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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung von Kenngrößen im Spalt zwischen zwei beweglich gelagerten Körpern, insbesondere zwischen Bauteilen von flächige Substrate verarbeitenden Maschinen, wie Druckmaschinen oder Falzmaschinen. Bei den beweglich gelagerten Bauteilen kann es sich um paarweise angeordnete Walzen handeln. Ein Spalt kann ebenso zwischen einer Walze und einem mit dieser zusammenwirkenden nicht walzenförmigen Bauteil wie einem Band oder einem ebenen Bauteil gebildet sein. In jedem Fall müssen derartige Bauteile funktionsbedingt mit großer Genauigkeit zueinander positioniert werden, damit etwa beim Passieren des zwischen den Bauteilen gebildeten Spaltes präzise auf die flächigen Substrate eingewirkt werden kann oder Dosierungen von flüssigen und pastösen Medien vorgabegerecht erfolgen. Diese Genauigkeit betrifft sowohl die Parallelität der den Spalt bildenden Wirkflächen als auch deren Abstand.
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Aus der
DE 10 2008 025 287 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung von Pressungskenngrößen im Spalt zwischen zylindrischen Körpern bekannt, die zwei Sensoren umfasst, die in den Spalt einführbar und in ihrer Lage beabstandet zueinander von einem Sensorträger fixiert sind. Im eingeführten Zustand kontaktieren die Sensoren mindestens einen der zylindrischen Körper jeweils in einer Kontaktzone. Die Anordnung ermöglicht die Ermittlung eines Messergebnisses, das frei von durch die Dicke des Sensors verursachten Fehlereinflüssen ist.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2008 023 028 A1 eine Vorrichtung zur Bestimmung der Spaltweite zwischen den Zylindern eines Zylinderpaares bekannt, die einen Messkeil umfasst, dessen einer Keilfäche ein Sensor zugeordnet ist. Bei in den Spalt eingeschobenem Messkeil kontaktiert der Sensor die Mantelfläche eines Zylinders. Mit dem Sensor wird der Ort der Kontaktstelle auf der Keilfläche des Messkeils zur Bestimmung der Spaltweite ermittelt.
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Wenngleich sich mit den beschriebenen Vorrichtungen die geometrischen Verhältnisse und Kraftwirkungen im Walzenspalt sehr genau bestimmen lassen, können bestimmte Wechselwirkungen, die sich bei Verarbeitung bestimmter Substrate im Spalt ergeben, nicht oder nur unzureichend erfasst werden, weil z. B. die Einflüsse der Materialeigenschaften des jeweiligen Substrats wie Rauhigkeit, Reibkoeffizient oder Kompressibilität unberücksichtigt bleiben.
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Bei der Justage von Falzmaschinen oder anderen Maschinen, in denen Walzen abrollen und Zugkräfte ausüben, werden aus diesem Grund Einstellwerte dadurch ermittelt, dass ein handgehaltener Teststreifen mit definierter Dicke und Breite zwischen die Walzen gehalten wird. Durch Verstellen der Walzenabstände wird eine subjektiv fühlbare Kraft eingestellt, mit der der Teststreifen aus der Walzenpaarung gezogen werden kann. Eine Vorrichtung, die nach diesem Prinzip arbeitet, ist aus der
DE 1944446 A bekannt. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse, in dem ein Gleitstück verschiebbar gelagert ist, das vorderseitig aus dem Gehäuse herausgeführt ist und unter der Wirkung einer im Gehäuseinneren befindlichen, zwischen diesem und dem Gleitstück angeordneten Federeinrichtung steht. An einem Ende des Gleitstücks ist eine Anschlussvorrichtung zur Aufnahme eines Teststreifens angeordnet. Der Verstellweg des Gleitstücks, der ein Maß für die Kraft ist, die auf den Teststreifen während einer Messung ausgeübt wurde, wird von einem bei der Rückstellung des Gleitstücks in seiner Messlage verbleibenden Messläufer angezeigt. Zur Nullstellung kann der Messläufer manuell in eine gewünschte Ausgangslage geschoben werden, wo er von Reibwirkung gehalten bis zum Beginn der nächsten Messung verbleibt.
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Das mit der Vorrichtung ermittelbare Messergebnis ist zu ungenau.
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Aus der
DE 10 2009 020 645 B3 ist des Weiteren ein Verfahren bekannt, bei dem zur Einstellung einer gewünschten Spaltweite zwischen zwei Falzwalzen eines Walzenpaares in einem Falzwerk die Temperatur in der Umgebung des Walzenpaares gemessen und die Spaltweite anhand einer Temperatureinfluss-Kennlinie in Abhängigkeit des gemessenen Temperaturwerts korrigiert wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung von Kenngrößen im Spalt zwischen zwei beweglich gelagerten Körpern bereitzustellen, die unabhängig von der Lage des Spalts im Raum eine verbesserte Messgenauigkeit aufweisen und eine vereinfachte Handhabung ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch eine gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1 ausgebildete Vorrichtung sowie durch ein gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 13 ausgebildetes Verfahren gelöst.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Ermittlung von Kenngrößen im Spalt zwischen zwei beweglich gelagerten Körpern nur praktikabel und mit hinreichender Genauigkeit möglich ist, wenn der Einfluss der Schwerkraft auf die Fixiereinrichtung berücksichtigt wird. Der Kraftsensor erfasst die Kraft, die über den Messkörper auf die Fixiereinrichtung wirkt, wenn sich der Messkörper im Walzenspalt befindet. Die auf den Messkörper wirkende Kraft liefert eine Aussage über die Verhältnisse im Spalt und speziell über die Wechselwirkungen zwischen den den Spalt bildenden Bauteilen und dem Messkörper. Die wirkende Kraft kann als die Kraft ermittelt werden, die erforderlich ist, um den Messkörper bei stillstehenden Bauteilen aus dem Spalt zu ziehen. Alternativ dazu kann die wirkende Kraft auch als Kraft zum Halten des Messkörpers bei im Sinne einer Förderbewegung angetriebenen Bauteilen ermittelt werden. Ein Spalt im Sinne der Erfindung ist ein Spalt, bei dem die Spaltweiten zwischen den Bauteilen größer Null, gleich Null und auch kleiner Null betragen können, wobei Spaltweiten kleiner Null dann realisiert werden können, wenn mindestens ein Bauteil kompressibel ist. Neben der Kraft, die sich aus den vorstehend beschriebenen Wirkungen im Spalt ergibt, wirkt auch die Schwerkraft auf die Fixiereinrichtung bzw. auf den Messkörper und diese Kräfte werden vom Kraftsensor, der nur Kräfte, nicht aber die Ursache von Kräften erfassen kann, ermittelt und in Form eines Signals weitergeleitet.
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Die Wirkung der Schwerkraft auf die Fixiereinrichtung bzw. auf den Messkörper wird von der Lage der Fixiereinrichtung relativ zur Schwerkraftrichtung beeinflusst. Erfordert es die Messsituation, die Fixiereinrichtung unterhalb des Spalts anzuordnen und den Messkörper senkrecht von unten in den zu bewertenden Spalt einzuführen, erfasst der Kraftsensor die im Spalt wirkende Kraft, vermindert um die Schwerkraft der Fixiereinrichtung und des Messkörpers.
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Erfordert es die Messsituation, die Fixiereinrichtung oberhalb des Spalts anzuordnen und den Messkörper senkrecht von oben in den zu bewertenden Spalt einzuführen, erfasst der Kraftsensor die im Spalt wirkende Kraft zuzüglich der Schwerkraft der Fixiereinrichtung und des Messkörpers.
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Erfordert es die Messsituation, die Fixiereinrichtung seitlich neben dem Spalt anzuordnen und den Messkörper seitlich, d. h. waagerecht in den zu bewertenden Spalt einzuführen, erfasst der Kraftsensor die im Spalt wirkende Kraft, wobei die im rechten Winkel zu dieser wirkende Schwerkraft der Fixiereinrichtung und des Messkörpers keine Rolle spielt. Es versteht sich von selbst, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Messpraxis auch alle zwischen den genannten Messpositionen liegenden Messpositionen einnehmen kann.
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Indem, die erfindungsgemäße Vorrichtung neben dem die wirkende Kraft repräsentierenden Signal auch ein Lagesignal zur Verfügung stellt, kann in vorteilhafter Weise das Signal des Kraftsensors sachgerecht interpretiert bzw. verarbeitet werden.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Auswerteeinheit zum Auswerten des Signals des Kraftsensors vorgesehen, die mit dem Kraftsensor in Signalverbindung steht. Die Auswerteeinheit wertet die Signale des Kraftsensors in geeigneter Weise aus. Dabei kommen vorzugsweise statistische Verfahren, z. B. im einfachsten Fall eine Mittelwertbildung, zur Anwendung. Ebenso sind Vergleiche mit einem Sollwert und die Signalisierung bei Sollwertabweichungen sinnvoll.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verarbeitet die Auswerteeinheit die Signale des Kraftsensors und des Lagesensors zur Bestimmung der auf die Fixiereinrichtung wirkenden Kraft, korrigiert um den aus der Schwerkraft der Fixiereinrichtung resultierenden Kraftanteil. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass ein genauer Wert der interessierenden Kraftwirkung im Spalt zur Verfügung steht und nachträgliche Überlegungen über den Zusammenhang zwischen Kraftwirkung im Spalt und Schwerkraftwirkung entfallen können, weil sie schon Bestandteil der Auswerteroutine der Auswerteeinheit sind.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Auswerteeinheit derart ausgebildet ist, dass sie vor Beginn einer Messung die Signale von Lagesensor und Kraftsensor derart auswertet, dass die aus der Schwerkraft der Fixiereinrichtung resultierende Kraft ohne Einfluss bleibt, sodass der von der Auswerteeinheit ermittelte Kraftwert vor Beginn einer jeweiligen Messung stets Null beträgt. Mit anderen Worten erfolgt eine automatische Nullstellung unter Verwendung der Signale des Kraftsensors und des Lagesensors. Die Signale von Lagesensor und Kraftsensor sind in der Auswerteeinheit über Rechengesetze miteinander verknüpft und in einer Berechnungsformel für die Kraft integriert, sodass nach der automatischen Nullstellung vor Messbeginn der zur Verfügung gestellte Kraftwert in jeder Winkellage der erfindungsgemäßen Vorrichtung immer Null beträgt, egal wie schwer die Fixiereinrichtung ist und welche Form sie aufweist.
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Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Ausgabeeinheit zum Ausgeben eines von der Auswerteeinheit ermittelten Kraftwertes und/oder eines die Lage der Fixiereinrichtung repräsentierenden Winkelwertes ausgestattet.
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Die Ausgabe des Winkelwertes neben dem Kraftwert ist insbesondere deshalb von besonderer Bedeutung, weil damit die Einhaltung eines Vorgabewinkelwertes erreicht werden kann. Die Lage des zu messenden Spaltes ist in der Vielzahl der Messanwendungen eine feste Größe. Insbesondere in den Fällen, in denen der zu messende Spalt zwischen zwei Walzen oder zwischen einer Walze und einem Band oder einem ebenen Bauteil gebildet wird, kann der Messwert durch Umschlingungseffekte des Messkörpers um eine beteiligte Walze verfälscht werden. Deswegen sollte die Messung in genau der durch die Lage des Spaltes vorgegebenen Winkellage (Vorgabewinkel) erfolgen, in der keine Umschlingungseffekte auftreten.
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Nach einer anderen Ausführungsform ist die Auswerteeinheit zum Vergleich des eingegebenen Lagesollwinkels mit einem vom Lagesensor ermittelten Lageistwinkels ausgebildet und ein das Ergebnis des Vergleichs repräsentierendes Signal zur optischen oder akustischen Ausgabe durch die Ausgabeeinheit wird erzeugt. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass eine Messung bei ungünstigen oder unzulässigen Winkellagen zuverlässig vermieden wird und sich der Nutzer bei der Messung ausschließlich auf die richtige Positionierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung konzentrieren kann. Statt eines diskreten Lagesollwinkels kann sich der Vergleich auch auf einen Lagesollwinkelbereich beziehen, der durch einen Toleranzbereich um einen diskreten Lagesollwinkel gebildet ist.
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Nach einer anderen Ausführungsform ist die Auswerteeinheit derart ausgebildet, unter Verwendung von Kraftsollwerten und Kraftsollwertbereichen die Kraftmessung mit optischen oder akustischen Signalen zu ergänzen und somit Justagen zu erleichtern.
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Die Ausbildung der Fixiereinrichtung erfolgt vorzugsweise als Klemmeinrichtung oder in einer anderen geeigneten Art und Weise, die eine lösbare Verbindung der Fixiereinrichtung mit einem Messkörper ermöglicht.
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Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf Bauformen beschränkt, die eine lösbare Verbindung beinhalten, vielmehr kann die Fixiereinrichtung auch untrennbar mit dem Messkörper verbunden sein, sodass die Fixiereinrichtung und der Messkörper ein einziges Bauteil bilden.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Eingabeeinheit zur Eingabe eines Kraftsollwertes oder Kraftsollwertbereichs sowie eines Lagesollwinkels oder Lagesollwinkelbereichs vorgesehen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ein Gehäuse umfassen, welches gemeinsam den Kraftsensor, den Lagesensor, die Auswerteeinheit, die Eingabeeinheit, die Ausgabeeinheit und zumindest Teile der Fixiereinrichtung aufnimmt.
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Um eine gute Positionierbarkeit des Messkörpers auch an schwer zugänglichen Stellen und in einer Sollwinkellage zu ermöglichen, sind die vorstehend genannten Elemente jedoch auf einen Sensorkopf und ein mit diesem in Signalverbindung stehendes Basisteil verteilt angeordnet. Dabei nimmt der Sensorkopf zumindest die Fixiereinrichtung, den Kraftsensor und den Lagesensor auf, während Auswerteeinheit, Eingabeeinheit, Ausgabeeinheit, Speicher und Energieversorgung im Basisteil angeordnet sind. Die Signalverbindung mittels Kabelverbindung zu gestalten, vereinfacht die Energieversorgung und sichert eine stabile Messwertübermittlung, sie kabellos zu gestalten bewirkt eine noch bessere Positionierbarkeit des Messkörpers.
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Um insbesondere in Messumgebungen, in denen Temperaturschwankungen oder Temperaturabweichungen von einer Vorgabemesstemperatur auftreten, hochgenaue Messergebnisse erzielen zu können, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Temperatursensor ausgestattet sein. Die vom Temperatursensor ermittelten Werte werden der Auswerteeinheit zugeführt und von dieser zur Korrektur der Signale des Kraftsensors bzw. des Lagesensors verwendet. Ist aufgrund der Beschaffenheit von Kraftsensor bzw. Lagesensor eine temperaturabhängige Signalkorrektur nicht erforderlich, kann die Isttemperatur als zusätzliche Information von der Ausgabeeinheit angezeigt werden. Die Isttemperatur ist für den Nutzer der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine relevante Größe und ermöglicht die Berücksichtigung von Wärmedehnungserscheinungen, etwa bei der Vorgabe von Kraftsollwerten.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
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1 den Sensorkopf ohne Abdeckung
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2 den Sensorkopf mit Abdeckung und geklemmtem Messkörper
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3 das Basisteil.
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1 zeigt den Sensorkopf 5 des erfindungsgemäßen Messgeräts zur Erfassung von Kenngrößen im Spalt zwischen zwei beweglich gelagerten Körpern.
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Der Sensorkopf 5 nimmt in einem Gehäuse die Fixiereinrichtung 1, den Lagesensor 4 und Kraftsensor 3 auf. Am Gehäuse ist ein Handgriff 8 befestigt.
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Die Fixiereinrichtung 1 ist als Klemmeinrichtung aus zwei Klemmbacken gebildet. Die Klemmeinrichtung ist bezüglich ihrer Abmessungen und ihres Aufbaus derart ausgebildet, dass zwischen den Klemmbacken Teststreifen aus Papier oder anderen Materialien mit verschiedener Dicke und Breite sicher fixierbar sind. Zur Bestimmung der auf die Klemmeinrichtung wirkenden Kraft ist diese über weitere Elemente, die einen Biegebalken bilden, mit einem Kraftsensor 3 verbunden. Der Kraftsensor 3 ermöglicht die Bestimmung der auf die Klemmeinrichtung wirkenden Kraft in an sich bekannter Weise. Die auf die Klemmeinrichtung wirkende Kraft bewirkt eine Verformung des Biegebalkens. Die Größe der Verformung ist proportional zu der wirkenden Kraft. Zur Erfassung der Kraft muss lediglich die Auslenkung des Biegebalkens durch einen Wegsensor oder einen Näherungssensor in einfacher Weise erfasst werden. Der Zusammenhang zwischen dem Maß der Auslenkung des Biegebalkens und der Größe der wirkenden Kraft ist durch die Federkonstante des Biegebalkens gegeben. Diese ist üblicherweise bekannt. Die Kenntnis des Zahlenwertes der Konstante ist zur Bestimmung der wirkenden Kraft nicht zwingend erforderlich, da die erfindungsgemäße Vorrichtung z. B. in einfacher Weise durch Anlegen von Kräften bekannter Größe kalibriert werden kann.
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Der als Bestandteil des Ausführungsbeispiels beschriebene Kraftsensor 3 versteht sich als Biegebalken-Kraftsensorsystem. Alternativ zu dem Biegebalken-Kraftsensorsystem können erfindungsgemäß auch andere Kraftsensoren aus der Gruppe der Federkörper-Kraftaufnehmer verwendet werden. Gleichwertig dazu sind zur Ausbildung des Kraftsensors 3 auch beliebige andere Sensorarten vorgesehen, wie insbesondere Piezo-Kraftaufnehmer oder Dehnmessstreifen.
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Der ebenfalls vom Gehäuse aufgenommene Lagesensor 4 erfasst die Winkellage und damit auch die Lage der Klemmeinrichtung im Raum in Bezug auf die Schwerkraftrichtung und erzeugt entsprechende Signale.
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Neben dem Sensorkopf 5 weist das Messgerät noch ein Basisteil 6 auf, das in 3 dargestellt ist. Das Basisteil 6 nimmt die Stromversorgung, eine Ausgabeeinheit 7 sowie die Auswerteeinheit auf. Zwischen Sensorkopf 5 und Basisteil 6 besteht eine Kabelverbindung, die zur Übertragung von Signalen und Energie ausgebildet ist.
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Die Durchführung einer Messung wird nachfolgend am Beispiel der Messung der Einstellung eines Spaltes zwischen zwei zusammenwirkenden Falzwalzen eines Falzwerks erläutert. Zur Vorbereitung der Messung wird zuerst ein geeigneter Messkörper 2, nämlich ein im Walzenspalt zu falzender Papierstreifen eingeklemmt.
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Bereits vor Beginn der eigentlichen Messung oder während dieser ermittelt der Lagesensor 4 die Lage der Klemmeinrichtung relativ zur Schwerkraftrichtung. Nach dem Einführen des Papierstreifens in den Walzenspalt, wobei der Sensorkopf 5 am Handgriff 8 gehalten wird, kann die eigentliche Messung durchgeführt werden. Zur Messung wird der Messkörper 2 aus dem Spalt zwischen den stillstehenden Falzwalzen herausgezogen oder bei langsam drehenden Falzwalzen festgehalten. Dabei bestimmt der Kraftsensor 3 die auf den Messkörper 2 und über diesen auf die Klemmeinrichtung wirkende Kraft. Der Kraftsensor 3 und der Lagesensor 4 stehen mit der Auswerteeinheit in Signalverbindung. Die Auswerteeinheit errechnet aus den Signalen von Kraftsensor 3 und Lagesensor 4 die auf den Messkörper 2 wirkende Zugkraft. Bei der Berechnung wird der Anteil der Schwerkraft berücksichtigt. Die Auswerteeinheit leitet den errechneten Wert der Ausgabeeinheit 7 zu, wo er als Zahlenwert angezeigt und entsprechend seiner Größe bei Bedarf einem optischen oder akustischen Signal zugeordnet wird.
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Solange keine Zugkraft auf dem Messkörper 2 wirkt, beträgt der angezeigte Wert immer Null, wobei die Nullstellung dynamisch erfolgt. Im Vergleich zu Kraftmesssystemen, bei denen der vor Beginn der Messung ermittelte Kraftwert, der nur durch die Wirkung der Schwerkraft verursacht sein kann, gewissermaßen statisch von Hand auf Null gestellt werden muss, hat das erfindungsgemäße Messgerät deutliche Vorteile. Diese bestehen insbesondere darin, dass die Nullstellung von Hand entfällt, da sie automatisch erfolgt und auch eine gewollte oder ungewollte Lageänderung des Messgeräts bei der Durchführung der Messung, die sich ansonsten auf das Messergebnis auswirken würde, von der Auswerteeinheit berücksichtigt wird.
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Es hat sich gezeigt, dass es im Allgemeinen ausreichend ist, allein die Schwerkraft der als Klemmeinrichtung ausgebildeten Fixiereinrichtung 1 zu berücksichtigen. Im Spezialfall kann jedoch auch die Schwerkraft des Messkörpers 2 einen zusätzlich zu berücksichtigenden Fehlereinfluss ausüben. Um dem entgegenzuwirken, kann die Schwerkraft des Messkörpers 2 in die Kalibrierung mit einbezogen werden oder es kann eine Eingabeeinheit ausgebildet sein, mit der die Masse des Messkörpers 2 zur Berücksichtigung bei der Werteermittlung der Auswerteeinheit als Parameter eingegeben werden kann. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter Schwerkraft der Fixiereinrichtung 1 die Schwerkraft der Fixiereinrichtung 1 allein oder mit fixiertem Messkörper 2 zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fixiereinrichtung
- 2
- Messkörper
- 3
- Kraftsensor
- 4
- Lagesensor
- 5
- Sensorkopf
- 6
- Basisteil
- 7
- Ausgabeeinheit
- 8
- Handgriff
