KR20010101294A - 종이를 권취시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

모체 롤상에 종이를 권취시키기 위한 장치 및 방법은 종이 웹이 권취되는 회전 가능한 릴 스풀 및 종이 웹이 안내되고 종이가 모체 롤상에 권취되는 닙을 형성하도록 모체 롤과 접촉하는 릴 드럼을 포함한다. 한가지 실시예에서는, 센서가 닙에서 모체 롤의 오목부의 두께와 닙으로부터 이격된 모체 롤의 비오목부의 두께를 측정하기 위해 사용되며, 이로부터 반경방향의 오목한 정도가 도출된다. 제어 수단은 소정의 한계내에서 반경방향의 오목한 정도를 유지시키도록 릴 스풀과 릴 드럼을 상대적으로 위치시킨다. 본 발명의 다른 실시예에서, 선형 닙 하중의 제어는 제지 롤의 직경과 선형 닙 하중을 나타내는 힘을 측정하고, 롤의 직경을 기초로 하는 소정의 한계내에서 힘을 유지시키도록 릴 스풀과 릴 드럼의 상대적 위치결정을 제어함으로써 달성된다.

Description

종이를 권취시키기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR WINDING PAPER}
종이 제조중에, 제지 장치의 건조 단부로부터 나오는 건조된 종이 웹(web)은 처음에 전형적으로 이후의 가공을 위해 임시로 축적되는 모체 롤을 형성하도록 릴 스풀(reel spool)상에 권취된다. 그 후에, 모체 롤은 권취 해제되고 종이 웹은 최종 제품 형태로 변환된다.
대형 모체 롤에 종이 웹을 권취시킬 때에, 롤은 롤의 주요 결함을 방지하고, 그것이 화장용 티슈(tissue)지 박스, 목욕용 티슈 롤, 엠보싱(embossing)된 종이 타월의 롤 등에 상관하지 않고, 최종 제품으로 롤이 효과적으로 변환되게 하는 방식으로 권취되어야 하는 것이 중요하다. 이상적으로, 모체 롤은, 매끄러운 원통형 주요 면 및 2개의 매끄럽고 평평하며 평행한 단부면과 함께, 본질적으로 원통 형상을 가진다. 원통형 주요 면과 단부 면은 파문(ripple), 융기, 기복, 편심, 주름 등이 없어야 한다, 또는, 즉 롤은 "치수상에서 정확"해야 한다. 이와 같이, 롤 형태는, 그것이 축적 또는 절차 운용중에 그것의 원통형으로부터 벗어나지 않도록,안정되어야한다, 또는, 즉, 롤은 "치수상에서 안정"되어야 한다. 결함은 전체 롤이 고속 변환에 부적합하게 된다면 전체 롤이 파손되게 할 수 있다.
많은 결함은, 특히 큰 부피의, 용이하게 압축가능하고, 부드러운 티슈 웹을 권취하는 경우에, 모체 롤상에 종이 웹의 부적절한 권취에 의해 도입될 수 있다. 다수의 상기 결함들은 W.J. Gilmore에 의한 기사, "Report on Roll Defect Terminology - TAPPI CA1228", Proc. 1973 Finishing Conference, Tappi, Atlanta, GA, 1973, pp. 5-19의 사진에서 논의되고 제시된다. 롤의 코어(core) 부근의 불충분한 웹 응력은, James K. Good에 의해, "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, England, 1993, pp.855-881에 게시된 바와 같이, 성형 패턴(starred pattern), 통상적으로 호칭되는 "스타링(starring)"으로 버클링(buckling)되도록, 롤의 외측 영역이 내부로 롤을 압축하게 할 수 있다. 더우기, 스타링은 코어 둘레에서 웹의 인장 해제를 발생시켜서 통상적으로 코어와 웹 인접층 사이에 충분한 마찰력을 제공한다. 이러한 마찰 손실은 코어 "슬리핑(slipping)" 또는 "텔레스코핑(telescoping)"을 발생시킬 수 있는데, 여기서 대부분의 롤(코어 둘레의 몇몇 층과 최외측 영역 둘레의 몇몇 층은 제외)은, 롤의 축에 관하여 일측으로 마세이(masse)로 운동하여, 롤이 사용 불가능하게 된다.
T. Svanqvist에 의해, "Designing a Reel for Soft Tissue", 1991 Tissue Making Seminar, Karlstad, Sweden에 게시된 바와 같이, 중심-지원형 구동장치를가지는 유형의 현재 상용으로 이용 가능한 하드 닙 드럼 릴(hard nip drum reel)은 그램당 약 8 내지 10 cm3까지의 부피를 가지는 반면에, 닙의 힘을 감소시키고 코어샤프트(coreshaft)에 대한 중심-지원형 구동장치의 조절을 통한 유입하는 웹 인장 제어에 주로 의존함으로써, 상기된 권취 문제점을 해소하여, 압축성 티슈 웹의 롤을 권취하는데 성공적으로 사용되었다. 그러나 그램당 9 cm3이상의 부피 및, 예를 들어, 샘플 폭 3 인치당 약 10 kg이하의 MD 최대 기울기에 의해 특징지워지는, 고수준의 연성을 가지는 티슈 시트를 권취하는데 상기 방법을 사용하는 경우에, 이러한 문제점이 재발할 가능성이 있다. 이러한 권취 문제점은, 특히 고속에서, 약 70 인치로부터 약 150 인치 이상까지의 직경을 가지는 대형 롤의 권취를 시도하는 경우에 강조된다.
이론에 얽매이지 않고, 웹이 모체 롤과 압력 롤 사이에 형성되는 닙으로 전달되는 경우에, 유입하는 웹 인장 이외에 2가지 주요 인자가 권취 롤 내측의 최종 응력에 영향을 준다는 것이 인지된다. 우선, 닙에서 모체 롤의 일부는 모체 롤의 변형되지 않은 반경보다 더 작은 반경으로 변형된다. 변형된 반경으로부터 변형되지 않은 반경으로의 모체 롤의 팽창은 웹을 신장시키고 닙으로 진행하는 웹의 설정된 인장력으로부터 실질적으로 내부 인장력을 증가시킨다.
다른 인자는 때때로 "2차 권취" 효과로 호칭된다. 웹이 모체 롤과 압력 롤 사이의 닙을 우선 통과한 후에 웹의 일부가 롤에 첨가된다. 그 후에 그것은 더 많은 층들이 외경상에 첨가되는 동안 모체 롤의 각각의 회전마다 반복적으로 닙 하부를 통과한다. 롤 표면 부근의 각각의 지점이 닙으로 재진입함에 따라, 웹은 닙 압력하에서 가압되고, 웹의 빈 체적내 공기가 층들 사이에서 방출되게 한다. 이것은, Erickkson 등의, Deformations in Paper Rolls, pp. 55-61 및 Lemke 등의, Factors involved in Winding Large Diameter Newsprint Rolls on a Two-Drum Winder, pp 79-87 Proc. of the First International Conference on Winding Technology, 1987에 의해 게시된 바와 같이, 층이 내부 층 둘레에 더 견고하게 슬라이딩(sliding)하도록 충분히 층들 사이의 마찰력을 감소시킬 수 있다.
층이 모체 롤에 첨가됨에 따른 각각의 층의 인장력은 하부 층으로 외부 층에 의해 압축력이 가해지게 하므로, 외부 층으로부터의 압축의 누적 효과는 통상적으로 코어 둘레 영역에서 웹이 최대 내부 층 압력을 가지게 한다. 2차 권취는 이 압력을 더 증가시킨다. 부드러운 티슈는 가압되는 경우에 항복함으로써, 그 티슈가 변형하는 능력을 상실하는 범위까지 압력의 일부 증가를 흡수하는 것이 공지된다. 따라서, 누적압이 모체 롤로부터 권취 해제된 시트 특성에서 광범위한 변화를 일으킬 수 있는 과도한 수준까지 급격한 비율로 상승할 수 있다.
불행히도, 치수 안정성의 문제를 예방하는데 성공적인 반면에, 통상적으로 권취된 모체 롤의 반경을 따라 존재하는 내압 및 웹 인장 구배는 웹 특성의 바람직하지 않은 변화를 일으킬 수 있다. 일부 영역에서 고인장력은 일부 기계 방향 신장이 권취중에 당겨지게 하고, 고내압은 부피 손실을 일으킨다. 권취 해제시에, 닙에서 그리고 그 후에 고인장력으로 더 신장되었던 영역은 웹의 종방향 신장때문에 더 낮은 기초 중량을 가질 것이다. 중대한 웹 특성의 이러한 변화는 품질 변화및 작업 전환의 어려움을 일으킨다.
T. Svanqvist에 의해 게시된 상기 방법에 따른, 내압 형성에 대한 보정은 특정 범위까지만 유지될 수 있다. 웹 재료의 밀도 및 강도가 언급된 수준보다 훨씬 더 작게 감소됨에 따라, 권취 장치내 마찰력 크기의 불확실성 및 롤을 권취하는 과정중에 변화하는 기타 인자들은 정확한 닙 하중 제어를 매우 어렵게 한다. 이와는 달리, 권취 공정 제어의 상실은 상기된 스타링 및 코어 편차 문제를 일으킬 수 있는 인장력 구배의 역전을 발생시킬 수 있다.
통상적인 닙 권취에서, 릴 스풀(reel spool)은 한쌍의 유압 액츄에이터(actuator)에 의해 릴 드럼(reel drum)과 맞물려서 가압된다. 변형률 게이지(gage) 유형의 센서가 액츄에이터에서 변형량을 감지하도록 유압 액츄에이터에 장착되어, 이것은 릴 드럼과 성장하는 제지 롤 사이의 닙 하중을 측정하도록 사용된다. 상기 장치가 닙 권취에 따르는 장점(즉, 권취된 종이에서 충분히 고인장력을 얻는 것)때문에 바람직할 수 있지만, (상기된 이유로 매우 중요한) 닙 하중을 정확하게 유지하고 제어하는 것은 어렵다. 통상적인 변형률 게이지 센서의 한계 및 (예를 들어, 릴 스풀을 이동시키기 위한 유압 액츄에이터 또는 연관된 왕복대의 슬라이딩 마찰력의 변화와 같은) 장치의 마찰력의 불확실성은 닙 하중의 정확성에 한계를 부여하고, 이것은 순차적으로 모체 롤의 특성과 크기 및 권취될 수 있는 종이 유형을 제한한다. 이러한 문제점을 처리하려는 노력은, Olsson의 공개된 PCT 출원 제 WO 97/22543 호에 게시된 바와 같이, 변경 과정중에 닙 하중 제어의 정확성을 개선하기 위해 이루어졌다. Olsson은, 새로운 릴 스풀이 위치로 이동되고 종이가 새로운 스풀상에 권취되기 시작하는 경우에, 변경중에 닙 하중을 직접 측정하려는 시도로 제 1 및 제 2 암(arm)에 힘-감지 장치를 위치시킴으로써, 변경중에 닙 하중 제어를 개선하려 한다. 그러나, Olsson은 권취 작업중에 닙 하중을 정확하게 제어하는 문제를 다루지 않고, 여기에서, 특히 티슈와 같은 부드러운 종이 등급에 대해서, 부여되는 닙 하중에 대한 롤측으로의 드럼의 오목한 정도는 롤상의 종이 두께가 증가함에 따라 빈번히 변화한다. 변경 과정중에 유용할 수 있는 닙 하중 제어 설계는 권취 작업에 대해 최적 조건이 아닐 수 있다.
따라서, 제조업에서 티슈와 같은 부드럽고 연한 등급의 종이를 포함하는, 여러 등급의 종이에 대해 사용될 수 있는 권취 장치가 요구된다. 상기 장치는 닙 권취의 장점을 제공할 뿐만 아니라 모체 롤의 특성과 크기가 개선될 수 있도록 정확하고 효율적인 닙 하중을 제공해야 한다.
본 발명은 종이 제조에 관한 것이고, 좀더 자세하게는, 제지 공정중에 모체 롤(parent roll)상에 종이를 권취시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1은, 롤의 반경방향의 오목한 정도를 추량하기 위해 종이 롤의 비오목부의 그리고 오목부의 반경방향 두께 또는 직경을 측정하기 위한 센서를 포함하는, 본 발명의 제 1 의 바람직한 실시예에 따른 권취 장치의 측입면도;
도 2는 종이 롤의 비오목부의 그리고 오목부의 두께 측정을 도시하고, 또한릴 드럼에 상대적으로 왕복대를 이동시키는 액츄에이터의 작동을 제어하기 위한 제어기 및 밸브를 도시하는, 도 1의 장치의 릴 드럼, 릴 스풀, 및 왕복대의 개략적인 측입면도;
도 3은, 힘이 종이 롤의 반경방향 두께 또는 직경의 함수로서 오목한 정도와 닙 하중을 제어하기 위해 사용되는, 본 발명의 제 2 의 바람직한 실시예에 따라 선형 닙 하중에 비례하거나 그것을 나타내는 힘을 감지하기 위한 탄성 요소의 확대된 단면도; 및
도 4는 본 발명의 제 2 의 바람직한 실시예에 따른 권취 장치의 제 2 권취 시스템의 종동측과 구동측 왕복대의 위치를 제어하기 위한 제어 시스템을 묘사하는 제어 다이어그램(diagram).
상기된 그리고 기타 요구 사항은, 종이 재료의 웹이 증가하는 직경의 롤을 형성하도록 권취되며 회전 가능하게 장착되는 릴 스풀, 및 릴 스풀에 근접하여 회전 가능하게 장착되는 릴 드럼을 포함하는 본 발명의 한가지 바람직한 실시예에 따른 장치 및 방법에 의해 만족된다. 왕복대는 다른 것에 상대적으로 이동할 수 있도록 릴 드럼과 릴 스풀 중 하나를 지지하고 닙이 사이에 형성되도록 다른 것에 근접하여 릴 드럼과 릴 스풀 중 하나를 위치시킨다. 왕복대는 종이 웹이 권취됨에 따라 성장하는 종이 롤과 접촉하도록 릴 드럼을 유지시킨다. 왕복대에 연결된 액츄에이터는 릴 드럼이 종이 롤에 선형 닙 하중을 부과하게 함으로써 닙에서 내측반경방향으로 종이 롤을 국부적으로 오목하도록 서로를 향해 상대적으로 릴 드럼과 릴 스풀을 가압시키기 위해 왕복대를 이동시키도록 작동 가능하다.
주어진 종이 유형에 대해서, 종이 롤의 반경방향 두께, 릴 드럼에 의한 롤의 반경방향의 오목한 정도, 및 선형 닙 하중 사이에 상관관계가 있다. 본 발명에 따라, 최적 종이 롤 특성을 위해, 반경방향의 오목한 정도는 0에서 소정값까지 변화될 수 있고, 이것은 경험적으로 도출될 수 있으며 종이 롤의 반경방향 두께의 함수일 수 있다. 예를 들어, 종이 롤이 형성되기 시작하는 경우에, 릴 스풀상에 소수의 종이층만 존재하고, 따라서 바람직한 오목한 정도는, 0에 가까운 바람직한 닙 하중에 상응하여, 0에 가까울 수 있다. 종이 롤의 두께가 증가함에 따라, 더 큰 크기의 오목한 정도가 치수 안정성 및 종이 롤의 특성을 제어하기 위해 바람직할 수 있다.
따라서, 예를 들어, 본 발명의 한가지 바람직한 실시예에 따라, 제어기는 롤의 반경방향 두께의 함수로서 바람직한 오목한 정도를 프로그래밍함으로써 릴 스풀과 릴 드럼의 상대 위치를 제어하도록 프로그래밍될 수 있다. 센서 유닛(sensor unit)은 롤의 반경방향 두께 및 반경방향의 오목한 정도가 추량될 수 있는 변수를 측정하도록 사용된다. 따라서, 종이 권취 변수는 크게 개선되고 권취 해제된 종이 롤의 특성 변화는 최소화될 수 있다.
본 발명의 한가지 바람직한 실시예에서, 센서 유닛은 릴 드럼과 릴 스풀의 상대 위치를 표시하는 신호를 제공하는 제 1 센서, 및 닙으로부터 이격된 종이 롤의 비오목부의 반경방향 두께를 표시하는 신호를 제공하는 제 2 센서를 바람직하게포함한다. 오목한 정도는 2가지 센서 신호를 비교함으로써 측정된다. 다양한 유형의 광학, 음향, 및/또는 전자기 센서가, 레이저 거리 또는 선형 변위 측정 장치, 초음파 거리 또는 선형 변위 측정 장치, 및/또는 자기 변형 선형 변위 측정 장치를 포함하여, 사용될 수 있다. 오목한 정도는 실제 오목한 정도가 바람직한 오목한 정도의 설정된 공차내에 있도록 릴 드럼에 상대적으로 릴 스풀의 위치를 제어하기 위한 제어 변수로서 이용된다.
본 발명의 선택적인 실시예에 따른 이러한 개념상의 변화는, 힘이 선형 닙 하중에 비례하는, 릴 스풀과 릴 드럼 사이에 가해지는 힘을 측정하는 것, 및 릴 드럼에 상대적인 릴 스풀의 위치를 제어하기 위한 이러한 힘 그리고 롤의 반경방향 두께 또는 직경을 이용하는 것이다. 주어진 종이 등급에 대하여, 선형 닙 하중, 오목한 정도, 및 롤의 반경방향 두께 또는 직경은 모두 상호 연관된다. 따라서, 이 변수들 중 어떤 2가지의 결정은 또한 세번째 것을 결정한다. 따라서, 상기된 제 1 실시예에서, 오목한 정도는 롤의 반경방향 두께의 함수로서 제어됨으로써, 반경방향 두께의 함수로서 선형 닙 하중을 제어한다. 이와는 달리, 본 발명의 제 2 의 바람직한 실시예에 따르면, 선형 닙 하중에 비례하는 힘은 종이 롤의 반경방향 두께 또는 직경의 함수로서 제어됨으로써, 롤의 반경방향 두께 또는 직경의 함수로서 오목한 정도를 제어한다.
다양한 유형의 힘-감지 요소가 선형 닙 하중에 비례하거나 그것을 나타내는 힘을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 다른 바람직한 실시예는 선형 닙 하중을 생성하도록 왕복대에 부과된 힘이 탄성 요소를 측정 가능하게변형시키도록 배치된 탄성 요소를 포함한다. 유리하게, 탄성 요소는 스프링이나 로드 셀(load cell)을 포함한다. 왕복대가 릴 스풀을 이동 가능하게 지지하고 릴 드럼이 고정된 지점에서는, 스프링이나 로드 셀은 왕복대와 릴 스풀 사이에 연결된다; 이와는 달리, 왕복대가 릴 드럼을 이동 가능하게 지지하고 릴 스풀이 고정되는 지점에서는, 스프링이나 로드 셀은 왕복대와 릴 드럼 사이에 연결된다. 닙 하중의 변화는 스프링이나 로드 셀을 변형시키고, 이 변형은 닙 하중을 제어하도록 왕복대의 이동을 제어하기 위해 종이 롤의 반경방향 두께나 직경과 함께 감지되고 이용된다.
본 발명에 따라 와인더(winder)상에 권취된 모체 롤은 코어 영역에서 최고압이 통상적인 릴에서 얻어지는 것보다 더 낮은 값에 도달하지만, 이것은 통상적인 작업에 대해 요구되는 기계적 안정성을 유지하는데 충분한 내압 분포를 갖는다. 본 발명의 방법으로부터의 모체 롤은 특정 수준까지 감소한 후에, 롤의 외면에서 저압으로의 필연적인 하락을 제외하고, 본질적으로 평탄한 압력 프로파일(profile)을 가지는 중요한 영역을 나타내는 코어 부근의 내압을 갖는다. 따라서, 모체 롤 전체의 시트 특성의 균일성은 실질적으로 개선된다.
본 발명의 상기 및 기타 목적, 특징, 그리고 장점은, 첨부된 도면과 관련시키는 경우에, 그것의 특정한 바람직한 실시예의 다음의 설명으로부터 좀더 명백해진다.
본 발명은, 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된, 첨부된 도면을 참조하여 하기에 좀더 충분하게 게시된다. 그러나, 본 발명은 많은 다른 형태로 구체화될 수 있고 본문에 기술된 실시예로 한정되는 것처럼 해석되지 말아야 한다; 이와는 반대로, 이 실시예는 이러한 서술이 철저하고 완벽하며, 당업자에게 본 발명의 범위를 충분하게 전달하도록 제공된다. 유사 번호는 전체적으로 유사한 요소를 지시한다.
본 발명의 제 1 의 바람직한 실시예에 따른 제지 기계용 권취 장치(10)가 도 1에 도시된다. 건조된 종이 시트(15)는 통상적인 제지 기계에서 형성되고 권취 장치(10)로 전진한다. 본 발명은 크레이프(crepe)되거나 크레이프 되지 않는 제지 기계와 사용될 수 있음이 인지되어야 한다. 또한, 본 발명은 티슈 등급의 종이를 권취하기 위해 가장 바람직하겠지만, 본 발명은 다른 등급과 사용될 수도 있다. 시트(15)는 한쌍의 안내 롤(14)을 통과하고 릴 드럼(19)을 거쳐서 릴 스풀의 샤프트(shaft)상에서 작동하는 중심 구동 모터(도시 안됨)에 의해 구동되는 릴 스풀(26)로 전진한다. 릴 스풀이 릴 드럼(19)상의 상부 위치에 도시된 릴 스풀(26')에 의해 나타난 바와 같이 한쌍의 제 1 암(27)에 위치하는 동안에 릴 스풀로의 종이 권취가 개시된다. 참조 번호 26, 26' 및 26''은 작업중의 릴 스풀의 3가지 위치를 도시한다. 도시된 바와 같이, 새로운 릴 스풀(26')은 모체 롤(25)이 성장함에 따라 권취 위치로 전진할 준비가 된다. 모체 롤(25)이 그것의 최종적으로 소정의 직경에 도달한 경우에, 새로운 릴 스풀(26')은 회전하는 릴 드럼(19)에 대한 위치로 제 1 암(27)에 의해 하강된다. 새로운 릴 스풀이 도 1에 도시된 상부에 위치하는 동안에 종이 웹(15)은 충분히 권취된 릴 스풀(26)로부터 새로운 릴 스풀(26')로 바람직하지만, 반드시 전달되는 것은 아니며, 종이 웹은 모체 롤(25)로부터 절단되고 새로운 릴 스풀(26')상으로 웹의 권취가 개시된다. 완성된 모체 롤(25) 및 릴 스풀(26)은 그 후 릴 스풀(26)이 멈춤부(30)에 도달할 때까지 한쌍의 레일(28)을 따라 하류에 킥킹(kicking)된다. 새로운 릴 스풀(26')은 권취 위치로 하강되는데 그것은 통상적으로 릴 드럼(19)과 동일한 수평 수준이며, 즉, 그래서새로운 릴 스풀(26')은 완성된 릴 스풀(26)에 의해 이전에 점유된 위치를 점유한다.
권취 위치에서 릴 스풀(26)로의 종이 권취는 릴 스풀(26)의 대향 단부의 2개의 제 2 왕복대(37, 도 1에서는 1개만 도시됨)의 각각에 이동 가능하게 장착된 한쌍의 제 2 암(42 및 44)에 고정된 릴 스풀(26)로 실행된다. 왕복대(37)는 레일(40) 시스템을 따라 수평으로 슬라이딩 가능하여서 상기 왕복대는 릴 드럼(19)을 향해 그리고 그 반대로 이동될 수 있다. 유압 액츄에이터(38)는 릴 드럼(19)을 향해 그리고 그 반대로 릴 스풀(26)을 이동시키도록 왕복대(37)에 수평 이동을 부여하기 위해 각각의 왕복대(37)에 연결된다. 특히, 모체 롤(25)이 성장함에 따라, 릴 드럼(19)에 의해 모체 롤(25)에 가해지는 닙 하중이 바람직한 양식으로 제어되도록 액츄에이터(38)는 릴 드럼(19)으로부터 멀리 릴 스풀(26)을 이동시키도록 작동된다.
도 2는 본 발명의 제 1 의 바람직한 실시예에 따른 왕복대(37)의 이동을 제어하기 위한 시스템의 구성 요소를 더 상세하게 묘사한다. 왕복대(37)와 제어 시스템의 한가지 설명이 제공될 것이며, 그것은 기타 왕복대도 왕복대의 이동을 제어하기 위한 유사한 시스템을 포함하는 것이 인지된다. 상기된 바와 같이, 왕복대(37)는 개략적으로 묘사된 수평 레일(40)상에서 이동 가능하다. 왕복대는 한쌍의 암(42 및 44)을 피벗 가능하게 지지한다. 상류 암(42)은 암과 왕복대(37) 사이에 연결되는 액츄에이터(46)에 의해 피벗 가능하게 운동된다. 이와 유사하게, 하류 암(44)은 암과 왕복대 사이에 연결되는 액츄에이터(48)에 의해 피벗 가능하게운동된다. 상류 암(42)은 권취 공정중에는 본질적으로 작동하지 않으나, 모체 롤(25)이 권취를 완료한 후에 완성된 롤(25)과 릴 스풀(26)을 레일(28)을 따라 멈춤부(30, 도 1)까지 하류에 킥킹하도록 작동된다. 하류 암(44)은 권취 공정중에 모체 롤(25)과 릴 스풀(26)이 릴 드럼(19)으로부터 멀리 이동하는 것을 방지하는 기능을 한다.
권취 공정중에 종이 롤(25)의 오목한 정도와 닙 하중을 제어하기 위해, 장치는 닙에서 종이 롤의 반경방향의 오목한 정도를 감지하기 위한 센서를 포함하고 상기 센서로부터의 신호는 오목한 정도와 닙 하중을 제어하도록 왕복대의 이동을 제어하기 위해 이용된다. 따라서, 제 1 센서(70)는 닙(72)으로부터 이격된 롤의 비오목 영역에서 모체 롤(25)의 비오목부의 반경방향 두께(RU)를 감지하기 위해, 예를 들어 장치를 수용하는 건물의 천정(C)에, 적절하게 장착된다. 비오목부의 반경방향 두께(RU)는 다양한 방식으로, 예를 들어 센서(70)로부터 롤(25)의 표면까지의 거리를 감지하고 센서(70)와 릴 스풀(26)의 표면 사이의 공지된 거리와 상기 거리의 차를 구함으로써, 정해질 수 있다. 제 2 센서(74)는 닙(72)에서 모체 롤(25)의 오목부의 반경방향 두께(RC)를 감지하기 위해 적절하게 장착된다. 오목부의 두께(RC)는 릴 드럼(19)과 릴 스풀(26)의 상대 위치에 직접 관련되므로 다양한 방식으로 상대 위치를 감지함으로써 측정될 수 있다; 예를 들어, 센서(74)는 릴 드럼(19) 및 릴 스풀(26)의 중심 사이의 거리, 또는 하나의 중심과 다른 것의 표면 사이의 거리, 등을 감지할 수 있고, 이것들 중 어떤 것도 오목부의 반경방향 두께(RC)를 도출하도록 이용될 수 있다. 이와는 달리, 위치 센서가 왕복대(37)를 이동시키는 유압 액츄에이터(38)에 설치되거나 다른 방법으로 연결될 수 있고, 상기 센서에 의해 지시되는 왕복대의 위치는 오목부의 반경방향 두께(RC)를 추량하기 위해 이용될 수 있다.
센서(70 및 74)는 제어기(66)에 연결된다. 제어기는 센서(70, 74)로부터 수신된 신호를 기초로 모체 롤(25)의 반경방향의 오목한 정도(△R)를 결정하도록 프로그래밍된다. 제어기는 소정의 한계내에서 반경방향의 오목한 정도(△R)를 유지하도록 액츄에이터(38)를 제어하는 밸브(68)를 작동시킨다. 소정의 한계는 기타 변수들 뿐만 아니라, 종이 웹(15)의 공지된 압축성, 모체 롤(25)의 오목부의 반경방향 두께(RC)의 함수일 수 있다.
릴 드럼(19)은 실질적으로 비압축성으로 모델링될 수 있다. 다른 경우에는, (통상적으로 종이 롤의 압축성보다 훨씬 작은) 공지되고, 제한된 압축성을 가지는 릴 드럼(19)을 사용하는 것이 바람직할 수 있으며 릴 드럼의 압축성도 바람직한 닙 하중을 제공하도록 액츄에이터(38)의 적절한 위치를 결정하는데 변수가 될 수 있다.
바람직하다면, 실제 닙 하중은 릴 드럼(19)과 릴 스풀(26)의 위치에 대한 순간적인 값, 롤상의 종이의 비오목부의 반경방향 두께(RU), 및 종이 및/또는 릴 드럼의 압축성을 기초로 연속하여 계산될 수 있다. 실제 닙 하중을 연속하여 계산할 필요는 없으나, 직접적인 연관성이 감지된 반경방향의 오목한 정도(△R)와 바람직한 유압 액츄에이터 위치 사이에서 형성되는 일람표로 제어기를 단순히 프로그래밍함으로써 좀더 저렴하게 합리적인 정확성이 얻어질 수 있다.
다양한 유형의 센서(70, 74)가, 다음을 포함하여, 사용될 수 있다: 레이저 3각측량과 같은 기술을 이용하는 레이저계 거리 또는 깊이 감지 장치; Kevin Harding에 의해, "Moire Interferometry for Industrial Inspection", Lasers and Applications, Nov. 1993, pp. 73-78, 및 Albert J. Boehnlein에 의해, "Field Shift Moire System", 미국 특허 제 5,069,548 호, Dec. 3, 1991에서 예증된 바와 같은, 레이저 백광 또는 다중 파장 무아레(moire) 간섭계; L.C. Lynnworth, Ultrasonic Measurements for Process Control, Academic Press, Boston, 1989에 게시된 방법, 및 특히 고체 표면에서 반사되는 초음파 신호에 대한 지연 시간을 측정하는 방법을 포함하는, 초음파 감지법; 마이크로파 및 레이다파 반사법; 거리 측정을 위한 캐패시턴스(capacitance)법; 와전류 변환기법; T. Lippert에 의해, "Radial parallax binocular 3D imaging" in Display System Optics Ⅱ, Proc. SPIE Vol. 1117, pp. 52-55(1989)에서 예증된 바와 같은, 깊이 감지를 위한 단일-카메라 입체 이미징(imaging); N. Alvertos에 의해, "Integration of Stereo Camera Geometries" in Optics, Illumination and Image Sensing for Machine Vision Ⅳ., Proc. SPIE, Vol. 1194, pp. 276-286(1989)에서 예증된 바와 같은, 깊이 감지를 위한 다중-카메라 입체 이미징; 위치 또는 휨 정도가 직접 측정되는 롤러, 휠(wheel), 금속 스트립(strip), 및 기타 장치와 같은 접촉 탐침; 등.
상기된 바와 같이, 왕복대(37)의 위치 또는 왕복대(37)의 선형 이동 길이가감지되어 종이 롤의 오목부의 반경방향 두께로 변환될 수 있도록 액츄에이터(38)내에 또는 그것에 근접하여 위치 또는 선형 변위 센서를 도입하는 것이 또한 가능하다. 예를 들어, 노쓰 캐롤라이나, 리서치 트라이앵글 파크(Research Triangle Park, North Carolina)의 MTS Systems Corporation으로부터 입수할 수 있는 TEMPOSONICS 센서와 같은, 자기 변형 위치 센서가 왕복대 위치를 감지하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 어떤 특정 유형의 센서에 한정되지 않는다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제 2 의 바람직한 실시예가 묘사되는데, 여기에서 힘-감지 요소(50)가 암(44)에 의해 릴 스풀(26)에 가해지는 힘을 감지하기 위해 사용된다. 본 발명의 이 실시예에서, 직접 오목한 정도를 감지하고 왕복대 이동을 제어하기 위해 롤의 반경방향 두께와 함께 감지된 오목한 정도를 이용하는 대신에, 힘 센서(50)에 의해 측정된 힘이 왕복대 이동을 제어하기 위해 종이 롤의 감지된 반경방향 두께 또는 직경과 함께 이용된다.
따라서, 하류 암(44)은 릴 스풀(26)과 접촉하는 탄성 요소(50)를 지지한다. 예증된 실시예에서 탄성 요소는 하우징(housing) 또는 실린더(52)를 포함하고 이것 내부에, 다른 유형의 스프링이 사용될 수 있지만, 압축 코일 스프링(54)이 장착된다. 피스톤(56)은 실린더(52)의 개방 단부에 근접하여 스프링(54)의 단부에 부착된다. 피스톤(56)은 실린더내에 슬라이딩 가능하게 장착된다. 실린더(52)는 릴 스풀(26)의 반경을 따라 일반적으로 지향되는 실린더축(58)을 가지고 암(44)에 장착된다. 롤러 또는 휠(60)은 릴 스풀(26)과 구름 접촉하기 위해 피스톤(56)상에서 회전 가능하게 장착된다.
따라서, 암(44)과 릴 스풀(26) 사이에 가해지는 힘은 탄성 요소(50)를 통하여 그것의 축을 따라 전달되는 것이 인지된다. 따라서, 힘은 실린더(52)내에서 스프링(54)을 압축시키려는 경향이 있고, 힘이 클수록 스프링(52)의 더 큰 변형이 발생하며 힘이 작을수록 스프링의 더 작은 변형이 발생한다. 스프링은 공지된 스프링 상수를 가져서 스프링(52)의 길이는 암(44)과 릴 스풀(26) 사이에 가해지는 힘의 척도이므로, 모체 롤(25)과 릴 드럼(19) 사이에 부과되는 선형 닙 하중에 비례하거나 그것을 나타낸다.
거리 측정 장치(62)는 스프링(54)의 길이를 감지하기 위해 탄성 요소(50)에 근접하여 장착된다. 측정 장치(62)가 하우징(52)에 고착되어 도시되었지만, 그것은 그와는 달리 와인더(10)를 수용하는 구내의 벽이나 천정과 같은 다른 구조물에 고착될 수 있다. 바람직하지만, 필수적이지는 않은 것으로, 거리 측정 장치(62)는 레이저 변위 센서를 포함하고, 반사경(64)이 레이저광을 센서(62)로 다시 반사시키기 위해 피스톤(56)상에 장착된다. 기타 유형의 거리 측정 장치가, 상기에 열거된 장치들 중 어느 하나의 유형을 포함하여, 선택적으로 사용될 수 있다.
센서(62)는 제어기(66)에 연결되고 이것은 순차적으로 유압 액츄에이터(38)에 연결된 한쌍의 밸브(68, 도 2)에 연결된다. 제어기(66)는 소정의 한계내에서 센서(62)에 의해 지시된 힘을 유지하도록 센서(62)로부터 수신된 신호를 기초로 밸브(68)를 작동시키도록 프로그래밍된다.
본 발명에 따라, 선형 닙 하중이 일정하지 않고 다소 닙 하중이 성장하는 종이 롤의 반경방향 두께의 함수로서 변화하도록 권취를 제어함으로써, 특히 티슈와같은 부드러운 종이 등급에 있어서, 개선된 종이 특성이 얻어지는 것이 인지된다. 따라서, 센서(62)에 의해 지시되는 힘에 대한 설정값은 유리하게도 종이 롤(25)의 반경방향 두께 또는 직경의 함수이다. 이것 때문에, 제 2 실시예에 따른 권취 장치는 롤의 반경방향 두께 또는 직경을 감지하기 위한 위치 센서 또는 거리-측정 장치를 포함하는 것이 바람직하다. 상기된 센서들 중 어느 하나의 유형이 롤의 반경방향 두께 또는 직경을 감지하기 위해 사용될 수 있다. 추가적으로, 힘-감지 요소(50)는 본질적으로 로드 셀을 포함하므로, 기타 유형의 로드 셀이 바람직하다면 그것의 위치에 사용될 수 있다는 것이 인지된다. 예를 들어, 스웨덴, 카르스코가(Karlskoga, Sweden)의 Nobel Electronik AB로부터 입수할 수 있는 KOSD-40 또는 KISD-8 로드 셀이 릴 스풀에 대해 가압하는 롤러(60)의 샤프트에 도입될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 유압 액츄에이터(38)를 제어하기 위한 제어 시스템을 묘사한다. 제어 시스템 구성 요소는 종동측과 구동측 왕복대 모두에 대해서 도시된다. 제어기(66)는 힘-감지 요소 또는 로드 셀(50)에 가해지는 힘에 대한 설정값을 계산하기 위한 프로그래밍 가능한 논리 제어기 및/또는 컴퓨터(80), 및 유압 액츄에이터(38)가 종동측 로드 셀(50)에 의해 지시된 실제 힘과 0으로 설정된 값 사이의 오차를 조절하기 위해 종동측 왕복대를 이동시키도록 밸브(68)를 작동시키기 위한 제어기(82)를 포함한다. 따라서, 실제 힘 또는 "라인로드(lineload)"는 84로 표시되는 바와 같이 종동측 로드 셀(50)로부터 설정값 제어기(80)로 전달된다. 이와는 달리, "실제" 라인로드는 종동 및 구동측 로드 셀에 의해 지시되는 힘의 평균일 수 있다. 로드 셀(50)에 의해 지시되는 힘은 일반적으로 선형 닙 하중에 비례하지만, 많은 경우에 여러가지 이유 때문에 닙 하중과 동일하지 않은 것이 인지된다. 예를 들면, 롤러(60)는 종이 롤(25)의 중심으로부터 종이 롤과 릴 드럼(19) 사이의 접촉점을 통과하는 반경방향의 선과 정렬되지 않은 지점에서 릴 스풀과 접촉할 수 있다.
상기된 바와 같이, 라인로드에 대한 설정값은 유리하게도 종이 롤의 반경방향 두께 또는 직경의 함수이고, 라인로드와 롤 직경 사이의 소정의 상호관계를 기초로 제어기에 의해 계산되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제어기는 롤의 감지된 직경을 기초로 라인로드 설정값을 결정하기 위한 일람표 등으로 프로그래밍될 수 있다. 소정의 상호관계는 다른 종이 등급에 대해 일반적으로 다르고, 기타 인자에 의해서도 영향받을 수 있다는 것이 인지된다. 따라서, 위치 센서(86)가 각각의 유압 액츄에이터(38)에 설치되거나 그것과 연결된다. 종이 롤의 직경은 왕복대 위치의 함수이므로, 위치 센서(86)로부터의 신호는 롤 직경을 나타낸다. 이 위치 신호는 88로 표시되는 바와 같이 설정값 제어기(80)로 제공된다. 설정값 제어기(80)는 라인로드에 대한 설정값을 계산하고 90으로 표시되는 바와 같이 설정값을 제어기(82)로 전달한다. 설정값과 실제 라인로드 사이의 오차는 92에서 제어기(82)에 의해 측정되고, 오차 신호는, 0으로 라인로드 오차를 조절하기 위해 정정 신호를 발생시키는, 비례 적분 제어수단(94)으로 제공된다. 정정 신호는 디지털-대-아날로그 컨버터(digital-to-analog converter, 96)를 통해 전송되고 변환된 아날로그 신호는 종동측 액츄에이터(38)에 대한 밸브(68)로 제공되며, 밸브는 따라서 설정값으로 라인로드를 증가시키거나 감소시키기 위해 종동측 왕복대를 증량적으로 이동시키도록 액츄에이터(38)를 작동시키기 위해 증량만큼 개방되거나 닫힌다.
장치의 구동측에서, 위치 제어수단은 본질적으로 종동측 왕복대의 것과 동일하게 구동측 왕복대의 위치를 유지시키도록 사용된다. 따라서, 종동측 위치 센서(86)로부터의 실제 위치와 구동측 위치 센서(86)로부터의 실제 위치 사이의 오차는 98로 표시되는 바와 같이 제어기(82)내에서 측정되고, 오차 신호는, 구동측 액츄에이터(38)에 대한 정정 신호를 발생시키는, 비례 적분 제어기(100)로 제공된다. 정정 신호는 디지털-대-아날로그 컨버터(102)로 전송되며, 이것은 0으로 위치 오차를 조절하도록 구동측 액츄에이터(38)에 대한 밸브(68)로 아날로그 정정 신호를 제공한다.
위치 제어수단이 전체 권취 작업중에 릴 드럼(19)에 평행하게 릴 스풀(26)을 유지시키도록 구동측 왕복대에 대하여 사용되는 동안에, 새로운 릴 스풀이 상부(도 1에서 릴 스풀(26')로 표시됨)에 위치하고 종이 웹의 후미가 릴 스풀상으로 종이 권취를 개시하도록 새로운 릴 스풀을 감싸는 권취 개시에서, 제어기는 릴 스풀의 일단을 타단보다 릴 드럼에 더 근접하여 위치시키도록 프로그래밍되는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로 릴 스풀을 위치시키는 것은 스풀상의 후미의 권취를 용이하게 한다. 예를 들어, 릴 스풀의 일단은 릴 스풀의 타단보다 릴 드럼에 약 20 mm만큼 더 근접하여 위치될 수 있다.
릴 스풀(26)상의 종이의 권취가 도 1에서 26'으로 표시된 상부 위치의 릴 스풀로 개시되는 경우에, 종이 층들이 매우 얇아서 실질적인 오목부를 형성하지 않기때문에, 본 발명의 방법이 이용된다면 상기 위치에서 닙 하중의 제어는 어려울 수 있다. 따라서, 상부 위치에서의 권취 공정의 제어는, 릴 스풀상의 종이 층이 본 발명의 방법이 이용되게 할 만큼 충분한 두께를 가질 때까지, 변형률 게이지나 기타 힘 센서를 가지는 통상적인 닙 하중 제어와 같은, 다른 방법을 통해 달성될 수 있으며, 여기에서 본 발명의 방법에 따른 닙 하중의 시간 제어가 개시될 수 있다.
본 발명의 특정의 바람직한 실시예의 상기 설명으로부터, 본 발명은 닙 하중의 정확한 제어를 그것의 낮은 수준으로도 용이하게 하는 종이 와인더의 선형 닙 하중을 제어하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이 인지된다.
본 발명의 많은 변형 및 기타 실시예는 상기 설명 및 연관된 도면에서 제공되는 교시의 이익을 가지는 것을 본 발명이 속하는 당업자가 인지하게 될 것이다. 그러므로, 본 발명은 기술된 특정 실시예에 한정되지 않는 것과 변형 및 기타 실시예가 첨부된 청구항의 범위내에 포함되도록 의도된 것이 인지된다. 추가로, 특정 용어가 본문에 사용되지만, 그것들은 일반적이고 설명적인 의미로만 사용되고 한정하려는 목적으로 사용되지 않는다.

Claims (11)

  1. 종이 재료의 웹이 증가하는 직경의 롤을 형성하도록 권취되며, 회전 가능하게 장착된 릴 스풀;
    상기 릴 스풀에 근접하여 회전 가능하게 장착된 릴 드럼;
    상기 릴 드럼과 상기 릴 스풀 중 하나를 다른 것에 상대적으로 이동 가능하도록 지지하고 상기 릴 드럼과 상기 릴 스풀 중 하나를 닙이 그 사이에 형성되도록 다른 것에 근접하여 위치시키는 왕복대;
    상기 왕복대에 연결되며 상기 릴 드럼이 상기 닙에서 국부적으로 반경방향의 내측을 향해 종이 롤을 오목하게 하도록 서로를 향해 상대적으로 상기 릴 드럼과 상기 릴 스풀을 가압하는 상기 왕복대를 이동시키기 위해 작동 가능한 액츄에이터;
    상기 종이 롤을 향한 상기 릴 드럼의 반경방향의 오목한 정도를 나타내는 신호를 제공하는 센서 유닛; 및
    상기 센서 유닛과 상기 액츄에이터에 연결되며 상기 닙에서 상기 종이 롤을 향해 상기 릴 드럼의 반경방향으로 내측의 오목한 정도를 소정 한계내에서 유지시키도록 상기 왕복대를 이동시키는 상기 액츄에이터를 제어하기 위해 작동 가능한 제어기
    를 포함하는, 롤에 종이 재료의 웹을 권취시키기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 유닛은 상기 종이 롤의 직경을 감지하도록 작동 가능한 센서를 포함하며, 상기 제어기는 상기 종이 롤의 감지된 직경을 기초로 오목한 정도에 대한 한계를 결정하고 조절하도록 프로그래밍된 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 유닛은 상기 닙에서의 상기 종이 롤의 오목부의 반경방향 두께의 함수인 신호를 제공하는 제 1 센서, 및 상기 닙으로부터 이격된 비오목부의 영역에서의 상기 종이 롤의 반경방향 두께의 함수인 신호를 제공하는 제 2 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제 1 및 제 2 센서로부터 신호를 수신하고 상기 종이 롤을 향한 상기 릴 드럼의 오목한 정도를 계산하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 센서는 레이저 측정 장치와 초음파 측정 장치 중 적어도 하나를 포함하는 거리 측정 장치인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 유닛은
    상기 종이 롤의 비오목부의 두께를 나타내는 신호를 제공하는 제 1 위치 센서;
    상기 종이 웹이 상기 롤을 형성하도록 권취됨에 따라 상기 왕복대의 위치를나타내는 신호를 제공하는 제 2 위치 센서
    를 포함하며
    상기 제어기는 상기 제 1 및 제 2 센서로부터 신호를 수신하고 상기 신호를 기초로 상기 종이 롤을 향한 상기 릴 드럼의 오목한 정도를 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 위치 센서는 자기 변형 선형 변위 센서인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 위치 센서는 변형 가능한 요소인 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 릴 드럼과 릴 스풀 중 하나를 닙이 그 사이에 형성되도록 다른 것에 근접하여 위치시키는 단계;
    종이 재료의 웹이 증가하는 직경의 종이 롤을 형성하기 위해 상기 릴 스풀상에 권취되도록 상기 릴 드럼과 상기 릴 스풀을 회전시키는 단계;
    상기 릴 드럼이 상기 닙의 부근에서 상기 롤을 향해 오목하게 되도록 상기 릴 드럼과 릴 스풀 중 하나에 힘을 부여하는 단계;
    상기 종이 롤의 직경 및 상기 종이 롤을 향한 상기 릴 드럼의 오목한 정도와 상기 릴 드럼과 릴 스풀 중 하나에 부여되는 힘 중 적어도 하나를 감지하는 단계;및
    상기 오목한 정도와 부여된 힘 중 하나를 소정의 한계내에서 유지시킴으로써, 상기 릴 드럼과 상기 종이 롤 사이의 선형 닙 하중을 제어하도록 상기 릴 드럼과 릴 스풀 중 하나의 위치를 조절하는 단계
    를 포함하는, 롤에 종이 재료의 웹을 권취시키는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 감지 단계는 상기 종이 롤의 직경과 상기 종이 롤을 향한 상기 릴 드럼의 오목한 정도를 감지하는 단계를 포함하며, 상기 조절 단계는 상기 종이 롤의 직경이 증가함에 따라 상기 종이 롤을 향한 상기 릴 드럼의 오목한 정도를 소정의 한계내에서 유지시키도록 상기 릴 드럼과 릴 스풀 중 하나의 위치 및 상기 릴 드럼과 릴 스풀 중 하나에 부여되는 힘을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 감지 단계는 상기 종이 롤의 직경 및 상기 릴 드럼과 릴 스풀 중 하나에 부여되는 힘을 감지하는 단계를 포함하고, 상기 감지된 직경 및 힘과 상기 종이 롤의 직경 사이의 소정의 상호 관계를 기초로 감지된 힘에 대한 한계를 결정하는 단계를 더 포함하며, 상기 조절 단계는 상기 한계내에서 상기 감지된 힘을 유지시킴으로써, 상기 종이 롤의 직경의 함수로서 선형 닙 하중과 상기 종이 롤의 오목한 정도를 제어하도록 상기 릴 드럼과 릴 스풀 중 하나의 위치를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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