DE3912950C1 - Film-coating rollers - comprise applicator roller contacted by portional roller to enclose controllable fluid portion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Beschichtung planer Werkstücke mit fließfähigen Werkstoffen ist aus der DE-PS 34 29 049 bekannt.

Diese vorbekannte Vorrichtung sieht vor, daß Gewindespindeln, die zur Einstellung des Anpreßdruckes und damit der Werkstoffdosierung zwischen Auftrags- und Dosierwalze dienen, über Hydraulikzylinder auf die Lager der Dosierwalze wirken. Durch die hydraulische Verbin­ dung der beiden Hydraulikzylinder untereinander wird damit gewähr­ leistet, daß auch bei ungenauer Einstellung der Gewindespindeln sich eine gleichmäßige Kraftbeaufschlagung der beiden Lager der Dosierwalze einstellt und somit ein gleichmäßiger Liniendruck zwischen Dosierwalze und Auftragswalze über die gesamte Walzenbreite.

Mit der vorbekannten oder ähnlichen Vorrichtungen lassen sich jedoch nur dann einwandfreie, d. h. gleichmäßige Beschichtungen erzielen, wenn überhaupt ein ausreichender (beidseits ausgleichbarer) Linien­ druck vorgesehen ist. Dies ist jedoch nicht in allen Anwendungsbe­ reichen, d. h. bei konkreten Werkstoffen zur Beschichtung einerseits und der gewünschten Schichtdicke oder "Filmdicke" der zwischen Dosierwalze und Auftragswalze ausgebildeten Werkstoffschicht anderer­ seits der Fall; so sind beispielsweise Auftragsmengen von 5-6 g/m², aber auch von 80-100 g/² in der Praxis erforderlich, wobei letzteres Beispiel nur bei einem Betrieb der Dosierwalze "auf Spalt" realisier­ bar ist, d. h., wenn zwischen Dosierwalze und Auftragswalze ein Abstand (Spalt) zum "Durchlaß" einer genügenden Menge des Werkstoffes vor­ gesehen wird; in diesem Fall existiert folglich überhaupt kein nennenswerter Liniendruck zwischen den Walzen.

Bei bekannten Vorrichtungen läßt sich folglich mit Hilfe beispiels­ weise von manuell einstellbaren Gewindespindeln (ob mit oder ohne hydraulischen Seitenausgleich wie bei der vorbekannten Vorrichtung) im Spaltbereich und bei Temperaturschwankungen keine eindeutige und reproduzierbare Auftragsmenge (und damit Schichtdicke bei der Beschich­ tung von Werkstücken) einstellen.

Bei der Erzeugung sehr geringer Schichtdicken bzw. entsprechend geringer Auftragsmengen ist andererseits ein sehr hoher Liniendruck zwischen den Walzen erforderlich; in diesem Bereich (Betrieb "auf Andruck") hängt die abgegebene Auftragsmenge (bzw. die dadurch er­ zeugte Schichtdicke) auch von anderen Parametern (außer dem äußeren, über die Gewindespindeln erzeugter Anpreßdruck), beispielsweise von der Relativgeschwindigkeit der Walzen, der Viskosität des Werk­ stoffs, der Oberflächenbeschaffenheit der Walzen usw. ab, mit der Konsequenz, daß beim "Andruckbetrieb" die konkrete Beschaffenheit des abgegebenen Werkstoff-Films allein durch die Einstellung des äußeren Liniendruckes über die Gewindespindeln nicht (mehr) eindeutig und zuverlässig definierbar ist.

Die oben erläuterten Probleme beschränken folglich den Einsatzbereich solcher Vorrichtungen erheblich, da eine Definition der Auftragsmenge über die Einstellung der Gewindespindeln alleine überhaupt nicht oder nur unzuverlässig oder nur innerhalb eng begrenzter Bandbreiten möglich ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die vorbekannte Vorrichtung so weiterzubilden, daß die Erzeugung eines gleichmäßigen und ein­ deutig reproduzierbaren Werkstoff-Films zwischen den beiden Walzen sowohl bei Betrieb "auf Spalt" als auch "auf Andruck" erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht also darin, zur Definition der Filmdicke zwischen den Walzen nicht den von äußeren Elementen wie Gewindespindeln über die Dosierwalze gegen das ortsfeste Lager der Auftragswalze erzeugten Druck herauszuziehen, sondern einen Druck, der sowohl vom Abstand der Walzen einerseits als auch von den zwischen diesen sich einstellenden Druckverhältnissen anderer­ seits ("hydraulischer Druck") eindeutig vorgegeben ist, wodurch die Abhängigkeiten vom konkreten "Umfeld" (Viskosität, Auftragsge­ schwindigkeit, Beschaffenheit der Walzen, Reibungskräfte etc.) auto­ matisch mit erfaßt und berücksichtigt werden.

Durch geeignete Wahl der Federcharakteristik, gegen den die Einstell­ elemente wie z. B. Gewindespindeln, arbeiten, lassen sich somit Kräfte "auswählen", die im Arbeitsfeld (d. h. Meßbereich) handelsüblicher Kraftaufnehmer liegen; die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht somit erstmals den zuverlässigen meßtechnischen "Zugang" zu diesen Kräften und damit deren gerichtete Beeinflussung im Sinne einer Steuerung oder Regelung zur Erzielung der gewünschten Filmdicke oder Auftrags­ dicke auf einem zu beschichtenden Werkstück.

Als Kraftaufnehmer oder Kraftwandler können solche eingesetzt werden, die als Unterlegscheibe ausgebildet sind und die Umwandlung der Kraft in ein elektrisches Ausgangssignal mittels einer Halbleiter- Dehnungsmeßstreifenbrücke (DMS) erfolgt. Weitere Ausgestaltungen betreffen die Ausnutzung des elektrischen Ausgangssignals dieser Kraftwandler in einem Regelkreis zur vollautomatischen Nachführung der Dosierwalze und sind weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Darstellung des funktionalen Zusammenhangs zwischen dem Walzenabstand D und der von den Gewindespindeln aufzubringenden Kraft F,

Fig. 3 eine Blockdarstellung der gesamten Vorrichtung.

Auftragswalze 11 und Dosierwalze 10 sind im Abstand D voneinander gelagert (D = "Walzenspalt"); die Achse A der Auftragswalze 11 ist ortsfest gelagert, die Achse B der Dosierwalze 10 in einer Ebene durch die Achse A der Auftragswalze 11 verschiebbar zur Einstellung des Walzenspalts D und damit der Dicke des Werkstoff-Films.

Die Achse B und damit die Verschiebung der Dosierwalze 10 gegen die Auftragswalze 11 erfolgt gegen die Kraft F₀ einer Feder 22 x/y, deren eines Ende an der Achse B angreift und deren anderes Ende sich ortsfest, beispielsweise am Maschinenrahmen, abstützt.

Bei diesen mechanischen Verhältnissen stellt sich die von den Ein­ stellelementen (Gewindespindeln 12 x, 12 y) aufzubringende Kraft F gemäß Fig. 2 dar:
Bei dem dargestellten maximalen Walzenspalt D _max ist die aufzubringen­ de Kraft F bestimmt durch die Vorspannung der Feder 22 x, 22 y; mit Verringerung des Walzenspaltes D nimmt die Kraft F zu entsprechend der Federkonstanten, die den Anstieg dF/ds der Kennlinie festlegt; bei einem bestimmten Wert des Walzenspalts D, dem "kritischen Wert" D _k , erfolgt der Übergang vom Betrieb "auf Spalt" in den Betrieb "auf Andruck", d. h. zwischen den Walzen beginnt sich infolge des dazwischen befindlichen Werkstoffs ein Liniendruck aufzubauen, der einen zusätzlichen Kraftaufwand F₁ erfordert und der mit weiterer Reduzierung des Walzenspaltes gegen Null steil aufsteigt; in diesem Bereich des "Betriebs auf Andruck" gilt also die Beziehung F = F₀ + F₁.

Man erkennt, daß F = F (D) eine eindeutige Zuordnung von äußerer Kraft F und Walzenspalt D ermöglicht; durch Auswahl einer geeigneten Feder mit geeigneten Federkonstanten kann man daher ohne weiteres einerseits die "Empfindlichkeit" beim Betrieb "auf Spalt" einstellen, d. h. das Verhältnis Δ F/Δ D, andererseits kann man die Kennlinie in einen Kraftbereich F₂-F₁ legen, der innerhalb des Meßbereichs handels­ üblicher Kraftwandler liegt. Damit überdeckt der Meßbereich sowohl den Betrieb "auf Spalt" (D _K < D < D _max ) als auch den Betrieb "auf Andruck" (O < D < D _K ). Das elektrische Ausgangssignal des Kraftwandlers in dessen Meßbereich F₂-F₁ ist also repräsentativ für einen bestimmten Wert D des Walzenspaltes und somit eine bestimmte Schichtdicke des Werkstoffs.

Die Fuhktion F = F (D) gemäß Fig. 2 ist somit als Eichkurve zu verstehen, deren Verlauf im Bereich O < D < D _K (auf Andruck") vom oben erwähnten "Umfeld" abhängt; durch eine Eichmessung läßt sich die Kennlinie F = F (D) aufnehmen und abspeichern, so daß dann beim Betrieb der Vorrichtung die gewünschte Schichtdicke bzw. Auftrags­ dicke durch Einstellung des zugehörigen Kraftwertes erzielt werden kann und zwar sowohl beim Betrieb "auf Spalt" als auch "auf Andruck".

Eine unter Heranziehung dieser Prinzipien aufgebaute Vorrichtung zur Beschichtung von Werkstücken wird nun erläutert (Fig. 3):

Die Auftragswalze 11 liegt auf dem in Richtung des Pfeiles A bewegten Werkstück 30 auf, die Zuführung des fließfähigen Werkstoffes erfolgt über den Spalt zwischen der Auftragswalze 11 und der Dosierwalze 10, dessen Breite D _x bzw. D _y durch horizontale Verschiebung der Dosier­ walze 10 einstellbar ist. Die Achse B der Dosierwalze 10 ist hier­ bei beidseitig gegen Federelemente 22 x, 22 y verschiebbar, die Achse A der Auftragswalze 11 ortsfest gelagert.

Zur Einstellung des Walzenspaltes dient jeweils eine Trapezgewinde­ spindel 1 x, 12 y, die einerseits auf die Lagerkörper 10 x, 10 y wirken, in denen die Achse der Dosierwalze 10 gelagert ist, andererseits über ein Schneckengetriebe 25 x, 25 y von einem Elektromotor 30 x, 30 y beaufschlagt werden. Hierdurch ist grundsätzlich eine unabhängige Verstellung der beiden Walzenseiten in Richtung der Doppelpfeile Bx und By möglich, so daß die Breite des Walzenspaltes Dx nicht zwangsläufig identisch mit dem Walzenspalt Dy sein muß.

Die Übertragung der vom Motor auf die Gewindespindel aufgebrachten Kraft F auf die Lagerkörper 10 x, 10 y erfolgt über einen in Form einer Unterlegscheibe ausgebildeten Kraftwandler 13 x, 13 y, der seinerseits auf einer Befestigungsplatte 14 x, 14 y auf den Lagerkörpern 10 x, 10 y der Dosierwalze 10 befestigt ist. Ein solcher Kraftaufnehmer oder Kraftwandler erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das der von der Gewindespindel auf den Lagerkörper ausgeübten Kraft im wesent­ lichen proportional ist. Über jeweils einen Meßwert-Umformer 17 x, 17 y wird das derart aufbereitete Ausgangssignal der beiden Kraftaufnehmer 13 x, 13 y sowohl einem Anzeigenfeld (Display) 19 zugeführt, als auch einer zentralen Steuereinheit 20. Mit der zentralen Steuereinheit 20 ist eine Bedienungseinheit 21 verbunden, über die, entweder in Abhängigkeit von der Anzeige auf dem Display 19 oder durch Eingabe eines Soll-Wertes für die Andruckkraft F der Gewindespindeln auf die Lagerkörper die beiden Motoren 30 x, 30 y angesteuert werden, um einen bestimmten Kraftwert und damit eine bestimmte Auftragsdosierung des fließfähigen Werkstoffes einzustellen. Hierzu wird dieses Steuer­ signal von der zentralen Steuereinheit 20 an einen Frequenzumrichter 31 gegeben, dessen Ausgangsleitungen mit dem Steuerteil der Motoren 30 x, 30 y verbunden sind. Die Frequenzumrichtung dient hierbei zur Erzeugung verschiedener Umdrehungsgeschwindigkeiten der Motoren 30 x, 30 y und somit zum schnellen oder langsamen Verfahren der Dosier­ walze 10 relativ zur Auftragswalze 11.

Mit den erläuterten Bauteilen und elektrischen/elektronischen Aus­ rüstungen kann die Breite des Walzenspaltes und damit die Auftrags­ menge kontinuierlich überwacht werden, sei es durch Überwachung des Wertes auf dem Display 19, sei es durch kontinuierlichen Ver­ gleich des gemessenen Ist-Wertes mit einem in der zentralen Steuer­ einheit eingegebenen Soll-Wert im Wege einer Regelung; im folgenden wird beispielhaft eine mögliche Betriebsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung mittels automatischer Regelung des Walzenspaltes erläutert:
In der Ruheposition beträgt der Walzenspalt Dx, Dy beispielsweise 2 mm. Auf ein Startsignal von der Bedieneinheit 21 fährt die Dosierwalze 10 langsam auf die Auftragswalze zu, bis der Walzenspalt noch etwa 0,3 mm beträgt. In dieser Position wird der fließfähige Werkstoff (beispielsweise Leim oder Lack) eingefüllt, und die Walzen können laufen gelassen werden.

In Abhängigkeit von der gewünschten Beschichtung und beispielsweise der Viskosität des aufzutragenden Stoffes wird über die Bedienungs­ einheit 21 ein Sollkraftwert an die zentrale Steuereinheit 20 ge­ geben, dessen Wert vorher mit geeigneten Eichmessungen festgelegt wurde, dessen Auswirkungen auf den Walzenspalt und somit die Auftragsmenge also bekannt sind. Wird über das Bedienpult 21 nun nochmals das Startsignal gegeben, so beginnt der automatische Regelbetrieb, d. h., die Dosierwalze verändert den Abstand von der Auftragswalze 11 derart, bis der von den beiden Kraftaufnehmern 13 x, 13 y "rückgemeldete" Kraftwert dem vorgegebenen Sollwert ent­ spricht.

Nunmehr kann der Auftrag des Beschichtungswerkstoffes beginnen, wobei automatisch eine oder beide Seiten des Walzenspaltes nachge­ regelt werden. Durch geeignete Unterprogramme kann gewährleistet werden, daß Unterschiede in den Eichkurven der beiden Kraftaufnehmer 13 x, 13 y automatisch berücksichtigt werden, beispielsweise durch Aufspaltung des Soll-Wertes in zwei seitenspezifische Soll-Werte, was theoretisch eine Verschränkung der Dosierwalze 10 bewirkt, in der Regelpraxis aber Toleranzen der beiden Kraftwandler untereinander kompensiert und somit die strikte Parallelität der beiden Walzen­ oberflächen und damit die gleichmäßige Auftragsqualität des fließ­ fähigen Werkstoffes gewährleistet.

Nach Beendigung des Auftrages fährt die Dosierwalze wieder auf den Abstand 0,3 mm, also den "Einstiegspunkt" in den vollautomatischen Regelbetrieb.

Von hier aus kann durch Tastendruck eine Schnellöffnung gestartet werden, bei der die Motoren mit hoher Drehgeschwindigkeit angesteuert werden, so daß der Walzenspalt sich schnell auf beispielsweise 80 mm öffnet.

Bei diesem manuellen Betrieb der Schnell-Öffnung und Schnell-Schließung dienen in der Zeichnung symbolisch dargestellte Endschalter 15 x, 16 x bzw. 15 y, 16 y zur Definition der Öffnungspositionen, bei denen eine auto­ matische Abschaltung erfolgt, bei der dargestellten Betriebsweise also beispielsweise bei der Öffnungsposition von 80 mm und der Sicher­ heitsabstandsposition von 2 mm. Beim beschriebenen Betrieb dient dieser Wert (2 mm) des Walzenspaltes sozusagen als Übergangspunkt zwischen dem automatischen Regelbereich des Walzenspaltes von 0 bis 2 mm und dem manuellen bzw. von den Endschaltern gesteuerten Öffnungs- und Schließbereich von 2 mm bis 80 mm.

Bei der beschriebenen Betriebsweise dient die Kraft F als Regelgröße; es ist jedoch auch ohne weiteres denkbar, die Schichtdicke zu messen und diese als Regelgröße einzusetzen, womit dann ein vollautomatischer Betrieb der Vorrichtung möglich ist. Es ist ebenfalls möglich, die Vorrichtung beispielsweise zur Erzeugung von Folien vorgebbarer Dicke zu verwenden.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Films aus viskosen Werkstoffen, insbesondere zur Beschichtung planer Werkstücke mit einer Auftragswalze und einer parallel zur Auf­ tragswalze angeordneten und gegen diese anpreßbare Dosierwalze, wobei in einem im Kontaktbereich zwischen der Auftrags­ walze und der Dosierwalze liegenden Volumen der fließfähige Werkstoff aufge­ nommen wird, und wobei die Einstellung der Werkstoffdosierung zwischen Auftrags- und Dosierwalze erfolgt, die bezüglich der Achse der Auftragswalze verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager der Dosierwalze (10) gegen eine zusätzliche, äußere, vom Walzenspalt (D) abhängige Gegen­ kraft F₀ zur Auftragswalze (11) hin verschiebbar sind, und daß der Wert der so insgesamt bei einem bestimmten Walzenspalt (D) an beiden Lagern aufzubringenden Kraft (F) über je einen Kraftaufnehmer gemessen wird, dessen elektrisches Ausgangssignal zur Steuerung der Werkstoffdosierung dient.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftaufnehmer in Form je einer Unterlegscheibe (13 x, 13 y) ausgebildet sind, die zentrisch von je einer Gewindespindel (12 x, 12 y) beauf­ schlagt sind und sich ihrerseits auf den Lagerkörpern (10 x, 10 y) der Dosierwalze (10) abstützen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftaufnehmer einen Dehnungsmeßstreifen (DMS) zur Erzeugung des elektrischen Ausgangssignals aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gewindespindel (12 x, 13 y) von einem eigenen oder umschaltbaren gemeinsamen Motor (30 x, 30 y) beaufschlagt wird, dessen Ansteuerung über einen Regelkreis mit einem definierten Walzenspalt (D) ent­ sprechenden Sollwert des Ausgangssignals und dem aktuellen Ausgangs­ signal als Ist-Wert erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Positionen der Dosierwalze durch Endschalter definiert sind, die bei Erreichen der jeweiligen Endposition den zugehörigen Motor (30 x, 30 y) abschalten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Walzenspaltes (Dx, Dy) bzw. der Auftragsmenge die beiden Sollwerte der beiden Regelkreise eine einstellbare Differenz (Walzenschränkung) aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehfrequenz der Motoren (30 x, 30 y) über einen Frequenzum­ richter (31) festgelegt wird, derart, daß im Bereich zwischen den beiden Endpositionen eine hohe Drehfrequenz gewählt ist, und im anschließenden Regelbereich eine niedrige Drehfrequenz.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Endposition bei 80 mm liegt und die zweite End­ position (Übergang in den Regelbereich) bei etwa 2 mm.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelbereich einen Bereich des Walzenabstandes (Dx, Dy) von 0 mm bis 2 mm umfaßt.

10. Vorrichtung nach A 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkraft (F₀) durch eine Federkraft gebildet ist.