通過拉伸製備圓柱形玻璃構件的方法

2023-06-11 03:35:51

通過拉伸製備圓柱形玻璃構件的方法
【專利摘要】為進一步改進在原始圓柱體拉伸時的過程控制，以致在拉伸過程中出現溫度引起的幹擾部位時也可拉伸出具有高的尺寸精確度的構件段，對該溫度-控制迴路提供下列措施：(a)持續測量原始圓柱體-表面的上測量部位的第一溫度值T上，(b)持續測量下測量部位的第二溫度值T下，其中拉伸球莖在上測量部位和下測量部位之間延伸或至少其一部分延伸，(c)計算在第一溫度值T上和第二溫度值T下的測量部位之間的區域中的原始圓柱體的溫度分布，並在考慮以該第一溫度值和第二溫度值作為模型輸入量的情況下按算法模型確定模擬的變形溫度T模型，並且使用模擬的變形溫度T模型作為溫度-控制迴路的受控量和使用該加熱區-溫度T爐作為溫度-控制迴路的調節量。
【專利說明】通過拉伸製備圓柱形玻璃構件的方法發明領域
[0001]本發明涉及一種在利用過程控制下通過拉伸原始圓柱體來製備圓柱形玻璃構件的方法，該過程控制包括多個控制迴路，其中一個溫度-控制迴路，該方法中將原始圓柱體從一端開始以推進速度Vf供入加熱區-溫度為Tp的加熱區中，並在該加熱區中發生區域性軟化，由該軟化區連續地以抽出速度Vs在拉伸軸方向上拉出構件-段並形成拉伸球莖，並由此按尺寸截出該構件。
[0002]在這類例如用於製備管、棒、空心纖維和實心纖維和經常隨之出現該原始圓柱體的高變形度的拉伸工藝中，其目的主要是用於製造尺寸精確的構件。在採用簡單的控制迴路的過程控制中，例如該構件-段的直徑用作受控量和該構件的抽出速度作為調節量。但在對構件的精確度有高要求的情況下卻需要具有多個相互嵌套的控制迴路的複雜的控制過程。
[0003]特別是對直徑控制的高準確度，在所謂的「拉伸球莖(Ziehzwiebel)」的區域中的近似恆定的粘度是絕對必要的。

【背景技術】
[0004]為實現此目的，按JP 03-037129 A的用於製備光學纖維的方法中提出，要儘可能保持該拉伸球莖中的溫度恆定。將玻璃-預成形體從上方供入環形的電加熱部件中並在其中軟化，由軟化區抽出該光學纖維並形成該拉伸球莖。該纖維穿過直徑-測量儀，由該測量儀連續測量纖維直徑。對纖維抽出配置有測量該纖維的拉應力的設備。將該纖維直徑和拉應力的測量值供入調節裝置。該拉應力用作該拉伸球莖中玻璃溫度的量度，並用於控制該加熱部件的溫度。
[0005]通常該加熱部件的溫度對相應的溫度控制器的變化作出快速反應。但由於玻璃的低的導熱性和其熱容量，該加熱部件的溫度變化(也與該拉伸球莖的質量有關)對玻璃粘度只在長的滯後才產生影響。由於隨之產生的測量死時間，該已知的控制方法是緩慢的且易產生過調。
[0006]由DE 19536960 Al已知的拉伸方法降低了該過程固有的測量死時間的缺點。其中由在拉伸球莖區域的直徑檢測藉助於近真實的模型模擬預報該最終構件-直徑的待期望值，並且用該無死時間的計算值作為直徑控制的受控值。
[0007]此外，藉助於高溫計測量該拉伸球莖的溫度，並在級聯控制中用該溫度作為主受控量和用該加熱設備的溫度作為輔助受控量。由此，一方面獲得用於高度恆定地控制加熱設備溫度的具有短的積分時間的控制線路，並且另一方面獲得可用於拉伸球莖區域的粘度調節的具有長積分時間的控制線路。
[0008]該基於測量在拉伸球莖區域的直徑和溫度與用於預報該最終構件-直徑的模型相組合的己知的控制過程在拉伸過程的平穩期中得到該經拉出的構件的也可滿足高要求的精確度。
[0009]在拉伸球莖區域中顯著展現出該表面溫度的位置相關性。此外，該拉伸球莖在加熱區內可移位。在拉伸球莖區域中的表面溫度的局部測量對拉伸球莖區域中玻璃的平均粘度僅產生預測性不強的唯一的溫度值。
[0010]因此，尤其在會導致加熱區中過強的溫度變化的過程參數改變時就產生困難，如該情況在實踐中可能在待拉伸的原始圓柱體或待處理件的間斷時出現。
[0011]技術問題
藉助於該已知方法的基於過程模型的控制原理不可完全排除該構件的直徑波動。
[0012]本發明的目的在於進一步改進該已知方法的過程控制，以致在拉伸過程中出現溫度引起的幹擾部位時也可拉伸出具有高的尺寸精確度的構件段。


【發明內容】

[0013]該目的是由開頭所提及的按本發明通過在溫度-控制迴路中提供下列措施而實現的:
?持續測量原始圓柱體-表面的上測量部位的第一溫度值T±，
?持續測量下測量部位的第二溫度值T τ，該下測量部位在拉伸軸向上與上測量部位間隔開，該拉伸球莖在上測量部位和下測量部位之間延伸或至少其一部分延伸，
?計算在第一溫度值τ±和第二溫度值1^的測量部位之間的區域中的原始圓柱體的溫度分布，並在考慮以該第一溫度值和第二溫度值作為模型輸入量的情況下按算法模型確定模擬的變形溫度Tssp
?使用模擬的變形溫度1?「乍為溫度-控制迴路的受控量和使用該加熱區-溫度Tp作為溫度-控制迴路的調節量。
[0014]溫度-控制的目的是在拉伸過程中儘可能保持變形區(這裡稱為「拉伸球莖」)中該玻璃的粘度恆定。「拉伸球莖」或「變形區」意指該原始圓柱體經歷塑性變形的軟化區域。
[0015]但與開頭所提及的現有技術相反，本發明中的溫度-控制不是基於在拉伸球莖區域中的玻璃表面溫度的唯一的局部測量，而是基於在拉伸軸向上相互間隔開的測量部位的兩個溫度的測量。
[0016]對第一溫度值的上測量部位位於該上拉伸球莖-區域的上方或其之內；在從上向下垂直拉伸時例如在該加熱部件的上邊緣處。對第二溫度值的下測量部位位於該下拉伸球莖-區域之內或該拉伸球莖的下方，例如在該加熱部件的下邊緣處。溫度測量「持續」進行，即連續地或間斷地進行，在間斷測量時，在相繼測量之間選用的時間間隔越短，則過程控制越準確。
[0017]所測得的溫度值是算法模型的輸入值，該模型模擬該原始圓柱體的一維、二維或三維的近真實的溫度分布，即至少是正處於在第一溫度值τ±和第二溫度值Tt的測量部位之間的那些區域。由如此獲得的溫度分布的積分或平均值得出模擬的變形溫度Tssp該溫度是變形區中該玻璃的平均溫度或平均粘度的量度。
[0018]在此該模擬的變形溫度Tss具有了與開頭提及的方法中為獲得在拉伸球莖中的平均粘度的拉出應力相類似的意義。但其不同在於，該模擬的變形溫度Tss是基於真實的和實際的溫度-測量值，該值用於及早考慮變化，即作為第一或第二溫度的溫度-變化的這些值一旦出現信號，則在拉伸球莖中的平均粘度發生明顯的變化之前就肯定會顯示出。
[0019]特別是對在拉伸過程中實際上常出現的參數-變化包含近真實的模擬和預見性的控制響應的情況，該算法模型也可能是有利的。
[0020]因此，在使用模擬的變形溫度Tss作為溫度-控制迴路的受控量時產生具有短的積分時間的預見性的控制。這時加熱區-溫度Tp或與此相應的參數如用於加熱該加熱區的加熱電流作為調節量。
[0021]通過算法模型模擬至少在第一和第二溫度的測量部位之間的溫度分布，可進行持續的調整，其方式在於比較各測量部位的實際的溫度-測量值和模擬的溫度值。就此該模型適於在拉伸過程中的自動調整。
[0022]如果在拉伸過程中該算法模型是可校準的，即其持續檢測在第一溫度值和第二溫度值的測量部位處所模擬的溫度值T』上、T，〒之間與所測量的溫度值Tt的偏差，並用該測量的溫度值作為確定變形溫度Tss的新的標準值，則就此而論已表明是有利的。
[0023]在此，該算法模型用實際值持續地再校準。
[0024]再如上面己提及的，由於在上測量部位和下測量部位的溫度測定，所以本發明方法可用於提前識別工藝過程中的幹擾部位，並由此可進行預見性地控制。
[0025]鑑於此，如果該原始圓柱體在拉伸前或拉伸時在可能的幹擾部位進行測量並將每個幹擾部位的軸向位置作為輸入量傳送給該算法模型，和如果在該原始圓柱體拉伸時考慮到該幹擾部位相對於加熱區的位置和其對加熱區中的溫度所產生的與位置相關的影響，則就實現了進一步的改進。
[0026]該幹擾部位例如作為該原始圓柱體的幾何形狀的或化學組成變化的間斷而表現出來。在此該模型定性地識別該幹擾部位對加熱區中，特別是對拉伸球莖中溫度的可能影響。在拉伸過程中的準確的影響在線獲得，並與溫度-控制器相組合產生與該影響和實際的幹擾部位-位置有關的適合的控制響應，以便雖有幹擾部位但仍可保持1?_的恆定。
[0027]如果使用一種原始圓柱體，其經熔接接頭與上方的圓柱形玻璃構件呈端面熔接，在此將該熔接接頭的軸向位置作為輸入量傳送給該算法模型，並且在該原始圓柱體拉伸時考慮到該熔接接頭相對於加熱區的位置和其對加熱區中的溫度所產生的與位置相關的影響，則就此而論也表明是適用的。
[0028]該上方的玻璃構件是經端面式的熔接接頭與圓柱體熔接。該上方的玻璃構件例如是待拉伸的其它的原始圓柱體或用於該原始圓柱體的經熔接的支承件。如果該熔接部位接近加熱區，則其就此涉及在每次拉伸過程再次出現的幹擾或方法進程中的間斷。該熔接部位引起蓄熱，並對該熱區的溫度產生明顯的影響。在模型中該熔接部位可看作是熱源。已表明，變形區的溫度升高且粘度相應下降。由此該玻璃變成流質態，並且導致較大的物料通過量。
[0029]一方面，該算法模型依據在上方測量點處所預定的溫度測量的溫度上升將該熔接接頭識別為幹擾部位，此外，在優選的方案中，依據該熔接部位的軸向位置的輸入數據來識另IJ。如果在開始拉伸前測量了該原始圓柱體和該熔接接頭的軸向位置，則可將該輸入數據事先輸入該模型中。另外或補充地，該算法模型可在拉伸過程中「在線」地從檢測該熔接接頭的設備獲取這些輸入數據，該設備串接在上方的溫度-測量點之前。
[0030]在此，該模型也可定性地識別該熔接部位對加熱區中溫度的可能的影響和對變形區的理論影響。為將Tss保持在額定值，在拉伸過程中要在線地獲得該準確的影響，並與溫度-控制器相組合產生與該影響和熔接部位的實際位置有關的適合的控制響應。
[0031]因此，該算法模型對掌握工藝過程中和特別是該拉伸過程的最終階段中的異常性已證實是有利的。在預計無明顯變化的該拉伸過程的穩定階段中，可斷開或減少基於算法模型的溫度控制。鑑於此，優選一種方案，在此方案中，該拉伸包括後隨最終階段的穩定階段，在此，忽略在穩定階段中該熔接接頭對加熱區中溫度的影響。
[0032]如果該模型設計用於計算在第一溫度值T±和第二溫度值Tt的測量部位之間區域中的該原始圓柱體的一維溫度分布，則鑑於快速算法其已證實是適用的。
[0033]變形溫度1?^的計算時間長短與獲得所模擬的溫度分布的計算量有關。要考慮的數據範圍越窄，則為獲得所模擬的溫度分布的計算量越小。在圓柱體的，特別是旋轉對稱的原始體情況下，這些對稱狀況可考慮認為沿拉伸軸的一維溫度分布，並由此明顯減少數據量和用於模擬的計算時間。因此術語「一維溫度分布」僅表明與高度位置有關的溫度分布。
[0034]此外，如果以拉伸速度Vs和推進速度Vf作為該算法模型的輸入量，則已表明是有利的。
[0035]在本發明的方法中，該下測量點位於拉伸球莖的下區域中或其下。在相同的拉伸球莖-溫度情況下，在構件-段快速拉伸時，該玻璃在該測量點的溫度高於慢拉伸時的溫度。由此產生表觀效應，即單通過提高拉伸速度會在該拉伸球莖的區域中促使產生較高的溫度，儘管該溫度沒有變化。為避免這種表觀效應的不利影響，該模型檢測拉伸速度Vs和隨此出現的該直到下測量部位的經拉伸的構件-段的冷卻，並還檢測推進速度vf。
[0036]該變形溫度 Tss的計算優選基於按有限元方法的微分方程的解。
[0037]將該拉伸球莖再分成一些有限小的元，這些元可用有限數的參數描述。

【具體實施方式】
[0038]下面按【具體實施方式】和附圖詳述本發明。在圖示中具體顯示了:
圖1以側示圖示出用於實施本發明方法的拉伸設備，和
圖2示出本發明的無死時間的溫度-控制的結構。
[0039]圖1的拉伸設備包括電阻-加熱爐，其主要由垂直取向的石墨加熱管I組成，該加熱管環繞水平橫截面呈圓形的加熱腔3。石英玻璃-空心圓柱體4突出於該加熱管I的上開口端,該石英玻璃-空心圓柱體的縱軸5同心對齊該加熱管I的中心軸2。
[0040]高溫計6配置在上檢測面El (在加熱管I的上端處)的高度上，該高溫計6檢測該空心圓柱體4的表面溫度T±。另一高溫計7配置在下檢測面E2 (在加熱管I的下端處)的高度上，該高溫計7檢測經拉伸的空心圓柱體4的表面溫度Tτ。高溫計6和7的溫度-測量值以及由高溫計16所測的加熱管I的溫度TP均各傳送給計算機8。
[0041]該空心圓柱體4的上端經熔接接頭9與石英玻璃-支承管10相連，藉助於該支承管可在水平和垂直方向移動。該空心圓柱體4在加熱腔3中軟化，並由該軟化區垂直向下拉出石英玻璃管12並形成拉伸球莖11。在此該石英玻璃管12穿過磨削接觸環13，同時該磨削接觸環用作壁厚測量儀14的導軌，該壁厚測量儀可圍繞該石英玻璃管12的外周旋轉。藉助於也與計算機8相連接的壁厚測量儀14可在拉伸過程中記錄該經拉伸的石英玻璃管12的壁厚分布圖，並藉助於計算機8就直徑D和壁厚W分析該分布圖。
[0042]該管抽出速度Vs用導出口 15檢測，並經計算機8調節。
[0043]控制技術方面要解決的問題在於，通過儘可能近真實的模型推算該變形溫度Tss的可靠值。本發明的解決方案在於，提供從上溫度傳感器的高度El直到下溫度傳感器的高度E2的空心圓柱體的呈空間分布的一維溫度模型，並在拉伸過程中在線同時運行。將在El和E2所測量的該空心圓柱體4或該經拉伸的管段12的溫度值作為輸入量如同常規的模型輸入量如爐溫、推進速度、抽出速度和空心圓柱體4和經抽出的管12的壁厚一樣也傳送到模型中。
[0044]該計算機8是中央過程控制設備的一部分，具有多個相互交錯嵌套的控制迴路，其中包括溫度-控制迴路。下面按圖2詳述其結構和功能。
[0045]該控制迴路的主要組成部件是用於控制爐溫Τ#的P1-控制器21 ;用於控制經拉伸的管段12的直徑D和壁厚W以及用於設定調節量即圓柱體4的拉出速度vs、向爐3的推進速度Vf和管-內壓P的模糊-PID-控制器22 ;用於模擬平面El和E2之間的變形區中的空間一維溫度分布的有限-元-模型24 (下面也稱為FEM-模型)，由該溫度分布獲得該溫度分布的徑向積分的經模擬的平均溫度Tss。該變形區主要相應於該拉伸球莖11的區域。該整個拉伸設備在圖2中用標號23表示。
[0046]對FEM-模型24的輸入量是在爐3和石英玻璃圓柱體4處所測量的溫度值T ±、T〒和T爐;管直徑D和管壁厚W的實測值；推進Vf和抽出Vs的實際速度值。此外，將該空心圓柱體4的原始長度信息預先輸入進FEM-模型24，從而該模型24依據所積分的推進速度數據持續地識別該熔接部位9相對於加熱管I的實際位置。
[0047]該FEM-模型24由輸入數據計算該經模擬的溫度Tss的現實的實際值。該值用作受控量，並再輸入到P1-控制器21上，該控制器基於此和基於有效的額定值Tssm預定該爐溫的升高或降低。也將該經新調整的溫度值Τ#，轉送到FEM-模型中。
[0048]下面按圖1和2詳述實施本發明的用於製備石英玻璃管的垂直拉伸法的【具體實施方式】。
[0049]將下列參數輸入到中央過程控制設備(計算機8)中:由速度測量儀檢測的拉出速度、由壁厚-測量儀14測得的管外徑D和管壁厚W、由高溫計16測得的加熱管I的溫度TP以及由(也未示出的)壓力測量儀獲得的管-內壓P。該過程控制設備8控制壓氣閥、爐的溫度控制器21以及抽出和推進的控制器22。
[0050]將由FEM-模型從上述輸入數據所計算的在變形區中的該模擬溫度1?^的額定值輸入爐-溫度控制器21中，並在調節爐溫度T P時予以考慮。
[0051]以恆定的推進速度Vf將石英玻璃-空心圓柱體4供入爐3中，在此將爐3的溫度首先調到約2200°C。由FEM-模型24獲得的模擬溫度Tss作為該爐溫度控制的受控量，該受控量例如預先調節並調到約1800°C的額定值。
[0052]由此使用該管段12的外徑D以及變形區(11)中的模擬溫度1?「乍為過程控制的受控量。使用鼓風壓力作為外徑的調節量和使用爐溫Tp作為變形區(11)中的模擬溫度T
模型的調節量。
[0053]下面闡述對變形區(11)中的模擬溫度Tss的控制值的調節。
[0054]在測量部位El和E2處測量空心圓柱體4的表面-溫度T±和抽出管段12的表面-溫度Ττ。將該數據傳送給FEM-模型24，該模型首先由測量值(Τ±，Ττ)與模型值(Τ』上』Τ』 τ)的偏差校準所述模型。然後使用校準的模型計算變形溫度Tss，並輸給控制器21。控制器21使爐溫的額定值T & ^按該偏差適合於額定值Tssm。
[0055]這種控制可在穩定運行中斷開，該穩定階段的終點例如通過未超過該空心圓柱體4的最低-剩餘長度來表明。本發明特別是在隨後的不穩定階段中證明是適用的，該階段從上面接近該爐3的熔接部位9起附加輻射源作用時而開始，該附加輻射源導致連同爐腔3的升溫。因為該FEM-模型模擬隨該空心圓柱體推進「同時出現的」該實際的變形區的空間的一維溫度分布，所以可預先識別在測量部位El的溫度變化並抑制升溫。對此有利的是該FEM-模型也包含該熔接部位9的位置作為輸入量。
[0056]因此，該拉伸過程的終點階段通過測量平面El的升溫和通過該空心圓柱體4的幾何形狀數據的預先輸入來識別，並可經降低爐溫來調整。由此在變形區中產生更恆定的溫度分布，並因此產生更恆定的動力學變形行為。在該拉伸過程非-穩定的終點階段也實現了該管段12的尺寸精確度的可再現的穩定性，這在目前是不可能的。
【權利要求】
1.在利用過程控制下通過拉伸原始圓柱體(4)來製備圓柱形玻璃構件的方法，該過程控制包括多個控制迴路，其中一個溫度-控制迴路，該方法中將原始圓柱體(4)從一端開始以推進速度Vf供入加熱區-溫度為Tp的加熱區(3)中，並在該加熱區(3)中發生區域性軟化，由該軟化區連續地以抽出速度Vs在拉伸軸(2)方向上拉出構件-段(12)並形成拉伸球莖(11)，並由此按尺寸截出該構件，其特徵在於，在溫度-控制迴路中提供下列措施: ?持續測量原始圓柱體-表面的上測量部位(El)的第一溫度值T±， ?持續測量下測量部位(E2)的第二溫度值Tt，該下測量部位(E2)在拉伸軸方向(2)上與上測量部位(El)間隔開，該拉伸球莖(11)在上測量部位和下測量部位之間延伸或至少其一部分延伸， ?計算在第一溫度值T±和第二溫度值Tt的測量部位(El ；Ε2)之間的區域中的原始圓柱體(4)的溫度分布，並在考慮以該第一溫度值和第二溫度值作為模型輸入量的情況下按算法模型(24)確定模擬的變形溫度Tssp ?使用模擬的變形溫度1?「乍為溫度-控制迴路的受控量和使用該加熱區-溫度Tp作為溫度-控制迴路的調節量。
2.權利要求1的方法，其特徵在於，在拉伸過程中所述算法模型(24)是可校準的，即其持續檢測在第一溫度值和第二溫度值的測量部位(El，Ε2)處所模擬的溫度值Τ』上、Τ』〒之間與所測量的溫度值TJ^PTt的偏差，並用該測量的溫度值作為確定變形溫度Tss的新的標準值。
3.權利要求1或2的方法，其特徵在於，該原始圓柱體(4)在拉伸前或拉伸時在可能的幹擾部位進行測量並將每個幹擾部位的軸向位置作為輸入量傳送給該算法模型(24)，和如果在該原始圓柱體(4)拉伸時考慮到該幹擾部位相對於加熱區(3)的位置和其對加熱區(3)中的溫度所產生的與位置相關的影響。
4.前述權利要求之一的方法，其特徵在於，使用一種原始圓柱體(4)，其經熔接接頭(9)與上方的圓柱體玻璃構件(10)呈端面熔接，在此將該熔接接頭(9)的軸向位置作為輸入量傳送給該算法模型(24)，並且在該原始圓柱體(4)拉伸時考慮到該熔接接頭(9)相對於加熱區(3)的位置和其對加熱區(3)中的溫度所產生的與位置相關的影響。
5.權利要求4的方法，其特徵在於，該拉伸包括後隨最終階段的穩定階段，其中忽略在穩定階段中該熔接接頭對加熱區中溫度的影響。
6.前述權利要求之一的方法，其特徵在於，所述模型(24)設計用於計算在第一溫度值Τ±和第二溫度值Tt的測量部位(El，Ε2)之間區域中的該原始圓柱體(4)的一維溫度分布。
7.前述權利要求之一的方法，其特徵在於，以拉伸速度Vs和推進速度Vf作為該算法模型(24)的輸入量。
8.前述權利要求之一的方法，其特徵在於，所述變形溫度1?^的計算按有限元方法的微分方程的解進行。
【文檔編號】C03B37/012GK104053634SQ201280052658
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2012年10月17日 優先權日:2011年10月25日
【發明者】T.貝爾納德, H.海因, T.博格丹, O.甘茨 申請人:赫羅伊斯石英玻璃股份有限兩合公司, 弗勞恩霍弗實用研究促進協會