专利名称：一种通过调节皮带轮之间的中心距控制帘线张力的方法
本申请是申请号为00134446.3，申请日为1996年10月3日，名称为“一种用于将帘线从供给源敷设于旋转卷筒上的方法”的发明专利申请的分案申请。该在前的发明专利申请则是申请号为96180010.0，申请日为1996年10月3日，名称为“生产具有精确帘线长度和张力的皮带的方法和装置”的发明专利申请的分案申请。
背景技术：
本发明总体上涉及向一旋转结构敷设帘线的装置和方法的技术，而更特指的是涉及生产具有精确帘线长度和帘线张力的弹性皮带的装置和方法。
传统的向一旋转卷筒敷设帘线的方法包括一个可塑性最小的卷筒，意味着卷筒的尺寸，特别是直径和周长基本是恒定的。该卷筒可以是一个刚性的圆柱体。在这种情况下，帘线的长度是通过选择具有正确周长的圆柱形卷筒来控制。其它卷筒不是圆柱形的，此处公开的本发明也适用于这样的卷筒。
在某些先有技术的卷筒中，通过向卷筒表面敷设或从其上去除一层材料来调节其周长。其它卷筒具有径向伸缩元件，形成一系列近似圆的弧。在所有这些中，帘线通过一导轮进行敷设，在需量供给模式中，导轮根据实际尽可能精确地控制帘线的张力。卷筒每转的帘线的长度取决于周长，因此也取决于圆柱体的制造公差。
卷筒经常用于制造弹性皮带产品，如汽车上用的牙轮皮带和传动皮带。大多数皮带的设计还要求在帘线施加之前先在圆柱体上缠绕上其它皮带材料层。这些材料的厚度、硬度和温度偏差也可能影响帘线的长度。
本发明对帘线长度的控制与圆柱体的公差或下层材料无关。再者，本发明可以以极精确的方式控制帘线长度，精度可达到百万分之三十。这在制造带齿的牙轮皮带时是非常重要的，在这样的皮带中，帘线长度的误差可导致齿的误啮合和齿或皮带的过早损坏。
本发明的另一个优点是用本发明制成的螺旋帘线结构可以容易地从圆柱体上取下，而不会损失长度精度或破坏螺旋线结构的尺寸。这使得包含帘线的皮带可以在一个诸如轮胎模具的外模中，或在一个压力机、旋转固化装置或组合式固化装置中通过内部压力制成。由于卷筒的可收缩性，皮带易于取下。使卷筒能收缩，释放了帘线上的张力且提供了足够的余量，从而使皮带易于从卷筒上取下。
传统情况下，牙轮皮带是在其外表面上形成有与圆柱体的轴线平行的齿的圆柱模具上制造的。在圆柱体上布置有一层纤维、橡胶、塑料或其它柔性材料。帘线缠绕在此组件的外侧。其它的材料可置于帘线上。皮带通过在固化过程中从一薄膜施加径向向内的压力而形成。最后产品通过将其轴向滑动，使模具齿与皮带齿脱离啮合而取下，这个工艺过程可以用于制造带轴向齿的皮带或带有单独一组螺旋齿的皮带，但它不适于交错的齿。如人字形、双螺旋、或之字形齿，因为带有这些形式齿的皮带不能轴向滑动脱离卷筒。
本发明使这类产品能用外模而不是用内模来制造，而仍然保持帘线的长度精度。它还使这些产品能用扁平的组合模具制造，而同时保持帘线的长度精度。这两种方法还均可使皮带齿借助近似于垂直模具表面的运动而脱离模具。这使得交错齿的皮带能从模具上取下。
本发明旨在提供一种新的改进的生产具有精确帘线长度和张力的皮带的方法，它设计简单、使用效率高，而且克服了以前的困难和其它问题，同时提供更多的优点更好的综合结果。
发明概要根据本发明，提供了一种生产具有精确帘线长度和张力的皮带的经改进的新方法。
本发明是一种利用齿轮传动供给绞盘将帘线以精确长度敷设到旋转卷筒上的方法和装置。该齿轮传动供给绞盘测量和计量出卷筒的每周转动所选择的帘线长度。所有适于缠绕的实际材料，包括线绳和钢丝，都是有弹性或可拉伸的，所以对所敷设的帘线长度的精确描述也必须规定出测量其长度时帘线上的张力。供给绞盘的测量和计量精度受帘线进出供给绞盘时其张力的影响。这就需要测量和控制帘线张力。出口张力由卷筒的膨胀来控制。入口张力通过张力控制绞盘来保持恒定，但任何能使入口张力保持精确的装置都是适用的。在本公开文件中，出口帘线张力控制通过膨胀卷筒和张力传感元件来实现，后者还部分地控制卷筒的膨胀。首先控制帘线长度，其次控制帘线张力的概念是本发明的关键点。
在日本专利申请文件No.JP 63 0230234 A中，公开了一种卷绕在一旋转的模具架上的已浸渍树脂的纤维，伺服电机的转动由来自张力测量装置和速度探测装置的信号控制，而纤维是以一特定的张力卷绕的。
例如，其它帘线缠绕机器采用帘线张力作为控制参数。当卷筒转动时，帘线的长度由卷筒的周长来决定，在本公开文件中，称之为“需量供给”程序。帘线的长度取决于卷筒的周长和该周长的公差。无法精确地确定所敷设的帘线长度。
本文所公开的装置的功能可以反过来(即帘线长度控制居次，而帘线张力控制为主)，且该装置仍可为先有技术提供一些改进和益处。控制柔性薄膜的膨胀的负载测量元件可以直接改作用来控制帘线的张力，而供给绞盘可用作精确的长度测量装置，而不是测量和计量装置。在供给绞盘处测出的长度随后可用来控制卷筒膨胀，以得到所需的帘线的计量长度。
特别是，根据本发明，一种向一旋转结构敷设帘线的装置，该装置包括一个调整帘线长度的绞盘；用于向绞盘提供帘线的供给装置，把持和转动该旋转结构的把持装置；和将帘线从绞盘敷设到处于把持装置上的旋转结构上的敷设装置。
根据本发明的另一个方面，用于向一旋转结构敷设帘线的装置还包括一位于供给装置和敷设装置之间的第一绞盘；以及一在第一绞盘和敷设装置之间的第二绞盘。
根据本发明的又一个方面，该敷设装置包括一布设轮和一第二张力传感器，该第二张力传感器位于布设轮和第二绞盘之间。
根据本发明的又一个方面，提供一种向一旋转结构上敷设帘线的方法，该方法包括的步骤有通过供给装置向绞盘提供帘线；环绕绞盘将帘线定位，从而给帘线施以张力；将帘线供给到敷设装置；和环绕旋转结构敷设帘线，该旋转结构与一卷筒装置相连。该旋转结构是可以膨胀的。
根据本发明的又一方面，该方法还包括该帘线根据所确定的规则系统强制喂入卷筒，其中上述规则系统是基于上述卷筒的形状、周长和转速的。
根据本发明的又一方面，一种将帘线精确敷设给转动卷筒的装置包括根据控制输入信号动态调整卷筒周长的装置。该调整装置是安装在卷筒的外表面上的可膨胀薄膜。
根据本发明的又一个方面，该装置还包括控制装置，该装置包括能根据测出的帘线张力的反馈控制输入信号有选择地使薄膜膨胀和收缩而动态调节卷筒周长的控制阀。
根据本发明的又一个方面，该装置包括控制装置，该装置包括一控制阀和张力控制装置，其中张力控制装置是一个电子齿轮传动的张力控制绞盘。
根据本发明的又一个方面，用于将帘线布设于上述卷筒上的帘线布设装置包括一帘线布设轮，它将径向力与上述卷筒隔绝。
根据本发明的又一方面，皮带可以在第一和第二皮带轮上布设帘线。第一和第二皮带轮相间隔一中心距离，该中心距离可以有选择地进行调节以控制帘线中的帘线张力。第一和第二皮带轮之间的中心距离可以动态调节，以在上述帘线强制供给到卷筒上的过程中控制帘线张力。
根据本发明的又一方面，一个位置确定装置，即一个编码器，与使卷筒转动的马达和轴运转相连。
根据本发明的又一个方面，一种将帘线精确地敷设到旋转卷筒上的方法，上述方法包括的步骤有，转动卷筒，该卷筒具有根据控制输入信号动态调节卷筒周长的装置，该装置是一个安装在上述卷筒的外表面上的可膨胀薄膜，以及将控制输入信号传送到调节上述卷筒的周长以保持所需的帘线张力的装置。
根据本发明的又一方面，一种将帘线精确地敷设到旋转卷筒上的方法，上述方法包括的步骤有，转动卷筒，给上述卷筒供给帘线，在上述卷筒上布设帘线，以及，隔绝径向力和周向力。
本发明的一个优点是，它能够根据所确定的规定法则将帘线以已知的长度和张力敷设到一旋转结构上。这种敷设与旋转结构的形状、尺寸和速度无关。
本发明的另一个优点是，它使用一精确供给绞盘，与一个精确控制进出绞盘张力的装置结合使用。
本发明的又一个优点是，使用张力绞盘控制帘线进入供给绞盘的张力。
本发明的又一个优点是，其通过使旋转结构与所缠绕的帘线径向协调一致而控制自供给绞盘至旋转结构的张力。
本发明的又一个优点是它的利用测出的张力反馈信号在卷筒旋转时动态调节其半径，调节半径以获得所需的帘线张力的能力。
本发明的又一个优点是使用刚性帘线布设轮，精确地控制帘线在卷筒上的位置，且将布设帘线所产生的径向力与所需要的帘线张力所产生的力隔离开。
本发明的又一个优点是使用牙轮皮带和链条将帘线强制供给到在两个或多个皮带轮上旋转的皮带上。
本发明的又一个优点是其在帘线的强制供给过程中调节皮带轮之间中心至中心距离以控制帘线张力的能力。
本发明其它一些益处和优点在阅读和理解下述详细说明之后，对于本技术领域的专业人士将更加明显。
附图的简要说明本发明可以利用某种部件和部件布置的实际形式。这些部件的一个优选实施例将在说明书中详细说明且在附图中给出图示，它也构成本公开的一部分，其中
图1是根据本发明装置的透视图，用于生产具有精确帘线长度的皮带；以及，图2是本发明的另一个实施例的透视图，特点是有两个皮带轮而不是用单个卷筒。
本发明的详细说明现在参见附图，它的目的只是用于就本发明优选实施例给出图示，而不是用于限制本发明，图1给出了一个用于向旋转卷筒14敷设帘线12的装置的透视图。图示的卷筒14为圆柱形，但是在此所公开的方法和装置同样适用于非圆柱形卷筒，而且这些也同样处在权利要求所涉及的范围内。
为了方便，本发明的公开选用与本发明装置有关的三个区域或跨段作为参考，其中帘线12处于张力下。在第一跨段12C中，帘线12处于张力T1下。第一跨段12C是帘线12自供给绞盘18至卷筒14的路径。在第二跨段12B，帘线12处于张力T2下。第二跨段12B是帘线12自电子齿轮传动张力绞盘16至供给绞盘18的入口的路径。在第三跨段12A，帘线处于张力T3下，第三跨段12A是帘线12自张力绞盘16至帘线12的供给源的路径。
张力绞盘16是一个需量供给、张力控制装置，它将帘线12上的张力从帘线路径的第一段12A的张力T3改变为路径的第二段12B的张力T2。这种帘线张力的改变与装置10在帘线路径的第二段12B中以可变的帘线速度运行同时发生。该可变的帘线速度由帘线12进入供给绞盘18所需要的速度来确定。第二路径段12B中的帘线张力借助传统设计的张力传感器20测量。任何针对所述特定应用场合根据声学工程评判标准所选择的传感器20将足以。该张力传感器20控制张力绞盘16相对于供给绞盘18的速度，以补偿第二路径段12B中的任何长度变化和保持第二路径段12B的张力T2处于所需的水平上。
张力绞盘16最好是传统设计的，意指它取决于张力绞盘16和帘线12之间的摩擦系数和接触弧。张力绞盘16还取决于T3和T2，它们均大于零，以便在T3和T2之间产生差异，T2对于T3的变化是相对独立的，而且T2可以大于或小于T3。张力T3的允许值取决于所涉及皮带的帘线12的特性和帘线的包封设计。张力T3的允许值可以根据所述几种部件的尺寸按比例变化，从几克到数百磅或数千克。
转动张力绞盘16的马达22的控制系统可以利用张力传感器20的反馈和来自供给绞盘编码器24的位置和转动数据精确控制张力T2。
供给绞盘18最好能适于将一根、两根或更多的帘线12从具有上述特性的一条或多条类似的帘线路径12B供入供给绞盘18。供给绞盘18最好具有传统设计，且类似于张力绞盘16，即它取决于帘线12和供给绞盘18之间的摩擦系数和接触弧，且还取决于T2和T1，它们均大于零，以将帘线12从路径的第二段12B推进到路径的第三部分12C。T1/T2的比值一般可处于0.05至20的范围，且最好是0.5或2.0。且在装置的操作过程中最好总是小于或大于1.0。
供给绞盘18最好具有已精确获知其周长的圆柱状外表面，当帘线12与供给绞盘18接触时它即落在该表面上。供给绞盘18与伺服马达26相连接，它可向供给绞盘18施加顺时针或逆时针的扭矩。这样提供的扭矩具有足够的大小使供给绞盘18和帘线12相对独立于张力T2和T1沿通道12B、12C移动一所需的供给距离。
供给绞盘18是电子齿轮传动的，所以可以控制帘线12的长度而不是其张力。换言之，供给绞盘18根据其长度对帘线12进行“强制供给”，而不是根据帘线12上的张力对帘线12进行“需量供给”。膨胀卷筒54控制帘线12的张力。
如果帘线12具有合适和均匀度高的弹性模数，则可以采用另一种将帘线12精确缠绕在旋转表面上的方法。在这种情况下，用于对供给绞盘18进行电子齿轮传动以转动卷筒的规则系统可以将在某些特定张力下的所需长度和由第三帘线跨段内的负载检测元件所感知的张力(张力T1)均考虑在内。该规则系统可以对应于在所需帘排布线张力下所需的长度，根据帘线的弹性模量调节实际张力T1下的实际敷设长度。这种方法取决于卷筒是否具有与帘线的弹性模量相似的弹性柔性，而且适用于调节范围小的情况。这种方法可以免除对膨胀卷筒的需要。但是，该规则系统非常难于实施，而且帘线的实际模量可随时变化，使这种方法不如在此所述的优选方法更受青睐。
供给绞盘18与一编码器24相连接，它能精确探测供给绞盘18的位置和转动，且因此可精确地测量帘线12自第二路径段12B进入第三路径段12C的运动。
第三帘线路径段12C自供给绞盘18延伸至帘线12所缠绕其上的卷筒14。包括在帘线路径段12C内的是每条通过12C段的帘线12的张力测量装置28和至少一个帘线布设轮30。帘线布设轮30包括圆周槽72。每条圆周槽72可引导一根或多根帘线12到达卷筒14的圆周上。
帘线布设轮30、张力测量装置28和供给绞盘18彼此相互间刚性联结，形成一组件32，以保持第三帘线路径段12C的长度恒定。组件32安装在一径向定位系统34上，以形成一径向组件36，它可将帘线布设轮30的圆周精确定位在所需的距卷筒14的转动中心的径向距离处。径向定位系统34包括安装在轴向定位系统38上的线性轴承或滑块。该线性轴承只有一个自由度，即垂直于卷筒14的转动轴线的方向上的直线运动。
径向组件36安装在轴向定位系统38上，该轴向定位系统可使径向组件36平行于卷筒14的转动轴线运动。轴向定位系统38包括一支撑径向定位系统34的线性轴承或滑块。轴向定位系统38的线性轴承只有一个自由度，即平行于卷筒14的转动轴线的直线运动。为了防止径向定位系统34有任何在所不希望方向上的直线运动或绕任何轴线的转动，轴向定位系统38的强、韧、刚性要足够。
径向和轴向支撑系统34、38的组合运动确定了一个包含卷筒14的转动轴线和帘线布设轮30的中心线的平面。这种布置形式能够容易地控制帘线布设在卷筒14上的半径。这些系统可以达到现在已知的控制张力以需量供给模式的帘线缠绕技术的精度。轴向和径向支撑系统34、38的精度和韧性处于临界值，使帘线布设装置能将径向力和周向力分隔开。
卷筒14与卷筒支撑轴42刚性地连接且随其转动，该卷筒支撑轴有连接至驱动马达44的第一端，因此马达44使轴42和卷筒14转动。轴42的第二端80与卷筒14相连。轴42还与一精确测定上述卷筒位置的位置确定装置相连接。在优选实施例中，该位置确定装置是一编码器46，它精确测量轴42和卷筒14的位置和转动。
轴42、径向定位系统34和轴向定位系统38以传统方式相连且协调运动，特别类似于计算机数字控制(CNC)机床，而轴42代表典型的转动轴“C”。这样一个系统使轴42和轴向支撑38以某种方式同时运动，而使帘线布设轮30以螺旋或任何其它规定的路径沿卷筒14的外圆周表面运动。
如果径向定位系统34也控制为随轴42和轴向定位系统38同时运动，则帘线布设轮30可以沿绕轴42转动的三维表面上任何可设定的路径运动。该三维形状可以是类似的纤维缠绕物体，例如圆环、轮胎、盘旋的空气弹簧、带螺旋或可变角度缠绕的圆柱状空气弹簧、胎边设定叶片、轮胎固化叶片、压力容器、或导弹外壳等。
卷筒14的转动由附接在卷筒支撑轴42上的编码器46测量。供给绞盘18的转动由编码器24测量。控制系统(未示出)必须控制或卷筒14或供给绞盘18的转速和角加速度，且必须包含由卷筒14和供给绞盘18所需的相对运动所确定的规则系统。例如，在帘线12以恒定的螺旋节距缠绕在圆柱形卷筒14上的情况下，该相对运动是一恒定的速比，使供给绞盘18上的帘线12的速度与在卷筒14上的适当的张力T1下建立路径12D所需的理论表面速度相匹配。
尽管控制供给绞盘18和卷筒14的相对运动可以用机械装置，但是当采用电子控制时，可以获得更灵活且成本效益高的系统。编码器24、46可以测出供给绞盘18和卷筒14相对运动或速度的误差。传统的马达速度控制系统可以用来使马达26、44保持正确的相对速度，但是控制相对速度可造成小的速度误差的累积，它将导致位置误差逐步加大。优选速度控制系统是电子系统，且使用编码器24、46来测量卷筒14和供给绞盘18的相对位置，且从而测出其相对位置的误差。该优选控制系统或对马达26或对马达44的速度进行调节，故意制造出一个小的速度误差，该误差返回使小的位置误差近似于零，防止造成小的位置误差累积为不可接受的大的位置误差。
卷筒14有一个帘线12沿帘线路径12D缠绕其上的外表面86。在帘线12缠绕之前，几层其它的皮带材料50可以置于卷筒14上。这些材料层50可以包括分立的元件、片状材料或预先敷设的缠绕帘线。卷筒和这些垫层50的周长必须至少足够大到在帘线路径段12C中保持所需的最小张力T1，而且还不得大于在路径12C中保持允许的最大张力所需的周长。如果卷筒14和垫层50有足够精确的尺寸，或有可压缩性或可塑性，使张力T1处于可接受的公差范围内，则卷筒14可是传统设计的。
为在控制张力T1方面获得较高的精度，卷筒14可包括周向装置，用于动态调节卷筒14的周长。在优选实施例中，该周向装置是一层半径可调的材料54。该层材料54的优选结构包括附接在卷筒14的刚性结构上的柔性薄膜54，在卷筒14和薄膜54之间形成一液体密封的空腔。液体通过控制装置引入薄膜54，以控制卷筒14的周长。在优选实施例中，该控制装置是一个控制阀58，它能使该薄膜54径向膨胀，从而将处理过程中的皮带的衬垫层50的半径或周长调节到获得所需张力T1的期望值。张力绞盘16控制进入供给绞盘18的张力，而供给绞盘18之外的张力则由膨胀薄膜50控制。帘线路径12C中的张力传感器28可以用作控制系统的反馈元件，该控制系统利用阀门58调节卷筒14和薄膜54之间空腔内的液体量。
在控制张力T1方面的又一改进是通过将帘线布设轮30准确定位于所需的帘线布设半径上而取得的，因此伴随着布设帘线而产生的径向力由帘线布设轮30、定位系统34、38和机器的框架来支撑。这使得张力T1只取决于周向力。
上述卷筒14和薄膜54为在卷筒14上制成的牙轮皮带提供的长度调节非常小。可以将具有不同半径的卷筒14附接到卷筒支撑轴42，来制造多种长度或周长的牙轮皮带。制造长的牙轮皮带，卷筒14的直径和重量必须大。
参见图2，图中公开了本发明的另一个实施例。人们经常需要制造各种长度的皮带，一些是较长的皮带，在卷筒14上没有很多存余量。图2给出一种机器，它具有两个支撑皮带轮或链轮14A和14B的平行轴42A和42B，它们设置在特定的中心距E下，以制造不同长度的牙轮皮带。牙轮皮带环绕在皮带轮14A、14B上，带长由一个皮带轮14A或14B的周长加上两倍的皮带轮14A、14B之间的中心距E来决定。
前述的强制供给系统可以适用于这样一种制造设备，只要皮带的运动可以得到精确测量。由于皮带的下层结构不再与卷筒连接(见图1)，该位置不能通过探测皮带轮14A、14B或轴42A、42B转动的位置来测量。在皮带轮14A、14B上的链轮64上运转的导链或牙轮皮带62可用来导引帘线12的端头在一已知位置环绕皮带轮14A、14B。张力T1或通过改变皮带轮14A、14B的中心距E，或通过使其中一个皮带轮14A或14B如上所述具有可膨胀的薄膜54(见图1)来调节。
在采用膨胀薄膜54的情况下，当然还将使用如上所述的控制系统。随着中心距E的调节，导带或链条62必须改变长度。这可以通过适当选择皮带的弹性模量或通过利用齿压力角，使皮带或链62能改变在链轮64上的有效半径来实现。(皮带或链的“齿压力角”是链轮自链轮中心穿过齿接触点的径向线和齿接触点处的法线之间的夹角。如果这些线是垂直的，该压力角为零，且皮带和链轮之间的力仅仅是切向的。皮带可以在正交没有径向分量的情况下传递扭矩。当压力角大于零时，皮带和链轮之间的正交力包含径向分量，它可推动皮带径向向外。这种向外的运动使皮带即使在链轮的中心距有少量改变时皮带也以一恒定的圆周长度操作。)该控制系统将利用来自负载检测元件28的反馈来控制薄膜的膨胀，且从而控制帘线张力。如果帘线张力通过改变中心距E来控制，负载检测元件28将向中心距调节机构提供反馈，且进而控制帘线张力。
本发明已参照优选实施例进行了说明。显然，对于其它一些人士，在阅读和理解了说明书的基础上，将会进行一些改进和替代。本申请人意在也包括这些改进和替代，因为它们也处在所附权利要求或等效条款的范围内。
权利要求
1.一种用于通过调节皮带轮之间的中心距控制帘线张力的方法，上述方法通过旋转一供给绞盘(18)将上述帘线供给到一旋转卷筒上，在上述供给绞盘和上述旋转卷筒之间的第一预定位置利用一第一张力测量装置(28)测量上述帘线内的张力，上述方法的特征在于以下步骤转动在第一和第二皮带轮(14A，14B)上的上述卷筒，该皮带轮间隔开一中心距；将一预定长度的上述帘线强制供入上述卷筒上；有选择地调节上述中心距，以控制帘线内的帘线张力。
2.如权利要求1所述的方法，其中，调节上述距离的上述步骤包括在帘线强制供入上述卷筒上过程中，动态控制帘线内的张力。
全文摘要
一种用于通过调节皮带轮之间的中心距控制帘线张力的方法，该方法通过旋转一供给绞盘(18)将帘线供给到一旋转卷筒上，在供给绞盘和旋转卷筒之间的第一预定位置利用一第一张力测量装置(28)测量帘线内的张力，其步骤包括转动在第一和第二皮带轮(14A，14B)上的卷筒，该皮带轮间隔开一中心距；将一预定长度的帘线强制供入卷筒上；以及有选择地调节该中心距，以控制帘线内的帘线张力。
文档编号B65H59/38GK1467076SQ0212865
公开日2004年1月14日 申请日期2002年8月9日 优先权日1995年12月15日
发明者D·B·吴德, D B 吴德 申请人:固特异轮胎和橡胶公司