用于弹性材料的前馈控制系统 【技术领域】
本发明涉及到一种用于提供前馈控制以便控制作为一种较大物料处理或者转换工序的一部分来供给的弹性材料的量的工艺。
背景技术
在把弹性材料网状物放置到吸收衣物上或其它应用之前，可以使用许多不同的工艺把连续的弹性材料网状物例如拉伸结合的叠层材料切割成离散长度。这样的工艺通常包括当检测到切割长度误差时来校正材料切割长度的反馈控制。该“切割长度”是拉伸结合的叠层材料(SBL)或者其它弹性材料在机器方向上的连续切割之间的长度。用于一种弹性材料切割长度的反馈控制通常依赖于切割长度误差来确定工序校正的量值，该切割长度误差为测定切割长度与目标切割长度之间的差值。
研究表明从一卷SBL的起始端到末端会存在一种“拉伸能力”的梯度。例如，如果在一个特定张力下在一卷SBL的起始端切割一片SBL，和在同样的张力下在一卷SBL的末端切割一片SBL，在该卷末端切割的SBL片的切割长度会更长一些。在一种反馈控制系统中，由材料性能地变化而导致在切割长度上的这种变化直到在翼片被切割之后检测到在切割长度上的一个误差时才可以进行校正。结果是由于该系统直到弹性材料被切割以后才测定到在切割长度上的变化，因此在材料性能或者加工条件突然改变时会导致在切割长度上的较大误差。
【发明内容】
为了克服在先前技术中遇到的上述困难和难题，发现了一种控制弹性材料供给速率的新工艺。
本发明涉及一种工艺，该工艺使用一种前馈或预测控制系统来减少在材料性质或者工序变化如材料接合中的变化对弹性材料切割长度的影响。通常，该工艺提供了对正在供给的材料网状物长度进行控制的一种方式，和当需要时，根据从该工序中接收到的信息来快速改变上述长度。如上所述，使用该工艺来控制供给速率，但是也可以使用该工艺来控制切割长度和其它性能，例如网状物的张力。
材料性能不能在辊或箱体之内或之间进行调整；然而，本发明提供了在一种转换工序中对网状物供给速率的调整。控制供给速率被控制成与目标供给速率相一致，该目标供给速率与在零张力下的材料长度相关。当材料性能改变时，目标供给速率也改变。
更具体地，该工艺包括在切断弹性材料之前测定位于弹性材料上的定位标记之间的距离。这些测定值用作一种输入信号输入到控制系统中，来直接控制切割长度，或与测定的切割长度一起来确定为了保持弹性材料切割长度为目标切割长度而需要的供给辊的速度校正。
也可以使用本发明来标记包括一种标记的图形的一种弹性材料的切割，以使每一片切割材料都包括有图形。
注意到前述内容，本发明的一个特征和优点就是提供了一种工艺，该工艺是为了提供前馈控制以便控制弹性材料切割长度的。
本发明的另一个特征和优点是提供了一种工艺，该工艺提供了对网状物的供给速率或者对在该工序中正在供给的材料量进行控制的一种方式，和当需要时，根据从该工序中接收到的信息来快速改变上述供给速率或供给的材料量。
【附图说明】
图1是一个用于把弹性材料片切断并将切断的弹性材料片放置到一个正在移动的网状物上的工序图；
图2是一种拉伸结合的叠层材料的一个张力-应变图；
图3是一片弹性材料在零张力T0下的一个顶视图；
图4是一片弹性材料在生产张力T1下的一个顶视图；
图5是一片弹性材料在转换张力T2下的一个顶视图；
图6是一种前馈切割长度控制系统的一个示意图。
定义
“吸收衣物”指的是训练裤、尿布、失禁产品、其它个人护理或健康护理产品，包括医用服装或者类似物。
“弹性的”和“弹性”指的是一种材料或者复合材料在去除使其产生形变的力之后恢复到其原始尺寸和形状的一种趋向。
“机器方向”指的是织物的长度方向，也就是该织物的生产方向，而相对的“横向方向”指的是织物的宽度方向，也就是垂直于机器方向的方向。
“拉伸结合的叠层材料”指的是一种具有至少两层的复合材料，其中一层是一种收缩层和另一层为一种弹性层。当弹性层处于一种伸长状态下时上述层接合在一起，这样当松弛上述层时，收缩层就会打褶。
“张力”指的是使一个主体有伸长趋向的一种力，或者在主体中抵制伸长的平衡力。
【具体实施方式】
本发明涉及到为了提供前馈控制以便控制一种作为一种较大物料处理或者转换工序的一部分来供给的弹性材料供给量的一种工艺。前馈或预测控制减少了在工序步骤中材料性质变化或者出现加工故障对弹性材料供给量的影响。前馈控制是通过测定位于弹性材料上的定位标记之间的距离来完成的。这些测定值用作一种输入信号输入到一种控制系统中，来直接控制弹性材料的供给量，或与测定的弹性材料供给量一起来控制供给量，从而确定为了将弹性材料供给量保持在一种目标水平所需的供给辊的速度校正。为了易于解释，在此以后将根据控制弹性材料切割长度的一种工艺来进行说明。
图1是可以利用该工艺切割弹性材料20例如弹性接合的叠层材料(SBL)，并将切割的弹性材料段放置到一移动的网状物22上的一种工艺的一个实施例的图。在这种情况下，弹性材料段20可以用于形成吸收衣物的侧翼片。
首先，弹性材料20从一个退卷装置24上进行退绕，上述装置例如可从Martin Automatic，Inc.，Rockford，Illinois得到。可选择地，可以使用两个或者更多退卷装置24，例如其中一个退卷装置24供应第一侧，和另一个退卷装置24供应第二侧。弹性网状物20可以通过一个驱动辊，例如在图1中所示的辊26，该辊可作为用于控制网状物20中张力的一种装置，接下来通过一个测定网状物张力的辊杆28。接着网状物20通过一个网状物导向装置30。可以使用一个网状物导向装置30来控制网状物20沿着制造工序中的横向方向的位置，从而能够供给到一个真空供给辊32上。为了实现本发明的目的，横向方向通常位于通过该工序被传送的材料平面内，和与机器方向垂直对准。机器方向在图1中用箭头34指示。
真空供给辊32控制着弹性材料20供给到一个砧辊36上的速率，和网状物的张力和材料性质一起来确定切割长度。当弹性材料20位于砧辊36和一个包括一个切割机构42例如一个或多个刀片的夹辊40之间时，其被切割成具有离散长度的材料片。砧辊36适当地覆盖有真空孔，上述真空孔保持着弹性材料片20，直到弹性材料片20释放到一个侧翼片敷料器44上或其它应用装置上。一个合适的侧翼片敷料器44的例子在美国专利No.5,224,405中有详细描述，该文献结合在此作为参考。侧翼片敷料器44将弹性材料片20放置到一个产品上用来形成例如吸收衣物的侧翼片。
为了在系统中提供前馈控制，以特定距离均匀隔开的定位标记46放置到弹性网状物20上，如图3所示，定位标记46之间的距离刚好在将弹性材料20供给到真空供给辊32上之前进行测定。这些测定值为控制系统48(图6)提供一个预测输入，这些测定值依次来调整供给辊32的速度，该供给辊32的速度用来调整弹性材料20的供给速率，从而减少不期望的材料性质变化所产生的影响。可选择地，用来代替调整供给辊32的速度，控制系统48可以调整在弹性网状物20上的张力，来改变材料的切断量。
研究表明，具有如下一个方程式来决定弹性材料的性质，和决定这些性质是如何与加工处理中的切割长度相关的。上述方程式是相对于一种具有代表性的弹性材料20的一个张力应变曲线50的，如图2所示。方程式为：
Lc＝(E)(Ls)/(E+T-A) (1)
其中，
Lc是弹性材料的切割长度或者弹性材料在机器方向上被切割的量，其例如以厘米/产品为单位进行测定；
E是初始模量，或者在弹性材料张力-应变曲线(图2)中10-30％的应变下的直线斜率，例如其可以以克/厘米为单位进行测定；
Ls是弹性材料的供给速率，或者真空供给辊的速度，例如其可以以厘米/产品为单位进行测定；
T是施加到弹性网状物上的张力值，例如其可以以克/厘米为单位进行测定；和
A是初始模量(E)线的初始截距或者y-截距，例如其可以以克/厘米为单位进行测定。
用来估计在加工处理中的模量和截距的一种方式是应用如下方程式：
应变＝ΔL/L (2)
其中L是弹性材料20在零张力下的长度和ΔL是当材料放置于张力T下而导致的长度变化。根据方程式(2)，张力是与长度成反比的。结果是，可能采取一种即时长度测定，且该长度与张力相关联以便推测在图2中的一部分。
通过测定位于弹性材料20上的定位标记20之间的距离，可以获得一个即时测定长度。定位标记46可以是任何类型的合适的标记，例如线、点、孔、光学光亮剂、或者在近红外线或者通常是在可见光范围之外可探测到的一种材料。定位标记46可以在制造工序中施加到弹性材料20上，制造工序就是制造弹性材料的一工序。可选择地，定位标记46可以在转换工序中施加到弹性材料20上，合适的是处于低网状物张力之下的一个位置。一个传感器52，例如可以从BannerEngineering Corp.of Minneapolis，Minnesota得到的一种摄影镜(photoeye)，可以用来探测在转换工序中的定位标记46，转换工序就是出现材料脱离生产该材料的状态，例如从一个辊或花彩脱离，来把上述材料结合到制造的物品中的工序。例如，转换工序可以从真空供给辊32到侧翼片敷料器44时发生。
当弹性材料20处于一种松弛状态，可以忽略存在于弹性网状物20中的张力T0。在制造工序中存在于弹性网状物20中的张力T1是施加定位标记46处理中的张力值。在转换工序中在弹性网状物20中的张力T2是将弹性网状物20供给到真空输入辊32上的张力值。
当弹性网状物20处于零张力T0下时，位于定位标记46之间的距离L0在图3中示出。当弹性网状物20处于生产张力T1下时，位于定位标记46之间的距离L1在图4中示出。当弹性网状物20处于转换张力T2下时，位于定位标记46之间的距离L2在图5中示出。位于定位标记46之间的距离L2可以刚好在将弹性网状物20供给到真空输入辊32上之前进行测定，或者也可以在弹性网状物20位于真空输入辊32上时进行测定。
利用点(S1，T1)和(S2，T2)，弹性材料的张力-应变关系近似于一条直线。结果是，初始模量和初始截距可以利用这两点(S1，T1)和(S2，T2)估计出，如图2中所示。对于以下的方程式，张力是以每单位宽度上的力来测定的。
S1＝(L1-L0)/L0 (3)
S2＝(L2-L0)/L0 (4)
由于E是直线的斜率，它遵循下述关系：
E＝(T2-T1)/(S2-S1) (5)
把方程式3和4代入到方程式5中，结果是：
E＝(T2-T1)L0/(L2-L1) (6)
众所周知的直线方程式为：
y＝mx+b (7)
其中m是直线的斜率(Δy/Δx)，b是一个常量，x和y分别为沿x轴和y轴的距离。把点(S2，T2)、斜率(E)和初始截距(A)代入到方程式7中，就得到如下的关系式：
T2＝(E)(S2)+A (8)
将方程式4和6代入到方程式8中，就得到如下结果：
A＝T2-[(T2-T1)(L2-L0)]/(L2-L1) (9)
将方程式6和9代入到方程式1中，就得到如下结果：
Lc＝L0Ls/L2 (10)
从方程式10中可以推出，弹性材料的供给速率Ls是：
Ls＝LcL2/L0 (11)
当弹性材料20处于零张力T0下时，定位标记46之间的距离L0作为制造工序的张力T1和距离L1的一个函数用实验方法来确定，其中距离L1为当弹性网状物20处于制造工序的张力T1下时的定位标记46之间的距离。由于材料不可能在该工序中的任何点都处于零张力下，但是可以假定材料处于零张力下来估计距离L0。在制造工序中的小张力下，L0大致等于L1。方程式11可以换一种方式重新叙述，这样L0可以用已知量来表示，而不用估计L0。
方程式11的转换方式依赖于先前提过的弹性材料的张力-应变之间的一种近似直线的关系(图2)。由于L值是与在图中的S值直接相关的，直线的斜率m可以表示成如下关系：
m＝(L2-L1)/(T2-T1) (12)
把点(T2，L2)代入到直线的标准方程式(y＝mx+b)中，直线的方程式变为：
L2＝[(L2-L1)/(T2-T1)]T2+b (13)
从方程式13可以推出，在y轴上的截距b可以进行如下计算：
b＝L2-T2[(L2-L1)/(T2-T1)] (14)
把方程式12和14代入到标准直线方程式中，导出如下的线性方程式：
y＝[(L2-L1)/(T2-T1)]x+{L2-T2[(L2-L1)/(T2-T1)]} (15)
当张力T(x值)为0时，[(L2-L1)/(T2-T1)]x项可以从方程式15中消去，y值定义为L0，剩余以下项：
y＝L0＝L2-T2[(L2-L1)/(T2-T1)] (16)
把方程式16代入到方程式11中，导出：
Ls＝Lc/{1-(T2/L2)[(L2-L1)/(T2-T1)]} (17)
在方程式11和17中，切割长度Lc是目标切割长度，或者目标距离。在存在或不存在切割长度反馈下，方程式11和17可以作为基数应用在一个控制系统中，以便运算弹性材料20的供给速率Ls(或者真空供给辊(VFR)32的速度)。调整弹性材料20的供给速率Ls(或者VFR32的速度)以便获得弹性材料20的下述切割段，其中每一段具有大致等于目标切割长度Lc的长度。一个调节因子K可以使用在方程式18所示的调节函数中。
KL2/L1或者KL2/L0，其中K＞0 (18)
可选择地，在本发明的工艺中，不用将一个测定长度与一个目标长度进行比较，而是将一个测定的供给速率与一个目标供给速率来进行比较。只要作为一个比较项的L2/L1或者L2/L0保持一个定值，切割长度也将大致保持恒定。
图6是一种可能的控制系统48的一个例子，其中该系统可以与例如图1中所示的工艺一起使用。如图6所示，目标切割长度、或者切割长度设定值和切割长度反馈输入到系统48中。切割长度反馈，也就是在该工序中弹性材料20已经被切割成段的实际测定值，可以从一种自动记录和检测系统获得。切割长度误差的检测可以即时将一个信号发送到一个第一控制算法中，例如一个比例-积分(PI)控制器54，该控制器可以进行最佳的调整以得到目标切割长度。第一控制器54可以计算出一个目标比率。也可以计算出当弹性材料20处于转换张力T2下时的定位标记46之间的距离L2与在定位标记之间的生产距离L1的一种实际比率。然后可以比较目标比率和实际比率。如上所述，在低张力下，L1近似于L0，可以近似用作L0。另外，L1和L0之间的确切关系可以用试验进行确定。定位标记之间的距离可以影响响应时间。标记之间的较短距离可以导致较短的响应时间。
目标比率与实际比率相比导致一个比率误差。该系统把比率误差加上“1”并将结果与VFR速度参考值相比较，进一步导致一个VFR速度的调整参考值。把VFR速度的调整参考值与一个VFR速度反馈进行比较。VFR速度误差的检测向一个第二控制算法系统例如一个第二PI控制器56发送一个信号。第二PI控制器56计算一个VFR扭矩基准，然后调整VFR32的速度。
控制系统48也可以在没有切割长度反馈下起作用，并且改为依赖于目标切割长度和定位标记46之间的测定到的比率L2/L1来调整VFR32的速度。
也可以用本发明的工艺来切割包括如图5所示的在机器方向上具有注册图形58的弹性材料20。更具体地，在VFR32的速度开始增加或减少之后来使图形58相对于切割边缘居中，可以控制弹性材料20的供给速率，这样图形58保持大致位于切割边缘的中间。因此图形58相对于定位标记46在机器方向定位，这样图形58可以在连续的定位标记46之间或者与定位标记46对准。通过这种方式的使用，本发明的工艺可以在弹性材料20的每一切割段上设置一个居中的图形58。
可以意识到为了说明本发明目的而对前述实施例做出的详细描述并不作为本发明保护范围的限定。虽然上述只对本发明的几个典型实施例进行了详细描述，但是本领域的普通技术人员很容易地意识到在典型实施例的基础上可以作出本质上并不脱离本发明独创性的教导和优点的许多变型。因此，所有这样的变型都将被包括在本发明的保护范围之内，其在所附的权利要求书和在此的所有等同物中进行限定。此外，可以认识到所设想的一些实施例不会具有某些实施例尤其是优选实施例的所有优点，但是一个具体优点的缺少不能必然推断出其意味着这样的一个实施例就在本发明的保护范围之外。