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Die Erfindung betrifft ein Messverfahren zur Erfassung der Lage eines insbesondere kapselförmigen Objekts in einem längsaxial geförderten Filterstrang der Tabak verarbeitenden Industrie. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine entsprechende Messanordnung und eine Maschine der Tabak verarbeitenden Industrie.
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In der Tabak bzw. Zigarettenfilter verarbeitenden Industrie werden immer häufiger Kapseln in das Filtermaterial eingebracht, die spezielle Aromen, meist in flüssiger Form, beinhalten. Die Kapseln können durch den Konsumenten unmittelbar vor dem Konsum zerdrückt werden, um die Aromastoffe gezielt und frisch in den Filter freizusetzen. Dabei wird beispielsweise pro Filter eine Kapsel mit einer Einlegevorrichtung in den Filterstrang einer Produktionsmaschine automatisch eingelegt.
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Es ist im Stand der Technik bekannt, das Vorhandensein und die taktbezogene Lage der Kapseln in Axial- bzw. Strangrichtung zu prüfen. Die genaue Lage in Axial- bzw. Strangrichtung ist einerseits für die Weiterverarbeitung des Produkts von Bedeutung, damit z.B. eine etwaige Laserperforation am fertigen Produkt die Kapsel nicht beschädigt. Des Weiteren weist das Umhüllungspapier des Endprodukts meist eine Markierung der Kapselposition auf, um dem Konsumenten das Zerdrücken der dann nicht mehr sichtbaren Kapsel zu erleichtern. Die Kapsel soll sich dann in Axialrichtung immer genau unter der Markierung befinden.
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Die
WO 2009/099793 A2 offenbart eine Messvorrichtung zur Ermittlung des Zustands eines Objekts in einem Filterstrang einer Filterstabherstellmaschine. Der festzustellende Zustand umfasst beispielsweise das Fehlen eines Objekts, fehlerhafte Anordnung oder fehlerhaftes Objekt. Die Messvorrichtung kann beispielsweise einen Mikrowellensensor, einen Betastrahlungssensor, einen Infrarotsensor oder einen Röntgensensor aufweisen.
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Aus der
DE 10 2009 017 963 A1 ist eine Mikrowellen-Messvorrichtung zur Ermittlung der Position der Kapsel in längsaxialer Richtung des Strangs in einer Filterstrangmaschine bekannt. In Abhängig des Messsignals kann die Drehgeschwindigkeit eines Kapseleinlegerads oder eine Schneideinrichtung zum Zerschneiden des Filterstrangs in Filterstäbe geregelt werden.
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Bei einer Abweichung der Kapsellage senkrecht zu der Strangachse, d.h. wenn die Kapsel nicht mittig in dem Filtermaterial liegt, kann es zu einer Beschädigung oder Zerstörung der Kapsel insbesondere in weiterverarbeitenden Prozessen kommen. Beispielsweise unterliegt ein Filter mit einer Kapsel in einer Zigarettenherstellmaschine unterschiedlichen Krafteinwirkungen, z.B. beim Rollprozess mit einer Startleiste. Wenn die Kapsel beschädigt oder zerstört wird, wird der Aromastoff unkontrolliert freigesetzt und die gewünschte kontrollierte Freisetzung durch den Konsumenten des Endprodukts ist nicht mehr möglich. Bisher wird daher mit hohem konstruktivem Aufwand versucht, eine mechanische Stressung der nicht immer mittig liegende Kapsel von vorneherein zu vermeiden, beispielsweise mittels Freistichen, Vermeidung von Führungen in Kapselnähe, etc. Diesen Bemühungen sind aber konstruktive Grenzen gesetzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messverfahren und eine Messanordnung bereitzustellen, bei der die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des Objekts in der Filterherstellung bzw. -verarbeitung und somit eines fehlerhaften Endprodukts reduziert werden kann.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Aufgrund der mantelseitigen Durchstrahlung des Filterstrangs mittels mindestens drei optischen Achsen, die wechselseitig unabhängig zueinander angeordnet sind, kann die Position des Objekts in zwei Richtungen senkrecht zu der Strangachse auf einfache Weise mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Auf der Grundlage der ermittelten Lage des Objekts können unterschiedliche geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um bei der Weiterverarbeitung eine Beschädigung des eingelegten Objekts verhindern zu können. Aufwändige konstruktive Maßnahmen zur Vermeidung einer mechanischen Stressung eines nicht mittig liegenden Objekts sind aufgrund der Erfindung entbehrlich. Schließlich ist die Verwendung einer optischen Messvorrichtung generell weniger aufwändig und somit erheblich kostengünstiger als im Stand der Technik eingesetzte Mikrowellenmessvorrichtungen. Wenn vorteilhaft auch die Position des Objekts in Strangrichtung aus den Messsignalen ermittelt wird, steht eine maximale Lageinformation in allen drei Raumrichtungen zur Verfügung.
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Das Objekt kann insbesondere ein hohles Objekt und mit einem insbesondere flüssigen Aromastoff gefüllt sein. Es handelt sich vorzugsweise um diskrete, d.h. in Strangrichtung nichtkontinuierliche Objekte, die mit regelmäßigem axialem Abstand zueinander angeordnet sind, insbesondere Kapseln oder Kugeln. Die Anwendung der Erfindung für ein kontinuierliches Objekt wie beispielsweise einen mit Aromastoff getränkten Faden ist aber nicht grundsätzlich ausgeschlossen.
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Die optische Messvorrichtung arbeitet vorzugsweise im sichtbaren Wellenlängenbereich und/oder im Infrarotbereich. Denkbar ist auch eine Ultraviolett-Messvorrichtung.
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Vorzugsweise schließen die optischen Achsen der Messvorrichtung wechselseitig einen Winkel von mindestens 30°, weiter vorzugsweise mindestens 45° miteinander ein, wodurch die Genauigkeit der Lagebestimmung erhöht werden kann. Besonders vorteilhaft sind die optischen Achsen in gleichmäßigen Winkelabständen um den Filterstrang herum angeordnet. Zweckmäßigerweise ist jeder optischen Achse eine einachsige Messeinrichtung mit einer Lichtquelle und einem Sensor zugeordnet. Vorzugsweise sind Lichtquelle und Sensor jeder Messeinrichtung auf gegenüberliegenden Seiten des Filterstrangs angeordnet. Die Messeinrichtungen arbeiten demnach vorteilhaft im Durchstrahlungsverfahren. Besonders vorteilhaft beträgt die Anzahl der optischen Achsen drei, wodurch die Erfindung mit minimalem Aufwand realisiert wird.
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Auf der Grundlage der ermittelten Lage des Objekts können unterschiedliche vorteilhafte Maßnahmen ergriffen werden. Vorzugsweise wird eine Abweichung der ermittelten Lage zu einer Solllage ermittelt. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Gut-Schlecht-Bewertung der Lage des Objekts anhand eines Vergleichs der ermittelten Abweichung mit einem vorzugsweise einstellbaren Schwellwert.
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In einer Filterherstellungs- oder filterverarbeitenden Maschine wird vorzugsweise ein Lagesignal, das Information zu der ermittelten Lage der Objekte enthält, automatisch und kontinuierlich bereitgestellt. Vorzugsweise wird das Lagesignal taktbezogen relativ zu dem Takt einer Maschine der Tabak verarbeitenden Industrie bereitgestellt.
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Auf der Grundlage des Lagesignals kann vorteilhaft eine Einrichtung zum Einlegen der Objekte in den Filterstrang angesteuert werden. Insbesondere kann vorteilhaft auch eine Verstellung bzw. Regelung der zweidimensionalen Lage des eingelegten Objekts senkrecht zur Strangachse erfolgen, wobei der mittels der Messvorrichtung gemessene Ist-Wert der Lage mit dem in der Regel zentrischen Soll-Wert der Lage im Filterstrang übereinstimmt. Dies war im Stand der Technik bisher nicht bekannt. Selbstverständlich kann zusätzlich auch eine Verstellung oder Regelung der axialen Lage des Objekts erfolgen.
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In einer Ausführungsform kann das taktbezogene Lagesignal vorteilhaft zur Ausschleusung von Filterelementen mit fehlerhafter Objektlage verwendet werden. Generell kann die Lageinformation vorteilhaft auf einem Bedienerterminal einer filterverarbeitenden Maschine angezeigt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Ansicht einer Filterstab-Herstellungsmaschine;
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2 eine Querschnittsansicht einer optischen Messvorrichtung; und
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3, 4 Kurvendiagramme der Messintensität bei einer mittig und einer exzentrisch in einem Filterstrang liegenden Kapsel.
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Die Filterstab-Herstellungsmaschine 10 gemäß 1 umfasst eine Filtertow-Aufbereitungseinheit 120 und eine daran anschließende Filterstrangmaschine 140. In der Aufbereitungseinheit 120 wird ein Filtertowstreifen 61 nach dem Abziehen von dem Filtertowballen 110 gereckt, ausgebreitet und mit einem Weichmacher, beispielsweise Triacetin, besprüht. Der so aufbereitete Materialstreifen 61 wird nachfolgend der Filterstrangmaschine 140 insbesondere durch einen Einlauftrichter 141 zugeführt. In der Filterstrangmaschine 140 ist eine Formatvorrichtung 53 vorgesehen, die aus dem Filtertowstreifen 61 durch Umhüllung mit einem nicht gezeigten, von einer Bobine abgezogenen Umhüllungsstreifen einen Filterstrang 40 bildet.
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Zwischen dem Einlauftrichter 141 und der Formatvorrichtung 53 ist eine Einlegevorrichtung 42 zum Einlegen von mit Aromastoff gefüllten, aus einem Reservoir 12 entnommenen Kapseln in den Materialstreifen 61 angeordnet. Die Einlegevorrichtung 42 kann unterschiedlich ausgeführt sein, beispielsweise als Einlegerad, Einlegefinger, oder auf andere geeignete Weise. Vorzugsweise ist die Einlegevorrichtung 42 hinsichtlich der axialen Lage und/oder der dazu senkrechten Lage der Kapseln in dem Filterstrang verstellbar. Insbesondere ist die Einlegevorrichtung 42 hinsichtlich der axialen und/oder der dazu senkrechten Lage der Kapseln in dem Filterstrang von einer elektronischen Steuereinheit 13 ansteuerbar.
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In anderen Ausführungsformen ist die Einlegevorrichtung 42 in der Filtertow-Aufbereitungseinheit 120 angeordnet.
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Der Filterstrang 40 wird mittels einer Schneidvorrichtung 46 in Filterstäbe 41 geschnitten, die üblicherweise eine mehrfache, beispielsweise doppelte Gebrauchslänge aufweisen. Pro einer Zigarette entsprechendem Filterelement ist üblicherweise eine Kapsel vorgesehen. Anschließend an die Schneidvorrichtung 46 kann eine Ausschussvorrichtung 51 vorgesehen sein, die eingerichtet ist, einzelne als fehlerhaft erkannte Filterstäbe 41 beispielsweise mittels Druckluft aus dem Filterstrom zu entfernen. Nach Verlassen der Filterstrangmaschine 140 werden die Filterstäbe 41 zwischengelagert oder einer nachfolgenden Verarbeitung beispielsweise in einer Zigarettenherstellmaschine zugeführt.
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Zwischen der Formatvorrichtung 53 und der Schneidvorrichtung 46 ist eine in 1 nur schematisch dargestellte optische Messvorrichtung 45 angeordnet, mittels der die zweidimensionale Lage (x, y) senkrecht zum Filterstrang und vorzugsweise auch die axiale Lage (z) der Kapseln 20 in dem Filterstrang 40 kontinuierlich bestimmt wird. Eine bevorzugte Ausführungsform der optischen Messvorrichtung 45 wird nachfolgend noch genauer erläutert. Die Messvorrichtung 45 stellt daher ein Signal mit den fortlaufenden Koordinaten der Kapsel in x-, y- und z-Richtung zur Verfügung. Die ermittelte Position der Kapseln wird an die elektronische Steuereinheit 13 übermittelt und beispielsweise auf einem mit der Steuereinheit 13 verbundenen Bedienterminal 14 angezeigt.
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Die Steuereinheit 13 regelt die Einlegevorrichtung 42 vorzugsweise so, dass die von der Messvorrichtung 45 bestimmte zweidimensionale Position der Kapseln senkrecht zum Filterstrang der insbesondere mittigen Solllage entspricht. Vorzugsweise wird in ähnlicher Weise auch die axiale Lage der Kapseln auf ihren Sollwert geregelt.
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Zusätzlich oder alternativ zu der Regelung der zweidimensionale Lage der Kapseln senkrecht zum Filterstrang kann auch eine Ausschleusung von Kapseln, deren Abstand zur insbesondere zentrischen Sollposition einen bestimmten Schwellwert überschreitet, durch Ansteuerung der Ausschussvorrichtung 51 erfolgen.
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Anhand der ermittelten axialen Lage der Kapseln in dem Filterstrang kann des Weiteren eine Ansteuerung bzw. Regelung der Schneidvorrichtung 46 so erfolgen, dass die axiale Lage der Kapsel in dem einzelnen Filterelement mit der axialen Solllage übereinstimmt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der optischen Messvorrichtung 45 ist in 2 gezeigt. Die Messvorrichtung 45 umfasst eine Mehrzahl von hier drei Messeinrichtungen 15, 15’, 15’’. Jede Messeinrichtung 15 (15’, 15’’) ist vorzugsweise eine einachsige Messeinrichtung und umfasst eine Lichtquelle 16 (16’, 16’’) und ein lichtempfindliches Sensorelement 17 (17’, 17’’), die entlang einer optischen Achse 18 (18’, 18’’) so angeordnet sind, dass das von der Lichtquelle 16 (16’, 16’’) mantelseitig in den Filterstrang 40 eintritt, den Filterstrang durchläuft, mantelseitig aus dem Filterstrang 40 austritt und auf das lichtempfindliche Sensorelement 17 (17’, 17’’) fällt. Die Lichtquellen 16, 16’, 16’’ können beispielsweise Leuchtdioden sein. Die lichtempfindlichen Sensorelemente können beispielsweise Photodioden oder CCD-Elemente sein. Die Lichtquellen 16, 16’, 16’’ und/oder die Sensorelement 17, 17’, 17’’ können entfernt von dem Filterstrang 40 angeordnet sein, wobei die optische Verbindung zu dem Filterstrang 40 insbesondere mittels Lichtleitern erfolgen kann. Dies ermöglicht eine kleine Bauform und eine flexible Anordnung der Messvorrichtung 45. Die Messeinrichtungen 15, 15’, 15’’ können beispielsweise mit Rotlicht oder Infrarotlicht arbeiten.
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Die Messeinrichtungen 15, 15’, 15’’ bzw. die optischen Achsen 18, 18’, 18’’ sind vorzugsweise senkrecht zur Strangachse und vorteilhaft unabhängig zueinander angeordnet, d.h. sie schneiden sich in einer Ansicht entlang der Strangachse wie in 2 unter einem von Null verschiedenen Winkel von vorzugsweise mindestens 30°, weiter vorzugsweise mindestens 45°. Vorzugsweise sind die Messeinrichtungen 15, 15’, 15’’ bzw. die optischen Achsen 18, 18’, 18’’ regelmäßig bzw. mit gleichen Winkelabständen, hier 60°, relativ zueinander um den Filterstrang 40 herum angeordnet. Die Messeinrichtungen 15, 15’, 15’’ sind in der Ausführungsform gemäß 2 in derselben Ebene insbesondere senkrecht zur Strangachse angeordnet. Dies ist aber nicht zwingend der Fall, die Messeinrichtungen 15, 15’, 15’’ können auch in Strangrichtung hintereinander bzw. axial beabstandet zueinander bzw. an unterschiedlichen axialen Positionen des Filterstrangs angeordnet sein. Dies kann vorteilhaft sein, um unerwünschte Interferenzen zwischen den Messeinrichtungen 15, 15’, 15’’ zu verhindern.
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Die Wellenlänge der Messeinrichtungen 15, 15’, 15’’ ist vorteilhaft so gewählt, dass das Filtermaterial 21, insbesondere Zelluloseacetatfasern, und der Umhüllungsstreifen eine gegenüber der Kapsel 20 nur geringe Abschwächung des von den Lichtquellen 16, 16’, 16’’ ausgestrahlten Lichts bewirken. Das Filtermaterial 21 und der Umhüllungsstreifen sind somit in Bezug auf die Messwellenlänge im Wesentlichen lichtdurchlässig bzw. transparent. Jede der Messeinrichtungen 15, 15’, 15’’ misst daher im Wesentlichen die Abschattung des von der entsprechenden Lichtquelle 16, 16’, 16’’ ausgesandten Lichts durch die Kapsel 20. Wenn die Kapsel 20 mittig in dem Filterstrang 40 liegt, ist das Messsignal sämtlicher Messeinrichtungen 15, 15’, 15’’ idealerweise gleich groß. Wenn die Kapsel 20 nicht mittig in dem Filterstrang 40 liegt, unterscheiden sich die Messsignale der Messeinrichtungen 15, 15’, 15’’ voneinander. Aus der relativen Größe der Messsignale der Messeinrichtungen 15, 15’, 15’’ lässt sich die Lage der Kapsel 20 in radialer Richtung bzw. in x-/y-Richtung, d.h. in einer Ebene senkrecht zu der Strangachse (Papierebene in 2), quantitativ bestimmen. Die entsprechende Auswertung der Messsignale wird insbesondere in der elektronischen Steuereinheit 13 durchgeführt.
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Die Messsignale werden kontinuierlich von den Messeinrichtungen 15, 15’, 15’’ abgenommen. Aufgrund des Transports des Filterstrangs 40 in Strangrichtung ergibt sich ein zeitlicher Verlauf, wie er in den 3 und 4 wiedergegeben ist. Die Kurven I, I’ und I’’ geben die Messintensität der von den lichtempfindlichen Sensorelementen 17, 17’ bzw. 17’’ aufgenommenen Messsignale wieder. Aufgrund des Transports in z-Richtung spiegeln die Kurven den Verlauf in z-Richtung wider. Zum Zeitpunkt t0 befindet sich die Kapsel 20 in Strangrichtung mittig in der Messebene. In dieser Position ist die Messintensität aufgrund der Abschattung des einfallenden Lichts durch die Kapsel 20 minimal. Durch Feststellung von t0, oder eines anderen charakteristischen Zeitpunkts, kann somit ein auf den Maschinentakt bezogener Lagebezug in z-Richtung ermittelt werden. Die Bereiche maximaler Intensität in den 3 und 4 entsprechen den Phasen zwischen den Kapseln, wo das Licht unbehindert durch die Kapseln 20 auf die lichtempfindlichen Sensorelemente 17, 17’ bzw. 17’’ fällt. Die Zeitdauer der Kurven in 3 und 4 erstreckt sich jeweils über etwas mehr als eine Kapsellänge 20.
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In 3 ist der Messverlauf für eine ideal mittig liegende Kapsel 20 gezeigt. Hier befinden sich zum Zeitpunkt t0 sämtliche Kurven I, I’, I’’ auf demselben minimalen Intensitätsniveau. In 4 ist der Messverlauf für eine exzentrische Position der Kapsel 20 gezeigt. Hier befinden sich zum Zeitpunkt t0 die Kurven I, I’, I’’ auf unterschiedlichen Intensitätsniveaus.
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Die Messvorrichtung 45 kann auch mehr als drei Messeinrichtungen 15, 15’, 15’’, ... aufweisen, wodurch gegebenenfalls die Messgenauigkeit erhöht werden kann.
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Die Messvorrichtung 45 kann neben der Lageermittlung der Kapseln 20 auch weitere Funktionen ausüben, beispielsweise Segmentüberwachung bzw. -kontrolle beispielsweise bei verschieden lichtdurchlässigen Filtersegmenten eines Multisegmentfilters, und/oder Lückenüberwachung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/099793 A2 [0004]
- DE 102009017963 A1 [0005]
