Zugkraftregelung

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 verarbeiten zu können.

Zugkraft

Formelzeichen:

Fz

Einheit N

kg*m*s²

Umspulmaschine für Draht und Faser

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.


Auf der linken Seite ist in der oberen Abbildung 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 verändert wird, umso dynamischer muss auch die Zugkraftregelung arbeiten können.

Die Methoden der aktiven Zugkraftregelung sind:

  • Antriebsregelung mit Zugkraftsensoren
  • Tänzerlagenregelung
  • Drehmomentregelung

Zugkraftsensoren

Die Zugkraft kann mit Hilfe von Zugkraftsensoren 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. Die Anforderung an die Antriebsregelung ist sehr

hoch, da eine Regelabweichung des Antriebes unmittelbar zur Veränderung der Zugkraft führt.

Tänzerlagenregelung

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. 


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 einem von der Supertek patentierten elektromagnetischem Kraftverfahren beruht und eine hochdynamische und tänzerlagenunabhängige konstante Tänzerkraft erzeugen kann. Mit dem elektromagnetischen Tänzer EDL 60 sind Zugspannungen im Bereich von 10 cN bis 600 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.

Die Veränderung der Tänzerlage sollte nicht die Zugkraft ändern,

sondern lediglich zur Regelung des Antriebsmotors dienen.

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 Zugspannungsanforderungen oder sehr kleine Kräfte 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.

Messtechnik


Zum geregeltem Umspulen von Drähten und Fasern ist die Bestimmung verschiedener physikalischer Größen wie beispielsweise die Drahtlänge, Wickelgeschwindigkeit oder Zugkraft notwendig.


Messung der Länge und Geschwindigkeit

Zur Messung der physikalischen Größen, Länge, Geschwindigkeit und Kraft können Umlenkrollen, mit denen der Draht geführt wird, eingesetzt werden.

Die Kraft kann mit Zugkraftsensoren oder Wägezellen gemessen werden. Zur Messung der Geschwindigkeit und Länge eigenen sich Drehgeber bzw. Encoder die an eine Umlenkrolle montiert sind.

Die Länge wird wie folgt berechnet:

Zu berücksichtigen ist die Drehzahl n der Umlenkrolle, der Radius rU der Umlenkrolle bis zur Lauffläche und der halbe Drahtdurchmesser rD, bzw. der Radius vom Draht.

Der Drahtdurchmesser beeinflusst die Messung der Länge und die Messung der Geschwindigkeit und sollte für die HMI parametrisierbar sein.

Die Geschwindigkeit v berechnet sich entsprechend:

Die Auflösung und Genauigkeit der Längen- und Geschwindigkeitsbestimmung hängt von mehreren Faktoren wie die Bauart der Umlenkrolle, die Art der Drehzahlmessung bzw. Auflösung des Drehgebers, der Reibungskraft (Schlupf) zwischen der Umlenkrolle und dem zu messendem Material und der Signalverarbeitung sowie Berechnungszeit (Echtzeit) ab. Zur Messung der Drehzahl bietet Supertek unterschiedliche Umlenkrollen mit Encoder an. Die Berechnung der Länge und der Geschwindigkeit erfolgt mit dem Winding Controller MCU in Echtzeit. Somit kann eine Solllänge eines Materials exakt gewickelt werden. Dies ist beispielsweise bei der Herstellung von präzisen Spulen erforderlich.

Zugkraftmessung

Wird die Zugkraftregelung mit unseren elektromagnetischen Tänzern umgesetzt, ist eine zusätzliche Messung der Kraft mit Zugspannungsmessgeräten nicht erforderlich, da die Tänzerkraft des elektromagnetischen Tänzers äquivalent einer Präzisionswaage mit elektromagnetische Kraftkompensation arbeitet.