DE2918385A1 - Naehmaschine - Google Patents

Description

DR.-ING. DIPL-ING.M. SC. DIF.. PMf.DR. OtPL.-PHYS. DIPU-PHYS. DR.

HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER BQEHME

PATENTANWÄLTE IN STUTTeART

A 43 328 m Anmelder: Union Special Corporation

m - 168 400 North Franklin Street

18. April 1979 Chicago, Illinois 60610

U.S.A.

Beschreibung Nähmaschine

Die Erfindung betrifft eine Nähmaschine mit einer Getriebeeinrichtung zur Umwandlung einer Dreh- in eine Schraubenbewegung .

Die Erfindung befaßt sich mit einem neuen Mechanismus zur Umwandlung einer kontinuierlichen Eingangs-Drehbewegung in eine hin- und hergehende Schraubenbewegung. Insbesondere hat es die Erfindung mit einem hin- und hergehenden Mechanismus zu tun, wie er in Industrienähmaschinen zur Erzeugung von Stichen der Klasse 500 (USA-Norm) verwendet wird. Diese Stiche sind allgemein als Überwendlichstiche bekannt. Zu ihrer Ausbildung ist ein als Greifer oder Spreizer bekanntes, fadentragendes Element erforderlich, welches einen oder mehrere Fäden von einer Position unter der Ebene des zu vernähenden Materials um die Materialkante herum bewegt, so daß decoder die Fäden oberhalb des zu vernähenden Materials in eine bestimmte geometrische Stellung relativ zu einer Nadel gelangen.

Nähmaschinen zur Ausbildung von Überwendlichstichen sind an sich bekannt. Diese Stiche sind allgemein in die Stichklasse 500 der USA-Norm eingeordnet. Am verbreitetsten sind die Stiche der Typen 502, 503 und 504. Bei der Ausbildung eines 504-Stiches (vergl. Fig. 8 bis 11) wird zusammen mit einer Nadel 500 und einem unteren Greifer 502 ein oberer Greifer

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504 angewandt. Der obere Greifer 504 nimmt den unteren Greiferfaden 510 an einem Punkt auf, der normalerweise unterhalb der Ebene des zu vernähenden Stoffes 506 liegt, wie in Fig. 9 dargestellt. Der obere Greifer 504 läuft dabei an der Rückseite des unteren Greifers 502 vorbei, um die Fadenaufnahme zu vollziehen. Der obere Greifer 504 muß dann nach oben und außen derart verlaufen, daß er durch einen Punkt geht, der unterhalb und etwas vor der Spitze 508 der Nadel 500 liegt. In diesem Punkt muß der Greifer 504 etwas verweilen, so daß die Nadel 500, wenn sie ihren nach abwärts gerichteten Lauf beginnt, in das Dreieck des Greiferfadens eintreten kann, welches sich an der Rückseite des Greifers 504, wie in Fig. 10 dargestellt, ausbildet. Der Greifer muß also offensichtlich ausgehend von einer Lage unterhalb und hinter der Nadel 500 (in Fig. 9 dargestellt, wo er den unteren Greiferfaden quert) zu einer oberen Lage vor der Nadel 500 (in Fig. 10 dargestellt) laufen. Für eine vollständige Erörterung der Ausbildung eines Stiches des Typs 504 wird verwiesen auf "Stitch Formation Type 504" veröffentlicht von Union Special Corporation, 400 North Franklin Street, Chicago, Illinois 60610.

Im allgemeinen wird eine Anzahl verschiedener Mechanismen in den verschiedenen Nähmaschinen verwendet, um bei der Erzeugung eines Überwendlichstiches den unteren Greiferfaden von der Unterseite zur Stoffkante zu führen. Diese Mechanismen bestehen herkömmlicherweise entweder aus vielstrebigen Gelenkverbindungssystemen oder aus Walzennockensystemen, die ausgehendvon einer Hauptantriebskurbelwelle in der Nähmaschine über Verbundsysteme von Verbindungsstangen, Exzenter, Gelenkverbindungen, Treibriemen u. dgl. angetrieben sind. Aufgrund der Schwierigkeit, die erforderliche Bewegung aus-

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zuwuchten, liegen große, unausgewuchtete Trägheitskräfte und Momente in den bekannten Mechanismen vor, welche Ursache starker Geräusche und Vibrationen sind. Daneben ist das Verbundsystem der Gelenke und Exzenter, welches bei einem bestimmten Typ eines Mechanismus Anwendung findet, schwer zu schmieren und bietet Probleme hinsichtlich seiner Abnutzung, des überhubs und der Temperatur bei hohen Geschwindigkeiten. Mechanismen, die von einer stationären, schraubenförmigen Walzennocke abhängen, bieten ähnliche Probleme bei der Gleitbewegung des Nockenfolgegliedes entlang der schraubenförmigen Spur und bei den für die Verbindung mit der Hauptkurbelwelle erforderlichen Verbindungsgliedern.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den geschilderten Mangeln bekannter Mechanismen abzuhelfen und eine Nähmaschine vorzuschlagen, in welcher eine im wesentlichen schraubenförmige, hin- und hergehende Ausgangsbewegung direkt von einer kontinuierlichen Eingangsdrehbewegung abgeleitet ist, ohne Zwischenschaltung einer Hauptkurbelwelle.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:

ein Kardangetriebe mit einem eine geradlinige Bahn durchlaufenden Ausgangsmittelpunkt;
einen ein Werkzeug tragenden Arm;

ein Lager, in dem der Arm derart gehalten ist, daß er lediglich entlang seiner und um seine Hauptachse frei beweglich ist;

kraftübertragende Verbindungsmittel zur Übertragung von Translations- und Rotationskräften vom Ausgangsmittelpunkt zum Arm und eine schräge oder windschiefe Anordnung der geradlinigen Bahn des Ausgangsmittelpunktes relativ zu der

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durch das Lager vorgegebenen, geradlinigen Bahn des Armes.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung bestehen in folgendem: Es wird ein Mechanismus vermittelt, der in der Lage ist, ein fadentragendes Element, insbesondere einen Greifer oder einen Spreizer, über eine Bahn hinweg zu führen, die der bei der Erzeugung eines Überwendlichstiches erforderlichen Geometrie entspricht. In dem erfindungsgemäßen Mechanismus sind die Kräfte und Momente, welche während der schraubenförmigen Bewegung erzeugt werden, ausgewuchtet. Infolgedessen besitzt der Mechanismus eine erheblich gesteigerte Lebensdauer. Gleichzeitig sind Geräusche' und Vibrationen wesentlich reduziert. Durch den erfindungsgemäßen Mechanismus wird ein Werkzeug, beispielsweise ein oberer Greifer zumindest auf einem Teil einer schraubenähnlichen Kurve hin- und hergehend angetrieben. Ein Kardangetriebe hat einen Ausgangsmittelpunkt, der eine geradlinige Bahn durchläuft. Dieses Kardangetriebe dient dazu, einen Arm gleichzeitig hin- und " herzubewegen und zu verdrehen. Dieser Arm trägt seinerseits den oberen Greifer. Ein Lager führt den Arm derart zwangsläufig, daß er sich Isdiglich auf einer geradlinigen Bahn hin- und herbewegen und um die Achse dieser Bahn verdrehen kann. Kraftübertragende Verbindungsmittel verbinden den Ausgangsmittelpunkt des Kardangetriebes mit dem Arm. Diese Verbindungsmittel können Translations- und Rotationskräfte übertragen. Die geradlinige, vom Ausgangsmittelpunkt des Kardangetriebes durchlaufene Bahn liegt in einer ersten Ebene, die im Abstand jedoch parallel zu einer zweiten Ebene liegt, in welcher der geradlinige Weg verläuft, der von dem Arm durchlaufen wird. Die beiden geradlinigen Bahnen verlaufen ferner relativ zueinander windschief oder schräg.

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Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische und schaubildliche Teilansicht einer Nähmaschine, in der ein oberer Greifer von einem als Baustein ausgebildeten Kardangetriebe angetrieben ist;

Fig. 2 eine horizontale Teilschnittansicht des Kardangetrie bes mit oberem Greifer;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Bewegungsbahn des Mittelpunkts eines Gleitzapfens und der entsprechenden, von der Spitze des oberen Greifers durchlaufenen Bahn;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Bahn des Mittelpunkts des Gleitzapfens und der von einem den Greifer tragenden Arm durchlaufenen Bahn, wenn sich der Arm entlang seiner Hauptachse bewegt;

Fig. 5, 6 und 7 Teilansichten der Beziehung von_Akraftübertragenden Mittel zu Ausgangsmitteln und einer Greiferstange in verschiedenen Punkten des Arbeitszyklus;

Fig. 8 bis 11 Teilansichten einer an sich bekannten Ausbildung des 504-Stiches;

Fig.12 eine Modelldarstellung mit verschiedenen, während eines Arbeitszyklus auf das System einwirkenden Faktoren und

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Fig.13 eine Einrichtung, bei welcher lediglich die Rotationsbewegung zum Antrieb eines Mechanismus benutzt wird.

Bei c/sr in Fig. 1 stilisiert dargestellten Nähmaschine 200 schließt eine besondere Kardanantriebsanordnung 152 für den oberen Greifer ein Kardangetriebe 154 ein. Eine Greiferstange 156 trägt den oberen Greifer 158. Ferner sind eine Reihe von als Bausteine ausgebildeten Kardanantrieben vorgesehen, welche diejenigen Elemente der Nähmaschine antreiben, die miteinander bei der Ausbildung des betreffenden Stiches, beispielsweise eines 504-Stiches zusammenwirken. Hierzu gehören ein Kardangetriebebaustein 202 für den unteren Greifer, ein Kardangetriebebaustein 204 für die Nadel und der Kardangetriebebaustein 152 für den oberen Greifer.

Das Kardangetriebe 154 schließt einen als erweiterte Verlängerung ausgebildetes Gestellteil 18 der Antriebswelle 14 ein, welches frei tragend in einem Hauptlager 16 gelagert ist. Wie dargestellt, ist das Gestellteil 18 so gestaltet, daß es ein Ritzelgetriebe 17 (Fig. 2) aufnehmen kann. Das Gestellteil 18 weist einen horizontal verlaufenden Hohlraum und einen Ausschnitt 30 auf. Der Ausschnitt 30 ermöglicht den Eingriff eines Ritzels 22 in einen Innenzahnkranz 24, der im Kardangetriebebaustein 152 befestigt ist. Der Hohlraum 28 nimmt ein Doppellager auf, welches aus zwei Lagergarnituren 167 und 169 (unterschiedlichen Durchmessers und damit unterschiedlicher Umlaufgeschwindigkeit) besteht. Die Lagergarnituren 167 und 169 dienen der Lagerung einer Ritzelwelle 36. Das Ritzel 22 ist mittels einer Stellschraube 3 8 an der Ritzelwelle 3 6 befestigt. Am linken Ende 40 der Ritzelwelle 3 6 ist ein Verbindungsarm 44 fest angeordnet, der seinerseits mit · einem ein Werkzeug tragenden Arm 156 in Gestalt einer geraden

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Stange (Greiferstange) derart verbunden ist, daß ein insgesamt frei tragendes System geschaffen ist. Der Verbindungsarm 44 dient weiterhin auch der Befestigung einer Masse 46 an der Ritzelwelle 36, die auf diese Welle eine Kraft ausübt, wenn die Welle um die Linie 41 ausgewuchtet ist, so daß der auf das Doppellager einwirkendeLastvektor gleich Null ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Masse 46 als Gegengewicht ausgebildet, die mittels eines Stiftes 48 am Verbindungsarm 44 gehalten ist. Der Verbindungsarm 44 weist weiter einen mit Gewinde versehenen Abschnitt 50 auf, an dem eine Spannschloßmutter 52 angreift. Der Verbindungsarm wird durch eine öffnung 51 hindurch in die Ritzelwelle 3 6 eingesetzt. Anschließend spannt die Mutter 52 die Einzelteile in vorbestimmter Lage zusammen.

Die erwähnten Lager, nämlich das Hauptlager 16, das aus den Lagergarnituren 167 und 169 bestehende Doppellager und noch zu erläuternde, kraftübertragende Verbindungsmittel 102 sind alle mit einem Öl- oder Schmiersystem verbunden. Das öl tritt durch einen Hauptkanal 68 unter Druck ein und verteilt sich hierauf über mehrere Hilfskanäle zu den betreffenden Schmierstellen. Die Lagergarnitur 167 erhält das Öl über einen Kanal 70, das Hauptlager 16 über Kanäle 72 und 74, die Lagergarnitur 169 über den Kanal 72 und einen Kanal 76 und die Verbindungsmittel 142 über den Kanal 72 und einen weiteren Kanal 78. Dabei kann eine ölpumpanlage Anwendung finden, wie sie im Zusammenhang mit Industrienähmaschinen bekannt ist.

Die Ritzelwelle 36 ist durch eine Druckscheibe 80 am Platz gehalten. Dabei liegt der äußere Laufring 82 der Lagergarnitur 167 auf der einen Seite und der Gestellteil 18 an der anderen Seite der Druckscheibe 80 an. Bei der bevorzugten

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Ausfuhrungsform der Erfindung bestaht die Druckscheibe 30 aus einem Material,, welches von der Firma DuPont Corporation unter dem Handelsnamen "Vespel" hergestellt und vertrieben wird. Die Druckscheibe 80 vermittelt eine im wesentlichen reibungsfreie Abstützfläche für das Ritzel 22, so daß die Ritzelwelle und ihre Zubehörteile mit Bezug auf die Gestellanordnung fixiert sind.

Weitere Elemente des Kardangetriebes 154 für den oberen Greifer umfassen gemäß Fig. 2: den bereits erwähnten Verbindungsarm 44 mit einem Ausgangsmittelpunkt 164, die kraftübertragenden Verbindungsmittel 102 und ein Lager 160. Das hier betrachtete Kardangetriebe 154 ist auch in der schwebenden US-Patentanmeldung Ser. Nr. 908 199 (deutsche Patentanmeldung P ) erläutert. Die zur Anwendung gelangenden, kraftübertragenden Verbindungsmittel 102 sind noch deutlicher und klarer in der ebenfalls schwebenden US-Patentanmeldung Ser. Nr. 904 203 (deutsche Patentanmeldung P offenbart. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Lager 160 einen Teil der Abdeckung oder des Gestells 163 des Bausteins 152, d.h., das Lager 160 ist mit Bezug auf das Kardangetriebe 154 ortsfest.

Wie aus den schematischen Darstellungen der Figur 3 und 4 hervorgeht, durchläuft die Spitze 162 des Greifers 158 eine sich nach oben hin erstreckende,schraubenförmige Bahn in Richtung auf die Nadel 101 zu. Die geradlinigen Bahnen, welche von dem Mittelpunkt der Greiferstange 156 und dem Ausgangsmittelpunkt 164 des Kardangetriebes durchlaufen werden, sind durch die Linien 166 bzw. 168 angegeben. Diese beiden geradlinigen Bahnen verlaufen in parallel zueinander im Abstand angeordneten Ebenen. Dies bedeutet, daß in Fig. 4 die Bahn

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168 in der Zeichnungsebene liegt, während die Bahn 166 in einer Ebene verläuft, die etwas oberhalb der Zeichnungsebene liegt. Diese beiden Ebenen sind parallel und im Abstand voneinander angeordnet, während die geradlinigen Bahnen 166 und 168 schräg oder windschief zueinander unter einem Winkel © verlaufen.

Die Relation der Greiferstange 156 zu den Verbindungsmitteln 102 am Verbindungsarm 44 zu Beginn des Zyklus ist in Fig. 5 dargestellt. Die Linie 168 in Fig. 3 entspricht der Bahn, die vom Ausgangsmxttelpunkt 164 durchlaufen wird. Wie auch in der bereits erwähnten US-Patentanmeldung Ser. Nr. 904 203 (deutsche Patentanmeldung P ) erläutert, umfassen die kraftübertragenden Verbindungsmittel 102 eine Kugel 104, einen Gleitzapfen 108, der in einer öffnung 11O der Kugel verschieblich ist, und eine Lagerbuchse 106. Die Kugel 104 ist derart in der Lagerbuchse 106 drehbar gelagert, daß der Zapfen 108 in ihr gleitet, während die Kugel in der Lage ist, sich in der Buchse 106 zu verdrehen. Der Gleitzapfen 108 ist fest mit der Greiferstange 156 verbunden.

Zu Beginn des Zyklus, vergl. "A" in Fig. 4, befinden sich die Stange 156 des oberen Greifers, die Kugel 104 und der Verbindungsarm 44 in der in Fig. 5 dargestellten Lage. Wenn sich diese Anordnung in die Position "B" in Fig. 4 bewegt, was der Stellung gemäß Fig. 6 entspricht, werden translatorische und rotatorische Kräfte auf die Greiferstange 156 übertragen. Da die Mittellinie der Greiferstange 156 der Linie 166 und der Ausgangsmittelpunkt 164 der Linie 168 (Fig. 3) entsprechen, ist es offensichtlich, daß der Gleitzapfen 108 weiter in die Kugel 104 hinein gleitet. Dieses Hineingleiten vollzieht sich- gleichzeitig mit einer resultierenden Ver-

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drehung der Stange 156. Der Hub oder die translatorische Entfernung entspricht der Strecke 2X/2, wie in Fig. 4 dargestellt. Wenn die Verbindungsmittel 102 anschließend ihre Bewegung über die Bahn 168 fortsetzen, erreichen sie allmählich das Hubende, welches in Fig. 4 bei "C" dargestellt ist. Die Spitze 162 des Greifers 158 durchläuft während dieser Zeit eine Kurve, die der (schraubenförmigen) Bahn 161 in Fig. 3 entspricht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durchläuft die Spitze 162 lediglich einen Teil einer an sich insgesamt möglichen Schraubenkurve. Die Bewegung führt die Greiferspitze jedoch auf die Rückseite des unteren Greifers 151 und auf die Vorderseite der Nadel 101. In der Position "C" nehmen die einzelnen Elemente die in Fig. 7 dargestellte Orientierung ein, wobei die Greiferstange 156 über einen Winkel hinweg verdreht und über einen translatorischen Hub X bewegt ist. Der Rückkehrhub erfolgt auf derselben Bahn, entsprechend der Bahn 168 in Fig. 4, wobei die Position "B" durchlaufen wird, bevor die Ausgangslage "A" wieder erreicht wird. Dabei läuft die Greiferspitze 162 auf der Bahn 161 zurück. Dies bildet einen vollständigen Arbeitszyklus, der erforderlich ist, um einen einzelnen Stich zu bilden. Während dieses Zyklus bewegt sich der Ausgangsmittelpunkt 164 in den X- und Y-Dimensionen, während sich die Greiferspitze 162 in den X-, Y- und Z-Dimensionen bewegt. Der Mittelpunkt der Greiferstange 156 verschiebt sich jedoch lediglich in der X-Dimension.

Der Hub oder die translatorisehe Entfernung, über welche hinweg die Greiferstange 156 bewegt wird, hängt vom Hub des den Ausgang des Kardangetriebes bildenden Verbindungsarmes 44 ab. Der Hub des Armes 44 hängt seinerseits direkt von der Größe des ihn antreibenden Kardangetriebes ab. Um eine gerad-

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linige Ausgangsbewegung des Ausgangsmittelpunktes 154 zu erhalten, muß dieser Punkt direkt auf dem Rollkreisdurchmesser des Innenzahnkranzes 24 liegen. Bezüglich weiterer Information betreffend die Konstruktion und Arbeitsweise des Kardangetriebes wird auf die bereits erwähnte, schwebende US-Patentanmeldung Ser. Nr. 908 199 (deutsche Patentanmeldung P ) verwiesen. Die schraubenförmige Bahn 161 gemäß Fig. 3 wird dadurch erreicht, daß man die vom Ausgangsmittelpunkt 164 durchlaufene Bahn schräg stellt. Die Größe des die Schrägstellung bestimmenden Winkels © bestimmt sowohl die Rotation als auch die Translation der schraubenförmigen Bahn 161. Je größer der Winkel ist, desto größer ist die Drehung der schraubenförmigen Bahn und desto kürzer die translatorisehe Verschiebung. Je kleiner umgekehrt der Winkel© ist, umso größer ist die Verschiebebewegung und umso kleiner die Drehbewegung der schraubenförmigen Bahn. Bei der dargestellten Ausführungsform ist es möglich, lediglich etwa die ersten 90° der Schraube zu erreichen. Diese Beschränkung ist dem System aufgrund der Konstruktion der kraftübertragenden Verbindungsmittel 102 auferlegt. Um die gewünschte Nähfunktion ausüben zu können, erwies es sich, daß der von der Greiferspitze 162 durchlaufene Weg lediglich über 72° von an sich möglichen 360° verlaufen muß, wobei 3 60° dem gesamten Schraubenwinkel zugeordnet wären. Ein wichtiger Faktor ist jedoch, daß mit der beschriebenen Vorrichtung eine ebene Bewegung in eine räumlich verlaufende Ausgangsbewegung übersetzt wird.

Der Winkel© zwischen den Bahnen 166 und 168 kann in verschiedener Weise eingestellt werden. So können beispielsweise die Stützmittel für das Lager 106 mit Justiermitteln versehen werden. Diese Justiermittel gestattendes, den Winkel

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in einem vorbestimmten Bereich zu variieren. Ein anderer Justiermodus schließt das Abstützgehäuse des Kardangetriebes mit ein. Das Abstützgehäuse kann mit Justiermitteln versehen werden, so daß das ganze Kardangetriebe nach der einen oder anderen Seite hin verdreht werden kann, um die gewünschte Winkelstellung zu erreichen.

Wie nachstehend noch erläutert, muß aufgrund des Drehmoments des Zapfens 108, der Stange 156 und des Greifers 158 zusammen mit dessen Halter die resultierende, rotatorische Trägheitsunwucht in Betracht gezogen werden. Es wurde jedoch gefunden, daß bestimmte Einstellungen am Gegengewicht 165 der Ritzelwelle vorgenommen werden können, so daß sich ein funktionsfähiger Mechanismus ergibt. Insbesondere wurden m Abhängigkeit von anderen Parametern bis zu 15 % des Gesamtgewichtes an Masse zugefügt oder weggenommen, bis der Lastvektor und das Moment, die auf das von den Teilen 167 und 169 gebildete Doppellager einwirken, so modifiziert waren, daß sich eine mehr erwünschte Auswuchtsituation ergab. Eine bevorzugte Massenänderung liegt im Bereich von .- 5 %.

Die in Fig. 13 dargestellte Anordnung übersetzt eine Drehbewegung der Greiferstange 156 in eine Schwenkbewegung eines Bügels 171. Lager 173 und 175 sichern den Bügel 171 gegen eine Verschiebebewegung, wenn die Greiferstange 156' hin- und hergeht. Keil- und Keilnutmittel 177 verbinden die Elemente zum Zwecke der Übertragung der Rotationsbewegung. Als Ergebnis hiervon schwenkt das Ausgangsende 179 entlang des Bogens 181 hin- und her. Durch entsprechende Gelenk- und Verbindungsmittel kann diese Schwenkbewegung beispielsweise dazu ausgenutzt werden, den Stoffschieber üblicher Nähmaschinen anzutreiben.

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Eine Auswuchtung des als Baustein ausgebildeten Kardanantriebs wurde mit der Absicht betrieben, die Einflüsse von Trägheitskräften auf die Betriebseigenschaft des Systems minimal zu halten oder zu eliminieren. Es wurde gefunden, daß das Maß, zu welchem unaufgelöste oder unausgeglichene Trägheitskräfte klein gehalten oder ausgeschaltet werden können, von der besonderen Bahn abhängt, über welche hinweg das Werkzeug durch seinen Antrieb geführt wird. Wenn die Trägheitskräfte im System nicht aufgelöst werden, kann ihre Anwesenheit zu fluktuierenden und zurücklaufenden Belastungen führen, welche ihrerseits eine gesteigerte Beanspruchung der Systemglieder und Stöße zwischen lose miteinander verbundenen Einzelteilen erzeugen könnten. Das Ergebnis hiervon waren höhere Geräuschpegel, stärkere Abnutzung und reduzierte Lebensdauer der belasteten Elemente.

Das Auswuchten des Systems kann von zwei verschiedenen Richtungen her angegangen werden. Der erste Anlauf erfolgt auf einer theoretischen Basis, wobei versucht wird, den Status der unaufgelösten Trägheitskräfte vorherzusagen und ihre Auflösungen vor der tatsächlichen Herstellung der Systemteile zu entwickeln. Ein zweites Verfahren verwendet die tatsächlich vorliegenden Systemteile und analysiert deren unaufgelöste Trägheitskräfte, welche auf Herste1lungstoleranzen zurückgehen, beispielsweise mit Hilfe einer Auswuchtmaschine. Diese zweite Methode ist ersichtlich gut bekannt und braucht daher nicht weiter erörtert zu werden.

Wird die Auswuchtung auf theoretischer Basis durchgeführt, wird ein hypothetisches Modell eines Kardanantriebs entwikkelt. In diesem besonderen Modell ist es aufgrund eines Verständnisses der unaufgelösten Trägheitskräfte möglich, eine vernünftige Auswahl der Lagermittel und Materialien sowie

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deren gegenseitige Zuordnung zu machen, um vernünftige Belastungspegel zu erhalten. Zusätzlich ist es möglich, die Massen der verschiedenen Elemente so zu proportionieren, daß sich Trägheitskräfte auflösen. Der erste Schritt in der Entwicklung des theoretischen Modells besteht darin, die Arbeitsweise und die Funktion des Kardangetriebesystems zu etablieren. Ein Kardangetriebe arbeitet spezifisch in einer dynamischen Weise und ist in der Lage, ein Ausgangselement oder Werkzeug entlang mehrerer, verschiedener Bewegungsbahnen anzutreiben. Solche Bahnen können beispielsweise von geradliniger, spiraliger, schraubenförmiger, ellipsenähnlicher Gestalt sein oder eine Kombination spiraliger, schraubenförmiger und elliptischer Bewegungsformen sein.

Daher wird vor der tatsächlichen Konstruktion die Bewegung des Werkstücks festgelegt und hierüber eine Entscheidung getroffen. Somit ist die geometrische Beziehung der Elemente des Kardanantriebs etabliert. Um die Entwicklung des mathematischen Modells zu erleichtern, werden besondere Annahmen über die physikalischen Eigenschaften des in Rede stehenden Systems gemacht. Zunächst werden alle Elemente des Mechanismus als starre Körper angenommen. Biegeeffekte werden im Hinblick auf ihre Einflüsse auf die Trägheitsauswuchtung als vernachlässigbar betrachtet. Zweitens wird angenommen, daß die natürliche oder Eigenfrequenz aller Elemente über der normalen Betriebsfrequenz des Kardangetriebemechanismus liegt. Drittens wird die Masse der verschiedenen mechanischen Komponenten zusammengefaßt. Somit braucht lediglich eine dynamische Analyse weniger, diskreter Punkte ausgeführt zu werden. Die Massenzusammenfassung besteht natürlich darin, daß die Massen aller Elemente als in ihrem Schwerpunkt kon-

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zentriert angenommen werden. Schließlich wird die Eingangswinkelgeschwindigkeit der Haupt- oder Eingangswelle konstant gehalten.

Die Einzelteile des Kardanantriebs werden in ihre Basisgruppen aufgelöst. Hierauf werden die dynamischen Trägheitskräfte der Hauptbasisgruppe analysiert. Diese Kräfte werden ,dann in der zweiten Basisgruppe überlagert und diese Gruppe wird dann ausgewuchtet. Die resultierenden Kräfte werden alsdann der dritten Basisgruppe überlagert, die dann als letzte ausgewuchtet wird. Wie in Fig. 12 dargestellt, schließt die erste Basisgruppe die Greiferstange 550 und alles an ihr angeordnete Zubehör wie auch den Gleitzapfen 552 der Kraftübertragungsmittel 554 ein, welcher an der Greiferstange befestigt ist. Die zweite Basisgruppe umfaßt die kleine Kurbel oder Ritzelwelle 556 und alles mit ihr verbundene Zubehör. Die dritte Basisgruppe umschließt die Hauptkurbel- oder Hauptantriebswelle 558 und alle an ihr angeordneten Elemente. In jeder Basisgruppe werden die Massen derart zusammengefaßt, daß sie dieselben Trägheitseigenschaften wie in der tatsächlichen Gruppe behalten. All dies führt zu einem vereinfachten, theoretischen Modell eines Kardanmechanismus, in dem wenige, punktförmig zusammengezogene Massen mit bestimmten, gegenseitigen Lagebeziehungen den wirklichen Mechanismus repräsentieren .

In Fig. 12 sind zwei räumliche, rechtshändige Koordinatensysteme eingerichtet, um die gegenseitigen Beziehungen der Basiskomponenten zu spezifizieren. Ein globales Koordinatensystem, als X¹- und Y'-System definiert, dient der Orientierung der Greifer- oder Ausgangsstange 550. Die Hauptantriebswelle 558 und die Ritzelwelle 556 hingegen werden bezüglich

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eines lokalen Koordinatensystems orientiert. Das lokale Koordinatensystem, als XYZ-System bezeichnet, liegt direkt auf dem globalen Koordinatensystem und kann um eine gemeinsame Achse rotieren, welches in Praxis die Z-Achse ist. Diese gemeinsame Z-Achse ist auch die Drehachse der Hauptantriebswelle 558. Um die Spitze des Werkzeuges 501 über bestimmte Bewegungsbahnen, beispielsweise spiralige oder spiraligelliptische Bewegungsbahnen hinweg anzutreiben, ist es erforderlich, daß das lokale Koordinatensystem bezüglich des globalen Systems verdreht oder schräggestellt werden kann. Der Winkel 560 liefert ein Maß für diese Schrägstellung. Dies bringt es mit sich, daß eine Koordinatentransformation benutzt wird, um von dam einen zum andern Koordinatensystem überzugehen. Beide Koordinatensysteme sind ortsfest und bewegen sich nicht bezüglich irgendwelcher Elemente des Kardangetriebes, wenn diese ihren Arbeitszyklus durchlaufen. Sowohl das globale als auch das lokale Koordinatensystem haben ihren Ursprung im Mittelpunkt 512 des Hauptlagers 514. Die interessierenden Ebenen, in denen verschiedene Basiskomponenten operieren, sind durch zwei Achsen eines gegebenen Koordinatensystems bestimmt.

Mit dem auf diese Weise festgelegten, theoretischen Modell können die mathematischen Gleichungen, welche dessen kinematische Eigenschaften bestimmen, entwickelt werden. Da die Trägheitskräfte der Greiferstange 550 und weiterer Komponenten in der ersten Basisgruppe nicht leicht in sich selber ausgewuchtet werden können, wird die Last auf die Ritzelwelle 556 übertragen. Der Punkt ihrer zusammengezogenen Masse ist bei 516 dargestellt. Wie sich weiterhin aus Fig. 12 ergibt, wird die Ritzelwelle durch drei zusammengezogene Massen 518, 520 und 522 und drei Punkte der Kraftwechselwirkung

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dargestellt. Diese Punkte der Kraftwechselwirkung entsprechen den beiden Lagern 536 und 538 des Doppellagers und dem Kraftübertragungsitiittel 554. Die Trägheitslast der Greiferstange 550 wird über einen Punkt der Kraftwechselwirkung übertragen, nämlich das Kraftübertragungsmittel 554, und die beiden Lagerungen des Doppellagers simulieren die Abstützung für die kleine Kurbel- oder Ritzelwelle 556. Der Innenzahnkranz 524 wird in der kinematischen Analyse nicht als Kraftwechselwirkungspunkt betrachtet und dient lediglich als geometrische Zwangsbedingung für die Ritzelwelle 556. Da die Ritzelwelle 556 zwangsläufig freitragend gelagert ist und auch wegen räumlicher Beschränkungen, ist es nicht einfach, die unaufgelösten Trägheitskräfte in zwei Ebenen auszuwuchten. Infolgedessen wird die mathematische Analyse der Ritzelwelle in einer einzigen Ebene ausgeführt (statische Auswuchtung). Dies ist eine parallel zu X und Y verlaufende Ebene, welche durch die zusammengefaßte Masse 520 des Gegengewichtes der Ritzelwelle geht. Die zusammengefaßten Massen des Doppellagers der Ritzelwelle und der Ritzelwelle selbst werden zunächst vernachlässigt, da sie auf der Drehachse liegen. Drei kinematische Positionsbeziehungen können für die Punkte zusammengefaßter Massen 518 und 520 des Gegengewichts und des Verbindungsarms der Ritzelwelle 556 sowie für den Punkt 504 der Kraftwechselwirkung des Werkzeuges entwickelt werden. Diese drei Beziehungen definieren allein die Beziehung der unabhängigen Variablen (Kurbelwinkel 526) zu den abhängigen Variablen (Position der Punkte bezüglich der Hauptwelle). Es ist eine weitere kinematische Positionsbeziehung erforderlich. Die Rotationsbeziehung des Greifers mit Bezug auf die unabhängige Variable wird benötigt, um dieses Subsystem voll zu bestimmen. Der Winkel 528 definiert den Betrag dieser Rotation. Der Winkel 544 bestimmt

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das Winkelverhältnis zwischen der Ritzelwelle 556 und dem lokalen Koordinatensystem. Dieses Verhältnis ist aufgrund der Zwangsverbindung des Ritzels 546 mit dem Innenzahnkranz eine feste Beziehung.

Die erste Ableitung dieser vier Beziehungen liefert die Geschwindigkeit der betrachteten Punkte. Die zv/eite Ableitung liefert die Beschleunigungen dieser Punkte. Die Anwendung des zweiten Newton'sehen Gesetzes der Kinematik bestimmt dann sowohl die Größe und die Richtung der unaufgelösten Trägheitskräfte, die in dieser besonderen XY-Ebene der Ritzelwelle 556 wirken. Dabei werden alle Massen und die entwickelten geometrischen Beziehungen in allgemeiner Form angesetzt, so daß Veränderungen an jeder Variablen vorgenommen werden können mit dem Zweck, das System zu optimieren. Wenn die Summation der Trägheitskräfte konstant bleibt und die Summation der Momente um die Drehachse der Ritzelwelle über eine volle Umdrehung der Hauptwelle hinweg (360°) gleich Null ist, kann die Ritzelwelle 556 als statisch ausgewuchtet in der XY-Ebene betrachtet werden. Dies heißt, daß die Ritzelwelle 556 als um ihre Hauptachse herum als ausgewuchtet angesehen wird. Es ist zu beachten, daß dann, wenn das Moment um die Ritzelwelle 506 gleich Null ist, die konstante, resultierende Vektorkraft radial um die Hauptwelle mit der Winkelgeschwindigkeit der Hauptwelle rotiert. Dies gestattet es, jene auf die Hauptwelle 558 wirkende Trägheitskraft dadurch auszuwuchten, daß man die Gegen-Auswuchtmasse 530 um 180° außer Phase einstellt und hierdurch ein Gleichgewicht der Kräfte umd Momente mit Bezug auf das Hauptlager erhält.

Die Analyse der Trägheitskräfte der Hauptwelle 558 erfolgt in zwei Ebenen (statische und dynamische Auswuchtung). Die

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Hauptwelle und die zugehörigen Elemente sind durch drei punktförmig zusammengefaßte Massen 530, 532 und 534 sowie drei Punkte der Kraftwechselwirkung repräsentiert, nämlich Hauptlager 514 und die beiden Lagerungen 536 und 538 des Doppellagers. Der erste Schritt bei der Auflösung der Trägheitskräfte der Hauptwelle besteht darin, alle von der Ritzelwelle 556 herrührenden Kräfte auf die Punkte der Kraftwechselwirkung in den Lagerungen 536 und 538 des Doppellagers zu übertragen. Diese Kräfte wirken auf die Hauptwelle 558 in gleicher Größe, jedoch in entgegengesetzten Richtungen. Wenn alle (übertragenen und auf Trägheit beruhenden) Kräfte und Momente, die auf die Hauptwelle 558 in der Mitte 512 des Hauptlagers 514 in zwei Ebenen wirken, gleich Null sind, kann die Hauptwelle sowohl statisch als auch dynamisch als ausgewuchtet angesehen werden. Da die übertragenen und auf Trägheit beruhenden Kräfte, welche auf die Hauptwelle 55 wirken, während eines Betriebszyklus der Hauptwelle konstant bleiben, braucht diese Welle nur in einer einzigen Position ausgewuchtet zu werden. Die Gegengewichtsmasse 530 der Hauptwelle kann unabhängig in den beiden Auswuchtebenen einjustiert werden. Diese beiden Ebenen sind die XY- und die YZ-Ebenen, die beide durch die Mitte des Hauptlagers verlaufen. Zur Verdeutlichung wird auf die orthographische Ebenendarstellung 540 in Fig. 12 hingewiesen. Dabei ist zu beachten, daß der Punkt 542 in die Zeichnungsebene hinein vorsteht.

Mehrere wichtige Aspekte ergaben sich als Ergebnis der Analyse. Zuerst iac zu beachten, daß die Masse eines Gegengewichtes, beispielüv/eiee 520, reduziert und weiter von der Drehachse weg angeordnet werden kann, wobei diese immer noch ihr Trägheitsgleichgewicht beibehält. Diese Tatsache kann an der

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Ritzelwelle 556 dazu ausgenutzt werden, um die konstanten, resultierenden Trägheitskräfte auf ein kleineres Ausmaß zu reduzieren, wodurch die Belastung an den Lagerstellen des Doppellagers reduziert wird. Das Ergebnis hiervon ist eine längere Lebensdauer des Doppellagers und eine geringere Beanspruchung der zugehörigen Teile. Zweitens ergibt sich aus der Analyse, daß es offensichtlich nicht erforderlich ist, die Ritzelwelle in zwei Ebenen auszuwuchten. Vielmehr ist lediglich eine statische Auswuchtung notwendig. Der resultierende Auswuchtzustand an der Hauptwelle 558 ist der gleiche ohne Rücksicht darauf, ob die Ritzelwelle 556 dynamisch ausgewuchtet ist oder nicht.

Die voranstehende Analyse kann auf wenigstens vier verschiedene Werkzeuge und ihre zugehörigen Bahnen angewandt werden. Jede dieser verschiedenen Bahnen oder Bewegungen stellt ihre eigenen, besonderen Beziehungen und Probleme. Es muß jedoch festgehalten werden, daß eine geradlinige Bewegung getrennt von der elliptischen, spiraligen oder schraubenförmigen und schraubenförmig-elliptischen Bewegung betrachtet werden kann. So erfolgt beispielsweise bei geradliniger Bewegung des Werkzeuges die Auswuchtanalyse unmittelbar. Theoretisch kann ein Kardangetriebe, welches ein Werkzeug auf einer geradlinigen Bahn antreibt, vollständig dadurch ausgewuchtet //erden, daß man die Gegengewichte der Ritzel- und Hauptwelle in geeigneter Weise auswählt, Mit Rücksicht auf unvermeidliche fters ta 1 lungs toleranzen ete. kann jedoch das theoretische Ergebnis nie vollkommen erreicht sondern lediglich angi.-.n:::iart werden. Die Auswuchtung dor elliptischen, ych raub en J lh , .iL:jen und schraubenförmig-elliptischen Ausgangsbewegungen a< "jigt Ln der gleichen Weise wie bei geradliniger Bewegung, L : muß jedoch nicht nur, wie zuvor erläutert, dan Wer'-.r-ug ;-. Lmg dar Llin i3:ichne der Greiferstange 500 hin- und hoiue.o' . wer-

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den, sondern es muß auch um diese Achse herum verdreht werden (vergl. den Winkel 528 in Fig. 12). Dies verursacht ein Trägheitsdrehmoment, welches um die Längsachse der Greiferstange herum wirkt. Eine Auswuchtung in konventioneller Weise löst dieses Drehmoment nicht auf. Wenn der Drehwinkel des Werkzeuges wächst, tut dies auch die Größe des Trägheitsdrehmomentes .

Es wurde gefunden, daß durch Einjustierung der Gegengewichtsmasse 520 an der Ritzelwelle die Trägheitsunwucht reduziert oder eliminiert werden kann. Wenn beispielsweise das Werkzeug über eine elliptische Bahn hinweg angetrieben wird, ist es möglich, ein vollkommen ausgewuchtetes System zu erzielen. Sowohl bei schraubenförmiger als auch schraubenförmig-elliptischer Bahn ist ein größerer Drehwinkel der Greiferstange erforderlich. In diesem Fall wird die Einjustierung der Gegengewi chtsmas se zur Ritzelwelle dazu ausgenutzt, um die Größe der Kraftfluktuationen und Momentenrückläufe auf das kleine Ritzel auf ein Minimum zu reduzieren. Die Gesamtauswuchtung dieser beiden Ausgangsbewegungsformen kann nicht in der theoretisch an sich möglichen Vollkommenheit erfolgen. Sie kann jedoch auf ein akzeptables Niveau gebracht werden, so daß der gesamte Kardangetriebemechanismus in annehmbarer Weise arbeitet. In diesen beiden Ausgangsbewegungsformen kann eine Getriebeumkehr auf die Ritzelwelle eliminiert werden, wodurch eine Kontrolle der Stöße auf das Getrieberitzel möglich ist. Wenn das Gegengewicht der Ritzelwelle in dieser Weise behandelt wird, erscheint die Ritzelwelle unausgewuchtet, wenn ein Versuch gemacht wird, sie um ihre Längsachse herum auszuwuchten. Wenn sie jedoch mit der gesamten Kardanantriebseinrichtung vereinigt ist, ist die GesamtanOrdnung, sobald sie um das Hauptlager 514 herum ausgewuchtet ist, im optimalen Auswuchtzustand.

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Die Verwertbarkeit der vorliegenden Erfindung wird weiterhin erläutert in mehreren schwebenden US-Patentanmeldungen mit korrespondierenden deutschen Patentanmeldungen. So zeigt beispielsweise die US-Patentanmeldung Ser. Nr. 904 204 (deutsche Patentanmeldung P ) eine Ausgangsbewegung auf einer elliptischen Bahn; die US-Anmeldung Ser. Nr. 908 199 (deutsche Patentanmeldung P ) zeigt eine schrauben- oder wendeiförmige Ausgangsbahn, die von einem ausgewuchteten Kardangetriebe erzeugt wird; die US-Patentanmeldung Ser. Nr. 904 207 (deutsche Patentanmeldung P ) zeigt eine Vorrichtung, die eine Ausgangsbahn entlang einer wendelförmig-ellipsenähnlichen Kurve erzeugt; die US-Anmeldung Ser. Nr. 904 203 (deutsche Patentanmeldung P ) zeigt eine Kraftübertragungseinrichtung, die den Kardangetriebebaustein mit der Ausgangsvorrichtung verbindet. Schließlich ist in der US-Patentanmeldung Ser. Nr. 904 205 (deutsche Patentanmeldung P ) eine aus Bausteinen aufgebaute Nähmaschine dargestellt und beschrieben, die eine Reihe von bausteinförmigen Kardangetrieben als Ausgangsvorrichtungen einschließt.

Das aus den Lagergarnituren 167 und 169 bestehende Lager der Ritzelwelle 3 6 ist im voranstehenden deshalb als "Doppellager" bezeichnet, weil diese Lagergarnituren im wesentlichen doppelt so schnell umlaufen, wie die Antriebswelle 14.

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Claims (8)

Patentansprüche :

1. Nähmaschine mit einer Getriebeeinrichtung zur Umwandlung einer Dreh- in eine Schraubenbewegung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: ein Kardangetriebe (154) mit einem eine geradlinige Bahn durchlaufenden Ausgangsmittelpunkt (164); einen ein Werkzeug (158) tragenden Arm (156); ein Lager (160), in dem der Arm (156) derart gehalten ist, daß er lediglich entlang seiner und um seine Hauptachse frei beweglich ist;

kraftübertragende Verbindungsmittel (102) zur Übertragung von Translations- und Rotationskräften vom Ausgangsmittelpunkt (164) zum Arm (156) und

durch eine schräge oder windschiefe Anordnung der geradlinigen Bahn des Ausgangsmittelpunktes (164) relativ zu der durch das Lager (160) vorgegebenen, geradlinigen Bahn des Armes (156).

2. Nähmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das Werkzeug (158) tragende Arm eine entlang ihrer Längsachse geradlinig hin- und herbewegliche Stange (156) ist.

3. Nähmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel (102) eine ebene Bewegung in eine räumliche Bewegung übersetzen.

4. Nähmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß das Werkzeug ein Stichbildewerkzeug, insbesondere ein Greifer (158) ist und die geradlinigen Bahnen des Ausgangsmittelpunktes (164) und des Armes (156) in zwei parallel im Abstand voneinander angeordneten Ebenen verlaufen.

5. Nähmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der das Werkzeug (158) tragende Arm eine gerade Greiferstange (156) ist.

6. Nähmaschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Greifer (158) der Ausbildung eines Stiches der Klasse 500 (USA-Norm) dient.

7. Nähmaschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kardangetriebe (154) ausgewuchtet ist und die kraftübertragenden Verbindungsmittel (102) eine in einer Lagerbuchse (106) drehbar gelagerte Kugel (104) umfassen.

8. Nähmaschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (158) auf derselben Schraubenlinie (161) hin- und hergehend angetrieben ist.

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