DE19638238C1 - Vorrichtung zur Regelung der Zugkraft eines Spulenwickeldrahtes - Google Patents
Vorrichtung zur Regelung der Zugkraft eines SpulenwickeldrahtesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der
Zugkraft eines Spulenwickeldrahtes gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1, wie sie z. B. aus der DE 40 35 862 A1
bekannt ist.
Zur Sicherstellung der erforderlichen Herstellungsqualität, was
die enge Anlage der benachbarten Windungen, ein sauberes
Wicklungsbild und die Vermeidung von Drahtschlaufen betrifft,
ist beim Wickeln von Drahtspulen der Spulenwickeldraht, bei dem
es sich üblicherweise um einen lackierten Draht handelt, mit
einer definierten und möglichst konstanten Zugkraft bzw. Draht-Zug
spannung auf den Spulenkörper der Drahtspule aufzubringen.
Zu diesem Zwecke kommen beispielsweise mechanisch wirkende
Drahtbremsen zur Anwendung. Neben solchen mechanisch wirkenden
Drahtbremsen kommen seit einiger Zeit auch elektronische
Drahtzug-Reglersysteme zum Einsatz.
Bei den mechanisch wirkenden Drahtbremsen wird der
Spulenwickeldraht einfach oder mehrfach um ein Bremsrad
geschlungen. Eine mechanisch wirkende Drahtbremse mit Sensor und Regelkreis, bei welcher
der Draht einfach um ein Bremsrad geschlungen ist, ist aus der
eingangs genannten DE 40 35 862 A1 bekannt. Dabei wird am Bremsrad ein Bremsmoment
erzeugt. Zum Zwecke der
Bremsmoment-Erzeugung kann das Bremsrad auch mit einem
Reibbelag versehen sein. Eine solche mechanisch wirkende
Drahtbremse führt bei einer konstanten Draht-Abzugs
geschwindigkeit zu einer relativ konstanten Draht-Zug
kraft, die normaler Weise während des Wickelvorgangs, d. h.
während des Aufwickelns des Spulenwickeldrahtes auf den
Spulenkörper einer Spule geregelt wird. Jedoch
ist bei dieser Bremsradanordnung eine Regelung der Drahtbremse, d. h. eine Ausregelung der
Zugkraft-Abweichungen zwischen einem Soll- und einem Istwert
nicht ausreichend feinfühlig möglich.
Bei von der Kreisform abweichenden Spulenkörper-Geometrien
ergeben sich bei Anwendung einer mechanisch wirkenden
Drahtbremse - wie ohne weiteres klar ist - dynamische, nicht
konstante Drahtabzugsgeschwindigkeiten. Diese führen dazu, daß
das Bremsrad ebenfalls mit einer nicht konstanten
Winkelgeschwindigkeit umläuft, sondern abwechselnd beschleunigt
und daran anschließend durch das Freiwerden von Drahtlängen
verzögert wird. Da bei der bekannten Bremsradanordnung die träge Masse des Bremsrades deutlich
größer ist als die zu beschleunigende Drahtmasse des
Spulenwickeldrahtes zwischen der Drahtbremse und dem
Spulenkörper der Spule, d. h. dem Wickelort, können durch die
Drahtbremse enorme Störgrößen in das Wickel-System eingekoppelt
werden. Diese resultieren in entsprechend großen Schwankungen
der am Spulenwickeldraht wirksamen Zugkräfte. Zu kleine
Zugkräfte können hierbei zu unerwünschten losen Windungen und
zu einem unsauberen Wickelbild führen; zu hohe Zugkräfte können
in unzulässig hohem Grad Dehnungen und im Extremfall in einem
Bruch des Spulenwickeldrahtes resultieren. Zur Vermeidung der
zuletzt genannten Mängel kommen in Kombination mit einer
Drahtbremse also nur entsprechend reduzierte
Wickelgeschwindigkeiten zur Anwendung. Diese resultieren in
einer entsprechend geringen Wickel-Produktivität.
Aus den Anfängen der Spulenwickeltechnik ist außerdem ein
System bekannt, bei welchem der Spulenwickeldraht zwischen zwei
Filz- oder Lederscheiben eingeklemmt und gebremst wird. Nach
dem physikalischen Reibungsgesetz nimmt mit zunehmender
Klemmkraft die Bremskraft entsprechend zu. Ein wesentlicher
Mangel dieses bekannten Systemes besteht darin, daß die
Zugkraft im Laufe der Zeit bzw. im Laufe des Wickelprozesses
kontinuierlich abnimmt, da der oftmals mit hoher
Geschwindigkeit zwischen den Scheiben durchlaufende
Spulenwickeldraht in den besagten Scheiben Rillen bildet. Diese
Rillen bewirken eine Verminderung der Klemmkräfte, welche die
Bremskräfte entsprechend reduzieren. Auch bei diesem bekannten
System erfolgt keine Messung der Ist-Zugkraft und kein
Ausregeln auf eine bestimmte Soll-Zugkraft.
Aus der DE 90 10 536 U1 ist eine Drahtbremseinrichtung bekannt,
die zwei Bremselemente aufweist, die miteinander zugewandten
ebenen Bremsflächen ausgebildet sind. Die Bremsflächen sind mit
einer Steuereinrichtung wirkverbunden, mit der es möglich ist,
den Druck auf die Bremsflächen zu steuern.
Eine Messung der Ist-Zugkraft während des Wickelprozesses und
der Wunsch, Abweichungen der Ist-Zugkraft von einem Sollwert
der Zugkraft am Spulenwickeldraht während des Wickelprozesses
auszuregeln, haben zur Entwicklung elektronischer Draht
zug-Reglersystem geführt, wie sie bereits weiter oben erwähnt
worden sind. Bei diesen bekannten elektronischen Drahtbremsen
wird die Zugkraft des Spulenwickeldrahtes üblicherweise mittels
Dehnungsmeßstreifen bestimmt. Systembedingt weisen derartige
Meßsysteme eine relativ niedrige Eigenfrequenz von
größenordnungsmäßig ca. 300 Hz auf. Bei solchen Meßsystemen mit
einer elektronischen Drahtbremse wird die Zugkraft wie bei dem
mechanischen Umschlingungsprinzip mit einem Bremsrad über ein
mit dem Spulenwickeldraht umschlungenes Bremsrad aufgebracht,
das von einer Magnetpulvereinheit, einem Gleichstrommotor od. dgl.
ein Bremsmoment erhält. Das führt, wie bereits erwähnt, zur Einbringung
zusätzlicher träger Massen mit den damit verbundenen Mängeln
entsprechender Zugkraft-Schwankungen. Dabei ist die Frequenz
der Zugkraft-Schwankungen bei der Rotation von Spulenkörpern
mit von der Kreisform abweichenden Spulengeometrie in der Regel
größer aus die maximal mögliche Meßfrequenz des zur Bremse
zugehörigen Meßsystems. Das bedeutet jedoch, daß ein Ausregeln
der Zugkraft-Schwankungen praktisch nicht möglich ist. Deshalb
wird bei einem Meßsystem der zuletzt genannten Art versucht,
den Mittelwert der Zugkraft-Schwankungen möglichst konstant zu
halten. Hochdynamische Zugkraft-Spitzen in positiver und in
negativer Richtung werden hier nicht ausgeregelt bzw. sind
infolge der Frequenz-Diskrepanzen nicht ausregelbar.
Da der erwünschte Nutzen eines Nachregelns durch den
Masseeinfluß der auch bei einem solchen System der zuletzt
genannten Art zu bewegenden Komponenten relativ gering ist,
kommen solche elektronische Drahtbremsen bislang nur bedingt
zum Einsatz. Lediglich beim Wickeln von Spulenkörpern mit
kreisrundem Querschnitt kommen solche elektronische Draht
zug-Reglersysteme zur Anwendung. Hier können sie beim Wickelprozeß
zu entsprechenden Leistungs- und Qualitätssteigerungen
beitragen, da hier die dynamischen Zugkraft-Schwankungen
infolge der mindestens annähernd konstanten
Drahtabzugsgeschwindigkeiten relativ gering sind.
Aus der Zeitschrift der Fa. Western Electric "TECHNlCAL DIGEST"
NO. 20, October 1970, Seiten 9 und 10, ist eine Vorrichtung zum
Abwickeln metallischen Guts von einer Rolle bzw. zum Bewickeln
einer solchen Rolle bekannt, wobei die Vorrichtung einen
kapazitiven Sensor aufweist, der mit einer elektronischen
Schaltung verbunden ist. Diese Vorrichtung dient zur
Feststellung jeweils einer bestimmten Länge des metallischen
Guts; um eine Zugkraftregelungsvorrichtung handelt es sich
hierbei jedoch nicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der
eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher der oben
beschriebene, störende Masseeinfluß ganz wesentlich reduziert
bzw. vernachlässigbar ist, so daß eine feinfühlige Regelung
der Zugkraft erfolgt.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichenteiles
des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Aus- bzw. Weiterbildungen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Dabei wird die Zugkraft des Spulenwickeldrahtes durch
eine geregelte Klemmung des durch die Klemmeinrichtung
durchgeleiteten Spulenwickeldrahtes wunschgemäß eingestellt.
Der die jeweilige Drahtauslenkung des Spulenwickeldrahtes
messende Sensor, bei dem es sich zweckmäßigerweise um einen
kapazitiven Sensor handelt, kann sowohl statische als auch
dynamisch wechselnde Zugkräfte des Spulenwickeldrahtes
erfassen. Es besitzt das erfindungsgemäße
System eine sehr hohe Eigenfrequenz; so kann beispielsweise die
rein mechanische Eigenfrequenz des kapazitiven Sensors
größenordnungsmäßig ca. 80 kHz betragen. Die maximale
Abtastfrequenz des Meßsystems wird durch die Auswerteschaltung
begrenzt und liegt beispielsweise bei 14 kHz und somit deutlich
über der Eigenfrequenz herkömmlicher Drahtzug-Meßsysteme mit
Dehnungsmeßstreifen, die - wie weiter oben ausgeführt worden
ist, bei größenordnungsgemäß ca. 300 Hz liegen kann.
Die Klemmeinrichtung ist so ausgebildet, daß
die Klemmung des Spulenwickeldrahtes in der
Klemmeinrichtung masseeinflußreduziert erfolgt.
Es werden keine Elemente vom Spulenwickeldraht
umschlungen, die sich in Abhängigkeit von der
Drahtabzugsgeschwindigkeit bewegen oder rotieren. Vielmehr
handelt es sich um eine auf den
Spulenwickeldraht mindestens annährend senkrecht wirkende
Klemmung.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die
Klemmeinrichtung zwei Klemmorgane auf, zwischen welchen der
Spulenwickeldraht durchgeleitet und eingeklemmt wird. Mindestens eines dieser
beiden Klemmorgane ist von einem Plattenelement
und/oder mindestens eines der Klemmorgane von einer
Walze gebildet. Bevorzugt ist es, ein Klemmorgan als
Plattenelement und das zweite Klemmorgan als mit dem
Plattenelement zusammenwirkende Walze auszubilden. Die beiden
Klemmorgane können aus einem dämpfenden Material bestehen oder
zumindest an ihrer Klemmfläche ein dämpfendes Material
aufweisen. Bei diesem dämpfenden Material kann es sich um einen
geeigneten Kunststoff, um Leder od. dgl. handeln. Klemmorgane
in Gestalt von Plattenelementen können auch eine vergütete
Oberfläche besitzen.
Wie bereits erwähnt worden ist, ist eine Vorrichtung bevorzugt,
bei welcher ein Klemmorgan von einem Plattenelement und das
zweite Klemmorgan von einer Walze gebildet ist. Diese Walze
kann mittels einer Antriebseinrichtung langsam rotierend
angetrieben werden. Die besagte Walze ist zweckmäßigerweise mit
einer Reinigungseinrichtung kombiniert, um permanent eine
Reinigung der Walze zu bewirken und somit jederzeit eine
sichere und genau definierte Klemmung und folglich
Zugkrafteinleitung in den Spulenwickeldraht zu gewährleisten.
Die Gleichmäßigkeit der jeweils eingestellten Zugkraft des
Spulenwickeldrahtes wird durch das oben erwähnte dämpfende
Material in vorteilhafter Weise gefördert. Außerdem wird
hierdurch die Gefahr einer oberflächlichen Beschädigung des
Spulenwickeldrahtes, bei dem es sich üblicherweise um einen
lackierten Draht handelt, wesentlich reduziert.
Insbesondere dann, wenn die beiden Klemmorgane aus einem
dämpfenden Material bestehen oder zumindest an ihrer
Klemmfläche ein dämpfendes Material aufweisen ist es bevorzugt,
wenn der Klemmeinrichtung eine Verschiebeeinrichtung zum
seitlichen Verschieben des Spulenwickeldrahtes relativ zu den
beiden Klemmorganen zugeordnet ist. Bei dieser
Schiebeeinrichtung kann es sich um ein Gabelelement handeln,
das in Bezug zur Oberfläche des jeweiligen Klemmorgans, d. h.
auf dessen Klemmfläche verfahrbar vorgesehen ist. Durch die
seitliche Verschiebung des Spulenwickeldrahtes wird ein
Einschneiden desselben in das dämpfende Material der
Klemmorgane verhindert.
Die Klemmeinrichtung kann eine Klemmorgan-Be
tätigungseinrichtung mit mindestens einem Elektromagneten
oder mit mindestens einem Piezoaktuator aufweisen.
Prinzipiell ergibt sich der Vorteil, daß die Zug
kraft-Schwankungen am Spulenwickeldraht beim Bewickeln insbesondere
unrunder Spulenkörper im Vergleich zu bekannten Bremssystemen
deutlich reduziert sind. Piezoaktuatoren weisen hierbei im
Vergleich zu Elektromagneten als Klemmorgan-
Betätigungseinrichtung deutlich schnellere Reaktionszeiten auf,
was in einer entsprechenden Vergleichmäßigung der Zugkräfte am
Spulenwickeldraht resultiert. Infolge der sehr hohen möglichen
Eigenfrequenz von Piezoaktuatoren in Verbindung mit der exakten
und schnellen Erfassung des Istwertes der jeweiligen Zugkraft,
insbesondere mittels eines kapazitiven Sensors der
Drahtauslenkeinrichtung, ist es gegebenenfalls sogar möglich,
nicht nur Zugkraftschwankungen infolge der
Spulenkörpergeometrien wunschgemäß problemlos aus zuregeln,
sondern außerdem auch die Massebeschleunigung und die damit
verbundenen Zugkraftschwankungen des Spulenwickeldrahtes
selbst.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Regelung der Zugkraft eines Spulenwickeldrahtes ist in der
Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es
zeigen:
Fig. 1 eine schematische Blockdiagrammdarstellung der
Vorrichtung zur Regelung der Zugkraft eines
Spulenwickeldrahtes,
Fig. 2 eine Diagrammdarstellung des zeitlichen
Zugkraftverlaufes bekannter elektronischer
Drahtzugregler im Vergleich mit einer
erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung,
Fig. 3 eine Seitenansicht einer Ausbildung der
Klemmeinrichtung der erfindungsgemäßen
Regelungsvorrichtung, und
Fig. 4 eine Schnittdarstellung der Klemmeinrichtung gemäß
Fig. 3 entlang einer zur Zeichnungsebene
senkrechten Schnittebene.
Fig. 1 verdeutlicht schematisch in einer Blockdarstellung eine
Vorrichtung 10 zur Regelung der Zugkraft eines
Spulenwickeldrahtes 12, der durch eine Klemmeinrichtung 14
durchgeleitet wird. Die Klemmeinrichtung 14 weist zwei
Klemmorgane 16 und 18 auf, zwischen welchen der
Spulenwickeldraht 12 durchgeleitet wird. Das Klemmorgan 16 ist
von einer Walze 20 und das Klemmorgan 18 ist von einem
Plattenelement 22 gebildet.
Wie aus Fig. 3 und insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich ist,
ist die Walze 20 an einem Säulengestell 24 ortsfest vorgesehen
und mit einer Antriebseinrichtung 26 über eine
Zahnradübersetzung 28 verbunden. Die Walze 20 ist an einem
U-Winkelelement 30 gelagert, das an einem oberen
Verbindungselement 32 befestigt ist. Das obere
Verbindungselement 32 und ein unteres Verbindungselement 34
dienen zur Verbindung und genau definierten Beabstandung der
beiden Führungssäulen 36 des Säulengestelles 24 (s. die
Fig. 3 und 4).
Der sich durch die beiden Klemmorgane 16 und 18
hindurcherstreckende Spulenwickeldraht 12 wird in der
Klemmeinrichtung 14 zwischen den beiden Klemmorganen 16 und 18
mit einer bestimmten Klemmkraft beaufschlagt. Zu diesem Zwecke
ist das Klemmorgan 18 bzw. das Plattenelement 22 des
Klemmorganes 18 mit einer Klemmorgan-Betätigungseinrichtung 38
verbunden. Diese Klemmorgan-Betätigungseinrichtung 38 kann
mindestens einen Elektromagneten 40 oder einen Piezoaktuator
aufweisen.
Von der Klemmeinrichtung 14 beabstandet ist eine
Drahtauslenkeinrichtung 42 vorgesehen. Die
Drahtauslenkeinrichtung 42 weist zwei voneinander beabstandete
Draht-Umlenkrollen 44 und zwischen diesen einen Sensor 46 auf,
der zweckmäßigerweise als kapazitiver Sensor ausgebildet ist.
Mit Hilfe des Sensors 46 wird die jeweilige Drahtauslenkung in
Bezug auf die beiden Draht-Umlenkrollen 44 gemessen und ein der
jeweiligen Auslenkung entsprechendes Ausgangssignal generiert,
das am Ausgang 48 des Sensors 46 anliegt.
Die Vorrichtung 10 weist einen Regelkreis 50 auf, in welchem
das Ausgangssignal des Sensors 46, das in Fig. 1 durch den
Pfeil 52 dargestellt ist, mit einem durch den Pfeil 54
angedeuteten Sollwert verglichen wird. Die sich hierbei
ergebende Regelgröße ist in Fig. 1 durch den Pfeil 56
angedeutet. Diese Regelgröße (Pfeil 56) wird der Klemmorgan-Be
tätigungseinrichtung 38 zugeführt, so daß die
Klemmeinrichtung 14 das Stellglied des Regelkreises 50 bildet.
Die Fig. 3 und 4 verdeutlichen, daß das von einem
Plattenelement 20 gebildete Klemmorgan 18 an einem
Auflagerblock 58 vorgesehen ist, der mit der Klemmorgan-Be
tätigungseinrichtung 38 verbunden ist. Zwischen der
Klemmorgan-Betätigungseinrichtung 38 und dem unteren
Verbindungselement 34 ist eine Stützfeder 60 angeordnet.
Fig. 2 verdeutlicht den zeitlichen Zugkraft-Verlauf
herkömmlicher elektronischer Drahtbremssysteme im Vergleich mit
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1, wobei auf
der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Zugkraft K
aufgetragen sind. Die Sinuslinien 62, 64 und 66 verdeutlichen
den Zugkraftverlauf herkömmlicher elektronischer
Drahtbremssysteme beim Bewickeln eines quadratischen
Spulenkörpers mit den Abmessungen 30 mm×30 mm bei einer Draht-
Abzugsgeschwindigkeit von ca. 1 m/sec im Vergleich mit dem feinfühlig geregelten
Zugkraftverlauf gemäß Linie 68, wie er sich bei einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1 beim Bewickeln eines
entsprechenden quadratischen Spulenkörpers der Abmessungen 30 mm×30 mm
bei ca. 1 m/sec Drahtabzugsgeschwindigkeit ergibt. Aus
Fig. 2 ist deutlich ersichtlich, daß beim erfindungsgemäßen
Bremssystem die Zugkraftschwankungen beim Bewickeln
entsprechender unrunder Spulenkörper deutlich reduziert sind.
Claims (7)
1. Vorrichtung zur Regelung der Zugkraft (K) eines
Spulenwickeldrahtes (12), mit einer Klemmeinrichtung
(14), in welcher der Spulenwickeldraht (12) mit einer
bestimmten Klemmkraft beaufschlagt wird, mit einer von
der Klemmeinrichtung (14) beabstandet vorgesehenen
Drahtauslenkeinrichtung (42), die einen die jeweilige
Drahtauslenkung messenden und ein entsprechendes
Ausgangssignal (Pfeil 52) generierenden Sensor (46)
aufweist, und mit einem Regelkreis (50), in welchem das
Ausgangssignal (Pfeil 52) des Sensors (46) die mit einem
Sollwert (Pfeil 54) zu vergleichende Regelgröße und die
Klemmeinrichtung (14) das Stellglied bilden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Klemmeinrichtung (14) zwei Klemmorgane (16, 18)
aufweist, zwischen welchen der Spulenwickeldraht (12)
durchgeleitet wird und eingeklemmt ist, wobei mindestens
eines der beiden Klemmorgane (16, 18) von einem
Plattenelement (22) und/oder mindestens eines der beiden
Klemmorgane (16, 18) von einer Walze (20) gebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mindestens eine Walze (20) mittels einer
Antriebseinrichtung (26) angetrieben wird und eine
Reinigungseinrichtung aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Klemmorgane (16, 18) aus einem dämpfenden
Material bestehen oder zumindest an ihren Klemmflächen
ein dämpfendes Material aufweisen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Klemmeinrichtung (14) eine Verschiebeeinrichtung
zum seitlichen Verschieben des Spulenwickeldrahtes (12)
relativ zu den beiden Klemmorganen (16, 18) zugeordnet
ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sensor (46) der Drahtauslenkeinrichtung (42) ein
kapazitiver Sensor ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Klemmeinrichtung (14) eine Klemmorgan-Be
tätigungseinrichtung (38) mit mindestens einem
Elektromagneten (40) aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Klemmeinrichtung (14) eine Klemmorgan-Be
tätigungseinrichtung (38) mit mindestens einem
Piezoaktuator aufweist.
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