(57)【要約】ベルトに隣接して配置され、ベルト表面の近接度を検出し第１信号を生成する第１ＩＲセンサと、ベルトに隣接して配置され、第２ベルト表面からの周期信号を検出し第２信号を生成する第２ＩＲセンサと、第１信号および第２信号を演算して動的ベルト張力を計算し、ＧＵＩ上に動的ベルト張力を表示する信号プロセッサとを備えるベルトセンサシステム。
2021532362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベルトに隣接して配置され、ベルト面の近接度を検出して、その第１信号を生成する第１赤外線センサと、
ベルトに隣接して配置され、第２ベルト面から周期的信号を検出して、その第２信号を生成する第２赤外線センサと、
動的ベルト張力を式： Ｔ＝μ・（ｆ・２Ｌ／ｎ）２
Ｔ＝ベルト張力
ｆ＝周波数
ｎ＝節
Ｌ＝駆動長さ
μ＝ベルト単位長さ当たりの密度
を用いて算出するため前記第１信号および第２信号を演算する信号処理装置と
を備えることを特徴とするベルトセンサシステム。
【請求項２】
前記ベルトが歯付きベルトであることを特徴とする請求項１に記載のベルトセンサシステム。
【請求項３】
前記第２赤外線センサが、隣り合うベルト歯の間の歯底を検出することを特徴とする請求項２に記載のベルトセンサシステム。
【請求項４】
前記第１赤外線センサが、ベルト面の近接度の変動を検出することを特徴とする請求項３に記載のベルトセンサシステム。
【請求項５】
ベルトに隣接して配置され、ベルト面の近接度を検出して、そのアナログ信号を生成する第１赤外線センサと、
ベルトに隣接して配置され、第２ベルト面から周期的な信号を検出し、そのデジタル信号を生成する第２赤外線センサと、
動的ベルト張力を式： Ｔ＝μ・（ｆ・２Ｌ／ｎ）２
Ｔ＝ベルト張力
ｆ＝周波数
ｎ＝節
Ｌ＝駆動長さ
μ＝ベルト単位長さ当たりの密度
を用いて算出するため前記第アナログ信号および前記デジタル信号を演算する信号処理装置とを備え、
ユーザの用に供するため前記動的ベルト張力を記録する
ことを特徴とするベルトセンサシステム。
【請求項６】
ベルトに隣接して配置され、ベルト面の近接度を検出して、そのアナログ信号を生成する第１センサと、
ベルトに隣接して配置され、第２ベルト面から周期的な信号を検出し、そのデジタル信号を生成する第２センサと、
動的ベルト張力を式： Ｔ＝μ・（ｆ・２Ｌ／ｎ）２
Ｔ＝ベルト張力
ｆ＝周波数
ｎ＝節
Ｌ＝駆動長さ
μ＝ベルト単位長さ当たりの密度
を用いて算出するため前記第アナログ信号および前記デジタル信号を演算する信号処理装置とを備え、
ユーザの用に供するため前記動的ベルト張力を記録する
ことを特徴とするベルトセンサシステム。
【請求項７】
前記第１センサが赤外線センサであることを特徴とする請求項６に記載のベルトセンサシステム。
【請求項８】
前記第２センサが赤外線センサであることを特徴とする請求項６に記載のベルトセンサシステム。
【請求項９】
歯付きベルトを検出し、そこからアナログ信号とデジタル信号を生成するセンサアレイと、
動的ベルト張力を算出するため前記アナログ信号および前記デジタル信号を演算する信号処理装置とを備え、
前記動的ベルト張力をメモリに記録する
ことを特徴とするベルトセンサシステム。
【請求項１０】
前記アナログ信号が、ベルト振動を特定するのに用いられ、前記デジタル信号が、ベルト速度を特定するのに用いられることを特徴とする請求項９に記載のベルトセンサシステム。
【請求項１１】
前記アナログ信号が、ＩＲセンサにより生成されることを特徴とする請求項９に記載のベルトセンサシステム。
【請求項１２】
前記デジタル信号が、ＩＲセンサにより生成されることを特徴とする請求項９に記載のベルトセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベルトセンサシステムに関し、より具体的には、動的なベルト張力を計算するため第１信号および第２信号に作用する信号処理装置を備える非接触型ベルトセンサシステムを備えるベルトセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
伝動ベルトは適正に動作するためには適正な張力に依存する。張力は原動スプロケットの中心を従動スプロケットの中心に対して調整することにより加えられる。自動テンショナを用いることもできる。
【０００３】
自動テンショナが使用されないシステムでは、ベルトの適正な駆動張力は時間の経過とともに徐々に低減し得る。張力の低減は、ベルトにスリップを発生させる可能性があり、結果的にベルトの破損をもたらす。ベルトの破損はシステムの中断をもたらす。
【０００４】
ベルト張力は、取り付けられたベルトの振動周波数の関数として定義できる。音響式ベルト張力計は、静止状態、すなわちベルトシステムが運転されていない状態で、ベルトの振動周波数をＨｚで測定する。弦楽器と同様に、より高い周波数はより高い張力を示し、低い周波数は低い張力を示す。
【０００５】
この技術分野の代表は米国特許第６８５２０５０号明細書であり、搬送ベルトのエッジの少なくとも一方の近くに配置され、搬送ベルトのエッジの位置を常時モニタする縦センサが開示される。もし、縦方向の動きが縦センサにより検出されると、縦運動を調整するため調整モータが非駆動プーリの一端を移動させるように回転する。縦センサは、非接触型誘導近接センサや、線形変位トランスデューサなどのプロポーショナルセンサ、あるいは、スプリング内の抵抗やホール効果センサをモニタすることにより搬送ベルトのエッジが縦方向に動いたかを特定する線形ポテンショメータであってもよい。
【０００６】
必要とされているのは、動的ベルト張力を計算するために第１信号および第２信号を演算する信号処理装置を備えるシステムである。本発明はこの要求に合致する。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の１つの態様は、動的ベルト張力を計算するために第１信号および第２信号を演算する信号処理装置を備えるシステムを提供することである。
【０００８】
本発明の別の態様は、本発明の以下の詳細な説明と添付図面により指摘され明らかにされる。
【０００９】
本発明は、ベルトに隣接して配置され、ベルト表面の近接度を検出し第１信号を生成する第１ＩＲセンサと、ベルトに隣接して配置され、第２ベルト表面からの周期信号を検出し第２信号を生成する第２ＩＲセンサと、第１信号および第２信号を演算して動的ベルト張力を計算し、ＧＵＩ上に動的ベルト張力を表示する信号プロセッサとを備えるベルトセンサシステムを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付図面は、本発明の好ましい実施形態を例示し、詳細な説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たす。
【図１】本システムの模式図である。
【図２】センサアレイの詳細図である。
【図３】システムのフローチャートである。
【図４】結合された信号のチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本システムの模式図である。センサアレイは、並列に配置される２つの高精度、高速サンプリング、非接触型近接センサである。
【００１２】
システムの一例は、ベルト３０がそれらの間に掛け回される原動プーリ１０と従動プーリ２０を備える。センサアレイは、第１赤外線（ＩＲ）近接センサ４０と第２近接センサ５０を備える。両近接センサは、デジタル信号処理装置６０に接続される。処理装置６０は制御システムネットワークに接続される。
【００１３】
赤外線（ＩＲ）センサは、インフラテック、マウザー・エレクトロニクス（＃８５２−ＧＰ２Ｙ０Ｄ８１５Ｚ０Ｆ）やＳＴマイクロエレクトロニクス（＃ＶＬ５３Ｌ１Ｘ）など多くの供給源から入手できる。これらの例は、発明の幅を示すために提供されただけで、システムをこれらのデバイスに限定することを意図したものではない。
【００１４】
各センサからの信号は、ブルートゥース（登録商標）を用いた無線４２、５２によりレシーバ６２に伝達されてもよく、あるいは、有線４１、５１を介して伝達されてもよい。ブルートゥース（登録商標）は、短距離におけるデータ交換を行う広く受容された無線技術の規格である。この技術は、２．４〜２．４８５ＧＨｚのＩＳＭバンドのＵＨＦ周波数を用いる。これは固定および携帯デバイスの両方において用いられる。
【００１５】
駆動長さ（Ｌ）は、プーリ１０の中心とプーリ２０の中心との間の長さである。
【００１６】
図２は、センサアレイの詳細図である。近接センサ４０は、アナログ信号を生成し、ベルト背面３１の相対距離を検出するのに用いられる。センサ５０はデジタル信号を生成し、ベルト作動中における各歯底領域３２の通過を検出するのに用いられる。歯底領域３２は、隣同士の歯３３の間に配置される。各表面３１、３２への相対距離は、センサの配置およびベルトと各センサ４０、５０の既知のデータに基づいて特定できる。好ましくは、センサは原動プーリ１０と従動プーリ２０の間のベルト中心線上の等距離位置またはその近くに配置される。
【００１７】
センサ４０、５０は、ベルト３０の基本波の第１または第３節を測定する。生の信号は、２倍の振幅の波形内で半整流された余弦／正弦波と見なされる（図４を参照）。
【００１８】
各センサからの信号を組み合わせて利用することで、振動するベルトの正味の、全体の、またはピークツーピークの寸法変位が得られる。データ収集後、ＤＳＰによりセンサ信号に対して振幅信号処理が施される。歯側の近接センサ５０は、噛み合い／励起周波数を検出する。ＤＳＰは、センサ４０からのスパン振動信号からそれをフィルタリングする。
【００１９】
励起周波数は、動作中のベルトの直線歯速度の関数であるため、センサ５０はベルト速度を検出する。各平坦面３２は、ＩＲ信号をセンサレシーバ５３に向けて反射する。各歯３３がＩＲ光を散乱するので、信号は周期的に脱落し、したがって、センサ５３によって送信される信号は周期的である。各表面３２の間の距離は既知であり、ベルトピッチＰに基づく。表面３２からの各信号５４の間の周期は、方向Ｄへのベルト３０の速度ｖを決定するのに使用できる。
【００２０】
同様に、裏側の近接センサ４０は、励起スパン振動±ｙおよび関連する振動周波数を測定する。方向±ｙは方向Ｄに垂直である。表面３１は、ＩＲ信号をセンサレシーバ４３に向けて反射する。
【００２１】
ＤＳＰ／マイクロコントローラと既製のＩＲセンサが使用された。２つの異なるシャープＩＲセンサが選択される。センサ４０には定格２〜１５ｃｍのシャープＧＰ２Ｙ０Ａ５１ＳＫ０Ｆアナログ距離センサが使用される。センサ５０には定格５ｃｍのシャープＧＰ２Ｙ０Ｄ８０５Ｚ０Ｆデジタル距離センサが使用される。
【００２２】
データのデュアルサンプリングに使用されたＤＳＰマイクロコントローラは、８ＭＨｚのクロックレートで３．３Ｖで動作するＡｒｄｕｉｎｏＰｒｏ（登録商標）ブランドのＡｔｍｅｌ（登録商標）Ａｔｍｅｇａ（登録商標）３２８Ｐ  ＳＭＤであり、１０ビットの分解能で４ｋＨｚのアナログ入力チャネルをサンプリングするようにプログラムでき、そして１００ｋＨｚを超えるデジタル入力チャンネルをサンプリングできる。マイクロコントローラは、コントローラのＣコード／ファームウェアを作成するために使用されるＪａｖａベースのプログラムであるＡｒｄｕｉｎｏ統合開発環境（ＩＤＥ）を使用してプログラムされた。
【００２３】
このシステムには、メッセージの解析、データのファイルへの記録、およびベルトの歯の周波数と振動の表示に使用されるＭａｔＬａｂ（登録商標）ベースのＧＵＩも含まれる。ＣＯＭポート設定、ボーレート、およびフロー制御のタイプは、マイクロコントローラファームウェアとＧＵＩソフトウェアの両方にハードコードされている。
【００２４】
３つの別々のＣコードがマイクロコントローラ上の１つのメインループに結合され、この技術調査の理論とアプリケーションをテストする目的で、ＭａｔＬａｂベースのユーザーディスプレイが作成された。すなわち、タイミング制御、データ収集とシリアルメッセージの送信、およびグラフィカルユーザーインターフェイス（ＧＵＩ）とデータロギング用のＭａｔＬａｂスクリプトのためのマイクロコントローラ上のファームウェアである。
【００２５】
マイクロコントローラ用に作成されたファームウェアは、３つの別個のアルゴリズム；近接センサのアナログサンプリング、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）による時系列ベースの近接度データの大規模配列の計算、およびマイクロ秒周波数カウンタ、の組み合わせである。不揮発性グローバル変数を設定した後、アナログサンプリングとシリアル出力レートを正確に制御するためにタイマーが宣言される。シリアル出力レートは、ＣＯＭポートを１０Ｈｚで更新するように静的に設定され、アナログサンプルレートは、ＦＦＴに使用される配列のサイズ（２＾ｎ項）に基づいて設定される。各サンプルの後、アナログ値が後で利用するために循環バッファ配列に格納される。このシステムでは、配列は２５６（２＾８）項に設定されており、その半分は実数値で、半分は虚数値であり；実数項のみが周波数分析に用いられる。ＦＦＴは集約された関数の級数であるため、シリアル出力がＣＯＭポートに送信される前の配列に対して演算するためだけに呼び出される。
【００２６】
ＤＳＰ／マイクロコントローラのファームウェアで使用される別のアルゴリズムは、歯の周波数カウンタである。ロジックはＲＰＭセンサと同じで、マイクロ秒単位の時間が低パルスから高パルスへの遷移において測定され、移動平均配列に代入される。近接センサのデジタル入力は、マイクロコントローラのピン割り込み機能に関連付けられる。
【００２７】
次に、この配列の移動平均がグローバル変数に格納され、ユーザーディスプレイまたはネットワークへのシリアル出力において噛み合い周波数と駆動速度を計算するために平均化される。
【００２８】
シリアルメッセージは、マイクロコントローラから１００ミリ秒、つまり１/１０秒ごとに関数を呼び出すように設定されたタイマーに基づき、非常に単純な形式：ヘッダに２バイトを用い、ＦＦＴメッセージに１６バイトを用い、歯の噛み合い周波数に１６バイトを用い、そしてエンドラインキャラクタに２バイトを用いる形式に従う。
【００２９】
ＭａｔｌａｂベースのＧＵＩスクリプトは、マイクロコントローラからのメッセージを許可する前に、ユーザが設定したＣＯＭポート設定を実行する。設定が一致すると、ＭａｔｌａｂはＣＯＭポートの循環バッファから各バイトを引き出し、マイクロコントローラから送信されたヘッダーバイトの検索を開始する。ヘッダ正誤比較の後、スクリプトはタイムスタンプをログに記録し、エンドラインキャラクタまでバッファを読み取り、生のバイトをファイルに書き込む。このスクリプトは、ＦＦＴのプロットを更新し、生のバイトを１０進形式に変換し、表示用の値を更新する。
【００３０】
センサ４０、５０は、ベルトが作動している間、ベルトの背部および歯／歯底部の相対距離を検出する。例示的なシステムでは、アナログ（スパン振動）センサ４０は、２〜１５ｃｍのレンジを備え、ベルトの背面側３１から約４ｃｍに配置され得る。同様に、デジタル（歯カウンタ）センサ５０は、４．５〜５．５ｃｍのレンジのヒステリシスを有し、ベルトの歯部３３および歯底側３２から約５ｃｍに配置され得る。
【００３１】
図３はシステムのフローチャートである。システムの起動は１００１で発生する。セットアップは１００２で実行される。ユーザ入力は１００３で読み取られる。センサ４０からの変位信号は１００４で読み取られる。データは循環バッファ１００５に記憶される。循環バッファは、先頭と末尾が円形に接続するかのように単一の固定サイズのバッファを使用するデータ構造である。この構造は、現時点におけるセンサアレイ４０、５０などからのデータストリームをバッファリングするのに有用である。データは、バッファ１００６から、またはユーザ入力１００３から直接読み取られる。
【００３２】
ＦＦＴは１００９で実行される。ＦＦＴは一定期間にわたって信号をサンプリングし、それを周波数成分に分割する。これらの成分は、個別の周波数において、それぞれ独自の振幅と位相を持つ単一の正弦波振動である。したがって、ＦＦＴは、センサ５０からの信号を元の時間領域から周波数領域の表現に、またはその逆に変換するために使用される。
【００３３】
センサ５０からの噛み合い周波数は１０１０でフィルタリングされる。１００９、１０１０で使用されたデータは、その後バッファ１０１２から削除される。卓越周波数は１０１１で選択される。１０１３で選択された卓越周波数（ｆ）を使用してメルセンヌの法則がベルト張力（Ｔ）の算出に使用される。
【００３４】
ベルト速度は歯の周波数から計算され、１０１５で使用される。ベルト速度はシステムＲＰＭメータ（図示せず）から取得されるか、噛み合い周波数から計算される。ユーザ提供のベルト材料定数は１０１９で読み取られる。ユーザが提供したドライブ定数は１０１６で読み取られる。ベルト材料定数１０１９は、１０１３でメルセンヌの法則の計算に入力される。
【００３５】
センサ４０とセンサ５０からの信号の差から、振動の周波数（ｆ）を計算するために使用されるより綺麗なスパンの振動波形が得られる。導出された周波数（ｆ）は、弦振動のためのメルセンヌの法則を使用してアクティブベルト張力（Ｔ）を概算するために使用される。
Ｔ：＝μ・（ｆ・２Ｌ／ｎ）２
ここで、Ｔ＝ベルト張力
ｆ＝周波数
ｎ＝節
Ｌ＝駆動長さ
μ＝ベルト単位長さの質量
【００３６】
動的ベルト張力（Ｔ）は、センサ４０および５０からの測定値に加えて、システム定数、すなわち駆動中心距離（L）、およびベルトの線密度（μ）を使用して計算される。
【００３７】
１０１３での計算の実行により、アクティブ張力の測定値１０１７（Ｔ）が得られる。次に、アクティブ張力の測定値が動的張力Ｔdyn補償式１０１８に入力される。Ｔdyn項は、Ｗ／２（静的）＋与えられたトルク「Ｔ（ｔ）とＴ（ｓ）の間の張力の差の半分」の合計である。Ｗ／２（静的）は静的ベルト張力（Ｗ）に相当する。Ｗは、取り付け時にプーリを介してベルトに掛かる静的荷重である。
【００３８】
Ｔｔ−Ｔｓ＝２Ｑ／Ｄｐは、方程式のアクティブな部分であり、ここで、Ｑは伝達トルク、Ｄｐはプーリ１０、２０のピッチ円直径である。ＴｔとＴｓのスパン振動は、近接センサを用いて測定でき、各スパンの張力は、張力について解かれたメルセンヌの法則を使用して計算される。Ｔ（ｔ）（張り側張力）およびＴ（ｓ）（緩み側張力）は、ステップ１０１３で計算される。
【００３９】
遠心力の項は、Ｋ×ｍ×ｖ2であり駆動により発生する。Ｋは単位当たりのシステム定数であり、メートル単位の場合は１に設定される。同様に、英国単位の場合、Ｋ＝８．６３７４×１０＾６である。最後に、ｍ＝μであり、これは質量／単位長さであり、ｖは測定された歯の周波数を用いて計算されるベルト速度である。
【００４０】
したがって、動的張力は、方程式のすべての部分を合計することで計算できる：
Ｔdyn=Ｗ／２（静的）＋／−（Ｔｔ−Ｔｓ）／２（アクティブ）+ Ｋｍｖ2（遠心）。
【００４１】
計算により、全動的張力Ｔdyn１０１９が得られる。この結果信号は、ＧＵＩ  １０２０に出力されるか、１０２１でシステムメモリに保存することができる。
【００４２】
全動的張力Ｔdynは、動的ベルト張力に基づいてシステム操作を制御するために使用できる。例えば、システムが規定の制限から逸脱した場合にオペレータに警告するために、アラーム制限を含めることができる。システム履歴を使用して、ベルトの残りの寿命を見積もることができる。
【００４３】
図４は、結合された信号のチャートである。生の信号測定値は、２倍の振幅波形内の半整流された余弦／正弦波と見なされる。信号４５はセンサ４０からのものである。信号５５はセンサ５０からのものである。信号５５の周期的な特徴はセンサ５０を通過した各歯の歯底部３２の通過速度の関数である。信号４５の正弦波の特徴はベルトスパンの移動方向Ｄに垂直な軸に沿った振動によるものである。
【００４４】
ここで本発明の一形態が説明されたが、当業者であれば、ここで説明された発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、その構成、パーツ間の関係に様々な変更ができることは明らかである。特に明記されていない限り、図面に示されている構成部は一定の縮尺で描かれていない。数値例は、発明を説明するために使用されており、特許請求の範囲を制限することを意図するものではない。更に、「手段」または「ステップ」という言葉が特定のクレームで明示的に使用されていない限り、添付されたクレームまたはクレーム要素の何れかが３５Ｕ.Ｓ.Ｃ.１１２（ｆ）条の適用を意図するものではない。本開示は、図面に示され、本明細書に記載される例示的な実施形態または数値上の寸法に限定されるものではない。
【図１】
2021532362.tif 000003
【図２】
2021532362.tif 000004
【図３】
2021532362.tif 000005
【図４】
2021532362.tif 000006
【国際調査報告】
2021532362.tif 000007
2021532362.tif 000008