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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Spannungsverteilung über die Breite von biegsamen, sich in ihrer Längsrichtung bewegenden Bändern, vor allem von Stahl- bändern beim Kaltwalzen, bestehend aus einer Umlenkmessrolle, die dicht nebeneinander gelagerte, mit dem unter Spannung umgelenkten Band mitlaufende Ringe aufweist, welche Spannung auf Kraft- messgeber einwirkt, wobei die Kraftmessgeber in unverdrehbarer Stellung mit den Ringen umlaufend ausgeführt und bei nebeneinander angeordneten Ringen peripher gegeneinander versetzt sind.
Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art nach der DE-PS Nr. 1264100 sind die Ringe bei
Torsion gegeneinander verdrehbar und ergeben demgemäss Messfehler. Da die Geber in Reihe ge- schaltet sind, beeinflussen sich deren Ergebnisse auch weiterhin untereinander.
Auch sind nicht mitlaufende Kraftmessgeber bekannt, um welche die Ringe nach der US-PS
Nr. 3, 902, 363, der GB-PS Nr. l, 356, 557, dem DE-GM 6922747 und der Veröffentlichung in "Stahl und
Eisen", 1975, Seiten 1051 bis 1056, umlaufend gelagert sind. Die Kraftmessgeber sind dabei in axial nebeneinander angeordneten Stützelementen der Ringe eingearbeitet, so dass sich elastische Ver- formungen der Umlenkrolle als Ganzes auf das Messergebnis auswirken. Aufwendig sind hiebei auch die für jeden Kraftmessgeber erforderlichen Einzelschaltungen zur Messwertverarbeitung.
Weiterhin ist nach der DE-PS Nr. 1573407 die Aufteilung einer Umlenkmessrolle in eine Anzahl hintereinanderliegender Abschnitte bekannt, von denen jeder eine auf Druck nachgebende Zone besitzt und einen druckempfindlichen Geber aufweist, wobei also starre Ringe nicht ausgebildet sind.
Vom einleitend angeführten Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung dahingehend zu verbessern, dass eine grössere Messgenauigkeit erreicht wird, wobei der zur Zeit noch erhebliche apparative Aufbau geringer und die gesamte Anlage im
Hinblick auf die Wartung anspruchsloser werden soll.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Ringe gegen Verdrehung relativ zu- einander gesichert sind, und dass die Kraftmessgeber zu mehreren in Parallelschaltung an einen gemeinsamen Drehübertrager angeschlossen sind, dessen Ausgang für die Messwertverarbeitung ausge- bildet ist.
Die Verwendung von Kraftmessgebern, die parallel schaltbare Ausgangssignale erzeugen, einer- seits sowie die Verteilung der Kraftmessgeber über die Mantelfläche der Umlenkmessrolle anderseits, führt zunächst zu einer erheblichen Herabsetzung des apparativen Aufwandes für die Signalver- arbeitung. Da sich die Ausgangssignale der Kraftmessgeber parallel schalten lassen, wobei es sich in der Regel um aktive Geber handelt, ist die Verarbeitung einer grösseren Anzahl von Ausgangs- signalen mit einem einzigen Verstärker möglich. Von besonderem Vorteil für die Messgenauigkeit ist weiter das gleiche Nullsignal aller Geber eines Verstärkers. Da sich jeweils zwischen dem
Kraftmessgeber und dem zu messenden Band keine beweglichen Teile mehr befinden, wird die Mess- genauigkeit schon aus diesem Grund wesentlich grösser.
Die einzelnen Kraftmessgeber lassen sich mit hoher Vorspannung mit den Ringen in Verbindung bringen, weil jeglicher Reibungseinfluss zwischen ihnen und den Ringen entfällt. Hiedurch kann man sehr präzise auf optimale, insbesondere lineare Kennlinienbereiche der Gesamtsysteme einstellen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich bei hoher Formsteifigkeit der einzelnen Ringe nur ein geringes Trägheitsmoment der gesamten Umlenkmessrolle ergibt. Insbesondere kann hiedurch auf einen eigenen Antrieb für die Umlenkmessrolle und die damit verbundenen Regelprobleme verzichtet werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen mehreren, untereinander parallel geschalteten Kraftmessgebern und dem Drehübertrager der Verstärker im sich drehenden Teil der Umlenkmessrolle eingeschaltet.
Es lassen sich auch jeweils mehrere Kraftmessgeber gruppenweise parallel schalten, wobei dann jeder Gruppe ein Drehübertrageranschluss bzw. ein Verstärker mit nachgeschaltetem Dreh- übertrageranschluss zugeordnet ist. So lassen sich beispielsweise zwölf weitgehend gleichmässig über den Umfang der Umlenkmessrolle verteilte Kraftmessgeber an einen Messverstärker anschliessen.
Zur Aufnahme der Kraftmessgeber können die Ringe selbst mit peripheren Aussparungen ausgebildet sein. Die Ringe lassen sich indes auch auf Stützringen befestigen, in denen die Kraftmessgeber derart eingebaut sind, dass sie Belastungen der äusseren Ringe Rechnung zu tragen vermögen.
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Für diesen Fall können auch mehrere Ringe gemeinschaftlich auf einem Stützring angeordnet sein, wobei stets eine feste Verbindung zwischen dem Stützring und den äusseren Ringen besteht.
Eine besonders starre Verbindung wird dadurch erreicht, dass die Ringe der Umlenkmessrolle unter Verwendung von sie oder die sie tragenden Stützringe in axialer Richtung durchsetzenden
Schraubbolzen relativ zueinander gegen Verdrehung verspannt sind. Die Schraubbolzen wirken dabei also als Zuganker.
Zur Lagerung der Umlenkmessrolle ist diese stirnseitig mit Scheiben verschlossen, von denen zentrale Lagerzapfen nach aussen vorstehen.
An sich kann die weitere Messwertverarbeitung, insbesondere in einem Microprocessor, un- mittelbar erfolgen, sofern man die Reihenfolge, in der die einzelnen Messsignale aufeinanderfolgen können, und die entsprechenden Messstellen der Kraftmessgeber am Umfang der Umlenkmessrolle bei dieser Weiterverarbeitung der Messwerte berücksichtigt. Wenn beispielsweise zwölf Kraftmessgeber für einen Verstärker vorgesehen sind, deren Verteilung über den Umfang der Umlenkmessrolle berücksichtigt wird, steht für die Weiterverarbeitung des Ausgangssignals des Verstärkers fest, dass die Signale immer nur in der Reihenfolge von 1 bis 12 entsprechend den zugehörigen Stellen am Umfang der Umlenkmessrolle und damit der Breite des Bandes aufeinanderfolgen.
Im Interesse einer weiteren Fehlerausschaltung kann man die Umlenkmessrolle jedoch mit den peripheren Abständen der Kraftmessgeber entsprechenden Impulsgebern versehen, die jeweils Impulse für die Messwertverarbeitung zu dem Zeitpunkt auslösen, zu dem der zugehörige Kraftmessgeber belastet ist.
Die Kraftmessgeber selbst können hydraulische Messdosen sein, die zu mehreren über eine gemeinsame Leitung mit einem Druckumsetzer verbunden sind, der im Innern der Umlenkmessrolle angebracht ist und die Druckwerte in elektrische Signale umformt.
Vor allem eignen sich jedoch mit Piezo-Kristallen versehene Kraftmessgeber, deren Spannungsausgänge zumindest gruppenweise parallel geschaltet sind. Man kann also durchaus auch mehrere Gruppen von Kraftmessgebern verwenden, wobei dann jeder Gruppe ein Verstärker bzw. ein Drehübertragerausgang zugeordnet ist. Die Kraftmessgeber mit Piezo-Kristallen sprechen bereits bei 10-2N an.
Da sie sich bis zu etwa 16, 5 kN belasten lassen, ist vor allem eine Überlastsicherung entbehrlich, die sonst die Anlage immer sehr aufwendig gemacht hat.
Der den Verstärkern und dem Drehübertrager nachgeschaltete Kleinrechner weist zweckmässig weitere Eingänge für die Banddicke und die Bandbreite auf. Auf diese Weise kann man zu einem Messergebnis kommen, bei welchem die Spannungsänderungen des Bandes als relative Längen- änderungen über die Bandbreite dargestellt sind. Ein derartiges Messergebnis gestattet insbesondere die fortlaufende Überprüfung und Steuerung der Betriebszustände mit der Zielsetzung einer gleichmässigen Spannungsverteilung über die gesamte Bandbreite. Durch die erwähnten, zusätzlich zu den Messwerten erzeugbaren Stellungsimpulsen und einem entsprechenden Eingang für diese Stellungsimpulse beim Kleinrechner ist eine besonders zuverlässige Messwertverarbeitung gegeben, so dass der dafür entsprechende Aufwand erheblich reduziert ist.
Die jeweils in zwei Querschnitten mit etwa gleichen Biegemomenten angeordneten Kraftmessgeber sind zweckmässig jeweils um einen in der Nähe von 180 in gleicher Richtung liegenden Winkel gegeneinander versetzt. Diese Anordnung hat den grossen Vorteil, dass Deformationen, denen die Umlenkmessrolle unterliegt, und die auf der der Belastung gegenüberliegenden Seite einen entgegengesetzt gerichteten Spannungszustand erzeugen, weitgehend ausgeglichen werden. Auf diese Weise können Spannungsänderungen in der Umlenkmessrolle selbst die Ausgangsspannungen der Kraftmessgeber praktisch nicht beeinflussen, da sie bei der vorgeschlagenen Anordnung derselben selbsttätig auskompensiert sind.
Wenn jeweils etwa zwölf Kraftmessgeber eine Gruppe bilden, ist insgesamt eine sehr befriedigende, dichte Verteilung der Kraftmessgeber über den Umfang der Umlenkmessrolle gegeben, während die Winkel der Versetzung von in Querschnitten mit etwa gleichen Biegemomenten angeordneten Kraftmessgebern 180 betragen.
Im Anschluss an eine einem Verstärker zugeordnete Gruppe von Kraftmessgebern kann die folgende Gruppe von Kraftmessgebern zweckmässig in periodischer Wiederholung der Anordnung der ersten Gruppe vorgesehen sein. Eine derartige Anordnung macht die Messwertverarbeitung besonders einfach.
Schliesslich ermöglicht es die Erfindung in besonders günstiger Weise, den in Nähe der Bandkanten bestehenden Verhältnissen Rechnung zu tragen. Man kann nämlich die Ringe wegen der wenig raumgreifenden Ausbildung der Kraftmessgeber verhältnismässig schmal machen. Beispielsweise
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kann man mit einer Breite je eines Ringes von etwa 25 mm auskommen. Dadurch gelingt es, bei einer beträchtlichen Gesamtbreite der Umlenkmessrolle die Stellen, an denen die Bandkanten liegen, mit erheblich besserer Präzision zu erfassen, als dies bei breiteren einzelnen Ringen möglich ist.
Anderseits treten im Bereich der Bandmitte weniger stark ausgeprägte Spannungsänderungen auf.
Dies ermöglicht es, im Bereich der Bandmitte Ringe auch ohne Kraftmessgeber auszuführen. Bei einer
1075 mm breiten Umlenkmessrolle kann man so im mittleren Bereich über eine Breite von 575 mm nur jeden zweiten Ring mit einem Kraftmessgeber versehen, so dass man insgesamt mit 30 Kraftmessgebern auskommt, von denen dann zweckmässig jeweils zehn einem gemeinschaftlichen Messverstärker zugeordnet sind.
Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung wird auf die sich auf Ausführungsbeispiele beziehenden, teilweise schematischen Zeichnungen Bezug genommen. Darin zeigen : Fig. l eine teilweise geschnittene Längsansicht einer erfindungsgemässen Umlenkmessrolle, Fig. 2 einen teilweisen Querschnitt entsprechend der Schnittlinie Il-Il der Fig. l, Fig. 3 eine andere erfindungsgemässe Umlenkmessrolle in teilweise geschnittener Längsansicht, Fig. 4 einen teilweisen Querschnitt entsprechend der Schnittlinie IV-IV der Fig. 3, Fig. 5 eine weitere erfindungsgemässe Umlenkmessrolle in teilweise geschnittener Längsansicht, Fig. 6 einen Querschnitt entsprechend der Schnittlinie VI-VI der Fig. 5, Fig. 7 einen teilweisen Querschnitt einer abweichenden Anbringungsart des Kraftmessgebers, Fig.
8 eine schematische Längsansicht auf die Verteilung der Kraftmessgeber über die linke Hälfte einer Umlenkmessrolle und Fig. 9 ein Blockschaltbild für den Einsatz der erfindungsgemässen Umlenkmessrolle.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die Umlenkmessrolle --1-- lediglich im Bereich ihrer beiden Endabschnitte dargestellt, von denen der linke teilweise geschnitten ist. Man erkennt den linken äusseren Ring --2--, dessen offene Stirnseite mit der Scheibe --3-- abschliesst, die ihrerseits den Lagerzapfen --4-- trägt. Auf der gegenüberliegenden, rechten Seite befindet sich gleichfalls eine entsprechende stirnseitige Scheibe --3'-- mit dem Lagerzapfen
Der Ring --2-- ist mit einer Aussparung --5-- ausgebildet, die der Aufnahme des Kraftmessgebers --6-- dient, wie in Fig. 2 vergrössert erkennbar ist. In die Aussparung --5-- ist dabei ein Anker --7-- eingesetzt, der mit einem Schraubbolzen --8-- auf der Innenseite des Ringes-2vorsteht.
Mittels der Schraubmutter --9-- lässt sich der Anker --7-- in der Aussparung --5-- fest verspannen, so dass schliesslich seine Aussenfläche völlig bündig mit der zylindrischen Mantelfläche des Ringes --2-- abschliesst, wohingegen er mit der inneren, ringförmigen Schulter --10-- über
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Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform sind jeweils mehrere Ringe-2, 2', 2"-auf einem gemeinsamen Stützring --14-- angeordnet. Die äusseren Ringe --2, 2', 2"-- sind dabei dünner als beim vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel und insbesondere auch in kleineren Bereichen elastisch verformbar. Die Aussparung --5-- für die Aufnahme des Kraftmessgebers befindet sich dabei, wie vor allem Fig. 4 zu entnehmen ist, im Stützring --14--. In ein Innengewinde --16--
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des Ankers --7-- durchsetzt ist. Der Anker --7-- wirkt wieder auf den Piezo-Quarz --12, 12'--, dessen Messspannung über die Anschlussklemme --13-- abgeleitet wird.
Wesentlich ist bei dieser Ausführungsform, dass der Anker --7- mit seiner Aussenfläche unmittelbar an der Innenseite des Ringes --2- anliegt, und dass die Aussparung sich über einen hinreichenden peripheren Abstand erstreckt, so dass der Ring --2-- im Bereich der Aussparung elastische Kräfte auf den Anker-7- übertragen kann. Letzterer ist im übrigen ähnlich wie im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 mittels ler Schraubmutter-9-fest gespannt.
Bei der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform wurde besonderer Wert auf ein geringes Trägheitsmoment der Umlenkmessrolle gelegt. Zu diesem Zweck sind die Ringe --2-- derart ausgespart, dass sich im Querschnitt stegartige Profile ergeben, wie sie in Fig. 5 durch Schraffur erkennbar sind.
In eine im Bereich der Aussenzone vergrösserte Aussparung des Ringes --2"-- ist hiebei der Kraftmessgeber-6-- eingesetzt, wie auch aus Fig. 6 erkennbar ist. Die äussere Randzone des Ringes - ist dabei als federnder Steg --18-- erhalten geblieben, der beaufschlagbar ist und eine
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Kraft auf den Kraftmessgeber --6-- übertragen kann. Das Band --19-- teilt also seine Zugspannungen über die Breite den über die Breite der Umlenkmessrolle-l-angeordneten Kraftmessgebern jeweils im Scheitelpunkt der Umlenkung mit. Die in Fig. 6 im Querschnitt erkennbaren Schraubbolzen --20-- dienen der beschriebenen Verspannung der einzelnen Ringe untereinander.
Eine abgewandelte Art der Anordnung des Kraftmessgebers veranschaulicht Fig. 7. In der Aus- sparung --5-- befindet sich der Piezo-Quarz --12, 12'-- zwischen einem in den Ring --2-- einge- brachten Druckstück --21-- und dem Justierstück --22--.
Je nach Einstellung des Schraubbolzens --23-- mittels der Schraubmutter --9-- lassen sich unterschiedlich starke Vorspannkräfte erzeugen.
Die Abwicklung der Mantelfläche der Umlenkrolle-l-gemäss Fig. 8 lässt schematisch die
Verteilung der Kraftmessgeber --6-- erkennen, von denen jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein Teil zur Darstellung gelangt ist. In Nähe des linken Randes --24-- ist jeder einzelne
Ring --2--, der eine Breite von etwa 25 mm haben kann, mit einem Kraftmessgeber versehen. Mehrere aufeinanderfolgende Kraftmessgeber bilden die erste Gruppe, die dem Verstärker --26-- zugeordnet ist. Die anschliessende Gruppe von Kraftmessgebern ist auf den Verstärker --26'-- geleitet, wohin- gegen die dann folgende, mittlere Gruppe der Kraftmessgeber, die nur bei jedem zweiten Ring vorge- sehen sind, dem Verstärker --26"-- zugeordnet sind.
Wenngleich nur ein Teil der Kraftmessgeber zur Darstellung gelangt ist, vermittelt Fig. 8 doch bereits ein anschauliches Bild über die gleich- mässige Verteilung der Kraftmessgeber über den Umfang der Umlenkmessrolle sowie über die Zuordnung der einzelnen Kraftmessgeber zu mit der Umlenkmessrolle in deren Innerem umlaufenden Verstärkern - -26, 26'und 26"--.
Die Gesamtanordnung gemäss Fig. 9 lässt erkennen, dass einzelne Gruppen von Kraftmessgebern --6--, von denen lediglich einer mit einem Bezugszeichen versehen ist, den Verstärkern-26, 26' und 26"-- zugeordnet sind. Letztere sind mit ihren Ausgangssignalen auf den Drehübertrager --27-- geschaltet, der beispielsweise ein Quecksilberübertrager sein kann. Ausserdem erkennt man schematisch den zur Umlenkmessrolle --1-- gehörenden Impulsgeber --28--, der den Stellungen der Kraftmessgeber --6-- entsprechende Impulse erzeugt. Sowohl die verstärkten Messsignale als auch die Impulse werden dem Kleinrechner --29-- zugeführt, in den ausserdem noch in der dargestellten Weise die Bandbreite --31-- und die Banddicke --32-- eingespeist werden.
Dies ermöglicht eine Darstellung der Verteilungskurve --30-- der relativen Längenänderung über die Bandbreite --31--, auf Grund deren die Betriebsbedingungen in der beschriebenen Weise verbessert werden können.
Um zu einer weiteren Aussage bezüglich der Längenänderungen zu kommen, ist der Klein- rechner --29-- zweckmässig noch mit zwei weiteren Eingängen versehen, von denen einer dem Elastizitätsmodul des Stahls, aus dem die Stahlbänder bestehen, zugeordnet ist, während der andere dem Umschlingungswinkel Rechnung trägt, wie er zwischen der Umlenkmessrolle und dem Stahlband besteht. Durch die zusätzliche Eingabe dieser beiden Grössen lassen sich aus den Spannungen sehr gut die tatsächlichen Längenwerte ermitteln.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Messen der Spannungsverteilung über die Breite von biegsamen, sich in ihrer Längsrichtung bewegenden Bändern, vor allem von Stahlbändern beim Kaltwalzen, bestehend aus einer Umlenkmessrolle, die dicht nebeneinander gelagerte, mit dem unter Spannung umgelenkten Band mitlaufende Ringe aufweist, welche Spannung auf Kraftmessgeber einwirkt, wobei die Kraftmessgeber in unverdrehbarer Stellung mit den Ringen umlaufend ausgeführt und bei nebeneinander angeordneten Ringen peripher gegeneinander versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe (2) gegen Verdrehung relativ zueinander gesichert sind, und dass. die Kraftmessgeber (6) zu mehreren in Parallelschaltung an einen gemeinsamen Drehübertrager (27) angeschlossen sind, dessen Ausgang für die Messwertverarbeitung ausgebildet ist.