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Gegenstand
der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erfassung von Objekten bei
Nähmaschinen gemäss den Merkmalen
der Schutzansprüche
1, 3 und 11.
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Nähmaschinen,
Stickmaschinen und andere Vorrichtungen zur Bearbeitung von textilen
Flächengebilden
umfassen in der Regel auswechselbare Komponenten oder Zubehörteile wie
z.B. Nähnadel, Stichplatte,
Nähfuss,
Fadenspulen, Stickrahmen und dergleichen. Abhängig von den jeweils verwendeten bzw.
angeschlossenen Objekten können
sich die Betriebsbedingungen ändern.
So kann beispielsweise die Verwendung einer Dreifachnadel den Einsatz
einer darauf abgestimmten Stichplatte bedingen und/oder eine Begrenzung
des zulässigen
Schwenkwinkelbereichs der Nadelstange oder eine Einschränkung der
zulässigen
Stichmuster erforderlich machen. In einer anderen Situation kann
die Ankopplung eines Stickrahmens an die Nähmaschine bedingen, dass gewisse
Menupunkte bzw. Wahlmöglichkeiten
zusätzlich
aktiviert werden, andere hingegen gesperrt.
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Herkömmlich können einer
Nähmaschine
Informationen über
die jeweils angeschlossenen Teile z.B. durch Auswählen bzw.
Eingeben über
eine Benutzerschnittstelle, z.B. über einen berührungsempfindlichen
Bildschirm, mitgeteilt werden. Es ist auch bekannt, z.B. Nähnadeln
mit einem optisch lesbaren Code – beispielsweise einem Barcode – zu versehen, der
dann durch entsprechende optische Lesegeräte an der Nähmaschine erfasst und ausgewertet
wird.
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Ein
Nachteil solcher Systeme liegt darin, dass für jeden zu erfassenden Teiletyp
ein eigenes Lesegerät
erforderlich ist. Zudem müssen
der optische Code auf dem zu erfassenden Teil und die Auslesevorrichtung
so relativ zueinander angeordnet sein, dass eine Sichtverbindung
besteht und der Code vom Lesegerät
erfassbar ist.
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Es
ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
zum Erkennen von Objekten bei Nähmaschinen
zu schaffen, mit denen eine Objekterfassung auch ohne Sichtverbindung
zwischen der Lesevorrichtung und dem Informationsträger möglich ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Vorrichtung
so auszubilden, dass die Erfassung mehrerer Objekte unabhängig voneinander
und nahezu gleichzeitig möglich
ist.
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Diese
Aufgaben werden gelöst
durch eine Vorrichtung zur Erfassung von Objekten gemäss den Merkmalen
der Schutzansprüche
1, 3 und 11.
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Die
erfindungsgemässe
Vorrichtung beruht auf dem Einsatz der RFID-Technologie, wobei die
zu erfassenden Objekte mit einem elektronischen Transponder (auch
Tag genannt) gekennzeichnet werden. Dieser umfasst eine Antenne
und einen analogen Schaltkreis zum Empfangen und Senden von Daten
sowie eine digitale Schaltung mit einem nicht flüchtigen, vorzugsweise mehrfach
beschreibbaren Speicher. Vorzugsweise werden kleine passive Tags verwendet,
bei denen die Energieversorgung über ein
elektromagnetisches Feld (fortan auch EM-Feld genannt), welches
von einem Lesegerät
erzeugt wird, erfolgt. Dabei erzeugt das EM-Feld in der Transponderantenne,
die je nach Frequenzbereich (HF oder UHF) z.B. als Spule oder als
Dipol ausgeführt sein
kann, einen Strom, der einen Kondensator auflädt. Alternativ kann der Transponder
bei aktiven Tags auch eine Batterie als Energiequelle benutzen. Wenn
der Mikrochip bzw. die elektronische Schaltung des Tags aktiviert
sind, empfangen sie Befehle des Lesegeräts, wobei diese dem EM-Feld aufmoduliert werden.
Das jeweilige Tag übermittelt
seine Antwort, indem es seinerseits das Feld des Lesegerätes moduliert.
Die Antwort des Tags kann z.B. auf einem Seitenband des vom Lesegerät ausgestrahlten EM-Feldes erfolgen.
In der Regel sendet das Tag dabei nicht aktiv Signale aus, sondern
moduliert das EM-Feld (z.B. Amplituden- oder Frequenzmodulation).
In "Anwendung von
RFID Systemen",
Christian Kern, Springer-Verlag, 2006 sind in Kapitel 4 Frequenzbereiche,
Stromversorgungs- und Übertragungsverfahren
erläutert.
Je nach Anforderungen wie z.B. Reichweite, Richtcharakteristik oder
Störfaktoren
können
RFID-Systeme mit unterschiedlichen Frequenzen im Bereich von etwa
100kHz bis gegen 10 GHz betrieben werden. EM-Felder mit solchen Frequenzen
werden hier auch als hochfrequente Felder bzw. HF-Felder bezeichnet.
Die Energieversorgung erfolgt bei passiven Systemen rein induktiv über das
EM-Feld, kann aber bei gewissen Anwendungen mit grosser Reichweite
auch Batterien umfassen. Für die
Kopplung zwischen Transponder und Lesegerät sind in der Praxis zwei Verfahren
von Bedeutung: Die induktive Informationsübertragung (Entfernungen im Nahbereich
bis etwa 1cm und im Fernbereich bis etwa 1m) und das sog. "Backscatter-Verfahren", welches das elektromagnetische
Feld nutzt und vor allem bei Frequenzen oberhalb etwa 800 MHz für grosse
Reichweiten eingesetzt wird. Dabei kann z.B. ein elektronischer
Schalter zeitweise eingeschaltet und so die Wirkung einer Spule
auf das EM-Feld in Abhängigkeit
der zu übertragenden
Daten verändert und
entsprechend das EM-Feld moduliert werden. Dies wiederum kann über den
im Lesegerät
eingebauten Sender detektiert werden.
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Im
Speicher des Tags ist ein Identifikationscode gespeichert, welcher
den Objekttyp oder das Objekt eindeutig kennzeichnet. Bei einer
möglichen Ausgestaltung
ist ein zusätzlicher
Speicherbereich zum Speichern von Informationen vorgesehen, die im
Zusammenhang mit dem Objekt bzw. mit dessen Benutzung stehen, beispielsweise
die Art, Menge und Farbe eines auf einen Spulenkörper aufgewickelten Fadens.
Solche Informationen können
bei Bedarf vom Lesegerät
an das Tag übermittelt
werden, falls das Lesegerät
als Schreib- und Lesestation ausgebildet ist. Da der Energiebedarf
zum Schreiben erhöht
ist, kann es unter Umständen
erforderlich sein, zusätzlich
Energie zur Verfügung
zu stellen, beispielsweise indem das zu beschreibende Teil in unmittelbare
Nähe der
Sendeantenne des Schreib-Lesegerätes
gebracht wird.
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Das
Lesegerät
und das verwendete Verfahren zum Lesen und gegebenenfalls zum Beschreiben von
Tags können
so ausgebildet sein, dass selbst bei mehreren Tags, die sich gleichzeitig
innerhalb des Erfassungsbereiches befinden, eine störungsfreie Kommunikation
mit jedem der Tags unabhängig
bzw. nacheinander möglich
ist. Entsprechende Protokolle bzw. Verfahren sind z.B. aus der DE-A1-10161302 und
der DE-A1-102004018541 bekannt.
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Um
Störungen
bei der Auswertung der Modulation des EM-Feldes vorzubeugen, wie sie z.B. durch
Reflexionen an Metallen entstehen können, werden die Tags insbesondere
bei der Kennzeichnung metallischer Objekte vorzugsweise nicht direkt auf
diese Objektoberflächen
aufgebracht, sondern auf einem flaggenartig von der Oberfläche vorstehenden
Kunststoffplättchen.
Abhängig
von der jeweiligen Konfiguration (Antenne, Frequenz, Richtcharakteristik,
Metalle in der Umgebung, ...) können
Antennen auch direkt auf einen isolierten Metallkörper aufgebracht
werden.
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Bei
einer weiteren Ausbildung der Erfindung können Tags so konstruiert sein,
dass sie zusätzlich eine
Aktivierungssperre umfassen, welche ein Aussenden von Informationen
erst dann ermöglicht, wenn
gewisse Bedingungen erfüllt
sind. Damit kann z.B. sichergestellt werden, dass nur Informationen von
jenen Tags abgefragt werden, deren zugeordnete Teile korrekt an
die Nähmaschine
angeschlossen sind. Von Teilen hingegen, welche ebenfalls im Erfassungsbereich
der Empfangsstation sind, die aber nicht an die Nähmaschine
angeschlossen sind (beispielsweise zusätzliche Unterfadenspulen oder
Nähnadeln),
werden keine Daten übermittelt.
Solche Aktivierungssperren können
z.B. elektrische Kontakte umfassen, welche nur bei ordnungsgemässem Einsatz
an der Maschine z.B. durch eine leitende Verbindung kurzgeschlossen
werden. Alternativ können auch
z.B. mechanisch oder magnetisch betätigbare Schaltelemente oder
optische Sensoren zum Erfassen der korrekt an die Maschine angeschlossenen Teile
vorgesehen sein.
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Die
Reichweite bzw. Grösse
des Erfassungsbereichs eines Schreib-Lesegeräts hängt von verschiedenen Parametern
wie z.B. Sendeleistung, Grösse
und Anordnung der Sende- und Empfangsantennen, Einfluss von dämpfenden
oder reflektierenden Objekten (z.B. Metallteile) usw. ab. An einer Nähmaschine
können
eine oder mehrere Schreib-Lesestationen
so angeordnet sein, dass ihre Erfassungsbereiche alle Orte einschliessen,
an denen mit elektronischen Marken gekennzeichnete Teile erkannt
werden müssen.
Insbesondere können Schreib-Lesegeräte oder
zumindest die zugehörigen Antennen
im Bereich des Nähmaschinenkopfes,
im Oberarm oder im Unterarm einer Nähmaschine angeordnet sein.
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Anhand
einiger Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben.
Dabei zeigen
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1 Eine
Seitenansicht einer Nähmaschine
mit mehreren Schreib-Lesegeräten,
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2 eine
perspektivische Darstellung einer Spulenkapsel und einer Unterfadenspule,
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3 eine
Stichplatte mit einem RFID-Marker,
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4 ein
Nähfuss
mit einem RFID-Marker,
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5 eine
Detailansicht einer Nähmaschine mit
einem Nähfuss
und einer Nähnadel
mit RFID-Markern.
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1 zeigt
eine Seitenansicht einer Nähmaschine 1 mit
einem Ständer 3,
einem Unterarm 5 und einem Oberarm 7, dessen freies
Ende als nach unten vorspringendes Kopfteil 9 ausgebildet
ist. Am Kopfteil 9 ragen nach unten eine Nadelstange 11 mit
darin eingesetzter Sticknadel oder Nähnadel 13, ein mittels eines
Schwenkhebels 15 an der Stoffdrückerstange (nicht sichtbar)
wieder lösbar
befestigter Nähfuss 17 und
ein Betätigungshebel 19 für eine (in 1 nicht dargestellte)
Einfädelvorrichtung
hervor. Unterhalb der Stichbildungsvorrichtung ist eine auswechselbare
Stichplatte 21 in einer Ausnehmung an der Oberseite des
Unterarms 5 befestigt. Darunter ist das Greifergehäuse 23 mit
dem Greifer 25 angeordnet. Das Greifergehäuse 23 ist
durch einen nach vorne abklappbaren Gehäusedeckel (in 1 nicht
dargestellt) zugänglich.
In den Greifer 25 ist eine herausnehmbare Spulenkapsel 27 mit
einer auswechselbaren Unterfadenspule 29 eingesetzt. Diese
sind in 2 separat dargestellt. An der
Oberseite des Oberarms 7 ist in 1 ein dreh-
oder schwenkbarer stabförmiger
Garnrollenhalter 33 zum Aufsetzen einer Fadenspule mit
dem Oberfaden sichtbar. Im Weiteren ist dort auch eine antreibbare
Spulerachse 31 ausgebildet. Zum Aufspulen eines Nähfadens
(nicht dargestellt) auf eine Unterfadenspule 29, kann diese wie
in 1 dargestellt auf die Spulerachse 31 aufgesteckt
werden.
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Die
Nähmaschine 1 umfasst
eine (nicht dargestellte) Nähmaschinensteuerung,
fortan kurz Steuerung genannt. Die Steuerung ist mit Tasten bzw. allg.
mit Bedienelementen 35 und mit einer Anzeige 37 verbunden
und unterstützt
eine menügesteuerte Maschinenbedienung.
Im Weiteren sind eine oder mehrere RFID-Lesestationen mit einem
Sender- Empfänger, fortan
auch kurz Lesestationen 39 genannt, an der Nähmaschine 1 angeordnet
und mit der Steuerung wirkungsmässig
verbunden. Eine oder mehrere dieser RFID-Lesestationen 39 können auch eine
Schreibfunktion zum Übermitteln
und Speichern von Informationen in zugeordneten RFID-Markern umfassen.
Im Beispiel von 1 sind vier mögliche Anordnungen
für Lesestationen 39 dargestellt,
nämlich
im Nähmaschinenkopf 9,
in einem seitlich wieder lösbar
an den Nähmaschinenkopf 9 ankoppelbaren Funktionsmodul 41,
im Ständer 3 oder
im Unterarm 5 bzw. im Greifergehäuse 23.
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Verschiedene
an die Nähmaschine 1 ankoppelbare
bzw. austauschbare Zubehörteile
wie Stichplatten 21 (3), Nähfüsse 17 (4),
Nähnadeln 13 (5),
Nähtische,
Kantenlineale oder Stickrahmen (keine Abbildung) können mit
einem RFID-Marker 49 (auch Tag, Transponder oder elektronische Marke
genannt) gekennzeichnet sein. Solche RFID-Marker 49 umfassen
im Wesentlichen eine Spule bzw. Antenne 51 für die Energie-
und Informationsübertragung
und einen integrierten elektronischen Schaltkreis bzw. einen Chip 53 mit
einem Speicher. In der Regel umfasst der elektronische Schaltkreis
Schaltelemente zum Kurzschliessen der Spule oder von einzelnen oder
mehreren Spulenwindungen in Abhängigkeit
der im Speicher hinterlegten Informationen. Auf technische Details
der Informationsübertragung
von der Lesestation 39 an den RFID-Marker 49 und
umgekehrt mittels hochfrequenter elektromagnetischer Felder (auch
RF bzw. Radio Frequency genannt) wird hier verzichtet, da diese
aus dem einschlägigen
Stand der Technik bekannt sind. Herkömmlich werden RFID-Tags z.B.
zur Warenverfolgung, zur Dokumentation von Bearbeitungsschritten von
Produkten, zur Speicherung produktbezogener Daten, zur Kennzeichnung
von Büchern
in Bibliotheken oder als Diebstahlsicherung eingesetzt. Weitere Einsatzgebiete
der RFID-Technologie liegen im Bereich der Medizin und bei berührungslos
arbeitenden Chipkarten.
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RFID-Marker 49 können unterschiedliche Formen
und Grössen
haben. Nebst Transpondern in Etikettenform unterschiedlicher Grösse sind
z.B. auch solche in Gestalt von vom Mensch oder Tier einnehmbaren
Kapseln oder Tabletten oder von Getreidekörnern bekannt, wie sie beispielsweise
in der US-A1-2006004484 beschrieben sind. Bei der vorliegenden Erfindung
umfassen die RFID-Marker 49 vorzugsweise kleine Kunststoffkörper (4)
oder -plättchen
(3, 5) mit integrierter Antenne 51 und
integriertem Elektronik-Chip 53 (welche nur in den 2 und 3 und
auch dort nur symbolisch dargestellt sind). Im Beispiel von 2 ist
der RFID-Marker 49 in einen der Flansche der Unterfadenspule 29 integriert.
Dadurch, dass die unmittelbare Nähe
der Spule bzw. der Antenne 51 metallfrei gehalten ist,
können
sowohl Energieversorgung als auch die Kommunikation zwischen dem
Schreib-Lesegerät 39 und
dem RFID-Marker 49 einwandfrei über für die jeweilige Funktion ausreichend
grosse Distanzen (z.B. <=
1cm oder <= 1m)
sichergestellt werden.
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RFID-Marker 49 können wieder
lösbar
oder fest mit den zugehörigen
Objekten verbunden sein. In jedem der RFID- Marker 49 ist ein Identifizierungscode
gespeichert, der das zugeordnete Objekt oder dessen Art oder Gattung
eindeutig identifiziert. Gelangt ein Objekt bzw. dessen RFID-Marker
in den Erfassungsbereich einer Lesestation 39, so fragt
diese den gespeicherten Identifikationscode und i gegebenenfalls
weitere im Chip 53 gespeicherte Informationen ab. In Abhängigkeit
dieser Informationen kann die Nähmaschinensteuerung
unterschiedliche Konfigurationen und Anpassungen vornehmen. So können beispielsweise
dem Benutzer auf der Anzeige 37 Warnungen oder auf die
jeweils erfassten Objekte abgestimmte Bedienungsmenüs angezeigt
werden. Bei der gleichzeitigen Erfassung zweier Objekte, die in
einer gewissen Abhängigkeit
zueinander stehen, also beispielsweise einer bestimmten Stichplatte 21 und
einer Nähnadel 13 oder
einer Nähnadel
und eines Nähfusses 17,
kann die Steuerung gewisse in dieser Kombination unzulässige Funktionen
verhindern. So kann beispielsweise vermieden werden, dass eine Mehrfachnadel
zusammen mit einer Stichplatte 21 mit einer kleinen Einstichöffnung verwendet wird.
Ebenso ist es möglich,
dass der zulässige Schwenkbereich
der Nadelstange 11 in Abhängigkeit des an der Nähmaschine 1 eingesetzten
Nähfusses 17 eingeschränkt oder
angepasst wird.
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Zur
Vermeidung von Fehlern, wenn ein Objekt bzw. dessen RFID-Marker 49 zwar
im Erfassungsbereich einer Lesestation 39, aber nicht korrekt an
die Nähmaschine 1 angeschlossen
ist, kann die Steuerung so programmiert sein, dass aufgrund der vom
RFID-Marker 49 übertragenen
Signale ein erkanntes Objekt zuerst angezeigt und erst nach einer Bestätigung durch
den Benutzer freigegeben wird. Alternativ kann das Objekt bzw. der
RFID-Marker 49 einen Sensor umfassen, der den korrekten
Anschluss des Objektes an die Nähmaschine 1 erkennt und
eine Übertragung
von Informationen an ein Lesegerät 39 nur
dann zulässt,
wenn das Objekt korrekt an die Nähmaschine 1 angeschlossen
ist. Zum Erkennen des korrekten Anschlusses können im einfachsten Fall zwei
elektrische Kontakte 55 am RFID-Marker 49 oder am mit dem RFID-Marker 49 verbundenen
Objekt ausgebildet sein. Bei korrektem Anschluss des Objektes an
die Nähmaschine 1 werden
diese Kontakte 55 durch ein korrespondierendes Verbindungselement
(nicht dargestellt) an der Nähmaschine 1 überbrückt. Auf
diese Weise kann z.B. eine Unterbrechungsstelle in der Antennenspule 51 überbrückt werden,
wodurch die Energieversorgung des Chips 53 durch das modulierte
elektromagnetische Feld des Lesegeräts 39 erst ermöglicht wird.
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Bei
einer weiteren alternativen Ausgestaltung wird die Informationsübertragung
vom RFID-Marker 49 an das Lesegerät 39 nicht verhindert,
sondern modifiziert, wenn das Objekt zwar erkannt, aber nicht korrekt
an die Nähmaschine 1 angeschlossen
ist. Dabei werden im Beispiel von 4 die Kontakte 55 zur
Beeinflussung eines Sensoreingangs des Chips 53 benutzt.
Die Antennenspule 51 ist in diesem Fall nicht unterbrochen,
sodass der RFID-Marker 49 erkannt
wird, sobald er sich im Erfassungsbereich einer Lesestation 39 befindet.
Ein Vorteil dieser Lösung
liegt darin, dass fehlerhaft angeschlossene Teile erkannt und Folgeschäden verhindert
werden können.
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Im
Falle einer Nähnadel 13 kann
z.B. eine elektrische Verbindung zwischen einem Anschluss des Chips 53 auf
dem Marker 49 und der Nähnadel 13 vorgesehen
sein. Bei korrektem Anschluss der Nadel an der Nadelstange 11 wird
zusätzlich
ein ebenfalls mit dem Chip 53 verbundener Kontakt 55 des
Markers 49 mit einem korrespondierenden Kontakt an der
Nadelstange 11 verbunden, welche ihrerseits wiederum in
Kontakt mit der Nähnadel 13 steht.
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Alternativ
zu Kontaktflächen 55,
welche kurzgeschlossen werden müssen,
können
auch andere Mittel als Aktivierungssperre zum Verhindern der Informationsübertragung
oder als Mittel zum Ändern der
an das Lesegerät 39 zu übertragenden
Information verwendet werden, beispielsweise eine optische Reflexlichtschranke
oder ein magnetisch auslösbarer Schalter
(keine Darst.).