Verbesserte Prozeßführung und Prozeßplanung zur Leistungs- und Qualitätssteigerung beim Spulenwickeln

dc.contributorFeldmann, Klaus
dc.contributorMeerkamm, Harald
dc.contributor.advisorFeldmann, Klaus
dc.contributor.authorWolf, Klaus-Uwe
dc.contributor.editorGeiger, Manfred
dc.contributor.editorFeldmann, Klaus
dc.date.accessioned2020-06-19
dc.date.available2020-06-05
dc.date.created1997
dc.date.issued2020-06-19
dc.description.abstractWinding is used to manufacture electromagnetic components, if not the most important manufacturing process. In many cases, these are coil windings. The continuously increasing consumption of enameled wires in the fine and fine wire range up to 1 mm wire diameter confirms the steady growth rates of electrical and electronic products / 6 /, / 20 /. In order to be able to compete with domestic and foreign competitors, the cost-effective, productive manufacture of high-quality components is essential. This requires extensive process optimization, which in turn requires extensive knowledge of the influencing parameters involved in the process and their causal relationships. This also applies to coil winding technology. In order to eliminate the existing scientific deficit, it was necessary to develop a comprehensive mathematical model to describe the coil winding process. The verification of the found relationships in the experiment required the construction of suitable measuring and analysis tools. The implemented highly dynamic wire tensile force measuring system based on a capacitive sensor improves the detection of the dynamic wire tensile force profiles up to the areas of high-speed winding. Software tools for analyzing the measured characteristics provide, among other things, the assignment of the elements located in the wire path with the corresponding interference components. For the analysis of wire vibrations, the mathematical model was experimentally investigated with the help of a digital high-speed camera system. The excellent correspondence of the found theoretical dependencies with the experiments confirm the validity of the found relationships and allow a derivation of rules for process optimization based on them. The fine modeling, which takes into account the effects of the winding process on the geometric and electrical properties of coils, serves to improve product and manufacturing planning. The in-depth examination of coil winding technology also revealed a number of mechanical engineering deficits that had not yet been resolved. The constructive structure of commercial wire tension control systems - both in electronic and in purely mechanical systems - leads to the coupling of additional wire tension force fluctuations when winding non-circular coil body cross-sectional shapes. This is due to the rotating masses moving in the braking system. Highly dynamic wire tension control systems have been developed, which are equipped with correspondingly sensitive tension measurement sensors. These favor the winding of non-circular cross-sectional shapes at much higher wire withdrawal speeds with less wire tension fluctuations. The stable processing of twist-critical semi-finished products is becoming increasingly important in the production of high-quality winding goods. For this purpose, a system was developed that allows twist-free winding in a very high wire tension range thanks to a new type of wire tension coupling mechanism. The constructive structure ensures the possibility of reversing the process and thus rewinding flexibly. The in-depth analysis of the winding processes on automated multi-spindle multi-axis winding machines revealed two serious deficits, for which two powerful solution systems were built: On the one hand, it turned out during the cycle time analysis on fully automated systems that very high time shares for the connection process, i.e. for the winding of the beginning and end of the wire on the bobbin connecting pins, are omitted. An integrated winding system in the wire guide leads to wire-free cutting and winding around the connection pins and results in cycle times that are up to 20% shorter. This is possible thanks to the drastically reduced traversing movements of the NC handling axes and parallel task processing. On the other hand, the on-line programming of the complex winding systems that is still used in industry leads to long machine downtimes and the risk of machine breakage due to collision runs during programming. A consistent CAD-CAM process sequence guarantees flexible off-line program generation, including the complex planning of the movement of the wire guides during the winding process. Technology-specific construction macros enable complex coil body geometries to be generated quickly and cost-effectively and lead to effective rationalization effects already in the construction process. The necessary travel movements for the wire guides are derived from the automatically planned wire run on the coil body surface. Integrated simulation tools and collision avoidance algorithms lead to optimized control data, which with the help of postprocessors are converted into NC data records that can be read and executed by winding machine controls. The principles and systems presented are intended to contribute to how high-quality winding products can be produced efficiently and cost-effectively in the high-wage country of the Federal Republic of Germany through suitable process management and process planning.en
dc.description.abstractDas Wickeln stellt für die Herstellung elektromagnetischer Komponenten ein, wenn nicht das wichtigste Fertigungsverfahren dar. In vielen Fällen handelt es sich dabei um Spulenwicklungen. Der kontinuierlich zunehmende Verbrauch an Lackdrähten im Feinst- und Feindrahtbereich bis 1 mm Drahtdurchmesser belegt die seit Jahrzehnten anhaltenden Zuwachsraten von elektrischen und elektronischen Produkten /6/, /20/. Um mit in- und ausländischen Wettbewerbern konkurrieren zu können, ist die kostengünstige, produktive Fertigung qualitativ hochwertiger Komponenten unabdingbar. Das setzt eine weitreichende Prozeßoptimierung voraus, die ihrerseits eine umfassende Kenntnis der am Prozeß beteiligten Einflußparameter und deren Wirkzusammenhänge erfordert. Dies gilt auch für die Spulenwickeltechnik. Um hier das vorhandene wissenschaftliche Defizit zu beseitigen, war es im Rahmen der vorliegenden Arbeit notwendig, ein umfangreiches mathematisches Modell zur Beschreibung des Spulenwickelprozesses zu erarbeiten. Die Verifikation der gefundenen Zusammenhänge im Versuch erforderten den Aufbau geeigneter Meß- und Analysetools. Das realisierte hochdynamische Drahtzugkraftmeßsystem auf der Basis eines kapazitiven Sensors verbessert die Detektion der dynamischen Drahtzugkraftverläufe bis in Bereiche des Hochgeschwindigkeitswickelns hinein. Softwaretools zur Analyse der gemessenen Charakteristiken gewähren u.a. die Zuordnung von den im Drahtverlauf befindlichen Elementen mit den damit korrespondierenden Störkraftanteilen. Für die Analyse entstehender Drahtschwingungen wurde das mathematische Modell mit Hilfe eines digitalen Hochgeschwindigkeitskamerasystems experimentell untersucht. Die hervorragende Übereinstimmung der gefundenen theoretischen Abhängigkeiten mit den Experimenten belegen die Gültigkeit der gefundenen Zusammenhänge und gestatten eine darauf aufbauende Ableitung von Regeln zur Prozeßoptimierung. Die feine Modellierung, welche die Auswirkungen des Wickelprozesses auf die geometrischen und elektrischen Eigenschaften von Spulen mitberücksichtigt, dient einer verbesserten Produkt- und Fertigungsplanung. Die tiefgreifende Auseinandersetzung mit der Spulenwickeltechnologie brachte zudem eine Reihe von bis dahin noch nicht gelösten maschinenbaulichen Defiziten zu Tage. So führt der konstruktive Aufbau von kommerziellen Drahtzugregelsystemen - sowohl bei elektronischen als auch bei rein mechanischen Systemen - beim Bewickeln unrunder Spulenkörperquerschnittsformen zur Einkopplung zusätzlicher Drahtzugkraftschwankungen. Das liegt an den im Bremssystem mitbewegten rotierenden Massen. Es wurden hochdynamische Drahtzugregelsysteme entwickelt, die mit entsprechend empfindlicher Zugkraftmeßsensorik ausgerüstet sind. Diese begünstigen die Bewicklung unrunder Querschnittsformen unter wesentlich höhereren Drahtabzugsgeschwindigkeiten mit geringeren Drahtzugkraftschwankungen. Der stabilen Verarbeitung verdrillkritischer Halbzeuge wird bei der Herstellung qualitativ hochwertiger Wickelgüter eine immer größere Bedeutung zugemessen. Hierfür konnte ein System entwickelt werden, welches die verdrillfreie Bewicklung in einem sehr hohen Drahtzugkraftbereich durch einen neuartigen Drahtzugkrafteinkoppelmechanismus erlaubt. Der konstruktive Aufbau gewährleistet die Möglichkeit, den Prozeß umzukehren und somit flexibel zurückzuspulen. Die eingehende Analyse der Wickelprozesse an automatisierten Mehrspindel- Mehrachswickelautomaten ergab zwei schwerwiegende Defizite, für die zwei leistungsfähige Lösungssysteme aufgebaut wurden: Zum einen stellte sich bei der Taktzeitanalyse an vollautomatisierten Anlagen heraus, daß zum Teil sehr hohe Zeitanteile für den Anschlußprozeß, d.h. für das Anwickeln von Drahtanfang und Drahtende an den Spulenkörperanschlußstiften, entfallen. Ein integriertes Anwickelsystem im Drahtführer führt zum drahtabfallosen Schneiden und Anwickeln um die Anschlußpins und ergibt um bis zu 20% kürzere Taktzeiten. Das ist durch drastisch reduzierte Verfahrbewegungen der NC-Handlingachsen und eine parallele Taskbearbeitung möglich. Zum anderen führt die in der Industrie bis heute eingesetzte on-line Programmierung der komplexen Wickelanlagen zu hohen Maschinenstillstandszeiten und der Gefahr des Maschinenbruchs durch Kollisionsfahrten bei der Programmierung. Eine durchgängige CAD-CAM-Verfahrensfolge garantiert die flexible off-line Programmerzeugung, einschließlich der komplexen Planung der Verfahrbewegungen der Drahtführer beim Anwickelvorgang. Technologiespezifische Konstruktionsmakros ermöglichen eine zeit- und kostengünstige Erzeugung komplexer Spulenkörpergeometrien und führen, bereits im Konstruktionsprozeß, zu wirkungsvollen Rationalsierungseffekten. Aus dem automatisiert geplanten Drahtverlauf auf der Spulenkörperoberfläche werden die notwendigen Verfahrbewegungen für die Drahtführer abgeleitet. Integrierte Simulationstools und Kollisionsvermeidungsalgorithmen führen zu optimierten Steuerungsdaten, die mit Hilfe von Postprozessoren in für Wickelmaschinensteuerungen les- und ausführbare NC-Datensätze umgesetzt werden. Die vorgestellten Prinzipien und Systeme sollen einen Beitrag dazu leisten, wie im Hochlohnland Bundesrepublik Deutschland durch eine geeignete Prozeßführung und Prozeßplanung qualitativ hochwertige Wickelerzeugnisse effizient und kostengünstig produziert werden können.de
dc.format.extent186 Seiten, 125 Bilder
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.25593/3-87525-092-3
dc.identifier.isbn3-87525-092-3
dc.identifier.opus-id13848
dc.identifier.urihttps://open.fau.de/handle/openfau/13848
dc.identifier.urnurn:nbn:de:bvb:29-opus4-138484
dc.language.isode
dc.publisherMeisenbach
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/deed.de
dc.subject.ddcDDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 60 Technik :: 600 Technik, Technologie
dc.subject.ddcDDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 62 Ingenieurwissenschaften :: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
dc.titleVerbesserte Prozeßführung und Prozeßplanung zur Leistungs- und Qualitätssteigerung beim Spulenwickelnde
dc.typedoctoralthesis
dcterms.publisherFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
local.date.accepted1997-05-28
local.notesOpusNach Rechteübertragung des Meisenbach-Verlags auf die FAU digitalisiert und online gestellt durch Geschäftsstelle Maschinenbau und Universitätsbibliothek der FAU im Jahr 2020. Koordination der Reihe: Dr.-Ing. Oliver Kreis. Für weitere Informationen zur Gesamtreihe siehe https://mb.fau.de/diss
local.publisherplaceBamberg
local.sendToDnbfree*
local.series.id32
local.series.nameFertigungstechnik - Erlangen
local.series.number67
local.subject.fakultaetTechnische Fakultät / Department Maschinenbau
local.subject.fakultaetTechnische Fakultät / Department Maschinenbau / Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS)
local.subject.gndIngenieurwissenschaften
local.subject.gndMaschinenbau
local.subject.gndProduktionstechnik
local.thesis.grantorFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) Technische Fakultät
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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 67
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