DE3702702C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für die Fadenspannung bei Wickelmaschinen in der Faserwickeltechnik zum Herstellen von Formkörpern, mit einer drehbar gelagerten Vorratsspule, von welcher der Faden abgezogen wird, mit einem die Länge einer Fadenschlaufe erfassenden, von einer Kraft beaufschlagten Tänzer, an dem eine vom Faden umschlungene Tänzerrolle gelagert ist, und mit einer an der Vorratsspule angreifenden, von dem Tänzer beeinflußten Bremsvorrichtung.

Fadenspannungsregler mit Tänzer werden sowohl zum Aufspulen als auch zum Abspulen verwendet. In dem ersteren Fall beeinflußt der Tänzer auf elektrischem Wege die Drehzahl der aufnehmenden Spule. Solche Regeleinrichtungen sind z. B. aus dem deutschen Gebrauchsmuster 85 27 472 und der deutschen Offenlegungsschrift 21 00 566 bekannt. Die Kraft, welche auf die im Beispiel als Hebel ausgebildeten Tänzer wirkt, rührt von Gasdruckzylindern her. Somit kann die Fadenspannung durch entsprechende Änderung des Gasdrucks den Bedürfnissen angepaßt werden. Die Aufspulvorgänge laufen im wesentlichen kontinuierlich ab. Plötzliche Fadenspannungs- oder Fadengeschwindigkeitsänderungen treten nicht auf.

In der Faserwickeltechnik werden Formkörper aus beispielsweise Glas- oder Kohlefasern hergestellt mit einem Kunstharz als Bindemittel. Der "Faden" ist in diesem Falle ein Faserstrang (Roving). Da eine Vielzahl von Fasersträngen, die von einzelnen Vorratsspulen über ihre eigenen Tänzer laufen, auf den gleichen Wickeldorn gewickelt werden, beeinflußt man mit dem Tänzerausschlag nicht den aufnehmenden sogenannten Wickeldorn, sondern die abgebende Vorratsrolle, beispielsweise mit Hilfe von Magnetpulverbremsen. Je nach der Form des herzustellenden Wickelkörpers ändert sich jedoch trotz gleichförmiger Drehgeschwindigkeit des Wickeldorns die Fadenlaufgeschwindigkeit derart abrupt und in derart schneller Folge, daß allein durch Bremsen der Vorratsspule eine gleichmäßige Fadenzugspannung nicht erreicht werden kann. Vielmehr muß die Vorratsspule mitunter in beschleunigendem Sinne angetrieben werden, um ohne Überhöhung der Fadenzugspannung einer plötzlich erhöhten Fadenlaufgeschwindigkeit nachzukommen. Andererseits führt bei plötzlichem Stillstand des Wickeldorns der Nachlauf der Vorratsspulen zu einem unerwünschten Durchhängen der Fäden, so daß es erwünscht ist, die Vorratsspulen in entgegengesetzter Richtung anzutreiben, um den durchhängenden Faden wieder aufzurollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung der einleitend bezeichneten Art vorzuschlagen, mit der die Fadenspannung bei schnellen und starken Änderungen der Fadengeschwindigkeit (einschließlich Fadenstillstand) mit größter Genauigkeit auf dem Sollwert gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Erfindung vereinigt somit einen Tänzer, der eine verhältnismäßig lange Fadenschlaufe aufnehmen und wieder abgeben kann, mit einem besonderen Antrieb der Vorratsspule, der diese nach Bedarf entweder bremst oder antreibt. Hierzu eignet sich ein üblicher elektrischer Servomotor, insbesondere Scheibenläufermotor mit Permanentmagneten, weil derartige Servomotoren ein sehr geringes Trägheitsmoment aufweisen und in Verbindung mit einem entsprechenden Regler mit hoher Dynamik betrieben werden können, wobei kurzzeitig ein gegenüber dem Dauerdrehmoment erhöhtes Impulsmoment verfügbar ist. Servomotor und zugehöriger Servoverstärker arbeiten im sogenannten Vierquadrantenbetrieb, d. h. der Motor kann in beiden Drehrichtungen antreiben oder bremsen. Es ist somit möglich, auch bei sich ständig änderndem Sollwert der Fadenzugspannung und bei starken und plötzlichen Schwankungen der Fadenlaufgeschwindigkeit mit teilweisem Stillstand den Faden ständig straff gespannt zu halten.

In der modernen Faserwickeltechnik ist es auch höchst wichtig, den Sollwert der Fadenzugspannung an die einzelnen Phasen des Wickelvorgangs laufend schnell anzupassen. Zur Speisung des Druckzylinders wird im Hinblick darauf vorzugsweise ein Präzisionsdruckregler mit Stellantrieb und Positionsrückmeldung eingesetzt, der eine stufenlose Ferneinstellung des Druckes gestattet. Damit läßt sich die Fadenzugspannung bei großen Formkörper- Wickelmaschinen, bei denen 80 und mehr Fäden gleichzeitig laufen, mit höchster Präzision bei allen Fäden entsprechend dem vorgegebenen Wickelprogramm laufend so verändern, daß die Fadenzugspannungen stets optimal sind und dementsprechend qualitativ hochwertige Erzeugnisse entstehen.

Eine vorteilhafte konstruktive Weiterbildung der Erfindung, ausgehend von der Verwendung eines Tänzerhebels, besteht darin, daß der Druckzylinder einerseits an einem stationären Drehpunkt und andererseits an dem Tänzerhebel mit zur Hebelachse paralleler Achse angelenkt ist, derart, daß der Druckzylinder mit dem Tänzerhebel einen spitzen Winkel bildet. Obwohl es an sich wünschenswert ist, daß das auf den Tänzerhebel wirkende Moment konstant, also von der Winkelstellung unabhängig ist, hat sich doch gezeigt, daß auch eine schräge Anordnung des Druckzylinders den Anforderungen voll genügt, jedoch den in vielen Anwendungsfällen entscheidenden Vorteil hat, daß die Regeleinrichtung kompakt gebaut werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fadenspannungsreglers und

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Servoregelung.

Gemäß Fig. 1 ist auf einem drehbar gelagerten Spulenkern (1) ein Faden (2) in Form einer zylindrischen Vorratsspule (3) aufgewickelt. Er wird über eine stationär gelagerte Umlenkrolle (4), eine Tänzerrolle (5) und eine weitere stationär gelagerte Umlenkrolle (6) abgezogen. Die Tänzerrolle (5) ist auf einem Hebel (7) gelagert, der seinen Drehpunkt bei (8) hat. Die Tänzerrolle (5) kann zwischen ihren beiden strichpunktiert angedeuteten Endstellungen (5′ und 5′′) hin und her pendeln, wobei sich die gebildete Fadenschleife verlängert bzw. verkürzt. An dem Hebel (7) ist in Verlängerung der Achse der Tänzerrolle (5) die speziell reibungsarme Kolbenstange (9) eines Druckluftzylinders (10) angelenkt. Das andere Ende dieses Druckluftzylinders ist bei (11) drehbar gelagert. Die Mittelachse des Druckluftzylinders bildet mit der Verbindungslinie des Hebeldrehpunkts (8) und des Drehpunkts der Tänzerrolle (5) den spitzen Winkel α.

Ein schematisch angedeuteter Präzisionsdruckregler (12) speist den Druckluftzylinder (10) mit einem Luftdruck, der mittels eines besonderen Nachlaufregelkreises sehr schnell nach oben oder unten geändert werden kann. Der einzugebende Sollwert ist mit (13) bezeichnet.

Der Spulenkern (1) ist über eine schematisch angedeutete Welle mit einem Servomotor (14) und einem Tachogenerator (15) gekuppelt. Beide sind an einer elektrischen Regeleinrichtung (16) angeschlossen, die von einer Versorgungsspannung (17) gespeist wird. Der Servomotor ist ein Permanentmagnet-Scheibenläufer- Gleichstrommotor, dessen Rotor ein sehr geringes Trägheitsmoment hat und somit in Millisekunden auf die gewünschte Drehzahl gebracht und in gleich kurzer Zeit gebremst und in die entgegengesetzte Drehrichtung umgesteuert werden kann. Die Winkelstellung des Hebels (7) wird von einem Stellungsgeber (18) erfaßt, der ebenfalls an der Regeleinrichtung (16) angeschlossen ist. Auf diese Weise nimmt der Hebel (7) auf die Anschlußspannung des Servomotors, d. h. die Motorspannung (14) Einfluß. Schwenkt der Hebel (7) infolge erhöhter Fadenabzugsgeschwindigkeit nach unten, verkürzt sich also die Fadenschleife, so wird die Motorspannung verringert und bei entgegengesetzter Schwenkrichtung vergrößert. Nur solange der Hebel (7) sich in der gezeigten Mittelstellung (Nullstellung) befindet, bleibt die Motorspannung konstant.

In Fig. 2 ist die Drehzahl (n) des Servomotors (14) als Funktion des äußeren Moments (M) aufgetragen, die sich als eine Schar von Geraden darstellt. Die Gerade (19) gilt bei konstanter Motorspannung und bei Mittelstellung des Hebels (7). Bei einer geringeren Motorspannung gilt beispielsweise die strichpunktiert eingezeichnete Gerade (20) und bei einer höheren Motorspannung die strichpunktierte Gerade (21).

Der Servomotor (14) ist so eingebaut, daß er, wenn der Faden (2) abgeschnitten wäre, im Uhrzeigersinn in Richtung des Pfeiles (n) laufen würde. Das vom Faden auf die Vorratsspule (30) ausgeübte Moment (M) ist jedoch so groß, daß es den Motor in der zu seiner natürlichen Drehrichtung entgegengesetzten Richtung antreibt. Im eingependelten, stationären Wickelbetrieb liegt der Arbeitspunkt bei (22). Der Motor arbeitet im Bremsbetrieb. Seine Drehzahl ist negativ.

Erhöht sich die Abzugsgeschwindigkeit des Fadens (2), so macht der Hebel (7) einen Ausschlag nach unten. Der Stellungsgeber (18) erfaßt diesen Ausschlag und bewirkt über den Regler (16) ein Absenken der Motorspannung. Dem entspricht eine Parallelverschiebung der Kennlinie (19) nach unten. Bei unveränderter Fadenzugspannung und somit unverändertem Moment (M) wandert der Arbeitspunkt (22) nach unten, d. h. die negative Drehzahl nimmt zu.

Wenn im entgegengesetzten Fall die Fadenabzugsgeschwindigkeit plötzlich langsamer wird, schlägt der Hebel (7) nach oben aus. Das führt zu einer Parallelverschiebung der Geraden (19) nach oben. Der Arbeitspunkt (22) wandert ebenfalls nach oben, was einem Absinken der negativen Drehzahl gleichkommt. Bei Fadenstillstand kommt auch der Motor zum Stillstand, es sei denn, daß durch Nachlauf der Vorratsspule soviel Faden abgewickelt wurde, daß der Tänzer ihn nicht aufnehmen kann und oben zum Anschlag kommt. Der Faden hängt durch und übt somit kein oder nur ein geringes Moment (M) auf den Servomotor aus. In diesem Fall wandert der Arbeitspunkt in den ersten Quadranten zurück. Der Motor nimmt eine positive Drehzahl an und wickelt den Faden soweit notwendig auf die Vorratsspule zurück.

Die bisherigen Funktionsbetrachtungen bezogen sich ausschließlich auf unveränderten Druck im Druckluftzylinder (10). Wird der Druck jedoch gesenkt und nimmt dementsprechend die Fadenzugspannung ab, so reduziert sich zunächst die Drehzahl der Vorratsspule, was mit einem Ausschlag des Hebels (7) nach unten einhergeht. Dies aber verschiebt die zutreffende Kennlinie der Fig. 2 nach unten, so daß die Drehzahl wieder zunimmt und nach der Ausregelung des Luftdrucksprunges der Arbeitspunkt (22) eine parallel zur Abszisse nach links verschobene Stellung einnimmt. Aus dieser Erklärung wird verständlich, daß bei einer Erhöhung des Luftdruckes der Arbeitspunkt sich nach rechts verschiebt.

Um die verlangte hohe Dynamik der Regelung zu gewährleisten, kann der Regler, wie an sich bekannt, nicht nur die Winkelstellungen des Stellungsgebers (18), sondern auch die Auslenkgeschwindigkeiten oder -beschleunigungen in der entsprechenden Richtung verwerten. Der Tachogenerator (15) erlaubt es, auch die momentane Drehgeschwindigkeit des Servomotors zu erfassen und in die Regelung mit einzubeziehen.

Bezugszeichenliste

 1 Spulenkern
 2 Faden
 3 Vorratsspule
 4 Umlenkrolle
 5 Tänzerrolle
 6 Umlenkrolle
 7 Hebel
 8 Drehpunkt
 9 Kolbenstange
10 Druckluftzylinder
11 Drehpunkt
12 Luftdruckregler
13 Luftdruck-Sollwert
14 Bremsmotor
15 Tachogenerator
16 Regeleinrichtung
17 Versorgungsspannung
18 Stellungsgeber
19 Gerade
20 Gerade, Spannung höher
21 Gerade, Spannung niedriger
22 Arbeitspunkt
α Winkel
n Drehzahl
M Fadenzug-Moment

Claims (3)

1. Regeleinrichtung für die Fadenspannung bei Wickelmaschinen in der Faserwickeltechnik zum Herstellen von Formkörpern, mit einer drehbar gelagerten Vorratsspule, von welcher der Faden abgezogen wird, mit einem die Länge einer Fadenschlaufe erfassenden, von einer Kraft beaufschlagten Tänzer, an dem eine vom Faden umschlungene Tänzerrolle gelagert ist, und mit einer an der Vorratsspule angreifenden, von dem Tänzer beeinflußten Bremsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Tänzer (7) ein reibungsarmer Druckzylinder (10) einwirkt, der von einem ferneinstellbaren (12) Gasdruck beaufschlagt ist, daß an der Vorratsspule (3) ein Servomotor (14) sowie ein Tachogenerator (15) angekoppelt sind, wobei der Servomotor (14) ein der Fadenabzugskraft entgegenwirkendes Drehmoment (M) erzeugt, und der Tachogenerator (15) die momentane Drehgeschwindigkeit des Servomotors erfaßt, daß der Tänzer (7) einen Stellungsgeber (18) aufweist, der die Abweichung des Tänzers bezüglich einer Nullstellung erfaßt, und daß der Stellungsgeber (18) und der Tachogenerator (15) an einen Regler (16) angeschlossen sind, der bei Stellungsabweichungen des Tänzers im Sinne einer Verkürzung oder Verlängerung der Fadenschlaufe das Drehmoment (M) des Servomotors (14), zusätzlich abhängig von seiner Drehgeschwindigkeit, herabsetzt bzw. erhöht.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung des Druckzylinders (9, 10) ein Präzisionsdruckregler (12) mit Stellantrieb und Positionsrückmeldung vorgesehen ist, der eine stufenlose Ferneinstellung des Druckes gestattet.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckzylinder (9, 10) einerseits an einem stationären Drehpunkt (11) und andererseits an einem als Hebel ausgebildeten Tänzer (7) mit zur Hebelachse paralleler Achse angelenkt ist, derart, daß der Druckzylinder (9, 10) mit dem Tänzerhebel (7) einen spitzen Winkel (α) bildet.