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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen Bauteils aus Glas durch Elongieren eines Ausgangszylinders unter Einsatz einer Prozessregelung, die mehrere Regelkreise - darunter einen Temperatur-Regelkreis - umfasst, wobei der Ausgangszylinder mit einem Ende beginnend und mit einer Vorschubgeschwindigkeit vf einer Heizzone mit einer Heizzonen-Temperatur TOfen zugeführt und in der Heizzone bereichsweise erweicht wird, und aus dem erweichten Bereich unter Ausbildung einer Ziehzwiebel kontinuierlich und mit einer Abzugsgeschwindigkeit vs ein Bauteil-Strang in Richtung einer Ziehachse abgezogen und daraus das Bauteil abgelängt wird.
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Bei derartigen Ziehprozessen, die beispielsweise zur Herstellung von Rohren, Stäben, Hohlfasern und Vollfasern dienen und die häufig mit einem hohen Verformungsgrad des Ausgangszylinders einhergehen, stellt sich grundsätzlich die Aufgabe, ein möglichst maßhaltiges Bauteil zu erzeugen. Bei üblichen Prozessregelungen mit einem einfachen Durchmesser-Regelkreis dienen Durchmesser und Wanddicke des Bauteil-Strangs als Regelgrößen und die Abziehgeschwindigkeit des Bauteils als Stellgrößen. Bei hohen Anforderungen an die Maßhaltigkeit der Bauteile sind jedoch aufwändigere Regelprozesse mit mehreren, ineinander verschachtelten Regelkreisen erforderlich.
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Insbesondere ist für eine hohe Genauigkeit der Durchmesserregelung eine annähernd konstante Viskosität im Bereich der so genannten „Ziehzwiebel“ unabdingbar.
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Stand der Technik
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Um dies zu erreichen, wird bei einem Verfahren zur Herstellung optischer Fasern gemäß der
JP 03-037129 A vorgeschlagen, die Temperatur in der Ziehzwiebel möglichst konstant zu halten. Eine Glas-Vorform wird von oben einem ringförmigen elektrischen Heizelement zugeführt, darin erweicht und aus dem erweichten Bereich unter Ausbildung einer Ziehzwiebel die optische Faser abgezogen. Die Faser durchläuft ein Durchmesser-Messgerät, mittels dem der Faserdurchmesser kontinuierlich gemessen wird. Der Faserabzug ist mit einer Einrichtung zur Messung der Zugspannung der Faser ausgestattet. Die Messwerte für den Faserdurchmesser und die Zugspannung werden einer Regeleinheit zugeführt. Die Zugspannung dient als Maß für die Temperatur des Glases in der Ziehzwiebel und wird zur Regelung der Temperatur des Heizelements herangezogen.
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Üblicherweise reagiert die Temperatur der Heizeinrichtung rasch auf Änderungen des entsprechenden Temperaturreglers. Wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit des Glases und seiner Wärmekapazität wirken sich Änderungen der Temperatur des Heizelements - auch abhängig von Masse der Ziehzwiebel - auf die Viskosität des Glases jedoch erst mit langer Verzögerung aus. Infolge der damit einhergehenden Messtotzeit ist das bekannte Regelverfahren langsam und neigt zum Überschwingen.
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Den Nachteil prozessinhärenter Messtotzeiten vermindert das aus der
DE 195 369 60 A1 bekannte Ziehverfahren. Dabei wird aus einer Durchmessererfassung im Bereich der Ziehzwiebel mittels eines realitätsnahen Modells eine Vorhersage über den zu erwartenden Wert des endgültigen Bauteil-Durchmessers simuliert und dieser totzeitfreie Rechenwert als Regelwert für die Durchmesserregelung genutzt.
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Zusätzlich wird die Temperatur der Ziehzwiebel mittels Pyrometer gemessen und in einer Kaskadenregelung diese Temperatur als Hauptregelgröße und die Temperatur der Heizeinrichtung als Hilfsregelgröße verwendet. Dadurch wird einerseits eine Regelstrecke mit geringer Integrationszeit zur hochkonstanten Regelung der Temperatur der Heizeinrichtung erhalten, und andererseits eine Regelstrecke mit einer langen Integrationszeit, die zur Viskositätseinstellung im Bereich der Ziehzwiebel dienen kann.
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Der bekannte Regelprozess, basierend auf Messungen von Durchmesser und Temperatur im Bereich der Ziehzwiebel in Verbindung mit einem Modell zur Prädiktion des endgültigen Bauteil-Durchmessers, führt in stationären Phasen des Elongierprozesses zu einer Maßhaltigkeit des abgezogenen Bauteils, die auch hohen Anforderungen genügt.
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Im Bereich der Ziehzwiebel zeigt sich eine starke Ortsabhängigkeit der Oberflächentemperatur. Zudem kann sich die Ziehzwiebel innerhalb der Heizzone verlagern. Die lokale Messung der Oberflächentemperatur im Bereich der Ziehzwiebel ergibt nur einen einzigen Temperaturwert, der in Bezug auf die mittlere Viskosität des Glases im Bereich der Ziehzwiebel wenig aussagekräftig ist.
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Schwierigkeiten ergeben sich daher insbesondere bei Änderungen von Prozessparametern, die in der Heizzone zu starken Temperaturänderungen führen, wie sie in der Praxis etwa bei Unstetigkeiten im abzuziehenden Ausgangszylinders oder zu Prozessende auftreten können.
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Die
WO 00/ 34 193 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen Bauteils durch Elongieren eines Ausgangszylinders. Mittels Pyrometer wird die Temperatur an der Ofenwandung gemessen. Ein mit dem Pyrometer zusammenwirkender Temperaturregler dient zur Einstellung der Ofen-Temperatur. Ein weiteres Pyrometer dient zur Messung der Glas-Temperatur im Bereich der Ziehzwiebel. Alle Regler und Messgeräte sind mit einer zentralen Prozessregel- und Steuereinrichtung verbunden. In die zentrale Prozessregel- und Steuereinrichtung werden Sollwerte, beispielsweise Rohrabmessungen, der Massendurchsatz usw. eingegeben:
- Aus der US 7 637 125 B2 ist ein Verfahren zur Bearbeitung eines Substratrohres aus Glas bekannt. Dabei wird vorab der Außendurchmesser des Substratrohres zur Verbesserung der Maßhaltigkeit geschrumpft. Die dafür eingesetzte Heizvorrichtung umfasst eine Induktionsspule, ein Heizelement und eine Außenisolierung. Ein erster Temperatursensor misst die Temperatur des Heizelements. Der Ausgang des ersten Temperatursensors geht in einen Eingang des Stromreglers. Die Temperatur des Außenmantelfläche des Substratrohres wird kontaktlos mittels eines zweiten Temperatursensors gemessen. Zu diesem Zweck sind in der Außenisolierung und dem Heizelement fluchtende Löcher ausgebildet. Der Ausgang des zweiten Temperatursensors geht in einen anderen Eingang des Stromreglers. Der Stromregler dient zur Einstellung der durch die Induktionsspule fließenden Stromstärke auf der Grundlage der von den Temperatursensoren gemessenen Temperaturen.
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Die
US 7 805 963 B2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Glassohres aus einem Glasstab, indem der Glasstab mit einer Vorschubrate einer Schmelzform zugeführt wird, darin das Glas erschmolzen und in horizontaler Orientierung ein Glasrohr durch eine Ringdüse mit einer Abzugsgeschwindigkeit abgezogen wird. Ein erstes Thermoelement überwacht die Schmelzform-Eintrittstemperatur, ein zweites Thermoelement die Schmelzform-Temperatur und weitere Thermoelemente die Austrittstemperatur. Außerdem wird die Temperatur der Schmelzform auch noch mittels eines Pyrometers gemessen. Die Temperatur-Messung am Schmelzform-Einlass mittels des ersten Thermoelements wird verwendet, um die Vorschubrate zu regeln, und die Durchmesser-Messung am Glasrohr wird verwendet, um die Abzugsgeschwindigkeit zu regeln.
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Technische Aufgabenstellung
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Mittels des prozessmodell-basierten Regelungskonzeptes des bekannten Verfahrens lassen sich Durchmesserschwankungen des Bauteils nicht vollkommen ausschließen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Prozessregelung des bekannten Verfahrens dahingehend weiterzubilden, dass auch bei Auftreten temperaturwirksamer Störstellen während des Elongierprozesses ein Bauteilstrang mit hoher Maßhaltigkeit gezogen werden kann.
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Allgemeine Darstellung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird ausgehend vom eingangs genannten erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Temperatur-Regelkreis folgende Maßnahmen vorgesehen sind:
- • das fortlaufende Messen eines ersten Temperaturwerts Toben an einer oberen Messstelle der Ausgangszylinder-Oberfläche,
- • das fortlaufende Messen eines zweiten Temperaturwerts Tunten an einer unteren Messstelle, welche von der oberen Messstelle in Richtung der Ziehachse beabstandet ist, wobei sich zwischen oberer und unterer Messstelle die Ziehzwiebel oder mindestens ein Teil derselben erstreckt,
- • das Berechnen einer Temperaturverteilung des Ausgangszylinders im Bereich zwischen den Messstellen von erstem Temperaturwert Toben und zweitem Temperaturwert Tunten, und die Bestimmung einer modellierten Verformungstemperatur Tmodell anhand eines algorithmischen Modells unter Berücksichtigung des ersten und des zweiten Temperaturwerts als Modelleingangsgrößen, und
- • die Verwendung der modellierten Verformungstemperatur Tmodell als Regelgröße und die Verwendung der Heizzonen-Temperatur TOfen als Stellgröße des Temperatur-Regelkreises.
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Ziel der Temperatur-Regelung ist es, die Viskosität des Glases in der Verformungszone, die hier als „Ziehzwiebel“ bezeichnet wird, während des Elongierprozesses möglichst konstant zu halten. Unter „Ziehzwiebel“ oder „Verformungsbereich“ wird derjenige erweichte Bereich verstanden, in dem der Ausgangszylinder eine plastische Verformung erfährt.
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Im Gegensatz zum eingangs genannten Stand der Technik beruht die Temperatur-Regelung beim erfindungsgemäßen jedoch nicht auf einer einzigen lokalen Messung der Oberflächentemperatur des Glases im Bereich der Ziehzwiebel, sondern auf einer Messung zweier Temperaturen an Messstellen, die in Richtung der Ziehachse voneinander beabstandet sind.
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Die obere Messstelle - für den ersten Temperaturwert - liegt oberhalb oder innerhalb des oberen Ziehzwiebel-Bereichs; bei einem Vertikal-Ziehverfahren von oben nach unten beispielsweise am oberen Rand eines Heizelements. Die untere Messstelle - für den zweiten Temperaturwert - liegt innerhalb des unteren Ziehzwiebel-Bereichs oder unterhalb der Ziehzwiebel, beispielsweise am unteren Rand des Heizelements. Die Messung der Temperaturen erfolgt „fortlaufend“, also kontinuierlich oder diskontinuierlich, wobei bei diskontinuierlicher Messung die Prozessregelung umso genauer ist, je kürzer die Zeitabstände zwischen aufeinanderfolgenden Messungen gewählt werden.
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Die gemessenen Temperaturwerte sind Eingangswerte für ein algorithmisches Modell, das eine ein-, zwei- oder dreidimensionale realitätsnahe Temperaturverteilung des Ausgangszylinders simuliert, und zwar mindestens für denjenigen Bereich, der sich aktuell zwischen den Messstellen von erstem Temperaturwert Toben und zweitem Temperaturwert Tunten befindet. Als Integral oder Mittelwert der so ermittelten Temperaturverteilung ergibt sich eine modellierter Verformungstemperatur Tmodell, die ein Maß für eine mittlere Temperatur beziehungsweise eine mittlere Viskosität des Glases im Verformungsbereich darstellt.
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Insofern kommt der modellierten Verformungstemperatur Tmodell eine ähnliche Bedeutung zu wie der Abzugsspannung zwecks Ermittlung einer mittleren Viskosität in der Ziehzwiebel bei der eingangs genannten Technik. Im Unterschied dazu beruht die modellierte Verformungstemperatur Tmodell jedoch auf tatsächlichen und aktuellen Temperatur-Messwerten, die eine frühzeitige Berücksichtigung von Änderungen ermöglichen, und zwar sobald sich diese als Temperatur-Änderung von erster oder zweiter Temperatur ankündigen und jedenfalls deutlich bevor sie sich als merkliche Änderung der mittleren Viskosität in der Ziehzwiebel auswirken.
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Dazu kann auch das algorithmische Modell beitragen, indem es insbesondere für die in der Praxis häufig vorkommenden Parameter-Änderungen beim Elongierprozess realitätsnahe Simulationen und vorausschauende Regelantworten enthält.
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Bei der Verwendung der modellierten Verformungstemperatur Tmodell als Regelgröße des Temperatur-Regelkreises ergibt sich daher eine vorausschauende Regelung mit geringer Integrationsdauer. Als Stellgröße dient dabei die Heizzonen-Temperatur TOfen oder ein damit korrelierbarer Parameter, wie etwa der Heizstrom zur Beheizung der Heizzone.
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Dadurch, dass das algorithmische Modell eine Temperaturverteilung zumindest zwischen den Messstellen von erster und zweiter Temperatur simuliert, ist ein ständiger Abgleich möglich, indem die tatsächlichen Temperatur-Messwerte mit den modellierten Temperaturwerten an der jeweiligen Messstelle verglichen werden. Insoweit ist das Modell zur Adaption während des Elongierprozesses geeignet.
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In dem Zusammenhang hat es sich als günstig erweisen, wenn das algorithmische Modell während des Elongierens kalibrierbar ist, in dem Sinne, dass es fortlaufend Abweichungen zwischen den an den Messstellen von erstem Temperaturwert und zweitem Temperaturwert modellierten Temperaturwerten T'oben, T'unten von den gemessenen Temperaturwerten Toben und Tunten erfasst und die gemessenen Temperaturwerte als neue Eichwerte für die Bestimmung der Verformungstemperatur Tmodell verwendet.
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Das algorithmische Modell wird insofern durch die Realität ständig nachkalibriert, so dass der mit dem Modell verbundene Temperatur-Regler von Zeit zu Zeit einen neuen Sollwert für die Verformungstemperatur Tmodell erhalten kann.
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Wie weiter oben bereits erwähnt, ist das erfindungsgemäße Verfahren wegen der Temperaturmessungen an oberer und unterer Messstelle für eine frühzeitige Erkennung von Störungen im Verfahrensablauf ausgelegt und es erlaubt insoweit eine vorausschauende Regelung.
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Im Hinblick hierauf wird eine weitere Verbesserung erreicht, wenn der Ausgangszylinder vor oder beim Elongieren auf etwaige Störstellen vermessen und die axiale Lage jeder Störstelle dem algorithmischen Modell als Eingangsgröße mitgeteilt wird, und wenn beim Elongieren des Ausgangszylinders die Position der Störstelle relativ zur Heizzone und deren positionsabhängige Auswirkung auf die Temperatur in der Heizzone berücksichtigt werden.
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Die Störstelle äußert sich beispielsweise als Unstetigkeit in der Geometrie oder in einer Änderung der chemischen Zusammensetzung des Ausgangszylinders. Das Modell kennt hierbei qualitativ die voraussichtlichen Auswirkungen der Störstelle auf die Temperatur in der Heizzone und insbesondere in der Ziehzwiebel. Die genauen Auswirkungen werden während des Elongierprozesses online ermittelt und in Verbindung mit dem Temperatur-Regler in Abhängigkeit von diesen Auswirkungen und der aktuellen Störstellen-Position eine passende Regelantwort erzeugt, um Tmodell trotz der Störstelle konstant zu halten.
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In den Zusammenhang hat es sich auch bewährt, wenn ein Ausgangszylinder eingesetzt wird, der stirnseitig über eine Schweißverbindung mit einem oberen zylindrischen Glasbauteil verschweißt ist, wobei dem algorithmischen Modell die axiale Lage der Schweißverbindung als Eingangsgröße mitgeteilt wird, und dass beim Elongieren des Ausgangszylinders die Position der Schweißverbindung relativ zur Heizzone und deren positionsabhängige Auswirkung auf die Temperatur in der Heizzone berücksichtigt werden.
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Das obere Glasbauteil ist mit dem Ausgangszylinder über eine stirnseitige Schweißverbindung verschmolzen. Das obere Glasbauteil ist beispielsweise ein weiterer zu elongierender Ausgangszylinder oder eine angeschweißte Halterung für den Ausgangszylinder. Insoweit handelt es sich um eine bei jedem Elongierprozess wiederkehrende Störung oder Unstetigkeit im Verfahrensablauf, wenn sich diese Schweißstelle der Heizzone nähert. Die Schweißstelle erzeugt Wärmestrahlung und hat merkliche Auswirkungen auf die Temperatur in der Heizzone. Es hat sich gezeigt, dass die Temperatur im Verformungsbereich ansteigt und die Viskosität sich entsprechend verringert. Dadurch wird das Glas dünnflüssiger und es kommt zu höheren Massendurchsatz.
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Das algorithmische Modell erkennt die Schweißverbindung als Störstelle zum einen anhand eines Temperaturanstiegs der vorgelagerten Temperaturmessung am oberen Messpunkt, und bei der bevorzugten Verfahrensweise außerdem anhand von Eingangsdaten über die axiale Lage der Schweißstelle. Werden der Ausgangszylinder und die axiale Lage der Schweißverbindung vor Beginn des Elongierprozesses vermessen, so können diese Eingangsdaten dem Modell vorab eingegeben werden. Alternativ oder ergänzend dazu kann das algorithmische Modell diese Eingangsdaten „online“ während des Elongierprozesses von einer Erfassungseinrichtung für die Schweißverbindung erhalten, die dem oberen Temperatur-Messpunkt vorgeschaltet ist.
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Auch hier kennt das Modell qualitativ die voraussichtlichen Auswirkungen der Schweißstelle auf die Temperatur in der Heizzone und die theoretischen Auswirkungen auf den Verformungsbereich. Um Tmodell auf dem Sollwert zu halten, werden die genauen Auswirkungen während des Elongierprozesses online ermittelt und in Verbindung mit dem Temperatur-Regler in Abhängigkeit von diesen Auswirkungen und der aktuellen Position Schweißstelle eine passende Regelantwort erzeugt.
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Das algorithmische Modell erweist sich daher zur Bewältigung von Unregelmäßigkeiten im Verfahrensablauf und insbesondere in der Endphase des Elongierprozesses als vorteilhaft. In der stationären Phase des Elongierprozesses, in dem keine nennenswerten Änderungen zu erwarten sind, kann die Temperatur-Regelung auf Basis des algorithmischen Modells ausgeschaltet oder verringert sein. Im Hinblick darauf wird eine Verfahrensweise bevorzugt, bei der das Elongieren eine stationäre Phase, gefolgt von einer Endphase umfasst, wobei die Auswirkung der Schweißverbindung auf die Temperatur in der Heizzone in der stationären Phase vernachlässigt wird.
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Im Hinblick auf einen schnellen Algorithmus hat es sich bewährt, wenn das Modell zur Berechnung einer eindimensionalen Temperaturverteilung des Ausgangszylinders im Bereich zwischen den Messstellen von erstem Temperaturwert Toben und zweitem Temperaturwert Tunten ausgelegt ist.
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Die Dauer für die Berechnung der Verformungstemperatur Tmodell hängt vom Rechenaufwand für die Ermittlung der modellierten Temperaturverteilung ab. Dieser ist umso geringer, je geringer der Umfang der zu berücksichtigenden Daten ist. Symmetriebedingungen erlauben bei zylindrischen, und insbesondere bei rotationssymmetrischen Ausgangskörpern die Betrachtung einer eindimensionalen Temperaturverteilung entlang der Ziehachse und damit eine beträchtliche Reduzierung von Datenmenge und Rechenzeit für die Modellierung.
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Es hat sich außerdem als vorteilhaft erweisen, wenn die Ziehgeschwindigkeit vs und die Vorschubgeschwindigkeit vf als Eingangsgrößen des algorithmischen Modells dienen.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren liegt der untere Messpunkt im unteren Bereich der Ziehzwiebel oder darunter. Bei gleicher Ziehzwiebel- Temperatur zeigt das Glas beim schnellen Abziehen des Bauteil-Strangs in diesem Messpunkt eine höhere Temperatur als bei langsamerem Abziehen. Somit ergibt sich ein Scheineffekt, der allein durch die Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit eine höhere Temperatur im Bereich der Ziehzwiebel suggeriert, obwohl diese Temperatur unverändert ist. Um ungünstige Auswirkungen dieses Scheineffekts zu vermeiden, erfasst das Modell die Ziehgeschwindigkeit vs und die damit einhergehende Abkühlung des abgezogenen Bauteil-Strangs bis zur unteren Messstelle und auch die Vorschubgeschwindigkeit vf.
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Die Berechnung der Verformungstemperatur Tmodell beruht vorzugsweise auf Lösungen von Differentialgleichungen nach der Methode der finiten Elemente.
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Dabei wird die Ziehzwiebel in eine Anzahl endlich kleiner Elemente unterteilt, die sich mit einer endlichen Zahl von Parametern beschreiben lassen.
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Ausführungsbeispiel
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In schematischer Darstellung zeigt im Einzelnen
- 1 eine Ziehvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Seitenansicht, und
- 2 die Struktur einer totzeitfreien Temperatur-Regelung gemäß der Erfindung.
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Die Ziehvorrichtung von 1 umfasst einen Widerstands-Heizofen, der im Wesentlichen aus einem vertikal orientierten Heizrohr 1 aus Graphit besteht, das einen im horizontalen Querschnitt kreisförmigen Heizraum 3 umschließt. In das obere offene Ende des Heizrohres 1 ragt ein Quarzglas-Hohlzylinder 4, dessen Längsachse 5 koaxial zur Mittelachse 2 des Heizrohres 1 ausgerichtet ist.
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In Höhe einer oberen Erfassungsebene E1 (am oberen Ende des Heizrohres 1) ist ein Pyrometer 6 angeordnet, welches die Oberflächentemperatur Toben des Hohlzylinders 1 erfasst. In Höhe einer unteren Erfassungsebene E2 (am unteren Ende des Heizrohres 1) ist ein weiteres Pyrometer 7 angeordnet, welches die Oberflächentemperatur Tunten des elongierten Hohlzylinders 1 erfasst. Die Temperatur-Messwerte der Pyrometer 6 und 7 sowie die vom Pyrometer 16 gemessene Temperatur des Heizrohres 1 TOfen werden jeweils einem Rechner 8 zugeführt.
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Das obere Ende des Hohlzylinders 4 ist über eine Schweißverbindung 9 mit einem Quarzglas-Halterohr 10 verbunden, mittels dem es in horizontaler und vertikaler Richtung verschiebbar ist. Der Hohlzylinder 4 wird in dem Heizraum 3 erweicht und aus dem erweichten Bereich unter Bildung einer Ziehzwiebel 11 ein Quarzglasrohr 12 vertikal nach unten abgezogen. Das Quarzglasrohr 12 wird dabei durch einen Schleifkontaktring 13 geleitet, der gleichzeitig als Führungsschiene für ein Wanddickenmessgerät 14 dient, welches um den Außenumfang des Quarzglasrohres 12 rotierbar ist. Mittels des Wanddickenmessgerätes 14, das ebenfalls mit dem Rechner 8 verbunden ist, kann während des Ziehprozesses ein Wanddickenprofil des abgezogenen Quarzglasrohres 12 aufgezeichnet und dieses Profil mit Hilfe des Rechners 8 in Bezug auf Durchmesser D und Wandstärke W ausgewertet werden.
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Die Rohrabzugsgeschwindigkeit vs wird mittels eines Abzugs 15 erfasst und über den Rechner 8 eingestellt.
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Das regelungstechnisch zu lösende Problem besteht darin, durch ein möglichst realitätsnahes Modell einen verlässlichen Wert der Verformungstemperatur TModell zu schätzen. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, ein räumlich verteiltes, eindimensionales Temperaturmodell des Hohlzylinders von der Höhe E1 des oberen Temperatursensors bis zur Höhe E2 des unteren Temperatursensors zu implementieren und beim Elongierprozess online mitlaufen zu lassen. Die in E1 und E2 gemessenen Temperaturwerte des Hohlzylinders 4 beziehungsweise des abgezogenen Rohrstrangs 12 werden als Eingangsgröße in das Modell ebenso eingespeist wie die üblichen Modelleingangsgrößen wie etwa Ofentemperatur, Abzugsgeschwindigkeit und Wanddicke des abgezogenen Rohres.
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Der Rechner 8 ist Teil einer zentralen Prozessregelungseinrichtung, mit mehreren ineinander in üblicher Weise miteinander verschachtelten Regelkreisen, darunter ein Temperatur-Regelkreis. Dessen Struktur und Funktion wird im Folgenden anhand 2 näher erläutert.
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Wesentliche Bestandteile des Regelkreises sind ein PI-Regler 21 für die Regelung der Ofentemperatur TOfen. Ein Fuzzy-PID-Regler 22 für die Regelung von Durchmesser D und Wandstärke W des abgezogenen Rohrstrangs 12 sowie für die Einstellung der Stellgrößen Abzugsgeschwindigkeit vs, Vorschubgeschwindigkeit vf des Zylinders 4 in den Ofen 3 und des Rohr-Innendrucks P. Und ein Finite-Element-Modell 24 (im Folgenden auch als FEM-Modell bezeichnet), zur Modellierung einer eindimensionalen räumlichen Temperaturverteilung im Verformungsbereich zwischen den Ebenen E1 und E2, aus der eine integrierte, mittlere modellierte Temperatur Tmodell dieser Temperaturverteilung ermittelt wird. Der Verformungsbereich entspricht im Wesentlichen dem Bereich der Ziehzwiebel 11. Die Zieheinrichtung insgesamt ist in 2 mit der Bezugsziffer 23 symbolisiert.
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Eingangsgrößen für das FEM-Modell 24 sind die am Ofen 3 und am Quarzglaszylinder 4 gemessenen Temperaturwerte Toben, Tunten und TOfen, die aktuellen Messwerte für Rohrdurchmesser D und Rohrwandstärke W, die aktuellen Geschwindigkeiten von Vorschub vf und Abzug vs. Außerdem werden in das FEM-Modell 24 vorab Informationen über die ursprüngliche Länge des Hohlzylinders 4 eingegeben, so dass das Modell 24 anhand der integrierten Vorschubgeschwindigkeitsdaten stets die aktuelle Position der Schweißstelle 9 relativ zum Heizrohr 1 kennt.
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Aus den Eingangsdaten berechnet das FEM-Modell 24 den aktuellen Sollwert für die modellierte Temperatur Tmodell. Dieser Wert dient als Regelgröße und wird an den PI-Regler 21 weitergegeben, der basierend darauf und dem geltenden Sollwert Tmodell,0 entweder eine Erhöhung oder einer Verringerung der Ofentemperatur vorgibt. Der neu eingeregelte Temperaturwert TOfen, soll wird ebenfalls an das FEM-Modell übermittelt.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel für die Durchführung des erfindungsgemäßen Vertikalziehverfahrens zur Herstellung eines Quarzglasrohres anhand der 1 und 2 näher erläutert.
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In die zentrale Prozessregelungseinrichtung (Rechner 8) werden folgende Parameter eingespeist: Die vom Geschwindigkeitsmessgerät erfasste Abzugsgeschwindigkeit, der vom Wandstärken-Messgerät 14 gemessene Rohraußendurchmesser D und die Rohrwandstärke W, die vom Pyrometer 16 gemessene Temperatur TOfen des Heizrohres 1 sowie der von einem (ebenfalls nicht dargestellten) Druckmessgerät ermittelte Rohr-Innendruck P. Die Prozessregelungseinrichtung 8 steuert das Druckgasventil, den Temperaturregler 21 des Ofens sowie den Regler 22 für Abzug und Vorschub.
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Dem Ofen-Temperaturregler 21 wird ein aus den oben genannten Eingangsdaten vom FEM-Modell berechneter Sollwert für die modellierte Temperatur im Verformungsbereich vorgegeben und dieser bei der Einstellung der Ofentemperatur TOfen berücksichtigt.
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Der Quarzglas-Hohlzylinder 4 wird dem Ofen 3 mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit zugeführt, wobei die Temperatur des Ofens 3 zunächst auf ca. 2200°C eingestellt wird. Als Regelgröße für die Temperaturregelung des Ofens dient die vom FEM-Modell 24 ermittelte modellierte Temperatur Tmodell, die beispielsweise vorab und auf einen Sollwert um 1800°C eingestellt wird.
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Als Regelgrößen der Prozessregelung werden somit der Außendurchmesser D des Rohrstrangs 12 sowie die modellierte Temperatur Tmodell im Verformungsbereich (11) verwendet. Als Stellgrößen werden für den Außendurchmesser der Blasdruck und für die modellierte Temperatur Tmodell im Verformungsbereich (11) die Ofentemperatur TOfen verwendet.
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Die Regelung auf den Führungswert der modellierten Temperatur Tmodell im Verformungsbereich (11) wird nachfolgend erläutert:
- An den Messstellen E1 und E2 werden die Oberflächen-Temperaturen am Hohlzylinder 4 Toben und am abgezogenen Rohrstrang 12 Tunten gemessen. Die Daten werden dem FEM-Modell 24 übermittelt, das daraus die Abweichung der gemessenen modellierten Temperatur Tmodell, gemessen vom Sollwert feststellt und über den Regler 21 eine gegebenenfalls Änderung der Ofentemperatur bewirkt.
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Diese Regelung kann im stationären Betrieb abgeschaltet sein, wobei das Ende der stationären Phase beispielsweise durch das Unterschreiten einer Mindest-Restlänge des Hohlzylinders 4 gekennzeichnet ist. Die Erfindung bewährt sich insbesondere in der dann folgenden instationären Phase, die sich dadurch ergibt, dass die sich dem Ofen 3 von oben nähernde Schweißstelle 9 als zusätzliche Strahlenquelle wirkt, die zu einer Temperaturerhöhung mit Ofenraum 3 führt. Da das FEM-Modell eine mit dem Vorschub des Hohlzylinders „mitlaufende“ eindimensionale räumliche Temperaturverteilung über den aktuellen Verformungsbereich simuliert, wird die Temperaturänderung an der Messstelle E1 frühzeitig erkannt und der Temperaturerhöhung entgegengewirkt. Dazu trägt bei, dass das FEM-Modell die Lage der Schweißstelle 9 auch als Eingangsgröße enthält.
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Somit wird die Endphase des Elongierprozesses durch eine Temperaturerhöhung in der Messebene E1 und durch vorherige Eingabe der geometrischen Daten des Hohlzylinders 4 erkannt und kann über eine Verringerung der Ofentemperatur kompensiert werden. Daraus resultiert eine höhere Konstanz der Verformungstemperatur und somit eine höhere Konstanz des dynamischen Verformungsverhaltens. Es gelingt eine reproduzierbare Stabilisierung der Maßhaltigkeit des Rohrstrangs 12 auch in der nicht-stationären Endphase des Elongierprozesses, was bis dahin nicht möglich war.