DE10137258A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Dehnungsverhaltens einer Materialbahn - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Dehnungsverhaltens einer Materialbahn

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Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Ermittlung des Dehnungsverhaltens einer Materialbahn wird die Materialbahn zunächst in eine Bearbeitungsmaschine eingezogen. Bei stillstehender Materialbahn wird ein Abschnitt der eingezogenen Materialbahn zumindest an einer ersten Klemmstelle geklemmt und mittels eines Zugorgans kontinuierlich oder in Intervallen mit verschiedenen Spannungen beaufschlagt. Zwecks Ermittlung einer Spannungs-Dehnungs-Kennlinie wird dabei die Spannung sowie eine resultierende Längenänderung erfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Dehnungsverhaltens einer Materialbahn gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 8.
  • Durch die DE 39 42 111 C2 ist ein Zugprüfgerät bekannt, wobei zwecks Durchführung eines Zugversuchs ein zu prüfendes Material zwischen zwei beabstandete, und im Abstand zueinander veränderbare Spannklemmen eingeführt und eingespannt wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Dehnungsverhaltens einer Materialbahn zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 8 gelöst.
  • Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass das Dehnungsverhalten der Materialbahn ohne aufwendige Probenahme, z. B. eines Teilstückes der Materialbahn, und ohne die Materialbahn zu beschädigen oder zu durchtrennen durchgeführt werden kann.
  • Weiterhin vorteilhaft ist es, dass das Dehnungsverhalten zeitnah an der Verarbeitung bzw. der Produktion und/oder zu Bedingungen durchgeführt werden kann, welche die Umstände und die Belastungen der Materialbahn bei der Produktion bzw. der Verarbeitung, z. B. in einer Druckmaschine, weitgehend berücksichtigt.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung wird die Vorrichtung von der Materialbahn auch während der Produktion bzw. Verarbeitung, i. d. R. deaktiviert, durchlaufen, so dass ein manuelles und/oder aufwendiges Einführen entfallen kann. Ein schnelles Messen, nahezu unter Produktionsbedingungen, d. h. die zu messende Materialbahn unterliegt den bereits vor der Messstelle liegenden Bearbeitungsstufen, z. B. nach dem Bedrucken in einem Druckwerk, ist möglich. So können die Messungen beispielsweise für verschiedene Belastungssituationen (Wasserfracht, Anzahl der durchlaufenen Druckstellen etc.) durchgeführt werden.
  • Mittels der Vorrichtung kann eine Kennlinie einer Materialbahn aufgenommen werden, die einer Regelung auf konstante Abschnitts- oder Wiederholungslängen oder aber auch für eine Spannungsregelung zugrunde gelegt werden kann. Während des anschließenden Bearbeitungsprozesses ist die Vorrichtung deaktiviert und beeinflusst nicht den Materialbahnlauf bzw. die Bahnspannungsregelung. Mit den gewonnenen Daten ist eine schnelle, schwingungsarme Regelung des Bahnlaufs möglich.
  • Grundsätzlich kann eine derartige Vorrichtung im Bereich eines Rollenwechslers, im Bereich eines Einzugwerkes oder aber auch an irgend einer Stelle auf dem Weg der Materialbahn durch die Bearbeitungsmaschine, einfach oder mehrfach, eingesetzt werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Ermittlung des Dehnungsverhaltens einer Materialbahn;
  • Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Ermittlung des Dehnungsverhaltens einer Materialbahn;
  • Fig. 3 eine beispielhafte Darstellung für Spannungs-Dehnungs-Kennlinien mit verschiedenen Feuchtegehalten einer Materialbahn;
  • Fig. 4 eine schematische Darstellung des Prozesses für die Ermittlung der Spannungs- Dehnungs-Kennlinie;
  • Fig. 5 eine schematische Darstellung des Prozesses für die Ermittlung einer Differenzlänge bzw. einer Wiederholungslänge;
  • Fig. 6 eine schematische Darstellung des Prozesses für die Ermittlung eines Abstandes von Sensoren.
  • Eine Bearbeitungsmaschine, z. B. eine Druckmaschine, wird zwecks Bearbeitung bzw. Verarbeitung, z. B. zwecks Bedruckens, von einer Materialbahn 01, z. B. einer Papierbahn 01, ganz oder streckenweise durchlaufen.
  • Die Materialbahn 01 unterliegt einer in bzw. entgegen der Transportrichtung T gerichteten Spannung S im bedruckten Abschnitt einer Spannung S01. Zur Vermeidung von Bahnbruch oder irreversibler und störender Längsdehnungen ε, zur Einhaltung von Längsregistern und Passern aufeinander folgender Bearbeitungsstufen, ist die Kenntnis des Dehnungsverhaltens in Abhängigkeit von der Spannung S erforderlich. Dieser Zusammenhang ist üblicherweise mittels Spannungs-Dehnungs-Kennlinien (oder -Diagrammen), wie in Fig. 3 beispielhaft gezeigt, dargelegt. Der Zusammenhang ist jedoch, je nach Beschaffenheit der Materialbahn 01 (textile Bahn, Papier, Folie etc.) und der Art der Behandlung (Wickeln, Bedrucken, Trocknen, etc.) weiteren Einflüssen (Querspannung, Feuchtigkeit, Temperatur,) unterworfen. Somit ist es in einer vorteilhaften Ausführung von Vorteil, die Charakteristika der Materialbahn 01 an Ort und Stelle, unter annähernd realistischen und den Gegebenheiten angepassten Bedingungen durchzuführen.
  • Ist beispielsweise ein Wechsel in der Produktion oder einer Rolle erfolgt, so kann eine bzw. können mehrere Kennlinien für die Materialbahn 01 aufgenommen werden.
  • Zu diesem Zweck ist die Materialbahn 01 auf ihrem Weg durch die Bearbeitungsmaschine durch eine in Fig. 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel dargelegte Vorrichtung zur Messung des Dehnungsverhaltens 02 der Materialbahn 01 geführt.
  • Die Materialbahn 01 läuft in einer Transportrichtung T beispielsweise über eine erste Umlenkrolle 03 durch eine erste Klemmstelle 04, z. B. eine Klemmleiste 04, über eine Wegmessung 06, z. B. ein Messrad 06, passiert eine Spannungsmessung 07, z. B. umschlingt sie zumindest teilweise eine Messwalze 07, läuft über ein Zugorgan 08, z. B. eine mit Kraft beaufschlagbare Pendelwalze 08, und durchläuft schließlich eine zweite Klemmstelle 09, z. B. eine zweite Klemmleiste 09, bevor sie beispielsweise über eine zweite Umlenkwalze 11 ihren weiteren Weg durch die nicht dargestellte Bearbeitungsmaschine nimmt.
  • Das Messrad 06 ist beispielsweise mit einem hochauflösenden Drehgeber 12 bzw. Encoder 12 ausgestattet, welcher kleinste Winkeländerungen, und mit der Kenntnis des Umfangs, kleinste Wegänderungen der Materialbahn 01, d. h. bei geklemmtem Ende an der ersten Klemmstelle 04 Längenänderungen ΔL der Materialbahn 01 detektiert.
  • Vorteilhaft ist auch die Anordnung eines Widerlagers 13 (strichliert dargestellt), z. B. eine Walze 13, welche das schlupffreie Abrollen des Messrades 06 auf der Materialbahn 01 gewährleistet. Eine Weglänge L01 der freien Materialbahn 01 zwischen der ersten Klemmstelle 04 und einem Berührungspunkt des Messrades 06 muss bekannt und fest bzw. feststellbar sein. Da die angegebene relative Dehnung εrel üblicher Weise in ‰, d. h. in mm pro 1.000 mm Länge angegeben wird, ist eine relative Dehnung εrel der Materialbahn 01 in einfacher Weise bestimmbar, wenn die Weglänge L01 der freien Materialbahn 01 genau 1.000 mm beträgt.
  • Die Messwalze 07 weist an einem oder besser an beiden Enden einen als Messzapfen 14 ausgebildeten Lagerzapfen 14 auf, welcher ein Signal für die momentane Spannung S01 der Materialbahn 01 liefert.
  • Die Spannung S01 in der Materialbahn 01 ist im ersten Ausführungsbeispiel mittels einer Wegänderung über die Pendelwalze 08 variierbar. Hierfür ist die Pendelwalze 08 schwenkbar gelagert. Mittels eines mit Druckmittel beaufschlagbaren Zylinders 16, z. B. einem Pneumatikzylinder 16, ist eine definierte Kraft in die Materialbahn 01 einleitbar. Es kann zu diesem Zweck jedoch auch eine linear verschiebbare Walze 08 vorgesehen sein.
  • Die Signale für die Längenänderung ΔL bzw. Zählimpulse n des Drehgebers 12 und die Spannungen S01 werden einer Regelung 21 oder Steuerung 21 zugeführt, wo u. a. die Kennlinie oder eine entsprechende Tabelle erzeugt und abgelegt wird.
  • In die Vorrichtung 02 sind in weiterer Ausführung der Erfindung zumindest zwei Sensoren 17; 18, z. B. optische Sensoren 17; 18 zum Lesen einer auf der Materialbahn 01 befindlichen Marke 19 oder eines Teils eines Druckbildes 19 integriert, welche ebenfalls mit der Regelung 21 bzw. Steuerung 21 in Verbindung stehen.
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel (Fig. 2) weist im Unterschied zum ersten (Fig. 1) anstelle der Pendelwalze 08 und der zweiten Klemmstelle 09 eine Zuggruppe 22 auf, mittels welcher die Spannung S01 in der Materialbahn 01 variierbar ist. Die Zuggruppe 22 weist hier zwecks Vermeidung von Schlupf beispielsweise eine Zugwalze 23 als Zugorgan 23 und eine oder mehrere Andrückrollen 24 auf, welche über die Materialbahn 01 an die Zugwalze 23 angestellt sind.
  • Die Spannung S01 kann auch in anderer Weise variiert werden. So kann beispielsweise (nicht dargestellt) anstelle einer Pendelwalze 08 oder einer Zuggruppe 21 die zweite Klemmstelle 09 entlang der Längsrichtung der Materialbahn 01 verschiebbar sein.
  • Die Funktionsweise der Vorrichtung 02 ist wie folgt:
    Eine Teilstrecke einer in die Bearbeitungsmaschine eingezogenen Materialbahn 01 befindet sich im Bereich der Vorrichtung 02. Soll nun eine Kennlinie für die Materialbahn 01 aufgenommen werden, so werden bei Stillstand der Maschine beide Klemmleisten 04; 09, bzw. bei Verwendung einer Zuggruppe 22 die erste Klemmleiste 04, aktiviert. Die Spannung S01 sollte zunächst annähernd Null sein, ohne dass die Materialbahn 01 jedoch "durchhängt". Hierfür kann die Spannung S01 z. B. soweit zurück genommen werden, bis ein vorgebbarer Minimalwert erreicht ist.
  • Durch Auslenkung der Pendelwalze 08 oder durch die Zuggruppe 22 wird nun die Spannung S01 sukzessive erhöht und die Materialbahn 01 gedehnt. Die Längenänderung ΔL hinter der ersten Klemmstelle 04 wird nun als Zählimpulse n des Drehgebers 12 über das Messrad 06 erfasst. Die aktuell in der Materialbahn 01 vorliegende Spannung S01 wird über die Messwalze 07 ermittelt.
  • Die Spannung S01 wird nun langsam und ggf. schrittweise um ΔS solange erhöht, bis eine maximale Spannung S01 erreicht ist. Hierbei werden, wie in Fig. 4 schematisch dargestellt, die Zählimpulse n aus dem Encoder 12 erfasst und mit einem sogenannten inkrementalen Faktor i die Längenänderung ΔL ermittelt. Die korrespondierende Spannung S01 wird über die Messzapfen 14 beispielsweise anhand einer anliegenden Spannung u ermittelt. In gewissen Intervallen oder kontinuierlich werden die beiden Werte für die gemessene Längenänderung ΔL (= gemessene Dehnung) und die korrespondierende Spannung S01 abgegriffen und z. B. in einer Speichereinheit als Funktion oder Tabelle abgelegt. Mit diesen Werten lässt sich die gewünschte Spannungs- Dehnungs-Kennlinie (bzw. -Diagramm) erzeugen.
  • Die relative Dehnung εrel ist mit einer den linearen Zusammenhang zwischen Zählimpulsen n und Längenänderung ΔL beschreibenden Proportionalitätskonstante c nach


    auswertbar.
  • Bei mehrmaligem Durchschreiten des Zyklusses einer sukzessiven Spannungserhöhung und anschließender sukzessiver Spannungserniedrigung lässt sich u. U. auch eine Hysterese in der Spannungs-Dehnungs-Kennlinie aufzeichnen. Bei Bedarf und bei Abweichung der Kurven bei mehrmaliger Messung im reversiblen Dehnungsbereich kann auf der Basis der Messwerte beispielsweise mittels Datenverarbeitung eine mittlere Kennlinie ermittelt werde.
  • Soll eine Grenze für die Spannung S01 für eine verbleibende relative Dehnung εrel der Materialbahn 01, d. h. die Eigenschaften im irreversiblen Bereich der relativen Dehnung εrel festgestellt werden, bzw. eine Kennlinie in diesem irreversiblen Bereich aufgenommen werden, so ist es zweckmäßig, die Spannung S01 weiter zu erhöhen, bis trotz Rückkehr der Spannung S01 bis zum Ausgangspunkt eine gemessene Längenänderung ΔL zurückbleibt.
  • Die derart gewonnene Kennlinie bzw. Tabelle für die Beziehung zwischen Spannung S01 und Längenänderung ΔL bzw. relative Dehnung εrel kann nun zur Regelung eines Längsregisters zwischen verschiedenen Bearbeitungsstufen der Bearbeitungsmaschine, z. B. des Längs- oder Umfangsregisters in einer Druckmaschine, herangezogen werden.
  • In einer Weiterbildung des Verfahren findet die Vorrichtung 02 auch während der Bearbeitung der Materialbahn 01, z. B. während des Fortdruckes, Verwendung. Während der Bearbeitung, d. h. während der laufenden Materialbahn 01 sind die Klemmeinrichtungen 04; 09 deaktiviert, d. h. die Materialbahn 01 ist frei. Das Messrad 07jedoch wird zur Längenmessung, d. h. zur Erfassung der Abschnitts- bzw. Wiederholungslänge LW wie folgt herangezogen:
    Die beiden Sensoren 17; 18 registrieren, wie in Fig. 5 schematisch dargestellt, die beispielsweise beim Drucken auf die Materialbahn 01 aufgebrachten Marken 19 (Fig. 1 und 2), welche mit ihrem Abstand eine Wiederholungslänge LW darstellen. Der Sensor 17; 18, welcher beispielsweise zuerst eine Druckmarke 19 auf der Materialbahn 01 detektiert, setzt in der Regelung 21 bzw. Steuerung 21, die Zählimpulse n auf Null, welche die Regelung 21 bzw. Steuerung 21 vom Drehgeber 12 des Messrades 06 bekommt. Es werden nun die Zählimpulse n aufgenommen, bis auch der zweite Sensor 18; 17 eine Marke 19 detektiert. Die aufgenommenen Zählimpulse n sind ein Maß für eine Differenzlänge. Die Differenzlänge ist beispielsweise Null, wenn der Abstand A zwischen den beiden Sensoren 17; 18 der gewünschten und aktuell vorliegenden Wiederholungslänge LW entspricht. Je nach der Reihenfolge des Durchgangs der Marke 19 an den Sensoren 17; 18 wird ein Vorzeichenfaktor v ermittelt, welcher z. B. -1 ist wenn der Durchgang am Sensor 17 zuerst erfolgt, und +1 im umgekehrten Fall. Die Differenzlänge lässt sich dann aus n.i.v, und die Wiederholungslänge zu LW = A + n.i.v ermitteln.
  • Auch mit einem Abstand A, welcher nicht der Wiederholungslänge LW entspricht, sind die gezählten Zählimpulse n, wenn entsprechend geeicht, ein Maß für die aktuelle Wiederholungslänge LW der Marken 19 auf der Materialbahn 01 und auch für ggf. eintretende Änderungen der relativen Dehnung εrel.
  • Der Abstand A lässt sich wie in Fig. 6 schematisch dargestellt ermitteln, indem die Impulse des Encoders 12 zwischen dem Durchgang der Marke 19 am ersten und zweiten Sensor 17; 18 aufgenommen werden, und die Zählimpulse n mit deminkrementalen Faktor i multipliziert werden.
  • Die im spannungsfreien Zustand der Materialbahn 01 zu erwartende, "echte" Länge L0 des Abschnittes bzw. der Wiederholungslänge LW ist mittels der Vorrichtung 02 bei laufender Materialbahn 01 zu ermitteln, indem zunächst aus dem Abstand A und den Signalen der Sensoren 17; 18, d. h. mit den entsprechend geeichten Zählimpulsen n, die aktuelle Wiederholungslänge LW ermittelt wird.
  • Diese gemessene Wiederholungslänge LW ist nun gemäß L0 = LW.(1 - εrel) um den Anteil der durch die Spannung S01 bedingte Längenänderung ΔL zu vermindern, welcher aus der an der Messwalze 07 ermittelten Spannung S01 und der zuvor aufgezeichneten Kennlinie zu ermitteln ist. Bezugszeichenliste 01 Materialbahn, Papierbahn
    02 Vorrichtung zur Messung des Dehnungsverhaltens
    03 Umlenkrolle, erste
    04 Klemmstelle, erste, Klemmleiste
    05 -
    06 Wegmessung, Messrad
    07 Spannungsmessung, Messwalze, Walze
    08 Zugorgan, Pendelwalze
    09 Klemmstelle, zweite, Klemmleiste
    10 -
    11 Umlenkwalze, zweite
    12 Drehgeber, Encoder
    13 Widerlager, Walze
    14 Messzapfen, Lagerzapfen
    15 -
    16 Zylinder, Pneumatikzylinder
    17 Sensor, optisch
    18 Sensor, optisch
    19 Marke, Druckbild
    20 -
    21 Regelung, Steuerung
    22 Zuggruppe
    23 Zugwalze, Zugorgan
    24 Andrückrolle
    A Abstand (17, 18)
    S Spannung
    T Transportrichtung (01)
    i inkrementaler Faktor
    n Zählimpulse
    u Spannung
    v Vorzeigefaktor
    L01 Weglänge, freie (01)
    LW Wiederholungslänge (19)
    S01 Spannung
    εrel Dehnung
    ΔL Längenänderung
    ΔS Spannungsänderung

Claims (14)

1. Verfahren zur Ermittlung des Dehnungsverhaltens einer Materialbahn (01), dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn (01) zunächst in eine Bearbeitungsmaschine eingezogen wird, dass bei stillstehender Materialbahn (01) ein Abschnitt der eingezogenen Materialbahn (01) zumindest an einer ersten Klemmstelle (04) geklemmt und mittels eines Zugorgans (08; 23) kontinuierlich oder in Intervallen mit verschiedenen Spannungen (S01) beaufschlagt wird, und zwecks Ermittlung einer Spannungs-Dehnungs-Kennlinie die Spannung (S01) sowie eine resultierende Längenänderung (ΔL) erfasst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs- Dehnungs-Kennlinie an der bereits in die Bearbeitungsmaschine eingezogenen Materialbahn (01) im Weg der Materialbahn (01) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Spannungs-Dehnungs-Kennlinie ohne eine Entnahme einer Probe aus der Materialbahn (01) und zerstörungsfrei erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abhängigkeit einer irreversiblen Längenänderung (ΔL) von der Spannung (S01) ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs- Dehnungs-Kennlinie zur Spannungsregelung in der Bearbeitungsmaschine herangezogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs- Dehnungs-Kennlinie zur Registerregelung in der Bearbeitungsmaschine herangezogen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei laufender Materialbahn (01) eine Wiederholungslänge (LW) einer auf die Materialbahn (01) aufgebrachten Marke (19) ermittelt wird.
8. Vorrichtung zur Ermittlung des Dehnungsverhaltens einer Materialbahn (01) wobei ein Abschnitt der Materialbahn (01) zumindest an einer ersten Klemmstelle (04) klemmbar und mittels eines Zugorgans (08; 23) mit einer wählbaren Spannung (S01) beaufschlagbar sowie eine resultierende Längenänderung (ΔL) erfassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (02) im Weg der in die Bearbeitungsmaschine eingezogenen Materialbahn (01) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (02) eine Wegmessung (06), eine Spannungsmessung (07) sowie ein Zugorgan (08; 23) aufweist, durch welche die Materialbahn (01) auch während der Bearbeitung durchführbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegmessung (06) als Messrad (06) mit Drehgeber (12) ausgeführt ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmessung (07) als Messwalze (07) mit zumindest einem als Messzapfen (14) ausgeführtem Lagerzapfen (14) aufgeführt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Zugorgan (08) als eine Pendelwalze (08) ausgeführt ist, welche mittels eines mit Druckmittel beaufschlagbaren Zylinders (16) mit Kraft beaufschlagbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (02) zwecks Ermittlung einer Wiederholungslänge (LW) einer auf die Materialbahn (01) aufgebrachten Marke (19) zwei in Transportrichtung (T) der Warenbahn (01) voneinander beabstandete Sensoren (17; 18) aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (17; 18), die Wegmessung (06) und die Spannungsmessung (07) mit einer Steuerung (21) in elektrisch leitender Verbindung stehen.
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