DE68911523T2

DE68911523T2 - Vorrichtung zur messung der auf eine rolle wirkenden kräfte, die von einer über der rolle laufenden bahn herrühren.

Info

Publication number: DE68911523T2
Application number: DE89905153T
Authority: DE
Inventors: John Dobson; Thomas St Mary S Crescent Hope; Kenneth Lawson; Paul Lodge Hill Drive Sherman; Colin Swift
Original assignee: Davy Mckee Sheffield Ltd
Current assignee: Davy Mckee Sheffield Ltd
Priority date: 1988-04-22
Filing date: 1989-04-13
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2009-04-14
Also published as: EP0412987B1; AU3533489A; DE68911523D1; GB8809607D0; CN1038519A; EP0412987A1; WO1989010544A1; AU620094B2; JPH03505371A; CA1323771C; KR900700865A

Description

Die Erfindung betrifft eine Rolle zum Bestimmen der Kraft oder der Verteilung der Kraft, die durch Streifenmaterial, das sich in seiner Längsrichtung bewegt und mit einem Teil des Rollenumfangs im Eingriff bzw. in Berührung steht, auf die Rolle ausgeübt wird.
Das Streifenmaterial kann Papier, Kunststoff oder Metall sein, und die Rolle kann zur Messung der Breite, der Form oder der Kraftverteilung des Streifenmaterials oder der Lage des Streifens auf der Rolle verwendet werden.
Es ist bekannt, daß die form eines Streifenmaterials ermittelt werden kann, indem die Druckunterschiede über die Breite des Streifens erfaßt werden, während der Streifen unter Zug in Richtung seiner Längsseite bewegt wird. Dazu wird eine "Formmeß"-Rolle so angebracht, daß ihre Längsachse senkrecht zur Bewegungsrichtung des Streifens steht und daß ein Teil des Rollenumfangs mit einer Seite des Streifens in Berührung steht, während der Streifen unter Zug in Richtung seiner Längsseite bewegt wird. Durch die Berührung mit dem sich bewegenden Streifen dreht sich die Rolle; auf der Rolle sind Detektoren angebracht, welche die von dem Streifen auf die Rolle ausgeübten Kräfte erfassen. Diese Kräfte entsprechen der Zugspannung im Streifen an den entsprechenden Stellen von dessen Breitseite. Aus den über die Breitseite des Streifens gegebenen Druckunterschieden können die latenten oder restlichen Drücke und damit die Form des streifenförmigen Materials ermittelt werden.
In EP-A 0 241 230 wurde eine Formmeßrolle vorgeschlagen, die mehrere Ringe aufweist, die nebeneinander auf einer drehbaren Welle angebracht, von dieser jedoch durch ein elastisches Material getrennt sind, so daß sich die Ringe auf die Welle zu und von der Welle weg bewegen können. Mit einer entsprechenden Vorrichtung wird die Verschiebung der einzelnen Ringe relativ zur Welle gemessen.
Aus WO 84/02121 ist eine Vorrichtung zur Messung der unterschiedlichen Gewebespannung bekannt, die aus einer Rolle mit mehreren piezoelektrische Eigenschaften aufweisenden Dünnschichtfolienelementen besteht, die diagonal auf der Rollenumfangsfläche angeordnet sind. Durch den vom sich bewegenden Gewebe auf diese Elemente ausgeübten Druck senden die Elemente elektrische Impulse aus, anhand derer die unterschiedlichen Gewebespannungen ermittelt werden.
Ferner ist aus DE-C-2 754 532 eine Anzeigevorrichtung bekannt, die ein piezoelektrisches Element aufweist, welches so mit einem Resonanz-Schwingkreis gekoppelt ist, daß ein Signal einer vorgegebenen Frequenz ausgesendet wird, wenn auf das Element Druck ausgeübt wird. Die Vorrichtung kann dazu verwendet werden, die Lage eines sich auf einem Förderband bewegenden Gegenstands zu ermitteln, beispielsweise dadurch, daß das piezoelektrische Element als Oberflächenbelag einer drehbaren Rolle verwendet wird, die ein Teil des Förderbands ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Rolle zum Bestimmen der von Streifenmaterial, welches sich in Richtung seiner Längsseite bewegt und mit einem Teil der Umfangsoberfläche der Rolle im Eingriff bzw. in Kontakt steht, auf die Rolle ausgeübten Kraft folgendes auf: eine längliche Welle und eine auf der Welle angebrachte ringförmige elastische Struktur, welche die Umfangsoberfläche der Rolle ergibt und ein Verschieben der Umfangsfläche der Rolle zur Längsachse der Welle hin und davon weg durch die Einwirkung eines Streifenmaterials, welches mit der Umfangsfläche in Kontakt steht, ermöglicht. Die vorgenannte Struktur weist ein elastisches kompressibles Material und ein druckempfindliches Material auf, welches sich unter der Einwirkung einer Kompressionskraft auf vorhersagbare Weise elektrisch verändert. Das druckempfindliche Material hat die Form von beabstandeten Bändern und/oder Streifen, die im wesentlichen die gesamte Umfangsoberfläche der Welle bedekken.
Im Einsatz ist die Rolle so angebracht, daß ihre Längsachse senkrecht zur Bewegungsrichtung des Streifenmaterials steht. Die Rolle wird gegen eine Seite des Streifenmaterials gedrückt, so daß das Streifenmaterial über einen Teil des Rollenumfangs wandert. Der Rollenumfang wird von der ringförmigen elastischen Struktur gebildet, und die auf diese Struktur ausgeübte Kraft wird auf das elastische kompressible Material und von diesem auf das druckempfindliche Material übertragen. Durch Messung der elektrischen Veränderung des druckempfindlichen Materials kann die Kraft ermittelt werden, die von dem Streifenmaterial auf die Rolle ausgeübt wird.
Aus den über die Breite der Bahn unterschiedlichen Kräften können der latente Zug in der Bahn und damit die Form der Bahn ermittelt werden.
Das druckempfindliche Material kann ein einen Piezowiderstand bildendes Elastomer (PRE) oder ein piezoelektrischer Kunststoff (PEP) sein. Diese gehören zu den formulierten Polymeren, deren elektrischer Widerstand oder Spannung sich ändert, wenn sie durch eine Last verformt werden. Die Widerstandsänderung der PRE (und der PEP) ist von vielen Faktoren abhängig - nicht nur von auf sie ausgeübtem Druck - für alle Faktoren gilt jedoch, daß die Widerstandsänderung vorhersagbar ist.
Derartiges Material wird beispielsweise von The Gates Rubber Company Limited, Dumfries, Schottland, geliefert.
Alternativ kann das Material ein unter dem Warenzeichen "Force Sensing Resistor" bei Servo Data Components Limited, Newbury, Berkshire, England, erhältlicher Polymerfilm sein.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese im folgenden anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die Abbildungen 1, 3, 5, 7 und 9 sind aufgeschnittene Seitenansichten eines Teils einer Rolle in alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsformen.
Die Abbildungen 2, 4, 6, 8 und 10 sind Querschnitte der Abbildungen 1, 3, 5, 7 und 9, jeweils an der Linie X-X.
Bezugnehmend auf die Abbildungen 1 bis 4 wird eine starre Metallwelle 1 in (nicht abgebildeten) Lagern gelagert, damit die Welle um ihre Längsachse 1' gedreht werden kann. Auf dem Umfang der Welle sind mehrere parallel zu deren Längsachse angeordnete und voneinander beabstandete Streifen aus elastisch verformbarem druckempfindlichem Material 3. Dieses Material weist einen elektrischen Widerstand auf, der sich in vorhersagbarer Weise ändert, wenn das Material Kompressionskräften ausgesetzt wird. Die Streifen 3 sind von einer ringförmigen Struktur umgeben, die aus einer Muffe 2 aus elastisch verformbarem Material, beispielsweise Polyurethan, besteht, welche die zylindrische Umfangsoberfläche 5 bildet. Die Muffe ist in mehrere getrennte Abschnitte unterteilt, die auf der Welle sitzen.
Im Einsatz wird Streifenmaterial so in Richtung seiner Längsseite bewegt, daß es mit einem Teil der Umfangsfläche 5 im Eingriff steht und dadurch bewirkt, daß sich die Rolle um ihre Längsachse 1' dreht. Das Streifenmaterial übt über die gesamte Rolle Kräfte aus, die eine Komponente aufweisen, welche die Muffe 2 komprimieren und auf das druckempfindliche Material 3 Druck ausüben. Die Änderung des Widerstands dieses Materials zeigt die auf die Umfangsoberfläche 5 ausgeübte Kompressionskraft an. Die Streifen 3 sind mit Elektroden versehen (nicht abgebildet), so daß die einen veränderlichen Widerstand aufweisenden Streifen beispielsweise in Reihenschaltung mit einem Festwiderstand an eine Stromquelle angeschlossen werden können. Der veränderliche Widerstand und der Festwiderstand wirken als Spannungsteiler, und somit können Widerstandsänderungen in den Streifen erfaßt werden.
Die in den Abbildungen 3 und 4 gezeigte Anordnung ist speziell für Einsatzfälle geeignet, bei denen es zu einer Beschädigung des elastischen Materials 2 durch das Streifenmaterial kommen kann. Um dies zu verhindern, ist bei dieser Anordnung eine Schutzhülse 4 aus einem harten Material, beispielsweise Polyurethan oder Metall oder ein Kompositmaterial, vorgesehen. In diesem Fall wird die Umfangsoberfläche der Rolle, die mit dem Streifenmaterial im Eingriff steht, durch die Außenseite des Schutzmaterials 4 gebildet.
Bei der in den Abbildungen 5 und 6 gezeigten Anordnung besteht das druckempfindliche Material aus voneinander getrennten Bändern, die die Welle 1 ringförmig umgeben. Die Bänder sind mit einer Hülse aus elastischem Material, beispielsweise Polyurethan, umgeben, und es ist wieder eine äußere Schutzhülse 4 vorhanden. Ob eine äußere Hülse erforderlich ist oder nicht, hängt von dem Material ab, mit dem die Rolle in Kontakt kommt. Auf die Schutzhülle kann verzichtet werden, wenn keine Gefahr besteht, daß das Material 2 beschädigt wird.
Die in den Abbildungen 7 und 8 sowie 9 und 10 gezeigten Ausführungsformen sind besonders geeignet, wenn das Streifenmaterial ein Metall, beispielsweise Stahl, ist.
Bei den Abbildungen 7 und 8 liegt das Material 3, dessen Widerstand sich mit dem auf das Material ausgeübten Druck ändert, in Form von Endlosbändern vor, die den Achsenumfang umschließen, und auf jedem Band sitzt eine eigene Muffe 2 aus Polyurethan.
Bei der in den Abbildungen 9 und 10 gezeigten Anordnung ist das Material 3 in Streifen auf der Wellenoberfläche in Längsrichtung der Welle angebracht und von einer Muffe, die aus Polyurethan bestehen kann, umgeben.
Bei den beiden letztgenannten Ausführungsformen liegen einzelne Rollen- oder Kugellager 7 zwischen der Außenfläche 2A des Materials 2 und dem über die Rolle geführten Streifenmaterial. Die Welle 1, das druckempfindliche Material 3, das elastische Material 2 und der Innenring der einzelnen Rollen- oder Kugellager drehen sich nicht. Sie können jedoch langsame Schwingungen ausführen, um Kriecheffekte des Materials 3 auszugleichen. Der Außenring der Rollen- oder Kugellager dreht sich durch die Bewegung des Streifens. Nach unten gerichtete, aus der Zugspannung im Streifen resultierende Kräfte werden über die Lager übertragen und üben einen Druck auf das Material 3 aus. Wie oben ausgeführt, wird die Änderung in dessen elektrischem Widerstand erfaßt.
Wenn der Streifen in Richtung seiner Längsseite bewegt wird, wird der Außenring der einzelnen Lager in Drehung versetzt und dreht sich um seine Längsachse; der Streifen übt auf die einzelnen Außenringe eine Kraft aus. Die Kraft hat eine Komponente, die den Ring relativ zur Welle nach unten verschiebt, so daß die Achse des Außenrings nicht mehr mit der Achse der Welle zusammenfällt. Die auf die Außenringe ausgeübten Kräfte sind ein Maß für die in dem mit den Außenringen in Kontakt stehenden Teil des Streifens gegebene Zugspannung; folglich läßt sich aus der Verschiebung der Ringe - gemessen als durch die Kompression verursachte Änderung des elektrischen Widerstands des Materials 3 - die über die Streifenbreite gegebene Zugspannung ermitteln.
Bei einigen der abgebildeten Ausführungsformen der Erfindung ist die Rolle als Formmeßrolle eingesetzt worden, um die form des Streifens - normalerweise eines Metallstreifens - zu erfassen, während der Streifen in Richtung seiner Längsseite bewegt wird. Bei einigen Anwendungsfällen ist es jedoch vielleicht nicht nötig, die Form zu ermitteln, sondern es soll die gesamte Belastung oder die Verteilung der Belastung festgestellt werden, die durch das Streifenmaterial auf die Rolle einwirkt, oder es soll die Verteilung der Last über die Rollenlänge ermittelt werden. Dies kann bei einem Kalandrierungsvorgang zur direkten Messung der Kraft oder der Kraftverteilung erfolgen. Wenn die genaue Breite des über die Rolle geführten Streifens ermittelt werden soll, kann durch Erfassung der durch die einzelnen Streifen des Materials 3 ausgelösten Signale eindeutig festgestellt werden, wo die Ränder des Streifenmaterials auf der Rollenaußenseite aufliegen; auf diese Weise kann die Streifenbreite ermittelt werden.
Bei allen Ausführungsformen der Erfindung kann das Material 3 die oben beschriebene Form haben, wie sie bei den obengenannten Herstellern erhältlich ist. Mit Hilfe von Elektroden (nicht abgebildet) kann das Material zur Ermittlung der Widerstandsänderung infolge der Änderung des auf das Material ausgeübten Druckes mit elektrischen Schaltkreisen verbunden werden.
Das druckempfindliche Material 3 bzw. dessen einzelne Teile können spiralförmig um die Welle gewickelt sein.
Auf die Welle kann das druckempfindliche Material in einem oder in mehreren Stücken in Längsrichtung und in einem oder in mehreren Stücken ringförmig aufgebracht werden. Diese Stücke geben die Lage der auf die Rolle ausgeübten Kräfte an.

Claims

1. Rolle zum Bestimmen der Kraft, die auf sie von Streifenmaterial ausgeübt wird, welches sich in seiner Längsrichtung bewegt und mit einem Teil der Umfangsoberfläche der Rolle im Eingriff steht, wobei die Rolle eine längliche Welle (1) und eine ringförmige elastische Struktur (2, 3) aufweist, die auf der Welle angebracht ist und die Umfangsoberfläche (5) der Rolle ergibt und ein Verschieben der Umfangsoberfläche (5) der Rolle zur Längsachse der Welle (1) und davon weg durch die Wirkung von Streifenmaterial ermöglicht, welches mit der Umfangsoberfläche der Rolle im Eingriff steht; wobei die Struktur ein elastisch kompressibles Material (2) und ein druckempfindliches Material (3) aufweist, welches sich unter der Einwirkung einer Kompressionskraft auf vorhersagbare Weise elektrisch verändert, dadurch gekennzeichnet , daß das druckempfindliche Material (3) in Form von beabstandeten Bändern und/oder Streifen vorliegt, welche im wesentlichen die gesamte Umfangsoberfläche der Welle (1) bedecken.

2. Rolle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das druckempfindliche Material (3) mehrere beabstandete Bänder aufweist, von denen sich jedes um die Umfangsoberfläche der Welle (1) erstreckt.

3. Rolle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das druckempfindliche Material (3) mehrere getrennte Streifen auf der Umfangsoberfläche der Welle (1) aufweist, die sich in Längsrichtung der Welle erstrecken.

4. Rolle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das druckempfindliche Material (3) mehrere getrennte Streifen aufweist, die spiralenförmig auf die Umfangsoberfläche der Welle (1) gewickelt sind.

5. Rolle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das druckempfindliche Material (3) auch mehrere getrennte Streifen aufweist, die sich in Längsrichtung der Welle (1) erstrecken.

6. Rolle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das druckempfindliche Material (3) ein einen Piezowiderstand bildendes Elastomer oder ein piezoelektrisches Kunststoffmaterial ist.

7. Rolle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische kompressible Material (2) mehrere Muffen aufweist, die nebeneinander angeordnet über dem druckempfindlichen Material (3) liegen.

8. Rolle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Muffe eine äußere Schutzhülle (4) aufweist, die die Umfangsoberfläche des Teiles der Rolle ergibt.

9. Rolle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische kompressible Material (2) in Form einer Muffe vorliegt, die eine äußere Schutzhülle (4) aufweist, die die Umfangsoberfläche (5) der Rolle ergibt.

10. Rolle nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Schutzhülle (4) aus Polyurethan oder Metall oder aus einer Kombination aus Polyurethan und Metall besteht.

11. Rolle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Muffe ein Kugellager oder Rollenlager (7) mit einem Innenring und einem Außenring angebracht ist, wobei der Innenring jedes Lagers und die Welle nicht drehbar sind, wogegen der Außenring gegenüber dem Innenring drehbar ist.