[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Prozesses zum Wickeln eines
azentrischen Spulenkörpers. Im weiteren Betrifft die Erfindung auch eine nach dem
Verfahren arbeitende Vorrichtung, also zum Beispiel eine Steuerungseinrichtung, die
das Verfahren ausführt, oder eine Drahtwickelmaschine mit einer solchen Vorrichtung.
[0002] Ein Spulenkörper fungiert als Kern der zu erstellenden Wicklung. Die Wicklung ergibt
sich in an sich bekannter Art und Weise aus einer Mehrzahl oder einer Vielzahl von
Wicklungslagen eines elektrisch leitfähigen Drahtes. Bei Spulen, Relais, Magnetschaltern,
Motorwicklungen und dergleichen handelt es sich bei dem Spulenkörper um ein Metallteil,
z.B. ein quaderförmiges Metallteil.
[0003] Als azentrisch werden hier und im Folgenden solche Spulenkörper bezeichnet, bei dem
verschiedene Punkte auf dessen Oberfläche unterschiedliche Abstände zu einem Mittelpunkt
oder einer durch den Mittelpunkt verlaufenden Rotationsachse des Spulenkörpers haben.
Ein Beispiel für einen azentrischen Spulenkörper ist ein quaderförmiger Spulenkörper,
bei dem die äußeren Eckpunkte den größten Abstand zur Rotationsachse aufweisen und
bei dem alle anderen Punkte einen geringeren Abstand aufweisen, bis hin zu einem minimalen
Abstand an einem Punkt auf der Oberfläche des Quaders, der sich mit einer Normalen
einer der Seitenflächen durch den Mittelpunkt ergibt. Ein azentrischer Spulenkörper
ist also quasi das Gegenteil eines Rotationskörpers, z.B. ein Zylinder, bei dem auf
dem Zylindermantel alle Punkte einen gleichen Abstand zumindest zu einer Mittel- oder
Rotationsachse aufweisen.
[0004] Verfahren zur Steuerung eines Prozesses zum Wickeln eines Spulenkörpers und dafür
vorgesehene Drahtwickelmaschinen sind grundsätzlich bekannt. Auch das Bewickeln azentrischer
Spulenkörper ist an sich bekannt.
[0005] Eine wichtige Voraussetzung zum Erreichen eines qualitativ guten Wickelprozessablaufs
ist die Konstanthaltung einer beim Wickelprozess auf den Draht wirkenden Zugkraft.
Bei azentrischen Spulenkörpern, also zum Beispiel bei Motorenwicklungen mit quaderförmigen
Spulenkörpergeometrien, ergeben sich jedoch hohe Zugkraftsprünge und Zugkraftschwankungen
während eines Wickelzyklus. Solche Zugkraftsprünge können zu einer Beschädigung des
gewickelten Drahtes oder gar zu einem Abrei-βen des Drahtes führen. Auch wenn der
Draht aufgrund von Zugkraftschwankungen eine unerwünschte Längendehnung erfährt und
dies bei der gewickelten Spule zu einer Inhomogenität des erzeugten Magnetfelds führt,
ist dies von Nachteil.
[0006] Eine Aufgabe der Erfindung besteht entsprechend darin, ein Verfahren zur Steuerung
eines Prozesses zum Wickeln eines azentrischen Spulenkörpers anzugeben, das die oben
genannten Nachteile vermeidet oder zumindest deren Auswirkungen reduziert. Einem speziellen
Aspekt der Erfindung liegt darüber hinaus die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Steuerung eines Prozesses zum Wickeln eines azentrischen Spulenkörpers anzugeben,
bei dem eine Reduktion einer Drehzahl des zu bewickelnden Spulenkörpers vermieden
wird, um eine Ausstoßkapazität einer nach dem Verfahren arbeitenden Anlage nicht zu
beeinträchtigen.
[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu
ist bei einem Verfahren zur Steuerung eines Prozesses zum Wickeln eines azentrischen
Spulenkörpers, bei dem der Spulenkörper mit einem Wickelantrieb in eine Drehbewegung
versetzt wird, bei dem mit einer Drehbewegung des Spulenkörpers ein daran angebrachter
Draht auf den Spulenkörper gewickelt und von einer Trommel, der ein Bremsantrieb zugeordnet
ist, abgezogen wird, eine Ansteuerung, insbesondere eine geregelte Ansteuerung, des
Wickelantriebs und/oder des Bremsantriebs auf Basis einer jeweiligen Rotationslage
des Spulenkörpers vorgesehen.
[0008] Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei azentrischen Spulenkörper aufgrund
von deren Geometrie eine Abzugsgeschwindigkeit von der Trommel, auf welcher der Draht
vorgehalten wird, mit dem die Bewicklung des Spulenkörpers erfolgt, nicht konstant
ist und von einer Rotationslage des Spulenkörpers abhängt. Die Erfindung macht sich
vergleichsweise einfache mathematische Verhältnisse für die Berechnung einer Änderung
der Abzugsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Rotationslage des Spulenkörpers
zunutze.
[0009] Der Vorteil der Erfindung besteht entsprechend darin, dass auf Basis einer Erfassung
der Rotationslage des Spulenkörpers eine Ansteuerung entweder des Wickelantriebs oder
des Bremsantriebs oder beider Antriebe, nämlich Wickelantrieb und Bremsantrieb, zum
Erhalt einer konstanten oder zumindest im Wesentlichen gleichmäßigen Zugkraft auf
den Draht möglich ist.
[0010] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei
verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des
Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht
als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes
für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Da speziell
die Gegenstände der Unteransprüche im Hinblick auf den Stand der Technik am Prioritätstag
eigene und unabhängige Erfindungen bilden können, behält die Anmelderin sich vor,
diese oder noch weitere, bisher nur in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarte
Merkmalskombination zum Gegenstand unabhängiger Ansprüche oder Teilungserklärungen
zu machen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer
näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen,
dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden
ist.
[0011] Für eine besondere Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass, obwohl eine
Geschwindigkeit des Abzugs des Drahtes von der Trommel nicht konstant ist, die Ansteuerung
der Antriebe eine konstante Drehzahl des Wickelantriebs bewirkt. Der Spulenkörper
wird also mit konstanter Drehgeschwindigkeit rotiert und diese Geschwindigkeit ist
bestimmend für die mögliche Anzahl der in einer Zeiteinheit bewickelten Spulenkörper.
Eine konstante Drehzahl führt also zu einer vorhersehbaren Produktionsmenge. Zudem
führt eine konstante Drehzahl des Wickelantriebs im Gegensatz zu einer in Abhängigkeit
etwa von der Rotationslage des Spulenkörpers dynamisch unter den Wert der konstanten
Drehzahl verringerten Drehzahl zu einer Erhöhung der Produktionsmenge.
[0012] Wenn für eine Mehrzahl von Rotationslagen des Spulenkörpers und korrespondierende
Rotationslagen der Trommel ein Bewegungs- oder Geschwindigkeitsprofil der Trommel
ermittelt und als Basis für die Ansteuerung des Bremsantriebs verwendet wird, kann
der Wickelantrieb für eine Rotation mit konstanter Drehzahl angesteuert werden und
eine Dynamik des Drahtabzugs, also die mit der Rotationslage des Spulenkörpers variierende
Abzugsgeschwindigkeit, wird durch eine geeignete Ansteuerung des Bremsantriebs kompensiert.
Zudem ist für das Geschwindigkeitsprofil der Trommel dessen einmalige Ermittlung oder
Berechnung ausreichend. Sobald das Geschwindigkeitsprofil, das im Wesentlichen nur
von der Geometrie des Spulenkörpers abhängt, feststeht, kann es für den laufenden
Wickelvorgang oder für weitere Wickelvorgänge mit Spulenkörpern gleicher Geometrie
verwendet werden. Das Bewegungs- oder Geschwindigkeitsprofil umfasst für eine Mehrzahl
von Rotationslagen des Spulenkörpers und korrespondierende Rotationslagen der Trommel
jeweils Lage-, Bewegungs- oder Geschwindigkeitssollwerte zur Ansteuerung des Bremsantriebs.
Alle denkbaren Profile, also insbesondere Lage-, Bewegungs-, Geschwindigkeits- und
Beschleunigungsprofile, werden hier und im Folgenden ohne Verzicht auf eine weitergehende
Bedeutung als Geschwindigkeitsprofil bezeichnet, was sich auch daraus rechtfertigt,
dass aus einem Geschwindigkeitsprofil ein Beschleunigungsprofil durch Differentiation
und aus einem Geschwindigkeitsprofil ein Lageprofil durch Integration erhältlich ist.
Hinsichtlich der Mehrzahl von Rotationslagen, für die das Geschwindigkeitsprofil ermittelt
wird, kommen zum Beispiel neunzig, einhundert, einhunderundachtzig, dreihundertundsechzig,
siebenhunderundzwanzig, eintausend usw. Rotationslagen in Betracht, die gleichmäßig
auf eine Vollumdrehung verteilt sind. Bei einer vergleichsweise einfachen Situation
mit dreihundertundsechzig betrachteten Werten bezieht sich jede Rotationslage auf
eine dem jeweiligen Wert entsprechende Winkelstellung des Spulenkörpers und das Geschwindigkeitsprofil
für die Trommel umfasst entsprechend für jeden ganzzahligen Winkelwert im Gradmaß
einen Lage- oder Geschwindigkeitssollwert oder dergleichen.
[0013] Für die Berechnung des Geschwindigkeitsprofils der Trommel kommt in Betracht, diesem
einerseits die jeweilige Rotationslage des Spulenkörpers und andererseits einen sich
daraus ergebenden Abstand eines momentanen Tragpunkts oder Anlagepunkts des Drahtes
am Spulenkörper von einer Drehachse des Spulenkörpers zu Grunde zu legen. Dies bildet
die tatsächlichen Verhältnisse mit großer Genauigkeit ab. Zumindest ist die Genauigkeit
größer als dies mit einer Approximation der Geometrie des Spulenkörpers möglich wäre.
Im Betrieb ergeben sich maximale Abzugsgeschwindigkeiten dann, wenn der Abstand zwischen
Tragepunkt und Rotationsachse am größten ist.
[0014] Wenn das Geschwindigkeitsprofil der Trommel einem Regelkreis zur Ansteuerung des
Bremsantriebs als Eingangsgröße oder als Sollwert zugeführt wird, können, anders als
zum Beispiel bei einer direkten Ansteuerung des Bremsantriebs mit dem jeweiligen Geschwindigkeitswert
des Geschwindigkeitsprofils, mit der Regelungsfunktionalität des Regelkreises etwaige
Abweichungen von dem als Sollwert zugeführten jeweiligen Geschwindigkeitswert ausgeglichen
werden.
[0015] Wenn der Regelkreis zur Ansteuerung des Bremsantriebs einen Regler umfasst, der zum
Erhalt einer durch den Bremsantrieb aufgebrachten konstanten Zugkraft auf den Draht
wirksam ist, berücksichtigt der Regelkreis nicht nur die Geschwindigkeitssollwerte
aus dem Geschwindigkeitsprofil, sondern wirkt auch im Hinblick auf eine Stabilisierung
einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zugkraft. Dazu ist eine Momentenrückführung vom
Bremsantrieb vorgesehen, wobei eine Differenz aus einem zurückgeführtem Moment und
einem als vorgegebene Zugkraft zugeführten Kraftsollwert dem Regler als Eingangssignal
zugeführt wird. Im Betrieb bedämpft der vom Regelkreis umfasste Regler zum Erhalt
einer konstanten Zugkraft zudem die jeweils ausgegebene Stellgröße.
[0016] Zur Realisierung des Regelkreises zur Ansteuerung des Bremsantriebs kommen ein PI-Regler,
grundsätzlich aber auch jeder andere Standardregler oder Kombinationen daraus, und
ein Stromregler und als Regler zum Erhalt einer konstanten Zugkraft auf den Draht
ein PI-Regler im Rückführzweig in Betracht. Wenn der Regler zum Erhalt einer konstanten
Zugkraft im Rückführzweig des Regelkreises angeordnet ist, kann der Ausgang dieses
Reglers eine einer Sollwertvorgabe anhand des Geschwindigkeitsprofils nachgeschaltete
Drehzahlvorgabe beeinflussen.
[0017] Zur Realisierung der Ansteuerung zum Erhalt einer konstanten Drehzahl des Wickelantriebs
kommt ein Regelkreis mit einem PI-Regler und einem Stromregler in Betracht. Auch hier
kann anstelle des PI-Reglers grundsätzlich auch jeder andere Standardregler oder Kombinationen
daraus zur Anwendung kommen. Mit der Verwendung einer durch einen Regelkreis realisierten
Regelung, können, anders als zum Beispiel bei einer direkten Ansteuerung des Wickelantriebs
mit der jeweiligen Solldrehzahl, etwaige Abweichungen von der Solldrehzahl ausgeglichen
werden.
[0018] Wenn die Regelung des Wickelantriebs und die Regelung des Bremsantriebs als Lageregelung
ausgeführt sind, kann mit jeder Rotationslage des Spulenkörpers ein zugehöriger Geschwindigkeits-
oder Drehzahlsollwert des Wickelantriebs und des Bremsantriebs assoziiert werden.
[0019] Bei einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine sich aus der nicht
konstanten Geschwindigkeit des Drahtabzugs von der Trommel ergebende Dynamik durch
die Ansteuerung der Antriebe, insbesondere die geregelte Ansteuerung, einerseits auf
den Wickelantrieb und andererseits den Bremsantrieb verteilt wird. Anders als bei
der oben beschriebenen Variante, bei der die Ansteuerung der Antriebe eine konstante
Drehzahl des Wickelantriebs bewirkt, sind jetzt beide Antriebe in die Kompensation
der Dynamik des Drahtabzugs involviert. Eine Möglichkeit einer solchen Aufteilung
auf beide Antriebe besteht in der Modellierung des Spulenkörpers durch abgerundete
Geometrien. Dabei werden Raumpunkte auf der Oberfläche des Spulenkörpers ausgehend
von der Rotationsachse durch eine Abstandsfunktion beschrieben. Diese ist wie jede
andere Funktion durch Fourierzerlegung in Terme erste erster, zweiter und höherer
Ordnung zerlegbar. Terme höherer Ordnung, also hochfrequente Anteile der Modellierung,
werden dabei einem Sollwert für den Bremsantrieb zugeschlagen, während Terme unterhalb
einer vorgegebenen oder vorgebbaren Ordnung zur Berechnung eines Bewegungsprofils
für den Wickelantrieb verwendbar sind, aus dem sich jeweils Drehzahlsollwerte für
den Wickelantrieb ergeben. Mit diesem Bewegungsprofil und dessen Drehzahlsollwerten
ergibt sich pro Zeiteinheit ein konstanter Drahtabzug.
[0020] Die oben genannte Aufgabe wird auch mit einer Steuerungseinrichtung zur Steuerung
eines Prozesses zum Wickeln eines azentrischen Spulenkörpers gelöst, die nach dem
Verfahren wie hier und im Folgenden beschrieben arbeitet und dazu Mittel zur Durchführung
des Verfahrens umfasst. Die Erfindung ist dabei bevorzugt in Software implementiert.
Die Erfindung ist damit einerseits auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer
ausführbaren Programmcodeanweisungen und andererseits ein Speichermedium mit einem
derartigen Computerprogramm sowie schließlich auch eine Steuerungseinrichtung oder
ein Antriebssystem oder eine Drahtwickelmaschine mit einer solchen Steuerungseinrichtung/einem
solchen Antriebssystem, in deren bzw. dessen Speicher als Mittel zur Durchführung
des Verfahrens und seiner Ausgestaltungen ein solches Computerprogramm geladen oder
ladbar ist.
[0021] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren
mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
[0022] Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen.
Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen
möglich, insbesondere solche Varianten und Kombinationen, die zum Beispiel durch Kombination
oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen
Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen
Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf
die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen
Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen,
auch soweit sie Herstell-, Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen.
[0023] Es zeigen
- FIG 1
- eine Prinzipdarstellung einer Drahtwickelmaschine,
- FIG 2
- eine Prinzipdarstellung einer Wicklung eines azentrischen Spulenkörpers,
- FIG 3
- grundlegende Zusammenhänge zur Entwicklung einer Abstandsfunktion als Basis für eine
Ansteuerung der Antriebe der Drahtwickelmaschine in Abhängigkeit von einer Rotationslage
eines azentrischen Spulenkörpers,
- FIG 4
- Blockdiagramme für Strukturen eines Regelkreises zur Ansteuerung der Antriebe der
Drahtwickelmaschine und
- FIG 5
- Blockdiagramme für alternative Strukturen eines Regelkreises zur Ansteuerung der Antriebe
der Drahtwickelmaschine.
[0024] FIG 1 zeigt eine schematisch start vereinfachte Prinzipdarstellung einer insgesamt
mit 10 bezeichneten Drahtwickelmaschine. Diese umfasst in an sich bekannter Art und
Weise eine Steuerungseinrichtung 12 mit einer Verarbeitungseinheit nach Art eines
Mikroprozessors 14 oder dergleichen. Die Verarbeitungseinheit ist im Betrieb der Drahtwickelmaschine
10 zur Ausführung eines in einem Speicher 16 als Computerprogramm mit Computerprogrammanweisungen
vorgehaltenen Steuerungsprogramms 18 vorgesehen. Unter Kontrolle der Steuerungseinrichtung
12 erfolgt durch Ausführen des Steuerungsprogramms 18 eine Ansteuerung zumindest eines
Wickelantriebs 20 und eines Bremsantriebs 22. Der Wickelantrieb 20 und der Bremsantrieb
22 wirkt jeweils auf einen nachfolgenden Motor 24, 26 oder dergleichen. Hier und im
Folgenden wird auch die Kombination aus Antrieb und nachfolgendem Motor zusammenfassend
als Antrieb bezeichnet. Insofern bewirkt der Wickelantrieb 20 eine Rotation eines
zu bewickelnden Spulenkörpers 28 und der Bremsantrieb 22 eine Rotation einer Trommel
30. Von der Trommel 30 wird im Betrieb ein Draht 32 abgezogen. Dieser wird zum Spulenkörper
28 geführt und dort mit der Rotation des Spulenkörpers 28 auf diesen aufgewickelt.
[0025] Bei einem azentrischen Spulenkörper 28, also zum Beispiel bei einem Spulenkörper
mit der in FIG 1 dargestellten quaderförmigen Geometrie, führt die Drahtwickelmaschine
10 insgesamt oder die Steuerungseinrichtung 12 der Drahtwickelmaschine 10 einen Prozess
zum Wickeln eines azentrischen Spulenkörpers 28 aus. Dabei werden in an sich bekannter
Art und Weise Daten oder Steuersignale zwischen den verschiedenen Einheiten der Drahtwickelmaschine
10 ausgetauscht. Zum Beispiel Daten von der Steuerungseinrichtung 12 an den jeweiligen
Antrieb 20, 22 mit Aktivierungssignalen oder Bewegungsdaten, zum Beispiel Daten für
eine Lage-, Geschwindigkeits- oder Drehzahlvorgabe. Zu Überwachungs- oder Regelungszwecken
können die Antriebe 20, 22 Zustandsdaten an die Steuerungseinheit 12 liefern. Zum
Beispiel Daten zum aktuellen Betriebszustand oder zur momentanen Lage, Geschwindigkeit
oder Drehzahl. Entsprechende Daten können zusätzlich oder alternativ auch bei den
jeweiligen Motoren 24, 26 oder dem Spulenkörper 28 oder der Trommel 30 abgenommen
werden. Eine derartige Signal- oder Datenübermittlung ist an sich bekannt und im Weiteren
wird darauf nicht näher eingegangen.
[0026] FIG 2 zeigt eine schematisch stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer Wicklung
eines azentrischen Spulenkörpers 28. Durch eine Rotation des Spulenkörpers 28 wird
von der Trommel 30 Draht 32 abgezogen und auf den Spulenkörper 28 gewickelt. Bei der
dargestellten Situation ist der Draht 32 über eine Umlenkrolle 34 geführt. Der Draht
32 liegt am Spulenkörper 28 jeweils an zumindest einem Punkt auf dessen Oberfläche
an. Dieser Punkt wird im Folgenden als Tragpunkt 36 bezeichnet. Je nach Rotationslage
des Spulenkörpers 28 liegt der Tragpunkt 36 auf einer der Kanten oder einer der Flächen
des Spulenkörpers 28.
[0027] Die oben erwähnten, sich bei azentrischen Spulenkörpern 28, also zum Beispiel bei
Motorenwicklungen mit quaderförmigen Spulenkörpergeometrien, ergebenden Zugkraftsprünge
und Zugkraftschwankungen während eines Wickelzyklus sind im Wesentlich durch den je
nach Rotationslage des Spulenkörpers 28 variierenden Abstand zwischen Tragpunkt 36
und einer Rotationsachse (in FIG 2 im Schnittpunkt der gestrichelten Linien) des Spulenkörpers
28 bedingt. Der für die in FIG 2 gezeigte Situation momentane Abstand ist als rW eingetragen.
Grundsätzlich hängt die auf den Draht 32 wirkende Zugkraft auch vom im Wickelzyklus
abnehmenden Radius der Drahtwicklungen auf der Trommel 30 ab (in FIG 2 als rT eingezeichnet).
Bei einer besonderen Ausführungsform der Drahtwickelmaschine 10 ist einer Trommel,
auf der der Drahtvorrat aufgespult ist, eine weitere Trommel 30 nachgeordnet, auf
der stets nur eine begrenzte Anzahl von Wicklungen, zum Beispiel zehn Wicklungen,
geführt wird und wobei die jeweils abgespulte Wicklung aufgrund einer kegelstumpfförmigen
Geometrie stets zum Ort des minimalen Durchmessers strebt, so dass der Abzugsdurchmesser
rT dieser Trommel 30 konstant ist. Als Trommel 30 wird hier und im Folgenden entweder
eine solche Trommel mit konstantem Abzugsdurchmesser oder für Drahtwickelmaschinen
10, die keine solche Trommel aufweisen, die Trommel mit dem Drahtvorrat bezeichnet.
[0028] Die in FIG 1 gezeigte Drahtwickelmaschine 10 führt bei einer Rotation des in FIG
2 gezeigten Spulenkörpers 28 und der ebenfalls in FIG 2 gezeigten Trommel 30 ein Verfahren
zur Steuerung eines Prozesses zum Wickeln eines azentrischen Spulenkörpers 28 aus,
bei dem der Spulenkörper 28 mit dem Wickelantrieb 20 (FIG 1) in eine Drehbewegung
versetzt wird, bei dem mit einer Drehbewegung des Spulenkörpers 28 ein daran angebrachter
Draht 32 auf den Spulenkörper 28 gewickelt und von der Trommel 30, welcher der Bremsantrieb
22 (FIG 1) zugeordnet ist, abgezogen wird. Die Steuerungseinrichtung 12 (FIG 1) der
Drahtwickelmaschine 10 bewirkt dabei eine Ansteuerung, insbesondere eine geregelte
Ansteuerung, des Wickelantriebs 20 (FIG 1) und/oder des Bremsantriebs 22 (FIG 1) auf
Basis einer jeweiligen Rotationslage des Spulenkörpers 28. Eine Möglichkeit zur Implementierung
einer solchen Ansteuerung und eines darauf basierenden Verfahrens wird nachfolgend
beschrieben:
[0029] FIG 3 zeigt zunächst links unten eine exemplarische Geometrie eines azentrischen
Spulenkörpers und die sich daraus ergebenden mathematischen Beziehungen. Im Weiteren
zeigt FIG 3 links oben in Form eines Ausschnittes aus der Darstellung in FIG 2 die
geometrische Bedeutung einer Abstandsfunktion - hier als r(θ1) eingezeichnet - bei
einer durch den Winkel θ1 bezeichneten Rotationslage des Spulenkörpers 28. Die Abstandsfunktion
r(θ1) ist eine Beschreibung einer Änderung eines Abstands des Tragpunkts 36 von der
Rotationsachse über verschiedene Rotationslagen θ1 des Spulenkörpers 28 bei fortschreitender
Rotation oder über der Zeit.
[0030] Schließlich zeigt FIG 3 auf der rechten Seite den Verlauf der Abstandsfunktion r(θ1)
für eine vollständige und eine anschließende halbe Umdrehung des Spulenkörpers 28,
wobei einzelne signifikante Rotationslagen des Spulenkörpers 28 mit dem jeweiligen
Tragpunkt 36 des Drahtes 32 quasi als Momentaufnahmen in FIG 3 rechts unten dargestellt
sind. Die einzelnen Rotationslagen sind dort und auf der Abstandsfunktion mit (1),
(2), (3) und (4) bezeichnet.
[0031] FIG 4 zeigt im Wesentlichen eine Wiederholung der Darstellung aus FIG 2 und jeweils,
graphisch dem Spulenkörper 28 und der Trommel 30 zugeordnet, einen Regelkreis zur
Ansteuerung des Wickelantriebs 20 bzw. des Bremsantriebs 22. Zur Unterscheidung werden
die beiden Regelkreise im Folgenden als Wickelregelkreis 38 und Bremsregelkreis 40
bezeichnet.
[0032] Bei der in FIG 4 dargestellten Ausführungsform ist der Wickelregelkreis 38 vorgesehen,
um - obwohl eine Geschwindigkeit des Abzugs des Drahtes 32 von der Trommel 30 nicht
konstant ist - durch eine geregelte Ansteuerung eine konstante Drehzahl des Wickelantriebs
20 zu bewirken. Dazu umfasst der Wickelregelkreis 38 in an sich bekannter Art und
Weise einen im Folgenden zur Unterscheidung als Wickelregelkreisstromregler 42 bezeichneten
Stromregler. Diesem ist ein ebenfalls zur Unterscheidung als Wickelregelkreis-PI-Regler
44 bezeichneter PI-Regler vorgeschaltet. Dem Wickelregelkreis 38 werden an einem Wickelregelkreiseingang
46 kontinuierlich oder in äquidistanten Abschnitten, also diskret, Sollwerte für die
Rotationslage des Spulenkörpers 28 vorgegeben (in der Darstellung als θ1 eingezeichnet).
Mit einem zur Unterscheidung als Wickelregelkreisproportionalglied 48 bezeichneten
Proportionalglied wird daraus ein Drehzahlsollwert ermittelt. Dieser Wert fungiert
als Eingangssignal für den Wickelregelkreis-PI-Regler 44 und das sich damit ergebende
Ausgangssignal des Wickelregelkreisstromreglers 42 kann an den Wickelantrieb 20 zum
Erhalt einer konstanten Drehzahl des durch den Wickelantrieb 20 (FIG 1) angesteuerten
Motors 24 (FIG 1) und damit letztlich zum Erhalt einer konstanten Drehzahl des Spulenkörpers
28 ausgegeben werden. Eine Rückführung (nur teilweise gezeigt) der jeweils tatsächlichen
Drehzahl des Spulenkörpers 28 schließt den Wickelregelkreis 38 und erlaubt eine Kompensation
evtl. Abweichungen von der Drehzahlvorgabe am Ausgang des Wickelregelkreisproportionalglieds
48. Auf den Wickelregelkreiseingang 46 wird darüber hinaus ein jeweiliger Lageistwert
zurückgeführt, um den vorgegebenen Lagesollwert zu erreichen.
[0033] Während dem Wickelregelkreis 38 zum Erhalt einer konstanten Drehzahl des Spulenkörpers
28 im Grunde zyklisch stetig ansteigende Winkelwerte übermittelt werden, aus denen
sich dann die jeweilige Solldrehzahl ergibt, ist der Bremsregelkreis 40 zur Kompensation
der Dynamik des Drahtabzugs vorgesehen. Dafür wird zunächst für eine Mehrzahl von
Rotationslagen des Spulenkörpers 28 und korrespondierende Rotationslagen der Trommel
30 ein Lage, Bewegungs- oder Geschwindigkeitsprofil der Trommel 30 ermittelt und als
Basis für die Ansteuerung des Bremsantriebs 22 verwendet. Aus einem solchen Profil,
im Folgenden zusammenfassen als Geschwindigkeitsprofil bezeichnet, ergibt sich jeweils
eine gewünschte Rotationslage der Trommel 30.
[0034] Das Geschwindigkeitsprofil der Trommel 30 wird also für die gezeigte Ausführungsform
für eine Mehrzahl von Rotationslagen des Spulenkörpers 28 aus der jeweiligen Rotationslage
(θ1) und einem sich daraus ergebenden Abstand des jeweils momentanen Tragpunkts 36
des Drahtes 32 von der Drehachse des Spulenkörpers 28 ermittelt. Die Position des
Tragpunkts 36 wird dabei durch die Abstandsfunktion r(θ1) (FIG 3) beschrieben. Die
Abstandsfunktion selbst ist auf den Abstand des jeweiligen Punktes auf der Oberfläche
des Spulenkörpers von dessen zum Wickeln verwendeter Symmetrie- oder Drehachse normiert,
so dass der jeweilige Wert der Abstandsfunktion den Abstand des Tragpunktes 36 von
der Drehachse des Spulenkörpers 28 angibt.
[0035] Zur Ermittlung eines Drehzahlprofils und davon ausgehend des Geschwindigkeitsprofils
kann auf Basis der folgenden mathematischen Zusammenhänge erfolgen, die im Grunde
eine Transformation der in FIG 3 gezeigten Abstandsfunktion r(θ1) darstellen, denn
je größer der Wert der Abstandsfunktion, desto grö-βer muss die Geschwindigkeit der
Trommel 30 sein um trotz der größer werdenden Drahtauslenkung den Drahtabzug noch
mit gleichbleibender Drahtspannung zu ermöglichen. Umgekehrt muss für kleinere Werte
der Abstandsfunktion die Geschwindigkeit der Trommel 30 abnehmen um einerseits ein
Abreissen der Drahtspannung zu vermeiden und andererseits eine weiterhin konstante
Drahtspannung zu gewährleisten.
[0036] Zunächst kann vorausgesetzt werden, dass die Geschwindigkeit des Drahtes 32 im gesamten
System zu jedem Zeitpunkt gleich ist:
[0037] Sodann entspricht die von der Trommel 30 abgewickelte Länge des Drahtes 32 der auf
den Spulenkörper 28 aufgewickelten Drahtlänge, wobei auf der linken Seite r(u) die
Abstandsfunktion ist und sich die abgewickelte Drahtlänge aus der Abzugsgeschwindigkeit
des Drahtes 32 ergibt:
[0038] Eingesetzt ergibt sich
wobei L0 eine freie Länge des Drahtes 32 zwischen der Trommel 30 und dem Spulenkörper
28 angibt.
[0039] Die Ableitungen von θ1 und θ2 über der Zeit sind das Drehzahlprofil des Spulenkörpers
28 bzw. der Trommel 30. Daraus ergibt sich jeweils ein Geschwindigkeitsprofil und
aus dem Geschwindigkeitsprofil für die Trommel 30 ergibt sich ein Rotationslagenprofil
für die Trommel 30, derart, dass das Rotationslagenprofil die von der Trommel 30 sukzessive
einzunehmenden Rotationslagen kodiert. Das Rotationslagenprofil oder ein jeweils aktueller
Wert aus dem Rotationslagenprofil wird dem Bremsregelkreis 40 an dessen Bremsregelkreiseingang
50 zugeführt (in der Darstellung als θ2 eingezeichnet). Der Bremsregelkreis 40 ist
also der Regelkreis, dem das Geschwindigkeitsprofil der Trommel 30 zur Ansteuerung
des Bremsantriebs 22 als Eingangsgröße zugeführt wird.
[0040] Mit einem zur Unterscheidung vom Wickelregelkreisproportionalglied 48 als Bremsregelkreisproportionalglied
52 bezeichneten Proportionalglied wird daraus ein Drehzahlsollwert ermittelt. Dieser
Wert fungiert als Eingangssignal für den Bremsregelkreis-PI-Regler 54 und das sich
damit ergebende Ausgangssignal eines dem Bremsregelkreis-PI-Regler 54 nachgeschalteten
Bremsregelkreisstromreglers 56 kann an den Bremsantrieb 22 (FIG 1) zum Erhalt des
gewünschten Geschwindigkeitsprofils des durch den Bremsantrieb angesteuerten Motors
26 (FIG 1) und damit letztlich zum Erhalt des gewünschten Drehverhaltens der Trommel
30 zur Kompensation der Dynamik des Drahtabzugs ausgegeben werden. Eine Rückführung
(nur teilweise gezeigt) der jeweils tatsächlichen Drehzahl der Tommel 30 schließt
den Bremsregelkreis 40 und erlaubt eine Kompensation evtl. Abweichungen von der Vorgabe
am Ausgang des Bremsregelkreisproportionalglieds 52. Auf den Bremsregelkreiseingang
50 wird darüber hinaus ein jeweiliger Lageistwert zurückgeführt, um den vorgegebenen
Lagesollwert zu erreichen. Im Ergebnis bewirkt der Bremsregelkreis dass die Drehbewegung
der Trommel 30 dem ermittelten Geschwindigkeitsprofil folgt und damit den Erhalt einer
konstanten Zugkraft auf den Draht 32.
[0041] Optional und in FIG 4 bereits eingezeichnet kann der Bremsregelkreis 40 in einem
separaten Rückführzweig 58 noch einen zur Momentenrückführung wirksamen und zur Unterscheidung
als Zugkraftregler 60 bezeichneten PI-Regler umfassen. Dem Zugkraftregler 60 wird
an dessen Eingang eine Differenz aus dem Ausgangssignal des Bremsregelkreisstromreglers
56 und einem Zugkraftsollwertsignal 62 zugeführt. Ein Ausgangssignal des Zugkraftreglers
60 wird auf die dem Bremsregelkreisproportionalglied 52 nachfolgende Summationsstelle
geführt und beeinflusst damit das am Eingang des Bremsregelkreis-PI-Reglers 54 anliegende
Signal. Damit wird nicht nur eine konstante Zugkraft sondern auch eine Zugkraft entsprechend
einer Sollwertvorgabe erreicht.
[0042] Wenn hier von einer bestimmten Art eines Standardreglers gesprochen wird, zum Beispiel
Bremsregelkreis-PI-Regler, ist damit impliziert, dass auch andere Standardreglerformen
in Betracht kommen, zum Beispiel ein PID-Regler.
[0043] FIG 5 zeigt eine alternative Ausführungsform der Ansteuerung der Antriebe 20, 22.
Voraussetzung bleibt, dass eine Geschwindigkeit des Abzugs des Drahtes 32 von der
Trommel 30 nicht konstant ist. Im Gegensatz zu der in FIG 4 gezeigten Ausführungsform,
bei der die Drehzahl des Wickelantriebs 20 konstant gehalten wurde, bewirkt hier die
geregelte Ansteuerung der Antriebe 20, 22 eine Aufteilung der Kompensation der Dynamik
des Drahtabzugs auf den Bremsantrieb 22 und auf den Wickelantrieb 20. Hier sind also
beide Antrieb 20, 22 in die Kompensation der Dynamik des Drahtabzugs involviert.
[0044] Diesem Ansatz liegt eine Fourierzerlegung der Abstandsfunktion (FIG 2) zugrunde.
Allgemein lässt sich die Fourierzerlegte Abstandsfunktion als r(θ1) = r1(θ1) + r2(θ1)
schreiben, wobei r1(θ1) Termen niederer Ordnung und r2(θ1) Terme höherer Ordnung sind.
Rechts oben zeigt FIG 5 dazu zum Einen den Spulenkörper und daneben die Modellierung
des Spulenkörpers 28 in Abhängigkeit von einer Anzahl der sich nach der Fourierzerlegung
der Abstandsfunktion ergebenden Terme. Die Berücksichtung nur eines Terms (Term erster
Ordnung; erster Fourier-Anteil) führt zur Modellierung des Spulenkörpers 28 als Kreis.
Die Berücksichtigung zweier Terme (Terme erster und zweiter Ordnung) führt zur Modellierung
des Spulenkörpers 28 als Ellipse. Die Berücksichtigung dreier Terme (Terme erster,
zweiter und dritter Ordnung) führt zur Modellierung des Spulenkörpers 28 durch eine
elliptische Form, die sich mit ihrer kleineren Achse schon besser an die tatsächliche
Breite des Spulenkörpers annähert und mit ihrer langen Achse nicht über die tatsächliche
Länge des Spulenkörpers hinausgeht. Die Hinzunahme weiterer Terme führt sukzessive
zu einer Verbesserung der Modellierung.
[0045] Nach dem alternativen Ansatz erfolgt eine Fourierzerlegung der Abstandsfunktion r(θ1)
in eine bestimmte Anzahl von Termen. Terme unterhalb einer vorgegebenen oder vorgebbaren
Ordnung also zum Beispiel die Terme erster und zweiter Ordnung werden zur Berechnung
eines Bewegungsprofils des Wickelantriebs 20 verwendet. Ein solches Bewegungsprofil
führt dazu (vgl. Darstellung der Abstandsfunktion in FIG 2), dass die Drehzahl oder
Geschwindigkeit des Wickelantriebs 20 reduziert wird, wenn der Wert der Abstandsfunktion
r(θ1), hier also die Summe der dazu ermittelten Terme r1(θ1), ansteigt, um einen gleichmäßigen
Drahtabzug zu ermöglichen, ohne dabei die Drahtspannung zu erhöhen. Umgekehrt kann
die Drehzahl oder Geschwindigkeit des Wickelantriebs 20 bis zu einer vorgegebenen
Drehzahl erhöht werden, wenn der Wert der Abstandsfunktion zurückgeht. Die Summe der
ermittelten Terme oberhalb der vorgegebenen oder vorgebbaren Ordnung wird demgegenüber
auf einen Sollwert des Bremsantriebs 22 addiert. Ein solcher Sollwert des Bremsantriebs
ergibt sich dabei zunächst anhand der geometrischen Verhältnisse von Spulenkörper
28 und Trommel 30, d.h. eine Trommel 30 mit einem deutlich größeren Radius als einer
wirksamer Radius des Spulenkörpers 28 wird zunächst mit einer im Vergleich zur Drehzahl
des Spulenkörpers 28 untersetzten Drehzahl als Sollwert betrieben. Dieser Sollwert
wird im Betrieb durch die Summe der ermittelten Terme oberhalb der vorgegebenen oder
vorgebbaren Ordnung angepasst.
[0046] Hinsichtlich der Struktur der beiden Regelkreise, also Wickelregelkreis 38 und Bremsregelkreis
40, gibt es keine systematischen Unterschiede zu der anhand von FIG 4 beschriebenen
Situation, so dass auf die dortigen Ausführungen verwiesen werden kann.
[0047] Dadurch, dass in beiden Fällen die Regelung des Wickelantriebs 20 durch den Wickelregelkreis
38 und die Regelung des Bremsantriebs 22 durch den Bremsregelkreis 40 jeweils als
Lageregelung ausgeführt ist, ist einerseits (FIG 4) die Vorgabe einer konstanten Drehzahl
für den Wickelantrieb 20 und die Vorgabe einer Drehzahl gemäß einem von der Abstandsfunktion
abhängigen Geschwindigkeitsprofil für den Bremsantrieb 22 und andererseits (FIG 5)
die Drehzahlvorgabe gemäß einem jeweils von der Abstandsfunktion abhängigen Geschwindigkeitsprofil
ausreichend um die Dynamik des Drahtabzugs zu kompensieren und eine gleichmäßige Wicklung
des Spulenkörpers 28 zu erreichen.
[0048] Das hier beschriebene Verfahren ist bevorzugt in Software implementiert und insoweit
umfasst das Steuerungsprogramm 18 Programmcodeanweisungen zur Umsetzung des Verfahrens
und/oder seiner Ausgestaltungen. Die Regelkreise, also Wickelregelkreis 38 und Bremsregelkreis
40, können ebenfalls als Bestandteil des Steuerungsprogramms 18 oder durch geeignete
Parametrierung der jeweiligen Antriebe 20, 22 realisiert sein.
[0049] Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier eingereichten Beschreibung lassen
sich damit kurz wie folgt zusammenfassen: Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Steuerung eines Prozesses zum Wickeln eines azentrischen Spulenkörpers 28 und eine
nach dem Verfahren arbeitende Vorrichtung, wobei der Spulenkörper 28 mit einem Wickelantrieb
20 in eine Drehbewegung versetzt wird, wobei mit einer Drehbewegung des Spulenkörpers
28 ein daran angebrachter Draht 32 auf den Spulenkörper 28 gewickelt und von einer
Trommel 30, der ein Bremsantrieb 22 zugeordnet ist, abgezogen wird und wobei eine
Ansteuerung des Wickelantriebs 20 und/oder des Bremsantriebs 22 auf Basis einer jeweiligen
Rotationslage des Spulenkörpers 28 erfolgt.
1. Verfahren zur Steuerung eines Prozesses zum Wickeln eines azentrischen Spulenkörpers
(28), bei dem der Spulenkörper (28) mit einem Wickelantrieb (20) in eine Drehbewegung
versetzt wird, bei dem mit einer Drehbewegung des Spulenkörpers (28) ein daran angebrachter
Draht (32) auf den Spulenkörper (28) gewickelt und von einer Trommel (30), der ein
Bremsantrieb (22) zugeordnet ist, abgezogen wird, gekennzeichnet durch eine Ansteuerung des Wickelantriebs (20) und/oder des Bremsantriebs (22) auf Basis
einer jeweiligen Rotationslage des Spulenkörpers (28).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Geschwindigkeit des Abzugs des Drahtes (32)
von der Trommel (30) nicht konstant ist und wobei die geregelte Ansteuerung der Antriebe
eine konstante Drehzahl des Wickelantriebs (20) bewirkt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei für eine Mehrzahl von Rotationslagen des Spulenkörpers
(28) und korrespondierende Rotationslagen der Trommel (30) ein Geschwindigkeitsprofil
der Trommel (30) ermittelt und als Basis für die Ansteuerung des Bremsantriebs (22)
verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Geschwindigkeitsprofil der Trommel (30) für eine
Mehrzahl von Rotationslagen des Spulenkörpers (28) aus der jeweiligen Rotationslage
und einem sich daraus ergebenden Abstand eines momentanen Tragpunkts (36) des Drahtes
(30) von einer Drehachse des Spulenkörpers (28) ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Geschwindigkeitsprofil der Trommel (30) einem
Regelkreis zur Ansteuerung des Bremsantriebs (22) als Eingangsgröße zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Regelkreis zur Ansteuerung des Bremsantriebs
(22) einen Regler zum Erhalt einer konstanten Zugkraft auf den Draht (32) durch den
Bremsantrieb (22) umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Regelkreis zur Ansteuerung des Bremsantriebs
(22) einen PI-Regler (54) und einen Stromregler (56) und als Regler zum Erhalt einer
konstanten Zugkraft auf den Draht (32) einen PI-Regler (60) im Rückführzweig umfasst.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Ansteuerung zum Erhalt einer
konstanten Drehzahl des Wickelantriebs (20) durch einen Regelkreis mit einem PI-Regler
(44) und einem Stromregler (42) bewirkt wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Regelung des Wickelantriebs
(20) und die Regelung des Bremsantriebs (22) jeweils als Lageregelung ausgeführt ist.
10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Geschwindigkeit des Abzugs des Drahtes (32)
von der Trommel (30) nicht konstant ist und wobei die Ansteuerung der Antriebe eine
Kompensation einer Dynamik des Drahtabzugs auf den Wickelantrieb (20) und den Bremsantrieb
(22) verteilt.
11. Computerprogramm zur Ausführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Datenträger mit einem Computerprogramm nach Anspruch 11.
13. Steuerungseinrichtung (12) mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der Ansprüche 1 bis 10.
14. Steuerungseinrichtung (12), auf der als Steuerungsprogramm (18) ein Computerprogramm
nach Anspruch 11 als Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche
1 bis 10 geladen ist.
15. Drahtwickelmaschine (10) mit einer Steuerungseinrichtung (12) nach einem der Ansprüche
13 oder 14.