СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
METHOD AND DEVICE FOR MONITORING AND OPTIMISING PROCESSES OF PRESSURE CASTING

Область техники
Изобретение относится к способу и устройству для контроля и оптимизации процессов литья под давлением на основе анализа спектра колебаний, возникающего перед, во время и/или после литья под давлением детали.
Предшествующий уровень техники
При литье под давлением жидкие материалы прессуются в специальные формы, после процесса заполнения охлаждаются и затем извлекаются.
При этом весь процесс отличается различными состояниями давления, температуры, трения, агрегатными состояниями и тому подобным, соотнесенными с соответствующим отливаемым под давлением материалом, формой, а также методом литья под давлением.
Как правило, литьевой материал должен нагреваться и затем под высоким давлением, например, до 100 бар нагнетаться в более или менее сложные формы, причем жидкий материал протекает по каналам различного объема, охлаждается или сцепляется со стенками, застаивается в узких местах, результатом чего являются изменения направления.
В конце первоначального процесса заполнения, посредством так называемой выдержки под давлением, сокращающийся при охлаждении объем загружаемого материала пополняется дополнительным материалом, чтобы обеспечить окончательное заполнение формы.
Формообразующий инструмент (пресс-форма) должен воспринимать соответствующие усилия, обеспечивать надлежащий теплоотвод и в итоге вновь обеспечивать извлечение литьевого материала.
Другие элементы оборудования подготавливают литьевой материал термически и к процессу литья под давлением термически и в отношении давления.
Различные вариации процесса могут привести к ошибкам или недостаткам при изготовлении литьевых деталей.
Например, возможно, что
- форма не полностью заполнена,
- выступающий элемент повреждает форму,
- различные скорости при охлаждении приводят к напряжениям в литьевой детали,
- перебои в системе охлаждения искажают температурный профиль при охлаждении,
- литьевая деталь повреждается из-за некорректного извлечения,
- подача материала или заготовка материала являются неправильными,
- температура и тем самым вязкость отклоняются от заданного значения и приводят к различным дефектам заполнения и охлаждения,
- режим взрывного типа под давлением приводит к дефектам в заполнении и выжиганию.
Вышеназванные и другие дефекты могут быть определены лишь с трудом. Так, на основе дефектной литьевой детали, причины дефекта необходимо определять с технической точки зрения и посредством тестирования. Часто дефектные литьевые детали затруднительно распознать как таковые, так что может быть произведено большое количество производственного брака, прежде чем дефект будет выявлен, и затем процесс сможет быть оптимизирован посредством экспериментальных изменений параметров.
К тому же стоимость пресс-формы для литья под давлением может достигать нескольких сотен тысяч евро. В соответствии с этим контроль их надлежащего функционирования, а также своевременные работы по техническому обслуживанию представляют высокий экономический интерес.
Из WO 2010/051954 известен способ контроля деталей. Однако его область применения ограничена твердыми деталями и их обработкой путем обработки резанием, деформации и так далее.
Сущность изобретения
Исходя из этого, в основе изобретения лежит задача создания способа и устройства для контроля и оптимизации процессов литья под давлением, с помощью которых обеспечивается возможность точного контроля и/или оценки процесса литья под давлением.
Эта задача решается посредством признаков п. 1 или 10 формулы изобретения.
Согласно этому, датчики корпусного шума прямо или косвенно связывают или соединяют с пресс-формой для литья под давлением или устройством загрузки и измеряют колебания, генерируемые вследствие процесса литья под давлением в пресс-форме или устройстве, а также из-за движения пресс-формы при закрытии, открытии и извлечении.
Эти колебания, в частности, в диапазоне частот до 200 кГц позволяют сделать выводы относительно протекающего в данный момент процесса и его параметров.
Эталонные модели, относящиеся к пресс-форме, материалу и другим параметрам процесса на основе полного измерения процесса, сохраняются, чтобы служить для сравнения с будущими протеканиями процесса. Каждое отклонение сигнала может с технологической точки зрения быть соотнесено с изменением процесса и использоваться для контроля или регулирования процесса.
Воздействия, обусловленные особенностями или изменениями пресс-форм или элементов оборудования или управлением и используемыми средствами производства, находят свое отражение в образце колебаний корпусного шума.
Колебания в твердом теле, в частности в пресс-форме (например, пресс-форме для литья под давлением), измеряются посредством датчиков корпусного шума на поверхности пресс-формы или в пресс-форме. При необходимости, может быть предусмотрен другой датчик, например, для непосредственного контроля за устройством подачи материала, такого как, например, инжекционное устройство, шнек или экструдер. Отдельный датчик может быть также предусмотрен на устройстве охлаждения для формы. Экономичным и простым образом, существующие устройства, такие как пресс-формы для литья под давлением, могут быть дооборудованы датчиками, устанавливаемыми на соответствующих внешних поверхностях. К внешним поверхностям они могут привинчиваться, приклеиваться, запрессовываться и тому подобное. Если датчик размещается на внутренней поверхности, то есть на поверхности, обращенной к полости, он может лучше воспринимать колебания. Таким образом, в материале формы отсутствует демпфирование, благодаря чему возможно воспринимать колебания, которые, при размещении датчика на внешней поверхности формы, было бы невозможно измерить. Отношение сигнал/шум можно повысить на порядок величины. Датчик, который размещен на внутренней поверхности формы, может оказывать влияние на течение материала в форме, а также на другие характеристики, такие как режим охлаждения. Чтобы минимизировать такое влияние, датчик для внутренней поверхности формы может быть вставлен во внутреннюю поверхность полностью или по меньшей мере частично. Для этого может предусматриваться выемка, как, например, отверстие для датчика. Датчик может быть выполнен заподлицо с внутренней поверхностью или может покрываться слоем и так уже применяемого уплотняющего или упрочняющего материала, такого как смола. Подобная заделка сенсора может осуществляться также на внешней стороне формы, причем тогда следует предусмотреть выемку, проходящую в направлении от внешней стороны вовнутрь формы, в которую может вставляться датчик. Чем глубже выемка, тем ближе к процессам течения и/или охлаждения и подобному может располагаться датчик внутри формы.
Также уже предусмотренные на или в формах датчики для контроля давления, содержащие пьезоэлемент, могут применяться для восприятия спектра колебаний.
Колебания могут считываться с высокой частотой и оцифровываться и затем представляться в частотной области и анализироваться.
Частотное представление осуществляется на основе многих следующих друг за другом кратковременных частотных преобразований, которые представляют собой временную зависимость частотных характеристик и интенсивностей колебаний. Тем самым становится возможным определять различные источники звука на основе их частотных характеристик, их временного положения и их конкретной динамики.
Частотно-преобразованные значения выборок с этой целью проецируются в профиль высоты, который определяется координатами времени, частоты и интенсивности звука.
Кроме того, состояние пресс-форм определяется на основе их акустических эмиссий как в рабочем состоянии, так и посредством состояний движения и давления, специально осуществляемых в целях тестирования.
Как износ, так и повреждения проявляются, частично, в измененных производственных шумах, которые позволяют сделать вывод о том, следует ли выполнять техническое обслуживание пресс-формы или еще можно осуществить несколько рабочих циклов.
С этой целью пресс-форма (например, пресс-форма для литья под давлением) либо постоянно, либо только временно для целей тестирования оснащается датчиками корпусного шума.
В случае если оборудование новое или находится в хорошем состоянии, создается эталонная модель шумов движения или производственных шумов пресс-формы. Все последующие измерения сравниваются с этой эталонной моделью, и осуществляется количественная оценка степени износа на основе отклоняющихся эмиссий корпусного шума.
При этом важным является достичь достаточного разрешения динамического рабочего процесса по времени, частоте и интенсивности сигналов корпусного шума, чтобы обеспечить возможность соотнесения характеристики движения с отдельными элементами пресс-формы.
Соответствующая изобретению регистрация спектра колебаний в различные моменты времени и предпочтительно непрерывно или квазинепрерывно с целесообразной частотой выборок обеспечивает возможность многомерной оценки данных, которая является основой для высокоточной оценки конструктивного элемента, детали, пресс-формы и/или обработки.
Многомерная оценка данных для предпочтительной формы выполнения с тремя размерностями для примера может быть проиллюстрирована с помощью области, которая может быть представлена, например, в пространстве, определяемом осями частоты, времени и амплитуды. Данная область визуализирует акустические эмиссии на временной характеристике и при этом имеет характеристические признаки, которые по существу образуют как бы «отпечаток пальца (отличительный признак)». Эти характеристические признаки могут определяться с помощью соответствующих методов. Также могут устанавливаться отклонения от этих характеристических признаков. Также могут устанавливаться характеристические признаки для определенных дефектов или типов дефектов в многомерных данных. В целом, на основе многомерных данных, которые в предпочтительной форме выполнения образуют область в пространстве с координатами частоты-времени-амплитуды, с высокой надежностью может устанавливаться качество процесса литья под давлением в реальном времени, в частности еще во время литья под давлением. Также на основе соответствующих характеристических признаков может устанавливаться и определяться степень износа пресс-формы или дефект пресс-формы, например трещина. Наконец, может устанавливаться отклонение от ожидаемых характеристических признаков, а совпадение с характеристиками дефектов может диагностировать определенный дефект или тип дефекта.
Предпочтительным образом оценка проводится автоматизированным образом на основе распознавания образов. Для многомерного и, в частности, трехмерного распознавания образов могут применяться соответствующие алгоритмы, которые реализуются с помощью компьютера быстро, надежно и с регулируемыми параметрами распознавания, а также задействуют сохраненные данные спектров колебаний или обрабатывают данные спектров колебаний в реальном времени.
Целесообразным образом предусмотрен банк данных образцов с образцами, пригодными для определенных применений. При этом образцы могут сохраняться в форме фрагментов образцовых областей, при необходимости, с диапазонами допусков и/или могут определяться посредством функций.
Для автоматизированной оценки предпочтительным образом предусмотрено образование огибающей зарегистрированного спектра колебаний или его фрагментов и сравнение с контрольными огибающими. При этом огибающая образуется, например, посредством функции сглаживания, из усреднения в пространстве смежных точек данных или в результате применения целесообразных способов для сглаживания многомерных данных. Отклонение между огибающими и контрольными огибающими может использоваться в качестве масштаба для оценки конструктивного элемента, детали, пресс-формы и/или процесса, например качества процесса литья под давлением. К тому же применение огибающих позволяет автоматизированным образом определять фрагменты процесса, например контур течения, дефект извлечения, колебания давления и подобное. Кроме того, распознавание образов упрощается за счет применения огибающих и вероятность распознавания повышается.
Спектр колебаний для контроля процессов течения, в частности, при литье под давлением предпочтительно регистрируется и оценивается до 200 кГц и/или широкополосным образом.
Зарегистрированный спектр колебаний предпочтительно подвергается частотно-временному анализу. Посредством частотно-временного анализа, с одной стороны, воспринятые колебания по временной оси могут соотноситься с ходом процесса, а с другой стороны, представляющие интерес колебания могут отделяться от не представляющих интереса колебаний, таких как колебания оборудования и паразитные колебания, которые находятся в других частотных диапазонах. Поэтому оценка может концентрироваться на области, характерной для соответствующего применения.
Спектр колебаний предпочтительно регистрируется с разрешением по частоте, которое соответствует процессам, обусловленным течением, и/или термическим процессам и, при необходимости, другим зависимым от применения факторам. Оказалось, что частоты до 200 кГц, частично до 100 кГц, полностью достаточны для этого. Целесообразным образом в нижнем частотном диапазоне имеется предел, который позволяет регистрировать ламинарные течения материала. Требуемая для этого частота зависит, в том числе, от свойств материала, давления инжекции и формообразования обтекаемого полого тела.
x
Спектр колебаний может регистрироваться с координатами частоты f, времени t и амплитуды А. Эта регистрация пригодна для численного анализа на компьютере, причем координаты также могут быть функциями a(f), b(t) и/или c(A) частоты f, времени t или амплитуды А, или a(f, t, A), b(f, t, A) и/или c(f, t, A), так что сохраняется трехмерный массив в заданной функциональной зависимости от f, t, A, например, (lf, mt, nA), где l, m, n, x - любые числа. Для иллюстрации и/или анализа вручную спектр колебаний графически может быть представлен при помощи трех координат. При этом может быть выбрано трехмерное представление, при котором частота и время охватывают плоскость, а посредством амплитуды (или функции от нее) определяется профиль высоты. Подобное графическое представление облегчает распознавание релевантных для оценки колебаний, например, посредством разделения по временной оси они могут быть соотнесены с ходом обработки, а на оси частот - отделены от паразитных колебаний и тому подобного.
Для восприятия колебаний предпочтительно применяется акустический датчик, в частности акустический пьезодатчик. Подобные акустические датчики могут обрабатывать необходимые согласно изобретению высокие частоты, имеют большую ширину полосы частот, могут изготавливаться экономичным образом и не требуют технического обслуживания.
Датчик, в частности акустический датчик, который может быть размещен на пресс-форме или на конструктивном элементе, связанном с пресс-формой посредством колебаний, калибруется после его монтажа и предпочтительно также периодически после этого или перед каждым применением. За счет этого может быть обеспечено поддержание высокой точности измерения. Калибровка, в частности, особенно целесообразна тогда, когда датчик устанавливается на новой пресс-форме или с целью технического обслуживания должен отсоединяться и снова присоединяться, так как за счет присоединения может устанавливаться другой режим связи. Для калибровки в соответствии с изобретением акустический датчик нагружается определенным электрическим импульсом, чтобы эмитировать звуковой сигнал. Затем для звукового сигнала регистрируется эхо-сигнал и сравнивается с заданным эхо-сигналом. Тем самым может определяться качество связи акустического датчика с деталью, или пресс-формой, или конструктивным элементом и учитываться при измерении.
Оценка осуществляется предпочтительно в реальном времени. Тем самым отпадает необходимость сохранять данные. Сохранение данных может быть целесообразным в случае релевантных для надежной эксплуатации конструктивных элементов для доказательства исправности или для доказательства наличия дефекта. Данные могут сохраняться полностью для всего процесса обработки или всей длительности контроля детали или конструктивного элемента или только фрагментарно в течение временных интервалов, в которых распознавались представляющие интерес признаки.
Другой аспект изобретения относится к преобразованию спектра колебаний или его представляющего интерес частотного диапазона в воспринимаемый спектр звука посредством соответствующей, например, линейной функции или отображения. Это обеспечивает возможность акустического наблюдения или оценки оператором. Целесообразно, акустическое наблюдение выполняется дополнительно к многомерной оценке, но также может заменять ее.
В особенно целесообразной форме выполнения, для дефектов распознаются типичные образцы в спектре колебаний. В данном случае может обеспечиваться в том числе и упрощение оценки, которая ограничивается распознаванием дефектов.
Изобретение также обеспечивает возможность распознавания усталостных трещин, вызванных температурными колебаниями, трещин или общих дефектов из-за посторонних воздействий.
Тем самым создаются способы и устройства, которые обеспечивают возможность автоматизированного контроля, обеспечения качества и оптимизации процессов течения в целом и процессов литья под давлением, в частности.
Другие признаки и варианты выполнения изобретения раскрываются в формуле изобретения, а также в нижеследующем описании со ссылками на приложенные чертежи.
Описание форм выполнения
Изобретение описывается далее сначала на примере выполнения процесса литья под давлением.
Изображенное на чертеже устройство 1 для контроля процесса литья под давлением включает в себя датчик 2 для регистрации колебаний, который размещен, например, на пресс-форме 3, в которую впрыскивается пластик 4 для формования детали 5 под высоким давлением. Датчик 2 соединен с устройством 6 оценки, например, компьютером. Материал, в данном случае пластик 4, подается из устройства 7 подачи материала, которое может быть резервуаром, экструдером, шнеком и подобным.
Датчик 2 предпочтительно является датчиком корпусного шума, например пьезодатчиком, и предпочтительно может не только воспринимать сигналы корпусного шума, но и излучать. Излучение сигналов корпусного шума, в частности, целесообразно для активной проверки «тихих» процессов течения, так как в результате могут генерироваться возбуждения колебаний. Также могут применяться другие типы датчиков, если они могут регистрировать колебания в представляющем интерес частотном диапазоне, например датчики движения.
Датчик присоединен либо, как изображено для примера, к пресс-форме 3, либо к детали, связанной с пресс-формой посредством колебаний, таким образом, что он может регистрировать колебания вследствие процесса течения и/или термических реакций. В простейшем случае датчик жестко привинчен. Он может также размещаться внутри формы 3 или снаружи или может быть вставлен снаружи или внутри в соответствующую выемку. Также может применяться датчик, который собственно служит другим целям, как, например, для измерения давления.
Во время процесса обработки возникают колебания, которые воспринимаются датчиком 2. Для этого датчик 2 выполнен таким образом, что он может регистрировать частоты между нижним предельным значением и верхним предельным значением. В идеальном случае нижнее предельное значение равно 0, а верхнее предельное значение равно 200 кГц, так что может восприниматься весь представляющий интерес спектр. На практике, верхнее предельное значение равно по меньшей мере 50 кГц, предпочтительно по меньшей мере 100 кГц. Частоты ниже 10 кГц или 50 кГц при тестировании износа пресс-формы на практике предпочтительно демпфируются или отсекаются, так как они не содержат пригодной для оценки информации, так что целесообразным является соответствующее нижнее предельное значение. При процессах течения и, в частности, процессах литья под давлением целесообразным является, однако, заметно более низкое нижнее предельное значение, такое как примерно 50 Гц или 100 Гц, так как и в этом низком частотном диапазоне возникают пригодные для оценки характеристические колебания, возможно, из-за ламинарных течений. Потому предпочтительным является очень широкополосный частотный диапазон, составляющий от примерно 0 Гц и до примерно 200 кГц, поскольку как в низком, так и в высоком частотном диапазоне возникают характеристические колебания.
Воспринимаемые датчиком 2 колебания подвергаются многомерной оценке. Для этого зарегистрированный спектр колебаний может промежуточным образом сохраняться в блоке 6 оценки, который предпочтительно является компьютером с соответствующим интерфейсом и подходящим носителем для хранения данных.
В блоке 6 оценки может осуществляться частотно-временной анализ таким образом, что спектр колебаний еще во время регистрации или после этого представляется графически и/или анализируется численным образом.
Представление может осуществляться в трехмерном виде с помощью координат времени, частоты и амплитуды (или максимальной амплитуды, или интенсивности, или тому подобного) или изображаться двумерно, причем линии высоты визуально представляют амплитуду.
Могут распознаваться образцы, которые являются характерными для соответствующего процесса литья под давлением. Подобные образцы выявляются также для дефектов. Путем распознавания образов этапы процесса могут, следовательно, распознаваться, оцениваться, например, путем определения степени отклонения от образца, а также могут распознаваться и определяться дефекты, в любом случае отклонения от нормального режима распознаются еще во время инжекции и затем после охлаждения, отверждения и извлечения из формы.
На или в устройстве 7 подачи материала и/или на имеющемся, при необходимости, устройстве охлаждения для формы 3 также может предусматриваться датчик, чтобы контролировать подачу материала или устройство охлаждения и, например, иметь возможность определять простой. Если такое устройство охлаждения имеет каналы в форме 3, то в одном из этих каналов, или смежно с ним, или при входе в него может размещаться датчик, который в данном случае может контролировать как охлаждение, так и процесс литья под давлением, или дополнительный датчик.