DE3608111C1 - Querschneider fuer Bahnmaterialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Querschneider für Bahnmateria­ lien, insbesondere Papier, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Querschneider, die aus Bahnmaterialien, beispielsweise Rol­ lenpapier, Bogen schneiden, die dann ggf. sortiert und in Stapeln abgelegt werden, arbeiten mit hohen Papiergeschwin­ digkeiten und müssen auf unterschiedliche Formate einstellbar sein. Die Querschneider bestehen dabei aus zwei Messerwellen, die am Umfang meist je ein Messer haben, wobei beide Messer auf außerordentlich geringe Schnittspalte in der Größenord­ nung von hundertstel Millimetern eingestellt sind und zur Erzeugung eines fortlaufenden Schnittes schräg zur Achse der Messerwelle angeordnet sind. Um mit Messerwellen von konstan­ tem Durchmesser unterschiedliche Formate schneiden zu können, werden bisher die Messerwellen von Ungleichförmigkeitsgetrie­ ben angetrieben, die die Drehzahl der Messerwellen, z. B. zum Schneiden eines Formates, das länger ist als das durch den Umfang der Messerwellen bestimmte Synchronformat, abbremsen und zum Zeitpunkt des Schnittes wieder auf die Bahngeschwin­ digkeit hoch beschleunigen. Infolge des etwa sinusförmigen Geschwindigkeitsverlaufes, das das Ungleichförmigkeitsgetrie­ be erzeugt, ist jedoch die Geschwindigkeit auch während des Schnittes nicht ganz konstant, da dieser wegen der Schräg­ stellung der Messer einen gewissen Zeitraum beansprucht. Daraus resultieren gewisse Abweichungen in der Schnittgenau­ igkeit, die bisher in Kauf genommen wurden.

Insbesondere bei solchen mit ungleichförmigem Lauf der Mes­ serwelle angetriebenen Querschneidern war es notwendig, die Synchronisation der beiden Messerwellen, die durch Zahnrad­ triebe erfolgt, so einzustellen, daß im Schnittzeitpunkt praktisch kein Zahnspiel mehr vorhanden ist, weil anderen­ falls ein genauer Schnitt, der exakteste Messereinstellung erfordert, nicht mehr möglich ist bzw. die Messer zerstört werden. Infolge nicht zu vermeidender Fertigungsungenauigkei­ ten konnte aber eine spielfreie Einstellung von Zahnrädern bisher nur in einem Punkt des Umfanges erreicht werden, nämlich in dem Punkt, in dem die Zahnräder, bedingt durch den sog. "Hochschlag", am engsten zueinander laufen. An allen übrigen Punkten des Umfanges entstand dann ein mehr oder weniger großes Spiel, das zwar im Bereich von hundertstel Millimetern liegt, jedoch einen exakten Lauf der Messer zueinander verhindert hätte. Aus diesem Grunde war es bei derartigen Querschneidern nur unter Qualitätsverlust mög­ lich, mehrere Messer am Umfang vorzusehen.

Die DE-OS 28 25 898 beschreibt einen für die Wellpapp­ industrie vorgesehenen Querschneider, zwischen dessen mitein­ ander zusammenwirkenden Messerwellen ein als totgangfrei bezeichnetes Zahnradgetriebe vorgesehen ist. Dies ist jedoch im Sinne der vorstehenden Ausführungen allenfalls in einem Punkt totgangs- oder spielfrei und ist für hohe Qualitätsan­ forderungen an die Schnittgenauigkeit und/oder hohe auf die Messerwellen einwirkende Beschleunigungen oder Verzögerungen nicht ausreichend.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Querschneider für Bahn­ materialien zu schaffen, der eine hohe Schnittgüte ermöglicht und bei dem insbesondere die Messer zueinander außerordent­ lich genau einstellbar sind und diese Einstellung in allen Betriebszuständen exakt eingehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Dieses elastische Element kann beispielsweise eine bisher nur als Spannelement bekannte hydraulische Spannbüchse sein, das zugleich das jeweilige Zahnrad auf der Messerwelle fest­ spannt, jedoch eine begrenzte federnde Radialbewegung bei gleichzeitiger hoher Drehsteifigkeit zuläßt.

Diese Vorspannung der Zahnräder gegeneinander ermöglicht es, daß die Zahnräder nun praktisch an allen Stellen des Umfangs spielfrei zueinander laufen. Der Querschneider ist nicht mehr durch vom Antrieb oder aus anderen Quellen herrührende Schwingungen gefährdet, die anderenfalls nicht nur die Mes­ ser, sondern auch andere Antriebsteile in Kürze verschleißen könnten. Es ist auch möglich, trotz hochgenauer Schnittein­ stellung mehrere Messer am Umfang zur Messerwelle vorzusehen. Es galt bisher als unmöglich, Zahnräder über den ganzen Umfang spielfrei einzustellen, weil sie sich dadurch selbst zerstören würden. Sie würden damit nämlich im Bereich des "Hochschlages" so hohe Zahnflankenpressungen erfahren, daß sich kein Schmiermittel mehr zwischen den Zahnflanken halten könnte und sie daher in kürzester Zeit zerstört würden. Durch die Vorspannung nach der Erfindung ist es jedoch möglich, diese Zahnflanken­ pressung auf ein gewünschtes Maß zu reduzieren, das noch gerade zum Erhalt eines Ölfilms ausreicht.

Damit ist es auch möglich, erstmalig einen funktionsfähigen Querschneider für hohe Schnittgüte zu schaffen, der mit elektromotorischem Direktantrieb arbeitet. Die außerordent­ lich hohen Beschleunigungen und Bremsmomente, die dabei auf den Zahnradtrieb einwirken, sowie die von dem elektronisch gesteuerten Motorenantrieb herrührenden Schwingungen zer­ störten bei Vorversuchen die Messer und die Zahnradtriebe in kürzester Zeit. Durch die spielfreie Synchronisation nach der Erfindung konnte dies behoben werden.

Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen auch aus den Unteransprüchen und der Beschreibung im Zusam­ menhang mit den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander bei vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung verwirk­ licht sein können. Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Querschneider, auf die Messerwellen und ihren Antrieb gesehen,

Fig. 2 einen demgegenüber vergrößerten Querschnitt durch die Messerwellen (in Schnittposition) und

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt durch einen Zahn­ trieb zur Synchronisation der beiden Messer­ wellen.

Der in Fig. 1 teilweise gezeigte Querschneider 11 dient zum präzisen Schneiden von Rollenpapier in Bogen. Diese Quer­ schneider sind hochpräzise Maschinen, die Bahnmaterialien mit einer Breite von 2 m oder darüber in Arbeitsgeschwindig­ keiten von mehreren hundert Meter pro Minute verarbeiten können. Die horizontal übereinander in einem Gestell 12 mittels Lagern 13 gelagerten Messerwellen 14, 15 sind in der Zeichnung verkürzt dargestellt. Sie tragen an ihrem Umfang je ein zu den Messerwellenachsen 16, 17 schräg angeordnetes Messer 18. Beide Messer 18 sind, wie auch aus Fig. 2 zu erkennen ist, mit Schnittspalten in der Größenordnung von tausendstel Millimetern genau aufeinander eingestellt und schneiden das in Arbeitsrichtung 19 einlaufende Bahnmaterial 20 mit hoher Genauigkeit und einem sauberen, absolut fran­ senfreien Schnitt über die gesamte Breite.

Die Messerwellen 14, 15 sind über zwei an ihren beiden Enden vorgesehene Zahnradtriebe 21, 22 miteinander genau synchro­ nisiert, so daß die Messer unter allen Betriebsumständen reproduzierbar mit dem genau eingestellten Schnittspalt zueinander arbeiten. Jeder der Zahnradtriebe 21, 22 besteht aus zwei Zahnrädern 24, 25, die gleiche Zähnezahl und glei­ chen Teilkreisdurchmesser haben und so die parallelachsigen Messerwellen 14, 15 mit gleicher Drehzahl gegenläufig an­ treiben. Die nach Art von Stirnrädern miteinander zusammen­ arbeitenden Zahnräder 24, 25 haben jedoch trotz eines über die ganze axiale Zahnerstreckung (Zahnlänge) gleichen Durch­ messer des Teilkreises 26, der somit auf einer Zylinderman­ telfläche liegt, eine bei den beiden Zahnrädern 24, 25 entsprechende Konizität. Dies wird bei der Herstellung der Zahnräder durch eine über die Zahnlänge fortschreitende radiale Zahnprofilverschiebung erzeugt. Der die Konizität bestimmende Winkel der Zahnradschräge gegenüber der Achs- bzw. Teilkreisrichtung (halber Kegelwinkel) liegt je nach den Anforderungen im Bereich zwischen 0,2° und 5°, bevorzugt 1° bis 2°. Damit ist sicherge­ stellt, daß trotz eines einwandfreien Zusammenwirkens der Zahnräder eine axiale Verschiebung der Zahnräder gegeneinan­ der eine Einstellung des radialen Zahnspiels ermöglicht. Dementsprechend können die insbesondere aus Fig. 3 zu er­ kennenden Zahnräder 24, 25 bei ihrer Einstellung der Hilfs­ vorrichtungen längs der Messerwellenachsen 16, 17 soweit gegeneinander verschoben werden, daß das Zahnspiel an allen Stellen des Umfanges ausgeschaltet ist und eine gewisse Vorspannung im Zahneingriff vorliegt, d. h., auch an der Stelle, an der theoretisch das größte Zahnspiel auftreten würde, ist noch ein allseitiger Kontaktdruck zwischen den Zahnrädern gegeben, der sicherstellt, daß die Zahnräder auch bei einem Lastwechsel oder bei Schwingungen kein Spiel erzeugen können. In dieser Einstellung werden die Zahnräder auf die Messerwellen 14, 15 gespannt, und zwar mittels elastischen Elementen 27, die zugleich Spannelemente und radiale Federelemente sind.

Die elastischen Elemente 27 bestehen aus zwei konzentrisch ineinander angeordneten Stahlhülsen 29, 30 die im Bereich ihrer Stirnseiten durch dichte Schweißungen 31 miteinander verbunden sind. Zwischen den beiden Hülsen entsteht in dem nicht verschweißten Bereich ein sehr dünner Ringraum 33, der an ein Hydraulikölventil 34 angeschlossen ist. Auf jede Messerwelle 14, 15 wird ein solches elastisches Element 27 geschoben, und je ein Zahnrad 24, 25 sitzt auf dem Außendurchmesser der äußeren Hülse 30. Die Passungen zwi­ schen dem elastischen Element und den dadurch zu verbinden­ den Teilen 14, 24 sind gering, jedoch in der Größenordnung, in der Radialelastizität gewünscht wird. Nach erfolgter axialer Einstellung der Zahnräder gegeneinander wird über das Hydraulikfüllventil 34 ein hoher Hydraulikdruck in den Ringraum 33 gegeben, der beispielsweise im Bereich zwischen 500 und 1000 Bar liegen kann. Dadurch dehnen sich die beiden Hülsen nach innen und außen und spannen die Zahnräder 24, 25 jeweils auf ihrer Welle 14, 15 spielfrei fest.

Das elastische Element ist infolge der unmittelbaren Verbin­ dung der Hülsen 29, 30 an ihrem ganzen Umfang durch die Schweißung 31, 32 in Drehrichtung praktisch unelastisch und drehsteif. In radialer Richtung ist es jedoch elastisch, wenn auch mit sehr hoher Federsteifigkeit, die vorzugsweise über 1 000 000 N/mm liegt. Die leicht aufgeblähten Hülsen lassen innerhalb des Betrages, um den sie aufgebläht wurden, nach Art einer Balgfeder eine radiale Bewegung der Außenhülse gegenüber der Messerwelle 14 zu, das in dem Ringraum enthaltene Hydrauliköl 33 verhält sich dabei jedoch federneutral, weil es in dem Raum von einer Seite zur anderen strömen kann. Die Federung ist also möglich, ohne daß die Drehsteifigkeit oder die Spannwirkung des Elementes 27 in irgendeiner Weise beeinträchtigt wird. Somit ist es möglich, eine Vorspannung zwischen den Zahnrädern über den gesamten Umfang sicherzustellen.

Aus Fig. 1 ist zu erkennen, daß die obere Messerwelle 14 von zwei Elektromotoren40 angetrieben wird, die gleichachsig mit ihr zu beiden Seiten angeordnet sind und jeweils über eine Metallbalgkupplung 41 direkt und ohne Zwischenschaltung irgendwelcher Getriebeelemente mit ihr verbunden sind.

Die Metallbalgkupplung 41 besitzt einen zwischen zwei je­ weils auf Motor- und Messerwelle befestigten Flanschen angeordneten Metall-Wellenbalg, der bei sehr hoher Dreh­ steifigkeit geringfügige Fluchtungsfehler etc. ausgleichen kann. Auch dies trägt dazu bei, daß im Antriebszug kein freies oder elastisches Spiel auftreten kann.

Die Elektromotoren sind Spezialgleichstrommotoren, die von einer elektronischen Steuereinrichtung 42 in Abhängigkeit von verschiedenen Daten diskontinuierlich angetrieben wer­ den. Zu den Einstelldaten für das Steuergerät 42 gehört der Ausgang eines auf der unteren Messerwelle 15 angeordneten Inkrementalgebers 43, sowie Daten über die Geschwindigkeit der zulaufenden Materialbahn 20 und die gewünschte Format­ länge. In Abhängigkeit von diesen Daten werden die beiden Motoren 40 so gesteuert, daß sie beispielsweise vom Still­ stand in ca. 20 Millisekunden auf ihre volle Drehzahl in der Größenordnung von 500 U/min, die der jeweiligen Material­ bahngeschwindigkeit entspricht, beschleunigt, während der gesamten Länge des Schneidvorganges auf dieser konstanten Geschwindigkeit gehalten und danach in ebenfalls wenigen Millisekunden wieder auf Stillstand abgebremst werden. Die Bremsung erfolgt über den Motor elektrisch, und es erfolgt eine Rückspeisung der Bremsenergie ins Netz. Somit steht bei längeren Formaten der Motor für eine gewisse Zeit still, um dann auf Schnittgeschwindigkeit beschleunigt und danach wieder verzögert zu werden. Es wäre auch möglich, je nach der gewünschten Formatlänge den Motor auf eine niedrigere Geschwindigkeit herunterzuregeln und dann zum Schnittvorgang wieder auf die volle Geschwindigkeit hochzubeschleunigen. Für kleinere Formate kann der Motor nach der Schnittge­ schwindigkeit auf höhere Geschwindigkeiten als die der Schnitt-Synchron-Geschwindigkeit hochbeschleunigt werden, um die Messerwelle mit erhöhter Geschwindigkeit zu drehen und den Schnitt durchzuführen, bevor die Bahn sich um das sog. Synchronformat, das dem Flugkreisumfang der Messer 18 ent­ spricht, weiterbewegt hat. Diesen Arbeitszyklus kann der Motor mehrfach, beispielsweise 5- bis 8mal in der Sekunde, ausführen. Es ist einzusehen, daß dabei infolge der extrem hohen Beschleunigungen und Verzögerungen nicht nur die mechanischen Kräfte groß sind, sondern auch Schwingungen entstehen. Ferner werden durch den Reglungsvorgang der Elektromotoren auch von der elektrischen Seite her Schwin­ gungen erzeugt, die auf alle Bauteile einwirken und eine extreme Spielfreiheit erfordern. Dies ist mit dem Zahntrieb nach der Erfindung möglich.

Es hat sich erstaunlicherweise gezeigt, daß die Anordnung des die elektronische Steuerung wesentlich beeinflussenden Inkrementalgebers 43 auf der unteren, nur mittelbar ange­ triebenen Messerwelle bessere Ergebnisse in bezug auf Schwingungsfreiheit des Antriebes erzielen läßt, als die direkte Anbringung an der Motorwelle. Dies widerspricht an sich der Lehrmeinung, den Regelabgriff so direkt wie möglich vorzunehmen. Auf der unteren Motorwelle müßte man an sich die höchste Schwingungsanregung und damit die Gefahr einer Rückkopplung auf die Steuerung befürchten. Trotzdem ergab sich damit ein schwingungsfreieres Arbeiten des Gesamt­ systems. Die Anordnung zweier Motoren ermöglicht es, die gesamte notwendige Antriebsleistung im Vergleich zum Träg­ heitsmoment der Gesamteinheit Motoren/Messerwellen zu opti­ mieren. Das Trägheitsmoment eines einzelnen Motors mit doppelter Antriebsleistung wäre größer. Der spielfreie Zahntrieb 21, 22 wäre auch dann von Vorteil, wenn beispiels­ weise je einer der Motoren auf jede der Messerwellen ein­ wirkt. In diesem Falle würde der Zahntrieb nur noch eine Synchronisationsfunktion übernehmen und nicht, wie bei dem dargestellten Beispiel, auch die untere Messerwelle antrei­ ben. Die Anordnung von zwei Motoren sowie von zwei Zahntrie­ ben auf beiden Seiten der Messerwellen schafft völlig symme­ trische Verhältnisse und vermeidet damit auch torsionsbe­ dingte Störungen.

Claims (9)

1. Querschneider für Bahnmaterialien, insbesondere Papier, mit zwei Messerwellen (14, 15) und mindestens je einem am Umfang der Messerwelle angeordneten Messer (18) und mit einem Antrieb (40) für die Messerwellen (14, 15), sowie wenigstens einem die beiden Messerwellen (14, 15) miteinander synchronisierenden Zahnradtrieb (21, 22), mit spielfrei zusammenwirkenden Zahnrädern (24, 25), dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander zusammen­ wirkenden Zahnräder (24, 25) unter Vorspannung im Zahneingriff sind und daß zwischen wenigstens einem der Zahnräder (24, 25) und einer Messerwelle (14, 15) ein elastisches Element (27) angeordnet ist.

2. Querschneider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (27) eine in radialer Rich­ tung wirkende Elastizität hat.

3. Querschneider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das elastische Element (27) in Drehrich­ tung eine im wesentlichen starre Verbindung zwischen Messerwelle (14, 15) und Zahnrad (24, 25) schafft.

4. Querschneider nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide Zahnräder (24, 25) eines Zahnradtriebes (21, 22) mit elastischen Elementen (27) versehen sind.

5. Querschneider nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß radiale Bewegungen eines Zahnrades (24, 25) gegenüber den zugehörigen Messerwel­ len (14, 15) bei deren Drehung im Bereich von hunder­ stel Millimetern liegen.

6. Querschneider nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (27) zugleich Spannelement für die Zahnräder (24, 25) auf den zugehörigen Messerwellen (21, 22) ist.

7. Querschneider nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen Messerwelle (14, 15) und Zahnrad (24, 25) angeordnete elastische Element (27) aus zwei im Bereich ihrer Stirnseiten miteinander dicht verbundenen konzentrischen Hülsen (29, 30) besteht, die zwischen sich einen mit unter hohem Druck befindliche Hydraulikflüssigkeit zu füllen­ den Ringraum (33) bilden, wobei die Hülsen (29, 30) unter dem Druck der Hydraulikflüssigkeit zur Spannung des Zahnrades (24, 25) auf der zugehörigen Messerwelle (14, 15) dehnbar sind.

8. Querschneider nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelachsig angeord­ neten Zahnräder (24, 25) eines Zahnradtriebes (21, 22) im Eingriffsbereich eine konische Form haben und durch axiale Verschiebung der Zahnräder (24, 25) zueinander in ihrer Vorspannung eingestellt sind, wobei vorzugs­ weise die Zahnräder (24, 25) über die axiale Länge ihres Eingriffsbereiches einen in seinem Durchmesser gleichbleibenden, d. h. auf einem Zylindermantel lie­ genden Teilkreis (26) haben, während die konische Form der Zahnräder (24, 25) durch radiale Zahnprofilver­ schiebung erzeugt ist.

9. Querschneider nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über eine spielfreie und drehsteife, aber im übrigen flexible Kupplung (41), vorzugsweise eine Metallbalgkupplung, ein Elektromotor (40) direkt an eine der Messerwellen (14) angekuppelt ist.