DE3729743A1 - Verfahren zur kontinuierlichen ermittlung der wandstaerke von hohlprofil-extrudaten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinu­ ierlichen Ermittlung der Wandstärke von Hohlprofil-Extru­ daten, insbesondere Schläuchen, sowie auf eine Vorrich­ tung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei der Herstellung von Profilen mit einem innenliegen­ den, radial nach allen Seiten abgeschlossenen Hohlraum, wie insbesondere Schläuchen, ist es von erheblicher Be­ deutung, unmittelbar bei der Herstellung des noch unver­ netzten Rohlings, d.h. unmittelbar nach der Extrusion, Angaben über die jeweils vorhandene Wandstärke zu erhal­ ten. Dies gilt besonders für hochbeanspruchte Schläuche, wie beispielsweise Kühlwasserschläuche für Kraftfahrzeu­ ge, die wegen einer innenliegenden Gewebearmierung mehr­ stufig in aufeinanderfolgenden Schichten hergestellt wer­ den. Unterschiedliche Wandstärkenbereiche, die insbeson­ dere durch die Exzentrizität von nacheinander aufgebrach­ ten Materiallagen entstehen können, führen zu einer par­ tiellen Schwächung der Wandstärke, so daß dadurch die Funktionsfähigkeit und Haltbarkeit eines solchen Schlau­ ches stark eingeschränkt sein können.

Bei einer fortlaufenden Wandstärkenmessung unmittelbar nach der Extrusion muß gewährleistet sein, daß einerseits exakte Meßwerte erhalten werden können, daß aber anderer­ seits das Extrudat weder in seiner geometrischen Form noch in seinen Materialeigenschaften verändert wird. We­ gen der geringen Festigkeit, beispielsweise eines Elasto­ mer-Extrudates, scheiden daher berührungsbehaftete Mes­ sungen von vornherein aus.

Es ist andererseits schon versucht worden, eine Wandstär­ kenmessung mittels Ultraschall durchzuführen. Da hierbei jedoch eine direkte Ankopplung des Ultraschallemitters an das zu vermessende Werkstück erforderlich ist, scheidet dieses Meßprinzip wegen der dadurch bedingten Verformung des Extrudates aus.

Grundsätzlich möglich wäre eine radiometrische Geometrie­ vermessung, d.h. die Anwendung radioaktiver Strahlung, mit der das Meßobjekt durchstrahlt und die Verminderung der Strahlungsintensität nach Durchstrahlung des Objektes als Maß für die Wandstärke genommen wird. Derartige ra­ dioaktive Strahlungsmessung bedingt jedoch einen außeror­ dentlich hohen Aufwand für den Strahlenschutz und stellt darüber hinaus ein erhöhtes Gefahrenpotential dar, abge­ sehen von einer möglichen Veränderung der durchstrahlten Materie. Aus diesem Grunde scheidet auch ein solches Meß­ prinzip aus.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu­ grunde, ein Meßverfahren anzugeben, mit dem die Wandstär­ ke derartiger Hohlprofile auf einfache Weise und mit ho­ her Genauigkeit kontinuierlich während des Herstellungs­ prozesses ermittelt werden kann. Zur Lösung dieser Aufga­ be ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß optoelektronisch sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite des Hohlprofils von ortsfesten, einander gegenüberstehenden Sensoren eine auf die vorbeilaufende Hohlprofilwandung gerichtete Strahlleistung ausgesandt und die reflektierte Strahlleistung aufgefangen und über eine Auswertschaltung aus der Differenz von ausgesandter und reflektierter Strahlleistung der jeweilige Abstand vom Sensor zur Hohl­ profilwandung ermittelt wird.

Mit einer solchen berührungslosen Messung läßt sich unter Vergleich einer ausgesandten bekannten Strahlleistung und der vom Extrudat reflektierten Strahlleistung, bei denen die ortsfesten Sensoren als Fix- und Bezugspunkte der Messung dienen, der jeweilige Abstand des Profils und die relative Lage zwischen zwei einander gegenüberstehenden Sensoren bestimmen und daraus die jeweilige vorliegende Wandstärke und ihre eventuelle Exzentrizität ermitteln.

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß im vorgegebenen Ab­ stand hinter dem Extrusionswerkzeug auf der Innenseite und der Außenseite des Hohlprofils im Abstand zur Profil­ wandung mindestens je ein Paar sich radial gegenüberste­ hender optoelektronischer Reflexsensoren angeordnet sind, die über Lichtwellenleiter an eine Energieeinspeisungs- und Auswerteinrichtung angeschlossen sind.

Um dabei insbesondere eine Messung der praktisch nicht zugänglichen Innenseite des Hohlprofils zu ermöglichen, können die Lichtwellenleiter für die Messung auf der In­ nenseite axial durch den Dorn des verstellbaren Extruder­ werkzeuges zur Meßstelle geführt sein.

Zweckmäßigerweise sind jeweils 4 Paar Reflexsensoren oder ein Vielfaches davon jeweils in der Ebene der Verstell­ schrauben des Extruderkopfes vorgesehen, um damit auch unmittelbar verwendbare Werte für eine mögliche Nachju­ stierung des Extruders zu erhalten.

Die Energieeinspeisungseinrichtung besteht zweckmäßiger­ weise aus einem Laser, dessen Strahlleistung über einen Sternkoppler gleichmäßig auf die einzelnen Lichtwellen­ leiter verteilt ist.

Dabei kann zur Hinleitung der Strahlleistung und zur Rückleitung der vom Meßobjekt reflektierten Strahllei­ stung ein- und derselbe Lichtwellenleiter verwendet sein, wobei zur Abtrennung der reflektierten Strahlleistung ein Durchgangskoppler in den Lichtwellenleiter eingeschaltet ist.

Die reflektierte Strahlleistung kann dann mittels einer Photodiode in einen analogen Meßstrom umgewandelt werden.

Bei Verwendung des gleichen Meßprinzips auf der Außensei­ te des Hohlprofils ist es zweckmäßig, wenn die Sensoren auf der Außenseite gegen Fremdlichteinfall abgeschirmt sind. Darüber hinaus kann ein Betrieb der Meßvorrichtung im Pulslichtverfahren zweckmäßig sein, damit Fremdlicht­ anteile leichter kompensiert werden können.

Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wir­ kungsweise eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen auszumes­ senden Schlauch mit prinzipieller Anord­ nung der Meßvorrichtung,

Fig. 2 das Prinzipschaltbild der Meßanordnung im Querschnitt eines auszumessenden Schlau­ ches und

Fig. 3 die prinzipielle Darstellung einer Messung der Exzentrizität von Schlauchinnen- und -außenumfang.

In den Fig. 1 und 2 ist ganz prinzipiell der grundsätzli­ che Aufbau der Meßanordnung zur Ermittlung der Wandstär­ ke, beispielsweise eines gerade extrudierten Schlauches 1 unmittelbar hinter dem schematisch angedeuteten Extruder­ kopf 2 beschrieben. Dabei sind auf der Innenseite des Schlauches 1 vier optoelektronische Reflexsensoren 3, 4, 5 und 6 radial ausgerichtet angeordnet, wobei diese Re­ flexsensoren praktisch durch die Endflächen von aus Glas­ fasern bestehenden Lichtwellenleitern gebildet sind. Die­ se Lichtwellenleiter 3, 4, 5 und 6 sind dann zentral durch den Dorn 7 des Extruderkopfes und über einen radia­ len Steg 8 desselben nach außen zu einer Energieeinspei­ sungs- und Auswerteinrichtung 10 geführt. Innerhalb des Schlauches 1 sind die Lichtwellenleiter 3, 4, 5 und 6 in nicht näher dargestellter Weise in einer vom Dorn 7 aus­ gehenden Halterung genau positioniert, da allein die geo­ metrische Position der Reflexsensoren den Fixpunkt und Bezugspunkt für die Auswertung der gemessenen Werte bil­ det.

Radial genau gegenüberstehend zu den Reflexsensoren 3, 4, 5 und 6 auf der Innenseite des Schlauches 1 sind auf des­ sen Außenseite unter genauer geometrischer Positionierung entsprechende Reflexsensoren 11, 12, 13 und 14 angeord­ net, die in gleicher Weise über entsprechende Lichtwel­ lenleiter mit einer Auswertung 15 verbunden sind.

Die prinzipielle Funktionsweise der Meßvorrichtung ist nunmehr die folgende:

Durch eine Lichtquelle, beispielsweise einen Laser 20, werden elektromagnetische Wellen unterhalb des sichtbaren Bereichs erzeugt. Die eingespeiste Strahlleistung wird über einen Sternkoppler 21 gleichmäßig auf die 4 einzel­ nen Lichtwellenleiter 23, 24, 25 und 26 verteilt und zu den Reflexsensoren 3, 4, 5 und 6 auf der Innenseite des Schlauches geleitet. Dort wird jeweils von einem der Re­ flexsensoren ein Lichtpunkt auf die Innenwandung 27 des Schlauches 1 projiziert und das diffus reflektierte Licht über die selben Lichtwellenleiter 23, 24, 25 und 26 zur Auswertschaltung 10 zurückgeführt. Dabei wird durch in die Lichtwellenleiter eingeschaltete Durchgangskoppler 30 die reflektierte Strahlleistung von der zugeführten ge­ trennt. Die reflektierte, in den Durchgangskopplern 30 abgetrennte Strahlleistung wird dann in Photodioden 31 in einen analogen Stromwert umgesetzt. Nach Verstärkung und Digitalisierung wird das digitalisierte Signal dann ma­ thematisch in die Entfernungen der einzelnen Sensoren 3, 4, 5 und 6 vom Meßobjekt, d.h. der Innenwandung 27 des Schlauches 1, aufgeschlüsselt.

In gleicher Weise erfolgt die Messung und Ermittlung der Abstände der Sensoren 11, 12, 13 und 14 auf der Außensei­ te 28 des Schlauches 1.

Selbstverständlich sind bei der Auswertung eine ganze Reihe von Parametern, wie Reflexionsvermögen des zu ver­ messenden Objektes, Dämpfung der Strahlleistung in den Lichtwellenleitern, Rauhtiefen des Objektes, Fremdlicht­ einfluß und Verschmutzungen, zu berücksichtigen, auf die hier jedoch im einzelnen nicht näher eingegangen wird.

Grundsätzlich ist eine mögliche Auswertung anhand Fig. 3 erläutert. Dabei sei der Fall angenommen, daß bei einem extrudierten Schlauch 1 Innenfläche 27 und Außenfläche 28 zwar angenähert eine Kreisform aufweisen, diese Kreise jedoch exzentrisch zueinander liegen. Wesentlich für die Auswertung ist dabei die Festlegung eines Bezugsmittel­ punktes. Unter Berücksichtigung des Extruderwerkzeuges läßt sich dabei eine eindeutige Definition erstellen, da bei Einrichtung des Werkzeugs die Düse gegenüber dem Dorn in axialer und radialer Richtung verstellt wird, so daß der Dorn und damit der Innenkreis der Profilgeometrie fixe Maschinenkoordinaten sind. Es ist daher sinnvoll, die Wandstärke auf den Innenkreis zu beziehen. Dessen Mittelpunkt ist mit m _i angegeben. Unter entsprechender Zuordnung der erhaltenen Meßwerte, d.h. der ermittelten Abstände des Innenumfangs 27 von den Sensoren 3, 4, 5 und 6 sowie der jeweiligen Abstände des Außenumfangs 28 von den Sensoren 11, 12, 13 und 14 läßt sich daraus die Ex­ zentrizität e _x in horizontaler Richtung und die Exzen­ trizität e _y in vertikaler Richtung sowie daraus der Winkel γ zur X-Achse bezüglich der Lage der maximalen Wandstärke s _max und der minimalen Wandstärke s _min und damit schließlich die genaue Lage und Zuordnung des Mit­ telpunktes m _a des Außenkreises 28 in bezug auf den Mit­ telpunkt m _i des Innenkreises 27 ermitteln. Damit lassen sich dann unmittelbar die Werte errechnen, um die die Ex­ truderdüse jeweils verstellt werden muß, um einmal eine möglichst konzentrische Lage von Innendurchmesser und Außendurchmesser und damit eine konstante Wandstärke zu erhalten und um gleichzeitig die geforderte Wandstärke nachregulieren zu können.

Damit ist also ein Meßsystem geschaffen, mit dem auch die nur sehr schwer zugängliche Innenfläche eines Schlauches vermessen werden kann und bei der eine berührungslose Messung verwirklicht ist, die im Grunde unabhängig von der relativen Lage des Meßobjektes zu den Sensoren ist. Das bedeutet, daß Mittelpunkt m _i des Innenschlauches nicht mit dem Mittelpunkt m _s der Sensoren 3, 4, 5 und 6 im Schlauchinnern zusammenfallen müssen, ja daß das sogar nur in den seltensten Fällen der Fall sein wird. Auch bei einer räumlichen Differenz von m _i und m _s ergeben sich für die Ermittlung der Kreisradien, ihrer Verschiebungen zueinander und die Wandstärken keinerlei Schwierigkeiten. Es müssen vielmehr allein der genaue geometrische Abstand zwischen jeweils zwei paarweise gegenüberliegenden Senso­ ren 3 und 11, 4 und 12, 5 und 13 bzw. 6 und 14 sowie ihre geometrische Lage im Raum bekannt sein, um daraus über die jeweils gemessenen Abstände zum Meßobjekt die genaue Lage und Geometrie des Meßobjektes zu ermitteln.

Damit ist also dieses Meßsystem universell einsetzbar und zur Vermessung von Schläuchen unterschiedlichster Durch­ messer geeignet. Die als Ausführungsbeispiel verwendete Schlauchgeometrie soll nur beispielsweise einen möglichen Anwendungsfall wegen der einfachsten geometrischen Ver­ hältnisse darstellen. Es sind jedoch Anwendungen auch für andere Profilquerschnitte möglich und denkbar, die sehr viel kompliziertere Geometrien aufweisen können.

Claims (9)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Ermittlung der Wand­ stärke von Hohlprofil-Extrudaten, insbesondere Schläu­ chen, dadurch gekennzeichnet, daß optoelektronisch sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite des Hohl­ profils von ortsfesten, einander gegenüberstehenden Sen­ soren eine auf die vorbeilaufende Hohlprofilwandung ge­ richtete Strahlleistung ausgesandt und die reflektierte Strahlleistung aufgefangen und über eine Auswertschaltung aus der Differenz von ausgesandter und reflektierter Strahlleistung der jeweilige Abstand vom Sensor zur Hohl­ profilwandung und damit die Geometrie des Hohlprofils er­ mittelt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im vorgegebenen Ab­ stand hinter dem Extrusionswerkzeug (2) auf der Innensei­ te (27) und auf der Außenseite (28) des Hohlprofils (1) im Abstand zur Profilwandung mindestens je ein Paar sich radial gegenüberstehender optoelektronischer Reflexsenso­ ren (3, 11; 4, 12; 5, 13; 6, 14) angeordnet sind, die über Lichtwellenleiter (23, 24, 25, 26) an eine Energie­ einspeisungs- und Auswerteinrichtung (10) angeschlossen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter (23, 24, 25, 26) für die Mes­ sung auf der Innenseite (27) des Hohlprofils (1) axial durch den Dorn (7) des verstellbaren Extruderwerk­ zeugs (2) zur Meßstelle geführt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß 4 Paar Reflexsensoren (3, 11; 4, 12; 5, 13; 6, 14) oder ein Vielfaches davon jeweils in der Ebene der Verstellschrauben des Extruderkopfes (2) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieeinspeisungsvorrichtung aus einem La­ ser (20) besteht, dessen Strahlleistung über einen Stern­ koppler (21) gleichmäßig auf die einzelnen Lichtwellenlei­ ter (23, 24, 25, 26) verteilt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Hinleitung der Strahlleistung und zur Rückleitung der vom Meßobjekt reflektierten Strahllei­ stung ein und derselbe Lichtwellenleiter (23, 24, 25, 26) verwendet ist und zur Abtrennung der reflektierten Strahlleistung ein Durchgangskoppler (30) in den Licht­ wellenleitern eingeschaltet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierte Strahlleistung mittels Photodio­ den (31) in einen analogen Meßstrom umgewandelt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (11, 12, 13, 14) gegen Fremdlichteinfall abgeschirmt sind.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch einen Betrieb der Meßvorrich­ tung im Pulslichtverfahren.