DE29511632U1

DE29511632U1 - Optisches System zur berührungslosen Messung des Abstandes zweier Kalanderwalzen

Info

Publication number: DE29511632U1
Application number: DE29511632U
Authority: DE
Original assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Current assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Priority date: 1995-07-19
Filing date: 1995-07-19
Publication date: 1995-09-28
Anticipated expiration: 2005-07-20

Description

BESCHREIBUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Extrusionstechnikfür thermopiastisch verformbare Kunststoffe, insbesondere die Herstellung von Kunststoff platten und -folien. Sie beschreibt eine Meßvorrichtung in Form eines optischen Systems zur berührungslosen Messung des Abstandes zweier Kalanderwalzen.

Stand der Technik

Extrusionsanlagen für thermoplastische Kunststoffe sind bekannt. Das geschmolzene Polymere verläßt den Extruder über eine Breitschlitzdüse und durchläuft das Walzenglättwerk. Es besteht im wesentlichen aus zwei Walzen, die achsenparallel gelagert sind und beide angetrieben werden. Die Walzen haben dabei die Aufgabe, das geschmolzene Polymere zu formen und abzukühlen.

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Neben der Abzugsgeschwindigkeit der Walzen ist der Walzenabstand für die Einsteilung der Dicke der extrudierten Platte oder Folie mitentscheidend. Für den Betreiber einer Extrusionsaniage ist es wichtig, diesen Paramenter genau einstellen zu können. Die Einstellung erfolgt durch die Veränderung des Walzenspalts und wird durch eine Meßeinrichtung zur Bestimmung des Abstandes der beiden Kalanderwalzen überprüft und gesteuert. Die Toleranzen für die Dicke der Extrudate liegen heute meist bei +-0.1mm, was eine entsprechend genaue Messung voraussetzt.

In alier Regel wird heute die Messung der Abstände der Kalanderwalzen berührend durch Sensoren an den Lagersteinen durchgeführt. Diese Methode ist störanfällig in zweierlei Hinsicht:

1. Durch die hohe Druckbelastung vergrößert sich im Laufe der Zeit das Lagerspiel, sodaß die dort gemessenen Abstände nicht mehr mit den wahren Abständen der Kalanderwalzen übereinstimmen.

2. Die Meßstellen sind anfällig gegen Verschmutzung; sie müssen oft gereinigt werden, was wegen des dabei notwendigen teilweisen Abbau der Meßeinrichtung zeitraubend ist.

Methoden zur Abstandsmessung, die berührungslos arbeiten, sind zwar bekannt, nämlich verschiedene optische Systeme, die mit sichtbarem

Licht nach dem Lichtschrankenprinzip arbeiten. Es hat sich aber herausgestellt, daß diese Systeme für die hier gestellte Aufgabe nicht geeignet sind und die Messung vor allem durch Reflexionen an den spiegelnden Flächen der glattpolierten Kalanderwalzen gestört wird.

Aufgabe und Lösung

Somit besteht ein Bedürfnis nach einer exakten Messung des Abstandes der Kalanderwalzen, die möglichst bis auf +/- 10Mm genau sein soll, Zusätzlich sollte die Meßeinrichtung auch Schieflagen der Kalanderwalzen erfassen können, sowie störunempfindlich sein.

Die Aufgabe wird durch ein berührungslos arbeitendes optisches System gelöst, und zwar durch eine Vorrichtung zur Messung des Walzenabstandes (11) zweier Kalanderwalzen (10)

dadurch gekennzeichnet,

daß zu beiden Seiten des Walzenspaltes je ein Laser als Sender (4) und ein für Laserstrahlen geeignetes Nachweisinstrument als Empfänger (5) angebracht sind, diese auf ein exaktes Einander-gegenüber-Stehen justiert werden und in dieser Stellung parallel einer gedachten Verbindunglinie der beiden Kalanderwalzenmittelpunkte synchron durch

eine Antriebseinheit (6) bis zu beiden Walzenkanten verfahren werden, wobei dort durch eine teilweise Ausblendung des Laserstrahls (3) zwei Positionssignale erhalten werden, die an eine Recheneinheit (9) weitergeleitet werden, die aus den Positionssignalen den Walzenabstand berechnet und als Zahlenwert ausgibt.

Die Vorrichtung zur Messung des Walzenabstandes zweier Kalanderwalzen in einer Extrusionsaniage für die Herstellung extrudierter Kunststoff platten und -folien besteht somit aus folgenden Bestandteilen: dem Sender (4) und dem Empfänger (5) für Laserlicht, der Antriebseinheit (6) für das Verfahren von Sender und Empfänger und der Erfassungs- und Recheneinheit (9). Erfindungsgemäß wird mit einem Laserstrahl gemessen, weil nur dieser genügend räumlich kohärent ist. Laserdioden als Sender und entsprechende für Laserstrahlen geeignete Empfänger sind Stand der Technik. Um eine besonders gute Auflösung zu erreichen, besteht der Empfänger bevorzugt aus vier im Quadrat angeordneten Sensorflächen, z.B. einer Fotodiode oder einem Fototransistor, wobei der Durchmesser des Laserstrahls noch kleiner als der einer einzelnen Sensorfläche ist. In Abb. 1 ist ein solcher Empfänger (5) mit dem Lichtfleck (2) eines Laserstrahls (3) gezeichnet. Die im Empfänger erhaltenen analogen Spannungssignale werden über ein Verbindungskabel (8) an die Recheneinheit weitergegeben.

Sender und Empfänger sind in aller Regel paarweise an beiden Enden der Kalanderwalzen (10) angebracht, um dadurch eine Schrägstellung der beiden Walzen zueinander sofort erkennen zu können. Eine Schrägstellung der Walzen würde eine in der Breite ungleichmäßige Extrusionsschicht bewirken. Sender und Empfänger stehen sich entsprechend den räumlichen Gegebenheiten - in einem Abstand, der dem 1 bis 2 fachen Durchmesser der Kalanderwalzen entspricht, einander gegenüber.

Antriebseinheit für das Verfahren von Sender und Empfänger (6)

Die Antriebseinheit hat zweierlei Aufgaben zu erfüllen:

1. Die Justierung von Sender und Empfänger auf ein genaues Gegenüberstehen, sodaß der Laserstrahl das Zentrum der vier Sensorquadrate trifft, wie in Abb.1 gezeigt.

2. Das synchrone Verfahren von Sensor und Empfänger bis zu den Walzenkanten, wobei durch das Ausblenden des Laserstrahls ein Signal ausgelöst wird, das die erlaubt, die Position der Walzenkante zu bestimmen.

Die Verfahrensachse der Antriebseinheiten liegt bevorzugt parallel zur gedachten Verbindungsachse der Kaianderwalzenmittelpunkte. Der Laserstrahl ist dementsprechend in Richtung der Normalen der durch die

Verbindung der Drehachsen beider Kalanderwalzen aufgespannten Ebene gerichtet.

Die einzelne Antriebseinheit besteht im Prinzip meist aus einer von einem Gleichstrommotor angetriebenen Mikrometerschraube. Als Beispiel für so einen Stellmotor sei DC-Mike Drive M-224.20 mit Encoder von der Firma Physik Instrumente GmbH & Co, Waldbronn erwähnt. Antriebseinheit und Recheneinheit sind durch ein Verbindungskabel (7) zur Übertragung der Positionssignale miteinander verbunden.

Erfassungs- und Recheneinheit (9)

Erfassungs- und Recheneinheit kann ein Einplatinencomputer oder ein PC sein. Sie erfüllt zweierlei Aufgaben:

1. Überwachung der Strahlungsintensität im Zuge des Verfahrens von Sender und Empfänger durch die Antriebseinheit in aller Regel wird ein Stopsignal für das Verfahren ausgegeben, wenn die Strahlungsintensität auf 50% eines vorher justierten Maximalwertes abgefallen ist, die Walzenkante also den Laserstrahl zur Hälfte abschattet. Der Maximalwert ist ein Nutzsignal: Er ist definiert a!s die Differenz zwischen dem elektrischen Signal bei ungehindertem Strahlungsdurchgang und dem elektrischen Signal bei völliger Abschattung des Strahls durch die Kaianderwalzen. In letzterem Fall wird meist ein elektrisches Restsignal ("Rauschen") gemessen, obwohl die Strahlungsintensität praktisch nuil ist.

2. Bestimmung des Walzenabstandes: Das im Moment der teilweisen Ausblendung des Laserstrahls erhaltene elektrische Signal wird an den übergeordneten Rechner weitergeleitet, der den absoluten Positionswert bestimmt. Aus beiden bei Erreichen der Walzenkanten erhaltenen Signalen wird der Walzenabstand berechnet. Bei dieser Berechnung kann auch eine Kalibrierfunktion miteinbezogen werden, da die Position des Walzenrandes mit dem 50% Wert der Strahlungsintensität nicht immer genau übereinstimmen muß.

Anstelle der Erfassung der Absolutposition der Antriebseinheit, z:B. der DC Mike Antriebseinheit kann alternativ ein Inkrementalzähler eingesetzt werden.

Durchführung der Messung

Die Messung erfoigt im laufenden Betrieb einer Extrusionsanlage zweckmäßigerweise immer dann, wenn die Dicke des Extrudats geändert werden muß, sowie natürlich auch beim Anfahren der Anlage.

Die Messung umfaßt - entsprechend den oben genannten zwei Aufgaben der Antriebseinheit - zwei Schritte:

1. Justierung: Die beiden Antriebseinheiten verfahren Sender und Empfänger solange, bis der von der Laserdiode ausgesandte Strahl durch den Walzenspalt auf das Sensorquadrat trifft. Nun erfolgt eine Seibstjustierung der Antriebseinheiten so, daß der Strahl, der vom Durchmesser nicht größer als eine einzelne Sensorfläche sein soll, diese

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so trifft, daß maximale Strahlungsintensität erreicht wird. Da die Selbstjustierung in &mgr;&igr;&eegr;-Schritten erfolgt, ist die Synchronisation von Sender und Empfänger sehr genau. Der Maximalwert der Strahlungsintensität wird gespeichert.

2. Die beiden Antriebseinheiten verfahren nun Sender und Empfänger in &mgr;&igr;&eegr;-Schritten parallel zur Verbindungslinie der Kalanderwalzenmittelpunkte, bis eine Walzenkante erreicht ist, die den Laserstrahl abschattet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stoppt der Stellmotor, wenn die Intensität des von der Laserdiode ausgesandte Strahis bis auf 50% des vorher einjustierten Maximalwertes abgefallen ist. Der Absolutwert dieser Stellung wird an den übergeordneten Rechner weitergemeldet Nun erfolgt eine Richtungsumkehr und die Antriebseinheiten verfahren Sender und Empfänger, bis die Strahlungsintensität erneut auf 50% des Maximaiwertes abgefallen ist. Auch diese Position wird an den Rechner gemeldet. Anstelle der Erfassung der Absolutpositionen kann alternativ auch ein Inkrementalzähler eingesetzt werden. Die Recheneinheit berechnet aufgrund der beiden gespeicherten Positionswerte bzw. aus dem Inkrementalwert unter Berücksichtigung einer Kalibrierfunktion für den Walzenrand - der mit dem 50%-Wert der Strahlungsintensität nicht übereinstimmen muß - den wahren Walzenabstand mit einer Genauigkeit von +-

Bei ungenügendem Signai/Rausch-Verhältnis kann ein moduiierter Laserstrahl (im kHz-Bereich) in Kombination mit einem schmalbandigen Empfängerverstärker eingesetzt werden. Soll das SignaS/Rausch-Verhältnis noch weiter verbessert werden, so ist der Einsatz eines phasenempfindüchen Verstärkers (Lock-in-amplifier) auf der Empfängerseite sinnvoll.

Vorteile der Erfindung

Das Meßverfahren ist weitgehend schmutzunempfindüch, da es im Gegensatz zum Stand der Techik berührungslos arbeitet und keine durch Verschmutzung hervorgerufenen mechanische Störungen auftreten können. Außerdem ist die Optik der Meßeinrichtung einfach - sie kommt ohne Linsensystem aus - und dadurch ebenfalls staub- und schmutzunempfändlich. Ein weiterer Grund für die geringe Schmutzanfälligkeit ist die Tatsache, daß bei der Berechnung des Walzenabstandes nur relative Verhältniszahlen eingehen, nämlich die Messung eines Strahlungsintensätätsabfalis auf 50%. Die eigentliche Ortsinformation wird - unbeeinträchtigt von optischen oder mechanischen Störungen - im Rechner erstellt.

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Das Meßverfahren ist sehr genau. Die DC Mike Antriebseinheiten z.B. lassen sich im Submikrometerbereich verstellen. Dadurch wird eine extrem hohe Ortsauflösung für die Walzenkante erreicht. Der Vertrauens bereich der Messungen liegt bei +-&Igr;&Ogr;&mgr;&igr;&eegr;.

Durch die bevorzugte Anordnung von gleich zwei Meßsystemen (je eines an beiden Enden der Kalanderwalzen) läßt sich die Vorrichtung noch für einen anderen Zweck nutzen: Für die Vermeidung von Schiefstellungen der Kalanderwalzen und damit von Dickenunterschieden der Kunststoffbahn oder -folie in der Breite. Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung kann eine Schiefstellung der Kalanderwalzen anzeigen: Wenn die an beiden Enden gemessenen Walzenabstände nicht innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs übereinstimmen, kann eine Fehlermeldung ausgegeben werden und die Schiefstellung behoben werden.

Abbildungen

Die Erfindung wird durch die nachstehenden Abbildungen erläutert, ist aber nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt.

Abb. 1:

Abb. 1 zeigt schematisch die Stellung des Laserstrahls im Moment 6er Justierung von Senderund Empfänger. Der Lichtkegel des Laserstrahls (2) liegt genau in der Mitte der vier Sensorquadrate (1), d.h. alle vier Sensoren würden in diesem Moment das gleiche analoge Spannungssignal abgeben. Der Durchmesser des Laserlichtkegels ist kleiner als ein einzelnes Sensorquadrat, was ein bevorzugtes Kennzeichen der Erfindung darstellt.

Abbb 2 zeigt schematisch den Querschnitt durch einen Kalanderwalzenspait (11) mit den beiden Kalanderwalzen (10,) der Meßeinrichtung mit Sender (4) und Empfänger (5) und den beiden Antriebseinheiten (6) zum Verfahren von Sender und Empfänger, sowie der Verbindung zur Übertragung der Positionssignaie (7) und zur

Übertragung der Empfängersignale (8), sowie die Recheneinheit (9). Der Laserstrahl (3) ist ebenfalls eingezeichnet.

Bezugsgrößen	Sensorquadrate
(1)	Lichtkegel des Laserstrahls
(2)	Laserstrahl
(3)	Sender
(4)	Empfänger
(5)	Antriebseinheit für das Verfahren von Sender und Empfänger
(6)	Verbindungskabel zur Übertragung der Positionssignale
(7)	Verbindungskabel zur Übertragung der Empfängersignale
(8)	Recheneinheit
(9)	Kaianderwalzen
(10)	Waizenabstand
(11)

Claims

SCHUTZANSRÜCHE

1. Vorrichtung zur Messung des Walzenabstandes (11) zweier Kalanderwalzen (10) in einer Extrusionsanlage für die Herstellung extrudierter Kunststoff platten und -folien,

dadurch gekennzeichnet,

daß zu beiden Seiten des Walzenspaltes je ein Laser als Sender (4) und ein für Laserstrahlen geeignetes Nachweisinstrument als Empfänger (5) angebracht sind, diese auf ein exaktes Einander-gegenüber-Stehen justiert werden und in dieser Stellung parallel einer gedachten Verbindungslinie der beiden Kalanderwalzenmittelpunkte synchron durch eine Antriebseinheit (6) bis zu beiden Walzenkanten verfahren werden, wobei dort durch eine teilweise Ausblendung des Laserstrahls zwei Positionssignale erhalten werden, die an eine Recheneineit (9) weitergeieitet werden, die aus den Positionssignalen den Walzenabstand berechnet und als Zahlenwert ausgibt.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (4) aus einer Laserdiode besteht und der Empfänger (5) aus einer in Form von vier im Quadrat angeordneten Sensoren (1), die als

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Fotodiode oder als Fototransistor ausgebildet sind, besteht, wobei der Durchmesser des Laserstrahls nicht größer als eine einzelne Sensorfläche ist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Positionssignal ausgegeben wird, wenn im Zuge des synchronen Verfahrens von Sender und Empfänger die Ausblendung des Strahles durch die zwischen Sender und Empfänger tretende Walzenkante zu 50% der Strahlungsintensität im Vergleich zu einem vorher justierten Maximalwert mit einer Strahlungsintensität von 100% erfolgt ist.

4. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Sender-Empfänger-Paar an beiden Enden der Kalanderwalzen angebracht ist, wodurch eine Schiefstellung der Walzen erkannt werden kann und Ungleichmäßigkeiten in der Dicke der Kunststoff-bahn oder -folie vermieden wird.

5. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß sich Sender und Empfänger in einem Abstand, der dem 1 bis 2 fachen Durchmesser der Kalanderwalzen entspricht, einander gegenüberstehen.