DE69627977T2

DE69627977T2 - Handhabungssystem für flexible Gegenstände

Info

Publication number: DE69627977T2
Application number: DE69627977T
Authority: DE
Inventors: Raj B. Apte; Andrew A. Berlin; David K. Biegelsen; Warren B. Jackson; Robert A. Sprague; Lars-Erik Swartz
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1996-01-11
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2016-12-28
Also published as: EP0784029A2; DE69627977D1; US5634636A; EP0784029A3; JPH09194074A; EP0784029B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Transportsysteme zur Bewegung biegsamer Objekte und insbesondere luftstrahlgelenkte Bewegung von biegsamen Objekten. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung eine rückkopplungsgesteuerte Bewegung von endlosen oder einzelnen biegsamen Objekten wie Papierrollen oder Papierblätter.
Ein Materialverarbeitungssystem muss oft präzise die Position und Geschwindigkeit von Objekten, die sich durch das System bewegen, kontrollieren. Gewöhnlich steuern Materialverarbeitungssysteme die Objektbewegung, indem sie physikalisch in das Objekt mit einem getrennten Objektantriebsmechanismus eingreifen, der das Objekt mit einer bestimmten Geschwindigkeit entlang eines bestimmten Pfades bewegt. Zum Beispiel zahnradgetriebene Knarren, Rollen, Haken oder Förderer werden weithin verwendet, um Objekte, die so unterschiedlich sind wie Papier, Halbleiter, Plastik oder Stahl, zu bewegen, indem sie mechanisch in das Objekt eingreifen, und bewegen das Objekt entlang eines gewünschten Pfades bei einer festen Geschwindigkeit. Gewöhnlich hat der mechanische Eingriff oder der Reibungseingriff auf Objekte den Nachteil, dass sie direkten physikalischen Kontakt mit einem Objekt erfordern. Für bestimmte Anwendungen, einschließlich der Verarbeitung von Materialien hoher Reinheit oder hoher Empfindlichkeit, kann sich aus dem mechanischen Greifen oder dem Kontakt eine Verunreinigung oder eine Beschädigung des Objekts ergeben. Dies trifft besonders für Hochgeschwindigkeitsverarbeitungssysteme zu, die die Objekte einfach durch deren Erfassung beschädigen. Zum Beispiel können Hochgeschwindigkeitsrollen Papier beschädigen durch unterschiedliches Eingreifen in schlecht ausgerichtetem Papier durch die Rollen, woraus sich ein Einreißen oder Zerreißen des Papiers ergibt.
Glücklicherweise ist mechanisches Eingreifen oder Reibungseingreifen nur eine Möglichkeit zur Bewegung eines Objekts. Objektantriebsmechanismen, die auf verschiedene fluidgestützte Techniken beruhen, werden seit langem verwendet, um zerbrechliche Objekte zu bewegen, ohne dass ein fester mechanischer Kontakt erforderlich ist. Zum Beispiel anstatt gewöhnliche Bänder, Förderer oder Rollen zu verwenden, kann Papier, das sich durch ein xerografisches Kopiersystem bewegt, von einem laminaren Luftfluss unterstützt sein, oder durch direkte Luftstrahlen angehoben und bewegt werden. Diese Art von Fluidunterstützung ist besonders vorteilhaft, z. B. wenn Blätter von Papier, die nicht fixierte Tonerbilder tragen, zwischen einer fotoleitfähigen Trommel und einer Schmelzstation, wo das Tonerbild fixiert wird, bewegt werden muss. Mit konventionellen physikalischen Rollen muss immer mit der ständigen Möglichkeit von dynamischen Störungen auf das Tonerbild, oder sogar mit leichten Versätzen, die in Bildstörungen enden, in Betracht gezogen werden. Probleme mit Bildverschlechterung sind besonders akut mit Farbbildern, bei denen viele Überlagerungen passen müssen, die durch getrennte Farbtoner/Fixiererverarbeitungszyklen entstehen, um das Farbbild zu erzeugen.
Jedoch waren frühere Versuche, Fluidtransport in Hochgeschwindigkeitsmaterialverarbeitungssystemen zu verwenden, die eine genaue Positionierung erfordern, nicht sehr effektiv. Die Nachteile von allgemein verfügbaren Fluidtransportsystemen, die Luftstrahlmechanismen zur Unterstützung verwenden, ist am augenscheinlichsten, wenn biegsame Objekte, wie Endlosrollen von Papier, Papierblätter, extrudiertes Plastik, Metallfolien, Drähte oder Lichtleiter transportiert werden. In solchen Systemen kann die Biegsamkeit in einem komplexen Objektverhalten münden. Anders als bei starren Objekten, sind biegsame Objekte dynamisch instabil, wenn sie durch Luftstrahlen gestützt werden, durch Einrollen der Ränder, Flattern oder andere unerwünschte dynamische Bewegungen, die ständig während der Unterstützung und des Transports auftauchen. Solch unerwünschte Bewegungen des biegsamen Objekts kann in einer schlechten Positionierung, Transportfehlfunktion oder sogar in der Beschädigung des Oberflächenkontakts zwischen dem biegsamen Objekt und einem Luftstrahlförderer münden.
DE 26 44 618 offenbart eine Vorrichtung zur Behandlung, z. B. Trocknen, eines sich bewegenden Bandes aus biegsamen Material, das in der Lage ist, die Position des Bandes zu beeinflussen, insbesondere es schwebend zu halten, worin eine Vorrichtung zur seitlichen Führung des Bandes bereit gestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck, der auf beide Seiten der Mittellinie des Bandes gerichtet ist, variiert werden kann, um die Krümmung des Bandes auf der Seite zu verstärken, die gegenüber der Seite liegt, die den erlaubten Bereich verlässt. Besondere Ausführungsformen weisen das Merkmal einer Vielzahl von schlitzförmigen Luftstrahlen oberhalb und unterhalb des Bandes auf, wobei die Schlitzrichtung quer zur Transportrichtung ist. Eine Führung des Bandes entlang großer Bereich ein einer Fabrik wird erreicht, indem der gesamte Bereich in Felder aufgeteilt wird, die individuell steuerbar sind. Jedes Feld in dem gezeigten Beispiel ist mit einem Paar von Sensoren ausgestattet, die die Position der Gewebebandkante detektieren. Ein anderes Mittel (zur Verstärkung der Krümmung auf einer Seite) ist ein Wulst im Gehäuse des schlitzförmigen Luftstrahls, der das Gas mehr zu einer Seite als zu der anderen richtet. Das System erlaubt jedoch nicht eine Bewegungskontrolle von Teilbereichen des biegsamen Objekts in alle drei Richtungen.
US 3,405,977 beschreibt eine Fluidlochkartenvorrichtung, wobei Luftstrahlen von oben und unten eine Lochkarte beschleunigen können. Die Luftstrahlen werden zentral von einer Pumpe versorgt. Ventile steuern den Fluiddruck. Die Ventile und Luftstrahlen in US 3,405,977 erlauben jedoch nur eine Veränderung der longitudinalen Kraft auf die Lochkarte.
Entsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein Fluidtransportsystem zur Bewegung eines biegsamen Objektes bereit, das ein Fördermittel einschließt, das aufgebaut ist, um einen Fluidfluss gegen gegenüberliegende Seiten eines biegsamen Objektes zu richten. Eine Sensoreinheit wird verwendet, um den Bewegungsstatus eines biegsamen Objektes zu erfassen, wobei der Bewegungsstatus so definiert ist, dass er Position, Orientierung, Krümmung, Geschwindigkeit oder andere gewünschte Positions- oder Geschwindigkeitsinformationen einschließt. Eine Bewegungsanalyseeinheit ist mit der Sensoreinheit verbunden, um die Bewegungsbahn des biegsamen Objektes während des Transportes zu berechnen, basierend auf dem erfassten Bewegungsstatus. Bewegungsbahnberechnungen können die Bestimmung der Gesamtobjektposition, Geschwindigkeit und Orientierungsinformationen sowie Position, Geschwindigkeit und Orientierung von Unterbereichen innerhalb des Objekts (wie sie durch Biegung entstehen) einschließen. Um dynamische Anpassungen sicher zu stellen, die für den Transport des biegsamen Objektes notwendig sind, ist eine Bewegungssteuereinheit mit der Bewegungsanalyseeinheit verbunden, wobei die Bewegungssteuereinheit aufgebaut ist, um den Fluidfluss, der gegen gegenüberliegende Seiten des biegsamen Objektes gerichtet ist, zu verändern, um den Bewegungsstatus des biegsamen Objektes anzupassen. Dies erlaubt die Korrektur von Fehlausrichtungen des Objekts, falsche Geschwindigkeit oder Objektabstand, Aufrollen und seitliche Abweichung (wenn eine dreidimensionale Orientierungsinformation verfügbar ist), und sogar unerwünschtes Flattern, Knicken oder Kantenaufrollen.
Auf diese Weise erfordert die Fluidtransportvorrichtung und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Bewegung eines biegsamen Objektes keinen physikalischen Kontakt. Die vorliegende Erfindung arbeitet effektiv mit entweder endlosen oder einzelnen biegsamen Objekten, die sich durch ein Materialverarbeitungssystem bewegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befindet sich unter den biegsamen Objekten, die gemäß der vorliegenden Erfindung auf einer Bahn gehalten werden, Papier oder andere grafisch markierbare Materialien. Ein Papierhandhabungssystem schließt eine Vielzahl von gegenüberliegenden Luftstrahlen ein, die für den Transport von Papier ausgelegt sind, wobei zumindest ein Teil der Vielzahl von Luftstrahlen individuell steuerbar sind. Eine Sensoreinheit bestimmt ständig (oder diskontinuierlich) die Papierposition, und eine Luftstrahlsteuereinheit, die mit der Sensoreinheit verbunden ist, ist ausgelegt, um die Papierflugbahn zu verändern in Reaktion auf die Information, die von der Sensoreinheit kommt. In Reaktion auf die berechnete Position verändert die Luftstrahlsteuereinheit die Papierbewegung oder Orientierung (z. B. indem selektiv der Luftfluss der Luftstrahlen vergrößert oder verkleinert wird, die eine Bewegungskraft auf definierte Unterbereiche des Papiers ausüben), um beinahe sofort Abweichungen des Bewegungszustandes des Papiers zu korrigieren, einschließlich seiner Position, Orientierung, Flugbahn, Geschwindigkeit, Biegung oder Krümmung. In bevorzugten Ausführungsformen können die Vielzahl von gegenüberliegenden Luftstrahlen verwendet werden, um Zug- oder Druckkräfte auszuüben, um das Papier zu glätten, und die Luftstrahlsteuereinheit kann verwendet werden, um das Papier in dieser geglätteten Position während des Transportes zu halten. Natürlich können auch andere Papierpositionen (zusätzlich zur flachen) beibehalten werden, wobei z. B. die Vielzahl der sich gegenüberliegenden Luftstrahlen verwendet werden, um genügend Kraft zu erzeugen, um ausgewählte Unterbereiche des Papiers zu krümmen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden jetzt beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein Papierhandhabungssystem zur genauen Bewegung von luftstrahlgestütztem Papier bei hohen Geschwindigkeiten veranschaulicht;
Fig. 2 eine beispielhafte Veranschaulichung eines gerichteten Luftstrahlsystem mit vertikalen, lateralen und longitudinalen Luftstrahlen zusammen mit integrierten Sensorsystemen ist;
Fig. 3 ein Querschnitt eines gerichteten Luftsystems ähnlich zu dem in Fig. 2 veranschaulichten ist, das Muster eines gerichteten Luftflusses veranschaulicht;
Fig. 4 einen Luftstrahl veranschaulicht, der durch ein piezo- oder elektrostatisch betriebenes Klappventil gesteuert wird;
Fig. 5 schematisch longitudinale Transportkräfte und laterale Zugkräfte veranschaulicht, die durch die gerichteten Luftstrahlen auf ein Blatt Papier ausgeübt werden; und
Fig. 6 eine Seitenansicht eines luftstrahltransportierten Papiers ist (die vertikale Skala ist stark übertrieben), wobei vertikale Kraftkomponenten verwendet werden, um flüchtiges Flattern, wie dargestellt, zu eliminieren.
Ein Verarbeitungssystem 10, das zur Handhabung von Objekten optimiert ist, ohne dass direkter physikalischer Kontakt erforderlich ist, einschließlich von Papierblättern 12 wird teilweise in Fig. 1 veranschaulicht. Das Verarbeitungssystem 10 weist eine Fördervorrichtung 20 auf, die in eine untere Sektion 22 und eine obere Sektion 24 unterteilt ist. Zur Klarheit wurde die obere Sektion 24 abgeschnitten, um die Papierbewegung besser darzustellen, man weiß jedoch, dass die obere Sektion 24 und die untere Sektion 22 grundsätzlich zusammengehören. Die Sektionen 22 und 24 halten einen Abstand ein, um einen Durchgang 23 dazwischen zu definieren, wobei die Größe des Durchgangs ausgelegt ist, um einen kontaktlosen Durchgang des Papiers 12 zu ermöglichen. Jede Sektion 22 und 24 hat eine Vielzahl von unabhängig oder zum Teil unabhängig gesteuerten einstellbaren Luftstrahlen 26, um dynamisch Papier 12 durch das System 10 zu stützen, bewegen und zu führen. Gegenüberliegende Luftstrahlen in den Sektionen 22 und 24 erlaubt die einstellbare Einwirkung von Luftfluss (durch die gerichteten Luftstrahlen) auf gegenüberliegende Seiten des Papiers 12, dynamisches Halten des Papiers zwischen den Sektionen 22 und 24, was eine präzise Steuerung der Papierposition, Geschwindigkeit und Orientierung durch Einwirkung von vertikalen, lateralen oder longitudinalen Kräften (wieder durch gerichtete Luftstrahlen) erlaubt. Als ein zusätzlicher Vorteil erlaubt die Verwendung von unabhängig oder halb unabhängig gesteuerten einstellbaren Luftstrahlen 26 die dynamische Erhöhung oder Erniedrigung des Luftflusses, der gegen Papierabschnitte 12 gerichtet ist, was Streckung, Glättung, Kräuselung, Entkräuselung oder andere gewünschte Veränderungen der Papiertopografie, sowie Anpassung der Papierposition, Orientierung und Geschwindigkeit erlaubt. Zusätzlich kann Papier mit unterschiedlichen Gewicht, Größe und mechanischen Eigenschaften leicht unterstützt und beschleunigt werden durch geeignete Veränderung des Luftflusses, der durch die Luftstrahlen 26 einwirkt. Zum Beispiel kann eine schwere, dicke und relativ unbiegsame Pappe einen höheren Luftfluss von den Strahlen 26 zur Unterstützung und zum Manövrieren erfordern, während ein leichtes Papierblatt einen geringeren Gesamtluftfluss erfordern kann, jedoch eine schnellere und häufigere Luftflussanpassung benötigen kann, die durch die unabhängigen oder halb unabhängigen Luftstrahlen 26 so gerichtet werden, dass sie flattern oder Kantenkräuseleffekte kompensieren.
Die aktive Führung von biegsamen Objekten (von Papier 12), um Flattern oder andere dynamische Probleme von biegsamen Objekten zu korrigieren, wird durch Bereitstellung von mindestens einer Sensoreinheit 40 ermöglicht. Die Sensoreinheit 40 erfasst den Bewegungszustand des Papiers 12, gibt räumliche und dynamische Informationen (so wie man sie durch Anwendung eines optischen Abbildungssystems oder Randdetektionssystems erhalten kann) an eine Bewegungsanalyseeinheit 50 weiter, das in der Lage ist, die relative und absolute Bewegung des Papiers 12 aus der erhaltenen Information zu berechnen, wobei die Bewegungsberechnungen im Allgemeinen Gesamtposition, Orientierung, Geschwindigkeit des Papiers 12, sowie Position, Orientierung und Geschwindigkeit von Unterbereichen des Papiers 12 (aufgrund von Biegungen des Papiers 12) bereitstellen. Typischerweise ist die Bewegungsanalyseeinheit 50 ein Allzweckcomputer oder Hardwaresystem, das für Hochgeschwindigkeitsbildverarbeitungsberechnungen bestimmt ist, die notwendig sind zur Bestimmung der Objektbewegung. Unter Verwendung dieser berechneten Bewegungsinformation, sendet eine Bewegungskontrolleinheit 52, die mit der Bewegungsanalyseeinheit 50 verbunden ist, Kontrollsignale zum Fördermittel 20, um geeignet die Bewegung des Papiers 12 durch selektives Steigern oder Vermindern der Anwendung von gerichteten Luftstrahlen auf Unterbereiche des Papiers 12 zu verändern, um Flattern, Knicken, Kräuseln oder andere ungewünschte Abweichungen von dem gewünschten Bewegungszustand zu reduzieren.
Wie man weiß, ist die Verwendung von diskreten Sensoren, Bewegungsanalyseeinheiten und Bewegungskontrolleinheiten nicht erforderlich, wenn man an integrierte Bewegungsanalyse und Bewegungskontrollanordnungen denkt. Tatsächlich ist es sogar möglich, eine Vielzahl von integrierten Sensoren, Bewegungsanalyseeinheiten und Bewegungskontrolleinheiten als integrierte Mikrokontrolleranordnungen auf dem Fördermittel bereit zu stellen.
Ob die Sensoreinheit 40 diskret oder mit den Mikrokontrollern integriert ist, die Sensoreinheit 40 muss verlässlich und genau sein mit einer räumlichen und zeitlichen Auflösung, die ausreicht, um einen relativ kleinen Bereich des biegsamen Objektes zu verfolgen (typischerweise mindestens ungefähr ein Quadratzentimeter, obwohl größere oder kleinere Auflösung natürlich möglich ist), um die Objektposition geeignet festzustellen. Weiterhin bewegt sich da Objekt bei vielen Prozessen schnell, wobei weniger als 100 Millisekunden für die Messungen der Bahnverfolgung erlaubt sind. Glücklicherweise sind optische Sensoren, Videobildsysteme, Infrarot- oder optische Randdetektoren oder bestimmten andere konventionelle Detektoren in der Lage, geeignete räumliche und zeitliche Auflösungen bereit zu stellen. Für die besten Ergebnisse wurden zweidimensionale optische Sensoren (wie ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD's)), abgetastete eindimensionale Arrays oder stetige positionsempfindliche Detektoren verwendet. Jedoch können auch feste eindimensionale Sensorarrays verwendet werden. Wie man auch weiß, können kontaktlose Sensoren, die keine optischen Sensoren sind, verwendet werden, einschließlich, aber nicht darauf begrenzt, Drucksensoren, akustische Sensoren oder elektrostatische Sensoren.
In Betrieb erlaubt die Verwendung einer Sensoreinheit 40 zur rückgekoppelten Steuerung der Objektbewegung die präzise Mikromanipulation des Objektbewegungszustandes. Für ein veranschaulichendes Beispiel ist in Fig. 1 das Papier 12 nacheinander in drei bestimmten Positionen entlang des Fördermittels 20 dargestellt, bzw. markiert als Papierposition 14, Papierposition 16 und Papierposition 18. In Position 14 ist das Papier 12, das an dem Fördermittel 20 ankommt, schlecht ausgerichtet. Wenn das Papier 12 entlang dem Fördermittel 20 zur Position 16 durch die Luftstrahlen 26 bewegt wird, erzeugt der Sensor 40 eine Zeitreihe von räumlich diskreten Messungen, die der augenblicklichen Position des Papiers 12 entsprechen. Diese Elemente einer Zeitreihe von räumlichen Messinformationen werden ständig zur Bewegungsanalyseeinheit 50 weitergeleitet. Die Bewegungsanalyseeinheit 50 verwendet die empfangene Information (d. h. der Sensor misst ein-, zwei- oder dreidimensionale räumliche Information), um genau den Bewegungszustand des Papiers 12 zu bestimmen, einschließlich seiner Position, Geschwindigkeit und Dynamik. Diese Information (die gemeinschaftlich "Bewegungsbahn" genannt werden kann) wird an die Bewegungskontrolleinheit 52 weitergeleitet, die eine Korrekturantwort berechnet, um den Fehler der Bewegungsbahn zu minimieren und sendet Signale an ausgewählte Luftstrahlen 26, um die schlechte Ausrichtung zu korrigieren, wobei das Papier 12 näher an die Ausrichtung, wie durch Position 16 angezeigt, gebracht wird. Dieses Rückkopplungssteuerverfahren, um Papier 12 geeignet zu orientieren durch rückkopplungsgesteuerte Korrekturen der Papierbewegungsbahn (das Papier 12 ist nun räumlich an der Position 16) wird wiederholt, wobei die Bewegungsbahn des Papiers 12 schließlich korrekt ausgerichtet ist, wie es bei Position 18 gezeigt ist. Wie man weiß, kann dieses Rückkopplungssteuerverfahren zur Veränderung der Bewegungsbahn des flexiblen Objekts schnell wiederholt werden, wobei Zykluszeiten von Millisekunden machbar sind, wenn ein schneller Sensor, Bewegungsverarbeitung und Luftstrahlsysteme verwendet werden.
Vorteilhaft erlaubt die vorliegende Erfindung die Manipulation und die Kontrolle einer großen Vielzahl von biegsamen Objekten und Prozessen. Zusätzlich zur Papierhandhabung können andere biegsame Herstellungsgegenstände, einschließlich extrudiertes Plastik, Metallfolien, Drähte, Gewebe oder sogar Lichtleiter in genauer dreidimensionaler Ausrichtung bewegt werden. Wie man weiß, wurden Änderungen der Gestalt des Fördermittels 20 betrachtet, einschließlich, aber nicht beschränkt auf gekrümmte Fördermittel (mit einer Krümmung entweder in einer Prozessrichtung oder senkrecht zu der Prozessrichtung, um vertikales oder horizontales "Zurückschalten" Zu- oder Umkehren zu erlauben), die Verwendung von zylindrischen oder anderen nichtlinearen Fördermitteln oder sogar die Verwendung von segmentierten Fördermitteln, die durch Bereiche getrennt sind, die keine Luftstrahlen unterstützen. Zusätzlich kann es möglich sein, das Fördermittel 20 aus flexiblen Materialien, aus modularen Komponenten oder als ineinandergreifende segmentierte Abschnitte konstruiert sein, um eine schnelle und bequeme Gestaltung des Fördermittels in einen gewünschten Materialverarbeitungspfad zu erlauben.
Die vorliegende Erfindung erlaubt die Erfassung und die Korrektur der Flugbahn, Rotationen, leichte Abweichungen der Ausrichtung, dreidimensionale Abweichungen der Ausrichtung aufgrund von Flattern, Knittern, Kantenumknicken oder anderen Orientierungsproblemen, die schwierig schnell nachzuweisen sein können, und stellt eine geeignete Bewegungskompensation bereit unter Verwendung von Standardmaterialverarbeitungsbewegungssteuersystemen. Wie der Fachmann weiß, ist eine geeignete Luftstrahlauslegung und Steuerung ein kritischer Aspekt der vorliegenden Erfindung. Typischerweise müssen Luftstrahlen unter Berücksichtigung eines biegsamen Objekts ausgelegt und positioniert werden, um die Einwirkung einer Kraft in der Größenordnung von Millinewton auf jede Seite des biegsamen Objektes zu ermöglichen mit präzisen Kraftwerten, die natürlich vom Material und den dynamischen Eigenschaften des biegsamen Objektes abhängen, entlang der gewünschten Objektbeschleunigung und Flugbahn. Für den besten Betrieb müssen die angewendeten Kräfte schnell änderbar sein. Zum Beispiel erwartet man von einer typischen 0,025 cm durchmessenden Öffnung mit einer Länge von ungefähr 0,1 Zentimeter eine intrinsische Antwortzeit für die Luftbewegung in der Größenordnung von 100 Mikrosekunden. Natürlich müssen Ventilantwortzeiten, Steuerungen, Bewegungsanalyse und Druckbedingungen auch so beschaffen sein, dass de Luftstrahlbetrieb und die Steuerung in einer Millisekundenzeitskala reagieren.
Eine allgemeine Luftstrahlarchitektur, die geeignet zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist, wird mit Bezug auf Fig. 2 veranschaulicht. Ein Abschnitt eines Fördermittels für biegsame Objekte 120 enthält eine Vielzahl von Luftstrahlen 126, um einen longitudinalen, lateralen und vertikalen Transport von biegsamen Objekten zu ermöglichen (biegsame Objekte sind zur Klarheit nicht gezeigt). Die Luftstrahlen 126 enthalten Kanäle 154, die in der Fördermitteloberfläche 111 definiert sind, um den Einlass oder Auslass von fließender Luft 160 zu erlauben. Zum Beispiel kann ein Ventil 150 selektiv betrieben werden, um Luft mit hohem Druck im Plenum 170 nach oben fließen zu lassen, die Kraft auf das biegsame Objekt einwirken zu lassen und nach unten durch das Ventil 152 in das Plenum 172 durchzulassen. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist das Plenum 172 von dem Plenum 170 durch die Trennung 171 getrennt, wobei das Plenum 172 unter einem geringeren Luftdruck als Plenum 170 gehalten wird.
Die Kontrolle des Pfades des biegsamen Objektes wird durch Verwendung einer Vielzahl von integrierten Sensoren 140 ermöglicht, die optische, mechanische, thermische, elektrostatische oder akustische Sensoren enthalten können, aber nicht darauf beschränkt sind. Die Sensoren 140 werden verwendet, um eine beinahe kontinuierliche Sensorrückkopplung bereit zu stellen, die die Objektposition betrifft, welche umgekehrt eine beinahe kontinuierliche Bewegungskontrolle der biegsamen Objekte erlaubt, die in unmittelbarer der Luftstrahlen 126 vorbeifliegen. Wie man weiß, kann die Information, die man von den Sensoren 140 erhält, zu einer zentralisierten Bewegungsanalyseeinheit und Bewegungssteuereinheit weitergeleitet werden, wie es in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wird. Alternativ kann eine verteilte oder lokale Bewegungsanalyse und Steuerung eingesetzt werden. Zum Beispiel können die Sensoren 140 mit einem Computermikroschaltkreis integriert sein, der in der Lage ist, den Sensorinput zu analysieren und die Luftstrahlen zu steuern.
Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines Fördermittels 220 für ein biegsames Objekt, das in einen unteren Teil 222 und einen oberen Teil 224 unterteilt ist, mit einem Durchgang 223 dazwischen, wobei jeder Teil 222 und 224 eine Vielzahl von unabhängig oder halb unabhängig gesteuerten einstellbaren Luftstrahlen 26 aufweisen, um Papier 12 dynamisch durch das System 10 zu unterstützen, bewegen und führen. Wie vorher in Verbindung mit Fig. 1 erklärt, erlauben die gegenüberliegenden Luftstrahlen in den Teilen 222 und 224 die einstellbare Anwendung eines Luftflusses (durch die gerichteten Luftstrahlen) auf gegenüberliegende Seiten des Papiers 212, wobei das Papier zwischen den Teilen 222 und 224 dynamisch gehalten wird, während eine präzise Kontrolle der Papierposition, der Geschwindigkeit und der Orientierung durch Anwendung von vertikalen, lateralen oder longitudinalen Kräften erlaubt wird (wieder durch die gerichteten Luftstrahlen). Zum Beispiel wird der longitudinale Transport des Papiers 212 durch die kombinierte Wirkung der Luftstrahlen 230 und 232 unterstützt, die in entsprechenden Teilen 222 und 224 jeweils einander gegenüberliegen. Der Luftfluss 266 wird durch die Ventile 250 und 252 kontrolliert, wobei der Luftfluss, der longitudinal einwirkt, eine Kraft auf das Papier 212 ausübt. Als ein anderes Beispiel zur Kontrolle der Position des Papiers 212, können gegenüberliegende Luftstrahlen 240 und 242 verwendet werden, um Luft 266 in vertikale Richtung zu richten, um Papier 212 in einer gewünschten Position in dem Fördermittel 220 schwebend zu halten.
Die besondere Ausführungsform eines Luftventils 350, das in der vorliegenden Erfindung mit Luftstrahlen, wie man sie in Fig. 1-3 verwenden kann, wird als Seitenansicht in Fig. 4 veranschaulicht. Das Luftventil 350 ist ein piezoelektrisches Klappventil, dessen Bewegung elektrisch durch Verbindung mit Anschlussdrähten 384 mit der Ventilsteuerung 382 gesteuert wird. Das Ventil 350 enthält ein Gehäuse 352, das in einer Öffnung 313 einer Fördermitteloberfläche 311 angeordnet ist, und eine bewegliche Klappe 386 (dargestellt in geschlossener Position mit durchgezogenen Linien und in geöffneter Position mit gestrichelten Linien). Im Betrieb kann die Luftbewegung entweder nach außen (z. B. gepunkteter Pfeil 361) oder nach innen (Pfeile 360) erfolgen, abhängig vom Druck im Plenum 372 (wobei das Plenum 372 zwischen der Fördermitteloberfläche 311 und der Trennung 371 definiert ist). Der Druck im Plenum 372 kann verändert oder beibehalten werden durch die Verbindung zu einer Luftdruckquelle 380. Die Luftdruckquelle 380 kann ein Ventilator, eine Vakuumquelle, eine Luftquelle unter Druck, oder jede andere konventionelle Vorrichtung sein, die geeignet ist, um den verfügbaren Druck im Plenum 372 zu ändern.
Wie der Fachmann weiß, ist die Ventilgestaltung, die in Fig. 4 dargestellt ist, nur zur Veranschaulichungszwecken, wobei viele andere geeignete Ventilausführungen in der Lage sind, in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet zu werden. Zum Beispiel können piezoelektrische, thermisch bimorphe, thermisch volumenändernde, fluidzustandsändernde, akustischen Druck ausübende oder elektrostatische Mikrostellerventile verwendet werden. Der Luftfluss durch die Ventile kann individuell oder in Gruppen gesteuert werden. Für die besten Ergebnisse sind schnell ansprechende (Millisekunden oder weniger) Ventilbetriebszeiten bevorzugt, jedoch können mit geeigneten vorausschauende Bewegungssteuerungen Ventile mit langsameren Betrieb verwendet werden.
Der Aufbau der Ventile zur Verwendung in Verbindung mit der Luftstrahlarchitektur der Fig. 2 und 3 oder der Architektur von anderen geeigneten Luftstrahlen gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einer Vielzahl von Herstellungs- oder Mikroherstellungstechniken möglich, einschließlich solcher in Verbindung mit konventioneller Herstellung von integrierten Schaltungen. Zum Beispiel kann chemisches Ätzen, Elektronenstrahllithografie, Fotolithografie oder andere Standardbatchprozesstechnologien für integrierte Schaltungen verwendet werden, um die notwendigen Luftführungen, Steuer- oder Schaltkreisleitungen, Löcher, Öffnungen und Blenden und sogar bewegliche Ventils zu definieren. Alternativ kann Spritzguss, numerisch kontrollierte Maschinen von Präzision oder Stereolithografie für die Ventilkonstruktion verwendet werden. Die in der Konstruktion verwendeten Materialien können Plastik, Metalle oder Keramiken einschließen. In einer möglichen Ausführungsform kann ein Halbleiter, wie Silizium, mit einer einzelnen oder einer Vielzahl von Schichten von dotiertem Silizium, Polysilizium, Siliziumnitrit, Silizium, Siliziumoxid, Oxidnitrit, Plastik oder Aluminium oder jedes andere verfügbare Material, das geeignet für einen lithografischen Prozess ist, um die benötigten Ventilstrukturen oder Leitungen zu definieren, verwendet werden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die mögliche Steuer-, Transport- und Orientierungsarten für die gerichtete Anwendung von Kraft auf ein biegsames Objekt 200 veranschaulicht (über einen Luftfluss von gerichteten Luftstrahlen), wird in Fig. 5 gezeigt. Die ausgeübten Transportkräfte (angezeigt durch Pfeile 204, wobei die relative ausgeübte Stärke der Kraft durch die Pfeillänge angezeigt wird) wird gegen das flexible Objekte 200 gerichtet, um das biegsame Objekt 200 longitudinal in eine Richtung, die durch den Pfeil 202 angezeigt ist, zu transportieren. Wie man weiß, bewirkt die angezeigte longitudinale Kraft auch in longitudinale Spannungskräfte auf das biegsame Objekt 200. Zusätzlich bleiben auch laterale Spannungskräfte im Wesentlichen senkrecht zu den Transportkräften an den Rändern des flexiblen Objektes 200, wie durch die Pfeile 206 angezeigt. Diese kombinierten longitudinalen und lateralen Spannungskräfte bewirken ein Abflachen des biegsamen Objekts 200. Natürlich kann die Stärke und Richtung der gerichteten Kräfte, wie der Fachmann weiß, weitgehend verändert werden, was z. B. gerichtete Zug- und Druckkräfte erlaubt, um das Objekt 200 um eine longitudinale Achse, eine laterale Achse zu krümmen oder sogar ausgewählte Unterbereiche eines Objektes zu krümmen (z. B. die Ecken des Objekts). Dieses Kontrollniveau würde z. B. das Einprägen einer Krümmung auf ein Blatt Papier um eine longitudinale Achse (parallel zur Prozessrichtung) erlauben, um die Papiersteifheit zu verstärken.
Fig. 6 ist eine Seitenansicht des Objekts 200 (die vertikale Skala wurde stark übertrieben), die die vertikale Komponenten der Kraft zeigt (angezeigt durch die Pfeile 208), die verwendet werden, um ungewolltes Flattern oder Schwingen des biegsamen Objekts 200 orthogonal zur Transport- und Zugrichtung, wie in Fig. 5 sichtbar, zu minimieren. Wie man weiß, kann die angewendete Kraft leicht angepasst werden, um ungewollte Bewegung des biegsamen Objektes 200 zu korrigieren, oder alternativ, verwendet werden, um das biegsame Objekt 200 in eine bestimmte dreidimensionale Orientierung gezwungen werden, indem verschiedene Beträge von Kraft auf bestimmte Unterbereiche des biegsamen Objektes 200 wahlweise angewendet werden.
Wie man weiß, kann der Betrag und die Richtung der Kraft, die gegen Unterbereiche des biegsamen Objekts 200 gerichtet sind (wie schematisch in den Fig. 5 und 6 dargestellt), um Rotation, Korrekturen der dreidimensionalen Orientierung und Positionen oder Korrekturen der Transportgeschwindigkeit erlauben. Typischerweise ist die Kraft, die auf Objekte, wie durch die Pfeile 204 oder 206 angezeigt, wirkt, eine komplexe integrierte Funktion der Luftflussdauer, der Geschwindigkeit, des Luftvolumens, der Fluidreibungskoeffizienten und anderer gerichteter Fluidtransporteigenschaften, die dynamisch auf den neuesten Stand gebracht, kontrolliert oder verändert werden müssen, auf einer Millisekundenzeitskala für beste Ergebnisse (z. B. durch Verwendung von geeignet steuerbaren Luftflussventilen, wie vorher in Verbindung mit den Fig. 2 und 3 diskutiert).

Claims

1. Ein Fluidtransportsystem (10) zum Glätten und Bewegen eines biegsamen Objekts (12) mit Unterbereichen, wobei das System enthält:

eine Fördervorrichtung (20), die ausgelegt ist, um einen Fluidfluss gegen gegenüberliegende Seiten eines biegsamen Objektes (12) zu richten, um das biegsame Objekt zu glätten und zu bewegen;

- eine Sensoreinheit (40), die angeordnet ist, um einen Bewegungszustand des biegsamen Objektes (12) zu erfassen, einschließlich sowohl Gesamtbewegungen als auch Bewegungen von Unterbereichen des biegsamen Objekts;

eine Bewegungsanalyseeinheit (50), die mit der Sensoreinheit (40) verbunden ist, um einen Bewegungszustand des flexiblen Objektes (12) durch Berechnung der Gesamtbewegungen und Bewegungen der Unterbereiche zu bestimmen; und

eine Bewegungssteuereinheit (52), die mit der Bewegungsanalyseeinheit (50) verbunden ist, wobei die Bewegungssteuereinheit (52) den Fluidfluss, der gegen gegenüberliegende Seiten des biegsamen Objektes (12) gerichtet ist, steuert, um selektiv den Bewegungszustand des biegsamen Objektes (12) zu ändern, indem differenziell Kräfte auf ausgewählte Unterbereiche des biegsamen Objektes (12) ausgeübt werden, um das flexible Objekte (12) zu glätten und zu bewegen.

2. Ein Fluidtransportsystem (10) zum selektiven Krümmen und Bewegen eines biegsamen Objektes (12) mit Unterbereichen, wobei das System enthält:

ein Fördermittel (20), das ausgelegt ist, um einen Fluidfluss gegen gegenüberliegende Seiten eines biegsamen Objektes (12) zu richten, um selektiv das biegsame Objekt zu krümmen und zu bewegen;

eine Sensoreinheit (40), die angeordnet ist, um einen Bewegungszustand des biegsamen Objektes (12) zu erfassen, einschließlich sowohl Gesamtbewegungen als auch Bewegungen von Unterbereichen des biegsamen Objektes;

eine Bewegungsanalyseeinheit (50), die mit der Sensoreinheit (40) verbunden ist, um den Bewegungszustand des biegsamen Objekts (12) durch Berechnung der Gesamtbewegungen und Bewegungen der Unterbereiche zu bestimmen; und

eine Bewegungssteuereinheit (52), die mit der Bewegungsanalyseeinheit (50) verbunden ist, wobei die Bewegungssteuereinheit (52) den Fluidfluss steuert, der gegen gegenüberliegende Seiten des biegsamen Objektes (12) gerichtet ist, um selektiv den Bewegungszustand des biegsamen Objektes (12) zu verändern, indem differenziell Kräfte auf ausgewählte Unterbereiche des biegsamen Objektes (12) ausgeübt werden, um selektiv das biegsame Objekt zu krümmen und zu bewegen.

3. Das System von Anspruch 1 oder 2, worin die Bewegungssteuereinheit (52) weiterhin eine Vielzahl von unabhängig arbeitenden Luftstrahlen (126) umfasst, um selektiv Luftflüsse (160) zurichten, um eine Kraft auf ausgewählte Unterbereiche des biegsamen Objektes (12) auszuüben.

4. Das System nach Anspruch 3, worin die Vielzahl von unabhängig betriebenen Luftstrahlen (126) weiterhin eine Vielzahl von unabhängig gesteuerten Luftventilen (150, 250, 252) enthält.

5. Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Sensoreinheit (40) weiterhin eine Vielzahl von Sensoren (140) enthält, die entlang dem Fördermittel (20) verteilt sind.

6. Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Fördermittel weiter enthält

einen unteren Teil und einen oberen Teil, die beabstandet angeordnet sind, um einen Durchgang dazwischen zu definieren mit einer Vielzahl von unabhängig steuerbaren Luftstrahlen (126), die in dem unteren Teil (22; 222) und dem oberen Teil (24, 224) angeordnet sind, um zumindest vertikale, laterale und longitudinale Steuerung des Bewegungszustandes des biegsamen Objektes (12) bereit zu stellen.

7. Ein Luftstrahlfördersystem zum selektiven Glätten und Krümmen und Transportieren von biegsamen Objekten (12) enthaltend:

einen oberen Teil (24, 224) und einen unteren Teil (22, 222), die durch einen Durchgang (23, 223) getrennt sind, wobei der obere Teil (24, 224) und der untere Teil (22, 222) jeweils eine Vielzahl von Luftstrahlen (126) aufweisen, die darin angeordnet sind, um Luft in den Durchgang (23, 223) zu richten, um die Bewegung sowohl des gesamten biegsamen Objektes (12) als auch von ausgewählten Unterbereichen zu steuern.

8. Das System nach Anspruch 7, worin zumindest einer der Vielzahl von Luftstrahlen (126) ein Luftventil (150, 250, 252) zur Steuerung des Luftflusses (160), der gegen das biegsame Objekt (12) gerichtet ist, einschließt.

9. Das System nach Anspruch 7 oder 8, weiter enthaltend mindestens eine Sensoreinheit (40) zu Erfassung des Bewegungszustandes des biegsamen Objekts (12).

10. Das System nach Anspruch 9, worin die Vielzahl von Luftstrahlen (126) weiter eine Vielzahl von unabhängig gesteuerten Luftventilen (150, 250, 252) enthält.

11. Ein Papierhandhabungssystem, das enthält:

eine Vielzahl von einander gegenüberliegenden Luftstrahlen (126), die zum Papiertransport angepasst sind, wobei zumindest ein Teil der Vielzahl von Luftstrahlen (126) individuell steuerbar sind, und in einem unteren Teil (22, 222) und einem oberen Teil (24, 224) angeordnet sind, wobei die Vielzahl der sich gegenüberliegenden Luftstrahlen (126) vorzugsweise angepasst sind, um eine dreidimensionale Kontrolle des Papierbewegungszustandes bereitzustellen;

eine Erfassungs- und Bewegungszustandanalyseanordnung zur Bestimmung des Papierbewegungszustandes durch Berechnung der Gesamtbewegungen und Bewegungen von Unterbereichen; und

eine Luftstrahlsteuereinheit, die mit der Erfassungs- und Bewegungszustandanalyseanordnung verbunden ist, um selektiv den Papierbewegungszustand zu verändern, indem unterschiedliche Kräfte auf ausgewählte Unterbereiche des Papiers ausgeübt werden, um das Papier zu glätten oder selektiv zu krümmen und zu bewegen, als Reaktion auf die Information, die man von der Erfassungs- und Bewegungszustandanalyseeinheit erhält.