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Anwendungsgebiet der Erfindung
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Die Einrichtung betrifft insbesondere Drucker, Kopierer und sonstige Geräte, bei denen ein Medium, insbesondere Belege aus Papier oder dünnen Folien mit konstanter Geschwindigkeit bewegt werden und während der konstanten Bewegung gelocht werden.
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Stand der Technik
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Aus der Patent Application
US 2011/0011230 A1 ist eine Locheinrichtung bekannt, die Medien während der Bewegung der Medien lochen kann.
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Bei dieser Lösung steht sich eine flexible Walze, die vornehmlich aus Polyuretan gefertigt ist und ein scharfer Lochstempel, der zur Polyuretanwalze rotierend angeordnet ist so in Verbindung, dass sowohl die flexible Walze aus Polyuretan wie der scharfe Lochstempel mit gleicher Umfangsgeschwindigkeit drehbar sind, sich das zu lochende Medium zwischen der flexiblen Walze und dem scharfen Lochstempel befindet, wobei der scharfe Lochstempel ausgehend von einer Ausgangsposition während der Drehbewegung Kontakt zum Medium bekommt, sich dabei durch das Medium schneidet und sich in die flexible Polyuretanwalze drückt.
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Die Umfangsgeschwindigkeit der flexiblen Polyuretanwalze und des rotierenden Lochstempels entspricht der Transportgeschwindigkeit des zu lochenden Mediums.
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Nachteilig an dieser Lösung sind folgende Details:
- – Es können nur dünne Medien in einem Bereich von etwa 60 g/m2 bis 90 g/m2 gelocht werden
- – Die ausgestanzten Ronden des Mediums sind nur schwer auffangbar
- – Die Lebensdauer der Polyuretanwalze und des scharfen Lochstempels ist begrenzt
- – Temperatur, Alterung und Luftfeuchte haben Einfluss auf die Lochqualität
- – Es werden extreme Antriebsmomente und damit große Motoren für die Locheinrichtung benötigt.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE000002262904A ist eine Einrichtung bekannt, die insbesondere bei Mosaiknadeldruckern Anwendung findet, wobei der Druckwagen mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird, die Spitze des Druckkopfes über eine Kurvenscheibe in eine oszillierende Bewegung versetzt wird, wodurch sich Zeitbereiche ergeben, in denen die Relativgeschwindigkeit zwischen der Spitze des Druckkopfes und dem Medium, auf das gedruckt wird, nahe Null ist und in diesem Zeitraum gedruckt wird.
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Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die erreichbaren Geschwindigkeiten bei der Oszillation durch eine begrenzte Amplitude des Hubes relativ gering sind und der Zeitbereich, in dem die Geschwindigkeit zwischen dem zu bedruckenden Medium und der Spitze des Druckkopfes nahe Null ist, nur wenige Millisekunden beträgt.
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Ziel der Erfindung
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Es ist das Ziel der Erfindung, die aufgezeigten Nachteile zu verhindern oder zu reduzieren, wobei im Vordergrund steht, dass auch schwerere Medien mit einen Flächengewicht bis zu 160 g/m2 oder 250 g/m und der Verwendung deutlich kleinerer Antriebsmotoren gelocht werden können, die Umgebungstemperatur, die Luftfeuchte und das Altem der Einrichtung keine nachteiligen Einflüsse auf die Funktion der Locheinrichtung haben, und es ist das Ziel, Medien, die mit einer Transportgeschwindigkeit bis zu 400 mm/s transportiert werden, zu lochen.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung soll an dem nachfolgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
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Zur Erläuterung zeigen die nachfolgenden Zeichnungen folgende Details:
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1 In der 1 ist der prinzipielle Aufbau der Locheinrichtung entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung dargestellt.
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1a Die 1a zeigt eine Ausgestaltung der erfinderischen Lösung, bei der die erforderliche Drehbewegung für die Kurvenscheibe (8) zwischen dem Exzenterrad (4) und der Antriebswelle (7) für die Kurvenscheibe (8) mittels Zahnräder übertragen wird.
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1b Die 1b zeigt eine Ausgestaltung der erfinderischen Lösung, bei der die erforderliche Drehbewegung für die Kurvenscheibe (8) durch einen Riementrieb zwischen dem Exzenterrad (4b) und der Antriebswelle (7) für die Kurvenscheibe (8) übertragen wird.
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2 In der 2 sind die funktionellen Abläufe der erfindungsgemäßen Lösung dargestellt.
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2a In 2a ist der Bewegungsablauf der durch den Kurbeltrieb bewegten Teile der Locheinrichtung mit dem Winkelbereich, während dessen gelocht wird, normiert dargestellt.
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2b Die 2b zeigt den Verlauf der modulierten Drehgeschwindigkeit für die Kurvenscheibe (8) auf.
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2c In 2c ist die Bewegung des Stempels (12) während des Lochvorganges dargestellt.
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3 In 3 ist die Bewegung des Stempels (12) während des Lochvorganges gezeigt, wobei dargestellt ist, dass sich die Locheinrichtung durch den abgeschrägten Stempel (12) bereits langsamer als das Medium (18) bewegen kann, während sich der Stempel (12) noch teilweise im Bereich des Mediums (18) befindet.
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4 4 zeigt die Bewegung des Stempels (12) während der Drehung der Kurvenscheibe (8).
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4a Die 4a zeigt die Kurvenscheibe (8) in der Ausgangsposition
- – Der Stempel (12) hat noch keinen Kontakt zum Medium (18).
- – Die Druckfeder (14) ist noch ungespannt
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4b Der Stempel wurde bereit in Richtung des zu lochenden Mediums bewegt, die Druckfeder wird berührt
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4c Der Stempel (12) hat den maximalen Hub erreicht und die Druckfeder (14) ist maximal zusammengedrückt
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4d Der Stempel (12) wird durch die Druckfeder (14) in einem Bereich (9a) einer sehr steilen Kurve (9) wieder in Richtung der Ausgangsposition des Stempels (12) bewegt.
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5 Die 5 zeigt schematisch eine Anordnung einer bewegbare Gegenmasse (23) zur Kompensation der auftretenden Kräfte bei der Bewegung der Locheinrichtung.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, dass flexible Medien (18) wie zum Beispiel Papiere oder Folien, die mit einer konstanten Geschwindigkeit bis zu 400 mm/s transportiert werden, während der Bewegung zu lochen, dass der Lochdurchmesser 8 mm und der minimale Lochabstand 70 mm betragen soll, dass die Medien (18) ein Flächengewicht zwischen 60 g/m2 und 160 g/m2 haben dürfen und dass der Antriebsmotor (1) hinreichend klein ist.
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Das Konzept der erfindungsgemäßen Lösung ist schematisch in 1 dargestellt.
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Ein stationär angeordneter Antriebsmotor (1), der vorzugsweise ein Schrittmotor ist, treibt über das Ritzel (2) das zum Antriebsmotor (1) fest angeordnete Zahnrad (3) an.
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Am Zahnrad (3) ist entweder das Exzenterrad (4) als Zahnradausführung oder das Exzenterrad (4b) als Riemenradausführung angebracht.
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Die Mittelpunkte (4a) der Exzenterräder (4, 4b) sind dabei am Zahnrad (3) so angebracht, dass sich zwischen den Mittelpunkten (4a) der Exzenterräder (4, 4b) und dem Mittelpunkt (3a) des Zahnrades (3) ein Abstand (E) ergibt.
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In 1a ist die Übertragung der Drehbewegung über das Exzenterrad (4) zum Antriebsrad (5) als Zahnradpaarung dargestellt, und in 1b ist eine Variante der Übertragung der Drehbewegung vom Exzenterrad (4b) zum Antriebsrad (5a) über einen Riementrieb dargestellt.
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Der Abstand (E) entspricht dem Betrag des halben Hubes der Lochereinrichtung.
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Über den Mittelpunkt (4a) der Exzenterräder (4, 4b) wird durch das Kurbelelement (6) die Kurbelbewegung durch die Exzenterräder (4, 4b) auf das Führungselement (16) übertragen.
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Das Führungselement (16) wird durch die Führungen (17a, 17b) geführt, und das Führungselement (16) ist mit allen weiteren Teilen der Locheinrichtung verbunden, so dass sich die Antriebswelle (7), die Kurvenscheibe (8), der Stempel (12) und die Lochmatrize (13) in gleicher Weise bewegen wie das Führungselement (16).
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Die bewegbaren Teile der Locheinrichtung führen somit eine sinusförmige Bewegung aus, die bei einer konstanten Drehbewegung der Exzenterräder (4, 4b) erzeugt wird.
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Die Führungselemente (17a, 17b) sind dabei so angeordnet, dass sie sich im Schwerpunkt oder nahe dem Schwerpunkt der bewegbaren Teile der Locheinrichtung befinden, um Kippmomente durch die bewegbaren Teile der Locheinrichtung während der Bewegungen zu vermeiden oder zu minimieren.
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Über die Exzentrizität (E) der Exzenterräder (4, 4b) wird der Hub der sinusförmigen Pendelbewegung (PW) festgelegt. Der Hub entspricht dabei dem doppelten Wert der Exzentrizität (E).
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Für das Ausführungsbeispiel wurde ein Wert für die Exzentrizität (E) von 9 mm gewählt. Der Hub der bewegbaren Teile der Locheinrichtung beträgt somit 18 mm.
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Damit die Geschwindigkeit der bewegbaren Teile der Locheinrichtung der Transportgeschwindigkeit der bewegten Medien (18) entspricht, müssen sich die Exzenterräder (4, 4b) bei einem Hub von 18 mm mit einer Drehzahl von etwa 7 Umdrehungen pro Sekunde drehen.
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Bei einer Untersetzung zwischen dem Ritzel (2) auf der Welle des Antriebsmotors (1) und dem Zahnrad (3) von 2:1 muss das Ritzel (2) des Antriebsmotors (1) 14 Umdrehungen pro Sekunde ausführen. Es wurde ein Schrittmotor SHS 42/100–2800 der Firma MICROSTEP eingesetzt, der einen Schrittwinkel von 3.6° hat. Der Motor wird für eine Drehzahl von 14 Umdrehungen pro Sekunde mit einer Schrittfrequenz von 1400 Hz angesteuert.
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Bei 7 Umdrehungen pro Sekunde für die Exzenterräder (4, 4b) wird ein Lochvorgang in 143 ms ausgeführt. Innerhalb einer Zeit von 143 ms wird das zu lochende Medium (18) bei einer Transportgeschwindigkeit von 400 mm/s um 57,2 mm transportiert. Es können im Medium (18) Löcher in einem Abstand von 60 mm gelocht werden.
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In 2 sind die Funktionsabläufe normiert dargestellt, die wesentlich für den Lochvorgang sind.
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Die 2a zeigt den Verlauf der Sinusfunktion, und eine eingezeichnete Tangente (T) zeigt, dass die Steilheit der Sinusfunktion in einem Bereich von etwa 80° der Steilheit der Tangente (T) entspricht.
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Da zu Beginn des Lochvorganges der Stempel (12) noch keinen Kontakt zum Medium (18) hat und zum Ende des Lochvorganges der Stempel (12) sich noch teilweise im Bereich des Mediums befinden darf, wird der Winkelbereich, in dem der Lochvorgang stattfindet, von 80° auf 90° erweitert.
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In 2a ist weiterhin der Startzeitpunkt des Lochvorganges dargestellt. Um im dargestellten Bereich, in dem die Bewegungsgeschwindigkeit der bewegten Teile der Locheinrichtung hinreichend konstant ist und der Transportgeschwindigkeit des Mediums (18) entspricht, auszunutzen, muss der Lochvorgang bei einem Winkel von 315° der Sinusfunktion beginnen.
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Der Startzeitpunkt für das Lochen kann aber auch um plus/minus 360° verschoben werden.
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In 2b ist die Modulation der Drehgeschwindigkeit (ω) für das Antriebsrad (5) und damit für die Antriebswelle (7) dargestellt. Das Zahnrad (3) dreht sich mit konstanter Umdrehungszahl, durch die Exzentrizität (E) wird die Drehgeschwindigkeit der Exzenterräder (4, 4b) zwischen den Werten ω1 und ω3 nach einer Sinusfunktion verändert. Die mittlere Drehgeschwindigkeit beträgt ω2.
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Aus 2b ist ersichtlich, dass der Lochvorgang mit einer relativ niedrigen Drehgeschwindigkeit (ω) beginnt, dann die Drehgeschwindigkeit (ω) immer schneller wird und dass das Herausziehen des Stempels (12) aus dem gelochten Medium (18) dann mit einer schnelleren Drehgeschwindigkeit (ω) erfolgt.
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Eine niedrigere Drehgeschwindigkeit (ω) für das Antriebsrad (5) und der Antriebswelle (7) bei konstanter Drehzahl des Zahnrades (3) bedeutet, dass sich das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Exzenterrädern (4, 4b) zu den Antriebszahnrädern (5, 5a) vergrößert, wodurch zum Beginn des Lochvorganges beim Einstechen des Stempels (12) in das Medium (18) eine höhere Kraft zur Verfügung steht, als für den Rest des Lochvorganges.
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Die 2c zeigt schematisch den Bewegungsablauf des Stempels (12) während des Lochvorganges.
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In 3 ist in den Bewegungsphasen a bis e der Bewegungsablauf des Stempels (12) im Bezug zum Medium (18) und zur Lochmatrize (13) dargestellt.
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In der Phase a befindet sich der Stempel (12) noch in der Ausgangsposition.
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In der Phase b wurde das Medium bereits teilweise gelocht.
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In der Phase c ist das Lochen des Mediums (18) abgeschlossen.
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Die Position des Stempels (12) zeigt in den Phasen d und e, dass sich der Stempel (12) noch teilweise im Lochbereich des Mediums (18) befindet, während sich die Locheinheit bereits langsamer bewegt als das gelochte Medium (18).
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Die Schräge am Stempel (12) gestattet, dass sich die Spitze des Stempels (12) noch im Lochbereich befinden kann, wenn sich die Locheinheit bereits bereits langsamer bewegt als das zu lochende Medium (18).
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Die 4 zeigt in den Phasen a bis d die Funktion der Kurve (9) in der Kurvenscheibe (8) in Verbindung mit der Bewegung des Führungsschaftes (11) des Stempels (12), sowie die Funktion der Druckfeder (14).
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Die Kurve (9) ist so gestaltet, dass der Stempel (12) kontinuierlich in Richtung des zu lochenden Mediums (18) bewegt wird. Nach dem Lochen des Mediums (18) wird der Stempel (12) dann möglichst schnell wieder in die Ausgangsposition bewegt.
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Der gesamte Bewegungszyklus des Stempels (12) muss in einem Drehwinkel von 90° der Kurvenscheibe (8) erfolgen.
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Deshalb hat die Kurve (9) einen Bereich (9a) in dem die Kurve eine sehr große Steilheit aufweist.
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In dem Bereich (9a), in dem die Steilheit der Kurve (9) extrem groß ist, kann der Stempel (12) nicht alleine über die Kurve (9) in die Ausgangsposition bewegt werden.
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Die Druckfeder (14) unterstützt dabei die Bewegung des Stempels (12) in die Ausgangsposition.
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In der Phase a der 4 befindet sich der Stempel (12) noch in der Ausgangsposition und die Druckfeder (14) wird nich nicht gespannt.
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In der Phase b wurde der Stempel (12) bereits etwas bewegt, und der Führungsstift (10) in der Kurve (9) befindet sich am Anfang des Winkelbereiches (9b) um den Totpunkt der Kurve (9).
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Die Anlage (11a) am Führungsschaft (11) des Stempels (12) hat Kontakt zur Druckfeder (14).
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Die Druckfeder (14) ist in der Phase b noch ungespannt.
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In der Phase c der 4 befindet sich der Stift (10) im Totpunkt der Kurve (9). In dieser Position ist das Lochen des Mediums abgeschlossen, und die Druckfeder (14) ist maximal gespannt.
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In der Phase d ist dargestellt, dass für die schnelle Bewegung des Stempels (12) in die Ausgangsposition in dem Bereich (9a) der maximalen Steilheit der Kurve (9) die Druckfeder die Bewegung in die Ausgangsposition unterstützt, da die Bewegung in die Ausgangsposition sehr schnell erfolgen muss.
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Durch die schnellen Bewegungen der bewegbaren Teile der Locheinheit treten Beschleunigungs- und Bremskräfte auf, die sich als Vibrationen auf die gesamte Geräteeinheit auswirken können.
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Zur Kompensation der Beschleunigungs- und Bremskräfte kann eine bewegbare Gegenmasse (23) in die Locheinrichtung integriert werden, die so mit den bewegbaren Teilen der Locheinrichtung in Verbindung steht, dass durch die gegenläufige Bewegung der Gegenmasse (23) zu den bewegten Teilen der Locheinrichtung eine Gegenkraft erzeugt wird, wodurch die auftretenden Beschleunigungs- und Bremskräfte völlig oder teilweise kompensiert werden können.
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In 5 ist eine Variante zur Kompensation der auftretenden Beschleunigungs- und Bremskräfte durch das Integrieren einer bewegbaren Gegenmasse (23) dargestellt.
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Die Gegenmasse (23) ist zum Beispiel wie dargestellt bewegbar auf der Führung (17a) angeordnet.
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Die Gegenmasse (23) kann aber auch auf der Führung (17b) oder gemeinsam auf beiden Führungen (17a, 17b) bewegbar angeordnet sein.
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In der 5 ist eine Anordnung dargestellt, bei der die bewegte Gegenmasse (23) über ein geschlossenes Seil (21) und die Umlenkrollen (21a bis 21d) über die Verbindungsstellen (22) so mit den bewegten Teilen der Locheinrichtung verbunden ist, dass eine Bewegung der bewegbaren Elemente (20) der Locheinrichtung eine Gegenbewegung der bewegbaren Masse (23) bewirkt.
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Abweichend von der Darstellung in 5 können anstelle eines Seils (21) auch andere bewegungsübertragende Elemente wie Hebelsysteme Verwendung finden, die für die Gegenmasse (23) eine gegenläufige Bewegung zu den bewegten Teilen (20) der Locheinrichtung bewirken.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt auf, dass die Ziele für die erfindungsgemäßen Lösung, nämlich das Lochen von bewegten Medien (18) mit Bewegungsgeschwindigkeiten bis zu 400 mm/s und das Erreichen von Lochabständen von 70 mm mit einer Locheinheit, bei der die Elemente zum Lochen über einen Kurbeltrieb sinusförmig bewegt werden, erreicht werden.
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In einem Modell, das entsprechend der erfindungsgemäßen Losung aufgebaut wurde, konnte nachgewiesen werden, dass Medien (18) mit einem Flächengewicht zwischen 60 g/m2 und 200 g/m2 und dem Einsatz eines relativ kleinen Antriebsmotors mit 42 mm Kantenlänge gelocht werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsmotor
- 2
- Ritzel auf der Welle des Antriebsmotors (1)
- 3
- Zahnrad, steht im Eingriff mit dem Ritzel (2) und trägt das Zahnrad (4) bzw. Zahnrad (4b)
- 3a
- Drehpunkt für das Zahnrad (3)
- 4
- Exzenterrad, ist fest im Abstand (E) zum Mittelpunkt (3a) des Zahnrades (3) mit dem Zahnrad (3) verbunden.
- 4a
- Mittelpunkt des Exzenterrades (4)
- 4b
- Exzenterrad für einen Riemen, ist fest im Abstand (E) zum Mittelpunkt (3a) des Zahnrades (3) mit dem Zahnrad (3) verbunden
- 5
- Antriebszahnrad für die Antriebswelle (7) und die Kurvenscheibe (8); Wird über das Kurbelelement (6) ständig im Zahneingriff mit dem Zahnrad (4) gehalten
- 5a
- Antriebsriemenrad für die Antriebswelle (7) und die Kurvenscheibe (8); Wird über das Kurbelelement (6) ständig im konstanten Abstand zum Exzenterrad (4b) des Riemenantriebes gehalten.
- 6
- Kurbelelement, bewegt das Führungselement (16) mit den Elementen der Locheinrichtung (7–13) in sinusförmiger Pendelbewegung (PW)
- 7
- Antriebswelle, wird durch die Antriebsräder (5, 5a) angetrieben und dreht die Kurvenscheibe (8)
- 8
- Kurvenscheibe mit Kurve (9) zur Erzeugung der vertikalen Bewegung des Stempels (11, 12)
- 9
- Kurve in der Kurvenscheibe (8)
- 9a
- Kurvenbereich mit hoher Steilheit
- 9b
- Winkelbereich um den Totpunkt der Kurve (9), in dem die Druckfeder (14) gespannt wird.
- 10
- Stift, der in die Kurve (9) eingreift und den Stempel (11, 12) auf- und abwärts bewegt
- 11
- Führungsschaft des Stempels (12)
- 11a
- Anlage für Feder (14) am Führungsschaft 11) des Stempels (12)
- 12
- einseitig angeschrägter Stempel der Locheinrichtung; bewirkt in Verbindung mit der Lochmatrize (13) das Lochen der flexiblen Medien (18)
- 13
- Lochmatrize
- 14
- Druckfeder
- 15
- Anlage für die Druckfeder (14)
- 16
- Führungselement, wird durch die Führungen (17a, 17b) geführt und durch das Kurbelelement (6) bewegt
- 17a, b
- Führungen für das Führungselement (16)
- 18
- Medium, das gelocht wird
- 19
- Stanzronden
- 20
- bewegbare Elemente der Locheinrichtung
- 21a–d
- Umlenkrollen
- 22
- Verbindungsstellen zwischen dem Seil (21) und dem bewegbaren Massen der Locheinrichtung
- 23
- bewegte Gegenmasse
- 24
- Riemen zur Übertragung der Drehbewegung
- E
- Exzentrizität der Exzenterräder (4, 4b)
- RM
- Richtung der Bewegung des zu lochenden Mediums (18)
- PW
- Sinusförmige Pendelbewegung der bewegbaren Elemente der Locheinrichtung
- T
- Tangente an der Sinusfunktion
- ω
- Drehgeschwindigkeit des Antriebsrades (5) für die Antriebswelle (7)
- ω1
- maximale Drehgeschwindigkeit der Antriebsräder (5, 5a) für die Antriebswelle (7)
- ω2
- mittlere Drehgeschwindigkeit des Antriebsrades (5) für die Antriebswelle (7)
- ω3
- minimale Drehgeschwindigkeit des Antriebsrades (5) für die Antriebswelle (7)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0011230 A1 [0002]
- DE 000002262904 A [0006]
