具有用于操作参数的传感器的触发系统的工业轧辊 |
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| 申请号 | CN201480008961.5 | 申请日 | 2014-04-17 | 公开(公告)号 | CN105121738B | 公开(公告)日 | 2017-04-26 |
| 申请人 | 斯托·伍德沃德许可有限责任公司; | 发明人 | C.B.肯特雷尔; | ||||
| 摘要 | 一种确定工业 轧辊 的旋转 位置 的方法包括：(a)提供具有纵轴的旋转工业轧辊，该工业轧辊在其一端上安装了 加速 计，该工业轧辊还包括多个 传感器 ；(b)基于加速计所提供的第一重 力 矢量来确定轧辊的预触发 角 位置；然后(c)基于加速计所提供的第二重力矢量来确定轧辊的触发角位置，第二重力矢量的幅度与第一重力矢量的幅度相差大于典型噪声 信号 的幅度；以及(d)在轧辊已通过触发角位置之后从传感器采集数据；以及(e)基于触发角位置的确定将在步骤(d)所采集的数据与多个传感器的相应传感器进行匹配。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种确定工业轧辊的旋转位置的方法，包括下列步骤： |
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| 说明书全文 | 具有用于操作参数的传感器的触发系统的工业轧辊[0001] 相关申请 技术领域[0003] 本发明一般涉及工业轧辊(roll)，以及更具体来说涉及用于造纸的轧辊。 背景技术[0004] 在典型造纸过程中，将纤维素纤维(称为纸“原料”)的水浆或悬浮液馈送到在两个或更多轧辊之间行进的铁丝网和/或合成材料的环带的上面的道之上。常常称作“形成结构”的带在其上面的道的上表面提供造纸表面，其作为过滤器操作以将纸原料的纤维素纤维与水介质分离，由此形成湿纸幅。水介质通过位于结构的上面的道的下表面(即，“机器侧”)的重力或真空经过称作排水孔的形成结构的网孔排出。 [0005] 在离开形成部分之后，将纸幅传递到造纸机的压机部分，其中它经过覆盖有通常称作“压毡”的另一个结构的一个或多个压机(常常是滚压机)的辊隙。来自压机的压力从纸幅去除附加水分；水分去除常常通过压毡的“毛毡”层的存在来增强。纸然后传递到干燥器部分以便进一步进行水分去除。在干燥之后，纸准备好进行二次加工和包装。 [0006] 圆柱轧辊通常用于造纸机的不同部分，例如压机部分。这类轧辊驻留并且工作在苛刻环境中，其中它们能够遭受高动态负荷和温度以及侵蚀或腐蚀化学剂。作为示例，在典型造纸厂中，轧辊不仅用于在加工站之间传输纤维纸幅片，而且在压机部分和砑光机轧辊的情况下还用于将纸幅片本身加工为纸。 [0007] 造纸中使用的轧辊通常在考虑造纸机内的位置的情况下构成，因为要求驻留在造纸机内的不同位置中的轧辊执行不同功能。因为造纸轧辊能够具有许多不同性能需求，并且因为更换整个金属轧辊可以是相当昂贵的，所以许多造纸轧辊包括聚合物盖，其包围通常金属的核心的圆周表面。通过改变盖中采用的材料，盖设计人员能够按照造纸应用需求为轧辊提供不同性能特性。另外，维修、再研磨或更换金属轧辊上的盖的费用可以比更换整个金属轧辊要低许多。用于盖的示范聚合材料包括天然橡胶、合成橡胶，例如氯丁橡胶、苯乙烯-丁二烯(SBR)、腈橡胶、氯磺化聚乙烯(“CSPE”——又已知为来自DuPont的商标名HYPALON)、EDPM(给予由乙烯丙烯二烯单体所形成的乙烯丙烯三元共聚物的名称)、聚亚安酯、热固合成物和热塑合成物。 [0008] 在许多情况下，轧辊盖将包括至少两个不同层：基底层，覆盖于核心，并且提供对其的接合；以及顶原料层，覆盖于并且接合到基底层，并且用于轧辊的外表面(一些轧辊还将包括被基底层和顶原料层夹着的中间“接头”层)。这些材料的层通常选择成为盖提供用于操作的物理性质的规定集合。这些能够包括必要强度、弹性模数以及对高温、水和粗糙化学品的抵抗性以耐受造纸环境。另外，盖通常设计成具有适合于它们将执行的加工的预定表面硬度，并且它们通常要求纸片从盖“释放”而没有对纸片的损坏。另外，为了节约，盖应当是耐磨的。 [0009] 当纸幅经过造纸机来传送时，了解纸幅所遭遇的压力分布图可以是很重要的。压力的变化能够影响从纸幅所排出的水量，其能够影响最终纸片水分含量、厚度和其他性质。关于轧辊所施加的压力的幅度因此能够影响用造纸机所生产的纸的质量。 [0011] 已知的是将压力和/或温度传感器包含在工业轧辊的盖中。例如，授予Moschel等人的美国专利No.5699729描述一种具有螺旋布置的引线（lead）的轧辊，其包括嵌入轧辊的聚合盖中的多个压力传感器。传感器螺旋地布置，以便在沿轧辊长度的不同轴向位置提供压力读数。通常，传感器通过信号携带构件来连接，其将传感器信号传送给处理器，处理器处理信号并且提供压力和位置信息。 发明内容[0012] 作为第一方面，本发明的实施例指向一种确定工业轧辊的旋转位置的方法。该方法包括下列步骤： [0013] (a)提供具有纵轴的旋转工业轧辊，该工业轧辊在其一端上安装了加速计； [0014] (b)检测加速计中生成的重力矢量； [0015] (c)将在步骤(b)所检测的重力矢量的幅度和方向与预定预触发重力矢量进行比较； [0016] (d)如果在(b)所检测的重力矢量的绝对值没有达到预触发重力矢量的绝对值，则重复步骤(b)和(c)；否则，进行到步骤(e)； [0017] (e)检测加速计中生成的重力矢量； [0018] (f)将在(e)所检测的幅度和方向与预定触发重力矢量进行比较，触发重力矢量的幅度的绝对值与预触发重力矢量的幅度的绝对值相差大于加速计所生成的典型噪声信号的量； [0019] (g)如果在步骤(f)所检测的重力矢量的幅度的绝对值达到触发重力矢量的幅度的绝对值，则重复步骤(e)和(f)；否则，进行到步骤(h)；以及 [0020] (h)基于在步骤(e)所检测的重力矢量来确定轧辊的旋转位置。 [0021] 作为第二方面，本发明的实施例指向一种确定工业轧辊的旋转位置的方法，该方法包括下列步骤： [0022] (a)提供具有纵轴的旋转工业轧辊，该工业轧辊在其一端上安装了加速计，该工业轧辊还包括多个传感器，传感器的每个配置成检测操作参数； [0023] (b)基于加速计所提供的第一重力矢量来确定轧辊的预触发角位置；然后 [0024] (c)基于加速计所提供的第二重力矢量来确定轧辊的触发角位置，第二重力矢量的幅度与第一重力矢量的幅度相差大于典型噪声信号的幅度；以及 [0025] (d)在轧辊已通过触发角位置之后从传感器采集数据；以及 [0026] (e)基于触发角位置的确定将在步骤(d)所采集的数据与多个传感器的相应传感器进行匹配。 [0027] 作为第三方面，本发明的实施例指向一种用于确定工业轧辊的旋转位置的系统，包括：具有纵轴的工业轧辊；安装在工业轧辊的一端上的加速计；安装在轧辊上的多个传感器，传感器的每个配置成检测操作参数；以及与多个传感器并且与加速计关联的处理器。处理器配置成： [0028] (a)基于加速计所提供的第一重力矢量来确定轧辊的预触发角位置；然后 [0029] (b)基于加速计所提供的第二重力矢量来确定轧辊的触发角位置，第二重力矢量的幅度与第一重力矢量的幅度相差大于典型噪声信号的幅度；以及 [0030] (c)在轧辊已通过触发角位置之后从传感器采集数据；以及 [0032] 图1是按照本发明的实施例具有用于检测操作参数的传感器的工业轧辊的正视图。 [0033] 图2是其上安装了加速计的工业轧辊的端视图，其示意示出在不同轧辊位置的加速计的测量的力矢量。 [0034] 图3是按照本发明的实施例的位置确定系统的示意图。 [0035] 图4A是绘制作为轧辊位置的函数的加速计力的图。 [0036] 图4B是绘制作为轧辊位置的函数的加速计力的图，其中示出按照本发明的实施例的示范预触发和触发值。 [0037] 图5是按照本发明的实施例的操作的流程图。 具体实施方式[0038] 下文将参照附图更具体描述本发明。本发明不意图限于所示实施例；而是，这些实施例旨在向本领域的技术人员全面并完整地公开本发明。附图中，相似标号通篇表示相似元件。一些组件的厚度和尺寸为了清楚起见可放大。 [0039] 为了简洁和/或清楚起见，可能没有详细描述众所周知的功能或构造。 [0040] 除非另外定义，否则本文所使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含意。本文的本发明的描述中所使用的术语仅用于描述具体实施例，而不是意图限制本发明。如本发明的描述和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”和“所述”意图也包含复数形式，除非上下文另外明确指示。如本文所使用的，术语“和/或”包括关联的所列项目的一个或多个的任何以及所有组合。在使用的情况下，术语“附连”、“连接”、“互连”、“接触”、“耦合”、“安装”、“覆盖”等能够表示元件之间的直接或间接附连或接触，除非另外说明。 [0041] 下面参照按照本发明的实施例的方法、设备(系统)和/或计算机程序产品的框图和/或流程图图示来描述本发明。要理解，框图和/或流程图图示的每个框以及框图和/或流程图图示中的框的组合能够通过计算机程序指令来实现。可将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机、电路和/或其他可编程数据处理设备的处理器以便产生机器，使得经由计算机和/或其他可编程数据处理设备的处理器运行的指令创建用于实现框图和/或流程图框中指定的功能/动作的部件。 [0042] 这些计算机程序指令还可存储在计算机可读存储器中，它们可引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式运行，使得计算机可读存储器中存储的指令产生一种制品，所述制品包括实现框图和/或流程图框中所指定的功能/动作的指令。 [0043] 计算机程序指令还可加载到计算机或者其他可编程数据处理设备上，以便使一系列操作步骤在计算机或其他可编程设备上执行以产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程设备上运行的指令提供用于实现框图和/或流程图框中所指定的功能/动作的步骤。 [0044] 因此，本发明可实施在硬件中和/或在软件(包括固件、常驻软件、微代码等)中。此外，本发明的实施例可采取计算机可用或计算机可读非暂时存储介质上的计算机程序产品的形式，所述计算机程序产品具有实施在介质中以便由指令执行系统使用或者与其结合使用的计算机可用或计算机可读程序代码。 [0045] 计算机可用或计算机可读介质可以是非暂时计算机可读介质，例如但不限于电子、电磁或半导体系统、设备或装置。计算机可读介质的更具体示例(非详尽的列表)将包括下列项：具有一个或更多导线的电连接、便携式计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM或闪速存储器)，以及便携致密盘只读存储器(CD-ROM)。 [0046] 现在参照图1，以20广义表示的工业轧辊在图1中示出。轧辊20具有纵轴A，并且包括空心圆柱壳或核心22(图1中未示出)和环绕核心22的盖24(通常由一个或多个聚合材料形成)。用于感测压力的感测系统26包括一对电引线28a、28b和多个压力传感器30，其每个嵌入盖24中。如本文所使用的，传感器被“嵌入”盖中表示传感器完全包含在盖内，以及传感器被“嵌入”盖的特定层或层的集合中表示传感器完全包含在那个层或层集合内。感测系统26还包括处理器32，其处理压电传感器30所产生的信号。 [0048] 盖24能够采取任何形式，并且能够由本领域的技术人员认识的适合用于轧辊的任何聚合和/或弹性材料形成。示范材料包括天然橡胶、合成橡胶，例如氯丁橡胶、苯乙烯-丁二烯(SBR)、腈橡胶、氯磺化聚乙烯(“CSPE”——又已知为商标名HYPALON)、EDPM(给予由乙烯丙烯二烯单体所形成的乙烯丙烯三元共聚物的名称)、环氧树脂和聚亚安酯。盖24还可包括加固和填充材料、添加剂等。在授予Stephens的美国专利No.6328681、授予Jones的美国专利No.6375602和授予Gustafson的美国专利No.6981935以及在授予Butterfield的美国专利公布No.2007/011187中论述了示范附加材料，其中的每个的公开据此全部结合到本文中。 [0049] 在许多情况下，盖24将包括多个层。在授予Pak的美国专利No.8346501和授予Moore的美国专利公布No.2005/0261115中描述了具有多个层的示范轧辊的构造，其公开据此全部结合到本文中。 [0050] 再次参照图1，感测系统26的传感器30能够采取本领域的技术人员认识的适合于检测压力的任何形状或形式，包括压电传感器、光学传感器等。在授予Moschel等人的美国专利No.5699729、授予Moore的No.5562027、授予Gustafson的No.6981935和授予Meller的No.6429421以及授予Moore的美国专利公布No.2005/0261115和授予Gustafson的No.2006/0248723中论述了示范传感器，其中的每个的公开通过引用结合到本文中。压电传感器能够包括任何装置，其在经受压力、温度或其他物理参数的变化时呈现压电性。“压电性”定义为遭受机械或其他应力的介质晶体中的电力或电极性的生成，这样的电力或电极性的幅度足以将它与电噪声区分。示范压电传感器包括由压电陶瓷所形成的压电传感器，例如PZT类型的铅-zirgonate-钛酸盐、石英、合成石英、电气石、磷酸镓、CGG(Ca3Ga2Ge4O14)、铌酸锂、钽酸锂、罗谢尔盐和硫酸锂一水化物。具体来说，传感器材料能够具有高于350°F以及在一些情况下高于600°F的居里温度，其能够在轧辊在造纸环境中常常遭遇的温度实现精确感测。传感器30的典型外尺寸(即，长度、宽度、直径等)处于大约2 mm与20 mm之间，以及传感器30的典型厚度处于大约0.002与0.2英寸之间。 [0051] 在所示实施例中，传感器30是瓦片状的，即正方形和平坦的；但是，传感器的其他形状和/或孔径也可以是适当的。例如，传感器30本身可以是矩形、圆形、环形、三角形、椭圆形、六边形、八边形等。另外，传感器30可以是实心的，或者可包括内部或外部孔径，(即，孔径可具有封闭周长，或者孔径可以是开口的，使得传感器30采取“U”或“C”形状)。参见例如授予Gustafson的美国专利公布No.2006/0248723，其公开据此全部结合到本文中。 [0052] 传感器30按照其具有与轧辊10的纵轴A基本上重合的纵轴的螺旋线布置。在所示实施例中，传感器30定义单个螺旋线圈的大部分，但是在其他实施例中，传感器30可定义多个线圈，或者可定义少于单个线圈。另外，在一些实施例中，可采用传感器30的多个集合或串。 [0053] 还值得注意的是，传感器30可配置成检测除了压力之外的操作参数(例如温度或水分)，并且仍适合用于本发明的实施例中。 [0054] 当传感器安装到如上所述的旋转轧辊上时，可变得需要在各旋转的特定点触发数据采集或某个其它活动。如图2所示，工业轧辊可包括加速计42，其安装到轧辊10的端部以帮助确定轧辊10的位置。加速计42可以是常规构造。可以是典型构造的加速计42配置成检测移动对象相对于重力的加速度的幅度和方向，并且能够基于加速度的幅度和方向来生成重力矢量。 [0055] 在加速计42与轧辊10的纵轴切向安装的情况下，当轧辊10绕其纵轴A旋转时，轧辊10的旋转所引起的重力矢量基于其角位置发生变化。参照图2，当加速计42处于3点钟位置(图2中示为0度)时，重力矢量指向下，并且具有1G的幅度。当加速计42处于6点钟位置(图2中示为90度)时，加速计42读数为零，因为重力矢量与加速计矢量正交。当加速计42处于9点钟位置(图2中示为180度)时，加速计42读数为-1G，以及在12点钟(图2中示为270度)，它读数为零。因为加速计42与纵轴A切向安装，所以通过旋转在其中生成的任何离心力不是显著因子。如本文所使用的，标号“G”指加速计42所检测的加速度(在幅度和方向上)；本领域的技术人员将理解，加速计数据测量加速度(以长度/时间2的单位测量)，并且“G”是这样的加速度的缩写，其中“1G”是地球的重力场所产生的加速度。对于具有与旋转轴圆周地安装在轧辊的末端的加速计的旋转轧辊，“1G”是所测量的最大加速度，以及“-1G”是最小加速度(即，在与“1G”测量的方向相反的方向上的加速度)。 [0056] 图3示意示出能够用来监测加速计42所产生的信号的电子设备。模数转换器50能够用来将信号从电压转换成数字数据流，其然后被提供给处理器32。因为轧辊10按照圆形方式旋转，所以加速计信号数据跟随旋转重力矢量，并且是正弦形状的。图4A示出来自旋转轧辊的样本加速计输出的曲线，其中加速计42所遭遇的力(包括幅度和方向)作为轧辊角的函数绘制。 [0057] 在先前的实施例中，由加速计生成的触发点的可靠检测因加速计数据信号中的噪声(通常由轧辊振动所引起)的存在是困难的，所述噪声能够足以使信号在错误时间“触发”。例如，如果触发点被指定为水平轴(即，图4A的图的“0”线条，其将对应于图2的“3点钟”或“0度”位置)，当曲线向上移动(其将对应于图2的“6点钟”或“90度”位置)时，系统26将理解，跨越水平轴的任何加速计信号将是轧辊10上的那个位置的触发点。如果数据信号中的噪声使信号下降回到低于水平轴，然后再次立即跳跃到水平轴之上，则系统将错误地将水平轴的第二向上跨越解释为另一个轧辊旋转的开始，而不是将它理解为信号中的噪声的存在。这样的错误解释则将提供传感器数据与轧辊位置的不正确匹配。 [0058] 图5所示的算法能够解决这个问题。如图5所示，将来自加速计的第一样本作为初始步骤(框100)。该系统确定基于加速计样本数据所产生的重力矢量的绝对值的幅度是否小于预定预触发水平(框110——还参见图4B)。预触发水平通常设置成与触发水平显著不同，设置在超出系统的典型噪声误差之外的水平。还要注意，预触发水平对应于与触发水平的角位置显著不同的预触发角位置。如果重力矢量的幅度的绝对值低于预触发水平(即，信号未达到预触发水平)，则循环继续进行。在某个点，加速计样本数据的重力矢量的绝对值的幅度达到并且上升到高于预触发阈值(框120和图4B)。继续获取样本(框130)，但是重力矢量的绝对值则与触发水平的绝对值进行比较(框140)，所述触发水平在所示示例中位于水平轴。再一次，触发水平的幅度与预触发水平的幅度(通常大约为0.1至0.9G，以及在一些实施例中0.3G、0.4G或者0.5G至0.7G、0.8G或0.9G)显著不同；此外，与触发水平对应的角位置与预触发水平的角位置(通常大约10至120度，以及在一些实施例中30、40或50度至90、100或120度)显著不同。因为最初加速计数据的重力矢量的幅度未达到触发水平，所以取样在触发循环中继续进行，直到加速计信号的重力矢量的幅度达到触发水平(框150和图4B)。 在这一点，触发已经发生，以及传感器数据能够被采集并且与其在轧辊上的对应传感器/角位置进行匹配。 [0059] 通过这种技术，轧辊10的位置能够可靠地找到，因为系统26将基本在周期中的相同点重复地触发。因此，触发能够用来识别轧辊的角位置，其实现确定环绕轧辊10排列的哪些传感器30已经提供数据集中的哪些数据点。显著不同的预触发和触发水平的使用能够确保加速计42处于其预期位置(例如，对于图2所示的示例在旋转的底部)以便发起数据收集，甚至当某个噪声随着轧辊旋转而存在于加速计数据中时。在每旋转读取多个事件的系统配置(例如，如果轧辊与多个配套结构配套，使得轧辊形成多个辊隙)中，这种能力能够是特别有用的。 [0060] 上述内容是对本发明的说明并且将不被理解为对其进行限制。虽然已描述了本发明的示范实施例，但是本领域的技术人员将易于理解，在不实质上背离本发明的新颖教导和优点的情况下，许多修改在示范实施例中是可能的。相应地，所有这类修改都意图包含在如权利要求所限定的本发明的范围之内。本发明由随附权利要求限定，其中权利要求的等同物将包含在其中。 |
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