非织造幅材材料的卷的尾部的超声波封闭方法和装置与流程

本申请要求于2015年8月3日提交的美国临时申请62/200,440的优先权的权益。

技术领域

本发明总体涉及用于固定旋绕地缠绕的幅材材料的尾部的方法和装置，以及更特别地涉及用于使用超声波装置固定由非织造材料所构成的缠绕的幅材的尾部的方法和装置，所述非织造材料包含通过化学、机械、热、或溶剂处理材料结合在一起的纤维。

背景技术：

在用于消费者的卷绕的幅材产品的生产中，重绕机或转换器将一大卷幅材材料展开，使幅材材料经受所期望的转换(比如宽度切割或穿孔)，以及接着将幅材重绕成消费者所设置的尺寸的、旋绕地缠绕的卷。通常使用单独的机器和工艺将所重绕的卷从重绕机移除以及包装所重绕的卷。所重绕的卷在该转变期间具有展开的倾向，这使随后的包装操作复杂化。为了防止所述卷的非计划的展开，通常将卷的尾部固定至幅材材料的下面的层。

如本发明所属领域的技术人员所众所周知的，存在可将旋绕地缠绕的幅材产品的尾部或端部固定或密封至卷中的下面的层的很多众所周知的方式。常见的方法根据幅材材料变化并且包括胶接、湿润、机械变形以将卷中的相邻的层接合在一起。在市面上能得到的大多数实施例中，尾部固定方法需要操纵所缠绕的卷，以足够地靠近于尾部应用接合装置，以使尾部的未固定的端部的长度最小化。产品包装(其中通过首先将最里面的层展开而接近产品)通常仅仅需要将尾部固定以使随后的包装操作(通常为将卷插入至容器中)期间的潜在的问题最小化。在外部被展开的产品通常需要预定长度的未固定的尾部以为使用者提供抓持点以开始将卷展开。

很多产品(包括一次性擦拭巾)受到与在制造和生产中所使用的化学品有关的越来越多的审查。传统上用来固定非织造的基于聚合物的幅材(其通常被用于一次性擦拭巾中)中的尾部的粘合剂越来越不受欢迎。已知的超声波焊接方法受不一致的性能以及将所旋绕的卷的许多层结合在一起的倾向的困扰，在所包装的卷接近于它的端部时导致较高程度的浪费。将为有利的是，提供用于使用超声波装置固定非织造的基于聚合物的幅材材料的旋绕地缠绕的卷的尾部的方法和装置，其使在结合工艺中所固定的材料层最小化同时为随后的包装操作将尾部充分地固定。

技术实现要素：

本发明通过将超声波转换器从众所周知的径向取向定向至与旋绕的卷相切的取向通过对旋绕的卷中的基于聚合物的非织造材料的超声波结合克服了已知的缺陷。具有沿线性轴线振动的工具的超声波转换器设置有抓持器，所述抓持器用于摩擦地接合旋绕的卷中的幅材的外面的层。抓持器相对于所述卷径向地设置，以在外面的层上产生足够的向内的压力，用于使抓持器使外面的层与其一同振动，但是限制类似地接合的在内部相邻的缠绕层的数量。在所述振动的外面的层与相对地静止的在内部相邻的层之间所生成的摩擦产生热量以将所述外面的层与在内部相邻的层结合在一起。通过将向内的径向压力限制至足以使所缠绕的幅材的外面的层与抓持器接合的该压力，幅材的相邻的层之间的结合部的深度被最小化并且被理想地限制至外面的两层或三层。

一种用于执行固定非织造的基于聚合物的幅材材料的螺旋缠绕的卷的尾部的切向超声波方法的机器包括：用于一大卷幅材材料的支架；初级进给路径，所述初级进给路径用于在幅材被从所述一大卷展开时将幅材线性地输送至缠绕装置；以及缠绕装置，所述缠绕装置用于从所述进给路径接收幅材，将幅材缠绕成多个大致更小的、旋绕地缠绕的卷，以及将所重绕的卷传送至包装装置。所述包装装置可包含于所述机器中或者设置于单独的包装机器中。所述初级幅材进给路径包括带和辊，其摩擦地接合幅材以管理所述幅材的、沿所述路径所进行的运动的速度和方向。可沿所述幅材进给路径设置另外的装置，以在经过的幅材上执行转换，比如穿孔、切片、切割、折叠、和/或标记。所述缠绕装置可包括多个缠绕芯轴，每一个相对于进给路径横向地对准，使所述多个缠绕芯轴分别与幅材接合并且围绕所述多个缠绕芯轴形成重绕的卷。所述芯轴能够选择性地旋转。所述芯轴的旋转速度被控制成使得芯轴的切向速度与幅材的、在它与芯轴接触时的速度或者其上的卷的外圆周的速度相配。当所期望的量的幅材材料被缠绕于被激活的缠绕芯轴上时，缠绕装置使所述被激活的芯轴运动脱离与幅材的交界同时使第二缠绕芯轴运动以与幅材接合。与芯轴的转变同时，切断装置将幅材横向地切断，使得能够将连续地运动的幅材缠绕于当前被激活的芯轴上同时通过减慢和/或停止所完成的所缠绕的卷的旋转而使它为随后的操作做好准备。所述操作之一为尾部的固定以防止展开。设置超声波焊接装置，所述装置包括这样的工具，使该工具在接近于尾部的位置处与静止的所缠绕的卷暂时地相切地接触。所述工具上的抓持器接合外面的幅材层，使它与其一同沿切向方向振动。外面的幅材层与在内部相邻的幅材层之间的摩擦将相邻的层结合在一起，从而将尾部固定至所述卷。

可通过很多已知的装置(包括机械、气动、液压、或电伺服)控制所述超声波装置的运动。所述装置通常被定位成邻近于这样的位置，一旦所完成的卷形成并且被激活缠绕被转移至第二芯轴，缠绕芯轴就将被定位于该位置处。可使所缠绕的卷的缠绕芯轴旋转或者可使旋转停止。可使所述芯轴转位(index)以使得可使超声波工具在尾部位置的预定的旋转位移内与所缠绕的卷接触。机构可包括这样的设施，该设施用于管理在所述工具与所缠绕的卷的外围之间所施加的向内的压力、所述工具的振动频率、和/或所述工具与所缠绕的卷的接触时间。可根据在单个芯轴上所缠绕的卷的数量使用多个超声波装置。通常同时控制这样的装置。

附图说明

特别地在结合附图考虑对本发明的以下具体描述时，本发明的优点将变得显而易见，其中：

图1示出传统的旋绕地缠绕的卷的端视图，所述传统的旋绕地缠绕的卷为本发明可用于其上的类型；

图2为旋绕地缠绕的卷的端部的详细视图，其中示出形成所述卷的幅材材料的旋绕层；

图3为图2的细节的视图，其中示出用于将尾部结合至卷的超声波工具的定位；

图4示出用于执行超声波尾部封闭方法的装置；

图5为图4的详细视图；以及

图6示出用于图4的装置的控制系统的视图。

具体实施方式

在本发明中所使用的紧固、连接、处理以及其它装置和构件中的很多在所描述的发明的领域中为众所周知的且具有广泛的应用，并且它们的精确的特性和类型对于本发明所属领域的技术人员对本发明的理解和使用并非为必要的，并且因此将不对它们进行显著地具体地讨论。此外，在本文中对术语“左方”或“右方”、“前方”或“后方”的任何引用是为了方便而使用的并且由沿材料的、在缠绕/重绕工艺中的运动方向所进行的观察确定。与对“水平的”或“竖直的”平面的任何引用一样，“向上的”以及“向下的”取向与地面或操作表面有关。此外，可按本发明所预期的改变或更改针对本发明的任何具体应用而在本文中示出或描述的各种构件，并且任何元件的具体应用的实践可能已经为本发明所属领域的技术人员所众所周知的或者已经被本发明所属领域的技术人员广泛地应用于技术领域中并且因此将同样地不对每一者进行显著地具体地讨论。当参考附图时，在所有的附图中相同的部件具有相同的标记。

在图1中，示出大致围绕卷轴线10缠绕的幅材材料8的螺旋缠绕的卷5。所述卷包括前端6以及尾端或尾部7，连续的一段幅材材料8跨越所述前端6以及尾端或尾部7。所述连续的一段幅材材料可包括穿孔或类似物，其使所述卷中的幅材能够被容易地分成多个长度更短的“片”以供使用同时容许在单一的卷绕工艺中卷绕整个连续的长度。可通过围绕芯体或类似的初始卷加强件将前端以及一段幅材8螺旋地缠绕成初始螺旋状缠绕物而形成卷5。替代地，可通过将前端6引导至心轴或芯轴而形成卷5，围绕所述心轴或芯轴将幅材材料8缠绕若干个360°的幅材圈以产生具有所期望的量的幅材材料的卷5。一旦将所期望的量的幅材缠绕至所述卷中，就将幅材切断，产生被包含至所述卷中的尾部7。可选择地将尾部7固定至所述卷，以在缠绕操作之后的处理期间防止所述卷的无意的展开。

参考图2，示出卷5的外围，其包括旋绕地缠绕的幅材材料的多个层。这些层包括最外面的层11以及在内部相邻的多个层，所述在内部相邻的多个层包括第一内部层12、第二内部层13以及第三内部层14。设置于内部的另外的层可包括在所述卷中直到缠绕物中的总圈数。

可根据幅材材料、在尾部封闭方面所涉及的幅材的可接受的程度(损耗)以各种方式完成将尾部7固定至卷5。已知的方法包括使用粘合剂或胶、水或流体粘附以及化学或热结合。一些方法为非特殊定位的、适合于在所述卷继续旋转时执行。这些方法通常在相邻的层之间引起完全的或局部的圆周结合区域，并且如果该工艺在所述卷的多于一个完整的转中保持被激活的情况下可能不止涉及最外面的两层。其它方法需要在启动夹具之前停止所述卷的旋转。可使或者可不使所述卷转位来使尾部接近于结合区域。理想地，这样的方法包括将最外面的层11结合至第一内部层12。在实践中，由于在结合强度与损耗之间寻求平衡，在尾部封闭结合过程中通常涉及所缠绕的卷的多个层。

本发明以固定由非织造的基于聚合物的材料所构成的缠绕的幅材的尾部的超声波方法为基础。超声波方法使用高频率、低振幅的振动来通过相邻的层之间的摩擦生成足以将相邻的层焊接在一起的热量。与正常的超声波焊接工艺(其中待焊接的热塑性材料层被夹在超声地振动的角与固定的砧之间)相比，本发明工艺使最外面的缠绕层相对于在内部相邻的至少一个缠绕层振动，生成摩擦热以产生焊接部。通过管理压力以及将最外面的缠绕层之间的相对运动定向至切向平面，将超声能量的穿透深度限制至最外面的缠绕层，这限制最终产品中的浪费。

在图3中示出一个实施例，其中超声波焊接装置40具有转换器42，所述转换器42用于接收输入信号以及使工具48响应于所述输入信号振动。振动沿振动轴线100发生。可使用可变电源来生成输入信号，从而容许对振动频率的调节。典型的振动频率介于10kHz至40kHz之间。振动轴线100被定向成使工具48与卷5相切地接触，并且可相对于卷轴线10正交地定向或者相对于其呈一定的角度，只要振动轴线100被定向成使工具48与最外面的缠绕层相切地接触。工具48包括高摩擦表面49，所述高摩擦表面49被构造成抓持所述卷的最外面的层11以及使所述最外面的层与其一同振动。将工具48径向向内地压在所述卷上，增加振动的最外面的层11与第一内部层12之间的压力。调节向内的抓持压力，以管理相邻的层之间的摩擦，以使得最外面的层11与所述工具/抓持器一同振动而第一内部层12保持大致静止。相邻的层之间的相对运动通过摩擦生成热量并且将接近于抓持器接触区域的区域中的层热结合在一起。增加的向内的压力使所述卷的在内部相邻的另外的层接合至焊接区域90中，可能将它们包含至结合部中，并且使得能够针对不同的材料属性以及终端用户的需要调节结合强度以及所涉及的层的数量。

超声波工具48以及振动轴线100相对于所缠绕的卷5的切向取向将所施加至幅材材料的摩擦能量的影响深度限制至通常所述卷的外面的两层或三层。在非织造的基于聚合物的幅材上所使用的传统的超声波结合方法通常相对于所缠绕的卷径向地定向振动轴线。振动的径向取向产生圆锥形影响区域，其可能向内延伸通过幅材的多个层，使最里面的层首先被焊接，这增加可能变得不能用的幅材材料的长度。根据幅材基材属性，可能需要增加的时间和/或压力以确保将最外面的层11固定于结合部中，这进一步增加结合的穿透深度以及因此增加卷中的损耗。

图4-6示出卷缠绕装置500的简化的视图，所述卷缠绕装置500用于使用上述超声波焊接装置40执行用于固定非织造的基于聚合物的材料的旋绕地缠绕的卷的尾部的工艺。从大宗幅材源200沿进给路径250朝向缠绕站270引导幅材材料200。所述大宗幅材源具有这样的宽度，该宽度至少与所期望的最终的所包装的卷的宽度一样宽，并且优选地为适当地宽的以使得能够通过在幅材接近缠绕站时纵向地切割幅材而同时缠绕多个卷。所述大宗幅材源的长度比所期望的所包装的卷的长度显著地更长，从而使得能够从单一的一大卷幅材材料生产很多最终的卷。可设置大宗幅材传感器305，以监测所述一大卷上的大宗材料的量，以使控制系统300能够在所述一大卷接近用尽时进行初始警报。

进给路径250可包括带、辊251以及用于以所期望的方向(一个或多个)和速度沿一定的路径输送幅材的其它已知的装置。由控制系统300监测和管理的进给路径速度传感器350以及驱动器450使得能够控制在进给路径250上被进给至缠绕站270中的幅材的速度。每分钟400至700英尺的幅材速度为已知的。

可沿进给路径250设置一个或多个幅材处理装置254，以在幅材经过时改变幅材。常见的工艺包括在幅材上横向地穿孔以产生具有限定长度的部分(其在最终包装中可容易地从所述卷分离)以及纵向地切割幅材以获得具有所期望的卷长度的多个平行的幅材(被称为线lane)。优选地设置具有拉紧位置传感器358以及拉紧致动器458的拉紧装置258，以适应幅材进给速度的变化而不会扰乱与大宗幅材源200的切向界面处的幅材速度。

一个示例性缠绕站270包括安装于可旋转的转塔275上的多个缠绕芯轴271、272、273。缠绕芯轴271、272、273可为能通过相应的芯轴驱动器471、472、473独立地旋转的并且由芯轴传感器371、372、373监测。驱动器471、472、473以及传感器371、372、373可操作地连接至控制系统300。替代地，所述芯轴驱动器可被设置成使所述芯轴仅仅在某些转塔位置中旋转，这由于不需要使所述芯轴在所有的转塔位置处旋转而减小所需的驱动器的数量。类似地，转塔275包括转塔位置传感器375以及转塔致动器475，其可操作地连接至用于管理转塔275的位置和运行的控制系统300。缠绕芯轴271、272、273充当用于缠绕幅材材料210的心轴。缠绕芯轴在转塔275上的布置使得能够将一个芯轴用于缠绕来自进给路径的幅材，而其上具有所缠绕的卷的第二芯轴被操纵成为工艺中的另外的步骤(包括将尾部固定至所述卷)而将所缠绕的卷移除。

缠绕站270进一步包括切断装置280，其能通过切断致动器281选择性地运动以与幅材210接触，以将幅材(所有的线)的整个宽度切断以及使得能够将幅材缠绕转移至另一个缠绕芯轴。设置切断位置传感器380并且切断位置传感器380可操作地连接至控制系统300以使所述控制系统能够管理幅材切断步骤以及将幅材切断步骤集成至卷缠绕工艺中。将幅材切断产生上游的卷(在第一芯轴271上所缠绕的)的尾部7以及下游的卷(在芯轴272上所缠绕的)的前端。切断装置可包括被构造成将幅材割断的刀以及砧或者被构造成使幅材在先前所施加的穿孔处断裂的活动的砧或单独的辊。设置卷起始引导件285(由控制系统管理)或类似物，以引导幅材的前端6与被激活的芯轴(在所示示例中为272)接触以开始随后的卷的缠绕。

一旦幅材被切断，第一芯轴271就继续旋转以将尾部7缠绕至上游的卷5中。接着优选地使芯轴的旋转暂停，并且将芯轴定向成将尾部7定位成接近于超声波焊接装置40与其稍微地下游的切向接触点，以使所述卷上的未固定的尾部的长度最小化。管理芯轴的旋转以及切断装置的运动的控制系统使得能够将所述卷定向成使得尾部被定位于用于固定至所述卷的所期望的位置处，若需要，则通常容许两英寸的或更少的未固定的尾部长度。在不存在标准的情况下，超声波焊接可围绕所述卷的外圆周在任何点处进行，确保幅材的不多于单个圆周将相对于所述卷保持自由。

所述焊接装置包括活动的定位焊夹具43，其支撑超声波转换器42与工具48，以使得允许通过致动器41改变工具48至所缠绕的卷的外围的接近度。卷擦拭装置51也可附接至夹具43，并且被定位成在工具48接触卷缠绕物的外围之前接触卷缠绕物的外围，以保证所述卷在尾部被固定之前被牢固地缠绕。一旦芯轴和卷为静止的，就使工具48运动以以预定压力接触卷5的外面的层11以引起相邻的层(优选地如先前所描述的最外面的两层)的结合。

当通过切割产生多个幅材线时，在所述夹具上设置多个转换器42、工具48以及擦拭装置，每一者的数量等于由切割操作所形成的幅材线的数量。目的是，即使在存在同时缠绕的多个卷时，也单独地固定在芯轴上所缠绕的每个卷的尾部。

超声波焊接装置40的运动优选地由控制系统300管理并且可进一步在控制反馈布置中包括一个或多个传感器310，所述传感器310同样用于监测所述工具与外面的层之间的接触压力以及按顺序排列所述工具与外面的层的接触以及芯轴和尾部的旋转取向。在抓持器与卷的外面的层接触时，超声波转换器42可在卷缠绕转变发生时暂时地通电达预定的时间段并且在卷缠绕发生时保持断电，或者在卷缠绕操作期间连续地通电。

通过控制系统300管理卷缠绕装置500的运行。控制系统300被编程为接收来自设置于所述装置上的多个传感器的输入信号、限定某些固定的标准(比如幅材材料特征、所缠绕的卷的所期望的尺寸、和/或尾部定位焊装置/焊接装置至尾端的接近度)的用户输入以及接着根据运算法则为设置于所述装置上的各个致动器启动输出信号，并且可进一步在控制反馈布置中包括一个或多个传感器，所述传感器同样用于监测所述工具与外面的层之间的接触压力以及按顺序排列所述工具与外面的层的接触以及芯轴和尾部的旋转取向。

用于形成缠绕的卷以及将尾部固定至所完成的卷的方法包括以下步骤。将幅材引导至第一芯轴271并且接着在第一芯轴271旋转时沿进给路径250进给幅材。将转塔275定向成使得第一芯轴271处于被称为缠绕位置的位置中。控制系统300监测芯轴传感器371以及幅材进给传感器310，以使得获知所述芯轴上的幅材材料的长度。

当第一芯轴271上的幅材材料的量接近所期望的量时，启动转塔275以将第一芯轴271重新定位至第二位置(被称为转位位置)，并且将第二芯轴272定位于缠绕位置中。监测第一芯轴271的位置，因为在转塔275的运动期间在芯轴位置传感能力方面可能存在扰乱。使定位焊夹具43运动以使卷擦拭装置51与所缠绕的卷的外围接触，被称为擦拭位置。启动切断装置280以使幅材210断裂。当幅材断裂时，将卷起始引导件285定位成将新形成的前端引导至第二芯轴272上以开始第二卷的缠绕。可使用切断装置的运行时间、切断装置280与第一芯轴271之间的空间分离、第一芯轴的旋转速度以及所缠绕的卷的尺寸来计算尾部在它被并入所述第一卷中时的位置。替代地，可使用比如光学传感器或接触式传感器的其它传感器来检测所述第一卷上的尾部的位置。

当在第二芯轴272上形成第二卷时，第一芯轴的旋转停止并且第一芯轴被定位成使得尾部被定位成靠近于所缠绕的卷上的、要被工具48接触的点。使工具48运动以与所述卷的最外面的层接触(被称为焊接装置的定位焊位置)以将尾部固定至所述卷。一旦定位焊操作已经发生，就将定位焊夹具43重新定位至就绪位置，在该就绪位置处工具48或擦拭装置51都不与所述卷接触。该位置使得能够通过转塔的重新定位使所述卷运动而不会与焊接装置40接触。

围绕外围在多个位置中结合卷的尾部可能是可取的。在这样的情况下，将使卷旋转、在适当的位置中暂时地停顿，并且重新部署超声波焊接装置以围绕卷的外围施加所期望的数量的结合点。

当第二卷接近第二芯轴272上的幅材的所期望的量时，再一次重新定位转塔275以使第二芯轴从缠绕位置运动至定位焊位置。第三芯轴273运动至缠绕位置中。幅材断裂以及定位焊工艺为如针对所缠绕的第一卷所描述的并且第三卷的卷绕开始。在转塔运动期间，第一芯轴运动至第三位置(被称为剥离位置)，其中所形成的、所定位焊的卷被从第一芯轴271移除并且被从卷缠绕装置500排出。在处于剥离位置中时，可使所述芯轴旋转或者可不使所述芯轴旋转，这使得能够省略用于该芯轴位置的驱动器。可接着将所完成的、所定位焊的卷引导至其它操作，通常为包装。

周期继续，其中缠绕在一个芯轴位置处发生，转位以及卷的尾部的定位焊在第二芯轴位置处发生，以及芯轴剥离在第三芯轴位置处发生。通过转塔的构造确定每个芯轴位置；转塔的旋转使芯轴前进通过所述工艺。可设置另外的芯轴，以将另外的卷操作并入卷缠绕与用于包装的排出之间的工艺中。出于效率考虑，三个芯轴是优选的。

根据已经从大宗幅材的全部宽度所产生的各个卷(线)的数量，可能需要沿平行于缠绕轴线的轴线相间隔的多个焊接装置40同时运行。常见的是，将大宗幅材纵向地切割成5至8个幅材部分以获得所包装的卷的所期望的尺寸。

虽然将如上所述的工艺与超声波尾部焊接方法一同使用，但是还可将所述装置和工艺与其它方法一同使用来将尾部固定至所缠绕的卷(例如，胶接)，具有使得能够将尾部定位焊装置定位成极为接近尾部的类似的利益。在实践中，所述装置和方法可容易地将定位焊装置定位于半英寸的尾部内。使用超声波尾部焊接工艺保证幅材材料的多个下面的圈的最小限度的接合，以使得仅仅幅材材料的最后一圈形成可能不能用的一圈材料并且并不会将除幅材材料自身之外的任何另外的成分引入至所缠绕的卷，使它对于用于在无菌环境中或者其中严格的材料控制是必需的的类似的环境中使用的幅材的缠绕操作为理想的。

应当理解的是，通过对本发明的阅读，本发明所属领域的技术人员在本发明的原则和范围内将想到并且可进行对已经被描述和示出以解释说明本发明的特征的细节、材料、步骤以及部件的布置的改变。上述描述示例说明本发明的优选实施例；然而，当以所述描述为基础时，可在其它实施例中使用本发明的概念而不脱离本发明的范围。