WO2009080179A1 - Rotationsdruckmaschine mit energieautarkem aktorsystem - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a rotary printing machine whose moving or rotating parts has a self-sufficient energy generator which generates energy in the form of e-lektrischer voltage over a longer period by utilizing the vibration and kinetic energy and an energy storage over a longer period charges, and at a defined period to provide the energy from the energy storage in a relatively short period of time to achieve an action, such as stiffening a component containing piezo fibers, by applying a voltage to the piezo fibers.
- an autonomous energy generator In contrast to a conventional energy supply, it is required for an autonomous energy generator according to the invention that it is not bound to any lines which extend outside the movable part of the printing press or these in another suitable form, for example by inductive or capacitive coupled contactless energy be transferred to the moving parts of the printing press. As a result, the expensive and spatially limited energy transmission via rotary joints is avoided because of the problem of contamination in the printing press. Due to the self-sufficient energy supply, the component provides itself with the required energy. For this purpose, it is required that the energy is not radiated from the outside and that the energy conversion does not influence other processes in the environment. As a result, the energy self-sufficient power supply differs from solutions with external energy radiation or inductive energy transmission.
- active materials for example piezo fibers
- these components can be applied at defined times by applying a voltage to the active magnet.
- be rigidified materials whereby a rigidity can be achieved, which can exceed the rigidity of the starting material several times.
- An internal power supply in the moving part also makes it easy to integrate adaptronic solutions, for example active elements for opening and / or closing grippers.
- the internal power / voltage supply allows a small-scale design without the complex connection of an external control, such as the opening of grippers by a shaft, which is actuated by an external cam.
- the component according to the invention consists essentially of two assemblies, the energy generator system and the actuator system, for example, an embedded in the lightweight construction active piezoelectric or one or more adaptronic actuators.
- the energy generator system has the task of depriving the environment of energy.
- the electrical size of the energy converter is adapted to the requirements of the operation of the actuator.
- the power supply may also have an energy store in the form of one or more capacitors and / or rechargeable batteries.
- Rechargeable capacitors of high capacity which are referred to as double-layer capacitors (also called supercapacitors, supercaps, ultracaps, etc.), offer particular advantages.
- the double-layer capacitors As an alternative to the double-layer capacitors also come into consideration, which can not provide the energy as suddenly as the double-layer capacitors.
- the possibilities of energy conversion from the environment are very diverse. In printing machines, essentially the kinetic energy of the moving parts is used. It is converted from mechanical energy in the form of oscillations, vibrations or compressive forces. It can be done inter alia by changing a charged capacitance (voltage difference from the change in the plate spacing) or by mechanical pressure forces on piezoelectric materials (voltage difference from the shift of charges due to structural changes). In particular, the piezoelectric materials are suitable for use in printing machines because of their robustness and durability.
- the power generation and the actuators can be combined in one or more components, for example by piezo fibers being operated partly passively (for power generation) or actively (as an actuator).
- the piezo fiber system can also be operated as a passive system for a long time (for power generation), while at defined times the same system is used as an actuator by charges are pushed into this.
- This procedure makes sense, for example, in cantilever systems of a sheet-fed rotary printing press, since there are no special stiffness requirements over long distances. These periods can be used for power generation, while at defined times the same system is used as an actuator for stiffening the system. This is particularly necessary at the time of sheet transfer to avoid tearing the sheet leading edge.
- the energy generation and actuator system can also be two separate modules or elements. This has the advantage that the power generation system can be optimally designed for the utilization of the vibration and / or kinetic energy.
- the generator is in its characteristic frequency spectrum of the vibrations / deformations typical of the respective moving part of the printing machine. tuned.
- the generator can be constructed of different matched piezoelectric generators, each covering a typical frequency range, with at least two piezo elements resonant to different frequency ranges.
- the aim of such a multi-frequency solution is the optimal utilization of the vibration and / or kinetic energy for the generation of electrical charges. Since rotating or moving elements in a printing machine have different speed profiles and vibration characteristics, a multi-generator solution is ideally designed to provide approximately uniform power over high speed ranges.
- the switching between active and passive operation or the activation of the actuator is ideally carried out by an external trigger signal that is transmitted by contact or by the operation of a switch or by wireless data transmission into the device.
- the device contains a small circuit for evaluation and switching of the power supply and optionally - in the case of a wireless transmission of the trigger signal - a receiving unit, for example in the form of an antenna.
- the triggering by the trigger circuit can be triggered in fixed periodic intervals, time-controlled or by an external trigger signal.
- the trigger circuit only has to decode the external signal.
- different elements can be addressed via a coding of the trigger signal.
- the grippers of a gripper bar can be individually addressed and triggered to avoid, for example, sheet tension caused by a specific opening of the gripper bar.
- integrative adaptronic solutions can be grippers on cylinders or on delivery systems of a ner sheet-fed press, the individual, or grouped together, have their own drive.
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Abstract
Eine Rotationsdruckmaschine mit beweglichen oder rotierenden Maschinenelementen, vorzugsweise in Leichtbauweise, soll teilweise aktive Elemente, zum Beispiel Piezofasern und/oder adaptronische Elemente, enthalten. Diese Elemente werden zu definierten Zeitpunkten aktiviert. Zur vereinfachten Ausführung in der Duckmaschine ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein integrierter autarker Energiegenerator an dem bewegten Bauteil angebracht wird. Der Betrieb von Aktoren erfolgt mittels mehrerer Energiespeicher, die durch den Energiegenerator werden. Eine Triggerschaltung gegebenenfalls mehrere Netzteile regeln die Energieversorgung der Aktoren.
Description
Rotationsdruckmaschine mit energieautarkem Aktorsystem
Die Erfindung betrifft eine Rotationsdruckmaschine, deren bewegte oder rotierende Teile eine autarken Energiegenerator aufweist, die über längeren Zeitraum durch Ausnutzung der Vibrations- und Bewegungsenergie Energie in Form von e- lektrischer Spannung erzeugt und einen Energiespeicher über einen längeren Zeitraum auflädt, und zu einem definierten Zeitraum die Energie aus dem Ener- giespeicher in einem relativ kurzem Zeitraum zur Verfügung zu stellen, um eine Aktion, zum Beispiel eine Versteifung eines Bauteils, das Piezofasern enthält, über das Anlegen einer Spannung an die Piezofasern zu erzielen.
Im Unterschied zu einer konventionellen Energieversorgung wird für einen erfin- dungsgemäßen autarken Energiegenerator gefordert, dass sie an keine Leitungen gebunden ist, die außerhalb des beweglichen Teils der Druckmaschine reichen oder diese in einer anderen geeigneten Form, zum Beispiel durch induktive oder kapazitive gekoppelte kontaktlose die Energie in die bewegten Teilen der Druckmaschine übertragen werden . Hierdurch wird die teure und wegen der Ver- schmutzungsproblematik in der Druckmaschine fehleranfällige und räumlich limitierte Energieübertragung über Drehübertrager vermieden. Durch die energieautarke Energieversorgung versorgt sich das Bauteil selbst mit der benötigten Energie. Dazu wird gefordert, dass die Energie nicht von außen eingestrahlt und das durch die Energieumwandlung auch keine Beeinflussung anderer Prozesse im Umfeld erfolgt. Dadurch unterscheidet sich der energieautarke Spannungsversorgung von Lösungen mit äußerer Energieeinstrahlung oder induktiver Energieübertragung.
Es besteht vielfach der Wunsch in bewegliche Teile der Druckmaschine in einer Leichtbauweise zum Beispiel als Faserverbundmaterial auszuführen. Durch die Integration von aktiven Materialien, zum Beispiel Piezofasern, können diese Bauteile zu definierten Zeitpunkten durch Anlegen einer Spannung an die aktiven Ma-
terialien versteift werden, wobei eine Steifigkeit erzielt werden kann, die ein mehrfach die Steifigkeit des Ausgangsmaterials überschreiten kann. Eine interne Spannungsversorgung in dem beweglichen Teil ermöglicht auch auf einfache Weise die Integration adaptronischer Lösungen, zum Beispiel aktive Elemente zum Öffnen und/oder Schließen von Greifern. Die interne Strom- / Spannungsversorgung ermöglicht eine kleinteilige Bauweise ohne die aufwendige Anbindung einer externen Steuerung, wie zum Beispiel die Öffnung von Greifern durch eine Welle, die von einer außen liegenden Kurvenscheibe betätigt wird.
Der erfindungsgemäße Bauelement besteht dabei im Wesentlichen aus zwei Baugruppen, dem Energiegeneratorsystem und dem Aktorsystem, zum Beispiel eine in das Leichtbausystem eingebettete aktive Piezofasem oder eine oder mehrere adaptronische Stellglieder. Das Energiegeneratorsystem hat dabei die Aufgabe dem Umfeld Energie zu entziehen. Im Netzteil des Energieversorgungssystems wird die elektrische Größe des Energiewandlers an die Erfordernisse des Betriebs des Aktors angepasst. Das Netzteil kann auch einen Energiespeicher in der Form eines oder mehrerer Kondensatoren und/oder aufladbaren Batterien haben. Dabei bieten wiederaufladbare Kondensatoren hoher Kapazität, die als Doppeltschichtkondensatoren (auch Superkondensatoren, Supercaps, Ultracaps etc. bezeich- net), besondere Vorteile. Sie können auch bei niedrigen Temperaturen vollständig aufgeladen werden, sind sehr stabil gegen Vibrationen und Stöße, wie sie in Druckmaschinen vorkommen und können mit einer einfachen Ladeelektronik versorgt werden. Sie sind im Gegensatz zu klassischen Kondensatoren elektrochemische Energiespeicher und speichern bei gleichen Volumen bedeutend mehr Energie als konventionelle Kondensatoren. Im Vergleich zu einer Batterie können sie diese auch sehr viel schneller abgeben.
Als Alternative zu den Doppeltschichtkondensatoren kommen auch Akkumulatoren in Betracht, wobei diese die Energie nicht so schlagartig zur Verfügung stellen können, wie die Doppeltschichtkondensatoren.
Die Möglichkeiten der Energieumwandlung aus dem Umfeld sind dabei sehr vielfältig. In Druckmaschinen wird dabei im Wesentlichen die Bewegungsenergie der bewegten Teile benutzt. Sie wird aus mechanischer Energie in Form von Schwingungen, Vibrationen oder Druckkräften gewandelt. Sie kann unter anderem durch die Veränderung einer aufgeladenen Kapazität (Spannungsdifferenz aus der Veränderung des Plattenabstandes) oder durch mechanische Druckkräfte auf piezoelektrische Materialien (Spannungsdifferenz aus der Verschiebung von Ladungen infolge der Gefügeänderungen) erfolgen. Insbesondere die piezoelektrischen Materialien eignen sich wegen Ihrer Robustheit und Langlebigkeit für den Einsatz in Druckmaschinen.
Dabei können das Energieerzeugung und die Aktorik in einem oder mehreren Bauelementen kombiniert sein, zum Beispiel indem Piezofasern teilweise passiv (zur Energieerzeugung) oder aktiv (als Aktor) betrieben werden. Das Piezofaser- System kann auch über eine lange Zeit als passives System betrieben werden (zur Energieerzeugung), während zu definierten Zeitpunkten dasselbe System als Aktor benutzt wird, indem Ladungen in dieses hinein geschoben werden. Diese Vorgehensweise macht zum Beispiel bei Auslegersystemen einer Bogenrotations- druckmaschine Sinn, da über lange Wegstrecken keine besonderen Steifigkeitsan- forderungen bestehen. Diese Zeiträume können zur Energieerzeugung genutzt werden, während zu definierten Zeitpunkten dasselbe System als Aktor zur Versteifung des Systems genutzt wird. Dies ist insbesondere zu den Zeitpunkten der Bogenübergabe erforderlich, um eine Einreißen der Bogenvorderkante zu vermeiden.
Das Energiererzeugungs- und Aktorsystem können aber auch zwei getrennte Module bzw. Elemente sein. Dies hat den Vorteil, dass das Energieerzeugungssystem optimal auf die Ausnutzung der Vibrations- und/oder Bewegungsenergie ausgelegt werden kann.
Idealerweise ist der Generator auf das jeweilige bewegte Teil der Druckmaschine typische Frequenzspektrum der Vibrationen / Verformungen in seiner Charakteris-
tik abgestimmt. Der Generator kann dabei aus verschiedenen aufeinander abgestimmten Piezogeneratoren aufgebaut sein, die jeweils einen typischen Frequenzbereich abdecken, wobei sich mindestens zwei Piezoelemente resonant zu unterschiedlichen Frequenzbereichen zeigen. Ziel einer solchen Mehrfrequenzlösung ist die optimale Ausnutzung der Vibrations- und/oder Bewegungsenergie zur Generation von elektrischen Ladungen. Da rotierende oder bewegte Elemente in einer Druckmaschine unterschiedliche Geschwindigkeitsprofile und Vibrationseigenschaften aufweisen, ist eine Mehrgeneratorenlösung in idealer Weise so aufgebaut, dass über große Geschwindigkeitsbereiche eine annährend gleichmäßige Stromversorgung erfolgt.
Die Umschaltung zwischen aktiven und passiven Betrieb oder die Aktivierung des Aktuators (Aktors) erfolgt idealer weise durch ein externes Triggersignal, das kontaktend oder durch die Betätigung eines Schalters oder durch drahtlose Daten- Übertragung in das Bauelement übertragen wird. Das Bauelement enthält eine kleine Schaltung zur Auswertung und Umschaltung der Stromversorgung und gegebenenfalls - im Falle einer drahtlosen Übertragung des Triggersignals - eine Empfangseinheit, zum Beispiel in der Form einer Antenne.
Die Triggerung durch die Triggerschaltung kann in festen periodischen Abständen, zeitgesteuert oder durch ein externes Triggersignal ausgelöst werden. In diesem Fall hat die Triggerschaltung nur das externe Signal zu dekodieren. Dabei kann über eine Kodierung des Triggersignals unterschiedliche Elemente angesprochen werden. So können zum Beispiel die Greifer einer Greiferleiste individuell ange- sprachen und getriggert werden, um zum Beispiel Bogenverspannungen durch eine gezielte Öffnung derselben zu vermeiden.
Die erfindungsgemäß gefundene Lösung ermöglicht eine deutliche kompaktere Bauweise von Maschinenelementen an Rotationsdruckmaschinen und führt gleichzeitig zu Qualitätsverbesserungen durch gezielte Steifigkeitssteuerung und die Ansteuerung integrativer adaptronischer Lösungen. Solche integrative a- daptronische Lösungen können Greifer an Zylindern oder an Auslegesystemen ei-
ner Bogendruckmaschine sein, die einzelnen, oder in Gruppen zusammengefasst, einen eigenen Antrieb aufweisen.
Claims
1. Rotationsdruckmaschine mit beweglichen oder rotierenden Maschinenelementen, vorzugsweise in Leichtbauweise, die zu mindestens teilweise aktive EIe- mente, zum Beispiel Piezofasern und/oder adaptronische Elemente enthalten und diese zu definierten Zeitpunkten aktiviert werden, gekennzeichnet durch, a) ein in das bewegte Bauteil integrierter autarker Energiegenerator, b) ein bewegliches oder rotierendes Bauteil einer Rotationsdruckmaschine, wobei dieses Bauteil gegebenenfalls eine oder mehrere Schaltungen, und einen oder mehrere Energiespeicher beinhaltet, wobei der oder die Energiespeicher durch den Energiegenerator über einen gegenüber dem Abgabezeitraum längeren Zeitraum aufgeladen wird, c.) eine Triggerschaltung, die kurzfristige Abgabe der Energie aus dem Ener- giespeicher an das oder die aktiven Materialien und/oder adaptronischen Elementen des Leichtbauelementes steuert, d.) und gegebenenfalls ein oder mehrere Netzteile, die zwischen die einzelnen Elemente geschaltet sind, um eine gegebenenfalls notwendige Spannungsanpassung durchzuführen.
2. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, dass der Generator des Energieversorgungssystems ein mechanisch-elektrischer Wandler ist, der mechanische Energie aus Vibrationen und Verformungen der bewegten Teile der Druckmaschine in elektrische Energie umwandelt.
3. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Generator des Energieversorgungssystems ein Piezoelement aufweist, insbesondere piezokeramische Fasern und/oder Piezofolien und/oder piezoelektrische Beschichtungen und/oder Elektretfolien und/oder polymere Elektrete.
4. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass das Energieversorgungssystem neben dem Generator noch ein wieder- aufladbarer Energiespeicher, vorzugsweise ein Dünnschichtkondensator (Su- percap) und/oder einen Akkumulator aufweist, der direkt oder über einen Um- richterschaltung von dem Generator gespeist wird,
5. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass der Generator auf das jeweilige bewegte Teil der Druckmaschine typische Frequenzspektrum der Vibrationen / Verformungen abgestimmt wird,
6. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass der Generator aus verschiedenen aufeinander abgestimmten Piezogeneratoren aufgebaut ist, die jeweils einen typischen Frequenzbereich abdecken, wobei sich mindestens zwei Piezoelemente reso- nant zu unterschiedlichen Frequenzbereichen zeigen,
7. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass der aus mehreren Elementen aufgebaute Generator so ausgelegt ist, dass über alle Geschwindigkeitsbereiche, ausgehend von der Grunddrehzahl oder einer anderen beliebigen Drehzahl unterhalb der maximalen Drehzahl bis zur maximalen Drehzahl, annähernd gleichmäßig Energie erzeugt wird,
8. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass der Generator des Energieversorgungssystems aus mehrere Piezomo- dule, bestehend aus einem Folien / Faserverbund, parallel geschaltet sind und somit die pro Zeiteinheit erzeugte Ladungsmenge vervielfacht wird,
9. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass das oder die Piezoelemente in einem Arbeitszyklus sowohl als Genera- tor/-en und als auch als Aktor/-en verwendet werden.
10. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, dass die Energieerzeugung und die Sensorfunktion sich periodisch oder ereignisgesteuert abwechseln, wobei während der Phase der Energieerzeugung ein Energiespeicher aufgeladen wird, der während der Phase der Aktorfunktion für den Aktorbetrieb genutzt wird.
11. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, dass die Triggerung der Energieabgabe an die aktiven Elemente und/oder adaptroni- schen Elemente periodisch und/oder Zeitgesteuert erfolgt.
12. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, dass die Triggerung der Energieabgabe an die aktiven Elemente und/oder adaptro- nischen Elemente durch eine externes Triggersignal erfolgt, die von der Triggerschaltung ausgewertet wird.
13. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Triggerung der Energieabgabe durch eine drahtlose Datenübertragung, zum Beispiel über Funk, in das Bauteil übertragen wird.
14. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet dadurch, dass bei Verwendung mehrerer beweglicher Bauelemente der Druckmaschine und/oder mehrerer adaptronischer Elemente, die jeweiligen Elemente einzeln oder gruppenweise auf unterschiedlich kodierte Triggersignale reagieren, so dass jedes Element individuell oder jede Elementgruppen einzeln angespro- chen und unabhängig von anderen Elementen gesteuert werden kann.
15. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass das bewegliche Bauelement der Rotationsdruckmaschine einer oder mehreren Druckwalzen, bestehend aus Walzenkörpern, Walzenzapfen und Walzenlagern, ist bzw. sind.
16. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass das bewegliche Bauelement der Rotationsdruckmaschine ein oder mehrere Farbheber, bestehend aus Walzenkörpern, Walzenzapfen, Walzenlagern und Walzenhebeln, ist bzw. sind.
17. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass das bewegliche Bauelement der Rotationsdruckmaschine ein oder mehreren Zylindern (Druckformzylinder, gegebenenfalls Gummituchzylinder und Gegendruckzylinder) sind.
18. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass das bewegliche Bauelement der Rotationsdruckmaschine Bestandteil des Anlegers einer Bogenrotationsdruckmaschine ist.
19. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass das bewegliche Bauelement der Rotationsdruckmaschine ein Vorgreifer einer Bogenrotationsdruckmaschine ist.
20. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass das bewegliche Bauelement der Rotationsdruckmaschine ein oder mehrere Auslegersysteme im Ausleger einer Bogenrotationsdruckmaschine ist bzw. sind.
21. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass das bewegliche Bauelement der Rotationsdruckmaschine eine Druckformhülse bzw. Druckformsleeves ist bzw. sind.
22. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass das bewegliche Bauelement der Rotationsdruckmaschine Bestandteil ei- nes Falzwerkes einer Rollenrotationsdruckmaschine ist bzw. sind.
23. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass das bewegliche Bauelement der Rotationsdruckmaschine Bestandteil einer Weiterverarbeitungseinrichtung einer Druckmaschine ist.
24. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Rotationsdruckmaschine eine Bogen- oder Rollenoffsetdruckmaschine ist.
25. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Rotationsdruckmaschine eine Bogen- oder Rollenflexodruckmaschi- ne bzw. Bogen- oder Rollenhochdruckmaschine handelt.
26. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Rotationsdruckmaschine eine Bogen- oder Rollentiefdruckmaschine ist.
27. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Rotationsdruckmaschine eine RoNensiebdruckmaschine ist.
28. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Rotationsdruckmaschine eine Kombinationsdruckmaschine ist, die mindestens zwei Druckverfahren aus der Gruppe Flexodruck, Tiefdruck, Siebdruck und Offsetdruck aufweist.
29. Rotationsdruckmaschine nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass die adaptronischen Elemente Greifer sind, die einzelnen oder in Gruppen zusammengefasst durch einen eigenen Antrieb geöffnet und/oder geschlossen werden können.
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