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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausrichtung rotativ gesteuerter
Elemente, wie zum Beispiel Walzen oder Wellen, für die
ein exakt synchroner Lauf angestrebt wird, sowie ein entsprechendes
Walzenpaar. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise für
Prägeapplikationen unter Anwendung eines Walzenpaares notwendig,
bei dem eine erste Walze eine positive Gravur (Patrize) und eine
zweite Walze eine negative Gravur (Matrize) trägt. Um Beschädigungen
der Walzen vorzubeugen, bzw. zur Erzielung eines hochwertigen und
repro duzierbaren Prägeergebnisses muss gewährleistet
werden können, dass die Walzen radial und axial in exakt
vorgegebener Position zueinander eingestellt sind. Dazu gehört
auch die Voreinstellung des Abstands der Walzen zueinander, des
so genannten Prägespalts, um dem zu prägenden
Material die gewünschte Prägehöhe zu
verleihen, dabei aber das Material nicht zu stark zu prägen,
oder gar zu zerstören.
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Vorrichtungen
für Prägeanwendungen, so genannte Prägestühle
oder Kassetten, sind aus der
DE 297 16 031 U1 bekannt. Bei diesen wird
der Antrieb des Walzenpaares unter Verwendung eines Zahnradpaares
bewirkt, das exakt auf den Umfang der Prägewalzen angepasst
ist. Zur Einhaltung der zuvor beschriebenen geringen Toleranzen
bei der Voreinstellung der beiden Prägewalzen, ist es daher auch
zwingend notwendig, dass das Zahnradpaar genau auf das verwendete
Walzenpaar abgestimmt wird. Häufig ist ein Zahnrad in geteilter
Ausführung konstruiert und ermöglicht so, das
Zahnradspiel des Antriebs zu verstellen.
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Bei
aus dem Stand der Technik bekannten Prägekassetten ist
es erforderlich, bei jedem Walzenwechsel die Zahnräder
zur Walzengravur auszurichten sowie das Zahnradspiel manuell einzustellen.
Bei jedem Austausch des Walzenpaares, bei dem der Durchmesser der
eingesetzten Walzen von dem des zuvor verwendeten Walzenpaares abweicht,
muss somit ein entsprechend angepasster Zahnradsatz gewählt
werden, da jedes Zahnradpaar nur einen eng definierten Walzendurchmesserbereich
abdeckt.
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Bei
den bekannten Prägekalandern mit einem Walzenpaar, bestehend
aus einer Patrize und einer Matrize, wird die Voreinstellung der
beiden Walzen in axialer sowie radialer Ausrichtung in der Regel manuell
von einem Monteur vorgenommen. Dazu wird das Walzenpaar visuell
vorjustiert und daraufhin mit Hilfe von Teststreifen feinjustiert.
Die Justagetoleranzen liegen in einem Bereich von 1/100 mm. Diese Arbeit
kann nur von einem für den entsprechenden Kalandertyp geschulten
Fachmann durchgeführt werden, da bei einer Fehljustage
das Walzenpaar im Betrieb sofort zerstört würde.
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Zur
Vereinfachung der Voreinstellung des Walzenpaares offenbart die
DE 101 11 025 A1 ein Verfahren
zur berührungslosen Einstellung des Walzenspaltes sowie
die dazu verwendeten Prägewalzen. Das beschriebene Verfahren
setzt voraus, dass zur axialen Ausrichtung des Prägewalzenpaares
jede Prägewalze mit mindestens einer Markierung versehen
ist, die auf der Mantelfläche der Prägewalze angeordnet
und deren Position relativ zu der auf der Oberfläche vorhandenen
Gravur ausgerichtet wird. Des Weiteren wird zur radialen Ausrichtung
der beiden Prägewalzen mindestens eine Stirnfläche
einer jeden Prägewalze mit mindestens einer weiteren Markierung
versehen, wobei die Position der weiteren Markierung relativ zu
der auf der Oberfläche dieser Prägewalze vorhandenen
Gravur ausgerichtet wird. Schließlich erfolgt die Einstellung
des Walzenpaares dadurch, dass die beiden Prägewalzen unter Beibehaltung
der Parallelität ihrer Mantelflächen und unter
Vermeidung eines Kontaktes zwischen den Mantelflächen so
lange relativ zueinander bewegt werden, bis sämtliche der
zuvor beschriebenen Markierungen auf der ersten und der zweiten
Prägewalze miteinander fluchten und bis ein vorgegebener
Walzenspalt eingestellt ist.
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Das
zuvor beschriebene Verfahren zur Einstellung des Walzenspaltes erfordert
jedoch, dass zumindest eine Markierung jeweils auf der Mantelfläche
sowie auf einer Stirnfläche beider Walzen vorgesehen ist.
Vorzugsweise liegen sogar mindestens zwei Markierungen auf der Mantelfläche
einer jeden Prägewalze, wobei die Ausrichtung dadurch erfolgt, dass
jeweils zusammengehörige Markierungspaare in Flucht gebracht
werden. Entsprechend der
DE
101 11 025 A1 erfolgt der letzt genannte Schritt über
eine optische Detektion der Markierungen sowie ein angeschlossenes
Bildverarbeitungsverfahren.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen weisen somit den
Nachteil auf, dass eine Vielzahl Markierungen notwendig ist, um
die für den zuverlässigen Betrieb zwingend notwendige
Präzision bei der Ausrichtung des Walzenpaars zu erzielen.
Des Weiteren sehen die bekannten Vorrichtungen jeweils zumindest
eine Markierung sowohl auf der Walzenman telfläche, als
auch auf zumindest einer der Stirnflächen vor, um die gewünschte
Ausrichtung des Walzenpaares sowohl in axialer als auch radialer
Richtung zu erzielen. Dies bedingt in der Regel, dass zumindest
zwei Abtastvorrichtungen notwendig sind, eine zum Auslesen der Markierung
auf der Mantelfläche und eine zum Auslesen der Markierung
auf einer der Stirnflächen. Darüber hinaus bringt die
notwendige Bildverarbeitung und -auswertung einen erhöhten
Datenverarbeitungsaufwand mit sich.
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Es
ist somit die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Einstellen
der radialen und axialen Position eines Walzenpaares sowie ein zur
Verwendung in der Vorrichtung geeignetes Walzenpaar vorzuschlagen,
die die genannten Nachteile nicht aufweisen. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung soll lediglich eine minimale Anzahlung Markierungen
sowie Auslesevorrichtungen unter Gewährleistung der für den
Betrieb notwendigen Einstellpräzision vorsehen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Walzenpaar
gemäß dem Schutzanspruch 1 gelöst. Schutzanspruch
8 definiert eine Vorrichtung zum Einstellen eines Walzenpaares,
unter Verwendung des erfindungsgemäßen Walzenpaares.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Walzenpaar zum Prägen
bahnförmigen Materials ist vorgesehen, dass zumindest eine
der Walzen zumindest zwei Markierungen auf der Mantelfläche
der Walze aufweist, wovon zwei Markierungen zwischen jeweils einer
Ausdehnung einen Winkel α einschließen, mit 0 < α < 90°. Dabei
sind die Markierungen in Abhängigkeit zum Prägemuster
angeordnet, so dass nach der Detektierung der Markierungen mit der
benötigten Genauigkeit auf die axiale und die radiale Position
der jeweiligen Walze geschlossen werden kann.
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Jede
Markierung hat zumindest zwei Ausdehnungen, wenn sie graviert ist,
drei. Bei einer gravierten Markierung stellt eine Ausdehnung die
Gravurtiefe dar, während sich die beiden anderen Ausdehnungen über
die Mantelfläche der jeweiligen Walze erstrecken. Bei symmetri schen
Markierungen verlaufen die benannten Ausdehnungen parallel zu den Symmetrieachsen
der jeweiligen Markierung.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform besitzen beide Walzen
genau zwei Markierungen, die einen Winkel α = 45° einschließen.
Da bei dem erfindungsgemäßen Walzenpaar sämtliche
Markierungen auf der Mantelfläche der jeweiligen Walze
vorliegen, ist es möglich, dass diese Referenzmarken gleichzeitig
mit der Prägegravur in einer Aufspannung in die Walzenoberfläche
graviert werden, wodurch auch die exakte Positionierung relativ
zur Prägegravur gewährleistet wird. Ein weiterer
Vorteil der Tatsache, dass sämtliche Markierungen auf der
Mantelfläche liegen, ist, dass somit auch möglich
ist, diese mittels einer einzigen Messeinheit auszulesen bzw. zu
detektieren.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform weist zumindest eine Markierung
eine zumindest abschnittsweise parallel zur Walzenachse verlaufende Berandung
auf. Zur Auswertung der Markierungen sind ausschließlich
berührungslose Mittel, wie Lichtschranken, Laser, Ultraschallsensoren,
induktive Sensoren oder Luftsensoren vorgesehen. Der damit einhergehende
vergrößerte Arbeitsabstand zwischen Sensoren und
Prägewalzen bedingt eine geringere Verschmutzungsgefahr
im Prägebetrieb.
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Bei
der zuvor genannten Ausführungsform mit einer Markierung,
die eine zumindest abschnittsweise parallele Berandung zur Walzenachse
aufweist, erfolgt die Lagebestimmung dadurch, dass die zur Walzenachse
zumindest abschnittsweise, parallele Berandung der Markierung eine
Referenz für die radiale Ausrichtung der entsprechenden
Walze darstellt, während die um einen Winkel α angewinkelte Markierung,
vorzugsweise mit α = 45°, ein Maß für die
axiale Position der selben Walze ist. Die beiden Markierungen können
unmittelbar nebeneinander vorliegen, wodurch auch ein schnelles
Auslesen beider Markierungen ermöglicht wird, sie können
aber auch weiter beabstandet sein.
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Die
Detektierung der Markierungen unter Zuhilfenahme der vorbenannten
Mittel basiert auf der Auswertung des Kontrasts des reflektierten
Messsignals, welcher zunimmt, wenn das Messsignal bei rotierender
Walze über die Berandung auf die Markierung trifft. In
der Regel ist dies damit verbunden, dass das reflektierte Signal,
zumindest kurzzeitig, eine prägnante Intensitätsschwankung
aufweist. Deshalb ist bei der Ausmessung erfindungsgemäßer
Markierungen deren Breite und Tiefe nicht relevant, da die Messung
lediglich über die Detektion der Kante und des damit einhergehenden
Messsignalreflexionsgradienten erfolgt. Bei der bevorzugten Ausführungsform
mit geprägten Markierungen ist eine Einfärbung der
Markierung zur Erzielung eines optischen Kontrasts nicht erforderlich.
Des Weiteren ist bei einem erfindungsgemäßen Walzenpaar
die Verwendung eines abbildenden Messsystems ebenso nicht notwendig.
Vorzugsweise erfolgt die Detektion gravierter Markierungen in Form
von gefrästen Nuten über ein Lasermessverfahren,
wobei jedoch auch hierbei eine Lasersensorbildverarbeitung nicht
erforderlich ist.
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Die
Vorrichtung zur Einstellung eines erfindungsgemäßen
Walzenpaares weist zumindest eine Abtasteinheit, zumindest eine
Stelleinheit sowie zumindest eine Auswerte- und Steuereinheit auf.
Die Abtasteinheit gestattet das berührungslose Abtasten der
Markierungen auf zumindest einer Walze mit Hilfe einer der vorbenannten
Mittel, wobei jede Abtasteinheit darauf ausgelegt ist, sämtliche
Markierungen genau einer Walze abzutasten. Die Stelleinheit dient
zum Ausrichten zumindest einer der aufgespannten Walzen zumindest
in axialer sowie radialer Richtung. Die Auswerte- und Steuereinheit
bestimmt zunächst aus den Messsignalen der Abtasteinheiten die
Position der Walzen in axialer und radialer Richtung. Entsprechend
dem bestimmten Ergebnis sendet sie daraufhin ein Steuersignal an
die Stelleinheit um korrigierend auf die jeweilige Walze einzuwirken.
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Vorzugsweise
verwendet die zuvor beschriebene Vorrichtung Walzen, die beide jeweils
zwei Markierungen aufweisen. Eine derartige Vorrichtung besitzt
dann zwei Abtasteinheiten und zwei Stelleinheiten, wovon jede Stelleinheit
genau einer Walze zugeordnet ist. Eine solche Vorrichtung ermöglicht
es, die exakte Ausrichtung beider Walzen unabhängig voneinander
zu bestimmen und diese jeweils entsprechend der bestimmten Orientierung
getrennt voneinander aufeinander einzustellen.
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Unmittelbar
nach dem Aufspannen des Walzenpaares sind die Walzen in der Regel
völlig unorientiert ausgerichtet, was auch zur Folge hat,
dass die aufgebrachten Markierungen sich nicht unmittelbar in einem
Bereich befinden, wo sie von der bereitgestellten Abtasteinheit
ausgelesen werden können. Um dies dennoch zu ermöglichen,
ist die Auswerte- und Steuereinheit einer zweckmäßigen
Ausführungsform derart voreingestellt, dass sie die Walzen
vor der eigentlichen Annäherung und Orientierung zueinander so
lange rotieren lässt, bis eine Auswertung sämtlicher
Markierungen erfolgt ist.
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Es
hat sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn die
Auswerte- und Steuereinheit auch während des Einstellvorgangs
sowie während des bestimmungsgemäßen
Betriebs des Walzenpaares unter wiederholtem Heranziehen der Messsignale
der Abtasteinheiten eine Plausibilitätsprüfung
durch wiederholtes Ermitteln der relativen Ausrichtung der beiden Walzen
in axialer und radialer Richtung zueinander durchführt
und gegebenenfalls ein korrigierendes Steuersignal an die Stelleinheiten
sendet. Diese aktive Regelung der Walzenorientierungen ist auch
bei laufender Produktion möglich, und beugt somit Dejustierungen
vor, die die Qualität des Prägeergebnisses mindern,
oder gar zu einer Beeinträchtigung des Walzenpaares führen
könnten.
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Zur
weiteren Verbesserung des Prägeergebnisses weist eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich
eine hydraulische Lagerluftanpassung der radialen Prägewalzenlagerung zur
Schwingungsreduzierung der Prägewalzen auf. Vorzugsweise
erfolgt dabei die Lagerluftanpassung über die Temperaturüberwachung
der einzelnen Lagerstellen.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematisch
dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen
Walzenpaares.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Walzenpaar 3, bei
dem jede der Walzen ein Paar Markierungen 1 aufweist. Jedes
Paar Markierungen 1 besteht aus einer ersten Markierung 1,
die parallel zur Walzenachse verläuft und einer zweiten
Markierung 1, die unter einem Winkel α zwischen
0° und 90°, hier α = 45°, zur
ersten Markierung 1 verläuft. Die Markierungen
sind jeweils in axiale Richtung am Rand der ersten und zweiten Walze 3 auf
der Mantelfläche dieser angeordnet. Dies ermöglicht
die einfache Abtastung der Markierungen 1 mittels der ersten
und zweiten Abtasteinheit 2, die jeweils unter einem Abstand der
weitestgehend frei wählbar ist, zur Walzenoberfläche
und damit zu den Markierungen 1 angeordnet ist. Die berührungslose
Abtastung der Markierungen 1 erfolgt im vorliegenden Beispiel
mittels eines Laserstrahls 4. Je nach gewählter
Rotationsrichtung werden zunächst entweder die parallel
zu den Walzenachsen verlaufenden Markierungen 1 oder die
angewinkelten Markierungen 1 detektiert. Bei den eingezeichneten
Rotationsrichtungen würden zunächst die parallel
zu den Walzenachsen verlaufenden Markierungen 1 detektiert,
so dass bei konstanter Winkelgeschwindigkeit der Walzen 3 zunächst
aus dem zeitlichen Versatz zwischen der Detektion der parallel zur Walzenachse
verlaufenden Markierung 1 auf der ersten Walze 3 und
der entsprechenden Markierung 1 auf der zweiten Walze 3 unter
Zuhilfenahme der den Abtasteinheiten 2 angegliederten Auswerte-
und Steuereinheiten auf die notwendige Einflussnahme der zum Ausrichten
der Walzen 3 vorgesehenen Stelleinheiten zur Erzielung
des gewünschten Synchronlaufs geschlossen werden kann.
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Ist
der Synchronlauf der Walzen erreicht, kann im Folgenden wiederum
aus dem Zeitversatz zwischen der Detektion der parallel zur Walzenachse verlaufenden
Markierung 1 und der Detektion der angewinkelten Markierung 1 auf
der selben Walze 3 auf die Position der entsprechenden
Walze 3 in axialer Richtung geschlossen werden, um wiederum
entsprechende Nach justagemaßnahmen mit Hilfe der Auswerte-
und Steuereinheit im Zusammenwirken mit der entsprechenden Stelleinheit
vorzunehmen. Wie bereits beschrieben, sind für die Bestimmung
der erwähnten Zeitversätze vorzugsweise die Detektionen
der in Rotationsrichtung zuerst überlaufenden Markierungskanten
beider Markierungen jeweils maßgeblich. Die gravierten
Markierungen sind geometrisch identisch ausgeführt, besitzen
also identische Ausdehnungen, obwohl sie verschieden orientiert
sind, nämlich unter einem Winkel α = 45° zwischen
jeweils einer Ausdehnung der ersten und der zweiten Markierung.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den
Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die
Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 29716031
U1 [0002]
- - DE 10111025 A1 [0005, 0006]