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Dokumentenidentifikation DE102007014545A1 31.10.2007
Titel Verfahren zum Steuern eines Antriebes einer drucktechnischen Maschine und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
Anmelder Heidelberger Druckmaschinen AG, 69115 Heidelberg, DE
Erfinder Wolf, Thomas, Dr., 76137 Karlsruhe, DE
DE-Anmeldedatum 27.03.2007
DE-Aktenzeichen 102007014545
Offenlegungstag 31.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse B41F 33/14(2006.01)A, F, I, 20070327, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuerung zum Steuern eines Antriebes einer drucktechnischen Maschine. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zu entwickeln, welche eine kostengünstige und für Personen sichere Lastüberwachung ermöglichen. Die Erfindung besteht darin, dass zum Steuern eines Antriebes einer drucktechnischen Maschine mit mindestens einem Motor ein Drehmoment in eine mit einem Bauteil gekoppelten Welle eingespeist wird, mit einem Drehmomentengeber laufend ein in der Welle vorhandenes Drehmoment gemessen und in einer Steuereinrichtung verarbeitet wird, die Drehmomenteneinspeisung unterbrochen wird, wenn die Verarbeitung des Drehmomentensignals ein Steuersignal ergibt, welches einen unzulässigen Antriebszustand wiedergibt, und zusätzlich laufend der Motorstrom (i(t),iHM) gemessen und zum Erzeugen des Steuersignals in der Steuereinrichtung (24, 25) verarbeitet wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Antriebes einer drucktechnischen Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

Zum Antreiben von Maschinenelementen an drucktechnischen Maschinen werden Elektromotoren eingesetzt, die mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung in Verbindung stehen. In der Steuer- oder Regeleinrichtung befindet sich ein Leistungsstellglied, das so angesteuert wird, dass das Maschinenelement mit einer gewünschten Drehzahl und einem gewünschten Drehmoment angetrieben wird. Zum Erfassen einer Ist-Drehzahl dient ein Drehgeber, der mit der Motorwelle oder einem angetriebenen Glied verbunden ist. Zum Messen eines Ist-Drehmomentes wird der vom Motor aufgenommene Strom oder eine Verformung eines motorangetriebenen Gliedes erfasst.

Bei einer Lösung nach der DE 600 07 540 T2 wird ein in einer Antriebswelle erzeugtes Drehmoment kontaktfrei bestimmt. Dabei wird die Antriebswelle magnetisiert und die drehmomentabhängige Veränderung der Ausrichtung von Feldkomponenten mit einem Magnetsensor erfasst.

In der DE 102 42 255 A1 ist eine Bogendruckmaschine beschrieben, bei der eine Plattform für einen Bogenstapel mittels eines Elektromotors und eines Getriebes gehoben oder abgesenkt wird. An einer Antriebswelle des Hubwerkes ist ein Drehmomentensensor angeordnet, der mit einer Steuereinrichtung verbunden ist. Bei einem unzulässigen Drehmoment an der Antriebswelle wird der Stapelaufzugsmotor und der Hauptantriebsmotor der Bogendruckmaschine stillgesetzt.

Bei einem Verfahren zur Gewichtsbestimmung eines Bogens bei der Zufuhr zu einem Drucker nach der DE 697 17 413 T2 wird das Drehmoment an einer Reibrolle bestimmt, die von einem Elektromotor angetrieben wird. Das Drehmoment wird durch Messen der Stromaufnahme des Elektromotors bestimmt, wobei der Strom und das Bogengewicht proportional voneinander abhängen. Die Drehmomentenbestimmung anhand des Motorstromes ist ungenau, weil die Motor- und Getriebeglieder über die Zeit schwergängig werden.

Zur Erhöhung der Betriebssicherheit einer Maschine ist es bekannt, bei der Überwachung sicherheitsrelevanter Betriebsgrößen Sensoren redundant vorzusehen. Bei Ausfall eines Sensors kann die Betriebsgröße mit einem Reservesensor weiterhin erfasst werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Steuern eines Antriebes einer drucktechnischen Maschine und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln, welche eine kostengünstige und für Personen sichere Lastüberwachung ermöglichen.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, welches die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist. Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens besitzt die Merkmale nach Anspruch 4.

Gemäß der Erfindung werden mit einem Drehmomentengeber laufend ein an einer Antriebswelle vorhandenes Drehmoment und zusätzlich der Strom eines das Drehmoment speisenden Elektromotors gemessen und in einer Steuereinrichtung verarbeitet. Die Drehmomenteneinspeisung wird unterbrochen, wenn die Verarbeitung der Drehmomentensignale und der Strommesssignale ein Steuersignal ergibt, welches einen unzulässigen Antriebszustand wiedergibt. Die Motorstrommessung wird zyklisch mit Hilfe der Drehmomentenmessignale kalibriert. Bei der Kalibrierung kann aus dem Strommesssignal ein Drehmomentenmesswert abgeleitet werden, der bei gleicher Last mit dem sich vom Drehmomentengeber gemessenen Wert verglichen wird. Weichen die Drehmomentenwerte voneinander ab, wird der sich aus dem Strommesssignal ergebende Drehmomentenwert für eine Zyklusdauer auf den vom Drehmomentengeber gemessenen Wert gesetzt. Die Zyklusdauer beträgt vorzugsweise mehr als eine Woche.

Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens enthält zwei getrennte Signalwege für den Drehmomentensensor und den Motorstromsensor, die jeweils mit der Steuereinrichtung verbunden sind. Zwischen dem Elektromotor und einem anzutreibenden Glied der drucktechnischen Maschine liegt ein Getriebe, wobei der Drehmomentensensor in der kinematischen Kette am oder an einem Bauteil in der Nähe des Gliedes angeordnet ist.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden, es zeigen:

1: einen Stapelaufzug einer Bogendruckmaschine,

2: ein Diagramm zur Abhängigkeit eines Motorstromes von der Zeit,

3: ein Diagramm zur Kalibrierung eines Motorstromsensors, und

4: einen Antrieb einer Bogendruckmaschine mit einem Hauptantriebszweig und einem Nebenantriebszweig.

1 zeigt einen Stapelaufzug 1 in einem Anleger einer Bogendruckmaschine. Der Stapelaufzug 1 enthält eine Platte 2 zur Aufnahme eines Bogenstapels. Die Platte 2 ist an Ketten 3 bis 6 aufgehängt. Die Ketten 3 bis 6 sind über Kettenräder 7 bis 12 gelegt. An den Enden der Ketten 3 bis 6 befinden sich Ausgleichsgewichte 13 bis 16. Die Kettenräder 7, 9 und 8, 10 bis 12 sind drehfest auf Wellen 17, 18 angeordnet. Zum Heben und Senken der Platte 2 ist die Welle 18 über ein Getriebe 19 mit einem Elektromotor 20 gekoppelt. Der Welle 18 ist ein Drehmomentensensor 21 zugeordnet. Der Motor 20 und der Drehmomentensensor 21 sind über getrennte Leitungen 22, 23 mit einer Steuereinrichtung 24 verbunden. In der Steuereinrichtung 24 befindet sich eine Einrichtung 25 zur Signalverarbeitung mit einem Rechner 26. Weiterhin befindet sich in der Steuereinrichtung 24 ein Leistungsstellglied 27 für den Motor 20 und ein Amperemeter 28 zum Messen des Motorstromes i(t). Das Amperemeter 28 steht mit der Einrichtung 25 zur Signalverarbeitung in Verbindung.

Die von den Ketten 3 bis 6 zu tragende Last ergibt sich aus der statischen Gewichtskraft der Platte 2, des Bogenstapels und der Ketten 3 bis 6 selbst und aus einer dynamischen Komponente. Die dynamische Komponente beinhaltet diskontinuierliches Beschleunigen und Abbremsen und negative und positive Kraftstoßimpulse beim Abwickeln der Ketten 3 bis 6 über die Kettenräder 7 bis 12. Der Antrieb des Stapels soll so erfolgen, dass ein Schwingen in Folge der Elastizität der Ketten 3 bis 6 vermieden wird. Der Stapelaufzug 1 ist so dimensioniert, dass mit einem maximalen Stapelgewicht gearbeitet werden kann. Der Drehmomentensensor 21 und das Amperemeter 28 gewährleisten, dass die Aufzugselemente bei maximalem Stapelgewicht nicht überlastet werden.

2 zeigt eine Abhängigkeit des an der Welle 18 aufzubringenden Drehmomentes über der Zeit. Während der Lebensdauer des Stapelaufzuges 1 wird der Antriebsstrang ausgehend vom Motor 20 über das Getriebe 19 auf die Welle 18 zunehmend schwergängig. Eine Ursache ist verstärkte Reibung bei nachlassender Schmierwirkung an allen sich bewegenden Elementen. Bei einem definierten Stapelgewicht wäre über die Zeit t ein konstantes Drehmoment entsprechend Kurve 29 an der Welle 18 aufzubringen, was mit dem Drehmomentensensor 21 nachgewiesen werden kann. Bei demselben definierten Stapelgewicht erhöht sich durch besagte Schwergängigkeit das vom Motor 20 aufzubringende Drehmoment, wie in Kurve 30 gezeigt. In gleichem Maße erhöht sich der mit dem Amperemeter 28 erfasste Motorstrom i (t). Wenn neben den Signalen des Drehmomentensensors 21 die Signale des Amperemeters 28 für eine sichere Drehmomentenüberwachung herangezogen werden sollen, dann müssten ohne eine Kalibrierung entweder die Ketten 3 bis 6 z. B. um 40 % stärker mechanisch dimensioniert werden oder der Stapelaufzug 1 müsste bereits bei 60 % der maximal zulässigen Last abgeschaltet werden. Das wäre eine unerwünschte Minderung der Verfügbarkeit.

Gemäß der Erfindung wird die Drehmomentenüberwachung mit dem Amperemeter 28 mittels der Signale des Drehmomentensensors 21 zyklisch zu Zeitpunkten t1 bis t3 rekalibriert, was näher in 3 gezeigt ist. Der Drehmomentensensor 21 hat eine hohe Messgenauigkeit von z. B. ±2 % und ist damit für eine Kalibrierung der Drehmomentenbestimmmung mit dem Amperemeter 28 besonders geeignet. Das Amperemeter 28 hat nur eine geringe Messgenauigkeit von z. B. (+30 % und –5 %). 3 zeigt die Abhängigkeit der Differenz &Dgr;M der Drehmomentenmesswerte aus der Strommessung mit dem Amperemeter 28 und dem Drehmomentensensor 21. Die Kalibrierung wurde jeweils nach Monaten zu den Zeitpunkten t1 bis t3 in einem Wartungsmodus vorgenommen, bei dem die normale Sicherheitsfunktion der Drehmomentenüberwachung zeitweise abgeschaltet ist. Gemäß Kurve 31 wird die Differenz &Dgr;M zu den Zeitpunkten t1 bis t3 auf 0 zurückgesetzt, d. h., der mit dem Amperemeter 28 ermittelte Drehmomentenmesswert wird auf den Messwert des Drehmomentensensors 21 gesetzt. Die Kurve 32 zeigt die unkalibrierte Drehmomentendifferenz &Dgr;M, wobei sich zum Zeitpunkt t3 ein maximaler Verfügbarkeitsgewinn &Dgr; Mmax ergibt.

Für eine automatische Driftkompensation können zwei Lastpunkte definiert werden, wobei ein erster Lastpunkt für eine Detektion einer zu hohen Zuladung gewählt wird. Ein zweiter Lastpunkt kann bei etwa 30 % vom ersten Lastpunkt gewählt werden, der die Freigabe für einen Stapelwechsel mit zeitweiliger Aufnahme eines Reststapels auf Tragelementen ermöglicht.

Im Druckbetrieb würde die Zuladung auf der Platte 2 einerseits mit dem Drehmomentensensor 21 überwacht werden, der über die Leitung 23 auf einem Sicherheitsweg mit der Steuereinrichtung 24 kommuniziert, und andererseits mit dem Amperemeter 28, welches den Motorstrom i(t) auf einem Betriebsweg erfasst. Das in beiden Wegen gemessene Drehmoment darf in keinem Fall einen Grenzwert überschreiten.

Als Drehmomentensensor 21 ist insbesondere ein kontaktlos wirkender Magnetsensor geeignet, der auf einem magnetoelastischen Bereich der Welle 18 oder einem sonstigen Getriebeelement gerichtet ist. Ein derartiger Sensor beansprucht einen geringen Platzbedarf und erlaubt einen Einsatz direkt im Getriebeöl. Ein Magnetsensor besitzt eine hohe dynamische Messauflösung.

Die Sensorsignale können elektrisch gefiltert werden, so dass es bei kurzen Laststößen im elastischen Bereich der Ketten 3 bis 6 nicht zu einer Fehlabschaltung kommt. Laststöße entstehen durch einen abrupten Stopp des Stapelaufzuges 1 und bei der Abwicklung der Kettenglieder der Ketten 3 bis 6 über die Kettenräder 7 bis 12.

Weiterhin ist es möglich, durch Messen dynamischer Momentänderungen und aktorischer Gegenregelung Aufschaukelbewegungen zu kompensieren. Für eine aktorische Gegenregelung kann die Hubfrequenz des Motors 20 verändert werden oder ein viskoser Dämpfer hinzugeschaltet werden.

Bei Bedarf kann der Stapelaufzug 1 so gesteuert werden, dass Notaus-Ereignisse der Bogendruckmaschine, wie z. B. das Öffnen eines Schutzgitters, unterdrückt werden. Damit wird verhindert, dass durch hohe dynamische Kräfte eine zu hohe Stapellast signalisiert und der Stapelaufzug 1 stillgesetzt wird.

In 4 ist die Anwendung des Verfahrens beim Antreiben einer Bogendruckmaschine gezeigt. Zylinder 33 und Trommeln 34 bis 37 sind in Seitenwänden 38, 39 drehbar gelagert. Zum Antreiben beim Drucken sind auf den Wellenzapfen 40 bis 42 Zahnräder 43 bis 45 angeordnet, die miteinander in Eingriff stehen. Die Zahnräder 44, 45 sitzen drehfest auf den Wellenzapfen 41, 42. Zwischen dem Zahnrad 43 und dem Wellenzapfen 40 befindet sich eine Kupplung 46. Die Zahnräder 43 bis 45 bilden mit weiteren Zahnrädern 47, 48 einen Hauptantriebsräderzug, wobei mit einem Elektromotor 49 ein Drehmoment M in den Hauptantriebsräderzug eingespeist wird.

Beim Drucken ist die Kupplung 46 geschlossen, so dass der Zylinder 33 über den Hauptantriebsräderzug angetrieben wird. Das Drehmoment im Wellenzapfen 40 wird mit einem Drehmomentensensor 50 überwacht. Zur Drehzahlmessung dient ein Drehgeber 51, der mit dem Wellenzapfen 42 gekoppelt ist. Der Motor 49, der Drehgeber 51, die fernbetätigbare Kupplung 46 und der Drehmomentensensor 50 stehen mit einer Steuereinrichtung 52 in Verbindung.

Während des Vorbereitens zum Drucken oder zur Durchführung von Wartungsarbeiten an einem stillgesetzten Druckwerk während des laufenden Druckbetriebes ist die Kupplung 46 geöffnet, so dass im Normalfall keine Antriebsverbindung und daher kein Drehmomentenübertrag zwischen dem Hauptantriebsräderzug und dem Zylinder 33 besteht.

Mit einem Hilfsmotor 53 und einem Getriebe 54 ist der Zylinder 33 mit geringer Drehzahl antreibbar. Die Drehzahl des Zylinders 33 wird mit einem Drehgeber 55 überwacht. Der Hilfsmotor 53 und der Drehgeber 55 stehen mit der Steuereinrichtung 52 in Verbindung.

Die Steuereinrichtung 52 enthält Leistungsstellglieder 56 bis 58 zum Ansteuern des Hilfsmotors 53, der Kupplung 46 und des Hauptantriebsmotors 49. Die Stromaufnahmen des Hilfsmotors 53 und des Hauptantriebsmotors 49 werden mit Amperemetern 59, 60 überwacht. Die Motorströme iHM und iM sind proportional den in den Zylinder 33 und in den Hauptantriebsräderzug eingespeisten Drehmomenten. Die Steuereinrichtung 52 enthält weiterhin eine Einrichtung 61 mit einem Rechner 62 zum Verarbeiten der Signale des Drehmomentensensors 50, der Drehgeber 51, 55 und der Amperemeter 59, 60 und zum Generierung von Stellsignalen für die Leistungsstellglieder 56 bis 58.

Mit Hilfe der zu 4 beschriebenen Anordnung wird der Drehmomentenfluss über die Kupplung 46 zwischen dem Hilfsantriebsstrang und dem Hauptantriebsräderzug während des Druckens und während des Vorbereitens zum Drucken auf zwei getrennten Signalwegen überwacht. Zur Sicherheit einer Bedienperson der Bogendruckmaschine dürfen während des Vorbereitens zum Drucken keine unerlaubten Momentsprünge auftreten. Beim Antreiben des Zylinders 33 mit dem Hilfsmotor 53 wird in einem ersten Signalweg mittels des Amperemeters 59 der dem Hilfsmotor 53 zufließende Strom iHM gemessen. Aus dem Strommesswert iHM wird mittels der Einrichtung 61 ein Drehmoment MHM abgeleitet, welches am Wellenzapfen 42 des Zylinders 33 eingespeist wird. In dem zweiten Signalweg wird das Drehmoment MS am Wellenzapfen 40 direkt mit dem Drehmomentensensor 50 gemessen. Das aus den Signalen des Amperemeters 59 abgeleitete Drehmoment MHM und das mit dem Drehmomentensensor 50 gemessene Drehmoment MS werden mit dem Betrag eines Grenzwertes MG verglichen. Überschreiten die Drehmomentenwerte MHM oder MS den Betrag des Grenzwertes MG, dann wird davon ausgegangen, dass die Kupplung 46 die Verbindung zum Hauptantriebsräderzug nicht ordnungsgemäß getrennt hat. In diesem Fall würde eine Gefahr bestehen, dass der Zylinder 33 über dem Hauptantriebsräderzug mit Druckgeschwindigkeit angetrieben wird, so dass die Bedienperson Schaden nehmen kann, wenn Handhabungen am Zylinder 33 zum Vorbereiten des Druckens vorgenommen werden. Deshalb wird beim Überschreiten des Grenzwertes MG die Bogendruckmaschine mittels der Steuereinrichtung 52 stillgesetzt.

Zur Drehmomentenüberwachung am Wellenzapfen 40 sind kontaktlos wirkende Drehmomentensensoren 50, insbesondere magnetoelastische Sensoren, einsetzbar.

Die Anordnung des Drehmomentensensors 50 bei dem Beispiel nach 4 kann auch vor der Kupplung 46 im Hauptantriebsräderzug liegen. Auch bei dieser Variante wird bei einem unerwünschten Schließen der Kupplung 46 mit dem Drehmomentensensor 50 eine Drehmomentenerhöung erfasst. Der hier als Auslöseschwelle festzulegende Betrag des Grenzwertes MG kann beispielsweise aus einem Kennlinienfeld bestimmbar sein, in welches als Parameter Maschinenzustände und die mit dem Drehgeber 51 erfasste Maschinengeschwindigkeit eingehen. Bei Verwendung eines genau messenden magnetoelastischen Drehmomentensensors 50 würde durch ein zusätzliches Antreiben des Zylinders 33 und der mit ihm verbundenen Teile eines Druckwerkes der ungewollte Kupplungsvorgang detektierbar sein.

Zur Erhöhung der Maschinensicherheit können magnetoelastische Sensoren mehrfach im gleichen Antriebsstrang vorgesehen werden.

1
Stapelaufzug
2
Platte
3–6
Kette
7–12
Kettenrad
13–16
Ausgleichsgewicht
17, 18
Welle
19
Getriebe
20
Elektromotor
21
Drehmomentensensor
22, 23
Leitung
24
Steuereinrichtung
25
Einrichtung
26
Rechner
27
Leistungsstellglied
28
Amperemeter
29–32
Kurve
33
Zylinder
34–37
Trommel
38, 39
Seitenwand
40–42
Wellenzapfen
43–45
Zahnrad
46
Kupplung
47, 48
Zahnrad
49
Elektromotor
50
Drehmomentensensor
51
Drehgeber
52
Steuereinrichtung
53
Hilfsmotor
54
Getriebe
55
Drehgeber
56–58
Leistungsstellglied
59, 60
Amperemeter
61
Einrichtung
62
Rechner


Anspruch[de]
Verfahren zum Steuern eines Antriebes einer drucktechnischen Maschine, bei dem mit mindestens einem Motor ein Drehmoment in eine mit einem Bauteil gekoppelten Welle eingespeist wird,

bei dem mit einem Drehmomentengeber laufend ein an der Welle vorhandenes Drehmoment gemessen und in einer Steuereinrichtung verarbeitet wird,

und bei dem die Drehmomenteneinspeisung unterbrochen wird, wenn die Verarbeitung des Drehmomentensignals ein Steuersignal ergibt, welches einen unzulässigen Antriebszustand wiedergibt,

dadurch gekennzeichnet,

dass zusätzlich laufend der Motorstrom (i(t), iHM) gemessen und zum Erzeugen des Steuersignals in der Steuereinrichtung (24, 52) verarbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Motorstrommessung zyklisch kalibriert wird,

indem aus dem Strommesssignal ein Drehmomentenwert abgeleitet und bei gleicher Last an der Welle (18) mit dem sich vom Drehmomentengeber (21) gemessenen Drehmomentenwert verglichen wird,

wobei bei einer Abweichung der Drehmomentenwerte der sich durch das Strommesssignal ergebende Drehmomentenwert für eine Zyklusdauer auf den vom Drehmomentengeber (21) gemessenen Wert gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zyklusdauer länger als eine Woche beträgt. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,

mit mindestens einem Motor zum Einspeisen eines Drehmomentes in eine mit einem Bauteil gekoppelten Welle,

mit einem der Welle zugeordneten Drehmomentengeber,

und mit einer Steuereinrichtung, die mit dem Motor und dem Drehmomentengeber verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet,

dass ein Motorstromsensor (28, 59) vorgesehen ist, der mit der Steuereinrichtung (52) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Motor (20, 53) und Welle (18, 40) ein Getriebe (19, 54) zum Übertragen einer Drehbewegung angeordnet ist. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der der Welle zugeordnete Drehmomentengeber (21, 50) als ein nach dem magnetoelastischen Prinzip arbeitender Wandler ausgebildet ist.






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