Verfahren und Vorrichtung zum Kaltumformen von Profilen aus Eisen- und Nichteisenmetallen durch räumliches Wickelrollbiegen

Abstract

 Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kaltumformen von Profilen aus Eisen- und Nichteisenmetallen führt eine sphärische Biegung des Profils (17) durch ein in allen drei Raumachsen bewegbares und drehbares Biegewerkzeug (52) aus. Zu einer hochpräzisen und schonenden Biegung von Hohlprofilen, bei denen der Hohlprofilquerschnitt nicht verändert werden darf ist vorgesehen, daß das sphärisch zu biegende Profil von dem als Biegekopf (52) ausgebildeten Biegewerkzeug frei im Raum ohne Biegeschablone und Gegenlager gebogen wird und daß zur Lagensicherung des fertig gebogenen, den Biegekopf verlassenden Profils (17) eine Wickelform (48) genau fluchtend unter die Biegelinie des Biegekopfes in geringem Abstand in allen drei Raumachsen verstellbar und zusätzlich drehbar nachgeführt wird (räumliches Rollwickelbiege-Verfahren).

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum räumlichen Wickelrollbiegen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Räumliche Biegeverfahren sind bekannt. Beispielsweise ist mit der auf den gleichen Anmelder zurückgehenden DE 36 18 701 A1 bekannt, Profile aus Eisen- und Nichteisenmetallen durch ein räumliches Biegen praktisch jede gewünschte Formgebung zu verleihen. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird jedoch das zu verformende Profil über ein Biegewerkzeug geführt, dort angepreßt und unter Formänderungsarbeit gebogen. Die Formänderungsarbeit findet also durch Abwälzung und durch Kraftübertragung am Biegewerkzeug statt.

[0003] Mit diesem bekannten Verfahren und der dazugehörenden Vorrichtung ist jedoch nicht ein hochpräzises Biegen von empfindlichen Profilen möglich.

[0004] Für die Verwendung in Fusionsreaktoren werden jedoch sogenannte Stellaratorspulen benötigt. Es handelt sich hierbei um sphärisch gekrümmte, in sich geschlossene Spulenkörper, die mit hochempfindlichen, gegen Beschädigung zu schützende Spulenleiter zu bewickeln sind. Derartige Spulenleiter sind Hohlprofilstäbe z.B. quadratischem oder rechteckigem Querschnitts. Sie tragen an der Außenseite eine gegen Beschädigung empfindliche Lackschicht und im Innenraum eine supraleitende Flüssigkeit, wobei während des Biegevorganges weder eine Beschädigung der Außenhaut dieser empfindlichen Profile noch eine Veränderung im Querschnitt stattfinden darf.

[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren und die dazugehörende Vorrichtung so weiterzubilden, daß die damit beschriebenen empfindlichen Profile mit hoher Präzision gebogen werden können.

[0006] Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß das sphärisch zu biegende Profil von dem als Biegekopf ausgebildeten Biegewerkzeug frei im Raum ohne Biegeschablone und Gegenlager gebogen wird, und daß zur Lagensicherung des fertig gebogenen, den Biegekopf verlassenden Profils eine Wickelform genau fluchtend unter die Biegelinie des Biegekopfes in geringem Abstand in allen drei Raumachsen X,Y, Z verstellbar und zusätzlich drehbar nachgeführt wird.

[0007] Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist also, daß das zu biegende Profil (Spulenleiter) von einem frei im Raum arbeitenden Biegekopf gebogen wird, ohne daß ein Biegewerkzeug (Biegeschablone) verwendet wird, an welcher erst durch kraftschlüssiges Anlegen die zur Biegung notwendige Formänderungsarbeit geleistet wird.

[0008] Eine derartige Biegeschablone, wie sie bei anderen, bekannten Verfahren verwendet wird, entfällt nach der vorliegenden Erfindung.

[0009] Das den Biegekopf durchlaufende Profil wird also im Biegekopf fertig gebogen und verläßt in der geforderten Formgebung sphärisch gekrümmt den Biegekopf.

[0010] Um nun eine unzulässige Verbiegung dieses fertig gebogenen, empfindlichen Profils zu vermeiden ist vorgesehen, daß zur Lagensicherung des fertig gebogenen Profils eine Wickelform genau fluchtend unter der Biegelinie des Biegekopfes in geringem Abstand in allen drei Raumachsen verstellbar und zusätzlich drehbar nachgeführt wird.

[0011] Es handelt sich also um ein räumliches Wickelrollbiege-Verfahren (abgekürzt RWRB-Verfahren) mit dem bevorzugt ein Bewickeln in sich geschlossener Spulen möglich ist. Dieses Bewickeln erfolgt dadurch, daß die Wickelform drehbar angetrieben unterhalb des Biegekopfes angeordnet ist und das die Biegeform verlassende, sphärisch gebogene Profil im Sinne einer Aufwickelvorrichtung aufnimmt.

[0012] Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Bewicklung in sich geschlossener Spulenkörper beschränkt, sondern sie umfaßt sämtliche räumlichen Biegevorgänge, ohne daß sich an den Biegevorgang noch ein Wickelvorgang anschließen müßte.

[0013] Statt des drehenden Antriebes der Wickelform ist auch ein linearer Antrieb der Wickelform denkbar, d.h. das sphärisch gekrümmte Profil verläßt dann in Richtung seiner Längsachse den Biegekopf und wird aus einem gleichfalls in Richtung der Längsachse bewegbaren Wickelform aufgenommen.

[0014] Die Wickelform ist hierbei (in beiden oben beschriebenen Ausführungs­formen) direkt unterhalb und in geringem Abstand vom Auslaufende des Biegekopfes angeordnet, so daß eine weitere, nicht erwünschte Formänderungsarbeit beim Übergang vom Biegekopf auf die Wickelform vermieden wird.

[0015] Die Wickelform dient also lediglich der Aufnahme und Lagensicherung der fertig gebogenen Spulenleiter und in der Wickelform selbst wird keine Formänderungsarbeit mehr geleistet.

[0016] Zur Erzielung eines gedrängten, eng zusammenliegenden Wicklungsaufbaues ist es jedoch erforderlich, daß die fertig gebogenen Spulenleiter unter geringer Spannung in Längsrichtung dicht aneinander liegend auf der Wickelform gewickelt werden.

[0017] Hierzu ist nach dem Gegenstand des Anspruchs 2 vorgesehen, daß in positiven Formungsbereichen der Stellaratorspule der Drehantrieb des Werkzeugtisches geringfügig schneller dreht als es der Abzugsgeschwindigkeit der Rollstation des Biegekopfes entspricht, so daß eine geringfügige Spannung in Längsrichtung auf die Spulenleiter aufgebracht wird, die damit "relativ stramm" auf die Wickelform aufgewickelt werden.

[0018] Soweit jedoch die Stellaratorspule auch "negative Formungsbereiche" aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Differenzgeschwindig­keit zwischen dem Drehantrieb des Werkzeugtisches und der Abzugsgeschwindigkeit der Rollstationen des Biegekopfes zu 0 gemacht wird und dadurch ein "strammes Aufwickeln" in diesen Bereichen entfällt. In diesen Bereichen wird vielmehr das fertig geformte Profil durch Schieber und andere Lagensicherungsmittel festgehalten, die erst dann entfernt werden, wenn dieser kritische negative Formungsbereich durch die darüber liegende Lage gesichert ist.

[0019] Die darüber liegende Lage wir dann wiederum durch die vorher beschriebenen Lagensicherungsmittel gehalten.

[0020] Eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens verwendet also einen die Formänderungsarbeit ausführenden Biegekopf, der im wesentlichen starr am freien Ende eines Konsolarmes angeordnet ist und wobei in geringem Abstand zum Biegekopf die Wickelform zur Aufnahme der fertig gebogenen Spulenleiter dreidimensional verstellbar und drehend antreibbar angeordnet ist.

[0021] Der Biegekopf selbst besteht bevorzugt aus mehreren hintereinander und in gegenseitigem Abstand voneinander angeordneten Rollstationen, wobei die am Auslaufende des Biegekopfes angeordnete Rollstation die eigentliche sphärische Biegung des Spulenleiters ausführt.

[0022] Eine Biegemaschine zur Ausführung dieser Arbeitsschritte hat im wesentlichen folgende Merkmale:
- ein Maschinenrahmen
- ein darüberliegender Schlitten, der auf dem Maschinenrahmen in X-Richtung verfahrbar ist, wobei der Schlitten Träger des Y-Schienensystems ist,
- ein darüber sich befindender Portalschlitten, der in Y-Richtung verfahrbar ist,
- der Portalschlitten hat jeweils beidseitige Säulenrahmen, die schwere Lagerschilder tragen zur Aufnahme einer Schwinge, die Lagerschilder sind über seitliche Schlitten vertikal verfahrbar,
- die Schwinge nimmt ein kleineres Portal auf, welches seitlich über Schlitten vertikal verfahrbar ist,
- über diesem Portal ruht ein Basisdrehtisch
- der Basisdrehtisch hält über einem Kastenrahmen in einer zweiten Ebene einen Werkzeugtisch, auf welcher die Wickelform gelagert ist, über welche der Spulenleiter formgewickelt wird,
- der Biegekopf (mit räumlicher Biegefähigkeit) ragt auf einem Konsolarm in das Zentrum des Biegeraumes und ist auf dem Konsolarm verschiebbar angeordnet,
- die Biegestation ist über zehn Achsen gesteuert und kann jeden beliebigen Biegepunkt einer Wickelform anfahren.

[0023] Zum Einführen des vom Coil abzuwickelnden Spulenleiters gehört eine Profilrichtanlage, welche CNC-gesteuert ist.

[0024] Sie besteht aus verschiedenen Rollensätzen in Tandemausführung, welche alle motorisch angetrieben sind und in X-, Y- und Z-Richtung sowie drehend so ausgerichtet sind, um ein sauberes Richten zu ermöglichen.

[0025] Diese Profilrichtanlage richtet das Leiterprofil des Hohlleiters wenn es von einem Coil abgewickelt wird.

[0026] Die Coil-Station, auf welcher der Hohlleiter aufgewickelt ist, besteht aus einem Grund-Fundamentschienenrahmen in Y-Richtung zur Aufnahme eines Fahrchassis. Auf dem Fahrchassis ist der Lagerrahmen angeordnet zur Aufnahme des Coils. Der Lagerrahmen ist über zwei Schienentürme über in Z-Richtung verfahrbar, sowie in Y-Richtung. Damit kann das abzuwickelnde Profil immer exakt auf der gleichen Abrollposition gehalten werden zur Einführung in die Profilrichteinlage.

[0027] Die Coil-Station hat also die Aufgabe stets dafür zu sorgen, daß das von diesem Coil abzuwickelnde Hohlprofil genau immer in der gleichen Lage in die RWR-Biegestation eingeführt wird. Dies soll verhindern, daß unzulässige Biegungen und Verformungen auf den Hohlleiter bereits schon vor Einlaufen in die Biegemaschine erzeugt werden. Ferner ist diese relativ aufwendig gebaute Coil-Station Voraussetzung dafür, daß die Leiter immer auf ein Zehntel Millimeter genau in die Biegestation eingeführt werden, nur dadurch kann die geforderte Genauigkeit beim Biegevorgang selbst erzeugt werden.

[0028] Teil der Gesamtanlage zum Biegen derartiger Hohlleiter ist noch eine Coil-Transportanlage, die aus einer Schienenanlage besteht, die von der RWR-Biegestation zur Coil-Station führt. Nachdem das erste Coil abgewickelt wurde wird das Coilgestell aus dem Lager ausgeklinkt und auf der Schienenanlage nach hinten herausgefahren zum Abtransport. Das aufgewickelte zweite Coil, das bisher im Lagerraum der RWR-Biegestation untergebracht war, wird abgerollt über die Schienenanlage in die Coil-Station eingefahren, eingeklinkt und auf die Position gebracht. Mit einem mobilen Richtgerät wird die nun frei abgerollte Profilstrecke fluchtend ausgerichtet, in den Biegekopf und in die Richtmaschine eingefädelt und für den zweiten Wickelvorgang mit umgekehrtem Drehsinn vorbereitet.

[0029] Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Alle in den Unterlagen - einschließlich der Zusammenfassung - offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

[0030] Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellende Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

[0031] Es zeigen:

Figur 1: die Stellaratorspule in Draufsicht, nämlich in Richtung des Pfeiles A in Figur 3;

Figur 2: die gleiche Stellaratorspule in Ansicht des Pfeiles B in Figur 1

Figur 3: die Seitenansicht der Stellaratorspule;

Figur 4: einen Schnitt gemäß der Linie C/D in Figur 1 durch die Stellaratorspule;

Figur 5: das Innenprofil der Stellaratorspule gemäß Figur 4, wobei schematisiert der Wicklungssinn und die Anordnung der einzelnen Wicklungen der Innenspule 2 sowie der Außenspule 6 angegeben ist;

Figur 6: eine RWB-Biegemaschine nach der Erfindung in Seitenansicht;

Figur 7: die Draufsicht auf Figur 6

Figur 8: die Stirnansicht der Maschine.

[0032] Wichtig ist der Hinweis, daß zwar eine Wickelform verwendet wird, welche hinsichtlich der Flächen 7,8 die Formgebung einer Stellaratorspule 1 aufweist, wobei jedoch diese Wickelform 48 lediglich die Innenwand 7 sowie die Bodenwand 8 aufweist, so daß die zu biegenden Spulenleiter 2-6 in diese offene, nur durch die beiden Wände 7,8 begrenzte und definierte Wickelform 48 eingelegt werden.

[0033] Wichtig ist der Hinweis, daß diese Wickelform 48 nun nicht auf Zug beansprucht wird, d. h. die zu biegenden Spulenleiter 2,6 werden nicht unter Streckung und Biegung an den Wänden dieser Wickelform 48 abgewälzt oder entlanggeführt, sondern die Wickelform 48 dient nur als räumliches Auflager oder als Lagerbock für die räumlich zu biegenden Einzelspulen.

[0034] Das bedeutet, daß die Einzelspulen frei sphärisch im Raum gebogen werden, und zwar von einer Biegemaschine wie sie nachfolgend beschrieben wird und die so gebogenen Einzelspulen werden dann ohne Zug, Druck oder Streckbeanspruchung auf die Wickelform 48 aufgelegt oder eingelegt.

[0035] Die Wickelform 48 dient also nur dazu, daß die räumlich bereits fertig von der Biegemaschine gebogenen Spulen 2-6 nur aufgelegt werden und Stoß an Stoß aneinander gefügt werden, so daß nach Beendigung des Wickelvorganges das genaue Außenprofil einer Stellaratorspule 1 durch die aufeinander gewickelten Einzelspulen 2-6 erreicht wird.

[0036] Das Grundprinzip der vorliegenden Biegemaschine beruht darauf, daß zunächst die Wickelform auf einem in dreidimensionaler Ebene bewegbaren Basisdrehtisch aufliegt, der jede räumliche Bewegung im Raum ausführen kann, einschließlich einer Drehbewegung. Diese dreidimensionale Bewegung der Wickelform hat nach der vorliegenden Erfindung den Zweck, die Wickelform dem zu biegenden Hohlleiter bzw. Spule nachzuführen.

[0037] Das heißt also, der Biegekopf selbst ist stationär angeordnet und er steht frei im Raum und ist lediglich in X-Richtung verschiebbar.

[0038] Der Biegekopf steht damit immer exakt über der zu biegenden Linie, d.h. also die Wickelform, die ja gemäß der vorstehenden Beschreibung nur als Lagerbock dient, wird immer unter den Biegekopf räumlich so untergefahren, daß der Biegekopf genau in der Biegelinie liegt.

[0039] Der Biegekopf kann also lediglich in X-Richtung nach der Erfindung verschoben werden, nicht aber in Y-Richtung und auch nicht notwendigerweise in Z-Richtung, obwohl die Verschiebung in Z-Richtung aus anderen Gründen bevorzugt wird und später beschrieben wird. Die Verschiebung in X-Richtung soll nur in einer bevorzugten Ausführungsform angegeben werden, denn sie ist nicht lösungsnotwendig. Sie wird aber bevorzugt, weil es je nach der geforderten Biegekontur bevorzugt ist, mit dem Schlitten in X-Richtung nach vorne oder hinten zu verfahren, um eine noch genauere Nachführung an die Biegelinie zu erreichen.

[0040] Wichtig ist also, daß die Wickelform auf einem dreidimensional bewegbaren Tisch ruht, der auch drehbar ist und daß die Wickelform dadurch immer so räumlich unter dem Biegekopf eingestellt wird, daß genau immer die aktuell geforderte Biegelinie unter dem Biegekopf nachgeführt wird.

[0041] Der Biegekopf selbst ist starr und lediglich aus praktischen Gründen in X-Richtung und eventuell auch in Z-Richtung verfahrbar.

[0042] Die starre Anordnung des Biegekopfes hat den Sinn, daß ja die zu biegenden Spulen ohne Verbiegung oder sonstige Beschädigung immer genau fluchtend von einem Coil, und zwar genauer gesagt, von der Coil-Richtanlage abgezogen werden müssen. Die Coil-Richtanlage hält das Coil immer genau so (verschiebbar in Y- und Z-Richtung) daß das von dem Coil abzuwickelnde Spulenmaterial immer genau fluchtend, das heißt, immer in der gleichen Ebene kommend, in den Biegekopf eingeführt wird. Das heißt also, die Coil-Richtstation ist bewegbar und der Biegekopf selbst ist stationär.

[0043] Der Biegekopf besteht aus einer Reihe in Biegerichtung oder in Längsrichtung des Rohres angeordneten Rollen, wobei das Rohr vollumfänglich an seinem Profil von jeweils einer Rolle eingefaßt wird.

[0044] Das heißt also, an den Seitenflächen in horizontaler Richtung sind innen und außen des Rohres zwei Rollen angeordnet und das Rohr wird von oben und unten ebenfalls von jeweils einer Rolle umfaßt. Dadurch wird das Rohr an einer Stelle von jeweils vier Rollen umfaßt. Der Biegekopf besteht nun aus einer Reihe derartiger Vier-Rollenanordnungen, die in Längsrichtung des Rohres hintereinander liegend den Biegekopf bilden. Durch gegeneinander Verschieben der einzelnen Rollen in X- Y- oder Z-Richtung kann damit jedes beliebige sphärische Profil der Spule oder des Hohlleiters gebogen werden.

[0045] Besteht nun ein solcher Biegekopf aus beispielsweise vier hintereinander liegend angeordneten und im gegenseitigen Abstand voneinander angeordneten Vier-Rollensystemen dann wären z. B. die ersten drei Rollensysteme starr sowohl in X-Richtung als auch in Y- und Z-Richtung, während die letzte, in Längsrichtung des Rohres liegende Vier-Rollenanordnung in X-, Y- und Z-Richtung verschiebbar ist. Zusätzlich kann diese Vier-Rollenanordnung bezüglich der anderen drei Vier-Rollenanordnungen verdreht werden, so daß damit eine Torsion der zu biegenden Spule erreicht wird.

[0046] Mit dem beschriebenen Biegekopf kann also eine freie, räumliche Biegung der Spule erreicht werden.

[0047] Zur Funktion der letzten Biegestation, die aus den beschriebenen vier Rollen besteht, die in X-, Y- und Z-Richtung verschiebbar sind, wird noch angefügt, daß einander gegenüberliegende Rollen z. B. in X- oder in Z-Richtung auf einem Radius verschiebbar sind, so daß immer diese Rollen formschlüssig an den einander gegenüberliegenden und zueinander parallelen Innen- und Außenseiten bzw. Ober- und Unterseite des zu biegenden Rohres anliegen.

[0048] Würden einander gegenüberliegende Rollen der Vier-Rollen-Anordnung nicht auf einem Kurvenradius verschiebbar sein, dann käme es zu Friktionen an der Spulenaußenseite und die Spule würde dadurch beschädigt werden.

[0049] Im folgenden wird nun die Maschine der vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.

[0050] Die erfindungsgemäße Anlage gemäß den Figuren 6 - 8 besteht im wesentlichen aus vier Komponenten, wobei die sogenannte RWR-Biegemaschine 10 die wichtigste Komponente darstellt.

[0051] Der Biegemaschine 10 ist eine Profilrichtanlage 11 vorgeschaltet, der wiederum eine Vorrichtstation 12 und dieser wiederum eine Coil-Station 13 vorgeschaltet ist.

[0052] Die zu biegenden Spulenleiter 17 sitzen hierbei auf einem Coil 16, wobei das Coil 16 Teil der Coilstation 13 ist.

[0053] Wichtig ist, daß das Coil 16 in der eingezeichneten Pfeilrichtung 63 in Z-Richtung und ebenfalls in Y-Richtung verfahrbar ist, um dafür zu sorgen, daß das gerade aktuell abzuwickelnde Ende des Spulenleiters 17 genau fluchtend gegenüberliegend zu einer Rolle 18 liegt, die wiederum fluchtend der Rolle 19 der Vorrichtstation 12 gegenüberliegt.

[0054] Sinn dieser Maßnahme ist, dafür zu sorgen, daß die zu biegenden Spulenleiter 17 ohne Beschädigungen, Reibungen und Knickungen stets fluchtend in einer Linie 64 von dem Coil 16 abgezogen werden.

[0055] Die Vorrichtstation 12 führt ein grobes Vorrichten des zu biegenden Spulenleiters 17 aus.

[0056] Damit soll ein fluchtendes Einführen in die Profilrichteinlage 11 ermöglicht werden.

[0057] Die Profilrichteinlage 11 besteht aus mehreren paarweise angetriebenen Doppel-Rollen 20 die im Abstand hintereinander liegend angeordnet sind, wobei in der Zeichnung Fig. 2 noch dargestellt ist, daß auch in Y-Richtung weitere Doppel-Rollen 20 vorgesehen sind, so daß der zu biegende Spulenleiter formschlüssig von allen Seiten her von den Doppel-Rollen 20 umfaßt wird.

[0058] In der Profilrichtanlage 11 wird der zu biegende Spulenleiter 17 genau axial fluchtend ausgerichtet, so daß er in der fluchtenden Linie 64 in den Biegekopf 52 eingeführt werden kann. Weil der Spulenleiter 17 durch den Aufwickelvorgang auf das Coil 16 verformt wird sorgen die Vorrichtstation 12 und die Profilrichtanlage 11 für eine Rückverformung, so daß der zu biegende Spulenleiter 17 als unverformte Gerade in den Biegekopf 52 eingeführt wird.

[0059] Aufgabe dieser RWR-Biegemaschine ist, die auf einem Werkzeugtisch 47 angeordnete Wickelform 48 räumlich sphärisch so zu bewegen, daß der von dem Biegekopf 52 fertig dreidimensional gebogene Spulenleiter 17 ohne weitere Rückverformung oder Verbiegung auf die Wickelform 48 aufgelegt wird.

[0060] Die Wickelform 48 dient also lediglich zur Halterung und Lagensicherung der fertig von dem Biegekopf 52 gebogenen Spulenleitern 17, wobei durch besondere Maßnahmen (nämlich durch eine Differenz in der Drehbewegung, d. h. also ein Vorlauf der Drehbewegung für den Werkzeugtisch 47 bezüglich der Transportbewegung des Biegekopfes 52 eine relative Spannung zwischen dem vom Biegekopf 52 fertig gebogenen Spulenleiter 17 und der Wickelform 48 erreicht wird.

[0061] Diese Differenzbewegung (Vorlauf) wird bevorzugt im positiven Formungsbereich der Wickelform 48 angewandt, während in den negativen Formungsbereichen, wie sie mit den Bereichen 65 in Figur 1 und 2 dargestellt sind, dieser Vorlauf unterbrochen wird. In diesem Bereich 65 wird das noch unter Spannung stehende Spulenleiterprofil 17 über einen Schieber gesichert, dieser Schieber kann sowohl senkrecht zur Fläche 7 der Wickelform 48 als auch senkrecht zur Bodenfläche 8 der Wickelform eingefahren werden. Damit wird das Profil entspannt. Dann wird das Profil in die Wickelform ohne Vorspannung eingelegt, wiederum durch quer und senkrecht hierzu stehende zweite Schieber gesichert. Sobald man jetzt aus dem negativen Bereich 65 herausfährt, wird der Vorlauf wieder erzeugt und eine weitere Einlegung der dadurch vorgespannten und fertig gebogenen Spulenleiter erfolgt in die Wickelform, wobei die Schieber in diesem negativen Formungsbereich fest angelegt bleiben. Es wird also dafür gesorgt, daß der Spulenleiter auch in den negativen Formungsbereichen 65 der Wickelform 48 auf Maß gebogen bleibt und die Schieber werden dann von Lage zu Lage verstellt, so daß stets in den negativen Formungsbereichen die Schieber zur Sicherung der gebogenen Spulenleiter verwendet werden.

[0062] Im folgenden wird nun die genauere Funktion der Coil-Wechselanlage beschrieben.

[0063] Die Biegemaschine 10 weist eine bodenseitige Schienenanlage 14 auf, die zur Auswechslung der Coils 16,50 dient. Wie bereits schon in der Einleitung angeführt, sind zwei Coils vorhanden, nämlich ein Coil 16, welches Teil der Coil-Station 13 ist und ein weiteres Coil 50, welches die noch nicht verformten und noch nicht von diesem Coil abgezogenen Spulenleiter 17 enthält.

[0064] Die sphärische Wicklung der Spulenleiter 17 durch den Biegekopf 52 wird ausgehend von der Mitte des gesamten Spulenleiters 17 vorgenommen und von dort aus nach links oder rechts laufend begonnen.

[0065] Das heißt, die eine Hälfte des gesamten zu biegenden Spulenleiters 17 liegt auf dem einen Coil 16 vor, während die anderen, nicht der Verformung unterliegende, zweite Hälfte des Spulenleiters 17 auf dem Coil 50 vorliegt.

[0066] Damit man dann nach vollendetem Abziehen des Spulenleiters 17 von dem Coil 16 zu dem Coil 50 Zugriff hat ist eine Coil-Wechselstation vorgesehen.

[0067] Das Coil 50 ist hierbei auf einem Lagerbock 51 auf dem Basisdrehtisch 54 der Biegemaschine 10 fest gelagert und wird von nicht näher dargestellten Wellen stirnseitig gehalten.

[0068] Sobald das Coil 16 abgewickelt ist, wird das Coil 50 über einen nicht näher dargestellten Transportwagen auf die Schienenanlage 14 verfahren und in Pfeilrichtung 15 auf die Coil-Station 13 gebracht, wobei dann das Coil 50 auf der Coil-Station 13 eingespannt wird und der von dem Coil 50 abzuwickelnde Spulenleiter dann über die Vorrichtstation 12 und Profilrichtanlage 11 in die Biegemaschine 10 eingeführt wird.

[0069] Nachdem das Coil 50 mit seiner zweiten Spulenhälfte 49 mit der bereits fertig bewickelten Wickelform 48 verbunden ist, ist Voraussetzung, daß beim Wechsel des Coils 50 von seiner in Fig. 2 eingezeichneten Lage in die Lage der Coil-Station 13 die zweite Spulenhälfte 49 erst manuell gerichtet wird, damit eine fluchtende Einfädelung der zweiten Spulenhälfte in die Vorrichtstation erfolgen kann.

[0070] Das Vorrichten der zweiten Spulenhälfte 49 erfolgt hierbei über eine mobile Richteinlage, die aus Vereinfachungsgründen in den Zeichnungen nicht eingetragen ist.

[0071] Der Aufbau der Biegemaschine 10 ist nun folgendermaßen: Auf dem Boden ruht ein Maschinenrahmen 22, der an seiner Oberseite in X-Richtung ausgerichtete Schienen 23 trägt, die einen gegenseitigen, voneinander parallelen Abstand aufweisen.

[0072] Die Schienen tragen einen Schlitten 24, der in X-Richtung verfahrbar ist. Das Verfahren dieses Schlittens 24 erfolgt hierbei über Spindeln 25, die in nicht näher dargestellte Spindelmuttern am Schlitten 24 eingreifen und drehend jeweils von einem Motor 26 angetrieben werden, wobei die Motoren 26 an dem Maschinenrahmen 22 angeordnet sind.

[0073] Auf diesem Schlitten 24 ist ein Portalschlitten 27 in Pfeilrichtung Y verfahrbar gelagert. Hierbei trägt der Portalschlitten 27 an seiner Unterseite wiederum Spindelmuttern, die jeweils von einer Spindel 29 durchgriffen sind und jede Spindel 29 durch jeweils einen Motor 28 angetrieben ist.

[0074] Damit wird der Portalschlitten 27 also in Y-Richtung gemäß Fig. 8 verfahren.

[0075] Etwa im oberen Drittel des Portalschlittens 27 ist ein Lagerschild 31 in Z-Richtung verfahrbar an den Seitenportalen des Portalschlittens 27 befestigt.

[0076] Nachdem der Schlitten 24, der Portalschlitten 27 und die sonstigen dazugehörenden Teile genau spiegelsymmetrisch ausgebildet sind wird im folgenden nur die eine Seite des Portalschlittens 27 näher beschrieben, nachdem die andere Seite genau identisch ausgebildet ist.

[0077] An der Seite des Portalschlittens 27 ist also das Lagerschild 31 in Pfeilrichtung Z verfahrbar gelagert, wobei hierzu ein Antriebsmotor 33 eine Spindel 32 drehend antreibt, welche die Spindelmuttern des Lagerschildes 31 durchgreift.

[0078] Jedes Lagerschild 31 trägt eine Welle 34, wobei die beiden einander gegenüberliegenden Wellen 34 fluchtend in einer Achse 66 liegen und - was wichtig für die Erfindung ist - die Achse 66 in Nullposition der Biegeeinrichtung genau mit dem zu biegenden Leiter 17 fluchtet.

[0079] Dies definiert eine neutrale Biegeposition. Ausgehend von dieser neutralen Biegeposition, welche durch die verschiebbare Achse 66 definiert wird, wird dann die auf dem Werkzeugtisch 47 angeordnete Wickelform 48 entsprechend verfahren, so daß sich eine geänderte Gegenüberlage bezüglich dem stets in der gleichen Lage verharrenden Biegekopf 52 ergibt.

[0080] An der Welle 34 ist drehbar um die Achse 66 eine Schwinge 35 gelagert, wobei die Schwinge 35 genauso wie der Portalschlitten 27 in der Seitenansicht der Fig. 8 ein etwa U-förmiges Profil aufweist, wobei die Seitenschenkel dieses U-förmigen Profils an der Unterseite mit einem Portal 36 verbunden sind, welches Portal in der Zeichenebene der Fig. 8 schwingend ist und über den Antrieb, bestehend aus dem Motor 37 und der Spindel 38, in Z-Richtung noch zusätzlich verfahrbar ist.

[0081] Damit können während des Wicklungsvorganges die einzelnen Wicklungslagen 4,5 der zu wickelnden Spule 2,6 genau nachgeführt werden.

[0082] Zusätzlich zu dieser Schwingungsbewegung werden die sphärischen Konturen der Wickelform, welche die Form der Stellaratorspule 1 gemäß den Figuren 1,2 und 3 hat, nachgeführt.

[0083] Auf dem schwingenden Portal 36 ist ein fester Unterbau 39, z.B. aus einer Platte gebildet, der an der Oberseite ein kranzförmiges Kugellager 40 trägt.

[0084] Auf dem Unterbau 39 ist eine Welle 41 drehbar gelagert, die von einem in Fig. 6 dargestellten Motor 42 drehend angetrieben ist. Die Welle 41 ist drehfest mit einem Basisdrehtisch 44 verbunden. Damit ist dieser Basisdrehtisch 44 in der eingezeichneten Pfeilrichtung 45 drehbar.

[0085] Statt des hier beschriebenen Drehantriebs für den Basisdrehtisch 44 ist selbstverständlich auch ein Antrieb über einen Zahnkranz mit einem darin kämmenden Ritzel, welches von einem Motor angetrieben ist, möglich.

[0086] Auf dem Basisdrehtisch 44 ist ein Kastenrahmen 46 fest befestigt, der an seiner Oberseite einen Werkzeugtisch 47 trägt.

[0087] Auf dem Werkzeugtisch 47 ist die Wickelform 48 angeordnet, die in Fig. 5 in Draufsicht und Fig. 6 in Seitenansicht dargestellt ist.

[0088] Es sei noch angefügt, daß der Schwenkantrieb für die Schwinge 35 durch einen Motor 43 gebildet wird. Aus Vereinfachungsgründen ist auf der einen Seite in Fig. 8 nur dieser Motor 43 dargestellt, während er auf der anderen Seite der Fig. 3 ebenfalls symmetrisch angeordnet sein müßte.

[0089] Wie in der Erläuterung zu Fig. 1 und Fig. 2 gegeben, besteht die Wickelform 48 im wesentlichen aus der Innenfläche 7 und der Bodenfläche 8 der Stellaratorspule gemäß der Fig. 1 und 2.

[0090] Im folgenden wird der Aufbau des Biegekopfes 52 beschrieben.

[0091] Der Biegekopf 52 besteht aus einem kompletten Rollenbiegewerkzeug, welches in der Lage ist, dreidimensionale sphärische Biegungen CNC-gesteuert vorzunehmen.
Er besteht im wesentlichen aus einem Maschinengehäuse 53 mit mehreren hintereinander liegend und im gleichmäßigen Abstand voneinander angeordneten Rollenstationen mit den Rollen 54,55.

[0092] In einer bevorzugten Ausführungsform sind hierbei gemäß Fig. 7 drei starre Rollenstationen mit jeweils Rollen 55 hintereinander liegend angeordnet, welche alle drehend angetrieben sind und den Einlauf für den zu biegende Spulenleiter 17 bilden.

[0093] Jede Rollenstation besteht hierbei aus vier Rollen 55, wobei jeweils zwei Rollen 55 paarweise einander gegenüberliegend angeordnet sind. Schematisiert ist eine derartige Ausführungsform in Fig. 8 dargestellt, wo nur als Beispiel eine Rollenstation dargestellt ist. Man sieht, daß die Rollen 56 paarweise einander gegenüberliegend zu senkrecht hierzu liegenden Rollen 57 angeordnet sind.

[0094] Die starren Rollenstationen 55 dienen zur fluchtenden Positionierung des des Spulenleiters und zu dessen Vortrieb, der damit in Richtung seiner Längsachse in die bewegliche Rollenstation 54 eingeführt wird.

[0095] Die bewegliche Rollenstation 54 weist wiederum paarweise einander gegenüberliegende Rollen 56 und senkrecht hierzu stehende Rollen 57 auf, jedoch mit dem Unterschied, daß hierbei jede einzelne Rolle der Rollenpaare 56,57 verschiebbar und verstellbar angeordnet ist. Jede Rolle 56,57 des jeweiligen Rollenpaares ist hierbei auf einem Kreisbogen verschiebbar gelagert und in Richtung zu den Spulenleiter 17 zustellbar und entfernbar und zusätzlich noch in Richtung der Längsachse des Spulenleiters verschiebbar.

[0096] Das heißt also, die jeweiligen Doppel-Rollen 56,57 sind auf einer Kreisbahn in Z-Richtung, auf einer weiteren Kreisbahn in Y-Richtung und zusätzlich drehbar um die Längsachse des Spulenleiters herum in beiden Drehrichtungen verstellbar.

[0097] Damit ist es möglich, dem zu biegenden Spulenleiter ein beliebiges sphärisch gekrümmtes Profil im Raum zu geben, wobei eine zusätzliche Torsionsbiegung überlagert werden kann.

[0098] Das heißt, der erfindungsgemäße Biegekopf 52 biegt in der geforderten Formgebung den Spulenleiter 17 vollständig fertig vor. Er hat eine Formgebung wie es in den Fig. 6 bis 8 dargestellt ist. Nach dem Verlassen der beweglichen Rollstation 54 hat demgemäß der Spulenleiter 17 seine geforderte sphärische Formgebung und wird dann auf die in dreidimensionaler Richtung nachgeführte Wickelform 48 lediglich eingefädelt und eingelegt.

[0099] Die Nachführung der Wickelform 48 genau der entsprechenden vorher gegebenen Formgebung des Spulenleiters hat also den Sinn, daß ein formgenaues Einlegen des die Rollenstation 54 verlassenden Spulenleiters 17 auf die Wickelform 48 gewährleistet ist. Damit wird gesorgt, daß im synchronen Bewegungsablauf des Biegekopfes 52 Lage auf Lage paßgenau aufeinander gelegt werden.

[0100] Der Biegevorgang des Biegekopfes 52 und die synchrone Nachführung der Wickelform 48 ist entscheidend für die paßgenaue Anfertigung der Wickellagen 4,5 der Spulenleiter 17; d.h. durch das Auflegen auf die Wickelform 48 wird also selbst keine wesentliche Formänderungsarbeit mehr geleistet.

[0101] Im Sinne der vorher stehenden Beschreibung wird bei der positiven Formgebung außerhalb der Bereiche 65 der Stellaratorspule 1 der Drehantrieb für den Werkzeugtisch 47 mit einem Vorlauf betrieben, so daß die die letzte Rollenstation 54 verlassenden, fertig gebogenen Spulenleiter 17 unter einer leichten Vorspannung Lage auf Lage auf die Wickelform 48 aufgelegt werden. Die Vorspannung kann variabel von Null beginnend bis auf eine maximale Vorspannung durch Einstellung des Drehantriebes in Pfeilrichtung 45 eingestellt werden.

[0102] Wie vorher beschrieben, wird in den negativen Formungsbereichen (Bereiche 65 der Stellaratorspule gemäß Fig. 1,2) dieser Vorlauf (in Pfeilrichtung 45) entfernt und es werden stattdessen entsprechende Schieber zur Sicherung der Formgebung der Spulenleiter in diesen Bereichen 65 verwendet.

[0103] Es wird noch angefügt, daß der gesamte Biegekopf 52 an einem Konsolarm 59 fest gelagert ist, d.h. er ist stationär im Raum befestigt und der Konsolarm 59 ist an einem Schlitten 60 gelagert, der auf einem Turm 58 in den Pfeilrichtungen 62 in Z-Richtung verfahrbar ist.

[0104] Zusätzlich ist noch vorgesehen, daß der gesamte Konsolarm 59 in Pfeilrichtung 61 (X-Richtung) verschiebbar ist.

[0105] Diese beiden Verschiebungen in den Pfeilrichtungen 61,62 werden bevorzugt, weil bei komplizierten Wickelvorgängen zusätzliche überlagerte Bewegungsabläufe gebraucht werden, die damit durch eine zusätzliche Verschiebung des Biegekopfes 52 erreicht werden.

[0106] Statt der beschriebenen Hohlprofile ist damit auch ein Biegen von Hohlprofilen offener oder geschlossener Profilform möglich.

[0107] Wichtig bei dem vorliegenden Biegevorgang ist, daß die Biegung der Spulenleiter absolut schonend ist, sie tragen sogar eine Lackbeschichtung, die während des Biegevorganges nicht beschädigt werden darf und sie tragen eine supraleitende Füllung, die auch während des Biegevorganges nicht gequetscht oder in ihrem Querschnitt verändert werden darf. Die beschriebene Biegemaschine erfüllt alle diese Forderungen.

ZEICHNUNGS-LEGENDE

[0108] 

1 Stellaratorspule

2 Innenspule

3 Wicklungsaufbau

4 Wicklungslage

5 Wicklungslage

6 Außenspule

7 Innenwand

8 Bodenwand

9 Pfeilrichtung

10 RWR-Biegemaschine

11 Profilrichtanlage

12 Vorrichtstation

13 Coil-Station

14 Schienenanlage (nur für Coil)

15 Pfeilrichtung

16 Coil 1

17 Spulenleiter

18 Rolle

19 Rolle (Vorrichtstation 12)

20 Doppel-Rollen (Profilrichtanlage 11)

21 Pfeilrichtung

22 Maschinenrahmen

23 Schiene

24 Schlitten

25 Spindel

26 Motor

27 Portalschlitten

28 Motor

29 Spindel

30 Rollenführung (Portalschlitten 27)

31 Lagerschild

32 Spindel

33 Motor

34 Welle

35 Schwinge

36 Portalchassis

37 Motor

38 Spindel

39 Unterbau

40 Kugellager

41 Welle

42 Motor (für Tisch)

43 Motor (für Schwinge 35)

44 Basisdrehtisch

45 Pfeilrichtung

46 Kastenrahmen

47 Werkzeugtisch

48 Wickelform (Biegeschablone)

49 zweite Spulenhälfte (Spulenleiter 17)

50 Coil 2

51 Lagerbock

52 Biegekopf

53 Maschinengehäuse

54 Rollstation (beweglich)

55 Rollstation (staar)

56 Rollen

57 Rollen

58 Turm

59 Konsolarm

60 Schlitten

61 Pfeilrichtung (X-Richtung)

62 Pfeilrichtung

63 Pfeilrichtung

64 Linie

65 Bereich

66 Achse

67 Säulenrahmen (Portalsch.27)

Ansprüche

1. Verfahren zum Kaltumformen von Profilen aus Eisen- und Nichteisenmetallen bei dem das sphärisch zu biegende Profil durch ein in allen drei Raumachsen (X,Y,Z) bewegbares und drehbares Biegewerkzeug gebogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das sphärisch zu biegende Profil von dem als Biegekopf (52) ausgebildeten Biegewerkzeug frei im Raum ohne Biegeschablone und Gegenlager gebogen wird, und daß zur Lagensicherung des fertig gebogenen, den Biegekopf (52) verlassenden Profils (Spulenleiter 17) eine Wickelform (48) genau fluchtend unter die Biegelinie des Biegekopfes (52) in geringem Abstand in allen drei Raumachsen (X,Y,Z) verstellbar und zusätzlich drehbar nachgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß zur Bewicklung einer mehrfach sphärisch gekrümmten Stellaratorspule (1) die Wickelform (48) auf einem drehend angetriebenen Werkzeugtisch (47) angeordnet ist, daß in positiven Formungsbereichen der Stellaratorspule (1) der Drehantrieb des Werkzeugtisches (47) geringfügig schneller dreht als die Abzugsgeschwindigkeit der Rollstationen (54,55) des Biegekopfes, und daß in negativen Formungsbereichen (65) die Differenzgeschwindigkeit zwischen Drehantrieb des Werkzeugtisches (47) und der Abzugsgeschwindigkeit gleich 0 ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zu biegende Spulenleiter (17) von einem zylindrischen Coil (16) abgezogen wird und die durch diese Abwicklung entstehende Formänderung in hintereinander geschalteten Richtanlagen (Vorrichtstation 12) und Profilrichtanlage 12) zurückverformt wird, so daß das zu biegende Profil als gerade gewickelter Profilstrang in den Biegekopf (52) eingezogen wird.

4. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Formänderungsarbeit ausführende Biegekopf (52) im wesentlichen starr am freien Ende eines Konsolarmes (59) angeordnet ist, und daß im geringen Abstand zum Biegekopf (52) die Wickelform (48) zur Aufnahme der fertig gebogenen Spulenleiter (17) dreidimensional verstellbar und drehend antreibbar angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Biegekopf (52) aus mehreren hintereinander und im gegenseitigen Abstand voneinander angeordneten Rollstationen (54,55) besteht und daß die am Auslaufende des Biegekopfes angeordnete Rollstation (54) die sphärische Biegung des Spulenleiters (17) dadurch ausführt, daß die einzelnen Rollen (56,57) gegeneinander räumlich verstellbar und zueinander winklig verdrehbar sind und daß diese Rollstation (54) gegenüber den anderen Rollstationen (55) als Ganzes verdrehbar ist.

6. Vorrichtung nach einem Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegekopf (52) an dem in X-Richtung weisenden Konsolarm (59) gelagert ist und daß der Konsolarm (59) in Z-Richtung verschiebbar an einem ortsfesten Turm (58) gelagert ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dreidimensionale Nachführung der Wickelform (48) an den sphärisch gebogenen Spulenleiter durch eine Biegemaschine erreicht ist, die folgende Merkmale aufweist:
- ein Maschinenrahmen (22)
- ein darüberliegender Schlitten (24), der auf dem Maschinenrahmen (22) in X-Richtung verfahrbar ist, wobei der Schlitten (24) Träger des Y-Schienensystems ist,
- ein darüber sich befindender Portalschlitten (27) der verfahrbar ist (Rollenführung 30),
- der Portalschlitten (27) hat jeweils beidseitige Säulenrahmen (67), die schwere Lagerschilder (31) tragen zur Aufnahme einer Schwinge (35), die Lagerschilder (31) sind über seitliche Schlitten vertikal verfahrbar,
- die Schwinge nimmt ein kleineres Portal (36) auf, welches seitlich über Schlitten vertikal verfahrbar ist,
- auf diesem Portal (36) ruht ein Basis drehtisch (44)
- der Basisdrehtisch (44) hält über einem Kastenrahmen (46) in einer zweiten Ebene einen Werkzeugtisch (47), auf welchem die Wickelform (48) gelagert ist, über welche der Spulenleiter (17) formgewickelt wird,
- der Biegekopf (52) (mit räumlicher Biegefähigkeit) ragt auf einem Konsolarm (59) in das Zentrum des Biegeraumes und ist auf dem Konsolarm (59) verschiebbar angeordnet,
- die Biegestation ist über zehn Achsen gesteuert und kann jeden beliebigen Biegepunkt einer Wickelform (48) anfahren.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Wickelbiegen im linken und rechten Drehsinn (Pfeilrichtung 45) wahlweise erfolgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Raum zwischen dem Basisdrehtisch (44) und dem Werkzeugtisch (47) ein Lagerbock (51) auf einem Fahrgestell angeordnet ist, auf dem das zweite Coil (50) gelagert ist, welches mit seiner zweiten Spulenhälfte (49) mit dem Wicklungsaufbau (3) auf der Wickelform (48) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­zeichnet, daß die erste Spulenhälfte von einem fluchtend vor dem Biegekopf (52) angeordneten ersten Coil (16) abziehbar ist, die in einer in Y-Richtung verstellbaren Coil-Station (13) angeordnet ist.

Zeichnung