KR100430127B1 - 종이의 중심권취 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구동 샤프트가 권취기상의 스풀과 결합하기 위하여 머신 방향으로 그리고 머신 교차 방향으로 이동되는 제지기의 중심 권취 보조 구동부에 관한 것이다. 구동 샤프트는 외부 원통형 셸에 탄성적으로 링크 결합된 내부 구동 샤프트를 구비함으로써, 내부 샤프트와 외부 셸간의 오정렬을 허용하여, 구동 헤드가 그 위에 형성된 종이 롤에 중심 권취 보조 구동부를 제공하기 위하여 스풀과 결합할 때 수평 및 수직 방향 변위 뿐만 아니라 각상 변위를 허용한다. 구동 샤프트 축선의 위치는 항상 기하학적 고려부터 측정되며, 그 데이터는 권취 스풀의 축선상에 구동 샤프트를 위치설정시키는데 사용된다.

Description

종이의 중심 권취 방법 및 장치{A PAPER CENTER-WINDING METHOD AND DEVICE THEREFOR}

본 발명은 종이를 롤 형태로 권취 및 취급하기 위한 장치에 관한 것으로, 보다 상세히 설명하면, 제지기로부터 종이를 수집 및 제거하기 위한 종이 권취기에 관한 것이다.

종이는 제지기 상에 형성된 연속 웹으로서 제조된다. 종이 섬유와 물의 슬러리를 가동 스크린 상에 분배함으로써, 제지기의 이른바 습윤 단부(wet end)에서 종이 웹이 성형된다. 스크린 상의 섬유 매트는 우선적으로 탈수된다. 이렇게 형성된 섬유 매트의 주성분은 물이며, 이러한 물은 점진적인 압축 단계를 통해 제거된 이후에 가열식 건조 롤 상에서 건조된다. 그 후, 건조된 종이 웹은, 대향하는 롤러 사이에서 웹을 압축하고 표면의 마무리 상태와 종이 두께의 균일성을 개량시키는 캘린더 또는 슈퍼캘린더에 통과하여 평활화(平滑化)된다.

습윤 단부에서의 종이 성형으로부터 건조 단부에서의 캘린더링에 이르기까지 제지 작업에 포함된 모든 공정은 사실상 연속한다. 그러나, 종이 웹을 제지기로부터 제거하기 위하여 스풀 상에 권취, 즉 감는 제지 공정의 마지막 단계는 본래부터 단속적인 공정이므로, 종이 웹은 불균일하게 처리될 수 있다.

근대의 제지기 상에 통상적으로 형성되는 종이 롤은 직경이 304.8 cm(120 인치) 이상이고 너비가 508 내지 1016 cm(200 내지 400 인치)이다. 소위 기계 릴 또는 점보 릴(jumbo reel) 상의 종이는 신문사 등과 같은 종이 소비자에 의하여 사용되는 개별 롤 또는 작은 롤을 형성하기 위하여 종이를 다시 권취하여 절단하고, 때때로 피막 처리하는 부가적인 처리가 이루어지는 것이 일반적이다. 지난 수년간 수행된 연구는 점보 릴 또는 기계 릴에 권취된 종이 웹이 손상을 입을 수 있음을 입증한다. 그러한 손상은 시트의 에지 부근에서의 찢어짐이나 중심 부근에서의 구김 형태로 나타나는 것이 일반적이다. 그 손상은 종이 피막 처리기 또는 재권취기에서 부가적인 처리가 이루어질 때나 신문의 인쇄 공정 중에 종이 웹을 파손시키는 것이 일반적이다.

점보 릴에서 권취된 작은 롤은 작은 종이 롤이 된다. 마지막 셋트는 원래 점보 릴의 중심에 가장 인접한 종이이며, 즉 상기 점보 릴 스풀 상에 최초로 권취된 종이이다. 몇몇 제지기에 있어서, 종이 등급에 관한 모든 불합격품 중 70 내지 80%가 릴에서 벗겨지는 마지막 셋트에서 발생되는 것이 연구에 의하여 입증되었다. 한 연구에 의하면, 인쇄 중에 발생하는 종이 웹 파손의 73%가 최종의 작은 직경의 롤에 의해서 발생되었다.

종이를 제조하는 속도가 증가하고 웹 너비가 넓어지면, 권취된 점보 릴의 크기와 중량 또한 증가한다. 지금까지 릴 결함에 기인한 종이 손실율은 용인될 수 있는 것으로 고려되었다. 그러나, 기계 롤의 크기가 증가함에 따라, 기존의 종이 권취에 관련된 문제는 더욱 심화되었고, 이와 동시에 경쟁력의 증가에 기인하여 그리고 자원 활용에 있어서의 최대 효용에 관한 관심의 증가에 기인하여 어떤 종류의 제품 결함에 대한 허용도가 엄격해졌다.

기계 릴 또는 점보 릴에서의 결함 해결책은 스풀에 대하여 종이 웹을 보다 균일하게 감는 것이다. 권취의 긴장(tightness), 즉 품질은 3가지 요인, 즉 인장력, 닙 압력(닙 압력의 균일성을 유지하기 위한 스풀 지지를 포함) 및 토크에 의존한다. 제지 권취기는 제지기 구동부에 의하여 적절한 인장력을 부과하도록 선택된 속도로 구동되는 릴 드럼을 구비한다. 인장력은 소정의 종이 등급과 강도를 위해 선택되며, 소정 등급의 종이 인장력의 10 내지 25%가 일반적이다. 웹 스풀 및 이 스풀 상부에 장착된 종이 롤은 릴 드럼에 접촉하여 그 사이에 닙부를 형성하는 상태로 맞물려있다. 닙부에 의해 코어 상에 권취된 종이를 압축한다. 그와 동시에, 적어도 초기에는 릴 드럼은 권취되는 종이 롤을 어느 정도는 지지할 수 있다.

인장력은 기계 릴을 구동하는 중심 권취 장치(centerwind assist drive)에 의하여 제어될 수도 있다. 중심 권취 장치는 코어 상에 장착될 때 릴 드럼과 기계 릴 사이의 웹에 인가되는 인장력을 조절하는 차동 토크 제어기(differential torque controller)가 있는 차동 토크형 구동 장치이다. 발명의 명칭이 "권취롤 장치 및 권취롤의 닙 압력 조정 방법"인 유럽 특허 출원 제91850261.8(유럽 출원 공개 제EP-A-0 483 093호)에는 릴에서의 상술한 문제점 중 일부를 해결한 권취 시스템이 개시되어 있다. 상기 독일 출원은 릴 드럼의 회전축을 중심으로 선회하는 경사 레일(tilting rail)을 포함한다. 종이 웹이 권취되는 릴의 코어는 레일 상에서 구동한다. 상기 독일 출원은 웹이 기계 릴 상에 권취될 때 기계 릴과 릴 드럼 사이에 형성된 닙부의 부하가 균일하도록 레일과 수평선간의 각도를 변경시키는 것을 개시한다.

또 다른 종류의 권취 시스템으로는 본원에서 설명한 문제의 영향을 덜 받는 어느 정도 균일한 밀도의 기계 릴을 제조하기 위하여 인장력, 닙 및 토크를 연속적으로 제어하는 벨로이트사 제품의 TNT 시스템이 있다. 벨로이트사의 TNT 기계는 릴 드럼 상방에 위치하는 수평한 레일을 사용한다. 릴 드럼은 수직으로 위치 설정될 수 있으며 닙 압력을 직접 측정하는 로드셀에 응답하여 제어된다. 벨로이트사의 TNT 기계는 상술한 문제점을 해결하며 권취기에 의하여 발생되는 결함을 최소화하면서 균일한 구조의 기계 롤을 이룬다. 벨로이트사의 TNT 기계는 우수한 균일성을 갖는 점보 기계 롤을 제조하기에 만족스런 해결책을 제공하지만, 동일한 문제를 해결하는 다른 접근법을 필요로 한다. 제지 업계는 매우 다양한 종이와 판지를 제조하는데 사용되는 모델과 유효 수명이 여러 가지인 설치 기계류를 기초로 한다.

PCT 공개 제WO 93/06033호 공보에는 웹 스풀용 구동부를 갖는 권취기가 개시되어 있다. 이러한 장치는 웹 스풀이 지지 드럼에 마찰식으로 맞물려 웹 권취 공정을 시작하게 한다. 구동부는 한 쌍의 제2 아암에 의하여 레일 상으로 이동되는 수평 레일 상에 지지되는 한 쌍의 제1 아암에서 지지되면서 하방으로 회전되어 구동을 시작한다.

완전히 새로운 권취기 구조가 종이 웹을 점보 릴 상에 권취함에 의하여 발생된 결함을 극복하는 것에는 효과적인 것이 증명되었지만, 종래의 포프(Pope)형 권취 장치가 이미 널리 설치되어 있다. 이러한 종류의 권취 장치에 있어서 구동 롤러 상방에 위치하는 제1 아암은 스풀을 잡고 있다. 제1 아암은 종이 웹의 감기가 시작되는 구동 드럼과 스풀을 맞물린다. 웹이 롤 형태로 감겨질 때, 제1 아암은 구동 드럼의 축선과 거의 평행하게 배치된 한 쌍의 평행한 레일 위로 이동한다. 종이 웹은 제2 아암에 의하여 구동 드럼과 맞물림 상태를 유지하면서 스풀 상에 연속적으로 감겨진다. 이러한 권취기가 예를 들면, 카알 등에게 허여된 미국 특허 제3,743,199호와 멜라드 등에게 허여된 미국 특허 제3,857,524호에 개시되어 있다. 포프형 권취기는 권취기 드럼에 릴을 가압하기 위하여 제2 권취기 아암을 이용하는 기구를 통해 권취기 드럼과 종이 롤 사이의 닙 압력을 제어한다. 롤로 권취된 종이의 균일성을 향상시키기 위한 필요성은 웹이 권취된 롤의 균일성과 구조에 영향을 주는 3개의 파라미터, 즉 스풀/코어에 인가되는 토크, 웹이 권취된 롤과 지지 드럼간의 선형 닙 압력, 롤로 권취되는 웹에서의 인장력에 주의할 것을 요한다.

기존의 롤 또는 권취기는 웹이 권취된 롤과 지지 드럼간의 닙 압력을 주로 제어한다. 종래 포프형 권취기에서 중심 권취 장치를 사용하는 것은 드럼 상방의 제1 아암으로부터 제2 아암까지 그리고 지지 레일을 따르는 스풀/코어에 의해 취해진 경로가 돌발적으로 변화하는 경로이기 때문에 곤란하다. 이러한 경로의 복잡성은 권취된 웹에 불균일성을 야기하고, 종이 웹이 코어 상에 권취될 때 코어를 구동하는 중심 권취 장치의 연결을 곤란하게 한다.

종래의 포프형 권취기에 사용되어, 이 권취기 위에 권취되는 종이 롤의 품질을 향상시킬 수 있는 중심 권취 장치가 필요하게 된다.

도 1은 스풀이 권취기 상의 권취 드럼과 맞물릴 때의 본 발명의 중심 권취 장치를 도시하는 측면도.

도 2는 종이 롤이 권취기 상에 거의 완전히 형성되어 있는 상태에서의 도 1의 중심 권취 장치와 권취기의 측면도.

도 3은 도 2의 선 3-3을 따라 취한 중심 권취 샤프트와 지지 아암의 부분 단면도.

도 4는 스풀과 구동 롤러간의 배치 관계를 도시하는 개략도.

도 5는 구동 롤러 상에 맞물린 스풀의 개략도.

도 6은 지지 레일 상에 결합된 스풀의 개략도.

도 7은 도 1의 권취 장치의 구동부와 구동 지지 아암을 도시하는 부분 측면도.

본 발명의 중심 권취 장치는 제1 캐리지 상에 장착된 구동 모터와 기어 박스를 구비한다. 제1 캐리지는 기계 교차 방향으로 이동하도록 일련의 선형 가이드 레일에 장착된다. 제1 캐리지는 기계 방향으로 이동하도록 선형 가이드 레일 상에 장착된 제2 캐리지 상에 장착된다. 제1 캐리지에 장착된 가동 아암 상에는 구동 샤프트가 장착된다. 기어 박스의 출력부와 구동 샤프트 사이에는 구동 벨트가 연장되고, 상기 벨트는 구동 아암에 회전 가능하게 장착된 중공의 원통형 쉘을 구동시킨다. 구동 샤프트는 외부 원통형 구동 쉘과 내부 구동 샤프트로 구성된다. 내부 구동 샤프트는 일단부에 구동 헤드를 타단부에 탄성 구동 링크를 구비하며, 이 탄성 구동 링크는 상기 내부 구동 샤프트를 외부 구동 쉘에 연결하지만 내부 구동 샤프트와 외부 구동 쉘간의 약간의 어긋남을 허용한다. 내부 구동 샤프트와 구동 헤드 사이에 유연한 링크 장치가 있기 때문에, 내부 구동 샤프트와 구동 헤드 사이에 수평 및 수직 변위뿐만 아니라 각도 변위가 허용된다. 구동 헤드는 스풀과 결합하여 스풀 상에 권취된 종이 롤에 중심 권취를 행하도록 되어 있다. 피동 스풀의 축선 위치는 항상 제1 스풀 아암의 각도 위치, 권취기 구동 롤의 직경 및 속도, 종이 롤 지지 레일의 높이, 종이 롤 지지 레일 상의 피동 스풀의 위치 및 스풀 상에 권취되는 종이의 각속도에 기초한 기하학적 배치를 고려하여 결정된다.

이렇게 얻어진 정보와 구동 스풀의 축선 위치에 의하여, 중심 권취 장치는 구동 샤프트 아암의 각도 위치, 제2 캐리지의 선형 위치 및 활주 레일 상에서의 기계 방향 운동을 제어하여 위치 설정된다.

본 발명의 한 특징은 포프형 권취기용 중심 권취 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 특징은 종이 웹이 권취되는 스풀의 축선의 계산된 위치까지 구동되는 중심 권취 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징은 종이 롤에 감진 종이 웹의 권취 품질을 향상시키기 위한 수단을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징은 구동 샤프트와 종이 롤간의 변위 및 각도 위치 관계에서의 어긋남을 수용할 수 있는 중심 권취 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 전술한 목적, 특징 및 장점과 그 밖의 것은 첨부 도면과 관련된 하기의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.

유사한 부재에는 유사한 도면 번호가 병기된 도 1 내지 도 6을 보다 구체적으로 참조하면, 도 1 및 도 2에 권취기(20)가 도시되어 있다. 권취기(20)는 제지기의 일부를 이루며, 권취기의 상류측에 형성된 연속적인 종이 웹(37)을 수취(收取)한다. 권취기(20)는 강성 지지 프레임(24)에 고정된 평행한 2개의 수평 지지 레일(22)을 구비한다. 지지 프레임(24)에는 축선(28)을 중심으로 권취기 구동 롤러(26)가 회전 가능하게 장착되어 있으며, 상기 권취기 구동 롤러는 구동면(30)을 구비한다. 제1 아암(32)은 스풀(36)을 수취 및 지지하는 결합 기구(34)를 구비하며, 상기 스풀 상에는 종이 롤(41)이 웹(37)으로부터 권취된다. 스풀(36)은 종래의 스풀 공급 기구(도시 생략)로부터 결합 기구(34)에 공급된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 아암(32)은 원호를 따라 스풀(36)을 이동시켜, 스풀을 구동 롤러(26)의 구동면(30)과 맞물리게 한다.

프레임(40) 상에는 중심 권취 시스템 또는 장치(38)가 이동하도록 장착된다. 프레임(40)은 스풀 이동 레일(22)의 한 측면 또는 양 측면에 대하여 외측으로 간격을 두고 배치되어 있다. 중심 권취 장치(38)는 제1 캐리지(42) 상에 지지된다. 제1 캐리지(42)는 기계 교차 방향으로 연장되는 일련의 평행한 선형 가이드 레일(44) 상에 측방향으로 이동하도록 장착된다. 기계 교차 방향의 선형 가이드 레일(44)은 선형 가이드 레일(48) 상에서 기계 방향으로 이동하는 제2 캐리지(46)에 고정되며, 상기 레일(48)은 지지 레일(22)과 평행한 기계 방향으로 연장된다. 따라서, 중심 권취 장치(38)는 이동 스풀과 함께 기계 방향으로 이동하도록 장착되며, 또한 스풀과 결합 및 분리하도록 기계 교차 방향으로 이동할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 중심 권취 장치(38)는 웹이 권취되는 스풀에 대하여 회전 가능한 샤프트 상에 장착된 스풀 커플링(94)을 위치 및 구동시키도록 구성된다. 중심 권취 장치(38)는 제1 캐리지(42)에 장착된 모터(50)를 구비한다. 모터(50)는 도 3에 도시된 바와 같이 이 모터에 장착된 제1 풀리(54)를 구동시키는 출력 샤프트(53)를 구비하는 기어 박스(52)를 구동시킨다. 구동 샤프트 지지 아암(56)은 출력 샤프트(53)의 축선과 동심인 하부 피벗 축선(58)을 중심으로 선회 가능하게 장착되어 있다. 아암(56)은 출력 샤프트(53)에 평행한 스풀 구동 샤프트(60)를 지지한다.

스풀 구동 샤프트(60)는 복합 구조로 이루어지며, 지지 베어링(64)에 의하여 아암(56)에 장착되는 외부 관형 중공 샤프트(62)와, 스풀을 구동시키는 내부 구동 샤프트(70)로 구성된다. 외부 구동 샤프트(62)는 기어 박스의 출력 샤프트(53) 상의 제1 풀리(54)를 외부 샤프트(62) 상에 장착된 제2 풀리(68)에 연결하는 루프형 벨트(66)에 의하여 구동된다.

내부 구동 샤프트(70)는 중공 외부 샤프트(62) 내측에 장착되며 가요성 커플링(74)에 의하여 무(無)-스풀 결합 단부(72)에서 외부 구동 샤프트(62)에 연결된다. 가요성 커플링(74)은 팽창식 블래더 또는 에어 튜브 형태가 바람직하지만 다른 유사한 형태를 취할 수도 있다. 내부 샤프트(70)는 일단부에서 가요성 커플링(74)에 의하여 그리고 타단부에서 내부 샤프트 베어링(76)에 의하여 지지된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 지지 아암(56)은 장착판(82)에 선회 가능하게 연결되어, 유압 실린더와 같은 액추에이터(92)에 의하여 제1 캐리지(42)에 대하여 위치 설정된다. 내부 샤프트 베어링(76)은 샤프트 링(78) 상에 지지된다. 구동 샤프트 지지 실린더(80)는 샤프트 링(78)에 의하여 내부 구동 샤프트의 중량을 지지한다. 구동 샤프트 지지 실린더(80)는 장착판(82)에 대하여 선회 가능하게 연결된다. 장착판(82)은 지지 링(84)에 의하여 구동 아암(56)에 선회 가능하게 장착된다. 장착판(82)은 평행한 링크에 의하여 베이스(88)에 연결되며, 따라서 이 장착판이 상승 및 하강할 때 베이스에 대하여 그 방향을 유지한다. 아암(56)은 링크 아암(90) 하방에 있는 아암 베이스(88)의 아암 피벗부(58) 상에서 선회하며, 상기 링크 아암은 장착판(82)을 아암 베이스(88)에 평행한 방식으로 연결한다. 아암(56)은 액추에이터(92)에 의하여 상승 및 하강된다. 따라서, 아암 액추에이터(92)는 스풀 결합 커플링(94)을 스풀(36) 상에 권취되는 종이 웹(37)에 대하여 z 방향 또는 수직 방향으로 위치 설정하기 위하여 스풀 구동 샤프트(60)를 이동시킨다.

스풀 커플링(94)은 제2 가요성 커플링(98)에 의하여 내부 구동 샤프트(70)의 단부에 결합된다. 제2 캐리지(46)는 안내 레일(48)을 따라 이동하며, 스풀 커플링(94)을 기계 방향으로 위치 설정하기 위하여 기계 방향 액추에이터(100)에 의해 제어된다. 스풀 커플링(94)은 제1 캐리지(42)를 기계 교차 방향 액추에이터(102)로 기계 교차 방향으로 구동시킴으로써 스풀(36)과 결합 또는 분리하도록 이동된다.

제지기 상에 형성된 종이 웹(37)는 609.6 내지 1219.2m/mim(분당 2천 내지 4천 피트)의 속도로 형성되는 것이 일반적이며, 1828.8m/min(분당 6천 피트) 이상의 비율로도 형성될 수 있다. 상기 웹은 스풀(36) 상에 종이 롤(41)로 연속적으로 형성 및 권취된다. 롤을 권취하는 공정은 스풀 공급 시스템이 제1 아암(32)의 결합 기구(34)로 스풀을 이송하면서 시작된다. 스풀(36)과 결합 기구(34)의 결합은 리미트 스위치(33)의 작동에 의하여 명확하게 검출되며, 상기 리미트 스위치는 아암(32)에 장착되고, 스풀(36)이 결합 기구(34)에 적절히 위치될 때 작동된다. 따라서, 스풀(36)과 결합 기구(34)가 결합하면 스풀 단부(96)를 권취기(20)에 의하여 형성된 기준 프레임에 대하여 고정 지점에 위치시킨다.

결합 기구(34)에서 스풀 커플링(94)과 스풀 단부(96)의 결합 시에, 스풀 커플링의 위치는 알고 있어야 한다. 스풀 커플링(94)은 두 개의 센터링 실린더(104)를 장착판(82)으로부터 연장시킴으로써 지지 링(84)을 압박하는 기지의 위치에 배치되며, 권취기 좌표계에 대한 기지의 중심 지점에 스풀 커플링(94)이 배치된다.

스풀 커플링(94)은 상기 스풀 커플링(94)이 스풀 단부(96)와 동일한 높이로 될 때까지 아암(56)을 상승시키도록 액추에이터(92)를 작동시킴으로써, 상기 스풀 단부(96)에 결합되게 된다. 기계 방향 액추에이터(100)는 스풀 커플링(94)이 기계 방향으로 스풀 단부(96)와 정렬되도록 제2 캐리지(46)를 위치시킨다. 그 후, 기계 교차 방향 액추에이터(102)는 스풀 커플링(94)과 결합하도록 스풀 단부(96)를 향하여 제1 캐리지(42)를 이동시킨다.

스풀 커플링(94)이 스풀(36)과 결합하면, 센터링 실린더(104)는 수축하여, 스풀 커플링(94)이 부동 상태가 된다. 이러한 스풀 커플링(94)의 부동은 외부 구동 샤프트(62)와 스풀(36)간의 사소한 어긋남도 수용한다. 모터(50)는 직각 감속 기어 박스(52)를 구동하여, 제1 풀리(54)와 제2 풀리(68)의 사이에 맞물린 벨트(66)를 구동하고, 그에 의해서 외부 구동 샤프트(62)를 구동한다.

외부 구동 샤프트(62)는 공기 충전식 탄성 블래더 또는 일정 속도의 조인트와 같은 가요성 커플링(74)에 의하여 내부 구동 샤프트에 연결되어 있다.

내부 샤프트(70)와 스풀 커플링(94) 사이에 위치하는 제2 가요성 커플링(98)은 제1 가요성 커플링(74)과 유사하거나 동일한 구조로 이루어질 수 있으며 스풀 단부(96)와 스풀 커플링(94)을 정렬한다. 스풀 커플링(94)과 스풀 구동 샤프트(60)의 위치 설정은, 아암 액추에이터(92), 기계 방향 액추에이터(100) 및 기계 교차 방향 액추에이터(102)가 스풀 단부(96)의 알려진 또는 계산된 위치에 스풀 커플링(94)을 위치시키도록 제어기, 마이크로 프로세서 또는 일반적인 용도의 컴퓨터에 의하여 제어된다. 스풀 구동 샤프트(60)의 위치 설정이 개루프 형태로 수행될 수 있지만, 피드백이 스풀 커플링(94)을 보다 정밀하게 위치시키는데 이용될 수 있도록, 샤프트 인코더(59)와 같은 각도 측정 센서를 아암(56)의 제1 축선(58) 상에 설치하고 선형 위치 변환기(43, 47)를 제1 캐리지(42) 및 제2 캐리지(46) 상에 각각 설치하는 것이 유리하다.

지금까지는, 도 1, 도 2 및 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같은 포프형 권취기(20)는 중심 권취 장치를 이용하지 않거나 종이 롤이 지지 레일(22) 상에 지지된 이후에만 중심 권취 장치를 사용해 왔다. 종이가 롤로 권취될 때의 불균일성은 종이 롤의 권취 상태에서의 결함의 주원인일 수 있음이 알려져 있고, 후속의 재권취 공정 또는 인쇄 공정에 의해 종이의 파손을 초래할 수 있다.

또한, 권취 롤의 경도 또는 균일성에 영향을 미치는 3개의 파라미터로서, 1) 스풀에 인가되는 토크, 2) 웹이 권취된 롤과 지지 드럼간의 선형 닙 압력 및 3) 롤로 권취될 때의 웹에서의 장력이 알려져 있다. 포프형 권취기에서 이러한 파라미터는, 제지기의 기계 속도에 대하여 권취기 구동 롤러(26)의 속도를 제어하고 명료함을 위하여 도 6에만 도시된 제1 아암(32)과 제2 아암(51)이 스풀(36)을 권취기 구동 롤러(26)에 가압하는 힘에 의하여 닙 압력을 제어함으로써, 제어되는 것이 일반적이다. 이러한 기구는, 특히 종이 너비가 넓고 직경이 큰 종이 롤이 형성되는 몇몇 경우에 불충분한 것이 확인되었다.

롤 균일성을 개선하는 해결책은 중심 권취 장치를 추가하는 것이다. 최근에는, 중심 권취 장치를 이용하는 것을 용이하게 하며 최신식 점보 종이 롤의 균일한 형성을 용이하게 하기 위하여, 완전히 재구성된 다수의 권취기가 개발되었다. 제1 아암은 스풀을 권취기 드럼 상에 위치시키고 지지 레일 상에 스풀을 하향 안착시키며, 제2 아암은 레일 상에 일단 스풀을 결합시키고 나서 권취기 드럼에 가압하는 포프형 권취기에 있어서, 닙 압력의 불균일성이 발생할 수 있다.

본 발명의 중심 권취 장치(38)는 스풀 단부(96)와 결합 및 추적할 수 있는 3개의 자유도를 갖는 시스템을 사용한다. 스풀 단부(96)를 추적하기 위하여, 중심 권취 장치(38)가 결합 및 구동 관계를 연속적으로 유지할 수 있도록 그 위치를 파악하는 것이 필요하다. 스풀 단부(96)에 의하여 취해진 경로는 종이 롤(41)이 스풀(36) 상에 권취될 때의 기하학적인 배치 구조를 고려하여 구속 조건이 주어진다.

도 4, 도 5 및 도 6은 다른 기하학적 파라미터가 스풀 단부(96)의 위치를 결정하는 동안 스풀(36) 상의 종이 롤(41)을 형성하는 3개의 다른 형태의 공정을 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 스풀(36)은 제1 아암(32)의 결합 기구와 결합하는 초기 위치에서 시작하고, 제1 아암(32)의 피봇 축선(35)을 중심으로 한 회전에 의하여 형성된 곡선 경로(106)를 따라 회전한다. 곡선 경로(106)는 구동 롤러(26)의 상사점(上死點)으로 간주되는 지점(108)에서 구동 롤러(26)의 구동면(30)과 교차한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 구동 롤러(26)의 축선(28)에 대한 스풀 단부(96)의 축선 또는 중심 위치는 θ와 ρ로 환산한 극좌표로 한정될 수 있다. 스풀 단부(96)의 중심과 구동 롤러(26)의 축선(28)을 연결하는 직선과 수평선 사이의 각도는 θ로 정의되며, 두 축선간의 거리는 ρ로 정의된다. 상기 θ와 ρ는 제1 아암(32)의 피벗 축선(35) 상에 장착된 각도 변환 센서(39)에 의하여 측정될 수 있다. 간단한 좌표 변환은 제1 아암의 각도 위치를 θ, ρ좌표로 변환한다.

스풀(36)이 상사점(108)에서 구동 롤러(26)의 구동면(30)에 맞물리면, 종이 턴업(turn-up) 기구(도시 생략)는 스풀(36)을 중심으로 종이 웹을 감기 시작하며 권취된 종이 롤(41)로부터 종이 웹을 분리한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 스풀(36)이 제1 아암(32)에 의하여 계속 지지되는 동안, θ는 제1 아암 상의 각도 센서(39)로부터 추론할 수 있으나, 종이가 스풀 상에 권취되기 시작하면, ρ는 구동 롤러(26)의 반경 및 스풀과 그 위에 형성된 종이 롤의 합계 반경에 따라 변동한다.

구동 롤러(26)의 반경은 정해져 있어 그것을 알고 있으며, 종이 롤(41)의 반경은 내부 구동 샤프트(70)의 각속도 또는 회전율을 측정하는 각속도 센서로부터 추론될 수 있다. 종이 롤(41)과 구동 롤러(26)가 구동식 맞물림 관계에 있기 때문에, 그 각속도의 비는 각각의 반경간의 비율이어야 한다. 따라서, 내부 구동 샤프트 상[즉, 종이 롤(41)]의 각속도 센서(45)와 제1 아암(32) 상의 각도 센서(39)는 각속도 센서(49)에 의해 측정된 구동 롤러(26)의 각속도와 기지의 고정된 직경과 더불어 스풀 단부(96)의 위치를 결정한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 스풀이 제1 아암(32)에 의하여 더 이상 위치 설정되지 않지만, 그 대신 평행한 레일(32) 상에서 구동하며 제2 아암(51)에 의하여 구동 드럼(26)에 대하여 압박되는 경우에, 제3의 기하학적 배치 관계가 얻어진다. 스풀 단부(96)의 좌표는 지지 레일(22) 상의 스풀 중심의 고정 높이에 의해 결정되고, 스풀과 종이의 반경은 구동 롤러(26)와 종이 롤(41) 사이의 상대 각속도에 의해 결정되며, 도 6에서 ρ는 구동 드럼(26)과 종이 롤(41)의 반경 합과 동일하다. 구동 롤러는 고정 반경을 가지며, 종이 롤(41)의 반경은 내부 샤프트(70) 상의 센서에 의하여 검출된 종이 롤(41)의 각속도와 구동 롤러(26)의 각속도의 상대 관계로부터 결정될 수 있다.

마이크로 프로세서는 스풀 단부(96)의 위치를 일정하게 결정하여 중심 권취 시스템이 스풀 커플링(94)을 유지하도록 그리고 스풀 단부(96)와 결합하도록, 기지의 구동 롤러의 직경 및 지지 레일의 위치와 함께, 제1 아암의 각도 위치와 구동 롤러(26) 및 스풀(36)의 각속도를 측정하는 센서를 도 4 내지 도 6에 함께 도시한 3개의 배치 관계를 사용할 수 있다.

따라서, 장치(20)는 스풀(36)에 대하여, 제1 아암과의 최초의 맞물림으로부터 구동 롤러를 따라 그리고 평행한 레일 상에서 이동하는 전행정에 걸쳐서 중심 권취를 실시한다. 여러 가지 각속도 센서와 각위치 센서는 중심 권취 시스템이 스풀의 이동을 추적하여, 적절한 중심 권취를 적용하는 것을 가능하게 한다.

유압식 실린더가 설명되었지만, 볼 및 스크루 액추에이터, 타이밍 벨트, 공압식 또는 선형 기어 드라이브 및 기타 이와 유사한 시스템이 사용될 수 있다. 중심 권취 장치(38)의 한 가지 주요한 특징은 형성된 종이 롤에 관한 권취의 균일성에 유해한 영향을 미칠 수 있는 어떠한 비대칭 부하도 방지하는 것이다. 구동 샤프트(70)와 스풀 커플링(94)의 중량을 지지하기 위하여 구동 샤프트 지지 실린더를 사용하면 구동 샤프트의 중량이 스풀 단부(96) 상에 걸리는 것을 방지하는 장점이 있다.

종이 권취는 연속적인 공정이기 때문에, 제1 아암(32)에 의해 가속 회전됨과 동시에 중심 권취 장치(38)는 지지 레일(22) 상에 지지된 종이 롤(41)의 권취를 종료하는 동안, 제1 아암이 스풀(36)에 결합할 수 있도록 권취기(20)의 각 측면 상에 위치하는 두 개의 중심 권취 장치(38)를 구비하는 것이 바람직하다. 별법으로서, 외부 포장 종이에서의 장력은 덜 중요하므로, 중심 권취 장치를 종이 롤(41)의 완성 직전까지 사용하는 것으로 하고, 1대의 중심 권취 장치의 접속을 끊고 권취 롤을 향하여 이동시켜서 제1 지지 아암 내의 다음의 스풀과 맞물리도록 하는 것이 가능할 수도 있다.

또한, 종이 롤을 형성하여 지지 레일(22) 상에 있을 때의 스풀의 위치를, 정밀도가 약간 떨어지지만 제2 아암의 각도 위치에 의해 결정할 수도 있다.

게다가, 단일의 제1 아암과 제2 아암만을 도시하였지만, 제1 아암 및 제2 아암이 장치의 각 측면 상에 위치하는 한 쌍의 아암으로 구성될 수 있음을 알 수 있다.

통상, 종래의 중심 권취 장치는 웹이 스풀 상에 수 센티미터의 두께로 권취된 이후에 롤이 수평한 선형 레일 상에 조립된 때에만 사용되었음을 알 수 있다. 권취된 롤의 구조를 최대한 활용하기 위하여 권취 작동의 시작부터 스풀에 토크가 연속적으로 제공되어야 한다. 또한, 크레이프 종이 또는 무탄소 복사지 등급의 용도의 경우에는, 종이 제품이 손상을 입지 않도록 낮은 닙 압력이 제공되어야 한다. 종래의 포프형 릴에 중심 권취 토크가 제공되지 않는 경우, 크레이프 종이 및 무탄소 복사지에 손상이 가해지는 것을 회피하기 위해 닙 압력을 낮게 하면, 웹이 권취된 롤을 권취하도록 구동시키는 마찰력이 불충분하게 된다. 따라서, 중심 권취 장치(38)에 의하면, 종이 웹이 스풀 상에 권취되기 시작하는 때로부터 신규의 그리고 기존의 포프형 권취기에 일정한 중심 권취를 실시할 수 있게 되는 것으로 이해된다.

본 발명은 본원에서 설명 및 도시된 부품들의 특정 구조 및 배치에 한정되지 않지만, 첨부된 청구범위에 속하는 변형예를 포함한다.

Claims (11)

1. 축선(28) 및 구동면(30)을 갖는 구동 롤러(26)와, 프레임(24)과, 상기 구동 롤러의 둘레로 스풀(36)을 회전 가능하게 지지하는 적어도 하나의 제1 아암(32), 그리고 종이 웹을 수취하여 종이 롤(41)로 권취하는 상기 스풀을 수취하고 지지하는 지지 레일(22)을 구비하며, 상기 스풀은 스풀이 제1 아암에 장착되어 있는 동안 중심 권취 장치(38)에 의해 스풀을 회전 구동시키는 한 단부(96)를 갖고, 상기 지지 레일은 거의 수평하고 상기 구동 롤러의 축선과 거의 일치하는 레벨에 위치하는 형식의, 권취기에 의한 종이의 중심 권취 방법에 있어서,

   상기 스풀의 구동을 위한 적어도 하나의 단부(96) 및 회전 축선을 갖는 스풀과 상기 제1 아암의 결합을 검출하는 단계;

   상기 스풀이 구동 롤러의 구동면(30)과 접촉한 이후에 상기 지지 레일과 접촉할 때까지 상기 제1 아암을 이동시키고, 상기 프레임에 대한 상기 제1 아암의 기준 지점에 대하여 이동된 제1 아암의 회전각(θ)을 측정하는 단계;

   종이 웹이 상기 스풀에 권취되는 동안 상기 스풀의 각속도를 측정하는 단계;

   측정된 회전각(θ), 측정된 스풀의 각속도, 상기 지지 레일의 기지의 위치 및 상기 구동 롤러의 기지의 반경 및 각속도를 이용하는 제어기(99)에 의하여, 상기 스풀이 상기 제1 아암에 지지된 때부터 종이 롤의 권취가 완료될 때까지 상기 스풀의 축선 및 상기 스풀의 일단부(96)의 위치(108) 및 경로(106)를 결정하는 단계; 그리고

   상기 중심 권취 장치(38)가 상기 종이 롤의 권취 공정 동안 연속적으로 상기 스풀과 결합하도록, 상기 스풀의 축선 및 상기 스풀 단부의 결정된 경로 및 위치에 응답하여 상기 중심 권취 장치(38)의 위치를 제어하는 단계

   를 포함하는 종이의 중심 권취 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 스풀이 상기 지지 레일 상에 위치하는 동안 형성되는 상기 종이 롤을 상기 구동 롤러에 맞닿게 유지시키기 위해, 제2 아암(51)을 사용하는 단계를 더 포함하는 종이의 중심 권취 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 중심 권취 장치(38)와 스풀의 단부(96)의 결합은,

   캐리지 수단(42, 46)에 선회 가능하게 장착된 아암(56) 상에서 상기 중심 권취 장치를 기계 방향에 대해 평행한 방향과 직교하는 방향으로 모두 이동시키는 단계; 그리고

   상기 스풀의 단부(96)를 상기 중심 권취 장치에 결합시키고, 이 결합 상태를 상기 종이 롤의 권취 공정 동안 연속적으로 유지하도록, 상기 캐리지 수단을 기계 방향 및 기계 교차 방향으로 이동시키는 단계

   로 이루어지는 것인 종이의 중심 권취 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 중심 권취 장치와 상기 스풀의 단부의 결합은,

   상기 중심 권취 장치에 내부 샤프트(70) 및 이 내부 샤프트와 동심을 이루도록 가요(可撓)적으로 연결된 외부 샤프트(62)를 제공하는 단계; 그리고

   상기 스풀의 적어도 하나의 단부(96)를 상기 내부 샤프트와 탄성적으로 결합시켜 상기 외부 샤프트를 구동시키는 단계

   로 이루어지는 것인 종이의 중심 권취 방법.
5. 프레임(24)과, 이 프레임에 회전 가능하게 장착되고 회전 축선(28)과 구동면(30)을 갖는 구동 롤러(26)와, 상기 프레임에 선회 가능하게 장착되고 상기 구동 롤러의 구동면(30) 상방의 한 지점에서 스풀(36)을 수취하는 기구(34)를 구비하는 제1 아암(32), 그리고 상기 스풀이 상기 구동 롤러와 회전 가능하게 결합된 상태에 있는 동안 상기 스풀 상에 형성된 종이 롤(41)을 수취하도록 위치가 설정되는 상호 평행하면서 실질적으로 수평한 한 쌍의 레일(48)을 구비하며, 상기 제1 아암은 상기 스풀을 상기 구동 롤러 상방의 한 지점으로부터 이동시켜 제1 지점(108)에서 구동 롤러와 결합시키도록 선회 가능하고, 상기 지지 레일은 실질적으로 상기 제1 결합 지점 하방에 위치하는 형태의, 종이 웹 권취기용 중심 권취 장치에 있어서,

   상기 스풀이 맞물리고, 종이 롤이 상기 스풀 상에 형성되는 동안 상기 종이 권취기 장치 내의 경로를 횡단할 때의 상기 스풀의 축선 방향 단부의 위치를 결정하는 위치 결정 수단(33)으로서, 상기 스풀의 이동 경로에 따른 스풀의 이동 속도를 측정하기 위하여 상기 스풀과 결합된 각속도 센서(45)와, 상기 제1 아암(32)의 각도 위치를 측정하는 각도 센서(39), 그리고 상기 각속도 센서 및 각도 센서의 출력을 사용하여 상기 스풀의 제2 축선 방향 단부(96)의 위치를 결정하는 마이크로 프로세서(99)를 구비하는 위치 결정 수단(33)과;

   상기 프레임 상에 기계 방향으로 이동하도록 장착된 제2 캐리지(46)와;

   상기 제2 캐리지 상에 기계 교차 방향으로 이동하도록 장착된 제1 캐리지(42)와;

   상기 제1 캐리지에 장착된 모터(50)와;

   상기 모터에 의하여 구동되도록 상기 제1 캐리지에 장착된 기어 박스(52)와;

   상기 기어 박스로부터 연장되고 구동 샤프트(60)와 조작식으로 연결되어 이 구동 샤프트를 구동하는 출력 샤프트(53); 그리고

   상기 구동 샤프트(60)가 회전 가능하게 장착되는 아암(56)

   을 포함하며, 상기 아암은 상기 제1 캐리지에 선회 가능하게 장착되어, 상기 출력 샤프트를 상기 스풀의 회전 축선과 거의 평행하게 지지하며, 또한 상기 아암의 선회는 상기 제2 캐리지의 기계 방향 이동과 협력하여 상기 구동 샤프트를 상기 스풀의 축선과 거의 동축으로 위치시키는 것인 중심 권취 장치.
6. 스풀(36) 상에 종이 웹을 권취하는 권취 장치(20)로서, 프레임(24)과, 이 프레임에 회전 축선(28)을 중심으로 회전 가능하게 장착된 구동 롤러(26)와, 상기 구동 롤러에 대하여 선회하도록 상기 프레임에 장착된 제1 아암(32)과, 종이 웹이 권취되는 상기 스풀을 수취하고 분리가 자유롭게 맞물리게 하는 결합 기구(34)와, 상기 구동 롤러(26)와 결합하는 상기 스풀을 수취하는 위치에 배치된 적어도 두 개의 레일(22), 그리고 상기 스풀과 회전 가능하게 결합하는 중심 권취 수단(38)을 포함하며, 상기 결합 기구(34)에 의해 결합된 스풀은, 상기 구동 롤러의 축선 상방의 제1 지점(108)으로부터 이동할 때 종이가 스풀 상에 권취되면 스풀을 구동 롤러와 결합 상태로 유지하기 위하여 제1 아암 상에서 이동 가능하고, 상기 레일은 제1 지점 하방에 위치하고 상기 구동 롤러의 하류측으로 연장되며, 상기 중심 권취 수단(38)은 권취 장치에 회전 가능하게 장착되고, 상기 스풀이 상기 구동 롤러 상에 지지된 상기 제1 지점으로부터 상기 레일 상에 지지된 다른 지점까지 이동하는 동안 상기 스풀에 토크를 인가하는 것인 권취 장치에 있어서,

   기계 방향으로 이동하도록 상기 프레임에 장착된 제2 캐리지(46); 그리고

   이 제2 캐리지에 장착되어, 상기 스풀을 향하여 그리고 그로부터 멀어지게 기계 교차 방향으로 이동시키는 제1 캐리지

   를 포함하며, 상기 제1 캐리지 및 제2 캐리지는 하나의 조립체로 연결되고, 상기 중심 권취 수단은 상기 조립체에 장착되는 것인 권취 장치.
7. 제6항에 있어서,

   장착판(82)과;

   일단부가 상기 조립체에, 그리고 타단부가 상기 장착판에 선회 가능하게 장착되며, 상기 중심 권취 수단(38)이 장착되는 지지 아암(56)과;

   상기 캐리지 조립체로부터 상기 장착판까지 연장되며, 상기 캐리지 조립체와 상기 장착판에 선회 가능하게 장착되는 상부 아암(90); 그리고

   상기 캐리지 조립체와 상부 및 하부 아암 사이에서 연장되며, 상기 구동 샤프트의 축선에 대하여 상기 장착판의 방향을 일정하게 유지하는 경로를 따라 상기 장착판을 이동시키는 액추에이터(92)

   를 구비하는 권취 장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 장착판(82)에 선회 가능하게 장착된 지지 액추에이터(80)와;

   이 지지 액추에이터(80)에 장착된 지지 링(84)과;

   상기 장착판(82)에 회전 가능하게 장착된 내부 구동 샤프트(70)와;

   상기 내부 구동 샤프트(70)에 부착되며, 상기 스풀을 회전 가능하게 구동시키기 위하여 상기 스풀의 단부(96)와 결합하는 스풀 커플링(94)과;

   상기 내부 구동 샤프트(70)의 둘레에 동심으로 장착되고, 상기 지지 링(84)에 의해 지지되는 외부 관형 샤프트(62)와;

   상기 내부 구동 샤프트(70)와 외부 관형 샤프트(62)에 장착되는 커플링(74)과;

   상기 외부 관형 샤프트(62)의 구동에 의하여 상기 내부 샤프트(70)가 회전하도록 상기 외부 관형 샤프트에 조작식으로 연결된 구동 수단(38, 50); 그리고

   상기 내부 구동 샤프트와 결합하는 베어링

   을 구비하며, 상기 지지 액추에이터(80)는 상기 장착판(82)과 베어링 사이에서 연장되어, 상기 구동 샤프트(70)의 중량을 지지하는 것인 권취 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 장착판(82)에 장착되며, 상기 구동 샤프트에 결합하여 이 구동 샤프트를 기지의 지점에 위치시키도록 연장 가능한 2개의 센터링 액추에이터(104)를 구비하는 것인 권취 장치.
10. 제6항에 있어서,

    상기 중심 권취 수단(38)에 장착된 모터(50)와;

    상기 스풀과 결합하여, 이 스풀을 소정의 속도로 회전시키는 내부 구동 샤프트(70); 그리고

    상기 내부 구동 샤프트를 둘러싸는 외부 구동 샤프트(62)

    를 구비하며, 상기 외부 구동 샤프트는 모터에 의하여 구동되고, 상기 내부 구동 샤프트는 외부 구동 샤프트에 의하여 탄성적으로 결합되는 것인 권취 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 내부 구동 샤프트 및 외부 구동 샤프트는 각각 두 개의 단부를 구비하며, 상기 내부 샤프트와 외부 샤프트의 대응하는 두 단부는 탄성적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 권취 장치.