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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dämpfen einer Oszillation einer über eine Antriebseinheit angetriebenen Walze in einem Drucksystem, bei dem über die Walze eine Bedruckstoffbahn geführt ist. Die Antriebseinheit treibt die Walze mit einem vorbestimmten, insbesondere einem konstanten, Sollmoment an. Die Walze und die Bedruckstoffbahn bilden ein schwingfähiges System.
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Im Drucksystem wird die Bedruckstoffbahn über eine Vielzahl von Walzen geführt, wobei die Bedruckstoffbahn und die Walzen zusammen ein schwingfähiges System bilden können, bei dem die Masse des schwingenden Systems insbesondere durch Walzen mit einem hohen Trägheitsmoment und die Elastizität durch die Bedruckstoffbahn gebildet werden.
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Insbesondere bei sogenannten Kreuzwendern, die eingesetzt werden um die Bedruckstoffbahn zwischen zwei Druckeinheiten zu wenden, so dass die Bedruckstoffbahn beidseitig bedruckt werden kann, kommt es häufig zu Problemen durch Oszillationen, da bei ihnen die Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems mit der Erregungsfrequenz übereinstimmen kann, so dass es zur Resonanz kommt und entsprechend sich die Schwingung hochschaukelt. Dies führt zu hohen Schwankungen in dem Zug innerhalb der Bedruckstoffbahn, welche sich bis in die bilderzeugenden Umdruckbereiche der Druckeinheiten fortpflanzen können und somit zu Farbregisterfehlern führen können. Darüber hinaus kann durch zu hohen Zug ein Reißen der Bedruckstoffbahn, insbesondere beim Bedrucken von perforierten Bahnen, entstehen. Ferner haben solche Drucksysteme häufig Überwachungen für die Spannung der Bedruckstoffbahn, die durch solche Resonanzschwingungen ausgelöst werden können, was zur Außerbetriebnahme des Drucksystems führen kann. Darüber hinaus kann Losen kommen, was wiederum zu einem Synchronisationsverlust beim Bedrucken der Vorder- und der Rückseite führen kann.
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Kreuzwender sind besonders anfällig für solche Resonanzschwingungen, da in ihnen eine Kühlwalze verbaut sein kann, die ein sehr großes Trägheitsmoment aufweist. Je nach Geschwindigkeit, mit der die Bedruckstoffbahn durch das Drucksystem transportiert wird, kommt es durch Exzentrizitäten von Walzen, über die die Bedruckstoffbahn geführt wird, zu einer Erregung mit unterschiedlichen Frequenzen. Stimmt diese Erregerfrequenz mit der Eigenfrequenz des durch die Kühlwalzen und die Bedruckstoffbahn gebildeten schwingfähigen Systems überein, tritt entsprechend Resonanz auf.
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Die Eigenfrequenz liegt, abhängig vom Bedruckstoffbahnquerschnitt und Material der Bedruckstoffbahn im Bereich zwischen 4 und 18 Hz. Je nach Geschwindigkeit kann die Erregerfrequenz zwischen 0 und 40 Hz liegen, wobei aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser der verschiedenen verbauten Walzen und der jeweiligen Exzentrizität dieser Walze bei der gleichen Geschwindigkeit unterschiedliche Erregerfrequenzen auftreten, so dass das Auftreten eines Resonanzfalls sehr wahrscheinlich ist.
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Eine erste bekannte Möglichkeit zum Vermeiden von Fehlern durch Oszillationen besteht darin, dass vermieden wird, dass das Drucksystem im den gefährdeten Resonanzbereichen betrieben wird. Hierzu werden beim Verändern der Geschwindigkeit, mit der die Bedruckstoffbahn transportiert wird, diese Veränderungen möglichst schnell durchgeführt, um den Resonanzbereich schnell zu durchlaufen.
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Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass es nahezu unmöglich ist, die Resonanzbereiche zuverlässig zu umgehen, aufgrund der vielen verschiedenen Walzen und der durch sie erzeugten unterschiedlichen Erregerfrequenzen und der unterschiedlichen Eigenfrequenzen in Abhängigkeit der verwendeten Bedruckstoffbahn.
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Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Vermeidung von Problemen mit Oszillationen ist es, die Resonanzbereiche so zu verlegen, dass sie außerhalb der üblichen Betriebszustände des Drucksystems liegen. Aus dem Dokument
US 2011/0315031 A1 ist es beispielsweise bekannt, dass hierzu Umlenkwalzen verschoben werden, um somit die Federkonstante der elastischen Bedruckstoffbahn und somit die Eigenfrequenz des schwingenden Systems zu ändern. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass für jede verwendete Bedruckstoffbahn eine aufwändige Anpassung notwendig ist.
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Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Verminderung von Resonanzproblemen ist es, dass die Erregungsamplituden minimiert werden. Eine Möglichkeit hierfür ist es, zu versuchen, die Exzentrizitäten der Walzen, über die die Bedruckstoffbahn geführt ist, zu minimieren, so dass nur eine minimale Erregung erfolgt. Dies ist jedoch mit sehr hohen Kosten verbunden.
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Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung von Resonanzproblemen ist es, die auftretenden Oszillationen zu dämpfen. Eine solche Dämpfung kann mechanisch und/oder elektrisch über eine Steuerung erfolgen.
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Bei einer mechanischen Dämpfung werden insbesondere mechanische Viskodämpfer verwendet, bei denen ein dichtes Gehäuse auf der zu dämpfenden Welle abgedichtet gelagert ist, wobei in diesem dichten Gehäuse ein Silikonöl eingefüllt ist. Ferner ist an der Welle eine Scheibe angeordnet, die sich mit der Welle dreht und innerhalb des silikonölgefüllten Gehäuseraumes angeordnet ist. Wenn eine Oszillation auftritt, so ergibt sich durch die viskose Reibung ein zur Geschwindigkeitsänderung proportionales Moment, welches der Oszillation entgegengerichtet ist und somit zu jedem Zeitpunkt eine Dämpfung herbeiführt.
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Der Nachteil an einem solchen mechanischen Viskodämpfern ist es, dass diese teuer sind, ein hohes Gewicht haben, und viel knappen Bauraum in Anspruch nehmen. Darüber hinaus führen solche mechanischen Viskodämpfer zu Problemen beim Beschleunigen und Abbremsen der angetriebenen Walze, da die Viskodämpfer mit beschleunigt bzw. mit gebremst werden müssen, so dass ein unnötiger Kraft- und Energieaufwand entsteht und der Beschleunigungs- bzw. Bremsvorgang verzögert wird. Darüber hinaus entsteht durch die Reibung zwischen der Scheibe und dem Silikonöl Wärme, die zu einer erheblichen Erwärmung des viskomechanischen Dämpfers führen kann. Ferner können solche viskomechanischen Dämpfer nur sehr aufwändig an verschiedene Anwendungsfälle angepasst werden.
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Bei der elektrischen Dämpfung wird die Oszillation ermittelt und die Ansteuerung der Antriebseinheit der Walze entsprechend derart angepasst, dass die Oszillation gedämpft wird.
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Aus dem Dokument
EP 1 837 178 A2 ist hierzu ein Verfahren zur Kompensation einer Schwingung bekannt, bei dem ein Frequenzspektrum der Schwingung ermittelt wird und in Frequenzanteile aufgeteilt wird, wobei durch die Aufteilung in die Frequenzanteile mehrere Gegenmomente ermittelt werden, durch die die Schwingungen kompensiert werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist es, dass hierzu die Aufnahme von Systemparametern notwendig ist, und insbesondere sämtliche Erregerfrequenzen und Amplituden des Drucksystems im Betrieb aufwändig ermittelt werden müssen. Insbesondere sind hierzu teure Sensoren notwendig.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Dämpfen einer Oszillation einer über eine Antriebseinheit angetriebenen Walze in einem Drucksystem anzugeben, mit dessen Hilfe Oszillationen einfach und zuverlässig gedämpft oder gar vermieden werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird mit Hilfe eines Sensors ein Ist-Wert einer für die Geschwindigkeit, mit der die Bedruckstoffbahn durch die Walze transportiert wird, repräsentativen Größe ermittelt. Mit Hilfe einer vorbestimmten Rechenvorschrift wird aus dem ermittelten Ist-Wert ein Korrekturmoment derart berechnet, dass sich eine Dämpfung des schwingfähigen Systems wie bei einem mechanischen Viskodämpfer ergibt. Dieses Korrekturmoment wird anschließend bei der Steuerung der Antriebseinheit zum voreingestellten Sollmoment hinzuaddiert, so dass die Oszillation kompensiert wird.
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Somit wird die Eigenschaft eines mechanischen Viskodämpfers auf sehr einfache Weise elektronisch bei der Ansteuerung der Antriebseinheit der Walze nachgebildet. Dies hat den Vorteil, dass auf der einen Seite die positiven Eigenschaften eines mechanischen viskoelastischen Dämpfers, nämlich dass dieser Oszillation ohne großen Aufwand zuverlässig und in Abhängigkeit der auftretenden Geschwindigkeitsänderung dämpft, auf sehr einfache Weise umgesetzt werden, auf der anderen Seite jedoch die Nachteile eines mechanischen Viskodämpfers vermieden werden. Insbesondere sind keine zusätzlichen Bauteile notwendig, so dass Kosten, Bauraum und Gewicht eingespart werden. Darüber hinaus muss der „elektronische Dämpfer“ bei dem Ändern der Geschwindigkeit der Bedruckstoffbahn nicht mit beschleunigt werden, so dass keine Verzögerungen auftreten und der Energieverbrauch minimiert wird.
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Ein solcher elektrischer viskoser Dämpfer hat ferner den Vorteil, dass Teile der Dämpfungsenergie automatisch in die Antriebseinheiten des Drucksystems abgeführt werden und, im Gegensatz zu mechanischen Viskodämpfern, nur eine sehr geringe Erwärmung auftritt.
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Darüber hinaus können solche elektrischen Dämpfer sehr einfach an Parameteränderungen des Drucksystems angepasst werden, so dass verschiedene Anwendungsfälle ohne mechanische Umbauten sicher gedämpft werden können.
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Verglichen mit bekannten elektrischen Dämpfern, die auch in die Steuerung der Antriebseinheit über Korrekturmomente eingreifen, hat das Verfahren des Anspruchs 1 den Vorteil, dass lediglich der Ist-Wert der für die Geschwindigkeit repräsentativen Größe ermittelt werden muss und dann mit einer einfachen Rechenvorschrift ohne den Zugriff auf weitere Systemparameter außer der Soll-Geschwindigkeit und ohne aufwändige Analyse und Ermittlung der Oszillationen und deren Frequenzen die Dämpfung der Oszillation gesteuert werden kann. Somit ist nur ein minimaler Aufwand notwendig und es müssen insbesondere keine zusätzlichen Sensoren verwendet werden, da standardmäßig verwendete Antriebseinheiten bereits Drehzahlgeber aufweisen, die für die Ermittlung des Ist-Wertes verwendet werden können.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn als repräsentative Größe die Drehzahl der Antriebseinheit, insbesondere die Drehzahl einer Abtriebswelle der Antriebseinheit, oder die Winkelgeschwindigkeit der Abtriebswelle der Antriebseinheit ermittelt wird. Dies kann einfach durch in standardmäßig verwendeten Motoren bereits integrierte Drehzahlgebern erfolgen. Alternativ kann die Geschwindigkeit auch über die Drehzahl der Walze, die Winkelgeschwindigkeit der Walze oder die Oberflächengeschwindigkeit der Walze ermittelt werden. Ferner ist es alternativ möglich, dass die Geschwindigkeit der Bedruckstoffbahn im Bereich der Walze ermittelt und als repräsentative Größe verwendet wird. Letztendlich können alle zuvor genannten Größen ineinander umgerechnet werden und stellen ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der die Bedruckstoffbahn transportiert wird und somit für die Geschwindigkeit, mit der sich die Walze momentan dreht, dar. Da die Antriebseinheit in einem Momentenmodus betrieben ist, ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Walze dreht und die Geschwindigkeit der Bedruckstoffbahn immer identisch, so dass auch die Geschwindigkeit der Walze und somit der Abtriebswelle die Oszillationen des schwingfähigen Systems mit abbilden.
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Das schwingfähige System ist insbesondere aus der Walze und der Bedruckstoffbahn gebildet. Bei der Walze handelt es sich insbesondere um eine Kühlwalze eines Kreuzwenders, mit dessen Hilfe zwischen Druckeinheiten die Bedruckstoffbahn gewendet wird, so dass ein beidseitiger Druck möglich ist.
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Der Ist-Wert wird insbesondere mit Hilfe eines Drehzahlgebers der Antriebseinheit der Walze ermittelt, so dass hierfür kein eigener Sensor notwendig ist, sondern das gesamte Verfahren zur Dämpfung der Oszillation mit bereits im Drucksystem vorhandenen Komponenten bewerkstelligt werden kann, so dass keine zusätzlichen Kosten entstehen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird nicht nur ein einziger Ist-Wert, sondern ein Ist-Signalverlauf der repräsentativen Größe ermittelt. Dies geschieht insbesondere parallel zum Betrieb in Echtzeit.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird von diesem ermittelten Ist-Signalverlauf der repräsentativen Größe ein Soll-Signalverlauf der repräsentativen Größe subtrahiert. Hierdurch ergibt sich ein Differenzverlauf, welcher anschließend differenziert wird. Der so erhaltene Verlauf wird mit einem vorbestimmten Faktor multipliziert, wodurch sich ein Korrekturmomentenverlauf ergibt, der dann zu dem vorbestimmten, insbesondere konstanten, Sollmoment bei der Ansteuerung der Antriebseinheit hinzuaddiert wird.
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Durch das Subtrahieren des Ist-Signalverlaufes von dem Soll-Signalverlauf wird erreicht, dass der Differenzverlauf jeweils die ungewollte Oszillation ohne das eigentliche Sollmoment abbildet. Durch die Differentiation dieses Differenzverlaufs wird erreicht, dass die Änderung der Geschwindigkeit ermittelt wird und sich somit ein zur ungewollten resultierenden Oszillation proportionales Signal wie bei einem viskomechanischen Dämpfer ergibt. Dieses Signal entspricht der resultierenden aller die Oszillation erregenden Störmomente. Durch die Multiplikation mit dem vorbestimmten Faktor wird anschließend hieraus das notwendige Korrekturmoment ermittelt. Somit wird auf besonders einfache Weise ein viskoelastischer mechanischer Dämpfer bei der Ansteuerung simuliert und eine zuverlässige geschwindigkeitsabhängige Dämpfung des Systems ohne großen Rechenaufwand erreicht. Der vorbestimmte Faktor hat insbesondere einen konstanten Wert, wobei der vorbestimmte Faktor vom Betrag her insbesondere dem Wert des Trägheitsmomentes der schwingenden Masse, also insbesondere des Trägheitsmomentes der Walze, entspricht. Alternativ kann der Faktor auch einen Wert kleiner als das Trägheitsmoment der Walze haben.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Soll-Signalverlauf bei einer weiteren Berechnung direkt, also ohne Subtraktion des Ist-Signalverlaufs, differenziert wird, so dass sich ein Signalverlauf ergibt, der die Änderung der Geschwindigkeit wiedergibt. Anschließend wird dieser erhaltene Verlauf wiederum mit einem vorbestimmten Faktor multipliziert, wobei hierbei wiederum vorzugsweise der vorbestimmte Faktor dem Trägheitsmomentes des schwingenden Systems, vorzugsweise der Walze, entspricht. Der so enthaltene Korrekturmomentenverlauf wird ebenfalls zum Sollmoment hinzuaddiert und entsprechend bei der Ansteuerung der Antriebseinheit der Walze berücksichtigt.
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Durch diese weitere Rechenvorschrift wird eine Vorsteuerung realisiert, durch die bei einem Beschleunigen oder Bremsen der Walze ein zusätzliches Moment zu dem Sollmoment hinzuaddiert wird, um durch die Trägheit der Walze verursachte Verzögerungen bei dem Beschleunigen oder Bremsen zu verhindern. Dadurch wird erreicht, dass auf die Papierbahn ein gleichbleibendes resultierendes Moment ausgeübt wird, und somit keine Verschiebungen im Farbregister oder Erhöhungen der Bahnzugspannung auftreten.
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Ohne eine solche Vorsteuerung besteht das Problem, dass der Momentenantrieb der Antriebseinheit ein konstantes Moment liefert, dieses jedoch nur direkt für die Abtriebswelle der Antriebseinheit gilt. Das auf die Bedruckstoffbahn wirkende Moment wird durch die durch die Masse der Walze entstehenden Kräfte bei der Beschleunigung bzw. beim Abbremsen erheblich verändert, was bei einem Bremsen zur Folge hat, dass die Bahnzugspannung erhöht wird. Bei Beschleunigungen kann es umgekehrt zu einem Abfall der Bahnspannung kommen, was zum Verrutschen der Bahnführung führen kann.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die beiden zuvor beschriebenen Verfahren parallel durchgeführt und die sich hieraus ergebenden Korrekturmomentenverläufe zu einem resultierenden Korrekturmomentenverlauf addiert, welcher dann wiederum zum Sollmoment hinzuaddiert wird und entsprechend bei der Ansteuerung der Antriebseinheit berücksichtigt wird. Hierdurch wird erreicht, dass durch die zuerst genannte Berechnung entstehende Oszillationen gedämpft werden und durch die durch die zweitgenannte Berechnung erfolgte Vorsteuerung das Auftreten von Oszillationen beim Ändern der Geschwindigkeiten vermieden oder zumindest vermindert werden.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn als Soll-Signalverlauf die mittlere Transportgeschwindigkeit der Bedruckstoffbahn verwendet wird, welche insbesondere als zeitabhängiger Maschinensollwert in Echtzeit dem Drucksystem entnommen werden kann. Hierbei kann insbesondere auf bereits bekannte Daten zurückgegriffen werden.
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Die zuvor genannten Verfahrensschritte werden insbesondere automatisch von einer Steuereinheit des Drucksystems durchgeführt. Insbesondere sind hierfür entsprechende Programmdaten in der Steuereinheit hinterlegt, die entsprechend abgearbeitet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den beigefügten Figuren näher erläutern.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Drucksystems;
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2 eine schematische Darstellung eines Kreuzwenders des Drucksystems nach 1;
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3 eine schematische Darstellung des schwingfähigen Systems des Drucksystems nach den 1 und 2;
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4 eine Tabelle sich ergebender Erregerfrequenzen und Resonanzbereichen bei einer beispielhaften Eigenfrequenz von etwa 8 Hz,
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5 ein Signalflussdiagramm eines Verfahrens zum Dämpfen von Oszillationen des schwingfähigen Systems nach 3;
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6 ein Diagramm der sich während der Berechnung der Dämpfung ergebender Signalverläufe;
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7 einen Signalverlauf einer Oszillation ohne Dämpfung; und
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8 einen Signalverlauf der gleichen Oszillation wie in 7 bei Durchführung einer Dämpfung nach dem Verfahren gemäß 5.
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In 1 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausschnitts eines Drucksystems 10 dargestellt. Das Drucksystem 10 umfasst eine erste Druckeinheit 12 zum Bedrucken einer ersten Seite einer Bedruckstoffbahn 16 und eine zweite Druckeinheit 14 zum Bedrucken der der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Bedruckstoffbahn 16. Die erste und die zweite Druckeinheit 12, 14 sind insbesondere identisch ausgebildet.
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Zwischen der ersten und der zweiten Druckeinheit 12, 14 ist ein in 2 gezeigter Kreuzwender 18 angeordnet, mit dessen Hilfe die Bedruckstoffbahn 16 gewendet wird, so dass über die beiden Druckeinheiten 12, 14 entsprechend beide Seiten der Bedruckstoffbahn 16 bedruckt werden können.
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Die Bedruckstoffbahn 16 wird über die erste Druckeinheit 12 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit angetrieben, wobei die erste Druckeinheit 12 den Masterantrieb bildet. Anschließend wird die Bedruckstoffbahn 16 zunächst über eine Umlenkwalze 20 und dann über eine unter 45° angeordnete Umlenkstange 22 geführt. Nachdem die Bedruckstoffbahn 16 über eine weitere Umlenkwalze 24 geführt wurde, wird sie um eine Kühlwalze 26 geführt. Diese Kühlwalze 26 hat, verglichen mit den Umlenkwalzen 20, 24 und der Umlenkstange 22, eine wesentlich größere Masse insbesondere aufgrund der Kühleinheit, und somit auch ein wesentlich höheres Trägheitsmoment.
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Nachdem die Bedruckstoffbahn 16 um die Kühlwalze 26 geführt wurde, wird sie um eine weitere Umlenkstange 28 und eine weitere Umlenkwalze 30 geführt, bevor sie dann in der zweiten Druckeinheit 14 weiter transportiert wird. In der zweiten Druckeinheit 14 ist insbesondere ebenfalls wiederum eine Antriebseinheit zum Transport der Bedruckstoffbahn 16 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit vorgesehen, wobei diese als Slaveantrieb betrieben ist.
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Der Kreuzwender 18 umfasst eine Antriebseinheit 32, deren Abtriebswelle 34 über einen Zahnriemen 36 mit der Kühlwalze 26 gekoppelt ist. Diese Antriebseinheit 32 dient zum Antreiben der Kühlwalze 26, wobei die Antriebseinheit 32 in einem Momentenmodus betrieben ist und die Kühlwalze 26 mit einem vorbestimmten Sollmoment antreibt.
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Die Kühlwalze 26 und die Bedruckstoffbahn 16 bilden ein schwingfähiges System, wobei in 3 ein schematisches Ersatzmodell dieses schwingfähigen Systems dargestellt ist. Die Masse des schwingfähigen Systems wird durch die Kühlwalze 26 gebildet. Durch die Elastizität der Bedruckstoffbahn werden die entsprechenden Rückstellkräfte auf diese Masse ausgeübt.
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Die Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems ist zum einen abhängig von dem Material der Bedruckstoffbahn 16 und zum anderen vom Querschnitt der Bedruckstoffbahn 16. Die Eigenfrequenz kann im Bereich zwischen 4 und 18 Hz liegen, wobei bei standardgemäß verwendeten Bedruckstoffbahnen die Eigenfrequenz etwa 8 Hz beträgt. Bei besonders dünnen und/oder schmalen Bedruckstoffbahnen 16 kann die Eigenfrequenz auch nur 4 Hz, bei besonders breiten Bedruckstoffbahnen mit hoher Grammatur auch bis zu 18 Hz betragen. Die Erregung des aus der Kühlwalze 26 und der Bedruckstoffbahn 16 gebildeten schwingfähigen Systems erfolgt insbesondere durch Exzentrizitäten der Walzen, über die die Bedruckstoffbahn 16 geführt ist, wobei sich diese Exzentrizitäten insbesondere aus Fertigkeitstoleranzen und Ungenauigkeiten ergeben. Dies ist in 3 beispielhaft durch die eingezeichneten Walzen 20, 24 angedeutet. Darüber hinaus ergibt sich die Anregung auch durch Ungleichmäßigkeiten der Momentenbildung mit der Frequenz des Poldurchgangs der beteiligten Antriebseinheiten, also insbesondere der Antriebseinheit 32 der Kühlwalze 26, aber auch der anderen Antriebseinheiten der Druckeinheiten 12, 14.
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Es kommt insbesondere dann zu Problemen durch die auftretenden Oszillationen des schwingfähigen Systems, wenn Erregerfrequenz, mit der das schwingfähige System angeregt wird, mit der Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems übereinstimmt, also Resonanz vorliegt. Dies kann insbesondere dazu führen, dass die Bedruckstoffbahn 16 reißt und/oder es zu Abweichungen im Farbregister kommt.
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In 4 ist eine Tabelle der sich bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Bedruckstoffbahn 16 durch die Unregelmäßigkeiten verschiedener Bauteile ergebenden Erregerfrequenzen dargestellt. In der ersten Spalte ist hierbei Geschwindigkeit, in der zweiten Spalte die sich aufgrund der Polpaare der Antriebseinheit 32 ergebende jeweilige Erregerfrequenz, in der dritten Spalte die sich aufgrund der Exzentrizität der Umlenkwalze 20 ergebenden Erregerfrequenz, in der vierten Spalte die sich aufgrund der Exzentrizität der Antriebswelle ergebenden Erregerfrequenzen und in der letzten Spalte die sich aufgrund der Exzentrizität der Kühlwalze ergebenden Erregerfrequenzen dargestellt. Da die jeweiligen Kühlwalzen einen unterschiedlichen Durchmesser und einen unterschiedlichen Umfang aufweisen, ist bei ein und derselben Geschwindigkeit die entsprechende Erregerfrequenz deutlich unterschiedlich, was, wie der Tabelle entnommen werden kann und im Folgenden noch näher erläutert wird, zur Folge hat, dass sich bei allen gängigen Betriebsgeschwindigkeiten der Bedruckstoffbahn 16 Erregerfrequenzen im Bereich der üblichen Eigenfrequenz von 8 Hz auftreten.
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So entsteht bei einer Geschwindigkeit von 0,5 m/s durch die Polpaare eine Erregung mit einer Frequenz von etwa 8 Hz und somit Resonanz. Bei einer Geschwindigkeit von 1,7 m/s erfolgt dagegen durch die Umlenkwalze 20 eine Erregung mit einer Frequenz von 8 Hz, also der Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems. Bei einer Geschwindigkeit zwischen 2,4 und 2,5 m/s dagegen erfolgt eine Anregung über die Antriebswelle mit einer Frequenz von 8 MHz. Berücksichtigt man darüber hinaus, dass sich bei unterschiedlichen Bedruckstoffbahnen 16 abweichende Eigenfrequenzen im Bereich 4 und 18 Hz ergeben, zeigt die Tabelle, dass bei jeder Betriebsgeschwindigkeit des Drucksystems 10 je nach veränderter Bedruckstoffbahn 16 Resonanzen und erhebliche Probleme durch die Oszillationen auftreten können.
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Somit ist es nahezu unmöglich, solche Resonanzprobleme durch das Verlegen der Resonanzbereiche oder das Umgehen der Resonanzbereiche zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß ist in dem schwingfähigen System daher ein Dämpfer 40 (3) vorgesehen, wobei dieser als ein elektrischer Dämpfer ausgebildet ist, der bei der Ansteuerung der Antriebseinheit 32 der Kühlwalze 26 eingreift und den Antrieb der Kühlwalze immer derart anpasst, dass auftretende Oszillationen vermieden oder gedämpft werden.
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Dieser elektrische Dämpfer 40 ist hierbei derart umgesetzt, dass er mechanischen Viskodämpfer simuliert. Hierdurch wird erreicht, dass die Eigenschaften eines mechanischen Viskodämpfers, also die geschwindigkeitsabhängige Dämpfung der Oszillation umgesetzt werden, die Nachteile jedoch vermieden werden.
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5 zeigt ein Signalflussdiagramm, bei dem die Berechnung der entsprechenden Ansteuerinformationen für die Antriebseinheit 32 dargestellt ist. Hierbei sind in 5 zwei Dämpfungsverfahren integriert dargestellt, die jedoch auch einzeln verwendet werden können.
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Für die Dämpfung der Oszillation wird zunächst im Schritt S10 ein Ist-Drehzahlverlauf von einem Soll-Drehzahlverlauf subtrahiert. Der Ist-Drehzahlverlauf wird insbesondere über einen Drehzahlgeber der Antriebseinheit 32 ermittelt, der ohnehin schon in der Antriebseinheit 32 vorgesehen ist, so dass keine weiteren Bauteile notwendig sind und das Verfahren kostenneutral umgesetzt werden kann. Der Soll-Drehzahlverlauf dagegen ist durch die Ansteuerung des Drucksystems vorgegeben.
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Durch dieses Subtrahieren des Ist-Drehzahlverlaufes von dem Soll-Drehzahlverlauf wird die Oszillation, die sich mit dem eigentlichen gewollten Soll-Drehzahlverlauf überlagert, isoliert.
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Anschließend wird im Schritt S12 der sich ergebende Differenzverlauf nach der Zeit differenziert, so dass sich die Änderung der Geschwindigkeit ergibt, welche proportional zur ungewollten, resultierenden Oszillation ist und somit proportional der resultierenden aller durch die Erreger erzeugten Störmomente ist.
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Anschließend wird im Schritt S14 der sich ergebende Verlauf mit einem vorbestimmten Faktor, welcher dem Trägheitsmoment der schwingenden Masse, also insbesondere des Trägheitsmoments der Kühlwalze entspricht, multipliziert. Alternativ kann der Faktor auch einen Betrag kleiner als die Masse des schwingfähigen Systems haben. Durch die Multiplikation mit diesem vorbestimmten Faktor ergibt sich ein Korrekturmoment, durch welches die Oszillationen des schwingfähigen Systems gedämpft wird, indem das Korrekturmoment zu dem eigentlichen Sollmoment, mit dem die Antriebseinheit 32 die Kühlwalze 26 antreibt, hinzuaddiert wird.
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Bei dem in 5 gezeigten Fall wird parallel zu diesem ersten Korrekturmomentenverlauf noch ein zweiter Korrekturmomentenverlauf ermittelt, durch den eine Vorsteuerung erreicht wird. Hierzu wird der Solldrehzahlverlauf im Schritt S16 direkt, also ohne dass vorher der Ist-Drehzahlverlauf subtrahiert wurde, differenziert und wiederum im Schritt S18 mit dem Negativen des Trägheitsmomentes multipliziert. Diese Vorsteuerung vermeidet Änderungen in der Spannung der Bedruckstoffbahn 16 beim Beschleunigen und/oder Bremsen der Bedruckstoffbahn 16, die sich aufgrund der Trägheit der Kühlwalze 26 ergeben. Hieraus ergibt sich ein zweiter Korrekturmomentenverlauf.
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Im Schritt S20 werden der erste und der zweite Korrekturmomentenverlauf zu einem resultierenden Korrekturmomentenverlauf addiert, welcher dann wiederum im Schritt S22 mit dem Soll-Moment addiert wird. Das sich so ergebende Soll-Momenten wird anschließend in den Schritten S24 und S26 in die entsprechenden Ansteuerungsgrößen für die Antriebseinheit 32 umgesetzt. Durch das Zusammenspiel der Ansteuerung und den Störmomenten aufgrund der Erregerfrequenzen, die sich wie durch den Schritt S30 angedeutet, überlagern, ergibt sich der tatsächliche Geschwindigkeitsverlauf im Schritt S32.
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Bei einem alternativen Verfahren kann auch lediglich die durch die Schritte S10 bis S12 ausgedrückte Dämpfung oder die durch die Schritte S16 und S18 ausgedrückte Vorsteuerung umgesetzt werden.
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In 6 sind zwei Diagramme dargestellt, wobei in dem oberen Diagramm die Drehzahl über der Zeit aufgetragen ist. Die Linie 60 stellt hierbei die ermittelte Ist-Drehzahl, die Linie 62 die Soll-Drehzahl dar. Durch die Subtraktion im Schritt S12 ergibt sich der Differenz-Signalverlauf 64, bei dem nur noch die ungewollte Oszillation abgebildet ist.
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In dem unteren Diagramm ist der sich durch Differenzierung des Signalverlaufes 64 ergebende Signalverlauf dargestellt, welcher die Geschwindigkeitsänderung wiedergibt, die proportional zum Störmoment ist und deswegen durch Multiplikation mit dem entsprechenden vorbestimmten Faktor einfach für die effektive Dämpfung verwendet werden kann.
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In den 7 und 8 sind experimentell ermittelte Verläufe der Oszillationen des schwingfähigen Systems dargestellt, wobei in 7 der Verlauf ohne die zuvor beschriebene Dämpfung und in 8 mit der zuvor beschriebenen Dämpfung gezeigt ist. 8 zeigt deutlich, dass die Oszillation viel schneller abklingt und somit viel weniger Probleme auftreten.
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Das vorstehend beschriebene Verfahren kann selbstverständlich auch für alle weiteren sich durch eine Walze und die Bedruckstoffbahn oder mehrere Walzen und die Bedruckstoffbahn ergebenden schwingfähigen Systeme in Drucksystemen angewandt werden und ist nicht auf Kühlwalzen von Kreuzwendern beschränkt.
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Insgesamt wird durch das zuvor beschriebene Dämpfungsverfahren erreicht, dass alleine durch die Änderung der Ansteuerung der Antriebe der Walzen eine effektive Dämpfung erreicht wird, ohne dass hierfür aufwändige Sensoren und Rechenverfahren notwendig sind.
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Insbesondere wird eine Dämpfung entsprechend eines mechanischen Viskodämpfers erreicht, ohne dass tatsächlich ein mechanischer Viskodämpfer vorhanden sein muss, so dass alle seine Nachteile, insbesondere die sich ergebende Trägheit, das hohe Gewicht, die hohen Kosten und die zusätzlichen Bauteile, vermieden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Drucksystem
- 12, 14
- Druckeinheit
- 16
- Bedruckstoffbahn
- 18
- Kreuzwender
- 20, 24, 30
- Umlenkwalze
- 22, 28
- Umlenkstange
- 26
- Kühlwalze
- 32
- Antriebseinheit
- 34
- Abtriebswelle
- 36
- Zahnriemen
- 40
- Dämpfer
- 60, 62, 64
- Signalverlauf
- S10 bis S32
- Verfahrensschritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0315031 A1 [0008]
- EP 1837178 A2 [0014]
