DE8703368U1

DE8703368U1 - Querschneider für Bahnmaterialien

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Publication number: DE8703368U1
Application number: DE8703368U
Authority: DE
Original assignee: Bielomatik Leuze GmbH and Co KG
Current assignee: Bielomatik Leuze GmbH and Co KG
Priority date: 1986-03-12
Filing date: 1987-03-06
Publication date: 1987-04-30

Description

Querschneider für Bahnmaterialien

Die Erfindung betrifft einen Querschneider für Bahnmateriälien, insbesondere Papier.

Querschneider, die aus Bahnmaterialien, beispielsweise
Rollenpapier, Bogen schneiden, die dann ggf. sortiert und in Stapeln abgelegt werden, arbeiten mit hohen Papiergeschwindigkeiten und müssen auf unterschiedliche Formate einstellbar sein. Die Querschneider bestehen dabei aus zwei Messerwellen, die am Umfang meist je ein Messer haben, wobei beide Messer auf außerordentlich geringe Schnittspalte in der
Größenordnung von hundertstel Millimetern eingestellt sind
und zur Erzeugung eines fortlaufenden Schnittes schräg zur
Achse der Messerwelle angeordnet sind. Um mit Messerwellen
von konstantem Durchmesser unterschiedliche Formate schneiden zu können, werden bisher die Messerwellen von Ungleichförmigkeitsgetrieben angetrieben, die die Drehzahl der
Messerwellen, z.B. zum Schneiden eines Formates, das länger ist als das durch den Umfang der Messerwellen bestimmte

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Synchronformat, abbremsen und zum Zeitpunkt des Schnittes wieder auf die Bahngeschwindigkeit hoch beschleunigen. Infolge des etwa sinusförmigen Geschwindigkeitsverlaufes, das das Ungleichförmigkeitsgetriebe erzeugt, ist jedoch die Geschwindigkeit auch während des Schnittes nicht ganz konstant, da dieser wegen der Schrägstellung der Messer einen gewissen Zeitraum beansprucht. Daraus resultieren gewisse Abweichungen in der Schnittgenauigkeit, die bisher in Kauf genommen wurden.

Insbesondere bei solchen mit ungleichförmigem Lauf der Messerwelle angetriebenen Querschneidern war es notwendig, die Synchronisation der beiden Messerwellen, die durch Zahnradtriebe erfolgt, so einzustellen, daß im Schnittzeitpunkt praktisch kein Zahnspiel mehr vorhanden ist, weil anderenfalls ein genauer Schnitt, der exakteste Messereinstellung erfordert, nicht mehr möglich ist bzw. die Messer zerstört werden. Infolge nicht zu vermeidender Fertigungsungenauigkeiten konnte aber eine spielfreie Einstellung von Zahnrädern bisher nur in einem Punkt des Umfanges erreicht werden, nämlich in dem Punkt, in dem die Zahnräder, bedingt durch den sog. "Hochschlag", am engsten zueinander laufen. An allen übrigen Punkten des Umfanges entstand dann ein niehr oder weniger großes Spiel, das zwar im Bereich von hundertstel Millimetern liegt, jedoch einen exakten Lauf der Messer zueinander verhindert hätte. Aus diesem Grunde war es bei derartigen Querschneidern nur unter Qualitätsverlust möglich, mehrere Messer am Umfang vorzusehen.

Es ist bereits, insbesondere in der Wellpappe-Industrie, versucht worden, Messerwellen von Elektromotoren direkt antreiben zu lassen, [/ort sind allerdings an den Schnitt wesentlich geringere Genauigkeitsanforderungen gestellt, so daß auch die Schnittqualität geringer ist (s. auch Sonder-

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druck aus "Siemens-Zeitschrift". 46. Jg., 5/72, Heft 5, S. _s 339 - 344). f

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Querschneider für Bahnmaterialien zu schaffen, der eine hohe Schnittgüte ermöglicht und schwingungsarm arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 gelöst. Die elastische Kupplung, insbesondere bei ihrer bevorzugten ; Ausbildung als Metallbargkupplung, sorgt bei geringster j

eigener Massenträgheit dafür, ein hohes Beschleunigungs- und f

Verzögerungsdrehmoment drehspiel- und schwingungsarm zu I

übertragen. j

Nach Anspruch 5 können vorzugsweise die miteinander zusammenwirkenden Zahnräder des Zahnradtriebs unter Vorspannung j in Zahneingriff sind und zwischen wenigstens einem der !,

Zahnräder und der Messerwelle ein elastisches Element angeordnet ist. Dieses elastische Element kann beispielsweise eine bisher nur als Spannelement bekannte hydraulische Spannbüchse sein, das zugleich das jeweilige Zahnrad auf der Messerwelle festspannt, jedoch eine begrenzte federnde Radi al bewegung bei gleichzeitiger hoher Drehsteifigkeit zuläßt. Dies ist auch bei direkt und indirekt angetriebenen bzw. angekuppelten Querschneidern vorteilhaft einsetzbar.

Diese Vorspannung der Zahnräder gegeneinander ermöglicht es, daß die Zahnräder praktisch an allen Stellen des Umfangs spielfrei zueinander laufen. Der Querschneider ist nicht mehr durch vom Antrieb oder aus anderen Quellen herrührende Schwingungen gefährdet, die anderenfalls nicht nur die Messer, sondern auch andere Antriebsteile in Kürze verschleißen könnten. Es ist auch möglich, trotz hoch genauer Schnitteinstellung mehrere Messer am Umfang zur Messerwelle

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vorzusehen. Es galt bisher als unmöglich, Zahnräder über den ganzen Umfang spielfrei einzustellen, weil sie sich dadurch selbst zerstören würden. Sie würden damit nämlich im Bereich des "Hochschlages" so hohe Zahnflankenpressungen erfahren, daß sich kein Schmiermittel mehr zwischen den Zahnflanken I halten könnte und sie daher in kürzester Zeit zerstört würden. Durch die Vorspannung ist es jedoch möglich, di'rse Zahnflankenpressung auf ein gewünschtes Maß zu reduzieren, | das noch gerade zum Erhalt eines Ölfilms ausreicht.

Damit ist es auch möglich, erstmalig einen funktionsfähigen 1 Querschneider für hohe Schnittgüte zu schaffen, der mit elektromotorischem Direktantrieb arbeitet. Die außerordentlich hohen Beschleunigungen und Bremsmomente, die dabei auf den Zahnradtrieb einwirken, sowie die von dem elektronisch gesteuerten Motorenantrieb herrührenden Schwingungen zer- | störten bei Vorversuchen die Messer und die Zahnradtriebe in kürzester Zeit. Durch die flexible Kupplung und die spielfreie Synchronisation konnte dies behoben werden. I

Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen | auch aus den Unteransprüchen und der Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander bei vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung verwirklichte sein können. Ein Ausführungsbeispiel ist in dar Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

i Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen

Querschneider, auf die Messerwellen und ihren Antrieb gesehen,

Fig. 2 einen demgegenüber vergrößerten Querschnitt

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durch die Messerwellen (in Schnittposition) und

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt durch einen Zahntrieb zur Synchronisation der beiden Messerwel1 en.

Der in Fig. 1 teilweise gezeigte Querschneider 11 dient zum präzisen Schneiden von Rollenpapier in Bogen. Diese Querschneider sind hochpräzise Maschinen, die Bahnmaterialien mit einer Breite von 2 m oder darüber in Arbeitsgeschwindigkeiten von mehreren hundert Meter pro Minute verarbeiten können. Die horizontal übereinander in einem Gestell 12 mittels Lagern 13 gelagerten Messerwellen 14, 15 sind in der Zeichnung verkürzt dargestellt. Sie tragen an ihrem Umfang je ein zu cien toesserwel 1 enachsen 16, 17 schräg angeordnetes Messer 18. Beide Messer 18 sind, wie auch aus Fig. 2 zu erkennen ist, mit Schnittspalten in der Größenordnung von tausendstel Millimetern genau aufeinander eingestellt und schneiden das in Arbeitsrichtung 19 einlaufende Bahnmaterial 20 mit hoher Genauigkeit und einem sauberen, absolut fransenfreien Schnitt über die gesamte Breite.

Die Messerwellen 14, 15 sind über zwei an ihren beiden Enden vorgesehene Zahnradtriebe 21, 22 miteinander genau synchronisiert, so daß die Messer unter allen Betriebsumständen reproduzierbar mit dem genau eingestellten Schnittspalt zueinander arbeiten. Jeder der Zahnradtriebe 21, 22 besteht aus zwei Zahnrädern 24, 25, die gleiche Zähnezahl und gleichen Teilkreisdurchmesser haben und so die parallelachsigen Messerwellen 14, 15 mit gleicher Drehzahl gegenläufig antreiben. Die nach Art von Stirnrädern miteinander zusammenarbeitenden Zahnräder 24, 25 haben jedoch trotz eines über die ganze axiale Zahnerstreckung (Zahnlänge) gleichen Durch-

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messer des Teilkreises 26, der somit auf einer Zylindermantelfläche liegt, eine bei den beiden Zahnrädern 24, 25 entsprechende Konizität. Dies wird bei der Herstellung der Zahnräder durch eine über die Zahnlänge fortschreitende radiale Zahnprofi 1 verschiebung erzeugt. Der die Konizität bestimmende Winkel der Zahnradschräge gegenüber der Achsbzw. Teilkreisrichtung (halber Kegelwinkel) liegt je nach den Anforderungen im Bereich zwischen 0,2° und 5°, bevorzugt 1° bis 2°. Damit ist sichergestellt, daß trotz eines einwandfreien Zusammenwirkens der Zarwjräder eine axiale Verschiebung der Zahnräder gegeneinander eine Einstellung des radialen Zahnspiels ermöglicht. Dementsprechend können die insbesondere aus Fig. 3 zu erkennenden Zahnräder 24, 25 bei ihrer Einstellung der Hilfsvorrichtungen längs der Messerwellenachsen 16, 17 soweit gegeneinander verschoben werden, daß das Zahnspiel an allen Stellen des Umfanges ausgeschaltet ist und eine gewisse Vorspannung im Zahneingriff vorliegt, d.h., auch an der Stelle, an der theoretisch das größte Zahnspiel auftreten würde, ist noch ein allseitiger Kontaktdruck zwischen den Zahnrädern gegeben, der sicherstellt, daß die Zahnräder auch bei einem Lastwechsel oder bei Schwingungen kein Spiel erzeugen können. In dieser Einstellung werden die Zahnräder auf die Messerwellen 14, gespannt, und zwar mittels elastischen Elementen 27, die zugleich Spannt!emente und radiale Federelemente sind.

Die elastischen Elemente 27 bestehen aus zwei konzentrisch ineinander angeordneten Stahlhülsen 29, 30 die im Bereich ihrer Stirnseiten durch dichte Schweißungen 31 miteinander verbunden sind. Zwischen den beiden Hülsen entsteht in derr nicht verschweißten Bereich ein sehr dünner Ringraum 33, der an ein Hydraulikölventi1 34 angeschlossen ist. Auf jede Messerwelle 14, 15 wird ein solches elastisches Element 27 geschoben, und je ein Zahnrad 24, 25 sitzt auf dem Außen-

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durchmesser der äußeren Hülse 30. Die Passungen zwischen dem I

elastischen Element und den dadurch zu verbindenden Teilen \

14, 24 sind gering, jedoch in der Größenordnung, in der < Radialelastizität gewünscht wird. Nach erfolgter axialer Einstellung der Zahnräder gegeneinander wird über das

Hydraulikfunventi1 34 ein hoher Hydraulikdruck in den ; Ringräum 33 gegeben, der beispielsweise im Bereich zwischen |

500 und &Iacgr;000 Bär liegen kann. Dadurch dehnen sich die beiden f|

Hülsen nach innen und außen und spannen die Zahnräder 24, 25 |

jeweils auf ihrer Welle 14, 15 spielfrei fest. «

Das elastische Element ist infolge der unmittelbaren Verbindung der Hülsen 29, 30 an ihrem ganzen Umfang durch die Schweißung 31, 32 in Drehrichtung praktisch unelastisch und drehsteif. In radialer Richtung ist es jedoch elastisch, wenn auch mit sehr hoher Federsteifigkeit, die vorzugsweise über 1.000.000 N/mm liegt. Die leicht aufgeblähten Hülsen lassen innerhalb des Betrages, um den sie aufgebläht wurden, nach Art einer Balgfeder eine radiale Bewegung der Außenhülse gegenüber der Messerwelle 14 zu, das in dem Ringraum enthaltene Hydrauliköl 33 verhält sich dabei jedoch federneutral, weil es in dem Raum von einer Seite zur anderen strömen kann. Die Federung ist also möglich, ohne daß die Drehsteifigkeit oder die Spannwirkung des Elementes 27 in irgendeiner Weise beeinträchtigt wird. Somit ist es möglich, eine Vorspannung zwischen den Zahnrädern über den gesamten Umfang sicherzustellen.

Aus Fig. 1 ist zu erkennen, daß die obere Messerwelle 14 von zwei Elektromotoren 40 angetrieben wird, die gleichachsig mit ihr zu beiden Seiten angeordnet sind und jeweils über eine Metallbalgkupplung 41 direkt und ohne Zwischenschaltung irgendwelcher Getriebeelemente mit ihr verbunden sind.

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Die Metal 1 balgkuppl ung 41 besitzt einen zwischen zwei jeweils auf Motor- und Messerwelle befestigten Flanschen angeordneten Metal 1-WeIlenbalg, der bei sehr hoher Drehsteifigkeit geringfügige Fluchtungsfehler etc. ausgleichen kann. Auch dies trägt dazu bei, daß im Antriebszug kein freies oder elastisches Spiel auftreten kann.

Die Elektromotoren sind Spezialgleichstrommotoren, die von einer elektronischen Steuereinrichtung 42 in Abhängigkeit von verschiedenen Daten diskontinuierlich angetrieben werden. Zu den Einstel1 daten für das Steuergerät 42 gehört der Ausgang eines auf der unteren Messerwelle 15 angeordneten Inkrementalgebers 43, sowie Daten über die Geschwindigkeit der zulaufenden Materialbahn 20 und die gewünschte Formatlänge. In Abhängigkeit von diesen Daten werden die beiden Motoren 40 so gesteuert, daß sie beispielsweise vom Stillstand in ca. 20 Millisekunden auf ihre volle Drehzahl in der Größenordnung von 500 U/min, die der jeweiligen Materialbahngeschwindigkeit entspricht, beschleunigt, während der gesamten Länge des Schneidvorganges auf dieser konstanten Geschwindigkeit gehalten und danach in ebenfalls wenigen Millisekunden wieder auf Stillstand abgebremst werden. Die Bremsung erfolgt über den Motor elektrisch, und es erfolgt eine Rückspeisung der Bremsenergie ins Netz. Somit steht bei längeren Formaten der Motor für eine gewisse Zeit still, um dann auf Schnittgeschwindigkeit beschleunigt und danach wieder verzögert zu werden. Es wäre auch möglich, je nach der gewünschten Formatlänge den Motor auf eine niedrigere Geschwindigkeit herunterzuregel&eegr; und dann zum Schnittvorgang wieder auf die volle Geschwindigkeit hochzubeschleunigen. Für kleinere Formate kann der Motor nach der Schnittgeschwindigkeit auf höhere Geschwindigkeiten als die der Schnitt-Synchron-Geschwindigkeit hochbeschleunigt werden, um die Messerwelle mit erhöhter Geschwindigkeit zu drehen und

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den Schnitt durchzuführen, bevor die Bahn sich um das sog. Synchronformat, das dem FIugkreisumfang der Messer 18 entspricht, weiterbewegt hat« Diesen Arbeitszyklus kann der Motor mehrfach, beispielsweise 5 bis 8 mal in der Sekunde, ausführen. Es ist einzusehen, daß dabei infolge der extrem hohen Beschleunigungen und Verzögerungen nicht nur die mechanischen Kräfte groß sind, sondern auch Schwingungen entstehen. Ferner werden durch den Reg!ungsvorgang der Elektromotoren auch von der elektrischen Seite her Schwingungen erzeugt, die auf alle Bauteile einwirken und einö extreme Spielfreiheit erfordern. Dies ist mit dem Zahntrieb nach der Erfindung möglich.

Es hat sich erstaunlicherweise gezeigt, daß die Anordnung des die elektronische Steuerung wesentlich beeinflussenden inkrementalgebers 43 auf der unteren, nur mittelbar angetriebenen Messerwelle bessere Ergebnisse in Bezug auf Schwingungsfreiheit des Antriebes erzielen läßt, als die direkte Anbringung an der Motorwelle. Dies widerspricht an sich der Lehrmeinung, den Regelabgriff so direkt wie möglich vorzunehmen. Auf der unteren Motorwelle müßte man an sich die höchste Schwingungsanregung und damit die Gefahr einer Rückkopplung auf die Steuerung befürchten. Trotzdem ergab sich damit ein schwingungsfreieres Arbeiten des Gesamtsystems. Die Anordnung zweier Motoren ermöglicht es, die gesamte notwendige Antriebsleistung im Vergleich zum Trägheitsmoment der Gesamteinheit Motoren/Messerwellen zu optimieren. Das Trägheitsmoment eines einzelnen Motors mit doppelter Antriebsleistung wäre größer. Der spielfreie Zahntrieb 21, 22 wäre auch dann von Vorteil, wenn beispielsweise je einer der Motoren auf jede der Messerwellen einwirkt. In diesem Falle würde der Zahntrieb nur noch eine Synchronisationsfunktion übernehmen und nicht, wie bei dem dargestellten Beispiel, auch die untere Messerwelle antrei -

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ben. Die Anordnung von zwei Motoren sowie von zwei Zahntrieben auf beiden Seiten der Messerwellen schafft völlig symtiie'· trische Verhältnisse und vermeidet damit auch torsionsbedingte Störungen.

Claims

Ansprüche Querschneider für Bahnmaterialien

1. Querschneider für mit hoher Schnittgüte zu schneidende Bahnmaterialien, insbesondere Papier, mit zwei Messerwellen (14, 15) und mindestens je einem am Umfang der Messerwelle angeordneten Messer (18) und mit einem Antrieb (40) für die Messerwellen (14, 15), dadurch gekennzeichnet^ daß mit einer Messerwelle (14, 15) wenigstens ein Elektromotor (40) mit extrem kurzer Anlauf- und elektrisch bewirkter Abbremszeit ohne Zwischengetriebe gleichachsig verbunden ist, dessen Anlauf und Abbremsung zum Schneiden von Formaten, die von dem durch den wirksamen Umfang der Messerwellen (14, 15) bestimmten Synchronformat abweichen, von einer elektronischen Steuereinrichtung gesteuert ist, die Signale zur Beschleunigung bzw Abbremsung der Messerwe Ilen innerhalb eines Bruchteils einer Umdrehung, ggf. mehrfach je Sekunde, zwischen Schnittgeschwindigkeit und Stillstand bzw. einer anderen Geschwindigkeit abgibt und daß jeder Motor über eine drehsteife, aber

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im übrigen flexible Kupplung (41) direkt an eine Messerwelle (14) angekuppelt ist.

2. Querschneider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (41) eine Metallbalgkupplung ist.

3. Querschneider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Steuereinrichtung (42) an einen Inkrementalgeber (43) angeschlossen ist, der an derjenigen der beiden Messerwellen (15) angebracht ist, die nicht mit einem Elektromotor (40) direkt verbunden i st.

4. Querschneider nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elektromotoren (40) vorzugsweise mit einer Messerwelle (14) verbunden sind und/oder ein insbesondere spielfreier Zahnradtrieb (21, 22) auf jeder Seite der beiden Messerwellen (14, 15) vorgesehen ist.

5. Querschneider, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander zusammenwirkenden Zahnräder (24, 25) eines die beiden Messerwellen (14, 15) miteinander synchronisierenden Zahnradtriebes (21, 22) unter Vorspannung im Zahneingriff sind und daß zwischen wenigstens einem der Zahnräder (24, 25) und einer Messerwelle (14, 15) ein elastisches Element (27) angeordnet ist.

6. Querschneider nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (27) eine in radialer Rieh-

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tung wirkende Elastizität hat.

7. Querschneider nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (27) in Drehrichtung eine im wesentlichen starre Verbindung zwischen Messerwelle (14, 15) und Zahnrad (24, 25) schafft.

8. Querschneider nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide Zahnräder (24, 25) eines Zahnradtriebes (21, 22) mit elastischen Elementen (27) versehen sind.

9. Querschneider nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß radiale Bewegungen eines Zahnrades (24, 25) gegenüber den zugehörigen Messerwellen (14, 15) bei deren Drehung im Bereich von hundertstel Millimetern liegen.

10. Querschneider nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (27) zugleich Spannelement für die Zahnräder (24, 25) auf den zugehörigen Messerwellen (21, 22) ist.

11. Querschneider nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen Messerwelle (14, 15) und Zahnrad (24, 25) angeordnete elastische Element (27) aus zwei im Bereich ihrer Stirnseiten miteinander dicht verbundenen konzentrischen Hülsen (29, 30) besteht, die zwischen sich einen mit unter hohem Druck befindliche Hydraulikflüssigkeit zu füllenden Ringraum (33) bilden, wobei die Hülsen (29, 30) unter dem Druck der Hydraulikflüssigkeit zur Spannung des Zahnrades (24, 25) auf der zugehörigen Messerwelle (14, 15) dehnbar sind.

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12. Querschneider nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelachsig angeordneten Zahnretier (24* 25) eines Zahnradtriebes (21, 22) im Eingriffsbereich eine konische Form haben und durch axiale Verschiebung der Zahnräder (24, 25) zueinander in ihrer Vorspannung eingestellt sind, wobei vorzugsweise die Zahnräder (24, 25) über die axiale Länge ihres Eingriffsbereiches einen in seinem Durchmesser gleichbleibenden, d.h. auf einem Zylindermantel liegenden Teilkreis (26) haben, während die konische Form der Zähnräder (24, 25) durch radiale Zahnprofi 1 verschiebung erzeugt ist.