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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung
von periodischen Drehwinkel-Lagedifferenzen bei einer Antriebsregelung
in einer Rotationsdruckmaschine gemäß dem Oberbegriff des ersten
Anspruchs.
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Zur
Erzielung eines registergenauen Übereinanderdruckens
der einzelnen Druckfarben in Rotationsdruckmaschinen ist die exakte
Synchronisierung der Drehbewegungen aller den Bedruckstoff fördernden
und die Farbteilbilder übertragenden
Rotationskörper
erforderlich. Die Synchronisierung der Drehbewegungen erfolgt üblicherweise
mit einer Antriebsfolgeregelung, indem ein Antriebsregler die Drehbewegung
der mit einem Antriebssystem verbundenen und zu synchronisierenden
Rotationskörper
(Folgeachsen) den Änderungen
der Drehwinkellage eines ausgewählten,
Rotationskörpers
(reale Leitachse) oder einer von einer übergeordneten Antriebs- oder Maschinensteuerung
generierten virtuellen bzw. elektronischen Leitachse nachführt. Dabei
werden in Abhängigkeit
vom Regelverfahren neben dem Drehwinkel auch die Drehzahl oder die
Rotationsbeschleunigung der Leitachse als Führungsgrößen verwendet.
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Ein
solches Antriebssystem in einer Bogenrotationsdruckmaschine bilden
beispielsweise separat angetriebene Plattenzylinder mit Einzelantrieben, die
aus einem die Druckwerke verbindenden Antriebsräderzug herausgelöst sind
und im Druckbetrieb synchron zu benachbarten Gummituchzylindern,
die vom Antriebsräderzug
und Hauptantrieb angetrieben werden, rotieren sollen. Die Einzelantriebe der
Plattenzylinder müssen
dazu einer Leitachse innerhalb des Antriebsräderzuges exakt nachgeführt werden.
Beispielsweise fungiert ein Gummituchzylinder, der vom Antriebsräderzug angetrieben
wird, als Leitachse. Der im Abrollkontakt mit dem Gummituchzylinder
stehende, einzeln angetriebene Plattenzylinder bildet dann die mit
dem Gummituchzylinder zu synchronisierende Folgeachse. Antriebsregelungen, die
auf neu auftretende Störungen
reagieren, sind infolge der Trägheit
des Regelkreises nicht in der Lage, eine Lagekorrektur der mindestens
einen Folgeachse ohne zeitliche Verzögerung gegenüber dem
Auftreten der Störung
vorzunehmen, so dass an der Folgeachse ein zeitlich begrenzter Lagefehler
gegenüber
der Leitachse bzw. dem Lagesollwert auftritt.
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Bei
einer Folgeachsenregelung führt
deshalb jede Beschleunigung der Leitachse zu einem vorübergehenden
Lagefehler (Schleppfehler) der Folgeachse(n). Der Schleppfehler
tritt kurzzeitig z.B. bei jeder Drehzahländerung der Druckmaschine auf.
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Schleppfehler
aufgrund von periodischen Störmomenten
(Elastizitätskräfte von
Greiferöffnungskurven,
Einfluss von Zylinderkanälen
beim Abrollen von im Kontakt stehenden Zylindermantelflächen, Unwuchten
und Rundlauffehler von Zylindern, Greifersteuergetriebe etc.) sowie
aufgrund von schwingungsbedingten Drehzahlschwankungen der Leitachse
führen
dagegen zu permanenten, sich periodisch (entsprechend der Ordnung)
wiederholenden Lageabweichungen bzw. Schleppfehlern der Folgeachse(n).
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Auch
verschiedene Einstellungen des Bedieners (Delta-Betrieb, Walzenpressung,
Unterlagen, Farbeigenschaften, Gummituchspannung u.a.) haben Einfluss
auf die Größe und Charakteristik
der Störmomente
bzw. Drehschwingungen, die sich über miteinander
in Kontakt stehende Rotationskörper und
das Antriebssystem (Antriebsräderzug)
auf die gesamte Druckmaschine erstrecken können.
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Diese
Asynchronitäten
der Drehwinkellagen der Rotationsköper im Antriebssystem führen zu
Beeinträchtigungen
der Druckqualität.
Die auftretenden Schwingungen sind maßgeblich vom Betriebszustand
der Druckmaschine abhängig,
der durch die Summe von Druckmaschinenkonfiguration, Druckmaschineneinstellungen,
Druckbedingungen, Betriebsparametern, Farb- und Bedruckstoffeigenschaften
gekennzeichnet ist. Ein Parameter mit besonders starkem Einfluss
ist hierbei die Druckgeschwindigkeit.
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Da
eine konventionelle Antriebsregelung periodische und aperiodische
Schwingungen fortlaufend als „neue" Störungen erfasst
und entsprechend zeitverzögert
kompensiert, verbleiben im Rahmen der konventionellen Antriebsregelung
nicht vollständig
kompensierbare Regeldifferenzen, die als Lage-, Drehzahl- oder Rotationsbeschleunigungsdifferenzen
der Achsen messbar sind. Diese kurzzeitigen Asynchronitäten bis
zum Einsetzen der Regelung führen
aber bereits zu einer ungenauen Aufbringung der Druckbilder (Registerabweichungen)
bzw. zu Druckbildverzerrungen, die die Druckqualität einschränken. Derartige
Störungen
sind – wie
aus dem Stand der Technik bekannt – nur mit erheblichem Aufwand
reduzierbar, indem nach einer Frequenzanalyse die störenden Schwingungen
gedämpft
oder mit entgegen gerichteten Schwingungen, die den Antriebsmomenten
aufgeprägt
werden, kompensiert werden.
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Es
sind verschiedene Antriebskonfigurationen bekannt, um periodische
Störungen
bzw. Schwingungen in Druckmaschinen zu verringern.
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In
der
DE 103 55 122
A1 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren offenbart, bei
dem durch einen zusätzlichen
Regler zeitperiodische Störungen im
System erfasst und mittels einer der Ursache entgegen gerichteten
Stellgröße kompensiert
werden. Dabei muss jedoch die Frequenz der Grundschwingung bekannt
sein. Es werden ein Störmodell
und ein Vorfilter im z-Bereich entworfen. Dieser Entwurf ist komplex
und erfordert einen nicht unerheblichen Berechnungsaufwand.
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Aus
der
DE 102 17 707
A1 ist eine Kompensationseinrichtung für Schwingungen einer Winkelgröße in einer
Bedruckstoff verarbeitenden Maschine bekannt, bei der mittels einer Kompensationseinrichtung
mindestens eine zu kompensierende diskrete Frequenz aus dem gemessenen
Signal gewonnen und daraus mittels einer Übertragungsfunktion ein Ausgangssignal
für einen
Aktor erzeugt wird.
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In
der
DE 101 49 525
A1 ist ein Verfahren zur Kompensation mechanischer Schwingungen
in Maschinen beschrieben, wobei die Parameter für das dem Aktor zugeführte Signal
durch Berechnung aus den zu verschiedenen Zeitpunkten gemessenen Werten
durch Korrelation bestimmt wird. Auch hier ist eine komplexe Rechnung
erforderlich, die einen leistungsfähigen zusätzlichen Prozessor erfordert.
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Die
EP 1 116 582 A1 zeigt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompensation von periodischen Schwingungen
zum Antrieb eines Druckzylinders, wobei die Winkelgeschwindigkeit über mindestens eine
Zylinderumdrehung aufgezeichnet, daraus ein periodisches Korrektursignal
abgeleitet und der Motor dann mit diesem Korrektursignal angesteuert wird.
Auch hier sind ein aufwendiger, zusätzlicher Messvorgang und eine
Frequenzanalyse mittels Fourier-Zerlegung notwendig.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verzerrungen des Druckbildes,
die bei lagegeregelten Antrieben durch periodische Asynchronitäten entstehen,
mit einem einfach zu implementierenden Verfahren, zu vermindern.
Dabei sollen aufwendige Messungen der Störschwingungen vermieden werden
und das Verfahren soll tolerant gegenüber sich verändernden
Betriebszuständen
der Druckmaschine sein, wobei unter Änderung des Betriebszustandes
alle Änderungen
verstanden werden, die zu neuen Lagedifferenzen zwischen den Achsen
führen, z.B.
Veränderungen
der Druckgeschwindigkeit, wechselnde Einstellungen des Druckers,
veränderte Bedruckstoff-
und Farbeigenschaften oder ein Wechsel der Materialeigenschaften
von Zylinderbespannungen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des 1. Anspruchs oder
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des 6. Anspruchs gelöst.
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Die
vom Drehwinkel abhängigen
Lagedifferenzen der Folgeachse(n) gegenüber den von der Leitachse vorgegebenen
Solllagewerten, werden in einem automatisierten Verfahren als Funktion
des Drehwinkels messtechnisch erfasst. Die registrierten Lagedifferenzen
können
gefiltert bzw. geglättet
werden und werden – nach
der Multiplikation mit einem „Lernfaktor" – als Lagekorrektursollwert
für jede
Folgeachse winkelabhängig
in Korrekturmodulen für
die Folgeachse(n) abgespeichert. Durch die Filterung der registrierten
Lagedifferenzen werden die periodisch bei jeder Umdrehung auftretenden
Lagedifferenzen selektiert. Da dieser Prozess kontinuierlich abläuft, entsteht
ein selbstlernender Algorithmus, durch den Lageschleppfehler schrittweise
verringert und die Druckqualität
damit signifikant verbessert wird.
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Auf
der Grundlage der gespeicherten Lagedifferenzen werden somit in
einem selbstlernenden Algorithmus aus den noch verbliebenen Lagedifferenzen
optimierte Korrekturwerte für
die Führungsgröße gebildet,
gespeichert („eingelernt") und den Sollwerten
der Führungsgröße für die Antriebsregler der
Folgeachsen drehwinkelabhängig
und verzögerungsfrei überlagert,
so dass die periodischen Lagedifferenzen, die von der Antriebsregelung
nicht kompensiert werden, dadurch zumindest soweit minimiert werden
können,
dass die gewünschte
Druckqualität erreicht
wird.
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Die
erfindungsgemäße Sollwertkorrektur kann
in Abhängigkeit
vom Drehwinkel, von der Drehzahl oder der Rotationsbeschleunigung
gebildet und als Korrekturfunktion oder als Korrekturtabelle in
den Speichern der Korrekturmodule innerhalb der Antriebsregelung
abgelegt werden. Die Lagekorrektur der Folgeachsen beruht somit
auf einem einfach zu implementierenden Algorithmus und passt sich selbsttätig den
sich ändernden
Betriebsbedingungen an, indem die periodischen Lagedifferenzen der
Folgeachse(n) und deren Korrekturwerte nach Erreichen des stationären Zustandes
neu ermittelt, fortlaufend optimiert und bei jeder Umdrehung der
Achsen permanent und verzögerungsfrei
in die Antriebsregelung eingespeist werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat den Vorteil, dass die Korrektur extern erregter Maschinenschwingungen
und dynamischer Schleppfehler lagegeregelter elektrischer Antriebe
in einer Druckmaschine auf einfache Weise und ohne aufwändige Schwingungsanalysen
oder Berechnungsalgorithmen erfolgen kann. Dabei werden die aktuellen
Maschineneinstellungen, die sich auf Frequenz, Phasenlage und Amplitude
der Störungen
an den lagegeregelten Folgeachsen auswirken, implizit berücksichtigt.
Aufwendige Messsysteme sind nicht notwendig, die Zusatzkosten sind
gering. Die Druckqualität
wird deutlich gesteigert, dynamische Kräfte im Antriebssystem werden
verringert und so das Registerspreizen vermindert, die Gefahr des
Zahnflankenabhebens im Antriebsräderzug
wird reduziert, der Maschinenverschleiß nimmt ab.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
sollen im Folgenden am Beispiel einer Antriebsfolgeregelung in einer
Rotationsdruckmaschine mit einer Folgeachse, die einer Leitachse
synchron nachgeführt
werden soll, näher
erläutert
werden.
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Die
einzige Figur zeigt dazu die schematische Darstellung der Antriebsfolgeregelung
mit dem erfindungsgemäßen Korrekturmodul
am Beispiel einer Plattenzylinder/Gummituchzylinder-Paarung in einer
Rotationsdruckmaschine.
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Wie
in der Fig. dargestellt, wird ein Gummituchzylinder GZ von einem
Antriebsräderzug
ARZ, der das Antriebsmoment eines Hauptantriebsmotors auf alle zentral
angetriebenen Rotationskörper
der Druckmaschine überträgt, in eine
Rotationsbewegung versetzt, der dem benachbarten Plattenzylinder PZ
während
des Druckbetriebes synchron nachgeführt werden muss, damit das
Druckbild lagegenau und verzerrungsfrei auf den Gummituchzylinder
GZ übertragen
und von dort auf den Bedruckstoff aufgebracht werden kann. Der Plattenzylinder
PZ wird separat von einem Einzelantrieb M angetrieben. Die Einzelantriebskonfiguration
hat gegenüber
einem zentralen Antrieb der Plattenzylinder PZ beispielsweise den
Vorteil, dass die Plattenwechsel an allen Plattenzylindern PZ gleichzeitig
und unabhängig
von ihrer durch den Antriebsräderzug
ARZ vorgegebenen Winkelstellung im Druckbetrieb durchgeführt und
so Rüstzeiten
eingespart werden können.
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Zur
Synchronisierung des Plattenzylinders PZ mit dem Gummituchzylinder
GZ ist den Einzelantrieben M eine Antriebsregelung zugeordnet.
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Die
Antriebsachse des Gummituchzylinders GZ bildet dabei die Leitachse
LA, deren Bewegung durch die Antriebsregelung auf die Folgeachse
FA des Plattenzylinders PZ zur Gewährleistung der Druckgenauigkeit
möglichst
verzögerungsfrei übertragen
werden muss. Die Drehbewegung des Gummituchzylinders GZ wird dazu
mit einem Drehwinkelgeber zur kontinuierlichen Erfassung der Drehwinkellage
der Leitachse LA und der daraus gebildeten Solllage w für die zumindest
eine Folgeachse FA gemessen. Zur Erfassung der Drehwinkel-Istlage
x der Folgeachse FA des Plattenzylinders PZ ist an der Folgeachse
FA ebenfalls ein Drehwinkelgeber angeordnet. Die Antriebsregelung
kann zur Verbesserung der Regelgüte
mit einer Drehzahl- oder Rotationsbeschleunigungsmessung an beiden
Achsen kombiniert sein. Da der Erfindungsgedanke davon unberührt bleibt,
wird auf eine Erläuterung
weiterer möglicher
Regelungsstrategien verzichtet. Das Ausführungsbeispiel basiert auf
einer einfachen Drehwinkellageregelung.
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Die
Drehwinkellage des Gummituchzylinders GZ wird einem Antriebsregler
R für den
Einzelantrieb M des Plattenzylinders PZ über eine Signalleitung zwischen
Drehwinkelgeber und Führungsgrößeneingang
als Lagesollwert w (Führungsgröße) zugeführt. Der
zweite Eingang des Antriebsreglers R ist für die Istlage x der Folgeachse
FA des Plattenzylinders PZ vorgesehen.
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Dem
Antriebsregler R ist ein Korrekturmodul K zugeordnet, welches einen
Eingang für
den Lageistwert x des Drehwinkels und einen Ausgang für die ermittelten
periodischen Sollwertkomponenten (Korrekturwerte wP)
des Lagesollwertes w für
die Folgeachse FA aufweist. Das Korrekturmodul K ist entweder als
eine separate Recheneinrichtung mit zugeordnetem Speicher oder als
ein im Antriebsregler R implementierter Berechnungs- und Speicherbereich ausgebildet.
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Der
Ausgang des Korrekturmoduls K ist auf einen Summationspunkt geführt, wo
die Korrekturwerte wP mit den Lagesollwerten
w des Antriebsreglers für
die Folgeachse FA zusammengeführt
werden und gemeinsam mit diesen auf den Führungsgrößeneingang des Reglers R aufgeschaltet
sind. Der Antriebsregler R gibt ein der Lagedifferenz [(w + wP) – x] entsprechendes
Signal an ein (nicht dargestelltes) Leistungsteil für den Antriebsstrom
IA des Einzelantriebes M des Plattenzylinders
PZ aus. Dazu ist der Antriebsreglerausgang mit dem Einzelantrieb
M verbunden.
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Das
in der beschriebenen Vorrichtung ablaufende Verfahren zur Reduzierung
von periodischen Drehwinkel-Lagedifferenzen in der Antriebsregelung der
Rotationsdruckmaschine wirkt im stationären Betriebszustand parallel
zur konventionellen Antriebsregelung und kann automatisch von der
Maschinensteuerung der Druckmaschine rückgesetzt werden, wenn sich
deren Betriebszustand ändert,
wodurch die Phasenlage, Frequenz und Amplitude der in der Druckmaschine
erregten Drehmomentschwingungen und damit die periodischen und nicht
periodischen Schwingungen z der Leitachse LA und Folgeachse FA verändert werden.
Die schwingungsbedingten Lageabweichungen der beiden Achsen LA,
FA sind als drehwinkelabhängige
Schwankungen der Lagedifferenzen (w – x) zwischen der Istlage x
der Folgeachse FA und der von der Leitachse LA vorgegebenen Solllage
w messbar, die minimiert werden sollen. Eine Änderung des Betriebszustandes
wird beispielsweise durch eine Drehzahlerhöhung verursacht.
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Nach
Erreichen eines neuen stationären
Betriebszustandes der Rotationsdruckmaschine werden die Lagedifferenzen
(w – x),
die aufgrund der Trägheit
des Antriebsreglers R verbleiben, in Abhängigkeit vom Drehwinkel φ im Korrekturmodul
K zunächst
registriert (zwischengespeichert).
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Die
registrierten Lagedifferenzen (w – x) werden danach unter Anwendung
von Filter-Algorithmen selektiert
und damit die periodisch auftretenden Lagedifferenzen (w – x)P von den aperiodischen Lagedifferenzen (w – x) getrennt
und gemeinsam mit den zugeordneten Drehwinkeln φ gespeichert.
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Zur
Selektion der periodischen Lagedifferenzen (w – x)P eignen
sich bekannte FIR- oder IIR-Filter. Die registrierten Lagedifferenzen
(w – x)P können weiterhin
geglättet
werden und werden – nach
der Multiplikation mit einem „Lernfaktor" (zwischen 0 und –1) – als Lagekorrekturwert
für jede
Folgeachse FA winkelabhängig
abgespeichert.
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Aus
den gespeicherten periodischen Lagedifferenzen (w – x)P werden zusätzliche drehwinkelbezogene
Korrekturwerte wP für die Solllagewerte der Folgeachse
FA gebildet, als betriebszustandsspezifische Korrekturfunktion oder
Korrekturtabelle (φ,
wP) gespeichert und den Solllagen w der
Antriebs-Folgeregelung drehwinkelabhängig verzögerungsfrei überlagert,
so dass die mit der konventionellen Antriebsregelung verbleibenden
Lagedifferenzen (w – x)
minimiert werden.
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Die
an der Folgeachse FA des Plattenzylinders PZ gemessenen Lageistwerte
x werden im stationären
Betriebszustand – wie
vorstehend erläutert – im Korrekturmodul
K bearbeitet (z.B. gefiltert), um die periodisch mit jeder Umdrehung
auftretenden Lagedifferenzen (w – x)P zu
detektieren und diese winkelabhängig
abzuspeichern (z.B. in einer winkelabhängigen Tabelle zu registrieren).
Die Lageistwertverarbeitung im Korrekturmodul K entspricht einem
kontinuierlichen Lernvorgang, der die aktuell gemessenen winkelbezogenen
periodischen Abweichungen (w – x)P mit bereits erfassten periodischen Abweichungen (w – x)P aus vorhergehenden Umdrehungen in geeigneter
Weise verknüpft
(z.B. gleitende Mittelwertbildung, FIR-, IIR-Filter) und dadurch „lernt", welche Sollwertkorrektur
bei jedem aktuellen Drehwinkel φ notwendig
ist, um die Lagedifferenzen zu minimieren. Da die Schwingungsamplituden
sowohl von der Konfiguration der Maschine (Anzahl der Druckwerke
und Zylinder, Trägheiten,
Federkonstanten, etc.) als auch von der Druckmaschinendrehzahl (Resonanzfrequenzen)
und von Einstellungen des Druckers (Delta-Betrieb, Farbe, Sujet,
Pressungen usw.) abhängen,
ist ein Lernvorgang ein einfaches Mittel, um eine geeignete Fehlerkorrektur
zu bestimmen. Zusätzliche
Informationen über
das Schwingungssystem Druckmaschine, wie z.B. Eigenfrequenzen, Übertragungsfunktionen,
usw. sind nicht notwendig.
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Das Übertragungsverhalten
des Antriebsreglers, das im Wesentlichen durch Verzögerung nachgebildet
werden kann, kann durch eine entsprechende Winkelkorrektur (geschwindigkeitsabhängiges Vordrehen
des Winkels für
die Bestimmung der Sollwertkorrektur) berücksichtigt werden.
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Es
ist zweckmäßig, bei Änderung
des Betriebszustandes der Druckmaschine die Korrekturwerte wP zunächst
auf Null oder auf Voreinstellwerte, die aus den gespeicherten Korrekturwerten
wP gleicher oder ähnlicher Betriebszustände bereits
vorher ermittelt wurden, zurückzusetzen.
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Die
Voreinstellwerte können
ebenso zumindest in Abhängigkeit
von der Maschinenkonfiguration, den Druckparametern oder den Bedruckstoffeigenschaften
durch Interpolation oder Extrapolation gespeicherter Voreinstellungen
gebildet werden.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung des Regelungsverfahrens besteht darin,
die gebildeten Korrekturwerte wP nach weiteren
Algorithmen, insbesondere zur Glättung über den
Drehwinkel φ oder
zur Begrenzung der maximalen Korrekturwerte wP zu
modifizieren, um die Stabilität
des Regelkreises zu gewährleisten.
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Die
erfindungsgemäße Regelung
ist für
folgende Eingangsgrößen anwendbar:
- – die
gemessene Abweichung der Rotationsbewegung der Druckmaschine von
der gleichförmigen
Rotation,
- – eine
Differenz im zurückgelegten
Umfangsweg zwischen verschiedenen Rotationskörpern (z.B. erster und letzter
Druck- oder Gummizylinder einer Rotationsdruckmaschine bei Antrieb
durch mehrere Antriebe),
- – die
gemessene Winkelabweichung zwischen Leit- und Folgeachse bei Einzelantrieb
eines Rotationskörpers
(Ausführungsbeispiel).
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- ARZ
- Antriebsräderzug
- FA
- Folgeachse
- GZ
- Gummituchzylinder
- IA
- Stellgröße, Antriebsstrom
- K
- Korrekturmodul
- LA
- Leitachse
- M
- Einzelantrieb
- PZ
- Plattenzylinder
- R
- Antriebsregler
- x
- Regelgröße, Istlage
der Folgeachse, Lageistwert
- w
- Führungsgröße, von
der Leitachse vorgegebene Solllage für die Folgeachse, Lagesollwert
- wP
- Korrekturwerte
für die
periodisch auftretenden Lagedifferenzen (w – x)P
- φ
- Drehwinkel,
Drehwinkellage
- z
- Störgröße, Schwingungen