力监测方法和设备的制作方法

专利名称：力监测方法和设备的制作方法
技术领域：
本公开文本涉及玻璃制造，尤其涉及当例如辊表面与玻璃带表面接触时用于监测 所产生的力的方法和设备。通过监测这种力，从带分离的玻璃板的特性可得以提升，例如， 能减少在玻璃板上的残余应力和翘曲，这在玻璃板被用作液晶显示器的基板时是有利的。
背景技术：
在例如熔合下拉工艺的各种下拉玻璃制造工艺以及浮法工艺中都会产生玻璃带。 带中的张力、尤其是横跨带的张力对于控制带的平整度以及从带中产生的单独的玻璃板中 的残余应力是重要的。横跨带的张力可通过例如使带表面与相对于带的运动方向定向成一 角度的辊(在此也被称之为“短辊”或“短筒”)接触来加以控制。这种辊使带稳定且在横 跨带的方向上对带施加张力，以及在垂直于带表面的方向上施加“夹紧”力。在本公开文本之前，并没有已知的监测由这种辊施加在带上的力的方法。本公开 文本提供了用于在不会不利于玻璃成形工艺的情况下对这些力进行实时监测的方法和设 备。例如，通过这些方法和设备所提供的数据可用于为工艺工程师提供反馈，从而可对成形 工艺进行调节，包括引起玻璃特性提升、例如降低残余应力水平的调节。

发明内容
在第一方面，公开了一种用于监测由于轴(13)的一部分(15)与移动玻璃带(23) 接触而被施加至轴(13)的力的分量的方法，该分量在横跨带的方向上，该方法包括(a)用支承构件(39)支承轴(13)，该支承构件(39)响应于对轴(13)施加包括横 跨带的分量的力而经受在横跨带的方向上的线性位移(45)；以及(b)对支承构件(39)的线性位移(45)进行监测。在第二方面，公开了一种用于监测由于轴(13)的一部分(15)与移动玻璃带(23) 接触而被施加至轴(13)的力的分量的方法，，该力分量在垂直于带的方向上，该方法包括(a)用支承构件(39)支承轴(13)，该支承构件(39)响应于对轴(13)施加包括垂 直于带的力分量的力而经受绕轴线的旋转(59)，上述轴线与带表面平行；以及(b)对支承构件(39)的旋转(59)进行监测。在第三方面，公开了一种用于监测沿轴(13)的中心线作用的轴向力的分量的设 备，该设备包括(a)轴(13)；(b)用于轴(13)的支承组件(7)，该支承组件(7)包括支承构件(39)，该支承构件 (39)能响应于轴向力的分量而线性位移(45)，该位移(45)沿一直线，并且该直线与该轴的中心线共面或在彼此平行的平面上；以及(c)用于对支承构件(39)沿上述直线的线性位移(45)进行监测的传感器(47、 51)。在第四方面，公开了一种用于监测垂直于轴(13)的中心线作用的力(57)的设备， 该设备包括(a)轴(13)；(b)用于轴(13)的支承组件(7)，该支承组件(7)包括支承构件(39)，该支承构件 (39)能响应于垂直于轴(13)的中心线的力(57)而旋转；以及(c)用于对支承构件(39)的旋转(59)进行监测的传感器(53、55)。在对本公开文本的各个方面上述概括中使用的附图标记仅为了读者方便，而并不 想要也不应当理解成限制本发明的范围。更一般地说，可以理解的是，以上的总体描述和以 下的详细描述都只是本发明的示例，是为了提供对本发明的本质和特征的总体或构架的理 解。本发明的另外的特征和优势在下面的详细说明中予以阐述，并且对于本领域技术 人员而言，一部分可从说明中变得明白或通过实施在此所述的本发明得以认知。包括附图 是为了提供本发明的进一步理解，附图包含在该说明书中并构成该说明书的一部分。应当 理解的是，在本说明书和附图中予以公开的本发明的各种特征可被用在任意和所有的组合 中。


图1是力监测设备的一实施例的示意立体图。图2是图1实施例的示意侧视图，其中设备的轴处于水平定向。图3是图1实施例的示意仰视图。图4是从图2左侧所见的图1实施例的示意端视图；图5是图1实施例的示意侧视图，其中设备的轴处于向下倾斜的定向。图6是说明图1的设备的组装的示意立体图。图7是说明图1的设备的支承构件的位移的示意仰视图。为了加以说明，在本图 中放大的位移的量。图8是说明图1的设备的支承构件的位移的检测的示意侧视图。为了加以说明， 在本图中放大的位移的量。图9是说明图1的设备的支承构件的旋转的示意俯视图。图10是说明图1的设备的支承构件的旋转的沿图9的A-A线的图。为了加以说 明，在本图中放大的旋转的量。图11是采用短筒的熔合下拉系统的示意图。附图中使用的附图标记指代如下7支承组件9支承组件的第一分组件11支承组件的第二分组件13 轴
15 辊17张力箭头19夹紧力箭头21旋转箭头23玻璃带25 外壳27 板29 枢轴31燕尾的阳部分33燕尾的阴部分35轴承组件37 框架39支承构件41 腹板43说明第一分组件和第二分组件的组装的箭头45说明支承构件的线性位移的箭头47线性位移传感器49传感器目标物的初始位置51传感器目标物的最终位置53用于旋转感测的扩增臂55旋转传感器57说明夹紧力的箭头59说明支承构件的旋转的箭头61成形结构(同质管(isopipe))63同质管空腔或槽65 入口管67同质管的根部69同质管的会聚侧71同质管的会聚侧75玻璃带的垂向边缘77玻璃带的压条部(bead portion)79玻璃带的压条部81表示玻璃带的向下运动的箭头83短辊组件91 短辊
具体实施例方式以下讨论是基于熔合下拉工艺(也称为熔合工艺、溢流下拉工艺或溢流工艺)进 行的，应当理解在此被公开并要求保护的方法和设备也可以应用于其他下拉工艺、例如槽孔拉制工艺，以及水平工作的工艺、例如浮法工艺。讨论还基于短辊进行，应当理解在此被 公开和并要求保护的方法和设备也可以应用于不管是被用作短辊或是为了其他目的而与 移动玻璃带接触的任何轴。因为熔合设备和短辊在本领域中是周知的，故省略其详细内容， 以使实施例的描述更为清晰。如图11所示，典型的熔合工艺采用成形结构(同质管)61，该成形结构61包括从 入口管65接受熔融玻璃的空腔63。同质管包括根部67，在该根部处来自同质管的两个会 聚侧69和71的熔融玻璃合并到一起以形成带23。带23包括与带23的垂向边缘75相邻 的压条部77、79。在离开根部之后，带横穿边缘辊和拉动辊(未图示)，边缘辊被用于控制 带的宽度，而拉动辊被用于对带施加张力从而使其以规定速率向下移动。图11中，这种向 下运动由箭头81表示。图11中还表示两个短辊组件83。每个短辊组件包括两个短辊91，每个短辊91包 括轴13，该轴13具有与玻璃带23接触的辊15和轴承组件35。短辊可自由旋转或通过电 动机(未图示)驱动。如图11中的箭头17所示，辊在带23上产生张力。辊还产生垂直于 带表面定向的夹紧力。夹紧力可例如经由施加于附连至短辊的杠杆臂的重块来设置。根据某些实施例，对横跨带的张力和/或在一个或多个短辊上的夹紧力进行实时 监测。更准确地说，对在短辊的轴上的相应的反作用力(根据牛顿第三定律)进行监测并 将其用作玻璃带上的力的测量结果。以往，在玻璃带上的张力不为人所知，且不存在已知方 法来实时或以其他方式测量它们。另外，还对每个短辊施加至带的夹紧力同样是进行实时 监测。以往，夹紧力是通过分析来估计的而未进行实时监测。通过监测这些力，工艺工程师 们可对成形工艺有更加根本的理解。这种理解又可被用于改变工艺和提高玻璃的特性，例 如，边缘应力和玻璃板平整度。概括地说，使用短辊安装于其上的挠曲构件对在短辊的轴上的并因而对在玻璃带 上的张力和夹紧力进行监测。挠曲构件设计成当由玻璃将在正交方向上、即在张力和夹紧 力方向上具有分量的载荷施加至辊时在这些方向上经受小的变形量。由位移传感器来检 测挠曲构件的小的变形量，每根沿其测量力的正交轴线使用至少一个传感器。通过测量变 形量然后将它们与由已知载荷所产生的变形量相关联，从而可测量施加至辊的力的正交分 Mo挠曲构件被设计成即使在多个方向上施加载荷也能基本上只沿指定的正交轴线 测量载荷。更具体地说，挠曲构件被设计成当施加指定载荷时它的至少一个部分在感兴趣 的方向上变位、而当施加横向载荷时沿相同方向的变形量接近为零。然后，位移传感器定位 成对挠曲构件的那部分的变形量进行检测。以此方式，挠曲构件/位移传感器的组合就可 对由沿感兴趣的方向的载荷引起的挠曲构件的变形量进行测量，但在横向上的载荷只会对 传感器产生最小的影响。挠曲构件还被设计成足够刚硬，以致不会不利于(扰乱)玻璃成形工艺。具体地 说，已经发现具有高顺应度的挠曲构件会导致成形工艺不稳定。刚硬的挠曲构件导致小的 变形量，但实际上，已经发现，如果使用具有高分辨率的位移传感器，则仍然可以实现精确 的力监测。合适的高分辨率传感器的例子包括感应传感器、即涡流传感器，压电传感器，应 变仪，电容传感器和光学传感器。应予注意的是挠曲构件越刚硬，位移传感器需要越敏感， 而反之亦然。可用诸如测力传感器之类的测力计来代替位移传感器。应予注意的是，由于载荷被各个腹板分散承担，测力计不会提供力的直接测量值，因此需要进行测力计校准。在一实施例中，设备包括被外框架围住的中心梁(支承构件)。中心梁通过一系列 薄腹板与外框架连接，并且辊附连至中心梁。外框架相对于玻璃制造机的框架固定，同时由 于薄腹板的挠曲而允许中心梁相对于外框架变位。当轴向载荷经由玻璃运动被施加至辊时，力通过腹板被传递至固定的框架。力导 致腹板像弹簧那样变位。设备包括测量中心梁相对于外框架的相对变形量的传感器。通过 实施校准工序，藉此来施加一系列已知的载荷、记录变形量、然后通过使用插值法，就可对 于任何测得的变形量计算载荷。在薄平腹板的情况下，载荷相对变形量是线性的，这就允许 通过使用力一位移校准曲线的斜率来简单地进行计算。当对辊施加与轴向载荷不同的法向 载荷时，力同样通过腹板传递至固定框架。在此情况下，中心梁的运动是旋转而不是平移。 同样，使用一系列已知的载荷来校准旋转，并且通过使用插值法，就可对于任何测得的旋转 计算出法向载荷。与轴向载荷一样，对于薄平腹板而言，载荷相对变形量是线性的。为了提供足够的刚度，腹板可由具有高弹性模量的材料制成，诸如陶瓷或如不锈 钢之类的金属，例如17-4不锈钢。除了高弹性模量之外，材料还需要具有高屈服强度以 承受腹板中引起的应力。适合特定应用场合的板条数量的估计和材料特性可通过例如将 腹板建模成悬臂件来获得。例如，参见Arthur H. Burr, Elsevier North Holland公司的 Mechanical Analysis andDesign (机械分析和设计)，1981，第400页。有限元分析也可被 用作这种目的。除了高弹性模量和高屈服强度之外，材料需要在诸如与玻璃制作设备相关 的那些温度之类的较高温度下耐腐蚀，这是因为腹板的腐蚀会改变它们的刚度，进而不利 地影响通过监测设备进行的测量精度。同样，各种各样的陶瓷和不锈钢可长时间承受玻璃 制造温度而不发生显著的性能降低。在一实施例中，腹板和固定框架可由单个材料块制得， 例如单块不锈钢。在某些优选的实施例中，轴向载荷的监测和法向载荷的监测是基本上彼此独立 的。也就是说，两个确定之间的串扰，即由于另一个力存在而导致任一确定中的误差，小于 1 %。另外，例如，若使用两个力中的一个来校准装置，然后施加另一个力，则测量值的改变 会小于1%。现参照图1 图10，示出了支承组件7，该支承组件7适用于监测与辊和玻璃带的 接触相关联的张力17和夹紧力19。图1中，假定玻璃带向下移动，这样从轴处观察，轴13 逆时针方向旋转(参见附图标记21)。应予注意的是在相对的组件(未图示)中，轴顺时针旋转。总而言之，设备7包括支承构件39 (例如，参见图7)，该支承构件39对短辊的轴 13予以支承。支承构件响应于张力17经受线性位移(参见图7的附图标记45)并响应于 夹紧力19经受旋转(参见图10的附图标记59)。如上所述，实际上，检测该线性位移和旋 转，此后通过对轴施加已知的载荷并测量所产生的线性位移和旋转的校准过程来将它们转 换成力。如图1、图2和图6最清楚地示出，组件7包括两个分组件9、11，这两个分组件9、 11在本实施例所示为彼此分离的。分组件9包括轴13和它的辊15，而分组件11包括支承 构件39和它的用于检测支承构件的线性位移和旋转的关联器具。通过可彼此分离，可以在 让辊的支承构件和它的关联器具留在原位时，对短辊进行更换(例如，作为常规维护的一部分)。如图6最清楚地示出，分组件9、11可装有阴燕尾33和阳燕尾31，这些燕尾使两个 分组件能通过在图6的附图标记43所说明的线性运动而分离并再连结。除了便于组装和 拆卸之外，燕尾接头在被例如可动扁栓锁定在位时，可如进行力测量所希望地那样提供分 组件之间的牢固的连接。当然，可用分组件之间的其他类型的连接靠替代燕尾，例如分组件 可用螺栓连接在一起。还有，如果需要，组件7也可以构造成不具有分组件的一体式装置。在所示的实施例中，分组件9包括外壳25和板27，它们通过枢轴29彼此相连。如 图1所说明的，枢轴使轴13和它的辊子15定向成在水平方向下方成一角度，而依然将板27 留在水平面上。为轴13选择的特定角度取决于应用场合和由辊施加至带上的所需的张力 的量。如果需要，轴13和它的辊15可被定向成固定的角度，而不是使用枢轴。分组件9还 包括在外壳25内的轴承组件35 (参见图2)。如上所讨论的那样，轴13和它的辊15可自由 旋转或被驱动。在后一种情况下，轴13与合适的驱动设备(未图示)连接。分组件11包括支承构件39和框架37。在使用中，支承构件39被定向成在垂直于 带的平面(即，对于下拉工艺而言是水平面)中与带23表面平行，从而支承构件可响应于 被施加至轴13的横跨带的力。具体来说，如图7所说明的那样，当在横跨带的方向上(例 如，在图1的箭头17的方向上)具有力分量的力被施加至轴13时，支承构件39经受那个 力分量方向上的线性位移，如图7的箭头45所说明的那样。更具体地说，在所示的实施例 中，支承构件39由于腹板41的弹性变形而经受这种线性位移。为了方便说明，图7中只示 出了八块腹板，且腹板变形的量被放大。实际上，通常可使用超过八块腹板，例如十六块腹 板。重要的是，腹板41的变形是没有摩擦的，这样摩擦力的存在不会与施加至轴13的力的 监测发生干扰。尽管腹板对于支承构件39而言是优选的，但也可使用其他支承件，例如，为 此可采用各种构造的弹簧。如图8所说明的那样，使用传感器41和传感器目标物51，例如感应传感器(参见 上文)对支承构件39的位移进行检测。传感器/目标物的组合中的一个构件附连至支承 构件39，而另一个附连至框架37。图8中，假定传感器目标物附连至支承构件39，并经受从 初始位置49至最终位置51的移动。通过使用已知力对这种位移进行校准(参见上文)，就 可通过监测传感器与其目标物之间的相对移动来实时监测在横跨带的方向上被施加至轴 13的力。除了横跨带的力之外，支承构件39的移动还可用于监测被施加至轴13的包括垂 直于带的方向上(例如，在图1的箭头19的方向上)的分量的力。在这种情况下，如图9和 图10所说明的那样，支承构件39的运动是旋转(参见附图标记59)，而不是线性位移。在 这些图中，箭头57说明了垂直于带的力分量。如图10最佳地示出，力57在旋转过程中会 导致腹板41弹性变形。与图7的线性位移一样，可在支承构件39中采用除腹板之外的其 他装置，以使支承构件39能响应于具有与带表面垂直的分量的力而经受旋转。虽然被支承，但使用传感器/目标物的组合来对支承构件的旋转进行检测。如图 10所示，传感器55可被安装在框架37上，而目标物(未图示)可被安装在附连至支承构 件39的臂部53上。臂部起到放大支承构件的旋转的作用，因此便于旋转的检测。通过使 用已知力对臂部53的旋转进行校准(参见上文)，可实时监测在垂直于带的方向上被施加 至轴13的力。应予注意的是，如上所讨论的那样，响应于在横跨带的方向上的力分量的支承构
8件39的线性位移相对响应于垂直于带的力分量的支承构件的旋转是基本上独立的，因此 使这些分量能被彼此独立地监测。根据需要，可同时、依次或定期地监测这两个分量。另 外，如果在特殊应用场合中只对其中一个分量感兴趣的话，可只对支承构件39的一个运动 进行检测，而不是同时检测线性位移和旋转。在一些应用场合中，可能希望监测设备7相对于带23的位置。在这种情况下，目 标物(例如，光学目标物)可被安装在设备的外表面上，且它的位置可作为时间的函数来检 测。作为另一个选择，电缆转换器可被附连至设备7，并被用于监测设备位置上的任何改变， 例如，由于辊15随着时间的过去而磨损所引起的位置改变。从前述公开中不脱离本发明的范围和精神的各种改型对于本领域的普通技术人 员将是显而易见的。例如，尽管在上述讨论中的轴13包括与玻璃带接触的辊，但使用不具 有辊的轴、使轴靠近带的部分与带接触也能实施本发明。下述权利要求想要覆盖这些和其 他改型、变化和在此所阐述的具体实施例的等同物。Cl. 一种用于监测由于轴的一部分与移动玻璃带接触而被施加至轴的力的分量的 方法，上述力分量在横跨带的方向上，该方法包括用支承构件支承轴，该支承构件响应于 对轴施加包括横跨带的力分量的力而经受在横跨带的方向上的线性位移；以及对支承构件 的线性位移进行监测。C2.如Cl所述的方法，其中，支承构件响应于对轴施加包括在垂直于带的方向上 的分量的力而经受绕轴线的旋转，上述轴线与带表面平行；并且该方法还包括对支承构件 的旋转进行监测。C3.如C2所述的方法，其中，对支承构件的线性位移的监测和对支承构件的旋转 的监测是基本上彼此独立的。C4.如C1、C2或C3所述的方法，其中，支承构件由多个腹板支承，这些腹板在支承 构件的线性位移的过程中发生弹性变形，从而线性位移是没有摩擦的。C5.如C1、C2、C3或C4所述的方法，其中，线性位移与在横跨带的方向上的力分量 线性相关。C6. 一种用于监测由于轴的一部分与移动玻璃带接触而被施加至轴的力的分量的 方法，上述力分量在垂直于带的方向上，该方法包括用支承构件支承轴，该支承构件响应 于对轴施加包括垂直于带的力分量的力而经受绕轴线的旋转，上述轴线与带表面平行；以 及对支承构件的旋转进行监测。C7.如C2、C3、C4、C5或C6所述的方法，其中，支承构件由多个腹板支承，这些腹板 在支承构件的旋转过程中发生弹性变形，从而旋转是没有摩擦的。C8.如C2、C3、C4、C5、C6或C7所述的方法，其中，旋转与在垂直于带的方向上的力
分量线性相关。C9.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，轴与熔融玻璃接触的部分包括 被驱动或自由旋转的辊。C10.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，轴被支承成它能被绕垂直于 带的平面的轴线枢转。Cll.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，轴可拆地连接于支承构件。C12. 一种用于监测沿轴的中心线作用的轴向力的分量的设备，包括轴；用于轴的支承组件，上述支承组件包括支承构件，该支承构件能响应于轴向力的分量而线性位移， 该位移沿一直线，并且该直线和该轴的中心线共面或在彼此平行的平面上；以及用于对支 承构件沿上述直线的线性位移进行监测的传感器。C13.如C12所述的设备，其中，支承构件能响应于具有垂直于轴的中心线的分量 的力而旋转，并且该设备包括用于对支承构件的旋转进行监测的传感器。C14.如权利要求C12或C13所述的设备，其中，支承组件包括多个对支承构件予以 支承的腹板。C15.如C14所述的设备，其中，腹板在支承构件的线性位移过程中发生弹性变形， 从而线性位移是没有摩擦的。C16.如C14或C15所述的设备，其中，腹板在支承构件的旋转过程中发生弹性变 形，从而旋转是没有摩擦的。C17.如C12、C13、C14、C15或C16所述的设备，其中，支承组件包括用于对轴的中 心线相对于支承构件的定向进行调整的枢轴。C18.如C12、C13、C14、C15、C16或C17所述的设备，其中，轴支承辊，支承组件包括
用于轴的轴承组件。C19.如C12、C13、C14、C15、C16、C17或C18所述的设备，其中，支承组件包括第
一分组件，该分组件附着至轴；以及第二分组件，该第二分组件包括支承构件；并且第一分 组件可拆地连接于支承构件。C20.如C19所述的设备，其中，第一分组件通过燕尾接头与支承构件相连。
权利要求
一种用于监测由于轴的一部分与移动玻璃带接触而被施加至所述轴的力的分量的方法，所述力分量在横跨带的方向上，该方法包括(a)用支承构件支承所述轴，所述支承构件响应于对所述轴施加包括横跨带的力分量的力而经受在横跨带的方向上的线性位移；以及(b)对支承构件的线性位移进行监测。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于(a)所述支承构件响应于对所述轴施加包括在垂直于带的方向上的分量的力而经受绕 轴线的旋转，所述轴线与带表面平行；并且(b)所述方法还包括对所述支承构件的旋转进行监测。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述支承构件的线性位移的监测和对所 述支承构件的旋转的监测是基本上彼此独立的。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述支承构件由多个腹板支承，所 述腹板在所述支承构件的线性位移的过程中发生弹性变形，从而所述线性位移是没有摩擦 的。
5.如权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于，所述线性位移与所述在横跨带的方 向上的力分量线性相关。
6.一种用于监测由于轴的一部分与移动玻璃带接触而被施加至所述轴的力的分量的 方法，所述力分量在垂直于带的方向上，该方法包括(a)用支承构件支承所述轴，所述支承构件响应于对所述轴施加包括垂直于带的力分 量的力而经受绕轴线的旋转，所述轴线与带表面平行；以及(b)对所述支承构件的旋转进行监测。
7.一种用于监测沿轴的中心线作用的轴向力的分量的设备，包括(a)轴；(b)用于所述轴的支承组件，所述支承组件包括支承构件，所述支承构件响应于所述轴 向力的分量而能线性位移，所述位移沿一直线并且所述直线与所述轴的中心线共面或在彼 此平行的平面上；以及(c)用于对所述支承构件沿所述直线的线性位移进行监测的传感器。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于(a)所述支承构件响应于具有垂直于所述轴的中心线的分量的力而能旋转；以及(b)所述设备包括用于对所述支承构件的旋转进行监测的传感器。
9.如权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述支承组件包括多个对所述支承构件 予以支承的腹板。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述腹板在所述支承构件的线性位移过程 中发生弹性变形，从而所述线性变形是没有摩擦的。
全文摘要
本发明提供一种用于监测与倾斜短辊(91)和玻璃带(23)的接触相关联的张力(17)和夹紧力(19)的方法和设备(7)。设备(7)包括支承构件(39)，该支承构件(39)支承短辊(91)的轴(13)。支承构件(39)响应于在玻璃带(23)上的张力(17)而经受线性位移(45)并响应于夹紧力(19)而经受旋转(59)。对线性位移(45)和旋转(59)进行检测，并通过校准过程将它们转换成力。通过监测这些力，诸如残余应力之类的玻璃特性可得到提高，这对于在诸如液晶显示器的制造这样的应用场合中使用的玻璃板是非常重要的。
文档编号C03B17/06GK101900622SQ201010194878
公开日2010年12月1日 申请日期2010年5月27日 优先权日2009年5月27日
发明者G·C·沙伊, J·P·佩里斯, R·C·卡迪 申请人:康宁股份有限公司