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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Verbundwerkstoffstrukturen
mit großen
Abmessungen und allgemein von Strukturen mit einem veränderlichen
Durchmesser, wie beispielsweise Triebwerkszellenkörper, die
allgemeiner als Hüllkörper bezeichnet
werden.
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Ein
Hüllkörper ist
eine Struktur, die im Allgemeinen aus einem Verbundwerkstoff gewickelt
und aus einem zylindrischen Mantel gebildet ist, der die zwei Böden an den
Enden, vorn bzw. hinten, die beispielsweise halbkugelförmig sind
und jeweils mit einer metallischen Befestigungsfläche versehen
sind, miteinander verbindet.
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Für die Herstellung
einer derartigen Struktur wird ein drehbarer starrer Dorn benutzt,
der für
die Bewicklung als Träger
dient und nach der Polymerisation des Harzes des Verbundwerkstoffs
aus dem Hüllkörper herausgezogen
wird.
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Der
Dorn wird mit Hilfe von Vorgarnen bzw. Faserbündeln, die in Gelegen angeordnet
werden, durch Wickeln oder, um beispielsweise lokale Verstärkungen
herzustellen, in Kontakt bedeckt.
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Unter
Vorgarnen bzw. Faserbündeln
wird eine Gruppe von ununterbrochenen Filamenten oder Fibrillen
verstanden, die in Form eines Bands oder Streifens zusammengefasst
sind, das bzw. der auf einer Spule aufbewahrt wird.
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Im
Allgemeinen werden mehrere Faserbündel gleichzeitig nebeneinander
abgelegt.
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Die
derzeitigen Verfahren zur Herstellung derartiger Hüllkörper mit
Hilfe eines Dorns, der horizontal angeordnet ist und durch ein Spezialdrehwerk zwischen
den Spindelstöcken,
an denen der Dorn befestigt ist, rotatorisch angetrieben wird, verwenden eine
so genannte zeitliche Betriebsart zur Steuerung einer Gesamtheit
von Bewegungsachsen, wobei der Sollwert der Position, der Geschwindigkeit
und der Beschleunigung jeder Achse eine Funktion der Zeit ist. Eine
Vorrichtung, die auf einem solchen Verfahren beruht, ist aus dem
Dokument
EP 0 191 655
A1 bekannt.
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Die
Maschinen zum Wickeln/Ablegen in Kontakt, die für die Herstellung dieser Hüllkörper verwendet
werden, umfassen eine gewisse Anzahl von geregelten motorisierten
Achsen.
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Für das Wickeln
sind fünf
Achsen erforderlich, nämlich
eine Drehachse des Dorns, d. h. die Symmetrieachse des herzustellenden
Hüllkörpers, eine
Achse für
eine geradlinige Verschiebung des Wickelkopfes parallel zur Achse
des Dorns, eine Achse für
die geradlinige Verschiebung des Kopfes orthogonal zur Achse des
Dorns, eine Drehachse des Kopfes, die "Ellenbogen" genannt wird, vertikal und orthogonal
zur vorhergehenden Achse, und schließlich eine "Handgelenk" genannte Drehachse des Kopfes, die
zu den beiden vorhergehenden Achsen orthogonal ist.
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Für das Ausführen eines
Ablegens in Kontakt kann die Maschine zwei weitere Drehachsen aufweisen,
die parallel zur Achse des Dorns sind, für die Verschiebung des Kopfes
in der Höhe
bzw. für
die Orientierung des Kopfes in Richtung der Achse des Dorns, um
diesen Letzteren an der Ablagefläche
anzulegen, die senkrecht zu dieser ist.
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In
der Zeitsteuerungsbetriebsart sind die Position, die Geschwindigkeit
und die Beschleunigung für
jede Achse in einer im Voraus programmierten Art zeitabhängig, und
die Aufgabe der numerischen Steuerung der Maschine besteht darin,
ständig
eine Interpolation der Parameter der Gesamtheit der Achsen vorzunehmen,
damit die angestrebten Bahnen so gut wie möglich befolgt werden.
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Die
Steuerung einer Wickelmaschine muss einerseits der Präzision bei
der Befolgung einer im Voraus definierten Bahn und andererseits
einer Minimierung der Ablagezykluszeit durch Anwenden von Beschleunigungen
und Verzögerungen
auf die Gesamtheit der Achsen genügen, wodurch es möglich ist,
die Geschwindigkeit der Ablage der Faserbündel an jeder Stelle des Dorns
zu optimieren, wobei die Drehgeschwindigkeit dieses Letzteren grundsätzlich zunimmt,
wenn der Durchmesser des Aufbaus kleiner wird.
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Diesen
Anforderungen ist zurzeit im Fall von Hüllkörpern großer Abmessungen die Berücksichtigung
von Durchmessern und Trägheiten,
die sehr groß sein
können,
hinzuzufügen.
Zur Veranschaulichung, die Erfindung zielt auf die Herstellung von Hüllkörpern ab,
die einen Durchmesser von 5 Metern überschreiten können und
ein Trägheitsmoment
in der Größenordnung
von 800000 Nm2 oder mehr aufweisen können.
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Die
Berücksichtigung
dieser unterschiedlichen Kriterien macht die Steuerung insbesondere
in einer Zeitsteuerungsbetriebsart überaus schwierig.
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Nämlich, wenn
auch die Nachlaufsteuerung über
mehrere Achsen, die verhältnismäßig gering
belastet sind, mit den derzeitigen herkömmlichen numeri schen Steuerungen
sehr gut beherrscht wird, wenn jede Achse unabhängig von den anderen gesteuert
wird, ist hingegen mit dieser Betriebsart die gleichzeitige Steuerung
mehrerer Achsen, wovon wenigstens eine stark belastet und nicht
unendlich starr ist, jenseits einer gewissen Trägheit problematisch, wenn nicht
gar unmöglich.
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Im
Fall des Wickelns großer
Hüllkörper sind es
offensichtlich die Achse des Dorns sowie die Gesamtheit der Übertragungskette,
vom Antriebsmotor bis zu dem Dorn, die sehr stark belastet sind,
da es notwendig ist, dass bei jeder Abtastperiode die Achse des
Dorns gleichzeitig zu den anderen Achsen, die weit weniger belastet
sind, in der programmierten Position ist, um die definierte Bahn
zu beschreiben.
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Bei
diesem Steuerungstyp ergibt sich eine zeitliche Verschiebung zwischen
dem an den Motor gegebenen Befehl und der Reaktion des Dorns, wobei
dieser die Rolle einer Feder spielt und einen Teil der von dem Motor
gelieferten Energie speichert.
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Jedes
Mal, wenn der Motor beschleunigen will, tritt über der Gesamtheit der Übertragungslinie Torsion
auf, was zur Folge hat, dass der Dorn die angewiesene Position verzögert erreicht.
Dies kann durch vorwegnehmende Systeme erster und zweiter Ordnung
kompensiert werden, jedoch auf Kosten einer sehr feinen Einstellung
in Abhängigkeit
von der Torsionssteifigkeit der Übertragungskette
und ihrer Trägheit.
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Leider
sind diese Parameter nicht nur von einem Hüllkörper zum nächsten verschieden, sondern auch
während
des Wickelns für
ein und denselben Hüllkörper, wobei
wegen der großen
Masse an Verbundwerkstoff, die auf dem Umfang abgelegt wird, die
Trägheit
des abgelegten Verbundwerkstoffs beispielsweise mehr als 10% der
Gesamtträgheit
bei Abschluss des Wickelns darstellen kann, was bedeutet, dass die
Motorisierung zwischen dem Beginn und dem Ende des Wickelns eine Änderung
der Trägheit von
mehr als 10% erfährt.
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Hieraus
ergibt sich unvermeidlich bei diesem Steuerungstyp während der
Fortführung
der Bahnen ein "Pendeln
um den Nennwert",
das nicht zulässt, dass
der angestrebte Kompromiss Geschwindigkeiten/Beschleunigungen/Genauigkeit
erzielt wird, und das außerdem
durch die Wirkungen von mechanischen Überspannungen, die in der mechanischen Übertragungskette
entstehen, diese Letztere beschädigen
oder zerstören
kann.
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In
den Extremfällen
wird, wenn die angestrebte Präzision
erreicht werden soll, eine Instabilität bei der Positionierung des
Dorns riskiert. Die Sollwerte, die notwendig sind, um den bestmöglichen
Kompromiss zwischen der Zykluszeit und der Genauigkeit zu erzielen,
regen nämlich
die Resonanzfrequenz der mechanischen Übertragung des Dorns an. Dieses
Phänomen
verstärkt
sich durch die Zunahme des Durchmessers, weshalb eine genauere Winkelpositionierung
erforderlich ist.
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Die
vorliegende Erfindung zielt genau darauf ab, das Wickeln/Ablegen
in Kontakt von großen
Hüllkörpern zu
ermöglichen,
wobei ein Steuerungsverfahren angewendet wird, das die Nachteile
und Grenzen der Zeitsteuerung aufhebt.
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Dazu
hat die Erfindung ein Verfahren zum Steuern des Ablegens von Faserbündeln durch
Wickeln oder in Kontakt auf Strukturen mit großen Abmessungen zum Gegenstand,
wobei in dem Verfahren das Ablegen auf einem Dorn, der der durch
eine geeignete Unterstützungs-/Antriebsvorrichtung
um seine Achse rotatorisch angetrieben wird, mit Hilfe eines geeigneten
Ablegekopfes, dessen Position wenigstens längs einer ersten geradlinigen
Verlagerungsachse parallel zur Drehachse des Dorns und längs einer
zweiten geradlinigen Verlagerungsachse (Y) senkrecht zur Achse des
Dorns einstellbar ist, ausgeführt
wird, im Wesentlichen darin bestehend:
- – als Hauptachse
die Drehachse des Dorns zu verwenden,
- – die
Hauptachse durch Geschwindigkeitssollwerte entsprechend einem im
Voraus erstellten Programm zu steuern,
- – momentane
Winkelpositionsinformationen des Dorns während seiner Drehung zu erhalten
und
- – anhand
einer im Voraus erstellten Bahntabelle, die die Kinematik der Hauptachse
integriert und für
jede Nebenachse die Sollwerte, die den vorgegebenen Winkelpositionen
der Hauptachse entsprechen, angibt, die anderen Achsen, die so genannten
Nebenachsen der Hauptachse, in Abhängigkeit von der Winkelposition
der Hauptachse zu regeln, indem anhand der momentanen Winkelposition
der Hauptachse und anhand der Bahntabelle für jede momentane Position der Hauptachse
die entsprechenden Sollwerte jeder Nebenachse berechnet werden und
diese Sollwerte auf die Nebenachsen angewendet werden.
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Die
wesentlichen Vorteile einer derartigen Steuerungsbetriebsart sind
eine Gesamtstabilität
des Dorns und folglich eine höhere
Genauigkeit beim Ablegen der Faserbündel, da dieses in Abhängigkeit von
der tatsächlichen
Position des Dorns und nicht mehr auf einen berechneten Positionssollwert
hin erfolgt.
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Diese
Steuerung eignet sich gut für
ein Wickeln von großen
Strukturen, die erhebliche Trägheitskräfte aufweisen.
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Außerdem hat
die Erfindung eine Maschine für
die Ausführung
des obigen Verfahrens zum Gegenstand, die umfasst:
- – Mittel,
die einen Dorn unterstützen
und um seine Achse horizontal rotatorisch antreiben;
- – einen
Faserbündel-Ablegekopf,
der wenigstens längs
einer ersten geradlinigen Verlagerungsachse parallel zur Achse des
Dorns und einer zweiten geradlinigen Verlagerungsachse senkrecht
zur Achse des Dorns beweglich ist;
- – einen
Stand von Faserbündelspulen,
der den Kopf versorgt;
- – rechnergestützte Steuerungs-/Kontrollmittel,
die eine numerische Steuerung und deren Kontrollpult enthalten;
dadurch
gekennzeichnet, dass die numerische Steuerung einen Sollwertgenerator,
der mit den Steuerungsmitteln für
die verschiedenen Dreh- oder Verlagerungsachsen verbunden ist, einen
Interpolator, eine Geschwindigkeitssteuerung und einen Bahntabelle
umfasst, wobei eine inkrementierende Codierungsvorrichtung für die momentane
Winkelposition der Drehbaueinheit des Dorns mit dem Interpolator verbunden
ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist der Ablegekopf außerdem
gegenüber
dem Dorn entsprechend wenigstens einer Drehachse und vorzugsweise
entsprechend einer "Ellenbogen" genannten Achse,
die vertikal und zu der zweiten Verlagerungsachse orthogonal ist,
und einer "Handgelenk" genannten Achse,
die zu den beiden letzteren Achsen orthogonal ist, einstellbar.
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Gemäß einer
Variante, die das Ablegen durch Wickeln und gleichzeitig das Ablegen
in Kontakt zulässt,
umfasst die Maschine außerdem
wenigstens eine Drehachse, um den Ablegekopf gegenüber dem
Dorn einzustellen.
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Vorteilhaft
und um ein einfacheres und genaueres Ablegen in Kontakt zu ermöglichen,
umfasst die Maschine zwei weitere Drehachsen für den Ablegekopf, die zu der
Achse des Dorns parallel sind, für eine
Höhenverstellung
des Kopfes bzw. für
ein Einstellen dieses Letzteren in Richtung der Achse des Dorns.
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Der
Ablegekopf ist vorzugsweise auswechselbar angebracht, um insbesondere
einen Kopf zum Ablegen durch Wickeln durch einen Kopf zum Ablegen
in Kontakt zu ersetzen.
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Die
Codiervorrichtung der momentanen Winkelposition der Dornbaueinheit
umfasst einen einzigen Codierer, der vorzugsweise auf dem Dorn angebracht
ist, wobei er jedoch auch auf der Antriebswelle sein kann, oder
zwei Codierer, wovon einer auf dem Dorn und der andere auf der Antriebswelle
angebracht ist.
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Gemäß noch einem
weiteren Merkmal der Maschine ist eine Entkopplung bei den geradlinigen Verlagerungen
des Ablegekopfes parallel zur Achse des Dorns dadurch verwirklicht,
dass der Kopf und der Faserbündel-Spannstand
auf einem Wicklungsschlitten angeordnet sind, der parallel zur Achse
des Dorns auf einem Folgerschlitten beweglich angebracht ist, der
seinerseits parallel zur Achse des Dorns beweglich angebracht ist.
Eine solche Anordnung ist von einer Beschaffenheit, die eine starke
Beschleunigung des Ablegekopfes zulässt, ohne dass dies die Verlagerung
der großen
Masse der Faserbündelspulen
bedeutet.
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Weitere
Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung des
Verfahrens der Erfindung und der Art und Weise seiner Umsetzung hervorgehen,
wobei die Beschreibung lediglich als Beispiel anhand der beigefügten Zeichnung
gegeben ist, worin
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1 eine
schematische Perspektivansicht einer Maschine zum Wickeln/Ablegen
in Kontakt für große Hüllkörper ist;
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2 ein
Blockbild ist, das das Steuerungsprinzip der Erfindung veranschaulicht;
und
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3 eine
schematische Darstellung ist, die das Prinzip der Entkopplung der
Verlagerung der Baueinheit Spulen/Ablegekopf parallel zur Achse
des Dorns veranschaulicht.
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In 1 ist
unter 1 ein Dorn gezeigt, der dazu bestimmt ist, als Träger für das Wickeln
eines Hüllkörpers mit
großen
Abmessungen, beispielsweise eines zylindrischen Mantels, der mit
halbkugelförmigen
vorderen und hinteren Böden
versehen ist, von fünf
bis sechs Metern Durchmesser und einer Länge von ungefähr zehn
Metern zu dienen.
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Der
Dorn 1 ist horizontal zwischen zwei Spindelstöcken 2 und 3 angebracht,
wovon der eine (2) angetrieben wird, wobei die Achse der
Spindelstöcke,
die mit θ bezeichnet
ist, mit der Achse des Dorns 1 zusammenfällt.
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Der
angetriebene Spindelstock 2 ist ortsfest, während der
andere Spindelstock 3 für
die Aufnahme von Dornen verschiedener Längen, je nach herzustellendem
Hüllkörper, in
Richtung des ortsfesten Spindelstocks 2 linear beweglich
ist.
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Seitlich
des Dorns 1 und parallel zur Achse θ dieses Letzteren kann sich
in der Richtung X ein erster Schlitten 4 bewegen, der einen
zweiten Schlitten 5 trägt,
der auf dem Schlitten 4 in einer horizontalen Richtung
Y, orthogonal zur Achse θ beweglich
ist.
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Der
zweite Schlitten 5 trägt
einen Kopf 6 für ein
Wickeln/Ablegen in Kontakt, der am Ende eines Arms 7 angebracht
ist, der zu dem Dorn 1 gerichtet ist und an seinem anderen
Ende schwenkbar um eine Achse 8 parallel zur Achse θ an dem
Schlitten 5 angebracht ist.
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Außerdem ist
der Kopf 6 am Ende des Arms drehbar entsprechend drei Koordinatenachsen
angebracht, nämlich
einer "Ellenbogen" genannten vertikalen
Achse β,
einer zur Achse θ orthogonalen
Achse γ,
die "Handgelenk" genannt wird, und
einer horizontalen Achse 9 zur Orientierung des Kopfes 6 in
Richtung der Achse θ.
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Folglich
umfasst die in 1 schematisch dargestellte Maschine
sieben Bewegungsachsen, die dem entsprechenden Kopf 6 ermöglicht,
ein Wickeln oder ein Ablegen in Kontakt durchzuführen.
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Selbstverständlich ist
die dargestellte Anordnung, um die sieben Bewegungsachsen zu erhalten, nur
zur Veranschaulichung, denn es sind verschiedene bekannte kinematische
Schemata möglich,
um dem Ablegekopf 6 eine gewünschte Anzahl von Achsen zu
verleihen.
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Jede
Achse wird durch geeignete Mittel gesteuert und überwacht, insbesondere durch
einen Elektromotor.
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Der
Dorn 1 wird über
eine kinematische Kette angetrieben, die einen Elektromotor umfasst,
der über
ein Untersetzungsgetriebe eine Welle antreibt, die mit dem Dorn
fest verbunden ist.
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Ein
Regelantrieb ermöglicht
die Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle zu regeln.
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Die
anderen Achsen umfassen Antriebsmittel, die auf den Schlitten 4, 5,
an dem Arm 7 bzw. an dem Ablegekopf 6 angebracht
sind.
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Alle
diese Mittel sind mit einem unter 10 symbolisch dargestellten
Kontrollpult verbunden, wo die numerische Steuerung der Maschine
sowie alle Steuerungs- und Anzeigeorgane, die für die Durchführung der
Prozesssteuerung erforderlich sind und einem Überwacher mit Hilfe einer spezifischen Überwachungssoftware
die Gesamtheit der Interaktionen mit dem Bedienungspersonal ermöglichen,
und allgemein alle Mittel zur Steuerung, Überwachung, Signalisierung
der Funktion der Maschine zusammengefasst sind.
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Auf
dem Schlitten 5 ist eine Baueinheit 11 zum Liefern
von Vorgarnen bzw. Faserbündeln
an den Ablegekopf 6 angebracht, die einen Spulenstand und einen
Stand zum Spannen der an den Ablegekopf gelieferten Vorgarne bzw.
Faserbündelumfasst.
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Die
Maschine muss, je nach Erfordernissen, ein Wickeln in Längsrichtung
mit einem Ablagewinkel, der zwischen 0° und 90° variieren kann, ein Umfangswickeln
und ein Wickeln in Kontakt ausführen können, und
zwar für
vorimprägnierte
oder nicht vorimprägnierte
Vorgarne bzw. Faserbündel.
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Jedes
Faserbündel
kommt von einer Spule des Stands 11, und mehrere Faserbündel werden
in Höhe
des Spannstands zusammengefasst, um ein Gelege zu bilden, das an
den Ablegekopf 6 geliefert wird.
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Für das Wickeln
und das Ablegen in Kontakt sind zwei verschiedene Köpfe 6 erforderlich;
aus diesem Grund ist der Kopf lösbar
auf dem Arm 7 angebracht.
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Für die Wickeloperationen
sind die Achsen 8 und 9 fest, und die Maschine
verwendet fünf
Achsen, nämlich
die Achsen θ,
X, Y und β, γ, wobei der
Kopf in der Achse des Geleges, das gerade auf den Dorn 1 gewickelt
wird, orientiert sein muss.
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Für die Operationen
des Ablegens in Kontakt werden die sieben Achsen gebraucht, wobei
der Kopf 6 in der Höhe
in Bezug auf die Achse θ und
in Richtung dieser Letzteren positioniert werden muss, um mit dem
Dorn entsprechend einer Senkrechten auf seine Oberfläche im Kontaktpunkt
in Kontakt zu kommen.
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Die
Gesamtheit der oben beschriebenen Anlage ist wohl bekannt, sowohl
was ihren Aufbau als auch ihre Funktionsweise anbelangt, und es
ist nicht erforderlich, sie genauer zu beschreiben.
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Das
System wird gewöhnlich,
beispielsweise für
ein Wickeln, gemäß einer
so genannten Zeitsteuerungsbetriebsart betrieben, bei der jede Achse θ, X, Y, β, γ unabhängig von
den übrigen
in Abhängigkeit von
der Zeit anhand von im Voraus erstellten Bahnkurven gesteuert wird.
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Wenn
sich auch eine derartige Steuerung empfiehlt, um gewickelte Strukturen
kleiner oder mittlerer Abmessungen herzustellen, bei denen die Wickelmaschine
keine stark belastete Achse aufweist, geht dies bei Strukturen großer Abmessungen
auf Grund ihrer Masse, die zu stark auf einer ihrer Achsen lastet,
im vorliegenden Fall auf der Drehachse θ des Dorns, nicht genauso,
weil dies, wie weiter oben in Erinnerung gebracht wurde, zu Positionierungsfehlern
des Dorns führt,
die ein fehlerhaftes Ablegen des Geleges durch den Ablegekopf auf
dem Dorn zur Folge haben.
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Gemäß der Erfindung
wird die Zeitsteuerung durch eine Steuerung vom Master-Slave-Typ
ersetzt, bei der die am stärksten
belastete Achse, nämlich
die Achse θ des
rotatorischen Antriebs des Dorns 1, als Master- bzw. Hauptachse
genommen und bezüglich der
Geschwindigkeit/Beschleunigung mittels im Voraus erstellter Sollwerte
gesteuert wird, während
die übrigen
Achsen, X, Y, β, γ und gegebenenfalls 8 und 9 als
Slave- bzw. Nebenachsen genommen und an der Position der Achse θ mit Hilfe
von Bahntabellen, die ebenfalls im Voraus erstellt worden sind,
und anhand der Informationen, die von einer Codiervorrichtung über die
momentane Winkelposition des Dorns während seiner Drehbewegung geliefert
werden, gesteuert werden.
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Ein
Blockbild für
diese Steuerungsbetriebsart ist in schematischer Weise in 2 gezeigt.
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In
dieser 2 ist unter 12 der Elektromotor für den Antrieb
des Dorns 1 dargestellt, der über eine Geschwindigkeitsschleife 14 mit
einem Sollwertgenerator 13 verbunden ist, der im Besonderen
einen Tachometergenerator 15 umfasst.
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Der
Sollwertgenerator 13 ist außerdem parallel mit jeder Nebenachse
und genauer mit jedem Motor, der den Achsen X, Y, β, γ, 8 und 9 zugeordnet ist,
verbunden.
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Der
Klarheit wegen ist in 2 ein einziges Antriebsmittel
gezeigt, im vorliegenden Fall der Elektromotor 16, der
beispielsweise der Verlagerung des Schlittens 4 in X-Richtung
zugeordnet ist. Parallel zu der Steuerung mit geschlossenem Wirkungsweg
X sind die übrigen
Steuerungen mit geschlossenem Wirkungsweg Y, β, γ, 8 und 9 (nicht
gezeigt) mit dem Sollwertgenerator 13 verbunden.
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Jede
Kette, wie etwa für
X, umfasst eine Geschwindigkeitsschleife, die einen Tachometergenerator 18 umfasst.
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Der
Sollwertgenerator 13 empfängt von einem Interpolator 19 berechnete
Sollwerte, die mit einem Faktor zur Steuerung der Geschwindigkeit θ' gewichtet sind,
der von einer potentiometrischen Steuerung angegeben wird, die symbolisch
unter 20 dargestellt ist.
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Der
Interpolator 19 ist mit einer Bahntabelle 21 verbunden,
die als CAD/CAM realisiert und in den Speicher der numerischen Steuerung
CN der Maschine geladen ist.
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Die
Bahntabelle 21 stellt für
die Ausführung des
betreffenden Wickel-/Ablege-Programms die Zuordnung zwischen den
Positionen jeder Slave- bzw. Nebenachse und inkrementalen Positionen
der Achse θ während ihrer
Drehbewe gung her.
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Die
Achse θ wird
in der Geschwindigkeit gesteuert, und die graphische Darstellung
der Geschwindigkeitsänderung
von θ'' mit der Zeit wird durch Näherungen
durch Parabelbögen
und Segmente (für
die Geschwindigkeitsstufen) erhalten, während die graphischen Darstellungen
des Bewegungsablaufs der übrigen
Achsen (X, Y, β, γ,
8,
9)
in Bezug auf θ Geradensegmente
sind wobei die Steigungen der Änderungen
der Positionen der Achsen in Bezug auf θ (mit
bezeichnet) für jede Achse
konstant sind.
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Die
Geschwindigkeitssteuerung des Dorns ist im Voraus in Abhängigkeit
von den Eigenschaften des herzustellenden Hüllkörpers und nach einer Modellbildung
der kinematischen Kette, die aus dem Dorn 1, seiner Antriebswelle,
dem Antriebsmotor 12 und seinem Untersetzungsgetriebe sowie
dem Regelantriebssystem gebildet ist (Schleife 14), erstellt worden.
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Diese
Modellbildung ermöglicht,
die Übertragungsfunktion
des Systems Motor/Dorn zu bestimmen, und wird dazu dienen, die Nutzvariablen
zu definieren, die anschließend
verwendet werden, um die Bahntabelle 21 zu erstellen.
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Es
sind Nachlaufregelungen für
die X-Achse vorgesehen, die aus einem Proportional-/Integral-Korrekturfilter 22,
das (mit Hilfe eines Codierers 23, der mit dem Tachometergenerator 18 verbunden ist)
den Positionsfehler verwertet, und einem Vorhersagefilter 24 der
ersten und zweiten Ordnung gebildet sind, wobei die Filter 22 und 24 mit
dem Sollwertgenerator 13 bzw. mit dem Interpolator 19 verbunden sind.
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Der
Interpolator 19 gewinnt mittels einer inkrementalen Codiervorrichtung 25,
die mit dem Tachometergenerator 15 verbunden ist, die tatsächliche Position
der Achse θ des
Dorns 1. Mittels Abfragen und Verwenden der Bahntabelle 21 berechnet
er die theoretischen Sollwerte für
die Geschwindigkeit von θ' (θ'c) sowie die Positionen
(Xci) der übrigen
Achsen (X, Y, β, γ, 8, 9).
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Außerdem gibt
er an die Vorhersagefilter (
24) der übrigen Achsen die Werte der
Steigung
jeder Achse für das Wickeln/Ablegen-Segment
in Bearbeitung.
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Der
Sollwertgenerator 13 verwertet die von dem Interpolator 19 berechneten
Sollwerte, gewichtet sie, wie weiter oben angegeben worden ist,
mit dem Faktor zur Steuerung der Geschwindigkeit θ' und wirkt auf die
Regelkreise für θ und die übrigen Achsen
(X, Y, β, γ, 8, 9)
ein.
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Das
Korrekturfilter 22 und das Vorhersagefilter 24 verwerten
die von dem Generator 13 berechneten Sollwerte, die von
dem Interpolator 19 gegebenen Steigungen und die Informationen
der Codierer 23, um die Steuerung der Motoren (16)
zu berechnen.
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Die
Codiervorrichtung 25 kann einen einzigen Codierer umfassen,
der dem Motor 12 oder, wie durch 2 veranschaulicht
ist, dem Dorn 1 zugeordnet ist, oder aber zwei verschiedene
Codierer, wovon einer dem Motor 12 und der andere dem Dorn 1 zugeordnet
ist, wobei in diesem letzteren Fall das an die numerische Steuerung
CN gesendete Signal von beiden Codierern abhängig ist.
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Wenn
der Codierer 25 auf dem Motor 12 ist, muss bei
der Modellbildung der kinematischen Kette die Torsion der Übertragungswelle
berücksichtigt werden.
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Außerdem ist
es erforderlich, dass der Positionscodierer 25 eine hohe
Auflösung
hat und eine Anzahl von Punkten besitzt, die so hoch wie möglich ist,
um die Präzision
und die Auflösung
zu erreichen, die für
das Ablegen des Vorgarns bzw. Faserbündels erforderlich sind.
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Eine
derartige Steuerungsbetriebsart gewährleistet eine Gesamtstabilität des Dorns 1 und folglich
eine höhere
Genauigkeit beim Ablegen der Faserbündel, da dieses in Abhängigkeit
von der tatsächlichen
Position des Dorns und nicht mehr auf einen für jede Achse berechneten Positionssollwert
hin erfolgt.
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Es
wird nämlich über der
Achse θ,
die am stärksten
belastet ist, eine hohe Genauigkeit der Steuerung verwirklicht,
und bei den übrigen
Achsen, die eine zu vernachlässigende
Trägheit
und Nachgiebigkeit aufweisen, ist die Positionssteuerung anhand von
Sollwerten, die von der Berechnung stammen, leicht zu verwirklichen.
Wie auch immer die Nachgiebigkeit der Achse θ und die Schwierigkeit, dass
sie sich zu einem gegebenen Zeitpunkt an einer programmierten Position ε befindet,
sein mögen,
es ist sichergestellt, dass sich die Achsen X, Y, β, γ, 8, 9 in Übereinstimmung
mit θ befinden.
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Diese
Steuerungsbetriebsart kennt keinerlei Einschränkung hinsichtlich der Trägheit und
der Nachgiebigkeit der Achse θ und
erfordert kein besonderes Einstellen, wenn sich die Trägheit des
zu wickelnden Hüllkörpers bzw.
der Struktur ändert.
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Sie
ist außerdem
vollkommen an die aufeinander folgende Beschreibung von völlig gleichen
Ablagemustern angepasst, wie dies bei einem Wickeln der Fall ist,
wo eine Lage durch Wiederholen von n Schleifen gebildet wird, die
die gleiche Bahn beschreiben, wobei jede Schleife die Kontinuität der vorhergehenden
Schleife fortsetzt.
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Wenn
jedoch der Bewegungsparameter der Fortschreibung der Bahn die Drehbewegung
der Achse des Dorns ist, findet die Steuerung gemäß der Erfindung
ihre Grenze diesseits eines Schwellenwertes für die Drehgeschwindigkeit der
Achse θ.
Diese Situation kann im Fall des Ablegens in Kontakt oder im Fall
eines Wickelns mit einem Ablagewinkel, der zu klein oder null ist
(Wickeln in Längsrichtung)
auftreten.
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Dem
kann teilweise abgeholfen werden, indem ein Codierer 5 mit
einer sehr hohen Auflösung eingesetzt
wird.
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Allgemeiner
wird es gemäß einem
weiteren Merkmal der Maschine der Erfindung erforderlich sein, diese
aus der Steuerungsbetriebsart vom Master-Slave-Typ in die herkömmliche
zeitliche Betriebsart umzuschalten.
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Dazu
ist auf eine sehr einfache Weise die numerische Steuerung CN so
programmiert, dass sie an den Eingängen des Sollwertgenerators 13 an
die Stelle der Elemente 13, 19, 20 und 21 der 20 eine voneinander unabhängige Geschwindigkeitssteuerung
jeder Achse X, Y, β, γ, 8, 9 in
Abhängigkeit von
der Zeit setzt. Eine derartige Geschwindigkeitssteuerung arbeitet
mit einem einfachen Lesen einer Bahntabelle, die die in Abhängigkeit
von der Zeit berechneten Positionen jeder Achse enthält.
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Das
Umschalten ermöglicht
außerdem,
beispielsweise dieselbe Maschine für Hüllkörper mit einer geringen Trägheit (bei
einer Zeitsteuerung) und Hüllkörper mit
einer großen
Trägheit
(bei einer Master-Slave-Steuerung) wickeln zu lassen.
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3 veranschaulicht
eine Ausführungsvariante
der Maschine, bei der eine Entkopplung der Verlagerung in Richtung
der Achse X verwirklicht wird.
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Dazu
trägt der
in X-Richtung bewegliche Schlitten 4' den Spulenstand 11' sowie einen
so genannten Wicklungsschlitten 4'',
der entlang einer Achse X' parallel
zu X beweglich auf dem Schlitten 4' angebracht ist.
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Der
Schlitten 4'' trägt einen
schwenkbaren Arm 7',
analog zum Arm 7, sowie den Stand 11'', um die Vorgarne bzw. Faserbündel zu
spannen und dem Ablegekopf 6' am
Ende Arms 7' darzubieten.
Das Schwenken des Arms 7' stellt
die Verlagerung des Kopfes zum Ablegen von Faserbündeln M
auf dem Dorn 1 in der Y-Richtung sicher.
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Eine
derartige Anordnung ermöglicht,
eine große
Beschleunigung des Ablegekopfes hinzunehmen, ohne dass dies die
Verlagerung der großen Masse
der Spulen des Stands 11' bedeutet,
der auf dem Folgerschlitten 4' angebracht ist, der sich langsamer
als der Schlitten 4'' bewegt.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf die dargestellten und oben beschriebenen
Ausführungsformen
beschränkt,
sondern deckt im Gegenteil alle ihre Varianten ab und findet auf
weitere Konfigurationen der Maschine Anwendung, insbesondere im Hinblick
auf die verschiedenen Bewegungsachsen des Ablegekopfes gegenüber dem
Dorn.
