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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Betonsteinen
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Beim
Herstellen von Betonsteinen ist es bekannt, ein Formwerkzeug mittels
eines Füllwagens mit
Betonmörtel
zu füllen.
Hierbei wird der Füllwagen mit
dem Betonmörtel
horizontal bis über
das Formwerkzeug verfahren, so daß der Betonmörtel in
das Formwerkzeug hinein fallen kann. Dabei ergeben sich Füllfehler
durch ungleichmäßige Befüllung. Zum Beispiel
ist das Formwerkzeug an der Seite, die der Füllwagen zuerst erreicht, stärker als
an der gegenüberliegenden
Seite befüllt.
Der im Formwerkzeug befindliche Betonmörtel wird mittels eines auflastigen Stempels,
der über
einen Zentralzylinder verschiebbar und über ein Universalgelenk angelenkt
ist, und anschließend
weiter durch Vibration verdichtet. Hierbei ergeben sich dann entsprechend
der ungleichmäßigen Befüllung Fehler
an den Endprodukten, etwa Betonsteinen. Um diese zu korrigieren,
ist es bekannt, diese Fehler durch späteres Messen festzustellen,
um danach eine empirische Korrektur des Befüllvorgangs durch entsprechende
Verstellungen vorzunehmen.
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Bei
der Herstellung von Hohlblocksteinen oder anderen Betonwaren, bei
denen es auf Maßhaltigkeit
ankommt, wird im allgemeinen eine Zeitmessung bezüglich des
Stempels vorgenommen, d.h. die Zeit gemessen, die der Stempel bis
zum Erreichen seines wegen der Maßhaltigkeit vorbestimmten Hubendes
benötigt.
Diese Zeit ist dichteabhängig.
Dementsprechend wird indirekt auf die Steindichte geschlossen und
der Zeitmeßwert
zur Veränderung
der Dichte über
die Befüllung
des Formwerkzeugs nachgeregelt.
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Es
ist ferner bekannt, Anschläge
vorzusehen, die den Fahrweg einer Auflasttraverse mit elastisch
gelagertem Stempel in Richtung auf das Formwerkzeug begrenzen. Jedoch
kann infolge der unterschiedlichen Einfederungen derelastischen
Lagerung die Steinhöhe
auf diese Weise nur ungefähr
eingehalten werden.
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Bei
der Herstellung von Pflastersteinen, Bordsteinen oder ähnlichen
Produkten kommt es dagegen auf eine korrekte Dichte, weniger aber
auf eine maßhaltige
Steinhöhe
an. Dementsprechend wird in diesem Fall mit einer fest eingestellten
Rüttelzeit
gearbeitet und die sich ergebende Steinhöhe, die durch den Endpunkt
des Stempelhubs bestimmt wird, als Korrekturparameter verwendet.
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In
der nicht vorveröffentlichten
Anmeldung DE 10 2004 009 382.2 ist diesbezüglich ein Verfahren zum Herstellen
von Betonsteinen beschrieben, bei dem der Stempel über mindestens
ein Paar von in Verfahrrichtung des Füllwagens hintereinander befindlichen,
synchronisierten Motoren verfahren wird und die hiervon ausgeübten Drehmomente
gemessen werden, wobei der Befüllvorgang
des Formwerkzeugs entsprechend der Abweichung von aus der Differenz
der gemessenen Drehmomente abgeleiteten Istwerten zu vorbestimmten
Sollwerten korrigiert wird. Durch diese Auflastauswertung wird allerdings nur
auf die gleichmäßige Füllung des
Formwerkzeugs, nicht aber auf eine optimale Verdichtung der Füllung abgestellt.
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Ferner
ist aus
DE 199 56
961 A1 ein Verfahren zur Kontrolle der Einwirkung von Schwingungen auf
die Formgebung und Verdichtung von Betonsteinen bekannt, bei dem
zu mindestens einem Zeitpunkt des Herstellungsvorgangs eine Frequenzanalyse von
Bewegungsgrößen in Form
von Spektren ermittelt wird, die mit Sollwertspektren verglichen
werden sollen, um bei unzulässigen
Abweichungen von letzteren zur Beseitigung dieser Abweichungen Einfluß auf den
Herstellungsvorgang zu nehmen. Abgesehen davon, daß für eine zufriedenstellende Überwachung
des Herstellungsprozesses der Vergleich an einer Vielzahl von Zeitpunkten
vorgenommen werden müßte und
ein Vergleich von Spektren ohnehin sehr aufwendig ist, bereitet
dies auch insofern Probleme, als sich die Verdichtung asymptotisch
einer Grenze nähert
und andererseits die Ausgangsmaterialien für den Betonmörtel wie
Sand und Kies, auch der Wassergehalt kann schwanken, ebenso wie
die Formbefüllung
nicht homogen sind.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von Betonsteinen
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, das eine verbesserte
Produktqualität
der Betonsteine ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bei
einem Verfahren, bei dem Betonmörtel
in ein Formwerkzeug gefüllt
und der im Formwerkzeug befindliche Betonmörtel zunächst mittels eines von oben
in Richtung auf das Formwerkzeug verfahrbaren Stempels und anschließend durch
Vibration verdichtet wird, wird erfindungsgemäß die mengenmäßige Befüllung des
Formwerkzeugs über
einen Vergleich von während
der Verdichtungsvibration auftretenden Parametern einer Verdichtungscharakteristik
mit einem Sollwertsatz nachgeregelt.
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Die
Befüllung
des Formwerkzeugs hat einen wesentlichen Einfluß auf die Produktqualität, und zwar
einerseits in Bezug auf eine ungleichmäßige Befüllung (d.h. ungleichmäßige Verteilung
des in das Formwerkzeug eingefüllten
Betonmörtels),
die entsprechend dem in
DE
199 56 961 A1 beschriebenen Verfahren kontrolliert werden
kann, und andererseits in Bezug auf die richtige Menge an Betonmörtel, denn
trotz kontrollierter gleichmäßiger Befüllung kann
das Formwerkzeug zuviel oder zuwenig Betonmörtel enthalten, was sich nachteilig
auswirkt.
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Zur
mengenmäßigen Kontrolle
der Befüllung des
Formwerkzeugs wird der durch Vibration bedingte Verdichtungsvorgang,
der der Vorverdichtung durch Herunterfahren des Stempels nachfolgt, überwacht
und ausgewertet, um die Verdichtungscharakteristik zu bestimmen
und bezüglich
eines Datensatzes für
zufriedenstellende Betonsteine nachzuregeln.
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Hierzu
können
entsprechende Parameter am Stempel und/oder am Formwerkzeug und/oder am
Rütteltisch über entsprechende
Sensoren gemessen werden. Geeigneter Weise werden die entsprechenden
Wege und/oder Geschwindigkeiten, aus denen deren Beschleunigungen
ableitbar sind, und/oder Drehmomente an diesen Teilen oder deren Antrieben
erfaßt.
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Da
infolge der Verdichtung durch Vibration die Steinhöhe abnimmt,
ist es hierzu zweckmäßig, den
Nachführweg
des Stempels, der mit der Steinoberfläche in Kontakt gehalten wird,
zu messen. Gleichzeitig oder stattdessen kann man auch die vom Stempel
ausgeübte
Kraft über
eine Drehmomentaufnahme bezüglich
des Stempelantriebs messen.
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Da
für die
Kontrolle bezüglich
einer gleichmäßigen Befüllung entsprechend
DE 199 56 961 A1 ohnehin
Drehmomente von Antrieben für
den Stempel und zweckmäßigerweise
auch dessen Hub beim Vorverdichten mittels des Stempels gemessen
werden, können
die entsprechenden Sensoren auch für die Vibrationsverdichtung
benutzt werden. Zusätzlich können Schwingungsaufnehmer
für den
Rütteltisch und/oder
das Formwerkzeug und gegebenenfalls Drehmomentaufnehmer für den Rütteltischantrieb verwendet
werden.
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Die Überwachung
der Bewegung des Stempels ist hierbei insofern zweckmäßig, als
nämlich dann,
wenn die auf die Oberfläche
des Betonmörtels ausgeübte Kraft
des Stempels zu schwach ist, die Gefahr besteht, daß der Stempel
unter der Rütteltischbewegung
anfängt
zu springen. Dies führt
dazu, daß sich
im Betonstein eine Schichtbildung mit Ablösungserscheinungen ergibt,
indem der Betonmörtel teilweise
an dem in das Formwerkzeug eingetauchten Stempel haften bleibt.
Außerdem
besteht hierbei die Gefahr, daß der
Stempel durch Abspringen außer Takt
zum Rütteltisch
gerät.
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Wenn
dagegen die vom Stempel ausgeübte Kraft
zu stark ist, drückt
der Stempel das Formwerkzeug und dessen Fertigungsunterlage auf
Klopfleisten, die an sich nur dazu dienen sollen, die Abwärtsbewegung
des Formwerkzeugs und dessen Fertigungsunterlage während jedes
Abwärtshubs
des Rütteltisches
zu begrenzen. In diesem Fall kann dann der Rütteltisch nicht mehr ausreichend
verdichten.
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Gleichzeitig
mit der Bestimmung der vom Stempel ausgeübten Kraft oder stattdessen
kann auch der Hub des Rütteltisches
bzw. des Formwerkzeugs bzw. das vom Antrieb des Rütteltisches
aufgebrachte Drehmoment überwacht
werden. Letzteres ist auch insofern von Bedeutung, als sich der
Aufschlagimpuls des Rütteltisches
mit zunehmender Verdichtung der Betonsteine verändert. Je härter der Betonstein wird, umso
größer ist
die Beschleunigung des beim Aufschlag abprallenden Rütteltisches,
da vom infolge zunehmender Verdichtung mehr und mehr elastischen
Betonstein immer weniger Energie aufgenommen wird.
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Da
Materialien wie Sand und Kies, die zur Herstellung des Betonmörtels verwendetwerden, nicht
homogen sind und außerdem
der Wassergehalt schwanken kann, ist dementsprechend eine Nachregelung
zweckmäßig. Abgesehen
davon läßt sich
eine zeitliche Optimierung durch Auswertung der Beschleunigung des
Rütteltisches
beim Aufschlag vornehmen, da sich die Verdichtung asymptotisch gegen
einen Grenzwert bewegt und ab einer bestimmten Verdichtung ein weiteres
Rütteln
nicht mehr wirksam ist bzw. eine weitere Verdichtungseinwirkung eher
schädlich
ist und zu Rissen und ähnlichen
Fehlern führen
kann.
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Wenn
kein Rütteltisch
zur Vibrationsverdichtung verwendet wird, sondern stattdessen seitlich
auf das Formwerkzeug einwirkende Vibratoren, ist es zweckmäßig, deren
Weg-Zeit-Charakteristik im Zusammenhang mit deren Stromaufnahme,
die der ausgeübten
Kraft entspricht, und der Vibrationsfrequenz neben dem Stempelhub
und der Stempelkraft während
der Vibrationsverdichtung zu überwachen, um
dementsprechend die Befüllung
des Formwerkzeugs zu kontrollieren.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung
und den Ansprüchen
zu entnehmen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen
dargestellten Ausführungsbeispiels
einer Betonsteinmaschine näher
erläutert.
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1 zeigt
schematisch in Seitenansicht eine Befülleinrichtung für eine Betonsteinmaschine.
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2 zeigt
schematisch in Frontansicht eine Verdichtungsstation für eine Betonsteinmaschine.
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3 zeigt
schematisch die Verdichtungsstation von 2 in Draufsicht.
Die in 1 dargestellte Befülleinrichtung umfaßt einen
Silo 1 mit einem oder mehreren trichterförmigen Ausläufen und einer
entsprechenden Anzahl von am Silo 1 angelenkten Klappen 2,
die zwischen einer geöffneten
und einer geschlossenen Position mittels eines ein an der Klappe 2 angreifendes
Gestänge
umfassenden Antriebs 3 beweglich sind (beim Ausführungsbeispiel
ist ein Auslauf mit einer Klappe 2 vorgesehen). Unterhalb
des Silos 1 befindet sich ein oben und unten offener Füllwagen 4,
der über
ein Tischblech 5 zwischen einer Stellung unter der Klappe 2 und
einer Stellung über
einem auf einer Fertigungsunterlage 6 befindlichen Formwerkzeug 7 für Betonsteine
mittels eines Linearantriebs 8, beispielsweise bestehend aus
einem am Füllwagen 4 angeordneten
Elektromotor 8a und einem hiervon getriebenen Ritzel 8b,
das mit einer zum Tischblech 5 parallelen Zahnstange 8c in
Eingriff steht, oder aus einem Kolben/Zylinder-Antrieb, einem Linearmotor
oder einem Kurbeltrieb, verfahrbar ist. Der Füllwagen 4 wird dabei
von einer vorzugsweise beidseitig des Füllwagens 4 angeordneten,
am Maschinengestell 11 befestigten Horizontalführung 9 geführt.
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Die
Fertigungsunterlage 6 befindet sich über einem in vertikale Schwingungen
versetzbaren Rütteltisch 10,
der innerhalb des Maschinengestells 11 auf Dämpfungselementen 12 gelagert
ist, so daß die vom
Rütteltisch 10 ausgehenden
Vibrationen praktisch nicht auf das Maschinengestell 11 und
die Fundamente übertragen
werden. Während
des Rüttelns schlägt der Rütteltisch 10 von
unten vorzugsweise gegen die Fertigungsunterlage 6, so
daß diese
auf- und unter Schwerkrafteinwirkung abwärts bewegt und bei der Abwärtsbewegung
von Klopfleisten 10a gestoppt wird.
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Im
Maschinengestell 11 ist ein vertikal verfahrbarer Stempel 13 angeordnet,
mit dem im Formwerkzeug 7 befindlicher Betonmörtel 14 verdichtet werden
kann. Der Stempel 13 ist mittels wenigstens zweier, synchronisierter
Motoren 15 (im dargestellten Ausführungsbeispiel vier derartiger
Motoren 15) verfahrbar. Das Verfahren des Stempels 13 kann,
wie beispielhaft dargestellt, über
Ritzel 16 und Zahnstangen 17 erfolgen, die in
jeder Richtung beweglich etwa über
ein Kugelgelenk mit einer Auflast 18 verbunden sind, an
deren Unterseite sich der Stempel 13 befindet. Die Synchronisation
der Motoren 15 kann elektronisch etwa über eine entsprechende Wegmessung etwa
mittels Sensoren 22 erfolgen, die die Umdrehungen der Ritzel 16 oder
den Hub der Zahnstangen 17 erfassen.
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Da
sich eine unregelmäßige Befüllung hauptsächlich in
Verfahrrichtung des Füllwagens 4 ergibt,
sind, wenn nur zwei Motoren 15 verwendet werden, diese
zweckmäßigerweise
in Verfahrrichtung des Füllwagens 4 hintereinander
anzuordnen. Dies beinhaltet aber auch, daß sie zur Verfahrrichtung versetzt
sein können,
etwa im wesentlichen auf die diagonal gegenüberliegenden Ecken des Formwerkzeugs 7 einwirken.
Bei vier Motoren 15 entsprechend dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind diese paarweise in Verfahrrichtung des Füllwagens 4 hintereinander
angeordnet. Es lassen sich aber auch drei Motoren 15 verwenden,
beispielsweise ein Motor 15, der auf die zuerst beim Befüllen vom
Füllwagen 4 erreichte
Seite des Formwerkzeugs 7 einwirkt, während die beiden anderen quer
zur Verfahrrichtung benachbart angeordnet sind und im Bereich der
zuletzt vom Füllwagen 4 erreichten
Seite des Formwerkzeugs 7 einwirken.
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Die
Motoren 15 können
elektrische oder hydraulische Motoren oder Hydraulikzylinder sein.
Sie sind jeweils mit einem Drehmomentaufnehmer 19 gekoppelt,
der zweckmäßigerweise
im Falle eines elektrischen Motors 15 ein Stromaufnehmer
und im Falle eines hydraulischen Motors 15 ein Druckaufnehmer
ist. Die Drehmomentaufnehmer 19 sind mit einer Regelung 20 für den Antrieb
des Füllwagens 4 gekoppelt.
Hierdurch kann während
der Produktion entsprechend der Differenz der Meßwerte der Drehmomentaufnehmer 19 zu
einem vorbestimmten, die gewünschte
Kraftaufnahme repräsentierenden
Sollwert, der im allgemeinen für
alle Motoren 15 gleich ist, die Befüllung durch Änderung
der Verfahrgeschwindigkeit bzw. des Verfahrgeschwindigkeitsprofils
des Füllwagens 4 während seiner
Hin- und/oder Rückfahrt
und/oder Änderung
seines Verfahrweges (d.h. wie weit der Füllwagen 4 über das
Formwerkzeug 7 bzw. über
dieses hinweg fährt)
derart verändert
werden, daß sich
immer eine im wesentlichen gleichmäßige Befüllung und damit eine praktisch gleichbleibende
Produktqualität
ergibt.
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Dementsprechend
kann, da bei jedem Verdichtungstakt gemessen wird, bei unterschiedlichen Drehmomenten
(hervorgerufen durch unterschiedliche, auf den Stempel 13 einwirkende
Kräfte
F1, F2, F3, F4, vgl. 2)
sofort eine Korrektur der Befüllung vorgenommen
werden. Diese resultiert in einer entsprechend geänderten
Betonsteinhöhe
bzw. Dichte, je nachdem, ob hauptsächlich – wie bei Hohlblocksteinen – auf die
Maßhaltigkeit
der Steinhöhe
oder – wie
bei Pflastersteinen – auf
die Dichte Wert gelegt wird.
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Ferner
erfolgt beim Vorverdichten mittels des Stempels 13 ein
Elastizitätsausgleich
der mechanischen Einrichtung, aber auch der zu formenden Betonsteine,
indem der Antrieb durch denjenigen Motor 15, der der größeren Kraft
bzw. dem größeren Drehmoment
zugeordnet ist, synchron mit dem oder den anderen Motoren 15 läuft. Hierdurch
wird vermieden, daß die
Auflastseite des Stempels 13 im schlechter befüllten Bereich
gegenüber
dem gut befüllten
Bereich durchsackt.
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Obschon
auf diese Weise eine gleichmäßige Befüllung des
Formwerkzeugs 7 erzielt wird, kann die mengenmäßige Befüllung unkorrekt
sein, d.h. daß zuviel
oder zuwenig Betonmörtel 14 eingefüllt wird.
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Um
diesbezüglich
entgegen zu steuern, ist eine Regelung 23 vorgesehen. Diese
kann Meßwerte der
Sensoren 19 und 22 und/oder am Rütteltisch 10 befindliche,
als Schwingungsaufnehmer dienende Sensoren 24 und am Antrieb 25 des
Rütteltisches 10 befindliche,
den Rütteltischhub
messende Sensoren 26 zur Überwachung der Vibrationsverdichtung
mittels des Rütteltisches 10 auswerten.
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Die
Sensoren 19 überwachen
demgemäß auch bei
der Vibrationsverdichtung die ausgeübte Auflastkraft.
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Die Überwachung
des Stempelhubs mittels Sensoren 22, der Stempel 13 fährt ja mit
zunehmender Verdichtung weiter in das Formwerkzeug 7 hinein,
liefert einerseits eine Aussage über
die erreichte Betonsteinhöhe,
andererseits aber auch eine Aussage darüber, ob der Stempel 13 mangels
genügender Auflastkraft
anfängt
zu springen. Letzteres kann aber auch über einen Schwingungsaufnehmer überwacht werden.
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Da
sich der Aufschlagimpuls des Rütteltisches
mit zunehmender Verdichtung der Betonsteine verändert – je härter der Betonstein wird, umso
größer ist
die Beschleunigung des beim Aufschlag abprallenden Rütteltisches 10,
da vom infolge zunehmender Verdichtung mehr und mehr elastischen
Betonstein immer weniger Energie aufgenommen wird -, können die
Sensoren 26, etwa Drehmomentaufnehmer, dazu genutzt werden,
insoweit die Verdichtung zu überwachen
und ein Überverdichten
zu vermeiden. Außerdem
kann er zur zeitlichen Optimierung des Vibrationsverdichtungsvorgangs
dienen.
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Die
Sensoren 24 können
den Rütteltischhub und
gegebenenfalls die vom Rütteltisch 10 ausgehende
Vibrationsfrequenz, letztere auch zum Vergleich mit der durch das
Aufschlagen des Rütteltisches 10 bewirkten
Hubfrequenz des Stempels 13, und das Zusammenspiel der
Auflast- und Rütteltischamplitude überwachen.
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Gegebenenfalls
kann auch ein Sensor 27 für den Hub des Formwerkzeugs 7 bzw.
deren Fertigungsunterlage 6 vorgesehen sein, der bei Unterschreiten
eines Grenzwertes für
diesen Hub anzeigt, daß die
vom Stempel 13 ausgeübte
Kraft zu groß ist.
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Wenn
die entsprechenden Parameter einer Verdichtungscharakteristik für ein bestimmtes
Betonsteinprodukt ermittelt sind, werden diese als Sollwerte zum
Vergleich mit den von den verschiedenen Sensoren gelieferten Istwerten
zur Regelung und gegebenenfalls auch zur Optimierung der Sollwerte
verwendet. Im letzteren Fall ergibt sich ein Selbstlerneffekt.
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An
dem Formwerkzeug 7 können,
wie in 3 dargestellt, anstelle oder zusätzlich zu
dem Rütteltisch 10 mindestens
zwei Vibratoren 21 paarweise angreifen, im dargestellten
Ausführungsbeispiel
sind acht Vibratoren 21 am Umfang des Formwerkzeugs 7 verteilt
(hier jeweils zwei in einem jeweiligen Eckbereich) vorgesehen, wobei
sich die jeweils paarweise gegenüber
befindlichen Vibratoren 21 gleichgerichtet synchronisiert
bewegen.
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Die
seitlichen Vibratoren 21 können auch als Füllhilfe
verwendet werden, indem sie während
des Füllens
des Formwerkzeugs 7 betrieben werden. Als Horizontalrüttler betrieben
führen
dabei die Vibratoren 21 dazu, daß die Formwandung des Formwerkzeugs 7 gegen
den eingefüllten
Betonmörtel 14 schlägt, wodurch
die Seiten der hergestellten Betonsteine verbessert werden. Gleichzeitig
kann durch Steuerung der von den Vibratoren 21 ausgeübten Kraft,
deren Vibrationsamplitude und -frequenz die Befüllung verbessert und/oder vergleichmäßigt werden.
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Ferner
können
die seitlichen Vibratoren 21 unter entsprechender Ansteuerung
durch die Regelung 20 zusätzlich zur Korrektur der Befüllung des Formwerkzeugs 7 verwendet
werden.
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Wenn
die seitlichen Vibratoren 21 anstelle des Rütteltisches
zur Vibrationsverdichtung unter Auflast durch den Stempel 13 verwendet
werden, können
deren Weg-Zeit-Charakteristik im Zusammenhang mit deren Stromaufnahme,
die der ausgeübten
Kraft entspricht, und die Vibrationsfrequenz neben dem Stempelhub
und der Stempelkraft (Sensoren 19, 22) während der
Vibrationsverdichtung überwacht
werden, um dementsprechend die Befüllung des Formwerkzeugs zu
kontrollieren.