DE69209609T2

DE69209609T2 - Steuerung für das aufwickeln von bahnen

Info

Publication number: DE69209609T2
Application number: DE69209609T
Authority: DE
Inventors: Zbigniew C O Eastman Ko Hakiel
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1991-05-03
Filing date: 1992-04-30
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2012-05-01
Also published as: WO1992019522A1; EP0537329B1; JPH05508375A; EP0537329A1; DE69209609D1; US5308010A

Description

Verfahren zum Aufspulen von Kunststoffmaterialbahnen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Aufspulen von Kunststoffmaterialbahnen und insbesondere auf ein Verfahren zur Kontrolle des Aufspulvorgangs zur Vermeidung oder Reduzierung von Fehlern auf der Kunststoffmaterialbahn.
Kunststoffmaterialbahnen, beispielsweise das Trägermaterial fotografischer Filme, die durch fortlaufendes Extrudieren oder Schmelzgießen hergestellt werden, weisen in Bahnquerrichtung oft Dickenschwankungen auf (Dickenverteilung in Querrichtung der Bahn), die sich in Längsrichtung fortsetzen. Diese Dickenschwankungen werden auch bisweilen als Fehlerstreifen oder Dünn-/Dickstreifen bezeichnet. Wenn Bahnen mit derartigen Streifen auf Rollen aufgespult werden, kännen sich in der Aufspulrolle Grate bilden. Grate sind ringförmige Bänder in der Aufspulrolle, die parallel zur Seitenwandung der Rolle verlaufen. Beim Auftreten von Graten vergrößert sich der Durchmesser der Aufspulrolle, und der Windungsinnendruck konzentriert sich auf diesen Bereich. Grate müssen vermieden werden, weil sie u.a. zu folgenden Bahnfehlern führen können: Verzug, Druckschäden auf empfindlichen Beschichtungen und Haften oder Sperren benachbarter Schichten oder Wickellagen der Aufspulrolle.
Um die Auswirkung derartiger Dickenschwankungen zu minimleren, können beide Ränder der Bahn durch einen Präge- oder Rändelprozeß verstärkt werden. Zusätzlich oder alternativ hierzu ist es auch möglich, das Band während des Aufspulvorgangs in Längsrichtung zu schwingen. Durch Rändeln werden an den Bandrändern künstlich verstärkte Bereiche erzeugt, die beim Aufspulen absichtlich Grate herbeiführen. Indem man diese künstlichen Grate an den Rändern in den nicht nutzbaren Bereichen des Bandes erzeugt, wird ein wesentlicher Teil der Wickelspannung aufgenommen, und die effektive Spannung im mittleren Bereich des Bandes wird erheblich reduziert, womit auch das Ausmaß von Graten reduziert wird, die sich in dem nutzbaren Mittelteil des Bandes bilden können.
Durch Schwingungen, wie in US-A-2,672,299 und 4,453,659 beschrieben, werden die verstärkten Bereiche des Bandes versetzt, um einen übermäßigen Dickenaufbau in einem bestimmten Seitenbereich der aufgespulten Rolle zu verringern. Zwar kann Gratbildung im aufgespulten Band durch Schwingung (auch als versetztes Aufspulen bezeichnet) reduziert werden, als unerwünschte Nebenwirkung kann es jedoch zu einem übermäßigen Randverlust kommen, wenn die Schwingweite zu groß ist. Falls andererseits die Schwingweite nicht groß genug ist, werden die Fehlerstreifen im Band nicht genügend versetzt, um den Aufbau von Graten zu vermeiden oder zu reduzieren.
Zwar kann die Gratbildung durch Randverstärkung reduziert werden, wenn aber die Verstärkung zu dick ist, d.h. wenn die "Rändelhöhe" zu groß ist, treten andere Probleme auf. Wenn die Ränder zu dick sind, wird das Band nur an den dicken Rändern unterstützt, so daß es in der Rollenmitte zu Ausbeulungen kommt. Wenn die gesamte Rollenspannung von den Rändern des Bandes getragen wird, kann der hohe Druck an den Randverstärkungen aufgrund der instabilen Richtung quer zur Bahn zu einem "Teleskopeffekt" oder einer seitlichen Verschiebung der Wickellagen führen. Um Gratbildung zu vermeiden, ohne dadurch andere Probleme zu verursachen, ist es daher notwendig, eine optimale Dicke der Randverstärkung oder Rändelhöhe für das Band zu ermitteln.
Ahnliche Überlegungen gelten für die Bahnspannung während des Aufspulens. Zwar kann eine Spannungsverminderung Grate reduzieren, aber bei zu niedriger Spannung treten andere Probleme auf. Bei viel zu niedriger Spannung kommt es zwischen den Wicklungen zu Schlupf und damit zu Reibspuren. Ein anderes Problem, das durch viel zu niedrige Spannung verursacht werden kann, ist der Teleskopeffekt oder ein Verschieben der Rolle.
Die beschriebenen Probleme können beim Aufspulen verschiedener Größen von Kunststoffmaterialbahnen auftreten. Die Probleme sind allerdings beim Aufspulen von breiten Kunststoffmaterialbahnen besonders schwerwiegend, beispielsweise im Bereich von 100 bis 200 cm, mit denen große Rollen von beispielsweise 45 bis 152 cm Durchmesser gebildet werden. Dies gilt insbesondere, wenn die Bahn aus einem thermoplastischen Folienträger besteht, der mit einer oder mehreren lichtempfindlichen Schichten oder sonstigen Schichten versehen ist. Derartige Bahnen sind besonders empfindlich für Gratbildung, gleichzeitig ist ein hierbei entstehender Ausschuß besonders teuer. Es besteht daher der Bedarf nach einem Verfahren, das das Aufspulen von Kunststoffmaterialbahnen derart steuert, daß die Gratbildung in der aufgespulten Bahn minimiert werden kann, ohne dadurch andere Probleme zu verursachen.
Monk et. al vergleichen in einem Artikel, der in TAPPI Ausgabe 58, Nr. 8 vom August 1975 auf Seiten 152-155 unter dem Titel "Internal stresses within rolls of cellophane" erschienen ist, Messungen von Cellophan-Rollen mit Erwartungswerten, um die Faktoren kennenzulernen, die zu einer annehmbaren Rollenbildung beitragen. Allerdings wird nichts über die Wirkungen von Dickenschwankungen über verschiedene Bahnbreiten hinweg gesagt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern des Aufspulvorgangs von Bahnen vorgesehen, das die genannten Probleme beseitigt oder reduziert, insbesondere für breite Bahnen und Rollen großen Durchmessers, wie zuvor erwähnt. Das neue Verfahren umfaßt Schritte, die durch automatische Datenverarbeitungsvorrichtungen unter Anwendung eines analytischen Modells ausgeführt werden, das Aufspulfehler vorhersagt und die Auswahl optimaler Aufspulbedingungen erleichtert, um die Schwere der Aufspulfehler zu minimieren. Zu den Variablen, die in dem Modell Faktoren bilden, zählen Dickenschwankungen der Bahn, Aufspulbedingungen, Abmessungen und Steifheit des Wickelkerns und die Elastizitätseigenschaften der Bahn.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in Anspruch 1 festgelegt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht der aufgespulten Rolle einer Kunststoffmaterialbahn mit gerändelten Rändern und Graten in der Rolle sowie Verzug in der Folienoberfläche.
Eig. 2 eine schematische Ansicht einer Fertigungslinie zum Extrudieren und Aufspulen einer Kunststoffmaterialbahn mit erfindungsgemäßen Einrichtungen zum Steuern der Aufspulbedingungen.
Fig. 3a den ersten Teil eines Ablaufplans für das analytische Modell zum Vorhersagen von Bahnfehlern.
Fig. 3b eine Fortsetzung und den Abschluß des Ablaufplans aus Fig. 3a.
Fig. 3c eine schematische Darstellung des erfindungs gemäßen Verfahrens, das das analytische Modell aus den Fig. 3a-3b verwendet.
Fig. 4 eine Kurve der Dickenverteilung in Bahnquerrichtung, und
Fig. 5, 6, 7 und 8 vorhergesagte Kurven der Radiusschwankungen einer Folienrolle in Bahnquerrichtung, die unter drei verschiedenen Kombinationen von Aufspulbedingungen aufgespult wurde, und zwar zu verschiedenen Stufen des Rollenaufspulvorgangs.

Definitionen:

(a) "Elastizitätsmodul des Kunststoffs" bezeichnet das Verhältnis der Spannung zur entsprechenden Verformung (N/mm²).
(b) "Kompessionsmodul des Bahnmaterials" bezeichnet das Modul einer komprimierten Bahnmateriallage (N/mm²).
(c) "Kompressionsmodul der Randverstärkung" bezeichnet das Modul einer Lage der gerändelten oder verstärkten Ränder (N/m²).
(d) "Querdehnungszahl des Kunststoffs" bezeichnet die relative Anderung der Querdimension zur relativen Längenänderung. Dieses Vorhältnis c/s ist für ein gegebenes Kunststoffmaterial innerhalb der Elastizitätsgrenze konstant.
(e) "Kernmodul" bezeichnet die radiale Steifigkeit des Wickelkerns an seinem Umfang, wie durch Gleichung 8 von Hakiel, TAPPI Journal, Ausgabe 70, Nr. 5, Seite 114 (Mai 1987) beschrieben (N/m²).
(f) "Entspannungsmodulus des Bahnmaterials" bezeichnet den zeitabhängigen Spannungswert geteilt durch die konstante Verformung für ein gedehntes Bahnmaterialmuster (N/m²).
In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Aufspulfehler aufgrund anhaltender Dickenschwankungen in Bahnlängs- und Bahnquerrichtung vermieden oder reduziert, indem ein analytisches Modell eingesetzt wird, das in einer Offline- oder automatischen online-Berechnung die optimalen Aufspulprozeßbedingungen wählt. Das Verfahren wird unter Aufspulbedingungen durchgeführt, die von einem Computer ermittelt werden, der gemäß Fig. 3a und 3b programmiert ist.
Ein Schritt in dem computergestützten Verfahren besteht darin, mehrere Messungen der Dickenschwankungen in Bahnquerrrichtunq durchzuführen, vorzugsweise mit einer berührungsfreien Vorrichtung im Online-Verfahren, und den Durchschnittswert dieser Messungen in Bahnlängsrichtung zu berechnen, um eine durchschnittliche Dickenverteilung in Bahnquerrichtung zu erhalten.
Die Bahneigenschaften, einschließlich des Elastizitätsmoduls in Bahnlängsrichtung, des lagenweisen Kompressionsmoduls des Bahnmaterials und des Entspannungsmoduls des Bahnmaterials werden ebenfalls gemessen und in das analytische Modell eingegeben. Die Abmessungen des Wickelkerns (Länge und Durchmesser), auf den das Bahnmaterial aufgespult wird, werden ebenfalls eingegeben. Zudem werden die Aufspulanfangsbedingungen, einschließlich der Aufspulspannung, der Rändel- oder Randdicke des Bahnmaterials und die Bahnschwingungsbedingungen ausgewählt, und zwar normalerweise aufgrund von Werten für eine vorher aufgespulte Rolle.
Sobald diese Informationen verfügbar sind, wird das Modell vor Aufspulen der Rolle ausgeführt, und es wird die Schwere der Aufspulfehler vorausgesagt, einschließlich Verzug, Druckschäden an empfindlichen Beschichtungen und Haftung.
Die vorhergesagte Fehlerschwere wird mit den vorgegebenen Toleranzen für diese Fehler verglichen. Falls sich die Fehler innerhalb des zulässigen Toleranzbereichs befinden, werden die Aufspulanfangsbedingungen benutzt, um die Rolle aufzuspulen. Der Prozeß wird dann für die nächste Rolle wiederholt. Falls die vorhergesagten Fehler allerdings außerhalb des Toleranzbereichs liegen, wird folgende Korrekturmaßnahme ergriffen.
Es wird eine Optimierungsroutine aufgerufen, etwa Linearprogrammierung, bei der der Gesamtwert der Schwere aller Fehler als zu minimierende Funktion herangezogen wird. Diese Routine wertet die Gesamtheit der Schwere aller Fehler anhand zahlreicher Werte für die Aufspulspannung und die Rändelhöhe aus, um die optimale Kombination zu finden, aus der sich der Mindestwert der Fehlerschwere ergibt. Sobald dieser Mindestwert gefunden ist, werden die entsprechenden Werte der Aufspulspannung und der Rändelhöhe benutzt, um die Rolle aufzuspulen. Die Anfangswerte werden dann mit den neuen Werten aktualisiert, und der Prozeß wird für die nächste Rolle wiederholt. Bei der Linearprogrammierung handelt es sich um eine bekannte Technik, wie in Kapitel 10(10.8), Seiten 312-326 von "Numerical Recipes, The Art of Scientific Computing", von Press et al., Cambridge University Press (1986) beschrieben.
Die Anwendung dieser Prozedur auf das konrekte Aufspulen einer Bahn wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulicht.
Wie in Fig. 1 gezeigt, wird eine Rolle 10 einer Polyesterkunststoffolie 11 auf einen Metall- oder Kunststoffkern 12 aufgespult. An jedem Rand der Polyesterkunststoffolie 11 befinden sich verstärkte Bereiche oder Rändelungen 13 und 14. Fig. 1 stellt eine Rolle dar, in der aufgrund der Aufspulbedingungen Fehler in der Rolle und in der Oberfläche der Bahn erzeugt worden sind. Bei den Rollenfehlern handelt es sich um die Grate oder Fehlerstreifen 15 und 16. Dies sind ringförmige Teile der Rolle, die einen wesentlich größeren Durchmesser aufweisen als der übrige Teil der Rolle.
Durch Bildung dergrate 15 und 16 steht die Bahn im Bereich der Grate unter übermäßigem Radialdruck. Wie Fig. 1 zeigt, führt dies zu Bahndefekten. Diese werden in Fig. 1 als Verzug 17 dargestellt, der die Form einer Linie aus intermittierenden, eng beabstandeten Grübchen, Falten oder Dellen annehmen kann. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Bildung dieser Fehler reduziert oder beseitigt.
Fig. 2 zeigt eine Folienextrusionslinie, in der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Das Verfahren wira in Fig. 3c schematisch dargestellt. Rolle 21 der Fertigungslinie ist eine Gieß- oder Ablöserolle, auf der eine Polymerfohe im Schmelzgießverfahren mit Hilfe eines Extruders 22 hergestellt wird. Das geschmolzene Polymer, d.h. das folienbildende Polyethylenterephthalat (PETP) wird über Extruder 22 auf die gekühlte, rotierende Rolle 21 extrudiert, wo es sich zur Bildung der Folie 23 verfestigt. Die Folie durchläuft dann eine oder mehrere ausgewählte Verarbeitungsstationen, die schematisch durch Block 24 dargestellt sind. Diese können eine beliebige Zahl von Prozessen umfassen, z.B. Folienverjüngen und -spannen, Wärmehärten, Beschichten der Folie mit lichtempfindlichen Schichten usw. sowie trocknen.
Nach den Verarbeitungsschritten in Block 24, wo die Bahn ihre vorgegebene Dicke vor dem Aufspulen erreicht, wird die Folie einer Dickenmessung unterzogen. Obwohl nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Dickenmessungen auch offline an Folienmustern erfolgen können, zeigt Fig. 2 die Ausführungsform, in der Dickenmessungen online durchgeführt werden.
Fig. 2 zeigt die Dickenmessungen in Bahnquerrichtung der Folie, die fortlaufend durch Verfahren des Meßkopfes über die Bahn erfolgen, während die Bahn durch Meßvorrichtung 25 läuft. Die Meßvorrichtung kann eine beliebige Anzahl kontaktierender oder berührungsloser Instrumente zum Messen der Foliendicke sein. Eine bevorzugte Meßvorrichtung ist der Beta-Gauge Basis Weight Sensor der Measurex Corporation, Cupertino, Kalifornien 95014, Modell 2201/2202. Diese Meßvorrichtung mißt die Foliendicke, indem Schwankungen des Betastrahlendurchgangs in der sich beweqenden Bahn gemessen werden. Der Durchschnittswert der Messungen wird in Längsrichtung von der Meßvorrichtung ermittelt, um eine durchschnittliche Dickenverteilung der Bahn zu erzielen. Die Werte für diese Messung der durchschnittlichen Dicke werden zusammen mit anderen Daten in den digitalen Steuerungscomputer 27 eingegeben, wie in Fig. 2 gezeigt. Der Computer ist gemäß dem Ablaufplan aus Fig. 3a, b programmiert.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mindestens eine der Aufspulbedingungen derart eingestellt oder gesteuert, daß die Bildung von Graten in der aufgespulten Rolle verhindert wird, oder derart, daß die Schwere auf einen Wert innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs reduziert wird. Diese einstellbaren Aufspulbedingungen umfassen die Spannung, die in Bahn 23 während des Aufspulens aufgebaut wird, die Höhe der verstärkten Ränder oder Rändelungen, die an den Rändern der Bahn gebildet werden, sowie die Schwingamplitude, während sich die Bahn zur Aufspulrolle bewegt. Siehe hierzu Fig. 3c.
In Fig. 2 ist das erste Mittel zum Einstellen der Bahnaufspulbedingungen der schematisch dargestellte, digitale Steuerungscomputer 27. Bahn 23 läuft über eine Eintrittsumlenkrolle 29 der Führung 28 und vertikal weiter zu einer Bahneintrittsrolle 29¹ sowie horizontal weiter zu Bahnaustrittsrolle 30. Rollen 29¹ und 30 sind in einem horizontal ausgerichteten Führungsrahmen 34 befestigt, der zur reziproken Schwenkbewegung in einer horizontalen Ebene auf einer vertikalen Schwenkachse A-A angeordnet ist. Nach Austrittsrolle 30 läuft die Bahn über Austrittsumlenkrolle 32 zu nachfolgenden Positionen der Fertigungslinie.
Der Führungsrahmen 28 kann mit herkömmlichen Mitteln, die in der Zeichnung nicht gezeigt werden, reziprok um Achse A- A geschwenkt werden, um die Bahn während ihrer Bewegung zur Aufspulrolle in Schwingung zu versetzen. Hierbei handelt es sich nach dem Stand der Technik um ein wirksames Mittel, um die verstärkten Bereiche der Bahn während des Aufspulvorgangs seitlich zu versetzen, um somit die Bildung von Graten in der aufgespulten Rolle zu reduzieren. Aufgrund der seitlichen Bewegung, mit der die sich bewegende Bahn durch diese Schwingprozedur beaufschlagt wird, wird dies auch als "versetztes Aufspulen" bezeichnet. Die Auswahl der optimalen Schwingparameter, d.h. Amplitude und Frequenz, ist erforderlich, denn wenn der Folienweg nicht ausreichend versetzt wird, kommt es zu keiner ausreichenden Reduzierung der Gratbildung. Wenn der Versatz allerdings zu groß ist, wird an den Rändern der Bahn zuviel Folie verschwendet, die anschließend abgeschnitten werden muß.
Eine für die Bahnschwingung geeignete Vorrichtung ist die in US-A-4,453,659 beschriebene Bahnführung, die hierin durch Nennung als aufgenommen betrachtet wird. Obwohl dieses Patent den Einsatz der Vorrichtung zum Korrigieren von Bahnabweichungen beschreibt, kann sie ebenfalls benutzt werden, um die Bahn zu sinusförmigen Seitenschwingungen zu veranlassen. Eine weitere verwertbare Vorrichtung wird in US-A-2,672,299 beschrieben, das durch Nennung als hierin aufgenommen betrachtet wird.
Nach Verlassen des Führungsrahmens 28 werden die Ränder von Bahn 23 durch die Randschneider 33 und 34 abgeschnitten, um die Randbereiche zu entfernen, die durch Schwingen der Folie entstanden sind, und um eine gerade Kante zu bilden.
Nach den Bandschneidern 33 und 34 läuft das Band durch ein weiteres Mittel zum Steuern der Aufspulbedingungen, und zwar der Rändelvorrichtung 35. Diese in Fig. 2 schematisch dargestellten Mittel umfassen zwei feststehende Räder 36 und 37, die oberhalb von Bahn 23 angeordnet sind, sowie zwei einstellbare Räder 39, die unterhalb der Bahn angeordnet sind. Die Bahn wird optional unmittelbar vor oder während des Kontakts mit den Rädem beheizt, beispielsweise durch Ultraschall, wie in US-A-4,247,273 beschrieben (durch Nennung als hierin aufgenommen betrachtet). Die Räder sind mit gemusterten Oberflächen versehen, die auf bekannte Weise so eingestellt werden, daß sie verstärkte und gerändelte Bereiche an den Bahnrändern bilden. Die Randdicke oder Rändelhöhe hängt von dem Druck ab, mit dem die einstellbaren Räder beaufschlagt werden. Dieser Druck wird erfindungsgemäß durch den Steuerungscomputer 27 gesteuert, um eine Rändelhöhe zu erreichen, die ausreicht, um die Gratbildung zu reduzieren, die aber nicht so groß ist, um die Probleme zu verursachen, die für übermäßig verstärkte Ränder charakteristisch sind.
Nach dem Rändeln läuft das Band weiter zu einem Spannungssteuerungsmittel 40. Dies umfaßt eine feststehende Eintrittsrolle 41, eine Pendelrolle 42 und eine feststehende Austrittsrolle 43. Die von Pendelrolle 42 ausgeübte Kraft, um die Bandspannung zu erhöhen oder zu verringern, wird ebenfalls erfindungsgemäß durch Steuerungscomputer 27 gesteuert.
Nach Durchlaufen des Spannungssteuerungsmittels wird Band 23 auf der Aufspulrolle oder der Aufwicklung 45 aufgespult.
Wenn diese Position erreicht ist, unterliegt die Spannung auf dem Band, die Dicke der Randverstärkung und das horizontale Schwingen des sich bewegenden Bandes der Steuerung. Diese drei Bedingungen werden durch Steuerungscomputer 27 gesteuert. Er ermittelt aus der Dickenmessung mittels Meßvorrichtung 25 und aus den Eingahgsdaten über Filmeigenschaften und Fehlertoleranzen die erforderlichen Bedingungen, um das Band aufzuspulen, ohne die Fehlertoleranzen zu überschreiten.
Zwar zeigt Fig. 2 die Steuerunder drei Aufspulbedingungen Bandspannung, Dicke der Randverstärkung und die Schwingparameter von Amplitude und Frequenz, aber es ist nicht immer erforderlich, alle drei Bedingungen einzustellen. Wenn Fehler durch Einstellen nur der Dicke der Randverstärkung und der Bandspannung ausreichend reduziert werden können, kann es ratsam sein, die Bandschwingung zu unterlassen, da dieser Vorgang Bandabfall erzeugt. Wenn allerdings die Dickenschwankungen zwischen Längs- und Querrichtung so groß sind, daß ohne Bandschwingung die Fehler nicht ausreichend reduziert werden können, kann das erfindungsgemäße Verfahren die Steuerung dieses Vorgangs ebenfalls umfassen, wie zuvor beschrieben wurde.
Die Ausgabe des Steuerungscomputers 27, der den Führungsrahmen 28 steuert, wird an einen elektromechanischen Antrieb angelegt (z.B. einen Servomotor). Die Ausgabe von Steuerungscomputer 27, der die Rändeldicke steuert, wird an ein pneumatisches Stellglied angelegt, und die Ausgabe von Steuerungscomputer 27, die die Spannung steuert, wird an die Spannungspendelrolle 42 angelegt. Herkömmliche Digital/Analogschnittstellen können die erforderliche Ausgabeumsetzung übernehmen.
Fig. 3c der Zeichnung zeigt, wie das analytische Modell zum Vorhersagen von Bahnfehlern in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird. Die Eingaben für das Modell 50 sind das durchschnittliche Dickenprofil 51, die Bandeigenschaften 52 und die Aufspulanfangsbedingungen 53. Wie zuvor beschrieben, kann das durchschnittliche Dickenprofil anhand von Offline-Messungen eines Toils der Bahn oder durch Online-Messungen während des Aufspulvorgangs abgeleitet werden. Die Bandeigenschaften sind wie zuvor definiert. Die Aufspulanfangsbedingungen umfassen die Bandspannung, die Randdicke (Rändelhöhe) und die Schwingungsamplitude und - frequenz.
Anhand dieser Daten führt der Steuerungscomputer das Modell aus, wie in Fig. 3a-3b beschrieben, und sagt die Schwere der Bandfehler voraus, etwa Verzug, Druckschaden der Beschichtung und Blockieren oder Haften aufeinanderfolgender Wickellagen. Wie anhand Entscheidungsblock 54 von Fig. 3c gezeigt, werden die vorhergesagten Werte mit den Toleranzeingaben verglichen, wie durch Block 55 angezeigt. Falls die Voraussagen innerhalb der Toleranzen liegen (OK), werden die Aufspulanfangsbedingungen (Block 53) aktualisiert oder korrigiert (Block 56) und benutzt, um die Bahnspannung, die Dicke der Randverstärkung und die Schwingungsparameter zum Aufspulen der Rolle 58 über die Steuermittel 40, 35 und 28 aus Fig. 2 zu steuern.
Falls die Voraussagen die Toleranzen überschreiten (nicht OK), wird eine Optimierungsroutine ausgeführt (Block 60), vorzugsweise anhand von Techniken zur Linearprogrammierung, wie in dem hier genannten Text von Press et al. beschrieben. Hierdurch werden neue Werte zum Aktualisieren der Aufspulbedingungen bereitgestellt, wie durch Block 62 bezeichnet, die dann benutzt werden, um die nächste herzustellende Rolle aufzuspulen. Somit werden die zum Aufspulen jeder Rolle durchgeführten Messungen benutzt, um die Aufspulbedingungen für die nächstfolgende Rolle einzustellen.
Fig. 3a-3c der Zeichnungen veranschaulichen das analytische Modell, anhand dessen das erfindungsgemäße Verfahren gesteuert wird. Die Definitionen der in diesen Figuren benutzten Glieder sind in der nachfolgenden Tabelle I aufgeführt. Der Algorithmus, in dem die Parameter für Druck, Spannung und Verformung berechnet werden, wird in dem von dem Erfinder verfaßten Artikel beschrieben, der in dem nachfolgend genannten TAPPI Journal erschienen ist. Die Rollenentspannungsradien können anhand der mehrgliedrigen Extrapolationsalgorithmen aus dem Text von Press et al. berechnet werden, auf den nachfolgend Bezug genommen wird. Beide Artikel werden durch Nennung als hierin aufgenommen betrachtet. Tabelle 1 Definitionen: Rollenradiusverteilung in Bahnquer richtung, wobei i die Wickellage innerhalb der Rolle bezeichnet, die zwischen 0 für den Wickelkern und N für die Außenseite der Rolle wechseln kann. j bezeichnet die Position in Bahnquerrichtung. Entspannungsradius, also der Rollenradius, an dem die Spannung in Längsrichtung null ist. Außenradius des Wickelkerns in Bahnquer richtung, wobei j die Position in Bahnquerrichtung bezeichnet. Anzahl der Wickellagen in der Rolle. Anzahl der Positionen in Bahnquerrichtung. Breiteninkrement (Bahnbreite geteilt durch M). Mindestwert in einem Wertevektor. für sonst Durchschnittliches Dickenprofil in Bahnquerrichtung, wobei j die Position in Bahnquerrichtung bezeichnet. Schwere der druckbedingten Aufspulfehler. Fehlerfunktion für Druck Wie Φ&sub1; für Spannung. Wie S1 für Spannung. Wie Φ&sub1; für Radialspannung. Wie S&sub1; für Radialspannung. Wie Φ&sub1; für Tangentialspannung. Wie Si für Tangentialspannung. Fehlerfunktion. Gewichtungsfaktor für kth Fehler. Spannungstoleranz. Mehrgliedriger Extrapolationsalgorithmus, wie auf Seite des Artikels "Numerical Recipes, the Art of Scientific Computing" von V.H. Press et al., Cambridge University Press, beschrieben. Nicht linearer Algorithmus zur Vorhersage von Wicklungszugspannungen, wie von Z. Hakiel in "Non-Linear Model for Wound Roll Stresses", TAPPI Journal, Band Nr. Seite Mai beschrieben.
Wie in Fig. 3a gezeigt, wird die Erfindung durch einen Steuerungscomputer 27 ausgeführt, der zu Anfang den Rollenradius auf die Größe des Wickelkerns initialisiert und das Wickelprofil (0,j) dem Kernprofil C(j) zuordnet. Gleichzeitig initialisiert er einen Wickellagenzähler (i).
Der Steuerungscomputer 27 berechnet dann für jede aufeinanderfolgende Wickellage eine Schätzung des Entspannungsradius Ro, wie nachfolgend beschrieben. Nach Berechnen des Entspannungsradius für Wickellage i-1 wird das Wickelprofil für Wickellage i nach folgender Relation berechnet:
(i,j) = Ro + Exc { ((i-1),j), Ro} + h(j)
wobei j die Positionen 1 bis M in Bahnquerrichtung darstellt. Dieser Prozeß wird für jede die Rolle bildende Wickellage wiederholt.
Um eine Radiusschätzung der Lage zu berechnen, setzt der Steuerungscomputer 27 die Radiusschätzung Ro auf den kleinsten Wert des Wickelprofils (i,j). Dann wird die vorhergesagte Spannungsverteilung Tp in Bahnquerrichtung mit Hilfe folgender Gleichung berechnet:
Die vorhergesagte Gesamtspannung Tw, die die Summe aller einzelnen, vorhergesagten Spannungen in Bahnquerrichtung an den Positionen j ist, wird mit der tatsächlichen Spannung Ta verglichen. Wenn der absolute Wert der Differenz zwischen der Gesamtspannung an der Lage Tw(i) beträgt, und der tatsächliche Wert Ta(i) kleiner als &epsi;Ta(1) ist, wird die Radiusschätzung Ro des Wickelprofils anhand eines unten beschriebenen Extrapolationsalgorithmus berechnet.
Wenn alle Lagen N der Rolle berechnet worden sind, analysiert der Computer das erhaltene Wickelprofil. Er initialisiert zunächst die Position in Bahnquerrichtung und berechnet dann für jede Position anhand des zuvor genannten nicht linearen Algorithmus IRSN für die Wicklungszugspannung den Windungsdruck P(i,j) und die Wicklungszugspannung (T(i,j) sowie die Radialspannung Er(i,j) und die Tangentialspannung Et(i,j). Nachdem diese Berechnung für jede Wickellage durchgeführt worden ist, berechnet der Computer (1) die Schwere Φ&sub1; der druckbedingten Aufspulfehler, indem die verschiedenen Anteile des jeweiligen Drucks an jeder Position und für jede Wickellage in Abhängigkeit von der Druckfehlerfunktion S1 addiert werden, (2) wird die Schwere 4) der spannungsbedingten Aufspulfehler in Abhängigkeit von der Fehlerfunktion für Spannung S2 und die Einzelspannung T(i,j) berechnet, (3) wird die Schwere Φ&sub3; der radialspannungsbedingten Fehler in Abhängigkeit von der Fehlerfunktion für Radialspannung S3 berechnet, und (4) wird die Schwere Φ&sub4; der tangentialspannungsbedingten Fehler in Abhängigkeit von der Fehlerfunktion für Tangentialspannung S4 und einzelne Tangentialspannungen Et(i,j) berechnet.
Abhängig von der Anwendung werden verschiedene Gewichtungsfaktoren Ck für jede Fehlerart auf den Wert für den jeweiligen Schwerewert angewandt, und zwar basierend auf der Fehlerschwere und den vorgegebenen Gewichtungsfaktoren, die für jede Anwendung angepaßt werden.
Fig. 4 der Zeichnung ist eine Kurve der durchschnittlichen Dickenverteilung für eine Polyethylenterephthalatfolie (PETP) mit einer Nenndicke von 178 w. Die kurve wird durch Dickenmessungen mit einer kontaktierenden LVDT-basierenden Offline-Dickenlehre geschrieben, könnte aber auch mit einem zuvor beschriebenen "Beta-Gauge"-Meßinstrument erstellt worden sein. Fig. 4 stellt die Dicke in Micrometer dar (125um = 0,001 Zoll). Die Dicke ist auf der vertikalen Achse gegen die Positionen in Querbahnrichtung auf der horizontalen Achse abgetragen. Wie aus der Kurvendarstellung hervorgeht, ist die Folie an beiden Rändern dicker als 190 um. Dies ist auf die Randverstärkung zurückzuführen. An Zwischenpositionen in Bahnquerrichtung wechselt die durchschnittliche Dicke von dem niedrigsten Wert von ca. 175 µm bis zu ca. 185 µm.
Fig. 5, 6, 7 und 8 sind die vorhergesagten Rollendurchmesser. Die Vorhersage erfolgt anhand des analytischen Modells aus Fig. 3a-3b.
Die folgenden Tabellen zeigen die Eigenschaften von Bahn und Rolle (Tabelle II) sowie die Aufspulspannung und die Rändelhöhe (Tabelle III) für die vier vorhergesagten und in den Kurven von Fig. 5-8 dargestellten Fälle. Tabelle II Bandbreite Banddicke Rändelbreite Kerndurchmesser Rollendurchmesser Elastizitätsmodul des Bandes Querdehnungszahl des Bandes an jedem Rand Tabelle III Aufspulspannung Rändeldicke
Fig. 5 zeigt das Wickelprofil bei aufeinanderfolgenden Rollenradien während des Aufspulvorgangs. Bei einem Radius von 63,5 mm weist die Wicklung zunächst ein typischerweise ungleichmäßiges Profil auf, wie in Fig. 4 gezeigt. Mit Aufspulen der Rolle bei einer Aufspulspannung von 889 N und einer Rändelhöhe von 185 µm an jedem Rand beginnt die Rollenoberfläche zunehmend Grate aufzuweisen. Wenn der Rollenradius 190 mm erreicht hat (oberste Kurve in Fig. 5), sind zwei deutliche Grate A und B zu erkennen.
Die flachen Kurventeile dieser Fig. und der Fig. 6-8 stellen den Entspannungsradius Ro der Rolle dar.
Fig. 6 zeigt das vorhergesagte Wicklungsprofil in aufeinanderfolgenden Stufen für eine Rolle, die bei einer geringeren Aufspulspannung von 489 N aufgespult wurde und eine Rändelhöhe von 185 µm aufweist (wie in Fig. 5). Wie bereits in Fig. 5 weist die Rolle bei einem Radius von 63,5 mm auch hier typische Oberflächenschwankungen auf. Mit Fortsetzen des Aufspulvorgangs und einer Vergrößerung des Rollenradius auf 190,5 mm (oberste Kurvendarstellung) treten zwei Grate auf, die kleiner sind als die aus Fig. 5.
Fig. 7 zeigt eine ähnliche Reihe von Kurven für eine Rolle, die mit einer Spannung von 889 N und einer Rändelhöhe von 191 um aufgespult wurde. Der Kurvenverlauf (von 63,5 mm bis 190,5 mm) zeigt, daß die Oberfläche immer gleichmäßiger wird. Bei 190,5 mm ist der Grat kaum wahrnehmbar.
Fig. 8 zeigt eine weitere Reihe von Kurvendarstellungen für eine Rolle, die mit einer Spannung von 489 N und einer größeren Rändelhöhe von 191 um aufgespult wurde. Unter diesen Bedingungen ist die Rolle bei 190,5 mm frei von Graten.
Zwar wurde die Erfindung insbesondere mit Bezug auf das Aufspulen einer extrudierten Polyethylenterephthalatfolienbahn beschrieben, aber selbstverständlich kann das Verfahren auch eingesetzt werden, um die Gratbildung beim Aufspulen einer großen Palette an Kunststoffmaterialbahnen zu kontrollieren und zu reduzieren Hierzu zählen beispielsweise polymere Kunststoffmaterialbahnen, etwa Polyolefine, sowie im Tauchformverfahren hergestellte Kunststoffmaterialbahnen, etwa Celluloseester und insbesondere Cellulosetriacetat.

Claims

1. Verfahren zum Aufspulen einer mit einer Randverstärkung versehenen Kunststoffmaterialbahn auf Wickelkerne, wobei

(a) die aufzuspulende Materialbahn folgenden Messungen unterzogen wird:

(1) Messung des Elastizitätsmoduls des Kunststoffs,

(2) lagenweise Messung des Kompressionsmoduls des Bahnmaterials,

(3) lagenweise Messung des Kompressionsmoduls der Randverstärkung,

(4) Messung der Querdehnungszahl des Kunststoffs,

(5) Messung des Entspannungsmoduls des Bahnmaterials,

(b) der Wickelkern folgenden Messungen unterzogen wird:

(1) Messung der radialen Steifigkeit an der Umfangsfläche und in der Breite,

(2) Messung des Durchmessers, und

(c) Aufspulanfangsbedingungen festgelegt werden für

(1) die anfängliche Bahnspannung,

(2) die anfängliche Dicke der Randverstärkung und

(3) die anfängliche Schwingweite der Materialbahn,

(d) das Dickenschwankungsintegral in Bahnquerrichtung an Orten entlang der Materialbahn gemessen wird,

(e) die durchschnittliche Dickenverteilung in Bahnguerrichtung bestimmt wird, indem in Bahnlängsrichtung ein Durchschnittswert der gemessenen Dickenschwankungen ermittelt wird,

(f) die Aufspulsummenfehlerfunktion φ anhand der Messergebnisse von (1) Bahnmaterial und Wickelkern, (2) der Aufspulanfangsbedingungen und (3) der durchschnittlichen Dickenverteilung in Bahnquerrichtung mittels der Gleichung

vorausberechnet wird, wobei φk eine Einzelfehlerfunktion bezüglich entweder der Fehlerfunktion Windungsdruck (P(i, j)), der Fehlerfunktion Wicklungszugspannung (T(i, j)), der Fehlerfunktion Radialspannung (Er(i, j)) und der Fehlerfunktion Tangentialspannung (Et(i, j)) und Ck der Gewichtungsfaktor der jeweiligen Einzelfehlerfunktion ist,

(g) der Wert der Summenfehlerfunktion φ mit vorgegebenen Toleranzen verglichen wird, um zu ermitteln, ob der Wert innerhalb oder außerhalb der Toleranzgrenzen liegt,

(h) das Aufspulen einer ersten Materialbahn auf einen Wikkelkern unter den Aufspulanfangsbedingungen erfolgt, sofern der errechnete Wert der Summenfehlerfunktion φ innerhalb der Toleranzgrenzen liegt, und

(i) das Bahnmaterial unter korrigierten Aufspulbedingungen bezüglich mindestens der Spannung, der Randdicke oder der Schwingweite des Bahnmaterials aufgespult wird, wenn der errechnete Wert der Summenfehlerfunktion φ außerhalb der Toleranzgrenzen liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der windungsdruck (P(i, j)), die Wicklungszugspannung (T(i, j)), die Radialspannung (Er(i, j)) und die Tangentialspannung (Et(i, j)) sich anhand des Wickelprofils einer jeden Lage berechnen lassen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das einer jeden Lage zughörige Wickelprofil aus einer Radiusschätzung des Wickelprofils einer entspannten vorangegangenen Wickellage und der Dicke der aktuellen Wickellage berechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schätzung des entspannten Radius anhand einer vorausberechneten Spannungsverteilung in Bahnquerrichtung vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Bahnmaterial unter Aufspulanfangsbedingungen entsprechend den Korrekturwerten für das zuerst aufgespulte Dahnmaterial aufgespult wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem ersten Aufspulen von Bahnmaterial auf einen Wickelkern die Meßergebnisse gesammelt und die Aufspulbedingungen aufgrund dieser Meßergebnisse berechnet werden und daß weiteres Bahnmaterial unter den berechneten Aufspulbedingungen auf einen Wickelkern aufgespult wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchschnittswerte und die vorausberechneten Werte sowie die Aufspulbedingungen mittels eines Digitalrechners ermittelt werden.