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Dokumentenidentifikation DE69317386T2 15.10.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0604786
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Glaserzeugnissen durch Ziehen von Glasvorformen
Anmelder Corning Inc., Corning, N.Y., US
Erfinder Koenig, David Mark, Corning Incorporated, Corning, NY 14831, US;
Maschmeyer, Richard Orr, Corning Incorporated, Corning, NY 14831, US;
Majestic, Peter John, Corning Incorporated, Corning, NY 14831, US
Vertreter PAe Reinhard, Skuhra, Weise & Partner, 80801 München
DE-Aktenzeichen 69317386
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 06.12.1993
EP-Aktenzeichen 931195861
EP-Offenlegungsdatum 06.07.1994
EP date of grant 11.03.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.10.1998
IPC-Hauptklasse C03B 37/027
IPC-Nebenklasse C03B 37/03   C03B 37/07   C03B 23/047   G05D 5/02   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft im allgemeinen ein Verfahren und ein Gerät zur Herstellung von Glasgegenständen aus einem Glasausgangsmaterial, bei dem die Steuerung einer Abmessung des Glasgegenstandes stark verbessert ist. Die Erfindung betrifft insbesondere die Bearbeitung von Kernrohlingen zur Bildung eines optischen Wellenleiter-Stangenglases, aus dem Ummantelungsrohlinge produziert werden können, um sie zu optischen Wellenleiterfasern bzw. Glasfaserkabeln zu ziehen. Die Erfindung betrifft auch die Herstellung von optischen Wellenleiterbauteilen, wie beispielsweise Kopplern und planaren optischen Wellenleitern, welche eine dimensionale Steuerung bzw. Steuerung der Abmessungen während der Herstellung erfordern.

Bei der Herstellung von optischen Glasfaserkabeln umfaßt ein bekannter Prozeß die Herstellung eines Kernrohlings, von dem ein optisches Wellenleiter-Stangenglas gezogen wird. Das optische Wellenleiter-Stangenglas wird dann zur Bildung eines Ummantelungsrohlings ummantelt, welcher dann zu einer optischen Wellenleiterfaser bzw. Glasfaser gezogen wird. Dieser "Zwei- Schritt"-Prozeß hat den Vorteil einer besseren Steuerung des Brechungsindex-Profiles der resultierenden Faser und einer effizienteren Herstellung, was zu niedrigeren Kosten führt.

Beim Ziehen des Stangenglases von einem Kernrohling ist ein kritischer zu steuernder Parameter der Durchmesser des Stangenglases. Veränderungen bzw. Schwankungen in dem Durchmesser des gezogenen Stangenglases können zu Veränderungen in dem Verhältnis zwischen dem Kern und dem Mantel einer optischen Glasfaser führen, welche von einem aus einem solchen Stangenglas produzierten Ummantelungsrohling gezogen wird. Diese Schwankungen in dem Verhältnis zwischen Kern und Ummantelung verschlechtern die Übertragungscharakteristika der resultierenden optischen Glasfaser.

Eine typische Vorrichtung zum Ziehen von Stangenglas aus einem Kernrohling ist in Fig. 1 gezeigt. Ein Vorformzuführmechanismus 1 senkt eine Vorform 5 in einen Ofen 2 ab. Der Ofen 2 erhitzt ein Ende der Vorform 5 bis zu deren Erweichungstemperatur. Ein Stangenziehmechanismus 4 zieht eine Stange bzw. ein Stangenglas 6 von dem erweichten Ende der Vorform 5. Der Durchmesser der Stange 6 wird durch eine Meßeinrichtung 3 gemessen. Die Ziehrate wird durch eine Berechnungseinrichtung 8 gesteuert, um ein Rohr mit einem vorbestimmten Durchmesser zu erzielen. Die Meßeinrichtung 3 umfaßt im allgemeinen eine berührungslose optische Messung zur Vermeidung eines Schadens an der makellosen Oberfläche der Stange, wenn diese gezogen wird.

Beim Erweichen der Vorform 5 wird ein kegelartiger Halsabschnitt 7 gebildet, von dem eine Stange 6 gezogen wird. Die Länge dieses kegelartigen Halses ist eine Funktion der Länge der heißen Zone des Ofens 2, wobei der kegelartige Halsabschnitt 7 für Öfen mit längeren heißen Zonen länger ist.

Obwohl der Stangendurchmesser im allgemeinen durch die Ziehgeschwindigkeit des Mechanismus 4 bestimmt wird, können Störungen in dem Durchmesser der gezogenen Stange beispielsweise durch Schwankungen der physikalischen Betriebseigenschaften bzw. Charakteristika der Vorform 5 und Veränderungen der Umweltbedingungen, welche die Stangenziehvorrichtung umgeben, verursacht werden. Aufgrund des relativ großen Abstandes zwischen der Meßeinrichtung 3 und des kegelartigen Halsabschnittes 7, bei dem die Stange gebildet wird, und der relativ niedrigen Geschwindigkeit, mit welcher die Stange gezogen wird, ist die Steuerung des Durchmessers der Stange 5 durch eine signifikante bzw. bedeutende Totzeit zwischen der tatsächlichen Veränderung des Durchmessers der Stange 6 und deren Erfassung bei der Meßeinrichtung 3 gekennzeichnet.

Bisher wurden Veränderungen der Ziehgeschwindigkeit der Stange Vc durch einen proportional-integralen (Pl) Steueralgorithmus basierend auf der fehlerhaften Abweichung zwischen dem gemessenen Durchmesser und dem erwünschten Durchmesser oder Einstellpunkt bestimmt. Der PI-Algorithmus kann wie folgt ausgedrückt werden:

ODsp = Durchmessereinstellpunkt

OD = 2*Rc = gemessener Außendurchmesser

Rc= Stangenradius

Vc(0) = anfängliche Ziehgeschwindigkeit

P = proportionale Steuerverstärkung

τI = integrale Rücksetzzeit

t = Zeit

Wenn durch einen Computer bzw. eine Berechnungsvorrichtung implementiert, wird der in Gleichung (1) angegebene PI-Steuerungsalgorithmus in dem diskreten Zeitbereich als

realisiert, wobei

h = Steuerungsintervall

I = integrale Steuerverstärkung

Es ist manchmal nützlich, den gemessenen Durchmesser, OD, durch einen Filter zu glätten, welcher den Einfluß von Hochfrequenzstörungen reduziert. Das Filter kann beispielsweise einen N-Punkt-gleitenden Mittelwert zur Erzeugung eines gefilterten Außendurchmessers, ODf, enthalten, welcher in der PI- Steueralgorithmusabweichung der Gleichung (2) verwendet wird:

Die Gleichung (2) wird dann wie folgt umgeformt:

Da die ökonomischen Vorteile von größeren Vorformen die Verwendung von größeren Öfen in dem Weiterziehprozeß erzwingen, erhöht sich die oben diskutierte Totzeit, wobei dies schwerwiegende Probleme für diesen herkömmlichen PI-Steueralgorithmus mit sich bringt, welche die Steuerung bzw. Kontrolle des Außendurchmessers einer gezogenen Stange verschlechtern. Wenn eine Schwankung in dein Außendurchmesser des Rohlings auftritt, wird beispielsweise eine entsprechende Änderung in dem Außendurchmesser der Stange auftreten, welche von dem Rohling gezogen wird. Diese Veränderung des Durchmessers wird durch die Meßeinrichtung 3 gemessen, und die Durchmessersteuerschleife wird eine Veränderung in der Ziehgeschwindigkeit des Mechanismus 4 hervorrufen. Die Wirkung dieser Veränderung auf den Außendurchmesser der Stange wird durch die Meßeinrichtung 3 nicht gemessen, bis eine Zeitdauer, welche gleich der Totzeit ist, verstrichen ist. Da das Steuerungsintervall, h, kleiner als die Totzeit ist, wird die Durchmessersteuerschleife damit fortfahren, die Ziehgeschwindigkeit des Mechanismus 4 basierend auf den gemessenen Werten des Außendurchmessers der Stange einzustellen. Falls das Steuerintervall größer oder gleich der Totzeit ist, wird die Durchmessersteuerschleife nicht genug auf kurzfristige Störungen ansprechen.

Loxley et al. beschreibt in dem US-Patent Nr. 3,652,248 einen Prozeß zum Ziehen eines Mikrobohrungsquarzglasröhrchens, wobei der Durchmesser des Röhrchens ungefähr 0,1 inch, d.h. 2,54 mm, oder weniger beträgt, wobei die Stabilität des Außendurchmessers durch Anlegen kühlender Strahlen aus Luft oder aus einem inerten Gas etwa 1 bis 2 inches (inch = 2,54 cm) unterhalb einer Flammenerhitzungsquelle zum Erweichen des Glasstangenausgangsmaterials verbessert wird. Diese kühlenden Strahlen stabilisieren den Punkt, bei dem das gezogene Röhrchen zu einem konstanten Durchmesser erstarrt. Einstellungen der Brennstoffmischung bei der Flammenerhitzungsquelle und des Kühlgases werden durch "Fachbedienpersonen" basierend auf Beobachtungen einer Anzeige eines Dicken-Meßinstruments zum Erreichen eines gewünschten Enddurchmessers durchgeführt (Spalte 6, Zeilen 62-73). In Loxley et al. gibt es keine Offenbarung oder Anregung für einen Steueralgorithmus, auf welchem Veränderungen dieser Strömungsraten basieren.

Mellor et al. beschreiben in dem Patent Nr. 4,076,512 ein Verfahren zur Erzeugung einer Ummantelungsglasstange, von welcher eine optische Glasfaser gezogen wird. Diese Stangen besitzen Durchmesser zwischen 1,5 mm und 8 mm, wobei der Durchmesser innerhalb von ± 5% gesteuert wird. Mellor et al. beschreibt die Verwendung eines "Hochverstärkungssystems mit geschlossener Schleife", welches "eine proportionale und- bzw. plusintegrale Steuerungeinrichtung" verwendet zur Regulierung der Geschwindigkeit, mit welcher die Glasstange basierend auf dem gemessenen Durchmesser der gebildeten Stange gezogen wird. Spalte 2, Zeilen 46-48. Es gibt keine Offenbarung oder Anregung in Mellor et al. für einen Ausgleich für die Totzeit zwischen einer Veränderung in der Ziehrate und der Messung der Veränderung in dem Außendurchmesser der Glasstange entsprechend zu der Veränderung in der Ziehrate.

Clark et al. beschreiben im US-Patent Nr. 4,631,079 ein Verfahren zum Ziehen von Glasstangen, wobei ein Abschnitt einer Glasstange auf eine erste Temperatur erhitzt wird, welche für ein Weiterziehen des Glases hoch genug ist, wobei der erhitzte Abschnitt auf ungefähr den erwünschten Durchmesser eingeschnürt wird, die Stange abgekühlt wird, der eingeschnürte Abschnitt progressiv auf eine Temperatur wiedererhitzt wird, die niedriger als die erste Temperatur ist, jedoch ausreichend zum Weiterziehen, und die Stange während des progressiven Wiedererhitzens auf den erwünschten Enddurchmesser gedehnt wird. Spalte 2, Zeilen 16-27. Durch Wiedererhitzen der Stange bei einer niedrigeren Temperatur wird die Viskosität des Glases erhöht und die Durchmesserschwankungen in der schließlich gezogenen Stange werden vermindert, da die Reaktion der Stange auf Streckbedingungen durch die höhere Viskosität gedämpft ist. Clark et al. beschreiben keine und geben auch keine Anregungen zur Messung des Durchmessers der Glasstange während des obenbeschriebenen Erhitzungs- oder Wiedererhitzungsschrittes. Es gibt keine Offenbarung in Clark et al. für ein Steuersystem zum Regulieren der Streckbedingungen zur Steuerung des Durchmessers der gezogenen Stange.

Zusammenfassung der Erfindung

Man beachte auch die Publikation "Electronics Letters", Band 13, Nr. 24, Oktober 1977 mit S. 726-727 und die FR-A- 2383138, welche beide ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen, die in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 15 angegeben sind, beschreiben. Man beachte ferner die JP-A-52-120841 und JP-A-56-149339, welche beide ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ziehen einer optischen Glasfaser beschreiben, bei welchem der Durchmesser der Glasfaser gemessen wird und die Geschwindigkeit einer Faserziehbewegung in Abhängigkeit von dem gemessenen Durchmesser verändert wird.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Ziehen eines länglichen Glasbauelements von einem Glasrohling geschaffen, mit den folgenden Schritten:

a. Bereitstellen eines Glasrohlings,

b. Erhitzen des Glasrohlings zumindest auf dessen Erweichungstemperatur,

c. Ziehen des Glasrohlings zu einem länglichen Glasbauelement bei einer Ziehgeschwindigkeit, welche einstellbar ist, und

d. Einstellen der Ziehgeschwindigkeit zur Steuerung einer seitlichen Abmessung des länglichen Glasbauelements, wobei der Schritt des Einstellens das Vergleichen einer On- Line-Messung der Abmessung mit einem vorbestimmten Zielwert umfaßt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Einstellens der Ziehgeschwindigkeit ferner das Berechnen einer neuen Ziehgeschwindigkeit unter Verwendung der Abweichung der Abmessung von dem Zielwert in einem Modell aufweist, welches einen nicht-linearen Algorithmus zum Ausgleichen einer inhärenten Totzeit beinhaltet, welche von einer Verzögerung zwischen einer Veränderung in der Ziehgeschwindigkeit und der On-Line- Messung einer Veränderung der Abmessung als Ergebnis der Veränderung der Ziehgeschwindigkeit resultiert.

Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung eines länglichen Glasbauelements mit:

a. einer Einrichtung zur Lagerung und Bewegung eines Rohlings,

b. einer Einrichtung zur Erhitzung des Rohlings zumindest auf dessen Erweichungspunkt,

c. einer Einrichtung zum Ziehen des Rohlings zu einem länglichen Glasbauelement mit einer vorbestimmten seitlichen Abmessung,

d. einer Einrichtung zur Messung einer seitlichen Abmessung des länglichen Glasbauelements, und

e. einer Einrichtung zum Einstellen der Ziehgeschwindigkeit, mit welcher das längliche Glasbauelement von dem Rohling gezogen wird, wobei die Einstelleinrichtung eine Einrichtung zum Vergleichen einer On-Line-Messung der Abmessung mit einem vorbestimmten Zielwert aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung ferner eine Einrichtung für die Berechnung einer neuen Ziehgeschwindigkeit unter Verwendung der Abweichung der Abmessung von dem Zielwert in einem Modell aufweist, welches einen nicht-linearen Algorithmus zum Ausgleichen einer inhärenten Totzeit beinhaltet, welche von einer Verzögerung zwischen einer Veränderung in der Ziehgeschwindigkeit und der On-Line-Messung einer Veränderung in der Abmessung als Ergebnis der Veränderung in der Ziehgeschwindigkeit resultiert.

Ein nicht-linearer Algorithmus kann verwendet werden, welcher eine Erweiterung des sogenannten "Smith Predictor" beinhaltet und die Berechnung der erforderlichen Parameter von ersten Prinzipien bzw. Grundsätzen umfaßt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen, welche die Berechnung der proportionalen und integralen Steuerverstärkungen basierend auf einem Prozeßmodell erlauben, welches eine Modellverstärkung, einen Modell-Zeitkonstanten-Parameter und einen Modell- Totzeit-Parameter enthält. Das Verfahren und die Vorrichtung können eine im wesentlichen kontinuierliche Berechnung der Steuerverstärkungen, der Modellverstärkung und der Modellparameter während des Ziehprozesses ermöglichen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer typischen Vorrichtung, welche zur Herstellung einer Stange aus einem Kernrohling verwendet wird;

Fig. 2 ein Blockdiagramm des Steuerschemas der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Ofenfunktion für zwei unterschiedliche Ofenausführungen;

Fig. 4-6 die Systemantwort für Testläufe unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 7a-7c alternative Ausführungsformen der Steuerstruktur, welches den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet.

Genaue Beschreibung

Fig. 1 zeigt eine typische Vorrichtung zum Ziehen einer optischen Wellenleiterkemstange von einer optischen Wellenleiterkernvorform. Ein Vorformzuführmechanismus 1 senkt eine Vorform 5 in einen Ofen 2 ab. Der Ofen 2 erhitzt ein Ende der Vorform 5 auf dessen Erweichungstemperatur. Ein Stangenziehmechanismus 4 zieht eine Stange 6 von dem erweichten Ende der Vorform 5. Der Durchmesser der Stange 6 wird durch eine Meßeinrichtung 3 gemessen. Die Ziehrate wird durch eine Berechnungseinrichtung 8 gesteuert, um eine Stange mit einem vorbestimmten Durchmesser zu erzielen. Die Meßeinrichtung 3 umfaßt im allgemeinen eine berührungsfreie optische Messung zur Vermeidung eines Schadens an der makellosen Oberfläche der Stange, wenn diese gezogen wird.

Wenn der Durchmesser der Stange 6, wie er bei der Einrichtung 3 gemessen wird, aufgrund verschiedener Störungen verändert wird, wie beispielsweise eine Veränderung in den physikalischen Charakteristika bzw. Betriebseigenschaften der Vorform 5 oder anderen Ziehbedingungen, stellt die Berechnungseinrichtung 8 die Ziehrate des Mechanismus 4 zum Ausgleichen und Beibehalten des Durchmessers der Stange 6 bei einem vorbestimmten Zielwert ein. Diese Veränderung der Ziehrate beeinflußt den Durchmesser der Stange in dem Bereich des kegelartigen Endabschnitts 7, bei dem sich das Glas noch oberhalb einer Temperatur befindet, bei welcher sich das Glas verformen kann. Aufgrund des Abstandes zwischen dem kegelartigen Endabschnitt 7 und der Meßeinrichtung 3 und der relativ niedrigen Ziehraten besteht eine bedeutende Totzeit zwischen der Veränderung der Ziehrate des Mechanismus 4 und der Erfassung der Auswirkung dieser Veränderung durch die Meßeinrichtung 3.

Die Totzeit kann anhand eines Beispiels erklärt werden. Falls die Meßeinrichtung 3 sich in einem Abstand LSensor (in mm) von dem kegelartigen Endabschnitt 7 entfernt befindet und die Ziehrate des Mechanismus 4 gleich Vc (in mm/min) ist, dann ergibt sich die Totzeit, DT, (in s) durch

Mit anderen Worten, wenn die Stange 6 mit einer Rate bzw. Geschwindigkeitsstufe Vc in mm/min gezogen wird, wird die Stange DT Sekunden brauchen, um die Strecke LSensor in mm von dem konusartigen Endabschnitt 7 zur Meßeinrichtung 3 zurückzulegen.

Eine Steuerstrategie, welche lediglich einen PI-Steueralgorithmus verwendet, wird aufgrund des Vorhandenseins der Totzeit nicht zufriedenstellend arbeiten. Der Mangel einer solchen Strategie ist eine Folge des Integralterms. Falls der gemessene OD (äußere Durchmesser) von dem Zielwert abweicht, wird der Integralterm damit beginnen, die fehlerhafte Abweichung zu integrieren. Diese Integration wird ortgeführt, bis der gemessene äußere Durchmesser OD zu dem Zielwert zurückkehrt. Die Totzeit verzögert die Erfassung der Reaktion des gemessenen äußeren Durchmessers OD zu der Steueraktion. Daher wird diese Integration fur eine ausgedehnte Zeitdauer auftreten, wobei dies zu einer Überkorrektur der Zielgeschwindigkeit führt. Der PI-Steueralgorithmus berücksichtigt nicht nur nicht irgendeine Totzeit, sondern der Integralterm wird die Auswirkung der Totzeit wie oben erwähnt vergrößern.

Zum Ausgleichen der Totzeit und des Filterns des gemessenen Durchmessers wurde eine Steuerstruktur entwickelt, welche (a) das Filtern der Geschwindigkeit, mit welcher der Stab gezogen wird, (b) ein nicht-lineares Prozeßmodell mit einer variablen Totzeit und (c) Techniken zur Berechnung der Parameter, welche in dem Steueralgorithmus auftreten, beinhaltet. Diese Steuerstruktur ist eine nicht-lineare Erweiterung des linearen "Smith Predictor" und erfordert kein Einstellen durch Ausprobieren (O. J. M. Smith, "Closer Control of Loops with Deadtime", Chem. Eng. Progress, Band 53, Nr. 5, Mai 1957, Seiten 217-219).

Der konventionelle Smith Predictor basiert auf einem Prozeßmodell erster Ordnung mit Totzeit, welches die folgende Form aufweist:

wobei τm die Modell-Zeitkonstante, Gm die Modell-Verstärkung und DTm die Modell-Totzeit ist. Es wird angenommen, daß die Modell-Totzeit Faktoren als ein Produkt des Steuerintervalls h und eines Totzeit-Indizes dm zerlegbar ist, wobei DTm = dm * h. Dieses Modell, welches diese drei zu bestimmenden Parameter enthält, wird mit deni Modell in unserem Ansatz später noch verglichen. Der konventionelle Smith Predictor verwendet ebenfalls einen PI-Steueralgorithmus, für welchen zwei Steuerverstärkungen bestimmt werden müssen. Unser Verfahren ist eine nicht-lineare Erweiterung des Smith Predictors und enthält direkte Verfahren zur Bestimmung sowohl der Modellparameter als auch der Steuerverstärkungen.

Bei dem Prozeß des Ziehens einer Glasstange von einer Vorform wird ein zylindrischer Rohling oder Vorform mit einem Durchmesser BD (oder Radius Rb) einem Ofen mit einer Geschwindigkeit Vb (der Vorschubgeschwindigkeit) zugeführt. Als Folge der Erhitzung innerhalb des Ofens wird ein Abschnitt des Rohlings viskös, der Rohlingdurchmesser nimmt ab und ein kegelartiger Halsabschnitt wird gebildet, von dem eine Stange mit Durchmesser OD bei einer Geschwindigkeit W gezogen wird. In einem stationären Zustand erfordert die Erhaltung der Masse, daß

Die dynamische Antwort des Stangendurchmesser, OD, auf die Ziehgeschwindigkeit, Vc, kann durch ein nicht-lineares Einheits-Verstärkungsfilter erster Ordnung mit Totzeit approximiert werden, wobei der Filtereingang der verzögerte Durchmesser ODss ist, welcher der Durchmesser ist, den die Stange in einem stationären Zustand erreichen würde, falls der Vorformdurchmesser, die Vorschubgeschwindigkeit und die Ziehgeschwindigkeit unverändert belassen würden. Die Totzeit bildet einen Teil der Zeitvariablen von ODss aufgrund des Abstandes zwischen dem kegelartigen Endabschnitt und der Durchmessermeßeinrichtung.

wobei τm die Zeitkonstante des Modells, DTM die Modell-Totzeit (wobei Dtm = dm * h) ist. Die Eingangsgröße zu dem Mödell, ODss, kann aus der Gleichung (8) abgeleitet werden, und zwar

Das durch die Gleichungen (9) und (10) verkörperte Modell ist eine Erweiterung des herkömmlichen Smith Predictor-Modells, welches in der Gleichung (7) angegeben ist, und zwar in dem Sinn, daß (a) es nicht-linear ist und (b) es implizit die Modellverstärkung (Gm) enthält, so daß Gm nicht separat bestimmt werden muß. In folgenden wird gezeigt, daß in unserem Ansatz nicht wie bei dem Smith Predictor die Modellkonstante, die Modelltotzeit und die zwei Steuerverstärkungen aus ersten Prinzipien bzw. Grundsätzen bestimmt werden können und nicht durch Ausprobieren.

Falls die Ziehgeschwindigkeit, Vc, gemäß einem herkömmlichen PI-Steueralgorithmus ohne einen Smith Predictor, wie in Gleichung (1) gezeigt, eingestellt wird, rufen die Totzeit und der gleitende Durchschnitt Probleme bei der Steuerung des Außendurchmessers der Stange hervor (siehe D. M. Koenig, "Control and Analysis of Noisy Processes", §§ 1.8.2 und 2.6.3, S. 40- 41, 79-85, Prentice-Hall 1991). Selbst mit der Verwendung eines Computers, welcher zu einem PI-Algorithmus der Gleichung (3) in der diskreten Zeitdomäne führt, und Glätten des gemessenen Durchmessers mit dem N-Punkt-gleitenden Durchschnittswert der Gleichung (4) wird der konventionelle PI-Algorithmus den Außendurchmesser der Stange aufgrund der Totzeit nicht erfolgreich steuern.

Zum Ausgleichen für die Totzeit und des gleitenden Mittelwerts wird der PI-Steuerungsalgorithmus in eine größere Steuerstruktur eingebettet, welche aus zwei Prozeßmodellen und einem zweiten N-Punkt-gleitenden Durchschnittswert besteht. Diese verbesserte Steuerstruktur ist in Blockdiagrammform in Fig. 2 dargestellt.

Die Ziehgeschwindigkeit von dem Ausgang des PI-Steueralgorithmus wird dem Prozeß zugesandt und wird auch in zwei zusätzliche Pfade aufgetrennt. In Pfad A in Fig. 2 wird die Ziehgeschwindigkeit in einen Stationärzustand-Außendurchmesser gemäß der Gleichung (10) transformiert. Der Stationärzustand-Außendurchmesser, ODss, wird dann zum Antrieb eines Filters erster Ordnung wie in Gleichung (9) verwendet, außer daß keine Totzeit besteht.

wobei OD&sub0; ein nicht verzögerter Modelldurchmesser (keine Totzeit) und τm die Modell-Zeitkonstante ist. Es sei angemerkt, daß in Abweichung von dem konventionellen Smith Predictor, wie er in Gleichung (7) ausgedrückt ist, in Gleichung (11) keine Modellverstärkung Gm explizit vorhanden ist. Statt dessen ist Gm implizit, und daher muß sie nicht separat bestimmt werden. Wie unten noch gezeigt wird, wird Gm zur Bestimmung der Steuerverstärkungen verwendet und kann daher durch Differentiation der Gleichung (8) bestimmt werden, wobei dies

ergibt.

Da ein Computer zur Implementierung der Steuerstruktur verwendet wird, wird die Gleichung (11) in dem diskreten Zeitbereich ausgedrückt als

Im Pfad B in Fig. 2 wird die Ziehgeschwindigkeit gefiltert als

wobei dm ein Modell-Totzeit-Index ist und dm * h = DTm. Dieser Durchschnitt ist ausgelegt, um die Durchschnittswertbildung des gemessenen Durchmessers, welcher in Gleichung (4) beschrieben wurde, auszugleichen. Der Aufbau des Filters, welcher in Pfad B in Fig. 2 verwendet wird, muß der gleiche sein wie der Aufbau des Filters, welcher für das gemessene Prozeßsignal verwendet wird. Diese verzögerte gemittelte Modell- Ziehgeschwindigkeit wird dann in einen Stationärzustand-Außendurchmesser gemäß der Gleichung (10) transformiert und einem Filter erster Ordnung mit einer Zeitkonstante τm wie in Gleichung (9) zugeführt. Das Ergebnis wird in der diskreten Zeitdomäne als

dargestellt, wobei

und wobei ODm der verzögerte Modelldurchmesser (einschließlich Totzeit) ist.

Man bemerke, daß der Pfad B sich von dem Pfad A darin unterscheidet, daß Pfad B den N-Punkt-gleitenden Mittelwert bzw. Durchschnittswert und die Totzeit enthält. Wenn das Prozeßsignal nicht signifikante bzw. bedeutende Störungen enthält, ist kein Filtern des Prozeßsignales oder des Rückkoppelsignals erforderlich oder bevorzugt. Jedoch, wenn es notwendig ist, daß Prozeßsignal zu filtern, wie beispielsweise in Gleichung (4), dann wird ein Kompensationsfilter in Pfad B für die Rückkoppelschleife, wie beispielsweise in Gleichung (14), plaziert. In diesem Steuerungsentwurf, bei dem die Kompensation für die Prozeßsignalfilterung in der Rückkoppelschleife vorgesehen ist, wird die Hochfrequenzreaktion des Steuersystems verbessert, wobei dies lediglich mit einer leichten Verschlechterung der Niedrigfrequenzantwort verbunden ist.

Es gibt alternative Wege zur Konfigurierung des Pfades B, die dieselben Ergebnisse liefern, und diese sind in unserem Ansatz enthalten. Fig. 7a-7c zeigen einige dieser Ansätze. Der Pfad in Fig. 7a zeigt einen Abschnitt der Struktur, die in Fig. 2 gezeigt ist. In diesem Fall ist die Stangengeschwindigkeit Vc in einem Verzögerungsvektor angeordnet, und die in geeigneter Weise verzögerte Stangengeschwindigkeit wird extrahiert und einem N-Punkt-gleitenden Mittelwert zugeführt. Die gemittelte Stangengeschwindigkeit wird dann einer Quadratwurzeloperation zugeführt, welche einen stationären Durchmesser ergibt. Dieser stationäre Durchmesser wird dann einem Filter erster Ordnung zugeführt, welches die Modellzeitkonstante aufweist. Der Pfad in Fig. 7b zeigt, wie die Quadratwurzelberechnung des stationären Durchmessers zuerst ausgeführt werden kann, gefolgt durch die gleitende N-Punkt-Mittelwertbildung (oder einen anderen ähnlichen Tiefpaßfilter), der Totzeitverzögerung und schließlich dem Filter erster Ordnung. Der Pfad in Fig. 7c zeigt noch eine weitere Permutation, bei der die N-Punkt-gleitende Mittelwertbildung als der letzte Schritt rekonfiguriert ist. Da die Quadratwurzeloperation nicht linear ist, wird die Veränderung der Reihenfolge der Blöcke, wie sie in Fig. 7a-7c gezeigt sind, nicht exakt identische Ergebnisse hervorrufen, und es bestehen einige Vorteile, die Permutation, wie sie in Fig. 2 und Fig. 7a gezeigt ist, in bezug auf die Initialisierung des Verzögerungsvektors zu verwenden. Der Unterschied in der Betriebsfunktion ist jedoch nicht bedeutend, und für die Zwecke dieser Patentanmeldung werden sie als gleich angenommen. Da es grundsätzlich vier sequentielle Operationen gibt, die in einer beliebigen Reihenfolge angeordnet sein können, gibt es 24 mögliche Anordnungen, die nicht besonders unterschiedlich sind und einen Teil unseres Ansatzes bilden.

Die Ausgangsgrößen dieser zwei Modelle, welche durch die Gleichungen (13) und (15) dargestellt werden, werden mit dem gefilterten gemessenen Durchmesser, wie er durch die Gleichung (4) ausgedrückt ist, und dem Einstellpunkt, ODsp, kombiniert, um eine Steuerabweichung, E, zu erhalten:

Falls das in der Gleichung (15) beschriebene Modell genau mit dem Prozeß übereinstimmt, wenn keine Störungen bestehen, dann ist ODm = ODf, und die fehlerhafte Abweichung, mit welcher sich der PI-Steueralgorithmus konfrontiert sieht, beträgt

Da der gemittelte Prozeß nun durch das gemittelte Modell mit Totzeit gelöscht wird, bedeutet dies letztendlich, daß der Prozeß aus Sicht des PI-Steueralgorithmus ein einfaches nichtliheares Modell erster Ordnung ohne Totzeit und ohne Durchschnittswertbildung ist. Daher ist dieser Prozeß merklich einfacher zu steuern.

Die Steuerverstärkungen für den PI-Steueralgorithmus werden aus den folgenden Gleichungen bestimmt, die von den Modellparametern τm und Gm und einem dritten Parameter τD abhängen, welcher noch eine weitere Zeitkonstante ist, die die Antwort des Durchmessers auf eine hypothetische Veränderung in dem Durchmessereinstellpunkt charakterisiert:

Falls τD klein ist, wäre die Reaktion auf eine Änderung des Einstellpunktes sehr schnell. Andererseits, falls τD groß ist, wäre die Reaktion auf eine Veränderung des Einsteilpunktes träge. Daher ist τD ein Maß dafür, wie aggressiv die Steuerung sein wird. Unsere Erfahrung legt nahe, daß τD vorzugsweise gleich der Hälfte der Prozeßzeitkonstanten, τm, ist und daher χ vorzugsweise gleich 0,5 ist. Störungen mit unterschiedlichen Amplituden oder Frequenzen können jedoch von leicht unterschiedlichen Verhältnissen profitieren. Es kann sogar vorteilhaft sein, das Verhältnis während des Stangenziehprozesses zu verändern. Diese Gleichungen zur Bestimmung der Steuerverstärkungen sind in D. M. Koenig, "Control and Analysis of Noisy Processes", § 2.5, 5. 73-75 angegeben.

τD, τm und Gm können automatisch und kontinuierlich berechnet werden. Daher können P und I automatisch und kontinuierlich gemäß der Gleichung (18) berechnet werden. Da die Steuerverstärkungen, welche in dem PI-Steueralgorithmus auftreten, komplizierte und dynamische Funktionen der Prozeßmodellparameter sind, welche ihrerseits dynamisch von der Stangengeschwindigkeit und dem Durchmessereinstellpunkt bzw. Durchmessersollwert abhängen können, wird dieser PI-Steueralgorithmus als ein "nicht-linearer" PI-Steueralgorithmus bezeichnet.

In diesem Punkt wird der Steueralgorithmus durch eine Modellverstärkung, eine Modell-Zeitkonstante, eine Modell-Totzeit und zwei Steuerverstärkungen definiert. Es wurde gezeigt, daß die zwei Steuerverstärkungen von der Modellverstärkung, der Modellzeitkonstante und einer einstellbaren Zeitkonstante abhängen, die die Aggressivität bzw. Dynamik der Steueraktion spezifiziert. In der folgenden Diskussion werden Methoden entwickelt, die es erlauben, die Modellverstärkung, die Modell- Totzeit (durch den Totzeit-Index) und die Modellzeitkonstante von den bekannten Prozeßvariablen und einfach bestimmbaren physikalischen Charakteristika des Ziehturms zu berechnen.

In Gleichung (12) wurde gezeigt, daß die Modellverstärkung von dem Vorformdurchmesser der Vorformgeschwindigkeit oder Vorschubgeschwindigkeit und der Ziehgeschwindigkeit bestimmt wird. Diese Prozeßvariablen sind der Berechnungseinrichtung 8 bereits bekannt, so daß keine zusätzliche Information erforderlich ist.

Unter Verwendung der logischen Gleichung (6) kann für den Totzeitindex dm gezeigt werden, daß dieser von der Strecke zwischen dem kegelartigen Halsabschnitt 7 und der Meßeinrichtung 3 abhängt:

Die Strecke, LSensor, kann aus den physikalischen Abmessungen zwischen dem Ofen 2 und der Meßeinrichtung 3 bestimmt werden.

LSensor kann auch bestimmt werden, indem man schrittweise Änderungen in der Ziehgeschwindigkeit durchführt und die Zeit mißt, welche für eine entsprechende Änderung in dem durch die Einrichtung 3 zu messenden Stangendurchmesser erforderlich ist. Die auf der nächsten Seite angegebenen Variablen bzw. Argumente zeigen an, daß LSensor im wesentlichen unabhängig von Prozeßvariablen, einschließlich des Vorformdurchmessers, der Vorschubgeschwindigket, des Stangendurchmessers und der Ziehgeschwindigkeit ist. Daher muß LSensor lediglich einmal für einen vorgegebenen Ziehturm bestimmt werden.

Der Totzeitindex dm wird verwendet, um verzögerte Werte aus einem Verzögerungsvektor zu extrahieren. Der laufende Wert der zu verzögernden Variablen würde zu jeder beliebigen Steuerzeit beispielsweise in das i-te Element des Verzögerungselements eingesetzt werden. Der vezögerte Wert würde von den i - dm-ten Element extrahiert werden. Da sich dm aufgrund von Gleichung (19) dynamisch ändert, ist es möglich, für den Zeiger auf das verzögerte Element, i - dm, auf ein Element zu zeigen, das bei einer vorherigen Steuerzeit verwendet wurde. Beispielsweise sollte sich Vc bedeutend derart vermindern, daß dm um mehr als 1 ansteigt, dann wird i - dm auf einen Wert zeigen, der vor der letzten Steuerzeit extrahiert wurde. Wenn die verzögerte Menge sich schnell ändert, was beispielsweise der Fall sein würde wahrend eines Hochlaufens oder während einer Änderung eines Einstellpunktes bzw. Sollwertes, ist diese Art von fehlerhafter Abweichung bedeutend. Um dies in unserem Ansatz zu verhindem, wird das Ansteigen der Größe dm auf 1 begrenzt.

Das oben diskutierte Verfahren beeinflußt eine Totzeit durch 4 Verwendung eines festen Steuerintervalls und eines variablen Totzeitindexes. Ein alternativer Ansatz würde das Steuerintervall umgekehrt mit der Stangengeschwindigkeit verändern und den Totzeit-Index dm konstant halten. In diesem Falle, falls Vc signifikant abnehmen sollte, würde das Steuer/Abtast-Intervall zunehmen und das oben beschriebene Abspeichern und Extrahieren würde stattfinden, ohne die Sorge, einen verzögerten Wert zu nehmen, der bereits aufgetreten ist. Dies würde einige der weiteren Berechnungen verändern.

Drittens wird die Abhängigkeit der Modell-Zeitkonstante von einfach bestimmbaren Größen in den folgenden Absätzen gezeigt, welche eine relativ komplizierte Ableitung zusammenfassen.

Die Grundidee besteht darin, ein Modell erster Ordnung an den Ziehprozeß ausgehend von einem Erstprinzipien-Startpunkt anzupassen. Unter Verwendung der Berechnungskettenregel und einer Taylorschen Reihenlinearisierung wird ein Ausdruck für die Zeitkonstante von dem Modell erster Ordnung abgeleitet. Die Ableitung beginnt mit einem dynamischen Massenausgleich über den kegelartigen Endabschnitt:

wobei L die Länge des kegelartigen Endabschnitts, R(z) der Radius innerhalb des kegelartigen Endabschnitts der Vorform ist, so daß R(L) = Rc und OD = 2 * Rc, und die Vorformdichte ist.

Die Berechnungskettenregel wird auf der rechten Seite der Gleichung (20) angewendet, welche dann linearisiert wird, wobei dies

ergibt, wobei die Modell-Zeitkonstante (21) ausgedrückt werden kann als

Zur Auswertung des Integranden in Gleichung (22) benötigt man einen Ausdruck für R(z).

Ein Ausdruck für R(z) kann erhalten werden, indem man mit Gleichung (23) (siehe Glicksman, L. R., "The Dynamcis of a Heated Free Jet of Variable Viscosity Liquid at Low Reynolds Number", Journal of Basic Engineering, S. 334-354, 1968) beginnt.

wobei Q das volumetrische Strömungsverhältnis und F die ziehende Ziehkraft ist. Bei Auswertung mit z=L und Auflösung nach F und Zurückeinsetzen in Gleichung (23) ergibt

Unter der Annahme, daß das Glastemperaturprofil vor allem durch ein Ofentemperaturprofil bestimmt wird und im wesentlichen unabhängig von der Rate bzw. Geschwindigkeit ist, mit welcher das Glas in den Ofen eintritt oder aus diesem austritt, hängt die rechte Seite der Gleichung (24) lediglich von Material- und Ofenbedingungen ab. Wir haben festgestellt, daß die Materialabhängigkeit relativ unbedeutend ist, so daß es zweckmäßig ist, eine Ofenfunktion, , zu definieren, wie

so daß die Gleichung (24) wie folgt umgeschrieben werden kann

Die Gleichung (26) impliziert, daß die Länge, L, des kegelartigen Endabschnitts unabhängig ist von den Weiterziehprozeßvariablen. Darum ist LSensor im wesentlichen unabhängig von den Prozeßvariablen, wie oben bereits angemerkt. (z)/ (L) kann aus dem Glastemperaturprofil und der Viskosität unter Verwendung der Gleichung (25) oder durch Messung der Form eines kegelartigen Endabschnitts und unter Verwendung der Gleichung (26) bestimmt werden.

Die Gleichung (26) kann wie folgt umgeformt werden:

so daß die Gleichung (22) wie folgt geschrieben werden kann:

welche numerisch integriert werden kann, da die Ofenfunktion bekannt ist.

Die Gleichung (28) impliziert, daß die Modell-Zeitkonstante von der Form τm=f(Rb/Rc)/Vc ist. Tatsächlich zeigt Fig. 3, daß die folgenden quadratischen Ausdrücke für die experimentellen Daten, welche wir für die zwei besonderen Öfen erhalten haben, passen:

wobei Vc in Einheiten von cm/min und τm in Einheiten von Minuten gegeben sind.

Daher können die Modellparameter alle von ersten Prinzipien bzw. Grundsätzen oder Lehrsätzen bestimmt werden, und die Steuerverstärkungen können von den Modellparametern zusammen mit der Spezifikation einer Zeitkonstanten, welche die Aggressivität bzw. Dynamik der Steueraktion charakterisiert, abgeleitet werden. Wie in den fölgenden Beispielen gezeigt ist, ist dieser nicht-lineare Steueralgorithmus sehr effektiv in der Steuerung des Durchmessers eines gezogenen Rohres in einem System, in welchem der Prozeß einem Modell erster Ordnung folgt.

Die folgenden Beispiele demonstrieren die Effektivität der vorliegenden Erfindung bei der Steuerung des Durchmessers oder anderer gemessener physikalischer Abmessungen eines Glasgegenstandes, welcher von einem Glasausgangsmaterial bzw. -stangenmaterial gezogen wird. Bei jedem der folgenden Beispiele wurde der Prozeß unter Verwendung eines Kontrollsystems gesteuert, welches die Totzeit in dem Prozeß unter Verwendung eines nicht-linearen Prozeßmodells gemäß der vorliegenden Erfindung ausgleicht bzw. kompensiert.

Beispiel 1

Ein Rohling, welcher aus im Handel erhältlichem Code 7740 Rohrmaterial hergestellt ist, wurde in ein Mikropipettenröhrchen gezogen. Der Ziehprozeß für das Mikropipettenröhrchen wurde unter Verwendung eines Ofens durchgeführt, welcher eine Ofenfunktion ähnlich zu derjenigen, die in Fig. 3 als Ofen 1 gezeigt ist, aufweist. Der Rohling-Außendurchmesser betrug 7,53 mm, und der Innendurchmesser betrug 1,492 mm. Die Zieldurchmesser des Mikropipettenröhrchens, welches daraus gezogen wurde, betrugen 1,603 mm Außendurchmesser und 0,317 mm Innendurchmesser. Lediglich der Außendurchmesser des Mikropipettenröhrchens wurde on-line gemessen und gesteuert. Der Rohling wurde mit einer nominalen Ofentemperatur von 1000ºC, einer Vorschubgeschwindigkeit von 6,79 mm/min und einer nominalen Stangengeschwindigkeit von 150 mm/min gezogen. Das Steuerintervall, h, betrug 5 Sekunden. Die Strecke LSensor betrug 460 mm. Kein Filter zur gleitenden Mittelwertbildung wurde in diesem Beispiel verwendet. Die folgenden Werte sind typisch für die Steuerparameter, die automatisch unter Verwendung der obenbeschriebenen Strategien und Gleichungen berechnet wurden:

Gm = -5,343 u/mm/min

P = -0,369 mm/min

I = -0,002 (mm/min)/s

τm = 159,9 Sekunden

χ = 0,5

dm = 37

Fig. 4 zeigt die Reaktion des Außendurchmessers des Mikropipettenröhrchens auf die Steuerstrategie (durchgezogene Linie). Der Durchschnittswert des Außendurchmessers des Röhrchens beträgt 1,606 mm, wobei dies sehr gut dem Zielwert von 1,603 mm entspricht. Eine Standardabweichung des Außendurchmessers beträgt 0,027 mm oder 1,7%. Es sei angemerkt, daß das Durchmesser-Steuersystem sehr dynamische bzw. aggressive Ziehgeschwindigkeitsveränderungen in der Größenordnung von 10% durchführt, um den Durchmesser (wie er durch die gestrichelte Linie in Fig. 4 gezeigt ist) aufrechtzuerhalten.

Beispiel 2

Ein Rohling, welcher GeO&sub2;-dotiertes SiO&sub2;-Glas enthält, wurde durch bekannte chemische Gasphasenabscheidungstechniken (CVD) erzeugt. Dieser Rohling wurde zu einer Kernstange für den Gebrauch bei der Produktion einer Ummantelungsvorform gezogen, welche zu einem optischen Glasfaserkabel gezogen werden könnte. Der Stangenziehprozeß wurde unter Verwendung eines Ofens durchgeführt, welcher eine Ofenfunktion ähnlich zu derjenigen, wie sie in Fig. 3 als Ofen 1 gezeigt ist, aufweist. Der Rohlingaußendurchmesser betrug 52,2 mm. Der Zieldurchmesser der daraus gezogenen Stange wurde anfänglich auf 4,0 mm eingestellt und dann auf 8,1 mm bei einer Zeit von ungefähr 2450 Sekunden eingestellt. Der Rohling wurde bei einer nominalen Ofentemperatur von 1600ºC und einer Vorschubgeschwindigkeit von 12,26 mm/min gezogen. Die Ziehgeschwindigkeiten betrugen nominal 2050 mm/min und 500 mm/min jeweils für die 4 mm- und 8,1 mm-Zieldurchmessersegmente. Das Steuerintervall, h, betrug 5 Sekunden. Die Strecke LSensor betrug 460 mm. Bei diesem Beispiel wurde kein Filter verwendet. Die Steuerparameter wurden automatisch und kontinuierlich unter Verwendung der obengenannten Strategien berechnet. Die folgenden Werte sind typisch für die zwei stationären Durchmesser:

Während des Anstiegs von 4 mm auf 8,1 mm wurden diese Werte kontinuierlich durch die Berechnungseinrichtung 8 eingestellt. Es sei angemerkt, daß sich die Werte der Steuerparameter wesentlich von einem Prozeßzustand zum anderen ändern.

Fig. 5 zeigt die Reaktion des Stangendurchmessers auf die Steuerstrategie. Es sei angemerkt, daß die stufenweise Änderung des Durchmessers von 4,0 auf 8,1 mm schnell erfolgt und kein Überschießen zeigt, wobei beides eine exzellente Steuerung anzeigt. Der Durchschnittswert des Stangendurchmessers beträgt 8,085 mm, welches sehr gut dem Zielwert von 8,1 mm entspricht. Eine Standardabweichung des Stangendurchmessers beträgt 0,034 oder 0,4%.

Beispiel 3

Ein Rohling, welcher aus kommerziell erhältlichen Siliciumdioxidscheiben hergestellt wurde, wurde zu einem Band gezogen. Das Ziehen wurde unter Verwendung eines Ofens mit einer Ofenfunktion ähnlich zu derjenigen, wie sie in Fig. 3 als Ofen 2 gezeigt ist, durchgeführt. Die Rohlingsbreite und Dickenabmessungen betrugen jeweils 59,19 mm und 13,02 mm. Die Zielbreite der im wesentlichen flachen, daraus gezogenen Stange betrug 4,0 mm. Der Rohling wurde mit einer nominalen Ofentemperatur von 2075ºC und mit einem Vorschub und einer nominalen Stangengeschwindigkeit von jeweils 3,08 mm/min und 685 mm/min gezogen. Das Steuerintervall, h, betrug 1 Sekunde. Die Strecke LSensor betrug 290 mm. Ein Filter zur Bildung eines gleitenden Mittelwertes, welcher 30 Punkte enthält, wurde in diesem Beispiel verwendet. Die folgenden Werte sind typisch für die Steuerparameter, die automatisch unter Verwendung der obenbeschriebenen Strategien und Gleichungen berechnet wurden:

Gm = -2,966 u/mm/min

P = -0,558 mm/min

I = -0,013 (mm/min)/s

τm = 42 Sekunden

χ = 0,5

dm = 21

Fig. 6 zeigt die Reaktion der Stangenbreite auf die Steuerstrategie (durchgezogene Linie) zusammen mit einem Ausdruck der Ziehgeschwindigkeit (gestrichelte Linie). Der Ausdruck bzw. die Kurve ist durch drei Prozeßsegmente charakterisiert, die besonders einfach in der Ziehgeschwindigkeitskurve unterschieden werden. Das mittlere Segment (3800 bis 4450 Sekunden) wurde hergestellt bei einer konstanten Ziehgeschwindigkeit, ohne den Nutzen einer automatischen Steuerung.

Das erste Segment (3100 bis 3800 Sekunden) wurde bei automatischer Durchmessersteuerung ohne Filter hergestellt.

Das dritte Segment (4450 bis 6000 Sekunden) wurde in einer automatischen Steuerung mit einem 30-Punkt-gleitenden Mittelwertfilter hergestellt.

Wie aus dem mittleren Segment erkennbar ist, weist der Rohling Variationen auf, die bei dem Band innewohnende Breitenstörungen verursachen, welche bei zwei Frequenzen während des Mittelsegments auftreten. Die langsamen Störungen weisen eine Periode von ungefähr 750 Sekunden und eine Amplitude von ungefähr 0,5 mm auf. Die schnellen Störungen besitzen eine Periode von ungefähr 20 Sekunden und eine Amplitude von ungefähr 0,05 mm. Da die schnellen Störungen mit einer Periode auftreten, die mit der Totzeit des Prozesses (21 Sekunden) vergleichbar ist, kann der Steueralgorithmus diese nicht ausgleichen. Wie durch Vergleich des ersten und mittleren Segments zu sehen ist, verstärkt der Steueralgorithmus ohne ein Filter tatsächlich die schnellen Störungen. Wie bei dem dritten Segment zu sehen ist, hindert das Hinzufügen eines 30- Punkt-Filters zur Bildung eines gleitenden Mittelwerts die Steuerungseinrichtung daran, auf derartige Störungen zu reagieren. Bei beiden automatischen Steuersegmenten treten die großen Ziehgeschwindigkeitsveränderungen auf, wenn die Steuereinrichtung die langsamen Störungen korrigiert.

Der quantitative Nutzen der Steuerstrategie wird aus der folgenden Tabelle ersichtlich:

TABELLE 1 Vergleich der Steuerbetriebsarten für Beispiel 3

Unter automatischer Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Durchschnittsstangenbreite zehnmal näher an dem Einstellpunkt bzw. Sollwert und weist Abweichungen auf, die ungefähr zwei- bis viermal geringer sind als unter manueller Steuerung. Die Verwendung eines Filters verschlechtert die Funktionsfähigkeit der Steuerstruktur bei niedriger Frequenz nicht bedeutend, wie durch die Mittelwerte in Tabelle I angegeben ist, verbessert jedoch die Funktionsfähigkeit bei hoher Frequenz um einen Faktor zwei, wie durch die Standardabweichungswerte in Tabelle I angezeigt ist.

Obwohl diese Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf einen Prozeß zum Ziehen einer Stange mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt von einer optischen Wellenleiterkernvorform beschrieben wurde, findet sie in gleicher Weise Anwendung für andere Prozesse zum Ziehen von Glasgegenständen von einem Glasrohmaterial. Beispielsweise könnte eine nichtkreisförmige Stange von einem Rohmaterial gezogen werden, indem man eine repräsentative Messung (wie beispielsweise die Hauptachse für eine Stange mit einem elliptischen Querschnitt) und eine entsprechende Messung der Stange bzw. Rohmaterials für den Stangenaußendurchmesser und Rohlingdurchmesser jeweils ersetzt. Die Steuerstruktur der vorliegenden Erfindung ist auch anwendbar für andere Glasgegenstände, welche aus einem Stangenmaterial, wie beispielsweise optischen Wellenleiterkopplern, planaren optischen Wellenleitern und Mikropipettenröhrchen gezogen werden.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Ziehen eines länglichen Glasbauelements (6) aus einem Glasrohling (5), mit den folgenden Schritten:

a) Vorsehen eines Glasrohlings (5),

b) Erhitzen des Glasrohlings (5) mindestens auf seine Erweichungstemperatur,

c) Ziehen des Glasrohlings (5) in ein längliches Glasbauelement (6) bei einer Ziehgeschwindigkeit, welche einstellbar ist, und

d) Einstellen der Ziehgeschwindigkeit zur Steuerung einer seitlichen Abmessung des länglichen Glasbauelements (6), wobei der Einstellschritt das Vergleichen einer On-Line-Messung dieser Abmessung mit einem vorbestimmten Zielwert beinhaltet,

dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Einstellens der Ziehgeschwindigkeit ferner das Berechnen einer neuen Ziehgeschwindigkeit unter Verwendung der Abweichung der Abmessung von dem Zielwert in einem Modell aufweist, das einen nicht-linearen Algorithmus zum Ausgleichen einer inhärenten Totzeit beinhaltet, die von einer Verzögerung zwischen einer Ziehgeschwindigkeitsänderung und der Online-Messung einer Veränderung der Abmessung als Ergebnis der Ziehgeschwindigkeitsänderung resultiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Modell die Änderung in der On-line-Messung der Abmessung,welche von der Veränderung der Ziehgeschwindigkeit resultiert, durch eine Gruppe von Parametern repräsentiert, wobei die Gruppe der Parameter eine Modell-Verstärkung, eine proportionale Steuerverstärkung, eine integrale Steuerverstärkung, eine Modell-Zeitkonstante-Parameter und einen Modell-Totzeit-Parameter aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Algorithmus ein nicht linearer proportionaler und integraler Algorithmus ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem wenigstens einer von der Gruppe von Parametern empirisch bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem wenigstens einer von der Gruppe von Parametern durch direkte Berechnung bestimmt wird.

6. Verfahrennach Anspruch 5, bei dem die direkte Berechnung während des Ziehschrittes erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Berechnungsschritt das Berechnen einer proportionalen Steuerverstärkung und einer integralen Steuerverstärkung zur Verwendung in dem Algorithmus enthält, wobei das Modell einen Modell-Totzeit-Parameter, einen Modell-Zeitkonstante-Parameter und eine Modellverstärkung aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Modell-Totzeit, der Modell-Zeitkonstante-Parameter und der Modell-Verstärkungsparameter basierend auf ersten Prinzipien bestimmt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Modell von der folgenden Form ist:

wobei τ der Modell-Zeitkonstante-Parameter; OD der Durchmesser des länglichen Glasbauteils; BD der Durchmesser des Rohlings; Vb die Vorschubrate des Rohlings; Vc die Ziehgeschwindigkeit und DT der Modell-Totzeit-Parameter ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei dem die Verstärkungen und Parameter im wesentlichen kontinuierlich während des Ziehschrittes des länglichen Glasbauelements berechnet werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei dem die Online-Messung der Abmessung zur Verminderung des Einflusses von Prozeßstörungen gefiltert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Modell den Wert der Ziehgeschwindigkeit zum Ausgleichen der Filterung der Online-Messung der Abmessung filtert.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das längliche Glasbauelement ein optisches Wellenleiterbauelement, ein Mikropipettenröhrchen oder ein optischer Wellenleiterkoppler ist.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche bei dem der Schritt (b) das Zuführen des Rohlings (5) in einen Ofen (2) umfaßt.

15. Vorrichtung zur Herstellung eines länglichen Glasbauelements (6) mit:

a) einer Einrichtung (1) für die Lagerung und Bewegung eines Rohlings (5),

b) einer Einrichtung (2) zur Erhitzung des Rohlings zümindestens auf seinen Erweichungspunkt,

c) einer Einrichtung (4) zum Ziehen des Rohlings zu einem länglichen Glasbauelement mit einer vorbestimmten seitlichen Abmessung,

d) einer Einrichtung (3) zur Messung einer seitlichen Abmessung des länglichen Glasbauelements und

e) einer Einrichtung (8) zum Einstellen der Ziehgeschwindigkeit, mit welcher das längliche Glasbauelement von dem Rohling gezogen wird, wobei die Einstelleinrichtung eine Einrichtung zum Vergleichen einer Online-Messung der Abmessung mit einem vorbestimmten Zielwert aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellungseinrichtung ferner eine Einrichtung zur Berechnung einer neuen Ziehgeschwindigkeit unter Verwendung der Abweichung der Abmessung von dem Zielwert in einem Modell aufweist, das einen nicht linearen Algorithmus zum Ausgleichen einer inhärenten Totzeit beinhaltet, die von einer Verzögerung einer Ziehgeschwindigkeitsänderung und der Online-Messung einer Veränderung der Abmessung als Ergebnis der Ziehgeschwindigkeitsänderung resultiert.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der das Modell die Veränderung der Abmessung als eine Funktion der Ziehgeschwindigkeit darstellt, wobei das Modell eine Modellverstärkung, eine proportionale Steuerverstärkung, eine integrale Steuerverstärkung, einen Modell-Zeitkonstante- Parameter und einen Modell-Totzeit-Parameter aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der der Algorithmus ein nicht linearer proportionaler und integraler Steueralgorithmus ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Einstelleinrichtung eine Berechnungseinrichtung aufweist, welche die Verstärkungen und Parameter durch direkte Berechnung bestimmt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Berechnungseinrichtung die verstärkung und Parameter kontinuierlich bestimmt.







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