DE10034072A1 - Anordnung zum Messen der Höhe eines Bogenstapels mit optischen Meßmitteln - Google Patents

Abstract

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zum Messen der Höhe eines Bogenstapels zu entwickeln, die unabhängig von der Bedruckstoffbeschaffenheit und den Betriebsparametern bei der Vereinzelung eine genaue Messung ermöglicht. DOLLAR A Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß bei einer Anordnung zum Messen der Höhe eines Bogenstapels mit optischen Meßmitteln, eine Beleuchtungsvorrichtung (21) vorgesehen ist, deren Licht schräg von unten in die Umgebung einer oberen Stapelkante (29) fällt, und daß ein ortsauflösender fotoelektrischer Empfänger (27) für das aus der Umgebung der oberen Stapelkante (20) reflektierte Licht vorgesehen ist. DOLLAR A Die Erfindung ist bei Bogen verarbeitenden Maschinen anwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen der Höhe eines Bogenstapels mit optischen Meßmitteln. Bei Druckmaschinen ist es bekannt, Mittel zum Nachführen eines Bogenstapels vorzusehen, um den oben liegenden Bogen an eine Vereinzelungsvorrichtung heranzuführen. Die Nachführung kann gesteuert durch die Höhe des Bogenstapels geschehen, wozu Höhensensoren für das Niveau des obersten Bogens in Bezug auf das Niveau der Vereinzelungsvorrichtung vorgesehen sein können. In DE 34 11 886 C2 und DE 39 53 371 C2 werden hierzu optische Taster verwendet, die nach dem Prinzip einer Reflexlichtschranke arbeiten. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß bei hellem Bogenmaterial die Intensität des an einer Seitenfläche reflektierten Lichtes höher ist als die Intensität des Lichtes, welches auf einen optischen Sensor aus dem Bereich über dem Stapel fällt. Die Intensität des reflektierten Lichtes ist stark von der Oberflächenbeschaffenheit der Stapelseitenfläche in der Umgebung der oberen Stapelkante abhängig. Um die Vereinzelung der Bogen zu verbessern ist es üblich, mit Blasluftvorrichtungen die oberen Bogen des Stapels aufzulockern. Die Blasluftvorrichtungen werden von Hand entsprechend dem verwendeten Bedruckstoff eingestellt. Durch die Auflockerung wird die obere Stapelkante unbestimmt. Der Schaltpunkt eines auf eine solche Stapelkante gerichteten Sensors ist ebenso unbestimmt, was zu einer fehlerhaften Höhensteuerung des Stapels oder der Vereinzelungsvorrichtung führen kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zum Messen der Höhe eines Bogenstapels zu entwickeln, die unabhängig von der Bedruckstoffbeschaffenheit und den Betriebsparametern bei der Vereinzelung eine genaue Messung ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich mit einer Anordnung, die die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist.

Die Anordnung enthält eine Beleuchtungsvorrichtung die in Bezug auf das Umgebungslicht definierte Beleuchtungsbedingungen in der Umgebung der Stapelkante schafft. Bei schräger Beleuchtung einer oberen Stapelkante ist die Intensität des von der Stapelseitenfläche reflektierten Lichtes an den Orten gleichmäßig, wo die Bogen dicht liegen. In den Bereichen des Stapels, wo die Bogen aufgelockert liegen bzw. der Stapel endet, entstehen Schatten. Mit Hilfe des ortsauflösenden Empfängers, wie z. B. einer CCD- Zeile, einem CCD-Array oder einer Fotodiodenzeile, wird der Helligkeitsverlauf über die Stapelseitenfläche senkrecht zur Stapeloberkante bestimmt. Dem Empfänger kann ein optisch abbildendes System vorgeordnet sein. Die Lage der Schatten kann aus dem Helligkeitsverlauf auf dem Empfänger bestimmt werden. Die Signale des Empfängers können einer Auswerteeinrichtung mit einem Rechner zugeführt werden. Mit Hilfe eines Programmes zur Auswertung der Signale des Empfängers kann der Ort des Hell-Dunkel- Überganges auf dem Empfänger errechnet werden, der der Lage des obersten fest liegenden Bogens entspricht. Über eine einfache mathematische Beziehung kann die Höhe des obersten fest liegenden Bogens bestimmt werden. Werden mehrere Hell-Dunkel- Übergänge ausgewertet, kann ein Signal über den Grad der Auflockerung der oberen Bogen abgeleitet werden, welches zur Steuerung einer Blasvorrichtung verwendet werden kann. Desweiteren kann mit der Anordnung ein einzelner vorstehender Bogen durch Auswertung des durch diesen Bogen hervorgerufenen charakteristischen Schattens erkannt werden. Wenn es die baulichen Verhältnisse nicht gestatten, den Empfänger auf der Seite der Beleuchtungsvorrichtung unterzubringen, dann können strahlungsablenkende Mittel vorgesehen werden, die das Licht auf den Empfänger leiten, der an einem günstigen Einbauort angeordnet ist. Zur Erhöhung der Genauigkeit der Höhenmessung und zur Bestimmung der Ebenheit des Stapels können in seitlicher Richtung zwei oder mehrere Empfänger vorgesehen sein. Jedem Empfänger kann eine eigene Auswerteeinrichtung zugeordnet sein. Desweiteren ist es möglich, mehrere Empfänger schnell zeitlich nacheinander mit einer einzigen Auswertevorrichtung abzufragen. Bei Verwendung einer Vielzahl von Empfängern können die jeweils außerhalb der Formatbreite der Bogen liegenden Empfänger außer Betrieb gesetzt werden. Wenn flächenhafte Empfänger, wie z. B. CCD-Arrays, verwendet werden, dann ergibt sich die Möglichkeit, an mehreren Orten einer Stapeloberkante die Stapelhöhe gleichzeitig zu erfassen. Aus einer Extrapolation kann dann der Höhenverlauf der Stapeloberkante errechnet werden. Bei flächenhaften Empfängern mit einem vorgeschalteten optischen System kann der Abbildungsmaßstab in Höhenrichtung und quer dazu unterschiedlich gewählt werden, weil bei horizontal liegendem Bogen in Breitenrichtung der Bogen nicht die gleiche Auflösung wie in vertikaler Richtung benötigt wird. Wird die Stapelhöhe an mehreren Stapelkanten ausgewertet, so kann man Informationen über den Abstand der oben liegenden, aufgelockerten Bogen erhalten. Diese Informationen können zur Steuerung einer zur Auflockerung vorgesehenen Blaslufivorrichtung verwendet werden.

Zur Vermeidung von Fehlern in der Signalverarbeitung durch das Flattern von Bogen kann ein Empfänger mit einem elektronischen Verschluß vorgesehen werden, wobei die Beleuchtung auf diesen synchronisiert werden kann. Die Intensität und die Wellenlänge des Meßlichtes kann dem Umgebungslicht entsprechend vorgesehen werden.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert werden, es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Höhenmessung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für eine Auswerteeinheit,

Fig. 3 eine Skizze zur Erläuterung der strahlungsphysikalischen Verhältnisse,

Fig. 4 eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen Stapelhöhe und Empfängersignal,

Fig. 5 ein zu Fig. 4 gehörendes Empfängersignal,

Fig. 6 eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen Stapelhöhe und Empfängersignal bei Vereinzelung eines Bogens,

Fig. 7 ein zu Fig. 6 gehörendes Empfängersignal,

Fig. 8 und 9 ein Ausführungsbeispiel mit einem scannenden Abstandssensor.

Die schematische Darstellung in Fig. 1 zeigt einen Stapel 1, der auf einem Stapelbrett 2 aufgebaut ist. Das Stapelbrett 2 ist an Vertikalstellzylinder 3, 4 gekoppelt, die eine Höhenverstellung des Stapels 1 in vertikaler Richtung 5 gestatten. Oberhalb des Stapels 1 ist eine Vereinzelungsvorrichtung 6 für Bogen 7 vorgesehen. Die Arbeitshöhe der Vereinzelungsvorrichtung 6 ist in Bezug auf die Oberfläche des Stapels 1 einstellbar. Bei der Vereinzelung führt die Vereinzelungsvorrichtung 6 vertikale und horizontale Bewegungen in den Richtungen 8, 9 aus. An der Vereinzelungsvorrichtung 6 sind Sauger 10, 11 vorgesehen, die den jeweiligen vereinzelten Bogen 7 halten, bis er über einen Anschlag 12 hinweg auf einen schräg angeordneten Anlegertisch 13 einer Druckmaschine gefördert wurde. Im Bereich der hinteren oberen Stapelkante 14 wirkt eine Blasvorrichtung 15, die in Höhenrichtung 16, im Abstand 17 zum Stapel 1 und in der Stärke des Blasluftstromes 18 so eingestellt ist, daß die Bogen 7 in einem Bereich 19 aufgelockert auf dem Stapel liegen. Zur Messung der Höhe der vorderen oberen Stapelkante 20 ist eine kleine Beleuchtungseinheit 21 mit einer Infrarot-SMD-LED vorgesehen, die problemlos zwischen der vorderen Stapelseitenfläche 22 und dem Unterbau des Anlegertisches 13 eingebaut werden kann. In vertikaler Richtung 5 ist die Beleuchtungseinheit 21 fest auf eine Höhe deutlich unterhalb der Deckfläche 23 des Stapels 1 montiert. Die Beleuchtungseinheit 21 ist so ausgerichtet, daß deren Licht in einem Bereich 24 strahlt, in dem ein Teil der vorderen Seitenfläche 22, der vordere Bereich des aufgelockerten Bereiches 19, die vordere Stapelkante 20 sowie Vorderkanten 25 und Unterseiten 26 von bereits vereinzelten Bogen 7 liegen. In etwa der Höhe der Beleuchtungseinheit 21 ist ortsfest eine CCD-Zeile 27 angeordnet, die zum Empfang von am Stapel 1 reflektierten Meßlichtstrahlen 28 seitlich versetzt zur Beleuchtungseinheit 21 montiert ist. Der Beleuchtungswinkel der Beleuchtungseinheit 21 ist geringer als der Beobachtungswinkel der CCD-Zeile 27. In Richtung ihrer Längsausdehnung steht die CCD-Zeile 27 senkrecht zur Stapelkante 20. Im Meßlichtstrahlengang ist der CCD-Zeile 27 ein optisch abbildendes System 29 vorgeordnet, dessen Abbildungsmaßstab so gewählt ist, daß Licht aus dem gesamten Beleuchtungsbereich 24 auf die CCD-Zeile 27 fällt. Wie in Fig. 1 eingezeichnet, ergeben sich im Meßlichtstrahlengang Schattenbereiche 30, die an der CCD-Zeile 27 bewirken, daß im Schattenbereich 30 liegende Empfangselemente weniger ausgesteuert werden als Empfängerelemente, die Licht reflektiert vom hellen Material der Bogen 7 empfangen.

Der CCD-Zeile 27 ist eine Auswerteeinheit 31 nachgeordnet, deren Struktur näher in Fig. 2 gezeigt ist. Die Auswerteeinheit 31 ist mit einem Rechnersystem 32 bestückt, welches u. a. einen Taktgenerator 33, eine A/D-Wandler 34, eine Signalauswerteeinheit 35 und eine D/A-Wandler-Meßwertausgabeeinheit 36 umfasst. Desweiteren befindet sich in der Auswerteeinheit 31 ein Bauelement 37, welches eingangsseitig mit dem Taktgenerator 33 und ausgangsseitig mit einem Aktivierungseingang der CCD-Zeile 27 in Verbindung steht. Mit dem Bauelement 37 wixd der Ansteuertakt und der Beginn der Ansteuerung der Empfängerelemente der CCD-Zeile 27 vorgegeben. Das Zeilensignal der CCD-Zeile 27 wird zunächst in ein Übertragungsglied 38 übertragen und von dort aus an den A/D- Wandler 34 übergeben.

Wie mit einer oben beschriebenen Anordnung die Höhe h₂ der Stapelkante 20 bestimmt werden kann, soll im folgenden beschrieben werden.

In Fig. 3 sind die für die Berechnung der Höhe des ablaufenden Bogens maßgebenden Winkel und Abstände für den Fall der Vereinzelung und beginnenden Weiterförderung eines Bogens 7 gezeigt. Von der Beleuchtungseinheit 21 ausgehend ist ein Beleuchtungsstrahl 39 dargestellt, der direkt auf die Stapelkante 20 und auf die Unterseite 26 des schwebenden Bogens 7 fällt. Zur vertikal ausgerichteten Stapelseitenfläche 22 verläuft ein Beleuchtungsstrahl 39 unter einem Winkel α. Ein mittlerer Sichtstrahl 40 des Systems 29 verläuft ebenfalls über die Stapelkante 20 bis zur Unterseite 26 des Bogens 7. Der mittlere Sichtstrahl 40 ist um einen Winkel β gegen die Stapelseitenfläche 22 geneigt wobei β < α ist. Unterhalb des Sichtstrahls 40 ist die Stapelseitenfläche beleuchtet, oberhalb nicht. Vom Auftreffort des Beleuchtungsstrahls 39 auf der Unterseite 26 bis zur Mitte des optisch abbildenden Systems 29 verläuft ein Sichtstrahl 41 unterhalb dessen die Stapelseitenfläche 22 beleuchtet ist, aber oberhalb dessen nicht. Desweiteren sind in Fig. 3 Hilfsgrößen γ und δ dargestellt, mit γ = 90° - β und δ = β - α. Ein Abstand h zwischen der Deckfläche 23 und dem Bogen 7 ergibt sich durch Abbildung der Projektion h' auf die CCD-Zeile 27, wobei die Projektion h' dem Betrag nach der Breite des dunklen Bereiches entspricht. Der minimalste Betrag der Projektion von h', dessen Bild auf der CCD-Zeile 27 noch aufgelöst werden kann, ergibt die Auflösung des gesamten Systems. Dem minimalen Betrag der Projektion h' entspricht ein minimaler Abstand h_min zwischen der Deckfläche 23 und dem Bogen 7. Die Projektion h' läßt sich wie folgt mathematisch ableiten:
Eine Rechengröße a ergibt sich aus

Mit

ergibt sich a auch aus

Bei Gleichsetzung von (1) und (2) und Ersetzen von x mit a + b ergibt sich

oder

x.tan γ.tan α-h'.tan γ = h'.tan α (4)

oder

Aus (5) ergibt sich durch Ersetzen von

wie in (3) angegeben und mit γ = 90°- α:

mit δ = β-α ergibt sich

In (7) sind α und β aus der geometrischen Anordnung der Beleuchtungseinheit 21 und des optischen Systems 29 vorgegeben. Damit der Abbildungsmaßstab konstant bleibt, muß die sogenannte Scheimpflug-Bedingung erfüllt sein, d. h. die optische Achse des optischen Systems 29 und der Beleuchtungseinrichtung 21 und die Objektebene müssen sich in einer Geraden schneiden. Für α = 22,5° und β = 45° ergibt sich aus h' = 0,4.h.

Die erforderliche Auflösung des Abstandes h zwischen der Deckfläche 23 und dem Bogen 7 beträgt bei h_min = 0,5 mm, h'_min = 0,2 mm. Der Betrag von h'_min wird auf der CCD-Zeile 27 abgebildet, wobei das Bild von h'_min größer als die Auflösung der CCD-Zeile 27 sein muß. Dimensioniert man den Abbildungsmaßstab des optischen Systems 29 mit m = 0,5, so beträgt die minimale Größe des Bildes von h'_min 0,1 mm. Handelsübliche CCD-Zeilen 27 besitzen 2048 einzelne Empfangselemente mit einer Breite von jeweils 14 µm. Das Bild von h'min wäre damit ca. sieben Empfangselemente breit. Bei einer Breite der CCD-Zeile 27 von ca. 28 mm ergibt sich für die Höhenmessung der Stapelkante 20 bei dem gewählten Abbildungsmaßstab ein Meßbereich von ca. 56 mm.

Anhand der Fig. 4 und 5 soll für einen ersten Fall die Signalverarbeitung beschrieben werden. In Fig. 4 ist mit h₁ die untere Grenze des Höhenmeßbereiches angegeben. h₂ sei die aktuelle Höhe der Stapelkante 20. Mit h₃ sei die obere Grenze des Höhenmeßbereiches definiert. Der der Höhe h₁ entsprechende Sichtstrahl 4 wird auf das erste Empfangselement P₁ der CCD-Zeile 27 reflektiert. Der zur Höhe h₂ gehörende Sichtstrahl 43 findet sich auf dem Empfangselement P₂. Das entsprechende gilt für die Höhe h₃, den Sichtstrahl 44 und das Empfangselement P₃. Die Empfangselemente zwischen P₁ und P₂ sind durch die Reflexion am hellen Bedruckstoff hell ausgeleuchtet. Im Signaldiagramm nach Fig. 5 liegen diese Empfangselemente auf dem Intensität-Pegel I_max. Auf die Empfangselemente zwischen P₂ und P₃ fällt kein von der Stapelseitenfläche 22 reflektiertes Licht. Diese Empfangselemente liegen auf dem Intensitätpegel I_min. Nach der Auslesung des Intensitätspegels I_min am letzten Empfangselement P₃ wird bis zu Beginn des nächsten Zyklus eine Pause zur Datenverarbeitung und Übertragung eingelegt. Die Stapelkante 20 wird durch den ersten Übergang von I_max nach I_min, wie in Fig. 5 gezeigt, beschrieben. Somit kann die Höhe h₂ über eine geeignete Auswertung des Zeitsignals (Fig. 5) ermittelt werden.

In den Fig. 6 und 7 ist die Signalverarbeitung für den Fall gezeigt, in dem ein Bogen 7 vereinzelt und ein Stück weit gefördert wurde. Im Prinzip verhält es sich so, wie bereits zu den Fig. 4 und 5 beschrieben. Die Vorderkante 25 des vereinzelten Bogens 7 ergibt einen Sichtstrahl 45, der mit dem Empfangselement P4 korrespondiert. Der Intensitätspegelverlauf gemäß Fig. 7 weist auf der den Empfangselementen P3 abgewandten Seite eine weitere abfallende Flanke 46 auf.

In Fig. 7 ist eine Anordnung mit einem parallel scannenden Abstandssensor 101 dargestellt, der nach dem Triangulationsprinzip arbeitet und der zur Höhenausrichtung eines Bogenstapels 102 verwendet werden kann, wobei die Position eines dicht liegenden Stapelbereiches 103, eines aufgelockerten Stapelbereiches 104, des obersten Bogens 105 auf dem Bogenstapel 102 und des in Richtung 106 einer Bogen verarbeitenden Maschine ablaufenden Bogens 107 festgestellt wird. Ein derartiger handelsüblicher Abstandssensor 101 ist so plaziert, daß die Kontur der Oberkante des Bogenstapels 102 einschließlich der ablaufenden Bogen 106 abgebildet werden. Dazu ist der Abstandssensor 101 im Vorderbereich des Bogenstapels 102 unterhalb des aufgelockerten Stapelbereiches 104 angeordnet. Die Meßlichtstrahlen 108 treffen von unten schräg gegen die Vorderseite des Bogenstapels 102. Während einem Meßzyklus durchläuft der Meßlichtstrahl den Scanbereich von x₀ bis x₅ in Koordinatenrichtung X. In Koordinatenrichtung Y werden die Abstände des Meßlichtstrahls 108 zwischen Abstandssensor 101 und Bogenstapel 102 bzw. ablaufenden Bogen 107 bestimmt. Am Ausgang des Abstandssensors 101 entsteht das in Fig. 8 gezeigte Signal für den Abstand Y in Abhängigkeit vom Scanweg X. Durch eine Analyse der Signalform kann die Position des obersten Bogens 105 auf dem Bogenstapel 102 ermittelt werden. Die Auswertung des charakteristischen Sensorsignals kann mittels einer einfachen Kennwertbildung geschehen. Der Informationsgehalt des Signals ist so tief, daß Kennwertbildungen nach einem Zeit- bzw. Ortsfrequenzverfahren möglich sind.

Ebenso kann eine Analyse mit Hilfe einer gewichteten Bewertung des Signalverlaufs mit anschließender Fuzzifizierung und entsprechender unscharfer Regelalgorithmen zur Steuerung der optimalen Höhenlage der vorderen Stapeloberkante vorgenommen werden.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel ergibt sich die Höhe h, des obersten Bogens 105 über Grund 109 aus h = a + c + d, wobei a die Einbauhöhe des Abstandssensors 101 ist und c und d sich aus

c = b.tan α und

ergeben. b ist der senkrechte Abstand des Abstandssensors 101 von der Vorderseite des Bogenstapels 102, x₂ ist der Scanweg des Meßstrahls 108 von x₀ bis zur Korrdinate x₂ und α ist der Winkel zwischen dem Meßstrahl 108 und der Horizontalen. Der Wert für x₂ wird aus dem in Fig. 8 gezeigten Signal bestimmt, an dem z. B. die Koordinate x₂ des höchsten im Signal vorhandenen Sprunges ermittelt wird.

Bezugszeichenliste

1

Stapel

2

Stapelbrett

3

,

4

Vertikalstellzylinder

5

Richtung

6

Vereinzelungsvorrichtung

7

Bogen

8

,

9

Richtung

10

,

11

Sauger

12

Anschlag

13

Anlegertisch

14

Stapelkante

15

Blasvorrichtung

16

Höhenrichtung

17

Abstand

18

Blasluftstrom

19

Bereich

20

Stapelkante

21

Beleuchtungseinheit

22

Stapelseitenfläche

23

Deckfläche

24

Bereich

25

Vorderkante

26

Unterseite

27

CCD-Zeile

28

Meßlichtstrahlen

29

System

30

Schattenbereich

31

Auswerteeinheit

32

Rechnersystem

33

Taktgenerator

34

A/D-Wandler

35

Signalauswerteeinheit

36

Meßwertausgabeeinheit

37

Bauelement

38

Übertragungselement

39

Beleuchtungsstrahl

40-45

Sichtstrahl

101

Abstandssensor

1

02

Bogenstapel

103

Stapelbereich

104

Stapelbereich

105

Bogen

106

Richtung

107

Bogen

108

Meßlichtstrahl

109

Grund

Claims (5)

1. Anordnung zum Messen der Höhe eines Bogenstapels mit optischen Meßmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beleuchtungsvorrichtung (21) vorgesehen ist, deren Licht schräg von unten in die Umgebung einer oberen Stapelkante (29) fällt, und daß ein ortsauflösender fotoelektrischer Empfänger (27) für das aus der Umgebung der oberen Stapelkante (20) reflektierte Licht vorgesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Bogenstapel (1) bei dem die Bogen (7) horizontal übereinanderliegen, die Beleuchtungsvorrichtung (21) und der Empfänger (27) unterhalb des obersten Bogens (7) angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Achsen der Beleuchtungsvorrichtung (21) und des Empfängers (27) verschieden sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zeilenförmiger Empfänger (27) vorgesehen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (27) räumlich senkrecht zur oberen Stapelkante (20) ausgerichtet ist.