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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Zigarettenherstellungsmaschine
mit einem System und einem Verfahren zum Sicherstellen, dass auf
Zigarettenpapier ausgebildete Streifen die richtige Breite und Beabstandung
haben, und zum Aussortieren von Zigaretten, die aus Zigarettenpapier
hergestellt sind, das nicht maßhaltige
Streifenbreiten und -beabstandungen hat.
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Um
ein hochwertiges Produkt zu gewährleisten,
installieren viele Hersteller an verschiedenen Abschnitten der Produktionsanlage
eines Herstellungsartikels optische Prüfsysteme. Im typischen Fall
weist jede Prüfstation
eine elektromagnetische Strahlungsquelle auf, die die Strahlen in
Richtung auf die Oberfläche
des Herstellungsartikels lenkt, wo sie Reflexionen entstehen lassen.
Die Reflexionen werden von einem oder mehreren Sensoren empfangen.
Die Analyse der empfangenen Reflexionen bietet einen Einblick in
die charakteristischen Eigenschaften des Herstellungsartikels und
insbesondere dahingehend, ob der Artikel vielleicht unregelmäßig ist.
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Sensoren
des oben beschriebenen Typs vom Stand der Technik sind im typischen
Fall zum Erkennen spezifischer Artikel ausgeführt und kalibriert. Von daher
können
diese Sensoren nicht leicht an die Durchführung einer ähnlichen
Analyse an verschiedenen Artikeln angepasst werden. Wenn sich der
Artikel ändert,
ist der Hersteller gezwungen, den Sensor umzugestalten, damit er
mit dem neuen Artikel kompatibel ist. Zum Beispiel könnte es
sein, dass ein Ingenieur oder Techniker eine oder mehrere mit dem
Sensor assoziierte(n) Schaltungskomponente(n) ersetzen muss, um
die Verstärkung
der Schaltungsanordnung des Sensors so zu kalibrieren, dass sie
sich für
verschiedene Artikel mit unterschiedlichen Reflexionsgradeigenschaften
eignet.
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Darüber hinaus
sind optische Prüfsysteme
in erster Linie auf das Feststellen der Anwesenheit lokalisierter
Punktanomalien wie Nadelstiche, Risse und kleine Fehler in einer
Materialbahn bestimmt.
US-A-5
426 509 , Peplinkski, veranschaulicht diese Methode. Bei
diesem System verursacht die Anwesenheit einer Anomalie in einer
bewegten Bahn einen „Zacken" im Ausgang eines
Sensors, der mithilfe eines Oszilloskops sichtbar gemacht werden
kann. Andere Anomalien sind aber durch Unregelmäßigkeiten in der räumlichen
Beziehung zwischen Elementen oder Teilen des Herstellungsartikels
gekannzeichnet. Eine isolierte Analyse eines einzelnen Punkts an
einem Artikel, wie oben beschrieben, lässt diese Anomalien nicht erkennen.
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Als
Erklärung
ist die Herstellung von mit Streifen versehenen Zigaretten zu betrachten,
von denen eine in 1 abgebildet ist. Wie dort gezeigt
wird, enthält
die Zigarette 7 zwei Streifen 5 aus durch Aufbringen
einer Schicht aus Zellstoffmasse auf Grundzigarettenpapier 3 gebildetem
Material. Zellulon, mikrokristalline Zellulose oder Amylopektin
sind verschiedene Stoffe, die schon zum Bilden der Streifen verwendet
wurden. Um ein hochwertiges Produkt bereitzustellen, ist es erwünscht, dass
sichergestellt wird, dass das zur Herstellung dieser Zigaretten
verwendete Papier Streifen 5 mit der richtigen Breite enthält. Darüber hinaus
ist es notwendig, dass sichergestellt wird, dass die Beabstandung
zwischen benachbarten Streifen maßhaltig ist. Wie in 2 illustriert
wird, enthält
Zigarettenpapier 3 Streifen mit ordnungsgemäßen Breiten
(z.B. Streifen B1–B5)
und wenigstens einen Streifen mit einer nicht maßhaltigen Breite (z.B. Streifen
B6). Außerdem
enthält
das Zigarettenpapier wenigstens zwei benachbarte Streifen mit einer
Beabstandung, die nicht maßhaltig
ist (z.B. die Beabstandung zwischen Streifen B4 und B5). Die oben
beschriebenen optischen Prüfsysteme
vom Stand der Technik haben nicht die Fähigkeit zum Erkennen dieser
Anomalien.
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Dementsprechend
ist es erwünscht,
ein System und ein Verfahren für
die Analyse einer Materialbahn bereitzustellen, das die oben genannten
Nachteile nicht aufweist. Außerdem
ist es erwünscht,
einen Sensor bereitzustellen, der Anomalien an verschiedenen Bahnmaterialtypen
erkennen kann, ohne eine beschwerliche Neugestaltung oder Neukalibrierung
des Sensors zu erfordern. Außerdem
ist erwünscht,
dass ein optisches Prüfsystem
bereitgestellt wird, das feststellt, ob Streifen enthaltendes Papier
Streifen mit nicht maßhaltigen Streifenbreiten
oder nicht maßhaltige
Beabstandungen zwischen benachbarten Streifen aufweist.
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Außerdem ist
es erwünscht,
ein System und ein Verfahren zum Prüfen von Streifen enthaltendem
Zigarettenpapier in einer Zigarettenherstellungsmaschine und zum
Aussortieren von Zigaretten, die aus unregelmäßigen Abschnitten des Zigarettenpapiers
hergestellt sind, bereitzustellen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
optisches System zum Untersuchen einer Streifen enthaltenden Materialbahn,
umfassend: einen Sender zum Richten von Strahlen auf die Bahn, wobei
die Strahlen auf einer Oberfläche
der Bahn auftreffen und Reflexionen entstehen lassen; einen Detektor
zum Empfangen der genannten Reflexionen von der Bahn und zum Bilden
elektrischer Signale, die für
die genannten Reflexionen repräsentativ
sind; eine Schaltungsanordnung zum Verarbeiten der elektrischen
Signale durch Ermitteln des Vorhandenseins von Streifen auf der Bahn,
um Ausgangssignale zu erzeugen, die Folgendes aufweist: einen Spitzendetektor
zum Feststellen eines Spitzenpegelsignals der elektrischen Signale
und zum Bilden eines Durchschnitts der Spitzenwerte einer Mehrzahl
von aufeinanderfolgenden Spitzen; eine Schwellenwertschaltung zum
Bilden eines Schwellensignals, das ein Prozentsatz des durchschnittlichen
Spitzenpegelsignals ist; und eine Vergleichsschaltungsanordnung
zum Vergleichen des Schwellensignals mit den elektrischen Signalen,
wobei elektrische Signale, die das Schwellensignal übersteigen,
auf Streifen enthaltende Regionen der Bahn schließen lassen,
und elektrische Signale, die das Schwellensignal nicht übersteigen,
auf keine Streifen enthaltende Regionen der Bahn schließen lassen;
und Rechenlogik zum Empfangen der Ausgangssignale und zum Ermitteln,
ob die Reflexionen für Streifen
auf der Papierbahn repräsentativ
sind, die unregelmäßig sind.
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Ebenfalls
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Verfahren zum optischen Kontrollieren einer Streifen
enthaltenden Bahn vorgesehen, das die folgenden Schritte aufweist:
Beleuchten einer Oberfläche
der Bahn mit Strahlen, wobei die Strahlen Reflexionen entstehen
lassen; Erfassen der genannten Reflexionen von der Bahn mit einem
Detektor und Bilden elektrischer Signale, die für die genannten Reflexionen
von der Bahn repräsentativ
sind; Verarbeiten der elektrischen Signale zum Erkennen des Vorhandenseins
von Streifen auf der Bahn, um Ausgangssignale zu erzeugen, und Analysieren
der Ausgangssignale zum Erkennen unregelmäßiger Streifen, wobei der Verarbeitungsschritt
Folgendes aufweist: Bilden eines durchschnittlichen Spitzenwertsignals,
das für
die Spitzenwerte des elektrischen Signals repräsentativ ist; Bilden eines
Schwellensignals, das ein Prozentsatz des durchschnittlichen Spitzenpegelsignals
ist; und Vergleichen des Schwellensignals mit den elektrischen Signalen.
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Mit
unregelmäßigen Abschnitten
des Zigarettenpapiers aufgebaute Zigaretten können beim Durchlaufen der Zigarettenherstellungsmaschine
verfolgt werden und an einer der Aussortierungsstellen der Zigarettenherstellungsmaschine
ausgeworfen werden.
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Das
optische Prüfsystem
ist für
verschiedene Typen von Zigarettenpapier und Streifenmaterial mit
unterschiedlichen Reflexionsgradeigenschaften geeignet. Im Betrieb
detektiert die bevorzugte Sensorschaltungsanordnung den Bereich
der von einem Sensordetektor erzeugten Spannungen und formuliert
einen durchschnittlichen Spitzenwert für den Wertebereich. Die Schaltungsanordnung
nimmt dann einen vorgeschriebenen Prozentsatz von diesem Spitzenwert,
um einen Schwellenwert zu bilden. Dieser Schwellenwert wird mit
einem AC-Signal (Wechselspannungssignal) vom Sensordetektor verglichen.
Wenn das AC-Signal über
dem Schwellenwert liegt, dann aktiviert die Schaltungsanordnung
ein Signal, um anzuzeigen, dass ein Streifen vorhanden ist.
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Die
bevorzugte Schaltungsanordnung weist einen AC-Verstärker zum Verstärken von
AC-Komponenten von Signalen vom Sensordetektor auf. Um verschiedenen
Papier- und Streifenmaterialtypen, die unterschiedliche Reflexionsgradeigenschaften
haben, weiter gerecht zu werden, kann die Verstärkung dieses Verstärkers eingestellt
werden, z.B. durch Einstellen der Einstellung eines DIP-Schalters.
Desgleichen kann der von der Schwellenwertschaltungsanordnung ausgewählte Schwellenwert
eingestellt werden, um einen von mehreren verschiedenen Schwellenwerten
(z.B. 30 %, 40 %, 50 %, 60 % usw.) zu wählen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die
vorangehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung
mit den Zeichnungen leichter verständlich, in denen:
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1 eine
beispielhafte Zigarette zeigt, die mit Streifen versehene Regionen
enthält;
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2 eine
beispielhafte Bahn aus Zigarettenmaterial mit Streifen zeigt, von
denen einige unregelmäßig sind;
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3 eine
beispielhafte Zigarettenherstellungsmaschine mit einem Sensor (210)
zum Erkennen von Streifen zeigt;
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4 eine
beispielhafte Filteransetzmaschine zur Verwendung in der Maschine
von 3 zeigt;
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5 beispielhafte
optische Komponenten des Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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6 einen
beispielhaften Überblick über den
Sensor gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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7 einen
beispielhaften mechanischen Aufbau des Sensorgehäuses gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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8 eine
beispielhafte elektrische Schaltungsanordnung des zum Erkennen der
Eigenschaften des gestreiften Papiers verwendeten Sensors gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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9 einen
detaillierteren beispielhaften Schaltplan eines in der vorliegenden
Erfindung verwendeten AC-Verstärkers
zeigt;
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10 einen
detaillierteren beispielhaften Schaltplan einer Schwellenwertschaltung
und eines Signalkomparators zeigt, die in der vorliegenden Erfindung
verwendet werden;
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11(a) bis 11(g) beispielhafte
Vergleiche des Ausgangs des Streifensensors mit verschiedenen benutzerspezifischen
Toleranzwerten gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen und
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12 eine
beispielhafte Anzeige zum Darstellen von Statistiken bezüglich der
Integrität
von vom Sensor und assoziierten Computer analysierten Streifenbreiten
und Streifenabständen
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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In
der folgenden Beschreibung werden zum Zweck der Erläuterung
und nicht der Begrenzung spezifische Einzelheiten dargelegt, um
ein gründliches
Verständnis
der Erfindung zu vermitteln. Für
eine fachkundige Person wird es aber offensichtlich sein, dass die
vorliegende Erfindung in anderen Ausgestaltungen ausgeführt werden
kann, die von diesen spezifischen Details abweichen. In anderen
Fällen
werden ausführliche
Beschreibungen gut bekannter Verfahren, Geräte und Schaltungen weggelassen,
um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung nicht mit unnötigen Details
unverständlich
zu machen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugsnummern gleiche
Teile.
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3 zeigt
einen Überblick über eine
Zigarettenherstellungsmaschine 200 mit einem Sensor 210 zum Erkennen
von Streifen, die an Zigarettenpapier gebildet sind, das von Bobine 208 zugeführt wird.
Wie in der Technik gut bekannt ist, strömt Luft durch einen Kanal 206 und
bläst Tabakteilchen
nach oben auf ein Förderband 212.
Die Teilchen haften als Reaktion auf eine durch Perforationen im
Förderband 212 ausgeübte Saugkraft
am Förderband 212.
Die Teilchen bilden eine Tabakschicht an der Unterseite des Förderbands 212,
während
sich das Förderband 212 von
rechts nach links bewegt. An einem gewissen Punkt in der Bahn des
Förderbands
entfernt eine Schneidvorrichtung 220 überschüssigen Tabak mithilfe rotierender
Scheiben oder dergleichen von der Schicht (die einen Zigarettenfülltabakstrang
bildet).
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Gleichzeitig
mit dem Herstellen des Fülltabakstrangs
auf dem Förderband 212 wird
Streifen enthaltendes Zigarettenpapier (in 2 wird beispielsweise
ein Abschnitt davon gezeigt) von einer Zufuhrbobine 208 zu
einer Region unter einem Ende des Förderbands 212 zugeführt. An
diesem Punkt überträgt das Förderband 212 den
am Band festgehaltenen Tabak auf das Zigarettenpapier. Das Zigarettenpapier
wird dann um den Fülltabakstrang
gehüllt
und auf diese Anordnung wird Leim aufgetragen, um das Zigarettenpapier
am Fülltabakstrang
zu befestigen. Der Strang wird dann in einzelne Tabakstöcke (wie
z.B. doppeltlange Tabakstöcke,
aus denen je zwei Zigaretten hergestellt werden) zerschnitten. Das
oben erwähnte
Umhüllen,
Leimen und Schneiden sind in der Technik konventionell und werden
daher einfach als Stockherstellungseinheit 204 in 3 dargestellt,
um 3 nicht verwirrend zu machen.
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Nachdem
die Tabakstöcke
(z.B. doppeltlange Tabakstöcke)
auf diese Weise hergestellt worden sind, werden sie an eine Filteransetzmaschine 202 übergeben,
die zum Bilden einer Mehrzahl fertiger Zigaretten Filterstäbe an die
Tabakstöcke
ansetzt. Die Filteransetzmaschine kann die konventionelle Maschine
MAX 100 umfassen, die von den Hauni-Werken Körber und Co.
AG, Hamburg, Deutschland, hergestellt wird. Diese Maschine wird
in 4 illustriert. Wie dort gezeigt wird, hat die
Maschine eine Rotationstrommel 226, die von der Stockherstellungseinheit 204 gebildete
doppeltlange Stöcke
an Rotationstrommel 232 übergibt, die die doppeltlangen
Stöcke
mit Rotationsmesser 230 in einfachlange Tabakstöcke zerteilt.
Die Trommel 234 trennt die zwei einfachlangen Tabakstöcke, so
dass ein Filterstab zwischen den Tabakstöcken eingesetzt werden kann.
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Die
Filterstäbe
stammen aus Behälter 244,
wo sie ursprünglich
eine Viererform haben (d.h. eine vier Filterstäben entsprechende Länge umfassend).
Die Filterstäbe
werden über
Trommeln 246, 242, 240 und 238 auf
Trommel 236 übertragen.
Trommel 246 schneidet die Viererfilterstäbe außerdem in
zwei doppelte Filterstäbe.
An Trommel 236 werden die Filterstäbe zwischen die getrennten
Tabakstöcke
von Trommel 234 eingesetzt. Die Filterstäbe und die
Tabakstöcke
werden dann an Trommel 250 übergegeben, die mit Trommel 290 Filterpapier
von Bobinen 222 oder 224 an der Kombination von
Tabakstöcken
und Filterstäben
anbringt. Das Filterpapier wird an Trommel 252 mithilfe
von Umwickelvorrichtung 270 um die Kombination der Tabakstöcke und
Filterstäbe
gewickelt. Die resultierenden Zigarettenstöcke werden dann auf Trommel 254 und
dann auf Trommel 256 übertragen.
An Trommel 256 werden die Zigarettenstöcke in je zwei einzelne Zigaretten
zerteilt. Die Zigaretten werden dann über Trommeln 258, 260, 262, 274 und 268 in
den Ausgabebehälter 263 befördert. Unregelmäßige Zigaretten
werden aber an Ausgabetrommel 274 ausgeworfen, ohne in
den Ausgabebehälter 263 zu
gelangen. Im oben beschriebenen Filteransetzer gibt es noch andere
Aussortierungsstellen, wie z.B. an den Trommeln 252, 256 und 236.
Außerdem
gibt es weiter oberhalb in der Durchlaufrichtung im Tabakstockherstellungsteil
der Maschine, wenn sie auch nicht im Detail illustriert sind, diverse
Aussortierungsstellen, wie fachkundige Personen verstehen werden.
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Der
Sensor 210, wieder Bezug nehmend auf 3,
kann sich neben einer Leitrolle oder Führungsstange befinden, über die
das gestreifte Zigarettenpapier läuft. Diese Position ist aber
vollkommen beispielhaft. Der Sensor 210 kann sich an anderen
Stellen befinden. Des Weiteren können
sich mehrere Sensoren an verschiedenen Stellen in der Zigarettenherstellungsmaschine
befinden.
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Wie
an späterer
Stelle noch ausführlicher
besprochen werden wird, erzeugt der Sensor 210' ein Ausgangssignal,
das für
an dem vorbeilaufenden Zigarettenpapier erfasste Streifen bezeichnend
ist. Gemäß einer Ausgestaltung
ist der Ausgang des Sensors eine Impulsfolge, wobei die Dauer jedes
Impulses der Dauer jedes jeweiligen erfassten Streifens entspricht.
Der Impulsfolgenausgang des Sensors wird dann an eine externe Ein-/Ausgabeschnittstelle 216 gerichtet.
Der Ausgang des Sensors kann direkt an die Schnittstelle 216 angelegt
werden oder er kann zum Anschlusskasten 214 der Zigarettenherstellungsmaschine
gesendet und dann zur Schnittstelle 216 gesendet werden.
Die Ein-/Ausgabeschnittstelle 216 erhält auch
Daten vom Codierer (nicht gezeigt) der Zigarettenherstellungsmaschine,
der die Geschwindigkeit anzeigt, mit der die Maschine betrieben
wird (z.B. die Übergabegeschwindigkeit
von Tabakstöcken
durch das System), wie z.B. an der Umdrehungsgeschwindigkeit von
einer der mechanischen Wellen in der Maschine gemessen. Der Sensorausgang und
der Codiererausgang werden dann an den externen Rechner 218 gesendet,
der eine assoziierte Zähler/Timerplatine
und eine Ein-/Ausgabeplatine (nicht abgebildet) hat. Insbesondere
ist der Computer ein separates Arbeitsplatzsystem und kann einen
133-MHz-Pentium-Mikroprozessor,
einen Bildschirm, eine Tastatur, eine Festplatte und ein Diskettenlaufwerk
(nicht abgebildet) umfassen. Als Ein-/Ausgabeplatine kann ein Computer BoardsTM CIO-DIO24H verwendet werden, während ein
Computer BoardsTM CIO-CTRO5 als Zählerplatine verwendet werden
kann. Der Computer 218 ermittelt auf der Basis des Sensorausgangs
und auf der Basis des Codiererausgangs, ob die erfassten Streifenbreiten
und Streifenabstände
nicht maßhaltig
sind.
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Wenn
die Streifenbreiten und/oder Streifenabstände nicht maßhaltig
sind, legt der Computer über
den Anschlusskasten 214 ein Signal an die Zigarettenherstellungsmaschine 200 an,
so dass Zigaretten, die aus den unregelmäßigen Abschnitten des Zigarettenpapiers
hergestellt wurden, aussortiert werden. Speziell kann die Lage des
unregelmäßigen Zigarettenpapiers,
nachdem es den Sensor 210 passiert hat, mithilfe von vom Codierer
der Maschine erzeugten Zeitsteuertakten verfolgt werden. Das heißt, durch
Zählen
der Taktimpulse kann das System vorhersagen, wann eine Zigarette
eine oder mehrere Aussortierungsstelle(n) (wie z.B. Aussortierungsstellen
entsprechend den Trommeln 274, 252, 256 und 236 in 4 sowie
andere nicht speziell abgebildete Aussortierungsstellen) passieren
wird. Wenn die unregelmäßige Zigarette
eine Aussortierungsstelle passiert (wie vom eine vorgeschriebene
Zahl erreichenden Zähler
angezeigt wird), wird sie von der Zigarettenherstellungsmaschine
ausgeworfen. Fachkundige Personen werden erkennen, dass es andere
Methoden zum Steuern des Aussortierens von Zigaretten gibt. Zum
Beispiel ist eine weitere Methode zum Durchführen dieser Funktion das Einstellen
eines Timers auf einen anfänglichen
Wert, welcher der Zeitspanne entspricht, die es dauert (abhängig von
der Geschwindigkeit der Maschine), bis ein unregelmäßiger Abschnitt
des Papiers eine Aussortierungsstelle passiert. Wenn der Timer abläuft, befindet
sich die Zigarette, die diesen unregelmäßigen Abschnitt enthält, an der
Aussortierungsstelle und wird daher ausgeworfen. Allgemein kann
die richtige Zeiteinstellung für
das Aussortieren der Zigaretten anhand der Kenntnis der charakteristischen
Eigenschaften des Zigarettenübergabewegs
(wie z.B. des Abstands zwischen dem Sensor und verschiedenen nachgeschalteten
Positionen auf dem Weg) und der Geschwindigkeit, mit der die Maschine
betrieben wird, ermittelt werden.
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Die
Funktion des Sensors und des Computers wird mit Bezug auf die folgende
Besprechung und die Begleitzeichnungen besser verständlich.
Zunächst
werden die mechanischen und elektrischen Komponenten des Sensors
besprochen, gefolgt von einer Besprechung der vom Computer durchgeführten Analyse.
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Der
Sensor, angefangen mit 5, weist eine Infrarot-LED 20 zum
Emittieren von Infrarotstrahlen auf. Beispielsweise kann die LED 20 so
gewählt
sein, dass sie Strahlen mit einer Wellenlänge von 850 nm (± 20 nm)
emittiert. Die Infrarotstrahlen von der LED 20 werden von
Quellenlinse 22 gebündelt,
so dass sie einen Punkt mit einem Durchmesser von 1 mm auf gestreiftem
Papier 26 bilden, während
das Papier 26 über
eine Rolle 24 läuft.
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Das
Infrarotlicht, das auf die Oberfläche des Papiers 26 fällt, während es über die
Rolle 24 läuft,
lässt Reflexionen
entstehen. Diese Reflexionen werden durch eine Detektorlinse 23,
die das reflektierte Licht auf ein Streulichtsperrfilter fokussiert,
und dann einen Polarisator 30 geleitet. Das Streulichtsperrfilter 28 filtert
den Großteil
des Umgebungslichtes (das bei Frequenzen auftritt, die sich von
den von LED 20 erzeugten Infrarotstrahlen unterscheiden).
Der Polarisator 30 wählt
Licht mit einer vorgeschriebenen linearen Polarisationsrichtung,
das den Unterschied der Reflexionen von den gestreiften Regionen
auf dem Papier 26 und dem Grundpapier betont. Das Streulichtsperrfilter 28 und
der Polarisator 30 können
fakultativ weggelassen werden, wenn das Papier Reflexionsgradeigenschaften
aufweist, die separate Abschnitte mit Streifen deutlich von streifenlosen
Abschnitten trennen (d.h. wenn der Störabstand groß genug
ist). Schließlich
wird das reflektierte Licht von einem Photodetektor 32 empfangen,
der das reflektierte Infrarotlicht in ein elektrisches Signal umwandelt,
das proportional zur Größe der erfassten
Strahlen ist.
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Die
oben beschriebenen Komponenten sind in einem Gehäuse 40 untergebracht,
wie in Bezug auf 6 illustriert ist. Wie dort
gezeigt wird, hat das Gehäuse 40 eine
allgemein rechteckige Form. Das Gehäuse 40 hat eine Kerbe 41,
die in einer kurzen Entfernung oberhalb der Rolle 24 über der
Rolle 24 liegt. Die Infrarot-LED 20 ist an einer
Seite der Kerbe 41 angebracht, während der Detektor 32 an
der anderen Seite der Kerbe 41 angebracht ist.
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Um
das Absetzen von Staub und anderen Rückständen auf den optischen Komponenten
zu verhindern, hat das Sensorgehäuse 40 eine
Leitung 52 zum Erhalten von Reinluft. Diese Reinluft wird
vermittels Luftdüse 42 auf
die optischen Komponenten gerichtet. Des Weiteren hat das Gehäuse eine
Eingangsbuchse 52 zum Erhalten von elektrischem Strom zum
Versorgen der Aufbereitungsschaltungsanordnung 44 des Sensors mit
Strom.
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Eine
noch detailliertere beispielhafte Veranschaulichung des mechanischen
Aufbaus des Gehäuses 40 ist
mit Bezug auf 7 zu finden. Wie dort gezeigt
wird, hat das Gehäuse
eine Quellenlinse 22 und eine Detektorlinse 23,
die in die Seiten der Kerbe 41 eingebettet sind. Die Infrarot-LED 20 ist
im Verhältnis
zur Quellenlinse 22 mittels eines ersten Rahmens 21 in
ihrer Lage fixiert. Der Photodetektor 32 ist desgleichen
mittels eines zweiten Rahmens 31 in Bezug auf die Detektorlinse 23 in
seiner Lage fixiert. Das Streulichtsperrfilter 28 und der
Polarisator 30, obwohl dies nicht gezeigt wird, können ebenfalls
im zweiten Rahmen 31 untergebracht sein. Leitung 52 erhält eine
Reinluftzufuhr, wie oben besprochen, und leitet die Luft zu Düse 42.
Das gesamte Gehäuse 40 kann
durch Schraubenlöcher 60, 62, 64 und 66 an
seiner tragenden Konstruktion befestigt werden. Die Löcher haben Übergröße, so dass
der Sensor zunächst
lose an seiner tragenden Konstruktion angebracht werden kann. Nach
Kalibration und Positionseinstellungen kann der Sensor dann in seiner
Solllage fest verschraubt werden. Das Gehäuse 40 weist eine,
allerdings nicht abgebildete, obere Platte auf, die die optischen
Komponenten weiter vor Rückstandsansammlungen während des
Betriebs schützt,
die ihre Leistung beeinträchtigen
würden.
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Die
elektrische Konfiguration des Prüfsystems
der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 8 bis 10 verständlich. 8 stellt
einen Überblick über die
in dem Gehäuse 40 untergebrachte
Schaltungsanordnung 44 dar. Wie dort gezeigt wird, empfängt der
Detektor 32 reflektierte Infrarotstrahlen von LED 20. Die
reflektierten Strahlen werden in elektrische Signale umgewandelt
und dann im Vorverstärker 70 verstärkt. Die
verstärkten
Signale werden zum Bandpassfilter 72 geleitet, das den
Störsignalgang
entfernt. An diesem Punkt hat das Signal, wie in Signalform 96 illustriert,
sowohl AC- als auch DC-Komponenten (Gleichspannungskomponenten).
Das Signal ist ein ins Negative gehender Impuls, bei dem eine Verringerung
des Signalpegels auf das Vorhandensein eines Streifens schließen lässt.
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Auf
dieser Stufe wird das vorverstärkte
und bandpassgefilterte Signal zu einem AC-Kuppler 74 geleitet,
der die AC- von der DC-Komponente des Signals trennt. Die AC-Komponente wird dann
an einen AC-Verstärker 76 angelegt.
Der AC-Verstärker 76 verstärkt die
AC-Komponente des Signals auf einen gewünschten Pegel. Wie in Kürze mit
Bezug auf 9 beschrieben werden wird, ist
die Verstärkung
des AC-Verstärkers 76 für die Verwendung
des Sensors mit verschiedenen Typen von Bahnen einstellbar, die
verschiedene Reflexionsgradcharakteristiken haben. An diesem Punkt
sieht das Signal wie die beispielhafte Signalform 94 aus.
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Als
nächstes
wird die verstärkte
AC-Komponente an einen Spitzendetektor 78 angelegt, der
die Größe der Spitzenspannung
der Signalform erkennt (die ebenfalls mit Bezug auf Signalform 94 verstanden
werden kann). Der Spitzendetektor ermittelt einen Durchschnitt der
Spitzenwerte von einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Signalformspitzen.
Dieser Wert liefert eine Anzeige des allgemeinen Spannungsbereichs
zwischen gestreiften und streifenlosen Regionen auf dem Papier und
kann bei verschiedenen Papieren und verschiedenen Streifenmaterialtypen
unterschiedlich sein.
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Der
durchschnittliche Spitzenwert wird dann an eine Schwellenwertschaltung 80 weitergeleitet,
die einen gewissen Prozentsatz des Spitzenwertes zur Verwendung
als Schwellenwert nimmt. Wie mit Bezug auf die Signalform 94 gezeigt
wird, können
60 % der Spitzensignalform als der Wert der Schwelle gewählt werden. Entsprechend
anderen Ausgestaltungen der Erfindung kann der zum Erzeugen dieses
Schwellenwertes verwendete Prozentsatz von einer Bedienkraft eingestellt
werden und jede beliebige Wertezahl annehmen (was in Kürze im Zusammenhang
mit 10 noch besprochen werden wird).
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Der
Schwellenwert von der Schwellenwertschaltung 80 wird der
Vergleichsschaltung 82 zur Verfügung gestellt. Die Vergleichsschaltung 82 vergleicht
den Schwellenwert mit der AC-Komponente des aktuell erfassten Signals.
Wenn die AC-Komponente über dem
Schwellenwert liegt, dann erzeugt die Vergleichsschaltung 82 einen
positiven (bzw. negativen) Impuls. In einer Ausgestaltung kann die
Vergleichsschaltung auf einen Streifenfolgemodus eingestellt sein.
In diesem Modus entspricht die Länge
des Impulses der Länge
des erkannten Streifens und der Geschwindigkeit des sich über die
Rolle 24 bewegenden Papiers 26. Der Ausgang dieses
Modus wird von der beispielhaften Signalform 98 illustriert.
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Zusätzlich zum
Streifendetektionsausgang stellt der Sensor auch einen Alarmsignalausgang
bereit. Speziell wird die DC-Komponente des Signals an einen DC-Pegelkomparator 86 angelegt,
der erkennt, ob der DC-Pegel über
oder unter einem Fenster bestimmter Spannungswerte ist. Desgleichen
wird der Spitzenwert der AC-Komponente an einen AC-Pegelkomparator 84 weitergeleitet,
der erkennt, ob der AC-Pegel ober- oder unterhalb eines Fensters
bestimmter Spannungswerte liegt. Der Ausgang jedes Komparators wird
an eine LED weitergeleitet (LED 90 bzw. LED 92),
die rot blinkt, wenn der Signalwert außerhalb des vorgeschriebenen Fensters
liegt, und grün
blinkt, wenn der Signalwert innerhalb des vorgeschriebenen Fensters
liegt. Der Zustand der LEDs 90 und 92 liefert
daher nützliche
Diagnoseinformationen bezüglich
dem Status des Sensors.
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Insbesondere
illustriert die folgende Tabelle beispielhafte Diagnostik für verschiedene
Zustände
der LEDs
90 und
92.
Zustand | Diagnose |
AC-LED
ist grün,
DC-LED ist grün | 1)
Der Sensor funktioniert innerhalb der Toleranzen. |
AC-LED
ist grün,
DC-LED ist rot | 1)
Der Sensor ist falsch ausgerichtet und/oder
2) die Reflexionscharakteristik
des Papiers hat sich geändert
und/oder
3) der Sensor hat versagt. |
AC-LED
ist rot, DC-LED ist grün,
DC-LED ist grün | 1)
Das Papier bewegt sich nicht und/oder
2) der Sensor ist falsch
ausgerichtet und/oder
3) die Reflexionscharakteristik des Papiers
und/oder Streifenmaterials hat sich geändert und/oder
4) der
Sensor hat versagt. |
AC-LED
ist rot, DC-LED ist rot | 1)
Im Prüfbereich
befindet sich kein Papier und/oder
2) der Sensor ist falsch
ausgerichtet und/oder
3) die Reflexionscharakteristik des Papiers
hat sich drastisch verändert
und/oder
4) der Sensor hat versagt. |
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Die
LEDs 90 und 92 können physisch am Gehäuse 40 des
Sensors befestigt werden. Alternativ, wenn der Sensor in einer Lage
positioniert ist, die nicht leicht zugänglich ist, können die
LEDs 90 und 92 vom Sensorgehäuse 40 abgesetzt positioniert
werden.
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Zusätzlich zum
Ausgang der LEDs 90 und 92 leitet die Aufbereitungsschaltungsanordnung 44 auch die
Alarmsignale von Komparatoren 84 und 86 zur Ausgangskombinationsschaltung 88.
Diese Schaltung erzeugt ein positives Alarmsignal, wenn eine der
Vergleichsschaltungen 84 oder 85 ein Alarmsignal
erzeugt. Die Ausgangskombinationsschaltung kann daher eine ODER-Glied- oder eine gleichwertige
Schaltungsanordnung verwenden, wie fachkundige Personen leicht verstehen
werden. Der Ausgang der Alarmkombinationsschaltungsanordnung 88 und
des Komparators 82 wird jeweils zu einer Schnittstelleneinheit
und dann einem Computer geleitet.
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9 illustriert
eine beispielhafte Zusammensetzung des in 8 gezeigten
AC-Verstärkers 76.
Wie dort gezeigt wird, kann die Verstärkung des Verstärkers 104 mit
assoziierten Widerständen
R9 und R10 und Kondensator C2 durch den Status der Schalter am DIP-Schalter 102 geändert werden.
Der DIP-Schalter,
der 8 Schalter enthält,
ist mit den Widerständen
R1 bis R8 verbunden, die unterschiedliche Widerstandswerte haben.
Den beispielhaften Ausgestaltungen gemäß werden die Werte der Widerstände so gewählt, dass
die vom DIP-Schalter mit 8 Schaltern erreichte resultierende Verstärkung die
Grundverstärkung
in Inkrementen entsprechend dem binären Status der Schalter erhöht. Zum
Beispiel versieht die Schaltung, wenn nur der erste und der achte
Schalter des DIP-Schalters
eingeschaltet sind, den Verstärker
mit einer Verstärkung,
die einen relativen Wert gleich der Grundverstärkung plus 129 hat. Da der
DIP-Schalter 8 Schalter hat, kann die Schaltung Verstärkungswerte
mit 256 Abstufungen erzeugen.
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Der
von der Schwellenwertschaltungsanordnung 80 ausgewählte Schwellenwert
kann auf ähnliche Weise
gewählt
werden, wie in 10 illustriert wird. Wie gezeigt,
kann die Bedienkraft bei einem DIP-Schalter mit 4 Schaltern 110 zwischen
vier verschiedenen Schwellenwerten wählen: 30 %, 40 %, 50 % und
60 %. Anders als der Verstärker 76 ist
der DIP-Schalter 110 aber
nicht binär
codiert. Es sollte jeweils ein Schalter eingeschaltet sein, der
einen der Widerstände
R12 bis R15 auswählt.
Diese Widerstände
ergänzen
den von den Widerständen
R16 und R17 gebotenen Widerstand und stellen daher in Verbindung
mit Signalteiler 112 das gewünschte Schwellenwertsignal
zur Eingabe in die Vergleichsschaltung 82 bereit.
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Die
Vergleichsschaltung 82 vergleicht das Schwellenwertsignal
mit dem Ausgang des AC-Verstärkers 76 und
erzeugt eine Anzeige dessen, ob ein Streifen vorhanden ist oder
nicht. Die Vergleichsschaltung kann konventionelle Komparatorkomponenten
wie Widerstände
R18 und R19, Kondensatoren C3 und C4 und Komparator 114 aufweisen,
wie fachkundige Personen leicht verstehen werden. Desgleichen kann
der Rest der in 8 gezeigten Schaltungsblöcke eine
konventionelle Schaltungsanordnung umfassen und wird daher, um die
Besprechung nicht verwirrend zu machen, hier nicht weiter besprochen.
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Der
Ausgang des Komparators 82 wird an die Schnittstelle 216 gesendet
und dann an Computer 218 (mit Bezug auf 3).
Gemäß beispielhaften
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung tastet der Computer die
Daten vom Sensor alle 0,25 mm ab. Wie erwähnt, kann der Computer zum
Senden von Aussortierungssignalen an die Zigarettenherstellungsmaschine 200 verwendet
werden. Des Weiteren kann der Computer statistische Anzeigen der
Vollständigkeit
von Streifen darstellen, die vom Sensor erkannt wurden.
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Bei
Betrieb wird der Computer 218 zum Analysieren des Streifensignalausgangs
vom Sensor in Verbindung mit dem Codierersignal zum Bereitstellen
einer Anzeige dessen verwendet, ob die Streifenbreiten und -abstände nicht
maßhaltig
sind. Zu diesem Zweck speichert der Computer eine Batch-Datei, die
von der Bedienkraft eingegebene Werte enthält, die eine Mindeststreifenbreite,
eine maximale Streifenbreite, einen Streifenmindestabstand und einen
maximalen Streifenabstand anzeigen. Das Signal vom Sensor wird mit
Bezug auf diese Toleranzen verglichen. Der Computer führt ein
Protokoll der nicht maßhaltigen
Streifenbreiten und Streifenabstände,
die dem Benutzer angezeigt werden können.
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Wie
erwähnt,
legt der Computer auch ein Signal an die Zigarettenherstellungsmaschine 200 an,
um die Maschine anzuweisen Zigaretten auszusortieren, die nachfolgend
aus den unregelmäßige Streifen
enthaltenden Abschnitten des Zigarettenpapiers hergestellt werden.
Insbesondere wird dieses Signal an die Zigarettenherstellungsmaschine
gesendet, wenn die Streifenbreiten zu lang oder zu kurz sind oder
wenn der Streifenabstand zu lang oder zu kurz ist. Als zusätzliche
Schutzmaßnahme
kann der Detektor für
fehlende Streifen, wenn der Abstand zwischen regelmäßigen Streifen
größer als
20 maximale Streifenabstände
ist, so konfiguriert werden, dass er Aussortierungssignale an die
Zigarettenherstellungsmaschine sendet, bis er 10 regelmäßig beabstandete
Streifen findet. Der Computer 218 kann auch Zigarettenaussortierungssignale
an die Zigarettenherstellungsmaschine senden, wenn der Sensor eine
Alarmbedingung erzeugt. Unter allen obigen Umständen kann der Computer aber
vom Senden von Signalen an die Zigarettenherstellungsmaschine gehindert werden,
wenn der Codierer anzeigt, dass die Maschine mit Geschwindigkeiten
außerhalb
(z.B. unter) eines vorgeschriebenen Werts betrieben wird.
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Die
Funktionsweise des Algorithmus, die der Computer 218 benutzte,
um die Vollständigkeit
von Streifen auf dem Zigarettenpapier zu bewerten, wird in Bezug
auf die 11(a) bis 11(g) leichter
verständlich. 11(a) illustriert die Situation, in der
der Ausgang des Sensors in seinem Streifenfolgemodus die Eingabe für den maximalen
Streifenabstand durch die Bedienkraft übersteigt, woraufhin der Computer
ein Anomaliesignal aktiviert. Das Anomaliesignal wird deaktiviert,
wenn ein regelmäßiger Streifenabstand
gemessen wird oder nach 5 ms, je nachdem, was länger dauert. 11(b) illustriert
die entgegengesetzte Situation, bei der der Ausgang des Sensors
einen Streifen erkennen lässt,
der zu kurz ist. Der Computer aktiviert ein Anomaliesignal, bis
der Streifenabstand regelmäßig wird
oder nach 5 ms, je nachdem, was länger dauert.
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11(c) zeigt die Erzeugung eines Anomaliesignals
bei Erkennen des Vorhandenseins eines Streifens, der zu kurz ist. 11(d) zeigt die Erzeugung eines Anomaliesignals
bei Erkennen des Vorhandenseins eines Streifens, der zu lang ist.
In beiden Fällen
wird das Anomaliesignal deaktiviert, wenn der Streifen gemessen
wird und eine regelmäßige Breite
hat oder nach 5 ms, je nachdem, was länger dauert.
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11(e) zeigt die Erzeugung eines Anomaliesignals
bei Erkennen eines fehlenden Streifens. Speziell wird das Anomaliesignal
aktiviert, wenn der von der Bedienkraft vorgegebene maximale Abstand
ohne Erkennung eines Streifens erreicht wird. Desgleichen zeigt 11(f) die Erzeugung eines Anomaliesignals
als Reaktion auf das Erkennen eines fehlenden Zwischenraums. Das
Anomaliesignal wird aktiviert, wenn die von der Bedienkraft vorgegebene
maximale Streifenbreite ohne Erkennung eines Zwischenraums erreicht
wird.
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Schließlich zeigt 11(g), dass der Algorithmus Software umfassen
kann, die kleine Störungen
im Sensorausgang filtert und eliminiert. Dementsprechend signalisieren
diese kleinen Störungen
(wie z.B. Rauschspitzen und Signalabfälle) nicht fälschlich
das Ende oder den Anfang eines Streifens oder Zwischenraums.
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Statistiken
bezüglich
einer Zigarettenpapierbobine werden vom Computer 218 gesammelt
und der Bedienkraft angezeigt. Eine beispielhafte Anzeige wird in 12 gezeigt.
Die Anzeige zeigt die Setup-Informationen aus der Batch-Datei, welche
die Mindeststreifenbreite (in mm), die maximale Streifenbreite,
den Mindeststreifenabstand und den maximalen Streifenabstand enthalten.
Die Anzeige stellt die Anzahl von Streifen innerhalb der Grenzwerte,
die Anzahl von Streifen außerhalb
der Grenzwerte und die Anzahl von Zwischenräumen außerhalb der Grenzwerte dar.
Die Anzeige stellt die durchschnittliche und normale Streifenbreitenabweichung
sowie die Mindest- und maximale Streifenbreite dar. Die Anzeige
stellt die gleichen Informationen in Bezug auf die Streifenbeabstandung
dar. Als Bezugssystem stellt die Anzeige die vom Codierer gemessene
Papiergeschwindigkeit dar und außerdem, ob zurzeit eine Alarmbedingung
aktiv ist. Je nach der Wahl der Bedienkraft kann die Sammlung von
Streifenstatistiken durch das System deaktiviert werden, während das
Gerät in
einem Fehlermodus ist.
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Alle
oben identifizierten Informationen können vom Computer gespeichert
und später
zur Analyse oder zum Vergleich mit anderen Durchläufen abgerufen
werden.
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Es
ist vorgesehen, dass die oben beschriebenen beispielhaften Ausgestaltungen
in jeder Hinsicht die vorliegende Erfindung veranschaulichen anstatt
begrenzen. Die vorliegende Erfindung ist daher vieler Variationen
der detaillierten Umsetzung fähig,
die von einer fachkundigen Person aus der hierin enthaltenen Beschreibung
abgeleitet werden können.
Alle derartigen Variationen und Modifikationen gelten als innerhalb
des Sinnes und Umfangs der von den folgenden Ansprüchen definierten
vorliegenden Erfindung liegend.
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Die
vorliegende Erfindung wurde beispielhaft im Zusammenhang der optischen
Prüfung
von Streifen enthaltendem Zigarettenpapier beschrieben. Die Grundsätze der
Erfindung gelten aber auch für
die Prüfung anderer
Typen von Bahnmaterial, das verschiedene Typen von daran ausgebildeten
Zeichen hat. Des Weiteren wurde der Sensor im Umfeld einer Zigarettenherstellungsmaschine
beschrieben. Der Sensor hat aber auch andere Verwendungen. Zum Beispiel
kann der Sensor zum Erkennen von auf Zigarettenpapier gebildeten Streifen
verwendet werden, während
das Papier von einer ersten Bobine (Abwickelbobine) auf eine zweite
Bobine (Aufwickelbobine) übertragen
wird.