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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Planheit eines Bandes, insbesondere eines metallischen Walzbandes, über dessen Breite, wobei das Band mit bekannter Zugkraft über eine rotierende Messrolle abgelenkt wird, die beidseitig eines Auflagebereichs für das Band Lagerzapfen aufweist, von denen einer in einem Festlager in Radial- und Axialrichtung gehalten und der andere in einem Loslager nur in Radialrichtung ist und wobei an der Messrolle eine Druckkraftmessung erfolgt.
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Bei der Herstellung oder Bearbeitung von Bändern, insbesondere von metallischen Walzbändern, kommt es u. a. darauf an, neben der gewünschten Banddicke auch eine möglichst plane Form des Bandes zu erreichen, da Bänder mit Wellen an den Bandrändern oder in der Bandmitte bei der Weiterverarbeitung zu erheblichen Störungen führen können. Eine solche Welligkeit kann entstehen, weil das Bandmaterial beim Auswalzen zwischen einer oberen und einer unteren Arbeitswalze nur bedingt zu den Seiten abfließen kann, bis eine weitere Breitung durch die Reibung an den Arbeitswalzen verhindert wird und ein sogenanntes Leitprofil des Bandes erreicht ist. Eine weitere Verformung des Walzgutes findet nur noch in Längsrichtung statt und kann dabei je nach Druck und Einstellung der Walzen zu den vorerwähnten Fehlern in Gestalt von Randwellen bzw. Mittenwellen führen. Um derartige Fehler zu erkennen und bei dem nachfolgend zu bearbeitenden Band zu vermeiden, wird die relative Planheit des Bandes bestimmt, um in Abhängigkeit davon die notwendigen Einstellungen der Walzanlage ändern bzw. anpassen zu können.
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In der Praxis werden zur Bestimmung der relativen Planheit eines Bandes Messrollen eingesetzt, über die das Band unter Zug abgelenkt wird, wobei auf der Rollenoberfläche im Auflagebereich des Bandes Reaktionskräfte entstehen, die den örtlichen Bandzugspannungen proportional sind, die wiederum in direkter Beziehung zu etwaigen Längungen von Bandbereichen bzw. Bandformfehlern stehen. Bei gattungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen wird dazu eine beidseitig an Lagerzapfen rotierend gelagerte Messrolle eingesetzt, deren Oberfläche im Auflagebereich für das Band in geringen Abständen mit Druckmesssensoren bestückt ist, durch die die Bandablenkkräfte an den jeweiligen Positionen erfasst und als örtliche Bandzugspannungen interpretiert werden. Druckschriftlich ist eine solche Messrolle in der
DE 34 19 261 C2 beschrieben. Diese Messwerterfassungs-, Übertragungs- und Auswertetechnik ist durch die Messwerterfassung an vielen Einzelpositionen und Übertragung von ständig bewegten Elementen in der Messrollenoberfläche technisch und finanziell sehr aufwendig.
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Die
EP 0 138 430 B1 und die
DE 1 602 095 C beschreiben Messvorrichtungen, bei denen die Rolle in mindestens vier Lagern oder drei Loslagern gelagert ist, wo jeweils Lagerreaktionskräfte gemessen werden. Eine Berechnung der Bandzugspannung ist dadurch extrem kompliziert und/oder ungenau.
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Die Erfindung befasst sich daher mit dem Problem, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die eine kostengünstige Arbeitsweise mit einem mechanisch einfacheren Aufbau ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Gegenüber dem vorbekannten Bestimmungsverfahren, bei dem die Messrolle statisch bestimmt wie ein Balken auf zwei Stützen an einer Seite durch ein die Meßrolle in Richtung ihrer Rotationsachse unverschieblich haltendes Festlager (in Radial- und Axialrichtung gefesselt) und an der anderen Seite durch ein lediglich Radialbewegungen verhinderndes Loslager (in Radialrichtung gefesselt) gehalten wird, erfolgt erfindungsgemäß eine zusätzliche Fesselung der Meßrolle durch ein zusätzliches Loslager, woraus sich eine einfach statisch unbestimmte Lagerung der Meßrolle ergibt. Diese Unbestimmte wird durch Messung der Lagerreaktionskraft eines der Lager ermittelt, die der Querkraft an dieser Stelle entspricht. Aus der Querkraft kann nun die relative Planheit des Bandes rechnerisch bestimmt werden. Dazu wird sich zunutze gemacht, daß die Querkraft Q eine dreifach abgeleitete Funktion der örtlichen Durchbiegung y eines Balkens bzw. der Meßrolle ist und zur örtlichen Belastung p(x) insoweit in Beziehung steht, daß die Belastungsfunktion p(x) proportional zu der vierten Ableitung der örtlichen Durchbiegung y ist. Es gelten die Beziehungen: y'''(x) = f(Q), y''''(x) = p(x)/(E·I) mit
- y(x):
- Durchbiegungsfunktion,
- p(x):
- Belastungsfunktion,
- x:
- Ortskoordinate in Balken- bzw. Rollenlängsrichtung,
- Q:
- Querkraft,
- E:
- Elastizitätsmodel des Balken- bzw. Rollenwerkstoffs,
- I:
- axiales Flächenträgheitsmoment des Balken- bzw. Rollenquerschnitts.
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Geht man nun vereinfachend davon aus, daß es sich bei der Bandzugspannverteilung um eine quadratische Funktion handelt, so kann die örtliche Belastung p(x) durch einmalige Differenzierung der Querkraftfunktion f(Q) der Meßrolle in mindestens zwei Teilabschnitten jeweils für eine Bandbreitenhälfte errechnet werden. Ein Vergleich mit der ebenfalls rechnerisch ermittelten theoretischen Belastungsfunktion eines absolut planen Bandes pplan(x) und der zugehörigen theoretischen Querkraftfunktion fplan(Q), die sich aus der bekannten Zugkraft, der Banddicke und der Lage des Bandes auf der Meßrolle nach einmaliger Integration der theoretischen Belastungsfunktion pplan(x) der Meßrolle ebenfalls in mindestens zwei Teilabschnitten jeweils für eine Bandbreitenhälfte ergibt, führt nun zu einer Information über die tatsächliche relative Planheit des gemessenen Bandes.
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Die vereinfachende Annahme einer quadratischen Funktion für die Bandzugspannverteilung und die daraus berechnete Belastungsfunktion p(x) führt dabei gegenüber der exakten Ermittlung einer beliebigen Funktion p(x) durch die Meßrollen des Standes der Technik diesen gegenüber nicht zu Nachteilen, da eine Beeinflussung der Planheit des Bandes durch Veränderungen der Druck- oder Winkeleinstellungen der Arbeitswalzen und/oder evtl. Stützwalzen ohnehin nur in quadratischer Abhängigkeit der Ortskoordinate x möglich ist. Von Meßrollen des Standes der Technik evtl. darüber hinausgehend gelieferte Daten dienen insoweit auch nur der Information, ermöglichen aber keine weitergehende spontane Einflußnahme auf die Form des Bandes.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung haben dabei den Vorteil eines extrem einfachen Aufbaus. Im Gegensatz zu der Vielzahl nötiger Meßpositionen an bewegten Elementen (auf dem Rollenmantel) bei der Meßrolle des Standes der Technik ist erfindungsgemäß nur eine einzige nicht bewegte Meßstelle an einem der Lager notwendig. In gleicher Weise kann beispielsweise auch an einem Lagerblock gemessen werden, in dem die beiden Lager des eingespannten bzw. radial und axial gefesselten Zapfens untergebracht sind. Die bisher problematische Erfassung einer Bandform, d. h. im wesentlichen die Erfassung geringster Längenunterschiede zwischen Bandmitte und Bandrändern, wird damit auf eine einfache Messung von Lagerkräften reduziert.
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Obschon theoretisch eine Messung an jedem der Lager zu verwertbaren Ergebnissen führen kann, ist es in der Praxis vorteilhaft, die Lagerreaktionskräfte eines der Loslager zu messen, da hierfür eine einfache Druckmeßeinrichtung verwendet werden kann, ohne daß die Lagerkräfte in Richtung der Rotationsachse berücksichtigt bzw. herausgerechnet werden müßten.
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Die aussagekräftigsten Meßergebnisse werden erhalten, wenn das gegenüber dem Stand der Technik zusätzliche Loslager an dem durch das Festlager gehaltenen Lagerzapfen zwischen dem Festlager und dem Auflagebereich für das Band angeordnet ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das im Folgenden erläutert wird:
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Die einzige Figur zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Messrolle 1, die aus einem den Auflagebereich für ein Band 2 bildenden Rollenmantel 3 und zwei sich beidseitig anschließenden Lagerzapfen 4, 5 gebildet wird. Die Lagerzapfen 4, 5 weisen in das Innere des hohlzylinderförmigen Rollenmantels 3 hineinragende Einschrumpfteile 41, 51 und seitlich an dem Rollenmantel 3 anliegende Anschlagflansche 42, 52 auf. Die Verbindung der Lagerzapfen 4, 5 kann beliebig, beispielsweise durch Einschrumpfen der Einschrumpfteile 41, 51 in den Rollenmantel 3, durch Verschraubung der Anschlagflansche 42, 52 mit dem Rollenmantel 3 oder wie dargestellt durch Verspannen erfolgen, indem eine Ankerstange 6 über ein Gewinde 7 mit dem einen Lagerzapfen 4 verbunden ist, sich durch den Hohlraum des Rollenmantels 3 und den anderen Lagerzapfen 5 hindurch erstreckt und an dessen Ende über eine Mutter 8 mit diesem verspannt und gesichert ist. Die vorgenannten Verbindungen von Rollenmantel 3 und Lagerzapfen 4, 5 können alternativ, aber auch einander ergänzend gewählt werden. Dadurch, daß die Meßrolle 1 wie dargestellt als Hohlrolle ausgebildet ist, wird ihr Schwungmoment gegenüber einer Rolle aus Vollmaterial verringert, was z. B. für das Beschleunigen und Abbremsen der Vorrichtung von Vorteil ist. Auch die Verwendung eines Materials mit geringem spezifischem Gewicht, z. B. Aluminium, für die Meßrolle wirkt sich hier positiv aus.
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Die Meßrolle 1 ist an ihrem einen Lagerzapfen 4 durch ein Festlager 9 fest, d. h. axial und radial unverschieblich eingespannt und an ihrem anderen Lagerzapfen 5 durch ein Loslager 10 frei, d. h. nur in Radialrichtung fixierend gelagert. Als zusätzliche Lagerstelle ist ein weiteres Loslager 11 zwischen dem Festlager 9 und dem Lagerflansch 42 angeordnet. An diesem werden durch eine Druckmeßeinrichtung 12 die dortigen Lagerreaktionskräfte gemessen, die wie vorbeschrieben in Abhängigkeit von den über das Band 2 aufgebrachten Bandzugspannungen variieren. Die Lager 9, 10, 11 sind in der Abbildung nur schematisch dargestellt und erstrecken sich tatsächlich um den gesamten Umfang der Lagerzapfen 4, 5 herum.
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Die Variation der Lagerreaktionskräfte und damit die Meßgenauigkeit wird am größten, wenn das mit der Druckmeßeinrichtung 12 versehene Loslager 11 in möglichst geringem Abstand A zu dem benachbarten Festlager 9 angeordnet ist. Dem gleichen Zweck dient auch eine vorgenommene Überdimensionierung des Lagerzapfens 4, an dem die Messung erfolgt, der gegenüber dem anderen Lagerzapfen 5 einen wesentlich größeren Durchmesser aufweist, wodurch sich die Biegesteifigkeit des Lagerzapfens 4 erhöht und die mit der Druckmeßeinrichtung 12 gemessene Lagerreaktionskraft in Abhängigkeit von der Belastung durch das Band 2 stärker variiert. Im Gegensatz zu einer so erreichten Erhöhung der Biegesteifigkeit des Lagerzapfens 4 kann in vorteilhafter Weise mit gleichem Ziel der Erhöhung der Meßgenauigkeit die Biegesteifigkeit des den Auflagebereich für das Band 2 bildenden Teils der Meßrolle 1 verringert werden, indem für diesen Teil, d. h. vorstehend für den Rollenmantel 3, ein Werkstoff mit geringerem Elastizitätsmodul als der der Lagerzapfen 4, 5 gewählt wird. Bei der dargestellten Vorrichtung sollte die Ankerstange 6 dementsprechend aus einem möglichst biegeweichen Material gefertigt sein, um Meßwertverfälschungen zu minimieren. Eine gewünschte Verringerung der Biegesteifigkeit des den Auflagebereich für das Band 2 bildenden Teils der Meßrolle 1 kann auch durch eine nicht dargestellte Konstruktion der Meßrolle 1 erreicht werden, bei der der Rollenmantel 3 extrem dünnwandig ausgeführt wird und durch dicht an dicht angeordnete Stützscheiben auf einem Stützkörper geringen Durchmessers, mit dem die Zapfen 4, 5 verbunden sind, abgestützt wird. Auch eine Ausführung des frei gelagerten Zapfens 5 aus einem biegeweichen Material, z. B. Aluminium, hat den Effekt einer stärkeren Hervorhebung der Biegefestigkeit des eingespannten Zapfens 4 bzw. verringert den die zu messende Kraft verkleinernden Einfluß der größeren Biegefestigkeit des Rollenmantels 3.
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Zur Bestimmung und Analyse der relativen Planheit des Bandes 2 ist die Druckmeßeinrichtung 12 mit einer nicht dargestellten Umwandlungseinrichtung, z. B. einer Rechenanlage, verbunden, in der aus den gemessenen Lagerreaktionskräften die Zugspannungsverteilung bzw. Belastungsfunktion über die Breite B des Bandes 2 errechnet wird. Ein Vergleich mit der ebenfalls rechnerisch zu ermittelnden theoretischen Zugspannungsverteilung eines absolut planen Bandes ergibt dann eine Information über die relative Planheit des gemessenen Bandes 2. Dieser Vergleich kann entweder von einer die Vorrichtung bedienenden Person gezogen werden oder aber ebenfalls rechnergestützt erfolgen, so daß dann unmittelbar eine Information über die relative Planheit des Bandes 2 angezeigt wird.
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Anhand dieses Informationswertes kann manuell, aber auch vollautomatisch eine Anpassung des das Band 2 bearbeitenden Walz- oder Streckgerüstes erfolgen, um im folgenden ein möglichst planes Band zu erhalten.
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Um die Druckmeßeinrichtung 12 stets in ihrem optimalen Meßbereich zu betreiben und alle in Frage kommenden Belastungen auch bei unterschiedlichen Bandabmessungen und Bandzugkräften mit der vorgegebenen Vorrichtung erfassen zu können, kann die gezielte Einleitung eines zusätzlichen Biegemoments in die Meßrolle 1 über einen nicht dargestellten Kraftgeber vorgesehen sein. Die Einleitung des Biegemoments erfolgt vorzugsweise durch das Aufbringen einer Zusatzkraft F, die bestwirkend am nicht eingespannten Lagerzapfen 5, insbesondere an einem über sein Loslager 10 hinaus verlängerten Abschnitt angreift. Dadurch läßt sich bereits mit einer geringen Zusatzkraft F ein verhältnismäßig hohes Biegemoment einleiten. Die Höhe der aufgebrachten Zusatzkraft F muß für die weitere Berechnung bekannt sein, so daß an dem Angriffspunkt der Zusatzkraft F in der Regel eine weitere nicht dargestellte Druckmessung am Kraftgeber vorzusehen ist. Die Druckmeßeinrichtung 12 und der Kraftgeber können dabei derart gekoppelt sein, daß die Höhe der Zusatzkraft F und damit des durch diese eingeleiteten Biegemoments durch die in der Druckmeßeinrichtung 12 gemessene Lagerreaktionskraft vorgegeben wird, damit die Druckmeßeinrichtung 12 stets im optimalen Meßbereich arbeitet. Je nach dem, ob die Druckmeßeinrichtung 12 wie dargestellt entlastet oder stärker belastet werden soll, kann die Zusatzkraft F auch entgegengesetzt der in der Zeichnung dargestellten Richtung gerichtet sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mechanisch einfach aufgebaut und dadurch extrem wenig wartungsanfällig. Sie kann zusätzlich geschützt werden, indem der den Auflagebereich für das Band 2 bildende Teil der Meßrolle 1 einen Schutzmantel aus Gummi, Kunststoff oder dergleichen geeigneten Material aufweist.
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Da für die Ermittlung der Bandzugspannungsverteilung die jeweilige Lage des Bandes 2 auf der Meßrolle 1 bekannt sein muß, kann die Vorrichtung eine nicht dargestellte Bandkantenerfassung zur Bestimmung der Lage des Bandes 2 auf der Meßrolle 1 aufweisen, falls das Band 2 nicht geführt ist und insoweit in seiner Lage variieren kann.
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Es bietet sich an, die gesamte Vorrichtung auf einem mobilen Fundament, z. B. einem Trägerprofil in Rahmenbauweise, vorzumontieren, so daß sie als fertigmontierte transportable Einheit an den Einsatzort gebracht werden kann. Die Vorrichtung kann dadurch auch abseits der Anlage vorjustiert werden.
