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A. Bereich der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft den Bereich
des Förderns
und Bearbeitens von flexiblen Bahnen, im Besonderen das Fördern von
Bahnen, die auf als Bobinen bekannten langen Rollen geliefert werden.
Spezieller betrifft diese Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Verringern, Fangen und Beseitigen der beim Anfahren als Abfall
anfallenden Papierbahn in Hochgeschwindigkeitsherstellungsabläufen, die
einen Bearbeitungsschritt aufweisen, z. B. Laserperforation oder
dergleichen.
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B. Beschreibung der verwandten
Technik
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Es ist in der Technik, z. B. der
Zigarettenherstellung, üblich,
Bearbeitungsfunktionen an in Bobinen gelieferten langen Papierrollen
durchzuführen.
Für die
Produktion von Zigaretten werden beträchtliche Mengen Papier verwendet – als Umhüllung, zum
Umschließen
von Filterfasermaterial als Filter und zum Ansetzen von Filtern
an Stöcke
umhüllten
Tabaks, um nur einige beispielhafte Verwendungen zu nennen.
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Bearbeiten, wie es hierin verwendet
wird, bezieht sich auf eine Funktion wie z. B. Perforieren, entweder
mechanisch oder durch Wärmeenergieübertragung
(z. B. gebündelte
Laserenergie oder dergleichen) , Drucken, Prägen, Längsschneiden oder andere vergleichbare
Aufgaben an Papier, Folien oder anderen flexiblen Bahnen. Zur leichteren
Illustration wird aber in der Beschreibung allgemein auf eine einzelne
Ausgestaltung Bezug genommen (Laserperforation von Papier), der
Fachmann kann aber leicht sehen, wo diese Offenlegung ein breites
Spektrum von Anwendungen haben kann. Der von dieser Anmeldung gebotene
Schutz ist daher mit Bezug auf die angefügten Ansprüche und nicht die Beispiele
hierin zu messsen.
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Jedes der folgenden angeführten Patente
wird hiermit durch Bezugnahme in seiner Ganzheit aufgenommen. Zur
leichteren Bezugnahme sind sie in thematische Abschnitte unterteilt.
Es ist zu beachten, dass Folgendes nicht als eine vollständige Beschreibung
des Standes der Technik gedacht ist, sondern vielmehr eine kurze
Beschreibung zum besseren Verständnis
des Standes der Technik.
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1. Bearbeitung
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Zur Materialbearbeitung zählen verschiedenen
Funktionen – Drucken,
Perforieren, Prägen,
Längsschneiden
und dergleichen.
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US-Patent 3.226.527 beschreibt das
Perforieren von flächigem
Material durch Führen
eines Laserstrahls über
das flächige
Material und Unterbrechen des Strahls. Bei einer derartigen Vorrichtung
wird die Bahn von einer Rolle zugeführt, wie in 1 dieses Patents zu sehen ist.
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US-Patente 3.965.327 und 4.049.945
beschreiben das Schneiden einer bewegten Materialbahn durch drehende
Spiegel zum Kopieren und Schneiden eines vorbestimmten Musters.
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US-Patent 4.118.619 (Re. 31.478)
beschreibt eine Strahlzerhackungsvorrichtung zum Umsetzen eines
kontinuierlichen Strahls in eine Reihe von Abtastimpulsen mit einer
Reihe von Ringen mit kreisförmigem Querschnitt,
die den Strahl auf eine bewegte Papierbahn richten.
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US-Patent 4.121.595 beschreibt das
Perforieren von Umhüllungspapier
mittels Laser, wobei die Durchlässigkeit
der Umhüllung überwacht
wird und die Intensität
des Lasers in Reaktion auf Abweichungen von einem gewünschten
Wert angepasst wird.
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US-Patent 4.265.254 beschreibt das
Perforieren von Raucherartikelumhüllungen auf einem sich vorwärtsbewegenden
Weg durch das Bewegen eines Reflektors in Verbindung mit einer Energiequelle
für die
Laserquelle zum Bereitstellen einer Mehrzahl von Löchern aus
einer Quelle.
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US-Patent 4.302.654 beschreibt das
Perforieren von Zigarettenbelagpapier durch Platzieren einer Laserquelle
im Inneren einer zylindrischen rotierenden Rollenmaske mit Öffnungen
und Führen
des Papiers über die
Oberfläche
der Maske.
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Eine große Anzahl anderer Patente beschreiben
verschiedene Perforierungsmittel und -vorrichtungen, einschließlich US
4.378.480 (Strahlzerhackung für
Bahnperforation); US 4.404.452 (Strahlzerhackung mit lichtreflektierenden/-durchlässigen Teilen
auf rotierbarer Anordnung für
Bahnperforierung); US 4.404.454 (Bilden gepulster Strahlen aus einem
einzelnen Strahl); US 4.410.785 (Von Laserstrahl abgeleitetes Paar
von Laserstrahlen für
Perforierungseinheitlichkeit); US 4.439.663 (Bilden eines Strahlengitters
aus kontinuierlich fokussiertem Laserstrahl); US 4.916.272 (Rekonvergenz
geteilter Laserstrahlen); US 4.767.909 (Teilung von gepulstem Laserstrahl;
Bahn mit fokussierten Strahlen perforiert); US 5.060.668 (Ruf Bikompononentenlinse
gerichteter Impulslaser mit zwei separaten Fokussen zum Perforieren
von Papier); US 5.092.350 (Durch akusto-optischen Deflektor und
Strahlteiler gerichter Laser zum Erzeugen von zwei parallelen Perforationsspuren); US
5.210.390 und 5.403.990 (Kontinuierlich konvergenter Strahl, von
rotierendem Polygonspiegel abgelenkt, von Strahlteilern geteilt
und an einer Mehrzahl von Stellen auf bewegter Bahn neu fokussiert)
und US 5.404.889 (Beweglicher Fokussierungskopf fokussiert Strahl
auf bewegte Zigarettenumhüllung).
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2. Bahntransport
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Das Umwickeln von Bündeln und
Paketen von Artikeln mit von Rollen zugeführtem Material, entweder als
Teil der äußeren Verpackung
oder als Teil des Produktes selbst, ist bekannt. US-Patent 3.589.100
beschreibt eine Vorrichtung, die eine erste und eine zweite Bahn
aus heißsiegelfähigem Material
beschreibt, eine von einer oberen Rolle zugeführt, eine von einer unteren
Rolle zugeführt,
die heißsiegelfähig sind
zum Bilden einer Außenverpackung.
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US-Patent 3.634.172 beschreibt eine
Vorrichtung zum Festhalten von zwei aneinanderstoßenden Bandenden
und Aufbringen eines Segments von Spleißmaterial über ihre Verbindungsstelle.
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US-Patent 3.743.197 und 3.764.085
beschreiben ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Materialhandhabung. Diese
Beschreibungen richten sich auf eine Einziehvorrichtung, die eine
von einer Vorratsquelle zugeführte
Flächenmaterialbahn
längsschneidet
und diesen Schnitt zum Bilden eines Einziehstreifens verwendet,
der dann in Verbindung mit pneumatischen bewegten Einziehvorrichtungen
zum Zuführen
einer Bahn auf eine Aufwickelrolle verwendet wird.
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US-Patent 4.065.918 beschreibt eine
Wickelmaschine zum automatischen Wickeln eines Materialbogens zu
einer Rolle und Anbringen eines Einziehbands an der Rolle. Wenn
ein Stück
gewünschter
Länge auf eine
Rolle aufgewickelt worden ist, wird das flächige Material durchgetrennt
und wahlweise wird ein Lappen gebildet, indem das flächige Material
umgefaltet wird.
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US-Patent 4.322.043 beschreibt eine
Bahntransportvorrichtung, die eng mit der vorliegenden Erfindung
verwandt ist. Mehrere Bahnen können
auf einer Bahnbehandlungsvorrichtung angebracht werden und mehrere
Aufnahmerollen sind bereitgestellt. Die Bahn, die behandelt wird,
z. B. mit Laser, ist auf dem aktiven Weg, während der Bahnwechsel eine
Reservebahn in einer Lagerträgerkonstruktion
zur Folge hat. Wenn die behandelte Bahn. endet, verschiebt ein Seitentransportmittel
die Reservebahn in den aktiven Weg, wodurch die Maschine nur eine
kurze Zeit lang ungenutzt bleibt.
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Desgleichen beschreibt US-Patent
4.346.284 eine Vorrichtung, die eng mit der vorliegenden Erfindung verwandt
ist. Für
eine Materialbahn sind zwei unabhängige Transportwege bereitgestellt.
Die Behandlungsvorrichtung (z. B. ein Laser) behandelt daher im
Wesentlichen dauernd eine Bahn und die Maschine ist nie ungenutzt,
außer
für die
zum Umlenken des Strahls und zum Beschleunigen der Bahn auf volle
Verarbeitungsgeschwindigkeit erforderliche Zeit.
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US-Patent 4.475.830 beschreibt eine
spleißlose Bandstruktur
mit einem Vorspann und einem Nachspann, z. B. zur Verwendung als
ein Band mit übertragbarer
Farbschicht zum Anschlagdrucken. Ein aus doppelseitigem Klebemittel
gebildeter Vor- und Nachspann kapseln die Farbbahn am Anfang und
am Ende der Bahn ein. Die Farbbahn wird kleineren Naben von einer
Hauptrolle mit Bandmaterial zugeführt.
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US-Patente 4.894.674 und 5.015.089
beschreiben einen Großmengenfilmlader
zum Füllen
von Filmkassetten aus einer großen
Filmmenge. Der Film wird in einem Gehäuse von einer Patrone auf eine
Kamerafilmtransportspule transferiert. Ein von Hand bedientes Messer
ist zum Abschneiden der Streifen bereitgestellt und eine Rolle von
Klebstofflaschen ist bereitgestellt.
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US 4.916.272 beschreibt eine Bahnrolle,
Führungsrollen,
eine Trommel für
das Perforieren, Führungsrollen,
einen Führungsblock
und eine Aufwickelrolle zum Perforieren einer auf einer Bobine gelieferten
Papierbahn.
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Schließlich beschreibt US Patent
5.467.676 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum automatischen Entfernen
von Rollenumhüllung.
Papierrollen werden in Bobinen geliefert, die in eine Schutzhülle eingewickelt sind.
Die Umhüllung
ist im Allgemeinen vor Gebrauch zu entfernen, und diese Offenlegung
bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auspacken
dieser Rollen durch automatisches Schneiden der Außenhülle.
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3. Perforationssteuerung
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Es wurden schon viele Bemühungen unternommen,
um zu versuchen, die Perforierung des Trägermaterials zu steuern, während es
bei normalen Betriebsgeschwindigkeiten bearbeitet wird.
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US-Patent 4.218.606 beschreibt die
Erhaltung einer konstanten Porosität an einem Werkstück, das variierenden
Geschwindigkeiten ausgesetzt ist, indem der Brennpunkt des Laserstrahls
zum Erzeugen größerer oder
kleinerer Löcher
in Reaktion auf Porositätsrückkopplung
geregelt wird.
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US-Patent 4.568.815 beschreibt die
Steuerung einer Laser-Perforiereinheit.
Die Geschwindigkeit des Werkstücks
wird erfasst und der Laserarbeitszyklus wird gattergesteuert, um
einheitliche Perforationen zu liefern.
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US-Patent 5.259.401 beschreibt die
Steuerung der Strahlungsintensität
und der Impulslänge
in Reaktion auf Variationen der Vorschubgeschwindigkeit der Bahn
an einer Perforiereinheit vorbei. Zusätzliche Steuerung, wie die
Steuerung der Strahlungsintensität
auf der Basis von Durchlässigkeit,
wird auch beschrieben.
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US-Patent 5.341.824 beschreibt ein
hochentwickeltes Steuerungssystem für eine Hochgeschwindigkeitsperforiervorrichtung
an einer Belagpapieranlage. Elektrooptische Sensoren fühlen die
Porosität
und regeln die Perforation auf der Basis eines kalkulierten Druckabfalls.
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Schließlich beschreibt US-Patent
5.367.144 einen Komparator zum Bestimmen der Porosität von Papier,
die von einer Laserperforiereinheit produziert wird, durch Vergleichen
des perforierten Papiers mit einem Normal in einer gleichzeitig
angewendeten Saugeinheit. Es heißt, dass das Druckvarianzen
in der Einheit im Verhältnis
zur Zeit überwindet.
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4. Andere bekannte Technik – Allgemeines
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In der vorliegenden Erfindung werden
die Materialrollen im Allgemeinen abgewickelt, die Bearbeitungsfunktion
wird an dem Papier durchgeführt
und die neue Bobine wird auf einem neuen Bobinenkern aufgewickelt.
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Am Bearbeitungsstart entstehen aber
während
der Bearbeitung beträchtliche
Verluste. Beispielsweise ändert
sich die Bahngeschwindigkeit beim Anstieg auf Betriebsgeschwindigkeit
ständig,
und es war bisher praktisch unmöglich,
den angewendeten Laserenergie- und Perforierungsbetrag zu regeln.
Konventionelle Umrollapparate verursachen beim Anfahren den Verlust
von ungefähr
25 Metern Papier.
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Dieser Papierabfall wird allgemein
um den Kern des. Umrollers herum gewickelt und eine Klebelasche an
dem Punkt in die Bobine eingelegt, wo die Perforierung oder andere
Bearbeitung innerhalb akzeptabler Grenzen liegt oder ihre Qualität gut genug
ist, um in Verbraucher- oder andere Waren eingefügt zu werden, gewöhnlich bei
einer Dicke von ungefähr
8 mm um den Kern, oft sogar 12–14
mm. Dies ist ein bedeutender Papierabfall (bis zu 125 Meter), der
zu einer geeigneten Herstellungseinrichtung befördert werden muss, damit das
gute Papier in Verbraucherwaren aufgenommen werden kann, was zu
vergeudetem Platz, Kraftstoff usw. führt.
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Außerdem erzeugt eine mit großer Kapazität arbeitende
Bearbeitungseinrichtung oder Herstellungseinrichtung große Abfallmengen.
Es wäre
nützlich,
wenn die mit der Handhabung und dem Transport dieses Abfalls verbundenen
Arbeitskosten verringert werden könnten.
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Keine bekannten Ausrüstungen
oder Veröffentlichungen
befassen sich mit Verfahren oder Vorichtungen zum Lösen dieser
Vergeudung eines beträchtlichen
Papierstücks.
Eine Lösung
für dieses
Problem wird benötigt.
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II. AUFGABEN DER ERFINDUNG
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, Abfall zu verringern, indem ein Verfahren zum Verringern
der Menge von nicht spezifikationsgemäßem Papier, das in einer Bearbeitungsvorrichtung
produziert wird, und die zur Handhabung und zum Beseitigen von derartigem
Abfall erforderlichen Arbeitskosten zu verringern.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine leicht zu steuernde Bearbeitungsvorrichtung bereitzustellen,
die bearbeitetes Papier hoher Qualität bei einem Mindestmaß an erforderlichen
Einstellung von der Bedienkraft in der Bearbeitungseinrichtung ergibt.
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III. ZUSAMMENFASSUNG DER
ERFINDUNG
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Die Anmelder haben eine neue Vorrichtung
und ein neues Verfahren zum Ausschließen von Anfahrabfall von bearbeiteten
Bobinen konzipiert. Die vorliegende Erfindung beseitigt praktisch
die Notwendigkeit, eine bedeutende Menge (z. B. ungefähr oder
weniger als 25 Meter) von ansonsten gutem Papier wegwerfen zu müssen, indem
sie eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Synchronisieren der Bearbeitungsfunktionen und
zum Auffangen des wenigen verbleibenden Abfalls auf einer separaten
Spule, während
nur Papier innerhalb einer festgelegten Spezifikation auf einem
Umroller aufgefangen wird, vorsehen. Die Vorrichtung eliminiert
auch die Notwendigkeit, bearbeitete Rollen oder Bobinen zu haben,
die zwei Arten von Material enthalten – bearbeitetes und unbearbeitetes
oder unzureichend bearbeitetes Material. Statt dessen können die
Rollen oder Bobinen jetzt wahlweise akzeptables Material enthalten.
Ein automatisches Messer ist zum Abschneiden der Bahn vorgesehen
und Abfallpapier lässt
sieh mittels einer neuen Spindel leichter von der vorliegenden Erfindung
abnehmen.
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IV. KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Seitenansicht einer Bearbeitungsvorrichtung vom Stand der Technik.
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2 ist
eine teilweise Seitenansicht des Umroller- und Abfallauffangabschnitts
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung mit locker eingezogener Bahn und mit dem Schwenkarm in
der angehobenen Stellung.
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3 ist
eine teilweise Seitenansicht des Umroller- und Abfallauffangabschnitts
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung mit dem Schwenkarm in einem angehobenen Zustand und gespannter
Bahn.
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4 ist
eine teilweise Seitenansicht eines Umroller- und Abfallauffangabschnitts einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung mit dem Schwenkarm in einem gesenkten Zustand.
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5 ist
eine teilweise Seitenansicht eines Umroller- und Abfallfangabschnitts einer Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung, die einen Lascheneinleger und ein Messer illustriert.
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6 eine
teilweise Seitenansicht eines Umroller- und Abfallfangabschnitts
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung, die den abgeschnittenen Abfallabschnitt illustriert.
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7 ist
ein Schritte-Blockdiagramm, das einen Prozessablauf für eine Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung illustriert.
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8 ist
eine Seitenansicht einer Anfahrspindel gemäß der vorliegenden Erfindung.
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9 ist
eine Schnittperspektive einer Anfahrspindel gemäß der vorliegenden Erfindung.
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10A ist
eine teilweise Seitenansicht des Umroller- und Abfallfangabschnitts der vorliegenden
Erfindung, die eine bevorzugte Messerausgestaltung in der ausgefahrenen
Stellung illustriert.
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10B ist
eine teilweise Seitenansicht des Umroller- und Abfallfangabschnitts der vorliegenden
Erfindung, die eine bevorzugte Messerausgestaltung in der zurückgezogenen
Stellung illustriert.
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11 ist
ein schematisches Diagramm von Verbindungen zwischen verschiedenen
Vorrichtungsteilen in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
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12 ist
eine Frontansicht eines Bedienungsbildschirms einer Vorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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13 ist
eine schematische Darstellung eines manuellen Bedienfelds, Scanners
und eines programmierbaren Logik-Controllers,
die in eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung integriert sind.
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14 ist
eine grafische Darstellung eines Druckabfalls in cm Wassersäule im Verhältnis zu
einem Bobinenradius in Prozent.
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15 ist
eine grafische Darstellung einer Vorspannungsgleichung zur Korrektur
bei Laserleistungschwankungen.
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16 ist
eine grafische Darstellung eines Druckabfalls in cm Wassersäule im Verhältnis zu
einem Bobinenradius in Prozent.
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IV. AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSGESTALTUNGEN
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In 1 ist
ein Bearbeitungssystem vom Stand der Technik abgebildet. Eine Vorratsbobine 100 mit Papier
oder einem anderen Material wird auf einen Kern 102 aufgewickelt
geliefert. Das Papier wird von einer Bedienkraft auf Spindel 104 gesteckt,
bei der es möglich
ist, dass ihr von einer in der Spindel befindlichen Bremse oder
einer Rolle 106 einstellbarer Widerstand verliehen wird.
Die Spindel 104 kann entlang dem bogenförmigen weg 108 (in 1 mit gepunkteter Linie
und zwei Pfeilköpfen
gezeigt) verschiebbar sein, um bei abnehmendem Bobinenradius weitgehend
einheitlichen Kontakt zwischen Spindel 104 und Rolle 106 zuzulassen.
Alternativ kann die Bobine festgestellt sein, wenn eine Innenbremse
verwendet wird.
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Aus Gründen der Klarheit wird die
Aufwickelspindel als feststehend abgebildet, sie kann aber ebenfalls wie
die erste Spindel in Bogenform verschiebbar sein.
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Die flexible Bahn wird dann von einer
Bedienkraft zwischen Führungsrollen 110 zur
Aufwickelspindel 112 eingezogen. Aufwickelspindel 112 ist
mit einem zuvor leeren Kern 114 versehen und die Bahn wird
mit Hilfe eines Klebemittels wie z. B. Klebeband an dem Kern befestigt.
Die Vorrichtung wird dann gestartet und wenn die Geschwindigkeit
einen voreingestellten Stand erreicht, wird ein Lascheneinleger 116 von
einem pneumatischen oder hydraulischen Heber 118 betätigt, der
ihn um Achse 120 schwenkt.
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In der Zwischenzeit ist der Laser 122 entweder
aus oder der Strahl ist nicht mit dem Papier in Kontakt. Wenn die
Geschwindigkeit einen voreingestellten Stand erreicht, damit der
Perforationsbetrag geeignet ist, wird der Laser aktiviert oder der
Laserstrahl von Fokussiermittel 124 gerichtet, um mit dem
Papier bei einem vorbestimmten Arbeitszyklus, der mit der voreingestellten
Geschwindigkeit übereinstimmt,
in Kontakt zu kommen. Kühlkörper 126 absorbiert überschüssige Laserenergie.
Bei der Sichtprüfung
mit Kamera 128 und Lichtquelle 130 werden periodische
Einstellungen vorgenommen. Ein Grafikprozessor (VPU) 132 interpretiert
das visuelle Signal und ein Computer 134 kann den Laser 122 steuern
und auf Anzeige 136 Ergebnisse zum Kontrollieren durch
eine Bedienkraft anzeigen.
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Eine beträchtliche Papiermenge wird vergeudet,
bevor die geeignete Geschwindigkeit erreicht wird und die Lasche
in die Rolle eingelegt wird. In einer Industrie, in der die Anzahl
der Bobinen in die Millionen geht, wäre eine Lösung für das Problem ziemlich nützlich.
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Eine beispielhafte Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung, die eine neue Lösung
für dieses Problem
darstellt, wird in 2 teilweise
illustriert, die den Aufwickelabschnitt des Bobinenumrollers reflektiert.
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Klemmrolle 200 ist vorzugsweise
eine Rolle mit direktem regelbarem Antrieb. Der Motor kann auch
riemenangetrieben sein, für
die Genauigkeit des raschen Höherstellens
der Geschwindigkeiten wird aber der Direktantrieb höchst bevorzugt.
Vorzugsweise ist seine Oberfläche
mit einem äußerst dauerhaften
Material, z. B. Industriediamant oder dergleichen, mit ausreichender
Rauheit beschichtet, um einen guten Kraftschluss mit dem durchlaufenden
Bahnmaterial zu gewährleisten.
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Die Papier- oder andere Bahn 201 kann
zwischen der Klemmrolle 200 und der Aufnahmespindel 202 mit
dem daran befindlichen Bobinenkern 203 eingeführt werden
und von dort in die Anfahrrolle 204. Anfahrspindel 204 ist
vorzugsweise mit Schlitz 206 versehen, in den die Bahn
eingeführt
wird. Eine Bedienkraft kann die Bahn um die Anfahrspindel herum
wickeln oder die Spindel beim Einkupplung angetriebener Drehung
automatisch aufwickeln lassen.
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Anfahrrolle und Aufnahmerolle sind
beide vorzugsweise auf Schwenkarm 208 montiert, der von
Heber 210 hydraulisch oder pneumatisch aktiviert wird.
Anfahrrolle 206 wird von einem Motor mit verstellbarem
Drehmoment/verstellbarer Drehzahl 212 angetrieben. An dem
Ende von Schwenkarm 214 ist ein Stück doppelseitiges Klebemittel
bereitgestellt. Schwenkarm 214 ist schwenkbar, sodass sein
distales Ende den Papierweg am Ende seiner Bewegung zwischen dem
Papierweg und der zweiten Spindel schneidet.
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3 illustriert
den nächsten
Schritt im Gebrauch. Die Anfahrspindel 300 ist mit einem
vorläufigen
Einkupplungsdrehmoment versehen und die Bahn 302 steht
unter kleiner Zugspannung. Die zweite Spindel 304 wurde
mit einem Bobinenkern 306 bestückt.
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In 4 wurde
der Schwenkarm 400 durch Ausfahren des Hebers 408,
was das Schwenken um Punkt 410 verursacht, gesenkt, um
die Bahn 402 zwischen Klemmrolle 404 und Aufnahmespindel 406 in
Eingriff zu nehmen. Der Schwenkarm hat sich in der Richtung von
Pfeil 412 bewegt. Die Anfahrspindel 414 spannt
in der Richtung von Pfeil 416.
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In 5 hat
die Anfahrspindel begonnen, die Bahn in der Richtung von Pfeil 500 zu
beschleunigen. Es ist zu beachten, dass die Drehrichtung unwichtig
ist und sich in 5 beispielhaft
von 4 unterscheidet. Die
Bahn wird von Spindel 500 rasch auf die Arbeitsgeschwindigkeit
beschleunigt. Wenn der Computer bestimmt, dass die Maschinenparameter
für eine
gewünschte
Produktcharakteristik korrekt sind, oder andernfalls, dass die Qualität der bearbeiteten
Bahn akzeptabel ist, wird der Schwenkarm 502 in der Richtung
von Pfeil 503 geschwenkt, wobei er einen doppelseitigen
Klebestreifen 504 zwischen Bobinenkern 506 und
Bahn 508 einlegt. Es ist zu beachten, dass die Bahn 508 in
der Richtung von Pfeil 510 läuft. Die Bewegungsrichtung der
Bahn presst das doppelseitige Klebemittel zwischen dem Kern und
der Bahn zwischen der Klemmrolle 512 und dem Bobinenkern 506 auf
Spindel 514 zusammen. Kurz danach wird das Messer 516 hydraulisch
oder pneumatisch ausgelöst,
was die Bahn 508 durchschneidet.
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In 6 wird
der Anfahrmotor 600 im Leerlauf betrieben und die abgekürzte Abfallbahn 602 baumelt an
der Anfahrspindel 604 herunter. Klemmrolle 606 treibt
die Bahn auf die Aufnahmespindel 608. Der Arm kann frei
um Punkt 610 geschwenkt werden, während die Bobine nur mit dem
bearbeiteten Bahnmaterial gefüllt
wird, das die gewünschte
Produktcharakteristik hat. Nach Vervollständigung der Bobine wird der
Schwenkarm wieder wie in 2 ausgefahren.
Wenn die Bahn endet, hält
die Klemmrolle an und die Bremsvorrichtung wird betätigt. Der
Anfahrmotor kann vorzugsweise ein Schrittmotor mit regelbarem Drehmoment
und regelbarer Drehzahl sein.
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Die Bedienkraft setzt die Maschine
dann zurück,
wobei sie die fertige Bobine abnimmt und wieder eine neue Bobine
auf die erste Spindel steckt. Ein neuer Bobinenkern wird auf die
Aufnahmespindel gesteckt und das um die Anfahrspindel gewickelte
Abfallpapier wird entfernt.
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Die präzise Steuerung der Maschine
ist erforderlich, damit gegenüber
den in der Technik bekannten Standard-Perforier- und -Umrollverfahren maximale
Einsparungen realisiert werden können.
Diese präzise Steuerung
ist durch die Regelung verschiedener Parameter des Betriebs erreichbar.
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Zu den Parametern, die beim Perforieren
mit Laser beim Anfahren sorgfältig
geregelt und gemessen werden müssen,
zählen
Bahngeschwindigkeit, Laserintensität und Rotordrehzahl. Ein beispielhafter
Durchlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
in Verbindung mit der Vorrichtung wird unten unter Bezugnahme auf 7 besprochen.
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Anfänglich läuft die Maschine im Leerlauf.
In diesem Zustand ist die Bahngeschwindigkeit null, der Laser ist
auf Haltewattleistung, der Laserrotor ist im Leerlauf und der Endverschluss
ist geschlossen. Wenn es eine einspurige Maschine ist, führt die
Bedienkraft routinemäßige Wartungsarbeiten
durch, z. B. Einsetzen neuer Klebestreifen an einem Schwenkarm,
Wechseln von Bobinen und Befreien der Maschine von Staub. Die Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung könnte
aber auch in Verbindung mit einer zweispurigen Maschine genutzt
werden.
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Wenn die Bahn in den vorgesehenen
Schlitz an der Anfahrspindel eingezogen worden ist, ist die Maschine
in Bereitschaft (Standby). In dem Standby-Betrieb ist die Anfahrspindel
mit einem leichten Drehmoment zum Spannen der Bahn eingekuppelt.
Der Laser wird in einen Bereitschaftszustand versetzt, indem die
geeignete Wattleistung und Rotordrehzahl für den Start vorbereitet wird,
er ist aber insofern nicht aktiv, als er keinen Strahl emittiert.
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Der Schwenkarm wird gesenkt, wodurch
die Bahn zwischen einer Klemmrolle und dem Bobinenkern auf der Aufnahmespindel
fest in Eingriff genommen wird. Ein Sensor erfasst die Position
des Arms und der Anfahrmotor spannt die Bahn weiter, wobei er sie
an dem Weg entlang strafft.
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Der nächste Schritt aktiviert die
Maschine. Der Anfahrmotor beschleunigt die Bahn rasch, wobei er
sie durch die Maschine hindurch straff zieht und in ungefähr einer
Sekunde oder weniger auf ungefähr
10% der vollen Geschwindigkeit bringt. Der Laser wird auf die Bahn
gerichtet und beginnt die sorgfältig
geregelte Perforierung. Wahlweise kann eine Kamera die Bahn untersuchen
und die Annehmbarkeit bestimmen.
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Sobald der perforierte Abschnitt
(nach berechneter Erwartung oder der untersuchte und als akzeptabel bestimmte
Abschnitt) die Klemmrolle und den Bobinenkern auf der Aufnahmespindel
erreicht, legt der Schwenkarm das doppelseitige Klebemittel ein
zum Halten des Papiers auf dem Bobinenkern. Lediglich Millisekunden später (zwischen
10–100
Millisekunden, vorzugsweise ungefähr 20–40 Millisekunden bei 300 bis
500 Fuß pro Sekunde)
wird das Messer aktiviert und schneidet die Bahn vor dem angehafteten
Teil ab. Die Aufnahmespindel und der Bobinenkern nehmen dann die
Bobine bearbeiteten Papiers durch den Rest ihrer Beschleunigung hindurch
auf.
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Die Anmelder haben auch eine neue
Spindel zur Verwendung mit dieser Vorrichtung konzipiert. Da das Abfallpapier
um eine nackte Spindel herumgewickelt wird, d. h. eine ohne Bobinenkern,
ist es häufig
eng aufgewickelt und schwer zu entfernen. Eine neue Spindel wie
in 8 gezeigt lässt das
Befestigen des Papiers in einem Schritt an der Spindel und ein leichtes
Entfernen des aufgewickelten Papiers zu.
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In 8,
auf die jetzt Bezug genommen wird, ist eine Spindel gemäß der vorliegenden
Erfindung zu sehen. In der Spindel ist Rille oder Schlitz 800 zum
Einführen
einer Materialbahn bereitgestellt. Der übrige Körper der Spindel 802 ist
gefedert und wird von Feder 804 normalerweise in der Richtung
vom Griff 806 weg vorgespannt.
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Das Innere der neuen Spindel ist
in 9 zu sehen. Der Dorn
ist vorzugsweise in zwei Hälften
geteilt, die versetzbar
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sind. Der Dorn kann wahlweise weiter
geteilt sein (z. B. in Drittel, Viertel usw., die von einem Druckring vorgespannt
werden). Jede Hälfte 900 ist
mit wenigstens einer winkligen Innenfläche 902 ausgeführt und
die Spindelwelle ist mit einer entsprechenden Winkelfläche 904 versehen.
Der Durchmesser der Spindel, die normalerweise von der Feder 906 nach
innen vorgespannt wird, wird verringert, wenn sie von einer Bedienkraft nach
vorn gezogen wird, was das Abnehmen von Papier erleichtert. Dies
wird durch das Gleiten der Winkelflächen relativ zueinander bewirkt,
wodurch die Spindel ihren Durchmesser verringern kann.
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Ein zusätzliches Merkmal der gegenwärtigen Erfindung,
das zur Effizienz der Erfindung beiträgt, ist die Schneidvorrichtung.
Ein gerades oder gezahntes Schneidmesser, das auf einer linearen
Spur arbeitet oder von einem Druckluftheber linear verschoben wird,
kann, wie in Fig. 5 gesehen, eingesetzt
werden. Eine geradspurige Schneidvorrichtung kann aber die Klinge
so belassen, dass sie in einen Arbeitsbereich eindringt. In den 10A und 10B ist.
ein vorzuziehender neuer Klingenrückzieher, der mit dem Schwenkarm
verbunden ist, zu sehen. 10A illustriert
die gesenkte Stellung von Schwenkarm 1000. Die Klinge 1002 befindet
sich auf Grund dessen, dass sie an dem bogenförmigen Weg 1006 entlang
geschoben wird, sehr nahe an Bahn 1004.
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Wenn die Klinge betätigt wird,
wird der Druckluftheber 1008 rasch ausgelöst und zurückgezogen,
wobei der Verbindungsarm 1009 angetrieben wird, um sich
um Punkt 1010 zu drehen. Dies treibt Messerarm 1012 zum
Treiben des Messers in das/die zur Anfahrspindel laufende Papier
oder Bahn an, wobei die Bahn abgeschnitten und das Messer zurückgezogen
wird. Beim Füllen
der Bobine wird der Arm allmählich
angehoben. In seiner in 10B gezeigten äußersten
Stellung ist der Arm zum Entfernen der Bobine hochgestellt. Es ist
zu beachten, dass die Klinge weit aus dem Arbeitsbereich entfernt
worden ist.
-
Ein Laser mit verstellbarer Leistung,
wie z. B. der von der PRC Corporation in Landing, New Jersey, USA,
erhältliche,
wird als Ursprung des Schneidstrahls eingesetzt. Der Laser ist für verschiedene
Leistungen, z. B. 50, 100, 150, 250, 300, 400, 500 und 600 Watt
Ausgangsleistung, kalibriert. Die Laserleistung wird von dem programmierbaren
Logik-Controller (PLC) hinsichtlich Schwankungen und Abweichungen
geregelt. Wegen der niedrigen Bahngeschwindigkeiten beim Anfahren
sollte der Laser vorzugsweise hoher Genauigkeit bei niedrigerer
Leistungseinstellung fähig
sein, z. B. in dem Bereich von 0– 100 Watt.
-
Die Laser „köcheln" im Leerlauf allgemein
bei 50 Watt und geben bei voller Leistung allgemein zwischen 550
bis 600 Watt pro Strahl ab, können
aber in vorausgewählten
Betrags- oder Leistungsschritten höher geschaltet werden. Der
Strahl ist auf einen Punkt fokussiert, und eine große rotierende
Aluminium-Strahlzerhacker-
oder -Verschlussscheibe zerhackt den Strahl, damit Laserimpulse
einzelne Perforationen bilden können.
Die Aluminiumscheibe funktioniert als Verschluss, und der Strahl
kann durch Variieren der Öffnungsgröße und -form
bestimmt werden. Die Geschwindigkeit der Aluminiumscheibe ist einstellbar
und wird auch von dem Ausgang von dem programmierbaren Logik-Controller
bestimmt.
-
Der Anfahrmotor, der die dritte Spindel
antreibt, ist höchst
vorzugsweise ein Schrittmotor mit äußerst empfindlicher Drehzahlregelung.
Er ermöglicht
eine rasche Erhöhung
auf ungefähr
300–600
Fuß pro
Sekunde in der Spule. Er wird ebenfalls von dem programmierbaren
Logik-Controller gesteuert. Der Motor, der die Klemmrolle antreibt,
ist ein frequenzgesteuerter Wechselstrommotor.
-
Die diversen Sensoren oder berechneten
Ausgänge,
z. B. Bahngeschwindigkeit, Leistungsbereitschaft des Lasers, Rotordrehzahl,
senden Signale an den programmierbaren Logik-Controller, der jeden einstellt, um
ein akzeptables Perforierungsmuster zu erzeugen. Wenn die Parameter
für akzeptabel
gehalten werden, löst
der programmierbare Logik-Controller
den Klebemittelarm aus und wartet, bis eine vorbestimmte Verzögerung abgelaufen
ist.
-
Ein von dem programmierbaren Logik-Controller
gesteuertes Magnetventil löst
das Messer zum Schneiden der Bahn aus. Der programmierbare Logik-Controller
schaltet dann den Anfahrmotor aus und treibt die Klemmrolle während der
restlichen Beschleunigung und Perforierung bei voller Geschwindigkeit
an.
-
Perforiereinheiten werden mit bis
zu 5400 Fuß pro
Minute betrieben, der Schnitt erfolgt gewöhnlich bei ungefähr 10 dieser
Geschwindigkeit. Diese Geschwindigkeit wird als „Kriechgang 2" bezeichnet,
die Geschwindigkeit, bevor das Abfallpapier vom guten Papier abgeschnitten
wird. Kriechgang 1 lässt
das Papier gestrafft werden und sich in seine Lage legen, Kriechgang
2 ist der Bahnbeschleuniger zum Anfahren und die Endbeschleunigung
ist die volle Beschleunigung auf volle Geschwindigkeit.
-
Softwaresteuerung
-
Im Folgenden werden die logischen
Schaltkreise und die Steuerung der Vorrichtung ausführlicher
besprochen. Der Betrieb der Vorrichtung wird von einem programmierbaren
Logik-Controller
und assoziierter computergestützter
Benutzeroberflächensoftware
gesteuert.
-
In seiner derzeit bevorzugten Form
ist der Controller ein programmierbarer Logik-Controller, Modell 5-20
(PLC 5-20), von Allen Bradley. Die Bedienerschnittstelle zu dem
programmierbaren Controller ist ein IBM 486 DX 2, die Software könnte aber
auch auf leistungsstärkerer
Hardware gefahren werden, z. B. PentiumTM-gestützten NT-Systemen.
-
Das Programm, das den Betrieb am
effizientesten steuert, ist wie folgt. Erstens ist es zu einem Wartungsmodus-Betrieb
fähig.
Beispielsweise kann, wenn ein Servomotor nicht zugeschaltet wird,
ein Zwangsausgang den Motor zum Einschalten zwingen. Wenn der Motor
immer noch nicht eingeschaltet wird, kann das Wartungsproblem als
ein Hardwareproblem gegenüber
einem Softwareproblem diagnostiziert werden. Daher ist die Software
vorzugsweise für
diesen Wartungsmodus geeignet.
-
Wenn das System den Wartungsmodus
aufruft oder verlässt,
entfernt es alle Zwangswartungseinstellungen.
-
Damit das System am effektivsten
funktioniert, ist es vorzugsweise zum Berechnen von Geschwindigkeiten,
mit denen die Bahn laufen muss, der Laserausgangsleistung, der Zugspannung
und der Rotordrehzahl, konfiguriert. Alternativ kann es auf zahlreiche
Datenbanken historischer Informationen zugreifen, die von früheren Perforierungs-
und anderen Bearbeitungsdurchgängen
abgeleitet wurden. Diese Durchgänge
sind im Allgemeinen für
jeden Laser und jede Perforiereinheit einmalig. Diese-Datenbanken
können
auch Laserleistung, Bahngeschwindigkeit, Zugspannung und Umrollgeschwindkeit
aufweisen.
-
Höchst
vorzugsweise wird die Laserausgangsleistung und die Rotordrehzahl
passend zu der von der PLC-Steuerung befohlenen Bahngeschwindigkeit
bestimmt. Grundsätzlich
kann ein Fachmann, wenn davon ausgegangen wird, dass die Bahngeschwindigkeit
für eine
bestimmte Maschine „x"
ist, jetzt die zum Perforieren bei niedriger Geschwindigkeit erforderliche
Rotordrehzahl und Laserleistung berechnen.
-
Diese Arten von Eingaben und Berechnungen
zusammen befähigen
die Maschine, bei langsamen Anfahrgeschwindigkeiten genauer gesteuert
zu werden, was es zulässt,
dass akzeptabel bearbeitetes Material schneller von der Bearbeitungsvorrichtung
erhältlich
ist.
-
11 ist
eine schematische Darstellung der verschiedenen mit dem genauen
Steuern der Maschine verbundenen Rückkopplungsschleifen. Zentrum
der Steuerung bildet vorzugsweise ein programmierbarer Logik-Controller,
der durch eine Sensor- und Ansteuerschaltungsanordnung mit dem Laser,
dem Verschluss, dem Anfahrmotor, der Klemmrolle, dem Schwenkarm,
dem Messer, der Mensch-Maschine-Schnittstelle (Anzeige) und der
Maschinensteuerung verbunden ist.
-
12 illustriert
den derzeit bevorzugten Rildschirm der Mensch-Maschine-Schnittstelle.
Vier Hauptverarbeitungsparameter sind abgebildet. Bildschirmbereich 1200 illustriert
die Laserleistung in Watt auf der y-Achse im Verhältnis zu
der Zeit auf einer rollenden x-Achse. Bildschirmbereich 1202 illustriert
die Rotordrehzahl in U/min auf der y-Achse im Verhältnis zu
der Zeit auf der rollenden x-Achse. Bildschirmbereich 1204 illustriert
die Zugspannungsrückkopplung
in Pfund auf der y-Achse im Verhältnis
zu der Zeit auf einer rollenden x-Achse. Schließlich wird im Bildschirmsektor 1206 die
Umrollgeschwindigkeit in Fuß pro
Minute auf der y-Achse angezeigt.
-
Bildschirmsektor 1208 zeigt
Zustandsinformationen an, z. B. eine numerische Anzeige von Zugspannung,
Rotordrehzahl, Marke, wahlweise Kennzeichnung (z. B. Paletten- und
Bobinennummern) zum Verfolgen (die durch konventionelles Strichcode-Scannen
eingegeben werden können),
Schicht, Bobinenlänge,
der jeweilige Zustand verschiedener Systeme, z. B. Wasser, Luft,
Endverschlüsse
offen oder geschlossen, Vakuum und Laserausgangsleistung pro Straße. Diese
Anzeige liefert nützliche
Statusinformationen sowie einen praktischen Bezug für die Beschreibung
des tatsächlichen
Programms, die folgt.
-
13 illustriert
eine beispielhafte einfache Maschinensteuerung. Gehäuse 1300,
zusammen mit dem Rest der Ausrüstung,
ist vorzugsweise staubdicht, da Bearbeitungsvorgänge Papierstaub und Asche erzeugen.
Wahlweise können
Luftströme
in Betriebsöffnungen
gelenkt werden und in Gehäusen
ein Überdruck
aufrecht erhalten werden. Jede manuelle Eingabe ist zur leichten
Bedienung groß und
auffällig
gekennzeichnet. Die Maschinensteuerung kann mit einem Laser-Scanner 1302 verbunden
werden zum Eingeben von strichcodeartigen Informationen von einem
das zu bearbeitende Bahnmaterial begleitenden Etikett zur leichten
Komponentenverfolgung. Diese Eingabe kann direkt zu dem programmierbaren
Logik-Controller gehen zum Einlesen in eine Datenbank und wird auch
wahlweise auf dem Bildschirm der Mensch-Maschine-Schnittstelle angezeigt,
der in Fig. 12 illustriert wird.
-
Die Bedienelemente sind variierbar,
für den
Zweck der Bearbeitung werden aber bestimmte Bedienelemente bevorzugt.
Ein auffälliger „Not-Aus"-Schalter 1304 ist
für ein
sofortiges Ausschalten der Maschine im Notfall nützlich. Eine Rücksetztaste
(Reset) 1306 versetzt die Maschine wieder in einen vorbetrieblichen
Zustand. Beispielsweise werden die Laser wieder auf Leerlaufleistung
geschaltet, die Rotoren im Leerlauf betrieben und die Endverschlüsse geschlossen.
Eine Vorwahltaste 1308 bereitet die Maschine auf einen
Bearbeitungsvorgang vor. Klemmrollen werden freigegeben, die betreffenden
Arme werden angehoben und der Papierweg wird geöffnet zum Einspeisen des Papiers
in den Maschinenweg.
-
Eine Bereit-Taste 1310 kann
betätigt
werden, wenn das Papier entsprechend zugeführt wird. Die Bereit-Taste
schließt
den Papierweg, bringt wahlweise die Laser in einen angewärmten Zustand
und beschleunigt den Endverschlussrotor auf eine Drehzahl, die sich
der für
den Beginn des Perforierens erforderlichen Drehzahl nähert. Außerdem wird
die Bahn durch Betätigen
des Anfahrmotors und Straffen gespannt. Die Taste „Ein" oder „Start" 1312 startet
den eigentlichen Bearbeitungsvorgang und überträgt die Steuerung der Maschine
auf den programmierbaren Logik-Controller. Die Abschalttaste 1314 schaltet
die Maschine aus.
-
Verschiedenen wahlweise zusätzliche
Tasten können
andere bevorzugte Maschinenfunktionen direkt betätigen. Ein Vakuum zum Entfernen
von Staub oder ein Luftstrom kann über die Bedienelemente an Bedienfeld 1300 fernbetätigt werden
oder der Schwenkarm kann mit Armhebetaste 1316 oder Armsenktaste 1318 unabhängig gehoben
bzw. gesenkt werden.
-
Die PLC-S-teuerung befiehlt der Maschine,
rasch eine Perforiereinstellung zu erreichen, bei der sie ordnungsgemäß perforiertes
oder anderweitig bearbeitetes Papier mit einer geeigneten Geschwindigkeit
erzeugt. Wenn die Vorwahltaste gedrückt worden ist, ist die Software
zum Durchführen
von Kalkulationen zum Einstellen von Laserleistung, Rotordrehzahlen,
Zugspannung und Bahngeschwindigkeit bereit.
-
Die Laserleistung ist normalerweise
gemäß zahlreichen
Parametern umgebungsbedingt veränderlich. Die
Nennausgangsleistung kann von Röhrenschwankungen,
Schmutz in den Endlinsen, Staub, hohe Feuchtigkeit und Luftfeuchtigkeit
usw. beeinträchtigt
werden.
-
Die Software ist vorzugsweise zum
Analysieren der Nennausgangsleistung und vorzugsweise zum Einstellen
von ihr konfiguriert, indem eine Steigung-Achsenabschnitt-Umrechnung
gemäß der gut
bekannten Formel y = mx + b abgearbeitet wird, wobei angenommen
wird, dass der Leistungseingang (x) bei einem Umrechnungsfaktor
(m) linear zur Ausgangsleistung (y) ist; mit einem Einstellfaktor
(b) für
die verschiedenen verwirrenden Faktoren. So wird jeder Laserstrahl
individuell auf die endgültige
Ausgangsleistung abgestimmt.
-
Rotordrehzahlen (mit denen der Strahlzerhackungsrotor
als ein Hochgeschwindigkeitsverschluss funktionieren kann) stehen
in linearer Beziehung zu der zu Grunde liegenden Bahngeschwindigkeit
und Laserleistung, sodass der Rotor, je nach der gewünschten
Durchbrenncharakteristik, kürzere
oder längere
Impulse liefern kann, um kreisförmige
oder ovale Perforierungen in der Bahn zu erhalten. Wenn der Laser
aktiv ist, die Maschine aber in „Standby" ist, zwingt eine
Sicherheitsverriegelung das Verschlussrad dazu, sich mit einer voreingestellten
Mindestdrehzahl zu drehen, wodurch das Risiko einer Laserbeschädigung des
Rotors verringert wird.
-
Die der Programmierung zu Grunde
liegende Logik ist wie folgt. Es ist zu beachten, dass das Programm
im Folgenden vermittels seiner vorgesehenen Aufgaben beschrieben
wird, da man glaubt, dass ein Programmierungstechniker die PLC zum
Durchführen
ihrer logischen Schritte in Verbindung mit den unten genannten Eingängen und
der damit assoziierten Offenlegung programmieren kann.
-
Wenn der Computer eingeschaltet wird,
durchläuft
er eine Initialisierung, die sein Betriebssystem bootet und seine
assoziierte Software initialisiert. Die verschiedenen Sensorverbindungen
in die programmierbare Steuereinheit werden betätigt und anfängliche
Zustandsangaben abgelesen. Diese Zustandsangaben werden während des
gesamten Maschinenbetriebs ständig
aktualisiert.
-
Diese ständigen Zustandsangaben (einschließlich Armposition,
Messerposition, Laserzustand usw.) ermöglichen es der Maschine, mehrere
gleichzeitig abgearbeitete Programme zu betätigen, einschließlich ihrer
Sicherheitsverriegelungen, um versehentliche oder unsachgemäße Bedienung
zu verhindern. Beispielsweise kann die Maschine nicht gestartet
werden, wenn der Arm angehoben ist und das Papier nicht zur Anfahrspindel
eingezogen ist. Oder der Laserverschlussrotor kann nicht ausgeschaltet
werden, wenn der Laser noch auf voller Leistung ist, ohne dass sich
die Wandverschlüsse
schließen,
um Beschädigungen
zu vermeiden.
-
Eine Computersteuerungs-Taktgebereinstellung
wird ebenfalls begonnen, um die verschiedenen Eingänge, Ausgänge und
Befehle auf die Anzeige und/oder in den Computerspeicher zu koordinieren.
-
Zu den während dieser Initialisierung
erfassten Daten zählen
Armposition, Messerposition, Rotordrehzahl, Bahngeschwindigkeit
und Zugspannung. Änderungen
des Zustands als Folge einer Bedienermanipulation werden aktualisiert,
um zulässige
Vorgänge
zu berücksichtigen.
Eine Verriegelung kann wahlweise deaktiviert werden und ein "Wartungscode"
kann bestimmte Vorgänge
trotz gegenteiliger Softwareanweisungen erzwingen.
-
Zu Anfang eines neuen Bearbeitungsdurchgangs
wird die Bobinenlänge
auf null gesetzt und die Geschwindigkeit der Bahn wird berechnet
und in den Speicher eingegeben. An diesem Punkt ist die Geschwindigkeit
gewöhnlich
null.
-
Das Sicherheitsmerkmal der Laserverriegelung
ist in der Software ständig
aktiv. Die Software vergleicht den Laserausgangswert und bestimmt,
ob er in einen Vorwahlbereich fällt,
der je nach Lasertyp, Rotortyp, Größe und Konfiguration variiert.
Die Software misst die Rotoranweisung zum Bestimmen seiner Drehzahl.
Außerdem
misst sie den Lasereingang zum Berechnen seiner Ausgangsleistung
für die
Strahlenwege und berechnet dann ein Verhältnis der Laserausgangsleistung
zu der Rotordrehzahl.
-
Je nach dem Rotormaterial wird die
Veriegelung, wenn die Laserrotordrehzahl außerhalb eines bestimmten Wertes
liegt, zum Schließen
der Wandverschlüsse
betätigt,
um den Laserstrahl abzustellen, indem er in ein Material umgelenkt
wird, das nicht beschädigt
werden kann.
-
In der PLC wird eine Tabelle akzeptabler
Werte gespeichert und sie kann von einem Fachmann mit Bezug auf
diese Offenlegung kalkuliert werden. Wenn das Verhältnis außerhalb
des gewünschten
Wertes liegt, wird ein akustischer oder visueller Alarm ausgelöst. Dies
kann zu jedem Zeitpunkt während
der Maschineneinstellung oder des Maschinenbetriebs stattfinden.
-
Die Software sucht außerdem nach
der Schwenkarmplatzierung; z. B. ob der Arm gesenkt oder angehoben
ist. Wenn der Arm angehoben ist, zeigt sie an, dass die Maschine
nicht mit dem Betrieb beginnen kann. Wenn der Arm gesenkt ist, zeigt
dies dem Controller an, dass die Bedienkraft einen neuen Bobinenkern
auf die Aufnahmespindel gesteckt hat, und die Software schließt daraus,
dass sich ein neuer Klebestreifen am Schwenkarm befindet.
-
Die Programmierung entsperrt dann
die voreingestellte Bedingung und erlaubt der Bedienkraft, das Papier
an dem Papierweg entlang zu spannen, indem sie die Vorwahltaste
drückt,
was die Anfahrrolle in einer anfänglichen
langsamen Geschindiggkeit (Kriechgang 1) betätigt.
-
Die Software bezieht sich dann auf
den Sensoreingang, um zu bestimmen, ob die Bahn ordnungsgemäß in den
Papierweg gelegt wurde und gespannt ist. Wenn der Zugspannungswert
zu niedrig ist oder der Sensor anzeigt, dass kein Papier im Weg
liegt, sperrt die Software die „Start"-Taste und betätigt einen
Alarm, der es der Bedienkraft ermöglicht, die Lage des Papiers
in dem Weg zu korrigieren oder das Papier richtig einzulegen und
zu spannen.
-
Außerdem kann die Maschine, wenn
die Bahn während
des Betriebs reißt,
ausgeschaltet werden, wenn sie einen Spannungsverlust oder aus dem
Weg geratenes Papier erfasst. Die Software hat außerdem vorzugsweise
einen Zeitgeber, der eine gewisse Mindestzeit zum Straffen der Bahn
erfordert, bevor die Maschine betätigt werden kann.
-
Nach Betätigung der „Start"-Taste misst die Software
die Bahngeschwindigkeit (gleichzeitig misst sie auch Zugspannung,
Laserleistung und Rotordrehzahl). Dann führt sie eine Perforierungskalkulation
durch zum Bestimmen der geeigneten Rotordrehzahl für geeignetermaßen beabstandete
Perforationen. In der Zwischenzeit wird der Laser vorzugsweise mit
Betriebsleistung bei geschlossenen Wandverschlüssen, um eine Beschädigung des
Rotors zu vermeiden, betrieben. Diese anfängliche langsame „Kriech"-Zeit
ist zeitlich bemessen, um das Papier auf eine Mindestgeschwindigkeit
zu bringen, gewöhnlich
ungefähr
8–10%
der maximalen Maschinenbetriebsgeschwindigkeit.
-
Eine Zeitgeberschleife stellt sicher,
dass eine Mindestkriechzeit stattfindet, bevor die Anweisung zum Betätigen des
Hauptantriebs erfolgt, um die Papierbahn von nichtperforiertem oder
-bearbeitetem Papier zu befreien.
-
Die Software in der PLC initialisiert
dann die Routine, die dazu führt,
dass das Papier genau zu dem Zeitpunkt geschnitten wird, an dem
Perforationen akzeptabel sind. Der Laser wird auf Betriebsleistung
gebracht und die Aufwickelrolle beschleunigt die Bahngeschwindigkeit.
Der Rotor wird auch auf Betriebsdrehzahl gebracht, was bewirkt,
dass die Endverschlüsse
automatisch geöffnet
werden, vorzugsweise durch Elektromagnet, wenn sich das Papier und
der Laser an einem Synchronisierungspunkt für akzeptables Perforieren befinden.
-
Der Laser perforiert dann die Bahn.
Die PLC-Software stellt sicher, dass die Aufwickelbobine (Umrollbobine)
in der gesenkten Stellung ist und der Umrollmotor passend zu der
Geschwindigkeit der Aufwickelrolle, während sie beschleunigt wird,
synchronisiert wird. Die Rotordrehzahl und die Bahngeschwindigkeit
werden so geregelt, dass das Verhältnis ihrer Werte und die Laserausgangsleistung
innerhalb voreingestellter Grenzen liegt, und die Haftstückeinlegung wird
ausgeführt.
-
Millisekunden später, vorzugsweise 40 nach dem
internen Zähler
bei einer Geschwindigkeit von 300 Fuß pro Minute, betätigt die
Software das Messer. Das Messer wird pneumatisch angetrieben und
elektromagnetgesteuert, sodass. es die Bahn genau vor dem Lascheneinlegepunkt
schneidet. Nach dem Auslösen
des Messers verzeichnet die Software die Auslösung und gibt eine Anweisung
aus zum Zurückziehen
durch umgekehrtes Auslösen
des pneumatischen Hebers. Wahlweise löst sie auch einen pneumatischen
Lösestift
in der bogenförmigen
Oberfläche
aus, damit die Fläche
aus der unmittelbaren Nachbarschaft des Papierwegs herausfallen
kann.
-
Die Software erlaubt dann, dass sich
die Aufwickelrolle ausrotiert, betätigt wahlweise eine Bremse
und setzt die Beschleunigung der Klemmrolle und Umrollbobine auf
volle Geschwindigkeit im Bereich von 5000 Fuß pro Minute fort. Die Rotordrehzahl
und die Bahngeschwindigkeit werden vorsichtig simultan rampenförmig gesteigert,
damit die Perforationen ausgeführt
werden können,
wenn die Bahn sich von 300 auf 5000 Fuß pro Minute beschleunigt.
-
Mit zunehmender Größe der Bobine
auf der Umrollspindel wird der Arm mechanisch auf der wahlweise bogenförmigen Oberffläche zurückgezogen,
die dann automatisch rückgesetzt
wird.
-
Um ein Prellen der Spindel durch
Trägheitsrauheit
zu vermeiden, ist die Abrollspindel mit einer Spannungsbremse versehen.
Die PLC-Software übt
eine Mindestspannung auf die Abwickelspindel aus, die auch zulässt, dass
das Papier fest in seinem Weg zu sitzen kommt.
-
Wenn das Papier reißt oder
die Bobine ihr Ende erreicht, fällt
die Zugspannung auf null ab, was einen Auslaufzeit-Timer startet,
der die Umrollbobine noch eine vorbestimmte Zeitdauer zum Leeren
des Papierwegs antreibt. Die Abwickelspindelbremsensteuerung wird
deaktiviert und die Geschwindigkeit geht auf null zurück, während eine
Bremse auf die Spindel einwirkt, bis die Geschwindigkeit null ist.
Wenn festgestellt wird, dass die Geschwindigkeit null ist, wird
die Spindelarretierung gelöst
und die Antriebkupplung ausgerückt.
-
Das Lösen der Spindel bringt die
Maschine wieder unter die manuelle Bedienung durch die Bedienkraft.
Die Bedienkraft kann den Schwenkarm anheben, um die Bobine aus dem
Kontakt mit der Klemmrolle zu ziehen. Die Bobine wird dann physisch
von der Umrollspindel abgenommen und die Maschine ist zum Rücksetzen
bereit. Das Abfallpapier wird von der Anfahrspindel entfernt, wenn
ihre Drehzahl ungefähr
null ist, was gewöhnlich
an einem Zeitpunkt während
des Maschinenbetriebs stattfindet.
-
Wahlweise kann. diese oben beschriebene
Vorrichtung mit der in US 4.346.284 beschriebenen Zweispurmaschine
betrieben werden.
-
Wahlweise werden andere Sicherheitsmerkmale
in diese Vorrichtung integriert. Beispielsweise können Temperaturfühler an
strategischen Stellen in der ganzen Vorrichtung bereitgestellt werden,
um sicherzustellen, dass Rotoren, Motoren und Spindeln und andere
bewegte Teile sich nicht außerhalb
eines sicheren Betriebstemperaturbereichs befinden. Die Software
kann dann einen Maschinenfehler anzeigen und die Bedienkraft kann
eine Entscheidung treffen, ob abgeschaltet oder bis zum Ende der
Bobine gewartet werden soll. Desgleichen kann auch ein fehlerhafter
Start, der zu einem defekten Produkt führte, detektiert und das Produkt unter
Quarantäne
gestellt werden. Wenn beispielsweise die Verschlüsse in der geschlossenen Stellung
klemmen, kann ein Alarm ausgelöst
werden. Wenn der Laser unter einen bestimmten vorausgewählten Pegel
für das
zu perforierende Material abfällt,
kann ein Alarm ausgelöst
werden.
-
Jede der automatisierten Funktionen
kann von Hand übersteuert
werden, um die Perforierungsfunktion manuell durchzuführen.
-
12 illustriert
zusätzliche
Funktionsfelder auf dem Hauptbildschirm, die die Durchführung zusätzlicher
Funktionen ermöglichen.
Eine der höchst
vorzugsweisen Funktionen ist die Laserfunktion 1210 zur
Kalibrierung. Sie lässt
zu, dass der Laser für
einen vorzugsweise 20 Sekunden langen Testimpuls in eine Kalibriervorrichtung
gefeuert wird, um sicherzustellen, dass die Ausgangsleistung der
Eingangsleistung entspricht. Die Steigung-Achsenabschnitt-Einstellung
in der oben gesprochenen Gleichung y = mx + b wird dann eingestellt,
um eine konstante Ausgabe zu gewährleisten.
Wenn der Achsenabschnitt (intercept) um einen Faktor übermäßiger Größe angepasst
wird, kann dies einen Wartungsbedarf für den Laser oder seine assoziierte Strahloptik
andeuten.
-
Die meisten im Handel erhältlichen
Laser haben eine Ausgangsleistung, die höher ist als die für das Perforieren
von Papier oder flexiblen Bahnen notwendige. Häufig bedeutet das, dass die
Genauigkeit bei geringer Leistung in den Bereichen leidet, die für das Perforieren
bei langsamer Geschwindigkeit optimal sind. Wattzahlen, die normalerweise
für diese
Anwendung geeignet sind, liegen im Bereich von 75 Watt oder darunter.
-
Die Modifizierung kommerzieller Laser
ist zur Gewährleistung
der Sicherheit in Verbindung mit dem Hersteller vorzunehmen. Im
Wesentlichen wird die Thermosäulen-Diffusorscheibe bei
höheren
Temperaturen erhitzt und braucht eine Weile, um abzukühlen. Während dieser
Zeitspanne kann die Laserausgangsleistung die gewünschte Leistung übersteigen.
Die Hardware sollte modifiziert werden, um den Nullbefehl-Offset
und den Wattleistungsmonitor-Nulloffset zu verschieben, um ein echtes
Null zu reflektieren. Wenn diese Änderungen durchgeführt wurden,
kann der Laser kalibriert werden.
-
Das Kalibrieren beginnt mit dem Einstellen
der Kalibrierungsgleichung für
die einfache Gleichung y = mx + b auf einen Nullkorrektur-Status.
Im Wesentlichen wird Steigung m auf eins und der y-Achsenabschnitt b
auf null gesetzt. Der Laser wird dann angesteuert, um nacheinander
20, 50, 80, 300 und 600 Watt zu erzeugen. Dann werden die Ausgangsleistungen mit
einer effektiven Sonde gemessen. Die Datenpunkte können in einem
einfachen x/y-Achsen-Diagramm für
Eingangsleistung/Ausgangsleistung in Watt grafisch dargestellt wenden.
Ein Beispiel für
ein Kalibrierungsangabendiagramm wird unten gezeigt:
-
Die für die Werte im Verhältnis zu
den Messwerten zu lösende
bevorzugte Regressionsgleichung (Steigung und Achsenabschnitt) (die
lineare Annahmefehler reduziert) ist:
-
Durch Einsetzen der aus den durchgeführten Messungen
erhaltenen Werte in die Regressionsgleichung können sowohl m als auch b berechnet
werden.
-
Nach dem Kalibrieren kann man dann
angeben, dass (beispielhaft für
einen berechneten Wert): Vorhergesagte Leistung = 1,044158 × Soll-Leistung – 19,273241
(Watt)
-
Diese Analyse der linearen Regression
wird durch Untersuchen des quadrierten r-Wertes verifiziert. R-Quadrat-Daten sind ein Anzeiger
dafür,
wie gut die vorhergesagten Daten den Ist-Daten entsprechen.
-
-
Die Soll-Leistung stellt die Einstellungspunkte
für die
Laser-Sollwerte in Watt dar. Die Spalte Ist-Leistung enthält die gemessenen
Wattwerte. Die Spalte der vorhergesagten Werte enthält mit der
Steigung und dem y-Achsenabschnitt von der Regressionsanalyse mit
der Methode der kleinsten Quadrate erzeugte Zahlen. Die Spalte Differenz
enthält
die Differenzen zwischen den Ist- und den vorhergesagten werten,
während
die nächste
Spalte der Quadratwert ist. Die letzte Spalte ist der Ist-Wert abzüglich des
Ist-Durchschnitts (am Boden der zweiten Spalte zu sehen), quadriert.
Der r-Quadratwert wird durch Abziehen des Quotienten des Residual-Quadratsummenwertes
(Dividend) durch den Quadratsummen-Gesamtwert (Divisor) von dem
Wert 1,0 erhalten. In diesem Fall beträgt er 0,9987002.
-
Nachdem die lineare Beziehung zwischen
Soll- und vorhergesagter Leistung festgestellt worden ist, kann
man in dem Wissen, was das vorausgesagte Ergebnis ist, mit zurückkalkulierter
Leistung die Laserleistungseinstellung bestimmen.
-
Beispielsweise, wenn eine Ausgangsleistung
von 250 Watt gesucht wird:
y = mx + b -
Somit sollte, mit kleineren Fehlern
aus der zu Grunde liegenden linearen Trendlinienannahme, ein Laserleistungseinstellungssollwert
von 257,9 eine Ausgangsleistung von ungefähr 250 Watt ergeben.
-
Diese berechneten Werte helfen beim
Korrigieren von Überperforationsdefekten.
Wenn beispielsweise der Druckabfall in den anfänglichen Teilen des Laserperforierungsrampenanstiegsprozesses
zu hoch ist, kann dies korrigiert werden. Vermittels Informationen
zeigt ein hoher Druckabfall an, dass die Laser nicht genug Durchsatzleistung
liefern, um genügend
zu perforieren.
-
14 ist
eine grafische Darstellung des Druckabfalls in Zentimetern Wassersäule (y-Achse)
im Verhältnis
zu dem Abstand in Prozent von dem Bobinenkern zur Unterbrechung
des Papierwegs (x-Achse). Die gestrichelte Linie stellt eine Zone
aktzeptabler Werte für
eine ausgewählte
Produktcharakteristik dar. Wie zu sehen ist, kommt die Bahn erst
dann in den spezifikationsgemäßen Bereich,
wenn ungefähr
20% der Bobinenbreite aufgewendet worden ist. Sie bleibt vor Punkt
B, der bei ungefähr
50% des Bobinendurchmessers liegt, nicht zuverlässig innerhalb des spezifikationsgemäßen Bereichs.
Da der Radius ständig
zunimmt, die Gesamtlänge
aber dazu exponentiell ist, stellt dies einen geringfügigen Teil
des Papiers (weniger als ¼ der
Gesamtmeterzahl), aber trotzdem eine beträchtliche Menge dar.
-
Zum Kompensieren der Laserschwäche wird
ein Versatzfaktor (Bias) auf eine neue Laser-Regressionsgleichung
angewendet, um die Laserleistung während des schwachen Teils des
Perforierungsprozesses zu erhöhen.
-
Die Regressionsgleichung zeigt dies
mathematisch:
y = mx + b
y = m'x + b'
m'
= m + n
und
b' = b – c
-
Der Wert von C ist der Versatzfaktor
und wird durch mathematische Operationen so ausgewählt, dass der
Kern der Bobine, wo sich gewöhnlich
die nicht spezifikationsgemäße Bahn
befindet, innerhalb der Spezifikation liegt.
-
Da der Wert von b bereits bekannt
ist, wird b' wie folgt berechnet:
b' =
b – c
b' = –19,273241 – 100 = –119,273241
-
Die Auswahl eines Versatzes von 100
wird in 15 illustriert,
bei der die x-Achse die Eingangsleistung und die y-Achse die gewünschte Ausgangsleistung
ist. In dieser Figur haben wir eine Leistung ausgewählt, die
akzeptable Perforierung in der Gleichung ohne Versatz und der Gleichung
mit Versatz bei voller Geschwindigkeit liefert – was im Wesentlichen eine
Korrektur für
den defekten Teil des Produktes ist. Dieser Punkt wird der Ankerpunkt
genannt.
-
Verringern des y-Achsenabschnitts,
während
der Ankerpunkt konstant gehalten wird, bewirkt eine Veränderung
der Steigung der Linie, was für
den ersten nicht spezifikationsgemäßen Teil korrigiert. Zusammenfassend
gilt: der versatzbehaftete Steigungs-Achsenabschnitt induziert den
Laser zum Erzeugen von geeignetem Produkt während des gesamten Teils des
Anstiegsprozesses. Wenn der Druckabfall zu niedrig ist, wird ein negativer
Versatz eingegeben, um die Laser-Leistung zu verringern.
-
16 illustriert
eine Probe, bei der die Lichtpunkte mit einem Versatz korrigiert
wurden. Der korrigierte Versatz bleibt innerhalb der Spezifikation.
Auch hier illustriert das Schaubild den Druckabfall auf der y-Achse im
Verhältnis
zu prozentualem Anteil über
den Bobinenradius. Die Abfallspindel (3,
Bezugsnummer 300) stellt eine ausgezeichnete Papierquelle
zum Nachprüfen
der Abfallpapiermenge und -qualität dar. Perforierungstests können an
dem Papier auf der Spindel durchgeführt werden, um ihr Perforationsniveau
zu bestimmen, und der abgeleitete Steigungs-Achsenabschnitt kann
intuitiv versetzt werden, wodurch das perforierte Papier von 14 mit den hellen Punkten
von 16 übereinstimmend
gemacht wird. Diese Kalibrierungsschritte können stattfinden, während das
Produkt. die Bearbeitungsvorrichtung durchläuft oder während es nicht prozessgekoppelt
ist.
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Andere Modifikationen und Verbesserungen
und gleichwertige Konstruktionen zum Lösen der Aufgaben der vorliegenen
Erfindung sind dem Fachmann mit. Bezug auf diese Beschreibung jetzt
offensichtlich.
