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Vorrichtung
zum Erfassen eines Bahnbruchs an einer eine Bahn verarbeitenden
Maschine Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Erfassen eines Bahnbruchs
an einer eine Bahn verarbeitenden Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1, 8 oder 9.
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Vorrichtungen
zum Erfassen des Bahnbruchs sind für die Betriebssicherheit von
hoher Bedeutung, da ein Bahnbruch dazu führen kann, dass sich die gebrochene
Bahn in der Maschine staut oder sich um Walzen der Maschine herumwickelt
und dabei Teile der Maschine beschädigt, bevor die Maschine und
damit die Bahn angehalten werden kann. Diese zwei Typen von Störungen werden
als „Stopfer" bzw. „Wickler" bezeichnet.
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Zur
Erfassung eines Bahnbruchs ist bekannt, diverse Eigenschaften der
Bahn zu überwachen.
So wird z. B. in
DE
38 22 497 A1 die physische Anwesenheit der Bahn an einem
von ihrem unter normalen Betriebsbedingungen verfolgten Weg abweichenden Ort
durch einen Schalter überwacht,
der bei Kontakt mit der Bahn ausgelöst wird. Ein solcher Schalter kann
nur wirksam sein, wenn es an der Stelle, an der er angeordnet ist,
im Falle eines Bruchs tatsächlich zu
einer Auslenkung der Bahn kommt, also in unmittelbarer Nähe der Bruchstelle.
Ein wirksamer Schutz erfordert daher eine große Zahl von Schaltern.
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In
WO 99 65 808 A1 ist vorgeschlagen, zur Brucherfassung die Spannung
einer Materialbahn zu überwachen.
Dies ermöglicht
mit einer vergleichsweise geringen Zahl von Sensoren eine zuverlässige und
frühzeitige
Erfassung von Bahnbrüchen,
da ein Bahnbruch mit sehr geringer Verzögerung zu einem messbaren Nachlassen
der Bahnspannung auch an weit von der Bruchstelle entfernten Orten
führt.
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Auf
diese Weise kann die bahnverarbeitende Maschine zwar zuverlässig vor
Beschädigung
durch Stopfer und Wickler geschützt
werden, doch ergibt sich das Problem, dass nicht nur Bahnrisse die
Ursachen von Schwankungen der Bahnspannung sein können. So
kann es beim Hochfahren der bahnverarbeitenden Maschine oder allgemein
beim Ändern
ihrer Geschwindigkeit zu Schwingungserscheinungen kommen, die Spannungsschwankungen
in der Bahn verursachen. Diese Spannungsschwankungen sind im Moment
ihres Auftretens nur schwer von denen unterscheidbar, die durch
einen Bahnriss verursacht werden.
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Insbesondere
bei Rollendruckmaschinen kann auch der Rollenwechsel Ursache von
Spannungsschwankungen sein, die irrtümlich als Bahnriss erfasst
werden könnten.
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In
DE 42 19 645 A1 ist
eine Vorrichtung zur Erkennung eines Papierbahnrisses vorgeschlagen, die
auf eine Richtungsumkehr der Papierbahn reagiert. Eine solche Richtungsumkehr
kann auftreten, wenn in Folge eines Bahnrisses die Bahnspannung so
weit abgenommen hat, dass ein weitgehend spannungsloser Abschnitt
der Bahn in der Lage ist, an einer Walze der Maschine haften zu
bleiben und sich auf dieser aufzuwickeln. Wenn dies geschieht, kann Bahnmaterial,
welches die betreffende Walze bereits passiert hat, zurückgezogen
und auf die Walze aufgewickelt werden. Wenn die daraus resultierende Richtungsumkehr
der Bahn erfasst wird, hat der Wickler an der Walze jedoch bereits
begonnen, sich zu bilden. Wenn die Bildung des Wicklers nicht sofort bei
Entstehung des Bahnrisses beginnt, kann sich daher an anderer Stelle
der Maschine ein umfangreicher Stopfer gebildet haben, bevor die
Vorrichtung anspricht.
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Eine
Vorrichtung zum Erfassen eines Bahnbruchs in Abhängigkeit der Geschwindigkeit
der Bahn ist aus
DE
101 29 889 A1 bekannt.
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Der
Artikel „Funktionsprinzip" der Fa. Polytec GmbH,
Waldbronn, beschreibt einen Sensor zur Geschwindigkeitsmessung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen zum Erfassen
eines Bahnbruchs an einer eine Bahn verarbeitenden Maschine zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1, 8 oder 9 gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass mit einfachen Mitteln eine genaue Geschwindigkeitsmessung der Bahn
und damit eine frühzeitige
Erfassung eines Bahnbruchs ermöglicht
wird. Anders als bei einem direkt den Dopplereffekt nutzenden Messprinzip,
bei dem die als Messgröße erfassbare
Frequenzverschiebung eines Abtastsignals proportional zum Verhältnis der
Bahngeschwindigkeit zur Ausbreitungsgeschwindigkeit des Abtastsignals
(und infolgedessen bei einem lichtschnellen Abtastsignal sehr klein)
ist, ist gemäß der Erfindung
die Messgröße proportional zum
Verhältnis
der Bahngeschwindigkeit zur Bewegungsgeschwindigkeit des periodischen
Musters. So wird auch bei geringen Bahngeschwindigkeiten eine leicht
zu erfassende und mit einfachen Mitteln zu verarbeitende Messgröße erhalten.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass die Messgröße auch bei in Ruhe befindlicher
Bahn nicht verschwindet, so dass mit der Erfindung die Unterscheidung zwischen
einer ruhenden und einer nicht vorhandenen Bahn möglich ist.
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Die
Vorrichtung kann auch bei wechselnden Bahngeschwindigkeiten weitgehend
autonom arbeiten, wenn die Auswerteeinrichtung eingerichtet ist, den
Sollwert, mit dem sie einen aktuellen Geschwindigkeitsmesswert des
Sensors vergleicht, aus früheren
vom Geschwindigkeitssensor gelieferten Messwerten zu berechnen.
Dies kann durch eine gleitende Mittelwegbildung erfolgen, wobei
die Zeitkonstante des Mittelwerts kurz genug zu wählen ist,
so dass Geschwindigkeitsänderungen
der Bahn, die sich aus gewollten Steuerungsvorgängen ergeben, etwa beim Anfahren
der bahnverarbeitenden Maschine, nicht zu einem Ansprechen des Sensors
führen.
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Eine
andere Möglichkeit
ist, dass die Auswerteeinrichtung den Sollwert, mit dem sie den
aktuellen Messwert eines gegebenen Geschwindigkeitssensors vergleicht,
von einem Messwert oder Messwerten ableitet, der/die von wenigstens
einem anderen Geschwindigkeitssensor geliefert wird/werden, z. B.
aus virtueller Leitachse.
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Differenzen
zwischen den von den verschiedenen Sensoren erfassten Geschwindigkeiten
weisen auf einen zwischen ihnen aufgetretenen Bahnbruch hin.
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Alternativ
kann die Vorrichtung mit einem Eingang zum Anlegen eines für den Sollwert
repräsentativen
Signals ausgestattet sein. Ein solches Signal kann z. B. von der
bahnverarbeitenden Maschine geliefert werden, z. B. virtuelle oder
reale Leitachsengeschwindigkeit, es kann aber auch von einem zweiten
Geschwindigkeitssensor geliefert werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Druckmaschine, die mit einer Vorrichtung
zum Erfassen eines Bahnbruchs ausgestattet ist;
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2 eine
schematische Darstellung des Geschwindigkeitssensors der Vorrichtung.
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Die
in 1 dargestellte Druckmaschine umfasst einen Rollenwechsler 01,
von dem eine zu bedruckende und zu überwachende Bahn 02,
z. B. eine Papierbahn 02, abgewickelt wird, zwei Druckeinheiten 03; 04,
eine Trockeneinrichtung 06, eine Kühlwalzenanordnung 07,
einen Falztrichter 08 und einen Falzapparat 09,
die von der Bahn 02 der Reihe nach durchlaufen werden.
Diese Einrichtungen sind allgemein bekannt und werden deshalb hier
nicht im Detail beschrieben.
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Zugwalzenpaare 11 sind
an verschiedenen Stellen auf dem Weg der Bahn 02 angeordnet
und werden angesteuert, um eine gewünschte Zugspannung der Bahn 02 gleichmäßig aufrechtzuerhalten. Diverse
Schutzeinrichtungen 12; 13 für den Fall eines Bahnbruches
sind entlang des Weges der Bahn 02 angeordnet. Eine erste
dieser Schutzeinrichtungen 12 ist ein Messer 12,
das am Eingang der ersten Druckeinheit 03 angeordnet ist,
um die Bahn 02 umgehend zu kappen, wenn ein Bahnbruch innerhalb der
Druckmaschine erfasst wird und so den Nachschub an Bahnmaterial,
der zu Wicklern und Stopfern in der Druckmaschine führen könnte, schnellstmöglich zu
unterbinden.
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Als
weitere Schutzeinrichtung 13 ist eine Fangeinrichtung 13 am
Eingang der Trockeneinrichtung 06 angeordnet, die dazu
dient, im Falle eines Bahnbruchs die von den Druckeinheiten 03; 04 abgegebene
Bahn 02 abzulenken und aufzufangen, bevor sie die Trockeneinrichtung 06 erreichen
kann. Die Fangeinrichtung 13 vermeidet Rückzugswickler
in den Druckeinheiten 03; 04.
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Die
Schutzeinrichtungen 12; 13 werden angesteuert
von einer Auswerteeinrichtung 14. Diese ist mit einer Mehrzahl
von an verschiedenen Stellen des Weges der Bahn 02 angeordneten
Sensoren 16 zum Erfassen der Bahngeschwindigkeit verbunden. In
der 1 sind Sensoren 16 jeweils am Ausgang jeder
Druckeinheit 03; 04 vor und hinter der Trockeneinrichtung 06,
hinter der Kühlwalzenanordnung 07, vor
dem Eintritt der Bahn 02 in den Falztrichter 08, sowie
zwischen dem Falztrichter 08 und dem Falzapparat 09 angeordnet.
Die Auswerteeinrichtung 14 hat ferner einen Eingang 17, über den
sie einen Sollwert der Bahngeschwindigkeit von einer (nicht dargestellten)
Steuerung der Druckmaschine empfängt.
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Die
Auswerteeinrichtung 14 liefert ein Bahnbrucherfassungssignal,
welches die Schutzeinrichtungen 12, 13 aktiviert
und einen Nothalt der Druckmaschine auslöst, sobald sie eine Abweichung
eines der von den Sensoren 16 gelieferten Messwerte vom Sollwert
erfasst, die einen vorgegebenen Prozentsatz des Sollwertes überschreitet.
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Bei
einer vereinfachten Variante der Bahnbruch-Erfassungsvorrichtung
entfällt
der Eingang 17; stattdessen wird der Geschwindigkeits-Sollwert,
mit dem der Messwert eines einzelnen Sensors 16 in der Auswerteeinrichtung 14 verglichen
wird, von Messwerten anderer Sensoren 16 abgeleitet. Dies
kann z. B. in einfacher Weise geschehen durch Mittelwertbildung über die
von den anderen Sensoren 16 erfassten Geschwindigkeitsmesswerte.
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Eine
andere Möglichkeit
ist, dass die Auswerteeinrichtung 14 zwei Mittelwerte bildet,
einen über
die Geschwindigkeitsmesswerte derjenigen Sensoren 16, die
in Laufrichtung der Bahn 02 vor einem jeweils betrachteten
Sensor 16 angeordnet sind, und einen zweiten über die
Messwerte der hinter ihm angeordneten Sensoren 16, den
vom betrachteten Sensor 16 gelieferten Messwert mit beiden
Mittelwerten vergleicht und das Bahnbrucherfassungssignal dann liefert,
wenn der Messwert von wenigstens einem dieser Mittelwerte um mehr
als den vorgegebenen Prozentsatz und einer vorgegebenen Steilheit (Steigung)
abweicht. So wird vermieden, dass sich eine Verlangsamung der Bahn 02 vor
einer Bruchstelle und eine Beschleunigung hinter der Bruchstelle gegenseitig
ausmitteln.
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Wenn
bei einer abermals vereinfachten Ausgestaltung lediglich zwei Sensoren 16 an
die Auswerteeinrichtung 14 angeschlossen sind, so kann
einer von ihnen als Lieferant des Sollwertsignals aufgefasst werden,
mit dem die vom anderen Sensor 16 erfasste Geschwindigkeit
verglichen wird.
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Denkbar
ist auch, die Auswerteeinrichtung 14 mit einem einzigen
Sensor 16 zu betreiben; in diesem Falle kann vorgesehen
werden, dass die Auswerteeinrichtung 14 den Geschwindigkeits-Sollwert, mit
dem sie die vom Sensor 16 zu einem gegebenen Zeitpunkt
erfasste Geschwindigkeit vergleicht, als gleitenden Mittelwert von
früher
vom gleichen Sensor 16 erfassten Geschwindigkeitswerten
berechnet.
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Es
besteht ferner die Möglichkeit,
die Auswerteeinrichtung 14 so auszulegen, dass sie wenigstens
zwei der oben für
die verschiedenen Varianten beschriebenen Vergleiche parallel durchführt. So kann
z. B., wenn nach einem Bahnriss die von verschiedenen Sensoren 16 erfassten
Geschwindigkeiten vom Sollwert nach oben und unten abdriften, durch
Vergleichen dieser Geschwindigkeiten miteinander der Bahnriss noch
früher
erfasst werden als durch Einzelvergleiche der Geschwindigkeiten
mit dem Sollwert.
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2 zeigt
schematisch die Struktur eines im Rahmen der vorliegenden Erfindung
bevorzugten Sensor 16, z. B. einen Geschwindigkeitssensors 16. Der
Geschwindigkeitssensor 16 umfasst eine Projektionseinrichtung
zum Projizieren eines bewegten Linienmusters auf die Bahn 02 und
einen Lichtdetektor zum Erfassen von von dem Lichtmuster zurückgeworfenem
Licht. Die Projektionseinrichtung ist aufgebaut aus einer frequenzstabilisierten
Laserdiode 21, insbesondere eine Halbleiter-Laserdiode,
die einen Laserstrahl in einen akustoptischen Modulator bzw. eine
Bragg-Zelle 22 abgibt. Ein Teil des Laserstrahls durchläuft die
Bragg-Zelle 22 unverändert;
ein anderer Teil wird an einer in der Bragg-Zelle 22 angeregten
Resonanzschwingung mit einer Frequenz von z. B. 40 MHz abgelenkt
und um die Resonanzfrequenz frequenzverschoben. Die auf diese Weise
erhaltenen zwei Strahlen werden, über Spiegel 23 geführt, an der
Oberfläche
der Bahn 02 zur Überlappung
gebracht. Ihre Interferenz erzeugt dort ein Streifenmuster mit einem
Streifenabstand Δs=λ/2 sin φ, wobei λ die Wellenlänge der
Laserdiode 21 und φ der
Winkel der zwei interferierenden Strahlen zur Oberflächennormalen
der Bahn 02 ist.
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Die
Phasendifferenz der zwei interferierenden Strahlen an jedem Punkt
der Bahnoberfläche
variiert in Folge der Frequenzverschiebung, mit der Folge, dass
sich das Streifenmuster mit einer Geschwindigkeit v=Δs × fd über
die Oberfläche
der Bahn 02 bewegt, wobei fd die
Frequenzdifferenz zwischen den zwei Strahlen ist.
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Das
von der Oberfläche
der Bahn 02 reflektierte Licht wird über eine Linse 24 auf
einen Photodetektor 26 gelenkt. Dieser liefert ein elektrisches Ausgangssignal,
dessen Amplitude der empfangenen Lichtintensität entspricht.
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Wenn
ein Punkt auf der mit dem Streifenmuster beleuchteten Oberfläche der
Bahn 02 in Ruhe ist, variiert die von ihm zurückgeworfene
Lichtintensität
mit der Resonanzfrequenz fd der Bragg-Zelle 22. Bewegt
sich ein solcher Punkt gleichsinnig mit dem Streifenmuster, so ist
die Frequenz der Intensitätsänderung
proportional zur Geschwindigkeit verringert; bei einer Bewegung
gegensinnig zur Laufrichtung des Streifenmusters ist sie entsprechend
proportional erhöht.
D. h., das Ausgangssignal des Photodetektors 26 enthält eine
oszillierende Komponente, deren Frequenz abhängig ist von der Geschwindigkeit der
Bahn 02. Eine Frequenzmessschaltung zum Erfassen dieser
Frequenz und Liefern eines zu ihr proportionalen Ausgangssignals
kann Teil des Sensors 16 sein, sie kann aber auch innerhalb
der Auswerteeinrichtung 14 realisiert sein.
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Ein
für die
Zwecke der Erfindung wichtiger Vorteil dieses Typs von Geschwindigkeitssensor
16 ist,
dass er es erlaubt, auch das Nichtvorhandensein einer Bahn
02 eindeutig
zu erkennen. Anders als der in
DE 42 19 645 A1 beschriebene Sensor, der
eine mit Sollgeschwindigkeit bewegte Bahn nicht von einer fehlenden
Bahn zu unterscheiden vermag, liefert der oben beschriebene Sensor
16 in
beiden Fällen deutlich
unterschiedliche Signale. Wenn keine Bahn
02 vorhanden
ist, empfängt
der Sensor
16 der Vorrichtung kein rückreflektiertes Licht, und
infolgedessen ist die oszillierende Komponente im Ausgangssignal
des Photodetektors
26 nicht vorhanden. Auch dieser Zustand
kann von der Auswerteeinrichtung
14 erfasst und als Anlass
zum Erzeugen des Bahnbruch-Erfassungssignals genommen werden.
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Auch
ist es möglich,
dass bei mehreren Bahnen 02 der Sensor 16 wahlweise
verschiedenen Bahnen 02 zugeordnet werden kann.
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- 01
- Rollenwechsler
- 02
- Bahn,
Papierbahn
- 03
- Druckeinheit
- 04
- Druckeinheit
- 05
- -
- 06
- Trockeneinrichtung
- 07
- Kühlwalzenanordnung
- 08
- Falztrichter
- 09
- Falzapparat
- 10
- -
- 11
- Zugwalzenpaar
- 12
- Schutzeinrichtung,
Messer
- 13
- Schutzeinrichtung,
Fangeinrichtung
- 14
- Auswerteeinrichtung
- 15
- -
- 16
- Sensor,
Geschwindigkeitssensor
- 17
- Eingang
- 18
- -
- 19
- -
- 20
- -
- 21
- Laserdiode
- 22
- Bragg-Zelle
- 23
- Spiegel
- 24
- Linse
- 25
- -
- 26
- Photodetektor
- φ
- Winkel