DE2703244C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern der Porosität von Blattmaterial beim elektrischen Perforieren - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Steuern der Porosität von Blattmaterial beim elektrischen PerforierenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Porosität von Blattmaterial beim elektrischen Perforieren
mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Haüptänspruches. Außerdem betrifft die Erfindung eine
Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruches
4.
Beim elektrischen Perforieren von dielektrischem Blattmaterial ist es bekannt, das Blattmaterial zwischen
feststehenden Elektroden hindurchzuführen, an die mittels eines Impulsgenerators periodisch elektrische
Impulse angelegt werden, so daß durch das Blattmaterial mehrfach elektrische Entladungen hindurchgehen,
wodurch das Blattmaterial perforiert wird. Zu den Variablen, mit denen die auf diese Weise erzeugte
Porosität des Blattmaterials gesteuert werden kann,
ίο gehört die Laufgeschwindigkeit des Blattmaterials, die
Impulsbreite, die Größe der beim Perforieren erzeugten Löcher, die Abnutzung der Elektroden, die Lage der
Elektroden zueinander und dementsprechend die Länge der Funkenstrecke, die Zündspannung sowie der
Zündstrom und die Dicke und Art des zu perforierenden Blattmaterials. Bisher hat man bei elektrischen Perforieren
diese Parameter weitgehend ignoriert, so daß eine präzise Steuerung der Porosität des Blattmaterials
kaum, wenn überhaupt, möglich war.
Aus den US-PS 25 28 157 und 25 28 158 ist es bekannt, die Porosität des Blattmaterials zu messen und danach
die Impulsfrequenz und dementsprechend die Frequenz der durch das Blattmaterial hindurchgehenden Entladungen
zu Steuern. Dabei bleiben aber Veränderungen des von einer Vorratsrolle ablaufenden und auf eine
Aufnahmerolle gezogenen Blattmaterials unberücksichtigt, so daß die Porosität nur dann genau gesteuert
werden kann, wenn mit absolut konstanter Laufgeschwindigkeit des Blattmaterials gearbeitet werden
kann.
Aus den US-PS 26 78 373 und 33 85 951 ist es beim Perforieren von laufendem Blattmaterial bekannt, die
Laufgeschwindigkeit des Blattmaterials zu messen und danach die Entladungsfrequenz zu steuern. Gemäß
US-PS 26 78 373 erfolgt die Messung der Laufgeschwindigkeit mittels eines Tachometers, das ein der
Laufgeschwindigkeit entsprechendes elektrisches Ausgangssignal erzeugt, mit dessen Hilfe eine Relaissteuereinrichtung
betätigt wird, die die Aufladegeschwindigkeit von zur Impulserzeugung dienenden Kondensatoren
bestimmt. Eine derartige Schaltung spricht jedoch nicht kontinuierlich auf Änderungen der Laufgeschwindigkeit
an, sondern hat für kleine Bereiche der Laufgeschwindigkeit gleiche Werte. Bei der aus der
US-PS 33 85 951 bekannten Vorrichtung ist ebenfalls zum Messen der Laufgeschwindigkeit des Blattmaterials
ein Tachometer vorgesehen, dessen Ausgangssignal in einem Oszillator verarbeitet wird, der seinerseits
ein Ausgangssignal entsprechender Frequenz abgibt.
Dabei ist ein variables Potentiometer vorgesehen, das von Hand eingestellt werden muß. Wenn eine
Bedienungsperson eingreift, um dieses Potentiometer von Hand zu verstellen, erfolgt keine Kompensation
anderer Steuerparameter wie der Lochgröße, der Impulsbreite, der Abnutzung der Elektroden, der
Änderung des Elektrodenabstandes, der Energiezufuhr und Änderungen der Eigenschaften des Blattmaterials.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Steuern der Porosität von Blattmaterial beim elektrisehen
Perforieren derart zu verbessern, daß die verschiedensten Variablen bei Änderungen im Betrieb
selbsttätig kompensiert werden, wenn eine gewünschte vorbestimmte Porosität eingestellt worden ist. Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen
gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens
sind Gegenstand der Ansprüche 2 und 3.
Weiterhin wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 4 gelöst, wobei
vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Vorrichtung Gegenstand der Ansprüche 5 bis 7 sind.
Durch die Erfindung ist es möglich, laufendes Blattmaterial nach einem vorbestimmten Wert unabhängig
von Änderungen verschiedenst Variabler gleichförmig nach einem vorgegebenen Wert zu
perforieren, weil Änderungen einzelner Variabler automatisch ausgeglichen werden. ι ο
Gemäß der Erfindung werden also mehrere Variable beim Steuern der Porosität von elektrisch zu perforierenden
Blattmaterialien berücksichtigt, um die die elektrischen Entladungen bewirkenden Impulse sehr
genau und feinfühlig zu steuern. Da die Laufgeschwindigkeit
des Blattmaterials nicht mit der gemessenen Porosität zu einem Steuersignal summiert wird, werden
die Impulse auch ganz unterbrochen, wenn die Laufgeschwindigkeit des zu perforierenden Blattmaterials
Null wird, so daß keine zu starke Konzentration der Entladungen auftreten kann und dementsprechend
keine Verbrennungen des Blattmaterials zu befürchten sind. Dies ist beispielsweise für den Fall von Interesse,
daß das bahnförmige Blattmaterial reißen sollte oder sich sonstige Fehler beim Vorlauf des Blattmaterials
ergeben.
Die Erfindung ist beispielsweise für die Herstellung von Zigarettenpapier geeignet, das eine bestimmte
Porosität aufweisen sollte, um das Einatmen von Teerund Nikotinstoffen beim Rauchen so gering wie möglich
halten zu können. Die Erfindung ist aber auch in Verbindung mit Zellophan, Polypropylen, Polyäthylen
und anderen Faser- oder Papierstoffen wie Teebeutelpapier geeignet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles einer
Vorrichtung zum gesteuerten elektrischen Perforieren von Blattmaterial weiter erläutert.
In der Zeichnung ist eine Einrichtung zum elektrischen Perforieren einer Bahn oder eines Streifens 10
eines beispielsweise bei der Herstellung von Zigaretten benutzten Faser- oder Papiermaterials, das von einer
Vorratsrolle 12 zu einer Aufnahmerolle 14 gezogen wird, dargestellt. An der Perforationsstation 17 ist ein
Paar von Elektroden 18 und 20 angeordnet, die beispielsweise in Form eines ersten Satzes von Scheiben
und einer Endlosband-Masseelektrode ausgebildet sein können. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist die erste Elektrode 18 an einen Impulsgenerator 16 angekoppelt, der auf ein Steuersignal
zum Steuern der Frequenz der elektrischen Entladungsvorgänge zwischen den Elektroden 18 und
20 anspricht, wodurch die Anzahl von Löchern pro Meßlängeneinheit des Bandes 10 gesteuert werden
kann. Der Impulsgenerator 16 kann beispielsweise an die erste Elektrode 18 eine Folge von Erregungsimpulsen
liefern, deren Spannung zwischen 2,5 und 25 kV veränderbar ist und deren Impulsbreite 5 bis 50 μβεο bei
einer im wesentlichen von Null bis 1OkHz variablen Frequenz beträgt. Gemäß der Darstellung haben die
Elektroden 18 und 20 einen kleinen gegenseitigen Abstand, der etwa 0,5 mm (0,020 Zoll) ausmacht.
Eine Porositätsmeßstation 21 ist in bezug auf die durch den Pfeil dargestellte Bewegungsrichtung des
Bandes 10 stromabwärts von der Perforationsstation 17 angeordnet und enthält eine Kammer 22, in der ein
Vakuum bzw. Unterdruck hergestellt wird, und zwar mittels einer Konstantvolumen· Vakuumpumpe 24, die
an die Kammer 22 über eine Leitung 26a angekoppelt ist Bei einer Veränderung der Porosität des Bandes 10
verändert sich der Grad des in der Kammer 22 entstehenden Unterdrucks, und dementsprechend ergibt
sich eine Änderung des über Leiiungen 26a und 26b zu einen Druckdetektor 28 geleiteten Drucks. Dieser
Druckdetektor 28 spricht auf Druckveränderungen an, um ein elektrisches Signal zu bilden, das einem
Demodulator 32 zugeleitet wird, welcher beispielsweise in Form eines Sinuswellenträgerdemoduiators ausgebildet
sein kann. In einem solchen Demodulator 32 befindet sich eine magnetische Schaltung, die auf die
Druckdetektorausgangsgröße anspricht, welche einer Phasenverschiebung relativ zu einer von einem
Taktoszillator abgeleiteten Hochfrequenz unterliegt. Es erfolgt ein Phasenvergleich mit dem Referenztaktsignal
durch Mischen, um eine Gleichstromausgangsgröße im Bereich von ±10 V zu erhalten, die dem Ausgangsanschluß
a zugeleitet wird. Gemäß der Darstellung kann der Demodulator 32 mittels eines Potentiometers 34
variabel vorgespannt werden, so daß, wenn die Kammer 22 vollständig abgeblockt ist, wodurch eine Null-Porosität
des Bandes 10 wiedergegeben wird, die am Anschluß a erhaltene Ausgangsgröße gleich Null ist.
Das am Anschluß a erhaltene Ausgangssignal des Demodulators 32 wird einer Summierschaltung mit
Widerständen R1 und R 2 zugeführt, wobei der
Verbindungspunkt dieser Wiederstände mit dem Eingang eines Operationsverstärkers 38 verbunden ist.
Gemäß der Darstellung ist der andere Anschluß des Widerstandes R 2 mit dem variablen Abgriff eines
Referenzpotentiometers 36 verbunden, das von der Bedienungsperson entsprechend dem erwünschten
Porositätsgrad für das Band 10 eingestellt wird. Die Summierschaltung addiert das Signal VV, das am
Referenzpotentiopieter 36 abgegriffen wird und den Referenzwert der erwünschten Porosität wiedergibt,
und das Signal Vp, das der tatsächlich erzielten Porosität entspricht, um ein Fehlersignal / abzuleiten, das dem
Operationsverstärker 38 zugeführt wird. Ein relativ hochohmiger Widerstand R 3 liegt parallel zum
Operationsverstärker 38 zwischen seinem Eingang sowie seinem Ausgang, um eine relativ hohe Verstärkung
des Operationsverstärkers sicherzustellen und die Amplitude des an seinem Ausgang erzielten Fehlersignals
auf einen relativ hohen Wert Vy einzustellen. Ferner liegt eine Reihenschaltung aus einem variablen
Potentiometer 40 und einem Kondensator Cl parallel zwischen dem Eingang sowie dem Ausgang des
Operationsverstärkers 38, um eine Stabilität der Meßschaltung durch verzögertes Ansprechen des
Operationsverstärkers 38 auf das eingangsseitige Fehlersignal / sicherzustellen. Ferner soll hierdurch die
Verzögerung kompensiert werden, die sich aufgrund der Zeit ergibt, welche für einen Teil des Bandes 10
verstreicht, wenn er sich von der Perforationsstation 17 zu der Porosität-Meßstation 21 bewegt. Somit wird das
Ausgangssignal des Operationsverstärkers verzögert, um dieser Verzögerung in dem Meßvorgang Rechnung
zu tragen. Normalerweise wird die Zeitverzögerung für die kleinste Geschwindigkeit des Bandes 10 berechnet,
wobei zu beachten ist, daß eine gewisse Veränderung auftritt.
Die andere Prozeßvariable, die Geschwindigkeit des Bandes IQ, wird von einem Tachometer 44 gemessen,
das an die Vorratsrolle 12 angekoppelt ist, wie es in der Zeichnung durch die gestrichelte Linie dargestellt ist.
Das elektrische Ausgangssignal des Tachometers 44
stellt eine sinusförmige Welle dar und wird einer Signalaufbereitungsschaltung 46 zugeleitet, beispielsweise
einem monostabilen Multivibrator, dessen Ausgangssignal eine Impulsfolge ist. Das aufbereitete
Ausgangssignal der Schaltung 46 wird seinerseits einem FrequenZ'/Spannung-Umsetzer 48 zugeleitet, der im
wesentlichen ein Gleichstrom-Ausgangssignal bildet, dessen Amplitude für die Frequenz des Tachometerausgangssignals
bezeichnend ist. Beispielsweise verändert sich die Ausgangsgröße des Umsetzers 48 von Null bis
10 V, womit ein Bandgeschwindigkeitsbereich von Null bis 304,8 m/min (lOOOft/min) angezeigt wird. Die
Ausgangsgröße Vx des Frequenz/Spannung-Umsetzers wird einem optischen Geschwindigkeitsanzeigeglied 50
zugeführt, ferner einem Eingang der Multiplikationsschaltung 42, an deren anderen Eingang das Signal K,
gelangt.
Die Ausgangsgröße der Multiplikationsschaltung 42 entspricht dem Produkt der zwei Eingangssignale Vv
und Vy, d. h. Bandgeschwindigkeit und Fehler der Bandporosität. Dieses Produktsignal wird über einen
Spannungsverstärker 52, der beispielsweise als Operationsverstärker ausgebildet ist, einem Spannung/Frequenz-Umsetzer
56 zugeleitet, der seinerseits eine Impulsfolge bildet, deren Frequenz proportional zur
Amplitude des von dem Spannungsverstärker 52 abgegebenen Ausgangssignals ist. Das Ausgangssignal
des Spannungsverstärkers kann durch ein variables Potentiometer 54 eingestellt werden, um den gesamten
Arbeitsbereich des Spannung/Frequenz-Umsetzers 56 auszunutzen. Das Ausgangssignal des letzteren gelangt
zu einer Signalaufbereitungsschaltung 58, die beispielsweise als monostabiler Multivibrator ausgebildet ist und
die Impulse in Rechteckwellen umformt. Das Ausgangssignal der Signalaufbereilungsschaltung 58 wird an den
Impulsgenerator 16 angelegt. Somit dient die Signalaufbereitungsschaltung 58 zu einer sehr präzisen Formung
von Impulsen oder Rechteckwellen, so daß die Impulse beispielsweise eine Impulsbreite von lOp.sec und eine
Anstiegszeit von 200 Nanosekunden bis zu einem Spannungspegel von 10 V haben. Der Impulsgenerator
16 liefert in Abhängigkeit hiervon eine Folge von Hochspannungsimpulsen an das Paar von Elektroden 18
und 20, so daß zwischen diesen Elektroden eine Serie von Entladungsvorgängen entsteht, wodurch das Band
10 perforiert bzw. durchlöchert wird.
Ferner enthält der Impulsgenerator 16 ein manuell einstellbares variables Potentiometer 19. mit dem die
Bedienungsperson die Impulsbreite des Generatorausgangssignals einstellt. Obwohl nicht dargestellt, ist eine
ähnliche Steuerung vorgesehen, um die Amplitude der von dem Impulsgenerator 16 erzeugten Bearbeitungs-
!rnnijUp νοΓρ|η7πςίρΠρη Rgj gingr Betriebsart stellt die
Bedienungsperson die Amplitude und die Impulsbreite der Bearbeitungsimpulsfolge des Generators 16 ein.
wodurch das dargestellte Steuersystem die Frequenz des Ausgangssignals verändern kann, um genau die
Porosität für eine Anzahl von Prozeßvariablen zu steuern. Beispielsweise stellt die Bedienungsperson den
Impulsgenerator 16 so ein, daß dieser eine Impulsfolge mit einer Amplitude von 5 kV und einer Impulsbreite
von 30 usec bei einer Bandgeschwindigkeit von 304,8 m/min (1000 ft/min) erzeugt, wobei die Frequenz
des Ausgangssignals in Abhängigkeit von den Prozeßvariablen in einem Bereich von ±20% um 1OkHz
schwankt. Je nach Anwendungsfall kann die Größe der Bandperforierung durch Verändern der Impulsbreite
der Bearbeitungs-Impulse verändert werden (Potentiometer 19).
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung könnte der Impulsgenerator 16 sich dafür eignen,
für eingestellte, vorbestimmte Werte der Impulsamplitude und des Verhältnisses zwischen der Bandgeschwindigkeit
von beispielsweise 15,24 m/min (50 ft/min) sowie der Impulsfrequenz von beispielsweise 1000 Hz die
Impulsbreite der Bearbeitungs-Impulse zu verändern. Eine solche Ausführungsform kann bevorzugt sein,
ίο wenn es erwünscht ist, die Dichte der Perforierungen
relativ konstant zu halten, und zwar durch weitgehendes Beibehalten des Verhältnisses zwischen der Bandgeschwindigkeit
und der Frequenz der Bearbeitungs-Impulse (wobei diese Größen beispielsweise die zuletzt
genannten Werte annehmen), während sich die Größe der Perforierungen verändern kann. Eine solche
Ausführungsform führt zu einem Produkt, dessen Aussehen oder Struktur gleichmäßiger ist.
Die Verwendung des steuernden Produkt-Ausgangssignals ergibt bedeutende Vorteile. Die Bandgeschwindigkeit
wird in Zoll/Sekunde bzw. cm/Sekunde, die Bandporositä! beispielsweise in Löchern/Zoll oder
Löchern/cm gemessen. Das Produkt beider Größen hat dann die Einheit Löcher/Sekunde, und dies ist genau der
zu steuernde Parameter, nämlich die Anzahl der Entladungen, die auf das sich in einer Zeiteinheit
bewegende Band ausgeübt werden.
Ferner arbeitet das in der Zeichnung dargestellte Steuerungssystem über einen weiten, durchgehenden
jn Bereich der Bandgeschwindigkeit von Null an bis zum
höchsten Wert, um hierdurch eine kontinuierliche, gleichförmige Steuerung der Geschwindigkeit der
Entladungsvorgänge und so der Porosität des Bandes 10 zu erreichen. Wenn somit die Vorrichtung zum Führen
η des Bandes 10 aus irgendeinem einer Anzahl von
Gründen gestoppt wird, beispielsweise wegen einer Reparatur der Vorrichtung oder wegen eines Einsetzens
einer neuen Rolle mit dem Material-Band 10, setzt das Steuerungssystem seine Funktion bezüglich einer
genauen Steuerung der Anzahl der zwischen den Elektroden 18 und 20 erzeugten Impulse fort. Wenn das
Ausgangssignal des Tachometers 44 zu Null wird, ergibt sich eine Null-Ausgangsgröße der Multiplikationsschaltung
42, wodurch der Impulsgenerator 16 so gesteuert
-n wird, daß keine Erregungsimpulse mehr erzeugt
werden. In der Praxis ist die Ausgangsgröße des Tachometers 44 möglicherweise nicht genau, wenn sich
die Geschwindigkeit des Bandes 10 dem Wert Null nähen, und in diesem kleinen Ausmaß kann sich die
Ausgangsgröße des Impulsgenerators 16 von einem präzis gesteuerten Wert unterscheiden. Andererseits
kann im normalen Betrieb, wenn der gemessene und vorn Drückdetektor 28 abgeleitete Porositätswert
weitgehend dem am Referenzpotentiometer 36 einge-
Λ--, stellten Wert entspricht in ähnlicher Weise ein sehr
kleines Fehlersignal entstehen. Dementsprechend ist die sich von der Multiplikationsschaltung 42 und dem
Spannungsverstärker 52 schließlich ergebende Ausgangsgröße gerade ausreichend, um den Betriebsvor-
«i gang aufrechtzuerhalten, mit dem Ergebnis, daß
bezüglich der Ausgangsgröße des Impulsgenerators 16 eine kleine oder aber keine Korrektur auftritt
Bei einem anderen Betriebszustand des Systems kann das Band 10 brechen bzw. reißen, wodurch der
h-. gemessene Druck eine unendliche Porosität angibt
Hierdurch besteht die Tendenz, daß das Fehlersignal zu einem relativ großen Wert getrieben wird. Im normalen
Betrieb ist der mit dem Referenzpotentiometer 36
hergestellte Einstell- oder Referenzpunkt etwas größer als das entsprechende von dem Demodulator 32
abgeleitete Signal. Wenn jedoch die Ausgangsgröße des Demodulators 32 bis zu einem Punkt anzusteigen neigt,
der größer als der durch das Referenzpotentiometer 36 eingestellte Punkt ist, entsteht ein negatives Fehlersignal
/. Dadurch wird auch ein negatives Signal zum ersten Eingang der Multiplikationsschaltung geleitet,
die dem Spannungsverstärker 52 ein negatives Produkt-Signal zuführt. Das von dem Spannungsverstärker 52
verstärkte negative Signal treibt den Spannung-Frequenz-Umsetzer 56 gegen Null, mit dem Ergebnis, daß
der Impulsgenerator 16 das Anlegen von Erregungsimpulsen an die Elektroden 18 und 20 beendet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Verfahren zum Steuern der Porosität von Blattmaterial beim elektrischen Perforieren, wobei
das Blattmaterial an einem Satz Elektroden vorbeibewegt wird, an die periodisch elektrische
Impulse zum Erzeugen elektrischer, das Blattmaterial durchsetzender Entladungen angelegt werden,
und wobei die Porosität gemessen wird und die Impulse entsprechend gesteuert werden, dadurch
gekennzeichnet, daß auch in an sich bekannter Weise die Laufgeschwindigkeit des Blattmaterials
gemessen wird, daß ein Fehlersignal entsprechend der Differenz zwischen der erwünschten und
der gemessenen Porosität gebildet wird und daß die Impulse in Abhängigkeit vom Produkt des Fehlersignals
und der gemessenen Laufgeschwindigkeit des Blattmaterial gesteuert werden.
2. Verfahren nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz der Impulse in Abhängigkeit vom genannten Produkt gesteuert wird.
3. Verfahren nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet,
daß die Breite der Impulse in Abhängigkeit vom genannten Produkt gesteuert wird.
4. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Satz
von Elektroden, einer daran vorbeiführenden Führung für das Blattmaterial, einem Impulsgenerator
zum Erzeugen periodisch an die Elektroden anzulegender elektrischer Impulse für das Blattmaterial
durchsetzende periodische Entladungen und mit einer Einrichtung zum Messen der erzielten
Porosität des Blattmaterials, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine Einrichtung (44) zum
Erzeugen eines der Laufgeschwindigkeit des Blattmaterials (10) entsprechenden Signals, eine Einrichtung
(36) zum Einstellen einer Referenzausgangsgröße (Vf) entsprechend der erwünschten Porosität
des Blattmaterials (10), eine Einrichtung zum Bilden eines Fehlersignals (I) entsprechend der Differenz
zwischen der Referenzausgangsgroße (Vi) und der gemessenen Porosität (Vp) und eine Multiplikationseinrichtung (42), die ein Steuersignal entsprechend
dem Produkt aus dem Signal der Laufgeschwindigkeit und dem Fehlersignal bildet, aufweist und daß
der Impulsgenerator (16) mittels des von der Multiplikationseinrichtung (42) erzeugten Steuersignals
steuerbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (16) mit einem
verstellbaren Potentiometer (19) zum Voreinstellen der Impulsbreite der periodischen Impulse versehen
ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Impulsgenerator (16)
die Spannungsamplitude der periodischen Impulse einstellbar ist.
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