DE4104087A1 - Elektronischer drahtzugregler - zum wickeln runder und eckiger spulenkoerper mit einem draht oder einer kunstfaser - Google Patents

Elektronischer drahtzugregler - zum wickeln runder und eckiger spulenkoerper mit einem draht oder einer kunstfaser

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Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Drahtzugregeleinrichtung zum reproduzierbaren Einstellen und Regeln der Drahtspannung zwecks Wickeln eines Drahtes oder einer Kunstfaser um eine runde oder rechteckige Spule unter Zuhilfenahme einer handelsüblichen Wickelmaschine. Die gesamte Wickeleinrichtung besteht aus einer Drahtvorratsspule, aus der der zu wickelnde Draht stammt, gefolgt von der erfindungsgemäßen Drahtregeleinrichtung, durch die der von der Vorratsspule stammende Draht geführt wird, einer Drahtverlegeeinrichtung, die den aus der Drahtregeleinrichtung austretenden Draht zur Spulenbildung in die erforderliche Position bringt und einer rotierenden Achse, die die zu bewickelnde Spule trägt. Die erfindungsgemäße Drahtregeleinrichtung soll die beim Wickelvorgang besonders eckiger Spulen auftretenden Schläge sowie die bei der Neubestückung der Wickelmaschine mit Spulen auftretenden Drahtlosen ausgleichen, so daß ein Reißen des mitunter dünnen Drahtes bis zu 1/100 mm Durchmesser vermieden wird. Bisherige mechanische und elektronische Verfahren konnten zwar meist die langsam entstehenden Drahtlosen auffangen, die hochfrequenten Schläge (etwa 1500 Hz bei 10 000 U/min), die beim Bewickeln eckiger Spulen entstehen, entzogen sich jedoch aufgrund der Massenträgheit der mechanischen Stellglieder der Regelungstechnik. Einzelne Verfahren sind bekannt aus:
DE 24 14 302 AS, bestehend aus einem mechanisch mit der Wickelmaschine verbundenem Kurvenrad, das die unterschiedlichen Weglängen des Drahtes bei eckigen Spulen ausgleicht. Nachteile dieses Verfahrens sind die nötige Ankoppelung an die Wickelmaschine und die schwer zu realisierende Form des Kurvenrades, welche für jede Spulenform neu ermittelt werden muß.
DE 29 51 917 PS, bestehend aus einem an der Wickelmaschine angekoppelten elektronischen Positionsaufnehmer, der aus der der Regeleinrichtung bekannten Spulenform phasenrichtig eine elektromechanische Drahtbremse steuert. Nachteile dieses Verfahrens sind vor allem die elektronische Ankoppelung an die Wickelmaschine und das Ignorieren des tatsächlichen Drahtzuges. Dieses System kann deshalb nicht auf Abweichungen von den Sollgrößen reagieren, da keine geeigneten Meßvorrichtungen vorgesehen sind.
DE 33 36 970 PS, bestehend aus einer pneumatisch getriebenen Drahtbremse mit einer durch einen Luftstrom gespannten Drahtschlaufe. Dieses Verfahren bietet zwar den Vorteil einer fast masselosen Drahtbremse und damit guter Regeleigenschaften, erweist sich aber aus Gründen des hohen Druckluftbedarfes als nicht wirtschaftlich.
DE 35 36 363 PS, bestehend aus einer Drahtvorbremse mit entgegen der Drahtlaufrichtung rotierender Bremsscheibe und einer elektrisch verstellbaren Drahtbremse abhängig vom Soll- und Istwert des Drahtzuges. Dieses Verfahren bietet gute Regeleigenschaften im Stillstand des Drahtes sowie bei runden Spulen; bei eckigen Spulen kann aus Gründen der Massenträgheit jedoch keine Regelung erfolgen. Zudem sind große Abnutzungserscheinungen an der Bremsscheibe zu beobachten.
DE 34 36 187 PS, bestehend aus einem mechanischen Federarm, der durch seine Position die Bremskraft einer Bremsrolle regelt, zusätzlich mit pneumatisch verstellbarem Drahtzug. Dieses Verfahren bietet allgemein ausreichende Regeleigenschaften, jedoch kann durch die Resonanz des Hebel/Federsystems keine Regelung hochfrequenter Schwingungen erfolgen.
Es sind noch einige andere Verfahren bekannt (DE 23 18 884 PS, DE 27 40 723 PS, DE 29 19 145 PS), die jedoch ähnliche Mängel wie die oben beschriebenen Verfahren aufweisen.
Allgemein treten beim Wickeln elektrischer Spulen folgende Probleme auf:
  • - Beim Auswechseln der Spule in der Wickelmaschine läuft der Draht langsam um einige Zentimeter zurück.
  • - Beim Anfahren und Abbremsen der Wickelmaschine wird der Draht gleichmäßig stark beschleunigt bzw. abgebremst. Da jedoch in handelsüblichen Wickelmaschinen häufig Bremsen in der Wickelachse verwendet werden, können kurz nach/vor dem Stillstand der Achse starke Rucke entstehen.
  • - Während des gesamten Wickelvorganges entstehen niederfrequente Schwingungen aufgrund von Drehzahländerungen der Wickelmaschine, Toleranzen der Spulenform und der Drahtstärke.
  • - Beim Wickeln eckiger Spulen entstehen zusätzlich hochfrequente periodische Schwingungen mit kleiner Amplitude durch das Auftreffen des Drahtes auf eine Spulenkante. Bei dem Einsatz eines Hebel/Federsystems, über das der Draht geführt wird, entsteht beim schnellen Wickeln eckiger Spulen zusätzlich ein chaotischer Anteil an Schwingungen, hervorgerufen durch die Massenträgheit bzw. die Resonanz dieses Systems. Bei schnellen Drahtzugänderungen hebt der Hebelarm vom Draht ab und trifft in einer unbekannten Phase der Drahtbeschleunigung wieder auf. Es können so bei hohen Wickelgeschwindigkeiten chaotische Schwingungen auftreten, die in ihrer Amplitude die periodischen Schwingungen übertreffen können.
  • - Während des Wickelvorganges mit hohen Geschwindigkeiten kann sich ein kurzzeitiges Verklemmen des Drahtes im Drahtvorrat ereignen, was einen kurzen und starken Ruck auf den Draht zur Folge hat.
Der Erfindung liegen daher folgende Aufgaben zugrunde:
  • - Langsame Drahtspannungsänderungen fortwährend auszuregeln unter der Berücksichtigung unterschiedlicher Reibungskoeffizienten der Stellglieder im Stillstand wie im Wickelbetrieb.
  • - Einige Zentimeter Draht im Stillstand der Wickelmaschine entgegen zur Drahtlaufrichtung aufzunehmen.
  • - Die periodische Erregung beim Wickeln eckiger Spulen auszugleichen unter Berücksichtigung der mechanischen Zeitkonstanten der Stellglieder.
  • - Evtl. auftretende chaotische Schwingungen zu erkennen und auszugleichen.
Weiterhin sind bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Drahtregelvorrichtung folgende Punkte zu beachten:
  • - Eine mechanische wie elektronische Ankoppelung der Drahtregelvorrichtung an die Wickelmaschine muß vermieden werden, um einen breiten und universellen Anwendungsraum zu gewährleisten.
  • - Drahtspannung und weitere Parameter müssen leicht und vor allem reproduzierbar einstellbar sein, um ein leichtes Umrüsten der gesamten Wickelvorrichtung auf einen anderen Spulentyp zu gewährleisten.
  • - Es sollten keine Verschleißteile enthalten sein, da bei Drahtgeschwindigkeiten über 10 m/s und Dauerbetrieb der Verbrauch derselben unökonomisch wäre. Hierzu darf der Draht nirgends bei hohen Geschwindigkeiten hohen Reibungen ausgesetzt werden.
  • - Zur Lösung dieser Aufgaben enthält die erfindungsgemäße Drahtregelvorrichtung:
  • - einen Drahtputzer, bestehend aus zwei gegeneinanderpressenden Filzen oder Pinseln, durch die der vom Drahtvorrat stammende Draht geführt wird. Die Andruckkraft des Drahtputzers kann elektromagnetisch verstellbar ausgeführt werden, um die Reibung bei hohen Drahtgeschwindigkeiten zu reduzieren,
  • - eine Drahtspanneinrichtung, bestehend aus einem Federarm mit Umlenkrolle, über die der aus dem Drahtputzer stammende Draht geführt wird,
  • - eine Drahtbremseinrichtung, bestehend aus einem elektronisch gesteuerten Motor, auf dessen Achse ein elektronischer Drehwinkelaufnehmer und eine Rolle befestigt ist. Der von der Drahtspanneinrichtung stammende Draht wird (evt. mehrmals) um die Rolle geschlungen,
  • - eine dynamische Drahtregeleinrichtung, bestehend aus einer linear und vor allem massearm zwischen zwei oder mehr Federn aufgehängten Rolle, deren Stellung mittels eines elektronischen Positionsaufnehmers (z. B. nach dem optoelektronischen Triangularverfahren) ermittelt werden kann. Der Fußpunkt mindestens einer Feder kann elektromagnetisch so verstellt werden, daß kontinuierliche Federspannungen erzeugt werden können. Der von der Drahtbremseinrichtung stammende Draht wird über die Rolle geführt,
  • - eine Phasenausgleichseinrichtung, bestehend aus einem elektromechanisch verstellbaren Stift oder einer Rolle, worüber der von der dynamischen Regeleinrichtung stammende Draht geführt wird. Der elektromechanische Antrieb kann z. B. aus einem piezokeramischen Element bestehen,
  • - einen Drahtaufzugnehmer, über den der von der Phasenausgleichsrichtung stammende Draht geführt wird. Als Sensor kann hier ein Dehnungsmeßstreifen dienen. Der aus dem Drahtzugaufnehmer stammende Draht wird der Wickelmaschine zugeführt.
Die Drahtspanneinrichtung kann abweichend aufgebaut sein, sobald ein Vorspannen des Drahtes mit konstanter oder grob einstellbarer Kraft möglich ist und die Aufnahme einer gewissen Strecke Draht entgegen der Drahtlaufrichtung gewährleistet ist.
Die dynamische Regeleinrichtung kann abweichend aufgebaut werden, sobald nur eine möglichst trägheitsarme Federung des Drahtes erfolgt und die Position der gefederten Umlenkrolle elektronisch ermittelt werden kann.
Die Phasenausgleichseinheit kann abweichend aufgebaut sein, sobald eine positive Beschleunigung des Drahtes mit hoher Geschwindigkeit ausgeübt werden kann. Es wird weiterhin als positiv angesehen, wenn alle technisch bedingten Umlenkrollen massearm und an einer leicht federnden Aufhängung befestigt sind.
Wesentliche Vorteile der erfindungsgemäßen Drahtregeleinrichtung sind:
  • - Schnelle Drahtspannungsänderungen können im massearmen Federsystem der dynamischen Regeleinrichtung direkt aufgefangen werden. Dies wird erreicht durch eine hohe Eigenfrequenz des Masse/Federsystems. Dieses Verfahren bietet wesentlich kürzere Zeitkonstanten als die weit verbreiteten Hebel/Federsysteme.
  • - Die durch die dennoch vorhandene Masseträgheit der Umlenkrolle im Federsystem der dynamischen Regeleinheit verursachte Phasenverschiebung von Drahtspannung zu Drahtgeschwindigkeit kann bei periodischen Schwingungen durch Vorbeschleunigen in der Phasenausgleichseinheit korrigiert werden.
  • - Chaotische Schwingungen werden durch das Ausgleichen der genannten Phasenverschiebung weitgehend vermieden. Trotzdem enthaltene chaotische Störungen können leicht am Drahtzugaufnehmer erkannt und durch schnelles Gegenregeln an der Phasenausgleichseinheit in ihrer Wirkung stark reduziert werden.
  • - Langsame Drahtspannungsänderungen mit großer Amplitude können an der Position der dynamischen Regeleinheit erkannt und durch Ändern der Bremskraft des Motors in der Drahtbremseinheit korrigiert werden.
  • - Drahtlosen im Stillstand der Wickelmaschine können durch Rückwärtsbewegen des Motors in der Drahtbremseinheit und Auffangen in der Drahtspanneinrichtung vermieden werden. Zusätzlich kann noch eine gewisse Strecke Draht von der dynamischen Regeleinrichtung aufgenommen werden.
  • - Ein Verschleiß in der Drahtputzeinrichtung wird durch Vermindern des Anpreßdruckes bei hohen Drahtgeschwindigkeiten vermieden.
  • - Die einzelnen Maßwertaufnehmer (Drehwinkelaufnehmer - Drahtbremseinrichtung, Positionaufnehmer - dynamische Regeleinrichtung, Drahtzugaufnehmer) gestatten das elektronische Auswerten der Variablen: absoluten Drahtzug, dynamische Drahtzugänderung, Drahtgeschwindigkeit und Drahtlaufrichtung. Es kann so eine vollständige Regelung des Drahtzuges erfolgen, unabhängig von der verwendeten Wickelmaschine.
  • - Beim kurzzeitigen Verklemmen des Drahtes im Drahtvorrat kann die Drahtspanneinrichtung diesen Ruck größtenteils auffangen, das Federsystem der dynamischen Regeleinrichtung kann durch seinen eigenen Drahtvorrat diesen kurzzeitigen Drahtmangel ausgleichen.
  • - Der Anwender hat der elektronischen Steuerung nur die Parameter Drahtzug und Spulenform mitzuteilen. Da bei der Komplexität der elektronischen Steuerung nur ein prozessorgesteuertes System in Betracht kommt, ist ein reproduzierbares und leichtes Einstellen der Parameter gewährleistet.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Drahtregeleinrichtung sowie des Drahtvorrates und der Wickelmaschine gezeigt. Der in Fig. 1 gezeigte Wickelaufbau enthält einen Drahtvorrat (1), von dem ein zu einer Spule (25) zu wickelnder Draht (2) abgezogen wird. Der von dem Drahtvorrat (1) stammende Draht (2) durchläuft zunächst die Drahtputzeinrichtung, die aus zwei gegeneinanderpressenden Filzen oder Pinseln (4) besteht. Der Draht (2) wird zwischen den Filzen/Pinseln durchgeführt. Die Feder (6) erzeugt zusammen mit dem Magneten (5) einen einstellbaren Anpreßdruck, so daß bei hohen Drahtgeschwindigkeiten die Reibung des Drahtes reduziert werden kann. Durch diese Maßnahme wird ein Überhitzen des Drahtes sowie der Verschleiß der Filze (4) vermieden.
Der von der Drahtputzeinrichtung stammende Draht (2) durchläuft nun die Drahtspanneinrichtung über die Rolle (9), die an dem Hebelarm (7) befestigt ist. Der Hebelarm (7) wird durch die Feder (8) so gespannt, daß der Draht (2) eine geringe, relativ konstante Vorspannung erhält. Das System von Drahtputz- und Drahtspanneinrichtung ist so in der Lage, einige Zentimeter Draht entgegen der Drahtlaufrichtung (3) aufzunehmen. Dies ist notwendig, um im Falle eines Drahtrücklaufes ein Schlupfen auf der Rolle (12) der Drahtbremseinrichtung zu vermeiden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel bilden (10, 11, 12, 13) die Drahtbremseinrichtung. Der von der Drahtspanneinrichtung stammende Draht (2) wird hier eventuell mehrmals um die Rolle (12) geführt, die über die Welle (11) mit dem Motor (10) und dem Winkelmeßaufnehmer (13) verbunden ist. Der Motor (10) wird im Ausführungsbeispiel elektronisch drehmomentgeregelt, so daß eine entgegen zur Drahtlaufrichtung (3) gerichtete Drahtspannung entsteht. Über den Drehwinkelaufnehmer (13) kann die Laufrichtung, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Drahtes elektronisch ermittelt werden. Es wird als vorteilhaft erachtet, wenn die Rolle (12) möglichst massearm ist und auf der Lauffläche einen hohen Reibungskoeffizienten aufweist. Die Drahtbremseinrichtung dient als Stellglied für den mittleren Drahtzug sowie als Antrieb im Falle eines Rücklaufes des Drahtes entgegen zur normalen Drahtlaufrichtung (3).
Nachfolgend wird der Draht über die Rolle (16) geführt, welche freischwebend zwischen den Federn (14, 15) aufgehängt ist. Der Fußpunkt der Feder (14) kann mittels eines angedeuteten elektromechanischen Antriebes (17) verstellt werden. Diese Einstellung ist proportional zur gewünschten mittleren Drahtspannung, so daß die Rolle (16) auf einer definierten Nullposition steht. Über das Wegmeßsystem (18) kann die Position der Rolle (16) ermittelt werden. Verringert sich die Drahtspannung, so bewegt sich die Rolle (16) in Richtung der Feder (14) und die Elektronik erhöht das Drehmoment des Motors (10). Dadurch bewegt sich die Rolle (16) wieder zurück in Richtung Nullposition. Entsprechend wird umgekehrt bei erhöhter Drahtspannung verfahren. Ein Regelungsverfahren ähnlich eines PID-Reglers wird als vorteilhaft erachtet. Wird eine Änderung des (Soll-)Drahtzuges gewünscht, so wird der Fußpunkt der Feder (14) elektromotorisch (17) verstellt und das Drehmoment des Motors (10) angepaßt. Zur Reduzierung von Schwingungen quer zur normalen Bewegungsrichtung der Rolle (16) können in den Mittelpunkt der Spiralfedern (14, 15) Stäbe (19) gehängt werden. Diese sind nur am Fußpunkt der jeweiligen Feder (nicht an der Rolle (16)) drehbar befestigt. Durch diese Maßnahme verändert sich die Reibung des Systems in normaler Bewegungsrichtung kaum, in allen anderen Richtungen dämpfen jedoch die Stäbe (19) eventuelle Schwingungen. Die Rolle (16) bildet zusammen mit den Federn (14, 15), den Stäben (19), der Spannvorrichtung (17) und dem Positionsaufnehmer (18) die dynamische Regeleinheit. Hervorzuheben ist die hohe Eigenfrequenz des Feder/Masseystems im Bereich einiger hundert Hertz. Hierdurch wird vornehmlich die Dämpfung langsam- und mittelfrequenter Drahtzugschwankungen erreicht.
Der von der Rolle (16) ablaufende Draht (2) wird über den Stift (20) geführt, der mit einem reaktionsschnellem elektromagnetischen oder piezokeramischen Antrieb versehen und einige Millimeter in Richtung (22) verstellbar ist. Durch Stellen des Stiftes (20) kann die Drahtstrecke bis zur Spule (25) verändert werden. Erkennt die Elektronik, daß ein periodischer Drahtspannungsstoß bevorsteht (durch die Ecken der Spule erzeugt), wird der Stift (20) durch den Magnet (21) kurzzeitig zurückgezogen. Hierdurch wird eine entsprechende Menge Draht freigegeben und der folgende Drahtstoß aufgefangen. Nach dem Drahtspannungsstoß wird der Stift (20) wieder in die Ausgangsstellung zurückgebracht. Der Stift (20) mit dem Magnet (21) bilden die vorgenannte Phasenausgleichseinheit.
Der von dem Stift (20) stammende Draht wird nun über die Rolle (23) geführt, die an dem Drahtzugaufnehmer (24) befestigt ist. Der Drahtzugaufnehmer (23) kann z. B. im Ausführungsbeispiel aus einem piezokeramischen Element bestehen, an dem ein Umlenkstift befestigt ist. Dieser Sensor ermöglicht das Ermitteln des absoluten Drahtzuges sowie der kurzzeitigen Drahtspannungsschwankungen.
Durch den Drahtzugaufnehmer (23) kann durch eine geeignete elektronische Auswertung der richtige Zeitpunkt zum Auslenken des Stiftes (20) ermittelt werden. Die dazu nötigen Parameter Spulenform, Drahtgeschwindigkeit und mittlerer Drahtzug sind der elektronischen Steuerung bekannt. Es sind jedoch die mechanischen Zeitkonstanten des Magneten (21) und des Stiftes (20) zu beachten. Um eine Synchronisation zwischen der von der Elektronik berechneten und der tatsächlichen Position der Spule (25) zu erreichen, ist eine kontinuierliche Auswertung der Position der Rolle (16) und des Drahtzuges am Aufnehmer (23) notwendig. Über die Formeln der Schwingungslehre kann dann eine ausreichende Annäherung der notwendigen Bewegung des Stiftes (20) erfolgen. Das beschriebene Verfahren ermöglicht so einen Betrieb der erfindungsgemäßen Drahtzugregelvorrichtung ohne elektrische oder mechanische Ankoppelung an die Wickelmaschine.
Der von der Rolle (23) stammende Draht wird über den Drahtführer (26) der Spule (25) zugeführt.

Claims (5)

1. Elektronisch gesteuerte Drahtzugregelvorrichtung zum Wickeln von runden oder eckigen Spulen aus einem Draht oder einer Kunstfaser,
  • - mit einer Drahtputzeinrichtung, durch die der aus dem Drahtvorrat stammende Draht geführt wird,
  • - mit einer Drahtspanneinrichtung, durch die der aus der Drahtputzeinrichtung stammende Draht geführt wird,
  • - mit einer elektronisch gesteuerten Drahtbremseinrichtung, durch die der aus der Drahtspanneinrichtung stammende Draht geführt wird,
  • - mit einer dynamischen Regeleinrichtung, durch die der von der Drahtbremseinrichtung stammende Draht geführt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß:
  • - in der Drahtputzeinheit der Draht (2) zwischen zwei Filzscheiben oder Pinseln (4) durchgeführt wird und die Feder (6) kontinuierlich einen Anpreßdruck auf den Draht ausübt. Der Anpreßdruck kann optional durch einen zusätzlichen Magneten (5) variiert werden.
  • - in der Drahtspanneinheit der Draht (2) über Umlenkrollen (9) an einem Hebel/Federsystem (7, 8) eine kontinuierliche Drahtspannung erhält.
  • - in der Drahtbremseinheit der Draht evtl. mehrmals eine an einem Motor (10) befestigte Rolle (12) umschlingt.
  • - in der dynamischen Regeleinheit der Draht über eine frei oder lose linear geführte Rolle (16) geführt wird, die zwischen zwei oder mehr Federn und Magneten (14, 15) aufgehängt ist.
2. Elektronisch gesteuerte Drahtzugregelvorrichtung nach Anspruch 1 zusätzlich mit einer verstellbaren dynamischen Regeleinheit, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunkt mindestens einer der Federn (14, 15) in Bewegungsrichtung der Rolle (16) elektromechanisch veränderbar ist.
3. Elektronisch gesteuerte Drahtzugregelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zusätzlich mit einer Phasenregeleinheit, über die der aus der dynamischen Regeleinheit stammende Draht geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (2) über eine elektrisch verstellbare Rolle (16) oder einen Stift geführt wird, so daß die Strecke bis zur Spule (25) variiert werden kann.
4. Elektronisch gesteuerte Drahtzugregelvorrichtung nach Anspruch 3 zusätzlich mit einer Drahtspannungsmeßeinrichtung versehen, über die der aus der Phasenregeleinheit austretende Draht geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht über einen Umlenkstift oder eine Umlenkrolle (23) geführt wird, die an einen elektrischen oder optoelektronischen Zug- oder Druckaufnehmer (24) gekoppelt ist.
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