DE102011006391A1

DE102011006391A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung von Parametern einer durch- oder umlaufenden Materialbahn in einer Materialverarbeitungsmaschine

Info

Publication number: DE102011006391A1
Application number: DE102011006391A
Authority: DE
Inventors: Peter Lange; Gerd Michaelis; Stefan Schwarzer; Andreas Ziroff; Christian Merkel; Alexander Stukenkemper
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-10-04
Also published as: CN103477221B; CN103477221A; US20140107830A1; BR112013025252B1; BR112013025252A2; EP2673633B1; ES2579989T3; WO2012130618A2; EP2673633A2; BR112013025252B8; WO2012130618A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Parametern einer durch- oder umlaufenden Materialbahn (6) in einer Materialverarbeitungsmaschine (1). Erfindungsgemäß wird zumindest ein Schwingungsparameter zumindest einer an der Materialbahn (6) auftretenden Transversalschwingung mittels zumindest eines Sensors (9) berührungslos erfasst und mindestens ein aus diesem Schwingungsparameter resultierender Parameter der Materialbahn (6) ermittelt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erfassung von Parametern einer durch- oder umlaufenden Materialbahn (6) in einer Materialverarbeitungsmaschine (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Parametern einer durch- oder umlaufenden Materialbahn in einer Materialverarbeitungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erfassung von Parametern einer durch- oder umlaufenden Materialbahn in einer Materialverarbeitungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Üblicherweise sind in Maschinen zur Herstellung und weiteren Verarbeitung von Materialbahnen, beispielsweise Papierbahnen, Zugmesseinrichtungen angeordnet, welche eine Zugkraft und/oder eine Zugspannung erfassen. Eine Erfassung dieser Werte ist notwendig, um eine konstante Bahnspannung der Materialbahn während des Herstellungs- oder Verarbeitungsprozesses zu ermöglichen, welche für eine hohe Produktqualität und Produktivität unabdingbar ist. Bei herkömmlichen Messeinrichtungen erfolgt die Messung mittels einer Kraftübertragung an einem Zugkraftaufnehmer, welcher vorzugsweise an einem Walzenlager der Maschine angeordnet ist. Ein solcher in mechanischer Wirkverbindung zur Maschine stehender Messaufnehmer unterliegt physikalischen äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Temperaturschwankungen, mechanischen Schwingungen der Maschine, einer Verformung von Walzen der Maschine und/oder Unwuchten, welche eine Messgenauigkeit herabsetzen oder Messergebnisse verfälschen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Erfassung von Parametern einer durch- oder umlaufenden Materialbahn in einer Materialverarbeitungsmaschine anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Beim Verfahren zur Erfassung von Parametern einer durch- oder umlaufenden Materialbahn in einer Materialverarbeitungsmaschine werden erfindungsgemäß zumindest ein Schwingungsparameter zumindest einer an der Materialbahn auftretenden Transversalschwingung mittels zumindest eines Sensors berührungslos erfasst und zumindest ein aus diesem Schwingungsparameter resultierender Parameter der Materialbahn ermittelt. Dadurch ist eine verschleißfreie oder nahezu verschleißfreie Erfassung von Parametern der Materialbahn ermöglicht. Insbesondere ist der berührungslos arbeitende Sensor gegenüber äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Temperaturschwankungen, mechanischen Schwingungen der Maschine, einer Verformung von Walzen der Maschine und/oder Unwuchten, unempfindlich. Dadurch kann eine Messgenauigkeit gesteigert werden und daraus resultierend kann eine konstante Bahnspannung der Materialbahn während des Herstellungs- oder Verarbeitungsprozesses eingestellt werden, wodurch die Qualität und die Herstellungsgeschwindigkeit der Materialbahn verbessert sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden als Transversalschwingungen durch Selbsterregung in Längs- und/oder Querrichtung der Materialbahn auftretende Schwingungen erfasst. Diese Selbsterregung kann beispielweise durch Vibrationen der Materialverarbeitungsmaschine selbst oder durch Unwuchten der Walzen, über welche die Materialbahn in der Materialverarbeitungsmaschine geführt wird, erfolgen.
In einer alternativen Ausführungsform werden die in Längs- und/oder Querrichtung auftretenden Transversalschwingungen der Materialbahn fremderregt. Eine solche Fremderregung ist beispielweise anwendbar, wenn mittels einer Selbsterregung keine hinreichend genauen Schwingungsparameter erfassbar sind. Dies kann beispielweise aufgrund einer falschen Frequenz, einer geringen Bandbreite, einer niedrigen Amplitude und/oder einer mangelnden Wiederholbarkeit der Selbsterregung notwendig werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Fremderregung von Transversalschwingungen der Materialbahn durch Aufbringen eines Schalldrucks. Dabei wird ein Schalldruck mittels eines geeigneten Mittels zumindest abschnittsweise auf die Materialbahn gerichtet oder geleitet, wobei Amplitude, Richtwirkung, Frequenz, Bandbreite, Pulsform und/oder Pulswiederholrate variabel an die jeweilige Materialbahn und die zu erzeugenden Transversalschwingungen anpassbar ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Fremderregung von Transversalschwingungen der Materialbahn durch mechanische Anregung der Materialbahn. Dabei werden mittels geeigneter Mittel gezielt Vibrationen auf die Materialbahn aufgeprägt, welche Transversalschwingungen bewirken.
Besonders vorteilhafterweise werden als Parameter der Materialbahn eine Zugkraft und/oder -spannung in Bewegungsrichtung der Materialbahn, eine Geschwindigkeit, ein E-Modul in Bewegungsrichtung der Materialbahn, eine relative Feuchtigkeit und/oder eine Dicke der Materialbahn mittels eines vorgegebenen, insbesondere mathematischen Berechnungsmodells der eingespannten und schwingenden Materialbahn ermittelt. Anhand dieser Parameter kann eine konstante Bahnspannung der Materialbahn während des Herstellungs- oder Verarbeitungsprozesses eingestellt werden.
Bei der Vorrichtung zur Erfassung von Parametern einer durch- oder umlaufenden Materialbahn in einer Materialverarbeitungsmaschine sind mittels zumindest eines Sensors mindestens ein Schwingungsparameter zumindest einer an der Materialbahn auftretenden Transversalschwingung berührungslos erfassbar und zumindest ein aus diesem Schwingungsparameter resultierender Parameter der Materialbahn mittels einer Steuereinheit ermittelbar. Dadurch ist eine durch äußere Einflüsse unbeeinflusste Erfassung der Schwingungsparameter der Transversalschwingungen ermöglicht.
Besonders bevorzugt ist eine Mehrzahl von Sensoren längs und/oder quer zur Bewegungsrichtung der Materialbahn angeordnet und auf diese ausgerichtet. Mittels einer Mehrzahl von Sensoren, welche auf unterschiedliche Oberflächenbereiche der Materialbahn ausgerichtet sind, kann auf einfache Weise eine Ausbreitungsrichtung und eine Ausbreitungsgeschwindigkeit der Transversalschwingungen erfasst werden.
Vorteilhafterweise sind der Sensor oder die Sensoren als Radarsensor, Dopplerradarsensor, Ultraschallsensor und/oder Lasersensor ausgebildet. Diese berührungslos wirkenden Sensoren sind gegenüber mechanischen Einflüssen, beispielsweise Vibrationen, Staubablagerungen, Temperaturschwankungen und/oder hoher Luftfeuchtigkeit unempfindlich und arbeiten verschleißfrei.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Materialverarbeitungsmaschine gemäß dem Stand der Technik,
2 schematisch eine Materialverarbeitungsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung von Parametern einer durch- oder umlaufenden Materialbahn und
3 schematisch ein Verfahrensablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch eine Materialverarbeitungsmaschine 1 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Eine solche Materialverarbeitungsmaschine 1 umfasst eine Mehrzahl von Walzen 2, 3, 4, 5, welche jeweils einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen können, über die eine Materialbahn 6 geführt wird. Dabei können einzelne Walzen 2, 5 aktiv antreibbar sein, wobei an den einzelnen angetriebenen Walzen 2, 5 unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten oder Drehzahlen D einstellbar sind. Durch Variation der Rotationsgeschwindigkeiten oder Drehzahlen D kann eine Bahnspannung der Materialbahn 6 beeinflusst werden. Eine Regelung der Rotationsgeschwindigkeiten oder Drehzahlen D kann manuell durch das Bedienpersonal oder automatisch mittels einer Steuereinheit 7 erfolgen.
Herkömmlicherweise wird eine Zugkraft und/oder -spannung in Bewegungsrichtung (auch Laufrichtung oder Längsrichtung genannt) der Materialbahn 6 mittels eines Zugkraftaufnehmers 8, welcher vorzugsweise an einem Walzenlager der Walze 4 der Materialverarbeitungsmaschine 1 angeordnet ist, ermittelt. Ein solcher, in mechanischer Wirkverbindung zur Materialverarbeitungsmaschine 1 stehender Zugkraftaufnehmer 8 unterliegt physikalischen äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Temperaturschwankungen, mechanischen Schwingungen der Materialverarbeitungsmaschine 1, einer Verformung von Walzen der Materialverarbeitungsmaschine 1, Verschmutzung und/oder Unwuchten, welche eine Messgenauigkeit herabsetzen oder Messergebnisse verfälschen.
Anhand der ermittelten Zugkraft Z und/oder -spannung kann die Drehzahl D der angetriebenen Walzen 2, 5 manuell oder automatisch eingestellt werden, so dass eine konstante Bahnspannung der Materialbahn 6 während des Herstellungs- oder Verarbeitungsprozesses ermöglicht ist.
Die Materialbahn 6 ist vorzugsweise als herkömmliche Papierbahn ausgebildet und die Materialverarbeitungsmaschine 1 ist beispielsweise als Papiermaschine, Streichmaschine, Umroller und/oder Rollenschneidmaschine ausbildet.
In 2 ist schematisch eine Materialverarbeitungsmaschine 1 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung von Parametern einer durchlaufenden Materialbahn 6 dargestellt. Alternativ kann die Materialverarbeitungsmaschine für eine umlaufende Materialbahn ausgebildet sein (nicht näher dargestellt). Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung der Parameter an einer umlaufenden Materialbahn unterscheidet sich nicht wesentlich von der zur Erfassung von Parametern an einer durchlaufenden Materialbahn 6. Lediglich die Position der Vorrichtung kann verschieden sein. Die Komponenten sind im Wesentlichen identisch.
Die Materialverarbeitungsmaschine 1 gemäß 2 entspricht im Wesentlichen der in 1 dargestellten Materialverarbeitungsmaschine 1, mit dem Unterschied, dass kein Zugkraftaufnehmer 8 am Walzenlager der Walze 4 angeordnet ist.
Eine Mehrzahl von Sensoren 9 ist längs und/oder quer zur Bewegungsrichtung der Materialbahn 6 angeordnet, wobei ein Erfassungsbereich 10 der Sensoren 9 auf die Materialbahn 6 ausgerichtet ist und dort auftretende, so genannte Transversalschwingungen erfasst. Besonders vorteilhafterweise kann mittels mehrerer Sensoren 9, welche jeweils auf unterschiedliche Oberflächenbereiche der Materialbahn 6 ausgerichtet sind, auf einfache Weise eine Ausbreitungsrichtung und/oder eine Ausbreitungsgeschwindigkeit der Transversalschwingungen erfasst werden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Transversalschwingungen steht dabei in direkter Beziehung zur Bahnspannung der Materialbahn 6, so dass diese Bahnspannung aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Transversalschwingungen ermittelt werden kann. Die Sensoren 9 können unterschiedliche Schwingungsparameter der Transversalschwingungen, wie beispielweise eine Frequenz, eine Amplitude und/oder eine Phase, erfassen. Dazu sind die Sensoren 9 je nach Richtung der Wellenausbreitung der Transversalschwingungen längs oder quer zur Bewegungsrichtung der Materialbahn 6 ausgerichtet.
Die Materialbahn 6 ist in Zugrichtung an ihren beiden Stirnseiten zwischen den Walzen 2 und 5 eingespannt. An den Längsseiten ist die Materialbahn 6 nicht eingespannt. Auf der mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit durchlaufenden Materialbahn 6 können sich herkömmliche Transversalschwingungen in Lauf- oder Bewegungsrichtung (= Längsrichtung), somit zwischen den eingespannten Stirnseiten, und quer zur Lauf- oder Bewegungsrichtung (= Querrichtung), somit zwischen den Längsseiten ausbreiten. In Längsrichtung können aufgrund der Einspannung und der Bahnbewegung laufende und stehende Wellen von Transversalschwingungen auftreten. In Querrichtung können laufende Wellen der Transversalschwingungen auftreten, die an den Längsseiten reflektiert werden können.
Die Transversalschwingungen der Materialbahn 6 können Selbst- oder fremderregt entstehen. Selbsterregte Transversalschwingungen entstehen beispielsweise aufgrund von Vibrationen der Materialverarbeitungsmaschine 1 oder einzelner Maschinenteile, beispielsweise durch Unwucht zumindest einer der Walzen 2 bis 5, über welche die Materialbahn 6 in der Materialverarbeitungsmaschine 1 geführt wird oder durch turbulente Luftströmung an der Materialbahn 6.
Sind mittels einer solchen Selbsterregung keine hinreichend genauen Schwingungsparameter der Transversalschwingungen erfassbar, ist eine Fremderregung anwendbar. Dies kann beispielweise aufgrund einer falschen Frequenz, einer geringen Bandbreite, einer niedrigen Amplitude und/oder einer mangelnden Wiederholbarkeit der Selbsterregung notwendig werden. Dazu werden die fremderregten Transversalschwingungen beispielsweise mittels Schalldrucks oder mechanisch induziert. Dabei wird ein Schalldruck mittels eines geeigneten Mittels zumindest abschnittsweise auf die Materialbahn 6 gerichtet oder geleitet, wobei Amplitude, Richtwirkung, Frequenz, Bandbreite, Pulsform und/oder Pulswiederholrate variabel an die jeweilige Materialbahn 6 und die zu erzeugenden Transversalschwingungen anpassbar ist.
In einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Fremderregung von Transversalschwingungen der Materialbahn 6 durch mechanische Anregung der Materialbahn 6. Dabei werden mittels geeigneter Mittel gezielt Vibrationen auf die Materialbahn 6 aufgeprägt, welche Transversalschwingungen bewirken.
Mittels einer Wahl des Einleitungsortes und/oder der Einleitungsrichtung können unterschiedliche Transversalschwingungen gezielt und wiederholbar angeregt werden.
Vorteilhafterweise sind die Sensoren 9 als herkömmliche Radarsensoren, Dopplerradarsensoren, Ultraschallsensoren und/oder Lasersensoren ausgebildet. Diese berührungslos wirkenden Sensoren 9 sind gegenüber mechanischen Einflüssen, beispielweise Vibrationen, Staubablagerungen, Temperaturschwankungen und/oder hoher Luftfeuchtigkeit unempfindlich und arbeiten verschleißfrei.
Besonders vorteilhafterweise sind als Sensoren 9 Dopplerradarsensoren einsetzbar, da sie die Amplitude und Phase einer Transversalschwingung eines reflektierenden Materials direkt messen können. Dabei arbeiten diese Dopplerradarsensoren vorzugsweise in einem Frequenzbereich von 77 GHz.
Basierend auf einem vorgegebenen, insbesondere mathematischen Berechnungsmodell der eingespannten und schwingenden Materialbahn 6, welches vorzugsweise in der Steuereinheit 7 hinterlegt ist, können aus den aufgenommenen Schwingungsparametern der Transversalschwingungen als Parameter der Materialbahn 6 eine Zugkraft und/oder -spannung in Bewegungsrichtung der Materialbahn 6, eine Geschwindigkeit, ein E-Modul in Bewegungsrichtung der Materialbahn 6, eine relative Feuchtigkeit und/oder eine Dicke der Materialbahn 6 ermittelt werden.
Für einige dieser Parameter kann es notwendig sein, Sensoren 9 auf mehreren Abschnitten der Materialbahn 6, also zwischen unterschiedlichen Walzenpaaren, anzuordnen und zu verteilen und das mathematische Berechnungsmodell entsprechend zu erweitern, beispielsweise zur Erhaltung des Massenstroms. Dabei sind die Parameter und/oder die Parameterkombinationen, welche mit hinreichender Genauigkeit ermittelbar sind, von der Zahl und der Position der Sensoren 9 sowie von der Ordnung des mathematischen Berechnungsmodells der Materialbahn 6 abhängig.
In 3 ist schematisch ein Verfahrensablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Im Betrieb des Verfahrens wird in einem ersten Verfahrensschritt I zumindest eine Transversalschwingung fremderregt auf die Materialbahn 6 aufgeprägt.
In einem zweiten Verfahrensschritt II wird zumindest ein Schwingungsparameter einer an der Materialbahn 6 auftretenden Transversalschwingung mittels mindestens eines Sensors 9 berührungslos erfasst und an die mit dem Sensor 9 gekoppelte Steuereinheit 7 übermittelt.
In einem dritten Verfahrensschritt III werden anhand des in der Steuereinheit 7 hinterlegten mathematischen Berechnungsmodells der eingespannten, durchlaufenden und schwingenden Materialbahn 6 und der erfassten Schwingungsparameter Parameter der Materialbahn 6 ermittelt.
In einem vierten Verfahrensschritt IV werden die ermittelten Parameter der Materialbahn 6 einem Bedienpersonal der Materialverarbeitungsmaschine 1 visuell angezeigt, wobei das Bedienpersonal die Materialverarbeitungsmaschine 1 manuell steuert oder regelt.
In einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform werden die berechneten Parameter der Materialbahn 6 zur automatischen Steuerung und/oder Regelung der Materialverarbeitungsmaschine 1 genutzt.

Claims

Verfahren zur Erfassung von Parametern einer durch- oder umlaufenden Materialbahn (6) in einer Materialverarbeitungsmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Schwingungsparameter zumindest einer an der Materialbahn (6) auftretenden Transversalschwingung mittels zumindest eines Sensors (9) berührungslos erfasst wird und mindestens ein aus diesem Schwingungsparameter resultierender Parameter der Materialbahn (6) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Transversalschwingungen durch Selbsterregung in Längs- und/oder Querrichtung an der Materialbahn (6) auftretende Schwingungen erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Längs- und/oder Querrichtung auftretenden Transversalschwingungen der Materialbahn (6) fremderregt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremderregung von Transversalschwingungen der Materialbahn (6) durch Aufbringen eines Schalldrucks erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremderregung von Transversalschwingungen der Materialbahn (6) durch mechanische Anregung der Materialbahn erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter der Materialbahn (6) eine Zugkraft und/oder -spannung in Bewegungsrichtung der Materialbahn (6), eine Geschwindigkeit, ein E-Modul in Bewegungsrichtung der Materialbahn (6), eine relative Feuchtigkeit und/oder eine Dicke der Materialbahn (6) mittels eines vorgegebenen, insbesondere mathematischen Berechnungsmodells der eingespannten und schwingenden Materialbahn (6) ermittelt werden.
Vorrichtung zur Erfassung von Parametern einer durch- oder umlaufenden Materialbahn (6) in einer Materialverarbeitungsmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass mittels zumindest eines Sensors (9) zumindest ein Schwingungsparameter zumindest einer an der Materialbahn (6) auftretenden Transversalschwingung berührungslos erfassbar ist und mindestens ein aus diesem Schwingungsparameter resultierender Parameter der Materialbahn (6) mittels einer Steuereinheit (7) ermittelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sensoren (9) längs und/oder quer zur Bewegungsrichtung der Materialbahn (6) angeordnet und auf diese ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (9) oder die Sensoren (9) als Radarsensor, Dopplerradarsensor, Ultraschallsensor und/oder Lasersensor ausgebildet ist bzw. sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (7) ein vorgegebenes, insbesondere mathematisches Berechnungsmodell der eingespannten und schwingenden Materialbahn (6) hinterlegt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (9) zwischen zwei benachbart in der Materialverarbeitungsmaschine (1) angeordneten Walzen (2, 3) angeordnet sind oder zwischen mehreren Walzen (2, 3, 4, 5) angeordnet sind.