NL1010366C2 - Inrichting voor een nauwkeurige positieregeling van een krachtoverbrengend systeem. - Google Patents

Description

INRICHTING VOOR EEN NAUWKEURIGE POSITIEREGELING VAN EEN KRACHTOVERBRENGEND SYSTEEM

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor een nauwkeurige 5 positieregeling van een krachtoverbrengend systeem omvattende althans een vaste stof piëzo-actuator. Uit het Europese octrooischrift EP 0602492 is een walstuig bekend waarbij met behulp van piëzo-actuatoren de walsbuiging van een steunwals wordt geregeld. Behalve voor deze specifieke toepassing op een walstuig is de toepassing van piëzo-actuatoren ook denkbaar voor velerlei andere inrichtingen 10 waarbij een nauwkeurige positieregeling gewenst is van een krachtoverbrengend systeem. In deze aanvrage zal de uitvinding in het bijzonder worden beschreven aan de hand van een toepassing bij het koud- of warmwalsen van een metaalband. Tot dit toepassingsgebied is de uitvinding echter niet beperkt.

Als regel worden voor het aanleggen van de walskracht hydraulische systemen 15 of elektrisch aangedreven schroefspindels gebruikt. Een bezwaar van dergelijke systemen is erin gelegen dat relatief veel tijd vereist is voor het bereiken van een bepaalde uitslag van het verstelsysteem, en dat de nauwkeurigheid van de verstelling relatief gering is. Met de toepassing van piëzo-actuatoren wordt allereerst beoogd om een bepaalde gewenste uitslag van de positieregeling snel te kunnen bereiken. Verder 20 wordt beoogd een vooraf bepaalde gewenste uitslag van de positieregeling nauwkeuriger te kunnen bereiken. Verdere voordelen van het gebruik van een piëzo-actuator zijn van algemene bekendheid.

De toepassing van piëzo-actuatoren biedt echter naast voordelen ook duidelijk bezwaren. Een bezwaar bestaat daarin dat piëzo-elementen slechts een beperkte 25 axiale belasting kunnen verdragen. Hoewel op dit punt nog weinig zekerheid bestaat, wordt toch aangenomen dat een axiale belasting van een cirkelvormig piëzo-element met een diameter van ca. 50 mm niet groter dient te zijn dan 75 kN. Speciaal bij de dikteregeling bij het walsen van staal kunnen onverwachte pieken in de walskracht optreden, waardoor de piëzo-elementen ernstig beschadigd zouden kunnen raken.

30 Een ander probleem bij de toepassing van piëzo-elementen bestaat erin dat piëzo-elementen zeer zuiver axiaal belast moeten worden, en zeer gevoelig zijn voor beschadiging in geval van afwijkingen van de zuiver axiale belasting.

i U I ü J O b -2-

De uitvinding stelt zich nu ten doel een inrichting te verschaffen waarbij alle gewenste voordelen van het gebruik van piëzo-actuatoren kunnen worden benut onder vermijding van de gevolgen van de bezwaren verbonden aan deze toepassing. Andere voordelen, onder vermijding van bezwaren, door toepassing van de nieuwe 5 inrichting, worden in het hierna volgende verduidelijkt.

De inrichting volgens de uitvinding is er nu allereerst door gekenmerkt dat de piëzo-actuator een tussen eindplaten geplaatst metalen blok omvat met in de krachtrichting althans één kanaal in elk waarvan een gestapeld piëzo-element past, waarbij de hoogte van het blok korter is dan de lengte van de piëzo-elementen en 10 waarbij het hoogteverschil overeenkomt met de verkorting van de piëzo-elementen onder de maximaal daarop toelaatbare axiale belasting. Opgemerkt wordt hierbij dat onder een gestapeld piëzo-element wordt verstaan een aantal losse piëzo-elementen welke tot een staafvormig lichaam zijn gestapeld en, bijvoorbeeld door lijmen, tot een eenheid zijn gevormd. Door het gestapelde piëzo-element in een kanaal te 15 plaatsen kan het met zijn belastbare richting nauwkeurig in de krachtrichting van het systeem worden geplaatst. Indien de overgebrachte kracht het toelaatbare maximum dreigt te overschrijden worden de gestapelde piëzo-elementen zover ingedrukt dat zij niet meer buiten het blok uitsteken. Het blok zal dan verder de axiale kracht opnemen en daarbij de piëzo-elementen beschermen als gevolg van het feit dat het 20 blok een zeer veel hogere stijfheid bezit dan de piëzo-elementen. Het blok vervult hierbij als het ware de functie van een blokkeerveer.

Door volgens de uitvinding verder de piëzo-actuator dwars op de krachtrichting zodanig spelingsvrij in te bouwen in een element van het krachtoverbrengende systeem kan verder worden bereikt dat slechts een kracht in 25 axiale richting van de kanalen op de piëzo-elementen kan worden overgebracht. Iedere dwarskracht wordt hierbij door dit element opgevangen zonder dat een dwarskracht wordt overgedragen op de piëzo-elementen.

Gebleken is dat bij de vervaardiging van piëzo-elementen en het stapelen ervan geringe onderlinge lengteverschillen kunnen optreden. Deze lengteverschillen 30 kunnen met behulp van vulplaatjes tot binnen 50 pm verminderd worden. Voor een goede krachtgeleiding door de totale actuator kan althans een van de eindplaten als een taatslager zijn uitgevoerd.

-S

-3-

Walstuigen kunnen onderhevig zijn aan verschillen in temperatuur, terwijl veelal uitgebreid met koelvloeistof wordt gewerkt. De werking van piëzo-elementen is enigszins afhankelijk van de temperatuur, terwijl zij ook, met het oog op hun levensduur, zéér gevoelig zijn voor een overmatige blootstelling aan vocht. Verder is 5 de werking van het metalen blok, als blokkeerveer, sterk afhankelijk van de temperatuur ervan, dit omdat de uitzettingscoëfficiënt van staal circa een factor 3 groter is dan die van de keramische piëzo-elementen. Gebleken is dat al deze bezwaren volgens de uitvinding kunnen worden ondervangen indien de kanalen waarin de gestapelde piëzo-elementen zich bevinden, zijn aangesloten op een bron 10 van een gas voor de beheersing van de temperatuur en het vochtgehalte binnen de kanalen. Als regel zal hierbij lucht worden toegepast. Door lucht onder enige overdruk toe te voeren is het mogelijk gebleken om het doordringen van spatvloeistof tot de piëzo-elementen te vermijden.

In het meest ideale geval kan de walskracht volledig met de piëzo-elementen 15 worden opgevangen, waarbij overbelasting kan worden vermeden met behulp van het blok waarin deze elementen zijn geplaatst. Piëzo-elementen zijn echter kostbaar en nemen ruimte in. Indien beperkte ruimte beschikbaar is voor het plaatsen van piëzo-elementen is het volgens de uitvinding voordelig, indien de piëzo-actuator tevens is gekoppeld aan althans één voorspanveer met een geringe afhankelijkheid 20 van de voorspankracht van de slaghoogte van de piëzo-actuator. Door een deel van de walskracht door één of meer voorspanveren te laten opvangen kan het voor het plaatsen van piëzo-elementen benodigde volume kleiner gehouden worden, waarbij tevens kosten worden beperkt. Door het gebruik van voorspanveren met een relatief lage stijfheid wordt bereikt dat de voorspankracht in geringe mate afhankelijk is van 25 de slaghoogte van de piëzo-actuator, waardoor de werking van de piëzo’s weinig wordt geminderd door een deel van hun functie door voorspanveren te laten ovememen. Daar de voorspanveren slechts een zeer geringe slag hoeven te hebben verdient het aanbeveling om hen uit te voeren als hydraulische membraan actuatoren. Hiermee wordt een afdichtingsvrije en onderhoudsvrije constructie verkregen. Deze 30 voorspanveren kunnen tevens een lage stijfheid krijgen door hen te koppelen aan bijvoorbeeld een groot buffervat voor de hydraulische vloeistof.

Een verder aspect van de uitvinding bestaat daarin dat de piëzo-actuatoren en/of de voorspanveren zijn voorzien van hoogtesensoren. Van deze hoogtesensoren -4- afkomstige signalen kunnen daarbij worden toegevoegd aan de besturing van de elektrische bekrachtiging van de piëzo-elementen en/of van de hydraulische bekrachtiging van de voorspanveren. De voorspanveren kunnen daarbij optimaal actief gemaakt worden in het gebied van de positieregeling waarin de piëzo-5 actuatoren werkzaam zijn. Het signaal afkomstig van de hoogtesensoren in de piëzo-actuatoren kan direct worden gebruikt voor de besturing van de positieregeling.

De nieuwe inrichting is in het bijzonder goed toepasbaar gebleken indien de piëzo-actuator in een lagerhuis van een walstuig is ingebouwd.

De uitvinding zal vervolgens worden toegelicht aan de hand van enige figuren. 10 Fig. 1 toont schematisch de plaatsing en het functioneren van een piëzo- actuator in een walstuig.

Fig. 2 toont een piëzo-actuator in combinatie met voorspanveren, deels in aanzicht deels in doorsnede.

Fig. 3 toont het blok van een piëzo-actuator in detail.

15 Fig. 4 toont voorspanveren van opzij in langsdoorsnede.

In Fig. 1 is schematisch een walsinstallatie 1 in zijaanzicht getoond, welke uitgevoerd is overeenkomstig de uitvinding. Deze walsinstallatie 1 is grotendeels van gebruikelijke opbouw, zoals deze wordt ingezet voor het walsen van een band van aluminium of staal. Twee werkwalsen 2 bepalen een walsspleet 3. Elke werkwals 20 wordt gesteund door een steunwals 4. De afmeting van de walsspleet 3 is instelbaar met systeem 5. Systeem 5 omvat een schroefverstelling 6 voor relatief trage, grove verstelling in serie geschakeld met een piëzo-actuator 7, voor een bijvoorbeeld tot 60 Hz snelle, nauwkeurige verstelling met een onnauwkeurigheid van 0,5 pm over afstanden van bijvoorbeeld tussen 10 pm en 100 pm. De piëzo-actuator 7 heeft 25 daarbij de bij koudwalsen gebruikelijke walskrachten door te leiden, die ongeveer 5000 kN kunnen bedragen bij gebruik van de walsinstallatie voor walsen van een stalen band. De installatie kan een of meer sensoren 8 bevatten gekoppeld met een regelkring 9 om bijvoorbeeld door feed-back of feed-forward de afmeting van de walsspleet te besturen. Dergelijke regelkringen zijn van algemene bekendheid. 30 Bijvoorbeeld is een zodanig systeem beschreven in octrooischrift EP-B-0.3.91.658.

De piëzo-actuator 7 omvat althans 1 piëzo-element van piëzo-elektrisch materiaal, bijvoorkeur van een meerlaagstype.

1 C 1 03 o 6 -5-

In Fig. 2 is deels in aanzicht en deels in doorsnede een piëzo-actuator 7 afgebeeld, waarbij tussen de eindplaten 12 en 13 een metalen blok 11 is geplaatst waarin, in krachtrichting, een vijftal kanalen 14 zijn aangebracht. Binnen deze kanalen bevinden zich gestapelde piëzo-elementen 15. De stapels piëzo-elementen 5 15 hebben een hoogte van 170 mm en een diameter van 50 mm. Door over zo’n element een spanning van bijvoorbeeld 1000 Volt aan te leggen wordt een uitslag van 100 pm verkregen.

Piëzo-actuator 7 bevindt zich tussen de schroefspindelverstelling 6 en werk- of steunwals inbouwstukken. Opgemerkt wordt dat het ook mogelijk is de piëzo-10 actuator in te laten werken op de hydraulische vloeistof van een hydraulisch walsverstellingssyteem, bijvoorbeeld door de actuator op te nemen in een der wanden van het drukvat van het hydraulische systeem, zodat door de piëzo-actuator een verplaatsing van de hydraulische vloeistof en een drukverandering daarin wordt teweeggebracht, die leidt tot nauwkeurige verstelling van het walstuig.

15 De boveneindplaat 13 is afgedekt door een taatslager 16 (zie Fig. 2 en 3). Dit taatslager bestaat uit twee bolschijfoppervlakken, waardoor een goede krachtgeleiding in de totale piëzo-actuator, dus ook in de afzonderlijk piëzo-elementen 15 wordt gerealiseerd. De onderste eindplaat 12 is opgesloten in het actuatorblok 10, welk actuatorblok 10 zelf met een zeer geringe spelling is 20 verbonden met het lagerblok waarin wals 4 draait. Blok 11 is voorzien van een hoofdkanaal 17 hetgeen is aangesloten op een bron voor lucht, of een ander gas, onder druk. Via zijkanalen staat hoofdkanaal 17 in verbinding met de kanalen 14 waarin zich de piëzo-elementen 15 bevinden. Met behulp van de aldus door de kanalen 14 stromende lucht is het mogelijk om de piëzo-elementen op een constante 25 temperatuur te houden, en om het indringen van spatvloeistof te vermijden. Hiermee wordt verkregen dat de piëzo-elementen betrouwbaar en reproduceerbaar reageren op een aangelegde elektrische spanning.

Zoals in Fig. 2 is afgebeeld zijn op het actuatorblok 10 tevens voorspan veren 18 geplaatst. Deze voorspanveren kunnen een deel van de walskracht 30 opvangen, waardoor de piëzo-elementen minder zwaar belast worden.

Met minder piëzo-elementen kan hierdoor de walskracht worden opgevangen. Met verwijzingscijfer 19 zijn de plaatsen aangegeven waar sensoren 8 (zie Fig. 1) -6- kunnen worden geïnstalleerd, welke sensoren in de regelkring 9 kunnen worden opgenomen.

In Fig. 3 zijn verder details van het samenstel van blok 11 en de eindplaten 12 en 13 afgebeeld. Met name zijn daar uitstekende randen 20 van het blok 11 getoond 5 welke een nauwe passing mogelijk maken ten opzichte van actuatorblok 10. Hierdoor wordt voorkomen dat blok 11 kan kantelen ten opzichte van actuatorblok 10, en waardoor ook wordt voorkomen dat dwarskrachten op de piëzo-elementen overgedragen kunnen worden. Tussen blok 11 en de onderplaat 12 bevindt zich in onbelaste toestand van de piëzo-elementen een open spleet 21. Piëzo-element 15 10 licht daarbij dan aan tegen onderplaat 12 en bovenplaat 13. Pas wanneer de walskracht zo hoog wordt dat de piëzo-elementen onder de maximaal toelaatbare druk komen te staan, zal de luchtspleet 21 gesloten zijn. Dan blokkeert het aanliggen van onderplaat 12 tegen blok 11 een verdere spanningsverhoging in het piëzo-element.

15 In Fig. 4 is schematisch in langsdoorsnede een tweetal hydraulische voorspanveren 18 afgebeeld. Tussen deze veren 18 en een hydraulische ruimte 23 bevindt zich een membraan 22. De voorspanveren 18 kunnen het membraan tegen de oliedruk wegdrukken. Door hydraulisch systeem 23 op een voldoend groot buffervat aan te sluiten (niet afgebeeld) kan een hydraulische veer met geringe stijfheid 20 worden gerealiseerd. Dat wil zeggen dat bij verplaatsing van de hydraulische voorspanveren 18 de hydraulische tegendruk slechts in geringe mate toeneemt, waardoor het effect van de piëzo-actuator slechts in geringe mate wordt verminderd. Wel nemen de voorspanveren een deel van de gehele walskracht op. Bij een maximale slag van de piëzo-elementen van bijvoorbeeld 100 pm kunnen de 25 hydraulische voorspanveren bijvoorbeeld een slag hebben van 250 pm. Om deze slag van 250 pm geheel het werkgebied van de piëzo’s te doen omvatten kunnen de hydraulische voorspanveren 18 door middel van vulplaten tot de goede hoogte worden aangevuld.

Bij een uitvoeringsvorm van een piëzo-actuator van het toegelichte type werd 30 geconstateerd dat de maximale slag van de piëzo-actuator bij frequenties tot ongeveer 60 Hz 100 pm was. Bij toename van de frequentie tot 100 Hz is de maximale slag vermindert tot ongeveer 50 pm.

i o $ o o -7-

Gebleken is dat hierdoor de piëzo-actuator ruim voldoende slag heeft om normale omrondheden van de walsen weg te regelen. Deze liggen namelijk bij de gebruikelijk koudwalsinstallaties in de orde van 70 μηι.

Veel koudwalsinstallaties voor staal vertonen ook een bromfrequentie. Veelal 5 ligt deze bromfrequentie rond de 200 Hz. Bij deze frequentie is gebleken dat de piëzo-actuator nog voldoende slag heeft om effectief als trillingsisolator te kunnen worden gebruikt. Zelfs tot een frequentiebereik tot 500 Hz heeft de piëzo-actuator nog de mogelijkheid de positie van de walsen te regelen, waar dit bij de gebruikelijke hydraulische regelingen reeds ophoudt bij frequenties tot 20 Hz.

Claims (9)

1. Inrichting voor een nauwkeurige positieregeling van een krachtoverbrengend systeem omvattende althans één vaste stof piëzo-actuator (7), met het kenmerk, 5 dat de piëzo-actuator (7) een tussen eindplaten (12, 13) geplaatste metalen blok (11) omvat met in de krachtrichting althans één kanaal (14) in elk waarvan een gestapeld piëzo-element (15) past, waarbij de hoogte van het blok (11) korter is dan de lengte van de piëzo-elementen (15) en waarbij het hoogteverschil overeenkomt met de verkorting van de piëzo-elementen (15) onder de 10 maximale daarop toelaatbare axiale belasting.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de piëzo-actuator (7) dwars op de krachtrichting zodanig spelingsvrij in een element van het krachtoverbrengend systeem is ingebouwd dat slechts een kracht in axiale 15 richting van de kanalen (14) op de piëzo-elementen (15) kan worden overgebracht.

3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat althans één van de eindplaten (12, 13) als een taatslager is uitgevoerd. 20

4. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de kanalen (14) zijn aangesloten (17) op een bron van een gas voor de beheersing van de temperatuur en het vochtgehalte binnen de kanalen.

5. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de piëzo-actuator (7) tevens is gekoppeld aan althans een voorspanveer (18) met een geringe afhankelijkheid van de voorspankracht van de slaghoogte van de piëzo-actuator (7).

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de voorspanveren (18) hydraulische membraanactuatoren zijn. i U ; ΐ,-· '.J o- O -9-

7. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de piëzo-actuator (7) en/of de voorspanveren (18) voorzien zijn van hoogtesensoren (8) waarvan het signaal wordt toegevoerd aan de besturing van de elektrische bekrachtiging van de piëzo-elementen en/of van de hydraulische 5 bekrachtiging van de voorspanveren (18).

8. Inrichting volgens een de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het krachtoverdragend systeem een walstuig (1) is.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de piëzo-actuator in een lagerhuis is ingebouwd.