用来测定材料卷的至少一个 单张伸长值的方法和设备 本发明涉及用来测定材料卷的至少一个单张伸长值的一种方法和一种设备。
在按客户指定的尺寸生产一个材料卷之前，首先在造纸机上制造一个大纸卷然后送到一个卷纸装置去加工。基本上，该卷纸装置用来从一个大卷按客户指定的尺寸生产较小的卷。在卷取过程中，随着该卷的卷绕，以造成一个较硬的能更好地经受住向客户地点的运输的卷时，材料的单张被拉长。该单张伸长的分布形状就该卷直径而论必须尽可能均匀。该卷的拉紧分布形状中地任何波动都将在客户开卷该卷时显现出来。
测量相对于卷直径的单张伸长值是有很大价值的。单张伸长值沿直径的分布应该尽可能均匀，以防止在客户地点的波动。
在本领域中众所周知，有J.PUNDYK的美国专利N0.3,161,043，其中描述用来确定绕成卷的带材的变形的一种方法和一种设备。该方法包括完全横断地切割最外一圈未松弛的带材以释放所述圈中的变形并借此让所述圈由于处于无变形状态而呈一缩短了的长度，并且把所述缩短了的长度与该绕成卷的周长相比较。
以上所述的方法是一种费时的人工方法，其中操作者必须完全横断地切割最外一圈未松弛的材料，然后把缩短了的长度与绕成卷的周长相比较。这两个步骤必须随着该卷被开卷定期地重复，以针对不同的直径值进行测量。由于每次测量都需要操作者一定量的时间和精力，所以这些测量受限于减少的直径值数量。
以上所述的开口检验法是一种用来测量一个纸卷的单张伸长分布形状的常用方法。基本上，用一个十分锋利的刀片横跨该卷划开最后一层或单张纸以形成开口。通常精密地测量此一开口和该卷的直径，可以计算出相对于给定直径的单张伸长的百分数。为了进一步说明，请看以下示例，其中开口宽度为6mm，而直径为1000mm。但伸长残余张紧STR(％)用下式计算：STR(%)=100×6mm1000mm×π]]>
STR(％)＝0.19098
于是1000mm直径卷上的6mm开口的伸长残余张紧为0.19098％。测量沿卷的半径的单张伸长需要多点的测量。通常，测量均匀分布在卷的直径上的30至40点需要2至4小时。这是一项烦琐的工作，因为它需要人工地把纸从卷上切割下来。大约30至40点的人工读效的鉴别率与典型纸卷中的纸的总圈数相比是很低的，典型纸卷大约有5000至8000层代。此外，该开口长度用一个与透明尺组合的放大镜来读取。读数的精度或多或少与进行测量的人有关。这些不同的因素使它几乎成为一种检验卷的经验方法。
在本领域中还众所周知，有下列美国专利：
3,472,439
3,699,809
4,347.993
4,532,500
4,823,608
本发明的一个目标在于提供用来测定材料卷的至少一个单张伸长值的一种方法和一种设备，该方法和该设备比现有技术的方法和设备更快和更精密，而且能以很高的鉴别率迅速地提供不同直径值的单张伸长值。
根据本发明，提供一种用来测定材料卷的至少一个对应于卷的相应直径单张伸长值的方法，该方法包括步骤：
(a)对所述卷的一个侧端从它的圆周开始径向地做标记以产生一系列沿其半径对齐的标记；
(b)以使所述卷转动自如的方式支承所述卷，从而允许其圆周诸层松弛；以及
(c)在所述步骤(a)和(b)之后，测量所述标记中在所述卷的圆周中最外面的一个相对于诸标记中的相邻标记的横向移位值GAP。
根据本发明，还提供一种用来测定材料卷的至少一个单张伸长值的设备，所述卷的一个侧端被从其圆周开始径向地做标记以产生一系列沿其半径对齐的标记，所述设备包括：
用来以使所述卷转动自如的方式支承所述卷，从而允许其圆周诸层松弛的支承装置；以及
用来测量所述诸标记中在所述卷的圆周中最外面的一个，相对于诸标记中的相邻标记的横向移位值GAP的第一测量装置。
图1是在给卷做标记之后一个材料卷的示意透视图；
图2是根据本发明的设备的某些元件连同一个材料卷的侧视图；
图3是示出附加光传感器的图2的局部放大透视图；
图4是示出根据本发明的一个优选实施例的用来支承图3中所示的光传感器的支承的透视图；
图5是根据本发明的一个优选实施例的一个带适当的连接器的测速发电机的透视图，和一个带辊子的材料卷的局部透视图；
图6是示出根据本发明的一个优选实施例的设备的各部分的框图；以及
图7是说明根据本发明的一个优选实施例的方法的的流程图。
现在参照图1至6，其中示出了一种根据本发明的用来测量一个纸卷至少一个单独伸长值的设备。通过用本发明的设备使读取自动化，提高了结果的精密度、重复精度和可靠度。通常如图1中所示在其侧端给它开缺口，使该卷为分析作好准备。然后，使该卷的单独如图2中所示走过该设备以测量单独伸长值。
该设备包括：一个支承装置，例如一个竖直支承(6)之类，用来以使该卷转动自如的方式支承该卷(2)，从而允许其圆周诸层松弛，如图2中所示；以及一个第一测量装置，例如一个测量单元之类，用来测量诸标记(4)中在卷(2)的圆周中最外面的一个(10)，相对诸标记(4)中一个相邻接的标记的横向移位值GAP，此第一测量单元的诸元件在下文描述。该设备可能还包括一个第二测量装置，例如一个用来测量卷(2)的直径的测量单元，此第二测量单元的诸元件在下文描述。该值GAP代表在所述直径上卷(2)的单张伸长值。
如图2中所示，纸卷(2)放在支承(6)上。一个钢辊子(30)安装在由一个摇臂(32)所支承的轴承上。该辊子(30)停靠在纸卷(2)上。摇臂(32)加有平衡块，以使仅有例如1至2英磅的很小的残余重量作用于纸卷(2)。纸张被辊子(30)拾起并被由电动机驱动的辊子(33)以恒定速度牵引。随着纸卷(2)被开卷，其直径减小而摇臂(32)使钢辊子(30)与纸卷(2)保持接触。一台计算机(41)连接于不同的传感器以计算出存储结果。
再次参照图1至6，该第一测量单元包括：
开卷装置，例如一个由电动机驱动的辊子(33)实现的开卷设备，用来开卷包含卷(2)的圆周中最外的标记(10)的一部分材料；
第一探测装置，例如一个用来在第一位置探测在该部分材料中的该标记(10)的路径，并相应地产生一个相对于时间的信号A的第一光传感器(12)；
第二探测装置，例如一个用来在第二位置探测图3中所示的紧接在标记(10)之后并位于卷(2)的圆周上的第二标记(16)的路径，并相应地产生一个相对于时间的信号B的第二光传感器(14)；
比较装置，例如一个由图6中所示的CPU(18)实现的比较器，用来比较相对于时间的信号A和信号B以得到一个时间段Δt，测定信号A和B中哪一个先出现并相应地确定一个极性值P；
求值装值，例如一个由CPU(18)实现的求值单元，用来测量在时间段Δt期间开卷的材料长度LM；以及
一个第一计算装置，例如一个由CPU(18)实现的计算单元，用来借助于下式计算该值GAP：GAP＝P×LM+OV，式中OV是一个由该第一和第二位置的相定位决定的错位值。
光传感器(12和14)连接于钢辊子(30)。为了图3的图示的清晰，在图3中没有示出夹持光传感器(12和14)的托架。这些托架示出在图4中。这们机械地连接到摇臂(32)。两个光传感器(12和14)各包括一个发射器(15)和一个探测器(17)。
一个测速发电机(40)，例如图5中所示的高分辨率脉冲发生器，连接于钢辊子(30)，用来精密地测量其转动。该测速发电机(40)一般产生5000脉冲/转。光传感器(12)位于钢辊子(30)的端部，并随着纸张朝钢辊子(30)开卷而探测该纸张中的某个缺口的第一边。传感器(12)的发射器(15)发射一道窄光束，该窄光束当纸张中的某个缺点掠过时被对应的探测器(17)探测。第二传感器(14)探测卷(2)上的纸张的最外面圆周的缺点的第一边。
支承(6)包括两个平行的直立构件(24)，图1和2中仅示出这两个构件中的一个，但很容易理解，在卷(2)的另一侧有另一个直立构件。两直立构件(24)借助于底板(26)机械地连接，每个直立构件(24)有一个设有球轴承(28)的上部，该轴承用来支承该卷(2)的中心轴，借此，在工作中，卷(2)安装在两直立构件(24)之间。
该设备进一步包括一个计算装置，例如由CPU(18)实现的计算单元，用以借助于下式由第二测量单元所测量的卷(2)的对应直径值的伸长百分散STR(％)：
第一测量单元包括具有给定值直径D1的钢辊子(30)。辊子(30)可以安装在诸如摇臂(32)之类的支承上，致使在工作中辊子(30)平行于卷(2)，材料的开卷部分绕在辊子(30)的至少一部分上，而且辊子(30)转动自动，从而随着该部分材料开卷，允许其圆周诸层松弛。
第一测量单元还包括：
连接于辊子(30)的测速发电机(40)，该测速发电机(40)在辊子(30)的一整转内产生预定的脉冲数NP；
第三探测装置，例如由该CPU(18)实现的第三传感器，它连接到第一和第二光传感器(12和14)并连接于测速发电机(40)，用来探测在时间段Δt内由测速发电机(40)所产生的脉冲数N1；以及
一个第二计算装置，例如一个由该CPU(18)实现的计算单元之类，用来借助于下式计算材料的长度LM：LM＝N1×[(D1×π)/NP]。
第二测量装置包括：
第四探测装置，例如由CPU(18)实现的第四传感器，它连接到第二传感器(14)和测速发电机(40)，用来探测在由第二位置处的两次相继的路径探测确定的时间段Δt期间由测速发电机(40)产生的脉冲数N2；以及
第三计算装置，例如由CPU(18)实现的另一个计算单元，用来借助于下式计算卷(2)的直径D2：D2＝[(N2×D1)/NP]。
比较器由计算机(41)提供，该计算机包括CPU(18)、存储器(22)和诸如用来从光传感器(12和14)接收信号的触发器锁存电路(36)之类的接口装置。第三和第四传感器由CPU(18)和从光传感器(12和14)和测速发电机(40)接收信号的触发器锁存电路(36)提供。
现在参照图3和4，传感器(12)包括一个发射器(15)、一个探测器(17)和一个使发射器(15)和探测器(17)保持彼此对准并处于正确位置的C字形夹紧托架(51)。传感器(14)也包括一个发射器(15)、一个探测器(17)和一个C字形夹紧托架(53)。传感器(12)用来探测缺口(10)的边而传感器(14)用来探测缺口(16)的边。两个C字形夹紧托架(51和53)借助于一个小轴(76)安装在一起，该小轴(76)靠一个支架(82)连接于钢辊子(30)的轴(84)。支架(82)连接于带轴承的钢辊子轴(84)。于是轴(84)随钢辊子(30)转动自动而不对支架(82)施加转矩。小轴(76)牢固地安装在支架(82)中，防止它的任何转动。
现在参照图5，可以看到，小轴(76)的另一端连接于一个与图4中所示的支架(82)类似的支架(78)。两个支架(78和82)还连接于图4中的示的钢辊子轴(84)。
现在参照图4，通过把一些钢滚轮(86)连接于小轴(76)，以使它们能随着纸卷(2)滚动，整个传感器组件起一个浮动头的作用，以便始终把发射器(15)、探测器(17)和C字形夹紧托架(53)保持在离开卷(2)的正确距离上。
现在参照图5，测速发电机(40)靠一个托架(72)连接于摇臂(32)。该托架(72)用来当钢辊子(30)本身被纸卷(2)驱动时，防止该测速发电机(40)随钢辊子(30)转动。钢辊子(30)的转动经万向节(74)传给测速发电机(40)的轴。零件(76和78)用来保持图4中所示的光传感器(12和14)。
现在参见图6，其中根据一个优选实施例示出了用来读取不同电信号的电子电路。许多不同的实施例是可能的，而这一个仅作为例子示出。测速发电机(40)连接于钢辊子(30)。测速发电机(40)输出的电信号供给到计数器(60)的输入端。每当辊子(30)转动时，测速发电机(40)就向计数器(60)发送脉冲，按所接收的脉冲数增加它的值，从而增加它的输出。计数器(60)的输出是二进制的并连至锁存电路(62和64)。这些锁存电路(62和64)用来在对应的锁存触发器输入端被启动的准确时刻存储计数器(60)的输出值，然后CPU(18)或任何类型的处理器能读取它的内容。那些锁存触发器输入端由图3中中所示的光传感器(12和14)启动。在探测到第一缺口边时，光传感器中的一个向对应的触发器锁存电路(36)发出一个脉冲，该触发器锁存电路(36)然后向其各自的锁存电路(62和64)发出一个脉冲，并在CPU总线(66)上把它自已的探测状态标志输出端(68)置位成正状态。一旦该状态标志输出端68置位成正状态，CPU(18)能探测它然后能读取对应的锁存电路内容。在读取了锁存电路之后，CPU(18)通过启动其清零输入端(70)使该触发器锁存电路复位。图6中所示的此电路可以在一个缺口探测之后由CPU(18)异步读取该计数器值。
参照图2、3、4、5和6，其中根据一个优选实施例示出了用来沿纸卷的侧面直径测量纸卷(2)的单张伸长值的设备的硬件部分。这此硬件部分包括：支承(6)，在该支承(6)上停放着纸卷(2)；一个带有上端和下端的竖直构件(35)，该下端刚性地固定于底板(26)；带有第一和第二端的摇臂(32)，该第一端连接于该竖直构件(35)的上端；连接于该摇臂(32)的第二端的钢辊子(30)，该钢辊子(30)的长度稍短于该纸卷(2)的长度，该钢辊子(30)停靠在该纸卷(2)上；以及用来从卷(2)牵引纸张的两个用电动机驱动的辊子(33)，辊子(33)固定于竖直构件(35)。
此外，这些硬件部分包括：第一光传感器(12)，用以探测卷(2)与钢辊子(30)之间的该纸张部分的第一缺口边，并相应地发出一个信号；第二光传感器(14)，用以探测该纸卷(2)的最外面的圆周的缺口边，并相应地发出一个信号；测速发电机(40)，用以探测钢辊子(30)的转动，并相应地发出一个信号；第一和第二托架(51和53)，第一托架(51)支承第一传感器(12)并固定于摇臂(32)的第二端，第二托架(52)支承第二传感器(14)并固定于摇臂(32)的第二端；以及计算机(41)，用以从两个传感器(12和14)和测速发电机(40)接收信号，用以存储该信号并用以计算对应的单张伸长值。
以上所述的设备还可以用来测量卷(2)的单张伸长值相对于它的直径的分布形状。在该情况下，该设备进一步包括：采样装置，例如由CPU(18)实现的采样器之类，用以采样借助于第一和第二光传感器(12和14)探测到的若干对路径；存储装置，例如图6中所示的存储器(22)之类，用以存储由该采样器采样的诸对路径算出的多个GAP值；第二计算装置，例如由CPU(18)实现的第二计算单元之类，用以根据存储在存储器(22)中的值GAP建立一个指明值GAP相对于卷(2)的直径的分布形状的函数F。
在工作中，图1至6中所描述的设备最好实现由图7大体示出的方法。该方法用来测定相对于材料卷的某个对应直径的材料卷(2)的至少一个单张伸长值。此方法包括步骤：(a)在该卷的一个侧端从它的圆周开始径向地做标记以产生一系列沿其半径对齐的标记(4)；(b)以使该卷转动自如的方式支承该卷，从而允许其圆周诸层松弛；(c)在步骤(a)和(b)之后，测量诸标记(4)中在该卷(2)的圆周中最外面的一个，相对于一个相邻的标记(16)的横向移位值GAP；以及(d)测量该卷(2)的直径。该值GAP表征着在步骤(d)测得的直径上的卷的单张伸长值。
首先，如上所述，把该卷(2)的一侧从卷(2)的中心向外侧圆周开缺口。缺口尺寸必须足够大，以使仅发生在卷(2)的圆周处的单张的松弛移动将不使上面的缺口边与直接在它下面的缺口边重叠。为了使松弛过程出现，纸卷(2)的全部重量必须由它的中心轴支承。当该缺口已经开好而卷(2)已经放在配备有轴承以允许该卷转动自如的支承(6)上时，可以观察到外面诸层的移动。随着纸张被牵引，外面诸层随纸张的松弛而不断移位。移位的距离或长度是制造过程期间在纸中产生的开口或伸长。
在通过开缺口来做标记的情况下，在步骤(a)中，做标记包括一个步骤，即对该卷(2)的一个侧端从它的圆周开始径向地开缺口以产生一系列沿其半径对齐的缺口(4)。在步骤(c)中，测量包括一个步骤，即测量诸缺口(4)中在该卷(2)中最外面的一个(10)相对于一个邻接缺口(16)的横向位移值GAP。
最好是，步骤(c)包括步骤：(i)开卷包含标记(10)的一部分材料；(ii)在第一位置探测处于该部分材料中的标记(10)的路径，并相应地产生一个相对于时间的信号A；(iii)在第二位置探测紧接标记(10)之后位于卷(2)的圆周的标记(16)的路径，并相应地产生一个相对于关于时间的信号B；(iv)比较相对于时间的信号A和B以得到一个时间段Δt，测定信号A和B中哪一个先出现并相应地确定一个极性值P；(v)测量在时间段Δt内开卷的材料长度LM；以及(vi)借助于下式计算该值GAP：
GAP＝P×LM+OV，式中OV为一个由该第一和第二位置的相对定位决定的错位值。
随着卷(2)的开卷，步骤(c)和(d)重复若干对第一和第二标记。该方法进一步包括步骤(e)；在存储在步骤(vi)里算出的每个值GAP，并建立一个指明相对于在步骤(d)里所测得的卷(2)的直径，诸值GAP的变化的函数F，该函数F代表材料卷(2)的不同单张伸长值相对于其直径的分布形状。
在步骤(b)里，卷(2)由它的一个中心轴支承。最好是，该方法进一步包括借助于下式计算相对于卷(2)的对应直径值的伸长百分STR(％)的步骤：
在步骤(d)里，该直径的测量是通过测量在由第二位置处两次相继的路径探测确定的时间段内开卷的材料长度DM；并借助于下式计算该直径：直径＝DM/π。
如上所述，该测量方法是相当简单的。首先，在两个相继的缺口之间测得的纸长度DM对应着卷(2)的周长C。
然后，测量分别由第一和第二传感器(12和14)探测的缺口边之间的距离。该测量在所述传感器(12和14)之一探测到一个缺口边时立即开始，而在另一个传感器(12或14)探测到一个缺口边时停止。然后，通过确定哪个传感器(12或14)首先探测到一个边来确定该读数的极性P。如果第二传感器(14)首先探测到一个缺口，则该极性P为正，而如果第一传感器(12)首先探测到一个缺口，则该极性P为负。
为了把第一和第二传感器(12和14)的测量初始化，使用一个错位值OV。为了求出此错位值，首先，用手仔细测量该开口。然后，用下式来测量开口值：
GAP值＝P[(N1×((D1×π)/NP))]+OV，式中P为极性，N1为在分别由第一和第二传感器(12和14)所进行的探测之间的时间段内由测速发电机(40)所产生的脉冲数，D1为钢辊子(30)的直径，NP为钢辊子(30)每转的脉冲数，以及OV为在初始化期间置为O的一个错位值。用手测得的开口与在初始化期间所测得的开口值之差即为错位值OV。
当该错位值OV被求值时，可以根据第一和第二传感器的相继读数，通过用在初始化期间求出的错位值代替上式中的OV，用上式算出第一开口值。留待求值的仅剩卷(2)的直径，它等于C/π。
计算出纸卷(2)每转的开口宽度和卷直径，可以计算每转伸长百分STR(％)。该结果存储于计算机(41)。
根据一个优选实施例，用来沿纸卷的侧面直径测量一个纸卷(2)的单张伸长的该方法包括下述步骤：(A)对卷(2)的一侧从它的中心开始向它的圆周径向地开缺口；(B)把卷(2)安装在设有轴承(28)的支承(6)上，用其架在两端上的中间部分支承卷(2)的全部重量，以使圆周诸层纸能松弛；(C)使最后一层纸绕位于纸卷(2)的圆周并与纸卷平行的钢辊子(30)穿过；(D)借助于用电动机驱动的诸辊子(33)使用纸卷(2)开卷以绕钢辊子(30)穿过；(E)随着一层纸被钢辊子(30)拾起，借助于第一光传感器(12)探测这层纸中的第一缺口边，并相应地产生一个信号A；(F)借助于第二光传感器(14)探测纸卷(2)的最外面圆周的缺口边，并相应地产生一个信号B；(G)通过把一个测速发电机(40)连接到钢辊子(30)上，该钢辊子具有已知的直径D1，该测速发动机(40)一般产生5000脉冲/(钢辊子(30)一转)，并通过探测在纸卷(2)的圆周诸层的两个相继的缺口之间的时间段内由测速发电机(40)所产生的脉冲数N2，来测量纸卷(2)的周长C，该周长C借助于下式计算：
C＝[N2×((D1×π)/5000脉冲)]；(H)根据在步骤(G)里所得到的C值，借助于下式计算纸卷(2)的直径D2：
D2＝(C/π)；(I)如果一个错位值尚未求值，则在初始化程序期间求出一个错位值OV，该错位值OV根据光传感器(12和14)的相对位置得出；(J)计算一个开口值，它出现于在所述步骤(E)和(F)中产生的信号A与B之间，当信号B比信号A先出现时该开口值的极性P为正，当信号A比信号B先出现时该开口值的极性P为负，该开口值借助于下式计算：
GPA值＝P[(N1×((D1×π)/5000脉冲))]+OV式中N1为在信号A与B之间的时间段期间由测速发电机(40)所产生的脉冲数，P为该开口值的极性，以及OV是在初始化程序中算出的错位值；(K)借助于下式针对纸卷直径D2计算伸长百分数STR(％)：
STR(％)＝[100×(GAP值/(D2×π))]，并存储与D2相关的所述值STR(％)；(L)重复从步骤(D)起的该方法，直到纸卷(2)完全开卷为止，借此，当纸卷(2)完全开卷时，该STR(％)值即代表纸卷(2)在不同直径上的单张伸长。
虽然上文已经用优选实施描述了本发明，但是应该指出，在所附权利要求书的范围之内对这些优选实施例的任何修改均不被视为本发明的实质和范围的变化或改动。