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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Störungen im Antrieb einer Inkjet- Druckmaschine.
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Die Erfindung liegt im technischen Gebiet des Digitaldrucks.
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Bei Inkjet-Druckmaschinen erfolgt der Transport des Drucksubstrates durch die Maschine durch eine Hintereinanderschaltung von Zylindern. Dabei treten in Umfangsrichtung der Zylinder Farbdichteschwankungen auf, die verschiedene Ursachen haben können, wie eine Ungleichförmigkeit der Papierbewegung, erzeugt durch Geometriefehler der Drucksubstratführung, z.B. aufgrund von Durchmesserschwankungen in einem Zylinder, Schwankungen im Momentenhaushalt der Maschine, verursacht durch Unwuchten und Greiferkurven und periodische Fehler in der Bilddatenstrecke.
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Inkjet-Druckmaschinen sind mit einem Drehgeber ausgestattet, z.B. für den Antrieb des Jetting-Zylinders, der die aktuelle Umfangsposition entsprechend der späteren Bildauflösung an die Steuerung des Ink-Jet-Systems liefert. Wird ein solches initiales Signal vom Drehgeber gesendet, landet ein entsprechender Tintentropfen aufgrund der Signallauf- und Tropfenflugzeit erst nach einer gewissen Zeit auf dem Drucksubstrat. Aufeinander folgende Tintentropfen werden nur im Abstand der entsprechenden Bildauflösung auf dem Drucksubstrat angeordnet sein, wenn die Papieroberfläche sich gleichförmig mit konstanter Geschwindigkeit bewegt.
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Änderungen der Oberflächengeschwindigkeit führen zwangsläufig dazu, dass die auf dem Drucksubstrat gelandeten Tintentropfen mit diesen Geschwindigkeitsänderungen moduliert sind. Folgen die Geschwindigkeitsänderungen einer festen Maschinenordnung, ist diese bei ausreichender Ausprägung auch im Dichteverlauf über dem Drucksubstrat sichtbar.
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Problematisch wird es insbesondere dann, wenn mehrere Farben übereinander, also Mischfarben, gedruckt werden. Jeder einzelne Farbauszug bildet für sich die Dichtestörung infolge der Drehungleichförmigkeit auf dem Drucksubstrat aus und die Farbauszüge unterscheiden sich in der Phasenlage. Da die einzelnen Farben in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sind und damit deren Druck auch zeitlich versetzt erfolgt, bildet sich eine Störung infolge der Drehungleichförmigkeit des Zylinders für jede Farbe an unterschiedlichen Orten auf dem Drucksubstrat aus. Die Folge sind lokale Verschiebungen im Farbraum, welche in Querstreifen im Druckbild resultieren können.
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Bis auf den Jetting-Zylinder sind in einer Inkjet-Druckmaschine alle Zylinder halbtourig ausgeführt. Der Jetting-Zylinder ist dagegen vierteltourig ausgeführt. Alle Zylinder weisen eine fertigungsbedingte Unwucht auf, d.h. der Massenschwerpunkt des Zylinders liegt nicht innerhalb seiner Drehachse. Rotiert ein unwuchtbehafteter Zylinder im Schwerefeld kommt es zu einem Wechselmoment mit der Zylinderordnung, z.B. Jetting-Zylinder 0.25-te Ordnung, Umführ- und Lackdruckzylinder 0.5-te Ordnung etc, in Form additiver Störmomente. Auch die Ansteuerung der Greifer belasten den Momentenhaushalt der Zylinder und führen zu Drehungleichförmigkeiten der Inkjet-Druckmaschine in Form ganzzahliger Ordnungen.
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Bei den aktuellen, sowie vermutlich auch bei zukünftig angestrebten, Druckzahlen von Inkjet-Druckmaschine haben diese Störmomente noch einen relativ großen Einfluss auf die Gleichförmigkeit der Drehbewegung der Maschine. Bei 2.500 Drehungen pro Stunde bewirkt ein gegebenes Moment eine ca. 50mal größere Relativverschiebung am Umfang als bei 18.000 Drehungen pro Stunde. Aufgrund von Fertigungstoleranzen weist die Oberfläche des Jetting-Zylinders periodische Welligkeiten auf, die die 0.25-te Ord., die 0.5-te Ordnung und alle ganzzahligen Ordnungen umfassen. Zudem kann auch der Drehgeber durch interne und externe Fehler, wie z.B. Anbaufehler, ebenfalls zu periodischen Fehlern führen, die sich in der Drehgleichförmigkeit und aber auch in der zeitlichen Steuerung der Bilddatenstrecke niederschlagen, die ggf. über eigene periodische Fehler verfügt. Die Änderungen der Oberflächengeschwindigkeit setzen sich aus all diesen Fehlern zusammen.
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Aus der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2014 225 256 A1 ist Verfahren für den Tintenstrahldruck auf Behälter bekannt, bei dem wenigstens ein Behälter gedreht und/oder entlang einer gekrümmten Bahn transportiert wird und zugehörige Oberflächengeschwindigkeiten teilumfänglicher Abschnitte einer seitlichen Behälteroberfläche gemessen werden, wobei den teilumfänglichen und/oder dazwischen liegenden Abschnitten zugeordnete Druckzeitpunkte und/oder eine Drehgeschwindigkeit der Behälter an die Oberflächengeschwindigkeiten angepasst werden. Kompensation von durch unterschiedliche Oberflächengeschwindigkeiten vor Druckköpfen verursachten Änderungen des Druckvorschubs. Ermöglicht einheitliche Druckauflösung und nahtloses Aneinanderfügen von Teilaufdrucken. Es wird jedoch keine Ermittlung des additiven Störmoments offenbart und bzgl. der Berechnung des Kompensationsmoments ist lediglich bekannt, dass die Drehgeschwindigkeit der Behälter an die Oberflächengeschwindigkeiten angepasst werden soll. Eine genaue Berechnung des Kompensationsmoments angepasst an das beschriebene Problem hinsichtlich schwankender Farbdichtewerte ist damit nicht möglich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, ein Verfahren zur Ansteuerung des Jetting-Zylinders einer Inkjet-Druckmaschine zu offenbaren, mit welchem auftretende Störmomente beim Antrieb der Maschine effizient kompensiert werden können.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Kompensation von Störmomenten im Antrieb des Jetting-Zylinders einer Inkjet-Druckmaschine durch einen Rechner, welches die Schritte Aufnahme von Druckbilderzeugnissen für mindestens eine Farbe und mindestens eine vollständige Umdrehung des Jetting-Zylinders durch einen Bildsensor und zeitlich parallele Messung des Antriebsmoments des Jetting-Zylinders durch den Rechner, Erzeugen eines mittleren Grauwerteverlaufs über der Umfangskoordinate aus den aufgenommenen Bilddaten durch den Rechner, Überführung des mittleren Grauwerteverlaufs und des gemessenen Verlaufs des Antriebsmoments in den Frequenzbereich mittels rechnergestützter Fourier-Transformation und Extraktion von Ordnungskomponenten aus dem Frequenzbereich, Berechnen eines periodisches Kompensationsmoments aus den extrahierten Ordnungskomponenten und Ansteuerung des Jetting-Zylinders der Inkjet-Druckmaschine im Rahmen eines Druckprozesses unter Einbezug des berechneten periodischen Kompensationsmoments, umfasst. Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, die Störgrößen, welche auf das Drehmoment des angetriebenen Jetting-Zylinders einwirken, möglichst genau zu bestimmen. Für diese Störgrößen gibt es unterschiedlichste Ursachen, die sich alle auf den Antrieb des Jetting-Zylinders auswirken und in Form eines additiven Störmomentes darstellen lassen. Dieses additive Störmoment muss genau bestimmt werden, um damit ein entsprechendes Kompensationsmoment, welches das additive Störmoment ausgleicht, berechnen zu können. Die Ursachen für das additive Störmoment liegen in Geometriefehlern der Bogenführung, Schwankungen im Momenthaushalt der Druckmaschine, verursacht durch Unwuchten oder Greiferkurven und durch periodische Fehler in der Bilddatenstrecke. Wichtig für eine genaue Bestimmung des Störmoments ist dabei die gleichzeitige Aufnahme von Bilddaten gedruckter Druckbilderzeugnisse über einen kompletten Umlauf des Jetting-Zylinders hinweg und einer zeitlich parallelen Messung des Antriebsmoments, mit dem der Jetting-Zylinder während der Druckbildaufnahme angetrieben wird. Der aus den derart aufgenommenen Bilddaten entstehende Grauwerteverlauf des erfassten Druckbildes lässt sich mittels Fourier-Transformation in den Frequenzbereich überführen. Es wird ebenfalls der Verlauf des gemessenen Antriebsmoments des Jetting-Zylinders transformiert. Aus dem derart erhaltenen Spektrum im Frequenzbereich lassen sich nun Ordnungskomponenten extrahieren. Mit diesen kann dann das periodische Kompensationsmoment berechnet werden, mit dem sich bei Anwendung zur Ansteuerung des Jetting-Zylinders das aufgetretene additive Störmoment kompensieren lässt.
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Vorteilhafte und daher bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung mit den zugehörigen Zeichnungen.
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Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass für die Aufnahme von Druckbilderzeugnissen und die zeitlich parallele Messung des Antriebsmoments mindestens zwei gleichartige Identifikationsläufe durchgeführt werden, wobei sich die gemessenen Daten des Antriebsmoments nur in ihrem jeweiligen additiven, periodischen Störmoment im Antrieb unterscheiden. Um sicher zu gehen, dass genügend Daten für das erfindungsgemäße Verfahren zur Verfügung stehen und sich keine das Ergebnis irreversibel verfälschenden Messfehler eingeschlichen haben, sind mindestens zwei sogenannte Identifikationsläufe wie Aufnahme der Druckbilderzeugnisse und die Messung des Antriebs erforderlich. Damit sollte eine ausreichend genaue Berechnung des Kompensationsmomentes möglich sein.
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Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass zur Erhöhung der Fehlertoleranz mindestens 20 gleichartige Identifikationsläufe durchgeführt werden, wobei ein Drittel der Identifikationsläufe zur Berechnung des periodischen Kompensationsmomentes durch den Rechner verwendet werden und die anderen beiden Drittel zur Validierung des Datensatzes durch den Rechner. Für eine möglichst genaue Bestimmung des mittleren Grauwerteverlaufs sowie des Momentenverlaufs sollten so viele Identifikationsläufe durchgeführt werden, dass ein Teil zur Validierung des ermittelten Datensatzes verwendet werden kann. Ein Drittel der ermittelten Daten wird dann zur Berechnung des periodischen Kompensationsmomentes verwendet wird, während zwei Drittel dann zur entsprechenden Validierung des ermittelten Datensatzes verwendet werden. Damit ist eine ausreichende Robustheit und Fehlertoleranz bei der Ermittlung der Daten für den Grauwerteverlauf und den Momentenverlauf gewährleistet.
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Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass die mindestens 20 gleichartigen Identifikationsläufe durch die Wahl der Amplituden- und Phasenlage der Störmomente zueinander durch den Rechner derart beeinflusst werden, dass die Konditionierung des resultierenden Gleichungssystems der jeweiligen additiven, periodischen Störmomente im Antrieb für den Rechner möglichst einfach zu berechnen ist, wobei diejenigen mindestens zwei additiven periodischen Störmomente im Antrieb ausgewählt werden, bei denen die Konditionierung des resultierenden Gleichungssystems am günstigsten ist. Im Rahmen der Berechnung des periodischen Kompensationsmomentes ergibt sich ein Gleichungssystem, welches für die Berechnung entsprechend gelöst werden muss. Die Komplexität dieses Gleichungssystems hängt dabei von der Amplituden- und Phasenlage der additiven Störmomente zueinander ab. Indem man aus den mindestens zwanzig gleichartigen Identifikationsläufen diejenigen zur Berechnung des Kompensationsmomentes auswählt, welche eine zueinander günstige Amplituden- und Phasenlage haben, erreicht man ein entsprechend weniger schwierig zu lösendes Gleichungssystem zur Berechnung des periodischen Kompensationsmomentes. Die Identifikationsumläufe mit entsprechend ungünstiger Amplituden- und Phasenlage können dann erfindungsgemäß zur Validierung des Datensatzes verwendet werden.
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Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass die Berechnung des periodischen Kompensationsmomentes durch den Rechner mittels eines Machine-Learning-Ansatzes durch wiederholte Anwendung von Trainingsdatensätzen durchgeführt wird. Für die Berechnung des periodischen Kompensationsmomentes durch Lösung des Gleichungssystems bietet es sich an, einen „Machine-learning-Ansatz“ zu verwenden, vergleichbar dem der Anwendung eines neuronalen Netzes. Dabei wird durch wiederholte Anwendung von Trainingsdatensätzen ein auf dem Rechner laufender Algorithmus, welcher selbstlernend ist, in die Lage versetzt, die Berechnung des periodischen Kompensationsmomentes effizient durchzuführen. Je mehr Trainingsdatensätze dem selbstlernenden Algorithmus zur Verfügung gestellt werden, desto effizienter kann er dann im realen Einsatz mit echten Daten die Berechnung des periodischen Kompensationsmomentes vornehmen.
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Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass der mittlere Grauwerteverlauf im Frequenzbereich vom Rechner mathematisch gesondert aufbereitet wird, wobei Ordnungen kleiner eins anders behandelt werden als Ordnungen größer gleich eins. Da der Jetting-Zylinder wie die meisten Druckzylinder einen Kanal aufweist, in welchem zum Beispiel die Greifer positioniert sind, und in welchem dementsprechend natürlich nicht gedruckt werden kann, liegen für die Bereiche dieses Kanals bei der umlaufenden Bilderfassung auch keine Bilddaten vor. Der aufgenommene Grauwerteverlauf hat somit eine Lücke, welche sich auch bei der Fourier-Transformation in den Frequenzbereich fortsetzt. Darum müssen die Daten über den transformierten Grauwerteverlauf entsprechend mathematisch gesondert aufbereitet werden, wobei die entstehenden Ordnungen im Frequenzbereich kleiner 1 anders behandelt werden als die Ordnungen größer oder gleich 1.
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Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass zur Aufnahme der Druckbilderzeugnisse eine Inline-Kamera eines Bilderfassungssystems der Inkjet-Druckmaschine als Bildsensor verwendet wird. Zur Aufnahme des Grauwerteverlaufs muss ein Bildsensor verwendet werden. Dabei bietet es sich an, die Inline-Kamera des Bilderfassungssystems der Druckmaschine zu verwenden, falls die Druckmaschine ein solches Bilderfassungssystem zur Qualitätskontrolle besitzt. Die Verwendung der Inline-Kamera des Bilderfassungssystems hat den Vorteil, dass kein zusätzlicher Bildsensor in der Inkjet-Druckmaschine installiert werden muss und somit keine konstruktiven Änderungen notwendig sind. Gegenüber einer externen Lösung hat diese Vorgehensweise den Vorteil, dass der bedruckte Bogen später nicht gesondert analysiert und dafür gehandhabt werden muss.
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Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass für die Aufnahme von Druckbilderzeugnissen und die zeitlich parallele Messung des Antriebsmoments genau zwei Identifikationsläufe durchgeführt werden, wobei ein Störmoment nur aus reinen Sinus-Termen und das andere aus reinen Kosinus-Termen gleicher Amplitude pro Frequenzstützstelle besteht. Alternativ zur Durchführung von mehr als zwei Identifikationsläufen bzw. sogar mehr als 20, besteht auch die Möglichkeit, lediglich zwei Identifikationsläufe durchzuführen, wobei ein Identifikationslauf mit einem Störmoment aus reinen Sinus-Thermen und der zweite Identifikationslauf mit einem Störmoment aus reinen Kosinus-Termen gleicher Amplitude pro Frequenzstützstelle durchgeführt wird. Dieses Verfahren ist schneller als wenn deutlich mehr Identifikationsläufe durchgeführt werden und es erzeugt entsprechend weniger Makulatur. Nachteilig ist die erhöhte Anfälligkeit gegenüber äußeren Störeinflüssen wie z.B. einem Messrauschen und anderen.
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Die Erfindung als solche sowie konstruktiv und/oder funktionell vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen anhand wenigstens eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In den Zeichnungen sind einander entsprechende Elemente mit jeweils denselben Bezugszeichen versehen.
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Die Zeichnungen zeigen:
- 1: eine Übersicht von möglichen Ursachen für additive Störmomente
- 2: den prinzipiellen Zusammenhang zwischen Geschwindigkeitsänderungen am Jetting-Zylinder und resultierenden Schwankungen im Farbdichteverlauf
- 3: eine Übersicht über verschiedene Farbdichteschwankungen für bestimmte Ordnungen im Frequenzbereich
- 4: den schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
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Das erfindungsgemäße Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsvariante wird in 4 schematisch in Form eines Ablaufdiagramms dargestellt. Es zeigt Folgendes:
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Bei Erstinbetriebnahme der Druckmaschine müssen mindestens zwei Identifikationsläufe gleichartig durchgeführt werden. Hierbei wird jeweils mit einer Inline-Kamera für mindestens eine Farbe und mindestens eine vollständige Umdrehung des Jetting-Zylinders Bilder der Druckergebnisse 9 aufgenommen, zeitlich synchron dazu wird das Antriebsmoment der Maschine gemessen. Die Messungen unterscheiden sich nur in einem additiven, periodischen Störmoment im Antrieb, das alle interessierenden Ordnungskomponenten enthält. Die prinzipiellen Ursachen 1 dieses additiven, periodischen Störmomentes sind in 1 dargestellt. Es wird sehr übersichtlich die Wirkungskette von der Störung zum resultierenden Dichteverlauf aufgezeigt, mit den einzelnen, jeweiligen Störursachen.
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Aus den Bildern der Druckergebnisse wird dann per Bildverarbeitung ein mittlerer Grauwertverlauf 10 über der Umfangskoordinate erzeugt. Dieser Verlauf 10 und der Momentenverlauf werden über eine Fourier-Transformation in den Frequenzbereich überführt, wo aus dem Grauwertverlauf im Frequenzbereich 11 die oben genannten Ordnungskomponenten extrahiert werden. 2 zeigt dabei den Zusammenhang zwischen Geschwindigkeitsänderungen am Jetting-Zylinder und den daraus resultierenden Schwankungen im Farbdichteverlauf. Im ersten Bild von 2 ist dabei die gemessene Umfangsgeschwindigkeit des Jetting-Zylinders 2 dargestellt. Das zweite Bild zeigt die ermittelten Positionsfehler 3 von auf dem Drucksubstrat aufgetroffenen Tintentropfen, welche dann in den erwähnten Farbdichteschwankungen resultieren. Die Darstellung ist hier im Zeitbereich, wobei das dargestellte Signal dem des Gebers am Jettingzylinder 4 entspricht. Änderungen in der Oberflächengeschwindigkeit 8 bewirken Fehler in der Tropfenposition und damit im Farbdichteverlauf 7. Sehr gut ist die umgekehrte Korrelation 5 zwischen beiden Messkurven zu erkennen. 3 zeigt dagegen den Frequenzbereich 6 mit den betreffenden Ordnungen an. Diese zeigen für verschiedene Ordnungen verschiedene Ordnungskomponenten, wie die Farbdichte 7 oder die Oberflächengeschwindigkeit 8 an.
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Aufgrund des Kanals des Jetting-Zylinders, in welchem keine Bildinformation erzeugt wird, muss der Grauwertverlauf mathematisch gesondert aufbereitet werden, wodurch ein Grauwertverlauf mit reduzierten Ordnungen 12 entsteht. Hierbei werden Ordnungen kleiner eins anders behandelt als Ordnungen größer gleich eins.
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Mit diesen Daten und dem Wissen über das additive, periodische Störmoment lässt sich ein periodisches Kompensationsmoment 13 berechnen, mit dem eine schwankungsfreier und damit konstanter Farbdichteverlauf in Umfangsrichtung ermöglicht wird.
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Bei der Auswahl der mindestens zwei additiven periodischen Störmomente ist darauf zu achten, dass die Konditionierung des resultierenden Gleichungssystems möglichst günstig ist. Diese kann durch die Amplituden- und Phasenlage der Störmomente zueinander beeinflusst werden.
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Idealerweise werden ca. 20 Messungen mit unterschiedlichen Störmomenten aufgezeichnet. Ein Drittel dieser Messungen wird zur Berechnung des periodischen Kompensationsmomentes 13 verwendet, z.B. in Form eines Trainingsdatensatzes wie bei einem Machine-Learning-Ansatz, während die anderen beiden Drittel zur Validierung des Datensatzes herangezogen werden. Durch dieses Vorgehen ergibt sich eine ausreichende Robustheit gegenüber Störungen.
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Falls das so berechnete, periodische Kompensationsmoment 13 nicht für alle Betriebszustände der Maschine, wie Formatverstellung, Lack an/ab, Precoat an/ab, etc., gültig ist, muss das Procedere für jede interessierende Konfiguration wiederholt werden.
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Das jeweilige additive Störmoment würde dann entsprechend dem Betriebszustand aufgebracht werden.
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Die eingangs beschriebenen Fehler in der Oberflächengeschwindigkeit 8 und der Bilddatenstrecke werden somit verkleinert und im besten Fall vollständig eliminiert.
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Da bei den meisten verwendeten Inkjet-Druckmaschinen bereits alle notwendigen Komponenten und Sensoren in der Maschine verbaut sind, fallen zudem keine zusätzlichen Hardwarekosten an.
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Es gibt zudem noch einer weitere, alternative Ausführungsvariante. Hier werden lediglich zwei Identifikationsläufe durchgeführt. Dabei besteht das Störmoment des ersten Identifikationslaufes nur aus reinen Sinustermen gleicher Amplitude pro Frequenzstützstelle, während das Störmoment des zweiten Identifikationslaufes nur aus reinen Cosinustermen besteht.
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Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass sie schneller ist und weniger Papier benötigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ursachen für additive Störmomente
- 2
- Umfangsgeschwindigkeit Jettingzylinder
- 3
- Positionsfehler eines Tintentropfens
- 4
- Geber am Jettingzylinder
- 5
- umgekehrte Korrelation
- 6
- Frequenzbereich mit verschiedenen Ordnungen
- 7
- Farbdichte
- 8
- Oberflächengeschwindigkeit
- 9
- aufgenommene Druckbilder
- 10
- ermittelter Grauwertverlauf über Umfangskoordinate
- 11
- fouriertransformierter Grauwertverlauf im Frequenzbereich
- 12
- Grauwertverlauf im Frequenzbereich mit reduzierten Ordnungen
- 13
- periodisches Kompensationsmoment
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014225256 A1 [0009]
