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Anwendungsbereich der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Sortiermaschine für Partikel, nachfolgend auch Objekte genannt, die in chaotischer Anordnung an einem Sensor- bzw. Kamerasystem vorbeigeführt werden. Dabei werden diese mittels einer quer zum Partikelstrom an einem Abwurfende angeordneten Reihe von steuerbaren, d.h. schnell zu öffnenden bzw. wieder absperrbaren Druckluftdüsen, in mehrere Fraktionen aufteilt. Dabei sind die Partikel eines Partikelstromes quer zur Bewegungsrichtung vereinzelt und an einem Sensor vorbei, der die gesamte Breite des Partikelstroms erfasst und dabei in Querrichtung sowohl ausgewählte Stoffparameter als auch die jeweilige Partikellage erfasst.
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Der Partikelstrom kann sich z.B. horizontal auf einem Förderband bewegen oder nach einem Förderband z.B. eine Abwurfparabel beschreiben. Der Partikelstrom kann auch nach einer Vibrationsförderrinne oder einer Rutsche vertikal frei herunterfallen. Derartige Maschinen werden eingesetzt z.B. im Bereich des Recyclings, Bergbaus und der Lebensmittelsortierung.
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Stand der Technik
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Bislang ist das System die Anordnung der Druckluftdüsen auf die größten, schwersten Teile ausgelegt. Dies hat jedoch den Nachteil zur Folge, dass bei der Austragung von kleineren Teilen an sich unnötig viel Druckluft eingeblasen wird. Ein solcher Verbrauch verursacht auch zusätzliche Kosten, da die Erzeugung des Mediums Druckluft bekanntlich aufwendig ist.
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Eine Ursache hierfür ist die Auslegung der Düsenöffnungen. Diese sind relativ groß bemessen, um den Durchtritt einer großen Druckluftmenge zu ermöglichen. Hiermit soll eine genügend große Kraft auch zum Ausbringen von schweren Partikeln erzeugt werden. Große Ventile weisen aber eine größere Trägheit auf, was Totzeiten beim Öffnen und Schließen und damit verlängerte Öffnungszeiten zur Folge hat. Große Ventile können somit nicht schnell genug geschlossen und deren Druckluft abgebaut bzw. müssen verfrüht geöffnet werden, um den Aufbau eines gewünschten Ausblasdrucks zu ermöglichen. Dies hat zur Folge, dass vermehrt unerwünschte Partikel ausgetragen werden, besonders solche, die in Bewegungsrichtung unmittelbar vor oder nach einem kleineren zur Austragung vorgesehen Partikel liegen.
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Eine erhöhte Druckluftmenge verursacht weiterhin starke Luftverwirbelungen im Abwurfbereich einer Sortiermaschine, wodurch eine gezielte Ausblasung und damit eine gerichtete Sortierung von leichteren Partikeln erschwert werden. Schließlich muss eine große Druckluftmenge auch aus dem Inneren einer Sortiermaschine abgeführt werden. Dies macht u.U. zusätzliche konstruktive Maßnahmen erforderlich.
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Bei bekannten Sortiermaschinen werden ausgewählte Partikel über eine große Anzahl von reihenartig nebeneinander angeordnete Druckluftdüsen, auch Druckluftdüsenleiste genannt, positionsgenau aus dem umgebenden Partikelstrom herausgeblasen. Dabei wird möglichst exakt diejenige Druckluftdüse angesteuert, welche von einem auszutragenden Partikel im Abwurfbereich passiert wird. Dabei wird jede Druckluftdüse individuell angesteuert und für den Zeitraum geöffnet, in dem ein Partikel abhängig von seiner Ausdehnung die Druckluftdüse während des Austragvorgangs überdeckt. Die jeweilige Düsenöffnungsdauer ist somit abhängig von der Geschwindigkeit des Partikelstroms und der Ausdehnung eines Partikels in einer der jeweiligen Düse zugeordneten Spur.
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Dabei ist einerseits die Transportzeit eines Partikels vom Passieren des Sensors bis zum Eintreffen an der Düsenleiste in Form einer Zeitverzögerung zu berücksichtigen. Weiterhin ist abhängig von einer bauartbedingten Öffnungstotzeit eine Druckluftdüse so rechtzeitig anzusteuern, dass diese im Moment des Passierens des jeweiligen Partikels komplett geöffnet ist und der gewünschte Blasdruck sich vollständig aufgebaut hat. Dieser steht dann für eine Mindestöffnungszeit zur Verfügung, da wiederum eine bauartbedingte Schließtotzeit zu berücksichtigen ist, bis die Druckluftdüse wieder geschlossen ist und der Blasdruck sich weitgehend abgebaut hat. Die erreichbare Mindestöffnungszeit ist somit abhängig von der konstruktiven Ausführung eines Ventils und der dazugehörigen Düse, welche häufig eine Baueinheit bilden, sowie des Druckluftkanals in der Zuführung. Ist die Zeitdauer, die ein Partikel auf Grund von dessen geringen Abmessungen und der jeweiligen Fördergeschwindigkeit benötigt, um eine Druckluftdüse zu passieren kleiner als diese Mindestöffnungszeit, so lässt es sich nicht vermeiden, dass eine Düse auch noch eine kurze Zeit nach dem Passieren eines auszutragenden Partikels geöffnet ist.
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Weiterhin ist eine Druckluftdüsenleiste am Ende einer Sortiermaschine, auch Austragseinheit genannt, so angeordnet, dass die davon erzeugten Druckluftströme entweder von oben oder von unten auf den Partikelstrom einwirken, so dass dieser in zwei Fraktionen aufgeteilt werden kann. Drei Fraktionen können erzeugt werden, wenn die Austragseinheit sowohl mit einer von unten als auch einer von oben auf den Partikelstrom einwirkenden steuerbaren Druckluftdüsenleiste ausgestattet ist.
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Bekannte Sortiermaschinen sind zudem so ausgelegt, dass deren Druckluftdüsen auf den ganzen, in der jeweiligen Spur befindlichen Oberflächenbereich eines Partikels einwirken. Andererseits wird aber auch eine feste Skalierung dieser Einwirkungs- oder Partikeloberfläche vorgenommen. Diese wird von einem Bediener in Versuchen oder während des Sortiervorganges durch Beobachtung empirisch ermittelt und dann für die Bearbeitung des jeweiligen Stoffes fest eingestellt.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den durch die Druckluftdüsen verursachten Luftverbrauch in der Abwurfzone einer Sortiermaschine der oben genannten Art, mit der Materialien mit unterschiedlichen Größen und Gewichten sortieren werden, zu reduzieren und zugleich eine Verbesserung der Sortiergenauigkeit zu erreichen, d.h. einen Reduktion von so genannten Fehlwürfen.
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Die Aufgabe wird gelöst mit dem in Anspruch 1 angegebenen Verfahren sowie der in Anspruch 6 angegebenen Vorrichtung. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Verfahren zur Düsenansteuerung gemäß der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird die von den Druckluftdüsen jeweils erzeugte Druckluftkraft abhängig von der flächenbezogene Masse eines jeweils auszubringenden Partikels d.h. von dessen Flächengewicht, dynamisch angepasst.
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Bei einer weiteren Ausführung der Erfindung kann für den Fall, dass alle auszubringenden Partikel eine vergleichbare Dichte aufweisen, die Druckluftkraft der Druckluftdüsen auch abhängig vom flächenbezogenen Volumen oder abhängig von der Höhe eines auszuschießenden Partikels dynamisch angepasst werden.
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Bei Gemischen aus Bestandteilen, die stark unterschiedliche Gewichte aufweisen, z.B. Pflückgut aus Beeren, Steinen und Blättern, kann die Düsenansteuerung auch abhängig vom erkannten Stoff der jeweiligen Partikel, z.B. bei einem aus Beeren, Blättern und Steinen bestehenden Gemisch.
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Hierzu können erfindungsgemäß folgende Stoffdaten die Auflagefläche, das Volumen bzw. die Dichte erfasst werden. Die Auflagefläche des jeweiligen Partikels auf dem Förderband bzw. das Volumen des jeweiligen Partikels kann vorteilhaft z.B. mit einer Kamera unter Anwendung des Lichtschnittverfahrens bestimmt werden. Die Dichte des jeweiligen Partikels kann z.B. mit einem Materialsensor, z.B. Metall-, Nahinfrarot- oder Röntgensensor, bestimmt werden.
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Unter Berücksichtigung dieser Daten wird bei der Erfindung dynamisch und ohne manuellen Eingriff die jeweils von einer Druckluftdüse abgegebene Luftmenge und damit die von einer Düse auf einen Partikel ausübbare Druckluftkraft gesteuert.
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Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungen der Objekterfassung durch Kameras und Sensoren, die Berechnung der Objektdaten und sowie die davon abgeleitete dynamische Düsenansteuerung bei der Erfindung beschrieben. Diese kommen abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall, d.h. dem Material des Partikelstroms und der aktuellen Sortieranforderungen, zum Einsatz.
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Erfassung der Fläche eines Partikels
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Werden Kameras oder Sensoren mit einer hohen Auflösung zur Auswertung des Materialstromes verwendet, so kann mit den davon bereitgestellten Daten die Fläche der einzelnen Partikel ermittelt werden.
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Sind jedoch die zur Erkennung der Eigenschaften der zu sortierenden Partikel eingesetzten Kameras und Sensoren nicht hochauflösend, z.B. Metallsensoren mit einer Spurbreite von mehr als einem Zentimeter, kann eine zusätzliche Kamera bzw. ein zusätzlicher Sensor eingesetzt werden. Da hiermit u.U. bereits ein dreidimensionales Abbild der einzelnen Partikel gewonnen werden kann, ist ggf. auch die Erfassung der Volumina der einzelnen Partikel möglich.
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Die Erfindung und weitere vorteilhafte Ausführungen derselben werden an Hand eines in denen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt
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1 ein Lichtschnittverfahren mit Linienlaser aus Sicht der Lichtschnittkamera,
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2 eine schematische Seitenansicht der Lichtschnittanwendung im Sortierbetrieb,
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3 eine schematische Drauf- und Seitenansicht eines einzeiligen Düsensystems,
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4 eine schematische Drauf- und Seitenansicht eines zweizeiligen Düsensystems,
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5 eine schematische Darstellung einer Düsenanordnung nach Beispiel 1,
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6 eine schematische Darstellung einer Düsenanordnung nach Beispiel 2,
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7a eine schematische Darstellung der Objektskalierung in Richtung der Gurtbreite von 100%,
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7b eine schematische Darstellung der Objektskalierung in Richtung der Gurtbreite von 75%,
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7c eine schematische Darstellung der Objektskalierung in Richtung der Gurtbreite von 50%,
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7d eine schematische Darstellung der Objektskalierung in Richtung der Gurtbreite 25%,
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8a eine schematische Darstellung der Objektskalierung in Richtung der Gurtbreite von 50% und der Förderrichtung von 100%,
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8b eine schematische Darstellung der Objektskalierung in Richtung der Gurtbreite von 50% und der Förderrichtung von 50%,
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9a eine schematische Darstellung einer geänderten Objektskalierung unter Berücksichtigung der Mindestöffnungszeit des Düsensystems, wobei das Objekt größer ist als die Mindestöffnungszeit
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9b eine schematische Darstellung einer geänderten Objektskalierung unter Berücksichtigung der Mindestöffnungszeit des Düsensystems, wobei das Objekt kleiner ist als die Mindestöffnungszeit, und der Schwerpunkt berücksichtigt wird,
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9c eine schematische Darstellung einer geänderten Objektskalierung unter Berücksichtigung der Mindestöffnungszeit des Düsensystems, wobei das Objekt kleiner ist als die Mindestöffnungszeit, und der Schwerpunkt nicht berücksichtigt wird,
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10a eine schematische Darstellung eines schmalen Objekts längs zur Förderrichtung,
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10b eine schematische Darstellung eines schmalen Objekts quer zur Förderrichtung,
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11a eine schematische Darstellung einer Sonderform der Objektskalierung, bei der die zu öffnenden Düsen über das Objekt verteilt werden, mit einem Skalierungsgrad von 37,5%,
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11b eine schematische Darstellung einer Sonderform der Objektskalierung, bei der die zu öffnenden Düsen über das Objekt verteilt werden, mit einem Skalierungsgrad von größer 50%,
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12a eine schematische Darstellung der Skalierung bei einen Objekt mit einem Loch, welches nicht angeblasen wird,
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12b eine schematische Darstellung der Skalierung bei einen Objekt mit einem Loch, wobei das Loch beim Anblasen ausgelassen wird,
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12c eine schematische Darstellung der Skalierung bei einen Objekt mit einem Loch, welches mit einem Skalierungsfaktor von 100% angeblasen wird,
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13a eine schematische Darstellung der Objektskalierung mit Skalierungen über 100% in Bewegungsrichtung,
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13b eine schematische Darstellung der Objektskalierung mit Skalierungen über 100% in Richtung der Objektbreite, und
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14 eine schematische Darstellung der Objektskalierung als Kombination zusätzlich geöffneter Düsen in Bewegungsrichtung und Objektbreite.
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Erfassung des Volumens eines Partikels
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Zur Erfassung des Volumens der einzelnen Partikel wird vorteilhaft ein dreidimensionales Sensorsystem verwendet. Bevorzugt kann hierzu eine Lichtschnittkamera eingesetzt werden, womit ein so genanntes Lichtschnittverfahren ausgeführt wird. Ein solches ist beispielhaft in 1 und 2 dargestellt. Beispielhaft kann dabei auch eine stereoskopische Kamera eingesetzt werden.
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1 zeigt beispielhaft ein Lichtschnittverfahren mit Linienlaser aus Sicht der Lichtschnittkamera. Je höher das Objekt ist, desto höher wandert auch die Laserlinie auf dem Kamerabild. Die Partikel werden beim Passieren der Laserlinie von der Lichtschnittkamera zeilenweise abgetastet. Da die Objekte unter der Kamera vorbeigeführt werden, kann aus den Einzelaufnahmen ein dreidimensionales Abbild der Objekte gewonnen werden. 2 zeigt die 1 in einer Seitenansicht entlang der Laserlinie in einem Sortierbetrieb. Die Kamera und Linienlaser stehen in einem Winkel zueinander. Von diesem Winkel hängt die Höhenauflösung des Lichtschnittverfahrens ab. Im Beispiel der 2 steht der Linienlaser senkrecht zum Förderband und die Kamera ist seitlich angeordnet.
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Erfassung des Stoffes der Partikel
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Erfindungsgemäß ist die Sortiermaschine mit Sensoren ausgestattet, womit das Material der einzelnen Partikel erkannt werden kann. Die für diesen Stoff bekannte Dichte kann dann dem entsprechenden Objekt zugeordnet werden. Als Sensoren können Nahinfrarotspektrometer zur Unterscheidung von Kunststoffen, organischen Materialien und Mineralien, sowie induktive Metallsensoren zur Erkennung und Unterscheidung von Metallen, sowie Röntgensensoren, insbesondere auf der Basis von Fluoreszenzen, für eine Erkennung und Unterscheidung von Kunststoffen, Glasarten und Metallen eingesetzt werden
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Teilweise ist auf Grund von vorangegangenen Sortierschritten das Sortiergut bereits derart fraktioniert, dass dieses nur einiger oder wenige Stoffe enthält. Im günstigen Fall ist im Materialgutstrom nur noch eine Materialart enthalten, welche mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung aussortiert werden soll. In diesem Fall wäre die Dichte des Materials eine bekannte Größe, bzw. es kann u.U. nun noch nach der Farbe sortiert werden.
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Enthält der Materialgutstrom nur wenige bestimmte Materialien, so kann auch die Farbsortierung eine Erkennung des Materials möglich machen. Zum Beispiel können Kupfer, Messing und Aluminium anhand ihrer Farbe eindeutig zugeordnet werden, sofern nur diese drei Metalle im Materialgutstrom vorkommen und die Oberflächen der Objekte sauber sind.
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Berechnung des flächenbezogenen Volumens oder der flächenbezogenen Masse
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Das Volumen und die Grundfläche eines auf dem Sortierband liegenden Objektes kann aus den Lichtschnitt-Kameradaten (3D-Daten) errechnet werden. Die Masse eines Objektes kann aus dem Volumen und der ermittelten oder bekannten Dichte errechnet werden. Es kann somit die flächenbezogene Masse errechnet werden: Flächenbezogene Masse = (Volumen × Dichte)/Grundfläche
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Hat das zu sortierende Material die gleiche oder annähernd gleich Dichte, so ist eine Berechnung des Gewichtes nicht zwingend erforderlich. Vielmehr kann eine Auswahl der Objekte bereits auf Grund des Volumens wie folgt vorgenommen werden: Flächenbezogenes Volumen = Volumen/Grundfläche
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, nur die Höhe der Objekte als Auswahlkriterium auszuwerten. Die Zuweisung der Objekte in eine Gewichtsklasse wird dann zwar ungenauer, aber der Rechenaufwand geringer, da hier nur die gemessene Höhe eines Objektes zur Bewertung herangezogen wird. Eine Flächenberechnung entfällt. Im einfachsten Fall kann die Maximalhöhe eines Objektes zur Bewertung herangezogen werden. Es kann auch die Durchschnittshöhe eines Objektes berechnet und zur Bewertung herangezogen werden.
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Mögliche Korrekturen der Ergebnisse
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Bei einfachen 3D-Erkennungsverfahren, wie z.B. das Lichtschnittverfahren, können Berechnungsfehler auftreten, da Lichtschnittkameras ungünstige Außenkonturen nicht genau, sowie Hohlräume im oder unter dem Objekt gar nicht erkennen können. Derartige Fehler können mit genaueren 3D-Verfahren reduziert werden, z.B. mit einem Lichtschnittverfahren unter Einsatz von mehreren Kameras. Es kann auch nur in der anschließenden Bewertung durch eine Korrektur berücksichtigt werden, dass die Teile im Schnitt leichter sind als berechnet wurde.
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Erfindungsgemäß wird die für ein ausgewähltes Partikel benötigte Ausbringungskraft mit Hilfe der flächenbezogenen Masse bzw. dem flächenbezogenen Volumen eingestellt. Zur weiteren Korrektur der Luftkraft kann außerdem auch der hinterlegte Dichtewert für ein Material korrigiert werden, wenn besonders ungünstige Formen auf eine bestimmte Materialart beschränkt sind.
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Steuerung der Luftkraft und Ansteuerung der Düsen
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Stufenweise Erhöhung der Auswurfkraft durch mehrzeilige Düsensysteme
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Bei mehrzeiligen Düsensystemen können die Objekte anhand der Flächengewichte oder des Verhältnisses des Volumens zur Grundfläche verschiedenen Gewichtsklassen zugewiesen werden. Wird ein Objekt mit geringem Flächengewicht erkannt, werden nur die entsprechenden Ventile einer Ventilzeile geöffnet. Wird ein schweres Objekt erkannt, werden die entsprechenden Ventile beider Zeilen mit genutzt.
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Sind die Düsen nahe beieinander, so können die Düsen in beiden Zeilen ohne Verzögerung gleichzeitig aktiviert werden. Weisen die Düsenzeilen aus konstruktiven Gründen einen größeren Abstand auf, ist eine Verzögerung des Einschaltzeitpunktes von der ersten zur zweiten Düsenzeile vorteilhaft. 3 zeigt hierzu ein beispielhaftes einzeiliges Düsensystem, und 4 ein beispielhaftes zweizeiliges Düsensystem.
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Bei einem zweizeiligen Luftdüsensystem sind drei Gewichtsklassen vorteilhaft, wenn die Düsenreihen so ausgelegt sind, dass die eine Zeile ca. doppelte Kraft der anderen hat. Zum Beispiel erzeugt eine Reihe beim Öffnen der Düsen über eine Breite von 50 mm eine Kraft von 5 N auf ein Objekt, die andere Reihe über die gleiche Breite eine Kraft von 10 N. Folgende Tabelle zeigt ein Beispiel mit drei Gewichtsklassen:
| Gewichtsklasse | Öffnungsgrad Düsenzeile 1 | Öffnungsgrad Düsenzeile 2 | Kraft Düsenzeile 1 | Kraft Düsenzeile 2 | resultierende Gesamtkraft |
| | | | in N | in N | in N |
| - | 0% | 0% | 0,0 | 0,0 | 0,0 |
| 1 | 100% | 0% | 5,0 | 0,0 | 5,0 |
| 2 | 0% | 100% | 0,0 | 10,0 | 10,0 |
| 3 | 100% | 100% | 5,0 | 10,0 | 15,0 |
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Aus der vorangegangenen Tabelle ist zu entnehmen, dass die Düsenzeile 2 die doppelte Kraft von Düsenzeile 1 erzeugt. Es ist eine Einteilung in drei Gewichtsklassen möglich. Die nachfolgende Tabelle betrifft eine beispielhafte Anordnung von zwei Düsenzeilen, welche die gleiche Kraft erzeugen. Es ist dabei eine Einteilung in zwei Klassen möglich:
| Klasse | Öffnungsgrad Düsenzeile 1 | Öffnungsgrad Düsenzeile 2 | Kraft Düsenzeile 1 | Kraft Düsenzeile 2 | resultierende Gesamtkraft |
| | | | in N | in N | in N |
| - | 0% | 0% | 0,0 | 0,0 | 0,0 |
| 1 | 100% | 0% | 5,0 | 0,0 | 5,0 |
| (1) | 0% | 100% | 0,0 | 5,0 | 5,0 |
| 2 | 100% | 100% | 5,0 | 5,0 | 10,0 |
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Einteilung der Partikel in Klassen
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Die Aufgabe der erfindungsgemäßen Sortiermaschine ist es, durch Aktivierung von Luftdüsen die Metallteile aus dem über das Band laufenden Materialgutstrom herauszuschießen. Dagegen sollen die Düsen bei Kunststoffen, Mineralik und andere Materialien passiv bleiben. Metall wird als ein bevorzugtes Sortierobjekt angesehen, so dass Metallteile über einen Metallsensor detektiert werden. Metall kann in verschiedenen Formen in einem Stoffstrom vorhanden sein, z.B. als Kleinteile, wie z.B. Drähte, Schrauben, Münzen, als mittelschwere Teile mit größerer Auflagefläche, wie z.B. Bratpfannen, Töpfe, Blechteile, sowie als schwere und kompakte Teile, wie z.B. Motorankern, usw.
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Über eine Lichtschnittkamera werden die den Metallsensor passierenden Teile räumlich vermessen, d.h. deren Auflagefläche und Volumina bestimmt. Zusätzlich bestimmt der Metallsensor auch die Metallsorte, z.B. Edelstahl, Messing, Aluminium. Mit Hilfe des bekannten spezifischen Gewichtes eines erkannten Metalls und den Daten der Lichtschnittkamera (Fläche und Volumen) kann das Flächengewicht der einzelnen Metallteile errechnet werden und z.B. drei Klassen zugeordnet werden. Beispiel für eine Klassifikation der Flächengewichte
| Klasse 1 – leicht | Flächengewicht 0 g/dm2 bis 300 g/dm2 |
| Klasse 2 – mittelschwer | Flächengewicht von 300 g/dm2 bis 700 g/dm2 |
| Klasse 3 – schwer | Flächengewicht größer als 700 g/dm2 |
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Bei einer Anwendung dieser beispielhaften Klassifikation auf die in 1 gezeigte Anordnung würden die linken drei Partikel der Klasse 1, sowie der zweite Partikel von rechts der Klasse 2 und der rechte Partikel der Klasse 3 zugeordnet werden. Falls ein einzelner Metallsensor nicht zwischen den verschiedenen, in einem Materialgutstrom vorkommenden Metallen unterscheiden kann, kann eine Unterscheidung vorteilhaft durch einen zweiten Sensor ermöglicht werden. Alternativ kann auch nur das flächenbezogene Volumen zur Zuordnung der Objekte in die verschiedenen Klassen verwendet wird.
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Vorteilhafte Ausführung der Düsenzeilen
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Ist das Material des jeweiligen Materialstroms feinkörnig, sollten die Düsen in einer Düsenleiste nahe zueinander angeordnet sein und kleine Durchmesser aufweisen. Bei großen und leichten bzw. mittelschwere Teilen sollten die Abstände der Düsen in einer Düsenleiste entsprechend größer sein. Bei schweren Teilen sollten die Düsenbohrungen größer und der Abstand zwischen den Düsen in einer Düsenleiste kleiner werden.
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Da die Düsen die Objekte in der Abwurfzone anblasen und kleine leichte Teile bedingt durch Luftbewegungen, dem eigenen Luftwiderstand und der Form stärker als die schweren Teile von der Luft gebremst werden und somit die ideale Abwurfparabel schneller und chaotischer verlassen, ist es vorteilhaft, wenn der Materialstrom nach dem Abwurf zuerst an den schwächeren und danach an den stärkeren Düsen vorbeigeführt wird. Demzufolge gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Gestaltung der Düsenzeilen.
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Beispiel 1
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Ein Materialstrom mit einem Kornspektrum von 40 bis 150 mm soll sortiert werden. Es müssen davon kleine, leichte Teile, z.B. Pappe, und große, schwere Teile, z.B. Holz ausgeblasen werden. Der Düsenabstand sollte für die kleinen Teile nicht größer als ca. 30 mm sein. Daraus folgt für die erste Reihe:
| Düsenabstand | 30 mm |
| Düsenbohrung | ø 2,5 mm |
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Für die schwersten Teile wird eine größere Kraft benötigt, und die zweite Zeile kann wie folgt ausgeführt sein:
| Düsenabstand | 15 mm |
| Düsenbohrung | ø 5 mm |
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5 zeigt eine beispielhafte Düsenanordnung nach Beispiel 1. Die Förderrichtung ist von unten nach oben. Somit passieren die Teile zuerst die Zeile mit den 2,5 mm Düsen.
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Beispiel 2
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Ein Materialstrom mit einem Kornspektrum von 8 bis 150 mm soll sortiert werden. Es müssen davon kleine, leichte Teile und große, mittelschwere Teile ausgeblasen werden. Der Düsenabstand sollte für die kleinen Teile nicht größer als ca. 6 mm sein. Daraus folgt für die erste Reihe:
| Düsenabstand: | 6 mm |
| Düsenbohrung: | ø 2 mm |
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Die für die schwersten Teile wird eine größere Kraft benötigt, jedoch kann auf Grund des geringeren Flächengewichtes der Teile im Vergleich zu Beispiel 1 der Düsenabstand in der zweiten Zeile größer sein:
| Düsenabstand: | 24 mm |
| Düsenbohrung: | ø 7 mm |
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6 zeigt eine beispielhafte Düsenanordnung nach Beispiel 2. Die Förderrichtung ist von unten nach oben. Somit passieren die Teile zuerst die Zeile mit den 2 mm Düsen.
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Vorteile eines zweizeiligen Düsensystems in Bezug auf die Mindestöffnungszeit
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Grundsätzlich haben Düsensysteme eine physikalisch bedingte Mindestöffnungszeit, d.h. Öffnungstotzeit. Diese ist vor allem abhängt von der Trägheit der Ventile und der Zeit, welche benötigt wird, damit die Luft an der Düsenöffnung mit vollem Druck austreten kann (bzw. maximale Ausblasgeschwindigkeit erreicht, da der Staudruck in der Düsenzuführung an der Düsenöffnung als Luftgeschwindigkeit in Erscheinung tritt. Zumindest für diesen Zeitraum muss Spannung an das Ventil angelegt werden.
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Da die mechanischen Komponenten in kleinen Ventilen eine geringere Masse haben als die entsprechenden Bauteile in großen Ventilen aufweisen, sind die Mindestöffnungszeiten für kleine Düsen entsprechend kürzer. Bei Sortieranwendungen weisen kleinsten Düsen weniger als 3 ms Mindestöffnungszeit auf. Bei großen Düsen kann die Mindestöffnungszeit 15 ms oder mehr betragen. Dieses Verhalten spart bei einem mehrzeiligen System zusätzlich Luft.
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Objektskalierung zur Anpassung der Luftmenge
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Das Flächengewicht oder das Verhältnis des Volumens zur Grundfläche (ggf. auch nur die Höhe des Objektes) wird umgerechnet in eine Skalierung der Grundfläche eines Objektes. Bei der Ausbringung des Objekts werden dann ausgewählte Düsen in einer Düsenreihe so angesteuert, dass deren Druckluftstrom jeweils nur noch auf die skalierte Objektfläche des auszuschießenden Partikels gerichtet ist. Beim einfachen Skalieren werden also nicht alle Düsen geöffnet, die das Objekt überfliegt. Die geöffneten Düsen werden dabei vielmehr auf den Mittelpunkt bzw. den Schwerpunkt des auszuschießenden Objektes konzentriert.
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Gemäß der Erfindung kann hiermit sowohl die zum Ausschießen eines Objektes benötigte Luftmenge reduziert als auch die jeweilige Objekt gezielter angeblasen werden. Es werden somit unerwünschte Streuungen der aus den Düsen ausweichenden Druckluftströme auf benachbarte, nicht auszuschießende Objekte und damit Fehlwürfe reduziert.
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Bei Sortieranwendungen ist zwar bereits eine statische Objektskalierung bekannt. Diese wird manuell und nach Sichtprüfung des Maschinenbedieners voreingestellt und ist bis zur nächsten Umstellung der Sortiereigenschaften konstant. Sie bewirkt, dass die erkannte Objektgröße immer mit einem bestimmten Faktor vergrößert oder verkleinert wird. Es wird also auf alle Objekte der gleiche Skalierungsfaktor angewendet.
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Einzeiliges Düsensystem
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Gemäß der Erfindung wird eine dynamische Objektskalierung vorgenommen. Je nach Anwendung kann dabei entweder nur in Richtung der Gurtbreite skaliert werden oder zusätzlich in der Förderrichtung. Bei langen schmalen Teilen ist, je nach deren Lage auf dem Fördergurt, nur eine Skalierung in Richtung der Gurtbreite oder in Förderrichtung möglich. Es ist vorteilhaft eine einreihige Düsenreihe so auszulegen, dass die schwersten Partikel ausgetragen werden können, wenn alle Düsen im Bereich des Objektes geöffnet sind.
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So werden bei einer ersten Ausführung Randdüsen in Richtung der Gurtbreite abgeschaltet, wenn Objekte mit einem nur geringeren Flächengewicht ausgetragen werden müssen. Dies ist im Beispiel der 7a bis 7d dargestellt. Weiterhin ist eine Skalierung in Förderrichtung möglich. Dies ist beispielhaft in den 8a und 8b dargestellt.
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Bei der Skalierung ist kann bei Bedarf zusätzlich eine symmetrische Abschaltung der Düsen vorgenommen werden. Dies hat den Vorteil, dass die Krafteinwirkung der Druckluft auf den Schwerpunkt des Objektes konzentriert wird. Andernfalls wird das Objekt ggf. nur in eine Drehbewegung um die eigene Achse versetzt und nur unwesentlich von der Flugbahn abgelenkt. Da bei der Objektskalierung eine Symmetrie vorteilhaft ist, kann diese in Richtung der Gurtbreite bevorzugt ab einer Abdeckung von 4 bis 5 Düsen vorgenommen werden. In Förderrichtung ist eine Objektskalierung dann vorteilhaft, wenn die skalierte Öffnungsdauer gleich oder größer der Mindestöffnungszeit des Düsensystems ist.
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Vorteil der Objektskalierung ist es, dass ohne einen zusätzlichen Hardwareaufwand lediglich die Düsenansteuerung angepasst werden muss – es kann also ein Standard-Düsensystem verwendet werden, insbesondere ein einzeiliges. Sind die auszubringenden Teile nicht zu klein, kann damit die Luftkraft flexibel und fein auf das entsprechende Objekt abgestimmt und fokussiert werden.
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Die 7a bis 7d zeigen beispielhaft von oben nach unten eine Darstellung der Objektskalierung in Richtung der Gurtbreite mit den Werten 100%, 75%, 50% und 25%. Das Objekt deckt eine Breite von 16 Düsen ab und kann somit in 12,5%-Schritten skaliert werden. Je Skalierungsschritt 1 Düse links und eine Düse rechts weniger oder mehr. Bei kleineren Objekten wird das reale Skalierungsraster gröber. Bei größeren Objekten wird das reale Skalierungsraster feiner. In den 7a bis 7d sind die jeweils aktivierten Düsen schwarz eingefärbt.
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Die 8a zeigt eine beispielhafte Objektskalierung in Richtung der Gurtbreite mit 50% und in Förderrichtung ohne Skalierung, d.h. mit 100%. Die 8b zeigt eine Objektskalierung in Richtung der Gurtbreite 50%, in Förderrichtung ebenfalls 50%
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9a zeigt eine beispielhafte Objektskalierung unter Berücksichtigung der Mindestöffnungszeit des verwendeten Düsensystems. Ist die Mindestöffnungszeit länger als das Objekt, wie 9b dargestellt, sollte das ganze Objekt beschossen wird. Der Schwerpunkt braucht dann nicht mehr zwingend berücksichtigt werden. Dies ist in 9c beispielhaft dargestellt.
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10a zeigt beispielhaft ein schmales Objekt, welches längs zur Förderrichtung liegt. Dabei kann die Objektskalierung über die Öffnungszeit erfolgen. Liegt das schmale Objekt quer zur Förderrichtung, wie in 10b gezeigt, kann die Objektskalierung über die Anzahl der geöffneten Düsen erfolgen.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Objektskalierung
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„Verteiltes Öffnen“
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Beim einfachen Skalieren werden, wie oben beschrieben, nicht alle Düsen geöffnet, die das Objekt überfliegt. Die geöffneten Düsen werden dabei auf den Mittelpunkt bzw. den Schwerpunkt des auszuschießenden Objektes konzentriert. Beim verteilten Öffnen wird, in Bezug auf die überflogenen Düsen, zwar auch eine reduzierte Anzahl Düsen geöffnet. Diese werden jedoch in der Breite über das Objekt verteilt.
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Diese Ausführung der Skalierung ist in den Beispielen der 11a und 11b gezeigt. Die zu öffnenden Düsen und somit die Kraft wird über das Objekt verteilt. Zwischen den offenen Düsen ist je nach Skalierungsgrad eine oder mehrere geschlossene Düsen. Dies ist am Beispiel eines Skalierungsgrades von 37,5%, wie in 11a dargestellt. Bei einem Skalierungsgrad größer als 50%, wie in 11b dargestellt, sind bei dieser Ausführung der Skalierung dann entsprechend mehrere geöffnete Düsen nebeneinander und dazwischen einzelne Düsen geschlossen. Der Vorteil ist hier eine bessere Verteilung der Luftkraft auf das Objekt.
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„Schließen von Löchern“
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Eine weitere Ausführung der Objektskalierung kann als "Löcher schließen" bezeichnet werden. Diese Funktion kann bei Bedarf zu- oder abgeschaltet werden. Bei einer dynamischen Regulierung der Luftkraft kann auch diese Option mit in die Dynamik integriert werden, in dem diese ab einer bestimmten Gewichtsklasse eines Objektes oder auch gezielt bei Objekten mit bestimmten Eigenschaften aktiviert wird.
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In den 12a bis 12c ist eine solche Objektskalierung beispielhaft gezeigt. Ein Objekt mit "Loch", siehe 12a, wird z.B. bei einer Skalierung von 100 % von den Luftdüsen auf die komplette Fläche "beschossen". Wie in 12b dargestellt ist, wird das Loch im Objekt also ausgelassen. Ist jedoch die Funktion "Löcher schließen" aktiviert, werden auch die Löcher gezielt angeblasen, was in 12c beispielhaft dargestellt ist.
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„Zuschalten von Randdüsen“
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Eine weitere Ausführung der Objektskalierung kann als „Randdüsen zuschalten“ bezeichnet werden. Diese Funktion ist ähnlich einer Objektskalierung von mehr als 100%. Sowohl die Funktion „Randdüsen zuschalten“ als auch die „Objektskalierung größer 100%“ können bei schweren Teilen nützlich sein und zur dynamischen Regelung der Luftkraft dienen. Während bei einer „Objektskalierung größer 100%“ die Anzahl der zusätzlichen Düsen je nach Objektbreite und festgestellter Gewichtsklasse variiert, ist bei den zusätzlichen Randdüsen die Anzahl der zusätzlichen Düsen fest voreingestellt.
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Bei einer Längenskalierung von mehr als 100% werden die Düsen entsprechend schon vor dem Eintreffen des Objektes an den Düsen geöffnet und auch noch eine kurze Zeit nach passieren des Objektes offen gehalten.
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13a zeigt eine beispielhafte Skalierung größer als 100% bzw. zusätzliche Öffnungszeit der Düsen in Bewegungsrichtung, d.h. Richtung der Objektlänge. 13b eine beispielhafte Skalierung größer 100% in Richtung der Objektbreite bzw. zusätzliche Randdüsen links, sowie bezogen auf die Bewegungsrichtung, rechts von einem Objekt. 14 zeigt schließlich eine beispielhafte Kombination mit zusätzlich geöffneten Düsen in Bewegungsrichtung und zusätzlichen Randdüsen.
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Kombination mehrzeiliger Düsensysteme mit einer dynamischen Objektskalierung Die Objektskalierung kann auch auf mehrzeilige Düsensysteme angewendet werden. Es können dann die Vorteile der beiden Systeme kombiniert werden und die Ausbringung kann noch gezielter und luftsparender vorgenommen werden. Dies wird am Beispiel der nachfolgenden Tabelle am Beispiel von acht Gewichtsklassen erläutert.
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Werden bei zwei Düsenzeilen unterschiedlich starke Düsensysteme miteinander kombiniert, so dass z.B. Düsenreihe 1 beim Öffnen aller Düsen über eine Breite von 50 mm eine Kraft von 5 N auf ein Objekt ausübt und Düsenreihe 2 beim Öffnen aller Düsen über die gleiche Breite eine Kraft von 15 N erzeugt, welches dem 3-fachen von Reihe 1 entspricht. Wird weiterhin bei Bedarf eine Objektskalierung von z.B. 50 % vorgenommen, so ergibt sich die Möglichkeit, die auszubringenden Partikel in acht Gewichtsklassen einzuteilen.
| Gewichtsklasse | Öffnungsgrad Düsenreihe 1 | Öffnungsgrad Düsenreihe 2 | Kraft Düsenreihe 1 | Kraft Düsenreihe 2 | resultierende Gesamtkraft |
| | | | in N | in N | in N |
| | 0% | 0% | 0,0 | 0,0 | 0,0 |
| 1 | 50% | 0% | 2,5 | 0,0 | 2,5 |
| 2 | 100% | 0% | 5,0 | 0,0 | 5,0 |
| 3 | 0% | 50% | 0,0 | 7,5 | 7,5 |
| 4 | 50% | 50% | 2,5 | 7,5 | 10,0 |
| 5 | 100% | 50% | 5,0 | 7,5 | 12,5 |
| 6 | 0% | 100% | 0,0 | 15,0 | 15,0 |
| 7 | 50% | 100% | 2,5 | 15,0 | 17,5 |
| 8 | 100% | 100% | 5,0 | 15,0 | 20,0 |
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Bei Bedarf kann die Objektskalierung in noch kleineren Schritten vorgenommen werden, um die Gewichtsklassen noch feiner einteilen zu können.
