EP1811073A2 - Sewing machine and method for detecting movement in sewing machines - Google Patents

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Publication number
EP1811073A2
EP1811073A2 EP06405469A EP06405469A EP1811073A2 EP 1811073 A2 EP1811073 A2 EP 1811073A2 EP 06405469 A EP06405469 A EP 06405469A EP 06405469 A EP06405469 A EP 06405469A EP 1811073 A2 EP1811073 A2 EP 1811073A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
sewing machine
detected
sewing
light source
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06405469A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Wentkowski
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BERNINA International AG
Original Assignee
BERNINA International AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BERNINA International AG filed Critical BERNINA International AG
Publication of EP1811073A2 publication Critical patent/EP1811073A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D05—SEWING; EMBROIDERING; TUFTING
    • D05B—SEWING
    • D05B19/00—Programme-controlled sewing machines
    • D05B19/02—Sewing machines having electronic memory or microprocessor control unit
    • D05B19/12—Sewing machines having electronic memory or microprocessor control unit characterised by control of operation of machine
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D05—SEWING; EMBROIDERING; TUFTING
    • D05B—SEWING
    • D05B59/00—Applications of bobbin-winding or -changing devices; Indicating or control devices associated therewith
    • D05B59/02—Devices for determining or indicating the length of thread still on the bobbin
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D05—SEWING; EMBROIDERING; TUFTING
    • D05C—EMBROIDERING; TUFTING
    • D05C11/00—Devices for guiding, feeding, handling, or treating the threads in embroidering machines; Machine needles; Operating or control mechanisms therefor
    • D05C11/08—Thread-tensioning arrangements
    • D05C11/14—Stop motions responsive to thread tension or breakage

Definitions

  • the invention relates to a sewing machine and a method for detecting movements in a sewing machine according to the features of claims 1 and 8.
  • Sewing machines, embroidery machines, quilting devices and the like often include sensors with which, for example, movements of the sewing material or the embroidery frame can be detected. By further processing the signals of such sensors, for example, control signals can be generated or displays can be activated.
  • control signals can be generated or displays can be activated.
  • a method for controlling the mass transfer in a sewing or embroidery machine in which a sensor for detecting feed widths of the sewing material in the throat plate is arranged.
  • the sensor is designed as a CCD camera and captures images of the surface of the material in rapid succession. Based on the position or position change of structural features of the fabric surface in successive images, a controller calculates the position and position of the sewing material or information about its movement.
  • the transport device for the fabric is influenced in such a way that such deviations are minimal.
  • a device for controlling the needle movement in a sewing machine comprises a detection device with an image sensor which detects a section of the fabric surface from above at a high scanning rate. When quilting the material is moved manually. The detection device detects in rapid succession of about 1500 images per second located in the region of the sensor and the sewing needle section of the fabric surface. Based on this information, the movements of the material are determined and the needle drive controlled in such a way that successive stitches are formed at equal intervals. Despite high sampling rate can occur in such systems, for example, at high accelerations errors.
  • Object movements can only be detected in a collection level, but not vertically.
  • a further object of the invention is to design the detection device and the method such that object movements in a plane and / or vertically to this plane can be detected.
  • the method according to the invention and the sewing, embroidery or quilting machine with the detection device according to the invention are based on the consideration that the calculation of object speeds or of position or position changes of objects by evaluating temporally successive individual images in particular reaches the limits of technical feasibility, if the objects are small and / or the Speeds or accelerations are large or if the object movements do not occur within a predetermined detection level.
  • movements are detected directly, that is to say without conversion from images of the object surface acquired temporally one after the other.
  • a laser generates a coherent light beam, which is directed by means of optics or by means of optical elements in the direction of the object surface to be detected.
  • the optics are designed so that light scattered on the object is collected and irradiated back to the laser. There, at least part of the scattered light enters through the partially transmissive mirror again into the resonator, where it interferes with the light generated in the resonator. This changes the basic properties of the laser and the light emitted by the laser. This phenomenon is also called a "self-mixing effect".
  • another, independent of the laser resonator interference detector can be used, for example, the light generated by the laser coupled out by means of partially transmissive mirror and is brought to the object scattered light outside the resonator to interference.
  • the frequency of the Doppler effect changes scattered and reflected in the direction of the laser light as a function of the velocity component in the direction of the laser beam.
  • This frequency change is for realistically to be detected object movements in the order of about one kilohertz to several megahertz and can thus be evaluated without delay using conventional electronic means.
  • a frequency shift is still measurable even for objects with nearly unstructured smooth or reflective surfaces. Thus, it suffices smallest inhomogeneities and scattered light components to cause a measurable frequency change.
  • Parameters which may change due to the self-coupling effect of the laser are, for example, the power consumption or the junction resistance, the intensity of the emitted laser light, the frequency and the diameter of the laser beam or the threshold amplification of the laser.
  • These parameter values change with a frequency corresponding to the frequency difference between the laser generated and the laser light scattered back into the laser.
  • This frequency difference in turn is proportional to the velocity component of the object surface in the direction of the laser light beam. It is thus possible to determine the velocity component of the object surface in the respective direction by detecting and evaluating the fluctuations of one or more of these parameter values.
  • the light sources of the sensors emit at least approximately monochromatic light.
  • they can be arranged close to each other spatially, preferably on a common chip, or at a greater distance from one another. They may be directed to the object to be detected so that the points of impact or areas on the object surface are close (eg within a few millimeters) to each other or to each other.
  • they can be controlled in clocked manner, for example in a predeterminable sequence, or several light sources with different frequencies can be used.
  • optical elements such as lenses, mirrors or grating structures can be used, which - depending on the position of the individual light sources - can be used separately for each of the light sources or for two or more of the light sources.
  • each of the light sources is assigned a detection device.
  • these can also comprise common parts, eg an evaluation unit for the alternating or parallel processing of the individual measured quantities.
  • the "self-mixing" effect allows a very compact and space-saving design of the sensors, since the detection device is coupled directly to the light source and can be integrated together on a common chip, and since the transmission beam and the detection beam are influenced by a common optics.
  • the evaluation unit for processing the detected signals is preferably also integrated on the chip and freely configurable or programmable.
  • An external controller is not mandatory and the sensors can be easily adapted to different tasks. It is also possible to arrange the optics directly to the chip and to connect directly or indirectly with this. This eliminates additional optical elements and related adjustments. The space requirement is so extremely low.
  • the detectors which detect the intensity fluctuations in the laser resonator can be designed as photoelectric detectors, wherein preferably those photodiodes are used, which are arranged at a laser diode in any case at the rear resonator and are conventionally used for keeping constant the laser power.
  • the device according to the invention and the method according to the invention can be used for sewing machines, embroidery machines, quilting devices and the like for detecting and controlling or regulating a wide variety of different types of machines Movements are used. Alternatively or additionally, motion information detected in this way can also be stored and queried at a later time. This is particularly advantageous when capturing sewing and embroidery patterns.
  • the detection device is arranged at least partially stationary in the vicinity of a movable machine part or sewing object to be detected.
  • the detection device or the detection optics can also be moved relative to an object to be detected, for example if they are integrated in a stylus or a corresponding other input means for detecting patterns or seam progressions.
  • the detection device can be connected in this case, for example via radio or via a communication line with a sewing machine control or a data acquisition device.
  • FIG. 1 shows the principle of operation of detecting a movement by means of a self-coupling laser Doppler interferometer.
  • a laser - preferably a semiconductor laser - generates coherent light, which is amplified in a cavity or a resonator 3 with a front, partially transmissive mirror 5 and a rear mirror 7.
  • the decoupled coherent light is focused by one or more optical elements, for example by a converging lens 9, to form a light beam or transmission beam 11. This applies to an object to be detected 13 and is there at least partially scattered. A part of the scattered light is reflected back as a receiving beam 15 in the direction of the laser.
  • He passes there the optical elements and then enters through the mirror 5 in the resonator 3 a.
  • the thus coupled back into the resonator 3 light interferes with the light amplified in the resonator 3, as for example from the WO-A1-02 / 37410 is known.
  • This interference phenomenon influences the gain of the laser and the intensity of the laser or transmit beam 11 generated by the laser.
  • the intensity of the transmit beam 11 has minima and maxima as a function of the distance.
  • the object 13 moves at a speed which has at least one positive or negative component in the propagation direction of the transmission beam 11 (in other words, a component in or opposite the propagation direction), the frequency of the receiving beam 15 changes slightly due to the Doppler effect.
  • the intensity fluctuations for example by means of a rear side behind the rear, only slightly semitransparent laser mirror 7 arranged photodiode 17, the component of the object speed in the direction of the transmission beam 11 can be determined.
  • Such photodiodes 17 are conventionally used for keeping the intensity of the laser light constant.
  • the direction of movement can be determined on the basis of the asymmetry of the functions f (L) and g (L), where f is the frequency of the laser, g the gain in the laser resonator 3 and L the object distance from the front resonator mirror 5.
  • the surface of the machine or accessory parts to be detected can be roughened or coated, for example, whereby the diffuse scatter proportion of the laser light is increased.
  • the object 13 to be detected is a bobbin rotatable about a bobbin axis 19.
  • the transmission beam 11 impinges on the flange surface in the edge region of the front coil flange 21 at an angle of incidence ⁇ .
  • the transmission beam 11 has at least one directional component corresponding to the surface speed v A of the flange surface at the point of impingement A.
  • the transmission beam 11 is oriented so that its directional component in the direction of the surface velocity v A at the point of impact A is relatively large.
  • the bobbin is shown in Figure 2 in a bobbin case 23 and together with this in the gripper 24th used, which is arranged in the lower arm 25 of the sewing machine below the needle plate 27 in a gripper housing 29 (Fig. 3).
  • the remaining parts of the commercial gripper 24 as the gripper body 28, the seated on the drive shaft 31 pinion 30 and the thread catching plate 32 are not described in detail.
  • the detection of the bobbin can be done depending on the visibility of the respective gripper assembly from different directions.
  • the front flange 21 or the rear flange 21 'of the coil can be detected from the front or from behind or radially from the outside.
  • the sensor or sensors may be integrated into the drive shaft 31 of the gripper 24 (not shown) and, relative thereto, detect the rotational movement of the spool by scanning the sleeve-like spool or core 33 (FIG. 1) from the inside.
  • the sensor or sensors may be arranged, for example, on the bobbin case 23 or within the gripper housing 29. In the arrangement of a sensor on the bobbin case 23 or the gripper 24 power supply and communication to the sensor, for example by means of sliding contacts (not shown) on the drive shaft 31 can be ensured.
  • openings 26 may be provided in the bobbin case 23, through which the coil can be scanned. It is also possible in the gripper housing 29 a plurality of sensors annular distributed around the coil axis 19 of the coil used (not shown), so that always at least one of these sensors can detect the coil through the recess 26 in the bobbin case 23 through, even if the bobbin case 23 rotates. In this case, the sensor electronics or the controller evaluates the various sensor signals and takes into account only those signals which detect the coil movement at the respective time.
  • the bobbin in operation has only a single degree of freedom, namely the rotational movement about the spool axis 19. Therefore, a suitable arrangement with a single sensor with only one transmit beam 11 is sufficient to clearly detect this movement.
  • the electronics or control required for evaluating the sensor signals may be partially or completely integrated into the sensor or may be partially or completely covered by the machine control.
  • a non-volatile storage medium (not shown) is preferably provided, in which information about the object to be detected 13, about its position, orientation in space and its movement possibilities and about the arrangement of the sensor or sensors can be stored as needed. In conjunction with information stored in this way, the controller can determine the associated movements, positions, etc., of the detected object 13 from the sensor signals.
  • the direction of the object movement at the point of impact A are decomposed into a plurality of components, one of which has the direction of the transmission beam 11.
  • the ratio of this component of motion to the total object movement and the distance r A of the point of impact A from the coil axis 19 can then be stored in the memory (FIG. 1).
  • any movements in objects 13 with multiple degrees of freedom can be detected by a plurality of sensors or by sensors with multiple transmitted beams 11, wherein the transmission beams 11 impinge on the object 13 in different directions.
  • the number of degrees of freedom of movement determines the number of transmission beams 11 required for unambiguous detection of the object movement.
  • two or more light sources 1 can be arranged close to one another on a common chip or substrate, the associated transmission beams 11 preferably being emitted from different sides through a common optical system 9 in the direction of the object 13 to be detected.
  • a plurality of transmission beams 11 may be irradiated independently of each other from different directions on the object 13 become. If the individual light sources 1 are arranged spatially separated from one another, object movements can also be detected from a greater distance (eg 10 cm to 15 cm).
  • the optical elements 9 may be formed so that the transmission beams 11 are not focused sharply on a point, but over a larger area have a slight blurring.
  • Such transmission beams 11 have within the usable measuring range in the direction of propagation a uniform or only slightly varying beam diameter. In this way, object movements can be detected reliably even in the direction of the transmission beam 11, since the intensity of the scattered light component, which is coupled back into the resonator 3, varies only slightly with such movements.
  • other objects 13 are detected by one or more sensors, eg sewing machine parts such as sewing needle, needle holder, presser foot, feed dog, gripper, bobbin embroidery hoop, etc. or objects 13 to be processed or components such as the sewing material or - in the case of several material layers - The top and / or bottom fabric layer, the upper thread or the lower thread. Accordingly, the sensors are arranged at suitable locations of the sewing or embroidery machine.
  • sewing machine parts such as sewing needle, needle holder, presser foot, feed dog, gripper, bobbin embroidery hoop, etc.
  • objects 13 to be processed or components such as the sewing material or - in the case of several material layers -
  • the sensors are arranged at suitable locations of the sewing or embroidery machine.
  • FIG. 3 shows a section of a sewing machine in the region of the stitch formation unit.
  • the throat plate 27 three recesses 35 (alternatively, only one or two recesses may be provided) formed therein with optical elements.
  • These optical elements can comprise, for example, transparent windows for the light of the light sources 1, which windows are inserted flush into the recesses 35 flush with the upper side of the throat plate 27.
  • the optical elements can also comprise converging lenses 9 (FIG. 1).
  • the curvature can protrude slightly beyond the plane of the throat plate 27.
  • the sensors are arranged with the light sources 1. In each case one or more sensors can be arranged under each of the lenses 9.
  • two sensors each having a light source 1 are arranged such that the transmission beams 11 generated by the light sources 1 are in different directions of the proximate plane, preferably in the sewing direction y and in the transverse direction x, from below at an angle of incidence ⁇ (FIG. 1) of the order of magnitude of approximately 15 ° to approximately 75 ° to the sewing material (not shown).
  • ⁇ angle of incidence
  • the two transmission beams 11 can impinge on the sewing material even at different angles of incidence ⁇ .
  • a third sensor can be provided, wherein the transmission beam 11 preferably strikes the sewing material at an angle of incidence ⁇ of 0 °, that is to say vertically.
  • the transmission beam 11 of the third light source 1 can impinge on the material under another angle of incidence ⁇ .
  • the material surface can be detected at different locations, for example in the region of two recesses 35 of several sensors.
  • the recesses 35 with the sensors can be arranged, for example, on one side or on both sides of the needle insertion opening 37 in the needle plate 27 and / or in the sewing direction y, in front of or behind the needle insertion opening 37.
  • Their mutual distance is just a few centimeters big enough that Rotational movements of linear displacements can be distinguished, and small enough that errors due to a possible wrinkling of the fabric are minimal.
  • the detection of movements or changes in position of the sewing material in the region of the needle entry point can be used, for example, to detect deviations of the actual material movement from a predetermined material movement and to control the transport device (eg conveyor or embroidery frame).
  • the transport device is not active. The sewing material is guided there by hand.
  • the stitch formation unit can be controlled in such a way that - independently of the sewing material speed - needle stitches are set with uniform spacing of the puncture sites in the sewing material.
  • the detection device can be used to capture and store a sewing pattern. On the basis of the stored data, this sewing pattern can later be reconstructed as often as desired (for example using an embroidery frame) become.
  • the sensor device may be integrated into a stylus or equivalent scanning device. To scan the template here remains the template in peace and the stylus is moved relative to the template.
  • sensors are installed in the presser foot 41 or in a sock foot 42, as shown schematically in FIG.
  • the electronics for detecting and evaluating the sensor signals is integrated together with the light source 1 on a chip 53.
  • the electronics of the presser foot 41 can be connected to the control of the sewing machine, for example by means of a cable plug 55 (not shown).
  • the connection between presser foot and machine control can also take place in other ways, for example via spring contacts between presser foot 41 and presser rod 43 or via a wireless communication connection.
  • sensors-with appropriately adapted optics-can can also be arranged directly at or below the machine head 39.
  • At least one sensor is arranged on the sewing machine that it can detect the withdrawal speed of the lower thread or the upper thread, so for example in the field of thread guide 51 rigidly connected to the movable needle bar 45 or on the upper arm of the sewing machine in the area resilient or clamping thread tensioning device (not shown) or in the region of the bobbin for the upper thread bobbins (not shown). Since both the upper thread and the lower thread are pulled off abruptly during sewing, a processing stage for smoothing these signals or for the running averaging can be provided in the respective evaluation. By integrating the detected speed measurement results in the amount of thread. If the amount of thread on the bobbin is stored, this value can be updated continuously. In particular, the sewing process can be stopped before reaching the thread end.
  • a minimum relative speed between the sensor and the object 13 to be detected is required in each case.
  • a conventional device for detecting changes in position can optionally be provided as an option, which evaluates, for example, changes in position of features of the object surface by means of image processing.
  • stitching machine is to be interpreted broadly and also includes quilting devices, embroidery machines or other stitch-forming or suitable for joining textile fabrics devices.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Sewing Machines And Sewing (AREA)

Abstract

The sewing machine has a device for detecting movements having a light source (1) that emits coherent light, an interference detector allocated to the light source. The interference detector is constructed to detect a measurement parameter that characterizes an interference between reflected light from the light source that is scattered by an object (13) to be detected and the light emitted from the light source. An independent claim is included for a and method for detecting movement in sewing machines.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Nähmaschine und ein Verfahren zum Erfassen von Bewegungen bei einer Nähmaschine gemäss den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8.The invention relates to a sewing machine and a method for detecting movements in a sewing machine according to the features of claims 1 and 8.

Nähmaschinen, Stickmaschinen, Quiltvorrichtungen und dergleichen umfassen oft Sensoren, mit denen sich z.B. Bewegungen des Nähguts oder des Stickrahmens erfassen lassen. Durch Weiterverarbeitung der Signale solcher Sensoren können z.B. Steuersignale generiert oder Anzeigen angesteuert werden.
Aus der EP1321556 ist ein Verfahren zum Regeln des Stofftransportes bei einer Näh- oder Stickmaschine bekannt, bei welchem ein Sensor zum Erfassen von Vorschubweiten des Nähguts im Bereich der Stichplatte angeordnet ist. Der Sensor ist als CCD-Kamera ausgebildet und erfasst in schneller Folge Bilder der Oberfläche des Nähguts. Anhand der Positions- bzw. Lageänderung von Strukturmerkmalen der Nähgutoberfläche in aufeinander folgenden Bildern berechnet eine Steuerung die Position und Lage des Nähguts bzw. Informationen über dessen Bewegung. Werden Abweichungen der erfassten Messgrössen von vorgegebenen Sollgrössen festgestellt, wird die Transportvorrichtung für das Nähgut in der Weise beeinflusst, dass solche Abweichungen minimal sind.
Aus der W02005056903 ist eine Vorrichtung zum Steuern bzw. Regeln der Nadelbewegung bei einer Nähmaschine bekannt. Sie umfasst eine Erfassungsvorrichtung mit einem Bildsensor, der mit hoher Abtastrate einen Ausschnitt der Nähgutoberfläche von oben her erfasst. Beim Quilten wird das Nähgut manuell verschoben. Die Erfassungsvorrichtung erfasst in schneller Folge von etwa 1500 Bildern pro Sekunde einen im Bereich des Sensors und der Nähnadel gelegenen Ausschnitt der Nähgutoberfläche. Anhand dieser Informationen werden die Bewegungen des Nähguts ermittelt und der Nadelantrieb in der Weise gesteuert, dass aufeinander folgende Nähstiche in gleichmässigen Abständen gebildet werden.
Trotz hoher Abtastrate können bei derartigen Systemen z.B. bei hohen Beschleunigungen Fehler auftreten. Dies ist insbesondere dann störend, wenn ein zyklisches Nähmuster gebildet werden soll, welches an ein- und derselben Stelle beginnt und endet. Im Weiteren haben solche Systeme die Eigenheit, dass ein zweidimensionaler Oberflächenabschnitt mit in der Regel geringer Schärfentiefe auf einen Bildsensor abgebildet wird. Objekte können somit nur dann zuverlässig erfasst werden, wenn sie genügend gross sind und innerhalb des jeweiligen Schärfentiefebereichs liegen.Sewing machines, embroidery machines, quilting devices and the like often include sensors with which, for example, movements of the sewing material or the embroidery frame can be detected. By further processing the signals of such sensors, for example, control signals can be generated or displays can be activated.
From the EP1321556 a method for controlling the mass transfer in a sewing or embroidery machine is known, in which a sensor for detecting feed widths of the sewing material in the throat plate is arranged. The sensor is designed as a CCD camera and captures images of the surface of the material in rapid succession. Based on the position or position change of structural features of the fabric surface in successive images, a controller calculates the position and position of the sewing material or information about its movement. Be deviations of the measured quantities determined by predetermined set sizes, the transport device for the fabric is influenced in such a way that such deviations are minimal.
From the W02005056903 a device for controlling the needle movement in a sewing machine is known. It comprises a detection device with an image sensor which detects a section of the fabric surface from above at a high scanning rate. When quilting the material is moved manually. The detection device detects in rapid succession of about 1500 images per second located in the region of the sensor and the sewing needle section of the fabric surface. Based on this information, the movements of the material are determined and the needle drive controlled in such a way that successive stitches are formed at equal intervals.
Despite high sampling rate can occur in such systems, for example, at high accelerations errors. This is particularly troublesome when a cyclic sewing pattern is to be formed, which begins and ends at one and the same place. Furthermore, such systems have the peculiarity that a two-dimensional surface section is mapped onto an image sensor with generally a shallow depth of field. Objects can thus be detected reliably only if they are sufficiently large and within the respective depth of field.

Objektbewegungen können nur in einer Erfassungsebene, nicht jedoch vertikal dazu erfasst werden.Object movements can only be detected in a collection level, but not vertically.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine verbesserte Erfassungsvorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von Bewegungen bei Nähmaschinen zu schaffen, welche eine zuverlässige und schnelle Bewegungserfassung selbst von kleinen Teilen ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Erfassungsvorrichtung und das Verfahren so auszubilden, dass Objektbewegungen in einer Ebene und/oder vertikal zu dieser Ebene erfasst werden können.It is therefore an object of the present invention to provide an improved detecting device and method for detecting movements in sewing machines, which enables reliable and rapid movement detection even of small parts. A further object of the invention is to design the detection device and the method such that object movements in a plane and / or vertically to this plane can be detected.

Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Nähmaschine und durch ein Verfahren gemäss den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Nähmaschine und des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen umschrieben.These objects are achieved by a sewing machine and by a method according to the features of claims 1 and 8. Advantageous embodiments of the sewing machine and the method are described in the dependent claims.

Das erfindungsgemässe Verfahren und die Näh-, Stick- oder Quiltmaschine mit der erfindungsgemässen Erfassungsvorrichtung basieren auf der Überlegung, dass die Berechnung von Objektgeschwindigkeiten oder von Positions- oder Lageänderungen von Objekten durch Auswerten zeitlich aufeinander folgender Einzelbilder insbesondere dann an die Grenzen der technischen Machbarkeit stossen, wenn die Objekte klein und/oder die Geschwindigkeiten oder die Beschleunigungen gross sind oder wenn die Objektbewegungen nicht innerhalb einer vorgegebenen Erfassungsebene erfolgen.
Beim erfindungsgemässen Verfahren und bei der erfindungsgemässen Nähmaschine werden Bewegungen direkt erfasst, d.h. ohne Umrechnung aus zeitlich nacheinander erfassten Abbildungen der Objektoberfläche. Dabei erzeugt ein Laser einen kohärenten Lichtstrahl, der mittels einer Optik bzw. mittels optischer Elemente in Richtung der zu erfassenden Objektoberfläche gelenkt wird. Ein Teil des an der Objektoberfläche gestreuten Lichts wird in Richtung des Lasers zurück reflektiert. Vorzugsweise ist die Optik so ausgebildet, dass am Objekt gestreutes Licht gesammelt und zum Laser zurück gestrahlt wird. Dort tritt zumindest ein Teil des gestreuten Lichts durch den teildurchlässigen Spiegel wieder in den Resonator ein, wo es mit dem im Resonator erzeugten Licht interferiert. Dadurch werden grundlegende Eigenschaften des Lasers und des vom Laser emittierten Lichts verändert. Dieses Phänomen wird auch als "self-mixing effect" bezeichnet. Alternativ kann auch ein anderer, vom Laser-Resonator unabhängiger Interferenz-Detektor verwendet werden, wobei beispielsweise vom Laser erzeugtes Licht mittels teildurchlässiger Spiegel ausgekoppelt und mit am Objekt gestreutem Licht ausserhalb des Resonators zur Interferenz gebracht wird.
Bewegt sich die Objektoberfläche relativ zum Laser, ändert sich aufgrund des Doppler-Effekts die Frequenz des gestreuten und in Richtung des Lasers reflektierten Lichts in Abhängigkeit der Geschwindigkeitskomponente in Richtung des Laserstrahls. Diese Frequenzänderung liegt für realistischerweise zu erfassende Objektbewegungen in der Grössenordnung von etwa einem Kiloherz bis einigen Megaherz und kann somit verzögerungsfrei mit herkömmlichen elektronischen Mitteln einfach ausgewertet werden. Eine Frequenzverschiebung ist selbst bei Objekten mit nahezu unstrukturierten glatten oder spiegelnden Oberflächen noch messbar. Es genügen somit kleinste Inhomogenitäten und Streulichtanteile, um eine messbare Frequenzänderung zu bewirken.
Parameter, welche aufgrund des Selbstkopplungseffektes des Lasers ändern können, sind z.B. die Leistungsaufnahme oder der Junction-Widerstand, die Intensität des abgestrahlten Laserlichts, die Frequenz und der Durchmesser des Laserstrahls oder die Schwellenverstärkung des Lasers. Diese Parameterwerte ändern sich mit einer Frequenz, welche der Frequenzdifferenz zwischen dem vom Laser erzeugten und dem in den Laser zurück gestreuten Laserlicht entspricht. Diese Frequenzdifferenz wiederum ist proportional zur Geschwindigkeitskomponente der Objektoberfläche in Richtung des Laser-Lichtstrahls. Es ist also möglich, durch Erfassung und Auswertung der Fluktuationen eines oder mehrerer dieser Parameterwerte die Geschwindigkeitskomponente der Objektoberfläche in der jeweiligen Richtung zu bestimmen.The method according to the invention and the sewing, embroidery or quilting machine with the detection device according to the invention are based on the consideration that the calculation of object speeds or of position or position changes of objects by evaluating temporally successive individual images in particular reaches the limits of technical feasibility, if the objects are small and / or the Speeds or accelerations are large or if the object movements do not occur within a predetermined detection level.
In the method according to the invention and in the sewing machine according to the invention, movements are detected directly, that is to say without conversion from images of the object surface acquired temporally one after the other. In this case, a laser generates a coherent light beam, which is directed by means of optics or by means of optical elements in the direction of the object surface to be detected. Part of the light scattered on the object surface is reflected back in the direction of the laser. Preferably, the optics are designed so that light scattered on the object is collected and irradiated back to the laser. There, at least part of the scattered light enters through the partially transmissive mirror again into the resonator, where it interferes with the light generated in the resonator. This changes the basic properties of the laser and the light emitted by the laser. This phenomenon is also called a "self-mixing effect". Alternatively, another, independent of the laser resonator interference detector can be used, for example, the light generated by the laser coupled out by means of partially transmissive mirror and is brought to the object scattered light outside the resonator to interference.
If the object surface moves relative to the laser, the frequency of the Doppler effect changes scattered and reflected in the direction of the laser light as a function of the velocity component in the direction of the laser beam. This frequency change is for realistically to be detected object movements in the order of about one kilohertz to several megahertz and can thus be evaluated without delay using conventional electronic means. A frequency shift is still measurable even for objects with nearly unstructured smooth or reflective surfaces. Thus, it suffices smallest inhomogeneities and scattered light components to cause a measurable frequency change.
Parameters which may change due to the self-coupling effect of the laser are, for example, the power consumption or the junction resistance, the intensity of the emitted laser light, the frequency and the diameter of the laser beam or the threshold amplification of the laser. These parameter values change with a frequency corresponding to the frequency difference between the laser generated and the laser light scattered back into the laser. This frequency difference in turn is proportional to the velocity component of the object surface in the direction of the laser light beam. It is thus possible to determine the velocity component of the object surface in the respective direction by detecting and evaluating the fluctuations of one or more of these parameter values.

Falls (bei Bewegungen der Objektoberfläche entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn oder bei eindimensionalen Objektbewegungen) die Beziehung zwischen der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und der Bewegungsrichtung der Objektoberfläche eindeutig und a priori bekannt ist, kann aus der messtechnisch direkt oder indirekt erfassten Frequenzdifferenz zwischen dem vom Laser ausgesendeten und dem vom Objekt gestreuten und wieder in den Laser eingekoppelten Lichtstrahl die Geschwindigkeit der Objektoberfläche in der jeweiligen Richtung berechnet werden. Durch Integration der Geschwindigkeitswerte können praktisch verzögerungsfrei auch die jeweiligen Positionen oder Positionsänderungen des Objektes bzw. der Objektoberfläche berechnet werden. Zur Erfassung von Bewegungen der Objektoberfläche mit zwei oder mehreren Freiheitsgraden können in analoger Weise zwei oder mehrere Sensoren mit Lasern als Lichtquellen und mit Detektoren zur Erfassung der jeweiligen Parameterfluktuationen vorgesehen sein, wobei die Strahlungsrichtungen und/oder die Positionen dieser LaserLichtquellen unterschiedlich sind.
Die WO2005/076116 offenbart eine Anordnung mit zwei Laserdioden, welche vorzugsweise orthogonal zu einander auf einem gemeinsamen ebenen Substrat angeordnet sind. Die beiden Laserstrahlen werden entsprechend der Ausrichtung der jeweiligen Laserdioden von einer gemeinsam genutzten Sammellinse derart schräg nach oben gebündelt, dass sie an der Oberseite oder knapp oberhalb eines Erfassungsfensters nahe beieinander fokussiert sind. Eine solche Anordnung kann bei Eingabegeräten - also beispielsweise bei Computermäusen oder bei Eingabevorrichtungen für Computer, Mobiltelefone und dergleichen - zur Erfassung von Bewegungen in einer Ebene genutzt werden. Die Linse oder ein anderes entsprechendes optisches Sammelmittel ist so ausgebildet, dass der Laserstrahl einen in Strahlrichtung ausgedehnten Fokalbereich hat, wobei der Strahl dort nicht auf den kleinstmöglichen Durchmesser fokussiert wird, sondern über einen längeren Bereich einen annähernd konstanten Strahldurchmesser aufweist.
Bei der vorliegenden Erfindung wird das Prinzip der Erfassung von Bewegungen mittels Selbstkopplung von Laserstrahlen in Verbindung mit dem Doppler-Effekt dazu genutzt, Bewegungen und Positions- oder Lageänderungen bei Nähmaschinen, Stickmaschinen, Quiltvorrichtungen und dergleichen zu erfassen. Bewegliche Objekte können hier sowohl Maschinenkomponenten oder Zubehörteile wie Nähnadel, Nadelhalter, Stoffdrückerfuss, Transporteur, Greifer, Unterfadenspule Stickrahmen usw. oder aber zu verarbeitende Objekte oder Komponenten wie das Nähgut - bzw. bei mehreren Nähgutlagen eine Nähgutschicht -, der Oberfaden oder der Unterfaden sein.
Je nach Art, Grösse, Gestalt, Ort und Bewegung des zu erfassenden Objekts kann die Ausgestaltung und Anordnung der Erfassungsvorrichtung unterschiedlich sein. Mögliche Anwendungen sind:

  • Erfassung der Nähgutbewegung, insbesondere die Ermittlung des Geschwindigkeitsvektors bzw. der Nährichtung und der Nähgutgeschwindigkeit, die Ermittlung des Beschleunigungsvektors oder die Berechnung der jeweiligen Ausrichtung und/oder Position des Nähguts durch Integration der Geschwindigkeit bzw. der Geschwindigkeiten, welche mittels eines oder mehrerer Sensoren erfasst werden. Die gewonnenen Daten können z.B. zum Steuern oder Regeln einer Transportvorrichtung für das Nähgut oder zur Qualitätssicherung beim Nähen oder Sticken (Erfassung von Ist-Soll-Abweichungen in einer oder zwei Dimensionen der Nähebene, Schlupfminimierung) oder zum Steuern oder Regeln der Nadelbewegung (Freihandnähen bzw. -quilten) verwendet werden. Aufgrund der Sensorinformationen kann eine Tansportvorrichtung so geregelt werden, dass die Abweichungen der effektiven Stoffbewegung von der vorgegebenen Stoffbewegung minimal sind. Die Transportvorrichtung kann beispielsweise Transportwalzen oder einen von unten und/oder von oben her auf das Nähgut wirkenden Transporteur für den Stoffvorschub in Nährichtung und gegebenenfalls auch für den Quertransport des Nähguts umfassen. Bei Anordnung je eines Sensors oberhalb des Nähguts - beispielsweise im Nähfuss bzw. Nähfussschaft - und unterhalb des Nähguts - beispielsweise in der Stichplatte - kann die Differenz zwischen den Bewegungssignalen der beiden Sensoren zur Ermittlung einer Stofflagenverschiebung genutzt werden. In Verbindung mit einer Vorrichtung zum Transportieren der unteren und der oberen Nähgutlage kann so eine Regelung geschaffen werden, welche die Verschiebung zwischen den beiden Stofflagen minimal hält.
  • Beim Sticken können Relativbewegungen von Teilen des Stickrahmens und vorzugsweise des darin eingespannten Nähguts erfasst werden. Diese können z.B. zum Kalibrieren des Stickrahmens benutzt werden. Insbesondere ist es möglich, schnelle Beschleunigungen und Schwingungen eines Stickrahmens zu erfassen und dessen Bewegungen so zu optimieren, dass Schwingungen auch bei grossen Beschleunigungswerten minimal sind. Dadurch kann die Präzision der Einstichstellen der Nähnadel in das Nähgut verbessert werden.
  • Am Stickrahmen oder an einem anderen Maschinen- oder Zubehörteil kann z.B. eine Art Barcode angebracht sein. Beim Ausführen einer Bewegung dieses Codes relativ zum Lichtstrahl des Sensors kann der Code aufgrund der resultierenden Intensitätsschwankungen des gestreuten Lichts ausgelesen werden.
  • Da bei entsprechender Ausbildung und Orientierung des Sensors auch Relativbewegungen des Nähguts vertikal zur Nähebene erfasst werden können, ist es z.B. mit einem von oben her auf das Nähgut bzw. auf den Nähfuss gerichteten Sensor auch möglich, Hüpfbewegungen des Nähfusses zu überwachen oder Säume oder Stoffkanten vor dem Erreichen oder Verlassen des Einstichbereichs der Nähnadel zu überwachen.
  • Erfassung und/oder Überwachung einer Fadenlänge oder einer Fadenbewegung, z.B. Geschwindigkeit des Unter-oder Oberfadens beim Abziehen während des Nähens, des Quiltens oder des Stickens oder während eines Auf-, Um- oder Abspulvorgangs.
  • Erfassung der Drehzahl der Unterfadenspule oder - bei entsprechender Anordnung des Sensors - der Oberfadenspule.
  • Durch gemeinsame Verarbeitung der Drehzahl der Unterfadenspule und der Abzugsgeschwindigkeit des Unterfadens kann z.B. der Füllgrad der Spule bestimmt werden.
  • Erfassung von Bewegungen und/oder Positionen bzw. Ausrichtungen beliebiger bewegbarer Maschinen- oder Zubehörteile wie Übertragungsriemen, Oberwelle, Nähfuss-Stange, Nähfusshöhe, Übertragungs- oder Umlenkräder, Hebel usw., insbesondere dann, wenn diese nicht durch andere Grössen eindeutig bestimmt oder bestimmbar sind. Je nach Ausbildung der Sensorvorrichtung können Translationsbewegungen und/oder Rotationsbewegungen in einer, zwei oder drei Dimensionen erfasst und verarbeitet werden. Die von dem oder den Sensoren erfassten Messgrössen können zur Steuerung oder Regelung dieser Teile benutzt werden.
  • Ein geeignet an der Nähmaschine (z.B. in der Stichplatte 27) angeordneter Sensor kann z.B. anstelle eines Lineals zum Messen von Stofflängen benutzt werden, wobei vorzugsweise Umschaltmittel vorgesehen sind, mit denen der gewünschte Verwendungszweck des Sensors gewählt werden kann. Dabei kann der Sensor fest an der Maschine angeordnet oder frei bewegbar und über eine leitungsgebundene oder alternativ über eine drahtlose Kommunikationsverbindung mit der Maschinensteuerung verbunden sein, um die Relativbewegung zwischen Sensor und Nähgut (bzw. einer anderen Vorlage) zu erfassen.
  • Zum Erfassen und Speichern von Bewegungen des Nähguts oder allgemein einer Vorlage kann der Sensor z.B. in einen Nähfuss integriert und mit einem Speichermittel verbunden sein. Über Einstellmittel an der Nähmaschine kann dann ein Lernmodus aktiviert und ein Muster abgetastet werden. Die erfassten Bewegungen können in einem Speicher, der z.B. im Nähfuss integriert oder in der Maschinensteuerung ausgebildet oder ausserhalb der Nähmaschine angeordnet ist, gespeichert und später z.B. in Verbindung mit einem Stickmodul wieder abgerufen werden.
If the relationship between the propagation direction of the laser beam and the direction of movement of the object surface is unambiguously and a priori known (with movements of the object surface along a given trajectory or with one-dimensional object movements), the frequency difference between the radiation emitted by the laser and that detected by the laser can be directly or indirectly detected scattered by the object and re-coupled into the laser light beam, the speed of the object surface are calculated in the respective direction. By integrating the velocity values, the respective positions or position changes of the object or of the object surface can be calculated virtually without delay. For detecting movements of the object surface with two or more degrees of freedom, two or more sensors with lasers as light sources and with detectors for detecting the respective parameter fluctuations may be provided in an analogous manner, the radiation directions and / or the positions of these laser light sources being different.
The WO2005 / 076116 discloses an arrangement with two laser diodes, which are preferably arranged orthogonal to each other on a common planar substrate. The two laser beams are bundled obliquely upward in accordance with the orientation of the respective laser diodes of a shared collecting lens, that they at the top or just above a detection window are focused close to each other. Such an arrangement can be used in input devices - for example, in computer mice or input devices for computers, mobile phones and the like - for detecting movements in a plane. The lens or another corresponding optical collecting means is designed such that the laser beam has a focal region which extends in the beam direction, the beam being not focused there to the smallest possible diameter, but having an approximately constant beam diameter over a relatively long range.
In the present invention, the principle of detecting movements by self-coupling laser beams in conjunction with the Doppler effect is used to detect movements and positional changes in sewing machines, embroidery machines, quilting devices and the like. Movable objects here can be either machine components or accessories such as sewing needle, needle holder, presser foot, feed dog, gripper, bobbin embroidery frame, etc. or objects or components to be processed such as the material to be sewn or, in the case of several material layers, a sewing material layer, the upper thread or the lower thread.
Depending on the nature, size, shape, location and movement of the object to be detected, the design and arrangement the detection device be different. Possible applications are:
  • Detection of the material movement, in particular the determination of the velocity vector or the sewing direction and the Nähgutgeschwindigkeit, the determination of the acceleration vector or the calculation of the respective orientation and / or position of the material by integrating the speed or the speeds which are detected by one or more sensors , The data obtained can be used, for example, for controlling or regulating a transport device for the sewing material or for quality assurance during sewing or embroidering (detection of actual nominal deviations in one or two dimensions of the sewing plane, slip minimization) or for controlling or regulating the needle movement (freehand sewing or sewing). quilted). Due to the sensor information, a transport device can be controlled so that the deviations of the effective material movement from the given material movement are minimal. The transport device may comprise, for example, transport rollers or a conveyor acting on the material from below and / or from above for the material feed in sewing direction and optionally also for the transverse transport of the material. When arranging one sensor each above the material - For example, in the presser foot or Nähfussschaft - and below the material - for example, in the needle plate - the difference between the motion signals of the two sensors can be used to determine a material position shift. In conjunction with a device for transporting the lower and the upper fabric layer so a scheme can be created, which minimizes the displacement between the two fabric layers.
  • When embroidering, relative movements of parts of the embroidery frame, and preferably of the fabric clamped therein, may be detected. These can be used eg for calibrating the hoop. In particular, it is possible to detect rapid accelerations and vibrations of an embroidery hoop and to optimize its movements so that vibrations are minimal even at high acceleration values. As a result, the precision of the puncture sites of the sewing needle can be improved in the fabric.
  • For example, a type of barcode can be attached to the hoop or other machine or accessory. In carrying out a movement of this code relative to the light beam of the sensor, the code can be read out due to the resulting intensity variations of the scattered light.
  • Since with appropriate training and orientation of the sensor and relative movements of the material can be detected vertically to the sewing plane, it is also possible, for example with a directed from above to the fabric or on the presser foot sensor to monitor Hüpfbewegungen the presser foot or hems or fabric edges to monitor the reaching or leaving the puncture area of the sewing needle.
  • Detection and / or monitoring of a thread length or a thread movement, eg speed of the upper or lower thread during removal during sewing, quilting or embroidering or during an up, rewinding or unwinding operation.
  • Detecting the speed of the lower thread bobbin or - if the sensor is arranged accordingly - the upper thread bobbin.
  • By jointly processing the speed of the lower bobbin and the withdrawal speed of the lower thread, for example, the degree of filling of the bobbin can be determined.
  • Detection of movements and / or positions or orientations of any movable machine or accessory parts such as transmission belt, harmonic, presser foot, Nähfusshöhe, transmission or deflection wheels, levers, etc., especially if this is not clearly determined by other sizes or are determinable. Depending on the design of the sensor device, translational movements and / or rotational movements can be recorded and processed in one, two or three dimensions. The measured variables detected by the sensor or sensors can be used to control or regulate these parts.
  • A suitably arranged on the sewing machine (eg in the needle plate 27) sensor can be used for example instead of a ruler for measuring lengths of material, preferably switching means are provided with which the desired use of the sensor can be selected. In this case, the sensor can be fixedly arranged on the machine or freely movable and connected via a wired or alternatively via a wireless communication connection with the machine control to detect the relative movement between sensor and material (or another template).
  • For detecting and storing movements of the sewing material or in general a template, the sensor can be integrated eg in a presser foot and connected to a storage means. Via adjustment means on the sewing machine, a learning mode can then be activated and a pattern can be scanned. The detected movements can be stored in a memory which is integrated, for example, in the presser foot or formed in the machine control or arranged outside the sewing machine, and later eg retrieved in connection with an embroidery module.

Die Lichtquellen der Sensoren emittieren zumindest annähernd monochromatisches Licht. Sie können je nach zu erfassendem Objekt räumlich nahe beieinander, vorzugsweise auf einem gemeinsamen Chip, oder mit grösserem Abstand zueinander angeordnet sein. Sie können so auf das zu erfassende Objekt gerichtet sein, dass die Auftreffpunkte bzw. -bereiche auf der Objektoberfläche nahe (z.B. innerhalb weniger Millimeter) beieinander oder entfernt zueinander liegen. Um eine gegenseitige Beeinflussung mehrerer Sensoren zu verhindern, können diese z.B. in einer vorgebbaren Reihenfolge getaktet angesteuert werden, oder es können mehrere Lichtquellen mit unterschiedlicher Frequenz verwendet werden. Zum Bündeln bzw. Kollimieren der Lichtstrahlen können optische Elemente wie Linsen, Spiegel oder Gitterstrukturen verwendet werden, wobei diese - je nach Lage der einzelnen Lichtquellen - für jede der Lichtquellen separat oder für zwei oder mehrere der Lichtquellen gemeinsam genutzt werden können. Zum Erfassen und Auswerten der Parameterfluktuationen ist jeder der Lichtquellen eine Erfassungsvorrichtung zugeordnet. Bei mehreren Erfassungsvorrichtungen können diese auch gemeinsame Teile umfassen, z.B. eine Auswerteeinheit zum abwechslungsweisen oder parallelen Verarbeiten der einzelnen Messgrössen. Der "self-mixing"-Effekt ermöglicht einen sehr kompakten und platzsparenden Aufbau der Sensoren, da die Erfassungsvorrichtung direkt mit der Lichtquelle gekoppelt ist und mit ihr zusammen auf einem gemeinsamen Chip integriert werden kann, und da der Sendestrahl und der Erfassungsstrahl durch eine gemeinsame Optik beeinflusst werden. Die Auswerteeinheit zum Verarbeiten der erfassten Signale ist vorzugsweise ebenfalls auf dem Chip integriert und frei konfigurierbar bzw. programmierbar. Ein externer Controller ist nicht zwingend erforderlich und die Sensoren lassen sich leicht an unterschiedliche Aufgabenstellungen anpassen. Es ist auch möglich, die Optik direkt beim Chip anzuordnen und mit diesem direkt oder indirekt fest zu verbinden. Auf diese Weise entfallen zusätzliche optische Elemente und damit verbundene Justierarbeiten. Auch der Platzbedarf ist so äusserst gering.
Die Detektoren, welche die Intensitätsschwankungen im Laserresonator erfassen, können als photoelektrische Detektoren ausgebildet sein, wobei vorzugsweise jene Photodioden verwendet werden, welche bei einer Laserdiode ohnehin beim rückseitigen Resonatorspiegel angeordnet sind und herkömmlich für die Konstanthaltung der Laserleistung genutzt werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung und das erfindungsgemässe Verfahren können bei Nähmaschinen, Stickmaschinen, Quiltvorrichtungen und dergleichen zum Erfassen und Steuern bzw. Regeln unterschiedlichster Bewegungen genutzt werden. Alternativ oder zusätzlich können derart erfasste Bewegungsinformationen auch gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt abgefragt werden. Dies ist insbesondere bei der Erfassung von Näh- und Stickmustern vorteilhaft. In der Regel ist die Erfassungsvorrichtung zumindest teilweise ortsfest in der Nähe eines zu erfassenden bewegbaren Maschinenteils oder Nähobjektes angeordnet. Alternativ oder zusätzlich können auch die Erfassungsvorrichtung oder die Erfassungsoptik relativ zu einem zu erfassenden Objekt bewegt werden, beispielsweise wenn sie in einen Griffel oder ein entsprechendes anderes Eingabemittel zum Erfassen von Mustervorlagen oder von Nahtverläufen integriert sind. Die Erfassungsvorrichtung kann in diesem Fall z.B. über Funk oder über eine Kommunikationsleitung mit einer Nähmaschinensteuerung oder einem Datenerfassungsgerät verbunden sein.The light sources of the sensors emit at least approximately monochromatic light. Depending on the object to be detected, they can be arranged close to each other spatially, preferably on a common chip, or at a greater distance from one another. They may be directed to the object to be detected so that the points of impact or areas on the object surface are close (eg within a few millimeters) to each other or to each other. In order to prevent a mutual influence of several sensors, they can be controlled in clocked manner, for example in a predeterminable sequence, or several light sources with different frequencies can be used. For bundling or collimating the light beams, optical elements such as lenses, mirrors or grating structures can be used, which - depending on the position of the individual light sources - can be used separately for each of the light sources or for two or more of the light sources. For detecting and evaluating the parameter fluctuations, each of the light sources is assigned a detection device. In the case of several detection devices, these can also comprise common parts, eg an evaluation unit for the alternating or parallel processing of the individual measured quantities. The "self-mixing" effect allows a very compact and space-saving design of the sensors, since the detection device is coupled directly to the light source and can be integrated together on a common chip, and since the transmission beam and the detection beam are influenced by a common optics. The evaluation unit for processing the detected signals is preferably also integrated on the chip and freely configurable or programmable. An external controller is not mandatory and the sensors can be easily adapted to different tasks. It is also possible to arrange the optics directly to the chip and to connect directly or indirectly with this. This eliminates additional optical elements and related adjustments. The space requirement is so extremely low.
The detectors which detect the intensity fluctuations in the laser resonator can be designed as photoelectric detectors, wherein preferably those photodiodes are used, which are arranged at a laser diode in any case at the rear resonator and are conventionally used for keeping constant the laser power.
The device according to the invention and the method according to the invention can be used for sewing machines, embroidery machines, quilting devices and the like for detecting and controlling or regulating a wide variety of different types of machines Movements are used. Alternatively or additionally, motion information detected in this way can also be stored and queried at a later time. This is particularly advantageous when capturing sewing and embroidery patterns. As a rule, the detection device is arranged at least partially stationary in the vicinity of a movable machine part or sewing object to be detected. Alternatively or additionally, the detection device or the detection optics can also be moved relative to an object to be detected, for example if they are integrated in a stylus or a corresponding other input means for detecting patterns or seam progressions. The detection device can be connected in this case, for example via radio or via a communication line with a sewing machine control or a data acquisition device.

Anhand einiger Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Dabei zeigen

Figur 1
ein Prinzipschema zur Veranschaulichung der Bewegungserfassung bei einer Nähmaschine mittels eines selbstkoppelnden Laser-Dopplerinterferometers,
Figur 2
eine seitliche Darstellung eines teilweise aufgeschnittenen Greifers mit darin eingesetzter Unterfadenspule,
Figur 3
eine Detailansicht einer Nähmaschine im Bereich der Stichbildungsvorrichtung mit in die Stichplatte integrierten Sensoren,
Figur 4
einen Nähfuss mit integrierter Erfassungsvorrichtung.
Based on some figures, the invention will be described in more detail below. Show
FIG. 1
a schematic diagram for illustrating the motion detection in a sewing machine by means of a self-coupling laser Doppler interferometer,
FIG. 2
a side view of a partially cutaway gripper with inserted bobbin,
FIG. 3
a detailed view of a sewing machine in the region of the stitch formation device with sensors integrated in the throat plate,
FIG. 4
a presser foot with integrated detection device.

In Figur 1 ist die prinzipielle Wirkungsweise der Erfassung einer Bewegung mittels eines selbstkoppelnden Laser-Dopplerinterferometers dargestellt. Als Lichtquelle 1 erzeugt ein Laser - vorzugsweise ein Halbleiterlaser - kohärentes Licht, welches in einer Kavität bzw. einem Resonator 3 mit einem vorderen, teildurchlässigen Spiegel 5 und einem hinteren Spiegel 7 verstärkt wird. Am vorderen Spiegel 5 wird das ausgekoppelte kohärente Licht durch ein oder mehrere optische Elemente, beispielsweise durch eine Sammellinse 9, zu einem Lichtstrahl bzw. Sendestrahl 11 gebündelt. Dieser trifft auf ein zu erfassendes Objekt 13 auf und wird dort mindestens teilweise gestreut. Ein Teil des gestreuten Lichts wird als Empfangsstrahl 15 in Richtung des Lasers zurück reflektiert. Er passiert dort die optischen Elemente und tritt dann durch den Spiegel 5 erneut in den Resonator 3 ein. Das so wieder in den Resonator 3 eingekoppelte Licht interferiert mit dem im Resonator 3 verstärkten Licht, wie dies z.B. aus der WO-A1-02/37410 bekannt ist. Diese Interferenzerscheinung beeinflusst die Verstärkung des Lasers und die Intensität des vom Laser erzeugten Licht- bzw. Sendestrahls 11. Die Intensität des Sendestrahls 11 weist in Abhängigkeit der Entfernung Minima und Maxima auf. Bewegt sich das Objekt 13 (bzw. der Bereich der Objektoberfläche, wo der Sendestrahl 11 auf das Objekt 13 auftrifft) mit einer Geschwindigkeit, die mindestens einen positiven oder negativen Anteil in Ausbreitungsrichtung des Sendestrahls 11 aufweist (mit andern Worten also eine Komponente in oder entgegen der Ausbreitungsrichtung umfasst), so ändert sich die Frequenz des Empfangsstrahls 15 aufgrund des Dopplereffekts ein wenig. Durch Auswertung der Intensitätsschwankungen, beispielsweise mittels einer rückwärtig hinter dem hinteren, nur geringfügig teildurchlässigen Laserspiegel 7 angeordneten Fotodiode 17, kann die Komponente der Objektgeschwindigkeit in Richtung des Sendestrahls 11 ermittelt werden. Solche Fotodioden 17 werden herkömmlich zur Konstanthaltung der Intensität des Laserlichts benutzt. Durch zeitliche Integration der in einer oder mehreren Richtungen erfassten Geschwindigkeitskomponenten können Entfernungen bzw. Positions- oder Lageänderungen bestimmt werden. In der WO-A1-02/37410 werden auf S. 11, Z. 8 bis S. 15, Z. 22 mehrere Methoden erläutert, wie der Betrag einer Geschwindigkeitskomponente und deren Vorzeichen bzw. Richtung bestimmt werden können.FIG. 1 shows the principle of operation of detecting a movement by means of a self-coupling laser Doppler interferometer. As a light source 1, a laser - preferably a semiconductor laser - generates coherent light, which is amplified in a cavity or a resonator 3 with a front, partially transmissive mirror 5 and a rear mirror 7. At the front mirror 5, the decoupled coherent light is focused by one or more optical elements, for example by a converging lens 9, to form a light beam or transmission beam 11. This applies to an object to be detected 13 and is there at least partially scattered. A part of the scattered light is reflected back as a receiving beam 15 in the direction of the laser. He passes there the optical elements and then enters through the mirror 5 in the resonator 3 a. The thus coupled back into the resonator 3 light interferes with the light amplified in the resonator 3, as for example from the WO-A1-02 / 37410 is known. This interference phenomenon influences the gain of the laser and the intensity of the laser or transmit beam 11 generated by the laser. The intensity of the transmit beam 11 has minima and maxima as a function of the distance. The object 13 (or the area of the object surface where the transmission beam 11 impinges on the object 13) moves at a speed which has at least one positive or negative component in the propagation direction of the transmission beam 11 (in other words, a component in or opposite the propagation direction), the frequency of the receiving beam 15 changes slightly due to the Doppler effect. By evaluating the intensity fluctuations, for example by means of a rear side behind the rear, only slightly semitransparent laser mirror 7 arranged photodiode 17, the component of the object speed in the direction of the transmission beam 11 can be determined. Such photodiodes 17 are conventionally used for keeping the intensity of the laser light constant. By temporal integration of the velocity components detected in one or more directions, distances or positional or positional changes can be determined. In the WO-A1-02 / 37410 On page 11, lines 8 to 15, page 22, several methods are explained how the amount of a velocity component and its sign or direction can be determined.

Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass die Bewegungsrichtung aufgrund der Asymmetrie der Funktionen f(L) bzw. g(L) bestimmt werden kann, wobei f die Frequenz des Lasers, g die Verstärkung im Laserresonator 3 und L die Objektentfernung vom vorderen Resonatorspiegel 5 ist.In particular, it is pointed out that the direction of movement can be determined on the basis of the asymmetry of the functions f (L) and g (L), where f is the frequency of the laser, g the gain in the laser resonator 3 and L the object distance from the front resonator mirror 5.

Selbst bei transparenten und spiegelnden realen Objekten 13 wird in der Regel ein geringfügiger Teil des auftreffenden Lichts diffus gestreut. Damit dieser Anteil genügend gross für eine Auswertung der Schwankungen aufgrund des Selbstkopplungseffektes ist, kann die Oberfläche der zu erfassenden Maschinen- oder Zubehörteile z.B. aufgeraut oder beschichtet werden, wodurch der diffuse Streuanteil des Laserlichts erhöht wird.
Im Beispiel von Figur 1 ist das zu erfassende Objekt 13 eine um eine Spulenachse 19 drehbare Unterfadenspule. Der Sendestrahl 11 trifft im Randbereich des vorderen Spulenflansches 21 unter einem Einfallswinkel α auf die Flanschfläche auf. Dabei hat der Sendestrahl 11 mindestens einen mit der Oberflächengeschwindigkeit vA der Flanschfläche an der Auftreffstelle A korrespondierenden Richtungsanteil. Vorzugsweise ist der Sendestrahl 11 so orientiert, dass sein Richtungsanteil in Richtung der Oberflächengeschwindigkeit vA an der Auftreffstelle A relativ gross ist. Während des Betriebs der Nähmaschine ist die Unterfadenspule wie in Figur 2 dargestellt in eine Spulenkapsel 23 und zusammen mit dieser in den Greifer 24 eingesetzt, welcher im Unterarm 25 der Nähmaschine unterhalb der Stichplatte 27 in einem Greifergehäuse 29 angeordnet ist (Fig. 3).
Die übrigen Teile des handelsüblichen Greifers 24 wie der Greiferkörper 28, das auf der Antriebswelle 31 sitzende Ritzel 30 sowie das Fadenfangblech 32 werden nicht näher beschrieben.
Die Erfassung der Unterfadenspule kann je nach Sichtbarkeit der jeweiligen Greiferanordnung aus unterschiedlichen Richtungen erfolgen. Insbesondere können der vordere Flansch 21 oder der hintere Flansch 21' der Spule von vorne oder von hinten oder radial von aussen her erfasst werden. Alternativ können der oder die Sensoren in die Antriebswelle 31 des Greifers 24 integriert sein (keine Darstellung) und relativ dazu die Drehbewegung der Spule erfassen, indem der hülsenartige Spulendorn oder - kern 33 (Fig. 1) von innen her abgetastet wird. Der oder die Sensoren können z.B. an der Spulenkapsel 23 oder innerhalb des Greifergehäuses 29 angeordnet sein. Bei der Anordnung eines Sensors an der Spulenkapsel 23 oder am Greifer 24 können Stromzufuhr und Kommunikation zum Sensor z.B. mittels Schleifkontakten (nicht dargestellt) an der Antriebswelle 31 sichergestellt werden. Zur Erfassung der Drehbewegung der Spule vom Greifergehäuse 29 her können in der Spulenkapsel 23 Öffnungen 26 vorgesehen sein, durch welche die Spule abgetastet werden kann. Es ist auch möglich, im Greifergehäuse 29 mehrere Sensoren ringförmig verteilt um die Spulenachse 19 der eingesetzten Spule anzuordnen (nicht dargestellt), damit immer mindestens einer dieser Sensoren die Spule durch die Ausnehmung 26 in der Spulenkapsel 23 hindurch erfassen kann, selbst dann, wenn sich auch die Spulenkapsel 23 dreht. In diesem Fall wertet die Sensorelektronik bzw. die Steuerung die verschiedenen Sensorsignale aus und berücksichtigt jeweils nur jene Signale, welche zum jeweiligen Zeitpunkt die Spulenbewegung erfassen.Even with transparent and specular real objects 13, a small part of the incident light is usually diffused. In order for this proportion to be sufficiently large for an evaluation of the fluctuations due to the self-coupling effect, the surface of the machine or accessory parts to be detected can be roughened or coated, for example, whereby the diffuse scatter proportion of the laser light is increased.
In the example of FIG. 1, the object 13 to be detected is a bobbin rotatable about a bobbin axis 19. The transmission beam 11 impinges on the flange surface in the edge region of the front coil flange 21 at an angle of incidence α. In this case, the transmission beam 11 has at least one directional component corresponding to the surface speed v A of the flange surface at the point of impingement A. Preferably, the transmission beam 11 is oriented so that its directional component in the direction of the surface velocity v A at the point of impact A is relatively large. During operation of the sewing machine, the bobbin is shown in Figure 2 in a bobbin case 23 and together with this in the gripper 24th used, which is arranged in the lower arm 25 of the sewing machine below the needle plate 27 in a gripper housing 29 (Fig. 3).
The remaining parts of the commercial gripper 24 as the gripper body 28, the seated on the drive shaft 31 pinion 30 and the thread catching plate 32 are not described in detail.
The detection of the bobbin can be done depending on the visibility of the respective gripper assembly from different directions. In particular, the front flange 21 or the rear flange 21 'of the coil can be detected from the front or from behind or radially from the outside. Alternatively, the sensor or sensors may be integrated into the drive shaft 31 of the gripper 24 (not shown) and, relative thereto, detect the rotational movement of the spool by scanning the sleeve-like spool or core 33 (FIG. 1) from the inside. The sensor or sensors may be arranged, for example, on the bobbin case 23 or within the gripper housing 29. In the arrangement of a sensor on the bobbin case 23 or the gripper 24 power supply and communication to the sensor, for example by means of sliding contacts (not shown) on the drive shaft 31 can be ensured. To detect the rotational movement of the coil from the gripper housing 29 forth openings 26 may be provided in the bobbin case 23, through which the coil can be scanned. It is also possible in the gripper housing 29 a plurality of sensors annular distributed around the coil axis 19 of the coil used (not shown), so that always at least one of these sensors can detect the coil through the recess 26 in the bobbin case 23 through, even if the bobbin case 23 rotates. In this case, the sensor electronics or the controller evaluates the various sensor signals and takes into account only those signals which detect the coil movement at the respective time.

Die Unterfadenspule hat im Betrieb nur einen einzigen Freiheitsgrad, nämlich die Drehbewegung um die Spulenachse 19. Deshalb genügt bei geeigneter Anordnung ein einziger Sensor mit nur einem Sendestrahl 11, um diese Bewegung eindeutig zu erfassen. Die zur Auswertung der Sensorsignale erforderliche Elektronik bzw. Steuerung kann teilweise oder vollständig in den Sensor integriert oder teilweise oder vollständig von der Maschinensteuerung umfasst sein. Dabei ist vorzugsweise ein nichtflüchtiges Speichermedium (nicht dargestellt) vorgesehen, in welchem je nach Bedarf Informationen über das zu erfassende Objekt 13, über dessen Position, Orientierung im Raum und dessen Bewegungsmöglichkeiten sowie über die Anordnung des oder der Sensoren gespeichert sein können. In Verbindung mit derart gespeicherten Informationen kann die Steuerung aus den Sensorsignalen die zugehörigen Bewegungen, Positionen usw. des erfassten Objekts 13 ermitteln. Bei einer Anordnung gemäss Figur 1 kann beispielsweise die Richtung der Objektbewegung an der Auftreffstelle A in mehrere Komponenten zerlegt werden, wovon eine die Richtung des Sendestrahls 11 hat. Im Speicher können dann z.B. das Verhältnis dieser Bewegungskomponente zur gesamten Objektbewegung sowie der Abstand rA der Auftreffstelle A von der Spulenachse 19 gespeichert werden (Fig. 1). Somit kann die Steuerung aus den erfassten Sensorsignalen unter Mitwirkung der gespeicherten Daten eindeutig die Drehgeschwindigkeit ω = 2π/T = vA/rA der Unterfadenspule berechnen.
Analog dazu können auch beliebige Bewegungen bei Objekten 13 mit mehreren Freiheitsgraden durch mehrere Sensoren oder durch Sensoren mit mehreren Sendestrahlen 11 erfasst werden, wobei die Sendestrahlen 11 in unterschiedlichen Richtungen auf das Objekt 13 auftreffen. Die Anzahl der Bewegungsfreiheitsgrade bestimmt die Anzahl der für eine eindeutige Erfassung der Objektbewegung erforderlichen Sendestrahlen 11.
Zur Erfassung kleiner Objekte 13 können zwei oder mehrere Lichtquellen 1 nahe beieinander auf einem gemeinsamen Chip oder Substrat angeordnet sein, wobei die zugehörigen Sendestrahlen 11 vorzugsweise von verschiedenen Seiten her durch eine gemeinsame Optik 9 in Richtung des jeweils zu erfassenden Objekts 13 emittiert werden. Alternativ können mehrere Sendestrahlen 11 auch unabhängig voneinander aus verschiedenen Richtungen auf das Objekt 13 gestrahlt werden. Wenn die einzelnen Lichtquellen 1 räumlich getrennt voneinander angeordnet sind, können Objektbewegungen auch aus grösserer Entfernung (z.B. 10cm bis 15cm) erfasst werden. Die optischen Elemente 9 können so ausgebildet sein, dass die Sendestrahlen 11 nicht scharf auf einen Punkt fokussiert sind, sondern über einen grösseren Bereich eine geringfügige Unschärfe aufweisen. Solche Sendestrahlen 11 haben innerhalb des nutzbaren Messbereichs in Ausbreitungsrichtung einen gleichmässigen oder nur wenig variierenden Strahldurchmesser. Auf diese Weise können Objektbewegungen auch in Richtung des Sendestrahls 11 zuverlässig erfasst werden, da die Intensität des Streulichtanteils, welcher wieder in den Resonator 3 eingekoppelt wird, bei derartigen Bewegungen nur wenig variiert.The bobbin in operation has only a single degree of freedom, namely the rotational movement about the spool axis 19. Therefore, a suitable arrangement with a single sensor with only one transmit beam 11 is sufficient to clearly detect this movement. The electronics or control required for evaluating the sensor signals may be partially or completely integrated into the sensor or may be partially or completely covered by the machine control. In this case, a non-volatile storage medium (not shown) is preferably provided, in which information about the object to be detected 13, about its position, orientation in space and its movement possibilities and about the arrangement of the sensor or sensors can be stored as needed. In conjunction with information stored in this way, the controller can determine the associated movements, positions, etc., of the detected object 13 from the sensor signals. At a Arrangement according to Figure 1, for example, the direction of the object movement at the point of impact A are decomposed into a plurality of components, one of which has the direction of the transmission beam 11. For example, the ratio of this component of motion to the total object movement and the distance r A of the point of impact A from the coil axis 19 can then be stored in the memory (FIG. 1). Thus, the control of the detected sensor signals in cooperation with the stored data uniquely calculate the rotational speed ω = 2π / T = v A / r A of the bobbin.
Similarly, any movements in objects 13 with multiple degrees of freedom can be detected by a plurality of sensors or by sensors with multiple transmitted beams 11, wherein the transmission beams 11 impinge on the object 13 in different directions. The number of degrees of freedom of movement determines the number of transmission beams 11 required for unambiguous detection of the object movement.
For detecting small objects 13, two or more light sources 1 can be arranged close to one another on a common chip or substrate, the associated transmission beams 11 preferably being emitted from different sides through a common optical system 9 in the direction of the object 13 to be detected. Alternatively, a plurality of transmission beams 11 may be irradiated independently of each other from different directions on the object 13 become. If the individual light sources 1 are arranged spatially separated from one another, object movements can also be detected from a greater distance (eg 10 cm to 15 cm). The optical elements 9 may be formed so that the transmission beams 11 are not focused sharply on a point, but over a larger area have a slight blurring. Such transmission beams 11 have within the usable measuring range in the direction of propagation a uniform or only slightly varying beam diameter. In this way, object movements can be detected reliably even in the direction of the transmission beam 11, since the intensity of the scattered light component, which is coupled back into the resonator 3, varies only slightly with such movements.

Bei weiteren Ausgestaltungen der Erfindung werden andere Objekte 13 von einem oder mehreren Sensoren erfasst, z.B. Nähmaschinenteile wie Nähnadel, Nadelhalter, Stoffdrückerfuss, Transporteur, Greifer, Unterfadenspule Stickrahmen usw. oder zu verarbeitende Objekte 13 bzw. Komponenten wie z.B. das Nähgut oder - bei mehreren Nähgutlagen - die oberste und/oder die unterste Nähgutschicht, der Oberfaden oder der Unterfaden. Entsprechend werden die Sensoren an geeigneten Stellen der Näh- oder Stickmaschine angeordnet.In further embodiments of the invention, other objects 13 are detected by one or more sensors, eg sewing machine parts such as sewing needle, needle holder, presser foot, feed dog, gripper, bobbin embroidery hoop, etc. or objects 13 to be processed or components such as the sewing material or - in the case of several material layers - The top and / or bottom fabric layer, the upper thread or the lower thread. Accordingly, the sensors are arranged at suitable locations of the sewing or embroidery machine.

Figur 3 zeigt einen Ausschnitt einer Nähmaschine im Bereich der Stichbildungseinheit. Dabei sind in der Stichplatte 27 drei Ausnehmungen 35 (alternativ können auch nur eine oder zwei Ausnehmungen vorgesehen sein) mit darin angeordneten optischen Elementen ausgebildet. Diese optischen Elemente können z.B. für das Licht der Lichtquellen 1 transparente Fenster umfassen, welche bündig mit der Oberseite der Stichplatte 27 in die Ausnehmungen 35 eingelassen sind. Alternativ oder zusätzlich können die optischen Elemente auch Sammellinsen 9 (Fig. 1) umfassen. Bei konvex gewölbten Linsen 9 kann die Wölbung leicht über die Ebene der Stichplatte 27 vorstehen. Unterhalb der Linsen 9 sind die Sensoren mit den Lichtquellen 1 angeordnet. Unter jeder der Linsen 9 können jeweils ein oder mehrere Sensoren angeordnet sein. Vorzugsweise sind im Bereich jeder der Ausnehmungen 35 zwei Sensoren mit je einer Lichtquelle 1 (Fig. 1) so angeordnet, dass die von den Lichtquellen 1 erzeugten Sendestrahlen 11 in unterschiedlichen Richtungen der Nähebene, vorzugsweise in Nährichtung y und in Querrichtung x, von unten her unter einem Einfallswinkel α (Fig. 1) in der Grössenordnung von etwa 15° bis etwa 75°auf das Nähgut (nicht dargestellt) auftreffen. Selbstverständlich können die beiden Sendesstrahlen 11 auch unter unterschiedlichen Einfallswinkeln α auf das Nähgut auftreffen. Durch Auswertung der Signale zweier solcher Sensoren können Bewegungen innerhalb der Nähebene erfasst werden. Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann ein dritter Sensor vorgesehen sein, wobei dessen Sendestrahl 11 vorzugsweise unter einem Einfallswinkel α von 0° - also vertikal - auf das Nähgut auftrifft. Alternativ kann der Sendestrahl 11 der dritten Lichtquelle 1 auch unter einem anderen Einfallswinkel α auf das Nähgut auftreffen. Dieser sollte sich aber möglichst von den Einfallswinkeln α der anderen Sendestrahlen 11 unterscheiden. Durch Auswerten der Signale des dritten Sensors - gegebenenfalls unter Berücksichtigung der Signale eines oder mehrerer weiterer Sensoren - können Relativbewegungen der Nähgutoberfläche vertikal zur Nähebene erfasst werden, wie sie beispielsweise im Bereich von Nähten oder Kanten des Nähguts oder aufgrund der Hubbewegungen des Transporteurs auftreten können.
Damit Drehbewegungen des Nähguts erfasst und von Verschiebungen in der Nähebene unterschieden werden können, kann die Nähgutoberfläche an unterschiedlichen Stellen, z.B. im Bereich zweier Ausnehmungen 35 von mehreren Sensoren erfasst werden. Die Ausnehmungen 35 mit den Sensoren können beispielsweise einseitig oder beidseitig der Nadeleinstichöffnung 37 in der Stichplatte 27 und/oder in Nährichtung y gesehen vor oder hinter der Nadeleinstichöffnung 37 angeordnet sein. Ihr gegenseitiger Abstand ist mit wenigen Zentimetern gross genug, dass Drehbewegungen von linearen Verschiebungen unterschieden werden können, und klein genug, dass Fehler infolge eines allfälligen Faltenwurfs des Nähguts minimal sind.
In Figur 3 sind unten am Nähmaschinenkopf 39 weitere Elemente sichtbar, insbesondere ein an einer Stoffdrückerstange 43 gehaltener Nähfuss 41 mit gelenkig gelagerter Nähfusssohle 42 und eine Nadelstange 45 mit darin eingesetzter Nähnadel 47 sowie einen Abschnitt des Oberfadens 49, der in eine Fadenführung 51 an der Nadelstange 45 eingehängt ist.
Die Erfassung von Bewegungen bzw. Positionsänderungen des Nähguts im Bereich der Nadeleinstichstelle kann z.B. zum Erkennen von Abweichungen der tatsächlichen Nähgutbewegung von einer vorgegebenen Nähgutbewegung und zur Regelung der Transportvorrichtung (z.B. Transporteur oder Stickrahmen) genutzt werden. Bei einer anderen Anwendung, nämlich dem Freihandquilten, ist die Transportvorrichtung nicht aktiv. Das Nähgut wird dort von Hand geführt. Mit Hilfe der von den Sensoren erfassten Stoffbewegung kann die Stichbildungseinheit derart angesteuert werden, dass - unabhängig von der Nähgutgeschwindigkeit - Nadelstiche mit gleichmässigen Abständen der Einstichstellen im Nähgut gesetzt werden. Bei einer weiteren Anwendung kann die Erfassungsvorrichtung dazu benutzt werden, ein Nähmuster zu erfassen und zu speichern. Anhand der gespeicherten Daten kann dieses Nähmuster später (beispielsweise unter Verwendung eines Stickrahmens) beliebig oft rekonstruiert werden. Zur Erfassung von Mustervorlagen für Näh- und Stickmaschinen kann die Sensorvorrichtung alternativ auch in einen Griffel oder eine äquivalente Abtastvorrichtung integriert sein. Zum Abtasten der Vorlage bleibt hier die Mustervorlage in Ruhe und der Griffel wird relativ zur Mustervorlage bewegt.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Sensoren in den Nähfuss 41 bzw. in eine Nähfusssohle 42 eingebaut, wie dies in Figur 4 schematisch dargestellt ist. Dort sind der besseren Übersichtlichkeit halber nur eine Laser-Lichtquelle 1 und eine Sammellinse 9 dargestellt. Die Elektronik zum Erfassen und Auswerten der Sensorsignale ist gemeinsam mit der Lichtquelle 1 auf einem Chip 53 integriert. Die Elektronik des Nähfusses 41 kann z.B. mittels eines Kabelsteckers 55 mit der Steuerung der Nähmaschine verbunden werden (nicht dargestellt). Alternativ kann die Verbindung zwischen Nähfuss und Maschinensteuerung auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise über Federkontakte zwischen Nähfuss 41 und Stoffdrückerstange 43 oder über eine drahtlose Kommunikationsverbindung.
Zur Erfassung der Nähgutbewegung von oben her oder zur Erfassung von Bewegungen von Nähmaschinenteilen im Bereich des Maschinenkopfs 39 können Sensoren - bei entsprechend angepasster Optik - auch unmittelbar beim oder unterhalb des Maschinenkopfs 39 angeordnet sein.FIG. 3 shows a section of a sewing machine in the region of the stitch formation unit. In this case, in the throat plate 27 three recesses 35 (alternatively, only one or two recesses may be provided) formed therein with optical elements. These optical elements can comprise, for example, transparent windows for the light of the light sources 1, which windows are inserted flush into the recesses 35 flush with the upper side of the throat plate 27. Alternatively or additionally, the optical elements can also comprise converging lenses 9 (FIG. 1). In the case of convexly curved lenses 9, the curvature can protrude slightly beyond the plane of the throat plate 27. Below the lenses 9, the sensors are arranged with the light sources 1. In each case one or more sensors can be arranged under each of the lenses 9. Preferably, in the region of each of the recesses 35, two sensors each having a light source 1 (FIG. 1) are arranged such that the transmission beams 11 generated by the light sources 1 are in different directions of the proximate plane, preferably in the sewing direction y and in the transverse direction x, from below at an angle of incidence α (FIG. 1) of the order of magnitude of approximately 15 ° to approximately 75 ° to the sewing material (not shown). Of course, the two transmission beams 11 can impinge on the sewing material even at different angles of incidence α. By evaluating the signals of two such sensors can detect movements within the plane of proximity. In a further development of the invention, a third sensor can be provided, wherein the transmission beam 11 preferably strikes the sewing material at an angle of incidence α of 0 °, that is to say vertically. Alternatively, the transmission beam 11 of the third light source 1 can impinge on the material under another angle of incidence α. However, this should differ as far as possible from the angles of incidence α of the other transmission beams 11. By evaluating the signals of the third sensor - possibly taking into account the signals of one or more other sensors - relative movements of the fabric surface can be detected vertically to the sewing plane, as they can occur for example in the range of seams or edges of the material or due to the lifting movements of the conveyor.
So that rotational movements of the material can be detected and differentiated from shifts in the vicinity plane, the material surface can be detected at different locations, for example in the region of two recesses 35 of several sensors. The recesses 35 with the sensors can be arranged, for example, on one side or on both sides of the needle insertion opening 37 in the needle plate 27 and / or in the sewing direction y, in front of or behind the needle insertion opening 37. Their mutual distance is just a few centimeters big enough that Rotational movements of linear displacements can be distinguished, and small enough that errors due to a possible wrinkling of the fabric are minimal.
In FIG. 3, further elements are visible at the bottom of the sewing machine head 39, in particular a presser foot 41 with an articulated presser foot 42 and a needle bar 45 with a sewing needle 47 inserted therein and a section of the upper thread 49 inserted into a thread guide 51 on the needle bar 45 is mounted.
The detection of movements or changes in position of the sewing material in the region of the needle entry point can be used, for example, to detect deviations of the actual material movement from a predetermined material movement and to control the transport device (eg conveyor or embroidery frame). In another application, namely free-hand quilting, the transport device is not active. The sewing material is guided there by hand. With the aid of the material movement detected by the sensors, the stitch formation unit can be controlled in such a way that - independently of the sewing material speed - needle stitches are set with uniform spacing of the puncture sites in the sewing material. In another application, the detection device can be used to capture and store a sewing pattern. On the basis of the stored data, this sewing pattern can later be reconstructed as often as desired (for example using an embroidery frame) become. Alternatively, to capture master patterns for sewing and embroidery machines, the sensor device may be integrated into a stylus or equivalent scanning device. To scan the template here remains the template in peace and the stylus is moved relative to the template.
In a further embodiment of the invention, sensors are installed in the presser foot 41 or in a sock foot 42, as shown schematically in FIG. There, for better clarity, only a laser light source 1 and a converging lens 9 are shown. The electronics for detecting and evaluating the sensor signals is integrated together with the light source 1 on a chip 53. The electronics of the presser foot 41 can be connected to the control of the sewing machine, for example by means of a cable plug 55 (not shown). Alternatively, the connection between presser foot and machine control can also take place in other ways, for example via spring contacts between presser foot 41 and presser rod 43 or via a wireless communication connection.
For detecting the sewing material movement from above or for detecting movements of sewing machine parts in the region of the machine head 39, sensors-with appropriately adapted optics-can also be arranged directly at or below the machine head 39.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein Sensor so an der Nähmaschine angeordnet, dass er die Abzugsgeschwindigkeit des Unterfadens oder des Oberfadens erfassen kann, also beispielsweise im Bereich der Fadenführung 51 starr verbunden mit der beweglichen Nadelstange 45 oder am Oberarm der Nähmaschine im Bereich einer federnden bzw. klemmenden Fadenspannvorrichtung (nicht dargestellt) oder im Bereich der Spulenträger für die Oberfadenspulen (nicht dargestellt). Da sowohl der Oberfaden wie auch der Unterfaden während des Nähens ruckartig abgezogen werden, kann bei der jeweiligen Auswerteelektronik eine Verarbeitungsstufe zum Glätten dieser Signale bzw. zur laufenden Mittelwertbildung vorgesehen sein. Durch Integration der erfassten Geschwindigkeitsmessgrösse ergibt sich die Fadenmenge. Falls die auf der Fadenspule befindliche Fadenmenge gespeichert ist, kann dieser Wert laufend aktualisiert werden. Insbesondere kann der Nähvorgang vor Erreichen des Fadenendes gestoppt werden.
Bei Stickrahmen können grosse Beschleunigungen auftreten, die zu Schwingungen der bewegten Massen führen. In der Folge können die Einstichpositionen der Nähnadel ins Nähgut fehlerhaft sein. Da mit der erfindungsgemässen Bewegungserfassungsvorrichtung ohne wesentliche Verzögerung hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen erfasst werden können, eignet sich diese hervorragend zum Erfassen von Bewegungen des Stickrahmens und zum Regeln der Stickrahmenantriebe. Der Regelalgorithmus kann dabei so ausgestaltet werden, dass störende Schwingungen des Rahmens verhindert oder minimiert werden. Anstelle des Rahmens kann auch das Nähgut im Stickrahmen erfasst werden. Dabei muss berücksichtigt werden, dass auch das in den Stickrahmen eingespannte Nähgut elastisch und träge ist und somit innerhalb des Stickrahmens zu Schwingungen angeregt werden kann.In a further embodiment of the invention, at least one sensor is arranged on the sewing machine that it can detect the withdrawal speed of the lower thread or the upper thread, so for example in the field of thread guide 51 rigidly connected to the movable needle bar 45 or on the upper arm of the sewing machine in the area resilient or clamping thread tensioning device (not shown) or in the region of the bobbin for the upper thread bobbins (not shown). Since both the upper thread and the lower thread are pulled off abruptly during sewing, a processing stage for smoothing these signals or for the running averaging can be provided in the respective evaluation. By integrating the detected speed measurement results in the amount of thread. If the amount of thread on the bobbin is stored, this value can be updated continuously. In particular, the sewing process can be stopped before reaching the thread end.
With embroidery frames, large accelerations can occur, which lead to vibrations of the moving masses. As a result, the puncturing positions of the sewing needle into the sewing material can be faulty. Since high velocities and accelerations can be detected with the movement detection device according to the invention without substantial delay, this is outstandingly suitable for detecting movements of the embroidery frame and for regulating the hoop drive. The control algorithm can be designed so that disturbing vibrations of the frame are prevented or minimized. Instead of the frame, the fabric in the hoop can be detected. It must be taken into account that the material to be clamped in the embroidery hoop is also elastic and sluggish and thus can be excited to oscillate within the hoop.

Beim vorgeschlagenen Verfahren zur Bewegungserfassung ist jeweils eine minimale Relativgeschwindigkeit zwischen dem Sensor und dem zu erfassenden Objekt 13 erforderlich. Zur zuverlässigen Erfassung sehr langsamer Bewegungen kann optional ergänzend eine herkömmliche Vorrichtung zur Erfassung von Positionsänderungen vorgesehen sein, welche beispielsweise Lageänderungen von Merkmalen der Objektoberfläche mittels Bildverarbeitung auswertet.In the proposed method for detecting movement, a minimum relative speed between the sensor and the object 13 to be detected is required in each case. For the reliable detection of very slow movements, a conventional device for detecting changes in position can optionally be provided as an option, which evaluates, for example, changes in position of features of the object surface by means of image processing.

Der Begriff "Nähmaschine" ist weit auszulegen und umfasst auch Quiltvorrichtungen, Stickmaschinen oder andere stichbildenden oder zum Zusammenfügen textiler Flächengebilde geeignete Vorrichtungen.The term "sewing machine" is to be interpreted broadly and also includes quilting devices, embroidery machines or other stitch-forming or suitable for joining textile fabrics devices.

Claims (10)

Nähmaschine mit einer Vorrichtung zur Erfassung von Bewegungen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lichtquelle (1) zum Emittieren von kohärentem Licht vorgesehen ist, dass dieser Lichtquelle (1) ein Interferenz-Detektor zugeordnet ist, der zur Erfassung einer Messgrösse ausgebildet ist, welche die Interferenz zwischen dem an einem zu erfassenden Objekt (13) gestreuten Licht dieser Lichtquelle (1) und dem Licht dieser Lichtquelle (1) charakterisiert.Sewing machine with a device for detecting movements, characterized in that at least one light source (1) is provided for emitting coherent light, that this light source (1) is associated with an interference detector, which is designed to detect a measured variable, which Interference between the light scattered at an object to be detected (13) light of this light source (1) and the light of this light source (1) characterized. Nähmaschine nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (1) einen Laser mit einem Resonator (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Optik (9) zum Beeinflussen eines Sendestrahls (11) vorgesehen ist, und dass die Optik (9) zugleich zum Sammeln und Wiedereinkoppeln in den Resonator (3) von am Objekt (13) gestreutem Licht der Lichtquelle (1) ausgebildet ist, und dass der Resonator (3) der Ort der Interferenzbildung ist.Sewing machine according to claim 1, wherein the light source (1) comprises a laser with a resonator (3), characterized in that an optical system (9) for influencing a transmitting beam (11) is provided, and that the optics (9) at the same time for collecting and re-coupling into the resonator (3) of light of the light source (1) scattered from the object (13), and that the resonator (3) is the place of the interference. Nähmaschine nach Anspruch 2, wobei die Vorrichtung mehrere Lichtquellen (1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (1) so angeordnet und die Optik (9) so ausgebildet sind, dass die Sendestrahlen (11) der Lichtquellen (1) unter unterschiedlichen Einfallswinkeln (α) auf die Objektoberfläche auftreffen.Sewing machine according to claim 2, wherein the device comprises a plurality of light sources (1), characterized in that the light sources (1) arranged and the optics (9) are formed so that the transmission beams (11) of the light sources (1) at different angles of incidence (α) on the Object surface hit. Nähmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens teilweise in einen Nähfuss (41) oder eine Nähfusssohle (42) integriert ist.Sewing machine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the device is at least partially integrated in a presser foot (41) or a Nähfusssohle (42). Nähmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens teilweise im Greifergehäuse (29) in oder unterhalb der Stichplatte (27) oder am oder unterhalb des Nähmaschinenkopfs (39) angeordnet ist.Sewing machine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the device is at least partially disposed in the gripper housing (29) in or below the throat plate (27) or at or below the sewing machine head (39). Nähmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine programmierbare bzw. konfigurierbare Auswerteeinheit umfasst.Sewing machine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the device comprises a programmable or configurable evaluation unit. Nähmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Speicher umfasst zum Speichern von Informationen über zu erfassende Objekte (13) und/oder über Bewegungen solcher Objekte (13) und/oder über die Anordnung von Sensoren.Sewing machine according to one of claims 1 to 6, characterized in that the device comprises a memory for storing information about objects to be detected (13) and / or movements of such objects (13) and / or on the arrangement of sensors. Verfahren zur Erfassung von Bewegungen bei einer Nähmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Lichtquellen (1) kohärentes Licht in Richtung eines zu erfassenden Objektes (13) abstrahlen, dass auf das Objekt (13) auftreffendes Licht dieser Lichtquellen (1) am Objekt gestreut und danach mit Licht der jeweiligen Lichtquelle (1) zur Interferenz gebracht wird, wobei das gestreute Licht bei Bewegungen des Objekts (13) jeweils infolge des Doppler-Effekts eine von der Objektbewegung abhängige Frequenzverschiebung erfährt, und dass für jede der Lichtquellen (1) eine Messgrösse erfasst und ausgewertet wird, welche sich in Abhängigkeit des interferierenden Lichts ändert.Method for detecting movements in a sewing machine according to one of claims 1 to 7, characterized in that one or more light sources (1) radiate coherent light in the direction of an object to be detected (13), that light incident on the object (13) of these light sources (1) is scattered on the object and then with light from the respective light source (1). is brought to the interference, wherein the scattered light during movements of the object (13) in each case as a result of the Doppler effect experiences a dependent on the object movement frequency shift, and that for each of the light sources (1) detects a measured variable and is evaluated, which is dependent of the interfering light changes. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung der erfassten Messgrösse bzw. der erfassten Messgrössen unter Mitwirkung gespeicherter Informationen über das zu erfassende Objekt (13) und/oder dessen Bewegungsfreiheitsgrade und/oder unter Mitwirkung von aus allfällig vorhandenen weiteren Messgrössen abgeleiteten Informationen erfolgt.A method according to claim 8, characterized in that the processing of the detected measured variable or the detected measured variables takes place with the aid of stored information about the object to be detected (13) and / or its degrees of freedom of movement and / or with the help of any existing further measured variables derived information , Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Messgrösse bzw. den Messgrössen Geschwindigkeiten und/oder Bewegungsrichtungen und/oder absolute oder relative Lage- bzw. Positionsvektoren ermittelt werden.Method according to one of claims 8 or 9, characterized in that speeds and / or directions of movement and / or absolute or relative position or position vectors are determined from the measured variable or the measured variables.
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