DE19601947C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verfolgung der Aushärtung von vernetzenden Harzen - Google Patents

Description

Eine wichtige Klasse von Polymeren sind die vernetzenden Systeme, oft auch als Harze bezeichnet. Im Gegensatz zu Thermoplasten werden vernetzende Polymere als Duroplaste bezeichnet. Harze werden in der Regel mit verschiedenen Füllstoffen kombiniert, um daraus Formmassen herzustellen. Infolge der Vernetzung härtet das Material aus. Der Verlauf der Aushärtung und der erreichte Aushärtungszustand bestimmt die Qualität des Produkts wesentlich Informationen über den erreichten Aushärtungszustand erlauben die Optimierung der Härtungszeit und die Vermeidung von Unter- wie auch Überhärtung. Daher sind sowohl Formmassenentwickler als auch Produzenten von Formteilen stark an solchen Informationen interessiert.

Es gibt zahlreiche Bestrebungen, Methoden zur Erfassung der Aushärtung zu entwickeln. Eine bekannte Methode besteht darin, die Formmasse bei der Härtungstemperatur zukneten und anhand der dafür notwendigen Kraft auf den Härtungsverlauf zu schließen. In der DE 24 54 600 A1 wird diese Methode beschrieben. Die DE 28 29 450 A1 hat zum Inhalt, auf den Härtungszustand anhand der bei der Härtungsreaktion entstehenden Wärme, die mit thermoelektrischen Meßfühlern erfaßt werden kann, zu schließen.

Soll der Härtungsverlauf direkt am Formteil beobachtet werden, so bietet sich die Messung der dielektrischen Eigenschaften der Formmasse an. Es ist seit längerem bekannt, daß sich bei einer Reihe von Harzen, wie den Epoxydharzen, infolge der Vernetzung die Beweglichkeit polarer Gruppen und Ionen im elektrischen Wechselfeld charakteristisch vermindert. Diese Einschränkung der Bewegungsmöglichkeiten spiegelt sich in der Änderung von Kapazität und dielektrischem Verlustfaktor tanδ und den daraus abgeleiteten dielektrischen Kennwerten ε′ und ε′′ wider. Es sei hier z. B. auf einen zusammenfassenden Artikel "Dielectric Analysis of Thermoset Cure" von S.D. Senturia in Advances in Polymer Science, Band 80, 1986, Herausgeber N.F. Sheppard, verwiesen. Neben den Epoxydharzen wurden die dielektrischen Untersuchungen zur Aushärtungskontrolle auch auf die Klasse ungesättigter Polyesterharze ausgedehnt. Diese Harze werden zur Herstellung von sogenannten SMC- und BMC-Materialien (sheet moulding compounds, bulk moulding compounds) eingesetzt. Zu diesem Problemkreis sind eine Reihe von Publikationen erschienen, z. B. M. Stöger, W. Michaeli, "Prozeßüberwachung durch dielektrische Vernetzungskontrolle bei der BMC- Verarbeitung", Tagungsband 6. Int. Duroplasttagung, 19.-20.3. 1992 Würzburg S. 73, W. Michaeli, M. Stöger "Prozeßüberwachung bei der Duroplastverarbeitung mit Hilfe der Dielektrometrie", Kunststoffberater 1/2 (1993), S. 38.

Der wesentliche Vorteil der dielektrischen Aushärtungskontrolle liegt in der besonderen Einfachheit des dielektrischen Sensors, der im Prinzip einen mit Harz gefüllten Kondensator darstellt. Ein solcher Kondensator läßt sich relativ problemlos in einem Werkzeug anordnen. Auch die Verwendung als im Formteil verbleibender Opfersensor ist möglich. Darüber hinaus handelt es sich um eine elektrische Methode, so daß die Signalerfassung und Weiterverarbeitung einfach ist.

Die Methode der dielektrischen Aushärtungskontrolle findet sich auch in der Patentliteratur wieder. So ist z. B. in der DE 40 19 869 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Viskosität von Harzen während des Aushärtungsprozesses beschrieben. Die dielektrischen Kennwerte stehen in Zusammenhang mit der gesuchten Viskosität. An die Sensorelektroden wird eine Wechselspannung angelegt und Amplitudendämpfung und Phasenverschiebung der Ausgangsspannung gemessen, aus denen die dielektrischen Größen berechnet werden können.

In der DE 41 20 573 A1 ist eine Spezifizierung der Meßmethode, als dielektrische Spektroskopie bezeichnet, beschrieben. Der Gedanke des Verfahrens ist dabei, die Frequenzabhängigkeit des kapazitiven Anteils am Wechselstromwiderstand auszunutzen und anhand der gemessenen Werte von ohmschem und kapazitivem Widerstand die Meßfrequenz während der Aushärtung laufend zu variieren, so daß tanδ auf einem hohen Niveau konstant bleibt und eine hohe Meßgenauigkeit erreicht wird. Die Ermittlung von ohmschem und kapazitivem Widerstand und die Steuerung der Frequenz übernimmt ein Computer.

Die dielektrische Meßtechnik hat in Meß- und Prüflaboratorien eine weite Verbreitung gefunden. Kommerziell erhältliche LCR-Meßbrücken, Impedanz- oder Gain/Phase- Analyzer werden von einer Reihe Firmen wie z. B. Hewlett-Packard und Schlumberger angeboten.

Der Nachteil kommerzieller Meßbrücken ist der hohe Preis, die Größe der Geräte und die Auslegung für den Laborbetrieb. Für einen Einsatz im Fertigungsprozeß, z. B. an einer Presse oder Spritzgießmaschine, sind solche Geräte nicht geeignet. Hinzukommt, daß sie sich nur schwer in die Prozeßsteuerung integrieren lassen. Hierfür werden sehr kleine, robuste und vom Fertigungspersonal problemlos zu bedienende Meßvorrichtungen benötigt. In der Tat sind bereits Meßgeräte zur dielektrischen Aushärtungskontrolle im Angebot. Beispielhaft sei hier auf Firmenschriften der Firmen Micromet Instruments und GEL-Instrumente AG verwiesen. Von M. Stöger wird in der Dissertation "Dielektrische Vernetzungsüberwachung zur Kontrolle und Optimierung duromerverarbeitender Prozesse", Technische Hochschule RWTH Aachen, 1993 ebenfalls eine eigens für die Aushärtungskontrolle entwickelte Meßvorrichtung verwendet. Grundelement ist eine Oszillatorschaltung zur Erzeugung ungedämpfter harmonischer Schwingungen, in die der dielektrische Sensor als Kapazität integriert ist. Eine Änderung des Leitwerts im dielektrischen Sensor ruft eine Änderung der Schwingungsdämpfung hervor, die durch eine Analog-Regelung auskompensiert wird. Die Regelgröße enthält die Information über den Leitwert. Aus der sich einstellenden Frequenz wird auf die Kapazität geschlossen.

Im Gegensatz zu den Epoxyd- und ungesättigten Polyesterharzen, bei denen die Vernetzungsreaktion ohne Bildung von Nebenprodukte abläuft, werden bei der Klasse der durch eine Polykondensationsreaktion vernetzenden Harze Nebenprodukte wie Wasser oder Ammoniak abgespalten. Zu dieser Klasse zählen so wichtige und in großen Mengen verkaufte Formmassen wie die Phenol-, Melamin- und Harnstoffharze. Die Gegenwart von Nebenprodukten bedingt eine Reihe von Problemen bei der dielektrischen Messung: Sie erhöhen die Grundleitfähigkeit und beeinflussen daher die gemessenen dielektrischen Kennwerte. Die durch Hartung bewirkten Änderungen werden oft so stark überlagert, daß die Auswertung kompliziert bzw. nach den bisher üblichen Verfahren unmöglich wird. Hinzu kommt, daß die für die verschiedenen Formmassetypen unterschiedlichen Füllstoffe und Beimengungen die Leitfähigkeit zusätzlich stark modifizieren können. Die bisher vorhandene Meßtechnik kann dieses Problem nicht lösen, da sie statisch auf einen bestimmten Meßzweck ausgelegt ist. Wie unsere umfangreichen Untersuchungen gezeigt haben, läßt sich ein Teil der Probleme meistern, wenn man die Meß- und Auswertebedingungen flexibel an die Spezifik der jeweiligen Formmasse, am besten in Form von in die Software integriertem Expertenwissen, anpaßt. So kann durch Wahl der Meßfrequenz, gegebenenfalls auch die Nutzung mehrerer Frequenzen und eine unterschiedliche Wichtung ohmscher und kapazitiver Sensorstrome auch bei problematischen Formmassen noch die Aushartung sicher verfolgt werden. Dieses Vorgehen verlangt hinsichtlich Meßparameterwahl und Auswertestrategie nach einem sehr flexiblen Meßverfahren. Nachteil der vorhandenen Meßtechnik ist, daß sie die Vorgabe des Meßregimes verlangt und in der Regel durch Auswertung der Meßergebnisse nicht unmittelbar auf die Meßbedingungen zurückgewirkt werden kann. In der DE 41 20 573 A1 wird zwar auch mit einer Anpassung der Meßparameter gearbeitet, allerdings wird dort durch eine Steuerung der Meßfrequenz tanδ konstant gehalten. Bei den meisten polykondensierenden Formmassen ist aber gerade tanδ durch eine ansteigende Grundleitfähigkeit in einem erheblichen Maße verfälscht und daher als Meßgröße ungeeignet.

Ziel der Erfindung ist es, Verfahren und Meßvorrichtung zur dielektrischen Aushärtungskontrolle zu entwickeln, die bei einer Vielzahl von vernetzenden Harzen, insbesondere aber polykondensierenden Harzen, eingesetzt werden können. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Computer mit einer möglichst einfachen Meßschaltung zu kombinieren und über die Steuer- und Meßsoftware des Computers die Abarbeitung der Verfahrensschritte zur Ermittlung der dielektrischen Kennwerte aus den Sensorsignalen zu realisieren.

Die erfindungsgemäße Schaltung soll anhand von Fig. 1 erläutert werden. Sie besteht aus folgenden handelsüblichen Grundelementen oder aus solchen zusammengesetzten Funktionseinheiten:

1 - Steuer- und Meßcomputer
2 - Analog-Digital-Wandler (A/D),
3 - Digital-Analog-Wandler (D/A),
4 - Wechselspannungsgenerator mit spannungsgesteuerter Frequenz,
5 - kapazitiver Sensor
6 - Strom-Spannungs-Wandler
7 - Verstärker mit spannungsgesteuertem Verstärkungsfaktor.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung soll anhand Fig. 1 erläutert werden. Der Computer 1 ist über die Steuerleitung 8 mit dem steuerbaren Wechselspanungsgenerator 4 bzw. über die Steuerleitung 9 mit dem steuerbaren Verstärker 7 verbunden. Über die Steuerleitung 8 kann die Frequenz, über die Steuerleitung 9 der Verstärkungsfaktor eingestellt werden. Als Meßsignale werden über die Meßleitung 10 die Anregungswechselspannung des Generators 4 und über die Meßleitung 11 das dem durch den Sensor fließenden Strom äquivalente, nachverstärkte Meßsignal am Verstärker 7 abgegriffen. Der Meßstrom wird zuvor im Strom-Spannungs-Wandler 6 in eine äquivalente Meßspannung umgewandelt.

Der gesamte Meßablauf wird vom Computer 1 gesteuert. Die dabei von der Software zu realisierenden erfindungsgemäßen Verfahrensschritte sind:

• - Vorgabe einer Meßfrequenz durch Bereitstellung der entsprechenden Steuerspannung am Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 3 des Computers 1 an Steuerleitung 8,
• - Vorgabe einer Initialverstärkung durch Bereitstellung der entsprechenden Steuerspannung am Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 3 an Steuerleitung 9,
• - Einlesen mehrerer Perioden der Anregungsspannung von Meßleitung 10 und der Signalspannung von Meßleitung 11 in den Analog-Digital-Wandler 2 durch ständigen Wechsel zwischen den beiden Meßkanälen mit hoher Taktrate und konstanter Zeitverschiebung zwischen den Messungen auf beiden Kanälen und Abspeicherung als Datensätze,
• - Signalaufbereitung der gespeicherten Datensätze, z. B. durch Filterfunktion, Aufintegration und Mittelung,
• - Fourieranalyse der Anregungswechselspannung und der Signalwechselspannung, Abspeichern von Amplitude der Grundfrequenz und Phasenlage beider Spannungen,
• - im Computer 1 anhand der Verstärkerkennlinie Steuerspannung berechnen, die notwendig ist, damit die vorgegebene Ausgangsspannung des Verstärkers erreicht wird,
• - Generieren der Steuerspannung am D/A-Wandler 3 und Anlegen an Steuerleitung 9,
• - Speichern der Steuerspannung für Verstärker als Information über Amplitude des Stromsignals,
• - erneutes Einlesen mehrerer Perioden der Anregungsspannung von Meßleitung 10 und der Signalspannung von Meßleitung 11 in den Analog-Digital-Wandler 2 durch ständigen Wechsel zwischen den beiden Meßkanälen mit hoher Taktrate und konstanter Zeitverschiebung zwischen den Messungen auf beiden Kanälen und Abspeicherung als Datensätze,
• - Signalaufbereitung der gespeicherten Datensätze, z. B. durch Filterfunktion, Aufintegration und Mittelung,
• - Fourieranalyse der Anregungswechselspannung und der Signalwechselspannung, Abspeichern von Amplitude der Grundfrequenz und Phasenlage beider Spannungen,
• - im Computer 1 anhand des Amplitudenwerts der Signalwechselspannung kontrollieren, ob die für den Verstärkerausgang vorgegebene Spannung erreicht wurde,
• - wenn diese bis auf vorgegebenen Grenzwert erreicht wurde, die Messung für gültig erklären und aus der Steuerspannung des Verstärkers Stromamplitude und aus Differenz der Phasenlagen von Anregungs- und Signalspannung die Phasenverschiebung berechnen und abspeichern,
• - wenn die Bedingung nicht erfüllt wurde, Steuerspannung des Verstärkers wie oben neu einstellen und nochmals mit Einlesen der Anregungs- und Signalspannung beginnen,
• - aus Stromamplitude und Phasenlage Ströme mit 90° und 0°-Phasenlage berechnen, daraus kapazitiven und ohmschen Widerstand und unter Einbeziehung der Sensorgeometrie die dielektrischen Kennwerte ε′ und ε′′ berechnen,
• - Meßzyklus sofort oder nach programmierter Zeitverzögerung wiederholen,
• - dielektrische Kennwerte als Funktion der Zeit abspeichern und graphisch darstellen,
• - gegebenenfalls Bewertung der Kennwertverläufe vornehmen und in die Maschinensteuerung eingreifen.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Meßverfahrens und der Vorrichtung stellen sich wie folgt dar:
Die Meßschaltung ist einfach und preiswert zu realisieren.

Der Steuer- und Meßcomputer bietet die Möglichkeit, auf die Meßparameter sehr flexibel Einfluß zu nehmen.

Die automatische Auswahl des richtigen Verstärkungsbereichs senkt den Bedienungsaufwand. Probemessungen zur Einstellung der Meßparameter können entfallen.

Dem Nutzer werden je nach Ausgestaltung der Software eine Reihe Entscheidungen abgenommen, bzw. er kann sich anhand der Beurteilung der Signalverläufe für eine bestimmte Meß- und Auswertestrategie entscheiden.

Es ist ein leichtes, das Expertenwissen über den Signalverlauf bei verschiedenen Formmassetypen in die Meßstrategie einzubeziehen. So kann durch das Programm passend zum eingegebenen Formmassenamen ein gespeicherter Satz Meßparameter aufgerufen werden. Von vornherein kann z. B. eine optimale Frequenz vorgegeben, diese im Verlauf der Härtung auch geändert oder auch bei mehreren Frequenzen gemessen werden. Gerade die Messung bei mehreren Frequenzen bietet die Möglichkeit, die frequenzkorrigierte dielektrische Leitfähigkeit zu berechnen und daraus den Anteil des ohmschen Stroms direkt zu ermitteln. Daraus wiederum lassen sich mitunter Rückschlüsse auf die Verfälschung der Meßwerte durch eine Zunahme der Leitfähigkeit infolge der Bildung von Reaktionsprodukten ziehen. Die Meßstrategie kann auch so gewählt werden, daß vom Nutzer eine Auswahl getroffen wird, ob kapazitiver (90° Phasenverschiebung) oder ohmscher Strom (0° Phasenverschiebung) den Aushärtungsverlauf am besten repräsentieren. In der Regel spiegelt sich die Aushärtung im nicht phasenverschobenen, d. h. ohmschen Anteil des Stroms besser wider. Bei einigen Formmassetypen ist die Leitfähigkeitszunahme infolge der Reaktionsprodukte aber so hoch, daß diese Auswertung versagt. Hier kann dann auf die in der Regel schwieriger zu messende Änderung der Kapazität umgeschaltet werden. Zur Erhöhung des kapazitiven Stromanteils kann die Frequenz erhöht werden. Der Computer kann den Integrationsfaktor (Zahl der Schwingungen) und die Signalfilterung so einstellen, daß auch bei schwierigen Meßbedingungen der 90° phasenverschobene Strom auswertbar bleibt.

Der Computer startet die Messung, indem er über die Steuerleitung 8 eine Frequenz vorgibt, automatisch den Verstärker 7 so steuert, daß die vorgegebene Ausgangsspannung am Verstärker realisiert wird. Damit stehen für die Auswertung der Phasenbeziehung am Analog- Digitalwandlung zwei Meßspannungen etwa gleicher Größe bereit, so daß der Vorverstärker des A/D-Wandlers nicht bei jedem Wechsel des Meßkanals umgeschaltet werden muß. In den technischen Unterlagen von A/D-Wandlerkarten findet sich oft der Hinweis, daß der Vorverstärker des A/D-Wandlers eingeschwungen sein muß, bevor die Daten gültig sind. Da man aber keine Mitteilung über den Einschwingzustand bekommt, muß nach jedem Wechsel des Verstärkungsfaktors eine Totzeit vorgesehen werden, bevor die Meßwerte gültig sind. Wegen der Bereitstellung von zwei Meßspannungen etwa gleichen und bekannten Pegels, die man am günstigsten in den Bereich von 1 bis 10 V legt, sind die Anforderungen an die Empfindlichkeit des Vorverstärker der A/D-Wandlerkarte minimal und es können relativ preiswerte A/D-Karten eingesetzt werden. Die vorgegebene Verstärkerausgangsspannung legt man am günstigsten in die obere Hälfte des Meßbereichs des A/D-Wandlers, da hier die größte Meßgenauigkeit zu realisieren ist.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 2 sieht vor, die Messung von außen über einen binären Eingangskanal 12 zu triggern, indem z. B. am Werkzeug ein Schalter 13 angebracht wird, der beim Zufahren geschlossen wird. Der binäre Eingang 12 wird vom Meßprogramm ständig überwacht.

Da der Steuer- und Meßcomputer laufend die dielektrischen Kennwerte liefert, bietet sich die einfache Möglichkeit, bei Erreichen eines bestimmten Signalverlaufs auf die Verarbeitungsmaschine einzuwirken. Entsprechend Fig. 3 gibt der Computer 1 an einer Steuerschnittstelle 14 ein Steuersignal ab, das in die Maschinensteuerung über eine Steuerschnittstelle 15 eingebunden ist. Im Normalfall wäre das z. B. die Beendigung der Aushärtung durch gesteuertes Auffahren des Werkzeugs. Es ist aber auch die Regelung anderer Maschinenparameter, wie die Änderung der Werkzeugtemperatur bei zu schneller oder zu langsamer Aushärtung denkbar.

Die Kombination mit mehreren Meßsensoren ist in Fig. 4 für 3 Sensoren gezeigt. Der Computer 1 verfügt über eine mehrkanalige Steuerschnittstelle 16, von wo aus über die Steuerleitungen 17, 18, 19 steuerbare Schalter 20, 21, 22 betätigt werden, die jeweils einen der drei Sensoren 23, 24, 25 mit der Eingangsspannung versorgen.

Ausführungsbeispiel 1

Für die Grundgestaltung gemäß Fig. 1 soll eine nähere Erläuterung geben werden. Als Steuer- und Meßcomputer wird z. B. ein handelsüblicher PC mit einem Intel 80486er Prozessor und 66 MHz Taktrate benutzt. Auf dem ISA-Port des Computers ist eine handelsübliche A/D-D/A-Karte, die über je 8 Eingängen und 2 binären Ein- und 2 binären Ausgängen verfügt, installiert. Die A/D-Wandlung wird mit einer Taktrate von 300 kHz und einer Auflösung von 12 Bit vorgenommen. Für die D/A-Wandlung beträgt die Auflösung 12 Bit.

Für den Aufbau der Meßschaltung werden kommerziell erhältliche integrierte Bauelemente (IC′s) eingesetzt. Als spannungsgesteuerter Wechselspannungsgenerator 4 wird ein Typ mit 0,355 mV/Hz eingesetzt, der eine Wechselspannung von 8 V Pegel in einem Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 10 MHz generieren kann. Der handelsübliche Sensor besteht aus einer isolierten Elektrode die in das Werkzeug integriert ist. Die zweite Platte wird vom Werkzeug gebildet. Der Strom-Spannungs-Konverter wird durch Verschaltung von 3 Operationsverstärkern in Präzisionsamperemeter-Schaltung realisiert. Für den spannungsgesteuerten Verstärker wird ein handelsüblicher Multiplizierer-IC eingesetzt der hier als Dividierer betrieben wird. Der Verstärkungsgrad wird durch eine Steuerspannung von <0 bis 10 V verändert. Die gesamte Schaltung ist auf einer Einschubkarte für Computer aufgebaut, so daß sie in den ISA-Port des Computers paßt und von diesem mit Betriebsspannung versorgt wird. Die koaxialen Anschlüsse für den Sensor und die Steuer- und Meßleitung sind nach hinten aus dem Computer herausgeführt.

Nach Anschalten und Booten des Computers wird das Meßprogramm aufgerufen. Dieses erfragt im Dialog den Meßauftrag und stellt die Steuerspannung für eine vorgegebene Anfangsverstärkung bereit. Danach wird die Steuerspannung für die gewünschte Frequenz ausgegeben. Die Eingangsspannung wird an Kanal 1 und die Signalspannung an Kanal 2 des A/D-Wandlers eingelesen und als Feldvariable gespeichert. Aus den digitalisierten Werten werden je n Wellenzüge für die Fourieranalyse ausgewählt und diese durchgeführt. Das Meßfenster wird passend zur Frequenz so groß gewählt, daß mindestens n Wellenzüge für die Fourieranalyse zur Verfügung stehen. Aus der Fourieranalyse wird die Amplitude der Grundschwingung beider Signale ausgewertet. Anhand der Amplitude der Signalspannung wird die Abweichung zur vorgegebenen Ausgangsspannung des Verstärker ermittelt. Aus der Differenz wird die erforderliche Steuerspannung berechnet und über die Steuerleitung 9 an den Verstärker gelegt. Jetzt wird erneut beginnend mit Kanal 1 die Digitalisierung von Ausgangsspannung und Signalspannung vorgenommen. Die gespeicherten Werte werden der Fourieranalyse unterzogen und Amplitude und Phasenlage der Grundschwingung ausgewertet und abgespeichert. Aus den Phasenlagen der beiden Signale wird durch Differenzbildung die Phasenverschiebung berechnet. Mit den dielektrischen Grundformeln werden unter Einbeziehung der eingegebenen geometrischen Daten des Sensors (Fläche, Plattenabstand) ε′ und ε′′ berechnet, abgespeichert und graphisch ausgegeben. Je nach gewünschter Zahl der Meßpunkte wird sofort ein neuer Meßzyklus gestartet oder eine bestimmte Zeit abgewartet. Jeder Meßzyklus beginnt wieder mit der Einstellung der Steuerspannung des Verstärkers. Nach Erreichen eines bestimmten Abbruchkriteriums der gemessenen dielektrischen Größen oder nach Ablauf einer bestimmten Zeit wird die Meßwertaufnahme gestoppt. Die gespeicherten dielektrischen Kennwerte als Funktion der Zeit werden auf Festplatte abgespeichert.

Ausführungsbeispiel 2

In Erweiterung zu Ausführungsbeispiel 1 wird gemäß Fig. 2 die Auslösung der Meßwerterfassung mit Maschinenzuständen gekoppelt. Beim Schließen des Werkzeug wird ein mechanischer Schalter 13 ausgelöst, was am binären Eingang 12 als Ereignis erkannt wird und die Software zum Meßzyklus verzweigen läßt.

Ausführungsbeispiel 3

Im Ausführungsbeispiel 3 wird gemäß Fig. 3 das Erreichen eines bestimmten Werts im Sensorstrom, z. B. eine bestimmte Änderungsgeschwindigkeit, als Kriterium für das Erreichen der optimalen Aushärtung benutzt, um über den binären Ausgabekanal 14 der Maschinensteuerung 15 mitzuteilen, daß das Werkzeug geöffnet werden kann.

Ausführungsbeispiel 4

Da heute hochgetaktete A/D-Wandler verfügbar sind, ist es problemlos möglich, mehrere Sensoren auszuwerten - siehe Fig. 4. Jede Messung würde dann z. B. mit der Messung der Generatorspannung beginnen, dann auf den entsprechenden zugeschalteten Sensor wechseln, den notwendigen Verstärkungsfaktor ermitteln, den Verstärker einstellen und dann eine gültige Messung durchführen. Diese wird mit Zeit und Sensornummer abgespeichert.

Dann wird der Zyklus wiederholt indem der nächste Sensor zugeschaltet wird bis schließlich alle Sensoren abgefragt sind. Auf diese Weise können mit einer Meßvorrichtung mehrere oder alle Formnester in Mehrfachwerkzeugen überwacht oder auch wie in einer Leitwarte eine Reihe von Maschinen kontrolliert werden.

Ausführungsbeispiel 5

Die Funktion des Meßcomputers kann auch von den auf allen modernen Verarbeitungsmaschinen heute üblichen Steuercomputern mit übernommen werden, wenn diese über ausreichende Rechnerleistung verfügen. Im günstigsten Fall sind auf der Verarbeitungsmaschine bereits Sensor-Meßkanäle vorgesehen, wie sie beispielsweise für Drucksensoren benötigt werden. In diesem Fall kann die erfindungsgemäße Meßvorrichtung in Form eines Signalwandlers in einem solchen Sensor-Meßkanal eingesetzt und vom Steuercomputer der Maschine mit bedient werden.

Bezugszeichenliste

1 Steuer- und Meßcomputer
2 Analog-Digital-Wandler (A/D),
3 Digital-Analog-Wandler (D/A),
4 Wechselspannungsgenerator mit spannungsgesteuerter Frequenz,
5 kapazitiver Sensor
6 Strom-Spannungs-Wandler
7 Verstärker mit spannungsgesteuertem Verstärkungsfaktor
8 Steuerleitung für Frequenz
9 Steuerleitung für Verstärkungsfaktor
10 Meßleitung Anregungsspannung
11 Meßleitung Signalspannung
12 binärer Ausgang
13 Triggerschalter am Werkzeug
14 Steuersignalausgang
15 Steuerschnittstelle an Verarbeitungsmaschine
16 Steuersignalausgang
17, 18, 19 Steuerleitungen
20, 21, 22 Schaltglieder
23, 24, 25 kapazitive Sensoren

Claims (12)

1. Verfahren zur dielektrischen Aushärtungskontrolle vernetzender Harze unter Verwendung eines Computers mit Digital/Analog-Wandler und Analog/Digital-Wandler, eines spannungsgesteuerten Wechselspannungsgenerators, eines Dielektriksensors, eines Strom-Spannungs-Konverters, eines spannungsgesteuerten Wechselspannungsverstärkers, gekennzeichnet dadurch, daß von einem Generator mit spannungsgesteuerter Frequenz eine Wechselspannung vorgegebener Amplitude erzeugt und an einen mit dem vernetzenden Harz in Kontakt stehenden kapazitiven Sensor angelegt wird, daß der Wechselstrom durch den Sensor über einen Strom-Spannungs-Wandler in eine äquivalente Wechselspannung umgewandelt wird, diese von einem spannungsgesteuerten Verstärker auf eine vorgegebene Signalspannung verstärkt wird, Generatorspannung und Signalspannung über einen Analog-Digital-Wandler in einen Computer eingelesen, in diesem hinsichtlich Amplitude und Phasenlage softwaregesteuert ausgewertet und daraus Steuerspannungen für die Variation von Verstärkung und Frequenz abgeleitet werden, wobei die Steuerspannungen über einen Digital-Analog-Wandler realisiert werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Ermittlung von Amplitude und Phasenlage der Generatorspannung und der Signalspannung eine in die Software implementierte Fourieranalyse eingesetzt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zu Beginn der Messung eine Initialverstärkung des Verstärkers vorgegeben wird, aus der ersten Messung der Amplitude der Signalspannung die gemäß der Verstärkerkennie erforderliche Steuerspannung berechnet wird, damit die Signalspannung einen vorgegebenen Wert erreicht, diese Steuerspannung am Verstärker angelegt wird und in einer zweiten Messung kontrolliert wird, ob der vorgebene Wert der Signalspannung bis auf eine kleine vorgegebene Abweichung erreicht wurde, andernfalls die Steuerspannung nochmals nachgeregelt wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Generatorsparinung und vorgegebene Signalspannung am Verstärkerausgang etwa gleich groß sind und in einem solchen Spannungsbereich liegen, daß der Meßbereich des Analog- Digital- Wandlers optimal ausgenutzt wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Größe der Steuerspannung des Verstärkers als Meßgröße für den Strom herangezogen wird, aus dem Strom und der Generatorspannung der Wechselstromwiderstand berechnet und unter Einbeziehung der ermittelten Phasenlage von Generatorspannung und Signalspannung der kapazitive und ohmsche Anteil des Widerstands ermittelt und daraus mit der Geometrie des Sensors die dielektrischen Kennwerte ε′ und ε′′ berechnet werden.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß vom Computer softwaregesteuert an dem Wechselspannungsgenerator über die Steuerspannung eine oder mehrere Frequenzen so vorgegeben werden, daß der Einfluß der störenden Grundleitfähigkeit des Harzes klein bleibt oder über die Frequenzabhängigkeit des Widerstands die Grundleitfähigkeit berechnet und gegebenenfalls abgezogen werden kann.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß aus dem zeitlichen Verlauf der Meßwerte bei Erfüllen eines vorprogrammierten Kriteriums an einem Ausgangskanal des Computers ein Signal generiert wird, das in eine Maschinensteuerung eingreift und Fertigungsparameter wie Aushärtezeit oder Werkzeugtemperatur beeinflußt oder auch als Fehlermeldung zum Stopp der Maschine führen kann.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Sensoren nacheinander abgefragt werden, indem diese computergesteuert zugeschaltet werden.

9. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 6 und 8 gekennzeichnet dadurch, daß zur Kalibrierung neben dem Sensor ein kalibrierter Kondensator oder Ohmscher Widerstand oder eine Kombination aus beiden zugeschaltet werden kann und in der Software geeignete Mittel vorgesehen sind, die aus der Kalibrierung resultierende Korrekturen der Meßeirrichtung einzurechnen.

10. Vorrichtung zur dielektrischen Aushärtungskontrolle vernetzender Harze mit einem Computer (1), Analog-/Digital- Wandler (2), Digital-/Analog-Wandler (3), steuerbarem Wechselspannungsgenerator (4), kapazitivem Sensor (5), Strom- Spannungswandler (6) und steuerbarem Verstärker (7), wobei der Computer (1) über eine Steuerleitung (8) mit dem Wechselspannungsgenerator (4) und über eine Steuerleitung (9) mit dem Verstärker (7) verbunden ist und eine Meßleitung (10) die Anregungswechselspannung des Generators (4) und eine Meßleitung (11) das Meßsignal vom Verstärker (7) dem Computer (1) zuführen.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, daß die Vorrichtung als Einschubkarte für Computer aufgebaut ist.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet dadurch, daß der Computer (12) Steuercomputer einer Verarbeitungsmaschine ist und die Einschubkarte in die Maschinensteuerung integriert ist.