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Zugkraftregelung

 

1. Einführung

 

In vielen Fertigungsbereichen in denen Wickelgüter wie beispielsweise Drähte, Lichtwellenleiter, Chemie- und Textilfasern hergestellt, veredelt oder verarbeitet werden, ist eine Zugkraftregelung notwendig. In Abhängigkeit des Fertigungsprozesses, der physikalischen Eigenschaft des Produktes und der geforderten Bahngeschwindigkeit werden unterschiedliche Anforderungen an die Regelung der Zugkraft gestellt.
Der allgemeine Trend zur Miniaturisierung von Produkten steigert den Bedarf an die Verarbeitung immer feinere Drähte und Fasern. Die Zugkraftregelung bildet hierbei eine wichtige Voraussetzung sensible Güter überhaupt verarbeiten zu können.

 

2. Methoden der Zugkraftregelung

 

Je nach Anforderung, Wirtschaftlichkeit und der technischen Möglichkeit existieren verschiedene Methoden die Zugkraft in einem Fertigungsprozess zu regeln. Die Zugkraft der Meterware bzw. des Wickelgutes muss für einen Bearbeitungsprozess, der beispielsweise Drähte umspult, verseilt oder beschichtet, genau angepasst werden. Die grundsätzlichen Anforderungen einer Zugkraftregelung werden hier anhand eines Applikationsbeispieles in Form eines einfachen Umwicklers für Drähte beleuchtet.

 

 

 

Prinzipdarstellung Wickler 

Abb.1 Prinzipdarstellung von Ab- und Aufwickler

 

 

 

Auf der linken Seite ist in der Abbildung 1 ein Abwickler, auf der rechten Seite ein Aufwickler dargestellt.

 

Die Zugkraft muss so beschaffen sein, dass eine optimale Führung des Drahtes gewährleistet wird. Eine zu geringe Zugkraft des Drahtes führt zu schlechten Wicklungslagen oder zum Abgleiten des Drahtes von den Führungsrollen und somit zum Prozessstillstand. Wird der Draht hingegen soweit gedehnt bis er zerreißt, ist die Zugkraft zu hoch.

 

Die beiden Extreme veranschaulichen, dass die Zugkraft nicht nur dem Bearbeitungsprozess, sondern auch den physikalischen Eigenschaften des jeweilig eingesetzten Produktes angepasst werden muss. Damit das Wickelgut optimal verarbeitet wird sind die Anforderungen an die Zugkraftregelung allerdings deutlich höher: Die Dämpfungseigenschaft eines Lichtwellenleiters ändert sich durch die Änderung der Zugspannung. Für eine gleichbleibende Qualität des Lichtwellenleiters muss während der Verarbeitung die Zugspannung konstant gehalten werden. Zugkraftschwankungen führen zu einer schlechten Qualität des Wickelgutes und müssen daher verhindert werden.

 

Während des Umspulvorgangs ändern sich verschiedene Parameter, wie beispielsweise die des Spulendurchmessers und mit ihm die Umdrehungszahl des Abwicklers. Unabhängig der veränderlichen Größen sollte die Zugkraftregelung in der Lage sein, die Zugkraft konstant zu halten. Eine weitere Anforderung wird durch die Bahngeschwindigkeit des Drahtes bestimmt. Je schneller die Bahngeschwindigkeit wird, umso dynamischer muss auch die Zugkraftregelung arbeiten können.

 

Die gängigen Methoden der Zugkraftregelung sind:

 

- Durchhangsteuerung

- Drehmomentregelung

- Bremsverfahren

- Antriebsregelung mit Kraftmessköpfen

- Tänzerlagenregelung

 

Die genannten Methoden, die alle in der Industrie Verwendung finden, werden in ihrer Funktion in den Menüs auf der linken Seite erläutert. Da viele Variations- und Kombinationsmöglichkeiten bestehen, kann hier nur ein grober Überblick gegeben werden.

Tänzerregelung

Die Antriebsregelung mit einer Tänzerlage basiert auf der Durchhangregelung mit dem wichtigen Unterschied, dass die Zugkraft nicht durch die eigene Masse des Produktes, sondern über eine externe Kraft, die auf das Produkt einwirkt, geregelt wird.
 
 
 
Prinzipschaltbild Taenzer
 
Abb. 2  Prinzipschaltbild Tänzerlageregelung
 
 
 

Die Tänzerlageregelung ist eine bewährte Methode zur aktiven Zugkraftregelung von Wickelgütern. Die aktive Zugkraftregelung verwendet Antriebsmotoren zum allgemeinen Transport des Wickelgutes, beispielsweise in Form eines Spulenantriebes anstatt von Bremssystemen. Im Prinzipschaltbild ist ein Umspulvorgang eines Wickelgutes vom Abwickler zum Aufwickler mit Tänzerlageregelung skizziert. Im Prinzipschaltbild wird angenommen, dass der Aufwickler mit vorgegebener Geschwindigkeit das Produkt aufwickelt. Der Abwickler muss dem Aufwickler folgen, so dass sich eine gewünschte Zugspannung einstellt. Dies wird erreicht, indem das Wickelgut über eine bewegliche Umlenkrolle eine Kraft erfährt, die der Zugspannung in einem festen Verhältnis entspricht. Im gezeigten Prinzipschaltbild würde eine positive Beschleunigung des Aufwicklers zu einer Aufwärtsbewegung der beweglichen Umlenkrolle führen. Bei einer negativen Beschleunigung würde sich die Umlenkrolle entsprechend nach unten bewegen. Das Auf- und Abbewegen wird auch „tänzeln“ genannt, wodurch das Synonym Tänzer entstand. Nach dem Flaschenzugprinzip ist die Zugkraft proportional der Tänzerkraft. Die Tänzerlage wird wiederum zur Drehzahlregelung des Antriebsmotors, vorzugsweise mit einem PID-Regler, genutzt. Bewegt sich der Tänzer nach oben, so führt die Regelabweichung zur positiven Beschleunigung des Abwicklers und umgekehrt. Damit sich die Zugkraft bei einer Regelabweichung nicht ändert, muss die Tänzerkraft auch unabhängig der Tänzerlage stets konstant gehalten werden.

 

Mit herkömmlichen Tänzersystemen, die aus Gewichten, Pneumatikzylindern und (oder) Federn bestehen, können nur relativ grobe Zugkraftregelungen mit entsprechenden Zugkraftschwankungen umgesetzt werden. Dies liegt in der physikalischen Eigenschaft der Tänzerkraft begründet. Bei Tänzern mit Gewichten ändert sich die Kraft nach F = ma bereits durch die Tänzerbewegung. Die Massenträgheit verursacht zwangsläufig eine Veränderung der Zugkraft. Federn haben stets eine andere Kraft proportional zur Federlänge und widersprechen der Notwendigkeit einer konstanten Tänzerkraft, die auch mit speziellen Pneumatikzylindern nur schwer in den Griff zu bekommen ist.

 

Die herkömmlichen Methoden stoßen, insbesondere bei der Zugkraftregelung sensibler Produkte, an ihre technischen Grenzen. Aus diesem Grund wurde von der Firma Supertek GmbH ein elektromagnetischer Tänzer entwickelt, der auf ein von der Supertek patentiertes elektromgnetisches Kraftverfahren beruht und eine hochdynamische und tänzerlagenunabhängige konstante Tänzerkraft erzeugen kann. Mit dem elektromagnetischen Tänzer EDL 50 sind Zugspannungen im Bereich von 0,0 cN bis 500 cN mit einer Auflösung von 0,1 cN regelbar. Wo andere Systeme versagen, können durch den Einsatz des elektromagnetischen Tänzers selbst sensibelste Wickelgüter nun sehr schnell, präzise und problemlos verarbeitet werden. Hierdurch eröffnen sich neue, effizientere und wirtschaftlichere Produktionsmöglichkeiten. Die Supertek GmbH bietet den elektromagnetischen Tänzer samt elektronischer Steuerung als Komponente zur Nachrüstung in bestehende Anlagen oder zur Herstellung neuer Maschinen an.

 

Durchhangsteuerung

 

Die Durchhangsteuerung ist, wie es dem Begriff zu entnehmen ist, ursprünglich eine Steuerung mit einem offenen Regelkreislauf. Verwendung findet diese Art der Zugkraftsteuerung bei Fertigungsprozessen, bei denen es ausreicht, die Zugkraft über das Eigengewicht des Produktes zu steuern, indem das Produkt einfach zwischen zwei Umlaufrollen durchhängt. Den größten Einsatz findet diese Art der Zugkraftsteuerung bei Bahnmaterialien wie Blechbahnen, Stoffbahnen oder Papier, aber beispielsweise auch bei einfachen Umwicklern für Kabel. Die Durchhangsteuerung gehört zur einfachsten Form der Zugkraftsteuerung und hat die bekannten Nachteile einer Steuerung gegenüber einer Regelung. Heutzutage wird allerdings der Begriff Durchhangsteuerung eher als Oberbegriff verstanden und kann daher auch für die Durchhangsregelung stehen. Bei der Durchhangsregelung werden in den meisten Fällen optische Abstandssensoren eingesetzt, die die Durchhangsposition messen und somit auf ein Antriebssystem einen rückwirkenden Einfluss haben.

 

Ist die eigene Masse oder die Durchhangslänge für eine Zugkraft zu gering, so kann beispielsweise mit einer externen Kraft nachgeholfen werden. Findet dieses Verfahren bei der Durchhangsregelung Anwendung, so spricht man von einer Tänzerlageregelung.

 

Die beschriebene Durchhangmethode kann beispielsweise bei dünnen Drähten ausgeschlossen werden, da ihre eigene Masse nicht für eine zweckmäßige Funktion ausreicht. Das Prinzip, die eigene Masse des Drahtes zu nutzen, wird allerdings bei dünnen Drähten mit der so genannten „whisker disc“ genutzt und soll deshalb nicht unerwähnt bleiben. Die „whisker disc“ nutzt die Fliehkraft, die durch die rotierende Spule ausgeübt wird, um den Draht abzuwickeln. Die Fliehkraft, die der Zugkraft entspricht, ist von der Geschwindigkeit und dem Durchmesser der rotierenden Spule, sowie der Masse des Drahtes abhängig. Hieraus resultieren Probleme beim Anfahren oder Abbremsen und der Führung des Drahtes. Die Zugkraft kann nicht unabhängig der Geschwindigkeit eingestellt werden. Vibrationen des Drahtes wirken sich negativ auf die Verarbeitung aus.

 

Drehmomentregelung

 

Bei der Drehmomentregelung wird das Moment des Antriebes des Ab- oder Aufwicklers geregelt. Die Zugkraftregelung über die Drehmomentregelung erscheint mit der heutigen Antriebstechnik als eine geeignete Methode, birgt aber gewisse Einschränkungen. Da sich der Umfang der Spule während des Auf- bzw. Abwickeln ändert, hat dies bei konstantem Drehmoment eine Änderung der Zugkraft des Drahtes zur Folge. Für geringe Änderungen des Umfanges oder bei zulässig weiten Zugkrafttoleranzen, speziell bei hohen Zugfestigkeiten, kann die Drehmomentregelung eingesetzt werden. Zusätzlich kann das Drehmoment dem Umfang der Spule angepasst werden. Hierfür ist eine Mess- und Regeleinrichtung notwendig, die den Umfang permanent bestimmt. Das Drehmoment muss somit dem Umfang angepasst und kontinuierlich berechnet werden. Die Zugkraftregelung anhand der Drehmomentregelung wird durch Beschleunigungsvorgänge erschwert. Für sehr genaue oder sehr kleine Zugspannungsanforderungen sind Drehmomentregelungen daher eher ungeeignet.

 

Der größte Nachteil bei der Drehmomentenregelung im Gegensatz zur Tänzerlagenregelung ist, dass sich eine Regelabweichung des Antriebsmotors unmittelbar auf die Zugspannung auswirkt. Ein Puffer für externe Störeinwirkungen ist bei der Drehmomentregelung ebenfalls nicht vorhanden.

 

Bremsverfahren

 

Das Bremsverfahren wird hier als eine einfache Form der Drehmomentregelung gesondert aufgeführt, da das Bremsverfahren nur das Drehmoment begrenzt und nicht aktiv über einen Antriebsmotor regelt.

 

Beim Bremsverfahren wird die Zugkraft in der einfachsten Ausführung gestellt, indem sich die Bremse erst ab Erreichen einer vordefinierten Zugkraft löst. Hierbei kann das Produkt durch Bremsrollen oder direkt an der Welle der Abwickelspule abgebremst werden. Die Bremswirkung wird je nach Anforderung mit Hilfe einer mechanischen, hydraulischen bzw. pneumatischen oder mit einer elektromechanischen Bremseinrichtung gewährleistet. Das mechanische Bremsverfahren wird beispielsweise mit Gewichten oder Federn realisiert, die mit ihrer Kraft die Bremskraft erzeugen. Die Bremskraft und mit ihr die Zugkraft kann bei Federn manuell über die Variation der Federlänge verändert werden. Auch Drehmomentbegrenzer, die mit Permanentmagneten eine Kraft erzeugen, finden ihren Einsatz bei dem Bremsverfahren. Elektromechanische Bremsen arbeiten beispielsweise mit Magnetpulverbremsen, Elektromagneten oder motorischen Antrieben. Der Vorteil gegenüber den mechanischen Systemen besteht überwiegend darin, dass elektronische Reglereinheiten eingesetzt werden können, die eine geringere Stellgrößenabweichung der Zugkraft ermöglichen.

 

Bei den Bremsen, die nicht die Spule, sondern direkt das Wickelgut über Anpressrollen einem so genannten Capstan abbremsen, wird das Produkt oft kopfüber abgewickelt bei dem eine Verdrillung unvermeidlich ist, so dass flache Leitungen oder Folien mit diesem Verfahren nicht verarbeitet werden können.

 

Eine Kombination aus Durchhangregelung und nachfolgendem Capstan zur Nutzung der Bremsmethode ist möglich, um das Problem einer Verdrillung aus dem Wege zu gehen. Grundsätzlich können Bremssysteme allerdings nur sehr bedingt die Zugspannung ausreichend genau regeln.

 

Kraftmesssysteme

 
Die Zugkraft kann mit Hilfe von Kraftmessköpfen ermittelt und über eine Antriebsregelung geregelt werden. Die Messung erfolgt direkt am Produkt beispielsweise anhand von Rollen, die mit einer Kraftmesseinrichtung verbunden sind. Zur Kraftmessung kommen je nach Genauigkeitsanforderung und Zugkraftgröße verschiedene Verfahren zum Einsatz. Hierzu gehören Drucksensoren und Dehnungsmessstreifen, sowie piezoelektrische und elektromagnetische Verfahren, die je als Kraft- und Drucksensoren, bzw. Aufnehmer oder als Wägezellen bezeichnet werden. Grundsätzlich kann eine sehr präzise Messung der Zugkraft mit einem Kraftmesskopf erreicht werden. Ein präziser Istwert ist noch kein Indiz einer guten Regelung. Die Anforderung an die Antriebsregelung ist sehr hoch, da eine Regelabweichung des Antriebes unmittelbar zur Dehnung oder Entspannung des Produktes führt.
 
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