DE19941728A1 - Bogenkantendetektor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Kante eines Bogens (6), der sich auf einer massiven Unterlage (2) befindet, in einer bogenverarbeitenden Maschine. Im Abstand über der massiven Unterlage befinden sich eine Vielzahl von in regelmäßigen Abständen angeordneten Ultraschall-Sendeempfängern, die ein sogenanntes Wandlerarray (4) bilden. Mit Hilfe des Wandlerarrays ist es möglich, die Lage der Bogenkante zu einem beliebigen Zeitpunkt äußerst exakt zu erfassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Kante eines Bogens, der sich auf einer massiven Unterlage befindet, in einer bogenverarbeitenden Maschine.

Im Anleger von Bogendruckmaschinen verwendet man Bogenkantendetektoren, um die korrekte Ausrichtung eines Bogens aus Papier oder anderen Bedruckstoffen an der Anlage zu überprüfen. Bedarfsweise kommen solche Bogenkantendetektoren auch an anderen Stellen in bogenverarbeitenden Maschinen zum Einsatz, z. B. zur Kontrolle des kontinuierlichen Bogenlaufs in einer digitalen Druckmaschine oder zur Kontrolle der Bogenausrichtung z. B. in einer Stanz-, Falz- oder Zusammentragmaschine.

Bogenkantendetektoren arbeiten normalerweise optoelektronisch, entweder nach dem Durchlicht- oder dem Reflexlicht-Verfahren. Durchlicht-Detektoren können nicht zur Erfassung von Bedruckstoff-Bögen angewandt werden, die auf einer zusammenhängenden Fläche wie z. B. einem Anlegertisch aufliegen, und Reflexlicht-Detektoren sind wegen der Abhängigkeit der Reflexionseigenschaften der Bedruckstoffoberfläche und der Unterlage z. B. von Verschmutzungen problematisch. In beiden Fällen ist außerdem der störende Einfluß von Fremdlicht problematisch. Aus diesen und anderen Gründen wie z. B. dem notwendigen Mindest-Strahldurchmesser sind konventionelle optoelektronische Bogenkan­ tendetektoren auf die punktuelle Prüfung auf Papieranwesenheit beschränkt und gestatten keine Angaben über die genaue Lage des Bogens.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bogenkantendetektor zu schaffen, der es ermöglicht, die Lage der Bogenkante zu einem beliebigen Zeitpunkt, in dem sich die Bogenkante in einem Erfassungsbereich des Detektors befindet, äußerst exakt zu erfassen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich in einem Abstand über der massiven Unterlage eine Vielzahl von in regelmäßigen Abständen angeordneten Ultraschall-Sendeempfängern befinden.

Im Betrieb werden die Ultraschall-Sendeempfänger abwechselnd zwischen Senden und Empfang umgeschaltet. Im Sendebetrieb erzeugen sie kurze Ultraschallimpulse, die in der Summe zusammenhängende, vorzugsweise ebene Ultraschall-Wellenfronten ergeben, die sich in Richtung auf die massive Unterlage fortpflanzen. Im Empfangsbetrieb empfangen die Ultraschall-Sendeempfänger die von der massiven Unterlage, dem Bogen und/oder der Bogenkante reflektierten Ultraschallwellen und- geben entsprechende elektrische Signale ab, die ausgewertet werden können, um die Lage der Bogenkante anhand der davon erzeugten Störung der Wellenfront zu ermitteln.

Falls die Ultraschall-Sendeempfänger in einer geraden Linie angeordnet sind, kann eine im wesentlichen ebene Wellenfront einfach dadurch erzeugt werden, daß die Ultraschall- Sendeempfänger die Ultraschallimpulse entweder gleichzeitig oder in regelmäßigen Abständen phasenversetzt abgeben.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Wellenfronten schräg von vorne auf die Bogenkante fallen gelassen, entweder durch phasenversetzte Ansteuerung der Ultraschall- Sendeempfänger oder durch schräge Anordnung einer Zeile von Ultraschall- Sendeempfängern in bezug auf die Unterlage oder durch beide Maßnahmen gemeinsam. Wenn die Wellenfront schräg von vorne auf die Bogenkante auftrifft, entsteht eine wesentlich stärkere Störung in den reflektierten Schallwellen, so daß die Bogenkante leichter nachweisbar ist.

Indem die Ultraschall-Sendeempfänger genügend nahe beieinander angeordnet werden und entsprechend kurze Schallwellenlängen verwendet werden, kann die Erfassungsgenauigkeit der Bogenkante praktisch beliebig gesteigert werden. Eine für die meisten in Betracht kommenden Anwendungszwecke ausreichende Erfassungsgenauigkeit liegt in der Größenordnung 10 Mikrometer. Diese Genauigkeit läßt sich auf einfache Weise dadurch erreichen, daß die Vielzahl von Ultraschall-Sendeempfängern durch ein einzelnes mikrosystemtechnisch hergestelltes Bauelement gebildet werden, ein sogenanntes Ultraschall-Wandlerarray. Ein solches Wandlerarray wird z. B. beschrieben in "Die Meß- und Automatisierungspraxis", 1997, Band 2, Seiten 107 bis 115: "Akustische Wandler- Arrays unter Nutzung mikromechanischer Technologien".

Das darin beschriebene Wandlerarray ist für flüssige Medien vorgesehen. Derartige Wandler müssen nur einen relativ geringen Hub aufweisen, und es genügt eine sehr kleine Fläche zur Ankopplung des Schalls an die Flüssigkeit. Für die erfindungsgemäße Bogenkantenabtastung in Luft sind größere Hübe und Ankopplungsflächen der Wandlerelemente wünschenswert. Hierfür kommen z. B. Wandler mit gewölbter Piezopolymerfolie für Luftschall in Frage, wie sie von W. Manthey in "Ultraschall- Kurzdistanz-Abstandssensoren für hohe Wegauflösung", VDI-Berichte, Nr. 939, 1992, Seiten 153 bis 158, beschrieben werden. Kurzhubige Wandlerelemente wie piezokeramische Elemente kommen aber ebenfalls für die Luftschallerzeugung in Betracht, wenn eine akustische Impedanzwandlung zwischen der Keramik und der elastischen Luft vorgenommen wird. Zu diesem Zweck geeignete Ankoppelmedien sind z. B. weiche Materialien wie Schäume, die auf die Keramikoberfläche aufgebracht werden.

Damit die Meßgenauigkeit möglichst groß ist und außerdem Schallverluste und Fehlmessungen durch Störschall gering gehalten werden, ist es günstig, wenn das Wandlerarray in einem geringen Abstand von z. B. einigen Millimetern oder Zentimetern über der massiven Unterlage angeordnet ist. Die Untergrenze wird durch die verwendete Wandlertechnik und außerdem durch die Forderung bestimmt, daß der Bogentransport nicht behindert wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung enthält die massive Unterlage eine oder mehrere Referenzmarken, die auf einfache Weise durch Ausnehmungen in der Oberseite der massiven Unterlage gebildet werden können, die entweder hohl sind oder mit einem Material mit anderen Schallreflexionseigenschaften als das Material der Unterlage gefüllt sind. Diese Referenzmarken sind im Signalbild des Bogenkantendetektors wiedererkennbar. Wird der Bogenkantendetektor zum Beispiel zur Beobachtung eines Ziehvorgangs verwendet, können je eine Referenzmarke für die minimale und die maximale Ziehposition vorgesehen werden. Diese oder zusätzliche Referenzmarken können auch dazu verwendet werden, um die für Absolutmessungen erforderliche Eichung des Bogenkantendetektors durchzuführen. Die Referenzmarken können entweder speziell zu diesem Zweck hergestellt werden, oder man verwendet irgendwelche vorhandenen Strukturen in der Unterlage als Referenzmarken.

Die exakte Erfassung der Lage der Bogenkante zu einem beliebigen Zeitpunkt gestattet es z. B. nachzuweisen, daß sich der Bogen einer Anlage bis auf eine bestimmte Strecke von einigen Millimetern genähert hat, daraufhin den Bogen mit geeigneten Mitteln sanft abzubremsen und schließlich mit dem gleichen Bogenkantensensor nachzuweisen, daß der Bogen in der korrekten Position zum Stillstand gekommen ist. Diese bogenschonende Methode ermöglicht außerdem höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Ultraschall-Wandlerarray als Bogenkantendetektor, das parallel über einer massiven Unterlage angeordnet ist, wobei die einzelnen Wandlerelemente im Gleichtakt angesteuert werden,

Fig. 2 ein Ultraschall-Wandlerarray als Bogenkantendetektor, das schräg über einer massiven Unterlage angeordnet ist, wobei die einzelnen Wandlerelemente im Gleichtakt angesteuert werden,

Fig. 3 ein Ultraschall-Wandlerarray als Bogenkantendetektor, das parallel über einer massiven Unterlage angeordnet ist, wobei die einzelnen Wandlerelemente phasenverschoben angesteuert werden, und

Fig. 4 eine Anordnung wie in Fig. 1, bei der die massive Unterlage Referenzmarken in Form von Vertiefungen enthält.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine massive Unterlage 2, die z. B. ein Anlegertisch einer Bogendruckmaschine ist. Der Ausdruck "massive Unterlage" ist hier nicht so zu verstehen, daß z. B. der gesamte Anlegertisch massiv sein muß, sondern es genügt, wenn die oberste Schicht der Unterlage in einem Oberflächenbereich, in dem die Messung stattfindet, zusammenhängend und außerdem genügend dick ist, daß sie in diesem Bereich gleichmäßige Schallreflexionseigenschaften aufweist.

In einem Abstand von einigen Millimetern oder Zentimetern über der Unterlage 2 befindet sich ein mikromechanisch hergestelltes Ultraschall-Wandlerarray 4, eine Matrix oder regelmäßige Anordnung von vielen einzelnen Ultraschall-Sendeempfängern. Im Ausführungsbeispiel ist das Wandlerarray 4 eindimensional, d. h. eine einzige Zeile von Ultraschall-Sendeempfängern, die in regelmäßigen Abständen in einer geraden Linie angeordnet sind. Für Sonderfälle, etwa für eine Mehrfach-Erfassung zur Ausmittelung von Unregelmäßigkeiten der Bogenkante oder um die Ecke eines Bogens zu erfassen, können aber auch zweidimensionale Wandlerarrays in Betracht kommen.

In Fig. 1 erstreckt sich das Wandlerarray 4 parallel zur Oberfläche der Unterlage 2, und die einzelnen Ultraschall-Sendeempfänger des Wandlerarrays 4 werden im Sendebetrieb genau gleichzeitig angesteuert, einen kurzen Ultraschallimpuls abzugeben. In der Figur erkennt man die Schallwellen bzw. Wellenfronten, die durch einen Impulszug mit einer Dauer erzeugt werden, die ungefähr der Anzahl von Wellenlängen entspricht, die zwischen dem Wandlerarray 4 und der Unterlage 2 Platz finden. Unmittelbar danach wird das Wandlerarray 4 auf Empfangsbetrieb umgeschaltet, so daß die von der Unterlage 2 bzw. einem darauf befindlichen Bogen 6 reflektierten Ultraschallwellen (nicht dargestellt) empfangen werden.

Der Bogen 6 ist z. B. in der eingezeichneten Pfeilrichtung auf die Unterlage 2 transportiert worden, wobei die Bogenkante nach Bedarf sowohl dann erfaßt werden kann, wenn sich der Bogen 6 noch bewegt, als auch dann, wenn der Bogen 6 zum Stillstand gekommen ist.

Die Ausgangssignale der einzelnen Ultraschall-Sendeempfänger des Wandlerarrays 4 im Empfangsbetrieb werden getrennt einer (nicht gezeigten) Auswerteschaltung zugeführt, die sich zumindest teilweise auf dem gleichen Chip wie das Wandlerarray 4 befinden kann. Die vom Bogen 6 reflektierten Ultraschallwellen haben eine andere Laufzeit und Phase als die von der Unterlage 2 reflektierten Ultraschallwellen (und möglicherweise eine andere Intensität, z. B. wenn der Bedruckstoff gewisse schalldämpfende Eigenschaften hat). Dies erlaubt es, anhand der Ausgangssignale der einzelnen Ultraschall-Sendeempfänger die Lage der unter dem Wandlerarray 4 befindlichen Kante des Bogens 6 sehr genau zu bestimmen. Dies ist zu jedem beliebigen Zeitpunkt bzw. in jeder beliebigen Position des Bogens 6 möglich, solange sich seine Kante irgendwo im Bereich unterhalb des Wandlerarrays 4 befindet.

Fig. 2 bis 4, in denen gleiche oder ähnliche Bestandteile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigen verschiedene Varianten des Ausführungsbeispiels von Fig. 1.

In Fig. 2 ist das Wandlerarray 4 schräg angeordnet, so daß die davon ausgesandte Wellenfront schräg von vorne auf die Kante des Bogens 6 trifft. Die schräg mit Ultraschall beaufschlagte Kante des Bogens 6 erzeugt eine intensivere Störung der reflektierten Wellen als in Fig. 1, so daß sie in den Ausgangssignalen der Ultraschall-Sendeempfänger des Wandlerarrays 4 deutlicher zutage tritt, wodurch die Erfassung erleichtert wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 erzieht man die vorteilhafte Wirkung einer schräg auf die Bogenkante auffallenden Wellenfront dadurch, daß die einzelnen Ultraschall- Sendeempfänger eines parallel zur Unterlage 2 ausgerichteten Wandlerarrays 4 in regelmäßigen Abständen zeit- bzw. phasenverschoben mit möglichst identischen Signalformen angesteuert werden. Dadurch entsteht eine konstruktive Überlagerung der von den einzelnen Ultraschall-Sendeempfängern ausgesandten Schallwellen zu einer schrägen Wellenfront.

Die in den Ausführungsbeispielen von Fig. 2 und Fig. 3 beschriebenen Maßnahmen können auch miteinander kombiniert werden, um eine besonders stark geneigte Schallbeaufschlagung der Bogenkante zu erzielen.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel ähnlich dem von Fig. 1, bei dem in der Oberseite der Unterlage 2 zwei verschieden breite Ausnehmungen 8 und 10 gebildet sind. Die Ausnehmungen 8 und 10 bilden Referenzmarken, z. B. je eine Referenzmarke für eine minimale und eine maximale Ziehposition. Die Referenzmarken sind im Signalbild des Bogenkantendetektors von der Kante des Bogens 6 unterscheidbar. Wegen ihrer unterschiedlichen Breite sind die beiden Referenzmarken außerdem voneinander unterscheidbar. Alternativ oder zusätzlich können die Referenzmarken verschiedene Tiefe haben.

Die Ausnehmungen 8 und 10 enthalten im Ausführungsbeispiel Luft, sie können aber auch mit einem zur Unterscheidung von der Umgebung geeigneten Material gefüllt sein, z. B. einem schallabsorbierenden Stoff. Diese Referenzmarken, deren Lage in der Maschine genau bekannt ist, können außerdem zur Eichung des Bogenkantendetektors verwendet werden.

Referenzmarken von der in Fig. 4 gezeigten Art können natürlich auch in den Ausführungsbeispielen von Fig. 2 und 3 verwendet werden. Als Referenzmarken können außerdem nicht nur eigens zu diesem Zweck hergestellte Strukturen, sondern auch irgendwelche von vornherein vorhandenen Strukturen in der Unterlage 2 verwendet werden.

Bezugszeichenliste

2

Unterlage

4

Wandlerarray

6

Bogen

8

,

10

Ausnehmungen

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Erfassung der Kante eines Bogens, der sich auf einer massiven Unterlage befindet, in einer bogenverarbeitenden Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß sich in einem Abstand über der massiven Unterlage (2) eine Vielzahl von in regelmäßigen Abständen angeordneten Ultraschall-Sendeempfängern (4) befinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Sendeempfänger (4) im Sendebetrieb Ultraschallimpulse erzeugen, die in der Summe zusammenhängende Ultraschall-Wellenfronten ergeben, die sich in Richtung auf die massive Unterlage (2) fortpflanzen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Sendeempfänger (4) in einer geraden Linie angeordnet sind und daß die Ultraschall-Sendeempfänger (4) im Sendebetrieb die Ultraschallimpulse entweder gleichzeitig oder phasenversetzt erzeugen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Sendeempfänger (4) im Empfangsbetrieb die von der massiven Unterlage (2), dem Bogen (6) und/oder der Bogenkante reflektierten Ultraschallwellen empfangen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Ultraschall-Sendeempfängern durch ein einzelnes mikrosystemtechnisch hergestelltes Bauelement (4) gebildet werden.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Zwischenraum zwischen der massiven Unterlage (2) und den Ultraschall-Sendeempfängern (4) Luft befindet.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Sendeempfänger (4) in einem Abstand in der Größenordnung von Millimetern oder Zentimetern über der massiven Unterlage (2) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die massive Unterlage (2) eine oder mehrere Referenzmarken (8, 10) enthält.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzmarken Ausnehmungen (8, 10) in der Oberseite der massiven Unterlage (2) sind, die entweder hohl sind oder mit einem Material mit anderen Schallreflexionseigenschaften als das Material der Unterlage gefüllt sind.