Vorrichtung zum Feststellen von Oberflächen-Unebenheiten
Die Erfindung bezieht sich auf die durch vorzug, weise photoelektrische Mittel erfolgende Feststellung von Oberflächen-Unebenheiten in vorwärtsbewegtem Folienmaterial, wie z. B. Papier.
Bei einer bekannten Vorrichtung liegt das Funktionsprinzip darin, dass eine Lichtspaltkulisse die Oberfläche der bewegten Folienbahn auf einer Berührungslinie nachgiebig abtastet, welche in Abwesenheit irgendwelcher unerwünschter Oberflächen Unebenheiten einen ununterbrochenen Verlauf auf der ganzen an der Kulisse vorbeilaufenden Länge des Folienmaterials und quer zur Bewegungsrichtung desselben zeigt. Diese Lichtspaltkulisse verhindert normalerweise den Lichtdurchgang von einer Lichtquelle, welche die Berührungslinie anleuchtet, zu photoelektrischen Mitteln, weicht jedoch von der Oberfläche auf mindestens einem Teil ihrer Länge zurück, wenn eine Oberflächen-Unebenheit, wie z.
B. eine Runzel, die Berührungslinie erreicht, wodurch die fortlaufende Berührung unterbrochen, und dem Licht ermöglicht wird, von der Lichtquelle zu den photoelektrischen Mitteln zu gelangen, welche dann ansprechen und ein Ausgangssignal erzeugen.
Der Strom in einer Photozelle lässt sich einfach und wirksam modulieren, indem die Bahn des bewegten Folienmaterials auf wenigstens einem Teil seiner Länge in Richtung der Bahnbewegung gekrümmt wird, welche Krümmung bei an der Krümmungsstelle angeordneter Lichtspaltkulisse dem Licht, welches von den Beleuchtungsmitteln ausgestrahlt wird und unter der Lichtspaltkulisse durchtritt, die photoelektrischen Vorrichtungen zu erreichen, indem es sich in derjenigen an die gekrümmte Bahnoberfläche gelegten Tangentialebene ausbreitet, welche Idurch die Berührungslinie zwischen der Lichtspaltkulisse und der Materialoberfläche geht.
Bei der bekannten Vorrichtung ist die Lichtspaltkulisse derart federnd montiert, dass, wenn irgendein Teil der ungefähr 10 cm breiten, als Lichtspaltkulisse dienenden Platte durch eine Oberflächen-Unebenheit der Papierbahn berührt und gehoben wird, alle Teile der Kulisse um den gleichen Betrag über die Tangentialebene angehoben werden, d. h. dass die Form der Öffnung oder des Lichtspaltes rechteckig und die Berührungslinie an der gehobenen Kulisse parallel zur makellosen Papieroberfläche ist.
Dieser Funktionsvorgang ergibt eine gleichmässige Modulation der Photozelle, gleichgültig wo sich die Stelle der Oberflächen-Unebenheit bezüglich der Stelle der federnden Befestigungsmittel für die Kulisse befindet.
Da jedoch wenigstens zwei federnde Befestigungsmittel für jede Lichtspaltkulisse verwendet werden müssen, ist die Ausrichtung der Befestigungsmittel, welche bei der bekannten Vorrichtung aus Schraubenmuttern, Bolzen und Puffern bestehen, ullr gewiss und erforderte häufige Nachkontrolle, um die benötigte ununterbrochene und d glatte Berührungsli- nie zwischen der Lichtspaltkulisse und dem Folienmaterial in Abwesenheit einer Oberflächen-Uneben heit zu liefern. Im Falle ungenauer Einstellung ergibt diese bekannte Vorrichtung häufig nicht eine bei Abwesenheit einer Oberflächen-Unebenheit ununterbrochene Berührungslinie.
Andere Arten von federnd nachgiebigen Befestigungsmitteln, wie Nieten, Schwenklager, Federn usw. können eine weniger fragwllrdige federnde Befestigung ergeben.
Mit der vorliegenden Erfindung wird bezweckt, eine Lichtspaltkulisse vorzusehen, welche sich selbst fluchtend einstellt, indem sie derart konstruiert ist, dass sie unter normalen Betriebsbedingungen und beim Fehlen fortgesetzter kritischer Einstellung sich selbst fortwährend auf die Flucht des unter ihr vorbeibewegten Folienmaterials einzustellen sucht, um die erforderliche ununterbrochene Berührungslinie zustande zu bringen.
Bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Befestigungsmittel ihrerseits die Gleichmässigkeit der Modulation der Photozellen beeinflussen, doch werden die Schwankungen der Modulation als Funktion einer fehlerhaften Stellung in vernünftigen und erträglichen Grenzen gehalten. Anschliessend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen in den verschiedenen Figuren gleiche Bezugsziffern gleiche Teile bezeichnen.
Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht mit weggebrochenen Teilen ein Beispiel einer vorbekannten Vorrichtung;
Fig. 2 zeigt einen teilweisen Vertikalschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 ist eine Draufsicht mit einigen weggebrochenen Teilen eines ersten Ausführungsbeispiels ;
Fig. 4 zeigt einen teilweisen Vertikalschnitt längs der Linie i1 t1 in Fig. 3;
Fig. 5 ist eine Draufsicht mit einigen weggebrochenen Teilen eines zweiten Ausführungsbeispiels;
Fig. 6 zeigt einen teilweisen Vertikalschnitt längs der Linie 6-6 in Fig. 5;
Fig. 7 zeigt einen teilweisen Vertikalschnitt längs der Linie 7-7 in Fig. 5;
Fig. 8 zeigt einen teilweisen Vertikalschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels, und
Fig. 9 ist eine vergrösserte, perspektivische Ansicht in einer Einzelheit der Fig. 8 mit Teilen im Schnitt.
In der vorbekannten Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 läuft das Folienmaterial 1 über eine Walze 2. Eine Photozelle 3 im Gehäuse 4 wird vom Lichteinfall einer Lampe 5 getroffen, wenn die Lichtspaltkulisse 6 durch eine Oberflächen-Unebenheit in der Folien bahn angehoben wird. Die beiden Löcher 7 in der Lichtspaltkulisse 6 gestatten den federnden Hub beider Enden der Kulisse 6. Jsde Befestigung besteht aus einer Schraube 8, einer Unterlagscheibe 9 und einem Kautschukpuffer 10. Die beiden Schrauben 8 müssen so eingestellt werden, dass sie einen ungefähr gleichmässigen Druck längs der Berührungslinie 11 ausüben, damit alle Teile des Kontaktabschnittes der Lichtspaltkulisse ungefähr gleichmässig auf das Folienmaterial drücken und somit den Lichtspalt längs der ganzen, Berührungslinie zuverlässig schliessen.
Diese konstruktive Ausführung der Vorrichtung hat sich im Gebrauch als kritisch erwiesen.
Bei der in Fig. 3 und 4 gezeigten, verbesserten federnden Befestigungsart ist an jedem Ende der Lichtspaltkulisse 6 eine Lagerspitze 12 in Form einer eingepressten konischen Vertiefung g vorgesehen. Der gleichmässige Berührungsdruck an der Berührungslinie 15 wird durch die Verwendung einer einzigen, in der Mitte zwischen den Lagerspitzen 12 angeordneten Schraube 13 erzielt, welche eine Schraubenfeder 14 derart in einstellbarer Kompression hält, dass dieselbe auf die Lichtspaltkulisse drückt. Die Schraube 13 ist mit ihrer Achse gegen die Berührungslinie 15 der Kulisse hin versetzt angeordnet.
Wenn sich die Lagerspitzen 12 bezüglich ihrer Höhe in optimaler Stellung befinden, gewährleistet die einzige federbelastete Einstellschraube 13 ein gleichmässiges Schliessen des Licht spaltes an der Berührungslinie 15, welche in Abwesenheit von Oberflächen-Unebenheiten auf der darunter vorbeilaufenden Folien bahn in ununterbrochenem Verlauf aufliegt. Indem alle Schraubenfedern 14 der Lichtspaltkulissen gleich und verhältnismässig lang gemacht, beispielsweise in ihrem unkomprimierten Zustand 37,6 mm lang, und dann je auf eine axiale Länge von 25,4 mm zusammengedrückt werden, wind eine federnde Befestigung erzielt, welche einen gleichmässigen Berührungsdruck für alle Lichtspalt-Kulissenabschnitte quer über die zu überprüfende Folienbahn ergibt.
Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen eine andere Befesti gungsform für die Lichtspaltkulissen 6, bei welcher die Kulissen sich automatisch ausrichten, um eine fortlaufende Berührungslinie zu ergeben, wenn die zu überprüfende Folienbahn in Bewegung ist. Hier werden nicht mehr Schrauben zum zuverlässigen Schliessen der Lichtspaltkulissen auf dem makellosen Filmmaterial benötigt. Jede Kulisse 6 ist nur mit der Berührungslinie 15 und einer in der Mitte angeordneten Stützwarze 16 abgestützt, während zwei Locher 7 an beiden Enden der Kulisse 6 auf der gleichen Fluchtlinie 17 mit der Stützwarze 16 angeordnet sind.
Die Löcher 7 sind von je einem Halterstift 18 durchquert, dessen Durchmesser kleiner als derjenige des Loches 7 ist, so dass die Kulisse in der Ebene des Lichtspaltes etwas Spiel hat, das sich in einer kreisenden Bewegung von geringem Ausmass um das Zentrum der Stützwarze 16. auswirken kann.
Das bewegte Papier sucht die Kulisse 6 infolge der dazwischen auftretenden Reibung in Richtung des Laufes der Papierbahn mitzunehmen, wobei die Kulissen je mit den Stellen 19 an den Halterstiften 18 anstehen und sich somit in die gewünschten Idealstellungen ausrichten, welche eine nadellose Schliessung des Lichtspaltes ergeben. Die Kulissen 6 sind mit Gewichten in Form von Platten 20 belastet, welche mittels Nieten 21 und Schrauben 22 montiert sind. Die Köpfe der Schrauben 18 und 22 besitzen grössere Durchmesser als die Löcher 7 in der Kulisse 6 und in den Platten 20, damit beim Hochschwenken des Kopfes der Prüfvorrichtung (um die Achse der Lagerbohrung 23 in Fig. 1), wenn die Papierbahn 1 über die Walze 2 eingezogen werden muss, die Kulissen 6 und Platten 20 nicht abfallen können.
Die Platten 20 üben eine gleichmässige Kraft auf die Kulissenberührungslinie 15 aus und dienen somit dem gleichen Zweck wie die federbelasteten Schrauben 13 des vorhergehenden Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 und 4. Alle Platten 20 weisen gleiches Gewicht auf, so dass bei allen Kulissen an der Berührungslinie der gleiche Druck gewährleistet ist.
Es ist wichtig, dass die Kulissen fluchtgerecht die Oberfläche der Papierbahn bestreichen. Bei hohen Papiergeschwindigkeiten könnte eine kleine Oberflächen-Unebenheit in der Papierbahn eine falsche Anzeige verursachen, falls die Kulisse hüpft und somit mit ihrer Berührungslinie 15 für eine gewisse Zeit vom Folienmaterial abgehoben wird. Demzufolge ist das entsprechende, in der Photozelle erzeugte Signal in seiner Amplitude. grösser und in seiner Dauer länger als ein wirklichkeitsgetreues Signal, welches entsprechend und proportional zur kleinen Unebenheit in der Papierbahn hätte erzeugt werden sollen. Je höher die Geschwindigkeit des Folienmaterials 1 ist, umso grösser sind die kinetische Energie der wandernden Oberflächen-Unebenheiten im Folienmaberial und die Stosskräfte auf die Kulisse.
Für grössere Geschwindigkeiten des Folienmaterials werden somit mehr Gewichtsplatten 20 benötigt. Das Gewicht der Platten 20, d. h. die längs der Kontaktlinie 15 gleichmässig verteilte Schwerkraft, muss gleich oder grösser als die ihr entgegenwirkende Stosskraft sein, damit die Kulissen 6 fluchtgerecht der Oberflächenkontur des Folienmaterials folgen.
Die verwendeten Gewichte sollten nicht viel schwerer als unbedingt erforderlich sein, damit die genannte Bedingung der fluchtgerechten Berührung der Oberflächenkontur erfüllt wird, da die Abnützung der Kulissen an der Berührungslinie umso grösser ist, je schwerer die Gewichte sind. Um die Abnützung an den Kulissen zu vermindern, muss die Kontaktoberfläche der letzteren aus hartem Material bestehen.
Auch liegt die Erscheinung vor, dass sich im Staub vorhandene harte Fremdkörper an der Berührungslinie der Kulisse sammeln und daran haften.
Solche Partikel können die Oberfläche von gewissen Folienmatrialien, wie z. B. kaschierte Papiere oder Plastikfolien zerkratzen.
Für die Kulissen sind d mit Erfolg oxydierte Alu- miniumplatten verwendet worden. Die sehr harte Oxydoberfläche wird durch das Folienmaterial auf Hochglanz poliert und sauber gehalten, wodurch das Auffangen harter Staubpartikel und eine übermässige Abnützung der Kulissen praktisch verhindert wird.
Eine andere Möglichkeit zur Verhinderung der Ansammlung von Partikeln an der Berührungslinie 15 und zum Gewährleisten einer fluchtgerechten Oberflächenkontur-Abtastung, indem eine fortlau felde Berührungslinie in Abwesenheit von Oberflächen-Unebenheiten erzielt wird, ist in Fig. 8 und 9 veranschaulicht.
In Fig. 8 und 9 bildet eine Rolle 23 die federnd montierte Lichtspaltkulisse. Die Rolle 23 ist mehrere Zentimeter lang und im Durchmesser klein, z. B. in der Grössenordnung von 9,5 mm. Für eine Prüfvorrichtung mit einer Kopfbreite von ungefähr 444 mm werden vorzugsweise vier axial nebeneinanderliegende Rollen rechtwinklig zur Papierbewegung verwendet, wobei die Länge jeder Rolle nur wenig kürzer als die entsprechende Breite des zu überprüfenden Folienmaterials ist. In einer solchen Vorrichtung überprüft jede Rolle eine Breite der Folienbahn von 444/4 = 111 mm. Jede Rolle ist jedoch nur 110,4 mm lang, so dass nur eine Breite von 0,6 mm des Folienmaterials nicht berührt und daher durch die Rollkulisse nicht überprüft wird. Somit wird eine kleine Erhöhung von nur 0,75 mm im Durchmesser stets durch diese Kulissen festgestellt.
Eine solche Rollkulisse ist in Fig. 9 gezeigt.
An den Enden jeder Rolle sind, wie Fig. 9 zeigt, Stirnzapfen 24 aus Polytetrafluoräthylen oder Nylon eingesetzt. Diese Zapfen 24 stehen nur wenige Hundertstel Millimeter über die Stirnenden der Rollen vor und schützen diese Enden vor Abnützung. Die Stirnzapfen 24 sind auswechselbar, doch ist deren Abnützung geringfügig, da selbst bei sehr hohen Laufgeschwindigkeiten des Folienmaterials die axialen Kontaktzentren praktisch stationär bleiben.
Die Vermeidung der Abnützung der Oberfläche der Rollen 23 und Rollengehäuse 26, sowie die Selbstreinigung der Rollen gegen anhaftenden Staub und der erforderliche Druck zwischen den Rollkulissen und dem Folienmaterial zur getreuen Oberflächenabtastung wird mittels Luft oder eines anderen Gases erzielt, welches Medium durch die Leitungen 27, von welchen nur eine gezeigt ist, in das Gehäuse 26 eingeblasen wird.
Das Gehäuse 26 ist an einer Halterplatte 28 befestigt, welche ihrerseits am Kopfstück 4 der Prüfvorrichtung mittels Lagerwarzen 29 und Schrauben 30, 31 montiert ist. Das Gehäuse 26 kann eine, zwei oder mehr Rollen 23 enthalten.
Die Rollen 23 sind mit einem leichten Spiel in das Gehäuse eingepasst. Bei Ider Anfertigung des Gehäuses 26 wird die Weite des U-förmigen Gehäusekanals z. B. 9,65 mm gemacht, wenn der Durchmesser der Rollen 9,5 mm beträgt, so dass das Spiel zwischen dem Gehäuse und den Rollen ungefähr 0,15 mm beträgt. Daher hält der Austrittsspalt mit einer Breite von nur 0,15 mm den Luftverlust von durch die Leitungen 27 zugeführter Druckluft auf einem Minimum.
Aus Fig. 9 ist ersichtlich, dass der ungekrümmte Wandabschnitt 32 des U-förmigen Lagerkanals der Rolle 23 eine Höhe von ungefähr 2,3 mm besitzt, so dass die beiden extrem möglichen Lagen der Rolle 23 um diesen Abstand voneinander entfernt sein können. In allen Lagen zwischen diesen beiden Extremlagen der Rolle wird der schmale Spalt beibehalten.
Es ist auch ersichtlich, dass die Rückhaltzunge 33 für die Rolle deren freie Auf- und Abbewegung in der Grüssenordnung von 2,5 mm zulässt und ein Herausfallen der Rolle aus dem Lagergehäuse verhindert, jedoch ohne die freie Bewegung der Rolle um 2,3 mm im U-förmigen Lagerkanal des Gehäuses einzuschränken.
Gemäss Fig. 8 dreht das Folienmaterial 1 die Rolle 23 im Gegenuhrzeigersinn. Die Rollen können mit sehr hoher Drehgeschwindigkeit laufen, z. B. bei 300 m pro Minute Bahngeschwindigkeit (5 m pro Sekunde) ungefähr mit 12 000 Ulmin (bei einem Rol lendurchmesser von 9,5 mm). Daher wird die Rolle an der Lagerzone 34 gegen das Gehäuse 26 gedreht und reisst infolge seiner hohen Oberflächengeschwindigkeit von 5 m pro Sekunde auch Luftpartikel mit in das Gehäuse 26, welche an der Lagerzone 34 in das Gehäuse eintreten und dasselbe an der schmalen Öffnung 35 auf der zur Berührungslinie 34 entgegengesetzten Seite verlassen.
Wenn Blasluft unter Druck in das Gehäuse 26 geführt wird, und wenn angenommen wird, dass das Folienmaterial stillsteht, und die Rollen n 23 somit nicht drehen, entweicht die Luft durch die beiden praktisch gleichen Spälte zwischen den Lagerzonen 34, 35 und den Rollen 6, wobei gleichzeitig die Rollen gegen das Folienmaterial gedrückt werden.
Wenn das Folienmaterial in Bewegung ist, wirkt die durch die rasch rotierenden Rollen 6 in das Gehäuse 26 mitgerissene Luft der durch die Leitungen 27 zugeführten Druckluft entgegen, und im B.ereich der Lagerzone 34 entsteht eine Kompression. Dieser erhöhte Luftdruck hält die Rollen von der Gehäusewandung weg und ergibt einen Luftfilm, welcher die Rollen wirksam schmiert , d. h. von der Lagerzone 34 verdrängt.
Da beim Luftspalt 35 sowohl die mitgerissene Luft als auch die eingeblasene Luft die gleiche Strömungsrichtung aufweisen, entweicht auf dieser Seite des Lagergehäuses mehr Luft, welche die Rollen auch von den Lagerzonen 35 verdrängt. Es wurde festgestellt, dass bei hohen Bahngeschwindigkeiten die Luftschmierung ausreichend wirksam und am Gehäuse 26 nach langen Betriebszeiten praktisch keine Abnützung zu erkennen war. Der für die Gehäuse 26 verwendete Werkstoff ist von zweitrangiger Bedeutung, da die Rollen die Gehäuse im Betrieb nicht berühren. Aluminium, Messing, Bronze und kadmiertes Messing sind mit guten Ergebnissen verwendet worden. Die Rollen bestehen am besten aus poliertem Stahl. Standard-Werkzeugstahl ist durchaus annehmbar.
Gemäss Fig. 8 ist die Halterplatte 28 an ihren beiden Enden mittels Schrauben 30 und 31 befestigt, welche dazu benützt werden können, die Platte 28 in jeder gewünschten Stellung relativ zur Horizontalebene zu nivellieren, wobei die Platte 28 um den Abstützpunkt 29 geschwenkt wird. Die Schrauben 31 können gleich wie die Schrauben 30 ausgebildet sein, in welchem Fall die Platte starr befestigt ist, so dass sich die Rollen (entsprechend dem durch die obgenannten Abmessungen wiedergegebenen Beispiel) in dem U-förmigen Lagerkanal um 0,5-2 mm frei bewegen können.
Gelegentlich kann n stark beschädigtes Folienmate- rial Oberflächen-Unebenheiten von mehr als 2 mm aufweisen, weshalb zur Vermeidung einer Beanspruchung der Platte 28 über ihre Elastizitätsgrenze hinaus die Schrauben 31 mit Schraubenfedern 36 kombiniert sein können, um der Platte beim Vorliegen von besonders grossen Oberflächen-Unebenheiten im Folienmaterial eine ausreichende Hubbewegung zu ermöglichen.
Der Querschnitt einer Luftverteilleitung 37 muss grösser bemessen sein als die Summe aller Durch gangsquerschn, itte der Luftleistungen 38, 39 und d 27, damit die Druckverteilung überall in der Leitung 37 praktisch gleich ist. Gewöhnlich wird eine grosse Zahl Abzweigungen 38 usw. benötigt. Für eine fünf Einheiten umfassende Vorrichtung mit einer Prüfungsbreite von 222 cm werden z. B.
5 x 4 X 2 = 40 Rohre verwendet, nämlich vierzig Leitungen 38 und vierzig Leitungen 27. Die Verbindungsleitungen 39 bestehen vorzugsweise aus biegsamem Plastik oder Kautschukmaterial. Die Luftzufuhr zur Verteilleitung 37 erfolgt am besten an ihren beiden Enden. Es wurde gefunden, dass das benötigte Blasluftvolumen für eine aus fünf Einheiten bestehende Vorrichtung 0, 28-0, 42 m3 pro Minute bei einem Druck von 0,53-1,07 atü, am Auslass des Luftkompressors gemessen, betrug, welcher Auslass durch 3/4 Zoll-Leitungen von 1,83-2,75 m Länge an die beiden Einlassenden der Verteilleitung 37 angeschlossen war.
Um einen gleichmässigen Druck auf die Rollen 23 auszuüben, mündet jede Zuleitung 27 in einen Kanal 40, welcher sich in Längsrichtung des Gehäuses 26 erstreckt. Aus Fig. 9 ist ersichtlich, dass der Kanal 40 in geringem Abstand von der Stirnseite des Gehäuses 26 endigt. An beiden Enden des Gehäuses 26 ist je ein L-förmiges Winkelstück 41 befestigt (in Fig. 9 ist nur das eine sichtbar), welches einem doppelten Zweck dient. Diese Winkelstücke verhindern den Luftaustritt an den Gehäusestirnseiten und dienen als Stirnlager für die Stirnzapfen 24 aus Polytetrafluoräthylen. Die Winkelstücke 41 sind mittels Schrauben 42 am Gehäuse befestigt und bestehen aus sehr dünnem Metall, damit die unüberprüfbaren, blinden Abschnitte der Breite des Folienmaterials schmal bleiben.