Coil Winding Machine

Studiengang

ET - auslaufend

Projektbeschreibung

Aufgrund der Schwierigkeit Zylinderspulen mit einem sauberen Wickelbild und einem großen Kupferfüllfaktor ohne geeignete Vorrichtung zu wickeln, entstand die Idee, diesen Vorgang zu automatisieren. Die größte Herausforderung hierbei war es, Spulen unterschiedlicher Geometrien und Drahtquerschnitten mit gleichbleibender Qualität wickeln zu können.

Dieses Projekt befasst sich mit der Entwicklung einer Vorrichtung zur Herstellung kleiner und mittlerer Zylinderspulen für den Prototypenbau.
Der Wickelprozess sollte hierbei so automatisiert wie möglich erfolgen. 
Um dies zu erreichen, wurde ein intuitives Menü programmiert, welches über einen Inkrementalgeber gesteuert werden kann.

Nach der Eingabe folgender Parameter wird zunächst die benötigte Drahtlänge berechnet und auf dem Display ausgegeben.

Spulenparameter:

• Effektive Spulenlänge
• Spulenkörper Durchmesser
• Draht Durchmesser
• Windungszahl

Anschließend kann durch Drehen des Inkrementalgebers die Startposition der Linearführung eingestellt werden.

Anhand der Parameter wird nun der Vorschub sowie die Position zur Richtungsumkehr am Spulenende ermittelt. Während des Wickelvorgangs wird die aktuelle Windungszahl auf dem Display angezeigt. Durch Drehen am Inkrementalgebers kann nun die Wickelgeschwindigkeit stufenlos angepasst werden. Außerdem ist ein Stoppen sowie das Wiederaufnehmen des Wickelns während des Vorganges möglich.
Hierbei war eine der Herausforderungen, eine konstante Drahtspannung während des Wickelvorgangs aufrecht erhalten zu können.

Beteiligte Personen

Studierendengruppe: Niklas Bauer, Bernd Gürtner

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Meyer

Veranstaltung

Systems Engineering 1 (IK)

Laufzeit

WS 2024/25

• Automatisierung des Wickelvorgangs
• Einhaltung einer akzeptablen Wickelzeit
• Maximale Abmessungen: 70 mm Wickellänge, 50 mm Wickeldurchmesser
• Wickelbarkeit von Drahtquerschnitten bis 1 mm²
• Möglichkeit der Unterbrechung und Wiederaufnahme des Wickelvorgangs
• Intuitive Eingabe der Wickelparameter
• Überlastsicherung ohne Zerstörung der Maschine
• Berechnung und Ausgabe der benötigten Drahtlänge
• Stufenlose Einstellbarkeit der Wickelgeschwindigkeit während des Betriebs
• Versorgung mit 230VAC

Zunächst wurde ein Konzeptplan erarbeitet, mit dem die oben genannten Anforderungen realisiert werden können. Anhand dessen wurde die Wahl der verwendeten Komponenten getroffen.
Als Grundgestell wurde eine Siebdruckplatte aus Holz gewählt, da diese stabil, leicht zu bearbeiten und im Budget Plan liegen.

Die beiden Wellen bestehen aus Stahl, die Spulenaufnahmen und Umlenkrollen aus Messing.
Nach Klärung aller Komponenten und Materialien wurde ein CAD-Plan der Anlage entworfen, und basierend darauf die mechanischen Baugruppen gefertigt.

Bei den Antrieben wurden Schrittmotoren verwendet, da diese eine hohe Positionsgenauigkeit bieten, wodurch ein zusätzlicher Sensor für die Positionserfassung entfällt.
Um bei größeren Drahtquerschnitten und Wickeldurchmessern ausreichend Drehmoment zu gewährleisten, besteht die Möglichkeit, den Hauptantrieb durch Umkehrung mit einem Getriebe zu betreiben, wodurch das Drehmoment um das Zehnfache erhöht wird.

Die Drahtbremse besteht aus einem Seil, das an einem Ende mit der Grundplatte verbunden und am anderen Ende um die Welle gewickelt ist.
Durch die Anzahl der Windungen und die Vorspannung des Seiles kann die Reibung und somit die Bremswirkung beeinflusst werden.

Die Ansteuerung erfolgt über einen Inkrementalgeber mit Druckknopffunktion, der mit einer entsprechenden Entprellung an einen STM32-Mikrocontroller angeschlossen ist.
Dieser steuert über ein leistungsstarkes Stepper-Treiber Erweiterungsboard die beiden Antriebe und gibt die entsprechenden Angaben auf dem LCD-Display aus.
Die Elektronik wird über ein 12VDC Netzteil mit einem maximalen Ausgangsstrom von 3A versorgt.

Die entwickelte Maschine ist primär für den Einsatz im Prototypenbau konzipiert. Sie ermöglicht die Herstellung von Zylinderspulen, die in verschiedenen Anwendungsbereichen genutzt werden können. Darunter zählen:

• Elektromagneten
• Filterschaltungen
• Energiespeicher in der Leistungselektronik
• Induktive Näherungssensoren

Die Spulenkörper können beispielsweise mit einem 3D-Drucker gefertigt und bei Bedarf mit einem Eisenkern ausgestattet werden, um die magnetischen Eigenschaften zu verbessern.
Die Spulenform muss nicht zwangsläufig rund sein. Durch Anpassung der Spulenaufnahmen-Geometrie können auch quadratische oder rechteckige Spulenkörper aufgenommen werden.