DE102016215167A1

DE102016215167A1 - Messvorrichtung zur Bestimmung des Verschleißes eines Innenmischers

Info

Publication number: DE102016215167A1
Application number: DE102016215167.3A
Authority: DE
Inventors: Dieter Berkemeier; Georg Linde; Ralph Melcher; Michael Waffenschmidt
Original assignee: Harburg Freudenberger Maschinenbau GmbH
Current assignee: Harburg Freudenberger Maschinenbau GmbH
Priority date: 2016-08-15
Filing date: 2016-08-15
Publication date: 2018-02-15

Abstract

Eine Messvorrichtung zur Bestimmung des Verschleißes eines Innenmischers (1) zum Kneten von plastischen Massen, der ein Gehäuse (2) mit einer Mischkammer (3), mit zwei in der Mischkammer (3) achsparallel angeordneten, gegensinnig antreibbaren Rotoren (4) die Wellen (5) und Rotorkörper (6) aufweisen, wobei jeder Rotorkörper (6) mit mindestens einem schraubenlinienförmig verlaufenden Misch-Flügel (7) versehen ist, soll so weitergebildet werden, dass auf einfache Weise eine möglichst genaue Bestimmung des Verschleißes eines Innenmischers ermittelt werden kann. Dazu wird vorgeschlagen, dass am Scheitel (16) wenigstens eines Misch-Flügels (7) des Rotors (4) eine Sensoranordnung (17) befestigbar ist, die wenigstens einen Spalt-Sensor (20) als Mess-Sensor für den Abstand von sich gegeneinander bewegbaren Teilen aufweist, dass ein Drehwinkelgeber (19) an wenigstens einer Welle (5) zur Bestimmung der genauen Stellung oder Position des Rotors (4) und des Spalt-Sensors (20) anbringbar ist und dass eine Schaltungsanordnung (31 bis 33) die von der Sensoranordnung (17) gemessenen Werte zur Bestimmung des Gesamtverschleißes sowohl des Rotors (4) als auch der Innenwandung der Mischkammer (3) und/oder zur Berechnung des aktuellen Gesamtvolumens der Mischkammer (3) auswertet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung des Verschleißes eines Innenmischers zum Kneten von plastischen Massen, insbesondere von Kunststoff- oder Kautschukmischungen, der ein Gehäuse mit einer gepanzerten Mischkammer, mit zwei in der Mischkammer achsparallel angeordneten, gegensinnig angetriebenen gepanzerten Rotoren mit Wellen und Rotorkörpern aufweist, wobei jeder Rotorkörper mit gegensinnig mindestens einem schraubenlinienförmig verlaufenden Misch-Flügel versehen ist.
Das Aufnahmevolumen von Innenmischern ist im Neuzustand bekannt. Es berechnet sich aus dem Gesamtvolumen der Mischkammer abzüglich der Volumina der beiden Rotoren. Entsprechend dem Aufnahmevolumen können die Innenmischer derart mit Material gefüllt werden, dass sich eine optimale Mischwirkung ergibt. In der Praxis üblich sind Füllgrade von 50%–80%. Als Füllgrad wird das Verhältnis des von der Mischung einnehmenden Volumens zum Aufnahmevolumen der leeren Maschine bezeichnet. Durch Abtragung der mit der Mischung in Berührung kommenden Wandflächen der Mischkammer und der Rotoren erhöht sich das Aufnahmevolumen des Innenmischers, wodurch sich auch die Mischwirkung verändert, z. B. aus dem Optimum herausläuft.
Der Spalt zwischen den Scheiteln der Misch-Flügel und der Innenwand der Mischkammer beträgt je nach Größe der Maschine zwischen 3 mm bis 15 mm. Durch den oben beschriebenen Verschleiß der Panzerung auf den Rotoren als auch der Panzerung auf der Innenwand der Mischkammer vergrößert sich nicht nur das Aufnahmevolumen des Innenmischers sondern es vergrößern sich auch die Abstände zwischen den Scheiteln der Misch-Flügel und der Innenwand der Mischkammer mit fortlaufender Betriebszeit. Durch diese verschleißbedingte Veränderung der Spalte verschlechtert sich auch das Mischverhalten des Innenmischers. Um dem entgegenzuwirken, können Prozessparameter im Mischprozess (z. B. die Drehzahl der Rotoren) verändert werden.
Für den Betreiber eines Innenmischers sind Kenntnisse von den verschleißbedingten Änderungen nicht nur wegen der notwendigen Reaktion bei der Einstellung der Mischwirkung und des Mischverhaltens von Interesse, sondern auch für die Planung des Ersatzes einzelner Bauteile der Maschine (z. B. der Rotoren) und/oder des gesamten Innenmischers. Daher wurde bisher auch schon der Verschleiß der Mischerwandung und der Rotoren ermittelt. Mit den über die Betriebszeit eines Innenmischers gewonnenen Verschleißdaten ist es vorausschauend möglich, den Ausfall von Bauteilen in der Maschine frühzeitig zu erkennen. Mit dieser Erkenntnis kann der Anlagenbetreiber frühzeitig den Austausch von verschlissenen Bauteilen oder aber der gesamten Maschine planen.
Allgemein bekannt ist bei eingebautem Rotor über Fühlerlehren wie bei der Messung des Elektrodenabstandes von Zündkerzen den Spalt zu messen. Aufgrund der mangelnden Zugänglichkeit innerhalb des Mischers konnten die Spalte nur an wenigen Stellen z. B. im Eingangsbereich gemessen werden. Wegen der Radien auf den Flügelkämmen der Rotoren und der konvexen Innenwand lassen sich die Abstände mit der geraden Fühlerlehre nur recht ungenau bestimmen.
In der JP 2015-167880 A ist eine Vorrichtung beschrieben, mittels derer man die Mischkammerwand an schwer zugänglichen Stellen im Innenmischer inspizieren kann. Dazu wird von einem auf dem Rotorflügel positionierten Mikro-Projektor ein strukturiertes Streifenlicht auf die Innenwand der Mischkammer projiziert. Das streifenförmig auf die Mischkammerwand projizierte Licht ergibt in Abhängigkeit von dessen Höhenstruktur ein Lichtmuster auf dem Objekt, das von einer in bekanntem Winkel ebenfalls auf dem Rotorflügel angeordneten Kamera aufgenommen wird. Aus den von der Kamera an vorbestimmten Winkelstellungen des Rotors erstellten Fotografien der Mischkammerwand werden Veränderungen in der Oberflächentopographie der Wandung ermittelt. Anhand der elektronischen Auswertung der aufgenommenen Bilder kann abgeschätzt werden, wann eine Mischkammer ausgewechselt werden muss. Der Verschleiß auf den Rotoren wird dabei nicht betrachtet.
Durch die WO 2016/024435 A1 ist eine Vorrichtung zum optischen Inspizieren eines Innenmischers bekannt geworden, bei der schwenkbare Bild-Aufnahmeeinheiten über den Einfüllschacht in den Innenmischer eingebracht und dort für Aufnahmen auf und ab bewegt werden. Für eine aussagekräftige Inspektion der Innenwandung des Mischers müssen jedoch die Rotoren ausgebaut werden.
Es ist auch schon bekannt, den Verschleiß an der Panzerung der Mischer Innenwand durch eine Wanddickenmessung der gesamten Mischkammer mit einem Ultraschallsensor zu ermitteln. Nachteilig dabei ist jedoch, dass im Bereich der Kühlbohrungen keine Messung möglich ist, und dass durch Verschmutzung der Außenwand des Mischers, an welcher der Ultraschallsensor angesetzt werden muss, Ungenauigkeiten im Messergebnis entstehen können.
Das sich durch Abnutzungen und Verschleiß ändernde Aufnahmevolumen des Innenmischers wurde in bekannter Weise beispielsweise durch ”Auslitern” ermittelt, bei dem eine Flüssigkeit (z. B.: Wasser) oder alternativ ein Granulat mit bekanntem Schüttvolumen in die Mischkammer eingefüllt wird. Bei dieser Messmethode erhält man aber bis dato nur sehr ungenaue Messergebnisse. Dies liegt an einem möglichen Flüssigkeitsverlust beim Auslitern mit einem flüssigen Medium (z. B. über die Staubabdichtungen), oder einer ungleichmäßigen Füllung des Granulates innerhalb der Mischkammer (z. B. wegen schlechter Fließfähigkeit des Granulats), insbesondere in unzugänglichen Bereichen hinter den Rotoren.
Ein weiteres Verfahren zur Ermittlung des Aufnahmevolumens eines Innenmischers ist das sogenannte Auslitern mit Kautschuk. Hierbei wird der Mischer mit reinem Kautschuk einer bestimmten Sorte gefüllt und der Mischprozess beobachtet. Insbesondere das Stempelabsenkverhalten ist ein Indiz für den optimalen Füllgrad. Mangelnde Erfahrung der Ausführenden und Schwankungen in den Fließeigenschaften des verwendeten Kautschuks führen zu einer hohen Fehleranfälligkeit.
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, bei einer Messvorrichtung der eingangs genannten Art auf einfache Weise eine möglichst genaue Bestimmung des Verschleißes eines Innenmischers durchführen zu können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art durch die im Patentanspruch 1 und 9 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass am Scheitel wenigstens eines Misch-Flügels des Rotors eine Sensoranordnung befestigbar ist, die wenigstens einen Spalt-Sensor als Mess-Sensor für den Abstand von sich gegeneinander bewegenden Teilen aufweist, dass ein Drehwinkelgeber an wenigstens einer Welle zur Bestimmung der genauen Stellung oder Position des Rotors und damit des Spalt-Sensors anbringbar ist und dass eine Schaltungsanordnung die von der Sensoranordnung gemessenen Werte zur Berechnung des Gesamtverschleißes sowohl der Rotoren als auch der Innenwand der Mischkammer und/oder des aktuellen Gesamtvolumens der Mischkammer auswertet.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Ausgangssignale des Spalt-Sensors über eine Sensorverbindung, die z. B. eine elektrische Leitung oder eine Funkstrecke sein kann, an einen Sensoranschluss geleitet werden. Über die elektrische Leitung könnte auch die Stromversorgung des Spalt-Sensors erfolgen.
Es hat sich bewährt, wenn die Ausgangssignale am Sensoranschluss zur Datenerfassung abgegriffen und über einem Hardware-Interface der Schaltungsanordnung einem Computer zugeführt werden, dem über einen Controller eine Steuer-Software zur Verfügung gestellt wird.
Vorteilhaft ist, dass eine zweite Schaltungsanordnung zur Darstellung der Größe des Verschleißes jedes Rotors vorgesehen ist, die eine 3D-Kamera mit einer daran angeschlossenen Datenerfassung zur 3D-Digitalisierung des Rotors aufweist, an der ein erster Messwertspeicher für ein Abbild der Rotoren im Neuzustand und ein zweiter Messwertspeicher für ein Abbild der benutzten Rotoren im eingebauten Zustand angeschlossen sind, und dass die Messwertspeicher mit einer Auswertevorrichtung zur Bestimmung des Einzelverschleißes der Rotoren verbunden ist, der einer Ausgabevorrichtung zugeführt wird.
Nachahmenswert ist, dass der Auswertevorrichtung über einen Zwischenspeicher der Gesamtverschleiß der Mischkammer und des jeweiligen Rotors zur Berechnung des Verschleißes der Innenwandung des Innenmischers zugeführt wird.
In vorteilhafter Weise kann die Ausgabevorrichtung derart ausgebildet sein, dass sie die Volumina der Rotoren und der Mischkammer und/oder das aktuelle Aufnahmevolumen anzeigt.
Es empfiehlt sich, dass die Ausgabevorrichtung derart ausgebildet ist, dass sie das optimale Batchgewicht bei vorgegebenen optimalen Füllgrad für den Innenmischer neu berechnet und einstellt.
Die Aufgabe wird mittels eines Messverfahrens für eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst:
S1.1 Positionierung des Rotors derart, dass der Bereich des Misch-Flügels, in dem die Abstandsmessung erfolgen soll vor der oberen Kante einer Mischkammerseite liegt,
S1.2 Befestigung des Spalt-Sensors auf dem Misch-Flügel,
S1.3 Drehung des Rotors, bis der Spalt-Sensor die Kante der Mischkammer erkennt,
S1.4 Weiterdrehen des Rotors um einen für jeden Innenmischer bekannten Winkel, wodurch der Sensor den oberen Totpunkt der Mischkammer erreicht,
S1.5 Setzen des Referenzwinkels (Null) an dieser Position,
S1.6 aufeinanderfolgendes Weiterdrehen des Rotors in gleicher Richtung um vorgebbare Winkel,
S1.7 Ausgeben der Abstandsmesswerte an den vorgegebenen Winkeln und abspeichern der ausgegebenen Messwerte,
S1.8 Nach Überschreitung des Messwinkels von 180° Weiterdrehen des Rotors auf ca. 270°,
S1.9 Ausgeben des Abstandmesswertes bei ca. 270° und abspeichern des ausgegebenen Messwertes,
S1.10 Minimalwert-Speicherung,
S1.11 Erstellung einer Sicherheitskopie der Messwerte,
S1.12 Abfrage, ob das Ende der vorgesehenen Messungen an dem Rotor erreicht ist. Falls nein, Positionierung gemäß S1.1, axiales Versetzung des Spalt-Sensors auf dem Rotor und die Messung beginnt in einer neuen Mess-Ebene bei Verfahrensschritt S1.3,
S1.13 Falls ja, Messbeginn für den zweiten Rotor bei Position S1.1,
S1.14 Abfrage, ob das Ende der vorgesehenen Messungen an dem zweiten Rotor erreicht ist. Falls nein, Positionierung gemäß S1.1, axiales Versetzung des Spalt-Sensors auf dem zweiten Rotor und die Messung beginnt in einer neuen Mess-Ebene bei Verfahrensschritt S1.3,
S1.15 Falls ja, Berechnung des Gesamtverschleißes des Innenmischers an den jeweiligen Messpunkten.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mehrere Spalt-Sensoren angeschlossen sind und der Messablauf simultan für alle Spalt-Sensoren gemäß den Verfahrensschritten S1.1 bis S1.12 erfolgt. Dabei können selbstverständlich die Messungen auch an beiden Rotoren gleichzeitig erfolgen.
In vorteilhafter Weise kann die Sicherheitskopie der Messwerte gemäß Verfahrensschritt S1.12 durch die Steuer-Software des Controllers erstellt werden.
Die Aufgabe wird für ein weiteres Messverfahren für eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst:
S2.1 3D-Digitalisierung der Rotoren im Neuzustand mittels der 3D-Kamera,
S2.2 Errechnung der Volumina und Außendurchmesser der Rotoren im Neuzustand,
S2.3 Speicherung der Signale der 3D-Kamera und der errechneten Volumina und Durchmesser von den Rotoren im Neuzustand,
S2.4 3D-Digitalisierung der im Innenmischer eingebauten Rotoren nach einer vorgebbaren Anzahl von Betriebsstunden,
S2.5 Errechnung der Volumina und Außendurchmesser der gebrauchten Rotoren,
S2.6 Speicherung der Signale der 3D-Kamera und der errechneten Volumina und Durchmesser von den gebrauchten Rotoren als aktuelle Werte,
S2.7 Vergleich der aktuellen Werte mit den Werten im Neuzustand und Bestimmung des Verschleißes auf den Rotorflügeln und der Volumenabnahme der Rotoren.
Nachahmenswert ist ein Messverfahren mit folgendem weiteren Schritt:
S2.8 Bestimmung des Verschleißes der Innenwandung der Mischkammer des Innenmischers durch Abziehen des Verschleißes des jeweiligen Rotors (gemäß S2.7) und des bekannten ursprünglichen Spaltmaßes zwischen Mischflügel und der Innenwandung der Mischkammer vom Gesamtverschleiß (gemäß S1.15).
Vorteilhaft für das Messverfahren ist, folgender weiterer Schritt:
S2.9 Ermittlung des geänderten Aufnahmevolumens des Innenmischers durch Berechnung des aktuellen Volumens unter Zugrundelegung des Verschleißes (gemäß S2.8) mittels eines Algorithmus und abziehen der aktuellen Rotorvolumina (gemäß S2.6).
In vorteilhafter Weise kann das Messverfahren folgenden weiteren Schritt aufweisen:
S2.10 Steuerung des Füllgrades durch Veränderung des Füllgewichtes.
Es empfiehlt sich, dass die 3D-Digitalisierung der Rotoren im Neuzustand gemäß Verfahrensschritt S2.1 unmittelbar vor dem Einbau in den Innenmischer oder im eingebauten Zustand der Rotoren erfolgt.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die durch die 3D-Digitalisierung der Rotoren gemäß Verfahrensschritt S2.1 digitalisierten Daten des Abbildes der Rotoren im Neuzustand im ersten Messwertspeicher abgelegt werden.
Die Steuerung des Füllgrades kann dabei gemäß Verfahrensschritt S2.10 durch ein geändertes Zugabe Gewicht der Rohmaterialien erfolgen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Innenmischer mit tangierenden Rotoren,
2 eine schematische Darstellung von ineinander greifenden Rotoren eines Innenmischers,
3 eine schematische 3D-Darstellung eines Rotors in einer Mischkammer mit einem erfindungsgemäßen Sensor,
4 den Spalt-Sensor gemäß 3,
5 eine Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Messanordnung zur Bestimmung des Gesamtverschleißes,
6 einen Programmablaufplan eines Messablaufs der ersten erfindungsgemäßen Messanordnung gemäß 5,
7 eine Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Messanordnung zur Bestimmung des Verschleißes der Rotoren und
8 einen Programmablaufplan eines Messablaufs der zweiten erfindungsgemäßen Messanordnung gemäß 7.
In der 1 ist der Grundaufbau eines Innenmischers 1 mit einem Gehäuse 2 schematisch dargestellt, bei dem die erfindungsgemäßen Merkmale zum Einsatz kommen. In dem Gehäuse 2 ist eine Mischkammer 3 angeordnet, welche die Form zweier nebeneinander horizontal liegender Zylinder aufweist, die sich tangieren. In der Mischkammer 3 sind zwei gegenläufige Rotoren 4 konzentrisch zu den Zylindern der Mischkammer 3 angeordnet, wobei die Rotoren 4 Wellen 5 mit Rotorkörpern 6 aufweisen, an denen Misch-Flügel 7 angebracht sind.
Der Mischkammer 3 kann ein Mischgut über eine erste Zufuhr 8, beispielsweise Polymer und/oder Chemikalien, und über eine zweite Zufuhr 9 Füllstoffe, wie beispielsweise Ruß, Kieselsäure und/oder Kreide, zugeführt werden. Diese Mischmaterialien werden mittels eines Stempels 10 von oben unter Druck gesetzt. Der Stempel 10 ist beispielsweise über eine Stempelstange 11 mittels einer nicht dargestellten hydraulischen Antriebvorrichtung antreibbar.
Ein Auslass für das Mischgut ist allgemein bekannt und nicht dargestellt. Ebenfalls sind erforderliche Kühlkanäle für das von außen über Leitungen 12 zuführbare Kühlmedium der besseren Übersicht halber nicht gezeigt.
Da sich durch den Betrieb des Innenmischers 1 die Misch-Flügel 7 und die Innenwandung abnutzen, werden der Spalt 13 zwischen Misch-Flügel 7 und Innenwandung der Mischkammer 3 sowie der Spalt 14 zwischen den beiden Misch-Flügeln 7 größer, so dass sich auch das Fassungsvermögen des Innenmischers 1 ändert. Deshalb ist auch die Menge der Mischmaterialien an das geänderte Aufnahmevolumen anzupassen.
Die 2 zeigt vereinfacht dargestellt eine alternative Mischkammer 3, bei der sich die zwei horizontal nebeneinander liegenden Zylinder bereichsweise schneiden. In den Mischkammern 3 sind die zwei Wellen 5 der Rotoren 4 mit den Rotorkörpern 6 angeordnet, an denen ineinander greifende Misch-Flügel 7 angebracht sind. Bei dieser Anordnung sind der Spalt 13 zwischen Misch-Flügel 7 und Innenwandung der Mischkammer 3 sowie der Spalt 15 zwischen Misch-Flügel 7 und dem Kerndurchmesser des Rotorkörpers 6 für eine Bestimmung der Abnutzungserscheinungen relevant.
In der 3 ist schematisch ein Rotor 4 in der Mischkammer 3 dreidimensional dargestellt. Der Rotor 4 mit Welle 5, Rotorkörper 6 und Misch-Flügel 7 befindet sich innerhalb des Gehäuses 2. Am Scheitel 16 des Misch-Flügels 7 des Rotors 4 ist für die Messung von Abnutzungserscheinungen eine Sensoranordnung 17 angebracht, die den Abstand des Scheitels 16 zu der Innenwandung der Mischkammer 3 und damit den Spalt 13 zwischen Misch-Flügel 7 und Innenwandung der Mischkammer 3 ermittelt. Die Messungen beginnen dabei, wie nachfolgend noch erläutert wird, an einer Kante 18 der Mischkammer 3, also in einem Bereich der Mischkammer 3 unterhalb des Stempels 10. Um die genaue Stellung oder Position des Rotors 4 bestimmen zu können, ist beispielsweise an der Welle 5 ein Winkel-Sensor oder Drehwinkelgeber 19 angebracht, der den Drehwinkel des Rotors 4 angibt, wie nachfolgend noch in Verbindung mit der 5 erläutert wird.
Anhand der 4 wird die Sensoranordnung 17 genauer beschrieben, die einen kapazitiven Spalt-Sensor 20 als Mess-Sensor für den Abstand zwischen Rotor 4 und Mischkammer 3 enthält. Die Ausgangssignale des Spalt-Sensors 20 werden über eine Sensorverbindung 21 an einen Sensoranschluss 22 geleitet. Dort können sie dann zur Datenerfassung abgegriffen werden. Diese Sensoranordnung 17 wird für die Messung gemäß 3 am Scheitel 16 des Misch-Flügels 7 des Rotors 4 angebracht. Anstelle einer Signalleitung kann die Sensorverbindung 21 z. B. eine Funkübertragungsstrecke aufweisen.
Die 5 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Größe der Spaltmaße oder des Spaltabstandes, bei der die Messsignale von einem Spalt-Sensor 20 oder mehreren, beispielsweise drei, Spalt-Sensoren 20 über ein Hardware-Interface 31 einem Computer 32 zugeführt werden. Dem Computer 32 wird beispielsweise über einen Controller 33 die Steuer-Software zur Verfügung gestellt. Der Drehwinkelgeber 19 ermöglicht dem Computer 32 die räumliche Zuordnung der durch die Spalt-Sensoren 20 gemessenen Abstände und damit zur Berechnung des aktuellen Verschleißes und/oder Gesamtvolumens. Dieses Gesamtvolumen kann an dem Verbindungspunkt A der 7 zur weiteren Berechnung zur Verfügung gestellt werden.
In der 6 ist ein Programmablaufplan zur Bestimmung der Spalt-Abstände mittels der Schaltungsanordnung gemäß 5 dargestellt, aus denen sich der Gesamtverschleiß und/oder das aktuelle Gesamtvolumen berechnen lassen.
In einem ersten Verfahrensschritt S1.1. erfolgt die Positionierung des Rotors 4 derart, dass der Bereich des Misch-Flügels 7, in dem die Abstandsmessung erfolgen soll vor der oberen Kante 18 einer Mischkammerseite also in einem Bereich der Mischkammer 3 unterhalb des Stempels 10 liegt. Im Verfahrensschritt S1.2 erfolgt die Befestigung des Spalt-Sensors 20 als Teil der Sensoreinrichtung 17 auf dem Misch-Flügel 7. Daraufhin wird im Verfahrensschritt S1.3 der Rotor 4 so lange gedreht, bis der Spalt-Sensor die Kante 18 der Mischkammer 3 erkennt. Anschließend wird im Schritt S1.4 der Rotor 4 um einen für jeden Innenmischer bekannten Winkel weitergedreht, wodurch der Spalt-Sensor 20 den oberen Totpunkt der Mischkammer 3 erreicht. An dieser Stelle wird im Verfahrensschritt S1.5 der Referenzwinkel (Null) gesetzt.
In weiteren Verfahrensschritten S1.6 wird der Rotor 4 aufeinanderfolgend in gleicher Richtung um vorgebbare Winkel weitergedreht und gemäß Verfahrensschritt S1.7 werden an den vorgegebenen Winkeln Abstandsmesswerte ausgegeben und abgespeichert. Die Verfahrensschritte S1.6 und S1.7 werden so lange wiederholt, bis gemäß Verfahrensschritt S1.8 der Messwinkel von 180° überschritten ist. Anschließend wird der Rotor 4 auf ca. 270° weitergedreht. Das heißt, der Rotor 4 wird auf Messwinkel zwischen 260° und 280° gedreht, und in diesem Bereich wird der kleinste Abstand ermittelt. Dieser liegt theoretisch auf 270°. Bei diesen ca. 270° wird nach Verfahrensschritt S1.9 der Abstandmesswert zwischen Misch-Flügel 7 und gegenüber liegendem Rotor 4 gemessen und abgespeichert. Anschließend wird nach Verfahrensschritt S1.10 eine Minimalwert-Speicherung vorgenommen und gemäß Verfahrensschritt S1.11 wird eine Sicherheitskopie der Messwerte erstellt. Nach Verfahrensschritt S1.12 erfolgt anschließend eine Abfrage, ob das Ende der vorgesehenen Messungen an dem Rotor erreicht ist. Falls nein wird der Rotor 4 zur Ausgangsposition gemäß S1.1 weitergedreht, und hier der Spalt-Sensor 20 in axialer Richtung auf dem Rotor 4 versetzt, woraufhin eine neue Messserie in der neuen Messebene beginnt.
Sind dagegen die Messungen am ersten Rotor 4 abgeschlossen wird gemäß Verfahrensschritt S1.13 die Messung für den zweiten Rotor 4' in Analogie zu den Verfahrensschritten S1.1 bis S1.12 aufgenommen. Gemäß Verfahrensschritt S1.14 wird abgefragt, ob dass das Ende der vorgesehenen Messungen an dem zweiten Rotor 4' erreicht ist. Falls nein, wird eine Positionierung des Rotors 4' gemäß Verfahrensschritt S1.1 vorgenommen, der Spalt-Sensor 20 wird axial auf dem zweiten Rotor 4' versetzt und die Messung beginnt in einer neuen Mess-Ebene analog Verfahrensschritt S1.3, bis S1.12.
Ist das Ende der vorgesehenen Messungen an dem zweiten Rotor 4' erreicht, so wird nach Verfahrensschritt S1.15 eine Berechnung des Gesamtverschleißes des Innenmischers an den jeweiligen Messpunkten durchgeführt.
Hier wurde das Verfahren mit einem angeschlossenen Spalt-Sensors 20 beschrieben. Sind mehrere Spalt-Sensoren 20 angeschlossen, erfolgt die Messung simultan für alle Spalt-Sensoren 20.
Mit dieser Anordnung und nach diesem Verfahren ergibt sich beispielsweise für eine Produktionsmaschine ein Messraster mit 19 radialen Messpunkten und 9 axialen Messpunkten pro Innenmischer-Seite also zusammen 171 theoretische Messpunkte.
In der 7 ist eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Größe des Verschleißes des Rotors 4 dargestellt, die eine 3D-Kamera 34 mit einer daran angeschlossenen Datenerfassung 35 zur 3D-Digitalisierung des Rotors 4 aufweist. An der Datenerfassung 35 sind ein erster Messwertspeicher 36 für ein Abbild des Rotors 4 im Neuzustand und ein zweiter Messwertspeicher 37 für ein Abbild des benutzten Rotors 4 im eingebauten Zustand angeschlossen. Diese beiden Messwertspeicher 36 und 37 sowie ein Zwischenspeicher 38, dem über den Verbindungspunkt A der Gesamtverschleiß der Mischkammer 3 und der Rotoren 4 des Innenmischers 1 von der Messvorrichtung gemäß 5 zugeführt wurde, sind mit einer Auswertevorrichtung 39 verbunden, die den Einzelverschleiß jedes Rotors 4 gemäß dem Vergleich der 3D-Messwerte und daraus den der Innenwandung des Innenmischers 1 ermittelt. Das Ergebnis der Auswertevorrichtung 39, die Volumina der Rotoren 4 und der Mischkammer 3 sowie das aktuelle Aufnahmevolumen werden mittels einer Ausgabevorrichtung 40 angezeigt. Die Ausgabevorrichtung 40 kann aber auch direkt einen neuen, optimalen Füllgrad berechnen und die dazugehörige entsprechende Materialzufuhr bzw. das Mischungsgewicht einstellen.
Die 8 zeigt ein Flussdiagramm zur Bestimmung des Verschleiß der Rotoren 4 mittels der Schaltungsanordnung gemäß 7, woraus sich unter Zuhilfenahme des Gesamtverschleißes das aktuelle Aufnahmevolumen und der aktuelle Verschleiß der Innenwandung der Mischkammer 3 berechnen lässt.
In einem ersten Verfahrensschritt S2.1 erfolgt die 3D-Digitalisierung der Rotoren 4, 4' im Neuzustand mittels der 3D-Kamera. Die 3D-Digitalisierung erfolgt vorzugsweise außerhalb des Innenmischers 1, kann aber durchaus auch im bereits eingebauten Zustand durchgeführt werden. In einem Verfahrensschritt S2.2 werden der Volumina und Außendurchmesser der Rotoren im Neuzustand errechnet. Die kompletten 3D-Signale können gespeichert werden, auf jeden Fall werden jedoch die errechneten Volumina und Durchmesser der Rotoren 4, 4' im Neuzustand gemäß Verfahrensschritt S2.3 im Speicher 36 gespeichert.
Nach einen z. B. vom Betreiber des Innenmischers 1 vorgebbaren Anzahl von Betriebsstunden kann gemäß Verfahrensschritt S2.4 eine 3D-Digitalisierung der im Innenmischer eingebauten Rotoren 4, 4' erfolgen. Auch hier werden gemäß Verfahrensschritt S2.5 die Volumina und Außendurchmesser der nunmehr gebrauchten Rotoren 4, 4' errechnet, und nach Verfahrensschritt S2.6 als aktuelle Werte gespeichert. Nunmehr können gemäß Verfahrensschritt S2.7 die aktuellen Werte mit den Werten im Neuzustand verglichen und der Verschleiße und die Volumenabnahme der Rotoren 4, 4' ermittelt werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt S2.8 erfolgt die Bestimmung des Verschleißes der Innenwandung der Mischkammer des Innenmischers 1 durch Abziehen des Verschleißes des jeweiligen Rotors 4, 4' (gemäß S2.7) und des bekannten ursprünglichen Spaltmaßes zwischen Misch Flügel 7 und der Innenwandung der Mischkammer 3 vom Gesamtverschleiß (gemäß S1.15).
In einem weiteren Verfahrensschritt S2.9 kann nunmehr das geänderte Aufnahmevolumen des Innenmischers 1 durch Berechnung des aktuellen Volumens unter Zugrundelegung des Verschleißes (gemäß S2.8) mittels eines Algorithmus und Abziehen der aktuellen Rotorvolumina (gemäß S2.6) ermittelt werden Um optimale Füllgrade zu erhalten, kann in einem letzten Verfahrensschritt S2.10 dann eine Steuerung des Füllgrades beispielsweise durch ein erhöhtes Zugabe Gewicht der Rohmaterialien erfolgen.
Durch diese erfindungsgemäßen Messverfahren lässt sich frühzeitig erkennen, wann ein Rotor 4, 4' ausgewechselt werden sollte. Durch die Digitalisierung der gebrauchten Rotoren 4, 4' im eingebauten Zustand lässt sich ein Abbild der Rotoren 4, 4' erstellen, welches mit ebenfalls digitalisierten Abbildern der Rotoren 4, 4' im Neuzustand verglichen wird. Darüber lässt sich der Verschleiß der Rotoren 4, 4' ermitteln. Man kann mit diesen Messmethoden frühzeitig erkennen, wann die Rotoren 4, 4' ausgebaut werden müssen.
Um genaue Werte der Spaltabstände zu erhalten, wurde die insbesondere anhand der 5 und 6 beschriebene digitale Spaltmessung im Innenmischer eingesetzt. Zunächst wurden besonders dünne flexibler Spalt-Sensoren 20 für die Verschleißmessung von Mischkammern und Rotoren ausgebildet, die überhaupt in den Spalt zwischen Rotor 4 und der Innenwand-Panzerung der Mischkammer 3 passen. Die Dicke des Spalt-Sensors 20 ist geringer als die Größe des zu messenden Spaltes. Mit ihm lässt sich eine Spaltbreite von ca. 3 mm bis 15 mm messen. Einer oder auch mehrere dieser Spalt-Sensoren 20 werden auf den Scheitel 16 des Rotorflügels 4 befestigt. Der Rotor 4 wird von Hand oder motorisch gedreht. Dabei wird in einem Raster jeweils die Entfernung von Scheitel 16 zur Innenwand der Mischkammer 3 gemessen. Anschließend wird der Spalt-Sensor 20 auf eine andere Stelle des Rotors 4 geklebt und wieder gedreht. Beispielsweise werden die Spalt-Sensoren 20 in einem äquidistanten Abstand von der Seitenwand eingesetzt, bis dann über die ganze Breite des Rotors 4 gemessen worden ist. Anhand der rastermäßigen Messpunkte lässt sich der Verschleiß in der gesamten Maschine bestimmen.
Bei den Spalt-Sensoren 20 handelt es sich um besonders dünne Sensoren, die in einseitiger Richtung kapazitiv messen. Dabei wird, unter Einberechnung der Abmessungen des Spalt-Sensors 20 jeweils der Gesamtverschleiß zwischen Rotor und Mischkammer, d. h. der Verschleiß sowohl auf dem Rotorflügel 4 als auch in der Mischkammer 3 ermittelt.
Das neue Messverfahren liefert flächendeckend äußerst präzise und reproduzierbare Messergebnisse. Das nahezu automatisierte Messverfahren führt zu einem schnellen Messablauf und einer geringen Fehlerquote.
Um frühzeitig erkennen zu können, wann ein Rotor 4 ausgewechselt werden sollte, wird auch die insbesondere anhand der 7 und 8 beschriebene 3D-Digitalisierung eingesetzt. Dieses an sich bekannte Prinzip der 3D-Digitalisierung wird nun bei einem Innenmischer 1, insbesondere bei eingebauten Rotoren 4 in Innenmischern 1 verwendet. Durch die Digitalisierung des gebrauchten Rotors 4 im eingebauten Zustand lässt sich ein Abbild des Rotors 4 erstellen, welches mit einem ebenfalls digitalisierten Abbild des Rotors 4 im Neuzustand verglichen wird. Darüber lässt sich der Verschleiß des Rotors 4 ermitteln. Da Rotoren lange Lieferzeiten haben, ist es wünschenswert, den Zeitpunkt des Ausfalls frühzeitig zu wissen. Dann kann der Betreiber der Anlage die Bestellung von neuen Rotoren 4 so frühzeitig auslösen, so dass die neuen Rotoren 4, 4' schon vor dem Zeitpunkt des Ausfalls zur Verfügung stehen und ausgetauscht werden können.
Aber auch der Gesamtverschleiß, welcher sowohl den Verschleiß der Innenwand der Mischkammer 3 als auch den des Rotors 4 darstellt, kann verwendet werden, um einen zeitlichen Anhalt für einen erforderlichen Austausch der Rotoren und ggf. für die Überarbeitung der Innenpanzerung des Innenmischers zu erhalten.
Insgesamt kann mit den verschiedenen Messergebnissen ein sich änderndes Aufnahmevolumen eines Innenmischers 1 genauer ermittelt werden als z. B. durch ”Auslitern” mit Wasser oder Granulat. Um immer noch eine optimale Mischwirkung zu erhalten, kann dann ggf. das Zugabe Gewicht der Rohmaterialien erhöht werden.
Durch die 3D-Digitalisierung der Rotoren 4 im eingebauten Zustand und den Vergleich mit den Messdaten im Neuzustand erhält man eine exakte Beurteilung der Rotorvolumina. Das Leervolumen der Mischkammer hat sich im Laufe der Zeit um den Betrag des Volumens, den die beiden Rotoren abgenommen haben, erhöht.
In Kombination mit der bereits digital durchgeführten Ermittlung der Spaltmaße zwischen Rotor 4 und Mischkammer 3 besteht nun die Möglichkeit, den aktuellen Verschleiß an den beiden Mischkammern sehr genau zu ermitteln und daraus das durch den Verschleiß der Panzerung zugenommene Aufnahmevolumen der Mischkammer 3 zu berechnen.
Bezugszeichenliste

1: Innenmischer
2: Gehäuse
3: Mischkammer
4: Rotoren
5: Wellen
6: Rotorkörper
7: Misch-Flügel
8: erste Zufuhr
9: zweite Zufuhr
10: Stempel
11: Stempelstange
12: Leitungen
13: Spalt zwischen Misch-Flügel und Wandung der Mischkammer
14: Spalt zwischen Misch-Flügeln
15: Spalt zwischen Misch-Flügel und Kernbereich der Rotoren
16: Scheitel des Misch-Flügels
17: Sensoranordnung
18: Kante der Mischkammer
19: Drehwinkelgeber
20: Spalt-Sensor
21: Sensorverbindung
22: Sensoranschluss
31: Hardware-Interface
32: Computer
33: Controller mit Steuer-Software
34: 3D-Kamera
35: Datenerfassung
36: erster Messwertspeicher für Abbildung der Rotorschnecken im Neuzustand
37: zweiter Messwertspeicher für Abbildung der Rotorschnecken im eingebauten Zustand
38: Zwischenspeicher
39: Auswertevorrichtung
40: Ausgabevorrichtung
S1.1 bis S1.15: Verfahrensschritte eines ersten Messverfahrens
S2.1 bis S2.10: Verfahrensschritte eines zweiten Messverfahrens

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015-167880 A [0006]
WO 2016/024435 A1 [0007]

Claims

Messvorrichtung zur Bestimmung des Verschleißes eines Innenmischers (1) zum Kneten von plastischen Massen, insbesondere von Kunststoff- oder Kautschukmischungen, der ein Gehäuse (2) mit einer Mischkammer (3), mit zwei in der Mischkammer (3) achsparallel angeordneten, gegensinnig angetriebenen Rotoren (4) die Wellen (5) und Rotorkörper (6) aufweisen, wobei jeder Rotorkörper (6) mit mindestens einem schraubenlinienförmig verlaufenden Misch-Flügel (7) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Scheitel (16) wenigstens eines Misch-Flügels (7) des Rotors (4) eine Sensoranordnung (17) befestigbar ist, die wenigstens einen Spalt-Sensor (20) als Mess-Sensor für den Abstand von sich gegeneinander bewegbaren Teilen aufweist, dass ein Drehwinkelgeber (19) an wenigstens einer Welle (5) zur Bestimmung der genauen Stellung oder Position des Rotors (4) und des Spalt-Sensors (20) anbringbar ist und dass eine Schaltungsanordnung (31 bis 33) die von der Sensoranordnung (17) gemessenen Werte zur Bestimmung des Gesamtverschleißes sowohl des Rotors (4) als auch der Innenwandung der Mischkammer (3) und/oder zur Berechnung des aktuellen Gesamtvolumens der Mischkammer (3) auswertet.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- und/oder Ausgangssignale des Spalt-Sensors (20) über eine Sensorverbindung (21) an einen Sensoranschluss (22) geleitet werden.
Messvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorverbindung (21) eine elektrische Leitung oder eine Funkstrecke ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale am Sensoranschluss (22) zur Datenerfassung abgegriffen und über einem Hardware-Interface (31) der Schaltungsanordnung (31 bis 33) einem Computer (32) zugeführt werden, dem über einen Controller (33) eine Steuer-Software zur Verfügung gestellt ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Schaltungsanordnung (34 bis 40) zur Darstellung der Größe des Verschleißes jedes Rotors (4) vorgesehen ist, die eine 3D-Kamera (34) mit einer daran angeschlossenen Datenerfassung (35) zur 3D-Digitalisierung des Rotors (4) aufweist, an der ein erster Messwertspeicher (36) für ein Abbild des Rotors (4) im Neuzustand und ein zweiter Messwertspeicher (37) für ein Abbild des benutzten Rotors (4) im eingebauten Zustand angeschlossen sind, und dass die Messwertspeicher (36 und 37) mit einer Auswertevorrichtung (39) zur Bestimmung des Einzelverschleißes jedes Rotors (4) verbunden sind, wobei der ermittelte Einzelverschleiß einer Ausgabevorrichtung (40) zugeführt wird.
Messvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswertevorrichtung (39) über einen Zwischenspeicher (38) der Gesamtverschleiß der Mischkammer (3) und des Rotors (4) zur Berechnung des Verschleißes der Innenwandung des Innenmischers (1) zugeführt wird.
Messvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabevorrichtung (40) derart ausgebildet ist, dass sie die Volumina der Rotoren (4) und der Mischkammer (3) und/oder das aktuelle Aufnahmevolumen anzeigt.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabevorrichtung (40) derart ausgebildet ist, dass sie den optimalen Füllgrad für den Innenmischer (1) aufgrund sich ändernder Mischkammer-Volumina neu berechnet und die jeweiligen Füllmengen einstellt.
Messverfahren für eine Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit folgenden Schritten: S1.1 Positionierung des Rotors derart, dass der Bereich des Misch-Flügels, in dem die Abstandsmessung erfolgen soll vor der oberen Kante einer Mischkammerseite liegt, S1.2 Befestigung des Spalt-Sensors auf dem Misch-Flügel, S1.3 Drehung des Rotors, bis der Spalt-Sensor die Kante der Mischkammer erkennt, S1.4 Weiterdrehen des Rotors um einen für jeden Innenmischer bekannten Winkel, wodurch der Sensor den oberen Totpunkt der Mischkammer erreicht, S1.5 Setzen des Referenzwinkels (Null) an dieser Position, S1.6 aufeinanderfolgendes Weiterdrehen des Rotors in gleicher Richtung um vorgebbare Winkel, S1.7 Ausgeben der Abstandsmesswerte an den vorgegebenen Winkeln und abspeichern der ausgegebenen Messwerte, S1.8 Nach Überschreitung des Messwinkels von 180° Weiterdrehen des Rotors auf ca. 270°, S1.9 Ausgeben des Abstandmesswertes bei ca. 270° und abspeichern des ausgegebenen Messwertes, S1.10 Minimalwert-Speicherung, S1.11 Erstellung einer Sicherheitskopie der Messwerte, S1.12 Abfrage, ob das Ende der vorgesehenen Messungen an dem Rotor erreicht ist. Falls nein, Positionierung gemäß S1.1, axiales Versetzung des Spalt-Sensors auf dem Rotor und die Messung beginnt in einer neuen Mess-Ebene bei Verfahrensschritt S1.3, S1.13 Falls ja, Messbeginn für den zweiten Rotor bei Position S1.1, S1.14 Abfrage, ob das Ende der vorgesehenen Messungen an dem zweiten Rotor erreicht ist. Falls nein, Positionierung gemäß S1.1, axiales Versetzung des Spalt-Sensors auf dem zweiten Rotor und die Messung beginnt in einer neuen Mess-Ebene bei Verfahrensschritt S1.3, S1.15 Falls ja, Berechnung des Gesamtverschleißes des Innenmischers an den jeweiligen Messpunkten.
Messverfahren für eine Messvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Spalt-Sensoren (20) angeschlossen sind und der Messablauf simultan für alle Spalt-Sensoren (20) gemäß den Verfahrensschritten S1.1 bis S1.12 erfolgt.
Messverfahren für eine Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitskopie der Messwerte gemäß Verfahrensschritt S1.11 durch die Steuer-Software des Controllers (33) erstellt wird.
Messverfahren für eine Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit folgenden Schritten: S2.1 3D-Digitalisierung der Rotoren im Neuzustand mittels der 3D-Kamera, S2.2 Errechnung der Volumina und Außendurchmesser der Rotoren im Neuzustand, S2.3 Speicherung der Signale der 3D-Kamera und der errechneten Volumina und Durchmesser von den Rotoren im Neuzustand, S2.4 3D-Digitalisierung der im Innenmischer eingebauten Rotoren nach einer vorgebbaren Anzahl von Betriebsstunden, S2.5 Errechnung der Volumina und Außendurchmesser der gebrauchten Rotoren, S2.6 Speicherung der Signale der 3D-Kamera und der errechneten Volumina und Durchmesser von den gebrauchten Rotoren als aktuelle Werte, S2.7 Vergleich der aktuellen Werte mit den Werten im Neuzustand und Bestimmung des Verschleißes und der Volumenabnahme der Rotoren.
Messverfahren für eine Messvorrichtung nach Anspruch 12, mit folgendem weiteren Schritt: S2.8 Bestimmung des Verschleißes der Innenwandung der Mischkammer (3) des Innenmischers (1) durch Abziehen des Verschleißes des jeweiligen Rotors (4) (gemäß S2.7) und des bekannten ursprünglichen Spaltmaßes zwischen Misch-Flügel und der Innenwandung der Mischkammer vom Gesamtverschleiß (gemäß S1.15).
Messverfahren für eine Messvorrichtung nach Anspruch 13, mit folgendem weiteren Schritt: S2.9 Ermittlung des geänderten Aufnahmevolumens des Innenmischers durch Berechnung des aktuellen Volumens unter Zugrundelegung des Verschleißes (gemäß S2.8) mittels eines Algorithmus und abziehen der aktuellen Rotorvolumina (gemäß S2.6).
Messverfahren für eine Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, mit folgendem weiteren Schritt: S2.10 Steuerung des Füllgrades des Innenmischers durch Veränderung des Füllgewichtes.
Messverfahren für eine Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Digitalisierung der Rotoren (4) im Neuzustand gemäß Verfahrensschritt S2.1 vor dem Einbau in den Innenmischer oder in eingebautem Zustand der Rotoren (4) erfolgt.
Messverfahren für eine Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die 3D-Digitalisierung der Rotoren (4) gemäß Verfahrensschritt S2.1 digitalisierten Daten des Abbildes der Rotoren (4) im Neuzustand im ersten Messwertspeicher (36) abgelegt werden.
Messverfahren für eine Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Füllgrades gemäß Verfahrensschritt S2.10 durch geänderte Zugabe der Rohmaterialien erfolgt.