DE4417023A1 - Einrichtung und Verfahren zum Aufbau der Einrichtung zur Messung der Bahnspannung einer kontinuierlich bewegten Stoffbahn - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Aufbau der Einrichtung zur Messung der Bahnspannung einer kontinuierlich bewegten Stoffbahn, insbesondere für den Einsatz in Rollenrotationsdruckmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer Einrichtung zur Messung der Bahnspannung in einer Rollenrotationsdruckmaschine ist in der Regel eine Papierleitwalze als Meßwalze ausgebildet. Beim Gegenstand z. B. der DE 88 16 453 U1 ist die Meßwalze auf beiden Seiten in einem Meßkäfig im Seitengestell einer Rotationsdruckmaschine gelagert. Der Meßkäfig besteht aus einem gestellfesten Flanschring und einem Aufnahmering für einen Meßwellenzapfen. Die beiden Ringe sind mittels axial zum Meßzylinder verlaufender Biegebalken miteinander verbunden. Eine Messung der Bahnspannung erfolgt mittels auf die Biegebalken aufgebrachter Dehnungsmeßstreifen (DMS). Solche DMS-Aufnehmer sind aufgrund von Wärmedriftung ungenau. Sie sind außerdem einem schnellen Alterungsprozeß unterworfen und reagieren empfindlich auf Verschmutzung. Derartige Zugmeßvorrichtungen beanspruchen außerdem viel Raum und sind bei einer Vielzahl von Meßstellen schwer unterzubringen.

Weiterhin ist aus der DE 30 34 675 A1 eine Vorrichtung zur Regelung der Bahnspannung einer Warenbahn bekannt, bei der eine Pendelwalze frei drehbar in einem Schwenkrahmen angeordnet und der Schwenkrahmen mittels einer Pendelwelle schwenkbar am Maschinengestell gelagert ist. Dem Bandzug wird dabei mittels einer Federabstützung des Schwenkrahmens entgegengewirkt. Die Zuordnung von Bahnspannung zur Winkelstellung des Schwenkrahmens zur Normalstellung ist nicht direkt proportional, so daß ein direktes Ablesen der vorliegenden Bahnspannung nicht ohne weiteres möglich und damit schwierig ist, die gewünschte Bahnspannung einzustellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Messung der Bahnspannung einer kontinuierlich bewegten Stoffbahn mit einer Pendelwalze, insbesondere für den Einsatz in Rollenrotationsdruckmaschinen, zu finden, welche konstruktiv einfacher ist, dennoch eine erhöhte Meßgenauigkeit bei kleinster Bahnspannungsänderung und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.

Nach der Erfindung wird die Lösung dieser Aufgabe dadurch erreicht, daß bei einer gattungsbildenden Einrichtung zur Messung der Bahnspannung die zur Aufhängung der Pendelwalze dienende Pendelwelle als frei drehbare, gestellfeste Umlenkwalze ausgebildet ist, mittels der drehbaren Leitwalze der Einlaufwinkel festgelegt ist und die Stoffbahn S-förmig zwischen der Pendelwalze und der Umlenkwalze durchgeführt ist, so daß die Pendelwalze eine Bandschleife zwischen der ortsfesten Leitwalze und der Umlenkwalze zieht, außerdem die Achsenabstände von der Pendelwalze zur Umlenkwalze, minimal von der Pendelwalze zur Leitwalze und von der Leitwalze zur Umlenkwalze in der Projektion in Abhängigkeit von den drei Walzendurchmessern dabei so bemessen sind, daß der Verlauf der Stoffbahnspannung zur Auslenkung der Pendelwalze ausreichend linear ist, so daß die Auslenkung der Pendelwalze als direktes Maß für die Stoffbahnspannung angezeigt werden kann, d. h. eine Änderung der Stoffbahnspannung eine proportionale Auslenkung der Pendelwalze bewirkt, deren Größe von dem durch die Massenkraft auf die Pendelwalze hervorgerufenen Drehmoment abhängt.

Dadurch daß zur Bestimmung der konstruktiven Auslegung dieser Achsenabstände, sowie des Wertes der Massenträgheit der Pendelwalze eine rechnergesteuerte, numerische Simulation des Betriebsverhaltens zugrunde gelegt wird, kann ein konstruktiv einfacher Aufbau berechnet werden, der eben durch sein lineares Betriebsverhalten eine erhöhte Meßgenauigkeit aufweist, und der erlaubt, die Bahnspannungsänderungen auf einfache Weise auf in der Praxis verwertbare Größen zuverlässig auszulegen und, insbesondere bezüglich eines Prozeßregelungssystems für Druckmaschinen, hohe Integrationsfreundlichkeit bietet.

In besonders vorteilhafter Weise ist durch entsprechende Auslegung der mechanischen Bauteile, insbesondere der Masse des Pendels aus Pendelwalze und Schwenkrahmen der Meßbereich bereits bei der Konstruktion festlegbar, so daß aufwendige Kalibrierarbeiten entfallen können, da Abweichungen des Meßbereiches nur von den Bauteiltoleranzen verursacht werden und diese vernachlässigbar sind.

Eine Veränderung des Meßbereiches bzw. eine Verschiebung der Nullage wie sie bei der bisher eingesetzten Meßwalze mit DMS-Aufnehmer auftritt, kann grundsätzlich ausgeschlossen werden.

Bedingt durch den fast rein mechanischen Aufbau der Einrichtung, ist mit einer äußerst geringen Störanfälligkeit zu rechnen. Fehlerquellen, von Meßverstärker oder Wandlungsglieder herrührend, oder Störsignale und Wärmeeinflüsse sind nicht vorhanden, bzw. vernachlässigbar.

Vergleichsweise ist eine Kostenreduzierung erreicht, da die elektrische Meßtechnik reduziert und damit ein wesentlich kleinerer elektrischer Verdrahtungsaufwand erreicht ist. Dennoch sind Störungen in der Meßwertaufnahme leicht erkennbar und vor Ort behebbar.

In an sich bekannter Weise wird die Auslenkbewegung der Pendelwalze mittels eines Drehwinkelgebers an einem Gelenkpunkt erfaßt. Hierzu kann ein Drehpotentiometer verwendet werden, so daß jeder Winkelstellung ein elektrischer Spannungsabfall zugeordnet ist. Aufgrund der dynamischen Vorgänge sollte idealerweise ein verschleißfestes Feldplattenpotentiometer verwendet werden. Zur Erlangung einer besseren Auflösung der Meßwerte kann diesem Potentiometer noch ein mechanisches Obersetzungsgetriebe vorgeschaltet sein. Bei einer solchen die Auslenkung erfassenden Einheit kann in vorteilhafter Weise die Pendelwalze zusammen mit einer Zugwalzenregulierung eingesetzt werden.

Bei Druckmaschinen ohne elektrische Stellung eines Streckwerkes, stellt diese Meßeinrichtung mittels eines angebrachten mechanischen Zeigers, der z. B. am Schwenkrahmen montiert sein kann und einer teilkreisförmigen Skala eine einfache rein mechanische Möglichkeit zur Erfassung der Bahnspannung dar.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisiert:

Fig. 1 eine Seitenansicht der Einrichtung senkrecht zur Bahnlaufrichtung,

Fig. 2 eine Stirnansicht des Schwenkrahmens mit darin gelagerten Pendelwalze und Umlenkwalze,

Fig. 3 im Diagramm den linearen Zusammenhang der Stoffbahnspannung zur Auslenkung der Pendelwalze einer erfindungsgemäßen Einrichtung.

Wie aus Fig. 1 und 2 erkennbar ist, ist auf die in den Seitenwandungen 101, 102 des Maschinengestells einer Rollenrotationsdruckmaschine gelagerten Welle 100 einer Umlenkwalze 1, die auf dieser Welle 100 frei drehbar gelagert ist, ein Schwenkrahmen 4 gesetzt, der um seine Anlenkpunkte auf der Welle 100 auf einer Kreisbahn führbar ist. Zwischen den Armen 4a, 4b des Schwenkrahmens ist ebenfalls frei drehbar eine Pendelwalze 2 aufgenommen. Zusätzlich ist zwischen den Armen 4a, 4b eine Gewichtsstange 5 eingelegt.

Ortsfest, jedoch frei drehbar zwischen den Seitenwandungen 101, 102 ist eine Leitwalze 3 angeordnet, über diese die Stoffbahn 6 in die Walzenanordnung 1, 2, 3 eingeführt ist. Die Führung der Bahn 6 ist dabei so getroffen, daß diese S-förmig zwischen der Pendelwalze 2 und der Umlenkwalze 1 durchgeführt ist. Die Pendelwalze 2 zieht also eine Bandschleife zwischen den ortsfesten Walzen 1 und 2. Zwischen der Bandzugkraft F0 und der von der Pendelwalze 2 ausgeübten Kraft stellt sich ein Gleichgewicht, genauer gesagt, ein Gleichgewicht zwischen den Drehmomenten die aus der Bandzugkraft und den Gewichtskräften entstehen, ein, wobei der Ausschlag alpha der Pendelwalze 2 bezüglich der Normalstellung oder Nullage, in der die Pendelwalze wie ein Lot an der Welle 100 hängt und die maximale Bandlänge einstellt, ein der Bandzugkraft F0 proportionales Maß anzeigt. Die Bandschleife dient dabei als Bandspeicher.

Die zumindest angenäherte Linearisierung des Verlaufs der Stoffbahnspannung zur Auslenkung alpha der Pendelwalze 2 ist mittels aus einer rechnergesteuerten numerischen Simulation des Betriebsverhaltens berechneten geometrischen Bemaßung des Achsenabstandes a von der Pendelwalze 2 zur Umlenkwalze 1, des minimalen Achsenabstandes b von der Pendelwalze 2 zur Leitwalze 3 und der Achsenabstand c von Leitwalze 3 zur Umlenkwalze 1 in der Projektion zur Festlegung des Einlaufwinkels der Stoffbahn in Abhängigkeit der Walzendurchmesser r1, r2 und r3 erreicht.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Walzendurchmesser r1, r2, r3 gleich groß gewählt, können jedoch dem für den jeweiligen Einsatz vorliegenden Platzangebot beliebig konstruktiv angepaßt werden, entsprechend sind die Achsenabstände a, b, c zu berechnen und bei der Konstruktion der erfindungsgemäßen Einrichtung zu berücksichtigen.

Der Meßbereich ist mittels einer Änderung der auf die Pendelwalze 2 wirkenden Massenkräfte, bzw. auf das Pendel aus Pendelwalze 2 und Schwenkrahmen 4 einstellbar. Im vorliegenden Fall ist der Meßbereich mittels der eingelegten Gewichtsstange 5 vorgewählt.

Als weitere vorteilhafte Maßnahme ist es möglich, zur Stabilisierung der Einrichtung gegen Schwingungen ein Dämpfungsglied in den mechanischen Aufbau des Pendels 2, 4 einzubringen. Dies kann beispielsweise in bekannter Art durch den Einbau eines leichtgängigen Luftzylinders als Dämpfungsglied mittels handelsüblicher Drosselventile erfolgen.

Fig. 3 zeigt in Form eines Diagramms, daß das Berechnungsbeispiel, bei dem durch die Massenvorgabe M = 1 kg des Pendels 2, 4 ein maximaler Ausschlag, d. h. Auslenkung alpha der Pendelwalze 2 von 60° bei einer Zugkraft F0 = 5.11 N gegeben ist, mit den berechneten Werten der Achsenabstände a = 110 mm, b = 220 mm und c = 80 mm bei gleichen Walzendurchmessern r1 = r2 = r3 = 50 mm eine erfindungsgemäße Einrichtung liefert, die eine ausreichende Linearität des Verlaufs der Bahnspannung (Ordinate) zur Auslenkung alpha der Pendelwalze 2 (Abszisse) aufweist.

Die statische Anordnung der Walzen 1, 2, 3, insbesondere der Pendelwalze 2 wird mittels variabler Parameter simuliert und so durch eine, auf jedem handelsüblichen PC mit VGA-Farbgraphik einsetzbaren, mathematisch orientierten Software alle geometrischen Bemaßungen berechnet, insbesondere eine optimale Anpassung an den vorliegenden Einbauplatz (Größe) und die maximale Auslenkung (Auflösung) bei ausreichender Linearität ermittelt.

Die folgenden Ausführungen beschränken sich auf eine kurze Beschreibung der für die Simulation zur Vorausberechnung der Zustandsänderungen unter Berücksichtigung realer Randbedingungen verwendeten Modellannahmen und Grundgleichungen.

Für die Simulation ist die dynamische Eingangsgröße die zeitvariable Kraft F0 und die Ausgangsgröße die daraus resultierende Bewegung alpha der Pendelwalze. Die Bewegung des Systems wird aufgeteilt in eine Führungsbewegung, die aus dem Betriebszustand der Maschine vorgegeben ist und eine Störbewegung, die durch Veränderung der Kraft F0 aufgeprägt ist. Da die konstante Führungsbewegung keinen Einfluß auf das System hat, wird nur die Stördynamik betrachtet. Für die Beschreibung der Dynamik ist ein System mit einem Freiheitsgrad ausreichend.

Dieses System ist allerdings sowohl durch die spezielle Geometrie, als auch durch Reibungseffekte hochgradig nicht linear. Darüber hinaus ist das System strukturvariant. Im Pendellager kann Haften auftreten, so daß das Pendel zeitweise seinen Freiheitsgrad einbüßen kann. Aus diesen Gründen kommt zur Berechnung der Dynamik ausschließlich eine numerische Zeitsimulation in Frage.

Stellt man die Bewegungsgleichungen für mechanische Systeme auf, gelangt man in der Regel zu einem Satz von Differentialgleichungen zweiter Ordnung, gegebenenfalls kombiniert mit algebraischen Zusatzgleichungen. Die Größe, die in der zweiten Ableitung vorkommt ist die Beschleunigung. Sie läßt sich isolieren, da sie linear in den Gleichungen vorhanden ist.

Da numerische Integrationen über zwei Stufen ungünstig sind, formuliert man das System neu als Differentalgleichungssystem erster Ordnung, für deren Lösung eine Vielzahl von Integrationsverfahren zur Verfügung stehen, von denen im vorliegenden Fall ein Runge-Kutta-Verfahren zweiter/dritter Ordnung mit rekursiv-adaptiver Schrittweiten-Steuerung angewendet wird.

Ein wichtiges Kennzeichen reibungsbehafteter Systeme ist die Tatsache, daß aktive Kräfte, die in die Systembeschreibung in Minimalkoordinaten eingehen, von passiven Kräften, die bei einer Gleichungsaufstellung nach Lagrange oder ähnlichem verschwinden, abhängen. Deshalb wird hier für die Walze 1, für die Walze 2 und für das Pendel aus Walze 2 und Schwenkrahmen 4 getrennt Impuls- und Drallsatz aufgestellt und das System durch explizites Einführen der kinematischen Zwangsbedingungen und der dazugehörigen passiven Zwangskräfte wieder zusammengeführt. Durch diesen Formalismus stehen die benötigten passiven Kräfte explizit zur Verfügung. Diese Vorgehensweise führt schnell zu einer großen Anzahl von Gleichungen. Das lineare Gleichungssystem wird in folgenden Schritten gelöst:

• - Berechnen der Kräfte zur Linearisierung der Betragsgleichungen,
• - Aufstellen des linearen Gleichungssystems,
• - Lösen des linearen Gleichungssystems,
• - Verwenden der Ergebnisse für die Lagerkräfte als neue Linearisierungspunkte,
• - erneute Aufstellung des linearen Gleichungssystems,
• - Lösen des linearen Gleichungssystems.

Nach dieser zweimaligen Iteration wird das Gesamtergebnis akzeptiert.

Der zeitliche Verlauf der Kraft F0 wird entweder synthetisch oder durch Einlesen einer Tabelle, die z. B. das Ergebnis einer Messung sein kann, vorgegeben, der dazugehörige Verlauf der Auslenkung alpha der Pendelwalze 2 wird in Tabellenform in eine Datei ausgegeben und kann anschließend entsprechend graphisch aufbereitet dargestellt werden (Fig. 3).

Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Einrichtung vor dem Druck eingesetzt.

Claims (11)

1. Einrichtung zur Messung der Bahnspannung einer kontinuierlich bewegten Stoffbahn (6), insbesondere für den Einsatz in Rollenrotationsdruckmaschinen, in diese über eine Leitwalze (3) die Stoffbahn (6) eingeführt wird, mit einer Pendelwalze (2), die frei drehbar in einem Schwenkrahmen (4) angeordnet ist und die mit der Oberfläche der Bahn (6) durch Bahnspannung und Bahnumschlingung in Eingriff steht, und der Schwenkrahmen (4) schwenkbar im Maschinengestell gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pendelwelle (100) zur Lagerung des Schwenkrahmens (4) eine frei drehbare, gestellfeste Umlenkwalze (1) trägt, die geometrische Anordnung der Leitwalze (3), der Pendelwalze (2) und der Umlenkwalze (1) innerhalb der Einrichtung dabei so getroffen ist, daß mittels der Leitwalze (3) der Einlaufwinkel festgelegt und die Stoffbahn (6) S-förmig zwischen der Pendelwalze (2) und der Umlenkwalze (1) durchgeführt ist, so daß die Pendelwalze (2) eine Bandschleife zwischen der ortsfesten Leitwalze (3) und Umlenkwalze (1) zieht, der Achsenabstand (a) von der Pendelwalze (2) zur Umlenkwalze (1), der minimale Achsenabstand (b) von der Pendelwalze (2) zur Leitwalze (3) und der Achsenabstand (c) von der Leitwalze (3) zur Umlenkwalze (1) in der Projektion in Abhängigkeit von den Walzendurchmessern (r1, r2, r3) so bemessen ist, daß eine zumindest angenäherte Linearisierung des Verlaufs der Stoffbahnspannung (F0) zur Auslenkung (alpha) der Pendelwalze (2) hergestellt ist, und die Einrichtung eine die Auslenkung (alpha) der Pendelwalze (2) aus ihrer Normalstellung erfassende Einheit aufweist.

2. Einrichtung zur Messung der Bahnspannung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzendurchmesser (r1, r2, r3) von Leit- (3), Pendel- (2), und Umlenkwalze (1) gleich groß sind.

3. Einrichtung zur Messung der Bahnspannung nach einen der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbereich mit einer Änderung der Masse des Pendels aus Pendelwalze (2) und Schwenkarmen (4) einstellbar ist.

4. Einrichtung zur Messung der Bahnspannung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Schwenkrahmen (4) mindestens eine Gewichtsstange (5) einlegbar ist.

5. Einrichtung zur Messung der Bahnspannung nach einen der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung gegen Schwingungen ein Dämpfungsglied in den mechanischen Aufbau des Pendels aus Pendelwalze (2) und Schwenkrahmen (4) eingebracht ist.

6. Einrichtung zur Messung der Bahnspannung nach einen der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese vor dem Druck eingesetzt ist.

7. Einrichtung zur Messung der Bahnspannung nach einen der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese zusammen mit einer Zugwalzenregelung eingesetzt ist.

8. Verfahren zum Aufbau einer Einrichtung zur Messung der Bahnspannung einer kontinuierlich bewegten Stoffbahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der konstruktiven Auslegung der Achsenabstände (a, b, c) in Abhängigkeit der Walzendurchmesser (r1, r2, r3) sowie des Wertes der Massenträgheit der Pendelwalze (2) für eine zumindest angenäherte Linearisierung des Verlaufs der Stoffbahnspannung (F0) zur Auslenkung (alpha) der Pendelwalze (2) eine rechnergesteuerte, numerische Simulation des Betriebsverhaltens der Einrichtung unter Berücksichtigung variabler Randbedingungen zugrunde gelegt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung der Simulation ein klassisches dynamisches System des Freiheitsgrades 1 mit der Stoffbahnzugkraft F0 als Eingangs- und der Auslenkung (alpha) der Pendelwalze (2) als Ausgangsgröße modelliert wird (Fig. 3).

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die numerische Simulation die Schritte

• - Aufstellen eines Systems von mechanischen Bewegungsgleichungen für die Umlenkwalze (1), die Pendelwalze (2), das Pendel aus Umlenkwalze (1) und Pendelwalze (2),
• - Berechnen der Kräfte zur Linearisierung der Betragsgleichungen,
• - Aufstellen eines linearen Gleichungssystems,
• - Lösen des linearen Gleichungssystems,
• - Verwenden der Ergebnisse für die Lagerkräfte als neue Linearisierungspunkte,
• - erneutes Aufstellen des linearen Gleichungssystems,
• - Lösen des linearen Gleichungssystems,
• - Akzeptieren des Gesamtergebnisses nach der zweimaligen Iteration,

umfaßt.