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Einrichtung zum Festste:ien von Unregelmä#igkeiten in der Dicke oder
Oberfläche einer sich bewegenden Warenbahn - e - - - - - -Die Erfindung bezieht
s@ch auf eine Einrichtung zum Feststellen örtlicher Fehler bzw. Unregelmäßigkeiten
in der Dicke oder Oberf@äche ainer sich bewegenden Warenbahn und insbesonders einer
Papierbahn, bei der sich derartige Fehler besonders schädlich auswirken, Bei bekannten
Einrichtungen wurde der Durchlauf einer Fehlerstelle mit Hilfe von Walzen oder Gleitzungen,
die
in Verbindung mit beschleunigungs-, stellunlSa-und schallgesteuerten Wandlern verwendet
wurden, ermittelt. Obwohl diese Einrichtungen es allgemein ermöglichen, die oben
genannten Fehler festzustellen, unterliegen sie gewissen Nebeneffekten, die sich
aus der Bahngeschwindigkeit, der Geometrie der Fehlerstellen und aus mischen Problemen
ergeben die durch das Verhalten der Fühlorgans bei hohen Durchlaufgeschwindigkeiten
der Warenbahn aufgeworfen werden.
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Demzufolge konnten bisher diese Geräte nicht in Werten geeicht werden,
die in einem eindeutigen Verhältnis zum ausmaß der sich aus der untersuchten Warenbahn
ergebenden Fehlerstelle stehen.
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Es ist daher Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung
zum Ermitteln von sich aus einer Warenbahnoberfläche erhebenden Unebenheit zu schaffen,
die der tatsächlichen Grö#e bzw. dem tatsächlichen Ausmaß der fehlerhaften Unebenheit
entsprechende Signame erzeugt. Weiterhin soll es mit der erfinunagemä#en Einrichtung
möglich sein, Signale zu erzeugen, die unabhängig ton der Geometrie dieser Fehlstellen
sind, d.h. ein Alarm- oder ähnliches Signal zu erzeugen, sobald die Erhebung an
einer Fehlerstelle sine festgesatzte Grenze übersteigt, und zwar unabhängig davon,
ob die Fehlerstelle eine buckelförmige Erhebung,
ein Metallspan,
eine Falte der ein Kniff ist.
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In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung soll die Signalgabe
bzw. Anzeige von Fehlerstellen im wesentlichen von üblicherweise bei großen und
schnellen Maschinen auftwetenden dynamischen Problemen @@d von Toleranzproblemen,
, die mit der Herstellung von gro#flächigen oder breiten, eine Warenbahn mit hoher
Geschwindigkeit antreibenden Organen verbunden sind, unabhängig sein.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Mehrzahl von Fühlorganen
so angeordnet, da# sie verschiedene Breitenbereiche einer bewegten Warenbahn unabhängig
voneinander überwachen, so daß eine örtliche Unregelmä#igkeit, wie eine an dem Abtastbereich
eines der Fühlorgane vorbeilaufende buckelförmige Auswölbun, nur das dieser. Bereich
zugeordnete Fühlorgan betätigt, Die Füblorgane sind Jeweils paarweise einander sugeordnet,
dergestalt, daß sie nahe beteinanderliegende oder benachbarte Bereiche der Warenbahn
abtasten. Ein Differentialwandler ist mit Jeden Fühlerpaar gekoppelt und erzeugt
ein Ausgangssignal, sobald die Fühlorgane eines Paars ungleich betätigt werden (z.B.
dann, wenn das eine Fühlorgan betätigt und Das andere unbetätigt ist) ;
der
Differentialwandler gibt jedoch kein Ausgangssignal ab, wenn beide Fühlorgane in
gleicher Weise betätigt werden.
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Die Differentialabtastvorrichtung gemäß der Erfindung unterscheidet
auch gegenüber ungewollten Aus schlägen aufgrund einer Maschinenvibration, Exzentrizitäten
von Stützwalzen der Warenbahn und Änderungen der Gesamtdicke der Warenbahn. Derartige
relativ gro@flächige Effekte sind bei Jeder Hochgeschwindigkeitsanlage unvermeidlich
vorhanden und überdeokten bei bekannten Einricbtungen die ermittlung bzw. Anzeige
von kleines örtlichen Unebenheiten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind unabhängig
voneinander gelagerte Fühlorgans so angeordnet, daß sie in festem Kontakt mit einer
über eine Widerlagerwalze oder eine feste Fläche laufenden Warenbahn auf dieser
gleiten oder abrollen. Stellungsabhängige Wandler sind zwischen benachbarten Pühlorganen
angeschlossen und zeigen vertikale Relativbewegungen dieser Fühler an.
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Gemäß einer zweckmä#igen Weiterbildung der Erfindung sind die Fühler
so gelagert, daß sie eine Translationsbewegung
mit in wesentlichen
einem Freiheitsgrad ausführen können. Die Fühler sind außerdem mechanisch gedämpft,
damit die Fühlerbewegung der fehlerhaften Erhebung angepaßt ist oder in einem festen
Verhältnis zu ihr steht.
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Im folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise
beschrieben werden. In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit einigen fortgebrochenen Teilen; Fig.
2 eine perspektivische Ansicht auf einen Teil der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform,
wobei die Fühleraufhängung und der Differentialwandler bei vergrö#ertem Ma#stab
genauer gezeigt sind; Rig. 3 eine Gruppe von Kurvendarstellungen gewisser Betrieb@@igenschaften
der Einrichtung; und Fig. 4 ein schematisches Diagramm der die vom Differentialwandler
gelieferten elektrischen Signale verarbeitenden Vorrichtung.
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Wie in Fig. 1 ge@eigt ist, sind in einem Paar paralleler Platten 1
und 2 Lager 3, 4 und weitere, in der Zeichnung nicht sichtbare Lager angeordnet,
in denen ein. Stützwalze 5 und ein Paar von Niederhaltewalzen 6 und 7 drehbar gelagert
sind. Diese Walzen führen eine durch laufende Warenbahn 8, beispielsweise aus Papier,
di.
unter den Walzen 6 und 7 und über die Walze 5 läuft.
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Die Platten 1 und 2 sind an einem hier nicht gezeigten Fundament betätigt,
Die Gesamtanordnung kann zwischen andere, hier nicht gezeigte Vorrichtungen eingesetzt
werden, die Bestandteile einer bekannten Verarbettungs-oder Herstellungskette sind,
wie z.B. einer Anlage zur Papierverarbeitung, zum Appretieren, Veredeln, Ausrüsten
oder Nerstellen von Papier. Im normalen laufenden Betrieb wird die Warenbahn 8,
wie durch die Pfeile 9 angedeutet, unter den Walzen 5, 6 und 7 durchgeführt.
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Eine Mehrzahl von Fühlerwalzen 11, 12, 13 und 14 ist in der Nahe der
Oberseite der Stützwalze 5 so angeordnet, daß die zahler mit der Oberfläche der
Warenhahn 8 in S. ontatt stehen. Jede Fühlerwalze ist im VErgleich zur gesamten
Bahnbreite relativ schmal und berührt die Bahn in einen sich quer zur Bahnlaufrichtung
erstreckenden Abtastbereich. Die Fühlerwalzen sind in zwei Gruppen angeordnet, die
Jeweils aus einen oder mehreren Paaren von zentrisch angeordneten Walzen bestehen.
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Wie in Zig. 1 gezeigt ist, bilden die WaIsen 11 und 12 ein. Gruppe
und die Walzen 19 und 14 eine andere Gruppe.
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Zur besseren Veranschaulichung besteht hier jede Gruppe nur aus einem
Walzenpa@r; in der Praxis ist die Anzahl der verwendeten Fühlerpaare genügend gro#
gehalten, damit die Gesamtbreite der Warenbahn von des Fühler überstrichen wird.
Die Walzen 11 und 12 einer Gruppe sind auf der Warenbahn bezüglich der Walzen 13
und 14 der anderen Gruppe derart seitlich versetzt, daß im wesentlichen Jeder Punkt
der Warenbahn an dem Abtastbereich wenigstens eines Fühlers und vorzugsweise nur
eines Fühlers vorbeiläuft.
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Jede Fühlerwalze ist an Stützarmen 15 drehbar gelagert, die aus einem
zugehörigen Jochteil 16 vorstehen. Die Jochteile 16 sind iiber parallel angeordnete
Blattfedern 17 mit Stützblöcken 18 verbunden, die an zwischen den Platten 1 und
2 parallel zu den Walzenachsen angeordneten Trägern 19 befestigt sind. Die Träger
19 können mit Hilfe von Handhebeln 21 gedreht werden, ul die Fühlerwalzen zuF Einlegen
der Warenbahn, Reinigen der Walzen und bu Wartungszwecken von der Stützwalze abbeben
zu können.
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Im folgenden wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Ein Teil 22 Jedes Stützblockes
18 erstreckt sich zwischen einander zugeordneten Pasren von Blattfedern 17 uni ist
auf
die Grundseite des zugehörigen Jochteils 16 gerichtet.
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Der Teil 22 und das Jochteil 1o sind mit gegeneinander gerichteten,
nebeneinanderliegenden Schlitzen 25 und 24 versehen, die sich parallel zur Achse
der zugehörigen Fühlerwalze erstrecken. Eine Platte 25 aus dämpfendes Material füllt
im wesentlichen beide Schlitze 23 und 24 aus und verbindet das Joch 16 und den Teil
22 des Stützblocks 18. Das Dämpfngsmaterial kann aus einem beliebigen Stoff bestehen,
der einer Deformation einen Dämpfungswiderstand entgegensetzt, d.h. einer Formänderung
mit einer zur Änderungsgeschwindigkeit pröportsonalen Kraft entgegenwirkt. Verschiedene
Elastomere, z.B. gewisse Silikone, weisen des Eigenschaft auf.
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Die Grö#enabmessungen der Platte 25 richtet sich nach dem besonderen
verwendeten Material, der Steifigkeit und der Vorspannung der Federn 17 sowie nach
der Masse der Fühlerwalze und sind, wie im folgende noch näher erläutert wird, für
die Steuerung des "Äberschwingens" der Pählerwalzen bei während des Betriebs auftretenden
Bahngeschwindigkeiten ma@gebend.
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Die beschriebene Federaufhängung der Fühlerwalzen beschränkt deren
Translationsbewegung auf im wesentlichen einen einzigen Freiheitsgrad, und zwar
senkrecht zur Oberfläche der Warenbahn in den betreffenden Kontaktbereich. Die Relativbewegung
zwischen zwei Fühlern eine@
Paars, z.B. der Walzen 13 und 14, wird
durch einen stellungsabhängigen andler 26 gemessen. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, weist
der Wandler 26 eine Stange 28 auf, die in an der Ober- und Unterseite des Wandlergehäuses
angeordneten Lagern 27 und 29 axial beweglich angeordnet ist. Das untere Lager 27
ist über einen Bügel 31 mit einem Arm 15 des die Fühlerwalze 14 tragenden Jochs
16 verbunden. Das untere Ende der Stange 28 ist über einen Bügel 32 mit dem nächstliegenden
An 15 des der Fühlerwalze 13 zugeordneten Joche 16 verbunden.
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Eine Lampe 35 und eine Fotozelle 37 sind im Wandlergehäuse an einander
gegenüberliegenden Seiten einer von der Stange 28 radial nach außen zeigenden undurchwichtigen
Fahne eingebaut. Die Relativstellungen dieoor Teile sind so eingestellt, daß die
Fahne 36 den Lichtpfad zwischen der Lampe 35 und der Fotozelle 37 teilweise abdeckt,
wenn die Fühlerwalzen 13 und 14 zentrisch ausgerichtet sind, d.h. wenn ihre relative
Verstellung Null ist. Sobald die Fühlerwalze 13 gegenüber der Walze 14 nach oben
versetzt wird, bewegt sioh die Fahne 36 relativ zur Lampe 35 und der Fotozelle 37
nach oben und verringert die die Fotozelle erreichende Lichtmenge. Wenn die Walze
14 relativ zur Walze 13 nach oben bewegt wird, steigt die auf die Fotozelle auftreffende
Lichtmenge.
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Wenn beide Walzen 13 und 14 sich um dasselbe Maß nach oben oder unten
bewegen, bleibt die Lichtmenge gleich. Das elektrische Ausgangssignal der Fotozelle
37 steht in direkter Beziehung zur Stellungsänderung der Fühlerwalzen relativ zueinander,
wächst gegenüber seinem Ausgangswert bei relativer Verstellung der beiden Fühler
in der einen Richtung an und sinkt bei einer relativen Stellungsänderung der Fühler
in der entgegen gesetzten Richtung.
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Bei Betrieb der oben beschriebenen Einrichtung verstellt eine buckelförmige
Unebenheit oder eine andsre örtliche Unregelmä#igkeit in der Warenbahn 8 bei deren
Vorbeilauf unter einer der Fühlerwelzen dieae Walze nach oben.
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Daraufhin erzeugt der zugehörige Wandler 26 ein elektrieches Ausgangssignal
in der Form eines kurzen Impulses.
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Der Impuls kann positiv oder negativ seln, was davon. abhängt, welche
Fühlerwalze des Paars betätigt ist.
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Eine gegen die Walze treffende Auswölbung erteilt der Walze eine Vertikalgeschwindigkeit
(senkrecht sur Bahnoberfläche), die von der Bahngeschwindigkeit, d.h. der Geschwindigkeit,
mit der die Warenbahn durch die Maschine bewegt wird, abhängig ist. Diesser VErtikalbewegung
der Fühlerwalze wird durch die Schwerkraft, hie Kraft der Federn 17 und die Dämpfungskraft
der
Platte 25 entgegengewirkt. Die Federn 17 sind vorzugeweise
so ausgelegt, daß ihr kräftemäßiger Anteil unter Beibehalten ihrer Funktionen als
Stütze für die Fühlerwalze und als Begrenzung der Fühlerbewegung auf einen Freiheitsgrad
so gering als möglich ist.
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Auf der Grundlage dieser und anderer vereinfachender Annahmen, z.B.
derjenigen, daß die Auswölbung in Art einer Stufenfunktion geformt ist und nicht,
unter der Fühlerwalze deformiert wird, kann theoretisch geseigt werden, da£ sich
die Walze ohne mechanische Dämpfung von ihrer Auflagefläche auf der Warenbahn um
ein Maß abhebt, das dem quadrat der Bahngeschwindigkeit proportional ist. Wenn di.
e Durchlaufgeschwindigkeit der Warenbahn klein genug gehalten würde, so wird die
Fühlerwalze nur um einem Betrag hochgehoben, der gleich der Höhe der Auswölbung
ist und bliebe mit der Auswölbung bei deren Durchlauf unter der Walze in ständigem
Kontakt.
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IN der Praxis, wie z.B. bei der Papieruntersuchung, sollen bei sich
zwischen 300 und 600 mm pro Minute ändernden Bahngeschwindigkeiten möglichst alle
Auswölbungen bzw. Erhebungen ermittelt werden, die h8her mind als beispielsweise
0,076 mm. Bei diesen Bedingungen und typischen Walzendurchmessern werden die Fühler
"überschwingen", d.h. sie werden über einige oder alle Erh@-bungen bzw. Auswölbungen,
auf die sie treffen, hinausgesto@en und verlieren den Kontakt mit diesen.
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Fig. 3 zeigt die Wirkungen der Durchlaufgeschwindigkeit der Warenbahn
auf die Me@grö#e der Einrichtung mit und ohne Dämpfung. ;. V0 ist die Amplitude
des Ausgangssignals einer Fotozelle 37. ?Ienn VO ein Bezugsniveau übersteigt, so
wird eine Erhebung bzw. Auswölbung angezeigt. Ist V0 kleiner als VT, so tritt keine
Anzeige auf. Die Auswerteeinrichtung wird später unter Bezugnahme auf Fig. 4 näher
beschrieben werden. In der Nähe der Bahngeschwindigkeit 0 wird die Fühlerwalze nur
um die Höhe der Auswölbung angehoben, und VO ist ein direktes ma# dieser Höhe. Der
Punkt 47 auf der Ordinate in Fig. 3 stellt diesea Wert ton VO far eine Auswölbung
von beispielsweise 0,064 mm Höhe dar, die also etwas niedriger als die minimale
Höhe ist, di. noch angezeigt werden soll.
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Bei höheren Warengeschwindigkeiten ist VO fur eine vorgegebene Erhebung
grö#er. Ohne Dämpfung ist V0 proportional dem Quadrat der Bahngeschwindigkeit, wie
durch die gestrichelte Kurve 48 angedeutet ist. In einem typischen Fall wird VO
das Bezugsniveau VT irgendwo innerhalb der gewünschten Betriebadurchlaufgeschwindigkeit
der Warenbahn, z.B. beim Punkt 49, überschreiten, so daß eine Anzeige gegeben wird,
obwohl die Höhe der Auswölbung unterhalb der für ein. Anzeige vorgesehenen Höhe
liegt
Bei elastoxerer Dämpfung (viscous damping) der Fühlerwalze
ist das Überschwingen nicht zum Quadrat der Bahngeschwindigkeit, sondern etwa direkt
proportional zur Bahngeschwindigkeit. Die Linie 50 in Fig. 3 stellt VO als Funktion
der Bahngeschwindigkeit bei Durchlauf einer 0,064 mm hohen Erhebung aus der Warenbahnoberflache
dar.
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Es ist zu sehen, daß die Dämpfung groß genug ist, un su verhindern,
daß VO innerhalb des Betriebsbereichs der Bahngeschwindigkeit von 300 bis 600 m
pro Minute übersteigt.
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Die Steigung der Linie 50 hängt von Dämpfungsma# ab, d.ht von der
Widerstand@kraft pro Einheit der Vertikalgeschwindigkeit der Fühlerwalze. Dieser
Wert wird von den Grö#enabmessungen der Platte 25 und ihrer Viskosität best tisit.
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In der Praris sollte der Dämpfungswert nicht viel grö#er sein, als
zum Verhindern falscher Anzeigen von zuniedrigen Erhsbungen erforderlich ist, um
übermäßige Belastungen und eine mögliche Zerstörung der Warenbahn zu verweiden wenn
eine grö#ere Auswölbung auftritt, Bei einer typischen Ausführungsform ist die maximale
Dämpfungskraft bei Verwendung einer Fühlerwalze von etwa 5 on Durchmesser rund einem
Gewicht von etwa 1360 g in der Grö#enordnung von 13,6 kg, wenn eine Auswölbung voa
0,076
an Höhe mit einer Bahngeschwindigkeit von -3Ci0 m pro Minute unter der Walze vorbeiläuft.
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Die Platte 25 kann dabei 12,7 cm lang und 1,9 cm dick sein bei einem
wirksamen Scherabstand zwischen den Teilen 16 und 22 von etwi 0,4 mm Breite. Das
Material der Platte 25 hat dabei eine Viskosität von etwa 100 000 Centipoise. Material
anderer Viskosität kann verwendet werden, wenn gleichzeitig die Abmessungen der
Platte 25 entsprechend geändert werden.
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Im folgenden wird wiederum auf Fig. 3 Bezug genommen.
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Die Linis 51 Stellt V0 als Funktion der Bangeschwindigkeit bei einer
Auswölbung in der Bahnoberfläche von etwas mebr als 0,076 mm dar, wobei dieselbe
Dämpfung verwendet wird wie bei der Linie 50. In dieseai Fall übersteigt VO d3n
Wert von VT in betrieblichen Änderungsbereich der Bahngeschwindigkeit. Die maximale
Größe des VT übersteigenden Wertes von VO ist durch den Stellbereich des Wandlers
26 oder durch die mechanische Begrenzungswirkung der Dämpfplatten oder auch durch
beide begrenzt. Bb ist oime besondere Darstellung ohne weiteres einleuchtend1 daß
auch andere mechanische Vorrichtungen vorgesehen sein können, um gegebenenfull@
das Überschwingen der Fühlerwalzen zu begrenzen.
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Im folgenden wird auf Fig. 4 Bezug genommen. Die Ausgänge der Wandler
26 sind an ihnen zugeordnete Verstärker 38 geführt, die die Wandler voneinander
elektrisch trennen. Die verstärkten Wandlerausgangssignale werden einem jedem Verstärker
38 zugeordneten Zweiweggleichrichter 39 zugeführt. Wie oben bereits erwähnt, können
die Wandlerausgangssignale sowohl positiv als auch negativ sein, wobei die Polarität
von der relativen Betätigung der Fühlerwalzen abhängig ist. Die Gleichrichter 39
geben Signale ab, die unabhängig von der Polarität der sie erzeugenden Wandlersignale
negativ sind.
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Die Ausgangs signale der Gleichrichter 39 werden, wie in Fig. 4 gezeigt,
an einen NIveau-Me#@chaltkreis 40 gelegt, dor eine Einwegiode 41, Widerstände 42,
43, 44, 45 und 46 und eine Gleichstromquelle 53 umfaßt. Die Diode 41 ist, wie in
der Zeichnung gezeigt, von rechts nach links leitend. Die Widerstände 42 bis 46
bilden eine Wheatstono'sche Brücke, die von der Quelle 53 gespeist wird, Die Brückenschaltung
ist unabgeglichen und spannt die Diode 41 in ßperrichtung vor, Der Sperrspannungspegel
kann durch Einstellen ds Widerstandes 45 vorgegeben werden, ul das Bezugeniveau
VT (siche ig. 3) vorzugeben, das der minimal anzuzeigenden
Höhe
einer Auswölbung en@@pxicht. Wenn ein Wandler 25 ein Ausgangssignal VO erze@gt,
das nach Verstärkung in Verstärker 38 und Gleichrichtung im Zweiweggleichrichter
39 die Vorspannung in Sperrichtung der Diode 41 übersteigt, so wird die Di@@@ leitend
und gibt ein negatives Signal @@ den P@@k 55. Dieses Signal wird durch einen Verstärker
56 ver@känkt und dient zur Erregung einer Anzeigevorrichtung 57, z.B. einer Alermvorrichtung
oder eines Schreibers.
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Die vorstehend beschriebene Einrichtung arbeitet über einen weiten
Bereich vor Bahngeschwindigkeiten und Materialeigenschaften der untersuchten Warenbahn
zufriedenstellend und ohne falsche Anzeigen infolge Überschwingens oder Maschinenschwingungen.
In einigen Fällen kann es Jedoch erwünscht sein, außer einer mechanischen Dämpfung
auch die Möglichkeit einer Kompensation der Durchlaufgeschwindfgkeit der Warenbahn
vorzusehen.
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Eine elektrische Kompensation der Änderung der Bahngeschwindigkeit
kann durch Erhöhen der Sperrspannung an der Diode 41 bei Vergrö#erung der Bahnguchwi:1digkeit
geschaffen werden. Für diesen Zweck wird ein Gleichstrom-Tachometergenerator 58,
wie durch die gestichelte Linie 59 dargestellt, mit einem geeigneten Organ der Walzenantriebseinheit
gekuppelt, so daß er bei einer Geschwindigkeit
arbeitet, die gleich
oder proportional der Bahngeschwindigkeit ist. Die postive Ausgangsklemme des Tachometergenerators
ist er einen einstellbaren Widerstand 60 mit dem Verbindungspunkt der Widerstände
45 und 46 des Niveau-Me@schaltkreis es verbunden.
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Die Ausgangsspannung der Tachometergeneratore ist der Bahngeschwindigkeit
proportional, und ein Teil der Ausgangsspannung wird additiv der von der Quelle
53 gelle-@erten Sperrspannung überlagert. Diese zusätzliche Vorspannung verringert
di. Steigung der Me@ausschlag-Geschwindigkeits-Kennlinie um einen Wert, der von
der Einstellung des Widerstands 60 abhängig ist, ohne ein entsprechandes Anwachsen
der mechanischen Dämpfung der P.uh1er erforderlich zu machen.