DE19638238C1 - Vorrichtung zur Regelung der Zugkraft eines Spulenwickeldrahtes - Google Patents

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.