EP1338544A2 - Spulmaschine und Verfahren zum aufwickeln eines kontinuierlich zulaufenden Fadens auf eine Spule - Google Patents

Spulmaschine und Verfahren zum aufwickeln eines kontinuierlich zulaufenden Fadens auf eine Spule Download PDF

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EP1338544A2
EP1338544A2 EP03003311A EP03003311A EP1338544A2 EP 1338544 A2 EP1338544 A2 EP 1338544A2 EP 03003311 A EP03003311 A EP 03003311A EP 03003311 A EP03003311 A EP 03003311A EP 1338544 A2 EP1338544 A2 EP 1338544A2
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EP
European Patent Office
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turntable
winding
current
angle
motor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03003311A
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English (en)
French (fr)
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Inventor
Jörg Bamberg
Jürgen Rom
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Georg Sahm GmbH and Co KG
Original Assignee
Georg Sahm GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Georg Sahm GmbH and Co KG filed Critical Georg Sahm GmbH and Co KG
Publication of EP1338544A2 publication Critical patent/EP1338544A2/de
Publication of EP1338544A3 publication Critical patent/EP1338544A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B65H54/00—Winding, coiling, or depositing filamentary material
    • B65H54/02—Winding and traversing material on to reels, bobbins, tubes, or like package cores or formers
    • B65H54/40—Arrangements for rotating packages
    • B65H54/52—Drive contact pressure control, e.g. pressing arrangements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B65H2701/30—Handled filamentary material
    • B65H2701/31—Textiles threads or artificial strands of filaments

Definitions

  • the invention relates to a winding machine and a method for Winding a continuously running thread on a Coil with the specified in the preambles of claims 1 and 7 Features.
  • a winding machine of this type (DE 195 38 480 C2) is used to wind a thread running continuously at a constant feed speed of the winding machine onto a bobbin.
  • the winding machine has a turntable driven by a motor, which is sometimes also referred to as a drum, without interruption, that is to say without repeatedly stopping and restarting the motor.
  • At least one, but usually at least two drivable spindles are rotatably mounted on the turntable, which are equipped with their own rotary drive.
  • a spool is wound from the supplied thread on a spool on the winding spindle in operation.
  • the bobbin winder has a laying device with which the thread is distributed over the length of the bobbin.
  • a contact roller is provided which bears against the circumference of the bobbin forming the bobbin in operation and via which the thread is fed to the bobbin circumference.
  • a device for determining the speed of the thread or a sensor for determining the speed n K of the contact roller ultimately serve to calculate the current diameter D S of the bobbin via the bobbin travel.
  • a device for determining the current speed n S of the winding spindle in operation is provided.
  • To a computing unit used to determine the current target rotational angle ⁇ of the motor of the turntable by using a formula relating to the forming the geometrical relationships of the winding machine or by comparison with a stored table of values and to calculate the respective current diameter D S on the in-service bobbin spindle Kitchen sink.
  • a control device is provided for the continuous rotation of the turntable during the winding cycle.
  • the rotation of the turntable is controlled in a quasi-constant sequence of movements, ie the motor which drives the turntable of the turntable is never stopped during the winding cycle. Rather, the turntable is driven continuously, that is to say without interruption, a sequence of angular velocities being used in immediate succession.
  • one angular velocity replaces the other angular velocity.
  • the turntable is thus rotated continuously with angular speeds changing from computing cycle to computing cycle independently of a stroke movement of the contact roller, the current angular velocity being calculated from the current spool diameter and the actual value of an angle detection unit of the turntable.
  • the course of the changing angular velocities has an overall hyperbolic character. So that the control device is no longer dependent on a movement of the contact roller, ie the contact roller can be designed and arranged completely freely.
  • the contact roller Exert contact pressure on the circumference of the forming coil which is designed according to criteria independent of the regulation, and for example has a continuous course.
  • a steady decrease in the contact pressure without Variations possible which is beneficial to the coil structure effect.
  • EP 0 770 030 B1 discloses a winding machine for winding a continuously running thread onto a bobbin. However, it is a discontinuous process in which the motor that drives the turntable with the two winding spindles is alternately started and stopped again.
  • the winding machine has a laying device and also a contact roller connected upstream of the winding spindles in operation, which is kept in constant contact with the coil. A sensor for measuring the speed of rotation of the coil is provided.
  • a calculator is for calculating the instantaneous diameter D S of the coil from the transmitted signal from the sensor and to ⁇ for determining the belonging to the diameter D S angular position of the turntable according to a stored table or by applying a corresponding calculation formula.
  • a signal generated by the computer and corresponding to the desired angular position ⁇ should be transmitted to the control unit for the rotary drive of the motor of the turntable and used.
  • the setpoint rotation angle ⁇ setpoint which belongs to the current coil diameter D S , is used as the manipulated variable.
  • the control unit instructs the motor for the rotary drive of the turntable to rotate until the setpoint rotation angle ⁇ setpoint is reached.
  • Fig. 12 shows that the course of the actual angle of rotation is step-shaped.
  • the contact pressure curve of the contact roller on the forming coil also has a step-like, discontinuous course.
  • the slope of the straight line represents the angular velocity omega of the turntable. There is only one angular velocity of the turntable. The motor can either be switched off or rotate at an intended angular speed. The slope is therefore constant.
  • the discontinuous mode of operation Due to the discontinuous mode of operation, it must be selected so that switching operations are always possible, i.e. the motor of the rotary drive can be switched on and off alternately. Continuous rotation of the motor and thus the turntable is neither possible nor sensible there. If you left the discontinuous further rotation of the turntable and let the turntable rotate continuously, as the generic winder according to DE 195 38 480 C2 shows, the straight line would run from the first switch-on point of the motor to infinity. At the latest from the point of intersection between the straight line of the real angular position and the ideal curve of an ideal course of the rotation angle, for example over the time according to FIG. 11, the turntable would rotate faster than the coil increase. An increasing air gap would then form between the coil and the contact roller.
  • the slope of the straight line could be chosen to be flatter, that is to say the speed at which the turntable is rotated in sections could be reduced.
  • the motor no longer reaches the target rotation angle. In its discontinuous drive phases, the turntable would always turn more slowly than the spool increase. The consequence of this would be that the contact roller would push itself more and more into the coil. If this error has occurred, i.e. if the motor's rotational speed is too low for the rotary drive, this error can no longer be corrected within the winding cycle. Basically, one would have to choose a speed that is too high for the rotating phases of the turntable, but in turn this leads to the conclusion that the motor must always be able to be switched on and off.
  • the curve D S f (t, v, titer) shifts up or down.
  • the known winding machine is dependent on such changes in its control behavior for the angle of rotation of the turntable, since the selected manipulated variable of the setpoint angle position ⁇ soll is directly dependent on the real course over time of the diameter increase of the coil.
  • the one used The contact roller can be swiveled on a swing arm or in one Straight guidance can be moved in a straight line. It is a sensor provided the movement of the contact roller relative to the Surface of the winding spindle in operation forming coil detected.
  • the sensor belongs to a control device and works as a two-point control element.
  • the contact pressure of the contact roller on the coil is controlled depending on the current coil diameter.
  • the invention has for its object to provide a winding machine of the type described above, in which the course of the actual angle of rotation ⁇ ist of the turntable is as close as possible to the ideal curve of the angle of rotation and thus a constant and / or controllable contact pressure curve of the contact roller on the coil being formed allows.
  • this is achieved in a winding machine of the type described at the outset in that the computing unit is designed to calculate a respective current angle difference ⁇ between the current target rotation angle ⁇ soll and the current actual rotation angle ⁇ ist of the motor of the turntable at fixed points via the winding travel, and that the control device for controlling the motor of the turntable is designed as manipulated variables at the defined support points with the signals corresponding to the respective current angle differences ⁇ .
  • the invention is based on the idea to corresponding signal instead of using ⁇ of the target rotational angle as the manipulated variable an angle difference ⁇ is to ⁇ between the current target rotational angle and the current Istcardwinkel ⁇ is to use.
  • These different current angle differences are determined at fixed points via the winding travel and used for the continuous control of the motor of the turntable via the control device.
  • the motor of the turntable exerts a drive on the turntable without interruption and, due to the use of the current angle difference, rotates the turntable alternately faster or slower than it corresponds to the ideal curve of the rotation angle ⁇ should .
  • the motor for the turntable is switched off once, the circumference of the sleeve resting on the winding spindle against the circumference of the contact roller.
  • the thread is wound up on the tube until the bobbin diameter has increased by such an amount that a target rotation angle can be determined at all.
  • a setpoint angle difference is then formed with this target rotation angle and converted into a transferable signal, which is communicated to the control unit.
  • the motor is then switched on and instructed to travel through this actuating angle difference before the next control cycle takes place.
  • the current coil diameter D S is calculated in the computing unit. Whenever the diameter of the coil by a predetermined amount, e.g. B.
  • the new winding machine produces in regular succession Intervals, e.g. B. every 10 msec, as a manipulated variable Angular difference that does not correspond to the target rotation angle and therefore from the time course of a predetermined coil diameter increase, how he z. B. from a fixed table of values results in being detached.
  • Intervals e.g. B. every 10 msec
  • a control device is in the control of the winding machine integrated, which forms the manipulated variable as follows performs:
  • the control device is input constant gain factors, which correspond to the controlled system of the winding machine.
  • the drive of the turntable is switched off until the diameter of the coil for the first time by z. B. has grown 0.1 mm.
  • the target rotation angle ⁇ set is determined for this current diameter of the coil.
  • the angle difference ⁇ is calculated from this target rotation angle and the continuously returned actual rotation angle.
  • This manipulated variable is equivalent to an angle difference, which, however, should not ⁇ to the target rotational angle and is therefore referred to alternate for better differentiation as an adjusting angle difference ⁇ .
  • the control or regulating device is transmitted to these pitch angle difference ⁇ alternate and then to the motor, the instruction issued to drive through this adjustment angle difference.
  • manipulated variable (New) manipulated variable (old) + ( ⁇ , gains , .DELTA.T)
  • This new manipulated variable in turn becomes the control or regulating device transmits and thus triggers the manipulated variable from the previous control cycle without the motor for the rotary drive is switched off or even stopped.
  • This process is carried out at constant time intervals, e.g. B. every 10 msec, repeated whenever the diameter of the coil z. B. has grown by a further 0.1 mm, the set angle of rotation ⁇ set (old) is replaced by a new set point of rotation ⁇ set (new) and the time difference ⁇ T (old) is replaced by a newly measured time difference ⁇ T (new) .
  • the computing unit to generate the sequence of manipulated variables as signals that the each correspond to current angle differences ⁇ , multiplied with gain factors.
  • the computing unit is also used to determine current time differences ⁇ T between the specified support points in time parallel to the formation of the current angle differences ⁇ corresponding signals formed.
  • the computing unit can be used to generate a sequence of manipulated variables corresponding to the reference points with a repeat cycle of be formed about 10 msec. Such time intervals are without further controllable, so that a fairly good course of the Actual rotation angle corresponding to the ideal rotation angle.
  • the method for winding a continuously supplied thread on a bobbin of a winding machine is characterized according to the invention in that ⁇ at fixed support points during the winding cycle of each current Istfeldwinkel of the motor of the turntable is determined and using a formula relating to the geometrical relations of the winding machine or by comparison to ⁇ with a stored table of values of the respective current target rotational angle of the motor of the turntable, which is added to the current diameter D S of the coil part, determined to ⁇ on the fixed support points a respective current angular difference ⁇ between the current target rotational angle and the current Actual rotation angle ⁇ ist of the motor of the turntable is formed, and the motor of the turntable is actuated at the defined support points with the signals corresponding to the respectively current angle differences ⁇ as manipulated variables.
  • the invention is based on the idea of avoiding the rotating turn and stopping of the turntable, as is also known in the prior art, and of working with an uninterrupted, continuous turning operation of the turntable.
  • changing current angle differences ⁇ come between the current target rotational angle ⁇ should and the motor of the turntable is ⁇ the current Istcardwinkel successively applied, that is, from an angle difference out of the rotary drive of the turntable is turned to a second different angle difference or reversed, so that in any case the turntable performs an uninterrupted movement.
  • the current angle differences used decrease rapidly in the course of a winding trip.
  • the current angle differences should be used as manipulated variables Signals corresponding to ⁇ , multiplied by Gain factors are used. So there is a Adaptation to the geometric conditions of the winding machine.
  • Computation cycles which are in use can advantageously be used over the winding travel constant time intervals, for example especially in 10 msec.
  • the repetition of the Computation cycles in such short time intervals is quite possible. But it is not harmful if the number of Calculation cycles reduced and the time intervals increased be because the drive of the turntable a lot anyway contains mechanical elements that prove to be comparative prove sluggish. It is also possible to have different numbers of computing cycles on the one hand and control cycles on the other, To form averages or the like. In general however, this is not necessary.
  • Fig. 1 the course of the diameter of the coil is shown.
  • the continuously supplied thread is on a Coiled sleeve that has a corresponding outer diameter has on which the bobbin formation of the thread by winding he follows.
  • the speed v and the thread thickness (titer) will correspond to the diameter enlarge the curve shown in solid lines.
  • This dashed Curve represents the ideal line, i.e. the ideal target Course of the change in the angle of rotation of the turntable over the Time, speed and thread size.
  • Fig. 2 are the essential elements of a winding machine indicated and their geometric sizes clarified.
  • the Winding machine has a turntable 1, on its effective Diameter EDD two winding spindles 2, 3 are rotatably mounted.
  • the turntable 1 is assigned a motor, not shown, by means of which the turntable 1 is set in rotary motion.
  • Each winding spindle 2, 3 has a further drive or can be coupled to such a drive via which the respective winding spindle 2 or 3 is driven via the winding travel.
  • the winding machine has a contact roller 4, which has a constant contact roller diameter D K.
  • D K constant contact roller diameter
  • the thread not shown, is wound on an empty tube of the winding spindle 2 in progress.
  • a coil 5 is formed on the empty tube of the winding spindle 2, the diameter of which continuously increases over the winding cycle.
  • a current coil diameter D S is indicated in dashed lines.
  • the current coil diameter D S of the coil 5 forming on the winding spindle 2 can be derived as follows:
  • Both the contact roller and the coil are cylindrical bodies which are subject to a uniform circular movement.
  • V Faden is known and ⁇ is also a known constant. You only have to determine the speed n S using a suitable sensor and enter V thread into the control system in order to then calculate D S according to equation 6.
  • D S D K , (n K / n S )
  • the diameter of the contact roller D K is a constant variable known from the machine geometry.
  • the turntable carries two winding spindles, each on the alternately coils are wound. These spindles have one constant distance from center to center, which at the Machine design was determined as a geometric size and is therefore known. If you connect the centers of the Spindles with a straight line passing through the center of the turntable the distance can also be considered effective Designate the diameter of the turntable.
  • the diameter of the contact roller is also constant geometric size that is fixed in the machine design became known and thus.
  • the diameter of the coil is a variable size, which, starting from the outer diameter of the empty tube, continuously grows, the outer diameter of the empty sleeve is known.
  • the current coil diameter was determined already explained. So you can go for further considerations also assume that this size is known.
  • the angle you are looking for is spanned between two legs, from the center of the turntable to the center of the contact roller or from the center of the turntable to the center of the Coil run. If you connect the respective end points of these Legs together, so you get to an oblique angle Triangle with the side lengths a, b and c.
  • the answer to the above Question can be found in every math book in the chapters on the geometry of flat surfaces.
  • the one to be read there The cosine rate applies to every oblique triangle and describes that with three known side lengths or two known side lengths and the included angle each remaining unknown triangle size, i.e. each missing page or any missing angle that can be calculated.
  • FIGS. 3 and 4. 3 shows, like FIG. 4, in dashed lines the ideal course of the angle of rotation ⁇ over time t, the speed v and the thread thickness (titer).
  • Fig. 3 illustrates in solid lines the discontinuous mode of operation, according to EP 0770030 B1 is to ⁇ using a target rotational angle as the manipulated variable for the drive of the turntable.
  • Fig. 4 illustrates the continuous mode of operation, that is, the uninterrupted rotation of the turntable over the winding cycle using the angle difference ⁇ as a manipulated variable.
  • 3 and 4 are each shown in 100 times magnification and thus show the particularly interesting course at the very beginning of a winding trip.
  • Fig. 4 illustrates the method according to the invention and the operation of the new winding machine.
  • the motor for the rotary drive of the turntable is also switched off there, as is the case with every winding machine at the start of a winding cycle.
  • the bobbin diameter increases by such an amount that a target rotation angle can be determined at all.
  • ⁇ is the respective current actual operating angle Istfoxwinkel a difference is formed and is converted into a transmittable signal, which is communicated as a manipulated variable to the control device of the motor for the rotary drive of the turntable.
  • this actuation angle difference also has the advantage that the sign of this actuation angle difference ⁇ changes from + to - and vice versa, which is figuratively expressed in FIG. 4 that the actual curve of the rotation angle ⁇ is temporarily above and sometimes below the dashed ideal line lies.
  • the motor for the turntable is switched on and instructed to run through this first setting angle difference before the next control cycle takes place. Since the coil has already continued to grow in the meantime, a new positioning angle difference is calculated in advance, while the motor is still driving through the last positioning angle difference, communicated to the control unit, etc. This results in the advantageous consequences which have already been described above.
  • FIG. 5 and 6 again illustrate the state in comparison the technology according to EP 0 770 030 B1 (Fig. 5) with the new Procedure (Fig. 6). While in the prior art the angular velocity of the turntable depending on the switch on and Switching off the motor between a constant value and the 6 is changed, Fig. 6 shows that the turntable with an angular velocity omega over time or the forming diameter of the coil is continuously rotated, the angular velocity omega indeed according to the Requirement changed, but never during the winding trip Value 0 reached.

Landscapes

  • Winding Filamentary Materials (AREA)
  • Sewing Machines And Sewing (AREA)
  • Tension Adjustment In Filamentary Materials (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufwickeln eines kontinuierlich zulaufenden Fadens auf eine Spule einer Spulmaschine aufgezeigt, bei dem ein Drehteller, auf dem zwei antreibbare Spulspindeln drehbar gelagert sind, gegenüber einer Kontaktwalze kontinuierlich mit sich in der Regel ändernden Winkelgeschwindigkeiten unabhängig von einer Bewegung der Kontaktwalze gedreht wird. Der Faden wird mit einer Verlegeeinrichtung über die Kontaktwalze auf die Spule aufgewickelt. Der Abstand zwischen der Achse der Kontaktwalze und der Achse der in Betrieb befindlichen Spulspindel wird im Sinne einer Vergrößerung entsprechend dem wachsenden Durchmesser der Spule ohne Unterbrechung des Antriebes des Drehtellers verändert. Der jeweis aktuelle Durchmesser DS der Spule wird aus der ermittelten Drehzahl nS der Spulspindel und aus der ermittelten Drehzahl nK der Kontaktwalze oder der ermittelten Zuliefergeschwindigkeit des Fadens berechnet. An festgelegten Stützpunkten über die Spulreise wird der jeweils aktuelle Istdrehwinkel αist des Motors des Drehtellers ermittelt und unter Anwendung einer Formel betreffend die geometrischen Beziehungen der Spulmaschine oder durch Vergleich mit einer hinterlegten Wertetabelle der jeweils aktuelle Solldrehwinkel αsoll des Motors des Drehtellers, der zu dem jeweils aktuellen Durchmesser DS der Spule gehört, ermittelt. An den festgelegten Stützpunkten wird eine jeweils aktuelle Winkeldifferenz Δα zwischen dem jeweils aktuellen Solldrehwinkel αsoll und dem jeweils aktuellen Istdrehwinkel αist des Motors des Drehtellers gebildet. Der Motor des Drehtellers wird an den festgelegten Stützpunkten mit den den jeweils aktuellen Winkeldifferenzen Δα entsprechenden Signalen als Stellgrößen angesteuert. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Spulmaschine und ein Verfahren zum Aufwickeln eines kontinuierlich zulaufenden Fadens auf einer Spule, mit den in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 7 angegebenen Merkmalen.
Eine Spulmaschine dieser Art (DE 195 38 480 C2) dient zum Aufwickeln eines kontinuierlich mit konstanter Zulaufgeschwindigkeit der Spulmaschine zulaufenden Fadens auf eine Spule. Die Spulmaschine weist einen während der Spulreise ohne Unterbrechung, also ohne wiederholtes Stillsetzen und Wiedereinschalten des Motors, über einen Motor angetriebenen Drehteller auf, der zuweilen auch als Trommel bezeichnet wird. Auf dem Drehteller sind mindestens eine, in der Regel aber mindestens zwei antreibbare Spulspindeln drehbar gelagert, die mit einem eigenen Drehantrieb ausgestattet sind. Auf der jeweils in Betrieb befindlichen Spulspindel wird auf einer Hülse aus dem zugelieferten Faden eine Spule aufgewickelt. Die Spulmaschine weist eine Verlegeeinrichtung auf, mit der der Faden über die Länge der Spule verteilt wird. Es ist eine am Umfang der sich in Betrieb befindlichen Spulspindel bildenden Spule anliegenden Kontaktwalze vorgesehen, über die der Faden dem Umfang der Spule zugeleitet wird. Eine Einrichtung zur Ermittlung der Geschwindigkeit des Fadens oder ein Sensor zur Ermittlung der Drehzahl nK der Kontaktwalze dienen letztendlich der rechnerischen Ermittlung des jeweils aktuellen Durchmessers DS der Spule über die Spulreise. In Verbindung damit ist eine Einrichtung zur Ermittlung der jeweils aktuellen Drehzahl nS der in Betrieb befindlichen Spulspindel vorgesehen. Eine Recheneinheit dient zur Ermittlung des jeweils aktuellen Solldrehwinkels αsoll des Motors des Drehtellers unter Anwendung einer Formel betreffend die geometrischen Beziehungen der Spulmaschine oder durch Vergleich mit einer hinterlegten Wertetabelle und zur Berechnung des jeweiligen aktuellen Durchmessers DS der sich auf der in Betrieb befindlichen Spulspindel bildenden Spule. Es ist eine Regeleinrichtung für die kontinuierliche Drehung des Drehtellers während der Spulreise vorgesehen. Mit dieser Regeleinrichtung wird die Drehung des Drehtellers in einem quasi-konstanten Bewegungsablauf geregelt, d. h. der den Drehantrieb des Drehtellers bewirkende Motor wird zu keinem Zeitpunkt während der Spulreise stillgesetzt. Der Drehteller wird vielmehr kontinuierlich, also ohne Unterbrechung, angetrieben, wobei eine Folge von Winkelgeschwindigkeiten unmittelbar hintereinander Anwendung findet. Während der kontinuierlichen Drehbewegung des Drehtellers löst eine Winkelgeschwindigkeit die andere Winkelgeschwindigkeit ab. Damit wird der Drehteller kontinuierlich mit sich von Rechenzyklus zu Rechenzyklus ändernden Winkelgeschwindigkeiten unabhängig von einer Hubbewegung der Kontaktwalze gedreht, wobei die jeweils aktuelle Winkelgeschwindigkeit aus dem aktuellen Spulendurchmesser und dem Ist-Wert einer Winkelerfassungseinheit des Drehtellers errechnet wird. Der Verlauf der sich ändernden Winkelgeschwindigkeiten hat insgesamt einen hyperbolischen Charakter. Damit ist die Regeleinrichtung nicht mehr von einer Bewegung der Kontaktwalze abhängig, d. h. die Kontaktwalze kann völlig frei gestaltet und angeordnet werden.
Beispielsweise ist es möglich, über die Kontaktwalze eine Anpresskraft auf den Umfang der sich bildenden Spule auszuüben, die nach von der Regelung unabhängigen Kriterien gestaltet ist, und beispielsweise einen stetigen Verlauf aufweist. Hier ist beispielsweise auch eine stetige Abnahme der Anpresskraft ohne Schwankungen möglich, was sich günstig auf den Spulenaufbau auswirkt.
Aus der EP 0 770 030 B1 ist eine Spulmaschine zum Aufwickeln eines kontinuierlich zulaufenden Fadens auf eine Spule bekannt. Es handelt sich jedoch um ein diskontinuierliches Verfahren, bei dem der Motor, der den Drehteller mit den zwei Spulspindeln antreibt, jeweils abwechselnd in Gang gesetzt und wieder stillgesetzt wird. Die Spulmaschine weist neben dem angetriebenen Drehteller mit den beiden ebenfalls angetriebenen Spulspindeln eine Verlegeeinrichtung und auch eine der jeweils im Betrieb befindlichen Spulspindeln vorgeschaltete Kontaktwalze auf, die in ständigem Kontakt mit der Spule gehalten wird. Es ist ein Sensor zum Messen der Drehgeschwindigkeit der Spule vorgesehen. Ein Rechner dient zum Berechnen des momentanen Durchmessers DS der Spule aus dem vom Sensor übermittelten Signal und zum Ermitteln der zu dem Durchmesser DS gehörenden Winkelstellung αsoll des Drehtellers nach einer hinterlegten Tabelle oder durch Anwendung einer entsprechenden Berechnungsformel. Es wird ein vom Rechner gebildetes, der Sollwinkelstellung αsoll entsprechendes Signal in das Steuergerät für den Drehantrieb des Motors des Drehtellers übertragen und genutzt. Als Stellgröße wird der Solldrehwinkel αsoll benutzt, der zu dem jeweils aktuellen Spulendurchmesser DS gehört. Das Steuergerät erteilt dem Motor für den Drehantrieb des Drehtellers die Anweisung, sich so zu drehen, bis der Solldrehwinkel αsoll erreicht ist. Für die Erfüllung der Aufgabe eines stetigen und/oder steuerbaren Anpressdruckverlaufs ist die Verwendung der Sollwinkelstellung αsoll als Stellgröße für den Antrieb des Drehtellers ungeeignet. Dies ergibt sich anhand der Fig. 11 und 12 der EP 0 770 030 B1. Dort ist erkennbar, dass zunächst der Motor für den Drehteller solange ausgeschaltet bleibt, bis der Spulendurchmesser um einen solchen Betrag gewachsen ist, dass überhaupt ein Solldrehwinkel ermittelt werden kann. Dieser Solldrehwinkel αsoll wird dann in Form eines Signals als Stellgröße genutzt, welches mit Hilfe eines Steuergeräts auf den Motor zur Einwirkung gebracht wird. Dabei wird dann der Motor erstmals eingeschaltet, so dass sich der Drehteller dreht, bis dieser Solldrehwinkel erreicht ist. In der Zwischenzeit ist aber infolge des kontinuierlichen Aufwickelns des Fadens die Spule schon weiter gewachsen, so dass der erreichte Istdrehwinkel bereits nicht mehr dem eigentlich erforderlichen Solldrehwinkel entspricht. Hieraus folgt, dass der Istdrehwinkel des Drehtellers zeitlich immer hinter dem realen Spulenaufbau zurückliegt. Fig. 12 lässt erkennen, dass der Verlauf des Istdrehwinkels treppenförmig ist. Folglich hat auch der Anpressdruckverlauf der Kontaktwalze auf die sich bildende Spule einen treppenförmigen unstetigen Verlauf. Die Steigung der Geraden stellt die Winkelgeschwindigkeit Omega des Drehtellers dar. Es gibt nur eine Winkelgeschwindigkeit des Drehtellers. Der Motor kann entweder ausgeschaltet sein oder mit dieser einen vorgesehenen Winkelgeschwindigkeit drehen. Die Steigung ist also konstant. Sie muss infolge der diskontinuierlichen Arbeitsweise so gewählt werden, dass immer Schaltvorgänge möglich bleiben, der Motor des Drehantriebs also abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden kann. Eine kontinuierliche Drehung des Motors und damit des Drehtellers ist dort weder möglich noch sinnvoll. Würde man die diskontinuierliche Weiterdrehung des Drehtellers verlassen und den Drehteller kontinuierlich drehen lassen, wie dies die gattungsgemäße Spulmaschine nach der DE 195 38 480 C2 zeigt, so würde die Gerade vom ersten Einschaltpunkt des Motors nach Unendlich verlaufen. Spätestens ab dem Kreuzungspunkt zwischen der Geraden der realen Winkelstellung und der idealen Kurve eines idealen Verlaufs des Drehwinkels beispielsweise über der Zeit gemäß Fig. 11 würde sich der Drehteller schneller als der Spulenzuwachs drehen. Es würde sich dann ein immer größer werdender Luftspalt zwischen Spule und Kontaktwalze bilden. Um dies zu verhindern, könnte die Steigung der Geraden flacher gewählt werden, also die Geschwindigkeit, mit der der Drehteller abschnittweise gedreht wird, verringert werden. Im ungünstigsten Fall erreicht der Motor nicht mehr die Solldrehwinkel. Der Drehteller würde in seinen diskontinuierlichen Antriebsphasen stets langsamer Drehen als der Spulenzuwachs. Die Folge davon wäre, dass sich die Kontaktwalze immer stärker in die Spule eindrücken würde. Wenn dieser Fehler eingetreten ist, also eine zu geringe Drehgeschwindigkeit des Motors für den Drehantrieb gewählt wurde, kann dieser Fehler innerhalb der Spulreise nicht mehr korrigiert werden. Man müsste also grundsätzlich eine zu hohe Geschwindigkeit für die Drehphasen des Drehtellers wählen, gelangt aber dabei wiederum zu der Konsequenz, dass immer Ein- und Ausschaltvorgänge des Motors möglich bleiben müssen. Ändert man einen Parameter, der die Kurve des Durchmesserzuwachses der Spule mitbestimmt, z. B. die Fadenstärke oder die Spulgeschwindigkeit, so verschiebt sich die Kurve DS = f(t, v, Titer) nach oben oder unten. Die bekannte Spulmaschine ist in ihrem Regelverhalten für den Drehwinkel des Drehtellers von solchen Veränderungen abhängig, da die gewählte Stellgröße der Sollwinkelstellung αsoll direkt von dem realen zeitlichen Verlauf des Durchmesserzuwachses der Spule abhängt.
Eine Spulmaschine anderer Art, die auf einer Beweglichkeit der Kontaktwalze relativ zum Umfang der sich bildenden Spule aufbaut, ist aus der EP 0 374 536 B1 bekannt. Die dabei eingesetzte Kontaktwalze ist auf einer Schwinge schwenkbar oder in einer Geradführung geradlinig verschiebbar gelagert. Es ist ein Sensor vorgesehen, der die Bewegung der Kontaktwalze relativ zu der Oberfläche der sich auf der in Betrieb befindlichen Spulspindel bildenden Spule erfasst. Der Sensor gehört zu einer Steuereinrichtung und arbeitet als Zweipunkt-Steuerglied. Wird die Kontaktwalze von dem sich beim Spulvorgang vergrößernden Durchmesser der Spule bei stillstehender Achse des Drehtellers über das am Sensor eingestellte Maß bewegt, dann wird ein Steuerimpuls auf den Drehantrieb des Drehtellers gegeben und der Drehteller gedreht, so dass die Bewegungsrichtung der Kontaktwalze umgekehrt wird und diese den eingestellten Auslösepunkt an dem Steuerglied wieder unterschreitet. Dann wird der Antrieb des Drehtellers stillgesetzt. Der Drehteller wird also in kleinen Schritten mit jeweils konstanter Winkelgeschwindigkeit angetrieben. Obwohl die bewegte Kontaktwalze nur einen relativ geringen Weg zurücklegt, beispielsweise 2 mm, ist diese Bewegung dennoch notwendige Voraussetzung für die Steuerung des Drehantriebes des Drehtellers. Durch die Bewegung der Kontaktwalze und die dadurch ausgelöste Steuerung des Drehtellers entstehen zwischen der Kontaktwalze und dem Umfang der Spule nicht nur unterschiedliche Anpresskräfte, sondern diese Anpresskräfte zeigen auch einen unstetigen Verlauf. Durch die Verschiebung der Berührungslinie zwischen Kontaktwalze und dem Umfang der sich bildenden Spule wird die Verlegegenauigkeit nachteilig beeinflusst. Weiterhin ist nachteilig, dass die Schalthäufigkeit dieser Steuereinrichtung mit dem Sensor über der Spulreise abnimmt. Der Schaltweg des Sensors bleibt dagegen konstant. Durch das Auswandern der Spule bei sich drehendem Drehteller und durch den zunehmend langsamer wachsenden Spulendurchmesser nimmt die Anzahl der Nachsteuerschritte pro Zeiteinheit ab, d. h. der Wechsel in der Anpresskraft über die Kontaktwalze verlangsamt sich. Weiterhin ist nachteilig, dass zur Steuerung eine separate aufwendige Steuereinrichtung erforderlich ist.
Aus der DE 39 11 854 A1 ist eine Auflagedruck-Steuervorrichtung für eine Spulmaschine bekannt, bei der der jeweils aktuelle Spulendurchmesser DS aus der Formel nS x DS = nK x DK ermittelt wird, indem die Drehzahlen der Kontaktwalze nK und der Spule nS gemessen werden und der Durchmesser der Kontaktwalze DK ohnehin bekannt ist. Der Auflagedruck der Kontaktwalze an der Spule wird in Abhängigkeit von dem jeweiligen aktuellen Spulendurchmesser gesteuert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spulmaschine der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, bei der der Verlauf des Istdrehwinkels αist des Drehtellers möglichst nahe an der Idealkurve des Drehwinkelverlauf liegt und die somit einen stetigen und/oder steuerbaren Anpressdruckverlauf der Kontaktwalze an der sich bildenden Spule ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird dies bei einer Spulmaschine der eingangs beschriebenen Art dadurch erreicht, dass die Recheneinheit zur Berechnung einer jeweils aktuellen Winkeldifferenz Δα zwischen dem jeweils aktuellen Solldrehwinkel αsoll und dem jeweils aktuellen Istdrehwinkel αist des Motors des Drehtellers an festgelegten Stützpunkten über die Spulreise ausgebildet ist, und dass die Regeleinrichtung zur Ansteuerung des Motors des Drehtellers an den festgelegten Stützpunkten mit den den jeweils aktuellen Winkeldifferenzen Δα entsprechenden Signalen als Stellgrößen ausgebildet ist.
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, anstelle der Verwendung eines dem Solldrehwinkel αsoll entsprechenden Signals als Stellgröße eine Winkeldifferenz Δα zwischen dem jeweils aktuellen Solldrehwinkel αsoll und dem jeweils aktuellen Istdrehwinkel αist zu nutzen. Diese unterschiedlichen jeweils aktuellen Winkeldifferenzen werden an festgelegten Stützpunkten über die Spulreise ermittelt und über die Regeleinrichtung zur fortlaufenden Ansteuerung des Motors des Drehtellers genutzt. Der Motor des Drehtellers übt über die Spulreise ohne Unterbrechung einen Antrieb auf den Drehteller aus und dreht infolge der Nutzung der jeweils aktuellen Winkeldifferenz den Drehteller in ununterbrochener Folge abwechselnd schneller bzw. langsamer, als es der Idealkurve des Drehwinkels αsoll entspricht. Zu Beginn einer Spulreise ist der Motor für den Drehteller einmalig ausgeschaltet, wobei der Umfang der Hülse auf der Spulspindel am Umfang der Kontaktwalze anliegt. Zu Beginn des Spulvorgangs wird der Faden auf der Hülse aufgewickelt, bis der Spulendurchmesser um einen solchen Betrag gewachsen ist, dass überhaupt ein Solldrehwinkel ermittelt werden kann. Mit diesem Solldrehwinkel wird dann eine Stellwinkeldifferenz gebildet und in ein übertragbares Signal umgewandelt, welches dem Steuergerät mitgeteilt wird. Sodann wird der Motor eingeschaltet und angewiesen, diese Stellwinkeldifferenz zu durchfahren, bevor der nächste Regelzyklus erfolgt. Da in der Zwischenzeit die Spule bereits wieder angewachsen ist, wird noch während der Motor die letzte Stellwinkeldifferenz durchfährt, bereits eine neue Stellwinkeldifferenz vorausberechnet, dem Steuergerät mitgeteilt usw. Dadurch eilt der Verlauf des tatsächlichen Istdrehwinkels αist einmal der Idealkurve voraus, einmal liegt er geringfügig zurück. Im Mittelwert befindet sich der tatsächliche Drehwinkelverlauf somit immer auf der Idealkurve. Der Verlauf des Istdrehwinkels ist sinusförmig mit einer abnehmenden Einschwingamplitude. Somit hat auch der Anpressdruck der Kontaktwalze an der Spule diesen gleichmäßigeren Verlauf. Durch die dazwischengeschalteten Berechnungen der Stellwinkeldifferenz wird die Steigung der Sinuskurve und somit die Winkelgeschwindigkeit des Drehtellers variabel und passt sich jeder möglichen Idealkurve an. Der Berechnung der Stellwinkeldifferenz liegt eine mathematische Iteration zugrunde. Dadurch wird eine kontinuierliche Drehung des Drehtellers ohne Unterbrechung möglich. Durch die wechselnden Steigungen ist es nicht möglich, dass sich der Istdrehwinkel des Drehtellers unendlich weit von der Idealkurve entfernen kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass für den Fall, dass man zu Beginn der Spulreise einen völlig falschen Wert für die erste Geschwindigkeit des Motors gewählt hat, dieser Fehler selbstheilend ist. Lediglich die Zeitdauer der Einschwingung auf den Idealzustand dauert dann etwas länger. Ändert man einen Parameter, der die Kurve des Durchmesserzuwachses mitbestimmt, z. B. die Fadenstärke oder die Spulgeschwindigkeit, so verschiebt sich die Kurve DS = f (t, v, Titer) nach oben oder unten. Die neue Spulmaschine ist in ihrem Regelverhalten für den Drehwinkel des Drehtellers von solchen Veränderungen unabhängig, da das gewählte Signal der Stellgröße der Winkeldifferenz Δαstell nicht von dem realen zeitlichen Verlauf des Durchmesserzuwachses abhängt.
Es gibt also bei der neuen Spulmaschine eine Recheneinheit, je einen Sensor zur Ermittlung der Drehzahl der Kontaktwalze nK und einen Sensor zur Ermittlung der Drehzahl der Spule nS, weiterhin ein Regel- oder Steuergerät und einen Motor für den Drehteller, wobei der Motor gleichzeitig ein Istsignal für den tatsächlichen Drehwinkel αist des Drehtellers liefert. Unter Zuhilfenahme der Drehzahlen nK und nS wird in der Recheneinheit der aktuelle Spulendurchmesser DS errechnet. Immer dann, wenn der Durchmesser der Spule um einen vorbestimmten Betrag, z . B. 0,1 mm, angewachsen ist, wird durch Anwendung der Formel aus dem Cosinussatz a2 = b2 + c2 - 2 . b . c . cosα, oder durch Umstellung und Auflösung nach α: α = arc cos ((b2 + c2 - a2) / (2 . b . c)) oder durch Vergleich mit einer fest hinterlegten Wertetabelle der Solldrehwinkel αsoll des Drehtellers ermittelt, welcher zu dem aktuellen Spulendurchmesser DS gehört.
Aus diesem Solldrehwinkel αsoll und dem vom Motor gelieferten Istdrehwinkel αist wird die Winkeldifferenz Δα = αsoll - αist errechnet. Da der Spulendurchmesser im Verlauf der Zeit immer langsamer anwächst, werden die zeitlichen Abstände zwischen zwei aufeinander folgenden Bildungen der Winkeldifferenz Δα immer größer. Für die Erfüllung der Aufgabe eines stetigen und/oder steuerbaren Anpressdrucksverlaufs ist daher die Verwendung der Winkeldifferenz Δα als Stellgröße für den Antrieb des Drehtellers geeignet, etwa im Gegensatz zu der Verwendung der Winkelstellung αsoll als Stellgröße. Es wird also die Winkeldifferenz und nicht die Winkelstellung als Stellgröße benutzt. Die Winkeldifferenz Δα wird an sogenannten Stützpunkten jeweils aktuell neu gebildet, nämlich immer dann, wenn der Durchmesserzuwachs z. B. 0,1 mm beträgt. Es wird dann überprüft, ob der Istdrehwinkel αist noch dem Idealverlauf der Kurve α = f (t, v, Titer) entspricht. In einem solchen Fall muss also die Bedingung Winkeldifferenz Δα = 0 erfüllt sein.
Die neue Spulmaschine erzeugt in regelmäßig aufeinander folgenden Zeitabständen, z. B. alle 10 msec, als Stellgröße eine Winkeldifferenz, die nicht dem Solldrehwinkel entspricht und deshalb von dem zeitlichen Verlauf eines vorbestimmten Spulendurchmesserzuwachses, wie er sich z. B. aus einer festen Wertetabelle ergibt, losgelöst ist.
In die Steuerung der Spulmaschine ist eine Regeleinrichtung integriert, welche die Stellgrößenbildung folgendermaßen vornimmt:
Der Regeleinrichtung werden konstante Verstärkungsfaktoren, die der Regelstrecke der Spulmaschine entsprechen, eingegeben. Am Anfang und nur am Anfang der Spulreise ist der Antrieb des Drehtellers ausgeschaltet, bis der Durchmesser der Spule zum ersten Mal um z. B. 0,1 mm angewachsen ist. Zu diesem aktuellen Durchmesser der Spule wird der Solldrehwinkel αsoll ermittelt. Aus diesem Solldrehwinkel und dem kontinuierlich zurückgelieferten Istdrehwinkel wird die Winkeldifferenz Δα errechnet. Mit diesen Werten wird erstmalig eine Berechnung der Stellgröße nach folgender Formel durchgeführt: Stellgröße = Δα . Verstärkungsfaktoren.
Diese Stellgröße ist eine Winkeldifferenz, welche aber nicht dem Solldrehwinkel αsoll entspricht und die deshalb zur besseren Unterscheidung als Stellwinkeldifferenz Δαstell bezeichnet wird. Der Steuer- oder Regeleinrichtung wird diese Stellwinkeldifferenz Δαstell übermittelt und sodann dem Motor die Anweisung erteilt, diese Stellwinkeldifferenz zu durchfahren.
Parallel dazu wurde eine Zeitmessung gestartet, welche ermittelt, wie viel Zeit die Spule für einen Durchmesserzuwachs von z. B. 0,1 mm benötigt. ΔT = T(DS + 0,1 mm) - T(DS)
Damit kann errechnet werden, mit welcher Winkelgeschwindigkeit Omega = Δα : ΔT sich der Drehteller hätte drehen müssen, um den Solldrehwinkel αsoll zu erreichen. In allen folgenden Regelzyklen wird diese Zeitdifferenz berücksichtigt.
Bereits während der Drehung des Drehtellers über den Motor in Richtung auf das Erreichen bzw. Beseitigen dieser Stellwinkeldifferenz Δαstell wird eine neue Stellgröße für den nächsten Regelzyklus folgendermaßen berechnet: Stellgröße(neu) = Stellgröße(alt) + (Δα . Verstärkungsfaktoren . ΔT)
Diese neue Stellgröße wird wiederum der Steuer- oder Regeleinrichtung übermittelt und löst somit die Stellgröße aus dem vorangehenden Regelzyklus ab, und zwar ohne dass der Motor für den Drehantrieb abgeschaltet oder gar stillgesetzt wird.
Dieser Vorgang wird in zeitlich konstanten Abständen, z. B. alle 10 msec, wiederholt, wobei immer dann, wenn der Durchmesser der Spule z. B. um weitere 0,1 mm angewachsen ist, der Solldrehwinkel αsoll(alt) durch einen neuen Solldrehwinkel αsoll(neu) und die Zeitdifferenz ΔT(alt) durch eine neugemessene Zeitdifferenz ΔT(neu) abgelöst wird.
Es ergibt sich damit eine ununterbrochene Drehung des Drehtellers über die Spulreise entsprechend der Folge der Stellgrößen, deren wesentlicher Einflussfaktor die beschriebene Winkeldifferenz Δα ist.
Aus diesen Ausführungen ist erkennbar, dass die Recheneinheit zur Generierung der Folge von Stellgrößen als Signale, die den jeweils aktuellen Winkeldifferenzen Δα entsprechen, multipliziert mit Verstärkungsfaktoren, ausgebildet ist. Die Recheneinheit ist auch zur Ermittlung jeweils aktueller Zeitdifferenzen ΔT zwischen den festgelegten Stützpunkten zeitlich parallel zu der Bildung der den jeweils aktuellen Winkeldifferenzen Δα entsprechenden Signalen ausgebildet.
Damit ergibt sich in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, dass die Kontaktwalze relativ zur Achse des Drehtellers ortsfest gelagert ist. Für die Steuerung ist weder eine örtliche Bewegung der Kontaktwalze erforderlich, noch wird hieraus ein Signal abgeleitet.
Es ist aber auch möglich, dass die Kontaktwalze relativ zu der Achse des Drehtellers und damit zu der jeweiligen Spulspindel ausweichbar gelagert ist und dass eine Einrichtung zur Steuerung einer konstanten oder gesteuert veränderlichen Anpresskraft der Kontaktwalze auf die in Betrieb befindliche Spulspindel vorgesehen ist. Damit ist jegliche Freiheit für den Verlauf der Anpresskraft der Kontaktwalze auf die Spule über die Spulreise gegeben.
Die Recheneinheit kann zur Generierung einer Folge von Stellgrößen entsprechend den Stützpunkten mit einem Wiederholtakt von etwa 10 msec ausgebildet sein. Solche Zeitintervalle sind ohne weiteres beherrschbar, so dass sich ein recht guter Verlauf des Istdrehwinkels entsprechend dem Idealdrehwinkel ergibt.
Das Verfahren zum Aufwickeln eines kontinuierlich zulaufenden Fadens auf eine Spule einer Spulmaschine kennzeichnet sich erfindungsgemäß dadurch, dass an festgelegten Stützpunkten über die Spulreise der jeweils aktuelle Istdrehwinkel αist des Motors des Drehtellers ermittelt und unter Anwendung einer Formel betreffend die geometrischen Beziehungen der Spulmaschine oder durch Vergleich mit einer hinterlegten Wertetabelle der jeweils aktuelle Solldrehwinkel αsoll des Motors des Drehtellers, der zu dem jeweils aktuellen Durchmesser DS der Spule gehört, ermittelt wird, an den festgelegten Stützpunkten eine jeweils aktuelle Winkeldifferenz Δα zwischen dem jeweils aktuellen Solldrehwinkel αsoll und dem jeweils aktuellen Istdrehwinkel αist des Motors des Drehtellers gebildet wird, und der Motor des Drehtellers an den festgelegten Stützpunkten mit den den jeweils aktuellen Winkeldifferenzen Δα entsprechenden Signalen als Stellgrößen angesteuert wird.
In verfahrensmäßiger Hinsicht geht die Erfindung von der Vorstellung aus, das abwechselnde Drehen und Stillsetzen des Drehtellers, wie es im Stand der Technik auch bekannt ist, zu vermeiden und mit einem ununterbrochenen kontinuierlichen Drehvorgang des Drehtellers zu arbeiten. Dabei kommen sich ändernde aktuelle Winkeldifferenzen Δα zwischen dem jeweils aktuellen Solldrehwinkel αsoll und dem jeweils aktuellen Istdrehwinkel αist des Motors des Drehtellers nacheinander zur Anwendung, d. h. aus einer Winkeldifferenz heraus wird der Drehantrieb des Drehtellers mit einer zweiten anderen Winkeldifferenz an- bzw. umgesteuert, so dass auf jeden Fall der Drehteller eine ununterbrochene Bewegung ausführt. Im allgemeinen nehmen die benutzten aktuellen Winkeldifferenzen im Laufe einer Spulreise schnell ab.
Als Stellgrößen sollten die den jeweils aktuellen Winkeldifferenzen Δα entsprechenden Signale, multipliziert mit Verstärkungsfaktoren, eingesetzt werden. Damit erfolgt eine Anpassung an die geometrischen Bedingungen der Spulmaschine.
Zeitlich parallel zu der Bildung der den jeweils aktuellen Winkeldifferenzen Δα entsprechenden Signalen werden jeweils aktuelle Zeitdifferenzen ΔT zwischen den festgelegten Stützpunkten ermittelt, die in der Folge der Stellgrößen berücksichtigt werden.
Es können vorteilhaft Rechenzyklen Verwendung finden, die in über die Spulreise konstanten Zeitabständen, beispielsweise insbesondere in 10 msec, wiederholt werden. Die Wiederholung der Rechenzyklen in solch kurzen zeitlichen Abständen ist durchaus möglich. Es ist aber nicht schädlich, wenn die Anzahl der Rechenzyklen verkleinert und die zeitlichen Abstände vergrößert werden, da der Antrieb des Drehtellers ohnehin eine Vielzahl mechanischer Elemente enthält, die sich als vergleichsweise träge erweisen. Es ist auch möglich, unterschiedliche Anzahlen von Rechenzyklen einerseits und Regelzyklen andererseits anzuwenden, Mittelwerte zu bilden oder dergleichen. Im allgemeinen ist dies jedoch nicht erforderlich.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen weiter beschrieben und verdeutlicht. Es zeigen:
Fig. 1
ein Diagramm des Durchmesserzuwachses der Spule in Abhängigkeit der Zeit, Geschwindigkeit und Fadenstärke sowie den Verlauf des Drehwinkels α im idealen Fall,
Fig. 2
die schematische Verdeutlichung der wesentlichen Elemente der Spulmaschine mit ihren geometrischen Kenndaten,
Fig. 3
ein Diagramm des Verlaufs des Drehwinkels α in Abhängigkeit der Zeit, Geschwindigkeit und Fadenstärke nach dem Stand der Technik und relativ zur Ideallinie, in 100-facher Vergrößerung,
Fig. 4
ein Diagramm des Verlaufs des Drehwinkels α in Abhängigkeit der Zeit, Geschwindigkeit und Fadenstärke nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und relativ zur Ideallinie, in 100-facher Vergrößerung,
Fig. 5
den Verlauf der Winkelgeschwindigkeit Omega, des Drehwinkels α und des Anpressdruckes über eine Spulreise, also dem Durchmesser der Spule nach dem Stand der Technik, und
Fig. 6
den Verlauf der Winkelgeschwindigkeit Omega, des Drehwinkels α und des Anpressdruckes über eine Spulreise, also dem Durchmesser der Spule bei der erfindungsgemäßen Spulmaschine.
In Fig. 1 ist der Verlauf des Durchmessers der Spule dargestellt. Der kontinuierlich zugelieferte Faden wird auf eine Hülse aufgewickelt, die einen entsprechenden Außendurchmesser besitzt, auf dem die Spulenbildung des Fadens durch Aufwickeln erfolgt. In Abhängigkeit der Zeit t, der Geschwindigkeit v und der Fadenstärke (Titer) wird sich der Durchmesser entsprechend der in durchgezogener Linienführung dargestellten Kurve vergrößern. Hierzu gehört ein Verlauf des Drehwinkels α, der in gestrichelter Linienführung verdeutlicht ist. Diese gestrichelte Kurve stellt die Ideallinie dar, also den ideal anzustrebenden Verlauf der Veränderung des Drehwinkels des Drehtellers über die Zeit, Geschwindigkeit und Fadenstärke. Diese Grundlagen der Spultechnik sind dem Fachmann bekannt.
In Fig. 2 sind die wesentlichen Elemente einer Spulmaschine angedeutet sowie deren geometrische Größen verdeutlicht. Die Spulmaschine besitzt einen Drehteller 1, auf dessen effektiven Durchmesser EDD zwei Spulspindeln 2, 3 drehbar gelagert sind.
Dem Drehteller 1 ist ein nicht dargestellter Motor zugeordnet, mit dessen Hilfe der Drehteller 1 in Drehbewegung versetzt wird. Jede Spulspindel 2, 3 verfügt über einen weiteren Antrieb oder ist mit einem solchen Antrieb kuppelbar, über den die jeweilige Spulspindel 2 oder 3 über die Spulreise angetrieben wird. Die Spulmaschine weist eine Kontaktwalze 4 auf, die einen konstanten Kontaktwalzendurchmesser DK besitzt. Über diese Kontaktwalze 4 wird der nicht dargestellte Faden auf einer Leerhülse der in Arbeit befindlichen Spulspindel 2 aufgewickelt. Dabei bildet sich auf der Leerhülse der Spulspindel 2 eine Spule 5, deren Durchmesser sich über die Spulreise fortlaufend vergrößert. Es ist ein aktueller Spulendurchmesser DS in gestrichelter Linienführung angedeutet. Der Mittelpunkt dieser Spule 5 bzw. die Achse der Spulspindel 2 verlagert sich während der Spulreise auf dem effektiven Durchmesser des Drehtellers 1, indem die Spulspindel 2 der z. B. ortsfest drehbar gelagerten Kontaktwalze 4 ausweicht. Das Ausweichen geschieht so, dass der Kontakt zwischen dem Umfang der Spule und dem Umfang der Kontaktwalze immer erhalten bleibt. Während dieses Ausweichvorgangs wird die in Betriebsstellung befindliche Spulspindel 2 mit der sich bildenden Spule 5 durch Drehung des Drehtellers um den Drehwinkel α verdreht. Auch dieser grundsätzliche Aufbau einer Spulmaschine ist im Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der DE 195 38 470 C2 oder auch der EP 0 770 030 B1
Der jeweils aktuelle Spulendurchmesser DS der sich auf der Spulspindel 2 bildenden Spule 5 lässt sich wie folgt herleiten:
Um überhaupt einen Faden aufspulen zu können, ist es unabdingbare Voraussetzung, zu wissen, mit welcher Geschwindigkeit der Faden der Spule bzw. der Spulmaschine zugeführt wird. Diese Geschwindigkeit ist während der Spulenbildung (Spulreise) konstant. Es gilt daher: VFaden = bekannt und gleichzeitig: VFaden = const.
Sowohl die Kontaktwalze als auch die Spule sind zylindrische Körper, die einer gleichförmigen Kreisbewegung unterliegen. Für die gleichförmige Kreisbewegung gilt die Grundgleichung: V = ¶ . 2r . n oder in anderer Schreibweise: V = ¶ . D . n
Hierin sind:
  • V = Umfangsgeschwindigkeit des Körpers
  • ¶ = mathematische Konstante (3, 14 ...)
  • r = Radius des Körpers
  • n = Drehzahl des Körpers
  • D = Durchmesser des Körpers
    • Übertragen auf die Spulenbildung lauten die Grundgleichungen für die Geschwindigkeiten: VK = ¶ . DK . nK VS = ¶ . DS . nS
    Hierin bedeuten die Indizes: K = Kontaktwalze; S = Spule.
    Eine Relativbewegung zwischen dem Faden und der Kontaktwalzenoberfläche bzw. der Spulenoberfläche hätte einen Schlupf und damit verbundene Reibung zur Folge, welche Fadenbeschädigungen oder sogar Fadenbrüche verursachen würde. Es ist daher unbedingt erforderlich, dass die Umfangsgeschwindigkeiten sowohl der Kontaktwalze als auch der Spule exakt der Zuliefergeschwindigkeit des Fadens entsprechen. Also gilt: VK = VFaden = const. oder durch Einsetzen von Gleichung 2: . DK . nK = VFaden = const. und gleichzeitig: VS = VFaden = const. oder durch Einsetzen von Gleichung 3: . DS . nS = VFaden = const.
    Es gibt nun zwei Wege, um zu DS zu gelangen.
    1. Weg durch Umstellen von Gleichung 5 nach DS:
    DS = VFaden / (¶ . nS)
    Wie bereits oben erwähnt, ist VFaden = bekannt und ¶ ebenfalls eine bekannte Konstante. Man muss also nur noch die Drehzahl nS mittels eines geeigneten Sensors ermitteln und VFaden in die Steuerung eingeben, um dann DS nach Gleichung 6 zu errechnen.
    2. Weg durch Gleichsetzen von Gleichung 4 und Gleichung 5:
    . DK . nK = ¶ . DS . nS und Umstellung nach DS: DS = DK . (nK / nS)
    Der Durchmesser der Kontaktwalze DK ist eine durch die Maschinengeometrie bekannte konstante Größe.
    Man muss also nur noch die Drehzahlen nK und nS mittels geeigneter Sensoren ermitteln und DK in die Steuerung eingeben, um dann DS nach Gleichung 7 zu errechnen.
    Damit ist die Ermittlung des jeweils aktuellen Spulendurchmessers DS auf einfache Weise möglich, wenn man zu dem konstanten Kontaktwalzendurchmesser noch die unbekannten Drehzahlen der Spule 5 und der Kontaktwalze 4 ermittelt und die oben angegebene Formel anwendet.
    Die Ermittlung des Drehwinkels α für den Drehteller 1 gestaltet sich unter Bezugnahme auf Fig. 2 wie folgt:
    In der beiliegenden Darstellung gemäß Fig. 2 sind alle Größen enthalten, die bei der folgenden Herleitung von Bedeutung sind.
    Der Drehteller trägt zwei Spulspindeln, auf denen jeweils abwechselnd Spulen gewickelt werden. Diese Spindeln haben einen konstanten Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt, der bei der Maschinenkonstruktion als geometrische Größe festgelegt wurde und somit bekannt ist. Verbindet man die Mittelpunkte der Spindeln mit einer Geraden, die durch den Mittelpunkt des Drehtellers verläuft, so kann man den Abstand auch als effektiven Durchmesser des Drehtellers bezeichnen.
    Der Durchmesser der Kontaktwalze ist ebenfalls eine konstante geometrische Größe, die bei der Maschinenkonstruktion festgelegt wurde und somit bekannt.
    Der Durchmesser der Spule ist eine variable Größe, die, beginnend ab dem Außendurchmesser der Leerhülse, kontinuierlich anwächst, wobei der Außendurchmesser der Leerhülse bekannt ist. Die Ermittlung des jeweils aktuellen Spulendurchmessers wurde bereits erläutert. Man kann also für die weiteren Überlegungen auch diese Größe als bekannt voraussetzen.
    Zur Lösung der Aufgabe, den Drehwinkelzuwachs exakt dem Durchmesserzuwachs der Spule anzupassen, ist es unbedingt erforderlich, den jeweiligen Drehwinkel genau zu ermitteln. Man muss sich also zunächst fragen, ob genügend bekannte Informationen vorhanden sind, um daraus eine bekannte Größe abzuleiten.
    Der gesuchte Winkel wird aufgespannt zwischen zwei Schenkeln, die vom Mittelpunkt des Drehtellers zum Mittelpunkt der Kontaktwalze bzw. vom Mittelpunkt des Drehtellers zum Mittelpunkt der Spule verlaufen. Verbindet man die jeweiligen Endpunkte dieser Schenkel miteinander, so gelangt man zu einem schiefwinkligen Dreieck mit den Seitenlängen a, b und c.
    Dabei entspricht die Seitenlänge a dem halben Kontaktwalzendurchmesser plus dem halben Spulendurchmesser a = DK/2 + DS/2
    Die Seitenlänge b ergibt sich aus dem halben effektiven Durchmesser des Drehtellers plus dem halben Außendurchmesser der Leerhülse plus dem halben Kontaktwalzendurchmesser b = EDD/2 + ADL/2 + DK/2
    Die Seitenlänge c entspricht genau dem halben effektiven Durchmesser des Drehtellers c = EDD/2
    Die Antwort auf o.g. Frage findet sich in jedem Mathematikbuch in den Kapiteln zur Geometrie ebener Flächen. Der dort nachzulesende Cosinussatz gilt für jedes schiefwinklige Dreieck und beschreibt, dass bei drei bekannten Seitenlängen oder zwei bekannten Seitenlängen und dem eingeschlossenen Winkel jede übrige unbekannte Dreiecksgröße, also jede fehlende Seite oder jeder fehlende Winkel, berechnet werden kann.
    Mit den Bezeichnungen der Fig. 2 lautet der Cosinussatz: a2 = b2 + c2 - 2.b.c.cosα woraus durch Umstellung nach α die Formel entsteht: α = arc cos (,(b2 + c2 - a2) / (2.b.c))
    Damit ist die Ermittlung des aktuellen Drehwinkels auf einfache Weise möglich, wenn man eine bekannte geometrische Grundgleichung auf die gegebenen Verhältnisse in einer Spulmaschine projiziert und sich die Kenntnis der jeweiligen Seitenlängen verschafft.
    Der wesentliche Unterschied der vorliegenden Erfindung soll nachfolgend nochmals durch den Vergleich der Fig. 3 und 4 verdeutlicht werden. Fig. 3 zeigt ebenso wie Fig. 4 in gestrichelter Linienführung den Idealverlauf des Drehwinkels α über der Zeit t, der Geschwindigkeit v und der Fadenstärke (Titer). Fig. 3 verdeutlicht in durchgezogener Linienführung die diskontinuierliche Arbeitsweise gemäß EP 0 770 030 B1 unter Benutzung eines Solldrehwinkels αsoll als Stellgröße für den Antrieb des Drehtellers. Fig. 4 verdeutlicht die kontinuierliche Arbeitsweise, also das ununterbrochene Drehen des Drehtellers über die Spulreise unter Nutzung der Winkeldifferenz Δα als Stellgröße. Die Fig. 3 und 4 sind in jeweils 100-facher Vergrößerung dargestellt und zeigen somit den besonders interessanten Verlauf ganz zu Beginn einer Spulreise.
    Fig. 3 entspricht Fig. 12 der EP 0 770 030 B1. Zunächst ist der Motor für den Drehantrieb des Drehtellers ausgeschaltet, bis der Spulendurchmesser DS um einen solchen Betrag angewachsen ist, dass überhaupt ein Solldrehwinkel ermittelt werden kann. Dieser Solldrehwinkel αsoll wird dann in ein übertragbares Signal umgewandelt, welches dem Steuergerät mitgeteilt wird. Sodann wird der Motor für den Drehantrieb des Drehtellers eingeschaltet, bis der Solldrehwinkel αsoll erreicht ist. Dann wird der Motor ausgeschaltet und der Drehteller stillgesetzt. Währenddessen ist aber der Spulendurchmesser schon weiter gewachsen, so dass der erreichte Istdrehwinkel αist bereits nicht mehr dem eigentlich erforderlichen Solldrehwinkel entspricht. Nachteilig hieran ist, dass der Istdrehwinkel des Drehtellers zeitlich immer hinter dem realen Spulenaufbau zurückliegt. Der Verlauf des Istdrehwinkels ist treppenförmig (vgl. auch Fig. 5). Damit hat auch der Anpressdruck einen treppenförmigen unstetigen Verlauf. Es ergeben sich weitere schon beschriebene Nachteile.
    Fig. 4 verdeutlicht das erfindungsgemäße Verfahren und die Arbeitsweise der neuen Spulmaschine. Zunächst ist auch dort der Motor für den Drehantrieb des Drehtellers ausgeschaltet, wie dies bei jeder Spulmaschine zu Beginn einer Spulreise der Fall ist. Mit Einsetzen des Aufspulvorgangs wächst der Spulendurchmesser um einen solchen Betrag, dass überhaupt ein Solldrehwinkel ermittelt werden kann. Aus dem Solldrehwinkel αsoll und dem jeweils aktuellen tatsächlichen Istdrehwinkel αist wird eine Stellwinkeldifferenz gebildet und in ein übertragbares Signal umgewandelt, welches als Stellgröße dem Steuergerät des Motors für den Drehantrieb des Drehtellers mitgeteilt wird. Die Benutzung dieser Stellwinkeldifferenz hat auch den Vorteil, dass das Vorzeichen dieser Stellwinkeldifferenz Δα von + nach - und umgekehrt wechselt, was bildlich in Fig. 4 darin zum Ausdruck kommt, dass die tatsächliche Verlaufskurve des Drehwinkels αist zeitweise oberhalb und zeitweise unterhalb der gestrichelten Ideallinie liegt. Zu Beginn der Spulreise wird also der Motor für den Drehteller eingeschaltet und angewiesen, diese erste Stellwinkeldifferenz zu durchfahren, bevor der nächste Regelzyklus erfolgt. Da in der Zwischenzeit die Spule bereits weiter angewachsen ist, wird, noch während der Motor die letzte Stellwinkeldifferenz durchfährt, bereits eine neue Stellwinkeldifferenz vorausberechnet, dem Steuergerät mitgeteilt usw. Daraus ergeben sich die vorteilhaften Konsequenzen, die bereits oben beschrieben wurden.
    Die Fig. 5 und 6 verdeutlichen wiederum im Vergleich den Stand der Technik gemäß EP 0 770 030 B1 (Fig. 5) mit dem neuen Verfahren (Fig. 6). Während im Stand der Technik die Winkelgeschwindigkeit des Drehtellers je nach dem Einschalten und Ausschalten des Motors zwischen einem konstanten Wert und dem Wert 0 verändert wird, zeigt Fig. 6, dass der Drehteller mit einer Winkelgeschwindigkeit Omega über die Zeit bzw. den sich bildenden Durchmesser der Spule kontinuierlich gedreht wird, wobei sich die Winkelgeschwindigkeit Omega zwar gemäß dem Erfordernis verändert, aber während der Spulreise niemals den Wert 0 erreicht.
    Hinsichtlich des Verlaufs des Drehwinkels α zeigt der Stand der Technik in Fig. 5 eine Treppenkurve zusammengesetzt aus geraden horizontalen Teilstücken, bei deren Durchlauf der Drehteller stillsteht und einer dazwischengeschalteten Folge von Drehungen mit jeweils gleicher Winkelgeschwindigkeit für die Zeitintervalle, in denen der Drehantrieb des Drehtellers eingeschaltet ist. Es ergeben sich ungleiche Regelzyklen, da diese vom realen Durchmesserzuwachs der Spule abhängig sind.
    Bei der neuen Spulmaschine zeigt der Verlauf des Drehwinkels einen sehr viel gleichmäßigeren Verlauf. Es ergeben sich gleiche Regelzyklen, da diese vom realen Durchmesserzuwachs der Spule unabhängig sind.
    Diese Unterschiede wirken sich auch auf den Verlauf des Anpressdruckes aus, der vergleichsweise sehr viel stetiger und/oder in seinem Verlauf auch steuerbar ist bzw. sein kann.
    BEZUGSZEICHENLISTE
    1 -
    Drehteller
    2 -
    Spulspindel
    3 -
    Spulspindel
    4 -
    Kontaktwalze
    5 -
    Spule

    Claims (10)

    1. Spulmaschine zum Aufwickeln eines kontinuierlich zulaufenden Fadens auf eine Spule (5),
      mit einem während der Spulreise ohne Unterbrechung über einen Motor angetriebenen Drehteller (1), auf dem zwei antreibbare Spulspindeln (2, 3) drehbar gelagert sind,
      mit einer Verlegeeinrichtung,
      mit einer am Umfang der sich in Betrieb befindlichen Spulspindel (2 oder 3) bildenden Spule (5) anliegenden Kontaktwalze (4),
      mit einer Einrichtung zur Ermittlung der Geschwindigkeit des Fadens oder der Drehzahl nK der Kontaktwalze,
      mit einer Einrichtung zur Ermittlung der jeweils aktuellen Drehzahl nS der in Betrieb befindlichen Spulspindel (2),
      mit einer Recheneinheit zur Ermittlung des jeweils aktuellen Solldrehwinkels αsoll des Motors des Drehtellers unter Anwendung einer Formel betreffend die geometrischen Beziehungen der Spulmaschine oder durch Vergleich mit einer hinterlegten Wertetabelle und zur Berechnung des jeweiligen aktuellen Durchmessers DS der sich auf der in Betrieb befindlichen Spulspindel (2 oder 3) bildenden Spule (5),
      und mit einer Regeleinrichtung für die kontinuierliche Drehung des Drehtellers während der Spulreise,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit zur Berechnung einer jeweils aktuellen Winkeldifferenz Δα zwischen dem jeweils aktuellen Solldrehwinkel αsoll und dem jeweils aktuellen Istdrehwinkel αist des Motors des Drehtellers (1) an festgelegten Stützpunkten über die Spulreise ausgebildet ist,
      und dass die Regeleinrichtung zur Ansteuerung des Motors des Drehtellers an den festgelegten Stützpunkten mit den den jeweils aktuellen Winkeldifferenzen Δα entsprechenden Signalen als Stellgrößen ausgebildet ist.
    2. Spulmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit zur Generierung der Folge von Stellgrößen als Signale, die den jeweils aktuellen Winkeldifferenzen Δα entsprechen, multipliziert mit Verstärkungsfaktoren, ausgebildet ist.
    3. Spulmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit zur Ermittlung jeweils aktueller Zeitdifferenzen ΔT zwischen den festgelegten Stützpunkten zeitlich parallel zu der Bildung der den jeweils aktuellen Winkeldifferenzen Δα entsprechenden Signalen ausgebildet ist.
    4. Spulmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktwalze (4) relativ zu der Achse des Drehtellers (1) ortsfest gelagert ist.
    5. Spulmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktwalze (4) relativ zu der Achse des Drehtellers (1) und damit zu der jeweiligen Spulspindel (2 oder 3) ausweichbar gelagert ist, und dass eine Einrichtung zur Steuerung einer konstanten oder gesteuert veränderlichen Anpresskraft der Kontaktwalze (4) auf die in Betrieb befindliche Spulspindel (2 oder 3) vorgesehen ist.
    6. Spulmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit zur Generierung einer Folge von Stellgrößen entsprechend den Stützpunkten mit einem Wiederholtakt von etwa 10 msec ausgebildet ist.
    7. Verfahren zum Aufwickeln eines kontinuierlich zulaufenden Fadens auf eine Spule (5) einer Spulmaschine, bei dem ein Drehteller (1), auf dem zwei antreibbare Spulspindeln (2, 3) drehbar gelagert sind, gegenüber einer Kontaktwalze (4) kontinuierlich mit sich in der Regel ändernden Winkelgeschwindigkeiten unabhängig von einer Bewegung der Kontaktwalze (4) gedreht wird und der Faden mit einer Verlegeeinrichtung über die Kontaktwalze (4) auf die Spule (5) aufgewickelt wird, wobei der Abstand zwischen der Achse der Kontaktwalze (4) und der Achse der in Betrieb befindlichen Spulspindel (2 oder 3) im Sinne einer Vergrößerung entsprechend dem wachsenden Durchmesser der Spule (5) ohne Unterbrechung des Antriebes des Drehtellers (1) verändert wird, und wobei der jeweis aktuelle Durchmesser DS der Spule aus der ermittelten Drehzahl nS der Spulspindel und aus der ermittelten Drehzahl nK der Kontaktwalze oder der ermittelten Zuliefergeschwindigkeit des Fadens berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass an festgelegten Stützpunkten über die Spulreise der jeweils aktuelle Istdrehwinkel αist des Motors des Drehtellers (1) ermittelt und unter Anwendung einer Formel betreffend die geometrischen Beziehungen der Spulmaschine oder durch Vergleich mit einer hinterlegten Wertetabelle der jeweils aktuelle Solldrehwinkel αsoll des Motors des Drehtellers, der zu dem jeweils aktuellen Durchmesser DS der Spule gehört, ermittelt wird, an den festgelegten Stützpunkten eine jeweils aktuelle Winkeldifferenz Δα zwischen dem jeweils aktuellen Solldrehwinkel αsoll und dem jeweils aktuellen Istdrehwinkel αist des Motors des Drehtellers gebildet wird, und der Motor des Drehtellers (1) an den festgelegten Stützpunkten mit den den jeweils aktuellen Winkeldifferenzen Δα entsprechenden Signalen als Stellgrößen angesteuert wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgrößen die den jeweils aktuellen Winkeldifferenzen Δα entsprechenden Signale, multipliziert mit Verstärkungsfaktoren, eingesetzt werden.
    9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich parallel zu der Bildung der den jeweils aktuellen Winkeldifferenzen Δα entsprechenden Signalen jeweils aktuelle Zeitdifferenzen ΔT zwischen den festgelegten Stützpunkten ermittelt werden, die in der Folge der Stellgrößen berücksichtigt werden.
    10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in über die Spulreise konstanten Zeitabständen, insbesondere in etwa 10 msec, festgelegte Stützpunkte Anwendung finden.
    EP03003311A 2002-02-21 2003-02-13 Spulmaschine und Verfahren zum aufwickeln eines kontinuierlich zulaufenden Fadens auf eine Spule Withdrawn EP1338544A3 (de)

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