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Antreiben & Bewegen

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Richtig wickeln

Text: Karl-Heinz Weber und Olaf Götz, Lenze Fotos: Fertnig; Lenze
Die Auslegung von Wickelantrieben und die Wahl der zugehörigen Komponenten und Verfahren sind eine komplexe Angelegenheit. Wer dabei auf Erfahrungswissen zurückgreifen kann ist gut bedient und kann teure Fehlplanungen vermeiden. Ein neues Tool setzt darauf auf und hilft dabei, Wickelantriebe für verschiedene Materialien einfach auszulegen und in Betrieb zu nehmen.

Wickelantriebe dienen dazu, Endlosmaterialien vor oder nach einem Bearbeitungsprozess zu speichern. Die Antriebe werden überwiegend quasistationär betrieben, doch finden sich getaktet betriebene Wickelantriebe zum Beispiel in intermittierenden Maschinen, wie Stanzen oder Schneideinrichtungen. Das Wickelmaterial wird mit einer definierten, von Materialbeschaffenheit und aktuellem Durchmesser abhängigen, variablen oder fixen Zugkraft und Produktionsgeschwindigkeit gewickelt. Die Zugkräfte von Wickelsystemen nehmen produktabhängig ein Spektrum von 0,5 bis 30000N ein. Die Produktionsgeschwindigkeiten haben ebenfalls eine große Bandbreite von 5 bis 2000m/min und Antriebsleistungen von 0,1 bis 400kW.Das Drehmoment bestimmt die Motorbaugröße. Die zu installierende Typenleistung des Antriebssystems ist bei Zentrumswicklern deutlich größer als die Prozessleistung zum eigentlichen Wickeln, die sich aus Zugkraft und Geschwindigkeit ergibt. Obwohl hohe Drehzahlen und hohe Drehmomente beim Wickeln nicht gleichzeitig auftreten, muss der Antrieb beides aufbringen können. Die dynamischen Überstromreserven des Umrichters reichen in den meisten Fällen aus, um den Antrieb auch in Notsituationen in der gewünschten Zeit zügig abzubremsen. Bei hohen Trägheitsmomenten und kurzen Bremswegen kann allerdings auch das Bremsmoment die bestimmende Größe für die Auslegung sein. Bei Wicklern mit intermittierenden Betriebsarten bestimmt das dynamische Antriebsdrehmoment in der Regel die Dimensionierung. Dieses Wissen ist in dem Drive Solution Designer (DSD) 4.0 von Lenze gespeichert. So wird die Auslegung für Maschinenplaner einfach beherrschbar und die gefundenen Lösungen jederzeit nachvollziehbar. Neben der physikalischen Antriebsauslegung und Produktkonfiguration prüft der DSD-Wickler-Assistent zudem, ob Systemgrenzwerte überschritten werden und gibt Tipps zu alternativen Lösungen.

Beispielauslegung für eine Druckmaschine

Wird Papier mit einem Flächengewicht von 80g/mm 2auf einer 80mm Hülse bis zu 800mm aufgewickelt, wird das Papier in der Druckmaschine mit einer Geschwindigkeit von 400m/min bewegt. Die notwendige Zugkraft beträgt 250N bei minimalem und 200N bei maximalem Durchmesser. Der DSD führt den Anwender Schritt für Schritt durch alle notwendigen Auslegeschritte. Als erstes wird das vom Planer gewünschte Wickelverfahren Zugkraftsteuerung-Drehmoment ausgewählt. Dazu führt der DSD im Hintergrund Technikprüfungen durch. Dann werden Dimensionen und Materialien des Wickelballens, Zugkräfte, Geschwindigkeiten, Beschleunigungsdaten, Stillstandsphasen und Maschinen-Wirkungsgrade eingegeben. Die Eingabe der Netz- und Umgebungsdaten rundet die Prozessbeschreibung ab. Auf Basis dieser Informationen ermittelt der DSD den Bedarf an der Wickelwelle. Um eine optimale Lösung zu generieren, werden die Durchmesserveränderungen während der Beschleunigungsphasen automatisch berechnet. In diesem Fall ergibt sich eine stationäre Wickelleistung von 1,5kW und eine Eckleistung von 11kW. Nachdem elektrischer und mechanischer Aufbau der Antriebsachse und das Antriebskonzept festgelegt wurden, erfolgt die Wahl des passenden Motors. In diesem entscheidenden Auslegungsschritt kann mit dem DSD die Feldschwächung so vertrimmt werden, dass sich eine minimale Antriebs-Systemleistung ergibt. Alle Aktionen können sofort im Drehmoment-Drehzahl-Kennlinienfeld beobachtet werden. Im Anschluss werden Getriebe, Bremse, Geber, Umrichter und optional der elektrische Bremskreis ausgewählt. Im Beispiel ergibt sich ein 4kW-Energiesparmotor in Asynchrontechnik mit Resolver und einer 45Nm-Federkraftbremse, eine Zahnriemenübersetzung mit i=3, ein 5,5kW-Umrichter in Servoregelung mit den Servo Drives9400 und ein 120W-Bremswiderstand für Not-Stopp. Mit der fertigen Auslegung bietet der DSD eine umfangreiche Systemanalyse, die durch unterschiedliche Diagramme, Auslastungs- und Technikkoeffizienten abgerundet wird. Die gesamte Auslegung inklusive Dokumentation dauert in der Regel nur 10 bis 20 Minuten.

Szenarien prüfen

Eine Antriebsauslegung wird typischerweise mit einem Referenz- und einem Worst-Case-Szenario durchgeführt. Die Maschine soll in der Praxis aber unterschiedliche Rezepturen beherrschen, da unterschiedliche Materialstärken mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aufgewickelt werden. Dafür kann der Application Tuner nach der Hauptauslegung die Prozess- und Bewegungsgrößen als Alternative ändern und automatisch durchrechnen. Der direkte Vergleich aller relevanten Ergebnisse zeigt, welche �?nderungen sich auf Prozess- und Antriebsseite ergeben. Es entsteht Transparenz bezüglich der Auslastung, Grenzbereiche oder Energiebilanz. Im Hintergrund werden für die eingegebene Wickelanwendung und das ausgewählte Antriebssystem der Energiebedarf, die Energiekosten, die CO2-Emissionen und Optimierungspotenziale ermittelt und grafisch aufbereitet. Damit stehen alle Informationen zur Verfügung, um Preise und Verfügbarkeiten im Rahmen der Angebotserstellung zu ermitteln.

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