DE19502596C2 - Meßgerät und Rechner zur Überprüfung der auf einer Rundläuferpresse hergestellten Tabletten der laufenden Produktion - Google Patents
Meßgerät und Rechner zur Überprüfung der auf einer Rundläuferpresse hergestellten Tabletten der laufenden ProduktionInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßgerät und einen
Rechner zur Überprüfung der auf einer Rundläuferpresse
hergestellten Tabletten nach dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 1.
Bekanntlich ist der Rotor einer Rundläufer-Tablettenpresse
mit einer Anzahl von Ober- und Unterstempeln bestückt, wo
bei während einer Rotorumdrehung jeder Stempel an bestimm
ten Positionen des Umfangs (Preßstationen) einer vertika
len Bewegung und der damit verbundenen Krafteinwirkung
unterliegt. Neben einer Vorpreßstation und einer Haupt
preßstation ist eine Auswerferstation hierbei in Betracht
zu ziehen.
Je nach Zusammensetzung der zu verpressenden Tabletten ist
eine vorgegebene Preßkraft einzuhalten. Sie wird zumeist
mit Hilfe von stationären Druckrollen auf die Köpfe der
Preßstempel aufgebracht.
Aus der EP 0 431 269 ist bekanntgeworden, bei einer derar
tigen Tablettiermaschine die maximalen Preßkräfte an den
Preßstempeln zu überwachen. Die Überwachung der Preßkräfte
erfolgt, um Fehler festzustellen und schlechte Tabletten
rechtzeitig aussortieren zu können. Die Überwachung er
folgt auch, um Belege über die Güte der hergestellten
Tabletten fortlaufend erstellen zu können. Bei dem bekann
ten Verfahren wird die Stellung der mit den Preßstempeln
umlaufenden Matrizenscheibe ständig über einen Winkelim
pulsgeber festgestellt. Ein Rechner ermittelt die Impulse
für die Preßkraft-Maxima. Die Preßkräfte werden in den
Preßstationen zum Beispiel mit Kraftmeßdosen gemessen. Die
zentrierte Stellung eines Preßstempelpaares im Bereich
eines Druckrollenpaares definiert zum Beispiel den Null
punkt, von dem ab die Impulse des Winkelimpulsgebers ge
zählt werden, wobei entsprechend der Teilung der Matrizen
scheibe eine bestimmte Anzahl von Winkelimpulsen die Posi
tion des nächsten Preßstempelpaares zentriert zum Druck
rollenpaar vorgibt. Auf diese Weise läßt sich für alle
Preßstempelpaare einer Tablettierpresse die maximale Preß
kraft ermitteln.
Aus vielerlei Gründen ist wünschenswert, die Kompressions
charakteristik von Preßmassen zu ermitteln. Hierfür ist
vor allen Dingen das Kraft-Weg-Diagramm von herausragender
Bedeutung. Physikalisch gesehen beschreibt das Kraft-Weg-
Diagramm den quantitativen Energieverlauf während der Ta
blettierung. Mit Hilfe der Kompressionscharakteristik las
sen sich Schlüsse ziehen auf die Verpreßbarkeit bestimmter
Substanzen und die Eigenschaften der Tablette. Die Ver
preßbarkeit wird wesentlich bestimmt von Druckhaltezeit,
Granulatzustand (Feuchte, Korngrößenverteilung), Schütt
volumen, Gleitmittel usw. Zu den Tabletteneigenschaften
gehören Masse der Tablette, Zerfallzeit, Wirkstofffrei
gabe, Abrieb usw.
Bisher war es nur im Galenikbereich mit speziell ausgerü
steten Forschungspressen möglich, unter Anwendung des
Kraft-Weg-Diagramms die Verpreßbarkeit der zu verpressenden
Substanzen zu beurteilen. Zu diesem Zweck wurde die For
schungspresse mit einer Kraftmeßeinrichtung und einer
Stempelwegmeßeinrichtung ausgestattet. Dies läßt sich an
einer Exzenterpresse relativ einfach bewerkstelligen. Die
Installation von Wegmeßeinrichtungen an Rundläuferpressen,
wie sie auch in der Entwicklung inzwischen eingesetzt wer
den, ist aufwendig. Die Meßwertübertragung ist nur über
Schleifringe oder berührungslos mit einer entsprechenden
Sendeeinrichtung möglich. Für eine Produktionsmaschine ist
ein derartiger Aufwand nicht vertretbar.
Es ist zwar möglich, den Weg eines Preßstempels in einer
Rundläuferpresse theoretisch zu bestimmen, wie in "Preß
kraft- und Weg-Zeit-Charakteristik von Rundlaufpressen",
Inaugural-Dissertation von Ulrich Tenter, beschrieben. We
gen verschiedener Einflußgrößen der Maschine weichen in
dessen die tatsächlichen Stempelwege nicht unerheblich von
den theoretisch errechenbaren ab.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Meßge
rät und einen Rechner anzugeben, mit denen mit einem mini
malen Meßaufwand die Produktion von Tabletten mit Hilfe
einer Rundläuferpresse besser überwacht werden kann, um
eine verbesserte bzw. gleichmäßige Qualität zu gewährlei
sten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst.
Bei der Erfindung wird der Verlauf der Preßkraft minde
stens eines Preßstempelpaares in Winkelschritten gemessen
und im Rechner gespeichert. Eine Umdrehung des Rotors ent
spricht dabei zum Beispiel 3.600 Winkelimpulsen. Jedem
dieser Impulse (ein Impuls = 0,1° Drehwinkel des Rotors)
wird ein Kraftmeßwert zugeordnet und entsprechend im Rech
ner abgespeichert. Ferner sind im Rechner die theoreti
schen Werte für den Weg des Preßstempels in Abhängigkeit
von den Drehwinkelimpulsen gespeichert. Sie können über
entsprechende geometrische Beziehungen errechnet werden,
worauf noch weiter unten näher eingegangen wird. Aus
schlaggebend für diese Werte ist der Durchmesser der
Druckrolle, die Form des Stempelkopfes sowie die Relativ
lage dieser Teile zueinander.
Schließlich ist im Rechner eine den Drehwinkelstellungen
zugeordnete Korrekturtabelle gespeichert, welche wesent
liche Einflußgrößen auf den tatsächlichen Stempelweg, wie
die Auffederung der Tablettenpresse und die Hertz′sche
Pressung berücksichtigt. Sowohl die Auffederung als auch
die Hertz′sche Pressung sind abhängig von der von der
Druckrolle auf den Preßstempel aufgebrachten Preßkraft. Es
werden mithin kraftabhängige Korrekturfaktoren ermittelt,
die von den theoretischen Werten für den Stempelweg abzu
ziehen sind, um den tatsächlichen Stempelweg zu ermitteln.
Da der Stempelkopf lediglich im Umfangsbereich einen Ra
dius aufweist, in der Mitte jedoch plan ist, ist die Größe
der Hertz′schen Pressung auch abhängig von der Relativlage
des Stempelkopfes zur Druckrolle. In einer Ausgestaltung
der Erfindung berücksichtigen daher die Korrekturwerte die
Abhängigkeit der Hertz′schen Pressung von der Winkelstel
lung des Preßstempels.
Es ist zwar denkbar, die Korrekturwerte für die Hertz′sche
Pressung und die Auffederung der Maschine zu berechnen.
Vorzuziehen ist hingegen ein Verfahren nach der Erfindung,
bei dem die Ermittlung der Korrekturwerte der Korrekturta
belle auf empirische Weise erfolgt, indem ein ausgewähltes
Preßstempelpaar ohne dazwischenliegende Preßmasse für un
terschiedliche Zustellwerte aufeinander gefahren wird und
die zugehörigen Preßkräfte gemessen werden.
Durch den Einsatz eines Rechners ist es möglich, getrig
gert durch die Winkelimpulse den kompletten Kraftverlauf
aller Stempel abzutasten und zu speichern. In gleicher
Weise lassen sich die Positionen der Stempel den Winkelim
pulsen zuordnen und zu den Kraftwerten in Beziehung setzen,
um eine Kraft-Wegberechnung an einer Rundläufer-Tabletten
presse vorzunehmen. Mit Hilfe der Erfindung ist es daher
möglich, mit geringstem Meßaufwand an einer Rundläufer-
Tablettenpresse unter Produktionsbedingungen produktions
spezifische Kompressionscharakteristiken für jedes ein
zelne Stempelpaar zu erstellen und diese mit den in der
Galenik ermittelten Werten zu vergleichen und zu überwa
chen. Da sich der gesamte Energieaufwand zur Erzeugung
einer Tablette aus den aufgewendeten Energien in der Vor
druckstation und der Hauptdruckstation ergibt, ist bei
diesem Verfahren auch die Berechnung des gesamten Energie
einsatzes für die einzelne Tablette während der Produktion
durchführbar.
Es ist auch individuell vorwählbar, daß nur ein oder meh
rere Preßstempel hintereinander oder bestimmte Preßstempel
innerhalb einer oder mehrerer Rotorumdrehungen zur Berech
nung und Auswertung herangezogen werden. Darüber hinaus
besteht auch die Möglichkeit, zwischen Messungen und Aus
wertungen für die Hauptpreß- und/oder Vorpreß- und/oder
Auswerfstation zu wählen.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Rundläuferpresse.
Fig. 2 zeigt ein Kraft-Weg-Diagramm für einen Stempel der
Presse nach Fig. 1.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild zur Ermittlung des Kraft-
Weg-Diagramms nach Fig. 2.
Fig. 4 zeigt verschiedene Horizontal- und Vertikalpositio
nen eines Preßstempels über einen bestimmten Dreh
winkel des Rotors der Presse nach Fig. 1.
Fig. 5 zeigt die geometrischen Beziehungen zwischen einer
Druckrolle und einem Preßstempel der Presse nach
Fig. 1.
Fig. 6 zeigt schematisch die Draufsicht auf den Rotor der
Presse nach Fig. 1 im Bereich einer Druckrolle.
Fig. 7 zeigt ein Kraft-Winkel-Diagramm für verschiedene
Zustellwerte.
Fig. 8 zeigt ein aus dem Diagramm von Fig. 2 hergeleitetes
Kraft-Korrektur-Weg-Diagramm.
Fig. 9 zeigt ein Kraft-Winkel-Diagramm ähnlich dem nach
Fig. 7.
Fig. 10 zeigt ein aus dem Diagramm von Fig. 9 hergeleite
tes Kraft-Korrektur-Weg-Diagramm.
Von der Tablettenpresse 10 in Fig. 1 sind der Rotor 12 mit
einer Matrizenscheibe 14 angedeutet sowie von einer Anzahl
von Preßstempeln des Rotors 12 ein Preßstempelpaar mit
einem oberen Preßstempel 16 und einem unteren Preßstempel
18 im Bereich einer oberen Druckrolle 20 bzw. einer unte
ren Druckrolle 22. Der Rotor 12 wird von einer Welle 24
angetrieben über einen Elektromotor 26, einen Antriebsrie
men 28 und ein Getriebe 30. Auf der Welle 24 sitzt auch
ein Winkelimpulsgeber 32. Die Halterung der Druckrollen
20, 22 wirkt mit einer Kraftmeßdose 34 bzw. 36 zusammen,
mit denen die Kraft gemessen wird, die zwischen Druckrolle
und Stempel wirkt, wenn die Stempel 16, 18 zwischen den
Druckrollen 20, 22 entlangfahren. Bekanntlich erfolgt
hierbei das Vor- oder Hauptpressen einer Preßmasse in der
Matrizenscheibe 14 zur Formung einer Tablette oder der
gleichen.
In Fig. 2 ist das Kraft-Weg-Diagramm eines Preßstempelpaa
res, beispielsweise der Preßstempel 16 und 15, während der
Bewegung zwischen den Druckrollen 20 und 22 dargestellt.
Mit Pfeil 38 ist der ansteigende und mit Pfeil 40 der ab
fallende Ast des Diagramms bezeichnet. Aufgrund der Kom
pressibilität des Preßmaterials sowie des Rückfederverhal
tens des Preßmaterials und des Federverhaltens der Presse
selbst bildet sich eine Hysterese, wie durch die Fläche
des Diagramms angedeutet.
In Fig. 3 ist angedeutet, wie der Winkelimpulsgeber 32 mit
der Drehung des Rotors 12 eine Winkelimpulskette erzeugt,
zum Beispiel pro 0,1° Umdrehung einen Impuls. Außerdem
erzeugt er einen Anfangsimpuls, der durch die zentrale
Position eines Preßstempelpaars bezüglich eines Druckrol
lenpaars definiert ist.
Die Impulse gelangen auf eine Impulsauswertevorrichtung 42
und von dort auf einen Analog-Digitalwandler 44. In Fig. 3
ist ferner dargestellt, wie der Kraftsensor 34 über einen
Meßverstärker 46 ebenfalls mit dem Analog-Digitalwandler
44 verbunden ist. Dessen Ausgang geht auf einen Maschinen
rechner 48. An den Maschinenrechner 48 ist ein Bedienrech
ner 50 angeschlossen, mit dem auf noch zu beschreibende
Weise das Kraft-Weg-Diagramm nach Fig. 2 erstellt wird.
In Fig. 4 ist zu sehen, daß der Stempel 16 während seiner
Horizontalbewegung relativ zur stationären Druckrolle 20
einen vertikalen Weg s zurücklegt. Mit der Kraftmeßdose 34
werden Preßkraftwerte ermittelt, die durch Triggern des
Analog-Digitalwandlers 44 durch die Winkelschnitte des
Winkelimpulsgebers 32 einzelnen Winkelschnitten zugeordnet
und im Rechner 48 gespeichert werden. Der Verlauf der
Kraft während des Weges s ist in Fig. 4 bei 52 angedeutet.
Für die Erstellung des Kraft-Weg-Diagramms ist außerdem
erforderlich, den tatsächlichen Weg s beider zu einer
Preßstation gehörender Stempel bei ihrer vertikalen Bewe
gung zu ermitteln. Der tatsächliche Weg setzt sich zusam
men aus dem geometrischen Wert Y₁ und den zur Korrektur
angesetzten Werten Y₂ und Y₃. Abhängig vom Drehwinkel gel
ten folgende Formeln:
s(α) = s₁+s₂ (1)
s(α) = Y₁-Y₂-Y₃ (2)
wobei s der winkelabhängige vertikale Weg und α der Dreh
winkel des Rotors 12 ist (siehe Fig. 6).
Aus Fig. 5 sind die geometrischen Beziehungen der Druck
rolle 20 und des Kopfes 54 des oberen Preßstempels 16
deutlicher zu erkennen, entsprechende Beziehungen gelten
für den unteren Stempel 18. Als Absolutwert für beide
Stempel (vertikaler Weg von Ober- und Unterstempel) gilt:
Y₁(α) = 2(e-f)
wobei sich die Größen e und f aus Fig. 5 ergeben. Die
Größen e, f und c ergeben ein Dreieck, somit ist:
Weiterhin ist:
wobei rk der Stempelkopfradius, d₂ der Druckrollendurch
messer und d₃ der Durchmesser der Spiegelfläche ist.
Durch Einsetzen erhält man:
Die geometrische Größe a findet man in Fig. 6 wieder in
Abhängigkeit vom Teilkreisdurchmesser d₁ und Drehwinkel.
Es ist:
Durch Einsetzen erhält man:
und damit
So kann für jeden Drehwinkel α die vertikale Bewegung
eines Stempelpaares berechnet werden. Im vorliegenden Fall
werden die Drehwinkel in vorzugsweise 0,1°-Schritten ge
wählt entsprechend dem Impulsabstand des Winkelimpulsgebers
32. Dieser theoretische Gesamtweg muß jedoch korrigiert
werden, und zwar um die Gesamtauffederung der Tabletten
presse und um die Hertz′sche Flächenpressung zwischen
Stempelkopf 54 des Stempels 16 und Druckrolle 20 sowie
zwischen dem Stempelkopf von Stempel 18 und Druckrolle 22.
Bei der rechnerischen Ermittlung der Abplattung des Stem
pelkopfes und der Druckrolle aufgrund der Hertz′schen
Pressung sind zwei Bereiche zu unterscheiden, nämlich den
Randbereich, der im Querschnitt den Radius rk aufweist und
den abgeflachten mittleren Bereich (Spiegelfläche) des
Stempelkopfes. Es gilt allgemein folgende Gleichung für
den Randbereich:
wobei F die Preßkraft, 1/r die Summe der Krümmungsradien
und E der gemeinsame E-Modul der beteiligten Werkstoffe
ist. Die Summe 1/r wird wie folgt ermittelt:
1/r = 1/rk + 1/rm
wobei rk die Kugelkrümmung des Außenbereichs des Stempel
kopfes und rm einen Kreis in diesem Bereich beschreibt.
wobei ra der Außendurchmesser des Stempelkopfes und rs der
Innendurchmesser des gekrümmten Außenbereichs des Stempel
kopfes (Spiegelfläche) darstellt.
Die Preßkraft F wird dargestellt in Winkelimpulsen α= x.
1/3600° (0,1°-Schritte).
Im Innenbereich berührt der Stempelkopf 54 des Stempels 16
mit seiner Spiegelfläche die Druckrolle 20, was eine Li
nienberührung bedeutet. Entsprechendes gilt für Stempel 18
und Druckrolle 22. Die Abplattung beider Stempel berechnet
sich für den abgeflachten mittleren Bereich (Spiegelfläche)
nach folgender Gleichung:
wobei F die Preßkraft und L eff. die tragende Länge der
Spiegelfläche ist.
Die Preßkraft wird wie für den obigen Bereich dargestellt.
Das Maß für L eff. berechnet sich aus:
wobei rs der Radius der Spiegelfläche ist. Für die Abplat
tung ergibt sich schließlich folgende Formel:
Die Auffederung der Maschine wird bewirkt durch Zug, Druck,
Biegung und/oder Torsion im wesentlichen von folgenden Einzelkomponenten:
- - Stempel und Druckrollen sowie Druckrollenlagerung
- - Gußgehäuse
- - unterschiedliche Lagerspiele
- - Maschinensäulen.
Es wird davon ausgegangen, daß die Auffederung bis auf den
untersten Bereich linear nach dem Hook′schen Gesetz ver
läuft. Es ist demnach: Y₃ = f(F) und F = f(α).
Mit F gleich der Preßkraft und gleich der Lage des Stempels
zur Druckrolle. Mithin ist:
Y₃ = x · F
Der Faktor x kann wegen der komplexen Betrachtung nur ex
perimentell für jeden Maschinentyp und jede mögliche Werk
zeugbestückung ermittelt werden.
Der tatsächliche gesamte Stempelweg für den Bereich 1 ist
somit der weiter oben angegebene geometrische Wert minus
der Abplattung im Bereich 1 minus der Auffederung. Ent
sprechendes gilt für den Stempelweg im Bereich 2 des Preß
stempelkopfes. Die entsprechenden Formeln hierzu sind
nicht mehr aufgeführt.
In der Praxis werden jedoch die vorstehend rechnerisch er
mittelten Korrekturwerte empirisch festgestellt. Dies ge
schieht auf folgende Weise.
In die Tablettenpresse wird ein Meßstempelpaar eingebaut,
das ohne Preßmasse direkt aufeinander gefahren wird. Mit
diesem Meßstempelpaar werden durch Verstellung der Steg
höhe (zum Beispiel in 0,1 mm-Schritten) verschiedene
Kraft-Winkel-Kurven erzeugt, wie in Fig. 7 dargestellt. In
Fig. 7 bedeutet w die Zustellung der Druckrollen. Es versteht
sich, daß die Maxima der Kräfte mit größer werdenden
w größer sind. Danach werden die Maxima in ein Kraft-Weg-
Korrektur-Diagramm nach Fig. 8 eingetragen. Mit Hilfe des
Diagramms nach Fig. 8 kann die Korrektur des theoretisch
errechneten Gesamtwegs vorgenommen werden. Bei dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 3 geschieht dies in Form einer
Wertetabelle. Im Bedienrechner sind die theoretischen Preßstempelwege
eingespeichert, die sich aus der oben aufgezeigten
Berechnung ergeben. Außerdem sind im Bedienrechner
50 die Werte für die Korrekturtabelle gemäß Diagramm nach
Fig. 8 eingespeichert, so daß bei einer vorgegebenen Kraft
ein vorgegebener Korrekturwert von dem theoretischen Stempelweg
subtrahiert wird.
Allerdings ist die bisher beschriebene Korrektur noch
nicht hinreichend, denn sie ist für die Hertz'sche Pressung
nur im Bereich des Maximums korrekt. Vielmehr muß der
oben beschriebene Korrekturwert einer weiteren Optimierung
unterzogen werden. Im Bereich des Maximums der Preßkraft
berührt die Druckrolle 20 den Stempelkopf 54 in einer Li
nie, die dem Spiegeldurchmesser des Stempelkopfes ent
spricht. Vorher und nachher wird diese Linie immer kürzer
und geht dann in eine Punktberührung über. Entsprechend
ist auch die elastische Eindringtiefe der Druckrolle in
den Stempelkopf unterschiedlich. Daher werden mit Hilfe
des Rechners nicht nur die Kraftmaxima, sondern auch die
jeweiligen Kraftwerte für die 0,1°-Schritte für die ver
schiedenen Zustellungswerte aufgenommen, wie dies in Fig.
9 dargestellt ist. Für diese Kräfte wird dann in Kenntnis
der geometrischen Form von Druckrolle und Stempelkopf für
die einzelnen Winkelschritte die Eindringtiefe über die
Hertz′sche Pressung ermittelt. Um die Abweichung dieser
Werte von den Maximawerten wird dann der ursprüngliche
Korrekturwert korrigiert. Diese Werte werden dann in das
Kraft-Weg-Korrektur-Diagramm eingetragen. In Fig. 10 ist
dieses Korrekturdiagramm zu erkennen. Je nachdem, bei wel
chem Winkelschritt eine Korrektur erfolgen muß, wird eine
andere der in Fig. 10 gezeigten Kurven gewählt. Es ver
steht sich, daß das Korrekturdiagramm nach Fig. 10 im Be
dienrechner 50 wiederum nur in Form einer Korrekturwerte
tabelle gespeichert ist.
Claims (3)
1. Meßgerät und Rechner zur Überprüfung der auf einer Rund
läuferpresse hergestellten Tabletten, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Erstellung von Weg-Preßkraft-Zuord
nungen für die Preßstempel, mindestens für ein Stempel
paar folgende Elemente vorhanden sind:
- a) ein Winkelencoder für die Ermittlung der laufenden Winkelstellung des Drehtisches und damit der Preß stempelpaare,
- b) eine Preßkraftmeßeinheit, mit der die Preßkraftwerte mindestens eines Stempelpaares ermittelt werden und pro Winkelschritt ein Preßkraftmeßwert in den Rech ner übertragen wird,
- c) ein Algorithmus im Rechner, der aufgrund der geome trischen Verhältnisse in der Tablettenpresse erstellt ist und mit Hilfe dessen aus den Winkelstellungen des Drehtisches die theoretischen Werte des Weges des Preßstempelpaares in der Matrize berechenbar sind,
- d) eine in den Rechner gespeiste Korrekturfunktion zur Umrechnung der theoretischen Weg-Werte der Stempel in tatsächliche Weg-Werte unter Berücksichtigung der der Hertz′schen Flächenpressung zwischen Preßstem pelkopf und Druckrolle sowie des Auffederverhaltens der Rundläuferpresse.
2. Meßgerät und Rechner nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Korrekturwerte auch die Abhängigkeit
der Hertz′schen Pressung von der Winkelstellung der
Preßstempel wiedergeben.
3. Verfahren zur Ermittlung der Korrekturwerte des Meßge
räts und Rechners nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein ausgewähltes Preßstempelpaar ohne
dazwischenliegende Preßmasse für unterschiedliche Zu
stellwerte aufeinander gefahren wird und die zugehöri
gen Preßkraftwerte gemessen werden.
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