CN112313161A

CN112313161A - 运动学惰辊

Info

Publication number: CN112313161A
Application number: CN201980042647.1A
Authority: CN
Inventors: 卡尔·K·斯腾斯瓦德; 斯科特·L·斯利斯科; 罗纳德·P·斯万松
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2039-06-21
Also published as: EP3814251A4; WO2020003082A1; US20210324907A1; EP3814251A1; CN112313161B

Abstract

本发明公开了一种惰辊，该惰辊具有固定轴，固定轴具有至少一个球形轴承和能够但不必为球形轴承的第二轴承。在一些实施方案中，第二轴承以可滑动方式安装在中心轴上。外壳安装在这些轴承之间。由温度变化引起的任何尺寸变化能够通过第二轴承的滑动运动来适应，从而避免外壳因弯曲或屈曲而变形。在其他示例性实施方案中，球形轴承包括固定地安装在中心轴上的第一壳体元件，和抵靠第一壳体元件设置的互补的第一自由元件。第二轴承元件安装在中心轴上，并且外壳附接到第一自由元件并能够旋转地安装到第二轴承元件，其中安装在中心轴上的偏置元件推压第二自由元件远离第一自由元件。

Description

运动学惰辊

背景技术

近年来，以不定长度的材料幅材形式或通过从不定长度的材料幅材转变来制造产品已成为一种流行的制造方法，前提条件是该产品本身适用于此类方法。当使用基于幅材的辊对辊制造工艺时，通常获得高生产率和较低成本。当使用此类基于幅材的方法时，发展成熟的技术对不定长度的幅材的移动和处理的需求日益增长。

固定轴惰辊通常用于在生产过程中支撑和/或挠曲不定长度的幅材。通常希望构造此类惰辊以对被支撑的幅材提供最小旋转摩擦力。由惰辊中的旋转摩擦力引起的能量损耗由动能从幅材转移到惰辊构成。由于若干原因，这是不可取的，包括丧失对幅材的精确张力控制的可能性。

出于各种原因，固定轴惰辊通常优于类似的活动轴辊。固定轴辊相比于类似的活动轴设计可具有较小的辊面挠曲，因为轴承位于头部中(即，更靠近辊的中心)。另外，相比于活动轴辊，将固定轴辊安装在制造设备上，并且保持其对齐通常为较容易的。

发明内容

辊对辊加工内的高精密应用需要将幅材和辊定位成大于5微米。这些高精密应用中的一些应用包括对准的微复制、对准的印刷和辊计量的涂布。提供此类位置控制的幅材引导件需要惰辊具有低于操纵规格的误差运动(轴向和径向)。当需要此类精密辊在一定温度范围内保持其精确的位置公差时，会产生特定的困难。温度变化通常导致辊内部件的尺寸变化，从而影响其精确的定位、对齐和性能。

一般来讲，本公开涉及一种惰辊，惰辊具有固定轴，固定轴具有至少一个球形(例如，半球形)轴承和能够但不必为球形(例如，半球形)轴承的第二轴承。

第二轴承以可滑动方式安装在轴上。外壳安装在这些轴承之间。由温度变化引起的任何尺寸变化能够通过第二轴承的滑动运动来适应，从而避免外壳因弯曲或屈曲而变形。

在一个方面，本公开涉及一种辊，辊具有：固定中心轴；第一球形轴承，第一球形轴承包括固定地安装在中心轴上的第一壳体元件，和抵靠第一壳体元件设置的互补的第一自由元件；第二轴承，第二轴承包括以可滑动方式安装在中心轴上的第二壳体元件，和抵靠第二壳体元件设置的互补的第二自由元件；以及附接到第一自由元件和第二自由元件两者的外壳。

在一些实施方案中，第二轴承包括球形轴承。在另选实施方案中，第二轴承包括径向轴承。在此类实施方案中，可有利地存在平面推力轴承以有助于预加载径向轴承，因为径向轴承为过约束系统，对于该过约束系统而言，惰辊轴或外壳的变形将施加可能影响组件精密性的力矩。

在某些示例性实施方案中，将存在用于抵靠第二自由元件推压第二壳体元件的装置，诸如加压活塞；弹簧加载式衬圈；液压致动器、气动致动器或电动致动器；或顺应性机械装置(例如，弹簧或柔性垫片)。

在其他示例性实施方案中，空气衬套附接到第二壳体元件以用于将第二壳体元件的运动约束为围绕固定中心轴的轴线的旋转和沿着固定中心轴的轴线的平移。

在另一方面，本公开涉及一种辊，该辊具有：固定中心轴；第一球形轴承，第一球形轴承包括固定地安装在中心轴上的第一壳体元件，和抵靠第一壳体元件设置的互补的第一自由元件；能够旋转地安装在中心轴上的第二自由元件；附接到第一自由元件和第二自由元件两者的外壳；以及安装在中心轴上的偏置元件，偏置元件推压第二自由元件远离第一自由元件。

在一些示例性实施方案中，辊还包括径向衬套，径向衬套支撑外壳，并且允许外壳的自由旋转运动，同时适应外壳的热扩张。在某些实施方案中，偏置元件选自由以下项组成的组：加压活塞；弹簧加载式衬圈；液压致动器、气动致动器或电动致动器；弹簧；和柔性垫片。

在另一方面，本公开涉及一种辊，该辊具有：固定中心轴；第一球形轴承，第一球形轴承包括固定地安装在中心轴上的第一壳体元件，和抵靠第一壳体元件设置的互补的第一自由元件；安装在中心轴上的第二轴承；外壳，外壳附接到第一自由元件，并且能够旋转地安装到第二轴承；以及安装在中心轴上的偏置元件，偏置元件推压第二轴承远离第一自由元件。

在一些示例性实施方案中，辊还包括径向衬套，径向衬套支撑外壳，并且允许外壳的自由旋转运动，同时适应外壳的热扩张。在某些实施方案中，第二轴承为球形轴承。在其他实施方案中，第二轴承为径向轴承。在另外的实施方案中，偏置元件选自由以下项组成的组：加压活塞；弹簧加载式衬圈；液压致动器、气动致动器或电动致动器；弹簧；和柔性垫片。

示例性实施方案列表

实施方案A.一种辊，包括：

固定中心轴；

安装在所述中心轴上的第一轴承，所述第一轴承为球形轴承，所述球形轴承包括固定地安装在所述中心轴上的第一壳体元件，和抵靠所述第一壳体元件设置的互补的第一自由元件；

第二轴承，所述第二轴承包括安装在所述中心轴上的第二壳体元件，和抵靠所述第二壳体元件设置的互补的第二自由元件；以及

附接到所述第一自由元件和所述第二自由元件两者的外壳。

实施方案B.根据实施方案A所述的辊，其中所述第二轴承为球形轴承。

实施方案C.根据实施方案A所述的辊，其中所述第二轴承为径向轴承。

实施方案D.根据实施方案A至C中任一项所述的辊，还包括用于抵靠所述第二自由元件推压所述第二壳体元件的装置。

实施方案E.根据实施方案A至D中任一项所述的辊，其中用于抵靠所述第二自由元件推压所述第二壳体元件的所述装置选自由以下项组成的组：加压活塞；弹簧加载式衬圈；液压致动器、气动致动器或电动致动器；弹簧；和柔性垫片。

实施方案F.根据实施方案A至E中任一项所述的辊，其中所述第二壳体元件以可滑动方式安装在所述中心轴上。

实施方案G.根据实施方案A至F中任一项所述的辊，还包括附接到所述第二壳体元件的空气衬套，其中所述空气衬套将所述第二壳体元件的运动约束为围绕所述固定中心轴的轴线的旋转和沿着所述固定中心轴的轴线的平移。

实施方案H.一种辊，包括：

固定中心轴；

能够旋转地安装在所述中心轴上的第二自由元件；

附接到所述第一自由元件和所述第二自由元件两者的外壳；以及

安装在所述中心轴上的偏置元件，所述偏置元件推压所述第二自由元件远离所述第一自由元件。

实施方案I.根据实施方案H所述的辊，还包括径向衬套，所述径向衬套支撑所述外壳，并且允许所述外壳的自由旋转运动，同时适应所述外壳的热扩张。

实施方案J.根据实施方案H或I所述的辊，其中所述偏置元件选自由以下项组成的组：加压活塞；弹簧加载式衬圈；液压致动器、气动致动器或电动致动器；弹簧；和柔性垫片。

实施方案K.一种辊，包括：

固定中心轴；

安装在所述中心轴上的第二轴承；

外壳，所述外壳附接到所述第一自由元件，并且能够旋转地安装到所述第二轴承；以及

安装在所述中心轴上的偏置元件，所述偏置元件推压所述第二轴承远离所述第一自由元件。

实施方案L.根据实施方案K所述的辊，还包括径向衬套，所述径向衬套支撑所述外壳，并且允许所述外壳的自由旋转运动，同时适应所述外壳的热扩张。

实施方案M.根据实施方案K或L所述的辊，其中所述第二轴承为球形轴承。

实施方案N.根据实施方案K、L或M中任一项所述的辊，其中所述第二轴承为径向轴承。

实施方案O.根据实施方案K、L、M或N中任一项所述的辊，其中所述偏置元件选自由以下项组成的组：加压活塞；弹簧加载式衬圈；液压致动器、气动致动器或电动致动器；弹簧；和柔性垫片。

已总结本公开的示例性实施方案的各种方面和优点。上面的发明内容并非旨在描述本公开的当前某些示例性实施方案的每个例示的实施方案或每种实施方式。下面的附图和具体实施方式更具体地举例说明了使用本文所公开的原理的某些优选实施方案。

附图说明

结合附图考虑到以下对本公开的各种实施方案的详细说明可以更全面地理解本公开，其中：

图1为根据本公开的惰辊的实施方案的横截面侧视图。

图2为图1的惰辊的透视图，其中出于清晰起见，外壳被移除，并且缸被绘制为透明的。

图3为根据本公开的惰辊的另选实施方案的横截面侧视图。

虽然可能未按比例绘制的上述附图示出了本公开的各种实施方案，但还可以设想其他实施方案，如在具体实施方式中所指出。

具体实施方式

如本说明书和所附实施方案中所用的，除非内容明确地另有规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“该/所述”包括多个指代物。因此，例如，提及包含“一种化合物”的细纤维包括两种或更多种化合物的混合物。如本说明书和所附实施方案中所用的，除非内容明确地另有规定，否则术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用。

如本说明书中所用的，通过端点表述的数值范围包括该范围内所包括的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.8、4和5)。

除非另外指明，否则本说明书和实施方案中所使用的表达量或成分、性质测量等的所有数字在所有情况下均应理解成由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附实施方案列表中示出的数值参数可根据本领域的技术人员利用本公开的教导内容寻求获得的期望特性而变化。最低程度上说，并且在不试图将等同原则的应用限制到受权利要求书保护的实施方案的范围内的情况下，每个数值参数应至少根据所报告的有效位数并通过应用惯常的四舍五入法来解释。

本公开涉及一种辊，该辊具有：固定中心轴；第一球形轴承，该第一球形轴承包括固定地安装在中心轴上的第一壳体元件，和抵靠第一壳体元件设置的互补的第一自由元件；第二轴承，该第二轴承包括以可滑动方式安装在中心轴上的第二壳体元件，和抵靠第二壳体元件设置的互补的第二自由元件；以及附接到第一自由元件和第二自由元件两者的外壳。轴承通常是指在输送载荷时消除一些自由度同时保持其他自由度的装置。第一轴承或第二轴承可为但不限于空气静力学轴承、流体静力学轴承、流体动力学轴承、辊元件和普通滚珠轴承中的任一种。

在一些实施方案中，第二轴承包括球形(例如，半球形)轴承。在另选实施方案中，第二轴承包括径向轴承。在此类实施方案中，可有利地存在平面推力轴承以有助于预加载径向轴承，因为径向轴承为过约束系统，对于该过约束系统而言，惰辊轴或外壳的变形将施加可能影响组件精密性的力矩。

在某些示例性实施方案中，将存在用于抵靠第二自由元件推压第二壳体元件的装置，诸如加压活塞；弹簧加载式衬圈；液压致动器、气动致动器或电动致动器；或顺应性机械装置(例如，弹簧或柔性垫片)。液压致动器或气动致动器通常为活塞式缸，但另选地或除此之外，可为附接到导螺杆等的旋转马达。电动致动器通常为马达(例如，线性电动马达或旋转电动马达)、音圈、压电致动器等。顺应性机械装置最简单地为弹簧，但可使用其他配置(例如，柔性实体垫片，其中机械能存储在垫片的挠曲部中)。

应当理解，诸如“朝向”或“远离”之类的引用取决于轴承取向，因此可进行颠倒并且保持在本发明所公开的实施方案的范围内。

在某些示例性实施方案中，空气衬套附接到第二壳体元件以用于将第二壳体元件的运动约束为围绕固定中心轴的轴线的旋转和沿着固定中心轴的轴线的平移。

现在将具体参考附图对本公开的各种示例性实施方案进行描述。在不脱离本公开实质和范围的情况下，可对本公开的示例性实施方案进行各种修改和更改。因此，应当理解，本公开的实施方案并不限于以下所述的示例性实施方案，而应受权利要求书及其任何等同物中示出的限制因素的控制。

现在参见图1，示出了根据本公开的惰辊20的实施方案的横截面侧视图。惰辊20包括固定轴22。虽然例示实施方案示出了作为单个元件的固定轴22，但被实施为位于大致同一轴线上的两个悬臂轴的固定轴22被视为在本公开的范围内。存在第一球形(即，如图1所示的半球形)轴承24，其包括经由凸缘28固定地安装在固定轴22上的第一壳体元件26、以及抵靠第一壳体元件26设置的互补的第一自由元件30。本领域的普通技术人员将会理解，“抵靠设置”允许流体材料(例如润滑液体或供应气体)层用来促进一个元件相对于另一个元件的运动。第一自由元件30包括第一球形部分32和第一外壳底座34。第一外壳底座34连接到外壳40，该外壳又在其另一端部处连接到第二自由元件42。更具体地，外壳40连接到第二外壳底座44，该第二外壳底座又连接到第二球形部分46。第二外壳底座44和第二球形部分46一起构成第二自由元件42。第二球形部分46抵靠互补的第二固定元件48设置。(所谓“固定”是指元件为旋转固定的。其可轴向地平移。)第二球形部分46和第二固定元件48一起限定第二轴承49。

希望第二固定元件48被推压成抵靠第二自由元件42。这通过偏置元件50来实现，该偏置元件包括附接到第二固定元件48的缸52。在所示实施方案中，存在第一空气衬套54和第二空气衬套56以允许缸52的自由轴向运动。

存在力元件60以向缸52施加偏置力。力元件60经由凸缘62安装在固定轴22上。力元件60可包括一个或多个弹簧64。可存在挠曲元件65以约束偏置元件50的旋转。在所示实施方案中，存在气缸66以在缸52上提供能够调节的偏置力。气缸66从空气通道68接收压缩空气，以便提供并改变该偏置力。将空气从空气通道68输送到气缸66的歧管80和管82已出于视觉清晰起见而从图1中省略，但可见于图2中。将空气从空气通道70输送到第一球形轴承24的管83已出于视觉清晰起见而从图1中省略，但可见于图2中。将空气从空气通道72输送到空气衬套54和56的管已出于视觉清晰起见而另外从所有附图中省略。

空气通道72为空气衬套54和56提供空气，而空气通道74为第二轴承49提供空气(在该视图中，空气通道74在72后面)。用于空气通道72和74的管已出于清晰起见而被省略。

现在参见图2，示出了图1的惰辊的透视图，其中出于清晰起见，外壳40被移除，并且缸52被绘制为透明的。在该视图中，示出了将加压空气从通道68运送到气缸66的歧管80和管82。管83输送来自空气通道70的加压空气以操作第一球形轴承24。

现在参见图3，示出了根据本公开的实施方案的惰辊20A的另选实施方案的横截面侧视图。惰辊20A包括固定轴22A。存在第一球形轴承24，其包括经由凸缘28固定地安装在固定轴22上的第一壳体元件26、以及抵靠第一壳体元件26设置的互补的第一自由元件30。第一自由元件30包括第一球形部分32和第一外壳底座34。第一外壳底座34连接到外壳40A，该外壳又在其另一端部处连接到第二外壳底座44A。

力(即，偏置)元件60A通过推力轴承元件94在轴22A上的凸缘62A与外壳40A上的凸缘90之间施加轴向推力，以便推压第一外壳底座34远离凸缘90。在所示实施方案中，力元件60A为弹簧，然而，诸如上文结合先前实施方案所述的其他手段也可适用。本领域的技术人员可设想到推力预载荷以及径向衬套和轴承的另选配置，以允许等同的旋转和轴向自由运动。

存在径向轴承92以允许外壳40A的自由轴向和旋转运动。空气轴承92经由空气通道72A接收空气以用于其操作。

本公开的附加实施方案涉及一种辊，该辊具有：固定中心轴；第一球形轴承，该第一球形轴承包括固定地安装在中心轴上的第一壳体元件，和抵靠第一壳体元件设置的互补的第一自由元件；能够旋转地安装在中心轴上的第二自由元件；附接到第一自由元件和第二自由元件两者的外壳；以及安装在中心轴上的偏置元件，该偏置元件推压第二自由元件远离第一自由元件。

在一些此类示例性实施方案中，该辊还包括径向衬套，该径向衬套支撑外壳，并且允许外壳的自由旋转运动，同时适应外壳的热扩张。在某些此类实施方案中，偏置元件选自由以下项组成的组：加压活塞；弹簧加载式衬圈；液压致动器、气动致动器或电动致动器；弹簧；和柔性垫片。

本公开的另外的实施方案涉及一种辊，该辊具有：固定中心轴；第一球形轴承，该第一球形轴承包括固定地安装在中心轴上的第一壳体元件，和抵靠第一壳体元件设置的互补的第一自由元件；安装在中心轴上的第二轴承；外壳，该外壳附接到第一自由元件，并且能够旋转地安装到第二轴承；以及安装在中心轴上的偏置元件，该偏置元件推压第二轴承远离第一自由元件。

在一些此类示例性实施方案中，该辊还包括径向衬套，该径向衬套支撑外壳，并且允许外壳的自由旋转运动，同时适应外壳的热扩张。在某些此类实施方案中，第二轴承为球形轴承。在另选实施方案中，第二轴承为径向轴承。在另外的实施方案中，偏置元件选自由以下项组成的组：加压活塞；弹簧加载式衬圈；液压致动器、气动致动器或电动致动器；弹簧；和柔性垫片。

本公开的某些实施方案的操作将参照以下详述实施例进一步描述。提供这些实施例以另外说明各种具体和优选的实施方案和技术。然而，应当理解，可做出许多变型和修改而仍落在本公开的范围内。

实施例

尽管示出本公开的广义范围的数值范围和参数为近似值，但尽可能精确地记录具体示例中示出的数值。然而，任何数值都固有地包含某些误差，其各自的测试测量中所存在的标准偏差必然会引起这种误差。最低程度上说，并且在不试图将等同原则的应用限制到权利要求书的范围内的前提下，至少应当根据所报告的有效位数并通过应用惯常的四舍五入法来解释每个数值参数。

实施例1

制备大致如图1和图2所示的惰辊。辊具有在其安装位置处直径为1英寸(25.4mm)的固定轴和外径为4英寸(102mm)、室温下长度为20英寸(48.8cm)的外壳。这些尺寸为惰辊提供处理50磅(222N)径向载荷的能力。第一球形轴承和第二球形轴承为从New Way AirBearings(Aston,PA)定制设计的多孔石墨球形空气轴承。第一球形空气轴承在相对于固定轴的三个平移自由度上固定外壳。缸与两个空气衬套接触，该空气衬套可以商品名S303801从New Way Air Bearings商购获得，该空气衬套在除平移和围绕固定轴的主轴线的旋转之外的所有自由度上约束第二球形空气轴承的固定元件。在操作期间，偏置元件50将净载荷施加在第二球形空气轴承上以远离第一球形空气轴承。因此，不受约束的唯一外壳自由度为围绕固定轴的轴线的旋转。

更具体地，在使用中，通过若干空气通道向空气轴承和空气衬套提供60psi(0.41MPA)水平的加压空气压力，以适当地操作空气轴承和空气衬套。加压腔体通过端板向环境排气。

本说明书中通篇提及的“一个实施方案”、“某些实施方案”、“一个或多个实施方案”或“实施方案”，无论在术语“实施方案”前是否包括术语“示例性的”都意指结合该实施方案描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开的某些示例性实施方案中的至少一个实施方案中。因此，在本说明书通篇各处出现的短语诸如“在一个或多个实施方案中”、“在某些实施方案中”、“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不一定是指本公开的某些示例性实施方案中的同一实施方案。此外，具体特征、结构、材料或特性可在一个或多个实施方案中以任何合适的方式组合。

虽然本说明书已经详细地描述了某些示例性实施方案，但是应当理解，本领域的技术人员在理解上述内容后，可很容易地想到这些实施方案的更改、变型和等同物。因此，应当理解，本公开不应不当地受限于以上示出的例示性实施方案。

此外，本文引用的所有出版物和专利均以引用的方式全文并入本文中，如同各个单独的出版物或专利都特别地和单独地指出以引用方式并入一般。已对各个示例性实施方案进行了描述。这些实施方案以及其他实施方案均在以下权利要求书的范围内。

Claims

1.一种辊，包括：

固定中心轴；

第一球形轴承，所述第一球形轴承包括固定地安装在所述中心轴上的第一壳体元件，和抵靠所述第一壳体元件设置的互补的第一自由元件；

附接到所述第一自由元件和所述第二自由元件两者的外壳。

2.根据权利要求1所述的辊，其中所述第二轴承为球形轴承。

3.根据权利要求1所述的辊，其中所述第二轴承为径向轴承。

4.根据权利要求1所述的辊，还包括用于抵靠所述第二自由元件推压所述第二壳体元件的装置。

5.根据权利要求4所述的辊，其中用于抵靠所述第二自由元件推压所述第二壳体元件的所述装置选自由以下项组成的组：加压活塞；弹簧加载式衬圈；液压致动器、气动致动器或电动致动器；弹簧；和柔性垫片。

6.根据权利要求1所述的辊，其中所述第二壳体元件以可滑动方式安装在所述中心轴上。

7.根据权利要求1所述的辊，还包括附接到所述第二壳体元件的空气衬套，其中所述空气衬套将所述第二壳体元件的运动约束为围绕所述固定中心轴的轴线的旋转和沿着所述固定中心轴的轴线的平移。

8.一种辊，包括：

固定中心轴；

以可旋转方式安装在所述中心轴上的第二自由元件；

9.根据权利要求8所述的辊，还包括径向衬套，所述径向衬套支撑所述外壳，并且允许所述外壳的自由旋转运动，同时适应所述外壳的热扩张。

10.根据权利要求8所述的辊，其中所述偏置元件选自由以下项组成的组：加压活塞；弹簧加载式衬圈；液压致动器、气动致动器或电动致动器；弹簧；和柔性垫片。

11.一种辊，包括：

固定中心轴；

安装在所述中心轴上的第二轴承；

外壳，所述外壳附接到所述第一自由元件，并且以可旋转方式安装到所述第二轴承；以及

12.根据权利要求11所述的辊，还包括径向衬套，所述径向衬套支撑所述外壳，并且允许所述外壳的自由旋转运动，同时适应所述外壳的热扩张。

13.根据权利要求11所述的辊，其中所述第二轴承为球形轴承。

14.根据权利要求13所述的辊，其中所述第二轴承为径向轴承。

15.根据权利要求11所述的辊，其中所述偏置元件选自由以下项组成的组：加压活塞；弹簧加载式衬圈；液压致动器、气动致动器或电动致动器；弹簧；和柔性垫片。