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Die
Erfindung betrifft eine Walzenanordnung, die mindestens eine Walze
und ein Gegendruckelement aufweist, wobei zwischen Walze und Gegendruckelement
ein Nip ausgebildet ist, durch den eine Materialbahn führbar
ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer
derartigen Walzenanordnung.
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In
einer derartigen Walzenanordnung, die häufig auch als Kalander
ausgebildet ist, erfolgt eine Oberflächenbehandlung einer
Materialbahn, beispielsweise einer Papierbahn. Die Anforderungen, die
an die Oberflächenqualität der Materialbahn gestellt
werden, sind dabei in der Regel hoch.
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Beispielsweise
werden in der Druckindustrie Papiere mit einer glatten Oberfläche
gefordert, damit ein gutes Druckergebnis erzielt werden kann.
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Die
Beschaffenheit der Oberfläche und insbesondere die Glätte
der Oberfläche wird durch mehrere maßgebende Faktoren
beeinflusst. Dazu gehört der Druck, dem die Materialbahn
im Nip der Walzenanordnung ausgesetzt ist.
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Auch
die Temperatur und der Feuchtigkeitsgehalt der Materialbahn sind
maßgebend. Als weiterer Einflussfaktor kommt noch die Behandlungszeit hinzu,
also die Zeit, die die Materialbahn zum Durchlaufen des Nips benötigt
und in der sie dem Druck im Nip ausgesetzt ist.
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Grundsätzlich
lässt sich durch Erhöhung des Drucks im Nip ein
besseres Glättergebnis erzielen. Allerdings wird dadurch
gleichzeitig das Volumen der Materialbahn verringert, was in der
Regel unerwünscht ist. Um dennoch eine ausreichende Dicke der
Materialbahn zu erhalten, muss dementsprechend mehr Material zur
Verfügung gestellt werden, was zu einem höheren
Gewicht führt und zusätzliche Kosten verursacht.
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Zum
Erzeugen von Papier mit einer Hochglanzoberfläche, wie
beispielsweise bei Spielkarten, ist es bekannt, so genannte Friktionskalander
zu verwenden, bei denen zwei Walzen, die einen Nip bilden, mit einer
Differenzgeschwindigkeit betrieben werden. Dabei tritt zwischen
Ober- bzw. Unterseite der Materialbahn und einer oder beiden Walzen Schlupf
auf, der zu einer glänzenden Oberfläche führt.
Friktionskalander sind allerdings nur bei relativ geringen Arbeitsgeschwindigkeiten
verwendbar.
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Es
sind auch Bemühungen unternommen worden, das Glättergebnis
mit Hilfe einer Ultraschallanregung einer Walze zu verbessern. So
ist beispielsweise aus
US 3,908,808 bekannt,
mindestens eine Walze einer zwei Walzen aufweisenden Walzenanordnung
mit Ultraschall zum Vibrieren anzuregen. Die Vibrationen treten
dabei entweder radial oder entlang der Längsausdehnung
der Walze auf.
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Technische
Umsetzungen dieser Idee sind jedoch nicht bekannt. Vor allem ist
es problematisch, die großen Massen beispielsweise von
Walzen eines Kalanders zur Papierherstellung mit einer Frequenz im
Bereich von Ultraschall, also höher als 18 kHz, zu Schwingungen
anzuregen. Es hat sich dabei herausgestellt, dass für eine
Glättung der Materialbahn auf Faserebene Frequenzen von
mehr als 20 MHz erforderlich sind, was jedoch derzeit nicht realisierbar
ist.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Walzenanordnung bereit
zu stellen, mit der ein gutes Glättergebnis auch bei geringer
Druckbelastung im Nip erzielbar ist.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe bei einer Walzenanordnung der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, dass mindestens die eine Walze durch einen Rotationsschwingungsgenerator
in Rotationsschwingungen mit einer Frequenz von 150 bis 3000 Hz,
insbesondere von 200 bis 2000 Hz, versetzbar ist.
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Der
Rotationsschwingungsgenerator bringt also eine zusätzliche,
hoch frequente Drehmomentschwingung in die Walze ein. Diese überlagert
dabei die normale Drehbewegung. Die Frequenz der Schwingung im Bereich
zwischen 150 und 3000 Hz, wobei eine Frequenz im Bereich von 200 bis
2000 Hz bevorzugt wird, ist dabei deutlich geringer als die Frequenz
von Ultraschallschwingungen, die im Bereich größer
18 kHz liegen. Dadurch sind die notwendigen Kräfte, die
zum Einbringen der Schwingungen in die Walze eingebracht werden
müssen, deutlich geringer. Die Glättung der Oberfläche
der Materialbahn erfolgt dabei auch nicht durch das Einbringen eines Schwingungsimpulses,
wie es beim Glätten mittels Ultraschall erfolgt, sondern
durch Ausnutzen des Schlupfes/der Scherung zwischen der Walze und
der Oberfläche der Materialbahn. In der Regel werden in Walzenanordnungen
bzw. Kalandern Schwingungen möglichst vermieden, um beispielsweise
eine Barring-Bildung auszuschließen. Es hat sich aber herausgestellt,
dass sich durch das gezielte Einbringen von Drehmomentschwingungen
in die Walze und den damit verbundenen Drehschwingungen des Umfangs
der Walze ein verbessertes Glättergebnis erzielen lässt.
Der Rotationsschwingungsgenerator kann dafür beispielsweise
ein pulsierendes, hochfrequentes Moment in einen Walzenzapfen der
Walze einleiten. Die Walzengeschwindigkeit schwingt dadurch um den
Sollwert. Die Walze und die Materialbahn weisen dadurch eine sich
periodisch wiederholende Differenzgeschwindigkeit auf, die zu einem Schlupf
zwischen der Walze und der Oberfläche der Materialbahn
führt. Damit wird ein verbessertes Glättergebnis
erzielt. Dadurch kann die notwendige Streckenlast, also der Druck,
der im Nip auf die Materialbahn ausgeübt wird, reduziert
werden, was zu einem geringeren Volumenverlust in der Materialbahn
nach dem Nip führt als bei herkömmlicher Satinage.
Zur weiteren Verringerung der Streckenlast kann das Ge gendruckelement
z. B. in bekannter Weise als umlaufender Mantel mit Anpressschuh
ausgebildet sein.
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Dabei
ist bevorzugt, dass das Gegendruckelement als Walze ausgebildet
ist. Das Gegendruckelement kann dabei zum Beispiel als harte oder
weiche Walze ausgebildet sein, aber auch als Biegeausgleichswalze
oder Ähnliches. Durch das als Walze ausgebildete Gegendruckelement
kann zum Einen eine ausreichende Streckenlast erzeugt werden, zum Anderen
weist das Gegendruckelement aufgrund der hohen Masse auch eine gute
Stabilität auf, so dass die Schwingungen der Walze nur
in geringem Maße auf das Gegendruckelement übertragen
werden. Insgesamt lässt sich so das Glättergebnis
weiter verbessern.
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Vorzugsweise
ist der Rotationsschwingungsgenerator als Torquemotor ausgebildet.
Torquemotoren lassen sich über die Ansteuerfrequenz sehr
genau steuern, wobei sie ein großes Drehmoment erzeugen
können. Zur Ansteuerung ist beispielsweise ein schnell
arbeitender Frequenzumrichter verwendbar, der im gewünschten
Frequenzbereich arbeiten kann.
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Dabei
ist besonders bevorzugt, dass der Torquemotor auf einen Walzenmantel
der Walze wirkt. Der Läufer des Torquemotors kann dabei
beispielsweise direkt auf dem Walzenmantel montiert sein. Dadurch
wird insbesondere die Längsausdehnung der Walze kaum verändert,
so dass der zusätzliche Bauraumbedarf gering ist.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform wirkt der Torquemotor
auf einen Antriebszapfen der Walze. Die Antriebszapfen der Walze
werden in der Regel zur Lagerung und zum Antrieb der Walze verwendet,
so dass zum Anschließen des Torquemotors kaum Veränderungen
erforderlich sind.
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Bevorzugterweise
weist die Walzenanordnung einen Hauptantrieb für die Walze
auf. Dieser Hauptantrieb dient dabei zum Erzeugen der Drehbewegung
der Walze. Der Hauptantrieb kann beispielsweise an einem Antriebszapfen
der Walze angreifen, während der Rotationsschwingungsgenerator
am gegenüberliegenden Antriebszapfen der Walze befestigt
ist. Der Rotationsschwingungsgenerator braucht dann hinsichtlich
seiner Leistung nicht auf die zur Erzeugung der Drehbewegung der
Walze notwendige Leistung ausgelegt zu sein, sondern muss nur die Drehmomentschwingungen
erzeugen können. Die dafür notwendige Leistung
ist geringer als die zur Erzeugung der Drehbewegung der Walze.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Hauptantrieb
durch den Torquemotor gebildet. Der Torquemotor dient also gleichzeitig
als Rotationsschwingungsgenerator und als Hauptantrieb zum Erzeugen
der Drehbewegung der Walze. Die Verwendung nur eines gemeinsamen
Antriebes führt dazu, dass kein zusätzlicher Bauraum
benötigt wird. Auch die weiteren Antriebskomponenten, wie
beispielsweise ein Frequenzumrichter, werden nur einfach benötigt.
Dies führt zu einer Kosteneinsparung.
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Bevorzugterweise
ist die Walze als Heizwalze ausgebildet. Durch ein Erwärmen
der Walze kann das Glättergebnis weiter verbessert werden.
Dabei übt die Oberfläche einer beheizten Walze
eine größere Wirkung auf die Oberfläche
der Materialbahn auf, als die Oberfläche einer nicht beheizten
Walze. Ist nun die zu Schwingungen angeregte Walze als Heizwalze
ausgebildet, wird der durch die Schwingungen hervorgerufene Glätteffekt
weiter verstärkt.
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Vorzugsweise
ist die Walze als Biegeausgleichwalze ausgebildet. Bei einer Biegeausgleichswalze
ist die Durchbiegung der Walze einstellbar. Dadurch kann über
die Länge des Nips ein gleichmäßiger
Druck auf die Materialbahn erzeugt werden, diese also mit einer
gleichmäßigen Streckenlast belastet werden. Dadurch
wird auch sichergestellt, dass die Auswirkungen der Schwingungen über
die Breite der Materialbahn gleichmäßig sind.
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Bevorzugterweise
weist die Walzenanordnung mindestens eine Messvorrichtung auf, mit
der Walzenschwingungen erfassbar sind. Dabei können einzelne
Schwingungen der Walze bzw. des Gegendruckelements erfasst werden,
oder auch Schwingungen der ganzen Walzenanordnung. Die Schwingbewegung,
aber auch die Phasenlage der Schwingungen kann dabei beispielsweise
durch Wirbelstromtechnik, Lasertechnik oder mit Beschleunigungsaufnehmern
gemessen werden.
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Dabei
ist besonders bevorzugt, dass die Walzenanordnung eine Regeleinrichtung
aufweist, die einen Frequenzum richter aufweist. Die Verarbeitung
der Messsignale und die Ansteuerung des Rotationsschwingungsgenerators
erfolgt so in einem Bauelement, der Regeleinrichtung. Die Messung
der Walzenschwingungen dient dann zur Regelung des Drehmoments,
das zur Erzeugung der Schwingungen dient. Dadurch kann die Schwingbewegung
der Walze optimal eingestellt werden, so dass eine möglichst
hohe Glätte erzeugt wird.
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Vorzugsweise
ist die Amplitude und Phasenlage des periodischen Moments in Abhängigkeit
von den Walzenschwingungen regelbar. Vorgegebene, beispielsweise
berechnete Walzenschwingungen, können so über
die Ansteuerung des Rotationsschwingungsgenerators erzeugt werden.
So kann sichergestellt werden, dass ein optimales Glättergebnis
erzeugt wird.
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Die
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass mindestens die eine Walze in Rotationsschwingungen mit einer
Frequenz von 150 bis 3000 Hz, insbesondere von 200 bis 2000 Hz,
versetzt wird.
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Die
Rotationsschwingungen überlagern dabei die normale Drehbewegung
der Walze und werden beispielsweise durch ein periodisches Drehmoment
eingebracht. Eine Frequenz von weniger als 3000 Hz ist dabei deutlich
geringer als die Frequenz von Ultraschallschwingungen, die im Bereich > 18 kHz liegt. Zum
Erzeugen der Rotationsschwingungen sind daher geringere und leichter
beherrschbare Kräfte ausreichend. Durch die Rotationsschwingungen schwingt
die Umfangsgeschwindigkeit der Walze um einen Sollwert, wodurch
eine periodisch sich wiederholende Differenzgeschwindigkeit zwischen
der Walze und dem Gegendruckelement beziehungsweise der Materialbahn,
die durch den Nip geführt wird, hervorgerufen wird. Dies
führt zu einem Schlupf zwischen der Walze und der Oberfläche
der Materialbahn. Möglicherweise findet auch eine Scherung
zwischen der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche
der Materialbahn statt. So wird ein verbessertes Glättergebnis
erzielt, ohne dass die Streckenlast, also die Druckbelastung im
Nip, erhöht werden muss. Möglich ist auch, die
Streckenlast zu verringern, so dass bei geringerem Volumenverlust
in der Materialbahn ein ähnliches Glättergebnis
erzielt werden kann wie bei herkömmlicher Satinage.
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Bevorzugterweise
wird mit einem Torquemotor ein periodisches Moment auf einen Walzenmantel der
Walze ausgeübt. Torquemotoren erzeugen ein hohes Drehmoment
und sind über die Ansteuerfrequenz sehr genau steuerbar.
Der Läufer des Torquemotors kann zum Beispiel direkt auf
dem Walzenmantel montiert werden, so dass das periodische Moment,
das zum Erzeugen der Rotationsschwingungen führt, direkt
in die Walze eingeleitet werden kann. Verluste, die beispielsweise
durch Getriebe hervorgerufen werden, werden so vermieden. Dabei
wird auch der zusätzliche Bauraumbedarf gering gehalten.
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Vorzugsweise
werden die Schwingungen mit einem Hauptantrieb der Walzenanordnung
in die Walze eingeleitet. Die Walze ist in der Regel mit einem Hauptantrieb
versehen, der die Walze mit der gewünschen Umdrehungsgeschwindigkeit
antreibt. Werden nun die Schwingungen ebenfalls über den Hauptantrieb
in die Walze eingeleitet, was durch ein periodisch wechselndes Moment
realisiert wird, kann auf eine zusätzlichen Antrieb verzichtet
werden. Der Hauptantrieb kann dabei als Torquemotor ausgebildet
sein.
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Bevorzugterweise
werden die Walzenschwingungen gemessen und in einer Regeleinrichtung
verarbeitet. Dabei können herkömmliche Messeinrichtungen,
wie beispielsweise Beschleunigungsaufnehmer, verwendet werden. Insbesondere
soll dabei die Phasenlage und Amplitude der Schwingungen erfasst
und geregelt werden, wobei es denkbar ist, die Schwingungen der
Walze und/oder die Schwingungen der Walzenanordnung zu berücksichtigen.
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Vorzugsweise
werden die Amplitude und Phasenlage des periodischen Moments in
Abhängigkeit von den Walzenschwingungen geregelt. Das periodische
Moment wird durch den Hauptantrieb oder durch den zusätzlichen
Torquemotor in die Walze eingeleitet. Dabei kann durch die Regelung
der Amplitude und Phasenlage die erzeugte Walzenschwingung an vorgegebene,
beispielsweise berechnete, Walzenschwingungen angeglichen werden.
So ist sichergestellt, dass ein optimales Glättergebnis
erzeugt wird.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin
zeigen:
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1 eine
Walzenanordnung einer ersten Ausführungsform in schematischer
Darstellung und
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2 eine
Walzenanordnung einer zweiten Ausführungsform in schematischer
Darstellung.
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In 1 ist
eine Walzenanordnung 1 mit einer Walze 2 und einem
Gegendruckelement 3, das ebenfalls als Walze ausgebildet
ist, dargestellt. Die Walze 2 und das Gegendruckelement 3 bilden
einen Nip 4, durch den eine Materialbahn 5 geführt
ist. Die Bewegungsrichtung der Materialbahn 5 ist durch
einen Pfeil 6 gekennzeichnet. Die Walze 2 weist
an ihren Stirnseiten zwei Zapfen 7, 8 auf, mit
denen sie in Lagerblöcken 9, 10 gehalten
ist.
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Am
Zapfen 7 greift ein Hauptantrieb 11 an, der als
Torquemotor ausgebildet ist. Der Zapfen 8 ist mit einem
Rotationsschwingungsgenerator 12 verbunden, der ebenfalls
als Torquemotor ausgebildet ist. Der Hauptantrieb 11 erzeugt
eine gleichmäßige Drehbewegung der Walze 2,
deren Richtung durch den Pfeil 13 gekennzeichnet ist. Die
Umfangsgeschwindigkeit der Walze 2 entspricht der Bahngeschwindigkeit
der Materialbahn. Der Rotationsschwingungsgenerator 12 prägt
eine Rotationsschwingung in die Walze 2 ein, deren Richtung
durch die Pfeile 14 gekennzeichnet ist. Dabei erzeugt der Rotationsschwingungsgenerator 12 ein
periodisches, wechselndes Zusatzmoment. Das Gegendruckelement 3 weist
zwei Zapfen 15, 16 auf, mit denen es in Lagerblöcken 17, 18 drehbar
gelagert ist. Das Gegendruckelement 3 wird dabei in der Regel
ebenfalls angetrieben. Ein Antrieb für das Gegendruckelement 3 ist
aber aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt.
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In 2 ist
ein gegenüber 1 leicht abgewandeltes Ausführungsbeispiel
dargestellt. Dabei sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Im Unterschied zu 1 ist beim
Ausführungsbeispiel gemäß 2 der
Hauptantrieb 11 und der Rotationsschwingungsgenerator 12 zwischen
der Walze 2 und dem entsprechenden Lagerblock 9, 10 angeordnet.
Die Bewegungsrichtung des Gegendruckelements ist dabei mit einem
Pfeil 19 gekennzeichnet. Sie entspricht dabei wie auch
die Bewegungsrichtungen der anderen Elemente dem Ausführungsbeispiel
in 1.
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Die
Materialbahn 5 wird durch den Nip 4 zwischen der
Walze 2 und dem Gegendruckelement 3 geführt.
Das Gegendruckelement 3 wird dabei mit einer Geschwindigkeit
betrieben, die der Bahnlaufgeschwindigkeit der Materialbahn 5 entspricht.
Der Hauptantrieb 11 sorgt ebenfalls für eine Geschwindigkeit
der Walze 2, die der Geschwindigkeit der Materialbahn 5 und
demnach auch der Geschwindigkeit des Gegendruckelements 3 entspricht.
Zusätzlich wird nun über den Rotationsschwingungsgenerator 12,
der als Torquemotor ausgebildet ist, ein periodisch wechselndes
Drehmoment in die Walze 2 eingebracht und dadurch die Walze
zu Schwingungen angeregt. Dies erfolgt mit einer Frequenz zwischen 150
und 3000 Hz, wobei eine Frequenz zwischen 200 und 2000 Hz bevorzugt
wird. Beispielsweise wird eine Schwingung mit ei ner Frequenz von
1000 Hz in die Walze 2 eingeprägt. Die Schwingungen
der Walze äußern sich in einer stetigen, periodischen Änderung
der Umlaufgeschwindigkeit der Walze und damit in einer veränderlichen
Differenzgeschwindigkeit zwischen Walze und Materialbahn.
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Die
Schwingungen der Walze 2 führen zu einem Schlupf
zwischen der Oberseite und der Unterseite der Materialbahn 5.
Dadurch wird das erreichbare Glättergebnis verbessert.
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Diese
Schwingungen dürfen natürlich nicht zu einem Abriss
der Materialbahn 5 führen, was jedoch bei den
zu erwartenden geringen Amplituden im Bereich kleiner 0,04 mm auch
nicht zu erwarten ist.
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Weitere
Ausführungsformen sind natürlich denkbar. So können
Schwingungen beispielsweise zusätzlich in das Gegendruckelement 3 eingeleitet werden
oder eine Walzenanordnung mit mehreren Elementen verwendet werden.
Die Materialbahn ist bei diesen Ausführungsbeispielen eine
Papierbahn. Aber auch bei anderen Materialien lässt sich
das Glättergebnis einer Oberfläche mit Hilfe der
erfindungsgemäßen Walzenanordnung verbessern.
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Die
Schwingungen der Walze 2 können über eine
Messvorrichtung erfasst werden, die z. B. als Beschleunigungssensor
ausgebildet ist und im Inneren der Walze 2 befestigt ist.
Eine derartige Messvorrichtung ist in den Figuren nicht dargestellt.
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Die
Signale der Messvorrichtungen können in einer ebenfalls
nicht dargestellten Regeleinrichtung verarbeitet werden, die entsprechende
Stellsignale für den Rotationsschwingungsgenerator 12 erzeugt.
Zur Ansteuerung eines Torquemotors ist es dabei günstig,
dass die Regeleinrichtung einen Frequenzumrichter aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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