Vorrichtung zum Messen der Zugspannung in einem biegsamen Teil
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Zugspannung in einem biegsamen Teil mit Hilfe von drei Rollen, bei welcher auf dem über zwei benachbarte ortsfeste Rollen laufenden biegsamen Teil eine lageveränderliche, in den Spalt zwischen diesen Rollen eintauchende und ein Potentiometer verstellende dritte Rolle mit Druck aufliegt, deren Eintauchtiefe und Umschlingungswinkel sich mit wachsender Spannung im biegsamen Teil verkleinern.
Für die Erfindung g kommen flexible Erzeugnisse mit beliebigem Querschnitt in Frage, wie Papier-und Textilbahnen, Kunststoff- oder Metallfolien, Schnüre, Drähte, dünne Kabel, extrudierte Profile usw.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung schematisch dargestelIt.
Über zwei benachbarte ortsfeste Rollen (1) und (2) und unter einer dritten lageveränderlichen Rolle (3) durchläuft das Band (4) die Messvorrichtung, indem es mit diesen drei Rollen in ständiger Berührung bleibt.
Die Rolle (1) dreht sich auf Kugellagern frei um ihre Welle (5), die auch ihrerseits drehbar gelagert ist.
Die Lager selbst sind im Schema nicht dargestellt.
Bei der Rolle (2) ist es gleichgültig, ob sie sich um ihre Welle (6) dreht und diese feststeht, oder ob sie auf der Welle (6) aufgekeilt und diese dafür drehbar gelagert ist.
Die Rolle (3) muss dagegen frei um ihre Welle (7) umlaufen, während letztere fest im Auge des Armes (8) sitzt. Die Nabe dieses Armes, welche mit einem Segment (9) ausgestattet ist, sitzt auf der Welle (5) und ist mit dieser auf Drehung verbunden. Nur bei schmalem Band (4) wird man mit einem einzigen Arm (8) auskommen, während für breitere Waren ein zweiter Arm auf der anderen Seite der Rolle (3) erforderlich wird.
Das Segment (9) hat zwei Funktionen zu erfüllen: erstens wirkt es als Gegengewicht für die Rolle (3) und balanciert diese aus, zweitens versetzt es das teilverzahnte Rad (10) und seine mit ihm fest verbundene Welle (11) in drehende Bewegung und ist deshalb ebenfalls teilverzahnt.
Fest auf der Welle (11) sitzen ferner der Hebel (12) mit einem Belastungsgewicht (13) und ein weiteres teilverzahntes Rad (14). Die Drehbewegung des Systems entgegen dem Uhrzeigersinn ist durch einen Anschlag (15) begrenzt.
Das Rad (14) treibt auf ein Zahnrad (16), welches auf der Achse (17) eines Potentiometers fest aufsitzt.
Die Bewicklung des letzteren ist mit (18) und sein Schleifer mit (19) bezeichnet.
In der gezeichneten Lage der Rolle (3) liegt der Hebel (12) am Anschlag (15). Dies entspricht somit der grössten Eintauchtiefe der Rolle (3) im Spalt zwischen den beiden ortsfesten Rollen (1) und (2). Dabei ist auch ihr Umschlingungswinkel durch das Band am grössten. Da ihr Eigengwicht durch das Segment (9) ausbalanciert, das Belastungsgewicht (13) aber im vorliegenden Ausführungsbeispiel ganz unten und daher unwirksam ist, muss die Zugspannung im Band (4) gleich Null sein. Bei dem gezeigten Gleichspannungs Anschluss an die Potentiometerwicklung (18) gibt auch der Schleifer (19) in seiner gezeichneten Ausgangsstel- lung einen Nullwert ab.
Beim Auftreten einer Bandspannung wird deren Komponente aus dem Umschlingungswinkel die Rolle (3) so weit aus dem Spalt herausdrücken und das Bela stungsgewicht (13) im Uhrzeigersinn ausschwenken lassen, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Je grösser die Bandspannung wird, umso kleiner die Eintauchtiefe und der Umschlingungswinkel der Rolle (3). Beim Winkelwert Null ist die Bandspannung unendlich.
Es sei angenommen, dass die punktiert gezeichnete Lage der Rolle (3) der geringsten für den Messvorgang zugelassenen Umschlingung entspricht und dass die Welle (5) zu dieser Verstellung eine Drehung von 30 vollführen muss. Macht man ferner das Zahn-Überset- zungsverhältnis der Teile (9) zu (10) gleich 3:1 und (14) zu (16) gleich 2:1, so werden Gewicht (13) und Schleifer (19) ihre punktiert gezeichneten Lagen einnehmen. Dabei wird das Belastungsgewicht nach erfolgter Schwenkung um 900 seine Höchstwirkung aus üben und der Schleifer nach einer halben Umdrehung den Maximalwert an Spannung abgeben.
Wie ersichtlich, besteht bei diesem Ausführungsbeispiel kein lineares Verhältnis zwischen der Schleifer stellung und der Bandspannung, weil diese durch die Sinusfunktion des Belastungsgewichtes und die variable Kraftzerlegung sowohl gegen veränderlicher Umschlingung der Rolle (3), als auch Winkelstellung des Armes (8) bestimmt wird.
Wenn also bei der Herstellung der Potentiometerwicklung (18) diesem Umstand keine Rechnung getragen wurde, so sind die am Schleifer (19) auftretenden elektrischen Werte der Zugspannung im Bande (4) nicht proportional. Deswegen muss das Anzeigeinstru- ment bzw. Voltmeter eine nichtlineare Skala erhalten.
Für den Erfindungsgedanken ist es unerheblich, mit welchen Mitteln der Auflagedruck der Rolle (3) auf dem Bande (4) erzeugt wird. Statt des schwenkbaren Gewichtes (13) können es ein geradlinig verstellbares Gewicht, eine Spiralfeder, ein pneumatischer oder hydraulischer Kolben, ein Elektromagnet, ein Servomotor, das Eigengewicht der Rolle usw. sein.
Es ist ferner unerheblich, auf welcher Bahn die Rolle (3) ihre Eintauchbewegung in den Spalt zwischen den beiden ortsfesten Rollen (1) und (2) vollführt.
Denkbar ist eine geradlinige Bahn in Parallelführungen oder eine Kreisbahn mit Mittelpunkt ausserhalb der Achse der Welle (5).
Wenn für das Funktionsprinzip der Messvorrichtung die beiden Rollen (1) und (2) als ortsfest angesehen werden und während des Messprozesses auch ortsfest bleiben, ist deren Verstellfähigkeit für Einrichtezwecke, beispielsweise zur parallelen Ausrichtung, nicht ausgeschlossen.
Für gewisse Regelprobleme könnten Dämpfungsorgane notwendig werden, die jedoch an sich und in ihrer Anwendung bekannte technische Mittel sind.
Die üblichen Vorrichtungen zum Messen von Bandspannungen enthalten ebenfalls zwei ortsfeste und eine lageveränderliche Rolle, doch hat diese den Zweck, auf eine Messdose zu wirken. Solche Messdosen verwandeln mechanische Kräfte in streng proportionale elektrische Werte und benötigen hierzu fast keinen Weg, weil ihr Gesamthub etwa 0,2-0,3 mm beträgt. Deswegen führt auch die auf sie wirkende Rolle praktisch keine Bewegung aus. Auch muss hier während des Messprozesses der Umschlingungswinkel absolut konstant bleiben, denn sonst wäre die Linearität der Messdose gestört. Aus diesem Grunde vermeidet man es auch, die bewegliche Rolle in den Spalt zwischen zwei ortsfesten Rollen eintauchen zu lassen, während beim Erfindungsgegenstand diese Massnahme eine Grundbedingung darstellt.
Die Messdosen, an sich schon teuere Präzisionsgeräte, können nur ganz leistungsschwache Signale hergeben, die zu ihrer Verwertung weitere kostspielige elektronische Verstärker benötigen. Beim Erfindungsgegenstand kann das unvergleichlich preisgünstigere Potentiometer die benötigten leistungsstarken Signale selbst hergeben.
Der Nachteil der Messdosen, die praktisch keinen Hub besitzen, tritt besonders in Erscheinung, wenn durch ihre Signale die Geschwindigkeit oder das Drehmoment der das Band befördernden Mittel, beispielsweise Elektromotoren, geregelt werden müssen. Wegen der Massenträgheit solcher Maschinenelemente ist der Regelkreis mit erheblichen Zeitkonstanten behaftet.
Die geringste Verzögerung in der Verarbeitung des Regelbefehls kann aber wegen der Hublosigkeit der Messdose, speziell bei nichtelastischem Band, entweder zu seinem Durchhang oder zum Riss führen.
Der Erfindungsgegenstand kann dagegen einen wesentlich grösseren Hub aufweisen und in der Lage sein, die Zeitkonstanten zu kompensieren. Auch kann er nie durch eine plötzlich auftretende sehr hohe Bandspannung überlastet oder beschädigt werden, was bei einem Blick auf die Zeichnung klar wird. Die Messdose dagegen muss die ganze Überspannung aufnehmen, weil dort der Umschlingungswinkel konstant bleibt. Aus dem gleichen Grund wird auch die Bandoberfläche bei hohen Spannungen viel mehr geschont als bei Messdosen.
Abschliessend sei noch auf die leichte Einführung des Bandes von Hand in die Mess-Station gemäss dem Ausführungsbeispiel hingewiesen. Man braucht nur den Hebel (12) im Uhrzeigersinn um ca. 2000 zu schwenken, damit sich die Rolle (3) über der Rolle (1) befindet. Danach kann das Band durch den Spalt zwischen diesen Rollen geradlinig durchgezogen werden.
Device for measuring tensile stress in a flexible part
The invention relates to a device for measuring the tensile stress in a flexible part with the aid of three rollers, in which on the flexible part running over two adjacent stationary rollers, a variable position, immersing in the gap between these rollers and adjusting a potentiometer rests with pressure , whose immersion depth and angle of contact decrease with increasing tension in the flexible part.
For the invention g flexible products with any cross-section are suitable, such as paper and textile webs, plastic or metal foils, cords, wires, thin cables, extruded profiles, etc.
In the drawing, an embodiment of the device is shown schematically.
The tape (4) runs through the measuring device over two adjacent stationary rollers (1) and (2) and under a third variable-position roller (3), while it remains in constant contact with these three rollers.
The roller (1) rotates freely on ball bearings around its shaft (5), which in turn is rotatably mounted.
The bearings themselves are not shown in the scheme.
In the case of the roller (2) it does not matter whether it rotates around its shaft (6) and this is stationary, or whether it is keyed onto the shaft (6) and this is rotatably mounted for this purpose.
The roller (3), on the other hand, must rotate freely around its shaft (7), while the latter sits firmly in the eye of the arm (8). The hub of this arm, which is equipped with a segment (9), sits on the shaft (5) and is connected to it for rotation. A single arm (8) will only be sufficient with a narrow belt (4), while a second arm on the other side of the roll (3) is required for wider goods.
The segment (9) has to fulfill two functions: firstly it acts as a counterweight for the roller (3) and balances it, secondly it sets the partially toothed wheel (10) and its shaft (11) firmly connected to it in rotating motion and is therefore also partially toothed.
The lever (12) with a loading weight (13) and another partially toothed wheel (14) are also firmly seated on the shaft (11). The counterclockwise rotation of the system is limited by a stop (15).
The wheel (14) drives a gear (16) which is firmly seated on the axis (17) of a potentiometer.
The wrapping of the latter is marked (18) and its grinder (19).
In the position of the roller (3) shown, the lever (12) is on the stop (15). This therefore corresponds to the greatest immersion depth of the roller (3) in the gap between the two stationary rollers (1) and (2). The angle of wrap through the belt is also the greatest. Since its own weight is balanced by the segment (9), but the loading weight (13) is at the bottom in the present exemplary embodiment and therefore ineffective, the tensile stress in the band (4) must be zero. With the shown direct voltage connection to the potentiometer winding (18), the wiper (19) also emits a zero value in its initial position shown.
When a belt tension occurs, its component from the wrap angle will push the roller (3) out of the gap so far and allow the load weight (13) to swivel clockwise until equilibrium is reached. The greater the belt tension, the smaller the immersion depth and the wrap angle of the roller (3). At zero angle the belt tension is infinite.
It is assumed that the position of the roller (3) shown in dotted lines corresponds to the smallest wrapping permitted for the measuring process and that the shaft (5) has to rotate 30 for this adjustment. If one also makes the tooth transmission ratio of parts (9) to (10) equal 3: 1 and (14) to (16) equal 2: 1, weight (13) and grinder (19) become their dotted positions take in. The loading weight will exert its maximum effect after it has been pivoted by 900 and the grinder will release the maximum value of tension after half a turn.
As can be seen, there is no linear relationship between the grinder position and the belt tension in this embodiment, because this is determined by the sine function of the load weight and the variable force decomposition both against the variable wrapping of the roller (3) and the angular position of the arm (8).
If this circumstance was not taken into account in the manufacture of the potentiometer winding (18), the electrical values of the tensile stress in band (4) occurring at the wiper (19) are not proportional. This is why the display instrument or voltmeter must have a non-linear scale.
For the concept of the invention, it is irrelevant by which means the contact pressure of the roller (3) is generated on the belt (4). Instead of the swiveling weight (13), it can be a linearly adjustable weight, a spiral spring, a pneumatic or hydraulic piston, an electromagnet, a servomotor, the weight of the roller, etc.
It is also irrelevant on which path the roller (3) performs its immersion movement in the gap between the two stationary rollers (1) and (2).
A straight path in parallel guides or a circular path with a center outside the axis of the shaft (5) is conceivable.
If the two rollers (1) and (2) are regarded as stationary for the functional principle of the measuring device and also remain stationary during the measuring process, their adjustability for set-up purposes, for example for parallel alignment, is not excluded.
Damping organs could be necessary for certain control problems, but these are known technical means per se and in their application.
The usual devices for measuring belt tension also contain two stationary and one position-adjustable roller, but this has the purpose of acting on a load cell. Such load cells convert mechanical forces into strictly proportional electrical values and hardly need a path because their total stroke is around 0.2-0.3 mm. That is why the role acting on it practically does not move. Here, too, the wrap angle must remain absolutely constant during the measuring process, otherwise the linearity of the load cell would be disturbed. For this reason, one also avoids letting the movable roller dip into the gap between two stationary rollers, while this measure is a basic condition for the subject matter of the invention.
The load cells, which are already expensive precision devices, can only provide very weak signals that require additional expensive electronic amplifiers for their utilization. With the subject matter of the invention, the incomparably cheaper potentiometer can itself produce the required powerful signals.
The disadvantage of the measuring cells, which have practically no stroke, is particularly evident when the speed or torque of the means conveying the belt, for example electric motors, have to be controlled by their signals. Because of the inertia of such machine elements, the control loop is subject to considerable time constants.
The slightest delay in the processing of the control command can lead to either sagging or tearing due to the lack of stroke of the load cell, especially in the case of a non-elastic band.
The subject of the invention, on the other hand, can have a significantly larger stroke and be able to compensate for the time constants. Also, it can never be overloaded or damaged by a sudden very high belt tension, which becomes clear when you look at the drawing. The load cell, on the other hand, has to absorb the entire overvoltage because the angle of wrap remains constant there. For the same reason, the surface of the belt is much more spared at high voltages than with load cells.
Finally, the easy manual introduction of the tape into the measuring station according to the embodiment should be noted. You only need to swivel the lever (12) clockwise by approx. 2000 so that the roller (3) is above the roller (1). Then the tape can be pulled straight through the gap between these rollers.