[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Marken auf einer Materialbahn.
[0002] Die Materialbahnen bestehen typischerweise aus Papier, Pappe, Wellpappe, Folien oder dergleichen und werden in Anlagen mittels geeigneter Transportsysteme in einer Förderrichtung mit einer vorgegebenen Fördergeschwindigkeit transportiert.
[0003] Die jeweilige Anlage weist unterschiedliche Bearbeitungszentren auf, welchen die Materialbahn zur Durchführung von Bearbeitungsvorgängen zugeführt wird.
Zur Verfolgung des Laufs der Materialbahn und insbesondere zur Positionierung der Materialbahn an den Bearbeitungszentren sind auf der Materialbahn Marken aufgebracht, die an vorgegebenen Positionen der Materialbahn abgetastet werden.
[0004] Die Erfassung der Marken soll dabei schnell und zuverlässig erfolgen, damit eine fehlerfreie und sichere Positionierung der Materialbahn erfolgen kann.
[0005] Gleichzeitig soll der Kostenaufwand zur Erfassung der Marken gering gehalten werden. Dabei soll zudem das Aufbringen der Marken auf die Materialbahn möglichst so erfolgen, dass dadurch kein oder nur ein geringer Materialausschuss entsteht.
[0006] Die Marken auf der Materialbahn weisen demnach möglichst geringe Abmessungen und eine möglichst einfache Struktur auf.
Beispielsweise sind die Marken von lokalen Schwächungsstrukturen oder von lokalen Schichtdickenerhöhungen ausgebildet.
[0007] Insbesondere bei aus Wellpappe bestehenden Materialbahnen sind die Marken von lokal befeuchteten Stellen auf der Materialbahn gebildet. Derartige Wassermarken werden mittels eines kapazitiven Sensors erfasst. Dieser besteht aus einer Elektrode und einer Gegenelektrode, die beidseits der Materialbahn in Abstand gegenüberliegend angeordnet sind.
[0008] Sobald der die Wassermarke enthaltende Abschnitt der Materialbahn zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode des kapazitiven Sensors geführt wird, wird im kapazitiven Sensor eine Änderung des Ausgangssignals erhalten, welche durch die Änderung der Dielektrizitätskonstanten im Bereich der Wassermarke erhalten wird.
Anhand dieser Signaländerung erfolgt die Erfassung der Marke.
[0009] Problematisch hierfür ist, dass die Änderung des Ausgangssignals des kapazitiven Sensors im Bereich der Wassermarke relativ gering ist, da der erhöhte Wassergehalt die Dielektrizitätskonstante der Materialbahn nur graduell ändert.
[0010] Dementsprechend ist eine derartige Markendetektion störempfindlich gegenüber äusseren Einflüssen. Hierzu gehören zum einen Flatterbewegungen der Materialbahn.
Des Weiteren treten bei derartigen Materialbahnen auch wellenförmige Erhebungen der Materialbahn auf, die sich typischerweise über die gesamte Breite einer Materialbahn erstrecken.
[0011] Bei einem idealen kapazitiven Sensor, bei welchem die Feldlinien exakt parallel zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode verlaufen, würden derartige externe Einflüsse nicht zu einer Beeinflussung des Ausgangssignals führen, da die Dicke der Materialbahn auch bei einem Flattern oder einer wellenförmigen Aufwertung unverändert bleibt.
[0012] Bei realen kapazitiven Sensoren sind jedoch exakt parallele Feldlinienverläufe zwischen Elektrode und Gegenelektrode nicht herstellbar.
Aufgrund des räumlich inhomogenen Verlaufs der Feldlinien zwischen Gegenelektrode und Elektrode hängt damit das Ausgangssignal des kapazitiven Sensors nicht mehr allein von der Schichtdicke der Materialbahn und deren Materialbeschaffenheit ab, sondern auch von deren Lage im Zwischenraum zwischen Elektrode und Gegenelektrode.
[0013] Insbesondere führen dann Flatter- und Wellenbewegungen der Materialbahn zu Änderungen des Ausgangssignals des kapazitiven Sensors, die in derselben Grössenordnung wie die Änderungen des Ausgangssignals bei der Erfassung einer Marke sein können.
[0014] Demzufolge ist eine sichere Detektion der Marken auf der Materialbahn nicht mehr gewährleistet.
[0015] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass eine sichere,
störungsunempfindliche Detektion von Marken auf einer Materialbahn gewährleistet ist.
[0016] Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmässige Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
[0017] Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Detektion von Marken auf einer Materialbahn weist wenigstens zwei in Abstand zueinander angeordnete kapazitive Sensoren auf. Die Materialbahn wird relativ zu den kapazitiven Sensoren mit einer Fördergeschwindigkeit v bewegt. Der Abstand der kapazitiven Sensoren ist so gewählt, dass diese eine Marke nicht gleichzeitig erfassen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist weiterhin eine Auswerteeinheit auf, in welcher die Differenz der Ausgangssignale der kapazitiven Sensoren gebildet wird.
Schliesslich weist die Vorrichtung eine Schwellwerteinheit auf, in welcher aus der Differenz der Ausgangssignale der kapazitiven Sensoren ein Markenfeststellungssignal generiert wird.
[0018] Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung werden somit fortlaufend die Ausgangssignale der beiden kapazitiven Sensoren erfasst und der Auswerteeinheit zugeführt, in welcher die Differenz dieser Ausgangssignale gebildet wird.
[0019] Wesentlich hierbei ist, dass die Sensoren relativ zu der mit einer Fördergeschwindigkeit bewegten Materialbahn derart in Abstand angeordnet sind, dass eine Marke nur von einem der Sensoren, nicht jedoch gleichzeitig von beiden Sensoren erfasst wird.
[0020] Befindet sich eine Marke im Erfassungsbereich eines kapazitiven Sensors, so wird durch die Marke das Ausgangssignal dieses Sensors geändert,
nicht jedoch das Ausgangssignal des zweiten Sensors.
[0021] Dementsprechend wird bei der Auswertung der Differenz der Ausgangssignale des Sensors bei der Markenerfassung eine signifikante Signaländerung erhalten. Die Differenz oder der Betrag der Differenz der Ausgangssignale wird in einer Schwellwerteinheit mit wenigstens einem Schwellwert bewertet. Wird mit den Sensoren keine Marke erfasst, sind deren Ausgangssignale zumindest näherungsweise gleich gross, so dass die Differenz der Ausgangssignale unterhalb des Schwellwerts liegt.
[0022] Sobald eine Marke von einem der Sensoren erfasst wird, liegt die Differenz des Ausgangssignals oberhalb des Schwellwerts.
Somit wird mittels der Schwellwerteinheit ein binäres Markenfeststellungssignal generiert, welches eine zuverlässige Markendetektion ermöglicht.
[0023] Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass die Markendetektion unempfindlich gegen externe Störeinflüsse wie Flatterbewegungen oder Wellenbewegungen der Materialbahn ist. Hierzu sind die Sensoren derart angeordnet, dass deren Ausgangssignale auf gleiche Weise von den Störeinflüssen beeinflusst werden.
Durch die Differenzbildung der Ausgangssignale der Sensoren werden die durch die Störeinflüsse bedingten Änderungen der Ausgangssignale nahezu vollständig eliminiert, so dass diese die Markendetektion nicht mehr beeinträchtigen.
[0024] In einer ersten Ausführungsform der Erfindung liegen die kapazitiven Sensoren in Förderrichtung der Materialbahn in Abstand hintereinander, so dass die Marken nacheinander den Sensoren zugeführt werden. Diese Anordnung eignet sich insbesondere zur Elimination von Störeinflüssen aufgrund von Flatterbewegungen, die sich auf die Ausgangssignale der Sensoren in gleicher Weise auswirken.
[0025] In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung liegen die kapazitiven Sensoren quer zur Förderrichtung der Materialbahn in Abstand nebeneinander. In diesem Fall wird eine Marke jeweils nur von einem der Sensoren erfasst.
Diese Anordnung eignet sich einerseits zur Elimination von Störeinflüssen aufgrund von Flatterbewegungen der Materialbahn. Andererseits werden mit dieser Anordnung auch Störeinflüsse eliminiert, die aufgrund von Wellen in der Materialbahn auftreten, welche quer zur Förderrichtung der Materialbahn verlaufen.
[0026] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung zur Detektion von Marken drei kapazitive Sensoren auf. Zwei dieser Sensoren liegen zur Erfassung einer Marke in Förderrichtung der Materialbahn in Abstand hintereinander. Der dritte Sensor liegt quer zur Förderrichtung der Materialbahn in Abstand zu einem der beiden ersten Sensoren.
[0027] In diesem Fall wird in der Auswerteeinheit eine erste Differenz der Ausgangssignale der beiden in Förderrichtung der Materialbahn hintereinander liegenden Sensoren gebildet.
Zudem wird eine zweite Differenz der Ausgangssignale der beiden nebeneinander liegenden Sensoren gebildet. Jeweils die erste und zweite Differenz der entsprechenden Ausgangssignale wird in der Schwellwerteinheit mit einem Schwellwert zur Generierung eines binären Signals bewertet. Anschliessend wird durch eine logische Verknüpfung der binären Signale das Markenfeststellungssignal generiert.
Diese Ausführungsform bildet eine besonders störsichere Variante der erfindungsgemässen Vorrichtung, da in diesem Fall durch die Differenzbildung der Ausgangssignale von Paaren von Sensoren, die längs und quer zur Förderrichtung der Materialbahn in Abstand zueinander liegen, Störsignaleinflüsse durch Inhomogenitäten oder Bewegungen der Materialbahn sowohl quer als auch längs deren Förderrichtung eliminierbar sind.
[0028] Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1: : Schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Detektion von Marken.
Fig. 2a: : Draufsicht auf die Vorrichtung gemäss Fig. 1.
Fig. 2b: : Zeitlicher Verlauf der Ausgangssignale der kapazitiven Sensoren der Vorrichtung gemäss Fig. 2a.
Fig. 3a: : Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung.
Fig. 3b: : Zeitlicher Verlauf der Ausgangssignale der kapazitiven Sensoren der Vorrichtung gemäss Fig. 3a.
Fig. 4a: : Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung.
Fig. 4b: :
Zeitlicher Verlauf der Ausgangssignale der kapazitiven Sensoren der Vorrichtung gemäss Fig. 4a.
[0029] Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung 1 zur Detektion von Marken 2 auf einer Materialbahn 3.
[0030] Die Materialbahn 3 kann aus einer Folie, Papier, Pappe oder dergleichen bestehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Materialbahn 3 aus Wellpappe. Die Materialbahn 3 wird in einer Anlage mittels eines nicht dargestellten Transportsystems mit einer Fördergeschwindigkeit v transportiert. Die Förderrichtung der Materialbahn 3 verläuft dabei in deren Längsachse. Die Anlage weist typischerweise eine vorgegebene Anzahl von nicht dargestellten Bearbeitungszentren auf.
In diesen Bearbeitungszentren werden zur Bearbeitung der Materialbahn 3 unterschiedliche Bearbeitungsvorgänge durchgeführt.
[0031] Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt der Anlage zwischen zwei Bearbeitungszentren, wobei die Materialbahn 3 auf einem Anlegetisch 4 aufliegend gefördert wird.
[0032] Zur Positionierung der Materialbahn 3, insbesondere zur positionsgenauen Zuführung der Materialbahn 3 zu einem Bearbeitungszentrum sind auf die Materialbahn 3 Marken 2 aufgebracht, welche mit der Vorrichtung 1 erfasst werden.
[0033] Derartige Marken 2 können prinzipiell von lokalen Metallisierungsschichten gebildet sein, die auf die Materialbahn 3 aufgebracht werden. Des Weiteren können die Marken 2 von lokalen Schwächungsstrukturen in der Materialbahn 3 gebildet sein.
Beispielsweise kann die Marke 2 von einem Bereich gebildet sein, in welchem die Schichtdicke der Materialbahn 3 reduziert ist. Weiterhin kann die Materialbahn 3 auch von einem Loch in der Materialbahn 3 gebildet sein. Schliesslich kann eine Marke 2 auch von einer lokalen Schichtdickenerhöhung in der Materialbahn 3 gebildet sein.
[0034] Im vorliegenden Fall sind die Marken 2 als Wassermarken ausgebildet. Derartige Wassermarken bestehen aus lokal befeuchteten Stellen in der Materialbahn 3. Zur Herstellung einer derartigen Marke 2 wird lokal Wasser auf die Materialbahn 3 aufgebracht. Die Wassermenge ist so dimensioniert, dass der Wassergehalt in der Materialbahn 3 gross genug ist, dass die Wassermarke am Erfassungsort sicher mittels der Vorrichtung 1 erfassbar ist.
Ein wesentlicher Vorteil der Wassermarken besteht darin, dass diese durch Verdunsten des Wassers rückstandslos aus der Materialbahn 3 beseitigt werden, so dass aufgrund der Marken 2 kein Ausschuss in der Materialbahn 3 anfällt.
[0035] Die Vorrichtung 1 zur Detektion der Marken 2 umfasst bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Auswerteeinheit 5, an welche zwei kapazitive Sensoren 6, 7 angeschlossen sind.
[0036] Die Auswerteeinheit 5 besteht im Wesentlichen aus einem Microcontroller.
In der Auswerteeinheit 5 ist eine Schwellwerteinheit vorgesehen, mittels derer analoge Signale mit Schwellwerten bewertet werden.
[0037] Die kapazitiven Sensoren 6, 7 sind identisch ausgebildet und bestehen jeweils aus einer Elektrode 6a, 7a und einer Gegenelektrode 6b, 7b, welche jeweils auf Massepotential liegen.
[0038] Die Gegenelektroden 6b, 7b sind im Anlegetisch 4 integriert und liegen unterhalb der Materialbahn 3. Die Oberflächen der Gegenelektroden 6b, 7b schliessen dabei bündig mit der Oberfläche des Anlegetisches 4 ab. Die Elektroden 6a, 7a sind oberhalb der Materialbahn 3 angeordnet.
Dabei sind die Elektroden 6a, 7a an einer nicht dargestellten Halterung befestigt.
[0039] Die Elektrode 6a, 7a und die Gegenelektrode 6b, 7b jedes kapazitiven Sensors 6, 7 sind gegenüberliegend angeordnet, wobei deren Oberflächen jeweils in einer horizontalen Ebene liegen.
[0040] Vorzugsweise sind die Elektrode 6a, 7a und die Gegenelektrode 6b, 7b eines kapazitiven Sensors 6, 7 flächengleich ausgebildet, wobei diese insbesondere eine kreisförmige, quadratische oder rechteckige Aussenkontur aufweisen.
[0041] Prinzipiell kann die Elektrode 6a, 7a auch eine Strukturierung aufweisen, wobei die Elektrode 6a, 7a hierbei vorzugsweise aus einer Messelektrode und einer von dieser durch eine Isolationsschicht getrennten Kompensationselektrode gebildet ist.
Die Einzel-Kapazitäten eines derart ausgebildeten kapazitiven Sensors 6, 7 werden zweckmässigerweise in einer Brückenschaltung ausgewertet, die in der Auswerteeinheit 5 integriert ist.
[0042] Fig. 2a zeigt eine Draufsicht auf die Vorrichtung 1 gemäss Fig. 1. Wie aus Fig. 2a ersichtlich, sind die beiden kapazitiven Sensoren 6, 7 derart hintereinander angeordnet, dass eine Marke 2 nacheinander zuerst von dem ersten Sensor 6 und dann von dem zweiten Sensor 7 erfasst wird. Der Abstand da zwischen den Sensoren 6, 7 ist dabei vorzugsweise an die Amplituden der Flatterbewegungen der Materialbahn 3 angepasst.
Typischerweise beträgt der Abstand da etwa die Hälfte der maximal auftretenden Amplitude der Flatterbewegung.
[0043] Der zeitliche Verlauf des Ausgangssignals A des ersten kapazitiven Sensors 6 und des Ausgangssignals B des zweiten kapazitiven Sensors 7 ist in Fig. 2b dargestellt. Wie aus Fig. 2b ersichtlich, tritt die Marke 2 zum Zeitpunkt t1 in den Einflussbereich des ersten Sensors 6 ein, so dass für das Ausgangssignal A des ersten Sensors 6 ein Signalpeak erhalten wird. Die Breite des Signalpeaks ist zum einen durch die Breite dw der Marke 2 und zum anderen durch die Fördergeschwindigkeit der Materialbahn 3 bestimmt. Zum Zeitpunkt t2 (t2 > t1) tritt die Marke 2 in den Einflussbereich des zweiten kapazitiven Sensors 7 ein, so dass für das Ausgangssignal B des zweiten Sensors 7 ein entsprechender Signalpeak erhalten wird.
Der Abstand zwischen den beiden kapazitiven Sensoren 6, 7 ist derart an die Fördergeschwindigkeit angepasst, dass der Signalpeak des Ausgangssignals A abgeklungen ist, wenn die Marke 2 in den Einflussbereich des zweiten Sensors 7 eintritt.
[0044] Wie aus den Signalverläufen der Ausgangssignale A, B der beiden kapazitiven Sensoren 6, 7 ersichtlich, ist den Signalpeaks ein Untergrundsignal überlagert, dessen Amplituden in den gleichen Grössenordnungen liegen wie die Signalpeaks selbst. Dabei ist dieses Untergrundsignal zeitlich nicht konstant. Der Grund für ein derartiges zeitlich variierendes Untergrundsignal liegt darin, dass die Materialbahn 3 durch externe Einflüsse zum Teil erheblich flattert, wodurch die Ausgangssignale A, B der Sensoren 6, 7 entsprechend variieren.
Bei besonders starkem Flattern der Materialbahn 3 können die Untergrundsignale die Signalpeaks so stark überlagern, dass diese nicht mehr sicher aus den Untergrundsignalen extrahiert werden können.
[0045] Um trotz dieser Störeinflüsse eine sichere Detektion einer Marke 2 zu gewährleisten, wird wie in Fig. 2a dargestellt aus den Ausgangssignalen A, B das Differenzsignal D=B-A gebildet.
[0046] Da die Störeinflüsse durch das Flattern der Bögen zumindest näherungsweise auf gleiche Weise die Ausgangssignale A, B beeinflussen, ist die Differenz der Ausgangssignale A, B weitgehend unabhängig von diesen Störeinflüssen. Daher nimmt die Differenz nahezu exakt den Wert Null an, solange keine Marke 2 von einem der Sensoren 6, 7 erfasst wird.
Die Signalpeaks aufgrund der Markendetektion heben sich somit wie aus Fig. 2b ersichtlich deutlich von dem geringen Rest-Untergrundsignalwert des Differenzsignals D ab. Der Abstand zwischen den Sensoren 6, 7 ist dabei so gewählt, dass sich die beiden Signalpeaks im Differenzsignal D nicht überlagern und somit einzeln ausgewertet werden können.
[0047] Zur Ableitung eines Markenfeststellungssignals wird das Differenzsignal D in der Schwellwerteinheit mit wenigstens einem Schwellwert bewertet.
[0048] Wie in Fig. 2b dargestellt, kann das Differenzsignal D mit einem positiven Schwellwert S und einem betragsgleichen Schwellwert -S verglichen werden.
Eine Markendetektion liegt im einfachsten Fall dann vor, wenn das Differenzsignal D oberhalb des Schwellwerts S oder unterhalb des Schwellwerts S liegt.
[0049] Zur Vermeidung von Fehldetektionen wird die Auswertung des Differenzsignals D zur Generierung des Markenfeststellungssignals derart durchgeführt, dass eine Markendetektion nur dann vorliegt, wenn das Differenzsignal D zunächst unterhalb des Schwellwerts - S liegt und darauf innerhalb eines Zeitintervalls delta t den Schwellwert S überschreitet.
Das Zeitintervall ist dabei an die Zeitdifferenz t2-t1 angepasst.
[0050] Alternativ kann der Betrag des Differenzsignals D mit einem positiven Schwellwert S zur Generierung des Markenfeststellungssignals bewertet werden.
[0051] Generell sind die Höhen der Schwellwerte S, -S als Parameterwerte in die Auswerteeinheit 5 eingebbar und können an unterschiedliche Materialbahnparameter angepasst werden.
[0052] Aus der zeitlichen Folge der beiden Signalpeaks im Differenzsignal D können zudem bei bekanntem Abstand da der beiden Sensoren 6, 7 auch die Richtung der Bewegung der Materialbahn 3 sowie deren Fördergeschwindigkeit ermittelt werden.
[0053] Fig. 3 a zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 zur Detektion der Marken 2. Die Vorrichtung 1 gemäss Fig. 3a weist im Wesentlichen denselben Aufbau wie die Vorrichtung 1 gemäss den Fig. 1 und 2a auf.
Der einzige Unterschied besteht darin, dass die beiden kapazitiven Sensoren 6, 7 in diesem Fall quer zur Förderrichtung der Materialbahn 3 in Abstand nebeneinander liegen. Der Abstand zwischen den Sensoren 6, 7 entspricht im Wesentlichen dem Abstandswert des Ausführungsbeispiels gemäss den Fig. 1 und 2a.
[0054] Die Sensoren 6, 7 sind wie aus Fig. 3a ersichtlich so angeordnet, dass die Marken 2 jeweils nur den ersten Sensor 6 passieren.
Der zweite Sensor 7 dient somit lediglich als Referenzsensor zur Elimination von Störsignalen.
[0055] Die Anordnung der Sensoren 6, 7 gemäss Fig. 3a ist insbesondere zur Elimination von Störsignaleinflüssen geeignet, die einerseits durch Flatterbewegungen und andererseits durch in Querrichtung verlaufende Wellen in der Materialbahn 3 hervorgerufen werden.
[0056] Die Ausgangssignale A, B der kapazitiven Sensoren 6, 7 gemäss Fig. 3 a sind in Fig. 3b dargestellt. Das Ausgangssignal A des ersten Sensors 6 weist einen Signalpeak auf, der bei der Erfassung einer in dessen Einflussbereich bewegten Marke 2 generiert wird. Diesem Signalpeak ist wiederum ein durch die Störeinflüsse bewirktes Untergrundsignal überlagert. Das Ausgangssignal B des zweiten Sensors 7 enthält nur das Untergrundsignal.
Durch die gewählte Anordnung der Sensoren 6, 7 sind die Untergrundsignale in den beiden Ausgangssignalen A, B, im Wesentlichen identisch.
[0057] Daher wird der Anteil der zeitabhängigen Untergrundsignale durch die Bildung des Differenzsignals D=B-A entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 nahezu vollständig eliminiert.
[0058] Zur Generierung des Markenfeststellungssignals wird das Differenzsignal D wieder mit einem in der Schwellwerteinheit generierten Schwellwert S bewertet. Dabei liegt eine Markendetektion vor, falls das Differenzsignal D oberhalb des Schwellwerts S liegt.
[0059] Fig. 4a zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung 1.
Diese Ausführungsform weist drei kapazitive Sensoren 6, 7, 8 auf und bildet eine Kombination der Ausführungsformen gemäss den Fig. 2a und 3a.
[0060] Die ersten beiden Sensoren 6, 7 liegen in Förderrichtung der Materialbahn 3 zur Erfassung der Marke 2 in Abstand hintereinander, so dass eine Marke 2 zuerst vom ersten Sensor 6 und dann vom zweiten Sensor 7 erfasst wird. Der dritte Sensor 8 liegt quer zur Förderrichtung der Materialbahn 3 in Abstand neben dem zweiten Sensor 7. Damit werden die Marken 2 vom dritten Sensor 8 nicht erfasst, so dass dieser allein einen Referenzsensor zur Elimination von Untergrundsignalen bildet.
[0061] In Fig. 4b sind die Ausgangssignale A, B, C der kapazitiven Sensoren 6, 7, 8 dargestellt. Die Signalverläufe der Ausgangssignale A, B entsprechen den Ausgangssignalen A, B gemäss Fig. 2a.
Die auf der Materialbahn 3 aufgebrachte Marke 2 passiert zunächst den ersten Sensor 6 und dann den zweiten Sensor 7, so dass zunächst ein durch die Marke 2 verursachter Signalpeak im Ausgangssignal A und dann im Ausgangssignal B auftritt. Dagegen wird die Marke 2 nicht am dritten Sensor 8 vorbeigeführt, so dass dessen Ausgangssignal C nur den Anteil des Untergrundsignals enthält.
Die Sensoren 6, 7, 8 sind wiederum so angeordnet, dass deren Ausgangssignale A, B, C zumindest näherungsweise denselben Anteil an Untergrundsignalen enthalten.
[0062] Zur Elimination der durch Störeinflüsse wie Flatterbewegungen der Materialbahn 3 oder Wellenbildungen in der Materialbahn 3 bewirkten Untergrundsignale werden im vorliegenden Fall zwei Differenzsignale D1 und D2 gebildet.
Das erste Differenzsignal
D1=B-A
bildet die Differenz der Ausgangssignale A, B der beiden ersten Sensoren 6, 7. Das Differenzsignal D1 entspricht somit dem Differenzsignal D gemäss Fig. 2b.
Das zweite Differenzsignal
D2=B-C
bildet die Differenz der Ausgangssignale B, C des zweiten und dritten Sensors 7, 8, welche quer zur Förderrichtung der Materialbahn 3 nebeneinander liegen.
Dieses Differenzsignal D2 entspricht dem Differenzsignal D gemäss Fig. 3b.
[0063] In der Schwellwerteinheit wird aus dem Differenzsignal D1 ein erstes binäres Signal gebildet. Die Auswertung erfolgt analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2, d.h. das erste binäre Signal entspricht dem Markenfeststellungssignal des Ausführungsbeispiels gemäss Fig. 2.
[0064] Weiterhin wird in der Schwellwerteinheit aus dem Differenzsignal D2 ein zweites binäres Signal gebildet. Die Auswertung erfolgt analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3, das heisst das zweite binäre Signal entspricht dem Markenfeststellungssignal des Ausführungsbeispiels gemäss Fig. 3.
[0065] Zur Generierung des Markenfeststellungssignals werden schliesslich die beiden binären Signale in der Auswerteeinheit 5 logisch verknüpft.
Mögliche Verknüpfungen sind eine UND- oder eine ODER-Verknüpfung, das heisst eine Marke 2 gilt als erfasst, wenn das erste und/oder zweite binäre Signal einen Signalwert annimmt, der einer Markendetektion entspricht.
[0066] Wie aus Fig. 4a ersichtlich, liegt der dritte Sensor 8 auf einer Höhe mit dem zweiten Sensor 7. Wenn bei der Generierung des ersten binären Signals das Ausgangssignal B des zweiten Sensors 7 mit einbezogen wird, stehen die beiden binären Signale gleichzeitig an und können somit in der Auswerteeinheit 5 gleichzeitig ausgewertet werden.
[0067] Generell können die einer Markendetektion entsprechenden Signaländerungen des ersten und zweiten Differenzsignals D1, D2 zeitlich versetzt auftreten.
In diesem Fall wird dieser zeitliche Versatz bei der Generierung des Markenfeststellungssignals in der Auswerteeinheit 5 entsprechend berücksichtigt.
Bezugszeichenliste
[0068]
(1) : Vorrichtung
(2) : Marke
(3) : Materialbahn
(4) : Anlegetisch
(5) : Auswerteeinheit
(6) : Sensor
(6a) : Elektrode
(6b) : Gegenelektrode
(7) : Sensor
(7a) : Elektrode
(7b) : Gegenelektrode
(8) : Sensor
(A) : Ausgangssignal
(B) : Ausgangssignal
(C) : Ausgangssignal
(D) : Differenzsignal
(D1) : Differenzsignal
(D2) : Differenzsignal
The invention relates to a device for detecting marks on a material web.
The material webs typically consist of paper, cardboard, corrugated cardboard, films or the like and are transported in plants by means of suitable transport systems in a conveying direction with a predetermined conveying speed.
The respective plant has different machining centers, which is fed to the web for performing machining operations.
To track the course of the web and in particular for positioning the web at the machining centers marks are applied to the web, which are scanned at predetermined positions of the web.
The detection of the marks should be done quickly and reliably, so that a flawless and secure positioning of the web can be done.
At the same time the cost of detecting the brands should be kept low. In addition, the application of the marks on the material web is to be as possible as possible, thereby resulting in no or only a small scrap of material.
The marks on the material web therefore have the smallest possible dimensions and the simplest possible structure.
For example, the marks are formed by local weakening structures or by local layer thickness increases.
In particular, consisting of corrugated webs the marks of locally moistened points on the material web are formed. Such water marks are detected by means of a capacitive sensor. This consists of an electrode and a counter electrode, which are arranged on both sides of the material web at a distance opposite.
As soon as the portion of the material web containing the watermark is passed between the electrode and the counterelectrode of the capacitive sensor, a change in the output signal is obtained in the capacitive sensor, which is obtained by the change in the dielectric constant in the region of the water mark.
Based on this signal change, the detection of the mark takes place.
The problem with this is that the change in the output signal of the capacitive sensor in the region of the watermark is relatively low, since the increased water content changes the dielectric constant of the material web only gradually.
Accordingly, such a mark detection is susceptible to interference from external influences. These include fluttering movements of the material web.
Furthermore, wavy elevations of the material web occur in such material webs, which typically extend over the entire width of a material web.
In an ideal capacitive sensor, in which the field lines run exactly parallel between the electrode and the counter electrode, such external influences would not lead to an influence on the output signal, since the thickness of the material web remains unchanged even with a flutter or a wave-shaped revaluation ,
In real capacitive sensors, however, exactly parallel field lines between the electrode and counter electrode can not be produced.
Due to the spatially inhomogeneous course of the field lines between the counter electrode and the electrode, the output signal of the capacitive sensor no longer depends solely on the layer thickness of the material web and its material properties, but also on their position in the gap between the electrode and counter electrode.
In particular, then flutter and wave motions of the web lead to changes in the output signal of the capacitive sensor, which may be of the same order of magnitude as the changes in the output signal in the detection of a mark.
As a result, a reliable detection of the marks on the material web is no longer guaranteed.
The invention has the object of providing a device of the type mentioned in such a way that a secure,
insensitive detection of marks on a material web is guaranteed.
To solve this problem, the features of claim 1 are provided. Advantageous embodiments and expedient developments of the invention are described in the dependent claims.
The inventive device for the detection of marks on a material web has at least two spaced-apart capacitive sensors. The material web is moved relative to the capacitive sensors with a conveying speed v. The distance of the capacitive sensors is chosen so that they do not detect a mark at the same time. The inventive device further comprises an evaluation unit, in which the difference of the output signals of the capacitive sensors is formed.
Finally, the device has a threshold value unit in which a mark detection signal is generated from the difference between the output signals of the capacitive sensors.
In the inventive device, the output signals of the two capacitive sensors are thus continuously detected and fed to the evaluation unit, in which the difference of these output signals is formed.
It is essential here that the sensors are arranged at a distance relative to the material web moving at a conveying speed such that a mark is detected only by one of the sensors, but not simultaneously by both sensors.
If a mark is within the detection range of a capacitive sensor, the mark changes the output signal of this sensor,
but not the output of the second sensor.
Accordingly, in the evaluation of the difference of the output signals of the sensor in the mark detection, a significant signal change is obtained. The difference or the magnitude of the difference of the output signals is evaluated in a threshold unit having at least one threshold. If no mark is detected with the sensors, their output signals are at least approximately equal, so that the difference of the output signals lies below the threshold value.
As soon as a mark is detected by one of the sensors, the difference of the output signal is above the threshold value.
Thus, by means of the threshold unit, a binary mark detection signal is generated which enables reliable mark detection.
A significant advantage of the inventive device is that the mark detection is insensitive to external disturbances such as flutter movements or wave movements of the web. For this purpose, the sensors are arranged such that their output signals are influenced in the same way by the disturbing influences.
By forming the difference of the output signals of the sensors caused by the disturbing changes in the output signals are almost completely eliminated, so that they no longer affect the brand detection.
In a first embodiment of the invention, the capacitive sensors are in the conveying direction of the web at a distance one behind the other, so that the marks are successively supplied to the sensors. This arrangement is particularly suitable for the elimination of interference due to flutter movements, which affect the output signals of the sensors in the same way.
In a second embodiment of the invention, the capacitive sensors are transverse to the conveying direction of the material web at a distance next to each other. In this case, a mark is only detected by one of the sensors.
This arrangement is suitable on the one hand for the elimination of interference due to flutter movements of the web. On the other hand, this arrangement also eliminates interference that occurs due to waves in the material web, which extend transversely to the conveying direction of the material web.
In a further advantageous embodiment of the invention, the device for detecting marks on three capacitive sensors. Two of these sensors are for detecting a mark in the conveying direction of the web at a distance one behind the other. The third sensor is located transversely to the conveying direction of the material web at a distance from one of the two first sensors.
In this case, a first difference of the output signals of the two successive lying in the conveying direction of the web of sensors in the evaluation unit is formed.
In addition, a second difference of the output signals of the two adjacent sensors is formed. In each case, the first and second difference of the corresponding output signals is evaluated in the threshold unit with a threshold value for generating a binary signal. Subsequently, the mark detection signal is generated by a logical combination of the binary signals.
This embodiment forms a particularly interference-proof variant of the device according to the invention, since in this case interference signals due to inhomogeneities or movements of the material web both transversely and longitudinally by the difference of the output signals of pairs of sensors which are longitudinally and transversely to the conveying direction of the web whose conveying direction can be eliminated.
The invention will be explained below with reference to the drawings.
Show it:
1: Schematic representation of a first embodiment of the inventive device for detecting marks.
FIG. 2a: shows a plan view of the device according to FIG. 1. FIG.
Fig. 2b:: Time course of the output signals of the capacitive sensors of the device according to Fig. 2a.
3a: shows a plan view of a second embodiment of the device according to the invention.
Fig. 3b:: Time course of the output signals of the capacitive sensors of the device according to Fig. 3a.
FIG. 4a: shows a plan view of a third exemplary embodiment of the device according to the invention.
Fig. 4b:
Time course of the output signals of the capacitive sensors of the device according to FIG. 4a.
Fig. 1 shows a first embodiment of the inventive device 1 for the detection of marks 2 on a material web third
The material web 3 may consist of a film, paper, cardboard or the like. In the present embodiment, the material web 3 is made of corrugated cardboard. The material web 3 is transported in a system by means of a transport system, not shown, with a conveying speed v. The conveying direction of the material web 3 extends in its longitudinal axis. The plant typically has a predetermined number of machining centers, not shown.
In these machining centers 3 different machining operations are performed for processing the material web.
Fig. 1 shows a section of the system between two machining centers, wherein the material web 3 is supported on a feed table 4 resting.
For positioning the material web 3, in particular for the positionally accurate feeding of the material web 3 to a machining center 3 marks 2 are applied to the material web, which are detected by the device 1.
Such marks 2 may in principle be formed by local metallization layers, which are applied to the material web 3. Furthermore, the marks 2 can be formed by local weakening structures in the material web 3.
For example, the mark 2 can be formed by a region in which the layer thickness of the material web 3 is reduced. Furthermore, the material web 3 may also be formed by a hole in the material web 3. Finally, a mark 2 may also be formed by a local layer thickness increase in the material web 3.
In the present case, the marks 2 are designed as watermarks. Such watermarks consist of locally moistened points in the material web 3. To produce such a mark 2, local water is applied to the material web 3. The amount of water is dimensioned so that the water content in the material web 3 is large enough that the watermark at the detection location can be reliably detected by means of the device 1.
A significant advantage of the water marks is that they are removed without residue from the material web 3 by evaporation of the water, so that due to the brands 2 no waste in the web 3 is obtained.
In the exemplary embodiment illustrated in FIG. 1, the device 1 for detecting the marks 2 comprises an evaluation unit 5, to which two capacitive sensors 6, 7 are connected.
The evaluation unit 5 consists essentially of a microcontroller.
In the evaluation unit 5, a threshold unit is provided, by means of which analog signals are evaluated with threshold values.
The capacitive sensors 6, 7 are identical and each consist of an electrode 6a, 7a and a counter electrode 6b, 7b, which are each at ground potential.
The counter electrodes 6b, 7b are integrated in the feed table 4 and are below the material web 3. The surfaces of the counter electrodes 6b, 7b terminate flush with the surface of the feed table 4. The electrodes 6a, 7a are arranged above the material web 3.
In this case, the electrodes 6a, 7a are attached to a holder, not shown.
The electrode 6a, 7a and the counter electrode 6b, 7b of each capacitive sensor 6, 7 are arranged opposite one another, their surfaces each lying in a horizontal plane.
Preferably, the electrode 6a, 7a and the counter electrode 6b, 7b of a capacitive sensor 6, 7 are formed coextensive, which in particular have a circular, square or rectangular outer contour.
In principle, the electrode 6a, 7a also have a structuring, wherein the electrode 6a, 7a in this case preferably formed of a measuring electrode and a separate from this by an insulating layer compensation electrode.
The individual capacitances of such a capacitive sensor 6, 7 are expediently evaluated in a bridge circuit, which is integrated in the evaluation unit 5.
2a shows a plan view of the device 1 according to FIG. 1. As shown in FIG. 2a, the two capacitive sensors 6, 7 are arranged one behind the other in such a way that a mark 2 successively first from the first sensor 6 and then is detected by the second sensor 7. The distance da between the sensors 6, 7 is preferably adapted to the amplitudes of the flutter movements of the material web 3.
Typically, the distance there is about half of the maximum occurring amplitude of the flapping motion.
The time profile of the output signal A of the first capacitive sensor 6 and the output signal B of the second capacitive sensor 7 is shown in Fig. 2b. As can be seen from FIG. 2b, the mark 2 enters the influence range of the first sensor 6 at time t1, so that a signal peak is obtained for the output signal A of the first sensor 6. The width of the signal peak is determined on the one hand by the width dw of the mark 2 and on the other hand by the conveying speed of the material web 3. At time t2 (t2> t1), the mark 2 enters the influence range of the second capacitive sensor 7, so that a corresponding signal peak is obtained for the output signal B of the second sensor 7.
The distance between the two capacitive sensors 6, 7 is adapted to the conveying speed such that the signal peak of the output signal A has subsided when the mark 2 enters the influence range of the second sensor 7.
As can be seen from the waveforms of the output signals A, B of the two capacitive sensors 6, 7, the signal peaks are superimposed on a background signal, whose amplitudes are in the same orders of magnitude as the signal peaks themselves. This background signal is not constant in time. The reason for such a temporally varying background signal is that the material web 3 flutters considerably in part due to external influences, as a result of which the output signals A, B of the sensors 6, 7 vary accordingly.
In the case of particularly strong fluttering of the material web 3, the background signals can superimpose the signal peaks so strongly that they can no longer be safely extracted from the background signals.
In order to ensure reliable detection of a mark 2 despite these disturbances, as shown in Fig. 2a from the output signals A, B, the difference signal D = B-A is formed.
Since the interference caused by the flutter of the sheets at least approximately in the same way affect the output signals A, B, the difference of the output signals A, B largely independent of these disturbing influences. Therefore, the difference almost exactly assumes the value zero, as long as no mark 2 is detected by one of the sensors 6, 7.
As can be seen in FIG. 2b, the signal peaks due to the mark detection thus clearly stand out from the small residual background signal value of the difference signal D. The distance between the sensors 6, 7 is chosen so that the two signal peaks in the difference signal D do not overlap and thus can be evaluated individually.
In order to derive a mark detection signal, the difference signal D in the threshold unit is evaluated with at least one threshold value.
As shown in FIG. 2b, the difference signal D can be compared with a positive threshold value S and an equal magnitude threshold value -S.
In the simplest case, a mark detection is present when the difference signal D lies above the threshold value S or below the threshold value S.
To avoid misdetections, the evaluation of the difference signal D for generating the mark detection signal is performed such that a mark detection is present only when the difference signal D is initially below the threshold - S and then exceeds the threshold S within a time interval delta.
The time interval is adapted to the time difference t2-t1.
Alternatively, the magnitude of the difference signal D may be evaluated with a positive threshold value S for generating the mark detection signal.
In general, the heights of the threshold values S, -S can be entered as parameter values into the evaluation unit 5 and can be adapted to different material web parameters.
From the temporal sequence of the two signal peaks in the difference signal D can also be at a known distance since the two sensors 6, 7, the direction of movement of the web 3 and the conveying speed can be determined.
Fig. 3a shows a second embodiment of the device 1 for detecting the marks 2. The device 1 according to Fig. 3a has substantially the same structure as the device 1 according to FIGS. 1 and 2a.
The only difference is that the two capacitive sensors 6, 7 in this case are at a distance from one another transversely to the conveying direction of the material web 3. The distance between the sensors 6, 7 substantially corresponds to the distance value of the embodiment according to FIGS. 1 and 2a.
As can be seen from FIG. 3 a, the sensors 6, 7 are arranged so that the marks 2 only pass through the first sensor 6 in each case.
The second sensor 7 thus serves only as a reference sensor for the elimination of interference signals.
The arrangement of the sensors 6, 7 according to FIG. 3a is particularly suitable for the elimination of Störsignaleinflüssen, which are caused on the one hand by flapping and on the other hand by extending in the transverse direction waves in the web 3.
The output signals A, B of the capacitive sensors 6, 7 according to FIG. 3a are shown in FIG. 3b. The output signal A of the first sensor 6 has a signal peak, which is generated during the detection of a mark 2 moved in its area of influence. This signal peak is in turn superimposed on a background signal caused by the disturbing influences. The output signal B of the second sensor 7 contains only the background signal.
Due to the selected arrangement of the sensors 6, 7, the background signals in the two output signals A, B, are substantially identical.
Therefore, the proportion of time-dependent background signals by the formation of the difference signal D = B-A according to the embodiment of FIG. 2 is almost completely eliminated.
To generate the mark detection signal, the difference signal D is again evaluated with a threshold value S generated in the threshold unit. In this case, there is a mark detection if the difference signal D is above the threshold value S.
4a shows a third embodiment of the inventive device. 1
This embodiment has three capacitive sensors 6, 7, 8 and forms a combination of the embodiments according to FIGS. 2a and 3a.
The first two sensors 6, 7 are in the conveying direction of the material web 3 for detecting the mark 2 at a distance one behind the other, so that a mark 2 is detected first by the first sensor 6 and then by the second sensor 7. The third sensor 8 is located transversely to the conveying direction of the material web 3 at a distance next to the second sensor 7. Thus, the marks 2 are not detected by the third sensor 8 so that it alone forms a reference sensor for the elimination of background signals.
In Fig. 4b, the output signals A, B, C of the capacitive sensors 6, 7, 8 are shown. The signal curves of the output signals A, B correspond to the output signals A, B according to FIG. 2a.
The applied on the web 3 brand 2 passes first the first sensor 6 and then the second sensor 7, so that a first caused by the mark 2 signal peak in the output signal A and then in the output B occurs. In contrast, the mark 2 is not passed past the third sensor 8, so that its output signal C contains only the portion of the background signal.
The sensors 6, 7, 8 are in turn arranged so that their output signals A, B, C contain at least approximately the same proportion of background signals.
In order to eliminate the interference caused by disturbances such as flutter movements of the material web 3 or undulations in the material web 3 background signals two differential signals D1 and D2 are formed in the present case.
The first difference signal
D1 = B-A
forms the difference of the output signals A, B of the two first sensors 6, 7. The difference signal D1 thus corresponds to the difference signal D according to FIG. 2b.
The second difference signal
D2 = B-C
forms the difference of the output signals B, C of the second and third sensor 7, 8, which are transverse to the conveying direction of the web 3 side by side.
This difference signal D2 corresponds to the difference signal D according to FIG. 3b.
In the threshold unit, a first binary signal is formed from the difference signal D1. The evaluation is analogous to the embodiment of FIG. 2, i. the first binary signal corresponds to the mark detection signal of the embodiment of FIG. 2.
Furthermore, a second binary signal is formed in the threshold unit from the difference signal D2. The evaluation is analogous to the embodiment according to FIG. 3, that is to say the second binary signal corresponds to the mark detection signal of the exemplary embodiment according to FIG. 3.
Finally, to generate the mark detection signal, the two binary signals in the evaluation unit 5 are logically linked.
Possible links are an AND or an OR link, that is to say a mark 2 is considered detected when the first and / or second binary signal assumes a signal value which corresponds to a mark detection.
As can be seen from Fig. 4a, the third sensor 8 is at a level with the second sensor 7. If in the generation of the first binary signal, the output signal B of the second sensor 7 is included, the two binary signals are at the same time and can thus be evaluated simultaneously in the evaluation unit 5.
In general, the signal detections of the first and second differential signals D1, D2, which correspond to a mark detection, can occur with a time offset.
In this case, this time offset in the generation of the mark detection signal in the evaluation unit 5 is taken into account accordingly.
LIST OF REFERENCE NUMBERS
[0068]
(1): device
(2): brand
(3): web
(4): feed table
(5): evaluation unit
(6): sensor
(6a): electrode
(6b): counterelectrode
(7): sensor
(7a): electrode
(7b): counter electrode
(8): sensor
(A): output signal
(B): output signal
(C): output signal
(D): difference signal
(D1): difference signal
(D2): difference signal