrauben oder auch ansteuerbare Stellsysteme wie Stellmotore,
Hydraulikzylinder, Wärmedehnbolzen,
Piezotranslatoren oder ähnliche
Systeme eingesetzt werden. In allen Fällen muss für eine genaue Verstellung das
Stellelement das zu verformende Bauteil berühren, um an dem ausgewählten Punkt
eine gewünschte
Verschiebung um ein vorgegebenes Maß auch sicher zu erreichen.
Berührt
zu Beginn der Verschiebung die Spitze des Stellelements die Oberfläche des Bauteils
nicht, dann lässt
sich keine genau definierte Verschiebung realisieren, da ein Teil
des vorgegebenen Stellwegs vom Stellelement ausgeführt wird, ohne
dabei den Punkt auf der Oberfläche
des Bauteils zu verschieben.
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Es
ist bekannt, eine vorgegebene Geometrie, wie bei E. Grünewald (Entwicklung
und Erprobung neuer Werkzeugkonzepte zur radialen Wanddickenbeeinflussung
beim Extrusionsblasformen. Dissertation RWTH Aachen 2004, Seiten
63 bis 72, ISBN: 3-86130-498-8) beschrieben, messtechnisch
zu ermitteln und die sich durch das Verschieben eines Punktes bzw.
mehrerer Punkte ergebenden Verformungen durch mathematische Näherungsformeln
zu beschreiben.
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Dies
ist extrem aufwendig und muss zudem für jede Geometrie separat durchgeführt werden. Aufgabe
der Erfindung ist es nun, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die
Position eines in einer Anlage integrierten beliebigen Bauteils
an definierten Stellen sehr präzise
gemessen werden kann. Dieses Verfahren ist Voraussetzung, um das
Bauteil an ausgesuchten Stellen um einen definierten Wert verschieben
bzw. deformieren zu können.
Das wiederum ist notwendig, um wichtige Verfahrensgrößen in beliebigen
Prozessen auf einen gewünschten
Sollwert regeln zu können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass ein Wegaufnehmer mit einer relativ zur Oberfläche des
Bauteils beweglichen, elektrisch leitfähigen Spitze in einer genau
definierten Position innerhalb einer Anlage oder einer Anlagenkomponente
montiert ist, und dass die ebenfalls elektrisch leitfähige Oberfläche des
in der Anlage bzw. der Anlagenkomponente integrierten Bauteils auf Masse
gelegt ist, so dass ein Stromkreis geschlossen wird, wenn die Spitze
des Wegaufnehmers die Oberfläche
des Bauteils berührt,
bzw. der Stromkreis unterbrochen wird, wenn der Kontakt verloren
geht. Beim Schließen
bzw. beim öffnen
des Stromkreises wird somit ein Signal erzeugt, mit dem man die
exakte Position der Spitze des Wegaufnehmers bestimmen kann. Als
Wegaufnehmer können
sowohl Sensoren eingesetzt werden, die speziell zur Wegmessung konzipiert
worden sind. Es können
aber auch Aktuatoren, wie zum Beispiel Linearmotore, Wärmedehnbolzen,
Piezotranslatoren oder ähnliche
verwendet werden, mit denen neben der Wegmessfunktion gleichzeitig
auch genau definierte Stellwege ausgeführt werden können.
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Damit
kann dann erfindungsgemäß auch ein in
einer Anlage bzw. in einer Anlagenkomponente integriertes Bauteil
gleich gezielt verschoben bzw. partiell deformiert werden, indem
der Wegaufnehmer gleichzeitig als automatisch ansteuerbares Stellelement
eingesetzt wird. Nach der erfindungsgemäßen Ermittlung der exakten
Position eines Punktes der Oberfläche des Bauteils kann dieser
Punkt dann von dem automatisch ansteuerbaren System, das sowohl die
Funktion eines Wegaufnehmers als auch die eines Stellelements in
sich vereint, um ein definiertes Maß verschoben werden. Als System
zum Ermitteln der Position eines Punktes und zum Verschieben bzw.
zum Deformieren können
im einfachsten Fall Stellschrauben verwendet werden. Besser eignen sich
allerdings zum Aufnehmen des Weges und zum Verschieben eines Punktes
auf der Oberfläche
eines Bauteils Schrittmotore in Linearausführung, da sie einerseits sehr
reproduzierbar exakte Positionen anfahren, andererseits aber auch
extrem geringe Verschiebungen realisieren können. Betreibt man sie im Mikroschrittbetrieb,
so kann man Verschiebungen im Nanometerbereich erreichen. Auf diese
Weise können
einzelne Bauteile innerhalb einer Anlage gezielt verschoben oder
aber flexible Bereiche von partiell fest eingespannten Bauteilen
sehr präzise
lokal deformiert werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
lässt sich natürlich auch
sehr vorteilhaft einsetzen, um Positionsveränderungen von definierten Punkten
auf der Oberfläche
eines Bauteils, die sich durch Einwirkung einer oder mehrerer äußerer Kräfte auf
ein Bauteil ergeben, zur ermitteln. Das Verfahren kann auch eingesetzt
werden, um den lokalen Fließwiderstand
in einem Fließkanal
zu regeln, indem der an der gewünschten
Position vorhandene lokale Massestrom direkt oder auch indirekt
gemessen und in einem Regler mit einem für diesen Ort vorgegebenen Sollwert
verglichen wird und indem wenigstens ein Bereich einer dem Ort zugeordneten
Fließkanalwand mittels
vom Regler angesteuerter Stellelemente um einen vom Regler berechneten
Wert verschoben wird, um Abweichungen des Istwerts vom Sollwert
zu minimieren.
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Im
Bereich der Extrusion von Halbzeugen führt beispielsweise die Nutzung
der erfindungsgemäßen Verfahren
zu einer Reduktion der Herstellkosten, wenn zur Regelung der Wanddicke
eines extrudierten Halbzeugs in einer Extrusionsanlage ein Extruder
ein Extrusionswerkzeug mit Schmelze speist, das Stellelemente besitzt,
mit deren Hilfe eine zumindest bereichsweise verschiebbare bzw.
deformierbare Fließkanalwand
verstellt werden kann, und wenn die Stellelemente über einen
Regler angesteuert werden, und eine online arbeitende Messvorrichtung für die Dicke
des Halbzeugs an diskreten Positionen in die Extrusionsanlage integriert
ist, um den gemessenen Istwert der Dicke in einem Regler mit einem
für die
konkrete Position vorgegebenen Sollwert der Dicke vergleichen zu
können,
und wenn dann vom Regler eine Stellgröße ermittelt wird, mit der
dann der Fließkanalspalt
durch Verschieben der Fließkanalwand
des Extrusionswerkzeugs mittels der Stellelemente verändert wird,
um die ermittelte Sollwertabweichung zu minimieren.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
lässt sich
besonders vorteilhaft die Wanddicke von extrudierten Halbzeugen,
wie zum Beispiel von Rohren, von Profilen, von Folien und Platten
während
der Extrusion auf einen vorgesehenen Sollwert regeln. Man kann aber
auch in gleicher Weise die Schichtdicke einzelner Schichten bei
coextrudierten Produkten regeln. Bei der Regelung des lokalen Massestroms
einer Coextrusionsschicht ist es besonders wichtig, dass man reproduzierbare
Verschiebungen bzw. Deformationen im Nanometerbereich ausführen kann, da
man bei der Coextrusion häufig
Dicken einer Einzelschicht von nur wenigen Mikrometern anstrebt. Dafür sind Schrittmotore
in Linearausfürung
besonders gut geeignet, da sie Verschiebungen im Nanometerbereich
realisieren können.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
lässt sich auch
sehr gut zur Regelung des Massestromverhältnisses in mindestens zwei
Fließkanälen einsetzen, die
aus einem gemeinsamen Fließkanal
gespeist werden, indem mindestens in einen Fließkanal eine Drossel integriert
ist, in der der Fließkanalquerschnitt durch
ansteuerbare Stellelemente verändert
werden kann, und indem das Massestromverhältnis der beiden Fließkanäle online
gemessen wird, indem weiterhin das vorhandene Massestromverhältnis in
einem Regler mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird, und
indem im Regler eine Stellgröße ermittelt wird,
mit der der Fließkanalquerschnitt über die
Stellelemente verstellt wird, um die Differenz zwischen dem Ist-
und dem Sollwert zu minimieren.
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Weitere
Details ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen einzelner
Ausführungsformen
sowie einzelner Anordnungen an Hand der Zeichnungen. Es zeigen:
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1 Ein
Beispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens in einer
Schnittdarstellung
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2 Die
Anordnung aus 1 in einer Aufsicht
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3 Beispielhaft
eine Anordnung zur Nutzung des Verfahrens zur Regelung der Wanddicke bei
der Extrusion eines Rohres
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4 Eine
beispielhafte Anordnung zur Regelung des Massestromverhältnisses
in zwei Fließkanälen, die
von einem gemeinsamen Fließkanal
gespeist werden.
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In 1 ist
ein Bauteil 1 auf einer Anlagenkomponente 2 im
unteren Flanschbereich 3 fest aufgeschraubt. An der Anlagenkomponente 2 ist
ein Wegaufnehmer 4 angebracht, an dessen elektrisch leitfähige Spitze 5 eine
positive Spannung anliegt. Die Wegaufnehmerspitze 5 ist
gegenüber
den übrigen
Anlagenkomponenten elektrisch isoliert. Entweder die Oberfläche 6 des
Bauteils 1 oder aber das gesamte Bauteil 1 ist
elektrisch leitfähig
und geerdet. Die exakte Position der Bauteiloberfläche 6 lässt sich nun
im Bereich des Wegaufnehmers 4 exakt bestimmen, indem man
die Wegaufnehmerspitze 5 solange langsam vorbewegt, bis
sie die Oberfläche 6 des Bauteils 1 berührt. Durch
Berührung
der an Spannung anliegenden Wegaufnehmerspitze 5 mit der elektrisch
leitfähigen
und an Masse anliegenden Bauteiloberfläche 6 wird ein Stromkreis
geschlossen. Dieses Signal wird genutzt, um die Position der Wegaufnehmerspitze 5 und
damit auch der Bauteiloberfläche 6 zu
diesem Zeitpunkt zu bestimmen. Auf diese Weise lässt sich die exakte Position
der Bauteiloberfläche 6 in
Relation zu der Anlagenkomponente 2 bestimmen. Man kann
natürlich
auch mehrere Wegaufnehmer 4 an der Anlagenkomponente 2 befestigen,
um damit die exakte Position von mehreren Punkten auf der Bauteiloberfläche 6 bestimmen
zu können.
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2 zeigt
die Anordnung der 1 in einer Aufsicht, wobei zur
Ermittlung der Position von unterschiedlichen Punkten auf der Bauteiloberfläche 6 und zur örtlichen
Verschiebung bzw. Deformation des Bauteils 1 an diesen
Punkten mehrere Schrittmotore 8 über dem Umfang des Bauteils 1 verteilt
an der Bauteilkomponente 2 befestigt sind. Wird nun die
flexibel deformierbare runde Wand des Bauteils 1 von einem
Schrittmotor 8 im Punkt 10 nach Innen gedrückt, so
weicht das Bauteil 1 in den Punkten 11 rechts
und links vom Punkt 10 nach außen aus. Die exakte durch die
lokale Verschiebung des Punktes 10 entstandene Position
des Punktes 11 lässt
sich nun erfindungsgemäß exakt
ermitteln, indem der im Bereich des Punktes 11 befindliche
Schrittmotor so lange vorbewegt wird, bis seine an Spannung anliegende
leitfähige
Spitze 5 die ebenfalls leitfähige aber geerdete Bauteiloberfläche 6 berührt. Dabei
wird ein Stromkreis geschlossen. Das entstehende Signal dient zur
Ermittlung der exakten Position der Spitze 5 des Schrittmotors 8 und
damit auch der Position der Bauteiloberfläche 6 am Punkt 11.
Da damit die momentane Position des Punktes 11 des sich
im Gleichgewicht befindlichen Bauteils 1 exakt bekannt
ist, kann nun die Bauteiloberfläche 6,
ausgehend von der so ermittelten Gleichgewichtsposition, im Punkt 11 durch
den Schrittmotor verschoben werden. Damit ergeben sich in Nachbarbereichen
um den Punkt 11 herum neue Verschiebungen der Bauteiloberfläche 6 bis
das Bauteil 1 wiederum einen neuen Gleichgewichtszustand
erreicht hat. Die exakte neue Position der Oberfläche des
Bauteils 1 kann nun wiederum wie beschrieben an definierten
Positionen mit Hilfe weiterer Schrittmotore 8 ermittelt
werden.
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Schrittmotore
eignen sich für
diese Aufgabenstellung besonders gut, da sie pro Schritt einen exakt
definierten Drehwinkel zurücklegen.
Noch geeigneter sind Schrittmotore in Linearausführung, da sie einerseits den
Drehwinkel gleich in eine lineare Vorschubbewegung umsetzen, und
da mittels des im Linearschrittmotor eingesetzten Getriebes einerseits extrem
kleine Wege realisiert werden können
andererseits aber auch große
Kräfte übertragen
werden können.
So lassen sich Wege im Nanometerbereich und Kräfte im Bereich von über tausend
Newton problemlos realisieren. Prinzipiell lassen sich natürlich auch
alle anderen bekannten Aktuatoren für diese Aufgabenstellung einsetzen.
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3 zeigt
nun beispielhaft die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Regelung der Wanddicke d eines Kunststoffrohres 25 bei
der Extrusion. Dabei wird die Kunststoffschmelze 15 von einem
Extruder 16 in ein Werkzeug 26 bestehend aus einem
Außengehäuse 17 und
einem inneren Verdrängerkörper 18 eingespeist.
Die Schmelze strömt durch
den Fließkanal 19,
der durch das Außengehäuse 17 und
den Verdrängerkörper 18 des
Werkzeugs 26 gebildet wird. Am Ende des Außengehäuses 17 befindet
sich eine dünne
flexibel deformierbare Lippe 20, die von Stellelementen 4,
die über
dem Umfang des Außengehäuses 17 angeordnet
sind, an definierten Positionen lokal deformiert werden kann. Nach dem
Austritt der durch das Werkzeug 26 rohrförmig geformten
Kunststoffschmelze 27 wird diese in einer Kalibrierung 22 abgekühlt und
kalibriert. Daran schließt
sich dann eine Messvorrichtung 23 an, die die Wanddicke
d des Rohres über
dem Umfang ermittelt. Die umfangsabhängig gemessenen Istwerte der
Rohrwanddicke d werden einem Regler 24 zugeführt und
dort mit dem vorgegebenen Sollwert für die Rohrwanddicke d verglichen.
Abhängig
von der ermittelten Differenz wird eine Steilgröße berechnet, um die die flexibel
deformierbare Lippe 20 lokal verschoben werden muss, um
den Istwert der Rohrwanddicke d durch die Veränderung des lokalen Fließwiderstands
im Bereich der Lippe 20 an den vorgegebenen Sollwert anzunähern.
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Zur
Verschiebung der flexibel deformierbaren Lippe 20 wird
erfindungsgemäß erst die
exakte Position der Lippe 20 ermittelt, um danach den vom Regler
berechneten Stellweg von dem Stellelement 4 exakt ausführen zu
können.
Solange die Spitze 5 des Stellelements 4, die
an Masse liegende Oberfläche der
Lippe 20 berührt
ist der Stromkreis geschlossen und es fließt ein Strom. Hebt die Spitze 5 des
Stellelements 4 beim Zurückfahren wieder von der Oberfläche der
Lippe 20 ab, so wird dem Regler durch die Unterbrechung
des Stromkreises signalisiert, dass das Stellelement 4 keinen
Kontakt mehr zur Oberfläche
der Lippe besitzt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die
flexibel deformierbare Lippe 20 immer exakt um den vom
Regler berechneten Stellweg verschoben werden kann. Die Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist natürlich
nicht nur auf die Extrusion beschränkt. Das Verfahren kann prinzipiell
in allen Bereichen der Technik eingesetzt werden. Es ist immer dann
einsetzbar, wenn es notwendig ist, innerhalb einer Anlage die genaue
Position von definierten Punkten eines Bauteils 1 zu kennen, oder
wenn das Bauteil 1 innerhalb einer Anlage gezielt verschoben
bzw. deformiert werden soll.
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So
zeigt 4 ein Beispiel für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Regelung des Massestromverhältnisses
m1/m2 von zwei Fließkanälen 33, 34,
die aus einem gemeinsamen Aggregat 30 gespeist werden.
Dabei wird ein Massestrom 35 von einem Förderaggregat 30 in
zwei Fließkanäle 33, 34 eingespeist.
Der am Ende aus den beiden Fließkanälen austretende
Massestrom m1 bzw. m2 ist abhängig
von dem Druck p am Eingang der beiden Fließkanäle 33, 34 und
von dem Fließwiderstand
in den beiden Fließkanälen 33, 34.
Soll nun das Massestromverhältnis
m1/m2 bei konstantem Druck p verändert
werden, muss der Fließwiderstand
mindestens in einem Fließkanal 33, 34 verändert werden. Dazu
wird wie in 4 dargestellt, der Fließkanalspalt
s durch Verschieben der flexibel deformierbaren Fließkanalwand 31 mittels
eines Stellglieds 4 verändert.
Das exakte Maß s,
das sich als Gleichgewichtszustand aus dem Innendruck und der Flexibilität der Fließkanalwand 31 ergibt,
lässt sich
erfindungsgemäß ermitteln.
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Zur
Veränderung
des Massestroms m1 lässt sich
nun der Spalt s mit Hilfe des Stellglieds 4 definiert reduzieren.
Misst man den aus dem Fließkanal austretenden
Massestrom m1 mit Hilfe eines Massestromsensors 32 und
vergleicht in einem Regler 24 den gemessenen Istwert mit
einem vorgegebenen Sollwert, so kann im Regler ein Korrekturwert
ermittelt und dem Stellglied 4 übermittelt werden, mit dem die
Fließkanalwand 31 verschoben
werden muss, um den Massestrom entweder auf den vorgegebenen Sollwert
m1, oder aber auf ein vorgegebenes Massestromverhältnis m1/m2
einzuregeln. Zur Regelung des Massestromverhältnisses m1/m2 muss natürlich auch
der aus dem zweiten Fließkanal
austretende Massestrom m2 von einem Massestromsensor 32 gemessen
und der Istwert dem Regler zugeführt
werden.