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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung von Drahtseilen, d.
h. Seilen, bei welchen gezogene Stahdrähte spiralförmig in Litzen gelegt sind und
die Litzen spiralförmig
um einen Kern gelegt sind, um ein Drahtseil zu bilden.
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Hintergrund der Erfindung
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Obwohl
Drahtseile zuerst im 19. Jahrhundert entwickelt wurden und ihr Aufbau
bis in die 50-ger Jahre
des 20. Jahrhunderts vollkommen empirisch festgelegt war, hat sich
seit dem eine umfangreiche Entwicklung beim Aufbau von Drahtseilen
vollzogen, und es hat einen wesentlichen Fortschritt gegeben bei
der theoretischen Analyse von Seilaufbauten, was durch die Rechenleistung
moderne- Computer ermöglicht
worden ist. Somit sind der herkömmliche Kabelschlag
wie auch die nach Lang geschlagenen Seile seit langem bekannt, ebenso
gleiche Schlaglänge
und ungleiche Schlaglänge.
Kreuzgelegte und nicht gesponnene Seile sowie kompakte Litzenseile, dreieckige
Seile und flache Seile, welche einer Stauchung der äußeren Litzen
widerstehen, haben beim Bergbau in großer Tiefe Anwendung gefunden,
wobei Südafrika
bei dieser Entwicklung führend
gewesen ist. Kunststoffimprägnierung,
manchmal kombiniert mit Ansätzen
für eine
fortgeschrittene Schmierung, hat nutzvolle Anwendungen in einigen
Gebieten gefunden.
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Vor
diesem Hintergrund fortgeschrittener Entwicklung ist es bemerkenswert,
daß Maschinen für die Litzenformung
sowie Seilschlagmaschinen hinsichtlich einiger Aspekte nach wie
vor mittels empirischer Verfahren betrieben werden. Eines dieser Verfahren
bezieht sich auf die Spannung der Litzen während sie in das Verseilwerkzeug
eingeführt
werden, wo das Seil geformt wird. Diese Spannung ergibt sich aus
der Spannung, mit der die Litzen von den Haspeln geführt werden,
wobei die letzteren mit Bremsen versehen sind, um die Spannung anzupassen.
Bei einem typischen Beispiel wird die Spannung von Zeit zu Zeit
eingestellt, während
die Maschine stationär
ist beim manuellen Testen der Spannung einer jeden Litze durch Ziehen
an derselben senkrecht zu ihrem Pfad und Erfahrung beim Einstellen
der Bremsriemen an einer jeden Haspel. Dies hängt vom ”Gefühl” des Bedienpersonals ab und
von seinem Wissen um die Maschine basierend auf Erfahrung, und deshalb
ist der Erfolg qualitativ und subjektiv.
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Eine
analoge Situation ergibt sich mit Maschinen zur Formung von Litzen,
wobei die Spannungen der Drähte
angepaßt
werden durch eine Kombination aus manuellem Testen und empirischer
Erfahrung.
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Diesen
Ansätzen
liegt inhärent
eine Tendenz zu Ungenauigkeit zu Grunde, und falls es wesentliche
Unterschiede gibt zwischen Spannungen in den Litzen, so können schlaffe
Litzen (insbesondere bei nichtgesponnenen Seilen) auftreten. Das
fertiggestellte Seil zeigt Erscheinungen von korkenzieherförmigen Litzen,
gewellten Litzen oder ”versunkenen” Litzen. ”Korkenzieherbildung” ist der
Zustand, wo das fertiggestellte Seil eine korkenzieherförmige Gestalt aufweist,
da eine oder mehre Litzen wesentlich straffer sind, als die anderen.
Es gibt einigen Anlaß für die Begründetheit
der Meinung einiger Benutzer, daß die Gebrauchslebensdauer
von Seilen negativ durch diese Umstände beeinflußt wird.
Diesen Problemen ist von Seilherstellern in der Vergangenheit nicht
viel Aufmerksamkeit gewidmet worden, wahrscheinlich aufgrund der
Fertigkeit des Bedienungspersonals und glücklicher Umstände, wobei
die Seilschlagmaschinen eine ihnen innewohnende Tendenz aufweisen,
die Auswirkungen der Schwankungen in der Spannung zu egalisieren.
Beim Verseilwerkzeug führt
die Schließwirkung
dazu, Schlaffheit bei einigen der Litzen auszugleichen, d. h. das
Werkzeug führt dazu,
daß Schlaffheitszustände davor
lokalisiert bleiben und hinter dem Werkzeug die Spannungen gleichmäßiger sind.
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Jedoch
ergibt sich aufgrund des immerwährenden
Wunsches nach Drahtseilen höherer
Qualität ein
Bedürfnis
nach einer besseren Spannungskontrolle. Bemühungen, um die Verbesserung
zu erzielen, haben zu keinem praktischen Ergebnis geführt und
einige Maschinen sind aufgebaut worden und dann wieder deaktiviert
worden, da sie sich unter praktischen Einsatzbedingungen als ineffektiv
erwiesen haben, praktische Bedienzyklen gestört haben und keine zuverlässigen Resultate
geliefert haben oder nicht über
längere
Zeit in einem Arbeitszustand geblieben sind.
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Ein
Beispiel ist ein abgewandeltes, auf die Haspeln einwirkendes Bremssystem,
d. h. ein solches, wo eine elektromagnetische Bremsung bei Rückkopplungsanordnungen
vorgesehen ist, die einen Ladestrom und rückwirkende, auf elektromagnetischen
Kräften
beruhende Effekte aufweisen. Auf die Haspeln einwirkende Systeme
weisen inhärente Mängel in
verschiedenen Aspekten auf. Es ist schwierig, einen sich wandelnden
effektiven Durchmesser des Seils auszugleichen, während es
von der Haspel abgewickelt wird. Gekräuselte Spulen sorgen für Schwankungen
in der Spannung, eingeklemmte Spulen sorgen für Spitzen im Zug, und die Litzen
von unterschiedlichen Haspeln durchlaufen unterschiedliche Führungsrollen
für lagenweises
Wickeln und Führungsrinnen
hin zum Verseilwerkzeug.
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Ein
anderer Ansatz beruht auf dem Anbringen von Spannrollen, welche
gegen die Litzen drücken,
und damit die Spannweiten der Litzen regulieren, aber diese boten
in der Praxis auch keinen Erfolg. Dies lag an mechanisch schwerfälligen Aufbauten
und dem Mangel an Haltbarkeit sowie unzuverlässigen Messungen der Spannungen,
wobei darauf geschlossen wird, daß dies an Effekten wie der schwankenden
Einwirkung der Schwerkraft auf die schweren Spannrollen für lagenweises
Wickeln liegt, während
sich die Maschine dreht, Zentripetalkräften und Schwingungen.
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Ein
weiterer Ansatz lag in einem Dreiwalzenablenkungssystem, welches
jedoch die verwendeten Anzeigegeräte negativ beeinflußt hat und
damit die Flachschlagfreiheit zwischen den Sperrwalzen und den Anzeigegeräten. Zusätzlich zu
diesem Problem für
das Bedienpersonal ergeben sich Schwierigkeiten beim Einrichten
des Systems.
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Das
dabei auftretende Problem ist es deshalb, Mittel bereit zu stellen
zum Messen von Litzenspannung in einer Maschine zur Herstellung
von Seilen, welche bei praktischen Anwendung wirksam ist. Aus der
gemessenen Spannung kann eine zuverlässigere manuelle Einstellung
der Haspelbremsen erzielt werden, oder es können Rückkopplungssysteme aufgebaut
werden zur automatisierten Anpassung und Aufrechterhaltung der Spannungen
während
der Herstellung der Seile. Aus der
DE 31 39 415 A1 ist eine Verseilmaschine
für Drähte und
Litzen mit Mitteln nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Erfassen,
Messen und/oder Steuern von Spannungen von Litzen in Seilschlagmaschinen
und Drähten in
Verseilmaschinen bekannt, die zusätzlich auch elektromagnetische
Wandler umfasst. Bei dieser bekannten Verseilmaschine bleibt allerdings
das Problem bestehen, dass keine Maßnahmen offenbart werden, um
gemessene elektrische Nutzsignale von reibungsbedingtem überlagertem
Signalrauschen zu trennen.
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Aus
der
DE 24 01 019 A1 ist
weiterhin eine Verseilmaschine mit elektromagnetischen Gebern zum
Steuern einer Streckziehkraft bei Verseilmaschinen bekannt. Auch
hier fehlen allerdings Maßnahmen,
um einer Überlagerung
von reibungsbedingtem Signalrauschen auf elektrische Nutzsignale
entgegenzutreten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, Maßnahmen bereitzustellen, mit
denen eine bekannte Verseilmaschine so weiterentwickelt werden kann,
dass sie gemessene elektrische Nutzsignale, die Spannungen von Litzen
in Seilschlagmaschinen und Drähten
in Verseilmaschinen entsprechen, von reibungsbedingtem überlagertem
Signalrauschen trennen können.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch die Maßnahmen nach
Anspruch 1 gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche betreffen
vorteilhafte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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Herkömmlicherweise
wird an der Führungsrolle
für lagenweises
Wickeln für
eine jede Litze oder einen jeden Draht ein Wandler bereitgestellt.
Zum Beispiel wird in einer Verseilmaschine für ein Seil aus 12 Litzen je
ein Wandler bereitgestellt bei einer jeden der 12 Führungsrollen
für lagenweises
Wickeln, jedoch mag es Gründe
geben, daß nur
einige der Führungsrollen
für lagenweises
Wickeln Wandler aufweisen.
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Der
Wandler bei einer jeden Führungsrolle für lagenweises
Wickeln ist bevorzugterweise ein solcher, welcher einen magnetoelastischen
Effekt verwendet, es können
jedoch auch piezoelektrische Effekte, Dehnungsmessstreifeneffekte
und Druckkraftgebereffekte sowie andere passende physikalische Effekte
in geeigneten Vorrichtungen verwendet werden, um ein Signal bereitzustellen,
welches auf die Kraft reagiert, die sich aus der Litzenspannung
ergibt.
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Die
Verwendung eines Funkwandlers oder eines anderen drahtlosen Wandlers
(z. B. mittels Ultraschall, Infrarot usw.), ermöglicht es auf bequeme Weise,
daß das
Signal überwacht
und bearbeitet wird, wie dies durch die Drehung der Maschine notwendig
ist, und somit nicht nur während
die Maschine steht. Die Führungsrolle
für lagenweises
Wickeln vor dem Verseilwerkzeug ist eine, welche einen nennenswerten
Ablenkungswinkel der Litze oder des Drahtes aus einer Richtung ergibt,
welche von der Haspel in eine auf das Verseilwerkzeug zeigende Richtung
führt.
Ein geeigneter Winkel, wie er in typischen Maschinen zum Beispiel
auftritt, ist in der Größenordnung
von 15 Grad, zum Beispiel zwichen 10 Grad und 20 Grad. Die auf den
Wandler ausgeübte Kraft,
welche durch die Litzen- oder Drahtspannung verursacht wird, wird
mittels eines geeigneten trigonometrischen Faktors zur Litzen- oder
Drahtspannung in Beziehung gesetzt. Diese Kraft oder ein Signal,
welches in einfacher Beziehung (zum Beispiel direkte Proportionität) zu der
Kraft steht, wird im Folgenden als ”nützliches Signal” bezeichnet.
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Jedoch
ist die auf den Wandler ausgeübte Gesamtkraft
ein komplexes Ergebnis nicht nur der Litzen- oder Drahtspannung,
sondern auch der Reibungseffekte der Litze oder des Drahtes, welche über den
Wandler laufen (sei es durch Rutschen oder Abrollen), wodurch sich
ein Unterschied zwischen einer Litzen- oder Drahtspannung vor und
hinter der Führungsrolle
für lagenweises
Wickeln ergibt und die Richtung der resultierenden Kraft, der auf
die Masse der Litze oder des Drahtes einwirkenden Schwerkraft, die
sich beständig
in einer Richtung relativ zum Wandler ändert, während sich die Maschine dreht, der
Zentripetalkraft, die sich in Abhängigkeit von der Maschinendrehgeschwindigkeit ändert und
der Schwingungen sowohl in den Maschinenteilen als auch in der Litze
oder im Draht selbst. All diese Effekte tragen bekannterweise zu
einem Rauschen bei, welches das nützliche Signal überlagert.
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Im
allgemeinen können
gemäß der vorliegenden
Erfindung bekannte Signalrauschverstärkungsalgorithmen in den Signalbearbeitungsmitteln verwirklicht
sein. Letzteres ist bequemerweise eine geeignet angepaßte Computer-Hardware
und -Sofware.
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Das
nützliche
Signal kann gemäß der vorliegenden
Erfindung auf vielfältige
Weise verwendet werden. Eine erste Möglichkeit ist eine einfache Durchführung einer Überprüfung beim
laufenden Betrieb der Maschine, wobei man sich auf eine Überwachung
des Bedienungspersonals oder der Geräte konzentriert, die bereits
verwendet werden zur Erfassung und/oder Steuerung der Spannungen
zum Überwachen
oder für
Abfrage- und Aufzeichnungszwecke. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, kontinuierlich
das nützliche
Signal dem Bedienungspersonal an der Maschine als Hilfe anzuzeigen,
um seine praktizierte Vorgehensweise beim Durchführen der Spannungskontrollfunktion
zu verbessern. Das Archivieren des nützlichen Signals kann dem Zweck dienen,
daß es
Teil der Spezifikation des hergestellten Seiles beinhaltet, oder
um Mängelrügen hinsichtlich
von Unterschieden in der Litzenspannung zu begegnen oder um das
Einhalten vorgegebener Standards zu garantieren oder allein für historische
Zwecke, sollte ein Seil im Einsatz Probleme aufweisen.
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Die
Erfindung deckt auch die Ausweitung des Herstellverfahrens ab, um
eine Rückkopplung auf
Steuerungsmittel bereitzustellen für die automatisierte Kontrolle
der Spannungen der Litzen auf einer kontinuierlichen Arbeitsbasis.
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Die
Rückkopplung
auf die automatische Spannungskontrolle kann die Verwendung von
aus kinetischer Energie erzeugter elektrischer Leisung umfassen,
insbesondere mittels eines Pendels und eines Schrittmachermotors,
um elektrische Leistung auf der sich drehenden Maschine zu erzeugen,
zugunsten der Verwendung von Schleifringen. Die elektrische Leisung
könnte
in einer Batterie gespeichert werden, um dazu verwendet zu werden,
eine andere Vorrichtung anzutreiben, um die Spannung der Litzen anzupassen.
Die Rückkopplungssteuerung
dieser Vorrichtung könnte
auf einem Radiotelemetriesystem beruhen.
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Die
Erfindung wird vollständiger
beschrieben unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Es
zeigen:
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1 eine
Vorderansicht auf einen in der Erfindung verwendeten Wandler;
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2 eine
Seitenansicht des Wandlers;
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3 eine
Querschnittansicht von der Seite auf eine Führungsrollenbuchse für lagenweises
Wickeln, welche in dem Wandler verwendet wird;
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4 eine
schematische Ansicht einer Verseilmaschine, welche den Einsatz der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 eine
schematische Darstellung eines die Erfindung verwendenden Systems;
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5a eine
trigonometrische Skizze, welche ein Prinzip veranschaulicht, wie
eine Reaktionskraft auf den Wandler abgeleitet wird;
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6 ein
Diagramm der Spannungsmessungen, welche während der Versuche für die Erfindung
durchgeführt
wurden;
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7 ein
weiteres Diagramm, welches die Ablesewerte von einem nichtbelasteten
Wandler zeigt;
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8 ein
Diagramm, welches die Messungen zeigt, die vor und nachdem eine
Spannungsanpassung durchgeführt
worden ist, gemacht wurden.
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Wie
in den 1 bis 3 gezeigt, ist in den Wandler 1 eine
Führungsbuchse 2 für lagenweises Wickeln
eingepaßt.
Die Buchse 2 hat sorgfältig
ausgeformte Radien 3 und besteht aus einem Legierungsstahl
mit hohem Kohlenstoffanteil, welcher auch oberflächengehärtet sein kann, um unter Betriebsbedingungen
eingesetzt werden zu können.
Die Litze (oder der Draht) werden durch die Buchsenbohrung 4 geführt und
schlüpfen
beim Betrieb durch die Bohrung. Die Radien 3 minimieren
die Spitzen von Kontraktdrücken.
Verschiedene Testläufe über eine längere Dauer
haben gezeigt, daß die
Anordnung haltbar ist und den Vorteil von Einfachkeit und Robustheit
aufweisen. Der Wandler benutzt einen magnetoelastischen Effekt,
was bei der Anwendung Vorteile aufweist, insbesondere das Fehlen
der Notwendigkeit der Einrichtung einer Kalibrierung sowie eines Kalibrierungsdrifts,
eine hohe Toleranz gegenüber Überlastung,
eine hohe Federkonstante, die zu einer angehobenen, natürlichen
Resonanzfrequenz fuhrt und Unempfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse inklusive
Radiofrequenzinterferenzen.
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4 zeigt
in vereinfachter schematischer Darstellung eine Maschine 20 zur
Herstellung von Seilen, die sich auf einem Bett 21 dreht.
Litzen laufen von Hageln oder Rollen 23 letztendlich zu
einer Führungsrolle 24 für lügenweises
Wickeln, die unmittelbar vor einem Vorformkopf 25 angebracht
ist, von welchem die Litzen durch den Dreiwalzen-Schraubenlinienvorformkopf 26 und
den Verseilwerkzeugkopf 27 laufen, um als Fertiggestelltes
Seil 28 auszutreten. Die Wandler sind auf der Führungsrolle 24 angebracht,
und zwar einer für
eine jede Litze. Eine analoge Anordnung ist vorgesehen für Verseilmaschinen.
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5 zeigt
ein installiertes System 10 gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die
Reibung im Bohrloch des Wandlers 12 führt dazu, daß die Spannung
der Litze 11 (oder des Drahtes) sich im Bohrloch vergrößert, wobei
die resultierende Kraft auf den Wandler berechnet werden kann durch
trigonometrische Verfahren. Abhängig von
den genauen Umständen,
oder unter Zugrundelegung vereinfachter Annahmen wie in 5a gezeigt,
ergibt sich folgende vereinfachte Beziehung: F
= T sin A,wobei
- F die Kraft auf den Wandler ist,
- T die Spannung in der Litze (oder im Draht) ist, und
- A der Ablenkungswinkel der Litze durch die Führungsrollenbuchse im Wandler
ist.
- Alternativ gilt: T = F/sinA.
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Beträgt zum Beispiel
die durch den Wandler gemessene Kraft 0,4 kN und der Ablenkungswinkel 13 Grad,
wobei die Litze der Führungsrolle
wie gezeigt in einem rechten Winkel zugeführt wird, so ergibt sich die
resultierende Litzenspannung zu 1,78 kN.
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Wie
in 5 gezeigt, übermittelt
der Wander 12 ein Signal, welches in Beziehung steht zu
der auf ihn durch die Litze (oder den Draht) einwirkenden Kraft
auf einen Wandler 13, welcher aufgesetzt ist auf den drehenden
Teil der Maschine. Der Sender übermittelt
ein Radiosignal 14 auf einen Empfänger 15, welcher an
einem geeigneten Ort angebracht ist. Dieser wiederum übermittelt
ein Signal auf den Wandler 16, bei dem es sich um eine
CPU mit geeigneter Kapazität
handelt. Ein Monitor 17 steht zur Verfügung, um die bearbeiteten Signale
kontinuierlich anzuzeigen. Die CPU hat eine Festplatte, um alle
empfangenen Signale zu speichern und sie für eine spätere Abfrage zu archivieren,
falls benötigt.
Die CPU ist programmiert, um Ausgangssignale durch das Eliminieren
von Rauschen hiervon zu bearbeiten, und zwar gemäß Protokoll- und Algorithmenstrukturen,
welche in interaktiver Weise mit einer bestimmten Maschine entwickelt
werden können.
Dies kann Schwingungsmoden und andere Faktoren, die für jede einzelne Maschine
einzigartig sind, berücksichtigen.
Die Software kann zyklische Komponenten im Ausgangssignal über verschiedene
Zeitperioden identifizieren, insbesondere eine zyklische Periodizität, welche
mit der Drehgeschwindigkeit der Maschine in Verbidung steht, kann
in die CPU eingegeben werden, um das Entfernen dieses Faktors aus
dem Signal zu ermöglichen.
Statistische Schwankungen können
durch Bearbeitung mit geeigneter Software, die auf das Ausgangssignal
einwirkt, beseitigt werden.
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Somit
zeigt 6 ein Signalmuster, welche als Ausgangsdaten von
einem einzelnen Wandler erhalten werden. Ein jeder Punkt entspricht
einem Ablesewert, das volle Muster wurde über eine Zeitspanne von 3 Minuten
erfaßt.
Das Muster zeigt eine zyklische Wiederholung von 10 Zyklen über die
Gesamtdauer. Die zyklische Form wird aubgeleitet aus dem Effekt
der Schwerkraft, welcher ungefähr
sinusförmig die
Kraft auf den Druckkraftgeber ändert,
während sich
die Maschine dreht. Dies kann entfernt werden durch Anwendung einer
geeigneten Fourier-Analyse. Hierzu muß eine Kompensierung einer
Zentripetalkraft auf die Litze hinzugefügt werden. Das verbleibende,
statistisch zufällig
verteilte Streuen der Punkte kann durch eine passende statistische
Analyse bearbeitet werden oder eine einfache arithmetische oder
geometrische Mittelung.
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Der
Monitor kann verwendet werden, um Auslesewerte für das Bedienpersonal der Maschine auf
einer kontinuierlichen Basis auszugeben, wodurch sich zum Beispiel
eine Balkendiagrammanzeige der Spannung für eine jede Litze ergibt, welche zum
Beispiel gezeigt wird zwischen Begrenzungsmarkierungen für die Grenzen
der Toleranz gemäß einem
vorgegebenen Standard.
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7 zeigt
ein Muster von Signalen (die Skalen, welche horizontal für die Zeit
und vertikal für den
Betrag der einwirkenden Kraft angezeigt sind, sind nicht notwendigerweise
die selben), welches erhalten wird, wenn die Maschine gedreht wird,
ohne daß sich
eine Litze in der Führungsrollen
für lagenweises
Wickeln befindet. Dies bestätigt
den zyklischen Effekt aufgrund der Schwerkraft und könnte verwendet
werden, um durch Subtraktion die Ausgangsdaten zu bearbeiten, welche
während
des Betriebs erhalten werden. Die Maschine ruhte während einer
kurzen Periode bei 30.
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8 zeigt
Punkte in einem Bereich 31, die über eine ausgedehnte Betriebszeitdauer
erhalten worden sind, während
ein ”Umwickeln” auf einer
Anzeigeseite stattgefunden hat, d. h., daß auf einer einzelnen Seite
mehrere Durchgänge
gezeigt sind. Die durchgezogene Linie 32 veranschaulicht
eine ausgedehnte Zeitdauer, während
der die Maschine nicht in Betrieb war. Das Muster der Punkte 33 zeigt
die Vergrößerung in
der Spannung, die auf eine Anpassung durch das Bedienpersonal folgte.