DE102014012426A1

DE102014012426A1 - Messrolle

Info

Publication number: DE102014012426A1
Application number: DE102014012426.6A
Authority: DE
Inventors: Gert Mücke
Original assignee: BFI VDEH Institut fuer Angewandte Forschung GmbH
Current assignee: BFI VDEH Institut fuer Angewandte Forschung GmbH
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2016-03-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messrolle zum Feststellen von Planheitsabweichungen beim Behandeln von bandförmigem Gut, insbesondere von Metallband, mit einem Rollenkörper und einem den Rollenkörper zumindest teilweise umgebenden Mantelrohr und in Ausnehmungen angeordneten Sensoren, wobei sich die Ausnehmungen in Axialrichtung der Messrolle in den Rollenkörper und/oder in das Mantelrohr hinein erstrecken, wobei die Ausnehmungen in Axialrichtung an beiden Enden – durch einen Steg des Rollenkörpers und/oder einen Steg des Mantelrohrs und/oder – durch einen die Stirnseite der Messrolle bildenden Deckel, der auch einen an dieser Stirnseite vorgesehenen Zapfen der Messrolle aufweist, begrenzt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messrolle zum Feststellen von Planheitsabweichungen beim Behandeln von bandförmigem Gut.
Messrollen werden beim Kalt- und Warmwalzen von Metallband eingesetzt und sind beispielsweise aus der DE 42 36 657 A1 bekannt.
Für das herkömmliche Messen der Planheit beim Walzen von Bändern werden im wesentlichen Verfahren eingesetzt, bei denen das Band mit einem gewissen Umschlingungswinkel über eine mit Sensoren bestückte Messrolle geführt wird.
Auf diese Weise kommt es bei der in der DE 42 36 657 A1 beschriebenen Messrolle zu einer Berührung zwischen Kraftmessgebern oder deren Abdeckungen, die in zur Rollenoberfläche offenen radialen Bohrungen der Messrolle angeordnet sind, und dem Band. Zwischen den am Boden ihrer Ausnehmung aufgespannten Sensoren und der sie umgebenden Bohrungswandung befindet sich ein zylindrischer Spalt. Dieser Spalt kann mit einem O-Ring schulterdichtend oder mit einer Kunststoffschicht frontdichtend verschlossen sein, um das Eindringen von Schmutz, beispielsweise Bandabrieb und Schmiermittel in die Ringspalte zwischen Sensor und Rollenkorpus zu verhindern. Auch ist es möglich, wie in der DE 42 36 657 A1 in der 1c dargestellt ist, den Messgeber in eine Ausnehmung der Vollrolle zu platzieren, die dann mit einer angearbeiteten Membran abgedeckt wird.
Die Anordnung der Sensoren (Kraftmessgeber) mit Abstand von der sie umgebenden Wandung und das Verschließen des Ringspalts mit Hilfe eines O-Rings oder eines hinreichend elastischen Kunststoffs ( DE 196 16 980 A1 ) verhindert, dass sich während des Walzens im Korpus der Rolle wirksame Querkräfte störend auf die Kraftmessgeber bzw. das Messergebnis auswirken. Derartige Störkräfte sind die Folge des auf die Messrolle wirkenden Bandzugs und einer damit verbundenen Durchbiegung der Rolle. Deren Querschnitt nimmt dabei die Form einer Ellipse an, deren längere Achse parallel zum Band verläuft. Die Rollendurchbiegung täuscht dem Kraftmessgeber eine Unebenheit des Bandes vor, wenn sie durch Kraftnebenschluss auf den Messgeber übertragen wird. Ein solcher Kraftnebenschluss lässt sich bei der Verwendung einer Dichtung im Ringspalt nicht ganz vermeiden, da die Dichtkräfte zwangsläufig auf den Sensor wirken.
Aus DE 102 07 501 C1 ist eine Vollrolle zum Feststellen von Planheitsabweichungen beim Behandeln von bandförmigem Gut, insbesondere von Metallband, mit in Ausnehmungen angeordneten Sensoren bekannt, bei der die Sensoren axial zugänglich sind. Das Einbringen der axial verlaufenden Ausnehmungen wird häufig mit Tieflochbohrwerkzeugen durchgeführt. Bei Messrollen mit Ballenbreiten > 1000 mm müssen sehr lange Bohrwerkzeuge verwendet werden, da für das stirnseitige Bohren der Ausnehmung das Bohrwerkzeug erst über die zum Teil sehr langen Zapfen gefahren werden muss. Ein Verlaufen des Bohrkanals ist häufig die Ursache.
Aus DE 20 2007 001 066 U1 ist eine Messrolle zum Feststellen von Planheitsabweichungen beim Behandeln von bandförmigem Gut, insbesondere von Metallband, mit einem Rollenkörper und einem den Rollenkörper zumindest teilweise umgebenden Mantelrohr und in Ausnehmungen angeordneten Sensoren bekannt, wobei sich die Ausnehmungen von einer Stirnseite der Messrolle in den Rollenkörper und/oder in das Mantelrohr hinein erstreckt. Die Ausnehmung kann stirnseitig mit einem Deckel verschlossen werden. Die jeweils stirnseitig vorgesehenen Zapfen dieser Messrolle sind an dem Rollenkörper ausgeformt. Nachteilig an dieser Messrolle ist die Schwächung des Rollenkörpers, bzw. des Mantelrohrs durch die eingebrachten Ausnehmungen. Bei breiten Messrollen ist auch wie beim Tieflochbohren hierbei das Überfahren des Lagerzapfens von großem Nachteil. Ein weiteres Problem ist das Verschließen der bis zur Stirnseite eingearbeiteten Kanäle/Nuten, da diese nicht wie bei der DE 102 07 501 C1 mit Bohrwerkzeuge (runde Kanäle), sondern mit Fräswerkzeuge (eckige Kanäle) hergestellt werden.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Messrolle der eingangs genannten Art mit einer hohen Lebensdauer bereitzustellen, die zudem präzise Messergebnisse liefert.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände des Ansprüche 1 und 2 gelöst.
Die Erfindung geht gemäß einem ersten Aspekt von dem Grundgedanken aus, die Ausnehmungen für die Aufnahme der Sensoren nur mit einer beschränkten Ausdehnung in Axialrichtung des Rollenkörpers auszuführen. Dazu wird die Ausnehmung in Axialrichtung an beiden Enden

– durch einen Steg des Rollenkörpers und/oder einen Steg des Mantelrohrs und/oder
– durch einen die Stirnseite der Messrolle bildenden Deckel, der auch einen an dieser Stirnseite vorgesehenen Zapfen der Messrolle umfasst,

Zwar ist es aus DE 102 07 501 C1 bekannt, die dort in der Vollrolle ausgeführten Ausnehmungen als Sacklochbohrungen durchzuführen und deren axiale Erstreckung dem für den jeweiligen Sensor vorgesehenen Messort anzupassen. Die Sacklochbohrungen gemäß DE 102 07 501 C1 schwächen jedoch in ihrer Gesamtheit den stirnseitigen Bereich der Messrolle. Indem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung die Ausnehmungen nicht mehr bis zur Stirnseite geführt werden, sondern an beiden Seiten durch einen Steg oder einen Deckel verschlossen werden, der den an dieser Stirnseite vorgesehenen Zapfen aufweist, wird der stirnseitige Bereich der Messrolle nicht mehr geschwächt.
Dieser Vorteil kann auch durch den zweiten Aspekt der Erfindung realisiert werden, gemäß dem die Messrolle einen als Vollrolle ausgeführten Rollenkörper (also einen Rollenkörper, der nicht zumindest teilweise von einem Mantelrohr umgeben ist) aufweist, in dem Ausnehmungen ausgeführt sind, in denen Sensoren angeordnet sind, wobei die Messrolle einen die Stirnseite der Messrolle bildenden, mit der Vollrolle verbundenen Deckel aufweist, der auch einen an dieser Stirnseite vorgesehenen Zapfen der Messrolle umfasst. Bei dieser Ausführungsform werden die über den Zapfen eingebrachten Stützkräfte über die Verbindung zwischen dem Deckel und der Vollrolle in die Vollrolle eingebracht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wandstärke des Stegs des Rollenkörpers, bzw. des Stegs des Mantelrohrs in Axialrichtung mindestens 5 mm, insbesondere bevorzugt mehr als 10 mm und ganz besonders bevorzugt mehr als 15 mm. Je größer die Wandstärke in Axialrichtung gewählt wird, desto größer ist der Bereich der Stirnseite der Messrolle, der nicht durch eine Ausnehmung geschwächt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wandstärke des die Stirnseite der Messrolle bildenden Deckels in dem Bereich, der nicht den Zapfen aufweist, in Axialrichtung mindestens 5 mm, insbesondere bevorzugt mehr als 10 mm und ganz besonders bevorzugt mehr als 15 mm. Je größer die Wandstärke in Axialrichtung gewählt wird, desto größer ist der Bereich der Stirnseite der Messrolle, der nicht durch eine Ausnehmung geschwächt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Deckel mittels Verbindungselementen, insbesondere bevorzugt mittels Schrauben mit dem Rollenkörper verbunden.
Bei den Ausnehmungen kann es sich um Bohrungen oder auch um beispielsweise durch Fräsen oder Senkerodieren hergestellte Kanäle, beispielsweise mit quadratischem Querschnitt handeln. Der Begriff Bohrungen schließt daher im folgenden alle in Frage kommenden Querschnitte und Ausnehmungen ein, unabhängig davon, durch welches konkrete Verfahren sie erzeugt wurden. Als Bohrungen gelten somit auch (im Querschnitt, beispielsweise in radialer Richtung, einseitig offene) Kanäle und Nute (die erst durch ein weiteres Bauteil geschlossen werden) sowie beispielsweise durch tatsächliches Bohren hergestellte ”Bohrungen” mit geschlossenen Querschnitt.
Die Ausnehmung (oder wie sie im Nachfolgenden bezeichnet wird: Die Bohrung) kann beispielsweise durch Fräsen an der Umfangsoberfläche des Rollenkörpers hergestellt werden. So kann beispielsweise ein Kanal in die Außenumfangsfläche des Rollenkörpers eingefräst werden, der dann durch das über den Rollenkörper gezogene Mantelrohr an seiner zunächst in Radialrichtung offenen Seite zur Bildung einer im Querschnitt vollständig geschlossenen Ausnehmung verschlossen wird. Ebenso kann die Bohrung durch Ausbildung eines Kanals in die Innenoberfläche des Mantelrohrs erzeugt werden. Wenn das Mantelrohr auf den Rollenkörper aufgebracht wird, wird auch dieser Kanal in Radialrichtung verschlossen. Ebenso kann die Bohrung durch Einbringen von Kanälen in die Außenoberfläche des Rollenkörpers und in die Innenoberfläche des Mantelrohrs erzeugt werden, wobei insbesondere bevorzugt das Mantelrohr dann derart auf den Rollenkörper aufgebracht wird, dass die jeweiligen Kanäle zusammen eine Bohrung bilden, die Bohrung sich also in ihrem unteren Teil in dem Rollenkörper und in ihrem oberen Teil in dem Mantelrohr erstreckt.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Sensoren in der Bohrung verkeilt. Dadurch können sie in einer besonders bevorzugten Ausführungsform mit einer vordefinierten Vorspannung belastet werden. Sie werden durch das Verkeilen also nicht nur in ihrer Position innerhalb der Bohrung fixiert, sondern können zudem mit Vorspannkräften belastet werden. Das Belasten mit Vorspannkräften ist bevorzugt, da sich beim Einsatz der Messrolle im normalen Betrieb die Einbaubedingungen für den Sensor unter den verschiedenen Betriebsbedingungen, wie z. B. durch Temperaturänderung, ändern können. So kann z. B. durch den Temperatureinfluss eine unterschiedliche räumliche Ausdehnung des Mantelrohrs und des Rollenkörpers erfolgen, was zu einer Veränderung der Einbausituation, insbesondere der Kraftkoppelung, des Sensors führen kann. Deshalb ist es bevorzugt, dass die Sensoren beim Einbau in die Bohrungen mit einer Vorspannkraft beaufschlagt werden, die so hoch ist, dass im Betriebseinsatz unter allen Betriebseinflüssen die Kraftverbindung zwischen Sensor und Bohrungswandung erhalten bleibt, damit eine hysteresefreie und lineare Messung gewährleistet ist.
Die Messrolle weist einen Rollenkörper auf, der den Grundkörper der Messrolle bildet. Ferner ist in einer ersten Ausführungsform der Erfindung ein Mantelrohr vorgesehen, das den Rollenkörper zumindest teilweise umgibt. Besonders bevorzugt ist das Mantelrohr derart ausgeführt, dass es den Rollenkörper vollständig umgibt, also die Umfangsoberfläche des Rollenkörpers und insbesondere bevorzugt auch einen stirnseitig vorgesehenen Deckel vollständig bedeckt. Es sind aber auch Bauformen möglich, bei denen der Rollenkörper in Bezug auf seine längsaxiale Erstreckung nur teilweise von dem Mantelrohr umgriffen wird, also mehr oder je nach Anwendung deutlich mehr über das Mantelrohr hinaus ragt. Es ist auch denkbar, dass bei Ausführungsformen, die einen stirnseitig angeordneten Deckel aufweisen, der Deckel über das Mantelrohr hinausragt.
Die Ausnehmungen (Bohrungen) sind insbesondere bevorzugt achsparallel ausgeführt. Zwar ist es auch denkbar, dass die Ausnehmungen in einer Umfangsebene in einem Winkel zur Rollenachse verlaufen. Achsparallel verlaufende Ausnehmungen lassen sich jedoch leichter herstellen. Die Ausnehmungen haben insbesondere bevorzugt eine größere Erstreckung in Axialrichtung, als die Sensoren. Insbesondere bevorzugt haben die Ausnehmungen eine Erstreckung in Axialrichtung, die mindestens dem 1,1-fachen, insbesondere bevorzugt mindestens dem 1,2-fachen und besonders bevorzugt mindestens dem 1,5-fachen der Erstreckung des Sensors in dieser Richtung entspricht.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Sensoren in einer Ausnehmung angeordnet.
Die Sensoren sollten in den Bohrungen fixiert, nämlich verkeilt, und bevorzugt auch durch die Verkeilung verspannt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verkeilung derart ausgeführt, dass eine Vorspannung auf den Sensor ausgeübt wird. Diese Vorspannung ist insbesondere bevorzugt so gewählt, dass im Betriebseinsatz unter allen Betriebseinflüssen die Kraftverbindung zwischen Sensor und Bohrungswandung erhalten bleibt, damit eine hysteresefreie und lineare Messung gewährleistet ist.
Treten beim Verspannen unterschiedliche Vorspannungen auf, lassen sich diese ohne weiteres messtechnisch kompensieren. Andererseits lässt sich die Vorspannung jedoch auch bewusst dosieren, um Fertigungstoleranzen sowohl der Sensoren als auch der Bohrungen auszugleichen. Dabei können Sensoren mit planparallelen Flächen zwischen keilförmigen Haltestücken, beispielsweise Spannkeilen angeordnet sein, die solange gegeneinander bewegt werden, bis der Sensor unverrückbar zwischen den Haltestücken eingeklemmt ist.
Eines der beiden Haltestücke ist normalerweise dort, wo der Sensor platziert werden soll, ortsfest in der Bohrung angeordnet, während das andere Haltestück zum Fixieren des Sensors in der Bohrung verschoben wird. Dies kann mit Hilfe einer Spannschraube geschehen, die sich am Rollenkorpus abstützt und über eine Distanzhülse auf das bewegliche Haltestück wirkt.
Besonders günstig ist die Anordnung mehrerer Sensoren in radial beweglichen Schiebestücken, die mit Hilfe einer Keilleiste in der Bohrung fixiert werden. Die Schiebestücke können in einer Distanzleiste angeordnet sein und mit Hilfe keilförmiger Haltenasen einer Spannleiste radial nach außen gedrückt und so in den Bohrungen verspannt werden.
Um die zu den Sensoren führenden Leitungen sicher unterzubringen, können die Bohrungen mit parallel verlaufenden Leitungskanälen verbunden sein. Alternativ können die Bohrungen jedoch auch über einen Querkanal mit einer zentrischen Kabelbohrung in der Rolle verbunden sein. Der Querkanal kann im Korpus der Rolle verlaufen oder als offener Kanal an der Stirnfläche der Rolle und dann mit einem Deckel verschlossen sein.
Um die Haltestücke für die Sensoren oder die Leisten in den Bohrungen zu führen, können sie mit einer Längsrippe versehen sein, die in eine komplementäre Führungsnut im Korpus der Rolle eingreift.
Wenn das Mantelrohr eine Wandstärke von beispielsweise 1 bis 30 mm, vorzugsweise 5 bis 10 mm aufweist, die achsparallelen Bohrungen also mit geringem Abstand unterhalb der Rollenoberfläche angeordnet sind, dann ergibt sich über den eingespannten Sensoren ein dünner Biegebalken, der sich je geringer seine Dicke ist um so günstiger auf das Messergebnis auswirkt, weil er praktisch keine oder allenfalls äußert geringe Querkräfte aufnimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Oberfläche des Mantelrohrs eine Beschichtung mit verschleißfesten metallischen oder nichtmetallischen bzw. keramischen Werkstoffen, beispielsweise mit Wolfram, Molybdän und Tantal sowie deren Legierungen oder mit Karbiden, Nitriden, Boriden, Siliziden und Oxiden auf. Des Weiteren lässt sich die Mantelfläche oder auch die Beschichtung mit einer Textur versehen, um die Oberfläche des über die Rolle geführten bahnförmigen Materials zu strukturieren.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, den Drucksensor zwischen zwei Paaren von Innen- und Außenkeilelementen zu halten. Dadurch wird es zum einen möglich, den Sensor in Wirkrichtung der zu messenden Druckkraft auszurichten. Ferner ist es durch diese Anordnung möglich, die Halterung bezüglich einer durch die Einbauposition des Drucksensors verlaufenden, senkrecht zur Wirkrichtung der zu messenden Druckkraft angeordneten Ebene geometrisch symmetrisch auszubilden, möglicherweise sogar achssymmetrisch. Es wurde erkannt, dass bei der aus dem Stand der Technik bekannten Einbauvariante des Drucksensors beim Verspannen des Sensors ein Kippen der Einbauelemente auftritt, was zu einer Verringerung der Gesamtsteifigkeit der Einbauten führt. Das Kippen erfolgt um eine zur Längsachse der Axialbohrung und zur Radialrichtung senkrechten Achse. Verursacht wird dieses Kippen vermutlich durch die beim Verspannen auftretenden Reibkräfte, die jedoch aufgrund der asymmetrischen Konstruktion der hauptsächlich eingesetzten zweiten Einbauvariante nicht ausgeglichen sind und somit ein Kippmoment hervorrufen. Ebenfalls wird vermutet, dass die Vorspannungsverluste ihre Ursache in dem Kippen und Schrägstellen der Einbauelemente beim Vorspannen haben. Die durch die Biegewechselbelastung der Messrolle bedingten elastischen Verformungen und Mikrobewegungen verringern zudem die durch die Schrägstellung der Einbauten hervorgerufene Lastasymmetrie und verursachen dadurch den Vorspannverlust.
Die Vorzüge der Erfindung werden bereits durch eine Halterung für einen Drucksensor, der eine von oben auf ihn wirkende Druckkraft messen kann, erzielt, der folgende Bauelemente aufweist:

– ein erstes oberhalb der für den Drucksensor vorgesehenen Einbauposition angeordnetes Innenkeilelement mit einer zu der Einbauposition des Drucksensors weisenden Innenfläche und einer im Winkel zur Innenfläche stehenden, der Innenfläche gegenüberliegenden Außenfläche, und
– ein erstes Außenkeilelement mit einer zu der Einbauposition des Drucksensors weisenden Innenfläche, mit der das Außenkeilelement auf der Außenfläche des ersten Innenkeilelements aufliegt, sowie mit einer der Innenfläche gegenüberliegenden Außenfläche, und
– ein zweites unterhalb der für den Drucksensor vorgesehenen Einbauposition angeordnetes Innenkeilelement mit einer zu der Einbauposition des Drucksensors weisenden Innenfläche und einer im Winkel zur Innenfläche stehenden, der Innenfläche gegenüberliegenden Außenfläche und
– ein zweites Außenkeilelement mit einer zu der Einbauposition des Drucksensors weisenden Innenfläche, mit der das Außenkeilelement auf der Außenfläche des zweiten Innenkeilelements aufliegt, sowie mit einer der Innenfläche gegenüberliegenden Außenfläche.

Auf diese Weise wird die für das Vorspannen der Halterung und des Drucksensors in einer Ausnehmung durch eine translatorische Bewegung notwendige Keilanordnung in das Innere der Halterung verlegt. Die Halterung kann bezüglich ihrer Außenflächen an die Formgebung der Ausnehmung, in die die Halterung und der Drucksensor zu verspannen sind, angepasst werden und erlaubt gleichzeitig, die unmittelbar bzw. mittelbar die Einbauausrichtung des Drucksensors beeinflussenden Innenflächen auf die gewünschte Ausrichtung anzupassen, beispielsweise diese Innenflächen senkrecht zu der Wirkrichtung der zu messenden Druckkraft anzuordnen. Außerdem hat es sich gezeigt, dass bei der erfindungsgemäßen Halterung die Oberflächengüte der Ausnehmung (beispielsweise der Axialbohrung), in die die Halterung eingesetzt wird, geringer sein kann, ohne dass ein Kippen auftritt. Dadurch entfallen aufwendige Verfahren zum Erzeugen einer guten Oberflächengüte, wie beispielsweise das Hohnen oder Rollieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Halterung bezüglich einer durch die Einbauposition des Drucksensors verlaufenden, senkrecht zur Wirkrichtung der zu messenden Druckkraft angeordneten Ebene geometrisch symmetrisch ausgebildet. Bereits die Abstimmung der Geometrie der oberhalb des Drucksensors und unterhalb des Drucksensors angeordneten Bauelemente reduziert die beim Vorspannen auftretenden Kippmomente und kann sie sogar vollständig vermeiden.
Alternativ oder ergänzend kann die Halterung bezüglich einer durch die Einbauposition des Drucksensors verlaufenden, senkrecht zur Wirkrichtung der zu messenden Druckkraft angeordneten Ebene bezüglich der für die die Halterung bildenden Bauelemente verwendeten Materialien und/oder bezüglich der Oberflächenbeschaffenheiten dieser Bauelemente symmetrisch ausgebildet sein. Kippmomente können nicht nur durch geometrische Unterschiede der oberhalb und unterhalb des Drucksensors vorgesehenen Bauelemente erzeugt werden, sondern auch dadurch, dass aufgrund unterschiedlicher Materialwahl oder unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheiten unterschiedliche Reibkräfte zwischen gegeneinander bewegten Oberflächen oberhalb und unterhalb des Drucksensors entstehen. Dies kann durch die symmetrische Ausbildung der betreffenden Materialen bzw. Oberflächenbeschaffenheiten verhindert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Verbindung vorgesehen, die das erste Innenkeilelement und das zweite Innenkeilelement zur Vermeidung einer relativen Verschiebung in eine Richtung, die nicht die Wirkrichtung der zu messenden Druckkraft ist, verbindet. Die zu vermeidenden Kippmomente können auch dadurch entstehen, dass sich vergleichbare Bauelemente oberhalb des Drucksensors und unterhalb des Drucksensors nicht synchron zueinander bewegen. Dies kann vermieden werden, wenn die betreffenden Bauelemente miteinander verbunden werden. Vorzugsweise ist diese Verbindung jedoch derart ausgebildet, dass sie eine Verschiebung der beiden verbundenen Bauelemente in Wirkrichtung der zu messenden Druckkraft erlaubt. Bei Halterungen für Drucksensoren, die eine von oben auf sie wirkende Druckkraft messen sollen, wird durch konstruktive Maßnahmen vorzugsweise versucht, den Kraftnebenschluss möglichst gering zu halten, also den Teil der zu messenden Druckkraft, der durch die Halterung an dem Drucksensor vorbeigeleitet wird, klein zu halten. Dies erfolgt, indem die Bauelemente in Wirkrichtung der zu messenden Druckkraft relativ zueinander federnd ausgebildet sind und die Federsteifigkeit der durch die Verbindung entstandenen Kraftbrücke möglichst gering ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Verbindung vorgesehen, die das erste Außenkeilelement und das zweite Außenkeilelement zur Vermeidung einer relativen Verschiebung in eine Richtung, die nicht die Wirkrichtung der zu messenden Druckkraft ist, verbindet. Dadurch werden die gleichen Vorteile wie bei der Verbindung der Innenkeilelemente erzielt.
Auch wenn die Außenfläche des ersten Innenkeilelements und/oder die Außenfläche des zweiten Innenkeilelements nach Art eines Flachkeils plan ausgebildet sein kann, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform die Außenfläche des ersten Innenkeilelements und/oder die Außenfläche des zweiten Innenkeilelements als Teilfläche eines Kegels ausgebildet, dessen Längsachse durch die Einbauposition des Drucksensors verläuft. Für die beim Vorspannen erzeugten Kippmomente ist es von Bedeutung, mit welcher Präzision die Geometrien der einander zugewandten Flächen einzelner, relativ zueinander bewegter Flächen hergestellt werden können. Es hat sich gezeigt, dass die Herstellung von Kegelteilflächen, beispielsweise durch drehende, spanabhebende Bearbeitung eines Halbzeugs präziser hergestellt werden kann, als die plane Fläche eines Flachkeils. Durch diese spezielle Ausgestaltung der Außenflächen wird deshalb eine weitere Verminderung der auftretenden Kippmomente erreicht.
Aus dem gleichen Grund wird die Innenfläche des ersten Außenkeilelements und/oder die Innenfläche des zweiten Außenkeilelements vorzugsweise als Teilfläche der Begrenzung einer kegelförmigen Ausnehmung ausgebildet, deren Längsachse durch die Einbauposition des Drucksensors verläuft.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste Innenkeilelement und das zweite Innenkeilelement Teilelemente einer einstückig hergestellten Innenhülse. Dies bietet sowohl hinsichtlich der Fertigung der Bauteile der Halterung als auch hinsichtlich der Handhabung der Halterung beim Einbau des Drucksensors Vorteile.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Innenhülse zwischen dem ersten Innenkeilelement und dem zweiten Innenkeilelement einen Längsschlitz auf, der zur Wirkrichtung der zu messenden Druckkraft im Wesentlichen senkrecht verläuft. Hierdurch wird die Federsteifigkeit der Innenhülse reduziert, so dass der Kraftnebenschluss gering bleibt. Ferner kann die Innenhülse mit einer geringen Wandstärke ausgebildet sein. Als geringe Wandstärke wird bei einem üblichen Innendurchmesser von z. B. 20 mm bis 50 mm eine Wandstärke von z. B. 0,3 mm bis 5 mm verstanden. Die gewählte Wandstärke der Hülsen kann auch in Abhängigkeit der Hülsenlänge, den Verschiebeweg und der Steigung gewählt werden. Sie kann an der dünnsten Stelle auch 1/10 mm betragen. Insbesondere kann der Längsschlitz derart ausgebildet sein, dass er nahezu die gesamte Längserstreckung der Innenhülse aufweist und nur an einem oder beiden Enden als Verbindung zwischen dem ersten Innenkeilelement und dem zweiten Innenkeilelement ein schmaler Steg verbleibt. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Innenhülse zwei Längsschlitze auf. Vorzugsweise ist der bzw. sind die Längsschlitze in einer durch die Einbauposition des Drucksensors verlaufenden, senkrecht zur Wirkrichtung der zu messenden Druckkraft angeordneten Ebene vorgesehen.
Wie auch bei den Innenkeilelementen können in einer bevorzugten Ausführungsform alternativ oder ergänzend das ersten Außenkeilelement und das zweite Außenkeilelement Teilelemente bzw. Teilstücke einer einstückig hergestellten Außenhülse sein. Diese Außenhülse kann in einer bevorzugten Ausführungsform ebenfalls mindestens einen Längsschlitz zwischen dem ersten Außenkeilelement und dem zweiten Außenkeilelement aufweisen, der zur Wirkrichtung der zu messenden Druckkraft im Wesentlichen senkrecht verläuft.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Innenfläche des ersten Innenkeilelements und/oder die Innenfläche des zweiten Innenkeilelements plan ausgebildet und in einer zur Wirkrichtung der zu messenden Druckkraft senkrechten Ebene angeordnet. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt es, den an seiner Oberseite und Unterseite meist plan ausgebildeten Drucksensor unmittelbar an die Innenflächen anliegend, zwischen die Innenkeilelemente einzuschieben.
Alternativ kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zwischen dem ersten Innenkeilelement und der Einbauposition des Drucksensors ein erstes Zwischenstück mit einer Kalotte und/oder zwischen dem zweiten Innenkeilelement und der Einbauposition des Drucksensors ein zweites Zwischenstück mit einer Kalotte vorgesehen sein, wobei die Kalotte die der einen Innenfläche eines Innenkeilelements zugewandte Fläche bildet und die zugehörige Innenfläche des Innenkeilelements korrespondierend ausgebildet ist. Die Kalotte weist dabei vorzugsweise die geometrische Form einer Teilfläche eines zylindrischen Körpers auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Außenfläche des ersten und/oder des zweiten Außenkeilelements eine Teilfläche eines zylindrischen Körpers. Diese Ausgestaltung empfiehlt sich besonders in Anwendungsgebieten, bei denen der Drucksensor mittels der Halterung in einer Bohrung, beispielsweise der Axialbohrung einer Messrolle zu halten ist.
Die Halterung kann Zentrierstifte aufweisen, die in Zentrierbohrungen in Bauelementen eingreifen. Mittels dieser Zentrierstifte können einzelne, lose Bauelemente, wie beispielsweise der Drucksensor, im Verhältnis zu anderen Bauelementen, wie beispielsweise den Innenkeilelemente bzw. der Innenhülse, gut und genau positioniert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Halterung ein in das erste und zweite Außenkeilelement eingebrachte Innengewinde auf, dessen Längsachse durch die Einbauposition des Drucksensors verläuft und eine in das Innengewinde eingeschraubte Druckschraube, die in Kontakt mit dem ersten Innenkeilelement und dem zweiten Innenkeilelement kommen kann und sie relativ zu dem ersten und dem zweiten Außenkeilelement verschieben kann. Durch diese Druckschraube kann ein einfaches Vorspannen der Halterung erzeugt werden. Durch die winklige Ausgestaltung der jeweiligen Außenflächen im Verhältnis zu den jeweiligen Innenflächen der miteinander kooperierenden Innenkeil- und Außenkeilelementen erzeugt eine Verschiebung der Keilelemente relativ zueinander eine Verlagerung des Außenkeilelements fort von der Einbauposition des Drucksensors. Auf diese Weise kann die Halterung in einer Ausnehmung verspannt werden.
Alternativ kann die Halterung ein in das erste und das zweite Innenkeilelement eingebrachtes Innengewinde aufweisen, dessen Längsachse durch die Einbauposition des Drucksensors verläuft und eine Zugschraube, die in das Innengewinde eingeschraubt ist und mit ihrem Schraubenkopf in Kontakt mit dem ersten und dem zweiten Außenkeilelement kommen kann und sie relativ zu dem ersten und dem zweiten Innenkeilelement verschieben kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist mehr als eine Art von Sensor in der Messrolle zur Messung unterschiedlicher mechanischer Kräfte vorgesehen. Dadurch kann der Einfluss der Temperatur erfasst werden, wobei die Erfinder erkannt haben, dass der Einfluss der Temperatur durch eine Messung einer in der Messrolle vorliegenden mechanischen Kraft erkannt und dann entsprechend korrigiert werden kann. Es wird demnach neben der sonst üblichen Messung einer mechanischen Kraft eine zweite mechanische Kraft gemessen, die Rückschlüsse auf den Einfluss eines Temperatureintrags bedingt durch die Verwendung der Messrolle im Warmband ermöglicht. Die erfindungsgemäß ausgestaltete Messrolle ermöglicht eine Separierung des durch den thermischen Eintrag in den Rollenkörper erzeugten Kraftanteils vom Summensignal des Kraftmessgebers.
Erfindungsgemäß wird unter dem Begriff „Art von Sensor ein Sensor bzw. Messgeber erfasst, der die Messung einer physikalischen Größe, insbesondere einer Kraft, aufgrund der Ausnutzung einer physikalischen Gesetzmäßigkeit bzw. eines physikalischen Prinzips in einer bestimmten Weise ermöglicht.
Erfindungsgemäß umfasst der Begriff „unterschiedliche mechanische Kräfte” mechanisch Kräfte, die sich insbesondere in ihrer Wirkrichtung unterscheiden. Beispielsweise kann es sich bei den unterschiedlichen mechanischen Kräften um die auf die Messrolle in einem Abschnitt bzw. (Mess-)Bereich wirkende Radialkraft und eine der Radialkraft entgegenwirkende Kraft in demselben Abschnitt, deren Ursache ein thermischer Eintrag in die Messrolle sein kann, handeln.
Vorzugsweise können die Sensoren über die Länge der Messrolle verteilt angeordnet sein, um in einzelnen Abschnitte bzw. Bereich die Kraft zu bestimmen und eine mögliche Verteilung der auf die Messrolle wirkenden Kraft zu ermitteln.
Die Erfinder haben gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, es als besonders sinnvoll erkannt, wenn eine Art der Sensoren ein Sensor zum Messen der Radialkraft ist, und eine Art der Sensoren ein Sensor zum Messen der Vorspannkraft des Sensors zum Messen der Radialkraft ist. Versucht haben gezeigt, dass eine Temperaturveränderung an der Rollenoberfläche derart zu einer elastischen Deformation der Messrolle führt, dass die unter Vorspannkraft eingebauten üblicherweise vorgesehenen Sensoren zum Messen der Radialkraft ihre Vorspannkraft und damit auch ihre Linearität verändern. Durch die sich von der ersten Art unterscheidende Art der Sensoren zum Messen der Vorspannkraft, die auf die Sensoren zum Messen der Radialkraft ausgeübt wird, ist es möglich, den Einfluss der thermischen Verformung des Rollenkörpers zu messen, und den durch die thermische Verformung erzeugten Anteil des Messsignals des Sensors zum Messen der Radialkraft von der eigentlichen durch das bandförmige Gut verursachten Radialkraft zu separieren.
Die Erfinder haben ferner als erste erkannt, dass mit Sensoren einer weiteren Art, die eine mechanische Kraft messen, es möglich ist, dass neben der thermischen Verformung der Messrolle, die das Messergebnis der Sensoren einer ersten Art beeinflusst, eine Relativtemperaturverteilung über die Bandbreite ermittelbar ist, wenn mehrere Sensoren in Längsrichtung der Messrolle angeordnet sind. Beispielsweise kann für den thermischen Eintrag in Höhe von 1°C ein Wert x in N gemessen werden, über den die Temperaturverteilung durch das in Beziehung setzen mit der gemessenen mechanischen Kraft bestimmbar ist.
Bevorzugt werden die durch das unter Längszug stehende bandförmige Gut eingeleiteten Kräfte dynamisch durch eine Art von Sensor gemessen und die durch die Verformung der Messrolle in Folge eines thermischen Eintrags auftretenden Kräfte statisch durch eine andere Art von Sensor gemessen. Hierdurch können die jeweils aktuell gemessenen Kräfte aufeinander bezogen werden und die von den Sensoren einer Art gemessenen Radialkräfte um den thermischen Eintrag bzw. die thermische Verformung korrigiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ausnehmungen als Bohrungen ausgestaltet, deren Längsrichtung einen Winkel kleiner als 20° mit der Längsachse der Messrolle einschließt. Insbesondere können die Ausnehmungen als achsparallele Bohrungen ausgestaltet sein, die von Stirnseite zu Stirnseite verlaufen, oder als Sackbohrungen ausgebildet sind. Dadurch können die Sensoren dann von der Stirnseite her in den Bohrungen mit unterschiedlicher Tiefe platziert werden, sodass einzelne Sensoren in nebeneinander liegenden Bohrungen gestaffelt auf einer sich über die gesamte Rollenbreite erstreckenden Schraubenlinie angeordnet sein können. Es lassen sich jedoch auch mehrere Sensoren in einer Bohrung mit Abstand voneinander anordnen.
Insbesondere eine Art von Sensor kann in den Bohrungen fixiert bzw. verspannt sein, beispielsweise verkeilt. Diese Vorspannungen sind gewollt und lassen sich ohne weiteres messtechnisch kompensieren. Die Vorspannung kann mit einem vorgegebenen Wert eingestellt werden. Beispielsweise können Sensoren mit planparallelen Flächen zwischen keilförmigen Haltestücken, beispielsweise Spannkeilen angeordnet sein, die solange gegeneinander bewegt werden, bis der Sensor unverrückbar zwischen den Haltestücken eingeklemmt ist. Bevorzugt kann ein Sensor der anderen Art, gemeinsam in einem Gehäuse mit der ersten Art von Sensor in den Bohrungen fixiert bzw. verspannt sein. Die andere Art von Sensor kann beispielsweise auch in einer an einer der Haltestücke ausgebildeten Ausnehmung oder an einem der Haltestücke befestigt sein, mit denen die eine Art von Sensor in der Bohrung verspannt wird.
Eines der beiden Haltestücke kann dort, wo der Sensor platziert werden soll, ortsfest in der Bohrung angeordnet sein, während das andere Haltestück zum Fixieren des Sensors in der Bohrung verschoben wird. Dies kann z. B. mit Hilfe einer Spannschraube geschehen, die sich am Messrollenkorpus abstützt und über eine Distanzhülse auf das bewegliche Haltestück wirkt.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Sensoren unterschiedlicher Art benachbart zueinander angeordnet sind, um den direkten Einfluss durch den thermischen Eintrag „vor Ort” zu messen und den Einfluss bei dem Signal des anderen Sensors als Korrektur anzuwenden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Sensor einer Art mit einem Sensor einer weiteren Art in bzw. an einem Gehäuse bzw. einer Halterung angeordnet, welches die Handhabung bei der Herstellung vereinfacht. Das Gehäuse kann in einer Ausnehmung der Messrolle angeordnet werden. Beispielsweise kann der Sensor einer Art in dem Gehäuse schon vorgespannt werden, wobei der Sensor der weiteren Art an dem Sensor der ersten Art angeordnet ist und die Vorspannkraft messen kann. Es kann vorgesehen sein, dass der Sensor der ersten Art in dem Gehäuse und/oder mit dem Gehäuse vorgespannt wird, wobei der Sensor der weiteren Art die Vorspannung an dem Gehäuse, und damit den thermischen Eintrag, ermittelt. Bei der Anordnung der beiden Arten von Sensoren in bzw. an einem Gehäuse wird auch sichergestellt, dass die beiden Arten von Sensoren zueinander benachbart angeordnet sind, um den Einfluss den die eine Art von Sensor ermittelt für die andere Art von Sensor exakt zu berücksichtigen.
Von dem Begriff „Gehäuse” werden erfindungsgemäß auch Halterungen erfasst, die keine geschlossene Bauform eines üblichen Gehäuses aufweisen. Ein erfindungsgemäßes Gehäuse kann insbesondere wie in der DE 10 2006 003 792 A1 , deren Offenbarungsgehalt hier durch Inbezugnahme explizit aufgenommen wird, beschrieben ausgestaltet sein, wobei das Gehäuse bzw. die Halterung eine einen Außenumfangskonus aufweisende Innenhülse, in der ein Sensor zum Messen der Radialkraft (Sensor einer Art) angeordnet ist, und eine mit der Innenhülse in Eingriff bringbare bzw. mit dieser verspannbare einen Innenumfangkonus aufweisende Außenhülse aufweist. Beispielsweise kann ein Sensor zum Messen einer der Radialkraft entgegenwirkenden mechanischen Kraft (Sensor anderer Art) an der Innenhülse oder in einer Ausnehmung derselben angeordnet bzw. befestigt sein. Beispielsweise kann der Sensor verklebt sein. Ein Sensor zum Messen einer der Radialkraft entgegenwirkenden mechanischen Kraft (Sensor anderer Art) kann auch an der Außenhülse bzw. in einer Ausnehmung derselben angeordnet sein. Es ist auch möglich, dass der Sensor zum einer der Radialkraft entgegenwirkenden mechanischen Kraft (Sensor anderer Art) in einer Ausnehmung der Messrolle im Bereich des für den Einbau des Gehäuses bzw. der Halterung vorgesehenen Ort anordnet ist, ohne selbst mit dem Gehäuse bzw. der Halterung verbunden zu sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor der anderen Art derart angeordnet, dass er im Kraftfluss der auf den Sensor der ersten Art wirkenden Kraft liegt. Die Anordnung sollte im Kraftfluss der einen Art von Sensor liegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Art der Sensoren als Quarz-Sensor ausgestaltet, wobei unter Quarz-Sensor ein piezo-elektrisches Element zu verstehen ist, an dessen Kristalloberfläche die zu messende Kraft Ladungen erzeugt, die als Messgröße dienen. Derartige Sensoren besitzen eine hohe Anspruchsempfindlichkeit, eine hohe Eigenfrequenz und Stabilität bei geringen Abmessungen und ermöglichen es, Anfangslasten ohne Beeinträchtigung des Messergebnisses zu kompensieren.
Vorzugsweise ist ein Sensor einer (weiteren) Art als Dehnungsmessstreifen ausgestaltet, der beispielsweise die Vorspannkraft eines Quarz-Sensors messen kann, die sich bei der Verformung der Messrolle in Folge eines thermischen Eintrags in die Messrolle verändern kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 die Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Messrolle teilweise im Schnitt;
2 eine geschnittene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer Messrolle;
3 eine geschnittene Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer Messrolle;
4 eine geschnittene Seitenansicht einer vierten Ausführungsform einer Messrolle;
5 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Messrolle;
6 eine Messrolle mit Kabelkanälen in perspektivischer Darstellung mit abgenommenem Deckel;
7 einen Ausschnitt einer Stirnansicht der Messrolle gemäß 6;
8 eine Messrolle mit einer Axialbohrung mit darin radial eingespanntem Sensor;
9 die perspektivische Ansicht einer Messrolle mit längs einer Schraubenlinie angeordneten gestaffelten Sensoren mit abgenommenem Deckel;
10 eine Messrolle mit zwei einander gegenüberliegenden Sensoren;
11 einen Teil einer Rolle mit einem Sensor in einem mehrteiligen Gehäuse;
12 eine Draufsicht auf die Bohrung gemäß 11;
13 eine Distanzleiste in Verbindung mit einer zugehörigen Keilleiste vor dem Verspannen der Sensoren;
14 die beiden Leisten der 13 mit den verspannten Sensoren;
15 eine Messrolle mit den beiden Leisten in der Situation gemäß 14;
16 eine stirnseitige Draufsicht auf einen Teil der Rolle gemäß 15 mit einer im Querschnitt rechteckigen Ausnehmung;
17 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Halterung mit einem Drucksensor in der Einbausituation in einer ausschnittweise dargestellten Messrolle in einer geschnittenen Seitenansicht gemäß der Schnittlinie B-B in 18;
18 die Elemente der 17 in einer Ansicht entlang der Schnittlinie A-A in 17;
19 die Elemente der 17 und 18 in einer Ansicht gemäß der Schnittlinie C-C der 18;
20 eine alternative Bauform der erfindungsgemäßen Halterung in einer zur 18 vergleichbaren Darstellung;
21 eine weitere Bauform der erfindungsgemäßen Halterung in einer zu der 17 vergleichbaren Darstellung;
22 die Elemente der 21 in einer Ansicht entlang der Schnittlinie A-A der 21;
23 die Elemente der 21 und 22 in einer Ansicht entlang der Schnittlinie C-C in 22;
24 eine weitere Bauform der erfindungsgemäßen Halterung in einer der 17 und 21 vergleichbaren Ansicht;
25 eine (Teil-)Schnittdarstellung entlang einer Längsrichtung einer erfindungsgemäßen Messrolle mit in einer Ausnehmung angeordneten Sensoren;
26 eine isometrische Ansicht einer Messrolle mit Sensoren in einer teilweise geschnittenen Darstellung mit und abgehobenen Deckel;
27 eine Detailansicht von in einer Ausnehmung der Messrolle gemäß 26 angeordneten Sensoren; und
28 eine Detailansicht von in einer Ausnehmung der Messrolle gemäß 26 angeordnete Sensoren einer weiteren Ausführungsform.
Die erfindungsgemäße Messrolle 1 gemäß den Ausführungsformen gemäß 1 und 2 weist einen Deckel 6 mit einem Zapfen 2 und einen in den Ausführungsformen gemäß 1 und 2 als Vollrolle ausgebildeten Rollenkörper 1b (Grundkörper) auf. In dem Rollenkörper 1b sind achsparallele Bohrungen 3 angeordnet, von denen nahe an ihrer Stirnseite Querkanäle 4 abgehen und zu einem zentrischen Kabelkanal 5 führen. Die Bohrungen sind durch den Deckel 6 verschlossen und enthalten Sensoren 7, von denen jeweils ein Kabel 8 durch die Bohrung 3, den Querkanal 4 und den zentrischen Kanal 5 nach außen geführt sind. Der Deckel 6 ist mit dem Rollenkörper 1b verschraubt. Die Ausführungsform gemäß 1 zeigt, dass pro Bohrung 3 ein Sensor 7 vorgesehen sein kann. Die Ausführungsform gemäß 2 zeigt, dass pro Bohrung 3 mehrere Sensoren 7 vorgesehen sein können.
Die Ausführungsform gemäß 3 zeigt, dass die Messrolle einen Rollenkörper 1b mit angeformtem Zapfen 2 aufweisen kann. Über den Rollenkörper 1b ist ein Mantelrohr 1a aufgeschoben. Die Bohrungen 3 werden durch einen Steg 20 des Rollenkörpers 1b in Axialrichtung begrenzt. Die Ausführungsform gemäß 3 zeigt, dass pro Bohrung 3 ein Sensor 7 vorgesehen sein kann oder pro Bohrung 3 mehrere Sensoren 7 vorgesehen sein können. Die Ausführungsform gemäß 7 unterscheidet sich von der gemäß 3 dadurch, dass ein Deckel 6 vorgesehen ist, an dem der Zapfen 2 ausgeformt ist. Der Deckel 6 ist mit dem Rollenkörper 1b verschraubt.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer zu 4 vergleichbaren Ausführungsform mit Deckel 6, Rollenkörper 1b und Mantelrohr 1a, wobei im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 4 bei der Ausführungsform gemäß 5 das Mantelrohr 1a auch den Deckel 6 einfasst.
Die in den 6 und 7 schematisch-perspektivisch dargestellte Messrolle 1 mit abgenommenem (nicht dargestellten Deckel) besitzt parallel zu jeder Bohrung 3 einander gegenüber liegende Kabelkanäle 10, 11 für über den Querkanal 4 und den zentrischen Kanal 5 nach außen geführte Leitungen. Die Bohrung ist hier so ausgeführt, dass ihr unterer Bereich in dem Rollenkörper 1b und der obere Bereich im Mantelrohr 1a ausgebildet ist.
Bei der in 8 dargestellten Messrolle 1 sind die Sensoren 7 in einer Bohrung 3 mit einer Stirnplatte 12 zwischen einem Haltestück in Gestalt eines ortsfesten Spannkeils 13 und einem in axialer Richtung verschiebbaren Haltestück in Gestalt eines Loskeils 14 angeordnet. An dem Loskeil 14 liegt eine Distanzhülse 15 an. Die Spannschraube 16 ist mit einem Außengewinde versehen, das im Innengewinde 17 der stufig aufgebohrten Bohrung 3 eingeschraubt ist. Sowohl die Distanzhülse als auch die Spannschraube besitzen zur Kabeldurchführung einen Kanal 18. Mit Hilfe eines am Kopf 19 der Spannschraube 16 angreifenden Schlüssels lassen sich die Distanzhülse 15 und der Loskeil 14 tiefer in die Bohrung 3 bewegen und dabei der Sensor 7 zwischen den beiden Keilen 13, 14 radial verspannen. Wie bei 6 und 7 ist bei 8 die Bohrung ebenfalls so ausgeführt, dass ihr unterer Bereich in den Rollenkörper 1b und der obere Bereich im Mantelrohr 1a ausgebildet ist.
Die Bohrungen können, wie in den 9 und 10 dargestellt, von beiden Stirnseiten des Rollenkörpers 1b ausgehen und als Sackbohrungen eine unterschiedliche Tiefe besitzen. Das führt dazu, dass die einzelnen Sensoren längs einer Schraubenlinie 20, d. h. gestaffelt angeordnet sind und insgesamt die gesamte Breite der Rolle 1 erfassen. Der Rollenkörper 1b ist stirnseitig von dem Deckel 6 abgedeckt, an dem der Zapfen 2 ausgebildet ist.
Die Bohrungen 3 können, wie in den 11, 12 dargestellt, auch mit einer Längsrille 21 verbunden sein, in denen der untere Teil 22 eines losen Spannkeils 14 geführt wird und dessen Schrägfläche mit einer Schrägfläche eines Gehäuses 23 zusammenwirkt. Beim radialen Verspannen des Gehäuses 23 mit dem in der Längsrille 21 geführten Spannkeil 14 wird sichergestellt, dass sich das Gehäuse 23 nicht in der Bohrung 3 verdrehen kann.
Bei der in 13 bis 15 dargestellten Messrolle 1 ist der Sensor 7 in einem vierteiligen Gehäuse 23 mit einander gegenüberliegenden parallelen Spannflächen 24, 25 und zwei Stirnplatten 26, 27 angeordnet.
Die Sensoren 7 können auch in radial beweglichen Schiebestücken 28 einer Distanzleiste 29 angeordnet sein, die mit einer achsparallel verschiebbaren Spannleiste in Gestalt einer Keilleiste 30 zum radialen Verspannen der Schiebestücke 28 zusammenwirkt, wie das in den 13 bis 15 dargestellt ist. Während die Distanzleiste 29 in ihrer Bohrung 3 ortsfest angeordnet ist, dienen die Keile ist dazu, mit ihren Keilflächen 31 im Zusammenwirken mit komplementären Schrägflächen 32 die Schiebestücke 28 radial nach außen zu bewegen und auf diese Weise die Schiebestücke 28 mit den darin unverrückbar angeordneten Sensoren 7 und deren Deckel 33 radial zu verspannen. Der Deckel 33 ist in eine Bohrung 34 des Schiebestücks 28 ohne Wandberührung geführt und besitzt an seiner Unterseite eine nicht dargestellte Ausnehmung, die den Kabelanschluss des Sensors aufnimmt.
In 16 ist eine Messrolle 1 mit einer im Querschnitt rechteckigen Längsausnehmung 35 dargestellt, die mit seitlichen Schlitzen 36 versehen ist. Diese Schlitze dienen dazu, den sich oberhalb der Längsausnehmung 35 für einen Sensor ergebenden Biegebalken zu verbreitern, um das elastische Verhalten des Biegebalkens zu verbessern. Die Schlitze können auch als Führung für Längsrippen 37 an Keilleisten 30 am Sensor, an Haltestücken oder an Distanz- oder Spannleisten dienen und/oder sie können auch als Kabelkanäle dienen.
17 zeigt eine Halterung 101 für einen Drucksensor 102. Die Halterung 101 hält den Drucksensor 102 in einer Axialbohrung 103 der ausschnittweise dargestellten Messrolle 104. Die Halterung 101 weist eine Innenhülse 105 auf, die aus einem ersten oberhalb der für den Drucksensor 102 vorgesehenen Einbauposition angeordneten Innenkeilelement 106 mit einer zu der Einbauposition des Drucksensors 102 weisenden Innenfläche 107 und einer im Winkel zur Innenfläche 107 stehenden, der Innenfläche 107 gegenüberliegenden Außenfläche 108 auf. Ferner weist die Innenhülse 105 ein zweites unterhalb der für den Drucksensor 102 vorgesehenen Einbauposition angeordnetes Innenkeilelement 109 auf, das eine zu der Einbauposition des Drucksensors 102 weisende Innenfläche 110 und eine im Winkel zur Innenfläche 110 stehende, der Innenfläche 110 gegenüberliegende Außenfläche 111 aufweist.
Ferner weist die Halterung 101 eine Außenhülse 112 auf. Die Außenhülse 112 weist ein erstes Außenkeilelement 113 mit einer zu der Einbauposition des Drucksensors weisenden Innenfläche 114 und einer im Winkel zur Innenfläche 114 stehenden, der Innenfläche 114 gegenüberliegenden Außenfläche 115 auf. Ferner weist die Außenhülse 112 ein zweites Außenkeilelement 116 mit einer zur Einbauposition des Drucksensors 102 weisenden Innenfläche 117, mit der das Außenkeilelement 116 auf der Außenfläche des zweiten Innenkeilelements 109 aufliegt, auf. Ferner weist das Außenkeilelement 116 eine der Innenfläche 117 gegenüberliegende Außenfläche 118 auf.
Eine Druckschraube 119 mit einem Außengewinde ist in ein in die Außenhülse eingebrachtes Innengewinde 120 eingeschraubt. Die Einschraubtiefe der Druckschraube 119 bestimmt die Relativposition der Innenhülse 105 im Verhältnis zur Außenhülse 112 und damit den Grad der Vorspannung der Halterung 101 in der Axialbohrung 103.
Wie der 18 zu entnehmen ist, weisen die Innenhülse 105 und die Außenhülse 112, Schlitze 121 respektive 122 auf. Diese Längsschlitze 121, 122 reduzieren die Federsteifigkeit der Innenhülse 105 bzw. der Außenhülse 112 und sorgen dafür, dass der Kraftnebenschluss gering bleibt. Die in die Wirkrichtung des Pfeils D wirkende, zu ermittelnde Druckkraft wird deshalb gut in den Drucksensor 102 eingeleitet. Die Außenhülse 112 und die Innenhülse 105 können in einem ersten Bearbeitungsschritt durch spanabhebendes Drehen hergestellt werden. Dadurch kann insbesondere die Formtoleranz der Innenflächen 114, 117 der Außenhülse 112 und der Außenflächen 108, 111 der Innenhülse besonders präzise hergestellt werden und so ein kippmomentfreies Bewegen der Innenhülse 105 relativ zur Außenhülse 112 ermöglicht werden. In nachfolgenden Bearbeitungsschritten können die in der Ansicht der 18 seitlich angeordneten Bereiche der Innenhülse 105 weiter verschmälert werden, um die seitliche Wandstärke der Innenhülse 105 zu reduzieren. Dadurch entstehen in der Ansicht der 18 seitliche Freiräume 123, 124 zwischen der Innenhülse 105 und der Außenhülse 112, die die Krafteinleitung in den Drucksensor 102 begünstigen und den Kraftnebenschluss weiter verringern.
Die 19 zeigt die Draufsicht auf den Drucksensor 102. In dieser Ansicht ist die zu dem Drucksensor 102 führende Kabelanordnung gut zu erkennen. Ein erstes Kabel 125 führt zu dem dargestellten Drucksensor 102, während weitere Kabel 126 zu weiteren, nicht dargestellten Drucksensoren führen, die in der gleichen Axialbohrung 103 angeordnet sind.
Die in der 20 dargestellte weitere Ausführungsform der Halterung weist grundsätzlich den gleichen Aufbau wie die in den 17 bis 19 dargestellte Halterung auf. Gleiche Bauelemente weisen um den Wert 100 erhöhte Bezugszeichen auf. Allerdings ist bei der Innenhülse 205 dieser zweiten Ausführungsform eine Mehrzahl von Ausnehmungen 226 vorgesehen, die die seitliche Wandstärke der Innenhülse 205 weiter reduzieren und damit zu einer erneut geringeren Federsteifigkeit und damit einem geringeren Kraftnebenschluss führen.
In den 21 bis 23 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die sich von der in den 17 bis 19 Dargestellten dadurch unterscheidet, dass zwischen der Innenhülse 305 und dem Drucksensor 302 Zwischenstücke 327 und 328 mit Kalotten vorgesehen sind. Im übrigen entsprechen die dargestellten Bauelemente den Bauelementen der in den 17 bis 19 dargestellten Elemente. Sie werden mit einem um den Wert 200 erhöhten Bezugszeichen dargestellt.
24 zeigt eine der in 17 dargestellte vergleichbare Halterung 401. Sie unterscheidet sich von der in 17 Dargestellten durch eine andere Orientierung der Innenflächen 408, 411 und der dazu korrespondierenden Außenflächen 414, 317 sowie durch eine Zugschraube 429, die in ein Innengewinde 430 der Innenhülse 405 eingeschraubt ist. Die Einschraubtiefe der Zugschraube 429 in das Innengewinde 430 bestimmt die Position der Innenhülse 405 relativ zur Außenhülse 412 und damit die Vorspannung der Halterung 401 in der Axialbohrung 403 der Messrolle 404. Gleiche Bauelemente zu den in 17 bis 19 dargestellten Elementen werden mit einem um den Wert 300 erhöhtes Bezugszeichen gekennzeichnet.
Das in 25 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messrolle 1 mit einem Deckel 6 und daran ausgebildeten Zapfen 2 weist dicht unter ihrer Oberfläche angeordnete achsparallele Ausnehmungen 3 auf. In dem in 25 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen 3 kreisförmig angeordnet (vgl. auch 26).
In 25 ist dargestellt, dass von den achsparallelen Ausnehmungen 3 nahe an ihrer Stirnseite Querkanäle 4 vorgesehen sind, die zu einem zentrischen Kabelkanal 5 führen. Die achsparallelen Ausnehmungen 3 sind ebenfalls durch den Deckel 6 verschlossen. In den Ausnehmungen 3 sind jeweils mindestens zwei Sensoren 7a, 7b angeordnet, von denen ein Kabel 8 durch die Ausnehmung 3, den Querkanal 4 und den zentrischen Kabelkanal 5 nach außen geführt sind. Das Kabel 8 kann als zwei voneinander isolierte Leitungen aufweisendes Kabel ausgeführt sein, sodass für jeden Sensor 7a, 7b eine Leitung vorhanden ist.
Bei den Sensoren 7a, 7b handelt es sich um Sensoren, die zur Messung mechanischer Kräfte ausgestaltet sind. Die Sensoren 7a, 7b unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Art dadurch, dass mit beiden eine mechanische Kraft gemessen wird, aber unterschiedliche Gesetzmäßigkeiten bzw. ein unterschiedliches physikalisches Prinzip verwendet wird. Ferner werden durch die Sensoren 7a, 7b unterschiedliche mechanische Kräfte bezogen auf die Richtung der Kraft gemessen. Die Sensoren 7a, 7b sind benachbart zueinander angeordnet.
Die Ausnehmungen 3 können von beiden Stirnseiten des als Vollrolle ausgebildeten Rollenkörpers 1b ausgehen und als Sackbohrungen eine unterschiedliche Tiefe besitzen. Dies führt dazu, dass die einzelnen in Paaren benachbart zueinander ausgestalteten Sensoren 7a, 7b längs einer Schraubenlinie 9, d. h. gestaffelt, angeordnet sind und insgesamt über die Breite der Messrolle 1 verteilt angeordnet sind. Die in Paaren angeordneten Sensoren 7a, 7b erfassen damit die gesamte Breite der Messrolle 1.
27 zeigt eine Detailansicht von in einer Ausnehmung 103 der Messrolle 1 in einem Paar angeordneten Sensoren 102a, 102b. Das Gehäuse 101 bzw. die Halterung hält den Sensor 102a einer ersten Art, der zum Messen der Radialkraft ausgestaltet ist in der Ausnehmung 103 der ausschnittweise dargestellten Messrolle 1. Das Gehäuse 101 weist eine Innenhülse 105 auf, die aus einem ersten oberhalb der für den Sensor 102a vorgesehenen Einbauposition angeordneten Innenkeilelement 106 mit einer zu der Einbauposition des Sensors 102a weisenden Innenfläche 107 und einer im Winkel zur Innenfläche 107 stehenden, der Innenfläche 107 gegenüberliegenden Außenfläche 108 auf. Ferner weist die Innenhülse 105 ein zweites unterhalb der für den Sensor 102a vorgesehenen Einbauposition angeordnetes 127 auf, das eine zu der Einbauposition des Sensors 102a weisende Innenfläche 110 und eine im Winkel zur Innenfläche 110 stehende, der Innenfläche 110 gegenüberliegende Außenfläche 111 aufweist.
Ferner weist das Gehäuse 101 eine Außenhülse 112 auf, die ein erstes Außenkeilelement 113 mit einer zu der Einbauposition des Sensors 102a weisenden Innenfläche 114 und einer im Winkel zur Innenfläche 114 stehenden, der Innenfläche 114 gegenüberliegenden Außenfläche 115 auf. Ferner weist die Außenhülse 112 ein zweites Außenkeilelement 120 mit einer zur Einbauposition des Sensors 102a weisenden Innenfläche 117, mit der das Außenkeilelement 120 auf der Außenfläche des zweiten Innenkeilelements 127 aufliegt, auf. Ferner weist das Außenkeilelement 120 eine der Innenfläche 117 gegenüberliegende Außenfläche 116 auf.
Eine Druckschraube 119 mit einem Außengewinde ist in ein in die Außenhülse 112 eingebrachtes Innengewinde eingeschraubt. Die Einschraubtiefe der Druckschraube 119 bestimmt die Relativposition der Innenhülse 127 im Verhältnis zur Außenhülse 112 und damit den Grad der Vorspannung des Gehäuses 101 in der Ausnehmung 103. Zur Ermittlung der Vorspannung ist der Sensor 102b in der Innenhülse 127 in einer Ausnehmung derselben angeordnet. Mit dem Sensor 102b kann die Vorspannkraft gemessen werden.
Der Sensor 102a zum Messen der Radialkraft wird vorgespannt, wobei die Größe der Vorspannung mittels des Sensors 102b ermittelt werden kann. Bei einem thermischen Eintrag bei der Behandlung beispielsweise von Metallband beim Warmwalzen werden durch die Umlenkung des unter Längszug stehenden Bandes Radialkräfte in die Messrolle 1 eingeleitet, die die äußere Schale der Messrolle 1 elastisch deformieren. Der „membranförmig” ausgebildete Steg oberhalb der Ausnehmung 103 wird dabei in Radialrichtung verschoben, was durch den Sensor 102a, der als piezo-elektrischer Sensor ausgestaltet sein kann, ermittelbar ist. Thermische Spannungen, die aufgrund eines Temperaturgradienten entstehen, erzeugen an der dem in Umfangsrichtung nach außen liegenden Steg oberhalb der Ausnehmung 103 ebenfalls eine Wegänderung in Radialrichtung, die der Radialkraft entgegengesetzt ist. Hierdurch wird das Messergebnis des Sensors 102a verändert, wobei mit dem Sensor 102b, der als statisch messender Sensor, insbesondere als Dehnungsmessstreifen, ausgestaltet sein kann, die Wegänderung durch eine Änderung der Vorspannung erfassbar ist. Mit Hilfe der jeweils aktuell gemessenen Vorspannkraft können die Radialkraftwerte der Sensoren 102a korrigiert werden.
Die in Paaren nahe beabstandet zueinander angeordneten Sensoren 102a, 102b werden in die die Innenhülse 127 und die Außenhülse 112 aufweisende Gehäuse 101 eingesetzt und danach in die Ausnehmung 103 der Messrolle 1 positioniert und an ihrer Position verspannt.
28 zeigt eine Detailansicht von in einer Ausnehmung 103 der Messrolle 1 angeordneten Sensoren 102a und 102b einer zur 27 unterschiedlichen Ausführungsform. Der Aufbau der Ausführungsform, wie er in 28 gezeigt wird, entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der in 27 gezeigten Ausführungsform. Lediglich hinsichtlich der Anordnung und Ausführung der Sensoren 102a und 102b unterscheidet sich die Ausführungsform der 28 von den Sensoren 102a und 102b der 27. Der Sensor 107a ist als Piezo-elektrischer Sensor ausgestaltet, wobei er in Radialrichtung etwas kürzer baut als der Sensor 102a der 27. Als Sensor der anderen Art ist der Sensor 107b vorgesehen, der als statisch messender Sensor, insbesondere als Dehnungsmessstreifen ausgebildet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4236657 A1 [0002, 0004, 0004]
DE 19616980 A1 [0005]
DE 10207501 C1 [0006, 0007, 0011, 0011]
DE 202007001066 U1 [0007]
DE 102006003792 A1 [0060]

Claims

Messrolle (1) zum Feststellen von Planheitsabweichungen beim Behandeln von bandförmigem Gut, insbesondere von Metallband, mit einem Rollenkörper (1b) und einem den Rollenkörper (1b) zumindest teilweise umgebenden Mantelrohr (1a) und in Ausnehmungen (3) angeordneten Sensoren (7, 7a, 7b, 102, 102a, 102b, 302, 402), wobei sich die Ausnehmungen (3, 103, 303, 403) in Axialrichtung der Messrolle (1) in den Rollenkörper (1b) und/oder in das Mantelrohr (1a) hinein erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (3, 103, 303, 403) in Axialrichtung an beiden Enden – durch einen Steg (20) des Rollenkörpers (1b) und/oder einen Steg des Mantelrohrs (1a) und/oder – durch einen die Stirnseite der Messrolle (1) bildenden Deckel (6), der auch einen an dieser Stirnseite vorgesehenen Zapfen (2) der Messrolle (1) aufweist, begrenzt wird.
Messrolle (1) zum Feststellen von Planheitsabweichungen beim Behandeln von bandförmigem Gut, insbesondere von Metallband, mit einem als Vollrolle ausgeführten Rollenkörper (1b) und in Ausnehmungen (3, 103, 303, 403) angeordneten Sensoren (7, 7a, 7b, 102, 102a, 102b, 302, 402), gekennzeichnet durch einen die Stirnseite der Messrolle (1) bildenden, mit der Vollrolle verbundenen Deckel (6), der auch einen an dieser Stirnseite vorgesehenen Zapfen (2) der Messrolle (1) aufweist.
Messrolle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (7, 7a, 7b, 102, 102a, 102b, 302, 402) in den Ausnehmungen (3, 103, 303, 403) verkeilt sind und insbesondere dadurch, dass die Sensoren (7, 7a, 7b, 102, 102a, 102b, 302, 402)) in den Ausnehmungen mit einer Vorspannkraft beaufschlagt sind.
Messrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (7, 7a, 7b, 102, 102a, 102b, 302, 402) in achsparallelen Ausnehmungen (3, 103, 303, 403) angeordnet sind.
Messrolle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die achsparallelen Ausnehmungen (3, 103, 303, 403) eine unterschiedliche Länge besitzen.
Messrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoren (7, 7a, 7b, 102, 102a, 102b, 302, 402) in den Ausnehmungen (3, 103, 303, 403) angeordnet sind.
Messrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (7) mit planparallelen Flächen zwischen zwei Haltestücken (13, 14) angeordnet sind.
Messrolle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die planparallelen Flächen der Sensoren (7) parallel zur Rollenachse verlaufen.
Messrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (7) in radial beweglichen Schiebestücken (28) einer Distanzleiste (29) angeordnet und mit Hilfe einer Spannleiste (30) in der Ausnehmung (3) fixiert sind.
Messrolle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzleiste (29) und/oder die Spannleiste (30) mit einer in einen komplementären Führungsschlitz (36) eingreifenden Längsrippe (37) versehen ist.
Messrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (3) mit einem parallel verlaufenden Kanal (10, 11) verbunden sind.
Messrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (3) durch einen Querkanal (4) mit einer zentrischen Kabelbohrung (5) verbunden sind.
Messrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (7) in einem mehrteiligen Gehäuse (23) angeordnet sind.