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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Berechnen des Ausgangsdurchmessers einer Warenbahnwicklung auf einer Rolle nach einem Rollenwechsel sowie eine Recheneinheit zu dessen Durchführung.
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Obwohl nachfolgend hauptsächlich auf Rollendruckmaschinen und deren Wickeleinrichtungen Bezug genommen wird, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern vielmehr auf alle Arten von Bearbeitungsmaschinen gerichtet, bei denen eine Warenbahn bzw. Materialbahn ab- oder aufgerollt wird. Die Erfindung ist aber insbesondere bei Rollendruckmaschinen, wie z. B. Zeitungsdruckmaschinen, Akzidenzdruckmaschinen, Tiefdruckmaschinen, Verpackungsdruckmaschinen, Digitaldruckmaschinen oder Wertpapierdruckmaschinen, sowie bei sonstigen Bahnbearbeitungsmaschinen, wie z. B. Beutelmaschinen, Briefumschlagsmaschinen oder Verpackungsmaschinen, einsetzbar. Die Warenbahn kann aus Papier, Stoff, Pappe, Kunststoff, Metall, Gummi, in Folienform usw. ausgebildet sein.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind warenbahnverarbeitende Maschinen, wie z. B. Druckmaschinen, bekannt, bei denen eine Wickeleinrichtung (Auf- oder Abwickler) einen Rollenwechsler aufweist, um zur Neige gehendes Material (d. h. eine gewickelte Warenbahn) auf einer ersten Rolle während des Betriebs durch eine Rolle mit neuem Material zu ersetzen bzw. umgekehrt. Eine Wickeleinrichtung mit Rollenwechsler weist üblicherweise zwei um eine Schwenkachse schwenkbare Schwenkarme auf, die jeweils eine Rolle zum Auf- oder Abwickeln einer Warenbahn tragen. Die Schwenkarme können mittels eines elektrischen Antriebs frei um die Schwenkachse schwenkbar sein, um den Rollenwechsel zu ermöglichen. Ein solcher Rollenwechsler ist in der
EP 2 050 699 A2 gezeigt, auf die hinsichtlich weiterer technischer Details der zugrunde liegenden Wickler verwiesen sei. Dort wird ein Verfahren offenbart, um einen Ist-Durchmesser der Rolle während der Schwenkbewegung zu bestimmen.
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Ein Rollenwechsel findet entweder ”fliegend” statt, d. h. erste und zweite Rolle rotieren und die Warenbahnen werden verbunden, üblicherweise mittels eines auf der Warenbahn der zweiten Rolle vorgesehenen Klebestreifens verklebt, oder im Stillstand, d. h. erste und zweite Rolle stehen, während die Warenbahnen verbunden werden. Um den Betrieb aufrechtzuerhalten, ist im zweiten Fall ein Warenbahnspeicher (üblicherweise ein sog. Tänzer) vorhanden, der während des Verbindungsvorgangs geleert wird.
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Bei der normalen Bearbeitung steht eine der Rollen über die Warenbahn in Verbindung mit der Maschine, wobei die Warenbahn entweder dem Auszugswerk (”Outfeed”) der Maschine mit einer Bahntransportgeschwindigkeit entnommen und auf die Rolle aufgewickelt oder von der Rolle abgewickelt und dem Einzugswerk (”Infeed”) der Maschine mit einer Bahntransportgeschwindigkeit zugeführt wird. Die Rolle wird dabei von einem Antrieb, üblicherweise einem Zentrumsantrieb, Umfangsantrieb o. ä., mit einer Wickelgeschwindigkeit angetrieben.
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Der Durchmesser der aufgewickelten Warenbahn auf der Rolle ändert sich während des Wickelvorgangs ständig und wird von einer Wickelsteuerung bspw. mittels des Geschwindigkeitsverhältnisses zwischen der Wickelgeschwindigkeit und der Bahntransportgeschwindigkeit bestimmt. Die Bahntransportgeschwindigkeit wird an einer Referenzachse, insbesondere einer Bahntransportachse, abgenommen, wobei die Referenzachse eine Referenz zur Transportgeschwindigkeit der Warenbahn definiert. Die Referenzachse kann dabei auch eine simulierte bzw. emulierte Achse sein (sog. virtuelle Achse). Die Wickelgeschwindigkeit wird üblicher weise im Rahmen einer Regelung (d. h. im geschlossenen Regelkreis) oder auch einer Steuerung (d. h. im offenen Regelkreis) als Stellgröße vorgegeben, bspw. im Rahmen einer Tänzerlageregelung, einer Antriebsmomentregelung, einer Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsregelung, einer Zugkraftregelung oder einer Zugkraftsteuerung, wie es weiter unten anhand der 1–3 erläutert wird. Es sei betont, dass im Rahmen dieser Erfindung sowohl eine Regelung (d. h. im geschlossenen Regelkreis) als auch eine Steuerung (d. h. im offenen Regelkreis) als ”Regelung” bezeichnet werden und sowohl die Regelgröße einer Regelung als auch die zu steuernde Größe einer Steuerung als ”Regelgröße” bezeichnet werden.
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Eine Durchmesserberechnung ist jedoch unmittelbar nach einem Rollenwechsel nicht möglich, da die genannten Regelungen durch den Rollenwechsel gestört werden. Es ist daher im Stand der Technik üblich, den Ausgangsdurchmesser der neuen Rolle manuell in die Recheneinheit einzugeben, was fehlerträchtig ist, oder über aufwändige Apparaturen (z. B. Lichtschranken) messen zu lassen, was teuer ist. Die Kenntnis des Ausgangsdurchmessers ist jedoch notwendig, um eine passende (Anfangs-)Wickelgeschwindigkeit vorgeben zu können, bis eine herkömmliche Durchmesserberechnung wieder funktioniert.
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Es ist daher wünschenswert, eine einfache Möglichkeit zur Ermittlung des Ausgangsdurchmessers einer Rolle nach einem Rollenwechsel zur Verfügung zu haben.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Berechnen des Ausgangsdurchmessers einer Warenbahnwicklung auf einer Rolle nach einem Rollenwechsel sowie eine Recheneinheit zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung schafft die Möglichkeit, den Ausgangsdurchmesser einer neuen Rolle in der Maschine bzw. deren Steuereinrichtung zu berechnen. Eine manuelle und fehlerträchtige Eingabe durch den Bediener oder eine aufwändige Messung ist nicht notwendig. Dies führt insbesondere zu Zeit- und Kostenersparnis.
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Im Rahmen der Erfindung wird der Ausgangsdurchmesser der Warenwicklung bestimmt aus Größen, die üblicherweise ohnehin in der Maschine bekannt sind oder leicht ermittelt werden können, nämlich einer Veränderung der Regelgröße während einer vorgegebenen Zeitspanne unter Berücksichtigung von Wickelgeschwindigkeit und Bahntransportgeschwindigkeit während dieser Zeitspanne. Als Regelgröße dient vorzugsweise eine Tänzerlage, ein Antriebsmoment, eine Drehzahl oder eine Tangentialgeschwindigkeit des Rollenantriebs oder eine Zugkraft zwischen Rolle und Einzugs- oder Auszugswerk.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät einer Wickeleinrichtung (bspw. einer Druckmaschine), ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Wickeleinrichtung zur Verwendung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Wickeleinrichtung zur Verwendung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Wickeleinrichtung zur Verwendung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Wickeleinrichtung mit Größen, die für die Bestimmung des Ausgangsdurchmessers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung relevant sind.
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In den 1 bis 3 werden zunächst aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeiten zum Betrieb einer Wickeleinrichtung beschrieben, welche sich gleichsam für das Abwickeln einer Warenbahn von einer Rolle und das Zuführen der abgewickelten Warenbahn in eine Bearbeitungsmaschine oder für das Entnehmen der Warenbahn aus der Bearbeitungsmaschine und das Aufwickeln auf eine Rolle eignen. In den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht wiederholt beschrieben.
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Aus Vereinfachungsgründen werden die Figuren anhand eines Abwickelvorgangs erläutert. Dies ist jedoch rein beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform einer für die Erfindung geeigneten Wickeleinrichtung 100 dargestellt. Es handelt sich dabei um eine sehr einfache Ausführungsform, bei welcher eine Warenbahn 101 von einer Warenbahnwicklung 102 abgewickelt und einem Einzugswerk 110 als Transporteinrichtung der Bearbeitungsmaschine zugeführt wird. Die Wicklung 102 befindet sich auf einer Rolle 103, welche von einem Antrieb (üblicherweise einem Elektromotor; nicht gezeigt) angetrieben wird. Auf gleiche Weise wird das Einzugswerk 110 (üblicherweise ebenfalls von einem Elektromotor; nicht gezeigt) angetrieben. Auf diese Weise geben das Einzugswerk eine Bahntransportgeschwindigkeit ν2 und die Rolle eine Wickelgeschwindigkeit ν1 vor (die Geschwindigkeiten ν beschreiben Tangentialgeschwindigkeiten, mit der die Warenbahn bewegt wird; die Umrechnung in eine Drehzahl ist selbstverständlich). Aus den Geschwindigkeiten ν1 und ν2 ergibt sich in der Warenbahn 101 zwischen der Rolle 103 und dem Einzugswerk 110 eine Bahnzugkraft F12. In der dargestellten Ausführungsform wird die Bahnzugkraft F12 im offenen Regelkreis ohne Rückführung als Regelgröße geregelt, indem von einer Recheneinheit 150 als Stellgröße die Wickelgeschwindigkeit ν1 vorgegeben bzw. beeinflusst wird. Die für die Erfindung relevante Veränderung der Regelgröße ”Bahnzugkraft” kann hier mittelbar über eine Veränderung des Ist-Antriebsmoments des Antriebs der Rolle 103 bestimmt werden. Das Ist-Antriebsmoment kann beispielsweise über die Stromaufnahme ermittelt werden, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
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Eine weiter verbesserte Ausführungsform ist in 2 dargestellt, in der die Wickeleinrichtung 200 über eine Rückführung der Bahnzugkraft F12 verfügt, so dass eine Regelung im geschlossenen Regelkreis realisiert ist. Zur Messung der Bahnzugkraft F12 ist eine sogenannte Kraftmessdose 210 vorgesehen, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
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Eine der Ausführungsform 200 vergleichbare Ausführungsform beinhaltet eine Regelung des Antriebsmoments des Antriebs der Rolle 103. Hierbei wird üblicherweise ein oberer Drehmomentschwellwert des Antriebs vorgegeben. Eine Regelung des Antriebsmoments entspricht im Prinzip einer Regelung der Bahnzugkraft. Eine weitere vergleichbare Ausführungsform beinhaltet die Regelung einer Tangentialgeschwindigkeit ν1 der Rolle 103 (bzw. der zugehörigen Drehzahl).
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Eine weiter verbesserte Ausführungsform ist in 3 dargestellt, in der die Wickeleinrichtung 300 über eine Tänzerlageregelung verfügt. Dazu ist ein sogenannter Tänzer 310 vorgesehen, bei dem eine Tänzerrolle 311 in einer Richtung x bewegbar ist. Die Ist-Tänzerlage xist wird an die Recheneinheit 150 übertragen, die durch Beeinflussung der Geschwindigkeit ν1 die Ist-Tänzerlage xist auf eine Soll-Tänzerlage xsoll regelt.
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Die dargestellte Ausführungsform verfügt überdies über eine Zugkraftregelung, die in diesem Fall jedoch für die Erfindung nicht relevant ist. Die von der Kraftmessdose 210 gemessene Zugkraft F12 wird an eine Recheneinheit 160 übermittelt, die entsprechend einer Regelabweichung beispielsweise den Tänzerdruck P eines Pneumatikzylinders einstellt.
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Solange die beschriebenen Regelungen aktiv sind, kann der Durchmesser der Wicklung 102 auf der Rolle 102 durch Vergleich der Geschwindigkeiten ν1 und ν2 berechnet werden, da der Durchmesser der angetriebenen Rolle des Einzugswerks bekannt ist. Die Wickelgeschwindigkeit setzt sich dann üblicherweise zusammen aus einem Anteil der Maschinensteuerung (üblicherweise entsprechend einer Leitachse) und einem Anteil der Regelung (üblicherweise eine additive Sollgeschwindigkeit). Der Anteil der Maschinensteuerung wird dabei in Abhängigkeit vom momentanen Wicklungsdurchmesser verändert, üblicherweise durch einen sog. Feinabgleich (entspricht einem Übersetzungsverhältnis).
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Während des Rollenwechsels wird jedoch die Durchmesserberechnung für die zu wechselnde Rolle deaktiviert und für die neue Rolle/Wicklung kann die Durchmesserberechnung auf dem üblichen Weg noch nicht erfolgen. Um währenddessen eine sinnvolle Wickelgeschwindigkeit ν1 vorgeben zu können, ist es im Stand der Technik üblich, den Ausgangsdurchmesser der neuen Wicklung durch den Bediener in die Recheneinheit eingeben zu lassen oder durch aufwändige Messvorrichtungen zu messen.
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Im Rahmen der Erfindung, welche im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert wird, kann der Ausgangsdurchmesser nun anhand von ohnehin bekannten Größen berechnet werden.
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In 4 sind nur die für die nachfolgenden Überlegungen relevanten Elementen aus 3 dargestellt. L12 beschreibt die Länge zwischen der Rolle 103 in dem Einzugswerk 110, D1 den Ausgangsdurchmesser der Wicklung 102, D2 den Durchmesser des angetriebenen Zylinders des Einzugswerks 110, DT den Durchmesser der Tänzerrolle und xist die Ist-Tänzerlage.
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Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist die Gesamtlänge lges der Warenbahn 101 zwischen der Rolle 103 und dem Einzugswerk 110 zu bestimmen, welche von der Tänzerlage xist abhängt (je tiefer sich die Tänzerrolle 311 in 4 befindet, desto länger ist die Warenbahn). Eine gegebenenfalls nicht rechtwinklige Geometrie wird der Fachmann entsprechend bei der Berechnung der Gesamtlänge lges berücksichtigen.
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Aus dem Vergleich der beiden Geschwindigkeiten ν1 und ν2 kann bei Kenntnis des Durchmessers D2, bei Kenntnis der Ist-Tänzerlage xist (welche hier die Regelgröße ist) und Berücksichtigung der geometrischen Zusammenhänge der Durchmesser D1 der Wicklung 102 berechnet werden gemäß: lges = L12 + 2·xist + 0,5·π·DT – DT (1) L [m], x [m], D [m]
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Bei der Betrachtung während einer Zeitspanne T ergibt sich eine Veränderung Δx
ist der Ist-Tänzerlage und es ergeben sich aus den Geschwindigkeiten ν
1 und ν
2 jeweils Drehungen der Rollen um einen Winkel Δφ
1 bzw. Δφ
2 und daraus:
Δφ [rad], D [m], x [m]
aus (1) und (2) folgt:
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Somit kann der Ausgangsdurchmesser D1 der Wicklung 102 aus der Veränderung Δxist der Ist-Tänzerlage (= Regelgröße) während der Zeitspanne T unter Berücksichtigung von Wickelgeschwindigkeit ν1 und Bahntransportgeschwindigkeit ν2 während dieser Zeitspanne berechnet werden.
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Im Stillstand der Warenbahn mit ν
2 = 0 bzw. Δφ
2 = 0 ergibt sich folgende Vereinfachung:
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In diesem Fall kann der Durchmesser durch Drehen der Rolle 103 und Beobachten der Auswirkung auf die Regelgröße bestimmt werden. Alternativ ist auch möglich, im Stillstand den Sollwert für die Regelgröße (hier Tänzerlage) zu verändern und nach erfolgtem Ausgleichsvorgang des Reglers die Veränderung von Δφ1 zu ermitteln.
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Eine analoge Vereinfachung für ν1 = 0 bzw. Δφ1 = 0 und ν2 > 0 bzw. Δφ2 > 0 (Rolle 103 im Stillstand und Einzugswerk 110 in Bewegung) lässt sich ebenso ableiten und verwenden.
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Nachfolgend wird erläutert, wie der Ausgangsdurchmesser D1 der Wicklung 102 bei einer Ausführungsform gemäß den 1 und 2 bestimmt wird.
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Aus dem Hooke'schen Gesetz ergibt sich eine Veränderung ΔF der Bahnzugkraft aus einer Veränderung Δε der Bahndehnung: ΔF = E·A·Δε (5) F [N], E-Modul E [N/m2], Querschnittsfläche A [m2], e [%]
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Dabei können E-Modul und Querschnittsfläche ermittelt und als konstant angenommen werden.
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Für die Veränderung Δε der Bahndehnung gilt:
F [rad], r [m], l [m], x [m]
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Somit kann der Ausgangsdurchmesser D1 der Wicklung 102 aus der Veränderung ΔF der Zugkraft (= Regelgröße) während der Zeitspanne T unter Berücksichtigung von Wickelgeschwindigkeit ν1 und Bahntransportgeschwindigkeit ν2 während dieser Zeitspanne berechnet werden.
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Im Stillstand der Warenbahn mit ν
2 = 0 bzw. Δφ
2 = 0 ergibt sich dann folgende Vereinfachung:
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In diesem Fall kann der Durchmesser durch Drehen der Rolle 103 und Beobachten der Auswirkung auf die Regelgröße bestimmt werden. Alternativ ist auch möglich, im Stillstand den Sollwert für die Regelgröße (hier z. B. Zugkraft, Antriebsmoment oder Geschwindigkeit) zu verändern und nach erfolgtem Ausgleichsvorgang des Reglers die Veränderung von Δφ1 zu ermitteln.
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Eine analoge Vereinfachung für ν1 = 0 bzw. Δφ1 = 0 und ν2 > 0 bzw. Δφ2 > 0 (Rolle 103 im Stillstand und Einzugswerk 110 in Bewegung) lässt sich ebenso ableiten und verwenden.
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Bei einer sensorlosen Wickeleinrichtung, bspw. gemäß
1, kann ΔF mittelbar aus der Veränderung ΔM
1 des Ist-Antriebsmoments der Rolle
103 während der Zeitspanne T abgeleitet werden gemäß:
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Es ist zweckmäßig, die Winkelveränderungen (und damit die Längenänderung) relativ klein zu wählen, um die Warenbahn nicht zu beschädigen und/oder die Tänzerrolle oder eine Kraftmessdose in einen Anschlag zu treiben. Andererseits wird das Berechnungsergebnis umso genauer, je größer die Winkelveränderung ist, da dann sich dann Fehler (z. B. Messfehler, Rauschen) geringer auswirken. Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems ist, mit einer nur kleinen Winkelveränderung den Ausgangsdurchmesser zu bestimmen. Die nur kleine Winkelveränderung ergibt sich bspw. aus einer maximal zulässigen Längenänderung (diese kann bestimmt werden, da der Aufbau der Maschine ja bekannt ist) und der Annahme, der Ausgangsdurchmesser entspräche dem größtmöglichen Durchmesser.
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In vorteilhafter Weiterbildung kann aus dem mit der nur kleinen Winkelveränderung bestimmten Ausgangsdurchmesser eine maximal zulässige Winkelveränderung bestimmt werden. In einem zweiten Schritt wird dann der Ausgangsdurchmesser genauer bestimmt durch eine größere Winkelveränderung, die höchstens der maximal zulässigen Winkelveränderung entspricht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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