用于以恒定张力给送金属丝的积极式给送器装置

摘要

一种金属丝给送器装置(1)，包括：设置有丝制动构件(12)的主体(2)；由相应的马达(16、17)驱动的一个或多个带轮(14、15)，金属丝围绕一个或多个带轮(14、15)缠绕，金属丝在到达加工机器之前经过补偿器构件(20)和张力传感器(25)；电子控制单元(18)，其能够连续测量所述张力值，并且控制单元通过作用于对马达(16、17)操作的第一调节器回路以及对补偿器臂(20)操作的第二调节器回路使张力均匀于预定值。所述电子控制单元(18)基于送丝量或送丝速度自动运行为使所述张力均匀于预定值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据独立权利要求的引言的金属丝给送器装置。

背景技术

许多工业生产方法(电马达制造、线圈构造等)是已知的，在这些 工业生产方法中，要被缠绕在可呈不同形状的物理支承件上的金属丝由 不同的材料形成，并且形成成品的一部分或者仅在生产阶段(如在被称 为借助随温度自粘合的金属丝的“在空气中卷成圈”的情况下)期间使 用。

在这些过程中，张力控制是保证持续性和成品质量的基础。例如， 合适的张力控制通过使金属丝精确地粘合于支承件——甚至是在靠近 支承件的拐角处——来确保高质量方形线圈的形成，从而避免已知的俗 称“软线圈”的情况。

施加于线圈的张力还可以例如导致金属丝变细长，从而使其截面减 小并因此使比电阻率ρ减小，因此导致成品的阻抗减小(例如，ρ×金 属丝长度＝比电阻)。

张力控制在线圈生产的初期阶段尤为重要，在该阶段中，金属丝围 绕端子被缠绕(缠绕阶段)，随后金属丝被焊接到端子，以使得金属丝 被极佳地粘合到所述端子从而避免其脱开。此外，在自动化机械上执行 缠绕过程期间，对两个不同线圈进行的相继缠绕包括已完成的线圈、更 确切地说金属丝已经缠绕到其上的支承件未被加载的阶段以及新的支 承件被加载以开始缠绕及布置新线圈的阶段。这种操作可以手动地(通 过操作者)或自动地进行，这往往通过切割金属丝和机械地移动下述臂 进行，在该臂上固定具有已缠绕金属丝的支承件(该阶段在下文中表示 为加载阶段)。在加载阶段中，控制金属丝的张力使得没有松弛形成是 很重要的，因为松弛会对开始接下来的生产阶段造成问题。

正常张力应用范围从5cN变化到4000cN(厘牛)，这取决于金属丝 的直径；显然金属丝直径越小工作张力越低，并且在缠绕阶段期间对张 力的控制也更重要。

能够实现上述控制的多种类型的专用于金属丝的给送器装置(或简 单的给送器)是已知的。

这些装置中第一种类型包括完全机械的给送器，在该给送器中设置 有主体，在主体上固定有丝制动器(通常为毛毡垫式)，制动器的目的 是稳定从线轴出来的金属丝，清除通常存在于金属丝上的石蜡，并将金 属丝给送到张紧构件。该张紧构件通常由在一端铰接到给送器主体且受 弹簧作用而返回到静止位置的可动臂形成。该臂的目的是在金属丝退绕 过程中维持金属丝张力恒定并且在执行加工有需要的时候(在支承件更 换阶段)确保金属丝被拉紧。

这些给送器存在多种缺陷。首先，由于金属丝的张力基本上是通过 与张紧臂相配合的一个或多个弹簧来调节的，因而张力调节装置必须在 整个过程中手动进行调节并且一个位置接着一个位置地进行控制。在这 方面，这种装置表现为“开环系统”，其不能够修正在加工过程中产生 的任何错误(来源于线轴的金属丝的入口张力的改变、弹簧中一个弹簧 发生损毁坏或标定降级、以及输入丝制动器内的污垢堆积等)。

另外，在前述类型的给送器中，设定单一的工作张力，因此不可能 为缠绕阶段、工作阶段和加载阶段设定不同的张力。

这样的设定张力也取决于缠绕速度，因为缠绕速度在一定程度上是 摩擦张力作用的结果，摩擦张力进而也是该速度的应变量；基于这种原 因，在机器的加速和减速阶段会产生较大的张力变化。

这些张力变化对最终产品的品质有负面影响，还会引起所缠绕的金 属丝的电阻值和阻抗的变化。

最后，由于施加于金属丝的张力是通过作用于可动臂上的弹簧杠杆 机构产生的，因此单个装置不可能能够满足将一般金属丝给送到加工机 器中的全部范围的张力。因此需要数个给送器装置、或者数个给送器装 置中的某部分(例如弹簧)作机械方面的改型，以能够使任何类型的金 属丝工作。

电动机械装置或给送器也是已知的，相比于纯机械装置，电动机械 装置具有电马达，该电马达固定有转动的带轮，从线轴出来的金属丝在 经过毛毡式丝制动器之后、在遇到与机械给送器的可动机械臂类似的可 动机械臂之前，围绕该带轮缠绕至少一圈。

作用于可动臂上的弹簧与电控单元一起存在，电控单元除了控制马 达的运行，还能够测量该臂的位置。根据所述位置，该电控单元提高或 降低马达速度，从而提高或降低金属丝的给送速度，在实践中将臂本身 用作用于加速和制动的指令。

这些给送器也存在前述纯机械装置的限制，因为它们使用可动臂来 张紧金属丝并且使用“开环”工作而没有对成品实时控制。最后，已知 的电子制动装置除了包括可动张紧臂外还包括定位在给送器的出口处 的测力传感器(或其他相当的张力测量装置)，电子制动装置具有使用 测得的张力值对补偿器臂的大致上游作预制动调节的装置控制单元。这 种解决方案例如在欧洲专利EP0424770中描述。

尽管该解决方案解决了先前所述装置的一些问题，但它仍然存在许 多的限制，例如，金属丝张力是通过对旋转制动构件进行作用来产生和 控制的。因此装置虽为闭环操作，但是不能够在拉力低于线轴退绕张力 的情况下给送金属丝，这是因为该构件只能制动金属丝并且因此增加其 拉力。

此外，随着加工机器处理金属丝的速度提高，由于摩擦的原因进入 加工机器中的金属丝的输入张力也增加。因此，特别是对于小直径的金 属丝(毛细管丝)，其工作张力往往很小，使用这种类型的给送器，给 送速度通常必须很低，以避免金属丝断裂并保证其所需的最小工作张 力；实际上，在本解决方案中，输入张力必须一直低于输出张力。

另一个先前的专利US5421534描述了另一个前述类型的给送器，在 该给送器中，旋转构件给送金属丝并且在其运动过程中制动金属丝。所 描述的解决方案具有类似于欧洲专利EP424770中主题的装置存在的那 些缺点，并且比该欧洲专利的装置更加复杂。此外，该美国专利没有描 述补偿器臂的使用。

FR2655888、DE102004020465和US5421534描述了与构成权利要 求1引言主题的装置相对应的装置。然而，已知的解决方案没有描述用 于给送金属丝的如下给送器装置：在该给送器装置中，这种给送能够通 过在金属丝给送期间测量金属丝的参数(送丝量和送丝速度)以完全自 动的方式在受控的恒定张力下进行。换句话说，所述先前专利中对金属 丝的给送不是借助于自动给送器的运行、通过给送器所做的对前述金属 丝参数的测量来实现的。

发明内容

本发明的目的是提供一种如下装置，该装置能够在给送金属丝的同 时通过对该给送进行闭环控制来测量金属丝的张力并且使金属丝张力 均匀(通过减小或增加张力)于可编程的预定值。以这种方式，装置不 仅能够制动金属丝，而且能够以小于(以及仅仅是不大于)金属丝从对 应起始线轴上退绕的张力的张力给送金属丝。

本发明的另一个目的是提供一种如下装置，在该装置中可以为所经 受的整个过程设定单一的金属丝给送张力，或者设定不同的张力以全部 以全自动的方式或与机器接合的方式在机器的不同运行阶段实现不同 的张力。

本发明的另外目的是提供一种如下装置，该装置可以在提供最佳性 能的同时还在已有的加工机器上运行并因此不需要与加工机器有任何 类型的接合，所述装置基于与这些机器的不同运行阶段相对应的工作特 性作用于金属丝，但是不是必需与这些机器相连接并且不需要从这些机 器接收指令信号。

本发明的另一个目的是提供一种如下装置，该装置在能够对加工机 器的速度变化和加工机器的不同张力设定值作出即时响应(例如，根据 不同金属丝的工作阶段)意义上是高动态的，从而在运行过程的变换阶 段(从缠绕张力到工作张力的过渡、速度渐变等)中优化给送控制。

本发明的另一个目的是提供一种如下装置，该装置在使金属丝的张 力能极佳地处于控制之下的同时使金属丝的速度增加、特别是在具有特 定特性的金属丝的情况下，比如毛细丝。

本发明的另外目的是提供一种单独的装置，该装置能够以金属丝的 整个范围以及金属丝所经受的工作张力的整个范围运行。

本发明的另一个目的是提供一种如下装置，该装置能够以高张力、 即使是在低速下给送金属丝。

本发明的另外目的是提供一种如下装置，通过该装置能够以绝对精 度测量被给送到加工机器中的金属丝的量。

本发明的另一个目的是提供一种如下装置，该装置能够监测以张力 的变化或消失被感测的任意的金属丝断裂。

对于本领域的专家将会很明显的这些目的及其他目的通过根据随 附权利要求所述的给送器装置来实现。

附图说明

根据附图，本发明将会更加明显，附图以非限制性示例的方式提供， 并且在附图中：

图1是根据本发明的给送器装置的正视图；

图2是图1的装置的右视图，但出于更清楚起见移除了一些部件；

图3是图1的装置的左视图，但出于更清楚起见移除了一些部件； 以及

图4是图1中的线4-4处的剖视图。

具体实施方式

参照所述图，金属丝给送器装置整体由1标示并且包括主体或外壳 2，主体包括前面3以及侧面4和5。侧面4和5由盖元件封闭，为了给 出到主体2内部的可视通道，盖元件未在图2和3中示出。

在前面3上、或者与前面3相关联且从前面3突出地存在有平行的 支承件7和8(参照图1起始于主体2的底部)，支承件7和8支承相对 应的槽形的辊9或10，辊9或10在固定于相应支承件的销上自由旋转。 优选由陶瓷制成的辊9、10的用途是限定金属丝从线轴(未图示)到装 置1以及从装置1到加工机器(也未图示)的轨迹，这些轨迹分别由F 和W标示。所述辊由陶瓷(或等同的低摩擦系数的材料)制成的事实 是使金属丝与辊之间的摩擦最小化，从而使金属丝在接触过程中损坏的 可能性最小化。

主体2包括丝制动器12，金属丝在从辊9离开的位置与丝制动器 12相配合，制动器12的任务是使进入装置的金属丝稳定以及借助通常 的毛毡(未图示)清洁金属丝以去除任何的石蜡残留物(来自于之前的 抽丝阶段)。在离开丝制动器12后，金属丝遇到第一带轮14，金属丝在 传送到第二带轮15上之前围绕带轮14缠绕(不到一圈或数圈)，两个 所述带轮均由其自身的电马达16和17驱动，电马达16和17与主体2 相关联并且在它们的运行中由同样与所述主体相关联的控制单元18控 制和指挥。

主体2连接有可移动的张紧器或补偿器臂20，补偿器臂20在自由 端21处设置有用于金属丝、优选经过辊22(也由陶瓷或类似材料制成) 的通道，离开带轮15(并经过主体2的孔2A)的金属丝到达辊22上。 可移动的臂位于主体2的内部、主体2的表面3后面。

金属丝从辊22(或等同的固定的通道元件)经过孔2A然后经过同 样与控制单元18相连接的张力传感器25，例如测力传感器，金属丝从 测力传感器离开后经过辊10然后被给送到加工机器(箭头W)。

控制单元18能够通过传感器25来测量金属丝的张力并通过对相应 的马达16和17进行作用来修改带轮14和15的转动速度，并且因此能 够控制金属丝张力并使金属丝张力均匀于预定值，该预定值是可编程的 (例如，基于加工机器的金属丝经受的不同工作阶段)并且在单元18 内设定，单元18可以为微处理器类型的单元并且具有存储器(或与存 储器配合)，在存储器内列有一个或多个张力值，其例如对应于前述工 作阶段。

预设的张力值可以比金属丝从线轴退绕时的张力更大或更小。

主体2还承载有由单元18控制的显示器33，通过显示器33可以显 示装置的运行状况(测得的张力、设定的张力、给送速度等)。也可以 在显示器上示出工作参数，并且可以通过键盘34进行设定。

主体2还包括连接器(图中未示出)，连接器能够使给送器装置被 电力驱动，并且能够通过标准或专用总线(RS485、CANBUS、 ETHERNET...)与装置通讯以读取其状态(测得的张力、速度、任何警 报状况)。主体还包括用于在模拟模式下对工作张力进行编程的0-10Vdc 输入、用于向装置指示机器是否处于工作阶段的运行-停止输入以及一 个或多个数字输入，数字输入可以基于不同的机器运行阶段(缠绕、工 作、加载...)对不同的工作张力进行编程。

现在将对给送器装置1的运行作更详细地描述。在装置的使用期间， 控制单元18通过张力传感器25连续地测量金属丝的张力，并将测得的 值与参考值(设定值)作比较。基于测得的张力与设定张力或设定值之 间的差值，控制单元18根据已知的P、PI、PD.PID或FOC(磁场定向 控制)控制算法作用于马达16和17，以使它们加速或减速，从而使所 测得的值等于设定值。

将明显的是，装置1能够确保任意的设定张力：在这方面，为了确 保张力值，该装置并非使用纯机械制动器(即弹簧系统)或电动机械制 动器，而是仅使用对金属丝缠绕于其上的带轮14和15进行驱动的两个 马达16和17的转矩。以这种方式，该装置能够通过控制两个马达16 和17的速度来确保输出金属丝张力，该张力大于或小于在从线轴退绕 期间存在的张力。因此，在没有任何机械类型的调节(例如，通过更换 弹簧)的情况下，给送器1能够确保任意所需的设定张力，从而能够达 到满足应用范围的目标(基于金属丝直径并因此基于工作张力，见表1)， 该范围明确大于所有的已知方案。

此外，由于设定张力仅是一个数字而不是机械调节(如在已知方案 的情况下)，明显地，装置能够基于金属丝所能经受的不同运行状况来 修改设定值。

给送器装置1可以与加工机器接合起来运行或者完全自动运行。

在与加工机器相接合的情况下，机器与装置之间有通讯。通过这种 通讯，机器将其运行状态(即，金属丝所经受的运行阶段)的信号传送 给装置1，装置1于是可以基于运行阶段修改金属丝的张力。该接合可 以通过例如0-10V模拟输入进行，通过该输入，机器实时干预装置1以 产生对应于不同工作阶段的金属丝运行张力，从而实现对于不同运行阶 段具有不同张力的目的。

可替代地，接合可以通过装置1的对应于不同运行张力的数字输入 进行，数字输入例如在单元18内或通过串行总线进行编程。因此通过 启动不同的输入(例如二进制码)，机器启动不同的运行张力，由此获 得对于不同运行阶段实现不同张力的目的。

在另一变型中，机器可以通过串行接口连接到装置1，使得借助于 标准的或专用的现场总线，机器能够实时干预装置1以调节金属丝的工 作张力，从而获得对于不同运行阶段实现不同张力的目的。

最后，机器可以通过装置1的同步输入连接到装置1。在这种工作 方式下，控制单元18从机器接收同步脉冲(例如在旋转构件的每一转 或金属丝绕着支承件的每一圈时一个脉冲)并因此改变金属丝的工作张 力(根据预先建立的数据图表)，例如在每一个同步脉冲时改变金属丝 的工作张力。

在自动模式运行的情况下，装置与机器没有直接接合，并且在不同 应用状况之间(即，在不同金属丝张力之间)的改变是完全自动进行的。 除了获知通过传感器25测得的张力，如上所述的控制单元18也控制马 达16和17的速度从而即时获知速度值。该速度并且因此送丝量以已知 的方式测得，例如通过分析与每个马达相连接的或马达内部的普通霍尔 传感器或编码器的状态。在一个实施方式中，控制单元18以如下两种 方式中的一种方式作用：基于送丝量估算(和控制)张力；或基于送丝 速度估算(和控制)张力。

在第一种工作模式中，控制单元18使用例如与每个马达16和17 相关联的传感器不是为了测量马达的速度，而是为了测量送丝量(被视 作连接到马达16或17的、金属丝缠绕于其上的带轮14或15的转数或 部分转动)。单元18基于与其相配合的存储器中的数据来获知作为送丝 的应变量的张力的变化并进而控制该变化。例如，单元18通过已编程 的工作张力的数据图表获知金属丝的前10mm需要以15g的张力给送、 接下来的400mm需要以100g的张力给送、再接下来的10mm以15g 的张力给送等，直到生产过程结束位置为止。

因此，在全自动方式中，装置1通过简单地测量送丝量就能够根据 工作张力的数据图表或顺序改变金属丝的运行张力，从而使这种给送更 好地适应不同的机器运行阶段。

在第二工作模式(张力控制作为送丝速度的应变量)下，控制单元 18使用与马达16和17相关联的传感器来测量马达的速度。该单元基于 所储存的数据——该数据将该测量值与张力关联——来控制张力。该单 元将不同的工作张力与每个速度范围关联起来：例如，对于0至10m/min 之间的速度，金属丝以15g的张力给送，而如果速度逐渐变成 10-100m/min，则金属丝以100g的张力给送。明显地，给送速度与张力 之间的关系取决于金属丝的物理特性及其所经受的加工。

因此明显地，通过简单地测量每个马达16和17的旋转速度，该装 置能够全自动地改变金属丝的运行张力，从而使金属丝给送更好地适合 于不同的机器运行阶段。应当指出的是，对金属丝操作的机器通常提供 至少两个单独的给送速度，至少用于缠绕阶段(通常在低速下执行的关 键加工)和工作阶段，在工作阶段中试图使用机器最大的缠绕速度。

因此，根据本发明的装置因而既极佳地适于与在其中提供装置本身 与机器之间“通讯”的机器一起工作，又极佳地适于与市场上已有的机 器一起工作，这两种情况下都能成功地达到本发明的目标，并且特别地 确保了在不同运行状况下可以实现不同的张力。这使得对于每个运行阶 段都能设定最适合的张力，从而就生产(金属丝的缠绕)的效率、质量 和速度而言使机器的效益最大化。

如上所述，装置1还包括(见图2-4)补偿器臂20，臂20围绕固定 于与主体2相关联的支架41上的销40自由旋转。因此，该臂可以在主 体2内朝向或远离张力传感器25移动经过预先限定的角扇区α(见图 2)。

补偿器臂20关联有弹簧41(在图2-4中间断地示出)，弹簧41在 一端与固定于装置主体2的支承件44相连接，并且在另一端通过可移 动的滑架46与补偿器臂20相连接，滑架46经由(阿基米德)蜗杆47 由步进马达48驱动。

连接于控制单元18的位置传感器(未示出)与补偿器臂20相关联， 以测量补偿器臂20在扇区α内的位置。

因此，补偿器臂20能够以动态方式而非静态方式反对金属丝的滑 行：实际上，控制单元18能够改变连有弹簧41的滑架46的位置(通 过作用于马达48)，从而获得由弹簧41施加到臂20上的力的变化并将 臂20带到扇区α内所需的位置。以这种方式，臂20维持金属丝一直极 佳地张紧在测力传感器或张力传感器上、特别是在金属丝没有被给送到 机器的阶段(加载阶段)期间。能够改变弹簧41的力的事实因而使得 所述张力的值能够被调节，从而达到使这一阶段的工作设定值区别于金 属丝被有效地给送的设定值的目的。

臂20还创建了预留的金属丝，机器可以在速度突然变化的过程中 从该预留的金属丝抽取；在这种情况下，在等待马达达到适当的给送速 度的同时，臂20在扇区α内从第一位置α1移动到第二位置α2。臂20 的存在因此克服了由每个马达16和17的加速时间引起的动态限制，从 而使得金属丝张力即使在机器速度变化(加速)的过程中也能够维持处 于控制之下，所述张力因而能够一直被均匀于所需的设定值。

臂20因此限定了第二张力控制回路，第二张力控制回路同样包括 传感器25和单元18，第二回路被附加于由马达16和17、传感器25以 及单元18限定的第一回路。

臂20还能够使任何多余的金属丝在机器减速阶段期间被张紧，在 该阶段，臂20在扇区α内从第二位置α2移动到第一位置α1。因此， 臂20的存在克服了由马达的减速时间引起的动态限制，因而在这种情 况下同样使得金属丝张力在机器速度变化(减速)的过程中能够维持维 持处于控制之下，从而使所述张力一直均匀于所需的设定值。这种功能 同样属于第二调节回路的范围。

因此，补偿器臂20的存在使得装置1不仅能够在机器加速和减速 阶段增进装置1的动态性，而且能够在或多或少的存在高吸收不连续性 的所有状况下——比如在形成方形线圈时——增进装置1的动态性。

本发明还使得臂20的位置能够被编程，这更好地适用于特定的运 行状况且不受工作张力的影响。

在这方面，控制单元18通过获知所述臂的位置，就能够改变弹簧 41的力从而将臂带到期望的位置，例如，通过使臂置于角扇区α的中央 处，从而保证装置对于机器的可能的加速或减速具有相等的金属丝的 “库存量”。

因此，本发明的装置能够在加工机器的各种任何运行阶段——无论 是在给送阶段还是休止阶段——内控制金属丝的张力值，并且能够使张 力均匀于可能的可编程的预定值；其还能够监测(不与机器进行任何接 合)金属丝的存在和/或不存在(断裂)。控制单元18连续地验证所测 得的张力是否处于特定运行阶段所需且必需的工作张力区域中的范围 内(优选是可编程的)。只要该控制单元感测到所测得的值处于所述范 围之外且保持在那里预定的时间(优选是可编程的)，则该控制单元就 将这种不规则性以信号(例如在视觉上和/或听觉上通过已知的信号装 置)告知且触发警报，通过警报，连接到装置的机器或者独立的机器部 分将被停止。

已经描述了本发明不同的特性；但其他特性也是可能的。例如，装 置可以形成有具有适当转矩的单独的马达16或17，以优化空间和成本。

本装置可以形成有如在以同一申请人的名义申请的欧洲专利 EP2080724中描述的所开发的马达，从而即使在低速下也能达到高转 矩。

此外，在不同机器运行阶段的支配下，随着给送器装置运行状况的 变化，不仅能够使不同的运行张力与运行状况相关联，还能使其他的设 定——例如，P、PI、PD.PID或FOC(磁场定向控制)算法的系数， 或者某些不同功能的使能/禁止，比如对损坏的金属丝的识别等——与 运行状况相关联。

此外，用作补偿器臂20的反作用力的弹簧41不仅仅是单个弹簧， 而是可以包括具有不同弹性常数(以限定具有逐渐压缩的弹簧)的多个 弹簧，其中每个弹簧均能够在不同的连续张力范围内工作。因此通过单 个弹簧，获得了具有更高调节精度的更广应用范围。

最后，装置1可以包括至少一个带轮14(或15)，且对应的马达16 (或17)能够在两个不同且相反的旋转方向上控制，以使得金属丝能够 给送并且在过量的情况下张紧，例如在加载阶段期间。

这些变型也被认为落在随后的权利要求范围内。