DE102005042159B3 - Meßrolle zur Messung der Bandzugspannung und/oder der Bandtemperatur von Bandmaterial - Google Patents

Abstract

In die Messrolle (1), die durch einen rohrförmigen Tragkörper (2), eine auf den Tragkörper (2) aufgebrachte Ummantelung (5) sowie eine die Ummantelung umschließende verschleißhemmende Außenschicht (6) gebildet wird, sind Sensoren (7) aus einem piezoelektrischen Material zur Messung der auf die Außenmantelfläche (8) wirkenden radialen Druckkraftkomponenten der Bandzugspannungen eines Bandes integriert. Das piezoelektrische Material der Sensoren (7) ist an Fasern gebunden, die in Längsrichtung der Sensoren angeordnet sind und parallel zur Oberfläche (9) des Tragkörpers (2) der Messrolle (1) verlaufen. Die Drucksensoren können mit Temperatursensoren kombiniert werden.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Meßrolle zur Messung der Bandzugspannung und/oder der Bandtemperatur über die Bandbreite beispielsweise beim Walzen von Bandmaterial, mit einem Tragkörper sowie in den Tragkörper der Meßrolle integrierten Sensoren aus einem piezoelektrischen Material zur Messung der auf den Außenmantel des Tragkörpers wirkenden radialen Kraftkomponenten der Bandzugspannungen und/oder der Temperatur des Bandmaterials beziehungsweise des Tragkörpermantels.
• Zusätzlich zu den Anforderungen an die Maß- und Formgenauigkeit von gewalztem Bandmaterial ist der durch das Meßverfahren bedingte Oberflächenkontakt der Meßrolle zur Messung der Bandzugspannung und/oder der Bandtemperatur mit der Bandoberfläche im Hinblick auf die Ermittlung genauer Meßwerte von Bedeutung. Insbesondere erfordert beispielsweise die Herstellung von Aluminiumfolien eine hohe Empfindlichkeit der in die Meßrollen integrierten Sensoren.
• Aus der DE 26 30 410 A1 ist eine Umlenkmeßrolle zum Messen der Spannungsverteilung über die Breite von biegsamen, sich in Längsrichtung bewegenden Bändern bekannt. Bei einer in 2 dargestellten Ausführungsform wird der Einbau eines Piezo-Quarz-Drucksensors mittels eines als kreisförmige Druckkappe ausgebildeten Schraubankers vorgeschlagen. Die Außenfläche der Druckkappe ist dabei vollkommen bündig mit der zylindrischen Mantelfläche der Meßrolle. Unvermeidbar ist jedoch ein Ringspalt zwischen der Druckkappe und der angrenzenden Rollenmantelfläche.
• Bei einer aus der DE 42 36 657 C2 bekannten, als Vollrolle ausgebildeten Meßrolle zur Ermittlung der Spannungsverteilung über die Bandbreite beim Walzen dünner Bänder sind die einzelnen Sensoren in einem auf der Zylindermantelfläche der Meßrolle verteilten Muster in Radialbohrungen eingebracht. Zur Befestigung der Sensoren in den Radialbohrungen der Meßrolle und zum Schließen der Bohrungen sind verschraubte Stopfen vorgesehen. Eine besondere Schwierigkeit bei dieser bekannten Meßrolle ist das Entkoppeln der Sensorstopfen vom Meßrollenkörper, insbesondere bei belastungs- und durchbiegungsbedingten Kraftnebenschlüssen bei einem gleichzeitigen Erfordernis eines abgedichteten Ringspaltes zwischen Stopfen und Meßrollenkörper. Bei einem Ringspalt von 0,01 bis 0,05 mm entstehen keine Beschädigungen oder Markierungen auf der Oberfläche des über die Meßrolle laufenden Walzbandes.
• Zur Vereinfachung des Sensoreinbaus und zur Vermeidung einer Verschmutzung des Ringspaltes wird nach der DE 196 16 980 A1 vorgeschlagen, die Abdeckung des Meßgebers mit einer Kunststoffschicht zum Verschließen des Ringspaltes auszustatten.
• Aus der EP 1 432 536 81 sind verschiedene Ausführungen der Sensorabdeckung und der Sensorbefestigung bekannt, die dazu dienen, die Aufnahmebohrungen für die Sensoren in der Meßrolle ohne einen Ringspalt abzudichten, um eine Verfälschung der Meßergebnisse durch vom Walzband mitgeschleppte und in den Kunststoff eingedrückte Partikel zu vermeiden. Die einen Meßsensor jeweils aufnehmende Aufnahme wird durch eine Abdeckung abgedichtet, die unter Pressung in die Öffnung der Sensoraufnahme eingesetzt ist. Die Pressung, mit der die Abdeckung in der Öffnung der Aufnahme sitzt, kann ohne Schwierigkeiten derart bemessen werden, daß eine dauerhafte sichere Abdichtung der Aufnahme bei einem gleichzeitigen, im wesentlichen fugenlosen Übergang zwischen der Umfangsfläche der Meßrolle und der Abdeckung gewährleistet ist. Neben den Verformungen der Meßrolle durch Temperaturänderungen treten Verformungen während der Rotation, im Aluminiumfolienwalzbereich über Winkelgeschwindigkeiten von 300 Rad/s, ferner durch Biegebelastungen der Meßrolle infolge ihres Eigengewichtes und durch auf die Rolle wirkende Radialkräfte auf.
• Zur Lösung der beim Einsetzen von Sensoren in Aufnahmen einer Meßrolle auftretenden Probleme bei der Abdichtung der Abdeckung der Sensorenaufnahmen wird mit der EP 1 432 537 B1 vorgeschlagen, die Abdeckung mit einem an deren Unterseite ausgebildeten Absatz in eine Einsenkung eines auf den Meßsensor wirkenden Kraftübertragungselementes einzupressen und dabei die Einpreßkraft so zu bemessen, daß einerseits ein dauerhaft fester Sitz der Abdeckung in der Aufnahme für den Sensor in der Meßrolle gewährleistet ist und andererseits ein Eindringen von Schmutz in die Aufnahme sicher vermieden wird. Ferner wird vorgeschlagen, eine in eine Aufnahmeöffnung einer Meßrolle für einen Sensor mit Spiel eingesetzte Abdeckung durch eine Dichtmasse zu verschließen und eine zusätzlichen Ummantelung der Meßrolle vorzusehen.
• Die bei den Meßrollen der EP 1 432 536 B1 sowie der EP 1 432 537 B1 auftretenden Schwierigkeiten bei der Abdichtung der Abdeckung der in Aufnahmen der Meßrolle eingesetzten Sensoren werden bei der aus der WO 03/061865 bekannten Meßrolle dadurch vermieden, daß die Meßrolle als Vollrolle mit achsparallelen Bohrungen zum Einsetzen von Sensoren ausgebildet ist, wobei die Aufnahmebohrungen mit einem geringen Abstand von beispielsweise 1 bis 30 mm, vorzugsweise 5 bis 10 mm unterhalb der Meßrollenoberfläche angeordnet sind, so daß sich über den eingespannten Sensoren ein dünner Biegebalken befindet. Je geringer die Dicke des Biegebalkens ist, umso günstiger wirkt sich dies auf das Meßergebnis aus. Ferner wird zur Verbesserung des elastischen Verhaltens des Biegebalkens vorgeschlagen, eine rechteckige Längsausnehmung zur Aufnahme der Sensoren mit seitlichen Schlitzen zu versehen.
• Für die Anwendung in Druckwerken, Druckmaschinen und Farbwerken wird mit der DE 103 29 430 B4 vorgeschlagen, zur Einstellung der Walzenpressung an der Nippstelle beziehungsweise im Walzspalt zwischen einer Druckwalze und einer Gegendruckwalze zur Detektierung der Walzenschwingungen und zu deren Kompensation durch Aufbringen einer modulierten Kraft in die Gegendruckwalze wenigstens ein teilweise den Umfang der Walze umschlingendes Drucksensorenelement vorzusehen, das einen Umfangsbereich von bis zu 360° umfassen kann. Als Drucksensor kommt ein organisches Material mit piezoelektrischen Eigenschaften zum Einsatz, dessen piezoelektrisches Material an Fasern gebunden ist, die im wesentlichen in Dickenrichtung des Drucksensors und somit senkrecht zu Walzenoberfläche verlaufen.
• Die in der DE 689 11 523 T2 beschriebene Messrolle zum Messen der Spannungsverteilung über die Breite von Bandmaterial weist einen Rollenkörper mit auf dem Umfang in Richtung der Rollenachse nebeneinander angeordneten Streifen aus einem elastisch verformbaren, druckempfindlichen, piezoelektrischen Kunststoffmaterial auf, die von einer Muffe aus einem elastischen Material umschlossen sind. Das Material der auf dem Rollenkörper angebrachten Streifen besitzt einen elektrischen Widerstand, der sich unter Druckeinwirkung, die von über die Messrolle laufendem Bandmaterial ausgeübt wird, ändert. Die mit elektrischen Anschlüssen versehenen Streifen werden in Reihenschaltung mit einem Festwiderstand an eine Stromquelle angeschlossen. Der veränderliche Widerstand und der Festwiderstand wirken als Spannungsteiler und somit können Widerstandsänderungen in den Streifen erfasst werden.
• Eine weitere aus der DE 201 19 194 U1 bekannte Messrolle zur Messung der Bandzuspannung und/oder der Bandtemperatur über die Bandbreite für eine Bandplanheitsregelung beim Walzen von Bandmaterial ist mit in der Zylinderkammer der Messrolle entlang mindestens einer optischen Faser angebrachten, faseroptischen Sensoren mit einem als optischer Filter wirkenden Bragg-Gitter zur Messung der Bandzugspannungen und/oder der Bandtemperatur des Walzbandes über die Bandbreite sowie mit mindestens einer an einem Ende der Messrolle angeordneten faseroptischen Drehübertrager zur kontaktlosen Übertragung der Messsignale zwischen den Sensoren der synchron zu einem Walzband drehenden Messrolle und einer stationären, optoelektronischen Erfassungseinheit ausgestattet.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßrolle zur Messung der Bandzugspannung und/oder der Bandtemperatur über die Bandbreite beispielsweise beim Walzen von Bandmaterial mit einer geschlossenen Oberfläche, einem geringen Massenträgheitsmoment und einer hohen Sensitivität zu entwickeln.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Meßrolle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
• Die erfindungsgemäße Meßrolle zeichnet sich durch folgende Vorteile aus:
  Die Verwendung von Drucksensoren aus einem piezoelektrischen Material, das an Fasern gebunden ist, die in Längsrichtung der Sensoren angeordnet sind und parallel zur äußeren Mantelfläche der Meßrolle verlaufen, die Ausstattung der Meßrolle mit einem rohrförmigen Tragkörper aus Stahl, gegebenenfalls auch aus Leichtmetall oder einem Compoundmaterial und die dadurch bedingte Verringerung des Massenträgheitsmomentes der Meßrolle und die damit verbundene weitgehende Ausschaltung unerwünschter dynamischer Effekte sowie das Aufbringen einer strukturierten Ummantelung auf den Tragkörper, die bereichsweise unterschiedliche Elastizitäten zur Bündelung der auf die Meßrolle wirkenden radialen Druckkräfte auf die aktiven Sensorflächen aufweist, ermöglichen eine optimale Meßgenauigkeit der Meßrolle.
• Bei einer Drehbewegung und einer zusätzlichen Einwirkung des Eigengewichtes sowie der aus der Umlenkung des Walzbandes resultierenden Kraft stellt sich eine Durchbiegung der Meßrolle ein. Diese Belastungen führen zu einer elastischen Verformung der Meßrolle in Richtung der resultierenden Gesamtbelastung. Hierbei erweisen sich die unmittelbar auf der Oberfläche des Tragkörpers der Meßrolle befindliche Sensoranordnung sowie der axiale Verlauf der Fasern der Piezo-Sensorelemente parallel zur Oberfläche des Tragkörpers als besonders förderlich für die Meßgenauigkeit der Meßrolle.
• Die Erfindung ist nachstehend anhand von Zeichnungsfiguren erläutert, die folgendes darstellen:
• 1 einen Teillängsschnitt einer Meßrolle mit einem angeflanschtem Lagerzapfen,
• 2 eine ausschnittsweise vergrößerte Längsschnittdarstellung der mit Drucksensoren bestückten Meßrolle nach 1,
• 3 eine ausschnittsweise vergrößerte Querschnittsdarstellung der Meßrolle nach 1 mit einem Drucksensor und
• 4 einen Teillängsschnitt einer Meßrolle mit einem Lagerzapfen in einer konischen Aufnahme.
• Die Meßrolle 1 nach den 1 bis 4 zur Messung der Bandzugspannung und/oder der Bandtemperatur über die Bandbreite beispielsweise beim Walzen von Walzband wird durch einen rohrförmigen Tragkörper 2, an den beiden Stirnseiten 2a des Tragkörpers 2 in dessen Durchgangsöffnung 3 eingesetzte Lagerzapfen 4, eine auf den Tragkörper 2 aufgebrachte Ummantelung 5, gegebenenfalls eine die Ummantelung 5 umschließende verschleißhemmende Außenschicht 6 sowie in die Meßrolle 1 integrierte Sensoren 7 aus einem piezoelektrischen Material zur Messung der auf die Außenmantelfläche 8 wirkenden radialen Druckkraftkomponenten der Bandzugspannungen des Walzbandes gebildet.
• Das piezoelektrische Material der Sensoren 7 ist an Fasern gebunden, die in Längsrichtung der Sensoren angeordnet sind und parallel zur Außenmantelfläche 8 der Meßrolle 1 beziehungsweise zur Oberfläche 9 des Tragkörpers 2 der Meßrolle verlaufen.
• Die strukturierte Ummantelung 5 des Tragkörpers 2 der Meßrolle 1 ist mit beabstandeten Füllräumen 10 versehen, die ein Material 11 aufnehmen, das eine höhere Elastizität als das Material 12 der Ummantelung 5 aufweist. Die Sensoren 7 sind auf dem Tragkörper 2 jeweils zwischen zwei benachbarten, beabstandeten Füllräumen 10 angeordnet.
• Die Wandstärke 13 der Ummantelung 5 liegt beispielsweise zwischen 4 und 25 mm, vorzugsweise 5 bis 15 mm, wobei das Verhältnis der Wandstärke 13 der Ummantelung 5 zur Tiefe 14 der Füllräume 10 1,1 bis 2,5 betragen soll.
• Die Sensoren 7 sind über durch radiale Bohrungen 15 in der Wand 16 und die Durchgangsöffnung 3 der Ummantelung 5 verlegte Anschlußdrähte 17 an einen Schleifring-, Rollring- oder Flüssigmetall-Drehhübertrager zur Übertragung der Meßwerte angeschlossen. Die Übertragung der Meßwerte kann auch kontaktlos, zum Beispiel durch ein optisches oder ein Funk-Datenübertragungssystem erfolgen.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform der Meßrolle erfolgt eine Vorverarbeitung der Meßwerte durch einen in den Tragkörper 2 der Meßrolle 1 integrierten Mikroprozessor 18 mit der erforderlichen Peripherie, zum Beispiel Datenspeicher, Analog/Digitalwandlung und Datenübertragungssteuerung. Durch diese Vorverarbeitung der Rohdaten kann eine Komprimierung derart erzielt werden, daß nur die Nutzdaten aus der rotierenden Meßrolle übertragen werden müssen und somit dann auch standardisierte, kontaktlose Übertragungsverfahren mit limitierter Bandbreite wie zum Beispiel Bluetooth oder Wireless LAN geeignet sind.
• Die über den Tragkörper 2 der Meßrolle 1 im Bereich des Walzbandes verteilten Drucksensoren 7 können mit einem oder mehreren über die Ballenlänge der Meßrolle verteilten, auf dem Tragkörper 2 von innen oder außen angebrachten Temperatursensoren kombiniert werden, so daß einerseits die Möglichkeit einer Temperaturkompensation der Drucksensorsignale gegeben ist, andererseits aber auch das Temperaturprofil des Walzbandes über die Bandbreite und auch die Temperatur der Meßrolle oder Temperaturprofile innerhalb der Meßrolle für eine technologische Regelung ausgewertet werden können.
• Die Meßrolle kann mit der doppelten Anzahl der erforderlichen Druck- und Temperatursensoren als Ersatz beim Ausfall eines Sensors oder mehrerer Sensoren ausgestattet sein.
• Ferner besteht die Möglichkeit, die Meßrolle 1 mit einer nicht dargestellten Einrichtung zur Messung der belastungsabhängigen Verformung des Tragkörpers 2 in Rollenlängsrichtung für die Korrektur der durch die Verformung veränderten Meßwerte auszurüsten.
• Die Lagerzapfen 4 der Meßrolle 1 sind mit ihrem zylindrischen Einsteckende 19 in die Durchgangsöffnung 3 des Tragkörpers 2 eingesetzt und mit einem Flansch 20 an den beiden Stirnseiten 2a des Tragkörpers 2 festgeschraubt.
• Bei einer weiteren Ausführungsform der Meßrolle 1 nach 4 weisen die Lagerzapfen 4 ein Einsteckende 21 mit einem Außenkonus 22 zum Einsetzen in eine Aufnahme 23 des rohrförmigen Tragkörpers 2 mit einem entsprechenden Innenkonus 24 auf, und die beiden Lagerzapfen sind mittels einer Zentralmutter 25 in dem Tragkörper 2 festgespannt und aus diesem herausziehbar.
• Die Durchgangsöffnung 3 des rohrförmigen Tragkörpers 2 kann als Strömungskanal für ein Kühlmittel dienen.

1

Meßrolle

2

Tragkörper

2a

Stirnseite von 2

3

Durchgangsöffnung von 2

4

Lagerzapfen von 1

5

Ummantelung

6

Außenschicht auf 5

7

Sensor

8

Außenmantelfläche von 1

9

Oberfläche von 2

10

Füllraum in 5

11

Füllmaterial in 10

12

Material von 5

13

Wandstärke von 5

14

Tiefe von 10

15

Bohrung in 16

16

Wand von 2

17

Anschlußdraht von 7

18

Mikroprozessor

19

zylindrisches Einsteckende von 4

20

Flansch von 4

21

konisches Einsteckende von 4

22

Außenkonus von 21

23

Aufnahme von 2 für 21

24

Innenkonus von 23

25

Zentralmutter

Claims (16)

1. Meßrolle (1) zur Messung der Bandzugspannung und/oder der Bandtemperatur über die Bandbreite, insbesondere beim Walzen von Bandmaterial, mit folgenden Merkmalen: einem Tragkörper (2) für die Messrolle (1), mit in den Tragkörper (2) integrierten Sensoren (7) aus einem piezoelektrischen Material zum Messen der auf den Außenmantel (5) des Tragkörpers (2) wirkenden radialen Kraftkomponenten der Bandzugspannung, wobei das piezoelektrische Material der Sensoren (7) an Fasern gebunden ist, die in Längsrichtung der Sensoren (7) angeordnet sind und die parallel zur Oberfläche des Tragkörpers (2) verlaufen, und mit einem oder mehreren weiteren in den Tragkörper (2) integrierten Sensoren zur Messung der Temperatur des Bandmaterials und/oder des Tragkörpermantels.
2. Meßrolle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Tragkörper (2) eine Ummantelung (5) aufweist und die Sensoren (7) zwischen dem Tragkörper (2) und der Ummantelung (5) angeordnet sind.
3. Meßrolle nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine strukturierte Ummantelung (5) des Tragkörpers (2) mit beabstandeten Füllräumen (10) zur Aufnahme eines Materials (11), das eine höhere Elastizität als das Material (12) der Ummantelung (5) aufweist, wobei die Sensoren (7) jeweils zwischen zwei benachbarten Füllräumen (10) angeordnet sind.
4. Meßrolle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (12) der Ummantelung (5) eine niedrige und das Material (11) der Füllräume (10) eine hohe elastische Eigenschaft aufweist.
5. Meßrolle nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (11) der Füllräume (10) der Ummantelung (5) aus einem geschäumten Kunststoffmaterial mit hoher Elastizität besteht.
6. Meßrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung (5) eine verschleißhemmende Außenschicht (6) aufweist.
7. Meßrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (2) aus Leichtmetall hergestellt ist.
8. Meßrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkörper (2) aus einem Compoundmaterial besteht.
9. Meßrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese (1) über die Bandbreite mit mindestens einem Temperatursensor zur Temperaturkompensation der Drucksensorsignale ausgestattet ist.
10. Meßrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese (1) über die Bandbreite mit mindestens zwei Temperatursensoren zur Messung des Temperaturprofils des Bandmaterials ausgerüstet ist.
11. Meßrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese (1) über ihre Länge mit mindestens drei Temperatursensoren zur Erfassung des Temperaturverlaufes über die Bandbreite für eine technologische Regelung ausgestattet ist.
12. Meßrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Doppelausstattung mit Druck- und/oder Temperatursensoren als Ersatz beim Ausfall eines oder mehrerer Sensoren.
13. Meßrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen in den Tragkörper (2) integrierten Mikroprozessor (18) zur Vorverarbeitung der Meßwerte.
14. Meßrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß diese (1) mit einer Einrichtung zur Messung der belastungsabhängigen Verformung des Tragkörpers (2) in Rollenlängsrichtung für die Korrektur der durch die Verformung veränderten Meßwerte ausgerüstet ist.
15. Meßrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder beide Lagerzapfen (4) der Meßrolle (1) ein Einsteckende (21) mit einem Außenkonus (22) zum Einsetzen des oder der Lagerzapfen (4) in eine Aufnahme (23) des rohrförmigen Tragkörpers (2) mit einem entsprechenden Innenkonus (24) aufweist beziehungsweise aufweisen und daß der oder die Lagerzapfen (4) mittels einer Zentralmutter (25) in dem Tragkörper (2) festspannbar und aus dem Tragkörper herausziehbar ist beziehungsweise sind.
16. Meßrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsöffnung (3) des Tragkörpers (2) als Strömungskanal für ein Kühlmittel ausgebildet ist.