Title:
Sensor zu optischen Erfassung von Markierungen auf einer laufenden Materialbahn
Kind Code:
A1
Abstract:

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur optischen Erfassung von Markierungen auf einer laufenden Materialbahn. Um einen Sensor zu schaffen, der ohne Einbußen hinsichtlich der erreichbaren Genauigkeit zuverlässig für alle möglichen Kombinationen von Druckfarben und Hintergründen einsetzbar ist, umfasst der Sensor eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtflecks auf der laufenden Materialbahn, einen Lichtempfänger zum Empfangen des seitens des Lichtflecks zurückgeworfenen Lichts, und eine Signalverarbeitungseinheit zur Auswertung des Ausgangssignals der des Lichtempfängers, wobei zwischen dem Lichtempfänger und der Signalverarbeitungseinheit ein Regelverstärker zur optimalen Pegelaussteuerung geschaltet ist, und/oder wobei zwischen der Signalverarbeitungseinheit und der Lichtquelle ein steuerbarer Treiber zur optimalen Intensitätsansteuerung der Lichtquelle geschaltet ist.



Inventors:
Westhof, Frank (49509, Recke, DE)
Application Number:
DE102013015036A
Publication Date:
03/12/2015
Filing Date:
09/12/2013
Assignee:
Windmöller & Hölscher KG, 49525 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102008024104A1N/A2010-05-27
DE3603544A1N/A1987-08-06
Foreign References:
EP10508432000-11-08
EP22783612011-01-26
Claims:
1. Sensor zur optischen Erfassung von Markierungen auf einer laufenden Materialbahn,
mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtflecks auf der laufenden Materialbahn,
mit einem Lichtempfänger zum Empfangen des seitens des Lichtflecks zurückgeworfenen Lichts, und
mit einer Signalverarbeitungseinheit zur Auswertung des Ausgangssignals der des Lichtempfängers,
wobei zwischen dem Lichtempfänger und der Signalverarbeitungseinheit ein Regelverstärker zur optimalen Pegelaussteuerung geschaltet ist, und/oder
wobei zwischen der Signalverarbeitungseinheit und der Lichtquelle ein steuerbarer Treiber zur optimalen Intensitätsansteuerung der Lichtquelle geschaltet ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, wobei der Lichtempfänger derart montiert ist, dass das direkt reflektierte Licht des Lichtflecks auf den Lichtempfänger trifft.

3. Sensor nach einem der Ansprüche 1–2, wobei der Lichtempfänger derart montiert ist, dass das diffus gestreute Licht des Lichtflecks auf den Lichtempfänger trifft.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Signalverarbeitungseinheit ein Feed-Forward-Signal zur Ermittlung der optimalen Pegelaussteuerung und/oder zur optimalen Intensitätsansteuerung zuführbar ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Lichtquelle eine High-Power LED mit weißer Lichtabstrahlung ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1–2, wobei der Lichtempfänger ein Farb-Spannungswandler ist.

7. Registerregler einer Druckmaschine mit einem Sensor nach einem der Ansprüche 1–6.

Description:

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur optischen Erfassung von Markierungen auf einer laufenden Materialbahn.

Ein derartiger Sensor ist beispielsweise aus der EP 1 050 843 A2 oder aus der EP 2 278 361 A1 bekannt.

Sensoren zur optischen Erfassung von Markierungen auf einer laufenden Materialbahn werden beispielsweise in Druckmaschinen eingesetzt, um die sogenannte Registergenauigkeit zwischen hintereinander liegenden Druckwerken zu messen und ggf. zu regeln.

Mit dem Begriff Registergenauigkeit ist in der Drucktechnik die Lagegenauigkeit einer gedruckten Einzelschicht mit Bezug auf eine Sollposition gemeint. So müssen die jeweiligen Farbschichten von mehreren hintereinander angeordneten Farbwerken exakt übereinander gedruckt werden, damit das fertig gedruckte Bild mit dem gewünschten Farbeindruck entsteht. Andernfalls erscheint das fertig gedruckte Bild verschwommen und qualitativ minderwertig. In Abhängigkeit von der jeweiligen Störgröße spricht man demzufolge also beispielsweise von einem Umfangsregister oder von einem Seitenregister.

Zur automatischen Korrektur von Registerabweichungen wird in Druckmaschinen und insbesondere in Tiefdruckmaschinen eine sogenannte Registerregelung eingesetzt. Dazu wird in jedem Druckwerk – d. h. vom zweiten Druckwerk an – die Lage von entsprechenden Markierungen auf der laufenden Materialbahn über Sensoren optisch erfasst.

Zur Erkennung der Registermarken wird von einer Lichtquelle ein Lichtstrahl auf die Bahn gerichtet. Ein Teil des von der Bahn zurückgestreuten Lichts wird über eine Linse auf einen Lichtempfänger zurückgeleitet, der in der Lage ist, die jeweiligen Farbwechsel sowie die jeweiligen Markenflanken auf der Bahn in Abhängigkeit von der Zeit zu erfassen.

Wenn für die Registermarken beispielsweise eine dreieckige Form gewählt wird, dann ist die Zeitdifferenz zwischen den jeweils geraden Markenflanken von zwei Registermarken gleicher Farbe ein Maß für das Längsregister, während die Zeitdifferenz zwischen den Markenflanken einer einzelnen Registermarke ein Maß für das Seitenregister ist.

Aus dem Sensorsignal des Lichtempfängers wird in einem nächsten Schritt in einem Regler ein Stellbefehl errechnet, der einem entsprechenden Registerstellmotor zugeleitet wird. Über die Verstellung durch den Registerstellmotor wird dann bei einem Umfangsregister der Bahnweg zwischen zwei Druckeinheiten verkürzt bzw. verlängert und bei einem Seitenregister der Bahnweg zwischen zwei Druckeinheiten zur entsprechenden Seite hin verschoben.

Trotz des Einsatzes dieser Sensoren innerhalb einer Registerregelung lassen sich aber unter bestimmten Bedingungen immer noch Registerabweichungen im fertig gedruckten Bild feststellen. Ein gewichtiger Grund dafür ist darin zu sehen, dass es aufgrund der Variantenvielfalt der verfügbaren Druckfarben und Hintergründe immer schwieriger wird, für alle Kombinationen von Druckfarben und Hintergründen eine kontrastreiche und damit zuverlässige Registermessung zu gewährleisten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Sensor zu schaffen, der ohne Einbußen hinsichtlich der erreichbaren Genauigkeit zuverlässig für alle möglichen Kombinationen von Druckfarben und Hintergründen einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Sensor nach dem Patentanspruch 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Sensor zur optischen Erfassung von Markierungen auf einer laufenden Materialbahn umfasst eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtflecks auf der laufenden Materialbahn, einen Lichtempfänger zum Empfangen des seitens des Lichtflecks zurückgeworfenen Lichts, und eine Signalverarbeitungseinheit zur Auswertung des Ausgangssignals der des Lichtempfängers, wobei zwischen dem Lichtempfänger und der Signalverarbeitungseinheit ein Regelverstärker zur optimalen Pegelaussteuerung geschaltet ist, und/oder wobei zwischen der Signalverarbeitungseinheit und der Lichtquelle ein steuerbarer Treiber zur optimalen Intensitätsansteuerung der Lichtquelle geschaltet ist.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die gestiegene Variantenvielfalt von Hintergründen und Druckfarben eine Erhöhung des Dynamikumfangs an dem Lichtempfänger zur Folge hat, welcher von der nachfolgenden Signalverarbeitungseinheit nicht mehr zuverlässig ausgewertet werden kann. Bei schwachen Empfangssignalen reicht demnach das Signal-Rauschverhältnis für eine zuverlässige Auswertung nicht mehr aus, während bei starken Empfangssignalen das Ausgangssignal des Lichtempfängers in die Sättigung geht und damit für einen Kontrastvergleich ebenfalls unbrauchbar wird.

Wenn aber erfindungsgemäß zwischen dem Lichtempfänger und der Signalverarbeitungseinheit ein Regelverstärker zur optimalen Pegelaussteuerung geschaltet wird, dann ist es möglich, den Dynamikumfang des Empfangssignals zielgerichtet zu komprimieren und somit die zu erreichende Zuverlässigkeit des Sensors auf nahezu 100% zu steigern.

Alternativ oder auch zusätzlich kann auch zwischen der Signalverarbeitungseinheit und der Lichtquelle ein steuerbarer Treiber zur optimalen Intensitätsansteuerung der Lichtquelle geschaltet sein.

Ein Regelverstärker im Sinne der Erfindung ist dabei ein Verstärker mit einem variablen, extern steuerbaren Verstärkungsfaktor.

Ein steuerbarer Treiber im Sinne der Erfindung ist dabei ein Leistungsmodul mit einer variablen, extern steuerbaren Leistung, die der Lichtquelle zugeführt wird.

Das Prinzip der optimalen Pegelaussteuerung und/oder der optimalen Intensitätssteuerung ähnelt dabei in gewisser Weise dem Einsatz eines Audio-Kompressors oder eines Audio-Expanders in der Tontechnik, beispielsweise zur Einschränkung oder zur Erweiterung des Dynamikumfangs während einer Tonaufnahme bei vorgegebenen technischen Grenzen des Aufnahmemediums. Aber auch beispielsweise zur gezielten Bearbeitung von einzelnen Klangkomponenten innerhalb eines Klangbildes werden Audio-Kompressoren eingesetzt. So besitzt beispielsweise die menschliche Gesangsstimme naturgemäß ein hohes Maß an Dynamik, die es in unbearbeiteter Form problematisch macht, den Gesang gegenüber den restlichen Spuren in den Vordergrund treten zu lassen. Mittels eines Audio-Kompressors können diese Pegelschwankungen allerdings ausgeglichen werden, wodurch ein stetig hoher Durchschnittspegel und somit eine deutlich verbesserte Signalpräsenz erzielt wird.

Bei einem sogenannten Abwärts-Audio-Kompressor wird in der Tontechnik das Audio-Eingangssignal eines Verstärkers ab einem gewissen Pegel mit einem geringeren Verstärkungsfaktor verstärkt. Bei einem sogenannten Aufwärts-Audio-Kompressor wird dagegen das Audio-Eingangssignal eines Verstärkers unterhalb eines gewissen Pegels mit einem höheren Verstärkungsfaktor verstärkt. Selbstverständlich sind auch Kombinationen beider Prinzipien sowie nichtlineare Kennlinien des Verstärkungsfaktors denkbar, wobei in allen Fällen eine Kompression des Dynamikumfangs des Audio-Eingangssignals erfolgt.

Der umgekehrte Fall liegt vor, wenn das Audio-Eingangssignal einen zu geringen Dynamikumfang aufweist. In diesem Fall wird ein Audio-Expander zur Erhöhung des Dynamikumfangs eingesetzt. Dies heißt also, dass leise Passagen noch leiser verstärkt werden und laute Passagen dagegen noch lauter verstärkt werden.

Der erfindungsgemäße Regelverstärker und/oder der erfindungsgemäße steuerbare Treiber können sowohl als Kompressor als auch als Expander eingesetzt werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Lichtempfänger derart montiert, dass das direkt reflektierte Licht des Lichtflecks auf den Lichtempfänger trifft. Wenn man in diesem Fall den Aussteuerungsbereich des Lichtempfängers auf matte Oberflächen der laufenden Materialbahn abstimmt, dann wird der Lichtempfänger bei reflektierenden Oberflächen der laufenden Materialbahn extrem übersteuert. Stimmt man umgekehrt den Aussteuerungsbereich des Lichtempfängers auf reflektierende Oberflächen ab, dann verschwindet das Signal von matten Oberflächen im Rauschen. Es liegt also der typische Fall eines zu hohen Dynamikbereichs vor, sodass man das oben beschriebene Kompressionsverfahren einsetzen wird.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Lichtempfänger derart montiert, dass das diffus gestreute Licht des Lichtflecks auf den Lichtempfänger trifft. Wenn man in diesem Fall den Aussteuerungsbereich des Lichtempfängers auf matte Oberflächen der laufenden Materialbahn abstimmt, dann erhält man am Lichtempfänger bei reflektierenden Oberflächen der laufenden Materialbahn einen – in Abhängigkeit vom Montagewinkel des Lichtempfängers – geringeren Signalpegel, der aber möglicherweise gegenüber Farbwechseln von matten Oberflächen kaum zu unterscheiden ist. Es liegt damit der Fall eines zu niedrigen Dynamikbereichs vor, sodass man das oben beschriebene Expansionsverfahren einsetzen wird.

Sowohl die Auswertung des direkt reflektierten Lichts des Lichtflecks als auch die Auswertung des diffus gestreuten Lichts des Lichtflecks haben jeweils Vorteile und Nachteile. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es daher vorgesehen, dass sowohl das direkt reflektierte Licht als auch das diffus gestreute Licht in zwei getrennten Empfangskanälen ausgewertet werden und dann jeweils der Empfangskanal zur Auswertung herangezogen wird, der ein zuverlässigeres Signal liefert.

Bei der eigentlichen Ermittlung der optimalen Pegelaussteuerung und/oder der optimalen Intensitätsansteuerung bieten sich verschiedene Möglichkeiten an.

Eine Möglichkeit besteht darin, dass der Signalverarbeitungseinheit Feed-Back-Signal zur Ermittlung der optimalen Pegelaussteuerung und/oder zur optimalen Intensitätsansteuerung zugeführt wird. Dies bedeutet, dass das Ausgangssignal des Regelverstärkers betrachtet wird und in Abhängigkeit von der resultierenden Hüllkurve die Einstellungen für die Leistung des steuerbaren Treibers und für den Verstärkungsfaktor des Regelverstärkers derart vorgenommen werden, dass sich die gewünschte Aussteuerung einstellt. Dieses Verfahren ist sehr einfach anzuwenden, hat allerdings den Nachteil einer gewissen Totzeit, sodass Übergangsvorgänge bei geringen Kontrastunterschieden möglicherweise unerkannt bleiben.

Eine weitere Möglichkeit insbesondere für zeitkritische Anwendungen besteht darin, dass der Signalverarbeitungseinheit ein Feed-Forward-Signal zur Ermittlung der optimalen Pegelaussteuerung und/oder zur optimalen Intensitätsansteuerung zuführbar ist. Hierzu wird dem eigentlichen Lichtempfänger ein weiterer Lichtempfänger vorgeschaltet. In Abhängigkeit von der resultierenden Hüllkurve des vorgeschalteten Lichtempfängers werden dann die Einstellungen für die Leistung des steuerbaren Treibers und für den Verstärkungsfaktor des Regelverstärkers derart vorgenommen, dass sich am nachgeschalteten Lichtempfänger die gewünschte Aussteuerung einstellt. Falls es darauf ankommt, dass flankenartige Kontrastunterschiede von Markierungen auf einer laufenden Materialbahn sicher erkannt werden, muss bei diesem Verfahren darüber hinaus sichergestellt werden, dass Einstellungen an der Leistung des steuerbaren Treibers und an dem Verstärkungsfaktors des Regelverstärkers in den Zeiten gerade nicht stattfinden, in denen die Kontrastunterschiede vermutet werden. Aufgrund dieser Anforderung ist es auch denkbar, dass dem eigentlichen Lichtempfänger mehrere Lichtempfänger vorgeschaltet werden, sodass man in verschiedenen Stufen mehrere Feed-Forward-Signale erhält, die von Stufe zu Stufe eine Genauigkeitssteigerung ergeben. So könnte zum Beispiel in der ersten Stufe der Dynamikumfang nach dem Kompressionsverfahren und/oder nach dem Expansionsverfahren optimiert werden, während in der zweiten Stufe die Zeiten festgelegt werden, in denen keine Einstellungen an der Leistung des steuerbaren Treibers und an dem Verstärkungsfaktors vorgenommen werden dürfen, sodass dann in der letzten Stufe alle erforderlichen Parameter zur optimalen Pegelaussteuerung und/oder zur optimalen Intensitätsansteuerung vorliegen. In analoger Weise ist es darüber hinaus auch denkbar, dass die verschiedenen Feed-Forward-Stufen nicht hintereinander, sondern parallel geschaltet werden. Auch eine kombinierte Reihen- und Parallelschaltung von verschiedenen Feed-Forward-Stufen ist denkbar.

Es hat sich gezeigt, dass bei der optimalen Pegelaussteuerung und/oder bei der optimalen Intensitätsansteuerung zumindest vier Fälle unterschieden werden sollten, um Markierungen auf einer laufenden Materialbahn auf zuverlässige Weise optisch zu erfassen. Im Folgenden wird dabei angenommen, dass das direkt reflektierte Licht des Lichtflecks auf den Lichtempfänger trifft. Analoge Überlegungen gelten darüber hinaus für den Fall, dass das diffus gestreute Licht des Lichtflecks auf den Lichtempfänger trifft.

  • • Der Hintergrund der laufenden Materialbahn weist eine matte Oberfläche auf und auch die Markierung selber besteht aus einer matten Farbe. In diesem Fall ist es empfehlenswert, den Verstärkungsfaktor des Regelverstärkers zunächst auf einen mittleren Wert einzustellen und dann die Intensitätsansteuerung derart zu wählen, dass bei einem matten Hintergrund die Aussteuerung am Ausgang des Regelverstärkers ebenfalls in einem mittleren Bereich liegt. Farbwechsel (entweder Pegelanstiege oder Pegelabfälle) aufgrund von Markierungen können dann am Lichtempfänger sicher erkannt werden.
  • • Der Hintergrund der laufenden Materialbahn weist eine reflektierende Oberfläche auf, wohingegen die Markierung aus einer matten Farbe besteht. In diesem Fall ist es empfehlenswert, den Verstärkungsfaktor des Regelverstärkers zunächst auf einen mittleren Wert einzustellen und dann die Intensitätsansteuerung derart zu wählen, dass bei einem reflektierenden Hintergrund die Aussteuerung am Ausgang des Regelverstärkers in einem oberen Bereich liegt. Ein Wechsel auf eine matte Farbe einer Markierung bewirkt dann einen starken Pegelabfall, welcher am Lichtempfänger sicher erkannt werden kann.
  • • Der Hintergrund der laufenden Materialbahn weist eine matte Oberfläche auf, wohingegen die Markierung aus einer reflektierenden Farbe besteht. In diesem Fall ist es empfehlenswert, den Verstärkungsfaktor des Regelverstärkers zunächst auf einen mittleren Wert einzustellen und dann die Intensitätsansteuerung derart zu wählen, dass bei einem matten Hintergrund die Aussteuerung am Ausgang des Regelverstärkers in einem niedrigen Bereich liegt. Ein Wechsel auf eine reflektierende Farbe einer Markierung bewirkt dann einen starken Pegelanstieg, welcher am Lichtempfänger sicher erkannt werden kann.
  • • Der Hintergrund der laufenden Materialbahn weist eine reflektierende Oberfläche auf und auch die Markierung selber besteht aus einer reflektierenden Farbe. In diesem Fall ist es empfehlenswert, den Verstärkungsfaktor des Regelverstärkers zunächst auf einen mittleren Wert einzustellen und dann die Intensitätsansteuerung derart zu wählen, dass bei einem reflektierenden Hintergrund die Aussteuerung am Ausgang des Regelverstärkers ebenfalls in einem mittleren Bereich liegt. Farbwechsel (entweder Pegelanstiege oder Pegelabfälle) aufgrund von Markierungen können dann am Lichtempfänger sicher erkannt werden.

Eine Gesamtbetrachtung der vier beschriebenen Fälle zeigt, dass Markierungen auf einer laufenden Materialbahn am Lichtempfänger sowohl Pegelanstiege, als auch Pegelabfälle bewirken können. Um nunmehr sicher detektieren zu können, ob ein Pegelanstieg bzw. ein Pegelabfall einem Kontrastwechsel von einem Hintergrund auf eine Markierung oder umgekehrt einem Kontrastwechsel von einer Markierung auf einen Hintergrund zuzuordnen ist, können wiederum die bereits oben erwähnten Zeitfenster verwendet werden, innerhalb derer Veränderungen an der Leistung des steuerbaren Treibers und an dem Verstärkungsfaktor des Regelverstärkers gesperrt sind. Diese Zeitfenster werden von einer dafür bereitgestellten Feed-Forward-Stufe ermittelt, sodass der eigentliche Sensor zur Erfassung von Markierungen auf einer laufenden Materialbahn folgende Logik anstellen kann:

  • • Tritt innerhalb von einem Zeitfenster ein Pegelanstieg und ein Pegelabfall bzw. umgekehrt ein Pegelabfall und ein Pegelanstieg auf, dann handelt es sich um eine Markierung.
  • • Treten dagegen innerhalb von einem Zeitfenster mehrere Pegelanstiege und/oder mehrere Pegelabfälle auf, so können diese Pegel nicht eindeutig einer Markierung zugeordnet werden. An das übergeordnete System wird dann eine entsprechende Fehlermeldung weitergegeben.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lichtquelle eine High-Power LED ist (LED für Light-Emitting Eiode oder Lichtemittierende Diode oder auch Lumineszenz-Diode) ist. High-Power LEDs sind inzwischen bereits für Lichtstärken im Bereich von 50 Candela (Einheit der Lichtstärke, Zeichen: cd) und für Lichtströme von bis zu 100 Lumen (Einheit des Lichtstroms, Zeichen: lm) bei einem Diodenstrom von einigen Hundert Milliampere verfügbar. High-Power LEDs sind als Einzel-LEDs mit weißer Lichtfarbe und einem nahezu gleichverteiltem Lichtsprektrum im sichtbaren Bereich verfügbar. Alternativ kann aber auch auf sogenannte Multi-LEDs zurückgegriffen werden, die mehrfarbig leuchten können. Beispielsweise können 3 LED-Chips in den Grundfarben Rot, Grün und Blau oder sogar auch 4 LED-Chips in den Grundfarben Rot, Grün und Blau sowie in Weiß auf einem SMD-Träger untergebracht sein.

Der LED-Treiber kann beispielsweise in Form von zwei überlagerten Pulsweitenmodulationen realisiert sein. Mit einer Pulsweitenmodulation wird der effektive Diodenstrom – und damit die Helligkeit der Diode – eingestellt, während die zweite Pulsweitenmodulation für das Takten der jeweiligen LED verantwortlich ist. Wie aus dem Bereich der Lichtwellenleiter-Übertragungstechnik bekannt, können Taktraten im Bereich von 1 Megahertz bei einer LED problemlos realisiert werden. Das Takten einer LED hat unter anderem den Vorteil, dass in jedem Takt neben einem Helligkeitswert (LED an) auch ein Dunkelwert (LED aus) zur Verfügung steht. Hinter dem LED-Verstärker kann der Helligkeitswert dann vom Dunkelwert abgezogen werden, sodass hiermit Störeinflüsse eliminierbar sind.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Lichtempfänger ein Farb-Spannungswandler ist. Ein Farb-Spannungswandler kann beispielsweise aus 3 Photodioden bestehen, denen jeweils ein Farbfilter in den Grundfarben Rot, Grün und Blau vorgeschaltet ist. Der Photostrom ist ein Maß für den Lichteinfall auf dem entsprechenden Wellenlängenbereich. Jeder Photodiode ist danach ein Strom-Spannungswandler nachgeschaltet, sodass die Ausgangsspannung schließlich ein Maß für den Lichteinfall auf dem entsprechenden Wellenlängenbereich ist.

Erfindungsgemäß kann dieser Spannung nunmehr ein Regelverstärker zur optimalen Pegelaussteuerung nachgeschaltet werden.

Bei der Messung der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau sind dann also entsprechend auch drei Regelverstärker erforderlich.

Eine besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors ist die Verwendung als Messglied innerhalb eines Registerreglers einer Druckmaschine.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigen:

1 einen erfindungsgemäßen Sensor nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

2 einen erfindungsgemäßen Sensor nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,

3 einen erfindungsgemäßen Sensor nach einem dritten Ausführungsbeispiel, und

4 einen erfindungsgemäßen Sensor nach einem vierten Ausführungsbeispiel.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor 101 nach einem ersten Ausführungsbeispiel, der hinter einem Druckwerk 102 einer Tiefdruckmaschine angeordnet ist. Von dem Druckwerk 102 schematisch dargestellt sind der Druckzylinder 103 (Presseur) und der Formzylinder 104. Die einzelnen Druckwerke einer Tiefdruckmaschine sind hintereinander angeordnet, wobei die Materialbahn 105 die einzelnen Druckwerke ohne Unterbrechung durchläuft. Der Presseur 103 wird kraftschlüssig über den Formzylinder 103 bei Kontakt mit der Materialbahn 105 angetrieben. Um die Farbübertragung von dem Formzylinder 104 auf die Materialbahn 105 zu begünstigen, kann die Materialbahn kurz vor Erreichen des Presseurs 103 elektrostatisch aufgeladen werden.

Jedes Druckwerk druckt auf die Materialbahn eine Markierung (auch Registermarke genannt). In 1 sind drei Markierungen – also die Markierung 106, die Markierung 107 und die Markierung 108 – dargestellt. Dies bedeutet, dass die Materialbahn 105 bereits drei Druckwerke durchlaufen hat. Beispielsweise stammt also die Markierung 106 von dem ersten Druckwerk, die Markierung 107 von dem zweiten Druckwerk und die Markierung 108 von dem dritten Druckwerk.

In dem Sensor 101 ist als Lichtquelle eine High-Power LED 109 mit weißer Lichtabstrahlung vorgesehen. Die LED 109 wird von einem ansteuerbaren LED-Treiber mit Leistung versorgt, wobei die Leistung über die Steuer- und Auswerteeinheit steuerbar ist.

Der von der LED 109 erzeugte Lichtstrahl verlässt den Sensor 101 über einen halbdurchlässigen Spiegel 111 und über eine Linse 112 und erzeugt auf der Materialbahn einen Lichtfleck 113. In Abhängigkeit von der Oberfläche der Materialbahn wird das Licht des Lichtflecks 113 nach einem für die jeweilige Oberfläche charakteristischem Strahlungsdiagramm zurückgeworfen. Ein Teil dieses zurückgeworfenen Lichts wird von der Linse 112 erfasst und wird von dem halbdurchlässigen Spiegel auf den Lichtempfänger 114 geleitet.

Der Lichtempfänger 114 besteht im Prinzip aus drei Photodioden mit jeweils vorgesetzten Filtern in den Grundfarben Rot, Grün und Blau. Die Photoströme der drei Photodioden werden über einen Strom-Spannungswandler an einen Regelverstärker 115 geleitet.

Da drei Photoströme verstärkt werden müssen, handelt es sich bei dem Regelverstärker 115 tatsächlich um drei getrennte Verstärker, deren Verstärkungsfaktoren über drei getrennte Pegelregler auch getrennt gesteuert werden können. Die Ausgänge der drei Verstärker werden auch von der Steuer- und Auswerteeinheit 116 getrennt ausgewertet. Außerdem steuert die Steuer- und Auswerteeinheit 116 auch die Pegelregler getrennt an. Der Einfachheit halber wird aber im Folgenden diese gesamte Baugruppe insgesamt als Regelverstärker 115 bezeichnet.

Das Ausgangssignal 117 des Regelverstärkers 115 wird der Steuer- und Auswerteeinheit 116 zugeführt. Die Steuer- und Auswerteeinheit 116 hat wiederum drei Ausgänge, nämlich einen ersten Steuerausgang 118 zum Steuern des Verstärkungsfaktors des Regelverstärkers 115, einen zweiten Steuerausgang 119 zum Steuern des LED-Treibers und einen Signalausgang 120, von dem aus das Sensorsignal – d. h. also das Messergebnis – über einen Feldbus (z. B. Ethernet Powerlink) an einen übergeordneten Registerregler weitergegeben wird.

Zur optimalen Pegelaussteuerung und/oder zur optimalen Intensitätsansteuerung wertet die Steuer- und Auswerteeinheit 116 den Pegel des Ausgangssignals 117 des Regelverstärkers 115 aus. Ist der Pegel übersteuert, reduziert die Steuer- und Auswerteeinheit über den Steuerausgang 118 den Verstärkungsfaktor des Regelverstärkers um 10 dB. Liegt nach dieser Reduzierung immer noch einer Übersteuerung vor, dann wird der Verstärkungsfaktor des Regelverstärkers wieder auf den vorherigen Wert zurückgesetzt und es erfolgt dann über den Steuerausgang 119 eine Reduzierung der Leistung des LED-Treibers 110 um 10 dB. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis das Ausgangssignal 117 nicht mehr übersteuert ist. Dieses Ausgangssignal 117 wird sodann über den Steuerausgang 118 durch entsprechende Einstellung des Verstärkungsfaktors des Regelverstärkers 115 optimal ausgesteuert.

Die optimale Pegelaussteuerung und/oder die optimale Intensitätsaussteuerung gemäß 1 erfolgt also nach dem Feed-Back-Prinzip. Bei echtzeitkritischen Anwendungen hat das Feed-Back-Prinzip allerdings den Nachteil der inhärenten Totzeit. Dieser Nachteil kann bei einem Aufbau nach dem Feed-Forward-Prinzip vermieden werden, wie dieser in 2 gezeigt ist.

2 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor nach einem zweiten Ausführungsbeispiel. Es werden im Folgenden nur die prinzipiellen Unterschiede zu 1 erklärt. Im Übrigen wird auf die Beschreibung gemäß 1 verwiesen.

Der Sensor gemäß 2 besteht nunmehr aus einer Feed-Forward-Stufe 201 und der eigentlichen Mess-Stufe 203. Die Mess-Stufe 203 erhält über die Feed-Forward-Leitung 202 ein Feed-Forward-Signal, das grobe Schätzwerte über die Pegel-Informationen und die Positions-Informationen der Markierungen enthält. Diese Informationen werden von der Mess-Stufe 203 dann zur optimalen Pegelaussteuerung und/oder zur optimalen Intensitätsansteuerung verwendet. Über den Signalausgang 204 wird dann das Sensorsignal – d. h. also das Messergebnis – über einen Feldbus (z. B. Ethernet Powerlink) an den übergeordneten Registerregler weitergegeben.

Die Funktionsweise der Feed-Forward-Stufe 201 gleicht im Prinzip der Funktionsweise des Sensors 101 gemäß 1, d. h. die optimale Pegelaussteuerung und/oder die optimale Intensitätsaussteuerung der Feed-Forward-Stufe 201 basiert auf dem in dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Feed-Back-Prinzip. Aufgrund der Totzeit kann die Feed-Forward-Stufe 201 damit zwar nur grobe Schätzwerte über die Pegel-Informationen und die Positions-Informationen der Markierungen ermitteln, aber diese Schätzwerte reichen für die Mess-Stufe 203 aus, um eine optimale Pegelaussteuerung und/oder eine optimale Intensitätsaussteuerung zu gewährleisten. Hinsichtlich der weiteren Funktionsweise des Feed-Forward-Prinzips wird im Übrigen auf die obige Beschreibung in der Beschreibungseinleitung verwiesen.

3 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor nach einem dritten Ausführungsbeispiel. Es werden im Folgenden nur die prinzipiellen Unterschiede zu 1 erklärt. Im Übrigen wird auf die Beschreibung gemäß 1 verwiesen.

Bei dem Sensor 301 gemäß 3 besteht der Unterschied gegenüber dem Sensor 101 gemäß 1 darin, dass nunmehr der Strahlengang des Lichtstrahls derart verläuft, dass auf die Verwendung eines halbdurchlässigen Spiegels verzichtet werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die durch den halbdurchlässigen Spiegel verursachten Verluste vermieden werden können. Um dies zu erreichen, wurden die optische Achse 302 der Lichtquelle und die optische Achse 303 des Lichtempfängers derart verkippt, dass der Einfallswinkel der optischen Achse 302 gerade dem Ausfallswinkel der optischen Achse 303 entspricht.

4 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor nach einem vierten Ausführungsbeispiel. Es werden im Folgenden nur die prinzipiellen Unterschiede zu 3 erklärt. Im Übrigen wird auf die Beschreibungen gemäß 1 und gemäß 3 verwiesen.

Bei dem Sensor 401 gemäß 4 besteht der Unterschied gegenüber dem Sensor 301 gemäß 3 darin, dass der Einfallswinkel der optischen Achse 402 nicht mehr dem Ausfallswinkel der optischen Achse 403 entspricht. Dies hat zur Folge, dass direkte Reflexionen seitens der Materialbahn vermieden werden. Vielmehr wird nur noch dass diffus gestreute Licht des Lichtflecks zum Lichtempfänger zurückgeworfen, sodass der Lichtempfänger bei stark reflektierenden Oberflächen einer Materialbahn weniger übersteuert wird. Mitunter kann auch daran gedacht werden, die beiden Anordnungen gemäß 3 und gemäß 4 zu kombinieren, so wie dies beispielsweise in der EP 2 278 361 A1 beschrieben ist.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • EP 1050843 A2 [0002]
  • EP 2278361 A1 [0002, 0056]