Macchina per l'attrezzatura di raccolta motorizzata

Conoscenza del settore

Avvolgimento con tensione conica: perché la tensione costante è la strategia sbagliata per bobine di cavi di grandi dimensioni

Uno dei malintesi più persistenti nella pratica dell'avvolgimento dei cavi è che il mantenimento di un punto di tensione costante durante l'intera costruzione della bobina produca la migliore qualità della bobina. In realtà, l'avvolgimento a tensione costante su a Macchina avvolgicavo motorizzata produce bobine meccanicamente instabili su strutture di grande diametro perché gli strati interni, avvolti all'inizio della bobina quando il raggio di avvolgimento è piccolo, sono soggetti a carico di compressione da ogni strato successivo avvolto su di essi. Man mano che la bobina si sviluppa verso l'esterno, la pressione radiale cumulativa sugli strati più interni aumenta progressivamente, superando infine la resistenza allo snervamento a compressione della guaina del cavo e provocando una deformazione permanente dell'isolamento alle interfacce degli strati. La deformazione non è visibile esternamente ma produce letture di capacità elevate e potenziale debolezza dielettrica nei punti interessati.

L'avvolgimento con tensione conica risolve questo problema riducendo deliberatamente la tensione di avvolgimento all'aumentare del diametro della bobina. La tensione a qualsiasi diametro di avvolgimento viene impostata come percentuale della tensione iniziale, seguendo un profilo conico, lineare o curvo, che mantiene la pressione radiale sugli strati interni entro limiti accettabili durante tutta la costruzione. Un tipico rapporto di conicità per un cavo di alimentazione isolato in PVC è del 60–75%, il che significa che la tensione sull'intero diametro esterno della bobina è pari al 60–75% della tensione applicata al nucleo. L'esatto profilo della conicità è determinato dal modulo del rivestimento del cavo, dalla geometria della bobina e dalla sollecitazione di compressione massima accettabile dello strato interno: parametri che richiedono calcoli ingegneristici piuttosto che tentativi ed errori empirici sulle bobine di produzione.

Implementazione della tensione conica su un Macchina automatica per la raccolta dei cavi richiede che il sistema di controllo segua continuamente il diametro attuale dell'avvolgimento e applichi il corrispondente valore nominale di tensione in tempo reale. Il diametro di avvolgimento può essere derivato dal rapporto tra la velocità di spostamento e la velocità di rotazione della bobina: un calcolo disponibile nella maggior parte delle moderne piattaforme di servoazionamento senza la necessità di sensori aggiuntivi. Shanghai Yessjet Precise Machinery Co., Ltd. configura i profili di tensione della conicità come parte del sistema di ricetta del prodotto sulla sua gamma di macchine avvolgitrici per cavi motorizzate, consentendo agli operatori di memorizzare e richiamare i parametri di conicità corretti per ciascuna specifica di cavo senza ricalcolo manuale sulla macchina durante il cambio prodotto.

Calcolo del passo trasversale e relativo effetto sulla stabilità dello strato di bobina

Il passo trasversale (la distanza laterale di avanzamento del cavo per giro della bobina di avvolgimento) è il parametro che determina la densità del cavo lungo la larghezza della flangia della bobina e se le interfacce degli strati sono geometricamente stabili. Un passo trasversale errato produce una delle due modalità di guasto: un passo troppo stretto crea strati sovrapposti in cui le spire del cavo adiacenti si scavano l'una nell'altra sotto la tensione di avvolgimento, causando danni alla superficie del rivestimento e un'altezza irregolare dello strato che rende instabili gli strati successivi; un passo troppo ampio crea spazi tra le spire adiacenti che consentono agli strati superiori di cadere e incrociarsi sulle spire inferiori durante il processo di avvolgimento, producendo il caratteristico difetto di "strato incrociato" che rende la bobina inutilizzabile sulle apparecchiature di pagamento automatico.

Il passo teoricamente corretto per un vento a strato singolo è pari al diametro esterno del cavo più un margine di gioco dell'1–3% per accogliere la variazione del diametro esterno lungo la lunghezza della bobina. In pratica, il diametro esterno nominale utilizzato per il calcolo del passo dovrebbe essere il limite massimo della specifica del diametro esterno piuttosto che il valore nominale, poiché il passo calcolato al diametro esterno nominale produrrà una sovrapposizione sul cavo che corre alla tolleranza del diametro esterno superiore. Per cavi con tolleranze OD superiori a ±3%, un passo fisso calcolato dal diametro esterno massimo produrrà spazi visibili sul cavo che corre al diametro esterno nominale o minimo: in questi casi, un sistema di regolazione del passo a circuito chiuso che legge il diametro esterno effettivo del cavo da un misuratore laser e aggiorna il passo trasversale in tempo reale fornisce una qualità dello strato superiore su tutta la gamma di diametro esterno della produzione.

Configurazione del passo trasversale per tipo di cavo

Per l'avvolgimento multistrato, il calcolo del passo deve tenere conto anche dell'angolo di incrocio strato-strato, ovvero l'angolo al quale ogni strato successivo inverte la direzione trasversale sulla flangia. Un angolo di incrocio eccessivamente ripido fa sì che il cavo scavi nello strato precedente nel punto di inversione anziché passarci sopra in modo fluido, creando un bordo rialzato sulla flangia che cresce progressivamente con ogni strato e alla fine impedisce al cavo di posizionarsi correttamente su tutta la larghezza della bobina. Il controllo dell'angolo di incrocio richiede la regolazione della decelerazione della traversa e del profilo di inversione alla fine della corsa della flangia, che è un'impostazione del parametro di azionamento distinto dal passo della traversa in stato stazionario e deve essere configurato in modo indipendente per ciascun intervallo di diametro esterno del cavo.

Sequenza di cambio bobina su macchine avvolgicavo automatiche: riduzione della lunghezza degli scarti

L'evento di cambio bobina su una macchina avvolgicavo automatica è la transizione che determina più direttamente la quantità di lunghezza utilizzabile del cavo persa per ciclo di cambio bobina. Durante la sequenza di cambio, dal momento in cui la bobina piena segnala il completamento al momento in cui la nuova bobina raggiunge la tensione di avvolgimento a regime, la linea di estrusione a monte continua a produrre cavo che si accumula in un buffer di accumulo o richiede alla linea di ridurre la velocità. Il cavo prodotto durante la scarica dell'accumulatore e la transizione della velocità della linea è spesso fuori specifica nello spessore della parete o nella posizione del conduttore a causa della variazione di velocità e questa lunghezza deve essere scartata o ridotta. Per ridurre al minimo questa lunghezza di scarto è necessario ottimizzare tre variabili interdipendenti: capacità dell'accumulatore, tempo del ciclo di cambio bobina e sequenza di controllo tra la macchina di avvolgimento e il PLC principale della linea.

Il tempo del ciclo di cambio bobina su una macchina riavvolgitrice automatica è costituito da diversi passaggi sequenziali, ciascuno dei quali contribuisce alla durata totale del cambio. Comprendere il budget temporale per ciascuna fase identifica dove gli investimenti tecnici nell'automazione o nel miglioramento della progettazione meccanica offrono la maggiore riduzione del tempo di ciclo totale e della lunghezza degli scarti associati.

• Rilevamento della bobina completa e trasmissione del segnale: Il contametri raggiunge la lunghezza target, attiva la sequenza di cambio e segnala all'accumulatore di iniziare a scaricarsi: questo passaggio dovrebbe richiedere meno di 200 millisecondi su un moderno sistema controllato da PLC; i sistemi logici a relè spesso introducono ritardi di 1-3 secondi che consumano la capacità dell'accumulatore prima ancora che inizi la sequenza meccanica
• Taglio del cavo e fissaggio della coda: La taglierina volante o fissa si attiva, recide il cavo e la coda viene fissata all'intera bobina: durata totale in genere 1–3 secondi sui sistemi automatizzati; la legatura manuale della coda estende questo periodo a 15-30 secondi e richiede che il filo si fermi completamente
• Rimozione della bobina piena e posizionamento della bobina vuota: Il carrello della bobina o la torretta ruota o si indicizza per portare la bobina vuota nella posizione di avvolgimento: le macchine di raccolta a torretta completano questa fase in 3-6 secondi; le macchine a posizione singola che richiedono la sostituzione del carrello elevatore impiegano 2-8 minuti a seconda della disposizione della struttura e della disponibilità delle attrezzature
• Attacco del piombo e accelerazione iniziale dell'avvolgimento: Il cavo è collegato al nuovo nucleo della bobina e l'unità di avvolgimento accelera per adattarsi alla velocità della linea: le macchine di avvolgimento servocomandate possono completare questa accelerazione in 2-4 secondi; I sistemi di azionamento CC più vecchi potrebbero impiegare 8-15 secondi per raggiungere una tensione di avvolgimento stabile

La lunghezza totale degli scarti generati per cambio bobina è il prodotto della velocità della linea e la somma di tutte le fasi durante le quali l'accumulatore si sta scaricando e l'avvolgitore non si è ancora avvolto a tensione costante. A una velocità di linea di 200 m/min, un tempo di cambio totale di 30 secondi produce 100 metri di cavo potenzialmente fuori specifica per evento di cambio: un costo materiale significativo su una linea che esegue più cambi di bobina per turno. Riducendo il tempo di cambio formato a 8 secondi attraverso l'avvolgimento della torretta e l'accelerazione servoassistita, questo tempo viene ridotto a circa 27 metri, una riduzione del 73% degli scarti per cambio che ha un impatto diretto sulla resa produttiva e sul costo del materiale per chilometro di cavo prodotto.

Architettura del feedback della tensione: controllo basato su ballerini e controllo basato su celle di carico

Le macchine avvolgicavo motorizzate utilizzano una delle due architetture primarie di misurazione della tensione per generare il segnale di feedback per il circuito di controllo della tensione dell'avvolgimento: feedback della posizione del rullo ballerino o misurazione diretta della tensione della cella di carico. Ciascuna architettura ha caratteristiche di risposta, requisiti di calibrazione e modalità di guasto distinti che rendono l'uno o l'altro più appropriato a seconda del tipo di cavo, della velocità della linea e dei requisiti di stabilità della tensione dell'applicazione. Comprendere le differenze fondamentali consente agli ingegneri di specificare il sistema corretto per le nuove installazioni e di diagnosticare problemi di prestazioni di controllo sui sistemi esistenti senza ricorrere automaticamente alla risintonizzazione del controller come prima risposta.

Il controllo della tensione basato sul ballerino utilizza la posizione di un rullo caricato a molla o pneumatico nel percorso del cavo come misura indiretta della tensione: lo spostamento del ballerino è proporzionale alla forza di tensione quando sono note la massa del ballerino e la forza di precarico della molla o del pneumatico. Il vantaggio principale è la semplicità meccanica e la capacità intrinseca di accumulo: la corsa del rullo ballerino fornisce un buffer che assorbe i transitori di velocità senza richiedere che il circuito di controllo risponda istantaneamente. La limitazione è che la posizione del ballerino è una misurazione indiretta della tensione: misura la forza nel punto di contatto del ballerino, che può differire dalla tensione nel punto di avvolgimento a causa dell'attrito nel percorso del cavo tra il ballerino e la bobina, in particolare su cavi di grande diametro con elevata rigidità alla flessione che generano un significativo attrito di contatto contro rulli di guida e occhielli.

La misurazione della tensione delle celle di carico posiziona un trasduttore di forza estensimetrico direttamente nel percorso del cavo - come un rullo di guida strumentato o come un sensore di forza di reazione su un perno di guida fisso - e fornisce un segnale elettrico diretto proporzionale alla tensione del cavo nel punto di misurazione. I sistemi di celle di carico eliminano l'errore di misurazione indotto dall'attrito dei sistemi ballerini e forniscono un segnale di tensione con larghezza di banda maggiore che è più adatto per applicazioni di avvolgimento ad alta velocità in cui i transitori di tensione rapidi devono essere rilevati e corretti all'interno delle singole rivoluzioni dell'avvolgimento. Il compromesso è che le celle di carico non hanno capacità di buffering: il circuito di controllo deve rispondere a ogni transitorio di tensione, richiedendo una larghezza di banda di controllo più elevata e una regolazione PID più attenta per evitare oscillazioni. I sistemi di celle di carico richiedono inoltre una calibrazione periodica per mantenere l'accuratezza della misurazione, poiché l'offset zero dell'estensimetro si sposta con la temperatura e l'affaticamento meccanico nel tempo.

Compatibilità meccanica della bobina di avvolgimento: standard di interfaccia dell'albero e valori di carico

Una fonte spesso trascurata di problemi di qualità dell'avvolgimento sulle macchine avvolgitrici motorizzate per cavi metallici è l'incompatibilità meccanica tra le bobine di avvolgimento e l'interfaccia dell'albero della macchina avvolgitrice. I produttori di cavi in ​​genere accumulano un inventario misto di bobine provenienti da più fornitori nel corso degli anni di attività, con sottili variazioni dimensionali nel diametro del foro, nella geometria della sede della chiavetta e nella concentricità della flangia che causano problemi sulle macchine di avvolgimento con tolleranze ristrette dell'albero. Una bobina con un diametro del foro maggiore di 0,3 mm rispetto al valore nominale dell'albero crea un gioco che consente alla bobina di funzionare in modo eccentrico sotto la tensione di avvolgimento: l'eccentricità genera un'ondulazione di tensione una volta per giro che il sistema di controllo non può sopprimere perché è indotta meccanicamente anziché generata dal processo.

I parametri meccanici della bobina rilevanti che devono essere verificati per la compatibilità con una macchina riavvolgitrice di cavi motorizzata includono diametro e tolleranza del foro, larghezza e profondità della sede della chiavetta, specifiche di disallineamento della flangia e capacità di peso nominale della bobina al livello massimo di riempimento del cavo. La capacità di peso della bobina è particolarmente importante sulle macchine avvolgicavo automatiche con elevata capacità di forza trasversale: la tensione di avvolgimento applicata su tutta la larghezza trasversale della bobina genera un momento flettente significativo sui cuscinetti dell'albero della bobina e il superamento del valore strutturale della bobina può causare la deformazione della flangia che danneggia permanentemente la bobina e crea un pericolo per la sicurezza quando la bobina carica viene movimentata dal carrello elevatore.

• Verifica del diametro del foro: Misurare il diametro del foro di nuovi lotti di bobine con un alesametro calibrato prima di metterli in servizio di produzione: accettare solo bobine entro ±0,05 mm dal diametro nominale dell'albero per applicazioni di raccolta di precisione; tolleranze più ampie richiedono bussole adattatrici coniche che aggiungono complessità e potenziale eccentricità
• Ispezione della distorsione della flangia: Controllare l'eccentricità della superficie della flangia con un comparatore su un mandrino di riferimento prima del primo utilizzo e dopo qualsiasi evento di caduta della bobina: un'eccentricità superiore a 0,5 mm per raggio della flangia di 300 mm indica una deformazione della flangia che causerà errori di temporizzazione dell'inversione trasversale e formazione di cordoni sul bordo
• Calcolo del peso di riempimento massimo: Calcolare il peso massimo di riempimento del cavo come prodotto del volume netto di stoccaggio della bobina (volume totale della bobina meno volume del nucleo) e il peso del cavo per unità di volume: verificare che questo valore sia inferiore alla capacità di carico lorda nominale della bobina, che include la tara della bobina, con un fattore di sicurezza minimo di 1,5
• Classe di adattamento della sede chiavetta: Specificare una sede per chiavetta ad accoppiamento stretto (JS9/h9 o equivalente secondo ISO 286) per applicazioni di avvolgimento anziché le tolleranze di accoppiamento normale utilizzate per la trasmissione di potenza generale: gli accoppiamenti con sede per chiavetta allentati consentono la rotazione della bobina rispetto all'albero durante l'accelerazione e la decelerazione, producendo eventi di microscorrimento che creano picchi di tensione localizzati

Integrazione retrofit di macchine avvolgicavo automatiche in linee di estrusione esistenti

L'aggiunta di una macchina per l'avvolgimento automatico dei cavi a una linea di estrusione esistente originariamente progettata per l'avvolgimento manuale comporta sfide di integrazione dei controlli che spesso vengono sottovalutate durante la fase di pianificazione del progetto. Il controller della velocità di traino della linea di estrusione è stato progettato per funzionare come riferimento di velocità terminale per la linea: imposta la velocità di produzione e tutte le apparecchiature a monte la seguono. Quando viene aggiunta una macchina di riavvolgimento automatica, viene introdotto un secondo sistema di controllo a circuito chiuso alla fine della linea che tenta anche di regolare la tensione del cavo attraverso la regolazione della velocità. Senza un adeguato coordinamento di questi due circuiti di controllo, interagiscono negativamente: il traino aumenta la velocità in risposta a un segnale di caduta di tensione mentre il comando di riavvolgimento riduce contemporaneamente la velocità in risposta alla stessa caduta di tensione, creando un'oscillazione sostenuta che nessuno dei due circuiti può risolvere indipendentemente.

La soluzione standard è quella di configurare la trasmissione di riavvolgimento in modalità di controllo della coppia anziché in modalità di controllo della velocità, con la trasmissione di traino che rimane come master della velocità. Nella modalità di controllo della coppia, l'unità di riavvolgimento applica una coppia di avvolgimento costante corrispondente al setpoint di tensione target e la velocità di avvolgimento si regola automaticamente per adattarsi alla velocità di uscita del traino, in modo simile a come un freno passivo fornisce una resistenza costante indipendentemente dalla velocità. La posizione del rullo ballerino serve quindi solo come segnale di trim per regolare il setpoint di coppia, non come riferimento di velocità primario. Questa architettura di controllo elimina il problema dell'interazione del circuito perché la trasmissione di avvolgimento non è più in competizione con il traino per controllare la velocità del cavo: fornisce semplicemente una coppia di resistenza controllata contro la quale il controller della velocità di traino può contrastare senza conflitti.

Fondata nel 2002 a Shanghai con investimenti da Taiwan e ampliata attraverso Jiangsu Yessjet Precise Machinery Co., Ltd. a Yixing, Wuxi nel 2017, Shanghai Yessjet Precise Machinery Co., Ltd. ha accumulato una vasta esperienza nell'integrazione di macchine avvolgicavi motorizzate e macchine avvolgicavi automatiche in linee di estrusione costruite da un'ampia gamma di produttori di apparecchiature originali. Il processo di ingegneria dell'integrazione inizia con un audit del sistema di controllo della linea esistente per identificare il tipo di azionamento di traino, la capacità del protocollo di comunicazione e gli I/O disponibili per l'interblocco, seguito da un'architettura di integrazione definita che specifica esattamente come l'azionamento di raccolta riceverà il suo riferimento di velocità e come verrà instradato il segnale del ballerino per evitare l'interazione del circuito. Questo approccio strutturato ha ridotto costantemente i tempi di messa in servizio dell'aggiornamento rispetto alle installazioni aggiuntive non coordinate in cui i problemi di interazione dei controlli vengono scoperti e risolti in modo iterativo durante le prove di produzione.