DE4417023C2 - Einrichtung zur Messung der Bahnspannung einer kontinuierlich bewegten Stoffbahn - Google Patents
Einrichtung zur Messung der Bahnspannung einer kontinuierlich bewegten StoffbahnInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine 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 Übersetzungsgetriebe
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 die 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 3. 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 (7)
1. Einrichtung zur Messung der Bahnspannung einer kontinuierlich bewegten
Stoffbahn (6), insbesondere für den Einsatz in Rollenrotationsdruckmaschinen,
die eine ortsfeste, frei drehbare Leitwalze (3) zur Einführung der Stoffbahn, eine
in einem Schwenkrahmen (4) frei drehbar angeordnete Pendelwalze (2) und eine
gestellfeste, frei drehbare Umlenkwalze (1) umfaßt, bei der die Stoffbahn (6) S-
förmig unter einer Umschlingung der Pendelwalze (2) zwischen dieser und der
Umlenkwalze (1) durchgeführt ist und die eine die Auslenkung α der
Pendelwalze (2) aus ihrer Normalstellung erfassenden Einheit aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Pendelwelle (100) zum Tragen der Umlenkwalze (1) ausgebildet und zur
Lagerung des Schwenkrahmens (4) in den Seitenwandungen (101, 102)
vorgesehen ist, so daß die Pendelwelle (100) die Schwenkachse des
Schwenkrahmens (4) bildet, und eine aus einer numerischen Simulation zur
Linearisierung des Verlaufes der Stoffbahnspannung (F0) zur Auslenkung α der
Pendelwalze (2) aus ihrer Normalstellung unter Berücksichtigung der
Walzendurchmesser (r1, r2, r3) und vorgegebenen Masse des Pendels aus
Pendelwalze (2) und Schwenkrahmen (4) berechnete geometrische Bemaßung
des Achsenabstandes (a) von der Pendelwalze (2) zur Umlenkwalze (1), des
minimalen Achsenabstandes (b) von der Pendelwalze (2) zur Leitwalze (3) und
des Achsenabstandes (c) von der Leitwalze (3) zur Umlenkwalze (1) in der
Projektion vorgesehen ist.
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 einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Meßbereich mit einer Änderung der Masse des Pendels aus
Pendelwalze (2) und Schwenkrahmen (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 einem 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 einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese bei Einsatz in Rollenrotationsdruckmaschinen vor
dem Druck eingesetzt ist.
7. Einrichtung zur Messung der Bahnspannung nach einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese
zusammen mit einer Zugwalzenregelung eingesetzt ist.
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DE8816453U1 (de) * | 1988-07-02 | 1989-07-27 | Koenig & Bauer Ag, 8700 Wuerzburg, De | |
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