專利名稱：卷紙裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及造紙，更具體地說是涉及在造紙過程中用于把紙張卷繞到一母卷上的裝置和方法。
在紙張的生產(chǎn)期間，來自造紙裝置干燥端區(qū)域的干燥的紙張最初被卷繞在卷軸上形成母卷，該母卷一般被暫時儲存起來，以便對它進(jìn)行進(jìn)一步的處理。隨后，對母卷進(jìn)行退繞，并把紙張轉(zhuǎn)變成最終的產(chǎn)品形式。
在把紙張卷繞成大母卷期間，非常重要的是要使紙卷以這樣的方式被卷繞，即該卷繞方式應(yīng)能防止紙卷中出現(xiàn)大缺陷，并且該卷繞方式應(yīng)能有效地把紙卷轉(zhuǎn)變成最終產(chǎn)品，無論這種最終產(chǎn)品是成盒的面巾紙，還是成卷的浴巾，還是壓印紙毛巾或類似物。理想的情況是，母卷基本為一圓筒形，具有一光滑的圓筒形主表面和兩個光滑的平的平行端面。圓筒形主表面和端面應(yīng)沒有波紋、突起、起伏不平、偏心、起皺等缺陷，或者換句話說，紙卷應(yīng)“尺寸正確”。同時，紙卷的形狀必須穩(wěn)定，以便在存儲或常規(guī)處理期間紙卷不會偏離它的圓筒形狀?；蛘邠Q句話說，紙卷應(yīng)“尺寸穩(wěn)定”。如果因高速轉(zhuǎn)變而使得紙卷不穩(wěn)定，那么紙卷的缺陷就會使整個紙卷報廢。
不正確地把紙張卷繞到母卷上會造成許多缺陷，特別是當(dāng)卷繞高松密度的(high bulk)、易壓縮的、柔軟的薄棉紙時更會造成許多缺陷。在1973年Tappi，Atlanta，GA 1973漁會會刊上，W.J.Gilmore所著的文章“關(guān)于卷紙缺陷術(shù)語的報告-TAPPI CA1228”第5～19頁中討論了大量的這些紙卷缺陷，并用圖片加以顯示。在紙卷芯軸附近的紙張壓力不夠時會使紙卷的外區(qū)域向內(nèi)壓縮紙卷，導(dǎo)致一些星狀皺褶，這些星狀皺褶通常被稱作“星狀花紋”，在1993年英國Leatherhead，PiraInternational，Ed.C.F.Baker，1993年9月的“造紙產(chǎn)品-牛津第十屆基礎(chǔ)研究研討會”論文集的卷2中，James K.Good的“卷筒紙科技”第855～881頁中描述了這些星狀花紋的情況。此外，星狀花紋會造成芯軸周圍的壓力被釋放，而這些壓力在正常情況下能在芯軸與鄰近紙層之間提供足夠的摩擦。這種摩擦的喪失會導(dǎo)致芯軸“打滑”或“伸縮”，在這種情況下，紙卷的大部分(除了芯軸附近的幾層和最外區(qū)域的幾層之外)相對于紙卷軸線向一側(cè)整體移動，使得該紙卷變得不可用。
目前市場上買得到的帶有中心輔助驅(qū)動器類型的硬壓卷軸已被成功地用于卷繞松密度多達(dá)約8～10立方厘米/克的可壓縮薄棉紙，同時可以通過對芯軸的中心輔助驅(qū)動器的調(diào)節(jié)，減小輥隙壓合力，并主要依靠對紙張內(nèi)部的應(yīng)力(in-going web tension)的控制，來避免上述的一些卷繞問題。這種類型的硬壓卷軸在1991年于瑞典Karlstad舉行的造紙研討會上T.Svanqvist的“軟薄棉紙卷軸設(shè)計”有所描述。然而，當(dāng)采用這種方法卷繞松密度為9立方厘米/克或更高的具有高度軟性的薄棉紙時，其中的這種卷筒紙的特征是例如每3英寸樣品寬度上MD最大傾斜約為3千克或更小，就又會產(chǎn)生這些卷繞問題。當(dāng)要卷繞直徑約70英寸～150英寸或更大的大紙卷時，尤其是在高速卷繞情況下，這些卷繞問題就更為突出。
不想受理論的束縛，可以相信，當(dāng)紙張進(jìn)入母卷與一壓輥之間的輥隙時，除了內(nèi)部紙張應(yīng)力外，還有兩個主要因素會影響所卷繞成的紙卷內(nèi)的最終應(yīng)力。第一個因素是，位于輥隙內(nèi)的母卷部分會發(fā)生變形，輥隙處的半徑變得小于未變形的母卷半徑。母卷從它的經(jīng)變形的半徑膨脹到未經(jīng)變形的半徑會拉伸紙張，并導(dǎo)致進(jìn)入輥隙的紙張的內(nèi)部應(yīng)力顯著地從它的設(shè)定應(yīng)力開始增大。
另一個影響因素就是有時被稱作“二次卷繞”效應(yīng)。一部分紙張在第一次經(jīng)過母卷與壓輥之間的輥隙之后，被加入到一紙卷上。然后這部分紙張在母卷的每次轉(zhuǎn)動時重復(fù)地經(jīng)過輥隙，從而使得更多的紙層被加在外徑上。隨著紙卷表面附近的每個點再次進(jìn)入輥隙時，紙張被輥隙壓力壓縮，使得紙張的層與層之間空隙內(nèi)的空氣被排出。這能減小層與層之間的摩擦，從而足夠允許這些層更緊密地卷繞在內(nèi)層上，這在Erickkson等人所著的“紙卷內(nèi)的變形”第55～61頁，Lemke等人在1987年第一屆卷繞技術(shù)國際大會會刊上所著的“在雙卷筒卷繞機上卷繞大直徑新聞紙卷的影響因素”中第79～87頁有所描述。
隨著每個紙層被加到母卷上，每個紙層中的應(yīng)力產(chǎn)生一個由外紙層作用于其下部紙層上的一個壓縮力，因此，來自外紙層的壓縮的累積效果通常導(dǎo)致芯軸周圍區(qū)域上的紙張具有最高的層間的壓力。二次卷繞會進(jìn)一步加大這個壓力。眾所周知，軟的薄棉紙在受到壓縮時會屈服，從而在一定程度上吸收了部分增大的壓力，使得軟紙失去變形的能力。于是，累積壓力能以一個急劇上升的速度上升到一個過高的水平，使得從母卷上退繞下來的的紙張的特性變化極大。
不幸的是，盡管能成功地防止尺寸穩(wěn)定性問題，但是按傳統(tǒng)卷繞方式所形成的母卷的內(nèi)部壓力和沿半徑存在的紙張應(yīng)力梯度能導(dǎo)致紙張在性能方面發(fā)生不期望的變化。在某些區(qū)域上的很高的應(yīng)力在卷繞期間會造成機器方向拉伸的部分被拉出，很高的內(nèi)部壓力導(dǎo)致松密度的喪失。在退繞時，在輥隙內(nèi)和輥隙之后，由很高的應(yīng)力拉伸得越多的區(qū)域，其比重就越小，這是由于紙張的縱向拉伸的緣故。
紙張的這種重要特性的變化會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的變化，并使轉(zhuǎn)變操作變得很困難。
根據(jù)上述的由T.Svanqvist所描述的方法，只能在一定程度上補償內(nèi)部壓力的增長。當(dāng)紙張材料的密度和強度被降低得比所引用的值小很多時，在卷繞裝置內(nèi)的摩擦力的值的不穩(wěn)定性以及那些在卷繞紙卷時會變化的其它因素使得很難進(jìn)行精確控制輥隙荷載。另外，卷繞過程的失控會導(dǎo)致張力梯度被反過來，這會導(dǎo)致前面所說的星狀花紋和打滑問題的產(chǎn)生。
在傳統(tǒng)的輥隙卷繞過程中，由一對液壓驅(qū)動器把卷軸(reel spool)壓入，使其與卷鼓(reel drum)接合。在液壓驅(qū)動器上安裝拉力計量器型的傳感器，對驅(qū)動器內(nèi)的拉力數(shù)值進(jìn)行監(jiān)測，然后用這個數(shù)值來確定卷鼓與漸增的紙卷之間的輥隙荷載。雖然這種結(jié)構(gòu)是一種較好的結(jié)構(gòu)，因為它有著輥隙卷繞所附帶的優(yōu)越性(即，在卷紙內(nèi)可獲得足夠高的應(yīng)力)，但是這結(jié)構(gòu)難以精確地維持并控制輥隙荷載(由于前面所述的原因，這個間隙荷載是非常重要的)。傳統(tǒng)的拉力計量傳感器的局限性和裝置的摩擦力的不確定性(例如，液壓驅(qū)動器或相連的用于移動卷軸的托架的滑動摩擦的變化)限制了輥隙荷載的精確性，這個輥隙荷載的精確性又限制了母卷的質(zhì)量和大小以及能被卷繞的紙的類型。為了在更換過程中提高輥隙荷載控制的精確性，人們已經(jīng)做了很多的努力來解決這個問題，如在公開的Olsson的PCT申請WO 97/22543中就有所描述。Olsson試圖在更換期間改善輥隙荷載的控制，當(dāng)一新的卷軸被移動入位和紙開始被卷繞到該新的卷軸上時，通過在主臂和輔臂上安裝力傳感裝置，以便在更換期間直接測量輥隙荷載。但是，Olsson沒有解決在卷繞操作期間精確控制輥隙荷載的問題，尤其是對于諸如薄棉紙的軟紙型的紙，對于一給定的輥隙荷載來說，隨著紙卷上的紙的厚度的增大，卷鼓壓入紙卷的壓入量不斷地變化。在更換過程中有用的輥隙荷載控制方案對于卷繞操作就不一定是最優(yōu)的了。
因此，在這個行業(yè)領(lǐng)域中，需要這樣的卷繞裝置，即這種卷繞裝置能被用于各種等級的紙，包括象薄棉紙這樣的柔軟而精制等級的紙。這種裝置不僅應(yīng)具有輥隙卷繞的優(yōu)點，而且還應(yīng)提供精確有效的輥隙荷載，從而改善母卷的質(zhì)量和大小。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施例中的裝置和方法可以滿足上面所提到的需要。在這個優(yōu)選的實施例中，包括一可轉(zhuǎn)動安裝的卷軸，卷紙材料被卷繞到該卷軸上形成直徑漸大的紙卷；一卷鼓，可轉(zhuǎn)動地被安裝在卷軸附近。一托架支撐著卷鼓和卷軸中的一個，從而能相對于另一個進(jìn)行移動，并把卷鼓和卷軸中的一個定位在另一個附近，從而在卷軸和卷鼓之間形成一輥隙。當(dāng)紙張被卷繞時，托架使卷鼓與正被卷繞的紙保持接觸?？梢圆僮髋c托架相連的一驅(qū)動器使托架移動，相向推動卷鼓和卷軸，從而使卷鼓向紙卷上施加一線性輥隙荷載，于是在輥隙處局部地把紙卷沿徑向向內(nèi)壓縮該紙卷。
對于給定的紙型，在紙卷的徑向厚度、由卷鼓造成的紙卷的徑向壓入量(indentation)和線性輥隙荷載之間會有一種相互關(guān)系。根據(jù)本發(fā)明，為了使紙卷質(zhì)量最優(yōu)，徑向壓入量可以從零變化到一預(yù)定值，這個預(yù)定值可以根據(jù)經(jīng)驗來獲得，它可以是紙卷厚度的一個函數(shù)。例如，當(dāng)紙卷剛開始形成時，在卷軸上只有幾層紙，因此所期望的壓入量可以幾乎為零，這與所期望的輥隙荷載幾乎為零是相對應(yīng)的。隨著紙卷厚度的增大，所期望的壓入量的值也更大，以便控制紙卷的尺寸穩(wěn)定性和紙卷的質(zhì)量。
因此，例如根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，通過把一期望的壓入量設(shè)計成紙卷徑向厚度的函數(shù)，從而可用控制器控制卷軸和卷鼓的相對位置。利用一傳感器單元來測量參數(shù)，從這些參數(shù)可以推導(dǎo)出紙卷的厚度和徑向壓入量。從而可以大大改善紙的卷繞參數(shù)，并使退繞的紙卷的性能變化達(dá)到最小。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，傳感器單元最好包括一第一傳感器和一第二傳感器，其中的第一傳感器提供一指示卷鼓和卷軸相互位置的信號，其中的第二傳感器提供一指示與輥隙間隔開處的紙卷的未經(jīng)壓入的徑向厚度的信號。通過對來自這兩個傳感器的信號進(jìn)行比較來確定這個壓入量。不同類型的光學(xué)傳感器、聲音傳感器、和/或電磁傳感器均可被采用，包括激光距離或線性位移測量裝置，超聲距離或線性位移測量裝置、和/或磁致伸縮線性位移測量裝置。這個壓入量被用作一個控制參數(shù)，用于控制卷軸相對于卷鼓的定位，以便使這個壓入量保持在所期望的壓入量的設(shè)定的允許誤差內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個可供選擇的實施例，這個發(fā)明構(gòu)思的一種變型就是測量作用在卷軸與卷鼓之間的力，這個力與直線輥隙荷載成正比，利用這個力和紙卷的徑向厚度或直徑來控制卷軸相對于卷鼓的定位。對于一給定的紙等級，直線輥隙荷載、壓入量、紙卷的徑向厚度或直徑都是相互聯(lián)系的。因此，確定了其中任何兩個參數(shù)，就可以確定出第三個參數(shù)。因此，在上面所描述的第一實施例中，壓入量是被作為紙卷徑向厚度的一個函數(shù)來被控制的，從而把直線輥隙荷載作為徑向厚度的一函數(shù)來被控制。另外一個可選的方案是，根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，一個與直線輥隙荷載成正比的力被作為紙卷的徑向厚度或直徑的函數(shù)來被控制，從而實現(xiàn)對作為紙卷徑向厚度或直徑的函數(shù)的壓入量予以控制。
可以利用各種類型的力傳感元件來測量與線性輥隙荷載成正比或指示這個線性輥隙荷載的力。例如，本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例包括一彈性元件，該彈性元件被設(shè)置成使作用在托架上的力產(chǎn)生線性輥隙荷載，從而造成該彈性元件發(fā)生可測量的變形。有利的是，該彈性元件包括一彈簧或荷載傳感器。當(dāng)托架可移動地支撐著卷軸并且卷鼓是靜止時，彈簧或荷載傳感器被連接在托架與卷鼓之間，輥隙荷載的變化導(dǎo)致彈簧或荷載傳感器變形的變化，這種變形與紙卷的徑向厚度或直徑同時被監(jiān)測，以便控制托架的移動，從而控制輥隙荷載。
根據(jù)本發(fā)明，卷繞在一卷繞機上的母卷具有這樣的內(nèi)部壓力分布，即，芯軸區(qū)域的峰壓所達(dá)到的數(shù)值小于傳統(tǒng)卷軸所獲得的峰壓，然而這個峰壓足夠維持進(jìn)行正常處理的機械穩(wěn)定性。用本發(fā)明中的方法所獲得的母卷在芯軸附近具有一內(nèi)部壓力，這個內(nèi)部壓力減小到一定的水平，然后呈現(xiàn)出一個基本為平的壓力分布圖的特殊區(qū)域，除了在該紙卷的外部表面的上的壓力不可避免的下降到一個低壓外。因此，顯著地改善了整個母卷的紙的性能的均勻性。
通過下面對特定的優(yōu)選實施例的描述，并結(jié)合附圖，可以更清楚的理解本發(fā)明的上述和其它發(fā)明目的、技術(shù)特征及其優(yōu)越性。在附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的卷繞裝置的側(cè)面正面圖，該卷繞裝置包括一些用于測量紙卷的未經(jīng)壓入的和經(jīng)壓入的徑向厚度或直徑的傳感器，以便推導(dǎo)出紙卷的徑向壓入量；圖2是圖1所示裝置中卷鼓、卷軸和托架的側(cè)面示意正面圖，表示出了未經(jīng)壓入的和經(jīng)壓入的紙卷厚度，圖中還表示出了一用于控制驅(qū)動器操作的控制器和一些閥，其中的這個驅(qū)動器使托架相對于卷鼓移動；圖3是表示根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實施例的一彈性元件的放大的剖面圖，該彈性元件用于監(jiān)測一個與直線輥隙荷載成正比或指示這個荷載的力，這個力被用于控制壓入量和輥隙荷載，這個壓入量和輥隙荷載是母卷的徑向厚度或直徑的一個函數(shù)；圖4是根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實施例的一控制圖，表示出了一控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于控制卷繞裝置的二次卷繞系統(tǒng)的驅(qū)動側(cè)(drive side)和從動側(cè)(tending side)托架的位置。
下面將參照附圖來更全面的描述本發(fā)明，附圖中表示出了本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例。然而本發(fā)明也可以采用許多種不同的形式來實施，因此本發(fā)明不應(yīng)被解釋為僅局限于在此所描述的實施例。相反，提供這些實施只是向本領(lǐng)域普通技術(shù)人員完整徹底地公開并說明本發(fā)明范圍。相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。
圖1中表示出了根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的造紙機的一卷繞裝置10。一干燥的紙張15在一傳統(tǒng)的造紙機上被形成并被送進(jìn)卷繞裝置10。應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明可采用皺紙造紙機或采用非皺紙造紙機。此外，盡管本發(fā)明很可能最適合于卷繞薄棉紙等級的紙，但是本發(fā)明也可以用于卷繞其它等級的紙。紙張15通過一對導(dǎo)輥14被送進(jìn)，經(jīng)過一卷鼓19被送到一卷軸26，該卷軸26由作用在卷軸的軸桿上的一中央驅(qū)動馬達(dá)(圖中未示)驅(qū)動。開始進(jìn)行把紙張卷繞到卷軸上，與此同時，卷軸位于一對主臂27內(nèi)，如圖中卷鼓19上部位置的卷軸26′所示。附圖標(biāo)記26，26′，26″表示操作期間處于三個位置中的卷軸。如圖所示，隨著母卷25的增大，一新的卷軸26′準(zhǔn)備進(jìn)入到卷繞位置。當(dāng)母卷25達(dá)到它的預(yù)定直徑時，這個新的卷軸26′被主臂27下放入位，使它抵靠著可轉(zhuǎn)動的卷鼓19。當(dāng)新的卷軸位于圖1所示的上部位置時，最好但并不是必須是把紙張15從完全卷滿的卷軸26傳送給新的卷軸26′，紙張從母卷25被切斷，并開始把紙張卷繞到新的卷軸26′上。然后把卷好的母卷25和卷軸26沿著一對軌道28被逐出到下游，直到卷軸26達(dá)到阻擋件30為止。新的卷軸26′被下放到一卷繞位置，在這個卷繞位置處，卷軸26′通常處于與卷鼓19相同的水平線上，即，使得新的卷軸26′占據(jù)先前由卷好的卷軸26所占據(jù)的位置。
在卷繞位置把紙張卷繞到卷軸26上是通過維持在一對輔助臂42和44內(nèi)的卷軸2 6來進(jìn)行的，輔助臂42和44在卷軸26的相反端部被可移動地安裝在兩個輔助托架37(圖1中只能看見1個)中的每一個上。托架37在水平方向上能沿著一軌道裝置40移動，從而使得托架能移向和移離卷鼓19。一液壓驅(qū)動器38與每個托架37相連，用于使托架37水平移動，從而使卷軸26移向和移離卷鼓19。尤其是，隨著母卷25的增大，驅(qū)動器38被操作，使卷軸26移離卷鼓19，從而以期望的方式控制卷鼓19作用在母卷25上的輥隙荷載。
圖2更詳細(xì)地描述了根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施例用于控制托架37的移動的系統(tǒng)元件。盡管將對托架37中的一個托架和控制系統(tǒng)進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)知道，另一個托架也包括一類似的用于控制該托架移動的系統(tǒng)。正如上面所提到的那樣，托架37在一些水平軌道40上可以移動，圖中示意性地表示出了這些水平軌道。托架可轉(zhuǎn)動地支撐著一對臂42和44。上游的臂42由連接在該臂與托架37之間的一驅(qū)動器46可轉(zhuǎn)動地移動。類似地，下游臂44由連接在該臂與托架之間的一驅(qū)動器48可轉(zhuǎn)動地驅(qū)動。上游的臂42在卷繞過程期間實際上是不動作的，但是在母卷完成卷繞之后被操作，以把卷好的紙卷25和卷軸26沿著軌道28被逐出到阻擋件30(見圖1)。下游的臂44在卷繞過程期間起作用，以防止母卷25和卷軸26移離卷鼓19。
為了在卷繞過程期間控制母卷25的壓入量和輥隙荷載，該裝置包括一些用于監(jiān)測母卷在輥隙處的壓入量的傳感器，來自這些傳感器的信號被用于控制托架的移動，從而控制壓入量和輥隙荷載。因此，一第一傳感器70被恰當(dāng)?shù)匕惭b，例如被安裝到容納該裝置的建筑物的天花板C上，用于監(jiān)測在母卷未經(jīng)壓入的區(qū)域與輥隙72間隔開的母卷25的未經(jīng)壓入的徑向厚度Ru?？梢杂酶鞣N不同的方法來確定未經(jīng)壓入的徑向厚度Ru，例如通過監(jiān)測從傳感器70到母卷25表面的距離，然后用已知的從傳感器70到卷軸26表面的距離減去這個監(jiān)測到的距離。一第二傳感器74被恰當(dāng)安裝，用于監(jiān)測母卷25在輥隙72處的經(jīng)壓入的徑向厚度Rc。這個經(jīng)壓入的厚度Rc與卷鼓19和卷軸26之間的相對位置直接相關(guān)，因此，通過用各種方法監(jiān)測它們的相對位置就可以確定這個經(jīng)壓入的厚度Rc。例如，傳感器74可以監(jiān)測卷鼓19與卷軸26中心之間的距離，或者監(jiān)測其中一個的中心與另一個的表面之間的距離，等等，其中任何一種距離都可用于推導(dǎo)出這個經(jīng)壓入的徑向厚度Rc。另一種方案是，可以把一位置傳感器設(shè)置在用于移動托架37的液壓驅(qū)動器38內(nèi)或與該液壓驅(qū)動器相連，由這個傳感器所指示的托架的位置能被用于推導(dǎo)出經(jīng)壓入的徑向厚度Rc。
傳感器70和74被連接在一控制器66上。根據(jù)從傳感器70，74接收到的信號，控制器編程地確定母卷2 5的徑向壓入量ΔR?？刂破魍ㄟ^對閥68進(jìn)行操作從而制驅(qū)動器38，以便把徑向壓入量ΔR保持在預(yù)定的范圍圍內(nèi)。這個預(yù)定的范圍可以是紙張15的已知壓縮率、母卷25的經(jīng)壓入的徑向厚度Rc以及其它參數(shù)的一個函數(shù)。
卷鼓19可以被模制成基本上是不可壓縮的。在其它的情況下，有可能要用具有已知的有限壓縮率(該壓縮率通常小于紙卷的壓縮率)的卷鼓19，卷鼓的壓縮率也可以是確定驅(qū)動器38的正確位置從而提供所期望的輥隙荷載的一個參數(shù)。
如果需要的話，能根據(jù)卷鼓19和卷軸26位置的瞬時值、紙卷上的紙的未經(jīng)壓入的徑向厚度Ru以及紙和/或卷鼓的壓縮率連續(xù)地計算實際的輥隙荷載。但并不是必需連續(xù)地計算這個實際的輥隙荷載，僅為控制器設(shè)置一檢查表，在這個檢查表中建立所監(jiān)測到的徑向壓入量ΔR與期望的液壓驅(qū)動器位置之間的直接關(guān)系，這樣就能更經(jīng)濟地獲得合理的精度。
可以采用各種類型的傳感器70，74，包括激光式的距離或深度傳感裝置，采用諸如激光三角測量技術(shù)；激光白光或多波長莫爾條紋干涉測量法，這在Kevin Harding的1993年11月《激光和應(yīng)用》第73至78頁中的“用于工業(yè)檢測的莫爾條紋干涉法”和Albert J.Boehnlein的在1991年12月3目的美國專利No.5,069,548“場變換莫爾系統(tǒng)”(Field ShiftMoire System)中進(jìn)行了描述；超聲監(jiān)測，包括在L.C.Lynnworth波斯頓學(xué)術(shù)出版社1989年的“用于過程控制的超聲測量”中所描述的方法，尤其是測量從固體表面反射的超聲波遲延時間的方法；微波和雷達(dá)波反射方法；確定距離的電容方法；渦流變換方法；用于測量深度的單相機立體成像法，這在T.Lippert的光學(xué)顯示系統(tǒng)II學(xué)報SPIE第1117冊第52頁至55頁(1989)中的“徑向雙眼視差三維成像”中被描述了；用于測量深度的多相機立體成像法，這在N.Alvertos的機器視眼的照亮和圖像監(jiān)測IV(Illumination and Image Sensing for Machine Vision IV)，論文集SIPE，第1194冊，第276至286頁(1989)光學(xué)中的“立體相機幾何積分”(Integration of Stereo Camera Geometries)中有所描述；接觸探測器，如輥，輪，金屬帶和其它的其位置和傾斜度能被直接測量的裝置；等等。
正如前面所提到的那樣，還可以在驅(qū)動器38內(nèi)部或附近設(shè)置一位置或線性位移傳感器，使得托架37的位置或托架37的線性移動的長度能被監(jiān)測并被轉(zhuǎn)換成一經(jīng)壓入的紙卷徑向厚度。例如，可利用磁致伸縮的位置傳感器，如可從北卡羅萊納州(North Carolina)的MTS系統(tǒng)三角公園研究公司(MTS Systems Corporation of research Triangle Park)買到的TEMPSONICS傳感器，來監(jiān)測托架位置。但是，本發(fā)明并不局限于任何具體類型的傳感器。
參照圖3來對本發(fā)明的第二個實施例進(jìn)行描述。在這個實施例中，利用一力傳感元件50來監(jiān)測由臂44作用在卷軸26上的力。在本發(fā)明的這個實施例中，不是直接監(jiān)測壓入量并利用所監(jiān)測到的壓入量和紙卷的徑向厚度一起來控制托架的移動，而是利用由力傳感器50所監(jiān)測到的力和所監(jiān)測到的紙卷的徑向厚度或直徑一起來控制托架的移動。
因此，下游的臂44支撐著與卷軸26接觸的一彈性元件50。盡管圖示實施例中的彈性元件包括一腔體或缸體52，其內(nèi)裝有一壓縮的螺旋彈簧54，但是也可以利用其它類型的彈簧。一活塞56連接在缸體52一開口端附近的彈簧54的端部上。活塞56可滑動地安裝在缸體內(nèi)部。缸體52被安裝到臂44上，使缸體的軸線58大致沿著卷軸26的半徑方向。一輥或輪60可轉(zhuǎn)動地被安裝在活塞56上，用于與卷軸26滾動接觸。
因此，應(yīng)當(dāng)知道，作用在臂44和卷軸26之間的力通過彈性元件并沿著其軸線被傳遞。因此，這個力在缸體52內(nèi)傾向于壓縮彈簧52，這個力越大，所造成的彈簧52的變形也就越大，這個力越小，所造成的彈簧的變形也就越小。由于彈簧有一個已知的彈性常數(shù)，因此彈簧52的長度就可度量作用在臂44與卷軸26之間的力，從而這個長度是與作用在母卷25與卷軸26之間的線性輥隙荷載成正比或由其指示的。
一距離測量裝置62被安裝在彈性元件50附近，用于監(jiān)測彈簧54的長度。盡管知道測量裝置62是被固定在殼體52上，但是它也可以被固定在其它構(gòu)件上，如安放卷繞機10的包覆物的頂上或壁上。優(yōu)選的但不是必須的方案是，距離測量裝置62包括一激光位移傳感器，一面鏡子64被安裝在活塞56上，用于把激光反射到傳感器62上。也可選用其它類型的距離測量裝置，包括上面所列的任何類型的裝置。
傳感器62與一控制器66相連，控制器66本身又與一對閥68(見圖2)相連，這對閥68與液壓驅(qū)動器38相連?？刂破?6根據(jù)從傳感器62接收到的信號編程地操作這對閥68，從而把由傳感器62所指出的力保持在預(yù)定的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，可以看出，紙的質(zhì)量被改善了，特別是軟紙等級的紙，如薄棉紙，通過控制卷繞使直線輥隙荷載不是固定不變的，而是使輥隙荷載作為不斷增大的紙卷的徑向厚度的一個函數(shù)而發(fā)生變化。因此，由傳感器62所指示的力的設(shè)定值最好是紙卷25的直徑或徑向厚度的一函數(shù)。為了達(dá)到這個目的，根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例的卷繞裝置最好包括一位置傳感器或距離測量裝置，用于監(jiān)測紙卷的直徑或徑向厚度。可以利用前面所提到的任何類型的傳感器來監(jiān)測紙卷的直徑或徑向厚度。此外，應(yīng)當(dāng)知道，力傳感元件50基本上是由一荷載傳感器構(gòu)成，因此如果需要的話，可以用其它類型的荷載傳感器來代替。例如在瑞典的卡爾斯魯厄諾貝爾電器公司(Nobel Elect ronik AB of Karlskoga)能買到的KOSD-40或KISD-8荷載傳感器能被裝入到擠靠著卷軸的輥60的軸桿內(nèi)。
圖4描述了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的用于控制液壓驅(qū)動器38的一控制系統(tǒng)。驅(qū)動側(cè)托架和從動側(cè)托架的控制系統(tǒng)元件都被表示出了?？刂破?6包括一可編程邏輯控制器(PLC)和/或計算機80，用于計算作用在力傳感元件或荷載傳感器50上的力的設(shè)定值，一用于操作閥68的控制器82，以便使液壓驅(qū)動器38移動從動側(cè)托架，從而使從動側(cè)荷載傳感器50所指示的實際的力與設(shè)定的值之間的誤差趨于零。因此一實際的力或“線載荷”就從從動側(cè)荷載傳感器50傳送到設(shè)定值控制器80，如在84處所示?；蛘呤?，“實際的”線荷載可以是由驅(qū)動側(cè)和從動側(cè)荷載傳感器所示的力的平均值。應(yīng)當(dāng)知道，荷載傳感器50所示的力通常與線性輥隙荷載成正比，但是在許多情況下由于各種原因，卻不與輥隙荷載相同。例如，輥60可以在一點與卷軸接觸，在紙卷與卷鼓19之間它不與從紙卷25中心通過接觸點的徑向直線對齊。
如上所述，線荷載的設(shè)定值是紙卷的徑向厚度或直徑的函數(shù)，并且最好由控制器根據(jù)線荷載和紙卷直徑之間一預(yù)定的關(guān)系進(jìn)行計算。例如，控制器可以被編有一個檢查表或類似物，用于根據(jù)紙卷的監(jiān)測到的直徑來確定線荷載設(shè)定值。應(yīng)當(dāng)知道，這個預(yù)定的相互關(guān)系對于不同等級的紙張是不同的，并還受其它因素的影響。因此，一位置傳感器86被設(shè)置在每個液壓驅(qū)動器38內(nèi)或連接在該液壓驅(qū)動器38內(nèi)。紙張的直徑是托架的位置的一個函數(shù)，因此，來自位置傳感器86的信號指示出紙卷的直徑。這個位置信號被送入設(shè)定值控制器80，如88處所示。設(shè)定值控制器80計算出線荷載的一設(shè)定值，并把這個設(shè)定值傳送到控制器82，如90處所示。設(shè)定值和實際的線荷載之間的誤差由控制器82在92處確定。這個誤差信號被輸送到一比例集成控制器(proportional integralcontrol)94，它產(chǎn)生一個糾正信號，使線荷載誤差趨于零。糾正信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器96被傳送，這個經(jīng)轉(zhuǎn)換的模擬信號被傳送到用于從動側(cè)驅(qū)動器38的閥68，于是閥就以一逐漸增長的量打開或關(guān)閉，以便對驅(qū)動器38進(jìn)行操作，從而逐漸增大地移動從動側(cè)托架，使得線荷載朝著設(shè)定值增大或向設(shè)定值減小。
在裝置的驅(qū)動側(cè)，采用了位置控制，以便把驅(qū)動側(cè)托架的位置與從動側(cè)托架的位置基本保持相同。因此，來自從動側(cè)位置傳感器86的實際位置和來自驅(qū)動側(cè)位置傳感器86的實際位置之間的誤差在控制器82內(nèi)被確定，如98處所示，這個誤差信號被輸送到一比例集成控制器100，它產(chǎn)生用于驅(qū)動側(cè)驅(qū)動器38的一個糾正信號。這個糾正信號被送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器102，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器向用于驅(qū)動側(cè)驅(qū)動器38的閥68提供一個模擬糾正信號，從而使位置誤差趨于零。
盡管對驅(qū)動側(cè)托架采用位置控制，以使卷軸26與卷鼓19在整個卷繞操作中保持平行，但是在每次卷繞開始時，當(dāng)一個新的卷軸處于上部位置(圖1中由卷軸26′所示)并且紙張的尾部被卷到這個新的卷軸上以便開始把紙張卷繞到卷軸上時，最好使控制器把卷軸的一端定位成比另一端更接近卷鼓。以這種方式對卷軸進(jìn)行定位有利于把尾端卷繞到卷軸上。例如，使卷軸的一端比該卷軸的另一端更接近卷鼓約20mm。
當(dāng)卷軸處于圖1中26′所示的上部位置的情況下開始把紙張卷繞到卷軸26上時，則如果采用本發(fā)明的方法，那么在該位置就難以控制輥隙荷載，因為紙層仍然很薄，不允許被顯著的壓入。于是，對上部位置的卷繞過程的控制可以通過另一種方法來實現(xiàn)，例如用拉力計量器或其它的力傳感器進(jìn)行傳統(tǒng)的輥隙荷載控制，直到卷軸上的紙層的厚度足夠允許采用本發(fā)明中的方法為止，此時就可以開始采用本發(fā)明中的方法來進(jìn)行控制輥隙荷載了。
從前面的對本發(fā)明一些優(yōu)選實施例的描述中可以看出，本發(fā)明提供了用于控制紙張卷繞機中的線性輥隙荷載的裝置和方法，這種裝置和方法即使在輥隙壓力很低的情況下也能進(jìn)行精確地控制輥隙荷載。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在前面的描述及附圖的教導(dǎo)下，可以對本發(fā)明作出一些變型和其它一些實施例。因此，應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明并不局限于所公開的具體的實施例，一些變型和其它實施例應(yīng)被包括在所附的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。此外，盡管在本文中采用了具體的術(shù)語，但是這些術(shù)語只是用于一般意義和描述意義的，而并不是為了限制目的。
權(quán)利要求
1.一種用于把紙張材料卷繞成一紙卷的裝置，其特征在于，該裝置包括一可轉(zhuǎn)動安裝的卷軸，在該卷軸上紙張材料將被卷繞以形成直徑逐漸增大的紙卷；一卷鼓，可轉(zhuǎn)動地安裝在卷軸附近；一托架，支撐著卷鼓和卷軸中的一個，以便使托架可以相對于另一個進(jìn)行移動，并把卷鼓和卷軸中的所說的一個定位在另一個附近，使得在卷鼓和卷軸之間形成一輥隙；一驅(qū)動器，與托架相連，并可以操作以用于移動托架，使卷鼓和卷軸相向擠壓，以便使卷鼓在輥隙處局部地沿徑向向內(nèi)壓入紙卷；一傳感器單元，提供一個指示卷鼓壓入紙卷的徑向壓入量的信號；一控制器，與傳感器單元和驅(qū)動器相連，并可被操作以用于控制驅(qū)動器移動托架，以便使卷鼓在輥隙處沿徑向向內(nèi)壓入紙卷的壓入量保持在預(yù)定的范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，傳感器單元包括一可操作的用于監(jiān)測紙卷的直徑的傳感器，其中的控制器根據(jù)所監(jiān)測到的紙卷的直徑被編程地確定和調(diào)節(jié)壓入量的范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，傳感器單元包括一第一傳感器和一第二傳感器，其中的該第一傳感器提供一個作為紙卷在輥隙處的經(jīng)壓入的徑向厚度的一個函數(shù)的信號，其中的這個第二傳感器提供一個作為與輥隙間隔開的未經(jīng)壓入的區(qū)域內(nèi)的紙卷的徑向厚度的一函數(shù)的信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，控制器從第一和第二傳感器接收信號并可操作地用于計算卷鼓壓入紙卷的壓入量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，第二傳感器是一距離測量裝置，包括至少激光測量裝置和超聲波測量裝置中的一個。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，傳感器單元包括一第一位置傳感器，提供一指示紙卷的未經(jīng)壓入的厚度的信號；一第二位置傳感器，在紙張被卷繞以形成紙卷時，提供一指示托架位置的信號；其中的控制器接收來自第一和第二傳感器的信號，并根據(jù)所說的信號計算卷鼓壓入紙卷的壓入量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，第二位置傳感器是一磁致伸縮的線性位移傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，第二位置傳感器是一可變形元件。
9.一種把一紙張材料卷繞成一紙卷的方法，該方法包括把一卷鼓和一卷軸的一個定位在另一個附近，使得在卷鼓和卷軸之間形成一輥隙；轉(zhuǎn)動卷鼓和卷軸，使得紙張材料被卷繞到卷軸上以形成直徑逐漸增大的紙卷；向卷鼓和卷軸中的一個上作用一個力，使卷鼓在輥隙附近被壓入紙卷；監(jiān)測紙卷的直徑，并對卷鼓壓入紙卷的壓入量以及作用在卷鼓和卷軸中的一個上的力中的至少一個進(jìn)行監(jiān)測；調(diào)節(jié)卷鼓和卷軸中的一個的位置，以便把所說的壓入量和作用力中的一個保持在預(yù)定的范圍內(nèi)，從而控制卷鼓和紙卷之間的線性輥隙荷載。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，監(jiān)測步驟包括監(jiān)測紙卷的直徑和卷鼓壓入紙卷的壓入量，其中的調(diào)節(jié)步驟包括調(diào)節(jié)卷鼓和卷軸中的一個的位置，以及調(diào)節(jié)作用在卷鼓和卷軸中的一個上的作用力，以便當(dāng)紙卷直徑增大時把卷鼓壓入紙卷的壓入量保持在預(yù)定的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，監(jiān)測步驟包括監(jiān)測紙卷的直徑和作用在卷鼓和卷軸中的一個上的作用力，還包括根據(jù)所監(jiān)測到的直徑以及作用力與紙卷直徑之間的預(yù)定的相互關(guān)系來確定被監(jiān)測的力的范圍，其中的調(diào)節(jié)步驟包括調(diào)節(jié)卷鼓和卷軸中的一個的位置，以便把被監(jiān)測的力保持在所說的范圍內(nèi)，從而控制作為紙卷直徑的一個函數(shù)的線性輥隙荷載和紙卷的壓入量。
全文摘要
用于把紙張卷繞到一母卷上的裝置和方法,包括一可轉(zhuǎn)動的卷軸和一卷鼓,紙張被卷繞到其中的卷軸上,紙張在其中的卷鼓上被引導(dǎo),并且卷鼓與母卷相接觸以形成一輥隙,紙張在這個輥隙處被卷繞到母卷上。在一個實施例中,用傳感器確定母卷在該輥隙處的經(jīng)壓入的母卷厚度以及離開輥隙處的未經(jīng)壓入的母卷厚度,并從中推導(dǎo)出徑向壓入量。一控制器對卷軸和卷鼓進(jìn)行相對定位,以便把徑向壓入量保持在預(yù)定的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的另一個實施例中,通過測量紙卷的直徑和測量表示線性輥隙荷載的力,并對卷軸和卷鼓的相對位置進(jìn)行控制,以便把力保持在基于紙卷直徑的預(yù)定的范圍內(nèi),從而實現(xiàn)對線性輥隙荷載的控制。
文檔編號B65H18/26GK1330604SQ9981443
公開日2002年1月9日 申請日期1999年11月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月17日
發(fā)明者H·英格馬·邁仁 申請人:瓦爾梅特－卡爾斯塔德公司