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| EGYESÜLT IZZOL&LIPA SS VILLAMOSSÄGI RSZVSNYT&RSASG, |
| Budapest IV (Ujpest), V Vci-ut 77, Ungarn. |
| C> |
| Drahtwickelmaschine zur Herstellung von sehr |
| genau bewickelten Körpern. |
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Die nachrichtentechnische und elektronische Industrie verwendet bekanntlich
häufig durch Drahtwicklung hergestellte, sehr präzise Teile, z. B. als Schaltelemente
oder als Elektroden von Elektronenrohren.
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Zur grossen Präzision dieser Körper gehört auch die gleichmässige
Spannung des aufgewickelten Drahtes.
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Dieser Umstand erschwert besonders das Wickeln jener Teile, die keine
Rotationskörper sind, da in diesem Fall die Geschwindigkeit des Wickeldrahtes auch
bei gleichmassige Drehung des zu bewickelnden Körpers nicht konstant ist. Ob nun
ein Rotationskörper oder ein anderer Körper bewickelt wird, gibt es noch eine weitere
wesentliche Fehlerquelle, und zwar die Wickelserrung.
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Betrachtet man nämlich eine sich abwickelnde Spule, so sieht man,
dass der Draht die Spule nicht immer in tangentialer Richtung verlässt, sondern
ein wenig an der Oberfläche der Spule haftet und sich von der Oberfläche des Wickels
plötzlich in kleineren oder grösseren Teilen ablöst. Diese Erscheinung wird durch
Fig. 1 der angeschlossenen Zeichnung veranschaulicht. Hier bezeichnet das Bezugszeichen
12 die Spule, 11 den sich regelmässig abwickelnden Draht und lla den sich unregelmässig
abwickelnden Draht. Die Ursache dieser Erscheinung ist, dass wenn sich beim Aufspulen
die einzelnen Drahtwindungen nicht genau nebeneinanderreihen, dann die einzelnen
Windungen der folgenden Reihe (Drahtlage) in die entstehenden Lücken eingeklemmt
werden können. Diese Windungen werden dann nur durch eine mehr oder weniger grosse
Zugkraft bzw. durch die Richtungsänderung der Zugkraft befreit. Zur teilweisen Beseitigung
dieser Fehler sind folgende Massnahmen gebräuchlich : a.) Anordnungen wie sie bei
Filmprojektoren üblich sind, bei denen die ungleichmässige Geschwindigkeit durch
ein gesteuertes Rad ausgeglichen wird. Hiebei ist aber das Umstellen auf andere
Spulen umständlich und die Wickelzerrung wird nicht ausgeglichen. b.) Die abzuwickelnde
Spule wird auf die Welle eines Servomotors mit konstantem, der Abwicklung entgegenwirkenden
Drehmoment gesetzt. Dadurch wird aber die Wicklungdrehzahl stark verringert, weil
das Trägheitsmoment des Abwickelsystems nicht beliebig klein gewählt werden kann.
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Die Wickelzerrung wird auch hier nicht ausgeglichen, c.) Abwickelsystem
mit federndem Ausgleichelement.
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Diese Anordnung ist gegen die durch die Drahtbeschleunigung und die
Uickelzerrung verursachten Fehler gleicherweise empfindlich, und kann wegen der
Masse des federnden Elementes nicht schnell genug reagieren und neigt ausserdem
zu schädlichen Schwingungen. Je dünner der Draht ist und je kleiner die Kräfte sind,
um so mehr treten diese Fehler in Erscheinung.
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Gegenstand der Neuerung ist eine Einrichtung, die an Stelle der im
Punkt a.) beschriebenen federnden Ausgleichelemente ein Servosystem benützt, das
durch Rückkopplung von den Trägheits-und/oder Reibungskräften, die an den mechanisch
bewegten Teilen auftreten, befreit ist.
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Die Neuerung bezieht sich also auf eine Drahtwickelmaschine, mit
einer Vorrichtung zur Regelung der Drahtversorgung, bei welcher der Dreht mit mindestens
einem federnden Ausgleichelement zugeführt wird, bei welcher der Draht steuerbar
gebremst werden kann, das federnde Ausgleichelement reibungs-und/oder trägheitsfrei
gestaltet ist und bei welcher die Mittellage des Ausgleichelementes durch Steuerung
der Bremsung gesichert ist. Das Ausgleichelement kann z. B. durch eine Kraft betätigt
werden, die an einer in einem radialen Magnetfeld befindlichen Spule entsteht und
die durch den die Spule durchfliessenden
| Strom gesteuert werden kann. |
| Die Kompensation der Trägheit und/oder Reibung des |
| d MgS |
| ", zye-2 |
| >, 2 e |
| Ausgleio, meaewird zweckIDässig elektronisch vorge- |
| nommen, und zwar derart, dass man entweder die Grõsse der |
| Fortbewegung, der Geschwindigkeit oder der Beschleunigung |
| misst und dann das entsprechende Rückkopplungssignal aus |
dem Ausgangsmessignal mittels Integrier-und/oder Differenzierstromkreisen
sowie Summierstromkreisen herstellt.
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Die Mittelstellung des beweglichen Teiles des Ausgleichelementes
wird durch einen Servomotor mit Steuerphase gewährleistet, der über eine vormagnetisierte
Drosselspule, die durch ein mit der Fortbewegung proportionales Fehlersignal gesteuert
wird, gespeist ist.
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Die neuerungsgemässe Drahtwickelmaschine ist daher mit einer steuerbaren
Bremsung der Drahtabwicklung versehen und besitzt auch ein federndes Ausgleichelement,
das durch Rückkopplung trägheits-und/oder reibungsfrei gemacht wurde und dessen
Ausgleichslage durch Steuerung der Bremsung bestimmt wird.
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Zur Bremsung der Abwicklung wird zweckmässig ein Servomotor benutzt.
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Eine Ausführungsform der der Neuerung gemässen Einrichtung bzw. Wickelmaschine
besitzt als wesentlichen Bestandteil des federnden Ausgleichelementes einen Magnet,
in dessen Feld sich eine Antriebsspule bewegt sowie einen diese Spule speisenden
Rückkopplungsstromkreis.
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Die Neuerung wird nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert. Fig. 2 der Zeichnung zeigt schematisch die im Absatz b.) beschriebene
schematische Anordnung, während Fig. 3 die Anordnung des Absatzes c.) mit idealisierten
Elementen veranschaulicht. Fig. 4 stellt schematisch ein elektromechanisches Element
dar, das einem elektrodynamischen Lautsprecher ohne Konus gleicht und in dessen
beweglichem Teil sich eine zweite Wicklung befindet.
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Fig. 5 zeigt die durch ein Blockschema ergänzte Anordnung nach Fig.
4, während Fig. 6 die ganze Wickeleinrichtung in einem Blockschema darstellt.
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Die Bezugszeichen haben folgende Bedeutung ! 10 ist der zu bewickelnde
Körper, 11 der Draht, lla die äussere Drahtlage, 12 die abgewickelte Spule, 13 der
Servomotor, 14 eine Feder, 15 eine Drahtführungsrolle, 16 der Magnetkörper, 17 das
Spulenhalterrohr, 18 die Antriebs spule, 19 eine Messpule, 20 ein gesteuertes federndes
Element, (in Figuren 4 und 5 ausführlicher dargestellt), 21 der Differenzierstromkreis,
22 ein Integrierstromkreis, 23 der Summierstromkreis, 24 eine stabile Bezugspannungsquelle,
25 ein Integrierstromkreis, 26 die Regelung des Servomotors, 27 ein Federsystem,
28 der Verstärker.
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An Fig. 2 sieht man die dem Absatz b.) entsprechende Anordnung schematisch
dargestellt. Der zu bewickelnde Gegenstand ist kein Rotationskörper und ist z. B.
das Rahmengitter 10 einer Elektronenröhre. 13 ist ein Servomotor, dessen Drehmoment
von der Umdrehungszahl unabhängig ist, wenn sich diese von der Synchronumdrehungszahl
genügend weit befindet. Die im Draht entstehende Zugkraft ist dann
wo P die Zugkraft, F das Drehmoment des Motors, r der Radius der Spule 12, a die
Drahtbeschleunigung und Q das gesamte Trägheitsmoment des Rotors des Motors und
der Spule, d. h. die Summe dieser beiden Trägheitsmomente, bedeuten. Das die Beschleunigung
enthaltende Glied und die schon erwähnte Abwickelzerrung kann durch eine in der
Fig. 3 dargestellte Anordnung kompensiert werden, die der
im Absatz
c.) beschriebenen Anordnung, jedoch mit idealisierten Elementen, entspricht. Das
Ausgleichelement 14 stellt eine Feder dar, die im Verhältnis zu den zu erwartenden
Bewegungen (Lagenänderungen) sehr lang ist. Auf diese Feder ist die Führungsrolle
15 befestigt. Dreht sich der Rahmen 10, dann bewegt sich das Rad 15 hin und her
und die Spule 12 kann sich mit gleichmässiger Winkelgeschwindigkeit drehen. Das
aus der Feder 14 und der Rolle 15 bestehende System arbeitet jedoch nur dann richtig,
wenn die Reibung und die Massenträgheit vernachlässigt werden können, also praktisch
Null sind ; eine diese Eigenschaften aufweisende Anordnung kann aber auf rein mechanischem
Weg nicht hergestellt werden.
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Die für diesen Zweck geeignete Funktion rückgekoppelter Systeme soll
zuerst an einem Beispiel und danach im allgemeinen beschrieben werden. An Fig. 4
ist ein System abgebildet, das einem elektrodynamischen Lautsprecher ohne Konus
ähnlich ist. Hier ist 16 der Magnetkörper, 17 das die Spule tragende Rohr, 18 ist
die Antriebspule und 19 ist die Messpule. Ist x die Fortbewegung (Vorrückung) und
K die bei der Wegeinheit wirkende elastische Kraft, ist ausserdem M die Nasse der
beweglichen Teile und die
| Reibung proportional der Geschwindigkeit, wobei der Pro- |
| Reibung proport. |
portionalitätsfaktor c ist, so fließt durch die Spule 18 ein Strom i. Dieser Strom
erzeugt die Kraft Di und die Bewegungsgleichung wird dann :
In der Spule 19 wird eine Spannung induziert,
| die der Geschwindigkeit proportional ist. Durch Integriert |
| Differenzier-und Summierstromkreise wird daraus eine |
| Spannung |
| E =--E. + E. s : + C.--+ n |
| A l l l l 2 |
| hergestellt, die als Stromgenerator angesehen werden kann, |
| da der Ausgangswiderstand sehr gross ist. Diese Spannung E |
| ist die Eingangsspannung des Verstärkers A und die Gleichung |
| des rückgekoppelten Systems ist dann : |
| 2 2 |
| es + c-L. + - = DAE + DAKx + DACi-+ DÄMi |
| dt2 |
| dtdz du |
| dt |
| d t |
| Bezeichnet man AE-. = Ep, DAK = E, DAC = 0 DAM = M, |
| so gelangt man zu der Formel |
| dx + (14 1, d 2x |
| (K-E2) x + (0-C) + (M-N9) § = DE. |
| dt di t |
| Physikalisch betrachtet bedeutet das, dass durch die Rück- |
| kopplung die Form der Gleichung des Systems unverändert |
| bleibt, dass jedoch die Koeffizienten mit frei wählbaren |
| Proportionalitãtskonstanten ausgetauscht werden können. |
| Setzt man M = Mp und C = C2, so kann man ein federndes |
| Element herstellen, das traigheits-und reibutlgsfrei ist. |
| Die Elastizität dieses Elementes kann elektrisch einge- |
| stellt werden. Die Funktion dieser Feder lässt sich am |
| Blockschema der Zeichnung 5 verfolgen. Nähere Angaben über |
| den Gang der Berechnung findet man bei Dr. N. Stab6 : |
| "Visszacsatolt aramkörök egyszerü elmelete" ("Einfache |
| Theorie der rückgekoppelten Stromkreise") Seite 26 bis 30. |
| Das in Fig. 4 abgebildete elektromechanische |
| System stellt im Bewegungsraum der Spulen durch die |
| Magnetpole 16 ein radiales Magnetfeld her, das in der |
x-Richtung homogen ist. Der Spulenkörper ist mittels den Federn
27 aufgehängt. Fliesst durch die Spule 18 ein Strom, so wirkt im Magnetfeld in der
x-Richtung eine Kraft.
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Die Spule 19 bewegt sich mit der Spule 18 zusammen, wodurch in ihr
eine Spannung entsteht, die mit der Geschwindigkeit des beweglichen Teiles proportional
ist. Das Differenzierglied stellt aus dieser Spannung ein Signal her, das der Beschleunigung
proportional und geeignet ist, die Trägheit der Masse zu kompensieren, während das
Integrierglied aus dieser Spannung der Spule ein Signal erzeugt, das dem Weg proportional
ist und die Federkraft verändert. Aus diesen drei Signalen wird durch den Summierkreis
über den Verstärker 28 die gesamte Rückkopplungsspannung mit der Verstärkung A hergestellt.
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Wird das Gesagte verallgemeinert, so sieht man folgendes : Bei einem
auf einer Zwallgsbahn sich bewegenden System wirkt in der möglichen Bewegungsrichtung
eine Kraft beliebigen Ursprunges (magnetische, elektrostatische, pneumatische u.
a. m.). Der ?. eg, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des beweglichen Teiles
wird gemessen oder was damit gleichbedeutend ist, man misst nur einen Parameter
und bestimmt die beiden anderen durch Integrieren und Differenzieren. Werden die
dem Weg, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung proportionalen Signale mit engtsprechender
Grösse zu einem Gesamtsignal summiert und mit dem Steuerorgan der ursprünglichen
Ablenkkraft rückgekoppelt, so ändert sich die Differenzialgleichung des beweglichen
Systems so, wie es an obigem Beispiel gezeigt wurde, unabhängig davon, welche physikalischen
Grössen
und Kräfte in der Rückkopplungsschleife wirken.
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Fig. 6 zeigt die Anordnungsskizze einer der Neuerung entsprechenden
Wickelvorrichtung : mit einem
| elektromagnetischen System. 20 ist das in der Fig. 4 |
| v |
abgebildete gesteuerte federnde Element, 21 der Differenzierstromkreis, 22 der Integrierstromkreis,
23 der Saummierstromkreis, 24 die stabile Bezugspannung, 25 der Integrierstromkreis
für die Mittellage, 26 der Stromkreis zur Regelung des Servomotors (z. B. vormagnetisierte
Drosselspule und Phasenschieber). Dreht man den Rahmen 10, so wird der Draht der
Spule 12 auf ihn aufgewickelt. Der Servomotor 13 ist bestrebt, die Spule 12 mit
dem eingestellten Drehmoment in entgegengesetzter Richtung zu drehen. Das Leitrad
15 bewegt sich im Takt des Rahmens 10 periodisch. Sind die am beweglichen Teil 20
eingestellte Kraft und das'Drehmoment des Motors B nicht richtig aufeinander abgestimmt,
so wird sich die Mittellage des beweglichen Teiles 20 ändern. Um das zu verhindern,
wird das Ausgangssignal des Stromkreises, der den Weg von 19 angibt, nochmals integriert
und mit dem so hergestellten Fehlersignal der Mittellage wird das Drehmoment des
Servomotors gesteuert.
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Die der Neuerung gemässe Wickelmaschine besteht aus folgenden Hauptteilen
: I. Vorrichtung zum Einspannen und Drehen des zu bewickelnden Körpers, II. Sicherung
der hier nicht näher erläuterten Drahtführung und des Drahtvorschubs (gehört nicht
in diesen Problemenkreis), III. steuerbar gebremstes Abwickelsystem,
IV.
federndes Element, das durch Rückkopplung trägheits-und/oder reibungsfrei gemacht
wurde, zum Kompensieren der
| r |
| Wickelzerrung und der ungleichmässigen Drahtgeschwindig- |
keit, V. System zur Sicherung der Mittellage des federnden Elementes durch Steuerung
der Abwicklung.
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Diesen Punkten entsprechend können verschiedene Anordnungen hergestellt
werden, die im grossen und ganzen auf Grund des gleichen Blockschemas arbeiten.
Es empfiehlt sich, die elektronisch-elektromagnetische Variante zu benutzen, weil
sie für grosse Geschwindigkeiten bequem hergestellt werden kann und die Differenzier-und
Integrierelemente billig und genau angefertigt werden können. Mit solchen Vorrichtungen
gewickelte Körper können schneller und mit grasserer Genauigkeit gefertigt werden,
als mit den üblichen Methoden, die Ausbeute ist also grösser, ohne dass die Gefahr
des Drahtreissens auftritt. Ausserdem hat das System den Vorteil, dass die in den
verschiedenen Fällen nötige Zugkraft durch Programmsteuerung eingestellt werden
kann (z. B. beim Wickeln von Rahmengittern). Die Daten des Elementes IV, durch welches
die Zugkraft eingestellt wird, können durch Aenderung des Rückkopplungstromkreises
leicht umgestellt werden.