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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder
6 oder 18.
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Aus
der
DE 103 42 383
A1 sind Verfahren und Anordnungen bekannt, die dem berührungslosen
Bestimmen der Struktur und/oder der Geschwindigkeit eines laufenden
Fadens an einer Spulstelle einer Textilmaschine, insbesondere einer
Spinnmaschine oder einer Spulmaschine dienen.
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Spulstellen
moderner Textilmaschinen, beispielsweise zur Erzeugung von Kreuzspulen,
sind mit Einrichtungen für
die Geschwindigkeitsmessung und die Längenmessung des laufenden Fadens
ausgerüstet.
Ständig
steigende Anforderungen an die Qualität des Garns haben zur Überwachung
von Parametern der Garnstruktur wie z.B. dem Garndurchmesser nicht
nur an ausgewählten
Spulstellen, sondern an jeder einzelnen Spulstelle geführt. Bei
der Überwachung
des Garndurchmessers wird für
die Bewertung, ob eine Abweichung vom Sollgarndurchmesser als Garnfehler
einzustufen ist, üblicherweise
auch die Länge
der Abweichung herangezogen. Die Ermittlung der genauen Fehlerlänge ist
daher ein wesentlicher Bestandteil der Qualitätsüberwachung des Garns.
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Klassische
mechanische Messverfahren zur Geschwindigkeitsmessung des laufenden
Fadens arbeiten mit abrollenden Messrädern. Mit dem Auftreten von
Schlupf ist jedoch Reibung zwischen dem Garn und der Oberfläche des
Messrades verbunden. Neben der durch den Schlupf entstehenden Messungenauigkeit
können
durch die Reibung bei empfindlichen Fäden nachteilige Qualitätsbeeinträchtigungen auftreten.
Um derartige Nachteile zu vermeiden, ist es bekannt, berührungslose
Messverfahren in der Textilindustrie einzusetzen.
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So
ist aus der
DE 42 25
842 A1 eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit
von laufenden Textilfäden
an einer Wickeleinrichtung bekannt, die nach dem sogenannten Korrelationsmessverfahren
arbeitet. Dabei werden die Messwerte von zwei in festem Abstand
in Bewegungsrichtung des Textilfadens hintereinander angeordneten
Sensoren über
einen Laufzeitkorrelator ausgewertet, um daraus die Fadengeschwindigkeit
zu bestimmen. Die beiden Sensoren arbeiten berührungsfrei und können zum Beispiel
auf optischer oder kapazitiver Basis arbeiten.
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Ferner
ist zur berührungslosen
Geschwindigkeitsmessung der Einsatz der Laser-Doppler-Anemometrie
(nachfolgend LDA genannt) bekannt. Das Grundprinzip der LDA beruht
auf der indirekten Messung der Doppler-Verschiebung (Verschiebung
der Lichtfrequenz) an bewegten streuenden Teilchen. Es handelt sich
dabei um ein punktorientiertes berührungsloses optischen Verfahren
aus der Lasermesstechnik. Beim Doppler-Effekt tritt eine Frequenzverschiebung
auf, die von der Relativgeschwindigkeit abhängt, mit der sich Sender und
Empfänger
relativ zueinander bewegen. Durch Auswertung der Frequenzverschiebung
lässt sich
somit die Geschwindigkeit eines bewegten Körpers bei ortsfestem Empfänger bestimmen.
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Bei
der LDA-Technik tritt ein zweifacher Dopplereffekt auf. Die sich
hierbei durch Überlagerung
ergebende Schwebung der beiden Dopplerfrequenzen ist direkt proportional
zur Teilchengeschwindigkeit. Durch den direkten proportionalen Zusammenhang
ist dieses Messverfahren kalibrierungsfrei, was einen großen Vorteil
der LDA-Technik darstellt.
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Grundsätzlich lassen
sich zwei an sich bekannte LDA-Verfahren voneinander unterscheiden. Einerseits
das Referenzstrahlverfahren und andererseits das Zweistrahlverfahren,
wobei sich letzteres in der Praxis durchgesetzt hat. Beide Verfahren
basieren auf dem Doppler-Effekt.
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Beim
Referenzstrahl-LDA-Verfahren wird mit einem Referenzstrahl und einem
Messstrahl gearbeitet. Dabei überlagern
sich im Empfänger
die in der Frequenz nicht verschobene Referenzwelle und das reflektierte
Streulicht des entsprechend des Doppler-Effekts verschobenen Messstrahls.
Das Referenzstrahlverfahren in seiner bisher bekannten Ausführungsweise
weist allerdings die Eigenschaft auf, dass die Intensität des Referenzstrahls
und die Intensität
des von der Oberfläche
reflektierten Messstrahls üblicherweise
im Verhältnis
5:95 deutlich voneinander abweichen, um ein gutes "Signal-zu-Rausch-Verhältnis" zu erhalten.
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Bei
dem Zweistrahl-LDA-Verfahren in seiner bisher bekannten Ausführungsweise
wird ein Laserstrahl mit Hilfe eines Strahlteilers in zwei parallele Teilstrahlen
gleicher Intensität
aufgeteilt. Diese Teilstrahlen werden anschließend mit einer Optik, insbesondere
mittels einer Sammellinse fokussiert. Dadurch überlagern sich die beiden Teilstrahlen
in der Brennebene. Der Schnittpunkt bildet das Messvolumen, in dem
die Geschwindigkeit der Partikel durch Messung des Streulichts bestimmt
wird. Das Streulicht wird durch eine Abbildungsoptik mit Hilfe eines Fotodetektors
aufgenommen und durch eine geeignete Elektronik ausgewertet. Die
Abbildungsoptik besteht im simpelsten Fall aus einer einfachen Fokussierlinse.
Je nach Aufbau kann die Optik mit einer Blende zum Abschotten der
beiden Teilstrahlen und mit einem Raumfilter erweitert werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein mit geringem Aufwand leicht
durchzuführendes Verfahren
der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem der Spulprozess
und/oder die Qualität
des gespulten Garns und/oder die Qualität der aufgewickelten Spule überwacht
und/oder optimiert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren nach einem der Ansprüche
1 oder 6 oder 18 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den jeweils abhängigen
Ansprüchen.
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Gemäß einer
ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
kann die Garnqualität
eines laufenden Fadens mittels einer an einer Spulstelle einer Textilmaschine
angeordneten Sensoreinrichtung berührungslos überwacht und gegebenenfalls
optimiert werden, indem von einer Lichtquelle ein Laserstrahl erzeugt
wird, der mittels einer optischen Teil- und Lenk-Einrichtung zur
Teilung und Lenkung des Laserstrahls in mindestens zwei Teilstrahlen
geteilt wird, die so geführt
werden, dass sie am Faden wieder zusammentreffen, wobei aus dem
vom Faden reflektierten Licht nach dem Laser-Doppler-Anemometrie-Verfahren Messsignale
erzeugt werden, die zur Bestimmung der Garnqualität des laufenden
Fadens elektronisch ausgewertet werden.
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So
kann beispielsweise eine sehr exakte Längenbewertung der Garnstruktur
vorgenommen werden. Zusätzlich
kann hierdurch auch der Durchmesser des laufenden Fadens sehr genau
bestimmt werden. Alternativ kann der Durchmesser auch über weitere,
insbesondere über
an der Textilmaschine bereits vorhandene Sensoreinrichtungen erfasst
werden.
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Die
exakte Längenbewertung
der Garnstruktur hat einen unmittelbaren Einfluss auf die Garnqualität. Im heutigen
Spulenherstellprozess wird die Garnqualität üblicherweise in Form einer
Bewertungsmatrix dargestellt. Diese zweidimensionale Bewertungsmatrix,
die auch als Q-Matrix (Qualitätsmatrix) bezeichnet
wird, trägt
die gemessene Garndurchmesserschwankung bzw. Garndurchmesserveränderung über die
Länge auf. Über- oder
unterschreitet die Garndurchmesserlängenbewertung eine vorgegebene
Kurve in der zweidimensionalen Darstellung, so wird der Spulprozess
unterbrochen und die nicht tolerierbare Abweichung entfernt. Anschließend werden
die Fadenenden wieder verspleisst und der Spulprozess wird fortgesetzt.
Das hochdynamische Geschwindigkeits-Messverfahren (LDA) ist das
einzige Verfahren, welches diese Qualitätsmerkmale korrekt erfasst
und über
die Q-Matrix darstellen kann.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Bestimmung der Garnqualität
liegt in der Erfassung der Haarigkeit des laufenden Fadens. Die
von der LDA erzeugten Burst-Signale (Signalpakete) werden in erster
Linie durch die Fadenhaarigkeit hervorgerufen. Werden während der
Geschwindigkeitserfassung sehr viele Burst-Pakete in kurzen Abständen erzeugt,
so kann davon ausgegangen werden, dass eine hohe Garnhaarigkeit
vorliegt.
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Besonders
vorteilhaft ist es dabei, wenn die Haarigkeit des laufenden Fadens
kontinuierlich mit einer bestimmten vorgegebenen oder vorgebbaren Haarigkeit
verglichen wird und dass bei einer Überschreitung der bestimmten
Haarigkeit ein Warnsignal ausgegeben und/oder die Spulgeschwindigkeit und/oder
die Fadenzugkraft automatisch reduziert wird.
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Gemäß einer
zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform
kann die Qualität
einer Spule, die durch das Aufwickeln eines laufenden Fadens erhalten
wird, mittels einer an einer Spulstelle einer Textilmaschine angeordneten
Sensoreinrichtung berührungslos überwacht
und gegebenenfalls optimiert werden, indem von einer Lichtquelle
ein Laserstrahl erzeugt wird, der mittels einer optischen Teil-
und Lenk-Einrichtung zur Teilung und Lenkung des Laserstrahls in
mindestens zwei Teilstrahlen geteilt wird, die so geführt werden,
dass sie am Faden wieder zusammentreffen, wobei aus dem vom Faden
reflektierten Licht nach dem Laser-Doppler-Anemometrie-Verfahren
Mess signale erzeugt werden, die zur Bestimmung der Spulenqualität elektronisch
ausgewertet werden.
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Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn die Messsignale bezüglich der
Länge des
bereits auf die Spule aufgespulten Fadens ausgewertet werden. Die Lauflängenmessung
des bei der Spulenherstellung aufgespulten Materials entspricht
dem Integral oder der Summe der Einzellängen über eine gesamte Spulenreise
Da diese Längenmessung
wesentlich genauer ist, als die in der heutigen Serie eingesetzte Längenmessung über die
Zählung
der Trommelumdrehungen, kann die aufgespulte Fadenlänge sehr viel
exakter bestimmt werden. Alternativ ist auch die Längenmessung über einen
Korrelationssensor bekannt. Der erfindungsgemäß eingesetzte LDA-Sensor stellt
jedoch eine Möglichkeit
einer besonders genauen Spulenlängenerfassung
dar. Vorteilhafterweise kann diese erfindungsgemäß ausgeführte Längenmessung daher auch zur
Beendigung des Spulprozesses bzw. für die Abstellung der Partie
genutzt werden.
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Ferner
können
die Messsignale bezüglich Fehlführungen
des laufenden Fadens auf der Spule und/oder bezüglich Fehlaufwicklungen des
laufenden Fadens auf eine zum Antrieb der Spule vorgesehene Nutentrommel
ausgewertet werden. Mitunter kann es beim Spulprozess vorkommen,
dass das Garn nicht mehr auf die Spule aufgewickelt wird, sondern
sich auf die Nutentrommel wickelt. Wenn der Spulprozess dann nicht
unterbrochen wird, kann es zur Blockierung bis hin zur Verformung
der Leitkontoren kommen. In Standardspulmaschinen setzt man hierfür üblicherweise
einen speziellen Sensor ein, der den Spulprozess abschaltet. Nachteil
dieses Sensors ist, dass eine Abschaltung erst nach dem Austreten
des Wickels aus der Nutentrommel und somit zu einem relativ späten Zeitpunkt
festgestellt werden kann. Demgegenüber kann der erfindungsgemäß eingesetzte
LDA-Sensor schon sehr früh
die Fehlfunktion erfassen, so dass dementsprechend schnell reagiert
werden kann.
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Ebenso
kann mit einem erfindungsgemäß eingesetzten
LDA-Sensor die korrekten Verlegung überwacht werden. Der Verlegehub
durch die Nutentrommel ist bei einer korrekten Verlegung stets gleich.
Im Falle von Fehlführungen
der Nutentrommel wird die Verlegesystematik jedoch gestört und das Geschwindigkeitsprofil ändert sich
entsprechend. Da diese Fehlführungen
gravierenden Einfluss auf die Spulenqualität nehmen, hat man hierfür in der
Serienspulmaschine bisher ebenfalls einen separaten Sensor vorgesehen.
Die LDA-Auswerteelektronik
ist jedoch in der Lage, schon während
des Spulprozesses das Geschwindigkeitsprofil zu analysieren und somit
die Fehlführungshäufigkeit
zu melden und gegebenenfalls dementsprechend in den Spulprozess einzugreifen.
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Besonders
vorteilhaft ist es dabei, wenn der Auftritt von Fehlführungen
kontinuierlich überwacht wird
und ein Warnsignal ausgegeben wird und/oder die Spule als B-Qualität gekennzeichnet
wird und/oder die Spulgeschwindigkeit und/oder die Fadenspannung
reduziert wird, wenn ein bestimmtes vorgegebenes oder vorgebbares
Maß an
Fehlführungen überschritten
wird.
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Ebenso
können
die Messsignale vorteilhafterweise auch bezüglich der Zugkraftbeanspruchung des
laufenden Fadens ausgewertet werden. Die Bestimmung der Fadenzugkraft
wird über
die Berechnung der Garnbeschleunigung aus dem gemessenen Geschwindigkeitssignal
abgeleitet. Bestimmt man beispielsweise die Höhe des Rauschpegels auf dem Beschleunigungssignal
durch die Berechnung der Standardabweichung, so ergibt sich ein
Maß für die Fadenzugkraftspitzen
während
des Spulprozesses.
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Besonders
vorteilhaft ist es dabei, wenn ein Warnsignal ausgegeben wird und/oder
die auf den Faden wirkende Zugkraft und/oder die Spulgeschwindigkeit
reduziert wird und/oder ein Garnabzugbeschleuniger verstellt wird,
wenn die Zugkraftbeanspruchung steigt oder ein bestimmtes vorgegebenes
oder vorgebbares Maß überschreitet,
um so eine Verschlechterung der Spulenqualität infolge von Zugkraftspitzen
zu vermeiden.
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Außerdem können die
Messsignale vorteilhafterweise auch bezüglich eines oder mehrerer Durchmesser
einer Spule ausgewertet werden. Treibt beispielsweise eine zylindrische
Nutentrommel eine konische Spule an, so ergibt sich auf dem Spulenhub
gesehen nur eine sehr begrenzte Zone, in der die Umfangsgeschwindigkeiten
der Nutentrommel mit denen der Spule identisch sind. Diese neutrale Zone
wird auch als treibender oder antreibender Durchmesser bezeichnet.
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Dieser
Durchmesser kann herkömmlicherweise über das
Verhältnis
von Spulendrehzahl zu Nutentrommeldrehzahl berechnet werden. Nachteilig bei
diesem Verfahren ist, dass bei durchmesser-abgestellten Spulpartien,
bei denen die Spulpartie bei Erreichen eines bestimmten Durchmessers
beendet wird, im Falle einer konischen Spule dieser antreibende
Durchmesser als Abstelldurchmesser berechnet wird. Für den Endabnehmer
des Produktes Spulen ist jedoch nicht dieser Durchmesser von Belang, sondern
der Konusaußendurchmesser.
Weiterhin muss bedacht werden, dass der antreibende Durchmesser,
abhängig
von den Spulbedingungen, sich an unterschiedlichen Positionen befinden
kann und irgendwo auf dem Spulenhub zwischen kleinem und großem Spulendurchmesser
liegt.
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Über die
hochdynamische Geschwindigkeitsmessung des Fadens mittels eines
erfindungsgemäß eingesetzten
LDA-Sensors kann demgegenüber
auch an den Umkehrpunkten der Fadenchangierung direkt der Außendurchmesser
und/oder der Innendurchmesser einer konischen Spule berechnet werden.
Dabei ergeben sich die folgenden Zusammenhänge: νAußen =
rAußen·ωSpule und νInnen =
rInnen·ωSpule wobei r der Radius und v die Umfangsgeschwindigkeit
ist.
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Wenn
man davon ausgeht, dass die Winkelgeschwindigkeit ω
Spule der Spule konstant ist, ergibt sich
der Zusammenhang:
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Wird
gleichzeitig mit der Erfassung der Spulgeschwindigkeit auch die
Spulendrehzahl bzw. ωSpule erfasst, kann so auch der Außen- bzw.
Innendurchmesser der konischen Spule sehr genau bestimmt werden.
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Dabei
ist es weiterhin von Vorteil, dass der Spulprozess nicht nur bei
Erreichen eines bestimmten Durchmessers abstellbar ist, sondern
dass auch die exakte Lage des antreibenden Durchmessers ausgegeben
werden kann.
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Ferner
können
die Messsignale vorteilhafterweise auch bezüglich der Dichte der Spule
ausgewertet werden. Die Bestimmung der Spulendichte aus der Garnfeinheit,
der Spulengeometrie und der gespulten Garnlänge ist ein Qualitätsmerkmal
des gespulten Gutes. Ist beispielsweise die Spulendichte in einem
statistisch vergleichbaren Kollektiv stark abweichend, so kann davon
ausgegangen werden, dass die vom Kollektiv abweichenden Spulen infolge einer
zu hohen Fadenspannung und/oder eines zu hohen Anpressdrucks durch
den Spulenrahmen oder sonstiger Umstände als qualitätsmindernd
zu bezeichnen sind.
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Über die
neuen Mess- und Berechnungsmethoden der gespulten Garnlänge und
der Bestimmung der Spulengeometrie auch bei konischen Spulen durch
den erfindungsgemäßen Einsatz
eines LDA-Sensors kann eine Berechung der Dichte jederzeit online
zum Spulprozess durchgeführt
werden. Vorteilhafterweise kann dabei das so erhaltene Auswertungsergebnis
direkt Einfluss auf den Spulprozess nehmen. So ist beispielsweise
eine Information zur ermittelten Spulendichte ausgebbar und/oder
es kann vorzugsweise ein Warnsignal ausgegeben werden, wenn die
Spulendichte einen bestimmten vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwert überschreitet.
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Besonders
vorteilhaft ist es ferner, wenn die Rotationsgeschwindigkeit bzw.
Umfangsgeschwindigkeit einer zum Antrieb der Spule vorgesehenen Nutentrommel
ermittelt wird, wobei die Messsignale bezüglich eines Schlupfes zwischen
der Umfangsgeschwindigkeit der Spule einerseits und der Umfangsgeschwindigkeit
der Nutentrommel andererseits ausgewertet werden. Die zum Schlupf
erhaltenen Kenntnisse können
für drei
verschiedene vorteilhafte Bereiche eingesetzt werden:
So ist
beispielsweise der durch ein Bildstörverfahren gezielt erzeugte
Schlupf zwischen der Nutentrommel und der Spule überwachbar. Wenn der Schlupf
von einem bestimmten Zielwert abweicht oder einen bestimmten Grenzwert überschreitet
oder unterschreitet kann ein Warnsignal ausgegeben und/oder vorteilhafterweise
der Bildstörhub
automatisch korrigiert werden.
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Auch
kann der Schlupf zwischen der Nutentrommel und der Spule bezüglich eines
Auftrages von Paraffin auf den Faden ausgewertet werden. Nutz man
zu der exakten Durchmesserbestimmung über die vorangehend beschriebene
Ermittlung der Geschwindigkeiten an den Umkehrpunkten die von der Spulenachse
abgenommene Spulenwinkelgeschwindigkeit, so kann der treibenden
Durchmesser der konischen Spule dynamisch also während des Spulprozesses erfasst
werden. Aufgrund von Beschleunigungsmechanismen (Bildstörung), die
während
des Spulbetriebs auf die Spule wirken, wird die Position des antreibenden
Durchmessers im Falle der Paraffinierung stark wandern, während ohne
Paraffinauftrag die Position relativ konstant bleibt. Vorteilhafterweise
kann ein Warnsignal ausgegeben und/oder der Spulprozess automatisch
beendet werden, wenn der Paraffinauftrag von einem vorgebbaren Zielwert
abweicht oder einen vorgebbaren Grenzwert unterschreitet.
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Ferner
kann der Schlupf zwischen der Nutentrommel und der Spule beim Hochlaufen
des Spulprozess überwacht
werden. Dabei wird der Antrieb vorzugsweise auf einen vorgebbaren
Schlupf geregelt.
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Der
Spulprozess ist ein diskontinuierlicher Prozess, der aufgrund der
Kopsvorlagen mehrmals (abhängig
vom Material und dem Spulendurchmesser mehr als 40 mal) unterbrochen
wird. Der heutige Trend, die Spulgeschwindigkeiten stetig zu erhöhen (zur
Zeit auf 1800m/min), setzt aufgrund der immer wiederkehrenden Hochläufe der
damit verbundenen Produktionssteigerung eine Grenze. Ein Ziel der Spulmaschinenhersteller
ist es daher, möglichst schnelle
Hochläufe
auf die Produktionsgeschwindigkeit zu realisieren und dabei gleichzeitig
den Schlupf zwischen der antreibenden Trommel und der Spule in einer
qualitativ vorgegebenen Grenze zu halten.
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Durch
den erfindungsgemäßen Einsatz
eines LDA-Sensors kann über
die Erfassung der exakten Spulgeschwindigkeit mit gleichzeitiger
Erfassung der Tommeldrehzahl der Schlupf zwischen Antriebstrommel
und Spule exakt bestimmt und damit über den Trommelantrieb eingestellt
bzw. geregelt werden, so dass das vorgenannte Ziel einer größtmöglichen
Produktionssteigerung bei gleichzeitig hoher Produktionsqualität optimal
erreicht werden kann.
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Gemäß einer
dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform
kann die Qualität
der Spulenproduktion hinsichtlich eines möglichen Bruchs des laufenden
Fadens und/oder eines möglichen
Einklemmens des laufenden Fadens zwischen einer Spule, auf die der
Faden aufgewickelt wird, und einer die Spule antreibenden Antriebswalze
mittels einer an einer Spulstelle einer Textilmaschine angeordneten Sensoreinrichtung
berührungslos überwacht
und gegebenenfalls optimiert werden, indem von einer Lichtquelle
ein Laserstrahl erzeugt wird, der mittels einer optischen Teil-
und Lenk-Einrichtung zur Teilung und Lenkung des Laserstrahls in
mindestens zwei Teilstrahlen geteilt wird, die so geführt werden, dass
sie am Faden wieder zusammentreffen, wobei aus dem vom Faden reflektierten
Licht nach dem Laser-Doppler-Anemometrie-Verfahren Messsignale erzeugt werden,
die zur Bestimmung eines Fadenbruchs und/oder einer Fadeneinklemmung
elektronisch ausgewertet werden.
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Neben
der Spulung mit Hilfe einer Verlege- und Antriebswalze (Nutentrommel)
existieren weitere Spultechnologien. Diese Spultechniken benutzen eine
Antriebs oder Stützwalze
im Bereich des Spulenantriebs, wobei der Antrieb also direkt über die Spulenachse
oder über
die Antriebswalze erfolgt. Die Fadenverlegung wird hierbei über ein
separates Aggregat realisiert.
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Dabei
kann während
des Spulprozesses aufgrund der Fadenbelastung ein Fadenbruch im Klemmpunkt
zwischen Antriebswalze und Spule auftreten. In solchen Fällen besteht
die Gefahr, dass der Faden trotz des Bruchs weitertransportiert
und aufgrund der vorhandenen Konvektion durch die Spule mitgerissen
wird. Eine andere Möglichkeit
ist, dass der Faden über
den Klemmpunkt nach hinten wegbefördert wird und irgendwo an
einem Prozessaggregat hängen
bleibt. Beide Fälle
sind unerwünscht
und beieinträchtigen
die Spulenqualität
bzw. den Spulprozess signifikant.
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Über die
Geschwindigkeitsmessung mittels eines erfindungsgemäßen eingesetzten
LDA-Sensors kann ein derartiger Garnbruch frühzeitig detektiert werden.
Es kann dabei davon ausgegangen werden, dass der Faden unmittelbar
nach dem Bruch eine kurze Geschwindigkeitsänderung, insbesondere eine
Reduzierung erfährt,
die über
eine Auswerteeinheit der Spulprozesssteuerung übermittelt werden kann.
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Vorteilhafterweise
wird der Spulprozess automatisch beendet, wenn ein Bruch oder eine
Einklemmung des Fadens ermittelt wird. Ferner kann dann über eine
Zusatzschaltungssteuerung (Spulprozessunterbrechung mit anschließendem Verbindungsprozess
und Spulenhochlauf) der Fehler automatisch behoben werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es bei allen vorgenannten Varianten, wenn der von
der Lichtquelle erzeugte Laserstrahl mittels einer Teil- und Lenk-Einrichtung
derart geteilt und gelenkt wird, dass die beiden Teilstrahlen bereits
beim Austritt aus dieser Teil- und Lenk-Einrichtung in einem Winkel
aufeinander zu gerichtet verlaufen und sich unter Ausbildung des Messvolumens
am Faden kreuzen. Dadurch wird keine Sammellinse mehr benötigt, um
die beiden geteilten Laserstrahlen zur Erzeugung des Messvolumens miteinander
zu schneiden. Auf diese Weise ergibt sich nicht nur ein konstruktiv
besonders einfacher Aufbau, sondern es wird vor allem eine Fokussierung und
somit eine damit einhergehende Verkleinerung der Laserstrahldurchmesser
vermieden. Die beiden Teilstrahlen können so nach dem Austritt aus
der Teil- und Lenk-Einrichtung
vorteilhafterweise fokussierungsfrei auf den Faden gelenkt werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann das Laser-Doppler-Anemometrie-Verfahren sowohl als Referenzstrahlverfahren
als auch als Zweistrahlverfahren, die beide an sich hinreichend
bekannt sind, ausgeführt
werden. Das Referenzstrahlverfahren bietet bei erfindungsgemäßem Einsatz
den Vorteil, dass das empfangene Geschwindigkeitssignal wesentlich
intensiver ist, so dass deutliche Einsparungen an analoger Verstärkertechnik
realisiert werden können.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zur Durchführung eines
Verfahrens der vorangehend beschriebenen Art. Eine dem vorangehend
beschriebenen Verfahren entsprechende Anordnung zum berührungslosen
Bestimmen der Struktur und/oder der Geschwindigkeit eines laufenden Fadens
an einer Spulstelle einer Textilmaschine umfasst eine Lichtquelle
zur Erzeugung eines Laserstrahls, eine optische Teil- und Lenk-Einrichtung, durch
die der Laserstrahl in mindestens zwei am Faden zusammenführbare Teilstrahlen
aufgeteilt und entsprechend gelenkt werden kann, sowie eine optische
Sensoreinrichtung, mittels der aus dem vom Faden reflektierten Licht
nach dem Laser-Doppler-Anemometrie-Verfahren Messsignale erzeugt
werden können,
die zur Bestimmung der Struktur und/oder der Geschwindigkeit des
laufenden Fadens einer Auswerteeinheit zugeführt werden. Die Anordnung ist
vorteilhafterweise derart ausgestaltet, dass sie zur Ausführung des
vorangehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es auch bei dieser Anordnung, wenn die optische
Teil- und Lenk-Einrichtung
derart ausgebildet ist, dass der Austritt der beiden Teilstrahlen
aus dieser Teil- und Lenk-Einrichtung so in einem Winkel aufeinander
zu gerichtet erfolgt, dass sie sich am Faden kreuzen. So sind die beiden
Teilstrahlen in vorteilhafter Weise ohne Sammellinse fokussierungsfrei
auf den Faden gelenkt.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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Es
zeigen:
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1:
schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
als Zweistrahlverfahren;
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2:
schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
als Referenzstrahlverfahren; und
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3:
schematische Darstellung einer alternativen Anordnung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
als Referenzstrahlverfahren.
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4:
schematische Darstellung einer konischen Spule, die von einer Nutentrommel
angetrieben wird;
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5:
Geschwindigkeitsprofil eines Fadens bei einer einwandfreien Verlegung
auf einer Spule;
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6:
Geschwindigkeitsprofil eines Fadens bei einer fehlerhaften Verlegung
auf einer Spule;
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7a bis 7d:
Grangeschwindigkeitsprofile und Garnbeschleunigungsprofile bei unterschiedlichen
Fadenzugkraftbeeinflussungen; und
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8:
Zusammenhang zwischen Fadenzugkraft und der Standardabweichung des
Beschleunigungssignals eins Fadens.
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Sowohl
beim Zweistrahlverfahren (1) als auch
beim Referenzstrahlverfahren (2 und 3)
wird als Lichtquelle ein Diodenlaser 1 in Verbindung mit
einer Kollimieroptik 2 eingesetzt. Der hiervon erzeugte
Laserstrahl 3 wird mit konstantem Strahldurchmesser auf
ein als Teil- und Lenk-Einrichtung eingesetztes Keilprisma 4 gelenkt.
Durch das Keilprisma 4 wird der Laserstrahl 3 in
der nachfolgend beschriebenen Art und Weise in zwei Teilstrahlen 5a und 5b aufgeteilt,
die auf einen an einer Spulstelle 6 einer hier nicht näher dargestellten
Textilmaschine in Richtung des Pfeils 7 laufenden Faden 8 gerichtet
sind. In einem dem Keilprisma 4 gegenüberliegenden Bereich des textilen
Garns bzw. Fadens 8 befindet sich als optische Sensoreinrichtung
ein Fotodetektor 9 und eine Empfangsoptik, die insbesondere
Sammellinsen 10 und/oder Blenden 11 umfassen kann.
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Das
durch einen schief abgeschnittenen Glasquader gebildete Keilprisma 4 hat
eine teildurchlässige
Vorderseite 12 und eine in einem Winkel 6 schräg hierzu
verlaufende Rückseite 13,
die bei dem in 1 dargestellten Zweistrahlverfahren
ebenfalls teildurchlässig
und bei dem in den 2 und 3 dargestellten
Referenzstrahlverfahren vollständig verspiegelt
ausgeführt
ist. Durch Reflektion und Brechung verlassen die beiden Teilstrahlen 5a und 5b die
Vorderseite 12 des Keilprismas 4 unter einem Winkel β schräg aufeinander
zu gerichtet, so dass sie sich im Bereich der Spulstelle 6 am
Faden 8 kreuzen. Eine Fokussierung der Teilstrahlen 5a und 5b,
beispielsweise durch eine Sammellinse erfolgt dabei nicht, so dass
im Bereich der Kreuzung der beiden Teilstrahlen 5a und 5b ein
sehr großes
Messvolumen mit einem Durchmesser von ca. 2 bis 3 mm bei einem Durchmesser
von ca. 3 mm des ursprünglichen Laserstrahls 3 erhalten
wird. Durch ein derartig großes Messvolumen
kann der laufende Faden 8 problemlos hindurchgeführt werden,
so dass seine Struktur Im Rahmen einer Qualitätsüberwachung des gespulten Garns
auch bei während
des Spulprozesses hervorgerufenen Unregelmäßigkeiten zuverlässig erfasst werden
kann.
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Das
Laserlicht der beiden Teilstrahlen
5a und
5b trifft
an der Spulstelle
6 auf die Oberfläche des laufenden Fadens
8 und
wird von ihr gestreut. Aufgrund der Bewegung des Fadens
8 findet
eine Relativbewegung zwischen dem ortsfesten Diodenlaser
1 als Sender
der Lichtwellen und dem Faden
8 als dem Empfänger statt.
In Abhängigkeit
von der Relativgeschwindigkeit tritt dabei eine Veränderung
der vom Faden
8 reflektierten Lichtwellen auf, die als
Dopplereffekt bekannt ist. Durch Überlagerung der beiden Doppler-Frequenzen
ergibt sich im Rahmen der an sich bekannten LDA-Technik eine Schwebung,
die ein aus hellen und dunklen Bereichen bestehendes Interferenzmuster
ausbildet, welches von dem Fotodetektor
9 erfasst wird.
Zu weiteren Einzelheiten wird diesbezüglich auf die
DE 103 42 383 A1 verwiesen.
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Bei
dem in 1 dargestellten Zweistrahlverfahren trifft der
Laserstrahl 3 unter einem Winkel α schräg auf die teildurchlässige Vorderseite 12 des Keilprismas 4 auf.
Ein erster Teilstrahl 5a wird direkt an der Vorderseite 12 reflektiert.
Dieser Teilstrahl 5a hat eine Intensität von ca. 5% der Intensität des ursprünglichen
Laserstrahls 3. Der nichtreflektierte Anteil des Laserstrahls 3 tritt
durch die Vorderseite 12 hindurch in das Keilprisma 4 ein
und wird an der ebenfalls teildurchlässigen Rückseite 13 teilweise
reflektiert. Der hier reflektierte Anteil hat wiederum eine Intensität von ca.
5 % der Intensität
des ursprünglichen
Laserstrahls 3. Dieser an der Rückseite 13 reflektierte
Anteil tritt unter Brechung an der Vorderseite 12 als zweiter
Teilstrahl 5b aus dem Keilprisma 4 aus.
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Der
nicht an der Rückseite
13 des
Keilprismas
4 reflektierte Anteil des Laserstrahls
3 tritt
als Reststrahl
14 mit einer verbleibenden Intensität von ca.
90% der ursprünglichen
Intensität
an der teildurchlässigen
Rückseite
13 aus
dem Keilprisma
4 aus und wird zur Ausführung des Zweistrahlverfahrens
nicht weiter benötigt.
Der genaue Strahlenverlauf der beiden Teilstrahlen
5a und
5b berechnet
sich gemäß dem Snelliusschen
Gesetz:
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ergibt sich danach ein Winkel β von
ca. 4,5° zwischen den
beiden Teilstrahlen 5a und 5b.
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Bei
dem in 2 dargestellten Referenzstrahlverfahren ist die
Rückseite 13 des
Keilprismas 4 vollständig
verspiegelt. Auch hier wird ein erster Teilstrahl 5a mit
einer Intensität
von ca. 5% der Intensität
des ursprünglichen
Laserstrahls 3 an der teildurchlässigen Vorderseite 12 reflektiert.
Der nicht-reflektierte Anteil tritt nach Reflektion an der Rückseite 13 und
anschließender
Brechung an der Vorderseite 12 als zweiter Teilstrahl 5b mit
einer Intensität
von ca. 94% aus dem Keilprisma 4 aus. Der erste Teilstrahl 5a bildet
hier den Referenzstrahl, der nach Passieren einer aus einer Blende 11 und
einer Sammellinse 10 gebildeten Empfangsoptik von dem Fotodetektor 9 erfasst
wird. Der zweite Teilstrahl 5b bildet den Messstrahl, der
zur Erzeugung des Interferenzmusters bzw. der Schwebungsfrequenz
erforderlich ist. Nach dem Passieren des laufenden Fadens 8 wird
der Messstrahl für
die eigentliche Auswertung nicht weiter benötigt, so dass er durch die
Blende 11 von dem Fotodetektor 9 abgeschirmt werden
kann.
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Bei
der in 3 dargestellten Variante des Referenzstrahlverfahrens
erfolgt die Strahlteilung unter mehrfacher Reflektion und Brechung
an dem Keilprisma 4. Ein erster Anteil 15 mit
einer Intensität
von ca. 5% der Intensität
des ursprünglichen
Laserstrahls 3 wird an der teildurchlässigen Vorderseite 12 reflektiert
und zur Ausführung
des weiteren Verfahrens nicht mehr benötigt. Der in das Keilprisma 4 eingetretene
Restanteil des Laserstrahls 3 wird an der verspiegelten
Rückseite 13 vollständig reflektiert
und trifft danach von innen auf die teildurchlässige Vorderseite 12 auf,
wo der größte Anteil
als erster Teilstrahl 5a mit einer Intensität von ca.
90% aus dem Keilprisma 4 austritt. Der nicht ausgetretene
Anteil wird zunächst
an der Vorderseite 12 und anschließend erneut an der Rückseite 13 reflektiert,
so dass er zum zweitenmal von innen auf die Vorderseite 12 auftrifft
und als zweiter Teilstrahl 5b mit einer Intensität von ca.
4% das Keilprisma 4 verlässt. Der verbleibende Restanteil
wird erneut an der Vorderseite 12 sowie anschließend ein
weiteres Mal an der Rückseite 13 reflektiert,
bevor er mit einer vernachlässigbaren
Intensität
von weniger als 1% der Intensität
des ursprünglichen
Laserstrahls 3 als Reststrahl 16 aus dem Keilprisma 4 austritt
und zur Durchführung
des Referenzstrahlverfahrens nicht weiter benötigt wird. Hier bildet der
erste Teilstrahl 5a mit einer Intensität von ca. 90% den Messstrahl,
während
der zweite Teilstrahl 5b mit einer Intensität von ca.
4% den auf den Fotodetektor 9 gerichteten Referenzstrahl
bildet.
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Bei
den in den drei Figuren dargestellten Anordnungen A teilt das Keilprisma 4 den
Laserstrahl 3 jeweils in zwei phasengleiche Teilstrahlen 5a und 5b auf,
die anschließend
so zur Überlagerung
gebracht werden, dass sie sich im Bereich der Spulstelle 6 an dem
laufenden Faden 8 kreuzen.
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In 4 ist
eine konischen Spule 20 dargestellt, die von einer Nutentrommel 21 angetrieben wird.
Dabei erfolgt der Antrieb über
den zwischen dem Innendurchmesser 22 und dem Außendurchmesser 23 liegenden
treibenden Durchmesser 24. Der laufende Faden 8 wird
zur Erzeugung seines Hubes durch die Nuten 25 der Nutentrommel 21 geführt, wobei
er über
den Winkel 26 changiert. Die Umfangsgeschwindigkeiten der
Spule 20 sind an ihrem Innendurchmesser 22 durch
den Pfeil 27 und an ihrem Außendurchmesser 23 durch
den Pfeil 28 angedeutet.
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Der
Verlegehub durch die Nutentrommel 21 ist bei fehlerfreier
Verlegung stets gleich, wobei sich bei einer Fadengeschwindigkeit
von 600 m/min das in 5 dargestellte Geschwindigkeitsprofil
ergibt. Dabei ist die Messfrequenz f über der Zeit T aufgetragen.
Im Falle von Fehlführungen
der Nutentrommel 21, wird die Verlegesystematik gestört und das
Geschwindigkeitsprofil ändert
sich entsprechend, wie in 6 dargestellt.
Hieraus ist deutlich ersichtlich, dass die Messfrequenz f sowohl
geringer liegt als auch weniger große Amplituden aufweist. Diese Messsignalveränderung
ist elektronisch gut erfassbar, so dass gegebenenfalls geeignete
Maßnahmen automatisch
eingeleitet werden können.
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Die 7a bis 7d zeigen
die Beeinflussungen der über
die LDA-Sensoreinrichtung
erfindungsgemäß gemessenen
Garngeschwindigkeitsprofile und Garnbeschleunigungen aufgrund veränderter
Fadenzugkraftbeeinflussungen des gespulten Fadens 8. Die 7a und 7b betreffen dabei
eine geringe Fadenzugkraft, während
die 7c und 7d eine
erhöhte
Fadenzugkraft betreffen. In den 7a und 7c ist
jeweils die Garngeschwindigkeit v über der Zeit T und in den 7b und 7d ist
jeweils die Garnbeschleunigung a über der Zeit T aufgetragen.
Deutlich sind auch hier die charakteristischen Veränderungen
der jeweiligen Profile zu erkennen.
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8 zeigt
den Zusammenhang zwischen der Fadenzugkraft F und der Standardabweichung
s des Beschleunigungssignals des Fadens 8. Der Druck auf
den Tellerspanner zeigt dabei die Reibkraft einer Fadenbremse und
damit die Fadenzugkraft F auf. Es ist zu erkennen, dass sich ein
annähernd
linearer Zusammenhang ergibt.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Insbesondere muss als Teil- und Lenk-Einrichtung nicht unbedingt ein Keilprisma 4 eingesetzt
werden, sondern es können
beispielsweise auch entsprechend angeordnete Spiegelgeometrien mit
teildurchlässigem
Eingangsspiegel verwendet werden.
