Die Erfindung bezieht sich auf eine Metallgießanlage, und insbesondere auf eine Niederdruck-Gießanlage, sowie auf ein Metallgießverfahren, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 7.

In Verbindung mit dem Schwerkraft-Gießverfahren ist es bekannt, die Füllstandshöhe der Gießrinne mit Hilfe eines Laser-Abstandssensors zu messen. Dabei kommt es jedoch aufgrund von unkontrollierten Badbewegungen, Streueffekten des Schmelzespiegels oder anderen Störeffekten zu erheblichen Messfehlem, so dass eine solche opto-elektronische Füllstandsmessung zur kontinuierlichen Regulierung des Schmelzezustroms zur Gießform ungeeignet ist.

Ferner ist aus der JP-A-08281414 ein Verfahren zur Steuerung des Schmelzezustroms zu einer Druckgussform bekannt, bei dem der jeweilige Schmelzezustrom zur Gießform unter Zugrundelegung einer konstanten Füllgeschwindigkeit aus gespeicherten Querschnittsdaten der Formkavität vorausberechnet und dann zeitgesteuert mit Hilfe einer die Gießform befüllenden Schmeizepumpe reguliert wird. Bei einer derartigen Steuerung bleiben jedoch Dichteoder Viskositätsschwankungen, verursacht durch eine ungleichförmige Temperaturverteilung in der Gießform, sowie Querschnittstoleranzen der Formkavität oder andere Störwirkungen unberücksichtigt, so dass es zu deutlichen Abweichungen von der vorgegebenen Füllgeschwindigkeit und dementsprechend Qualitätseinbußen des auf diese Weise hergestellten Gussteils kommen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Metallgießanlage und ein Metallgießverfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, dass eine weitgehend beliebig vorgegebene, also nicht nur konstante Füllgeschwindigkeit der Gießform mit hoher Genauigkeit eingehalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Metallgießanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.

Erfindungsgemäß wird der Schmelzezustrom zur Gießform vorrangig durch einen Regelkreis mit einer vorgegebenen Füllgeschwindigkeit als Führungswert und einer opto-elektronischen Füllstandsabtastung als Messwert einreguliert, gleichzeitig aber eine vorprogrammierte Füllstandssteuerung in Bereitschaft mitgeführt, die in einer Rechenstufe den zeitlichen Verlauf des Schmelzezustroms auf der Grundlage der vorgegebenen Füllgeschwindigkeit und von CAD-gestützten Querschnittsdaten der Formkavität vorausberechnet und auf die immer dann zurückgegriffen wird, wenn der Regelkreis aufgrund einer prozessbedingt unvermeidbaren Störung der optischen Füllstandsmessung, etwa einer Rauchentwicklung durch Kerngase, fehlerhaft arbeitet. Auf diese Weise werden die systemimmanenten Fehlerquellen der opto-elektronischen Regelung einerseits und der programmgeführten Füllstandssteuerung andererseits wechselweise eliminiert und sichergestellt, dass der Füllprozess selbsttätig und exakt mit einer im Hinblick auf eine hohe Gussteilqualität vorgegebenen Füllgeschwindigkeit abläuft. Dabei können die von der Rechenstufe ermittelten Steuerwerte über eine entsprechende Signalleitung ständig durch die aktuellen Regelkreiswerte nachkorrigiert werden, solange die opto-elektronische Abtastung stabil arbeitet, und so die CAD-gestützte Füllstandssteuerung nochmals deutlich verbessert werden.

Als für eine Echtzeitregulierung des Füllprozesses besonders günstige, weil leicht zu detektierende Messsignal-Stabilitätsgrenze wird vorzugsweise eine vorgegebene Schwankungsbreite des Messsignals und/oder eine sprunghafte, die Regelcharakteristik des Regelkreises überschreitende Abweichung zwischen dem gemessenen und dem vorgegebenen Füllgeschwindigkeitswert gewählt.

Die Vorteile der Erfindung zeigen sich besonders deutlich, wenn, wie bevorzugt, die Gießform im Niederdruckverfahren über ein in das Schmelzebad eines druckregulierbaren Schmelzeofens eintauchendes Steigrohr befüllt wird. In diesem Fall wird der Anstieg des Ofendrucks über einen Druckregelkreis unterhalb der Messsignal-Stabilitätsgrenze unmittelbar als Funktion der Regelabweichung zwischen gemessenem und vorgegebenem Füllgeschwindigkeitswert und oberhalb der Stabilitätsgrenze nach Maßgabe eines von der Rechenstufe unter Einbeziehung der sich während des Füllvorgangs ändemden Füllstandsdifferenz zwischen Schmelzeofen und Gießform ermittelten Steuersignals einreguliert.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:

Fig. 1

eine Niederdruck-Gießanlage einschließlich des zugeordneten Regel- und Steuersystems;

Fig. 2

ein Blockschaltbild der Vergleichsstufe gemäß Fig. 1; und

Fig. 3

Diagramme zur Darstellung der von der Rechenstufe ermittelten Steuerwerte (linkes Diagramm) und der entsprechenden Regelkreiswerte (rechtes Diagramm).

Fig. 1 zeigt eine Niederdruck-Gießanlage mit einem Schmelzeofen 1 zum Befüllen einer an das trichterförmig erweiterte Ende eines in das Ofenbad eintauchenden Steigrohrs 2 ankoppelbaren Gießform 3 unter der Wirkung eines Gasdrucks p, welcher über einen Druckregelkreis 4, bestehend aus einem Drucksensor 5, einem Druckregler 6 und einem an einen Druckgasspeicher D angeschlossenen Ventil 7, nach Maßgabe eines dem Druckregelkreis 4 zugeführten Stellsignals einreguliert wird.

Erzeugt wird das Druckstellsignal von einem kombinierten Regel- und Steuersystem, und zwar vorrangig durch dessen Regelkreis 8, während die Steuerung 9 in Bereitschaft mitläuft und nur aktiviert wird, wenn der Regelkreis 8 gestört ist.

Die Messeinrichtung des Regelkreises 8 besteht aus einem opto-elektronischen Sensor in Form eines Abstandlasers 10, der die jeweilige Füllhöhe h der Gießform 3 vom Beginn bis zum Ende des Füllvorgangs laufend mit hoher Taktfrequenz abtastet. Das Sensor-Messsignal s wird in eine Vergleichsstufe 11 eingegeben, wo es auf die unten beschriebene Weise mit einer Messsignal-Stabilitätsgrenze verglichen und unterhalb der Stabilitätsgrenze an den lstwert-Eingang eines Reglers 12 weitergeleitet wird. Hier wird die Regelabweichung zwischen der zeitlichen Änderung des Messsignals und einem entsprechenden, für die gemessene Füllstandshöhe h vorgegebenen Führungswert ermittelt, welcher in einem Sollwertgeber 13 in Form einer fest vorprogrammierten zeitlichen Füllstandsänderung, d.h. des Verlaufs der Füllgeschwindigkeit v als Funktion der Füllhöhe h, gespeichert ist. Die Füllgeschwindigkeit v wird im Hinblick auf eine hohe Gussteilqualität im Allgemeinen nicht konstant gewählt, sondern z.B. im Bereich dünner Gusswandstärken, wo sich die Schmelzeviskosität stärker bemerkbar macht, abgesenkt, damit von den nacheilenden Schmelzefronten auch in diesen Bereichen ein einheitliches Füllstandsniveau aufrechterhalten wird. Durch das nach Maßgabe der Regelabweichung erzeugte Stellsignal des Reglers 12 wird der Schmelzezustrom zur Gießform 3 auf dem Wege über den Druckregler 6 derart einreguliert, dass die zeitliche Füllhöhenänderung auf dem für diese Füllhöhe vorgegebenen Geschwindigkeitswert gehalten wird, d.h. der zeitliche Anstieg des Ofendrucks p wird erhöht, wenn die gemessene Füllgeschwindigkeit den vorgegebenen Führungswert unterschreitet, und oberhalb des Führungswertes entsprechend verringert.

Die Messsignal-Stabilitätsgrenze ist durch zwei Schwellwertdetektoren 14, 15 der Vergleichsstufe 11 definiert. Der Schwellwertdetektor 14 spricht an, wenn das Messsignal s eine vorgegebene Schwankungsbreite überschreitet, während der Schwellwertdetektor 15 anspricht, wenn die Differenz zwischen der vom Sensor 10 angezeigten und der vorgegebenen Füllgeschwindigkeit, welche normalerweise durch den Regelkreis 8 ausgeregelt wird, ein vorgegebenes Ausmaß überschreitet. Sobald eine derartige Messsignalstörung festgestellt wird, wird der Regelkreis 8 durch die Vergleichsstufe 11 deaktiviert und die Steuerung 9 zugeschaltet, woraufhin der Ofendruck p nach Maßgabe der von der Steuerung 9 errechneten Druckwerte einreguliert wird.

Hauptbestandteil der Steuerung 9 ist eine Rechenstufe 16, welche die als Funktion der Füllhöhe h gespeicherten Querschnittsdaten der Formkavität 18 der Gießform 3 aus einem Datenspeicher 17 abruft, über eine Signalleitung 19 die aktuellen Ofendruckwerte p vom Druckregler 6 und über eine weitere Signalleitung 20 das Füllstands-Messsignal s des Sensors 10 erhält, solange dieser störungsfrei arbeitet, sowie über eine - in Fig. 1 gestrichelt dargestellte - Steuerleitung durch die Vergleichsstufe 11 aktiviert wird, wenn die Messsignal-Stabilitätsgrenze überschritten wird. Ferner werden der Rechenstufe 16 die Füllgeschwindigkeitswerte v als Funktion der Füllzeit zugeführt.

Die Berechnung erfolgt aufgrund der Ausgangswerte h_o, h_so und p_o zu Beginn des Füllvorgangs und wird anhand der Fig. 3 (linkes Diagramm) näher erläutert. Durch Integration des Füllgeschwindigkeitsverlaufs v ergibt sich der zeitliche Höhenverlauf h und unter Einbeziehung der Querschnittsdaten des Datenspeichers 17 der entsprechende Schmelzezustrom $\overline{\text{m}}$. Die Ofendruckkurve p wird wie folgt vorausberechnet: Aus den Querschnittsdaten der Formkavität 18 ist für jede Füllhöhe h das in die Gießform 3 bereits eingeströmte und damit das im Schmelzeofen 1 fehlende Schmelzevolumen bekannt. Hieraus ergibt sich unter Einbeziehung des Ofenquerschnitts der jeweilige Ofenfüllstand h_s und somit auch die Höhe der Flüssigkeitssäule h - h_s und aus dieser, multipliziert mit der Schmelzedichte, der jeweils erforderliche Ofendruck p. In Fig. 3 (linkes Diagramm) sind diese Rechenwerte zu Beginn des Füllvorgangs in durchgehenden Linien dargestellt. Aufgrund der eingangs erwähnten Störeffekte entsprechen die so errechneten Werte jedoch nicht den tatsächlich vorliegenden, vom Regelkreis 8 in dessen Aktivphase ermittelten Mess- und Regelwerten (rechtes Diagramm der Fig. 3) und werden daher laufend über die Signalleitungen 19, 20 aktualisiert. Wenn somit der Sensor 10 zum Zeitpunkt z₁ ausfällt, enthält die Rechenstufe 16 als Füllstandshöhe h nicht den ursprünglich für diesen Zeitpunkt z₁ vorausberechneten, sondern den vom Sensor 10 zuletzt unterhalb der Stabilitätsgrenze gemessenen Höhenwert h_z1. Gleichzeitig sind auch die Schmelze- und Ofendruckkurven, $\overline{\text{m}}$, p, soweit parallel verschoben, dass ihre Werte bei der Messhöhe h_z1 den zum Zeitpunkt z₁ vom Regelkreis 8 eingeregelten Schmelzestrom- und Ofendruckwerten $\overline{\text{m}}$_z1 und p_z1 entsprechen, wie dies durch die strichpunktierten Linien im linken Diagramm der Fig. 3 dargestellt ist.

In der nunmehr beginnenden Steuerphase wird der Füllprozess mit den so korrigierten Rechenwerten fortgesetzt, der Ofendruck p also von der Rechenstufe 16 längs des strichpunktierten Kurvenstücks - über die in Fig. 1 gestrichelt dargestellte Drucksteuerleitung 21 - einreguliert, bis der Sensor 10 zum Zeitpunkt z₂ wieder störungsfrei arbeitet, woraufhin die Rechenwerte erneut durch die Mess- und Regelwerte, h_z2, $\overline{\text{m}}$_z2 und p_z2, des Regelkreises 8 aktualisiert werden, wie dies durch den gestrichelten Kurvenverlauf des Rechendiagramms der Fig. 3 dargestellt ist, und der Füllprozess nunmehr im Regelmodus bis zur nächsten Messsignalstörung weitergeführt wird.

Durch die beschriebene, in Echtzeit ablaufende Niederdruckbefüllung mit einem die aktuelle Füllhöhe erfassenden Regelkreis 8 und einem hierzu alternierend aktivierten, zeitlichen Rechenmodell lässt sich die Qualität der Gussteile erheblich verbessern, da der Füllprozess mit einer definiert vorgegebenen, auf die jeweils vorhandene Wandstärke und Querschnittsfläche des Gussteils abgestimmten Füllgeschwindigkeit selbsttätig und weitgehend unbeeinflusst von unkontrollierbaren Störeffekten und dementsprechend hoher Genauigkeit abläuft.