Untersuchungen zur Gurtführung mit geregelten Schrägrollen

Abstract

Die vorliegende Arbeit teilt sich in zwei Hauptabschnitte ein.<br />Einerseits die Erstellung eines Prüfstandes, mit dem Bandverformungen gemessen werden können, und andererseits die mechanische Modellierung des Bandverlaufes eines Stahlbandes, unter Berücksichtigung des Eingriffes einer Regelungswalze.<br />Ein bereits am Institut vorhandener Prüfstand, an dem Untersuchungen mit Kunststoffbändern durchgeführt wurden, musste für Messungen mit Stahlbändern adaptiert werden. Durch die viel größere Steifigkeit von Stahlbändern im Vergleich zu Kunststoffbändern, dürfen sich Prüfstandsrahmen und verwendete Führungseinrichtungen nur innerhalb sehr geringer Toleranzgrenzen verformen. Aufgrund des Anforderungsprofils der vorgesehenen Messungen, musste ein modulares Prüfstandskonzept erstellt werden, um einerseits dieses jeweils an die durchzuführenden Messungen schnell anpassen zu können, andererseits die Möglichkeit zu einer Erweiterung des Prüfstandsrahmens zu haben.<br />Sämtliche Komponenten wurden in dem dreidimensionalen parametrischen CAD Programm Catia V5 erstellt. Die Abmessungen und geometrischen Maße, die zur Festlegung der Steifigkeit der verwendeten Strukturen bestimmend sind, wurden als Parameter im dreidimensionalen Modell angelegt. Die Festigkeitssimulation wurde nach der Methode der Finiten- Elemente durchgeführt, diese Simulationen dienten als Ausgangspunkt für die weiteren Konstruktionen. Durch die steuerungstechnischen Anforderungen musste ebenfalls ein modulares elektrisches Konzept entwickelt werden, um die geplante Anlagensteuerung um mess- und steuerungstechnische Ein- und Ausgänge beliebig erweitern zu können.<br />Das entwickelte Konzept wurde in einer Umgebung verwirklicht, die harten Echtzeitanforderungen genügt. Wegen der Messung des Einflusses einer beliebig räumlich verstellbaren Regelwalze, war ein weiterer Schwerpunkt des Prüfstandumbaus die Entwicklung eines Kraftsensors, der dreidimensionale Kräfte messen kann. Dazu wurden handelsübliche Sensoren in der Weise modifizier, dass die geforderten Kraftrichtungen gemessen werden konnten. Um diese Modifizierungen zu optimieren, wurde der Sensor in einem Finite- Elementeprogramm auf maximale Dehnungen untersucht. Diese Dehnungen wurden dann mittels Messungen mit Dehnmessstreifen und dreidimensionaler Specklemessungen verifiziert. Die dreidimensionalen Sensitivitäten der Sensoren wurden mittels Kalibrierungsmessung bestimmt. Diese Sensitivitäten wurden dann in einem mathematischen Modell abgebildet. Von diesem erhaltenen Modell wurden Konfidenzintervalle der Parameter, und statistische Güteuntersuchungen angestellt.<br />Es wurden für den Bandverlauf unter Einwirkung einer Regelungswalze zwei Modelle entwickelt. Einerseits ein Modell mit mittig angreifender Kraft, andererseits ein geometrischer Modellansatz mit drei räumlich angeordneten Walzen. Diese Modelle wurden in einer Simulationsumgebung eingebettet, um einen kontinuierlichen Bandverlauf simulieren zu können.<br />Weiters wurde dieser räumliche Modellansatz verwendet, um das dynamische Verhalten in einem Regelkreis untersuchen zu können. Zuletzt wurde mittels Simulation ein Regelalgorithmus für den Bandverlauf untersucht.<br />

The following work divides itself into two main parts. One is the set up of a test stand, to be able to measure deformations of a steel belt due to belt running. The other part is developing a mechanical model of the belt running due to interaction with a steering pulley.<br />An already existing test stand at the institute, with which measurements on plastic belts have been conducted, had to be adapted for measurements on steel belts. As the stiffness of steel belts is much higher than that of plastic belts, the test stand with all including components also has to be very stiff to have displacements within narrow bounds.<br />As for the measurements to be taken, a modular test stand concept had to be developed. One should be able to change the measurement setup quickly, there should also be the possibility to enhance the test stand in length.<br />All of the components used were constructed in the three dimensional parametric CAD software CATIA V5. Characteristic lengths for stiffness and geometry were chosen as variables in the three dimensional model enabling to change the model quickly following simulation results. The simulations of stiffness of all components used was carried out in the finite element program ANSYS.<br />The test stands steering system also had to be flexible: measurement and steering in- and outputs should be added according to different measurement tasks. The chosen concept was implemented into an environment, which obeys hard real time requirements.<br />Due to measurements with a fully three dimensional movable steering axis, another topic was the design of a force sensor, which can measure three dimensional forces.<br />The sensor was design in such a way, that commercial available sensors were fitted together and enhanced. To optimise those modifications, a finite- element model of the sensor was created. The results of displacement were verified with strain gauges and three dimensional laser speckle interferometric measurements.<br />The sensors three dimensional sensitivities were calibrated and mathematically modelled. Of this mathematical model statistical investigations of quality were undertaken.<br />The second part was creating a mechanical model of the belt running, when a steering pulley would act on the belt. One approach was modelling a force acting on a beam, the other would use a set of three dimensionally located drums.<br />Both approaches were placed inside a simulation model, to be able to model continuous belt running.<br />The model with three dimensionally placed drums was furthermore modelled into a dynamic simulation environment, to investigate dynamic behaviour inside control loops. A control algorithm of the plant was also investigated via simulation.