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Verfahren und Vorrichtung zum Steuern des Berührungsdrucks der Kontaktwalze
einer Haspel zum Aufwickeln von Bahnmaterial Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Steuern des Berührungsdrucks der Kontaktwalze einer Haspel
zum Aufwickeln von Bahnmaterial.
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Zum Aufwickeln unterschiedlicher Materialbahnen, wie beispielsweise
von Kunststoffolien, Stoffbahnen, metallischer Folien u. dgl., wird
normalerweise
dem Außenumfang der auf eine Wickelwelle aufgewickelten Bahnschichten eine "Kontaktwalze"
mit leichtem Druck angelegt. Da die jeweils äußere Bahn durch die Kontaktwalze gedrückt
wird, während sie über die bereits auf die Wickelwelle aufgewickelten Bahnschichten
aufgewickelt wird, kann es kaum vorkommen, daß zwischen den Bahnschichten des auf
der Halspel befindlichen Wickels Luftschichten auftreten.
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Üblicherweise ist die Kontaktwalze bisher ganz einfach als eine Einrichtung
angesehen worden, um Luft zwischen den Bahnschichten herauszuhalten, und es ist
der Druck zwischen der Kontaktwalze und der äußeren Bahnschicht, d. h. der Berührungs-
oder Kontaktdruck, im Vergleich zur Bahnwickelspannung in ziemlich nachlässiger
Weise behandelt worden.
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Im Hinblick auf die wünschenswerte Schaffung einer genaueren Einrichtung
zur automatischen Steuerung des Aufwickelns von Bahnmaterial ist es nun als Verdienst
der Erfindung anzusehen, in erfinderischer Weise erkannt zu -haben, daß der Kontaktdruck
einen bedeutenden Einfluß auf die Qualität einer Bahnwickelwalze bzw. eines Wickels
ausübt.
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Es existieren bisher noch sehr wenig Daten und Erkenntnisse über die
Qualität von Bahnwickeln und die Bahnwickeltechniken. Der Grund hierfür liegt darin,
daß unterschiedliche Bahnmaterialien für jeweils unterschiedliche Anforderungen
auf Anwendungsgebieten verwendet werden, bei denen eine Nachfrage nach Bahnwickeln
besteht. So weist z.B. dickes Papier einen großen Elastizitätsmodul bzw. eine große
Elastizitätskennzahl (längst sich nicht) sowie einen großen Reibungskoeffizient
(rutscht nicht bzw. verursacht keinen Schlupf) auf und erfordert zur Bildung von
Bahnwickeln ein sehr straffes Aufwickeln, da ein festes Aufwickeln im Hinblick auf
die Handhabung der Bahnwickel zweckmäßiger ist, soweit ein derartiges Aufwickeln
keinen
ungünstigen Einfluß ausübt. Demgegenüber weist als extremes gegensatzliches Beispiel
besonders dünne Kunststoffolie von nur einigen Mikron einen kleinen Elastizitätsmodul
(kann sich sehr leicht längen) sowie einen kleinen Reibungskoeffizient (ist einem
Schlupf unterworfen) auf und erfordert ein sehr weiches Aufwickeln.
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Das Ausmaß der Festigkeit oder der Weichheit des Aufwickelns kann
als Wickeldichte bezeichnet werden und hängt von der Bahnmaterialspannung zum Zeitpunkt
des Aufwickelns ab. Es ist daher bisher üblicherweise der sogenannten Wickelspannung
zum Aufwickeln von Bahnen die größte Aufmerksamkeit geschenkt worden. Erst an zweiter
Stelle richtete sich die Aufmerksamkeit auf die Bewältigung des Problems, daß zwischen
den einzelnen Bahnschichten keine Luft eingeschlossen wird. Das Einfließen von Luft
bewirkt das sogenannte Lufttischphänomen, nämlich einen Schlupf der Bahn während
des Aufwickelns. Ein Querschlupf bewirkt bei einem Wickel unregelmäßige Kanten,
während ein Längsschlupf ein Pressen bzw. Quetschen beim Aufwickeln bewirkt, wobei
die beiden genannten Erscheinungen sowohl die Qualität als auch den Handelswert
des Wickels beeinträchtigen bzw.
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sogar zerstören. Eine weithin verwendete Gegenmaßnahme zur Unterbindung
dieser Erscheinungen liegt darin, eine im Leerlauf drehende Kontaktwalze nahe der
Wickelwelle vorzusehen, um auf die Oberfläche des Wickels, der gerade gewickelt
wird, einen Druck auszuüben. Dem Berührungsdruck der Kontaktwalze wurde jedoch nicht
die gleiche Bedeutung wie der Wickelspannung gewidmet und es wurde ein übermäßig
großer Berührungsdruck vermieden, und zwar entweder mittels manueller Verstellung
durch die Bedienungsperson der Wickelhaspel oder mittels einer mechanischen Steuerung,
bei welcher der Lagerungsarm der Bahnwickelwelle allmählich in vertikaler Richtung
angehoben wurde, um dadurch zu verhindern, daß der Berührungsdruck mit dem sich
vergrößernden Gewicht des Wickels ansteigt.
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Der hier verwendete Ausdruck "Kontaktwalze" wird als allgemeine Bezeichnung
für die Walze verwendet, die zum Ausüben von Druck auf die auf die Wickelwelle aufzuwickelnde
Bahn oder zum Ausüben von Druck auf die Oberfläche der bereits aufgewickelten Bahnschichten
dient. Der Ausdruck "Berührungsdruck" bezieht sich auf den Druck, mit dem die Kontaktwalze
der Bahn anliegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Berührungsdruck der
Kontaktwalze kontinuierlich und automatisch auf den für das Volumen der aufgewickelten
Bahn optimalen Wert zu steuern, um dadurch mittels kombinierter Anwendung der üblichen
Aufwickelspannungssteuerung und der als wesentlich bzw. bedeutungsvoll erkannten
Berührungsdrucksteue rung eine wirkungsvolle und insgesamt vollständige Aufwickelsteuerung
zu schaffen.
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Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Erfindung
ergeben sich aus den Ansprüchen.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Berührungsdruck der
Kontaktwalze, der bisher mit Nachlässigkeit behandelt wurde, als sehr bedeutenden
Faktor bei der Aufwickeltechnik anzusehen. ;E5 hat sich erfindungsgemäß gezeigt,
daß eine gute Qualität eines Wickels nicht ohne entsprechende Steuerung des Berührungsdrucks
der Kontaktwalze erreicht werden kann, insbesondere im Hinblick auf solche Materialien,
wie beispielsweise dünne Kunststoffolien, die leicht verformbar sind.
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Das Wesen der Erfindung ist demnach eine Steuereinrichtung für den
Berührungsdruck der Kontaktwalze einer-Bahnwickelhaspel, wobei im einzelnen vorgesehen
sind eine Wickelwelle, eine Kontaktwalze, um die aufzuwickelnde Bahn auf den Außenumfang
der bereits auf die Wickelwelle
aufgewickelten Bahnschichten zu
drücken, eine Antriebs einheit zum Einstellen des Berührungsdruckes der Kontaktwalze,
indem die Wickelwelle und die Kontaktwalze aufeinander zu- bzw. voneinander wegbewegt
werden, ein Detektor zum Erfassen des Wickelvolumens und eine elektronische Steuereinrichtung;
diese wird sowohl mit einer Formel zur Bestimmung des Berührungsdruckes als Funktion
des Volumens der aufgewickelten Bahn, wenn keinerlei Verstellung des Berührungsdruckes
durchgeführt wird, als auch mit einer Formel zur Bestimmung des gewünschten Berührungsdruckes
ebenfalls als Funktion des Volumens der aufgewickelten Bahn versorgt, erzeugt sodann
unmittelbar sowie kontinuierlich elektrische Signale, die für die Differenz zwischen
den gemäß den beiden Formeln berechneten Werten und dem jeder Augenblick gemessenen
Wickelvolumen repräsentativ sind, und leitet sodann diese Signale zur Antriebseinheit,
um den Berührungsdruck auf dem gewünschten Wert zu halten.
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Der obenerwähnte uneingestellte bzw. ungeregelte Berührungsdruck bezieht
sich auf den sich normalerweise sowie natürlicherweise gemäß den Anstieg des Volumens
der aufgewickelten Bahn ergebenden Berührungsdruck, wenn der Abstand zwischen der
Wickelwelle und der Kontaktwalze nicht künstlich eingestellt bzw. geregelt wird.
Es hängt daher die Formel zur Bestimmung des ungeregelten Berührungsdrucks F von
der Art der zur Anwendung gelangenden Wickelhaspel ab. Bei der später beschriebenen
Ausführungsform lautet diese Formel jedoch folgendermaßen: F = afl (x) + ßf2 (x),
wobei: nfi = Formel zur Bestimmung des durch das Gewicht der Maschinenteile bewirkten
Berührungsdruckes, ßf2 = Formel zur Bestimmung des durch das Gewicht der aufgewickelten
Bahn bewirkten Berührungsdruckes, x = Volumen der aufgewickelten Bahn.
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Der obenerwähnte erwünschte Berührungsdruck bezieht sich auf den Berührungsdruck,
den der zuständige Fachmann als wünschenswert erachtet, und zwar auf der Basis des
Materials, der Größe, der Wickelbedingungen usw. der aufgewickelten Bahn, auf der
Basis von Daten und seiner Erfahrung. Es hängt daher die Formel zur Bestimmung des
erforderlichen Berührungsdruckes F' von der Erfahrung und der Fähigkeit des zuständigen
Fachmanns ab, jedoch kann diese Formel beispielsweise folgendermaßen lauten: d =
F0 (1 +y ), wobei: Fo = Wert des Berührungsdruckes bei Beginn des Aufwickelns, r
=Wert, der die Steigung einer im folgenden noch beschriebenen charakteristischen
Kurve bestimmt, e =Wert, der die Krümmung dieser charakteristischen Kurve bestimmt,
x = Volumen der aufgewickelten Bahn.
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Das erste wesentliche Merkmal der Erfindung ist in der erfinderischen
Erkenntnis zu sehen, daß der Berührungsdruck ein wesentlicher Faktor bei der automatischen
genauen Steuerung des Aufwickelns einer Bahn ist und daß dieser Berührungsdruck
als Steuerungsfaktor verwendet wird.
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Das zweite wesentliche Merkmal der Erfindung liegt in der Lehre dahingehend,
jeden Augenblick das Volumen der aufgewickelten Bahn zu erfassen bzw. zu messen,
den ungeregelten Berührungsdruck mit dem in Bezug auf das Volumen der aufgewickelten
Bahn erwünschten Berührungsdruck zu vergleichen, das Ausmaß der aufgrund dieses
Unterschiedes erforderlichen Verstellung zu bestimmen und schließlich eine Antriebseinheit
entsprechend zu betätigen, um die erforderliche Verstellung durchzuführen.
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Das dritte wesentliche Merkmal der Erfindung liegt in der Verwendung
einer Steuerungseinrichtung, mittels der eine elektronische Vorrichtung
veranlaßt
wird, sowie die Formel zur Bestimmung des ungeregelten Berührungsdruckes als auch
die Formel zur Bestimmung des im Hinblick auf das Volumen der aufgewickelten Bahn
erwünschten Berührungsdruckes als Variable zu speichern und die Antriebseinheit
kontinuierlich im Hinblick auf eine auf der Basis des Unterschiedes zwischen den
beiden berechneten Werten erfolgende Verstellung zu steuern.
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Wie schon erwähnt, befaßt sich die Erfindung mit der Steuerung des
Berührungsdruckes, jedoch gelangt sie in der Praxis selbstverständlich in Kombination
mit der konventionellen Aufwickelspannungssteuerung zur Anwendung. Es kann nämlich
lediglich mittels einer Steuerung des Berührungsdruckes der Kontaktwalze und mittels
einer Steuerung der Bahnspannung unmittelbar vor dem Aufwickeln der Bahn eine vollständige
Aufwickelsteuerung erreicht werden. Mit einer Änderung des Berührungsdruckes der
Kontaktwalze ergibt sich auch eine Änderung des Ausmaßes, in dem die Fläche des
Wickels niedergedrückt wird, und demgemäß auch eine Änderung der Rollreibung des
Wickels. Aus diesem Grund ändert sich auch, wenn der Wickel mit konstanter Drehzahl
gedreht wird, zwangsläufig die Wickelspannung aufgrund der Änderung der Rollreibung.
Es ist daher eine vollständige Spannungssteuerung unmöglich ohne eine Steuerung
des Berührungsdruckes.
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Zum Aufwickeln einer starken und nur einer geringen Längung unterworfenen
Bahn, wie beispielsweise dickes Papier, kann es ausreichend sein, die konventionelle
Wickelhaspel lediglich mit einer Spannungssteuerung in Kombination mit einer durch
die Bedienungsperson erfolgenden Verstellung anzuwenden. Bisher war es jedoch nicht
möglich, beim Aufwickeln eines empfindlichen und leicht zu längenden Bahnmaterials
oder eines Bahnmaterials, das eine ungleichförmige Dicke aufweist, eine hohe Qualität
zu erreichen. Dies ist jedoch mit der Erfindung möglich.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Diese zeigt in.
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Fig. 1 die Beziehung zwischen einer Kontaktwalze, einer Wickelwalze
und einer Wickelwelle; Fig. 2A einen Abschnitt einer Bahn mit einem streifenähnlichen
Teil, das dicker ist als die anderen Teile in der Mitte; Fig. 2B eine äußere Ansicht
des Wickels, der durch Aufwickeln der Bahn gemäß Fig. 2A mittels einer konventionellen
Haspel gebildet ist; Fig. 2C eine schematische Ansicht von durchhängenden, losen
Teilen, die erscheinen, wenn der Wickel aufgewickelt wird; Fig. 3A einen Abschnitt
einer Bahn mit einem Teil, das dünner ist als die anderen Teile in der Mitte; Fig.
3B eine Außenansicht des Wickels, der durch Aufwickeln der Bahn mittels einer konventionellen
Haspel gebildet ist; Fig. 3C schematisch durchhängende, lose Teile1 die erscheinen,
wenn der Wickel aufgewickelt wird; Fig. 4 schematisch im Querschnitt einen Teil
der Anhäufung, die gebildet ist, wenn die Bahn gemäß Fig. 2A mittels der Vorrichtung
nach der Erfindung aufgewickelt wird;
Fig. 5 schematisch eine Berührungsdrucksteuervorrichtung
gemäß einem älteren Vorschlag Fig. 6 in Vorderansicht eine Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 im Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel der elektronischen Steuervorrichtung,
Fig. 8 Diagramme zur Erläuterung der Formeln und und 9 Fig. 10 im Diagramm ein Ausführungsbeispiel
der Beziehung zwischen gewünschtem Berührungspunkt und Wickeldurchmesser.
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Aus Fig. 1 ist der Zustand ersichtlich, bei dem die Oberfläche eines
Wickels 2, der auf eine Wickelwelle 3 aufzuwickeln ist, durch den Berührungsdruck
der Kontaktwalze 1 einer aus Fig. 6 ersichtlichen Bahnwickelvorrichtung vom wellenangetriebenen
Typ niedergedrückt wird.
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R' bezeichnet den Wickelradius an der eingedrückten Stelle des Wickels
2, während R den Radius an anderen Stellen des Wickels 2 bezeichnet. Die Differenz
aus R und R' stellt das Ausmaß des Eindrückens des Wickels 2 dar. Diese Eindrücktiefe
hängt vom Berührungsdruck ab, zeigt jedoch die Tendenz, sich zu vergrößern, wenn
das Wickelvolumen (der Radius) des Wickels 2 groß wird. Es ist daher zum Erzielen
eines Wickels von guter Qualität erforderlich, daß eine die Wickelvorrichtung bedienende
Fachkraft intuitiv wissen muß, auf welcher Größe die Eindrücktiefe in jedem Stadium
des Aufwickelns einer Bahn von vorgegebenem Material und vorgegebener Größe gehalten
werden muß. Fig. 10 zeigt schematisch Ausführungsbeispiele dessen, was die Bedienungsperson
aufgrund ihrer Intuition wissen
muß. Im Diagramm stellt die Abszisse
(horizontale Achse) das Volumen der aufgewickelten Bahn, d. h. den Durchmesser,
dar, während die Ordinate (senkrechte Achse) den gewünschten Berührungsdruck bezeichnet.
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In Fig. 10 ist die Beziehung zwischen dem Volumen der aufgewickelten
Bahn und dem gewünschten Berührungsdruck für vier Bahnbreiten W1 -W4 gezeigt, wobei
W1< W29 < W3 <W4. Die in Fig. 10 dargestellte Beziehung stellt eine wesentliche
Information dar, die nicht der Intuition der Bedienungsperson überlassen bleiben
sollte, sondern in einer elektronischen Vorrichtung gespeichert werden sollte, und
zwar in Form von Formeln, die von Aufzeichnungen tatsächlicher Aufwickelvorgänge
sowie von experimentellen Daten abgeleitet sind.
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Wie schon erwähnt, vergrößert das durch den Berührungsdruck bewirkte
Eindrücken der Wickeloberfläche die Rollreibung, wobei die Größe dieser Reibung
das zum Drehen und Antreiben der Wickelwelle erforderliche Drehmoment und das Beibehalten
der Spannung der Bahn S nachteilig beeinflußt.
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Aus Fig. 2 bis 4 sind die Ergebnisse des konventionellen Aufwickelns
sowie das durch Anwendung der Erfindung erzielte Ergebnis für ungleichförmig dicke
Bahnmaterialien ersichtlich. Fig. 2A zeigt einen Abschnitt einer Bahn mit einem
streifenähnlichen Teil, das dicker ist als die anderen Teile in der Mitte. Fig.
3A zeigt einen Bahnabschnitt mit Teilen, die zu beiden Seiten dicker sind als ein
dazwischen liegendes Teil. Fig. 2B und 3B zeigen Außenansichten der Bahnwickel,
die durch Aufwickeln der jeweiligen Bahnen mittels seiner konventionellen Wickelvorrichtung
gebildet wurden. Der Bahnwickel gemäß Fig. 2B baucht sich in der Mitte aus, während
derjenige gemäß Fig. 3B in der Mitte eingedrückt ist.
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Wenn die derart gebildeten Bahnwickel wieder abgewickelt werden, erscheinen
im Fall von Fig. 2 in der Mitte der Bahn, wie aus Fig. 2C ersichtlich, durchhängende
Teile L, die durch bleibende Deformation (Längung) verursacht wurden und die praktische
Anwendung der Bahn in großem Ausmaß einengen. Auch im Fall von Fig. 3 erscheinen,
wie aus Fig. 3C ersichtlich, durchhängende Teile L, die durch bleibende Deformation
(Längung) hervorgerufen wurden und ebenfalls die Anwendungsmöglichkeiten der Bahn
begrenzen. Wenn eine Bahn mit einem dicken Streifenteil in der üblichen Weise aufgewickelt
wird, liegt das dicke Teil jeder Windung über demjenigen der vorhergehenden Wickellage,
wodurch der Durchmesser des betreffenden Teils groß wird und während des Aufwickelns
eine Längung hervorgerufen wird. Es erscheinen daher örtlich bei der wieder abgewickelten
Bahn durchhängende Teile.
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Obwohl sich eine ungleichförmige dicke Bahn nicht zum Aufwickeln mittels
des konventionellen Verfahrens eignet, beeinträchtigt in den meisten Fällen die
ungleichförmige Dicke selbst nicht die Anwendungsmöglichkeit bzw.
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Brauchbarkeit der Bahn. Es ist daher von größter Bedeutung, die Brauchbarkeit
solch einer Bahn, wenn diese zu einem Wickel aufgewickelt ist, durch Anwendung einer
besseren überlegenen Aufwickeltechnik zu bewahren.
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Fig. 4 zeigt einen örtlichen Abschnitt des Bahnwickels, der durch
Aufwickeln der Bahn gemäß Fig. 2A mittels einer Wickelvorrichtung gemäß der Erfindung
gebildet ist. Hierbei erfolgt das Aufwickeln unter Bezugnahme auf das jeweilige
dicke Teil, ohne daß ein besonderer Berührungsdruck und eine besondere Spannung
ausgeübt werden, wobei Luftschichten M verbleiben. Eine derartig schwierige, delikate
Aufwickelsteuerung kann lediglich mittels einer Wickelvorrichtung durchgeführt werden,
welche die e rfindungsgemäße Be rührungsdrucksteue rungsvo rrichtung aufweist. Bevor
jedoch die eigentliche Erfindung erläutert wird, seien zuvor
zwei
Ausführungsbeispiele von Be rührungsdrucksteue rungsvorrichtungen gemäß einem älteren
Vorschlag des Anmelders beschrieben. Hierbei ist die erste Vorrichtung gemäß der
japanischen Patentanmeldung 27111/73 in Fig. 5 dargestellt. Hierbei steigert sich
der Berührungsdruck zwischen der Kontaktwalze 1 und dem Bahnwickel 2b in natürlicher
Weise mit der Zunahme und demgemäß mit der Gewichtssteigerung des aus der Bahn S
gebildeten Wickels 2b. Mit größer werdendem Berührungsdruck wird der Radius R' des
Wickels 2b an der Berührungsstelle allmählich kleiner als der Radius R an den nicht
berührten (nicht eingedrückten) Stellen. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ist die am
vorderen freien Ende eines Radiusmeßarmes 13 vorgesehene Kopfwalze sehr leicht einem
nicht eingedrückten Teil des Wickels 2b angelegt. Die Welle 14 des Arms 13 ist drehbar
durch einen Schwenkarm 9 gelagert, wobei die Änderung des Winkels zwischen dem Radiusmeßarm
13 und dem Schwenkarm 9 dem Volumen bzw. dem Durchmesser des Bahnwickels 2b proportional
ist. Die Winkeländerung des Schwenkarms 9 in bezug auf seinen Wickelsupport scheint
ebenfalls dem Volumen der aufgewickelten Bahn, d. h. dem Wickeldurchmesser proportional
zu sein, jedoch trifft dies in Wirklichkeit nicht zu, da sich die Eindrücktiefe
des Wickels mit der Vergrößerung des Berührungsdruckes steigert. Je größer die Differenz
zwischen dem Radius R' des berührten Wickelteils und dem Radius R des nicht eingedrückten
Wickelteils ist, desto größer ist auch die Differenz zwischen den Winkeländerungen
der beiden Arme 9, 13, weswegen es möglich ist, den Berührungsdruck praktisch konstant
zu halten, indem die Winkeldifferenz zwischen den beiden Armen 9, 13 auf einem konstanten,
jedoch kleinen Wert gehalten wird. Im einzelnen bedeutet das, daß die Drehbewegungen
der WellenlO, 14 der Arme 9, 13 über Treibriemen auf Potentiometer 15, 16 übertragen
und die Ausgangssignale dieser Potentiometer 15, 16 sodann einer Vergleichssteuereinheit
17 zugeleitet werden. Das für die Winkeldifferenz repräsentative Ausgangssignal
der Ve rgleichssteue roinheit 17 wird über eine Verstärkereinheit
18
einem Servoventil 19 zugeleitet, das einen Hydraulikzylinder 6 betätigt. Dieser
Hydraulikzylinder 6 ist eine Antriebseinheit, mittels welcher der Schwenkarm 9 gedreht
werden kann und dadurch auch die Wickelwelle 3b sowie die Kontaktwalze 1 aufeinander
zu- sowie voneinander wegbewegt werden können. Der aus dem Servoventil 19 gelieferte
hydraulische Druck hält die Differenz zwischen dem Radius R' des berührten Wickelteils
und dem Radius R des nicht eingedrückten Teils des Bahnwickels 2b auf einem konstanten,
kleinen Wert. In diesem Fall wird der Berührungsdruck daher derart gesteuert, daß
die Eindrücktiefe des von der Kontaktwalze 1 berührten Wickelteils auf einem konstanten
Wert gehalten wird.
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Eine derartige Berührungsdrucksteuerungsvorrichtung kann relativ billig
und leicht hergestellt werden, jedoch weist sie den Nachteil auf, daß die Radiusmeßeinrichtung
für das nicht eingedrückte Wickelteil den Aufwickelvorgang behindern kann. Dieser
Nachteil kann durch die Bedienungsperson ausgeräumt werden, jedoch wird hierdurch
wieder die Arbeit der Bedienungsperson vergrößert sowie erschwert, weswegen auch
die beschriebene Vorrichtung gemäß Fig. 5 insbesondere im Hinblick auf das gegenwärtige
Interesse an Arbeitsersparnis ungeeignet ist.
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Gemäß einem weiteren älteren Vorschlag des Anmelders (japanische Patentanmeldung
100 319/73) lassen sich durch Anwendung einer im Vergleich zur vorerwähnten Vorrichtung
gemäß Fig. 5 relativ verbesserten automatischen Steuerungseinrichtung günstigere
Ergebnisse erzielen.
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Hierbei sind die Anwendung einer Formel zur Bestimmung des geeigneten
richtigen Abstandes zwischen der Kontaktwalze und der Wickelwelle bei jedem Wickeldurchmesser
sowie die Betätigung eines Antriebselementes, beispielsweise eines hydraulischen
Elementes, vorgesehen, um die gewünschte
Beziehung zwischen dem
Wickeldurchmesser und dem Berührungsdruck beizubehalten. Dies wird dadurch erreicht,
daß eine elektronische Vorrichtung, die als Steuerungszentrum dient, mit Daten (Formeln)
versehen wird, wodurch die elektronische Vorrichtung in die Lage versetzt wird,
Befehle auszugeben, um in Abhängigkeit von dem Wickeldurchmesser bzw. dem Volumen
der bereits aufgewickelten Bahn die Kontaktwalze auf die Wickelwelle hin zu bewegen
oder von dieser weg zu bewegen. Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß
es schwierig und mühsam ist, die obenerwähnten Formeln abzuleiten, da diese sich
in Abhängigkeit von der Art der verwendeten Wickelvorrichtung voneinander unterscheiden.
Die in Frage kommenden Faktoren für die Formeln sind vielgestaltig, und es stellt
eine sehr komplizierte Lehre dar, den optimalen Berührungsdruck für einen gegebenen
Wickeldurchmesser aus den jeweiligen vorherigen Bedingungen zu bestimmen.
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Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wickelvorrichtung
mit einer Streifenschneideinrichtung. Hierbei wird die Bahn S zwischen einer Schneidgegenwalze
4 und einer Klinge 5 in eine Vielzahl von Streifen aufgeteilt und über eine gemeinsame
Kontaktwalze 1 nach links sowie nach rechts aufgeteilt, um sodann zur Bildung von
Bahnwickeln 2a, 2b auf Wickelwellen 3a, 3b aufgewickelt zu werden.
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Da der jeweilige Antrieb und die Drehmomentsteuerungseinheiten der
Wickelwellen 3a, 3b auf beiden Seiten gleich sind, wird im folgenden lediglich der
sich auf die Wickelwelle 3a beziehende Teil beschrieben.
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Bei der aus Fig. 6 ersichtlichen Ausführungsform wird ein Motor 7
mit einem Übersetzungs- bzw. Untersetzungsgetriebe zum Antrieb der Wickelvorrichtung
verwendet. Als Drehmomentsteuerungseinrichtung gelangt eine Leistungskupplung 8
zur Anwendung. Eine schwebend gelagerte Riemenscheibe
11, die
konzentrisch zu der Welle 10 für den die Wickelwelle 3a lagernden Schwenkarm 9 angeordnet
ist, und eine Antriebsriemenscheibe 12 für die Wickelwelle 3a werden jeweils mittels
Treibriemen durch den Motor 7 über die Leistungskupplung 8 angetrieben.
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Der Bahnwickel 2a wird mit zeitlich fortschreitendem Aufwickelvorgang
in seinem Durchmesser größer. Es muß daher auch für die Spannung steuerung dahingehend,
daß die Bahn S mit einer konstanten Kraft aufgewickelt wird, das Aufwickeldrehmoment
allmählich vergrößert werden. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 wird durch die
Vergrößerung des Durchmessers des Bahnwickels 2a der Neigungswinkel des Schwenkarms
9 derart geändert, daß er sich allmählich vergrößert. Diese Bewegung wird erfaßt
bzw. gemessen, um dementsprechend das durch die Leistungskupplung 8 übertragene
Drehmoment zu steigern, so daß ein Ausgleich bzw. eine entsprechende Anpassung zwischen
demjeweiligen Wickeldurchmesser und dem Aufwickeldrehmoment ersielt wird. Die durch
die Steigerung des Wickeldurchmessers bewirkte Winkeländerung des Schwenkarms 9
wird über den sich entsprechend ändernden Drehwinkel der Schwenkarmwelle 10 gemessen
und über einen Treibriemen mit einer mechanischen Verstärkung einem nicht dargestellten
Potentiometer zugeleitet. Da das Ausgangssignal des Potentiometers der Leistungskupplung
8 direkt oder indirekt als Steuerungsstrom angelegt wird, wird das Drehmoment mit
einem bestimmten gegebenen Gradient gesteigert, wenn sich der Wickeldurchmesser
vergrößert.
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Das Hinzufügen einer zur Berührungsdrucksteuerung vorgesehenen Einrichtung
gemäß der Erfindung zu einer Wickelvorrichtung mit einer automatischen Spannungssteuerung
läßt sich mit äußerst geringen Änderungen der mechanischen Teile durchführen. Es
läßt sich daher durch einfaches Hinzufügen der Steuerungsvorrichtung gemäß der Erfindung
zu jeder beliebigen,
augenblicklich verwendeten Wickelvo r richtung
eine Hochleistung swickelvo rrichtung schaffen.
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Die wesentlichen Elemente der in Fig. 6 dargestellten erfindungsgemäßen
Ausführungsform beinhalten einen druckmittelbetätigten Zylinder 6, der als Antriebseinheit
wirkt, um die beiden Wickelwellen 3a, 3b auf die Kontaktwalze 1 hinzubewegen sowie
von dieser wegzubewegen. Als Detektor zur Messung des Wickeldurchmessers kann der
Radiusmeßarm 13 oder der Schwenkarm 9 gemäß Fig. 5 verwendet werden, um den Drehwinkel
zu messen. Da diese jedoch die zuvor erwähnten Nachteile aufweisen, ist es besser,
einen nicht dargestellten Bahnlauflängendetektor zu verwenden, der bei fast allen
konventionellen Wickelvorrichtungen vorgesehen ist.
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Das Verfahren, um den gemessenen Wickeldurchmesser einer elektronischen
Einheit zuzuleiten, ist bekannt und wird deswegen hier nicht weiter beschrieben.
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Ein wesentliches Element der Erfindung, d. h. die elektronische Steuerungsvorrichtung,
ist aus Fig. 7 in Form eines Blockschaltbildes ersichtlich.
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Bei der dargestellten Ausführungsform sind ein Einstellabschnitt 20,
ein Berührungsdruckberechnungsabschnitt 21, die Wickelvorrichtung 22, ein Detektor
zum Messen des Wickeldurchmessers 23, ein Vergleichsteuerungsabschnitt 24 und eine
Antriebseinheit 25 zum Ändern der jeweiligen Stellung bzw. Lage der Wickelwellen
3a, 3b vorgesehen.
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Im Einstellabschnitt 20 wird zu allererst eine Formel zur Bestimmung
des gewünschten Berührungsdruckes gespeichert. Diese Formel gibt die charakteristische
Kurve (Fig. 10) des gewünschten Berührungsdruckes während des Aufwickelns wieder
und lautet beispielsweise folgendermaßen: OH F = Fg (1 +zu ),
wobei:
F = der gewünschte Berührungsdruck, F0 = Wert des Berührungsdruckes zu Beginn des
Aufwickelns, y = Wert, der die positive und negative Steigung der charakteristischen
Kurve des gewünschten Berührungsdruckes bestimmt, 6 =Wert, der die Krümmung dieser
charakteristischen Kurve bestimmt, x = Volumen der aufgewickelten Bahn, d. h. Wickeldurchmesser.
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Sämtliche festen Werte der Formel sollten entsprechend der Erfahrung
des mit dem Aufwickeln befaßten Fachmanns sowie entsprechend von Daten bestimmt
werden und hängen vom Material, von den Abmessungen, den Aufwickelbedingungen usw.
der Bahnen ab. Wenn r= 0, verläuft die charakteristische Kurve horizontal, und der
Berührungsdruck ist unabhängig vom Wickeldurchmesser konstant. Die Kurve Y >O
zeigt eine ansteigende Charakteristik und bedeutet, daß ein Anstieg des Wickeldurchmessers
eine Vergrößerung des Berührungsdruckes bewirkt. Die Kurve y < 0 zeigt eine fallende
Charakteristik und bedeutet, daß sich mit fortschreitendem Aufwickeln der Berührungsdruck
allmählich verringert (siehe Fig. 8).
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Wie aus Fig. 9 ersichtlich, wird bei 8=1 die Kurve linear, während
bei 8 > 1 die Kurve konvex und bei Q < 1 die Kurve konkav verläuft.
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Es läßt sich daher durch geeignete Auswahl der drei Faktoren F Y 0'
und e eine charakteristische Berührungsdruckkurve von gewünschter Form erhalten.
Es ist nicht erforderlich, eine kompliziertere charakteristische Kurve zu verwenden,
da der Einstellabschnitt 20 eine Berechnungsfunktion besitzt.
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Dem Beruhrungsdruck-Berechnungsabschnitt 21 wird eine Formel für den
uneingestellten Berührungsdruck eingegeben. Diese Formel hängt in großem
Ausmaß
von der Art der verwendeten Wickelvorrichtung ab. Beim Oberflächenantriebstyp, bei
dem der Wickel auf eine Walze gelegt ist, entspricht die durch die Vergrößerung
des Wickeldurchmessers bewirkte Gewichtssteigerung dem Anstieg des tatsächlichen
Berührungsdruckes und die Formel gestaltet sich daher einfach. Beim wellenangetriebenen
Typ, bei dem die Wickelwalzen 2a, 2b verschwenkt werden, weist die Formel die komplizierteste
Form auf, jedoch kann sie folgendermaßen lauten: F = afl (x) + f2 (x), wobei: F'
= uneingestellter Berührungsdruck, ccfl (x) = Formel für den Berührungsdruck, basierend
auf dem Maschinengewicht, pf2 (x) = Formel für den Berührungsdruck, basierend auf
dem Gewicht der aufgewickelten Bahn.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 kann die obenerwähnte Formel
aS1 (u) leicht einerseits von dem Umstand abgeleitet werden, daß das Drehmoment
des auf den Massenschwerpunkt wirkenden Gewichtes des Schwenkarmes 9 dem Moment
des auf die Schwenkwelle 10 wirkenden Berührungsdruckes entspricht, und kann andererseits
auch von der Beziehung zwischen der Aufwickellänge x und dem Drehwinkel des Schwenkarmes
9 abgeleitet werden. Die Formel ßf2 (X) kann leicht dadurch erhalten werden, daß
der sich im Verlauf des Aufwickelns ergebende Gewichtsanstieg der Bahnwickel 2a,
2b zu der durch den sich vergrößernden Wickeldurchmesser bewirkten Neigungswinkeländerung
des Schwenkarmes 9 und zu der Änderung der Schwerkraftkomponente in Richtung auf
die Kontaktwalze 1 addiert wird, die hierdurch bewirkt wird. Diese Formeln liegen
innerhalb des Bereichs konventioneller Techniken, die durch Konstrukteure von Wickelmaschinen
verwendet werden, weswegen auf eine ins einzelne gehende Beschreibung hier verzichtet
wird.
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Wenn die Wickelvorrichtung 22 gemäß Fig. 6 und 7 mit ihrer Tätigkeit
beginnt, wird das jeweilige Volumen x der aufgewickelten Bahn bzw. der Wickeldurchmesser
über den an sich bekannten Wickellängendetektor 23 dem Einstellabschnitt 25 sowie
dan Berührungsdruck-Berechnungsabschnitt 21 zugeleitet. Die Ausgangssignale F und
F' der beiden Abschnitte 25, 21 werden dem Vergleichssteuerabschnitt 24 zugeleitet,
um die Differenz zwischen den berechneten Werten des Berührungsdruckes zu erhalten,
worauf sodann diese Differenz der Antriebseinheit 25 zugeleitet wird.
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Die Antriebseinheit 25 ändert das erhaltene elektrische Signal in
einen mechanischen Steuerbefehl, um den Schwenkarm 9 über den erforderlichen Winkel
zu verdrehen. Der Druckmittelzylinder 6 gemäß Fig. 6 ist hierbei das letzte Glied
der Antriebseinheit 25. Das Volumen x der aufgewickelten Bahn, d. h. der Wickeldurchmesser,
kann leicht von der Länge der aufzuwickelnden Bahn, dem Radius des Bahnwickels oder
von anderen Faktoren abgeleitet werden.
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Die beschriebene Vorrichtung läßt sich, unabhängig von der jeweiligen
Art der Wickelvorrichtung, bei jeder beliebigen Wickelvorrichtung anwenden, bei
der eine Walze oder Trommel zum Drücken der Fläche der aufgewickelten Bahn zur Anwendung
gelangt. Die Antriebseinheit, mittels der die Bahnwickelwelle in Richtung der obenerwähnten
Walze oder Trommel bewegt oder von dieser wegbewegt wird, hängt naturgemäß von den
jeweiligen Konstruktionsbedingungen ab und kann beispielsweise als Wickelwellenhebevorrichtung
vorgesehen sein, wenn die Erfindung bei einer Wickelvorrichtung vom Oberflächenantriebstyp
zur Anwendung gelangt.
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Die Hinzuschaltung einer Rückkopplungssteuerungsschaltung zur elektronischen
Steuerungsvorrichtung ist ebenfalls bekannt.
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Aufgrund der Erfindung ist zum erstenmal eine automatisch gesteuerte
Wickelvorrichtung verfügbar, mittels der bewußt die Wickelqualität gesteuert werden
kann, anstatt diese Steuerung der Intuition eines Facharbeiters zu überlassen. Durch
die Erfindung ist außerdem der Weg geebnet, um zur Erleichterung der an sich schwierigen
Berührungsdrucksteuerung bei einem Be rührungsdrucksteue rungssystem ein elekt ronisches
Steuerungssystem anzuwenden.