ES2237203T3 - Aparato y metodo par aarrollar papel. - Google Patents
Aparato y metodo par aarrollar papel.Info
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Abstract
Un aparato para arrollar una cinta de material de papel en un rollo, comprendiendo el aparato: un carrete de devanadera (26) montado de forma giratoria, sobre el que debe arrollarse la cinta de material de papel (15) para formar un rollo (25) de diámetro creciente; un tambor de carrete (19) montado de forma giratoria adyacente al carrete de la devanadera (26); un carro (37) que soporta o bien el tambor de la devanadera (19) o el carrete de la devanadera (26) para que se puedan mover uno con relación al otro y para colocar dicho tambor de la devanadera (19) y el carrete de la devanadera (26) adyacentes entre sí, de tal manera que se forma un intersticio de contacto entre ellos; un actuador (38) conectado al carro (37) y que puede ser accionado para mover el carro (37) para empujar el tambor de la devanadera (19) y el carrete de la devanadera (26) uno con relación al otro para provocar que el tambor de la devanadera (19) penetre con indentación el rollo de papel (25) localmente en dirección radial hacia dentro en el intersticio de contacto; una unidad de sensor (70; 74) que proporciona una señal indicativa de la indentación radial del tambor de la devanadera (19) en el rollo de papel (25); y un controlador (66) conectado a la unidad de sensor (70; 74) y al actuador (38) y que puede ser accionado para controlar el actuador (38) para mover el carro (37) para mantener dentro de límites predeterminados la cantidad de indentación radialmente hacia dentro del tambor de la devanadera (19) en el rollo de papel (25) en el intersticio de contacto.
Description
Aparato y método para arrollar papel.
La presente invención se refiere a la fabricación
de papel y, más particularmente, a un aparato y un método para
arrollar papel sobre un rodillo de base durante un proceso de
fabricación de papel.
Durante la fabricación de papel, una cinta seca
de papel que procede desde una sección extrema seca de un aparato
de fabricación de papel es arrollada inicialmente sobre una
devanadera de carrete para formar un rollo de base que es
almacenado típicamente de forma temporal para procesamiento
posterior. A continuación, el rollo de base es desenrollado y la
cinta de papel es convertida en una forma de producto final.
Durante el arrollamiento de la cinta de papel en
un rollo de base grande, es esencial que el rollo sea arrollado de
tal manera que se eviten defectos mayores en el rollo y que permita
la conversión eficiente del rollo en el producto final, ya sean
cajas de hojas de tissue facial, rollos de tissue de baño, rollos
de papel estampado, y similares. De una manera ideal, el rollo de
base tiene una forma esencialmente cilíndrica, con una superficie
principal cilíndrica lisa y dos superficies extremas lisas, planas
y paralelas. La superficie principal cilíndrica y las superficies
extremas deberían estar libres de rizos, resaltos, ondulaciones,
excentricidad, pliegues, etc., o, en otras palabras, el rollo
debería ser "dimensionalmente correcto". De la misma manera, la
forma del rollo debe ser estable, para que no se separe de su forma
cilíndrica durante el almacenamiento o manipulación de rutina o, en
otras palabras, el rollo debería ser "dimensionalmente
estable". Los defectos pueden obligar a que rollos enteros sean
desechados si resultan inadecuados para la conversión a alta
velocidad.
Se pueden introducir muchos defectos a través del
arrollamiento inadecuado de la cinta de papel sobre el rollo de
base, especialmente cuando se arrollan cintas de tissue suave, de
alto volumen, fácilmente compresible. Un gran número de tales
defectos se describen y se muestran en fotografías en un artículo de
W. J. Gilmore, "Report on Roll Defect Terminology" - TAPPI
CA1228'', Proc. 1973 Finishing Conference, Tappi, Atlanta, GA,
1973, páginas 5 a 19. La tensión inadecuada de la cinta en la
proximidad del núcleo del rollo puede provocar que las regiones
exteriores del rollo compriman el rollo hacia dentro, conduciendo
pandeo en un patrón estrellado, llamado comúnmente
"estrellado", como se describe por James K. Good, "The
Science of Winding Rolls", Products of Papermaking, Trans. of
the Tenth Fundamental Research Symposium at Oxford, Sept. 1993,
Ed. C. F. Baker, Vol. 2, Pira International, Leatherhead,
Inglaterra, 1993, páginas 855 a 881. Además, el estrellado provoca
la liberación de tensión de la cinta alrededor del núcleo, que
proporciona normalmente suficiente fricción entre el núcleo y las
capas adyacentes de la cinta. Esta pérdida de fricción puede
conducir a "deslizamiento" o "acoplamiento telescópico",
donde la mayoría del rollo (excepto unas pocas capas alrededor del
núcleo y unas pocas capas alrededor de las regiones más exteriores)
se mueve en masa hacia un lado con respecto al eje del rollo,
haciendo que el rollo se vuelva inútil.
Las devanaderas de tambor de intersticio de
contacto duro disponibles actualmente en el comercio del tipo con
accionamientos asistidos desde el centro, como se describe por T.
Svanqvist, "Designing a Reel for Soft Tissue", 1991
Tissue Making Seminar, Karlstad, Suecia, han sido utilizadas con
éxito para arrollar rollos de cintas de tissue compresibles que
tienen volúmenes hasta aproximadamente 8 a 10 cm^{3} por gramo,
evitando al mismo tiempo los problemas de arrollamiento mencionados
anteriormente, reduciendo la fuerza del intersticio de contacto y
que se basan principalmente en el control de la tensión de entrada
de la cinta a través de la modulación del accionamiento asistido
desde el centro para el árbol del núcleo. Sin embargo, cuando se
utilizan tales métodos para arrollar hojas de tissue que tienen un
volumen de 9 cm^{3} por gramo o más y un nivel alto de suavidad,
como se caracteriza, por ejemplo, por un MD Max Slope de
aproximadamente 10 kg o menos por 7,6 cm (3 pulgadas) de anchura de
la muestra, se plantearán estos problemas. Los problemas de
arrollamiento se acentúan cuando se trata de arrollar rollos grandes
con diámetros desde aproximadamente 178 cm (70 pulgadas) hasta
aproximadamente 381 cm (150 pulgadas) o mayores, particularmente a
altas velocidades.
Sin pretender vincularse a ninguna teórica, se
cree que cuando se introduce una cinta en un intersticio de
contacto formado entre el rollo de base y un rodillo de presión,
dos factores principales, además de la tensión de la cinta de
entrada, afectan a las tensiones finales dentro de un rollo
arrollado. En primer lugar, la porción del rollo de base en el
intersticio de contacto se deforma hasta un radio que es menor que
el radio no deformado del rollo de base. La expansión del rollo de
base desde su radio deformado hasta su radio no deformado estira la
cinta y da lugar a un incremento substancial de la tensión interna a
partir de la tensión de ajuste de la cinta que entra en el
intersticio de contacto.
Otro factor es llamado a veces el efecto de
"arrollamiento secundario". Una porción de la cinta es añadida
a un rollo después de que ha pasado primero a través del
intersticio de contacto entre el rollo de base y el rodillo de
presión. Luego pasa debajo del intersticio de contacto de forma
repetida en cada rotación del rollo de base, mientras se añaden más
capas sobre el diámetro exterior. A medida que cada punta cerca de
la superficie del rollo entra de nuevo en el intersticio de
contacto, se comprime la cinta bajo la presión del intersticio de
contacto, provocando que el aire contenido en el volumen hueco de
la cinta sea expulsado entre las capas. Esto puede reducir la
fricción entre las capas en una medida suficiente para permitir que
las capas se deslicen más estrechamente alrededor de las capas
interiores, como se describe por Erickkson y col., Deformations
in Paper Rolls, páginas 55 a 61 y Lemke, y col., Factors
involved in Winding Large Diameter Newsprint Rolls on a
Two-Drum Winder, páginas 79-87
Proc. of the First International Conference on Winding Technology,
1987.
La tensión en cada capa, a medida que se añade al
rollo de base, provoca una fuerza de compresión ejercida por la
capa exterior a las capas que se encuentran debajo y, por lo tanto,
el efecto acumulativo de la compresión que procede desde las capas
exteriores provocará normalmente que la cinta en la región alrededor
del núcleo tenga la máxima presión entre capas. El arrollamiento
secundario contribuye, además, a esta presión. Se sabe que el
tissue suave cede cuando se somete a compresión, absorbiendo
algunos de los incrementos de la presión hasta el punto de que
pierde su capacidad para deformarse. Por consiguiente, la presión
acumulativa puede elevarse a una velocidad grande hasta niveles
excesivos que pueden provocar una amplia variación en las
propiedades de las hojas desenrolladas desde los rollos de
base.
Desafortunadamente, la presión interna y el
gradiente de tensión de la cinta, que existe a lo largo del radio
de un rollo de base arrollado de una manera convencional, aunque se
previenen con éxito los problemas de estabilidad dimensional,
pueden conducir a variabilidad no deseada en las propiedades de la
cinta. La alta tensión en algunas regiones provoca que parte del
estiramiento en la dirección de la máquina sea empujado fuera
durante el arrollamiento y la alta presión interna da lugar a una
pérdida del volumen. Después del desenrollado, las regiones que han
sido estiradas más por alta tensión en y después del intersticio de
contacto tendrán menos peso de base debido al estiramiento
longitudinal de la cinta. Estos cambios en las propiedades
esenciales de la cinta conducen a variabilidad en la calidad del
producto y a dificultades en las operaciones de conversión.
La compensación de la formación de la presión
interna, de acuerdo con el método mencionado anteriormente descrito
por T. Svanqvist, solamente se puede realizar hasta una cierta
extensión. A medida que se reducen la densidad y la resistencia del
material de la cinta mucho más bajo que los niveles citados, las
inseguridades en la magnitud de las fuerzas de fricción en el
aparato de arrollamiento y otros factores que cambian durante el
curso del arrollamiento de un rollo hacen muy difícil el control
preciso de la carga del intersticio de contacto. De una manera
alternativa, la pérdida de control del proceso de arrollamiento
puede dar lugar a la inversión en el gradiente de la tensión que
puede conducir al estrellado y a problemas de deslizamiento del
núcleo, descritos anteriormente.
En el arrollamiento del intersticio de contacto
convencional, la devanadora de carrete es presionada en
acoplamiento con el tambor de la devanadera por una pareja de
actuadores hidráulicos. Se montan sensores del tipo de extensímetros
en los actuadores hidráulicos para detectar la cantidad de
deformación en los actuadores, que se utiliza entonces para
determinar la carga del intersticio de contacto entre el tambor de
la devanadera y el rollo de papel creciente. Aunque una disposición
de este tipo puede ser preferida debido a las ventajas asociadas
del arrollamiento del intersticio de contacto (es decir, la
obtención de una tensión suficientemente alta en el papel
arrollado), ha sido difícil mantener y controlar con exactitud la
carga del intersticio de contacto (que es muy importante por las
razones presentadas anteriormente). Los límites de los sensores de
extensímetros convencionales y las inseguridades en las fuerzas de
fricción del aparato (tales como, por ejemplo, las variaciones en la
fricción de deslizamiento de los actuadores hidráulicos y de los
carros asociados para mover la devanadera de carrete) han impuesto
límites a la exactitud de la carga del intersticio de contacto, lo
que, a su vez, pone límites sobre la calidad y el tamaño de los
rollos de base y los tipos de papel que se pueden arrollar. Se han
realizado esfuerzos para abordar estos problemas para mejorar la
exactitud del control de la carga del intersticio de contacto
durante un procedimiento de cambio, como se describe en la
solicitud PCT publicada WO 97/22543 por Olsson. Olsson trata de
mejorar el control de la carga del intersticio de contacto durante
un cambio, cuando una devanadera de carrete es colocada en posición
y el papel comienza a arrollarse sobre el nuevo carrete, colocando
dispositivos de detección de la fuerza sobre los brazos primarios y
secundarios en un intento por medir directamente la carga del
intersticio de contacto durante el cambio. Sin embargo, Olsson no
aborda el problema de controlar de una manera precisa la carga del
intersticio de contacto durante una operación de arrollamiento, en
la que, particularmente para grados de papel suave tal como un
tissue, la indentación del tambor en el rollo para una carga del
intersticio de contacto dada está cambiando constantemente a medida
que se forma el espesor del papel sobre el rollo. Un esquema de
control de la carga del intersticio de contacto que puede ser útil
durante un procedimiento de cambio puede no ser óptimo para una
operación de arrollamiento.
Como otro documento relevante de la técnica
anterior se menciona en este punto adicionalmente la patente de los
Estados Unidos Nº 5.845.868, que describe un aparato para arrollar
papel del tipo que emplea un tambor de la devanadera flexible,
proporcionando un intersticio de contacto suave. La cantidad de
deflexión de la cáscara del tambor de la devanadera es controlada
para controlar la carga del intersticio de contacto. La cantidad de
deflexión del tambor de la devanadera flexible del documento US
5.845.68 es principalmente una función de la carga del intersticio
de contacto.
No obstante, para una indentación dada del tambor
del carrete, la cantidad de indentación del rollo de papel
dependerá de varios factores, incluyendo la cantidad de papel sobre
el rollo. La deflexión del tambor de la devanadera puede reflejar,
por lo tanto, la carga del intersticio de contacto, pero no tiene en
cuenta directamente la cantidad de indentación del rollo de papel.
En otras palabras, en el documento US 5.845.868 se describe un
aparato para arrollar una cinta de material de papel en un rollo,
que utiliza un tambor de devanadera presionado contra la superficie
circunferencial de un rollo de papel. El tambor de la devanadera
comprende una cáscara exterior fabricada de un material flexible,
de manera que el rollo de papel provoca una deflexión en la cáscara
exterior a medida que se incrementa el diámetro del rollo de base.
Esto significa que la cantidad de deflexión que puede ser detectada
por un sensor es utilizada exclusivamente como un valor variable de
la presión del intersticio de contacto, pero no como un valor
absoluto para la presión del intersticio de contacto propiamente
dicha. Con el aparato del documento US 5.845.868 no es posible, por
lo tanto, detectar el valor absoluto para la presión del
intersticio de contacto, sino sólo detectar los cambios de la
presión del intersticio de contacto sobre la base de la cantidad de
deflexión del tambor de la devanadera.
De acuerdo con ello, se necesita en la industria
un aparato de arrollamiento, que se puede utilizar para varios
grados de papel, incluyendo grados suaves y delicados de papel,
tales como tissue. Un aparato de este tipo debería proporcionar las
ventajas del arrollamiento del intersticio de contacto, pero
también debería proporcionar una carga de intersticio de contacto
exacta y efectiva, para que se puedan mejorar la calidad y el
tamaño de los rollos de
base.
base.
Este objeto se soluciona por medio de un aparato
de acuerdo con la reivindicación 1 y de un método de acuerdo con la
reivindicación 9.
De acuerdo con ello, el aparato incluye una
devanadera de carrete montada de forma giratoria, sobre la que debe
arrollarse la cinta de material de papel para formar un rollo de
diámetro creciente, y un tambor de la devanadera montado de forma
giratoria adyacente a la devanadera de carrete. Un carro soporta uno
de los tambores de la devanadera y el carrete de la devanadera de
manera que se puede mover con relación al otro y coloca uno de los
tambores de la devanadera y el carrete de la devanadera adyacentes
entre sí, de tal manera que se forma un intersticio de contacto en
medio. El carro mantiene el tambor de la devanadera en contacto con
el rollo de papel que se está formado a medida que se arrolla la
cinta de papel. Un actuador conectado al carro puede ser utilizado
para mover el carro para empujar el tambor de la devanadera y el
carrete de la devanadera relativamente uno hacia el otro para
provocar que el tambor de la devanadera aplique una carga lineal en
el intersticio de contacto al rollo de papel y penetre localmente
de esta manera en rollo de papel radialmente hacia dentro en el
intersticio de contacto.
Para un tipo de papel dado, existirá una
correlación entre el espesor radial de un rollo del papel, la
indentación radial del rollo por el tambor de la devanadera, y la
carga lineal del intersticio de contacto. De acuerdo con la
invención, para conseguir una calidad óptima del rollo de papel, la
indentación radial se puede variar desde cero hasta un valor
predeterminado, que se puede derivar de forma empírica y que puede
ser una función del espesor radial del rollo de papel. Por ejemplo,
cuando se inicia precisamente la formación del rollo de papel,
solamente existen unas pocas capas de papel sobre el carrete de la
devanadera y de acuerdo con ello una indentación deseada puede ser
aproximadamente cero, que corresponde a una carga deseada del
intersticio que es aproximadamente cero. A medida que se forma el
espesor del rollo de papel, puede ser deseable una indentación de
mayor magnitud para controlar la estabilidad dimensional y la
cantidad del rollo de papel.
Por lo tanto, por ejemplo, el controlador puede
ser programado para controlar las posiciones relativas del carrete
de la devanadera y del tambor de la devanadera programando una
indentación deseada como una función del espesor radial del rollo.
Se utiliza una unidad de sensor para medir parámetros a partir de
los cuales se puede deducir el espesor radial del rollo y la
indentación radial. De acuerdo con ello, se mejoran en gran medida
los parámetros de arrollamiento del papel y se reducen al mínimo
las variaciones en las propiedades del rollo de papel
desenrollado.
De una manera preferida, la unidad de sensor
comprende un primer sensor que proporciona una señal indicativa de
las posiciones relativas del tambor de la devanadera y del carrete
de la devanadera, y un segundo sensor que proporciona una señal
indicativa de un espesor radial no indentado del rollo de papel
espaciado desde el intersticio. La indentación se determina
comparando las señales de los dos sensores. Se pueden utilizar
varios tipos de sensores ópticos, acústicos y/o electromagnéticos,
incluyendo los dispositivos de medición de la distancia por láser o
los dispositivos de medición del desplazamiento lineal, los
dispositivos ultrasónicos de medición de la distancia o del
desplazamiento lineal, y/o los dispositivos magnetoestrictivos de
medición del desplazamiento lineal. La indentación se utiliza como
un parámetro de control para controlar la posición del carrete de
la devanadera con relación al tambor de la devanadera, para que la
indentación real esté dentro de una tolerancia teórica de la
indentación
deseada.
deseada.
Para un grado de papel dado, la carga lineal del
intersticio de contacto, la indentación, y el espesor radial o el
diámetro del rodillo están todos interrelacionados. De acuerdo con
ello, la determinación de dos de estos parámetros determina también
el tercero. Por lo tanto, en la primera forma de realización
descrita anteriormente, la indentación está controlada como función
del espesor radial del rollo, controlando de esta manera la carga
del intersticio de contacto lineal como una función del espesor
radial.
Los rodillos de base arrollados sobre un torno de
acuerdo con esta invención tienen una distribución tal de la
presión interna que la presión punta en la región del núcleo
alcanza valores más bajos que los valores alcanzados por un carrete
convencional, pero que son suficientes para mantener la estabilidad
mecánica requerida para la manipulación normal. Los rollos de base
obtenidos a partir del método de esta invención tienen una presión
interna cerca del núcleo que se reduce hasta un cierto nivel y
luego representa una región significativa con un perfil de la
presión esencialmente liso, excepto la caída inevitable a una
presión baja en la superficie exterior del rollo. Por lo tanto, se
mejora en una medida esencial la uniformidad de las propiedades de
la hoja a través del rollo de base.
Los anteriores y otros objetos, características y
ventajas de la invención serán más evidentes a partir de la
siguiente descripción de ciertas formas de realización preferidas
de la misma, cuando se toman en combinación con los dibujos que se
acompañan, en los que:
La figura 1 es una vista en alzado lateral de un
aparato de arrollamiento de acuerdo con una primera forma de
realización preferida de la presente invención, que incluye
sensores para medir los espesores o diámetros radiales no indentados
e indentados de rollo de papel para deducir la indentación radial
del rollo.
La figura 2 es una vista en alzado lateral
esquemática del tambor de la devanadera, del carrete de la
devanadera, y del carro del aparato de la figura 1, que ilustra la
medición de los espesores no indentados e indentados del rollo de
papel, y que muestra también un controlador y válvulas para
controlar el funcionamiento del actuador que mueve el carro con
relación al tambor de la devanadera.
La figura 3 muestra una vista ampliada de la
sección transversal de un elemento elástico para detectar una
fuerza proporcional o indicativa de una carga lineal del
intersticio de contacto, como un ejemplo de referencia solamente
para fines de información, en el que la fuerza es utilizada para
controlar la indentación y la carga del intersticio de contacto
como una función del espesor radial o diámetro del rollo de papel;
y
La figura 4 es un diagrama de control que ilustra
un sistema de control para controlar las posiciones de los carros
del lado de tensión y del lado de accionamiento de un sistema de
arrollamiento secundario de un aparato de arrollamiento de acuerdo
con el ejemplo de referencia.
A continuación se describirá la presente
invención más completamente con referencia a los dibujos que se
acompañan, en los que se muestran formas de realización preferidas
de la invención. Sin embargo, esta invención puede ser incorporada
en muchas formas diferentes y no debería ser interpretada como
limitada a las formas de realización indicadas a continuación; en su
lugar, estas formas de realización están previstas para que esta
descripción sea detallada y completa y transmita completamente el
alcance de la invención a los técnicos en la materia. Los mismos
números se refieren a los mismos elementos en toda la
descripción.
Un aparato de arrollamiento 10 para una máquina
de fabricar papel de acuerdo con una primera forma de realización
preferida de la presente invención se ilustra en la figura 1. Se
forma un hoja de papel seco 15 en una máquina de fabricación de
papel convencional y se hace avanzar hasta el aparato de
arrollamiento 10. Debería entenderse que la presente invención se
podría utilizar o buen con máquinas de fabricar papel crepé o no
crepé. Además, aunque la presente invención es probablemente más
preferida para arrollar grados de papel de tissue, la presente
invención se podría utilizar también con otros grados. La hoja 15
es avanzada a través de una pareja de rodillos de guía 14 y sobre un
tambor de devanadera 26 que es accionado por un motor de
accionamiento central (no se muestra) que actúa sobre el árbol del
carrete de la devanadera. El arrollamiento de papel sobre el
carrete de la devanadera se inicia mientras el carrete de la
devanadera está en una pareja de brazos primarios 27, como se
indica por el carrete de la devanadera 26' mostrado en una posición
superior por encima del tambor de la devanadera 19. Los números de
referencia 26, 26' y 26'' ilustran tres posiciones de los carretes
de la devanadera durante el funcionamiento. Como se muestra, un
carrete nuevo de la devanadera 26' está preparado para avanzar
hasta la posición de arrollamiento a medida que se forma el rollo
de base 25. Cuando el rollo de base 25 ha alcanzado su diámetro
final predeterminado, se baja el nuevo carrete de la devanadera 26'
por medio de los brazos primarios 27 a una posición contra el
tambor giratorio de la devanadera 19. De una manera preferida, pero
no necesariamente, la cinta de papel 15 es transferida desde el
carrete de la devanadera 26 totalmente arrollado hasta el nuevo
carrete de la devanadera 26', mientras el nuevo carrete de la
devanadera está en la posición superior mostrada en la figura 1, y
la cinta de papel es cortada desde el rollo de base 25 y se inicia
el arrollamiento de la cinta sobre el nuevo carrete de la
devanadera 26'. El rollo de base completo 25 y el carrete de la
devanadera 26 son impulsados aguas abajo a lo largo de una pareja de
carriles 28 hasta que el carrete de la devanadera 26 llega a los
topes 30. El nuevo carrete de la devanadera 26' es bajado hasta una
posición de arrollamiento, en la que se encuentra, en general,
sobre el mismo plano horizontal que el tambor de la devanadera 19,
es decir, que el nuevo carrete de la devanadera 26' ocupa la
posición ocupada anteriormente por el carrete de la
devanadera
completo 26.
completo 26.
El arrollamiento del papel sobre el carrete de la
devanadera 26 en la posición de arrollamiento es realizado con el
carrete de la devanadera 26 retenido en una pareja de brazos
secundarios 42 y 44, que están montados de forma móvil sobre cada
uno de dos carros secundarios 37 (solamente uno es visible en la
figura 1) sobre extremos opuestos del carrete de la devanadera 26.
Los carros 37 se pueden deslizar horizontalmente a lo largo de un
sistema de carriles 40, de manera que los carros se pueden mover
hacia y fuera del tambor de la devanadera 19. Un actuador
hidráulico 38 está conectado a cada uno de los carros 37 para
impartir movimiento horizontal al carro 37 para mover el carrete de
la devanadera 26 hacia y fuera del tambor de la devanadera 19. En
particular, a medida que se forma el rollo de base 25, los
actuadores 38 son accionados para mover el carrete de la devanadera
26 fuera del tambor de la devanadera 19, de tal forma que la carga
del intersticio de contacto ejercida sobre el rollo de base 25 por
el tambor de la abrazadera 19 es controlada de una manera
deseada.
La figura 2 ilustra con más detalle los
componentes del sistema para controlar el movimiento de los carros
37 de acuerdo con la primera forma de realización preferida de la
invención. Se presenta la descripción de uno de los carros 37 y del
sistema de control, estando entendido que el otro carro incluye
también un sistema similar para controlar el movimiento del carro.
Como se ha indicado anteriormente, el carro 37 es móvil sobre
carriles horizontales 40, que se representan de forma esquemática.
El carro soporta de forma articulada una pareja de brazos 42 y 44.
El brazo 43 de aguas arriba es movido de forma articulada por un
actuador 46 que está conectado entre el brazo y el carro 35. De una
manera similar, el brazo 44 de aguas abajo es movido de forma
articulada por un actuador 48 conectado entre el brazo y el carro.
El brazo 42 de aguas arriba es esencialmente inoperativo durante el
proceso de arrollamiento, pero es accionado después de que el rollo
de base 25 ha terminado el arrollamiento pata empujar el rollo
completo 25 y el carrete de la devanadera 26 aguas abajo a lo largo
de los carriles 28 hasta los topes 30 (figura 1). El brazo 44 de
aguas abajo funciona durante el proceso de arrollamiento para
prevenir que el rollo de base 25 y el carrete de la devanadera 26
se muevan fuera del tambor de la devanadera 19.
Con el fin de controlar la indentación del rollo
de papel 25 y la carga del intersticio de contacto durante el
proceso de arrollamiento, el aparato incluye sensores para detectar
la indentación radial del rollo de papel en el intersticio de
contacto y las señales procedente desde los sensores son utilizadas
para controlar el movimiento del carro para controlar la indentación
y la carga del intersticio de contacto. Por lo tanto, un primer
sensor 70 está montado de una manera adecuada, por ejemplo, a un
techo C de un edificio que aloja el aparato, para detectar el
espesor radial R_{u} no indentado del rollo de base 25 en una
región no indentada del rollo que está espaciada del intersticio de
contacto 72. El espesor radial no indentado R_{u} puede ser
determinado de varias maneras, por ejemplo detectando una distancia
desde el sensor 70 hasta la superficie del rollo 25 y restando esa
distancia a partir de una distancia conocida entre el sensor 70 y
la superficie del carrete de la devanadera 26. Un segundo sensor 74
está montado de forma adecuada para detectar el espesor radial
indentado R_{c} del rollo de base 25 en el intersticio de
contacto 72. El espesor indentado R_{c} está relacionado
directamente con las posiciones relativas del tambor de la
devanadera 19 y el carrete de la devanadera 26 y, por lo tanto, se
puede determinar detectando las posiciones relativas de varias
maneras; por ejemplo, el sensor 74 puede detectar la distancia
entre los centros del tambor de la devanadera 19 y el carrete de la
devanadera 26, o la distancia entre el centro de uno y la superficie
del otro, etc., cualquiera de los cuales puede utilizarse para
derivar el espesor radial indentado R_{c}. De una manera
alternativa, un sensor de posición se puede incorporar o se puede
conectar de otra manera al actuador hidráulico 38 que mueve el
carro 37, y la posición del carro indicada por tal sensor puede ser
utilizada para deducir el espesor radial indentado R_{c}.
Los sensores 70 y 74 están conectados a un
controlador 66. El controlador está programado para determinar una
indentación radial \DeltaR del rollo de base sobre la base de las
señales recibidas desde los sensores 70, 74. El controlador acciona
válvulas 68 para controlar el actuador 38 con el fin de mantener la
indentación radial \DeltaR dentro de los límites predeterminados.
Los límites predeterminados pueden ser una función de la
compresibilidad conocida de la cinta de papel 15, el espesor radial
indentado R_{c} del rollo de base 25 así como otros
parámetros.
El tambor de la devanadera 19 puede estar
modelado de forma substancialmente incompresible. En otros casos,
puede ser deseable utilizar un tambor de la devanadera 19 con una
compresibilidad finita conocida (que es típicamente mucho menor que
la compresibilidad del rollo de papel) y la compresibilidad del
tambor de la devanadera puede ser también un parámetro para la
determinación de la posición adecuada del actuador 38 para
proporcionar la carga del intersticio de contacto deseada.
Si se desea, la carga actual del intersticio de
contacto puede ser calculada de forma continua sobre la base de los
valores instantáneos para las posiciones del tambor de la
devanadera 19 y del carrete de la devanadera 26, el espesor radial
no indentado R_{u} del papel sobre el rollo, y la compresibilidad
del papel y/o del tambor de la devanadera. No obstante, no es
necesario calcular de una manera continua la carga actual del
intersticio de contacto, y se puede obtener una exactitud razonable
de una manera más económica simplemente programando el controlador
con una tabla de consulta, en la que se lleva a cabo una relación
directa entre la indentación radial detectada \DeltaR y la
posición deseada del actuador hidráulico.
Se pueden utilizar varios tipos de sensores 70,
74, que incluyen: dispositivos sensores de la distancia o de la
profundidad basados en láser, que utilizan técnicas tales como
triangulación láser; interferometría moiré de luz blanca láser o de
longitudes de ondas múltiples, como se ilustra por Kevin Harding,
"Moire Interferometry for Industrial Inspection", Lasers and
Applications, Nov. 1993, páginas 73 a 78, y Albert J.
Boehnlein, "Field Shift Moire System", patente de los Estados
Unidos Nº 5.069.548, 3 de Diciembre de 1991; detección ultrasónica,
que incluye métodos descritos en L. C. Lynnworth, Ultrasonic
Measurements for Process Control, Academic Press, Boston, 1989,
y en particular el método de medición del tiempo de retraso para
una señal ultrasónica reflejada desde una superficie sólida;
métodos de reflexión de microondas y de ondas de radar; métodos de
capacidad para la determinación de la distancia; métodos de
transductores de corrientes parásitas; formación de imágenes
estereoscópicas con cámara individual para la detección de la
profundidad, como se ilustra por T. Lippert, "Radial parallax
binocular 3D imaging" en "Display System Optics II", Proc.
SPIE Vol. 1117, páginas 52 a 55 (1989); formación de imágenes
estereoscópicas con cámaras múltiples para la detección de la
profundidad, como se ilustra por N. Alvertos, "Integration of
Stereo Camera Geometries" en Optics, Illumination and Image
Sensing for Machine Vision IV, Proc. SPIE, vol. 1194, páginas
276-286 (1989); sondas de contacto tales como
rodillos, ruedas, cintas metálicas, y otros dispositivos, cuya
posición o deflexión se mide directamente; y similares.
Como se ha indicado anteriormente, también es
posible incorporar un sensor de posición o de desplazamiento lineal
dentro o adyacente al actuador 38, de tal manera que se puede
detectar la posición del carro 37 o la longitud de movimiento
lineal del carro 37 y se puede convertir a un espesor radial
indentado del rollo de papel. Por ejemplo, se puede utilizar un
sensor de posición magnetoestrictivo, tal como un sensor
TEMPOSONICS que está disponible a partir de MTS Systems Corporation
of Research Triangle Park, Carolina del Norte, para detectar la
posición del carro. No obstante, la invención no está limitada a
ningún tipo particular de sensor.
Con referencia a la figura 3, se representa un
ejemplo de referencia, en el que se utiliza un elemento de
detección de fuerza 59 para detectar una fuerza ejercida sobre el
carrete de la bobina 26 por el brazo 44. En este aparato, en lugar
de detectar la indentación directamente y de utilizar la indentación
detectada junto con el espesor radial del rollo para controlar el
movimiento del carro, la fuerza medida por el sensor de fuerza 50
es utilizada junto con un espesor radial detectado o diámetro del
rollo de papel para controlar el movimiento del carro.
Por lo tanto, el brazo 44 de aguas abajo soporta
un elemento elástico 50 que contacta con el carrete de la
devanadera 26. El elemento elástico en la forma de realización
ilustrada comprende una carcasa o cilindro 52 dentro de los cuales
está montado un muelle helicoidal de compresión 54, aunque se
podrían utilizar otros tipos de muelles. Un pistón 56 está fijado
al extremo del muelle 54 adyacente a un extremo abierto del
cilindro 52. El pistón 56 está montado de forma en el brazo 44 con
el eje 58 del cilindro orientado, en general, a lo largo de un
radio del carrete de la devanadera 26. Un rodillo o rueda 60 está
montado de forma giratoria sobre el pistón 56 para contacto de
rodadura con el carrete de la devanadera 26.
Por lo tanto, se apreciará que la fuerza ejercida
entre el brazo 44 y el carrete de la devanadera 26 es transmitida a
través del elemento elástico 50 y a lo largo del eje del mismo. De
acuerdo con ello, la fuerza tiende a comprimir el muelle 54 dentro
del cilindro 52, donde una fuerza mayor provoca una deformación
mayor del muelle 52 y una fuerza menor provoca una deformación menor
del muelle. El muelle tiene una constante de resorte y, por lo
tanto, la longitud del muelle 52 es una medida de la fuerza
ejercida entre el brazo 44 y el carrete de la devanadera 26 y, por
lo tanto, es proporcionar o indicativa de la carga lineal del
intersticio de contacto aplicada entre el rollo de base 25 y el
tambor de la devanadera 19.
Un dispositivo de medición de la distancia 62
está montado adyacente al elemento elástico 50 para detectar la
longitud del muelle 54. Aunque el dispositivo de medición 62 se
muestra fijado a la carcasa 52, se puede fijar de una manera
alternativa a otra estructura, tal como una pared o techo de un
cerramiento que aloja la devanadera 10. De una manera preferida,
pero no necesariamente, el dispositivo de medición de la distancia
62 comprende un sensor de desplazamiento por láser, y un espejo 64
está montado sobre el pistón 56 para reflejar la luz láser de
retorno al sensor 62. Otros tipos de dispositivos de medición de la
distancia se pueden utilizar de una manera alternativa, incluyendo
cualquiera de los tipos de dispositivos mencionados
anteriormente.
El sensor 62 está conectado a un controlador 66
que, a su vez, está conectado a una pareja de valores 68 (figura
2), que están acoplados al actuador hidráulico 38. El controlador
66 está programado para accionar las válvulas 68 sobre la base de
señales recibidas desde el sensor 62 para mantener la fuerza
indicada por el sensor 62 dentro de límites predeterminados.
Se reconoce que se obtienen cualidades del papel,
particularmente con grados de papel suave tales como un tissue,
controlando el arrollamiento de tal manera que la carga lineal del
intersticio de carga no es constante, sino que, más bien, es tal
que la carga del intersticio varía como una función del espesor
radial del rollo de papel que se está formando. De acuerdo con
ello, el punto de referencia para la fuerza indicada por el sensor
62 es de una manera ventajosa una función de espesor radial o
diámetro del rollo de papel 25. Con este fin, el aparato de
arrollamiento incluye de una manera preferida un sensor de posición
o un dispositivo de mantenimiento de la distancia para detectar el
espesor radial o diámetro del rodillo. Cualquiera de los tipos de
sensores indicados anteriormente se puede utilizar para detectar el
espesor radial o diámetro del rollo. Adicionalmente, se apreciará
que el elemento de detección de la fuerza 50 comprende
esencialmente una célula de carga y, por lo tanto, se pueden
utilizar otros tipos de células de carga en su lugar, si se desea.
Por ejemplo, se puede incorporar una célula de carga local
KOSD-40 o KISD-9, que se puede
adquirir de Nobel Electronik AB de Karlskoa, Suecia, que se puede
incorporar en el árbol del rodillo 60 que empuja contra el carrete
de la devanadera.
La figura 4 ilustra un sistema de control para
controlar los actuadores hidráulicos 38. Se muestran los
componentes del sistema de control para ambos carros del lado de
tensión y del lado de accionamiento. Un controlador 66 comprende un
controlador lógico programable y/o un ordenador 80 para calcular un
valor de punto de referencia para la fuerza ejercida sobre los
elementos de detección de la fuerza o las células de carga 50, y un
controlador 82 para el funcionamiento de las válvulas 68 de tal
manera que los actuadores hidráulicos 38 mueven el carro del lado
de tensión para desplazar el error entre la fuerza actual indicada
por la célula de carga del lado de tensión 50 y el valor del punto
de referencia hacia cero. Por lo tanto, se comunica una fuerza
actual o "carga lineal" desde la célula de carga 50 del lado
de tensión hasta el controlador del punto de referencia 80 como se
indica en 84. De una manera alternativa, la carga lineal
"actual" puede ser la media de las fuerzas indicadas por las
células del lado de tensión y del lado de accionamiento. Se
apreciará que la fuerza indicada por la célula de carga 50 será, en
general, proporcional a la carga lineal del intersticio de
contacto, pero en muchos casos no será idéntica a la carga del
intersticio de contacto por una variedad de razones. Por ejemplo,
el rodillo 60 puede contactar con el carrete de la devanadera en un
punto que no está alienado con la línea radial que pasa desde el
centro del rollo de papel 25 a través del punto de contacto entre el
rollo de papel y el tambor de la devanadera 19.
Como se ha indicado anteriormente, el punto de
referencia para la carga lineal es de una manera ventajosa una
función del espesor radial o diámetro del rollo de papel, y se
calcula de una manera preferida por el controlador basado en una
correlación predeterminada entre la carga lineal y el diámetro del
rollo. Por ejemplo, el controlador se puede programar con una tabla
de consulta o similar para determinar el punto de referencia de la
carga lineal sobre la base de un diámetro detectado del rollo. Se
apreciará que la correlación predeterminada será, en general,
diferente para diferentes grados de papel, y puede estar
influenciada también por otros factores. De acuerdo con ello, se
incorpora un sensor de posición 86 en cada actuador hidráulico 38 o
se conecta con cada uno de ellos. El diámetro del rollo de papel es
una función de la posición del carro y, por lo tanto, la señal que
procede desde el sensor de posición 86 es indicativa del diámetro
del rollo. Esta señal de posición es alimentada al controlador del
punto de referencia 80, como se indica en 88. El controlador del
punto de referencia 80 calcula un punto de referencia ara la carga
lineal y comunica el punto de referencia al controlador 82 como se
indica en 90. Un error entre el punto de referencia y la carga
lineal actual está determinado por el controlador 82 en 92, y la
señal de error es alimentada a un control integral proporcional 94,
que genera una señal de correlación para accionar el error de la
carga lineal hacia cero. La señal de correlación es emitida a través
de un convertidor digital a analógico 96 y la señal analógica
convertida es alimentada a las válvulas 68 para el actuador 38 del
lado de tensión, y las válvulas se abren o se cierran de acuerdo
con ello por una cantidad incremental para accionar el actuador 38
para mover de forma incremental el carro del lado de tensión para
incrementar o reducir la carga lineal hacia el valor del punto de
referencia.
Sobre el lado de accionamiento del aparato, se
utiliza el control de la posición para mantener la posición del
carro del lado de accionamiento esencialmente igual que la del
carro del lado de tensión. Por lo tanto, un error entre la posición
actual detectada por el sensor de posición 86 del lado de tensión y
la posición actual detectada por el sensor de posición 86 del lado
de accionamiento es determinado dentro del controlador 82 como se
indica en 98, y la señal de error es alimentada a un controlador
integral proporcional 100, que genera una señal de corrección para
el actuador del lado del accionamiento 38. La señal de corrección
es emitida a un convertidor digital a analógico 102, que suministra
una señal de corrección analógica hacia las válvulas 68 para el
actuador 38 del lado de accionamiento para desplazar el error de
posición hacia cero.
Aunque el control de la posición es utilizado
para que el carro del lado de accionamiento mantenga el carrete de
la devanadera 26 paralelamente al tambor de la devanadera 10 a
través de toda la operación de arrollamiento, al inicio del
arrollamiento, cuando un carrete de devanadera nuevo está dispuesto
en la posición superior (indicada por el carrete de la devanadera
26' en la figura 1) y la cola de la cinta e papel es arrollada
sobre el carrete de devanadera nuevo para comenzar el arrollamiento
sobre el carrete de la devanadera, se programa de una manera
preferida el controlador para colocar un extremo del carrete de la
devanadera más próximo al tambor de la devanadera que el otro
extremo. La colocación del carrete de la devanadera de esta manera
facilita el arrollamiento de la cola sobre el carrete. Por ejemplo,
un extremo del carrete de la devanadera puede ser colocado
aproximadamente 20 mm más cerca del tambor de la devanadera que el
otro extremo del carrete de la devanadera.
Cuando el arrollamiento de papel sobre el carrete
de la devanadera 26 comienza con el carrete de la devanadera en la
posición superior indicada en 26' en la figura 1, el control de la
carga del intersticio de contacto en esa posición puede ser difícil
si se utilizan los métodos de la presente invención, debido a que
las capas de papel son todavía bastante finas, por lo tanto, no
permiten un grado substancial de indentación. De acuerdo con ello,
el control del proceso de arrollamiento en la posición superior
puede ser realizado a través de otro método, tal como un control de
la carga del intersticio de contacto convencional con extensímetro
u otros sensores de fuerza, hasta que las capas de papel sobre el
carrete de la devanadera son suficientemente gruesas para permitir
el empleo de los métodos de la presente invención, en cuyo momento
se puede comenzar el control de la carga del intersticio de carga
de acuerdo con los métodos de la invención.
A partir de la descripción anterior de ciertas
formas de realización preferidas de la invención, se apreciará que
la invención proporciona aparatos y métodos para controlar la carga
lineal del intersticio de contacto, en una devanadera de papel, que
facilitan el control exacto de la carga del intersticio de carga
incluso a niveles bajos de la misma.
Claims (9)
1. Un aparato para arrollar una cinta de material
de papel en un rollo, comprendiendo el aparato:
un carrete de devanadera (26) montado de forma
giratoria, sobre el que debe arrollarse la cinta de material de
papel (15) para formar un rollo (25) de diámetro creciente;
un tambor de carrete (19) montado de forma
giratoria adyacente al carrete de la devanadera (26);
un carro (37) que soporta o bien el tambor de la
devanadera (19) o el carrete de la devanadera (26) para que se
puedan mover uno con relación al otro y para colocar dicho tambor
de la devanadera (19) y el carrete de la devanadera (26) adyacentes
entre sí, de tal manera que se forma un intersticio de contacto
entre ellos;
un actuador (38) conectado al carro (37) y que
puede ser accionado para mover el carro (37) para empujar el tambor
de la devanadera (19) y el carrete de la devanadera (26) uno con
relación al otro para provocar que el tambor de la devanadera (19)
penetre con indentación el rollo de papel (25) localmente en
dirección radial hacia dentro en el intersticio de contacto;
una unidad de sensor (70; 74) que proporciona una
señal indicativa de la indentación radial del tambor de la
devanadera (19) en el rollo de papel (25); y
un controlador (66) conectado a la unidad de
sensor (70; 74) y al actuador (38) y que puede ser accionado para
controlar el actuador (38) para mover el carro (37) para mantener
dentro de límites predeterminados la cantidad de indentación
radialmente hacia dentro del tambor de la devanadera (19) en el
rollo de papel (25) en el intersticio de contacto.
2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que la unidad de sensor (70; 74) incluye un sensor que puede
ser accionado para detectar un diámetro del rollo de papel (25), y
en el que el controlador (66) está programado para determinar y
ajustar los límites para la indentación sobre la base del diámetro
del rollo de papel (25).
3. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que la unidad de sensor incluye un primer sensor (70) que
proporciona una señal como una función de un espesor radial del
rollo de papel (25) en una región no indentada del mismo, que está
espaciada del intersticio de contacto, y un segundo sensor (74) que
proporciona una señal como una función de un espesor radial
indentado del rollo de papel (25) en el intersticio de
contacto.
4. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 3,
en el que el controlador recibe las señales desde el primero y el
segundo sensor y es operativo para calcular la cantidad de
indentación del tambor de la devanadera en el rollo de papel.
5. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 3,
en el que el segundo sensor es un dispositivo de medición de la
distancia, que comprende al menos un dispositivo de medición por
láser y un dispositivo de medición ultrasónica.
6. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que la unidad de sensor incluye:
un primer sensor de posición que proporciona una
señal indicativa de un espesor no indentado del rollo de papel
(25),
un segundo sensor de posición que proporciona una
señal indicativa de una posición del carro (37) a medida que la
cinta de papel es arrollada para formar el rollo (25); y
en el que el controlador (66) recibe las señales
desde el primero y el segundo sensor y calcula la cantidad de
indentación del tambor de la devanadera (19) en el rollo de papel
(25) sobre la base de dichas señales.
7. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 6,
en el que el segundo sensor de posición es un sensor de
desplazamiento lineal magnetoestrictivo.
8. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 6,
en el que el segundo sensor de posición es un elemento
deformable.
9. Un método de arrollamiento de una tira de
material de papel en un rollo, comprendiendo el método:
colocar un tambor de la devanadera (19) y un
carrete de la devanadera (26) adyacentes uno al otro, de tal manera
que se forma un intersticio de contacto entre ellos;
hacer girar el tambor de la devanadera (19) y el
carrete de la devanadera (26) para que la cinta de material de
papel sea arrollada sobre el carrete de la devanadera (26) para
formar un rollo de papel (25) de diámetro creciente;
aplicar una fuerza al tambor de la devanadera
(19) y al carrete de la devanadera (26) para que el tambor de la
devanadera (19) sea indentado en el rollo (25) adyacente al
intersticio de contacto;
detectar el diámetro del rollo de papel (25) y la
indentación radial del tambor del carrete (19) en el rollo de papel
(25); y
ajustar la posición del tambor de la devanadera
(19) y del carrete de la devanadera (26) para mantener dicha
indentación dentro de límites predeterminados, controlando de esta
manera la indentación radialmente hacia dentro del tambor de la
devanadera (19) en el papel en el intersticio de contacto.
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