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Die
Erfindung betrifft eine Prägemaschine zum Übertragen
von Flächenabschnitten
von einer Trägerbahn,
wie einer Folie, auf ein Substrat, wie einem Bogen oder einer laufenden
Bahn aus Papier oder anderen Materialien.
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Mit
solchen Prägemaschinen
werden flächige
Strukturen, wie beispielsweise Hologramme, Bereiche metallisierter
Folien oder von Metallschichten, auf ein Substrat aufgeprägt, und
zwar meist in Heißsiegelverfahren.
Dazu ist auf der Trägerfolie
der entsprechende Flächenabschnitt
aufgebracht und mit Hilfe einer Heißsiegelschicht wird der Flächenabschnitt
von der Folie abgelöst
und auf das Substrat aufgeprägt.
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Eine
solche Prägemaschine
ist in der
DE 196 25
064 C2 dargestellt und im einzelnen beschrieben. Sie beschreibt
ferner ein mechanisches Ungleichförmigkeitsgetriebe, das zwischen
dem Werkzeug- und dem Gegendruckzylinder eingeschaltet ist und einstellbar
periodische Änderun gen
der Umfangsgeschwindigkeit eines der Zylinder während jeweils einer Umdrehung
ermöglicht.
Aus den dort beschriebenen Gründen
kann es somit erreicht werden, dass in dem Zeitpunkt, an dem ein
Werkzeug auf den Werkzeugzylinder das auf der Trägerbahn befindliche Druckbild
auf das Substrat überträgt, genau
gleiche Umfangsgeschwindigkeit beider Zylinder vorliegt, obwohl
es geringfügige
Unterschiede in den wirksamen Durchmessern der beiden Zylinder geben
kann. So wird also beispielsweise bei zu kleinem Werkzeugzylinder
dieser bei Herannahen des Druckzeitpunktes beschleunigt und danach
wieder so verzögert,
dass beim nächsten
Umlauf die Registerhaltigkeit wieder gewahrt ist.
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Aufgabe und
Lösung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Prägemaschine
zu schaffen, die diese Funktion mit geringerem mechanischem Aufwand
ermöglicht
und darüber hinaus
weitere Möglichkeiten
und eine verbesserte Einstellbarkeit erschließt.
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Diese
Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst.
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Die
Erfindung verwendet also einen mechanisch von dem zweiten Zylinder,
meist dem Gegendruckzylinder, entkoppelten Elektroantrieb für den ersten
Zylinder, der meist der Werkzeugzylinder ist. Der Gegendruckzylinder
hat bei Bogenmaschinen auch die Aufgabe, den Bogen zu ergreifen
und durch den Druckspalt zu transportieren und ist auch an eine Reihe
von Folgeaggregaten angeschlossen, so dass hier eine genaue Positionierung
und Takthaltigkeit notwendig ist, was eine zur übrigen Maschine fest ausgerichtete
Lagerung bedingt.
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Der
Werkzeugzylinder kann dagegen in seinem Achsabstand vom Gegendruckzylinder
einstellbar beweglich sein und ist in seinem wirksamen Durchmesser,
der durch die Oberfläche
der auf ihm befestigten Werkzeuge definiert ist, von deren Dicke abhängig. Ferner
ist der Werkzeugzylinder bei Heißsiegelübertragung beheizt, so dass
auch thermische Ausdehnungen entstehen, die bei der auf hunderstel Millimeter
genauen Einstellung des Druckspaltes durchaus eine Rolle spielen.
Deswegen musste bisher der Umfang des Gegendruckzylinders arbeitsaufwendig
durch sog. Aufzüge,
d.h. nicht am eigentlichen Druckvorgang teilnehmende Bogen unterschiedlicher
Dicke, angepasst werden.
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Bezüglich der
Funktion des Ungleichförmigkeitsantriebs
und der Einzelheiten der Prägemaschine
wird auf die erwähnte
DE 196 25 064 C2 auch
zum Zwecke der Offenbarung Bezug genommen. Der Elektroantrieb nach
der Erfindung, der mechanisch gänzlich
vom Synchronantrieb der übrigen
Maschine entkoppelt ist, wird nur regeltechnisch davon abhängig, indem
beispielsweise am Gegendruckzylinder oder seinem Antrieb entsprechende
Geber, beispielsweise Frequenzgeber oder dgl., angeordnet sind.
In einem elektronischen Steuergerät, beispielsweise einem Computer,
werden die Daten über
die Drehzahl der beiden Zylinder miteinander verglichen und die
gewünschten
periodischen Abweichungen über
ein gespeichertes Programm, das manuell oder auf anderem Wege eingegeben
wurde, verändert. Somit
ist eine viel größere Flexibilität der Drehzahländerungen
möglich.
Es könnten
beispielsweise bei mehreren, jeweils durch eine „Leerstrecke" voneinander getrennten
Werkzeugen am Umfang des Werkzeugzylinders die Drehzahlen entsprechend
oft pro Umdrehung auf die Synchronumfangsgeschwindigkeit eingeregelt
und jeweils dazwischen für
die entsprechende Verzögerung
gesorgt werden, damit die resultierende Drehzahl genau mit der des
Gegendruckzylinders übereinstimmt,
was für
die Passergenauigkeit erforderlich ist. Erstaunlicherweise ist dies
trotz Verzicht auf mechanische Kopplung möglich.
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Vorzugsweise
wird als Elektroantrieb ein Drehstrommotor verwendet, der über einen
steuerbaren Frequenzwandler die Drehzahländerungen bestimmt.
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Bei
den hohen Arbeitsgeschwindigkeiten und dementsprechend hohen Drehzahlen
sind die Beschleunigungen und Verzögerungen, die der Elektroantrieb
auf den Werkzeugzylinder überträgt, sehr groß. Diese
Momente übertragen
sich normalerweise auch auf die Lagerung des entsprechend angetriebenen
Zylinders, was zu Schwingungen und erheblichen Stoßbelastungen
auf die Einstellorgane für
den Werkzeugzylinder führt.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Elektroantrieb
ein Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator
an einem anderen Maschinenteil gelagert ist als der erste Zylinder.
Wenn der erste Zylinder an einem einstellbaren Maschinenteil gelagert
ist, beispielsweise einer Schwinge, dann kann der Stator beispielsweise über einen
Stützarm
an einem maschinenfesten Teil, also am Maschinenrahmen, abgestützt sein,
so dass er seine Reaktionskräfte
auf die Beschleunigungs- und Verzögerungsmomente direkt auf den
Maschinenrahmen und nicht auf die Schwinge überträgt. Damit wird auch der Einstellantrieb
für die
Schwinge, beispielsweise ein elektrischer Linearmotor oder ein Hydraulikzylinder,
von diesen Schwingungen bzw. Stoßbelastungen frei gehalten.
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Vorzugsweise
kann der Stützarm
vertikal zur Verbindung der Zylinderachse mit der Achse der Einstellschwinge
verlaufen und über
einen Schiebesitz mit dem Maschinenrahmen verbunden sein. Auf einen
solchen Schiebesitz kann verzichtet werden, wenn der Stützarm in
Richtung dieser Verbindungslinie zwischen den Achsen verläuft und
die Abstützung beispielsweise
auf einer Verlängerung
der Schwingenachse erfolgt. In diesem Falle würde der Stützarm parallel zur Schwinge
verlaufen, jedoch den Stator unabhängig von der Schwinge abstützen.
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Es
ist zu erkennen, dass durch die Erfindung die Einstellbarkeit und
die Möglichkeiten
zur Anpassung erheblich verbessert werden. Es ist dadurch nicht
nur möglich,
geringfügige
Durchmesserunterschiede auszugleichen, sondern aktiv in den Prägeablauf
einzugreifen. Es können
nicht nur auch größere Durchmesserunterschiede
ausgeglichen werden, sondern es können auch Effekte erzielt werden,
die bisher nicht möglich
erschienen, beispielsweise auch n den Gleichlauf zwischen Werkzeugzylinder,
Gegendruckzylinder und den beiden beteiligten Materialbahnen eingewirkt
werden, um beispielsweise an den Rändern eines Werkzeugs durch
Umfangsgeschwindigkeitsabweichungen einen aktiven „Abriss" zu erzeugen.
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Vorzugsweise
wird also eine Prägemaschine zum Übertragen
von Hologrammen etc. von einer Trägerfolie auf eine Bahn oder
einen Bogen geschaffen, die einen Werkzeugzylinder und einen Gegendruckzylinder
hat, zwischen denen der Druckspalt über eine den Werkzeugzylinder
lagernde Schwinge einstellbar ist. Ein Elektroantrieb des Werkzeugzylinders
ermöglicht
es, mittels eines über
einen steuerbaren Frequenzwandler gespeisten Drehstrommotor den
Werkzeugzylinder in Abweichung von der Synchrondrehzahl des Gegendruckzylinders
zu bewegen. Reaktionskräfte
der durch die Beschleunigung und Verzögerung des Elektroantriebs
werden direkt vom Stator des Elektroantriebs über einen Stützarm auf
den Maschinenrahmen abgeleitet.
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Die
vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch
aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen
Merkmale jeweils für
sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei
einer Ausführungsform
der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für
sich schutzfähige
Ausführungen
darstellen können,
für die
hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in
einzelne Abschnitte sowie Zwischenüberschriften beschränkt die
unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher erläutert. Es
zeigen.
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1 einen
schematischen Querschnitt durch die zusammenwirkenden Zylinder einer
Prägemaschine
und ihrer Lagerung ohne alle übrigen
Aggregate, in 2 in Richtung des Pfeiles 1 gesehen,
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2 eine
Seitenansicht des in 1 dargestellten Aggregats und
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3 ein
Funktionsschema des Antriebs.
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Detaillierte
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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Die
1 und
2 zeigen,
schematisch und auf die Hauptfunktionen beschränkt, das Prägeaggregat einer Prägemaschine
11.
An einem Maschinenrahmen
12 sind, insbesondere aus
2 zu
sehen, zwei miteinander zusammenwirkende Prägezylinder
13,
14 gelagert,
von denen der Werkzeugzylinder
13 Prägewerkzeuge
15 trägt, während der
darunter liegende Gegendruckzylinder bei einer Bogenmaschine Greifer
zum Erfassen und Halten eines Bogens
16 (doppel-strichpunktiert)
aufweist, der das Substrat bildet, auf den Flächenabschnitte, Bilder, Symbole
oder dgl. aufgeprägt
werden, die auf einer Trägerbahn
17 (strichpunktiert)
ablösbar
angebracht sind. Die Werkzeuge sind entsprechend der Rundung des
Werkzeugzylinders angepasste und in ihrer Form dem abzuprägenden Flächenabschnitt
angepasste Metallplättchen
(in
2 vereinfacht kreisförmig dargestellt), die mittels
Spannvorrichtungen auf dem Werkzeugzylinder oder einer darauf aufgebrachten
Hülse entsprechend
dee gewünschten
Aufprägeort
angebracht werden. Der Werkzeugzylinder ist beheizt, um die auf
der Trägerbahn
vorgesehenen Flächenabschnitte
auf das Substrat (Bogen
16) aufzubringen, wozu sie mit
einer Heißsiegelschicht überzogen
sind. Es kann sich dabei um Hologramme, Folienbilder, Metallschichten
etc. handeln. Die Trägerbahn
wird zusammen mit dem Bogen durch den exakt einstellbaren Druckspalt
18 zwischen
den beiden Zylindern
13,
14 hindurchgeführt, wobei
die Trägerbahn
unter Umständen
zum Einsparen von Trägerfolie
schrittweise, ggf. auch mit einer Brems- und Beschleunigungsstrecke,
bewegt wird (vgl. hierzu
DE 37
13 666 C ,
EP
718 099 B und
EP
1 155 831 B , auf die ebenfalls zum Zweck der Offenbarung
Bezug genommen wird).
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Der
Gegendruckzylinder 14 ist in Lagern 19 im Maschinengestell
um eine horizontale Achse 20 drehbar gelagert. Er wird über ein
Antriebszahnrad 21 von einem Synchronantrieb der gesamten
Prägemaschine
angetrieben, ist also mit den übrigen
Aggregaten, wie Bogenzuführung,
Greiferbetätigung etc.,
synchronisiert.
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Der
Werkzeugzylinder 13 ist um eine zur Achse 20 parallele
Achse 22 gelagert, und zwar in einem gegenüber dem
Maschinenrahmen 12 beweglichen Maschinenteil 23,
das im Folgenden als Schwinge bezeichnet wird. Die Schwinge trägt die den
Werkzeugzylinder lagernden Lager 24. Aus 1 ist
zu sehen, dass die Schwinge, die auf beiden Seiten des Werkzeugzylinders
je eine Wange hat, um eine Achse 25 am Maschinenrahmen
so gelagert ist, dass sie von einem Linearantrieb 26, beispielsweise
einem Hydraulikzylinder oder einem elektrischen Linearmotor bzw.
einem Spindelantrieb oder dgl., zur Präzisionseinstellung des Druckspaltes 18 verschwenkbar
ist. Die Verbindungslinie zwischen der Schwenkachse 25 und
der Achse 22 des Werkzeugzylinders ist etwa horizontal
und damit senkrecht zur Verbindungslinie zwischen den Achsen 20, 22 der
beiden Zylinder.
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Es
ist auch zu erkennen, dass die Schwinge 23 durch eine Rippe 27 an
einem die Schwinge aufnehmenden Ausschnitt des Maschinenrahmens
im Zusammenwirken mit einer Nut 28 in der Außenkontur
der Schwinge zur Axialführung
des Werkzeugzylinders aufgenommen ist.
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Der
Werkzeugzylinder 13 wird von einem Elektroantrieb 30 angetrieben
und ist im übrigen
bezüglich
seines Antriebs mechanisch nicht mit dem Synchronantrieb des Gegendruckzylinders
gekoppelt. Der Elektroantrieb weist einen Elektromotor 31 auf,
und zwar einen Drehstrommotor, der ggf. über ein Vorschaltgetriebe 32 direkt
mit der Welle 33 des Werkzeugzylinders 13 verbunden
ist.
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Der
Stator 34 des Elektromotors, der auf das Gehäuse des
Vorschaltgetriebes 32 aufgeflanscht ist, ist nicht an der
Schwinge angebracht. Die Einheit Stator/Getriebegehäuse 35 ist
mit einem Stützarm 36 versehen,
der, wie aus 1 zu erkennen ist, im wesentlichen
vertikal zur Schwingenerstreckung bzw. seiner Verbindungslinie 37 zwischen
den Achsen 22 und 25 und damit etwa in Richtung
der Verbindungslinie 38 zwischen den Achsen 20 und 22 verläuft. Der Stützarm ist
mit einem Schiebesitz in Form eines Langloches 39 an einem
Anschlagbolzen 40 abgestützt, der maschinenfest ist
und vom Maschinenrahmen 12 vorragt. Beide Zylinder 13, 14 sind
mit je einem Geber 41, 42 versehen, die die jeweilige
Drehposition, die Drehfrequenz etc. der Zylinder in Form elektrischer
Signale an eine Steuerung geben.
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Diese
Steuerung ist in 3 schematisch dargestellt. Die
Signale der Geber 41 und 42 werden einer Steuereinrichtung 43 zugeführt, die
als ein elektronischer Rechner (Computer) dargestellt ist. Dieser enthält ein Eingabetastenfeld 44 und
einen Speicher für
ein Betriebsprogramm und für
Eingabewerte. In Abhängigkeit
davon werden Ausgangssignale erzeugt, die über einen Datenausgang 45 einer
Drehzahlsteuerung 46 zugeführt werden, die einen steuerbaren
Frequenzwandler enthält.
Dieser erzeugt aus einem vom Netz über eine Leitung 47 zugeführten Strom
einen Drehstrom, der in seiner Frequenz exakt der ge wünschten
Drehzahl des Elektroantriebes 30 entspricht, dem er über den
Drehstromanschluss 48 zugeführt wird.
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Funktion
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Der
Prägemaschine
wird das zu bedruckende bzw. das mit Aufprägungen zu versehende Substrat 16,
z.B. als Bogen, zugeführt,
indem es von einer nicht dargestellten Greiferleiste im Gegendruckzylinder 14 erfaßt und um
den Zylinder herum gelegt wird. Die Trägerbahn 17 für die aufzuprägenden Flächenabschnitte
wird darüber
durch den Druckspalt 18 geführt und durch einen nicht dargestellten
Folienantrieb so bewegt, dass die aufzuprägenden Flächenabschnitte, die dieses
Aufprägen
bewirkenden Werkzeuge 15 und die für die Aufprägung vorgesehenen Stellen auf
dem Substrat 16 gleichzeitig im Druckspalt sind und gleiche
Geschwindigkeit bzw. Umfangsgeschwindigkeit haben.
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Der
Druckspalt wurde unter Verwendung des Linearantriebs 26 genau
eingestellt, so dass der für die
Abprägung
notwendige Druck ohne Beschädigung
des Substrats und der Trägerbahn
ausgeübt wird
und die Wärme
aus dem beheizten Werkzeugzylinder 13 die Aufsiegelung
des abzuprägenden
Flächenabschnittes
auf dem Substrat und die Ablösung von
der Trägerbahn
bewirkt. Diese Einstellung geschieht unter Verschwenkung der Schwinge 23,
wobei der Stützarm 36 aufgrund
seiner Schiebeführung 39 dies
nicht behindert.
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Der
Gegendruckzylinder 14 wird über den Synchronantrieb der
Prägemaschine
mit einer vorbestimmten, konstanten Geschwindigkeit angetrieben. In
einem Idealfall, in dem die wirksamen Durchmesser bzw. Umfänge beider
Zylinder 13 und 14 gleich sind, wird die Steuereinrichtung 43 diese
Drehzahl, die ihr der Geber 42 als Eingangssignal mitteilt,
auch über
den Datenausgang 45 der Drehzahlsteuerung 46 zuführen, die
einen Drehstrom erzeugt, der in seiner Frequenz dieser Drehzahl
ent spricht, wobei natürlich
eventueller Schlupf, das Übersetzungsverhältnis des
Vorschaltgetriebes etc. berücksichtigt
sind. Rückmeldung
erhält
die Steuereinrichtung über
den Geber 41 an den Werkzeugzylinder, so dass diese die
Drehzahl genau einregelt.
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Wenn
die wirksamen Durchmesser, die beispielsweise beim Werkzeugzylinder
als Flugkreis über
die Werkzeugoberflächen
unter Berücksichtigung
einer Prägetiefe
etc. definiert sind, voneinander abweichen, so wird über das
in der Steuereinrichtung hinterlegte Programm ein Ungleichförmigkeitsantrieb für den Werkzeugzylinder
erzeugt. Dessen Bedingungen sind normalerweise so, dass während des Eingriffs
der Werkzeuge 15 mit Trägerbahn,
Substrat und Gegendruckzylinder die Umfangsgeschwindigkeit des Werkzeugzylinders
genau der Geschwindigkeit dieser Komponenten, d.h. der durch Drehzahl und
Durchmesser bestimmten Umfangsgeschwindigkeit des Gegendurckzylinders,
entsprechen soll, wobei sich natürlich,
wie in 1 durch die Pfeile 49 gezeigt, die Zylinder 13, 14 gegenläufig drehen.
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In
den vom Prägedruck
freien Zwischenräumen
bzw. -zeiten kann nun die Drehzahl des Werkzeugzylinders erhöht oder
erniedrigt werden. Dies ist durch die Frequenzsteuerung des Elektromotors auch
bei höheren
Drehzahlen in Bruchteilen einer Umdrehung, d.h. innerhalb einer
Umdrehung ggf. auch mehrfach, möglich.
So könnte
also, nachdem Synchronität über den
einer peripheren Werkzeugerstreckung entsprechenden Winkel 50 hergestellt
wurde (beispielsweise durch Beschleunigung gegenüber der Synchrondrehzahl),
in dem bis zum nächsten Werkzeug 15 verbleibenden
Drehwinkelbereich 51 ein entsprechender Ausgleich (z.B.
entsprechende Verzögerung)
eingeleitet werden, um schon auf diesen Teilabschnitt des Umfanges
wieder den Durchschnitt der Synchrondrehzahl zu erreichen.
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Es
ist jedoch auch möglich,
durch bewusste Abweichungen davon Werkzeuge auf Passergenauigkeit
einzustellen. Wenn beispielsweise der Umfangsabstand zwischen zwei
Werkzeugen 15 etwas größer ist
als der entsprechende für
die Aufprägungen
vorgesehene Abstand auf dem Substrat, dann kann durch eine Erhöhung der
Drehzahl über
den Winkelabschnitt 51 dies ausgeglichen werden.
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Wichtig
ist daran nur, dass in der Summe über eine Umdrehung eine Durchschnittsdrehzahl
erzeugt wird, die der Synchrondrehzahl des Gegendruckzylinders entspricht,
damit die Werkzeuge z.B. bei einer Bogenmaschine immer an der gleichen Stelle
des Substrats zum Einsatz kommen. Auch hier sind aber bewusste Abweichungen
möglich.
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Die
entsprechenden Einstellungen für
die jeweilige Größe der Synchron-Beschleunigungs-
oder Verzögerungssektoren,
die Größe der Abweichungen,
die notwendigen Beschleunigungs- und Verzögerungswerte etc. können über das
Tastenfeld 44 eingegeben werden, werden in einem Eingabespeicher
abgelegt und zusammen mit dem Grundprogramm aus dem Programmspeicher
unter Berücksichtigung
und Ausregelung der Gebersignale zur Drehzahlsteuerung verarbeitet.
Auch eine grafische Darstellung der Geschwindigkeitsverläufe bzw.
eine Einstellung durch Veränderung
eines Geschwindigkeitsdiagramms kann die Einstellung anschaulich
gestalten.
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Insbesondere,
wenn bei höheren
Drehzahlen größere Drehzahlabweichungen,
z.B. infolge größerer Durchmesserabweichungen,
auftreten, sind die Beschleunigungs- und Verzögerungsmomente, die vom Elektroantrieb
erzeugt werden, nicht unerheblich. Energetisch ist das kein Problem,
da die Bremsenergie wieder rückgespeist
werden kann. Die Momente könnten
sich aber auf die zur Einstellung bewegliche Lagerung der Schwinge 23 negativ
auswirken, wenn die Drehmomente über
die Einheit aus Getriebegehäuse
und Elektromotor-Stator 32, 34, die im Folgenden
vereinfacht als Stator bezeichnet wird, auf die Schwinge übertragen
und damit diese ständig wechselnden
Kräften
aussetzen.
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Um
dies zu vermeiden, ist der Stator nicht an der Schwinge angeflanscht,
sondern zur Aufnahme der Reaktionsmomente auf die Motordrehungen über den
Stützarm 36 direkt
am Maschinengehäuse
abgestützt.
Die Reaktionsmomente wirken also nicht auf die Schwinge ein und
halten diese insoweit kräftefrei.