CN103909646A - 由挤出技术制造的工业产品的测量 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种设备，其用于监测于在线挤出过程中移动的挤出产品，以通过在挤出过程中连续地测量尺寸参数和确定沾染物的存在而影响挤出过程中的质量控制。设备利用太赫兹辐射装置，所述太赫兹辐射装置被配置成提供辐射的帘状平行射线，所述帘状平行射线随着产品以线性方式穿过所述帘状平行射线而扫掠穿过所述产品。在扫掠过程之后接收到的被省去的辐射成分受到成像分析装置分析，以确定挤出过程中的尺寸参数和无沾染完整性。

Description

由挤出技术制造的工业产品的测量
技术领域
本发明涉及对细长线性挤出产品的尺寸特性进行非接触式测量，所述产品比如橡胶或塑料管形件、塑料管、以及利用非金属绝缘挤出材料涂覆金属导体芯的电缆。本发明还涉及对制成平整产品的测量，所述平整产品比如用于塑料板的橡胶、绝缘条带、薄膜、纸等等。
背景技术
上述类型的线性挤出产品通常在这样一种挤出生产线中制成，所述挤出生产线一般包括放线装置、挤出机、冷却区段以及用于成品的收线装置。
在本发明涉及的这种类型的连续性制造过程中，要求测量挤出产品的直径和壁厚，所述挤出产品比如管形件或管，并且在制造电缆的情况下还要求测量偏心率，所述偏心率是与金属芯在电缆的绝缘涂层内的同轴度有关的偏置位置。
需要在挤出过程中基于连续的方式监测这些测量，首先，这确保规格的一致性，其次，通过使用仅绝对必要的挤出材料量，挤出材料被尽可能经济地应用，从而避免浪费。
在构思本发明期间，现有技术中通过使用白光或激光的光学手段执行这些测量，但是这些过程仅能够测量挤出产品的外径。通过使用多于一个装置，可以间接地测量壁厚和偏心率。通过使用水作为接触介质，超声方法也被用于测量壁厚。
放射性β射线或x射线的应用使得挤出产品的壁厚的测量能够在不接触产品的条件下完成。然而，这些方法需要特殊处理，原因在于它们涉及易于被理解的固有健康危害性。
本发明也可以在制造平整产品的工业领域中使用，所述平整产品比如橡胶或塑料板、绝缘条带、薄膜、纸等等，由此测量制成产品的材料厚度和整体宽度。
在测量平整产品中，可用的现有技术包括间接接触方法，借此两个轮或辊被放置在产品上方和下方，并且由所述两个轮显示的读数差指示产品厚度。
也已经使用非接触式光学方法，在所述非接触式光学方法中，两个“距离测量装置”被安装在产品的上方和下方。两个距离读数之间的差值指示产品厚度。
这两种方法都会有误差，当产品振动或产品厚度改变时，在使用机械接触类型的方法的情况下会有机械磨损和轮反弹，并且在使用光学类型的方法的情况下会散焦。
“接触”方法和“光学”方法的另一受限情况是它们仅沿产品宽度的狭窄部分测量厚度，而不会测量平整产品板的所有区域。
不推荐这些可替换的测量方法，比如超声波、放射性射线、β射线或x射线，因为它们需要特殊处理且因此具有可理解的固有健康危害性。
参考以下文献可以找出其它具有代表性的现有技术：
EP0443322A2SUMITOMO ELECTRIC INDUSTRIES
GB2132343A BHATTACHARY A等人
US3496373A PHILLIPS PETROLEUM CO
US3765774A TECHMET CO
GB1458594A THAELMANN
GB1458828A DAIDO STEEL CO LTD
JP2002243416A TOCHIGI NIKON CORP
JP2010261902A BRIDGESTONE CORP
EP1930714A2 CANON KABUSHIKI KAISHA
DE10309845A1 HELM等人
US2011/0046768A1 RAYZAK
发明内容
本发明的目的是通过利用太赫兹辐射（THz）避免现有技术中的问题，这就暴露于使用者而言不涉及特殊处理要求。
THz辐射的频率位于红外线和微波之间，并且THz辐射的波长的范围在30微米和3毫米之间。
太赫兹辐射（THz）的优点在于其体现的方式类似于白光，即，所述辐射能够被镜面反射，但是也能够穿透和穿过介电或绝缘材料，比如橡胶、纸以及包括聚乙烯的各种塑料，等等。
THz辐射穿过介电或绝缘材料的速度取决于产品的化学成分和材料密度，并且这种特性和THz辐射穿过介电或绝缘材料的穿透能力将被用于获得根据本发明所需的测量值。
一种设备，其用于在挤出产品于在线挤出过程期间移动时非接触式监测挤出产品，以确定产品的尺寸参数和无沾染完整性，所述设备包括：太赫兹辐射源；扫掠装置，其利用辐射的帘状平行射线扫掠产品，所述帘状平行射线从产品一侧穿过所述产品；检测装置，其用于在发出辐射穿过所述产品之后在所述产品的另一侧检测发出辐射的成分；成像分析装置，其用于对所述发出辐射执行成像分析，由此确定所述尺寸参数和无沾染完整性。
现在将参考附图描述本发明的优选优点和其它实施方式。
附图说明
现在将通过参考附图的实施例描述本发明，其中：
图1是制造电缆的挤出生产线的侧视图；
图2示出涂覆电缆的内部金属芯的两条或三条挤出生产线的侧视图；
图3展示本发明在管形件、管或电缆上的应用，所述管形件、管或电缆沿它们的行进轴线在线性方向上被挤出；
图4示出图3示出结构的不同视图，其中行进产品以横截面示出，以更好地展示THz辐射的平行射线如何由单一THz辐射源产生。
图5以示意图展示挤出产品，所述挤出产品沿其行进路径移动且藉由根据本发明的THz辐射测量；
图6示出根据本发明的实施方式的挤出管形件或挤出管的横截面的坐标矩阵图像，并且以曲线图形式示出产品壁厚的测量结果；
图7示出与图6中示出的结果相同的结果，但是在这种情况下，测量的是挤出电缆的外径和电缆芯的直径。
图8示出移动电缆的横截面图，其中图8.1的电缆芯同心地行进，而图8.2的电缆是非同心的，非同心电缆的位置偏心率能够由根据本发明的设备测量；
图9展示根据本发明的这样一种装置，其对行进的挤出产品进行多重测量。
图10展示显示受测电缆的测量细节的处理单元，所述细节包括电缆的坐标矩阵图像、以及直径、壁厚和偏心率的值。
图11示出与图1中示出的挤出机类似的塑料挤出机的侧视图，所述塑料挤出机被修改成挤出平整产品。
图12展示一条纸张生产线。
图13A示出这样一种结构，所述结构与图5类似地安装在C形框架上，由此连续地扫掠平整产品的完整表面区域。
图13B展示这样一种结构，所述结构将图13A中的结构修改成适于扫掠宽型产品，并且所述结构设有往复运动装置以实现此目的。
图14示出受测产品的横截面图以及以曲线图形式示出的相关坐标矩阵，由此提供本发明的成像分析，从而给出产品宽度的测量值。
图15以曲线图形式示出来自产品的发出太赫兹辐射（THz）的结果分析，以提供制成产品中的脊部或断裂部的证据，以及；
图16示出成像分析的结果，以显示成品中的沾染物，比如铁屑或沙粒等等。
具体实施方式
图1-16示出本发明的优选实施方式，将在以下内容中引用这些附图。
在待描述的设备部件被各个附图使用的情况下，这些部件将以同样的附图标记表示。
参考图1，它展示一条电缆挤出生产线，所述电缆挤出生产线包括放线装置1，所述放线装置使由铜、铝或钢制成的金属导体2挤入挤出机3。
橡胶或塑料以冷态被引入料斗4，所述橡胶或塑料在挤出机3中被加热，所述挤出机将产生的热塑料通过成形模头5挤出到金属导体2上。
绝缘电缆此后被牵引通过水冷却区段6，并且被缠绕到收线装置7上。
非金属管或管形件的挤出生产线在许多方面与电缆生产线类似，但是在非金属管或管形件的挤出生产线中，由于管形件或管将在挤出机3内成形，所以不需要放线装置1。
将在水冷却区段6之前或之后的位置进行电缆参数的测量，所述电缆参数比如直径/壁厚和/或偏心率。
图2示出两条或三条挤出生产线3.1、3.2，在所述挤出生产线中，两个或三个挤出生产连续且同时进行。
这些挤出生产线制造在特定应用中使用的电缆，所述特定应用比如在海水下通讯或高压传输电缆中使用。
在后一种情况下，在电缆退入水冷却区段6和收线装置7之前，所述电缆被挤入悬链式管路8，在所述悬链式管路中，电缆安装件在蒸气或氮气气氛中被热固。
对这些生产线中的电缆参数的测量将通过特别构造的‘可见窗口9’进行。
参考图3，将更细节地展示对本发明的应用，在所述附图中示出圆形产品10，所述圆形产品沿由箭头11指示的产品轴线在线性方向上挤出，所述圆形产品比如管形件、管或电缆。
太赫兹（THz）辐射单元12提供指向反射表面14的射线13。
反射表面14是单侧镜或藉由电机16以旋转方式驱动的多边形镜筒15的一面。
这种起作用的旋转使射线13扫掠穿过透镜17的直径，所述透镜产生穿过产品10的帘状平行扫掠射线。
透镜18被定位在产品10的相反侧，以接收来自透镜17的THz射线。
THz传感器19和成像分析单元（未示出）用对本领域技术人员而言熟悉的方式分析来临的射线束。
图4是穿过图3的行进物体10的横截面图，以更好地展示THz辐射从单元12到旋转镜14、15、透镜17、18和THz传感器19的路径。
从图4可明显看出，可以使用所述系统在水平平面上确定产品10的直径、壁厚和/或偏心率。
易于理解的是，也可以提供这种类似的结构，所述结构可以沿竖直平面进行测量。
根据本发明，使平行THz辐射扫掠穿过沿产品的行进路径处于自由空间的所述产品10的重要原因是，可以不考虑产品10的位置而在THz辐射的帘状平行射线内进行测量，参见例如图4中示出的产品的位置10.1。
如同提及的，这种方法是有用的，首先，产品并非必须被接触辊引导，其次，在物体处于热态的应用情况下这种方法的作用同样是重要的，因为这时物体难于在任何状态或形式下被引导。
图5示出位于THz辐射的发射器20和接收器21之间的产品10，所述THz辐射的发射器和接收器被安装在托架基部22上。
发射器20容置有在前面附图示出的THz辐射单元、电机驱动式扫掠镜筒装置14、15以及透镜17，由此产生穿过发射器20和接收器21之间的空间的平行帘状THz射线。
接收器21容置有透镜18、THz传感器19和THz成像分析单元回路，从而确定穿过受测产品10的绝缘部分的每条连续THz射线的“传送时间”，并且将值输出到处理单元23（在图10中示出），所述处理单元通过有线或无线连接件被连接到接收器21。
处理单元23计算成像分析信息，并且产生受测产品的外径（D）、内径（d）以及偏心率（E）的坐标矩阵图像和值，如图10所示。
在图6中示出受测管形件的横截面的测量结果，其中（D）是外径而（d）是内径。曲线图的水平X轴线显示THz辐射t1、t2、t3的“传送时间”，而曲线图的Y轴线代表扫掠时间T。
管形件的壁厚由在竖直轴线上的W1和W2表示，并且平均厚度可以由公式 W 1 + W 2 2 计算。
图7示出与图6中示出的结果类似的结果，但是其中横截面是电缆的，t1和t2是沿所示曲线图的轴线X的“传送时间”，并且T是沿竖直轴线Y的扫掠率。
（D）代表电缆的外径，而（d）代表受测电缆的电导体直径（芯）。
图8展示电缆偏心率可以如何被计算，其中电缆偏心率可以由等式E=S/（D/2-d/2）×100%限定。
其中（E）是偏心率、（D）是外径、（d）是芯直径、以及（S）是（D）和（d）的中心之间的距离。
在图8.1中，S=0因此E=0，这意味着电缆是同心的。
在图8.2中，S=D/2-d/2因此E=1×100=100%，这意味着电缆具有100%的偏心率且在实际中不可使用。
在实际的实施例中，D=56mm、d=6mm且S=1mm。
使用以上给出的偏心率等式，则E=1/25×100%，即4%是可接受的结果。
对（D）、（d）和（E）的测量显示在处理单元23上，如以上参考图5所示。
在校正所描述的电缆偏心率的情况下，如果需要，这可以优选通过调整挤出成形模头5实现。
图9示出这样一种结构，其中THz辐射的发射器20和用于穿过产品10之后的辐射的接收器21可以被安装在可旋转的托架基部22上，所述托架基部能够执行以下功能。
托架基部22能够绕行进产品10的中心以“来回”旋转的方式以及连续的圆周模式摆动，由箭头24、25展示。
从控制器（未示出）到设置在接收器21中的成像分析回路的非接触式传送方式允许在接收器21以及发射器20中之间通讯被操作的所有功能。
如同在先前实施方式中描述的，本发明能够将控制功能应用到挤出生产线，借此通过测量直径偏差，能够应用反馈以调整挤出生产线产品的速度，以在所需规格内维持电缆或管形件的直径。
在特定情况下，挤出机输出也可以被用于相同目的。通过调整挤出机3的成形模头5，电缆偏心率可以被校正。
在图11-16中示出本发明的另外的优选实施方式。
图11示出与图1中的挤出机（3）操作类似的塑料挤出机26的侧视图，但是所述塑料挤出机具有被修改的成形模头27，所述成形模头被设计成挤出厚度和宽度变化的橡胶或塑料平整板，所述塑料包括聚乙烯、尼龙、PVC、腈纶等等。
从成形模头27退出的热材料进入冷却区28，所述冷却区包括多个冷却辊或砑光机，所述多个冷却辊或砑光机也确定板的厚度。板的宽度由未示出的“侧切机（side slitters）”确定。所述板前进到收线装置29，并且厚度和宽度的测量、以及质量控制可以在位置30进行。
图12示出“纸板生产线”，借此纸从打浆机器（未示出）退出且进入由加热筒制成的干燥区31。接下来，纸继续移动到涂覆区32，由此所述纸可以根据应用要求被各种化学品或塑料涂覆。
在这点上，纸的“厚度尺寸”由压力辊确定，而宽度由“切边机（edgeslitters）”（未示出）确定。
成品纸张被缠绕在筒33上，并且厚度和宽度的测量以及质量控制可以在位置34进行。
图13A示出安装在C形框架35上的“安装件”20-21（发射器/接收器，图5），借此所述THz辐射的帘状平行射线（参见第3页的9-11行）沿产品的行进路径38持续扫掠平整产品37的所有表面区域。
在这种情况下，所述THz辐射的帘状平行射线的跨度足够宽到应对产品37的所有宽度。
在应用于图13B中的格外宽型产品37时，可以将附加的所述“安装件”20-21（图5）安装到C形框架（未示出）上，由此基于连续的方式对制造中的所述产品37的所有宽度提供所述完整的扫掠覆盖范围。
在实际中可以考虑更经济的选择，由此在满足要求时、尤其是在主要产品要求是针对在所述THz辐射的帘状平行射线的跨度的范围内的产品宽度时，可以将单一“安装件”20-21（图5）设置在C形框架上。
在处理图13B中的宽型产品37的一些应用中，间歇或随机检查尺寸参数和/或质量控制可能足以确保这些产品的最小可接受标准。在这些情况下，可以将单一“安装件”20-21（图5）应用在C形框架上，借此所述C形框架被设定成执行横跨产品37宽度的“横向往复”运动36，由此有助于间歇或随机测量所述产品的覆盖范围。
单一或多个“安装件”20-21（图5）通过有线或优选通过无线通讯被连接到处理单元23（图10），由此所述产品厚度和宽度的测量、以及质量控制检测结果由成像分析确定且在坐标矩阵中显示。
如果所述产品的性能和应用需要高质量，按照需要，处理单元23（图10）能够提供产品的数个长度的完整数据记录。
图14示出受测产品39的横截面并且以曲线图形式示出相关坐标矩阵，借此与图（6）中示出的坐标矩阵相似，厚度由沿X-轴线的（t）代表，而宽度由沿Y-轴线的（w）代表。图15示出具有缺陷的产品40。时间相关信号的最终分析由相关坐标矩阵显示，X-轴线示出由（t2）表示的脊部、由（t3）表示的断裂部、以及由（t1）表示的产品厚度。
图16示出产品的沾染物，所述沾染物包括铁屑或沙粒等等，由相关坐标矩阵中的点显示。

Claims (13)

1.一种设备，其用于在挤出产品于在线挤出过程中移动时非接触式监测挤出产品，以确定产品的尺寸参数和无沾染完整性，所述设备包括：太赫兹辐射源；扫掠装置，其利用辐射的帘状平行射线扫掠产品，所述帘状平行射线从产品一侧穿过所述产品；检测装置，其用于在发出辐射穿过所述产品之后在所述产品的另一侧检测发出辐射的成分；成像分析装置，其用于对所述发出辐射执行成像分析，由此确定所述尺寸参数和无沾染完整性。
2.如权利要求1所述的设备，其中，太赫兹辐射指向旋转镜，第一透镜用于从所述旋转镜接收反射的太赫兹辐射，以产生穿过产品的太赫兹辐射平行束。
3.如权利要求1或2所述的设备，其中，第二透镜被设置成在太赫兹辐射穿过产品之后使所述太赫兹辐射聚集，并且使射线聚焦于传感器且因此聚焦于成像分析装置，借此确定在挤出过程期间移动的产品的芯的直径、壁厚和/或偏心率。
4.一种设备，其通过非接触的方式测量在自由空间上被持续挤出的细长且非引导型工业产品的直径和壁厚，所述工业产品比如橡胶或塑料管形件或电缆，所述设备包括：太赫兹辐射单元；旋转镜，其用于使从点源发射的太赫兹射线扫掠穿过第一透镜，以产生帘状平行太赫兹射线，产品以与帘状平行太赫兹射线成直角的方式线性行进穿过所述帘状平行太赫兹射线，所述射线在穿过绝缘材料之后被第二透镜聚集并且在太赫兹传感器处聚焦；成像分析装置，其用于对穿透所述绝缘材料的太赫兹射线执行时间相关的成像分析，以提供坐标矩阵图像，在产品是管形件或管的情况下，能够从所述坐标矩阵图像确定所述产品的直径和壁厚的测量值，和/或在产品是电缆的情况下，还能够从所述坐标矩阵图像确定电缆内芯的偏心率。
5.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，产品涂覆有多个挤出涂层，以提供适合于测量的依次变化的多个壁厚。
6.如权利要求5所述的设备，包括用于使产品沿其行进路径在高温和高压的极端环境下通过的壳体或悬链体，所述壳体具有透明窗口，以允许太赫兹辐射从所述透明窗口穿过，从而用于所述成像分析装置中的测量。
7.如前述权利要求中任一项所述的设备，包括摆动装置，其用于围绕所述产品的轴线沿所述产品的行进路径产生摆动，以收集与产品的直径/壁厚和/或偏心率相关的一组数据。
8.如权利要求6所述的设备，其中，所述摆动动作包括围绕产品轴线的向后或向前运动、或围绕产品的连续旋转模式，以记录与受测产品的直径、壁厚和/或偏心率相关的一组数据。
9.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，还设置有校正装置，其用于将校正动作施加到挤出生产线，以自动或手动地改变产品速度、挤出机输出产量、和/或对挤出机的成形模头的调整，从而使预先设定的所需产品规格得到维持。
10.一种设备，其用于对线性细长的平整板产品进行非接触式尺寸测量和质量控制，所述平整板产品以挤出和/或以其它方式于在线成产过程中被连续地制造，所述设备包括：太赫兹辐射源；扫掠装置，其利用辐射的帘状平行射线从产品的一侧扫掠所述产品；检测装置，其用于在发出辐射穿过产品之后在所述产品的另一侧检测所述发出辐射的成分；以及成像分析装置，其对所述发出辐射执行成像分析，由此确定尺寸参数和挤出材料中的缺陷和沾染物的质量控制检测。
11.如权利要求10所述的设备，其中，所述太赫兹辐射的帘状平行射线被用于扫掠平整产品，所述平整产品的宽度等于或小于太赫兹辐射的帘状平行射线的宽跨度，以检测所述产品的所有区域。
12.如权利要求10或11所述的设备，所述设备被安装在C形框架上，所述C形框架被配置成以与细长平整产品的线性行进路径成直角的方式在横向上往复移动，借此比太赫兹辐射的所述帘状平行射线的宽跨度宽的产品能够被横跨平整产品宽度以往复向前和向后运动的方式移动的C形框架扫掠。
13.一种设备，其用于对沿产品的行进路径以线性方式移动的平整细长产品进行非接触式测量和质量控制，所述设备包括：太赫兹辐射装置，其用于产生太赫兹辐射的帘状平行射线；扫掠装置，其利用辐射的平行射线在平整细长产品的一侧上扫掠产品；检测装置，其在发出辐射穿过产品之后在所述产品的另一侧上检测所述发出辐射；分析装置，其对所述发出辐射执行分析，由此确定产品的尺寸参数和结构质量；以及存储装置，其用于数据记录和存储通过所述分析获得的信息，以确定产品对其使用目的适应性。
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