預測和優化螺杆擠壓機和/或擠壓方法的基於數據的模型的製作方法

2023-05-27 16:51:11 4

專利名稱：預測和優化螺杆擠壓機和/或擠壓方法的基於數據的模型的製作方法
預測和優化螺杆擠壓機和/或擠壓方法的基於數據的模型本發明涉及螺杆擠壓機以及優化螺杆擠壓機和擠壓方法的技術領域。本發明的主題是一種用於優化螺杆擠壓機的幾何結構以及用於優化擠壓方法的方法。此外，本發明的主題是一種用於製造螺杆擠壓機的方法。另外，本發明的主題是可用來實施根據本發明的方法的計算機系統和電腦程式產品。不斷優化工藝和改善產品特性是在工 業中研究和開發的重要推動力。在此，數學方法的支持性使用長久以來就屬於現有技術。越來越多地藉助於計算機上的模擬來執行優化，以便例如最大程度地避免利用昂貴原材料進行高成本的試驗以及清除在試驗中積累的廢物。這尤其是適用於螺杆擠壓機的優化。螺杆擠壓機例如在製造、製備和加工塑料和食品時使用。在此，具有同向旋轉的軸的緊密嚙合的雙螺杆軸對擠壓機具有支配性的意義。與單軸機器不同，緊密嚙合的等速旋轉螺杆的一個重要優點是，螺紋可以除了必要的餘量以外精確地摩擦並且因此彼此清潔。螺杆擠壓機在下列公開物[I]中詳細描述K.Kohlgriiber 的 Der gleichlaufige Doppelschneckenextruder, Hanser 出版社，2007 年。在該公開物中詳細闡述了雙軸和多軸擠壓機的構造、功能和運行。如容易看出的那樣，出於經濟原因不合理的是，為了在擠壓方法中優化螺杆擠壓機而製造多個不同的螺杆擠壓機以便在試驗中測試其品質，因為螺杆擠壓機的製造是與高成本相聯繫的。因此，模擬在優化螺杆擠壓機和擠壓方法時起到重要的作用。在公開物[I]中在第147至168頁進一步深入探討了流動模擬及其在優化擠壓機和擠壓方法時的角色。流動模擬的目標是，對在擠壓機中運行的流動過程獲得加深的理解，以便一共利用少量試驗就能保證可靠的和經濟的擠壓機設計。模擬將用於檢測在試驗中僅能困難地或完全不能測量的過程。在雙軸擠壓機的範圍中，例如僅能測量整體的參量，例如軸的轉矩、出口噴嘴處的壓力和溫度。而流動模擬提供關於整個計算範圍中的壓力、速度和溫度的局部信息。通過計算梯度，附加地獲得關於剪切速率和傳熱係數的陳述。在計算模型中，可以逐步地提高模型的複雜度。這實現了對產品質量的工藝參量起決定性作用的陳述。通過運行狀態的變化，可以優化擠壓方法。在此不利的是，通常必須為每個問題設置生成單獨的計算模型。此外，已經執行的模擬僅能困難地或者根本不能重用於相近或其他問題設置。這也根據在[I]中在第151至165頁所詳述的螺杆擠壓機中的模擬計算的示例是明顯的。每個問題設置在三級方法中予以說明。在第一步驟(預處理)中，確定螺杆的幾何結構並且將其轉化成允許流動模擬的形式(網格生成)。在第二步驟(流動模擬)中，在確定流動模型和輸入材料和運行數據以後通過解相應的差分方程計算出流動場。在第三步驟(後處理)中，在事先的問題設置方面對所計算出的流動場進行全面的分析。在新的或經改變的問題設置的情況下，必須重新進行所有步驟並且重新執行耗時的計算。結果不以其可重用於相似問題設置的形式存在。不存在如下的系統該系統存儲一次性模擬的過程並且將其保存為在稍後的時間能夠用於以較少計算成本解決類似問題設置的形式。
另外，正好在優化螺杆擠壓機時存在的問題還有，不能自由選擇定義過程的參數，並且成對地精確摩擦的螺杆元件的構造不是無關緊要的問題。這將簡要地進一步闡述。按照公開物[I](第151頁)，Erdmenger類型的螺紋元件的幾何結構由下面六個給定量明確地定義單位長度的螺紋數、殼體直徑、軸線距離、螺杆與殼體之間的餘量、相鄰螺杆之間的餘量、以及螺距。假定執行具有在[I]中第151頁所說明的參數組的模擬。單位長度的螺紋數為2並且初始溫度為300°C。於是可以簡單地實現，在模擬開始時將溫度例如設置到310°C或320°C並且執行新的模擬。但是沒那麼簡單的是，將單位長度的螺紋數從2提高到3或4。當從幾何參數組出發提高單位長度的螺紋數時，螺杆元件對會看上去如何？是否完全允許在保持其餘參數的情況下改變單位長度的螺紋數？此外，通過改變參數(例如單位長度的螺紋數)是否得到具有成對精確地摩擦的剖面的螺杆元件？
螺杆元件的問題在於，根據現有技術未公知有用於生成成對精確摩擦的任意螺杆剖面的一般性構造規定。存在幾種螺杆元件，在這些螺杆元件的情況下存在構造規定。例如公知的是(參見[I]第96至98頁),可以從圓弧中構造自清潔的Erdmenger螺杆剖面。用於生成Erdmenger螺杆剖面的另一方法在Booby的公開物[2]中「Geometry of fully wiped twin-screw equipment」 (Polymer Engineering and Science 18 (1978) 12,第 973-984頁)找出。在所述公開物中，為了生成螺杆剖面所利用的運動學特性是，兩個軸圍繞其位置固定軸線的同向旋轉在運動學上等價於一個軸圍繞另一、由此固定的軸的「移動而不是旋轉」。該特性可以用於逐步地生成螺杆剖面。第一螺杆(「被生成」螺杆)在觀察時為靜止的，並且第二螺杆(「生成」螺杆)圍繞第一螺杆在圓弧上平移地移動。僅能預先給定第二螺杆上的剖面的一部分，並且研究由此生成了第一螺杆上的哪個剖面。被生成螺杆由生成螺杆一定程度地「切割出」。但是在[I]中未說明第二螺杆上的預先給定部分如何自己生成的方法。在[2]中描述的可能方案是，可以如何產生可作為起點並從中生成其餘剖面的剖面片段。但是該方案在數學上是成本非常高的並且尤其不是普遍適用的，也就是說，不能生成螺杆元件的任意剖面。總而言之可以確定可以使用用於優化螺杆擠壓機和擠壓方法的模擬計算。但是在現有技術中所述的處理方式是低效的，因為必須為了每個問題設置執行新的耗時的模擬。在擠壓機螺杆的領域中存在的附加問題是，不存在針對成對精確摩擦的螺杆元件的一般性構造規定，使得不能容易地改變定義擠壓機螺杆的參數的值。因此從現有技術出發提出的任務是，提供一種用於優化螺杆擠壓機和/或擠壓方法的有效方法。所尋求的方法將尤其是也適於標識出擠壓機的經優化的幾何結構。在此方面，任務還在於，提供一種用於生成經優化的螺杆擠壓機的方法。根據本發明，該任務通過將模擬計算同具體優化去耦合來解決。根據本發明，首先在預定義的參數空間中執行多個模擬計算。模擬計算的結果被用於為這些參數空間產生基於數據的模型。該基於數據的模型描述所定義的參數空間並且為所存放參數的所有感興趣的值組合提供預測值。因此，可提供針對多個不同問題設置的模擬計算的結果，並且不必為了答覆具體問題設置而執行另外的模擬計算。根據基於數據的模型，可以用比執行模擬計算所需時間短得多的時間來為具體問題設置作出預測。此外，基於數據的模型可以用於優化擠壓機和/或擠壓方法的參數值。根據本發明，對具體問題設置的耗時的單個模擬由此被總模型代替，所述總模型僅鬚生成一次。高計算成本一次出現並且可以最大程度地自動化。起決定性作用的是，模擬結果以如下形式——具體而言以基於數據的形式——被存儲在所述形式下，所述模擬結果可以用於以後的問題設置。各個模擬計算由於基於數據的模型的特性不僅對於相應的單個模擬具有用途，而且由基於數據的模型、更具體而言一種工具來提供，利用所述工具也可以通過內插確定未流入模擬計算中的值組合的結果。在當前的問題設置的情況下，將相應的值輸入到基於數據的模型中，並且可以與單個模擬相比非常快地確定結果的預測值。不再需要為問題設置構造相應的模擬模型以及執行相應的模擬計算。因此，本發明的第一主題是一種用於為螺杆擠壓機和/或擠壓方法創建預測工具的方法，該方法至少包括下列步驟 (a)確定參數空間；
(b)選擇參數空間內的代表性的值組合；
(c)藉助於模擬計算為所選值組合計算結果特徵數；
Cd)基於所選值組合和所計算出的結果特徵數來創建基於數據的模型；
(e)必要時重複步驟(a)至(e)中的一個或多個步驟，直到藉助於基於數據的模型能夠足夠精確地計算出結果特徵數。根據本發明方法的步驟(a)至(e)優選地以所說明的順序執行。在根據本發明的方法的步驟(a)中，確定參數空間。在此，首先確定為了模擬擠壓方法所需的參數。可以區分三組參數組用於描述螺杆擠壓機的幾何結構的參數、用於描述擠壓物料的參數、以及方法參數。如上面已經描述的那樣，對螺杆擠壓機的幾何結構的描述不是無關緊要的問題，因為對於成對精確摩擦的螺杆擠壓機不存在一般性的構造規定，並且因此也不存在明確地描述所有可能的成對精確摩擦的螺杆擠壓機的一般性的公知參數。但是令人意想不到地發現了成對精確摩擦的螺杆剖面的幾何結構所基於的基本原理。這在附錄I中描述。附錄I是本申請的組成部分。該基本原理允許定義明確地描述成對精確摩擦的螺杆擠壓機的參數並且為成對精確摩擦的螺杆擠壓機創建構造規定。藉助於該基本原理，可以通過圓弧來描述精確摩擦的螺杆擠壓機對的橫截剖面(根據與旋轉軸線垂直的截面的剖面)。因此，該剖面可以通過給定中心、半徑及構成其的圓弧的角度來精確定義。根據剖面向用於生成混合、揉捏、運送或過渡元件的旋轉軸線方向的第三維的延伸，可以確定用於描述成對精確摩擦的螺杆擠壓機的幾何結構的另外的參數，比如螺紋元件處的螺距。此外，需要給定餘量(螺杆與殼體之間的餘量、螺杆之間的餘量)。因此，螺杆的幾何結構被精確定義。但是螺杆不必一定由作為參數的上述坐標和圓弧的參量來確定，而是例如也可以將所導出的參量用於描述螺杆。優選地將這樣的所導出的參量用作為描述參量(參數)，從所述描述參量中可以預期現實中的真實物理影響。例如，可以將螺杆用其摩擦殼體的頂尖(Kamm)的寬度用作為可能的參數。頂尖的寬度對能量到運送物料中的輸入產生影響，並且因此是用於表徵螺杆擠壓機的重要參量。
表徵運送物料的參數例如是密度、比熱容、熱導率、粘度等等。針對擠壓物料的這些參數常常依賴於方法參數的值。例如，粘度依賴於加工溫度。表徵方法的參數(方法參數)例如是壓力、溫度、螺杆擠壓機的轉速、軸的轉矩等
坐寸o在參數本身被確定以後，進行參數空間的確定。也就是說，確定模擬將基於的相應參數的值範圍。參數擠壓時的起始溫度的值範圍例如可以被確定為0°c至500°C。
如果可以預期或顯示在模擬中顯示出不同的運送物料和/或不同類型的螺杆擠壓機的完全不同的行為，則可能合理的是，為不同類型的運送物料和/或不同類型的螺杆擠壓機生成不同的基於數據的模型。這些不同的模型可以在需要時在稍後被合併成單個模型。例如合理的是，在運送貨物的情況下區分顯示牛頓流動特性的運送物料和非牛頓的運送物料，並且為此執行單獨的模擬和生成單獨的模型。此外合理的是，還單獨地觀察螺杆擠壓機的類型。一種類型的螺杆擠壓機例如可以由具有Erdmenger剖面(參見[I]第151至168頁)的雙頭螺紋元件構成,而另一類型例如可以由具有減少的頂尖角的單頭螺紋元件構成，所述螺紋元件例如在PCT/EP2009/004251中予以了描述。在根據本發明方法的步驟(b)中，對參數空間內的代表性的值組合進行選擇。應將代表性的值組合理解為如下的值組合所述值組合儘可能全面地描述參數空間並且覆蓋參數空間的儘可能不同的範圍。目標是，找到如下的值組合所述值組合如此良好地描述參數空間以至於該值組合(與模擬計算的結果一起)所流入到的基於數據的模型也可以對其它值作出預測。為此適宜地使用專業人員從試驗計劃中公知的方法，例如基於統計試驗計劃的試驗計劃方法(如Placket-Burmann試驗計劃、中心組合(central composite)計劃、Box-Behnken試驗計劃、D最優計劃、平衡框計劃)、根據Shainin或Taguchi的方法等等。用於試驗計劃的方法尤其是在如下文獻中描述Hans Bendemer 「OpitimaleVersuchspIannung^ (Reihe Deutsche Taschenbiicher, DTB,第 23 卷(ISBN 3 — 87144 —278 — X))或者 Wilhelm Kleppmann 「Taschenbuch Versuchsplannung, Produckte undProzess optimieren」(第 2 版(ISBN 3 — 446 — 21615 — 4))。在此尤其是也可參閱W02003/075169A中所描述的方法。可能的是，在根據本發明方法的之後的時刻顯示，所選擇的值組合代表性不足地描述參數空間(參見步驟d)。在這種情況下，可能需要選擇其它和/或另外的值組合(參見步驟(e ))。在根據本發明方法的步驟(C)中，進行所選擇的值組合的模擬計算。對不同選擇的場景進行計算和模擬不同的螺杆擠壓機在不同的方法參數和/或必要時在使用不同材料(擠壓物料)的情況下表現如何。對於這樣的模擬，三維螺杆輪廓必須以使得能夠藉助於計算機進行數學計算的形式存在。螺杆在計算機中的虛擬表示有利地如在[I]中在第149至150頁上所描述的那樣以所謂的計算網格的形式進行。成對精確摩擦的螺杆在計算機中的構造優選地首先通過確定其橫截剖面(下面也簡稱剖面)、即通過確定生成和被生成的螺杆剖面來進行。所述剖面從其一方優選地通過給定圓弧的中心、半徑和角度來確定。在此應用附錄I中詳述的基本原理和附錄I中詳述的構造規定或者從其中導出的構造規定(參見PCT/EP2009/003549)。然後，從二維剖面出發，進行剖面在第三維度、即旋轉軸線方向上的延伸。運送元件的模型例如通過使剖面在軸線方向上螺杆式轉動來生成。揉捏元件的模型例如通過使剖面分段地在軸線方向上延伸來生成，其中所述片段彼此偏移，使得產生彼此偏移的圓盤。螺杆擠壓機在計算機中的表示以計算網格的形式進行。在此，將殼體的內表面與螺杆擠壓機的表面之間的體積與計算網格聯結，所述計算網格例如由四面體或六面體之類的多面體構成(例如參見[I])。計算網格以及擠壓物料的材料數據和在其中使用螺杆擠壓機和擠壓物料的螺杆機的運行數據被輸入到用於流動模擬的程序中並且模擬流動行為(例如參見[I])。流動模擬的結果例如以流動、壓力和/或溫度場的形式存在(參見[I]第147至 168頁)。從流動模擬中可以如在[I]中所述頁中所描述那樣確定運送和功率特性。根據本發明，從模擬結果中確定結果特徵數，所述特徵數可以與相應使用的值組合相關。優選地，從運送和功率特性(參見[I]第158頁)中計算出直線的軸線片段和/或斜率(與體積流量有關的壓力差、與體積流量有關的功率)，並且將其用作結果特徵數。在執行了模擬計算和確定了結果特徵數以後，進行基於數據的模型的創建(步驟d)。這樣的模型將把輸入參量(輸入參數)的值組合與相應的結果特徵數(輸出參數)相關。該模型被稱為基於數據的模型，因為該模型基於現有數據(值組合、結果特徵數)進行該相關，而不必知道和/或引入數據之間的真實物理關係。從現有輸入和輸出參量中生成基於數據的模型屬於一般的現有技術。公知的基於數據的模型例如是線性和非線性的回歸模型(例如參見Hastie, Tibshirani， Friedman: The Elements of Statistical Learning,Springer, 2001 )、線性逼近方法、人工神經網絡(例如感知器、遞歸網絡)(例如參見 Andreas Zell: Simulation neuronaler Netze. ISBN 3-486-24350-0 或者Rntll Roja^ : Theorie der Neuronalen Netze. ISBN 3-540-56353-9 或者 MacKay, DavidJ. C. (2003 年 9 月)Information Theory, Inference and Learning Algorithms.Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0-521-64298-1)、支持向量機(例如參見 B. Scholkopf, A. Smola: Learning with Kernels, MIT Press, 2002)、混合模型(例如參見 A. A. Schuppert: Extrapolability of structured hybrid models: a key tooptimization of complex processes (錄入在 B. Fiedler, K. Groger, J. Sprekels(Eds.), Proceedings of EquaDiff 』99，2000，第 1135-1151 頁)或者 G. Mogkj T.Mrziglod, A. Schuppert: Application of hybrid models in chemical industry (錄入在J. Grievink, J. van Schijndel (Eds.)，Proceedings of European Symposium onComputer Aided Process Engineering,第 12 卷，The Hague, The Netherlands, 2002年 5 月 26 — 29 日，Elsevier Science B. V.，第 931-936 頁或者 EP-A1253491 中)。優選使用混合模型。所有模型類型都包含參數，所述參數藉助於所生成的模擬數據被確定(訓練)為使得模型的輸入一輸出表現在所確定的意義上是最優的。
對於不同模型類型特有的訓練方法可在所述文獻中找到。用於兩級感知器的有效訓練方法例如在 F. Barmann, F. Biegler_K5nig 的 Neural Networks (1992, 5(1)，139-144)中予以了描述。此外，在步驟(d)中對模型品質進行評價。這例如可以藉助於驗證數據通過檢查預測可靠性來進行(例如參見 Chiles, J. -P.和 P. Delfiner (1999)的 Geostatistics,Modeling Spatial Uncertainty, Wiley Series in Probability and statistics)。在參數空間的不同範圍中的依賴性的可信度均衡優選地在使用先驗知識的情況下進行。因此，為了評 價模型品質，優選地使用如下的值組合(驗證數據)為所述值組合已經執行模擬計算，但是所述值組合未曾被用於生成基於數據的模型。所研究的是，基於數據的模型在何種程度上還可以預測「未知」場景的結果。在此，根據相應的應用目的來確定所需的模型品質。對模型品質的度量例如是所計算的模擬結果與藉助於模型預測的模型結果之間的最大偏差。在對擠壓方法進行建模時，提出5%、優選2%的最大偏差作為足夠的模型品質。如果模型品質不夠，則根據本發明重新確定參數空間和/或選擇其他和/或另外的描述參數空間的值組合。因此根據本發明，必要時在步驟(e)重複步驟(a)至(e)中的一個或多個步驟，直到藉助於基於數據的模型能夠足夠精確地計算出結果特徵數。所描述的根據本發明方法的結果是經優化的基於數據的模型，該模型可以用作為預測工具。該預測工具可以作為程序代碼存在於機器可讀數據載體上，所述機器可讀數據載體例如是磁碟、⑶、DVD、硬碟、存儲棒等等。位於機器可讀數據載體上的預測工具可以讀入到計算機的工作存儲器中。藉助於計算機和連接在計算機處的輸入和輸出設備，用戶可以操作該預測工具、即將值輸入到基於數據的模型中並且計算結果特徵數。在此，優選地通過圖形用戶界面來支持用戶。同樣可能的是，將預測工具實現為微晶片，所述微晶片利用合適的外圍設備(輸入和輸出設備)與讀入到計算機中的程序類似地操作。本發明的主題還有一種用於螺杆擠壓機和/或擠壓方法的預測工具，所述預測工具是根據所述的用於生成預測工具的方法生成的。所述預測工具例如可以用於計算出擠壓方法中的新的或經修改的螺杆擠壓機的表現。預測工具例如可以用於確定方法參數的經改變的值對擠壓物料的影響。因此，本發明的另一主題是一種用於預測螺杆擠壓機在對擠壓物料進行擠壓時的表現的方法。該方法至少包括下列步驟
(I)創建基於數據的模型作為預測工具；
(II)將螺杆擠壓機、擠壓方法和擠壓物料的表徵值輸入到基於數據的模型中；
(III)藉助於基於數據的模型計算結果特徵數；
(IV)輸出結果。根據本發明方法的步驟(I)至(IV)優選地以所給定的順序進行。在步驟(I)中創建基於數據的模型如上面用於為螺杆擠壓機和/或擠壓方法創建預測工具的方法所述的那樣進行。在步驟(II)中，輸入描述對於其要實現預測的場景的值。這是螺杆擠壓機的幾何結構的值、表徵擠壓物料的值、以及確定擠壓方法的值。
該輸入通常利用計算機系統處的滑鼠和/或鍵盤進行，在所述計算機系統上可以作為軟體程序實施預測工具。在步驟(III)中，藉助於基於數據的模型計算結果特徵數。該計算通常在單次模擬所需的時間的一小部分中進行。最後，在步驟(IV)中進行結果的輸出。結果可以是所計算出的結果特徵數本身。所述結果特徵數可以作為值顯示在計算機屏幕上。也可以顯示從結果特徵數中導出的值或參量。結果的顯示優選地通過圖形和/或通過顏色表徵來進行。除了純粹預測螺杆擠壓機在擠壓方法中的表現以外，還可以藉助於預測工具優化螺杆擠壓機和/或擠壓方法。因此，本發明的另一主題是一種用於優化螺杆擠壓機的幾何結構和/或擠壓方法的方法。該方法至少包括下列步驟
(A)創建基於數據的模型作為預測工具；
(B)確定螺杆擠壓機和/或擠壓方法的目標剖面；
(C)標識出滿足所確定的目標剖面和/或最接近目標剖面的值組合；
(D)輸出在步驟(C)確定的值組合。根據本發明方法的步驟(A)至(D)優選地以所給定的順序進行。在步驟(A)中創建基於數據的模型如上面用於為螺杆擠壓機和/或擠壓方法創建預測工具的方法所述的那樣進行。在步驟(B)，確定螺杆擠壓機和/或擠壓方法的目標剖面。目標剖面的確定包括為所有結果特徵數(輸出)建立將通過所尋找到的值組合(輸入)得到滿足的規則。例如可能的是，確定擠壓物料的最大溫度升高或者為了將擠壓物料運送通過擠壓機所需的最小壓力形成。對滿足預先給定的目標剖面或最接近該剖面的值組合的尋找在步驟(C)在使用基於數據的模型的情況下進行。藉助於基於數據的模型，可以在非常短的時間內為大量值組合(輸入參數)計算結果特徵數(輸出參數)，使得針對性地改變輸入參數的值以及將輸出參數的值與目標剖面相比較導致所尋找的滿足該目標剖面或最接近該目標剖面的輸入參數。為了實現預先給定的目標剖面而對「最優」值組合的尋找可以由公知的優化方法來支持，所述優化方法例如蒙特卡羅方法、進化優化(基因算法)、模擬退火等等。例如在M. Berthold等人的書 「Intelligent Data Analysis」 ( Springer, Heidelberg 1999)中提供了關於優化方法的概況。最後，在步驟(D)中輸出滿足所確定的目標剖面或最接近該目標剖面的值組合。優選地還輸出所計算出的結果參數以及所計算出的結果參數同目標剖面的偏差。該輸出可以以數值和/或圖形的形式在計算機屏幕或印表機處進行。該預測工具也可以在生成新的螺杆擠壓機的情況下使用。因此，本發明的另一主題是一種用於製造螺杆擠壓機的方法，該方法至少包括下列步驟
(i)創建基於數據的模型作為預測工具；
(ii)確定螺杆擠壓機和/或擠壓方法的目標剖面；
(iii)標識出螺杆擠壓機的滿足所確定的目標剖面和/或最接近該目標剖面的值組
合；(iv)輸出和/或存儲在步驟(iii)中確定的值組合；
(v)基於在步驟(iii)中確定的值組合創建螺杆擠壓機。根據本發明方法的步驟(i)至(V)優選地以所給定的順序執行。步驟(i)至(iii)對應於用於優化螺杆擠壓機的幾何結構和/或擠壓方法的方法的步驟(A)至(C)。因此，確定針對預先給定的應用情況優化的螺杆擠壓機的幾何結構。然後，在計算機處計算出的幾何結構被用於生成真實的螺杆擠壓機(步驟(V))。優選地將螺杆擠壓機的幾何結構數據轉化成可以直接輸送給CNC工具機(CNC = Computerized NumericalControl，計算機數值控制)以用於生成螺杆元件的格式。這樣的格式是專業人員公知的。在以所述方式生成幾何結構以後，可以生成例如具有銑床、車床或渦流粉碎機的螺杆擠壓機。用於生成螺杆擠壓機的優選材料是鋼，尤其是氮化鋼、鉻鋼、工具鋼和高級鋼、基於鐵、鎳或鈷的以粉末冶金法製造的金屬複合材料、工程陶瓷材料(如氧化鋯或碳化矽)。
在此詳述的所有根據本發明的方法都優選地在計算機上實施。本發明的主題還有一種用於實施根據本發明方法的計算機系統。另外，本發明的另一主題是一種具有用於在計算機上實施根據發明的方法的程序代碼裝置的電腦程式產品。下面根據示例進一步闡述本發明，但是本發明不限於此。示例I:為具有Erdmenger螺杆剖面的雙頭螺杆元件創建預測工具。本示例描述了一種用於為螺杆擠壓機和/或擠壓方法創建預測工具的方法，該方法包括下列步驟
(a)確定參數空間；
(b)選擇參數空間內的代表性的值組合；
(c)藉助於模擬計算為所選擇的值組合計算結果特徵數；
Cd)基於所選擇的值組合和所計算出的結果特徵數創建基於數據的模型；
(e)必要時重複步驟(a)至(e)中的一個或多個步驟，直到能夠藉助於基於數據的模型足夠精確地計算結果特徵數。步驟(a):確定參數空間
如在[I]中第151頁所述,具有Erdmenger螺杆剖面的運送元件的幾何結構通過給定6個幾何參數來明確定義。這6個參數是單位長度的螺紋數、殼體直徑、軸線距離、螺杆與殼體之間的餘量、兩個螺杆之間的餘量以及螺距。為了減少參數的數目並且為了獲得普遍適用的表示，適宜地引入無量綱的幾何參數。選擇殼體直徑作為參考參量。由此，通過給定5個無量綱的幾何參數明確地定義具有Erdmenger螺杆剖面的運送元件的幾何結構。這5個參數是單位長度的螺紋數Z、無量綱的軸線距離A、螺杆與殼體之間的無量綱的餘量D、兩個螺杆之間的無量綱的餘量S、以及無量綱的螺距T。在實際中，通常使用具有單位長度的螺紋數Z為1、2或3的運送元件。適宜地為每個單位長度的螺紋數創建單獨的預測工具。在該示例中，考慮雙頭運送元件。因此有Z = 2成立。因此剩下四個無量綱的特徵數，其中必須為所述特徵數確定值範圍。對於無量綱的軸線距離A，選擇值範圍0. 72 < A < 0. 91。對於螺杆與殼體之間的無量綱的餘量D，選擇值範圍0. 002 ^ D ^ 0. 024。對於兩個螺杆之間的無量綱的餘量S，選擇值範圍0. 004 ^ D ^ 0. 060。對於無量綱的螺距T，選擇值範圍0. 3彡T彡4. O。在圖Ia中示出自清潔的構造和緊密咬合的Erdmenger螺杆剖面。Erdmenger螺杆剖面具有兩個對稱軸線，所述對稱軸線以90°角度相交。因此足夠的是，生成螺杆剖面的四分之一併且然後通過在對稱軸線處進行鏡像來獲得完整的螺杆剖面。接著進一步描述圖la。在該圖的中心處存在xy坐標系，在該坐標系的原點存在螺杆剖面的旋轉點。螺杆剖面的圓弧用粗實線來表徵，所述粗實線配備有圓弧的相應編號。圓弧的中心由小圓圈來表示。圓弧的中心利用細實線與起始點以及相關圓弧的終點相連接。直線FP由細點線來表示。 Erdmenger螺杆剖面的四分之一是從彼此對應的2x2個圓弧中得出的。兩個相對應的圓弧(I和1』、2和2』)的半徑之和等於軸線距離。I和I』的半徑等於外半徑或等於核心半徑。半徑2和2』等於0或等於軸線距離。兩個相對應的圓弧的中心角是大小相同的。中心角I和2之和等於/4。圓弧I和I』的中心處於坐標原點。所有圓弧都正切地彼此過渡。圓弧2和2』在公共點處接觸直線FP。直線FP同坐標原點的距離等於軸線距離的一半，並且該直線的斜率為一 I。在圖I中，無量綱的軸線距離A = 0. 8333，無量綱的外半徑RA = 0. 5，並且無量綱的核心半徑RK = 0. 3333。相對應的半徑I和I』或2和2』具有弧度為0. 1997或0. 5857的中心角。如在公開物[I]中第27至30頁所詳述的那樣，由螺杆元件和殼體構成的裝置在實際中始終具有所述餘量。專業人員公知有用於從預先給定的自清潔的緊密咬合的螺杆剖面出發導出具有餘量的螺杆剖面的方法。為此公知的方法例如是[I]中第28頁及以後描述的軸線距離擴大、縱剖面等距和空間等距的可能性。在軸線距離擴大的情況下，構造較小直徑的螺杆剖面，並且在螺杆之間彼此移動餘量的絕對值。在縱截面等距方法的情況下，縱截面剖面曲線(與相應元件的旋轉軸線平行)垂直於剖面曲線地向內、向旋轉軸線方向移動螺杆一螺杆餘量的一半。在空間等距方法的情況下，從在其上螺杆元件進行清潔的空間曲線出發，將螺杆元件在與精確摩擦的剖面的表面垂直的方向上縮小螺杆與螺杆之間的餘量的一半。在該示例中，使用空間等距。圖Ib中示出了根據圖Ia的自清潔的緊密咬合的Erdmenger螺杆剖面、以及由此導出的螺杆剖面，該螺杆剖面在8字形螺杆殼體內具有餘量。螺杆殼體由細虛線來表示。在兩個殼體鑽孔的穿透部內，兩個鑽孔由細點線來表徵。兩個殼體鑽孔的中心與螺杆剖面的兩個旋轉點相同，並且分別由小圓圈來表徵。緊密咬合的自清潔的螺杆剖面由粗實線來表徵。具有餘量的螺杆剖面由粗實線來表示。具有餘量的螺杆剖面通過空間等距的方法來獲得。兩個螺杆之間的無量綱的餘量為S = 0.02。螺杆與殼體之間的無量綱的餘量為D=O. 01。相關螺杆元件的無量綱的螺距為T= I (具有餘量的螺杆剖面在空間等距方法的情況下取決於螺距)。步驟(b):選擇參數空間內的代表性的值組合。在圖2中示出了所選參數空間中的無量綱的軸線距離A與無量綱的螺距T之間的255個值組合。這些值組合可以以不同的方式來確定。如果對參數空間內的確定值特別感興趣，則可以將特別多的值組合放置到該值上。例如，對無量綱的軸線距離A = 0. 82特別感興趣，因為常用的螺杆擠壓機恰好具有該軸線距離。在T = 0. 3與T = 2. 0之間的假想線上，因此在A = 0. 82處存在特別多的值組合。類似的考慮在A = 0. 8與A = 0. 9之間導致T = 2. 0處的特別多的值組合。另外的值組合例如可以被分布為使得各個值組合彼此相距儘可能遠。從圖2中的值組合的二維距離中不能推斷出三維參數空間中的真實距離。在圖3中示出了所選參數空間中的無量綱的軸線距離A與無量綱的螺距T之間的1015個值組合。除了值組合數目的總體上提高以外，在此尤其是將值組合設置在參數空間的邊緣上。基於數據的模型僅僅是外插能力非常有限的。因此重要的是，恰好給參數空間的邊緣配備值組合，以便直到參數空間的邊緣仍保證內插。步驟(C):藉助於模擬計算為所選值組合計算結果特徵數。基於所選值組合，藉助於模擬計算來計算結果特徵數。
·
結果特徵數例如可以是幾何特徵數。幾何特徵數例如是螺杆元件的頂尖角、螺杆元件相對於外半徑的傾斜角、螺杆元件相對於核心半徑的傾斜角、螺杆元件的橫截面積、螺杆元件的螺杆表面積、殼體表面積、螺杆表面積與殼體表面積之和、螺杆元件的自由橫截面積(即螺杆元件與殼體之間的可流經的橫截面積)、以及螺杆元件的相對於斜率的已經提到的面積(即例如相對於斜率的螺杆表面積)。所述幾何特徵數有利地在用於生成螺杆元件的幾何結構、尤其是用於生成運送元件、揉捏元件、混合元件和過渡元件的幾何結構的模擬程序中被計算出。結果特徵數例如可以是用於判斷計算網格的網格質量的特徵數，其中所述計算網格用於計算螺杆元件中的流動過程。用於判斷計算網格的網格質量的特徵數例如是Scewness 的「Aspect ratio sowie Warpage，，(參見 Gambit User’s Guide, Fluent Inc.,Lebanon, NH, USA, 2006)。用於網格質量的所述特徵數有利地在用於生成螺杆元件的計算網格、尤其是用於生成運送元件、揉捏元件、混合元件和過渡元件的計算網格的模擬程序中被計算出。結果特徵數例如可以是用於表徵螺杆元件的運行表現的特徵數。如專業人員所知道的那樣以及如在[I]中第129至146頁中所查閱到的那樣，諸如運送元件、揉捏元件和混合元件之類的螺杆元件的運行表現由壓力差一通過量特性、以及通過功率一通過量特性來描述。為了促進到不同擠壓機參量的可轉用性，所述參量——即壓力差、功率和通過量——常常以其無量綱的形式被使用。在具有牛頓流動表現的塑料材料的情況下，得出壓力差與通過量以及功率與通過量之間的線性關聯。在壓力差一通過量特性中，軸線交點用Al和A2來表徵([I]，第133頁)。工作點Al表徵螺杆元件的實際通過量。工作點A2表徵沒有通過量的壓力形成能力。在功率一通過量特性中，軸線交點用BI和B2來表徵([I]，第136頁)。點BI是所謂的渦輪點。如果通過量大於BI，則向螺杆軸輸出功率。工作點B2表徵沒有通過量的功率需求。在壓力形成區中，所引入的功率的僅僅一部分可以被轉化成流動功率。所引入的功率的其餘部分被散耗。流動功率作為通過量和壓力差之積來計算。如專業人員能夠認識到的那樣，軸交點Al和A2處的流動功率分別等於0，因為要麼壓力差等於0 (Al)、要麼通過量等於0(A2)。在Al與A2之間的範圍中，壓力差以及通過量都大於0，並且得出正的流動功率。如果將工作點的由通過量給定的流動功率除以在該工作點由螺杆軸輸出的功率，則獲得在該工作點處在壓力形成時的效率。通過根據通過量導出效率並且接著尋找零點，可以找出螺杆元件的最大效率。如在K.Kohlgriiber 的「Co-Rotating Twin-Screw Extruders' Hanser Verlag,2007，ISBN 978-3-446-41372-6)中在第126頁所描述的那樣，當每旋轉的通過量小於工作點Al並且不存在反壓時，在螺杆元件中出現部分填充。如果填充度基本上為O，則螺杆元件的功率需求由工作點B4來表徵。在該運行狀態下，軸和殼體與熔化物交聯，但是沒有產品被運送。直到螺杆元件的在工作點Al實現的完全填充，功率需求才隨著填充度升高。在該工作點Al處需要的功率需求用B5來表徵。用於表徵螺杆元件的運行表現的特徵數例如是工作點Al、A2、BI、B2、B4和B5以及用於給定的產品通過量的壓力形成的效率和用於壓力形成的最大可實現的效率。所述用於表徵螺杆元件一尤其是運送元件、揉捏元件、混合元件和過渡元件一的運行表現的特徵數有利地在流動模擬程序(CFD程序)中被計算出。步驟(d):基於所選擇的值組合和所計算出的結果特徵數創建基於數據的模型。從當前輸入和輸出參量中生成基於數據的模型屬於一般的現有技術。公知的基於數據的模型例如是線性和非線性的回歸模型、線性逼近方法、人工神經網絡、支持向量機、混合模型。
為了為具有Erdmenger螺杆剖面的雙頭螺杆元件創建預測工具，使用混合模型。基於根據圖3的值組合，圖4根據無量綱的軸線距離A (水平軸線)和無量綱的螺距T (垂直軸線)示出了雙頭運送元件的所預測的頂尖角。螺杆之間的無量綱的餘量被設置為S = 0. 02。螺杆與殼體之間的無量綱的餘量被設置為D = 0. 01。基於根據圖3的值組合，圖5根據無量綱的軸線距離A和無量綱的螺距T示出了雙頭運送元件的所預測的壓力形成參數A2。螺杆之間的無量綱的餘量被設置為S = 0. 02。螺杆與殼體之間的無量綱的餘量被設置為D = 0. 01。所計算出和所預測的壓力形成參數A2之間的所執行的比較帶來下列結果。如果將所有值組合包括在比較中，則平均得出計算與預測之間的偏差為6. 75%，其中標準差為
11.3%。如果將值組合的範圍限於具有正頂尖角的螺杆元件，則平均得出計算與預測之間的偏差為4. 04%，其中標準差為5. 16%。如果進一步限制值組合的範圍使得參數空間的極限之間必須分別保持5%的距離(參數的長度等於100%)，則平均得出計算與預測之間的偏差為
3.22%，其中標準差為3. 59%。從圖4和5的比較中變得明顯的是，壓力形成參數A2恰好在頂尖角小於0的範圍中非常強烈地變化。在值組合的密度相同的情況下，由此在該範圍中實現較差的預測精度。另外，即使在參數空間的邊緣設置附加的值組合，預測精度仍向邊緣略微下降。步驟(e):必要時重複一次或多個步驟(a)至(e)，直到藉助於基於數據的模型能夠精確計算出結果特徵數。在該示例的範圍內，重複步驟(b)至(d)。平均為3. 22%的預測精度(其中標準偏差為3. 59%)對於螺杆擠壓機的設計而言經常是不可接受的。值組合的數目被提高到總共3358。另外的值組合一方面在參數空間中被儘可能均勻地分布，另一方面，附加的值組合又被設置到參數空間的邊緣上。放棄了根據局部偏差參量或結果特徵數的局部梯度來設置另外的值組合的可能性。在計算出結果特徵數並且生成了新的基於數據的模型以後，又執行在所計算的與所預測的壓力形成參數A2之間的比較。如果將所有值組合包括到該比較中，則平均得出計算與預測之間的偏差為3. 07%，其中標準差為4. 74%。如果將值組合的範圍限於具有正頂尖角的螺杆元件，則平均得出計算與預測之間的偏差為I. 91%，其中標準偏差為2. 41%。如果進一步限制值組合的範圍使得參數空間的極限之間必須分別保持5%的距離(參數的長度等於100%)，則平均得出計算與預測之間的偏差為I. 52%，其中標準偏差為I. 55%。得出了平均偏差和標準偏差高達58%的減少。平均為I. 52%的預測精度(其中標準偏差為I. 55%)對於螺杆擠壓機的設計是足夠的。示例2:為具有與Erdmenger螺杆剖面相比減小的頂尖角的雙頭螺杆元件創建預測工具。步驟(a):確定參數空間
具有減小的頂尖角的螺杆元件、在下面稱為Rita螺杆元件(Rita = reduced tipangle,減小的頂尖角)與Erdmenger螺杆剖面相比具有減小的頂尖角。在此,根據Rita螺杆剖面的頂尖角與Erdmenger螺杆剖面的頂尖角之商定義相對頂尖角R，其中分別考察自清潔的緊密咬合的螺杆剖面。為相對頂尖角R選擇0 < RS I的參數空間。Rita螺杆剖面的另外的無量綱參數和相關參數空間對應於來自示例I的Erdmenger螺杆元件。圖6a示出了自清潔的緊密咬合的Rita螺杆剖面。圖6a的原理構造對應於圖Ia的原理構造。Rita螺杆剖面的四分之一由彼此對應的2x3個圓弧得出。在圖6a中，無量綱的軸線距離為A = O. 8333。半徑I或I』等於外半徑RA = 0. 5或等於核心半徑RK =
0.3333。半徑2或2』等於0或等於軸線距離。半徑3或3』等於軸線距離的0. 9倍或者等於軸線距離的0. I倍。相對應的圓弧I和I』、2和2』或3和3』具有弧度為0. 0999,0. 4035或0. 2820的中心角。圓弧I和I』的中心處於坐標原點。所有圓弧都正切地彼此過渡。圓弧3和3』在公共點處接觸直線FP。圖6b示出了根據圖6a的自清潔的緊密咬合的Rita螺杆剖面、以及由此導出的在8字形螺杆殼體內具有餘量的螺杆剖面。圖6b的構造對應於圖lb。具有餘量的螺杆剖面通過空間等距方法來獲得。兩個螺杆之間的無量綱的餘量為S = 0. 01。螺杆與殼體之間的無量綱的餘量為D = 0. 01。相關螺杆元件的無量綱的螺距為T = I。步驟(b):選擇參數空間內的代表性的值組合
在圖7中示出了所選參數空間中的無量綱的軸線距離A與相關頂尖角R之間的6005個值組合。從這些值組合中採用來自示例I的具有相對頂尖角為R = I的3358個值組合。另外的2647個值組合表徵小於R = I的相對頂尖角。值組合的選擇利用第I個示例中所述的方法來進行。基於Erdmenger螺杆元件，可以無過渡地將新型螺杆元件集成到針對螺杆擠壓機和/或擠壓方法的預測工具中。該預測工具包含新型Rita螺杆元件以及Erdmenger螺杆元件。可替代地，可以創建僅僅建立在具有小於R= I的相對頂尖角的2647個值組合之上的預測工具。步驟(C):藉助於模擬計算為所選擇的值組合計算結果特徵數
基於所選擇的值組合，藉助於模擬計算來計算結果特徵數。如在第I示例中那樣計算相同的結果特徵數。步驟(d):基於所選擇的值組合和所計算出的結果特徵數創建基於數據的模型 為了為具有Rita螺杆剖面的雙頭螺杆元件創建預測工具，使用混合模型。所生成的基
於數據的模型允許預測所希望的結果特徵數。、
基於根據圖7的值組合，圖8根據無量綱的軸線距離A (水平軸線)和無量綱的螺距T (垂直軸線)示出了具有相對頂尖角R = I—對應於Erdmenger螺杆元件——的雙頭Rita運送元件的所預測的工作點B2。螺杆之間的無量綱的餘量被設置為S=O. 01。螺杆與殼體之間的無量綱的餘量被設置為D = 0. 01。圖9同樣示出了具有相對頂尖角R = 0. 5的雙頭Rita運送元件的所預測的工作點B2。相比之下示出較小的相對頂尖角R導致擠壓機中的較小的能量輸入。圖8和9中分別在左下方表徵的陰影區域反映出存在負頂尖角的範圍。預測工具允許利用對例如B2的要求結合對例如頂尖角的其他要求來確定螺杆元件。在所計算出和所預測的工作點B2之間執行的比較帶來下列結果。如果將具有正頂尖角並且同參數空間的極限分別保持5%的距離(參數的長度等於100%)的所有值組合包括到比較中，則平均得出計算與預測之間的偏差為0. 93%，其中標準偏差為0. 97%。步驟(e):必要時重複步驟(a)至(e)中的一個或多個步驟，直到藉助於基於數據 的模型能夠足夠精確地計算出結果特徵數
由於高預測能力而不需要利用另外的值組合進行重複。附錄
用於生成同向旋轉的成對精確摩擦的螺杆擠壓機的構造規定令人意想不到地發現了成對精確摩擦的螺杆剖面的幾何結構所基於的基本原理。所述基本原理在申請PCT/EP2009/003549和PCT/EP2009/004249中予以描述。這些基本原理允許為成對精確摩擦的螺杆擠壓機創建構造規定並且由此還定義明確地描述成對精確摩擦的螺杆擠壓機的參數。所述基本原理為
I.生成的螺杆剖面和被生成的螺杆剖面的剖面可以總是由圓弧構成。圓弧的大小是通過給定其中心角及其半徑來給定的。下面將圓弧的中心角簡稱為圓弧的角。圓弧的位置可以通過其中心以及通過其起始點和終點的位置來確定，其中不確定哪個是起始點以及哪個是終點，因為從起始點出發並且結束於終點的圓弧可以順時針或者逆時針地來構造。起始點和終點因此是可調換的。2.剖面的圓弧在其起始點和終點處彼此正切地過渡。3.當扭結(Knick)由其半徑等於0的圓弧來描述時，基本原理2對具有「扭結」的剖面也成立。「扭結的大小」是由具有半徑0的圓弧的相應角度來給定的，也就是說，在扭結的情況下，第一圓弧通過旋轉具有半徑0的第二圓弧的角度過渡到第三圓弧中。或者換言之第一圓弧在具有半徑0的第二圓弧的中心處的切線以一角度相交於第三圓弧處的同樣在第二圓弧中心的切線，該角度對應於第二圓弧的角度。在考慮到第二圓弧的情況下，所有相鄰的圓弧、即第一圓弧一第二圓弧一第三圓弧彼此正切地過渡。適宜地將具有半徑0的圓弧看成是半徑等於eps的圓弧,其中eps是非常小的趨於0的正實數(eps〈〈l, eps — O)。4.生成的螺杆剖面的圓弧分別對應於被生成的螺杆剖面的圓弧，其中應將「對應於」理解成
相對應的圓弧的角度是大小相同的；
相對應的圓弧的半徑之和等於軸線距離a ； 生成的螺杆剖面的圓弧的中心與其終點之間的每一個連接線平行於被生成的螺杆剖面的相對應的圓弧的中心與其終點之間的每一個連接線；
生成的螺杆剖面的圓弧的終點從圓弧的中心出發所處的方向分別與被生成的螺杆剖面的相對應的圓弧從被生成的螺杆剖面的圓弧的中心出發所處的方向相反；
生成的螺杆剖面的圓弧的中心與被生成的螺杆剖面的相對應的圓弧的中心相距對應於軸線距離的距離；
生成的螺杆剖面的圓弧的中心與被生成的螺杆剖面的相對應的圓弧的中心之間的連接線平行於生成的螺杆剖面的旋轉點與被生成的螺杆剖面的旋轉點之間的連接線；
生成的螺杆剖面的圓弧的中心為了與被生成的螺杆剖面的相對應的圓弧的中心對齊而必須移動的方向等於生成的螺杆剖面的旋轉點為了與被生成的螺杆剖面的旋轉點對齊而必須移動的方向。
基於這些基本原理可以為成對精確摩擦的螺杆軸制訂構造方法。在此，該剖面優選地處於一個平面內。生成的螺杆剖面的旋轉軸和被生成的螺杆剖面的旋轉軸分別垂直於所述平面，其中旋轉軸與所述平面的交點被稱為旋轉點。旋轉點彼此的距離被稱為軸線距離。在下面應將n理解成圓周率(n 3. 14159)。在第一步驟中，生成生成的螺杆剖面。生成的螺杆剖面產生被生成的螺杆剖面。一選擇將形成生成的螺杆剖面的數目n個圓弧，其中n是大於或等於I的整數。一選擇外半徑ra，其中ra可以呈現大於0 (ra > 0)並且小於或等於軸線距離(ra ( a)的值。一選擇內半徑ri，其中ri可以呈現大於或等於0 (ri彡0)並且小於或等於ra(ri ( ra)的值。一根據下列布置規則以順時針或逆時針方式將n個圓弧布置為圍繞生成的螺杆剖面
〇n — I個圓弧的大小通過可選角度a_l，a_2,…，a _(n-l)和可選半徑r_l，r_2,…，r_(n-l)來確定，其中弧度角度大於或等於0並且小於或等於2 並且半徑大於或等於0並且小於或等於軸線距離a ；
〇最後的圓弧的角度a _n通過n個圓弧的n個角度之和在弧度方面等於2 來得
出；
〇最後的圓弧的半徑r_n通過所述最後的圓弧使剖面閉合來得出；
O所有圓弧彼此正切地過渡，使得得出凸的剖面；
〇優選地將半徑等於0的圓弧看成是半徑等於eps的圓弧，其中印s是趨於0的非常小的正實數(eps〈〈l, eps —)；
〇每個圓弧都處於具有外半徑ra和內半徑ri的圓環的邊界內或邊界上，所述圓環的中心處於生成的螺杆剖面的旋轉點上；
〇所述圓弧至少之一接觸外半徑ra ；
〇所述圓弧至少之一接觸內半徑ri。一形成被生成的螺杆剖面的數目n』個圓弧，其角度a_l』，a _2』，. . .，a_n』及其半徑r_l』，r_2』，…，r_n』得出如下
〇 n, = n〇 a —I，= a —I; a —2，= ct —2 ; ... ;a—n，=a—n〇 r—I，=a - r—I ; r—2，= a - r—2; r—n，= a - r_nD一形成被生成的螺杆剖面的n』個圓弧的位置得出如下
〇被生成的螺杆剖面的第i』個圓弧的中心與生成的螺杆剖面的第i個圓弧的中心相距等於軸線距離a的距離；
〇生成螺杆剖面的第i』個圓弧的中心與被生成的螺杆剖面的旋轉點具有這樣的距離，該距離對應於生成的螺杆剖面的第i個圓弧的中心與生成的螺杆剖面的旋轉點的距離；
〇被生成的螺杆剖面的第i』個圓弧的中心與生成的螺杆剖面的第i個圓弧的中心 之間的連接線與被生成的螺杆剖面的旋轉點與生成的螺杆剖面的旋轉點之間的連接線平行；
〇生成的螺杆剖面的第i』個圓弧的起始點相對於被生成的螺杆剖面的剖面的第i』個圓弧的中心所成方向是與生成的螺杆剖面的剖面的第i個圓弧的起始點相對於生成的螺杆剖面的第i個圓弧的中心所成的方向相反的方向；
其中i和i』是一般經過I至圓弧數目n或n』範圍中的所有值的整數(i』 =i)。構造方法原則上可以單單用量角規和圓規在紙上實施。因此，例如在螺杆元件的剖面的第i個和第(i + I)個圓弧之間構造正切過渡，其方式是，在第i個圓弧的終點周圍劃出具有半徑r_(i+l)的圓，並且該圓與經過第i個圓弧的中心和終點定義的直線在接近螺杆元件的旋轉點處的交點是第(i+1)個圓弧的中心。在實際中，替代於使用草圖本、量角規和圓規而藉助於計算機虛擬地生成剖面。在申請PCT/EP2009/003549中描述了成對精確摩擦的螺杆剖面的構造規定。在此，當構造例如在使用笛卡爾坐標系的情況下進行時或者當螺杆剖面具有一定對稱性時深入探討所得出的變型方案。基本原理以及基於此的構造規定首先允許幾乎完全自由地設計自清潔的螺杆元件的剖面並且因此按照應用通過最小的參數改變對其進行優化。此外可能的是，通過足夠大數目的圓弧以所期望的精度逼近不由圓弧構成並且因此不是自清潔的螺杆剖面。在此，藉助於圓弧逼近的剖面自然是自清潔的。因此，在使用基於數據的模型的情況下進行根據本發明的優化的螺杆擠壓機的幾何結構是可行的。為此，必須首先從二維剖面中產生三維螺杆剖面。從所構造的螺杆剖面中可以生成所有可想到的螺杆元件和過渡元件。尤其是可以生成運送元件、揉捏元件和混合元件。運送元件的公知特點(例如參見[I]第227-248頁)是，螺杆剖面以一定軸向連續地螺杆式旋轉和延伸。在此，運送元件可以為右旋或左旋的。運送元件的螺距優選地處於軸線距離的0. I倍至10倍的範圍中，其中應將螺距理解成螺杆剖面的完整旋轉所需的軸向長度，並且運送元件的軸向長度優選地處於軸線距離的0. I倍至10倍的範圍中。揉捏元件的公知特點(例如參見[I]第227-248頁)是，螺杆剖面以一定軸向分批地以揉捏圓盤的形式向前輸送。揉捏圓盤的布置可以右旋或左旋地或者中性地進行。揉捏圓盤的軸向長度優選地處於軸線距離的0. 05倍至10倍的範圍中。兩個相鄰揉捏圓盤之間的軸向距離優選地處於軸線距離的0. 002倍至0. I倍的範圍中。
混合元件公知地通過如下方式形式(例如參見[I]第227-248頁)利用螺杆尖頭中的貫穿部來實施運送元件。混合元件可以是右旋或左旋的。其螺距優選地處於軸線距離的0. I倍至10倍的範圍中，並且該元件的軸向長度優選地處於軸線距離的0. I倍至10倍的範圍中。所述貫穿部優選地具有U形或V形槽口的形式，所述槽口優選地以反向運送或軸平行的方式布置。將這樣的螺杆元件稱為過渡元件所述螺杆元件實現兩個不同螺杆剖面之間的連續過渡，其中在過渡的每個點處存在自清潔的螺杆剖面對。在此，不同的螺杆剖面可以具有不同的單位長度的螺紋數。過渡元件可以是右旋或左旋的。其螺距優選地處於軸線距離的
0.I倍至10倍的範圍中，並且其軸向長度優選地處於軸線距離的0. I倍至10倍的範圍中。專業人員公知的是，直接摩擦的螺杆不能直接用在雙螺杆擠壓機中，而是需要螺杆之間的餘量。 專業人員公知的是從預先給定的精確摩擦的螺杆剖面出發導出具有餘量的螺杆的方法。為此公知的方法例如是[I]中第28頁及以後描述的軸線距離擴大、縱剖面等距和空間等距的可能性。在軸線距離擴大的情況下，構造較小直徑的螺杆剖面，並且在螺杆之間彼此移動餘量的絕對值。在縱截面等距方法的情況下，縱截面剖面曲線(與相應元件的旋轉軸線平行)垂直於剖面曲線地向內、向旋轉軸線方向移動螺杆一螺杆餘量的一半。在空間等距方法的情況下，從在其上螺杆元件進行清潔的空間曲線出發，將螺杆元件在與精確摩擦的剖面的表面垂直的方向上縮小螺杆與螺杆之間的餘量的一半。優選地使用縱截面等距和空間等距、特別優選地使用空間等距。
權利要求
1.用於為螺杆擠壓機和/或擠壓方法創建預測工具的方法，至少包括下列步驟 (a)確定參數空間； (b)選擇所述參數空間內的代表性的值組合； (c)藉助於模擬計算為所選值組合計算結果特徵數； Cd)基於所選值組合和所計算的結果特徵數創建基於數據的模型； (e)必要時重複步驟(a)至(e)中的一個或多個步驟，直到藉助於基於數據的模型能夠足夠精確地計算出結果特徵數。
2.用於預測螺杆擠壓機在對擠壓物料進行擠壓時的表現的方法，至少包括下列步驟 (I)創建基於數據的模型作為預測工具； (II)將螺杆擠壓機、擠壓方法和擠壓物料的表徵值輸入到基於數據的模型中； (III)藉助於基於數據的模型計算結果特徵數； (IV)輸出結果。
3.用於優化螺杆擠壓機的幾何結構和/或擠壓方法的方法，至少包括下列步驟 (A)創建基於數據的模型作為預測工具； (B)確定螺杆擠壓機和/或擠壓方法的目標剖面； (C)標識出滿足所確定的目標剖面和/或最接近目標剖面的值組合； (D)輸出在步驟(C)中確定的值組合。
4.用於製造螺杆擠壓機的方法，至少包括下列步驟 (i)創建基於數據的模型作為預測工具； (ii)確定螺杆擠壓機和/或擠壓方法的目標剖面； (iii)標識出滿足所確定的目標剖面和/或最接近該目標剖面的值組合； (iv)輸出和/或存儲在步驟(iii)中確定的值組合； (v)基於在步驟(iii)中確定的值組合創建螺杆擠壓機。
5.根據權利要求I至4之一所述的方法，其特徵在於，螺杆元件的橫截剖面通過圓弧來描述。
6.根據權利要求I至5之一所述的方法，其特徵在於，描述剖面的圓弧在其起始點和終點處彼此正切地過渡，其中剖面中的扭結通過其半徑等於O的圓弧來描述。
7.通過根據權利要求I或6的方法生成的用於螺杆擠壓機和/或擠壓方法的預測工具。
8.計算機系統，用於執行根據權利要求I至6之一所述的方法。
9.電腦程式產品，具有用於在計算機上執行根據權利要求I至6之一所述的方法的程序代碼裝置。
全文摘要
本發明涉及螺杆擠壓機以及優化螺杆擠壓機和擠壓方法這一技術領域。本發明的主題是一種用於優化螺杆擠壓機的幾何結構以及用於優化擠壓方法的方法。此外，本發明的主題是一種用於製造螺杆擠壓機的方法。另外，本發明的主題是可用來實施根據本發明的方法的計算機系統和電腦程式產品。
文檔編號B29C47/40GK102725120SQ201080057785
公開日2012年10月10日 申請日期2010年12月14日 優先權日2009年12月18日
發明者L.格利茨, M.比爾德爾, T.姆爾齊格洛德 申請人:拜耳智慧財產權有限責任公司