PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006023529A1 22.11.2007
Titel Anordnung zur Zugkraftmessung von Endlosmaterial
Anmelder Tensometric-Meßtechnik GmbH, 42289 Wuppertal, DE
Erfinder Lenkeit, Jürgen, 42289 Wuppertal, DE
Vertreter Patentanwälte Ostriga, Sonnet, Wirths & Roche, 42275 Wuppertal
DE-Anmeldedatum 19.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006023529
Offenlegungstag 22.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse G01L 5/04(2006.01)A, F, I, 20060519, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Zugkraftmessung von Endlosmaterial, wie Garne, Drähte oder Papierbahnen, welches über zumindest eine auf einer Achse drehbar gelagerte Rolle geführt ist, und mit wenigstens einer Kraftmesseinrichtung, mittels derer eine aus der an dem Endlosmaterial anliegenden Zugkraft resultierende Lageveränderung der Rolle bestimmbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Zugkraftmessung zu schaffen, welche einen weiten Messbereich von sehr geringen bis zu vergleichsweise hohen Zugkräften bietet und mit einer zuverlässigen Überlastsicherung zum Schutz der Messeinrichtung versehen ist. Dies ist insbesondere bei hohen Rollengewichten wünschenswert.
Gelöst wird die Aufgabe von einer Anordnung zur Zugkraftmessung, bei welcher die Rolle an einem ausschließlich im Wesentlichen quer zur Rollenachse schwenkbaren Arm angeordnet ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Zugkraftmessung von Endlosmaterial, wie Garne, Drähte oder Papierbahnen, welches über zumindest eine auf einer Achse drehbar gelagerte Rolle geführt ist und mit wenigstens einer Kraftmesseinrichtung, mittels derer eine, aus der an dem Endlosmaterial anliegenden Zugkraft resultierende, Lageveränderung der Rolle bestimmbar ist.

Derartige Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus DE 692 06 715 T2 bekannt. Sie umfassen grundsätzlich zumindest eine Rolle oder Walze, über welche Endlosmaterial unter Zugspannung geführt wird. Diese Rolle ist derart auf einem Lagerbock angeordnet, dass sie mittels der vom Endlosmaterial aufgebrachten Zugspannung relativ zu ihrer Ruheposition – an der Rolle liegt keine Zugkraft an – verlagerbar ist. Es ist im allgemeinen üblich, wie auch die 1 des oben genannten Standes der Technik zeigt, die Rolle hierzu mittels Federelementen – im vorzitierten Stand der Technik als Biegebalken ausgeführt – zu lagern. Mittels einer Kraftmesseinrichtung wird die aus der Zugkraft resultierende Lageveränderung der Rolle bzw. Walze erfasst, woraus sich die Zugkraft einfach errechnen lässt. Dieser Stand der Technik weist im wesentlichen zwei Nachteile auf:

Ein erster Nachteil des Standes der Technik ist, dass die Federelemente – wie in der vorzitierten 1 besonders gut ersichtlich – neben den Zugkräften auch die Gewichtskraft der Rolle aufnehmen müssen. Daraus folgend sind abhängig vom Rollengewicht vergleichsweise harte Federelemente, d.h. Federn hoher Federkonstante zu wählen. Werden nun nur geringe Zugkräfte auf das Endlosmaterial und demzufolge auf die Rolle ausgeübt, ergibt sich im Zweifel eine derart kleine Lageveränderung der Rolle, dass diese und somit die Zugkraft kaum messbar ist.

Alternativ lassen sich Federelemente mit geringerer Federkonstante einsetzen, welche durch Aufnahme der Gewichtskraft eine gewisse Vorspannung erhalten. Der Kraftmesseinrichtung wird diese von der unbelasteten Feder abweichende Lageveränderung als Null- bzw. Ruhelage vorgegeben. Zwar erreicht man nunmehr mit schon geringen Zugkräften eine ausreichende Lageveränderung um auch geringe Zugkräfte bestimmen zu können, der maximale Federweg des Federelementes und somit die maximale Lageveränderung der Rolle ist jedoch aufgrund der Vorspannung der Federelemente begrenzt. Dies hat zur Folge, dass vergleichsweise hohe Zugkräfte nicht mehr gemessen werden können, da im Zweifel der maximale Federweg und folglich die maximale Lageveränderung der Rolle bereits ausgeschöpft ist.

Der zweite wichtige Nachteil des Standes der Technik wird insbesondere bei der Verwendung von Biegebalken als Federelemente verwirklicht und vor allem dann, wenn Biegebalken, welche mit Dehnungsmessstreifen versehen sind, als Kraftmesseinrichtungen Verwendung finden. Bei Biegebalken ist im allgemeinen eine Überlastsicherung gegen zu hohe auf den Biegebalken wirkenden Kräfte vorzusehen. Zu hohe Zug- bzw. Gewichtskräfte können zu einer plastischen, die Federelastizität der Biegebalken übersteigenden Verformung, und somit zu einer Schädigung der Federelemente bzw. der Kraftmesseinrichtung führen. Im nicht druckschriftlich belegbaren Stand der Technik werden daher verschiedene Überlastsicherungen, insbesondere in Zugkraft bzw. Messrichtung der Biegebalken bzw. Federelemente vorgesehen.

Um insbesondere die bei der Montage und Demontage der Rolle auch winklig zur Mess- bzw. Zugkraftrichtung auftretenden Kräfte kompensieren zu können, wären auch diesbezügliche Überlastsicherungen von Vorteil, welche jedoch häufig die eigentliche Zugkraftmessung behindern.

Vor den oben dargestellten Problemen des Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Zugkraftmessung zu schaffen, welche einen weiten Messbereich von sehr geringen bis zu vergleichsweise hohen Zugkräften bietet und mit einer zuverlässigen Überlastsicherung zum Schutz der Messeinrichtung versehen ist. Dies ist insbesondere bei hohem Rollengewicht wünschenswert.

Gelöst wird die Aufgabe von einer Anordnung zur Zugkraftmessung gemäß Anspruch 1, insbesondere mit den kennzeichnenden Merkmalen, wonach die Rolle an einem ausschließlich im wesentlichen quer zur Rollenachse schwenkbaren Arm angeordnet ist.

Eine solcher Arm nimmt sämtliche quer zur Zugkraftrichtung auftretende Kräfte auf und schützt die Messeinrichtung vor einer Überlast durch diese Kräfte. Üblicherweise handelt es sich bei den quer zur Zugkraftrichtung wirkenden Kräften um im wesentlichen achsparallel zur Rollenachse, also axial wirkende Kräfte.

Eine hängende, d.h. pendelnde Lagerung des Armes erlaubt es, die Gewichtskräfte der an diesem Arm angeordneten Rolle aufzunehmen. Auf die Rolle wirkende Zugkräfte führen zu einer Schwenkbewegung des Armes und eine daraus resultierenden Lageveränderung der Rolle. Auf die die Gewichtskraft kompensierenden Federelemente – mit ihren eingangs beschriebenen Problemen – kann verzichtet werden.

Aufgrund der üblicherweise geringen Auslenkung bzw. Schwenkbewegung des Armes bis ca. 0,5 mm, ist die Gewichtskraftkomponente für die Zugkraftmessung vernachlässigbar.

Wenn dem Arm wenigstens ein Anschlag zugeordnet ist, welcher die Schwenkbewegung des Armes zumindest in Richtung der resultierenden Zugkraft begrenzt, ist die Messeinrichtung vor zu hohen, in Messrichtung wirkenden Kräften sicher geschützt.

Es ist denkbar, dass ein Federelement vorzusehen ist, welches die auf den Arm wirkende Gewichtskraft der Rolle kompensiert, insbesondere dann, wenn aufgrund technischer Gegebenheiten eine in Ruhelage der Anordnung rein vertikale Ausrichtung des Armes nicht verwirklicht werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Arm mittels eines Kugellagers schwenkbar gelagert.

Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Arm aus zwei L-förmig zueinander ausgerichteten Schenkeln besteht, dessen erster Schenkel horizontal und dessen zweiter Schenkel vertikal ausgerichtet ist, wobei der Arm im Bereich eines Schnittpunktes der Schenkel gelagert ist, insbesondere wenn das kompensierende Federelement mit seiner Kraftwirkungslinie parallel zu einem die Rolle tragenden Schenkel ausgerichtet ist. Auf diese Weise lassen sich die Vorteile der Erfindung bei einer sehr kompakten Anordnung realisieren.

Sinnvollerweise ist die Kraftmesseinrichtung dem Arm zugeordnet, wobei über dessen Schwenkbewegung mittelbar die Lageveränderung der Rolle erfasst wird.

Wenn aufgrund technischer Gegebenheiten der Arm in Ruhelage nicht vertikal ausgerichtet sein kann, ist es bevorzugt, dass das kompensierende Federelement in einem Bereich zwischen dem Lagerungspunkt des Armes und einem Zuordnungspunkt der Kraftmesseinrichtung an dem Arm angreift. Dies ermöglicht es, dank der Hebelwirkung des Armes, kompensierende Federelemente vorzusehen, welche eine ausreichende Auslenkung des Armes und folglich einen weiten Messbereich der Anordnung gewährleisten.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung. Es zeigen:

1 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform mit hängender Armanordnung in Seitenansicht,

2 die Ausführungsform gemäß 1 in Ansicht von vorne,

3 bis 5 erfindungsgemäße Ausführungsformen mit waagerecht ausgerichtetem Arm, und

6 eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit L-förmigem Arm.

In den Figuren ist eine Anordnung zur Zugkraftmessung insgesamt mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet. Die Anordnung 10 weist einen Arm 11 auf, welcher einen Endes mittels eines Lagers 12 an einem Lagerbock 13 schwenkbar angeordnet ist.

Am Arm 11 ist eine Messrolle bzw. Messwalze 14 auf einer Achse 15 drehbar angeordnet, über welche das nicht dargestellte Endlosmaterial geführt wird. Der Einsatz einer Rolle 14 bzw. einer Walze 14 ist allein abhängig von der flächigen Ausdehnung des Endlosmaterials. Die Verwendung einer Walze 14 statt einer Rolle 14 stellt daher eine gleichwirkende Verwirklichung der Erfindung dar.

Eine Kraftmesseinrichtung 16 greift die Lageveränderung des Armes 11 ab, welche aus der von dem Endlosmaterial auf die Messrolle 14 aufgebrachten Zugkraft resultiert. Eine Überlastsicherung 17 mit Anschlägen 18 und 19 begrenzt die mögliche Schwenkbewegung des Armes 11 derart, dass eine Schädigung der Kraftmesseinrichtung 16 wirksam vermieden wird.

In 1 ist die Überlastsicherung U- bzw. C-förmig ausgebildet, deren senkrecht ausgerichtete, den Arm 11 teilumgreifende Schenkel die Anschläge 18 und 19 ausbilden. Wie aus 1 ersichtlich ist, wäre zum Schutz der dargestellten Kraftmesseinrichtung 16 lediglich der Anschlag 19 notwendig. Der Anschlag 18 hingegen verhindert zu starke Schwenkbewegungen des Armes 11 beispielsweise beim Tausch der Rolle bzw. Walze 14 und erleichtert somit die Wartung der Anordnung 10 erheblich.

Das Lager 12 ist bevorzugt als Kugellager ausgebildet und gestattet eine Schwenkbewegung des Armes 11 lediglich in der Zeichnungsebene bezüglich der 1, 3 bis 6 bzw. in einer Richtung quer zur Rollenachse 15 gemäß der Pfeile 20 und 21. Das Lager 12 nimmt folglich Kräfte auf, welche winklig, insbesondere quer zur Richtung der resultierenden Zugkraft 22 auftreten, vor allem solche, die bei der Montage und Demontage der Rolle 14 über den Arm 11 auf die Kraftmesseinrichtung 16 übertragen werden könnten. Dabei handelt es sich im wesentlichen um zur Rollenachse axial wirkenden Kräfte.

In der Ausführungsform gemäß 1 und 2 ist die hängende Anordnung des Armes 11 bzw. der Messrolle/Messwalze 14 an dem Arm 11 hervorzuheben. Die hängende Anordnung 10 nimmt die Gewichtskräfte der Rolle 14 in Ruhelage der Anordnung 10 – d.h. ohne Einwirkung von Zugkräften – vollständig auf, so dass diese keinerlei Einfluss auf die Messeinrichtung 16 haben. Es wird bei dieser Ausführungsform folglich das oben geschilderte Problem vermieden, wonach bislang die Gewichtskraftkompensation mittels harter Federelemente bzw. das Tarieren einer aus der Gewichtskraft resultierenden Federelementvorspannung einen wesentlichen Einfluss auf die minimal bzw. maximal messbaren Zugkräfte 22 und somit auf den nutzbaren Messbereich einer Anordnung 10 zur Zugkraftmessung haben.

Zusammenfassend verwirklicht die in den 1 und 2 dargestellte Ausführungsform somit die wesentlichen Vorteile einer wirksamen Sicherung der Kraftmesseinrichtung 16 vor Überlast mittels der Überlastsicherung 17 sowie des Lagers 12 des Armes 11 in Verbindung mit einer Kompensation der Gewichtskraft der Rolle 14, wodurch ein sehr großer Messbereich zur Verfügung steht, der ausschließlich von der Wahl der Kraftmesseinrichtung 16 und deren Empfindlichkeit begrenzt wird. Dabei ist der Überlastschutz bestehend aus dem Zusammenwirken des Lagers 12 und der Überlastsicherung 17 besonders wichtig zum Schutz von empfindlichen Messeinrichtungen 16, welche geringe Zugkräfte abgreifen bzw. beim Einsatz schwerer Messrollen 14.

In den 3 bis 6 sind alternative Ausführungsformen dargestellt. Ihnen ist grundsätzlich gemeinsam, dass der Arm 11 nicht hängend im Sinne der vorher beschriebenen Ausführungsform angeordnet ist, d.h. der Arm ist nicht vertikal, sondern von der Vertikalen abweichend – hier horizontal – ausgerichtet. Die Gründe hierfür können vielfältig sein. Beispielsweise ist es denkbar, dass eine derart nicht hängende Anordnung 10 aufgrund baulicher Gegebenheiten notwendig ist oder aber die Anordnung 10 zur Zugkraftmessung in eine Verarbeitungsstraße für Endlosmaterial eingefügt werden soll, bei welcher die Richtung 22 der zu messenden Zugkraft vorgegeben ist.

Unter solchen Umständen kann der Arm 11 die Gewichtskraftrichtung der Rolle, welche in den 3 bis 6 mit der resultierenden Zugkraftrichtung 22 übereinstimmt, nicht kompensieren. Dennoch werden die erfindungsgemäßen Vorteile der Sicherung der Kraftmesseinrichtung vor winklig zur Zugkraftrichtung 22 wirkenden Kräften mittels der gelagerten Anordnung des Armes 11 auch in diesen Ausführungsformen verwirklicht. Zur Kompensierung der Gewichtskraft der Rolle 14 wird in den 3 bis 6 hingegen jeweils ein Federelement 23 genutzt.

Auch wenn die Gewichtskraft der Rolle 14 ähnlich wie im Stand der Technik mittels eines Federelementes 23 kompensiert ist, ermöglicht der erfindungsgemäße Arm 11 einen gegenüber dem Stand der Technik weiteren Messbereich, was im folgenden beschrieben wird.

Zunächst sei der Augenmerk auf 5 gerichtet. Aus der dort dargestellten Anordnung ist ersichtlich, dass das Federelement 23 die Gewichtskraft der Rolle 14 analog zum Stand der Technik kompensiert. Das Federelement 23 greift gewichtskraftkompensierend am Arm 11 an der Stelle an, an welcher die Rolle 14 am Arm 11 gelagert ist. Abgesehen von den Vorteilen der Überlastsicherung mittels des Armes 11 bzw. seiner Lagerung 12 kann man bezüglich 5 von einer Gewichtskraftkompensation entsprechend dem bekannten Stand der Technik sprechen.

Nunmehr wird auf 3 verwiesen. Hier greift das Federelement 23 an dem dem Lager 12 abgewandten Ende des Armes 11 zur Gewichtskraftkompensation an. Die Rolle 14 hingegen ist nahe dem Lager 12 des Armes 11 angeordnet. Bei der Ausführungsform der 3 wird in geschickter Weise die Hebelwirkung des Armes 11 ausgenutzt, so dass im Vergleich zu 5 ein Federelement 23 mit geringerer Federkonstante genutzt werden kann, um dasselbe Rollengewicht in seiner Wirkung auf die Messeinrichtung 16 zu kompensieren. Trotz geringer Federkonstante wird folglich eine hohe mechanische Stabilität der Messeinrichtung 16 erreicht.

Gegenüber dem Stand der Technik wie eingangs zitiert ist zwar mit einer Federvorspannung infolge der Gewichtskraft der Rolle 14 zu rechnen, sie ist jedoch gegenüber dem Stand der Technik aufgrund der Hebelwirkung des Armes 11 entsprechend geringer. Folglich lässt das Federelement 22 gegenüber dem eingangs zitierten Stand der Technik einen größeren Restfederweg zu. Daraus ergibt sich bei einer Ausführungsform gemäß 3 ein gegenüber dem Stand der Technik größerer Messbereich.

Nunmehr wird auf 4 verwiesen. Nach den Ausführungen zu 3 ist schnell zu erkennen, dass die Hebelgesetze hier umgekehrt angewandt werden. Gegenüber 5 ist das Federelement 23 in Richtung des Lagers 12 verschoben. Dies bedeutet, dass die Gewichtskraft der Rolle 14 über die Hebelwirkung des Armes 11 stärker auf das Federelement 23 wirkt. Folglich wirkt auch jede auf die Rolle 14 wirkende resultierende Zugkraft 22 stärker auf das Federelement 23, was zu einer entsprechend größeren Auslenkung des Armes 11 und somit zu einer guten Messbarkeit auch geringer Zugkräfte 22 führt, wobei nochmals darauf hingewiesen sei, dass die Auslenkung des Armes 11 üblicherweise kleiner als 0,5 mm ist.

Letztlich sei auf 6 verwiesen, welche bei der Verwirklichung der zu den 3 bis 5 angeführten Vorteile eine sehr kompakte Anordnung 10 zur Zugkraftmessung dargestellt. Hier besteht der Arm 11 aus zwei Schenkeln 24 und 25, wobei der horizontale Schenkel 24 die Rolle 14 trägt, wohingegen der vertikal angeordnete Schenkel 25 einen Angriffspunkt des Federelementes 23 zur Gewichtskraftkompensierung der Rolle 14 bietet. Der Arm 11 ist im Bereich des Schnittpunktes beider Schenkel 24, 25 mittels des schon beschriebenen Lagers 12 schwenkbar angeordnet.

Die in 6 dargestellte Ausführung der Anordnung 10 zur Zugkraftmessung weist den wesentlichen Vorteil auf, dass die Richtung der Gewichtskraft der Rolle 14 kompensierenden Federspannung dieser nicht entgegengesetzt zu sein braucht. Mittels des Schenkels 25 findet eine Umlenkung der Kompensationskraft des Federelementes 23 statt, so dass dieses im hier dargestellten Ausführungsbeispiel quer zur Gewichtskraft ausgerichtet sein kann.


Anspruch[de]
Anordnung (10) zur Zugkraftmessung von Endlosmaterial, wie Garne, Drähte oder Papierbahnen, welches über zumindest eine auf einer Achse (15) drehbar gelagerte Rolle (14) geführt ist und mit wenigstens einer Kraftmesseinrichtung (16), mittels derer eine aus der an dem Endlosmaterial anliegenden Zugkraft (22) resultierende Lageveränderung der Rolle (14) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rolle (14) an einem ausschließlich im wesentlichen quer zur Rollenachse (15) schwenkbaren Arm (11) angeordnet. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm (11) hängend gelagert ist. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Arm (11) wenigstens ein Anschlag (18, 19) zugeordnet ist, welcher die Schwenkbewegung (20, 21) des Armes (11) zumindest in Richtung (22) der resultierenden Zugkraft begrenzt. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (23) vorgesehen ist, welches die auf den Arm (11) wirkende Gewichtskraft der Rolle (14) kompensiert. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm (11) mittels eines Kugellagers (12) schwenkbar gelagert ist. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm (11) aus zwei L-förmig zueinander ausgerichteten Schenkeln (24, 25) besteht, dessen erster Schenkel (24) horizontal und dessen zweiter Schenkel (25) vertikal ausgerichtet ist, wobei der Arm (11) im Bereich eines Schnittpunktes der Schenkel (24, 25) gelagert ist. Anordnung nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das kompensierende Federelement (23) mit seiner Kraftwirkungslinie parallel zu einem die Rolle (14) tragenden Schenkel (24) ausgerichtet ist. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (16) dem Arm (11) zugeordnet ist und über dessen Schwenkbewegung (20, 21) mittelbar die Lageveränderung der Rolle (14) gemessen wird. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kompensierende Federelement (23) in einem Bereich zwischen dem Lagerungspunkt des Armes (11) und einem Zuordnungspunkt der Kraftmesseinrichtung (16) an dem Arm (11) angreift.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com