本申请是国际申请日为2011年6月7日、国家申请号为201180039198.9(国际申请号为pct/ep2011/002786)、发明名称为“用于对注塑过程进行监控和优化的方法和设备”的申请的分案申请。
本发明涉及一种以分析在对部件进行注塑之前、期间和/或之后出现的振动谱为基础对注塑过程进行监控和优化的方法和设备。
背景技术：
在注塑时，将液体材料挤压到专用的模具中，在填充过程之后将其冷却并且随后将其取出。
在此，整个过程通过压力、温度、摩擦、聚集状态等的与相应的注塑材料、模具以及注塑方法相关的不同状态而受到影响。
注塑材料通常必须被加热，并且随后在例如为直到100bar的高压的情况下挤压到复杂程度或多或少的模具中，其中液体材料穿流过不同容积的通道，在壁部上冷却或附着，在狭窄部位处积聚并且被强制性地改变方向。
在最初的填充过程结束时，通过所谓的后注浆(nachdrücken)，填充材料在冷却时收缩的体积通过附加的材料补满，以便保证完全地填满模具。
模制工具必须承受相关的力，保证适当的散热并且最后再次喷射注塑材料。
其他的设备组成部分热和压力相关地为注塑提供注塑材料。
通过不同的过程变动可能在制造注塑部件时导致缺陷或缺点。
例如，可能为：
-没有完全地填充模具，
-模具的凸出的组成部分破裂，
-不同的冷却速度导致注塑部件中的应力，
-冷却循环的中断使冷却时的温度曲线失真，
-注塑部件被有缺陷的喷射器损坏，
-材料准备或制备是有缺陷的，
-温度进而粘度偏差并且导致不同的填充缺陷和冷却缺陷，
-在压力下的爆炸类型的特性导致填充缺陷和燃烧。
上面提到的和其他的缺陷仅为难于识别的。因此，必须根据有缺陷的注塑部件通过技术考虑和测试来确定缺陷的原因。通常，也不能够容易地识别出有缺陷的注塑部件本身，使得在识别出缺陷并且随后能够通过试验性地改变参数对过程进行优化之前可能会生产出大量的次品。
此外，注塑工具能够达到几十万欧元的价格。对注塑工具的规定功能的监控以及维修工作的及时开始因此具有高的经济利益。
从wo2010/051954中已知用于部件测试的基于声的方法。然而，应用范围局限于固体的部件和其通过切削、成型等方式进行的加工。
技术实现要素：
因此，本发明基于下述目的，实现一种对注塑过程进行监控和优化的方法和设备，借助于所述方法和设备，能够实现对注塑过程的准确的监控和/或评定。
所述目的相应地通过根据本发明的用于对注塑过程进行监控和优化的方法和设备来实现。
因此，将结构声传感器与注塑模具或与填充设备直接地或间接地连接或者耦联，并且对通过注塑过程在模具或设备中产生的以及通过在关闭、打开和喷射时的工具运动产生的振动进行测量。
尤其在直到200khz的频率范围中的所述振动可允许推断出当前进行的过程和其特性。
以完整的过程测量为基础，存储关于工具、材料和其他过程特性的参考模型以便充当用于今后的流程的对照。从技术角度出发，任意信号偏差能够与过程改变相关并且用于对过程进行监控或控制。
由于工具的或机器元件或者说控制装置的和参与的运行机构的性质或改变而造成的影响表现在结构声的振动图样中。
固体中的、尤其是工具(例如，注塑模具)中的振动通过结构声传感器在工具的表面处或在工具中被量取。必要时，能够设有另一个传感器，例如以便对例如为喷射装置、螺旋送料机或挤压器的材料输送设备进行直接监控。也能够在用于模具的冷却设备上设有单独的传感器。在已有的例如为注塑模具的装置上能够低成本地并且简单地在相应的外部面上加装传感器。在那，传感器能够被拧紧、粘接、压紧等。如果将传感器设置在内部面上、也就是在面向空腔的面上，所述传感器能够更好地记录振动。这样，消除了由模具材料引起的缓冲。这能够使振动可以听见，所述振动在将传感器设置在模具的外部面的情况下是不可测量的。信噪比能够以数量级增大。设置在模具的内部面上的传感器能够影响模具中的材料流动以及影响例如为冷却性能的其他特性。为了使所述影响最小化，能够将用于模具的内部面的传感器完全地或至少部分地插入到内部面中。对此，能够为传感器设有例如为孔的凹部。传感器能够与内部面齐平或被适当地终归要使用的例如为树脂的密封或固定材料的层所覆盖。传感器的这种嵌入也能够在模具的外侧上实现，那么其中设有从外部延伸到模具中的凹部，能够将传感器插入到所述凹部中。凹部越深，传感器能够更近地接近于在模具的内部中的流动过程和/或冷却过程等。
也能够将已经设在模具上或模具中以用于压力检测等的传感器用于记录振动谱，所述传感器包括压电元件。
振动被高频扫描和数字化，并且随后在频率范围中被显示和分析。
频率显示基于多个连续的短时间频率变换进行，所述频率显示是振动的频率特性和强度的时间曲线图。因此，不同的声源可根据其频率特性、其时间位置和其专有的动态性质而被识别出。
频率变换的扫描值为所述目的而绘制在通过时间、频率和声强的坐标限定的立面图中。
此外，能够根据工具在工作状态中的声发射和通过为测试目的而专门执行的运动和压力状态的声音发射来测定工具的状态。
不仅磨损、而且损坏也部分地反映在改变的工作噪声中，所述工作噪声能够对此给出工具是否必须维修或是否仍能够完成若干工作周期的信息。
对所述目的，工具(例如，注塑模具)持久地或仅暂时地为测试目的而装配有结构声传感器。
在新的或良好的状态下，记录工具的运动噪声和过程噪声的参考模型。将全部的后续测量与所述参考模型进行比较，并且基于偏差的结构声发射对磨损度进行定量。
在此，重要的是，在结构声信号的时间、频率和强度中实现动态的工作过程的足够的分辨率，以便能够实现将运动过程分配给各个工具元件。
根据本发明的在不同时间并且优选连续地或近似连续地以适当的抽样率进行的振动谱检测允许多维的数据评估，所述数据评估是对部件、工件、工具和/或加工进行精确评定的基础。
对于一个优选的实施形式，多维的数据评估能够以三个维度例如通过地形图(landschaft)示出，那么所述地形图能够在例如通过频率轴、时间轴和振幅轴限定的空间中延伸。地形图显示出声音发射的时间曲线图并且在此具有有代表性的特征，所述特征分别近似地形成指纹。这些有代表性的特征能够通过合适的方法来确定。同样也能够确定与所述有代表性的特征的偏差。也能够针对特定的缺陷或缺陷类型在多维的数据中确定有代表性的特征。总体上，以在所述优选的实施形式中在频率-时间-振幅空间中形成地形图的多维的数据为基础，能够以高可靠性实时地确定尤其仍在注塑期间的注塑过程的质量。也能够借助于相应的有代表性的特征来确定和识别出工具的磨损度或工具缺陷例如为破损。最终，能够确定与期望的有代表性的特征的偏差，并且与缺陷特征的一致性能够诊断出特定的缺陷或缺陷类型。
优选地，以图样识别为基础自动地进行评估。合适的算法能够用于多维的并且尤其是三维的图样识别，所述算法能够快速地和可靠地并且借助能够调整的识别参数基于计算机地实现，并且访问已存储的振动谱数据或者实时处理振动谱数据。
适当地，设有图样数据库，所述图样数据库具有适合特定应用的图样。在此，图样能够以必要时带有公差范围的图样地形图片段的形式存储和/或通过函数限定。
为自动的评估优选地设有，形成所检测的振动谱的或其片段的包络线，并且将所述包络线与参考包络线进行比较。在此，包络线例如经由平滑函数，从对空间上相邻的数据点取平均值或在使用用于使多维数据平滑的适当方法的情况下形成。包络线和参考包络线之间的偏差能够用作对部件、工件、工具和/或过程，例如对注塑过程的质量的进行评定的标准。此外，对包络线的使用允许自动识别例如为流动分离、喷射器缺陷、压力波动等的过程片段。此外，通过使用包络线简化了图样识别并且提高了识别率。
优选地直至200khz和/或宽频地检测和评估用于尤其在注塑时监控流动过程的振动谱。
检测到的振动谱优选地受到频率时间分析。通过频率时间分析，一方面能够经由时间轴将所记录的振动分配给过程步骤，并且另一方面将关注的振动与不关注的振动例如占据其他频率范围的机械振动和干扰振动分开。因此，评估能够集中到针对各个应用的有代表性的范围中。
振动谱优选地以如下频率分辨率来检测，所述频率分辨率符合流动相关的和/或热学的过程和必要时其他的取决于应用的因素。已显示出的是，直到200khz、部分地直到100khz的频率对此是完全足够的。在下频率范围中能够检测材料的层流的极限是适当的。此外，对此所需要的频率取决于材料特性、喷射压力和待穿流的空心体的成型。
能够利用频率f、时间t和振幅a的坐标来检测振动谱。所述检测适用于计算机中的数字分析，其中坐标也能够是频率f、时间t或振幅a的函数a(f)、b(t)和/或c(a)或a(f，t，a)、b(f，t，a)和/或c(f，t，a)，使得能够以给定的对f、t、a的函数关系例如(lf，mt，nax)来存储三维数组，其中l、m、n、x是任意的数字。为了图解和/或人工分析，能够用三个坐标以图形的形式描述振动谱。在此，能够选择三维图，在该三维图中频率和时间限定一个平面并且通过振幅(或振幅的函数)限定立面。这种图形示图简化了对评估重要的振动的识别，例如，所述振动能够通过在时间轴上的分开而分配给处理过程，并且在频率轴上与干扰振动等分开。
为了记录振动，优选地使用声传感器，尤其是压电声传感器。这种声传感器能够处理根据本发明所需的高频，具有大的频带宽度，是能够低成本地制造的和不需要维修的。
设置在工具(模具)或与工具振动耦联的部件上的尤其为声传感器的传感器在其安装之后和优选地也周期性地在安装之后或在每次使用之前被校准。因此，保证了测量的保持不变的高的精确度。那么，尤其地，当传感器安装在新的工具上时或为了维修而必须被拆卸下来和重新安装时，校准是尤其符合目的的，因为通过安装能够出现另一种耦联性能。为了校准，根据本发明用特定的电脉冲加载声传感器，以便发射声信号。随后，检测声信号的回波并且将其与理论回波进行比较。因此，能够测定并且在测量时考虑声传感器耦联到工件或工具或部件上的耦联品质。
优选地实时地进行评估。因此，消除了存储数据的必要性。在对安全重要的部件中的数据存储能够是适当的以用于证明无缺陷，或者用于证明缺陷。数据能够针对工件或部件的整个处理过程或整个监控持续时间被完整地存储或仅在识别出所关注的特征的时间范围中被部分地存储。
本发明的另一个方面涉及借助于合适的、例如为线性的函数或映像将振动谱的或将所述振动谱的所关注的频率范围变换成可以听见的声谱。这实现了通过人进行声学的监测或评估。适当地，对多维评估补充地进行声学的监测，但是，声学的监测也能够替代多维评估。
在一个尤其适当的实施形式中，在振动谱中识别出针对损坏的典型图样。在此，此外能够实现对局限于缺陷识别的评估的简化。
本发明也能够实现，识别通过温度波动所引起的应力裂纹或通常基于外部影响而引起的损坏。
因此，本发明实现下述方法和设备，所述方法和设备能够实现通常对流动过程和尤其对注塑过程进行自动的监控、质量保障和优化。
本发明的其他特征和设计方案从权利要求以及以下参照附图进行的描述中得出。
附图说明
图1示出对注塑过程进行监控和/或优化的设备。
具体实施方式
下面，首先以注塑过程的实施例来描述本发明。
在图中示出的用于监控注塑过程的设备1包括用于检测振动的传感器2，所述传感器例如设置在工具3上，以高压将用于构成工件5的塑料4喷射到所述工具中。传感器2与评估装置6、例如与计算机连接。在此为塑料4的材料由材料输送设备7输送，所述材料输送设备能够为容器、挤压器、螺旋送料机等。
传感器2优选地为结构声传感器，例如为压电传感器，并且能够优选地不仅接收、而且发射结构声信号。结构声信号的发射尤其对“低声的”流动过程的主动检测而言是适当的，因为由此能够产生振动激励。只要传感器能够在关注的频率范围中检测振动，同样也能够使用其他类型的传感器，例如运动传感器。
传感器2如同示例性示出地耦联在工具3上或与工具3振动耦联的部件上，使得所述传感器能够检测由流动过程和/或热反应引起的振动。在最简单的情况下，将传感器用螺钉固定。传感器也能够设置在模具3的内部中或者从外或从内插入到相应的凹部中。也能够使用本来用于其他目的、例如用于压力测量的传感器。
在处理过程期间出现振动，所述振动由传感器2记录。对此，传感器2构成为使得所述传感器能够检测在下极限值和上极限值之间的频率。理想地，下极限值为0并且上极限值为200khz，使得能够记录整个所关注的谱。在实践中，适当地，上极限值至少为50khz，优选地至少为100khz。在10khz或50khz之下的频率在实践中测试工具磨损时优选地被衰减或切掉，因为所述频率丝毫没有包含可用信息，使得相应的下极限值是适当的。然而，在流动过程中和尤其在注塑过程中，例如为50hz或100hz的显著较小的下极限值是适当的，因为在该低频范围中也许通过层流也形成可用的有代表性的振动。因此，在近似0hz和大约200khz之间的非常宽频的频率范围是优选的，因为不仅在低频范围而且在高频范围中出现有代表性的振动。
由传感器2检测的振动被多维地评估。对此，所检测的振动谱能够暂存在评估单元6中，所述评估单元优选为具有相应的接口和合适的存储介质的计算机。
在评估单元6中能够进行频率时间分析，使得仍在检测期间或在此之后对振动谱进行图形显示和/或数字分析。
视图能够以时间、频率和振幅(或最大的振幅或强度等)的坐标三维地实现或者二维地图示出，其中等高线使振幅明显。
能够识别出对各个注塑过程而言有代表性的图样。这种图样也针对缺陷得出。例如测定与图样的偏差量，通过该方式因此能够通过图样识别来识别和评定过程步骤，并且也能够识别和辨识出缺陷，至少仍在喷射期间和在此之后在冷却、硬化和从模具中取出时识别出与标准性能的偏差。
同样也能够将传感器设在材料输送设备7中或材料输送设备上和/或设在必要时存在的用于模具3的冷却设备上，以便能够对材料输送或冷却设备进行监控并且例如确定故障。如果这种冷却设备包括在工具3中的通道，那么能够将能够不仅对冷却而且对注塑过程进行监控的传感器2或附加的传感器设置在所述通道之一中或者设置成邻接于所述通道之一或通到所述通道之一中。