DE2346965A1

DE2346965A1 - Vorrichtung zum umbandeln eines raeumlich gekruemmten leiterstabes

Info

Publication number: DE2346965A1
Application number: DE19732346965
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr Ing Haeusler; Manfred Schmirl; Dietmar West
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1973-09-18
Filing date: 1973-09-18
Publication date: 1975-03-27
Also published as: AT337827B; FR2244289B1; ATA683174A; US3940073A; CH571284A5; FR2244289A1

Description

SIEIiENSAKTIENGESELLSCHAFT München, den 18.SER 1973 Berlin und München Witteisbacherplatz

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Vorrichtung zum Umwandeln eines räumlich gekrümmten Leiter-Stab es

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Umbandeln eines räumlich gekrümmten Leiterstabes mittels eines führbaren und schwenkbaren Wickelkopfes, der einen Führungsring mit einem darin gelagerten und mit Isolierband tragenden Rollen ausgerüsteten, motorisch angetriebenen umlaufenden Wickelring trägt.

Wicklungen großer elektrischer Maschinen werden vielfach aus Spulen oder Stäben mit rechteckförmigem Querschnitt aufgebaut. Die Güte der Isolierung der Spulen bzw. Stäbe ist ein für die Qualität der Maschine bedeutender Herstellungsvorgang. Das Isolieren der Leiterstäbe oder Spulen geschieht mittels auf einer Vorratsrolle aufgespulten Isolierstoffbändern, die spiralförmig und mit einer vorgeschriebenen Überlappung sowie mit hinreichender Zugkraft in mindestens einer Lage auf die Stäbe oder Spulen gewickelt werden. Das Umwickeln derartiger Leiterstäbe wurde früher allgemein von Hand vollsogen. Ein geschickter Wickler ist in der Lage, sich sowohl den Festigkeitseigenschaften verschiedener zusammengesetzter Isolierstoffmaterialien gefühlvoll anzupassen; er kann sich aber auch auf die unterschiedlichen Geometrien der zu isolierenden Stäbe einstellen. Die Qualität der Isolierung ist somit von handwerklichen Geschick und von der Erfahrung des Bearbeiters abhängig; indessen ist seine, sich in der Wickelge-schwindigkeit ausdrückende Leistung relativ gering.

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Es wurden·daher schon motorisch arbeitende Vorrichtungen zum Umbandeln von Leiterstäben vorgeschlagen, die eine wesentlich höhere Arbeitsgeschwindigkeit ermöglichen.

So ist es bekannt, gerade Teilstrecken von Stäben mittels einer Wickelvorrichtung zu umbandeln. Sie besteht z. B. aus einem Wickelkopf, der einen mit ein oder mehreren Isolierbändern tragenden Vorratsrollen bestückten Wickelring trägt. Der Wickelring läuft beim Wickeln mit einer von der Vorschubgeschwindigkeit des Werkstückes abhängigen Drehgeschwindigkeit um; er ist derart geführt, daß seine Drehachse mit der Stabachse zusammenfällt. Während des Wickelvorganges wird der Wickelkopf parallel zur Stabachse geführt. Die Zugspannung, mit welcher das Isoliermaterial verarbeitet werden darf, ist mittels besonderen Vorrichtungen an den Vorrats- oder weiteren Pührungsrollen einstellbar. Derartige Vorrichtungen zum Umbandeln von elektrischen Leiterstäben mit Isoliermaterial sind indessen für räumlich gekrümmte Leiterstä.be nicht geeignet, denn sie können den Krümmungen nicht folgen. Bei einer anderen bekannten Vorichtung zum Umbandeln eines räumlich gekrümmten Leiterstabes wird der Wickelkopf längs des zu umbandelnden Stabes derart geführt, daß auch im allgemeinsten Fall die Achse des Wickelringes mit der "Neutralen Paser" des zu umbandelnden Stabes zusammenfällt. Zur Steuerung und Führung des Wickelringes dienen Hilfsvorrichtungen, z"» B. Schablonen, Führungsschienen oder Kopiervorrichtungen. Derartige Hilfsvorrichtungen müssen jedoch zu jeder Stab- oder Spulenform gesondert erstellt werden. Auch genügen die genannten Hilfsvorrichtungen nicht der Forderung, daß in jedem Punkte der Krümmung eines^ Leiterstabes die Achse des Wickelringes mit der "Neutralen Faser" des zu umbandelnden Stabes zusammenfällt; es ist daher ein gelegentliches Schwenken des Wickelkopfes durch zusätzliche Steuermechanisroen erforderlich. Derartige Wickelmaschinen zum Umbandeln eines Leiterstabes stellen überall dort .eine brauchbare Lösung dar, wo hinreichend viele gleiche Spulen

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oder Stäbe isoliert werden müssen. Diese Voraussetzung ist jedoch im Großmaschineribau selten gegeben; denn die Anzahl formgleicher Leiterstäbe ist gering, so daß der Wiederholungsfaktor klein ist. Die Anwendung von Schablonen oder Kopiervorrichtungen ist daher in diesen besonderen Fällen unwirtschaftlich, und zwar nicht nur wegen der Herstellung der jeweiligen Schienen, Kurvenbahnen u. dgl., sondern auch wegen des verhältnismäßig hohen Aufwandes zu ihrer Lagerhalterung, die bei den im Großmaschinenbau gängigen Abmessungen nicht unbeträchtlich sind. Ferner haftet dem Kopier- und/oder Schablonenverfahren der Nachteil an, daß sie einen, bezüglich seiner geometrischen Abmessung ideal gefertigten Leiterstab bzw. eine solche Spule voraussetzen. Dies ist aber bei den derzeitigen, ebenfalls noch handwerklichen Herstellungsverfahren nicht immer der Fall. Mit zunehmender Größe der Leiterstäbe wird die ohnehin vorhandene Labilität des zu isolierenden Gebildes noch vergrößert, so daß die Anwendung von Schablonen, Schienen oder Kurvenbahnen zur Führung und Steuerung des Wickelkopfes nicht immer zum gewünschten Erfolg führt. Dieser Umstand macht aber auch ein Kopierverfahren, bei welchem die Schablone als "Software" aus der Fertigungszeichnung, z. B. in Form eines Lochstreifens gewonnen werden könnte und bei der dann keine gravierenden Lagerungsprobleme entstehen, problematisch.

Ferner ist es bekannt, den zu isolierenden Stab selbst als Schablone zu benutzen, indem man den Wickelkopf kraftschlüssig am Stab entlangführt. Bei dieser Anordnung ergibt sich jedoch beim Umbandeln von räumlich gekrümmten Leiterstäben eine erhöhte mechanische Beanspruchung der Isolierung, insbesondere der unteren Lagen. Dieser Nachteil ist darauf zurückzuführen, daß der schwere Wickelkopf von den Isolierbändern getragen wird, lieben der statischen Last werden zusätzlich noch Beschleunigungskräfte wirksam. Die Fortbewegung des Wickelkopfes, insbesondere im Bereich der Steigungen bedingt eine zusätzliche

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Belastung des Isolierroaterials. Für derartige mechanische Beanspruchungen ist indessen das Umbandelungs- bzw. Isoliermaterial nicht bemessen.

Ausgehend von einer eingangs genannten Vorrichtung an einer Maschine zum Umbandeln eines räumlich gekrümmten Leiterstabes besteht die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, die bei den bekannten Vorrichtungen auftretenden Fachteile zu vermeiden; insbesondere soll ein Wickelkopf zum Umbandeln eines räumlich gekrümmten Leiterstabes geschaffen werden, der sich selbstätig während de3 Wickelvorganges so einstellt, daß die Wickelachse des Wickelringes auch im Bereich der Stabkrümaungen mit der "Neutralen Paser" des zu umbandelnden Stabes zusammenfällt. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß

a) der umlaufende Wickelring in fünf Freiheitsgraden gehalten und zu seiner Positionierung gegenüber dem räumlich gekrümmten, zu umbandelnden Leiterstab in den drei orthogonalen Koordinatenrichtungen einstellbar und um zwei zueinander senkrecht gerichtete Achsen schwenkbar ist sowie

b) der Wickelkopf eine -seine Lageänderung gegenüber dem zu umbandelnden Leiterstab messende, Korrektursignale liefernde Abtastvorrichtung trägt.

Zum Umbandeln des räumlich gekrümmten Leiterstabes wird der Wickelring so eingestellt, daß seine Drehachse in Richtung der "Neutralen Faser" der Stabachse gerichtet ist. Der Ursprung des Koordinatensystems liegt ebenfalls auf der "Neutralen Faser" des Stabes. Die Bewegung des Wickelringes erfolgt in der Längsrichtung des Stabes. Damit der Ursprung des Koordinatensystems während der fortschreitenden Bewegung des Wickelkopfes in der "Neutralen Faser" verbleibt, sind mehrere

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Stellgeber vorgesehen, die mittels Steuersignalen elektrisch oder pneumatisch bzw. hydraulisch betrieben werden. Bedingt dadurch, daß der Wickelring zum Zweck seiner Positionierung in fünf Freiheitsgraden gehalten ist, ist er stets so positionierbar, daß seine Wickelebene senkrecht zur "Neutralen Paser" gerichtet ist; mittels der Abtastvorrichtung ist er aber auch derart steuerbar, daß die Wickelachse mit der Neutralen Paser des zu umbandelnden Stabes zusammenfällt.

Nach einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung besteht die Abtastvorrichtung aus zwei in parallelen Ebenen zur Wickelebene des Wickelringes angeordneten Tastsystemen, deren jedes zwei orthogonal zueinander gerichtete, mindestens einen !Taster beinhaltende Meßstrecken aufweist, wobei jeder Taster die Lage de3 Leiterstabes innerhalb einer Meßstrecke ermittelt und in ein elektrisches Signal umwandelt. Die Abtastvorrichtung steht mit einer Auswertelogik in Verbindung. Die Abtastvorrichtung ermöglicht ein stets genaues 'Nachführen des Wickelkopfes bzw. des Wickelringes j derart, daß die Drehachse des letzteren während des Umbandeins auch im nahen Bereich der Krümmungen des Leiterstabes als Tangente der "Neutralen Paser" des Leiterstabes folgt. Bedingt dadurch, daß die Abtastvorrichtung aus zwei in parallelen Ebenen zur Wickelebene angeordneten Tastsystemen besteht und nur in diesen Ebenen eine Ermittlung der Lage der "Neutralen Paser" innerhalb des Wickelringes erfolgt, kann streng genommen die Positionierung des Wickelringes nur im Sonderfall so erfolgen, daß im Krümmungsbereich eines Leiterstabes die Drehachse des Wickelringes als Tangente an der "Neutralen Paser" des Leiterstabes liegt. Unter Berücksichtigung der unvermeidbaren Hysterese bewirken die Stellorgane eine Positionierung des Wickelringes in einem Intervall um die Neutrale Paser des Leiterstabes. Diese dadurch bedingten Abweichungen sind jedoch klein, sie führen nicht zu einem Quali-

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tätsverlust hinsichtlich der Güte der Umbändelung.

In den Zeichnungen sind eine gemäß der Erfindung gebildete Vorrichtung zum Umbandeln eines räumlich gekrümmten Leiterstabes nebst Einzelheiten hierzu teilweise schematisch dargestellt.

Figur 1 zeigt ein Prinzipbild des Wickelkopfes; der allgemein mit 1 bezeichnete Wickelkopf besteht aus einem Kardanbügel 2, in dem ein Führungsring 3 in einem Drehlager 4 schwenkbev/eglich gehalten ist. In diesem Führungsring ist der Wickelringin Pfeilrichtung 6 drehbar gelagert. Der Wickelring umkreist den mit Isoliermaterial 9 zu umbandelnden Leiterstab 8 und ist entlang der räumlich gekrümmten Leiterstabachse führbar. Zu diesem Zweck trägt der Wickelring 5 mehrere, das Isoliermaterial aufnehmende Vorratsrollen 7. Der Wickelkopf ist in fünf Freiheitsgraden beweglich gelagert. Im vorliegenden Falle ist der Wickelkopf in den Richtungen der drei- orthogonalen Koordinaten Ji, Y und Z stellbar. Die Stellvorrichtungen sind hier nicht dargestellt. Ferner ist der Wickelring um die Y-Achse gemäß den Pfeil 10 drehbar, wie auch um die hierzu orthogonale Drehachse 5 schwenkbar.

Wie Figur 2 zeigt, soll der Wickelkopf bzw. Wickelring derart gesteuert und geführt werden, daß die Drehachse 12 des Wickelringes 5 am jeweiligen Wickelort 13 sich als Bahntangente an die Neutrale Faser H des räumlich gekrümmten Leiterstabes 8 anschmiegt.

Eine zur Ausübung des Verfahrens dienende Vorrichtung ist in der Figur 3 dargestellt. Der Wickelkopf ist hier an einer Hubstange 15 gehalten,die in Richtung der Y-Achse gemäß der Figur 1, mittels eines Stellmotors und einer Hubvorrichtung 16 höhenverstellbar gelagert ist. Diese-Hubvorrichtung ist auf einer

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laufkatze 17 gelagert; mittels dieser ist die Hubstange und damit auch der Wickelkopf 1 in der Z-Richtung stellbar. Die Laufkatze ist in einem Portalträger 18 gehalten; letzterer ist mittels eines Stellmotors 19 in der X-Richtung in einer Führung 20, 20' stell- und fahrbar gelagert. Die Schwenkbewegung des Wickelkopfes 1 und die Y-Achse erfolgt von einem Schwenk- und Stellmotor 21 auf der Laufkatze 17, die einen die Hubvorrichtung 16 aufnehmenden Drehteller 22 schwenkt. Ein weiterer Stellmotor 23 befindet sich am Bügel 2 des V/ickelkopfes 1 und dient zum Schwenken des Führungeringes 3. Der zu urobandelnde Stab 8 ist hier in Kleiamstütaen 24 gehalten. Während des Urobandelns folgt wie in Figur 2 dargestellt - die Drehachse des Wickelringes der "Neutralen-Faser" des zu umbandelnden Stabes, Zu diesem Zweck besitzt der Führungsring eine Abtastvorrichtung, welche die selbsttätige Führung des V/ickelkopfes bzw. Wickelringes' ermöglicht

Die Figuren 4 und 5 zeigen in einem Ausführungsbeispiel eine Abtastvorrichtung - allgemein mit F bezeichnet - die eine selbsttätige Führung des Wickelringes entlang der "ITeutralen-Faser" eines räumlich gekrümmten Leiterstabes ermöglicht. Zur Feststellung der relativen Abweichung des Stabes aus der Mitte des Wickelringes würde es genügen, nur in einer Ebene möglichst nahe dem Bereich der Wickelstelle eine Messung durchzuführen. Damit könnte jedoch die Krümmung des Stabes nicht erfaßt werden. Es ist daher vorgesehen, die Messung in zwei parallel zur Wickelebene E verlaufenden Ebenen G-, H durchzuführen, wobei diese beiden Ebenen möglichst nahe der Wickelebene gelegen sind. Im vorliegenden Eeispiel trägt der Führungsring vier Meßsysteme A bis D, bestehend aus je zwei diametral gegenüberliegenden induktiven Wegaufnehmern 25 und 26. Diese Wegaufnehmer sind am Führungsring 3 befestigt. Der verschiebbare Kern 27 eines jeden Wegaufnehmers ist mit einer Rolle 28 verbunden, wobei eine Feder 28' dazu dient, diese Rolle gegen den zu umbandelnden Stab 8 zu drücken. Die beiden Meßsysteme A und C liefern die

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Stellsignale für die Steuerung der Wickelscheiben in der Y-Richtung. Entsprechende Signale für die Steuerung der V/i ekel- ' scheibe in der Z-Richtung liefern die Meßsysteme B und D.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, anstelle der mechanisch arbeitenden Taster, nämlich der Rollen 28, mit den Kernen 27 berührungslos arbeitende Wegaufnehmer, z.B. optische Wegaufnehmer, zu verwenden. Derartige Meßsysteme sind an sich bekannt und bestehen jeweils aus einer Lichtquelle als Strahlungssender und einen Lichtempfänger, der ggf. eine Diodenzeile beinhalten kann.

Die Arbeitsweise der Abtastvorrichtung ist aus den Figuren 6 und 7 zu ersehen. Die acht Wegaufhehmer (Pig. 6, B 25 und B sowie D 25 und D 26 und Fig. 7 A 25, A 26 sowie C 25 und C 26) liefern entsprechend dem Abstand der Drehachse des Wickelringes von der "ITeutralen-Faser" des Stabes 8 analoge Spannungen (u 1 - u 4 und u 1.1 - u 4.1). Um Abweichungen äes Stabes in der Z-Richtung von der Mtte des Wickelringes zu erfassen, müssen die Spannungen u 1, u 2, u 5 und u 4 wie folgt verknüpft werden:

(u 1 + u 3) - (u 2 + u 4 ) = ΛΖ¹. Für die Abweichung in der Y-Richtung gilt entsprechend

(u 1.1 +u 3.1) - (u 2.1 +u 4.1) = Δ Y^%.

Für die Erfüllung der zweiten Forderung, nämlich daß die Wickelebene senkrecht zur Neutralen-Faser gerichtet ist, ergibt sich folgende Signalverknüpfung: Für die Drehung um die Y-Achse

(u 1 + u 4) - (u 2 + u 3) = wY^f
für die Drehung um die Z'-Achse

(u 1.1 + u 4.1) - (u 2.1 + u 3.1) = wZ·.

Die so erhaltenen aus den genannten Verknüpfungen ermittelten Korrektursignale werden als Steuersignale den Stellgebern . zu-

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geführt.

Figur 7 zeigt eine mit Vorzug zur Anwendung kommende Schaltung für die Signalverknüpfungen. Diese Schaltung ist für jede steuerbare Regelgröße, nämlich ΔΖ', ΔΥ¹ und wY', und WZ¹, einmal in einem Analοg-Reeimer enthalten. Zur Ermittlung der Stellgröße ΔΖ^! liegt die Spannung u1 an Ua; die Spannung u 3 an Ub, die Spannung u 2 an Uc und letztlich die Spannung u 4 an Ud. Für die Ermittlung der anderen Stellgrößen ergibt sich eine entsprechende Schaltung, und zwar für die Stellgröße ΔΥ¹ in der gleichen Reihenfolge u 1.1, u 3.1. u 2.1, u 4.1; für wY^!; u 1, u 4, u 2, u 3; für wZ'; u 1.1, u 4.1, u 2.1, u 3.1. Wie dargestellt, gelangen diese Spannungen über zwei Eingänge zu einem Operationsverstärker 29, in dem je zwei Spannungen aufaddiert und deren Summen voneinander subtrahiert werden. Die am Ausgang 30 des Operationsverstärkers auftretende Differenzspannung wird in einem Endverstärker 31 auf das Leistungsniveau des jeweiligen Stellgliedes, z. B. dem Stellmotor 33, zur Einstellung der Z-Richtung verstärkt. Die Stellglieder werden so angesteuert, daß die jeweiligen Differenzen an dem Vorverstärker 29 Null werden.

Im Rahmaider Erfindung ist es auch möglich, die analogen Signale AY', AZ¹ und wY¹ in digitale Signale 'umzuwandeln und so die Stellmotore mittels Stellimpulsen anzusteuern. Der elektronische Aufwand ist in diesem Falle größer, hat jedoch den Vorteil, daß die Stellmotore mit stets gleichbleibender Spannung betrieben werden, so daß die Stellhysterese kleiner gehalten werden kann.

10 Patentansprüche
7 Figuren

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Claims

Patentansprüche

(1.^Vorrichtung zum Umbandeln eines räumlich gekrümmten Leiterstabes mittels eines führ- und schwenkbaren Wickelkopfes, der einen Führungsring mit einem darin gelagerten und mit Isolierband tragenden Rollen ausgerüsteten, motorisch angetriebenen umlaufenden Wickelring trägt, dadurch gekennzeich net,

a) daß der umlaufende Wiekelring (5) in fünf Freiheitsgraden gehalten und zu seiner Positionierung gegenüber dem räumlich gekrümmten zu umbandelnden Leiterstab (8) in den drei orthogonalen Koordinatenrichtungen einstellbar und um zwei zueinander senkrecht gerichtete Achsen schwenkbar ist sowie

b) der Wickelkopf eine seine Lageänderung gegenüber dera zu umbandelnden Leiterstab messende Korrektursignale liefernde Abtastvorrichtung (F) trägt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net , daß die Abtastvorrichtung (F) aus zwei in parallelen Ebenen (G, H) des Wickelringes (5) angeordneten Tastsystemen (A - D) besteht, deren jedes orthogonal zueinander gerichtete mindestens einen Taster (25, 26) beinhaltenden Meßstrecken aufweist, wobei jeder Taster die Lage des Leiterstabes (8) innerhalb seiner Meßstrecke' ermittelt und in ein elektrisches Signal umwandelt.
3· Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Abtastvorrichtung mit einer Auswertelogik (Fig. 7), welche die Steuersignale für die Stellmotore (16, 19, 21, 23, 33) liefert, verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der den umlaufenden Wiekelring (5) auf-

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nehmende Führungsring (3) in einem Kardanbügel (2) schwenkbeweglich gelagert ist.
5. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Kardanbügel (2) des Wickelkopfes (1) in einer Hubstenge (15) -gehalten und diese Hubstange durch einen Stellmotor (21) um die Hubstangenachse schwenkbeweglich in einer auf einem Träger (18) angeordneten Laufkatze (17) gelagert ist.
6. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die den Wickelkopf (1) tragende Kubstange (15) in der y-Richtung und die die Hubstange tragende Laufkatze (17) in der z-Richtung sowie der die Laufkatze (17) aufnehmende Träger (18) in der x-Richtung stellbar ist.
7. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der im Kardanbügel (2) des Wickelkopfes (1) schwenkbar gelagerte Führungsring (3) mittels eines Stellmotors (2j>) schwenkbar ist.
8. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Abtastvorrichtung (F) am Führungsring (3) angeordnete Meßsysteme (A- D) trägt, wobei jedes Meßsystem aus je zwei diametral gegenüberliegende induktive Wegaufnehmer (25, 26) besteht.
9· Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Wegaufnehmer (25, 26) optisch arbeitende V/egaufnehmer sind.
10. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Signal-Verknüpfungsschaltung (Fig. 7) in einem Analogrechner für jede steuerbare Regelgröße(ΔΥ', Δ2¹ und wY¹, wZ¹) enthalten ist, wobei jede Signal-Verknüpfungsschaltung aus einem Operationsverstärker (29) besteht, in dem

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je zwei Spannungen aufaddiert und deren Summe voneinander subtrahiert werden, wobei die am Ausgang (30) eines jeden Operationsverstärkers auftretende der Regelgröße proportionale Mfferenzspannung in einem Endverstärker (31 ) auf das den Stellgliedern entsprechende Leistungsniveau verstärkt wird.

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