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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Zugkraftmessung von Endlosmaterial
gemäß Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Derartige
Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus
DE 692 06 715 T2 bekannt.
Sie umfassen grundsätzlich
zumindest eine Rolle oder Walze, über welche Endlosmaterial unter Zugspannung
geführt
wird. Diese Rolle ist derart auf einem Lagerbock angeordnet, dass
sie mittels der vom Endlosmaterial aufgebrachten Zugspannung relativ
zu ihrer Ruheposition – an
der Rolle liegt keine Zugkraft an – verlagerbar ist. Es ist im
allgemeinen üblich,
wie auch die
1 des oben genannten Standes
der Technik zeigt, die Rolle hierzu mittels Federelementen – im vorzitierten
Stand der Technik als Biegebalken ausgeführt – zu lagern. Mittels einer Kraftmesseinrichtung
wird die aus der Zugkraft resultierende Lageveränderung der Rolle bzw. Walze
erfasst, woraus sich die Zugkraft einfach errechnen lässt. Dieser
Stand der Technik weist im wesentlichen zwei Nachteile auf:
Ein
erster Nachteil des Standes der Technik ist, dass die Federelemente – wie in
der vorzitierten
1 besonders gut ersichtlich – neben
den Zugkräften
auch die Gewichtskraft der Rolle aufnehmen müssen. Daraus folgend sind abhängig vom
Rollengewicht vergleichsweise harte Federelemente, d. h. Federn
hoher Federkonstante zu wählen.
Werden nun nur geringe Zugkräfte
auf das Endlosmaterial und demzufolge auf die Rolle ausgeübt, ergibt
sich im Zweifel eine derart kleine Lageveränderung der Rolle, dass diese
und somit die Zugkraft kaum messbar ist.
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Alternativ
lassen sich Federelemente mit geringerer Federkonstante einsetzen,
welche durch Aufnahme der Gewichtskraft eine gewisse Vorspannung
erhalten. Der Kraftmesseinrichtung wird diese von der unbelasteten
Feder abweichende Lageveränderung
als Null- bzw. Ruhelage vorgegeben. Zwar erreicht man nunmehr mit
schon geringen Zugkräften eine
ausreichende Lageveränderung
um auch geringe Zugkräfte
bestimmen zu können,
der maximale Federweg des Federelementes und somit die maximale
Lageveränderung
der Rolle ist jedoch aufgrund der Vorspannung der Federelemente
begrenzt. Dies hat zur Folge, dass vergleichsweise hohe Zugkräfte nicht
mehr gemessen werden können,
da im Zweifel der maximale Federweg und folglich die maximale Lageveränderung
der Rolle bereits ausgeschöpft
ist.
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Der
zweite wichtige Nachteil des Standes der Technik wird insbesondere
bei der Verwendung von Biegebalken als Federelemente verwirklicht
und vor allem dann, wenn Biegebalken, welche mit Dehnungsmessstreifen
versehen sind, als Kraftmesseinrichtungen Verwendung finden. Bei
Biegebalken ist im allgemeinen eine Überlastsicherung gegen zu hohe
auf den Biegebalken wirkenden Kräfte
vorzusehen. Zu hohe Zug- bzw. Gewichtskräfte können zu einer plastischen,
die Federelastizität
der Biegebalken übersteigenden
Verformung, und somit zu einer Schädigung der Federelemente bzw.
der Kraftmesseinrichtung führen.
Im nicht druckschriftlich belegbaren Stand der Technik werden daher
verschiedene Überlastsiche rungen,
insbesondere in Zugkraft bzw. Messrichtung der Biegebalken bzw.
Federelemente vorgesehen.
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Um
insbesondere die bei der Montage und Demontage der Rolle auch winklig
zur Mess- bzw. Zugkraftrichtung auftretenden Kräfte kompensieren zu können, wären auch
diesbezügliche Überlastsicherungen
von Vorteil, welche jedoch häufig
die eigentliche Zugkraftmessung behindern.
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Der
Stand der Technik umfasst weiterhin
DE 21 17 967 A1 welche eine Einrichtung zur
Zugkraftmessung mit einem an einer Achse hängend und schwenkbar angeordneten
Arm offenbart. Dieser wird durch Aufbringen von Zugkräften aus
seiner Ruhelage und gegen eine Messeinrichtung ausgelenkt.
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DE 103 43 515 A1 offenbart
eine Einrichtung zur Zugkraftmessung, bei welcher ein gegen Endlosmaterial
positionierter Messrahmen mit Rollen oder Walzen versehen ist und
diese über
wenigstens einen Schwenkhebel gegen das Endlosmaterial schwenkbar
ist. Anhand der Eintauchtiefe des Messrahmens hängt die Bahn aus Endlosmaterial
und dem hierzu aufgewandten Druck lässt sich durch Soll-/Ist-Vergleich
die Zugspannung messen.
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DE 197 44 032 A1 betrifft
eine Einrichtung zur Messung der Zugkraft in einem Metallband einer Walzenstraße, wobei
das Metallband über
eine Rolle geführt
wird, die in einem Lagerblock gelagert ist. Der Lagerblock weist
ein verankertes Ende und ein freies Ende auf, wobei die Rolle im
Bereich des freien Endes des Lagerblocks angeordnet ist. Über einen
Sensor kann die Lageänderung
des freien Endes des Lagerblocks erfasst werden.
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DE 1 018 018 A betrifft
eine Einrichtung zur Zugkraftmessung eines Bandes, das in einer
Walzmaschine von einer Ablaufhaspel über eine Umlenkrolle ab-, durch
einen Walzspalt hindurch- und über eine
Umlenkrolle auf eine Aufwickelhaspel aufläuft.
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Vor
den oben dargestellten Problemen des Standes der Technik ist es
Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Zugkraftmessung zu schaffen, welche
einen weiten Messbereich von sehr geringen bis zu vergleichsweise
hohen Zugkräften
bietet und mit einer zuverlässigen Überlastsicherung
zum Schutz der Messeinrichtung versehen ist. Dies ist insbesondere
bei hohem Rollengewicht wünschenswert.
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Gelöst wird
die Aufgabe von einer Anordnung zur Zugkraftmessung gemäß Anspruch
1, insbesondere mit den kennzeichnenden Merkmalen, wonach der Arm
aus zwei L-förmig
zueinander ausgerichteten Schenkeln besteht, dessen erster Schenkel
horizontal und dessen zweiter Schenkel vertikal ausgerichtet ist,
wobei der Arm im Bereich eines Schnittpunktes der Schenkel gelagert
ist, insbesondere wenn das kompensierende Federelement mit seiner
Kraftwirkungslinie parallel zu einem die Rolle tragenden Schenkel
ausgerichtet ist.
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Ein
solcher Arm nimmt sämtliche
quer zur Zugkraftrichtung auftretende Kräfte auf und schützt die
Messeinrichtung vor einer Überlast
durch diese Kräfte. Üblicherweise
handelt es sich bei den quer zur Zugkraftrichtung wirkenden Kräften um
im wesentlichen achsparallel zur Rollenachse, also axial wirkende
Kräfte.
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Wenn
dem Arm wenigstens ein Anschlag zugeordnet ist, welcher die Schwenkbewegung
des Armes zumindest in Richtung der resultierenden Zugkraft begrenzt,
ist die Messeinrichtung vor zu hohen, in Messrichtung wirkenden
Kräften
sicher geschützt.
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Es
ist denkbar, dass ein Federelement vorzusehen ist, welches die auf
den Arm wirkende Gewichtskraft der Rolle kompensiert, insbesondere dann,
wenn aufgrund technischer Gegebenheiten eine in Ruhelage der Anordnung
rein vertikale Ausrichtung des Armes nicht verwirklicht werden kann.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Arm mittels eines Kugellagers schwenkbar gelagert.
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Sinnvollerweise
ist die Kraftmesseinrichtung dem Arm zugeordnet, wobei über dessen
Schwenkbewegung mittelbar die Lageveränderung der Rolle erfasst wird.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird auch von einer Anordnung zur Zugkraftmessung gemäß Oberbegriff
des Anspruches 8 gelöst,
wenn diese auch die kennzeichnenden Merkmale umfasst, wonach ein
die Gewichtskraft der Rolle kompensierendes Federelement vorgesehen
ist, welches
- – in einem Bereich zwischen
dem Lager des Armes und einem Zuordnungspunkt der Kraftmesseinrichtung
an dem Arm angreift, oder
- – an
einem dem Lager abgewandten Ende des Armes angreift, wobei die Rolle
nahe am Lagerungspunkt des Armes angeordnet ist, oder
- – in
einem Bereich zwischen dem Lager und der Rolle am Arm angreift.
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Dies
ermöglicht
es, dank der Hebelwirkung des Armes, kompensierende Federelemente
vorzusehen, welche eine ausreichende Auslenkung des Armes und folglich
einen weiten Messbereich der Anordnung gewährleisten.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung.
Es zeigen:
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1 eine
erste erfindungsgemäße Ausführungsform
mit hängender
Armanordnung in Seitenansicht,
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2 die
Ausführungsform
gemäß 1 in Ansicht
von vorne,
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3 bis 5 erfindungsgemäße Ausführungsformen
mit waagerecht ausgerichtetem Arm, und
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6 eine
erfindungsgemäße Ausführungsform
mit L-förmigem
Arm.
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In
den Figuren ist eine Anordnung zur Zugkraftmessung insgesamt mit
der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet. Die Anordnung 10 weist
einen Arm 11 auf, welcher einen Endes mittels eines Lagers 12 an einem
Lagerbock 13 schwenkbar angeordnet ist.
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Am
Arm 11 ist eine Messrolle bzw. Messwalze 14 auf
einer Achse 15 drehbar angeordnet, über welche das nicht dargestellte
Endlosmaterial geführt wird.
Der Einsatz einer Rolle 14 bzw. einer Walze 14 ist
allein abhängig
von der flächigen
Ausdehnung des Endlosmaterials. Die Verwen dung einer Walze 14 statt
einer Rolle 14 stellt daher eine gleichwirkende Verwirklichung
der Erfindung dar.
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Eine
Kraftmesseinrichtung 16 greift die Lageveränderung
des Armes 11 ab, welche aus der von dem Endlosmaterial
auf die Messrolle 14 aufgebrachten Zugkraft resultiert.
Eine Überlastsicherung 17 mit
Anschlägen 18 und 19 begrenzt
die mögliche Schwenkbewegung
des Armes 11 derart, dass eine Schädigung der Kraftmesseinrichtung 16 wirksam vermieden
wird.
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In 1 ist
die Überlastsicherung
U- bzw. C-förmig
ausgebildet, deren senkrecht ausgerichtete, den Arm 11 teilumgreifende
Schenkel die Anschläge 18 und 19 ausbilden.
Wie aus 1 ersichtlich ist, wäre zum Schutz
der dargestellten Kraftmesseinrichtung 16 lediglich der
Anschlag 19 notwendig. Der Anschlag 18 hingegen
verhindert zu starke Schwenkbewegungen des Armes 11 beispielsweise
beim Tausch der Rolle bzw. Walze 14 und erleichtert somit
die Wartung der Anordnung 10 erheblich.
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Das
Lager 12 ist bevorzugt als Kugellager ausgebildet und gestattet
eine Schwenkbewegung des Armes 11 lediglich in der Zeichnungsebene
bezüglich
der 1, 3 bis 6 bzw. in
einer Richtung quer zur Rollenachse 15 gemäß der Pfeile 20 und 21.
Das Lager 12 nimmt folglich Kräfte auf, welche winklig, insbesondere
quer zur Richtung der resultierenden Zugkraft 22 auftreten,
vor allem solche, die bei der Montage und Demontage der Rolle 14 über den
Arm 11 auf die Kraftmesseinrichtung 16 übertragen
werden könnten.
Dabei handelt es sich im wesentlichen um zur Rollenachse axial wirkenden Kräfte.
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In
der Ausführungsform
gemäß 1 und 2 ist
die hängende
Anordnung des Armes 11 bzw. der Messrolle/Messwalze 14 an
dem Arm 11 hervorzuheben. Die hängende Anordnung 10 nimmt die
Gewichtskräfte
der Rolle 14 in Ruhelage der Anordnung 10 – d. h.
ohne Einwirkung von Zugkräften – vollständig auf,
so dass diese keinerlei Einfluss auf die Messein richtung 16 haben.
Es wird bei dieser Ausführungsform
folglich das oben geschilderte Problem vermieden, wonach bislang
die Gewichtskraftkompensation mittels harter Federelemente bzw.
das Tarieren einer aus der Gewichtskraft resultierenden Federelementvorspannung
einen wesentlichen Einfluss auf die minimal bzw. maximal messbaren
Zugkräfte 22 und
somit auf den nutzbaren Messbereich einer Anordnung 10 zur
Zugkraftmessung haben.
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Zusammenfassend
verwirklicht die in den 1 und 2 dargestellte
Ausführungsform
somit die wesentlichen Vorteile einer wirksamen Sicherung der Kraftmesseinrichtung 16 vor Überlast
mittels der Überlastsicherung 17 sowie
des Lagers 12 des Armes 11 in Verbindung mit einer
Kompensation der Gewichtskraft der Rolle 14, wodurch ein
sehr großer Messbereich
zur Verfügung
steht, der ausschließlich von
der Wahl der Kraftmesseinrichtung 16 und deren Empfindlichkeit
begrenzt wird. Dabei ist der Überlastschutz
bestehend aus dem Zusammenwirken des Lagers 12 und der Überlastsicherung 17 besonders wichtig
zum Schutz von empfindlichen Messeinrichtungen 16, welche
geringe Zugkräfte
abgreifen bzw. beim Einsatz schwerer Messrollen 14.
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In
den 3 bis 6 sind alternative Ausführungsformen
dargestellt. Ihnen ist grundsätzlich gemeinsam,
dass der Arm 11 nicht hängend
im Sinne der vorher beschriebenen Ausführungsform angeordnet ist,
d. h. der Arm ist nicht vertikal, sondern von der Vertikalen abweichend – hier horizontal – ausgerichtet.
Die Gründe
hierfür
können
vielfältig
sein. Beispielsweise ist es denkbar, dass eine derart nicht hängende Anordnung 10 aufgrund
baulicher Gegebenheiten notwendig ist oder aber die Anordnung 10 zur
Zugkraftmessung in eine Verarbeitungsstraße für Endlosmaterial eingefügt werden
soll, bei welcher die Richtung 22 der zu messenden Zugkraft
vorgegeben ist.
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Unter
solchen Umständen
kann der Arm 11 die Gewichtskraftrichtung der Rolle, welche
in den 3 bis 6 mit der resultierenden Zugkraftrichtung 22 übereinstimmt,
nicht kompensieren. Dennoch werden die erfindungsgemäßen Vorteile
der Sicherung der Kraftmesseinrichtung vor winklig zur Zugkraftrichtung 22 wirkenden
Kräften
mittels der gelagerten Anordnung des Armes 11 auch in diesen Ausführungsformen
verwirklicht. Zur Kompensierung der Gewichtskraft der Rolle 14 wird
in den 3 bis 6 hingegen jeweils ein Federelement 23 genutzt.
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Auch
wenn die Gewichtskraft der Rolle 14 ähnlich wie im Stand der Technik
mittels eines Federelementes 23 kompensiert ist, ermöglicht der
erfindungsgemäße Arm 11 einen
gegenüber
dem Stand der Technik weiteren Messbereich, was im folgenden beschrieben
wird.
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Zunächst sei
der Augenmerk auf 5 gerichtet. Aus der dort dargestellten
Anordnung ist ersichtlich, dass das Federelement 23 die
Gewichtskraft der Rolle 14 analog zum Stand der Technik
kompensiert. Das Federelement 23 greift gewichtskraftkompensierend
am Arm 11 an der Stelle an, an welcher die Rolle 14 am
Arm 11 gelagert ist. Abgesehen von den Vorteilen der Überlastsicherung
mittels des Armes 11 bzw. seiner Lagerung 12 kann
man bezüglich 5 von
einer Gewichtskraftkompensation entsprechend dem bekannten Stand
der Technik sprechen.
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Nunmehr
wird auf 3 verwiesen. Hier greift das
Federelement 23 an dem dem Lager 12 abgewandten
Ende des Armes 11 zur Gewichtskraftkompensation an. Die
Rolle 14 hingegen ist nahe dem Lager 12 des Armes 11 angeordnet.
Bei der Ausführungsform
der 3 wird in geschickter Weise die Hebelwirkung des
Armes 11 ausgenutzt, so dass im Vergleich zu 5 ein
Federelement 23 mit geringerer Federkonstante genutzt werden
kann, um dasselbe Rollengewicht in seiner Wirkung auf die Messeinrichtung 16 zu
kompensieren. Trotz geringer Federkonstante wird folglich eine hohe
mechanische Stabilität
der Messeinrichtung 16 erreicht.
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Gegenüber dem
Stand der Technik wie eingangs zitiert ist zwar mit einer Federvorspannung
infolge der Gewichtskraft der Rolle 14 zu rechnen, sie ist
jedoch gegenüber
dem Stand der Technik aufgrund der Hebelwirkung des Armes 11 entsprechend geringer.
Folglich lässt
das Federelement 22 gegenüber dem eingangs zitierten
Stand der Technik einen größeren Restfederweg
zu. Daraus ergibt sich bei einer Ausführungsform gemäß 3 ein
gegenüber dem
Stand der Technik größerer Messbereich.
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Nunmehr
wird auf 4 verwiesen. Nach den Ausführungen
zu 3 ist schnell zu erkennen, dass die Hebelgesetze
hier umgekehrt angewandt werden. Gegenüber 5 ist das
Federelement 23 in Richtung des Lagers 12 verschoben.
Dies bedeutet, dass die Gewichtskraft der Rolle 14 über die
Hebelwirkung des Armes 11 stärker auf das Federelement 23 wirkt.
Folglich wirkt auch jede auf die Rolle 14 wirkende resultierende
Zugkraft 22 stärker
auf das Federelement 23, was zu einer entsprechend größeren Auslenkung
des Armes 11 und somit zu einer guten Messbarkeit auch
geringer Zugkräfte 22 führt, wobei
nochmals darauf hingewiesen sei, dass die Auslenkung des Armes 11 üblicherweise
kleiner als 0,5 mm ist.
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Letztlich
sei auf 6 verwiesen, welche bei der
Verwirklichung der zu den 3 bis 5 angeführten Vorteile
eine sehr kompakte Anordnung 10 zur Zugkraftmessung dargestellt.
Hier besteht der Arm 11 aus zwei Schenkeln 24 und 25,
wobei der horizontale Schenkel 24 die Rolle 14 trägt, wohingegen der
vertikal angeordnete Schenkel 25 einen Angriffspunkt des
Federelementes 23 zur Gewichtskraftkompensierung der Rolle 14 bietet.
Der Arm 11 ist im Bereich des Schnittpunktes beider Schenkel 24, 25 mittels
des schon beschriebenen Lagers 12 schwenkbar angeordnet.
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Die
in 6 dargestellte Ausführung der Anordnung 10 zur
Zugkraftmessung weist den wesentlichen Vorteil auf, dass die Richtung
der Gewichtskraft der Rolle 14 kompensierenden Federspannung
dieser nicht entgegengesetzt zu sein braucht. Mittels des Schenkels 25 findet
eine Umlenkung der Kompensationskraft des Federelementes 23 statt,
so dass dieses im hier dargestellten Ausführungsbeispiel quer zur Gewichtskraft
ausgerichtet sein kann.