TECHNISCHES GEBIET
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Unter anderem in der Papier-, Kunststoff-, Textil- und Metallindustrie, das heißt dort, wo
sich die Frage der Herstellung von Papier, Gewebe verschiedener Art und gewalzten bzw.
gewickelten Produkten in der Form einer endlosen bzw. ununterbrochenen Materialbahn
(continuous web) stellt, besteht ein beträchtlicher Bedarf, Zugkraft und/oder
Zugbeanspruchung bzw. Zugspannung in der ununterbrochenen Materialbahn zum Anzeigen,
Überwachen und Steuern des Herstellungsverfahrens erfassen zu können. Die vorliegende
Erfindung basiert auf einer Vorrichtung, welche entworfen ist, entweder als eine integrierte
Erfassungsdose bzw. Meßdose (load cell) mit zwei Einzel-Achsen-erfassenden Kraft-
Erfassungsgrößenumformern (single-shaft measuring force transducers) oder als zwei
Einzel-Achsen-erfassende Erfassungsdosen, die zusammen die Kraft auf einem Objekt,
beispielsweise einem Tragarm, erfassen. Zur Bestimmung der Zugkraft in einer
ununterbrochenen Materialbahn, wird weiter angenommen, daß die Materialbahn über eine
Ablenk-Rolle läuft, die auf beiden Seiten in einem derartigen Tragarm gelagert bzw. drehbar
gelagert bzw. mit Zapfen gelagert (journalled) ist. Die Erfindung umfasst weiter ein
Verfahren, welches mit Hilfe der erfassten Größen und einiger bekannter geometrischer
Bedingungen, die Bestimmung der Größe und Richtung der Gesamtkraft ermöglicht, d. h. die
Durchführung einer Zwei-Achsen-Kraft-Erfassung ermöglicht. Dieses wird letztlich bei der
Bestimmung der Zugkraft und/oder der Zugbeanspruchung in einer ununterbrochenen
Materialbahn angewendet, wobei entweder der Eintrittswinkel α oder der Austrittswinkel β
der ununterbrochenen Materialbahn unbekannt ist.
STAND DER TECHNIK, DIE AUFGABEN
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Ein bekanntes Prinzip zur Erfassung von Zugkraft und/oder Zugbeanspruchung in einer
ununterbrochenen Materialbahn ist in der ABB-Druckschrift "Pillow Block Web
Tensiometer" ("Lagerbock-Materialbahn-Tensiometer"), 3BSE 004327R0001 beschrieben.
Die Erfassung wird normalerweise derart durchgeführt, daß die Materialbahn über eine
Ablenk-Rolle laufen kann, die an jedem Wellen-Ende in einem Tragarm gelagert ist, der auf
einer Erfassungsdose angebracht ist. Diese wiederum ist an einer starren Basis befestigt. Die
Erfassungsdose besteht aus einem Erfassungsdosen-Gehäuse, auf das im allgemeinen als
Lagerbock Bezug genommen wird, mit einem eingebauten Erfassungsgrößenumformer,
vorzugsweise vom magnetoelastischen Typ. Das Erfassungsdosen-Gehäuse ist derart
entworfen, daß die Erfassungsdose lediglich die Kraft erfasst, die in Längsrichtung der
Erfassungsdose und parallel zu der Anbringungsoberfläche gerichtet ist. Dieser
Erfassungsdosen-Typ wird normalerweise auf einer horizontalen Oberfläche angebracht und
gewöhnlich wird auf diesen als horizontal-erfassende Erfassungsdose Bezug genommen, da
er auf Kräfte in der horizontalen Richtung davon empfindlich ist.
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Auch gibt es vertikal-erfassende Erfassungsdosen vom Lagerbock-Typ, was unter anderem
aus der KELK-Druckschrift "MONOBLOC", MST-BR-696, klar wird. Diese erfasst
lediglich die Kraft, die senkrecht zu der Anbringungsoberfläche verläuft. Dieser
Erfassungsdosen-Typ weist normalerweise mindestens zwei eingebaute Erfassungsgrößenumformer
auf, um auf diese Art die Konstruktion zu stabilisieren.
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Ebenso gibt es Drehmoment-erfassende Erfassungsdosen vom Lagerbock-Typ, welche das
Drehmoment erfassen, das über der Erfassungsdose und dem Tragarm entsteht. Dieser Typ
von Erfassungsdose weist einen eingebauten Erfassungsgrößenumformer auf und erfaßt alle
nicht durch den Drehmoment-Punkt des Erfassungsgrößenumformers gerichteten Kräfte.
Zum Berechnen der Zugkraft und/oder der Zugbeanspruchung in der Materialbahn, muß die
Stellung des Axialpunkts an der Ablenkvorrichtung in Bezug zur Stellung des
Drehmomentpunkts der Erfassungsdose bekannt sein. Eine derartige Erfassungsdose wird unter anderem
aus der KELK-Druckschrift "Tensiometers for Rolling Mills" ("Tensiometer für
Walzwerke") klar.
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Um die Zugkraft und/oder die Zugbeanspruchung in einer Materialbahn mit irgendeinem der
vorstehend beschriebenen Erfassungsdosen-Typen berechnen zu können, ist es zusätzlich
notwendig den Eintrittswinkel α und den Austrittswinkel β der Materialbahn in Bezug auf
eine horizontale Ebene zu kennen.
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Bei bestimmten Walz- bzw. Wickel-Verfahren (rolling processes), insbesondere im
Zusammenhang mit einem Wickelvorgang (coiling), wird jedoch einer der
Ablenkungswinkel gleichzeitig mit dem entweder abnehmenden oder zunehmenden
Durchmesser der Spule bzw. Rolle (coil) variieren, in Abhängigkeit davon, ob es sich um
eine Aufwickel- oder eine Abwickel-Frage handelt. Um unter diesen Umständen die
Zugkraft mit den vorstehend erwähnten Erfassungsdosen erfassen zu können, müß die Kraft-
Erfassung mit einer Erfassung des variablen Winkels ergänzt werden, was sowohl
kostspielig, als auch in bestimmten Fällen unzuverläßlich ist.
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In diesem Fall und in einigen anderen Zusammenhängen ist es wünschenswert in ein und
derselben Erfassungsdose, sowohl die Horizontal-, als auch die Vertikal-Kraftkomponente
einer gegebenen Kraft erfassen zu können, das heißt eine Zwei-Achsen-Erfassung der Kraft
auszuführen. Das Entwerfen einer derartigen Erfassungsdose durch Kombinieren der
vorstehend beschriebenen horizontal-erfassenden Erfassungsdose mit einer vertikal-erfassenden
Erfassungsdose würde jedoch einen Entwurf mit einigen Nachteilen mit sich bringen.
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Die Erfassungsdose muß dann mindestens drei Kraft-Erfassungsgrößenumformer umfassen,
was zu einem kompliziertem Entwurf führt. Aus Platzgründen ist es wünschenswert, daß
diese Erfassungsdosen so niedrig wie möglich sind. Ein Entwurf mit mindestens drei
Erfassungsgrößenumformern wird jedoch notwendigerweise relativ hoch sein. Zusätzlich
muß eine Erfassungsdose mit horizontal-erfassenden Erfassungsgrößenumformern
notwendigerweise in der horizontalen Richtung schwächer hergestellt werden, als eine
Erfassungsdose mit nur vertikal-erfassenden Erfassungsgrößenumformern. Dies stellt einen
beträchtlichen Nachteil dar, wenn die Erfassungsdose in einer Bearbeitungs-Anlage bzw.
-Bahn (processing line) angeordnet ist, bei der steife Befestigungen notwendig sind.
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Im Falle einer Vorrichtung mit zwei eingebauten Erfassungsgrößenumformern, seien es
entweder zwei vertikal-erfassende Erfassungsgrößenumformer oder zwei
horizontalerfassende Erfassungsgrößenumformer, umfasst ein Bestimmen einer Zugkraft und/oder
Zugbeanspruchung in einer Materialbahn einfache Mechanik und entspricht der Technik, die
verwendet wird, wenn lediglich ein Erfassungsgrößenumformer verwendet wird. Die
Bestimmung gemäß dem Stand der Technik wird aus der nachstehenden Beschreibung klar.
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Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung mit zwei vertikal-erfassenden Erfassungsgrößenumformern.
Angenommen wird, daß die Materialbahn 1, in der angestrebt wird eine Zugkraft FD
und/oder eine Zugbeanspruchung zu erfassen, über eine Ablenk-Rolle 2 läuft, die zwischen
zwei Tragarmen 3 angeordnet ist, die jeweils auf einer separaten Erfassungsdose 4
angeordnet sind.
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Die Erfassungsdose ist mit zwei identischen Vertikal-Kraft-erfassenden
Erfassungsgrößenumformern A und B angeordnet, die jeweils auf einer Seite von einer vertikalen Ebene durch
die Zentrumslinie bzw. Mittellinie der Welle des Tragarms, und in ein und demselben
Abstand L davon entfernt angeordnet sind, und wobei deren Zentren in demselben vertikalen
Abstand h von einer horizontalen Ebene durch die Mittellinie des Tragarms angeordnet sind.
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Es wird angenommen, daß die Ablenk-Rolle in derartiger Weise in den Tragarmen gelagert
ist, daß die Reibung, wenn sich die Ablenk-Rolle mit dem Streifen dreht, zur Entstehung
eines vernachlässigbaren Drehmoments führt.
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Falls die Ablenk-Rolle einer, durch die ununterbrochene Materialbahn erzeugten Last
unterworfen ist, so wird die Gesamtkraft zwischen den zwei Erfassungsdosen verteilt. Falls
die Materialbahnspannung über die Materialbahn ungleichmäßig ist, so wird die Kraft auf
den Erfassungsdosen unterschiedlich sein. In Systemen, bei denen angenommen werden
kann, daß die Materialbahnspannung gleichmäßig über den Streifen verteilt ist, ist es folglich
im Prinzip ausreichend die Kräfte an einer Seite der Rolle zu erfassen. In Systemen, bei
denen eine größere Genauigkeit und Verläßlichkeit erforderlich sind, ist eine Kraft-Erfassung
an beiden Enden der Rolle notwendig.
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Beim Belasten der Ablenk-Rolle, werden die Kraft-Erfassungsgrößenumformer A und B die
Kräfte FA beziehungsweise FB erfassen. Wie nachstehend angegeben, ist mit bekannter und
herkömmlicher Technik die gesamte Vertikal-Kraft auf einer Erfassungsdose folglich
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FV = FA + FB (1)
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Unter Kenntnis des Eintrittswinkels α und des Austrittswinkels β der Materialbahn in Bezug
auf eine horizontale Ebene, kann die Zugkraft in der Materialbahn folglich in herkömmlicher
Weise bestimmt werden (siehe beispielsweise Gleichung 12).
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Die US 3,495,453 und die DE 2510913 offenbaren jeweils eine Vorrichtung zur Zwei-
Achsen-Erfassung von Kraft mittels zweier parallel zueinander angeordneter Kraft-
einführender Teile. Die Kräfte werden in Richtungen erfasst, die in einer Richtung um eine
gemeinsame Erfassungsrichtung geneigt sind. Die US 3,204,454, US 3,526,129 und
DE 3609623 zeigen jeweils Anordnungen zum Erfassen von Zugkräften in Gegenständen in
der Form eines Streifens oder dergleichen. Die Vorrichtungen enthalten jeweils zwei Kraft-
übermittelnde, parallel zueinander angeordnete Elemente. In ähnlicher Weise zeigt die
DE 2552576 eine Erfassungsdose zum Erfassen von Kraft einschließlich eines
magnetoelastischen Erfassungsgrößenumformers, der zwischen zwei parallelen Kraft-
übermittelnden Elementen angeordnet ist. Die US 3,824,846 zeigt eine Haltevorrichtung für
einen Kraft-Erfassungsgrößenumformer, der zwei Verbindungsteile umfasst, die zueinander
parallel angeordnet sind und als schwache Federn in der Erfassungsrichtung dienen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Erfassungsdose mit symmetrisch angeordneten
vertikal-erfassenden Kraft-Erfassungsgrößenumformern gemäß herkömmlicher Technik
(Stand der Technik).
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Fig. 2 zeigt eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform einer Erfassungsdose mit
symmetrisch angeordneten Kraft-Erfassungsgrößenumformern, welche die Kraft unter einem
Winkel in Bezug zur vertikalen Richtung erfassen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Bestimmung einer Zugkraft in einer
Materialbahn, die unter einem Eintrittswinkel und einem Austrittswinkel, auf welche nachstehend als
Ablenkungswinkel Bezug genommen wird, über eine Ablenk-Rolle läuft. Das Verfahren
setzt eine Erfassungsvorrichtung voraus mit entweder zwei vertikal-erfassenden Kraft-
Erfassungsgrößenumformern oder zwei horizontal-erfassenden
Kraft-Erfassungsgrößenumformern, welche unter einem Winkel in Bezug zur vertikalen Erfassungsrichtung
angebracht sind, oder erfindungsgemäß, mit zwei, die Kraft unter einem Winkel in Bezug zur
vertikalen Erfassungsrichtung erfassenden. Kraft-Erfassungsgrößenumformern. Die
Bestimmung basiert auf einer Zerlegung der Zugkraft in zwei senkrecht zueinander
angeordnete Komponenten, wobei auf die Bestimmung nachstehend als "Zwei-Achsen-
Erfassung einer Kraft" Bezug genommen wird.
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Die Bestimmung der Zugkraft gemäß dem Stand der Technik nimmt einen Zugang zu beiden
Ablenkungswinkeln an. Die Erfindung gewährt eine Möglichkeit zur Bestimmung der
Zugkraft in der Materialbahn unter Kenntnis von lediglich einem der Ablenkungswinkel.
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Wenn das Material nach Durchlaufen der Ablenk-Rolle zu einer Trommel (reel) geführt
wird, wird kontinuierlich einer der Ablenkungswinkel verändert. Die Erfindung gewährt eine
Möglichkeit zur kontinuierlichen Bestimmung des variierenden Ablenkungswinkels.
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Die Erfindung umfasst ebenfalls eine Vorrichtung zur Kraft-Erfassung unter einem Winkel
in Bezug zu der vertikalen Richtung.
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Beginnend bei Fig. 1, ist wie vorstehend beschrieben die Vertikal-Kraft auf der
Erfassungsdose:
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FV = FA + FB (1)
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst nun, daß mit den Erfassungsgrößenumformern A
und B eine Zwei-Achsen-Erfassung der die Erfassungsdose beeinflussenden Kraft erreicht
wird durch Bestimmung der jede Erfassungsdose beeinflussenden Horizontal-Kraft FH und
durch Bestimmung der Zugkraft FD in der Materialbahn mit Hilfe von FV und FH.
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Die Horizontal-Kraftkomponente FH, die entsteht, wenn die Materialbahn über die Ablenk-
Rolle läuft, führt zur Entstehung eines Drehmoments auf der Erfassungsdose. Unter der
Annahme, daß der Erfassungsgrößenumformer A die Kraft erfasst, durch welche die
Materialbahn die Ablenk-Rolle und den Tragarm auf der Eingangsseite beeinflusst, und daß
der Erfassungsgrößenumformer B die Kraft erfasst, durch welche die Materialbahn die
Ablenk-Rolle und den Tragarm auf der Ausgangsseite beeinflusst, wird die resultierende
Horizontalkraft FH von der Materialbahn ein Drehmoment auf das Erfassungsdosengehäuse
entwickeln, welches gleich ist zu
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FH·h = FB·L - FA·L (2)
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das heißt,
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FH = (FB - FA)L/H (3)
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Da die Ablenk-Rolle in dem Tragarm in einer Drehmoment-freien Weise gelagert ist, wird
die Addition zu der vorstehenden Drehmoment-Gleichung (2) gleich Null sein, was eine
Folge davon ist, daß der Kraftaufbringungspunkt tatsächlich in einem Abstand gleich dem
Radius der Ablenk-Rolle vom Zentrum der Ablenk-Rolle ist.
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Unter einem allgemeinen Gesichtspunkt ist natürlich nicht notwendig, daß die
Erfassungsgrößenumformer in einer derartigen, symmetrischen Weise wie vorstehend beschrieben
angeordnet werden. In einer alternativen Ausführungsform können die
Erfassungsgrößenumformer in unterschiedlichen Abständen LA beziehungsweise LB von einer
vertikalen Ebene durch die Mittellinie der Welle der Ablenk-Rolle und in unterschiedlichen
Abständen hA beziehungsweise hB von der horizontalen Ebene durch die Mittellinie der
Ablenk-Rolle angeordnet sein.
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Dies führt zu komplizierteren Berechnungen, wobei das System jedoch unter der
Voraussetzung weiterhin gelöst werden kann, daß die Kraft-einführenden und tragenden Teile viel
steifer als die Erfassungsgrößenumformer sind, was praktisch immer erfüllt ist. Zusätzlich ist
erforderlich, daß die Temperatur in den Kraft-einführenden und tragenden Teilen gleich ist.
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Falls der Unterschied zwischen den Abständen hA und hB gering ist, so wird in einer sehr
guten Näherung die Horizontal-Kraft FH gleich sein zu:
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FH = 2(FBLB - FALA)/(hA + hB) (4)
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung der Zugkraft in einer Materialbahn kann
ebenfalls verwendet werden, falls die Erfassungsvorrichtung zwei horizontal-erfassende
Kraft-Erfassungsgrößenumformer umfasst. Diese Erfassungsgrößenumformer müssen dann
auf unterschiedlichen Seiten einer horizontalen Ebene durch die Mittellinie der Welle der
Ablenk-Rolle angeordnet sein und ihre Zentren dürfen nicht in einer vertikalen Ebene durch
die Mittellinie der Welle der Ablenk-Rolle liegen.
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Allgemein kann gesagt werden, daß die Kraft-Komponente der Zugkraft in der Materialbahn,
die in die gemeinsame Erfassungsrichtung der Kraft-Erfassungsgrößenumformer gerichtet
ist, gemäß
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FM = FA + FB (5)
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bestimmt wird.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Kraft-Komponente der Zugkraft, die
senkrecht zu der Erfassungsrichtung der Kraft-Erfassungsgrößenumformer gerichtet ist,
gemäß
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FVM = 2(FBLB - FALA)/(hA + hB) (6)
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bestimmt werden.
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Die Abstände LA, LA, hA beziehungsweise hB werden in diesem allgemeinen Fall durch die
Tatsache definiert, daß die Kraft-erfassenden Teile A und B in dem Abstand LA
beziehungsweise LB auf getrennten Seiten einer parallel zu der Erfassungsrichtung durch das Zentrum
der Ablenk-Rolle verlaufenden Ebene und in dem Abstand hA beziehungsweise hB auf der
selben Seite einer senkrecht zu der Erfassungsrichtung durch das Zentrum der Ablenk-Rolle
verlaufenden Ebene angeordnet sind.
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Unter einem allgemeinen Gesichtspunkt kann eine Vorrichtung bei der das
erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist, zwei Kraft-Erfassungsgrößenumformer umfassen, welche
die Kraft unter einem Winkel in Bezug auf die vertikale Richtung erfassen. Von den
Erfassungsgrößenumformern wird angenommen, daß sie auf unterschiedlichen Seiten einer
vertikalen Ebene durch die Mittellinie der Welle der Ablenk-Rolle und in einem Abstand von
der horizontalen Ebene durch die Mittellinie der Ablenk-Rolle angeordnet sind.
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Fig. 2 zeigt einen symmetrischen Fall, worin die Erfassungsgrößenumformer in dem
gleichen Abstand L von der vertikalen Ebene durch die Mittellinie der Welle der Ablenk-
Rolle und im gleichen Abstand h von der horizontalen Ebene durch die Mittellinie der
Ablenk-Rolle angeordnet sind und worin die Kraft-Erfassungsgrößenumformer die Kraft in
einer Richtung erfassen, die unter einem Winkel von ±φ von einer vertikalen Ebene durch
die Mittellinie der Welle der Ablenk-Rolle ausgelenkt ist bzw. abweicht.
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In diesem Fall kann die Vertikal-Kraft als
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berechnet werden. Die Horizontal-Kraft wird gleich:
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FH = (FB - FA)L/(hcosφ + Lsinφ) (8)
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Falls, parallel zu der vorstehenden, die Erfassungsrichtung bei zwei vertikal-erfassenden
beziehungsweise zwei horizontal-erfassenden Erfassungsgrößenumformern betreffenden
Argumentation, die Kraft-Komponente FMM in einer mittleren Erfassungsrichtung in der
vertikalen Ebene durch die Mittellinie der Welle der Ablenk-Rolle und die Kraft-
Komponente in einer Richtung senkrecht dazu als FVMMM definiert sind, so ist es wie
vorstehend erwähnt möglich, in einem allgemeinen Fall jene Komponente der Zugkraft in der
Materialbahn zu bestimmen, die in die mittlere Erfassungsrichtung der
Kraft-Erfassungsgrößenumformer gerichtet ist, gemäß
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und jene Komponente der Zugkraft in der Materialbahn, die senkrecht zu der mittleren
Erfassungsrichtung gerichtet ist, kann in entsprechender Weise bestimmt werden:
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FVMM = (FB - FA)L/(hcosφ + Lsinφ) (10)
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In jenen Fällen, bei denen die Erfassungsrichtung unter einem bestimmten Winkel ausgelenkt
ist, umfasst der Schutzbereich der Erfindung auch Ausführungsformen, bei denen die
Erfassungsgrößenumformer bei unterschiedlichen Abständen L und h angeordnet sein können.
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Ein Erfassen von Kräften unter einem Winkel zu der mittleren Erfassungsrichtung kann
vorteilhaft zum Minimieren der transversalen Kraft bzw. Querkraft (transverse force) sein, das
heißt jener Kraft-Komponente, die senkrecht zu der Kraft-Komponente gerichtet ist, die
durch jeden der Erfassungsgrößenumformer erfasst wird. Hohe transversale Kräfte auf
Erfassungsgrößenumformern verschlechtern die Genauigkeit der Erfassung und sollten
deshalb vermieden werden.
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Normalerweise werden große transversale Kräfte vermieden, indem die Erfassungsdose unter
einem derartigen Winkel ausgelenkt wird, daß die Erfassungsrichtung oder die mittlere
Erfassungsrichtung mit der Richtung des mittleren Werts der Gesamtkraft zusammenfällt,
welche die Ablenk-Rolle beeinflusst.
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Falls die senkrecht zu dieser Richtung verlaufende Kraft-Komponente stark variiert, und falls
der Abstand zwischen dem Kraft-Erfassungsgrößenumformer und der Ablenk-Rolle groß ist,
das heißt, falls der Maximalwert von FVMMM/FMM größer als L/h ist, so kann die transversale
Kraft minimiert werden, in dem der vorstehend genannte Winkel φ gemäß
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φ = arctan(L/h) (11)
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gewählt wird.
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Falls vertikal-erfassende oder horizontal-erfassende Erfassungsgrößenumformer verwendet
werden, ist zum Berechnen der Zugkraft FD in der Materialbahn bei jedem Tragarm,
Information über die Ablenkungswinkel α und β der Materialbahn in Bezug auf eine Ebene
senkrecht zu der Erfassungsrichtung der Kraft-Erfassungsgrößenumformer notwendig. Die
Zugkraft wird dann gemäß
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FD(sinα - sinβ) = FM (12)
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bestimmt.
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Unter Annahme eines erfindungsgemäßen Erfassungsgrößenumformers mit unter einem
bestimmten Winkel ausgelenkten Erfassungsrichtungen, wird die gleiche Gleichung für die
Zugkraft erhalten, falls FM durch F~ ersetzt wird, das heißt
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FD(sinα - sinβ) = FMM (12a)
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Unter Annahme eines Gleichgewichts der Kräfte senkrecht zu der Erfassungsrichtung der
Kraft-Erfassungsgrößenumformer kann jedoch eine zusätzliche Gleichung
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FD(cosα - cosβ) = FVMM (13)
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erhalten werden.
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Wenn die Kraft senkrecht zu der Erfassungsrichtung nunmehr bekannt ist, so bilden die
Gleichungen (12a) und (13) ein Gleichungssystem. Wie vorstehend erwähnt, wird in Spulen
umfassenden Einrichtungen einer der Ablenkungswinkel variieren. Indem diese Gleichungen
kombiniert werden und von jenem der Ablenkungswinkel, der konstant ist, ausgegangen
wird, kann die Zugkraft unabhängig von dem variierenden Ablenkungswinkel bestimmt
werden.
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Wenn der Winkel β der unbekannte Winkel ist, so wird das Nachstehende erhalten:
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FD = -(FMM² + FVMM²)/2(FVMM cosα - FMM sinα) (14)
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Wenn der Winkel α der unbekannte Winkel ist, so wird erhalten:
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FD = (FMM² + FVMM²)/2(FVMM cosβ - FMM sinβ) (15)
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Falls die Erfassungsrichtung der Kraft-Erfassungsgrößenumformer vertikal oder horizontal
ist, so sind die gleichen Gleichungen bei FD anwendbar, falls FMM durch FM ersetzt wird, und
falls FVMM durch FVM ersetzt wird, gemäß den Gleichungen (5) und (6).
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Die Gesamtzugkraft von dem Streifen wird durch Summieren der Beiträge von den zwei
Erfassungsdosen auf getrennten Seiten der Ablenk-Rolle erhalten.
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Zusätzlich kann der variable Ablenkungswinkel an jedem Tragarm bestimmt werden, und
folglich kann Information erhalten werden, wie weit das Wickeln vorangeschritten ist. Auf
diese Weise ist ebenfalls möglich, daß falls das Wickeln ungleichmäßig durchgeführt wird,
dieses erfasst wird und eine Warnung erfolgt.
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Falls der Winkel β der Unbekannte ist, so wird das Nachstehende erhalten:
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Falls der Winkel α der unbekannte Winkel ist, so wird statt dessen das Nachstehende
erhalten:
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Falls die Erfassungsrichtung der Kraft-Erfassungsgrößenumformer vertikal oder horizontal
ist, so sind die gleichen Gleichungen anwendbar, falls FMM durch FM ersetzt wird, und falls
FVMM durch FVM ersetzt wird, gemäß den Gleichungen (5) und (6).
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Alternativ ist es möglich durch Vergleichen der berechneten Ablenkungswinkel an jedem
Tragarm eine hohe Reibung in einem der Tragarme anzuzeigen und davor zu warnen.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren weisen folglich
beträchtliche Vorteile im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen zur Bestimmung der
Zugkraft in einer ununterbrochenen Materialbahn auf, wobei einer der Ablenkungswinkel
unbekannt ist.
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Schließlich besteht keine Erfordernis, daß die vorstehend beschriebenen
Kraft-Erfassungsgrößenumformer in ein und derselben Erfassungsdose integriert sind. Das erfindungsgemäße
Verfahren kann ebenfalls bei einer Situation angewendet werden, wenn mit Hilfe von zwei
unterschiedlichen, in der gleichen Weise wie vorstehend die
Kraft-Erfassungsgrößenumformer angeordneten Erfassungsdosen, die von einem Tragarm erhaltenen Kräfte erfasst
werden.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird aus Fig. 2 klar. Eine
Materialbahn 1 läuft über eine Ablenk-Rolle 2, deren eine Seite in einem Tragarm 3 gelagert
ist. Die andere Seite ist in einem entsprechenden Tragarm gelagert. Von der Ablenk-Rolle
wird angenommen, daß sie in einer derartigen Weise in den Tragarmen gelagert ist, daß
wenn sich die Ablenk-Rolle mit dem Streifen dreht, die Reibung zur Entstehung eines
vernachlässigbaren Drehmoments führt. Während eines Betriebs, wird die Welle der Ablenk-
Rolle durch die Vertikal-Kraft FV und die Horizontal-Kraft FH beeinflusst. Jeder Tragarm ist
an einer Erfassungsdose befestigt, welche umfasst, ein Kraft-einführendes Teil in der Form
eines Erfassungsdosengehäuses 4 und die Kraft-Erfassungsgrößenumformer A und B, die
unter einem Winkel ausgelenkt sind, um die Kräfte FA beziehungsweise FB unter einem
Winkel φ zu der vertikalen Linie bzw. Vertikalen zu erfassen. Das Erfassungsdosengehäuse
ist wiederum an einer Basis 5 befestigt. Der Eintrittswinkel α und der Austrittswinkel β der
Ablenk-Rolle in Bezug auf eine horizontale Ebene sind ebenfalls in der Figur angegeben.
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Die Zentren der Erfassungsgrößenumformer A und B sind auf jeweiligen Seiten einer
vertikalen Ebene durch eine Mittellinie der Welle der Ablenk-Rolle angeordnet. Unter einem
allgemeinen Gesichtspunkt ist der Abstand von dieser Ebene zu dem Zentrum von
Erfassungsgrößenumformer A LA, und der Abstand von dieser Ebene zu dem Zentrum von
Erfassungsgrößenumformer B ist LB. Das Zentrum von Erfassungsgrößenumformer A ist
zusätzlich, unter einem allgemeinen Gesichtspunkt, in einem vertikalen Abstand hA von einer
horizontalen Ebene durch eine Mittellinie der Welle der Ablenk-Rolle angeordnet, und das
Zentrum von Erfassungsgrößenumformer B ist in einem vertikalen Abstand hB von der
gleichen horizontalen Ebene angeordnet. In der begleitenden Figur sind jedoch die
horizontalen Abstände LA und LB derart gezeichnet, daß LA = LB = L und die vertikalen
Abstände hA und hB sind derart gezeichnet, daß hA = hB = h.
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Die Software und die Algorithmen, die notwendig sind, um die in der Materialbahn
auftretende Zugkraft FD und die entsprechende mechanische Beanspruchung gemäß den in
der Beschreibung der Erfindung enthaltenen Gleichungen zu berechnen, zählen heutzutage
zu herkömmlicher Technik und werden deshalb hier nicht beschrieben werden.
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Wie vorstehend unter "STAND DER TECHNIK" beschrieben, sind die
Erfassungsgrößenumformer vorzugsweise vom magnetoelastischen Typ. Die Beschreibung der Erfindung ist
deshalb auf Basis dieser Annahme skizziert. Innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung ist
natürlich möglich, daß Erfassungsgrößenumformer auf der Basis anderer
Erfassungsprinzipien verwendet werden, derart wie beispielsweise Dehnungs-Erfassungseinrichtungen
bzw. Dehnungsmeßstreifen etc., welche die gleichen Kräfte wie die in der Figur gezeigten
Erfassungsgrößenumformer erfassen.