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Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Zugkraft bei Wickeleinrichtungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Zugkraft
in einer eine Wickeleinrichtung unter Bildung eines sich verengenden, die Zugkraft
erzeugenden Durchhanges durchlaufenden Warenbahn, wobei die Größe des Durchhanges
als
Istwert einem Regler zugeht, der entsprechend der Abweichung
vom Durchhang-Sollwert die Drehzahl der Wikkelwelle verändert.
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Bei Wickelvorgängen wird die auf- oder abzuwickelnde Ware im allgemeinen
mit einer vorgegebenen konstanten Geschwindigkeit und mit einer bestimmten Zugkraft
der Wickeleinrichtung zu- bzw. abgeführt. Erfolgt der Antrieb der Wickeleinrichtung
über die Wickelwelle, so ist ein stufenlos regelbarer Antrieb notwendig, der einerseits
die Umfangsgeschwindigkeit des seinen Durchmesser laufend verändernden Wickels an
die vorgegebene Warengeschwindigkeit anpaßt und der andererseits eine bestimmte
Warenzugkraft aufrecht erhält.
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Die Größe der Zugkraft ist insbesondere bei empfindlichen Wickelgütern
von Bedeutung. Im allgemeinen wird ein Zugkraftabfall von 20 bis 30 % vomkleinen
zum großen Wickeldurchmesser hin angestrebt. Für die Regelung des Antriebes kommt
es auf den zeitlichen Verlauf der Drehzahl und des Drehmomentes an der Wikkelwelle
an. Die entsprechenden Gleichungen werden als Wickelfunktionen bezeichnet. Die Regelung
eines Wickelvorganges hat die Aufgabe, diese Wickelfunktionen möglichst vollkommen
anzunähern.
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Neben verschiedenen elektrischen Wickelantrieben, bei denen die Regelung
auf den Antriebsmotor einwirkt,
ist die Anwendung mechanisch stufenloser
Getriebe bekannt, die aufgrund ihrer Übersetzungscharakteristik besonders geeignet
für Wickelvorgänge sind. Als Sonderbauform für spezielle Wickelantriebe weisen sie
einen verschwenkbaren Gewichtshebel auf, der sich über eine Kurvenscheibe an dem
die Getriebeübersetzung verstellenden Steuerhebel abstützt. Der gewünschte Zugkraftabfall
kann durch entsprechende Gestaltung der Kurvenscheibe erzeugt werden. Darüber hinaus
besteht die Möglichkeit, durch verschiebbare Anordnung des Gewichtes auf dem Hebel
die Grund zugkraft in weiten Grenzen einzustellen. Nachteilig ist jedoch, daß es
sich hierbei um Spezialgetriebe handelt, die aus dem normalen Fertigungsprogramm
an stufenlosen Getrieben herausfallen.
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Dieser Nachteil wird bei der sog. Durchhangregelung vermieden. Bei
ihr muß die auf- oder abzuwickelnde Ware über einen Durchhang geführt werden, der
im allgemeinen durch eine Pendel- oder Tänzerwalze belastet ist und auf diese Weise
die gewünschte Warenzugkraft erzeugt. Das wirksame Walzengewicht und damit die Grundzugkraft
kann durch ein Gegengewicht mehr oder weniger vermindert oder durch Druckzylinder
erhöht werden. Die Mittellage des Durchhanges wird als Sollwert einem Regelkreis
vorgegeben, während die tatsächliche Lage des Durchhanges als Istwert beispielsweise
mit
einem Potentiometer gemessen und in einem Dreipunktregler mit dem dort eingestellten
Sollwert verglichen wird. Bei Abweichung des Istwertes vom Sollwert gibt der Regler
je nach Größe und Richtung der Abweichung entsprechende Impulse auf den elektrischen
Stellantrieb des stufenlos regelbaren Getriebes, bis die Abweichung unter der Ansprechschwelle
des Reglers liegt.
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Der Vorteil des Wickelns mit Durchhangregelung gegenüber dem vorerwähnten
mechanischen Prinzip besteht darin, daß man aus dem normalen Bauprogramm eine der
gewünschten Leistung entsprechende Getriebegröße aussuchen kann. Allerdings bleibt
bei dieser Regelung die Warenzugkraft während des gesamten Wickelvorganges konstant.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, den gewünschten
Zugkraftabfall vom kleinen zum großen Wickeldurchmesser hin auch bei dem System
der Durchhangregelung zu ermöglichen. Dabei soll die leichte Verstellbarkeit der
Grundzugkraft erhalten bleiben und auf die Verwendung spezieller Kraftmeßeinrichtungen
verzichtet werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Durchhang-Sollwert
und damit die Zugkraft in
der Warenbahn in einer bestimmten funktionellen
Abhängigkeit vom Wickeldurchmesser stehen.
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Der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch
Änderung der Durchhanggeometrie die Größe der effektiv in der Warenbahn auftretenden
Zugkraft bei konstantem Walzengewicht verändert werden kann, sofern der Durchhang
aus zwei nicht parallel zueinander verlaufenden Bahnen besteht. So stellt sich beispielsweise
bei geringerem Durchhang eine flachere Bahnführung und damit trotz gleichbleibendem
Walzengewicht eine höhere Warenzugkraft ein als bei größerem Durchhang. Die zur
Erzielung des gewünschten Zugkraftverlaufes notwendige Steuerung des Durchhang-Sollwertes
in Abhängigkeit vom Wickeldurchmesser kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise
durch optische oder mechanische Abtastung des Wickeldurchmessers und Umsetzung zu
einem entsprechenden Signal, das'einen Sollwertsteller beeinflußt oder - da die
Wickelzeit in bestimmtem Zusammenhang mit dem Wickeldurchmesser steht - durch eine
reine Zeitsteuerung.
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Erfolgt der Antrieb der Wickeleinrichtung über ein mechanisch stufenloses
Getriebe, so kann in Weiterbildung des Erfindungsgedankens die erwünschte Änderung
des Durchhang-Sollwertes durch einen das Übersetzungsverhältnis
dieses
Getriebes abtastenden Sollwertgeber bestimmt werden. Hierdurch wird der zu Beginn
des Wickelvorganges eingestellte Basis-Sollwert auf einfache Weise in dem gewünschten
Maß verändert. Die angestrebte Abhängigkeit des Sollwert es vom Wickeldurchmesser
bleibt gewahrt, da das Übersetzungsverhältnis in einem festen, vorherbestimmbaren
Zusammenhang mit dem Wickeldurchmesser steht. Auch kann dabei die bei der Durchhangregelung
bekannte Verstellbarkeit der Grundzugkraft mittels eines das Walzengewicht mehr
oder weniger kompensierenden Gegengewichtes beibehalten werden.
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Zur Durchführung dieser Regelung hat es sich als zweckmäßig erwiesen,
daß der Sollwertgeber aus zwei Ohm'schen Widerständen R1 und R2 und einem in Reihe
zwischengeschalteten, mit dem Verstellmechanismus des Getriebes verbundenen Potentiometer
RR besteht, daß die drei Widerstände an eine Versorgungsspannung U angeschlossen
sind und daß der Spannungsabfall U am Widerstand R1 w dem Durchhang-Sollwert b entspricht.
Der von der Getriebeübersetzung abhängige Widerstandswert des Potentiometers RR
sinkt von seinem Maximalwert RR max zu Beginn des Aufwickelvorganges (t = O) auf
den Wert null am Ende des Aufwickelvorganges (t = T) ab.
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Die Widerstände R1 und R2 sind demnach abhängig von RR max so zu bemessen,
daß zur Zeit t = 0 die Spannung Uw
dem erwünschten minimalen Durchhang-Sollwert
bs min entspricht und zur Zeit t = 2 dem maximalen Durchhang-Sollwert bs max. Dies
ist der Fall, wenn die beiden folgenden Gleichungen erfüllt sind:
Nähere Einzelheiten über den Verlauf des Durchhang-Sollwertes in Abhängigkeit von
der Getriebeübersetzung finden sich in der speziellen Beschreibung eines Ausführungsbeispieles.
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Zur besseren Anpassung des Spannungsabfalles Uw an die Stellfunktion
des Getriebes sowie an die Wickelfunktion und die Näherungsfunktion für den Zugkraftabfall
aufgrund der Durchhanggeometrie weist der Schiebewiderstand RR einen logarithmischen
Wider--standsverlauf auf. Verbindet man dabei den Schleifer des Schiebewiderstandes
mit dem dickdrahtigen Wicklungsende, so ergibt sich ein annähernd linearer Zugkraftabfall.
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Als Istwertgeber dient vorteilhafterweise eine im Durchhang angeordnete,
mit einem verschiebbaren Gegengewicht ausgerüstete Pendelwalze, die bei ihrer Verschwenkung
einen Drehwiderstand mit liniarem Widerstandsverlauf betätigt. Selbstverständlich
ist stattdessen auch ein berührungsfreies Abtasten der Warenbahn durch optisches
Erfassen des Durchhanges möglich, Auch besteht die Möglichkeit, die Pendelwalze
durch eine Tänzerwalze zu ersetzen. Beide Walzensysteme können, wenn hohe Zugkräfte
in der Warenbahn erwünscht sind, durch Hydraulik- oder Druckluftzylinder zusätzlich
belastet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile des Anmeldungsgegenstandes ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand von Zeichnungen;
darin zeigt: Fig. 1 eine Wickeleinrichtung mit dem erfindungsgemäßen Regelungssystem
in schematischer Darstellung; Fig. 2 die Geometrie des Durchhanges; Fig. 3 den Aufbau
von Ist- und Sollwertgeber; Fig. 4 den Verlauf der Warenzugkraft in Abhängigkeit
von der Geometrie des Burchhanges und
Fig. 5 den Verlauf der Warenzugkraft
in Abhängigkeit von der Wickelzeit.
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Ein geschwindigkeitsbestimmender Hauptantrieb 1 treibt ein Walzenpaar
2 an, das eine Warenbahn 3 mit konstanter Geschwindigkeit v über einen Durchhang
4 in Form einer Pendelwalze 5 mit verschiebbarem Gegengewicht 6 einem Wickel 7 zuführt.
Der Wickel 7 wird von dem Hauptantrieb 1 über ein stufenlos regelbares Kegelscheiben-Umschlingungsgetriebe
8 angetrieben. Die Übersetzung dieses Getriebes wird durch einen Dreipunktregler
9 über ein elektrisches Stellgerät 10 eingestellt. Der Regler 9 wird von einem Istwertgeber
11 in Form eines Drehwiderstandes und von einem Sollwertgeber 12, der seinerseits
an eine Übersetzungsabtastung 13 gekoppelt ist, beeinflußt.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Die konstante Warengeschwindigkeit
v wird dem Übersetzungsgetriebe 8 in Form der geschwindigkeitsproportionalen Antriebsdrehzahl
n mitgeteilt. Das Getriebe 8 hat nun die Aufgabe, die konstante Antriebsdrehzahl
n entsprechend dem augenblicklichen Wickeldurchmesser d in eine Abtriebsdrehzahl
nw umzuwandeln, so daß die Umfangsgeschwindigkeit des Wickels der Warengeschwindigkeit
v entspricht.
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Erreicht wird dies durch die Regeleinrichtung. Mit dem Sollwertgeber
12, welcher auch im Regler 9 eingebaut sein kann, wird die gewünschte Durchhang-Sollhöhe
eingestellt. Die tatsächliche Höhe des Durchhanges wird vom Istwertgeber 11 gemessen.
Bei Abweichungen zwischen Soll- und Istwert steuert der Regler 9 das Stellgerät
10 an, das die Übersetzung des Getriebes 8 in dem Sinne ändert, daß die Abweichung
kleiner wird bzw. verschwindet. Zur Erzielung des gewünschten Zugkraftabfalles in
Abhängigkeit vom Wickeldurchmesser ist der Sollwertgeber 12 bei 13 mit dem Verstellmechanismus
für die Übersetzung des Getriebes 8 gekoppelt.
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Der Einfluß der Durchhanggeometrie auf die Warenzugkraft wird in den
Fig. 2 und 4 verdeutlicht. In Fig. 2 ist die Pendelwalze 5 in einer Betriebsstellung
b und in verschiedenen Extrempositionen mit den zugehörigen Durchhanghöhen b# min,
bs max und bmax dargestellt. Da es hinsichtlich der Warenzugkraft auf die Neigung
der Warenbahn ankommt, wird die Durchhanggeometrie durch den Quotienten b/a beschrieben,
wobei a der zumindest während eines Wickelvorganges konstante Abstand der Pendelwalze
5 zu den beiden Führungswalzen 2, 2' ist.
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Die Durchhanghöhe b wird durch den Istwertgeber 11, der in Fig. 3
in Form eines verschiebbaren Widerstandes Rx dargestellt ist, gemessen. Handelt
es sich dabei um einen linearen Widerstand, so entspricht die zwischen oberem Ende
und Schleifer abfallende Spannung Ux der augenblicklichen Durchhanghöhe b. Der Widerstand
Rx liegt ebenso wie die drei in Reihe geschalteten Widerstände R1, RR und R2 des
Sollwertgebers an einer stabilisierten Gleichspannung U, die vom Regler 9 geliefert
wird. Während das Potentiometer RR seinen Widerstand übersetzungsabhängig ändert,
werden die Widerstände R1 und R2 nur zu Beginn des Wickelvorganges entsprechend
dem gewünschten Zugkraftabfall eingestellt.
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Wie aus den Fig. 2 und 4 hervorgeht, bewirkt jede Veränderung der
Durchhanggeometrie b/a eine bestimmte Änderung der in der Warenbahn herrschenden
Zugkraft S bzw. eine Anderung des Quotienten aus Warenzugkraft S zu Walzengewicht
F. Die Kurve in Fig. 4 zeigt, daß eine sinnvolle Variation des Durchhang-Sollwertes
auf den Bereich b/a = 1 bis 2 beschränkt ist. Oberhalb b/a = 2 ändert sich die Zugkraft
S nur noch geringfügig mit dem Durchhang, unterhalb von b/a = 1 dagegen ist die
Zunahme so steil, daß die Gefahr einer Überbeanspruchung des Wickelgutes schon durch
die
kleinen für die Funktion der Durchhangregelung notwendigen
Abweichungen zwischen Sollwert und Istwert gegeben wäre. Im übrigen beträgt der
Zugkraftabfall in dem genannten Bereich bereits etwa 20 %, was für die praktische
Anwendung im allgemeinen ausreicht.
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Der Kurvenverlauf in Fig, 4 läßt sich in dem interessierenden Bereich
durch die Funktion
annähern.
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Für die Anderung des Durchhang-Sollwertes ergibt sich unmittelbar
ausaus Fig. 3 die folgende Beziehung:
Dabei ist die Größe de s des übersetzungsabhängigen Widerstandes RR eine Funktion
des Schleiferwinkels. Handelt es sich bei dem Widerstand RR um ein logarithmisch
gewickeltes Potentiometer, so ergibt sich näherungsweise folgender Widerstandsverlauf:
wenn das dicke Windungsende dem Winkel # = 0 zugeordnet ist. Dabei ist # der laufende
Schleiferwinkel, während QI dem maximalen Schleiferwinkel entspricht.
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A und B sind Gerätekonstanten.
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Ein derartiger Aufbau des Widerstandes Rn erweist sich zur Erzielung
eines annähernd linearen Zugkraftabfalles als zweckmäßig.
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Außerdem ergibt sich aus der Stellkurve des Getriebes und aus der
Wickelfunktion der Zusammenhang zwischen dem Schleiferwinkel des übersetzungsabhängigen
Widerstandes RR und der Wickelzeit:
wobei R den Stellbereich des Getriebes angibt, der gleich dem Durchmesserverhältnis
des Wickels ist: R = dmax/dmin.
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Da die Durchhangregelung stets für annähernde Gleichheit zwischen
Sollwert und Istwert sorgt, kann man für bs in Gleichung 4) auch direkt b schreiben.
Berücksichtigt man außerdem die Gleichungen 1), 2), 5) und 6), so folgt aus Gleichung
4):
Damit liegt der gesuchte Zusammenhang zwischen Durchhang und Wickelzeit fest und
über Gleichung 3) auch der Verlauf der Zugkraft in der Warenbahn in Abhängigkeit
von der Wickelzeit
Fig. 5 zeigt den Verlauf der Warenzugkraft für
die Wickelbereiche R = 3, R = 6 und R = 10 bei folgender Festlegung der Durchhanggeometrie:
bmax/a = 3; bs max/a = 2; bs min/a= 1 Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ist die gewünschte
Linearität des Zugkraftabfalles zumindest bis zu dem Wickelbereich R = 6 in ausreichendem
Maße gegeben.
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In Fig. 5 ist außerdem der Durchmesserverlauf gemäß der Funktion
miteingetragen, um die Abhängigkeit der Warenzugkraft vom Wickeldurchmesser zu verdeutlichen.
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In Sonderfällen kann durch entsprechende Maßnahmen auch ein gänzlich
anderer Zugkraftverlauf erzeugt werden, beispielsweise durch Anwendung eines Potentiometers
RR mit linearem Widerstandsverlauf oder indem der Schleifer eines logarithmischen
Potentiometers RR mit dem dünnen Windungsendeder Widerstandswicklung verbunden wird.
Durch Verwendung eines logarithmischen Potentiometers zur Istwertbildung oder durch
Modifikation der elektrischen Schaltung sind weitere zahlreiche Möglichkeiten gegeben.
Der angegebene Berechnungsgang
ist in diesen Fällen entsprechend
abzuwandeln bzw. zu ergänzen.