CN101385223A - 合并有气隙感应激励器的线性横动支架 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在造纸业等中使用的线性横动支架(2)。该线性横动支架合并有气隙感应激励器，并去除了位于电源和横动机构之间的所有机械装置。具体而言，本发明涉及一种线性横动设备，该线性横动设备包括：包括电定子绕组(1)的感应器型线性电动机、在所述设备的整个往复长度上延伸的传导性压板(S)、固定于所述传导性压板(6)的强磁材料、用于支撑所述设备并保持所述定子绕组(1)与所述传导性压板(6)之间的气隙的支撑装置(3)、用于驱动所述设备的用户选择的前馈速度对应图(10)、用于根据所述用户选择的前馈速度对应图(10)对所述设备的运动进行控制的控制器。
Description
引言
1.技术领域
本发明涉及在造纸业等中使用的线性横动设备和机构。所述设备包括气隙感应激励器，从而去除位于电源和横动机构之间的所有机械部件。本发明还涉及用于驱动线性横动设备的线性伺服电动机以及用于对该设备的运动进行控制的程序。
2.背景技术
单轴横动机构构造于支撑结构内，在诸如造纸、无纺物生产、轧钢及生产片状材料的多种其他工艺等工艺中，所述横动机构输送工艺应用或测量设备横跨织物。在造纸工艺中，横跨织物的横动设备携带高压喷水器，来清洗用于将纸片输送通过造纸机中的压榨和/或干燥器部的蜿蜒的带材料。这些类型的设备有商标名为Pro-Jet、Scan-Jet、Thermo-Jet、Acc-Jet和ROBO-Jet的产品等等。
授予Cartensen的美国第5,852,949号专利涉及一种驱动在纵向上借助于支撑结构的这种类型的设备的活动部分的方法，其揭示的内容通过引用合并于此。专利949涉及一种线性横动装置，该装置包括用于支撑设备横跨造纸机的跨度的分段螺杆横动机构。然而，在该系统中，横越螺母(spanning nut)的旋转通常由于与通过与导螺杆的旋转的纵轴平行的轨或槽而接合的仪器或其他装置的机械连通而受到约束。这既要求对机械部件进行维护，而且由于这些部件在恶劣环境中的磨损，还要求经常对其进行更换。
在这些设备中对运动或速度以及方向进行控制也是关键的，以使得织物运动与横动部件的运动保持协调。在造纸技术中，喷淋器用于重新弄湿纸幅，或者用于在片材通过其之后来清洗或调节输送带织物或线缆，或者用于在滚筒或模件的操作期间对其进行清洗。为此，这种喷淋器通常位于输送带织物或滚筒以上横越机器的横跨机器方向。
美国第4,701,242号专利揭示了一种具有该特性的设备，该设备涉及使用由机架支撑的喷淋头机构，该机架具有轨道和横越织物宽度的行走装置。该行走装置通过电动机沿所述轨道移动，且由所述行走装置运送延伸通过机架的喷淋头。该设备的缺陷在于，整个系统是机械传动的，因而缺乏工作效率，且不易于操作。
用于使喷水器移动跨过织物的其他机构涉及振动球和螺杆装置的使用，通过所述振动球和螺杆装置，支撑喷淋器，并调整喷淋器的运动，如美国第4,598,238号专利所揭示的。
尽管这些设备提供了令人满意的效果，但是，理想的是提供一种更简化的机构，用于支撑并移动喷水器，并且同时是高效的且避免针对机械部件及其磨损和破损的任何类型的维护。在喷水器在造纸机上横向移动长的跨度的情况下，尤为如此。
更常用的用于机械地移位这些设备内的部件的方法采用链和链轮传动、齿条与小齿轮传动装置、具有随动螺母的丝杠、皮带轮传动以及气压或液压活塞/缸。所有这些方法均将电能转换成机械作用。这涉及将电动机的旋转力转换成活动部件的双向线性运动，这需要许多机械元件，而这些机械元件是易于出故障的。当由于极热、潮湿以及化学品而使环境条件变得恶劣时，这种类型的设备会变得更容易出故障。本发明提出了一种去除电源与活动部件的双向线性运动之间的机械装置的方案。
本发明涉及一种克服了上述的现有技术的缺点的线性横动支架。本发明还可应用于造纸机上的湿端和干燥端尾部切断器，该尾部切断器利用水或旋转刀具或常规刀具来切断织物、横向移动除尘器、横向移动利用被控制用于清洗滚筒表面的特定区域的短刀片的清理器系统、横向移动测量系统(例如，以便测量Yankee表面上的涂层厚度)、横向移动用于干燥器应用的刷清理器(该刷清理器可利用较短的刷，而不是全宽度的，所述较短的刷会横向移动跨过滚筒或带的表面)、或横向移动用于卷绕装置的切片器。其他应用涉及：化学品喷洒应用、织物感测仪、原料尾部切断以及需要不受阻碍地运动以跨过造纸机织物的、要求>1000:1范围的速度分布的其他任务。
在此公开的驱动对安装在线性轨道上的电动机进行控制，在其设计内，该线性轨道在感应板中合并有层压导体，作为对电动机感应的场电流的反作用激励器。反作用的磁力使得能够对随动辊支撑的支架的移动进行控制。通过具有优于0.0003英寸的分辨率的安装于支架的变换器来保证定位。该应用安装在也是横动电动机的一部分的支架安装板上。
本发明具体应用于：控制线性喷淋器的运动、横向移动电动机、横向移动束喷淋器(beam shower)或工具搬运器。这些设备可用于各种不同的应用中，例如：
●喷淋器，其通过在喷射高压水的同时前后振动，来清洗用于将纸输送通过造纸机的蜿蜒的输送带织物。
●单点工具搬运器(安装在支架上)，其可用于在监视生产工艺输出的同时前后振动。
●横动(单点)喷淋器，其被设计成：利用在整个机器宽度上移动的一个源来处理(横跨机器)输送带织物的整个宽度。
●双重、三重、四重和五重横动梁，其具有在一个共用感应轨上横向移动的多个电动机/支架。
发明内容
本发明涉及一种在造纸业等中使用的线性横动设备。该设备包括气隙感应激励器，从而去除位于电源和横动机构之间的所有机械部件。
本发明的一个目的是：对操作线性横动支架的线性电动机或者该线性横动支架的活动部件的运动或速度以及方向进行控制，使得织物运动与横动部件的运动保持协调。
本发明的又一目的是：使定子绕组的发热以及用于驱动活动部件的电流值最小。
本发明的另一目的是：避免施加给激励器或电定子绕组中的绕组的、会导致不期望的发热的任何额外的电流。
本发明的再一目的是：消除对机械部件进行维护以及由于其在恶劣环境中的磨损而导致经常对其进行更换的需要。
附图说明
下文的详细说明是以示例的方式给出的，并且不意欲将本发明仅限制于此。结合附图，将更好地理解下文的详细说明。在附图中，相似的附图标记表示相似的部件或部分。在附图中：
图1是根据本发明的一个方面的线性横动设备的俯视截面图；以及
图2是示出根据本发明的一个方面的控制程序的流程图。
在下文中将详细讨论对本发明的各个部件的描述。
具体实施方式
图1是根据本发明的一个方面的包括气隙感应电动机50的线性横动设备100的俯视截面图。图1示出了感应电动机50内的扁平电定子绕组(1)(下文称作“激励器”)，感应电动机50安装在滚筒型支架(2)(下文中称作“部件”)上。安装在支架(2)上的“V形”槽类型的辊(3)保持定子绕组(1)的主块的内部有槽结构的外表面(5)与导体“压板”(6)之间的一定的无接触的“气隙”，该导体“压板”(6)在所述线性横动设备的整个往复长度(traverse length)之上延伸，具有特定的几何结构，且以本领域技术中公知的具体材料制成。传导性压板(6)固定于强磁压板(7)，该强磁压板(7)亦在所述线性横动设备的整个往复长度之上延伸，具有特定的几何结构以及本领域技术中公知的材料成分。
当向感应电动机50的定子绕组(1)施加交流(“AC”)电时，所得到的由定子绕组(1)产生的交变磁场在固定于压板(6)的导体内感应出电流。在导体压板(6)中的该感应电流生成其自己的次级磁场，该次级磁场反作用于绕组(1)产生的主磁场。可将压板(6)组件视为“机械地”，而压板(6)与定子绕组(1)之间的反作用的力使得部件(2)移动。通过控制到定子绕组(1)的电源的相角、电流、电压和脉冲宽度，使得能够对活动部件(2)的速度和力进行方向控制。
尽管很高的线性速度(16,000+英寸/分钟)是易于获得的，但将该感应支架控制在低速需要高分辨率的电能操纵。这会导致提供给场的“不必要的能量”，使得超过非常可变的库仑扭矩值，这是在这样的低速下的运动考虑因素中的大的变力部分。为了使定子绕组的发热最小，电流或安培值应该最小。提供给绕组的任何“额外”的电流供给均会在激励器中导致不期望的发热。
对与应用所需的实际力相比的这种高动态范围的可变外力的效应的理解，会带来对在低速下使速度恒定所需的控制算法(这是本发明的一个重要特征)的理解。
在典型的应用中，低速应视为小于[(极距)/(极的数量)×额定速度下的同步频率]的1/100的任何速度，但是，如果外力的幅度足够，该最小值可考虑更大一些。
在“速度回路(velocity loop)”中运行这种设备需要“高速”扭矩调整器，并且会提供恒定的“相对”速度，但不提供结果的恒定位移速率，原因是任何渐进的积分和微分(Progressive，Integral and Differential，“PID”)控制均依赖于速度反馈。换言之，误差必须在积分器进行校正之前发生。当进行校正时，不保持期望的设定点空间和时间分量，且因此不保持与目标应用的协调。在“扭矩回路”中运行这种设备将对力进行控制，但不会以恒定速度工作，原因是外力会导致速度的变化，而这是所不期望的。本发明提供了一种针对上述的与这些类型的控制相关的所有问题的解决方案。
本发明的一个实施例是控制程序200，该控制程序对如上所述的设备100的运动进行控制。如图2所示，这是利用前馈位置目标PID控制算法200来实现的。用户会基于工艺信息、期望的运动分布特性以及用户期望的力作用，为应用选择期望的速度设定点60。在控制器内，基于输入的信息，计算时间和空间前馈“对应图”10，该对应图亦称作前馈速度对应图10。对激励器50进行驱动，以满足该“对应的”移位相对时间的设定点60的条件。将安装于支架的位置变换器8的信息与“对应图”10相比较，并通过从用于比较所述两个值的伺服分析器70接收的信号，以位置回路20PID的方式对过程输出进行控制。伺服分析器70又接收来自电动机电流特征分析(Motor Curent Signature Analysis，“MCSA”)80的信号，MCSA 80不断地监视电动机50中的电流。这会保证实际的结果速度与用户期望的“对应的”设定点速度相同。
当载频增加和/或PID校正速率增加时，为了低速下的平滑、一致的运动，需要系统ωη 30积分的高值。相互响应于PID误差校正，均方根(“RMS”)电流也增加。这会导致不期望的效应，例如导致定子绕组的发热。为了使在操作校正阶段期间施加的电流量最小，以脉宽调制(“PWM”)的频率40来施加该电流，所述频率40是激励器的磁共振属性的交感谐波(sympathetic harmonic)或同一基倍频程根(base octavalroot)。换言之，当选择载频和积分器频率时，有必要考虑到电动机自身的材料和几何属性。但电动机的状况(温度、气隙尺度、电阻)变化时，控制器必须与该变化一致地实时改变调制频率。
因此，在此公开的线性横动支架可用于需要横动机构的各种设备中。这些设备包括造纸机上的湿端和干燥端尾部切断器，该尾部切断器利用水或旋转刀具或常规刀具来切断织物、横向移动除尘器、横向移动利用被控制用于清洗滚筒表面的特定区域的短刀片的清理器系统、横向移动测量系统(例如，以便测量Yankee表面上的涂层厚度)、横向移动用于干燥器应用的刷清理器(该刷清理器可利用较短的刷，而不是全宽度的，所述较短的刷会横向移动跨过滚筒或带的表面)、或横向移动用于卷绕装置的切片器。
尽管已经示出、描述并指出了本发明的基本的新颖特征，但是，应理解，在不脱离本发明的精神的情况下，本领域的技术人员可对所示出的设备的形状和细节以及其操作进行各种省略、替换和改变。例如，应清楚，以实质上相同的方式执行实质上相同的功能以实现相同的结果的、这些部件和/或方法步骤的所有组合均在本发明的范围之内。另外，应认识到，结合本发明的任何公开的形式或实施例来示出和/或描述的机构和/或部件和/或方法步骤可以合并在另一形式或实施例中。因此，意图是，本发明并非仅限于所附权利要求的范围。
Claims (10)
1.一种线性横动设备，包括:
包括电定子绕组的感应型线性电动机；
在所述设备的整个往复长度之上延伸的传导性压板；
固定于所述传导性压板的强磁材料；
用于支撑所述设备并保持所述定子绕组与所述传导性压板之间的气隙的支撑装置；
用于驱动所述设备的用户选择的前馈速度对应图；
用于根据所述用户选择的前馈速度对应图对所述设备的运动进行控制的控制器。
2.根据权利要求1所述的线性横动设备，其中所述控制器是针对所述设备的运动的PID控制算法。
3.根据权利要求1所述的线性横动设备，其中所述设备的速度是可控制的。
4.根据权利要求1所述的线性横动设备，其中所述设备的运动方向是可控制的。
5.根据权利要求1所述的线性横动设备，其中通过所述用户选择的前馈速度对应图来限定所述设备的位置，以最小化所述定子绕组的过度发热。
6.根据权利要求1所述的线性横动设备，其中所述定子绕组以用户选择的脉宽调制(“PWM”)AC电功率信号来供电。
7.根据权利要求1所述的线性横动设备，其中所述传导性压板在所述整个往复长度之上具有连续的电路径。
8.根据权利要求1所述的线性横动设备，其中所述传导性压板具有高的电导率。
9.根据权利要求1所述的线性横动设备，其中所述传导性压板被成形为:使得在横动方向上生成的磁场最大。
10.根据权利要求6所述的线性横动设备，其中所述PWMAC电功率信号是选择的系统磁共振频率的实时交感谐波。
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