[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Förder- und Verpackungstechnik. Sie bezieht sich auf eine Vorrichtung und Verfahren zum Zuführen und Verarbeiten einer Materialbahn, beispielsweise einer Folie, gemäss dem Oberbegriff der entsprechenden unabhängigen Patentansprüche.
STAND DER TECHNIK
[0002] Eine derartige Vorrichtung und ein Verfahren zum Zuführen und Verarbeiten einer Folie ist beispielsweise aus EP 0 618 138 B1 bekannt. Darin ist eine folienverarbeitende Maschine beschrieben, in welcher mittels einer verstellbaren Umlenkrolle ein Folienspeicher in einer Vorratsschlaufe gebildet ist. Die Umlenkrolle wird mittels Federn mit einer möglichst flachen Federcharakteristik gegen die Spannung der Folie gezogen, um so eine möglichst gleichmässige Folienspannung ungeachtet der Auslenkung der Umlenkrolle zu erzielen. Gerät die Umlenkrolle in einen Anschlag, so betätigt sie einen Lagesensor, welcher über eine Kupplungs-/Bremseinheit ein Nachspeisen der Folie in die Vorratsschlaufe bewirkt.
[0003] DE 4 241 353 A1 zeigt eine Tänzerrollenvorrichtung zur Beschickung einer Verpackungsmaschine, welche wiederholt kurzzeitig (für einen Umschlingungs-prozess) mehr Material benötigt. Um das Material mit der nötigen hohen Geschwindigkeit bereitstellen zu können, wird ein Satz von Tänzerrollen mittels einer Pneumatikvorrichtung aktiv gesteuert verschwenkt. Dadurch folgt die von den Tänzerrollen abgegebene Folienbahn einem vorgegebenen Geschwindigkeitsprofil. Es ist auch eine von der Tänzerrollenstellung abhängigen Regelung der Geschwindigkeit der dem Tänzer zugeführten Materialbahn erwähnt. Diese wirkt auf Antrieb oder Bremse einer Folienabwickelvorrichtung und soll die Geschwindigkeit der Folie annähernd konstant halten.
Diese dient aber nur zur Einflussnahme auf den Antrieb einer Abwickelstation, falls die Position des Tänzers einen vorgegebenen Arbeitsbereich verlässt. Im Extremfall wird dabei der Antrieb abgeschaltet.
[0004] EP 1 097 867 B1 und EP 1 602 585 A1 beschreiben automatische Wechselvorrichtungen zum Auswechseln von Folien in einer folienverarbeitenden Maschine.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0005] Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und Verfahren zum Zuführen und Verarbeiten einer Materialbahn, beispielsweise einer Folie, der eingangs genannter Art zu schaffen, welche eine verbesserte Toleranz bezüglich plötzlichen wie auch langsamen Geschwindigkeitsänderungen aufweist.
[0006] Diese Aufgabe löst eine Vorrichtung und Verfahren zum Zufuhren und Verarbeiten einer Materialbahn, beispielsweise einer Folie, mit den Merkmalen der entsprechenden unabhängigen Patentansprüche.
[0007] Die Vorrichtung zum Zuführen und Verarbeiten einer Materialbahn, beispielsweise einer Folie, in welcher die Materialbahn als quasi endlose Bahn förderbar ist, weist eine Abwickelvorrichtung mit einer oder mehreren Vorratsrollen für das Material, und eine Verarbeitungseinheit, beispielsweise eine Folienverarbeitungseinheit, auf.
[0008] Die Abwickelvorrichtung weist auf:
einen Rollenantrieb zum geschwindigkeitsgesteuerten Antrieb einer der Vorratsrollen,
eine erste Tänzerrolle, um welche die von der Vorratsrolle abgewickelte Materialbahn umläuft,
einen ersten Positionsgeber zur Erfassung einer Auslenkung der ersten Tänzerrolle und zum Erzeugen eines ersten Positionssignals, welches diese Auslenkung repräsentiert, und
eine erste Regelvorrichtung zur Verarbeitung des ersten Positionssignals und zur Vorgabe einer Soll-Winkelgeschwindigkeit des Rollenantriebs und damit der Vorratsrolle.
[0009] Dabei ist die erste Regelvorrichtung dazu ausgelegt, bei einer Auslenkung der ersten Tänzerrolle aus einer Nominalposition die Soll-Winkelgeschwindigkeit der Vorratsrolle anzupassen und dadurch die Auslenkung der ersten Tänzerrolle mindestens annähernd zur Nominalposition zurück zu führen.
[0010] Im Folgenden ist der sprachlichen Einfachheit halber anstelle von einer Materialbahn von einer Folie oder einer Folienbahn die Rede. Es versteht sich aber, dass die Ausführungen gleichermassen auch für Materialbahnen allgemeiner Art gelten, insbesondere für Bahnen aus dünnen und dehnbaren Materialien.
[0011] Bei ruckartigen oder schnellen Änderungen des Materialverbrauchs, insbesondere bei einer Notausschaltung der Verarbeitungseinheit wirkt die erste Tänzerrolle als Speicher. Im kontinuierlichen Normalbetrieb kompensiert die erste Regelvorrichtung den kleiner werdenden Durchmesser der Vorratsrolle automatisch durch Erhöhen der Winkelgeschwindigkeit der Vorratsrolle. Das Kompensationssignal der ersten Regelvorrichtung bewirkt - bei einem konstant bleibenden Leitsignal - ein schnelleres Drehen der Vorratsrolle, und entspricht dabei implizit auch einer Schätzung der Inversen des Durchmessers der Rolle.
[0012] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung ferner eine Gebervorrichtung zur Feineinstellung einer Materialspannung durch Regelung einer Fördergeschwindigkeit der Materialbahn beim Eintritt in die Verarbeitungseinheit auf, wobei die Gebervorrichtung aufweist:
einen Geberantrieb zum geschwindigkeitsgesteuerten Antrieb einer Geberrolle, welche die Fördergeschwindigkeit der Materialbahn (vor dem Eintritt in die Verarbeitungseinheit) bestimmt,
eine zweite Tänzerrolle, um welche die von der Geberrolle abgegebene Materialbahn umläuft,
einen zweiten Positionsgeber zur Erfassung einer Auslenkung der zweiten Tänzerrolle und zum Erzeugen eines zweiten Positionssignals, und
eine zweite Regelvorrichtung zur Verarbeitung des zweiten Positionssignals und zur Vorgabe einer Soll-Winkelgeschwindigkeit der Geberrolle.
[0013] Die zweite Regelvorrichtung ist ausgelegt, bei einer Auslenkung der zweiten Tänzerrolle aus einer Nominalposition die Soll-Winkelgeschwindigkeit der Geberrolle anzupassen, so dass die Auslenkung der zweiten Tänzerrolle mindestens annähernd zur Nominalposition zurückgeführt wird.
[0014] Damit realisiert die Gebervorrichtung eine Feinkorrektur der Materialspannung am Eintritt zur Verarbeitungseinheit. Mit der Materialspannung ist jeweils die Spannung in Längsrichtung, also in Transportrichtung der Materialbahn gemeint.
[0015] Die Abwickelvorrichtung und die Gebervorrichtung wirken vorzugsweise zusammen, indem in der Gebervorrichtung schnellere aber relativ kleine Störungen in der Materialspannung korrigiert werden, und in der Abwickelvorrichtung langsamere aber grössere Störungen in der Transportgeschwindigkeit korrigiert werden. Der Abgleich der Frequenzbereiche, in welchen die beiden Vorrichtungen primär wirksam sind, geschieht aufgrund der Massenträgheiten der beteiligten Rollen und Antriebe, sowie der Verstärkungsfaktoren in Motoren, deren Speisungen und den Reglern.
[0016] Vorzugsweise ist die Arbeitsgeschwindigkeit der Vorrichtung als Ganzes durch ein Leitsignal einstellbar, und ist die erste Regelvorrichtung zum Empfang und zur Verarbeitung des Leitsignals eingerichtet, und verwendet das Leitsignal zur Vorsteuerung der Soll-Winkelgeschwindigkeit der Vorratsrolle. Analog ist vorzugsweise auch die zweite Regelvorrichtung zum Empfang und zur Verarbeitung des Leitsignals eingerichtet, und verwendet das Leitsignal zur Vorsteuerung der Soll-Winkelgeschwindigkeit der Geberrolle.
[0017] Vorzugsweise ruft das Leitsignal, wenn sich die zweite Tänzerrolle in ihrer Nominalposition befindet, eine Sollgeschwindigkeit der Materialbahn durch die Geberrolle hervor, wobei diese Sollgeschwindigkeit gleich einer Geschwindigkeitsvorgabe für die Fördergeschwindigkeit der Materialbahn in der Verarbeitungseinheit, multipliziert mit einem vorgebbaren Spannfaktor, ist. Der Spannfaktor weist beispielsweise einen Wert zwischen 0.9 und 0.98 auf. Damit wird im Nominalzustand eine Spannung und eine der Geschwindigkeitsdifferenz entsprechende Dehnung der Materialbahn zwischen der Gebervorrichtung und einer ziehenden Bahnfördervorrichtung in der Verarbeitungseinheit hervorgerufen.
[0018] Die zweite Tänzerrolle ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mittels einer Lagervorrichtung gelagert, welche eine Kompensationseinrichtung, zur Kompensation des Gewichtes der zweiten Tänzerrolle aufweist. Diese ist beispielsweise ein um eine Drehachse drehbarer und mit einem Gegengewicht zur zweiten Tänzerrolle versehener Hebelarm. Alternativ kann eine Kompensation auch mit Federn oder elektromagnetischen oder pneumatischen Aktoren oder einer Kombination derselben bewirkt werden. Die Kompensation bewirkt, dass bei einer Materialspannung Null die zweite Tänzerrolle zumindest annähernd im Gleichgewicht ist, vorzugsweise in einer Nominalposition. Zum Erzeugen der Materialspannung liegt vorzugsweise eine Spanneinrichtung vor, welche mit eine Kraft entsprechend der geforderten Spannung auf die Auslenkung der zweiten Tänzerrolle wirkt.
Die Spanneinrichtung weist vorzugsweise eine Feder oder einen anderen Aktor mit einem wie oben erwähnten Wirkprinzip auf. Damit ist eine präzise und vom Rollengewicht entkoppelte Einstellung der geforderten Materialspannung möglich.
[0019] Im Verfahren zum Zuführen und Verarbeiten einer Materialbahn, in welcher die Materialbahn als quasi endlose Bahn aus einer Abwickelvorrichtung mit einer oder mehreren Vorratsrollen zu einer Verarbeitungseinheit gefördert wird, werden die folgenden Schritte ausgeführt:
geschwindigkeitsgesteuertes Antreiben eines Rollenantriebes einer der Vorratsrollen,
wobei die von der Vorratsrolle abgewickelte Materialbahn um eine erste Tänzerrolle umläuft,
Erfassen, mittels eines ersten Positionsgebers, einer Auslenkung der ersten Tänzerrolle, und Erzeugen eines ersten Positionssignals, welches diese Auslenkung repräsentiert, und
Verarbeiten, mittels einer ersten Regelvorrichtung, des ersten Positionssignals und Vorgabe einer Soll-Winkelgeschwindigkeit des Rollenantriebs und damit der Vorratsrolle.
[0020] Dabei wird bei einer Auslenkung der ersten Tänzerrolle aus einer Nominalposition die Soll-Winkelgeschwindigkeit der Vorratsrolle so angepasst, dass die Auslenkung der ersten Tänzerrolle mindestens annähernd zur Nominalposition zurückgeführt wird.
[0021] Vorzugsweise wird beim automatischen oder manuellen Auswechseln einer Vorratsrolle ein Start-Sollwert für die Soll-Winkelgeschwindigkeit der Vorratsrolle automatisch nach Massgabe eines effektiven oder eines geschätzten Durchmessers der Vorratsrolle bestimmt und bei der Regelung der Soll-Winkelgeschwindigkeit der Vorratsrolle verwendet. Damit ist es möglich, die Vorratsrolle von Anfang an mit der ungefähr richtigen Winkelgeschwindigkeit anzutreiben, so dass nur noch kleinere Ungenauigkeiten auskorrigiert werden müssen.
Würde stattdessen die neu eingesetzte oder zugeschaltete volle Rolle mit derselben Winkelgeschwindigkeit wie die eben ersetzte leere Rolle angetrieben, so wäre die Geschwindigkeit der Materialbahn zunächst zu hoch und müsste, gemäss der resultierenden Pufferung der Materialbahn an der ersten Tänzerrolle und der Auslenkung der ersten Tänzerrolle heruntergeregelt werden.
[0022] Zur Regelung der Gebervorrichtung werden vorzugsweise die folgenden Schritte ausgeführt:
geschwindigkeitsgesteuertes Antreiben eines Geberantriebs einer Geberrolle, welche die Fördergeschwindigkeit der Materialbahn (vor dem Eintritt in die Verarbeitungseinheit) bestimmt,
wobei die von der Geberrolle abgegebene Materialbahn um eine zweite Tänzerrolle umläuft,
Erfassen, mittels eines zweiten Positionsgebers, einer Auslenkung der zweiten Tänzerrolle, und Erzeugen eines zweiten Positionssignals, welches diese Auslenkung repräsentiert, und
Verarbeiten, mittels einer zweiten Regelvorrichtung, des zweiten Positionssignals und Vorgabe einer Soll-Winkelgeschwindigkeit der Geberrolle.
[0023] Dabei wird bei einer Auslenkung der zweiten Tänzerrolle aus einer Nominalposition die Soll-Winkelgeschwindigkeit der Geberrolle so angepasst, dass die Auslenkung der zweiten Tänzerrolle mindestens annähernd zur Nominalposition zurückgeführt wird. Dabei reduziert die zweite Regelvorrichtung vorzugsweise die Soll-Winkelgeschwindigkeit der Geberrolle gemäss einem vorgebbaren Spannfaktor und reduziert dadurch die Geschwindigkeit der Materialbahn an der Geberrolle bezüglich der Geschwindigkeit der Materialbahn in der Verarbeitungseinheit.
[0024] Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor. Dabei sind Merkmale der Verfahrensansprüche sinngemäss mit den Vorrichtungsansprüchen kombinierbar und umgekehrt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0025] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche anhand der beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt eine schematische Übersicht über eine Anlage zum Zuführen und Verarbeiten einer Endlosfolie. Fig. 2 zeigt schematisch eine Struktur eines vorgesteuerten Geschwindigkeitsreglers.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0026] Die Figur 1 zeigt eine Anlage mit einer Abwickelvorrichtung 1 und einer daran anschliessende Gebervorrichtung oder Foliengebervorrichtung 2 zur Versorgung einer Folienverarbeitungseinheit 3 mit einer Folie 10. Ein Leitsignal 4 dient zum Steuern der Geschwindigkeit der Anlage: bei Ändern des Leitsignales 4 ändern die Komponenten der Anlage synchron zueinander ihre Geschwindigkeit. Das Leitsignal 4 ist beispielsweise dimensionslos und auf einen bestimmten Nominalwert der Geschwindigkeit der Folie 10 in der Folienverarbeitungseinheit 3 bezogen. Die vorliegenden Ausführungen beziehen sich auf eine Folienbahn, sind aber auch auf die Förderung von anderen Arten von Materialbahnen zutreffend.
[0027] Die Abwickelvorrichtung 1 weist eine Vorratsrolle, in diesem Fall eine Vorratsrolle 11 auf, die durch einen Rollenantrieb 19 angetrieben ist und die Folie 10 über Umlenkrollen 12, 14 zur Foliengebervorrichtung 2 fördert. Zwischen den Umlenkrollen 12, 14 verläuft die Folie 10 um eine erste Tänzerrolle 15. Die erste Tänzerrolle 15 gleicht Unregelmässigkeiten zwischen der Foliengeschwindigkeit an der Vorratsrolle 11 und der Foliengebervorrichtung 2 aus. Insbesondere dient die erste Tänzerrolle 15 zum Speichern der Folie 10, wenn bei einer plötzlichen Abbremsung der Folienverarbeitungseinheit 3 oder bei einer Notabschaltung der Anlage die Folienrolle 11 nicht gleich schnell abgebremst werden kann.
[0028] Anstelle der Folienrolle 11 kann auch eine Vorrichtung mit mehreren Folienrollen 11 oder Vorratsrollen vorliegen, vorzugsweise mit einer Einrichtung zum automatischen Wechseln der Folienrollen 11 im laufenden Betrieb der Anlage. Solche Einrichtungen sind z.B. in den eingangs erwähnten EP 1 097 867 B1 und EP 1 602 585 A1 beschrieben.
[0029] Die erste Tänzerrolle 15 kann die Spannung der Folie 10 durch Schwerkraft, Federkraft, oder elektrische oder pneumatische Kraftumsetzer etc. oder durch deren Kombination erzeugen. Sie kann, wie dargestellt, schwenkbar an einem Schwenkarm angeordnet sein, oder linear verschiebbar sein. Sie kann auch mäanderförmig zwischen mehreren Rollen verlaufen, die sich jeweils relativ zueinander bewegen, um die Folie 10 zu speichern. Im Folgenden werden auch solche Anordnungen mehrerer, miteinander wirkender Tänzerrollen wie eine einzelne erste Tänzerrolle 15 betrachtet. Eine Auslenkung der ersten Tänzerrolle 15 - egal ob sie nun auf einer kreisförmigen Bahn, oder linear verläuft, und ob sie die Bewegung nur einer oder mehrere Tänzerrollen umfasst - entspricht der Länge der zwischen den Umlenkrollen 12, 14 gespeicherten Folie 10.
Die Auslenkung der ersten Tänzerrolle 15 aus einer Nominalposition ist mittels eines ersten Positionsgebers 16 messbar. Eine erste Regelvorrichtung 17 kombiniert ein entsprechendes erstes Positionssignal P1 mit einem Leitsignal 4 und steuert, über ein erstes Steuersignal S1 und eine erste Antriebsspeisung 18, einen Rollenantrieb 19 zum Antreiben der Folienrolle 11. Die erste Regelvorrichtung 17 ist dazu eingerichtet, bei abnehmender Auslenkung der ersten Tänzerrolle 15, entsprechend einer abnehmenden Länge der an der ersten Tänzerrolle 15 gespeicherten Folie 10, die Drehgeschwindigkeit des Rollenantriebs 19 respektive der Folienrolle 11 zu erhöhen (und umgekehrt). Dazu weist die erste Regelvorrichtung 17 beispielsweise einen PID-Regler mit einer Vorsteuerung durch das Leitsignal 4 auf.
Die erste Regelvorrichtung 17 erzeugt dabei, implizite oder explizite, eine Schätzung des Durchmessers der Folienrolle 11. Die Regelung führt die erste Tänzerrolle 15 annähernd oder genau - je nach Typ der Regelung - in die Nominalposition zurück. Die erste Regelvorrichtung 17 passt somit die Drehzahl der Folienrolle 11 an den veränderten Durchmesser der Folienrolle 11 an, um mit der Geschwindigkeit, mit welcher die Folie 10 durch die Foliengebervorrichtung 2 aus der Abwickelvorrichtung 1 gezogen wird, Schritt zu halten.
[0030] Wird beim automatischen oder manuellen Wechsel der Folienrolle 11 eine neue Folienrolle 11 eingesetzt, so wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch der neue Rollendurchmesser in der Regelung berücksichtigt, beispielsweise indem ein Integralanteil der Regelung nach Massgabe des Rollendurchmessers gesetzt wird. Dazu kann der nominale Rollendurchmesser einer neuen Rolle verwendet werden, oder es kann ein von Hand oder mit einem Sensor gemessener Durchmesser verwendet werden. Dann fährt die Folienrolle 11 bereits von Anfang an zumindest annähernd mit der erforderlichen Drehzahl. Eine allfällige verbleibende Abweichung der Drehzahl wird nach Massgabe der Stellung der ersten Tänzerrolle 15 ausgeregelt.
[0031] Die Foliengebervorrichtung 2 wird von der Abwickelvorrichtung 1 gespeist und speist selber wiederum die Folienverarbeitungseinheit 3. Die Foliengebervorrichtung 2 weist eine Geberrolle oder Foliengeberrolle 21 (ggf. mit einer Andrückrolle 21a) auf, welche die Geschwindigkeit der Folie 10 bestimmt. Nach der Foliengeberrolle 21 gelangt die Folie 10 über eine zweite Tänzerrolle 25 und ggf. weitere Umlenkrollen 31, 32 zur Folienverarbeitungseinheit 3. Die zweite Tänzerrolle 25 kann, wie dargestellt, schwenkbar an einem Schwenkarm angeordnet sein, oder linear verschiebbar sein. Die zweite Tänzerrolle 25 zieht mit einer festen oder einstellbaren Kraft an der Folie 10 und erzeugt so die gewünschte Folienspannung. Auch hier kann die Kraft durch Schwerkraft, Federkraft, oder elektrische oder pneumatische Kraftumsetzer etc. oder durch deren Kombination erzeugt werden.
In der gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Tänzerrolle 25 schwenkbar an einem Hebelarm mit Drehachse 22 und einem Gegengewicht 23 angeordnet. Bei Folienspannung Null sind zweite Tänzerrolle 25 und Gegengewicht 23 ausbalanciert. Mindestens eine Feder 24 am Hebelarm erzeugt eine Kraft. Dieser Kraft entspricht die Folienspannung. Anstelle der Feder 24 kann ein elektrischer, elektromagnetischer oder pneumatischer etc. Kraftumsetzer vorliegen, oder es kann ein Offset der Feder mit einem solchen Mittel verstellbar sein.
[0032] Ein zweiter Positionsgeber 26 erfasst die Position der zweiten Tänzerrolle 25 und erzeugt ein entsprechendes zweites Positionssignal P2. Eine zweite Regel Vorrichtung 27 kombiniert das zweite Positionssignal P2 mit dem Leitsignal 4 und steuert, über ein zweites Steuersignal S2 und eine zweite Antriebsspeisung 28, einen Foliengeber-antrieb 29 zum Antreiben der Foliengeberrolle 21. Die zweite Regelvorrichtung 27 ist dazu eingerichtet, bei abnehmender Auslenkung der zweiten Tänzerrolle 25, entsprechend einer abnehmenden Länge der an der zweiten Tänzerrolle 25 gespeicherten Folie 10, die Drehgeschwindigkeit des Foliengeberantriebs 29 respektive der Foliengeberrolle 21 zu erhöhen (und umgekehrt). Dazu weist die zweite Regelvorrichtung 27 beispielsweise einen PID-Regler mit einer Vorsteuerung durch das Leitsignal 4 auf.
Die zweite Regelvorrichtung 27 passt somit die Drehzahl der Foliengeberrolle 21 an Variationen in der Geschwindigkeit an, mit welcher die Folie 10 in die Folienverarbeitungseinheit 3 gezogen wird, um die Spannung der Folie 10 konstant zu halten. Die Anpassung der Drehzahl der Foliengeberrolle 21 kann mittels eines geschwindigkeitsvariablen Elektroantriebes geschehen, und/oder mittels eines kontinuierlich oder schrittweise variablen Getriebes, dessen Übersetzungsverhältnis nach Massgabe des zweiten Steuersignals S2 anpassbar ist.
[0033] Vorzugsweise wird das Leitsignal 4, bevor es in der zweiten Regelvorrichtung 27 zur Vorsteuerung des Regelkreises für den Antrieb der Foliengeberrolle 21 verwendet wird, mit einem vorgebbaren Faktor, auch Spannfaktor genannt, der um ein weniges kleiner als 1 ist, multipliziert, beispielsweise mit einem Faktor zwischen 0.9 und 0.98. Dies bedeutet, dass im Nominalzustand (bei Regelabweichung Null) die Geschwindigkeit der Folie 10 an der Foliengeberrolle 21 auf das 0.9 bis 0.98-fache der Geschwindigkeit der Folie 10 in der Folienverarbeitungseinheit 3 eingestellt ist. Daraus resultiert die geforderte Spannung der Folie in der Folienverarbeitungseinheit 3. Dabei ist die zweite Tänzerrolle 25 mit der Feder 24 in der Nominalposition.
Nur wenn die Geschwindigkeiten in der Folienverarbeitungseinheit 3 und der Foliengebervorrichtung 2 aufgrund transienter Vorgänge oder aufgrund des nicht perfekten Abgleiches der beiden Anlagenteile von den jeweiligen Sollwerten entsprechend dem Leitsignal 4 abweichen, wird die zweite Regelvorrichtung 27 wirksam.
[0034] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird auch das Leitsignal 4 zur Vorsteuerung der Sollgeschwindigkeit des Rollenantriebs 19 mit dem Spannfaktor multipliziert. Dadurch laufen die Sollwerte der Geschwindigkeiten von Rollenantrieb 19 und Foliengeberantrieb 29 synchron zueinander, aber langsamer als die Geschwindigkeit des Folienantriebes in der Folienverarbeitungseinheit 3.
[0035] Die Fig. 2 zeigt beispielhaft eine innere Struktur der ersten oder der zweiten Regelvorrichtung 17, 27. P repräsentiert das Positionssignal P1 oder P2 der jeweiligen Tänzerrolle, S das jeweilige Steuersignal S1 oder S2. Pnom ist ein Nominalwert, auf den das Positionssignal geregelt werden soll, entsprechend der Nominalposition der Tänzerrolle. Aus der Differenz von P und Pnom ergibt sich eine Regelabweichung e, die von dem Regler G, beispielsweise einem PID-Regler, auf null geregelt werden soll. Das Ausgangssignal des Reglers G wird zu einem Vorsteuersignal V addiert. Das Vorsteuersignal V ist vorzugsweise gleich dem mit dem Spannfaktor B multiplizierten Leitsignal 4.
[0036] Grundsätzlich kann das Vorsteuersignal auch vor dem Regler G zur Regelabweichung e addiert werden, was aber dazu führt, dass die Dynamik des Reglers auch auf das Vorsteuersignal wirkt. Ebenso kann die Multiplikation mit dem Spannfaktor B an einer anderen Stelle im Signalfluss geschehen, ohne dass die Wirkungsweise der Regelung prinzipiell verändert wird.
[0037] Da die verwendeten Folien 10 je nach Anwendung unterschiedliche Dicke aufweisen, beispielsweise zwischen 18 und 40 Mikrometern, und unterschiedliche Elastizitäten, sind die Parameter der Regelungen entsprechend anpassbar.
[0038] Die Folienverarbeitungseinheit 3 in Fig. 1ist beispielsweise eine Folienreinheit zum Verpacken von flachen Gegenständen. Sie weist, schematisch zusammengefasst, ein unteres Förderband 33 und ein oberes Förderband 35 zum Fördern der Folie 10 mit der Fördergeschwindigkeit entsprechend des Leitsignales 4 auf, und einen Falt- und Schweisstisch 34 mit einer Schweisseinheit, zum Einfassen der flachen Gegenstände mit der Folie und zum Verschweissen der Folie (nicht im einzelnen gezeichnet). Die genaue Art der Folienverarbeitungseinheit 3 kann natürlich variieren. Die beiden Förderbänder 33, 35 sind beispielsweise Vakuumbänder. Sie ziehen die Folie 10 in die Folienverarbeitungseinheit 3 hinein und Wirken der Foliengeberrolle 21 entgegen. Sie erzeugen so, zusammen mit der Foliengeberrolle 21, die Spannung der Folie 10 in der Folienverarbeitungseinheit 3.
Die Verarbeitungseinheit 3 ist durch einen Antriebsmotor 39 mit einer Geschwindigkeit nach Massgabe des Leitsignales 4 angetrieben.
[0039] Zusammenfassend gesehen dienen die Foliengebervorrichtung 2 und die Abwickelvorrichtung 1 unterschiedlichen und einander ergänzenden Zwecken:
Die Foliengebervorrichtung 2 dient der schnellen Feineinstellung der Geschwindigkeit der Folie 10, um so die geforderte Spannung der Folie 10 in der Folienverarbeitungseinheit 3 zu erzielen.
Die Abwickelvorrichtung 1 führt die Geschwindigkeit der relativ trägen Folienrolle 11 der geforderten Foliengeschwindigkeit nach und gleicht transiente Geschwindigkeitsdifferenzen mittels der ersten Tänzerrolle 15 aus.
[0040] Entsprechend liegen zwei parallele Regelkreise vor, welche die Geschwindigkeit und damit die Spannung der sequentiell durchlaufenden Folie 10 einstellen. Die beiden Regelkreise sind durch das gemeinsame Leitsignal 4 vorgesteuert. Die Positionssignale P1, P2 beider Regelkreise können gefiltert sein, beispielsweise durch Mittelwertbildung (moving average). Die Antriebsmotoren des Rollenantriebs 19 und des Foliengeberantriebs 29 sind in ihrer Geschwindigkeit regelbar.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0041]
<tb>1<sep>Abwickelvorrichtung
<tb>20<sep>Folie
<tb>11<sep>Folienrolle
<tb>12, 14<sep>Umlenkrolle
<tb>15<sep>erste Tänzerrolle
<tb>16<sep>erster Positionsgeber
<tb>17<sep>erste Regelvorrichtung
<tb>18<sep>erste Antriebsspeisung
<tb>19<sep>Rollenantrieb
<tb>2<sep>Foliengebervorrichtung
<tb>21<sep>Foliengeberrolle
<tb>21a<sep>Andrückrolle
<tb>22<sep>Drehachse
<tb>23<sep>Gegengewicht
<tb>24<sep>Feder
<tb>25<sep>zweite Tänzerrolle
<tb>26<sep>zweiter Positionsgeber
<tb>27<sep>zweite Regelvorrichtung
<tb>28<sep>zweite Antriebsspeisung
<tb>29<sep>Foliengeberantrieb
<tb>3<sep>Folienverarbeitungseinheit
<tb>31, 32<sep>weitere Umlenkrollen
<tb>33<sep>unteres Förderband
<tb>34<sep>Falttisch mit Schweisseinheit
<tb>35<sep>oberes Förderband
<tb>39<sep>Antrieb der
<tb><sep>Verarbeitungseinheit
<tb>4<sep>Leitsignal
<tb>P1, P2<sep>Positionssignale
<tb>S1, S2<sep>Steuersignale
The invention relates to the field of conveying and packaging technology. It relates to an apparatus and method for feeding and processing a material web, for example a film, according to the preamble of the corresponding independent claims.
STATE OF THE ART
Such a device and a method for feeding and processing a film is known for example from EP 0 618 138 B1. Therein, a film-processing machine is described, in which by means of an adjustable deflection roller a film storage is formed in a supply loop. The deflection roller is pulled by means of springs with the lowest possible spring characteristic against the tension of the film so as to achieve the most uniform possible film tension regardless of the deflection of the deflection roller. Device, the deflection roller in a stop, it actuates a position sensor which causes via a coupling / braking unit a desserts the film in the supply loop.
DE 4 241 353 A1 shows a dancer roller device for feeding a packaging machine, which repeatedly requires a short time (for a looping process) more material. In order to provide the material with the necessary high speed, a set of dancer rolls is actively pivoted by means of a pneumatic device. As a result, the film web delivered by the dancer rollers follows a predetermined speed profile. It also mentions a dancer roller position-dependent control of the speed of the material web fed to the dancer. This acts on the drive or brake of a Folienabwickelvorrichtung and should keep the speed of the film approximately constant.
However, this only serves to influence the drive of an unwinding station, if the position of the dancer leaves a predetermined working area. In extreme cases, the drive is switched off.
EP 1 097 867 B1 and EP 1 602 585 A1 describe automatic changing devices for exchanging foils in a film-processing machine.
PRESENTATION OF THE INVENTION
It is therefore an object of the invention to provide an apparatus and method for supplying and processing a material web, such as a film of the type mentioned above, which has an improved tolerance for sudden as well as slow speed changes.
This object is achieved by a device and method for feeding and processing a material web, such as a film, with the features of the corresponding independent claims.
The device for feeding and processing a material web, for example a film in which the material web is conveyed as a quasi endless web, has an unwinding device with one or more supply rolls for the material, and a processing unit, for example a film processing unit.
The unwinding device has:
a roller drive for the speed-controlled drive of one of the supply rolls,
a first dancer roll around which the material web unwound from the supply roll passes,
a first position sensor for detecting a deflection of the first dancer roller and for generating a first position signal, which represents this deflection, and
a first control device for processing the first position signal and for specifying a desired angular velocity of the roller drive and thus the supply roll.
In this case, the first control device is adapted to adjust at a deflection of the first dancer roller from a nominal position, the target angular velocity of the supply roll, thereby leading the deflection of the first dancer roll at least approximately to the nominal position.
In the following, the linguistic simplicity, instead of a material web of a film or a film web the speech. It is understood, however, that the statements apply equally to material webs of a general nature, in particular for webs of thin and stretchy materials.
In jerky or rapid changes in material consumption, especially in an emergency shutdown of the processing unit acts the first dancer role as a memory. In continuous normal operation, the first control device automatically compensates for the decreasing diameter of the supply roll by increasing the angular velocity of the supply roll. The compensation signal of the first control device causes - with a constant guide signal - a faster rotation of the supply roll, and implicitly corresponds to an estimate of the inverse of the diameter of the roll.
In a preferred embodiment of the invention, the device further comprises a donor device for fine adjustment of a material tension by controlling a conveying speed of the material web upon entry into the processing unit, wherein the donor device comprises:
an encoder drive for the speed-controlled drive of a donor roller, which determines the conveying speed of the material web (before entering the processing unit),
a second dancer roll, around which the material web dispensed by the donor roll passes,
a second position sensor for detecting a deflection of the second dancer roll and for generating a second position signal, and
a second control device for processing the second position signal and for specifying a desired angular speed of the encoder roller.
The second control device is adapted to adjust at a deflection of the second dancer roller from a nominal position, the target angular velocity of the donor role, so that the deflection of the second dancer roll is at least approximately returned to the nominal position.
Thus, the encoder device realizes a fine correction of the material tension at the entrance to the processing unit. With the material tension in each case the voltage in the longitudinal direction, ie in the transport direction of the web is meant.
The unwinding device and the donor device preferably cooperate by correcting in the donor device faster but relatively small disturbances in the material tension, and be corrected in the unwinding slower but greater disturbances in the transport speed. The adjustment of the frequency ranges in which the two devices are primarily effective, is due to the inertia of the roles and drives involved, as well as the gain factors in motors, their feeders and the controllers.
Preferably, the operating speed of the device as a whole is adjustable by a pilot signal, and the first control device is adapted to receive and process the pilot signal, and uses the pilot signal to feedforward the target angular velocity of the supply roll. Analogously, the second control device is preferably also set up for receiving and processing the control signal, and uses the control signal for precontrol of the desired angular speed of the transmitter roller.
Preferably, the guide signal, when the second dancer roll is in its nominal position, a target speed of the material web through the donor role, this target speed is equal to a speed specification for the conveying speed of the material web in the processing unit, multiplied by a predetermined clamping factor. For example, the clamping factor has a value between 0.9 and 0.98. Thus, in the nominal state, a tension and a speed difference corresponding expansion of the web between the donor device and a pulling web conveyor in the processing unit caused.
The second dancer roll is mounted in a preferred embodiment of the invention by means of a bearing device which has a compensation device for compensating the weight of the second dancer roll. This is for example a rotatable about a rotation axis and provided with a counterweight to the second dancer roller lever arm. Alternatively, compensation can also be effected with springs or electromagnetic or pneumatic actuators or a combination thereof. The compensation causes at a material tension zero, the second dancer roll is at least approximately in equilibrium, preferably in a nominal position. To produce the material tension, a tensioning device is preferably provided, which acts on the deflection of the second dancer roller with a force corresponding to the required tension.
The tensioning device preferably has a spring or another actuator with an operating principle as mentioned above. For a precise and decoupled from the roll weight adjustment of the required material tension is possible.
In the method for feeding and processing a material web in which the material web is conveyed as a quasi-endless web from an unwinding device with one or more supply rolls to a processing unit, the following steps are carried out:
Speed-controlled driving of a roller drive of one of the supply rollers,
wherein the material web unwound from the supply roll revolves around a first dancer roll,
Detecting, by means of a first position transmitter, a deflection of the first dancer roller, and generating a first position signal representing this displacement, and
Processing, by means of a first control device, the first position signal and specification of a desired angular velocity of the roller drive and thus the supply roll.
In this case, in a deflection of the first dancer roller from a nominal position, the target angular velocity of the supply roll is adjusted so that the deflection of the first dancer roll is at least approximately returned to the nominal position.
Preferably, during automatic or manual replacement of a supply roll, a start command value for the target angular velocity of the supply roll is automatically determined in accordance with an effective or an estimated diameter of the supply roll and used in the regulation of the target angular velocity of the supply roll. This makes it possible to drive the supply roll from the beginning with the approximately correct angular velocity, so that only minor inaccuracies must be corrected.
If, instead, the newly inserted or engaged full roller were driven at the same angular speed as the empty roller just replaced, the speed of the material web would initially be too high and would have to be controlled down according to the resulting buffering of the material web on the first dancer roller and the deflection of the first dancer roller ,
To control the donor device, the following steps are preferably carried out:
Speed-controlled driving of a donor drive of a donor roller, which determines the conveying speed of the material web (before entering the processing unit),
wherein the material web delivered by the donor roll revolves around a second dancer roll,
Detecting, by means of a second position sensor, a deflection of the second dancer roller, and generating a second position signal representing this displacement, and
Processing, by means of a second control device, the second position signal and specification of a target angular velocity of the donor roller.
In this case, in a deflection of the second dancer roller from a nominal position, the target angular velocity of the donor role is adjusted so that the deflection of the second dancer roll is at least approximately returned to the nominal position. In this case, the second control device preferably reduces the target angular speed of the donor roller according to a predefinable clamping factor and thereby reduces the speed of the material web on the donor roller with respect to the speed of the material web in the processing unit.
Further preferred embodiments will become apparent from the dependent claims. Characteristics of the method claims are analogously combined with the device claims and vice versa.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
In the following, the subject invention with reference to preferred embodiments, which are illustrated with reference to the accompanying drawings, explained in more detail. Fig. 1 shows a schematic overview of a system for feeding and processing a continuous film. Fig. 2 shows schematically a structure of a pre-controlled speed controller.
WAYS FOR CARRYING OUT THE INVENTION
1 shows a system with an unwinding device 1 and an adjoining donor device or film delivery device 2 for supplying a film processing unit 3 with a film 10. A control signal 4 is used to control the speed of the system: when changing the pilot signal 4 change the components the system synchronously with each other their speed. The guide signal 4 is, for example, dimensionless and related to a specific nominal value of the speed of the film 10 in the film processing unit 3. The present embodiments relate to a film web, but are also applicable to the promotion of other types of webs.
The unwinding device 1 has a supply roll, in this case a supply roll 11, which is driven by a roller drive 19 and the film 10 via deflection rollers 12, 14 promotes the film-forming device 2. Between the deflection rollers 12, 14, the film 10 extends around a first dancer roller 15. The first dancer roller 15 compensates for irregularities between the film speed on the supply roll 11 and the film delivery device 2. In particular, the first dancer roller 15 is used to store the film 10, if in a sudden deceleration of the film processing unit 3 or emergency shutdown of the system, the film roll 11 can not be slowed down at the same speed.
Instead of the film roll 11 may also be a device with a plurality of film rolls 11 or supply rolls, preferably with a device for automatically changing the film rolls 11 during operation of the system. Such devices are e.g. described in the aforementioned EP 1 097 867 B1 and EP 1 602 585 A1.
The first dancer roller 15 can generate the tension of the film 10 by gravity, spring force, or electric or pneumatic power converters, etc. or by their combination. It can, as shown, be arranged pivotably on a pivot arm, or linearly displaceable. It can also meander between several rollers which each move relative to each other to store the film 10. In the following, such arrangements of several, interacting dancer rolls as a single first dancer roll 15 are considered. A deflection of the first dancer roller 15 - whether it is now on a circular path, or linear, and whether it comprises the movement of only one or more dancer rolls - corresponds to the length of the foil 10 stored between the deflection rollers 12, 14.
The deflection of the first dancer roller 15 from a nominal position can be measured by means of a first position sensor 16. A first control device 17 combines a corresponding first position signal P1 with a control signal 4 and controls, via a first control signal S1 and a first drive feed 18, a roller drive 19 for driving the film roll 11. The first control device 17 is adapted to decrease the deflection of the first Dancer roller 15, corresponding to a decreasing length of the stored on the first dancer roller 15 film 10, the rotational speed of the roller drive 19 and the film roll 11 to increase (and vice versa). For this purpose, the first control device 17, for example, a PID controller with a pilot control by the control signal 4.
The first control device 17 generates, implicitly or explicitly, an estimate of the diameter of the film roll 11. The control leads the first dancer roll 15 approximately or exactly - depending on the type of control - in the nominal position. The first regulating device 17 thus adapts the rotational speed of the film roll 11 to the changed diameter of the film roll 11 in order to keep pace with the speed with which the film 10 is pulled out of the unwinding device 1 by the film-forming device 2.
If a new film roll 11 is used during automatic or manual change of the film roll 11, so in a preferred embodiment of the invention, the new roll diameter is taken into account in the scheme, for example by an integral part of the scheme is set in accordance with the roll diameter. For this, the nominal roll diameter of a new roll can be used, or a diameter measured by hand or with a sensor can be used. Then the film roll 11 moves from the beginning at least approximately with the required speed. Any remaining deviation of the rotational speed is corrected in accordance with the position of the first dancer roller 15.
The film-forming device 2 is fed by the unwinding device 1 and in turn feeds the film processing unit 3. The film-forming device 2 has a donor roll or film dispenser roll 21 (possibly with a pressure roller 21a) which determines the speed of the film 10. After the film dispenser roll 21, the film 10 passes through a second dancer roller 25 and possibly further deflection rollers 31, 32 to the film processing unit 3. The second dancer roller 25 can, as shown, be pivotally mounted on a pivot arm, or be linearly displaceable. The second dancer roll 25 pulls on the film 10 with a fixed or adjustable force and thus produces the desired film tension. Again, the force can be generated by gravity, spring force, or electric or pneumatic power converter, etc. or by their combination.
In the preferred embodiment of the invention shown, the second dancer roller 25 is pivotally mounted on a lever arm with pivot axis 22 and a counterweight 23. At foil tension zero second dancer roller 25 and counterweight 23 are balanced. At least one spring 24 on the lever arm generates a force. This force corresponds to the film tension. Instead of the spring 24 may be an electrical, electromagnetic or pneumatic etc. force converter, or it may be an offset of the spring with such a means adjustable.
A second position sensor 26 detects the position of the second dancer roller 25 and generates a corresponding second position signal P2. A second control device 27 combines the second position signal P2 with the control signal 4 and controls, via a second control signal S2 and a second drive feed 28, a film-generator drive 29 for driving the film-forming roller 21. The second control device 27 is adapted to decreasing deflection the second dancer roller 25, corresponding to a decreasing length of the film 10 stored on the second dancer roller 25, to increase the rotational speed of the film dispenser drive 29 and the film dispenser roller 21 (and vice versa). For this purpose, the second control device 27, for example, a PID controller with a pilot control by the control signal 4.
The second control device 27 thus adapts the speed of the film-forming roller 21 to variations in the speed with which the film 10 is drawn into the film processing unit 3 in order to keep the tension of the film 10 constant. The adaptation of the speed of the film-forming roller 21 can be done by means of a variable speed electric drive, and / or by means of a continuously or stepwise variable transmission whose transmission ratio is adjustable in accordance with the second control signal S2.
Preferably, the guide signal 4, before it is used in the second control device 27 for precontrol of the control loop for driving the Foliengeberrolle 21, with a predetermined factor, also called clamping factor, which is a little less than 1, multiplied, for example with a factor between 0.9 and 0.98. This means that in the nominal state (at zero control deviation), the speed of the film 10 on the film-forming roller 21 is set to 0.9 to 0.98 times the speed of the film 10 in the film processing unit 3. This results in the required tension of the film in the film processing unit 3. In this case, the second dancer roller 25 with the spring 24 in the nominal position.
Only if the speeds in the film processing unit 3 and the film-forming device 2 deviate from the respective desired values in accordance with the guide signal 4 due to transient processes or due to the imperfect balancing of the two system parts, the second control device 27 is effective.
In a further preferred embodiment of the invention, the pilot signal 4 is also multiplied to the precontrol of the desired speed of the roller drive 19 with the clamping factor. As a result, the target values of the speeds of the roller drive 19 and the film-dispenser drive 29 run synchronously with one another, but more slowly than the speed of the film drive in the film processing unit 3.
2 shows by way of example an internal structure of the first or the second control device 17, 27. P represents the position signal P1 or P2 of the respective dancer roll, S the respective control signal S1 or S2. Pnom is a nominal value to which the position signal is to be controlled according to the nominal position of the dancer roll. The difference between P and Pnom results in a control deviation e, which is to be regulated to zero by the controller G, for example a PID controller. The output signal of the regulator G is added to a pre-control signal V. The precontrol signal V is preferably equal to the guide signal 4 multiplied by the clamping factor B.
In principle, the pre-control signal can also be added to the control deviation e before the controller G, but this leads to the fact that the dynamics of the controller also acts on the pilot signal. Likewise, the multiplication with the clamping factor B can be done at another point in the signal flow, without the principle of operation of the control being changed in principle.
Since the films used 10 have different thickness depending on the application, for example between 18 and 40 micrometers, and different elasticities, the parameters of the regulations are adaptable accordingly.
The film processing unit 3 in Fig. 1 is, for example, a film purity for packaging flat objects. It has, schematically summarized, a lower conveyor belt 33 and an upper conveyor belt 35 for conveying the film 10 at the conveying speed corresponding to the guide signal 4, and a folding and welding table 34 with a welding unit, for the purpose of confining the flat objects with the film and Welding the foil (not drawn in detail). The exact nature of the film processing unit 3 may of course vary. The two conveyor belts 33, 35 are, for example, vacuum belts. They pull the film 10 into the film processing unit 3 and counteract the film-forming roller 21. They thus generate, together with the film-forming roller 21, the tension of the film 10 in the film-processing unit 3.
The processing unit 3 is driven by a drive motor 39 at a speed in accordance with the control signal 4.
In summary, the film-forming device 2 and the unwinding device 1 serve different and complementary purposes:
The film-forming device 2 is used for rapid fine adjustment of the speed of the film 10 so as to achieve the required tension of the film 10 in the film processing unit 3.
The unwinding device 1 detects the speed of the relatively sluggish film roll 11 of the required film speed and compensates for transient speed differences by means of the first dancer roller 15.
Accordingly, there are two parallel control circuits, which adjust the speed and thus the voltage of the sequentially continuous film 10. The two control loops are piloted by the common control signal 4. The position signals P1, P2 of both control circuits can be filtered, for example by averaging (moving average). The drive motors of the roller drive 19 and the film sensor drive 29 are adjustable in their speed.
LIST OF REFERENCE NUMBERS
[0041]
<Tb> 1 <sep> unwinding
<Tb> 20 <sep> film
<Tb> 11 <sep> film roll
<tb> 12, 14 <sep> pulley
<tb> 15 <sep> first dancer roll
<tb> 16 <sep> first position encoder
<tb> 17 <sep> first regulating device
<tb> 18 <sep> first drive supply
<Tb> 19 <sep> roller drive
<Tb> 2 <sep> film donor device
<Tb> 21 <sep> film feed roller
<Tb> 21 <sep> pressure roller
<Tb> 22 <sep> axis of rotation
<Tb> 23 <sep> counterweight
<Tb> 24 <sep> Spring
<tb> 25 <sep> second dancer roll
<tb> 26 <sep> second position encoder
<tb> 27 <sep> second control device
<tb> 28 <sep> second drive supply
<Tb> 29 <sep> film encoder Drive
<Tb> 3 <sep> film processing unit
<tb> 31, 32 <sep> further pulleys
<tb> 33 <sep> lower conveyor belt
<tb> 34 <sep> Folding table with welding unit
<tb> 35 <sep> upper conveyor belt
<tb> 39 <sep> Drive the
<Tb> <sep> processing unit
<Tb> 4 <sep> piloting signal
<tb> P1, P2 <sep> position signals
<tb> S1, S2 <sep> control signals