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Die
Erfindung betrifft eine Walze mit integriertem Drucksensor, sowie
eine Maschine mit einer derartigen Walze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 bzw. 13 oder 16.
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Eine
Walze dieses Typs ist z. B. aus
DE 199 30 600 A1 bekannt. In dieser Schrift
wird vorgeschlagen, als druck- oder/und zugsensitives Element einen
Dehnungsmessstreifen in eine Walze einzubauen, z. B. an der Innenfläche eines
Walzenzylinders oder an der Außenfläche eines
solchen Zylinders und durch eine Deckschicht aus Gummi, Kunststoff
oder dergleichen geschützt.
Wenn die Walze im Betrieb rotiert, ermöglicht ein solcher Drucksensor
die Erfassung des Drucks in einem Spalt zwischen der Walze und einem
Widerlager, wenn der Sensor diesen Spalt passiert.
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Eine
solche punktuelle Messung des Drucks kann jedoch durch Schwingungen
der Walze verfälscht
sein. Insbesondere der Einfluss von mit der Drehfrequenz der Walze
angeregten erzwungenen Schwingungen kann mit einem solchen Sensor
nicht erfasst werden, da er den Druck stets in einer unbestimmten
Phasenlage einer solchen erzwungenen Schwingung misst. Um diesem
Problem zu begegnen, empfiehlt
DE 199 30 600 A1 , eine Mehrzahl von Drucksensoren
an der Walze anzuordnen. Bei geeigneter Anordnung der Sensoren ist
vorstellbar, dass diese den im Spalt herrschenden Druck jeweils
bei unterschiedlichen Phasen von Schwingungen der Walze erfassen,
so dass es möglich
ist, aus den erhaltenen Druckmesswerten einen quasistationären und
einen oszillierenden Anteil zu ermitteln, wobei der quasistationäre Anteil
genutzt werden kann, um einen Anpressdruck der Walze gegen das Widerlager im
Betrieb nachzuregeln und der oszillierende Anteil genutzt werden
kann, um Amplitude und Phase von Schwingungen der Walze zu erfassen
und diesen Schwingungen durch Ausüben einer mit geeigneter Phase
und Frequenz oszillierenden Kraft auf die Walze entgegenzuwirken.
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In
der zitierten Schrift ist ausgeführt,
dass ein einzelner dieser Sensoren Schwingungen der Walze nur an
einer bestimmten Stelle der Walze erfassen kann. Die Auflösung, mit
der die Schwingungen der Walze erfasst werden können, ist also begrenzt durch
die Zahl der an ihr angebrachten Sensoren. Die große Zahl
von benötigten
Sensoren macht die bekannte Walze aufwändig und kostspielig. Darüber hinaus
bringt die Vielzahl von Sensoren das Problem mit sich, dass Streuungen
in der Empfindlichkeit der Sensoren dazu führen können, dass von den verschiedenen
Sensoren nacheinander bei ihrem Durchgang durch den Spalt gelieferte
Messsignale auch dann voneinander abweichen, wenn der im Spalt herrschende
Druck tatsächlich
konstant ist, so dass eine Schwingung auch dann erfasst wird, wenn in
Wirklichkeit keine vorhanden ist. In einem solchen Fall wird durch
den Versuch, der scheinbaren Schwingung entgegenzuregeln, erst eine
Schwingung der Walze angeregt.
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Aus
DD 233 653 A1 ist
eine Walze für
eine Druckmaschine bekannt, bei der ein Drucksensor den Umfang der
Walze umhüllend
angebracht ist. Ein solcher Sensor erlaubt im Prinzip eine kontinuierliche Erfassung
des zwischen der Walze und einem Widerlager herrschenden Drucks.
Bei mehreren Nipps ist eine Auflösung
pro Nipp nicht mehr möglich.
Als Ausführungsbeispiel
für einen
solchen Sensor wird eine Elektretfolie genannt. Da nur ein einziger
Sensor zum Einsatz kommt, entfällt
das oben geschilderte Problem streuender Empfindlichkeiten bei mehreren Sensoren.
Dennoch hat sich die Lehre von
DD 233 653 A1 in der Praxis nicht durchgesetzt,
da die Langzeitstabilität
einer solchen Elektretfolie praktischen Anforderungen nicht genügt. Eine
Druckwalze kann im Betrieb typischerweise Temperaturen von 60 °C und darüber erreichen,
bei denen die elektrische Polarisation der Elektretfolie dazu neigt,
sich schnell auszugleichen, so dass die Empfindlichkeit des Sensors
im Laufe des Betriebs alsbald abnimmt.
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Durch
die
DE 199 63 945
C1 sind Piezoelemente im Bereich einer Mantelfläche einer
Walze bekannt, welche durch Längenänderung
in axialer Richtung der Walze einer Durchbiegung der selben entgegenwirken.
Die Piezoelemente können
hiefür
als geschichtete Piezofäden
ausgebildet sein, welche bei Anlegen einer Spannung ihre Länge ändern.
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In
der
DE 199 54 020
A1 ist ein Fasern aufweisender Messkörper offenbart, welcher durch Schneiden
einer flachen Scheibe aus einem Block hergestellt ist, wobei die
Schnittebene derart gewählt ist,
dass die Richtung der Fasern senkrecht zur Dickenrichtung verläuft.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Walze mit integriertem
Drucksensor und eine Maschine mit einer derartigen Walze zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 13 oder 16 gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass das anorganische piezoelektrische Material eine ausgezeichnete
Langzeitstabilität
auch bei erhöhten
Umgebungstemperaturen aufweist.
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Die
Herstellung von großflächigen Drucksensoren
mit homogener Empfindlichkeit, die eine Überwachung des auf die Walze
wirkenden Drucks auf einem großen
Teil ihres Umfangs erlaubt, ist dadurch erleichtert, dass das piezoelektrische
Material in eine Vergussmasse eingebettet ist.
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Eine
anisotrope Ausrichtung des piezoelektrischen Materials wird dadurch
erreicht, dass das Material an ausgerichtete Fasern gebunden ist.
Die Bindung an die Fasern erleichtert auch die elektrische Kontaktierung
des piezoelektrischen Materials.
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Die
das piezoelektrische Material kontaktierenden Elektroden sind vorzugsweise
an zwei entgegengesetzten Oberflächen
eines das piezoelektrische Material enthaltenen Messkörpers angeordnet, wobei
die Fasern im Wesentlichen quer zu diesen Oberflächen ausgerichtet sind.
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Um
eine in radialer Richtung der Walze wirkende Druckkraft zu messen,
sind die die Elektroden aufweisenden Oberflächen des Messkörpers vorzugsweise
konzentrisch zum Umfang der Walze angeordnet.
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Als
Vergussmasse kommt ein elektrisch isolierendes und das piezoelektrische
Material vor dem Einfluss aggressiver chemischer Substanzen schützendes
Material, insbesondere ein Epoxidharz, in Frage.
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Um
den Drucksensor anzubringen, kann in der Walze eine Aussparung gebildet
sein. Insbesondere wenn die Walze ein Formzylinder ist, kann die Aussparung
in einer an dem Formzylinder montierten Druckplatte, insbesondere
in Form eines Ausschnittes, gebildet sein.
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Wenn
die Walze eine flexible Außenschicht wie
etwa ein Gummituch aufweist, ist die Aussparung vorzugsweise in
der Außenschicht
gebildet.
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Denkbar
ist auch, den Sensor in eine flexible Außenschicht der Walze materialschlüssig einzubetten.
Zwar macht dies einen Austausch des Sensors erforderlich, wenn die
flexible Außenschicht
abgenutzt ist und ausgetauscht werden muss, doch ist die Anbringung
des Sensors auf der Walze auf diese Weise erheblich vereinfacht.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch eine Maschine, insbesondere eine Druckmaschine,
mit einer Walze wie oben beschrieben und einem Widerlager, die gemeinsam
einen Bearbeitungsspalt begrenzen. Bei einer solchen Maschine ist
die Länge, über die sich
der Sensor in Umfangsrichtung der Walze erstreckt, gleich wenigstens
einem Viertel, vorzugsweise wenigstens gleich der Hälfte des
Produkts aus, Umfang und einer Arbeits-Drehfrequenz (z. B. 1 bis 25 Hz) dividiert
durch eine zu erfassende Frequenz der Walze (z. B. 80 bis 300 Hz),
mit der die Walze in der Maschine betrieben wird, gewählt. Eine
Länge von
einem Viertel dieses Produkts ermöglicht die Erfassung des auf
die Walze wirkenden Drucks während
einer Viertelperiode der zu erfassenden Schwingung. Wenn sichergestellt
ist, dass diese Viertelperiode einen Nulldurchgang und ein Maximum
der Schwingung enthält,
kann hieraus die Amplitude der Schwingung und folglich auch die
Amplitude einer auf die Walze auszuübenden oszillierenden Kraft
bestimmt werden, mit der der Schwingung entgegengewirkt wird. Wenn
die Länge
wenigstens die Hälfte
des besagten Produkts beträgt,
so ist unabhängig
von der Phase der Schwingung gewährleistet,
dass im Verlauf des vom Sensor gelieferten Messsignals ein Nulldurchgang
und ein Maximum enthalten ist, und Amplitude und Phase der Schwingung
können
bestimmt werden. Wenn die Länge
des Sensors dem gesamten besagten Produkt entspricht, so erstreckt sich
das von dem Sensor gelieferte Messsignal über eine vollständige Periode
der Schwingung, so dass Unsicherheiten bei der Bestimmung eines
Nulldurchgangs das Erfassungsergebnis nicht beeinträchtigen können.
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Die
zu erfassende Schwingung kann eine durch bei der Drehung der Walze
variabel einwirkende Kräfte
angeregte erzwungene Schwingung sein; es kann sich auch um eine
Resonanzschwingung der Walze handeln.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im
folgenden näher
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische perspektivische Ansicht eines Teils einer Druckmaschine
mit zwei Walzen, darunter eine gemäß der Erfindung;
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2 eine
schematische perspektivische Ansicht eines in der Walze eingesetzten
Drucksensors;
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3 einen
schematischen Schnitt durch den Drucksensor aus 2;
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4 einen
Teilschnitt durch eine Walze mit einem in eine flexible Außenschicht
der Walze eingebetteten Drucksensor;
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5 eine
Teilansicht einer Walze mit einem in eine Aussparung einer Außenschicht
eingebetteten Sensor;
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6 einen
Teilschnitt durch eine Walze mit einem in eine Aussparung eines
festen Mantels der Walze eingebetteten Sensor.
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1 zeigt
eine perspektivische Teilansicht eines Druckwerks als Beispiel für eine Maschine,
insbesondere Druckmaschine. Zwei Walzen 01; 02 begrenzen
einen Druckspalt 03, in welchem eine (nicht dargestellte)
den Druckspalt 03 durchlaufenden Materialbahn bedruckt
werden kann, wobei die Walzen 01; 02 Druck aufeinander
ausüben.
Wenn das Druckwerk ein Offset-Druckwerk ist, ist die Walze 01 ein Zylinder 01,
z. B. ein Gummituchzylinder 01 und die Walze 02,
z. B. ihr Zylinder 02, ihr Gegendruckzylinder 02;
bei einem Druckwerk für
andere Drucktechniken handelt es sich bei der Walze 01,
z. B. um einen Formzylinder 01.
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Letzteres
kann auch im Offset der Fall sein, wenn die Walze 02 dann
einen Übertragungszylinder 02 oder
eine Walze 02 eines Farbwerkes darstellt. Die beiden Walzen 01; 02 bilden
dann allgemein betrachtet eine Nippstelle 03 oder auch
einen Walzenspalt 03.
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Die
Walzen 01; 02 sind an ihren Enden in Seitengestellplatten 04 drehbar
gelagert. Eine der Walzen 01; 02, hier die Walze 01,
ist mit Hilfe von zwei an ihren Enden angreifenden Stellgliedern 06, von
denen nur eines in der 1 gezeigt ist, quer zur Ebene
des Druckspalts 03 verschiebbar, um im Bedarfsfall die
Walzen 01; 02 von einander abzurücken und
im Betrieb den Druck der Walzen 01; 02 gegeneinander
einzustellen. Unter Walze 01; 02 ist im folgenden
auch ein Zylinder 01; 02 zu verstehen.
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In
der 1 sind zwei streifenförmige Drucksensoren 07 an
der Außenfläche der
Walze 01 zu erkennen. Die Drucksensoren 07 sind
in einem mittleren Bereich der Walze 01 angeordnet. Bei
einem Druckwerk mit einer Breite entsprechend einer geraden Zahl
von Seiten druckt der mittlere Bereich, in dem sich die Drucksensoren 07 befinden,
im Allgemeinen nicht, so dass eventuelle Inhomogenitäten in den
Eigenschaften der Walzenoberfläche,
die auf das Vorhandensein der Drucksensoren 07 zurückgehen
könnten,
sich auf das Druckbild nicht auswirken.
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Die
mittige Anordnung der Drucksensoren 07 ist außerdem bevorzugt,
weil in diesem Bereich der Walzen der zwischen ihnen wirkende Druck
am stärksten
von eventuellen Schwingungen der Walzen 01; 02 abhängt.
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Die
Breite der Drucksensoren 07 ist in der 1 der
klareren Darstellung wegen übertrieben,
in der Praxis beträgt
die Breite der Sensoren vorzugsweise zwischen 1 und 20 mm, insbesondere
1 und 10 mm.
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Die
zwei Drucksensoren 07 in 1 überlappen
partiell auf dem Umfang der Walze 01, so dass eine lückenlose Überwachung
des im Druckspalt 03 herrschenden Druckes möglich ist.
Die für
die Drucksensoren 07 gewählte Länge hängt ab von einer im Betrieb
des Druckwerks vorgesehenen Rotationsfrequenz der Walzen 01; 02 und
der Frequenz von Schwingungen, die im Betrieb angeregt werden können. Dabei
kann es sich um erzwungene Schwingungen mit der Drehfrequenz der
Walzen 01; 02 oder einer Harmonischen davon handeln,
oder um freie Schwingungen, deren Frequenz durch die Konstruktion
der Walzen 01; 02 bestimmt ist. Bei einer erzwungenen
Schwingung liegt die Phase der Schwingung in Bezug auf die Phase
der Drehung der Walzen 01; 02 fest, so dass die
Drucksensoren 07 bei jedem Durchgang durch den Druckspalt 03 der
gleichen Phase der Schwingung ausgesetzt sind. Dadurch ist es mit
einem Drucksensor 07, der sich über ein Viertel des Umfangs
der Walze 01 erstreckt, möglich, ein Phasenintervall
von 90° zu überwachen,
das bei geeigneter Positionierung des Drucksensors 07 auf
der Walze 01 ein Extremum und einen Knoten der Schwingung
enthalten kann, so dass aus der zeitlichen Entwicklung des vom Drucksensor 07 beim Durchgang
durch den Druckspalt 03 gelieferten Signals auf die Amplitude
der erzwungenen Schwingung geschlossen werden kann. Freie Resonanzschwingungen der
Walze 01 können
in Bezug auf deren Drehung beliebige Phasenlagen haben, so dass
die Länge
des Drucksensors 07 in Umfangsrichtung der Walze 01 wenigstens
so groß sein
muss, dass der Drucksensor 07 ein Phasenintervall der Resonanzschwingung
von 180° erfasst,
um garantieren zu können,
dass im erfassten Bereich jeweils wenigstens ein Extremum und ein
Knoten liegen.
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2 zeigt
in einer perspektivischen Darstellung schematisch den Aufbau eines
Drucksensors 07; 3 zeigt
einen Teilschnitt durch den Drucksensor 07. Der Drucksensor 07 ist
aus einer Mehrzahl von Schichten aufgebaut, von unten nach oben
in der 2 oder 3 eine flexiblen Trägerschicht 11,
die z. B. aus einem aus der Herstellung von flexiblen Leiterplatten
für die
Elektronik bekannten Material wie etwa Polyamidfolie bestehen kann, eine
darauf aufgebrachte erste Elektrode 12, ein Messkörper 13,
der piezoelektrisches Verhalten zeigt, und eine zweite Elektrode 14.
Anschlussdrähte 16 sind
an die zweite Elektrode 14 und einen unter dem Messkörper 13 vorstehenden
Abschnitt der ersten Elektrode 12 gelötet. Vorteilhafter Weise weist der
Drucksensor 07 eine in 2 nicht
und in 3 strichliert dargestellte, elektrisch nichtleitende
Abdeckung 15 auf.
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Der
Messkörper
13 besteht
aus einem Verbundmaterial, das ein mineralisches piezoelektrisches
Material gebunden an in eine Vergussmasse
18 eingebettete,
ausgerichtete Fasern
19 enthält. Die Herstellung eines solchen
Messkörpers
ist in
DE 199 54 020
A1 beschrieben, so dass hierauf an dieser Stelle nicht
weiter eingegangen werden muss. Geeignete Fasern
19 und
piezoelektrische Materialien sowie Verfahren, diese Materialien
an die Fasern
19 zu binden, sind aus
US 47 26 999 A bekannt.
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Der
Messkörper
13 ist
hergestellt durch Schneiden einer flachen Scheibe aus einem wie
in
DE 199 54 020 A1 beschrieben
hergestellten Block, wobei die Schnittebene gemäß der vorliegenden Erfindung
senkrecht zur Richtung in der Fasern
19 gewählt ist,
so dass sich diese, wie in
3 gezeigt,
im Wesentlichen quer zur Oberflächen
der Elektroden
12;
14 durch den Messkörper
13 erstrecken.
Eine Piezospannung, die proportional zu einer in Normalenrichtung
auf die Oberflächen
der Elektroden
12;
14 einwirkenden Druckkraft
ist, kann an den Elektroden
12;
14 abgegriffen
werden.
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4 zeigt
einen Teilschnitt durch einen Gummituchzylinder 01 als
Ausführungsbeispiel
für eine
Walze 01. Die Ebene des Schnitts der 4 ist parallel
zur Achse des Gummituchzylinders 01; gezeigt ist ein Teil
der Außenschicht 21,
z. B. des Gummituches 21 sowie eines starren Zylindermantels 22, z.
B. aus Stahl, auf dem das Gummituch 21 aufgezogen ist.
Ein Drucksensor 07 vom in Bezug auf 2 und 3 beschriebenen
Typ ist in das Gummituch 21 eingebettet und vom Material
des Gummituchs 21 rings umgeben. Die Anschlussdrähte 16 zum
Ableiten des Messsignals des Drucksensors 07 können ebenfalls
in das Gummituch 21 eingebettet sein, wie in der 4 als
gestrichelte Linie angedeutet, oder sie können auf die Innenseite des
Gummituchs 21 geführt
sein, wie durch die strichpunktierte Linie in 4 dargestellt,
wo das Messsignal über
die leitfähige
Oberflächen
des metallischen Zylindermantels 22 abgeführt wird.
Möglich
ist auch, an der dem Zylindermantel 22 zugewandten Innenseite
des Gummituchs 21 eine flexible Leiterplatte anzuordnen,
auf der mehrere gegen den Zylindermantel 22 isolierte Leiterbahnen
verlaufen, über
die Messsignale des Drucksensors 07 oder gegebenenfalls
einer Mehrzahl von Drucksensoren 07 abgeführt werden
können.
Wenn eine solche flexible Leiterplatte sich über die gesamte Trägerschicht 11 eines
Drucksensors 07 erstreckt und rings um die Trägerschicht 11 herum dicht
mit dem Material des Gummituchs 21 verbunden ist, kann
in ähnlicher
Weise wie durch die in 4 gezeigte Einbettung ein wirksamer
Schutz des Drucksensors 07 gegen den Kontakt mit in der
Drucktechnik verwendeten aggressiven Flüssigkeiten verhindert werden.
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Die
Einbettung des Drucksensors 07 in das Gummituch 21 gemäß dem Ausführungsbeispiel
der 3 bringt es mit sich, dass der Drucksensor 07 mit dem
Gummituch 21 ausgetauscht werden muss, wenn letzteres verschlissen
ist. Dieses Problem wird vermieden bei der in 5 dargestellten
Ausgestaltung der Erfindung. 5 zeigt
eine perspektivische Teilansicht einer Walze 01 gemäß einer
alternativen Ausgestaltung, bei der der in eine schützende Masse 26,
z. B. Kunststoffmasse 26, hermetisch dicht eingebettete
Drucksensor 07 (der in der 5 teilweise aufgeschnitten
gezeigt ist) in eine Aussparung des Gummituchs 21 eingefügt ist.
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Eine ähnliche
Ausgestaltung eignet sich auch für
die Anwendung bei Formzylindern 01 für Hoch- oder Tiefdruck; hier
sind es auf dem Zylindermantel 22 montierte Formplatten 27,
die die Aussparung zur Aufnahme des Drucksensors 07 aufweisen. In
diesem Fall ist es bevorzugt, den Drucksensor 07 in einem
nicht druckenden Bereich an der Grenze zwischen zwei Formplatten 27 unterzubringen,
so dass die Aussparung, die den Drucksensor 07 aufnimmt,
meist die Form eines randoffenen Ausschnittes am Rand der Formplatte 27 hat.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Walze 01 in einem Teilschnitt senkrecht zu deren Längsachse.
Bei dieser Walze 01 ist eine Aussparung 28 in
Form eines in Umfangsrichtung gefrästen Kanals 28 in
einem starren Zylindermantel 22 der Walze gebildet, die
den in die schützende
Kunststoffmasse 26 eingebetteten Drucksensor 07 aufnimmt. Bei
dieser Ausgestaltung kann der Drucksensor 07 wesentlich
länger
im Einsatz bleiben als eine eventuell auf dem Zylindermantel 22 aufgezogene
verschleißgefährdete Oberflächenschicht;
sie auch geeignet, wenn der Zylindermantel 22 in Betrieb
selbst die Außenfläche der
Walze 01 bildet und keine weitere Schicht trägt.
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Die
Masse 26 kann auch metallisch ausgeführt sein. Die dargestellte
Walze 01 kann für
alle Figuren als Hohlkörper
oder als Vollkörper
(Vollzylinder) ausgeführt
sein.
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- 01
- Walze,
Zylinder, Gummituchzylinder, Formzylinder
- 02
- Walze,
Zylinder, Gegendruckzylinder, Übertragungszylinder
- 03
- Druckspalt,
Nippstelle, Walzenspalt
- 04
- Seitengestellplatte
- 05
-
- 06
- Stellglied
- 07
- Drucksensor
- 08
-
- 09
-
- 10
-
- 11
- Trägerschicht
- 12
- Elektrode,
erste
- 13
- Messkörper
- 14
- Elektrode,
zweiter
- 15
- Abdeckung,
nichtleitend
- 16
- Anschlussdraht
- 17
-
- 18
- Vergussmasse
- 19
- Faser
- 20
-
- 21
- Außenschicht,
Gummituch
- 22
- Zylindermantel
- 23
-
- 24
-
- 25
-
- 26
- Kunststoffmasse
- 27
- Formplatte
- 28
- Aussparung,
Kanal