DE4318844A1 - Verfahren zur zeitabhängigen Regelung einer Dosieranlage für fluide Komponenten und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zeitabhängigen Regelung einer diskontinuierlich arbeitenden Dosieranlage für fluide Komponenten, bei der wahlweise ein verstellba­ res oder ein nicht verstellbares Dosierventil mittels einer Dosierleitung mit einer Dosierpumpe verbunden ist, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei stofflich und rheologisch schwierigen Fluiden wie Klebstoffen, Farben, Lacken, Emulsionen, Dispersionen, Kunststoffschmelzen u. dgl. bestehen für Dosiervorgänge eine Vielzahl von Einfluß- und Störgrößen, die den Dosierprozeß schwer durchschaubar und komplex werden las­ sen. Neben Verschleiß von Dosieranlagenkomponenten, die rechtzeitig ausgetauscht werden müssen, wirken sich Fluideigenschaften und Eigenschaftsänderungen auf die geforderte Reproduzierbarkeit einer Dosierung aus. Ein­ fluß auf die momentane Dosiergenauigkeit nehmen die rheo­ logischen Eigenschaften wie z. B. Höhe der Viskosität, Elastizität, Thixotropie, Ausprägung einer Fließgrenze, weitere physikalischen Eigenschaften wie z. B. Klebstoffkompressibilität und Temperaturleitfähigkeit, aber auch die Elastizität der Verarbeitungsanlage z. B. durch flexible Schlauchleitungen.

Zur Dosierung von mehrphasigen Fluiden wie z. B. Kleb­ stoffen ist es bekannt, präzise Pumpen, Dosierventile oder Antriebsregelungen einzusetzen. Für die Dosierkon­ trolle bei der Verarbeitung zweikomponentiger Klebstoffe ist auch der Einsatz von Durchflußmeßgeräten bekannt, die auf der Grundlage von Zahnradmeßzählern arbeiten. Hierbei besteht aufgrund auftretender Verschleißerscheinungen die Gefahr von Meßungenauigkeiten, wenn die Klebstoffe abra­ sive Füllstoffe enthalten. Weitere an sich bekannte Meß­ verfahren sind für die Dosierkontrolle von Klebstoffen aufgrund der zahlreichen komplexen Randbedingungen nicht geeignet. Diese Randbedingungen sind im wesentlichen mittlere bis hohe Klebstoffviskositäten, Abhängigkeit des Volumenstroms von der Viskosität, der Thixotropie und der Temperatur, laminare Strömungen der Klebstoffe sowie Anfälligkeiten gegenüber externen Störungen wie mecha­ nischen Schwingungen z. B. am Arm eines Klebroboters.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung aufzuzeigen, nach dem eine diskontinuierlich arbeitende Dosieranlage für fluide Komponenten optimiert gesteuert werden kann, wobei sowohl Fehldosierungen wäh­ rend einer Applikation wie auch Fehldosierungen, die durch eine Kontrolle des Pumpenkolbenwegs nicht detek­ tiert werden können, vermieden werden sollen.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich der Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 5.

Nach der Erfindung werden als Meßgrößen Volumenstrom über die Kolbengeschwindigkeit und in einer vom Fluid durch­ strömten Dosierleitung entstehende Druckdifferenzen unter Anwendung des Prinzips eines Hochdruck- Kapillarrheome­ ters gemessen und zur adaptiven Regelung der diskonti­ nuierlich arbeitenden Dosieranlage verwendet. Hierdurch werden die jeweiligen Fluideigenschaften unter Be­ dingungen gemessen, die auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt sind. Von besonderem Vorteil ist es, daß bereits während des Auftrags des Fluids eine an die Fluideigenschaft angepaßte Korrektur durchgeführt werden kann. Bei Einsatz eines Klebstoffs als Fluid kann daher bereits während der einzelnen Schüsse eine Anpassung an die Klebstoffeigenschaften erfolgen. Aus der zeitab­ hängigen Druckmessung sind zusätzliche Informationen der Materialfunktionen erhältlich, die als Regelgröße verwen­ det werden oder über eine direkte Rückführung in die Auftragseinheit regulierend als Stellgröße eingreifen kann. Dabei stehen die zeit- und schergeschwindigkeits­ abhängigen Materialfunktionen in unmittelbarem Zusammen­ hang mit der zeit- und schergeschwindigkeitsabhängigen Zielregelgröße. Die instationäre Anlaufströmung bei einer diskontinuierlichen Dosierung kann ebenso berück­ sichtigt werden wie die Strömungsvorgänge bei Beendigung der Dosierung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch vor dem automatisierten Betrieb dazu eingesetzt wer­ den wesentliche rheologische Fluiddaten selbst zu ermit­ teln. Die Vorrichtung stellt daher eine kompakte Kombina­ tion aus einer Dosiereinrichtung und einem Kapillarviskosimeter dar.

Die Erfindung wird nachstehend am Beispiel der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Vorrichtung und den Diagrammen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die Vorrichtung in einer schematischen Ansicht,

Fig. 2a bis 4b mögliche Steuer- und Regelstrukturen der Vor­ richtung nach Fig. 1 und die Wirkungsweise der Betriebsarten,

Fig. 5 ein Diagramm mit Anlaufkurven und Darstellung des Überschießens der Schubspannung,

Fig. 6 ein Diagramm mit einer Fließkurve,

Fig. 7 ein Diagramm mit dem Verlauf von Schub­ spannung und der ersten Normalspannungsdiffe­ renz in Abhängigkeit von der Schergeschwin­ digkeit.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 besteht aus einer Dosierpumpe 2, die mittels einer Antriebseinrich­ tung 3 betätigbar ist. Die Antriebseinrichtung 3 kann elektrisch, mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch betreibbar sein. Die Dosierpumpe 2 ist über eine Dosier­ leitung 4 mit einem einstellbaren Dosierventil 5 verbun­ den. Der Ausgang des Dosierventils 5 ist einem nicht näher dargestellten Werkstückaufnahmetisch zugeordnet, auf dem an Werkstücken z. B. raupenförmige Klebnähte auf­ getragen werden können. Der Dosierpumpe 2 ist ein Druck­ aufnehmer 13 zugeordnet. Am Pumpenausgang 7 ist ein kur­ zes Rohrstück 14 aus formsteifem Werkstoff angeschlossen. Im Rohrstückeingang ist ein Druckaufnehmer 9 und am Rohr­ stückausgang ein Druckaufnehmer 10 angeordnet. Die Ver­ bindung der Dosierpumpe 2 mit dem Rohrstück 14 entspricht somit funktional einem Hochdruck-Kapillarrheometer. An das Rohrstück 14 ist die eigentliche Dosierleitung 4 angeschlossen, die mit dem Dosierventil 5 verbunden ist. Vor dem Dosierventileingang 8 ist die Dosierleitung 4 mit einem weiteren Druckaufnehmer 15 verbunden. Die Vor­ richtung 1 weist ferner eine Steuereinheit 11 auf, mit­ tels der eine adaptive Regelung des Dosiervorgangs erfol­ gen kann. Folgende Parameter können variiert werden:

Bei Betrieb der Vorrichtung 1 wird in sich wiederholender Weise der Volumenstrom Q des Fluids wie z. B. eines Kleb­ stoffs und die Druckdifferenz zwischen den Druckaufneh­ mern 9, 10 gemessen. Der Volumenstrom Q ergibt sich aus den Geometriedaten sowie der Verdrängungsgeschwindigkeit der Dosierpumpe 2, wobei die Meßgröße Hub/Zeiteinheit ist. Unter Berücksichtigung der geometrischen Ab­ messungen des Rohrstücks 14, der Druckdifferenz und des geförderten Volumenstroms wird die Schergeschwindig­ keit _max, die Schubspannung σ_12max und die Schervis­ kosität η und die 1. Normalspannungsdifferenz N_l nach den Beziehungen

ermittelt. Hierbei ist

V = dosiertes Volumen
R = Radius des Rohrstücks 14
t = Zeit (sec)
L = Länge des Rohrstücks 14
Δp = Druckdifferenz, die proportional zur Schubspannung ist
Q = Volumenstrom (V/t).

Die 1. Normalspannungsdifferenz N_l ist eine elastische Kenngröße, die in einer Kapillarströmung mittels der Gleissle-Spiegelbeziehung aus der Druckdifferenz ermit­ telt wird. Die nach obiger Formel ermittelte Scherge­ schwindigkeit muß noch nach Weißenberg-Rabino­ witsch korrigiert werden.

Die so ermittelten Werte für Schergeschwindigkeit, Schub­ spannung, Scherviskosität und die elastische Kenngröße N_l werden in der Steuereinheit 11 mit abgespeicherten Sollkurven für Schubspannung und 1. Normalspannungsdiffe­ renz und Soll-Fließkurven und Soll-Anlaufkurven von Fluiden entsprechend dem geförderten Fluid verglichen (Fig. 2 bis 4). Bei einer Abweichung der Ist-Werte von den Sollwerten wird dann von der Steuereinheit 11 auf das Dosierventil 5 und/oder die Antriebseinrichtung 3 einge­ wirkt bis die gemessenen Ist-Werte von Schergeschwindigkeit, Schubspannung und Scherviskosität mit den Sollwer­ ten übereinstimmen. Hierbei wird die instationäre Anlaufströmung so geregelt, daß bei der zeitabhängigen Messung des Volumenstroms bzw. der Kolbengeschwindigkeit und der Druckdifferenz zwischen den Druckaufnehmern 9, 10 ein Überschießen der Schubspannung im Anfangsbereich ver­ hindert bzw. im tolerierbaren Rahmen gehalten werden kann. Wie in Fig. 5 mit Strichlinien angedeutet, ist der ideale Verlauf von Schubspannung und Druckdifferenz bei einem Fluidauftrag rechteckförmig (Sprungfunktion). Bei viskosen Fluidsystemen baut sich jedoch verzögert in der Anlaufphase eine über den Zeitablauf zunehmende Schub­ spannung und Druckdifferenz auf, die sich während des Abklingvorganges am Ende des Fluidauftrags zeitlich ver­ zögert wieder auf den Ausgangswert vermindert. Sofern eine Deformation der Ist-Kurve der Schubspannung auf­ tritt, wie es in Fig. 5 für die Schergeschwindigkeit dargestellt ist, erfolgt durch Einwirkung der Steuerein­ heit 11 auf die Dosierpumpe 2 und/oder das Dosierventil 5 eine Verminderung der Druckdifferenz Δp bis z. B. eine Schergeschwindigkeit erreicht ist. Hierdurch wird z. B. bei Beginn der Dosierung verhindert, daß eine zu geringe Fluidmenge aus dem Dosierventil 5 austritt und somit im weiteren Verlauf Fehldosierungen wie Fluidver­ dickungen auf dem Werkstück erfolgen. Um den Fluidauftrag in der Phase der stationären Strömung des Fluids durch das Dosierventil 5 auf dem Werkstück gleichmäßig zu gestalten, wird der Volumenstrom unter Berücksichtigung der Fließkurve (Fig. 6) so eingestellt, daß Fehldosierun­ gen vermieden werden und daß die erste Normalspannungs­ differenz N_l nicht störend in Erscheinung tritt (Fig. 7). Für die Einstellung des Volumenstroms können sowohl der Anlaufvorgang beim Fluidauftrag wie auch der Abklingvor­ gang am Ende des Fluidauftrags oder aber beide Vorgänge berücksichtigt werden, sofern der Fluidauftrag nicht durch Schließen des Dosierventils 5 erfolgt.

Bei Einsatz eines Klebstoffes als Fluid erfolgt der Auf­ trag des Klebstoffes auf das Werkstück nach Einstellung des für den betreffenden Klebstoffs geeigneten Drucks der Dosierpumpe 2 kontinuierlich, wobei entweder das Dosier­ ventil 5 z. B. an einem Roboterarm relativ zum Werkstück oder umgekehrt das Werkstück relativ zum Dosierventil 5 bewegt wird.

In den Fig. 2a bis 4b sind mögliche Steuer- und Regel­ strukturen dargestellt, die mit der Vorrichtung 1 durch­ geführt werden können. Bei dem Beispiel nach Fig. 2a wirkt die Steuereinheit 11 bei Start der Vorrichtung 1 direkt auf die Antriebseinrichtung 3 der Dosierpumpe 2 ein, damit der je nach Betriebsart für den Start erfor­ derliche Vordruck bereitgestellt wird. Während des Betriebs wird der Volumenstrom gemessen. Diese Meßwerte werden in einem Regler 12 mit den Sollwerten der Steuer­ einheit 11 verglichen, die über eine Einwirkung auf das Dosierventil 5 den Volumenstrom einstellt. Die Einstel­ lung des Dosierventils 5 erfolgt nicht proportional son­ dern als Auf/Zu-Steuerung. In Abhängigkeit von dem Volu­ menstrom ändert sich auch der Druck an den Druckabnehmern 9, 10. Es erfolgt also eine druckvariable Dosierung durch Geschwindigkeitsregelung. Diese wird je nach Betriebsart mit einer öffnungsgeregelten Pistole für Konstantdruck­ haltung benutzt um Volumenstromschwankungen in Folge von Druckvariabilität zu vermeiden.

Bei der Ausführung nach Fig. 3a wird von der Steuerein­ heit 11 dem Regler 12 für die Antriebseinrichtung 3 ein Sollwert für den Fluiddruck in der Dosierpumpe 2 vorgege­ ben. Der Ist-Wert dieses Fluiddrucks wird von dem Druck­ aufnehmer 13 erfaßt und ebenfalls dem Regler 12 zuge­ führt. Die Steuereinheit 11 wirkt ferner auf das Dosierventil 5 ein. Durch die Dosierung der Ausflußmenge über die proportionale Einstellung des Dosierventils 5 wird gleichzeitig der Druck am Druckaufnehmer 15 einge­ stellt, während der Druck am Druckaufnehmer 9 konstant bleibt.

Fig. 4a zeigt eine Ausführung, bei der die Verhältnisse am Dosierventil 5 als Druckregelorgan für die Steuereinheit 11 bestimmend sind. Die Steuereinheit 11 gibt den Durchflußquerschnitt des Dosierventils 5 und den Druck am Druckaufnehmer 15 vor, wobei das Dosierventil 5 proportional eingestellt wird. Über den Regler 12 wird so auf die Antriebseinrichtung 3 der Dosierpumpe 2 einge­ wirkt, daß am Druckaufnehmer 9 ein für den gewünschten Volumenstrom erforderlicher Druck ansteht.

Neben den hier exemplarisch beschriebenen Verfahren der Druckdifferenzmessung mit zwei Druckaufnehmern an einem Rohr mit konstantem Radius können auch alle anderen aus der Hochdruck-Kapillarrheometrie bekannten Meßverfahren mit Schlitzdüsen, mehreren Druckaufnehmern usw. angewandt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur zeitabhängigen Regelung einer diskonti­ nuierlich arbeitenden Dosieranlage für fluide Kompo­ nenten, bei der wahlweise ein verstellbares oder ein nicht verstellbares Dosierventil mittels einer Dosierleitung mit einer Dosierpumpe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Meßeinrichtung nach Art eines Kapillarviskosimeters bei Betrieb der Dosieranlage in intermittierender Weise der Volu­ menstrom des Fluids aus den Pumpendaten und die Druckdifferenz zwischen Ausgang der Dosierpumpe und Endabschnitt eines formsteifen am Ausgang der Dosier­ pumpe angeschlossenen Abschnitts der Dosierleitung mit konstantem Durchmesser gemessen, daß unter Berücksichtigung der geometrischen Abmessungen des formsteifen Abschnitts der Dosierleitung, der Druck­ differenz zwischen Eingang und Ausgang des formstei­ fen Abschnitts der Dosierleitung, der elastischen Anteile der Pumpe und des Systems und des geförder­ ten Volumenstroms Q als rheologische Kenngrößen die Schergeschwindigkeit _max, die Schubspannung σ_12max, die Scherviskosität η und die 1. Normalspannungsdif­ ferenz N_l nach den Beziehungen ermittelt wird, wobei gilt
V = dosiertes Volumen
R = Radius des formstabilen Abschnitts der Dosier­ leitung
t = Zeit (sec)
L = Länge des formstabilen Abschnitts der Dosier­ leitung
Δp = Druckdifferenz
Q = Volumenstrom (V/t)und daß dann die gemessenen Werte für Schergeschwin­ digkeit _max, Schubspannung σ_12max und Schervis­ kosität η mit abgespeicherten Sollkurven für Schubspannung und Sollkurven der 1. Normalspan­ nungsdifferenz N_l sowie Soll-Fließkurven von Fluiden entsprechend des geförderten Fluids ver­ glichen und bei einer Abweichung der Ist-Werte von den Soll-Werten der freie Durchströmungsquerschnitt des Dosierventils und/oder der Volumenstrom nachge­ regelt wird, bis die gemessenen Ist-Werte von Scher­ geschwindigkeit, Scherspannung und Scherviskosität mit den Soll-Werten übereinstimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom und die Druckdifferenz Δp so eingestellt werden, daß bei einer gewählten Scherge­ schwindigkeit die Schubspannung σ₁₂ zunächst allgemein linear ansteigt und nach Erreichen eines Maximums auf einen konstanten Wert absinkt und daß dann der Volumenstrom und/oder die Druckdiffe­ renz Δp so vermindert werden, daß bei verringer­ ter Schergeschwindigkeit die Schubspannung σ₁₂ im Zeitablauf mit einer tolerierbaren Deformation auf einen konstanten Wert ansteigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Volumenstrom und die Druckdifferenz Δp so eingestellt werden, daß die Schubspannung σ₁₂ grö­ ßer ist als die 1. Normalspannungsdifferenz N_l bzw. daß die 1. Normalspannungsdifferenz N_l nicht stö­ rend in Erscheinung tritt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Fluid ein Kle­ ber verwendet wird und die auf einer Unterlage zu verklebenden Werkstücke und das Dosierventil relativ zueinander bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von den aus Druckdifferenz und Volu­ menstrom bestimmten Ist-Werten für Schergeschwindig­ keit, Schubspannung und Scherviskosität die Relativ­ geschwindigkeit von Werkstück zu Dosierventil nachgesteuert wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, bei dem eine motorisch betriebene Dosierpumpe für die diskontinuierliche Fluidförderung mittels einer Dosierleitung mit einem Dosierventil verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosierpumpe (2) am Pumpenausgang (7) mit einem kapillarartigen formsteifen Rohrstück (14) mit kon­ stantem Durchmesser verbunden ist, das mit der Dosierleitung (4) mit Dosierventil (5) verbunden ist, wobei am Pumpenausgang (7) und an dem dem Pumpe­ nausgang (7) abgewandten Endabschnitt des Rohrstücks (14) je ein Druckaufnehmer (9, 10) angeschlossen ist und daß die Druckaufnehmer (9, 10) und das Dosierventil (5) mit einer Steuereinheit (11) verbunden sind, mittels der in Abhängigkeit von Volu­ menstrom und Druckdifferenz des Fluids in dem Rohr­ stück (14) die Dosierpumpe (2) und/oder das Dosier­ ventil (5) nachregelbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (3) der Dosierpumpe (2) mittels eines Reglers (12) regelbar ist, der mit der Steuereinheit (11), einem Druckaufnehmer (13) in der Kolbenpumpe (2) oder dem dem Dosierventil (5) zuge­ ordneten Druckaufnehmer (15) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6 zur Steuerung und Optimierung einer diskontinuierlich arbeitenden Dosieranlage für fluide Klebstoffe, die einem Werk­ stück auf einer drehbaren Unterlage zugeführt wer­ den, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (11) mit der Antriebseinrichtung der Unterlage ver­ bunden ist.