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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur genauen Einstellung und
Regelung der Bandzüge und Bandspannungen in Bandanlagen
in einem großen Bandzugbereich.
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Dem
Stand der Technik entsprechend wird im Bandlauf eine Bandschlaufe
gebildet, in der eine Tänzerrolle auf dem Band aufliegt.
Der Bandantrieb, ebenfalls dem Stand der Technik entsprechend, wird durch
Rollenkombinationen mit großem Bandumschlingungswinkel,
wobei die Rollen angetrieben sind, vor der Tänzerrolle
und einer ähnlichen Einheit hinter dem Bandbehandlungsabschnitt
der Bandanlage gebildet, in welchem der Bandzug genau einzustellen
und zu regeln ist.
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Die
Antriebe werden durch Verzögern bzw. Beschleunigen des
einen Bandantriebes gegenüber dem anderen derart geregelt,
dass die Tänzerrolle immer im zulässigen Bandschlaufenbereich
verbleibt. Dieser Bereich ist durch den Weg definiert, um den sich
die Tänzerrolle nach oben oder unten bewegen darf. Um diese
Bewegung auszuführen, ist die Tänzerrolle z. B.
am Ende eines in hinreichendem Abstand vom Mittelpunkt der Tänzerrolle
verlagerten Hebels angebracht. Die Schwenkbewegung des Hebels nach
oben oder unten bewirkt die Vertikalbewegung der Tänzerrolle.
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Die
Abweichungen nach oben und nach unten werden durch geeignete Sensoren
erfasst und dienen als Steuer- oder Regelgröße
für den Bandantrieb. Senkt sich die Tänzerrolle,
so wird die Drehgeschwindigkeit der der Tänzerrolle vorgelagerten Bandantriebsrollen
reduziert, hebt sich die Tänzerrolle, so wird die Geschwindigkeit
entsprechend erhöht. Die Bandspannung wird durch die Kraft
bestimmt, mit der die Tänzerrolle in der Bandschlaufe auf
dem Band aufliegt.
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Bei
bekannten Bandanlagen, z. B. Anlagen zur Wärmebehandlung
dünner Metallbänder oder Schneidlinien, wird die
bekannte, auf einem Schwenkarm verlagerte und sich in einer Bandschlaufe
auf und ab bewegende Tänzerrolle durch einen vorzugsweise
mit Druckluft betriebenen Zylinder derart be- oder entlastet, dass
sich der gewünschte Bandzug einstellt.
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Hierzu
ist es erforderlich, wie aus dem Schema 1 ersichtlich,
die Bandzugkraft mittels einer Zugmessrolle zu messen und diesem
Messwert entsprechend den Luftdruck des Druckluftzylinders zu regeln
bzw. einzustellen. Zusätzlich muss die Position der Tänzerrolle
erfasst werden, da nach dieser Position der Bandantrieb für
den Transport des Bandes zur Tänzerrolle, in 1 die
S-Rolle 1, relativ zum Bandantrieb hinter dem Bandbehandlungsteil, gemäß 1 über
die S-Rolle 2, geregelt bzw. gesteuert wird. Der Bandantrieb über
die S-Rolle 2 hinter der hier als Beispiel für
den Bandbehandlungsbereich gewählten Wärmebehandlung
dient dabei als Master, der die Bandgeschwindigkeit vorgibt. Der Bandantrieb
S1 vor der Tänzerrolle bewegt das Band gegenüber
dem Master-Antrieb etwas schneller, wenn sich die Tänzerrolle
anhebt, und umgekehrt etwas langsamer wenn diese sich absenkt.
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Mit
Hilfe des Druckluftzylinders kann aber insbesondere bei geringen
Bandzügen, die für empfindliche Bänder
und für kleine Bandquerschnitte erforderlich sind, die
Bandzugkraft nicht genau eingestellt werden. Grund hierfür
ist der bei pneumatischen Zylindern bekannte ”Slip and
Stick Effect”. Dadurch entsteht bei Druckänderungen
zum Zweck der Tänzerrollenverstellung eine ruckartige Zylinderbewegung,
wodurch sich die Spannung des Bandes in nicht vorhersagbarer und
nicht erfassbarer Weise durch das Zusammenwirken von Bandantrieb
und Druckluftzylinder ergibt. Die starken Bandzugschwankungen, durch
die das Band z. B. lose und im nächsten Moment wieder straff
gespannt wird, sind häufige Ursache für Bandrisse.
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Außerdem
ist die Bandspannungsregelung mittels Pneumatikzylindern auf die
Messung der Bandzugkraft angewiesen. Hierzu dient z. B. eine Messrolle,
in deren Lager Kraftmesseinrichtungen integriert sind. Da diese
Kraftmesseinrichtungen auch für die höchsten Bandzüge
ausgelegt sein müssen, arbeiten sie in Bandanlagen, die
einen große Bandzugbereich erfordern, bei geringen Bandzügen
häufig an der unteren Grenze ihres Messbereichs. Entsprechend
ungenau ist dann die Messung, zumal durch die Reibung der Messrollenlagerung
noch ein weiterer Fehler hinzukommt.
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Um
die Nachteile der Verwendung von Pneumatik- oder Hydraulikzylindern
zu umgehen, beschreibt
DE
10 2005 059 822 eine Vorrichtung, bei der die mit der Tänzerrolle
auf die Bandschlaufe ausgeübte Kraft durch ein Laufgewicht,
das am Tänzerrollenschwenkhebel befestigt ist, erzeugt
wird. Um den Bandspannungsbereich über den durch den Verstellbereich
des Laufgewichts hinausgehenden Kraftbereichs zu erweitern, können
noch Zusatzgewichte aufgelegt werden, mit denen der Bandzug jeweils
in Stufen erhöht wird. Zwischen den einzelnen Stufen kann
dann der Bandzug durch Verschieben des Laufgewichts verändert
werden. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, dass insbesondere bei
hohen Bandzügen erhebliche Massen, die zu einem großen
polaren Massenträgheitsmoment der die Tänzerrolle
verschwenkenden Mechanik führen, verschwenkt werden müssen.
Aufgrund dieses hohen Massenträgheitsmoments ist die Vorrichtung
nur unzureichend in der Lage, häufig recht rasch erfolgende
Bandlängenschwankungen im Bandschlaufenbereich hinreichend
schnell genug auszuregeln.
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Aus
EP 0579854 ist eine Vorrichtung
bekannt, bei der die Tänzerrolle, die ebenfalls am freien Ende
eines Schwenkarms verlagert ist, mittels eines ein Torsionsmoment
erzeugenden Elektromotors in der Bandschlaufe gegen das Band gedrückt
wird. Um diesen Andruck zu verändern, z. B. zu verstärken, wird
ein Laufgewicht auf dem Schwenkarm entsprechend verfahren, so dass
sich der Hebelarm, mit dem das Laufwicht am Schwenkarmdrehgelenkt
angreift, vergrößert. Diese Vorrichtung ist jedoch
nur für relativ hohe Bandzüge in Walzeinrichtungen
für kalte Bänder geeignet. So beträgt
zum Beispiel die Reibung, in
EP
0579854 als „mechanical loss” bezeichnet,
ungefähr 20 N. Dies ist ein höherer Wert als der
bei dünnen Metallbändern geringerer Breite bereits
höchstzulässige Gesamtzug.
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Außerdem
sind zur Regelung zwei Verstellungen, nämlich Motormoment
und Laufgewichtposition, erforderlich, was die Regelung verkompliziert und
insbesondere die Regeldynamik einschränkt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu
schaffen, mit welcher der Bandzug in einem weiten Bereich von mindestens
einer Größenordnung eingestellt und auf dem eingestellten
Wert mit guter Genauigkeit konstant gehalten werden kann, ohne dass
zusätzlich irgendwelche mechanischen Verstellungen, wie
z. B. die Verschiebung eines Laufgewichts, Auflegen oder Abnehmen von
Zusatzgewichten oder pneumatisch bzw. hydraulisch erzeugte Krafteinwirkungen
erforderlich sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die erforderlichen Verstellung sowie Regelung bzw. Steuerung
der gewünschten Bandspannkraft ausschließlich
auf elektromagnetischem Wege erreicht wird.
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Dazu
wird bei linear in Bandschlaufenrichtung beweglicher, z. B. einer
in einer Linearführung verschieblicher Tänzerrolle,
die erforderliche, die die Tänzerrolle haltende und in
die Normallage zurückführende Kraft mit Hilfe
einer, wie ein Linearmotor arbeitenden Einrichtung, die auf die
Lagerung der Tänzerrolle einwirkt, erzeugt. Die gleiche
Wirkung ist auch mit Hilfe einer vom elektrischen Strom durchflossenen
Tauchspule möglich, in welche ein mit der Tänzerrollenlagerung
verbundener Kern, mehr oder weniger tief und mehr oder weniger stark,
eingezogen wird.
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Bei
Realisierung der Tänzerrollenbewegung durch Verschwenkung
eines Hebels, an dessen freiem Ende die Tänzerrolle verlagert
ist, wobei die Bewegung der Tänzerrolle in Richtung der
Bandschlaufe durch eine Kreisbahn angenähert wird, erfolgt
die Kraftwirkung auf die Tänzerrolle durch Einleiten eines
elektromagnetisch erzeugten Torsionsmomentes in die den Schwenkhebel
drehende und dadurch verschwenkende Schwenkhebelwelle. Die dieses
Torsionsmoment erzeugende Einrichtung ist zweckmäßig direkt
mit der Schwenkhebelwelle verbunden. Die Einrichtung kann z. B.
ein Synchronmotor mit hoher Polzahl sein. Es kann aber auch eine,
wie vor beschrieben, linear wirkende Einrichtung auf einen an der
Schwenkhebelwelle angebrachten Hebel einwirken, um das Torsionsmoment
zu erzeugen.
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Dieser
elektromagnetische Momentenerzeuger kann das erforderlichen Torsionsmoment
im Umfang von 1:10 und mehr auch im Stillstand, also ohne Drehbewegung
der Schwenkhebelwelle erzeugen und bei Auslenkung des Schwenkhebels
auf den jeweils gewünschten Wert konstant halten.
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Ähnliches
gilt entsprechend für die vorerwähnte Linearverstellung.
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Zur
Verdeutlichung der Wirkungsweise einer beispielhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung dienen 2 und 3.
In 2 ist die zur Gewinnung der Messergebnisse in 3 verwendete
Versucheinrichtung skizzenhaft dargestellt. An einem Ende des eine
Bandschlaufe bildenden Bandes ist ein Kraftaufnehmer angebracht,
das freie Ende des Bandes kann vertikal auf und ab bewegt werden.
In der Bandschlaufe liegt die Tänzerrolle auf, die am freien
Ende des Schwenkhebels verlagert ist. Mit der Schwenkhebelwelle
ist die elektromagnetisch wirkende, das Torsionsmoment erzeugende Einrichtung
verbunden. Im vorliegenden beispielhaften Fall ist dies ein mit
hoher Polzahl ausgestatteter Synchronmotor. Dieser Synchronmotor
ist in der Lage, im Stillstand ein Torsionsmoment, in einem großen
Bereich, hier beispielhaft 50 Nm bis 500 Nm, also im Umfang 1:10
zu erzeugen und auch bei Auslenkung konstant zu halten. Außerdem
wird mit Hilfe eines Wegaufnehmers die Schwenkbewegung am Ort der
Tänzerrolle, also deren Hub, erfasst.
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Die
Diagramme in 3 zeigen die Messergebnisse.
Im oberen Diagramm erkennt man, dass die Auf- und Abwärtsbewegung
des Bandes mit einer Geschwindigkeit von ca. 60 mm/s, in zeitlichen
Verlauf als Sägezahlkurve dargestellt, bei einem eingestellten
Bandzug von 50 N zu Bandspannungsschwankungen führt, die
im Mittel nur ca. 5% des hier minimalen Bandzuges ausmachen und
technisch keine Rolle spielen. Das untere Diagramm gilt für
einen höheren Bandzug von 400 N. Hier sind die bei Aufwärts-
und Abwärtsbewegung des Bandes entstehenden Bandzugsschwankungen
im Kurvenlauf kaum noch erkennbar.
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Da
der Momentenerzeuger, der die Bandzugkraft bestimmt, direkt an der
Schwenkhebelwelle angreift, entfallen zusätzliche Reibmomente
durch Getriebe oder Reibung von Pneumatik- oder Hydraulikzylindern,
die eine Ungenauigkeit der Bandspannungseinstellung zur Folge hätten.
Geringe Reibwirkung beschränkt sich lediglich auf die Schwenkhebellager
die zweckmäßiger Weise als Leichtlauflager ausgeführt
werden.
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Das
Gewicht des Schwenkhebels mit Tänzerrolle muss nicht, wie üblich,
durch ein Gegengewicht austariert werden. Das Gewichtskraftmoment kann
nämlich ganz oder teilweise durch den Momentenerzeuger
kompensiert werden. Durch diese Reduzierung der bewegten Massen
wird vorteilhaft das polare Massenträgheitsmoment des Schwenkhebels verringert.
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Eine
beispielhafte, bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird durch die skizzenhafte Darstellung in 4 erläutert.
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Die
Tänzerrolle 2 ist am freien Ende des Schwenkhebels 3 verlagert.
Das feste Ende des Schwenkhebels ist mit der Schwenkhebelwelle 4 drehbar
in der Schwenkhebelverlagerung 5 gelagert. Mit der Schwenkhebelwelle 4 ist
der Momentenerzeuger 6 direkt verbunden bzw. gekoppelt.
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Die
Umlenkrollen 8 führen das Band 1 in einer
Schlaufe. Die oben beschriebene Tänzerrolle 2 liegt
zwischen den Umlenkrollen in der Bandschlaufe auf dem Band auf.
Das Band wird über die Bandantriebe 7, hier ein
S-Rollenblock vor der Tänzerrolle 2, geführt.
Der Bandtransport kann in beide Richtungen erfolgen.
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Ein
Schwenkhebelpositionsgeber 11 erfasst die Auslenkung der
Tänzerrolle durch nicht synchrones Zu- und Abführen
des Bandes in die Bandschlaufe. Die Schwenkhebelposition wird dem
Bandgeschwindigkeitssollwert 10 überlagert und
dem Geschwindigkeitsregler 9 als Sollwert zugeführt.
Eine Drehzahländerung der Bandantriebe 7 bewirkt
die Rückführung der Tänzerrolle 2 in
die horizontale Mittellage.
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Die
Aufgabe des Momentenreglers 13 ist, aus dem Bandspannungssollwert 19,
der Schwenkhebelwinkelstellungskompensation 12 und der
Grundgewichtskompensation 14 das erforderliche Moment für
den Momentenerzeuger zu berechnen.
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Die
Umlenkrollen sind mit Drehzahlgebern ausgerüstet, deren
Drehzahldifferenz die Differenzauswertung 18 erfasst. Die
in der Anordnung wirkende Massenträgheit und Gleitreibung
wird von der Reibungskompensation 15 und der Massenträgheitskompensation 16 kompensiert.
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Zum
Abgleichen der berechneten Momentenstellwerte mit der tatsächlichen
Bandspannung und damit zur Korrektur der Bandspannung, kann das
Signal einer Bandspannungsmessung 17 dem Momentenregler 13 überlagert
werden. In den meisten Fällen genügt aber eine
Steuerung nach der Größe des eingestellten Momentenwertes,
da der Betrag des eingestellten Momentes hinreichend genau mit dem
Betrag des wirkenden Momentesübereinstimmt.
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Eine
mögliche Auslegung des Momentenerzeugers für einen
geforderten Bandzugbereich von 1:10 beschreibt beispielhaft 5.
Wird vom Momentenerzeuger kein Torsionsmoment in Schwenkhebelwelle
eingeleitet, so wirkt nur die natürliche Gewichtskraft,
die am Schwenkhebel und der Tänzerrolle angreift, auf die
Bandschlaufe. Dies entspricht im Diagram 5 der Bandzugkraft
für M = 0. Dann ist die Bandspannung bei horizontaler Schwenkhebelposition
gleich dem halben, durch die Gewichtskräfte erzeugten Moment,
dividiert durch die Länge des Schwenkhebelarms. Durch Aufbringen
eines positiven oder negativen Momentes über den Momentenerzeuger
auf die Schwenkhebelwelle vergrößert oder verringert
sich die Bandspannung direkt proportional zum Moment.
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Um
jeglichen Gewichtseinfluss auszuschalten, kann der Schwenkhebel
mit Tänzerrolle so angeordnet werden, dass er in Ruhelage
entsprechend der Mittenposition der Bandschlaufe frei von Horizontalkräften
nach unten hängt. Dann liegt die Mittellinie der Bandschlaufe
horizontal und die Bewegung der Tänzerrolle bei Auslenkung
wird durch einen horizontal positionierten Kreisbogen angenähert.
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Für
spezielle Anwendungen kann der Schwenkhebel auch vertikal stehen
statt vertikal hängen. Auch für diesen Fall liegt
die Bandschlaufe horizontal.
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- 1
- Band
- 2
- Tänzerrolle
- 3
- Schwenkhebel
- 4
- Schwenkhebelwelle
- 5
- Schwenkhebelverlagerung
- 6
- Momentenerzeuger
(elektromagnetisch, elektromotorisch)
- 7
- Bandantriebe
- 8
- Umlenkrollen
- 9
- Geschwindigkeitsregler
- 10
- Bandgeschwindigkeitssollwert
- 11
- Schwenkhebelpositionsgeber
- 12
- Schwenkhebelwinkelstellungskompensation
- 13
- Momentenregler
- 14
- Grundgewichtkompensation
- 15
- Reibungskompensation
- 16
- Massenträgheitskompensation
- 17
- Bandspannungsmessung
- 18
- Drehzahldifferenzerfassung
- 19
- Bandspannungssollwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005059822 [0009]
- - EP 0579854 [0010, 0010]